特別論文

化合物半導体デバイス―限りなき可能性を求めて（その 2 ）―林

秀樹Development of Common Platform for ITS Devices II ─ by Hideki Hayashi ─ Many different compound
semiconductors can be formed by changing the combination of constituent elements. Properties of alloy
semiconductors, mixture of multiple compound semiconductors, can be changed in a continuous fashion bychanging the mixing ratio. Very thin alloy semiconductor multilayers, which show interesting properties, can beformed by sophisticated epitaxial growth method such as MOVPE (metalorganic vapour phase epitaxy) or MBE(molecular beam epitaxy). Based on these matters, uncounted numbers of compound semiconductor devices with awide variety of functions and characteristics have been developed. This fact is the most fascinating feature ofcompound semiconductors compared with silicon semiconductors.
Sumitomo Electric has developed various kinds of compound semiconductors for about half a century and is theworld’s biggest company on compound semiconductors. GaAs and InP substrates and their epitaxial wafers for
consumer and communication markets have been the lead products. Recently, GaN substrates for blue-violet lasers
have been developed for the new generation optical disk market.
In this paper, power semiconductor devices, especially those by using wide-bandgap semiconductors, arereviewed, as the sequel of the paper entitled “Development of Compound Semiconductor devices for Pursuit ofInfinite Possibilities” in SEI Technical Review No.173.
Keywords: compound semiconductor, MOVPE, MBE, wide-bandgap semiconductor, power semiconductor device

1.

緒

言

2 種類以上の元素から構成される化合物半導体は、その元素の組み合わせにより多くの種類の化合物半導体が構成

特にワイドバンドギャップ半導体※1 を用いた次世代パワー
デバイスを中心に述べる。

できる。また 2 種類以上の化合物半導体の混ざり合った混晶半導体では、その混合比を変えることにより物性値を連続的に変えることができる。さらに異種の化合物半導体や

2.

パワー半導体デバイス

混晶半導体の薄膜を多層に積層させることにより、無限と1948 年のベル研究所でのトランジスタの発明以来 60 有言える種類の半導体構造が形成でき、それによって多種多余年の間に、非常に多種の半導体デバイスが発明・開発さ様な機能、特性を持った半導体デバイスが実現できる。これ、実用化されてきた。その応用分野は、パソコン、携帯

こが Si 半導体とは全く異なる点であり、化合物半導体の魅電話、液晶テレビ等の家電製品、ハイブリッド車、電車、力でもある。

新幹線等の輸送機器、情報機器、医療機器、産業用重機械、

当社では、約半世紀前から化合物半導体材料の開発・事等々挙げればきりがないほど多くの分野で用いられている。

業化に取り組んできた。通信用や民生用の GaAs 基板、

半導体デバイスは、半導体レーザ（LD）、発光ダイオー

InP 基板とそのエピタキシャルウェハが主な製品であった

ド（LED）等の光デバイスとトランジスタに代表される電が、最近ではブルーレイディスクに使われる青紫レーザ用

子デバイスに大別される。さらに電子デバイスは、マイクの GaN 基板の開発・製品化を実現させており、世界最大

ロプロセッサや各種メモリなどの集積デバイスと電力を制の化合物半導体材料総合メーカとなっている。

御するパワーデバイスとに分類される。

一昨年本誌に掲載した「化合物半導体デバイス―限りな

パワーデバイスとは、ダイオード、トランジスタ、サイき可能性を求めて―」で当社のこれまで四半世紀の化合物

リスタなど電力の変換や制御を行う半導体デバイスであ

半導体デバイスへの取り組みについてレビューした（1）。本り、パワーエレクトロニクスの根幹となる部品である。ト

論文では、その続編（その 2）として 21 世紀に入り益々そランジスタが発明された 1947 年以前は、交流から直流、の重要性が高まっている半導体パワーデバイスについて、直流から交流への電力変換には水銀整流器が用いられてい2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（1）−

た。水源整流器は真空中の水銀の放電現象を応用したものであり、その信頼性に問題があった。1960 年頃から整流

3.

