科学技術講座V1「ダイヤモンド半導体」
見よ！日本の科学技術の実力がこれだ！
論より証拠、今回はダイヤモンド半導体回路という報道記事を紹介する。
皇紀2683年4月19日
さいたま市桜区
科学研究者 田村 司
人工ダイヤで半導体回路を開発 佐賀大、世界で初めて
共同通信社 によるストーリー • 2 時間前
佐賀大の嘉数誠教授（半導体工学）は17日、人工ダイヤモンドを素材に使い、電力を制御するパワー半導体である「ダイヤモンド半導体」の回路を世界で初めて開発したと発表した。通電のオンオフが高速ででき、長時間連続で動かしても劣化しなかった。実用化を目指して企業との共同研究を検討する。
現在、主流のシリコンや次世代の窒化ガリウムを使用したパワー半導体に比べ、ダイヤ半導体は放熱性や電圧に対する耐性が高い。2030年代の導入が見込まれる第6世代（6G）移動通信システムや電気自動車などに最適とみられている。
嘉数教授は21年、世界最高水準の出力を得られるダイヤ半導体の作製に成功した
実用化に動き出すダイヤモンド半導体
研究から事業への脱皮に期待
2023/3/24
他の半導体材料を凌駕する物性を持つことから「究極の半導体」と呼ばれるダイヤモンド。長らく基礎研究フェーズが続いていたが、実用化に向けた動きが立ち上がり始めた。依然として社会に広く普及するまでには時間がかかる段階にあることは変わらないが、早ければ数年以内に実用化を視野に入れたデバイスの試作品が世の中に出てきそうだ。世間の関心が高まればリソースも集まり、研究開発の加速化が期待できる。
日本の研究機関がリードしてきたダイヤモンド半導体
筆者はこれまでにも本コラムでダイヤモンド半導体を取り上げたことがあるが、改めてその特徴を振り返ってみよう。表に示されているようにダイヤモンドはバンドギャップ、絶縁破壊電界、電子移動度、熱伝導率といった諸特性でほかの半導体材料を大きく凌駕する。先行して実用化が進むSiCやGaNにも勝る特性を持つのが「究極の半導体」と称されるゆえんだ。耐放射線特性にも優れ、半導体化が実現できていない宇宙用への応用も期待されている。また、半導体デバイスのほかに量子センサー用も期待されており、量子コンピューティング分野の研究活発化を背景に大学や研究機関で開発が進められている。
ダイヤモンドの半導体応用をリードしてきたのは、日本の研究機関だった。1980～2000年代にかけて、無機材質研究所（現NIMS）や産業技術総合研究所（産総研）が結晶合成法やp、n型半導体の実現といった要素技術を創出してきた。特に産総研はダイヤモンドの結晶成長から基板製造、ダイオードやトランジスタといったデバイス開発までを包括的に行い、現在に至るまで研究をリードしている。ただし、これまでのデバイス開発はラボレベルの動作検証にとどまっており、電子回路や機器に搭載して使用可能な実デバイスとしての開発には至っていなかった。
基板メーカーの成長が開発を後押し
実用デバイスの開発が進まなかった大きな要因の1つに、ダイヤモンド基板の口径サイズが小さく、供給にも限りがあったことが挙げられる。産総研スピンアウトベンチャーである（株）イーディーピー（大阪府豊中市）は、09年の創業当初から半導体用基板の大口径化をミッションとしてきたが、企業成長を目指しながら研究開発リソースを捻出するのに苦心する期間が長く続いた。
その状況が好転したのは意外な市場の勃興がきっかけとなった。宝飾用ダイヤモンド市場である。宝飾用ダイヤモンドは長らく天然産が重視され、人工ダイヤモンドには低い価値しか認められていなかった。それが10年代後半に大手ダイヤモンドメジャーが人工品のブランド価値を認める姿勢に転じたことをきっかけに、宝飾用の人工ダイヤモンド市場が一気に拡大。イーディーピーの単結晶ダイヤモンドが種結晶として強く求められるようになり、成長の起爆剤となった。これによって同社は22年に株式上場を果たし、半導体用基板の研究開発リソースを確保できる事業基盤を得た。
宝飾用ダイヤモンド市場は世界的な景況感に左右されるため、直近の同社の業績は景気減速を受けて苦戦気味である。しかし、途上国の環境負荷や労働問題リスクが指摘される天然品を人工品に切り替える動きは中長期では変わらず、半導体用の開発を支える同社の基盤として貢献していくとみられる。
また、同じくダイヤモンド半導体用基板事業の立ち上げを進める企業にアダマンド並木精密宝石（株）（東京都足立区、23年1月にOrbray（株）に改称）がある。同社はサファイアを下地基板にダイヤモンド基板を成長させるヘテロエピ製造法を開発しており、現在2インチサイズを実現している。今後は4、6インチ基板の実現を目指していくという。また、半導体用とは異なる成長法により、量子デバイスをターゲットにした超高純度の基板も開発し、製品化を目指している。
