β型酸化ガリウム結晶の高精度n型ドーピング技術を独自の有機金属気相成長法で実現 ~次世代パワーデバイス量産に向けた基盤技術を確立~

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β型酸化ガリウム結晶の高精度n型ドーピング技術を
独自の有機金属気相成長法で実現
~ 次世代パワーデバイス量産に向けた基盤技術を確立 ~

　新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】 大学院工学研究院応用化学部門の熊谷義直教授らのグループは、大陽日酸株式会社の吉永純也氏ら、奈良女子大学の佐々木捷悟助教、工学院大学の尾沼猛儀教授、大阪公立大学／情報通信研究機構 (NICT(エヌアイシーティー)) の東脇正高教授／室長、および大陽日酸ATI株式会社の伴雄三郎博士らと共同で、独自の減圧ホットウォール有機金属気相成長（MOVPE）法^注1を用い、高精度にn型キャリア密度^注2を制御したβ型酸化ガリウム（β-Ga₂O₃）結晶^注3の高速成長技術を開発しました。β-Ga₂O₃は電力制御?変換の高効率化を実現する次世代パワーデバイス^注4用の半導体材料として注目されています。今回、安全なSi源としてテトラメチルシラン（TMSi）を採用し、MOVPE法でSiをドープしたβ-Ga₂O₃を成長し、キャリア密度の高精度制御を達成しました。本技術は、パワーデバイス量産に必須となるホモエピタキシャルウェハ^注5量産の基盤技術として期待されます。

背景
　電力変換時のロスを抑え、一層の省エネルギー化を促進するため、従来のシリコン（Si）結晶よりも大きな絶縁破壊電界強度^注6を有する次世代半導体結晶を用いた高耐圧?低損失なパワーデバイス（ダイオードやトランジスタ等）開発が注目されています。β-Ga₂O₃結晶は、研究が先行している炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）結晶よりも絶縁破壊電界強度が大きく、電力損失の更なる抑制を可能にします。また、各種の融液法^注7で単結晶基板を製造できるという利点から、デバイス製造コストの削減が期待されています。そのため現在、産業応用に向け世界中で産官学が連携した研究開発が加速しています。
　高性能なβ-Ga₂O₃パワーデバイス実現のためには、単結晶基板上にn型キャリア密度が精密に制御されたβ-Ga₂O₃層を高速でホモエピタキシャル成長させた所謂ホモエピタキシャルウェハを製造する技術の開発が不可欠です。近年、砒化ガリウム（GaAs）やGaN系デバイスの量産で多用されている有機金属気相成長（MOVPE）法が、β-Ga₂O₃の新たな成長手法として注目されています。
　新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】の熊谷研究室では、大陽日酸株式会社?大陽日酸ATI株式会社と共同開発した独自の減圧ホットウォールMOVPE成長炉（FR2000-OX）を用いたβ-Ga₂O₃成長の研究を進めています。既に、Gaの原料として蒸気圧が高く成長炉に高濃度で供給可能なトリメチルガリウム（TMGa）を採用し、炉内における酸素（O₂）ガスとの反応条件の検討によって、TMGaに由来する炭素（C）汚染が無い高純度β-Ga₂O₃ホモエピタキシャル層の成長を前例の無い高速度（毎時15 μm以上）で実現しています。しかし、意図的なSi不純物ドーピング^注8によるn型キャリア密度の制御については未検討でした。他研究機関のMOVPE法によるn型β-Ga₂O₃の成長では、テトラエトキシシラン（TEOS）やシラン（SiH₄）をSiのドーピングガスとして用いた報告がありますが、TEOSには毒性、SiH₄には爆発性があります。そこで今回、減圧ホットウォールMOVPE法におけるβ-Ga₂O₃の新たなSiドーピングガスとして無毒?非爆発性のTMSiを採用し、Si不純物の濃度、キャリア密度の制御の可否を検討しました。

