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摘要：研究小组提出了一种以作为下一代功率半导体材料而备受关注的金红石型GeO₂（r-GeO₂）为中心的新型金红石型氧化物半导体混晶系统（GeO₂-SnO₂-SiO₂），同时从实验和计算两个方面证明了该系统的实用性。

关键字：新型功率半导体材料、金红石型GeO₂（r-GeO₂）、氧化物半导体混晶系统、功率器件、UWBG半导体

要点

在性能超过氧化镓的r-GeO₂中，通过制造混晶控制了带隙和电导率。
提出了一种旨在用于功率半导体的GeO₂-SnO₂-SiO₂新型混晶系统。
从实验和计算两个方面对混晶系统的物理常数进行了测定，获得了作为器件设计指标的相关知识。

研究成果概要

理论上预测，r-GeO₂的带隙高达4.7eV，同时具有pn双模式传导能力；此外，由于可以生长块状晶体，因此作为实现低损耗且高耐压功率器件的下一代功率半导体材料而备受关注。

本研究通过合成整个成分范围内的r-Ge_xSn_1-xO₂混晶薄膜，分析其物理性质，以及采用第一性原理计算，对r-Ge_xSn_1-xO₂和r-Ge_xSi_1-xO₂混晶进行能带排列分析，实现了对GeO₂-SnO₂-SiO₂混晶系统中的带隙等各种物理性质的控制，同时阐明了r-Ge_xSn_1-xO₂混晶中电导率控制的可能性，以及r-Ge_xSi_1-xO₂混晶作为势垒层的实用性。今后，包括r-GeO₂在内的金红石型氧化物半导体的相关研发有望取得进一步进展，从而应用于制作功率器件。

金红石型氧化物混晶系统（GeO₂-SnO₂-SiO₂）的晶体结构和晶体中电子运动的示意图

研究背景

AlGaN、Ga₂O₃、金刚石等超宽带隙（UWBG）半导体（带隙>3.4eV）具有更低的介电常熟和更高的击穿电场，有望成为实现低损耗且高耐压功率器件的下一代半导体材料。然而传统的UWBG半导体，衬底价格昂贵，pn双模式传导难以控制等问题，成为器件开发和应用的主要障碍。

其中，金红石型结构的GeO₂（r-GeO₂）作为一种新型UWBG半导体最近引起关注。其原因主要如下：①r-GeO₂具有与β-Ga₂O₃同等程度的宽带隙（4.7eV）；②理论上预测了pn双模式传导的可能性以及高电子/空穴迁移率；③具有超过β-Ga₂O₃的热导率；以及④可以使用低成本方法合成块状晶体。此外，自2020年以来，在日本已有生长r-GeO₂薄膜的相关报道，目前，正在加速研究应用于功率器件的r-GeO₂。

研究内容

本研究首次提出了一种以r-GeO₂为中心的新型混晶系统（GeO₂-SnO₂-SiO₂）（图），以期应用在异质结器件等更广泛的功率器件中。同时，研究目标是从实验和理论两个方面证明这种混晶系统的实用性。

首先，作为一种实验方法，研究小组使用雾化学气相沉积（雾CVD）法合成了整个成分范围内的r-Ge_xSn_1-xO₂薄膜并分析了其物理性质。阐明了通过改变成分可以调制晶格常数和带隙，同时确认了r-Ge_xSn_1-xO₂混晶薄膜的各成分中的晶格常数和带隙值与后述的第一性原理计算得到的值和趋势相一致。此外，还证明了0≤x≤0.57（x：薄膜中的Ge成分）时具有n型传导性。

接着，作为一种理论方法，研究小组使用第一性原理计算对r-Ge_xSn_1-xO₂和r-Ge_xSi_1-xO₂混晶进行了能带排列分析。预测了r-Ge_xSn_1-xO₂中Ge成分的增加，r-Ge_xSi_1-xO₂混晶中Si成分的增加会引起带隙的增大。此外，从各成分中导带和价带的行为发现在r-GeO₂和富含Ge成分的r-Ge_xSn_1-xO₂中p型掺杂的可能性，以及r-SiO₂和富含Si成分的r-Ge_xSi_1-xO₂作为势垒层的有用性。

图：本次提出的新型混晶系统（GeO₂-SnO₂-SiO₂）中带隙与晶格常数（a轴）的关系

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新型功率半导体材料金红石型GeO2混晶半导体的开发与带隙控制