2DEG密度4.6倍でも高移動度維持 新規GaNヘテロ接合：GaNトランジスタの性能向上へ

東京大学と東京理科大学の研究グループは、新規の窒化物半導体ヘテロ接合における2次元電子ガス（2DEG）の量子輸送特性を解明した。次世代GaN（窒化ガリウム）トランジスタの性能向上に寄与するとみられる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高品質NbAlN／GaN系ヘテロ接合の結晶成長に成功

　東京大学大学院工学系研究科の若本裕介大学院生や前田拓也講師、東京理科大学先進工学部マテリアル創成工学科の小林篤准教授らによる研究グループは2026年11月、新規の窒化物半導体ヘテロ接合における2次元電子ガス（2DEG）の量子輸送特性を解明したと発表した。次世代GaN（窒化ガリウム）トランジスタの性能向上に寄与するとみられる。

　研究グループはこれまで、AlN（窒化アルミニウム）にNb（ニオブ）を添加したNbAlN（窒化ニオブアルミニウム）をGaN上にエピタキシャル成長させてきた。ただ、NbAlN／GaNヘテロ接合における2DEGの輸送特性や、移動度を制限する要因までは解明されていなかった。

　そこで今回、反応性スパッタエピタキシー法を用い、AlGaN／AlN／GaN／SiC基板上に、高品質のNbAlN／GaNヘテロ構造を成長させ、その界面に分極誘起される2DEGの電子輸送特性を詳細に調べ解析した。NbAlN薄膜を成長させることでNbAlNが分極し、およそ1.5×10¹³cm^-2という高い2DEG密度が得られた。この値は、成長前の試料に比べ約4.6倍だという。電子移動度は成長前後でほとんど変化はなく、室温で約1500cm²/Vsとなった。

左はSiC基板上に成長させたAlGaN／AlN／GaNヘテロ構造および、NbAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ構造の断面図。中央はNbAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ構造のエネルギーバンド図および電子密度分布。右はHall効果測定で得られたAlGaN／AlN／GaNおよび、NbAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ構造における2DEGの電子移動度の温度依存性とそのキャリア散乱機構解析［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　さらに、NbAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ接合に形成される2DEGの磁気抵抗を、極低温・高磁場（最低2K、最大14T）の環境下で測定し、シュブニコフ・ド・ハース（SdH）振動を観測した。これまで測定したScAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ接合の2DEGに比べ振動の振幅が大きく、より低い磁場から振動していることを確認した。

　SdH振動を解析した結果、電子密度の増大により電子の有効質量がやや重くなることが分かった。量子緩和時間は67フェムト秒と比較的長いものの、運動量緩和時間（約1200フェムト秒）に比べると一桁以上も短い。これは小角散乱が支配的なためであり、キャリア散乱機構が異方的で、極低温においてクーロン散乱など長距離ポテンシャルによる散乱が主な散乱機構であることを示すものだという。

NbAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ接合および、ScAlN/AlGaN／AlN／GaNヘテロ接合における2DEGのSdH振動特性［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　研究グループは今後、NbAlN／GaNおおよび、ScAlN／GaNヘテロ接合を活用したGaN HEMTの試作実証に取り組む予定である。