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−林

秀樹Development of Compound Semiconductor Devices for Pursuit of Infinite Possibilities ─ by Hideki Hayashi ─
Many different compound semiconductors can be formed by changing the combination of constituent elements.
Properties of alloy semiconductors composed of a plurality of compound semiconductors can be changed in acontinuous fashion by changing composition ratios. Very thin alloy semiconductor multilayers showing interesting
properties can be formed by sophisticated epitaxial growth methods such as MOVPE and MBE. Based on thesematters, innumerable compound semiconductor devices with a wide variety of functions and characteristics havebeen developed. This is a feature unique to compound semiconductors and not found in silicon semiconductors.
Sumitomo Electric has been developing various kinds of compound semiconductor materials for about half a century,and is the world’s largest manufacturer of compound semiconductors. The Company has been supplying GaAs and
InP substrates and their epitaxial wafers to the consumer and communications markets as its leading compound
semiconductor products, and recently succeeded in developing GaN substrates for blue-violet lasers that are being
used in the next-generation optical disk systems. As to compound semiconductor devices a large number of opticaland electron devices have been developed and commercialized for power and communications market. This paper
describes the past quarter century’s history of development of various kinds of optical and electron devices,focusing mainly on Sumitomo Electric’s research and development activities.

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

2.

化合物半導体2−1

元素半導体と化合物半導体

20 世紀後半のエレクトロニクスの革命的な進歩は我々の社会を大きく変えできる。また 2 種類以上の化合物半導体の混ざり合った混てきたわけであるが、この主役は何といっても集積回路晶半導体では、その混合比を変えることにより物性値を連（IC）であり、その材料はシリコン（Si）半導体である。そ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の前座的な役割を果たしたゲルマニウム（Ge）（トランジ

混晶半導体の薄膜を多層に積層させることにより、無限とスタが発明された時に用いられた材料は Ge）と Si とは共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に単一の元素から成る半導体であり、このような半導体は様な機能、特性を持った半導体デバイスが実現できる。こ元素半導体と呼ばれる。

こが Si 半導体とは全く異なる点であり、化合物半導体の魅力でもある。

一方、元素半導体とは異なり 2 つ以上の原子がイオン結合により結合してできる半導体があり、これらは化合物半

当社では、約半世紀前から化合物半導体材料の開発・事導体と呼ばれる。一般的に、イオン結合は陽イオンと陰イ

業化に取り組んできた。通信用や民生用の GaAs 基板、InP

オンとの強い静電引力によって絶縁体となるが、陽イオン

基板とそのエピタキシャルウェハが主な製品であったが、と陰イオンの組み合わせによっては静電引力が弱く、半導最近では次世代光ディスクに使われる青紫レーザ用の GaN体となる。これまでに実に数多くの化合物半導体とそれら基板の開発・製品化を実現させており、世界最大の化合物を用いた半導体デバイスが開発され、実用化にも華々しい

半導体材料総合メーカとなっている。

ものがある。これらの化合物半導体は、周期律表（表 1 参

本論文では、これら化合物半導体や、混晶半導体、エピ照）の第何族の元素から構成されるかによって分類され、タキシャル成長による半導体薄膜形成等について述べた

主なものとしてⅢ−Ⅴ族、Ⅱ−Ⅵ族、Ⅳ−Ⅳ族の化合物半後、光通信用 InP 系半導体レーザ、受光用 OEIC、白色 LED

導体がある。Ⅲ−Ⅴ族半導体には、GaAs、InP、GaN、等の光デバイス、GaAs MESFET および IC、SiC パワート

AlN など、Ⅱ−Ⅵ族半導体には、ZnSe、ZnS、CdTe など、

ランジスタ等の電子デバイスについて、当社の取り組みを

Ⅳ−Ⅳ族半導体には SiC、SiGe などが代表的な化合物半導

中心に、ここ四半世紀の開発について述べる。

体である。住友電工では、世界に先駆けて約半世紀前から化合物半導体基板の開発・事業化を進めてきており、主と−（ 14 ）− 化合物半導体デバイス −限りなき可能性を求めて−して GaAs、InP、GaP、GaSb、InAs 等のⅢ−Ⅴ族半導体の7

