アンモニアフリーGaN
名古屋大学の研究者らは、 窒化ガリウムを栽培する アンモニアを使用せずに GaN 半導体を製造します。このプロセスは環境に優しく、低コストで高品質の結晶を成長させることができます。
有機金属化学気相成長法（MOCVD）はGaN製造の最も一般的な技術で、Gaに添加する窒素の供給源としてアンモニア（NH3）ガスを使用する。しかし、効率が低いと名古屋大学低温プラズマ科学センターのアルン・ダシヤン氏はリリースで述べた。「その結果、大量のアンモニアを消費する必要があります。アンモニアは毒性と腐食性が非常に強いガスで、吸入すると目、皮膚、呼吸器系に深刻な損傷を引き起こす可能性があります。毒性が強いため、アンモニアの多くは解毒して未使用のまま処分する必要があり、大量のエネルギーが必要です。これが総製造コストの大部分、最大半分を占めています。」
チームのラジカル強化有機金属化学気相成長法（REMOCVD）技術は、非常に高い周波数の電源（100 MHz）を備えた水素と窒素ガスを使用して活性窒素を生成します。
「REMOCVD法として知られる当社の方法は、GaN成長の3つの問題を解決します」とダシヤン氏はリリースで説明した。「低温（1150℃以上と比較して約800℃）でのGaN半導体の成長を可能にします。アンモニアガスの代わりに窒素と水素ガスを使用するため、原材料を節約し、製造コストを削減します。また、アンモニアステップからの窒素抽出を省略できるため、低温でプロセスを高速化します。」
研究者らは、GaN に加えて、REMOCVD を使用して、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化アルミニウムインジウムの層を成長させました。また、大規模生産をテストするために、直径 300 mm の REMOCVD システムも設置しました。 [1]
AlYN/GaNヘテロ構造
フラウンホーファーIAFの研究者らが アルミニウムイットリウム窒化物 (AlYN) は、有機金属化学気相成長法 (MOCVD) を使用して作製されました。これまで、AlYN はマグネトロン スパッタリングによってのみ堆積されていました。
「AlYNは、エネルギー消費を最小限に抑えながら性能を向上させる材料であり、デジタルでつながった社会と、その増え続ける技術需要が緊急に必要としている電子機器の革新への道を開く」と、フラウンホーファーIAFのエピタキシー分野の科学者、ステファノ・レオーネ氏は声明で述べた。
研究者らが特に興味を持ったのは、AlYN がウルツ鉱型結晶構造を持つため窒化ガリウム (GaN) に適応できる点です。研究者らは、最大 16% まで正確に調整可能なイットリウム濃度を持つ AlYN/GaN ヘテロ構造を作製し、これにより有望な電気特性が得られると Leone 氏は言います。「シート抵抗、電子密度、電子移動度について、印象的な値を観測することができました。これらの結果は、高周波および高性能エレクトロニクスにおける AlYN の可能性を示しました。」
材料特性評価の結果、AlYN は低温での電子移動度が大幅に向上し (7 K で 3000 cm2/Vs 以上)、高電子移動度トランジスタ (HEMT) に使用できることが示されました。AlYN の強誘電特性により、不揮発性メモリの開発にも適しています。 [2]
原子炉の監視
オークリッジ国立研究所とオハイオ州立大学の研究者らは、宇宙船のコア付近で動作を維持する窒化ガリウム（GaN）トランジスタを開発した。 原子炉高い放射線耐性により、ワイドバンドギャップ半導体は電子機器を原子力設備を監視するセンサーに近づけることができる。
シリコンベースの電子機器は、何メートルものケーブルを介して核監視センサーに接続する必要がある。「ケーブルが長いと、ノイズが多くなり、センサー情報の精度に影響する可能性があります。電子機器をセンサーの近くに配置することで、精度と正確さが向上します」と、ORNL のセンサーおよび電子機器グループのメンバーであるカイル・リード氏はプレスリリースで述べた。
研究チームは、オハイオ州立大学の研究用原子炉の炉心近くで、窒化ガリウムトランジスタを3日間、最高125℃の温度で照射した。「3日目にトランジスタが壊れることは十分予想していたが、トランジスタは生き残った」とリード氏は語った。また、原子炉の安全基準である90%の電力で7時間照射した。
ORNL の核および極限環境測定グループのリーダー、ダイアン・エゼル氏によると、窒化ガリウム トランジスタは標準的なシリコン デバイスよりも少なくとも 100 倍高い放射線蓄積量に耐えられるという。核機器の通常のメンテナンス期間を維持するには、このデバイスは原子炉のプールで 5 年間持続する必要があるが、デバイスがテストされた環境と比較して放射線レベルがはるかに低いため、これは可能だとチームは述べている。
最終的には、研究チームはセンサーからのデータをワイヤレスで送信するために使用できる窒化ガリウム回路を開発したいと考えています。
参考文献
[1] Dhasiyan, AK, Amalraj, FW, Jayaprasad, S. et al. ラジカル強化有機金属化学気相成長法による低温での高成長速度での高品質 GaN のエピタキシャル成長。Sci Rep 14, 10861 (2024)。
[2] Isabel Streicher、Patrik Straňák、Lutz Kirste、Mario Prescher、Stefan Müller、Stefano Leone; 金属有機化学気相成長法で成長したAlYN/GaNヘテロ構造の2次元電子ガス。APL Mater。2024年5月1日; 12 (5): 051109。
#リサーチビット #8月27日