半導体用基板の開発および生産能力拡大は途上段階にあるが、「以前と比べれば研究用基板の入手性は格段に良くなった」（ダイヤモンド半導体研究者）という。関心を持った研究者が着手したくとも、満足に基板が手に入らなかった段階はクリアされたといえそうだ。実用シフトを志向する動きが相次ぐ そんななかにあって、基礎研究段階のダイヤモンド半導体を実用フェーズにシフトさせようという動きが出始めた。佐賀大学の嘉数誠教授は、約20年前からダイヤモンド半導体の研究を続けてきた。約5年前にアダマンド並木精密宝石のダイヤモンド基板に出会い、半導体開発用としての可能性を見出して以降、共同研究を行っている。22年5月には2インチ基板を用いて世界最高の出力電力875MW／cm²、高電圧2568Vを達成したデバイスを開発した。ダイヤモンドデバイスとして世界最高性能であることはもとより、半導体としても米マサチューセッツ工科大学（MIT）がGaNデバイスで達成した世界記録に次ぐものという。 嘉数教授は半導体素子の動作実証から実用デバイスの開発へ研究段階をシフトさせなければならないという考えで、5年以内に使えるダイヤモンドトランジスタを世の中に出すという目標を掲げる。パッケージやボンディングなどの周辺技術を関係する企業と共同で開発するとともに、トランジスタの寿命を測定して長期信頼性を検証する。パワーエレクトロニクス回路を試作して動作実証も行う予定だ。 産総研もまた、結晶成長から基板加工、デバイスまでの一貫した研究の蓄積を生かし、実用デバイスの実現を目指している。電流値や電圧など実用デバイスに求められる性能を大面積チップで実現することを目指す。基板とデバイス両輪で研究開発に取り組んでいく方針だ。 さらに、22年8月、ダイヤモンド半導体の事業化を目標に掲げるスタートアップが誕生した。早稲田大学発ベンチャーのPower Diamond Systems（PDS）である。同社はダイヤモンド半導体の研究で先駆的な存在である川原田洋教授の研究成果の事業化を目的に、早稲田大学傘下のベンチャーキャピタルが出資して設立されたものだ。 川原田教授は現在のダイヤモンド半導体の基盤技術である、水素終端表面を利用したダイヤモンド電界効果トランジスタ（FET）をいち早く開発したことで知られる。川原田教授の研究成果は同社のコア技術としてそのベースとなるが、自社のデバイス開発のみで完結しないビジネスモデルを志向している。基板メーカーやユーザーであるパワーエレクトロニクスメーカー、電気機器メーカーといった企業、大学、研究機関と幅広く連携し、ダイヤモンド半導体の実用化を目指していくという。材料からデバイス、システムに至るまでトータルでのエコシステム構築を、同社が旗振り役となり成し遂げるのが狙いだ。
嘉数教授が開発した
世界最高性能のダイヤモンド半導体
設立から半年余りだが、すでに国内有数の大企業や研究機関との関係構築を進めているという。数年以内に実用化を想定したデバイスの試作品を発表し、そこからさらに1～2年後にはパワーエレクトロニクス回路などのシステムの発表を目指していく。
実用化に大企業を巻き込めるかがカギ
PDSの代表取締役CEOである藤嶌辰也氏は、「パワーデバイスや高周波デバイスで豊富な実績を持つ企業が日本に集積している」とダイヤモンド半導体実用化のうえでのポテンシャルを語る。あとはこれらをいかにダイヤモンド半導体開発に巻き込むかであろう。残念ながらこれまでの研究の来歴にあって、企業側の関りが積極的であったとは言い難い。「学会など研究成果発表の場では企業エンジニアから強い関心が寄せられる。だがそれがビジネスに結びついていない」と研究者は嘆く。実際に製品として世に出るまで10年以上もの長い時間軸が必須で、先行きを見通せないことが企業に二の足を踏ませているのだろう。だが、大学や研究機関だけでは本格的な社会実装はできないのもまた事実である。
一方、動きが早いのが海外勢だ。筆者の取材においても、研究者が発表した成果に対して台湾や中国企業から共同開発などの申し入れがあったという証言があった。昨今の地政学リスクの高まりもあり、海外企業との提携には日本の研究者は慎重だ。だが、日本企業が目を向けなければいずれは海外企業の力を借りてでも実用化しようという動きが起きるだろう。
国プロレベルにおいても、ダイヤモンド半導体はSiCやGaNなど先行する次世代半導体と比べて関心が高いとは言えなかった。実用化への動きが複数出てきた今こそ、国や業界からも踏み込んだ動きが必要とされるのではないだろうか。
電子デバイス産業新聞 副編集長 中村剛
早稲田大学がダイヤモンド半導体で先行、輝く省エネ性能
佐藤 雅哉 日経クロステック 2023.01.31
