2019 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of singularity structure by top-down method based on thermal equiburium condition
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06415
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
三宅 秀人 三重大学, 地域イノベーション学研究科, 教授 (70209881)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮川 鈴衣奈 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10635197)
荒木 努 立命館大学, 理工学部, 教授 (20312126)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | AlN / 高温アニール / スパッタ法 / DUV-LED / 貫通転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、このAlNテンプレートをFFA Sp-AlN (Face-to-Face Annealed Sputter-deposited AlN)テンプレートの転位密度低減に関する取り組みとして、スパッタ成膜時の成膜条件、AlN膜厚、そして高温アニールの条件が、AlNの結晶性に与える影響を明らかにした。また、FFA Sp-AlNテンプレート上にMOVPE法でAlxGa1-xNを成長させた際の特異な成長挙動に関して、サファイア基板上にMOVPE法で直接成長させたAlNテンプレートと比較しながら述べる。さらに、FFA Sp-AlNテンプレート上に作製したDUV-LEDの発光特性に関して述べる。
スパッタ法成膜と高温アニールを組み合わせて、サファイア基板上に10^7 cm^-2台の低貫通転位密度のFFA Sp-AlNテンプレートを作製する技術を確立し、膜厚1200nmのAlNテンプレートで貫通転位密度4.9×10^7 cm^-2を達成した。同AlNテンプレートは、従来のMOVPE法で成長されたMOVPE-AlNテンプレートと比較してらせん転位および混合転位密度が極めて低いために、AlGaNを成長させた際にスパイラル成長に起因する巨大なヒロック構造が形成されることが明らかとなったが、オフ角の大きいサファイア基板を用いることでこれを抑制し、表面平坦性と結晶性の高いAlGaNを成長させることに成功した。FFA Sp-AlNテンプレート上に作製したDUV-LEDは、MOVPE-AlNテンプレート上に作製したLEDと比較して高い外部量子効率を示しており、MOVPE-AlNテンプレートに対する低貫通転位密度のFFA Sp-AlNテンプレートの優位性を示す結果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2018年度までの研究で、サファイア基板上にRFスパッタで成膜したAlNに対して、1700℃程度の高温のアニールを施すことで、AlNを構成する原子が再配列し貫通転位密度が大幅に低減することを報告してきた。特に、AlNが成膜された面同士が対抗して接触するように配置する”Face-to-Face”配置を用いることで、1気圧の窒素雰囲気下であってもAlNの分解や脱離を抑制して高温のアニールを施し、低転位密度のAlNを実現した。この技術を用いることで、簡便に低コストかつ大面積で、高い結晶性のAlNテンプレートを提供することができる。
2019年度に達成した貫通転位密度10^7cm^-2は、世界最高の高い結晶性で有り、LEDの内部量子効率80%以上を達成する意味でのその意義は大きい。また、発光波長263nmの深紫外LEDをこのテンプレート上に作製し、外部量子効率1.7%をon wafer測定で達成した。この値も世界的に非常に高く、低転位密度のAlNテンプレート有効性を示している。
さらに、透過電子顕微鏡を用いた解析により、転位の伝搬機構を明らかにした。本研究で得られて、極めて低転位密度のAlNテンプレートを用いたAlGaN成長では、FFA Sp-AlNテンプレート上で形成されたヒロック構造は、らせん転位や混合転位に起因したスパイラル成長を核として発生しており、FFA Sp-AlNテンプレートのらせん転位および混合転位の密度がMOVPE-AlNテンプレートと比較して極めて低いために、個々の転位に起因したスパイラル成長が巨大化したものであることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
DNAの分解に最も有効は発光波長265nmのLED、タンパク質の分解に有効な発光波長280nmのLEDのそれぞれについて、高光出力を実現するための要素技術開発を行う。加えて、これまでに開発してきたAlNテンプレートの手に園医密度に起因した高い表面平坦性を活用して、高電子移動度電界効果トランジスタを試作し、電子デバイス分野での応用を検討する。以下に開発項目を挙げる。
（1）ナノ構造を利用した高い光取り出し構造の開発が高出力化に不可欠である。サファイアへのナノ凹凸加工、凹凸加工サファイア基板上へのAlN作製条件の最適化を実施する。三重大学では、ナノインプリントを用いたトップダウン法で、分担者の名古屋工業大学では、レーザー誘起加工で簡便にサファイア表面にナノ構造が作製できる可能性があり、その条件の検討を行う。
（2）高い結晶性を有するAlNテンプレート上のAlGaN成長では、格子の緩和やミスフィット転位の形成について、転位の伝搬を調べることにより明らかにする。特に界面での転位の振る舞いは透過電子顕微鏡を用いて詳細に調べる。
（3）AlNテンプレートの高い結晶性により、MOVPEでAlNをホモ成長させた表面は乱れのない原子ステップ構造が得られることが明らかになっている。この表面に分担者の立命館大学でMBE法を用いてGaNおよびAlGaNを形成することで界面の平滑性・急峻性に優れたHEMT構造の作製が期待できる。
本年度は、高温アニールにより形成される高い結晶性を生かしたデバイス形成とその物理の解明を推進する。
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[Journal Article] Room-temperature operation of AlGaN ultraviolet-B laser diode at 298 nm on lattice-relaxed Al0.6Ga0.4N/AlN/sapphire2020
