マテリアル インテグレーション 2001年6月号
特集　ナイトライドセラミックスの新展開(1)

巻頭言
“特集号のねらい”
　久しぶりに超伝導ヒーバーである.酸化物高温超伝導体が発見されてから10数年が過ぎたが,銅酸化物系以外でNb3Snを超えるTcをもつ化合物MgB2が青山学院大学の秋光純教授らによって今年の始めに報告されたからである.3月の日本物理学会では1000名を超える人が集まったというからまさに第2の超伝導ヒーバーと言えよう.どこにでもありそうなホウ化物に宝が隠されていたのである.本年の3月号のNatureに論文が発表されるや世界中で大騒ぎになり,あっという間に数十件以上の論文が発表されている.宝物はどこにあるか分からないことを示した一例とも言えよう.
　さて,本特集はナイトライドである.ナイトライドセラミックスについては数年前に日刊工業新聞社から成書を出版したが,その後の進歩が顕著なため,ここに改めて特集を組むことになった.最近のナイトライドをおもしろくした筆頭はなんと言ってもGaNであろう.特に発光材料として脚光を浴びてきた.GaN系発光材料が注目されたのはInNとGaNから成るInxGa1-xN混晶半導体の登場によってである.1993年に日亜化学がInGaN:Si,Znを活性層としたダブルヘテロ構造をもつ青色発光ダイオード(LED)の商品化に成功し,その後,量子井戸構造を用いた高効率レーザーダイオードを実用化したからである.当初発光ダイオードの発光効率は5 lm/W程度であったが,現在では15 lm/Wにまで達し,一般家庭の白熱電球レベル迄になった.次世代の光源として大いに期待されてよいだろう.GaNは発光材料としてばかりでなく,火災センサなどへの応用も検討されており今後の発展がますます期待される.
　本特集ではGaN以外にも半導体装置材料として急速に生産量が増えているAlNやこれから開発が期待されるCrN, TiN, MoNなどについても述べられている. 　冒頭にも述べたように,MgB2で新しい宝物が見つかったが,ナイトライドにも宝物は隠されている筈である.最近の環境問題などを考えればナイトライドは地球にやさしい材料であり魅力一杯と言ってよいだろう.是非本特集を通してナイトライドファミリーが増えることを願っている.

マテリアル インテグレーション 2001年6月号
ELECTRONIC CERAMICS ナイトライドセラミックスの新展開(1)

Sm-Fe-N系永久磁石
■著者
日立金属(株)　先端エレクトロニクス研究所　進藤幹夫、飛世正博、谷川茂穂、日立金属(株)　熊谷磁材工場　岡島 弘

■要約
1980年代の後半から,Nd-Fe-B磁石を凌駕する次世代希土類永久磁石の研究開発が世界中の磁石材料の研究者によって精力的に行なわれてきた.しかし今日現在,Nd-Fe-B磁石を越える永久磁石材料は実用化されていない.Nd-Fe-B磁石の磁気特性を凌駕するまでには到らないものの,それに近いポテンシャルを持つ希土類金属間化合物としていくつかの窒化物が提案開発され実用化の検討がなされてきた.そのひとつがSm-弊社では1984年より希土類窒化物磁石材料の研究開発を開始し1990年代前半から実用化に向けてのプロセス開発を進めてきた.本稿では弊社で開発したSmU2SU FeU17SU 型結晶構造を持つ等方性窒化物永久磁石材料の状況につき述べる.


Fe16N2の低温合成
■著者
北海道大学大学院工学研究科　教授　吉川　信一

■要約
窒化鉄系は室温で強磁性を示す数少ない金属窒化物である.窒素含有量の異なる結晶相が数種類あり,強磁性体となるFeU4SU Nまでの窒素量の少ない結晶相に興味が持たれている.取り分けFeU16SU NU2SU は,1970年代前半に高橋実が巨大磁化をもつ可能性を報告して以来多くの研究が行われたにも関わらず,その素性は未だ確定していない.最近になってα-Fe微粉末を低温でアンモニア窒化するとバルク単一相の生成することが見出され,その物性が明らかになりつつある.情報エレクトロニクスとしてスピンエレクトロニクスが注目され始めているが,情報記録密度を更に増大させる新たな強磁性体として,磁気ヘッドやセンサーなどの用途が期待される.


