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窒化物半導体AlGaNの非極性面成長と深紫外LED応用

研究課題

研究課題/領域番号 23K23238
補助金の研究課題番号 22H01970 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分30010:結晶工学関連
研究機関三重大学

研究代表者

三宅 秀人  三重大学, 工学研究科, 教授 (70209881)

研究分担者 山田 陽一  山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (00251033)
寒川 義裕  九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90327320)
上杉 謙次郎  三重大学, 研究基盤推進機構, 准教授 (40867305)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2023年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
キーワード窒化物半導体 / AlGaN / 深紫外LED / AlNテンプレート / 非極性面 / エピタキシャル成長 / アニール / 高温アニール / AlNテンプレート / LED / AlN
研究開始時の研究の概要

本研究では、サファイアr面及びm面を用いてa面及びm面のAlGaN/AlNの成長を行うデバイス開発を目的とする。提案者が開発したAlNの高温アニール技術をa面及びm面AlN成長に適応して、これまで課題であった転位密度の低減を実現する。ファセット形成による凹凸構造や積層欠陥発生などの課題に対して、高温での粒界の界面応力が誘起する転位の運動を理論と実験の両面で理解・制御することで解決し、平滑な表面、量子井戸構造を得る。さらに、デバイス形成で重要なSi添加の最適化、酸素・炭素の取込み低減の成長条件を明らかする。これらの研究により、LEDの発光波長を230nm以下まで拡大することを目指す。

研究実績の概要

高Al組成のAlxGa1-xNを用いた短波長発光デバイスではc軸に垂直な方向への発光が支配的となるため、光取り出し効率改善の観点から非極性面への素子形成が期待されている。MOVPEおよびMBEでは、sapphire基板表面の窒化条件やV/III比でAlNの成長面方位が制御可能であることが、スパッタリング法による成膜と高温アニールを組み合わせたAlNの結晶成長はm面sapphire基板上での報告が限られており、面方位の制御について詳細な検討はなされていない。本研究では、r面サファイア基板上a面AlNおよびm面サファイア基板上m面AlNをスパッタアニール法で作製し、成膜条件・基板オフ角の検討により結晶品質の向上を図る。AlNのスパッタ成膜条件がm面sapphire基板上AlNの成長面方位と結晶性に与える影響を検討した。
RFスパッタ法を用いて、c軸投影方向へ0.2°のオフ角を有するm面sapphire基板上に450 nmのAlNを成膜した。成膜時の基板温度(Tsp)を300-600°Cで変化させた。続いてface-to-face配置にて1700°Cで3時間の高温アニールを施した。X線回折測定から、Tsp=300°Cでは高温アニールの有無にかかわらず主にm面AlNが成長していることが確認された。一方、Tsp=600°Cの場合、高温アニール前はm面と(11-22)面が混在していたが、高温アニール後は(11-22)面が支配的に形成されていることが確認された。高温アニール後のAlNの原子間力顕微鏡(AFM)像から、m面AlN(Tsp=300°C)はAlNのa軸方向に、(11-22)面AlN(600°C)はAlNのm軸方向にドメインやステップテラス構造が延伸した異方性を有する表面モフォロジーが観察された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、AlNのスパッタ成膜条件がm面sapphire基板上AlNの成長面方位と結晶性に与える影響を検討した。c軸投影方向へ0.2°のオフ角を有するm面sapphire基板上に450 nmのAlNを成膜した。その成膜時の基板温度(Tsp)を300-600°Cで変化させた。続いてface-to-face配置にて1700°Cで3時間の高温アニールを施した。
その結果、X線回折測定から、Tsp=300°Cでは高温アニールの有無にかかわらず主にm面AlNが成長していることが確認された。一方、Tsp=600°Cの場合、高温アニール前はm面と(11-22)面が混在していたが、高温アニール後は(11-22)面が支配的に形成されていることを明らかにした。高温アニール後のAlNの原子間力顕微鏡(AFM)像から、m面AlN(Tsp=300°C)はAlNのa軸方向に、(11-22)面AlN(600°C)はAlNのm軸方向にドメインやステップテラス構造が延伸した異方性を有する表面モフォロジーを観察した。高温アニール後のm面AlN(Tsp=300°C)のX線ロッキングカーブ(XRC)から、対称面であるAlN(10-11)回折のXRC半値全幅はX-ray//[0001]AlNと//[11-20]AlNでそれぞれ393 arcsecと345 arcsecであり、表面モフォロジーとは対照的に異方性が小さい良好な結晶性であること明らかにした。これらは、これまでのは発表で、世界最高レベルであることを示している。

