次世代パワーエレクトロニクス材料AlGaNの高品質な半導体結晶を安価に合成する手法を開発 東大

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スパッタリングで成長した縮退GaN結晶の高分解能電子顕微鏡写真

東京大学は2022年7月5日、同大学生産技術研究所の研究グループが、品質の高い窒化物半導体結晶をスパッタリング法と呼ばれる製造手法で合成する手法を開発したと発表した。安価な手法で高性能なパワーエレクトロニクス素子を作製できる。

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、実用化が始まっているが、GaNよりも絶縁破壊耐性の高いAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)と呼ばれる材料に、次世代のパワーエレクトロニクス材料としての期待が集まっている。

しかし、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、低抵抗の電極を形成することが難しいため、良好な特性を持つトランジスタの作製ができていなかった。また、GaNやAlGaNといった窒化物半導体の成長には、高価な結晶成長手法であるMOCVD法が使われることから、素子の製造コストが高いという課題があった。

研究グループは今回、スパッタリング法と呼ばれる手法を用い、AlGaNの高品質な半導体結晶を安価に合成する新手法を開発した。スパッタリング法は、一般の工場で低コストの材料合成手法として広く使われており、新材料や新素子の社会実装が容易となることが期待できる。

さらに、GaN結晶に高濃度でSi原子を導入することで、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。高いエネルギー状態の電子が存在するこの縮退GaN結晶は、新しい電極結晶として縮退GaNをAlGaNと接触させることで、低抵抗で電子をAlGaN中に注入できる。

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、この縮退GaNを利用することで、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。その結果、抵抗の低い高性能なAlGaNトランジスタを作製できることを実証した。

試作したAlN/AlGaN HEMT素子特性評価の様子

この手法を用いることで、低コストでパワーエレクトロニクス材料を作製でき、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。研究グループは今後、新素子の構造を最適化し、社会実装の準備を進めていく。

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