金属酸化物とアンモニア気流の反応による窒化物の合成
■著者
大阪大学大学院工学研究科　中川　貴、加納正孝、山本孝夫、桂正　弘

■要約
近年,様々な金属窒化物が硬セラミクス材,磁性材料,超伝導材料等として注目を浴びている.窒化物合成法として,金属と窒素やアンモニア気流またはアンモニアと水素の混合気流との反応,窒素雰囲気中での炭素熱還元が一般的である.しかし,金属は一般的に酸化物に比べ高価であり,炭素熱還元は高温反応であるという欠点がある.より安価な酸化物を原料とし,比較的低温でも窒化物合成の可能なアンモニア窒化と組み合わせれば,工業的にも適した方法といえる.実際,金属酸化物とアンモニア気流を反応させ窒化物を合成する方法がこれまで幾つかの金属で報告されている.しかし,これらの報告では,どのような条件ならば窒化物が合成できるのかについての考察はない.本論では金属酸化物とアンモニア気流の反応による窒化物合成を行い,その過程を熱力学的に検証した結果について報告する.


新しいスピネル型窒化物の材料設計
■著者
京都大学大学院エネルギー科学研究科　助教授　田中　功、東京大学工学部総合試験所　大場史康、京都大学大学院工学研究科　吉矢真人、Wai-Yim CHING　ミズーリ大学カンザスシティー校

■要約
スピネル構造をもつ立方晶窒化ケイ素が存在し,高温高圧下で合成可能であることが,1999年にドイツのグループによって報告された.立方晶窒化ケイ素の発見後すぐに,われわれは第一原理計算を行い,立方晶窒化ケイ素が3.5eVのバンドギャップを持つ直接遷移型の物質であることを報告した.α型やβ型のSi3N4のSiがすべてNを4配位しているのに対し,立方晶Si3N4中のSiには4配位と6配位のものがある.このような複合窒化物では2種のイオンの組み合わせの妙によって,発現する機能が広範囲で制御できる可能性がある.いまでは第一原理計算を援用することで,望みの物性を与えるための物質探索が可能になりはじめているので合成に先駆けて網羅的な計算を行えば,材料開発の方針が立てやすい.


窒化物半導体発光特性
■著者
日亜化学工業(株)　窒化物半導体研究所　長浜　慎一

■要約
pn接合を有するホモ型GaN-LEDはAmanoらによって1989年に初めて作られた.その後,1993年にInGaN活性層を用いたダブルへテロ構造青色LEDが発表され,続いて緑色LEDも発表された.今ではスタジオや競技場等の超大型フルカラーディスプレイや交通信号機,液晶のバックライト,等にGaN系LEDが使用されている.またInGaN活性層を用いた紫外LED,アンバー色LED,も既に実現している.LDの分野では,LED開発の過程で得られた結晶成長の手法と新しく考案された手法とを用いて,室温パルス発振,室温連続発振,実使用条件を満足する寿命の達成,と急速に進歩している.ここ10年間のGaN系材料の研究開発の経過は非常に華々しいが,そこに至るまでにはいくつかの大きな問題を解決する必要があった.本節では,GaN系半導体の結晶成長に関するいくつかのブレークスルーにより窒化物によるLED/LDが実現したことを述べる.


GaN系半導体による紫色レーザダイオード
■著者
名城大学理工学部　上山　智、天野　浩、赤崎　勇

■要約
デバイス開発があまりにも急速に進んだ反面,伝導性制御,キャリア輸送現象,発光機構あるいは誘導放出のための光学利得の形成などの基本的性質の理解が未だ不十分である.極めて欠陥密度の高い窒化物結晶において,何故高性能デバイスが実現できるかが現在でも不明であり,他の材料の常識が通用しない側面を持っている.このような窒化物半導体材料の特異な性質を解明するために,今日でも多くの研究が進められている.本論文では,GaN系LDの過去の開発経緯を振り返るとともに,この材料の持つ特異な性質と発光機構,さらにGaN系LDの今後の展望について議論する.


III-V-N系長波長窒化物半導体と光通信への応用
■著者
北海道大学電子科学研究所　教授　末宗　幾夫

■要約
最近のインターネットの急速な普及,マルチメディアの展開につれて,カラー画像など情報量の大きなファイルの伝送ニーズの高まりなど通信量の急激な増大が見込まれている.しかし現状では通信容量,通信速度,サーバーなどにより制約されており,自由で快適な環境が提供できているとは言い難い.このため,特に米国での光通信幹線網における波長多重(WDM)の推進や,NTTのFTHによるユーザ端末の広帯域化などに代表されるように,光通信系の大容量・高速化の検討が活発化している.一方シーズとしての研究レベルでは,最近・-V-N系窒化物混晶半導体の研究が活発化している.この混晶半導体では,これまで研究されてきた・-V-N族半導体,・-・族半導体に比べて特異な物性的特徴が報告されており,材料物性の観点から上記のニーズに応える光デバイスの新たな展開が期待されている.ここでは特に長波長光通信系光デバイスに関連して,このような・-V-N系窒化物混晶半導体に関する着目される新物性とデバイス研究の現状・将来展望について解説する.


