炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に代表されるワイドバンドギャップ（WBG）半導体は広く注目を集めています。炭化ケイ素は電気自動車や電力網、窒化ガリウムは急速充電への応用展望に大きな期待が寄せられています。近年、Ga2O3、AlN、ダイヤモンド材料の研究が大きく進展し、超ワイドバンドギャップ半導体材料が注目されています。その中でも、酸化ガリウム（Ga2O3）は、バンドギャップが4.8eV、理論上の臨界破壊電界強度が約8MVcm-1、飽和速度が約2E7cms-1、バリガ品質係数が3000と高い、新興の超ワイドバンドギャップ半導体材料であり、高電圧・高周波パワーエレクトロニクスの分野で広く注目を集めています。
1. 酸化ガリウムの材料特性
Ga2O3はバンドギャップが大きく（4.8 eV）、高耐電圧と高出力の両立が期待され、比較的低抵抗で高電圧対応のポテンシャルを秘めていることから、現在研究が進められています。また、Ga2O3は優れた材料特性を持つだけでなく、調整が容易なn型ドーピング技術や、低コストの基板成長・エピタキシー技術も提供しています。これまでに、Ga2O3にはコランダム（α）、単斜晶系（β）、欠陥スピネル（γ）、立方晶系（δ）、斜方晶系（ɛ）の5つの異なる結晶相が発見されています。熱力学的安定性は、γ、δ、α、ɛ、βの順に高くなります。特に高温では単斜晶系β-Ga2O3が最も安定しているのに対し、他の相は室温以上で準安定であり、特定の熱条件下ではβ相に転移する傾向があることは注目に値します。そのため、近年、β-Ga2O3ベースのデバイスの開発はパワーエレクトロニクス分野における主要な焦点となっています。
表1 半導体材料パラメータの比較
単斜晶系β-Ga2O3の結晶構造を表1に示す。格子定数は、a = 12.21 Å、b = 3.04 Å、c = 5.8 Å、β = 103.8°である。単位胞は、ねじれた四面体配位のGa(I)原子と八面体配位のGa(II)原子から構成される。「ねじれた立方晶系」配列には、三角配位のO(I)原子とO(II)原子2個、および四面体配位のO(III)原子1個を含む、3つの異なる酸素原子配列が存在する。これら2種類の原子配位の組み合わせにより、β-Ga2O3は異方性を示し、物理学、化学腐食、光学、電子工学において特殊な特性を示す。
図1 単斜晶系β-Ga2O3結晶の模式構造図
エネルギーバンド理論の観点から、β-Ga2O3の伝導帯の最小値は、Ga原子の4s0混成軌道に対応するエネルギー状態から導出されます。伝導帯の最小値と真空エネルギーレベル（電子親和力エネルギー）間のエネルギー差が測定されます。は4 eVです。β-Ga2O3の有効電子質量は0.28〜0.33 meと測定され、その好ましい電子伝導性を備えています。しかし、価電子帯の最大値は、非常に低い曲率の浅いEk曲線と強く局在したO2p軌道を示し、正孔が深く局在していることを示唆しています。これらの特性は、β-Ga2O3でp型ドーピングを実現する上で大きな課題となります。たとえP型ドーピングが達成できたとしても、正孔μは非常に低いレベルのままです。 2. バルク酸化ガリウム単結晶の成長 これまで、β-Ga2O3バルク単結晶基板の成長方法は、主にチョクラルスキー法（CZ）、エッジ定義薄膜供給法（Edge-Defined film-fed、EFG）、ブリッジマン法（垂直または水平ブリッジマン法、HBまたはVB）、浮遊ゾーン法（フローティングゾーン、FZ）などの結晶引き上げ法でした。すべての方法の中で、チョクラルスキー法とエッジ定義薄膜供給法は、大容量と低欠陥密度を同時に達成できるため、将来的にβ-Ga 2O3ウェハの量産において最も有望な方法になると期待されています。現在までに、日本のノベルクリスタルテクノロジーは、溶融成長β-Ga2O3用の商用マトリックスを実現しました。
1.1 チョクラルスキー法
チョクラルスキー法の原理は、まずシード層を覆い、次に単結晶を融液からゆっくりと引き上げることです。チョクラルスキー法は、コスト効率、大型化、高品質の結晶基板成長のため、β-Ga2O3にとってますます重要になっています。しかし、Ga2O3の高温成長中の熱応力により、単結晶、融液の蒸発、およびIrるつぼの損傷が発生します。これは、Ga2O3で低n型ドーピングを達成することが難しいことに起因しています。成長雰囲気に適切な量の酸素を導入することが、この問題を解決する1つの方法です。最適化により、自由電子濃度範囲が10^16〜10^19 cm-3、最大電子密度が160 cm2/Vsの高品質2インチβ-Ga2O3をチョクラルスキー法で成長させることに成功しました。
図2 チョクラルスキー法で育成したβ-Ga2O3の単結晶
1.2 エッジ定義フィルム供給方式
エッジ定義薄膜供給法は、大面積Ga2O3単結晶材料の商業生産における有力候補と考えられています。この方法の原理は、毛細管スリットを備えた鋳型に融液を配置し、融液が毛細管現象によって鋳型まで上昇することです。鋳型上部では薄膜が形成され、種結晶によって結晶化が促されながら全方向に広がります。さらに、鋳型上部のエッジを制御することで、薄片状、管状、または任意の形状の結晶を製造できます。Ga2O3のエッジ定義薄膜供給法は、高速成長と大口径化を実現します。図3はβ-Ga2O3単結晶の模式図です。また、サイズスケールに関しては、透明性と均一性に優れた2インチおよび4インチのβ-Ga2O3基板が既に商品化されており、6インチ基板は将来の商業化に向けた研究段階にあります。最近では、(-201)方位を有する大型円形単結晶バルク材料も入手可能になっています。さらに、β-Ga2O3エッジ定義フィルム供給法は遷移金属元素のドーピングも促進し、Ga2O3の研究と製造を可能にします。
図3 エッジ定義フィルム供給法で成長したβ-Ga2O3単結晶
1.3 ブリッジマン法
ブリッジマン法では、るつぼ内で結晶を徐々に温度勾配に沿って移動させながら形成します。このプロセスは、水平方向または垂直方向で実行でき、通常は回転るつぼを使用します。この方法では、結晶シードを使用する場合と使用しない場合があります。従来のブリッジマン法では、溶融および結晶成長プロセスを直接観察することができないため、高精度な温度制御が必要です。垂直ブリッジマン法は主にβ-Ga2O3の成長に使用され、空気中での成長が可能であることが知られています。垂直ブリッジマン法の成長プロセス中、溶融物とるつぼの総質量損失は1%未満に抑えられ、損失を最小限に抑えながら大型のβ-Ga2O3単結晶を成長させることができます。
図4 ブリッジマン法で育成したβ-Ga2O3の単結晶
1.4 浮遊ゾーン法
浮遊ゾーン法は、るつぼ材料による結晶汚染の問題を解決し、耐熱性赤外線るつぼに伴う高コストを削減します。この成長プロセスでは、融液をRF源ではなくランプで加熱できるため、成長装置に対する要件が簡素化されます。浮遊ゾーン法で成長したβ-Ga2O3の形状と結晶品質はまだ最適化されていませんが、この方法は高純度β-Ga2O3を低コストで単結晶に成長させる有望な方法となります。
図5 浮遊ゾーン法で育成したβ-Ga2O3単結晶。
投稿日時: 2024年5月30日