窒化アルミニウム系の次世代パワー半導体デバイスの作製に成功名大と旭化成

次世代パワー半導体などの材料として期待される窒化アルミニウム（AlN）系材料を使い半導体の基本構造である「pn接合」を作製することに名古屋大学と旭化成のグループが成功した。「AlN系pn接合」は、従来のSiC（シリコンカーバイド）やGaN（窒化ガリウム）と比べて特に電流-電圧特性が2倍と高電圧に対する優れた耐性を示した。高周波化による通信速度向上が求められる6G以降の通信技術などに応用できる可能性がある。

今回の実験で用いた高品質な窒化アルミニウムの単結晶基板。直径約2インチ（50ミリメートル）で、厚さは0.5ミリメートル（旭化成提供）

現在広く使われている半導体はシリコンが主材料だ。各国では従来品より壊れにくく、宇宙や車載などの過酷な環境下でも使える頑丈な「ウルトラワイドバンドギャップ半導体」と呼ばれる次世代のパワー半導体の開発にしのぎを削っている。この半導体には主にダイヤモンドや酸化ガリウムが使われる。窒化アルミニウムはそれらを超える特性を持つ可能性が知られていたが、デバイス作製時に必要となる不純物を添加（ドーピング）しても室温で導電性能が得られない点が課題だった。

半導体デバイスの特性を測定している様子。一つの円の直径は0.1～0.3ミリメートル（名古屋大学提供）

名古屋大学未来材料・システム研究所の天野浩教授（半導体工学）と旭化成先端技術研究所の吉川陽博士らの研究グループは、この「不純物ドーピング」以外で導電性能を得られる半導体デバイスの開発手法に取り組んだ。

新たな半導体デバイスは基板に用いる窒化アルミニウム上に、窒化ガリウムと窒化アルミニウムを混ぜ合わせて結晶にした窒化アルミニウムガリウムを成長させることで作る。

実用的な半導体デバイスには電子の抜け穴である正孔（ホール）を持つp型半導体と、電子を持つn型半導体が接合するpn接合と呼ばれる構造が必要。窒化アルミニウムガリウム中のアルミとガリウムの比率を徐々に変化させていくと、正・負の電荷が現れる「分極」という効果が生じる。これにより、半導体中の電子や正孔が集まり、絶縁体であった窒化アルミニウムガリウムをp型やn型にすることができた。

この「分極ドーピング法」と呼ばれる手法を用いて、研究チームは窒化アルミニウム基板上にpn接合ダイオードの半導体デバイスを作製し、不純物を添加した半導体と同様の導電性能を持って動作させることに初めて成功した。

今回開発した半導体デバイスの断面模式図（名古屋大学提供）

半導体の特性を調べたところ、電界をかけたときに壊れる強度を示す「絶縁破壊電界強度」はシリコンカーバイドや窒化ガリウムの約2倍と、耐圧性に優れていた。電流を流すと発光し、電流と電圧の差を示す電流-電圧特性も良い値を示した。このような良好な特性を持つ半導体が実用化すると、電力変換の損失が少なくなるため、現在流通している製品よりも大幅な省エネが期待できる。その結果、携帯電話の基地局やレーダー、通信衛星といった次世代通信に応用する道が開ける。