次世代半導体材料「β型酸化ガリウム結晶」の高純度成長法を農工大が開発

東京農工大学(農工大)は、高い省エネ効果を有する次世代パワーデバイス用半導体材料として注目されている「β型酸化ガリウム結晶」が有機金属気相成長(MOVPE)法で成長する化学反応メカニズムを解明し、高純度の結晶成長法を開発したと発表した。

同成果は、農工大大学院工学研究院応用化学部門の熊谷義直教授、同・後藤健助教、気相成長の町田英明博士(代表取締役兼務)、同・石川真人博士、大陽日酸イノベーションユニットCSE事業部の池永和正氏らの共同研究チームによるもの。詳細は、英文学術誌「Japanese Journal of Applied Physics」に掲載された。

現在のパワー半導体の主材料はSiだが、技術的に物性の限界近くまで来ており、さらなる高効率化、省エネ化の実現に向けSiCやGaNなどの次世代パワー半導体材料の活用が進みつつある。

β型酸化ガリウム(β-Ga₂O₃)結晶もそうした次世代パワー半導体材料として期待される1つで、そのバンドギャップは約4.5eVとSiCやGaN以上のワイドバンドギャップであることが知られている。また、電力損失がSi結晶に対しどれだけ小さくなるのかを定量化した「バリガ性能指数」はSiに対して、約3000分の1とされている。

また、β-Ga₂O₃結晶は、基板製造コストをSi並みに下げられる可能性があるとされており、SiCやGaNの次に来るパワー半導体材料として、世界中で産官学による研究開発が活発に行われている。

熊谷教授の研究室では、すでに農工大で開発された「ハライド気相成長(HVPE)」法によるβ-Ga₂O₃結晶成長の反応解析と成長実証を通し、高純度結晶の高速成長技術を確立済みだという。また、HVPE法を適用した製造装置を使用することで、すでに「β-Ga₂O₃ホモエピタキシャルウェハ」に供給済みだという。

しかし、HVPE法は複雑なデバイス構造の作製に限界があることも分かっており、「有機金属気相成長(MOVPE)」法を用いたβ-Ga₂O₃結晶成長の開発が求められていたとするが、原料となる有機金属化合物ガスと酸素ガスの化学反応は制御することが困難であること、ならびに炭素不純物の混入も不可避とされていたことから、積極的な研究開発は行われてこなかったという。

近年になって、欧米のいくつかの研究機関からβ-Ga₂O₃結晶のMOVPE成長が報告されるようになり、それを受け、同研究室でも気相成長ならびに大陽日酸と共同研究を開始。有機金属化合物ガスと酸素ガスの反応メカニズムの解明、β-Ga₂O₃結晶成長に適した化学反応条件の探査を進めることで、今回、これまで困難とされてきたβ-Ga₂O₃のMOVPE成長に成功したという。

β-Ga₂O₃結晶の成長駆動力(上図)と、トリエチルガリウムガス(TEG)と酸素の化学反応によって生じるH₂、CO、H₂O、CO₂の平衡分圧(下図)を供給VI/III比に対して解析した結果(供給VI/III比はTEG供給に対する酸素供給の比率) (出所:農工大Webサイト)

今回の実験用に構築された減圧MOVPE装置の概略図 (出所:農工大Webサイト)

解明された反応メカニズムに基づき選定された反応条件を用いて成長実験が行われた結果、成長反応温度900℃において成長速度1.4μm毎時で高純度なβ-Ga₂O₃結晶の成長に成功したという。

MOVPE法で成長させたβ-Ga₂O₃結晶に含まれるHおよびC不純物の濃度。成長温度900℃以上では、不純物濃度は測定環境中のバックグラウンド(B.G.)濃度を下回る (出所:農工大Webサイト)

900℃でMOVPE成長させたあとのβ-Ga₂O₃結晶膜(膜厚約1.4μm)がついたサファイア基板の画像。写真左側が上流方向 (出所:農工大Webサイト)

なお、研究チームでは、今回の成果をデバイス製造用のMOVPE装置開発に展開することで、これまでのHVPE法では不可能であった複雑な構造の作製が可能となるとしており、将来的なβ-Ga₂O₃パワー半導体の実用化につながることが期待されるとしている。また、大陽日酸では、今回の技術を基にした研究開発機の開発を進めるほか、その後についても少量生産用機、大型量産機の実用化に向けた取り組みを進めていく計画としている。