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ダイヤモンド半導体ダイヤモンド半導体ダイヤモンド半導体ダイヤモンド半導体-新しいエレクトロニクス材料新しいエレクトロニクス材料新しいエレクトロニクス材料新しいエレクトロニクス材料-

研究領域：二酸化炭素排出抑制に資する革新的技術の創出研究課題名：超低損失パワーデバイス実現のための基盤構築

産業技術総合研究所産業技術総合研究所産業技術総合研究所産業技術総合研究所

招聘研究員招聘研究員招聘研究員招聘研究員

山崎聡山崎聡山崎聡山崎聡

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本日皆様へお伝えしたいこと

ダイヤモンドエレクトロニクスが次世代の産業へつながる。パワーエレクトロニクスの将来。基本的な道筋は本CRESTで示すことができた。ダイヤモンド半導体による新しい機能のエレクトロニクスなぜ、ダイヤモンド？問題となる基板のコスト・大きさに新しい技術が生まれた。

社会実装には新しい技術が必要となること。新しい技術には新しい産業が生まれる。新たなメンバーの参入が必要。

ダイヤモンドエレクトロニクスを知っていただき、新しい事業展開として考えていただきたい。

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超長期エネルギー予測（経産省資源エネルギー庁）www.meti.go.jp/committee/materials/downloadfiles/g50809a04j.pdf

0

50,000

エネル

ギー量

（PJ）

2000年 2050年

CO2/GDP:1/3

2100年

4

Si-スイッチングデバイスと SiC ダイオードのハイブリッドペア (2013～2025）

Blocking voltage [v]1 10 100 1k 10k

シリコンプラットフォーム (～2025）

ワイドバンドギャップ半導体プラットフォーム(SiC:2015～、GaN:2015 ～Diamond:2025～）

Diamond FET/ BJT/PiN

CMOS, MOSFET (SJ)/SBD, PiN

IGBT, Thyristor/PiN

Si-MOS/SiC-SBD

Si-IGBT/SiC-SBD, SiC-PiN

GaN-FET/GaN Diode

SiC-MOSSIT/SBD

SiC-IGBTSiC-PiN

GaAs-FET

オンチップ変換器オンチップ変換器オンチップ変換器オンチップ変換器（パワーと（パワーと（パワーと（パワーとLSIの融合）の融合）の融合）の融合）

メモリとロジックの融合メモリとロジックの融合メモリとロジックの融合メモリとロジックの融合

オンチップ変換器オンチップ変換器オンチップ変換器オンチップ変換器

高温動作高温動作高温動作高温動作

高温動作高温動作高温動作高温動作

2008年度NEDO調査「2050年における省エネルギー社会の実現に向けた電気エネルギー有効利用に関わる

グリーンエレクトロニクス技術」、大橋弘通、NEDO省エネフォーラム2009

ダイヤモンドは次世代パワーデバイスとして認知されている。ダイヤモンドは次世代パワーデバイスとして認知されている。ダイヤモンドは次世代パワーデバイスとして認知されている。ダイヤモンドは次世代パワーデバイスとして認知されている。

先進パワーデバイスの展望と研究開発体制

5

Ｓｉ

ＳｉＣ

ＧａＮ

ダイヤモンド

絶縁耐圧(MV/cm)

0.3

4

2

> 10

熱伝導率(W/cmK)

1.5

5

1.5

> 20

電力性能指数(V2/cmsec)

1

670

140

24000

結晶性

◎

多形

○

◎

比誘電率

11

9.9

9.8

5.7

資源制約

◎

◎

Ｘ

◎

これまでのパワーデバイス材料の比較これまでのパワーデバイス材料の比較これまでのパワーデバイス材料の比較これまでのパワーデバイス材料の比較

ダイヤモンドは、絶縁耐圧・熱伝導率が最も高く、電力性能指数としては最高！

パワーデバイスとして、非常に大きなポテンシャルを持っている。

性能指数として、Si, SiC, GaNを凌駕する大きな値。

パワー密度が大きくとれ、冷却系を含めた電力系の小型化・軽量化が図れる。

最大のダイヤモンドの問題点：大面積・低コスト基板がない。最大のダイヤモンドの問題点：大面積・低コスト基板がない。最大のダイヤモンドの問題点：大面積・低コスト基板がない。最大のダイヤモンドの問題点：大面積・低コスト基板がない。

基板が宝石であり、「広く・安い基板がない」！基板が宝石であり、「広く・安い基板がない」！基板が宝石であり、「広く・安い基板がない」！基板が宝石であり、「広く・安い基板がない」！

