固体塩化物を用いた気相法によるⅢ族窒化物擬似基板及びデバイスの単一プロセス作製

• 研究課題/領域番号: 19H02614
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分30010:結晶工学関連
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 村上 尚 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401455)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2020年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2019年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
• キーワード: 結晶成長 / エピタキシャル成長 / 窒化物半導体 / 混晶 / 窒化ガリウム / トリハライド / 低転位 / 加工サファイア基板 / 窒化アルミニウムガリウム / ヘテロ界面 / ワイドバンドギャップ

研究開始時の研究の概要

III族窒化物半導体(BN, AlN, GaN, InNおよびそれらの混晶AlxGa1-xN等)の持つ優れた物性は、既に実用化された高輝度白色LEDや短波長レーザダイオードのみならず、地球規模で取り組むべき創・省エネルギーに貢献するパワー半導体素子、太陽電池用材料としての応用にも極めて高いポテンシャルを秘めている。本研究では、固体塩化物の比較的高い蒸気圧を活用し、塩化物原料を気化させ用いる新規気相成長法により、大きな成長速度が必要となる基板結晶の作製から、積層構造の急峻な界面制御が必要となるデバイス構造の作製までを単一の結晶成長装置で作製可能とする手法を確立する。

研究成果の概要

結晶の成長速度が極めて大きいトリハライド気相成長(THVPE)法の優位点と、デバイス作製の主力手法である有機金属気相成長(MOVPE)法の概念を取り入れた固体ソースTHVPE法を提案し、GaN種(下地)結晶基板作製のための高速成長モードとGaN/AlGaN系デバイス作製のための超低速成長モードとを同時に達成する手法の確立を目的として研究を行った。加工サファイア基板上へのGaN厚膜成長とGaN/AlGaNの多層薄膜結晶を達成し、固体ソースTHVPE法による基板作製およびデバイス作製を同一装置内、同時作製の可能性を示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

GaN系のレーザダイオードやトランジスタは、HVPE等の成長速度の大きい結晶成長手法で土台となる基板(ウエハ)を作製し、その上にMOVPE等の成長速度の精密制御が可能で、多種の薄膜作製が可能な結晶成長手法でデバイス構造を作製する。本研究では、固体原料の飽和蒸気圧を利用して気化させた金属三塩化物を結晶成長炉内に導入することを可能とし、HVPE、MOVPEの両方の利点が得られる結晶成長手法を確立した。金属三塩化物とアンモニアの反応機構やGaN系結晶の成長挙動の学術的知見に加え、単一プロセスで従来のデバイス構造が作製可能であることを示したことは産業的・社会的に意義が大きい成果と考える。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of substrate orientation on homoepitaxial growth of β-Ga2O3 by halide vapor phase epitaxy (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Goto, H. Murakami, A. Kuramata, S. Yamakoshi, M. Higashiwaki, Y. Kumagai
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 120 号: 10
  • DOI: 10.1063/5.0087609
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vertical β-Ga2O3 Schottky barrier diodes with trench staircase field plate (2022)
  • 著者名/発表者名: Sandeep Kumar, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, Masataka Higashiwaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 号: 5 ページ: 054001-054001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac620b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of lattice-relaxed InGaN thick films on patterned sapphire substrates by tri-halide vapor phase epitaxy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Ema, Ryohei Hieda, Hisashi Murakami
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 号: 10 ページ: 105501-105501
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1e46
  • 査読あり
• [雑誌論文] トリハライド気相成長法によるGaN結晶成長の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村上尚、纐纈明伯
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会誌 巻: 48
  • NAID: 130008110706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Homo- and hetero-epitaxial growth of β-gallium oxide via GaCl3-O2-N2 system (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ema, K. Sasaki, A. Kuramata, H. Murakami
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 564 ページ: 1261291-5
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facet stability of GaN during tri-halide vapor phase epitaxy: an ab initio-based approach (2021)
  • 著者名/発表者名: Yosho Daichi、Matsuo Yuriko、Kusaba Akira、Kempisty Pawel、Kangawa Yoshihiro、Murakami Hisashi、Koukitu Akinori
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 23 号: 6 ページ: 1423-1428
  • DOI: 10.1039/d0ce01683g
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Growth of Highly Crystalline GaN at High Growth Rate by Trihalide Vapor‐Phase Epitaxy (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Akira、Oozeki Daisuke、Kawamoto Naoya、Takekawa Nao、Bulsara Mayank、Murakami Hisashi、Kumagai Yoshinao、Matsumoto Koh、Koukitu Akinori
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 257 号: 4
  • DOI: 10.1002/pssb.201900564
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of intermediate layers on thick InGaN growth using tri-halide vapor phase epitaxy (2019)
  • 著者名/発表者名: Ema Kentaro、Uei Rio、Murakami Hisashi、Koukitu Akinori
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SC ページ: SC1027-SC1027
