III族窒化物半導体を用いた紫外発光デバイスの研究

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III族窒化物半導体を用いた高効率紫外発光デバイスの実現には、転位密度~10^6cm^<-2>オーダーのAlNが必要不可欠である。そこで我々は、成長温度1200℃以上でMOVPE成長させる手法である、高温MOVPE法を用いてAlNの低転位密度化を図った。成長用基板としては、紫外光に対して透明で、アンモニアや高熱に強いサファイア基板上を用いた。成長温度、成長圧力、成長雰囲気、V/III比を制御して条件の最適化を行ったところ、成長温度1400℃、圧力133hPa、水素雰囲気、V/III比116において6~10μm/h程度の高速成長が可能となり、5×5μm^2AFM像でのRMS指数が0.1nm以下であった。またSIMSによりAlN結晶中の残留不純物である酸素、水素、炭素、シリコンの濃度を測定したところ、すべてのバックグランドレベルにまで低減させることができた。さらにCLによる光学的測定を行なったところ、室温での自由励起子の発光が明瞭に観測できた。しかしながら平面TEMにより転位の微細構造観察を行ったところ、AlN結晶中には、微小角粒界界面にて発生した刃状転位が多数存在しており、さらなる低転位密度化が必要であった。そこで報告例の無いV/III比により成長核の制御を行い、さらに成長中のV/III比を変調させることで低転位密度なAlNが得られることを見出した。また、そのメカニズムについてTEMを用いて解明を行なった。次に、選択横方向成長技術をAlN成長に導入することにより、さらなる低転位密度化を試みた。V/III比を制御して低転位密度なAlNを成長させた後、炉から取り出し、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングにより<10-10>方向に、ピッチ6μm、溝幅3μm、深さ3μmのストライプパターンを形成する。その後、ストライプ構造をしたAlNを炉に戻して、AlNの再成長を行なった。得られたAlNは、横方向成長しており、コアレッセンスも問題がないことがわかった。断面TEM像より、再成長初期の転位は窓部に集中していたが、途中で均一化し、表面では、窓部も溝部も明瞭な転位のコントラストは見られなかった。転位密度を計算してみると目標値である~10^6cm^<-2>オーダーのものが得られた。本研究では、初めて高温MOVPE法によるAlNを詳細に評価し、低転位密度で高純度なAlN結晶を得ることに成功した。現在、本研究で得られたAlNを用い、紫外発光デバイスの検討が行われている。