加工Si基板上への非極性面GaNの選択MOVPE成長に関する研究

• Project/Area Number: 10J08362
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied materials science/Crystal engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 谷川 智之 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000); Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2010: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: GaN / InGaN / MOVPE / 半極性 / 選択成長 / Si基板 / LED/LD / 誘導放出 / 窒化物半導体 / 半極性・非極性

Research Abstract

10^6cm^<-2>以下となる半極性(1-101)GaN/Siストライプを作製し、その上に発光波長が青色(λ=422nm)から緑色(λ=540nm)のInGaN/GaN多重量子井戸を作製し、PLによって内部量子効率の評価を行った。下地結晶の高品質を反映し、輻射再結合が支配的となる優れた発光特性を有していた。内部量子効率は青色で90%以上と高い値を示した。しかしながら発光波長が長波長になるにつれて内部量子効率の低下が見られた。断面TEM解析およびXRD測定から、InGaN中のIn組成が高くなると量子井戸程度の幅で格子緩和し、積層欠陥が導入されることが分かった。また導波路構造を作製し、波長420nmにおいてシリコン基板上としては世界初の誘導放出高を得た。しかしながら緑色では誘導放出光は得られず、格子緩和による欠陥が影響しているものと思われる。
そこで発光層における格子緩和を回避すべく下地層をGaNからInGaNに変更することを提案した。従来の(0001)面上にInGaNを厚く成長した場合、表面は{1-101}ファセットで構成されたピットにより平坦な面を得られなかった。一方で半極性(1-101)GaNを下地層として用いると、厚膜を成長しても表面にはピットは見られず平坦性に優れた結晶であることが分かった。このInGaNに対しXRD測定とAFM測定により成長過程の詳細な解析を行った。半極性面上のInGaNはまず初めにc軸方向にチルトを伴う格子緩和を生じ、次いでa軸方向に格子定数が増大する二段階の過程であることが分かった。表面は格子緩和時に三角形状のグレイン構造を形成するが、膜厚の増大に伴いグレインサイズが大きくなる、平坦化プロセスを確認した。今後、半極性InGaN中の転位や積層欠陥の発生・消滅機構を明らかにすることで高品質InGaN結晶および高効率緑色発光素子の実現が期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Strain relaxation in thick (1-101) InGaN grown on GaN/Si substrate (2012)
  • Author(s): T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano, N.Sawaki
  • Journal Title: phys.stat.sol.(b) Volume: 249 Issue: 3 Pages: 468-471
  • DOI: 10.1002/pssb.201100445
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In Situ Void Formation Technique Using AIN Shell Structure on GaN Stripes Grown on C-sapphire Substrates (2012)
  • Author(s): T.Mitsunari, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: phys.stat.sol.(c) Volume: 9 Issue: 3-4 Pages: 480-483
  • DOI: 10.1002/pssc.201100502
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical properties of (1-101) InGaN/GaN MQW stripe laser structure on Si substrate (2011)
  • Author(s): T.Murase, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: phys.stat.sol.(c) Volume: 8 Issue: 7-8 Pages: 2160-2162
  • DOI: 10.1002/pssc.201000990
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective MOVPE growth of InGaN/GaN MQW on microfacet GaN stripes (2011)
  • Author(s): T.Tanikawa, T.Murase, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: phys.stat.sol.(c) Volume: 8 Issue: 7-8 Pages: 2038-2040
  • DOI: 10.1002/pssc.201000995
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Drastic Reduction of Dislocation Density in Semipolar (11-22) GaN Stripe Crystal on Si Substrate by Dual Selective Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (2011)
  • Author(s): T.Murase, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: Jpn.Appl.Phys. Volume: 50
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of lateral vapor phase diffusion during the selective growth of InGaN/GaN MQW on semipolar and nonpolar GaN stripes (2011)
  • Author(s): T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: phys.stat.sol.(a) Volume: (印刷中 未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective MOVPE growth of InGaN/GaN MQW on microfacet GaN stripes (2011)
  • Author(s): T.Tanikawa, T.Murase, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: phys.stat.sol(c) Volume: (accepted 未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical Properties of (1-101) InGaN/GaN MQW Stripe Laser Structure on a Si Substrate (2011)
  • Author(s): T.Murase, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Journal Title: phys.stat.sol(c) Volume: (accepted 未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Partial strain relaxation by stacking fault generation in InGaN multiple quantum wells grown on (1-101) semipolar GaN (2011)
  • Author(s): Z.H.Wu, T.Tanikawa, T.Murase, Y.-Y.Fang, C.Q.Chen, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano, N.Sawaki;
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett Volume: 98 Pages: 51902-51905
