日本結晶成長学会誌
特集：機能性単結晶の最近の進展
Vol. 42, No. 2 (2015) 130 – 24 – 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用
倉又朗人
1*・飯塚和幸
1・佐々木公平
1・輿 公祥
1・増井建和
1・森島嘉克
1・
後藤 健
1・熊谷義直
2・村上 尚
2・纐纈明伯
2・ワン マンホイ
3・上村崇史
3・
東脇正高
3・山腰茂伸
1Optical and Electrical Device Application of Gallium Oxide
Single Crystal
Akito Kuramata
1*, Kazuyuki Iizuka
1, Kohei Sasaki
1,Kimiaki Koshi
1, Takekazu Masui
1,
Yoshikatsu Morishima
1, Ken Goto
1, Yoshinao Kumagai
2, Hisashi Murakami
2, Akinori Koukitu
2,
Man Hoi Wong
3, Takafumi Kamimura
3, Masataka Higashiwaki
3, and Shigenobu Yamakoshi
1Gallium Oxide is attracting attention as a new material for optical and electrical applications. It has a large band gap of 4.8 eV. The electron concentration can be controlled in a range between 1016 cm-3 and 1019 cm-3. Large-size bulk crystals can be obtained easily because melt growth is possible under the atmospheric pressure. From these material features, we expect high performance and low production cost of LEDs and high power devices. In this report, we introduce the properties of β-Ga2O3 single crystal substrates and the present status of device development.
１. はじめに
酸化ガリウム(Ga2O3)は 4.8eV という非常に大きなバ ンドギャップを有する酸化物半導体材料である 1-3)．α，β， γ，ε，δ の 5 つの結晶構造が知られていて4)，このうち単 斜晶系に属する β ガリア構造と呼ばれる結晶構造が安定 相である(Fig. 1)．ドナー型不純物を添加することにより n 型の結晶を得ることができ，1016cm-3から 1019cm-3の 範囲でキャリア濃度を制御できることが報告されている 5,6)．n 型においては 10-3Ωcm 台の低い抵抗率が得られる． p 型伝導の報告はなく，アクセプタ型不純物を添加した場 合には結晶は高抵抗となる．この時の抵抗率は 1012Ωcm 程度であり，絶縁材料としての性能に優れる．単結晶の 育成に関して，大気圧の融液相からの結晶育成が可能で ある．簡易な装置を用いて高い育成速度で結晶をつくる ことができるため，競合するワイドバンドギャップ材料 であるSiC や GaN と比べて大型のバルク結晶を安価に製 造できるという特長を持つ． これまで Ga2O3の応用はそれほど多く提案されてこな かった．多結晶膜を使った応用として，ガスセンサ 7-9)， 透明導電膜10)，TFT11)などの報告があった．また，単結総合報告
1 株式会社タムラ製作所 〒350-1328 埼玉県狭山市広瀬台 2-3-1 2 国立大学法人 東京農工大学 〒184-8588 東京都小金井市中町 2-24-16 3 国立研究開発法人情報通信研究機構 〒184-8795 東京都小金井市貫井北町 4-2-1 1 Tamura Corporation, Sayama, Saitama 350-1328, Japan2 Tokyo University of Agriculture and Technology, Koganei, Tokyo 184-8588, Japan
3 National Institute of Information and Communications Technology, Koganei, Tokyo 184-8795, Japan * Corresponding author (E-mail: takeshi.kizaki@jp.fujikura.com)
