【発表のポイント】

• 次世代のパワーデバイス向け半導体として注目されている酸化ガリウムと、層状構造の酸化物電極（PdCoO₂）で構成されたダイオードを開発
• 金に匹敵する高い電気伝導度を示し、優れた耐熱・耐環境性を持つ
• このダイオードは、自動車・工業プラントなど、IoTで拡大する多様な素子動作環境に対応できるため、パワーデバイス制御やセンサー用途への応用が期待

【概要】

東北大学金属材料研究所の原田尚之助教、伊藤俊技術職員、塚﨑敦教授らの研究グループは、パラジウムとコバルトからなる金属酸化物(PdCoO₂)と酸化ガリウム（Ga₂O₃；注1）を原子レベルで接合し、350℃の高温で7桁以上のオン/オフ比（注2）を示す、高温動作可能な整流素子（ダイオード）を開発しました。

自動車エンジンなどの電力制御やセンサー用途において、高温や反応性ガス中などの過酷な環境で動作する半導体素子の需要が高まっています。なかでも、Ga₂O₃は大きなバンドギャップ（注3）を有する上、安定でバルク結晶も入手しやすいことから、次世代パワーデバイス向け半導体として期待されています。適切な半導体と金属の組み合わせを積層（ショットキー接合；注4）すると、ダイオードとして動作します。そのためこれまで様々な金属とGa₂O₃の接合が研究されてきましたが、高温動作特性が優れないという問題がありました。

本研究グループは、単体金属の代わりに高い電気伝導性・耐熱性を有する層状金属酸化物 PdCoO₂（図1）に着目し、Ga₂O₃との境界（界面：図2）を原子レベルで制御する方法を見いだしました。これによりダイオードの高温動作の鍵となる界面のエネルギー障壁（ショットキー障壁高さ）を、従来の限界値を大きく超える1.8 eVにすることに成功し、350℃の高温で7桁のオン/オフ比を実証しました。高い耐環境性を持つこの新しい酸化物ダイオードは、様々な環境で動作を求められるIoT向けセンサーやパワーデバイスへの応用が期待されます。

本研究成果は、2019年10月18日（米国時間）に、米国科学誌「Science Advances」オンライン版に掲載されました。

【専門用語解説（注釈や補足説明など）】

※1　酸化ガリウム（Ga₂O₃）
約5.0 eVの大きなバンドギャップを有し、量産に適した溶融法でバルク結晶を作製できることから、次世代のパワーデバイス向け半導体材料として有望視されている。実用化に向けて各国で研究が進められている。

※2　オン/オフ比
ダイオードは陽極から陰極に電流を流すが、陰極から陽極へはほとんど電流を流さない。この電流の大きさの比（オン/オフ比）が大きいほど、動作中の消費電力低減につながる。

※3　バンドギャップ
半導体の物質ごとに決まっている重要な物性値の１つで、物質の電子構造において電子の存在できないエネルギー領域のこと。電子の動けない価電子帯と電子の動ける伝導帯とのエネルギー差に対応しており、禁制帯とも呼ばれる。その物質の電気伝導性や光学特性などに関連して、ダイオードやトランジスターなどの半導体素子を設計する際にも重要となる。シリコンのバンドギャップは1.1 eV (電子ボルト) 程度である。一般に3 eV以上で大きなバンドギャップと考えることができる。例えばGaN, SiCや Ga₂O₃などが挙げられ、それらの半導体は大電流や大電圧印加によっても壊れにくいため、パワーデバイス用途に適している。

※4　ショットキー接合
金属と半導体を接合する際、金属中の電子と、半導体中の電子のエネルギーが揃うように界面で電荷をやり取りする。この過程で、界面にエネルギー障壁が形成される。これをショットキー障壁と呼ぶ。ショットキー障壁は電子に対して崖のように働くため、金属側から半導体に電流が流れる場合と、半導体側から金属側に電流が流れる場合で流れやすさに大きな差を生じる。この性質から、電流を一方向にしか流さない整流器（ダイオード）として利用される。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究内容に関して）
東北大学金属材料研究所　低温物理学研究部門
助教　原田　尚之
TEL：022-215-2089
Email：t.harada*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

教授　塚﨑　敦
TEL： 022-215-2085
Email：tsukazaki*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関して）
東北大学金属材料研究所　情報企画室広報班　（冨松）
TEL：022-215-2144
FAX：022-215-2482
Email：pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）