開発、製品化を行い（写真 1）、また最近では次世代 DVD

各半導体材料のバンドギャップと格子定数

AlN

h Nitride
c Ⅱ-Ⅵ

6

c Ⅲ-Ⅴ

用青紫レーザの基板として GaN 基板の量産を行っている。

Ⅳ

表1

Ⅱ

化合物半導体の主な構成元素の周期律表

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

B

C

N

O

Al
Zn
Cd

Energy Gap (eV)

5

Si

Ga

Ge

In

Sn

P

Sb

MgS

4
4H-SiC

3

MgSe

ZnS

UV

GaN

ZnSe
AlP

6H-SiC

2

S

As

ダイヤモンド

CdS

GaP

1

AlAs

CdSe

GaAs

InP

Si

Se

IR

InAs
Ge

InN
0

Te

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

Lattice Constant (Å)

図1

各種半導体材料のエネルギーバンドギャップと格子定数う概念も提唱された。 筆者らは InAs と GaAs との極薄膜積層構造を後述する MBE 成長で形成し（1）〜（4）、これを動作層とするトランジスタの試作も行った（5）〜（7）が、混晶半導体
を超える半導体材料は得られなかった。
2−3

エピタキシャル成長

種々の機能を持った半導体デバイスを形成するには 2 種以上の異種半導体を積層させることが必要となる。このような異種半導体の積層をヘテロ接合と呼び、格子欠陥が少なく結晶軸が揃った半導体層の結晶成長をエピタキシャル成長（エピタキシー）と
写真 1

GaAs, InP 等各種化合物半導体呼ぶ。エピタキシー（epitaxy）とはギリシャ語で

epi-（〜の上に）＋ taxis（整列する） という意味で、半導体基板上に結晶軸が揃った結晶成長のこと。高性能な半導体デバイスを作製するうえで、このエピタキシャル成長は極め
2−2

化合物半導体と混晶半導体

化合物半導体は、て重要なプロセスとなる。一般にエピタキシャル成長におその元素の組み合わせにより多くの種類が存在するが、さいて成長層の結晶欠陥の密度を低くするためには、成長すらに複数の異なる化合物半導体を組み合わせることにより、る半導体の格子定数が下地の半導体の格子定数にできる限結晶構造は保ったままで人為的に 3 種類、あるいは 4 種類

り近くする必要がある（前述の図 1 において縦軸に平行なといった元素からなる半導体を作ることができる。例えば、線上での結晶成長が望ましい）。上記した種々の混晶半導GaAs と InAs とを混ぜることにより、GaxIn1-xAs（0 ＜ x ＜ 1）

体ではその格子定数は組成比を制御することにより変えるという半導体が、また Ga、In、As、P といった 4 種類の元

ことができるため、格子整合のとれた（界面の上下半導体素から成る GaxIn1-xAsyP1-y（0 ＜ x ＜ 1, 0 ＜ y ＜ 1）という半層の格子定数が同じ）ヘテロ接合を作ることができる。

導体も形成できる。これらの半導体は、混晶半導体と呼ば化合物半導体のエピタキシャル成長には、種々な手法がれ、その組成比を連続的に変えることにより半導体の格子用いられているが、その主な手法としては、液層エピタキ

定数（原子間距離に相当する値）やエネルギーバンド

シャル成長（LPE ： Liquid Phase Epitaxy）、分子線エピタキ

ギャップ（Eg）を連続的に変えることができる。この化合

シャル成長（MBE ： Molecular Beam Epitaxy）、と有機金属物半導体の特長こそが、Si では得ることのできない数多く

気相エピタキシャル成長（MOVPE ： Metal Organic Vaporの種類の半導体デバイスを生み出し得る大きな要因であPhase Epitaxy）とがある（図 2 参照）。高性能なデバイス形

