成果報告書詳細
管理番号20160000000372
タイトル平成27年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム/省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討/次世代パワ-デバイス用Ga2O3単結晶の新規育成技術の調査研究
公開日2016/8/5
報告書年度2015 - 2015
委託先名国立大学法人信州大学
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約戦略的省エネルギー技術革新プログラム/省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討/次世代パワーデバイス用Ga2O3単結晶の新規育成技術の調査研究

酸化ガリウム(Ga2O3)は、バンドギャップが広く、絶縁破壊電界が高いため、耐熱性が高く小型で高効率のパワーデバイスを実現できると期待されている。また、Ga2O3は、シリコン(Si)と同様に融液から直接結晶化が可能なため、大型結晶を低コストで生産する事ができる。このため、SiCやGaNと比較して、量産性が高く、基板価格も安くなることが期待できる。
当調査では、次世代パワ-デバイス用Ga2O3単結晶の新規育成技術の調査研究として、新規開発したGa2O3単結晶大気中抵抗加熱炉をもちいて、不純物濃度抑制と欠陥低減の実現性に関する様々なデータの取得を行った。また、市場への応用製品となるターゲットを定めて市場規模の算出を行うとともに、省エネ効果量の算出を行うことを目的として、調査を進めた。
不純物濃度抑制と欠陥低減については、Pt系合金るつぼにおいて、るつぼから混入する不純物量の合計を10ppm以下に抑制することが可能であることを示した。不純物量10ppm以下は、デバイス作製に必要なn形Ga2O3を実現するために添加するSi,Snの添加量(数10-100ppm)の1/10であり、不純物抑制の要求には十分応え得る結果である。
また、新規提案のVB法でも、高濃度Si、Sn添加によるn形半導体Ga2O3結晶育成が可能であるデータを得た。この際、るつぼ材から混入したRh不純物が高濃度(50ppm以下)に含まれているが、半導体特性(キャリア濃度、比抵抗、移動度)には顕著な影響がないことも分かった。
結晶欠陥に関する結晶育成実験では、新規開発した抵抗加熱炉による直径1-inchのGa2O3結晶育成を行い、双晶や小傾角境界の発生は無く、懸念されたるつぼとのステッキングに起因する表面付近の高密度転位欠陥の発生も無いことが確認された。また、育成条件(成長速度、温度勾配)の異なる2本の結晶育成と欠陥密度の比較検討の結果、冷却時の熱応力に起因して発生する応力誘起転位は温度勾配の大きい結晶に多く、成長速度に起因して発生する線状欠陥は成長速度の速い結晶に多いことが確認された。
特許調査では、先行する(株)タムラ製作所・情報通信研究機構が、大半の特許を出願していることが分かった。特許文献の記述からは、酸化ガリウムを利用した半導体素子として、FET(MISFET,MESFET,MOSFET)やショットキーバリアダイオードに関する記述を見つけた。また、半導体装置については、インバータ回路に用いられるパワーモジュール(電気自動車・電車・産業用ロボット、太陽電池・風力発電機、空調機器の制御)に関する記述が見つかったが、これらの特許は、SiCやGaNなど、他の半導体基板と併記されている。これらの製品については、市場調査レポートから将来の市場規模を把握した。
また、研究体制の構築については、パワーデバイスに参入するメーカーやGa2O3に興味を有する企業への訪問などを行い、結晶育成装置の開発、結晶育成、結晶の評価、エピ基板の作製、半導体の試作、半導体デバイスの試作評価からなる研究体制の構築を行い、参画企業の意向を踏まえた調整に入っている。
市場規模の算出および省エネ効果量の算出では、Si,SiC,GaN単結晶ウエハーの市場価格動向を調査し、現在のGa2O3の結晶育成方法や材料調達価格、ウエハーの加工性からみて、Ga2O3は、パワーデバイス基板として、コスト競争力があることを確認した。このことから、従来の想定されている市場であった電車や電力基幹系統機器の高電圧分野から、PHV,PHEV,EVなどの自動車産業などへの市場の可能性もあると判断した。このうち2030年の省エネ効果量の算出として、Ga2O3パワーデバイスがPHV,PHEV,EVに搭載された際の値を算出した。
英文要約Research for the Important Technologies of Energy Efficiency Projects /Strategic Innovation Program for Energy Conservation Technologies / Investigation on a new growth technology of β-Ga2O3 single crystals for future power devices

β-Ga2O3 is an oxide semiconductor with a large band gap of 4.7 - 4.9eV. It is expected to be useful in future power devices featuring high power, high breakdown voltage and high current density. β-Ga2O3 single crystals can be grown from a melt, as can semiconductor silicon crystals and oxide crystals. Thus it is likely that we will be able to produce large size crystals economically and in an energy-efficient manner, rather than bulk crystals of SiC and/or GaN.
In present surveillance study, we have investigated a possibilty on the growth technology of β-Ga2O3 single crystals with low impurity content and low defect density by using newly developed resistance heating furnace. We have also surveyed the market size of wide gap semiconductor power devises and an estimation of enargy-saving effect by appling the β-Ga2O3 power devises.
β-Ga2O3 single crystals 25 mm in diameter were grown in platinum-rhodium alloy crucibles in ambient air, with no adhesion of the crystals to the crucible wall. Single crystal growth without a crystal seed was realized by (100) faceted growth with a growth direction perpendicular to the (100) faceted plane. We found that the impurity contamination from crucible materials decreased less than 10 ppm wt. in the use of Pt system alloy crucibles. We also confirmed that β-Ga2O3 crystals with less than 50 ppm wt. of rhodium impurity did not affect any degradation of semiconductor characteristics such as carrier concentration, mobility and resistivity in hall-effect measurement.
As for the crystallinity on β-Ga2O3 single crystals with 25 mm in diameter, we could grow the crystal ingots with twin-free, low-angle grain boundary-free and low defect density. We found that the dislocation density was decreased with decreasing temperature gradient in the crystals grown and line defect density was decreased with decreasing growth rate.
In survey on the patent , we found that NICT and Tamura Co Ltd. have kept up the majority of patents.From the descriptions of many patents for semiconductor devices using β-Ga2O3 substrates, we found that they concerned with the FETs (MISFET, MESFET and MOSFET) and the Schottky diode. In semiconductor equipments, we found many patents on the power module for inverter circuits of electric automobiles, trains, industrial robots, solar cells, wind power generators and controllar of air-conditionors. However, we found in these patents that the power devices are used the other semiconductor substrates such as SiC and GaN together with β-Ga2O3 substrate. We could forecast the futures of the market from the feature of these products in our research reports.
Finally, we have estimated the energy-saving effect in 2030, as a case of putting into practical use of β-Ga2O3 power devises to the systems of PHV, PHEV and EV.
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