酸化ガリウムを原料とした気相法による低転位GaN結晶の厚膜成長技術開発

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02639
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 今西 正幸 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (00795487)
• 研究分担者: 上殿 明良 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20213374) ; 津坂 佳幸 兵庫県立大学, 理学研究科, 准教授 (20270473) ; 河村 貴宏 三重大学, 工学研究科, 助教 (80581511)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: GaN / OVPE / 低転位

研究実績の概要

本研究では高品質かつ厚膜のOVPE GaN結晶を作製することに加え転位減少及び格子定数拡張抑制メカニズムの解明を目的としている。R3年度は0.5mm以上の厚膜成長、転位密度を制御可能なパラメータの解明、高温で作製したGaN結晶の格子定数の解明を目的として取り組んだ。
前年度に引き続き、高温成長用OVPE成長装置開発に取り組んだ。ホットウォール加熱形式のヒーターで前年度はGaN結晶が得られることを確認した。R3年度は高速成長に取り組んだ結果、200um/hの成長速度で種結晶の品質を引き継いだ結晶を得ることに成功した。従来の局所加熱方式ヒーターにおいては、多結晶の抑制及び厚膜成長に取り組んだ。従来の成長温度1250℃から1300℃まで結晶成長の温度を上げることで、多結晶の大幅な抑制に成功した。高温条件下ではGaNの分解によるGaの析出も問題となっていたが、酸化性のN2Oを添加することでGaの析出を抑制可能であることも新規に明らかにした。多結晶を抑制した結果、厚さ1mm以上の結晶を得ることにも成功した。
低転位化については、Ⅴ族/Ⅲ族比の検討を行った。従来のガス条件に比べてアンモニア流量の小さい低ⅤⅢ族比条件にすることでピットが増大する傾向になることを見出した。メタンガスによるピットサイズ制御の検討も行った。ピットは炭素元素を起点に発生しやすいことも報告されており、メタンガスの添加により巨大なピット成長を実現することにも成功した。一方、炭素不純物の抑制や均一性の向上が課題である。また、エピタキシャル成長膜において転位の一部が増加することも分かった。
格子パラメータの評価として、高温で作製した結晶及び低温で作製した結晶の反り状態の評価を行った。1300℃で作製した結晶は種結晶に比べて凹形状の反りが増大する傾向にあり、1200℃での凸形状化形状と逆の傾向を示していた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

R3年度は0.5mm程度の厚膜成長を目的としていた。1300℃の高温成長の実現に加えN2Oを添加することにより多結晶が抑制可能であることを新たに見出した。これらの多結晶を抑制可能な結晶成長条件において、1mm以上の結晶が得られたことは想定以上の成果である。低転位化を目指したピットの形状制御についても、Ⅴ/Ⅲ比やメタン添加によりピットが増大することが明らかになり、当初の計画以上に進展している。減圧成長により、結晶の着色が抑制できることも想定外の発見であった。

