研究課題
本研究はオプトエレクトロニクス・パワーエレクトロニクス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~4.9 eV)について、基板表面形態制御による結晶核形成サイトおよび成長方位の制御、岩塩型バッファ層の極性面を用いた薄膜―基板間面内格子不整合の低減、また界面におけるエキシマ光吸収と熱過程を介した固相結晶化による室温エピタキシャル結晶化プロセスを創成し、そのエネルギー吸収と配向結晶化過程について明らかにした。KrFエキシマレーザ(波長248 nm、5 eV相当)を用いるいずれも基板非加熱の(1) パルスレーザ堆積法による岩塩型バッファ層および非晶質前駆体Ga2O3薄膜(Eg~4.3 eV)の合成、(2) レーザアニールによる固相結晶化過程の二段階プロセスでβ-Ga2O3(-201)(101)エピタキシャル薄膜合成を得た。その初期過程では、基板表面の制御された周期的ファセットを基点とする結晶核形成、またNiOなど岩塩型バッファ層において単一元素で構成される(111)極性面がβ-Ga2O3(-201)(101)エピタキシャル結晶化の初期過程において面内異方性の形成に重要であることが明らかとなった。配向結晶成長過程に関する透過型電子顕微鏡観察では薄膜―バッファ相界面から0.1 nm;/pulse程度で結晶化が進行していることが明らかになった。さらに、薄膜表面では(-201)配向であった一方、バッファ層および基板の近傍において急冷過程による生成が報告された(101)配向を含むβ-Ga2O3(-201)(101)双晶構造がみられた。エキシマレーザーアニーリングによる固相エピタキシーにおけるエネルギー吸収と熱過程において、比較的高熱伝導率である単結晶基板を介した熱拡散の寄与が明らかとなった。
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Scientific Reports
巻: 9 ページ: 4304
10.1038/s41598-019-41049-9
