アイシーソルーションズ, LLP

7. SiC MOSFET・GaN HEMT・Diamond FETの比較

　SiC、GaN、ダイヤモンドはしばしば同じ「ワイドギャップ半導体」として並列的に扱われる。しかしながら、実際にはこの三者は全く異なるデバイス原理に基づいていると考えられる。ここで、この三者をその動作原理の点から比較してみよう。

　SiC MOSFETは基本的にSi MOSFETの延長線上にある。ドーピングされたバルク半導体中にチャネルを形成し、MOSゲートで電流を制御する。SiCの優位性は高い絶縁破壊電界による高耐圧化にあるが、デバイス哲学そのものは従来半導体と連続している。しかしSiC MOSFETにはまだまだ界面問題が存在する。SiO₂/SiC界面では多数の界面準位が形成され、チャネル移動度の低下を引き起こす。このため、SiC MOSFETは理論値ほど高性能化していない。

　GaN HEMTはこれとは全く異なる。GaN HEMTではAlGaN/GaN界面において自発分極およびピエゾ分極が生じる。この分極電荷によって界面近傍に10¹³/cm²台の高濃度二次元電子ガス（2DEG）が形成される。ここではキャリアはドーピングによって供給されるのではなく、「界面そのもの」がキャリアを生成する。この構造により、GaN HEMTではイオン化したドーパントによる散乱を受けずに極めて高い電子移動度と低オン抵抗を実現できている。

　一方、ダイヤモンドFETでは、水素等で修飾された終端表面に形成される2DHGが利用されている。５(1)で詳細に述べたように、水素終端による半導体エネルギー準位のシフト、及び吸着種との間での電荷移動が相まって高密度のキャリア発生を促している。つまり、キャリア生成機構が「表面化学」に大きく依存していると言える。

　では、なぜダイヤモンドだけにこのような表面が関与するキャリア発生のメカニズムが成立するのであろうか。その主な理由は、ダイヤモンド結晶表面が安定で反応しにくく、ほぼ完全な高密度水素終端表面が得られること、負性電子親和力の発生と同じ理屈に基づき価電子帯上端が多くの吸着種のLUMOに近づくこと、超ワイドギャップ故にバルク中にフリーキャリアがほとんど存在しないことであると考えられる。これらの結果、安定的に吸着種との間の電荷移動が実現して安定したキャリアチャンネルが生成される。他の半導体材料では、表面は多くの場合自然酸化膜や表面準位に覆われてピニングが起きやすく、欠陥の少ない終端表面が実現できないため、吸着種との間での安定した電荷移動がまず起こらない。また、バルク中にもキャリアが存在していて、表面伝導層という形にはなりにくいとも考えられる。

　上記の比較を整理すると、p, nの極性はさておき、３者とも図５のような界面のポテンシャル障壁で閉じ込められたチャネルを利用してそこを走るキャリアを制御するトランジスタであるが、キャリアの源が三者で異なっている。SiC はSi MOSFETの延長線上にあって通常のバルクドーピング、GaNはヘテロ接合と分極を利用してキャリアを発生させているが、ダイヤモンドではそもそも従来型ドーピングによる伝導度制御が成立しにくい状況に有る。このため、表面伝導、二次元正孔ガス、表面化学状態などがデバイス動作の本質に関与することとなる。

　結局の所、SiCではバルク制御 GaNでは界面制御 Diamondでは表面制御がそれぞれのデバイス技術の根幹をなすと言えよう。ここで注目すべきは、ダイヤモンドが固体素子の観点から最も「半導体らしくない半導体」であることであろうか。SiCやGaNでは、少なくとも結晶内部あるいはヘテロ界面という固体内部にデバイス本質としてのキャリア源が存在する。しかしダイヤモンドにおいては表面がデバイス本質の源であり、適切な対応なくしては大気との相互作用すらデバイス特性に影響してしまう状況にある。

8. 熱特性とGaN-on-Diamond構造

　ダイヤモンドが現在最も現実的に利用されつつある分野は、実は「半導体チャネルそのもの」ではなく、熱拡散基板としての役割である。

GaN HEMTは高周波・高出力特性に優れる一方で、大きな発熱を伴う。特にRF用途では局所的なホットスポット形成が深刻な問題となる。GaN自身の熱伝導率は約150 W/m･K（近年の報告では210W/m･K）程度であり、SiCよりもかなり低い。このため、高出力動作では熱設計が性能制約となる。

