MOCVD法によるサファイア基板上への2段階GaN成長 における初期成長過程に関する研究
著者 伊藤 孝浩
雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告
巻 21
ページ 111‑113
発行年 2000‑03‑31
出版者 静岡大学大学院電子科学研究科
URL http://hdl.handle.net/10297/1533
氏名 。
(本籍 ) 伊 藤 孝 浩 (愛 知県 ) 学 位 の種 類 博 士 (工 学 )
学 位 記 番 号 工 博 甲 第 180 号 学位授与の日付 平 成 H年 3月 24日 学位授与の要件 学位規則第 4条 第 1項 該当 研究科 ・ 専攻の名称 電子科学研究科 電子材料科学
学位論文題目 MOCVD法 によるサファイア基板上への2段 階 GaN成 長に おける初期成長過程に関する研究
論 文 審 査 委 員 (委 員長
)教 授 藤 安 洋 教 授 福 家 俊 郎 教 授 熊 川 征 司 助教授 高 野 泰 教 授 乗 原 弘
論 文 内 容 の 要 旨
Ⅲ一 V族 窒化物半導体である GaNは 、短波長の発光 ダイオー ドの実現やレーザーダイオー ドの開発 の為に、最近特 に注 目を集めている材料である。 GaNは サフアイア基板の上に低温バ ッファ層 を介 し てヘテロエビタキシャル成長 させる事 によって初めて高品質結晶を得ることが可能になった材料であ る。従 って、高品質高温 GaN成 長層 を得るためには、この低温バ ッファ層 にサファイア基板初期窒化 を加えた初期成長過程が非常に重大な役割 を負 つている。バ ッファ層の種類 としては GaN及 び調 を 用い、その堆積条件が高温 GaN成 長層の特性 に与える影響 について詳細な検討を行 つた。またサファ
イア基板初期窒化が高温 GaN成 長層の特性 に与える影響 について も詳細な検討 を行 った。
GaNバ ッフア層の堆積温度及び GaNバ ッフア層堆積時 V/Ⅲ 比 を変化 させることによつて、 GaN成 長層の特性 を検討 した。 GaNバ ッフア層堆積温度 と GaNバ ッフア層堆積時 V/Ⅲ 比 を最適化すること
によつて、高品質な GaN成 長層 を得 ることができた。最適化の過程 より、G卜五 chの 状態で GaNバ ッ ファ層 を堆積することが結晶性の良好な GaNA長 層 を得るために必要であることがわかった。電気的 特性の最適な GaNバ ッフア層堆積温度は600℃ であった。高温 GaN成 長層が鏡面成長するためには、
GaNバ ッフア層堆積時の実質的な V/Ⅲ 比 を最適化 しなければならないことがわかった。
G̀Nバ ッフア層の結晶化 を議論するために、 GaNバ ッフア層膜厚、 GaNバ ッフア層熱処理時間、
GaNバ ッフア層熱処理雰囲気 を検討 した。膜厚の異なる GaNバ ッフア層 を用いて も、それぞれ最適時 間で熱処理することによって結晶性の良好な GaN成 長層が得 られることがわかった。 GaNバ ッフア層
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は凝集再構成 を起 こしなが ら結晶化 し、表面モフォロジーは
as¨grOwnと 熱処理後では大 きく変化 し た。熱処理後の GaNバ ッフア層の表面モフォロジーは、 GaNバ ッフア層膜厚 と熱処理時間を変化 させ ることによつて制御で きることが明らかになった。 GaNバ ッフア層は熱処理時間の増加 とともに、急 激に再蒸発 していることがわかった。 GaNバ ッフア層の凝集再構成 を伴 う結晶化及び再蒸発には熱処 理雰囲気が大 きく影響 していることが明らかになった。熱処理雰囲気中の水素分圧が増加すると G〔 N
バ ッフア層の結晶化及び再蒸発が活発 となった。 GaN成 長層の結晶性は熱処理後の GaNバ ッフア層の 表面モフォロジー及び結晶性に従つていることがわかった。
AINバ ッフア層の堆積温度、膜厚、熱処理時間を変化 させることによつて、高温 GaN成 長層の特性 を検討 した。 AINバ ッフア層膜厚、及び梱 バ ツファ層堆積温度の増加は GaN成 長層の結晶性の悪化 を招いた。 GaN成 長層の表面モフォロジーも AINバ ッフア層の堆積温度及び膜厚に大 きく依存 した。
AINバ ッフア層の堆積温度が低温であるほど GaN成 長層が鏡面成長 しやすいことがわかつた。
AINバ ッフア層の最適熱処理時間は同膜厚の GaNの それよりも長いことがわかった。 AINバ ッフア 層の表面モフォロジーの熱処理による変化は GaNバ ッフア層のそれと比較 して小 さい。これらのこと より、 AINバ ッフア層 は GaNバ ッフア層 と比較 して、結晶化速度が遅いことがわかった。また、
