電動化の拡大

低消費電力、高速・大容量通信の革新的基盤となるダイヤモンドパワー半導体

パワー半導体の省電力化は、電力消費の削減につながり、省エネや脱炭素社会の実現に貢献します。

現在、多くのパワー半導体材料にはシリコンが使用されていますが、近年ではSiCやGaNといった次世代材料の導入も進んでいます。中でもダイヤモンドは、高耐圧特性や高周波特性に優れ、消費電力を大幅に低減できることから、究極のパワー半導体材料として注目されています。

しかしながら半導体用のダイヤモンド基板は高い品質が求められ、その基板上に素子を形成するためのプロセスは複雑であり特殊です。またパワーユニット用の半導体として使用する場合には、ダイヤモンド半導体の強味を活かした新しい回路設計技術が求められます。それ以外にも実用化するためには乗り越えなくてはならない多くの課題があります。

Hondaはこの究極といわれるダイヤモンドパワー半導体について、デバイス研究だけでなく素材から実装技術まで一貫した研究をおこなうことで、社会全体の電力消費を大幅に削減することを目指しています。

地球にやさしい究極パワー半導体材料としてのダイヤモンド

パワー半導体としての優れた特性

ダイヤモンドはパワー半導体に求められる高圧特性を示すバリガ性能指数や高周波特性を示すジョンソン性能指数が高い材料です。また広いバンドギャップや高い熱伝導率など、他の材料と比べて多くの特性が優れており、究極のパワー半導体材料と呼ばれています。
またダイヤモンドは全て炭素原子からできており、半導体用素材として用いる場合は高温のプラズマでメタンガスを分解して合成された単結晶基板を使用します。このため地球から原材料を採掘する必要がなく、合成には再生可能エネルギーを用いることによってカーボンニュートラルで地球にも優しい素材といえます。

ダイヤモンドMOSFETのアンペア級高速スイッチング特性を世界で初めて^※実証

Hondaは国立研究開発法人産業技術総合研究所との共同研究により、ハーフインチサイズの単結晶ダイヤモンド基板上に安定した性能を有する微細なパワーMOSFET（金属・酸化膜電界効果型トランジスタ）を形成し、これらの複数素子を選択的に接続できる集積化構造を構築しました。これにより、世界で初となるアンペア級電流における動作を可能とするダイヤモンドMOSFETデバイスによる高速スイッチングを実証しました。
これまではダイオードやミリアンペア級のトランジスタでのみスイッチング動作が報告されていましたが、このような大電流でのダイヤモンドパワー半導体によるスイッチング動作の実証は今後の研究に弾みがつくだけでなく、ダイヤモンドパワー半導体の実用化に向けての大きな前進と言えます。

※Honda調べ

■ダイヤモンドMOSFETの試作

■アンペア級高速スイッチング特性を世界で初めて実証

※原論文の図を引用・改変したものを使用しています。
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1882-0786/adba3a

ダイヤモンドパワー半導体の社会実装に向けた技術構築

Hondaが世界で初めて実証した、ダイヤモンドMOSFETデバイスによるアンペア級電流の高速スイッチング技術は、これまでの1,000倍近い電流を制御したものであり、ダイヤモンドパワー半導体の社会実装に向けた大きな一歩です。さらに研究を進め、この優れた材料を活用した半導体技術を構築し社会実装することができれば、快適で便利な未来社会をカーボンニュートラルで実現するための大きな原動力になると考えています。

これはHondaが素材からデバイス設計、製造プロセス、回路設計、デバイス実装までを一貫した研究を続けてきたことによる成果であり、これからも夢の技術の実現に向けて果敢にチャレンジしていきます。