Ga O Lattice constant: a = 1.22 nm b = 0.30 nm c = 0.58 nm α = 90° β = 103.7° γ = 90° γ β α a b c
倉又・飯塚・ 日本結晶成長学 晶を使った応 幾つかあるの 晶 の β-Ga2O Ga2O3を使っ されたこと 6, 高まってきて ここ数年， 2 つが進めら (GaN)のエピ 外・可視LED 透明性と高い 晶基板の上に から，これら しようとする をデバイスの である．この 耐圧なダイオ で開発が進め 標であるバリ の 6000 倍， パワーデバイ が分かる16)． 本報告では 価結果につい 発におけるエ いて紹介する 2.1 バルク育成 β-Ga2O3の 長が可能であ ベルヌーイ法 ラ ル ス キ ー 法 Growth 法（ 時点で最も大 らのグループ Ga2O3単結晶 Fig. 2 ・佐々木・輿・増井 学会誌 Vol. 42, N 応用は，紫外線 のみであった． O3 基 板 が 商 用 ってパワーデバ 15)を契機とし いる． β-Ga2O3単結 れている．一 ピタキシャル D 開発である い導電性を合わ 高品質なGaN の性質を利用 試みである． の構成材料とし の材料の大きな オードやトラン められている． ガ指数を β-G SiC の 10 倍 イス材料として ，β-Ga2O3単 いて述べた後， エピ成長技術お ．
２. β-Ga
2O
成 融点は 1725 ある．単結晶の 法 17,18)，浮遊帯 法 （CZ 法 ） （EFG 法）29)の 大型化が進んで プでは 2013 年 基板の販売を Schematic d 井・森島・後藤・ No. 2, 2015 線センサ 12-14)と 最近，高品質 用 化 さ れ た こ バイスを作製で て，改めてこ 晶基板を用い つは，β-Ga2O 成長用基板と ．これは，β-G わせ持ち，なお N 系結晶をエ して高性能な もう一つは， して用いるパワ なバンドギャッ ンジスタを作製 パワーデバイ Ga2O3につい の大きな値と て高いポテンシ 結晶基板のバ LED およびパ およびデバイスO
3単結晶基
℃であり，大 の育成に関して 帯溶融法（FZ 26-28)， Edge-の報告がある でいるのは EFG 年に EFG 法に 開始し，翌2 drawing of EFG 熊谷・村上・纐纈 と LED15)の報 質・大面積な と や ， 単 結 晶 できる可能性 の材料への注 た開発として O3を窒化ガリ として利用す Ga2O3基板が おかつ，この ピ成長できる な縦型 LED を β-Ga2O3その ワーデバイス ップを利用し 製するという イス材料の性 て計算すると なり，この材 シャルを持つ ルク育成と品 パワーデバイ ス特性の現状板
気圧下での融 ては，これま 法）19-25)，チ defined Film ．これらの内 G 法である． による 2 インチ 014 年には 4 G method. 纈・マンホイ・上村 – 25 – 告が 単結 晶 β-が示 注目が 次の ウム る紫 高い 単結 こと 作製 もの 開発 て高 狙い 能指 ，Si 材料が こと 質評 ス開 につ 液成 でに ョク m-fed ，現 筆者 チ β-イン チの 基 結晶 ムの 料を 細管 接触 ほぼ 混合 した 2.2 F ンチ り， 4 に ッキ 値が 基 のリ チピ F 村・東脇・山越： のデモ用サンプ 基板製造に用い 晶育成を行う場 の粉末原料を入 を溶融する．酸 管現象により上 触させて結晶育 ぼ同じ形状で育 合ガスである． たい金属の酸化 β-Ga2O3基板 ig. 3 に市販し チ基板の写真を 1018cm-3の に2 インチ基板 キングカーブ測 が得られた． 基板中の結晶欠 リン酸で 2 時 ピットを形成し Fig. 3 β Fig. 4 X-ray d (a) 2inch 酸化ガリウム単結 プルの作製に成 いているEFG 場合，イリジ 入れ，誘導加熱 酸化ガリウム 上昇する．ダ 育成を行う．結 育成される． また，ドー 化物を原料粉末 板 している2 イ を示す．いずれ Sn がドープさ 板のX 線評価結 測定を行い，半 欠陥の様子を調 時間のエッチン し，2 インチ基 β-Ga2O3 singl diffraction of a (b 結晶の光・電子デ 成功している． 法の模式図を ウム製の坩堝 熱により酸化 融液はダイの イの上面で融 結晶はダイの 育成雰囲気は ピングを行う 末に加えている ンチ基板およ れも，面方位は されているもの 結果を示す．( 半値幅として1 調べるため， ングを行うこと 基板内の異なる e crystal subs 2-inch β-Ga2O b) 4 inch デバイス応用 13 を Fig. 2 に示す 堝に酸化ガリウ 化ガリウムの原 のスリットを毛 融液とシードを の上面の形状と は窒素と酸素の 場合には添加 る． びデモ用4 イ は(2ത01)面であ のである．