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 加圧MOVPE法によるInxGa1-xN結晶成長 (2012)
  • Author(s): 坂倉誠也, 土井友博, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-18
• [Presentation] GaNの昇華を用いた選択領域AlN/Air反射構造の作製 (2012)
  • Author(s): 光成正, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] Reduction of dislocations and residual stress in GaN grown on patterned Si substrate (2011)
  • Author(s): T.Tanikawa, T.Mitsunari, M.Kushimoto, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano, N.Sawaki
  • Organizer: 11th Akasaki Research Center Symposium
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県)
  • Year and Date: 2011-12-09
• [Presentation] 加工Si基板上(1-101)InGaN/GaN MQWストライプの偏光特性 (2011)
  • Author(s): 久志本真希, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-09-01
• [Presentation] (1-101)GaN/Si上InGaN厚膜のMOVPE成長 (2011)
  • Author(s): 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] AlN/GaN多層膜反射鏡の高反射率化 (2011)
  • Author(s): 矢木康太、加賀充、山下浩司、竹田健一郎、谷川智之、岩谷素顕、竹内哲也、上山智、赤崎勇、天野浩
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-08-31
• [Presentation] AlGaN系紫外発光素子の通電特性 (2011)
  • Author(s): 朴貴珍, 杉山貴之, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩, 稲津哲彦, 藤田武彦, ペルノー シリル, 平野光
  • Organizer: 信学会電子デバイス(ED)研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県)
  • Year and Date: 2011-08-20
• [Presentation] (1-101)GaN/Si上InGaN厚膜のMOVPE成長 (2011)
  • Author(s): 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩, 澤木宣彦
  • Organizer: 信学会電子デバイス(ED)研究会
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県)
  • Year and Date: 2011-08-19
• [Presentation] Lattice relaxation in semipolar (1-101) InGaN/GaN on silicon substrates (2011)
  • Author(s): T.Tanikawa, S.Sakakura, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Organizer: 第30回電子材料シンポジウム
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖(滋賀県)
  • Year and Date: 2011-07-29
• [Presentation] Reduction of residual stress of GaN on Si(111) substrates using void formation techniques (2011)
  • Author(s): T.Mitsunari, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Organizer: 第30回電子材料シンポジウム
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖(滋賀県)
  • Year and Date: 2011-07-29
• [Presentation] Strain relaxation in thick (1-101) InGaN grown on GaN/Si substrate (2011)
  • Author(s): T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano, N.Sawaki
  • Organizer: 9th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-9)
  • Place of Presentation: SECC(スコットランド・エキシビション&コンファレンスセンター)(グラスゴー、イギリス)
  • Year and Date: 2011-07-12
• [Presentation] Growth of AlInN by raised-pressure metalorganic vapor phase epitaxy (2011)
  • Author(s): A.Mishima, T.Makino, M.Iwaya, T.Takeuchi, S.Kamiyama, I.Akasaki, S.Sakakura, T.Tanikawa, Y.Honda, H.Amano
  • Organizer: 9th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-9)
  • Place of Presentation: SECC(スコットランド・エキシビション&コンファレンスセンター)(グラスゴー、イギリス)
  • Year and Date: 2011-07-12
• [Presentation] In Situ Void Formation Technique Using AlN Shell Structure on GaN Stripes Grown on C-sapphire Substrates (2011)
  • Author(s): T.Mitsunari, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Organizer: 9th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-9)
  • Place of Presentation: SECC(スコットランド・エキシビション&コンファレンスセンター)(グラスゴー、イギリス)
  • Year and Date: 2011-07-12
• [Presentation] HVPE成長を用いた微細加工Si基板上半極性GaN自立基板の作製 (2011)
  • Author(s): 平林了, 光成正, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノ構造・エピタキシャル成長分科会第3回窒化物半導体結晶成長講演会「窒化物半導体の応用・評価および結晶成長基礎」
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県)
  • Year and Date: 2011-06-18
• [Presentation] 加圧MOVPE法を用いたAlInNの結晶成長 (2011)
  • Author(s): 二嶋晃、牧野貴文、岩谷素顕、竹内哲也、上山智、赤崎勇、坂倉誠也、谷川智之、本田善央、天野浩
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノ構造・エピタキシャル成長分科会第3回窒化物半導体結晶成長講演会「窒化物半導体の応用・評価および結晶成長基礎」
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県)
  • Year and Date: 2011-06-17
• [Presentation] 加圧MOVPE法によるInGaN/GaN MQW構造のIn組成揺らぎの改善 (2011)
  • Author(s): 大畑俊也, 坂倉誠也, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノ構造・エピタキシャル成長分科会第3回窒化物半導体結晶成長講演会「窒化物半導体の応用・評価および結晶成長基礎」
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県)