今後の研究の推進方策

c面サファイア上AlN成長と同様に、サファイア基板表面の原子ステップ制御が重要であるが、非極性面成長ではサファイアとAlN界面の格子不整に起因して積層欠陥が発生するため、基板表面の制御はc面以上に重要である。サファイアのoff角を最適化すると共に、酸素雰囲気下での熱処理により原子ステップ高さを精緻に制御する。AlNの成長初期核結晶の品質向上には窒化法が適用できる。また、積層欠陥の低減では基板への溝加工が有効である知見を得ているので継続して実施する。
さらに、c面AlxGa1-xNのMOVPE成長で培った表面モフォロジー制御技術を活用し、電流注入で良好な発光特性を得るために不可欠な原子レベルで平坦な発光層を実現する。内部量子効率・電流注入効率・光取り出し効率の3要素をすべて高水準で実現して高い外部量子効率を得るために、面方位の違いを考慮に入れたデバイスシミュレーションにより多重量子井戸発光層・電子ブロック層・正孔注入層の構造を綿密に設計する。特にc面上ではTE偏光比と電流注入効率の両立が、非極性面上では正孔のキャリア注入設計が鍵となる。シミュレーションとそれに基づいた試作評価は互いにフィードバックを行う。高Al組成AlxGa1-xNにおいて支配的な非輻射再結合中心として働くIII族原子空孔などの点欠陥を低減するため、極低温PL測定を用いた内部量子効率評価を活用して成長条件を探索する。さらに、スパッタアニールAlN上とAlN自立基板上に作製したエピ構造を比較評価し、貫通転位と点欠陥の影響を切り分け、成長条件へのフィードバックを加速する。

報告書

(1件)
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (24件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (19件) (うち招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Micro-and Nanostructure Analysis of Vapor-Phase-Grown AlN on Face-to-Face Annealed Sputtered AlN/Nanopatterned Sapphire Substrate Templates2023

    • 著者名/発表者名
      Nakanishi Yudai、Hayashi Yusuke、Hamachi Takeaki、Tohei Tetsuya、Nakajima Yoshikata、Xiao Shiyu、Shojiki Kanako、Miyake Hideto、Sakai Akira
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

      巻: - 号: 8 ページ: 5099-5108

    • DOI

      10.1007/s11664-023-10348-3

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Centimeter-scale laser lift-off of an AlGaN UVB laser diode structure grown on nano-patterned AlN2022

    • 著者名/発表者名
      Shojiki Kanako、Shimokawa Moe、Iwayama Sho、Omori Tomoya、Teramura Shohei、Yamaguchi Akihiro、Iwaya Motoaki、Takeuchi Tetsuya、Kamiyama Satoshi、Miyake Hideto
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 号: 5 ページ: 051004-051004

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac6567

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular beam homoepitaxy of N-polar AlN: Enabling role of aluminum-assisted surface cleaning2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang Zexuan、Hayashi Yusuke、Tohei Tetsuya、Sakai Akira、Protasenko Vladimir、Singhal Jashan、Miyake Hideto、Xing Huili Grace、Jena Debdeep、Cho YongJin
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 8 号: 36

    • DOI

      10.1126/sciadv.abo6408

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 263 nm wavelength UV-C LED on face-to-face annealed sputter-deposited AlN with low screw- and mixed-type dislocation densities2022

    • 著者名/発表者名
      Kenjiro Uesugi, Shigeyuki Kuboya, Kanako Shojiki, Shiyu Xiao, Takao Nakamura, Masataka Kubo, Hideto Miyake
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 号: 5 ページ: 055501-055501

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac66c2

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Thermal radiation resonating with longitudinal optical phonon from surface micro-stripe structures on metal-gallium nitride and sapphire2022

    • 著者名/発表者名
      Lin Bojin、Aye Hnin Lai Lai、Imae Yuto、Hayashi Kotaro、Orito Haruki、Ma Bei、Kuboya Shigeyuki、Miyake Hideto、Ishitani Yoshihiro
    • 雑誌名

      Materials Science in Semiconductor Processing

      巻: 147 ページ: 106726-106726

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2022.106726

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] High-Power UV-C LEDs on Face-toFace Annealed Sputter-Deposited AlN2022

    • 著者名/発表者名
      K. Uesugi, S. Kuboya, T. Nakamura, K. Shojiki, S. Xiao, M. Kubo, H. Miyake
    • 学会等名
      The 10th International Conference on Light-Emitting Devices and Their Industrial Applications (LEDIA2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] スパッタアニールAlNの極性制御2022

