| 研究領域 | 特異構造の結晶科学：完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス |
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| 研究課題/領域番号 |
19H04534
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
理工系
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
出浦 桃子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90609299)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2020年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2019年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 自己形成特異構造 / ボイド / ヘテロエピタキシャル成長 / 内部応力緩和 / シリコン表面炭化 / 炭化ケイ素バッファ層 / 窒化物半導体成長 / 結晶工学 / 表面・界面物性 / 応力緩和 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
窒化物半導体は種々の光電子デバイスへの応用が期待されているが，現状では異種基板上への結晶成長が必須である．成長基板として各種技術の確立しているSiが注目されているが，高品質窒化物半導体結晶を簡便に成長させることが困難である．そこで本研究では，成長に不可欠なバッファ層材料としてSiCを用い，簡便にSiC形成できる手法としてSi表面炭化を提案する．また，Siと窒化物半導体の物性値差により生じる内部応力を，Si表面炭化で基板表面近傍に自己形成されるボイド（空隙）により緩和させることを提案する．本提案手法の有効性を実証するとともに，さまざまな異種材料成長系に適用可能な普遍的な学理を構築する．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，従来の薄膜成長で常識であった「欠陥や表面凹凸のない高品質基板を用いる」という概念の打破に挑戦する．すなわち，基板表面近傍に存在するボイド（特異構造）を用いた内部応力緩和により，異種基板上への高品質結晶成長技術を実現することを最終目標とし，Si基板上の窒化物半導体成長で解析・実証する．
2020年度は，低温Al原料先行供給を用いた，ボイドあり表面凹凸SiC/Si基板上の表面平坦・単一配向のGaN連続層（試料A）の有効性を検証した．高温Al原料先行供給を用いた，ボイドなし表面平坦SiC/Si基板上のGaN層（試料B）と比較したところ，表面平坦性・結晶性ともに試料Bより良好であった．試料Bでは観察されなかったGaN層表面の原子ステップが試料Aでは明瞭に観察されており，転位密度も1桁低かった．以上より，濡れ性・付着確率が低く，凹凸が大きなSiC薄膜上に，良好なGaN成長が可能であることが実証された．
一方，ボイドによる内部応力緩和の影響を評価し，ボイドのサイズや密度などを設計するため，汎用解析ソフトを用いて有限要素法シミュレーションを行った．準備として，Si基板・SiC薄膜・GaN層を同時に精度よく計算するための最適なメッシュを構築した．また，結晶構造・面方位を考慮して，弾性定数などの物性値を設定した．Si基板内およびGaN層内にボイドを設定して計算したところ，GaN層内のボイドの方が応力緩和の影響が大きいことが分かった．また，ボイド近傍で面内方向の応力が大幅に緩和されること，ボイドの形成する応力場の広がりはボイドサイズの数倍程度であること，ボイドの形成する応力場どうしの重ね合わせで緩和されることが分かった．設計したボイドを実現するための成長技術についても検討した．
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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