2024.8.21
次世代のパワー半導体はダイヤモンド？ 究極材料“ダイヤモンド半導体”の正体とは
Power Diamond Systems代表取締役CEO（共同創業者）藤嶌辰也【前編】
究極の半導体として期待されながら、技術的課題が多く立ちはだかり実用化には遠いとされてきたダイヤモンド半導体。しかし早稲田大学発ベンチャーの技術を基に設立されたスタートアップ「Power Diamond Systems（パワー・ダイヤモンド・システムズ：以下、PDS社）」が画期的なダイヤモンド半導体パワー素子の試作に成功するなど、急速に社会実装の可能性が高まってきた。PDS社で代表取締役CEO（共同創業者）を務める藤嶌辰也氏にダイヤモンド半導体の現在地、未来を聞く。
（＜C＞メイン画像：phonlamaiphoto / PIXTA＜ピクスタ＞）
電力をつかさどるパワー半導体とは？
電気を通す導体と絶縁体の中間の抵抗率を持ち、導電性を変化させることのできる半導体の発見やトランジスタなどの半導体素子の発明は、人々の生活を一変させた。今や私たちの周りにはスマートフォンや自動車、電化製品など、半導体が内蔵された製品があふれている。一方で、最近では世界的な半導体不足が発生し、さまざまな分野に影響が出たことも大きなニュースとなった。
半導体の中でも、微弱な電流、電圧で扱われる通常の半導体に対して、電圧や周波数を変える、直流を交流に／交流を直流に変えるなどの電力変換に用いられ、比較的大きな電流、電圧を扱うものを「パワー半導体」と呼ぶ。発電した電力を系統に送るところから、電源や電化製品に電力を供給するまで、電力を扱うあらゆる場面で必要となるデバイスだ。
「電気自動車（以下、EV）や産業機器などに搭載されるモーターを動かす、あるいはエネルギーインフラの電力を制御するといったシーンでスイッチのような役割を果たすデバイスがパワー半導体です。それらをいくつか組み合わせて、システムにしたものはパワーモジュールと呼ばれていますが、デバイス単体としての役割は、電流をオンオフすること。オンにしたときには銅線でつないだように全く抵抗がなく、オフにしたときには絶縁体のように全く電流が流れない、パワー半導体にはそうした要件が求められます」とPDS社代表取締役CEO（共同創業者）の藤嶌辰也氏は解説する。
次世代半導体材料に関する豊富な知識とビジネス経験を併せ持つ藤嶌氏。パワー半導体についても分かりやすく解説してくれた
PDS社は、ダイヤモンド半導体研究の第一人者である早稲田大学の川原田 洋教授がこれまで研究を進めてきた要素技術を基盤に、パワー半導体デバイスの研究開発を行うスタートアップとして2022年に創業。藤嶌氏は企業や大学で次世代半導体材料の研究に携わってきた知識、さらにスタートアップでのビジネス経験を買われて同社のCEO（最高経営責任者）に招かれた人物だ。
藤嶌氏が言うように、パワー半導体は電力の“供給”を担う部分に用いられる。それだけに万一故障してしまうと大きなトラブルになりかねない。さらに通常よりも大きな電流、電圧がかかる部品であるということは、それに伴って大きな負荷がかかり、熱も発生する。そうした負荷や熱に負けない耐久性、信頼性もパワー半導体に求められる重要な要件だ。
テスラは「モデルS」の駆動モーター用インバーターに、炭化ケイ素（SiC）パワー半導体をいち早く採用した
現世代になりつつある次世代半導体
メモリやロジックといった一般的に知られる半導体もパワー半導体も、主材料には長らくシリコンが使われてきた。シリコンとはケイ素（Si）のことで、地球上に存在する元素のうち2番目に多い。材料として調達しやすいこと、そして加工しやすいことを主な理由として、長らく半導体材料の主役となっている。
しかし、シリコンにも課題はある。その一つは、大きな電流や電圧を流す際に発生する発熱や、エネルギーの損失が大きいことだ。しかし、これまで使われてきた実績、信頼性に加え、コストの安さという絶大な長所に代わるほどのものはなく、放熱や冷却のための装置を設けるなどの工夫でしのいできた。
そうした状況が最近になって少しずつ変わりつつある。半導体材料として新たに、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を用いたものが登場し始めたのだ。
「SiCなどのパワー半導体が普及してきた状況は、ダイヤモンド半導体にとっても追い風です」と藤嶌氏は語る
