半導体素子、800℃を超える環境でも安定に動作：AlNを用いSBDとMESFETを作製

筑波大学は、窒化アルミニウム（AlN）半導体を用い、ダイオードは827℃まで、トランジスタは727℃まで、それぞれ極めて高い温度環境で、安定に動作させることに成功した。地下資源掘削や宇宙探索、エンジン周辺など、高い温度環境でも半導体素子の利用が可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

900℃まで電気特性を測定できる評価装置を用意

　筑波大学は2023年6月、窒化アルミニウム（AlN）半導体を用い、ダイオードは827℃まで、トランジスタは727℃まで、それぞれ極めて高い温度環境で、安定に動作させることに成功したと発表した。地下資源掘削や宇宙探索、エンジン周辺など、高い温度環境でも半導体素子の利用が可能となる。

　電子機器に搭載される一般的なICでは、Si（シリコン）半導体が用いられている。ところが、Si素子の動作可能な温度範囲は300℃以下であり、これを超える高温環境で用いるのは極めて難しかった。

　そこで注目されてきたのが、絶縁体に近い材料で熱耐性にも優れたAlN半導体である。理論的にはSiC（炭化ケイ素）やダイヤモンドに比べ、高温で安定した動作が可能となる。ところが、500℃を超える動作環境で、AlN素子の電気特性を調べる装置がこれまではなかったという。

各半導体材料の真性キャリア密度と温度の逆数との関係［クリックで拡大］ 出所：筑波大学

　筑波大学数理物質系の奥村宏典助教らによる研究グループでも既に、AlNをチャネルとしたトランジスタと、窒素極性面AlNをベースに用いた分極効果トランジスタを開発してきたが、実際に動作検証を行ったのは500℃以下であった。

　研究グループは今回、高真空下で測定できるプローバーを採用するなどして、電気特性を900℃まで測定できる評価装置を用意した。この装置を用い、試作したAlNベースのSBD（ショットキーバリアダイオード）とMESFET（電界効果トランジスタ）について、特性を評価した。

　試作したAlN素子は、Siイオンを注入した厚み3μmのAlN層を電気伝導層として用いた。ショットキー電極にはNi／Auを、オーミック電極には窒素雰囲気下950℃で1分間加熱したTi／Al／Ni／Auを、それぞれ採用した。また、電極の外側はエッチングをすることで、素子の外側から回り込む電流を抑えた。

　この結果、AlN SBDのオン／オフ比は、827℃でも10⁴以上、AlN MESFETは同様に727℃でも約10³を維持できたという。その理由として2点挙げた。1つは高品質のAlN層を用いたことで、漏れ電流を低く抑えられたこと。もう1つは、ショットキー電極として用いたNi（ニッケル）が、827℃でもAlN表面と反応することなく、熱的に安定していたことである。今後、オーミック電極を改善できれば、特性をさらに向上させることができるとみている。

今回作製したAlN SBDとAlN MESFETの構造 出所：筑波大学