ワイドバンドギャップ半導体パワーデバイス
3−1

これまで実用ワイドバンドギャップ半導体機能を持つ Si ダイオードが実用化され、その電圧、電流定化されてきたパワーデバイスは、集積デバイスと同様に使格の増加とともに大容量の直流、交流間の電力変換に用い用されている半導体材料は、ごく一部を除き、Si である。

られるようになってきた。

Si パワーデバイスとしては、ダイオード、サイリスタやまた、1950 年台に 2 個のトランジスタを組み合わせる

MOSFET ※2、IGBT ※3 等のトランジスタなどの多くのデバとベース電流によりオン状態が持続できるということが見イスが開発され、極めて広い分野で数多く使用されており、いだされ、後ほどサイリスタと呼ばれるデバイスが生まれ、年々その数も増大を続けている。

小電力の制御に使用されるようになった。その後、シリコ

パワーデバイスの使用数量の増大に伴い、その消費電力

ン半導体デバイス技術の進展によって、ダイオード、トラも増加の一途を辿っている。前節でも述べたように、近年、ンジスタ、サイリスタの電圧・電流定格は大きくなり、動

特に地球温暖化防止の観点から省エネルギー指向がますま

作特性は大幅に改善されてきた。パワーデバイスは、今やす高まってきており、パワーエレクトロニクス機器に対す送配電などの電力システム、新幹線を初めとする各種電気

る更なる低損失化、高効率化が望まれている。上記要望に鉄道、ハイブリッド車や電気自動車、燃料電池車など各種応えるためには Si よりエネルギーバンドギャップが広い

電動自動車、無停電電源（UPS）を初めとする各種電源、

SiC、GaN 等のワイドバンドギャップ半導体によるパワー

産業用ロボットなどの AC サーボ、エアコン等の家電製品、デバイスの実現が不可欠になってきている。

各種 OA 機器など極めて幅広い分野で使用されており、その世界市場規模は 2 兆円とも 3 兆円とも言われている。

ワイドバンドギャップ半導体は、表 1 に示すように、Siに比べて広いバンドギャップを持った半導体であり、SiC、電力の変換、制御を行うのがパワーデバイスであるが、GaN などはそのバンドギャップは、Si に比べて約 3 倍と大電力の変換で言えば変換に伴うエネルギー損失は最小であきい。広いバンドギャップを持つことは、電界印加時の破ることが望ましく、変換効率 100 ％が理想である。現在全壊が起こりにくいことになり、SiC、GaN の絶縁破壊強度

世界で使用される全エネルギーの数パーセントがパワーデは、Si のそれの約 10 倍の値となっている。また速い飽和バイスで消費されており、今後の省エネ社会の実現のため

ドリフト速度、高い熱伝導度などの優れた物性も有していにはパワーデバイスの低損失化は必須となっている。またる。パワーデバイスの消費電力は、電流が流れているオン

電力の制御というと、できる限り小さい制御入力で、必要時の抵抗（オン抵抗）での損失と、スイッチング時の損失な電力が正確に遅れなく制御できることが理想となる。

が主であり、消費電力低減のためにはオン抵抗を下げるこ

パワーデバイスでは、これら二つの要求を満足させるたとが重要になる。パワーデバイスのオン抵抗は、デバイス

めに、繰り返し高速でオン・オフできるデバイス技術の向の種類によっても異なるが、ドリフト層（パワーデバイス

上が図られてきた。現在使用されているパワーデバイスは、の耐圧を保持する層）と呼ばれる半導体層の抵抗が大きな

Si（シリコン）を材料としたデバイスであり、Si 技術の進部分を占める。SiC を用いるとその絶縁破壊電界が Si のそ展に伴い上記理想に向かって進化してきたわけであるが、れの約 10 倍であるので、ドリフト層の厚みを Si に比べてSi という材料物性による限界に近づきつつあるというのが

約 1/10 に低減できる。また、半導体内部の電界強度は現状である。

ドーピング濃度の 1/2 乗に比例するので、ドーピング濃度

繰り返しオン・オフさせるパワーデバイスでの損失は、は電界強度の 2 乗に比例した値まで調整できる。すなわち

オン時のオン抵抗による損失、オフ時の漏れ電流による損

絶縁破壊電界が 10 倍である場合は、ドーピング濃度を失、それとスイッチング時の電圧、電流の過渡損失の合計

100 倍という高い値にすることができる。ドリフト層の抵となる。これらの損失を少なくするには、デバイスのオン
抵抗値が小さくでき、高速で動作できるものであればよい。
これらの条件を満たすものとしては、Si より広いエネル

表1

ギーバンドギャップを持った材料をデバイスの構成材料に用いればよく、次節で述べる SiC や GaN といったワイドバ
ンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスの研究開発が進められている。これらワイドバンドギャップ半導体パワーデバイスは、従来の Si パワーデバイスに比べて、そのバンドギャップの広さが故に高耐圧、低消費電力、高速動
作、高温動作などが可能となるため、次世代パワーデバイ
スとしての期待が大きい。