優れた物性から「究極のパワー半導体」と目されるダイヤモンド半導体の開発が加速している。早稲田大学発のスタートアップであるPower Diamond Systems（PDS、東京・新宿）は2025年ごろに試作デバイスを作製し、性能評価を始める予定だ。電力制御システムの小型化や高効率化が期待でき、自動車や鉄道、送電施設などで利用が見込まれる。開発競争が世界で熱を帯びるなか、デバイスのいち早い実用化を目指す。
ダイヤモンド半導体は、現在普及が進む炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に続く次世代パワー半導体として注目されている。高周波性能や高い放熱性、高電圧への耐久性など、パワー半導体として優れた特性を持つ。インバーターなど電力システムの小型化や電力損失の低減が可能になる。将来、電気自動車（EV）や再生可能エネルギーの送電システム、通信インフラや量子コンピューターなどへの採用が期待されている。
PDSは、パワー半導体や高周波・高出力デバイス、それらを使ったインバーターなどの研究開発を手掛けるファブレス企業だ。早稲田大学教授でPDS取締役最高科学責任者（CSO）の川原田洋氏が開発した縦型ダイヤモンドトランジスタの作製技術などを基に試作デバイスを作製し、2025年ごろにも性能評価に取りかかる。パワー半導体として普及するのは2030年代以降になる見込みだ。
特集】“究極の半導体”に夢膨らむ、「ダイヤモンド半導体」で浮上する銘柄群 ＜株探トップ特集＞
半導体関連株が依然、投資家の視線を集め続けている。関連周辺へと物色が広がるなかで、足もと「ダイヤモンド半導体」にも関心が集まっている。（写真は従来の半導体）
―EV・宇宙・量子コンピューター分野で活躍へ、省エネや耐久性に優れ開発進む―
「ダイヤモンド半導体」の実用化に向けた期待がにわかに高まってきた。加速するデジタル化の流れに加え、米中対立を背景とした経済安全保障の観点から 半導体の重要性が一段と増すなか、株式市場でも半導体関連株は継続的に高い注目を浴びている。関連銘柄のすそ野が広く、その注目度の高さから物色の動きは周辺、更にそのまた周辺へと広がっている状況だ。こうしたなか、いわゆる次世代材料を用いた化合物半導体に関心が向かう場面も折に触れみられる。性能を左右する材料として使う素材ごとにさまざまなものがあり、その一つにダイヤモンド半導体がある。
●早大ベンチャーが資金調達、企業・研究機関の取り組み続々
ダイヤモンド半導体とは、合成ダイヤモンドを基板に使用した半導体のこと。既存のシリコンはもちろん、次世代材料といわれる炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を使った半導体と比べ省エネルギー効果や耐久性に優れており、その性能の高さから「究極の半導体」とも呼ばれている。いまだ開発段階にあるものの、実用化されれば当然さまざまな産業分野に組み込まれていくことになり、なかでも普及が進む電気自動車（EV）、開発競争がますます激しさを増す人工衛星など宇宙分野、加えて直近関心が高まっている量子コンピューター分野での活躍が期待されている。
実用化に向けて企業や大学による研究開発が進んでおり、直近話題が出てきたものではＰｏｗｅｒ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（パワーダイヤモンドシステムズ、東京都新宿区）が挙げられる。同社は昨年創業したダイヤモンド半導体デバイスの開発を行う早稲田大学発ベンチャーで、今年3月に西日本フィナンシャルホールディングス <7189> [東証Ｐ]の傘下にある西日本シティ銀行系の投資ファンド、早大が運営するベンチャーキャピタルから3億円の資金調達を行っている。
タムラ製作所 <6768> [東証Ｐ]系のノベルクリスタルテクノロジー（埼玉県狭山市）と共同研究を行ったことでも知られる佐賀大学は昨年、工業用宝石部品のＯｒｂｒａｙ（オーブレー、旧アダマンド並木精密宝石、東京都足立区）と共同でダイヤモンドウエハーの量産技術を確立している。研究機関ではこのほか、大阪大学や近畿大学、産業技術総合研究所（産総研）などが開発に取り組んでいる。
●ＥＤＰ、Ｊテック・Ｃに注目
イーディーピー <7794> [東証Ｇ]は、人工的に作り出す合成ダイヤモンドの元となる「単結晶ダイヤモンド」を製造販売する産総研発ベンチャーだ。天然物と変わらない輝きがありながら、比較的安価な人工宝石のマーケットは拡大傾向にあり、これが同社業績の追い風として意識される。人工宝石向けが主力だが、それ以外でダイヤモンド半導体の基板や工具用素材などに向けても展開している。23年3月期も増収増益トレンドを継続する見通しだ。