立方晶III族窒化物半導体量子構造のMBE成長と評価
■著者
電子技術総合研究所　パワーエレクトロニクス研究センター　奥村　元、筑波大学　物理学系　　秩父重英

■要約
・族窒化物半導体は,通常のwurtzite構造以外にも,GaAs等と同様の立方晶(c-)zincblende構造をとるケースがあることがわかってきた. ・族窒化物半導体では六方晶構造が熱的安定相で,立方晶構造は非平衡相であり,立方対称性の基板上へのエピタキシャル成長等で実現されている.・族窒化物半導体は,いわゆるワイドギャップ半導体であり,化学結合が強く,両構造共高い電子飽和ドリフト速度や絶縁破壊電圧と言う特徴を持っている.立方晶・族窒化物半導体は,非平衡相であるために相混在のない純粋な試料を得るのが困難であった.(MBE) 法を用いて,高品質な立方晶GaN, AlN, AlGaN混晶InGaN混晶のエピタキシャル成長に成功し,その特性を評価してきた.本稿では,これら立方晶・族窒化物半導体量子構造の作製と特性評価について紹介する.


GaNのHVPE法による厚膜バルク成長
■著者
三重大学工学部　電気電子工学科　教授　平松　和政

■要約
ハイドライド気相成長法は,気相成長法(VPE)の一種で,ハロゲン系気相成長法とも呼ばれる.ここでは,HVPE法による・族窒化物半導体の気相成長について述べる.HVPEによるGaNの結晶成長を概観するとともに,その特徴を活かしたGaNバルク単結晶の作製を述べる.HVPEによる選択成長技術,さらにはこれを応用した低転位GaN結晶の成長についても述べる.最後に,その他のアプローチについても触れる.


連載
粉体粒子の複合化とセラミックス構造制御(2) -気相反応法によるナノ複合粒子の合成-
■著者
九州大学大学院工学研究院　応用化学部門　北條　純一

■要約
気相反応法は超微粒で,分散性が良く,高純度のセラミックス粒子を合成するのに有効な方法である.とくに,雰囲気制御が容易で,SiU3SU NU4SU ,SiCなどの非酸化物超微粒子の合成が可能である.さらに,多成分原料を気相で均一に混合し,高温で反応させて複数の化合物を同時に析出させることによって複合超粒子が合成できる.生成粒子は複数の成分が原子,分子あるいはナノレベルで混合しており,これをナノ複合粒子と呼ぶ.ナノ複合粒子はナノコンポジットの原料として極めて有用である. 著者らは,SiU3SU NU 4SU 系およびSiC系セラミックスのナノ複合化による機械的特性の改善を目的として,ナノ複合粒子の合成について研究してきた.本稿では,気相反応法によるSiU3SU NU4SU 系およびSiC系のナノ複合粒子の合成に関して,合成プロセスならびに反応系による複合構造の違いについて紹介する.


連載特集
セラミックス開発の新兵器:TG-MS[23]層間絶縁用酸化膜の加熱時発生気体分析
■著者
(株)東レリサーチセンター　材料物性研究部　伊藤真知子、高井良　浩、石切山一彦

■要約
SIの高集積化に伴い,配線遅延を抑制し,チップの高速・低消費電力化を図るため,長年広く利用されてきたSiO2系から最近低誘電率の層間絶縁膜(low-k膜)へと切り替えられようとしている.低誘電率化のポイントは,低誘電率材料の選択と多孔性構造にある.特に多孔性の場合には,誘電率の高い水が毛管凝縮的に吸着する可能性が考えられ,その吸着挙動の解明は重要である.本稿では,半導体デバイス向け層間絶縁膜として広く利用されているSiO2膜.さらに一部で採用され始めているSiOF膜について,加熱時発生気体分析法により特に水分発生に着目して検討した結果について紹介する.


連載
ヴェネツィアンガラスを遡る(3) -サン・マルコ寺院はガラスの寺-
■著者
寺井ガラス技術事務所　寺井　良平