研究課題/領域番号 |
22K14286
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研究種目 |
若手研究
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配分区分 | 基金 |
審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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研究機関 | 東京大学 |
研究代表者 |
神野 莉衣奈 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (50915022)
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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 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
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キーワード | 超ワイドバンドギャップ半導体材料 / 酸化物半導体 / 構造相転移 / 準安定相 / 半導体 / 酸化物 / 酸化ガリウム |
研究開始時の研究の概要 |
Ga2O3 の結晶多形の中でα相は熱的に準安定相であり、 600℃以上の熱処理で最安定のβ相へ相転移する。本研究では、異方的応力が α-Ga2O3 の高温での反応速度論的安定性へ与える影響について解明することで、デバイスプロセスで必要となる1000℃で30分間以上の熱処理を可能とする手法を開発し、α-Ga2O3 のデバイス応用技術の発展へ貢献する。
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研究実績の概要 |
準安定相コランダム構造酸化ガリウム(α-Ga2O3)の反応速度論的熱安定性の制御を目的として研究を行った。α-Ga2O3は超ワイドバンドギャップ半導体材料の一つであり、大きな絶縁破壊電界強度が予想されている。そのためパワーデバイスの材料として用いることで高い省エネ効果があり、カーボンニュートラルへの貢献が期待できる。α相は結晶多型の中で熱的に準安定相であり、600℃以上の熱処理で最安定のβ相へ相転移し、高温での熱的安定性が課題である。特にイオン注入のプロセスでは1000℃程度の熱耐性が求められており、高温での構造制御はα相の応用にとって重要である。 本研究では、異方的圧縮応力がα相の反応速度論的熱安定性に与える影響を解明することで、イオン注入後の活性化アニールに必要な1000℃以上で30分間の熱処理後に構造を維持させる手法を確立することを目的としている。 本年度は、高温での構造相転移の機構解明を目的として、その場観察高温ラマン分光および顕微観察を用いて、α相の熱的安定性の面内分布および相転移の様子を評価した。基板表面に一様に成長させたα相の薄膜は、ラマンスペクトルから600℃付近で安定相へ変化していることがわかり、先行研究での高温XRDによる結果と一致した。また、顕微観察から構造変化に伴い表面構造の変化し、安定相の核が結晶全体へ広がる様子が観察された。一方で、サファイア基板上にドット状に選択成長したα-Ga2O3は、空間的に分離された構造により安定核が他のメサへ伝搬することをブロックし、α相の速度論的熱安定性が向上した。選択成長による構造制御により1000℃以上でのα相の安定化が実現した。今後、メサ構造と相転移について解析することで、制御性の向上が期待できる。
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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
当初は異方性圧縮応力による制御を計画していたが、検討の途中でα-Ga2O3の選択成長を用いた安定核の伝搬のブロックにより、α相の高温での反応速度論的安定性が向上し、構造の人工的制御により安定性の向上が可能であるという新しい指針が得られた。これにより、目標である1000℃以上での安定性をすでに実現したことからおおむね順調に進展していると言える。一方で、計画変更により異方性圧縮応力による高温での速度論的安定性の向上に関してはやや遅れており検討途中であるため、今後遂行していく必要性がある。
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今後の研究の推進方策 |
選択成長の構造の人工的制御による速度論的熱的安定性の解析を行う。具体的には、安定核発生確率のメサ構造のサイズ依存性、基板との接合部分であるwindow面積依存性の評価、ラインパターンを用いた安定核の伝播速度の評価を行う。さらに、安定核の初期発生個所の面内分布の有無も検討し応力などの影響を検討することで、人工的に安定性を制御する手法を確立する。 また、選択成長の基板と結晶の結合面積を変化させることで、基板の影響、欠陥(転位)が熱的安定性に与える影響を明らかにする。 研究を遂行する中で機械的な応力を印加しながらの高温測定は難しいと判断した。酸化ガリウムをアルミナで三次元的に囲い、熱膨張係数差による擬似静水圧を印加することで圧縮応力による構造安定化を試みる。 これらを統合してα-Ga2O3の高温での安定性の人工的制御を目指す。
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