| 研究課題/領域番号 |
21H04609
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
福山 博之 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (40252259)
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| 研究分担者 |
大塚 誠 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30241582)
中村 哲也 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (70311355)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| キーワード | 窒化アルミニウム / 単結晶 / 液相成長 |
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| 研究実績の概要 |
今年度は、AlN溶解度積の大きなFe-X2成分系フラックスおよびFe-X-Y3成分系フラックスを用いた窒化アルミニウム（AlN）の結晶成長実験を実施した。成長実験に先立ち、成分元素XとしてCr、元素YとしてNiを添加したFe系フラックスのAlNの溶解度積を熱力学データベースを用いて計算し、実験条件について検討した。
Fe-Cr合金の一例としてFe-16mass%Cr（SUS430）、Fe-Cr-Ni合金の一例としてFe-18 mass%Cr-8mass%Ni合金 (SUS304L) をフラックスとして用いたAlN結晶成長を試みた。種結晶としては、AlNを製膜したサファイア基板ならびにバルクAlN単結晶を用いた。本実験はいずれも窒素分圧1 barにおいて行った。得られたAlN結晶について、走査型電子顕微鏡（SEM）による断面観察、透過型電子顕微鏡（TEM）による転位の様子を観察した。2次イオン質量分析（SIMS）により、結晶中の不純物濃度を定量した。
SUS430を結晶成長用溶媒として用い、冷却速度、結晶極性、成長温度が、AlN結晶成長に及ぼす影響を明らかにするための実験を行った結果、Fe-Cr系合金は、結晶成長用溶媒として有望であること、AlN結晶は、＋ｃ軸（Al極性）方向に優先的に成長すること、また、結晶中の炭素濃度は、昇華法の結晶と比べて約2桁減少したことを明らかにした。
溶融SUS304Lを溶媒として用いた成長実験では、1873から1773 Kまで冷却することでテンプレート基板上にAlN結晶が成長することを確認した。1873から1773 Kに冷却した時に生じるAlN溶解度積の差 (過飽和度) によりテンプレート基板上にAlN結晶が成長したものと考えられる。
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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
Fe-Cr系およびFe-Cr-Ni系フラックス法によるAlN結晶成長実験については、成長速度が速く、期待以上の研究成果が得られている。結晶構造評価については、放射光X線による結晶性評価が未実施であるが、透過型電子顕微鏡（TEM）による転位観察および2次イオン質量分析（SIMS）による不純物の測定がほぼ予定通り進行している。バルクAlN上に成長したAlN界面からの新たな転位発生はなく、界面が判別できないきれいなエピタキシャル成長が得られている。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度に引き続き、Fe-Cr系およびFe-Cr-Ni系フラックスを用いたバルクAlN単結晶成長法の最適化を目指す。まず、熱力学的データに基づいて、各フラックス中のAlN溶解度積の組成依存性を計算する。各フラックスの液相線温度のデータと組み合わせて、最適な実験条件を抽出する。フラックスの組成以外に、成長温度、冷却速度、坩堝材、回転機構などの成長パラメータを変えながら、成長速度と結晶品質が両立する条件を見出す。また、成長機構について考察する。
得られたAlN結晶については、透過型電子顕微鏡（TEM）による転位観察および2次イオン質量分析（SIMS）による不純物の定量を実施し、上記の成長パラメータ依存性を明らかにする。また、ナノテラスなどの放射光施設を用いて結晶評価を試みたい。
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