  • Year and Date: 2011-06-17
• [Presentation] 組成および井戸層厚を変調させたInGaN擬周期構造に関する研究 (2011)
  • Author(s): 坂倉誠也, 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノ構造・エピタキシャル成長分科会第3回窒化物半導体結晶成長講演会「窒化物半導体の応用・評価および結晶成長基礎」
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県)
  • Year and Date: 2011-06-17
• [Presentation] Internal quantum efficiency of nitride-basedlight emitting devices (2011)
  • Author(s): H.Amano, T.Tabata, G.J.Park, T.Murase, T.Sugiyama, T.Tanikawa, Y.Kawai, Y.Honda, M.Yamaguchi, K.Takeda, M.Iwayama, T.Takeuchi, I.Akasaki, M.Imade, Y.Kitaoka, Y.Mori
  • Organizer: 5th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS-2011)
  • Place of Presentation: 鳥羽国際ホテル(三重県)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] Reduction of residual stress of GaN on Si(111) substrates using void formation techniques (2011)
  • Author(s): T.Mitsunari, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Organizer: 5th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors (APWS-2011)
  • Place of Presentation: 鳥羽国際ホテル(三重県)
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] High temperature MOVPE of AlGaN for UV/DUV devices and increased pressure MOVPE of InGaN for green/yellow devices (2011)
  • Author(s): H.Amano, T.Ohata, S.Sakakura, T.Sugiyama, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, N.Miyoshi, M.Imade, Y.Mori, K.Ban, M.Iwaya, T.Takeuchi, S.Kamiyama, I.Akasaki
  • Organizer: E-MRS 2011 Spring Meeting
  • Place of Presentation: Congress Center,ニース(フランス)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-10
• [Presentation] IQE and EQE of the nitride-based UV/DUV LEDs (2011)
  • Author(s): H.Amano, G.J.Park, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, K.Ban, K.Nagata, K.Nonaka, K.Takeda, M.Iwaya, T.Takeuchi, S.Kamiyama, I.Akasaki
  • Organizer: CLEO:2011
  • Place of Presentation: バルチモア(アメリカ)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-03
• [Presentation] マイクロファセットGaNストライプ上へのInGaN選択成長 (2010)
  • Author(s): 谷川智之, 村瀬輔, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 応用物理学会結晶工学分科会主催2010年・年末講演会「エレクトロニクスの将来ビジョン～発展史マップとアカデミックロードマップ～&若手ポスター発表会」
  • Place of Presentation: 東京都(学習院大学)
  • Year and Date: 2010-12-17
• [Presentation] Selective MOVPE Growth of InGaN/GaN MQW on Microfacet GaN Stripes (2010)
  • Author(s): T.Tanikawa, T.Murase, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Organizer: International Workshop on Nitride semiconductors (IWN2010)
  • Place of Presentation: フロリダ州タンパ(USA)
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Optical Properties of (1-101)InGaN/GaN MQW Stripe Laser Structure on a Si Substrate (2010)
  • Author(s): T.Murase, T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano
  • Organizer: International Workshop on Nitride semiconductors(IWN2010)
  • Place of Presentation: フロリダ州タンパ(USA)
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] 半極性面GaNストライプ上InGaN/GaN MQW のMOVPE選択成長(II) (2010)
  • Author(s): 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 第71回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 長崎大学文教キャンパス(長崎県長崎市)
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] Effect of lateral vapor-phase diffusion in the selective MOVPE of InGaN/GaN MQW on GaN microfacet structure (2010)
  • Author(s): T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi, H.Amano, N.Sawaki
  • Organizer: 第29回電子材料シンポジウム 29th Electronic Materials Symposium(EMS-29)
  • Place of Presentation: 静岡県伊豆市
  • Year and Date: 2010-07-14
• [Presentation] Effect of lateral vapor-phase diffusion during the selective growth of InGaN/GaN MQW on semi-polar and non-polar GaN stripes (2010)
  • Author(s): T.Tanikawa, Y.Honda, M.Yamaguchi
  • Organizer: Third International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-3)
  • Place of Presentation: モンペリエ(フランス)
  • Year and Date: 2010-07-06
• [Presentation] 半極性、非極性GaNストライプ上InGaN/GaN MQWのMOVPE成長 (2010)
  • Author(s): 谷川智之, 本田善央, 山口雅史, 天野浩
  • Organizer: 日本結晶成長学会ナノ構造・エピタキシャル成長分科会 第2回窒化物半導体結晶成長講演会「窒化物半導体結晶成長の新しい流れ」
  • Place of Presentation: 三重県津市(三重大学)
  • Year and Date: 2010-05-14