東大,AlGaNのスパッタリングでの合成に成功

東京大学の研究グループは,安価なスパッタリング法で品質の高い窒化物半導体結晶を合成する手法を開発し,さらに,縮退GaNと呼ばれる新しい電極結晶を合成し,これをAlGaNと接触させることによって抵抗の低い高性能AlGaNトランジスタの試作に成功した(ニュースリリース)。

これまでパワーエレクトロニクスのトランジスタ用半導体材料としてSiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)に関する研究開発が進み,既に実用化が始まっている。

一般に,軽元素で構成される半導体は絶縁破壊耐性が高いことが知られており,GaNの場合も,Gaの一部をより軽いAlで置き換えてAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)とすると絶縁破壊耐性に優れた結晶となることが知られている。

したがって,より絶縁破壊耐性の高いAlGaNには次世代のパワーエレクトロニクス材料として大きな期待が集まっているが,AlGaN半導体中の電子はエネルギー状態が高く,外部からの電子の注入が困難で,電極部の抵抗が大きくなり,これまで良好な特性を持つトランジスタは作製できなかった。

また,GaNやAlGaNといった窒化物半導体の成長には高価なMOCVD法による結晶成長手法が使われるため,素子の製造コストが高かった。

研究グループは今回,安価なスパッタリング法で品質の高い窒化物半導体結晶を合成する手法を開発した。スパッタリング法は低コストの材料合成手法として一般の工場で広く使われているため,新材料・新素子の社会実装が容易となると期待できる。

さらに,GaN結晶にSi原子を1×1020cm-3以上の高濃度で導入することによって縮退GaNと呼ばれる新しい材料が合成できることを見出した。また,この縮退GaN結晶の中には高いエネルギー状態の電子が存在し,縮退GaNを新しい電極結晶としてAlGaNと接触させることによって,AlGaN中に低抵抗で電子を注入できるようになることを見出した。

今回,この縮退GaNをトランジスタの電子注入層であるソースとドレインとして利用することにより高性能のAlN/AlGaNヘテロ接合高電子移動度トランジスタ(HEMT)を試作した。その結果,抵抗の低い高性能のAlGaNトランジスタが実現できることを実証した。

この手法を用いると低コストでパワーエレクトロニクス材料を作製することが可能となり,高性能電力変換素子や,6G通信など次世代無線通信用素子としての利用が期待できるとする。研究グループは今後,新素子の構造最適化を行ない,社会実装の準備を進めていくとしている。

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