九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1701092S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）

HVPE 成 長 酸 化 ガ リ ウ ム 単 結 晶 のX 線トポグラフィー観察
X-ray Topography observation of HVPE grown Ga 2 O 3 single crystal.
高橋和敏，桝谷聡士，森林朋也，片桐英鉄

Kazutoshi Takahashi, Satoshi Masuya, Tomoya Moribayashi, Eitetsu Katakiri
佐賀大学大学院 工学系研究科
Graduate School of Engineering, Saga University
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
ダイヤモンドや酸化ガリウムは広いバンドギャップ，高い絶縁破壊電界や優れた熱伝
導 率 な ど か ら 次 世 代 の パ ワ ー デ バ イ ス 材 料 と し て 期 待 さ れ て い る ．し か し ，半 導 体 デ バ
イスの下地となる単結晶基板中の格子欠陥（結晶欠陥）は，素子特性に影響を与えるため課題である．しかし，酸化ガリウムを用いた電子デバイスにおいて，結晶欠陥と素子
特 性 の 関 連 は 明 ら か に な っ て お ら ず ，欠 陥 の 特 性 ご と の 素 子 へ の 影 響 を 調 べ る こ と が 必
要 で あ る ． そ こ で 本 研 究 で は ， β-Ga 2 O 3 基 板 上 に シ ョ ッ ト キ ー バ リ ア ダ イ オ ー ド (SBD)
を 作 製 し ，素 子 特 性 を 測 定 後 ，こ の 基 板 の 欠 陥 を 観 察 す る こ と で 結 晶 欠 陥 が 素 子 特 性 へ与える影響を調べた．
（ English ）Diamond and Gallium oxide are wide band gap semiconductor, and are expected as
high-efficient high-power electronics device. However, defects in crystals lead to a leakage
current and decrease the breakdown voltage. Therefore, to minimize the defect density, it iscritical to understand crystal defects such as dislocations and stackin g faults. Then, weperformed X-ray topography to observe and characterize crystal defects in Gallium oxide
single crystal. In this study, we investigate the effects of defects on electrical properties by
β-Ga 2 O 3 .

２．背景と目的
我々はこれまで新しい電子材料の創製とそれを生かしたデバイス応用に関する研究を行ってきた．
現在は，シリコンカーバイド(SiC)，窒化ガリウム(GaN)，窒化アルミニウム(AlN)，ダイヤモンド，β-Ga2O3 等の広いバンドギャップをもつ新しい半導体の創製とそれを用いた低損失・高耐圧のパワーデバイスの応用に関する研究を行っている．
環境・エネルギー問題は，今や不可避の深刻な社会問題である．エレクトロニクス，情報通信ネッ
トワーク，電力ネットワークのエネルギー効率は，システムのハードウェアーの大部分を占めるシリコン(Si)材料の固有の物性限界に到達している．それを打破するために，Si よりバンドギャップが広い SiC や GaN や，新しいワイドギャップ半導体であるダイヤモンドや酸化ガリウムを用いた高効率パワーデバイスの実用化に繋げ，エネルギー問題を根本的に解決することが最大の目標である．しかしながら，半導体結晶を用いて作製される電子デバイス・光デバイスの特性は，その結晶中の格子欠陥の物性に大きく左右される．例えば，線状欠陥である転位は格子歪，欠陥準位，局所反応サイトなどを与え，多くの場合，デバイス特性を悪化させる要因となる．しかし，β-Ga2O3 デバイスにおいて結晶欠陥が素子特性へ与える影響は十分に明らかになっていない．β-Ga2O3 を用いた電子デバイスの信頼性・素子特性向上のためにはこれらの影響を理解しておくことが不可欠である．
そこで本研究は，次世代半導体として期待されている β-Ga2O3 の結晶欠陥が素子特性へ与える影響を明らかにすることを目的とした．β-Ga2O3 基板上に SBD を作製し，素子特性を測定後，この基板のX 線トポグラフィー測定を行った．素子特性と欠陥分布や密度との対応を調べ，リーク電流の起源を明らかにする．

