Development of novel bulk AlN crystal growth method using Ni-Al solution

使用 Ni-Al 溶液开发新型块状 AlN 晶体生长方法

• 批准号: 20H02633
• 负责人: 安達 正芳
• 金额: $ 11.4万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02633/
• 关键词: 結晶成長; 液相成長; バルク結晶

現代社会において電力エネルギーの消費は増大の一途をたどっており、その輸送過程での電力変換技術を担うワイドギャップパワーデバイスが重要となっている。ワイドギャップ半導体の広いバンドギャップと大きい絶縁破壊電界により、低損失・高温で動作するデバイスを作製することが可能となる。現在、SiCやGaNを用いたデバイスが開発されており、一部では実用化もされているが、さらなる高い変換効率を目指すならば、GaNに比べて1.8倍のバンドギャップと3.6倍の絶縁破壊電界を有するAlNがパワーデバイスの材料として最適である。本研究では、AlNバルク単結晶の大量生産技術の開発を目指し、Ni-Alフラックスを用いた新たな液相成長法の研究を行う。本研究では、液相成長のフラックスとしてNi-Al合金を用いる。NiとAlは高い融点を有するNiAl化合物を形成する系であることからもわかるように、親和性の高い合金であり、Ni-Al中のAlの活量は低い。そのため、温度、フラックス組成、雰囲気窒素分圧を適切に選択することにより、結晶成長の駆動力を平衡に近い状態で制御することができる。昨年度までの研究で、太さ100マイクロメートル程度の針状結晶を種結晶として用いた成長実験を実施し、1時間のプロセスで5から10マイクロメートル分、針状のAlN結晶を太らせることに成功した。本年度はさらに結晶成長速度を増大するため、坩堝内により大きな温度分布を付けることができる新たな機構を導入した。その機構を用いてAlNの結晶成長を試みたところ、種結晶上でのAlN成長は見られなかった。しかしながら、フラックスの自由表面には20時間のプロセスで150マイクロメートルの厚さのAlN結晶膜ができていることが確認できた。来年度は、この表面にできたAlNが種結晶上に成長できるような工夫を施し、AlNの単結晶成長を目指す。

在现代社会中，电力消耗不断增加，在运输过程中负责电力转换技术的宽范围电源越来越重要。宽间隙半导体和较大的击穿电场的宽带尺寸使得制造以低损失和高温运行的设备。目前，正在开发使用SIC和GAN的设备，并将一些设备用于实际使用，但是，如果我们的目标是提高转化效率，ALN的带隙是介电击穿电场的1.8倍，是GAN的3.6倍，则是电源设备的最佳材料。在这项研究中，我们将使用Ni-AL通量研究一种新的液相生长方法，旨在为Aln Bulk单晶开发质量生产技术。在这项研究中，Ni-Al合金用作液相生长的通量。从以下事实可以看出，Ni和Al是形成具有高熔点的NIAL化合物的系统，它们是具有高亲和力的合金，并且Al在Ni-AL中的活性很低。因此，通过适当选择氮气大气的温度，通量组成和部分压力，可以在接近平衡的状态下控制晶体生长的驱动力。在一项直到去年的研究中，我们使用厚度约为100微米作为种子晶体的针状晶体进行了生长实验，并在一个小时的过程中成功制成了5至10微米的针状ALN晶体。今年，为了进一步提高晶体生长速率，引入了一种新的机制，该机制允许在坩埚中更大的温度分布。当尝试使用该机制尝试ALN晶体生长时，在种子晶体上未发现ALN生长。但是，已经证实，在20小时的过程中，在通量的自由表面形成了厚度为150微米的Aln晶体膜。明年，我们将实施努力，以使Aln能够在种子晶体上生长，并旨在种植Aln单晶。

项目成果

Synthesis of AlN Single Crystal by Solution Growth Method in SUS430 Flux

SUS430熔剂溶液生长法合成AlN单晶

• 发表时间: 2023
• 作者: 李 森;福山博之;大塚 誠;安達正芳
• 通讯作者: 安達正芳

In situ observations of the dissolution of an AlN film into liquid Al using a high-temperature microscope

• DOI: 10.1016/j.mssp.2022.106469
• 发表时间: 2022
• 期刊: Materials Science in Semiconductor Processing
• 影响因子: 4.1
• 作者: M. Adachi;K. Fujiwara;R. Sekiya;H. Kobatake;M. Ohtsuka;H. Fukuyama

Composition Dependence of Normal Spectral Emissivity of Liquid Ni–Al Alloys

液态镍铝合金法向光谱发射率的成分依赖性

• DOI: 10.2355/isijinternational.isijint-2020-233
• 发表时间: 2021
• 期刊: ISIJ International
• 影响因子: 1.8
• 作者: Adachi Masayoshi;Yamagata Yuji;Watanabe Manabu;Hamaya Sonoko;Ohtsuka Makoto;Fukuyama Hiroyuki
• 通讯作者: Fukuyama Hiroyuki

Ni-Alフラックス法によるAlNの結晶成長挙動に及ぼす坩堝材の影響

Ni-Al熔剂法坩埚材料对AlN晶体生长行为的影响

• 发表时间: 2023
• 作者: 朴 珉秀;大塚 誠;安達正芳;福山博之
• 通讯作者: 福山博之

Temperature dependence of crystal growth behavior of AlN on Ni-Al using electromagnetic levitation and computer vision technique

利用电磁悬浮和计算机视觉技术研究 Ni-Al 上 AlN 晶体生长行为的温度依赖性

• DOI: 10.1016/j.mssp.2022.107167
• 发表时间: 2023
• 期刊: Materials Science in Semiconductor Processing
• 影响因子: 4.1
• 作者: Masayoshi Adachi ; Sonoko Hamaya ; Daisuke Morikawa ; Benjamin G. Pierce ; Ahmad M. Karimi ; Yuji Yamagata ; Kenji Tsuda ; Roger H. French ; Hiroyuki Fukuyama
• 通讯作者: Hiroyuki Fukuyama