格子整合系ヘテロエピタキシーによる無転位窒化物半導体層の形成

通过晶格匹配异质外延形成无位错氮化物半导体层

基本信息

批准号：
14750010
负责人：
古川雄三
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
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-14750010/
关键词：
AlN SiC BAlN 分子線エピタキシー高温水素エッチング微傾斜基板格子整合 MEE

项目摘要

AlN、GaN、InNなどの窒化物半導体は、主にSiCやサファイア基板上のヘテロエピタキシーにより形成され、短波長発光デバイスや電子デバイスへの応用が検討されている。しかしながら、基板と成長層との大きな格子不整合のため、実用に耐え得る10^3cm^<-2>以下の転位密度を実現するまでには至っていない。一方で、III-V族半導体/Si構造も大きな格子不整合により実現が困難とされていた。しかしながら、化合物半導体に窒素を添加したIII-V-N半導体により、Si基板上への格子整合系ヘテロエピタキシーが可能となった。そこで本研究では、窒化物半導体のヘテロエピタキシーに格子整合条件を適用し、無転位の窒化物半導体層を実現することを究極的な目標とした。第一に、窒化物半導体の一つであるAlNとの格子不整合度が比較的小さいSiCを基板として採用した。化学的に安定なSiC基板表面を原子レベルで平坦化するために、高温水素エッチングによる前処理を行った。その結果、1600℃以上の前処理温度にて、6H-SiC基板表面に、均一なステップ構造を形成することに成功した。次に、成長温度800℃以上の分子線エピタキシー法(MBE)において、原子レベルで平坦なピットフリーのAlN成長層を形成することに成功した。さらに、窒化物半導体の格子整合系ヘテロエピタキシーを実現するべく、B(ボロン)を添加したBAlNの直接成長を試みた。その結果、0〜1.8%のB組成を有するBAlN成長層の形成に成功した。加えて、B組成の増加とともに、XRDの(0002)回折の半値全幅が減少することが明らかとなった。これは、B組成の増加とともに格子不整合率が減少し、BAlN層が高品質化したものと考えられる。以上の結果より、窒化物半導体の高品質化においても、格子整合条件が高品質化に有効であることを示し、無転位窒化物半導体層の形成に向けた基礎的指針を得るに至った。

AlN、GaN、InN等氮化物半导体主要通过在SiC或蓝宝石衬底上异质外延形成，其在短波长发光器件和电子器件中的应用正在被考虑。然而，由于衬底和生长层之间的大晶格失配，不可能实现足以实际使用的10 ^ 3 cm ^ -2 或更小的位错密度。另一方面，由于晶格失配较大，III-V族半导体/Si结构也难以实现。然而，III-V-N半导体，即掺杂氮的化合物半导体，已经能够在Si衬底上实现晶格匹配异质外延。因此，在本研究中，我们将晶格匹配条件应用于氮化物半导体的异质外延，最终目标是实现无位错的氮化物半导体层。首先，使用与作为氮化物半导体的AlN具有相对较小的晶格失配的SiC作为衬底。为了在原子水平上平坦化化学稳定的SiC衬底表面，我们使用高温氢蚀刻进行了预处理。结果，我们在1600℃或更高的预处理温度下成功地在6H-SiC衬底的表面上形成了均匀的台阶结构。接下来，我们在 800°C 或更高的生长温度下使用分子束外延 (MBE) 成功形成了原子级平坦的无凹坑 AlN 生长层。此外，为了实现氮化物半导体的晶格匹配异质外延，我们尝试直接生长掺杂B（硼）的BAlN。结果，我们成功地形成了B成分为0至1.8%的BAlN生长层。另外，可知随着B组成的增加，XRD中的(0002)衍射的半峰全宽减小。这被认为是因为随着B组成的增加，晶格失配率降低并且BAlN层的质量提高。上述结果表明晶格匹配条件对于提高氮化物半导体的质量是有效的，并且我们获得了形成无位错氮化物半导体层的基本指导方针。