高性能交通用電動システム実現に向けた新規キャパシタ・スイッチングデバイス材料の開発

• 研究概要

  蓄電デバイス、インバータ、モーターから構築される交通用電動システムの高性能化のため、蓄電デバイス(キャパシタ)およびインバータ（スイッチングデバイス）材料の研究開発で世界トップを走る本学のキャパシタグループとスイッチングデバイスグループが、戦略的融合研究グループを形成して研究開発に当たる。
  キャパシタ研究グループはキャパシタ電極ナノ活物質、炭素材料の分子設計技術に関する国際的共同研究を推進する。
  スイッチングデバイス研究グループは、ワイドバンドギャップ半導体材料である窒化アルミニウム、酸化ガリウム単結晶成長と結晶中の点欠陥制御による導電性制御技術を確立し、高耐圧スイッチングデバイス実現に繋げる。

  

• 研究目的

  ●キャパシタ研究グループ
  これまでに無い全く新しい概念のキャパシタデバイスを創出するに当って、新材料の創製が必須であるが、未解明な新しい現象が多く存在し、評価法も充分に確立されていない。そこで国際研究グループを編成し、1)メカニズムの解明、2)評価方法の確立、3)新理論の確立、4)国際規格の共同提案などを行い、次世代キャパシタを世界にアピールする。

  ●スイッチングデバイス研究グループ
  スイッチングデバイスの低オン抵抗化および高耐圧化にはワイドバンドギャップ半導体単結晶の高酸化ガリウム（Ga2O3）結晶の成長、導電性制御技術の確立を目指す。

  

• 研究計画

  ●キャパシタ研究グループ
  1)メカニズム解明：本学のナノ複合体材料の性能について、ボールサバティエ大はXRD-Synchrotron 測定と精密解析による分析を行い、SPring8での分析、HRTEM観察などと照合し、電気化学的メカニズムの解明を行う。
  2)評価方法の確立：現在学術論文では新ナノ材料の評価方法がバラバラであり、条件が異なるため性能も比較検討が難しいが、ナノ電気化学の分野で知見の深い海外の研究者の提案を本学のナノ複合材料測定で試行し、評価法についての標準化を図る。
  3)新理論の確立：ポールサバティエ大によるMolecular Dynamicsシミュレーションと本学でのFT-IR、in-situ Ramanの分析とを照合し、特異なナノ構造に由来する新物性の解明を行う。
  4)国際規格の共同提案：ナノ材料開発から次世代キャパシタデバイス構築に至る技術的な道筋を立てる。ナノ材料特有の新しい多くの課題・問題点を共有化し、国際規格を共同提案する。

  ●スイッチングデバイス研究グループ
  AlNの開発：本研究グループは独自の気相成長技術により世界で最も低転位密度（10^3 cm^-2台）のAlNバルク結晶を成長できる。平成29年度は点欠陥導入メカニズムの解明を進め、結晶の更なる低抵抗化を図り、デバイスの低オン抵抗化を進める。また、デバイス構造の最適な設計を模索し、高耐圧（1000 V級）デバイスを実現する。
  Ga2O3の開発：本研究グループのメンバーは世界的にほとんど検討されてこなかった酸化ガリウム結晶の超高純度結晶の成長、点欠陥制御による高性能デバイス実現の可能性検討をAlN結晶の研究と並行して開始し、すでに世界最高純度結晶（残留ドナー濃度<10^13 cm^-3）を達成し、点欠陥導入制御により10^15～10^19 cm^-3の範囲でキャリア濃度が制御可能となっている。これにより1000 V以上の耐圧を有するデバイスの試作も報告したが、キャリアの発現メカニズムに関しては依然として未知の部分が多い。平成29年度はキャリア発現メカニズムについて詳細に検討を行う。

その他の研究者

山崎　孝　（工学研究院・教授）
岩間　悦郎　（工学研究院・助教）
村上　尚　（工学研究院・テニュアトラック准教授）
富樫　理恵　（工学研究院・助教）