ダイヤモンド セミコンダクターズ: 次世代のパワー エレクトロニクスの可能性を拓く

より効率的なパワーエレクトロニクスの探求が続く中、超ワイドバンドギャップ半導体が有望なフロンティアとして浮上しています。炭化ケイ素 (SiC) と窒化ガリウム (GaN) が大幅な進歩をもたらしましたが、ダイヤモンドベースの半導体は理論的にはさらに大きな可能性を秘めています。この記事では、Patrick Le Fèvre を含む業界の専門家からの洞察をもとに、ダイヤモンド半導体の独自の利点と進行中の課題を調査し、最近のデバイス開発をレビューし、実用的なアプリケーションに焦点を当てます。

ダイヤモンド半導体の主な特徴

シリコン、SiC、GaN、ダイヤモンドなどの基本的な材料特性を比較すると、いくつかの分野でダイヤモンドが常に際立っています。より広いバンドギャップは、より高い臨界電界と改善された絶縁破壊強度に貢献します。ダイヤモンドはまた、高いバルクキャリア移動度を示し、これが伝導損失を低減し、より高い電流密度をサポートするのに役立ちます。さらに、誘電率が低いため、特に高周波用途において、電力損失の低減とデバイスの小型化が可能になります。

もう 1 つの際立った特徴は、ダイヤモンドの並外れた熱伝導率です。これは既知のすべての材料の中で最高です。この特性により熱抵抗が低下し、一定の温度上昇に対する出力密度の向上が可能になり、熱機械的ストレスが軽減されます。これらの利点により、ダイヤモンドは高出力システムの熱基板材料としても魅力的な選択肢となります。

基本パラメータ以外の追加の利点

ダイヤモンドには、標準のプロパティ テーブルにはない他の利点もいくつかあります。たとえば、水素終端表面は価電子帯への局所的な電子交換を促進し、二次元正孔ガス (2DHG) の形成につながります。この効果は、トランジスタ構造に高移動度チャネルを作成するのに役立ちます。

ダイヤモンドエレクトロニクスは本質的に耐放射線性も備えているため、原子力施設や宇宙システムなどの特殊な環境に適しています。高周波用途、特にサブテラヘルツおよびテラヘルツ範囲では、2DHG 内でのダイヤモンドのプラズモニック応答とその高い正孔運動量緩和時間が、さらなる性能上の利点をもたらします。

基板製造とドーピングにおける課題

ダイヤモンド半導体の広範な採用は、大型で高品質の基板の製造が困難であるため制限されています。高圧高温（HPHT）法では高純度の合成ダイヤモンド結晶を製造できますが、一般に小径のタイプ IIa 基板に限定されます。あるいは、化学蒸着 (CVD) は、通常直径 2 ～ 3 インチまでのより大きな基板を製造するためのより経済的な方法を提供します。エレクトロニクスで一般的に使用されるタイプ Ib ダイヤモンドは、SiC などの確立された材料と比較して依然として高い欠陥密度を示します。

ホモエピタキシャル CVD 成長は HPHT シード層上に構築されますが、ヘテロエピタキシャル アプローチではイリジウムでコーティングされたシリコンや立方晶系 SiC などの異種基板が使用されます。後者では、より大きなウェーハサイズが可能になりますが、多くの場合、より高い欠陥レベルと機械的ストレスが発生します。

ドーピングも大きなハードルです。ホウ素はダイヤモンドの p 型導電性を可能にしますが、結晶品質を劣化させることなく高いドーパント濃度を達成することは依然として困難です。窒素とリンは n 型ドーピングとして研究されてきましたが、それらのエネルギー準位が深いため、室温で効果的な n 型伝導を実現するのは困難です。

代替ドーピング方法とデバイスの動作

水素終端により、表面移動を介した別のドーピング経路が提供され、約 300 cm²/(V・s) のキャリア移動度を備えた 2DHG 形成が可能になります。これはバルクダイヤモンドの値よりも低いですが、温度が変化しても安定しています。

バルク伝導ダイヤモンドデバイスでは、温度が上昇すると正味キャリア濃度が高くなり、オン状態抵抗の負の温度係数 (NTC) が生じます。この珍しい特性により、高温での伝導損失が低減され、400 ～ 450 K を超える領域ではダイヤモンドに SiC や GaN よりも優れた効率が与えられます。ただし、NTC の動作により、電流の不均衡と熱的不安定性のリスクによりデバイスの並列接続が複雑になります。

最近のデバイスのデモとパフォーマンスの見通し

最近の実験結果は、ダイヤモンドの可能性を強調しています。

• p 型横方向ショットキー バリア ダイオードは、Al2O3 フィールド プレートを使用して 4,612 V の降伏電圧に達しました。

• Al2O3 ゲート誘電体を備えた縦型 2DHG ベースの p-MOSFET は、1 A を超える電流伝導を達成しました。

• エンハンスメントモードの p-MOSFET は、UV オゾン処理を使用して水素終端表面を改質することで実現されました。

Donatoらによる理論分析などによると、1,700Vの垂直ダイヤモンドFETは、高温高周波動作下で同等のWBGデバイスに比べて10分の1小型で、電力損失が3分の1に抑えられる可能性があることが示唆されている。

信頼性とシステム統合に関する考慮事項

ダイヤモンドデバイスが進歩するにつれて、極限条件下での信頼性は依然として重要な研究分野です。長期的なパフォーマンスを評価するには、新しいテスト基準が必要になる可能性があります。ダイヤモンドの熱特性によりヒートシンク設計が簡素化される可能性がありますが、ダイヤモンドコンポーネントを他の半導体 (n 型 WBG デバイスやシリコンベースのドライバーなど) と統合するには、慎重な熱設計とパッケージング設計が必要です。

極限環境での応用: 福島の事例

2011 年の福島第一原子力発電所事故は、極端な放射線と温度下でも動作できる電子機器の必要性を浮き彫りにしました。これに応えて、複数の国立研究機関との共同研究開発を経て2022年に設立された日本の新興企業オオクマ・ダイヤモンド・デバイスは、300℃で動作するダイヤモンドMOSFETベースの差動アンプを開発した。実験室での収率が 90% に達すると報告されており、この例は現実の過酷な環境での用途におけるダイヤモンドの可能性を示しています。