数ナノメートルという薄さの半導体層を接合する新しい手法が開発され、科学的発見だけでなく、高出力電子機器向けの新型トランジスタも誕生した。この研究成果は『Applied Physics Letters』誌に掲載され、大きな注目を集めている。
この成果は、リンシェーピング大学の研究者と、同大学の材料科学研究からスピンオフした企業であるSweGaN社との緊密な協力の賜物である。SweGaN社は、窒化ガリウムを用いた特注電子部品を製造している。
窒化ガリウム（GaN）は、高効率発光ダイオードに用いられる半導体です。しかし、他の多くの半導体よりも高い温度と電流に耐えることができるため、トランジスタなどの他の用途にも有用である可能性があります。これらの特性は、将来の電子部品、特に電気自動車に使用される部品にとって重要なものです。
窒化ガリウム蒸気を炭化ケイ素ウェハ上に凝縮させ、薄膜を形成する。ある結晶性材料を別の結晶性材料の基板上に成長させるこの方法は「エピタキシー」として知られている。この方法は、形成されるナノメートル薄膜の結晶構造と化学組成の両方を自由に決定できるため、半導体産業でよく用いられる。
窒化ガリウム（GaN）と炭化ケイ素（SiC）（どちらも強い電界に耐えることができる）の組み合わせにより、これらの回路は高出力を必要とする用途に適していることが保証される。
しかしながら、窒化ガリウムと炭化ケイ素という2つの結晶材料の表面における密着性は良好とは言えず、原子同士がずれてしまうため、トランジスタの故障につながる。この問題は研究によって解決され、その後、2つの層の間にさらに薄い窒化アルミニウム層を挟むという商業的な解決策が開発された。
SweGaN社のエンジニアたちは、偶然にも自社のトランジスタが予想をはるかに上回る電界強度に耐えられることに気づいたが、当初はその理由が分からなかった。その答えは原子レベル、つまり部品内部のいくつかの重要な中間表面にある。
LiUのラース・ハルトマン氏とジュン・ルー氏が率いるLiUとSweGaNの研究者らは、応用物理学レター誌にこの現象の説明を発表し、さらに高い電圧に耐える能力を持つトランジスタを製造する方法について述べている。
科学者たちは、これまで知られていなかったエピタキシャル成長メカニズムを発見し、「トランスモルフィックエピタキシャル成長」と名付けました。このメカニズムにより、異なる層間の歪みが数層の原子にわたって徐々に吸収されます。つまり、窒化ガリウムと窒化アルミニウムの2つの層を炭化ケイ素上に成長させる際に、原子レベルで各層の関係性を制御できるということです。実験室では、この材料が最大1800Vの高電圧に耐えられることが実証されています。もしこのような電圧を従来のシリコンベースの部品に印加すると、火花が飛び散り、トランジスタが破壊されてしまいます。
「SweGaN社がこの発明品の販売を開始したことを祝福します。これは効率的な共同研究と、研究成果の社会への活用を示す好例です。現在同社で働いている以前の同僚たちとの緊密な連携のおかげで、私たちの研究は学術界以外にも急速に影響を与えています」とラース・フルトマンは述べています。
資料提供：リンシェーピング大学。原文：モニカ・ウェストマン・スヴェンセリウス。注：内容はスタイルと長さの調整のため編集されている場合があります。
ScienceDailyの無料メールニュースレターで最新の科学ニュースを入手しましょう。毎日および毎週更新されます。または、RSSリーダーで1時間ごとに更新されるニュースフィードをご覧ください。
ScienceDailyについてのご意見をお聞かせください。肯定的なご意見も否定的なご意見も歓迎いたします。サイトのご利用で何か問題がありましたら、またはご質問がありましたら、お気軽にお問い合わせください。
投稿日時：2020年5月11日