省エネ社会に貢献する「単結晶」とは？

半導体の材料に欠かせないシリコン単結晶

パソコンやスマホに内蔵されているメモリやCPUは、その基板材料としてシリコン（Si）単結晶が使われています。この結晶の基となるケイ素は地球上で酸素の次に多い元素で、石や岩などの中に含まれています。自然界にある状態のままでは半導体製品として使用できないため、人工的に限りなく100％に近い高純度の原料を得て、さらに単結晶シリコンに作り変えます。単結晶とは、原子が三次元的に規則正しく、同じ向きにきれいに並んだ固体のことです。手に入りやすいシリコンはコストも安く、高品質な単結晶を量産する技術も確立されているので、精密機器や自動車部品など、さまざまな場面で使用されています。

新材料で「省エネ」という課題を克服

パワーデバイス（電源用半導体）と呼ばれる部品もシリコンを材料にしています。これらは直流の電気を交流に変換したり、電力を制御したりするなどの働きをしていますが、電力変換の際に一部の電力が熱として逃げてしまうことが問題視されてきました。電力損失の削減のためにさまざまな改善が進む一方で、シリコンに代わる材料として、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）、酸化ガリウム（Ga₂O₃）などに注目が集まっています。これらは物性にも優れ、例えばシリコンを炭化ケイ素に置き換えると電力損失を大幅に削減できると言われています。省エネルギーに貢献する新たなパワーデバイスの実用化に向けた開発が進んでいます。

単結晶成長の研究が世界を救う？

長年にわたって研究されてきたシリコンを比較対象として、なんらかの新機能を持った単結晶を、より大きく、効率的かつ高品質に作り出す結晶成長の研究には、産業界からも大きな期待が寄せられています。まだ世の中に存在していない、新たな単結晶を創製できる可能性もあります。
省エネはもちろん、安全性や耐久性、小型化など、多様なニーズに応じた単結晶作りの進歩が、世界を環境に優しい社会へと導く、大きなきっかけになるかもしれません。

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先生情報 / 大学情報

信州大学工学部電子情報システム工学科教授太子敏則先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

結晶工学

先生が目指すSDGs

メッセージ

自分が最初に感じた探求心を、大事に育ててください。興味のあることは積極的に勉強し、将来に活かしてください。私自身、子どもの頃に興味を持ったことが、現在の専門研究に繋がっています。
研究室では、省エネに貢献できる単結晶を、経験やノウハウに基づいて作っています。また企業のニーズに応じて、これまでなかった新しい結晶作りも行っています。失敗もありますが恐れることはありません。そこから新たな展開があるはずです。結晶成長は将来の地球環境に役立つ研究分野です。興味がありましたら、ぜひ一緒に取り組みましょう。

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信州大学は、人文・教育・経法・理学・医学・工学・農学・繊維の8学部からなり、すべての学部に大学院が設置されています。教員は約1千人、在学生数は約1万1千人で、世界各国からの留学生約400人も意欲的に学んでいます。
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