新しい原料分子を用いた気相成長による高品質・超厚膜窒化ガリウムの高速結晶成長

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K04945
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 村上 尚 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90401455)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 窒化ガリウム / トリハライド気相成長法 / 気相成長 / 自立基板 / 化合物半導体

研究実績の概要

本研究ではGaCl3を用いた新しいGaN気相成長法により、1300℃を超える高温で3mm/h以上の超高速成長を実現し、低コストGaN製造法の確立及びGaN結晶性と成長温度との関係を解明することを目的としている。
平成28年度は、GaN膜の高温高速成長を実現すべく、理論計算と実験とを併用し最適な原料部構造の設計および成長実験を実施した。従来の原料部構造では金属ガリウムと塩素との反応が不十分であり、一塩化ガリウムの生成濃度が安定せず未反応の塩素が通り抜けてしまうことが熱流体解析により明らかとなった。この状態では二段階め反応部においてGaCl(g)+Cl2(g)=GaCl3(g)の反応が安定せず結果としてGaNの成長速度が劇的に下がってしまう。そのため、金属ガリウムと塩素との接触面積および接触時間を増加する原料部構造を考案・設計し成長実験を行った。
新原料部構造を用いて三塩化ガリウム高濃度供給下で成長実験を実施し1300℃という高温において300μm/hを超える成長速度を達成した。基板結晶(GaN自立基板)を1300℃まで昇温する際に基板表面が熱分解により劣化が生じることにより、その上に成長した結晶の品質は未だ不十分であるが、基板劣化に対する対策を実施することで結晶性の向上やさらなる成長温度の高温化も可能であることが見出された。気相法を用いたGaN結晶成長において1300℃を超える成長温度は全く例がなく、得られた結晶の不純物取り込みやその他光物性等は非常に興味深く、平成29年度以降に詳細に解析を行う。これらの成果をもとに原料濃度の増加により超高速成長を目指す。

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

原料の高濃度供給を可能とする原料部構造の設計・最適化が終了し、計画通りに安定した高速結晶成長ができるようになった。また、成長温度上限の把握のため、高原料濃度供給により1300℃において300μm/hを超える成長速度が得られたことは、さらなる高温成長も可能であることを示唆する。成長速度と成長温度は強い相関があり、高温ほど成長速度は下がる傾向にあるが、原料供給量を増加することでさらに成長の駆動力を増加し、成長可能温度域の拡張を今後実施する予定である。

今後の研究の推進方策

平成28年度の成果を発展し、1300℃を超える高温での超高速成長(目標: 3mm/h以上)を達成するための成長条件探索およびGaN結晶の線欠陥、点欠陥(不純物含む)の解析、2インチ径種結晶(サファイアor GaN基板)上へのバルクGaN結晶成長及び評価を当初の予定通り実施する。また、平成28年度の研究で新たに明らかとなった、昇温中の初期基板表面の劣化を抑制するため、多段階GaN成長や表面保護層(例えば、超薄膜AlN膜を堆積する等)の検討を実施する。さらなる高濃度化の際には、平成28年度に得られた知見のとおり金属ガリウムと塩素の気液反応の制御が非常に重要であることから、理論計算を併用して実験条件の設定を行っていく予定である。

次年度使用額が生じた理由

当該年度において、固体原料を用いたトリハライド気相成長GaNにも取り組むことで、三塩化ガリウムのGaN表面吸着挙動を明らかにする予定であったが、通常の金属ガリウムと塩素ガスを用いる成長法でこれまで報告のない成長温度でのGaN成長を達成したため、そちらの研究に注力した。そのため、固体原料トリハライド気相成長装置の改造に伴う費用が未執行の状態である。