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab112c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of GaN on a three-dimensional SCAATTM bulk seed by tri-halide vapor phase epitaxy using GaCl3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Iso Kenji、Oozeki Daisuke、Ohtaki Syoma、Murakami Hisashi、Koukitu Akinori
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SC ページ: SC1024-SC1024
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab1479
• [雑誌論文] GaN growth via tri-halide vapor phase epitaxy using solid source of GaCl3: investigation of the growth dependence on NH3 and additional Cl2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Takekawa Nao、Takahashi Machi、Kobayashi Mayuko、Kanosue Ichiro、Uno Hiroyuki、Takemoto Kikurou、Murakami Hisashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 号: SC ページ: SC1022-SC1022
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab09da
• [学会発表] Influence of intermediate layer on the growth of InGaN on ScAlMgO4 through tri-halide vapor phase epitaxy (2022)
  • 著者名/発表者名: Iori Kobayashi, Ryohei Hieda, Hiroto Murata, Hisashi Murakami
  • 学会等名: 9th International Conference on Light Emitting Devices and their Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Modification of thermodynamic analysis model for HVPE growth of GaN at high temperatures (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Bando, S. Matsuoka, K. Ohnishi, K. Goto, S. Nitta, H. Murakami, Y. Kumagai
  • 学会等名: 9th International Conference on Light Emitting Devices and their Applications
  • 国際学会
• [学会発表] β-Ga2O3 homoepitaxial growth using GaCl3-O2-N2 system (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Nagano, K. Ema, K. Sasaki, A. Kuramata, H. Murakami
  • 学会等名: 9th International Conference on Light Emitting Devices and their Applications
  • 国際学会
• [学会発表] GaN高温HVPE成長のための熱力学解析モデルの修正 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松岡 聖、坂東 もも子、大西 一生、後藤 健、新田 州吾、村上 尚、熊谷 義直
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] InGaN growth on ScAlMgO4 substrate via tri-halide vapor phase epitaxy (2021)
  • 著者名/発表者名: I. Kobayashi, K. Ema, R. Hieda, H. Murakami and A. Koukitu
  • 学会等名: 第40回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Growth of β-Ga2O3 layers by solid-source tri-halide vapor phase epitaxy (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, K. Sasaki, A. Kuramata, H. Murakami
  • 学会等名: 第40回電子材料シンポジウム
• [学会発表] トリハライド気相成長法によるGaN結晶成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村上尚、纐纈明伯
  • 学会等名: 第50回日本結晶成長学会バルク成長分科会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 固体ソースTHVPE法を用いたβ-Ga2O3高速エピタキシャル成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口八輝、佐々木公平，倉又朗人、村上尚
  • 学会等名: 第13回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] THVPE法におけるGaNホモエピタキシャル成長界面の制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 丸谷敦哉、畑田諒、根本幸太、村上尚、纐纈明伯
  • 学会等名: 第13回ナノ構造エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] THVPE法によるSCAMO基板上InGaN成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林 伊織、江間 研太郎、日永田 亮平、村上 尚、纐纈 明伯
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] GaCl3気体原料を用いたβ-Ga2O3ホモエピタキシャル成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長野 理紗、江間 研太郎、佐々木 公平、倉又 朗人、村上 尚
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy (2020)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, Akinori Koukitu
  • 学会等名: GaN Consortium Webinar on Crystal Growth and Analysis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GaCl3-O2-N2系を用いたβ-酸化ガリウム成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 江間研太郎，小川直紀，佐々木公平，倉又朗人，村上尚
  • 学会等名: 日本結晶成長学会ナノエピ分科会「第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」
• [学会発表] 金属Cdを用いた気相成長法によるGaAs基板上CdTe成長の基板面方位依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林洋美，立華岬，村上尚，纐纈明伯
  • 学会等名: 日本結晶成長学会ナノエピ分科会「第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」
• [学会発表] PSS上GaN中間層によるInGaN厚膜の格子緩和状態の制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 日永田 亮平、江間 研太郎、村上 尚、纐纈 明伯
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] THVPE法によるSCAMO基板上InGaN成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林 伊織、江間 研太郎、日永田 亮平、村上 尚、纐纈 明伯
