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【研究者】

　代表者：嘉数　誠

　分担者：サハ　ニロイ（佐賀大）、金　聖祐 (アダマンド並木精密宝石)、大石　敏之（佐賀大）　

 

【研究成果の概要】

　国立大学法人佐賀大学（以下、「佐賀大学」。本部：佐賀県佐賀市本庄町1番地。学長：兒玉 浩明）は、新動作原理による次世代の究極のパワー半導体ダイヤモンド半導体デバイスを作製し、世界最高水準の出力電力を得ることができました。エネルギーの利用効率を高め、カーボンニュートラルの実現とともに、通信量の膨大化により開発が急がれるBeyond 5G基地局からの出力の飛躍的向上や、未だ真空管が使用されている通信衛星の半導体化が実現できるようになることが期待されます。

　佐賀大学は、アダマンド並木精密宝石株式会社（以下、「アダマンド並木精密宝石」。本社：東京都足立区新田3-8-22。社長：並木里也子）と共同で、新動作原理に基づく次世代のパワー半導体のダイヤモンド半導体デバイスを作製し、世界最高水準の出力電圧および電力を得ることができました。ダイヤモンド半導体は、従来のシリコン、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、と比べ、放熱性や耐電圧性に優れており、地上はもちろんのこと宇宙空間でも安定に動作させることができます。

　ダイヤモンドは、半導体素材として究極の特性を有することが理論的に知られており、高周波で大電力性能のパワーデバイスとして世界中で研究が行われてきましたが、これまでは、デバイスの電流値が理論予想値より極めて低く、デバイス寿命が極端に短いという課題を抱え、基礎研究段階に留まっていました。

　佐賀大学とアダマンド並木精密宝石の研究チームでは、アダマンド並木精密宝石が開発した高純度で従来より大口径のダイヤモンドウェハに、佐賀大学が考案した新たな動作原理のダイヤモンド半導体デバイスを実際に作製したところ、飛躍的に電力性能が向上し、デバイスの劣化を抑えることができました。

　今回のデバイス電力性能は、ダイヤモンドとしては世界最高で、現状では研究開発の進むシリコンカーバイドや窒化ガリウムに近い値ですが、今後研究開発が進むことで、これらを凌駕する性能が得られることが期待されます。

 

＜新ダイヤモンド半導体デバイスの特徴＞

・究極のパワー半導体物性をもつダイヤモンド半導体

・大口径で高純度のダイヤモンドウェハ結晶の製造技術（現在1インチ）

・新動作原理によるデバイス構造を考案（特許出願中）

・世界最高レベルの179MW/cm²の高出力電力

・Beyond5G携帯基地局および電気自動車電力制御用デバイスに最適

・宇宙空間でも真空管を置き換えて長期的に使用できる信頼性

 

＜開発の背景＞

　近年、通信の大容量化に伴い、半導体電子デバイスの高周波数化と高出力化が求められています。携帯端末であれば周波数・出力は1.5GHz・１Ｗ程度で済みますが、通信衛星、テレビの放送地上局などでは10GHz・1kWレベル以上、Beyond5Gでは100GHz・10０Wレベル以上の高周波・高出力化が必要になっています。しかし、これらの周波数帯域では、半導体電子デバイスがまだなく、未だに真空管が用いられているのが現状です。いうまでもなく真空管は半導体に比べ効率が低くエネルギーロスが大きいため、環境保全の観点からも半導体化が課題となっていました（図１）。

　半導体の素材については、シリコン、シリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)などが実用化段階に入っていますが、理想的なダイヤモンドができた場合は、その物理性質上から、SiCやGaNを超える周波数、出力が得られることが理論上わかっています。理想的なダイヤモンドは、シリコンに比べて、約５万倍の大電力高効率化、約１２００倍の高速特性が期待されます（図２）。これは、ダイヤモンドが半導体の中でも最大の熱伝導率があり放熱性が良く、絶縁破壊電界強度（*1）が高いため長寿命であるばかりでなく、キャリア移動度(*2)は非常に高いからです。そのためダイヤモンドは、高周波パワーデバイスとして最も適した究極の半導体と見られてきました。

　しかし、これまで人工のダイヤモンドは４ミリ角のものが一般的で、ダイヤモンド半導体デバイスは動作していたものの、電流値が低く、すぐに劣化してしまうため、究極の半導体ではあるが、実用化は容易ではないとされてきました。

 

＜技術のポイント＞

<1>大口径で高純度のダイヤモンドウェハ結晶の製造技術

　アダマンド並木精密宝石は大口径で高純度のダイヤモンドウェハ結晶作製技術を開発しました（図３）。これまでのダイヤモンド人工ダイヤモンド結晶は４ｍｍ角程度の寸法しかありませんでした。しかしサファイア基板上にマイクロニードル法（*３）により、1インチ（1インチは２５．4mm）まで大口径で高純度のダイヤモンドウェハ結晶成長の量産化ができるようになりました。サファイア基板のサイズは6インチまであるため、今後、さらなる大口径化が可能となります。

