情報通信研究機構(NICT)は6月19日、タムラ製作所、光波と共同で、新しいワイドギャップ半導体材料である酸化ガリウム(Ga2O3)を用いたMOSトランジスタの開発に成功したと発表した。

詳細は、2013年6月24日から米国ノートルダム大学で開催される半導体電子デバイスに関する国際会議「Device Research Conference(DRC2013)」にて発表される予定。

世界的な省エネルギー化に向けた動きが高まっており、パワー半導体には、現状の主力であるSiよりもさらに高耐圧・低損失を実現できるSiCやGaNといったワイドギャップ半導体材料に注目が集まっている。Ga2O3は、SiCやGaNよりもさらに大きなバンドギャップを持つことから、パワー半導体に応用した場合、より一層の高耐圧・低損失化を図れると期待されているほか、融液成長法により簡便に単結晶基板を作製可能なため、製造容易性を確保できるというメリットがあるにも関わらず、未開拓の新半導体材料であった。

そこで研究グループでは今回、新たにGa2O3に合わせて開発したデバイスプロセス技術を駆使して、実用に適した電界効果トランジスタの一種であるMOSトランジスタを作製し、その動作実証を実施した。

今回の開発における最大のポイントは、新たにSiイオン注入による選択ドーピング技術、ならびに絶縁膜堆積技術(Al2O3絶縁膜)を開発したことで、これにより、デバイス特性はこれまでに報告されていたMOSFETの性能に比べ、大きく向上したという。

具体的な値としては、シンプルなトランジスタ構造ながら、39mA/mmのオン電流、370V以上のオフ状態耐圧、測定限界 数pA/mm以下のリーク電流、そして10桁以上の電流オン/オフ比などを達成しており、パワートランジスタとして実用の際に要求される性能を十分に満たす特性が得られ、もし、Ga2O3トランジスタを、現在主流のSiトランジスタと同様の構造にして比較した場合、パワー半導体では高耐圧を得ようとするとオン抵抗が高くなり、発熱量が増加し損失が大きくなるため、その2つのパラメータは常にトレードオフの関係となるが、損失(オン抵抗)は1/3000以下になるほか、代表的なワイドギャップ半導体であるSiCと比較しても1/10程度に抑えることが可能であることが示されたとする。

図1 (a)近未来における各種半導体トランジスタの住み分け。(b)パワーデバイスに用いられる代表的な半導体と酸化ガリウム(Ga2O3)のオン抵抗と耐圧の関係

また、今回用いられた融液成長法はSiCやGaNでは不可能ながら、(1)基板の大型化が容易、(2)作製時に高温、高圧といった条件が必要でないことから、低エネルギー、低コストでの作製が可能、(3)原料効率が高いなどの特徴を持つことから、基板の価格面でのアドバンテージは大きく、少なく見積もっても将来的にはSiCやGaN基板の1/10～1/100以下の価格にできると考えられるという(パワー半導体では、一般的に基板コストが最終的な製品の製造に要するコスト全体に占める割合が大きく、およそ6割程度という)。

図2 融液成長法により作製した直径2インチ単結晶β-Ga2O3基板

図3 作製したGa2O3 MOSFETの(a)断面模式図、(b)光学顕微鏡写真

さらに研究グループでは、Ga2O3の材料特性および単結晶基板を用いたことによる結晶品質の高さと、今回新たに開発したプロセス技術のコンビネーションにとり、Ga2O3 MOSFETの優れたデバイス特性が実現されたとしており、今後は、その物性を生かした研究開発が進むことで、グローバルな課題である省エネ問題に対して直接的に寄与できるようになるほか、日本発の新たな半導体産業の創出という経済面での貢献も期待されるようになるとコメントしている。

図4 Ga2O3 MOSFETの(a)電流-電圧特性。ゲート電圧によるドレイン電流量およびオン・オフ制御が完璧になされているほか、ドレイン電流をオフにした状態でも、耐圧370Vが得られている。(b)トランスファー特性(ドレイン電圧25V)。リーク電流が測定装置の検出限界以下となっているため、トランジスタ動作時のオン/オフ比も10桁以上と高い値が得られた