世界初のMOCVDによる窒化アルミニウムスカンジウムの製造

2019年10月28日

ジェニファー・ファンク著、フラウンホーファー・ゲゼルシャフト

フラウンホーファー応用物性物理学研究所 IAF の科学者たちは、これまで不可能と考えられていたことを達成しました。彼らは、有機金属化学気相成長 (MOCVD) による窒化アルミニウム スカンジウム (AlScN) の製造に世界で初めて成功しました。 AlScN をベースにしたデバイスは、次世代のパワー エレクトロニクスであると考えられています。 この画期的な進歩により、フラウンホーファー IAF は、産業用途向けの AlScN トランジスタに基づくパワー エレクトロニクスを開発するという目標に向けて決定的な一歩を踏み出しました。

AlScN ベースのトランジスタは、特にシリコン (Si) ベースの現在のデバイスがこれらの用途で物理的限界に達しつつあるため、データ転送、衛星通信、レーダー システム、自動運転などのさまざまな産業用途に有望です。 その理由の 1 つは、現在の研究状況によれば、Si デバイスのサイズをこれ以上縮小することができないことです。 増え続けるデータを現在の Si テクノロジーで処理する必要がある場合、サーバー ルームが非常に広い面積を占めることになり、経済的にも環境的にも持続不可能になります。 いわゆる HEMT (高電子移動度トランジスタ) は、Si デバイスの可能性をはるかに超えています。 HEMT 構造の成功の鍵は、そのベースとなる材料にあります。 AlScN は優れた特性を備えており、他の材料よりも高いキャリア濃度を実現できます。 将来的には、AlScN に基づいて、大幅に強力かつ効率的な HEMT が実現されるでしょう。

以前の製造プロセスは品質と生産性のせいで失敗しました

AlScN の製造には根本的な課題が伴います。 最先端の製造プロセスでは、スパッタリングによって AlScN 層を成長させます。 残念ながら、これらの層の品質は、LED や高出力トランジスタなどの電子用途には不十分です。 別の方法は、分子線エピタキシー (MBE) によって AlScN を生成することです。 このプロセスにより、化合物に大量のスカンジウムを組み込むことができます。 マイクロ電子デバイスの製造にも十分な品質です。 しかし、その手順は非常に複雑であり、工業規模の生産には生産性が低すぎます。

MOCVD による AlScN の製造は、必要な品質だけでなく、産業用途に十分な生産性も約束します。 「MOCVDによる窒化ガリウムスカンジウムの製造という他の科学者らのこれまでの試みが失敗したことは私たちも知っていました。また、世界中の多くの科学者がAlScNトランジスタの開発に取り組んでいることも知っていますが、私たちの前にMOCVDを使ってそれを成功させた人は一人もいませんでした。たとえそれが産業界にとって非常に有望なアプローチであるにもかかわらずです」とフラウンホーファーIAFのグループリーダーであるステファノ・レオーネ博士は説明します。 MOCVD 手順中、ガスは加熱されたウェーハ全体に誘導されます。 熱にさらされると、異なる分子がガスから放出され、ウェーハの結晶構造に組み込まれます。 ガス流量、温度、圧力を制御することで結晶構造を精密に調整できます。 さらに、ガスを素早く変更することで、異なる材料層を重ねて成長させることができます。

フラウンホーファー IAF は新規性を実現

フラウンホーファー IAF の研究者にとっての課題は、スカンジウムのガス源が存在しないことです。 スカンジウムの分子（前駆体）は非常に大きく、気相に持ち込むのは困難です。 「私たちは可能な限り最良のスカンジウム前駆体を研究し、必要な手順に合わせてMOCVDリアクターの調整を計画しました。私たちは多くの研究を行い、現在特許を取得しているセットアップを開発するまで何度も議論しました。現在、私たちはAlScNの成長に成功しています。」次世代のパワートランジスタを開発するために、非常に高い結晶品質と適切な量のスカンジウムを備えた MOCVD による層を形成しました」と Leone 氏はこの成果に満足しています。 フラウンホーファー IAF の MOCVD システムは、高品質で再現性のある AlScN 製造プロセスを可能にするために研究グループによって改良されました。