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ゆうりゅううづき
5 years ago
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1 加工 Si 基板上への非極性 GaN 結晶成長 1) 名古屋大学工学研究科赤崎記念研究センター 2) 愛知工業大学工学研究科 1) 本田善央 1) 谷川智之 1) 鈴木希幸 1) 山口雅史 2) 澤木宣彦

2 豊田講堂時計台赤崎研究センター auditorium Akasaki research center 常圧 MOVPE 減圧 MOVPE (2inch) HVPE MOVPE #3 MOVPE #4

3 発表内容 1) 背景と目的 2) 半極性非極性 GaN 結晶成長 3) GaNの厚膜化 4) まとめ

4 本研究の背景 ~Si 基板上への非極性高品質基板の開発 ~ GaN デバイスの高品質化に向けて解決すべき問題点ピエゾ電界の低減格子不整合系 (InGaN AlGaN 基板 ) 平坦面の実現 p 型伝導性の制御結晶内の貫通転位の低減極性無極性 GaN の利用基板の開発 (11-22) (1-101) 極性面半極性面無極性面 T. Takeuchi et. al. Jpn. J. Appl. Phys. 39(2000) 413 (0001) 面 (11-22) 面 (11-20) 面

Decay time (ps) ピエゾ電界による電子 - 正孔の空間的分離 1000 800 600 400 350

5 Decay time (ps) ピエゾ電界による電子 - 正孔の空間的分離 (0001) Photon Energy(eV) (11-22) (1-101) nm nm nm (0001) 5ns (1-101) 5ns (11-22) 5ns

6 本研究の目的 ~Si 基板上への非極性高品質基板の開発 ~ 半極性無極性 GaN の現状半極性無極性の作製法基板サイズ価格品質バルク GaN からの切り出し異種基板上へのヘテロ成長 ~2cm 大面積の作製法が確立されていない本研究では異種基板上へヘテロ成長により半極性無極性 GaN 結晶成長を試みる本研究の目的 Si 基板上への厚膜 GaN 基板の作製自立基板の作製 i) Si 基板上への半極性無極性 GaN 結晶の作製 ii) Si 基板上への厚膜 GaN 作製の問題点を解決

7 発表内容 1) 背景と目的 2) 半極性非極性 GaN 結晶成長 3) GaNの厚膜化 4) まとめ

8 Si{111} ファセットへの GaN 選択成長 GaN 選択成長 KOH 異方性エッチング SiO 2 mask (111) facet SiO 2 mask Si substrate 5mm 5mm (0001) GaN on(111)si KOH によるエッチング GaN 結晶成長 GaN GaN (111)Si C 軸を傾斜させて GaN 結晶を作製半極性 GaN on (001)Si 加工 Si 基板上 GaN 選択成長 C 軸を傾けて成長適切な面の Si 基板任意の面の非極性 GaN

9 Si 基板上への C 軸傾斜 GaN 作製成長模式図 2) KOH により (111)Si 面を形成 3) SiO 2 を片方の斜面に堆積 4) GaN 成長 Si 基板上への C 軸傾斜 GaN 成長 <0001> <0001> <11-22> <0001> <11-20> <0001> C 軸を傾けることが可能半極性平坦面の作製 (1-101)GaN GaN 7 o off Si sub. void 2mm ストライプを結合して平坦面の作製が可能

10 2 インチ Si 基板上への半極性 GaN 成長 Si 基板上 (1-101)GaN の表面写真断面 SEM 像 {1-101} (0001) GaN SiO 2 1um Si Sub. 2inch- サイズ Si 基板上へ鏡面の (1-101)GaN 結晶の作製に成功

11 発表内容 1) 背景と目的 2) 半極性非極性 GaN 結晶成長 3) GaNの厚膜化 4) まとめ

12 HVPE による厚膜 (11-22)GaN 結晶成長成長方法 [0001] [11-22] HVPE GaN MOVPE GaN Si/AlN(50 nm)/gan (113)Si Sub. MOVPE GaN (113)Si Sub. HVPE 成長 2 mm 成長プロセス Tg ( ) GaN 1-6 hour NH 3 HCl (GaCl) Process time (min) 成長条件 Growth Temp ( ) HCl (cc/min) 70 NH 3 (cc/min) 500 V/III ratio 7 Growth Time (hour) 1-6h

13 大面積基板への結晶成長の課題 Si 基板上 GaN 厚膜成長の課題 a) メルトバックエッチング Si と Ga の反応により結晶が変質 b) 熱膨張係数差による歪クラック反りの発生変質層 <11-20> 500 mm (11-20)GaN メルトバックエッチング (110)Si sub. GaN Si 基板 100 mm 熱膨張係数差によるクラック 3 mm

メルトバックエッチングの EDX 分析 ( 定量分析 ) EDX spectra for flower and GaN 1.4 10 4 1.2 10 4 1 10 4 Ga Si GaN 部分 8000 メルトバック部分 6000 4000 2000 N Ga N Si Al 0 0 0.5 1 1.

