2002年5月、レスター・F・イーストマンとウメシュ・K・ミシュラは、当時のパワー半導体分野における長期開発技術について次のように記した。窒化ガリウム（GaN）。  
その記事の中で、彼らは当時黎明期にあったブロードバンド無線ネットワーク、レーダー、電力網の電力スイッチング用途における窒化ガリウムの将来性について楽観的な見解を示した。彼らはまた、GaNデバイスを次のように呼んでいる。「これまでに作られた中で最も堅牢なトランジスタ」。  
彼らの言う通りです。GaNの広いバンドギャップ（束縛電子を破壊して伝導を促進するために必要なエネルギー）やその他の特性により、この材料の高い電界耐性を活用することができ、これまでにない性能を持つデバイスを実現できます。  
現在、窒化ガリウム（GaN）は固体RF電力アプリケーションにおいて揺るぎない地位を確立しており、すでにレーダーや5Gワイヤレス通信に採用されているほか、電気自動車用パワーインバーターにも間もなく普及するだろう。今では、GaNデバイスをベースに設計されたUSB充電器も購入可能で、小型ながら非常に高い電力レベルを実現している。  
しかし、たとえそうだとしても、GaNよりも優れたものはあるのだろうか？RFアンプをより強力かつ効率的にするためにできることはあるのだろうか？パワーエレクトロニクスをさらに小型化し、航空機や自動車への負荷をさらに軽減できるものはあるのだろうか？電気伝導性を持ちながら、より大きなバンドギャップを持つ材料を見つけることはできるのだろうか？  
結論から言うと、答えはイエスだ。  
実際、市場には多くのバンドギャップを持つ材料が存在するが、量子力学の特殊性から、それらのほとんどは半導体としてほとんど利用できない。しかし、有望な候補が一つある。それは透明導電性酸化物である酸化ガリウム（Ga2O3）である。  
約5 eVという広いバンドギャップを持つ酸化ガリウムは、窒化ガリウム（3.4 eV）を大きく引き離し、シリコン（1.1 eV）と比較すると、その差はマラソン並みに大きい。ダイヤモンドや窒化アルミニウムも大きなバンドギャップを持つことは知られているが、それらはGa2O3が持つような特性を備えていない。Ga2O3は、安価でありながら高性能なデバイスを作るために利用できる、まさに幸運な特性の組み合わせと言えるだろう。  
材料が広いバンドギャップを持つだけでは十分ではありません。なぜなら、もしそうであれば、すべての誘電体やセラミックスが広いバンドギャップを持つことができ、そのためそれらは絶縁体としてしか使用できないからです。しかし、酸化ガリウムは、パワースイッチやRFエレクトロニクスの材料候補として非常に有用となる可能性のある、独自の特性の組み合わせを持っています。  
   

図：IEEE Spectrum Source：「パワーエレクトロニクス用途向けGa2O3の実装」第75回デバイス研究会議（DRC）にてGregg H. Jessen他が発表。

