エピタキシャル薄膜における極性構造の原子レベル理解と新機能探索

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14703024
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 角谷 正友 静岡大学, 工学部, 助手 (20293607)
• キーワード: 窒化物半導体 / ウルツ鉱型薄膜 / 極性構造 / 価電子帯制御

研究概要

c軸方向に極性が存在するウルツ鉱型結晶材料であるGaNやZnO薄膜の極性構造制御メカニズムと価電子帯制御ドーピングについて検討を行った。X線光電子分光法を用いてGaN薄膜成長に不可欠な低温緩衝層のアニーリングプロセスの様子を原子レベルで調べたところ、サファイア基板の窒化処理の有無によりそれぞれ層状、島状に再配列や蒸発が起こることがわかった。そして、基板界面で原子レベルでの拡散反応がGaN薄膜の極性構造に大きな影響を与えるという知見を得た。現在のところp型化が困難であるZnOにNとGaと同時にドーピングするという方法で価電子帯制御を試み、2次イオン質量分析でそれらドーパントの定量分析を行った。その結果、理論的に予測されているGaとNの比を1:2でZnO中にドープするだけではp型伝導を示さないことがわかった。さらに極性構造を制御したZnO薄膜中に同条件でNドープを試みたところ、O面ZnO中には基板温度の上昇に伴いN量が減少、一方、Zn面中には基板温度に依存せず5x10^<20>cm^<-3>と高いレベルでドープされることがわかった。
このような極性にかかわる原子レベルでの解析以外にGaNのc軸方向を基板と平行にさせる薄膜成長方法を見出し、窒化物半導体薄膜の光学変調素子の展開への道を開きつつある。また、Si基板上へのクラックのないGaN薄膜成長方法を検討した。さらに通常GaNのN面成長に必要な1000度以上でのNH_3フローによるサファイア基板窒化処理を溶液による低温プロセスを発見することができた。

研究成果

• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Quantitative control and detection of heterovalent impurities in ZnO thin films grown by pulse laser deposition"J. Appl. Phys.. 93/5. 2562-2569 (2003)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Systematic analysis and control of low-temperature GaN buffer layers on sapphire substrates"J. Appl. Phys.. 93. 1311-1319 (2003)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Epitaxial growth of GaN film on (La,Sr)(Al,Ta)O_3 (111) substrate by MOCVD using AIN blocking layer"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 5038-5041 (2002)
• [文献書誌] A.Tsukazaki et al.: "Systematic examination of carrier polarity in composition spread ZnO thin films codoped with Ga and N"Appl. Phys. Lett.. 82. 235-237 (2002)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Effect of buffer layer engineering on the polarity of GaN films"J. Vac. Sci. Tech. A. 20. 456-458 (2002)
• [文献書誌] M.Sumiya et al.: "Reduction of detect density in GaN epilayer having barried Ga metal by metaloganic chemical vapor deposition"J. Crys. Growth. 237-239. 1060-1064 (2002)