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超省エネ社会に貢献、「ダイヤモンド」パワーデバイスの実用へ前進

スマートジャパン 8月24日(水)7時10分配信

 金沢大学 理工研究域電子情報学系の松本翼助教授、徳田規夫准教授らの研究グループは2016年8月23日、ダイヤモンド半導体を用いた反転層チャネルMOSFETを作製し、その動作実証に成功したと発表した(図1)。産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター ダイヤモンドデバイス研究チームの山崎聡 招へい研究員、加藤宙光 主任研究員、デンソーの小山和博 担当課長らとの共同研究によるもので、これは世界初の成果だという。

 あらゆる産業でさらなる省エネを図る上で、Si(シリコン)半導体を用いた反転層チャネルMOSFETやIGBTといった「パワーデバイス」の高性能化に大きな注目が集まっている。自動車や新幹線、飛行機、工業機器、医療機器など、さまざまな機器の電力変換効率を高め、省エネに貢献できるからだ。

 現在のSi半導体はその物性値から性能限界が見えている。そこで注目されているのがSiC(シリコンカーバイド)半導体、GaN(窒化ガリウム)半導体といった「ワイドバンドギャップ」と呼ばれる半導体群だ。より省エネが図れる次世代パワーデバイスとして、新幹線やパワーコンディショナーに採用する事例も増えてきた。

 そしてこうした次世代パワーデバイスより、さらに高い熱伝導率や絶縁破壊電界を有し、大きな電圧や電流が必要な領域での大幅な省エネルギー化につながると期待されているのがダイヤモンドを用いた半導体である。より消費電力が少なく、さらに薄型化や軽量化も可能な究極のパワーデバイスを実現するとして注目が集まっている。

 しかし、実用に向けては課題が残る。高品質な酸化膜およびダイヤモンド半導体界面構造の形成が難しく、これまでパワーデバイスにおいて重要な「ノーマリーオフ特性」を持つダイヤモンド半導体を用いた反転層チャネルMOSFETは実現していなかった。ノーマリーオフ特性とは誤動作を防ぎ、消費電力を最小限に抑える特性のこと。パワーデバイスにおいて重要かつ最低限必要とされる特性だ。

ノーマリーオフ特性を確認

 今回、研究グループはダイヤモンド半導体を用いた反転層チャネルMOSFETの作成に取り組んだ。MOSFETとは、金属と酸化膜、半導体からなる界面を持つ電界効果トランジスタのこと。このMOSFETのゲート(酸化絶縁膜の上に金属の電極をつけた部分)に、母体である半導体と同じ極性のゲート電圧をかけると、MOS界面に少数キャリアが蓄積し、母体と反転した極性のチャネル(低抵抗層)が形成される。これが「反転層チャネル」である。パワーデバイスにおいて重要なノーマリーオフ特性を持つため、現在普及しているトランジスタの多くは反転層チャネルMOSFETである。

 研究グループは、ダイヤモンドを成長させる手法の1つである「マイクロ波プラズマ化学気相成長法」を用いてn型ダイヤモンド半導体を高品質化した。さらに「ウェットアニール」という熱処理技術で酸化膜およびダイヤモンド界面の高品質化を図り、反転層チャネルダイヤモンドMOSFETを作製。さらにその動作実証にも成功した。

 作製したMOSFETの動作を調べると、ノーマリーオフ特性を確認できた。ゲートにかける負電圧を大きくしていくと、MOS界面のn型ダイヤモンド半導体に空乏層が広がり、さらに負電圧を大きくすると少数キャリアである正孔がドレイン・ソース領域から流れ込むことで反転層チャネルが形成され、ドレイン電流が流れることがわかった。さらにドレイン電流の理想的な飽和特性、高いon/off比を確認できたという(図2)。

 研究グループは「世界で初めて反転層チャネルダイヤモンドMOSFETの動作が実証されたことで、ダイヤモンドパワーエレクトロニクスの時代は大きく切り開かれると考える。今後は、応用に必要な大電流化と高耐圧化を図るために、MOS界面のさらなる高品質化による移動度の向上、ドレイン領域に耐圧層の導入が必要になる」としている。

最終更新:8月24日(水)7時10分

スマートジャパン