平衡状態に基づくトップダウン法による特異構造の創製

2020 年度 実績報告書

• 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
• 研究課題/領域番号: 16H06415
• 研究機関: 三重大学
• 研究代表者: 三宅 秀人 三重大学, 地域イノベーション学研究科, 教授 (70209881)
• 研究分担者: 宮川 鈴衣奈 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10635197) ; 荒木 努 立命館大学, 理工学部, 教授 (20312126)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: 窒化アルミニウム / AlN / 高温アニール / 深紫外LED / 高速トランジスタ / 原子間力顕微鏡 / 窒化物半導体 / AlGaN

研究実績の概要

これまで我々は、低い転位密度と良好な表面平坦性を有するAlN膜をアニール処理スパッタAlN（FFA Sp-AlN）上にMOVPE法でホモエピ成長することで作製に成功している。AlN上へのGaN成長では、大きな格子不整合に起因してGaNが成長初期から三次元成長し、表面平坦性が低下するという課題があった。本年度研究では、N2キャリアガスを用いてFFA Sp-AlN上にGaNを成長させることで、GaN薄膜の表面平坦性の向上が可能であり、さらにAlGaN成長を行い電気的特性を評価した。
RFスパッタ法を用いて0.2°オフc面サファイア基板上に膜厚450 nmのAlNを成膜させ、その後N2雰囲気で1700°C、3時間の高温アニール（FFA Sp-AlN）を行い、AlNテンプレートを作製した。続いて有機金属気相成長(MOVPE)法を用いて成長温度1300°Cで膜厚450 nmのAlNをホモ成長させた後、1030°Cで膜厚80 nmのGaNを成長させた。GaNの成長には、H2またはN2キャリアガスを用いた。
GaN膜厚10 nmの試料の原子間力顕微鏡(AFM)像から、GaNをH2キャリアガスで成長させた場合にはAlNの表面を十分に被覆できておらず、表面平坦性が低くランダムに島を形成している。一方で、N2キャリアガスで成長させた場合には、過飽和度の増加に伴いGaNの成長が促進され、結果として表面平坦性が向上している。GaN膜厚80 nmの試料のAFM像から、H2キャリアガスで成長させたGaNの表面には、バンチングしたステップテラス構造とピットが確認された。これらは成長初期に発生した島状の結晶が膜厚の増加に伴い会合する過程で形成されたものとみられる。一方で、N2キャリアガスで成長させたGaNは、成長初期の平坦性を反映して、表面粗さRMS値が低減し、平坦性が改善した表面が得られた。

