モノリシック双方向ダイヤモンドスイッチで世界初の双方向動作を実証
〜290V耐圧と8.2mΩcm²の低オン抵抗を達成、次世代電力変換回路の小型化に貢献〜
The article in English follows the Japanese version.
株式会社Power Diamond Systems（本社：東京都、代表取締役CEO：藤嶌 辰也）は、独自に培ってきたダイヤモンドMOSFET技術を応用し、モノリシック双方向ダイヤモンドスイッチを開発しました。本デバイスにおいて、双方向スイッチ特有の動作を世界で初めて実証するとともに、290Vの双方向耐圧および8.2mΩcm²のオン抵抗を達成しました。従来提案されてきたバルク伝導を用いた構造と比較して、耐圧を向上させながらオン抵抗を10分の1以下に低減することに成功しました。本成果は、ダイヤモンドを用いた双方向スイッチの実用化に向けた重要な進展となります。
研究開発の背景
近年、再生可能エネルギー向けインバータや電気自動車向け車載充電器の小型化やコスト削減の要求が高まっています。これらの電力変換回路では双方向電圧遮断が不可欠であり、従来はパワーデバイスをBack-to-Back接続することで双方向スイッチを構成してきました。しかし、この構成ではデバイス数が増加し、フットプリントやコストの面で制約がありました。
これに対し、1チップ上で双方向動作を実現するモノリシック双方向スイッチは、Back-to-Back構成と比較してフットプリントを半分以下に低減できる可能性があり、次世代電力変換回路の高集積化に向けた有望技術として世界中で研究開発が加速しています。
ダイヤモンド材料を用いたモノリシック双方向スイッチも提案されてきましたが、バルク伝導を利用する従来構造では、ダイヤモンド特有の深いドーパント準位に起因してオン抵抗が高くなるという課題がありました。また、ゲートリーク電流が大きいことから、双方向スイッチとしての安定した動作が十分に確認されていませんでした。
今回の研究開発成果
Power Diamond Systemsがこれまで培ってきたダイヤモンドMOSFET技術を基盤とし、2つのゲートを同時に制御する必要がある双方向動作に適したダイヤモンドMOSFETの開発を実現しました。
今回、開発したモノリシック双方向ダイヤモンドスイッチにおいて、双方向スイッチ特有の動作を世界で初めて実証しました。あわせて、290Vの双方向耐圧および8.2mΩcm²の低オン抵抗を達成しました。さらに、従来のバルク伝導型構造と比較して、耐圧を向上させながらオン抵抗を10分の1以下に低減することに成功しました。これにより、ダイヤモンドを用いた双方向スイッチの性能向上と実用化可能性を大きく前進させました。
今後は、さらなる高耐圧化および低オン抵抗化を進めるとともに、信頼性評価を強化し、外部パートナーとの連携を通じてアプリケーション開発を推進し、再生可能エネルギー分野や電動車向け電力変換システムへの応用を視野に、次世代パワーエレクトロニクスの実現に貢献してまいります。
なお、本研究成果は、2026年4月5日付でApplied Physics Expressに受理され、オンラインで掲載されました。
本研究成果の一部は、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の委託業務（JPNP14004）および文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業の支援により得られたものです。
* Applied Physics Express
Monolithic bidirectional 2DHG diamond switch
S. Kawai1, N. Oi1, S. Shoji1,3, R. Yoshida1,3, K. Ota1,3, A. Watanabe2, K. Ueda3, I. Omura2 and T. Fujishima1
1 Power Diamond Systems Inc., Shinjuku, Tokyo 169-0051, Japan
2 Kyushu Institute of Technology, Kitakyushu, Fukuoka 808-0196, Japan
3 Waseda University, Kitakyushu, Fukuoka 808-0135, Japan
株式会社Power Diamond Systems 事業概要
Power Diamond Systemsは、ダイヤモンド半導体デバイスの研究開発を行うスタートアップです。ダイヤモンド半導体デバイスは、モビリティ、再エネなどの次世代パワーエレクトロ二クス分野において期待される次世代パワー半導体です。このダイヤモンド半導体デバイスにより超小型・高効率インバータモジュールを実現し、エネルギー社会における更なる省エネ化に貢献することを目指しています。
会社名：株式会社Power Diamond Systems
所在地：東京都新宿区西早稲田1-22-3
早稲田大学アントレプレナーシップセンター
代表者：藤嶌 辰也
ホームページ：https://www.powerdiamondsys.com/
本件に関するお問い合わせ先
株式会社Power Diamond Systems 担当：高橋
Mail：info@powerdiamondsys.com
World’s First Demonstration of Bidirectional Operation
with a Monolithic Diamond Switch
— Achieves 290 V Breakdown Voltage and 8.2 mΩ·cm² On-Resistance,
Contributing to the Miniaturization of Next-Generation Power Conversion Circuits —
Power Diamond Systems, Inc. (Headquarters: Tokyo, Japan; CEO: Tatsuya Fujishima) has developed a monolithic bidirectional diamond switch by leveraging its proprietary diamond MOSFET technology. Using this device, the company has demonstrated bidirectional switching operation for the first time in the world, while achieving a bidirectional breakdown voltage of 290 V and an on-resistance of 8.2 mΩ·cm². Compared with previously proposed structures based on bulk conduction, the new device achieves a more than tenfold reduction in on-resistance while improving breakdown voltage. This achievement represents a significant step toward the practical realization of bidirectional switches using diamond semiconductors.