as‐grOwnの ANバ ッフア層の構造が堆積温度によつて大 きく変化 した。 500℃
(アモルファスライク
)、600
℃
(立方晶・六方晶の混在 )で 堆積 した AINバ ツフア層は熱処理 によつて六方晶 AINに 相変化すること がわかった。劇 Nバ ッフア層の堆積時の実質的な V/Ⅲ 比 を考慮 に入れることによつて、 AINバ ツフア 層堆積温度 を 500℃ 〜 1040℃ という広範囲で変化 させても、鏡面成長する GaN成 長層 を得 ることがで
きた。
低温 GaN、 AINバ ツフア層堆積 に加 えてサ フアイア基板初期窒化が検討 された。 GaNお よび AIN
バ ッフア層の膜厚を増加 させると、 GaN成 長層の表面モフォロジーは六角形ファセット表面から鏡面 へ と大 きく変化 した。 GaN成 長層の熱的安定性及び釧 αSSの 結果 より、表面モフォロジーと GaNの 成長方向 との関係が明 らかにされた。六角形ファセット表面は GaN(0001)N面 であ り、鏡面成長面は GaN(0001)Gaで あることが明らかになった。サファイア基板初期窒化 と薄い GaNま たは AINバ ツフア 層の両方 を用いることによって GaN成 長層は〈 0001瀾 方向に成長 し、 6角 形 ファセ ット表面 となる事 が分かつた。一方、サファイア基板窒化 を行わずにバ ッファ層 を用いることによつて、またはサファ
イア基板初期窒化 を行い厚いバ ッフア層 を用いることによって、高温 GaN成 長層 は〈
0001〉Ga方 向に 成長 し、鏡面成長することがわかった。
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論 文 審 査 結 果 の 要 旨
高輝度青色発光ダイオー ドの市販、青紫色 レーザーダイオー ドの開発などにより窒化物半導体が最 近注 目を浴びている。これらのデバイス作製の基板技術の一つに低温バ ッファ層 を用いたサファイア 基板上への2段 階成長法が挙げられるが、初期堆積層である低温バ ッファ層堆積条件の最適化やその 役割 に関 しては不明な点が多い。本研究は、有機金属化学気相成長 (MOCVD)法 を用いた GaN2段 階 成長においてサファイア基板の初期窒化、バ ッファ層の堆積条件並びに熱アニール条件などの初期成 長条件が高温 GaN成 長層の品質や極性 に与える影響 を調べ ることを目的 としてなされた。
本論文は 6章 からな り、第 1章 は序論で、本研究の背景および現状での問題点を明らかにするととも に研究 目的を述べている。第 2章 では MOQD法 による GaN成 長方法及び高温 GaN成 長条件の最適化に ついて述べている。第 3章 では、 1段 目の GaNバ ッフア層の堆積条件が高温 GaN成 長層の特性に与える 影響 を詳細 に検討 している。低温 GaNバ ッフア層 は堆積温度か ら2段 目の高温 GaN成 長温度 までの温 度上昇期間内に受ける熱アニールにより凝集再構成並びに再蒸発することを原子間力顕微鏡観察及び
X線 回折測定により示 し、熱アニール時間によってバ ッファ層の最適堆積膜厚が変化することを示 し た。さらに、 GaN成 長層の結晶品質は熱アニール後のバ ッファ層の表面形態及び成長核の結晶性に強
く依存することを明 らかにしている。
第4章 では劇 Nバ ッファ層 を用いた GaN成 長 について、 GaNバ ッフア層の場合 と比較 しなが らバ ッ ファ層堆積条件が検討 されている。 AINバ ッフア層は GaNと 比較 して安定であるため、結晶化速度や 水素中でのエ ッチング速度が遅 く、その結晶最適熱処理時間も長 くなること、また、最適堆積時 V/
Ⅲ比 (V族 とⅢ族の原料供給比
)は小 さくなるほどを明 らかにしている。また、 500〜 1040℃ という広 いバ ッファ層堆積温度範囲で鏡面 GaN成 長層 を得 る条件 を見いだ している。第5章 では、サファイア 基板の初期窒化力治aN成 長層 に与える影響について述べている。基板初期窒化の有無による GaN成 長 層の表面形態の違いは、成長層の水素中での熱的安定性の差などから GaN成 長層の極性の違いを反映 していることを示 し、基板の初期窒化は六角形 ファセット表面 となる(0001)N面 を形成 し、低温バ ッ ファ層堆積 は鏡面成長する(0001)Ga面 を形成する働 きがあることを明らかにしている。
第6章 は総括で、研究成果 を纏めている。
本論文は MOCVD法 を用いたサファイア基板上2段 階 GaN成 長 における低温バ ッファ層の振 る舞い や成長層結晶方位の制御など多 くの新 しい知見が得 られてお り博士
(工学 )の 学位 を授与するに十分な 内容 をもつ もの と認定する。
一