Fig (4ത02)回折のロ 17 秒と良好な 100℃~194℃ とで表面にエッ る場所5 点の様 strates. O3 substrate. 31 す． ウ 原 毛 を と の 加 イ あ g. ロ な ℃ ッ 様倉又・飯塚・ 132 子を光学顕微 顕微鏡像を示 た線状のピッ ピットの密度 合計のピット 透過電子顕微 転位に対応す のピットの正 が 17 秒とい 103~104cm-2 ており，β-Ga れる． Fig. 6 には 果を示す．基 果を鳥瞰図と る様子が見ら 値は Bow：-であった．市 ぼ同等な値が 渦電流方式 の分布を調べ 示す．平均は Fig. 5 Optic inch β Fig. 6 R ・佐々木・輿・増井 微鏡で観察した 示す．三角形を トの 2 種類の は点状のピッ 密度は 103~1 微鏡(TEM)観察 することが明ら 正体は特定され う結果とエッ であるという a2O3中の転位密 レーザー斜入 基板吸着を行っ として示してい れた．定量化 -5.14μm，Wa 市販サファイア 得られた． 式による抵抗率 べた．Table 1 4.0x102Ωcm cal microscope β-Ga2O3 subs Results of waf 井・森島・後藤・ ．Fig. 5 にエ をした点状のピ のピットが観察 トの密度の1 104cm-2であっ 察の結果から， らかとなってい れていない．前 チピット評価 結果は整合性 密度はこの程 射干渉方式に っていない時の いる．サドル型 化された Bow， arp：11.14μm ア基板よりも若 率測定によりウ に2 インチ基 m で，Max-Mi e images of e strate. fer warpage m 熊谷・村上・纐纈 ッチピットの ピットと横に 察された．線 /10 程度であ った．別途行 ，点状のピッ いる．一方， 前述の X 線半 による転位密 の良い結果と 度であると推 よる反りの測 の上面高さ測 型の形状をし ，Warp，TTV m，TTV：3.16 若干劣るもの ウエハ内の抵 板面内のデー n の全幅は± etch pits of a measurement. 纈・マンホイ・上村 – 26 – 光学 伸び 状の った． った トは 線状 半値幅 度が なっ 推定さ 定結 定結 てい V の 6μm のほ 抗率 タを 15% だっ 3.1 G GaN 観点 く， るこ 可能 て有 β 告と ある 120 た． ら3 エピ にも とβ 2-Fig 村・東脇・山越： った． GaN エピ膜の GaN 系 LED N 基板がある 点から課題があ サファイア基 ことから，将来 能である．この 有望である． -Ga2O3基板上 として，主面が る 15)．GaN 膜 00 秒と大きく また，β-Ga2 32)，GaN 膜を ピ膜がピーリン も，縦型の低抵 β-Ga2O3結晶の Table 1 g. 7 SEM im Ga2O3 s 酸化ガリウム単結 日本結晶
３. LED
MOCVD 成長 用の導電性基 が 30,31)，いず ある．一方，β 基板と同様に 来的に低コス のことから高出 上の GaN エピ が(100)の基板 膜の X 線ロ ，LED 用とし O3結晶の(10 をエピ成長した ングし易いと 抵抗 LED を実 のヘテロ界面 Unformity of mage of SiNx substrate surfa 結晶の光・電子デ 晶成長学会誌 Vol応用
基板としては ずれも光の透過 -Ga2O3基板は 融液成長法で トで基板を作 出力な縦型LE ピ成長および L 板上の GaN エ ッキングカー しては結晶性が 00)がヘキ開面 た際に成長中に いう課題があ 実現するために の電圧降下を f resistivy in a masks formed ace. デバイス応用 l. 42, No. 2, 2015 ，SiC 基板と 過率とコストの は光透過性が高 で結晶成長でき 作製することが ED 用基板とし LED 作製の報 エピ膜の報告が ーブの半値幅は が不十分であっ 面であることか に基板結晶ごと あった．その他 には，GaN 膜 を低減する必要 wafer. d on (2ത01) β-5 と の 高 き が し 報 が は っ か と 他 膜 要倉又・飯塚・ 日本結晶成長学 があった．更 が小さいこと Patterned Sa β-Ga2O3基板界 上記の問題 (100)面から に SiNxマス 開発した．β-G に配置されて 不整も 9.85％ よりも小さい 表面を部分 SEM 写真を F 晶と同じ1.9 に同一屈折率 での光散乱構 効果によるG GaN 膜のエ で行った．そ AlN 低温バッ 次に基板温度 から水素雰囲 した．その後 長した．