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~

2026-11-09 北海道大学,京都大学

北海道大学と京都大学の研究グループは、次世代パワー半導体材料として期待されるα型酸化ガリウム(α-Ga₂O₃)薄膜について、デバイス設計に不可欠な電子有効質量と熱伝導率を実測した。α-Ga₂O₃は約5.3 eVの広いバンドギャップと高い絶縁破壊電界が期待され、シリコン、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)に続く高耐圧パワー半導体候補である。一方、基本物性の実測値が乏しく、デバイス設計は計算値に依存していた。研究チームはミストCVD法で高品質なゲルマニウム(Ge)ドープα-Ga₂O₃薄膜を作製し、熱電能測定から電子有効質量を0.40 m₀、時間領域サーモリフレクタンス法から室温での面直方向の熱伝導率を19 W/(m·K)と決定した。これらの実測値は、電気自動車のインバーターや充電器などに用いる高耐圧パワーデバイスの電気特性・放熱設計や性能予測に役立つ。

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~
ミストCVD法により作製された高品質α型酸化ガリウム薄膜の熱電能と熱伝導率。熱電能のキャリア濃度依存性から、電子有効質量が0.40 m0であることが分かった。また、熱伝導率は19 W/mKであることが分かった。

<関連情報>

ミストCVD法により作製したGeドープα-Ga₂O₃エピタキシャル膜のキャリア有効質量および面直熱伝導率の実験的決定 Experimental Determination of Carrier Effective Mass and Cross-plane Thermal Conductivity in Mist-CVD-Grown Ge-Doped α-Ga2O3 Epitaxial Films

Hiromichi Ohta; Takeru Wakamatsu; Mitsuki Yoshimura; Katsuhisa Tanaka
ACS Applied Electronic Materials  Published:DOI:https://doi.org/10.1021/acsaelm.6c01639

Abstract

Gallium oxide with the corundum crystal structure (α-Ga2O3) has attracted considerable attention as an ultrawide-bandgap (Eg ∼ 5.3 eV) n-type oxide semiconductor. Theoretical calculations predicted a high electron mobility of approximately 220 cm2 V–1 s–1 with a carrier effective mass (m*) of 0.25 m0 and a relatively low thermal conductivity (κ) of ∼12 W m–1 K–1. However, experimental verification of these properties remains limited. In this study, we systematically investigate the m* and cross-plane κ of Ge-doped α-Ga2O3 epitaxial films grown by mist chemical vapor deposition. X-ray diffraction revealed no significant structural differences among the films. Assuming a parabolic conduction band minimum, m* was estimated from thermopower and carrier-concentration measurements. The obtained m* was approximately 0.4 m0. The cross-plane κ was approximately 19 W m–1 K–1 and showed little dependence on Ge concentration. These results provide a foundation for the development of high-performance α-Ga2O3-based power electronic devices.

0403電子応用
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