14 メルトバックエッチングの EDX 分析 ( 定量分析 ) EDX spectra for flower and GaN Ga Si GaN 部分 8000 メルトバック部分 N Ga N Si Al (KeV) メルトバック部分 GaN 成長ー Unit : atomic % Si と Ga の置換 Si 基板と GaN が反応し SiN と液滴 Ga に変化 Si 基板上 GaN の厚膜化 ( メルトバックエッチング抑制 )

15 メルトバックエッチング対策 1 ~AlN 中間層膜厚保依存性 ~ HVPE 成長におけるメルトバックエッチングの AlN 中間層厚さ依存性 AlN 45nm GaN Si sub. AlN thickness AlN 65nm 1mm AlN 190nm HVPE GaN Growth time 60min Growth temp AlN 膜厚増加メルトバックエッチング部分の減少 (60% 3.3%) AlN 膜により Si と Ga の反応を抑制可能である

16 メルトバックエッチング対策 2 ~ 成長温度依存性 ~ After 75 min growth After 315min growth 表面 GaN 写真 @900 表面でメルトバックが観察されていない模式図 ( 黄色 =GaN 黒色 =melt back 部分 ) Single crystal GaN Melt back 200mm

17 (11-22)GaN 表面 SEM 像 After 315min(6h) growth 断面 SEM 像表面 CL 像 50mm 100mm thickness 230mm 5mm Meltback なし転位密度 =1.2 X 10 8 /cm 2 断面 SEM 像 (0001)GaN 半極性 (11-22) GaN 自立基板 (Si 基板除去後 ) (11-22)GaN:3D 成長 (0001)GaN:Column 成長

FWHM 36 mev 50 mm (2) 230mm (1) 10 6 10 4 (2) FWHM 42 mev

18 Intensity (a.u.) 厚膜 (11-22)GaN の光学的特性表面 SEM 像断面 SEM 像 (3) 100mm 10 8 (3) FWHM 36 mev 50 mm (2) 230mm (1) (2) FWHM 42 mev 100 (1) FWHM 59 mev Wavelength(nm) CLスペクトル (@4 K) 半値幅の拡がり高い不純物濃度積層欠陥からの発光

to stripe 表面断面 ( 上面 ) 塑性変形 Parallel to stripe ω 1.2 1.2 Φ =90 1 1 0.8 0.8 0.6 0.4 0.

19 X-ray Intensity (a.u.) X-ray Intensity (a.u.) XRC 測定 (112)ω-scan GaN 表面写真 by HVPE ストライプ方向断面 ( 側面 ) Si 基板除去後 Small curvature Normal to stripe 表面断面 ( 上面 ) 塑性変形 Parallel to stripe ω Φ = arcsec arcsec ω (degree) ω (degree) ピークの分裂クラック反りの影響

20 熱膨張係数差による歪の検討 C 面成長 c-axis 12 % GaN Si 基板 a-axis + 55 % Si 基板上半極性 GaN q GaN Si off-substrate c-axis 12 % + 3.2% ( q = 62 ) a-axis + 55 % 高密度のクラックストレスクラックの抑制ストライプ方向断面 ( 側面 ) 表面断面 ( 上面 )

21 厚膜 A 面 GaN 結晶成長 1 2 SiO 2 1フォトリソグラフィー KOHエッチング 2SiO2 堆積 3テンプレートGaNストライプ (MOVPE 法 ) 4HVPE 再成長テンプレートを再成長させることにより GaNストライプを結合厚膜化 (110)Si Sub. 3 下地 (MOVPE 法 ) GaN (110)Si Sub. (110)Si Sub. 4HVPE 法 HVPE-GaN (110)Si Sub. 結晶評価方法 SEM( 表面モフォロジーの評価 ) CL( 転位伝搬特性の評価 )

22 高温での HVPE o C 表面 SEM 像断面 SEM 像 75 mm 100 mm メルトバックエッチング (110)Si sub. 30 mm 通常の GaN 成長温度 (1000 o C) 凹凸の激しい結晶 (0001) 面を形成三次元成長メルトバックエッチング Ga と Si が反応 GaN メルト Si 基板良質な (11-20)GaN は得られない成長温度の最適化が必要

23 HVPE による低温成長の結果 940 o C (11-20)GaN 870 o C <1-100> <0001> (0001)GaN 870 o C 100 mm 100 mm メルトバックエッチングなし 940 o C 870 o C 10mm グレイン形成 870 o C 50 mm 63 mm <0001> 65 mm (110)Si sub. 30 mm (110)Si sub. 30 mm 50mm 成長温度を下げることにより変質層のない結晶が得られた凹凸の減少二次元成長を促進 (0001)GaN とは異なる傾向

24 (11-20)GaN の転位伝搬特性表面 CL 像 4 mm 暗点密度 : ~10 7 /cm 2 断面 CL 像表面 CL 測定 (11-20) 厚膜の暗点密度 : ~ 10 7 /cm 2 断面 CL 測定下地テンプレートが高品質であることを反映転位がストライプ結合領域で高密度に発生表面まで伝搬していない転位 HVPE-GaN MOVPE-GaN 30 mm 4 mm (110)Si sub. Si/GaN 界面

Intensity (a.u.) XRC 測定 (120)ω-scan XRC(120)w スキャン 2 1.5 FWHM 828 arcsec ストライプ平行方向 1 0.

25 Intensity (a.u.) XRC 測定 (120)ω-scan XRC(120)w スキャン FWHM 828 arcsec ストライプ平行方向ストライプ垂直方向 250 mm ストライプに垂直平行方向ともにクラック w (degree) 両方向でいくつものピークを確認ストライプ表面 SEM 像方向

26 まとめ a) Si 上への半極性無極性 GaN 成長 Si 基板上へ (1-101), (11-22), (11-20) 面の作製に成功 2inch サイズ Si 基板へ鏡面 GaN 基板の作製に成功 b) HVPE 法を用いて (11-22) 及び (11-20)GaN の厚膜化成長温度依存性高温 GaN 成長 (1000 o C) メルトバックエッチングの発生 (11-20) 面で凹凸の激しい結晶低温成長 (870 o C) 二次元成長的な平坦かつメルトバックエッチングない良質な結晶 300mm 厚自立半極性 GaN の作成に成功転位伝搬特性の評価結晶の暗点密度 :~10 7 /cm 2 テンプレート GaN の高品質を反映

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