る。図 1 にこれら代表的な化合物半導体と 3 元混晶半導体

成には、数 nm といった薄膜半導体層が必須となるが、この Eg と格子定数を示す。

のような極薄膜半導体層を成長させるためには、MBE と混晶半導体とは異なり、厚さ数原子層の 2 種類の化合物

MOVPE が優れており、その中でも量産性に優れた MOVPE

半導体の積層構造により、元の化合物半導体とは異なる新が実用化されている光ディスク用レーザ、光ファイバ通信

しい物性を持った半導体材料を生み出す超格子半導体とい用レーザ等の製造等に広く用いられている。

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 15 ）−

真空蒸着

ガス

液体

MBE

MOVPE

LPE

定した。その測定結果を図 3 に示すが、6 Å（単原子層厚）という極めて薄い量子井戸からも鮮明な発光が観測できており、当時としては最高品質の量子井戸構造が形成で

物理的

熱平衡
高精度

図2

きていることを実証した（8）〜（10）。

高速成長

3.

各種エピタキシャル成長法の比較

光デバイス

3−1

光通信用量子井戸（MQW）レーザ

前述の

MQW 構造は、それを半導体レーザの活性層として用いることによりその特性を大幅に向上させることができる。筆2−4ヘテロ接合と量子井戸構造

前述したよう

者等は InGaAsP 系 4 元混晶の MQW 構造で長波長帯（発光に、化合物半導体デバイスの形成には多くのヘテロ接合

波長 1.31 ミクロン）の光通信用レーザを作製し、その閾値が用いられるが、急峻な界面を持つ（半導体の組成が界電流、スロープ効率、温度特性等のレーザ特性が、従来構面で急峻に変わる）ヘテロ接合は高性能デバイスを作製

造のレーザより優れていることを初めて報告した（11）。また、するために必須となる。また Eg が小さい半導体層が Eg

2 インチ InP ウェハ全面に形成したレーザ特性のウェハ全面の大きい半導体層に挟まれた構造は量子井戸（QW ：での面内均一性が高めるとともに、MQW 構造の活性層成

Quantum Well、一般には量子井戸の個数は複数なので長だけでなく、埋め込み成長、クラッド成長なども含めた

MQW ： Multiple Quantum Well）構造と呼ばれ、高性能

全エピタキシャル成長の MOVPE 化を初めて実現させた。

な半導体レーザを形成するためには必須の構造であるが、この半導体レーザ製造プロセスの大変革は、それまで小さ

良好な MQW 構造を作製するためには急峻なヘテロ接合

い面積の基板を用いた液層エピタキシャル成長（LPE）にを形成する必要がある。筆者等は 1980 年代半ばに、このによるレーザ製造に比べて、MQW 構造採用によるレーザ

急峻な界面を持つ半導体ヘテロ接合を作製するために、性能の大幅向上、2 インチウェハでの製造による製造コス

反応ガスの配管系に工夫を凝らすとともに、反応炉の構トの大幅低減、などを実現させ、高性能 MQW レーザの普造に特徴を持たせた MOVPE 装置を開発した。ヘテロ接及に多大な貢献をした。

合のできの良し悪しは、MQW 構造の光学特性（例えば上記 1.3μm 帯 MQW レーザは、温度特性が良く、また高フォトルミネッセンス測定：光を照射することによって性能、低コストであったため、その後当社内の光データリ

生じた電子と正孔が再結合する際に放出される光のスペンクに大量に用いられたのを始め、国内外の多くの顧客にクトルを観測することにより、半導体結晶中に存在する採用され、これまでに 1000 万個を超える出荷を果たしてい格子欠陥、不純物や薄膜構造を高感度に検出する手法）

る。また、上記 MQW 構造形成技術は、他の種類のレーザを評価することで判定することができるが、GaInAs 系の開発に展開され、光 CATV 用の無温調同軸型のアナログ

3 元混晶や GaInAsP 系の 4 元混晶を用いた MQW 構造を上DFB（Distributed FeedBack ：分布帰還型）レーザ（12）、光述の MOVPE 装置で作製し、フォトルミネッセンスを測

ファイバアンプ励起用の 1.48μm 高出力レーザ （ 13）〜（ 15）、
0.98μm 励起レーザ（16）〜（18）や、DVD 用の赤色 MQW レーザ（19）〜（28）