Author(s)
K. Sato, S. Yasue, K. Yamada, S. Tanaka, T. Omori, S. Ishizuka, S. Teramura, Y. Ogino, S. Iwayama, H. Miyake, M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama, I. Akasaki
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 13
Pages: 031004
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Effect of dislocation density on optical gain and internal loss of AlGaN-based ultraviolet-B band lasers2020
Author(s)
S. Tanaka, Y. Kawase, S. Teramura, S. Iwayama, K. Sato, S. Yasue, T. Omori, M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama, I. Akasaki, H. Miyake
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 13
Pages: 045504
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Deep Ultraviolet Light Source from Ultrathin GaN/AlN MQW Structures with Output Power Over 2 Watt2019
Author(s)
Y. Wang, X. Rong, S. Ivanov, V. Jmerik, Z. Chen, H. Wang, T. Wang, P. Wang, P. Jin, Y. Chen, V. Kozlovsky, D. Sviridov, M. Zverev, E. Zhdanova, N. Gamov, V. Studenov, H. Miyake, H. Li, S. Guo, X. Yang, F. Xu, T. Yu, Z. Qin, W. Ge, B. Shen, X. Wang
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Journal Title
Advanced Optical Materials
Volume: 7
Pages: 1801763
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Improvements in structural and optical properties of wafer-scale hexagonal boron nitride film by post-growth annealing2019
Author(s)
SH. Lee, H. Jeong, OF. NgomeOkello, S. Xiao, S. Moon, D. Kim, GY. Kim, JL. Lo, YC. Peng, BM. Cheng, H. Miyake, SY. Choi, JK. Kim
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Journal Title
Scientific reports
Volume: 9
Pages: 1-8
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Raman Scattering Investigation of Strain Evolution?during Surface-Activated Bonding of GaN and Removal of Si substrate2019
Author(s)
R. Tanabe, T. Onodera, M. Uemukai, T. Hikosaka, S. Nunoue, K. Shojiki, H. Miyake, M. Kushimoto, H. Cheong, Y. Honda, H. Amano, R. Katayama
Organizer
The International Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Applications (LEDIA'19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Design of deep ultraviolet second harmonic generation device with double-layer polarity-inverted AlN waveguide2019
Author(s)
A. Yamaguchi, T. Komatsu, K. Ikeda, K. Uesugi, K. Shojiki, H. Miyake, T. Hikosaka, S. Nunoue, T. Morikawa, Y. Fujiwara, T. Tanikawa and R. Katayama
Organizer
38th Electronic Materials Symposium (EMS-38)
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[Presentation] Raman scattering evaluation of strain evolution during surface-activated bonding of GaN and removal of Si substrate2019
Author(s)
R. Tanabe, N. Yokokawa, M. Uemukai, T. Hikosaka, S. Nunoue, K. Shojiki, H. Miyake, M. Kushimoto, H. J. Cheong, Y. Honda, H. Amano, and R. Katayama
Organizer
38th Electronic Materials Symposium (EMS-38)
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