800℃を超える高温下でも利用可能な、半導体素子を開発筑波大学

筑波大学は2023年6月30日、800℃を超える高温の環境下でも利用可能な窒化アルミニウム（AlN）半導体を開発したと発表した。地下開発のほか、鉄鋼、宇宙、航空など各産業への貢献が期待できる成果だとしている。

現在、半導体には主にSiが用いられてるが、Si素子の動作可能温度は300℃以下に限られており、地下資源掘削や宇宙探索、エンジン周辺部といった300℃を超える高温下でも動作する素子が求められている。AlN結晶は、最も絶縁体に近い半導体の一つで、AlN素子が高温耐性に優れているという理論予測もある。しかし、電気特性を調べる装置の性能上、これまでは500℃までしか測定できなかった。

今回の研究では、900℃まで測定可能な電気特性の評価装置を用意したうえで、AlN試料を用いてショットキー障壁ダイオード（SBD）と電界効果トランジスタ（MESFET）を作製し、室温から900℃までの電気的特性を調べた。この際、SBDとMESFETの電気伝導層として、3μm厚のAIN試料にシリコン（Si）イオンを注入した後、熱処理することでn型化させたものを用いた。

測定の結果、AlN SBDは827℃でも10⁴以上のon／off比を維持し、AlN MESFETも727℃で約10³を維持した。これは高品質のAlN層とニッケル（Ni）電極を用いた効果と考えられる。高品質膜を利用することで、結晶欠陥を介した漏れ電流を低く抑えることに成功。また、ショットキー電極として用いたNiは827℃でもAlN表面と反応することなく、熱的に安定していることもわかった。

800℃を超える高温下でも利用可能な、半導体素子を開発　筑波大学