例1として、素過程に基づく汎用的なMOVPE結晶成長モデルの構築と、窒化物混晶の組成・膜厚の高精度な予測・制御について説明する。窒化物半導体は青色LED、照明、高周波無線デバイス等に実用化され、高品質結晶層の形成にはMOVPEが広く用いられる。しかしMOVPEでは、原料分解、気相輸送、表面取込、結晶化、脱離が複雑に相互作用し、温度・圧力・流量等の成長パラメータの変化が品質・組成・膜厚を左右するため、目標値の再現に多大な実験と時間を要する。既存モデルは詳細な反応過程に基づいており、計算負荷とパラメータ同定の困難さから汎用性には不向きである。

本研究では、シンプルな素過程(原料の取り込まれ効率および材料の脱離速度)のみを考慮した汎用的な成長モデルを構築した。本モデルにより、原料の供給気相比のみから成長中の組成および膜厚を高精度に予測・制御できることを明らかにした。本成果は、窒化物ヘテロデバイス構造の作製において不可欠な結晶成長時の組成・膜厚制御を、簡便かつ高度に実現可能とするものである。