Si基板ベース紫外発光素子を目指して基礎研究

基于硅衬底的紫外发光器件的基础研究

基本信息

批准号：
11750012
负责人：
大島直樹
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Yamaguchi University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-11750012/
关键词：
窒化物半導体 GaN Si ヘテロエピタキシー分子線エピタキシー RF-MBE AlN

项目摘要

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に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基板を結晶成長基板として用いている。このことが、GaN系窒化物半導体の製造コストを高くし、また加工性を低くしている原因の一つである。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礎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AlN層とγ-アルミナ層の2種類をバッファー層として試みた。Alと窒素を交互に供給するマイグレーション・エンハンスト・エピタキシー法を用いて、5分子層のAlN層を形成し、バッファー層とした。その上にGaN層の成長を行った結果、平坦なGaN層を得ることができた。また、γ-アルミナ層をバッファー層に用いた場合には、Si基板の窒化反応を抑制することが容易であるという利点をもつ。室温アモルファスバッファー層を用いた2段階成長法によりGaNエピ層の成長を行い、RHEEDによるその場観察とAFMによる表面形状の観察を行った。GaNはγ-Al2O3/Si(111)基板上にエピタキシャル成長し、方位関係は[11-20]h-GaN//[1-10]γ-Al2O3であることが判った。また、AFM観察では、部分的に柱状成長しているものの概ね連続的な膜になっていることが判明した。GaNエピ層はMBEなどの成長温度が700℃程度の場合には一般に柱状成長モードになりやすい。この結果は、γ-Al2O3中間層を用いることにより、Si基板とGaNエピ層との界面を急峻に制御できるだけでなく、GaNエピ層の連続膜成長の制御が容易に行えることを意味し、非常に重要な結果である。

以GaN为代表的氮化物半导体用作蓝色发光二极管、蓝色激光二极管等短波长发光器件的材料。然而，由于GaN没有自己的单晶衬底，因此使用蓝宝石衬底或SiC衬底作为晶体生长衬底。这是GaN基氮化物半导体的制造成本高、加工性低的原因之一。本研究的目的是开发低成本开发大面积赝GaN晶体衬底的基础技术。具体而言，在Si衬底上异质外延生长高质量的GaN层。当使用Si衬底时，由于Si材料是活性的，因此它与作为氮化物半导体的构成元素的氮剧烈反应(Si衬底的氮化反应)，使得难以进行GaN材料的直接异质生长。。因此，在本研究中，我们尝试了两种类型的缓冲层：薄AlN层和γ-氧化铝层。使用交替供应Al和氮的迁移增强外延方法，形成5层AlN层并用作缓冲层。作为在其顶部生长GaN层的结果，可以获得平坦的GaN层。另外，当使用γ-氧化铝层作为缓冲层时，具有能够容易地抑制Si基板的氮化反应的优点。使用室温非晶缓冲层通过两步生长法生长GaN外延层，并使用RHEED进行原位观察和使用AFM进行表面形貌观察。在γ-Al2O3/Si(111)衬底上外延生长GaN，发现取向关系为[11-20]h-GaN//[1-10]γ-Al2O3。此外，AFM观察显示，虽然在某些区域存在柱状生长，但薄膜总体上是连续的。当生长温度在 700°C 左右时，例如在 MBE 中，GaN 外延层通常倾向于以柱状生长模式生长。这一结果意味着，通过使用γ-Al2O3中间层，不仅可以陡峭地控制Si衬底和GaN外延层之间的界面，而且可以容易地控制GaN外延层的连续薄膜生长。重要结果。