東京大学ら、NbAlN/GaN界面の二次元電子の量子輸送特性を解明

ニュース紹介

「新規窒化物半導体ヘテロ接合における二次元電子の量子輸送特性を解明～次世代GaNトランジスタの性能向上に道筋～」

東京大学 大学院工学系研究科の若本 裕介 大学院生、前田 拓也 講師、東京理科大学 先進工学部 マテリアル創成工学科の小林 篤 准教授らの研究グループは、新規窒化物半導体ヘテロ接合における二次元電子ガス（2DEG）の量子輸送特性を明らかにしました。反応性スパッタエピタキシー法を用いて窒化ニオブアルミニウム（NbAlN）を窒化ガリウム（GaN）上にエピタキシャル成長させ、極低温・高磁場下で明瞭なシュブニコフ・ド・ハース（SdH）振動を観測しました。その解析から、2DEGの有効質量や量子緩和時間を明らかにしています。

NbAlN/GaNヘテロ接合における2DEGは、ScAlN/GaNヘテロ接合における2DEGよりも移動度が高く、SdH振動の振幅が大きいことが分かりました。成果は国際会議「International Workshop on Nitride Semiconductors（IWN）」（2026年11月8日～13日開催）に投稿され、招待講演に選出されました。

出典：東京大学・東京理科大学・科学技術振興機構（JST） 2026年11月9日 共同発表／学会：IWN 2026
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20261109/index.html

FrontJournalの解説

GaNトランジスタと二次元電子ガスの関係

「窒化ガリウム（GaN）」を使う高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、異なる半導体を接合した界面にできる二次元電子ガス（2DEG：界面のごく薄い層に集まった電子）を電流の通り道にしています。「富士通」の技術解説によると、GaN HEMTの開発は携帯電話の基地局向け電力増幅器から始まり、レーダーセンサーへの応用に広がりました。

従来のAlGaN/GaN構造では、自発分極とピエゾ分極（結晶のひずみで生じる分極）によって界面に高密度の2DEGが生じます。発表資料によると、近年は従来の窒化物半導体にスカンジウム（Sc）やホウ素（B）を加え、分極の増大などを目指す基礎研究が活発になっています。

①NbAlNの分極で界面の電子密度が約4.6倍に

「東京大学」の前田拓也講師と「東京理科大学」の小林篤准教授らのグループは、AlGaN/AlN/GaN構造の上にNbAlN薄膜を成長させました。成膜には反応性スパッタエピタキシー法（窒素を含むプラズマ中で金属原子をたたき出し、基板上で窒化物の単結晶を成長させる手法）を用いています。

NbAlNの大きな分極によって2DEGの密度は1.5×10¹³ cm^-2程度に高まり、成長前の試料と比べて約4.6倍になりました。電子移動度は成長前後でほぼ変わらず、室温で1500 cm²/Vs程度を保っています。

②SdH振動で見えた電子の散乱の特徴

研究グループは、最低2ケルビン・最大14テスラの極低温・高磁場の環境で2DEGの磁気抵抗を測りました。SdH振動（極低温・強磁場で電気抵抗が周期的に変化する現象）は散乱の少ない高品質な試料で明瞭に現れるため、結晶や界面の品質の指標にもなります。

同程度の2DEG密度で比較すると、NbAlNのバリア層ではScAlNの場合を上回る振幅の振動が、より低い磁場から現れました。量子緩和時間は67フェムト秒で、運動量緩和時間の約1200フェムト秒より一桁以上短い値でした。発表資料は、この差から極低温ではクーロン散乱などの長距離の散乱が主になっていると考察しています。

FrontJournalからのひとこと

研究グループは今後、NbAlN/GaNとScAlN/GaNのヘテロ接合を使ったGaN HEMTの試作実証に取り組むとしています。界面の電子密度を高めながら移動度を保てた点は、電力変換や高周波通信に使うトランジスタの設計を考えるうえで参考になる結果です。試作品で高耐圧・低損失の特性がどこまで得られるかを見守りたいと考えます。

FrontJournal編集部