PATENTIX、世界初 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（2023年12月19日締結）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、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を形成し、その動作を確認することに成功しました。

これは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（2024年11月27日付）。

＜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で変換された電力が用いられています。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す。発電所から私たちが使うまでには何度も電力変換が行われているため、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。

従来パワー半導体に広く使われていたシリコン（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、バンドギャップが4.6eVとさらに広いr-GeO₂を用いることで、SiCを上回る省エネ効果を得られると期待されています。また、r-GeO₂と同程度のバンドギャップを持つ半導体として、酸化ガリウム（Ga2O3）の研究が広く行われていますが、r-GeO₂は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おり、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、1×10の18乗から1×10の20乗[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1×10の17乗[cm-3]以下のN-層の実現が不可欠であり、r-GeO₂を用いた半導体デバイスの動作実証も未達成の状態でした。

＜今回の成果＞ 　

PATENTIXは、N+層のr-GeO₂結晶膜上に1×10の17乗[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（以下「NIMS」）との共同研究を通じて世界で始めてショットキーバリアダイオード（以下「SBD」）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。続いて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（図1）、その電流電圧特性（I-V特性）を評価しました。

図1: 今回試作したr-GeO₂単結晶膜を用いた疑似縦型のSBDの構造模式図

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（図2）。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1×10の17乗[cm-3]を示すことが確かめられました（図2 右）。

図2: r-GeO₂ SBDのI-V特性（左）とＮ-層の不純物濃度の測定結果（右）

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当社の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

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/

事業内容：●電子部品の不良解析・信頼性試験の受託および新技術の開発

　　　　　●品質管理を中心とした工場経営、実装技術に関するコンサルタント

　　　　　●レーザ加工・表面処理（めっき）技術を中心とした微細加工

　　　　　●試験装置の設計・開発・製造・販売

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/

事業内容：新規機能性材料の研究開発、製造販売、各種研究成果の社会実装事業など、持続可能な人類社会の実現を目指し、事業を行う。世界初のシリコンカーバイド上のルチル構造二酸化ゲルマニウム製膜（特許出願済）に成功し、2023年9月に欧州最大の材料学会「E-MRS」においてその成果を発表、注目を集めている。