2012 Fiscal Year Research-status Report
高品質窒化ガリウムインゴットの実現を目指した超高温成長技術の開発
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24760011
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
今出 完 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40457007)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2014-03-31
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| Keywords | 窒化ｶﾞﾘｳﾑ / 酸化ｶﾞﾘｳﾑ |
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| Research Abstract |
本研究では、高品質窒化ガリウム(GaN）インゴットの実現を目指した超高温GaN成長技術の開発を目的とする。申請者が開発した、酸化ガリウム(Ga2O)を原料に用いるGaNの気相成長法は、従来の気相法(～1050℃)を遥かに凌ぐ高温(1250℃以上)でのGaN成長が可能である。本申請研究では、酸化ガリウム(Ga2O)原料からの新規GaN気相成長法による超高温成長を実施し、GaN(0002)X線ロッキングカーブ半値幅30秒以下、転位密度10の4乗/cm2以下の厚さ1cm超の柱状GaN単結晶成長を作製し、本手法による高品質GaNインゴットの実現可能性を検証する。
平成24年度は、超高温成長による高品質化、及び形状制御を実証し、品質目標の達成を目指して研究を遂行した。具体的な実績を以下に示す。
(1)超高温(1250℃～1500℃)でのGaN育成と評価：従来の横型CVD装置の加熱方式である抵抗加熱から高周波加熱方式に変更した、最大1500℃で成長可能な育成装置の開発・立ち上げを行った。開発した装置にて1250℃育成を行い、X線ロッキングカーブ半値幅39秒の高品質結晶を得た。
(2)高品質Naフラックス法で作製した低転位GaN基板上への成長：Naフラックス法で作製した低転位GaN基板上への育成を行い、X線ロッキングカーブ半値幅27秒、転位密度10の4乗/cm2台の高品質結晶の育成に成功した。
(3)熱力学解析による理論的検討：熱力学計算の結果から、育成温度が高温であるほど不純物（酸素）が結晶中に取り込まれにくいことが明らかになり、本手法の特徴である超高温育成が高品質化に有用であることを示した。また、原料として用いている酸化ガリウム(Ga2O)は高温であるほど安定であり、更なる育成温度の上昇において原料供給の問題がないことが示唆された。
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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
結晶品質（X線ロッキングカーブ半値幅30秒、転位密度10の4乗/cm2以下）に関しては、Naフラックス法で作製した低転位GaN結晶を種結晶として利用することで、ほぼ目標通りの品質を有するGaN結晶育成に成功した。
また、当初の予定とは変更したため、1300℃以上の超高温GaN成長は未達となったが、最大1500℃で育成可能な超高温CVD装置の開発・立ち上げは完了しており、また、熱力学計算の結果からも高温育成の優位性が示されている。前倒しで長時間成長へ向けた装置構造・種結晶配置の最適化を流体解析により検討しており、今年度、併せて実施できる状態にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、まず初年度に立ち上げた超高温CVD装置による1300℃以上での結晶育成を行い、柱状結晶成長条件を確立させる。その後、高品質NaフラックスGaN基板上への長時間成長を行い、柱状GaN単結晶の育成を行う。具体的には、以下に示すように、超高温育成による柱状化の実証、原料連続ローディング機構の導入と、それを用いた長時間成長を行う。
(1)超高温成長でのGaN柱状結晶条件の確立：1300℃以上の超高温GaN成長を行い、成長形状の成長温度依存性を調査し、柱状に育成する条件を確立させる。
(2)Ga2O原料連続ローディング機構の確立：現状のGa2O原料生成機構は、長時間成長時に出発原料が枯渇する問題がある。そこで、原料生成部の構造、出発原料種、出発原料形状の検討を行い、長時間のGa2O連続供給システムを構築する。原料連続ローディング機構の設計、及び製作は、川野氏（株式会社フェニックステクノ）と連携して進める。
(3)長時間成長：GaN基板上へ(1)で見出した条件、及び(2)で開発する原料連続ローディング機構を使用して、高品質NaフラックスGaN基板上への長時間育成を行い、1cm超の高品質(X線ロッキングカーブ半値幅100秒以下、転位密度10の4乗/cm2)柱状GaN単結晶成長を目指す。長時間成長では、種結晶外への多結晶発生、それにともなう成長速度・品質の低下、形状の時間変化が懸念されるが、昨年度より着手した流体解析の結果をもとに、原料ノズル形状やガスの流速等を最適化させることで回避する。1250℃以下対応のCVD装置(2台)においても並行して検討を行い、効率化を図る。得られた知見は適宜、超高温CVD装置へフィードバックし、時間的に安定な長時間成長を実現させる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究を進めていく上で必要に応じて研究費を執行したため当初の見込み額と執行額は異なったが、研究計画に変更はなく、前年度の研究費も含め、当初の予定通り計画を進めていく。具体的には、①原料連続ローディング機構のための装置改造費(200千円)、②原料やガスなどの消耗品(930千円)に使用する。
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