JFCCら,大面積のGaN結晶から各種欠陥を検出

ファインセラミックスセンター(JFCC)と高エネルギー加速器研究機構(KEK)は共同で,GaN結晶に含まれる様々な欠陥を短い測定時間且つ非破壊で検出するX線トポグラフィ観察法を確立し,欠陥種類と大面積にわたる各種欠陥の分布を正しく特定することに成功した(ニュースリリース)。

性能の高いパワーデバイスの実現には,窒化ガリウム(GaN)のような広禁制帯幅を持つ半導体材料が必要となる。GaN結晶の欠陥を低減するためには,欠陥分布情報を成長条件にフィードバックすることが必要不可欠であり,大面積にわたる欠陥を非破壊で検出・分類する手法の確立が重要な課題となっている。

X線トポグラフィ観察法は,結晶からの回折X線を回折強度分布画像として検出する方法。JFCCとKEKは共同で,KEKの放射光科学研究施設(フォトンファクトリー)でGaN結晶欠陥のX線トポグラフィ観察を行なった。

高輝度・高平行のX線をGaN結晶表面に入射すると,ブラッグ条件を満たす結晶格子面によりX線回折が生じる。欠陥周囲においては,結晶面が湾曲しており,X線が完全結晶と異なる方向に回折されるため,欠陥に対応するスポット像が作られる。観察条件を変えて,スポットの明暗や形状の変化を調べることで,欠陥の種類を正確に判定することができる。

その結果,大面積の欠陥分布を可視化することに成功した。最適化したX線波長,入射角度および回折面を適用することにより,大きさや明暗,形状の異なるスポット状コントラストが形成され,スポットの特徴が欠陥の種類を反映した。

更に,X線の入射方向を60度ずつ変えて,6つの等価な{11-26}回折面を利用し,同一場所のX線トポグラフィ像を取得したところ,X線入射方向の変化に従い、“2暗+4明”の欠陥コントラスト変化が現れ,欠陥周囲における原子ズレの面内方向が示唆された。これにより,大面積にわたって欠陥種類やその分布の詳細を非破壊で評価できた。

この手法は,JFCC独自のエッチピット欠陥検出法や電子顕微鏡による欠陥構造解析技術と融合することにより,更に高精度の欠陥分類ができるという。

この成果を利用することにより,結晶成長条件と各種欠陥の発生の関連を高精度で調べることができ,成長条件最適化の所要時間が大幅に短縮されるとする。また,加工プロセスにより導入された欠陥も可視化できるので,GaN結晶製造工程全般の品質管理に役立つという。今後,この手法を更に高度化し,パワーデバイス故障の要因となる欠陥種類の特定へ応用するとしている。

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