ジェイテックコーポレーション <3446> [東証Ｐ]は研究施設向けの実験装置メーカー。レーザー核融合関連の製品のほか、半導体向け加工装置を手掛けており、同社には投資家の熱い視線が注がれている。なかでも、半導体向け装置で「プラズマ援用研磨（PAP）装置」が関心を集めている。SiCやGaN基板、単結晶ダイヤモンド基板を高速、高精度に平坦化できるというもので、昨年末に受注を獲得した実績がある。
●思惑向かう銘柄群も要マーク
ダイヤモンド半導体が過去話題となった際に、事業面や技術面で近い範囲にある銘柄に思惑的な物色が入る場面もあった。ダイヤモンド工具最大手の旭ダイヤモンド工業 <6140> [東証Ｐ]は半導体材料の加工に使う各種製品を手掛け、化合物半導体向けにも展開しているとあって思惑が向かいやすい。直近、新たな株主還元方針を明らかにしている。足もと業績は好調で、株価は上昇トレンドを継続している。
ダイヤモンドは炭素で構成された物質であり、同じく炭素からできている 石炭を扱う銘柄に目が向けられることもある。石炭大手の住石ホールディングス <1514> [東証Ｓ]もその一つで、グループ傘下に工業用人工ダイヤモンドの製造販売を行う子会社ダイヤマテリアルを持つ。
このほか、合成ダイヤモンド単結晶「スミクリスタル」を製造する住友電気工業 <5802> [東証Ｐ]、独自の研磨技術を強みにダイヤモンドにエッジトリートメント加工（面取り加工、ミラー処理など）を施せる工法を確立した実績があるＭｉｐｏｘ <5381> [東証Ｓ]。また、工業用ダイヤモンドの輸入販売も手掛ける包装機械メーカーのミューチュアルを昨年買収した投資ファンドのマーキュリアホールディングス <7347> [東証Ｐ]などもマークしておきたい。
ダイヤモンド半導体について
合成ダイヤモンドを使用した半導体のことである。報道においてダイヤ半導体と略される場合もある。
他のシリコンや炭化ケイ素、窒化ガリウムといった半導体素材と比べ、ダイヤモンドは絶縁耐圧や熱伝導率といった物理特性に優れており、究極の半導体になると言われているが、その実用化は技術的に実現不可能と思われてきた。しかし、近年物質・材料研究機構、産業技術総合研究所などの日本の研究グループや日本国内の企業などで高品質ダイヤモンド薄膜の合成に成功するなど、基礎技術が大いに発展してきたことにより、実用化の可能性が開かれてきている。これに伴い、次世代の半導体候補として国家レベルの研究開発が開始するなど、この分野の研究が日本国内で活発となってきている。さらに、日本国外でも研究開発が積極化しつつある。
現在主流のシリコン半導体に比べ、数十倍から数百倍とも言われる大幅な高速化が可能で基本性能自体が高いばかりか、耐熱性なども極めて優れ過酷な環境下でも動作する。さらに大気中で安定な負性電子親和力(Negative electron affinity: NEA)を示す唯一の材料である。近年、超伝導特性も発見されている。
課題
ホウ素およびリンなどをドープし、p型、n型制御を実現している。しかしダイヤモンド格子に欠陥を与えずにこれらのイオンをドープする技術の開発が課題である。
電極などの他の物質との接触部で、ナノレベルの不要な界面構造が生じる。今後はこれら接触界面の均一化が必要とされる。
想定される応用例
ダイヤモンド半導体は、他の半導体材料に比べて耐久性が高く、宇宙での苛酷環境の使用に向いている。
また、優れた物理特性により、ダイヤモンド半導体を用いた電力制御を、電車・電気自動車や産業機器などの制御装置に搭載することで、大幅な省エネルギーが達成できる。
衛星通信分野では、宇宙空間の環境に耐えられるパワー半導体が存在しない為、進行波管(TWT)という真空管ベースの増幅器が使用されていたが、ダイヤモンド半導体が実用化されれば、人工衛星の軽量化による費用削減、効率向上によるデータ転送量の増大で、UHDTVの次世代高精細度テレビジョン放送においても、現行方式と同等水準の受信環境を実現する為に実用化は必須である。
参考文献・参考資料
人工ダイヤで半導体回路を開発 佐賀大、世界で初めて (msn.com)
実用化に動き出すダイヤモンド半導体 | 電子デバイス産業新聞（旧半導体産業新聞） (sangyo-times.jp)
早稲田大学がダイヤモンド半導体で先行、輝く省エネ性能 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)
“究極の半導体”に夢膨らむ、「ダイヤモンド半導体」で浮上する銘柄群 ＜株探トップ特集＞ | 特集 - 株探ニュース (kabutan.jp)
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