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2020 年度 実績報告書

歪場・表面構造の自在制御による窒化物半導体の新奇物性創製

公募研究

研究領域特異構造の結晶科学:完全性と不完全性の協奏で拓く新機能エレクトロニクス
研究課題/領域番号 19H04544
研究機関大阪大学

研究代表者

市川 修平  大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 助教 (50803673)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワード窒化ガリウム / ステップバンチング / マクロステップ / 不純物 / 希土類
研究実績の概要

窒化ガリウム(GaN)をはじめとしたIII-V族窒化物半導体のデバイス特性向上を目指し、結晶成長技術の観点から研究に取り組んでいる。とくに本研究課題では、希土類元素の添加がGaN系半導体の結晶成長様式を大きく変化させることに着目した。最終年度では、微傾斜サファイア基板上にGaNの成長を行い、表面にマクロステップを形成させた後にEu添加層を中間層として導入し、その上部に再度無添加GaN膜を厚さを変えながら成長することで、マクロステップが除去されていく成長過程を蛍光顕微鏡と光学顕微鏡の同時観察により評価した。
添加されたEuはマクロステップ端に集中的に取り込まれ、成長に伴うマクロステップの進行を妨げることで表面のマクロステップを除去し、同時にEu添加層が適切な歪緩和層として働く事で、上部に成長した無添加GaN層の平坦な原子ステップ表面を持続的に実現することが明らかになった。この結果は、Eu添加GaN層上にInGaNなどの混晶を作製する際にも、圧縮歪の緩和に伴う、Inの取り込み量増大を誘起する可能性を示唆するものである。

また、マクロステップ除去後の微傾斜GaN表面にSi添加またはMg添加を施すことで、表面平坦性を維持したままpn伝導度制御を実現できることを見出した。とくにSi添加時にはAlを微量に共添加することで新たに発生するステップバンチングを抑制しつつ、n型層の成長ができることを示し、本研究の目標であった表面平坦なバイポーラ素子の作製に成功した。

上記の知見を活かし、Eu添加GaN層上にInGaN量子井戸構造を有するLED構造を作製することで、三原色LEDの集積を実現する等、デバイス応用に向けた展開の一端も示すことが出来た。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Eu-doped GaN and InGaN monolithically stacked full-color LEDs with a wide color gamut2021

    • 著者名/発表者名
      Shuhei Ichikawa, Keishi Shiomi, Takaya Morikawa, Dolf Timmerman, Yutaka Sasaki, Jun Tatebayashi, Yasufumi Fujiwara
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 14 ページ: 031008

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abe603

    • 査読あり
  • [学会発表] Demonstration of macrostep-free GaN bipolar device structures on vicinal (0001) substrates using Eu-doped GaN interlayers2021

    • 著者名/発表者名
      S. Ichikawa, J. Tatebayashi, and Y. Fujiwara
    • 学会等名
      th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology (CGCT-8), C10-01-06, on-line, March 1-3 (2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] 半極性(20-21)GaNテンプレート上へのEu添加GaN成長による赤色発光の増大と発光線幅の先鋭化2021

    • 著者名/発表者名
      竹尾敦志、市川修平、館林潤、藤原康文
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会、17p-Z27-9、オンライン開催、3月16-19日 (2021)
  • [学会発表] 青色波長域でのTm発光増強に向けたTm添加AlGaNの結晶成長条件の検討と発光特性評価2020

    • 著者名/発表者名
      吉岡尚輝、市川修平、駒井亮太、舘林潤、藤原康文
    • 学会等名
      日本材料学会令和2年度第2回半導体エレクトロニクス部門委員会第1回研究会、④、オンライン、8月1日 (2020).
  • [学会発表] 窒化物半導体成長におけるステップバンチング機構の制御と応用2020

    • 著者名/発表者名
      市川修平、船戸充、川上養一、藤原康文
    • 学会等名
      日本結晶成長学会ナノエピ分科会「第12回ナノ構造・エピタキシャル成長講演会」、Th-I3、オンライン、7月30-31日 (2020).
    • 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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