1 2017/8/3 GaN とほぼ格子整合する 新しい ITO 膜の形成技術 京都工芸繊維大学電気電子工学系 助教 西中浩之
2 発明の概要 ビックスバイト構造 (bcc-ito) 安定相 菱面体晶構造 (rh-ito) 準安定相 現在利用されている ITO は全て ビックスバイト構造もしくは非晶質 菱面体晶構造 (rh-ito) は合成に高圧が必要なため 作製例がほとんどなかった 新技術では この rh-ito 膜の形成に成功した
新技術の特徴 rh-ito は GaN と格子定数がほぼ一致 ( ミスマッチ :0.7%) 材料 a 軸長 不整合度 GaN 0.319 0 % sapphire 0.475 16.2 % rh-ito 0.549 0.7 % AlN 0.311 2.5 % SCAM 0.325 1.8 % ZnO 0.325 1.9 % SiC 0.308 3.6 % Si(111) 0.384 17.0 % GaN 自身を除いて 最も格子不整合が小さい rh-ito をバッファ層に利用できれば 3
4 従来技術とその問題点 1 p- 電極 p-gan MQW 抵抗が十分低くない GaN を導電層としているため 電流集中によるロスが発生 n- 電極 格子不整合 n-gan Sapphire サファイアと GaN の屈折率による全反射によるロス 現状の多くの課題に対して 基板を変更する検討が進んでいる
5 従来技術とその問題点 2 p- 電極 p-gan 電流集中のロスがない MQW 格子整合 GaN とサファイアとの全反射ロスがない GaN 基板 n- 電極 理想形である GaN 基板はコストが高い
6 新技術の特徴 従来技術との比較 (a) 従来 (b)rh-ito p- 電極 p- 電極 p-gan p-gan MQW 電流集中 MQW n-gan 電流集中抑制できる? n- 電極 n- 電極 rh-ito n-gan Buffer layer Sapphire Sapphire よりキャリア密度を大きくできる rh-ito をバッファ層兼導電層として利用すれば LED の電流集中の抑制や擬似的な縦型デバイスを形成できる可能性がある rh-ito は従来のサファイア基板上の形成できるため GaN 基板程コストは高くならない
ミスト CVD 法とは ミスト CVD 低環境負荷なグリーンテクノロジー キャリアガス 成膜部へ 水 ( 媒質 ) 原料溶液 ミストの例 超音波振動子 ミスト CVD とは 成膜原料を含む液体をミスト状にして 基板などに吹き付けることで成膜する手法ポイント 真空などを使わない低エネルギーな方法 気化が不要なため 取扱い容易 安全な材料が利用可能 ドーピング 混晶も液体に同時に混ぜるだけで可能 7
8 ミスト CVD の原理 In 原料 加熱による気化 Sn 原料 水 3μm 粒径が小さいので容易に気化する CVD による成膜 基板 In と Sn の原料を同時に水に混ぜるだけ!
