低転位大型バルクガリウムナイトライド単結晶の育成

低位错大块氮化镓单晶的生长

基本信息

批准号：
04J08321
负责人：
森下昌紀
金额：
$ 1.66万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

GaN系半導体は蛍光灯に替わる白色発光デバイスや次世代電子デバイスへの応用が期待されているが、デバイス中に残存する多くの転位がデバイス特性を悪化させている。転位低減のためには、低転位GaN基板上にデバイス作成する必要があり、低転位大型GaN単結晶の実現が望まれている。私は、Naフラックス法を用いたGaN単結晶育成にLPE成長技術を応用することで、基板サイズの単結晶を得ることに成功し、得られた結晶の転位密度が下地に比べて数桁低い値であることを確認した。Naフラックス法の実用化に向けて、2インチサイズのGaN基板育成技術の確立が必須であるが、(1)基板以外での多結晶成長によってLPE成長速度が低下する、(2)転位密度の面内分布が激しい、(3)再現性が悪い、などの問題が残されていた。(1)については、基板以外での多結晶成長が起こらずLPE成長のみが起こる条件と温度と圧力の関係を調査した。その結果、育成温度が高いほど基板以外での多結晶成長を抑制しながら高いLPE成長速度を維持できることが明らかになった。また、Naに炭素を微量添加することで基板以外での多結晶成長が劇的に抑制できることを発見した。(2)については、溶液の上部と下部で温度差をつけ、熱対流を起こすことで溶液を攪拌させることを試みた。その結果、結晶の表面平坦性が劇的に改善され、成長速度を増加させることにも成功した。(3)については、不純物の混入防止を徹底することで改善できると考え、炉の構造を改善した。新育成炉の開発によって再現性は飛躍的に向上した。以上で述べたように(1)〜(3)の問題はほぼ解決され、2インチサイズで厚さが約2mm(成長速度20μm/h)の結晶が再現良く得られるようになった。得られた結晶の転位密度は、多少の面内分布はあるものの、平均して10の5乗前半の値を示しており、市販のGaN基板に比べて約1桁低い値であることがわかった。

GaN基半导体有望应用于白光发光器件以取代荧光灯和下一代电子器件，但器件中残留的许多位错使器件特性恶化。为了减少位错，需要在低位错GaN衬底上制作器件，并期望实现低位错的大尺寸GaN单晶。通过将LPE生长技术应用于Na助熔剂法的GaN单晶生长，我成功地获得了衬底尺寸的单晶，并且所得到的晶体的位错密度比基底的位错密度低了几个数量级。该值是正确的。为了将Na助熔剂法实用化，必须建立一种生长2英寸GaN衬底的技术；然而，（1）衬底外的多晶生长降低了LPE的生长速率； (3)重现性较差。关于(1)，我们研究了仅发生LPE生长而不在衬底外部生长多晶的条件以及温度和压力之间的关系。结果表明，生长温度越高，越有可能保持高LPE生长速率，同时抑制衬底外的多晶生长。我们还发现，通过在Na中添加少量的碳，可以显着抑制基底外的多晶生长。关于(2)，我们尝试通过在溶液的上部和下部之间产生温差并引起热对流来搅拌溶液。结果，晶体的表面平整度显着提高，并且生长速率也成功提高。对于（3），我们认为可以通过彻底防止杂质污染来改善，因此对炉体结构进行了改进。随着新型生长反应器的开发，重现性得到了显着提高。如上所述，问题(1)至(3)已基本解决，并且可以以良好的再现性获得2英寸尺寸和约2mm厚度的晶体(生长速率20μm/h)。虽然存在一定的面内分布，但所得晶体的位错密度平均在10的5次方下半部分，比商用GaN衬底低大约一个数量级。