また、エレクトロニクスの未来においても、炭素はますます重要な役割を果たすことになります。この短いブログでは、炭素が今後数年間でエレクトロニクスに革命を起こすと予想される材料科学における進歩について探ります。
電源設計は材料科学の進歩の恩恵を受ける - 炭素
2024/02/09
炭素[C]は必須元素です。私たちは炭素をベースにした生命体です。酸素と結合した気体のCO2濃度は、地球温暖化に対する私たちの影響を測るバロメーターです。固体の純粋な炭素は、グラファイトのように柔らかいこともあれば、ダイヤモンドのように硬いこともあります。カーボンファイバーは、飛行機から釣り竿まで、数え切れないほどの製品を丈夫にしています。放射性炭素14C年代測定は考古学において不可欠なツールです。 これ以上に影響力のある元素は他に考えられません。
UWBG
炭化ケイ素（SiC）と窒化ガリウム（GaN）に基づくワイドバンドギャップ（WBG）トランジスタは、すでにパワースイッチング性能の急速な向上に貢献しています。ワイドバンドギャップ材料は、従来のシリコン（Si）ベースのMOSFETパワートランジスタよりも格段に高い固有熱伝導率と高い絶縁破壊電圧を持っており、これはトランジスタ基板を同じ性能定格で小型化・薄型化できることを意味します。小型化ということは、ゲートと端子の静電容量と抵抗が減少することも意味し、より低い電力損失でより高速かつ効率的なスイッチングが可能になります。SiCトランジスタは、Si-MOSFETよりも高い電圧に対応し、さらに高速かつ効率的なスイッチングが可能です。また、GaN基板をベースとする高電子移動度トランジスタ（HEMT）はSiC-MOSFETよりもさらに高速にスイッチングできるため、高周波電子機器に適しています。高速スイッチングにより、他の誘導部品および容量部品の必要サイズが縮小され、非常にコンパクトで効率的な高出力密度の製品を製造することが可能になります。
これらWBGの利点により、SiCおよびGaNトランジスタは電気自動車、太陽光発電コンバータ、IoTネットワーク、エコデザイン電源などのグリーンテクノロジーですでに広く使用されています。
炭素はこのプロセスに次の世代、つまりウルトラワイドバンドギャップ（UWBG）トランジスタをもたらします。SiCやGaN基板の代わりに、純粋なダイヤモンドが使用されており、これはSiCよりも4倍高い熱伝導率、GaNよりも6倍高い絶縁破壊電圧を有し、SiCおよびGaNの両方よりもはるかに広いバンドギャップ値を持っています（表1）。
異なるトランジスタ技術の性能は、バリガ性能指数（BFOM）として数値化されます。BFOM値が高いほど性能が優れています。絶縁破壊電圧や導電率などの重要な性能指標は両方とも臨界電界値に依存し、半導体バンドギャップ電子電圧の6乗としてスケールアップされるため、スケールは非線形です。したがって、BFOMに基づくと、WBGトランジスタはSi-MOSFETの約730倍優れており、炭素ベースのUWBGトランジスタは約15,625倍優れています。この大幅な性能の向上は、世界的なエネルギー消費を、汚染を引き起こす化石燃料から効率的なグリーン電気エネルギーへと転換させていく上で不可欠です。
これらWBGの利点により、SiCおよびGaNトランジスタは電気自動車、太陽光発電コンバータ、IoTネットワーク、エコデザイン電源などのグリーンテクノロジーですでに広く使用されています。
炭素はこのプロセスに次の世代、つまりウルトラワイドバンドギャップ（UWBG）トランジスタをもたらします。SiCやGaN基板の代わりに、純粋なダイヤモンドが使用されており、これはSiCよりも4倍高い熱伝導率、GaNよりも6倍高い絶縁破壊電圧を有し、SiCおよびGaNの両方よりもはるかに広いバンドギャップ値を持っています（表1）。
| 特性 | Si | SiC | GaN | ダイヤモンド |
|---|---|---|---|---|
| バンドギャップ (eV) | 1.1 | 3.0 | 3.5 | 5.5 |
| 熱伝導率 (W/cm K) | 1.5 | 4.9 | 1.3 | 22 |
| 絶縁破壊電圧 (kV/mm) | 0.3 | 2.5 | 3.3 | 20 |
| 電子移動度 (cm2/V s) | 1500 | 400 | 2000 | 1060 |
表1：シリコン、WBG、UWBGトランジスタの基本特性の比較
異なるトランジスタ技術の性能は、バリガ性能指数（BFOM）として数値化されます。BFOM値が高いほど性能が優れています。絶縁破壊電圧や導電率などの重要な性能指標は両方とも臨界電界値に依存し、半導体バンドギャップ電子電圧の6乗としてスケールアップされるため、スケールは非線形です。したがって、BFOMに基づくと、WBGトランジスタはSi-MOSFETの約730倍優れており、炭素ベースのUWBGトランジスタは約15,625倍優れています。この大幅な性能の向上は、世界的なエネルギー消費を、汚染を引き起こす化石燃料から効率的なグリーン電気エネルギーへと転換させていく上で不可欠です。
グラフェン半導体
グラフェンは、炭素の2次元形態（同素体）で、1原子の厚さしかないナノ層から成り、原子はハニカム構造の平面格子状に配列されています。グラフェンは半金属のような性質を示し、面に沿って熱や電気が容易に流れますが、横方向には流れにくくなっています。バルク材料としては、すべての可視波長にわたって光を強く吸収しますが、単一シートではほぼ透明です。微視的には、各原子がそれぞれの3つの隣接原子と二重結合しているため、地球上で最も強度のある材料となっています。この剛性が、非常に高い電子移動度を生み出し、15,000 cm2/Vs（この値を表1の値と比較）と測定されており、銀よりも電気をよく通します。
