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高温で動作する酸化ガリウムダイオードを開発 ~耐環境性に優れたパワーデバイス・IoT用センサ実現へ~

 東北大学は2019年10月19日,同大学 金属材料研究所の原田 尚之 助教,伊藤 俊 技術職員,塚﨑 敦 教授らの研究グループが,パラジウムとコバルトからなる金属酸化物(PdCoO2)と酸化ガリウム(Ga2O3)を原子レベルで接合し,350℃の高温で7桁以上のオン/オフ比を示す,高温動作可能な整流素子(ダイオード)を開発したことを発表した.この研究は,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)CREST,公益財団法人前川報恩会などからの支援を受けて実施された.また,この研究成果は,米国科学誌Science Advancesオンライン版に掲載された(注)

 次世代に向けて,モノのインターネット(IoT)や自動車の自動運転など,私たちの生活は大きく変わろうとしている.基盤となる半導体素子の適用分野も広がり,使用条件も厳しいものが要求されるケースが多くなる.例えば,電気自動車の動力制御には,大電力を制御するパワー半導体素子が用いられており,自動車の動力部は200℃を超える高温になるので素子の高温耐性が要求され,産業機器,宇宙利用などのさまざまな用途で素子の耐環境性は重要になる.そこで,高温環境で安定に動作し,化学的に安定な半導体素子の開発が求められる.シリコンデバイスは,シリコン(Si)のバンドギャップが1.1eVと小さいので,200℃の温度で安定に動作することは原理的に困難であり,こうした用途に対してバンドギャップが3eV台の半導体の炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)によるパワーデバイスなどの研究開発が盛んに行われてきている.さらに最近,バンドギャップ約5.0eVの酸化ガリウム(Ga2O3)が注目されるようになり,デバイスの研究開発が始まっている.

 半導体デバイス構成の基本要素であるダイオードについて,Ga2O3では,金属と半導体を積層したショットキー接合での整流効果の利用が検討されている.ショットキー接合用に,白金(Pt)やニッケル(Ni)など様々な金属が研究されたが,接合界面のエネルギー障壁(ショットキー障壁)の高さが不十分で,高温動作特性が優れない.また,高温での金属電極の劣化や界面での原子拡散による特性劣化も課題であった.

 研究グループでは,ショットキー接合用金属電極として,高温でも安定に存在できる「金属酸化物」に着目し,層状の金属酸化物PdCoO2に着目した.この材料は酸化物にもかかわらず,金,銀,銅などの単体金属に匹敵する高い電気伝導性を示し,酸化物ならではの高い熱安定性と,強酸や強アルカリにも溶けない優れた化学耐性を持っている.研究グループは,PdCoO2のパルスレーザ蒸着(PLD)によりβ-Ga2O3との界面を原子レベルで制御してショットキー接合を形成し,その特性を評価した.この結果,従来の限界だった1.4eVを大きく超える,1.8eVの高いショットキー障壁が観測され,350℃の高温で7桁以上のオン/オフ比のダイオード動作を実証した.この界面を原子分解能電子顕微鏡で観察すると,PdCoO2のPd+と[CoO2]が交互に積層した層状構造を形成していた,この構造が電気双極子を形成し,障壁を高めている.

 ショットキー接合は,ダイオードだけでなくトランジスタにも用いられる.今後,Ga2O3デバイスの自動車や工業プラントでのパワーデバイスやセンシングデバイスへの応用が期待される.

(注)T. Harada, S. Ito, and A. Tsukazaki, "Electric dipole effect in PdCoO2/β-Ga2O3 Schottky diodes for High-temperature operation", Science Advances, 18 Oct 2019: Vol. 5, no. 10, eaax5733, DOI:
10.1126/sciadv.aax5733