Si

4H-SiC

GaN

AlN

ダイヤモンドバンドギャップ
（eV）

1.1

3.3

3.4

6.2

5.5

電子移動度
（cm2/Vs）

1,400

1,020

2,000

1,090

2,000

絶縁破壊電界（MV/cm）

0.3

3.0

3.3

12.0

8.0

飽和ドリフト速度
1.0×107 2.0×107 2.7×107 2.2×107 2.5×107（cm/s）
熱伝導率（W/cmK）−（

2）− 化合物半導体デバイス―限りなき可能性を求めて（その 2）―

各種半導体の物性値­­

2

5

1

3

20

抗の値は、その厚さに比例し、濃度に反比例するので、も加わるが、絶縁破壊電界の値が大きい SiC 等のワイドバ
ンドギャップ半導体を用いると、Si に比べてパワーデバイ

source
gate

drain

150mm

ことができる。オン抵抗には、ドリフト層抵抗以外の抵抗

sourcegate

1.9mm
0.48mm

SiC を用いるとその抵抗は、Si のそれの約 1/1000 にする

スのオン抵抗の値を大幅に下げることができ、パワーデバ
イスの損失を下げることができる。
ワイドバンドギャップ半導体の絶縁破壊電界は Si のそれ

drainに比べて十分に大きいので、デバイスの厚さを最適化する

チップサイズ2mm×2mm

ことにより、Si パワーデバイスに比べて高耐圧、低消費電力のパワーデバイスが実現できることになる。
3−2

SiC パ ワ ー デ バ イ ス

写真 1

SiC は ワ イ ド バ ン ド

RESURF-JFET の顕微鏡写真

ギャップで高温耐性があるということで 1950 年代には世界的規模で精力的に研究開発が進められたが、高品質な単結晶製造が困難であるという問題があり、その後あまり研究されなくなった。ところが、1970 年代終わり頃に「種ソース

ゲート ドレイン ゲート ソース

第4エピ層（p型）

付け昇華法」と呼ばれる結晶成長手法がロシアで見出され、第3エピ層（n型）

また 1980 年代後半には高品質エピタキシャル成長法であ第2エピ層（p型）

る「ステップ制御エピタキシー技術」が日本で報告された（24）。
これら 2 つの大きな技術開発により、1990 年代に入って第1エピ層（p +型）

SiC パワーデバイス開発への機運が一気に高まった。

注入層（p型）

SiC パワーデバイスとしては、まずショットキーバリア

図1

ダイオード ※4 が開発され、2001 年から市販されるように注入層（n型）

SiC基板（n型）

Resurf 型 SiCJFET の模式断面図なっている。現在の研究開発の対象は、スイッチング用の各種トランジスタであり、国内外で盛んに研究開発が進められている。当社では、通信機器、産業用機器、各種電源、ハイブリッド車等の電動自動車や民生機器への搭載を目指
し、SiC の特長を最大限に生かしうるパワーデバイスとして RESURF（REduced SURface Field ：表面電界緩和）（2）〜（6）と MOS 型
型接合型電界効果トランジスタ（JFET ※5）（7）の開発を進めている。
電界効果トランジスタ（MOSFET）

前者の JFET は、チャンネル部分の電流経路が半導体内部にあるので、MOSFET などとは異なり SiC 材料固有の移動度をチャンネル移動度として活用できることとなり、SiC 材料物性を十分に生かすことができるデバイスであると言える。デバイスの構造を工夫することにより、既存のSi パワーデバイスでは得られない高速動作、低損失、高耐圧の性能を兼ね備えたユニークなデバイスが実現できる。
写真 1 に RESURF 型 JFET の顕微鏡写真を、図 1 にその断面構造図を示す。

図中のソース電極、ドレイン電極間の n 型チャンネル層
を流れる電流をゲート電極の電位で制御する構造である
が、n 型チャンネル層は p 型層で挟まれた構造となっている。この構造は、ゲート、ドレイン間の電界強度のピークを抑え、同時にチャンネル層の高キャリア密度化による低抵抗化を図るものであり、デバイスの低抵抗、高耐圧性能の両立を実現させている。チャンネル長 1um のデバイスのスイッチング特性としては、立ち上がり、立ち下がりとも
約 3ns という値が得られている。このような数百 V 耐圧領域において高速スイッチングが可能であるという特性から、スイッチング電源や省エネ型の携帯基地局電源への応用が期待できる。
一方、後者の MOSFET に関しては、ノーマリオフ ※6 動
作か可能で、高耐圧、低損失が期待できるデバイスである
が、MOS 界面の不完全さで未だ十分な電子移動度が得られていないのが実情である。当社では、特殊なプロセスを施すことにより、表面が原子層レベルで平坦な SiC 表面を形成し、この表面に形成した MOS 構造で高電子移動度が得られることを示した（ 7）。この SiC MOSFET は高耐圧、低損失、大電流動作が期待できるため、Si パワーデバイスのうちでも比較的大容量向けの IGBT の置き換えとして電力機器用や自動車用への応用が期待されている。
3−3