PHOTOLUMINESCENCE INTENSITY (arb. unit)

GaInAs/InP SQWの開発や製品化に用いられた（写真 2 参照）。

4.2 K

2000Å

6Å
160Å

15Å

2.3

24Å

100Å
60Å
2.7

10meV
9.0
7.2

40Å
3.2
4.7
5.6

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

WAVELENGTH (µm)

図3

GaInAs 量子井戸からのフォトルミネッセンス（9）−（ 16 ）− 化合物半導体デバイス −限りなき可能性を求めて−

写真 2

各種半導体レーザ

3−2

光通信用受光 OEIC

化合物半導体を用いると前節で述べたような半導体レーザや受光素子と言った光デバイスを作製することができる。また、高速のトランジ
スタ、ダイオードなどの電子デバイスも作製できるので、
光デバイスと電子デバイスを同一半導体基板上の 1 チップに集積化することができる。これが OEIC（Opto-Electronic
Integrated Circuit ：光電子集積回路）と呼ばれるデバイスである。1990 年代に光通信システム用の OEIC について多くの研究がなされた。レーザ等の発光デバイスはそのエピ
タキシャル構造が複雑であり、また共振器（通常はチップ

写真 3

コンパレータ内蔵型の pin/HBT OEIC（77）の両端面で共振器を形成する）を作り込むのが難しいのに対して、フォトダイオードなどの受光デバイスは、そのエピタキシャル構造が比較的簡単であると共に、高速化という意味で初段の増幅器を受光素子の近くに配置する意義が大きいため、主として受信側の OEIC の研究がなされた。
受信 OEIC は、それぞれのデバイスをハイブリッド集積
したものに比べて、その性能、信頼性、サイズの小ささ、と製造コストで優れたものが得られると予想された。筆者
等は、前述の MOVPE 技術を駆使し、InP 基板上に PIN
フォトダイオードと受信アンプとを集積化した受信 OEICを作製した（29）〜（31）。さらには、イコライザーを内蔵した低（33）、8 本からなるリボンファイバから雑音の受信 OEIC（32）、の信号を一括して受信できる世界初の 8 チャンネル受信
（35）
（37）
や超高速受信 OEIC の作製にも成功した（36）、。
OEIC（34）、

写真 4

16 × 16 受信 OEIC アレイ（78）

上記 OEIC は集積化する電子デバイスとしては HEMT（後述4 − 1）を用いていたが、さらに性能を上げるために

HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）を用いた OEIC も（図 4、写真 3 参照）、集積度の高いものとしてパ開発し（77）3−3

光ディスク用青紫色レーザ

光ディスク用ラレル光インターコネクション向けの 16 x 16 の OEIC を試

レーザは化合物半導体デバイスの大きな応用市場である。

（写真 4 参照）。これらの OEIC は形を変え、受光作した（78）

先ずレコードを完全に置き換えた CD の読み出し用レーザ

デバイスと複数の受動部品とを集積化した簡易型 OEIC ととして AlGaAs 系の近赤外レーザが登場するが、このレーして製造コスト低減という観点から当社の光データリンク

ザの製造には最初は LPE や MBE も用いられていたが、最製品に数多く用いられた。現在ではこれら OEIC 技術は、

終的には MOVPE による MQW レーザとなった。次に DVD

ユーディナデバイス㈱に引き継がれ研究開発が進められての市場が立ち上がるが、ここには AlGaInP といった 4 元混

（76）。
いる（75）、晶を活性層とする赤色レーザが用いられた。これらの CD
用および DVD 用レーザの基板は GaAs であり、GaAs 基板に格子整合した AlGaAs 系、AlGaInP 系のエピタキシャル層が活性層として用いられている。当社は、この GaAs 基板を市場に供給している。