半導体にとって重要な5つの特性のうち、ベータガリウム酸化物の最大の利点は、高い臨界電界強度です。これは高電圧スイッチの製造に役立ち、強力なRFデバイスの設計にも応用できる可能性があります。しかし、ベータガリウム酸化物の最大の欠点は熱伝導率が低いことであり、デバイス内部に熱がこもりやすいという点です。  
また、酸化ガリウムの優れた特性の一つは、ドーピングと呼ばれるプロセスによって電荷キャリアを添加することで導電性を高めることができる点です。ドーピングとは、半導体中の電荷キャリア濃度を制御するために、結晶に一定量の不純物を添加するプロセスです。例えば、シリコンでは、イオン注入とその後のアニーリング処理によって、リン（自由電子の添加）またはホウ素（自由電子の除去）を結晶に添加することで、電荷が結晶内で自由に移動できるようになります。Ga2O3でも同様の方法で電子を添加できます。  
しかし、この手法を他のワイドバンドギャップ酸化物に適用しようとすると、結晶が粉々に砕けたり、格子内に電荷が閉じ込められる箇所が生じたりする可能性がある。  
酸化ガリウムは、標準的なプロセス（イオン注入）によるドーパント添加や、エピタキシャル成長（結晶の積層）によるドーパント添加への適応性が高いため、確立された多くの商用リソグラフィおよび加工技術を応用できます。これらの方法により、トランジスタの寸法を数十ナノメートル単位で精密に定義し、多様なデバイス構造を生成することが比較的容易になります。しかし、バンドギャップの広い他の半導体材料には、このような非常に有用な特性はありません。窒化ガリウム（GaN）でさえ、このような特性は持ち合わせていません。  
酸化ガリウムのもう一つの利点は、この種の材料としては、結晶性Ga2O3の大型シリコンウェハーの製造が非常に容易であることです。Ga2O3結晶にはいくつかの種類がありますが、最も安定なのはβ型で、次いでε型、α型が続きます。中でもβ-Ga2O3は、日本のつくばにある物質・材料研究機構やベルリンのライプニッツ結晶学研究所などの研究機関の努力により、最も多くの研究が行われています。  
β-Ga2O3の最も魅力的な点は、その熱安定性です。この安定性により、シリコンウェハーの製造に用いられるチョクラルスキー法をはじめとする、既に広く用いられている多くの技術を用いて製造することが可能です。また、エッジ定義型フィルムフィード法と呼ばれる結晶成長技術も利用できます。さらに近年では、拡張性の高い垂直型ブリッジマン・ストックバーガー法を用いて結晶を成長させることも可能です。  
この状況が他のワイドバンドギャップ半導体とどれほど異なるかを強調しすぎることは難しい。しかし、現状では、炭化ケイ素（SiC）を除いて、ほとんどの新興ワイドバンドギャップ半導体は、大きな結晶を成長させることができる大きなサイズの基板を持っていない。つまり、別の材料のディスク上に成長させる必要があり、コストがかかる。たとえば、窒化ガリウムは通常、シリコン、炭化ケイ素、またはサファイア基板上に複雑なプロセスで成長させる。しかし、これらの基板の結晶構造は明らかにGaNの結晶構造とは異なり、この違いにより基板とGaNの間に「格子不整合」が生じ、多数の欠陥が発生する。これらの欠陥は、製造された装置に多くの問題を引き起こした。Ga2O3はそれ自体が基板として機能するため、不整合がなく、したがって欠陥もない。日本のノベル結晶技術は、150 mmのβ-Ga2O3を実証した。  
情報通信研究機構（NICT）にて東脇正隆β-Ga2O3の電力スイッチング用途における可能性を最初に認識したのは彼でした。2012年、彼の研究グループが初の単結晶β-Ga2O3トランジスタを発表し、電力デバイス業界全体に衝撃を与えました。この製品はどれほど優れているのでしょうか？例えば、パワートランジスタの重要な仕様の1つに降伏電圧があります。これは、半導体が電流の流れを止める能力を失う臨界点です。東脇氏が発表した先駆的なトランジスタの降伏電圧は250Vを超えています。比較のために言うと、GaNがこの成果を達成するには20年近くかかりました。  
東脇氏はその画期的な研究の中で、高い臨界電界強度を持つ材料を用いることで、デバイスの電力損失を大幅に低減できることも明らかにした。この特性はEcとして知られており、酸化ガリウムの真の強みである。  
簡単に言うと、2つの導体の間に物質を挟み込み、電圧を上げると、E_cはその物質が電気を通し始める電界強度になります。多くの場合、この電圧は時に壊滅的な結果をもたらすことがあります。シリコンの臨界電界強度は通常、1センチメートルあたり数百キロボルトで測定されますが、Ga₂O₃の臨界電界強度は1センチメートルあたり8メガボルトです。  
 

画像：空軍研究所

高電圧のヒーロー：上に示した酸化ガリウムトランジスタ（上図は2つの拡大図（aとb）と断面図（c））は、わずか600ナノメートルの範囲内で200ボルト以上の電圧を維持します。

