日本東北大學多元物質科學研究所的秩父重英教授等人與日本製鋼所公司和三菱化學公司合作，成功開發出了可以量產、幾乎沒有曲翹的大口徑高純度GaN單晶基底層的低氣壓酸性氨熱法。
1．研究背景
要想維持社會的繁榮、安心和安全，離不開對有限的能源資源進行高效利用的技術。例如，將電力轉換成強動力的鐵路、純電動車、工業機械以及等比增大高頻電波的通訊基地台等領域，就面臨着提高電力轉化效率的緊迫課題。作爲解決方法，將負責電力控制的功率電晶體的半導體材料由原來的硅換成碳化硅、GaN和金剛石等的方法受到關注。尤其是GaN，因具備禁帶寬度寬（3.4eV）、絕緣破壤場強（3.3MVcm-1）、飽和電子速度快（2.5×107cms-1）等優異特性，在以高功率和高頻工作的垂直度功率電晶體（圖1）上的應用備受期待。不過，目前很難獲得製作GaN電晶體的GaN單晶基底層，因此難以製作出漏電流小且可靠性高的GaN垂直度功率電晶體。
圖1：採用GaN的垂直度功率電晶體模式圖。
2．研究方法與成果
本次研究自主開發出了可量產直徑2英寸以上的GaN單晶基底層的低氣壓酸性氨熱（Low-pressure acidic ammonothermal; LPAAT）法。與已經實施實用化的、採用高壓超臨界流體氨的傳統酸性氨熱（SCAAT）法不同，透過實施低氣壓晶體成長，能以相對較小的晶體成長爐量產大型晶體。如圖2所示，利用LPAAT法在基於SCAAT法的GaN籽晶上製作的2英寸長GaN單晶基底層，具有晶體鑲嵌的低（對稱面和非對稱面的X射線搖擺曲線半值寬度在28秒内）、基底層幾乎沒有曲翹（曲率半徑約爲1.5km）的良好晶體結構特性。
另外，爲抑制來自晶體成長爐的材質鐵和鎳等的污染，用銀塗覆了晶體成長爐的花粉內壁，由此可以減量意外混入GaN晶體中的雜質，實施了優異的結晶性和高純度，達到可以從低溫光致發光中觀察到GaN的激子躍遷發光的程度。利用LPAAT法制作的大口徑、低曲翹、高純度GaN單晶基底層如果能普及，可靠性優異的GaN垂直度功率電晶體就有望實施實用化。
圖2：利用LPAAT法在2種GaN籽晶（Halide vapor phase epitaxy：HVPE及Supercritical acidic ammonia technology：SCAAT）上製作的2英寸GaN單晶基底層的外觀、晶體結構特性及光致發光光譜。
3．未來展望
今後計劃將本次研究開發的LPAAT技術應用於大型晶體成長爐（內徑爲120mm以上），實施具備優異晶體結構特性（曲翹少且幾乎沒有晶體鑲嵌的）的4英寸以上大口徑GaN基底層。另外，還將利用東北大學和築波大學擁有的特殊測量技術，對製作的GaN的輻射和非輻射復合率及空艙型缺陷濃度等進行量化，從而進一步提高利用LPAAT法制作的GaN單晶的光學和電氣特性。
論文資訊
題目：Ammonothermal growth of 2 inch long GaN single crystals using an acidic NH4F mineralizer in a Ag-lined autoclave
期刊：《Applied Physics Express》
DOI：10.35848/1882-0786/ab8722
文：JST客觀日本編輯部
