窒化ガリウムで、次世代のパワーデバイスの実現へ：物質・材料研究機構

(2017年10月23日発表)

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　窒化ガリウム（GaN）をベースとした「金属―酸化物―半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)」は、性能が高く、モーターなどの大電流を制御できる次世代のパワー半導体素子として期待されているが、これまでのシリコン製のトランジスタに比べて、電子やホールの移動する動きがよくないという問題点を抱えている。GaN‐MOSFETは、図1に見るように、ベースとなる半導体のGaNの上にゲート酸化膜をはさんで電極を配置したもの。これらの電極に電圧をかけ、半導体の内部を流れる電流を制御する。ゲート酸化膜に二酸化ケイ素（SiO₂）を用いると、性能がよいことが報告されていたが、その理由はよく分かっていなかった。また、SiO₂ とGaNとの界面に、意図的に酸化ガリウム（Ga₂O₃）の層をつけたところ、性能が向上したという報告もあったが、これまでのところ詳細な観察はされないままだった。

　そこで、NIMSを中心とする研究チームは、二酸化ケイ素（SiO₂）を絶縁膜に使ったトランジスタを作製。GaN結晶とのSiO₂/GaN界面を電子顕微鏡で直接観察したところ、1.5nm(ナノメートル、1nmは10億分の1m)程度の非常に薄いGa₂O₃の層があることを発見した。この構造を詳細に解析したところ、これまで全く知られていなかった原子レベルで平坦でほぼ安定した、つまり界面に欠陥がないGa₂O₃の結晶の層であることが明らかになった。さらに、このGa₂O₃と同様の層が、絶縁膜をつける前に、GaN結晶の表面が自然に酸化され形成される可能性があることが分かった。絶縁膜形成前のGa₂O₃層が、GaN結晶/絶縁膜界面で観察された構造と同じかどうかは、今後詳細な解析が必要であるが、結晶状のほぼ安定した酸化ガリウム層が幅広い条件で形成される可能性を示している。

　パワーデバイスは、自動車や電車のモーターなどの大電流をスイッチングするために利用される素子であり、ロスが少ないが大電流に対応できることが求められている。本研究により、GaNをベースとしたパワーデバイスの開発の可能性が示され、その実現が待たれる。

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