高移動度InNチャネルに向けた高密度ラジカル照射下における初期成長機構の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01890
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 近藤 博基 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 准教授 (50345930)
• 研究分担者: 小田 修 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 特任教授 (30588695) ; 堤 隆嘉 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 助教 (50756137)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: プラズマ / InN / ラジカル / その場観察

研究実績の概要

高移動度InNチャネルの低温成長技術の確立に資する、高密度ラジカル照射下におけるInNおよび高In組成InGaN（In組成：50%以上）の初期成長機構の解明を目的に、ラジカル照射下での結晶成長その場観察手法の構築とそれを用いた表面反応解析を継続して取り組んだ。ラジカル照射には申請者らが開発した高密度ラジカル源（HDRS）を用い、従来の誘導結合型プラズマ源（ICP）と比較して10倍以上高密度な窒素・水素ラジカル照射下での特異な結晶成長の初期過程を調査した。ラジカル照射表面の観察には、走査トンネル顕微鏡（STM）や、ガス雰囲気下（100Pa以下）でも原子像観察可能な反応科学超高圧走査透過電子顕微鏡、角度分解X線光電子分光法（ARXPS）での表面組成の深さ方向解析を行った。特にARXPSでは、初年度に構築した最大エントロピー法による深さ方向分析システムを駆使し、ArイオンとClラジカルの交互照射における、GaN表面の構造変化をさらに詳細に解明した。具体的には、Clラジカルの吸着ステップにおける、Clラジカルの侵入深さは、前段のArイオン照射ステップにおいてイオンエネルギーに依存して形成されるGa-rich層の厚さによって決定していることが明らかとなった。この知見は、原子層プロセスにおいて、今後に繰り返されるステップ間のシナジー効果を定量的に示唆する結果であり、表面反応の理解と最適化において重要な基盤となる。一方、STMやXPSと、多様なプラズマ照射システムとの間を真空状態を保ったままで試料搬送可能な真空シャトルシステムについて、より高い真空状態を維持したままで搬送可能なシャトル接続ポートチャンバを構築し、表面の清浄性をより高質かつ長時間に保つことができるシステムを実装した。

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

前年度に構築した、角度分解X線光電子分光法（ARXPS）と最大エントロピー法（MEM）による表面組成の深さ方向解析手法を駆使し、GaNの原子層エッチングプロセスにおける表面反応機構の解析をさらに推進した。最尤法の一種であるMEMでは、確率分布の推定によって未知のデータを算出する必要があるため、データフィッティングの結果を人為的に判定することが必要とされため、適正なデータフィッティングが成されているかの判定が難しい問題がある。前年度までに、比較的シンプルな組成分布が想定される試料の解析や、モデル分布の設定によって確立したフィッティングプログラムと判定基準を基盤として、本年度は、実際の原子層エッチングに近い、ArイオンとClラジカルを交互照射における、GaN表面組成・構造のステップ毎の変化の解析に取り組んだ。イオンエネルギーが116.0および212.6 eVである場合において、Arイオン照射によって形成されるGa-rich表面層の厚さがそれぞれ0.8および1.1 nmであることがわかった。さらにこれに伴い、次段のClラジカル照射ステップにおけるClラジカルの侵入深さが変化することを見出した。これらの知見は、原子層プロセスにおけるステップ間のシナジー効果を定量的に示唆する結果であり、同プロセスの反応機構の理解と最適化において重要な基盤となる。
一方、多様なプラズマ照射システムと、STMやXPSなどの表面分析システムを直接に接続すること無く、真空搬送シャトルを介して間接的に接続し、プラズマ照射後の試料を大気曝露すること無く真空一貫で相互搬送可能なシャトルシステムについて、清浄汚染のボトルネックとなる経由ポートの環境改善のため、従来よりも10分の1以上小さなチャンバ容量とチタンサブリメーションポンプを有する小型ポートチャンバを実装し、より汎用的なその場表面分析システムの稼働を開始した。

