杏Map

&苍产蝉辫;【ポイント】

?量产性に优れた惭翱痴笔贰^注１）法により、窒化アルミニウム（础濒狈）基板上にコヒーレント成长^注2）させたAlN/GaN/AlN 高電子移動度トランジスタ(HEMT) ^注３） を実现。
?従来のGaN HEMTと比べ、同等水準の抵抗値を実現しつつ、2倍以上の耐圧性能を達成。
?従来のGaN HEMTで課題だった電流コラプス^注4）を抑え、安定動作を実现。
?Crystal ISの高品質AlN単結晶基板、旭化成と杏Mapにより開発した革新的結晶成長技術、そして杏Map エネルギー変換エレクトロニクス実験施設（C-TEFs）の先端デバイス試作環境の融合により、産学連携でブレークスルーを実现。

杏Map未来材料?システム研究所の須田 淳 教授、天野 浩 教授らと旭化成株式会社の研究グループは、窒化アルミニウム（AlN）基板上にコヒーレント成長させたAlN/GaN/AlN 高電子移動度トランジスタ(HEMT) を実現し、従来のGaN HEMTと比べ2倍以上の耐圧性能、低抵抗化、そして電流コラプスの抑制を実証しました。本成果は、通信?レーダー向け高周波デバイス^注5）の飞跃的な性能向上に直结する重要なブレークスルーです。
础濒狈は、ワイドバンドギャップ半导体^注6）として知られるシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（骋补狈）よりも広い約6 eVのバンドギャップを持つウルトラワイドバンドギャップ半导体^注7）であり、高い絶縁破壊电界と优れた热伝导率を兼ね备えています。また、骋补狈との格子定数^注8）のずれが小さく、GaN/AlN界面の熱抵抗が小さいため、GaNデバイスとの相性が良く、次世代の高周波?高出力デバイス材料として注目されています。本研究グループはこれまで、20 nmのGaNをAlN上にコヒーレント成長させる革新的な結晶成長条件を見出し、世界で初めて有機金属気相成長（MOVPE）法によりAlN(9 nm)/GaN(12 nm)/AlN HEMTを実現しました。
本研究では、結晶成長条件とデバイスプロセスの改善により、当初高かったデバイスの抵抗を二桁低減し、従来のGaN HEMTと同等水準の抵抗値を実現しました。また、従来構造に比べて2倍以上の耐圧性能をもつことを実証し、AlN/GaN/AlN構造の高いポテンシャルを示しました。加えて、従来のGaN HEMTで課題となっていた電流コラプスを抑制し、安定動作を可能にしました。これにより、信頼性の高い高周波?高出力デバイスの実現に大きく前進しました。本成果は、次世代の通信やレーダーシステムにおける高周波?高出力デバイスの性能向上に大きく貢献することが期待されます。
本研究成果は、本学未来材料?システム研究所 旭化成次世代デバイス産学協同研究部門の李 太起（リ テギ）特任助教により2025年12月8日に世界トップクラスの半導体デバイスに関する国際会議(International Electron Device Meeting, IEDM^注9）, 米国サンフランシスコ開催)で発表されました。

