Growth of high-quality bulk GaN substrate by ammonothermal method

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名古屋大学滞在中、シンメル氏はアンモノサーマル法による窒化ガリウムの成長とそのシミュレーションを実施した。窒化ガリウムは、カーボンニュートラル社会を実現するための次世代省エネシステムの構築において、従来のシリコントランジスタに代わる次世代半導体材料の最も有望な候補である。現在ハロゲン化物気相エピタキシー法で成長させた自立型基板が市販されているが、結晶欠陥密度が高く、結晶面の反りも大きいため、社会実装に向けて大きな課題がある。低欠陥密度と低反りの点で最も有望な基板は、アンモノサーマル法で成長させたGaN結晶である。アンモノサーマル法で一般的なのはアルカリ性鉱化剤を使用する方法であるが、極めて高い圧力が必要なことが問題である。一方、酸性鉱化剤の場合、成長圧力ははるかに低くなることが分かっている。シンメル氏は酸性鉱化剤を用いた窒化ガリウム結晶の成長に取り組んだ。特に成長速度を制御するために、成長システムの温度分布流体シミュレーションの確立を試みた。世界に例がなく、ユニークな取り組みである。その成果は二つの学術論文、「アンモノサーマル結晶成長中の流体の流れと温度場のシミュレーションの境界条件-オートクレーブ壁の温度分布の機械学習支援研究」、Crystals、11、254（2021）、および「GaNのアンモノサーマル結晶成長の数値シミュレーション;現状、課題、展望、結晶」11、356（2021）として結実した。アンモノサーマル法では高圧化で結晶成長が行われるために、温度分布や流体の流れをその場観察するのは、大型X線源や検出器などの極めて高価な特別設備が必要である。彼女の構築した温度シミュレーション手法は、アンモノサーマル法での成長制御性を高めるうえで基礎的で非常に貴重な成果と言える。