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京都大学

次世代パワー半導体に最有力なα型酸化ガリウムの特性実測に成功

～炭化ケイ素や窒化ガリウムを置き換える省エネ素子の実現に一歩前進～

ポイント

• 次世代パワー半導体材料として最も期待されているα型酸化ガリウム薄膜の基本物性を初めて実測。
• α型酸化ガリウム薄膜の電子有効質量と熱伝導率の実測に成功。　
• 高耐圧パワーデバイスの設計に貢献。

概要

北海道大学電子科学研究所の太田裕道教授らの研究グループは、京都大学大学院工学研究科の田中勝久教授らの研究グループと共同で、次世代パワー半導体材料として最も期待されるα型酸化ガリウム（α-Ga₂O₃）^＊1薄膜の電子有効質量^＊2と熱伝導率^＊3の実測に成功しました。これまで計算でしか高い特性が推定されていなかったα-Ga₂O₃を用いた半導体デバイス設計における大きな進展と言えます。

α-Ga₂O₃は光学バンドギャップ^＊4が5.3電子ボルト（eV）と広く、高耐圧パワーデバイス用半導体^＊5材料として期待されています。α-Ga₂O₃を用いたパワーデバイスを設計するためには、電子有効質量と熱伝導率という、基本的な物性が必要不可欠ですが、これまでは実測値がほとんどなく、計算科学に依存していました。本研究では、ミストCVD法^＊6によって作製した高品質α-Ga₂O₃薄膜について、熱電能計測により室温でのキャリア電子有効質量を、時間領域サーモリフレクタンス法^＊7により室温での熱伝導率を実測し、それぞれ0.40 m₀（m₀：電子の静止質量）、19ワット/メートル ケルビン（W/mK）であることを明らかにしました。本研究成果は、α-Ga₂O₃を用いた高い電圧に耐えられるパワーデバイス設計における礎になると言えるでしょう。

本研究成果は、2026年11月5日（木）に米国化学会（ACS）の専門誌ACS Applied Electronic Materialsにオンラインで掲載されました。

ミストCVD法により作製された高品質α型酸化ガリウム薄膜の熱電能と熱伝導率。熱電能のキャリア濃度依存性から、電子有効質量が0.40 m₀であることが分かった。また、熱伝導率は19 W/mKであることが分かった。

背景

α-Ga₂O₃は、光学バンドギャップが5.3eVと広く、高い絶縁破壊電界が期待されることから、高耐圧化に有利な材料として注目されています。特に、電気自動車のインバータやオンボードチャージャーなどの高電力機器では、高耐圧化と低損失化の両立が不可欠であり、材料の限界性能（バンドギャップ、臨界電界、熱物性など）がデバイス性能を決定します。α-Ga₂O₃は、特に絶縁破壊電界が大きく、パワー半導体の既存材料であるシリコン（Si）、炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）を凌駕する潜在能力を持つと言われており、世界的に研究開発競争が加速しています。α-Ga₂O₃の電子有効質量や熱伝導率といった基本物性は、デバイス設計に必要不可欠ですが、これまでは実測値はほとんどなく、計算科学に依存していました。本研究は、これまで計算でしか分からなかった基本物性を、実際の高品質薄膜で実測することに成功しました（表1）。

研究手法

本研究では、α-Ga₂O₃薄膜の高品質化と精密計測の両立を実現するため、以下の三つの先端技術を組み合わせました。

1. ミストCVD法による高品質薄膜作製：ミストCVD法は、原料溶液を微細なミストとして基板に供給することで、比較的低温で酸化物薄膜を成長できる手法です。本研究では、キャリア濃度、結晶性、膜厚均一性に優れたα-Ga₂O₃薄膜を作製しました。
2. 熱電能計測による電子有効質量の決定（図1a）：複数のキャリア濃度の試料を系統的に測定し、理論モデルと比較することで有効質量を高精度に抽出しました。
3. 時間領域サーモリフレクタンス法による熱伝導率測定（図1b）：ピコ（１兆分の１）秒レーザーを用いた非接触・高時間分解能の測定により、薄膜の面直方向の熱伝導率を精密に評価しました。

研究成果

本研究では、α-Ga₂O₃薄膜について、以下の基本物性を実測しました。

電子有効質量（図2b）：0.40 m₀ （m₀：電子の静止質量）→ 電子輸送特性やオン抵抗を評価する上で重要な物性値です。

熱伝導率：19 W/mK（室温）（図2c）→ 高耐圧デバイスの熱設計や放熱設計に重要な物性値です。

これらの基本物性の実測値は、α-Ga₂O₃を用いたパワーデバイス研究における重要な基礎データとなります。

今後への期待

本研究成果は、α-Ga₂O₃を用いたパワー半導体設計における礎になると言えるでしょう。例えば、以下のような波及効果が期待されます。

(1) 電気自動車（EV）向け高耐圧パワーデバイスの性能予測が可能に：有効質量と熱伝導率の実測値が得られたことで、デバイスシミュレーションに実測値を取り入れることが可能となり、オン抵抗の最適化、放熱・熱設計の最適化、高耐圧化の限界予測などが可能になるでしょう。

(2) 材料開発・結晶成長の指針が明確化：今回の物性値は、結晶欠陥やドーピングの影響を議論するための基準となり、高移動度化、高熱伝導化、α相の安定化などの材料開発を加速するでしょう。 (3) 産業界との連携強化：EVメーカー、電力機器メーカー、材料メーカーが、α-Ga₂O₃を実用材料として評価するための基礎データが整ったことから、産学連携の加速が期待されます。

(3) 産業界との連携強化：EVメーカー、電力機器メーカー、材料メーカーが、α-Ga₂O₃を実用材料として評価するための基礎データが整ったことから、産学連携の加速が期待されます。

謝辞

本研究はJSPS科研費 JP26H02188、JP26H02198、JP25KJ0452の助成を受けたものです。

論文情報

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参考図

表1．各種パワー半導体の物性比較。α-Ga₂O₃の電子有効質量と熱伝導率は本研究で実測。
※各物性値は代表値であり、結晶方位、温度、キャリア濃度等によって異なる。

図1．(a) 熱電能、(b) 熱伝導率の計測方法。熱電能計測装置は自作したもの。熱伝導率は市販装置（PicoTR、NETZSCH Japan製）を用いて計測。

図2．電子有効質量と熱伝導率（室温）。(a) Hall移動度のキャリア電子濃度依存性、(b) 熱電能のキャリア電子濃度依存性、(c) 室温における熱伝導率、(d) 熱伝導率の温度依存性

用語解説