β型酸化ガリウム結晶の非破壊検査手法を開発 JFCCなど研究グループ

ファインセラミックスセンター（JFCC）は2022年12月8日、ノベルクリスタルテクノロジーや兵庫県立大学などと共同でβ型酸化ガリウム（β-Ga₂O₃）結晶内部の格子欠陥を短時間、非破壊で検査することに世界で初めて成功したと発表した。次世代の高耐圧、省エネの電力変換、制御用半導体の材料として注目を集めているβ-Ga₂O₃の高品質化への貢献が期待される。

電子機器で電力の変換と制御を担うパワーデバイスは、従来シリコン（Si）を原料としてきたが、性能の向上と低損失を実現するにはβ-Ga₂O₃のような広いバンドギャップと高い絶縁破壊電界強度を持つ半導体材料が必要になる。

しかし、Siに比べて結晶成長が難しいβ-Ga₂O₃では格子欠陥を含まない完全な結晶を作る技術が確立されていない。しかも、結晶内部のさまざまな欠陥をすべて把握する方法がないため、検証しながら結晶成長の最適化を図るのが難しかった。

β-Ga₂O₃結晶内部を可視化するために、研究グループはX線回折現象の一つである「異常透過現象」に着目。異常透過現象は高い完全性を持つ厚い結晶でしか起こらないX線の回折現象で、格子欠陥のように原子が理想的な位置からずれた領域があると異常透過が起こらなくなり、局所的に透過波の強度が低下する。これを利用して結晶全体に異常透過を発生させた状態で透過波の強度分布を観測すれば、X 線の弱いところに格子欠陥があると判断できると考えた。

実際に実験したところ、異常透過が発生していない状態では透過波が極めて弱くなり、異常透過が発生している状態では透過波と回折波の2つの極めて強いスポットが現れ、全体の欠陥分布を確認できた。さらに、複数の回折条件で同一場所の欠陥のコントラストを解析することで、欠陥の種類の把握も可能になった。

研究グループは今後、今回の手法を使ってさまざまな成長方法で作られたβ-Ga₂O₃結晶を評価。成長方法による欠陥の特徴を把握したうえで、β-Ga₂O₃結晶の作製に最適な育成方法を見出すための指針の構築を目指す。また、動作中のデバイスにおける欠陥の挙動をリアルタイムで観察する方法の開発にも取り組む。

β型酸化ガリウム結晶の非破壊検査手法を開発　JFCCなど研究グループ