窒化ガリウム（GaN）に代表される�V属窒化物半導体は、青色や紫外光の発光素子の材料として知られています。今後蛍光灯に代わる白色発光素子や低損失の電力制御素子などへの幅広い利用が期待されています。これらの実現には、基板上に良質な窒化物を形成し、素子の特性を向上させる必要があります。

GaNは蒸気圧が高く大型結晶の育成が難しいので、基板として主にサファイヤ（Al₂O₃）を用いています。しかしながら、GaNとの間には格子定数で14 %、膨張率で27 %の大きな違いがあります（表１参照）。 この違いにより、多くの欠陥（10⁸〜10¹⁰／cm²の転位）がGaN中に形成します。そのため、この欠陥を低減させる新しい基板材料が求められていました。

GaNは原子間距離が短い物質で、近い格子定数をもつ物質の数は限られます。また、単結晶育成が困難な物質も多くあります。このような状況で新しく見出したのがホウ化ジルコニウム（ZrB₂）基板です。格子定数で0.6 %、膨張率で5 %の違いで、GaNとは良い一致を示します。熱伝導に関しても、金属Moとほぼ同じ高い値を示し、大出力素子の基板として熱の放散性に優れています。さらに、絶縁体であるサファイヤ基板にない特徴として、金属Cuを凌ぐ高い電気伝導性があります。そのため、基板に直接GaNを成長させることで、基板を電極として使用できます。その結果、図１に示すように、簡単な構造となり、製造プロセスが簡単になる大きな利点もあります。

ZrB₂単結晶は、融液からの成長が可能なため、毎時2 cmの高速で効率的な育成ができます。しかしながら、融点が3200℃と高温なため、るつぼを用いない浮遊帯域溶融法（FZ法）が唯一の育成法です。この際大きな温度勾配（≈150℃／mm）の下での育成は避けられないので、欠陥の発生を防ぐため融帯組成を制御する特殊な浮遊帯域溶融法により、良質な単結晶を育成しました（図２）[1,2]。 この結晶より作製した基板上に、転位密度が２桁低い格段に良質なGaN膜（10⁷／cm²）の成長が確認されました[3]。その後、ZrB₂基板が大きな注目を集めています。

図2 As-grown ZrB₂単結晶（直径1.5 cm）

この研究は、名城大学赤崎研究室、京都大学松波研究室、京セラ(株)との共同研究により行いました。この基板へのGaNの成長については、応用物理2003年3月号で紹介されています。

参考文献

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