金属バッファ層上でのGaN半導体の結晶成長-遷移金属窒化物に着目して-

金属缓冲层上 GaN 半导体的晶体生长 - 关注过渡金属氮化物 -

基本信息

批准号：
17760568
负责人：
伊藤和博
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

現状の汎用青色LEDは、サファイア基板上に成膜したGaN系半導体で作製されている。サファイア基板上に連続かつ平坦なGaNをヘテロエピタキシャル成長させるには、AINバッファ層の開発が欠かせなかった。しかし、サファイアとAINは絶縁体であるため、複雑な横型LED構造を取らざるを得ない。より高輝度なLEDを作製するには、簡単な縦型LED構造にすることがひとつの方策である。縦型LED構造には、導電性の基板とバッファ層が必要であり、本研究では、その第一歩として導電性バッファ層の開発を試みた。昨年度は、導電性バッファ層として遷移金属窒化物に着目し、その中でもTiN膜上ではGaN膜が連続、平坦に成長することを報告した。連続で平坦なGaN膜の成膜には、TiNバッファ層成膜条件として、1)2軸配向性((111)面配向+面内配向)、2)窒素濃度を化学量論組成より増加させること、3)結晶粒を微細化させることが重要であることを報告した。本年度は、高品質なGaN膜成膜に及ぼす基板温度の低減とTiN膜厚の低減の影響を調べた。その結果、基板温度の低減とTiN膜厚の低減は、 TiN結晶粒の微細化に有効であり、微細化によりGaN膜の平坦性が向上することを見出した。基板温度が室温でTiN膜厚が5nmのときに最も平坦なGaN膜が得られた。その表面平坦性は約10nm以下であった。この条件で、TiN膜の結晶粒は最も微細とあった。このTiNバッファ層上では、GaN初期成長時のGaN島密度が最大となり、その後の平坦なGaN層状成長へと移行した。つまり、TiN膜の粒界が核生成サイトとなり、平坦なGaN膜成膜にはGaN核生成頻度の増加が必須であることを実証した。TiN膜厚を5nmより薄くすると、 TiN結晶粒は5nm厚のときより微細化せず、GaN島の成長は横方向より縦方向が優先的となり、GaN膜表面には多数の溝と穴が形成した。5nm厚より薄いTiN膜では、バッファ層としての効果が低減されてきたのも高品質なGaN膜が得られない一因と考えられる。

当前的通用蓝色LED由在蓝宝石底物上形成的基于GAN的半导体制成。 AIN缓冲层的发展对于蓝宝石底物上连续和扁平gan的异质增长至关重要。但是，由于蓝宝石和AIN是绝缘子，他们别无选择，只能采用复杂的水平LED结构。创建更明亮的LED的一种方法是创建一个简单的垂直LED结构。垂直LED结构需要导电基材和缓冲层，在这项研究中，我们试图开发导电缓冲层作为第一步。去年，我们专注于过渡金属作为导电缓冲层，并报道GAN膜在锡膜上不断地生长。我们报道说，对于连续的平坦gan膜形成条件，1）双轴取向（（（111）平面取向 +平面方向），2）比化学计量的组成增加了氮的浓度，而3）精制的晶体。今年，我们研究了降低底物温度和锡膜厚度对高质量GAN膜形成的影响。结果，发现降低底物温度并降低锡膜厚度可有效化锡晶晶粒，并且微型化可以改善GAN膜的平坦度。当底物温度为室温并且锡膜厚度为5 nm时，获得了最平坦的gan膜。表面平坦度约为10 nm或更小。在这些条件下，锡膜的谷物是最好的。在此锡缓冲层上，初始甘恩生长时的甘岛密度最大，随后转变为平坦的gan分层生长。换句话说，锡膜的晶界变成了成核位点，并且已经证明，增加gan成核的频率对于平坦的gan膜形成至关重要。当锡膜的厚度还原到5nm时，锡晶粒的细晶粒并不比厚度为5nm时细，而gan岛则在垂直方向而不是水平方向上生长，并且在甘恩膜的表面形成了许多凹槽和孔。无法获得高质量GAN膜的原因之一是，在锡膜中，缓冲层的效果已经降低了，而锡膜的效果比5nm薄。