GaN 系電子デバイス

GaN は SiC とほぼ同じ

バンドギャップのワイドバンドギャップ半導体であり、その材料特性は似通っているが、GaN 電子デバイスは SiC 電子デバイスに比べて同一構造ではそのオン抵抗の値を数分の 1 に下げることができるため、省エネデバイスとして期待されている。
GaN 系デバイスとしては、白色 LED や青紫レーザ等の光デバイスがまず市場に出たが、電子デバイス用の大口径
GaN 基板の入手が困難であったため、基板としては格子不整合系の SiC や Si が用いられた。SiC 基板上の GaN 電子デバイスとしては、無線通信用のデバイスとしての GaN

2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（3）−

HEMT ※7 を SEDI（住友電工デバイスイノベーション㈱）御することができ、ノーマリオフ動作デバイスも得られてがいち早く開発・製品化を実現させ、市場でリードしていいる。

る。いわゆるパワーデバイスとしては、GaN 基板上の3−4

AlN は、表 1 でもAlN 系パワートランジスタ

GaN デバイスが高性能パワーデバイスとしての期待が大き示すように、そのバンドギャップは 6.2eV と大きく、光デ

いが、低コストで良質の GaN 基板が未だ得られないこと

バイス用途としては紫外光源の基板が考えられるが、電子もあり、Si 基板上の GaN パワーデバイスの研究開発が広デバイスとしては、SiC や GaN より高温動作が可能でよりくなされている。基板が低コストの Si 基板であり低コスト

堅牢なパワーデバイスが期待される。ただし、AlN は、デバイスの期待が持てるが、基板とデバイス動作層の材料

SiC や GaN よりさらにその結晶成長が難しく、未だウェハが全く異なるヘテロデバイスであるため縦方向に電流を流と呼ばれるような口径の単結晶基板は得られていない（写すことには適していないこと、基板材料の Si の熱伝導率が真 2 参照）。

GaN や SiC に比べて低いことなどにより、大容量のパワー

当社では、90 年台後半より AlN の基板技術、エピタキ

デバイスには適しておらず、小容量の Si パワー MOSFETの置き換え等が考えられている。
当社では当社で開発した高品質 GaN 基板上の GaN 系電子デバイスの研究開発を進めている。先ず、GaN 自立基板

(0002)

上に GaN ショットキバリアダイオードおよび PN 接合ダイ
オードを形成した。GaN ショットキバリアダイオードでは、GaN 基板上の電子移動度 930cm2/Vs といった高品質 n 型(1011)

GaN 層を用いており、ダイオードの特性オン抵抗値は、0.71mΩcm2、耐圧は 1100V といった良好な値が得られている（8）。一方、GaN PN 接合ダイオードにおいても、p 型
GaN 層の Mg のドーピング密度を十分下げることにより、特性オン抵抗 6.3mΩcm2、耐圧 925V というダイオードが1mm得られている 。
（9）

GaN 基 板 上 の GaN ト ラ ン ジ ス タ と し て は 、 当 社 は
AlGaN/GaN 系 2 次元電子ガス

※8

写真 2

AlN 単結晶の写真

をチャンネルとした縦型

ヘテロ接合 FET を試作した（10）。このトランジスタの模式断面構造図を図 2 に示す。作製プロセスとしては、GaN 基板の上に形成した n − -GaN、p − -GaN、n+-GaN の積層構造をバイスでは、耐圧 672V、特性オン抵抗 7.6mΩ で GaN 系
縦型トランジスタではこれまで報告された中で最も高い
Figure of Merit（ V B /R o n A） の 値 が 得 ら れ て い る 。
2

AlGaN 層の厚さを変えることにより FET の閾値電圧を制Drain Current ID [mA]

ミック電極、ゲート電極を形成している。ノーマリオンデ

200
160

140

=+1V

120

= 0V

80

=-1V

40

=-2V

100
60
20
0

=-3V
0

1

2

3

4

200

VGS=+2V

RT
LG=3µm
WG=515µm

180

5

6

7

8

Drain Voltage VDS [V]Drain Current ID [mA]

斜め研磨し、AlGaN/GaN 構造を再成長させた後、オー

160

140
120
100

80

VGS=+2V
=+1V
= 0V
=-1V
=-2V

60
40
20
0

9 10

300ºC
LG=3µm
WG=515µm

180

0

1

2

3

4

(a)

n+-GaNp –-GaN

Gate

Re-grown AlGaN/GaN(2DEG)
Electrons Flown –-GaN

Drain Current ID [mA]

Gate

100

70

VGS=+2V

60

=+1V

50

= 0V

40

=-1V
=-2V
=-3V
=-4V

30
20
10
0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20

Drain Voltage VDS [V]

