名古屋大ら、AlN系材料で良好なpn接合を作製：分布型分極ドーピング手法で形成

名古屋大学と旭化成による研究グループは、窒化アルミニウム（AlN）系材料を用い、極めて良好な特性を示すpn接合を作製した。次世代の高周波デバイスやパワーデバイスに向けて、AlN系材料の応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

絶縁破壊電界強度は7.3MV/cm、Siの25倍、SiCやGaNの2倍

　名古屋大学未来材料・システム研究所の須田淳教授や天野浩教授と旭化成による研究グループは2023年12月、窒化アルミニウム（AlN）系材料を用い、極めて良好な特性を示すpn接合を作製したと発表した。次世代の高周波デバイスやパワーデバイスに向けて、AlN系材料の応用が期待される。

　ウルトラワイドバンドギャップ（UWBG）半導体は、現在主流となっているシリコン（Si）やガリウムヒ素（GaAs）に比べ、バンドギャップ（禁制帯幅）が4〜5倍である。このため、高周波デバイスやパワーデバイスの性能向上を可能にする半導体材料として注目されている。バンドギャップが6.0eVのAlN系材料もその一つである。ところが、UWBG半導体は、電子デバイスにおいて最も重要となる理想的なpn接合を作製することが、極めて難しいという。

　研究グループは今回、旭化成の子会社であるクリスタル・アイエス（CIS）が開発した高品質のAlN単結晶基板上に、分布型分極ドーピング（DPD：distributed polarization doping）という手法を用いてpn接合を形成した。

　具体的には、AlN（0001）基板上にMOVPE（有機金属気相エピタキシャル成長）法を用いて、「ドーピングを行わないAlN層」と「高濃度n型Al_0.7Ga_0.3N層」を設けた。さらに、AlNのモル分率を徐々に増加させた「n型DPD層」とAlNのモル分率を減少させた「p型DPD層」を作製、最後に高濃度p型GaN層を形成した。そして、上部と下部に電極を取り付け、pn接合ダイオードを作製した。

今回作製したデバイスの断面構造［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学、旭化成

今回作製したAlN系pn接合ダイオードの電気測定の様子［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学、旭化成

　作製したAlN系pn接合は、理想的な「電流−電圧特性」や「電圧−容量特性」「電流注入による発光特性」を示したという。特に、絶縁破壊電界強度は7.3MV/cmとなった。この値は、Siの25倍、SiCやGaNと比較しても2倍である。今回は耐圧を向上させる工夫は何も行っておらず、研究が進めばさらに向上する可能性があるとみている。

絶縁破壊電界のベンチマーク［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学、旭化成