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《本研究のポイント》

　名古屋大学未来材料・システム研究所の須田 淳 教授、天野 浩 教授らと旭化成株式会社の研究グループは、窒化アルミニウム（AlN）基板上にコヒーレント成長させたAlN/GaN/AlN 高電子移動度トランジスタ(HEMT) を実現し、従来のGaN HEMTと比べ2倍以上の耐圧性能、低抵抗化、そして電流コラプスの抑制を実証しました。本成果は、通信・レーダー向け高周波デバイス^注5) の飛躍的な性能向上に直結する重要なブレークスルーです。

　AlNは、ワイドバンドギャップ半導体^注6) として知られるシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）よりも広い約6 eVのバンドギャップを持つウルトラワイドバンドギャップ半導体^注7) であり、高い絶縁破壊電界と優れた熱伝導率を兼ね備えています。また、GaNとの格子定数^注8) のずれが小さく、GaN/AlN界面の熱抵抗が小さいため、GaNデバイスとの相性が良く、次世代の高周波・高出力デバイス材料として注目されています。本研究グループはこれまで、20 nmのGaNをAlN上にコヒーレント成長させる革新的な結晶成長条件を見出し、世界で初めて有機金属気相成長（MOVPE）法によりAlN(9 nm)/GaN(12 nm)/AlN HEMTを実現しました。

　本研究では、結晶成長条件とデバイスプロセスの改善により、当初高かったデバイスの抵抗を二桁低減し、従来のGaN HEMTと同等水準の抵抗値を実現しました。また、従来構造に比べて2倍以上の耐圧性能をもつことを実証し、AlN/GaN/AlN構造の高いポテンシャルを示しました。加えて、従来のGaN HEMTで課題となっていた電流コラプスを抑制し、安定動作を可能にしました。これにより、信頼性の高い高周波・高出力デバイスの実現に大きく前進しました。本成果は、次世代の通信やレーダーシステムにおける高周波・高出力デバイスの性能向上に大きく貢献することが期待されます。

　本研究成果は、本学未来材料・システム研究所 旭化成次世代デバイス産学協同研究部門の李 太起（リ テギ）特任助教により2025年12月8日に世界トップクラスの半導体デバイスに関する国際会議(International Electron Device Meeting, IEDM^注9) , 米国サンフランシスコ開催)で発表されました。

　次世代の通信システムやレーダー装置では、より高い周波数で大きな電力を扱える半導体デバイスが求められています。このような用途では、広く利用されているシリコン（Si）やガリウムヒ素（GaAs）に比べ、高出力化に対応できる窒化ガリウム（GaN）を用いた高電子移動度トランジスタ（HEMT）の実用化が進んでいます。しかし、従来のAlGaN/GaN HEMTでは、耐圧や放熱性の制約、動作時の電流不安定性（電流コラプス）といった課題がありました。

　これらを解決する鍵となるのが、ウルトラワイドバンドギャップ半導体である窒化アルミニウム（AlN）です。AlNは約6 eVの広いバンドギャップ、高い絶縁破壊電界、優れた熱伝導率を持ち、GaNとの格子整合性も良好です（図1）。本研究ではAlN単結晶基板上にコヒーレント成長させたAlN/GaN/AlN HEMTの可能性を実証し、次世代高周波・高出力デバイスへの新しい設計指針を提示します。

図１：（左）Si、SiC、GaN、AlNの材料特性比較。（右）単結晶AlN基板上にコヒーレント成長させたAlN/GaN/AlN HEMTの模式図。

　本研究では、GaN成長時のGa原料を変えることで結晶中の炭素不純物を大幅に低減し、シート抵抗を2000 Ω/sqから507 Ω/sqへ約4分の1に低減しました。さらに、AlNバリア層のエッチング工程を導入することで、コンタクト抵抗を64 Ωmmから2.4 Ωmmへ約25分の1に低減しました。これにより、デバイスの特性オン抵抗は2桁低減し、従来のAlGaN/GaN HEMTと同等水準に到達しました（図2 (a)）。また、耐圧性能の指標である絶縁破壊電界は最大2 MV/cmを記録し、従来のAlGaN/GaN HEMTの値（1 MV/cm以下）の2倍以上を達成しました（図2 (b)）。

図２： (a)絶縁破壊電圧とデバイスの特性オン抵抗の関係。 (b)ゲートドレイン間距離と絶縁破壊電圧の関係。

　表面保護膜の導入により電流コラプスが完全に抑制され、表面欠陥の影響が低減されていることが確認されました(図3)。電流コラプスは結晶内部の欠陥にも起因するため、この結果はAlN基板上のAlN/GaN/AlN構造が極めて高い結晶品質を有することを示しています。これらの成果は、高周波デバイスの高性能化に向けた重要なブレークスルーです。

図３：電流コラプスを評価するために行ったパルスI-V測定の結果。パルス幅10μs, パルス周期1 msの条件で測定。ノンストレス条件（0V, 0V）とストレス印加条件(-10V. 40V)の結果が一致していることから、電流コラプスを完全に抑制できていることが分かる。

　本研究では、AlN/GaN/AlN HEMTの最重要課題であった低抵抗化に成功し、実用化に向けた大きな一歩を踏み出しました。これにより、従来のAlGaN/GaN HEMTを超える高性能化が現実味を帯び、次世代通信やレーダー技術の革新に直結する成果となりました。また、耐圧と電流コラプスの両面で、従来構造の特性を凌駕する結果が得られたのは、高周波・高出力デバイスの性能向上に直結する極めて重要な成果です。これにより、6G通信や衛星通信・高性能レーダーなどの先端技術の実現を大きく前進します。

　さらに、今回の成果は「世界で初めてMOVPE法で実証できた」という点で非常に大きな意味を持ちます。青色LEDが量産性に優れたMOVPE法で実現したことで世界に普及したように、AlN/GaN/AlN HEMTもMOVPEでの実証により、広く産業界に普及する可能性が開かれました。

　本研究は、ウルトラワイドバンドギャップ半導体を活用した次世代高周波デバイスの量産化に向けた重要な一歩であり、通信・レーダー分野の応用に革新をもたらすことが期待されます。

　今回の成果は、名古屋大学と旭化成の産学連携による総合力の結晶です。高品質なAlN単結晶基板、AlN/GaN/AlN薄膜の成長を可能にする結晶成長技術、HEMTデバイスの設計・プロセス技術、そして精密な評価技術を統合することで、AlN/GaN/AlN HEMTの実証に成功しました。この背景には、両者が長年にわたり積み重ねてきたAlN系半導体研究の知見と、名古屋大学が保有する次世代半導体クリーンルームや先端評価設備（図4）、旭化成の材料開発力(図5)があります。こうした産学連携の強みが、次世代高周波デバイスの実現に向けた大きな一歩を可能にしました。

図４：名古屋大学未来材料・システム研究所のエネルギー変換エレクトロニクス実験施設（C-TEFs）。本施設は、GaN研究における結晶成長・デバイスプロセス・評価を同一スペースで行える約1,000 m2の大空間クリーンルームを有しており、名古屋大学と企業・研究機関の連携を強化する場となっている。

図５：旭化成とCrystal　ISによる単結晶AlN基板開発の歴史。