 

<2>新動作原理のダイヤモンド半導体デバイスを考案

　従来のダイヤモンドデバイスは電流値が極めて低く、デバイス寿命は極めて短いという課題がありましたが、従来の構造では、アクセプタ不純物のあるドーピング層（*4）

 

とキャリア走行層（*4）が近接していたため、走行するキャリアはドーピング層のアクセプタ不純物の影響を受け、ダイヤモンド本来の高いキャリア移動度を出すことができませんでした。また、デバイス寿命の短い原因が、ドーピング層中の酸素とキャリア走行層中の水素の化学反応によることを突き止めました。

　そこで、ドーピング層をキャリ走行層から８ナノメートル（ナノは１０億分の１）だけ、空間的に分離する新動作原理を考案し、ダイヤモンド半導体デバイスを作製しました（図４）。新動作原理のダイヤモンド半導体デバイスは、ダイヤの本来の高キャリア移動度に近い値をデバイス特性として示しました（図５）。またダイヤモンド半導体デバイスは電力で179MW／ｃｍ^２（メガは１００万倍）を示しました（図６）。これは、ダイヤモンドでは世界最高であり、従来のダイヤモンドの８ＭＷ／ｃｍ^２の約20倍の値で、世界中で研究開発が活発なＧａＮに1桁まで迫る値です（図７）。今後、デバイス周辺技術が確立すれば、数年後にはＢｅｙｏｎｄ５Ｇ実用化レベルの出力３０００MＷ/ｃｍ^２に到達できるという目途が立ちました。

 

【今後の展開】

　今後、ダイヤモンドデバイスの周辺技術の開発を進め、出力３０００MＷ／ｃｍ^２を目標に、Ｂｅｙｏｎｄ５Ｇ用パワー半導体デバイスの実用化に取り組みます。

 

＜用語解説＞

*1　絶縁破壊電界強度

　半導体にある一定値以上の高電圧を加えると、半導体は破壊されてしまいます。この現象を絶縁破壊といいます。この現象が起こる電界強度値は絶縁破壊電界強度といいます。絶縁破壊電界強度は物質の種類によって決まります。絶縁破壊電界強度が高い半導体ほど、高電圧で半導体デバイスを動作させることができるので、高出力半導体デバイスとして有利です。ダイヤモンドは最も丈夫な半導体のため、絶縁破壊電界強度が非常に高いという特徴があります。

*2　キャリア移動度

　半導体デバイスは、キャリアの走行を制御することで機能します。キャリアは半導体素子の機能をつかさどる担体（電子、ホール）のことです。ダイヤモンドは、本来のキャリア移動度が高いという特徴があります。キャリア移動度が高いほど高周波で動作させる半導体デバイスとして有利です。しかし、これまでダイヤモンド半導体は、不純物などによりキャリア移動度が極端に低下する問題がありました。

*３　マイクロニードル法

　ダイヤモンド層の結晶成長の途中で、数マイクロメートル径で数十マイクロメートルの長さのダイヤモンドの針（ニードル）を、十マイクロメートルの間隔で縦横に並べた層構造を作製する方法。この層構造でダイヤと基板材料の間の応力を吸収できるため、大口径のダイヤモンドの成長が可能になった。針の並んだ構造が、華道で使う剣山に似ていることから、この方法を使って成長したダイヤモンドを剣山ダイヤモンドと呼んでいる。

*4　ドーピング層、キャリア走行層

　キャリアを生成する方法として、アクセプタ不純物をドーピング（添加）する必要がありますが、それをおこなった層をドーピング層と言います。また生成されたキャリアが走る層をキャリア走行層と呼びます。

 

説明資料

 

【研究成果の公表媒体（論文や学会など）】

M. Kasu, et al, “Fabrication of diamond modulation-doped FETs by NO₂ delta doping in an Al₂O₃ gate layer”, Applied Physics Express 14, 051004 (2021). https://doi.org/10.35848/1882-0786/abf445

 

【教員活動ＤＢのリンク先】

　嘉数　誠

　https://research.dl.saga-u.ac.jp/profile/ja.2d82a58bcbe158ac.html

 

【連絡先】

佐賀大学

（研究）理工学部　教授　嘉数　誠　

　　E-mail　kasu(at)cc.saga-u.ac.jp

　　TEL  0952(28)8648

（報道）広報室

　　E-mail　sagakoho(at)mail.admin.saga-u.ac.jp

　　TEL 0952(28)8153

 

アダマンド並木精密宝石株式会社

（研究、報道）精密宝石事業統括本部　内田　秀明 (UCHIDA Hideaki)

