シリコンの次を測る――北海道大と京都大、α型酸化ガリウムの電子と熱の特性を実測

「次世代」の前に、まず数字を確かめる

太陽光発電の電力を家庭で使う。電気自動車の電池からモーターを動かす。工場の設備を精密に制御する。こうした電力変換では、半導体のスイッチが何度も電流を切り替える。そのたびに生じる損失は熱となり、冷却装置の大きさや製品寿命にも響く。

次の材料を探す研究で重要なのは、華やかな性能予測だけではない。電子が結晶内でどのように動き、発生した熱がどれほど逃げるか。北海道大学と京都大学の研究チームは、この設計の出発点になる二つの値を、α型酸化ガリウム薄膜で実際に求めた。

研究論文は2026年11月5日、米国化学会の専門誌『ACS Applied Electronic Materials』にオンライン掲載され、両大学は9日に成果を発表した。新たな製品が完成したのではない。期待が先行しがちな材料について、計算値だけに頼らない設計の手掛かりが得られたのである。

5.3電子ボルトという材料の可能性

酸化ガリウム（Ga₂O₃）は、酸素とガリウムから成る半導体材料だ。今回の対象はコランダム型の結晶構造を持つα相（α-Ga₂O₃）。北海道大学の発表によれば、光学バンドギャップは約5.3電子ボルトに達する。

バンドギャップは電子が電気を流せる状態になるためのエネルギーの隔たりであり、その幅が広い材料は、高い電界に耐える素子の候補になる。ただし、広ければ必ず優れた製品になるわけではない。電流を流す際の抵抗、結晶欠陥、電極との接触、放熱、製造歩留まりなど、実用の成績を決める条件は多い。

シリコンが半導体産業を支えてきたのは、材料そのものの性能だけでなく、巨大な製造基盤が確立しているからだ。炭化ケイ素（SiC）は高耐圧の電力変換で採用が進み、窒化ガリウム（GaN）は高速スイッチングなどで存在感を増している。α型酸化ガリウムは、その先の選択肢を広げる研究対象である。

薄膜を育て、電子と熱を調べた

研究を進めたのは、北海道大学電子科学研究所の太田裕道教授らと、京都大学大学院工学研究科の田中勝久教授らの共同グループ。ゲルマニウム（Ge）を添加したα型酸化ガリウムのエピタキシャル薄膜を、ミスト化学気相成長法（ミストCVD法）で作製した。

ミストCVDは、原料を含む微細な霧を用いて基板上に結晶性の膜を成長させる方法である。今回測ったのは、半導体素子として組み上げた製品の効率ではなく、その材料を設計する際に必要な基礎物性だ。

熱電能とキャリア濃度の測定を組み合わせ、電子の有効質量を推定した。また、時間領域サーモリフレクタンス法を使い、薄膜の面に垂直な方向の熱伝導率を求めた。測定対象や方向を限定して読む必要がある。

電子の有効質量は0.40m₀

電子の「有効質量」は、電子そのものが重くなるという意味ではない。結晶中のエネルギー構造に応じ、外から力を受けた電子がどの程度動きやすいかを表す指標だ。素子の電流特性を考えるうえで欠かせない。

今回得られた値は、自由電子の静止質量m₀の約0.40倍。論文で紹介された理論計算値の約0.25m₀とは差があった。理論が無意味だったということではない。薄膜の性質を現実の設計に落とし込むには、仮定を置いた計算だけでなく、測定条件を伴う実験値が必要だと示している。

なお論文の推定は、伝導帯の底付近を放物線で近似する仮定に基づく。こうした前提も含めて研究結果を理解することが、専門的な報道には求められる。

熱伝導率19W/mKの意味

もう一つの値は、面直方向の熱伝導率、約19ワット毎メートル・ケルビン（W/mK）である。研究対象の薄膜では、Ge濃度による大きな違いはみられなかったと論文は記す。

数値が得られたこと自体は前進だが、「熱に強いことが証明された」と読み替えるのは誤りだ。酸化ガリウムは、熱を逃がしにくい点が課題として知られている。電気的な損失が少なくても、狭い領域に熱が集中すれば、信頼性や寿命を損ないかねない。

