窒化物半導体結晶のナノレベル構造評価解析技術の革新

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本研究課題では、材料のナノ構造を詳細かつ定量的に解析する技術を検討・発展させ、薄膜試料に応用して薄膜の高品質化に資することを目的とした.(1) 走査型電子顕微鏡(SEM)による転位の観察。微細構造は多くの場合透過電子顕微鏡(TEM)による解析が行われているが、試料作製の困難さや観察領域の制限などの問題も多い. そこで、SEMでいかにして転位などの評価・解析が行えるかを検討した。その結果、角度選択後方散乱電子検出器(AsB)を用いることにより、半導体薄膜内の貫通転位を検知することに成功した。また、加速電圧やワーク長に伴う像コントラストの変化も詳細に調査した. とくに、試料の僅かな傾斜により像コントラスが変化することが見出し、像コントラストが回折の効果であることを確認した.(2) 電子線後方散乱回折(EBSD)の応用。EBSDパターンを詳細に解析することにより、薄膜試料の格子歪を広範囲に測定する技術を試行した。その結果、AlGaN/GaN試料において結晶軸傾斜が最大で0.5°、歪は約1%に達することを確認できた。測定の自動化により2次元マップ表示も可能となり、微細組織との対応させることができ、薄膜成長過程の解析に重要な情報となる。(3) AIGaN, GaN薄膜成長過程と組織制御ナノウィンドウマスクによる転位消滅過程を詳細に解析した. その結果、マスクが転位を集める効果の大きさは、実際のマスク幅より約500nm長い有効幅で表されることを明らかにした。すなわち、マスクウィンドウを500nmとするのが最も効率の良いマスク設計となる。さらに、マスク寸法と貫通転位の減少率を統計学的な考察により、初期転位密度とマスク寸法で表す式を提案したこのほか、AlGaN/GaN, AlN/周期溝テンプレートなど多くの薄膜試料の解析を行い、成長過程や欠陥の生成・消滅機構を解析した。