バルク窒化アルミニウム結晶の点欠陥形成メカニズム解明によるｎ形導電性結晶の創出

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03555
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 熊谷 義直 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20313306)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村上 尚 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401455) ; 富樫 理恵 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50444112)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: エピタキシャル成長 / 窒化アルミニウム / バルク結晶 / PVT法 / HVPE法 / 導電性制御 / 点欠陥

Outline of Annual Research Achievements

研究代表者は、不純物濃度が高く深紫外光透過性が得られないものの、転位密度が低いという特徴を有する物理気相輸送（PVT）法で作製した窒化アルミニウム（AlN）種結晶のAl極性(0001)面上に、独自のハイドライド気相成長（HVPE）法で高純度AlNの高速ホモエピタキシャル成長を行うことで、低転位密度と深紫外光透過性の両方を有した実用的なAlNバルク結晶を得るプロセスを開発済である。
平成27年度は、第一に絶縁体であるAlNにn形導電性を付与可能かどうか確認した。ドーパントとしてSiを選び、AlNのHVPE成長（1450℃）中にSiを同時供給してSi濃度2.6×10の17乗/立方cmのHVPE-AlN結晶を得た。SiドーピングによるAlNの結晶性劣化は見られず、オーミック電極形成後に電気的特性の解析を実施したところ、SiドープAlN結晶がn形導電性を有していることを確認できた。一方、Si不純物の活性化エネルギーは245 meVと深く、さらにSiドーピングに伴ってフェルミレベル効果でSi不純物濃度に匹敵する1.5×10の17乗/立方cmものアクセプタ性点欠陥（Al空孔）が形成され、キャリア濃度が2.4×10の14乗/立方cmと低いことが分かった。別途行った実験により、1400℃以上でAlNにSiを導入すると、Al原子空孔が形成されることが分かった。
得られた世界初のn形バルクAlN結晶を用い、縦型のNi/n-AlNショットキーバリアダイオードを試作し、その整流動作を確認した。本結果はAlN結晶を用いた縦型電子デバイスの世界初の動作確認例である。キャリア濃度が低いこと、結晶の研磨技術が未熟なこともあり特性は良好ではないものの、今後、特性の向上が見込まれる。本結果はプレスリリースし、平成27年7月2日に化学工業日報の1面トップ記事となっている。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

実用レベルのAlNバルク結晶成長プロセスにSiドーピング技術を取り入れ、絶縁体であるAlNにn形導電性を付与することを達成した。SiドープAlN結晶のキャリア濃度が低く抑えられている原因の解明に取り組み、そのメカニズムが高温でAl原子空孔が形成されることにあることを解明した。
世界初のn形導電性を有するバルクAlN基板を用いて縦型の電子デバイス（ショットキーバリアダイオード）を試作し、その動作を確認した。これによりAlNのパワーデバイス分野での使用の道を拓いた。

Strategy for Future Research Activity

高キャリア濃度のn形AlNバルク結晶の成長にはSi濃度を増やすことと、Siドーピングに伴うAl原子空孔の発生抑制がキーである。Al原子空孔は1400℃以上で導入されやすくなることが分かったので、今後は成長温度を1450℃から低温に変えると共に、Si濃度の異なるAlN結晶を種々の成長条件で作製して条件の最適化を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ノースカロライナ州立大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ノースカロライナ州立大学
• [Int'l Joint Research] リンチョーピン大学(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: リンチョーピン大学
• [Journal Article] Influence of high-temperature processing on the surface properties of bulk AlN substrates (2016)
  • Author(s): S. Tojo, R. Yamamoto, R. Tanaka, Q.-T. Thieu, R. Togashi, T. Nagashima, T. Kinoshita, R. Dalmau, R. Schlesser, H. Murakami, R. Collazo, A. Koukitu, B. Monemar, Z. Sitar, Y. Kumagai
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 446 Pages: 33-38
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.04.030
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fabrication of vertical Schottky barrier diodes on n-type freestanding AlN substrates grown by hydride vapor phase epitaxy (2015)
  • Author(s): T. Kinoshita, T. Nagashima, T. Obata, S. Takashima, R. Yamamoto, R. Togashi, Y. Kumagai, R. Schlesser, R. Collazo, A. Koukitu, and Z. Sitar
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 8 Pages: 061003 1-3
  • DOI: 10.7567/APEX.8.061003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Fabrication of vertical Schottky barrier diodes on n-type freestanding AlN substrates grown by hydride vapor phase epitaxy (2015)
  • Author(s): R. Yamamoto, T. Kinoshita, T. Nagashima, T. Obata, S. Takashima, R. Togashi, Y. Kumagai, R. Schlesser, R. Collazo, A. Koukitu, and Z. Sitar
  • Organizer: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-6)
  • Place of Presentation: Act City Hamamatsu（静岡県浜松市）
  • Year and Date: 2015-11-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Properties of point defects in AlN and high Al content AlGaN (2015)
  • Author(s): Benjamin E. Gaddy, Zachary Bryan, Isaac Bryan, Joshua S. Harris, Kelsey J. Mirrielees, Brian D. Behrhorst, Jonathon N. Baker, Ronny Kirste, Toru Kinoshita, Yoshinao Kumagai, Akinori Koukitu, Ramon Collazo, Zlatko Sitar, Douglas L. Irving
  • Organizer: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-6)
  • Place of Presentation: Act City Hamamatsu（静岡県浜松市）
  • Year and Date: 2015-11-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HVPE法によるSiドープn形AlN基板作製と縦型ショットキーバリアダイオード試作への適用 (2015)
  • Author(s): 寺尾真人，山本玲緒，木下亨，永島徹，小幡俊之，高島信也，富樫理恵，村上尚，Raoul Schlesser，Ramon Collazo，纐纈明伯，Bo Monemar，Zlatko Sitar，熊谷義直
  • Organizer: 第45回結晶成長国内会議（NCCG-45）
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-10-20
• [Presentation] HVPE growth of AlN substrates for opto-electronic applications (2015)
  • Author(s): Toru Kinoshita, Toru Nagashima, Toshiyuki Obata, Shinya Takashima, Reo Yamamoto, Rie Togashi, Yoshinao Kumagai, Raoul Schlesser, Ramon Collazo, Akinori Koukitu, and Zlatko Sitar
  • Organizer: The 2015 E-MRS Fall Meeting and Exhibit
  • Place of Presentation: Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland
  • Year and Date: 2015-09-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] HVPE法によるn型AlN基板作製と縦型ショットキーダイオードへの適用 (2015)
  • Author(s): 山本玲緒，木下亨，永島徹，小幡俊之，高島信也，富樫理恵，熊谷義直，Raoul Schlesser，Ramon Collazo，纐纈明伯，Zlatko Sitar
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Remarks] 熊谷研究室ホームページ
  • URL: http://web.tuat.ac.jp/~kumagai/