早大発新興、省電力なダイヤモンド半導体 特許で先行 - 日経テックフォーサイト

2023/01/24 7:26

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2023年1月24日 5:00

早大発新興、省電力なダイヤモンド半導体
ハードウエア

特許で先行電機川原田氏が開発したダイヤモンド半導体の技術に基づいて試作デバイスの作製を目指す

優れた物性から「究極のパワー半導体」と目されるダイヤモンド半導体の開発が加速している。早稲田大学発のスタートアップであるPower
Diamond Systems（PDS、東京・新宿）は2025年ごろに試作デバイスを作製し、性能評価を始める予定だ。電力制御システムの小型化や高効率化が期待でき、自動車や鉄道、送電施設などで利用が見込まれる。開発競争が世界で熱を帯びるなか、デバイスのいち早い実用化を目指す。
ダイヤモンド半導体は、現在普及が進む炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に続く次世代パワー半導体として注目されている。高周波性能や高い放熱性、高電圧への耐久性など、パワー半導体として優れた特性を持つ。インバーターなど電力システムの小型化や電力損失の低減が可能になる。将来、電気自動車（EV）や再生可能エネルギーの送電システム、通信インフラや量子コンピューターなどへの採用が期待されている。
https://www.nikkei.com/prime/tech-foresight/article/DGXZQOUC236VN0T20C23A1000000

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PDSは、パワー半導体や高周波・高出力デバイス、それらを使ったインバーターなどの研究開発を手掛けるファブレス企業だ。早稲田大学教授でPDS取締役最高科学責任者（CSO）の川原田洋氏が開発した縦型ダイヤモンドトランジスタの作製技術などを基に試作デバイスを作製し、2025年ごろにも性能評価に取りかかる。パワー半導体として普及するのは2030年代以降になる見込みだ。
ダイヤモンド半導体の普及には10〜20年という長い時間がかかる見込みだが、草創期から開発に取り組むことで得られる先行者利益は大きい。SiCやGaNなどのパワー半導体では初期段階から開発に取り組んできた企業が現在も大きなシェアを占めている。PDS共同創業者で代表取締役最高経営責任者（CEO）の藤嶌辰也氏は「早い段階で優位なポジションを築いておくことが極めて重要だ」と語る。
今後、PDSは早稲田大学にある半導体研究の共用設備を活用して、デバイスの開発と実証を進める。国内外の半導体メーカーと協業して実用化に向けた検討を進め、ダイヤモンド半導体の市場を開拓していく計画だ。

早稲田大学には他大学や企業も利用できる半導体設備がある

パワー半導体の分野では、ロームや三菱電機、東芝など国内企業が高い競争力を持つ。ロジック半導体と異なり、パワー半導体では極端な微細化は
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求められないものの、製造プロセスに細かいノウハウが必要で参入障壁が高い。パワー半導体で実績を積んだ国内勢がダイヤモンド半導体にも参入すれば、大きな存在感を発揮できそうだ。
インバーターを小型・軽量化
川原田氏ら早稲田大学の研究チームは、1994年にダイヤモンド電界効果トランジスタ（FET）方式（早大方式）を開発するなど、早くからダイヤモンド半導体の研究開発に取り組んできた。パワー半導体に最適とされる縦型デバイスを世界で初めて開発し、特許取得などで先行する。今後は、高電圧・大電流に対応した「縦型・シリコン終端ダイヤモンドFET」を開発し、性能の検証を進めていく。

左は縦型ダイヤモンドデバイスのイメージ、右は試作したトランジスタ（出所:早稲田大学）

p型のダイヤモンドFETは、SiCやGaNなどのn型FETと組み合わせることで、インバーター回路の改良が見込める。例えば、必要なゲート駆動回路が減り、高周波化によるフィルター部品の小型化などで、最終的にインバーターの小型・軽量化に役立つ。モーターに応用すれば電磁ノイズを減らせるという利点もある。
川原田氏は「ダイヤモンド半導体の製造技術そのものはそこまで難しくない」と語る。いったん利用が広がれば市場成長が期待できると語る。基板

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として使う人工ダイヤモンドも製造技術が確立してコストが下がるなど、追い風が吹いている。
ダイヤモンド半導体の性能の向上に向けて、今後は回路構造の検討や製造プロセス・材料の改良などに取り組んでいく。ダイヤモンドは半導体に広く使われているシリコンと物性が大きく異なり、不純物添加（ドーピング）など一般的な半導体プロセスを適用できない場面もある。ダイヤモンドは硬く加工が難しいので、基礎研究の積み重ねが欠かせない。
電力損失はSiCの5分の1
ダイヤモンド半導体を電子機器に採用した場合、高効率なSiCと比べてもインバーターの電力損失を5分の1以下に減らせる。一般的なシリコン（Si）製半導体と比べれば10分の1以下になり、周辺回路の損失もさらに減るという。EVや家電製品、電力インフラのインバーターなどに採用が進めば、二酸化炭素（CO₂）の排出量は1058万トン削減できる試算になる。国内の年間CO₂排出量は約10億トンなので、ダイヤモンド半導体を採用するだけでCO₂排出量を1%減らせることになる。
富士経済の予測によれば、2030年のパワー半導体の世界市場は2021年比で2.6倍の約5.4兆円に成長するという。省電力化のニーズからSiCやGaNなどの需要は高まる見込みで、ダイヤモンド半導体も将来は大きな需要が期待できそうだ。
ダイヤモンド半導体の研究開発では、日本だけではなく米国や中国などで開発競争が激化しているという。試作回路の性能では目まぐるしくトップが入れ替わっている状況だ。資金調達力のある海外と比べて、日本の研究資金は潤沢とはいいがたい。PDSは2022年11月、早稲田大学発のベンチャーキャピタル（VC）である早稲田大学ベンチャーズ（WUV）から創業投資として1億円を調達した。早稲田大学の半導体研究設備の活用も進める。
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早稲田大学には他大学や企業も利用できる半導体研究の共用設備があり、組織間の連携を深めやすい。こうした環境を生かし、ダイヤモンド半導体の研究開発で先行したいところだ。
（NIKKEI Tech Foresight/日経クロステック 佐藤雅哉）
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