アイシーソルーションズ, LLP

　この連載を掲載してから４年が過ぎた。連載のきっかけになった 応用物理 2021年5月号の解説記事を執筆した東脇正高さんが、IEEE Electron Device Magazine 2024年12月号に最新のレビューを書いている。東脇さんの2021年と2024年のレビューを比較しながら、酸化ガリウム (Ga₂O₃) パワーデバイス研究の進展と、他のワイドバンドギャップパワー半導体の進展も踏まえて、Ga₂O₃パワーデバイスの有望な適用分野を考えてみたい。

　2024年版でGa₂O₃の物性データのアップデートは無かった。最も興味がある絶縁破壊電界は、耐圧試験で破壊したGa₂O₃デバイスに印加した最大電圧から見積った電界強度のままだった。進展がみられたのは、p-NiOx/n-Ga₂O₃ pnダイオードでアバランシェ降伏（非破壊）が観測されたことだ。これで非破壊の絶縁破壊電界を測定できるはずだが、実際に測定した報告はまだない。再現性のあるアバランシェ降伏の確認は一歩前進だが、連載(2)で触れたようにp-NiOxとn-Ga₂O₃ のどちら側でアバランシェ降伏が起きたか、注意深く測定データをみる必要があるだろう。

　デバイス開発では、SBDの端部終端構造に進展があった。終端構造のフィールドプレートにチタン酸バリウム (BaTiO₃) などの高誘電率材料を導入し、絶縁体内の電界を小さくしてSBDの耐圧が上がった。この原理を脚注1 で詳しく解説したが、これでp型問題が解決するとは言えない。

　この4年間の研究開発で、Ga₂O₃縦型ダイオードのオン抵抗と耐圧のベンチマーク（図5-1）上に、低抵抗で高耐圧（右下）の点が増えたのは頼もしい。ただし2024年時点でまだSiCの理論限界を凌駕した報告はない。

　MOSFETについては、p型のGa₂O₃ができない中、さまざまな工夫を行なって試作されている。ひとつは、Double-implanted MOSFET (DMOS) である。Nイオン注入で形成した高抵抗Ga₂O₃層とゲート絶縁膜の界面に反転チャネルを誘起する。深いアクセプタ順位にホールがトラップされて空乏層が動かない高抵抗層とは言え、初のEnhacement型である。Depletion型では、n型Ga₂O₃の表面に形成した薄い塀状の導電チャネルを、ゲート絶縁膜を介して空乏させる、縦伝導のFinFETが試作されている。オン抵抗と耐圧のベンチマークは、SBD同様、SiCの理論限界を越えるものはない。

　2025年春の応物学会で、ノベルクリスタルテクノロジーから耐圧 5.15 kV でSiC限界に近い好特性のFinFETが報告された (15a-K403-9)。耐圧を超えるとFin底部が破壊する。発表にあったGa₂O₃最大電界強度 3.72 MV/cm² から、Fin底の酸化膜電界強度を見積ってみると 10 kV/cm 程度になり、酸化膜が絶縁破壊したことがわかる。MIS構造で最大電界を支える限り、耐圧がGa₂O₃ではなく酸化膜の絶縁破壊で律せられている点は変わらない。

　このようにこの4年間にいくつか進展があったが、なかなかGa₂O₃の理論限界に迫るデバイス特性が得られていない。やはり、p型Ga₂O₃ができないことが障害になっている。実用化が進むSiCの理論限界を越える特性が示されないと、パワー半導体メーカーが本格的にGa₂O₃に参入するのは厳しい。2024年のレビューは、”The next decade will determine whether Ga₂O₃ will end up being just a trendy material or reach practical device application and industrialization.” と結ばれている。Ga₂O₃の正念場である。

次のページでGa₂O₃パワー半導体の有望な用途を考える。

脚注1　連載(4)で解説したように、絶縁体の誘電率が小さいとGa₂O₃が絶縁破壊するよりも先に絶縁体が絶縁破壊してしまう。 SiO₂（比誘電率 3.9）とAl₂O₃（比誘電率 9）を例に挙げたが、BaTiO₃の比誘電率は遥かに大きい4500もあり、BaTiO₃内部の電界強度はGa₂O₃の 1/400になる。p型が無くともMIS構造で問題解決！と思うが、そうは問屋が卸さない。酸化物は誘電率が大きいとバンドギャップが小さい傾向があり、BaTiO₃のバンドギャップは 3.2 eV でGa₂O₃よりも小さい。金属/BaTiO₃/Ga₂O₃ MIS構造に逆バイアスをかけたときのエネルギバンド模式図を図5-fn (a)に示す（BaTiO₃とGa₂O₃はType1のヘテロ接合と仮定）。バンドの傾きが電界強度に相当し、BaTiO₃中の電界がGa₂O₃中よりもずっと小さいイメージが理解できるだろう。電極とBaTiO₃の間にはショットキー障壁があり、BaTiO₃中の電界強度が小さいのでFNトンネル電流も流れず、電子電流は問題にならない。Ga₂O₃の価電子帯には自由正孔がいないので正孔電流も漏れない。ここまではOK。ただし、Ga₂O₃がアバランシェ降伏を起こすと（赤色）発生した正孔が金属電極へ流れ込み、その発熱で絶縁膜を破壊してしまう。それなら、図5-fn (b)のように、BaTiO₃とGa₂O₃の間にSiO₂を挟めば、伝導帯と価電子帯どちらにもエネルギ障壁ができて一見良さそうだ。Ga₂O₃がアバランシェ降伏を起こすような電界が加われば、真っ先にSiO₂が絶縁破壊してしまい結局SiO₂無しと同じ。MIS構造では、Ga₂O₃のアバランシェ降伏、即、SBD破壊故障となる。実回路動作下でGa₂O₃がアバランシェ降伏しないよう設計電界強度に十分な余裕を持たせないとならない。 

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