  • 学会等名: 第3回結晶工学×ISYSE合同研究会
• [学会発表] GaCl3を原料に用いたβ-Ga2O3成長におけるⅥ/Ⅲ比依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長野理紗、江間研太郎、佐々木公平、倉又朗人、村上尚
  • 学会等名: 第3回結晶工学×ISYSE合同研究会
• [学会発表] Recent progress of thick GaN and its related alloys via HVPE and THVPE (2020)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Murakami, Naoya Kawamoto, Yoshinao Kumagai, Akinori Koukitu
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] THVPE法を用いたInGaN厚膜成長における緩和状態の制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 日永田 亮平、江間 研太郎、村上 尚、纐纈 明伯
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] トリハライド気相成長法を用いたβ-酸化ガリウム成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 江間 研太郎、小川 直紀、佐々木 公平、倉又 朗人、村上 尚
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Growth of lattice-relaxed InGaN thick films by tri-halide vapor phase epitaxy (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ema, R. Uei, M. Kawabe, H. Murakami, Y. Kumagai and A. Koukitu
  • 学会等名: The 7th International Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Applications '19 (LEDIA '19)
  • 国際学会
• [学会発表] イオン注入ドーピングを用いたβ-Ga2O3縦型パワーデバイス開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 東脇 正高, Man Hoi Wong, 林 家弘, 湯田 洋平, 綿引 達郎, 山向 幹雄, 後藤 健, 村上 尚, 熊谷 義直
  • 学会等名: 独立行政法人日本学術振興会ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第162委員会第113回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] β-Ga2O3 MOSFETs with Nitrogen-Ion-Implanted Back-Barrier: DC Performance and Trapping Effects (2019)
  • 著者名/発表者名: Man Hoi Wong, Ken Goto, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, and Masataka Higashiwaki
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019 (CSW 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Vertical Ga2O3 Schottky Barrier Diodes with Guard Ring Formed by Nitrogen-Ion Implantation (2019)
  • 著者名/発表者名: Chia-Hung Lin, Yohei Yuda, Man Hoi Wong, Mayuko Sato, Nao Takekawa, Keita Konishi, Tatsuro Watahiki, Mikio Yamamuka, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, and Masataka Higashiwaki
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019 (CSW 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Vertical Ga2O3 Transistors Fabricated By Ion Implantation Doping (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Higashiwaki, M. H. Wong, K. Goto, H. Murakami, and Y. Kumagai
  • 学会等名: 235th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] p型酸化ガリウムの形成とそのデバイス応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 東脇 正高, ワン マンホイ, 林 家弘, 湯田 洋平, 綿引 達郎, 山向 幹雄, 後藤 健, 村上 尚, 熊谷 義直
  • 学会等名: 独立行政法人日本学術振興会先端ナノデバイス・材料テクノロジー第151委員会
  • 招待講演
• [学会発表] 酸化ガリウムトランジスタ開発の進展 (2019)
  • 著者名/発表者名: 東脇 正高, Man Hoi Wong, 後藤 健, 村上 尚, 熊谷 義直
  • 学会等名: 2019年日本結晶成長学会特別講演会
  • 招待講演
• [学会発表] トリハライド気相成長法による格子緩和したInGaN厚膜成長 (2019)
  • 著者名/発表者名: 江間 研太郎, 植井 里緒, 川邉 充希, 村上 尚, 熊谷 義直, 纐纈 明伯
  • 学会等名: 第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] 水素・窒素気流中におけるβ-Ga2O3(001)，(010)，(-201)基板の熱的・化学的安定性の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山野邉 咲子, 後藤 健, 村上 尚, 山腰 茂伸, 熊谷 義直
  • 学会等名: 第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] ベータ酸化ガリウムHVPE成長における成長温度および供給VI/III比の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤 健, 三浦 遼, 加茂 崇, 竹川 直, 村上 尚, 熊谷 義直
  • 学会等名: 第11回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] Enhancement-Mode Current Aperture Vertical Ga2O3 MOSFETs (2019)
  • 著者名/発表者名: Man Hoi Wong, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, and Masataka Higashiwaki
  • 学会等名: 77th Device Research Conference (77th DRC)
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of Lattice-Relaxed InGaN Thick Films on Patterned Sapphire Substrates by Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Ema, Rio Uei, Mitsuki Kawabe, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai and Akinori Koukitu
  • 学会等名: The 13th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-13)
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of High Crystalline Quality GaN with High Growth Rate by THVPE (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamaguchi, Daisuke Oozeki, Naoya Kawamoto, Nao Takekawa, Mayank Bulsara, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, Koh Matsumoto and Akinori Koukitu
