原子レベル表面状態制御による低欠陥窒化物半導体のヘテロエピタキシー

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14205001
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 田中 悟 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (80281640)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂口 春典 日立電線(株), アドバンスリサーチセンタ, センタ長 ; 青柳 克信 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (70087469) ; 熊野 秀和 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (70292042)
• Keywords: III族窒化物半導体 / 構造欠陥 / 転位 / 表面構造 / ヘテロエピタキシー / 成長モード / 光デバイス / 自己組織化

Research Abstract

窒化物半導体の高品質化のためには,主たる構造欠陥である貫通転位の低減が課題である.現状ではGaNホモエピ基板が欠如しているため.ヘテロエピを余儀なくされている.ヘテロエピ用の基板として本研究では,汎用基板であるサファイア・SiCを取り上げ原子レベル表面状態制御という立場から高品質化を目指している.初年度は.まずSiC基板の表面平坦化のために,高温HCl/H2ガスエッチング装置を開発し,種々のSiC基板(ポリタイプ・微傾斜特性)に関して平坦化を試みた.結果,従来報告があったjust基板のみならず微傾斜基板においても非常に明快なステップ・テラス構造を出現させることに成功した.例えば,3.5°オフ6H-SiC(0001)基板においてエッチング処理を行ったところ,テラス幅約26nmを有する規則化した2次元ステップ構造が現れた.透過型電子顕微鏡および原子間力顕微鏡観察によってこの構造はナノファセットにより構成されることがわかった.この構造は表面の自己組織化と考えられ,表面相分離および表面応力テンソルの両面から理論的な考察を行った.また,この構造にはポリタイプ・微傾斜角依存性があることがわかった.
上述の原子レベルで平坦化した基板表面上への窒化物(GaN)半導体のヘテロエピを分子線エピタキシー法により行った.特に,成長初期過程である核発生・核の融合に注目し成長モードのパラメータ依存性を検討した.また,欠陥生成過程に関するモデリングも行い,微傾斜基板では構造に異方性を生じることを明らかにした.更にGaの吸着脱離状態を制御することによりナノオーダーの選択成長が可能であること見出した.
さらに同様な手法でAlNを成長し,AlN表面に規則化したステップバンチングが生じることを見出し,Stranski-Krastanov成長モードによりGaN量子ドットを作製,ドットの1次元規則配列を達成した.これらのドットは規則配列により光学特性が改善されることがわかった.

Research Products

• [Publications] J.Brault: "Spatial ordering of GaN quantum dots grown on vicinal AlN surfaces"Journal of Applied Physics. 93・5. 3108-3110 (2003)
• [Publications] J.Kato: "Structural anisotropy in GaN films grown on vicinal 4H-SiC surfaces by metalorganic molecular beam epitaxy"Applied Physics Letters. 83・8. 1569-1571 (2003)
• [Publications] H.Nakagawa: "Self-ordering of nanofacets on vicinal SiC surfaces"Physical Review Letters. 91・22. 226107-1-226107-4 (2003)