　このような状況下、ダイヤモンド基板を利用したGaN-on-Diamond構造が注目されている。この構造では、GaN層をダイヤモンドに接合することで、発生した熱を高速に拡散できる。この熱抵抗低減により、より高い電力密度動作が可能となる。パワーデバイスの実装構造では、デバイスチップには高電圧がかかるため、周囲部からは電気的に絶縁されねばならない。しかし、同時にチップからの熱放散の経路を確保する必要がある。そのため、通常は図６(a)に示すような放熱基板（特に横方向への熱放散に有効）を含む多層構造を取って、最終的にヒートシンクに至る熱の経路を確保している。その途中で電気的絶縁を取るため、セラミックス等の絶縁基板（通常はセラミックス板の表面に銅配線を施した活性金属銅回路（AMC）基板）が挿入されることになる。そもそも、高絶縁性（言い換えるとワイドギャップ性）と高熱伝導性は材料物性的に相反するものであり、高絶縁性と高熱伝導性を両立させるためには複数の材料を組み合わせるしかなかった。しかし、図６(a)の多層構造には多くの界面が存在し、特に半導体／金属界面や金属／セラミックス界面では、ハンダやグリースを用いて接合を形成せざるを得ず、どうしても熱抵抗が上がってしまう。

　そこで、注目されたのが高絶縁性と高熱伝導性を併せ持ち、実用的サイズのウェハが実現されつつあったダイヤモンドとその半導体層との直接接合[25]である。図６(b)を(a) と比べて頂ければわかるが、ダイヤモンド層がそれだけで絶縁基板と放熱基板としての機能を同時に果たしている。また、下部電極が必要な縦型デバイスにおいてもハンダやグリースを用いざるを得ない接合界面の数を少なくでき、ヒートシンクまでの熱抵抗の面でも製造上のコストの面でも大きな優位性が期待される。近年では、表面活性化接合や中間層制御技術によって、GaN等の半導体層とダイヤモンド間の熱境界抵抗低減が精力的に進められている。これはダイヤモンドにとって非常に重要な流れである。なぜなら、ダイヤモンド単独デバイスが未成熟であっても、「熱問題解決材料」としてGaN産業に組み込まれる可能性があるからである。つまりダイヤモンドは、最初から半導体デバイスそのものとして普及するのではなく、まずはGaNを支える基盤材料として市場へ浸透する可能性が高いと思われる。

　以上のように、現時点でダイヤモンド半導体は、「単独主役デバイス」としてよりも、「他材料性能を拡張する統合材料」としての役割が先行していると言えるのではないか。

9. 産業構造と企業戦略における現状

　SiC産業は現在、ワイドギャップ半導体の中で最も成熟した市場を形成している。Wolfspeed、ROHM、STMicroelectronicsなどは、基板からエピ成長、デバイス製造までを統合した垂直統合モデルを採用している。これはSiCが基板品質へ極めて強く依存するためである。高品質ウェハ供給能力そのものが競争力の源泉となる。一方GaNは、シリコン基板上成長が可能であり、既存CMOSラインとの親和性が高い。このためファウンドリ活用型の水平分業モデルが発展している。GaN市場では、Innoscience、EPC、Navitas、Power Integrationsなどが高速電源用途を中心に成長している。AI関連の投資期待もあり、今後大きな成長を続けると予想されている。

　これに対してダイヤモンド産業は、依然として未成熟である。デビアスグループのElement Sixとマイクロニードル成長法を主導したオーブレー(株)との提携体やその他いくつかの日米ベンチャー企業が高品質材料供給を担うが、半導体としては研究用途がほとんどの様である。電子デバイス開発としては、大学・研究機関・スタートアップ企業が個別的に基礎研究を行っている段階である。つまり、SiCやGaNのようなサプライチェーンがまだ成立しておらず、応用展開まで見通した企業主体の本格的ダイヤモンド産業は未だ成立していない。

　しかし興味深いのは、GaN-on-Diamondのような形で既存GaN産業へ部分的統合が始まっている点である。これは技術の実用化の観点から重要な兆候である。ダイヤモンド単独市場が形成される前に、「熱拡散材料」「基板材料」「高周波放熱材料」として既存市場へ浸透する可能性がある。これは産業形成戦略として極めて現実的な選択と考えられる。