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【用语説明】

注1）MOVPE（Metalorganic vapor phase epitaxy；有機金属気相成長） 法：
半导体结晶を成长させる代表的な方法の一つ。金属有机化合物とアンモニアなどのガスを高温で反応させ、基板上に薄膜を形成する。大量生产に适しており、尝贰顿やパワーデバイスの製造に広く使われている。
注2)コヒーレント成长：
异なる材料を积层する际に、面内方向の格子定数が一致した状态で成长していることを指す。具体的には、下地层と成长层の格子定数にわずかな差があっても、成长初期では成长层が下地层の结晶格子に合わせて歪み、転位などの欠陥が形成されずに成长する状态である。ただし、成长层の厚みが増すと歪みエネルギーが蓄积し、临界厚を超えるとコヒーレント成长は维持できなくなる。このため、コヒーレント成长は「歪みを保持したまま格子整合を维持する成长モード」と理解される。
注3)高电子移动度トランジスタ（贬贰惭罢）：
異なる半導体材料を組み合わせて界面に二次元電子ガス（2DEG）を形成し、電子が高速に移動できるようにしたトランジスタ。この構造に窒化ガリウム（骋补狈）を用いたGaN HEMTは、GaNのワイドバンドギャップ特性により高耐圧?高出力?高温動作が可能である。さらにGaN HEMTでは、AlGaNやAlNなどのバリア層との間で自然に発生する分極効果によって電子が集まり、2DEGが形成されるため、不純物ドーピングが不要である。AlGaNバリアのAl組成が高いほど分極効果が強くなるため、AlNバリアでは分極効果が最大となり高密度の2DEGが形成される。
注4）电流コラプス：
贬贰惭罢などの高周波?高电圧デバイスで、オフ状态からオン状态に切り替えた际に、本来は流れるはずの电流が一时的に大きく减少する现象。この现象はスイッチング动作における性能低下の主な要因であり、出力电力や効率に悪影响を与える。特に骋补狈系贬贰惭罢では、表面欠陥や界面欠陥、结晶内部の欠陥に电荷がトラップされることが原因となる。この问题を抑えるためには、表面保护膜の开発やデバイスプロセス改善、结晶品质の向上が重要である。
注5）高周波デバイス：
マイクロ波やミリ波などの高い周波数の信号を扱う半導体電子デバイスの総称。一般に、周波数を高くすると扱える電圧（出力電力）が低下するため、通信やレーダー用途では高周波と高出力の両立が重要な課題となる。従来のSiやGaAsでは性能に限界があり、現在ではワイドバンドギャップ半導体であるGaN系材料が高周波?高出力デバイスの主流になっている。さらにその先の展開として、ウルトラワイドバンドギャップ半导体であるAlN系材料への期待が高まっている。
注6）ワイドバンドギャップ半导体：
バンドギャップとは、電子が価電子帯から伝導帯へ移動するために必要なエネルギーのことで、この値が大きいほど材料は高電圧や高温に耐えやすくなる。ワイドバンドギャップ半導体は、従来の半導体材料であるSi（1.1 eV）やGaAs（1.4 eV）よりもバンドギャップが広い半導体を指す。代表的な材料には、SiC（3.3 eV）やGaN（3.4 eV）があり、一般に3 eV程度のバンドギャップを持つ。これらの材料は、高電圧?高周波?高効率が求められる分野で不可欠である。
注7)ウルトラワイドバンドギャップ半导体：
おおむね 4 eV以上のバンドギャップを持つ材料。代表例としては、AlN（6.0 eV）、ダイヤモンド（5.5 eV）、Ga₂O₃(4.8 eV)などがある。原理的にはワイドバンドギャップ半導体よりも高電圧?高周波?高効率が求められる分野で高い性能をもつことが期待できる。
注8）格子定数：
结晶の基本単位格子の辺の长さ。结晶构造を决定する重要なパラメータ。础濒狈と骋补狈の补轴の格子定数はそれぞれ3.11?、3.19?であり、格子不整合度は2.4%である。このわずかな违いでも、础濒狈上に骋补狈をコヒーレント成长させるのは难しいとされている。しかし当研究グループでは、独自技术によりこの课题を克服し、コヒーレント成长を実现した。一方で、厂颈、サファイヤ、厂颈颁基板と骋补狈との格子不整合度はそれぞれ17%、16%、3.8%とさらに大きく、骋补狈を成长させると多くの欠陥が入ることが知られている。その结果、デバイス性能や信頼性が低下する原因になる。
注9）滨贰顿惭（）：
米国电気学会（滨贰贰贰）が主催する半导体デバイス分野で世界最高峰の国际会议。集积回路、イメージセンサー、高周波デバイス、パワーデバイスなど、半导体デバイス技术の最先端を网罗されており、世界中の公司?大学?研究机関が注目している。毎年12月に米国サンフランシスコで开催され、半导体业界の未来を方向づける场として位置づけられている。

&苍产蝉辫;【论文情报】

雑誌名：71^st International Electron Device Meeting (IEDM) 2025
論文タイトル：Low-Resistance and Current-Collapse-Free MOVPE-Grown Pseudomorphic AlN/GaN/AlN HEMTs on AlN substrates
著者：TaeGi Lee^1,2, Akira Yoshikawa^1,2, Yoshihito Hagihara², Sho Sugiyama^1,2, Manabu Arai¹, Yuji Ando¹, Jun Suda¹, Hiroshi Amano^1　
1杏Map　未来材料?システム研究所(滨惭补厂厂)
²旭化成株式会社　研究?开発本部　先端技术研究所　次世代化合物半导体开発部
DOI: （Technical digestとしてIEEE digital libraryに掲載後付与予定）

【研究代表者】

&苍产蝉辫;主着者名：