シリコン基板上への窒化ガリウム系四元混晶半導体の結晶成長及びその素子の応用

硅衬底上氮化镓基四元混晶半导体晶体生长及其器件应用

• 批准号: 02F00329
• 负责人: 江川 孝志
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02F00329/
• 关键词: AlInGaN; MOCVD; フォトルミネッセンス; 四結晶X線回折; 発光デバイス

高品質の四元混晶AlInGaNを成長する時、一番難しいことは、ふさわしい成長条件の最適化である。その理由は、三元混晶AlGaN及びInGaNの成長温度が異なるからである。本研究では、成長温度の四元混晶AlInGaN特性の影響について詳しく調べた。四元混晶AlInGaNのエピ層は、有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いて厚さ1.3μmGaN層を持つサファイア基板上に大気圧の条件で成長した。成長温度の影響を調べるために、異なる成長温度780,820,860,900及び940℃において,計五つ試料を作成した。四元混晶AlInGaNの特性はAl及びInの含有量の強く依存しているので、その五つの試料は結晶組成が同じ(Al:〜9%,In:〜2%)ように作られている。原子間力顕微鏡(AFM)測定の結果により表面モフォロジは成長温度に強く依存している。成長モードは、成長温度の上昇にしたがって、三次元成長から二次元成長の方へ変化することが分かった。高温成長した試料表面には鮮明なフローステップ表面モフォロジ及び微弱な荒さを示しているので、高質なAlInGaN結晶が得られたことを示唆している。AlInGaN材料に関する成長モードの温度上昇による変化についての報告は、世界で初めてのことだと思う。また、AlInGaN材料のフローステップ表面モフォロジについてもほかの研究グループの公開された文献に報告されていなかった。材料性能の成長温度依存性は、PL及びXRDの評価によって証明されている。高温成長した試料はPLのFWHM値が小さく(〜50meV)、X線ローキング曲線が〜250arcsecであり、高品質な結晶を示している。したがって、AlInGaN,特にAl含有量の高い四元混晶AlInGaNの成長は高い成長温度が必要である。最適な成長温度はInの混入量により、配慮する必要がある。また、AlInGaN/AlInGaN 10周期のMQWs構造は900℃の温度で成長した。XRDおよびPLの測定により、高品質な結晶及びMQWs領域にスムーズな界面を有することが明らかになった。

在生长高质量四元混晶AlInGaN时，最困难的挑战是优化合适的生长条件。原因是三元混晶AlGaN和InGaN的生长温度不同。在这项研究中，我们详细研究了生长温度对四元混晶AlInGaN性能的影响。使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备在大气压下在具有1.3μm厚GaN层的蓝宝石衬底上生长四元混晶AlInGaN外延层。为了研究生长温度的影响，在780、820、860、900和940℃的不同生长温度下总共制备了五个样品。由于四元混晶AlInGaN的性能很大程度上取决于Al和In的含量，因此五个样品采用相同的晶体组成（Al：~9%，In：~2%）。原子力显微镜（AFM）测量表明，表面形态很大程度上取决于生长温度。研究发现，随着生长温度的升高，生长方式由三维生长转变为二维生长。高温生长的样品表面呈现出清晰的流阶表面形貌和轻微的粗糙度，表明获得了高质量的AlInGaN晶体。我相信这是世界上首次报道AlInGaN材料的生长模式因温度升高而改变。此外，其他研究组已发表的文献中并未报道AlInGaN材料的流动台阶表面形貌。材料性能的生长温度依赖性已通过 PL 和 XRD 评估得到证明。高温生长的样品具有较小的 PL FWHM 值（~50 meV）和~250 arcsec 的 X 射线定位曲线，表明晶体质量很高。因此，生长AlInGaN，特别是高Al含量的四元混晶AlInGaN，需要较高的生长温度。需要根据In混合量来考虑最佳生长温度。此外，AlInGaN/AlInGaN 10周期MQW结构在900℃的温度下生长。 XRD 和 PL 测量揭示了 MQW 区域的高质量晶体和光滑界面。

项目成果

Yang Liu, Takashi Egawa, H.Ishikawa, H.Jiang, B.Zhang, M.Hao, T.Jimbo: "High-temperature-grown quaternary AlInGaN epilayers and multiple quantum wells for ultraviolet emission"Journal of Crystal Growth. Accepted. (2004)

刘阳、江川隆、H.Ishikawa、H.Jiang、B.Zhang、M.Hao、T.Jimbo：“高温生长的四元AlInGaN外延层和用于紫外发射的多量子阱”晶体生长杂志。

Yang Liu, Takashi Egawa, Hiroyasu Ishikawa, Takashi Jimbo: "Growth and characterization of high-quality quaternary AlInGaN epilayers on sapphire"Journal of Crystal Growth. 259. 245-251 (2003)

Yang Liu、Takashi Egawa、Hiroyasu Ishikawa、Takashi Jimbo：“蓝宝石上高质量四元 AlInGaN 外延层的生长和表征”晶体生长杂志。

Yang Liu, Takashi Egawa, Hiroyasu Ishikawa, Takashi Jimbo: "High-quality quaternary AlInGaN epilayers on sapphire"Physica Status Solidi(a). 200 No.1. 36-39 (2003)

Yang Liu、Takashi Egawa、Hiroyasu Ishikawa、Takashi Jimbo：“蓝宝石上的高质量四元 AlInGaN 外延层”Physica Status Solidi(a)。

Baijun Zhang, Takashi Egawa, Hiroyasu Ishikawa, Yang Liu, Takashi Jimbo: "High-Bright InGaN Multiple-Quantum-well Blue Light-Emitting Diodes on Si(111) Using AlN/GaN Mutilayers with a Thin AlN/AlGaN Buffer Layer"Japanese Journal of Applied Physics. 42・3A.

Baijun Zhang、Takashi Egawa、Hiroyasu Ishikawa、Yang Liu、Takashi Jimbo：“使用具有薄 AlN/AlGaN 缓冲层的 AlN/GaN 多层技术在 Si(111) 上实现高亮度 InGaN 多量子阱蓝色发光二极管”日语应用物理学杂志42・3A。

B.Zhang, Takashi Egawa, Yang Liu, H.Ishikawa, T.Jimbo: "InGaN multiple-quantum-well light-emitting diodes on an AlN/sapphire template by metalorganic chemical vapor deposition"physica status solidi(c). 0,No.7. 2244-2247 (2003)

B.Zhang、Takashi Egawa、Yang Liu、H.Ishikawa、T.Jimbo：“通过金属有机化学气相沉积在 AlN/蓝宝石模板上制备 InGaN 多量子阱发光二极管”物理状态固体 (c)。