室温動作の共鳴トンネルダイオードを試作：IV族混晶半導体のみでDBSを形成（1/2 ページ）

名古屋大学は、IV族混晶半導体のみで高品質の二重障壁構造（DBS）を形成する技術を開発した。この技術を用い、テラヘルツ（THz）発振に必要な共鳴トンネルダイオード（RTD）を試作し、室温（300K）での動作実証に成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

安価で環境に優しいテラヘルツ帯半導体デバイスなどを創出へ

　名古屋大学大学院工学研究科の柴山茂久助教、鳥本昇汰博士前期課程学生、石本修斗博士前期課程学生（当時）、中塚理教授らによる研究グループは2025年8月、IV族混晶半導体のみで高品質の二重障壁構造（DBS）を形成する技術を開発したと発表した。この技術を用い、テラヘルツ（THz）発振に必要な共鳴トンネルダイオード（RTD）を試作し、室温（300K）での動作実証に成功した。

　研究グループはこれまで、低価格で無毒のIV族元素で構成されるゲルマニウムスズ（GeSn）とゲルマニウムシリコンスズ（GeSiSn）といった、IV族混晶半導体のみでDBSを形成するための技術を開発してきた。これまで試作したRTDの動作温度は10Kであったが、共鳴トンネル電流に由来する負性微分抵抗（NDR）の発現を確認していた。

　これらの研究成果を踏まえ、今回は動作温度の向上などに取り組んだ。GeSnとGeSiSnからなるDBSを形成するため、分子線エピタキシー（MBE）法を用いた。Ge（001）基板上にGeSn／GeSiSnのDBSを疑似格子整合させるため100℃という低温で結晶成長を行い、高い結晶・界面品質を実現したという。

GeSnとGeSiSnからなるDBSのエネルギーバンド構造（左上）と、結晶成長した試料の断面構造模式図（左下）。右は試作したRTDの10Kにおける電流密度−電圧（J-V）特性［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　今回の実験では、成長時の温度に加えH₂ガス導入の有無など、条件を変えて3つの試料を作成した。その試料とはGeSn／GeSiSn 層の全てにH₂ガスを導入した「H₂All」、H₂ガスを導入しなかった「w/o H₂」および、GeSn層にのみH₂ガスを導入した「H₂GeSn」である。H₂ガスの分圧は約10^-2Paとした。

　試料の断面構造を走査型電子顕微鏡（STEM）で観察したところ、GeSn成長中にのみH₂ガスを導入した場合、GeSnとGeSiSnが層状に成長し、界面で発生する層間ミキシングを抑えられることが分かった。一方、GeSiSn層にH₂ガスを導入すると島状に成長するため、GeSn／GeSiSnの品質劣化につながることが明らかとなった。

作製したDBSの断面構造模式図［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

条件を変えて作製した3試料のHAADF-STEM像［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学

　研究グループは、GeSn層にのみH₂ガスを導入して作製したGeSn／GeSiSn DBSを用いてRTDを試作、10〜300Kの温度範囲で電流密度−電圧（J-V）特性を評価した。この結果、300Kを含むさまざまな温度において、約2Vの電圧位置でNDRが発現した。特に、200Kでは行きと帰りの掃引でNDRが発現することを確認した。

H₂Allの試料を用いて作製したRTDのJ-V特性［クリックで拡大］ 出所：名古屋大学