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。

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。

研究成果

• [雑誌論文] High‐Quality AlN Template Prepared by Face‐to‐Face Annealing of Sputtered AlN on Sapphire (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Shojiki, K. Uesugi, S. Kuboya, T. Inamori, S. Kawabata, H. Miyake
  • 雑誌名: physica status solidi (b) 巻: 258 ページ: 2000352
  • DOI: 10.1002/pssb.202000352
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-quality AlN/sapphire templates prepared by thermal cycle annealing for high-performance ultraviolet light‐emitting diodes (2021)
  • 著者名/発表者名: D Wang, K Uesugi, S Xiao, K Norimatsu, H Miyake
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 035505
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abe522
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Individually resolved luminescence from closely stacked GaN/AlN quantum wells (2020)
  • 著者名/発表者名: Bowen Sheng, Gordon Schmidt, Frank Bertram, Peter Veit, Yixin Wang, Tao Wang, Xin Rong, Zhaoying Chen, Ping Wang, Jurgen Blasing, Hideto Miyake, Hongwei Li, Shiping Guo, Zhixin Qin, Andre Strittmatter, Bo Shen, Jurgen Christen, Xinqiang Wang
  • 雑誌名: Photonics Research 巻: 8 ページ: 610-615
  • DOI: 10.1364/PRJ.384508
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Charge transfer processes related to deep levels in free standing n-GaN layer analyzed by above and sub-bandgap energy excitation (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Uehara, M. Kikuchi, B. Ma, H. Miyake, Y. Ishitani
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 061003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab8c1c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Internal loss of AlGaN-based ultraviolet-B band lasr diodes with p-type AlGaN cladding layer using polarization doping (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Omori, S. Ishizuka, S. Tanaka, S. Yasue, K. Sato, Y. Ogino, S. Teramura, K. Yamada, S. Iwayama, H. Miyake, M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama, I. Akasaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 071008
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab9e4a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photoluminescence efficiency of Al-rich AlGaN heterostructures in a wide range of photoexcitation densities over temperatures up to 550 K (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Miasojedovas, P. Scajev, K. Jarasiunas, B. Gil, H. Miyake
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 035201
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.035201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High Crystallinity and Highly Relaxed Al0.60Ga0.40N Films Using Growth Mode Control Fabricated on a Sputtered AlN Template with High‐Temperature Annealing (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Teramura, Y. Kawase, Y. Sakuragi, S. Iwayama, M. Iwaya, T. Takeuchi, S. Kamiyama, I. Akasaki, H. Miyake
  • 雑誌名: physica status solidi (a) 巻: 217 ページ: 1900868
  • DOI: 10.1002/pssa.201900868
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low dislocation density AlN on sapphire prepared by double sputtering and annealing (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Wang, K. Uesugi, S. Xiao, K. Norimatsu, H. Miyake
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 095501
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ababec
• [雑誌論文] Annealing behaviors of vacancy-type defects in AlN deposited by radio-frequency sputtering and metalorganic vapor phase epitaxy studied using monoenergetic positron beams (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Uedono, K. Shojiki, K. Uesugi, S. F Chichibu, S. Ishibashi, M. Dickmann, W. Egger, C. Hugenschmidt, H. Miyake
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 128 ページ: 085704
  • DOI: 10.1063/5.0015225
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystalline quality improvement of face-to-face annealed MOVPE-grown AlN on vicinal sapphire substrate with sputtered nucleation layer (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Kuboya, K. Uesugi, K. Shojiki, Y. Tezen, K. Norimatsu, H. Miyake
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 545 ページ: 125722
  • DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125722
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Remarkable Breakdown Voltage on AlN/AlGaN/AlN double heterostructure (2020)
  • 著者名/発表者名: I Abid, R Kabouche, F Medjdoub, S Besendorfer, E Meissner, J Derluyn, S Degroote, M Germain, H Miyake
