超WBG半導体基板の大口径化へ道筋、東北大：直接窒化法で針状のAlN単結晶を育成：AlN単結晶基板の

東北大学は、直接窒化法を用い針状の窒化アルミニウム（AlN）単結晶を育成することに成功した。これを種結晶として溶液成長法により結晶成長させれば、大口径の超ワイドバンドギャップ（WBG）半導体基板を実現できるとみている。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

最大毎時175μmの速度で横方向にエピタキシャル成長

　東北大学多元物質科学研究所の李森助教、飴井千晃大学院生、安達正芳准教授、大塚誠准教授、福山博之教授らによる研究グループは2026年6月、直接窒化法を用い、針状の窒化アルミニウム（AlN）単結晶を育成することに成功したと発表した。これを種結晶として溶液成長法により結晶成長させれば、大口径の超ワイドバンドギャップ（WBG）半導体基板を実現できるとみている。

　AlNは、バンドギャップが約6.2eVと極めて大きく、熱伝導性や化学的安定性に優れている。このため、深紫外線LEDやパワー半導体デバイスなどの基板材料として期待されている。ところが、従来の直接窒化法は強い駆動力下で行われるため、多結晶の粉末しか得られなかった。

　研究グループは今回、熱力学計算に基づきアルミニウム蒸気を直接窒化させる工程で、合金組成や窒素分厚、反応温度を厳密に制御し、反応の駆動力を熱力学的平衡の近傍に維持できる新たなAlN結晶成長法を開発した。

　具体的には、Fe-20mol％ Al合金を用いた場合、Ar-4vol％N₂下での臨界温度Tcは2084K（約1811℃）であることを突き止め、この温度近傍（2033K〜2153K）で実証実験を行った。駆動力を平衡点近傍まで制御したところ、新しい結晶核の発生を抑制できた。

　この結果、長さが数センチメートルで直径は最大300μmの「針状AlN単結晶」を成長させることに成功した。特に、2073K（1800℃）で育成した六角柱状結晶は、X線ロッキングカーブ測定において、半値幅（FWHM）が約20arcsecという、極めて欠陥の少ない結晶性を示したという。

　実験で得られた針状の単結晶を種結晶として、Fe-26mass％Crフラックスを用いた溶液成長法で結晶成長させた。溶液を1948Kから毎分0.05〜0.2Kのレベルで冷却し、過飽和度（駆動力）を制御した。そうしたところ、結晶性を維持しながら最大毎時175μmという成長速度で横方向にエピタキシャル成長させられることを確認した。水平配置の育成技術を導入したところ、ミリメートルという単位で、太さが均一な結晶を得ることに成功した。さらに、不純物である炭素濃度が約2桁も低減されることが分かった。

冷却速度を変えて、針状AlN種結晶上に溶液成長法でエピタキシャル成長させた後のSEM像［クリックで拡大］ 出所：東北大学

上図が針状AlN種結晶。下図は針状AlN種結晶を水平配置し、毎分0.2Kの冷却速度で溶液成長法によりエピタキシャル成長させた後のSEM像［クリックで拡大］ 出所：東北大学