Schematic Cross-section（断面模式図）GaInAs pin PD

一般に光ディスクに書き込む情報量を増やすためには
GaInAs/InP HBT

ディスクへの書き込みや読み出しに用いるレーザの波長を短くすればよい。CD から DVD へは、近赤外光から赤色へと短波長化が進んだがブルーレイなど次世代ディスク用に
は更に短波長化が進み、波長 400nm 近辺の青紫色のレーザが用いられる。この波長域の光を発生するレーザを作製す

pin PD : pin-type Photodiode
HBT : Heterojunction Bipolar Transistor

Electrode（電極）Interconnect（配線）SiN Film（SiN絶縁膜）

るためには GaAs 基板上の混晶半導体では不可能であり、活性層には InGaN が用いられ、その基板としては GaN 基板が必須となる。

図4

pin 型受光素子と HBT とを集積化した OEIC の断面図（77）

この波長域の LED（発光ダイオード）としては、日亜化

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 17 ）−学の中村修二などの技術開発があり、サファイア基板上のせた ZnSe 系 LED の 480 〜 490nm の青〜青紫発光と、そのInGaN/AlGaN 層を用いたデバイスが実用化され、白色 LED

発生で励起された基板の 585nm をピークとする緑から赤にの光源として携帯電話のバックライトなどとして広く用い至る幅広い発光を合成することにより固体素子単体で白色られている。異種基板への格子整合系を外れた薄膜半導体

光を得る全く新しいコンセプトの LED であった（図 5 参層を用いたものであり、これまでの常識を覆す製品である。

照）。この ZnSe 系白色 LED の特長としては、（1）蛍光体不しかし、高出力レーザとしてはより高品質な半導体層が要要で取り出し電極を基板表面と裏面でとるため工程が簡求されるため、信頼性の高いデバイスを作製するためには略、（2）GaN 系白色 LED に比べ 2.5V と低電圧で動作、（3）格子整合系の GaN 基板が必要となる。GaN は原子半径の小波長制御が可能であり色調ばらつきが小さい、（4）導電性

さい N（窒素）が主成分であり、結合力が強く安定な材料基板を用い静電破壊に対し耐性がある、などが挙げられる。

である反面、その結晶成長は難しく、高品質な GaN 結晶は問題となっていた素子寿命に関しても、2 層クラッド構造

長い間得られていなかった。当社では、これまで長年培っを採用することにより GaN 系 LED と同等になった（48）。こてきたⅢ−Ⅴ族化合物半導体結晶成長技術をベースに、異のような優れた特性から ZnSe 系白色 LED は特に携帯機器

種半導体へ GaN 結晶を成長させる独自の手法を確立させ（38）用白色光源として注目されたが、サファイアあるいは SiC〜（42）、遂に青紫色レーザ用 GaN 基板の実用化に世界で初め基板上の GaN 系白色 LED の著しい技術進展により、実用て成功した。今ではこの基板を用いた青紫レーザが次世代化には至らなかった。ただこの開発を通して得られた数多

DVD プレーヤーや次世代ゲーム機用として広く用いられる

くの知見や技術は波及性があり、他の材料、デバイスの開ようになってきている。

発へ応用されていった。

B

Y

Y

B

B

青色発光
（活性層）

PL発光（緑〜赤）（基板結晶）

エピ活性層
ZnSe基板白色光

写真 52 インチ径 GaN 単結晶基板
図53−4

白色 LED

ZnSe 系白色 LED の原理図

白色 LED 用の光源としては、前述したように今やサファイア基板上の GaN 系 LED が市場をリードしているが、この種の LED の開発が成功する前は、

4.

電子デバイスⅢ−Ⅴ族半導体ではなくⅡ−Ⅵ族半導体である ZnSe 系の

前述した光デバイスは、化合物半導体でしか得られない

発光ダイオードやレーザの研究開発が長らく行われていものがほとんどであるが、トランジスタ等の電子デバイス

た。ZnSe 系半導体は、図 1 に示したようにそのエネルギーは一般に Si を用いて作製される。しかし、Si ではなく化合

バンドギャップ Eg は大きく、いわゆるワイドバンドギャッ

物半導体を用いるとその材料物性の違いから、Si デバイス

プ半導体であるが、結晶成長が難しく、大型の高品質基板

より高性能なデバイスの実現が可能となる。GaAs や InP をを得るのが難しかった。当社では、気相成長法の一種であ用いると高速、高周波動作が可能となり、また SiC や GaN

