エピタキシャル薄膜における極性構造の原子レベル理解と新機能探索

• Project/Area Number: 14703024
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 無機工業化学
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 角谷 正友 静岡大学, 工学部, 助手 (20293607)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥26,260,000 (Direct Cost: ¥20,200,000、Indirect Cost: ¥6,060,000); Fiscal Year 2004: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2003: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2002: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
• Keywords: 窒化物半導体 / 極性構造 / 光触媒効果 / stereo-selective成長 / 硝酸溶液処理 / ウルツ鉱型薄膜 / 価電子帯制御

Research Abstract

サファイア基板上に成長する窒化物半導体薄膜の極性構造を利用した新機能を探索した結果、可視光に反応する光触媒効果と紫外光に応答する光電効果を見出すことができた。TiO_2やSrTiO_3の光触媒効果よりも高い効果を示すGa面GaN薄膜とInを混晶化することによって、In組成11-30%のInGaN薄膜において可視光での光触媒効果を確認した。その効果はInGaN薄膜の質の向上とともに高くなる傾向があることがわかった。一方、GaN薄膜とAlを混晶化することによって、広バンドギャップを図り、Mg-dope(p型化)Al組成20-30%で320mn以下の光に対して10%以上の高い量子効率の光電効果を確認した。短波長の光に対する高感度センサーの可能性を示した。
1つのサファイア基板上に2つの極性構造の異なるGaN薄膜を同時に成長させる(stereo-selective成長)新しい方法を開発した。これまでサファイア基板を硝酸溶液で処理することによってstereo-selective成長を実現していたが、wetプロセスのために微細化が困難であった。今年度高速電子線回折や電子線描画システムの電子源を高温水素処理したサファイア基板に照射するというdryプロセスによって数μmレベルで微細化されたGaN薄膜のstero-selective成長を実現した。

Research Products

• [Journal Article] 極性構造から見たGaN薄膜成長におけるサファイア基板上バッファの層の機能 (2005)
  • Author(s): 角谷正友, 福家俊郎
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 (accepted)
• [Journal Article] Effect of treatments of sapphire substrate on growth of GaN film (2005)
  • Author(s): M.Sumiya, S.Fuke
  • Journal Title: Applied Surface Science (in press)
• [Journal Article] Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light emitting diode based on ZnO (2005)
  • Author(s): A.Tsukazaki et al.
  • Journal Title: Nature Materials 4 Pages: 42-46
• [Patent(Industrial Property Rights)] サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置 (2005)
  • Inventor(s): 角谷 正友, 福家 俊郎
  • Industrial Property Rights Holder: 科学技術振興機構, 静岡大学
  • Industrial Property Number: 2005-084264
  • Filing Date: 2005-03-23
• [Publications] M.Sumiya, S.Fuke: "Review of polarity determination and control of GaN"MRS Internet J.of Nitride Semicond.Res. 9. 1-35 (2004)
• [Publications] T.Ohsawa, Y.Yamamoto, M.Sumiya, Y.Matsumoto, H.Koinuma: "Combinatorial STM study of Cr deposited on Anatase TiO_2 (001) surface"Langumur. (accepted). (2004)
• [Publications] M.Takabe, M.Sumiya, S.Fuke: "HNO_3 treatment of sapphire for management of GaN polarity in MOCVD method : Comparison of the properties of +c and -c GaN region'Systematic analysis and control of low-temperature GaN buffer layers on sapphire substrates"MRS proceeding. (accepted). Y3.3 (2004)
• [Publications] M.Sumiya, A.Tsukazaki, S.Fuke, A.Ohtomo, H.Koinuma, M.Kawasaki: "SIMS analysis of ZnO films co-doped with N and Ga by temperature gradient pulsed laser deposition"Applied Surface Science. 223. 206-209 (2004)
• [Publications] J-H.Song, Y.-Z.Yoo, T.Skiguchi, T.Nakajima, P.Ahmet, T.Chikyow, K.Okuno, M.Sumiya, H.Koinuma: "Growth of non-polar a-plane III-nitride thin films on Si (100) using non-polar plane butter layer"Phys.Stat.Sol.(c). 0/No. 7. 2520-2524 (2003)
• [Publications] 角谷正友(執筆分担): "イオン工学ハンドブック第4章 薄膜形成技術 4.3 CVD技術"(株)イオン工学研究所. 12 (2003)
• [Publications] M.Sumiya et al.: "Quantitative control and detection of heterovalent impurities in ZnO thin films grown by pulse laser deposition"J. Appl. Phys.. 93/5. 2562-2569 (2003)
• [Publications] M.Sumiya et al.: "Systematic analysis and control of low-temperature GaN buffer layers on sapphire substrates"J. Appl. Phys.. 93. 1311-1319 (2003)
• [Publications] M.Sumiya et al.: "Epitaxial growth of GaN film on (La,Sr)(Al,Ta)O_3 (111) substrate by MOCVD using AIN blocking layer"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 5038-5041 (2002)
• [Publications] A.Tsukazaki et al.: "Systematic examination of carrier polarity in composition spread ZnO thin films codoped with Ga and N"Appl. Phys. Lett.. 82. 235-237 (2002)
• [Publications] M.Sumiya et al.: "Effect of buffer layer engineering on the polarity of GaN films"J. Vac. Sci. Tech. A. 20. 456-458 (2002)
• [Publications] M.Sumiya et al.: "Reduction of detect density in GaN epilayer having barried Ga metal by metaloganic chemical vapor deposition"J. Crys. Growth. 237-239. 1060-1064 (2002)