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成果報告書詳細
管理番号20170000000558
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 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 窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究 高品質かつ低コストを実現するスパッタ法を用いた窒化ガリウムエピ成長技術開発の検討
公開日2018/3/20
報告書年度2015 - 2016
委託先名東京エレクトロン株式会社
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度ー平成28年度成果報告書 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 窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究 「高品質かつ低コストを実現するスパッタ法を用いた窒化ガリウムエピ成長技術開発の検討」
 
 現在、LED製造の窒化ガリウムエピ成長工程に用いられるMOCVD法においては、原料由来の炭素や水素がエピ成長の際に取り込まれてしまうことから、パワーデバイス製造に用いた場合、そのエピ膜はそれら不純物起因による電気特性劣化の懸念がある。また、そのプロセス中に大量に消費されるアンモニア、水素といったプロセスガスやIII族有機金属化合物材料、それらの除害設備と運転費用、チャンバ部材の劣化に伴う定期交換部品、高頻度なチャンバ清掃に要する人件費など、工程コストに占めるランニングコストの割合は極めて高い。本研究では、これら問題を原理的に解消されることが期待出来るスパッタ法を用いた窒化ガリウムエピ成長技術開発を検討し、以下の成果が得られた。
 
・ターゲット製造技術の検討
 スパッタ法による窒化ガリウムエピ成長技術の実用化に不可欠となる高密度かつ高純度なターゲット材料の製造技術の検討を実施した。平成27年度の成果としては、本研究で提案する手法の実証試験を行い、成長温度・圧力に対する結晶形成挙動を調査し、結晶サイズ・形状や収率の比較検証を行った。また、ターゲットの試作に用いる実験装置を導入した。平成28年度は、本提案手法における窒化ガリウム多結晶体形成時の添加元素の効果を小型試験機で調査し、気液界面全面を覆うバルク状多結晶体が得られるプロセス条件を明らかにした。ターゲット試作用実験装置において小型試験機で得られたプロセス条件を基に大口径サイズの窒化ガリウム多結晶体の形成に成功した。

・スパッタ法によるエピ成長条件の探索
 市場で現在入手可能な窒化ガリウム結晶をターゲットとして用い、スパッタ法によるエピ成長条件を探索し、必要とされる装置仕様および機能を明確にする。平成27年度は、ターゲットとして幾つかの窒化ガリウム結晶を準備しそれらをスパッタ装置に取り付け放電条件の確認を行い、放電することが確認された。平成28年度においては、スパッタによる窒化ガリウムエピ膜の結晶性に対する成長温度の影響を調査し、成長温度を高くすることが望ましいことを確認した。また、結晶性の良いスパッタエピ成長温度領域で表面平坦性に対するプロセス圧力やスパッタ気相比(N2/Ar)の影響を調査し、良好な表面平坦性が得られるプロセス圧力、気相比、成長温度を明らかにした。
英文要約Title: Leading Research for Practical Realizations of Gallium Nitride Power Devices. Feasibility Study of Gallium Nitride Epitaxial Growth by Sputtering Method (FY2015-FY2017) Final Report

It is a concern to use MOCVD method to fabricate Gallium Nitride based power devices because during the Gallium Nitride epitaxial growth incorporation of impurities derived from MO sources, such as carbon and hydrogen, is inevitable, and they degrade electrical properties of the devices. Also, its running costs are very high due to high consumption of processing gases and consumable equipment parts. The purpose of this study is to examine the potential of Gallium Nitride epitaxial growth technology by sputtering method to overcome those issues. The following two technical challenges are addressed.

(1) Study of the Manufacturing Technology of Sputtering Target
We study the manufacturing technologies of the high-density, high-purity sputtering target that are necessary to the practical use of the Gallium Nitride epitaxial growth technique by sputtering method. In the fiscal years of 2015-2016, we investigated the polycrystalline formation behaviors on the method proposed in this study and evaluated the influences of growth temperature and pressure on grain size and shape and yield of polycrystalline Gallium Nitride. Also we introduced the experimental equipment which will be used in the trial manufacturing of the sputtering target. In the fiscal years of 2016-2017, we investigated the effect of additional element on bulk polycrystalline Gallium Nitride, we revealed the process condition to obtain the bulk polycrystalline Gallium Nitride. Also we succeeded to get the large size bulk polycrystalline Gallium Nitride on the experimental equipment introduced in this project.

(2) Search of Sputtering Condition and Study of Sputtering Equipment Specification
We explore the sputtering condition being able to grow good quality epitaxial films and clarify the specifications and functions required for the sputtering equipment.
In the fiscal years of 2015-2016, we prepared a Gallium Nitride sputtering target utilizing currently available gallium nitride crystal. And we have been studying the discharge condition of plasma using them. In the fiscal years of 2016-2017, we investigated the influence of growth temperature on crystalline of sputtered Gallium Nitride film, we revealed the sputtering preferably acts under the higher temperature condition to get the good epi-film quality. Also we evaluated the influences of N2/(N2+Ar) gas rations and pressure in the sputtering process on surface roughness, we revealed the optimal process condition to get the good surface roughness.
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