Growth of GaN-based devices on metal and glass substrates using layered BN

• Project/Area Number: 18H01886
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30010:Crystal engineering-related
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: Kobayashi Yasuyuki 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (90393727)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 浩 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (00513342) ; 中澤 日出樹 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (90344613) ; 小豆畑 敬 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (20277867)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2018: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: 半導体 / 結晶成長 / 半導体物性 / 六方晶窒化ホウ素 / 分子線エピタキシー / 窒化物半導体 / 窒化ホウ素 / ガラス基板 / BN / GaN / MBE / 金属基板

Outline of Final Research Achievements

We grew hexagonal boron nitride (h-BN) thin films on glass substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE) and determined the thicknesses of the films (39 and 2 nm) by fitting their measured X-ray reflectance with a two-layer model. The 39-nm-thick film showed a clear peak of Raman active mode. The 39- and 2-nm-thick films exhibited a clear peak of infrared active mode. Atomic force microscopy images revealed that both h-BN films had atomically smooth surfaces. These results suggest that MBE can grow h-BN thin films on glass substrates.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ガラス基板は、GaN系デバイス構造に使われるサファイア基板と比較して、大面積化が可能であり、経済的に安価であり、GaN系デバイス構造の適用範囲を大きく広げると期待される。しかしながら、ガラス基板上に単結晶GaN系デバイス構造を成長することは、一般的に困難である。今回、我々はそのガラス基板上に分子線エピタキシー法により、六方晶窒化ホウ素(h-BN)薄膜が成長することを見出した。今後、このh-BN薄膜をバッファ層としてこのh-BNバッファ層上に単結晶GaNデバイス構造が成長する可能性がある。

Research Products

• [Presentation] Plasma-assisted MBE Grown h-BN Thin Films on Glass Substrates (2022)
  • Author(s): N. Hatakeyama, T. Azuhata, H. Nakazawa, H. Okamoto, M. Hiroki, K. Kumakura, and Y. Kobayashi
  • Organizer: 14th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MOVPE and MBE Growth of GaN-based Heterostructures on h-BN Release Layers (2021)
  • Author(s): Y. Kobayashi, M. Hiroki, and K. Kumakura
  • Organizer: Epitaxy on 2D materials for layer release and their applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MBEによるガラス基板上h-BN薄膜の膜厚評価 (2021)
  • Author(s): 畠山直樹、小豆畑敬、中澤日出樹、岡本浩、廣木正伸、熊倉一英、小林康之
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] MBEによるAlN/h-BNバッファ層上GaN薄膜のエピタキシャル成長 (2020)
  • Author(s): 原田文矢、中澤日出樹、岡本 浩、廣木正伸、熊倉一英、小林康之
  • Organizer: 2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 六方晶窒化ホウ素リリース層上の窒化物半導体成長とその応用 (2020)
  • Author(s): 小林康之、廣木正伸、熊倉一英
  • Organizer: 令和元年度日本表面真空学会東北・北海道支部学術講演会
  • Invited
• [Presentation] ガラス基板上MBE成長BN薄膜のラマン散乱 (2019)
  • Author(s): 小林康之、小豆畑敬、中澤日出樹、岡本浩、廣木正伸、熊倉一英
  • Organizer: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] MBEによるガラス基板上BN薄膜成長 (2019)
  • Author(s): 小林康之、中田啓一、中澤日出樹、岡本浩、廣木正伸、熊倉一英
  • Organizer: 2019年第66回応用物理学会春季学術講演会