4-2を用いると高耐圧で低損失なデバイスが可能となる。以下、、さらに光

種々な化合物半導体を用いた電子デバイスについて述べる。

る昇華法により直径 2 インチで転位密度が 1 × 10 cm 以下（43）〜（45）という高品質の ZnSe 結晶の成長に成功しデバイス基板として必要な低抵抗化に関しては、ウェーハ

4−1

GaAs 電子デバイス

GaAs はその電子移動度加工した ZnSe に Al を表面から拡散させることによって導が Si に比べて数倍と大きいため高速動作のトランジスタやそ

電性 ZnSe 基板を実現させた（46）。

の集積回路への期待が大きく、1970 年代後半から 1990 年代（47）。

にかけて国内外で数多くの研究開発が行われた。Si の IC でこの白色 LED は、n 型 ZnSe 基板にエピタキシャル成長さは、半導体と絶縁膜との界面に形成する導電チャンネルを活当社は、上記 ZnSe 基板を用いた白色 LED を開発した−（ 18 ）− 化合物半導体デバイス −限りなき可能性を求めて−用した MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor ： MOS 型電界効果トランジスタ）が多く用いられる。これは Si とその表面を酸化した SiO2 との界面状態を良好にできるためである。これに対し、GaAs では GaAs とその酸化物、あるいは GaAs と他の絶縁膜との界面には多くの準位（界面準位）と呼ばれる欠陥が発生してしまい、良好な
MOS 界面が得られず GaAs MOS 型トランジスタは遂に実現しなかった。筆者等も Al を陽極酸化する手法や、予め Ga を添加した SiO2 膜を用いるなどして界面順位を大幅に下げることはできたが、MOSFET の実用化には至らなかった（49）〜（51）。
このように GaAs では MOSFET が実現できなかったため、

写真 6

GaAs プリアンプ IC の顕微鏡写真

GaAs IC の要素トランジスタとしては金属と半導体との直接接合（ショットキバリアー接合）をゲート電極に用いる
MESFET（Metal Semiconductor Field Effect Transistor） が用いられた。GaAs IC は、その高速性、低消費電力性が故に Si

スドープ FET は、無線基地局アンプ用として国内外の市場

IC のかなりの部分を置き換えると期待されたが、Si IC の高で数多く用いられた。

性能化が進んだことと、GaAs MOSFET が実現できなかった

4−2

InP 系電子デバイス

InP 系電子デバイスは、ことなどにより、大規模集積の IC に関しては市場参入は果InP に格子整合した In x Ga 1-x As/Al y In 1-y As 系か、少し結晶にたせなかった（52）〜（54）。ただし、小規模集積の IC としては、歪みを持たせたものが主で、高周波特性に関してはすべて

無線通信用のスイッチ IC やアンプ IC、光通信用のアンプ ICのデバイスの中で最も高性能を示している。当社では、前や光デバイス駆動用 IC として幅広く用いられている（55）。

述したように受光素子と集積化した長波長帯の光通信用受

一方、単体の GaAs 系トランジスタはその高速性、高周波での性能の高さにより、無線通信用を中心に多く用いられ

信 OEIC の電子デバイスとして開発を行った。
4−3

SiC 電子デバイス

前述のように GaAs や InPている。GaAs と AlGaAs とのヘテロ接合を用い、この界面の電子デバイスはその高速性、高周波特性の高さにより Siに誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとしたデバイスでは実現できない高速スイッチや低歪みデバイス

電界効果トランジスタである HEMT（high electron mobility

として無線通信や光通信の分野で広く用いられている。一transistor ：高電子移動度トランジスタ）はよく知られてい方、SiC や GaN といったワイドバンドギャップ半導体は、る。GaAs 系 HEMT は、その後多くの材料への展開が図ら

そのエネルギーバンドギャップの大きさから Si デバイスにれ、InP 系、GaN 系、SiGe 系などが報告されている。この比べて高耐圧、低消費電力が実現できるため、電力機器、

