東京農工大学大学院 工学研究院 応用化学部門の熊谷義直教授らの共同研究チームは2025年5月20日、独自の「減圧ホットウォール有機金属気相成長(減圧ホットウォールMOVPE)法」を用い、「β型酸化ガリウム」(β-Ga2O3)結晶の高精度n型キャリア密度制御と高速成長技術を開発したと発表した。

電力変換時のロスを抑え、省エネルギー化を促進するため、従来のシリコンよりも高耐圧・低損失なSiC、GaNなどの素材を用いたパワー半導体の研究開発が進む。しかし、それらを凌ぐ絶縁破壊電界強度を備え、電力変換時のロスを抑え、更なる省エネルギー化が期待されるのが、ガリウム原子と酸素原子が2:3の比率で結合した酸化物半導体結晶であるβ-Ga2O3である。

高性能なβ-Ga2O3パワーデバイスの実現には、単結晶基板上にn型キャリア密度が精密に制御されたβ-Ga2O3層を高速でホモエピタキシャル成長させた所謂ホモエピタキシャルウエーハを製造する技術の開発が不可欠である。近年、その手法で注目されるのがヒ化ガリウム(GaAs)やGaN系デバイスの量産で多用されているMOVPE法である。

農工大の熊谷教授らは、大陽日酸、大陽日酸ATIと共同開発した独自の減圧ホットウォールMOVPE成長炉(FR2000-OX)を用いたβ-Ga2O3成長法の研究開発を進めてきた。ガリウム原料には蒸気圧が高く成長炉に高濃度で供給可能なトリメチルガリウム(TMGa)を採用し、炉内での酸素ガスとの反応条件を検討し、TMGa由来の炭素汚染がない高純度β-Ga2O3ホモエピタキシャル層の成長を、毎時15μm以上という前例のない高速度で実現している。ところが、意図的なSi不純物ドーピングによるn型キャリア密度の制御については未検討だった。他の研究機関の報告では、ドーピングガスとしてテトラエトキシシラン(TEOS)やシラン(SiH4)を用いたとするものがあるが、毒性や爆発性の課題があった。

同研究チームは新たなSiドーピングガスとして無毒・非爆発性のテトラメチルシラン(TMSi)を採用し、Si不純物の濃度やキャリア密度の制御の可否を検討した。一連の実験の結果、TMSiを用いた減圧ホットウォールMOVPE法によるSiドープβ-Ga2O3ホモエピタキシャル層の成長は、パワーデバイス製造用ホモエピタキシャルウエーハの量産技術となり得ることがわかったという。

今後、同研究チームはβ-Ga2O3パワーデバイスの実用化に向け、ホモエピタキシャルウエーハを用いた開発と性能評価を進めていくとしている。また、大陽日酸はFR2000-OXを原型にしたホモエピタキシャルウエーハの少量生産用成長炉および大規模量産用成長炉の開発を進めるとしている。

出典：大陽日酸株式会社 ニュースリリース