第9回窒化物半導体応用研究会

～ ＧａＮ系バルク結晶成長とＧａＮ系デバイス応用 ～

高温アモノサーマル法によるGaN結晶

東北大学 原子分子材料高等研究機構 連携教授福田 承生

旭化成株式会社 吉田 一男（発表者）

2010年10月29日

GTO

IGBT

サイ

リス

タ

Siバイポー

ラー

IPM/IGBT モジュール

MOSFET

電子レンジ扇風機洗濯機

HV DC

鉄道

FPDドライバー

UPSDPS

EV/HEV

エアコン冷蔵庫洗濯機

電磁調理器

SwitchingRegulatorsVTR,

携帯電話スイ

ッチ

ング

パワ

ー[k

VA]

[Hz]

SiSi

GTO

IGBTIGBT

サイ

リス

タサ

イリ

スタ

Siバイポー

ラー

HV DC

鉄道

FPDドライバー

UPSDPS

EV/HEVロボット溶接機

医療機器

VTR,

スイ

ッチ

ング

パワ

ー[ k

VA]

動作周波数 [Hz]

GaN将来SiC将来

SiSi将来

105

104

IGBT IPM/

MOSFET

103

102

101

10

103 104 105 106

将来の半導体基板と応用分野

Si市場（50年かけて）

基板市場：１兆円1965年 2インチ基板

35年2000年 12インチ基板2010年 (45cm基板)

デバイス市場：３０兆円

SiC,GaN市場（今後予想）

基板市場：５兆円デバイス市場：１６０兆円

-2-

電流(mA)

発光

効率

(lm

/W

)

30 1500

200

80

蛍光灯の効率Ｎ型層

サファイヤ基板

バッファー層

発光層

P型層

GaN基板

Ｎ型層

発光層

P型層

アモノサーマルGaN基板を用いたLEDサファイア基板を用いたLED

n- GaN

AlGaN

ソース ソースゲート

ドレイン

絶縁膜

電子流 E

- -

+絶縁性基板（サファイヤ）

i- GaN

AlGaN

電界E

- +ソース

ゲート

ドレイン

LEDの効率向上

導電性 GaN基板

サファイア基板を用いたパワーデバイス

アモノサーマルGaN基板を用いた

パワーデバイス

電子流

超臨界アモノサーマル法GaN結晶のデバイス優位性

Position

Low Temp.

High Temp.

Temp.

人口水晶製造の例

超臨界法における人工水晶（水溶媒）からGaN（アンモニア溶媒）への展開

アモノサーマル法アモノサーマル法（（GaNGaN))技術の適用技術の適用

超臨界状態の超臨界状態のNHNH33溶媒溶媒

取扱い法取扱い法の確立の確立 溶媒

アンモニア

鉱化剤

NH4Cl,NH4I …

前駆体

Ga金属

GaN粉末

・溶媒取扱難しい・液安溶解度に関する情報なし・圧力調整（量産化⇒～2000気圧以下）

温度温度（（300300～～600600℃℃))

反応圧力反応圧力（（10001000～～50005000気圧気圧))

溶媒溶媒

水水

鉱化剤鉱化剤NaOHNaOH ……NaNa22COCO33

原料原料

天然水晶天然水晶

temperaturetemperature（～（～400400℃℃))pressurepressure

（（<1000atm)<1000atm)

ハイドロサーマル法ハイドロサーマル法((人工水晶人工水晶 SiOSiO22))

• 溶媒の扱い易さ• 比較的低圧での反応• 量産実績のある技術

水→アンモニアの研究課題結晶育成装置・鉱化剤・溶解度・高純度化

Ammono（Poland）塩基性500-5500℃~500MPa

1”φDislocation< 103cm-2

Rcurv.> 1km

Chinese Academy of Sciences(China）酸性300-500℃, 200~300MPaNano crystals Naval Research（USA）

酸性・中性300-530℃Nano crystals

AirForce（USA）塩基性475~625℃100~300MPa10×10mm2

UCSB（USA）塩基性5ー600℃150-250MPa5mm bouleDislocation106cm-2

SixPoint (USA)塩基性

China Institute of Technology （Taiwan）酸性400-500℃Nano crystals

東北大学（日本）酸性450-550℃100-150MPa2”Φ

酸性福田/旭化成650-750℃100-150MPa

世界のアモノサーマル法GaN結晶研究機関

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Pre

ssur

e [M

Pa]

Temperature [oC]

quartz, ZnO

BasicAMMONO,

Poland

AcidicMiddle-temperature

Tohoku U.Acidic

High-temperatureFukuda /Asahi

Directional movement for high quality and large GaN crystal

高温アモノサーマル法によるGaN結晶成長 - 福田/旭化成共同研究 -

高温アモノサーマル用オートクレーブ750℃、2000気圧のオートクレーブを開発

GaN結晶の高品質化を達成

酸性アモノサーマル法の圧力温度領域

0

500

1000

1500

2000

2500

400 500 600 700 800

温度（℃）

圧力

（気

圧）

東北大多元研/三菱化学共同研究

NEDO東北大先導研究

福田/旭化成共同研究

高温アモノサーマル法（酸性）のGaN結晶成長の現状と将来

－コスト競争力のある生産技術：低欠陥結晶成長、高速結晶成長－

ﾊﾞﾙｸ: 61 arcsec柱状: 30 arcsec

105cm2 ｵｰﾀﾞ

1500気圧

650-750℃

福田／旭化成

共同研究

現状

酸性

アモノサーマル法

本法の事業化

目標

運転条件

圧力

温度

1500気圧

500℃

1500-2000気圧

650-800℃

GaN結晶

Ｘ線半値幅

転位欠陥

ﾊﾞﾙｸ:108 arcsec

107cm2

20 arcsec

＜101cm2

高温オートクレーブ技術と高温結晶成長技術

旭化成の組織出展：旭化成アニュアルレポート2010

会長

旭化成の歴史 旭化成の製品群

アンモニア関連事業

エレクトロニクス領域事業

出展：ひと目でわかる図解旭化成

アンモニア合成工場（延岡、圧縮機）

カザレイ法アンモニア合成記念塔（延岡）

カザレイ博士を囲んで（1923年、宿舎）

旭化成の起源とアンモニア合成（1923年）出展：旭化成80年史

旭化成ポートフォリオ転換の歴史

出展：旭化成アニュアルレポート2010

旭化成の組織出展：旭化成アニュアルレポート2010

会長