Fraunhofer応用固体物理学研究所（IAF）の研究チームが、次世代エレクトロニクスの革新を予感させる新しい半導体材料、アルミニウムイットリウム窒化物（AlYN）の開発に成功した。この画期的な素材は、高性能と省エネルギーを両立させ、急速に進化するデジタル社会の技術的要求に応える可能性を秘めている。
AlYNがもたらす半導体技術の飛躍的進歩
Fraunhofer IAFの研究チームは、有機金属化学気相成長法（MOCVD）を用いてAlYNの製造に成功した。これは半導体材料の分野における大きな前進である。従来、AlYNはマグネトロンスパッタリングによってのみ堆積可能であったが、MOCVDプロセスの実現により、多様な応用への道が開かれた。
AlYNは、その優れた材料特性と窒化ガリウム（GaN）との高い親和性により、情報通信技術における高周波・高性能エレクトロニクスの分野で大きな可能性を秘めている。Fraunhofer IAFのエピタキシー分野の科学者であるStefano Leone博士は、この研究の重要性について次のように述べている。「我々の研究は、新しい半導体構造の開発における一つのマイルストーンを示しています。AlYNは、性能を向上させつつエネルギー消費を最小限に抑える素材であり、デジタルに接続された私たちの社会と、その絶え間なく増大する技術需要が緊急に必要としている電子機器のイノベーションへの道を切り開くものです」。
研究チームは段階的に成果を積み重ねてきた。2023年には、30%以上のイットリウム濃度を含むウルツ鉱構造の600nm厚AlYN層の堆積に初めて成功した。その後、彼らは優れた構造品質と電気特性を持つAlYN/GaNヘテロ構造の製造にも成功し、さらなる飛躍を遂げた。これらの新しいヘテロ構造は、最大16%のイットリウム濃度を有している。
(Credit: Fraunhofer IAF)
AlYNの応用可能性は多岐にわたる。その結晶構造がGaNと非常に近いことから、AlYN/GaNヘテロ構造は、性能と信頼性が向上した半導体部品の開発を可能にすると期待されている。特に、AlYNはヘテロ構造内に二次元電子ガス（2DEG）を誘起する能力を持ち、約8%のイットリウム濃度でAlYN/GaNヘテロ構造の2DEG特性が最適化されることが示されている。
さらに、研究チームはAlYNの電気的特性についても詳細な調査を行った。その結果、シート抵抗、電子密度、電子移動度について印象的な値が観測され、高周波・高性能エレクトロニクスへの応用可能性が強く示唆された。特に、高電子移動度トランジスタ（HEMT）への応用が期待されている。研究者たちは、低温（7K）で3000 cm2/Vsを超える著しい電子移動度の増加を観測し、HEMTの製造に必要なエピタキシャルヘテロ構造の実証において大きな進展を遂げている。
AlYNのもう一つの重要な特性は、その強誘電性である。この特性により、AlYNは不揮発性メモリアプリケーションの開発に特に適している。さらに、AlYNには層厚に制限がないという利点がある。これらの特性は、持続可能かつエネルギー効率の高いデータストレージソリューションの開発を推進する可能性がある。この技術は、人工知能のための計算能力の指数関数的な成長に対応しなければならず、エネルギー消費が著しく増加しているデータセンターにとって、特に重要な意味を持つ。
しかし、AlYNの産業利用には課題も残されている。最大の障害は酸化に対する脆弱性であり、これが特定の電子応用における適合性に影響を与える可能性がある。Leone博士は、「今後は、酸化を軽減または克服するための戦略を探ることが重要になるでしょう。高純度前駆体の開発、保護コーティングの使用、革新的な製造技術などが貢献する可能性があります」と述べている。この課題に対処することが、今後の研究の重要な焦点となるであろう。
産業応用への道筋も示されている。Fraunhofer IAFの研究者たちは、4インチのSiC基板上でAlYN/GaNヘテロ構造を成長させることに成功し、商用MOCVDリアクターでの製造が可能であることを実証した。これにより、より大きな基板への拡張性が示され、AlYNの半導体デバイスの大量生産への道が開かれた。研究チームは、この方法が大面積半導体構造の製造に最も生産性の高い方法であると考えており、AlYNの半導体デバイスの大量生産の可能性を強調している。
この革新的な半導体材料の開発は、エネルギー効率の高い高周波・高性能エレクトロニクスの実現に向けた重要な一歩となり、将来的には情報通信技術の分野に大きな変革をもたらす可能性を秘めている。AlYNの研究と開発が進むにつれて、私たちはより効率的で持続可能な電子機器の時代に一歩近づいているのかもしれない。
論文
- APL Materials: Two-dimensional electron gases in AlYN/GaN heterostructures grown by metal–organic chemical vapor deposition
参考文献
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