  • 雑誌名: 2020 32nd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 巻: - ページ: 310-312
  • DOI: 10.1109/ISPSD46842.2020.9170170
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Thick AlN layers grown on macro-scale patterned sapphire substrates with sputter-deposited annealed AlN films by hydride vapor-phase epitaxy (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiyu Xiao, Kanako Shojiki, Hideto Miyake
  • 学会等名: The Virtual Workshop on Materials Science and Advanced Electronics Created by Singularity
  • 国際学会
• [学会発表] High-quality AlN template prepared by face-to-face annealing of sputtered AlN on sapphire (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Miyake, K. Uesugi, K. Shojiki, S. Xiao, D. Wang, S. Kuboya
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology, (CGCT-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of UV-C LED on face-to-face annealed sputter-deposited AlN template (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Uesugi, D. Wang, K. Shojiki, S. Kuboya, and H. Miyake
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reduction of threading dislocation densities of N-polar face-to-face annealed sputtered AlN on sapphire (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Shojiki, K. Uesugi, S. Kuboya, and H. Miyake
  • 学会等名: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fabrication of high crystalline AlN/sapphire for deep UV-LED (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Miyake, K. Uesugi, S. Xiao, K. Shojiki, S. Kuboya
  • 学会等名: Photonics West 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of DUV-LED grown on high-temperature annealed AlN template (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Uesugi, D. Wang, K. Shojiki, S. Kuboya, and H. Miyake
  • 学会等名: Photonics West 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高温アニールによる転位密度107cm-2のAlNテンプレート作製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三宅 秀人, 正直 花奈子, 肖 世玉, 上杉 謙次郎, 窪谷 茂幸
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] スパッタ・アニール法によるAlGaN薄膜の作製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 窪谷 茂幸, 岩山 章, 上杉 謙次郎, 正直 花奈子, 則松 研二, 三宅 秀人
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 高温アニールしたAlNテンプレート上のAlGaN成長における異常成長の起源 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上杉 謙次郎, 手銭 雄太, 肖 世玉, 則松 研二, 岡村 実奈, 荒木 努, 三宅 秀人
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] スパッタ法アニール処理AlN上AlGaNチャネルHEMTのMOVPE成長 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森 隆一, 上杉 謙次郎, 白土 達也, 窪谷 茂幸, 正直 花奈子, 三宅 秀人
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 低転位密度AlN膜の作製とそのテンプレート上AlGaN成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上杉謙次郎, Ding Wang, 三宅秀人
  • 学会等名: 日本学術振興会「結晶成長の科学と技術」第161委員会第114回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 低転位密度AlNテンプレートを用いた深紫外LEDの開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上杉謙次郎, Ding Wang, 正直花奈子, 窪谷茂幸, 三宅秀人
  • 学会等名: 第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
  • 招待講演
• [学会発表] スパッタAlN上にMOVPE成長させたAlN薄膜のカソードルミネッセンス評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 粕谷拓生, 嶋紘平, 正直花奈子, 上杉謙次郎, 小島一信, 上殿明良, 三宅秀人, 秩父重英
  • 学会等名: 第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] 低転位密度AlNテンプレート上SiドープAlGaNの電気的・光学的特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森隆一, 上杉謙次郎, 正直花奈子, 窪谷茂幸, 白土達也, 三宅秀人
  • 学会等名: 第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] ナノパターン加工したスパッタ・アニール法AlNテンプレート上のMOVPE成長AlN膜の結晶性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊庭由季乃, 正直花奈子, 窪谷茂幸, 上杉謙次郎, 肖世玉, 三宅秀人
  • 学会等名: 第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] 高温アニールに伴うSiC基板上スパッタAlNの結晶性と歪み評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉浦雅紀, 上杉謙次郎, 三宅秀人
  • 学会等名: 第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] スパッタ法アニール処理AlN上GaN薄膜のMOVPE成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 白土 達也, 上杉 謙次郎, 窪谷 茂幸, 正直 花奈子, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] N-PSS上スパッタ堆積アニールAlNテンプレートに成長させたAlN厚膜の微細構造解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本 望, 濱地 威明, 林 侑介, 藤平 哲也, 三宅 秀人, 酒井 朗
  • 学会等名: 応用物理学会秋 季学術講演会
• [学会発表] 高品質AlN結晶の作製とその紫外線デバイス応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三宅 秀人, 正直 花奈子, 肖 世玉, 上杉 謙次郎, 小泉 晴比古, 窪谷 茂幸
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] サファイア基板上へのスパッタ法を用いたh-BNの堆積と高温アニールによる結晶性向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 形岡 遼志, 小泉 晴比古, 岩山 章, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高温アニールしたスパッタ成膜AlNテンプレート上へのDUV-LED作製(2) (2020)
