| 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 – 2019-03-31
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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 / エキシマレーザーアニーリング / 固相エピタキシー / バッファ層 / 低温プロセス / 構造解析 |
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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の低温合成プロセスを追究するものである。本研究では特にβ型酸化ガリウム(β-Ga2O3; Eg~4.9eV)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、以下3つのアプローチを用いる薄膜合成および結晶核形成・成長過程について検討した；(Ⅰ) 基板表面形状による核形成と成長方位の制御、(Ⅱ) 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、(Ⅲ) バッファ層導入による基板―薄膜間の格子ミスマッチ低減。
本研究では、KrFエキシマレーザ(波長248nm、5eV相当)を用いるいずれも基板非加熱の(1) バッファ層および非晶質前駆体Ga2O3薄膜(Eg~4.3eV)のパルスレーザ堆積、(2) レーザアニール固相結晶化によるβ-Ga2O3(-201)(101)エピタキシャル薄膜合成を達成した。また、基板原子ステップが優先的な核形成基点として機能することを確かめている。続いてバッファ材料が構造に与える影響を検討し、NiO・MgOなど岩塩型構造(111)面上においてβ-Ga2O3(-201)(101)エピタキシャル薄膜が得られた一方、ZnOなどウルツ鉱型構造(0001)面では無配向多結晶膜となり、表面の極性構造も寄与していると考えられる。また、放射光構造解析ではバッファ層厚増加に伴いβ-Ga2O3エピタキシャル薄膜面内の格子収縮が生じ、本研究では2nm程度が結晶配向性向上に効果的であることが明らかになった。さらに、β-Ga2O3固相エピタキシーに前駆体膜厚の許容範囲がみられ、結晶化界面において閾値を超えるエネルギー吸収、また薄膜全体による吸収総量も影響しており、本研究の室温レーザー固相エピタキシープロセスが熱過程を伴うことも示唆された。
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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
本研究の目的であるワイドバンドギャップ半導体セラミックスの低温薄膜エピタキシープロセスの創成、配向結晶化の因子およびメカニズムの解明に対して、特に室温環境におけるβ-Ga2O3エピタキシャル薄膜合成が示された点が意義深い。これまでβ-Ga2O3エピタキシャル薄膜の合成には500℃以上の基板温度が用いられてきたが、本研究では(Ⅰ) 単結晶表面の周期的ステップ＆テラス形状による核形成密度と成長方位、(Ⅱ) 結晶化界面におけるエネルギー吸収、(Ⅲ) 基板―薄膜間の格子不整合を制御することでエピタキシー温度を室温にまで低減した。本研究では、バッファ層の面内対称性だけでなく最表面原子配列、前駆体膜厚や界面におけるエネルギー吸収などの固相エピタキシーに与える因子が定性的に示された。また、光過程に加えμsオーダーの熱過程を介した固相反応メカニズムであることも示された。紫外パルスレーザーと極薄バッファ層を用いた室温プロセスによる配向固相結晶化過程の要素が明らかにされることにより、複雑組成の制御によるワイドギャップ半導体の物性制御指針を構築中であり、次代につながる材料合成が拓ける可能性がある。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後とも（Ⅰ）から（Ⅲ）のアプローチを用いたワイドギャップ半導体β-Ga2O3薄膜の室温エピタキシャル合成におけるプロセス要素解明について、薄膜・界面構造解析による研究を進める。
バッファ材料の構造が薄膜の配向固相結晶化に与える効果について国際会議で議論するとともに、IFの高い学術誌に投稿し成果公表する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
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薄膜の固相エピタキシーにおいて、高輝度放射光解析により基板―薄膜界面領域における原子数層の極薄反応層の寄与を示す結果が新たに得られた。
プロセスのメカニズム解析に係わる基盤的知見であるため、データの再現性を検討するとともに電子材料関連の国際シンポジウムで議論することとし、未使用額は実験消耗品および学術論文投稿・掲載費、成果発表旅費に充てる。
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