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GaNに代表される窒化物半導体は、青色発光ダイオードや青色レーザーダイオードなどの短波長発光素子に材料として活用されている。しかしながら、GaNには、それ自身の単結晶基板が存在しないために、サファイア基板やSiC基板を結晶成長基板として用いている。このことが、GaN系窒化物半導体の製造コストを高くし、また加工性を低くしている原因の一つである。
本研究では、低コストで大面積の擬似的なGaN結晶基板を開発する基礎技術の開発を目的とする。具体的には、Si基板を用いて、その上に高品質なGaN層をヘテロエピタキシャル成長する。Si基板を用いる場合には、Si材料が活性なため、窒化物半導体の構成元素である窒素と激しく反応(Si基板の窒化反応)を起こし、GaN材料の直接的なヘテロ成長を行うことが困難である。そのため、本研究では薄いAlN層とγ-アルミナ層の2種類をバッファー層として試みた。Alと窒素を交互に供給するマイグレーション・エンハンスト・エピタキシー法を用いて、5分子層のAlN層を形成し、バッファー層とした。その上にGaN層の成長を行った結果、平坦なGaN層を得ることができた。また、γ-アルミナ層をバッファー層に用いた場合には、Si基板の窒化反応を抑制することが容易であるという利点をもつ。室温アモルファスバッファー層を用いた2段階成長法によりGaNエピ層の成長を行い、RHEEDによるその場観察とAFMによる表面形状の観察を行った。GaNはγ-Al2O3/Si(111)基板上にエピタキシャル成長し、方位関係は[11-20]h-GaN//[1-10]γ-Al2O3であることが判った。また、AFM観察では、部分的に柱状成長しているものの概ね連続的な膜になっていることが判明した。GaNエピ層はMBEなどの成長温度が700℃程度の場合には一般に柱状成長モードになりやすい。この結果は、γ-Al2O3中間層を用いることにより、Si基板とGaNエピ層との界面を急峻に制御できるだけでなく、GaNエピ層の連続膜成長の制御が容易に行えることを意味し、非常に重要な結果である。
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