高圧高温熱処理による高品質インジウム系窒化物半導体の創製と熱電素子応用
| Project/Area Number |
21H01831
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30010:Crystal engineering-related
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
荒木 努 立命館大学, 理工学部, 教授 (20312126)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
毛利 真一郎 立命館大学, 理工学部, 准教授 (60516037)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
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| Keywords | 窒化物半導体 / 半導体 / 結晶成長 / 分子線エピタキシー / 窒化インジウム / 熱処理 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題においては、いまだp型伝導制御が実現されていない窒化インジウム（InN）に対して、平衡状態を実現する高圧高温熱処理（アニール）を施すことにより、従来の枠を超えた結晶高品質化を目指し、それをベースとしてp型伝導制御によるInNのデバイス品質結晶実現を目的とする。窒素の平衡蒸気圧が高いInNを約1GPaの加圧窒素雰囲気下で高温（約600℃）アニールし、小傾角粒界の解消による転位密度の劇的な低減効果を検証する。またMgドーピングしたInN、InGaN混晶、ヘテロ接合、ナノ構造に対する高圧高温処理の有効性についても検討する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、RF-MBE法を用いて作成したInN結晶を高温・高圧熱処理によって、さらなる結晶品質の改善を実現し、そのメカニズム構築とデバイス応用へ向けた基盤技術を開発することにある。課題2年目は、①RF-MBE成長DERI法を用いたInN成長時の初期成長機構の解明と②1年目に作成したInN結晶に対する高温・高圧熱処理実験の基礎検討を行った。
①RF-MBE成長DERI法を用いたInN成長時の初期成長機構の解明
本研究項目では、DERI法成長InNで観察された異常成長領域および平坦に成長した領域に対してTEM観察を行うことで、異常成長領域の発生過程について検討した。異常成長領域の中央部ではInNが成長していない部分が存在し、内縁部では膜厚の大きいInNが成長し、外縁部では中央に向かうほどInN膜厚が大きいことがわかった。また、異常成長領域とInNが平坦に成長した領域でGaN中の転位種類判別を実施した結果、GaNテンプレート中のらせん転位を起点としてInドロップレットが発生し、異常成長領域が形成されると考えた。
②InN結晶に対する高温・高圧熱処理実験の基礎検討
課題1年目に作成したInN結晶の中から比較的電気的特性に優れた（キャリア濃度18乗台前半、移動度1500cm2/Vs以上）InNに対して、高温・高圧熱処理実験を試みた。熱処理は、量子科学技術研究開発機構SPring8内のビームラインBL14にて実施した。InN結晶10mm角試料をダイシングにより1mm角にカットし、ダイヤモンドアンビルに封入後、圧力9.5GPa、時間30分、温度650、750、850℃の3条件で高温・高圧熱処理実験を行った。850℃ではInNの分解・剥離が見られ十分な評価ができなかった。650℃、750℃で処理した試料をX線回折測定、TEMで評価を行ったが、明瞭な結晶性の改善は得られなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
課題2年目には計画通り、1年目に最適条件を探索して作成したInN結晶の高温・高圧熱処理実験を試みた。当初計画では、高温・高圧熱処理については、山口県宇部市の超高温材料研究センターにて進める予定であったが、新型コロナウイルス感染拡大の影響により打合せや試行実験が行えなかったため、代替策として、量子科学技術研究開発機構SPring8ビームラインの装置を利用して、高温・高圧熱処理実験を行った。熱処理実験のおおまかな条件範囲を検討することはできたが、本実験装置では試料サイズが1mm角に限られたため、熱処理後の試料の分析が困難であったことは課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
熱処理実験に用いるInN結晶は、これまでに最適化したDERI法成長条件を用いて準備する。特にできるだけ熱処理後の評価が行えやすいように1μm以上の厚膜のInNを成長し、熱処理実験を行う。高温・高圧熱処理実験は、試料サイズが大きくできる超高温材料研究センターでの実験遂行を予定する。熱処理条件は、SPring8で検討した結果から、750℃以下の温度が望ましく、処理時間を変化させることで、高温・高圧熱処理がInN結晶性改善に及ぼす効果を調べる。
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Report
(2 results)
Research Products
(25 results)
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[Journal Article] Direct growth of GaN film on ScAlMgO4 substrate by radio-frequency plasma- excited molecular beam epitaxy2023
Author(s)
T. Araki, S. Kayamoto, Y. Wada, Y. Kuroda, D. Nakayama, N. Goto, M. Deura, S. Mouri, T. Fujii, T. Fukuda, Y. Shiraishi, and R. Sugie
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 16
Issue: 2
Pages: 025504-025504
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] Growth of Ga2O3 Film on ScAlMgO4 Substrate by Mist-Chemical Vapor Deposition2023
Author(s)
S. Yamashita, R. Moriya, H. Takane, Y. Wada, Y. Yamafuji, J. Kikawa, M. Matsukura, T. Kojima, T. Shinohe, K. Kaneko, T. Araki
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Journal Title
Jpn. J. Appl. Phys.
Volume: 62
Issue: SF
Pages: SF1012-SF1012
DOI
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