"酸化ガリウム（Ga2O3）トランジスタ"を世界で初めて実現！

図1（a）は、代表的な半導体及び酸化ガリウム(Ga2O3)の、主に物性値から見積もられた将来的な適用分野の住み分け予想図です。Ga2O3 は、その物性からシリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)より、更に高耐圧、大電力分野で最初にその利用が進むと予想されます。その後、Ga2O3 デバイスの普及に伴い、基板作製が簡便かつ安価で可能であることによるコスト面での有利さを生かして、更にSiC, GaN の分野へも利用が広がっていくと考えられます。

Ga2O3 パワーデバイスの性能を決める2 大パラメーターである「耐圧」と「オン抵抗」は、常にトレードオフの関係にあります。そのため、図1(b)に描く各々の材料の性能限界を示す直線に関しては、グラフ上、右下へ行くほどパワーデバイス材料として優れていることを表しています。この図から、Ga2O3 は、シリコン(Si)はもとより代表的なワイドギャップ半導体であるGaN, SiC と比較しても、パワーデバイス材料としてより優れた特性を有していることが分かります。

図2 は、融液成長法により作製した単結晶Ga2O3 基板を示しています。融液成長法は、(1) 基板の大型化が容易、(2)作製時に高温、高圧といった条件が必要でないことから、低エネルギー、低コストでの作製が可能、(3) 原料効率が高い等の特徴を持つことから、実際の生産に非常に適した方法です。単結晶Ga2O3 基板が、他のワイドギャップ半導体材料(SiC,GaN)では不可能な融液成長法で作製可能であることは、実用面・産業面での大きなアドバンテージとなります。

我々は、図3 に示すシンプルなトランジスタ構造であるMESFET を、新たに開発した「Ga2O3 単結晶基板、エピタキシャル成長薄膜、デバイスプロセス技術」を用いて今回作製しました。

図4(a)の電流、電圧特性に示すように、ゲート電圧によるドレイン電流量及びオン・オフ制御が完璧になされています。また、ドレイン電流をオフにした状態で、耐圧250 V 以上が得られています。これは、耐圧向上対策を施していない非常に単純なFET 構造で有ることも考慮した場合、非常に高い値と言えます。

また、図4(b)に示すように、トランジスタオフ時のドレインリーク電流が非常に小さいことも特徴です。この結果、トランジスタ動作時のオン／オフ比も約10,000 と高い値が得られています。オフ時のリーク電流が小さいことは、そのまま電力損失の低減につながります。研究開発当初の試作のため、単純なトランジスタ構造であるにもかかわらず、上述のようにパワーデバイスとして要求される重要な特性を既に満たすレベルにありました。これらの結果は、Ga2O3 の材料特性及び単結晶基板を用いたことによる結晶品質の高さに起因すると考えられます。