2016 Fiscal Year Annual Research Report
Crystal Growth of N-polar Nitride Semiconductor Heterostructures with Two-Dimensional Electron Gas
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16H03857
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
松岡 隆志 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (40393730)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷川 智之 東北大学, 金属材料研究所, 講師 (90633537)
花田 貴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80211481)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / 有機金属気相成長 / N極性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
青色LEDを構成する窒化物半導体InGaAlNは、ウルツ鉱型結晶構造を有する。市販LED等の結晶は、通常、ｃ面上に成長されている。このとき、結晶には極性が存在し、この極性が結晶中の分極電界やInの取り込み効率を左右し、結果的に結晶特性や素子特性を決定づける。Ga極性成長が一般に行われているが、申請者は、N極性成長を提案し、2006年にはN極性GaN成長を実現している。本研究では、赤色LEDを目指した高In組成InGaN,高周波動作の期待されている逆HEMT構造、フォトキャリアの高い引き出し効率の期待されている太陽電池、および、安価なGaN自立基板の実現を狙いとして、有機金属気相成長（MOVPE成長）による各種組成の単層の積層技術およびヘテロ接合成長技術の実現を目的とする。
平成２８年度は、N極性GaNの高品質化として残留キャリア濃度低減を試みた。サファイア基板上にMOVPE法によりN極性GaN薄膜を成長し、不純物濃度を二次イオン質量分析により評価し、電気伝導特性をホール効果測定により評価した。二次イオン質量分析から、N極性GaN薄膜には高濃度の酸素が混入することが分かり、酸素濃度を下げるためのMOVPE成長条件の最適化を行った。その結果、1立方センチメートルあたりの残留キャリア濃度を10×10の17乗程度まで低減した。次に、高品質AlGaNの成長条件を探索した。N極性AlGaN成長においては、三次元成長やクラックの発生が頻繁に生じるので、歪成長を可能な膜厚および組成域に設計して結晶成長を行い、クラックフリーで平坦なAlGaN膜を得ることができた。N極性GaN/AlGaN/GaN逆HEMT構造を作製し、ホール効果測定を行ったところ、二次元電子ガス特有の高キャリア濃度かつ高移動度の特性が得られた。
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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
平成２８年度の実施計画として、N極性GaNの高品質化として残留キャリア濃度の低減と、高品質AlGaN成長条件の確立を目的として設定していた。残留キャリア濃度の低減については、二次イオン質量分析などを通じて酸素濃度の低減が必須であることを見出し、結晶成長条件の見直しを行った。その結果、1立方センチメートルあたりの酸素濃度が2×10の18乗から3×10の17乗まで低減することができ、当初の目標を達成した。AlGaN成長については、気相反応を抑制するために減圧雰囲気で結晶成長を実施し、V/III比や成長速度の最適化を行った。同時に、AlGaNの膜厚が臨海膜厚に到達すると高密度のクラックが発生したため、組成や膜厚の最適化を行った。その結果、AlNモル分率0.20程度、膜厚30 nm程度でクラックフリーのAlGaN膜を作製することができた。原子間力顕微鏡観察により、表面には原子ステップが見られ、ステップフロー成長が促進されていることが分かった。以上より、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度は、平成２８年度に成長技術を確立したAlGaN上へInGaNを成長し、両層の界面に生じる二次元電子ガスの特性向上を図る。まず、InGaN成長条件の最適化による表面平坦性と結晶性の確保を行う。ここでは、高温成長材料であるAlGaN薄膜上に低温成長材料であるInGaNを成長するため、AlGaNの結晶性を損なわずにInGaNを成長できると考えられる。界面平坦性を実現するためには、InGaN成長開始直前の成長雰囲気の調整が重要と考えられる。次に、InGaN/AlGaN界面の二次元電子ガスの移動度を評価する。透過電子顕微鏡などを用いて界面の平坦性と組成変化の急峻性を評価しながら、移動度3,000cm2/Vsを達成する結晶成長技術の確立を目指す。その後、InGaNにおけるIn組成およびAlGaNにおけるAl組成と、二次元電子ガスの移動度との関係を明らかにする。
平成３０年度は、29年度までに確立した技術を用いて、高品質結晶の成長期待できるScAlMgO4（SCAM）やGaN自立基板を新たに導入し、InGaN/AlGaNからなるHEMT構造の高品質化を図る。SCAM基板のGaNに対する格子不整は1.8%であり、サファイアの13.8%に較べて一桁近く小さい。このSCAMの導入によって、従来から報告されているGaN自立基板上のAlGaN/GaN構造の二次元電子ガスの移動度より遙かに高い値を目指す。
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[Journal Article] MOVPE growth of N-polar GaN/AlGaN/GaN heterostructure on small off-cut substrate for flat interface2016
Author(s)
K. Prasertsuk, S. Tanaka, T. Tanikawa, K. Shojiki, T. Kimura, A. Miura, R. Nonoda, F. Hemmi, S. Kuboya, R. Katayama, T. Suemitsu, T. Matsuoka
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Journal Title
2016 Compound Semiconductor Week, CSW 2016
Volume: -
Pages: -
DOI
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[Presentation] MOVPE Growth of N-polar GaN/AlGaN/GaN Heterostructure on Small Off-cut Substrate for Flat Interface2016
Author(s)
K. Prasertsuk, S. Tanaka, T. Tanikawa, K. Shojiki, T. Kimura, A. Miura, R. Nonoda, F. Hemmi, S. Kuboya, R. Katayama, T. Suemitsu, and T. Matsuoka
Organizer
Compound Semiconductor Week 2016
Place of Presentation
富山国際会議場, 富山
Year and Date
2016-06-26 – 2016-06-30
Int'l Joint Research
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