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 NTTは2022年4月22日、窒化アルミニウム(AlN)トランジスタを開発したと発表した。AlNは、次世代パワーデバイスの材料として、NTTなど一部の研究所で基礎研究が進められている。物性上は炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)よりも損失が小さく耐圧が高いことから、高電圧で高効率な電源回路を形成できる。そのため、カーボンニュートラルとの親和性が高い。今回、NTTがAlNトランジスタを「世界で初めて」(NTT)開発したことで、AlNデバイスが実用化に向け一気に近づいた。

AlNトランジスタのMESFET構造
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AlNトランジスタのMESFET構造
(出所:NTT)

 AlNは、伝導帯と価電子帯とのエネルギー差である「バンドギャップ」が6.0eVあり、シリコン(Si)の1.1eV、SiCの3.26eV、GaNの3.4eVなどと比べて非常に大きい。このことから、ダイヤモンド半導体などと共に「ウルトラワイドバンドギャップ半導体」の1つに数えられる。

 バンドギャップが大きいため、絶縁破壊電界強度も高い。パワーデバイスを作製できれば、電力損失が理論上SiCやGaNの半分以下に抑えられるという。02年にNTTが世界で初めてAlNを半導体化して以来、デバイス化の研究が進められていた。

 今回NTTは、以下の2つのポイントを改善してMESFET構造のAlNトランジスタの作製に成功した。

 1つは結晶品質の向上だ。独自の高温有機金属気相成長法(MOCVD)装置を開発。ガスの流れを工夫することで、結晶中の残留不純物の低減し、結晶欠陥の密度も下げた。

独自のMOCVD技術で結晶品質を向上
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独自のMOCVD技術で結晶品質を向上
(出所:NTT)

 次に、オームの法則に従い電圧に対して電流が線形に変化するための「オーミック接触」を確保した。NTTのAlNトランジスタは、ソースとドレインに用いる金属〔チタン(Ti)、Al、ニッケル(Ni)、金(Au)合金〕と、チャネル層のSiドープAlNとの間のエネルギー障壁が大きく、オン抵抗が高くなってしまう。

 そこで、ソースおよびドレインと、チャネル層との間に窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)の層を設けた。電極に近づくほどAlが少なくなるよう組成を傾斜させた。この工夫によりエネルギー障壁が緩やかになり、電流-電圧特性が向上した。なお、これら2点の技術により、ゲートとチャネル層の接触も改善され、高い整流特性を実現するための「ショットキー特性」も確保できるようになったという。

組成傾斜AlGaN層でオーミック接触を実現
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組成傾斜AlGaN層でオーミック接触を実現
(出所:NTT)

 これらの結果、AlNトランジスタの動作に世界で初めて成功し、1.7kVという高い絶縁破壊電圧を記録した。500℃の高温動作も確認した。一方、AlNとSiドナーのイオン化エネルギーの違いにより、特性が温度で変化してしまう課題が残った。NTTは今後、ヘテロ構造を導入してトランジスタを大電力化していく方針だ。

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高耐圧と高温耐性を実現
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高耐圧と高温耐性を実現
(出所:NTT)