ウルトラワイドバンドギャップ半導体材料研究の最前線NTT物性科学基礎研究所

NTTにおけるウルトラワイドバンドギャップ半導体研究の概要

ウルトラワイドバンドギャップ半導体は、高耐圧・高周波・高耐環境特性を兼ね備え、サステナブル社会の実現と将来の革新的デバイス・システム創出を支える基盤材料として注目されています。NTT物性科学基礎研究所では、長年の材料基礎研究で培った結晶成長技術を基盤に、窒化アルミニウム（AlN）、立方晶窒化ホウ素（c-BN）、ダイヤモンドを中心とした研究開発を推進しています。本稿では、ウルトラワイドバンドギャップ半導体の最新成果と展望について紹介します。

超高温環境で動作するAlN系トランジスタ

窒化アルミニウム（AlN）は超高温環境下でも動作する半導体デバイス材料として期待されています。本稿では高温エレクトロニクス応用分野とAlNの有効性を解説し、NTTにおけるAlN 系トランジスタの開発と1000 ℃での動作実証、ならびにすべての半導体材料中で最高の電流オン・オフ比が得られた成果を紹介します。

AlN系分極ドープトランジスタの高周波動作

窒化アルミニウム（AlN）系窒化物半導体は、極めて高い絶縁破壊電界を持ち、次世代無線通信に向けた高出力・高周波デバイス材料として注目されています。しかし、高Al（アルミニウム）組成領域では従来の不純物ドーピングによる伝導性制御が困難となり、高周波トランジスタ動作の実現は長年の課題でした。本稿では、窒化物半導体に特有の分極を利用した、新しい伝導性制御手法である分極ドーピングについて解説し、本手法によりAlN系トランジスタの高周波動作を実証した最新の研究成果を紹介します。

AlN系半導体を用いた深紫外レーザダイオード

深紫外レーザダイオードは、ウイルス不活化や分光分析、次世代通信などへの応用が期待されている光源です。本稿では、深紫外発光に適したAlN（窒化アルミニウム）系半導体に着目し、当該材料をレーザダイオードへ適用する際に顕在化する技術課題を整理します。さらに、n型コンタクト層の形成による電子注入特性の改善を目的としたNTTの技術的取り組みについて紹介し、深紫外レーザ発振の実証を通じて、深紫外光源の性能向上に向けた方向性を示します。

AIN圧電薄膜を用いたギガヘルツ弾性波素子

ウルトラワイドバンドギャップ半導体の1つである窒化アルミニウム（AlN）は、優れた電気絶縁性に加え、高い圧電性を持ちます。さらに、他の圧電材料と比べて軽量であることから、ギガヘルツ帯の高速な弾性波を電気的に励起・検出できる圧電トランスデューサとしての利用が期待されます。本稿では、高品質なAlN圧電トランスデューサを用いたギガヘルツ弾性波素子の創出と、高速弾性波を用いた新規物理の探究に取り組むNTTの研究を紹介します。

新規ウルトラワイドバンドギャップ窒化物半導体の創製

NTT物性科学基礎研究所では、持続可能社会の実現に貢献することをめざし、省エネルギー電子デバイス向けの新規半導体材料の結晶成長技術開発にも取り組んでいます。本研究では、ウルトラワイドバンドギャップ半導体である立方晶窒化ホウ素（c-BN）に着目し、その機能拡張を目的としてc-BN系新規混晶材料である立方晶窒化ホウ素スカンジウム（c-BScN）のエピタキシャル成長に世界で初めて成功しました。これらのc-BN系半導体は、次世代パワーデバイスへの応用が期待できます。

ダイヤモンド半導体のスピンデバイス応用に向けた取り組み

ダイヤモンド半導体は、半導体物性とスピン物性が共に優れていることから、スピントロニクスにおける次世代基盤材料として期待されています。本稿では、ダイヤモンド半導体へのスピン注入の実現という課題に対し、強磁性金属とダイヤモンド半導体の接合界面に形成されるショットキー障壁をトンネル障壁として活用するアプローチに着目し、パーマロイ合金をショットキー電極としたダイヤモンド半導体ショットキーバリアダイオードにおける電流輸送機構の解明に取り組んできた成果について紹介します。