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究極のパワー半導体「ダイヤモンド半導体デバイス」世界最高水準の出力 実用化にめど 洋上風力発電など送電用にも

究極のパワー半導体「ダイヤモンド半導体デバイス」世界最高水準の出力 実用化にめど 洋上風力発電など送電用にも

EnergyShift編集部
2021/04/22

佐賀大学の嘉数誠教授のチームは、究極のダイヤモンド半導体デバイス(パワー半導体)を作製し、世界最高水準の出力電力を得ることに成功した。パワー半導体のエネルギー利用効率の高効率化はカーボンニュートラルのカギになる。

パワー半導体とは、交流を直流にする・電圧を下げるなどの電力の制御を行う半導体デバイスだ。ダイオードやトランジスタで行う電力制御に比べ電力ロスが小さく、電力変換時の要とされる。

ダイヤモンドはその特性から、半導体の材料として究極の特性を持つと考えられている。特に高周波で大電力性能のパワーデバイスとして利用できる材料として知られており、世界中で研究がおこなわれてきた。しかし、今まではデバイスの電流値が理論予測より低くしかでず、デバイスの寿命も短く、基礎研究からでることがなかった。

ダイヤモンド半導体は従来のシリコンや窒化ガリウムと比べ、放熱や耐電圧性に優れている。

佐賀大学と共同研究をおこなった「アダマンド並木精密宝石」は、サファイアの基板上に世界最大1インチのダイヤモンドウェハ(集積回路基板)を成長させることに成功。

さらに、佐賀大学が開発した新たな動作原理に基づく半導体デバイスを実際に作製。測定したところ、飛躍的に電力性能が向上し、デバイスの劣化も抑えることができたという。

今回の実験で得られたデバイスの電力性能(179MW/cm2)はダイヤモンドとしては世界最高値(従来のダイヤモンド半導体での性能は8MW/cm2)。

シリコンカーバイドや窒化ガリウムなど、研究開発の進む他の素材とは近似値だが、今後凌駕する性能も十分期待できるという。目標は300MW/cm2

ダイヤモンド半導体のパワーデバイスの利用先としては、通信の6G環境構築、航空・宇宙分野、量子コンピュータをはじめ、EVの制御用パワー半導体、大型の発電施設、たとえば大型洋上風力発電の送電用パワー半導体にも用途が広がるという。

現在の課題はダイヤモンドの研磨にかかるコストだ。いますぐシリコンに変わることはないが、コスト高でも有利な箇所では使われることが想定される。

嘉数教授は佐賀新聞の取材に「ゆっくりしていると米国や中国に追い抜かれる。日本を再び半導体大国にしたい」とコメントした。

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