研究課題
単斜晶系β-ガリア構造を有するβ型酸化ガリウム(β-Ga2O3)は、低コスト・高耐圧・低損失パワーデバイス材料として有望である。申請者らは近年、キャリアガスとして高純度窒素ガスを用い、高純度金属ガリウムと塩素ガスの反応で一塩化ガリウム(GaCl)分子を選択的に生成し、別途輸送した酸素(O2)ガスと反応させ、高速・高純度β-Ga2O3結晶の完全非水素系ハライド気相成長を実現している。しかし、本分野では気相成長において成長および成長層の電気物性に大きな影響を及ぼすと考えられる水素の存在については世界的に検証されていない。本研究では、Ⅵ族源かつ水素源として水(H2O)を用いることで意図的に水素導入する水素系ハライドGa2O3成長を実現し、完全非水素系成長との比較により水素による成長及び物性への影響、メカニズム解明を行い、デバイス応用につなげることを目的とした。熱力学解析結果を基に新規成長装置を構築し、完全非水素系、及び水素導入Ga2O3成長を実施した。その結果、両酸素源を用いた場合において、熱力学律速下1000 °Cでホモエピタキシャル成長可能であることを実証した。成長速度は、O2を使用した時、約8.5 μmとなり、H2Oを用いた場合の約2倍の成長速度であった。また、酸素源にH2Oを用いると表面平坦性が向上したが、O2を用いた場合確認されなかった、Ga2O3膜中へのSi不純物の取り込みが確認された。これは、石英ガラス製の反応炉壁が水素で還元され、Siが放出されることによる。さらに、ショットキーバリアダイオードを試作した結果、O2を用いた場合、超高純度膜が得られるのに対し、H2Oでは、Si不純物由来の残留電子キャリアの存在が確認された。したがって、超高純度膜成長、及び意図的な不純物ドーピングによる電気的制御のためには、完全非水素系Ga2O3成長が適していることが明らかとなった。
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Journal of Crystal Growth
巻: 492 ページ: 39-44
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.04.009