３．実験内容（試料，実験方法，解析方法の説明）
EFG(001)面上にHVPE法によりホモエピ成長を行い，(001)面β-Ga2O3エピ膜(厚さ約10µm)上にSBD作製を行った．電極を多数作製し，それぞれの電極において電流-電圧特性を測定した．測定後，電極を除去し，β-Ga2O3面を露出させ，X線トポグラフィー測定により，それぞれの電極直下の結晶欠陥を観察した．
結晶欠陥の観察はBL09のビームラインを利用し，X線トポグラフィーにより観察する．図1に示すような反射Bragg配置で測定を行う．観察試料は下地基板とエピ膜が一体となっているが，エピ膜の観察を行うため，侵入深さはエピ膜10μm内となるように条件を選定した．g=605, -1005などの回折を選び，転位の観察を行った．

図 1 X 線トポグラフィー装置図

４．実験結果と考察得られたトポ像から β-Ga2O3 結晶において多数の転位が観察された．以前の実験結果から下地基板の欠陥を引継いだ貫通転位であると予想される．また一部の領域に限って，<010>方向に延伸した転位のような欠陥が観察された．これらの欠陥の密度と素子特性を照らし合わせると，欠陥密度の高い領域では SBD においてリーク電流が増加していることがわかった．逆に，欠陥密度の低い領域では，比較的リーク電流は抑えられていた．従って，β-Ga2O3 においても転位等の欠陥が，SBD 等の電子デバイスにおいて特性劣化の原因となることがわかった．
また，表面の傷も SBD のリーク電流と大きく関連していた．
５．今後の課題
次世代のパワー半導体として注目される酸化ガリウム単結晶のシンクロトロン放射光を用いた X
線トポグラフィー観察を行い，結晶欠陥と SBD 特性の関連を調べた．下地基板からの貫通転位や，<010>方向へ延伸する転位が観察された．これらの欠陥密度が高い領域では SBD において素子特性が劣化し（リーク電流の増加），欠陥密度の低い領域では，良好な素子特性が得られた．これらの結果から，素子特性や信頼性向上のためにも β-Ga2O3 結晶の結晶欠陥を抑制する必要があることがわかった．今後はこれらの欠陥の抑制や制御技術の確立が課題である．

６．参考文献[1] A. Kuramata, K. Koshi, S. Watanabe, Y. Yamaoka, T. Masui, S. Yamakoshi, Japanese Journal of AppliedPhysics, 55 (2016) 1202A2.

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）[1] M. Kasu, R. Murakami, S. Masuya, K. Harada, and H. Sumiya, Synchrotron X-ray topography ofdislocations in high-pressure high-temperature-grown single-crystal diamond with low dislocation density,
Applied Physics Express, 7 (2014)125501.
[2] S. Masuya, K. Hanada, T. Uematsu, T. Moribayashi, H. Sumiya, M. Kasu, Determination of the type ofstacking faults in single-crystal high-purity diamond with a low dislocation density of <50cm-2 by synchrotron
X-ray topography, Japanese Journal of Applied Physics 55, (2016)040303[3] S. Masuya, K. Hanada, T. Moribayashi, H. Sumiya, M. Kasu, Determination of partial dislocations ofstacking fault in (111) single crystal diamond grown on (111) seed crystal by synchrotron X-ray topography,
Journal of Crystal Growth, 468 (2017) 439.
[4]S. Masuya, K. Hanada, T. Oshima, H. Sumiya, M. Kasu, “Formation of stacking fault and dislocation
behavior during the high-temperature annealing of single crystal HPHT diamond”, Diamond and RelatedMaterials 75 (2017) 155.
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
酸化ガリウム，ハライド気相成長（HVPE），X 線トポグラフィー

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください．また，論文（査読付）発表と研究センターへの報告，または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2017 年度実施課題は 2019 年度末が期限となります．
）
長期タイプ課題は，ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください．

① 論文（査読付）発表の報告（報告時期：2019 年

3 月）