窒化物半導体エピタキシャル膜の極性選択機構

2020 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 18K04933
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 花田 貴 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80211481)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 窒化物半導体 / 極性 / エピタキシャル成長 / 表面構造

研究成果の概要

Gaの最内殻電子を励起する吸収端エネルギーを持つX線による回折強度測定により、GaNの極性方向を同定した。次に、結晶表面に垂直なロッドに沿ったX線散乱強度測定により、GaNと格子整合性の良いエピタキシャル成長基板となるScAlMgO4劈開面の表面構造解析を行った。還元雰囲気ではScAlMgO4表面の酸素欠損があり、これに基づいてGa極性面が成長する機構を提案した。最後に、N極性面の窒化物半導体成長モデルを提案した。実験の成長温度、ガス流量の条件に基づいて熱・統計力学的に見積もられた現実的なパラメータを用いた計算が可能になり、測定された成長速度を再現することができた。

自由記述の分野

表面界面

研究成果の学術的意義や社会的意義

ウルツ鉱型結晶構造を持つ窒化物半導体は陰イオンとなる窒素層と陽イオンとなるIII族層が交互に積層しており、陰・陽イオンの局所的な重心の微妙なずれにより積層方向に内部電界が生じる。結晶の表裏が反転したGa極性面とN極性面では、この内部電界の向きが逆転するため、それに応じてデバイス構造を最適化する自由度ができる。従来平坦な成長表面が得やすいGa極性面が用いられてきたが、N極性面成長の改善により、第5世代移動通信に利用できる高電子移動度トランジスタでN極性がGa極性を凌ぐ特性を持つことが報告されている。本研究では極性の判定法、極性選択機構の解明、N極性成長の平坦性の改善などにつながる成果を得た。