Si(100)面上の
無極性GaNエピタキシャル薄膜
物質・材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA)
ナノエレクトロニクス材料ユニット
知京 豊裕
GaN on Siの応用と市場
GaN Power on Si
GaN Powerdevice
GaN on Si の市場性
2013年9月9日 日経BPリサーチ“ニュース”から
課題：LEDに関する3つの課題
①大型サファイア基板がない。 ② シュタルク効果のために発光効率が悪い。 ③ Green付近の 発光効率が悪い。 緑色LED ①の解決策：Si基板を使う。 ②の解決策： 非極性面を使う。LEDに関する2つの課題解決策
• 基板の大型化ができない。 ＝＞ 汎用Si上に作製 • シュタルク効果による発光効率の低下 ＝＞ 無極性面を利用 • 硫化物を用いた緩衝層による 無極性AlN面の作製 問題を解決する ２つのキーテクノロジー Si(100)基板 硫化物緩衝層 AlNキャップ層 p-GaN i-ZnO n-ZnO 電極 • Si(100)基板を用いる。成果のポイント：ZnO/GaNからの純紫外域バンド端発光
AlN (1120) GaN (1120) [1μm] p+-GaN (1120) [1μm] MnS (100) Si (100)n
+-ZnO/n
--ZnO/p
+-GaN/GaN
/AlN/MnS/Si(100)からの注入発光
(100)Si基板上に成長した無極性
(1120) ZnO LEDからの純紫外域
バンド端発光
n--ZnO (1120) [0.6μm] n+-ZnO (1120) [0.3μm] Au/Ti 電極 Au/Ni Back-Contact無極性GaN成長の従来の試み：
基板の問題
Ga N
P. Waltereit et al., Nature 406 (2000) 865
Non-polar (1100) m-plane GaN grown on (100) r-LiAlO2
M. D. Craven et al., APL 81 (2002) 469
Non-polar (1120) a-plane GaN grown on (1102) r-sapphire
C-GaN on 3C-SiC(001) Non-polar a-plane GaN substrate
Si (100) 酸化物緩衝層 無極性 発光素子
Si(100)面上の酸化物、窒化物緩衝層の課題
・Siと酸化物、窒化物の反応のために 非晶質層ができる。 GaNキャップ層 ・多結晶で配向性のない膜の生成 非晶質反応層良質なGaN膜を得ることができない。
Si (100) 硫化物緩衝層 無極性 発光素子
Si(100)面上の硫化物緩衝層- 界面反応からみた有効性-
・硫化物とSiとはほとんど反応せず、 急峻な界面の作製が可能 GaNキャップ層 ・硫化物と窒化物も急峻な界面の作製が可能Si(100)面上の硫化物緩衝層-転位からみた有効性-
Si (111) Si (100) 硫化物緩衝層 硫化物緩衝層 GaN（0001）層 GaN（11-20）層 ダイヤモンド 構造 NaCl構造 六方晶構造立方晶の硫化物一覧
Advantages of MnS buffer layer
ZnS MnS MgS CaS CdS Hg
S LaS SmS EuS CeS BeS SrS BaS
Lattice (Å) ZB a=5.41 Wz a =3.82 c=6.25 NaCl a=5.22 ZB a=5.61 5.20 5.69 ZB a=5.82 Wz a=4.14 c=6.71 5.86 5.85 4.97 5.97 5.99 4.87 6.02 6.39 Mismatc h to Si -0.38 -3.8 -4.20 4.77 7.2 7.9 7.79 -8.48 9.9 10.1 -10.4 10.8 17.6 Eg 3.7 3.2 5.4 0.3 1.1 0.2 0.2 1.65 5.5-6 4.5- 4.1 0.3 Ionicity 0.62 > 0.5 0.79 0.90 0.69 0.79 0.29 0.91
Stable cubic atomic arrangements
Small lattice mismatch to Si (－3.8%) Wide energy band gap,
Control of Resistivity & Eg High ionic nature
Small Large
格子歪をいれることで
転位を制御する。
Our research
Non-polar plane GaN on Si (100)
• no columnar structure
• possible low dislocation density
• more simple process
GaN
New Buffer Layer
Si (100)
[0001] [1120]
Ga N Mn S
GaN (1120) MnS (100)
top view top view
GaN [0001] GaN [1120] MnS [001] MnS [100] Lattice mismatch (1120) [1100] c GaN/Mn S +5.9% -0.5% AlN/MnS +3.2% -4.7% GaN on MnS/Si(100)の結晶方位関係
High quality MnS growth – 成長温度の最適化
MnSの成長温度： 600 ～800
oC
Tgrowth=600 oC T growth=650 oC Tgrowth=700 oC Tgrowth=750 oC T growth=800 oC750℃で結晶性の良いMnSが成長
Sharp interface between MnS and GaN
GaN (1120) / MnS (100) / Si (100)の断面TEM観察結果
0.27 nm
[1120]
AlN thin film on MnS/Si(100）の結晶性評価：X線回折
In tensity (arb. un its) 30 40 50 60 70 80 2 Theta (Degrees) Si (200) Si (400) W-AlN (0002) Si (400) MnS (200) W-AlN (1120)AlN onMnS/Si (100)の結晶対称性評価：X線回折
0 100 200 300 0 100 200 300 -150 -100 -50 0 50 100 150 0 1x105 2x105 3x105 4x105 Intensity (a rb. units) Azimuthal (Degree) MnS (420) Si (440) AlN (1122)GaN(100nm)/AlN(20nm)/MnS(50nm)/Si(001)
GaN (0002) GaN (0002) GaN (11-20) GaN (11-20) MnS (400) Si (400)すべての条件を最適化し、高品位のGaN層の開発に
成功した。
Si (100) 硫化物緩衝層 無極性ZnO 発光素子
なぜ、Si(100)面上の硫化物緩衝層、
ZnO発光素子なのか？
・硫化物と窒化物も急峻な界面の作製が可能 ・硫化物とSiとはほとんど反応せず、 急峻な界面の作製が可能 ・無極性ZnO超格子ではシュタルク効果を 抑制できる。 ・大きいエキシトン結合エネルギー（60 meV)に よる高効率発光 ・バンドギャップ制御による緑色発光 Si基板はもっとも広く利用されている基板で最大 300mmΦまで利用できる。 Si上に発光素子を作製することで、Si周辺デバイスと発光素子 との融合が可能になる。 GaNキャップ層Si 基板(111)) ZnO (1010)0)
X線ΦスキャンによるZnOの結晶対称性評価
GaNAlN/MnS/Si基板上に無極性面 (11-20)のZnO がエピタキシャル成長。