1000 LT-1080℃ 1000℃ 530℃ G row th T em pera tur e Nucle Fig. 8 (a) Sample A β-Ga2O3 (-2 AlN buf 1st Ga 2nd G ・佐々木・輿・増井 学会誌 Vol. 42, N には，β-Ga2O とから，サフ apphire Subs 界面に光散乱構 題点を解決する (2ത01)面に変更 クを形成した上 Ga2O3結晶の ており，GaN( ％とサファイア ． 分的に SiNxマ Fig. 7 に示す． となるように 率材料で凹凸形 構造の導入が可 GaN 膜の結晶性 エピ成長は，有 の成長シーケ ファ層を窒素 を 1000℃ま 気に変えてか ，基板温度10 0℃で成長した N2 -buffer layer (2nm) First la 500nm eation Growth seque Fig. 9 Sam A 201) Sub. ffer aN aN 井・森島・後藤・ No. 2, 2015 O3結晶が GaN ァイア基板で strate(PSS)の 構造を導入す るため，β-Ga2 更し，β-Ga2O 上に GaN 膜 の(2ത01)面は酸素 0001)面との相 ア基板と GaN マスクした β-G ．SiNxの屈折 調整した．こ 形状が形成され 可能となる．更 性の向上も期待 有機金属気相 ンスを，Fig. 素雰囲気で530 で加熱し，キ から Si ドープ 080℃でSi ド た GaN 膜は， H2 t GaN yer Second lay Time 5 μm 3D growth ence of GaN o mple structures (b) Sample B 熊谷・村上・纐纈 N 膜よりも屈 で用いられて のようにGaN る必要があっ 2O3基板の主 O3基板上に部 膜を成長する技 素原子が六角 相性が良く， N 膜の格子定 Ga2O3基板の 折率は，β-Ga2O れにより基板 れ，エピ基板 更には，選択 待される． 成長(MOCVD 8 に示す．先 0℃で2nm 成 ャリアガスを の GaN 膜を ドープGaN 膜 ，結晶性向上 N2 d GaN yer 2D grow on β-Ga2O3. s. B 纈・マンホイ・上村 – 27 – 折率 いる 膜と た． 面を 分的 術を 形上 格子 定数差 鳥瞰 O3結 表面 界面 成長 D)法 ず， 長し， 窒素 成長 膜を成 のた めの はエ 5.4 を用 トを F β-G とを 表面 はな F (10 Cat Den (10 6.8x (00 5 μm wth Fi SiNx 村・東脇・山越： の 3 次元成長 エピ膜の平坦化 μm とした．以 用いない GaN を用いたGaN ig. 10 に作製 Ga2O3の(2ത01) を示す結果が得 面のノマルスキ なく平坦な表面 ig. 12 にサン 1ത1)X 線回折ス thode-lumines nsity(DSD) を 1ത1)の半値幅は x108cm-2であ 02)および(10 g. 10 X-ray d Fig. 11 Surf 酸化ガリウム単結 を目的とし， 化を目的として 以降，Fig. 9 エピ膜をサン エピ膜をサン 製したサンプル 面上に，GaN 得られた．Fig キー像を示す 面が得られた． ンプル A とサ スペクトル及び scence(CL) 像 を 示 す ． サ ン はそれぞれ31 あった．それ 01ത1)の半値幅 diffraction patt ace morpholo 結晶の光・電子デ 1080℃で成長 ている．GaN に示すように ンプル A と呼 ンプルB と呼ぶ ルのX 線回折パ N の C 面が成 . 11 に2 イン ．エピ表面に サンプル B の び半値幅を示 像 お よ び ン プ ル A の ( 15 秒及び 400 に対して，サ はそれぞれ22 tern of GaN o ogy of GaN on デバイス応用 13 長した GaN 膜 膜の総膜厚は に，SiNxドット 呼び，SiNxドッ ぶ． パターンを示す 成長しているこ チ基板のGaN にピーリング部 の(0002)および し，Fig. 13 に Dark Spo (0002) お よ び 0 秒で DSD が サンプル B の 20 秒及び 233 n β-Ga2O3. β-Ga2O3. 33 膜 は ト ッ す． こ N 部 び に t び が の 3
倉又・飯塚・佐々木・輿・増井・森島・後藤・熊谷・村上・纐纈・マンホイ・上村・東脇・山越：酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用
134 – 28 – 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015
Fig. 12 X-ray rocking curves of GaN on β-Ga2O3.
