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Growth and Characterization of Hot‐Wall Epitaxial GaN and InGaN Films

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Academic year: 2021

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Growth and Characterization of Hot‐Wall Epitaxial GaN and InGaN Films

著者 Chu Shucheng

journal or

publication title

静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 22

page range 124‑126

year 2001‑03‑30

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1491

(2)

氏名 。(本

     

  

(中

)

学位 の種類

 

 

 (工

)

学位記番号

  

工博甲第

  192  

学位授与の日付

  

平成 11年 9月 27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

  Gro■

vth and CL田 働 動 attm ofHot‐

WanEPim GaNand hGaN Fh

(ホ ッ トウォールエビタキシー法によるGaN及InGaNの 成長 と物性評価

)

論文審査委員 (蓑

)福

家 俊

 

教 授 田 安 生

教 授 乗 原

 

 

助毅 田 明 広

教 授 中 義 式

 

教 授 藤 安

 

内 容 の 要

The growth technique was established to preparing high quality GaI{ and high quality InGaIt{ films by hot- wall epitaxy in this research. This study has been focused on(l)the growth of high quality GaI{ films by use of

a metallic Ga source and a TMGa source respectively and the characterization of the GaI{ films. (2)the growth of high quality InGal.{ films by use of a simple mixed metallic(Ga*In)source and the characterization of the InGaIt{ films.

The growth technique was esrablished to preparing high quality GaI{ and high quality InGaI{ films by hot- wall epitaxy in this research. This study has been focused on(l)the growth of high quality Gat.{ films by use of

a metallic Ga source and a TMGa source respectively and the characterization of the Gal.I filma.(2)the growth of high quality InGaI.[ films by use of a simple mixed metallic(Ga*In)source and the characterization of the InGal.{ films.

High quality Gaf{ films were prepared by use of Ga metallic source in a modified llWEsystem. The crystal- line qualiry of the Gat{ films, characterizedby the typical(002)and(lo2) co scan widths(-350and-800arcsec, respectively)ana Raman Ez peak widths(- 2cm-r)uecomparable to those of MOCVD growth. )(RD and Raman scattering results also show the Gal.I films are free of strain. GaNI films with low carier concentration down to

‑12‑

(3)

1016〜 1017cr3and electron mobility up to〜

100cm27v̲s were obtained.The invesdgation of the dependence

ofthe electrical propett on themaltream℃ nt Ofthe burerlayer shows that a ratherlow ramping rate and a thin buffer layer is prefered.PL measurements show thatthe GaN flhs are strong light enutters with sharp band edge emissions and with negligible YE related defects.

The growth techniques of GaN f11lns using l闊 燿G source in HWE systerll was eslぬ blished fbr the irst time.

GaN ilms with high resisivity and low good crystallinity were prepared.The wall heater plays a very important Юle for the stable growtho Siimpunty in the■ lms decreased about one order compared with thatin the case of metallc Ga in silica source tube.The origin ofthe yellow ernlssion was invesigated and it was clariied thatthe YE related fects began to fom nearthe buffer/epi… layer and developed rapidly in the Ga poor state.The YE related defects can be much suppressed by using a thin buffer layer,a relative low Vノ Ⅲ ratio and a moderate

high walltemperamre du五 ng epi‐

grow血.

The gyowth techniques of hGaN rllms by use of a m破

ed metallic(Ga+In)SOurce was established for the irst dmein a HWE system.High quality lnGaN■

lms with ln mole fracdon up to16%and sharp band edge emission ranging iolm370nIIl‑45nIIl were prepared.Thc high quality lnGJヽ

films can be used in short‐

wavdength light emitting de宙 ∝

s as acJve layer.The mixed source can supply unifom h and Ga mixed vapor

and ln/Ga ratio insensidve to the source temperature fluctuationo The ln incorporation and the crystal quality can be controllcd by thc h contentin the lluxed source,the substrate temperature and the source temperature independently.The window for growing lnG」N f11lns in the HWE system is quite wide,as for growth of a specially intended ilm composi● on,there are several independentparameters tp be attuSted.