10. 将来展望

　ダイヤモンド半導体の将来を考える際、重要なのは「SiCやGaNの次世代バージョンとして考える」ことではないのではないか。今まで述べてきたように、ダイヤモンドは従来型の伝導度制御やデバイス設計だけでは扱えない材料である。表面科学、量子欠陥、界面化学、熱工学、ナノ構造制御など、多様な学問分野の融合が必要になる。

　また、量子技術との接続も重要である。ダイヤモンド中のNV中心は量子センサや量子情報分野で注目されており、ワイドギャップ性が大きなメリットとなるパワー半導体とは異なる方向からも研究が進展している。

　将来的には、超高耐圧パワーデバイス以外にも、宇宙・原子炉用途の極限環境電子デバイス[26]、量子応用や高周波放熱基板など、多岐にわたる実用化展開が考えられる。結局の所、ダイヤモンドは、「次世代SiC」ではなく、「全く別カテゴリの電子材料」として理解した方がそのポテンシャルを最大限活用出来るのではないだろうか。

11. まとめ

　ダイヤモンド半導体は、材料物性において既存半導体材料を大きく凌駕する。しかし、その実用化には、ドーピング、表面安定性、結晶成長、大口径ウェハ形成、界面制御など数多くの課題が存在する。

　重要なのは、これらの未解決課題が単なる「技術とその成熟度の不足」ではなく、「従来半導体技術の概念転換」を求めていると理解すべきことであろう。電気伝導を担うキャリアの本質として、SiCはバルク制御、GaNは界面制御、ダイヤモンドは表面制御へと進化している。この流れは、半導体工学がより表面・界面・量子構造へ近づいていることを意味している。そう言った観点からは、ダイヤモンド半導体研究は単なる高性能材料探索ではなく、「半導体とは何か」という概念そのものを再定義する試みであるともいえよう。

（完）奥村　元

参考文献

1. B. J. Baliga, “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”, Springer (2008).
2. S. Koizumi et al., “Power Electronics Device Applications of Diamond Semiconductors”, Elsevier (2018).
3. H. Umezawa, Technical Digest – International Electron Devices Meeting, IEDM, 5.6.1-5.6.4 (2020).
4. R. Alhasani et al., Scientific Reports, 12, 1, 4203 (2022).
5. 牧野 俊晴, 電気学会論文誌C, 144, 193–197 (2024).
6. 梅沢 仁, 応用物理, 95, 4, 183–189 (2026).
7. T. P. Cho, Mater. Sci. Forum, 338–342, 1155 (2000).
8. K. Sasaki, Appl. Phys. Express, 17, 090101 (2024).
9. T. Maeda et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 43, 1, 96–99 (2022).
10. J. Ristein, J. Phys. D: Appl. Phys., 39, R201–R218 (2006).
11. 河原田洋 他, 表面科学, 29, 3, 144–150 (2008).
12. 住友電工(株) ホームページ, <https://www.sumitool.com/downloads/assets/mt-catalog/SUMICRYSTAL.pdf>.
13. (有)アイシーソルーションズ ホームページ, <https://www.isees-llp.jp/article/934/>.
14. (有)アイシーソルーションズ ホームページ, <https://www.isees-llp.jp/article/10939/>.
15. (有)アイシーソルーションズ ホームページ, <https://www.isees-llp.jp/article/12379/>.
16. H. Yamada et al., Appl. Phys. Lett., 104, 10, 102110 (2014).
17. (株)イーディーピー ホームページ, <https://www.d-edp.jp/products/semiconductor/>.
18. Orbray(株) ホームページ, <https://orbray.com/product/jewel/material/diamond.html>.
19. 佐賀大学 ホームページ, <https://www.saga-u.ac.jp/koho/会見/2025120839293>.
20. N. C. Saha et al., Jpn. J. Appl. Phys., 64, 12, 120901 (2025).
21. N. C. Saha et al., J. Vac. Sci. Technol., B, 43, 4, 042201 (2025).
22. K. Takaesu et al., Apple. Physical. Express, 18, 036502 (2025).
23. M. Liao et al., Advanced Science, 11, 13, 2306013 (2024).
24. (国)産業技術総合研究所 ホームページ, <https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20250326.html>.
25. 檜座 秀一 他, 電気学会論文誌C, 142, 3, 354–359 (2022).
26. 大熊ダイヤモンドデバイス(株) ホームページ, <https://ookuma-dd.com/industries/>.

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