2018 Fiscal Year Annual Research Report
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17J06497
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
神野 莉衣奈 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 超ワイドバンドギャップ半導体 / 酸化ガリウム / 酸化アルミニウムガリウム / コランダム構造酸化ガリウム / 分子線エピタキシー / パワーデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、極ワイドバンドギャップ半導体材料として用いるコランダム構造酸化アルミニウムガリウム (α-(AlxGa1-x)2O3)の不純物密度の低減を目的に研究を行った。極ワイドバンドギャップ半導体を実現するにためには、薄膜中の不純物濃度および転位密度を極限まで低減が必要であるが、ミストCVD法を用いた成長では高い不純物密度が課題であった。高純度の結晶成長には、超高真空下で高純度の原料を蒸発させ成長する分子線エピタキシー(MBE)法が適していると考えられ、コーネル大学のJena教授にご指導いただきMBEを用いたα-(AlxGa1-x)2O3の成長を行った。得られた成果の概要は以下の通りである。
(i) MBEによる単相のα-Ga2O3の成長を目的に、a, m, r面sapphire(α-Al2O3)基板上への成長を検討した。MBEによるsapphire基板上へのGa2O3の成長はc面が用いられてきたが、α相ではなくβ-Ga2O3の成長が報告されてきた。c面以外の面への成長を検討した結果、得られる結晶相はsapphire基板の面方位に依存し、特にm面基板上へα-Ga2O3を安定して成長することに成功した。
(ii) α-(AlxGa1-x)2O3の成長に向けα-Al2O3のホモエピタキシャル成長を検討した。m面基板上への成長はこれまで報告されていなかったが、他面と同様に成長が可能であることを示した。また、MBEによるα-Al2O3の成長は、成長温度可能領域がGa2O3とほぼ同じであり混晶の作製に優位である。
(iii)α-(AlxGa1-x)2O3の成長を行った結果、相分離することなく全混晶組成領域での成長を実現した。α-(AlxGa1-x)2O3のバンドギャップ値は報告されている第一原理計算による結果と一致していた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
MBEを用いることで低不純物濃度のα-(AlxGa1-x)2O3の成長およびバンドギャップ変調を実現した。MBEはミストCVD法と比べ混晶組成の制御にも優れており、任意の組成xのα-(AlxGa1-x)2O3を制御性良く成長可能となった。一方で、α-(AlxGa1-x)2O3へのドーピングによる電気伝導性の制御には至らなかった。超高真空下で行うMBEの成長では、熱的に最安定相のβ-Ga2O3が成長しやすく、X線回折測定やその場観察のRHEEDパターンからはα相以外の成長は確認されなかった試料においても、TEM観察による結果から微視的な領域でβ相の混入が観察され、この他相の混入が電気特性に影響を与えたと考えらえる。
一方で、他相の混入はあるもののこれまで難しいとされていたMBEでのα-(AlxGa1-x)2O3の成長およびバンドギャップ変調を実現し、MBEによる急峻な界面を持つα-(AlxGa1-x)2O3ヘテロデバイスの可能性を示すことができた。また、MBEで成長したGa2O3の結晶構造はsapphire基板の面方位に強く依存するという新しい知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
低不純物濃度かつ低転位密度のα-(AlxGa1-x)2O3を実現し電気伝導性を得るために、ミストCVD法とMBEを組み合わせて成長を行う。ELOやバッファ層を導入することでミストCVD法を用いて低転位密度のα-(AlxGa1-x)2O3をsapphire基板上に成長する。そのテンプレート上にMBEによりコヒーレントにα-(AlxGa1-x)2O3を成長することで高品質な薄膜を実現し、ドーピングにより極ワイドバンドギャップ半導体を実現する。
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