京都大学ら、α型酸化ガリウムの電子有効質量と熱伝導率を実測

ニュース紹介

「次世代パワー半導体に最有力なα型酸化ガリウムの特性実測に成功～炭化ケイ素や窒化ガリウムを置き換える省エネ素子の実現に一歩前進～」

京都大学大学院工学研究科化学理工学専攻の田中勝久教授らの研究グループは、北海道大学電子科学研究所の太田裕道教授らの研究グループと共同で、次世代パワー半導体材料として最も期待されるα型酸化ガリウム（α-Ga₂O₃）薄膜の電子有効質量と熱伝導率の実測に成功しました。α-Ga₂O₃は光学バンドギャップが5.3電子ボルト（eV）と広く、高耐圧パワーデバイス用の半導体材料として期待されています。デバイスの設計には電子有効質量と熱伝導率という基本的な物性が欠かせませんが、これまでは実測値がほとんどなく、計算科学に依存していました。

研究グループは、ミストCVD法で作製した高品質なα-Ga₂O₃薄膜について、熱電能の計測から室温での電子有効質量を、時間領域サーモリフレクタンス法から室温での熱伝導率を調べました。その結果、電子有効質量は0.40 m₀（m₀は電子の静止質量）、熱伝導率は19ワット/メートルケルビン（W/mK）であることを明らかにしました。本研究成果は、2026年11月5日に米国化学会（ACS）の専門誌『ACS Applied Electronic Materials』にオンラインで掲載されました。

出典：京都大学大学院工学研究科 2026年11月9日プレスリリース／掲載誌：ACS Applied Electronic Materials／DOI：10.1021/acsaelm.6c01639
https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20261109

FrontJournalの解説

この研究分野について

パワー半導体は、電圧の調整や交流と直流の変換など、電力の制御に使う半導体です。素子の電力損失が小さいほど、組み込まれた機器の消費電力も小さくなります。

高い電圧に耐える素子をつくる目安が、バンドギャップ（電子が電気を運べる状態になるために必要なエネルギーの幅）です。シリコンの1.1eV、炭化ケイ素の3.3eVに対し、α型酸化ガリウムは5.3eVと広く、高耐圧の素子に向く材料として開発が進んでいます。酸化ガリウムには結晶構造の異なる複数の型があり、α型はβ型より構造的に不安定な準安定相とされます。

①電子の動きにくさを表す電子有効質量を実測

電子有効質量は、結晶の中の電子が外からの力に対してどれだけ動きにくいかを、電子の静止質量m₀を基準に表した値です。電流の流れやすさを見積もる際に使うため、素子の設計に欠かせない数値です。

「京都大学」と「北海道大学」の研究グループは、ミストCVD法（原料の溶液を霧状にして基板上で反応させる成膜法）でつくったα型酸化ガリウム薄膜を測定しました。膜にはGeドープ（ゲルマニウムを不純物として加える処理）を施しています。熱電能（温度差を与えたときに生じる電圧の大きさ）とキャリア濃度（電気を運ぶ粒子の密度）の関係から、室温での値は0.40 m₀と求められています。