VB法で6インチβ型酸化ガリウム単結晶を作製：大口径化と高品質化でコストダウン

ノベルクリスタルテクノロジーは、垂直ブリッジマン（VB）法を用い、直径6インチのβ型酸化ガリウム（β-Ga2O3）単結晶を作製することに成功した。単結晶基板の大口径化と高品質化により、β-Ga2O3パワーデバイスのコストダウンが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

大口径化に向けて、信州大学が発案した育成技術を継承

　ノベルクリスタルテクノロジーは2023年12月、垂直ブリッジマン（VB）法を用い、直径6インチのβ型酸化ガリウム（β-Ga₂O₃）単結晶を作製することに成功したと発表した。単結晶基板の大口径化と高品質化により、β-Ga₂O₃パワーデバイスのコストダウンが可能となる。

　パワーデバイス向け材料として、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）が注目されている。β-Ga₂O₃は、これらの材料に比べさらに大きいバンドギャップエネルギーを有する。このため、電気自動車や鉄道車両、産業機器などの機器に向けた、より高性能のパワーデバイスを実現できる可能性が高い。

　ノベルクリスタルテクノロジーはこれまで、EFG（Edge-defined Film-fed Growth）法を用いた単結晶製造技術を開発。既に2インチおよび100mm基板を開発し、研究開発用として販売してきた。しかし、β-Ga₂O₃パワーデバイスを広く普及させるためには、低コスト化が必須となっており、単結晶基板の大口径化に取り組むことにした。

　VB法を用いたβ-Ga₂O₃単結晶の育成技術は信州大学が発案し、これまで2インチおよび4インチの単結晶を作製している。ノベルクリスタルテクノロジーは、この育成技術を信州大学から引き継ぎ、大口径で高品質のβ-Ga₂O₃基板を作製することにした。

　VB法は、原料を入れたるつぼを温度勾配のある炉内に格納し、原料を溶融させた後にるつぼを引き上げて凝固させる育成方法。このため、るつぼと同じ形の結晶が得られる。るつぼ内の融液を凝固させるため、さまざまな基板の面方位を作製可能という特長もある。また、温度勾配が小さい環境で育成できるため、EFG法などの引き上げ法に比べ、結晶の高品質化が可能となる。ドーパント濃度の面内均一性も向上できるという。

　VB法6インチ結晶育成装置を用いて作製した結晶は、種結晶から最終固化部まで透明であり、単結晶であることが分かる。直径が最も広い定径部は6インチ以上であった。

左はEFG法、右はVB法の概要［クリックで拡大］ 出所：ノベルクリスタルテクノロジー

VB法で作製した6インチ単結晶。左が全体像、右上は種結晶側、右下は最終固化部側の外観［クリックで拡大］ 出所：ノベルクリスタルテクノロジー

　「X線トポグラフィー法」という結晶欠陥評価手法を用い、VB法とEFG法を用いて育成した単結晶基板の品質を、産業技術総合研究所で評価した。この結果、EFG法で作製した基板には、直線状欠陥が高密度に発生していた。これに対しVB法で作製した基板には、直線状欠陥がほぼ発生していないことを確認した。

X線トポグラフィーによる観察像。左はEFG法によって作製した基板、右はVB法によって作製した基板［クリックで拡大］ 出所：ノベルクリスタルテクノロジー