遷移金属ニオブを含む極性ウルツ鉱型窒化物半導体「NbAlN」の作製に成功 ~GaN系ヘテロ構造の界面電子密度を3倍超に高め、分極を生かした材料設計を拡張~

2026-09-07 東京理科大学,東京大学,三重大学

東京理科大学、東京大学、三重大学の研究グループは、遷移金属ニオブ(Nb)を含む極性ウルツ鉱型窒化物半導体「NbAlN」の単結晶エピタキシャル薄膜を、GaN上に作製することに初めて成功した。Nbは金属的な窒化物を形成しやすく、ウルツ鉱型構造と極性を維持したままAlNへ導入することが難しかったが、反応性スパッタエピタキシーにより、Nb含有量25%程度まで高品質な結晶成長を実現。原子分解能観察から、Nbに富むナノ領域を含みながらGaNと同じ金属極性と連続した結晶格子を維持することを確認した。さらにNbAlNをバリア層に用いたGaN系ヘテロ構造では、2次元電子ガス(2DEG)のシート電子密度が1.7×10¹³ cm⁻²と、従来構造の3倍超に増加した。Nbの分極を利用してキャリア密度を制御できることを示し、GaNパワー・高周波デバイスの材料設計を拡張する成果である。

遷移金属ニオブを含む極性ウルツ鉱型窒化物半導体「NbAlN」の作製に成功 ~GaN系ヘテロ構造の界面電子密度を3倍超に高め、分極を生かした材料設計を拡張~

<関連情報>

極性ウルツ鉱型NbAlN:分極制御型GaNヘテロ構造のための遷移金属窒化物合金 Polar Wurtzite NbAlN: A Transition-Metal Nitride Alloy for Polarization-Engineered GaN Heterostructures

Atsushi Kobayashi, Souta Kurogi, Tomoya Okuda, Riku Kikuchi, Yusuke Wakamoto, Kouei Kubota, Hikaru Sasaki, Kazuhisa Ikeda, Kanako Shojiki, Takahiro Kawamura, Toru Akiyama ,…
Advanced Materials  Published: 03 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.74756

ABSTRACT

The discovery of ferroelectric ScAlN sparked a search for new polar wurtzite alloys; however, incorporating transition metals remains a formidable challenge. Here, we demonstrate the synthesis of wurtzite-phase NbAlN, a polar transition-metal nitride alloy that is highly compatible with GaN-based heterostructures. Despite the strong metallic character of elemental Nb, we achieved coherent epitaxial NbAlN films that preserve the wurtzite crystal structure and metal polarity of the underlying GaN, as directly visualized by annular bright-field scanning transmission electron microscopy. Nb incorporation induces a monotonic lattice expansion and produces coherent Nb-enriched nanoscale regions that are accommodated within the continuous wurtzite framework. Functionally, NbAlN barriers induce a substantial enhancement in the two-dimensional electron gas density at the AlN/GaN heterointerface, consistent with polarization-related carrier modulation by the metal-polar NbAlN barrier. This study demonstrates that d-electron transition metals can be integrated into polar nitride systems without compromising their functional asymmetry, making NbAlN a promising building block for polar nitride heterostructures and carrier-density-engineered GaN electronics.

0403電子応用
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