「最近、EVや鉄道用車両のインバーター（直流電流を交流電流に変換し、電圧や周波数を変換する装置）などで使われるようなパワー半導体に、SiCを用いたものが増えてきました。より高度な省エネ性能が求められるようになった現代、SiCを使ったパワー半導体はますます増えていくでしょう。一方、GaNには前述の通りオンオフの切り替えを早く行える特性があり、SiCよりも少し低い電圧、電流のパワー半導体、例えばPCやスマホ、タブレットなどの充電用アダプターなどで使われ始めています。そうした新しい半導体材料への投資競争も熱を帯びてきました」と藤嶌氏は語る。
生活環境から移動手段まであらゆるモノが電化していく過程で、いかにエネルギー効率を良くしていくか、というチャレンジの中で新材料の研究開発が進み、実装されるに至った。これまでSiCは“次世代半導体”と呼ばれていたが、新幹線や最新EVなどわれわれの身近なところでも実装が進んでいる状況を考えると、もはや“現世代”になった、と言っていいだろう。GaNについても普及が進みそうだ。
美しいだけじゃない、ダイヤモンドの長所
そして、SiCやGaNの次に来る半導体材料の最有力候補こそ、ダイヤモンドと目されている。半導体材料としてのダイヤモンドには、どのような特性があるのだろうか？
「ダイヤモンドが持つ大きな特徴の一つに、熱伝導率が非常に高いことが挙げられます。ダイヤモンドは放熱板に使われることがあるほど熱伝導率が高く、SiCやGaNと比べても段違いの性能です。熱伝導率が高い半導体を使うと、熱を逃がすためのシステムを小さくすることができ、軽くなるというメリットがあります。
PCや電化製品などを見ても分かるように、半導体は電流を流して稼動させると熱が発生し、放熱するためのファンなどが必要になります。小型化や軽量化が重視されるモビリティ分野では、エネルギー効率を良くした上で、いかにシステム全体を小さく、軽くするかが重要になってきますから、そうした場面でダイヤモンド半導体は優位に立てる可能性があります」
充電用アダプターの中など、パワー半導体は私たちの身近なところで数多く搭載されている
一般的には高価な宝石、あるいは硬度が高いことで知られているダイヤモンドだが、熱伝導率が高いことはあまり知られていない。人工的に作られた単結晶ダイヤモンドの熱伝導率は金属も含めたあらゆる固体物質の中で最も高く、既に放熱を目的とするヒートシンクなどでも採用されている。小型化、軽量化に有利な特性はモビリティ分野だけでなく、今後あらゆる電化製品に期待される性能だろう。
こうした熱伝導率の高さに加え、消費電力の低さ、絶縁破壊（絶縁体に加わる電圧が限界を超え、急激に電流が流れてしまう現象のこと）強度の高さもダイヤモンドが持つ特性であり、パワー半導体材料に適している。さらにもう一つの利点も挙げてくれた。
「ダイヤモンドは他の半導体材料に対して、宇宙線（宇宙空間を飛び交う高エネルギーの放射線）への耐性が比較的高いと言われています。これから宇宙開発がどんどん進み、衛星通信システムなどもより高度化していく中で、ダイヤモンド半導体が使われていく可能性があるのではないか、と期待されています」
もちろん、宇宙で活用する機器を開発するには、半導体単体の性能を考えてもあまり意味がない。宇宙線への耐性、極端な温度変化への耐性などをシステム全体で考える必要がある。
ただ「ある特定の領域においてダイヤモンド半導体が貢献できる可能性はあるだろう」と藤嶌氏は慎重に発言する。
このようなダイヤモンドが持つ優れた特性は、“究極の半導体材料”として以前から期待されていた。
ならば社会実装のめどが立つまでに、長い年月がかかっているのはなぜか──。
その理由を後編で解説する。
＜2024年8月22日（木）配信の【後編】に続く＞
ダイヤモンド半導体の社会実装が近づいてきた経緯や今後の課題に迫る
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text：田端邦彦 photo：安藤康之
今回のトップランナー／Power Diamond Systems代表取締役CEO（共同創業者）： 藤嶌 辰也
ふじしまたつや●ローム株式会社を経て、マサチューセッツ工科大学（MIT）Tomás Palacios Lab.にてGaN（窒化ガリウム）系半導体デバイス、半導体物性、デバイス・物性評価に関する研究に従事。2013年より、A.T. カーニー株式会社に参画。株式会社三菱総合研究所、デロイト トーマツ ベンチャーサポート株式会社を経て、2020年より、AIスタートアップに執行役員CSO （最高戦略責任者）として参画。2022年8月より現職。
https://powerdiamondsys.com/
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2024.8.22
Power Diamond Systems代表取締役CEO（共同創業者） 藤嶌辰也【後編】