放熱性の高い基板との接合、熱拡散構造、薄膜の厚さ、封止技術などが将来の設計課題になる。しかも今回の19W/mKは薄膜を厚み方向に測った値であり、完成したトランジスタ全体の放熱性能ではない。

日本が積み重ねた酸化ガリウム研究の歴史

日本の酸化ガリウム研究には長い蓄積がある。情報通信研究機構（NICT）とタムラ製作所などは2012年1月、酸化ガリウム単結晶を用いた電界効果トランジスタの動作実証を発表した。翌2013年にはMOSFETの試作も公表している。

ただし、これら初期の実証で主に使われたのはβ型酸化ガリウムだ。今回のα型とは結晶構造が異なる。材料名が同じでも、結晶の育て方や物性、加工上の課題は同一ではない。

一方、α型では、サファイア基板とミストCVDを生かした薄膜成長が研究されてきた。2016年の日本材料学会の論文は、コランダム型酸化ガリウムの結晶成長と素子応用の歩みを整理している。研究史は単純な「シリコンから酸化ガリウムへ」の交代劇ではなく、複数の結晶相と製造法をめぐる試行錯誤の歴史だ。

シリコン、SiC、GaNとの比較で見落とせない点

シリコンには安価で成熟した大量生産の強みがある。SiCは高電圧・高温の用途で実装実績を重ねる。GaNは高速動作や小型電源などで競争力を発揮する。酸化ガリウムの魅力は広いバンドギャップと高耐圧素子の可能性だが、各材料を一つの物性値だけで順位付けすることはできない。

例えば、電気自動車の駆動インバーターなら効率だけでなく、急激な負荷変動への耐久性、熱サイクル、故障時の挙動、供給能力、保証期間まで問われる。太陽光発電のパワーコンディショナーでも同様だ。

また酸化ガリウムでは、安定したp型導電性を得にくいことが素子構造上の制約になる。材料の可能性が大きいほど、それを製品として形にする技術の難しさも見えてくる。

国際競争は一つの「世界初」で決まらない

海外でも酸化物半導体の研究は進む。2026年10月に『Nature』に掲載された研究では、アルミニウムとガリウムを組み合わせた酸化物半導体で7電子ボルトを超えるバンドギャップと、素子構造の実証が報告された。

こちらはα-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃という合金系で、北海道大学のGe添加α-Ga₂O₃とは材料構成も研究目的も異なる。バンドギャップの最大値を競う研究と、特定の薄膜の有効質量や熱伝導率を定める研究は、互いに補う関係にある。

日本が今後競争力を得られるかどうかは、材料特性の把握から、結晶欠陥の抑制、電極・絶縁膜の形成、量産工程、長期信頼性の検証へとつなげられるかにかかっている。

電気自動車と再エネに使える日は来るか

電気自動車のインバーター、充電器、太陽光発電設備、送配電装置、工場のモーター制御。高効率の電力変換を必要とする場所は広い。酸化ガリウムが役立つ可能性は確かにあるが、今回の研究は、それらの用途で省エネ率を実測したものではない。

素子のオン抵抗、スイッチング損失、熱抵抗、電圧サージへの耐性、製造コスト、寿命を評価しなければ、既存材料に対する優位性は判断できない。材料の研究発表から製品の普及までには、長い検証の工程がある。

「次世代」とは来年必ず主流になるという意味ではない。現在の機器を使う消費者や企業にとっては、いつどの用途で製品化されるかが分からない、という点も重要な情報である。

測った先にある課題

次の試験で問われるのは、より大きな面積で同じ品質の薄膜を繰り返し作れるか、発熱を逃がす構造を組み込めるか、電極や絶縁膜の劣化を抑えられるか、そして実際の電力変換条件で長く動くかだ。

今回の成果は、それらの挑戦に必要な設計情報を提供した。理論上の性能だけを宣伝する段階から、実測した数字を使って素子の可能性と限界を比較する段階へ。小さな薄膜の二つの値が、研究の議論を一歩現実に近づけた。

シリコンが明日消えるわけではない。しかし、電気を無駄なく使う技術を磨くために、日本の研究者は次の材料を判断する物差しを一つ増やした。