福田結晶技術研究所 電話番号 022-303-0170

ScAlMgO4(SAM)単結晶

ScAlMgO4(SAM)単結晶 φ4インチウエハ
ScAlMgO4 (SAM) 単結晶 φ4″ φ2″ ウエハ

 ScAlMgO4(SAM)単結晶 は、米国ベル研究所で1995年に高輝度のGaN LED用結晶基板として開発されましたが、結晶作製が非常に難しく、研究が進展しませんでした。当社は、チョクラルスキー法(回転引上げ法)により世界で初めて直径4″φの単結晶作製に成功しました。さらに、直径2″φでは無転位結晶の作製にも成功しました。直径6″φ大口径技術の開発にも取り組んでいます。
 SAMウエハは、LED、LD、FETなどのGaNデバイスの基板として有望です。SAMウエハ上に製造されるGaN自立基板は、自動車用途のGaNパワーデバイス用途に期待されています。
 直径2″φ無転位SAM結晶をもとに、格子整合するInGaNや(InGaAl)Nの無歪低転位テンプレートの作製の開発に着手し、窒化物半導体の作製など新しい展開にチャレンジしています。

特徴

  • GaNと格子不整合率小(整合率 1.8%)
  • InGaN、(InGaAl)Nと格子整合
  • 劈開(へきかい)によってエピレディー基板を作製出来る
  • MOVPE、HVPE法によりGaN成膜成長が可能

GaNの格子不整合率小、および熱膨張率差小

ScAlMgO4とサファイアの比較

劈開性

SAM 単結晶量産技術

3″φインゴット

3″φインゴット
3″φインゴット

3φScAlMgO4インゴット

4”φScAlMgO4単結晶製造装置
ScAlMgO4 ウエハ

無転位ScAlMgO4

 高品質化、高歩留化に向けて種結晶から、2″φ結晶作成条件までの見直しと改善を図り、2″φの無転位SAM単結晶作成に成功した。作製結晶から直径40 mmに外周研削してc面基板を切り出したウエハのX線トポグラフィ(XRT)の結果からほぼ全面無転位化出来ることが判った。SAMがSiと同様に無転位のウエハが出来ることは、世界でも初めての発見である。半導体関連では、Si以外にはInドープGaAs及びSiドープGaAsの例はあるが、4元素からなる多成分系の結晶では過去に例がない。X線ロッキングカーブ(XRC)測定から半値幅が7.2 arcsec.で半導体Siに匹敵する高品質である

ウエハ
2″φSAM 無転位単結晶


X線トポグラフィ(1)
X線ロッキングカーブ(1)

期待される用途

パワーデバイス向けGaN用の基板
(東北大学松岡教授の研究成果)

劈開を利用したGaN自立基板作製(2)(3)

InGaN系のRGBのLED向けInGaNテンプレートの基板
(京都大学川上教授の研究成果)



サファイア基板上と比較してSAM基板上では
赤色発光(約625nm)で約40倍の室温発光強度(4)

光デバイス用途の広がりによる期待

解説

 ScAlMgO4 (SAM)は,Sc2O3, Al2O3, MgOの3成分系の結晶材料である。SAM粉末は1989年N. Kimizukaにより発見(5)され、1995年AT&T Bell研により開発が開始された(6)。2004年福田等はZnO基板用にしてCZ法によるSAM単結晶作成に着手した。2010年からは福田結晶技術研究所が、C. D. Brandle博士や米国最大手LEDメーカーのPhilips LumiLeds社と共に開発を進めてきた 。その後、東北大学松岡教授とパナソニック(株)及びNEDOとの開発委託により研究を行った。

 SAMは RFe2O4型結晶の一つである。RFe2O4はRO6の八面体層とFeO5の両錐多面体層がc軸方向に積層して構成された結晶構造を持つ。SAMは、空間群R3 ̅mで格子定数が常温(303K)でa = 0.3249(1) nm,  c = 2.5142(8) nm(3)であり,ScO6と(Mg/Al)O5の多面体の層が積層した構造となっている。関連する結晶のa軸の格子定数の中で、SAMのa軸の格子定数は、ZnO (a = 0.3253 nm)やGaN (a = 0.3190 nm)と非常に近い。エピタキシャル用基板に通常使われるAl2O3(a = 0.4758 nm)とは格子不整合がそれぞれ3.2%(ZnO),4.9%(GaN)であるのに対し,SAM基板であれば格子不整合がそれぞれ0.13% (ZnO)、1.8% (GaN)と非常に小さい。格子定数の温度依存性を確認した研究(7)によれば、a軸の線熱膨張についても、SAMの方がAl2O3よりもGaNやZnOとの相違が小さく、特にGaNとのマッチングが良い。さらに,1000℃ NH3/H2雰囲気下でも化学的に安定で,酸にも強いという特徴を持ち、GaN用基板として非常に期待されている材料である。

 また、SAM単結晶は c面に平行な劈開面を持つ。この劈開性を利用することで非常に平坦な400μm厚さのエピレディのc面基板としての供給が可能である。劈開面の結晶性は非常に良く,例えば 00018回折のロッキングカーブでFWHM=12.99 arcsecを示すなど,シリコンの完全結晶に近いような値が得られている。

参考文献

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