【国际时事】东京农工大学和大阳日酸合作利用有机金属气相沉积法实现高纯度β型氧化镓晶体的高速生长

        日本国立大学法人东京农工大学（校长：千叶一裕）的大学院工学研究院应用化学部门的熊谷義直教授和后藤健助教，以及该校的未来价值创造研究教育特区的佐佐木捷悟特任助教等人，与大阳日酸株式会社（社长：永田研二）的创新单位CSE业务部的吉永纯也先生、朴冠锡先生、池永和正博士，以及大阳日酸CSE株式会社（社长：相田孝）的伴雄三郎博士等人合作，为实现作为下一代功率器件的半导体晶体高纯度β-氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体 ^注1，成功地利用了一直以来高速生长困难的金属有机气相外延（MOVPE）工艺 ^注2实现了高速生长，对提高功率控制和转换效率至关重要。 基于独特的晶体生长炉内的反应分析结果，证明了可以高速生长无杂质、不含碳的高纯度β-Ga₂O₃。这一成果意味着今后可以期待朝向实现节能社会的β-Ga₂O₃功率器件的大量生产技术的实用化。

        研究成果于 9 月 28 日刊登在英文期刊Applied Physics Express（简称APEX）上。论文题目：High-speed growth of thick high-purity β-Ga₂O₃ layers by low-pressure hot-wall metalorganic vapor phase epitaxy  

URL: https://doi.org/10.35848/1882-0786/acf8ae

研究背景

        为了在能源转换时抑制损耗和促进节能，使用宽禁带半导体晶体代替材料特性已达到极限的硅（Si）晶体来实现高电压、低损耗功率器件（二极管、晶体管等）的研究正受到广泛关注。与碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）晶体相比，β-Ga₂O₃ 晶体具有更大的禁带宽度（这两种晶体都已被研究过），在实现器件时，功率损耗可望进一步降低（与硅器件相比约降低 1/3000）。此外，从熔体中批量生产单晶硅片的能力使设备制造成本大幅降低，工业界、政府和学术界正在全球范围内开展研发工作，以期待工业化的应用。

研究结构

        东京农工大学熊谷实验室一直致力于利用气相中的化学反应实际应用各种半导体晶体生长技术。为了大量生产β-Ga₂O₃功率器件，必须获得在单晶β-Ga₂O₃晶片上生长的导电性受控的同质外延β-Ga₂O₃薄膜的同质外延晶圆 ^注3。熊谷研究室已经确立了使用卤化物气相生长（HVPE）法 ^注4的高纯度β-Ga₂O₃的高速生长技术，并基于此知识产权向市场供应同质外延晶圆。但是，HVPE法存在无法应对复杂的设备结构形成的问题。因此，我们希望将擅长制造复杂器件结构并已广泛应用于砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）基器件量产的金属有机气相外延（MOVPE）方法应用于β-Ga₂O₃ 生长，并建立相关技术以促进其产业发展。

        在熊谷研究室，与国内最大的MOVPE设备制造商大阳日酸株式会社和大阳日酸CSE株式会社的合作研究中，我们探讨了镓的有机金属化合物和氧气（O₂）的反应机制和β-Ga₂O₃结晶生长条件。结果表明，有机金属衍生的碳和氢在完全燃烧成二氧化碳和水的条件下，可以通过MOVPE方法生长出没有碳和氢污染的高纯度β-Ga₂O₃。基于这些成果，我们开发了最大2英寸晶片单面朝下放置的减压热壁型MOVPE设备（FR2000-OX）并安装在东京农工大学（图1）。我们选用了被认为蒸气压高并适合高速生长的三甲基镓（TMGa）作为镓的有机金属化合物，对高纯度β-Ga₂O₃晶体的高速生长进行了探讨。

图 1：(a) FR2000-OX 减压热壁 MOVPE 生长系统外观（东京农工大学 · 熊谷实验室）、(b) 生长炉的横截面示意图。使用高纯度氩气（Ar）作为载气。

