地球環境に優しいSi基盤ベース高品質GaN疑似基板の開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650014
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 大島 直樹 山口大学, 工学部, 講師 (70252319)
• Keywords: GaN / Si / γアルミナ / NH3 / アンモニア / ガスソースMBE / RHEED

Research Abstract

GaNに代表される窒化物半導体は、青色発光ダイオードや青色レーザーダイオードなどの短波長発光素子用材料として活用されている。しかしながら、GaNには、それ自身の単結晶基板が存在しないために、サファイア基板やSiC基板を基板結晶材料として用いている。このことが、GaN系窒化物半導体素子の製造コストを高くし、また加工性を低くしている一つの原因である。
本研究では、低コストで大面積の擬似的なGaN結晶基板を開発する基板技術の開発を目的とする。具体的には、Si基板を用いて、その上に高品質なGaN層をヘテロエピタキシャル成長する。Si基板を用いる場合には、Si材料が活性なため、窒化物半導体の構成元素である窒素と激しく反応(Si基板の窒化反応)を起こし、GaN材料の直接的なヘテロ成長を行うことが困難である。そのため、本研究では、薄いγ-アルミナ層を中間層として用い、Si基板表面の反応活性な性質を抑制した。
アンモニア(NH3)ガスを窒素の供給源とするガスソースMBE法により、GaNヘテロエピ層の成長を行った。GaNエピ層の膜質を向上させるためには、成長温度を高くする必要がある。γアルミナ/Siハイブリッド基板上におけるNH3ガスソースの熱分解を効率よく進めるためには基板温度600℃以上にする必要があることが判った。そこで、成長温度を800℃として、NH3ガスソースMBE法によるGaNエピ層の成長条件を割り出した。結晶の成長方位の基板面依存性を調べた結果、γアルミナ/Si(111)基板では、六方晶GaNが安定に成長することを確認した。一方、γアルミナ/Si(100)基板では、六方晶と立方晶の混在する程度がNH3の供給量に依存して変化することを見いだした。本研究の目的は、高品質な擬似GaN基板を作成することであり、今後の展望として六方晶GaNの安定な成長条件を探る。また、さらに1000℃以上の成長温度域におけるGaNの成長様式ならびに成長過程を解明していく。