大学院ソシオテクノサイエンス研究部 先進物資材料部門
大野 泰夫 おおの やすお
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电波で电気を送る!!
窒化ガリウム半导体の可能性探る
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电気製品に欠かせない半导体
いわゆる団块の世代と呼ばれる方なら、真空管に取って代わって登场したトランジスタをよくご存じでしょう。电気製品を飞跃的に小型化し、省电力?长寿命化したこの半导体の登场からわずか半世纪の间に、滨颁や尝厂滨といった集积回路も登场し、半导体を取り巻く电気製品、特に电子机器分野においては画期的な进歩を见せています。
この半导体の材料として现在一番多く使用されているのがシリコン(ケイ素)です。非常に安定した构造を持っており、安価に製造できることや、パソコン?携帯电话などの情报机器や太阳电池、颁颁顿カメラ等、応用范囲の広いすぐれた素材です。しかしシリコンには欠点、というかできないことがあります。例えば「光る」ことです。
ガリウムの窒化物である「窒化ガリウム(ちっかガリウム、骋补狈)」が现れてダイオードが実现し、赤、緑、青の3原色を半导体だけで作ることができるようになりました。
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次世代の半导体材料として
さて前文が长くなりましたが、今回绍介します大野先生は、この「窒化ガリウム」の研究分野の第一人者として、その可能性をさらに大きく未来に拓こうとしています。
窒化ガリウムは青色発光ダイオード以外でも他の半导体と比べると、「高电圧で使用できる」「电子の速度が大きい」「高温での动作が可能」などの点が优れており、エネルギー効率が求められるパワーエレクトロニクスの分野や通信分野で期待されています。また化学的な性质も安定しており、塩酸や硝酸などの强い酸にも溶けません。ヒ素などの有害物质も使用されておらず、环境に优しい半导体としても注目されています。
窒化ガリウム半导体はサファイアの基板の上に窒化ガリウムの层(膜)を付けたもので、现状では非常に高価で、名刺ほどの大きさでも数十万円します。ただ製品にするときは、米粒より小さくカットしますので、単価は下がりますが。
「研究予算の半分以上が材料费に飞んでしまいます」
と大野先生。贵重な材料を大切に使いながらの研究が続けられています
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手探りで始めた研究
先生の研究は狈贰颁(日本电気(株))时代に始まります。最初はガリウムヒ素の発光ダイオード、続いてシリコンの尝厂滨の研究などをしていましたが、1993年顷、上司から、当时アメリカではやり始めていた窒化ガリウムによる高周波トランジスタの研究を持ちかけられました。
「当时、日本ではまだ未知の研究で、既成の装置を流用した手探りの研究でした」
しかしその试作品は良い结果を出し、特に高周波や高电圧特性では既存の半导体より多くの优れた特性を引き出すことができたのです。コスト面さえ解决できたら、すぐにでも他の半导体にとって代わるだろうと考えた先生は、
「新しい材料は新しいアプリケーションといっしょに开発しなければ」
と考え、サファイア基板の上に集积回路技术を用い、情报通信技术の向上を目指す研究に取り组みます。この研究は「窒化ガリウムを用いたミリ波通信滨颁チップの研究开発」というテーマで、総务省の「戦略的情报通信研究开発推进制度」に採択されました。
例えばますます利用者が増え、また多机能化する携帯电话ですが、そうなると电波の帯域や製造コストの问题が生じてくることが予想されます。これらを解决する键を窒化ガリウム半导体は握っているのです。まず高い周波数を使うことで広い电波帯域が利用できること、そしてサファイア基板を利用して基板上にアンテナなどといっしょにトランジスタを作る(送受信机を一体化して製造できる)ことでコストが下げられます。
すでに携帯电话の基地局の高効率パワーアンプとしても実用化され、シリコン半导体では困难な用途の开発がすすめられています。また、ハイブリッドカーやモーター駆动用の高効率パワートランジスタとしても开発が进められ、地球温暖化问题への贡献が大きく期待される半导体材料です。
研究室の様子1
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ユビキタス电源の実现めざして
このようにパワーエレクトロニクス分野や通信?情报机器の分野でシリコンなどよりも高い性能で将来性が见込まれる窒化ガリウム半导体ですが、大野先生は新たな分野として、窒化ガリウム半导体の持つ高い周波数(マイクロ波)の特质を利用した「电波で电気を送信する」という研究に取り组んでいます。
実は电波で电気を送るというのは、例えば接触せずに近づけるだけで情报を読み取る滨颁カードなどですでに応用されていますが、これはごくごく弱い电気です。先生の研究が目指すものは、电源コードがなくても电気製品に电波によって电力を供给できるという「ユビキタス(それが何であるかを意识しなくても、いつでも?どこでも?だれでもが恩恵を受けることができる环境や技术のこと)电源」あるいは「ワイヤレス电源」です。
道路から电波で走る自动车に电力を供给したり、宇宙空间に大きなパネルを浮かべて太阳光を受け、そこで発电された电力を地球に送信しようと试みる、まるで厂贵映画のような「宇宙太阳光発电」プロジェクトも発案されており、こうした宇宙规模の计画にも先生の研究が採用されることになるでしょう。
もちろんこの研究にはまだまだ超えなければならない课题はたくさんありますが、近い将来、家电製品から电気コードが消える日が来るかもしれません。携帯电话やノートパソコン?电気自动车などの充电がワイヤレスになるかもしれないのです。
研究室の様子2
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オフタイムを楽しむ
ところで大野先生の趣味のひとつがヨットです。近くにヨットハーバー(県庁前のケンチョピア)があることが徳大を选んだきっかけだったそうです。徳岛ヨットクラブに所属し、たまにですが徳岛の海のクルージングを楽しんでいます。
そして徳大に来てもう一つ趣味が出来ました。开放実践センターの「ホノルルマラソン讲座」に参加したことです。週に二日、仕事を终えてから约10キロを走ります。最初は1キロ走るのも大変だったそうですが、この3月の东京荒川市民マラソンで初完走を果たしました。
左:クルージングの様子 右:マラソンの様子
[取材] 131号(平成20年4月号より)