パワーデバイス以外にもユニークな機能を持つデバイスが可能！パワーデバイス以外にもユニークな機能を持つデバイスが可能！パワーデバイス以外にもユニークな機能を持つデバイスが可能！パワーデバイス以外にもユニークな機能を持つデバイスが可能！

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材料の置き換えではない、ダイヤモンドだからできたデバイス開発！材料の置き換えではない、ダイヤモンドだからできたデバイス開発！材料の置き換えではない、ダイヤモンドだからできたデバイス開発！材料の置き換えではない、ダイヤモンドだからできたデバイス開発！

ダイオードから電子が漏れ出る！ダイオードから電子が漏れ出る！ダイオードから電子が漏れ出る！ダイオードから電子が漏れ出る！

超高耐圧用超高耐圧用超高耐圧用超高耐圧用 半導体真空スイッチ半導体真空スイッチ半導体真空スイッチ半導体真空スイッチ

e

cath

ode

n+i

p

ee

n+ layer (P : ~1020cm-3)

p+ layer (B : ~1020cm-3)

i layer

p+-i-n+

ダイヤモンドなのに大電流が流れる！ダイヤモンドなのに大電流が流れる！ダイヤモンドなのに大電流が流れる！ダイヤモンドなのに大電流が流れる！

高耐圧大電流ダイオード高耐圧大電流ダイオード高耐圧大電流ダイオード高耐圧大電流ダイオード

発光強度

(任意単

位)

600500400300200発光波長 (nm)

2

4

6

8

10

0

間接遷移半導体なのに光る！間接遷移半導体なのに光る！間接遷移半導体なのに光る！間接遷移半導体なのに光る！

新原理新原理新原理新原理 励起子励起子励起子励起子LED室温で単光子源、室温で多量子ビット！室温で単光子源、室温で多量子ビット！室温で単光子源、室温で多量子ビット！室温で単光子源、室温で多量子ビット！

室温量子デバイス室温量子デバイス室温量子デバイス室温量子デバイス

ダイヤモンドは常識はずれのデバイスができる！ダイヤモンドは常識はずれのデバイスができる！ダイヤモンドは常識はずれのデバイスができる！ダイヤモンドは常識はずれのデバイスができる！

半導体の教科書にないデバイス群

7

eeeeee

e

e

e

D

e

eeee

真空レベル

真空レベル

金属

水素終端

ダイヤモンド

A-STEP （ハイリスク挑戦タイプ）革新的なダイヤモンド熱電子発電技術の開発多結晶ダイヤモンドを利用。産総研・デンソー

水素終端ダイヤモンドを用いた熱電子発電技術

（負性電子親和力）

ダイヤモンド中窒素空孔ペアを用いた量子デバイス（磁気センサー）

（高いフォノン周波数）

CREST （革新的ナノエレクトロニクスの創成）炭素系ナノエレクトロニクスに基づく

革新的な生体磁気計測システムの創出東工大・産総研・ルネサス・阪大・京大・筑波大

バンド図

金属の場合

障壁が高い

（1500℃が必要）

水素終端

ダイヤモンド

低い障壁

（500℃で実証）

高温側 低温側真空

高温側 低温側

8

初めての第2周期元素のみからなる半導体しかも、高品質化可能な単元素半導体

ダイヤモンド半導体 ― 第第第第2周期半導体周期半導体周期半導体周期半導体初めて手に入れた新しい半導体

＜優れた基礎研究としての成果＞

ダイヤモンドの持つ周期表第２周期の半導体としての特殊性を明確化

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C Si Ge 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

電気陰性度

結合長（Å）

結合エネルギー（eV

)

C Si Ge

ダイヤモンド Si Geダイヤモンド Si Ge

1ｓ2ｓ2ｐ3ｓ3ｐ3ｄ4ｓ4ｐ

1ｓ2ｓ2ｐ3ｓ3ｐ3ｄ4ｓ4ｐ

1ｓ2ｓ2ｐ3ｓ3ｐ3ｄ4ｓ4ｐ

IV族元素の比較

炭素の内殻電子の数が少ないために、元素として特殊な構造を持つ！炭素の内殻電子の数が少ないために、元素として特殊な構造を持つ！炭素の内殻電子の数が少ないために、元素として特殊な構造を持つ！炭素の内殻電子の数が少ないために、元素として特殊な構造を持つ！

水素の電気陰性度

最高の硬度、最高の熱伝導率、高い絶縁耐圧

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ダイヤモンド Si SiC

バンドギャップ（eV）

GaN GaAs ダイヤモンド Si SiC GaN GaAs

熱伝導率（W

/cm

K）

ダイヤモンド Si SiC GaN GaAs

絶縁耐圧（M

V/ｃｍ）

半導体の比較

炭素の内殻電子の数が少ないために、半導体として特殊な物性を持つ！炭素の内殻電子の数が少ないために、半導体として特殊な物性を持つ！炭素の内殻電子の数が少ないために、半導体として特殊な物性を持つ！炭素の内殻電子の数が少ないために、半導体として特殊な物性を持つ！

