【素材】耐圧20,000ボルト（世界最高）の炭化ケイ素半導体素子を実現　厚い高純度結晶を表面保護し構造を最適化　変電ロス削減−京大

耐圧20,000ボルト（世界最高）の半導体素子を実現

http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/images/120604_1/02.jpg
木本教授

　木本恒暢 工学研究科教授、須田淳 同准教授、丹羽弘樹 同博士後期課程学生のグループは、SiC（炭化
珪素）半導体を用いて、世界最高となる20,000ボルトの電圧に耐える整流素子を作製することに成功しました。
電力の送電、変電などの変換器には超高耐圧の半導体素子が必要となりますが、現在使われているSi（珪素：
シリコン）では材料の性質に起因する制約のため、6,000〜8,000ボルト程度の耐圧が限界です。SiCはSiより絶縁
破壊や熱に強いという特長を有しており、次世代の電力変換用半導体として世界的に注目されています。

　今回、独自のSiCの結晶成長技術と加工技術、電界集中を緩和する構造の採用、および表面保護技術を
集約し、20,000ボルト以上の耐圧を示すPiNダイオード（整流素子）を実現しました。

　この研究成果の詳細は、6月3〜7日にベルギー国ブルージュで開催の米国電気電子学会（IEEE）主催の
externalパワー半導体デバイス国際シンポジウム（2012 International Symposium on Power Semiconductor
Devices and ICs, ISPSD2012） にて発表されました。

概要

　本学は、SiC半導体研究の世界的パイオニアとして認識されています。今回、独自のSiCの結晶成長技術と加工
技術、電界集中を緩和する構造の採用、および表面保護技術を集約し、20,000ボルト以上の耐圧を示すPiNダイ
オード（整流素子）を実現しました。今回の成果を得る上で重要なポイントは以下の通りです。

１．180ミクロンの厚さを有する高純度SiC結晶を用いました（従来は10〜50ミクロン）。これにより、超高耐圧を得る
ための下地を完成させました。

２．電界集中を緩和する独自の素子構造（空間変調型接合終端構造）を用い、高精度数値解析によって構造の
最適設計を行いました。この結果、1.で作製した結晶に対して理想的な高耐圧を達成しました。

３．ポリイミド膜を用いた表面保護を施し、表面での放電を抑制しました。

　特に、上記2.の素子構造の工夫が重要です。通常の素子では、接合端部などで電界が局所的に高くなるため
（電界集中と呼ばれる）、結晶の厚さと不純物密度で決まる理論耐圧よりかなり低い電圧で素子は絶縁破壊を
起こします。特に、今回のような超高耐圧素子では、理論値の約半分（50％）程度の耐圧しか得られないことが多く、
超高耐圧素子の実現を阻んでいました。本研究では、電界集中を緩和させるのに有効な構造を考案し、炭化
珪素で構成されたpn接合の周辺部に、局所的にアルミニウムを適切な密度でイオン注入を行った構造を形成する
ことで、20,000ボルト以上の耐圧を達成しました。今回得られた耐圧（約22,000ボルト）は、理論耐圧の80％以上に
達しています。今後、SiC単結晶の厚さをさらに増やすことにより、30,000ボルト以上の耐圧を達成することも視野に
入ってきました。

　多くの半導体素子はSiを中心に発展してきましたが、特にパワーデバイス分野では材料の性質で決まる理論的
性能限界に近づいています。SiCは絶縁破壊や熱に対する耐性が著しく優れており、高耐圧・低損失（高効率）
パワーデバイス用材料として世界で研究開発競争が熾烈になっています。本学では高品質結晶、物性制御から
デバイスの設計と作製の研究に一貫して取り組み、今回の世界最高耐圧を達成しました。今回の超高耐圧SiC
素子の実現により、電力系統の変換器の大幅な小型化が期待され、当該分野の研究開発が一層活発になる
ものと考えられます。

http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/images/120604_1/01.jpg
図： SiC厚膜成長層を用い、空間変調を取り入れた接合終端構造を適用したPiNダイオードの特性。21.7kVの
超高耐圧を達成した。

>>2辺りに続く

京都大学お知らせ　2012年6月4日
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/120604_1.htm

