ウルトラワイドバンドギャップ半導体基板実用化への道を拓く ― ホームメイド針状結晶を種とする窒化アルミニウム単結晶成長 ―

2026-06-17 東北大学

東北大学の研究グループは、次世代ウルトラワイドバンドギャップ半導体材料として注目される窒化アルミニウム(AlN)の高品質単結晶を効率的に製造する新手法を開発した。AlNは深紫外LEDや高出力パワーデバイスの基板材料として有望だが、従来の直接窒化法では反応が急激に進行するため、多結晶粉末しか得られないという課題があった。研究チームは熱力学計算に基づき、Fe-Al合金融体から供給されるアルミニウム蒸気と窒素ガスの反応条件を精密に制御し、反応の駆動力を熱力学的平衡近傍に維持することで、過剰な核生成を抑制した。その結果、長さ数センチメートル、直径最大300μmの高品質な針状AlN単結晶の育成に成功した。さらに、この結晶を種結晶としてFe-Crフラックスによる溶液成長法を適用し、結晶品質を維持したまま最大175μm/hの高速な径方向成長(大口径化)を実証した。本成果は、安価な原料から大面積AlN基板を製造する新たな道を開き、深紫外LEDや高耐圧パワー半導体の実用化を加速する重要な基盤技術となる。

ウルトラワイドバンドギャップ半導体基板実用化への道を拓く ― ホームメイド針状結晶を種とする窒化アルミニウム単結晶成長 ―
図1. 針状AlN種結晶上に溶液成長法でエピタキシャル成長させた後のSEM像
(成長温度:1948~1923 K、冷却速度:(a) 0.05、(b) 0.1、(c) 0.2 K/min)

<関連情報>

アルミニウムの直接窒化によるAlN核生成および結晶成長の準平衡熱力学的制御 Near-equilibrium thermodynamic control of AlN nucleation and crystal growth via direct nitridation of aluminum

Sen Li, Chiaki Amei, Masayoshi Adachi, Makoto Ohtsuka, Hiroyuki Fukuyama
Materials & Design  Available online: 8 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.116370

Highlights

  • Direct nitridation of aluminum enabled controlled nucleation and growth of aluminum nitride crystals.
  • A near-equilibrium strategy was developed to suppress excessive nucleation during crystal growth.
  • Thermodynamic calculations guided the design of key parameters for near-equilibrium growth.
  • Centimeter-long needle-like aluminum nitride single crystals with diameters up to 300 μm were obtained.

Abstract

In this study, a near-equilibrium thermodynamic strategy for the direct nitridation of aluminum was developed to control AlN nucleation and crystal growth by deliberately reducing the driving force. Guided by thermodynamic calculations, the Fe-Al alloy composition, nitrogen partial pressure, and reaction temperature were designed to maintain the system close to the thermodynamic equilibrium. Under these conditions, the reduced driving force effectively suppressed excessive nucleation, enabling the growth of needle-like AlN single crystals with lengths of several centimeters and diameters of up to 300 μm, rather than polycrystalline aggregates. These crystals were subsequently used as seeds for near-equilibrium solution growth in a Fe-Cr flux, allowing rapid crystal enlargement at rates of up to 175 μm/h, while maintaining excellent crystallinity.

0703金属材料
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