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酸化ガリウムは従来のワイドバンドギャップと呼ばれる窒化ガリウムなどを上回るバンドギャップを有する半導体である。その酸化ガリウムの結晶多形の一つであるε-酸化ガリウムは、他の結晶多形が有していない、自発分極や強誘電体特性を有しており、その物性を利用したユニークなデバイスが期待されている。本研究では、このε-酸化ガリウムの自発分極を利用したヘテロ接合デバイスを作製して、窒化ガリウム等の従来のパワーデバイスを超える省エネデバイスを実現することを目的としている。
その実現に向け、最終年度として下記の研究を進めた。
ε-酸化ガリウムの基礎物性の解明：最終年度には、ε-酸化ガリウムのヘテロ接合デバイスを形成し、その電気特性を評価したものの、2次元電子ガスの誘起を達成することができなかった。その原因を調査するために、透過型電子顕微鏡を用いて詳細な結晶構造解析を行った。その結果、ε-酸化ガリウムはその結晶構造に由来する回転ドメインの発生により、その結晶は単結晶ではなく、小さなドメインから形成されることが分かった。2次元電子ガスが誘起できなかったことや低い電気伝導性はこれらの小さなドメインによるものであると分かった。良好な電子伝導性を得るためには、この回転ドメインの発生を抑制することが重要である。
研究期間全体としては、この新しいε-酸化ガリウムの結晶成長技術から、バンドギャップエンジニアリングのための混晶化技術を達成した。結晶成長では、他の結晶相の成長の抑制のために、NiOバッファ層の挿入や、表面平坦性の改善のために成長条件の検討を行った。また混晶化技術では、AlやInとの混晶化を行うことで、バンドギャップを4.5～5.9eVまで変調することに成功した。
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