Fe添加AlN薄膜における無極性発現機構の解明とシード層としての応用探索

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04562
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 今田 早紀 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (30397690)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 無極性Ⅲ族窒化物薄 / 窒化アルミニウム / 深紫外発光ダイオード / シード層 / スパッタ法

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、ウルツ鉱型AlN薄膜がFe添加によってa軸単軸配向する機構を解明することを目的としている。研究期間（3年間）の1年目には、基板種依存性を詳細に調べ、これまで用いていたSiO2ガラス基板、Al2O3単結晶基板だけでなく、導電性Si単結晶基板上でもウルツ鉱型無極性(a軸配向)AlFeN薄膜が形成できることを明らかした。このとき、スパッタターゲットとしてAlNの焼結体の上にFeメタルチップを配置したものを用いていた。a軸配向膜を得るための必要なFeメタルチップ数およびFeの取り込み量(Al1-xFexNのx)は、SiO2ガラス基板を用いたときと同じであった。2年目には、一般的なスパッタ成膜法でより広く利用されているメタルターゲットを用いた。ターゲット自身に窒素が含まれないことから、完全反応性スパッタ法である。AlとFeの混合比率を80：20、90:10などとし、ArとN2の混合比率やガス流量などの条件依存性を調べた。これまでに、(1)AlNの焼結体の上にFeメタルチップを配置したターゲットを用いたときよりも低いFe取り込み量でa軸配向膜が得られること、(2)SiO2ガラス基板上よりもSi基板上の方が結晶性のよいa軸配向膜が得られることなどが明らかになった。無極性高効率紫外発光ダイオードを形成するシード層として用いる場合、Fe脱離のためのアニール工程が必要になるが、(1)はこのアニール工程で起こる負荷を低減あるいはアニール工程自体を行わなくてよくなる可能性があることを示す。また(2)は、初期核形成とその後のa軸配向核選択のメカニズムを解明するための極めて重要な情報を与えるものである。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

金属混合ターゲットによってa軸配向膜が得られることを示しただけでなく、AlNターゲットを用いていたときには現れなかった基板依存性があることを見いだした。また、この依存性は成長の初期から顕在化することを、高強度X線回折測定だけでなく軟X線X線吸収端微細構造測定によっても確認した。これらは、初期核形成とその後のa軸配向核選択のメカニズムを解明するための極めて重要な情報を与えるものである。

Strategy for Future Research Activity

Feが膜中に取り込まれることがa軸配向発現に重要なのか、あるいはFeが成長表面に存在することが重要なのかを実験的に解明するため、より詳細な成膜条件依存性を調べる。さらに、第一原理電子状態計算コードFDMNESを用いた共有結合電荷計算を推進し、無極性成長メカニズムの理論的な解明も目指す。