日本产业技术综合研究所（简称产综研）开发出了可实现氮化物半导体高品质快速成膜的技术，有望应用于新一代显示器和通信设备。为了可以获得高性能，并在低温下形成晶体膜，改良了原料气体的供给方法，能将晶体的缺陷密度降至原来的百分之一以下。计划2～3年后应用于显示器，5～6年后应用于通信设备。
利用新开发的方法在氮化镓（GaN）上形成的氮化铟（InN）膜（供图：产综研）
氮化物半导体是有望应用于新一代发光元件和通信元件的材料。研究团队此次着眼于性能更高的含铟（In）氮化物半导体。
例如，氮化铟镓（InGaN）有望应用于通过组合红色、绿色和蓝色发光二极管（LED）来显示影像的新一代显示器“微型LED”。含30～40％铟的InGaN可以实现这种显示器所需的高效率红色微型LED。另外，氮化铟（InN）的电子迁移率（表示电子移动快慢程度的物理量）较大，适合用于高速通信标准“5G”的下一代通信设备所需的高频元件。
但是氮化物半导体成膜很难以高品质快速生成，这成为了实用化的瓶颈。研究团队此次通过改良原料氮的供给方法，为解决这个问题开辟了道路。
氮化物半导体一般通过高温分解氨等原料气体在基板上形成晶体膜。对于含铟氮化物半导体而言，要想增加铟的含量以提高性能，需要在650度以下的温度下成膜。因为在800度以上的高温下，铟会从晶体表面逸出，几乎不会进入晶体中。
另一方面，为了供给晶体生长所需的另一个元素氮，则需要900度以上的高温。在低温下，原料氨无法有效分解。因此，传统上很难对高品质氮化物半导体进行高速成膜。
对此，作为在低温下也容易使氮发生反应的方法，产综研使用等离子体气体来代替加热。等离子体是物质的一种不稳定状态，反应更加容易进行。
产综研开发的成膜装置使用等离子体来供氮（供图：产综研）
产综研此前曾开发出过一种在1～10千帕高压（相当于传统方法的10～100倍）下也能稳定运行的等离子体供给源。由于将参与反应的氮的密度提高到了10倍以上，所以可以提高成膜速度是其优点。该装置采用了从等离子体供给源周围的孔中供应含有镓和铟的原料气体及氮的方法。
研究团队利用这个装置，在温度为650℃和压力为2千帕的条件下形成了铟含量为100％的氮化铟膜。详细分析晶体后发现，称为位错的缺陷密度降到了常规成膜方法的百分之一以下。
产综研氮化物半导体先进器件开放创新实验室的熊谷直人介绍说，包括处于研究阶段的晶体在内，这是氮化铟晶体中“迄今为止报告的品质最高的晶体”。成膜速度快也是一个特点，速度是常规方法的两倍以上，达到每小时0.3微米。
今后，将考虑增大制造装置的体积等，以便将其用于发光元件和通信元件的量产。“计划2～3年后应用于红色微型LED，5～6年后应用于高频元件，并将广泛招募合作企业”（熊谷）。
以往的红色微型LED由于晶体品质较低等，发光效率只有1％左右。使用此次的技术，“有望提高到5％左右”（熊谷）。微型LED显示器所需的蓝色和绿色光源已经发现高发光效率的材料，如果红色的发光效率能超过5％，就有望在性能方面与有机EL显示器竞争。
日文：松元则雄、《日经产业新闻》，2022/6/1
中文：JST客观日本编辑部
