埋め込みデバイス層を有する高機能ヘテロエピタキシャル層の形成

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450011
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 米津 宏雄 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (90191668)
• 研究分担者: 大島 直樹 山口大学, 工学部, 講師 (70252319) ; 古川 雄三 豊橋技術科学大学, 工学部, 助手 (20324486)
• キーワード: ヘテロエピタキシー / 格子不整合 / 格子整合 / 無転位 / III-V-N半導体 / GaPN / GaAsPN / GaAs-on-Si

研究概要

III-V族半導体は、レーザ等の光素子および高電子移動度トランジスタ等のマイクロ波素子等に用いられ、通信および情報機器のキーデバイス用材料である。一方、IV族元素のシリコン半導体は、超高集積回路(LSI)として、コンピュータを先頭にしてほとんど全ての電子システムに用いられている。両半導体を1チップとして一体化できれば、両半導体の異なる特徴を有機的に利用して、新しい半導体デバイスが生まれると期待されている。
これまで、多くの研究が世界的にされてきたが、両半導体の価電子数の違いおよび大きな格子定数差と熱膨張係数差によって、III-V族半導体の成長層に高密度の結晶欠陥、とくに転位が入ることが避けられなかった。このため、新しいデバイスの見通しが全く立たなかった。本研究では、価電子数の相違による問題はすでに本研究代表者らによって解決されていたため、格子定数差と熱膨張係数差の問題を解決して、無転位化を目指した。格子定数差については、GaPNおよびGaAsPNのIII-V-N半導体を用いてSiとの格子整合を計った。熱膨張係数差については、Si基板と同じSi層をIII-V-N半導体層の上に成長して、成長層表面に成長後の降温過程で歪が入ることを防いだ。その結果、III-V-N半導体層には貫通転位がなく、各ヘテロ界面にはミスフィット転位がない、無転位層をSi基板上に初めて成長することができた。さらに、デバイス構造として、GaAsPN/GaPN量子井戸構造とSi/GaPN/Si構造をSi基板上に無転位で成長することに成功した。後者については、GaPNを光素子構造やマイクロ波素子構造で置き換えることによって、これらの素子とSi層内に作られる集積回路とをチップ内で一体化できる可能性が生まれた。また、原子状水素照射下の低温成長で、GaPN,GaAsNおよびGaAsPNのN組成比を7〜10%まで増すことができた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Furukawa, H.Yonezu, K.Ojima, K.Samonji, Y.Fujimoto, K.Momose, K.Aiki: "Control of N Content of GaPN Grown by Molecular Beam Epitaxy and Growth of GaPN Lattice-Matched to Si(100)Substrate"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.41・No.2A. 528-532 (2002)
• [文献書誌] Y.Fujimoto, H.Yonezu, A.Utsumi, K.Momose, Y.Furukawa: "Dislocation-Free GaAs_yP_<1-x-y>N_x/GaP_<0.98>N_<0.02> Quantum-Well Structure Lattice-Matched to a Si Substrate"Appl.Phys.Lett.. Vol.79・No.9. 1306-1308 (2001)
• [文献書誌] K.Momose, H.Yonezu, Y.Fujimoto, Y.Furukawa, Y.Motomura, K.AIki: "Dislocation-Free and Lattice-Matched Si/GaP_<1-x>N_x/Si Structure for Photo-Electronic Integrated Systems"Appl.Phys.Lett.. Vol.79・No.25. 4151-4153 (2001)
• [文献書誌] Y.Fujimoto, H.Yonezu, K.Momose, A.Utsumi, Y.Furukawa: "Control of Growth Process and Dislocation Generation of GaAs_<1-x>N_x Grown bv All-Solid-Source Molecular Beam Epitaxy"J.Cryst.Growth. Vol.227/228. 491-495 (2001)
• [文献書誌] V.H.Mendez-Garcia, A.P.Centeno, M.Lopez-Lopez, M.Tamura, K.Momose, K.Ojima, H.Yonezu: "Improvement in the Crystal of ZnSe Films on Si(111)Substrate with a Nitrogen Surface Treatment"Thin Solid Films. Vol.373. 33-36 (2000)
• [文献書誌] Y.Fujimoto, H.Yonezu, S.Irino, K.Samonji, K.Momose, N.Ohshima: "A High Quality GaAs_xP_<1-x>/In_<0.13>Ga_<0.87>P Quantum Well Structure Grown on Si Substrate with a Very Few Threading Dislocations"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.38・No.12A. 6645-6649 (1999)