石くれと砂粒の世界

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zoom RSS 結晶成長の話

<<   作成日時 : 2005/08/27 19:16   >>

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 ようやく少し技術的な内容に立ち入れるところに来ました。この特許2628404号は、窒化ガリウム(GaN)の結晶薄膜を気体原料を反応させて成長させる方法に関する発明を内容としています。反応ガスを基板の横方向から基板表面に対して平行かあるいは少し斜め方向から送り、これとは別に上方から不活性ガスを送って、反応ガスを基板表面に押し付けるようにすることによって基板表面の広い範囲に結晶薄膜を成長させることができるというのが発明のポイントです。

 具体的にどんなことをしているのかは「実施例」のところに書かれていますので、少し読んでみましょう。公報の3ページ目、右下にある「実施例1」を見て下さい。GaN結晶膜を作る手順が書かれています。最初にサファイア基板を使うとあります。サファイアといえば青い色をした宝石ですね。こんなものをなぜ基板に使うのでしょうか。

 この疑問に答えるには結晶成長の話をしなければなりません。学校の実験などでミョウバンなどの結晶を作ったことがある方もいらっしゃるかもしれませんが、「砂粒」のように小さいミョウバンの結晶(種結晶と言います)を用意し、これをミョウバンを溶かした水のなかに漬けます。揺らさないようにそっと長い時間おいておくと、砂粒の周りに結晶が成長してミョウバンの「石ころ」(大きな結晶)ができます。

 結晶は原子が規則的に並んだものですが、もともと結晶があって、その周りに液体や気体の原子がやってくると、その結晶の原子の並びにならってつぎつぎに原子がくっついていくということが起こるのです。ミョウバンや塩化ナトリウム(塩)は水に溶けますが、多くの半導体は水には溶けません。そこでシリコン(Si)などの結晶を作るには高温に熱してでどろどろに溶かす方法が使われます。Siでは直径数10cm、長さ1mといった丸太ん棒のような大きさの単結晶が作られています。この大きさの結晶のなかでSiの原子はほとんど狂いなく規則的に整列しているのですからすごいですね。

 ところがGaNではこのような結晶が作れません。石ころどころか砂粒も難しいのです。GaNはガリウムと窒素という2つの元素からできているので、熱して溶かそうとするとばらばらになってしまうのです。石ころができないと半導体デバイスを作ることはできません。このことがGaNを使った青色発光ダイオードの実現を阻んできた最大の原因です。しかし何とかGaNの性質を活かすために、結晶薄膜だけでも作ろうという努力がされてきました。

 石ころ(バルク結晶と言います)はだめでも薄い膜なら何とか結晶が作れる場合があります。また高度な機能をもつ半導体デバイスを作るためには何層にも積み重ねた結晶膜が必要になることがあります。ですから半導体の分野では結晶薄膜の作り方が大変重要な技術になります。膜を作るためには基板が必要です。結晶薄膜を作る場合も種結晶と同じように薄膜と同じ材料の結晶基板を使うとよいことがわかっています。Siの結晶薄膜を作りたければ、Siの結晶を基板にするのがよく、砒化ガリウム(ガリウム砒素ともいう、GaAs)の結晶薄膜ならGaAsの結晶の上に作るとよいものが得られます。このように下地の基板の結晶の影響を受けて結晶薄膜ができることをエピタキシャル成長といいます(いい日本語の訳語がありません)。

 このエピタキシャル成長は基板と膜が同じ材料でなくても起こります。結晶の原子の規則的な並び方は原子と原子の間の距離(格子定数と言います)によって表されますが、基板の結晶の格子定数に近い格子定数をもつ材料であれば、基板の上にうまくエピタキシャル成長する場合があります。このため、GaNのような材料でも何か適当な材料の石ころ(基板となる結晶)が見つかれば結晶薄膜は作れる可能性が出てくるのです。

 しかしこの理屈でサファイア基板が選ばれたのかというとどうも違うようです。GaNとサファイアの格子定数は15%も違うのです。普通、質の良い結晶薄膜を選るには格子定数の違いは5%以下くらいにするのが望ましいようです。GaNにはこのような条件にあう基板材料もないのでしょうか。格子定数が近いだけならいくつか候補材料はあります。しかし結晶薄膜を成長するためにはかなり高い温度に加熱する必要があり、そういう高い温度でも変質せず、またGaNと化合してしまうようなことのない材料でなければなりません。このような事情が、サファイアが基板としてやむなく選ばれた理由です。

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