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新規窒化物半導体NbAlNとGaNを組み合わせたヘテロ接合の結晶成長に成功し、界面の量子輸送特性を詳細に解明しました。
要約版：専門用語を控えて説明しています
研究グループが調べたのは、「NbAlN（窒化ニオブアルミニウム）」という新しい窒化物半導体を、別の半導体である「GaN（窒化ガリウム）」の上に重ねた構造です。
この重なり合った境界の部分には、「二次元電子ガス」と呼ばれる電子が非常に動きやすい層ができます。
極寒の温度や強い磁石の中という特殊な環境でこの電子の動きを測定したところ、同じくらいの電子の密度で比べると、ScAlN/GaNの接合より移動度が高く、電子がスムーズに流れることが分かりました。
今回の研究結果は、スマートフォンや基地局などで使われる高周波の通信機器や、電力のロスを減らすパワーデバイスの性能を上げるための基礎となります。
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の小林篤准教授らの研究グループは、成果を発表しました。新規窒化物半導体を用いたヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガスの量子輸送特性を明らかにしました（科学技術振興機構の発表、11/9確認）。本研究成果は、窒化物半導体分野の国際会議である「International Workshop on Nitride Semiconductors（IWN）」で招待講演に選出されています。
研究グループは、反応性スパッタエピタキシー法を用いて「NbAlN」を「GaN」の上にエピタキシャル成長させました。これにより作られたヘテロ接合の界面には、高密度かつ高移動度な二次元電子ガス（2DEG）が、分極によって誘起されます。
この二次元電子ガスの磁気抵抗を、最低2ケルビン、最大14テスラの極低温および高磁場の環境下で測定しました。その結果、明瞭なシュブニコフ・ド・ハース（SdH）振動が観測されました。これにより、電子の有効質量や量子緩和時間が詳細に明らかにされました。
今回測定されたNbAlN/GaNヘテロ接合の二次元電子ガスは、これまでに研究されてきたScAlN/GaNヘテロ接合のものと比較されています。その結果、移動度が高く、SdH振動の振幅が大きくなることが確認されています。この比較は、同程度の2DEG密度での結果です。
SdH振動の解析から、電子濃度の上昇を反映して有効質量がやや重くなっていることが示されました。また、量子緩和時間は67フェムト秒と比較的長いものです。ただし、運動量緩和時間の約1200フェムト秒と比べると、一桁以上短い値となっています。これは、キャリアの散乱機構においてクーロン散乱などの長距離ポテンシャルによる小角散乱が支配的であることを示唆しています。
今回の成果は、新しいバリア層を持つGaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の特性理解を進める上で重要な知見となります。そのバリア層には、異種元素を添加したアルミニウム窒化物系材料が使われています。
高耐圧で低損失、かつ高周波動作が可能な次世代トランジスタの研究開発に貢献します。電力変換の省エネルギー化や次世代の高周波通信システムの発展を支える技術として期待されています。
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本記事は研究機関の公式発表の文章をもとにAIが要約・解説して自動生成したものです。研究成果の詳細や正確な表現は、発表元の資料・論文をご確認ください。元記事を読む制作方法と事実確認の手順は編集方針をご覧ください。誤りのご指摘はお問い合わせから受け付けています。