次年度使用額の使用計画

次年度(平成２９年度)に固体原料トリハライド気相成長装置の整備を実施し、予算執行する予定である。具体的にはバルブ類、原料容器等の費用へ充当する。

研究成果

• [雑誌論文] Thick nonpolar m-plane and semipolar (10-1-1) GaN on an ammonothermal seed by tri-halide vapor-phase epitaxy using GaCl3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenji Iso, Karen Matsuda, Nao Takekawa, Kazuhiro Hikida, Naoto Hayashida, Hisashi Murakami, Akinori Koukitu
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 461 ページ: 25-29
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.01.005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quasiequilibrium crystal shape and kinetic Wulff plot for GaN grown by trihalide vapor phase epitaxy using GaCl3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenji Iso*, Karen Matsuda, Nao Takekawa, Hisashi Murakami*, and Akinori Koukitu
  • 雑誌名: Physica Status Solidi B 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1002/pssb.201600679
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of NH3 input partial pressure for N-polarity InGaN growth on GaN substrates by tri-halide vapor phase epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahide Hirasaki, Tomoyasu Hasegawa, Misaki Meguro, Quang Tu Thieu, Hisashi Murakami*, Yoshinao Kumagai, Bo Monemar, and Akinori Koukitu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 05FA01-1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.55.05FA01
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation mechanism of AlN whiskers on sapphire surfaces heat-treated in a mixed flow of H2 and N2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Takada*, Kazushiro Nomura, Rie Togashi, Hisashi Murakami, Akinori Koukitu, and Yoshinao Kumagai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 05FF01-1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.55.05FF01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of high-temperature processing on the surface properties of bulk AlN substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Tojo, Reo Yamamoto, Ryohei Tanaka, Quang Tu Thieu, Rie Togashi, Toru Nagashima, Toru Kinoshita, Rafael Dalmau, Raoul Schlesser, Hisashi Murakami, Ramon Collazo, Akinori Koukitu, Bo Monemar, Zlatko Sitar, Yoshinao Kumagai
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 446 ページ: 33-38
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.04.030
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tri-halide vapor phase epitaxy of thick GaN using gaseous GaCl3 precursor (2016)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Murakami*, Nao Takekawa, Anna Shiono, Quang Tu Thieu, Rie Togashi, Yoshinao Kumagai, Koh Matsumoto, Akinori Koukitu
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 456 ページ: 140-144
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.08.029
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Growth of thick and high crystalline quality InGaN layers on GaN (000-1) substrate using tri-halide vapor phase epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahide Hirasaki, Martin Eriksson, Quang Tu Thieu, Fredrik Karlsson, Hisashi Murakami*, Yoshinao Kumagai, Bo Monemar, Per Olof Holtz, Akinori Koukitu
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: 456 ページ: 145-150
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.08.019
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tri-halide vapor-phase epitaxy of GaN using GaCl3 on polar, semipolar, and nonpolar substrates (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenji Iso*, Nao Takekawa, Karen Matsuda, Kazuhiro Hikida, Naoto Hayashida, Hisashi Murakami*, Akinori Koukitu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 ページ: 105501-1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7567/APEX.9.105501
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] トリハライド気相成長法によるInGaN厚膜の高温成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 江間研太郎、目黒美佐稀、松本尚也、村上尚、熊谷義直、纐纈明伯
