WEKO3
アイテム
HVPE法によるScAlMgO₄基板上へのGaN単結晶成長と基板作製
http://hdl.handle.net/10076/0002001501
http://hdl.handle.net/10076/000200150124fd3d8b-86f3-4e70-b3b1-30600d4ed40c
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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2024DI0304 (21.6 MB)
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| アイテムタイプ | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||||||
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| 公開日 | 2025-06-09 | |||||||||
| タイトル | ||||||||||
| タイトル | HVPE法によるScAlMgO₄基板上へのGaN単結晶成長と基板作製 | |||||||||
| 言語 | ja | |||||||||
| タイトル | ||||||||||
| タイトル | GaN single crystal growth on ScAlMgO4 substrate by HVPE method and GaN substrate fabrication | |||||||||
| 言語 | en | |||||||||
| 言語 | ||||||||||
| 言語 | jpn | |||||||||
| 資源タイプ | ||||||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_db06 | |||||||||
| 資源タイプ | doctoral thesis | |||||||||
| アクセス権 | ||||||||||
| アクセス権 | open access | |||||||||
| アクセス権URI | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | |||||||||
| 著者 |
張, 海涛
× 張, 海涛
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| 抄録 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||||
| 内容記述 | GaN 材料は 1928 年に Johanson らによって合成された III-V 族化合物半導体材料であり、大気圧下では一般的に六方晶ウルツ鉱構造であり、この構造は単位胞に 4 つの原子が含まれており、原子体積は GaAs の約 1/2 である。化学的性質は安定しており、常温では水、酸、アルカリに溶けず、高温のアルカリ溶液にも非常にゆっくりとしか溶解しない。GaN 材料は優れた電気特性を持ち、バンドギャップ（3.4 eV）、高破壊電圧（3×10⁶ V/cm）、高電子移動度（室温で 1000 cm²/V・s）、高ヘテロ接合面電荷密度（1×10¹³cm−²）など特性を有する。このため、発光ダイオード（LED）、半導体レーザー（LD）、パワーデバイス、高周波トランジスタなど多様な用途で工業化され、産業に不可欠な材料となっている。近年では電気自動車の普及や通信（5G）速度の向上のため、高耐圧・高電子移動度・高電子飽和速度など優れた性能を持つ GaN のバルク結晶、薄膜結晶、デバイスプロセスおよび特性評価システムなどの広範な分野での応用開発研究が活発に行われている。 本論文では、GaN のバルク結晶の作製において、現状の GaN 結晶の作製法（HVPE 法）を用い、新たな材料である SAM（ScAlMgO4）基板上に GaN バルク結晶を成長させる方法および GaN 基板の加工プロセスを開発する応用研究成果をまとめている。 第一章では、本研究の目的である GaN の物理特性を概説し、電子デバイス素材として期待されている GaN 単結晶の応用領域と市場状況について説明する。GaN 単結晶の量産方法に対し、汎用されている HVPE 法でサファイア基板の代わりに新たな SAM 基板を利用し、GaN 単結晶の作製プロセスと作製された GaN の基板化加工プロセスの開発を研究目標に設定している。 第二章では、これまでの GaN 単結晶の作製法の中で、よく研究と応用が行われている三つの GaN 結晶成長法の例を挙げ、それぞれのメリットとデメリットについて説明する。そして、既に GaN の量産に使われている HVPE 法でよく使われているサファイア基板に代替する可能な基板として SAM 結晶の物理特性、成長方法および基板加工プロセスを説明する。SAM 結晶の物理特性による HVPE 法での GaN 結晶成長時のサファイア基板に対する優位性を分析する。また、SAM 結晶の優れた性能を GaN 結晶に応用するため、SAM 結晶の育成研究と育成された SAM 結晶の基板が HVPE 法で GaN の下地基板として使用される二つの重要な前提条件を確認する。