秒でDSD が 1.4x108cm-2であった．SiNxドットを用いる ことで選択成長効果によって結晶性が改善された．また， サファイア基板上と同等の結晶性の GaN 膜が，β-Ga2O3 基板上でも得られることが実証された． GaN 膜／β-Ga2O3基板界面の電気特性を評価するため に，サンプルA および B の GaN 膜を部分的に Reactive Ion Etching(RIE)で β-Ga2O3基板まで除去し，φ300μm の円柱状のGaN 膜を形成した．エッチングガスとして， BCl3と Cl2の混合ガスを用いた．φ200μm 円形状のオー ミック電極(Ti 7nm/Al 400nm)を GaN 膜上にフォトリ ソグラフィー，蒸着及びリフトオフ法によって形成した． その後，窒素雰囲気中で 600℃，30 分でアニール処理を 行った．次に，基板裏面を CMP 処理したあとで，β-Ga2O3基板のオーミック電極(Ti 50nm/Au 500nm)を蒸 着機で成膜し，窒素雰囲気中で450℃，1 分でアニール処 理を行った．サンプル構造を Fig. 14 中に示す． GaN 膜／β-Ga2O3基板界面の電気特性を評価するため に，作製したサンプルの電流密度(J)と電圧(V)の関係を 測定した．Fig. 14 にサンプル A とサンプル B の結果を示 す．サンプルA の J-V 特性には整流性があり，これはポ テンシャルバリアが存在していることを示している．一 方，サンプルB の J-V 特性には整流性が無く，ポテンシ -1,000 -750 -500 -250 0 250 500 750 1,000 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 C urre nt d en si ty (A /c m 2) Voltage (V) Sample A Sample B Ga2O3 GaN Anode Cathode Electrode Ti/Au Electrode Ti/Al Buffer
(a) GaN (0002) (b) GaN(101ത1)
-500 -250 0 250 500 N or m al ize d int en si ty ω (arcsec) Sample A Sample B -500 -250 0 250 500 Nor m al iz ed int en si ty ω (arcsec) Sample A Sample B FWHM 220 arcsec FWHM 223 arcsec FWHM 313 arcsec FWHM 400 arcsec
(a) Sample A (b) Sample B
Dark spot density
6.8 ×108cm-2 Dark spot density1.4 × 108cm-2
Fig. 13 CL images of GaN on β-Ga2O3.
Fig. 14 V-J characteristics of GaN/β-Ga2O3interface.
(a) Vertical InGaN LED
(b) Flip InGaN LED
n-contact metal
Ti 50 nm / Au 500 nm p-contact and reflection metal
InGaN LED SiO2 p-Pad 300 μm 40 0 μ m n-Ga2O3Sub. masked with SiNx
current
n-Ga2O3sub. masked with SiNx p-contact and reflection metal
InGaN LED SiO2 p-Pad 1 mm 400 μ m n-Pad current n-contact metal
倉又・飯塚・佐々木・輿・増井・森島・後藤・熊谷・村上・纐纈・マンホイ・上村・東脇・山越：酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015 – 29 – 135 ャルバリアが無いことを示している結果となった．この 結果についてのメカニズムは明らかにされていないが， 本結果には高い再現性があることが確認されている．250 A/cm2で，僅か0.05V の電圧降下に抑えられており，こ の値は大電流駆動LED 用途として十分に低い値である． 3.2 β-Ga2O3基板上の GaN 系 LED
SiNxドットを形成した β-Ga2O3基板上に InGaN 系 LED 構造を MOCVD 法で成長した．その LED エピウエ ハを用いて，p 型ダウン構造の縦型 LED とフリップ構造 LED を作製した．p 電極の面積は，縦型 LED とフリッ プチップLED でそれぞれ 300μm×300μm および 1mm ×1mm として作製した．作製した LED の断面構造図を Fig. 15 に，チップの外観及び発光時の写真を Fig. 16 に 示す．ピーク波長は，共に440nm であった． Fig. 17 に縦型 LED の特性を示す．光出力の測定は， 室温下にて標準光源で較正された積分球を用いてDC 駆 (a) Vertical InGaN LED
(b) Flip InGaN LED
Fig. 16 Optical microscope images of InGaN LEDs on β-Ga2O3 substrates.
(a) I-L characteristics
(b) V-I characteristics 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Li gh t O utp ut P ow er ( W ) Current (A) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 C urre nt (A ) Voltage (V)
Fig. 17 I-L and V-I characteristics of vertical InGaN LED on β-Ga2O3 substrates.
(a) I-L characteristics
(b) V-I characteristics
(c) Wall plug efficiency 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Li ght ou tpu t p ow er ( W ) Current (A) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 C urre nt (A ) Voltage (V) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 100 200 300 400 500 W al l p lu g ef fic ien cy (% )
Current density (A/cm2)
Fig. 18 Characteristics of flip InGaN LED on β-Ga2O3 substrates.
