ヘテロバレント・ヘテロポリタイプSiC上III族窒化物結晶成長の総合的理解と制御

• Project/Area Number: 16686002
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Applied materials science/Crystal engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 須田 淳 京都大学, 工学研究科, 講師 (00293887)
• Project Period (FY): 2004 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥28,600,000 (Direct Cost: ¥22,000,000、Indirect Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2006: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2005: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2004: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
• Keywords: AlN / SiC / GaN / MBE / ポリタイプ / エピタキシャル / 界面 / 欠陥 / 窒化アルミニウム / 分子線エピタキシー / シリコンカーバイド / 無極性 / 成長機構 / ヘテロエピタキシー / III族窒化物 / ヘテロバレント / ヘテロポリタイプ / 表面制御 / 結晶成長機構

Research Abstract

ヘテロバレソト・ヘテロポリタイプな系である、AlN/SiCヘテロエピタキシャル成長についての系統的な研究を行った。無極性面方位に関しては、(1-100)面、(11-20)面を対象に研究を行った。4H-SiCを用いた場合に、SiCの4層周期の積層構造がAlNに転写され、AlNは4H構造を持つことが明らかになった。SiC表面の原子レベルの平坦化とAlN成長条件の最適化を行うことで、きわめて欠陥の少ない4H-AlNを成長することに成功した。無極性面方位に関しては、成長条件を適切に設定することで、本来ヘテロポリタイプであるAlN/SiC系をアイソポリタイプ化し、結晶欠陥を大幅に低減できることが明らかになった。このアイソポリタイプAlNをテンプレートとして、デバイス応用上重要なGaNの成長を行った。広範囲な成長条件の検討を行ったが、GaNのポリタイプは熱力学的に安定な2H構造になってしまうことが判明した。AlN/GaNの格子不整合がAlN/SiCの倍以上であることや、GaNそれ自体が4H構造となった場合エネルギー的に不安定になることが原因として考えられるが、現時点では不明である。2H構造GaNは4H構造AlNほどは高品質ではないが、他の無極性基板と同等の品質のものが得られることは確認している。極性面については、SiCのステツプェツジに起因する欠陥の極限までの低減を目指して研究を進めた。ウエハーレベルでのSiCのステップエッジの高さ制御技術をほぼ確立し、6H-SiCにおいてステップ高さ6層に制御した基板を作製し、この表面上にAlNを成長し、結晶欠陥の低減を確認した。

Research Products

• [Journal Article] m-plane GaN layers grown by rf-plasma assisted molecular beam epitaxy with varying Ga/N flux ratios on m-plane 4H- (2007)
  • Author(s): Armitage R, Horita M, Suda J, Kimoto T
  • Journal Title: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 101・3 Pages: 33534-33534
• [Journal Article] High-quality nonpolar 4H-AlN grown on 4H-SiC (11-20) substrate by molecular-beam epitaxy (2006)
  • Author(s): Horita M, Suda J, Kimoto T
  • Journal Title: APPLIED PIYSICS LETTERS 45・17-19 Pages: 112117-112117
• [Journal Article] Impact of III/V ratio on polytype and crystalline quality of AlN grown on 4H-SiC (110) substrate by molecular-beam (2006)
  • Author(s): M.Horita, J.Suda, T.Kimoto
  • Journal Title: physica status solidi (c) 3・6 Pages: 1503-1506
• [Journal Article] Epitaxy of nonpolar AlN on 4H-SiC (1-100) substrates (2006)
  • Author(s): R.Armitage, J.Suda, T.Kimoto
  • Journal Title: Applied Physics Letters 88・1 Pages: 11908-11908
• [Journal Article] Cathodoluminescence study of AlN grown on 4H-SiC(11-20) (2004)
  • Author(s): M.Horita, N.Onojima, J.Suda, T.Kimoto
  • Journal Title: Extended Abstracts of the 23^<rd> Electronic Materials Symposium EMS23 Pages: 149-150
• [Journal Article] Heteroepitaxial Growth of AlN on SiC(0001)-Sacking Mismatch (2004)
  • Author(s): J.Suda, N.Onojima, T.Kimoto
  • Journal Title: Extended Abstracts of the 23^<rd> Electronic Materials Symposium EMS23 Pages: 150-151