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。

氮化物半导体（例如GAN）被用作短波发光元件（例如蓝光发光二极管和蓝色激光二极管）的材料。但是，由于GAN没有自己的单晶底物，因此将蓝宝石底物和SIC底物用作晶体生长底物。这是基于GAN的氮化物半导体的制造成本增加并降低加工性的原因之一。这项研究旨在开发基本技术来开发低成本的大面积伪晶体晶体底物。具体而言，使用SI基板在其上生长高质量的GAN层。当使用Si底物时，SI材料是活性的，导致氮与氮的抗反应（Si底物的硝化反应），氮是氮化物半导体的组成元素，并且很难直接直接杂化GAN材料的增长。因此，在这项研究中，我们尝试了两种类型的缓冲层：薄ALN层和γ-铝层。使用迁移增强的外延法形成了五个分子的ALN层，其中Al和氮交替提供以形成缓冲层。由于在此上面生长了gan层，因此获得了平坦的gan层。此外，当将γ-铝层用作缓冲层时，它具有易于抑制Si底物的硝化反应的优势。通过使用室温无定形缓冲层的两级生长方法生长GAN EPOLAYER，并使用Rheed进行原位观测，并使用AFM观察表面形状。 GAN在γ-Al2O3/Si（111）底物上的外延生长，并发现方向关系为[11-20] H-GAN // [1-10]γ-Al2O3。此外，AFM的观察结果表明，尽管这部电影是部分柱状的，但通常是一部连续的电影。当MBE或类似的生长温度约为700°C时，GAN EPILAYER通常容易进入柱状生长模式。该结果意味着，通过使用γ-Al2O3中间层，可以彻底控制Si底物和GAN EPILAYER之间的界面，并且可以轻松控制Gan Epilayer的连续膜增长，从而使其成为非常重要的结果。