今後の研究の推進方策

前年度までに確立した、角度分解X線光電子分光法（ARXPS）と最大エントロピー法（MEM）による深さ方向組成解析手法、清浄表面維持機能が向上した真空搬送シャトルシステムを駆使して、初期成長過程における窒素ラジカル照射と水素ラジカル照射との複合的効果の解明に取り組む。より具体的には、GaNテンプレート上でのInNおよびInGaN（InN組成：50%以上）の成長における、Inの表面拡散と偏析機構のSTM/STSによる原子レベルでを解明する。特に高密度な窒素ラジカル照射がInの表面拡散や偏析に及ぼす効果を明らかにする。一方、前年度までに、名古屋大学が誇る「反応科学超高圧走査透過電子顕微鏡」を駆使した、水素・酸素ラジカル照射下でのin-situ TEM観察システムも確立している。これまでに、酸素ラジカル照射によるグラフェンの原子層エッチングのその場観察に成功している。引き続き、2次元材料系を中心とした原子層エッチングのプラズマ照射下その場TEM解析を継続すると共に、Siや窒化物半導体における原子層プロセスへの展開も検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Growth of high-quality crystal GaN using radical-enhanced metal organic chemical vapor deposition (REMOCVD) method with shield plates for plasma-confinement (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Isobe, Takayuki Sakai, Naoharu Sugiyama, Ichiro Mizushima, Kyoichi Suguro, Naoto Miyashita, Yi Lu, Amalraj Frank Wilson, Dhasiyan Arun Kumar, Nobuyuki Ikarashi, Hiroki Kondo, Kenji Ishikawa, Naohiro Shimizu, Osamu Oda, Makoto Sekine and Masaru Hori
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science Technology B 巻: 37 ページ: 031201-1~7
  • DOI: 10.1116/1.5083970
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation-aided designing of confinement of very-high-frequency excited nitrogen plasma using a shield plate (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Isobe, Takayuki Sakai, Kyoichi Suguro, Naoto Miyashita, Amalraj Frank Wilson, Hiroki Kondo, Kenji Ishikawa, Naohiro Shimizu, Osamu Oda, Makoto Sekine, and Masaru Hori
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science Technology B 巻: 37 ページ: 061215-1~6
  • DOI: 10.1116/1.5114831
  • 査読あり
• [学会発表] Effect of multiphase plasma irradiation on alcohols for functional nanographene materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Kondo and Masaru Hori
  • 学会等名: Gaseous Electronics Symposium 3
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Arイオン照射窒化ガリウム表面の塩素吸着層のイオンエネルギー依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 将希, 堤 隆嘉, 谷出 敦, 近藤 博基, 関根 誠, 石川 健治, 堀 勝
  • 学会等名: 第67回応用物理学関係連合講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Precisely wafer-temperature-controlled plasma etching and its application for nano-scale pattern fabrication of organic material (2019)
  • 著者名/発表者名: Makoto Sekine, Yusuke Fukunaga, Takayoshi Tsutsumi, Kenji Ishikawa, Hiroki Kondo, Masaru Hori
  • 学会等名: 24th International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC24)
  • 国際学会
• [学会発表] Chlorinated surface layer of GaN in quasi atomic layer etching of cyclic processes of chlorine adsorption and ion irradiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hasegawa, Takayoshi Tsutsumi, Atsushi Tanide, Hiroki Kondo, Makoto Sekine, Kenji Ishikawa, and Masaru Hori
  • 学会等名: AVS 19th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2019)/6th International Atomic Layer Etching Workshop (ALE 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ surface analysis of Ga dangling sites and chlorination layers for determining atomic layer etching properties of GaN (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hasegawa, Takayoshi Tsutsumi, Atsushi Tanide, Hiroki Kondo, Kenji Ishikawa, Makoto Sekine, and Masaru Hori
  • 学会等名: 12th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE)
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ analysis of GaN surfaces irradiated by a Cl2 plasma for atomic layer etching (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hasegawa, K. Ishikawa, T. Tsutsumi, M. Sekine, H. Kondo, A. Tanide, M. Hori
  • 学会等名: 16th Akasaki Research Center Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] プラズマ支援原子層プロセスにおける表界面反応層制御・診断 (2019)
  • 著者名/発表者名: 堤 隆嘉, 近藤 博基, 石川 健治, 関根 誠, 堀 勝
  • 学会等名: 第４回 Atomic Layer Process (ALP) Workshop
  • 招待講演
• [学会発表] Arイオン照射窒化ガリウム表面の塩素吸着層のイオンエネルギー依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 将希, 堤 隆嘉, 近藤 博基, 関根 誠, 石川 健治, 堀 勝
  • 学会等名: 第80回応用物理学会学術講演会