倉又・飯塚・佐々木・輿・増井・森島・後藤・熊谷・村上・纐纈・マンホイ・上村・東脇・山越：酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用
136 – 30 – 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015
動で行った．Fig. 17 より，電流密度 1kA/cm2 (If＝900 mA)の大電流駆動においても光出力が飽和してないこと が分かる．If＝900mA での光出力は，0.70W，順方向電 圧は5.1V であった．導電性基板を用いたことによって， 素子内に注入された電流が発光層でより均一になり，効 率の低下が抑えられたものと推測される．
Fig. 18 にフリップLED の特性を示す．If＝4.0A で光
出力 3.75W，順方向電圧 3.56V と大電流で高出力の LED 性能が得られ，大電流域での効率では市販のハイエ ンド製品を超える特性が得られている．更に低電流密度 の 35A/cm2時に，58％の高い効率が得られた．
Fig. 19 にフリップLED の 2.5A(250A/cm2)での室温 連 続 通 電 試 験 の 結 果 を 示 す ． 試 験 時 の 発 光 層 温 度 は 100℃であった．3000 時間通電しても光出力の劣化は見 られなかった． 以上の結果より，β-Ga2O3基板を用いた LED が高効率 かつ大電流駆動が可能であることが実証され，β-Ga2O3基 板を用いたLED の高いポテンシャルが示された．
４. パワーデバイス応用
4.1 β-Ga2O3 MBE 成長 パワーデバイスを実現するためには，耐圧維持層の形 成技術構築が重要である．β-Ga2O3の薄膜成長に関して， これまでに分子線エピタキシー(MBE)法を用いたホモエ ピタキシャル成長の報告があった 33,34)．これらの検討は β-Ga2O3(100)基板を用いて行われ，ステップフロー成長 による平坦膜が得られたものの，原料の再蒸発が大きい ために成長レートが数 10nm/h と極めて低かった．また， 耐圧維持層として用いるためには，膜中のキャリア濃度 を1015~1016cm-3台で高精度に制御する必要があるが，こ れまでホモエピタキシャル膜へのドーピングに成功して いなかった．これらの課題を解決するため，面方位およ び成長温度の最適化を行った． 最初に，成長面方位の変更による成長レートの改善を 試みた．過去の報告において成長レートが低かった原因 は，β-Ga2O3(100)面の面外結合に寄与する結合手密度も しくはその結合エネルギーが小さいことに起因すると考 え，より成長に適した面を明らかにするため,面方位と成 長レートの関係を調査した 6)．実験に用いた β-Ga2O3基 板は，FZ 法で育成したバルク結晶から作製した．ホモエ ピタキシャル成長には MBE 法を用いた．Ga は標準的な K-cell で加熱して蒸発させた．酸素源には 5％オゾンと 95％酸素の混合ガスを用いた．成長温度は 800℃とした． 面方位と成長レートの関係を Fig. 20 に示す．横軸は (100)面からの回転角で示している．Fig. 20 から明らか なように，これまでの報告で用いられてきた(100)面のみ 特異的に成長レートが低い面であり，(100)面から少なく とも 50 度以上回転させることで，成長レートを 10 倍以 上に改善できることがわかった．以降の実験では，本検 討に用いた面方位の中で最も成長レートが高く，かつ低 指数面である(010)面を採用することとした． 50 60 70 80 90 100 110 120 0 1000 2000 3000 4000 R el a ti v e O u tp u t P o w er (% ) Time (hrs) 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 (101) (310) (100) (010) Gr owth ra te (n m/h ) Angle (degree) (001) 400 500 600 700 800 900 0 1 2 3 4 5 R M S r o ug hn es s ( n m) Growth temperature (°C) Fig. 19 Life test of InGaN LEDs on β-Ga2O3 substrates.Fig. 20 Dependence of growth rate on surface orientation in homo-epitaxial MBE growth of β-Ga2O3.
Fig. 21 Dependence of surface roughness on growth temperature in homo-epitaxial MBE growth of β-Ga2O3.