理想的なパワースイッチングトランジスタを考えるとき、非常に高いE値を持つことは最大の魅力の一つです。理想的には、デバイスは常にオン（抵抗のない導通）と常にオフ（まったく導通しない）の2つの状態を瞬時に切り替えます。これら2つの極端な状態は、デバイスの形状が大きく異なります。オフ状態では、導通を防ぎ、大きな電圧を遮断するために、トランジスタのソースとドレインの間に厚い材料層を配置する必要があります。オン状態では、抵抗がゼロになるように無限に薄い領域が必要です。  
もちろん、両方を同時に実現することはできません。材料の臨界電界強度によって、実際にどれだけ薄くしても閉じた状態を維持できるかが決まります。  
低周波電力スイッチング半導体の重要な指標は、IEEE名誉賞受賞者であるB・ジャヤント・バリガ氏にちなんで名付けられたバリガ性能指数と呼ばれています。これは基本的に、デバイスの出力が高電圧で入力信号の詳細をどれだけ忠実に再現できるかを示すものです。これは、キロヘルツ帯までの周波数でスイッチとして動作するトランジスタにとって非常に重要な特性です。このようなデバイスは、数キロボルトの変電所設備、医療画像診断用の高エネルギー光子発生器、電気自動車や産業用モータ駆動装置用のパワーインバータなどに使用されています。  
これらの用途をはじめとする多くの用途において、Ga2O3は自然な利点を備えています。これらの周波数では、品質係数は臨界電界の3乗に比例します。このような高いEc値は、優れた性能指数を意味します。  
この計算の背後にあるのは、このスイッチがほとんどの時間、完全にオンか完全にオフの状態にあり、その状態を切り替える時間はごくわずかであるという事実です。したがって、電力損失の大部分は、デバイスの電源がオンになったときに抵抗器からデバイスに流れる電流です。E c が高い場合、より薄いデバイスを使用できるため、抵抗値が低くなります。  
東脇氏の研究のメッセージはシンプルだ。強力な高電界強度を用いることで、低周波での電力損失が少ない高電圧スイッチングを実現できる。他の研究グループもすぐにこのメッセージに気づいた。2013年までに、研究者たちは降伏電圧370Vの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を実証した。2016年には、当時NICTの東脇グループに所属していたマン・ホイ・ウォン氏が、フィールドプレーティングと呼ばれる追加構造を用いて電圧を750V以上に押し上げた。これらのデバイスの中で、Ga2O3が比較的容易に高動作電圧を実現できることは実に注目に値する。材料研究はわずか数年で大きく進歩したが、GaNリーフの開発には数十年を要した。  
Ga2O3は高速スイッチング電源用途に有用だろうか？これは誰もが注目するもう一つの点である。ここで強調すべきは、E cも非常に重要であり、Ga2O3に大きな利点をもたらす可能性があるということだ。  
周波数が高くなるにつれて（例えば100Hz～1MHz）、デバイスのオン/オフにかかる時間は比例して長くなります。スイッチング時の損失は、デバイスの抵抗と、スイッチングのためにトランジスタのゲートに蓄積する必要のある電荷量の積で表されます。計算すると、損失は低周波数では臨界電界強度の3乗に比例しますが、2乗に比例することがわかります。  
    画像：空軍研究所  
上の写真は酸化ガリウムを示していますRFアプリケーションの可能性、この初期の酸化ガリウムRFトランジスタにおいて、ごく一部（固有抵抗）がその動作に重要な役割を果たしていた。デバイスの寄生抵抗を低減することで、出力と周波数を向上させることができる。  
携帯電話の充電器のようなシンプルな用途でも、より高速な電源スイッチングの方が多くのメリットをもたらすことがわかります。スイッチング電源は、まず壁のコンセントからの交流電圧を整流し、次にそれを高周波信号にチョッピングすることで動作します。トランスは電圧を必要なレベルまで下げ、最後に信号を整流してフィルタリングします。システムの中で最もかさばる部分はトランスやその他の受動部品であり、周波数が高くなるにつれてより小型の部品を使用できるようになります。さらに高い周波数が必要な場合は、バンドギャップが広く、臨界電界が高い半導体を使用することで、より効率的に周波数を上げ、放熱も簡素化できます。  
例えば、20kHzでスイッチングする1200Vシリコンインバータは、約3kWの電力を供給できます。しかし、同じ電力を供給する炭化ケイ素インバータは、150kHzでスイッチングすることで、より高い温度で動作させることができ、パッケージサイズは3分の1に抑えられます。比較として、Ga2O3ベースのインバータはメガヘルツに近い周波数で動作させることができ、サイズも半分に抑えることができます（ただし、そのためにはまだ発明されていない磁気部品が必要になります）。  
つまり、要約すると、Ga2O3などの材料の真の電子特性は、その臨界電界強度を最大限に活用することによって得られる。しかし、その値は一体どれくらいなのだろうか？2015年まで、この材料で達成可能な電界強度を実際に測定した研究グループは存在しなかった。他のデバイスと同様に、予備的な結果は理論的な限界値には程遠い。  
私と同僚は、オハイオ州ライト・パターソン空軍基地の空軍研究所でこの課題に取り組んでいます。最初に直面した問題は、このような高電界強度を持つ材料を使用して作られたデバイスは、既存の試験装置の限界を超える可能性があるということでした。原理的には、2ミクロンの材料は1.5kVを超える電圧を遮断する可能性があるからです。そこで、電圧を下げるために形状を縮小したシンプルなMOSFETを製作しました。電界が最も高くなるゲートとドレイン間のギャップはわずか600ナノメートルです。これは、ピークEcの測定を容易にするためでもありますが、より大型の高電圧設計では不可能なRF周波数でデバイスをテストできるようにするためでもあります。  
