エピタキシャルアルミナを用いたヘテロエピタキシャル成長用基板とデバイス応用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555093
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 石田 誠 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (30126924)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大島 直樹 山口大学, 工学部, 講師 (70252319) ; 澤田 和明 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (40235461) ; 若原 明浩 豊橋技術科学大学, 工学部, 助教授 (00230912)
• Keywords: エピタキシャル / アルミナ / Al2O3 / ヘテロエピタキシー / 窒化物半導体 / 強誘電体薄膜 / 強誘電体メモリー / 焦電型センサ

Research Abstract

青色発光素子、レーザーとして実用化されている窒化物系半導体(GaN系)は、基板としてサファイアを用いている。また誘電体薄膜などの酸化物系薄膜成長の基板としても現在までは単結晶の酸化マグネシウム基板が用いられている。しかし、これらの基板は多くの問題点(価格,口径、熱伝導、絶縁体など)も存在する。本研究では単結晶のAl2O3薄膜をシリコン上に高品質に形成し、これをヘテロエピタキシャル成長基板とすることで,多くの展望を開くことができた.この基板をもちいてGaNやほかの窒化物半導体を成長させることに成功した.Al2O3/Si基板上へ成長したGaNエピタキシャル成長膜は,サファイア上に成長したものと同程度の発光特性を示し,'その有効性が確認できた.さらに多くのセンサやメモリに用いられている,強誘電体薄膜をこの基板上にエピタキシャル成長することに成功した.まず,Al2O3/Si基板上にスパッタ法により白金(Pt)をエピタキシャル成長することを見いだすことができた.さらにその基板上にPZT薄膜をゾルゲル法を用いて堆積させたところ,Si(111)基板を用いると菱面体構造のPZT薄膜がエピタキシャル成長し,Si(100)基板を用いると立方晶が成長する.さらにそれらの焦電特性は,それぞれの結晶軸に沿った特徴的な分極配向性により,発現した.さらに焦電係数もバルクの強誘電体膜と同様,もしくはそれ以上の特性を示すことができた.シリコン基板上にこれらの薄膜が成長できることで,スマートセンサ化への展望が開けた.今後,この基板を用いて発光素子以外に赤外線センサに代表される,様々なセンサへの応用を検討する.

Research Products

• [Publications] Manoj Kumar, R.M.Mehra, A.Wakahara, M.Ishida, A.Yoshida: "Epitaxial growth of high quality AnO : Al film on Silicon with a thin γ-Al2O3"JOURNAL OF APPLIDE PHYSICS. VOL.93, NO.7. 3837-3843 (2003)
• [Publications] Daisuke Akai, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Fabrication of Pb(Zr,Ti)O_3 Films on Epitaxial γ-Al2O_3(001)/Si(001) Substrates"Journal of Crystal Growth. Vol.259, No.1-2. 90-94 (2003)
• [Publications] Daisuke Akai, Keisuke Hirabayashi, Mikako Yokawa, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Epitaxial Growth of Pt(001) Thin Films on Si Substrates using an Epitaxial γ-Al2O_3(001) Buffer Layer"Journal of Crystal Growth. Vol.264, No.1-3. 463-467 (2004)
• [Publications] Daisuke Akai, Mikako Yokawa, Keisuke Hirabayashi, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Ferroelectric Thin Films on Epitaxial γ-Al_2O_3/Si substrates"Technical Report of IEICE. Vol.103, No.51. 61-65 (2003)
• [Publications] Takayuki Okada, Mohammad Shahjahan, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Fabrication and electrical characterization of MOSFET with crystalline γ-Al_2O_3 as gate insulator"The Japan Society of Applied Physics (The 64th Autumn meeting). No.2. 734 (2003)
• [Publications] Mohammad Shahjahan, Ryoki Ito, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Variation of peak current density of double barrier resonant tunneling diode fabricated by epi-Si/γ-Al_2O_3 heterostructures"The Japan Society of Applied Physics (The 64th Autumn meeting). No.3. 1253 (2003)
• [Publications] Takayuki Okada, Ryoki Ito, Mohammad Shahjahan, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Electrical Properties of Crystalline γ-Al_2O_3 Films Using Conductive-AFM and MISFETs with Alminum Gates"International Conference on Solid State Device and Materials 2003. 514-515 (2003)
• [Publications] Mohammad Shahjahan, Takayuki Okada, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Effect of Nitrogen Annealing on the Electrical Properties of Ultrathin Crystalline γ-Al_2O_3 High-k Dielectric Films Deposited on Si(111) Substrates"International Conference on Solid State Device and Materials 2003. 522-523 (2003)
• [Publications] Mohammad Shahjahan, Ryoki Ito, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Dependence of Peak to Valley Current Ratio on the Well Thickness of a Double Barrier Resonant Tunneling Diode Fabricated by epi-Si/γ-Al_2O_3 Heterostructures"Silicon Nanoelectronics Workshop-2003. 108-109 (2003)
• [Publications] Jang-Seop Kim, Tmohiro Hoshi, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Planar MIS Type Field Emitter Fabrication on Epitaxial Al/Al_2O_3/Si(111) structure"The 16th International Vacuum Microelectronics Conference. 269-270 (2003)
• [Publications] Takayuki Okada, Mohammad Shahjahan, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Electrical characteristics of MOSFET with crystalline γ-Al_2O_3 as gate insluator"The Japan Society of Applied Physics (The 51st Spring meeting). No.2. 893 (2004)
• [Publications] Khatun Halima, Mohammad Shahjahan, Takayuki Okada, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Evaluation of Epi-Si/γ-Al_2O_3 Hetero structure by AFM and Spectroscopic Ellipsometry"The Japan Society of Applied Physics (The 51st Spring meeting). No.3. 1542 (2004)
• [Publications] Mikako Yokawa, Daisuke Akai, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Fabrication of Pb(Zr_x/Ti_<1-x>)O_3 thin films on epitaxial Pt/Al_2O_3/Si"The Japan Society of Applied Physics (The 51st Spring meeting). No.2. 600 (2004)
• [Publications] Daisuke Akai, Kouji Matsushita, Mikako Yokawa, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Preparation and Chatacterization of PbTiO_3 and (Pb,La)TiO_3 Thin Films on Pt/γ-Al_2O_3/Si Substrates"The Japan Society of Applied Physics (The 51st Spring meeting). No2. 601 (2004)
• [Publications] Daisuke Akai, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida: "Preparation and Characterization of (Bi,La)_4Ti_3O_<12> Thin Films on Epitaxial γ-AL_2O_3/Si Substrates"The Japan Society of Applied Physics (The 51st Spring meeting). No.2. 619 (2004)
• [Publications] Ryota Tanaka, Susumu Hatakenaka, Akihiro Wakahara: "Heteroepitaxial growth of GaN on Si(111) substrate using γ-Al_2O_3 as an intermediate layer"The Japan Society of Applied Physics (The 51st Spring meeting). No.1. 369 (2004)