2020 Fiscal Year Annual Research Report
Polarity selection mechanism of III-nitride semiconductor epitaxial films
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18K04933
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
花田 貴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80211481)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / 極性面 / エピタキシャル成長 / 表面構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
GaN窒素極性面の有機金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)で貫通螺旋転位を巻きながらステップが生成されていく螺旋成長速度の実測値を再現可能なモデルを提案した。螺旋成長により形成されたGaNの六角ピラミッド状ヒロックの中心にある転位芯からある程度離れた位置では，ステップ間隔がほぼ一定となる．頂点付近を除いた大部分の斜面がこのステップ間隔のステップフロー成長をする．ステップ・キンクの前進による結晶成長では、キンクでの結晶化に伴ってGaアドアトムとNH3からGaNと3/2水素分子が生成される。この反応前後でのギブス自由エネルギーのバランスとガリウム・窒素のステップキンクへの取り込み速度のバランスの2条件から、Gaアドアトムの平衡被覆率とNH3の平衡圧力が定められる。ステップ間隔は過飽和度が大きくなるにしたがって減少し，ヒロックの表面はオフ角の大きな微傾斜面と同様になり，成長速度も大きくなる。その結果，螺旋成長速度は有機金属流量とそれによる過飽和度の増加に伴い，平均ステップ間距離が一定な微傾斜基板上の成長よりも急激に増加する。多くの成長実験で報告されているように，過飽和度が低い場合は，傾斜角が小さくても微傾斜面上の成長速度が螺旋成長より速くなり螺旋成長に伴った六角ヒロックの形成が抑制されるが，過飽和度を高くするに従い平坦性を保つためにより大きな傾斜角が必要になる。このようなモデルによって成長実験で報告されている成長速度と定量的に一致させることができた。β酸化ガリウム(-201)表面は酸素原子が三角格子状に配列し、格子定数がGaNのそれに近いため、GaN極性面エピタキシャル成長基板となる。超高真空中でこの表面の加熱清浄化を行い長距離秩序を持つ平坦表面が得られることを反射高速電子回折で確認した。回折強度の方位角依存性を測定し、計算との比較を行い構造解析を進めている。
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