NICTなど、酸化ガリウムを用いた実用性に優れたMOSトランジスタを開発

“酸化ガリウム（Ga２O３）MOSトランジスタ”を世界で初めて実現！
〜日本発、“革新的次世代半導体パワーデバイス”の実用化に道〜


　独立行政法人情報通信研究機構（理事長：坂内正夫）は、株式会社タムラ製作所（代表取締役社長：田村直樹）、株式会社光波（代表取締役社長：中島康裕）と共同で、新しいワイドギャップ半導体（＊１）材料である酸化ガリウム（Ga２O３）（＊２）を用いた実用性に優れたMOSトランジスタ（＊３）の開発に世界に先駆けて成功しました。
　Ga２O３は、そのワイドギャップに代表される材料物性から、高耐圧・低損失なパワーデバイス（＊４）用途の新しい半導体材料として非常に有望です。また、酸化ガリウムは、シリコンカーバイド（SiC）（＊５）、窒化ガリウム（GaN）（＊６）といった既存のワイドギャップ半導体では不可能な融液成長法（＊７）による単結晶基板の作製が可能であることから、基板サイズの拡大や、製造に必要なエネルギーやコストの大幅な削減が見込まれます。今回開発したGa２O３MOSトランジスタは、そのまま実用可能といえる構造、特性を有します。そのため、現代の省エネルギー問題に直接貢献することができる新しい半導体デバイス研究開発分野における大きなブレークスルーであると同時に、近い将来の半導体産業の更なる発展につながることを期待させる成果です。
　なお、本研究成果の詳細は、２０１３年６月２４日（月）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（レートニュース）を予定しています。

　本研究の一部は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託事業である、平成２３〜２５年度「省エネルギー革新技術開発事業　挑戦研究（事前研究一体型）／課題名：超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発」により実施しました。


【背景】
　現在、世界的な課題として革新的な省電力技術の開発が求められています。このような社会事情から、現状のシリコン（Si）よりも更に高耐圧・低損失なパワーデバイスの実現が期待できるSiC、GaNといったワイドギャップ半導体材料が注目され、日本はもとより米国、欧州といった諸外国においても活発に研究開発が進められています。Ga２O３は、SiC、GaNよりも更に大きなバンドギャップ（＊８）に代表されるその物性から、パワーデバイスに応用した場合、より一層の高耐圧・低損失なデバイス特性が期待できます。また、融液成長法により簡便に単結晶基板が作製可能であるという、実際に基板を作製する上で非常に有益な特徴もあります。しかし、これらの高いポテンシャルにもかかわらず、未開拓の新半導体材料です。


【今回の成果】
　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、最も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、その動作実証に世界で初めて成功しました。今回開発した新技術の中での最大のポイントは、イオン注入及びゲート絶縁膜に関する技術です。その結果、デバイス特性は約２年前に報告したトランジスタ（MESFET（＊９））と比べて大幅に向上しました。具体的には、非常にシンプルなトランジスタ構造であるにもかかわらず、（１）高いオン電流（３９mA／mm）、（２）高いオフ状態耐圧（３７０V以上）、（３）非常に小さいリーク電流（測定限界数pA／mm以下）、（４）高い電流オン／オフ比（１０桁以上）など、パワートランジスタとして実用上要求される性能を十分に満たす特性が得られております。そのため、今回新たに開発に成功したGa２O３MOSトランジスタを、実際のパワーデバイス機器に応用した場合、既存の半導体トランジスタと比較して、高い耐圧とスイッチング動作時の大幅な損失低減が期待されます。

　※参考画像は添付の関連資料を参照


【今後の展望】
　今回、新ワイドギャップ半導体材料であるGa２O３を用いたMOSトランジスタの開発に成功したことにより、この新しい半導体材料の利用価値は大幅に膨らみ、また次世代高性能パワーデバイスの近い将来の実用化に対して道筋をつけることができました。今後、その優れた物性を生かしたGa２O３デバイスに関する研究開発が、世界的に急速かつ本格的に広がると予想されます。高性能Ga２O３パワーデバイスは、グローバルな課題である省エネ問題に対して直接貢献するとともに、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併せて期待されます。近い将来、送配電、鉄道といった高耐圧から、電気、ハイブリッド自動車応用などの中耐圧、更にはエアコン、冷蔵庫といった家電機器などで用いられる低耐圧分野も含めた非常に幅広い領域での応用が見込まれます。


　※以下の資料は添付の関連資料を参照

　・用語解説
　・補足資料