NIMSら,新たな高品質窒化GaN結晶育成法を開発

物質・材料研究機構(NIMS)と東京工業大学は,次世代パワーデバイスとして期待される窒化ガリウム(GaN)の結晶成長において,欠陥を大幅に減らして高品質な結晶を得ることのできる新たな技術を開発した(ニュースリリース)。

窒化ガリウム半導体は,シリコンよりも大電流・大電圧に耐えることができるため,車載用次世代パワーデバイス等への応用に向けて精力的な開発が続けられている。

しかし,従来の原料ガスを基板に吹き付ける窒化ガリウム単結晶育成法では,結晶中に原子のズレ(転位欠陥)が多く生じてしまい,大電流を流した際にその部分を起点にデバイスが破損してしまうという根本的な問題が生じる。そのため現在は,原料を含んだ溶液中で結晶成長させるアモノサーマル法やナトリウムフラックス法と呼ばれる合成法の開発が活発になっている。

しかし,これらの手法では,転位欠陥といった原子レベルでの結晶のズレは最小限にできるものの,溶液成長特有の問題である「溶液成分が塊状に結晶内に取り残されてしまう(インクルージョン」という新たな課題の克服が問題となっていた。

研究グループは,高品質窒化ガリウム基板育成のために,特定の添加物を含んだガリウムとナトリウムの合金液体を下地の基板上に塗布しながら結晶育成を行なう,という取り組みを行なった結果,転位密度を1/100に減らしながら高品質の窒化ガリウムが成長し,かつインクルージョンが取り込まれなくなることを発見した。

今回,原理確認実験として,約800 ℃のフラックスを下地基板上に塗布しながら窒化ガリウムを結晶成長させた結果,成長中の結晶表面は窒化ガリウムの分子高さの凹凸に抑えることが可能となり,断面観察からも,インクルージョンが結晶中に存在していないことが確認された。この手法は工程も非常にシンプルであるため,約1時間のプロセスによって高品質の窒化ガリウム基板を得ることができるという。

今回の成果は,次世代パワーデバイス向けの高品質な窒化ガリウム基板を得る新たな製造方法としての応用が期待されるもの。研究グループは,現在は本手法の有効性確認のためにサイズの小さな結晶の育成を行なっている段階であり,今後,大型結晶化の実証実験を行ない実用化技術としての開発を進めていくとしている。

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