今後の研究の推進方策

高温成長環境においては、GaN結晶分解抑制のためアンモニアの供給量を増大させる必要があった。結果、Ⅴ/Ⅲ比が大きくなりGrown-inピットが小さくなっていた。低転位化のためには、ピットの増大及び厚膜化が必要であり高温環境下においてもピットサイズを制御する手段が必要である。R4年度はガリウム源の供給量も注目し、成長速度制御によるピットサイズ制御の可能性についても模索する。今後は、ピットの形状制御にも注目し、ピットサイズのみならず転位が収束しやすい条件を明らかにする。R3年度の取り組みでMOCVDによるエピタキシャル成長膜においてモルフォロジーの悪化、転位が増加することが明らかになった。今後は転位が増大する基となった転位の種類や構造、モルフォロジー悪化の原因になる不純物や格子パラメータを探索していく。
また、格子定数についても実際に放射光X線による逆光子マッピング測定やラマン分光を用い、明らかにする。点欠陥についても引き続き、第一原理計算や陽電子対消滅測定を用いて調査していく。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of additional N2O gas on the suppression of polycrystal formation and high-rate GaN crystal growth by OVPE method (2022)
  • 著者名/発表者名: Ayumu Shimizu, Akira Kitamoto, Masahiro Kamiyama, Shintaro Tsuno, Keiju Ishibashi, Shigeyoshi Usami, Masayuki Imanishi, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Tomoaki Sumi, Junichi Takino, Yoshio Okayama, Masahiko Hata, Masashi Isemura, Yusuke Mori
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 581 ページ: 126495-1-5
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126495
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-rate OVPE-GaN crystal growth at a very high temperature of 1300℃ (2022)
  • 著者名/発表者名: Ayumu Shimizu, Shigeyoshi Usami, Masahiro Kamiyama, Itsuki Kawanami, Akira Kitamoto, Masayuki Imanishi, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Masahiko Hata, Masashi Isemura, Yusuke Mori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 15 ページ: 035503-1-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac4fa8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz time-domain ellipsometry with high precision for the evaluation of GaN crystals with carrier densities up to 10^20 cm^－3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Verdad C. Agulto, Toshiyuki Iwamoto, Hideaki Kitahara, Kazuhiro Toya, Valynn Katrine Mag-usara, Masayuki Imanishi, Yusuke Mori, Masashi Yoshimura, Makoto Nakajima
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 18129-1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-021-97253-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy-type defects in bulk GaN grown by oxide vapor phase epitaxy probed using positron annihilation (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Uedono, Junichi Takino, Tomoaki Sumi, Yoshio Okayama, Masayuki Imanishi, Shoji Ishibashi, Yusuke Mori
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 570 ページ: 126219-1-6
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2021.126219
  • 査読あり
• [雑誌論文] Activation free energies for formation and dissociation of N-N, C-C, and C-H bonds in a Na-Ga melt (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kawamura, Masayuki Imanishi, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori, Yoshitada Morikawa
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 194 ページ: 110366
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110366
  • 査読あり
• [学会発表] Growth of a High Quality GaN Wafer from Point Seeds by the Na-Flux Method (2021)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Imanishi, Shigeyoshi Usami, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura and Yusuke Mori
  • 学会等名: AM-FPD21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-rate GaN crystal growth by the suppression of polycrystal formation at a high temperature above 1250℃ using the OVPE method (2021)
  • 著者名/発表者名: Ayumu Shimizu, Shigeyoshi Usami, Masahiro Kamiyama, Masayuki Imanishi, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Masahiko Hata, Masashi Isemura and Yusuke Mori
  • 学会等名: The 40th Electronic Materials Symposium (EMS-40)
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ monitoring of GaN crystal growth by the Na-flux method via electrical resistance measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Koichi Itozawa, Ricksen Tandryo, Kosuke Murakami, Masayuki Imanishi, Shigeyoshi Usami, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura and Yusuke Mori
  • 学会等名: The 40th Electronic Materials Symposium (EMS-40)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of OVPE-GaN substrate with low absorption coefficient by defect suppression for laser slicing (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Mifune, Shigeyoshi Usami, Masahiro Kamiyama, Masayuki Imanishi, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Tomoaki Sumi, Junichi Takino, Yoshio Okayama, Masahiko Hata, Masashi Isemura and Yusuke Mori
  • 学会等名: The 40th Electronic Materials Symposium (EMS-40)
  • 国際学会
• [学会発表] High-rate OVPE-GaN growth by the suppression of H2O pressure with N2O gas instead of H2O gas in a high-temperature condition (2021)
  • 著者名/発表者名: Itsuki Kawanami, Shigeyoshi Usami, Ayumu Shimizu, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Tomoaki Sumi, Junichi Takino, Yoshio Okayama, Masahiko Hata, Masashi Isemura and Yusuke Mori
  • 学会等名: The 40th Electronic Materials Symposium (EMS-40)
  • 国際学会
• [学会発表] ポイントシード技術を用いたNaフラックス法による高品質・大口径GaNウエハの作製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 今西正幸，村上航介，宇佐美茂佳，丸山美帆子，吉村政志，森勇介
  • 学会等名: 第50回結晶成長国内会議
• [学会発表] Naフラックス法を用いた低転位GaN基板の再成長における転位増加の抑制 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山内 彪我, 山田 拓海, 村上 航介, 宇佐美 茂佳, 今西 正幸, 丸山 美帆子, 吉村 政志, 森 勇介
  • 学会等名: 第4回結晶工学ⅹISYSE 合同研究会
• [学会発表] Naフラックス法におけるLi添加による(20-21)面GaN単結晶の表面平坦化効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙橋 響, 糸澤 孝一, Ricksen Tandryo, 宇佐美 茂佳, 今西 正幸, 丸山 美帆子, 吉村 政志, 森 勇介
  • 学会等名: 第4回結晶工学ⅹISYSE 合同研究会
• [学会発表] Observation of Helical Dislocations in HVPE GaN grown on Na-Flux GaN substrate (2021)
  • 著者名/発表者名: havpreeta Pratap Charan, Ricksen Tandryo, Masayuki Imanishi, Kosuke Murakami, Shigeyoshi Usami, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori
  • 学会等名: 第4回結晶工学ⅹISYSE 合同研究会
• [学会発表] GaN中の点欠陥が光学特性に与える影響の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大畑 智嗣, 河村 貴宏, 今西 正幸, 吉村 政志, 森 勇介
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 1300℃高温環境下での多結晶抑制によるOVPE-GaN結晶の高速成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水歩, 宇佐美茂佳, 神山将大, 今西正幸, 丸山美帆子, 吉村政志, 秦雅彦, 伊勢村雅士, 森勇介
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] レーザースライスに向けたOVPE-GaN基板の着色低減及び電気特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三船 浩明, 宇佐美 茂佳, 神山 将大, 今西 正幸, 丸山 美帆子, 吉村 政志, 隅 智亮, 滝野 淳一, 岡山 芳央, 秦 雅彦, 伊勢村 雅士, 森 勇介
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Naフラックス法を用いたGaN結晶のホモエピタキシャル成長における転位挙動の調査 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山内 彪我, Ricksen Tandryo, 山田 拓海, 村上 航介, 宇佐美 茂佳, 今西 正幸, 丸山 美帆子, 吉村 政志, 森 勇介
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 超低核生成頻度条件での多結晶抑制による低転位バルクOVPE-GaN結晶の高速成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 清水歩, 宇佐美茂佳, 櫻井悠貴, 川波一貴,今西正幸, 丸山美帆子, 吉村政志, 隅智亮, 滝野淳一, 岡山芳央, 秦雅彦, 伊勢村雅士, 森勇介
  • 学会等名: 第13回ナノ構造エピタキシャル成長講演会