窒化物半導体常圧液相成長の研究

研究課題

研究課題/領域番号	22K04954
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分30010:結晶工学関連
研究機関	明星大学
研究代表者	赤坂哲也明星大学, 理工学部, 教授 (90393735)
研究期間 (年度)	2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円) 2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円) 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円) 2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワード	窒化ガリウム / 常圧液相成長 / 薄膜 / エピタキシ / 表面形状 / 窒化物半導体 / 液相成長 / 常圧
研究開始時の研究の概要	常圧の窒素雰囲気下、溶融Ga中で窒化物半導体薄膜を作製する常圧液相成長法は、極めて新規性の高い研究テーマである。本研究では、窒化ガリウム(GaN)の常圧液相成長法の各種作製パラメータを変化させて作製したGaN薄膜の表面モフォロジ、結晶性、および、光学的・電気的特性を系統的に評価し、作製パラメータの最適化を行う。さらに、研究代表者等が独自に発展させてきた結晶成長機構解明手法をGaN常圧液相成長に応用し、常圧液相成長の成長機構解明を目指す。最後に、いまだ報告もないInGaN混晶薄膜の常圧液相成長にもチャレンジし、窒化物半導体常圧液相成長法の応用範囲の拡大を狙う。
研究実績の概要	窒化物半導体の常圧液相成長は極めて新規性の高い研究課題であり、最適な成長条件や成長可能な基板に関する知見も十分得られていない。成長用基板としてはサファイア単結晶基板を用い、主要な成長条件である原料の組成比が窒化ガリウム（GaN）薄膜の構造や光学特性に与える影響を詳細に検討した。常圧液相成長法により作製したGaN薄膜の表面形状について微分干渉顕微鏡とデジタルマイクロスコープにより観察を行った。微分干渉顕微鏡によって、成長したGaNは連続的な薄膜ではなく離散的な島状構造をしていることが分かった。さらに、デジタルマイクロスコープにより、当該島状構造のうち比較的高さのある島の形状を立体的に観察することが可能であった。微分干渉顕微鏡とマイクロスコープを併用することにより、島状構造の全体的な分布の把握と、大きな島の形状解析が行えた。さらに、原子間力顕微鏡を用いてナノメートルスケールの高さ解析も行った。可視紫外域の透過率と表面形状の相関関係も検討した。サファイア基板上に平坦なGaN薄膜が単層形成されたという光学モデルを用いて計算された透過率よりも実測値は測定波長の全領域にわたり低かった。これは、島状構造による測定光の散乱によるものだが、微分干渉顕微鏡とマイクロスコープによる表面構造解析結果と透過率測定結果を合わせた考察を行った。 2023年度の成果発表としては、国際会議である第14回窒化物半導体国際会議The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS14)において、” Liquid Phase Epitaxy of GaN Films on Sapphire Substrates under an Atmospheric Pressure Nitrogen Ambience”という題目で発表を行った。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由当初の2023年度における研究計画の概要は以下の通りであった。「（GaN常圧液相成長機構の解明）：研究代表者が提案し、これまで発展させてきた選択成長による成長機構解明手法[JJAP 53 (2014) 100201.]をGaN常圧液相成長に応用して成長機構解明を目指す。本手法では成長基板（GaN基板等）の表面にSiO2選択成長用マスクをフォトリソグラフィーにより形成する。GaNを選択成長すると、基板に螺旋転位がある部分には単一の螺旋成長によりGaNが成長する。原子間力顕微鏡(AFM)を用いて成長螺旋の間隔を測定することにより、表面過飽和度を求めることができる。また、選択成長したGaNの高さから成長速度を求め、表面過飽和度との関係を議論する。」実際の実施状況としては、次の通りであった。SiO2選択成長用マスクを成長基板に形成してGaN常圧液相成長法における選択成長を実施することはできなかった。しかしながら、選択成長ではない全面的な成長における成長機構を、微分干渉顕微鏡およびデジタルマイクロスコープによるミクロンサイズの表面構造解析と、AFMを用いたナノメートルサイズのそれとを組み合わせて検討した。したがって、当初の予定より進捗は遅れているものの、GaN常圧液相成長法の成長機構について実験・考察することは行った。
今後の研究の推進方策	常圧液相成長におけるGaNの成長機構をさらに詳細に検討していく。具体的には、当初の研究計画にもある選択成長を試みる。成長基板（GaN基板等）の表面にSiO2選択成長用マスクをフォトリソグラフィーにより形成する。GaNを選択成長すると、基板に螺旋転位がある部分には単一の螺旋成長によりGaNが成長する。AFMを用いて成長螺旋の間隔を測定することにより、表面過飽和度を求めることができる。また、選択成長したGaNの高さから成長速度を求め、表面過飽和度との関係を議論する。