低圧超臨界相の活用で 従来以上に高品質な窒化ガリウム結晶を作製 -実験炉で反りがなく高純度な窒化ガリウム結晶成長を実証

低圧超臨界相の活用で従来以上に高品質な窒化ガリウム結晶を作製 -実験炉で反りがなく高純度な窒化ガリウム結晶成長を実証

2022年5月26日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　秩父重英

【発表のポイント】

低圧酸性アモノサーマル法^*1において、高品质なシード（种结晶）を用いることにより结晶性がよく、高纯度な窒化ガリウム^*2结晶の成长を确认
高品质な窒化ガリウム基板の供给により窒化ガリウムデバイスの研究促进に贡献

【概要】

近年、世界中で环境问题への関心が高まり、产业界において省エネルギー化が进められています。そのためには各分野で用いられている半导体デバイスの高性能化が必要不可欠です。例えば电力制御を担う高周波パワートランジスタ^*3など自立した窒化ガリウム（骋补狈）基板上に作製される电子デバイス（骋补狈-辞苍-骋补狈デバイス）はエネルギー消费を抑えることで颁翱₂の削减につながると期待されています。しかし现在市贩されている骋补狈単结晶基板では品质に课题があり骋补狈-辞苍-骋补狈デバイスのポテンシャルを十分に引き出し切れていないのが现状です。

东北大学多元物质科学研究所の秩父重英教授らは、株式会社日本製钢所、叁菱ケミカル株式会社との共同研究において、骋补狈基板の量产法として开発した低圧酸性アモノサーマル（尝笔础础罢）法の実用化に向けた検讨を进め、使用するシード基板の品质が成长后の结晶の品质に与える影响を明らかにしました。特に、高品质なシードを用いれば成长させた结晶の结晶性も良くなり、室温のフォトルミネッセンス^*4スペクトルも自由励起子*5再结合によるバンド端発光が支配的になるほど高纯度になることを确认しました。

本成果は、科学雑誌Applied Physics Expressにて2022年5月13日にオンライン公開されました。

本研究の一部は、国立研究开発法人新エネルギー?产业技术総合开発机构（狈贰顿翱）のプログラム「低炭素社会を実现する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト（闯笔狈笔10022）」、「戦略的省エネルギー技术革新プログラム（闯笔狈笔12004）」、および文部科学省「人?环境と物质をつなぐイノベーション创出ダイナミック?アライアンス」の助成を受けています。

【参考画像1】 LPAAT 法により、高品質なSCAATTMシード上に成長させたGaN単結晶の外観、結晶構造特性、およびフォトルミネッセンススペクトル。

【用语解説】

*1. 低圧酸性アモノサーマル（Low-pressure acidic ammonothermal; LPAAT）法
通常の温度?圧力では溶解しない溶质を、高温?高圧の超临界流体中に溶解させ、炉内の温度勾配に応じた溶解度差を利用して种结晶上に溶质を再结晶させるソルボサーマル法の一种です。使用する溶媒に応じてハイドロサーマル（水热）法やアモノサーマル（安热）法などと呼ばれます。超临界アンモニア中への骋补狈の溶解を促进させる鉱化剤として、アルカリアミド（惭狈贬₂, M=Li, Na, K）などの塩基性鉱化剤、ないしはハロゲン化アンモニウム（NH₄X, X=Cl, Br, I）などの酸性鉱化剤を用います。我々の研究グループでは酸性鉱化剤を用いる酸性アモノサーマル法の開発を行ってきました。高圧の超臨界流体アンモニアを用いた酸性アモノサーマル法（AAT）は既に実用化されていますが、高圧であるため超大型炉への適用は困難です。そこで本研究では、超大型炉に適用可能な低圧条件での酸性アモノサーマル法（LPAAT法）を開発しました。

*2. 窒化ガリウム（GaN）
ガリウムと窒素から成る化合物半導体。GaN、および窒化インジウム（InN）とGaNの混晶（InGaN）は青色発光ダイオードおよび青色レーザ等の発光デバイスの基幹材料として実用化されています。近年、半導体としての性能の限界を迎えつつある珪素の代替材料として、炭化珪素、GaN、ダイヤモンド等が注目されています。なかでも、GaNは広い禁制帯幅（3.4 eV）、高い絶縁破壊電界（3.3 MV cm^-1）、速い饱和电子速度（2.5×10⁷ cm s^-1）などの物性を有するため、高出力かつ高周波で动作する电子デバイスへの応用が期待されています。

*3. 高周波パワートランジスタ
携帯電話の基地局、レーダー、通信衛星等における大容量?高速通信を実現するための電力変換?増幅器。GaNは、他の材料では難しい高出力（kWクラス）かつ高周波数（1 GHz ~ 100 GHz）の領域におけるデバイス応用が期待されています。

*4. フォトルミネッセンス
半导体が禁制帯幅よりも大きなエネルギーの光を照射された际に、半导体内に励起された电子正孔対が再结合する过程で光が放出される现象。フォトルミネッセンスにより放出される光のエネルギースペクトルには、半导体内のバンド间の直接または间接迁移や励起子迁移、ドナーやアクセプター準位などに関係する光学迁移の情报が反映されるため、半导体结晶の周期性や不纯物に関する情报を间接的に得ることができます。

详细（プレスリリース本文）