| 研究課題/領域番号 |
15K20988
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
松田 晃史 東京工業大学, 物質理工学院, 講師 (80621698)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ワイドギャップ半導体 / 酸化ガリウム / エピタキシャル薄膜 / 低温成長 / レーザーアニール / 固相結晶化 / バッファ層 |
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| 研究実績の概要 |
本研究はエレクトロニクス・エネルギー分野に貢献するワイドバンドギャップ半導体セラミックスの低温合成プロセスを追究するものである。 本研究ではワイドバンドギャップ材料、特にβ型酸化ガリウム(β-Ga2O3)に対するレーザを用いた低温エピタキシープロセスの創成、配向結晶化の因子やメカニズムの解明を目的として、非平衡状態下の薄膜合成および結晶核形成・成長過程について検討した。 以下に示す3つのアプローチを用いた；(1) 基板表面形状による核形成サイトと成長方位の制御、(2) ワイドギャップ材料に適した波長を用いたレーザアニール固相結晶化、(3) バッファ層導入による基板ー薄膜間の格子ミスマッチ低減。
平成27年度の研究により得られたレーザアニール固相配向結晶化とバッファ層効果とを融合したプロセスをを実施検討した。プロセスは(1) パルスレーザ堆積(PLD)法による極薄NiOバッファ層および非晶質前駆体Ga2O3薄膜(Eg～4.3eV)の室温堆積（原子ステップサファイアC面基板）、(2) KrFエキシマレーザ(波長248nm、5eV相当)を大気中・試料非加熱の状態で照射してレーザアニール固相結晶化、の二段階からなる。 室温堆積と室温レーザアニーリングを行なったGa2O3薄膜試料について、X線回折(XRD)および反射型高速電子線回折(RHEED)によりを用いた薄膜構造解析により、サファイア基板上では一軸配向膜となった一方、単斜晶系β-Ga2O3のエピタキシャル薄膜がNiO(111)バッファ層上に得られた。レーザパルス数の増加により結晶化は進行するが、β-Ga2O3薄膜は(-201)および(101)配向を含む双晶構造を示す回折がみられた。 また、固相結晶化初期過程について原子間力顕微鏡(AFM)観察を行った結果、基板の原子ステップが優先的な核形成基点として機能していることを確かめた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
室温エキシマレーザアニーリングおよび極薄膜バッファ層を用いた検討により、これまでに以下の実験的結果および知見が得られている。 (1) 原子ステップを有するサファイア(0001)基板を用いた室温PLDによるNiO(111)バッファ層および非晶質Ga2O3前駆体薄膜堆積、およびKrFエキシマレーザ(波長248 nm、パルス幅20 ns)を用いた紫外レーザアニーリング(大気中、室温環境)により、β-Ga2O3エピタキシャル薄膜が固相結晶化した。エピタキシャル方位関係は以下の通りである。 (2) X線薄膜構造解析により、(-201)および(101)双晶構造を示す回折強度比が観測された。これは薄膜表面近傍から生じる核形成や原子ステップ基板表面の隣接するテラスがもつ鏡面対象構造に起因すると推察され、配向面制御に課題を見出した。 (3) 結晶化初期段階の薄膜に対する酸処理・残留アモルファス領域除去により、基板ステップ端に配列した結晶粒が観察された。これは原子ステップが核形成起点として機能したことを示す。 (4) 異種元素ドーピングされた薄膜のELAにおいて配向結晶化が抑制され、核形成起点が薄膜内部に変化することが示唆された。 以上のことから、室温レーザープロセスを用いたワイドギャップ酸化物半導体のエピタキシャル薄膜合成が得られた点、基板表面形状が初期結晶成長過程におよぼす影響が実験的に確かめられた点、配向制御や導電性制御などに関する課題が明らかになったことを踏まえ、本研究の目的に対して研究全体はおおむね順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの実験研究により得られた、固相配向結晶化に対するエキシマレーザアニールのパラメータと得られる構造の相関を追究する。以下のアプローチにより、室温近傍レーザプロセスを用いたワイドギャップ半導体の高配向固相結晶化に関する結果および知見を精錬し、結晶配向性を制御可能なエピタキシープロセスを確立する。 (1) レーザアニーリング装置およびレーザ光学系、とくに照射方位の制御による基板ー薄膜界面近傍のレーザ吸収と核形成基点制御、シード層形成による配向面制御を行う。 (2) バッファ層内の構造歪み、とくに高輝度放射光(SPring-8)を用いた薄膜―バッファ層界面近傍の構造解析による、β-Ga2O3のエピタキシャル固相結晶化におよぼす影響評価。 (3) 純酸素・不活性ガス(Ar/He)など雰囲気制御による構造および光学・電子物性への影響評価。 以上を踏まえて低温エピタキシーにおけるメカニズムおよびプロセス改善を検討し、応用に関する指針を立てる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
ワイドギャップ酸化物薄膜の室温堆積および室温レーザアニールによる固相結晶化の条件を探索ならびに改善改善し実験研究を進めている。 当初は雰囲気制御チャンバを製作し、真空中あるいは欠陥を低減する酸素中などにおいて固相結晶化を行う実験を計画していた。
一方で、バッファ層効果により固相結晶化薄膜の配向性が大幅に改善する結果が得られ、初期成長やドーパントの影響など低温エピタキシーに係る基礎的な現象の理解に重要性がみられた。当該の課題に注力したことにより、本研究を進展させる有意義なデータと知見を獲得することができた。上記をふまえ、薄膜エキシマレーザアニールにおける雰囲気制御を平成29年度に行うこととしたためである。
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| 次年度使用額の使用計画 |
平成29年度は、室温レーザプロセスで作製されるワイドギャップ半導体エピタキシャル薄膜の固相結晶化過程などを明らかにするため、TEMや高輝度放射光施設を用いた界面およびドメイン構造解析を予定しており、ビームタイム等に充てる。レーザ光学系をブラッシュアップする他、薄膜レーザアニール装置を構成する真空部品や光学部品の調達に使用する。上記の実験研究を推進するため、単結晶基板や原料ターゲット、レーザガスなど必須消耗品を引き続き調達する。 さらに成果を広く公表するため、学術論文投稿や国際会議講演などの費用に充てる。
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