(c)

Drain

図2

GaN 基板上の AlGaN/GaN­ 2 次元電子ガスをチャンネルとした縦型ヘテロ接合 FET の模式断面構造図−（4）− 化合物半導体デバイス

80

0

GaN SubstrateRT
LG=3µm
WG=515µm90―限りなき可能性を求めて（その 2）
―

図3

6

7

8

9 10

(b)
100

Drain Current ID [mA]

Source/p –-GaN Ohmic

5

Drain Voltage VDS [V]300ºC
LG=3µm
WG=515µm

90
80

70
60
50

VGS=+2V
=+1V
= 0V
=-1V
=-2V
=-3V

40
30
20
10
0

0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20

Drain Voltage VDS [V](d)Drain­ I-V­ characteristics­ for­ GaN-channel­ HEMT­ (a,­ b)­ and
AlGaN-channel­HEMT­(c,­d)（13）

ている新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）プ
ロジェクトでは、当社作製の基板、エピを用いたトランジ
スタをプロジェクトの共同研究者が試作し、評価を行っている。このデバイスは、AlN 自立基板上に形成された（13）（Al0.24Ga0.76N チャンネル層と Al0.51Ga0.49N アンドープ層からなる）初めての HEMT である。Vgs ＝ 2V での最大飽和電流は、0.13A/mm で最大 gm は、25mS/mm であった。

10-3

Gate leakage current (A/mm)（12）
シャル成長技術開発を進めており（11）、、2007 年から参画し

LG=3µm10-4
10

GaN Channel-5

AlGaN Channel

10-6
10-7

VGS=-7V
10-8

また、比較のために GaN をチャンネル層とする標準構造

0100の HEMT の作製も行い、この 2 種類のトランジスタの特性

200

300

400

Temperature (ºC)

の温度依存性を評価している。図 3 にこれらのトランジス

図6

タの室温および 300 ℃におけるドレイン I-V 特性を示す。

Gate­leakage­current­vs­temperature（13）またドレイン電流の温度依存性を図 4 に示す。オン抵抗、
ゲート漏れ電流、および閾値電圧の温度依存性をそれぞれ

図 5、図 6、図 7 に示す。ドレイン電流の温度依存性につい

0性は、GaN チャンネル HEMT のそれに比べて約 1/2 であり、AlN 基板上のデバイスが高温特性に優れていることが初めて示された。

Threshold voltage (V)ては、AlN 基板上の AlGaN チャンネル HEMT の温度依存

Normalized drain current (%)

120
100

AlGaN Channel

GaN Channel-2-3

AlGaN Channel-4-5LG=3µm

LG=3µm

-1

0

200

300

400

Temperature (ºC)

GaN Channel

80

100

図7

60

Threshold­voltage­vs­temperature（13）40VVDS = 10V
VVGS = 0 V

20
0

図4

0

100

3−5

300

200

400

ダイヤモンドパワーデバイス

ダイヤモンドは、炭素単体の結晶であり化合物半導体ではないが、ワイTemperature (ºC)

ドバンドギャップ半導体ということでパワーデバイス用材

Normalized­drain­current­vs­temperature（13）る。ダイヤモンド結晶は、硬さ・強度等の機械的特性が優料として期待が大きいものであり、本稿で述べることとすれており、また熱伝導率が高い、といった材料物性により、線引きダイスや精密バイト等の加工工具やヒートシンク等

Normalized on-state resistance (%)に用いられてきたが、ワイドバンドギャップ半導体材料としての応用は未だない。

300

ダイヤモンドの半導体材料としての性能では、そのバン

LG=3µm250

ドギャップの大きさからくる高絶縁破壊電界強度と高熱伝200

導度が最大の特長である。パワーデバイスとしての性能指GaN Channel数では他の材料を圧倒する値となっており、ダイヤモンド

150

パワーデバイスへの期待は大きい。

100

AlGaN Channel

ダイヤモンドパワーデバイスの実用化に向けての大きな50
0

課題は、結晶成長技術とデバイスプロセス技術の高度化が
0

100

200

300

400

Temperature (ºC)

図5Normalized­on-state­resistance­vs­temperature（13）挙げられる。前者の結晶成長に関しては、不純物や結晶欠陥の少ない大型の高品質な単結晶ダイヤモンドを然るべき製造コストで作製することが必須となる。ダイヤモンドの合成法としては、超高圧合成法や気相合成法があるが、半