ミストの特徴 1 加圧式 超音波方式 ref 加圧式 超音波方式 利点 簡単大量に使用可能 粒度分布が小さい速度を持たないので ガスのように扱うことができる 欠点 粒度分布が広く 粒径が大きい速度を持つため 制御が困難 扱いが若干困難噴霧が難しい材料もある G. Blandenet et al. Thin Solid Films 77 (1981) 81. 9
終末沈降速度 [cm/s] 10 ミストの特徴 2 ミストの粒径 :Langの式 8πσ d k( ρf 1/3 2 ) ミストの粒径は 2~3 μm 程度 (2.4MHz) 微粒子の沈降速度は 10~ 数 100 μm/s 程度しかない 終末沈降速度 : 微粒子が定常状態になった時の速度 10 0 10-1 10-2 10-3 静止流体中 : 空気中 (20 ) 水微粒子 超音波噴霧 つまり 空気中に漂い 移送管内であまり凝集せずに容易に反応部に送り込める 10-4 0.1 1 10 粒径 [μm] 図. 終末沈降速度と粒径の関係
11 ミスト CVD 装置 流路方式成膜部 管状炉方式成膜部 ノズル方式成膜部
12 ミスト CVD で形成できる金属酸化物 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 当研究室で検討可能な金属酸化物 ミスト CVD 法で実績のある金属酸化物
ミスト CVD 法のもう一つの特徴 rh-ito の作製方法のキーポイント合成に必要な条件 : rh-ito は合成に高圧が必要 ミスト CVD 法による水の擬似的な高圧状態 In 原料 Sn 原料 水 3μm 加熱による気化 体積変化 1000 倍以上 ミスト ( 液体 ) 気体 加熱された基板 原料ミストは基板上で急速に加熱液体 気体の変化で 擬似的な高圧状態 13
14 rh-ito の作製方法 rh-itoの作製方法のキーポイント合成に必要な条件 : rh-itoは合成に高圧が必要 二つのアプローチでrh-ITOを作製する ミストCVD 法による水の擬似的な高圧状態 ミスト ( 液体 ) 気体 加熱された基板 原料ミストは基板上で急速に加熱液体 気体の変化で 擬似的な高圧状態 体積変化 1000 倍以上 同じ結晶構造であるサファイアと緩衝層を利用したエピタキシャル成長技術 rhombohedral : corundum 層材料 a 軸長 (nm) 基板 sapphire 0.475 緩衝層 a-ga 2 O 3 0.498 エピタキシャル層 rh-ito 0.549
15 バッファ層による格子不整合の緩和 同じ結晶構造であるサファイアと緩衝層を利用したエピタキシャル成長技術 rh-ito はサファイア基板と同じ結晶構造のため サファイア基板上に形成が可能 そのため LED 用のサファイア基板がそのまま利用できる しかしながら 格子不整合が大きいため 同じ結晶構造の緩衝層を利用し rh-ito の形成を可能とした 緩衝層もミスト CVD で形成が可能である 材料格子定数 (A ) 格子不整合 (%) 基板 サファイア 4.754 0 エピ層 rh-ito 5.487 15.4 緩衝層 α-fe 2 O 3 5.053 6.3 緩衝層 α-ga 2 O 3 4.979 4.7 菱面体晶構造
Intensity [arb. unit] α-ga 2 O 3 (0006) α-al 2 O 3 (0006) α-al 2 O 3 (0006) 16 結果 with buffer layer rh-ito(0006) without buffer layer bcc-ito(400) rh-ito(0006) 30 35 40 45 2 [degree] rh-ito の形成 rh-ito のエピタキシャル成長に成功 水の高圧状態により バッファ層なしでも rh-ito が形成されている
Transmittance [%] 17 rh-ito 膜の導電性と透明性 Sheet Resistivity [ /sq.] 1000 100 without buffer layer with a-ga 2 O 3 buffer layer 10 0 2 4 6 8 10 Sn doping conc. [at.%] Mobility [cm 2 /Vs] 60 50 100 40 30 50 20 10 可視光領域 without buffer layer with a-ga 2 O 3 buffer layer 0 0200 2 400 4 600 6 800 8 1000 Sn doping Wavelength conc. [nm] [at.%] rh-ito の形成 rh-ito 膜は Sn ドープにより低抵抗化が可能キャリア密度 :10 20 cm -3 後半まで実績あり 可視光領域で高い透明性を有する
18 実用化に向けた課題 ミスト CVD 装置は自作装置であり 装置の安定性 量産性などの検討がほとんどない rh-ito 上への GaN の形成技術開発 rh-ito の熱 雰囲気安定性の検証
19 企業への期待 rh-ito 上への GaN の形成技術開発 ミスト CVD 法の装置開発 ミスト CVD 法の他金属酸化物の適用
20 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 基体 発光素子および基体の製造方法 出願番号 : 特願 2015-221683 出願人 : 国立大学法人京都工芸繊維大学 発明者 : 西中浩之 吉本昌広
21 お問い合わせ先 京都工芸繊維大学 研究戦略推進本部知的財産室 ( 研究推進課知的財産係 ) tel. 075-724-7039 / fax. 075-724-7030 e-mail chizai@kit.ac.jp http://www.liaison.kit.ac.jp/ http://www.ipo.kit.ac.jp/