優れた半導体材料として急速に期待が高まっているダイヤモンド。前編ではパワー半導体とは何か、ダイヤモンドが持つ熱伝導率の高さや宇宙線への耐性の高さといったメリットについて解説した。後編ではダイヤモンド半導体の社会実装が近づいてきた経緯、今後の課題について、引き続き「Power Diamond Systems（パワー・ダイヤモンド・システムズ：以下、PDS社）」の代表取締役CEO（共同創業者） 藤嶌辰也氏に話を聞く。
（＜C＞カルーセル画像：Anatoly Morozov / PIXTA＜ピクスタ＞）
ダイヤモンドが持つパワー半導体としての優れた特性
半導体の物性を表す用語として「バンドギャップ」という言葉がしばしば登場する。バンドギャップについて詳細な解説は割愛するが、ごく簡単に説明すると「原子核の周りを回っている電子の軌道において、内側の軌道で電子が充満した『価電子帯』から、外側の軌道で電子が活発に移動する『伝導帯』まで電子が遷移するのに要するエネルギーの大きさ」のこととなる。
バンドギャップはeV（電子ボルト）の単位で表され、小さいほど電気が流れやすく導体に近く、大きいほど電流が流れにくく絶縁体に近い。現在、半導体材料の主流となっているシリコン（ケイ素／Si）のバンドギャップは1.1～1.2eV、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）のそれは3.2～3.4eV。それに対してダイヤモンドは約5.5eVと半導体材料の中では大きなバンドギャップを持つ。
バンドギャップが大きいことは絶縁破壊（絶縁体に加わる電圧が限界を超え、急激に電流が流れてしまう現象のこと）強度が高く、大きな出力電圧をかけられることを示しており、パワー半導体の材料には適しているはずなのだが……。
「ダイヤモンドが半導体材料として注目され始めた時期は半世紀近くも前のことで、既に社会実装が始まっているSiCやGaNとさほど変わらなかったと思います。しかしバンドギャップが大きいと半導体材料として優れている半面、取り扱いにくい傾向があります。これにはさまざまな理由があるのですが、半導体材料として既に普及しているシリコンのバンドギャップとダイヤモンドのバンドギャップの間にあり、ダイヤモンドよりも社会実装が近いとみられたSiCやGaNなどの研究開発が先行しました」と藤嶌氏は経緯を説明する。
※【前編の記事】次世代のパワー半導体はダイヤモンド？ 究極材料“ダイヤモンド半導体”の正体とは
「ダイヤモンドは半導体材料として理想的な物性を備えているが、実際に半導体素子として機能させるには多くの技術的障壁があった」と藤嶌氏は語る
現在、PDS社で取締役CSO（最高科学責任者・共同創業者）を務める川原田 洋教授は1980年代からダイヤモンド半導体の開発に携わり、現在主流となっているダイヤモンド電界効果トランジスタ（早稲田方式）を1994年に開発。
その世界のパイオニアであり第一人者だ。
川原田氏をはじめとする研究者たちの努力によって課題を克服できそうな兆しが見え始めたのは2000年前後からだったという。
社会実装に向けて大きく前進
しかしダイヤモンドを半導体材料とするには、他にもさまざまな課題があった。その一つは、高いキャリア移動度（電子の移動しやすさ）を維持したまま、ノーマリ・オフ動作を成立させることだ。
「“パワー半導体の主な役割はスイッチ”と説明しましたが、万が一そのスイッチが壊れて制御が効かなくなってしまったときにどのような状態であってほしいかというと、電流を全く流さないのが理想です。この状態制御が効かない状態で電流が流れないことをノーマリ・オフと言います。逆に、制御が効かない状態のときに電流が流れることをノーマリ・オンと言います。電力変換器などのパワー半導体では、フェイルセーフ（故障時や異常発生時でも、安全側に動作させるようにシステムを構築する設計手法）としての観点からノーマリ・オフであることが強く求められます」
ダイヤモンド半導体では従来、キャリア移動度とノーマリ・オフを両立させることが難しいとされてきた。この課題克服に向けて大きく前進したのが、川原田教授率いる早稲田大学の研究チームが研究開発してきた「酸化シリコン（C-Si-O）終端構造によるノーマリ・オフ型ダイヤモンドMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）」の開発成功だ。ちなみに「MOSFET」は金属酸化膜で覆われた半導体（Metal Oxide Semiconductor）を使った電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor）のことを指す。
