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GaNの結晶欠陥を大面積且つ非破壊で検出・分類する方法を開発
〜青色LEDから電力制御素子まで、GaN結晶の高品質化を加速〜

本研究の【概要詳細

1.現状
 低炭素社会の実現に向け、電力の変換・制御に使用するパワーデバイス注1の高効率化が求められています。次世代のパワーデバイス用材料の有力な候補として注目を集めているのは、青色LEDの材料としても活用されている窒化ガリウム(GaN)です。ところが、現行の製法によるGaN結晶には欠陥注2が多く含まれているので、期待される性能を十分に発揮できていません。欠陥を低減するためには、欠陥分布情報を結晶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、欠陥を正確に非破壊で検出・分類する技術が強く求められています。


2.本研究の成果
 JFCCは、KEKと共同で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注3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ました。欠陥の周囲は結晶面が湾曲しているので、X線の回折像が乱れ、スポット像を作ります(図1)。欠陥1個でスポットが1つ作られるので、スポットの分布が欠陥の分布を示します。更に、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ます。

図1:(左)大面積のX線トポグラフィ像 (右)欠陥に対応するスポットの拡大像


3.今後の展開
 本成果を利用することにより、大面積の欠陥情報を正確に結晶成長にフィードバックでき、GaN結晶の低欠陥化が加速されます。また、GaNパワーデバイス・発光デバイスの不良解析と故障原因同定にも役立ちます。高品質GaN結晶の実現によって、次世代の高耐圧・大電流・低損失のパワーデバイスの実用化が可能となります。


本研究成果は、下記に開催の2018年度JFCC研究成果発表会で発表しました。
  7月6日(金)(東京会場:東京大学武田先端知ビル武田ホール)
  7月13日(金)(名古屋会場:愛知県産業労働センター(ウインクあいち2F、5F))
  7月20日(金)(大阪会場:梅田スカイビル(タワーウエスト36F))
本成果は2018年4月5日にSpringer「J. Electron. Mater.」電子版で公開されました。
本成果は、国立研究開発法人科学技術振興機構スーパークラスタープログラム「GaN結晶評価技術の開発」の委託研究にて得られたものです。


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研究担当者
材料技術研究所 機能性材料グループ 姚(やお) 永昭、石川由加里

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