XRD,PL,Raman Scattenng and conducdve AFM were perfol..led to evaluatethe hGaN ilms grown by use

of HWE technique with a mixed IIletallic source.The lnGaN量

lms show strong band edge cIInssion ranging

hm宙olet(38Zhoto bluec4・ 45)with narrOw FWHM in the regi。 of 12〜 33nln.It was show thatthe crystalline

property ofthe hGaN layer,characte五 zed by the XRD 

Юcking cllrve FWHM,was malnly related with thtt of

the underlying GaN layer,making it easy to control the lnGaN crystalline property in HWE systemo Non‐

resonant Raman shit ofhGaN was clearly observed forthe irst dme and a unear dependence ofthe E2 phOnOn

mode■ equency on h content waS obseⅣ

ed.This relation can seⅣ c as a reference for mate五al or device char‐

acterizationo Conductive AFM obsewation show thatthe ln■ uctuation accomp薇es with inhomogeneous con‐

ducuvity in the hGaN epi‐ layer and this result supphes a glue for material or device charactenzation.The HWE InGaN fllms with nollllal PL peaks exhibit very plat surface with Ю

ughness(RmaxbleSs than 3nm.The crystal

qualides ofthe hGaN■1熙

are comparable to or higherthan those grown by othertechniques such as MOCD,

MBIl etc.The established HWE techniques are potential fbr application in the device fabrication conceming

hGaN mate五

als.

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(4)

短波長発光素子及び高温動作電子素子への応用 という観点から、禁制帯幅の広いGaNなどの窒化物 半導体が最近注 目されている。GaN系薄膜の成長は一般に有機金属気相成長法や分子線エピタキシー 法 により行われているが、本研究はホットウォールエ ビタキシー(HwE)法を用いて、サフアイア基 板上 に高品位GaN及nGaN薄膜を成長 させる事 を目的 として、ソース材料、バ ッファ層厚、V/Ⅲ

比、混晶組成の制御性などの検討 を行 うとともに、種々の成長層評価 を行 った ものである。

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共に、HWE法の優位性お よ び研究 目的を述べている。第2章 ではまず成長装置および成長方法について述べ、ソース として金属 Gaま たはトリメチルGacMoを用いたGaN薄膜成長 について比較検討 している。金属Gaを 用いた場 合、バ ッフア層熱処理時の温度上昇率を最適化することにより、1016̲1017/cm3の 低キヤリア濃度を 有す る高品位モー ドX線回折 ピーク半値幅 :350秒)GaN薄膜が得 られることを示 した。 また、

HWEシステムに初めてWGを導入することにより、

Si不

純物の取 り込みが大幅に抑制 され、電気的 特性の制御性が向上することを示 した。また深い準位 による発光力治a空格子あるいは窒素のアンチ サイ ト欠陥に関係 していることを示 した。

第3章 では、hGaN混晶薄膜 を成長 させるためにHWEシステムに初めてGa+hの混合金属 ソースの 導入を試みている。ソース温度、基板温度、ソースのh割合などの独立パラメータを制御することに

より、h組0.16ま でのhGaN混晶薄膜 を再現性 よく成長で きることを明 らかにし、三元混晶成長 に

おけるHWE法の優位性 を示 した。

第4章 では、混合金属 ソースを用いて作製 したInGaN薄 膜の評価 を行 っている。X線回折 による評価 では、他の方法で作製 したものと比較 して同等以上の結晶性 を有することを示 している。また、h組

成の制御 により紫色(38術m)から青色

(45nm)ま

での強いバ ン ド端発光が得 られてお り、光学特性か らも結晶性の良好な薄膜が得 られることを示 している。また、非共鳴ラマン散乱分光測定の結果はE2 フォノンモー ド周波数力ヽ 組成 に対 して線形に依存することを初めて実証 した。さらに、原子間力顕 微鏡を用いてコンタク トモー ドで測定 した導電電流のマ ッピング像を初めて観測 し、フォトルミネッ

センス測定において予測 されていたhGaN薄膜 におけるh組成の面内揺 らぎが存在することを明 らか にした。第5章 は総括で、研究成果 を纏めている。

本論文はHWE法を用いて高品位hGaN混晶薄膜 を成長 させ、HWE法の優位性 を示す とともに、多 くの新 しい知見が得 られてお り、博士

(工

)の

学位 を授与するに十分な内容 を有するもの と認定す る。

‑126‑

参照

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