2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（5）−

導体デバイス用の基板としては、プラズマ CVD 法などの気相合成法が適している。産業技術総合研究所（以下産総研と略す）では、従来から気相合成法によるダイヤモンド
単結晶作製技術の研究を進めてきているが、最近では、大型結晶が得られる成長面を変えて気相成長する結晶成長技
術「繰返し成長技術」、種結晶から板状に成長したダイヤ
モンドをロスなしに分離する技術「ダイレクトウェハ化技術」の開発に成功し、これらの技術の適用により大型ウェ

写真 4

ダイヤモンド電子エミッタアレイ（5µm ピッチアレイ）

ハの作製が可能となっている（14）。産総研はさらに、ダイレ
クトウェハ法を使って性質のそろった単結晶ダイヤモンド
薄板を複数作製し、これらの薄板同士を接合して 1 インチ（写真 3）。この成果は、角程度の大面積ウェハを作製した（15）ダイヤモンドデバイスの製造に必要な大型ダイヤモンド基
板の量産可能性を示したものと言える。

10mm

写真 5

写真 3

電子源モジュール

ダイヤモンドウェハの写真（15）ダイヤモンドを用いたデバイスとしては、これまで
SAW（表面弾性波）デバイス ※ 9 、電子エミッタ、紫外LED（発光ダイオード）やショットキバリアダイオード、
MOSFET（MOS 型電界効果トランジスタ）等のパワーデバイスが研究開発されている。
SAW デバイスはいわゆる半導体デバイスではないが、ダイヤモンドの表面を伝搬する弾性波の高速性を活用すべく、当社でも GHz 帯の高周波 SAW デバイスへの応用

写真 6

ダイヤモンド電子銃で撮影した観察倍率 10 万倍の金粒子二次電子像（17）が、実用化へは至っていない。ダイヤ
開発を行った（16）、

モンドは電子を引き出しやすい性質があり低電圧、大電流の電子エミッタが可能となるため、電子ビーム露光装置、（19）
最狭線幅となる 4nm の電子線描画に成功しており、また、電子顕微鏡、電子線照射装置などの電子銃への応用が期待

電子顕微鏡用電子銃モジュール（写真 5）を作製し、観察されている。当社では、高濃度にリンをドープした n 型ダイヤモンドで優れた電子放出性能を示すことを見いだし、1mm のデバイスから 1103mA の大電流電子放出を得るこ2

倍率 10 万倍での金粒子の二次電子像の撮影に成功している（写真 6）。

さて本論のパワーデバイスであるが、ダイヤモンドを用（写真 4）。また、NEDO プロジェクトとに成功している（18）いたパワーデバイスとしては、ショットキバリアダイオーとしてエリオニクス社、産総研とで行った共同開発では、

ドとトランジスタの研究が進められている。当社が産総研

ダイヤモンド電子源による電子線描画でレジスト上に世界と共同で行ったショットキーバリアダイオードの研究で−（6）− 化合物半導体デバイス―限りなき可能性を求めて（その 2）―

は、耐電界強度は 3.1MV/cm と SiC を超える高い値が得られている（20）。ダイヤモンドはそのエネルギーバンドギャッ

用­語­集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

ワイドバンドギャップ半導体

プが大きく、高温動作デバイスが期待できるが、産総研はSiC、GaN、ダイヤモンドといったそのエネルギーバンド

Ru（ルテニウム）という材料をショットキ電極に用いるこギャップが Si のそれより大きい半導体。次世代パワーデバとにより、400 ℃、500 ℃という高温で動作するダイオー

イス用の半導体材料として期待されている。

ドを開発している 。また、このダイオードの高速スイッ（21）

チング特性についても報告がなされている（22）。

※2

MOSFET

ダイヤモンドを用いたトランジスタの研究に関しては、

Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

1990 年代から始まっている。水素終端したダイヤモンド：電界効果トランジスタ（FET）の一種で、ゲート部は

表面にはホールの蓄積層が生じ、このホール蓄積層をチャ

ゲート電極と半導体層との間に酸化物を挿入した MOS

ンネルとしたトランジスタが多く報告されている。早稲田（金属／酸化物／半導体）構造。LSI の中で最も一般的に使大学からは、ゲート長 0.15µm のトランジスタでカットオ用されているデバイス。

フ周波数として 45GHz という高い値が報告されている（23）。
ダイヤモンド半導体は、これを用いたパワーデバイスの

※3

IGBT

性能指数としては、他の半導体材料デバイスのそれを圧倒

Insulated Gate Bipolar Transistor ：バイポーラトランジする値を示し、高耐圧、低消費電力、高温動作デバイスとスタのベース部に MOSFET を付けた複合デバイス。中容しての期待が大きく、また上記したようにダイオード、ト

量のパワートランジスタとして広く用いられている。

ランジスタの研究も進められている。しかし、これらのデバイスの実用化のためには、高品質、大口径のダイヤモン※4

ドウェハは必須であり、産総研が成果を挙げつつはあるが、金属と半導体との接合（ショットキ接合）によって生じる

今しばらくの開発期間がかかるものと予想される。

ショットキ障壁を利用したダイオード。

4.