HEMT に対し、筆者等はヘテロ接合を用いず高性能が得ら

ハイブリッド自動車や、情報機器の電源といったパワーエ

れる独自のパルスドープトランジスタを開発した （ 56）、（ 57）

レクトロニクスでの活用が期待されている。特に近年、地（図 6 参照）。このトランジスタは、MOVPE で形成した非球温暖化防止の観点から省エネルギー指向がますます高

常に薄い（数 nm）の高キャリア密度の GaAs 動作層を用いまってきており、パワーエレクトロニクス機器に対する更るものであり、その低雑音性、良好な歪み特性（58）〜（61）、耐なる低損失化、高効率化が望まれている。Si パワーデバイ（79）が示され衛星放送受信用ダウンコンバータ等のスの性能は Si の半導体としての物理的限界に近づきつつあ

低雑音 MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit ：マり、上記要望に応えるためには SiC 等のワイドバンド

放射線性（62）〜（68）。このパル

イクロ波集積回路）への応用が示された

ギャップ半導体によるパワーデバイスの実現が不可欠になってきている。
SiC はワイドバンド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

Gate
SourceDrainn’ layer

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

n

+

n

+

わり頃に「種付け昇華法」と呼ばれる結晶成長手法がロシアで見出され、また 1980 年代後半には高品質エピタキシャ

Pulse-doped Layer
Undoped GaAs Buffer

ル成長法である「ステップ制御エピタキシー技術」が日本で報告された。これら 2 つの大きな技術開発により、1990

S.I. GaAs Sub.

年代に入って SiC デバイス開発への機運が一気に高まった。
SiC パワーデバイスとしては、まずショットキーバリア

図6

パルスドープ GaAs MESFET の模式断面構造図

ダイオードが開発され、2001 年から市販されるようになっ

2 0 0 8 年 7 月 ・ SEI テクニカルレビュー ・ 第 173 号 −（ 19 ）−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、自動車向けのパワーエレクトロニクス
機器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スイッチングデバイスとして RESURF（REduced SURface Field ：表面電界緩和）型接合型電界効（69）〜（72）と MOS 電界効果トランジ
果トランジスタ（JFET）

スタの開発を進めている。
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、チャンネルでの電子移動度がバルクとほぼ同じであり、SiC 材料物性を十分
写真 7に生かすことができるデバイスであると言える。図 7 に

SiC トランジスタのウェハ写真

RESURF 型 JFET の顕微鏡写真を示す。チップサイズ
2mm × 2mm のデバイスで、400V/2.5A、オン抵抗値 0.86 Ω、
スイッチングの立ち上がり時間 8ns、立下り時間 10ns といた数百 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、ノーマリオフ動作か可能で、高耐圧が期待できるデバイスであるが、MOS 界面

ゲート
ソース

ド
レ
イ
ン

ゲート

150mm

超える低オン抵抗や高速スイッチング特性が確認でき、ま

ソース

1.9mm
0.48mmう値が得られている（73）。この JFET により Si の物理限界を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

ド
レ
イ
ン

実情である。当社では、特殊なプロセスを施すことにより、
チップサイズ2mm×2mm

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 構造で高移動度が得られることを示した（74）。この SiC MOSFET は高耐圧、大電流、高速動作といっ

図7

RESURF-JFET の顕微鏡写真

た Si デバイスでは得られない特性が得られるため自動車用や電力機器用への応用が期待される。
4−4

GaN 系電子デバイス

GaN 系デバイスとして

100

SiC Limit

Si Limit

は、白色 LED や青紫レーザ等の光デバイスがまず市場に出特性オン抵抗（mΩcm2）

たが、GaN は電子デバイスとしての材料特性も優れており、無線通信分野における高周波、高出力デバイスとして活発に研究開発が進められている。パワー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、ユーディナデバイス㈱がいち早くSiC開発品
10

SiC市販品1

GaN Limit

GaN HEMT の開発・製品化を実現させ、市場でリードして当社データいる。低コスト化を狙った Si 基板上の GaN デバイスに関しても多くの研究報告がなされている。

0.1
100

GaN と SiC とはともにワイドバンドギャップ半導体であ1000
耐り、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

図8

10000

圧（V）

GaN ダイオードの耐圧と特性オン抵抗

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。当社では高品質 GaN 基板上の GaN 系デバイスの研究開発を進めており、サファイア基板上の GaN デ
バイスに比べて、その漏れ電流値は小さく、また耐圧は大幅に向上することを報告している。このデバイスの特性オ。
ン抵抗値は、1.3mΩcm2 と小さい値であった（図 8 参照）

5.

