| 研究課題/領域番号 |
22H00204
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分21:電気電子工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
吉川 彰 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50292264)
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| 研究分担者 |
柿本 浩一 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 特任教授 (90291509)
赤岩 和明 鳥取大学, 工学研究科, 助教 (90778010)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)
2024年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
2023年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円)
2022年度: 20,020千円 (直接経費: 15,400千円、間接経費: 4,620千円)
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| キーワード | 単結晶成長 / 結晶成長シミュレーション / 酸化ガリウム / エピタキシャル成長 / パワーデバイス / 融液成長 / パワー半導体 / 基板 / ルツボフリー / 結晶欠陥 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
Ga2O3はワイドギャップ半導体の中で唯一融液成長可能なため低コスト化が期待されるが、現在主流の成長法ではルツボに使用されるIrの酸化を抑えるため、成長中の酸素濃度が2%以下に制限され、欠陥が多いことが課題である。本研究では、原料の中心部のみを溶融させ、溶け残った原料をルツボ代わりとする「スカルメルト＋Cz」法の開発を行う。この方法はルツボが不要なため酸化物結晶で最も重要なパラメータである成長中の酸素濃度に制限なく育成可能で、従来法の結晶とは異なった新しい材料科学の知見を得ることが出来る。そして、デバイス特性に致命的な悪影響を与えるキラー欠陥の特定・解析を進めることで実用化を強力に推進する。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、次世代のパワー半導体材料として期待されている酸化ガリウムについて、ルツボを用いない新規の結晶成長方法「スカルメルト＋Cz法」を開発し、欠陥発生メカニズムの解明、およびその抑制を実施する。本手法は、高周波誘導加熱を利用し、原料を直接加熱する手法である。したがって、加熱する磁場の周波数の値や出力はメルトの温度分布に敏感に影響するため、非常に重要なパラメータである。本年度は結晶を安定的に成長させるための条件の解明を第一とし、現状での結晶欠陥の評価を行った。さらに本手法の特徴である結晶成長中の雰囲気を高酸素分圧下で実施できる点に着目し、酸素濃度を変化させて実験を行った。
また、デバイス試作のための薄膜について成長させた基板の上にホモエピタキシャル成長し、界面の評価を行った。エピタキシャル成長において、基板と薄膜の界面は最も重要なパラメータである。特に基板の界面の粗さやコンタミによりエピタキシャル成長が阻害される恐れがある。これについては、基板表面の研磨の条件やその後の洗浄の条件を検討することで、問題なくエピタキシャル成長可能な条件を探索する。
結晶成長実験については、周波数の値を変化させることでメルトの温度分布が変化し、結晶成長速度や直径が変動することが分かった。これらの結晶をX線回折により評価した結果、数°程度結晶方位のズレた小角粒界が発生していることが分かった。小角粒界は、転位が規則的に並ぶことで角度ズレを発生させるため、この原因は転位が多く発生したことが原因と考える。したがって、現状はまだ温度勾配が大きいため、この温度差によりせん断応力が発生し、転位の増殖が起こったと考える。
エピタキシャル成長においては、CMP研磨や洗浄方法を検討することで、電子顕微鏡では判別できない程の綺麗な界面を作製することが出来た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は3年の期間の間で、ルツボを用いない結晶成長方法特有の結晶欠陥の解明を行う計画である。したがって、初年度は結晶成長の安定化と現状での結晶評価方法の確立など今後の研究の基礎を行う計画を立てた。例えば、結晶成長に関しては、酸素濃度、成膜速度、メルトの温度分布など基本的な結晶成長条件の最適化を実施した。その結果、どのパラメータがどの程度結晶成長や欠陥発生に寄与しているかを明らかにすることが出来た。また、結晶の評価については、X線回折やPL測定、エッチピット測定など酸化ガリウムを評価する上で不可欠な手法について、測定条件の解明など基礎となる知見を得ることが出来た。エピタキシャル成長においても、エピレディの基板表面を作製する条件や、ミストCVD法で成膜不良なくエピタキシャル成長できる条件を確立することが出来た。
以上のことから、当初の計画から大きく遅れることなく、順調に研究を進めることが出来た。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度においては、今年度問題となっていた小角粒界の抑制について第一に行う必要がある。小角粒界は一度発生すると取り除くことが困難であるため、種結晶の段階からこれらの粒界のないものを作製する必要がある。そのためには、何度か結晶を成長させ、粒界のない領域を切り出していく必要がある。この種結晶については、何種類かの結晶方位について実施を行い、小角粒界のない結晶を作製する予定である。
その後、結晶全体の転位密度を低減するために、対流速度や結晶の直径制御に関して検討を進める。本手法では、非常に高い周波数の磁場を使用するため、メルトの対流も磁場の影響で激しくなっている。したがって、対流を適度に抑制することで固液界面形状や温度勾配について制御することが可能となる。結晶の評価については、X線回折やエッチピット測定を行う予定である。
エピタキシャル成長については、ミストCVD法により、溶液中の組成や成長条件に関して検討を行う必要がある。特に、基板の結晶方位は表面エネルギーが異なるため成長条件と密接に関係している。したがって、結晶方位に従ったそれぞれの成長条件の解明が必要となる。検討予定結晶方位としては、(010)面や(001)面など低指数の結晶方位を利用し、原理、現象の解明を優先させる予定である。
電気特性については、CV測定やショットキーバリアダイオードの試作により実施する予定である。今後は簡易のデバイスを試作しIV測定やエミッション顕微鏡による欠陥分析などを行うことで問題となる結晶欠陥を解明する予定である。最終年度では、デバイスに悪影響を及ぼすキラー欠陥の特定を実施するため、今年度では、それに向けてデバイスの試作を進める予定である。
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