【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　福山博之
多元物質科学研究所　助教　李森
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• アルミニウム蒸気の直接窒化法において、反応の駆動力を熱力学的平衡点近傍に制御する革新的なアプローチを考案しました。
• 従来は多結晶粉末やナノワイヤしか得られなかった直接窒化法において、過剰な核生成を抑制することで、長さ数センチメートル、直径最大300 µm に達する針状の窒化アルミニウム（AlN）^（注１）高品質単結晶の育成に成功しました。
• 得られた結晶を種結晶として用いた溶液成長法により、高い結晶性を維持したまま、最大175 µm/h という高速な径拡大（大口径化）を実証し、次世代ウルトラワイドバンドギャップ半導体^（注２）基板としての実用化へ道を拓きました。

【概要】

窒化アルミニウム（AlN）は、優れた熱伝導性、高い化学的安定性、および約6.2 eVの超ワイドバンドギャップを持つことから、深紫外線LED^（注３）や高出力パワーデバイス^（注４）、などの基板材料として極めて有望視されています。しかし、従来の直接窒化法は強い駆動力下で行われるため、反応が激しく進み、多結晶の粉末しか得られないという課題がありました。

東北大学多元物質科学研究所の李森助教、飴井千晃大学院生、安達正芳准教授、大塚誠准教授、福山博之教授らの研究グループは、熱力学計算に基づきアルミニウム蒸気を直接窒化させるプロセスにおいて、合金組成、窒素分圧、反応温度を厳密に制御し、反応の駆動力を熱力学的平衡の近傍（近平衡状態）に維持する新しいAlN結晶成長法を開発しました。

本研究では、Fe-Al合金融体からのAl蒸気供給と窒素ガスの反応において、駆動力を小さく制御し過剰な結晶核の発生を抑制することにより、数センチメートル長に及ぶ高品質な針状AlN単結晶を得ることに成功しました。さらに、得られた結晶を種結晶として用いて、Fe-Crフラックスを用いた溶液成長法を行うことで、結晶の品質を損なうことなく、最大175 µm/h の速度で横方向へのエピタキシャル成長（大口径化）ができることを実証しました。

本成果は、安価なアルミニウム原料から直接、高品質なAlNバルク単結晶基板を製造するための新しい製造プロセスの基盤技術となるものであり、次世代半導体デバイスの普及を大きく加速させることが期待されます。

本研究成果は、2026年6月8日付で、材料科学分野の国際学術誌Materials & Designにオンライン掲載されました。

【用語解説】

注1. 窒化アルミニウム（AlN）：アルミニウムの窒化物で、高い熱伝導率と6.2 eVという大きなバンドギャップ（禁制帯幅）を有する半導体材料です。

注2. ウルトラワイドバンドギャップ半導体：ウルトラワイドバンドギャップ半導体とは、従来のシリコン（Si）やガリウムヒ素（GaAs）に比べ、非常に大きなバンドギャップ（禁制帯幅）を持つ次世代の半導体材料を指します。

注3. 深紫外線LED：紫外線の中でも特に波長が短い領域を深紫外(UVC)領域と呼び、UVCの光を発光できるLEDを深紫外LEDと言います。

注4. 高出力パワーデバイス：電気エネルギーの変換や制御を行う半導体デバイスのことです。通常の半導体よりも大きな電圧・電流を扱うことができ、電気自動車（EV）や産業用モーター、家電などに不可欠です。

【論文情報】

タイトル：Near-equilibrium thermodynamic control of AlN nucleation and crystal growth via direct nitridation of aluminum
著者：Sen Li*, Chiaki Amei, Masayoshi Adachi, Makoto Ohtsuka, Hiroyuki Fukuyama*
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所 助教 李森、教授 福山博之
掲載誌：Materials & Design
DOI：10.1016/j.matdes.2026.116370

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

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東北大学多元物質科学研究所
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（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
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Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）