グラフェンはさらに、いくつかの特異な電気特性を有しています。外部磁界の影響を強く受けるため、室温でも極低温（絶対零度以上1°K以下まで）でも良好に動作する高感度のホール効果センサーの構築が可能であり、バイオセンサーとして使用できるグラフェンベースFET（gFET）を製造するためにも利用できます。
gFETは、帯電した生体分子がチャネル電流に影響を与える液体ゲートを使用するため、電荷注入ではなくイオンに基づいた測定が可能です。これにより、タンパク質、生体分子、核酸のリアルタイム測定が可能になり、CRISPR遺伝子編集、RNA薬剤研究、ヒトや動植物の感染症の検出、がん研究などの最先端技術が実現します。
グラフェンのユニークな電気的特性は、新しい種類の電子デバイスの開発につながる可能性もあり、現在も研究されています。開発分野の1つは、電子の角運動量（スピンアップまたはスピンダウン）に情報を保存できるスピントロニクスです。グラフェンの規則正しく剛性のある配列構造は、室温で動作する原子レベルのスピントロニクス不揮発性メモリ（NVM）の理想的なキャリア材料となり得ます。これは従来のRAMよりも高速で、電源を切ってもすべてのデータを保持することができます。
グラフェンはさらに、いくつかの特異な電気特性を有しています。外部磁界の影響を強く受けるため、室温でも極低温（絶対零度以上1°K以下まで）でも良好に動作する高感度のホール効果センサーの構築が可能であり、バイオセンサーとして使用できるグラフェンベースFET（gFET）を製造するためにも利用できます。
gFETは、帯電した生体分子がチャネル電流に影響を与える液体ゲートを使用するため、電荷注入ではなくイオンに基づいた測定が可能です。これにより、タンパク質、生体分子、核酸のリアルタイム測定が可能になり、CRISPR遺伝子編集、RNA薬剤研究、ヒトや動植物の感染症の検出、がん研究などの最先端技術が実現します。
グラフェンのユニークな電気的特性は、新しい種類の電子デバイスの開発につながる可能性もあり、現在も研究されています。開発分野の1つは、電子の角運動量（スピンアップまたはスピンダウン）に情報を保存できるスピントロニクスです。グラフェンの規則正しく剛性のある配列構造は、室温で動作する原子レベルのスピントロニクス不揮発性メモリ（NVM）の理想的なキャリア材料となり得ます。これは従来のRAMよりも高速で、電源を切ってもすべてのデータを保持することができます。
グラフェン半導体
グラフェンシートを円筒状に丸めると、非常に高い引張強度と熱伝導性を持つナノ構造になります。垂直に並んだカーボンナノチューブ（CNT）で作られたサーマルインターフェース材料は、指向性の高い熱伝導性を示すため、パワーエレクトロニクスデバイスから生じる熱を隣接する部品を過度に加熱することなく、適切なヒートシンクに効率的に伝達することができます。試験では、熱伝導率が約15W/°Kに達しており、これはサーマルグリースの約3倍の値です。
さらに、カーボンナノチューブは物理的な寸法および/または追加の化学ドーピングによって、半導体や半金属のように機能するよう配合することもできます。理論的には、カーボンナノチューブは、同サイズの銅導体よりも1000倍多くの電流を流すことができ、その円筒形の構造により、この電流が横方向ではなくチューブの軸に沿ってのみ流れるように制御できるため、多くの新しい種類の電子デバイスが実現します。
カーボンナノチューブの他の用途としては、太陽光発電、センサー、ディスプレイ、スマートテキスタイル、エネルギーハーベスターなどがありますが、最も有望な開発は、CNTカソードを使用した新しいタイプのリチウムイオン電池です（図2）。既存のリチウムイオン電池は、急速充電時または高放電率時に熱膨張の問題が発生し、内部構造が損傷します。カーボンナノチューブのより高い機械的強度は、劣化することなくこれらの熱応力に耐えることができます。
これらの新しいCNTカソードバッテリーは、15分以内に10%から90%まで充電でき、軽量で、従来のバッテリーと比較してWH/Kgエネルギー密度が2倍になります。さらに、800回の充放電サイクル後も元の容量の90%が維持されるため、電気自動車の運転において1,000kmの航続距離が当たり前になるというような革命をもたらすことが期待されます。
さらに、カーボンナノチューブは物理的な寸法および/または追加の化学ドーピングによって、半導体や半金属のように機能するよう配合することもできます。理論的には、カーボンナノチューブは、同サイズの銅導体よりも1000倍多くの電流を流すことができ、その円筒形の構造により、この電流が横方向ではなくチューブの軸に沿ってのみ流れるように制御できるため、多くの新しい種類の電子デバイスが実現します。
カーボンナノチューブの他の用途としては、太陽光発電、センサー、ディスプレイ、スマートテキスタイル、エネルギーハーベスターなどがありますが、最も有望な開発は、CNTカソードを使用した新しいタイプのリチウムイオン電池です（図2）。既存のリチウムイオン電池は、急速充電時または高放電率時に熱膨張の問題が発生し、内部構造が損傷します。カーボンナノチューブのより高い機械的強度は、劣化することなくこれらの熱応力に耐えることができます。
これらの新しいCNTカソードバッテリーは、15分以内に10%から90%まで充電でき、軽量で、従来のバッテリーと比較してWH/Kgエネルギー密度が2倍になります。さらに、800回の充放電サイクル後も元の容量の90%が維持されるため、電気自動車の運転において1,000kmの航続距離が当たり前になるというような革命をもたらすことが期待されます。
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