学術的・社会的重要性と波及効果

　本研究は、SiCに限らず、いかなる半導体素子の中で最高の耐圧を達成したことに意義があります。超高耐圧の
素子が要求される応用の一例として、紀伊水道の海底ケーブルを用いた高電圧直流送電（HVDC）や、東日本
（50ヘルツ）／ 西日本（60ヘルツ）の周波数変換が挙げられます。このような電力変換システムでは、100,000〜
300,000ボルトの電気が扱われます。また、住宅近隣の電柱を介する架線（配電系統）でも6,600ボルトの電気が
使われており、これを100〜200ボルトに変換する場合には、20,000ボルトの電圧に耐える半導体素子が必要です。
従来は、このような超高耐圧の素子は存在しなかったために（6,000〜8,000ボルトが限界）、耐圧数千ボルト級の
素子を多段階に接続することで、電力変換を行ってきました。しかしながら、この方法では、設備が非常に大きくなる、
電力変換時の損失が大きい、変換器の信頼性が低下するなどの問題が深刻化していました。

　上記の問題を解決するために、近年、SiCを用いた超高耐圧素子の研究開発が活発化してきましたが、その耐圧は
10,000ボルト程度に留まっていました（米国クリー社、本学など）。今回の研究により20,000ボルトの壁を突破したことは、
当該分野に大きなインパクトを与えると考えられます。本研究が進展し、超高耐圧SiC素子の実用化が開始されれば、
高電圧電力変換設備の大幅な小型化と低損失化、低コスト化が実現できます。低損失化については、日本だけで
原子力発電所1〜2基分の電力を節約できると期待されています。小型、低損失の超高耐圧電力変換器が実現
できれば、将来のスマートグリッドの構築に大きく貢献します。

本研究は、日本学術振興会から最先端研究開発支援プログラムおよび科学研究費補助金の助成を受けました。
（本文終わり）

半導体素子:節電効果期待　２万ボルト耐圧、変電ロス削減

　世界最高レベルの２万ボルトの電圧に耐えられる変電設備用の半導体素子の開発に、京都大工学研究科の
木本恒暢（つねのぶ）教授（半導体工学）の研究グループが成功した。電力会社が電力を送る際に生じる変電
時の電力ロスを少なくすることが可能で、大きな節電効果が期待されるという。ベルギーで３日開幕した国際会議で
発表する。

　木本教授によると、半導体素子は変電設備などに使われ、現在主流のケイ素を材料にした素子の耐圧は６０００−
８０００ボルト。今回は、炭化ケイ素を使い、素子の形状を工夫するなどして倍以上の２万ボルトの耐圧に成功したという。

　素子の耐圧能力が上がるほど電力の変換効率も上がる。６６００ボルトの高圧電線から一般住宅用の１００−
２００ボルトに変換する設備の場合、安全性確保のために電圧の約３倍の２万ボルトの耐圧素子が必要とされる。
現在は、複数の素子をつないで段階的に電圧を下げているが、そのたびに１０％程度のロスがある。耐圧２万ボルトの
素子を使えば、ロスを少なくすることが可能という。

　木本教授は「変電に伴うロスは国内全体で年間８００億キロワット時と試算されているが、耐圧２万ボルトの素子で
１−２割を減らすことが可能ではないか。１０年以内に実用化させたい」としている。【榊原雅晴】

毎日新聞　2012年06月04日　01時01分（最終更新　06月04日　18時10分）
http://mainichi.jp/select/news/20120604k0000m040121000c.html

関連ニュース
【科学】京大、炭化ケイ素BJTの電流増幅率を250倍に向上させる技術を開発
http://toki.2ch.net/test/read.cgi/wildplus/1305810619/-100
【電機機器】富士電機など16社 産学官でパワー半導体の共同研究組織を設立
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/bizplus/1335627320/-100
【半導体】東芝、次世代パワー半導体実用化を1年前倒し
http://toki.2ch.net/test/read.cgi/bizplus/1319766952/-100

やるニダ

よっしゃ。

京大パネェ

この素材で1nmの薄さなら耐圧１Ｖもないよ

いつもながら京大はすげえな
ブランドだけ日本一でロクでもない人間しか輩出してない東大()とはエライ違いだ
どっちも最高にできる奴を入学させてるはずなのに、この差はどこからくるんだろう？

