エピタキシャル薄膜における極性構造の原子レベル理解と新機能探索

• 研究課題/領域番号: 14703024
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 無機工業化学
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 角谷 正友 静岡大学, 工学部, 助手 (20293607)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 26,260千円 (直接経費: 20,200千円、間接経費: 6,060千円); 2004年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2003年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2002年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
• キーワード: 窒化物半導体 / 極性構造 / 光触媒効果 / stereo-selective成長 / 硝酸溶液処理 / ウルツ鉱型薄膜 / 価電子帯制御

研究概要

サファイア基板上に成長する窒化物半導体薄膜の極性構造を利用した新機能を探索した結果、可視光に反応する光触媒効果と紫外光に応答する光電効果を見出すことができた。TiO_2やSrTiO_3の光触媒効果よりも高い効果を示すGa面GaN薄膜とInを混晶化することによって、In組成11-30%のInGaN薄膜において可視光での光触媒効果を確認した。その効果はInGaN薄膜の質の向上とともに高くなる傾向があることがわかった。一方、GaN薄膜とAlを混晶化することによって、広バンドギャップを図り、Mg-dope(p型化)Al組成20-30%で320mn以下の光に対して10%以上の高い量子効率の光電効果を確認した。短波長の光に対する高感度センサーの可能性を示した。
1つのサファイア基板上に2つの極性構造の異なるGaN薄膜を同時に成長させる(stereo-selective成長)新しい方法を開発した。これまでサファイア基板を硝酸溶液で処理することによってstereo-selective成長を実現していたが、wetプロセスのために微細化が困難であった。今年度高速電子線回折や電子線描画システムの電子源を高温水素処理したサファイア基板に照射するというdryプロセスによって数μmレベルで微細化されたGaN薄膜のstero-selective成長を実現した。

研究成果

• [雑誌論文] 極性構造から見たGaN薄膜成長におけるサファイア基板上バッファの層の機能 (2005)
  • 著者名/発表者名: 角谷正友, 福家俊郎
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会誌 (accepted)
• [雑誌論文] Effect of treatments of sapphire substrate on growth of GaN film (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Sumiya, S.Fuke
  • 雑誌名: Applied Surface Science (in press)
• [雑誌論文] Repeated temperature modulation epitaxy for p-type doping and light emitting diode based on ZnO (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Tsukazaki et al.
  • 雑誌名: Nature Materials 4 ページ: 42-46
• [産業財産権] サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置 (2005)
  • 発明者名: 角谷 正友, 福家 俊郎
  • 権利者名: 科学技術振興機構, 静岡大学
  • 産業財産権番号: 2005-084264
  • 出願年月日: 2005-03-23
• [文献書誌] M.Sumiya, S.Fuke: "Review of polarity determination and control of GaN"MRS Internet J.of Nitride Semicond.Res. 9. 1-35 (2004)
• [文献書誌] T.Ohsawa, Y.Yamamoto, M.Sumiya, Y.Matsumoto, H.Koinuma: "Combinatorial STM study of Cr deposited on Anatase TiO_2 (001) surface"Langumur. (accepted). (2004)
• [文献書誌] M.Takabe, M.Sumiya, S.Fuke: "HNO_3 treatment of sapphire for management of GaN polarity in MOCVD method : Comparison of the properties of +c and -c GaN region'Systematic analysis and control of low-temperature GaN buffer layers on sapphire substrates"MRS proceeding. (accepted). Y3.3 (2004)
• [文献書誌] M.Sumiya, A.Tsukazaki, S.Fuke, A.Ohtomo, H.Koinuma, M.Kawasaki: "SIMS analysis of ZnO films co-doped with N and Ga by temperature gradient pulsed laser deposition"Applied Surface Science. 223. 206-209 (2004)
• [文献書誌] J-H.Song, Y.-Z.Yoo, T.Skiguchi, T.Nakajima, P.Ahmet, T.Chikyow, K.Okuno, M.Sumiya, H.Koinuma: "Growth of non-polar a-plane III-nitride thin films on Si (100) using non-polar plane butter layer"Phys.Stat.Sol.(c). 0/No. 7. 2520-2524 (2003)
• [文献書誌] 角谷正友(執筆分担): "イオン工学ハンドブック第4章 薄膜形成技術 4.3 CVD技術"(株)イオン工学研究所. 12 (2003)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Quantitative control and detection of heterovalent impurities in ZnO thin films grown by pulse laser deposition"J. Appl. Phys.. 93/5. 2562-2569 (2003)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Systematic analysis and control of low-temperature GaN buffer layers on sapphire substrates"J. Appl. Phys.. 93. 1311-1319 (2003)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Epitaxial growth of GaN film on (La,Sr)(Al,Ta)O_3 (111) substrate by MOCVD using AIN blocking layer"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 5038-5041 (2002)
• [文献書誌] A.Tsukazaki et al.: "Systematic examination of carrier polarity in composition spread ZnO thin films codoped with Ga and N"Appl. Phys. Lett.. 82. 235-237 (2002)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Effect of buffer layer engineering on the polarity of GaN films"J. Vac. Sci. Tech. A. 20. 456-458 (2002)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Reduction of detect density in GaN epilayer having barried Ga metal by metaloganic chemical vapor deposition"J. Crys. Growth. 237-239. 1060-1064 (2002)