結果として、SAM 結晶の育成成功と基板化が再現性高く実現できることを示した。 第三章では、GaN 結晶の SAM 基板上での HVPE 法成長には、HVPE 装置がハード条件として必須であることを示す。HVPE 装置の設計・製造・シミュレーションなどの工程が研究開発の一環として紹介される。装置の反応チャンバーに使われる石英部品やサセプターなど重要な部品の設計も含まれている。さらに、シミュレーションによりホートフィールドとガスフローフィールドの適合性を分析し、HVPE で GaN 結晶成長に影響を与えるポイントを示す。SAM基板上のAlNスパッタリング実験、MOCVDによるGaN成長層の実験、HVPE による GaN 結晶成長実験の結果と分岐データに基づいて、MOCVD 薄膜結晶成長+HVPE 厚膜成長のプロセスで GaN on SAM の試作実験が行われた。MOCVD での GaN 薄膜結晶プロセスが SAM 基板上の GaN の成核層の 3D から 2Dの二重構造を形成し、HVPE 成長時の厚膜 GaN 成長の応力を解消することが確認された。GaN 結晶の成長割れと降温割れの現象にも効果があることが分かった。そして、SAM基板上での作成に成功した 2 インチ GaN 結晶の厚さは 5.2 ㎜に達し、その結晶の測定（XRD測定と CL測定）結果、サファイア基板上で作製した GaN結晶と同じ優れた性能を持つことが確認された。懸念されていたSAM基板中のMg元素の固相拡散現象が5μmの深さでほぼ抑えられ、SAM 結晶の劈開特性が GaN 厚膜結晶成長後に GaN 結晶と下地基板の剥離を容易にする現象が証明された。実験結果により、SAM 基板がサファイア基板を代替し、GaN の結晶成長の理想的な基板であることが明らかになった。 第四章では、作製した GaN 結晶の基板化について、加工プロセスの実験工程と結果を述べる。GaN 結晶の Ga 面は M 面に比べて 9.0-9.5 のモース硬度を持ち、さらに GaN結晶は耐アルカリ性と耐酸性があるため、GaN 基板のエピレディまでの加工（研磨・CMP）は一般半導体材料よりも困難である。結晶のアニーリング工程、表面研磨、エッジ加工、ワイヤーソー切断、研磨、CMP、洗浄、検査の一連の応用研究を行い、GaN基板の製品化（エピレディ状態）を実現した。 第五章では、本研究の統括を行う。本論文にまとめた研究開発によって GaN 単結晶基板の市場規模が SiC と比べて極めて小さかったが、矢野経済研究所の統計データによると年々増加している。本研究の結果、SAM 基板が HVPE 法で GaN 結晶量産用の下地基板として使用される可能性が示された。SAM 基板の特性が十分に発揮され、サファイア基板を超え、高品質な GaN 結晶用の基板として期待できる。このような応用展開により、SAM 基板の量産性、コストパフォーマンスおよび SAM 基板上でのより優れたGaN エピタキシャル成長プロセス技術の開発が期待される。 |
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| 言語 | ja | |||||||||
| 内容記述 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | 本文 / 三重大学大学院 地域イノベーション学研究科 | |||||||||
| 内容記述 | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | 140p | |||||||||
| 書誌情報 |
発行日 2025-03-25 |
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| フォーマット | ||||||||||
| 内容記述タイプ | Other | |||||||||
| 内容記述 | application/pdf | |||||||||
| 著者版フラグ | ||||||||||
| 出版タイプ | VoR | |||||||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 | |||||||||
| 出版者 | ||||||||||
| 出版者 | 三重大学 | |||||||||
| 出版者（ヨミ） | ||||||||||
| 値 | ミエダイガク | |||||||||
| 学位名 | ||||||||||
| 学位名 | 博士(学術) | |||||||||
| 学位授与機関 | ||||||||||
| 学位授与機関識別子Scheme | kakenhi | |||||||||
| 学位授与機関識別子 | 14101 | |||||||||
| 学位授与機関名 | 三重大学 | |||||||||
| 学位授与年月日 | ||||||||||
| 学位授与年月日 | 2025-03-25 | |||||||||
| 学位授与番号 | ||||||||||
| 学位授与番号 | 甲学術第2329号 | |||||||||
| 資源タイプ（三重大） | ||||||||||
| 値 | Doctoral Dissertation / 博士論文 | |||||||||