研究体制
　本研究は、新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】 大学院工学研究院応用化学部門の熊谷義直教授、大陽日酸株式会社の吉永純也氏ら、奈良女子大学の佐々木捷悟助教、工学院大学の尾沼猛儀教授、大阪公立大学／情報通信研究機構の東脇正高教授／室長、および大陽日酸ATI株式会社の伴雄三郎博士らによる共同研究グループで実施されました。減圧ホットウォールMOVPE成長炉の開発?運用は、総務省ICT重点技術の研究開発プロジェクト（JPMI00316）次世代省エネ型デバイス関連技術の開発?実証事業（第一期、第二期）（環境省連携事業）の委託によって実施されました。

研究成果
　減圧ホットウォールMOVPE成長炉（図1）を用い、1000℃に保持した(010)面β-Ga₂O₃基板上へのホモエピタキシャル成長中にTMGaとO₂の供給量を固定した下でTMSi供給量を変え供給しました。TMSiを供給することで均一なSiドーピングが実現しました（図2）。その他の不純物であるC、水素（H）、窒素（N）は試料構造全体を通して検出されませんでした。
　TMSi/TMGa供給比を変化させて成長したホモエピタキシャル層中のSi不純物濃度を調べたところ、2.1 × 10¹⁵から1.5 × 10¹⁹ cm^–3までの広い範囲で制御できることが分かり、さらに電気的特性評価からSi濃度に等しい室温キャリア密度が得られることも分かりました（図3）。これはβ-Ga₂O₃中でSiが浅いn型不純物になるためであることを確認しています。
　室温において1.8 × 10¹⁶ cm^–3のキャリア密度（Si不純物濃度）を有するホモエピタキシャル層のキャリア輸送特性解析より、キャリア（電子）移動度^注9は極性光学フォノン散乱^注10のみによって支配されており、Si不純物が影響していないことが明らかになりました。これらの結果から、TMSiを用いた減圧ホットウォールMOVPE法によるSiドープβ-Ga₂O₃ホモエピタキシャル層の成長は、パワーデバイス製造用ホモエピタキシャルウェハの量産技術となり得ることが分かりました。

今後の展開
　本研究により、無毒で非爆発性のTMSiを用いた独自の減圧ホットウォールMOVPE法で、キャリア密度を広い範囲で高精度に制御したSiドープβ-Ga₂O₃ホモエピタキシャル層の高速成長技術を確立しました。今後はβ-Ga₂O₃パワーデバイス実用化に向け、β-Ga₂O₃ホモエピタキシャルウェハを用いたパワーデバイスの開発および性能評価を進めていくと共に、大陽日酸イノベーションユニット（ユニット長：小林邦裕）CSE事業部（事業部長：川元淳）では、FR2000-OXを原型にしたホモエピタキシャルウェハの少量生産用成長炉および大規模量産用成長炉の開発を進めていきます。


用語解説
注1）有機金属気相成長（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE）法
金属元素の有機金属化合物ガスを原料として使用する結晶成長手法。高精度に成長を制御することが可能で、窒化物半導体発光素子や砒化物?窒化物半導体高速動作トランジスタの作製で広く用いられている。
注2）n型キャリア密度
半導体中を自由に動くことができる電子（キャリア）の数を示す指標で、1立方センチメートルあたりの電子数で表される。半導体デバイスでは、デバイスの耐圧や電気の流れやすさがキャリア密度に依存するため、広い範囲でキャリア密度を高精度に制御する技術が求められる。
注3）β型酸化ガリウム（β-Ga₂O₃）結晶
ガリウム（Ga）原子と酸素（O）原子が2:3の比率で結合した酸化物半導体結晶で、バンドギャップは約4.5 eV（電子ボルト）である。この値は、Si（1.1 eV）、4H-SiC（3.3 eV）、GaN（3.4 eV）よりも大きく、高い絶縁破壊電界強度（8 MV/cm）が推測されている。
注4）パワーデバイス
電力変換を行う半導体素子で、高電圧?大電流を効率よく制御することができる。電源、産業用モータ等の幅広い分野で使用される。
注5）ホモエピタキシャルウェハ
デバイス作製のため、単結晶基板上にキャリア密度の異なる同じ結晶を基板と軸を揃えて成長（ホモエピタキシャル成長）させた基板のこと。デバイスの設計に応じ、ホモエピタキシャル層の厚さとキャリア密度を制御した成長が求められる。
注6）絶縁破壊電界強度
半導体材料が電気を絶縁できる電界強度の上限で、この値を超えると絶縁性が失われて電気が流れてしまう。数値が高い程、高耐圧のデバイス作製に適した材料となる。β-Ga₂O₃結晶の絶縁破壊電界強度は約8 MV/cmと推測されている。
注7）融液法
材料融液の冷却過程で種結晶から単結晶を成長させる手法。量産性に優れ、チョクラルスキー（Cz）法、縁部限定薄膜供給成長（EFG）法、垂直ブリッジマン（VB）法等が知られている。
注8）不純物ドーピング
半導体結晶の電気的特性を意図的に変化させるため、特定の不純物を微量添加すること。
注9）キャリア（電子）移動度
半導体結晶に1 V/cmの電界が印加された時に電子が得る速度のこと。この値が大きいと、電流が流れやすくなり、高速?高性能な半導体デバイスが作製できる。結晶品質、格子振動、不純物濃度、測定温度等の影響を大きく受ける。
注10）極性光学フォノン散乱
半導体結晶中のキャリアが、格子振動（フォノン）との相互作用によって受ける散乱のこと。散乱が強いとキャリア移動度が低下する。

