窒化アルミインジウムガリウム砒素の五元混晶成長と光電子集積回路実現への基礎的検討

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15560284
• 研究機関: 大阪工業大学
• 研究代表者: 淀 徳男 大阪工業大学, 工学部, 助教授 (70288752)
• キーワード: Si基板 / InN / ECRプラズマ / 六方晶 / バンドギャップ / 酸素不純物 / 窒化物混晶半導体

研究概要

前年度から良質なAlGaInAsN/Siの窒化物五元混晶を作製する為の準備段階として、InN/Si、InNAs/Si、InGaNAs/Si等のSi基板上にInを含有した二元、三元、四元系の窒化物混晶成長において薄膜の結晶性向上のための基礎的検討を開始し、その問題点を洗い出している。研究の結果、Inを含む窒化物系半導体の混晶結晶成長では基本的に高温成長できない為に、Inの含有量を増加するにつれ薄膜自体の結晶性が大幅に悪化してしまうという問題点が明らかになり、またInNの二元混晶系で従来まで考えられていたバンドギャップ値(1.9eV)よりも低い値(0.7eV)を持つことが明らかとなり、窒化物五元混晶系の探索研究にこれらのバンドギャップの変化を考慮することが必要である。本年度はInを含む窒化物系半導体の基礎物性値の一つであるこのバンドギャップの低エネルギーへの変化の原因を探ることを主眼に研究を進めた。これは、本研究の目指している光電子集積回路実現への新たな可能性を開く材料となると予想されるからである。まず、Si基板上にInNの結晶成長条件の最適化を検討し、またバンドギャップの変化を評価した。この結果、600℃でAlNバッファ層を10nm作製した後、350〜400℃の比較的低温下でInNを成長することが最適な成長条件であることが判明した。また、SIMS分析による不純物測定と成膜後のInNのアニールの実験を通して、薄膜成長中にバイアス電圧を正に印加することによってInN膜中への残留酸素原子の取り込み効率が大幅に抑制できることが明らかとなった。また、InN膜中に酸素不純物を混入させることによってバンドギャップ値が高エネルギー側にシフトすることも明らかとなった。しかしながら、InN膜に酸素を含有させてもワイドバンドギャップ材料の酸化インジウムとならず、高エネルギー化する原因は他にある可能性も否定できない。次年度はこの原因を明らかとし、三元、四元、五元系の窒化物混晶半導体の結晶成長に及ぼす酸素の影響についても検討を行い、新しい光電子集積機能素子への可能性を積極的に模索することを考えている。

研究成果

• [文献書誌] T.Yodo, T.Hirano, Y.Harada: "Characterization of polycrystalline GaN layers grown on alkali metal-free glass substrates by molecular-beam epitaxy assisted by electron cyclotron resonance plasma"Polycrystalline Semiconductors VII, Solid State Phenomena(edited by T.Fuyuki et al.). 93. 307-312 (2003)
• [文献書誌] 淀 徳男: "無アルカリガラス基板上多結晶GaN薄膜成長とフルカラー発光素子の最近の進歩"科学と工業. 77・4. 196-204 (2003)
• [文献書誌] T.Yodo, R.Fujita, M.Yamada, Y.Harada: "Low temperature growth of GaN films on Si(III) substrates by electron cyclotron resonance plasma-assisted molecular-beam epitaxy"22th Electronic Materials Symposium, Laforet Biwako, Moriyama, Shiga, Extended Abstracts. F14. 191-192 (2003)
• [文献書誌] H.Yona, Y.Harada, T.Yodo: "Effect of substrate bias voltage under growth on characteristics of InN films grown by molecular-beam epitaxy assisted by electron cyclotron resonance plasma"Phys.State.Sol.. C(0)・7. 2545-2548 (2003)
• [文献書誌] T.Yodo, H.Yona, Y.Harada, A.Sasaki, M.Yoshimoto: "Visible emissions near 2.2 eV from InN films grown on Si (III) and sapphire (0001) substrates by electron cyclotron resonance plasma-assisted molecular-beam enitaxy"Phys.State.Sol.. C(0)・7. 2802-2805 (2003)
• [文献書誌] Tokuo Yodo, Yasunobu Kitayama, Kazunari Miyaki, Hiroaki Yona, Yoshiyuki Harada: "Influences of In_2O_3 crystal grains formed by anneal on characteristics of hexagonal InN crystalline films grown on Si(III) substrates"Jpn.J.Appl.Phys.. 43・2A. L139-L141 (2004)