日本東北大學多元物質科學研究所的秩父重英教授等人與日本制鋼所公司和三菱化學公司合作，成功開發出了可以量產、幾乎沒有曲翹的大口徑高純度GaN單晶基板的低壓酸性氨熱法。
研究背景
要想維持社會的繁榮、安心和安全，離不開對有限的能源資源進行高效利用的技術。例如，將電力轉換成強動力的鐵路、純電動汽車、工業機械以及放大高頻電波的通信基站等領域，就面臨著提高電力轉換效率的緊迫課題。作為解決方法，將負責電力控制的功率晶體管（圖1）的半導體材料由原來的硅換成碳化硅、GaN和金剛石等的方法受到關注。
圖1：采用GaN的垂直功率晶體管模式圖，圖片來源：日本東北大學
尤其是GaN，因具備禁帶寬度寬（3.4eV）、絕緣擊穿場強（3.3MVcm-1）、飽和電子速度快（2.5×107cms-1）等優異特性，在以高功率和高頻工作的垂直功率晶體管上的應用備受期待。不過，目前很難獲得制作GaN晶體管的GaN單晶基板，因此難以制作出漏電流小且可靠性高的GaN垂直功率晶體管。
研究方法與成果
本次研究自主開發出了可量產直徑2英寸以上的GaN單晶基板的低壓酸性氨熱（Low-pressure acidic ammonothermal; LPAAT）法。與已經實現實用化的、采用高壓超臨界流體氨的傳統酸性氨熱（SCAAT）法不同，通過實現低壓晶體生長，能以相對較小的晶體生長爐量產大型晶體。
如圖2所示，利用LPAAT法在基于SCAAT法的GaN籽晶上制作的2英寸長GaN單晶基板，具有晶體鑲嵌性低（對稱面和非對稱面的X射線搖擺曲線半值寬度在28秒內）、基板幾乎沒有曲翹（曲率半徑約為1.5km）的良好晶體結構特性。
另外，為抑制來自晶體生長爐的材質鐵和鎳等的污染，用銀涂覆了晶體生長爐的內壁，由此可以減少意外混入GaN晶體中的雜質，實現了優異的結晶性和高純度，達到可以從低溫光致發光中觀察到GaN的激子躍遷發光的程度。利用LPAAT法制作的大口徑、低曲翹、高純度GaN單晶基板如果能普及，可靠性優異的GaN垂直功率晶體管就有望實現實用化。
圖2：利用LPAAT法在2種GaN籽晶（Halide vapor phase epitaxy：HVPE及Supercritical acidic ammonia technology：SCAAT）上制作的2英寸GaN單晶基板的外觀、晶體結構特性及光致發光光譜。圖片來源：日本東北大學
未來展望
今后計劃將本次研究開發的LPAAT技術應用于大型晶體生長爐（內徑為120mm以上），實現具備優異晶體結構特性（曲翹少且幾乎沒有晶體鑲嵌性）的4英寸以上大口徑GaN基板。
另外，還將利用東北大學和筑波大學擁有的特殊測量技術，對制作的GaN的輻射和非輻射復合率及空位型缺陷濃度等進行量化，從而進一步提高利用LPAAT法制作的GaN單晶的光學和電氣特性。
論文題目：Ammonothermal growth of 2 inch long GaN single crystals using an acidic NH4F mineralizer in a Ag-lined autoclave
論文網址：https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20200601_01web_GaN.pdf
文稿來源：客觀日本（ID:keguanjp）
