加工シリコン基板上へのGaN結晶成長Selective MOVPE of semi-polar GaN

on patterned Si substrate

澤木宣彦名古屋大学 工学研究科・赤﨑記念研究センター

豊田講堂 2001 赤﨑記念研究館 2006

a) 広い範囲のエネルギーバンドギャップAlN:6.2eV, GaN:3.5eV, InN:0.8eV 紫外から赤外線用光デバイス

b) 大きなバンドオフセット 室温動作量子効果デバイス

c) 小さな有効質量と大きな電子移動度 高速 FETs

GaN:0.2m, m= 1,000cm2/Vs

d) 大きなLOフォノンエネルギー 高い飽和電子速度

e) 高い絶縁破壊電界 大電力用デバイス

f) 大きな熱伝導度 高い接合温度AlN:2.85W/cm/K, GaN:1.3W/cm/K, GaAs:0.4W/cm/K, Si:1.4W/cm/K

g) 高いピエゾ電界、分極電界 高密度2DEG

h) 物理的・化学的安定性 耐環境素子

Si,GaAsと異なる特徴

III族窒化物半導体の特徴

利点・特長

a) 高品質・大面積基板

b) 高度な微細加工技術

マイクロマシンニング、高精細リソグラフィー

c) 集積光・電子デバイスの可能性

課題

a) 大きな格子不整合・異なる結晶構造

ヘテロ界面における欠陥、歪み

b) 大きな熱膨張係数差

クラック、反り

Si基板上に成長したGaN

(111)Si基板上へのGaN選択成長法

(111)Si substrate

200mm

SiO2 mask pattern GaN Pyramid

GaN Stripe

10mm

5 mm

GaN platelet

★基板上で結晶軸を傾ける

半極性面、無極性面GaNの成長

MOVPE/HVPEによる厚膜成長も可能

★基板上にas-grownデバイスの作製

Si-photonics

加工Si基板上への選択成長

(11-22) (1-101)

GaN(0001)

GaN(11-22)

N- and Ga-

terminated

Ga

N

GaN(1-101)

N-surface

GaN(0001) Ga-surface

(0001)

半極性 GaN

(1-101)

(0001)

(11-22)

(111)Siフェセット上への選択成長法

5mm 5mm

SiO2 mask

Si substrate

Etching by KOH solution

(111) facet SiO2 mask

Polar GaN on(111)Si Semi-polar GaN on (001)Si Non-polar GaN on (011)Si

C-axis of GaN C-axis of GaN C-axis of GaN

(001)Si

GaNのC軸を傾ける;

GaN最表面の結晶面を選択できる基板との熱膨張係数差を小さくできる

0.5 mm 1 mm

(1-101)GaN stripe Coalesced (1-101)GaN and (11-22)GaN

[1-101]Si [111] [0001]

Stripe mask pattern;

Photo-lithography and KOH etchingSelective growth of GaN

on (111)Si facets

ELO and Coalescence

[0001][11-22]

Si [111]

(1-101) GaN

(11-22) GaN

(001)Si substrate

(113)Si substrate

(001)Si

(113)Si

2 mm

(113)Si sub.

(1-101)GaNと(11-22)GaNの成長プロセス

7.3o off axis(001)Si上へのGaN選択成長

7.3゜(001)face of Si

(111)facet of Si

(001)face of Si

Crack free (1-101) GaN !!

+C

2μm

Si

(1-101)GaN

0 3 mm

RMS:

0.64 nm (5×5 mm)

0.2 nm (1×1 mm):

10 nm

0 nm

熱膨張係数差に起因する歪みの低減

2μm

Si

(111)Si substrate

a-axis +55.7%

a-axis

+55.7%c-axis

(001)Si 7ooff substrate

c-axis –11.7%

a-axis +55.7%

+55.7%+3.2%

<1102>

<1120>

<1120> direction : the thermal expansion coefficient +55.7 %

<1102> direction : a-axis and c-axis are opposite direction

→ +3.2 %

The thermal expansion coefficients :

GaN : a-axis 5.59, c-axis 3.17 (10-6/K)

Si : 3.59 (10-6/K) <1-101>

l=358nm l=377nm

Optical Spectra of (1-101)GaN

CL image; top and cross-sectional view

2mm

GaN

Si

- Strong DBE emission at 358 nm

- Uniform intensity distribution (low dislocation density)

- DAP like emission in coalescence region

350 360 370 380 390 400

Inte

nsity (

a.u

.)