川原田教授の研究チームではこれまでダイヤモンド表面を水素で覆う構造（C-H）を採用してきたが、今回、酸化シリコン（C-Si-O）で覆う新たなデバイス構造を採用。その結果、SiCを用いたパワー半導体以上の高いキャリア移動度と、ノーマリ・オフ動作を両立させることに世界で初めて成功した。
こうした研究の成果は今後、業界にどのような影響をもたらすのだろうか。藤嶌氏は次のように語る。
「今回の試作によってノーマリ・オフが見込めたことで、ダイヤモンド半導体が実際の市場で受け入れられる可能性を示せたと思っています。そうした意味では社会実装が近づいたとも言えるでしょう。研究成果からダイヤモンド半導体に関心を持ってくれる企業は国内外で今後増えていくでしょうし、国としても支援する気運が高まっていくと大いに期待しています」
試作品の製造に成功したのが2023年、早ければ2025年にもサンプル出荷を始めたいという。実際のアプリケーションを開発する企業や研究機関にサンプルを提供し、フィードバックを得ることで、より市場のニーズに合った特性を実現していく意気込みだ。
コスト面でも既存材料に太刀打ちできる！
ダイヤモンドが素材となると、多くの人はコストが見合うのかを気にするだろう。半導体材料として使われるのは宝石に用いられる天然ダイヤではなく、もちろん人工ダイヤだ。人工ダイヤは主に工業用途で数十年前から普及している。半導体として用いるには高品質な単結晶とする必要があるが、人工ダイヤ製造の技術を応用できる部分もある。
「2025年のサンプル出荷はダイヤモンド半導体実用化に向けた第一歩」と語る藤嶌氏
「ダイヤモンドは実はコスト面、材料の調達面でも強みを持っています。人工ダイヤの合成には、メタンなど炭素を含むガスと水素などの気体が使われます。これを半導体化するためにシリコンと同じように一定の不純物を入れながら結晶を作っていきますが、基本的にはガスが材料なので、レアメタルなどのように枯渇する心配がありません。ガスの種類も身近なものばかりなので、コストを安くできるポテンシャルを秘めています。実際に、ダイヤモンド基板の価格を低減していくためのアプローチに関する説明を受ける機会も増えてきました。将来的にはSiCやGaNと十分に競える水準になると信じています」
半導体素子だけでなく、製造面での研究開発も以前より勢いを増してきた。半導体を製品として市場に供給する際には円柱状のインゴットを薄くスライスした「ウエハー」というものに加工されるが、ダイヤモンドウエハーの製造技術も日々進歩。日本の精密機器部品メーカーなどはコスト低減に向けて、ウエハーの大口径化に取り組んでいる。
シリコンのインゴットとウエハーのイメージ。シリコンなどの半導体材料は薄くスライスしたウエハーの状態で出荷され、半導体基板に加工される
ただ、ダイヤモンド半導体が実際の製品として市場に出回るまでには、まだもう少し時間がかかりそうだ。
「現在脚光を浴びている、SiCやGaNを材料とした半導体の基本技術がほぼ固まってきたのは2000年代の初めから中盤あたりにかけてでした。つまり、市場で製品として販売されるまでに15年ほどかかっているわけですね。ダイヤモンド半導体についても、皆さんが市場で目にするようになるのは早くても十数年後くらいになるだろうと思います」と藤嶌氏は冷静に語る。
その一方で、「これまで市場シェアのほとんどをシリコンが占めていた半導体市場を、SiCなどの新素材が先に切り開いた功績は大きく、その影響で社会実装が早まる可能性がある」とも。
シリコンは半世紀にわたる絶大な信頼があり、コスト的にも有利だった状況の中で、それでも性能向上のために新しい素材を使うことの有用性を示してくれた。
半導体産業は元々日本が得意としてきた分野。
ダイヤモンドなどの新素材をきっかけに、再び日本の半導体技術が脚光を浴びることに期待したい。
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text：田端邦彦 photo：安藤康之
今回のトップランナー／Power Diamond Systems代表取締役CEO（共同創業者）： 藤嶌 辰也
ふじしまたつや●ローム株式会社を経て、マサチューセッツ工科大学（MIT）Tomás Palacios Lab.にてGaN（窒化ガリウム）系半導体デバイス、半導体物性、デバイス・物性評価に関する研究に従事。2013年より、A.T. カーニー株式会社に参画。株式会社三菱総合研究所、デロイト トーマツ ベンチャーサポート株式会社を経て、2020年より、AIスタートアップに執行役員CSO （最高戦略責任者）として参画。2022年8月より現職。
https://powerdiamondsys.com/
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2018.7.13