結

言

※5

ショットキバリアダイオード

JFET

Junction Gate Field Effect Transistor ： pn 接合により生

SiC、GaN 等の化合物半導体やダイヤモンドなどのワイじる空乏層をゲートに印加する電圧によって変化させ、ドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスは、そのソース−ドレイン間に流れる電流を制御するトランジスタ。

材料物性により、現在市場で広く用いられている Si パワー
デバイスに比べて、低消費電力、高耐圧、高周波動作、高※6温動作が可能となるため、多くの市場分野で次世代パワー

トランジスタのゲート電極に電圧を印加しない時は、ソーデバイスとしての期待が大きい。

ス−ドレイン間に電流が流れないタイプ。反対にゲート電

これらのワイドバンドギャップ半導体パワーデバイスの実用化に向けての最大の課題は、如何にして Si パワーデバ

ノーマリオフ型

極に電圧を印加しない時も電流が流れるデバイスは、ノーマリオン型と呼ばれる。

イス並の製造コストで生産できるかであり、その鍵は高品
質、低コストの大口径基板の実現だと思われる。基板結晶

※7

HEMT

の成長が難しく、未だ低コスト、大口径の基板が得られてHigh Electron Mobility Transistor ：半導体ヘテロ界面いないのが実情である。この課題へのソルーションを見いに生成される二次元電子ガス※ 8 をチャンネルに用いる高速出したものが市場参入の一番乗りになるものと予想され、トランジスタ。

当社もこの難しい課題を解こうと種々の検討を進めている。
一旦でも化合物半導体デバイスの開発に携わった技術者※8

二次元電子ガスは、その魅力に取り付かれ、寝ても覚めても新しいデバイ

半導体のヘテロ界面に生成される電子が二次元的に分布しスの実現に向けて行動することになる。筆者も化合物半導ている状態。※ 7 の HEMT は、この二次元電子ガスをチャ

