ε相酸化ガリウムの結晶成長と超ワイドバンドギャップパワーデバイス応用に関する研究

ε相氧化镓晶体生长及超宽带隙功率器件应用研究

基本信息

批准号：
19J15504
负责人：
田原大祐
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyoto Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

酸化ガリウムは代表的なワイドバンドギャップ半導体材料である窒化ガリウムや炭化ケイ素よりも大きなバンドギャップを有する超ワイドバンドギャップ半導体である。結晶多形である酸化ガリウムのなかで、準安定相であるε相酸化ガリウムは唯一、自発分極及び強誘電体特性を有する。本研究では、ε相酸化ガリウムのヘテロ接合型パワーデバイスを作製し、従来のパワーデバイスを凌駕する省エネデバイスを実現することを目的としている。本検討では、薄膜成長における課題に着目し、下記の検討を進めた。面内の回転ドメイン制御に向け、正方晶の結晶構造を有する酸化チタン(100)基板上への薄膜成長を試みた。透過電子顕微鏡法による微細構造分析の結果、ε相酸化ガリウム薄膜は面内の回転ドメイン構造のコラム柱状の多結晶膜であることが明らかになった。更に、制限視野電子回折分析の結果から、基板とε相酸化ガリウム薄膜との界面層に熱的最安定相のβ相酸化ガリウムが成長していることが判明した。シングルドメイン構造を有する薄膜を得るには、引き続き、下地基板の結晶構造に着目した検討が必要である。高品質かつ表面平坦性の高い薄膜を得るための検討として、ミストCVD法による結晶成長におけるビスマス前駆体使用の効果について調査した。その結果、Bi前駆体使用の有無に関わらず、成長温度700℃で単相のε相酸化ガリウム薄膜が得られた。更に、Bi前駆体を使用した場合、Bi原子の膜中への取り込みは確認されず、Bi前駆体原料を使用しない場合と比較して、結晶品質及び表面平坦性が向上した。これは結晶成長におけるビスマス原子のサーファクタント効果によるものと考えられる。薄膜成長における新しいアプローチは将来の超ワイドバンドギャップパワーデバイスの実現において有用な知見であるといえる。

氧化镓是一种超宽带隙半导体，具有比氮化镓和碳化硅等典型宽带隙半导体材料更大的带隙。在氧化镓的多晶型中，ε相氧化镓是亚稳态相，是唯一具有自发极化和铁电性质的相。本研究的目的是制造ε相氧化镓异质结功率器件，并实现超越传统功率器件的节能器件。在本研究中，我们重点关注薄膜生长的问题，并进行了以下研究。为了控制面内旋转域，我们尝试在具有四方晶体结构的氧化钛 (100) 基板上生长薄膜。使用透射电子显微镜的微观结构分析表明，ε相氧化镓薄膜是具有面内旋转域结构的柱状多晶薄膜。此外，选区电子衍射分析的结果表明，作为热稳定相的β相氧化镓在衬底和ε相氧化镓薄膜之间的界面层中生长。为了获得单畴结构的薄膜，需要继续研究底层衬底的晶体结构。为了获得高质量和高表面平整度的薄膜，我们研究了使用雾气CVD方法在晶体生长中使用铋前驱体的效果。结果，无论是否使用Bi前驱体，都在700℃的生长温度下获得了单相ε相氧化镓薄膜。此外，当使用Bi前体时，确认没有Bi原子掺入到膜中，并且与不使用Bi前体原料的情况相比，晶体品质和表面平坦度得到改善。这被认为是由于晶体生长过程中铋原子的表面活性剂效应。薄膜生长的新方法可以说是实现未来超宽带隙功率器件的有用知识。