パワー半導体材料「β-Ga2O3」量産化に向け、農工大らが高速成長技術を開発

東京農工大学(農工大)、大陽日酸、奈良女子大学、工学院大学、大阪公立大学、情報通信研究機構(NICT)、大陽日酸ATIの7者は、独自の「減圧ホットウォール有機金属気相成長(減圧ホットウォールMOVPE)法」を用い、「β型酸化ガリウム」(β-Ga2O3)結晶の高精度n型キャリア密度制御と高速成長技術を開発したことを5月20日に共同発表した。

(a)β-Ga2O3減圧ホットウォールMOVPE成長炉の外観。(b)成長炉の構造断面模式図。キャリアガスには、高純度アルゴンが用いられている
(出所:共同ニュースリリースPDF)

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、大陽日酸の吉永純也氏、奈良女子大の佐々木捷悟助教、工学院大の尾沼猛儀教授、大阪公立大/NICTの東脇正高教授/室長、大陽日酸ATIの伴雄三郎博士らの共同研究チームによるもの。詳細は、公益社団法人応用物理学会が刊行する英文学術誌「Applied Physics Express」に掲載された。

炭化ケイ素や窒化ガリウム(GaN)など、パワー半導体材料の研究開発が進む。しかし、それらを凌ぐ絶縁破壊電界強度を備え、電力変換時のロスを抑制し、さらなる省エネルギー化を可能にすると期待されるのが、ガリウム原子と酸素原子が2:3の比率で結合した酸化物半導体結晶であるβ-Ga2O3だ。バンドギャップは約4.5eV、絶縁破壊電界強度は8MV/cmが推測される。さらに、各種融液法で単結晶基板を製造可能という利点もあり、デバイス製造コストの削減につながる可能性もある。

高性能なβ-Ga2O3パワーデバイスの実現には、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る技術が欠かせない。近年、その手法として注目されるのが、ヒ化ガリウム(GaAs)やGaN系デバイスの量産で多用されているMOVPE法だ。

農工大の熊谷教授らは、大陽日酸・大陽日酸ATIと共同で、独自の減圧ホットウォールMOVPE成長炉を用いたβ-Ga2O3成長法の研究開発を進めてきた。ガリウム原料には、蒸気圧が高く高濃度で供給可能な「トリメチルガリウム」(TMGa)を採用。炉内での酸素ガスとの反応条件を検討し、TMGa由来の炭素汚染がない高純度β-Ga2O3ホモエピタキシャル層の成長を、毎時15μm以上という前例のない高速度で実現している。しかし、意図的なシリコン不純物ドーピングによるn型キャリア密度の制御は未検討だった。

MOVPE法を用いたn型β-Ga2O3の成長法に関する先行研究には、シリコンドーピングガスとして「テトラエトキシシラン」(TEOS)や「シラン」(SiH4)の使用が報告されているが、これらは毒性や爆発性の問題を抱えていた。

そこで研究チームは今回、減圧ホットウォールMOVPE法のための新たなシリコンドーピングガスとして、無毒・非爆発性の「テトラメチルシラン」(TMSi)を採用し、シリコン不純物の濃度、キャリア密度の制御の可否を検討することにした。

減圧ホットウォールMOVPE成長炉を用い、1,000度に保持した(010)面β-Ga2O3基板上へのホモエピタキシャル成長中に、TMGaと酸素の供給量を固定した条件下でTMSiの供給量を変える実験が行われた。その結果、TMSiの供給により均一なシリコンドーピングが実現。炭素、水素、窒素といったその他の不純物は、試料構造全体を通して検出されなかったとした。

ノンドープβ-Ga2O3層の成長に続き、TMSi/TMGa供給比8.0×10^-7でシリコンドープβ-Ga2O3層を成長させた試料の不純物濃度深さプロファイル。破線は、各元素の検出限界値。シリコンドープ層中でシリコンが均一にドーピングされていることがわかる。試料全体で、炭素や水素、窒素などの不純物が検出されていないことも確認された
(出所:共同ニュースリリースPDF)

次に、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シリコン不純物濃度が調査された。すると、2.1×10^15〜1.5×10^19cm-3の広範囲で制御できることが確認された。さらに電気的特性評価から、シリコン濃度に等しい室温キャリア密度が得られることも判明した。これは、β-Ga2O3中でシリコンが浅いn型不純物となるためだ。