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概要

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ました。

本研究では、反応性スパッタエピタキシー法（注1）を用いて、窒化ニオブアルミニウム（NbAlN）（注2）を窒化ガリウム（GaN）上にエピタキシャル成長させ、そのヘテロ界面に誘起される2DEGの電子輸送特性および極低温高磁場における量子輸送特性を詳細に調べました。高密度かつ高移動度な2DEGが分極誘起されていることが確認され、明瞭なシュブニコフ・ド・ハース（Shubnikov–de Haas, SdH）振動（注3）が観測されました。SdH振動特性の解析から、NbAlN/GaNヘテロ接合における2DEGの有効質量や量子緩和時間を明らかにしました。

本研究成果は、今後、高耐圧・低損失・高周波動作可能な次世代GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）（注4）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ます。

発表内容

〈背景と課題〉

近年、従来の窒化物半導体（GaN, AlN, InN）にスカンジウム（Sc）やホウ素（B）などの異種元素を添加することによって、格子定数やバンドギャップの変調、自発分極や圧電性の増大、強誘電性の発現など、材料の選択性や機能性の拡大を目指す基礎研究が活発化しています。これまで本研究グループは、AlNにNbを添加した窒化ニオブアルミニウム（NbAlN）をGaN上にエピタキシャル成長させることに成功しています（関連情報②）。しかし、NbAlN/GaNヘテロ接合における2DEGの輸送特性や、移動度を制限する要因については明らかになっていませんでした。

〈成果の内容〉

この度、東京大学は、東京理科大学との共同研究により、反応性スパッタエピタキシー法を用いてAlGaN/AlN/GaN/SiC基板上に高品質NbAlN/GaNヘテロ構造（図1(a)）を成長させ、その電子輸送特性を詳細に測定・解析しました。NbAlN薄膜を成長させることにより、NbAlNの大きな分極によって1.5×10¹³ cm^-2程度と高い2DEG密度が得られ（図1(b)）、その密度は成長前試料と比較して約4.6倍に増大しました。また、電子移動度は成長前後でほぼ変わらず、室温で1500 cm²/Vs程度と高い値を示しました（図1(c)）。

NbAlN/AlGaN/AlN/GaNヘテロ接合に形成される2DEGの磁気抵抗を、最低2ケルビン(K)、最大14テスラ(T)の極低温・高磁場環境下で測定しました。図2に示した2DEGの抵抗の磁場依存性の通り、SdH振動が明瞭に観測されました。本研究グループがこれまでに測定したScAlN/AlGaN/AlN/GaNヘテロ接合における2DEGと比較すると、振動の振幅が大きく、より低磁場から振動が現れています。SdH振動の解析から、電子の有効質量は電子濃度の増大を反映してやや重くなっていることが分かりました。また、量子緩和時間は67フェムト秒(fs)と比較的長いものの、運動量緩和時間（約1200 fs）と比べると一桁以上短い値でした。これは、小角散乱が支配的であること、すなわち、キャリア散乱機構が異方的であり、極低温においてクーロン散乱などの長距離ポテンシャルによる散乱が主要な散乱機構であることを示唆しています。本結果は、NbAlN/GaN系ヘテロ接合における2DEGの輸送特性を理解する上で重要であるだけでなく、ScAlNをはじめとする他の新規窒化物とGaNのヘテロ接合による2DEGの輸送特性の理解にも有益な知見です。

これらの研究成果は、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ました。

〈今後の展望〉

本研究の成果をもとに、今後は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みます。これらの研究は、高耐圧・低損失・高出力なGaN HEMTの研究開発を加速させ、電力変換の省エネルギー化や次世代高周波通信技術の発展に貢献することが期待されます。

①プレスリリース
「遷移金属ニオブを含む極性ウルツ鉱型窒化物半導体「NbAlN」の作製に成功～GaN系ヘテロ構造の界面電子密度を3倍超に高め、分極を生かした材料設計を拡張～」（2026/09/07）

②プレスリリース
「新規窒化物半導体ヘテロ接合における電子散乱機構を解明 ―高周波GaNトランジスタの性能向上に道筋―」（2025/07/07）

発表者・研究者等情報

東京大学大学院工学系研究科

前田 拓也　講師

若本 裕介　博士課程

久保田 航瑛　修士課程

東京理科大学先進工学部マテリアル創成工学科

小林 篤　准教授

奥田 朋也　修士課程（研究当時）

黒木 颯太　修士課程

学会情報

学会名

International Workshop on Nitride Semiconductors 2026 (IWN 2026)

会期

2026年11月8日～13日（発表は11月12日16:00-16:30（日本時間））

題名

Hall Effect Properties and Shubnikov-de Haas Oscillations of 2DEG in ScAlN/AlGaN/AlN/GaN and NbAlN/AlGaN/AlN/GaN Heterostructures

著者名

Yusuke Wakamoto, Kouei Kubota, Tomoya Okuda, Souta Kurogi, Atsushi Kobayashi, Takuya Maeda*

URL

https://iwn2026.jp/

研究助成

本研究は、科学技術振興機構（JST）「創発的研究支援事業（課題番号：JPMJFR234D）」、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ました。また、AlGaN/AlN/GaN/SiC基板については、住友電気工業株式会社にご提供いただきました。

用語解説

（注1）反応性スパッタエピタキシー法
反応性スパッタエピタキシーは、窒素を含むプラズマ中で金属ターゲット（Al、Nbなど）をスパッタし、叩き出された金属原子と窒素を基板上で反応させて窒化物薄膜単結晶をエピタキシャル成長させる手法です。MOCVDやMBEと異なり有機金属原料や高温アンモニアを使わず、比較的低温・高速で成膜できます。

（注2）窒化ニオブアルミニウム（NbAlN）
窒化アルミニウム（AlN）に遷移金属のニオブ（Nb）を加えた窒化物半導体です。Nbは金属的な岩塩型NbNを作りやすい元素ですが、2026年に、GaNと同じウルツ鉱型構造と極性を保った単結晶薄膜がGaN上に初めて作製されました[1]。GaN系ヘテロ構造のバリア層に用いると、分極の効果により界面の2DEG密度が従来構造の3倍超に高まることが示されており、ScAlNに続く新しい極性窒化物として注目されています。
[1] A. Kobayashi et al., Advanced Materials 2026, e074756. https://doi.org/10.1002/adma.74756

（注3）シュブニコフ・ド・ハース（Shubnikov–de Haas, SdH）振動
極低温・強磁場下で、電気抵抗が磁場の逆数に対して周期的に振動する現象です。磁場中では電子のエネルギーがランダウ準位と呼ばれるとびとびの値に量子化され、磁場を強くするとこの準位がフェルミ準位を次々に横切るために、磁気抵抗に振動が生じます。振動の周期からは電子濃度が、振幅の温度・磁場依存性からは電子の有効質量や量子緩和時間が求められます。電子の散乱が少ない高品質な試料でのみ明瞭に観測されるため、結晶や界面の品質を示す指標にもなります。

（注4）高電子移動度トランジスタ（HEMT）
化合物半導体ヘテロ接合においては、変調ドーピングや分極誘起ドーピングによって不純物を添加していない層に高移動度な2DEGを誘起させることができます。この2DEGを活用した電界効果型トランジスタはHEMTと呼ばれ、携帯電話や衛星通信などの高周波無線通信に使用されています。1979年に富士通研究所の三村高志氏らがHEMTを発明しました。