  • 学会等名: 応用物理学会第5回結晶工学未来塾
  • 発表場所: 東京農工大学、東京都
  • 年月日: 2016-11-07 – 2016-11-07
• [学会発表] トリハライド気相成長法を用いたN極性窒化ガリウムの高温成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 引田和宏，竹川直, 松田華蓮, 林田直人, 村上尚，熊谷義直，纐纈明伯
  • 学会等名: 応用物理学会第5回結晶工学未来塾
  • 発表場所: 東京農工大学、東京都
  • 年月日: 2016-11-07 – 2016-11-07
• [学会発表] 無極性、半極性面バルクGaN基板上へのTHVPE成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松田華蓮、磯憲司、竹川直、引田和宏、林田直人、村上尚、纐纈明伯
  • 学会等名: 応用物理学会第5回結晶工学未来塾
  • 発表場所: 東京農工大学、東京都
  • 年月日: 2016-11-07 – 2016-11-07
• [学会発表] トリハライド気相成長法を用いた擬平衡結晶面とウルフ図作成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 磯憲司、松田華蓮、竹川直、引田和宏、林田直人、村上尚、纐纈明伯
  • 学会等名: 応用物理学会第5回結晶工学未来塾
  • 発表場所: 東京農工大学、東京都
  • 年月日: 2016-11-07 – 2016-11-07
• [学会発表] Recent Progress in Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy of Thick GaN and InGaN (2016)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Murakami, Nao Takekawa, Takahide Hirasaki, Yoshinao Kumagai, Kou Matsumoto, Akinori Koukitu
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2016)
  • 発表場所: Hilton Orlando Lake Buena Vista, Orlando, Florida, USA
  • 年月日: 2016-10-06 – 2016-10-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dependence of GaN Growth on the Substrates with Various Surface Orientations by Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy Using GaCl3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenji Iso, Karen Matsuda, Nao Takekawa, Kazuhiro Hikida, Naoto Hayashida, Hisashi Murakami, and Akinori Koukitu
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2016)
  • 発表場所: Hilton Orlando Lake Buena Vista, Orlando, Florida, USA
  • 年月日: 2016-10-05 – 2016-10-05
  • 国際学会
• [学会発表] Quasi-Equilibrium Crystal Shape and Kinetic Wulff Plot for GaN Grown by Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy Using GaCl3 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenji Iso, Karen Matsuda, Nao Takekawa, Kazuhiro Hikida, Naoto Hayashida, Hisashi Murakami, and Akinori Koukitu
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2016)
  • 発表場所: Hilton Orlando Lake Buena Vista, Orlando, Florida, USA
  • 年月日: 2016-10-03 – 2016-10-03
  • 国際学会
• [学会発表] High-Speed Growth of Thick InGaN Ternary Alloy by Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Murakami, T. Hirasaki, M. Meguro, Q.-T. Thieu, R. Togashi, Y. Kumagai, B. Monemar, A. Koukitu
  • 学会等名: 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • 発表場所: Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan
  • 年月日: 2016-08-09 – 2016-08-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High temperature growth of thick InGaN ternary alloy by tri-halide vapor phase epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Matsumoto, M. Meguro, K. Ema, Q.-T. Thieu, R. Togashi, H. Murakami, Y. Kumagai, A. Koukitu
  • 学会等名: 35th Electronic Materials Symposium (EMS-35)
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖、滋賀県
  • 年月日: 2016-07-07 – 2016-07-07
• [学会発表] High Temperature Growth of Thick InGaN Layers using Tri-Halide Vapor Phase Epitaxy (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Meguro, T. Hirasaki, T. Hasegawa, Q. T.Thieu, H. Murakami, Y. Kumagai, B. Monemar, A. Koukitu
  • 学会等名: International Conference on LEDs and their Industrial Applications ’16 (LEDIA'16)
  • 発表場所: Pacifico Yokohama, Kanagawa, Japan
  • 年月日: 2016-05-19 – 2016-05-19
  • 国際学会
• [学会発表] トリハライド気相成長法による GaN 成長の基板面方位依存性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松田 華蓮、磯 憲司、竹川 直、引田 和宏、林田 直人、村上 尚、纐纈 明伯
  • 学会等名: 第8回窒化物半導体結晶成長講演会
  • 発表場所: 京都大学, 京都府
  • 年月日: 2016-05-10 – 2016-05-10
• [学会発表] トリハライド気相成長法を用いた N 極性窒化ガリウムの高温成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹川 直、引田 和弘、松田 華蓮、林田 直人、村上 尚、熊谷 義直、纐纈 明伯
  • 学会等名: 第8回窒化物半導体結晶成長講演会
  • 発表場所: 京都大学, 京都府
  • 年月日: 2016-05-09 – 2016-05-09