◆研究に関する問い合わせ◆
　新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】 大学院工学研究院
　　応用化学部門　教授
　　熊谷　義直（くまがい　よしなお）
　　　TEL：042－388－7469
　　　E-mail：4470kuma（ここに@を入れてください）cc.wxanhx.com

　大陽日酸株式会社 イノベーションユニットCSE事業部
　　吉永　純也（よしなが　じゅんや）
　　　TEL：045－872－1822
　　　E-mail：yoshinagaj.qed（ここに@を入れてください）tn-sanso.co.jp

　奈良女子大学 研究院自然科学系
　　佐々木　捷悟（ささき　しょうご）
　　　E-mail：ssasaki（ここに@を入れてください）cc.nara-wu.ac.jp

　工学院大学 先進工学部応用物理学科
　　尾沼　猛儀（おぬま　たけよし）
　　　TEL：042－628－4704
　　　E-mail：onuma（ここに@を入れてください）cc.kogakuin.ac.jp

　大阪公立大学大学院工学研究科電子物理系専攻電子物理工学分野／
　情報通信研究機構　未来ICT研究所　小金井フロンティア研究センター
　グリーンICTデバイス研究室
　　東脇　正高（ひがしわき　まさたか）
　　　TEL：072－254－9268
　　　E-mail：higashiwak（ここに@を入れてください）omu.ac.jp／
　　　　　　   mhigashi（ここに@を入れてください）nict.go.jp

　大陽日酸ATI株式会社
　　伴　雄三郎（ばん　ゆうざぶろう）
　　　TEL：044－288－5791
　　　E-mail：bany.qtu（ここに@を入れてください）tnati.tn-sanso.co.jp

◆報道に関する問い合わせ◆
　新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】 総務課広報室
　　　Tel：042－367－5930
　　　E-mail：koho2（ここに@を入れてください）cc.wxanhx.com

　大陽日酸株式会社 コーポレートユニット広報部広報課
　　　Tel：03－5788－8015
　　　E-mail：Tnsc.Info（ここに@を入れてください）tn-sanso.co.jp

　奈良女子大学 総務課広報?基金係
　　　Tel：0742－20－3220
　　　E-mail：somu02（ここに@を入れてください）jimu.nara-wu.ac.jp

　工学院大学 経営企画部広報課
　　　Tel：03－3340－1498
　　　E-mail：gakuen_koho（ここに@を入れてください）sc.kogakuin.ac.jp

　大阪公立大学 広報課
　　　Tel：06－6967－1834
　　　E-mail：koho-list（ここに@を入れてください）ml.omu.ac.jp

　情報通信研究機構 広報部報道室
　　　E-mail：publicity（ここに@を入れてください）nict.go.jp

　大陽日酸株式会社ATI株式会社 管理統括部
　　　Tel：044－288－5791
　　　E-mail：hosodam.qaz（ここに@を入れてください）tnati.tn-sanso.co.jp

• プレスリリース（PDF：633.2KB）