比誘電率

0

2

4

6

8

10

12

14

ダイヤモンド Si SiC GaN GaAs

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新技術の特徴新技術の特徴新技術の特徴新技術の特徴

• 超高耐圧用パワーデバイス–高い絶縁耐圧・熱伝導率・新しい物性

• 新しい半導体真空スイッチ–高い電気陰性度、安定な水素終端

• 高温・高出力対応殺菌用新原理励起子LED–誘電率が小さいために室温でも安定な励起子

• 一個の核スピンを検出できる高感度磁気センサー–スピン緩和が極端に長い。

• 新しい廃熱利用熱電子発電素子–高い電気陰性度、多結晶・ｎ型ダイヤの利用

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ダイヤモンドエレクトロニクスの社会実装に必要な技術

高性能デバイス特性の実証新構造デバイスの設計

新しい応用ダイヤモンドの持つユニークな機能を使える場所

実装技術高温にも耐えられる高電圧でも壊れない。紫外線にも耐えられる。

ダイヤモンド薄膜の作製装置

等々・・・ 活躍の場は広い！

実用化に向けた課題（企業の皆様への期待）実用化に向けた課題（企業の皆様への期待）実用化に向けた課題（企業の皆様への期待）実用化に向けた課題（企業の皆様への期待）

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従来技術とその問題点従来技術とその問題点従来技術とその問題点従来技術とその問題点

ダイヤモンドは新しい半導体：新しい機能がある。

・応用の範囲が広く、最初の応用をどこに置くか機能とコストの両立

問題点

①量産性とコストに優れた基板の製法が未確立

②優れたダイヤモンド半導体の特性を活かしたデバイス開発のための要素技術の確立

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高圧高温（高圧高温（高圧高温（高圧高温（HPHT）ダイヤモンド基板）ダイヤモンド基板）ダイヤモンド基板）ダイヤモンド基板

diamond

ダイヤモンド

デバイス

CVDにより成長（ホモエピ法）

スライスホモエピホモエピホモエピホモエピCVD

ダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンド基板基板基板基板

ホモエピホモエピホモエピホモエピダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板

ヘテロ自立ヘテロ自立ヘテロ自立ヘテロ自立ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板

ヘテロ薄膜ヘテロ薄膜ヘテロ薄膜ヘテロ薄膜ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板

HPHT法によって作製されたダイヤモンド レーザーカットされた

ダイヤモンドダイヤモンド

デバイス

高温高圧（高温高圧（高温高圧（高温高圧（HPHT））））ダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンド基板基板基板基板

50000atm

1500℃℃℃℃

産総研・信越化学で開発したダイヤモンド基板

ダイヤモンド基板の作成方法

ヘテロ薄膜ヘテロ薄膜ヘテロ薄膜ヘテロ薄膜

ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板

ダイヤモンド

デバイス

シリコン or MgO+ 中間層

ダイヤモンド

デバイスdiamonddiamond

ヘテロ自立ヘテロ自立ヘテロ自立ヘテロ自立

ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板ダイヤモンド基板シリコン or MgO

+ 中間層

新技術新技術新技術新技術

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● SBD 作製良好な整流特性（理想因子：1.2、整流比：1012 at ± 4 V ）初期のデータながら1MV/cm の絶縁耐圧

● 大面積化、低コスト化に高いポテンシャル

1 µm

1 µm

シリコン+中間層

~30 µm

~1 mm

イリジウム

ヘテロ薄膜ダイヤモンド基板

高濃度ボロンドープ層: ~1020 cm-3

ボロンドープ層 : 4 x 1016cm-3

チタン/白金/金 白金

~1 µm

オーミック電極

0.38 mm 径ショットキー電極

0.18 mm 径

測定値

理論曲線

検出限界

室温測定

10-15

10-13

10-11

10 -9

10 -7

10 -5

10 -3

10 -1

電流

（アンペア）

電流

（アンペア）

電流

（アンペア）

電流

（アンペア）

43210-1-2

電圧（ボルト）電圧（ボルト）電圧（ボルト）電圧（ボルト）

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

電流

密度

電流

密度

電流

密度

電流

密度

（アンペア

（アンペア

（アンペア

（アンペア

/ 平方

センチメートル

）平

方センチメートル

）平

方センチメートル

）平

方センチメートル

）

・ GaNの場合、「GaN on Si」が「GaN on GaN」より実用化では先行・ SiCの場合、「SiC on Si 」は材料として困難。・ 「SiC on SiC 」の場合、threading dislocation はあっても問題なし。