倉又・飯塚・佐々木・輿・増井・森島・後藤・熊谷・村上・纐纈・マンホイ・上村・東脇・山越：酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015 – 31 – 137 次に，(010)面上に平坦膜を成長するための成長温度の 最適化を行った34)．Fig. 21 に，AFM 像から算出した表 面粗さの成長温度依存性を示す．成長温度550～650℃で 平坦性に優れた膜を得られることがわかった． 最後に，ドーピング技術の構築を行った．ドーパント にはSnO2を用いた．Fig. 22 に，成長温度の異なる3 種 類の Sn ドープ膜における，実効的なドナー濃度(Nd-Na) のデプスプロファイルを示す．Nd-Naの評価は，電解液を 用いた C-V 測定法(ECV)を用いて行った．成長膜厚は 3 試料ともおよそ300nm である．Fig. 22 の通り，成長温 度600℃で成長した場合，成長開始から厚さ200nm 程度 に亘る非常に大きなドーピング遅れが発生した．また， それは成長温度を 570℃以下にすることで改善した．な お，成長温度 540 および 570℃のプロファイルが，膜の 表面から200nm 付近までなのは，ショットキー電極のリ ーク電流が増加して測定不能となったためである．Sn の ドーピング遅れは，GaAs の MBE 成長においても確認さ れている現象であり35)，Sn の表面偏析によるものと考え
られる．Fig. 23 に，SnO2のK-cell 温度と Nd-Naの関係 を示す．また，SnO2の蒸気圧曲線を点線で示す．成長温 度を 540～570℃とすることで蒸気圧曲線とほぼ一致する 特性が得られ，高精度なドーピング制御に成功した．本 検討により，成長温度を540～570℃程度という非常に狭 い範囲で制御することによって，平坦性に優れた n 型ド ーピング膜を β-Ga2O3(010)面上に成長できることがわか った． 4.2 β-Ga2O3 HVPE 成長 量産性と結晶純度の観点から β-Ga2O3パワーデバイス 用のエピ成長技術として，ハライド気相成長(HVPE)法は 魅力的である．最近，HVPE 法による高純度の β-Ga2O3 ホモエピ結晶が得られた36)． エピ成長はGaCl と O2を原料としたHVPE 法により行 った．キャリアガスには N2を用いた．GaCl は上流に設 置された温度 850℃の原料生成領域において金属 Ga と Cl2ガスの反応により生成した．O2およびGaCl 分圧はそ れぞれ2.5x10-3atm，5x10-4atm とし，成長温度は 800～ 1050℃とした．基板にはEFG 法で作製した Sn ドープの (001)面基板を用いた． Fig. 24 に成長速度の成長温度依存性を示す．成長速度 は900℃以上で5μm/h とほぼ一定になっている．また， 成長温度 1000℃での別の実験において成長速度が GaCl 分圧に比例して変化することが確認されている．これら の結果はエピ成長速度が原料供給律速で決まっているこ とを示している．このことは熱力学計算の結果と一致し ている37)． SIMS 測定によりエピ中に含まれる不純物について調べ た．Fig. 25 に結果を示す．グラフの右側に各元素のバッ クグランドを矢印で示しているが，C，H，Sn，Si につ いては SIMS のバックグランド以上の範囲では信号は検 出されなかった．Cl のみが 1016 cm-3の濃度で有意に観測 された．膜厚12μm のエピ膜の I-V および C-V 測定によ る電気特性評価より残留キャリア濃度は 1013 cm-3未満で あることが示された．従って Cl はキャリア濃度には影響 を与えていないものと考えられる． 0 100 200 300 1016 1017 1018 1019 Tg = 540°C Depth (nm) Nd -N a (cm -3 ) 600°C 570°C 600 650 700 750 800 1015 1016 1017 1018 1019 Tg = 600°C Tg = 570°C
SnO2 cell temperature (°C) Nd -N a (cm -3 ) 10-13 10-12 10-11 10-10 Sn O2 v a p o r pr es s u re (P a)
Fig. 22 Nd-Na depth profile as a function of growth temperature.
Fig. 23 Nd-Naand SnO2vapor pressure as a function of SnO2 K-cell temperature.
Fig. 24 Dependence of growth rate on growth temperature in homo-epitaxial HVPE growth of β-Ga2O3.
