2026年3月31日
Patentix株式会社（以下「当社」）は、次世代パワー半導体材料として注目されているルチル型二酸化ゲルマニウム（r-GeO2）でデプレッション型MOSFETを作製し、そのトランジスタ動作実証に成功しました。MOSFETは基本的なパワーデバイスの１つであり、今回の結果は、今後のエンハンスメント型MOSFETの実現の基礎となる重要な結果です。
 
【背景】
ルチル型二酸化ゲルマニウム（r-GeO2）は、炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）よりも大きなバンドギャップ(4.68eV)を有し、p型/n型の両伝導性が理論的に予測されていることから、高耐圧・高出力・高効率なパワー半導体デバイスを実現できる次世代の半導体材料として注目を集めています。
 
当社はこれまでに、Sbをドーパントとするn型r-GeO2の成膜・導電性制御技術を確立し、n+層成膜によるオーミックコンタクトの実現[1]、および、n-層成膜によるショットキーバリアダイオード(SBD)の動作実証に成功してきました[2]。一方で、同じく基本的なパワーデバイスの1つであるMOSFETについては、その早期実現が期待されていました。
 
【先行研究】
r-GeO2によるMOSFETの選考する研究例として、スパッタ成膜を利用してSiO2/p+ Si基板上にGeO2膜を形成することでFET動作が報告されています[3]。また、25年11月にはTSSG法で育成されたr-GeO2の単結晶にリンをイオン注入することで、MOSFETの動作を確認しています。一方、大面積基板と高いコスト競争力が期待されるヘテロエピタキシャル膜をもちいたMOSFETの動作実証はこれまで報告されていませんでした。
 
【成果】
今回、当社がこれまで確立した成膜技術を駆使して、n型r-GeO2のみで作製可能なデプレッション型MOSFETのトランジスタ動作実証に成功しました。
 
図1(a)(b)に、作製したr-GeO2 MOSFETの断面模式図と光学顕微鏡像を示します。r-TiO2基板上に不純物をドーピングしたr-GeO2膜による電流遮断層を形成し、その上に選択成長によりSbドープn-チャネル層（厚さ160nm）、ソース/ドレインn+層を成膜することで、素子分離構造のあるオーミックコンタクト抵抗の低減したMOSFETを作製しました。なお、ゲート絶縁膜にはSiO2（膜厚75nm）、電極にはPt/Tiを使用しています。同デバイス構造においては、負のゲート電圧印加によりゲート絶縁膜直下から空乏層を伸ばすことで、ドレイン-ソース間の電流経路を遮断することで、電流をオフできます。
 
図1：r-GeO2 MOSFETの(a)断面模式図と(b)光学顕微鏡像
 

作製したr-GeO2 MOSFETのID-VG特性を図２(a)に示します。ゲート電圧VGによりドレイン電流IDが5桁以上のオン/オフ比で変化し、負のゲート電圧でドレイン電流がオフするデプレッション型のトランジスタ動作を確認しました。同図に示すヒステリシス測定では、ゲート電圧印加に伴う特性変動が小さく抑制されており、プロセス条件が最適化されていない中でも、欠陥の少ないgゲート絶縁膜界面が形成されていると考えられます。
 
また、図２(b)に示すID-VD特性からは、ドレイン電圧Vdの増加に伴い、線形から飽和特性へと移行する典型的な特性が確認されました。
図2：r-GeO2 MOSFETの(a) ID-VG特性と(b) ID-VD特性
 

【将来展望】
今後は、r-GeO2のパワー半導体材料としての有用性を証明するために、p型r-GeO2の作製技術を確立するとともに、同技術を適用したエンハンスメント型MOSFETの動作実証に向けた検討を進めてまいります。
 
 
[1] Y. Shimizu, et al., N-type conductivity in single-phase r-GeO2 thin films., 2024 MRS Fall Meeting & Exhibit, SF04.15.08 (2024).
 
[2] 清水悠吏 他, 「ルチル構造二酸化ゲルマニウム(r-GeO2)のショットキーバリアダイオード特性」,第72回応用物理学会春季学術講演会, 15a-K403-11(2025).
 
[3] D. Dai, et al. "Demonstration of enhancement-mode high-k gated field-effect transistors with a novel ultrawide bandgap semiconductor: Germanium oxide." APL Materials 13.7 (2025).
 
[4] K. Tetzner, et al. "Lateral rutile GeO2 MOSFET devices on single-crystal r-GeO2 substrates." IEEE Electron Device Letters (2025).