ルチル型酸化物半導体でデバイス動作を確認：薄膜内の貫通転位密度を大幅低減

立命館大学と京都大学、物質・材料研究機構の研究チームは、xを0.53付近に調整したルチル型（r-）GexSn1-xO2薄膜を、r-TiO2基板上に格子整合（格子整合エピタキシー）させることで、薄膜内の貫通転位密度を極めて小さくすることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

作製したSBD、±5Vの電圧印加で約10⁵の整流比

　立命館大学と京都大学、物質・材料研究機構の研究チームは2024年1月、xを0.53付近に調整したルチル型（r-）Ge_xSn_1-xO₂薄膜を、r-TiO₂基板上に格子整合（格子整合エピタキシー）させることで、薄膜内の貫通転位密度を極めて小さくすることに成功したと発表した。この薄膜を用いたショットキーバリアダイオード（SBD）は、±5Vの電圧を印加したところ、約10⁵の整流比を示した。

　r-GeO₂とr-SnO₂の混晶であるr-Ge_xSn_1-xO₂は、3.8〜4.4eVのバンドギャップ変調や良好な電気伝導特性を示すことが分かっている。このため、パワーデバイスへの応用が期待されている。ただ、r-TiO₂とr-GeO₂、r-SnO₂、r-Ge_xSn_1-xO₂の格子定数が一致しないため、基板と薄膜の界面において転位が形成される。特に貫通転位が、10¹⁰cm⁻²程度となるため、高耐圧動作時には課題となっていた。

　研究チームは今回、r-Ge_xSn_1-xO₂のx値によって、格子定数が一致することに着目した。第一原理計算により、x＝0.53程度でr-Ge_xSn_1-xO₂とr-TiO₂のa軸方向において格子定数が一致することを確認した。そこで、ミストCVD法を用い、x＝0.53付近のr-Ge_xSn_1-xO₂薄膜をr-TiO₂（001）基板上に作製し、格子整合させることにした。

　作製したr-Ge_xSn_1-xO₂（x＝0.49〜0.56）は、膜厚の範囲が48〜478nmで二次元的に成長し、表面は極めて平らであることを確認した。これはフランク・ファンデルメルヴェ機構による結晶成長を示しており、r-Ge_xSn_1-xO₂とr-TiO₂の格子不整合は極めて小さいことが分かった。

　膜厚48nmのr-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜について、構造解析を行った。X線回折（XRD）測定の結果、「r-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜が面内および面外方向に対して基板と同一方向に配向している」ことや、「r-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜内に明白な回転ドメインが存在しない」ことが分かった。さらに、逆格子マッピング測定の結果、「r-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜がコヒーレント成長している」ことも判明した。

　また、制限視野電子回折パターンから、「r-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜が、面内および面外方向に対して基板と同一方向に配向している」ことを確認した。複数箇所における透過型電子顕微鏡（TEM）像でも転位線は見られなかった。さらに、高角度散乱暗視野走査透過型電子顕微鏡（HAADF-STEM）で界面を観察したところ、基板と薄膜のカチオン（Ti、Ge、Sn）位置が揃っていることを確認した。これらの結果から、r-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜がr-TiO₂基板と格子整合し、薄膜内の転位密度は大幅に低減されることが分かった。

r-Ge_0.55Sn_0.45O₂薄膜／r-TiO₂基板界面のHAADF-STEM像［クリックで拡大］ 出所：立命館大学他

　研究チームは、膜厚110nmのr-TiO₂（001）基板上に格子整合させたr-Ge_0.49Sn_0.51O₂薄膜を用いて、横型SBDを作製した。このSBDに±5Vの電圧を印加したところ、約10⁵程度の整流比となった。

r-TiO₂（001）基板上に格子整合させたr-Ge_0.49Sn_0.51O₂薄膜を用いて作製したSBDの電流密度−電圧特性［クリックで拡大］ 出所：立命館大学他

　今回の研究成果は、立命館大学総合科学技術研究機構の金子健太郎教授・RARAフェロー／Patentix取締役CTO、京都大学大学院工学研究科の高根倫史博士後期課程学生、田中勝久同教授、物質・材料研究機構の大島孝仁主任研究員、原田尚之同独立研究者らによるものである。