その他の化合物半導体デバイス

これまで半導体レーザ等の光デバイス、トランジスタ等の電子デバイスについて述べてきたが、化合物半導体を用−（ 20 ）− 化合物半導体デバイス −限りなき可能性を求めて−いたデバイスとしては、この他に各種のセンサ（トラン参デューサ）がある。これはある種類のエネルギーを別のも（1）Y. Matsui, H. Hayashi, M. Takahashi, K. Kikuchi, and K.
Yoshida, （ InAs）m（ GaAs）n superlattices grown by
molecular beam epitaxy, J. Crystal Growth, 71, p.280（1985）のに変えるデバイスであり、太陽電池、熱電素子（ペルチエ素子）や各種のセンサ（光センサ、温度センサ、磁気セ
ンサ、圧力センサ、ガスセンサ、放射線センサなど）がある。これからの省エネ社会でその重要性が増すと予想される太陽電池は、その製造コストの低さから一般には Si 半導体が用いられるが、高効率を要求される用途には化合物半導体が用いられる。当社では、1991 〜 2000 年度、ニュー
サンシャイン計画に参加し、化合物半導体を用いた超高効率太陽電池の開発を行った。5cm 角と化合物半導体として大型サイズの太陽電池にて 26.0 ％の変換効率達成し、また1cm 角で機械的に積層した GaAs/GaInAsP-2 接合太陽電池
で 31.1 ％の変換効率を達成した。これらの成果は、いずれも発表当時の世界最高効率であったが、製造コスト面で商用化困難と判断し、太陽電池開発は 2000 年度で終結した。
この開発で得られた、エピ成長技術や結晶評価技術は、社（81）。
内での各種エピやデバイス開発に生かされている（80）、

6.

結

言

化合物半導体デバイスについて、半導体基板とその基板上へのエピタキシャル成長、そしてそれらをベースにした
光デバイス、電子デバイスについて、ここ四半世紀の流れを当社の取り組みを中心に述べてきた。化合物半導体は Si
半導体と異なり、複数の元素を混ぜ合わせることにより望みに近い物性の半導体を形成でき、これらをデバイス設計に沿って三次元的に分布させることにより数限りない機能と特性を持ったデバイスが可能となる。その設計に沿った構造が実際に形成できるかどうかが課題であり、これはエンジニアリングの問題である。
化合物半導体デバイスの将来を考える時、先ずはこのエンジニアリングの向上が不可欠である。設計通りの構造が再現性よく形成できるようになれば、既存の半導体デバイスの性能向上（高周波、高出力、低消費電力 etc.）と製造コストの低減が期待できる。また、全く新しい機能を持ったデバイスの創出や既存デバイスの適用範囲の拡大も可能となる。例えば、これまで近赤外、赤色、青紫といった波長域でしか得られなかった半導体レーザの発光波長を、緑
色、紫外、テラヘルツ領域へと拡大できる、などである。
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は、その魅力に取り付かれ、寝ても覚めても新しいデバイ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、来るべき環境に優しい省エネルギーの社会の実現に向けて、ワイドバン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。

考文献（2）Y. Matsui, H. Hayashi, K. Kikuchi, and K. Yoshida, （InAs）（GaAs）n superlattices grown by Beam-separation MBEmmethod,International Conference on Modulated
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執林

筆者 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------秀 樹 ：フェロー
材料技術研究開発本部 技師長
パワーデバイス開発室 室長

工学博士
IEEE フェロー Japan Council 理事
電子情報通信学会 評議員
応用物理学会 フェロー
ニューダイヤモンドフォーラム 理事
輻射科学研究会 理事
日本工学アカデミー 会員---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------−（ 24 ）− 化合物半導体デバイス −限りなき可能性を求めて−