低温バッファ層ナノ結晶制御によるIII族窒化物半導体高品質結晶成長

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03J50291
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 村上 尚 東京農工大学, 大学院・工学研究科, 特別研究員(DC2)
• キーワード: GaN / 低転位GaN自立基板 / ハライド気相成長法 / GaNナノ結晶 / 低温GaNバッファ層 / バッファ層周期的挿入

研究概要

長寿命・高発光効率の短波長レーザダイオード、超高速・高出力の窒化物系電子デバイスの実現のため、低転位のGaN自立基板の作製が求められる。GaN自立基板の作製には、高速成長が可能なハライド気相成長(HVPE)法を用いてGaAs等の異種基板上にGaN厚膜を成長する方法が一般的であり、選択横方向成長(ELO)法を併用することにより、結晶中の転位低減がなされている。しかし、ELO法は、成長プロセスが複雑であり、また成長した結晶内で高転位密度領域と低転位密度領域の両方が混在するという問題があるため、この方法に代わるシンプルかつ全領域に対して低転位化が可能な方法が求められる。
平成15年度は、上記の問題の解決を目的として、GaNナノ結晶を制御することによりGaN結晶中の転位を低減することを提案した。具体的には、GaNエピタキシャル成長中に低温GaNバッファ層を構成するGaNナノ結晶及びアモルファスGaNを周期的に挿入し、転位の伝播を抑制し、更に横方向成長を促進させ転位を低減することを試みた。また、低温GaNバッファ層の詳細な解析から、GaNナノ結晶生成条件と転位低減の関係についても考察を行った。
GaN中の転位の挙動について評価を行った結果、通常の方法で成長したGaN膜と比較して、低温GaNバッファ層を周期的に挿入することにより、転位密度が2〜3桁低減することが明らかとなった。更に、転位密度は周期的に挿入するGaNナノ結晶とアモルファスGaNとの割合によって左右され、GaNナノ結晶が約40%存在するときに、最も転位低減に効果があることがわかった。低温GaNバッファ層に関する詳細な解析により、GaNナノ結晶とアモルファスGaNの割合は成長する膜厚と、その成長条件によって制御可能と明らかなことから、低温GaNバッファ層成長条件の検討及び膜厚の精密な制御により、更なる低転位GaN膜の実現が可能であると考える。

研究成果

• [文献書誌] H.Murakami, N.Kawaguchi, Y.Kangawa, Y.Kumagai, A.Koukitu: "Improvements in Crystalline Quality of Thick GaN Layers on GaAs (111)A by Periodic Insertion of Low-Temperature GaN Buffer Layers"physica status solidi (c). 0. 2141-2144 (2003)
• [文献書誌] Y.Kumagai, T.Yamane, T.Miyaji, H.Murakami, Y.Kangawa, A.Koukitu: "Hydride Vapor Phase Epitaxy of AlN: Thermodynamic Analysis of Aluminum Source and Its Application to Growth"physica status solidi (c). 0. 2498-2501 (2003)
• [文献書誌] Y.Kumagai, H.Murakami, Y.Kangawa, A.Koukitu: "High Temperature Ramping Rate for GaAs (111)A Substrate Covered with a Thin GaN Buffer Layer for Thick GaN Growth at 1000℃"Japanese Journal of Applied Physics. 42. L526-L528 (2003)
• [文献書誌] H.Murakami, Y.Kangawa, Y.Kumagai, A.Koukitu: "Trade-off between thickness and temperature ramping rate of GaN buffer layer studied for high quality GaN growth on GaAs (111)A substrate"Journal of Crystal Growth. (掲載決定).