RF マグネトロンスパッタ法を用いたGaN 薄膜の作製と評価に関する研究

摘要

環境およびエネルギー問題が地球規模で議論されているが，民生および産業機器の各種電力変換部分において幅広く用いられるパワーデバイスの省エネルギー化が強く求められている。しかしながらデバイスに用いられるSi はその性能が限界に近付いており，近年は直接遷移型ワイドバンドギャップ半導体である窒化ガリウム (GaN)が注目されている。GaN は適切なドーピング元素を加えることで，バンドギャップを制御することが可能であり，伝導型の異なる不純物半導体になるので太陽電池への応用も期待されている。そこで本研究では，多結晶GaN の単接合薄膜太陽電池の作製を最終的な目標として，まず，高純度なGaN 薄膜の作製を試みた。一般的にGaN 薄膜は800?C 以上の高温でMOCVD 法やMBE 法で作製されている。一方で安全性や製膜速度が遅いという課題がある。そこで本研究では，粉末ターゲットが使用可能で，製膜速度が比較的速く，大面積に製膜可能な薄膜作製方法であるRF マグネトロンスパッタを用いた。本研究の特徴はスパッタターゲットに極めて高純度なGaN 粉末を用いていることである。前回までの研究で以下のことが分かった。スパッタガスにN2 ガスのみを用いて製膜した場合結晶構造は六方晶と立方晶の混晶であった。また製膜速度が遅く，所定の膜厚を得るために成膜時間が長くなりその結果GaN 結晶の成長中に酸素が取り込まれ，結晶性が劣化する傾向が見られた。一方スパッタガスにAr のみを用いた場合には結晶の膜を得ることができなかった。そこで本研究では，Ar とN2 ガスの混合ガスを用いて製膜し，製膜速度と結晶性の向上を目指した。