国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）窒化物半導体先進デバイスオープンイノベーションラボラトリ【ラボ長 清水 三聡】（以下「GaN-OIL」という）GaNパワーエレクトロニクスチーム 山田 永 主任研究員、小久保 信彦 元リサーチアシスタント、角岡 洋介 リサーチアシスタントは、国立大学法人 名古屋大学【総長 松尾 清一】（以下「名古屋大」という）未来材料・システム研究所 未来エレクトロニクス集積研究センター 宇治原 徹 教授（兼）GaN-OIL 副ラボ長と共同で、ラマンマッピング像から窒化ガリウム（GaN）半導体結晶の欠陥を検出する技術を開発した。
近年、次世代パワーデバイスとして期待されているGaN半導体のより高性能化・高寿命化のための研究が行われている。この中で、GaN半導体の結晶欠陥を、非破壊で簡便に検出できる評価技術を確立することが求められていた。今回開発した技術により、GaN結晶の刃状成分の貫通転位を非破壊で検出できるため、GaN半導体デバイスの製造プロセス改良への貢献が期待される。
なお、この技術の詳細は、5月22日（英国時間）にApplied Physics Expressのオンライン版に掲載される。
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ラマンマッピングによるGaN半導体単結晶の欠陥イメージング像 |
近年、GaN半導体が次世代パワーデバイスや高輝度発光デバイスとして期待され、研究開発が盛んに進められている。GaN半導体の更なる高性能化・高寿命化のためには、欠陥の少ない単結晶GaN基板が必要である。これまでGaN半導体単結晶の構造欠陥である転位を検出するには、大型放射光施設を用いた実験や、試料を破壊するエッチピット法、電子顕微鏡などでの評価を行う必要があったため、より簡便で非破壊の転位検出技術が求められていた。
産総研と名古屋大は、窒化物半導体デバイスに関する広範な研究開発を連携して行い、実用化と社会実装を推進させていくために、平成28年4月1日にGaN-OILを名古屋大内に設置した。GaN-OILでは、クロスアポイントメント制度を活用した人事交流による産学連携を促進するとともに、産学官ネットワークを構築し、「橋渡し」につながる目的基礎研究を強化し、窒化物半導体技術の産業化・実用化のために必要な結晶技術、デバイス技術、回路技術などの開発を行っている。また、産総研リサーチアシスタント制度を活用し、名古屋大の博士前期・後期課程の学生を受け入れ、次世代を担う優秀な人材の育成を行っている。
今回、両者はGaN単結晶基板上のパワーデバイス応用を実現するため、GaN半導体中に存在する構造欠陥の形成・消滅過程の解明やその評価技術の研究開発に取り組んだ。
なお、この成果は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務「低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト／GaNパワーデバイス等の実用化加速技術開発／低不純物・高成長速度の次世代HVPE法による低価格・大電力GaNパワーデバイス製造プロセスの研究開発」（平成29～31年度）による支援を受けた。
今回開発した欠陥検出技術は、ラマン散乱を応用した技術である。図1に示すGaNのラマン散乱スペクトルでは、結晶にひずみがあると、圧縮ひずみでは高波数側、引張ひずみでは低波数側にピークがシフトする。
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図1 GaN半導体のラマン散乱スペクトル |
最も強度の大きいE2Hラマン散乱ピークを拡大したものが図2である。実験で得られた生データを解析モデルによる数値フィッティングをすることで0.1 cm-1の波数分解能でGaN結晶のピークシフトを観測し、わずかなひずみの検出を試みた（従来、測定検出器の波数分解能が0.8 cm-1であり、1 cm-1以上のピークシフトを観測していた）。
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図2 E2Hピークのフィッティング結果 |
HVPE法で作製した自立c面GaN基板のラマン散乱スペクトルを測定し、フィッティングによって得られた高分解能のE2Hピークのシフトを0.1 cm-1の波数範囲で可視化した結果を示す。白色の高波数側にシフトした領域と黒色の低波数側にシフトした領域が対となるコントラストが明瞭に観察できた。また、その方向はGaN結晶の6方向に対応していた。
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図3 GaN半導体のE2Hラマン散乱ピークのシフトをマッピングした像
白破線矢印は、高波数から低波数への方向を示す。 |
今回開発したラマンマッピング法の測定結果と、従来、GaN基板の欠陥評価法として使用されてきた水酸化カリウム溶液によるエッチピット法による結果とを比較した（図4）。水酸化カリウム溶液による処理後のGaN単結晶を光学顕微鏡で観察すると、六角形状の黒色（刃状転位）、灰色（混合転位）のエッチピット（図4の▽）が観察された。エッチピットを形成する前のE2Hピークシフトのラマンマッピング像は、エッチピットと同一箇所に明瞭なコントラストが観察された。また、白色のエッチピット箇所（図4の数字1～6）は転位によるエッチピットではなく、ラマンマッピング像ではコントラストに差は見られない。
以上のように、今回開発したラマン散乱を利用した手法によりGaN結晶の刃状転位や混合転位の分布や方向を簡便に非破壊で測定できた。
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図4 GaN半導体結晶の(a)エッチピット像と(b)ラマンマッピング像 |
今回開発した結晶の欠陥検出技術を利用してGaNや他の半導体の高品質化に繋げる取り組みを実施する。
雑誌名：Applied Physics Express
論文タイトル：Detection of Edge Component of Threading Dislocations in GaN by Raman Spectroscopy
著者：Nobuhiko Kokubo, Yosuke Tsunooka, Fumihiro Fujie, Junji Ohara, Kazukuni Hara, Shoichi Onda, Hisashi Yamada, Mitsuaki Shimizu, Shunta Harada, Miho Tagawa, and Toru Ujihara
掲載日：平成30年5月22日（英国時間）