シリコン上の縦型GaNデバイス実現に道を拓く低抵抗バッファー層を開発 — GaNのエピタキシャル成長と縦方向の電気伝導を両立 —

2026-06-15 物質・材料研究機構

NIMS(物質・材料研究機構)は、安価なシリコン(Si)ウェハー上で縦型窒化ガリウム(GaN)デバイスを実現するための新しいエピタキシャル成膜技術を開発した。研究チームは、Siと窒素からなる極薄の「アモルファスライク中間層(AL-IL)」を形成することで、SiとGaNの大きな格子不整合を緩和しながら、基板とGaN膜の間で縦方向に電流を流せる低抵抗バッファー層を実現した。従来、縦型GaNデバイスには高価な単結晶GaN基板が必要であり、Si基板を用いる場合は中間層の高抵抗性が障害となっていた。本技術では、1ナノメートル未満の金属膜を用いた熱処理とスパッタリング成膜によりAL-ILを形成し、その上に高品質なGaN結晶を成長させることに成功した。評価の結果、GaN膜とSi基板間で良好な縦方向電流伝導が確認され、縦型デバイスに必要な電気特性を達成した。縦型GaNデバイスは横型に比べ大電流化が可能で、製造コストも低減できるため、AIデータセンターの省電力化や電気自動車の高効率化、マイクロLEDの低コスト量産などへの応用が期待される。

シリコン上の縦型GaNデバイス実現に道を拓く低抵抗バッファー層を開発 — GaNのエピタキシャル成長と縦方向の電気伝導を両立 —
図: Si(111)上に、アモルファスライク中間層(AL-IL層)を介してGaN膜がエピタキシャル成長するイメージ

<関連情報>

シリコンウェハ上に垂直GaNデバイスを実現する高度なエピタキシャル戦略 An Advanced Epitaxial Strategy Enabling Vertical GaN Devices on Silicon Wafers

Fumio Kawamura, Takeyoshi Onuma, Kazutaka Mitsuishi
Advanced Physics Research  Published: 29 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/apxr.70143

ABSTRACT

While vertical gallium nitride (GaN)-on-silicon architectures promise a transformative leap in cost-effective power electronics and high-resolution micro-LEDs, their deployment remains bottlenecked by the high electrical resistance of conventional epitaxial buffer layers. Here, a universal and straightforward sputtering-based strategy is presented to realize high-quality GaN epitaxial films on Si(111) substrates characterized by exceptionally low vertical resistance, ohmic behavior, and robust thermal stability. This technique centers on the in situ formation of a sub-nanometer (∼0.5 nm) silicide-based template via rapid thermal annealing—a method demonstrating unprecedented versatility across 25 different metallic species. Scanning transmission electron microscopy (STEM) reveals that a unique amorphous-like interlayer (AL-IL) effectively accommodates lattice mismatch and relaxes epitaxial strain. These AL-IL templates further serve as high-performance platforms for metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) overgrowth, successfully bridging the gap between scalable, low-cost fabrication and device-grade vertical performance.

0403電子応用
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