高周波GaNトランジスタの性能向上に役立つ「二次元電子ガス」散乱機構を解明：研究開発の最前線

東京大学は、住友電気工業と共同で、窒化スカンジウムアルミニウム（ScAlN）と窒化ガリウム（GaN）のヘテロ接合における二次元電子ガス（2DEG）の散乱機構を解明した。

[MONOist]

　東京大学は2025年7月7日、住友電気工業（住友電工）と共同で、窒化スカンジウムアルミニウム（ScAlN）と窒化ガリウム（GaN）のヘテロ接合における二次元電子ガス（2DEG）の散乱機構を解明したと発表した。

　両者は、超高真空環境で原料を供給することで高純度な半導体を結晶成長させる分子線エピタキシー（MBE）法を用いて、ScAINとGaNで高品質なヘテロ接合を成長させ、そのヘテロ界面に誘起される2DEGの散乱機構が界面ラフネス散乱であることを明らかにした。

二次元電子ガスが界面ラフネスにより散乱される概念図［クリックで拡大］ 出所：東京大学

高周波／高出力なGaN高電子移動度トランジスタの研究開発に貢献

　具体的には、東京大学は、住友電気工業が提供した高品質GaN/SiC（炭化ケイ素）基板上にMBE法によって高品質ScAlN/GaNヘテロ接合（図1）を成長させ、その電子輸送特性を測定／解析した。この測定／解析では、反射高速電子線回折法（RHEED）やX線回折法（XRD）、原子間力顕微鏡（AFM）などにより成長させた結晶を評価した。その結果、表面が原子レベルで平たんで、急峻な界面が形成されていることを確かめた。また、ScAlNはGaN上に擬似格子整合して成長していることが分かった。

　加えて、成長させたScAlN/GaNヘテロ接合に対して、ホール測定用構造を作製し、ホール効果測定を実施した。その結果、電子濃度は、約3×10¹³cm^-2程度で、移動度は、室温より低温になるにつれて増加し、次第に飽和して684cm²/Vsに達することが明らかになった。

　これらの結果に対して、極性光学フォノン（POP）散乱、音響変形ポテンシャル（ADP）散乱、界面ラフネス（IR）散乱を用いて解析を行ったところ、実験で得られた移動度の温度依存性を解明できた。

　先行研究では、移動度の温度依存性に関して、一般的な散乱機構で十分に理解できなかったが、今回の研究では比較的に高く納得しやすい移動度が得られ、半導体物理に基づき散乱機構の解明を実現した。

ScAlN/GaNヘテロ接合の断面図（左）。数値計算したエネルギーバンド図と電子分布（右）［クリックで拡大］ 出所：東京大学

二次元電子ガスの移動度の温度依存性の測定値（左）。伝導帯の非放物線性に関する概念図（中央）。界面ラフネス散乱に関する概念図（右）、黄色のScAlN層（barrier）と水色のGaN層からなり、量子井戸（well）付近での散乱を表す［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　今回の研究成果は今後、高周波／高出力なGaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の研究開発に貢献し、次世代高周波通信の発展に役立つ。

　なお、ScAlNは、大きなバンドギャップと強い分極や強誘電性を有し、高周波で高出力なGaN HEMTの新規バリア層として注目されている。これまでScAlN/GaNヘテロ接合では高密度な2DEGが誘起されるものの高い移動度が得られないことが課題だった。今回の成果を受けて研究チームは、ScAlN/GaNヘテロ接合のラフネス改善による移動度向上と、高周波GaN HEMTの試作実証に取り組んでいく計画だ。

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