β型酸化ガリウム結晶の高精度 n 型ドーピング技術を独自の有機金属気相成長法で実現
安全な Si 源としてテトラメチルシランを採用、MOVPE 法で Si をドープした β-Ga2O3 を成長
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グループは、大陽日酸の吉永純也氏ら、奈良女子大学の佐々木捷悟助教、工学院大学の尾沼猛儀教授、大阪公立大学／情報通信研究機構（N I C T）の東脇正高教授／室長、および大陽日酸 ATIの伴雄三郎博士らと共同で、独自の減圧ホットウォール有機金属気相成長（MOVPE）法注1 を用い、高精度に n 型キャリア密度注2 を制御した β 型酸化ガリウム（βGa2O3）結晶注3 の高速成長技術を開発した。
β-Ga2O3 は電力制御・変換の高効率化を実現する次世代パワーデバイス注4 用の半導体材料として注目されている。今回、安全な Si 源としてテトラメチルシラン（TMSi）を採用し、MOVPE 法で Si をドープした β-Ga2O3 を成長し、キャリア密度の高精度制御を達成した。本技術は、パワーデバイス量産に必須となるホモエピタキシャルウェハ注5 量産の基盤技術として期待できるとしている。
本研究成果は、英文学術誌 Applied Physics Express（略称 APEX）誌に 2025年5月20日付でオンライン公開された。
論文タイトル：Homoepitaxial growth of thick Si-doped β-Ga2O3 layers using tetramethylsilane as a dopant source by low-pressure hot-wall metalorganic vapor phase epitaxy
URL：https://doi.org/10.35848/1882-0786/adcfee
電力変換時のロスを抑え、一層の省エネルギー化を促進するため、従来のシリコン（Si）結晶よりも大きな絶縁破壊電界強度注6 を有する次世代半導体結晶を用いた高耐圧・低損失なパワーデバイス（ダイオードやトランジスタ等）開発が注目されている。β-Ga2O3 結晶は、研究が先行している炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）結晶よりも絶縁破壊電界強度が大きく、電力損失の更なる抑制を可能にする。また、各種の融液法注7 で単結晶基板を製造できるという利点から、デバイス製造コストの削減が期待されている。そのため現在、産業応用に向け世界中で産官学が連携した研究開発が加速している。
高性能な β-Ga2O3 パワーデバイス実現のためには、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ェハを製造する技術の開発が不可欠になる。近年、砒化ガリウム（GaAs）や GaN 系デバイスの量産で多用されている有機金属気相成長（MOVPE）法が、β-Ga2O3 の新たな成長手法として注目されている。
東京農工大学の熊谷研究室では、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 成長の研究を進め、Ga の原料として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、炉内における酸素（O2）ガスとの反応条件の検討によって、TMGa に由来する炭素（C）汚染が無い高純度 β-Ga2O3 ホモエピタキシャル層の成長を前例の無い高速度（毎時 15 μm 以上）で実現した。
しかし、意図的な Si 不純物ドーピング注8 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。他研究機関の MOVPE 法による n 型 β-Ga2O3 の成長では、テトラエトキシシラン（TEOS）やシラン（SiH4）を Si のドーピングガスとして用いた報告があるが、TEOS には毒性、SiH4 には爆発性がある。そこで今回、減圧ホットウォール MOVPE 法における β-Ga2O3 の新たな Si ドーピングガスとして無毒・非爆発性の TMSi を採用し、Si 不純物の濃度、キャリア密度の制御の可否を検討した。
本研究により、無毒で非爆発性の TMSi を用いた独自の減圧ホットウォール MOVPE法で、キャリア密度を広い範囲で高精度に制御した Si ドープ β-Ga2O3 ホモエピタキシャル層の高速成長技術を確立した。今後は β-Ga2O3 パワーデバイス実用化に向け、β-Ga2O3 ホモエピタキシャルウェハを用いたパワーデバイスの開発および性能評価を進めていくと共に、大陽日酸イノベーションユニット（小林邦裕 ユニット長）CSE 事業部（川元淳 事業部長）では、FR2000-OX を原型にしたホモエピタキシャルウェ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。
注 1） 有機金属気相成長（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE）法
金属元素の有機金属化合物ガスを原料として使用する結晶成長手法。高精度に成長を制御することが可能で、窒化物半導体発光素子や砒化物・窒化物半導体高速動作トランジスタの作製で広く用いられている。
注 2） n 型キャリア密度
半導体中を自由に動くことができる電子（キャリア）の数を示す指標で、1 立方センチメートルあたりの電子数で表される。半導体デバイスでは、デバイスの耐圧や電気の流れやすさがキャリア密度に依存するため、広い範囲でキャリア密度を高精度に制御する技術が求められる。
注 3） β 型酸化ガリウム（β-Ga2O3）結晶
ガリウム（Ga）原子と酸素（O）原子が 2:3 の比率で結合した酸化物半導体結晶で、バンドギャップは約 4.5 eV（電子ボルト）である。この値は、Si（1.1 eV）、4H-SiC（3.3 eV）、GaN（3.4 eV）よりも大きく、高い絶縁破壊電界強度（8 MV/cm）が推測されている。
注 4) パワーデバイス
電力変換を行う半導体素子で、高電圧・大電流を効率よく制御することができる。電源、産業用モータ等の幅広い分野で使用される。
注 5） ホモエピタキシャルウェハ
デバイス作製のため、単結晶基板上にキャリア密度の異なる同じ結晶を基板と軸を揃えて成長（ホモエピタキシャル成長）させた基板のこと。デバイスの設計に応じ、ホモエピタキシャル層の厚さとキャリア密度を制御した成長が求められる。
注 6） 絶縁破壊電界強度
半導体材料が電気を絶縁できる電界強度の上限で、この値を超えると絶縁性が失われて電気が流れてしまう。数値が高い程、高耐圧のデバイス作製に適した材料となる。β-Ga2O3 結晶の絶縁破壊電界強度は約 8 MV/cm と推測されている。
注 7) 融液法
材料融液の冷却過程で種結晶から単結晶を成長させる手法。量産性に優れ、チョクラルスキー（Cz）法、縁部限定薄膜供給成長（EFG）法、垂直ブリッジマン（VB）法等が知られている。
注 8) 不純物ドーピング
半導体結晶の電気的特性を意図的に変化させるため、特定の不純物を微量添加すること。
