Press Release
キーワード：パワーデバイス、酸化ガリウム、ｐ層、ベンチャー、京都大学、FLOSFIA

平成 28 年 9 月 28 日

注目の新規パワー半導体「コランダム構造酸化ガリウム（α-Ga2O3）」を用いた超低損失・低コストなノーマリーオフ型パワートランジスタの実現に活路！
ｐ層として利用可能な格子定数差 0.3%の「コランダム構造酸化イリジウム（α-Ir2O3）」の作製に成功！

国立大学法人京都大学
株式会社 FLOSFIA【本研究成果のポイント】
省エネ社会実現に向けて、パワーデバイス※１の低損失化が期待されています。パワーデバイスは電力（パワー）の変換に用いられる半導体デバイスのことで、AC アダプタなどのあらゆる電源や、ロボット・白物家電・ハイブリッド車・電気自動車に搭載されるインバーターなど、あらゆる電力変換器に搭載されています。なかでもパワートランジスタ※２は、最も重要な役割を果たしており、電力変換器の効率に大きな影響を与えています。これまでは他の半導体デバイス同様、シリコン（Si）が用いられてきましたが、これ以上の特性改善が期待しにくいことから、電力変換器の小型化、低コスト化の限界※３を迎えていると考えられてきました。これは、身近な例では、ノートパソコンの AC アダプタをこれ以上、小型化したり安くしたりできないことを意味しており、新規材

図 1 α-Ir2O3 と他のコランダムファミリー材料
α-Ir2O3 は α-Ga2O3 と格子定数が近くバンドギャップが大きいことから、α-Ga2O3 パワーデバ
イスへの応用が期待される料によるイノベーションが期待されてきました。
コランダム構造を有する酸化ガリウム※４（以下、α-Ga2O3）はその最有力候補の一つです。これまで、京都大学はサファイア基板上に良質な α-Ga2O3 単結晶を作製できること、ドーパントを用いた導電性制御が可能であることを示し、FLOSFIA は世界最小（FLOSFIA 調べ）のオン抵抗である 0.1mΩcm2 のショットキーバリアダイ
オードの試作に成功して、世界に先駆けて、その高いポテンシャルを実証してきました。
他方で、α-Ga2O3 を用いたパワートランジスタの実現については、悲観的な見方もされてきました。良質なp 層が作製困難であり、高性能なトランジスタ（MOSFET）の実現が困難という見方です。トランジスタ（MOSFET）には、一般に、電子がキャリアとなる n 層と正孔（ホール）がキャリアとなる p 層とが利用されます。しかしながら、酸化ガリウムに関しては、良質な p 層についての報告がないことが問題と考えられてきたのです。
今回、当グループは、新規半導体材料「コランダム構造酸化イリジウム（以下、α-Ir2O3）」の作製に成功し、良質な p 層として機能することを世界で初めて実証しました。当該材料は、α-Ga2O3 と組み合わせてデバイス化する p 層として期待できる革新的な材料です（図 1）。α-Ga2O3 と同じ結晶構造をもち、格子定数が極めて近く（格子定数差が 0.3%程度）、同一の成膜手法であるミスト CVD 法※５（MISTEPITAXY®法）による成膜が可能で、α-Ga2O3 との相互積層が可能です。この発明は、α-Ga2O3 のパワーデバイスとしての限界を打ち崩し、α-Ga2O3 半導体を用いた超低損失ノーマリーオフ型パワートランジスタの実現に活路を見出す画期的なものです。

1Press Release【研究成果の概要】
α-Ir2O3 の作製に成功し、良好な p 層であることを確認しました。
p 層としての特性（p 型特性）は、ホール効果測定により確認し、高いホール移動度 2.3cm2/Vs（キャリア濃度 1.0×1021/cm3）を確認しています。コランダム構造を有することは、X 線回折プロファイル（図 2）および回折スポット（図 3）により確認しました。

1022040α-Al2O3 00012

α-Al2O3 0009

α-Al2O3 0006

103

α-Ir2O3 0006

104

α-Al2O3 0003

Intensity [cps]10560802θ/θ [deg.]
図 2 α-Ir2O3 の X 線回折プロファイル

図 3 α-Ir2O3 の回折スポット

α-Ir2O3 薄膜は基板である α-Al2O3 に対して c 軸配向した高品質な結晶成長をしており、X 線回折ピークから、α-Ga2O3 に近い格子定数（ミスマッチ 0.3%）をもつ事を確認しています。

コランダム構造結晶の a 面、m 面という 2 方向から断面 TEM 観察を行っところ、コランダム構造をもつ α-Al2O3 基板の回折スポットの近くにα-Ir2O3 薄膜の回折スポットが確認され、同じコランダム構造をもつ事を確認した。

