2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study of trapping/scattering dynamics of carriers in crystal singularity by means of positron annihilation
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06424
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
上殿 明良 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20213374)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大島 永康 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (00391889)
角谷 正友 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主席研究員 (20293607)
石橋 章司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (30356448)
奥村 宏典 筑波大学, 数理物質系, 助教 (80756750)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 陽電子消滅 / 結晶特異構造 / キャリア捕獲 / 点欠陥 / 超格子構造 / 室温PL発光寿命 / 理論計算 / 光熱偏向分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒素極性面AlNを低温で成長した場合、意図せず混入したSi濃度が少なく、リーク電流を低減できることが分かった。低温AlN緩衝層上に成長したSi添加窒素極性面AlN層の電気特性を調べたところ、電気伝導性が得られた。さらに、AlGaN層を用いて分極効果を利用することで、100 mA/mmを超えるトランジスタ動作に成功した。
InGaN薄膜のalloy scatteringの指標として光熱偏向分光法で評価したUrbach energy値が最もよいInGaNとAlGaNとのヘテロ接合界面でシュブニコフドハース振動が観測される程高移動度なInGaN薄膜を実現することができた。また、InGaN薄膜の成長様式をステップフローにすることによって、0.5 μmで室温の発光寿命（キャリアの拡散長）を0.5 nsecまで伸ばすことができた。
開発した垂直型輝度増強システムを用いて、陽電子ビームを径10mm強から数百μmにまで集束することに成功した。マイクロビームのＸＹ走査ソフト開発を行ったことで、試料上の任意の位置にビームを打ち込めることが可能となった。ビーム径の測定はナイフエッジ法で行った。陽電子源から輝度増強システムまでの陽電子ビーム輸送効率とニッケル再減速材の効率を最適化によって、寿命測定を100 cpsまで上げることが出来た。
AlNについて、かなりの量の水素が導入されていると考えられる試料、カソードルミネッセンス測定で窒素位置置換の炭素に起因する強いピークが観測された試料、大量のInを含む試料、などで実験が行われたことを受けて、Al空孔に水素が侵入した欠陥、Al空孔と窒素位置置換の炭素の複合欠陥、Inと窒素空孔クラスタの複合欠陥、などの空孔型欠陥における陽電子状態・消滅パラメータの理論計算を実行し、実験結果と比較することで欠陥種の同定に寄与した。
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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
1100℃の低温で成長した窒素極性面AlN層は、混入するSi濃度を1016 cm-3以下まで低減でき、10 nA/mm以下までリーク電流を低減できた。低温AlN緩衝層上にSi添加AlN層を成長することで、窒素極性面AlN層を用いたMESFET動作に成功した。さらに、低温AlN緩衝層上にAl組成80%のAlGaN層を積層することで、分極効果によってキャリアが誘起され、126 mA/mmまで動作電流を増大できることが分かった。
MOCVDによって各種基板上にGaN薄膜、InGaN薄膜を成長し、AlGaN障壁層との界面を形成してきた。シュブニコフドハース振動を出現するInGaN薄膜や歪を制御したIII-V族窒化物薄膜を陽電子消滅法に適応したりしてきた。また、光熱偏向分光法は電気的・光学的に不活性な試料（特にイオン注入）のギャップ内準位評価をして、陽電子消滅との相関について議論してきた。
電子加速器ベース陽電子源は、電子加速器の劣化とメンテナンス作業によって、利用時間と発生ビーム強度の減少が進行中であるが、これを少しでも補うために新たにＲＩベース陽電子源を開発したため、実験時間を維持することが可能となった。
窒化物半導体（2018年度は特にAlN）について、作成条件を反映した試料の素性を考慮し、想定しうる様々な種類の点欠陥（特に空孔と不純物の複合体）について、臨機応変に（捕獲された）陽電子状態と消滅パラメータの理論計算を遂行してきた。加えて、陽電子の局在性や、消滅パラメータの系統的変化が何を反映しているか。その解明のために、陽電子の感じるポテンシャルや欠陥周囲の化学組成などとの関連の調査も行なった。
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| Strategy for Future Research Activity |
AlN試料への各種イオン注入によるn型化およびp型化を試みる。窒素雰囲気下での高温熱処理後に陽電子消滅法による点欠陥評価を行い、点欠陥の注入イオン種依存性を調べる。また、熱処理温度による不純物の拡散を調べ、AlN層へのイオン注入技術において、再現性の向上を図る。
自立基板GaNバルクやAlNテンプレートなどを用いてInGaN薄膜成長のさらなる高品質化を図る。Mg, Znのp型ドーパントによる補償効果からInGaN薄膜中の残留キャリア濃度を減らし移動度を向上させ、高周波HEMTなどの電子デバイスに展開する。また、PDS測定を顕微鏡下で行えるように装置を開発したり、陽電子消滅法との融合を図りながらIII-V族窒化物の欠陥の学理構築に貢献していく。
陽電子マイクロビームの試料への打ち込む平面場所を変えずに、打ち込み深さのみ制御するため、ビーム軌道を変えずに広範囲を加速するための加速管(1-30keV)を開発する。これにより、狙った局所の欠陥の深さ分布を解析する。
引き続き、自家製計算コードであるQMASの陽電子消滅関連計算機能を用いて、窒化物半導体における様々な点欠陥について、陽電子状態・消滅パラメータを計算し、実験結果との比較を容易にするために構築したデータベースを更新する。さらに、欠陥周囲の局所構造・化学組成と陽電子状態・消滅パラメータの相関とその理由を解明していく。
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[Presentation] In Line and Ex Situ Metrology and Characterization to Enable Area Selective Deposition2019
Author(s)
C. Vallee, M. Bonvalot, B. Pelissier, J.-H. Tortai, S. David, S. belahcen, V. Pesce, M. Jaffal, A. Bsiesy, R. Gassilloud, N. Posseme, T. Grehl, P. Bruner, and A. Uedono
Organizer
American Vacuum Society Int. Sym.
Int'l Joint Research
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