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

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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。