  • 著者名/発表者名: 上杉 謙次郎, 王 丁, 手銭 雄太, 肖 世玉, 正直 花奈子, 窪谷 茂幸, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高温アニールスパッタAlN上にMOVPE成長させたAlNの陰極線蛍光評価(1) (2020)
  • 著者名/発表者名: 嶋 紘平, 正直 花奈子, 上杉 謙次郎, 小島 一信, 上殿 明良, 三宅 秀人, 秩父 重英
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] スパッタ法と高温アニールで作製した－c/+c AlN薄膜の電子線回折による極性判定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林 侑介, 野本 健斗, 濱地 威明, 藤平 哲也, 三宅 秀人, 五十嵐 信行, 酒井 朗
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ナノパターンを有するスパッタ・アニール法AlNテンプレート上へのAlNのMOVPE成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊庭 由季乃, 正直 花奈子, 窪谷 茂幸, 上杉 謙次郎, 肖 世玉, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高温アニールスパッタAlN上にMOVPE成長させたAlNの陰極線蛍光評価(2) (2020)
  • 著者名/発表者名: 粕谷 拓生, 嶋 紘平, 正直 花奈子, 上杉 謙次郎, 小島 一信, 上殿 明良, 三宅 秀人, 秩父 重英
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] UV-B LDにおける分極ドーピングp型AlGaNクラッド層のAl組成およびMg濃度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山田 和輝, 佐藤 恒輔, 安江 信次, 田中 隼也, 手良村 昌平, 荻野 雄矢, 大森 智也, 石塚 彩花, 岩山 章, 岩谷 素顕, 竹内 哲也, 上山 智, 赤﨑 勇, 三宅 秀人, 寒川 義裕, Sakowski Konrad
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] GRIN-SCH構造を用いたAlGaN系UV-Bレーザダイオードの最適化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中 隼也, 佐藤 恒輔, 安江 信次, 荻野 雄矢, 山田 和輝, 石塚 彩花, 手良村 昌平, 岩山 章, 岩谷 素顕, 竹内 哲也, 上山 智, 赤﨑 勇, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] サファイア基板上AlGaN材料UVBレーザダイオードの構造検討 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 恒輔, 山田 和輝, 石塚 彩花, 田中 隼也, 大森 智也, 手良村 昌平, 岩山 章, 三宅 秀人, 岩谷 素顕, 竹内 哲也, 上山 智, 赤﨑 勇
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] AlGaN系 UV-B LDにおける低損失を実現した構造の特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大森 智也, 石塚 彩花, 田中 隼也, 佐藤 恒輔, 安江 信次, 荻野 雄矢, 山田 和輝, 手良村 昌平, 岩山 章, 岩谷 素顕, 竹内 哲也, 上山 智, 赤﨑 勇, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 高品質AlGaN結晶の結晶成長とその上に作製したUV-B半導体レーザ (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩谷 素顕, 佐藤 恒輔, 田中 隼也, 手良村 昌平, 大森 智也, 山田 和輝, 石塚 彩花, 下川 萌葉, 荻野 雄矢, 岩山 章, 竹内 哲也, 上山 智, 赤﨑 勇, 三宅 秀人
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ナノストイプパターン加工した低転位密度AlNテンプレート上へのMOVPE成長と結晶性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊庭由季乃, 正直花奈子, 窪谷茂幸, 上杉謙次郎, 肖世玉, 三宅秀人
  • 学会等名: 電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ レーザ・量子エレクトロニクス研究会（LQE）
• [学会発表] 高電子移動度トランジスタのための原子層平滑なAlNテンプレート上へのGaN成長 (2020)
  • 著者名/発表者名: 白土 達也, 上杉 謙次郎, 窪谷 茂幸, 正直 花奈子, 三宅 秀人
  • 学会等名: 電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ レーザ・量子エレクトロニクス研究会（LQE）
• [学会発表] AlNテンプレート上歪み緩和AlGaN成長のためのAlN/GaN超格子層導入 (2020)
  • 著者名/発表者名: 稲森 崇文, 窪谷 茂幸, 石原 頌也, 白土 達也, 正直 花奈子, 上杉 謙次郎, 三宅 秀人
  • 学会等名: 電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ レーザ・量子エレクトロニクス研究会（LQE）
• [学会発表] スパッタ法AlNバッファ層を用いたサファイア基板上へのh-BNの堆積と高温アニールによる結晶性向上 (2020)
  • 著者名/発表者名: 形岡 遼志, 小泉 晴比古, 岩山 章, 三宅 秀人
  • 学会等名: 電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ レーザ・量子エレクトロニクス研究会（LQE）
• [学会発表] Control of strain in AlGaN films on AlN templates by AlN/GaN superlattices (2020)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Inamori, Shigeyuki Kuboya, Shoya Ishihara, Tatsuya Shirato, Kenjiro Uesugi, Kanako Shojiki and Hideto Miyake
  • 学会等名: The 12th International Workshop on Regional Innovation Studies 2020 (IWRIS2020)
• [学会発表] Effect of MOVPE Growth Conditions on Crystallinity of AlN films on Nano-Patterned Annealed Sputtered AlN Templates (2020)
  • 著者名/発表者名: Yukino Iba, Kanako Shojiki, Shigeyuki Kuboya, Kenjiro Uesugi, Shiyu Xiao and Hideto Miyake
  • 学会等名: The 12th International Workshop on Regional Innovation Studies 2020 (IWRIS2020)
• [学会発表] 高温アニールAlNテンプレートを用いた分極ドープ深紫外LED作製 (2020)
  • 著者名/発表者名: 河端一輝, 窪谷茂幸, 上杉謙次郎, 正直花奈子, 三宅秀人
  • 学会等名: 第49回結晶成長国内会議(JCCG-49)
• [学会発表] AlNの結晶性向上に向けたサファイア基板表面の大気雰囲気アニールによる平坦化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土堀泰征, 上杉謙次郎, 三宅秀人
  • 学会等名: 第49回結晶成長国内会議(JCCG-49)
• [学会発表] 選択MOVPE成長による原子層レベルのAlN表面形態制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川端心, 正直花奈子, 窪谷茂幸, 上杉謙次郎, 三宅秀人
  • 学会等名: 第49回結晶成長国内会議(JCCG-49)
• [備考] 卓越型リサーチセンター
  • URL: https://www.mie-u.ac.jp/research/singularity/
• [産業財産権] 窒化物半導体基板 (2021)
  • 発明者名: 三宅 秀人
  • 権利者名: 三宅 秀人
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-003653
• [産業財産権] 窒化物半導体基板、半導体素子及び窒化物半導体基板の製造方法 (2021)
  • 発明者名: 三宅 秀人, 王 丁, 上杉 謙次郎
  • 権利者名: 三宅 秀人, 王 丁, 上杉 謙次郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2021/007422
  • 外国
• [産業財産権] 窒化物半導体テンプレートおよび窒化物半導体デバイス (2020)
  • 発明者名: 三宅 秀人, 藤倉 序章, 今野 泰一郎
  • 権利者名: 三宅 秀人, 藤倉 序章, 今野 泰一郎
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-131400
• [学会・シンポジウム開催] Virtual Workshop on Materials Science and Advanced Electronics Created by Singularity (2021)