佐賀大学理工学部の嘉数誠教授率いるグループが、世界で初めてダイヤモンドを使用した半導体パワー回路の開発に成功しました。これにより、従来難しいとされてきた高速スイッチングや長時間の動作が可能になりました。このパワー回路が実用化されれば、次世代通信規格である「6G」や量子コンピューターなどの最新技術への応用が期待されます。
従来の半導体材料であるシリコンなどと比べて、ダイヤモンドは高電圧に耐えられる上、高速かつ高い周波数での動作が可能であり、宇宙など放射線が強い環境でも使用できる特性を持っています。そのため、次世代のパワー半導体としてダイヤモンド半導体の開発が注目されています。
しかし、ダイヤモンドを半導体として利用する際には、ドーピングと呼ばれる不純物の添加技術やパッシベーションという保護膜の技術が難しいとされてきました。多くの研究者が失敗する中、嘉数教授のグループはダイヤモンドに二酸化窒素を添加する技術や、独自のALD（原子層堆積）装置を用いて酸化アルミニウムの薄膜を形成する方法を開発し、安定的にダイヤモンド半導体デバイスを製造することに成功しました。2022年には、世界最高の出力電力（875MW/cm2）と出力電圧（3659V）を報告しています。
パワー回路として動作させる際に、ダイヤモンド半導体の劣化が早く、長時間の動作が困難とされていました。嘉数教授のグループは、実用化を考えたパワー回路の製造に取り組みました。ダイヤモンドが金属との付着力が弱い性質を考慮しながら、金線ワイヤーを使用してダイヤモンド半導体デバイスを外部のプリント基板に接続する方法を開発し、実用回路として動作させることに成功しました。
さらに、ダイヤモンドパワー回路のスイッチング特性や長時間動作の特性が実証され、実用化に向けた研究開発が進む見通しです。佐賀大学はこの成果により、「半導体・オブ・ザ・イヤー2023」に選ばれました。嘉数教授は、産学連携を通じて早期に実用化を目指す意向を示しています。
この研究は日本学術振興会の科学研究費助成事業を受けて行われ、関連する論文は米国の電気電子学会の「エレクトロン デバイス レターズ」に掲載されています。
A research team led by Professor Makoto Kasu of the Faculty of Engineering at Saga University has achieved the world's first successful development of a semiconductor power circuit using diamonds. They demonstrated capabilities previously deemed difficult, such as high-speed switching and long-term operation. If the power circuit can be commercialized, it holds promise for applications in next-generation technologies such as "6G" communication standards and quantum computers.
Diamonds, compared to conventional semiconductor materials like silicon, have superior properties in terms of withstanding high voltage, operating at high speeds and frequencies, and being usable in high radiation environments such as space. Therefore, there has been increasing interest in the development of diamond semiconductor materials for next-generation power semiconductors.
However, incorporating diamonds into semiconductors has been challenging due to the difficulty of doping, which involves adding impurities, and passivation, which involves applying protective layers. While many researchers have faced failures, Professor Kasu's group has established techniques for doping diamonds with nitrogen dioxide and depositing thin films of aluminum oxide using their unique atomic layer deposition (ALD) apparatus under vacuum conditions. They succeeded in reliably producing diamond semiconductor devices and reported the world's highest output power (875MW/cm2) and output voltage (3659V) in 2022.
When operating diamond semiconductor power circuits, rapid degradation and long-term operation have been challenging issues. Professor Kasu's group tackled the practical implementation of power circuits. Due to diamonds' weak adhesion to metal electrodes, they developed a method of connecting diamond semiconductor devices to external printed circuit boards using tension-controlled gold wire bonding, enabling them to operate as practical circuits.
Furthermore, the characteristics of switching and long-term operation of diamond power circuits have been demonstrated, paving the way for further research and development towards practical implementation. Saga University's achievements in this field led to its recognition as "Semiconductor of the Year 2023" by the semiconductor industry publication Electronic Device Industry News. Professor Kasu expressed his intention to expedite practical implementation through collaboration between academia and industry.
This research was supported by the Japan Society for the Promotion of Science's Grant-in-Aid for Scientific Research, and related papers have been published in the May and June issues of the Electron Devices Letters by the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).