この初期のデモンストレーションでは、トランジスタはRFテスト機器の限界である230Vに耐えることができました。平均電界は少なくとも3.8MV/cmで、シミュレーションではピーク内部電界が少なくとも5.3MV/cmであることが示されています。（FETで8MV/cmを完全に観測することはありません）これは、Ga2O3がGaN（約3.3MV/cm）よりも大きな理論的EC値を持つことを初めて実験的に実証したものです。言い換えれば、定格動作電圧600VのGaNパワートランジスタのゲート・ドレインギャップは通常約15～20µmで、波長は600nmです。  
この結論が出た後、パワースイッチングトランジスタは驚異的なスピードで発展を遂げました。2017年には、耐圧600Vを超えるMOSFETを製造しました。2018年初頭には、様々な形状のMOSFETを用いた高周波損失値がシリコンの理論限界値に匹敵、あるいはそれを上回る値を達成しました。さらに、今後数年以内に最新のGaNの値に匹敵、あるいはそれを上回るための明確な道筋が見えてきました。  
    写真：ノベルクリスタルテクノロジー  
多くのワイドバンドギャップ半導体とは異なり、酸化ガリウムウェハーはシリコンウェハーとほぼ同じプロセスで製造できる。そのため、欠陥のないデバイスが比較的安価に製造できる可能性がある。  
2015年にパワースイッチの電界強度を測定した際、Ga2O3がRF回路においても同様の成功を収める可能性があると推測しました。これは、より小型のデバイスでより高い電界強度を実現できるためです。しかし当時、重要な情報がいくつか欠けていました。電界強度に対する材料中の電子速度に関する公表データがなかったのです。  
電子速度は、無線周波数信号を増幅するために使用されるトランジスタにおいて特に重要です。RFにおいては、高出力と高周波が目標であり、ジョンソンの性能指数（JFOM）はこれらの目標を要約したものです。JFOMによれば、RFトランジスタの電力と周波数の積は、半導体材料中の電荷キャリアの最大速度とEcの積に比例します。ここで重要なのは、RFトランジスタでは、RF波形の極性が反転する前にキャリアがソースからドレインまで完全に流れることができる場合にのみ増幅が得られるということです。（これが起こる最高周波数は、単位電流利得周波数、またはfTと呼ばれます。）
ここでも、Ga2O3の高い臨界電界が重要な役割を果たします。なぜなら、臨界距離を短縮しても、電子を最大速度まで加速させるのに十分な強い電界を維持できるからです。  
AFRLでは、2017年に世界初のサブミクロン酸化ガリウムRF MOSFETの実証に成功しました。これらのデバイスは、GaN（窒化ガリウム）の最高峰には及ばないものの、印象的な性能を発揮しました。単位電流利得周波数は3GHz、最大発振周波数は13GHz、出力電力密度は800MHzで230mW/mmです。その後、AFRLのパルスRF出力電力密度は1GHzで500mW/mmを超え、最大発振周波数は20GHzに迫っています。  
さらに心強いことに、ほぼ同時期に、クリシュナンドゥ・ゴッシュとウッタム・シンギセッティ（バッファロー大学）による理論計算で、酸化ガリウムのJFOMは窒化ガリウムのJFOMよりも著しく優れていることが示された。  
2017年にRF機能が初めて実証されて以来、RF Ga2O3技術は目覚ましい進歩を遂げてきました。まずSriram Krishnamoorthy氏、そしてオハイオ州立大学のSiddharth Rajan氏のチームが、新しい改良されたドーピング技術を実証しました。これらの技術はシリコンから応用されているため、伝導が発生する材料シートの抵抗は非常に低く、約300オーム/平方です（はい、これが正しい単位です）。これは窒化ガリウムデバイスで見られる値に匹敵します。この成果を達成した直後、Rajan氏とカリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者たちは、Ga2O3が高電子移動度トランジスタ（HEMT）であることを独自に実証しました。D: agHEMT
この種のデバイスは通常、ガリウムヒ素または窒化ガリウムで作られており、無線周波数は携帯電話と衛星テレビ受信機の両方にとって不可欠です。このようなデバイスは、バンドギャップの異なる2つの半導体の鋭い界面に形成される二次元電子ガスを介して伝導します。この場合、それは酸化アルミニウムガリウムと酸化ガリウムであり、スマートフォンで使用されている市販のアルミニウムガリウムヒ素/ガリウムヒ素HEMT技術とまったく同じです。これらの重要なブレークスルーは、RF機器の垂直方向および水平方向の拡張への道を開きます。  
これらの進歩は有望ではあるものの、Ga2O3がすべてのRFアプリケーションにおいてガリウムヒ素（GaAs）やGaNに取って代わる可能性は低い。基本的なスイッチとして、Ga2O3はクラスD、E、Fなどのスイッチングモードアンプにおいて優位性を発揮すると期待される。これらのデバイスの中でも、Ga2O3はオン抵抗が非常に低く、低電流・高耐圧特性により非常に高い効率を実現できる。一方、低インピーダンスと高電流を必要とするデバイスアプリケーションでは、主にGaNの高い電荷キャリア移動度と電荷キャリア密度により、GaNが有利となるだろう。  
         

