新規窒化物半導体NbAlN/GaNヘテロ接合で二次元電子の量子輸送特性を解明
東京大学と東京理科大学などの研究グループは、新規窒化物半導体NbAlN/GaN系ヘテロ接合の高品質結晶成長に成功し、界面に誘起される二次元電子ガス（2DEG）の量子輸送特性を測定・解析した。NbAlN/GaNの2DEGはScAlN/GaNよりも移動度が高く、SdH振動の振幅が大きいことが分かった。次世代GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の特性理解や性能向上に役立つと期待される。
何が起きたか
東京大学大学院工学系研究科の若本裕介大学院生、前田拓也講師、東京理科大学先進工学部マテリアル創成工学科の小林篤准教授らの研究グループは、新規窒化物半導体ヘテロ接合における二次元電子ガス（2DEG）の量子輸送特性を明らかにした。反応性スパッタエピタキシー法を用いて窒化ニオブアルミニウム（NbAlN）を窒化ガリウム（GaN）上にエピタキシャル成長させ、ヘテロ界面に誘起される2DEGの電子輸送特性と極低温高磁場での量子輸送特性を調べた。高密度かつ高移動度な2DEGが分極誘起されていることを確認し、明瞭なシュブニコフ・ド・ハース（SdH）振動を観測した。この解析から2DEGの有効質量や量子緩和時間を明らかにした。
測定結果の詳細
NbAlN薄膜を成長させることで、NbAlNの大きな分極により1.5×10^13 cm^-2程度の高い2DEG密度が得られ、成長前試料と比べて約4.6倍に増大した。電子移動度は成長前後でほぼ変わらず、室温で1500 cm^2/Vs程度と高い値を示した。磁気抵抗は最低2K、最大14Tの極低温・高磁場環境下で測定され、SdH振動が明瞭に観測された。NbAlN/GaNヘテロ接合の2DEGはScAlN/GaNヘテロ接合の2DEGよりも移動度が高く、SdH振動の振幅が大きいことが分かった。量子緩和時間は67フェムト秒と比較的長いが、運動量緩和時間（約1200フェムト秒）より一桁以上短く、小角散乱が支配的でキャリア散乱機構が異方的であることを示唆する。
発表の場と支援
本研究成果は、窒化物半導体分野で最大規模の国際会議であるInternational Workshop on Nitride Semiconductors（IWN、2026年11月8日～13日開催）に投稿され、高い評価を受けて招待講演に選出された。研究は科学技術振興機構（JST）の創発的研究支援事業（課題番号JPMJFR234D）と2026年度村田学術振興・教育財団研究助成の支援により実施された。AlGaN/AlN/GaN/SiC基板は住友電気工業株式会社から提供を受けた。
企業・産業への影響
この成果は、異種元素添加AlN系材料による新規バリア層を持つGaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の特性理解や性能向上に役立つ可能性がある。研究グループは今後、NbAlN/GaNおよびScAlN/GaNヘテロ接合を活用したGaN HEMTの試作実証に取り組むとしている。高耐圧・低損失・高周波動作可能な次世代GaN HEMTの研究開発に貢献し、電力変換の省エネルギー化や次世代高周波通信の発展を支えることが期待される。ただし、現時点では基礎的な材料物性の解明段階であり、デバイス性能への実用上の効果は今後の検証に依存する。