2015 Fiscal Year Research-status Report
ＧａＮ結晶のメゾスコピックなスケールでのひずみ場と表面再構成構造の研究
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15K04667
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| Research Institution | Japan Women's University |
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Principal Investigator |
秋本 晃一 日本女子大学, 理学部, 教授 (40262852)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 化合物半導体 / Ｘ線回折 / 結晶工学 / メゾスコピック / 窒化ガリウム / シンクロトロン放射光 / 格子ひずみ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
省電力技術と地球環境問題への貢献において大いに期待されるワイドギャップ半導体であるＧａＮは、光デバイスばかりでなく電子デバイスとしての期待も大きい。しかし、電子デバイスへの応用に際しては、さらなる結晶欠陥の低減が必要とされている。さらに欠陥の種類や数の同定だけでなく、欠陥周辺の広い範囲での微小なひずみ場の測定も求められている。本研究では、微小に傾いたμｍオーダーのメゾスコピックなスケールの結晶グレインの解明および制御がＧａＮ結晶のさらなる結晶性の向上の鍵をにぎると考え、その詳細を明らかにすることを目的とする。また、GaN結晶の表面再構成構造の解明が表面近傍のひずみとともに、その後の基板上の薄膜成長に大きな影響を与えると考え、その関係を明らかにすることも目的としている。
高エネルギー加速器研究機構の放射光研究施設のシンクロトロン放射光を利用し、Ｘ線トポグラフの撮影にＣＣＤカメラを用い、トポグラフ像を詳細に解析することにより、ｍ面及びｃ面のＧａＮ結晶についてμｍオーダーでの結晶面の傾きのずれ（⊿θ）と結晶の面間隔の伸縮（⊿ｄ）を分離し画像として可視化した。
本年度は、欠陥密度の少ない、アモノサーマル法で作製されたＧａＮ基板上にハイドライド気相エピタキシャル成長法（ＨＶＰＥ法）でＧａＮ薄膜を成長させたＧａＮ結晶の断面試料について、結晶面の傾きと面間隔のずれを分離し画像化して可視化した。特にａ断面とｃ断面についてその違いを考察した。また、断面試料の成長界面付近のひずみが薄膜成長とともにどのように伝播していくかについて考察した。
さらに、本年度は新たに超高真空装置を立ち上げ、計2台の超高真空装置を用いて、結晶性の良好なＨＶＰＥ法で成長されたＧａＮ結晶の表面構造を超高真空中で室温から1000℃まで加熱しながら、反射高速電子回折装置で観察し、構造変化について考察した。
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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
シンクロトロン放射光を用いたＸ線トポグラフィーの手法でメゾスコッピクなスケールで結晶面の傾きのずれ（Δθ）と面間隔の伸縮（Δd/ｄ）を分離し測定する実験については順調に行うことができた。さらに広い面積の変化を観察するための、評価面積のさらなる大面積化についても解析方法の手がかりを得た。
反射高速電子回折法(ＲＨＥＥＤ)による表面再構成構造解析に関する研究については、電子線の試料への入射角依存性を詳しく調べる必要があることがわかり、試料回転機構のさらなる高精度化が必要であることが判明した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に得られた結果を基にして、GaN結晶の表面近傍のひずみに関する研究を行う。GaN結晶の表面近傍のひずみはその後の結晶成長に大きな影響を与え、デバイス特性にも影響を与える可能性がある。本研究では、結晶の研磨や表面処理に着目し、表面近傍のひずみを測定する方法の一つである極端に非対称なX線回折法により研究を行う。GaN結晶のc面の場合、103反射で波長0.155nmのＸ線を用いると極端に非対称なＸ線回折の光学系が実現でき、m面の場合、203反射で波長0.135nmのＸ線を用いると極端に非対称なＸ線回折の光学系が実現できる。用いるＸ線の波長を変えることにより、結晶への侵入深さを自由に制御できる。このＸ線光学系を用いて各種の研磨条件あるいは表面処理条件による表面近傍のひずみの違いを深さを特定して定量化する。定量化には動力学的回折理論を必要とするが、動力学的回折理論に基づく計算についての研究を開始し、最適な実験条件を明らかにし、実験を行う。
また、Ｘ線トポグラフィー法による結晶グレインに関する研究も前年度に引き続き行い、極端に非対称なＸ線回折法の実験結果と照らし合わせ検討する。
表面近傍の構造について前年度に引き続き、表面再構成構造に着目し、反射高速電子線を用いて研究を行う。特に構造を詳細に研究するために、精密な試料回転機構を新たに取り付ける。
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| Causes of Carryover |
超高真空中での電子線を用いた研究の必要性は、Ｘ線トポグラフによるひずみについての研究が進展するにつれ次第に明らかになってきたものである。特にアモノサーマル法で作製されたＧａＮ基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮ薄膜を成長させた試料には、他の半導体のホモエピタキシャル成長では考えられない大きなひずみが発生している。この問題の解決が、今後のＧａＮ研究の将来を左右すると考え、電子線による表面構造の研究を開始した。表面構造研究のために用いる超高真空装置の開発には当初予定していた研究費より多額の研究費が必要であると見積もられ、これが次年度に使用する研究費が生じた理由である
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
表面近傍のひずみの研究を、その後の結晶のそり等に大きな影響を与えると考えられる結晶成長初期過程について電子線を用いて研究を遂行するために、超高真空装置及び電子回折装置の整備を昨年度に引き続き行う。特に、試料の精密回転機構の整備を行う。さらに、試料に含まれる不純物原子の種類及び結合状態の情報を、解析結果の解釈が簡単な、熱脱離の実験により得るため、そのための装置を整備する。また、その際用いる通電加熱による試料加熱装置も試作する。
Ｘ線トポグラフの解析においては、μｍオーダーでの結晶面の傾きのずれ（⊿θ）と結晶の面間隔の伸縮（⊿ｄ）の分離を行う際、さらに試料全体の大きなひずみを解析する際、解析位置をＣＣＤのピクセル単位で特定することを迅速に行うための画像処理ソフトおよび解析用コンピュータを昨年度に引き続き整備する。
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Research Products
(4 results)
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[Presentation] Characterization of GaN Crystals with X-ray topography2015
Author(s)
Satoko Miyakawa, Emiko Inoue, Yuko Kitano, Koichi Akimoto
Organizer
Joint Symposium 2015, Ewha Womans University, Japan Women’s University and Ochanomizu University for the promotion and research for women in science
Place of Presentation
Ewha Womans University (Seoul, Korea)
Year and Date
2015-12-08 – 2015-12-10
Int'l Joint Research
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