2024.6.25
名古屋大学未来材料・システム研究所の須田 淳、天野 浩の両教授と旭化成株式会社の研究グループは、高品質な窒化アルミニウム（aluminum nitride/以下、AlN）単結晶基板を用いて、理想的なpn接合の作製に世界で初めて成功した。これはAlN系半導体素子構造におけるブレークスルーと言え、AlNを用いた電子デバイス開発の今後の発展の礎となることが期待される本研究について解説する。
さまざまなデバイスの性能を向上させる次世代の半導体
次世代半導体材料として期待される「ウルトラワイドバンドギャップ半導体」（以下、UWBG半導体）。同半導体は現在、半導体材料として広く使われているシリコン（Si）やガリウムヒ素（GaAs）の4～5倍の禁制帯幅=バンドギャップ（半導体材料において最重要な物性＜特性＞値の一つ）を有し、高周波デバイスやパワーデバイスの性能向上を実現させるものとして期待されている。
主な半導体材料のバンドギャップの数値。バンドギャップは半導体中に電子と正孔のペアを形成するために必要なエネルギーを表す。単位は電子ボルト（eV）
資料提供：旭化成株式会社
UWBG半導体の研究は、携帯電話基地局などで用いられる高周波デバイスの通信性能向上への貢献、鉄道車両、USB充電器などに搭載されるパワーデバイスの損失低減・省エネ化に結び付くことから、大いに発展が期待されている。しかしながら、UWBG半導体は半導体デバイスの根幹となる理想的な「pn接合」（※1）の形成が困難という課題を抱えていた。
この課題に対し研究グループは、UWBG半導体の一つであるAlN系材料において、高品質AlN単結晶基板上に分布型分極ドーピング（distributed polarization doping/以下、DPD）という手法を用い、特性の優れたpn接合の実現を目指した。
※1…半導体デバイス（素子）の基本構造の一つ。電子が多数存在する「n型半導体」と、正孔が多数存在する「p型半導体」が積層した構造。電流を一方向にのみ流す整流作用、電流注入による発光、光照射による起電力などの特性を有する
半導体材料研究の経験で、世界初の成功を実現
今回、研究グループが用いたDPDは、従来の半導体材料不純物ドーピングとは異なり、化学組成（今回はAlNに対し数％～30%のGaN＜窒化ガリウム＞を混合）を空間的に変化させる手法だ。
研究グループが求める理想通りのDPDの発現、特性の優れたAlN系p層、n層を実現するためには、まず下地材料として高品質なAlN単結晶基板が必要だ。これを旭化成の子会社クリスタル・アイエス（CIS）が開発した。
CISが開発した2インチAlN単結晶基板（AlNウェハー）
画像提供：旭化成株式会社
さらに、工夫を凝らした高品質な薄膜結晶成長技術とデバイス（pn接合ダイオード）作製技術を一体化させることが必須だった。名古屋大学と旭化成は、長年にわたりAlN系半導体を用いた深紫外領域レーザーダイオードの研究開発を共同で行っており、これらに関する豊富な経験と技術的な蓄積を生かして研究を継続。こうして作製されたデバイスは電流─電圧特性、電圧─容量特性、電流注入による発光特性でそれぞれ良好な特性を示し、理想的なAlN系pn接合の実現に、世界で初めて成功した。
作製したAlN系材料によるデバイス（pn接合ダイオード）の電気測定の様子。AlNウェハー上に 作製したpnダイオードに、2本のプローブを当てて測定した。一つ一つの模様が一つのダイオードである
画像提供：旭化成株式会社
名古屋大学は、GaN系材料のDPDによるpn接合において実績があり、DPDの設計などの技術も秀でていた点も優位であった。加えて、名古屋大学エネルギー変換エレクトロニクス実験施設（C-TEFs）の次世代材料のための半導体クリーンルームを活用したデバイス形成技術により、今回の検証はより良い状況でのDPD、pn接合の実現が可能となった。
名古屋大学未来材料・システム研究所のクリーンルーム実験棟「C-TEFs」は、GaNをはじめとした次世代半導体材料の研究開発拠点
画像提供：名古屋大学
結晶成長やデバイス作製は「C-TEFs」の最先端クリーンルームで実施された
画像提供：名古屋大学
今回の成功は、WBG半導体デバイスの社会実装をさらに広げ、安全・安心な暮らし、あるいは低炭素社会実現に貢献する大きな前進となった。
今後、より優れた性能・特性の実現を目指して名古屋大学と旭化成はさらなる研究を続けていく。
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text：サンクレイオ翼
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