体材料メーカに入社して以来この魔物に取り付かれ、一貫

ンネルに応用したもの。

して化合物半導体デバイスの研究開発を行ってきた。今は、来るべき省エネルギーの社会の実現に向けて、ワイドバン※9

ドギャップ半導体を何とか手なずけようと奮闘している。

固体の表面を伝搬する表面弾性波（SAW: Surface Acoustic

SAW デバイス

Wave）を利用してデバイス。バンドパスフィルタ等が実用化されている。

2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（

7

）−

参

考

文

献

（1）林秀樹、「化合物半導体デバイス−限りなき可能性を求めて−」、SEI
テクニカルレビュー第 173 号、PP14-24（2008）（2）K. Fujikawa, S. Harada, A. Ito, T. Kimoto and H. Matsunami,“ 600V
4H-SiC RESURF-type JFET”, Material Science Forum, 457, p.1189（2004）（3）T. Masuda, K. Fujikawa, K. Shibata, H. Tamaso, S. Hatsukawa, H.
Tokuda, A. Saegusa, Y. Namikawa and H. Hayashi,“ Low OnResistance in 4H-SiC RESURF JFETs Fabricated with Dry Process for
Implantation Metal Mask”, Material Science Forum, 527, p.1203（2006）（4）K. Fujikawa, K. Shibata, T. Masuda, S. Shikata and H. Hayashi,“ 800V
4H-SiC RESURF-Type Lateral JFETs”, IEEE Electron Device Letters, 25,
p.790（2004）（5）H. Tamaso, J. Shinkai, T. Hoshino, H. Tokuda, K. Sawada, K. Fujikawa,T. Masuda, S. Hatsukawa, S. Harada and Y. Namikawa,“ Fabricationof a Multi-chip Module of 4H-SiC RESURF-type JFETs”, Materials
Science Forum, 556, P.983（2007）（6）K. Fujikawa, K. Sawada, T. Tsuno, H. Tamaso, S. Harada and Y.
Namikawa,“ Fast Swetching Characteristics of 4H-SiC RESURF-type
JFET”, International Conference on Silicon Carbide and RelatedMaterials（2007）（7）T. Masuda, S. Harada, T. Tsuno, Y. Namikawa and T. Kimoto,“ High
Channel Mobility of 4H-SiC MOSFET Fabricated on Macro-Stepped
Surface”, International Conference on Silicon Carbide and RelatedMaterials (ICSCRM)（2007）（8）Y. Saitoh, K. Sumiyoshi, M. Okada, T. Horii, T. Miyazaki, H. Shiomi, M.
Ueno, K. Katayama, M. Kiyama and T. Nakamura,“ Extremely Low
On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical
GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on
Low-Dislocation-Density GaN Substrates”, Appl. Phys. Express 3,081001（2010）（9）Y. Yoshizumi, S. Hashimoto, T. Tanabe and M. Kiyama,“ Highbreakdown-voltage pn-junction diodes on GaN substrates”, J.
Crystal. Growth, 298, pp.875-878（2007）（10）Okada, Y. Saitoh, M. Yokoyama, K. Nakata, S. Yaegassi, K. Katayama,
M. Ueno, M. Kiyama, T. Katsuyama and T. Nakamura,“Novel Vertical
Heterojunction Field-Effect Transistors with Re-grown AlGaN/GaN
Two-Dimensional Electron Gas Channels on GaN Substrates”, Appl.
Phys. Express 3, 054201（2010）（11）M. Tanaka, S. Nakahata, K. Sogabe, H. Nakahata and M. Tobioka,“Morphology and X-ray diffraction peak widths of Aluminium
Nitride single crystals prepared by the sublimation method”, Jpn. J.
Appl. Phys., Vol.36, L10621（1997）（12）宮永倫正、水原奈保、藤原伸介、嶋津充、中幡英章、「昇華法による
AlN 単結晶成長」、SEI テクニカルレビュー第 168 号、p.p.103-106（2006）（13）M. Hatano, N. Kunishio, H. Chikaoka, J. Yamazaki, Z.B. Makhzani, N.
Yafune, K. Sakuno, S. Hashimoto, K. Akita, Y. Yamamoto and M.
Kuzuhara,“ Comparative high-temperature DC characterization of
HEMTs with GaN and AlGaN channel layers”, CS MANTECH
Conference, p.101（2010）（14）産総研プレスリリース（2007.03.20）（15）H. Yamada, A. Chayahata, Y. Mokuno, H. Umezawa, S. Shikata and N.
Fujimori,“ Fabrication off 1 Inch Mosaic Crystal Diamond Wafers”,
Applied Physics Express 3, 051301（2010）（16）鹿田真一、「ダイヤモンドの特性を活用したデバイスの開発」、化学、
Vol.62、No.6（2007）（17）藤井知 他、「ダイヤモンド SAW デバイスの進展」、NEW DIAMOND、
Vol.25、No.2（2009）（18）N. Tatsumi, A. Ueda, K. Tanizaki, Y. Nishibayashi and T. Imai,“Phosphorus Doped Diamond Electron Emitter Devices”, Mater.
Res. Soc. Symp. Proc. Vol.1039- P09-04（2008）−（8）− 化合物半導体デバイス―限りなき可能性を求めて（その 2）―（19）植田暁彦、西林良樹、池田和寛、辰巳夏生、今井貴浩、上柿順一、布川博、土田智之、小若裕則、本目精吾、山田貴壽、鹿田真一、「ダイヤモンド電子源の開発とその応用」、学振 158 委員会、p.9（2010）（20）辰己夏生、池田和寛、梅澤仁、鹿田真一、「ダイヤモンド・ショット
キ・ダイオードの開発」、SEI テクニカルレビュー第 174 号（2009）（21）K. Ikeda, H. Umezawa, K. Ramanujam and S. Shikata,“ Thermally
Stable Schottky Barrier Diode by Ru/Diamond”, Applied Physics
Express 2, 011202（2009）（22）K. Kodama, T. Funaki, H. Umezawa and S. Shikata,“ Switching
characteristics of a diamond Schottky barrier diode”, IEICEElectronics Express, Vol.7, No.17, 1246-1251（2010）（23）平間一行、川原田洋、「ワイドギャップ半導体ダイヤモンドを用いた
高周波高出力 MOSFET の開発」
、科学と工業 Vol.83、No.4（2009）（24）N. Kuroda, K. Shibahara, W. S. Yoo, S. Nishino and H. Matsunami,“ Step-Controlled VPE Growt of SiC Single Crystals at Low
Temperatures,” Ext. Abstr. 19th Conf. on Solid State Devices andMaterials, p. 227（1987）

執林

筆者 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------秀 樹 ：フェロー 博士（工学）
情報通信・システム事業本部 技師長
IEEE フェロー
電子情報通信学会 評議員
応用物理学会 フェロー輻射科学研究会理事
日本工学アカデミー会員
1978 年入社以来一貫して化合物半導体デバイスの研究開発 およびその実用化に従事。
オプトエレクトロニクス研究所長、デバイス技術センター
長、半導体技術研究所長、パワーデバイス開発室長、材料技術研究開発本部 技師長を経て、現職-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------