六方晶系ワイドギャップ化合物半導体の極性制御による光電子物性の飛躍的改善の研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450121
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 吉川 明彦 千葉大学, 工学部, 教授 (20016603)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 保 木更津工業高等専門学校, 講師 (80233378) ; 石谷 善博 千葉大学, 工学部, 助教授 (60291481)
• Keywords: -族窒化物 / エピタキシー / 結晶極性 / ワイドギャップ化合物半導体 / 窒化ガリウム / 窒化アルミニュウム / 酸化亜鉛 / 分子線エピタキシー

Research Abstract

研究の初年度として、成膜初期過程におけるエピタキシプロセスを詳しく解析した。まず、(1)GaNとZnOともに基板として使用しているc面サファイア基板結晶の超高真空中(MBE)および水素雰囲気中(MOVPE)での熱処理が表面ストイキオメトリに与える影響をCAICISSにより詳細に検討した。その結果、サファイア表面はどちらの場合も1から2モノ層程度のAlで覆われる事を確認した。さらに、この表面を窒化した場合とその上に成膜したAlN層を詳しく解析し、窒素(-C)極性となることをCAICISSで確認した。次に(2)MBE法での窒化したサファイア基板上へのGaNおよびAlNバッファ層の極性制御機構への表面ストイキオメトリの影響を詳しく解析した。その結果、AlNの場合はほんのわずかなAlリッチ状態で容易にAl(+C)極性に転換するが、かなり広い表面ストイキオメトリ範囲で下地の結晶極性が保存されることが明らかになった。(3)MBE法でのZnO成膜については、サファイア基板表面のH原子およびO原子ビーム処理による表面ストイキオメトリ制御、およびこれに引き続く表面の1から数モノ層のGa修飾、さらに表面窒化が、ZnO膜の結晶回転ドメイン構造、結晶極性、および結晶の電気的光学的特性に与える影響を詳しく検討した。その結果、まず表面がAlリッチになると、そのAl結晶ドメインの3つのマイクロ構造を反映してZnOにも3つの回転ドメイン構造が現れること、さらに、酸素終端表面は不安定であるために、この表面を数モノ層のGaで修飾することが極めて有効であり、これによりZn(+C)極性のZnOとなり、回転ドメイン構造発生を完全に抑制できることを示した。また、窒素化処理によるO(-C)極性膜となることを示した。

Research Products

• [Publications] Yoshitaka Taniyasu, Akihiko Yoshikawa: "In-situ Monitoring of Surface Stoichiometry and Growth Kinetics Study of GaN(0001)in MOVPE by Spectroscopic Ellipsometry"J.Electronic Materials. vol.30,No.11. 1402-1407 (2001)
• [Publications] K.Xu, N.Yano, A.W.Jia, A.Yoshikawa, K.Takahashi: "Kinetic process in polarity selection of GaN grown by RF-MBE"Phys.Stat.Sol.(b). vol.228,No.2. 523-527 (2001)
• [Publications] A.Yoshikawa, K.Takahashi: "A New"Three-Step Method"for High Quality MOVPE Growth of III-Nitrides on Sapphire"Phys.Stat.Sol.(b). vol.228,No.2. 625-628 (2001)
• [Publications] K.Xu, N.Yano, A.W.Jia, K.Takahashi, A.Yoshikawa: "Polarity Control of GaN Grown on Sapphire Substrate by RF-MBE"J.Crystal Growth. vol.227-228. 404-409 (2001)
• [Publications] H.Hayashi, A.Hayashida, A.Jia, K.Takahashi, A.Yoshikawa: J.Crystal Growth. vol.237-239. 99-103 (2002)
• [Publications] K.Xu, N.Yano, A.W.Jia, K.Takahashi, A.Yoshikawa: "In-situ Real-time Analysis on Strain Relaxation Process in GaN Growth on Sapphire by RF-MBE"J.Crystal Growth. vol.237-239. 94-98 (2002)
• [Publications] B.L.Liu, M.Lachab, A.Jia, A.Yoshikawa, K.Takahashi: "MOCVD growth of device-quality GaN on sapphire using a three-step approach"J.Crystal Growth. vol.234. 637-645 (2002)
• [Publications] Akihiko Yoshikawa, Ke Xu: "Polarity selection process and polarity manipulation of GaN in MOVPE and RF-MBE growth"Thin Solid Films. (in press). (2002)
• [Publications] Akihiko Yoshikawa, Ke Xu, Yoshitaka Taniyasu, Kiyoshi Takahashi: "Spectroscopic Ellipsometry In-situ Monitoring/control of GaN Epitaxial Growth in MOVPE and MBE"Phys.Solid Status(a). (in press). (2002)
• [Publications] D.H.Lim, K.Xu, S.Arima, A.Yoshikawa, K.Takahashi: "Polarity inversion of GaN films by trimethyl-aluminum preflow in low-pressure MOVPE growth"J.Appl.Phys. Vol.90,No.7(in press). (2002)
• [Publications] K.Xu, D.H.Lim, B.L.Liu, X.L.Du, A.W.Jia, A.Yoshikawa: "Atomic force microscopy study of GaN grown on Al2O3(0001)by LP-MOVPE"Mat.Res.Soc.Symp. Vol.639,G3.28. 1-5 (2001)
• [Publications] A.Yoshikawa, K.Xu: "Study on polarity manipulation processes of III-nitrides in MOVPE and RF-MBE growth"Proceedings of The 6^<th> China-Japan Symposium on Thin Films Growth. 55-58 (2001)
• [Publications] A.Yoshikawa, K.Xu, A.W.Jia, K.Takahashi: "Polarity-controlled growth of GaN on Sapphire Substrate by MOVPE and RF-MBE"Proceedings of China-Japan Workshop on Nitride Semiconductor Materials and Devices. 17-19 (2001)
• [Publications] X.L.Du, D.H.Lim, K.Xu, B.L.Liu, A.W.Jia, K.Takahashi, A.Yoshikawa: "Cross-sectional Cathodoluminescence Study in Ga-polar and N-polar GaN Epilayers"Mat.Res.Soc.Symp.. Vol.639,G6.16. 1-6 (2001)
• [Publications] K.Xu, N.Yano, A.W.Jia, A.Yoshikawa, K.Takahashi: "In-situ monitoring and control of RF-MBE growth for high quality III-nitrides"JSPS meeting of 162nd Committee and 125 committee. (2001)
• [Publications] K.Xu, W.Terashima, T.Hata, Y.Ishitani, A.Yoshikawa: "Heteroepitaxy and polarity control of GaN in RF-MBE growth"JSPS meeting of 162nd Committee. (2001)