未来の省エネ材料に新候補、“酸化ガリウム”のトランジスタ動作が初実証：パワー半導体

酸化ガリウムは、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）といった現在注目を集めるパワー半導体に比べ、バンドギャップが広いという特徴がある。酸化ガリウムを使った研究開発は始まったばかりだが、将来のパワー半導体材料としてさまざまな特徴がある。

[前川慎光，EE Times Japan]

　情報通信研究機構（NICT）は、Ga₂O₃（酸化ガリウム）単結晶を使った電界効果トランジスタ（FET）を開発し、世界で初めて動作を実証した。

　酸化ガリウムを材料として使うことで、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）といった既存の材料を使ったときよりも、さらに高耐圧・低損失のパワー半導体を実現できる可能性がある。タムラ製作所と光波の2社と共同で開発した。

SiCやGaNよりも高耐圧/低損失

　現在、さまざまな機器のエネルギー効率を高めようという社会的な要求を背景に、Si（シリコン）よりも高耐圧/低損失のパワー半導体を実用化する機運が高まっている（関連記事その1、その2）。そこで注目を集めているのが、前述のSiCやGaNといったワイドギャップのパワー半導体材料である。

図1　SiCやGaNに続く次世代パワー半導体として可能性を秘める酸化ガリウム　（a）は、パワー半導体材料における酸化ガリウムの位置付け。（b）は、各種材料のオン抵抗と耐圧の関係。グラフが右下にあるほどパワー半導体として優れた特性があることになる。酸化ガリウムは、SiやSiC、GaNと比べて最も右下にあることが分かる。

　今回NICTが注目した酸化ガリウムは、これらのSiC材料やGaN材料よりもバンドギャップが広く、パワー半導体の高耐圧/低損失化をさらに進められる可能性がある（図1）。しかも、単結晶基板の大型化が比較的容易で、製造時に高温・高圧といった条件が不要な「融液成長法」と呼ぶ手法を利用できることから、製造コストの面でもメリットが見込めるという（図2）。「パワー半導体の材料として高い可能性があるにもかかわらず、研究開発はこれまでほとんど手付かずの状態だった」（NICT）。

　実際に酸化ガリウム材料を使って、MES（MEtal Semiconductor）構造のFETを製造したところ、研究の初期段階ながらも、良好なトランジスタ特性を確認できたという（図3）。具体的には、（1）高いオフ状態耐圧（250V以上）、（2）小さいリーク電流（数μA/mm程度）、（3）高い電流オン/オフ比（約1万）といった特性である。

　研究成果は、米国物理学会誌「Applied Physics Letters」のオンライン版の1月2日号に掲載された。論文タイトルは、「Gallium oxide （Ga₂O₃） metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga₂O₃ （010） substrates」である（同誌のWebサイト）。

図2　融液成長法により作製した2インチ角の酸化ガリウム単結晶基板

図3　酸化ガリウム材料を使ってMESFETを試作　融液成長法の1つである「フローティングゾーン法」で作成した単結晶の酸化ガリウム基板に、分子線エピタキシー法で高品質のn型酸化ガリウムの薄膜を成膜した（a）。（b）は顕微鏡写真。

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