　　E-mail　uchida(at)ad-na.com

　　TEL  03-3919-2200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<Background>

Recently, there is an increasing demand for high-frequency high-power electronic devices that can operate at high frequencies, which offer higher bandwidth potential, to accommodate the rapid increase of the network capacity of communication networks. Specifically, a portable telephone needs only about 1 W at 1.5 GHz, but communication satellites and television broadcasting stations require 1 kW at 10 GHz, and Beyond-5G communication base stations require 100 W at 100 GHz (Fig. 1). In the 10-GHz frequency region, vacuum tubes are still being used for electric power generation and amplification. However, they require a high operating voltage and has a high-power consumption, resulting to a low energy efficiency yield and high energy loss. In contrast, from the environmental viewpoint, these vacuum tubes should be replaced by semiconductors.

 

Moreover, two important wide bandgap semiconductors suitable for power applications that silicon include silicon carbide (SiC), and gallium nitride (GaN). However, in theory, diamond semiconductor devices exhibit superior physical properties, including high thermal conductivity, high breakdown field strength (*1), and high carrier mobility (*2), which allow significant reduction of the losses, rapid heat dissipation, and increase in device longevity. Moreover, it can operate 50 000 times higher output-power and energy-efficiency and 1200 times higher frequency than silicon devices (Fig. 2), owing to its excellent properties. Therefore, diamond is expected to be the ultimate semiconductor, which is the most suitable for high-frequency high-power electronic devices.

 

 

<Technology>

(1) Technology for growing wide-scaled high-pure diamond wafer

As mentioned previously, the commercially available diamond single-crystal plate was limited to 4 mm. However, Ad-Na developed a mass-production technology for growing 1-inch wide-scaled high-pure single-crystal diamond wafers using the microneedle method (*3) on a sapphire substrate (Fig. 3). The maximum size of the commercially available sapphire wafer is 6 inches, and therefore the size of the diamond wafer can be expanded up to the maximum sapphire wafer size.

 

(2) Diamond semiconductor device operated using a novel principle

Up until now, diamond semiconductor devices experience a very low current level and short operation lifetime. In the previous structure, the doping layer (*4) that includes the acceptor impurities and the carrier transport layer (*4) are close in proximity, affecting the running carriers electrically, and their mobility was limited to an extremely low value. In addition, the chemical reaction of oxygen in the doping layer and hydrogen in the carrier transport layer resulted to a shorter lifetime of the device.

 

<Future>

SU is now developing premedical technologies towards applications in Beyond-5G communications, whose target output power density is 3000 MW/cm².

 

<Definitions of terms>

*1 Breakdown field strength

Semiconductors can be damaged when applying a voltage that is higher than a certain threshold value (i.e., breakdown limit). This phenomenon is called breakdown. The high electric field that limits the occurrence of breakdown is called breakdown field strength, which greatly depends on the type of material used. A material with a high breakdown field strength can be used in high-voltage operation such as in high power semiconductor device. Diamond is a hard material and has a very high breakdown field strength.

*2 Carrier mobility

Carriers are electrons or positive holes, and their velocity governs how a semiconductor device will perform. Intrinsically, diamond material possesses high carrier mobility, resulting to a possible operation of the diamond semiconductor at higher frequencies. Hitherto, the high mobility was drastically limited by impurities.

*3 Microneedle method

In the diamond layer growth, the layer structure with a two-dimensional array of diamond needles with a few microns diameter, a few tens of microns in length, and 10 micron in pitch is fabricated. The layered structure absorbs tension between the diamond and substrate material, enabling the wide-scaled diamond wafer growth. The layered structure with an array of microneedles resembles the Kenzan used in flower arrangement. Thus, the diamond was fabricated using the Kenzan Diamond® method.

*4 Doping and carrier transport layers

For the purpose of generating carriers (electrons or holes), donor or accepter impurities were doped in the layer. This layer is called the doping layer. Meanwhile, the layer in which carriers are being transport is called the carrier transport layer.

 

Explanatory materials

 

 

Open medium

10. Kasu, et al, “Fabrication of diamond modulation-doped FETs by NO₂ delta doping in an Al₂O₃ gate layer”, Applied Physics Express 14, 051004 (2021). https://doi.org/10.35848/1882-0786/abf445

 

【University Staff Activity ＤＢ】

https://research.dl.saga-u.ac.jp/profile/ja.2d82a58bcbe158ac.html

 

 

For further information please contact:

 

Makoto Kasu

　Department of Electric and Electronic Engineering, Saga University

　Tel: 0952-28-8648

　E-mail address: kasu(at)cc.saga-u.ac.jp

 

 

Uchida Hideaki

　Adamant Namiki Precision Jewel Corporation

　Tel: 03-3919-2200

　E-mail address: uchida(at)ad-na.com