酸化ガリウムを原料とした高品質GaN単結晶育成技術の研究開発

窒化ガリウム系半導体は優れた特性を持つため、世界的に注目を浴びている。しかし、高品質かつ低価格な窒化ガリウム基板の作製方法はまた確立されていない。そこで、我々はGa_20を用いた気相成長法を開発し、実用化できる高品質・大型・導電性制御可能なバルク窒化カリウム単結晶の作製を目指す。結晶中に酸素濃度の低減、成長速度の増加、結晶品質の向上が必要である。私は、昨年度までに、成長速度が50㎛/hにおいて二次元成長させることで、窒化ガリウム結晶中に含有酸素濃度の低減(7×10^<17>atoms/cc)に成功した。しかし、結晶性が成長速度とともに劣化する問題がある。そこで、私は、育成前の種基板表面モルフォロジーと育成中の多結晶発生が成長層の結晶品質に影響すると考察した。まず、種基板をCMP処理かつ昇温中に水素雰囲気でアニールすることにより、原子レベル(RMS : 0.67nm)に平坦な種基板表面を得ることに成功した。また、昇温中に水素雰囲気でアニールすることが種基板の表面汚れ除去にも効果あることを示した。さらに、育成中に水素キャリアガスを用いたことで、基板表面に多結晶発生を抑制することで、高速成長かつ結晶性良好なGaN結晶を作製した。特に高速成長の場合、成長層の結晶性が水素キャリアガスを用いない場合より向上することが確認された。その結果、成長速度が180㎛/hにおいて、結晶性((0002)面XRCの半値幅 : 71arcsec)が種基板と同程度の窒化ガリウム結晶の作製に成功した。本研究結果は、高品質バルク窒化ガリウム結晶を作製する方法として、OVPE法が実用化可能であることを示した。

窒化ガリウム系半導体は優れた特性を持つため、世界的に注目を浴びている。しかし、高品質かつ低価格な窒化ガリウム基板の作製方法はまた確立されていない。そこで、我々はGa_20を用いた気相成長法を開発し、実用化できる高品質・大型・導電性制御可能なバルク窒化カリウム単結晶の作製を目指す。結晶中に酸素濃度の低減、成長速度の増加、結晶品質の向上が必要である。私は、昨年度までに、成長速度が50㎛/hにおいて二次元成長させることで、窒化ガリウム結晶中に含有酸素濃度の低減(7×10^<17>atoms/cc)に成功した。しかし、結晶性が成長速度とともに劣化する問題がある。そこで、私は、育成前の種基板表面モルフォロジーと育成中の多結晶発生が成長層の結晶品質に影響すると考察した。まず、種基板をCMP処理かつ昇温中に水素雰囲気でアニールすることにより、原子レベル(RMS : 0.67nm)に平坦な種基板表面を得ることに成功した。また、昇温中に水素雰囲気でアニールすることが種基板の表面汚れ除去にも効果あることを示した。さらに、育成中に水素キャリアガスを用いたことで、基板表面に多結晶発生を抑制することで、高速成長かつ結晶性良好なGaN結晶を作製した。特に高速成長の場合、成長層の結晶性が水素キャリアガスを用いない場合より向上することが確認された。その結果、成長速度が180㎛/hにおいて、結晶性((0002)面XRCの半値幅 : 71arcsec)が種基板と同程度の窒化ガリウム結晶の作製に成功した。本研究結果は、高品質バルク窒化ガリウム結晶を作製する方法として、OVPE法が実用化可能であることを示した。