2017 Fiscal Year Annual Research Report
Bottom up creation of singularities by utilization of equilibrium and non-equilibrium crystal growth from vapor phase
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06417
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
熊谷 義直 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 卓越教授 (20313306)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 尚 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401455)
山口 智広 工学院大学, 先進工学部, 准教授 (50454517)
小西 敬太 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (50805257)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | Ⅲ族セスキ酸化物半導体 / 発現相制御 / 熱平衡成長 / 非熱平衡成長 / 安定相 / 準安定相 / 相混在 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ⅲ族セスキ酸化物半導体結晶Ga2O3とIn2O3について、ハライド気相成長法とミスト気相堆積法の2種の成長法で成長様式を比較しながら準安定相発現のキーとなる成長条件を検討した。
Ga2O3成長では、GaCl-O2-N2系とGaCl-H2O-N2系によるハライド気相成長の比較から、完全非水素系であるGaCl-O2-N2系が高純度層の成長を可能にすることを解明した。サファイア（コランダム結晶）基板上で成長温度を高温から低温にしていくと、両成長手法ともに原料供給律速（熱平衡下成長）から表面反応律速（非熱平衡下成長）に成長様式が切り替わり、それと同時に安定相β（単斜晶）層中に準安定相α相（コランダム結晶）が混入し始め、さらに低温とするとα相の単結晶層が成長可能であることが分かった。さらに、ハライド気相成長法でα相単結晶層が成長できる条件で基板をGaN（ウルツ鉱構造）テンプレートに変えたところ準安定相ε相（ウルツ鉱構造）が成長すること、Ga原料をGaClからGaCl3に変えるとサファイア上であってもε相が成長できることが分かった。以上の結果から、準安定相の発現は、表面反応が律速となり過剰な原料分子が表面に存在する非熱平衡成長において、下地基板の結晶格子による拘束、付着原料分子による拘束の下で決まることが分かった。
In2O3成長では、InCl-O2-N2系ハライド気相成長をサファイアのオフ基板上で実施したところ、熱平衡下成長、非熱平衡下成長で安定相c相（ビクスバイト結晶）成長が生じ、1000℃の高温成長では単結晶が得られた。一方、ミスト気相堆積法では非熱平衡下成長でc相に準安定α相の混入が認められ、α相Ga2O3テンプレート上ではα相In2O3の単結晶層が得られた。今後、ハライド気相成長でもα相Ga2O3テンプレートを用いることで準安定α相In2O3を発現できるものと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ⅲ族セスキ酸化物半導体結晶の安定相、準安定相発現メカニズムを解明し、ヘテロ界面制御および混晶によるバンドエンジニアリングに繋げる本課題において最重要課題となる準安定相発現のキーパラメータの解明を達成した。ハライド気相成長法では準安定In2O3が得れらなかったが、準安定相を成長できたミスト気相堆積法との比較からハライド気相成長法でも準安定In2O3成長の可能性が見出されており、当初の目的を概ね達成している。
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| Strategy for Future Research Activity |
酸化アルミニウム結晶についても成長を試み成長を達成すると共に、これまでGa2O3とIn2O3の成長で明らかにしてきた準安定相発現メカニズムを共通のモデルとして適用可能かどうかチェックする。これによりAl2O3-Ga2O3-In2O3結晶群を利用した広範な混晶成長の可能性を示す。また相混在を利用したヘテロ界面の制御に着手し、転位の伝播挙動を解明する。
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