新技術：ヘテロ薄膜ダイヤモンド基板と電気特性

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高温高圧 ホモエピCVD ヘテロ自立 ヘテロ薄膜大面積化 × △ ○ ◎

低コスト化 × △ ○ ◎

デバイス特性 ◎ ◎ ？？？？ ？？？？

結晶性 ○ ○ △ △

不純物混入 × ○ △ △

成長膜厚 × × ○

研磨回数 2 2 2 1スライスの手間 × × ○ ◎

○○○○ ○○○○

ヘテロ薄膜上ダイヤモンドデバイスの特性が確認されたことにより、

低コスト大面積基板の展望が開けた。

ダイヤモンド基板の比較

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GaNGaNGaNGaNではオンシリコン（表面デバイス）が開発の主流ではオンシリコン（表面デバイス）が開発の主流ではオンシリコン（表面デバイス）が開発の主流ではオンシリコン（表面デバイス）が開発の主流

SiCSiCSiCSiCのオンシリコンは特性が出せない！（多型の影響）のオンシリコンは特性が出せない！（多型の影響）のオンシリコンは特性が出せない！（多型の影響）のオンシリコンは特性が出せない！（多型の影響）

ヘテロ薄膜ダイヤモンド（オンシリコン）ではヘテロ薄膜ダイヤモンド（オンシリコン）ではヘテロ薄膜ダイヤモンド（オンシリコン）ではヘテロ薄膜ダイヤモンド（オンシリコン）では2222インチは容易に拡大可能インチは容易に拡大可能インチは容易に拡大可能インチは容易に拡大可能

さらに大きな基板サイズ、コストの見積もりさらに大きな基板サイズ、コストの見積もりさらに大きな基板サイズ、コストの見積もりさらに大きな基板サイズ、コストの見積もり

‘90 ‘95 ‘00 ‘05

1

2

3

4

5

6ウェハサイズ（インチ）

SiC

‘10

8

18Si (LSI)

‘15

ホモエピダイヤ

GaN

Si (Power)GaN/Si

(表面デバイス)

12

貼り合わせヘテロ薄膜ダイヤ

各種半導体ウエハーサイズの年次展開

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本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ダイヤモンド半導体装置及びその製造方法• 出願番号 ：特願2013-141218• 公開番号 ：特開2013-258407 • 出願人 ：国立研究開発法人産業技術総合研究所• 発明者 ：加藤宙光，牧野俊晴，小倉政彦，大串秀世，山崎聡

ダイヤモンド半導体の新しい作成プロセス

選択成長によるPN接合

その他、

深紫外線LEDや接合型FET構造・新構造パワーデバイスなど・・・

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CRESTにおけるダイヤモンド研究の成果（n型、ホッピング、BJT、FET、JFET、etc.）をベースに

● ヨーロッパ

Green Diamond ProjectEU 産学官15機関で開発大規模プロジェクトのスターターとしての位置づけ

フランス国内ヘテロダイヤモンド基板プロジェクトフランス国内ヘテロダイヤモンド基板プロジェクトフランス国内ヘテロダイヤモンド基板プロジェクトフランス国内ヘテロダイヤモンド基板プロジェクト （2015- 2019）5つの公的機関

Fraunhofer Project （2015.9開始）がスタートFraunhofer５研究所（IrIrIrIr上ヘテロ成膜、上ヘテロ成膜、上ヘテロ成膜、上ヘテロ成膜、PNPPNPPNPPNPバイポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、デバイスからパッケージ）

● アメリカARPA-E SWITCHES２つのダイヤパワーデバイスプロジェクト

Michigan State University、Arizona State University

● 日本府省連携の旗の下、内閣府SIPで日本のパワーデバイス展開

主なテーマはSiC、GaN、回路。ダイヤモンドは現在FSとして研究展開。

欧米・日本におけるダイヤモンドパワエレ関連開発プロジェクトの概要欧米・日本におけるダイヤモンドパワエレ関連開発プロジェクトの概要欧米・日本におけるダイヤモンドパワエレ関連開発プロジェクトの概要欧米・日本におけるダイヤモンドパワエレ関連開発プロジェクトの概要

ダイヤモンドエレクトロニクスで世界が動いている。ダイヤモンドエレクトロニクスは、日本が世界をリードしている！

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お問い合わせ先お問い合わせ先お問い合わせ先お問い合わせ先産業技術総合研究所

先進パワーエレクトロニクス研究センター

山崎聡

TEL： 029－861 － 2632

e-mail ： s-yamasaki＠aist.go.jp

知財に関して

イノベーション推進本部知的財産・標準化推進部知財管理室

TEL：029-862-6965