【産業応用への道筋】
酸化ガリウムを用いたパワートランジスタは、さまざまな電力変換器への応用が期待されています。例えば、AC アダプタなどの商用電源、ロボットの駆動回路、ハイブリッド車や電気自動車などの自動車、エアコンや冷蔵庫などの白物家電、太陽電池のパワーコンディショナなど、さまざまな電力変換器（回路）への応用が期待できます。特に、これらの電力変換器を小型化し、コストを低減することが期待されています。電力変換器の小型化の程度は、機器の種類にもよりますが、数十分の一に及ぶことがあり、コスト低減の効果は電力変換器全体の 50%に及ぶことが期待されます（FLOSFIA 試算）。これは、酸化ガリウムを用いたパワーデバイスであれば、オン損失およびスイッチング損失の両面で低損失となり、しかも小型・低コストで製品化できることによります。
【株式会社ＦＬＯＳＦＩＡ】
京都大学発のベンチャー企業です。様々な智慧・叡智（sophia）が流れ（flow）込み集まる会社、そしてこの智慧・叡智（sophia）を更に磨きあげて、社会に流し戻して（flow）人類の進歩に貢献する会社でありたいと考え、我々が目指すこのような姿を「FLOSFIA」と名付けています。作り出された電気を効率よく使用するために必要不可欠な低損失・低コストなパワーデバイスを実現するため、酸化ガリウム・パワーデバイスの事業化に取り組んでいます。
・会社名：株式会社 FLOSFIA（フロスフィア）
・所在地：京都市西京区御陵大原 1 番 36 号
・代表者：人羅京大桂ベンチャープラザ北館

俊実

・資本金：613,685,840 円（資本準備金等含む）
・ホームページ：http://flosfia.com
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Press Release【特記事項】
本研究成果は 2016 年 9 月 15 日、応用物理学会秋季講演会で口頭発表済みです。
本研究開発は NEDO の戦略省エネルギープログラム「コランダム構造酸化ガリウム α-Ga2O3 を用いた 600V
耐圧 SBD の開発」にて発展させ、デバイス動作を実証することを目指します。
【用語説明】※１ パワーデバイス
電力変換に用いられる半導体デバイスのことで、トランジスタやダイオード、サイリスタなどが知られています。
※２ パワートランジスタ
パワーデバイス向けのトランジスタのことで、ロジック回路で用いられる一般的なトランジスタと比較して、大電流を流すことが特徴です。
※３ 電力変換器の小型化、低コスト化の限界
電力変換器の小型化、低コスト化には、動作周波数の高周波化が必要と考えられています。シリコン（Si）を用いた場合には、高周波動作させると変換損失が大きくなってしまい追加の放熱対策が必要となることなどから、電力変換器の小型化が困難であると考えられています。また、新しい半導体材料としてシリコンカーバイド（SiC）を用いた場合には、高周波動作は可能で電力変換器の小型化は可能ですが、その合成方法やプロセス技術の特殊性から、低コスト化には限界があると考えられています。
※４ 酸化ガリウム（Ga2O3）
パワー半導体材料として注目を集めている新材料です。様々な結晶構造を有し、コランダム構造（α 構造）以外にも β ガリア構造などの結晶構造をとることが知られています。β ガリア構造は酸化ガリウムしか取らない特殊な結晶構造であるのに対し、コランダム構造は酸化ガリウム以外にもサファイアや酸化インジウムなどさまざまなファミリー群が存在することから、ヘテロ積層での結晶成長やデバイスへの活用が期待されてきました。
※５ ミスト CVD 法
霧（ミスト）状にした原材料溶液と加熱部を用いて、簡便、安価、安全に酸化物半導体薄膜が作製できる手法で、当グループの藤田静雄教授らの研究グループが独自に開発しました。一般的な化学気相成長法（CVD：ChemicalVapor Deposition）法が原材料にガスを用いるのに対し、原材料に液体（溶液）を用います。原材料溶液は、有機金属やハロゲン化物など、反応の源になる「溶質」と、溶質を溶解させて液体状にするために用いられる水や有機溶媒（メタノール、エタノールなど）などの「溶媒」とで構成されます。従来の成膜法と違い、真空装置が不要なので装置コストが大幅に低くなり、また真空引きが不要で段取り時間を短縮できるため 1 回の成膜プロセス時間が短縮され、生産性を大きく向上させることが可能です。

【本件に関する問い合わせ先】
京都大学 工学系研究科教授

光・電子理工学教育研究センター

藤田 静雄
TEL：075-383-3030

FAX：075-383-3050

Mail：fujitasz@kuee.kyoto-u.ac.jp
京都大学 工学系研究科
助教

光・電子理工学教育研究センター

金子 健太郎TEL：075-383-3039

FAX：075-383-3050

Mail：ken-kaneko@kuee.kyoto-u.ac.jp
株式会社 FLOSFIA
代表取締役社長

人羅俊実

TEL：075-963-5202

FAX：075-320-1712

Mail：info@flosfia.com
以上3