2024年12月10日、PATENTIXがルチル型GeO₂による新半導体デバイスを実証

PATENTIX、世界初のルチル型GeO₂結晶によるショットキーバリアダイオード動作を確認

株式会社クオルテック（本社：大阪府堺市、代表取締役社長：山口友宏、以下「クオルテック」）の資本業務提携先である立命館大学発ベンチャー、Patentix株式会社（本社：滋賀県草津市、代表取締役社長：衣斐豊祐、以下「PATENTIX」）は、2024年12月10日に、ルチル型二酸化ゲルマニウム（r-GeO₂）単結晶薄膜上にショットキーバリアダイオード（SBD）を形成し、その動作を確認することに成功したと発表しました。

この成果は、r-GeO₂で実現された世界初の半導体デバイスであり、r-GeO₂パワー半導体デバイスの実現に向けた重要な一歩です。これにより、次世代のエネルギー効率の高い電力変換技術の実現が期待されています。

本技術の背景

現在、私たちが使用している家電製品や電気自動車のモーターには、パワー半導体を用いた様々な電力変換回路が使用されています。電力を変換する際に発生する熱は電気エネルギーの損失であり、発電所から私たちが使用するまでの過程で何度も電力変換が行われるため、その損失を低減することは脱炭素社会の実現において重要な課題となっています。

従来のパワー半導体に広く使われているシリコン（Si：バンドギャップ1.12eV）は物理的な限界に達しており、バンドギャップが3.3eVと広いシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）を用いたパワー半導体デバイスへの置き換えが進んでいます。近年、急速に普及しているSiCは、Siに比べて約40%の省エネ効果があるとされていますが、さらに広いバンドギャップを持つr-GeO₂を用いることで、SiCを上回る省エネ効果が期待されています。

r-GeO₂の特性と利点

r-GeO₂は、酸化ガリウム（Ga2O3）と同程度のバンドギャップを持つ半導体として注目されていますが、酸化ガリウムでは困難とされる不純物ドーピングによるP型の発現が理論的に予測されています。これにより、r-GeO₂はより幅広いデバイス応用が期待されます。

PATENTIXでは、r-GeO₂にドナー型不純物を導入することで、1×10¹⁸から1×10²⁰[cm^-3]という高濃度のN型ドーピング（N+ドーピング）を達成していましたが、r-GeO₂を用いた半導体デバイスを実現するには、ドナー不純物濃度が1×10¹⁷[cm^-3]以下のN-層の実現が不可欠でした。これまで、r-GeO₂を用いた半導体デバイスの動作実証は未達成でした。

今回の成果

PATENTIXは、N+層のr-GeO₂結晶膜上に1×10¹⁷[cm^-3]程度のドナー不純物を導入したN-層のr-GeO₂結晶を成膜することに成功し、国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）との共同研究を通じて、世界で初めてショットキーバリアダイオードの動作を確認しました。

まず、PATENTIXにおいて、絶縁性TiO₂基板上にN+のr-GeO₂単結晶膜を成膜し、続いてN-のr-GeO₂単結晶膜をN+層の上に成膜しました。次に、NIMSによってN-層をドライエッチングしてN+層を露出させ、電極を成膜・形成することで疑似縦型構造のSBDを形成しました。

評価結果

評価の結果、試作したr-GeO₂ SBDがダイオード動作することが確認されました。ON/OFF比は7桁を示しており、良好な整流特性が得られています。また、容量電圧測定（C-V測定）によってN-層のドナー不純物濃度を解析したところ、約1×10¹⁷[cm^-3]を示すことが確かめられました。

今回の成果は、r-GeO₂を用いた半導体デバイスの世界初の実証であり、r-GeO₂という新しい材料で脱炭素社会の実現に貢献するという目標における重要な一歩です。

将来の展望

今回の成果に基づいて、r-GeO₂の半導体デバイスの開発をさらに加速していきます。今回試作したデバイスは疑似縦型構造でしたが、次に縦型構造のSBDの実現を目指します。また、結晶膜の高品質化や半導体デバイスの応用を広げる上で必須となるP型の実現にも引き続き取り組んでいきます。

会社概要

株式会社クオルテックは、電子部品の不良解析や信頼性試験の受託、新技術の開発を行っており、大阪府堺市に本社を構えています。代表取締役社長は山口友宏氏です。

• 社名：株式会社クオルテック
• 代表取締役社長：山口友宏
• 本社所在地：大阪府堺市堺区三宝町4丁230番地
• HP：https://www.qualtec.co.jp/

また、Patentix株式会社は、滋賀県草津市に本社を構え、新規機能性材料の研究開発や製造販売を行っています。代表取締役社長は衣斐豊祐氏です。

• 社名：Patentix株式会社
• 代表取締役社長：衣斐豊祐
• 本社所在地：滋賀県草津市野路東1丁目1番1号 立命館大学BKCインキュベータ
• HP：https://www.patentix.co.jp/

このように、株式会社クオルテックとPatentix株式会社は、次世代半導体技術の開発を通じて、持続可能な社会の実現を目指しています。

まとめ

今回のプレスリリースの内容を以下にまとめます。

このように、PATENTIXの成果は次世代半導体技術の発展に寄与し、エネルギー効率の向上や脱炭素社会の実現に向けた重要なステップとなることが期待されています。