高純度窒化ガリウム単結晶基板の量産方法を開発――次世代パワーエレクトロニクスの実現に道東北大学ら

東北大学は2020年6月1日、日本製鋼所および三菱ケミカルと共同で、高性能パワートランジスタ実現に貢献する高純度の窒化ガリウム（GaN）単結晶基板の量産方法を開発したと発表した。

同大学によると、持続可能な社会の実現には、電力の変換効率向上が喫緊の課題だ。それを解決する手段の1つとして、電力制御を担うパワートランジスタの半導体材料を、従来のシリコン（ケイ素）から炭化ケイ素やGaN、ダイヤモンドに置き換える方法が考えられている。

そのうち特に広い禁制帯幅や高い絶縁破壊電界、早い飽和電子速度などの優れた物性を持つGaNが、高出力、高周波数で動作する縦型パワートランジスタへ応用可能な素材として期待されている。しかし従来、GaNトランジスタの土台となるGaN単結晶基板が入手しにくいために、リーク電流が少なく信頼性が高いGaN縦型パワートランジスタを作成することは困難だった。

今回の研究では、直径2インチ以上のGaN単結晶基板を量産できる、低圧酸性アモノサーマル（LPAAT）法を独自開発。同法は、すでに実用化されている高圧の超臨界流体アンモニアを用いる酸性アモノサーマル法と違い、低圧で結晶成長が可能なため、従来と比較してより小型の結晶成長炉で大型結晶の量産ができるようになる。

LPAAT法で作製したGaN単結晶は結晶モザイク性が低く、曲率半径が1.5kmと基板の反りもほとんどない。結晶成長炉の材質である鉄やニッケルなどのコンタミネーションを抑えるため、結晶成長炉の内壁を銀でコーティングした結果、GaN結晶中に混入する不純物も抑えることができた。低温フォトルミネッセンスからはGaNの励起子遷移の発光が確認できるほどの優れた結晶性と高い純度を達成した。

今回開発した手法による、大口径／低反り／高純度なGaN単結晶基板が普及することで、信頼性の高いGaN縦型パワートランジスタの実用化が期待されるという。

今後は今回開発したLPAAT技術を大型炉（内径120mm以上）に適用して、同様の特性を持つ4インチ以上の大口径GaN基板の実現を目指す。同時にLPAAT法によるGaN単結晶の光学的／電気的な特性向上も目指す。

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