Background of the Research
In recent years, there has been a growing demand for the miniaturization and cost reduction of power conversion systems, such as inverters for renewable energy and on-board chargers for electric vehicles. These systems require bidirectional voltage blocking, which has traditionally been realized by configuring bidirectional switches using back-to-back connected power devices. However, this approach increases the number of devices, resulting in constraints in terms of footprint and cost.
In contrast, monolithic bidirectional switches that enable bidirectional operation on a single chip have the potential to reduce the footprint by more than half compared with back-to-back configurations. As a result, they are attracting significant attention worldwide as a promising technology for the high integration of next-generation power conversion circuits.
Monolithic bidirectional switches based on diamond semiconductor materials have also been proposed. However, conventional structures utilizing bulk conduction suffer from high on-resistance due to the deep dopant levels inherent to diamond. In addition, large gate leakage currents have prevented stable operation as a bidirectional switch from being sufficiently demonstrated.
Research Results
Building on its proprietary diamond MOSFET technology, Power Diamond Systems has developed a diamond MOSFET structure optimized for bidirectional operation, in which two gates must be controlled simultaneously.
Using the newly developed monolithic bidirectional diamond switch, the company has demonstrated, for the first time in the world, the operating modes unique to bidirectional switching devices. In addition, the device achieved a bidirectional breakdown voltage of 290 V and a low on-resistance of 8.2 mΩ·cm².
Furthermore, compared with conventional structures based on bulk conduction, the device successfully achieved a more than tenfold reduction in on-resistance while improving breakdown voltage. These results significantly advance both the performance and the practical feasibility of bidirectional switches using diamond semiconductors.
Looking ahead, Power Diamond Systems will continue to pursue higher breakdown voltage and lower on-resistance, while strengthening reliability evaluation. Through collaboration with external partners, the company will also accelerate application development, targeting use in renewable energy systems and electric vehicle power conversion systems, and contributing to the realization of next-generation power electronics.
This research was accepted for publication in Applied Physics Express* on April 5, 2026, and has been published online.
Part of this work was supported by a commissioned project from NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) (Project No. JPNP14004) and by the “Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan” program of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT).
* Applied Physics Express
Monolithic bidirectional 2DHG diamond switch
S. Kawai1, N. Oi1, S. Shoji1,3, R. Yoshida1,3, K. Ota1,3, A. Watanabe2, K. Ueda3, I. Omura2 and T. Fujishima1
1 Power Diamond Systems Inc., Shinjuku, Tokyo 169-0051, Japan
2 Kyushu Institute of Technology, Kitakyushu, Fukuoka 808-0196, Japan
3 Waseda University, Kitakyushu, Fukuoka 808-0135, Japan
About Power Diamond Systems, Inc.
Power Diamond Systems is a startup engaged in the research and development of diamond semiconductor devices. Diamond semiconductor devices are expected to serve as next-generation power semiconductors in emerging power electronics fields such as mobility and renewable energy.
Through the development of diamond semiconductor devices, the company aims to realize ultra-compact and high-efficiency inverter modules, contributing to further energy savings in the energy society.
Company Name: Power Diamond Systems, Inc.
Address: Waseda University Entrepreneurship Center, 1-22-3 Nishiwaseda, Shinjuku-ku,
Tokyo, Japan
CEO: Tatsuya Fujishima
Website: https://www.powerdiamondsys.com/
Contact for Inquiries
Power Diamond Systems, Inc.
Administration: Takahashi
Email: info@powerdiamondsys.com
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