2014 年度 修士論文要旨
4H-SiC 単結晶成長初期過程における欠陥発生の研究
関西学院大学大学院理工学研究科 物理学専攻 大谷昇研究室 高橋達也
現代社会を維持・発展させていくためには、エネルギー問題の解決が不可欠である。なかでも、電気エ ネルギーの有効利用は必須で、電力変換を高効率に行えるSiCパワー半導体の役割は今後益々重要になる と考える。しかしながら、その礎となるSiC単結晶には、半導体の性能を低下させる結晶欠陥が未だ多く 存在している。現在主流となっているSiC単結晶の結晶成長方法は、昇華再結晶法と呼ばれる気相成長法 である。この方法では、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中でSiC粉末を加熱し、蒸気となったSi、Cを温 度の低く設定された種結晶上で再結晶化させ、単結晶を得る。昇華再結晶法で作製されたSiC単結晶中の 結晶欠陥の多くは、結晶成長の初期段階で導入されることが知られている。結晶成長の初期段階での欠陥 生成は、現象としては広く認識されてはいるものの、その原因・メカニズムについては、未だ十分な理解 がなされていない。そこで本研究では、SiC単結晶高品質化の指針を得ることを目的として、4H-SiC単結 晶の成長初期過程における結晶欠陥形成のメカニズム解明に取り組んだ。
本研究では、昇華再結晶法によりc軸（[0001_]）及びa軸（[112_0]）方向に結晶成長した4H-SiC単結晶 から、結晶成長方向と平行に、それぞれ{112_0}面ウェハと{0001}面ウェハを切り出し、測定試料とした。
評価手法として、高分解能X線回折、放射光X線トポグラフィー、欠陥検出エッチング、低加速電圧走査 型電子顕微鏡、ラマン散乱分光を用いて、結晶成長初期部の格子面の湾曲、結晶性、転位の種類、歪み・
キャリア濃度分布を調べた。
高分解能 X 線回折の結果より、c 軸成長結晶の成長初期部に発生する基底面（{0001}面）の湾曲は、他 の部分とは符号が異なり、成長方向に向かって凸形状になっていることがわかった。また、この成長初期 部の基底面の湾曲は、極めて局所的（200～300m 厚）に発生していることが明らかになった。これらの 実験結果は、結晶成長初期部には、結晶成長中の温度分布に起因した熱応力等では説明できない、成長初 期部に特有な欠陥構造が存在していることを示唆している。一方、a 軸成長結晶では欠陥構造が c 軸成長 結晶とは大きく異なり、成長初期部に貫通刃状転位と基底面転位が大量に発生し、種結晶/成長結晶界面に 小傾角粒界を形成していた。本論文では、これ
らの実験結果を解析・総合化することにより、
結晶成長方位に依存した欠陥生成過程を統一 的に理解し得るモデルを提案した。具体的には、
結晶成長初期部に偏在する窒素不純物が高温 でミスフィット転位を形成し、これらミスフィ ット転位が結晶成長方位に依存した配置をと ることにより、結晶成長方位に特有な欠陥構造 が形成されるとするモデルである。さらに本研 究では、このモデルを検証するために、顕微ラ マン散乱分光法を用いて歪み分布（図1(a)）と キャリア濃度分布（図1(b)）を測定し、欠陥生 成とキャリア（窒素）濃度との間に強い相関が
あることを示した。 図1. a軸成長結晶から切り出した{0001}面ウェハのラマ ン散乱イメージ。(a)歪み分布、(a)キャリア濃度分布
