2016 Fiscal Year Annual Research Report
Novel molecular layer epitaxy on a step-free III-nitride surface
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16H03862
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
赤坂 哲也 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 主任研究員 (90393735)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
熊倉 一英 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 特別研究員 (00393736)
後藤 秀樹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主席研究員 (10393795)
鈴木 恭一 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (20393770)
西中 淳一 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 研究員 (40774625)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / 半導体物性 / 量子井戸 / 光デバイス / 電子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１分子層の段差も存在しない窒化物半導体step-free表面を土台にして、窒化物半導体薄膜を１分子層毎に成長を行う分子層エピタキシ(MLE)を開発する。このMLEにより、１分子層の段差もない理想的なヘテロ構造（step-free InN量子井戸やAlGaN/GaN系ヘテロ構造）を作製し、InNの発光機構やGaNの２次元電子ガスのキャリア輸送特性を解明する。step-free InN量子井戸や(GaN)m(InN)1規則混晶（m=1, 2）を発光層とする緑・赤色LEDやAlN/GaN系共鳴トンネルダイオードを作製し、理想的なstep-freeヘテロ界面を有する光素子や電子素子の動作評価を行う。
今年度は、窒化物半導体の中でも一般に成長が難しいInNの結晶成長の検討を行った。まず、InN薄膜成長で広く用いられている(0001)III族極性面のInN薄膜のMOCVD成長を行った。その結果、(0001)III族極性面では窒素が熱脱離しやすく、結晶欠陥が発生してInN薄膜の発光効率が低下する問題があることが分かった。その後、ボンド構造的に窒素が脱離しにくいと期待される(000-1)窒素極性InN薄膜の成長を検討し、窒素極性GaN/InN/GaNダブルヘテロ構造の成長も行った。さらに、step-free AlGaN/GaN系ヘテロ構造の検討も行った。まずは、step-freeではない通常のAlGaN/GaNヘテロ構造をMOCVD法で成長した後、FETトランジスタ素子を作製し、極低温における二次元電子ガスの輸送特性について測定を行った。
英文学術誌J. Cryst. Growth誌に査読付き論文を投稿し、採択された。結晶成長国際会議(ICCGE-18)、および、窒化物半導体国際ワークショップ(IWN2016)にて、口頭発表を行った。応物学会で口頭発表も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
一般に、窒化物半導体の中でも、InNの結晶成長は難しいことが知られているが、本研究においても高い発光効率を有するInN高品質結晶の作製に想定以上の時間がかかっている。しかしながら、結晶品質を改善する可能性の高い結晶成長技術（成長面方位の制御）を考案し、ポジティブな結果も出てきているので、今後のさらなる成果が期待できると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは、(000-1)窒素極性InN薄膜成長の最適化を引き続き行い、さらなる高品質化を目指す。その後、step-free GaN表面を土台として、2-3ML厚の極めて薄いInN薄膜の分子層エピタキシ(MLE)を検討する。新規MLE法を用いて、step-free InN QWの厚みを2および3MLに厳密に制御することによって、量子サイズ効果により量子準位を変化させ、緑色および赤色発光実現を目指す。1MLの段差も存在しない理想的なヘテロ界面を電子素子構造へ応用することによって、産業的な応用と共にキャリア輸送機構解明等の学術貢献が期待される。そこで、step-free界面を有するAlGaN/GaN HEMT構造も成長する。
また、step-free InN QWを用いてInNの発光機構解明を行う。顕微PL、および、時間分解PL測定装置を用いてstep-free InN QW中に生じた励起子の発光ダイナミクスの検討を行う。
さらに、step-freeヘテロ界面を有するAlGaN/GaN、および、AlGaN/AlN/GaNヘテロ構造のキャリア輸送特性に関して、主に極低温におけるホール効果測定法を用いて研究を行う。微小電極を用いたStep-free AlGaN/GaN系ヘテロ構造の極低温ホール効果測定を行い、まずは、理想的な無転位のstep-freeヘテロ界面により、2DEG移動度がどこまで高くなるか検討する。さらに、Shubnikov-de Haas振動や量子ホール効果現象を観察して、Step-free AlGaN/GaN系ヘテロ構造のキャリア輸送特性を解明する。
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