2022 Fiscal Year Research-status Report
水溶液法による酸化ガリウムエピタキシャル層の低温直接形成
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21K04657
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
我田 元 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (40633722)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 酸化ガリウム / エピタキシャル層 / 水溶液法 / Chemical Bath Deposition / ヘキサフルオロガリウム酸アンモニウム / オキシ水酸化ガリウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代パワーデバイス用材料のひとつとして期待されるβ-酸化ガリウム (β-Ga2O3) エピタキシャル層を水溶液法により形成することを目的とする。通常、β-Ga2O3層は500℃～1000℃の高温かつ高真空を利用する気相法で作製される。それに対し、低温・低温エネルギー、かつ大気圧を利用する水溶液法でのβ-Ga2O3層形成が可能となれば、環境負荷の低減だけでなく、製造コスト低減によりβ-Ga2O3の普及への一助となると考えられる。本研究では、水溶性ガリウム塩であるヘキサフルオロガリウム酸アンモニウム ((NH4)3GaF6) を合成し、その水溶液中での加水分解反応を制御することで、従来は困難であった水溶液中でのβ-酸化ガリウム層形成を目指す。また、Non-Seed CBD (Chemical Bath Deposition, 化学浴堆積)法を利用することで、β-Ga2O3エピタキシャル層の低温直接形成を目指す。
本年度は、(NH4)3GaF6のボールミルによる合成を見直し、アルコール中で合成を行うことで、繰り返し性よく(NH4)3GaF6を合成可能となった。得られた(NH4)3GaF6を使用して、Non-Seed CBD法によるガリウム化合物の成膜を行った。種々の温度、pH条件を検討したものの、いずれの条件においても生成相はオキシ水酸化ガリウム(GaOOH)となり、酸化ガリウム相を得ることはできなかった。ただし、pH条件によって膜構造が変化することを見出し、特に高pH条件においては、柱状結晶が垂直に配列した膜構造が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度検討したボールミルによる(NH4)3GaF6合成を継続したところ、不純物相の生成を抑制することが困難であり、さらに、実験ごとに含まれるガリウム量のばらつきが大きいとわかった。そのため、異なる合成方法を検討し、最終的にアルコールを液相とすることで繰り返し性良く(NH4)3GaF6を合成することが可能となった。得られた(NH4)3GaF6を使用してNon-Seed CBD法によるガリウム化合物の成膜を行った。種々の成膜条件を検討したところ、高温ほどGaOOH形成が促進されること、また、pHによって生成物や膜構造が変化することがわかった。特にpHの影響は大きく、pH = 6.50ではアモルファスの堆積物が、pH = 7.20～ pH = 9.28 では柱状のGaOOHの並んだ膜が形成し、pH = 9.96 では膜は形成しなかった。とくに、pH = 8.80では柱状結晶が基板から垂直に配列した、比較的ち密な構造をもつGaOOH膜が得られた。GaOOHの前駆体の Ga(OH)3 が、低pHではガリウムイオンが安定となって溶解し、高pHでは水酸化物錯体を形成して安定化するため、安定的に成膜可能なpH領域があると考えられる。また、GaOOHの過飽和はpHとともに変化するため、基板上での核生成密度がpHとともに変化し、適切なpHにおいてち密な膜構造を形成したと考えられる。となった通常の水溶性ガリウム塩であるGa(NO3)3を使用した場合と比較して、比較的ちみつな膜構造が得られたことから、溶液中での均一核生成と溶質濃度低下が抑制され、膜形成は促進したと考えられる。一方で、Ga2O3の直接形成条件は見いだせておらず、引き続き条件検討が必要だと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究によって、繰り返し性よく(NH4)3GaF6を合成することに成功した。また、得られた(NH4)3GaF6を使用してNon-Seed CBD法によるGa2O3膜の作製を試みたものの、検討したいずれのpH条件においてもGaOOHの柱状結晶が配列した膜となった。
次年度は、引き続き溶液中でのGa2O3の直接形成のための成膜条件の検討を試みる。 (NH4)3GaF6の濃度や、ガリウムイオンの加水分解制御のためのホウ酸濃度については未検討であることから、これらの濃度を制御して成膜を検討する。また、近年Takanoらが、アルコール溶媒中に金属ガリウムを分散させ、ヒドラジンを添加して加熱しながら超音波処理することで金属ガリウム表面に直接Ga2O3が生成すると報告している(Adv. Powder Tech. 2021)。これらの実験系をNon-Seed CBDに適用することで、Ga2O3成膜を試みる。
ガラス基板上でのβ-Ga2O3成膜が可能となった場合、サファイア基板あるいはβ-Ga2O3単結晶基板上へのβ-Ga2O3エピタキシャル層形成を試みる。ガラス基板上への成膜で得られた条件を利用して実験するが、エピタキシャル層形成では成長面での2次核生成を抑制する必要があるため、最適な実験条件(pH、温度、溶質濃度など)は少し異なると予想される。作製した試料の解析を適宜成膜条件にフィードバックすることで、エピタキシャル層の形成条件を見出す。
得られた薄膜は、XRDにより結晶相を同定し、走査型電子顕微鏡により表面形状と膜厚、紫外可視分光光度計により光透過率、X線光電子分光により表面化学状態を評価する。また、ホール測定装置およびインピーダンスアナライザにより電気特性を評価する。
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| Causes of Carryover |
2022年度において、研究を加速度的に進展させるため、新たにNon-Seed CBD装置を製作しようと考え、回転機構やヒーターの制御装置の製作を年度内納品予定で業者に依頼した。しかし、半導体供給の逼迫から、年度内納品が困難であり、そのための予算を次年度に繰り越している。
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