日本东北大学多元物质科学研究所的秩父重英教授等人与日本制钢所公司和三菱化学公司合作，成功开发出了可以量产、几乎没有曲翘的大口径高纯度GaN单晶基板的低压酸性氨热法。
1．研究背景
要想维持社会的繁荣、安心和安全，离不开对有限的能源资源进行高效利用的技术。例如，将电力转换成强动力的铁路、纯电动汽车、工业机械以及放大高频电波的通信基站等领域，就面临着提高电力转换效率的紧迫课题。作为解决方法，将负责电力控制的功率晶体管的半导体材料由原来的硅换成碳化硅、GaN和金刚石等的方法受到关注。尤其是GaN，因具备禁带宽度宽（3.4eV）、绝缘击穿场强（3.3MVcm-1）、饱和电子速度快（2.5×107cms-1）等优异特性，在以高功率和高频工作的垂直功率晶体管（图1）上的应用备受期待。不过，目前很难获得制作GaN晶体管的GaN单晶基板，因此难以制作出漏电流小且可靠性高的GaN垂直功率晶体管。
图1：采用GaN的垂直功率晶体管模式图。
2．研究方法与成果
本次研究自主开发出了可量产直径2英寸以上的GaN单晶基板的低压酸性氨热（Low-pressure acidic ammonothermal; LPAAT）法。与已经实现实用化的、采用高压超临界流体氨的传统酸性氨热（SCAAT）法不同，通过实现低压晶体生长，能以相对较小的晶体生长炉量产大型晶体。如图2所示，利用LPAAT法在基于SCAAT法的GaN籽晶上制作的2英寸长GaN单晶基板，具有晶体镶嵌性低（对称面和非对称面的X射线摇摆曲线半值宽度在28秒内）、基板几乎没有曲翘（曲率半径约为1.5km）的良好晶体结构特性。
另外，为抑制来自晶体生长炉的材质铁和镍等的污染，用银涂覆了晶体生长炉的内壁，由此可以减少意外混入GaN晶体中的杂质，实现了优异的结晶性和高纯度，达到可以从低温光致发光中观察到GaN的激子跃迁发光的程度。利用LPAAT法制作的大口径、低曲翘、高纯度GaN单晶基板如果能普及，可靠性优异的GaN垂直功率晶体管就有望实现实用化。
图2：利用LPAAT法在2种GaN籽晶（Halide vapor phase epitaxy：HVPE及Supercritical acidic ammonia technology：SCAAT）上制作的2英寸GaN单晶基板的外观、晶体结构特性及光致发光光谱。
3．未来展望
今后计划将本次研究开发的LPAAT技术应用于大型晶体生长炉（内径为120mm以上），实现具备优异晶体结构特性（曲翘少且几乎没有晶体镶嵌性）的4英寸以上大口径GaN基板。另外，还将利用东北大学和筑波大学拥有的特殊测量技术，对制作的GaN的辐射和非辐射复合率及空位型缺陷浓度等进行量化，从而进一步提高利用LPAAT法制作的GaN单晶的光学和电气特性。
论文信息
题目：Ammonothermal growth of 2 inch long GaN single crystals using an acidic NH4F mineralizer in a Ag-lined autoclave
期刊：《Applied Physics Express》
DOI：10.35848/1882-0786/ab8722
文：JST客观日本编辑部
