京都工芸繊維大学の鐘ケ江一孝助教と西中浩之教授らは、新材料「ルチル型二酸化ゲルマニウム（r-GeO₂）」を用いた縦型ショットキーバリアダイオード（SBD）を世界に先駆けて試作しました。転位閉じ込め技術を組み合わせたミストCVD法により、ワイドバンドギャップ特性を生かしつつ低オン抵抗と高い整流性を両立。電気自動車や再生可能エネルギー制御回路向けの高効率電力変換素子として、早期の実用化が期待されます。
ルチル型GeO₂の特長とSBD設計
ワイドバンドギャップ半導体としての優位性
- r-GeO₂は約4.5eVのバンドギャップを持ち、高い耐電圧を実現可能。
- 電子移動度もSiCやGaNに匹敵し、低損失・高周波動作に適合。
縦型SBD構造の採用理由
- 金属／半導体接合面を垂直に配置し、素子サイズ当たりの電流処理能力を向上。
- 低い接合面積で高い電流密度を実現し、モジュールの小型・高効率化を支援。
ミストCVD＋転位閉じ込めで実現した高品質結晶
ミスト化学気相成長法（ミストCVD）
- 原料溶液を超音波霧化し、過熱基板上で分解・結晶化。
- 成膜温度を従来比で低減しつつ、高純度のr-GeO₂結晶を得る技術。
転位閉じ込め技術
- 結晶成長中に発生する結晶欠陥を微細層で抑制し、界面品質を向上。
- 実際に得られたSBDでは、理想的なショットキーバリア特性と極めて低いオン抵抗を確認。
電気特性評価とデバイス性能
明瞭な整流特性
- 立ち上げ電圧が低く、逆漏れ電流もナノアンペアオーダーに抑制。
- 他材料系SBDと比較して、切り替え損失の大幅低減が見込まれる。
低オン抵抗の成果
- オン抵抗は業界標準Siダイオード比で50％以上の低減を達成。
- 電力変換器の効率向上や放熱設計の簡素化に貢献。
今後の課題と実用化展望
特性改善に向けた研究開発
- 結晶品質のさらなる向上とドープ均一制御技術の確立を推進。
- 数十ミクロン厚膜の高品質成長技術開発により、耐電圧性能を強化。
産学連携による実用化ステップ
- 5〜10年後をめどに、自動車用インバータや太陽光・風力発電システム向け電力変換モジュールでの採用を目指す。
- 産業界との共同試験評価を通じ、量産プロセスの確立とコスト競争力の検証を推進。
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