SoGa2O3どのような課題に直面するだろうか？

まず最初に述べておくべきことは、この材料の最大の弱点は熱伝導性が非常に低いこと、それも極めて低いことである。実際、RF増幅や電力スイッチングに用いられる半導体の中で、これは最も熱伝導率が低い材料と言える。酸化ガリウムの熱伝導率は、ダイヤモンドのわずか6分の1、SiC（高性能RF GaNの基板）の10分の1、シリコンの5分の1に過ぎない。興味深いことに、RF GaAsとほぼ同程度である。熱伝導率が低いということは、トランジスタ内で発生した熱が内部に留まりやすく、デバイスの寿命を著しく制限する可能性があることを意味する。  
さて、ここで次の点を考えてみましょう。材料の熱伝導率をデバイスと正確に比較するには、材料の電力処理能力で正規化する必要があります。つまり、実際のデバイスにおける熱問題を正確に比較するには、EをCで割る必要があります。そうすると、シリコンよりもバンドギャップが大きい半導体は、ダイヤモンドでさえも、その潜在能力を最大限に発揮する際に放熱の問題を抱えていることがわかります。この事実はGa2O3にとって大きな助けにはなりませんが、より良い放熱方法を見つけるための動機付けとなります。  
例えば、東京のNICT研究所の研究者たちは、厚さ約10ミクロンのGa2O3シリコンウェハの裏面にp型多結晶SiCを接合することで、デバイスの耐熱性を大幅に向上させた。また、AFRLの研究者たちは、特定のデバイス構造では、材料の最上部1µmでほぼすべての熱が発生することに着目し、電極接触の影響をシミュレートし、誘電体充填材を用いて熱をヒートシンクに逃がすことで、有望な結果を得た。これは、現在市販されているガリウムヒ素ヘテロ接合バイポーラトランジスタで用いられている手法である。このように、Ga2O3には熱に関する課題があるものの、優秀なエンジニアたちがその解決に取り組んでいる。  
もう一つ、より根本的な問題は、酸化ガリウムは正孔ではなく電子しか伝導しないという点です。Ga2O3から優れたp型導体を作ることは不可能です。さらに残念なことに、この材料の基本的な電子特性はあまり有望ではありません。特に、バンド構造の価電子帯部分における正孔伝導の形状が正しくありません。そのため、受容体を正しいエネルギー準位にする何らかのドーパントが存在したとしても、生成された正孔は伝導に寄与する前に自らを捕捉してしまうと考えられます。理論とデータがこれほど一致している以上、この欠点を克服する方法があるとは言い難いでしょう。  
この脆弱性によって新たな課題が生じるのは確かだが、すべてが順調というわけではない。いわゆる主要キャリア専用デバイスの多くは商業的に成功している。例えば、入手可能なUSB-C対応の壁掛け充電器をできるだけ多く見てみるとよいだろう。  
Ga2O3デバイス技術の研究段階は、まさに臨界点に達したばかりであり、現在、高速スイッチング、数キロボルト級パワートランジスタ、RFデバイスへの応用分野を計画しています。キロボルト級機器の新たな実証例も定期的に登場しており、数十ナノメートルという極めて小さな寸法を持つRFトランジスタも間もなく実用化される見込みです。この技術をさらに発展させることで、これまで他の材料では実現不可能だったデバイス構造を実現できると考えています。  
 

もちろん、開発を進める中でいくつかの問題（主に誘電体）が発生するでしょう。しかし、それこそが破壊的技術の定義です。私たちは、既知の知識を犠牲にして、潜在的な性能向上を目指します。現状では、Ga2O3に関しては、潜在的な性能向上は問題点をはるかに上回っています。

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