超極薄シリコン基板上窒化ガリウムのヘテロエピタキシー

超薄硅衬底上氮化镓的异质外延

• 批准号: 12750015
• 负责人: 石川 博康
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 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: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12750015/
• 关键词: Si基板; 有機金属気相成長(MOCVD); GaN; AlGaN; GaN中間層; 応力; 反り; クラック; 発光ダイオード(LED); 発光ダイオード; MOCVD; AlN中間層; GaInN; メルトバックエッチング; ジュール熱

応力低減を目的としたSi基板の極薄化が困難であったため、中間層のAl組成の検討により応力低減を試みた。基板として抵抗率0.02Ωcmの2インチSi(111)を用いた。結晶成長は有機金属気相成長(MOCVD)装置により行った。1100℃でAlN(120nm)、1080℃でAlGaNを成長し中間層とした。中間層の検討としては、AlGaNの膜厚を固定(380μm)しAlモル分率を0.1〜0.3まで変化させる実験を行った。中間層には高濃度Siドーピング(10^<19>〜10^<20>cm^<-3>)を行った。最後に1080℃でGaN(200nm,Si濃度:〜10^<18>cm^<-3>)を成長した。エピ層に応力が発生すると、この応力を緩和させるように基板には反り(エピ面を上として凹)が生ずる。この反りを数値化するため、エピ基板の上面から半導体レーザーを用いた距離計により、中心部及び周辺部の距離差を測定した。結晶成長した試料については、AlGaNのAlNモル分率を0.1から0.53と大きくなるに従い、GaN(0004)面のX線ロッキングカーブ半値幅は1660arcsecから1770arcsecと広くなった。しかしながら、エピ基板の中心部及び周辺部の距離差は、AlNモル分率0.1のとき56.2μmであったものがAlNモル分率0.53では39.0μmとなり、AlNモル分率の増加と共に減少し、さらにクラックも減少することがわかった。これは、AlNモル分率の増加に伴いAlGaN層のモザイシティが大きくなり、応力が生じにくくなったもの推測している。AlNモル分率をさらに細かく調整することにより、エピ基板の中心部及び周辺部の距離差が7.0μmまで低減した。このような応力低減手法を用いて、GaInN多重量子井戸(MQW)青色発光ダイオード(LED)構造を成長し、さらにLEDを作製した。LED構造自体は前年度の構造と同一であるが、MQW構造の最適化を行っている。成長したウェハー表面には中間層に高濃度ドーピングを行ったにもかかわらず、クラックは一切観察されなかった。順方向の直列抵抗値および20mA時の駆動電圧はそれぞれ53Ωおよび4.4Vと低く、昨年度の値(それぞれ1kΩおよび約9V)と比べて大幅な低減を達成することができた。また、青色だけでなく緑色発光も達成できた。

由于很难将 Si 基板做得极薄以降低应力，因此我们尝试通过检查中间层的 Al 成分来降低应力。使用电阻率为0.02Ωcm的2英寸Si(111)作为衬底。使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）装置进行晶体生长。 AlN（120 nm）在1100℃下生长，AlGaN在1080℃下生长以形成中间层。为了检查中间层，我们进行了一项实验，其中 AlGaN 膜厚度固定（380 μm），Al 摩尔分数在 0.1 至 0.3 之间变化。对中间层进行高浓度Si掺杂(10^19～10^20cm^-3)。最后，在1080℃生长GaN(200nm，Si浓度：～10^<18>cm^-3>)。当外延层产生应力时，衬底会发生翘曲（外延面朝上凹陷）以缓解该应力。为了量化该翘曲，使用使用半导体激光器的测距仪从外延基板的顶面测量中心与周边之间的距离差。对于晶体生长的样品，随着AlGaN的AlN摩尔分数从0.1增加到0.53，GaN（0004）面的X射线摇摆曲线的半宽度从1660角秒加宽到1770角秒。然而，当AlN摩尔分数为0.1时，外延基板的中心与周边之间的距离差为56.2μm，而当AlN摩尔分数为0.53时，该距离差变为39.0μm，并且随着AlN摩尔分数的增加而减小。发现裂纹减少了。这可能是因为AlGaN层的镶嵌性随着AlN摩尔分数的增加而增加，使得应力不太可能出现。通过微调AlN的摩尔分数，外延基板中心与周边的距离差减小至7.0μm。利用这种应力减少技术，我们生长了 GaInN 多量子阱 (MQW) 蓝色发光二极管 (LED) 结构，然后制造了 LED。 LED结构本身与去年的结构相同，但MQW结构进行了优化。尽管中间层被重掺杂，但在生长的晶片表面上没有观察到裂纹。正向串联电阻值和20mA时的驱动电压分别较低，为53Ω和4.4V，与去年的值（分别为1kΩ和约9V​​）相比显着降低。此外，我们不仅能够实现蓝光发射，还能够实现绿光发射。

项目成果

T.EGAWA: "InGaN multiple-quantum-well green light-emitting diodes on Si grown by metalorganic chemical vapor deposition"Journal of Applied Physics. 91・1. 528-530 (2002)

T.EGAWA：“通过金属有机化学气相沉积在硅上生长的 InGaN 多量子阱绿色发光二极管”应用物理杂志 91・1（2002 年）。

M.Adachi: "Fabrication of Light Emittingu Diodes with GaInN Multi-Quantum Wells on Si(111) Substrate by MOCVD"Proc.Int.Workshop on Nitride Semiconductors. IPAP CS1. 868-871 (2000)

M.Adachi：“通过 MOCVD 在 Si(111) 衬底上使用 GaInN 多量子阱制造发光二极管”Proc.Int. 氮化物半导体研讨会。

B.J.ZHANG: "InGaN Multiple-Quantum-Well Light Emitting Diodes on Si(111)Substrates"physica status solidi(a). 188・1. 151-154 (2001)

B.J.ZHANG：“Si（111）衬底上的InGaN多量子阱发光二极管”物理状态固体（a）151-154（2001）。

Hiroyasu ISHIKAWA: "Suppression of GaInN/GaN Multi-Quantum-Well Decomposition during Growth of Light-Emitting-diode Structure"Japanese Journal of Applied Physics. 40・11A. L1170-L1171 (2001)

Hiroyasu ISHIKAWA：“发光二极管结构生长过程中 GaInN/GaN 多量子阱分解的抑制”日本应用物理学杂志 40・11A（2001 年）。