Development of novel bulk AlN crystal growth method using Ni-Al solution

• Project/Area Number: 20H02633
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Adachi Masayoshi 東北大学, 多元物質科学研究所, 講師 (90598913)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: 液相成長法 / 窒化アルミニウム / 結晶成長 / 液相成長 / バルク結晶

Outline of Research at the Start

本研究課題では，次世代パワーデバイス等の材料として期待される窒化アルミニウム(AlN)のバルク単結晶の液相成長法の研究・開発を行う．本研究課題では，液相成長のフラックスとしてNi-Al合金を用いる．Niをフラックスとして用いることで，液相中におけるAlの活量が低下するため，高温でも安定的にAlを保持することができる．また，1800から2200 K程度の温度で平衡に近い状態でAlN生成反応の駆動力を制御できる．本研究課題では，AlN成長炉を作製してAlNの成長実験を行うとともに，熱流動解析に必要なフラックスの融液熱物性値を測定し，実験とシミュレーションの2つのアプローチから本手法の開発を進める．

Outline of Final Research Achievements

AlN single crystals are expected to be a potential material exceeding SiC and GaN due to their wide bandgap energy and large breakdown field strength, however, low-cost mass production technology has not been established. In this research project, a novel solution growth method of AlN crystal using Ni-Al have developed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究課題により、Ni-Alを用いた新しいAlN単結晶の液相成長法が開発された。本研究課題での系統的な実験により、各成長条件が成長したAlN結晶に及ぼす影響が調査され、Ni-AlフラックスからのAlNの成長挙動を明らかにすることができた。これら一連の成果を元に、今後本手法の大型化を目指した研究を継続し、本手法の実用化を目指した研究を展開していく。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis of AlN single crystal by solution growth method using type 430 ferritic stainless steel flux (2023)
  • Author(s): Li Sen、Adachi Masayoshi、Ohtsuka Makoto、Fukuyama Hiroyuki
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 13 Issue: 8
  • DOI: 10.1063/5.0161962
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temperature dependence of crystal growth behavior of AlN on Ni-Al using electromagnetic levitation and computer vision technique (2023)
  • Author(s): Masayoshi Adachi , Sonoko Hamaya , Daisuke Morikawa , Benjamin G. Pierce , Ahmad M. Karimi , Yuji Yamagata , Kenji Tsuda , Roger H. French , Hiroyuki Fukuyama
  • Journal Title: Materials Science in Semiconductor Processing Volume: 153 Pages: 107167-107167
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2022.107167
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ observations of the dissolution of an AlN film into liquid Al using a high-temperature microscope (2022)
  • Author(s): Adachi Masayoshi、Fujiwara Keigo、Sekiya Ryuta、Kobatake Hidekazu、Ohtsuka Makoto、Fukuyama Hiroyuki
  • Journal Title: Materials Science in Semiconductor Processing Volume: 142 Pages: 106469-106469
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2022.106469
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Composition Dependence of Normal Spectral Emissivity of Liquid Ni–Al Alloys (2021)
  • Author(s): Adachi Masayoshi、Yamagata Yuji、Watanabe Manabu、Hamaya Sonoko、Ohtsuka Makoto、Fukuyama Hiroyuki
  • Journal Title: ISIJ International Volume: 61 Issue: 3 Pages: 684-689
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-233
  • NAID: 130007999454
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • Year and Date: 2021-03-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 溶融Fe-Cr-Ni合金を用いた溶液成長法によるAlN結晶成長に及ぼす冷却速度の影響 (2024)
  • Author(s): 大塚 誠, 新野田 剛, 安達 正芳, 福山 博之
  • Organizer: 日本金属学会2024年春期(第174回)講演大会
• [Presentation] 溶融Fe-Cr-Ni合金を用いた溶液成長法におけるAlN結晶の成長形態に及ぼす温度の影響 (2024)
  • Author(s): 新野田 剛, 安達 正芳, 大塚 誠, 福山 博之
  • Organizer: 日本金属学会2024年春期(第174回)講演大会
• [Presentation] 溶融Fe-Cr-Ni合金におけるAlN溶解度積の熱力学的検討 (2023)
  • Author(s): 新野田 剛, 安達 正芳, 大塚 誠, 福山 博之
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
• [Presentation] Solution Growth of AlN single crystal in Fe-Cr flux (2023)
  • Author(s): 李 森, 安達 正芳, 大塚 誠, 福山 博之
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
• [Presentation] Fabrication of AlN Single Crystal by Solution Growth Method using Ferritic Stainless Steel Flux (2023)
  • Author(s): Sen LI, Masayoshi Adachi, Makoto Ohtsuka, Hiroyuki Fukuyama
  • Organizer: The 14th International Conference on Nitride Semiconductors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ni-Alフラックス法によるAlNの結晶成長挙動に及ぼす坩堝材の影響 (2023)
  • Author(s): 朴 珉秀, 大塚 誠, 安達 正芳, 福山 博之
  • Organizer: 日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
• [Presentation] Synthesis of AlN Single Crystal by Solution Growth Method in SUS430 Flux (2023)
  • Author(s): 李 森, 福山 博之, 大塚 誠, 安達 正芳
  • Organizer: 日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
• [Presentation] Growth Behavior of AlN on AlN/Sapphire Substrates by Solution Growth Using Molten Ni-Al Alloy (2022)
  • Author(s): Minsoo PARK, Makoto OHTSUKA, Masayoshi ADACHI, Hiroyuki FUKUYAMA
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期(第171回)講演大会