波多野・小寺研究室 ―研究室紹介 #20―

デバイスグループ
エネルギーコース・電気電子コース
研究室：大岡山キャンパス・EEI-410/ EEI-403
教授 波多野睦子 准教授 小寺哲夫 助教 岩崎孝之

低炭素社会に貢献する「環境・エネルギー」を重視したデバイスの技術革新を創出していきます。主に優れた物性値を活かしたダイヤモンド、SiC、シリコンなどをベースとした、材料・物性・デバイスのブレークスルーとなる基礎研究、さらにパワー、センサ、スピン量子情報、人工光合成のデバイスをターゲットした応用研究を進めていきます。

パワーデバイスは、送電、自動車、鉄道、太陽光発電、風力発電、家電などへの応用のニーズが高い電子素子であり、スマートグリッド化のキーデバイスです。高効率の電力変換が可能で超低損失なパワーデバイスの開発により、省エネルギーを推進し、二酸化炭素ガスの排出を大幅に削減することができるようになります（図1）。現在、主流であるシリコンを用いたパワーデバイスは電力変換の損失も多いなど性能の限界が近づいています。このような課題を解決するために、新しい材料として炭化珪素や窒化ガリウムによるデバイスが一部実用化されつつあります。

当研究室では、実用化されつつも未解決の課題である界面欠陥の影響について独自の測定手法により解明を目指して研究を進めています。

さらに、ダイヤモンドはこれらの材料よりもさらに高い絶縁破壊電界（Siの100倍）や熱の逃しやすさ（熱伝導率がSiの14倍）など究極の物性値を持つために、高電圧をかけても壊れず、また大電流を流したときに発生するジュール熱を効率的に逃がすことができます。しかしこれまで、トランジスタの基本構造の形成や基板の大面積化が困難であり、デバイス化に課題がありました。 当研究室では、2020年の目標を電力損失を一桁以上低減できる、「オン抵抗0.05mΩcm²以下、耐圧2kV以上」と定め、トランジスタや大面積基板化という、ダイヤモンドのデバイス化への本質的な課題を解決していきます。これまでに世界で初めてダイヤモンドによる接合電界効果トランジスタの開発に成功しています（図2）。

図2.ダイヤモンドデバイス

細胞計測から、MRI・脳磁・心磁等の生体計測まで、高感度磁気センサのニーズがあります。当研究室では、常温で動作し、高い空間分解能を有し、2次元イメージングが可能である磁気センサの開発を目標としています。特に常温固体中で優れたスピン特性を持つことが知られているダイヤモンド中の窒素-空孔（NV）センタを用いています（図3）。他のセンサと比較して表1に示すような優位性が期待できます。スピンコヒーレンスが重要な物理量であり、これを制御することは磁気センサの高度化のみならず、量子情報デバイスへの応用にもつながります。将来的な集積化に向けて、シリコンテクノロジーを活かした研究にも取り組んでいます。