  • 学会等名: The 13th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-13)
  • 国際学会
• [学会発表] Growth of Gallium Oxide by HVPE (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kumagai, K. Konishi, K. Goto, H. Murakami, A. Kuramata, S. Yamakoshi, B. Monemar, and M. Higashiwaki
  • 学会等名: 2019 International Workshop on Gallium Oxide and Other Related Materials (IWGO 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Influence of growth temperature and input VI/III ratio on crystallinity in homoepitaxy of β-Ga2O3 by halide vapor phase epitaxy (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Goto, R. Miura, T. Kamo, N. Takekawa, H. Murakami, and Y. Kumagai
  • 学会等名: 2019 International Workshop on Gallium Oxide and Other Related Materials (IWGO 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison between lateral and vertical Ga2O3 isolation structures (2019)
  • 著者名/発表者名: C. De Santi, A. Nardo, M. H. Wong, K. Goto, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai, M. Higashiwaki, G. Meneghesso, E. Zanoni, M. Meneghini
  • 学会等名: 2019 International Workshop on Gallium Oxide and Other Related Materials (IWGO 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Impact of electron-beam irradiation on the performance of β-Ga2O3 Schottky barrier diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: C.-H. Lin, A. Takeyama, M. Sato, N. Takekawa, K. Konishi, Y. Yuda, T. Watahiki, M. Yamamuka, H. Murakami, Y. Kumagai, T. Ohshima, and M. Higashiwaki
  • 学会等名: 2019 International Workshop on Gallium Oxide and Other Related Materials (IWGO 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Thermal and Chemical Stabilities of (001), (010), and (-201) β-Ga2O3 substrates in a flow of either N2 or H2 (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Togashi, S. Yamanobe, K. Goto, H. Murakami, S. Yamakoshi, and Y. Kumagai
  • 学会等名: 2019 International Workshop on Gallium Oxide and Other Related Materials (IWGO 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] THVPE法で成長したε-Ga2O3膜の分光エリプソメトリーによる物性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 森山 匠、和才 容子、竹川 直、村上 尚
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] HVPE法を用いたβ-Ga2O3成長における成長温度と供給VI/III比の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤 健、三浦 遼、加茂 崇、竹川 直、村上 尚、熊谷 義直
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] トリハライド気相成長法によるa面sapphire基板上へのε-Ga2O3成長 (2019)
  • 著者名/発表者名: 江間 研太郎、竹川 直、後藤 健、村上 尚、熊谷 義直
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] β-Ga2O3 ショットキーバリアダイオードの電子線照射に対する耐性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 林 家弘、武山 昭憲、湯田 洋平、綿引 達郎、村上 尚、熊谷 義直、大島 武、東脇 正高
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Homoepitaxial growth of β-Ga2O3 by halide vapor phase epitaxy for the preparation of epitaxial wafers for vertical power device application (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshinao Kumagai, Ken Goto, Keita Konishi, Hisashi Murakami, Akito Kuramata, Shigenobu Yamakoshi, Bo Monemar, and Masataka Higashiwaki
  • 学会等名: Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact of the Growth Temperature on GaN Crystal Characteristics by Trihalide Vapor Phase Epitaxy (2019)
  • 著者名/発表者名: Erina Miyata, Syoma Ohtaki, Kenji Iso, Hisashi Murakami, and Akinori Koukitu
  • 学会等名: Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Phonons, free charge carriers, excitons and band-to-band transitions in beta Ga2O3 and related alloys determined by ellipsometry and optical Hall effect (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Schubert, A. Mock, S. Knight, M. Hilfiker, M. Stokey, V. Darakchieva, A. Papamichail, R. Korlacki, M.J. Tadjer, Z. Galazka, G. Wagner, N. Blumenschein, A. Kuramata, K. Goto, H. Murakami, Y. Kumagai, M. Higashiwaki, A. Mauze, Y. Zhang, and J. S. Speck
  • 学会等名: Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 次世代パワー半導体の開発・評価と実用化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 村上尚、熊谷義直
  • 総ページ数: 414
  • 出版者: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860437671
• [備考] 東京農工大学村上尚研究室ホームページ
  • URL: http://murakamilab.jpn.org/