Wavelength (nm)

DBE

DAP

〇●<12-1>

<101>

<1-1-1> <-111>

(113)Si

<113>

q＝58.4°2 mm

Hikosaka et al; JSAP Spring Meeting 2006.

Tanikawa et al; ISCS Kyoto 2007.

(113)Si上への(11-22)GaN成長

C-axis

2 mm

(11-01) and (11-22)GaN LED’s on Si

(1-101) (11-22)

0

10

20

30

40

50

0

20

40

60

80

100

120

-20 -10 0 10 20

Curr

en

t (m

A)

Curr

en

t D

en

sity (

A/c

m2)

Voltage (V)

n-Si substrate

InGaN/GaN SQW (4/8 nm)

GaN:Si base layer

p-contact (Ni/Au)

n-contact (AuSb)

Al0.1Ga0.9N: Mg (20 nm)

GaN:Mg (150 nm)

GaN:Mg contact layer (20 nm)

- Turn-on voltage: 3-4 V

- Series resistance: ~100 W (0.04 Wcm2)

p-contact size:

200×200 mm2

300×300 mm2 LED

Hikosaka et al; ICNS-7 Las Vegas 2007.

p-contact

200 mm

300 mm

SiO2 mask

(11-01) and (11-22)GaN LED’s on Si

350 400 450 500 550 600

60 mA50 mA40 mA30 mA25 mA20 mA15 mA10 mA5 mA2 mA

EL

In

ten

sity (

a.u

.)

Wavelength (nm)

25

30

35

40

45

50

55

60

0 10 20 30 40 50 60

0 20 40 60 80 100 120 140

Current (mA)

Current Density (A/cm2)

EL

FW

HM

(nm

)

350 400 450 500 550

60 mA50 mA40 mA30 mA25 mA20 mA15 mA10 mA5 mA2 mA

EL

In

ten

sity (

a.u

.)

Wavelength (nm)

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

0 20 40 60 80 100 120 140

EL

FW

HM

(n

m)

Current (mA)

Current Density (A/cm2)

(1-101) LED (11-22) LED

・ Peak wavelength: 444 nm @ 1 mA

439 nm @ 20 mA

・ FWHM: 33 nm @20 mA

・ Peak wavelength: 420 nm @ 1 mA

419 nm @ 20 mA

・ FWHM: 21 nm @20 mA

- Peak wavelength: (1-101) 440 nm > (11-22) 420 nm

- EL intensity increased lineally with drive currents

- Slight blue-shift in both LEDs

Optical spectra of (1-101) GaN/InGaN stripes

Cross sectional image

Surface image

4mm

uniform intensity distribution

Uniform layer thickness

Uniform In composition

SiO2mask

InGaN

(001) Si sub.

GaN

(111) Si facet

<1-101>GaN

<InGaN/GaN MQW without AlGaN layer >

Kim et al; phys. stat. sol. 1(2004) 2512.

GaN<1-101>GaN

(001) Si sub. 500nm

Optical pumping at RT (N2 laser)

Kim et al; phys. stat. sol. 1(2004) 2512.

30mm

GaN六角錐列

3mm

Kitamura et al; Jpn. J. Appl. Phys. 34(1995) L1184.

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

5 10 15 20

GaN

AlGaN

AlN

AlGaN:Si

GaN:Si

AlN:Si

Electric Field (V/mm)

Curr

ent

Den

sity

(A

/cm

2)

10-16

10-15

10-14

10-13

0.5 1 1.5 2 2.5

GaNAlGaNAlNGaN:SiAlGaN:SiAlN:Si

I/V

2 (

A/V

2)

103/V (1/V)

電界放出特性

2mmx2mm

5 mm

Personal display

GIS/Medical display

High resolution display

Micro-LED’sSolid-St. illumination DVD

High Brightness LED Short wavelength LD

農業・漁業・照明分野

GaN/Si Integration Micro-optical sensors

情報通信

Power Transistor Nano-MEMS

Power electronics Optical MEMS

ＲＦ－ＭＥＭＳ交通・運輸

HEMT

RF/Micro wave devices

GaN/Si

可能性は無限大

健康・医療・安全分野

spatial modulator

high resolution image sensor

Quantum computer

工作機械・制御機器