なんで新聞屋は単位をちゃんと扱えないかねえ

日本が種を播き、育て、さぁ収穫というときに全て持っていかれる

>>8
まあ基礎ができてないのが科学部とか行くから
ぶっちゃけ島流しの終着駅

天下の毎日でも堂々と「永久機関」報道しちゃうしなw

>>7
研究の主体が学生じゃないからだろ

その度に10％ロスって、今までそんなにロスあったのか
そっちの方に驚いた

家電を６千ボルトで動くようにすればいいのではないか。

>>6
コンデンサでも作る気かよ

LGには京都研究所がある

ピカチュウ１０万ボルトだ！


　 　 　 　 　 　　　　　　　　|ヽ
　 　　　　ャ‐- ､　　　　　　|ヽ|
　 　　　　　＼ | ＼ 　　　　l 　|
　　|｀＼_ 　　　＼ 　ヽ´￣｀ 　j
　　| 　 　＼ 　　　〉　　､ 　 　 ﾊ　　,,
　 　｀ ‐ ､ 　＼ﾞ､WNw、(６､　,9 }几MW "
　 　 　 ／　,／∧　　○　､_･_, ﾜ　゛　ﾞ
　　　　｀＞ ＼,ﾍ､ゝ 　ｰ‐z 　,r‐ヽ
　　　　　｀＞ム　　　､__ノ´ 　ゝ_,ﾉ
　　　　　　｀Y 　 　　ヽ 　 　 　∧
　 　 　 　 　ヽ 　_＿ノ＿__,,ィ 　ﾉ
　　　　　　　　ﾚvJ 　　　　｀弋,,ゝ

日本では、京都大学に落ち着いて研究できるように優先的に予算を付けるべきで

わいわいがやがやしている東の方は、天下り官僚育成に特化すべき

君の瞳が届かない

で、訴えられるに2ペソ

>>12
１００万ボルトの高圧線で送電でロスするのは４％ぐらいとか
電力会社の説明です。

そして家庭に届くまでも電力のロスはほとんど無い。

ただし低圧な発電機の電力を高圧に昇圧するには恐ろしくロスがある
がそれは秘密。

>>17
ヘタに金持つと京都のほうがワイガヤの中心地になるから微妙なところだと思うよ
結局金があると政治が付きまとうから。

>>19
まぁそれが所謂自然エネルギーがただでさえ効率悪いのに更に使えない理由になる訳ｄ

おい何をするやｍ

>>19
低圧は低圧のまま近場で使うのがいい

そこらの電線まで6600Vが来るようになるのか。
そろそろ地下に埋めようぜ

君の瞳は10,000ボルト
両目で20,000ボルト

何故かアメリカなどの外国で関連特許が見つかる。
放置の理由は不明で特許使用料の請求がくるのはいつだ。

電圧変換って、トランス使ってると思ってたよ（ｗ
でも、ちょっと考えりゃ違うわな。
５０〜６０Ｈｚでトランス使ってたら、恐ろしくでかいものを使わないといけないものな。

>>20
じゃあ名大に・・・

SiCと聞くと射出成形のノズルとかリール竿の糸通しリングなど超硬素材として
頭に浮かんだが半導体素子とは以外だった。

木本教授は「変電に伴うロスは国内全体で年間８００億キロワット時と試算されているが、耐圧２万ボルトの素子で
１−２割を減らすことが可能ではないか。１０年以内に実用化させたい」としている。

日本中の変圧器を、これに交換するだけで、エアー原発　１〜２基ゲットだぜｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗｗ。

高純度SiC結晶は全部アメリカから輸入しているってのは本当なの？

>>25
え？違うの？？

SiC半導体のおかげでトランスを使わなくても済み小型化かつ高効率化出来て嬉しい。
今回SiCの耐電圧性能をさらに上げて応用範囲が広がりましたよって記事かい？

コレといい、レアアースといい日本は無いと言われると本気を出すんだなｗ

>25
>電圧変換って、トランス使ってると思ってたよ
50,60Hzでも電圧変換は普通にトランスだろ。

今回のは交流→直流につかう整流素子だろ。
特高インバータができれば、もの凄く小型になるし、損失も減る。

PC電源のプレミアム・ゴールド認証みたいなことやってんだな

「変換ロスはでかい」

2万ボルトの直流って、、、恐いわｗ
アーク飛んだら最後だね。

効率もそうだけど柱状変圧器や地中化されてるところの変電BOXが小型軽量化できるならいいことだよね
ってそういう認識でいいのかな？

半導体素子は甘え

この技術が普及すれば、静電気でＩＣが壊れることもなくなるのか

>>32
無かったら掘れば出てくる国と
無かったら首くくるしかない国の違いだわなｗ

>>38
ゲート酸化膜の強度とは何の関係もないですよ

そういえば、電源周波数統一の議論で

トランスのロスが減り小型化もできるから、
周波数を50、60Hzから、200ｈｚ程度にすべき

ってのが、何度か出てきたな。

すると今度は送電ロスが増えるのです