2020 Fiscal Year Research-status Report
In系窒化物半導体ヘテロエピタキシャル成長におけるヘテロ界面制御技術の構築
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20K05348
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
山口 智広 工学院大学, 先進工学部, 准教授 (50454517)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐々木 拓生 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, 主幹研究員(定常) (90586190)
村上 尚 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401455)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | In系窒化物半導体 / ヘテロエピタキシャル成長 / ヘテロ界面 / MBE / X線その場観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、InGaNやIn(Al)GaNを含むIn系窒化物半導体ヘテロエピタキシャル成長におけるヘテロ界面制御技術の構築を目的としている。この「ヘテロ界面」には、成長結晶を高品質に保った状態で格子緩和された基板との界面、および、格子緩和のない高品質結晶からなる量子構造の界面を含むものとする。In系窒化物半導体ヘテロエピタキシャル成長時の界面領域における格子歪み・格子緩和、結晶欠陥の発生とその低減プロセス、界面での原子の置換反応、混晶組成揺らぎの動的挙動の理解と制御技術の構築を通して、ヘテロ界面の制御されたIn系窒化物半導体マトリックス構造を製作し、高い内部量子効率を有する赤色発光の実現をめざしている。
今年度は主に、InGaN成長結晶を高品質に保った状態で格子緩和された基板（GaNテンプレート）との界面を製作することを目的として、InGaN低温バッファ層の挿入、Si層の挿入の効果とそれらの成長メカニズムについて検討・考察を行った。
GaNテンプレート上に成長温度を変えてInGaNを成長させたところ、成長温度を下げるに従いInGaNの緩和率が大きくなることを確認した。この結果を踏まえ、InGaNが成長初期に十分に緩和する成長温度にて低温バッファ層を成長し、その上に、GaN上への直接成長時には十分に歪んだ高品質結晶が得られる成長温度にてInGaN膜成長を行ったところ、成長初期から高い緩和率を持ってInGaN膜成長が行われることを確認した。
また、InGaN成長初期領域にSi層を挿入しても、成長初期から高い緩和率を持って成長が行われることを確認した。Si層を挿入するとInGaN膜の結晶ドメインサイズが小さくなることが確認でき、Si層の挿入は、成長温度を下げた時同様に、原子のマイグレーションを抑制し、結果、緩和率の高い結晶を得やすくしていると考えられる。
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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
現在までのところ、本研究は、おおむね順調に進展している。
ヘテロエピタキシャル成長界面における動的挙動の理解のため、その格子緩和のプロセスを中心に、大型放射光施設SPring-8内にある量研機構のMBE-XRDシステムを用い、in-situ XRD逆格子マッピング測定の他、様々なex-situ測定法を活用し、評価を進めている。
これまでに、GaNテンプレート上へのInGaN成長結晶における格子緩和手法としてのInGaN低温バッファ層の挿入やSi層挿入の有効性を明らかにしている。コロナ禍につき、量研機構のMBE-XRDその場観察システムを用いた実験回数が制限されたが、限られた回数内においても着実に成果を挙げることができている。また、この実験における評価手法としてのin-situ XRD測定の有効性を明らかにしている。
現在、in-situ XRD測定の他、AFM、SEM、XRD等により得られた実験結果を踏まえ、InGaN低温バッファ層の挿入やSi層挿入による結晶性やそれぞれの結晶成長メカニズムについて多角的に検討・考察を進めている。また並行して、工学院大学の汎用的なMBE装置を用いて同様の実験検証を行っており、汎用的なMBE装置を用いてもMBE-XRDシステムを用いた場合と同様の傾向が確認されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
GaNテンプレート上へのInGaN成長結晶における格子緩和手法としてのInGaN低温バッファ層の挿入やSi層挿入の有効性を明らかにしているが、それぞれの手法における緩和プロセスにおいて特有の現象も確認されている。それぞれのメカニズムの理解とともに結晶性との相関性についてさらに深く検討を進めていく。
また、成長結晶を高品質に保った状態で格子緩和された基板との界面の製作検討だけでなく、格子緩和のない高品質結晶からなる量子構造の界面の製作検討も今後進めていく。具体的には、InGaN/InGaN 、In(Al)GaN/InGaNヘテロ構造・量子構造の製作を通して、界面領域における格子歪み・格子緩和、結晶欠陥の発生とその低減プロセス、界面での原子の置換反応、混晶組成揺らぎの動的挙動の理解と制御技術の構築をめざす。
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[Presentation] Study on DERI growth of InGaN/InN heterostructures using in situ XRD RSM measurements2021
Author(s)
T. Araki, N. Goto, H. Tachibana, A. Fukuda, S. Kayamoto, R. Nakamura, K. Matsushima, R. Moriya, S. Yabuta, S. Mouri, T. Sasaki, M. Takahashi, T. Yamaguchi
Organizer
The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
Int'l Joint Research
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[Presentation] In situ XRD RSM measurements in MBE growth of GaInN film with low-temperature GaInN buffer layer2021
Author(s)
T. Yamaguchi, T. Sasaki, T. Kiguchi, S. Ohno, H. Hirukawa, R. Yoshida, T. Onuma, T. Honda, M. Takahasi, T. Araki, Y. Nanishi
Organizer
The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
Int'l Joint Research
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