［ウェハ / 結晶］

解説

GaN 結晶成長技術の現状と今後
名古屋大学

加地 徹 Kachi Tetsu
未来材料・システム研究所 特任教授
〒464-8601 名古屋市千種区不老町 ☎052-789-5357

した縦型GaNパワーデバイスは、高耐圧に耐えはじめにる品質のGaN基板がなかったことから、横型よりさらに遅れて開発が始まった。そして近年、

GaNは、1986年に天野らによってサファイア基GaN基板の品質も数kVの高電圧にも耐えるほど板上に高品質単結晶成長が達成された時から開発に向上し、縦型GaNパワーデバイスの開発も加の歴史が始まった。その技術が基になって白色速されている。

LEDが実現され、2014年のノーベル賞受賞につな

本稿では、パワーデバイスに使われる結晶成長が っ た。 彼 ら が 用 い た 結 晶 成 長 法 はMOVPE方法を取り上げる。デバイス構造の成長に使われ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）あ る い は

るMOVPE法、 そ し て 基 板 成 長 に 用 い ら れ る

MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Epitaxy）

HVPE（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、そしと呼ばれる方法である。GaNは単結晶基板がなかてさらなる高品質基板を作製するために研究が進ったため、異種基板上への成長が長い間研究されんでいるアモノサーマル法およびNaフラックスてきたが、なかなか実現できなかった。
それが、装法について現状と課題を解説する。

置の不具合による偶然の低温成長AlNバッファ1）

により達成されたエピソードは有名である。その後、n型、p型のドーピングおよび活性化技術、52

MOVPE 法InGaN成長技術により白色LEDが開発され、世MOVPE法は、古くからⅢ-Ⅴ族化合物半導体の界中に新たな光源が誕生した。一方、レーザの開エピタキシャル成長方法として使われてきた結晶発も行われたが、異種基板上では結晶性品質に課成長法である。この方法は次のような特徴を持つ。

題があり、GaNの自立基板が開発されて初めて実すなわち 1）平坦な成長面が得られる、2）数nm以用化された。このようにGaNの応用は光デバイ下の膜厚制御が可能である、3）Ⅲ族原子が異なるスが中心になって実用化が進められた。電子デバ多元混晶とのヘテロ成長が可能であることにあイスの実用化はそれに比べ遅れたが、AlGaN/る。ヘテロ成長では、ヘテロ界面の急峻性に優れ、GaNヘテロ接合が高い電子濃度の 2次元電子ガス半導体レーザ、あるいは 2次元電子ガスを利用しを発生することを利用した高周波デバイスが開発たHEMT（High Electron Mobility Transistor）のされたことにより、GaNを用いた電子デバイスの作製に用いられている。GaNにおいても、GaN基開発が活発化した。パワーデバイスは、高周波デ板上あるいはサファイア、SiC、Siなどの異種材バイスの構造を利用した横型構造で開発が進み、料基板上への成長に用いられている。MOVPE装

現在実用化に至っている。一方、大電力用途に適置の基本的な構造を図 1 に示す。基板結晶の加特集 1

次世代パワー半導体の最新動向と関連技術の新展開

水冷石英2重反応管
N2
H2NH3

排気基板
TMG

高周波コイルGa（CH3）3+NH3→GaN+3CH4
図1MOVPE装置の概念図

熱は抵抗加熱あるいは高周波加熱で行われるが、反応炉の壁は水冷されるコールドウォール型の反応炉が使われる。GaNの場合、Ga原料として液GaN体のトリメチルガリウム（TMG）が用いられ、キャリヤガスであるH2 あるいはN2 でバブリングして、反応炉に供給される。AlGaNの三元混晶をAlxGa1-xN成長するときはメチルアルミニウム（TMA）がAl
原 料 と し て 用 い ら れ る。N原 料 は ア ン モ ニ ア

AIN（NH3）が用いられる。

Si基板

GaNパワーデバイスには横型と縦型の構造が開図2発されつつあり、横型はすでに実用化が進んでいSi基板上GaNの成長層る。横型GaNパワーデバイスでは、基板として大口径で安価なSi 基板が主流となっている。横なっている。

型はAlGaN/GaNのヘテロ構造が基本構造となる

一方、縦型GaNパワーデバイスは実用化が遅れ、が、異種材料基板への成長ということで、成長にまだ開発途上である。その一番の理由は、高品質は克服すべき多くの課題があった。その原因は、なGaN基板の開発が遅れていたことにある。し結晶の格子定数の違い、および熱膨張係数の違い

かし、近年GaN基板の品質は後の章で述べるようであり、それらを克服して室温でそりのない、まに劇的に向上しており、縦型GaNパワーデバイス

た結晶欠陥の少ない単結晶を成長する必要があっの開発は加速している。縦型パワーデバイスではた。 我 々 がSi基 板 上 に 成 長 し た 成 長 層 の 断 面

n型とp型の形成が必須である。MOVPE法の成長TEM像の一例を図 2 に示す。まず、SiとGaの反では光デバイスと同様ドーパントとして、n型に応を防ぐためにAlN層を成長し、その上に、格子はSi（原料はSiH4 またはSiH3CH3）が用いられ、p型定数差を緩和し、内部応力を制御するための、組にはMg［原料はCp2Mg（Bis-cyclopentadienyl mag-成の異なるAlGaN層が挿入されている。これらnesium）］が用いられる。しかし、縦型パワーデの 層 を 総 称 し て、 バ ッ フ ァ 層 と 呼 ぶ。 最 後 にバイスの成長では、それらのドーピング濃度は光GaN層（あるいはAlGaN/GaN層）が成長される。

