ダイヤモンドは女の子の親友かもしれないが、社会の電化を持続させる鍵を握っている可能性もある。研究者たちはダイヤモンドで半導体に革命を起こしており、このデバイスは大きな可能性を秘めている。このデバイスは最も低いリーク電流と最も高い破壊電圧を誇り、2050年までにカーボンニュートラルの目標を達成すると期待されている。
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者らは、ダイヤモンドを用いた半導体デバイスの開発に成功した。このデバイスは、ダイヤモンドデバイスとしてはこれまで報告された中で最高の耐圧と最低の漏洩電流を示している。この成果は、世界が再生可能エネルギーへの移行を進める上で必要となる、より効率的な技術の実用化への道を開くものである。
この研究は、彼らのダイヤモンドデバイスの驚異的な耐久性を示しています。このデバイスは、約5kVという驚異的な高電圧にも耐えられることが示されています。この電圧制限は、デバイス自体ではなく測定設定に起因するものであり、さらなる大きな可能性を示唆しています。理論的には、彼らのデバイスは約9kVの電圧に耐えることができ、これまでのダイヤモンドデバイスの記録をすべて塗り替えることになります。非常に低い漏洩電流は、デバイス全体の効率を高めるだけでなく、信頼性も向上させます。
ダイヤモンド半導体の利点
シリコンなどの従来の半導体材料と比較して、ダイヤモンドは電気的性能において一切の妥協を許しません。ダイヤモンドは優れた半導体であり、ダイヤモンド半導体デバイスには以下の特徴があります。
- 高い熱伝導率
- 優れた熱伝導性
- 非常に高い電圧と電流で動作できる
- 材料の使用量を減らしながら効率的に熱を放散します
- 漏れ電流を大幅に低減します。
電気・コンピュータ工学の教授で、この研究を率いるカン・バイラム氏は、「太陽光パネルや風力タービンなどの用途で効率を高めるためには、高電流・高電圧を必要とする電力網を構築する必要があります。そのためには、熱的な制約のない技術が必要です。そこでダイヤモンドの出番となるのです」と述べています。
ダイヤモンドは基本的に炭素という豊富な資源でできています。人工ダイヤモンドは、何十億年もかかる従来の合成プロセスとは異なり、わずか数週間で合成することが可能です。さらに、このプロセスでは二酸化炭素排出量が大幅に削減され、約100分の1にまで抑えられます。つまり、ダイヤモンドを用いて半導体製造に革命を起こすことで、研究者たちは製造と生産の両面で排出量を削減できるのです。
半導体の進歩
一般的に半導体の製造にはシリコンが使用されており、これまではエネルギー要件を満たしてきました。
しかし、バイラム教授によれば、「私たちのニーズは変化し続けていますが、すべての人に十分なリソースが行き渡るようにしたいと考えています。現在、私たちはますます多くの帯域幅を使用し、より多くのデータ（それに伴ってストレージ容量も増加）を生成し、より多くの電力、より多くの電気、そして一般的により多くのエネルギーを使用しています。問題は、より多くのエネルギーを生成したり、より多くの発電所を建設したりするのではなく、これらすべてをより効率的にする方法があるかどうかです。」
電力需要の高まり
現在、電力機器は世界の電力の50%を供給していると推定されている。この割合は10年以内に80%に上昇すると予測されている。また、電力需要は2050年までに50%増加すると見込まれている。
2050年までにカーボンニュートラルという世界的な目標を達成するには、電子材料の抜本的な転換が不可欠である。そうして初めて、より強固で信頼性の高い電力網が構築される。米国科学・工学・医学アカデミーの新しい報告書によると、電力網の近代化と拡張に適切に取り組まなければ、以下のような脅威が生じる可能性がある。
- 移行の成功に対する脅威 持続可能なエネルギー。
- 不十分な伝送容量 再生可能エネルギーの導入を妨げ、化石燃料排出量の一時的な急増につながる可能性がある。
- さらなる弱体化 国の努力 総排出量を削減することは、排出削減目標の達成を妨げる可能性がある。
カン・バイラム教授は、「電力需要を満たし、電力網を近代化するためには、シリコンのような従来の材料から、炭化ケイ素や、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、関連化合物といった次世代半導体（超広帯域ギャップ材料）など、現在採用されつつある新しい材料へと移行することが非常に重要です」と述べた。
今後の機会
研究者たちは、高電力および高電圧のアプリケーションに対応できるデバイスを作成することで、ダイヤモンドで半導体に革命を起こすことを目指しています。
「私たちは、将来の電力網やその他の電力用途向けの高出力・高電圧用途により適した電子デバイスを開発しました。このデバイスは、超広帯域ギャップ材料である合成ダイヤモンドをベースに構築されており、現行世代のデバイスよりも優れた効率と性能が期待できます。今後もこのデバイスやその他の構成の最適化を続け、ダイヤモンドの材料ポテンシャルの性能限界に迫っていきたいと考えています」と、今回の実験に参加した大学院生で研究者の韓卓然氏は付け加えた。