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138 – 32 – 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015
(a) Reverse direction
(b) Forward direction 4.3 β-Ga2O3ショットキーバリアダイオード MBE で成長した β-Ga2O3ホモエピタキシャル膜を用い てショットキーバリアダイオードを試作し，デバイス特 性を評価した 38)．作製したデバイスの構造模式図を Fig. 26 に示す．β-Ga2O3(010)基板は，FZ 法で育成した Si ド ープβ-Ga2O3バルク結晶を(010)面でスライスし，研削研 磨，CMP 処理を施して作製した．基板の厚さは 600μm とした．この基板上に，厚さ1.2μm の Sn ドープホモエ ピタキシャル膜を成長した．基板とホモエピタキシャル 膜のNd-Naはそれぞれ1x1019cm-3と6x1016cm-3である． ホモエピタキシャル膜表面に直径100μm の Au ショット キー電極を形成し，基板裏面全面に Ti/Au オーミック電 極を形成した． Fig. 27 に電流密度-電圧(J-V)特性を示す．逆方向耐圧 125V，オン抵抗 1.5mΩcm2，ショットキーの理想係数 1.13 が得られた．電極終端構造を設けずに高い耐圧が得 られており，今後フィールドプレート等を導入すること で超高耐圧の実証が可能であると考えている． 4.4 β-Ga2O3 MOSFET β-Ga2O3ノーマリーオンMOSFET の試作評価を行った39)．
Fig. 25 SIMS depth profile of HVPE grown β-Ga2O3.
Fig. 26 Schematic cross section of β-Ga2O3 SBDs.
Fig. 27 J-V characteristics of β-Ga2O3 SBDs.
(a) Schematic cross section
Optical micrograph
Fig. 28 (a) Schematic cross section and (b) optical micrograph of β-Ga2O3 MOSFET.
倉又・飯塚・佐々木・輿・増井・森島・後藤・熊谷・村上・纐纈・マンホイ・上村・東脇・山越：酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015 – 33 – 139 作製したデバイスの断面構造模式図と光学顕微鏡写真を Fig. 28(a), (b)に示す．素子間分離技術が未開発だった ため，本研究ではFig. 28(b)に示したような円形 FET パ ターンを用いた．FZ 法を用いて作製した Fe ドープ高抵 抗 β-Ga2O3(010)基板上に，MBE 法を用いて厚さが 300 nm のアンドープ β-Ga2O3膜を成長した．チャネルおよび ソースドレイン領域は，Si イオン注入技術を用いて形成 した40)．注入濃度はそれぞれ，3x1017cm-3および5x1019 cm-3とした．ソースドレイン領域上に Ti/Au ソースドレ イン電極を形成した後，原子層堆積装置(ALD)を用いて， 厚さ 20nm の Al2O3ゲート絶縁膜を形成した．ソースド レイン電極上のAl2O3膜を除去した後，Ti/Pt/Au ゲート 電極を形成した．ゲート長は4μm，ソース-ドレイン長は 20μm とした．
Fig. 29，Fig. 30 に，室温におけるDC I-V 特性を示す．
ゲート電圧によってドレイン電流を変調できており，良 好なピンチオフ特性が得られた．最大ドレイン電流は， ゲート電圧が＋6V の時に 65mA/mm であった．三端子 オフ耐圧は，ゲート電圧が-30V の時に 415V であった． Fig. 31 に，室温におけるドレイン電圧30V でのトランス ファー特性を示す．オフリーク電流は測定下限に達して おり，オン／オフ比は10 桁以上と非常に大きな値が得ら れている．これらの特性は，β-Ga2O3パワーデバイスの高 いポテンシャルを示唆する結果と言える．
５. おわりに
β-Ga2O3基板とそれを用いたデバイス応用について最近 の状況を紹介した．基板，LED 応用，パワーデバイス応 用のいずれにおいても開発は順調に進展しており将来の 実用化に期待が持てる状況となっている．一方でそれぞ れの研究分野における課題も明確になってきており，一 層の取り組みの強化により，早期に確実に産業化への道 筋を付けることが望まれる．この材料の開発では産官学 の連携は非常にうまくいっているといえる．日本発の独 自技術として日本の産業振興に資するような発展を期待 したい． 謝 辞 本稿に紹介した研究の一部はNEDO の「省エネルギー 革新技術開発事業」として実施されました．また，本研 究の一部は，総合科学技術・イノベーション会議の SIP （戦略的イノベーション創造プログラム）「次世代パワー エレクトロニクス」（管理法人：NEDO）によって実施さ れました．参 考 文 献
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MOSFET at RT:J-V curve.
Fig. 30 DC output characteristics of β-Ga2O3 MOSFET at RT: off-state J-V curve.
倉又・飯塚・佐々木・輿・増井・森島・後藤・熊谷・村上・纐纈・マンホイ・上村・東脇・山越：酸化ガリウム単結晶の光・電子デバイス応用
140 – 34 – 日本結晶成長学会誌 Vol. 42, No. 2, 2015
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