新規基板材料ZrB_2上へのGaN系窒化物のエピタキシャル成長及びナノ構造の作製

GaN系窒化物半導体は緑色〜紫外線領域に相当するバンドギャップを持つ半導体材料であり、次世代の高輝度・高効率発光デバイス材料として大きな期待を集めている。発光ダイオードは既に商品化され広く用いられるようになってきたが、紫外線レーザーについてはまだ十分な性能のものは実現されていない。その一つの要因として、適切な基板材料が存在しないことが挙げられる。二ホウ化ジルコニウム(ZrB_2)はGaNとほぼ等しい格子定数を持ち、また、熱伝導率、電気伝導率、劈開性に優れた理想的なレーザー用基板である。ZrB_2上にGaNのエピタキシャル結晶成長が可能なことは、研究代表者により3年前に実証されたが、得られたGaN結晶の品質はまだ不十分であり、ZrB_2の格子整合という利点を引き出すには至っていない。本研究では、さらなる高品質化のために、ZrB_2上へのGaNの結晶成長プロセスの改善や、AlNを含んだAlGaN混晶の利用による完全格子整合などをに取り組み、最終的にはナノ構造を持ったデバイスの試作を目指した研究を行う。今年度は、ZrB2表面の清浄化プロセスの確立、表面状態の評価、核形成層の成長条件探索を進めた。その結果、表面超構造が観察されるような清浄表面を実現し、また、核形成層の導入により、GaN成長層の表面平坦性を大幅に改善することに成功した。GaNの極性は窒素極性であり、また、表面には原子層高さのステップも観察されるような良好な結晶を得ることができた。

GaN系窒化物半導体は緑色〜紫外線領域に相当するバンドギャップを持つ半導体材料であり、次世代の高輝度・高効率発光デバイス材料として大きな期待を集めている。発光ダイオードは既に商品化され広く用いられるようになってきたが、紫外線レーザーについてはまだ十分な性能のものは実現されていない。その一つの要因として、適切な基板材料が存在しないことが挙げられる。二ホウ化ジルコニウム(ZrB_2)はGaNとほぼ等しい格子定数を持ち、また、熱伝導率、電気伝導率、劈開性に優れた理想的なレーザー用基板である。ZrB_2上にGaNのエピタキシャル結晶成長が可能なことは、研究代表者により3年前に実証されたが、得られたGaN結晶の品質はまだ不十分であり、ZrB_2の格子整合という利点を引き出すには至っていない。本研究では、さらなる高品質化のために、ZrB_2上へのGaNの結晶成長プロセスの改善や、AlNを含んだAlGaN混晶の利用による完全格子整合などをに取り組み、最終的にはナノ構造を持ったデバイスの試作を目指した研究を行う。今年度は、ZrB2表面の清浄化プロセスの確立、表面状態の評価、核形成層の成長条件探索を進めた。その結果、表面超構造が観察されるような清浄表面を実現し、また、核形成層の導入により、GaN成長層の表面平坦性を大幅に改善することに成功した。GaNの極性は窒素極性であり、また、表面には原子層高さのステップも観察されるような良好な結晶を得ることができた。