デバイスに比べ、約2桁低い濃度が要求される。

バッファ層はそれぞれの機関により工夫され、異そのため、光デバイス用に開発されたMOVPEなる構造のバッファ層が採用されている。さらに装置では対応できず、原料供給系を、低濃度制御パワーデバイスの耐圧を確保するため、高抵抗層が可能な供給系に改良する必要があった 2）。これ（たとえばCをドーピングした層）も挿入される。

らの改良を加えることで、図 3 に示すように必これら、最適なバッファ層の考案、デバイス構造

要な広範囲の濃度のドーピング制御が可能になっの最適化などの工夫により、横型GaNパワーデている。

バイスでは実用化レベルのデバイス作製が可能に

2022年冬号（Vol.70 No.1）

しかし、一方でMOVPEの限界も明らかになっ53

ゾーン1：Ga + HCl → GaCl + 1/2H（～850℃）
2

Mg濃度（cm-3）

Si濃度（cm-3）

反応式で書くと下記の通りである。

1020

1018

1019

1017

ゾーン2：GaCl + NH3 → GaN + HCl + H2（～1100℃）

10181016

また副反応として

1017

1015
10-510-4

10-310-2MMSi/TMG モル比

図3HCl + NH3 → NH4Cl

1016
10-610-510-410-3Mg/Ga モル比

10-2ｎ型（Si）、p型（Mg）ドーパントの濃度制御があり、NH4Clは反応炉の排気側に大量に堆積する。そのため、長時間の連続運転のためには、排気側が詰まらないような工夫が必要である。
HVPE法の特徴は、成長速度が速い（>100μm/てきた。MOVPE 法では原料に有機金属化合物h）こと、常圧で成長するため大型化が容易であを用いるため、成長層にC（炭素）が原料から混入る点にある。そのためGaN基板の作製に広く使することは避けられず、よく管理された成長装置、われている。しかし、エピタキシャル成長装置で15-3

成長条件で 2x10 cm 程度のCが混入する。GaNあるため、下地基板が必要で、多くの場合サファ中のCはNサイトに入り、n型キャリヤの補償中イア基板上にGaNをMOVPE法でエピタキシャル心として働く。高耐圧パワーデバイス（≧ 1.2kV）

成長したテンプレートが使われる。たとえば、15-3のドリフト層では同じ 10 cm 台のn型キャリヤ

VAS法（Void-Assisted Separation）と呼ばれる基濃度を制御する必要があるが、混入したCにより板作製法は図 5 の工程で行われる 3）。まず、サフキャリヤが補償されてしまうのでMOVPE 法のァイア基板上にMOVPE法でGaNを成長する。そ適用が困難になる。また、耐圧を保持するドリフの上にTiを堆積して加熱処理を行う。その結果、ト層厚も 10μm以上が必要となるため、MOVPETi がGaNと反応して表面に網目上のTiNが形成法の成長速度（2 ～ 5μm/h）では効率が悪く、量される。その上にHVPE法を用いて数mmの厚膜産においては、より成長速度の速い成長法が求めのGaNを成長する。成長後温度を室温に戻す過られる。これらの課題に対する有望な候補が次に程でサファイアとGaNの熱膨張係数差により厚述べるHVPE法である。

膜GaNが 自 動 的 に 剥 離 さ れ る。 剥 離 し た 厚 膜
GaNをスライスし研磨してGaN基板が完成する。

HVPE 法

現在市販のGaN基板はほとんどがHVPE法を用い

HVPE法はGa原料として金属Gaを用い、HCl板上の成長であるため、格子定数のミスマッチにて作製されている。しかし、この方法では異種基を流してGaClを形成させ基板に導き、NH3 と反よる転位の導入が避けられず、近年改良されてい応させGaNを成長する。HVPE装置の概念図をるが 106cm-2 程度の貫通転位が含まれている。こ図 4 に示す。一般に反応炉は石英管を用いたホの転位密度は、半導体レーザなどの応用には許容ットウォール型の反応炉が用いられ、GaClを形されるが、縦型GaNパワーデバイスへの適用で成するゾーン 1とGaNを成長するゾーン 2の温度はさらなる転位密度の低減が求められている。そ帯を有している。のため、後に述べるアモノサーマル法、あるいはNaフラックス法との組合せが検討されている。
ゾーン1

また先に述べたように、HVPE法はパワーデバ

ゾーン2（〜850℃） （〜1100℃）

基板
N 2/H2

NH3Ga

GaCl

HCl

Ga+HCI→ GaCl+1/2H2

図454

排気GaCI+NH3 →GaN+HCI

HVPE装置の概念図

イス用のエピタキシャル成長装置としても有望視されている。成長速度が高いため、縦型デバイスに必要な厚さ 10～20μmの成長は短時間で可能である。また、原料にC化合物が含まれないため、基本的にCフリーの成長で不純物としてCを含まない特徴を持つ。また、従来Siの低濃度の制御は