PLD法による高品質InGaN及びInAINの低温エピタキシャル成長

本研究は、これまで成長が困難とされてきたInGaNやInAlNなどのIII族窒化物の高品質結晶を低温PLD(パルスレーザー堆積)法を用いて各種基板上に実現し、赤外から深紫外域までの光学素子の実現を狙うものである。III族窒化物の結晶品質は他の半導体に比べると品質的に低いという本質的な問題があった。この問題はInGaNやInAlNといった混晶が熱力学的に不安定で良質な結晶がえられないという点に起因している。本提案では(1)結晶成長をできるだけ平衡からずれた条件で行う(2)格子整合した基板を使うといった手法を用いてこの問題を解決し、格子不整合の小さい基板上にInGaNやAlGaNの高品質結晶の成長を試みる。本研究では、先ず、従来一般的に使われてきたサファイア基板に比べて小さな格子不整を与えるマグネシウムアルミニウムスピネル(MgAl_2O_4)基板上に、PLD法を用いて低温成長を試みた。Mgの蒸発を防ぐために2枚のスピネルウェハーの表面を重ね合わせて加熱表面処理を施したところ、原子レベルで平坦な原子ステップを持つ基板表面が実現できた。この原子レベルで平坦な基板上に非平衡な成長条件を実現できるPLD法を用いてGaN結晶を成長したところ、通常の結晶成長温度では表面モフォロジーの悪い結晶しか成長できなかったが、結晶成長温度を低減していくことによって原子レベルで平坦な表面を持っ高品質なGaNが実現した。また、我々の手法を用いれば、さらに成長温度を下げて室温でもGaNのエピタキシャル成長が可能であることを見出した。さらに、高い熱伝導性や反射率といった優れた特性を持つW基板上に本研究で開発した技術を用いてIII族窒化物の結晶成長を行ったところ極めて品質の高い結晶を得ることに成功した。

本研究は、これまで成長が困難とされてきたInGaNやInAlNなどのIII族窒化物の高品質結晶を低温PLD(パルスレーザー堆積)法を用いて各種基板上に実現し、赤外から深紫外域までの光学素子の実現を狙うものである。III族窒化物の結晶品質は他の半導体に比べると品質的に低いという本質的な問題があった。この問題はInGaNやInAlNといった混晶が熱力学的に不安定で良質な結晶がえられないという点に起因している。本提案では(1)結晶成長をできるだけ平衡からずれた条件で行う(2)格子整合した基板を使うといった手法を用いてこの問題を解決し、格子不整合の小さい基板上にInGaNやAlGaNの高品質結晶の成長を試みる。本研究では、先ず、従来一般的に使われてきたサファイア基板に比べて小さな格子不整を与えるマグネシウムアルミニウムスピネル(MgAl_2O_4)基板上に、PLD法を用いて低温成長を試みた。Mgの蒸発を防ぐために2枚のスピネルウェハーの表面を重ね合わせて加熱表面処理を施したところ、原子レベルで平坦な原子ステップを持つ基板表面が実現できた。この原子レベルで平坦な基板上に非平衡な成長条件を実現できるPLD法を用いてGaN結晶を成長したところ、通常の結晶成長温度では表面モフォロジーの悪い結晶しか成長できなかったが、結晶成長温度を低減していくことによって原子レベルで平坦な表面を持っ高品質なGaNが実現した。また、我々の手法を用いれば、さらに成長温度を下げて室温でもGaNのエピタキシャル成長が可能であることを見出した。さらに、高い熱伝導性や反射率といった優れた特性を持つW基板上に本研究で開発した技術を用いてIII族窒化物の結晶成長を行ったところ極めて品質の高い結晶を得ることに成功した。