2016 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of singularity structure by top-down method based on thermal equiburium condition
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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16H06415
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
三宅 秀人 三重大学, 地域イノベーション学研究科, 教授 (70209881)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮川 鈴衣奈 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10635197)
荒木 努 立命館大学, 理工学部, 教授 (20312126)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / ヘテロ成長 / 窒化アルミニウム / 分子線エピタキシー / フェムト秒レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
点欠陥や不純物原子など異種原子の取込（0次元特異点）やヘテロ界面（2次元特異構造）の意図的導入によって生じる構造変化（立方晶などの構造多型の導入、原子オーダリング、組成変調など）について、原子レベルで構造を把握することを目指した。サファイア上AlNのヘテロ成長は、深紫外LEDなどの光デバイス形成で極めて重要である。スパッタ法は大口径基板で面内均一な堆積ができることや気相成長法と比較してコストが安価であることから注目されているが、スパッタ法AlN膜の膜厚が結晶性へ与える影響については明らかでない。三重大学ではスパッタ法AlNの堆積メカニズムについて明らかにした。
立命館大グループでは、MBE法により窒化物半導体成長に導入する特異構造として、Nプラズマ照射および原子層材料挿入による結晶成長フロントの多機能化について検討した。まず、窒化インジウム（InN）成長中断時にNプラズマ照射を行うことで形成した再成長界面において、貫通転位は曲がり、融合、消滅のふるまいを示し、貫通転位の伝搬を妨げる効果があることを見出した。次に、原子層材料としてグラフェン系基板上へのInN成長を行った結果、平坦グラファイト面上において六方晶ナノ結晶の作成に成功した。またドメイン境界やエッジ、しわの多い部分では100nm以下の微結晶が多数成長することを見出した。
名古屋工業大学が担当する基板表面加工は、基板表面への構造形成により、結晶成長に最適な初期核制御を試みた。同時に、ダメージ層の評価として、TOF-SIMSによる基板再表面での元素組成や化学構造の評価を行った。
またB01、B02の解析グループにも作製した試料を提供し、結晶学、光学の観点からも効果の検証とメカニズムの解明を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
三重大学では、RFスパッタ法により、c面サファイア基板上に出力100-200 W、温度100-650 oC、圧力0.1-1 Paの条件下でAlNの堆積を行い、世界最高レベルの結晶性を有するAlNを得た。その詳細な受験を明らかにした。膜厚5~300 nmのAlNを堆積させたAlN膜の(0002)回折のX線ロッキングカーブ(XRC)を調べた結果、堆積初期にはc軸に配向したシャープなピークのみが見られるが、膜厚20 nm以上にてブロードなピークが出現しはじめた。膜厚300 nmにおいてはシャ－プなピークが無くなりブロードなピークのみとなり、結晶性が大幅に悪化した。膜厚が増加するにつれてシャープなピーク、ブロードなピーク共に強度が増加していくことが分かった。膜厚300 nmではシャープなピークが消滅するとともにブロードなピークの(0002)XRCのFWHM(半値幅)は大幅に拡大していることより、200-300 nm間に結晶性が大きく変化する膜厚が存在すると考えられる。
立命館大グループにおいて、Nプラズマ照射による表面改質および異種原子層材料挿入は、下地の結晶情報を忠実に引き継ぐ従来の単結晶エピタキシャル成長に反するものであるが、貫通転位伝搬の抑制やナノ構造形成といった特異構造導入によって新たに生み出された機能を見出すことができ、結晶高品質化への期待が得られた。
名古屋工業大学では、窒化物半導体のヘテロ成長における界面制御のため，基板表面にフェムト秒レーザー（波長1045nm）を用いて構造形成を行った．半導体結晶基板にフェムト秒レーザーを照射すると，照射したレーザー波長より短周期のナノ周期構造を形成することを利用して、周期構造SiC（周期は約200nm）を作製した。基板と同品質の結晶性を維持していた．選択的なGaN核形成は周期構造形成による濡れ性変化が起因していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
三重大学は，この歪みや転位密度の低減を図るため，原料のマイグレーション長の違いを実験的に明らかにすると共に，理解の基礎となる表面拡散定数を決める。さらに，横方向成長による転位低減を基板全面で可能にする。試料表面モフォロジーの観察，ラマン散乱分光による歪み解析やTEMによる転位の挙動解析を実施すると共に，成長のその場観察による理解も深める。また，貫通転位周りの解析には，転位を含む結晶構造に対して歪み・応力解析を行い，その特異構造の歪み緩和に対する効果を検討する。このように三重大学による試料作製などの実験結果とA01-05理論班との連携でから最適な構造指針を得る。TEMを用いたナノレベルの観察，Spring-8を用いたマイクロX線による歪み評価を行うことにより，結晶成長へのフィードバックを強化し，成長条件の確立，再現性の向上を図る。
立命館大グループでは、MBE法による特異構造の導入：Nプラズマ照射および原子層材料導入による結晶成長フロントの多機能化について、それぞれ転位密度低減、ナノ構造成長促進といった効果を確認することができた。一方、光・電気的特性までも含めた結晶高品質化にはまだ課題は残されており、今後はこれらの機能を創出する条件を最適化して、そのメカニズムを明らかにする検討についても進める。
名古屋工業大学では、SiC基板上にGaNを成長すると，周期構造部に選択的にGaN核が形成することを実験により明らかにする。超短パルスのフェムト秒レーザを照射すると，レーザー波長より短い周期の構造が形成されることを利用して、ナノ周期構造を局所的に形成し、極性制御への活用を検討する。
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[Journal Article] Electron microscopy analysis of microstructure of postannealed aluminum nitride template2016
Author(s)
Kaur, J; Kuwano, N; Jamaludin, KR; Mitsuhara, M; Saito, H; Hata, S; Suzuki, S; Miyake, H; Hiramatsu, K; Fukuyama, H
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Journal Title
APPLIED PHYSICS EXPRESS
Volume: 9
Pages: 65502
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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