800℃を超える高温環境で利用可能な半導体素子を開発

テクノロジー・材料

2023.06.30

PODCAST

　Si（シリコン、ケイ素）半導体は、あらゆる機器に使われており、私たちの生活に欠かせないものになっています。しかし、Si素子の動作可能温度は300℃以下に限られることから、地下資源掘削や宇宙探索、エンジン周辺部といった300℃を超える環境での素子動作が求められています。

　高温環境で動作する半導体素子を実現するには、絶縁体に近い材料を用いる必要があります。現在、窒化アルミニウム（AlN）結晶は、最も絶縁体に近い半導体の一つで、既に、AlNを使ったダイオードやトランジスタの動作報告例が数多くあります。また、AlN素子が高温耐性に優れているという理論予測もあります。しかしながら、電気特性を調べる装置の性能上、素子動作が実証できるのは500℃以下に限られていました。

　本研究では、900℃まで測定可能な電気特性の評価装置を用意し、優れた結晶品質を持つ独自のAlN試料を用いてダイオードとトランジスタの作製および評価を行い、ダイオードは827℃、トランジスタは727℃での動作に成功しました。また、AlN素子に対して、Ni（ニッケル）電極が827℃でも安定して利用可能であることが分かりました。低価格かつ大面積試料が入手可能なサファイア基板上AlN層を用いている点と、シンプルな構造の素子で耐熱性を実現した点で、このAIN素子は、実用性にも優れていると言えます。

　本研究成果により、800℃を超える厳環境での半導体素子利用が可能になりました。この技術は、高温環境であるために制限されていた地下開発や鉄鋼、宇宙・航空産業への貢献が期待されます。

PDF資料

プレスリリース

研究代表者

筑波大学数理物質系
奥村宏典　助教

掲載論文

【題名】: Temperature dependence of electrical characteristics of Si-implanted AlN layers on sapphire substrates
（サファイア基板上AlN層の電気的特性の温度依存性）
【掲載誌】: Applied Physics Express
【DOI】: 10.35848/1882-0786/acdcde