    • 著者名/発表者名
      正直花奈子、上杉謙次郎、肖世玉、三宅秀人
    • 学会等名
      第一回極性制御研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of Face-to-Face Annealed Sputter-Deposited AlN for High EQE 265 nm LEDs2022

    • 著者名/発表者名
      K. Uesugi, S. Kuboya, T. Nakamura, K. Shojiki, S. Xiao, M. Kubo, H. Miyake
    • 学会等名
      The 5th International Workshop on Ultraviolet Materials and Devices (IWUMD 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Polarity Control of Sputter-Deposited AlN with High-Temperature Face-to-Face Annealing2022

    • 著者名/発表者名
      K. Shojiki, K. Uesugi, S. Xiao, H. Miyake
    • 学会等名
      The 9th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-IX)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] MOVPE Homoepitaxial Growth on N-polar Annealed Sputter-Deposited AlN Films2022

    • 著者名/発表者名
      G. Namikawa, K. Shojiki, R. Yoshida, K. Uesugi, H. Miyake
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress (IVC-22)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Polarity Control of Face-to-Face Annealed Sputtered AlN2022

    • 著者名/発表者名
      K. Shojiki, K. Uesugi, S. Xiao, H. Miyake
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress(IVC-22)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] サファイア上への MOVPE法 による BN成長 と 高温 アニール2022

    • 著者名/発表者名
      井谷彩花, 窪谷茂幸, 肖 世玉, 正直花奈子, 上杉謙次郎, 三宅秀人
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スパッタアニール 法 作製 a 面 AlN における 結晶性 の スパッタ 温度 依存性2022

    • 著者名/発表者名
      小川優輝, 渋谷康太, 上杉謙次郎, 肖 世玉, 正直花奈子, 三宅秀人
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] m面サファイア基板上スパッタアニールAlN の面方位制御2022

    • 著者名/発表者名
      上杉謙次郎, 張 芸賢, 正直花奈子, 肖 世玉, 三宅秀人
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 窒化物半導体結晶成長技術を駆使した量子光源の開発2022

    • 著者名/発表者名
      正直花奈子, 本田啓人, 上杉謙次郎, 肖 世玉, 谷川智之, 片山竜二, 三宅秀人
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication of high-quality AlN templates by Face-to-face annealing of sputter-deposited films2022

    • 著者名/発表者名
      H. Miyake, K. Uesugi, S. Xiao, K. Shojiki, T. Nakamura
    • 学会等名
      International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] スパッタアニール法によるAlN垂直方向極性反転構造の作製2022

    • 著者名/発表者名
      正直花奈子, 上杉謙次郎, 肖 世玉, 三宅秀人
    • 学会等名
      第41回電子材料シンポジウム(EMS41)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ステップ端密度が制御された AlN 表面への GaN AlN 量子井戸の MOVPE 成長2022

    • 著者名/発表者名
      山中祐人, 正直花奈子, 上杉謙次郎, 肖 世玉, 三宅秀人
    • 学会等名
      第14回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 低転位密度N極性AlNテンプレート上MOVPEホモエピタキシャル成長のサファイア基板オフ角度依存性2022

    • 著者名/発表者名
      並河楽空, 正直花奈子, 吉田莉久, 上杉謙次郎, 三宅秀人
    • 学会等名
      第14回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スパッタアニール法作製a面AlNのc軸配向方向の基板微傾斜角度依存性2022

    • 著者名/発表者名
      小川優輝, 渋谷康太, 上杉謙次郎, 肖 世玉, 正直花奈子, 秋山亨, 三宅秀人
    • 学会等名
      第14回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ゲート絶縁膜を有するAlGaNチャネルHEMTの作製と評価2022

    • 著者名/発表者名
      中岡樹, 上杉謙次郎, 漆山真, 正直花奈子, 三宅秀人
    • 学会等名
      第14回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] マルチ・スパッタアニール 法 による多層極性反転 AlN構造の作製2022

    • 著者名/発表者名
      玉野智大, 正直花奈子, 本田啓人, 上杉謙次郎, 肖 世玉, 上向井正裕, 谷川智之, 片山竜二, 三宅秀人
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ピラー 形成 AlN テンプレート上 への HVPE法による AlN厚膜 成長2022

    • 著者名/発表者名
      肖 世玉, 岩山章, 上杉謙次郎, 正直花奈子, 岩谷素顕, 三宅秀人
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スパッタアニール AlN を用いた波長 2 30 n m 帯 U V LED の開発2022

    • 著者名/発表者名
      上杉謙次郎, 市川修平, 肖 世玉, 正直花奈子, 中村孝夫, 土谷正彦, 小 一信, 三宅秀人
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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