研究成果

        通过对TMGa和O₂的反应进行热力学分析，以及使用飞行时间质谱仪分析成长炉内存在的分子种类，我们明确了TMGa来源的烃完全燃烧，并且碳和氢不作为杂质被β-Ga₂O₃生长膜吸收的条件。通过增加对O₂的供应量，可以完全燃烧TMGa，从而在2英寸直径的晶片上均匀地生长β-Ga₂O₃。只有在炉内压力为2.4～3.4 kPa（大气压为101 kPa）的范围内才能获得恒定的生长速率，并抑制碳的污染(图2)。其他的杂质，如氢(H)、氮(N)和硅(Si)，也未被检出，从而为今后通过有意地掺杂杂质来控制导电性奠定了基础。基于上述结果，在β-Ga₂O₃ (010)晶圆上，生长温度为1000℃、炉内压力为2.4 kPa、氧供应分压为570 Pa，并在TMGa供应量为34～550 μmol/min（微摩尔/分钟）变化的条件下，生长速度从0.9增加到16.2 μm/h（微米/小时），实现了与HVPE法相当的高速生长(图3)。在16.2 μm/h的条件下生长1小时的同质外延厚膜具有与所用晶片相同的结构质量，并且确认其表面具有优异的平整性(图4)。

图 2：β-Ga₂O₃ 的生长率和生长薄膜中的碳杂质浓度与炉压的函数关系，生长温度为 1000 °C，TMGa 进料速率为 180 µmol/min，O/Ga 进料比为 970。在 2.4 至 3.4 kPa 的炉压条件下，生长速度约为每小时 5 微米，碳杂质浓度较低。

图 3：β-Ga₂O₃ 同质外延生长速率与 TMGa 进料速率的关系；生长速率随 TMGa 进料速率的增加而线性增加；当 TMGa 进料速率为 550 µmol/min 时，生长速率高达每小时 16.2 微米。

图 4：以每小时 16.2 微米的生长速度在 β-Ga₂O₃(010)晶片上生长 1 小时的同质外延薄膜的电子显微镜图像。从图中可以看出，已生长出平整均匀的同质外延薄膜。

未来发展

        由于担心镓有机金属化合物与氧、碳和氢杂质污染的剧烈反应性，之前很少有人考虑采用 MOVPE 方法来实现高纯度β-Ga₂O₃厚膜的高速生长。此次投入使用的 MOVPE 设备可处理直径达 2 英寸的晶圆，从而能够为设备研发提供高吞吐量的同位外延片。预计这将促进该领域的研究。对故意掺杂和 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 混合晶体生长技术的进一步研究有望促进 β-Ga₂O₃ 功率器件的实际应用。大阳日酸创新单位 CSE 分部（事业经理：新井孝幸）计划将 FR2000-OX 扩展为用于小批量生产同位外延片的设备，然后在 FR2000-OX 的基础上开发用于2 英寸外延片的大规模量产设备。

用语解释

注1）β型氧化镓(β-Ga₂O₃)结晶：

镓(Ga)原子和氧(O)原子按2:3的化学计量比结合形成的氧化物半导体结晶。其能隙约为4.5 eV（电子伏特），比Si(1.1 eV)、4H-SiC(3.3 eV)、GaN(3.4 eV)更大，并且具有高的绝缘击穿电场强度(8 MV/cm)。

注2）有机金属气相外延法(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE)：

使用金属元素的有机金属化合物气体作为原料的结晶生长技术。可以精确地控制到一个原子层的膜厚，广泛应用于需要在纳米级结构设计的氮化物半导体发光器件和砷化物、氮化物高速晶体管的制造。而在氧化物结晶生长中，由于对由有机金属化合物导致的碳和氢污染的担忧，此方法并未被广泛研究。

＊1纳米是10亿分之一米。

注3）同质外延晶圆：

在单晶衬底上，与衬底同轴生长的、导电率不同的同种结晶。根据设备设计需要，要求对同源外延膜的厚度和导电率进行控制。

注4）卤化气相外延法(Halide Vapor Phase Epitaxy: HVPE)：

使用金属元素的卤化物气体作为原料的结晶生长技术。虽然可以实现高纯度结晶的高速生长，但在纳米尺度上控制膜厚较为困难。目前，这种方法被用于制造由单层结构组成的垂直型功率设备用的同源外延晶片(膜厚约10微米)。