si(100)面上の 無極性ganエピタキシャル薄膜 - jst · 2015-02-02 · si (100)...
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Si(100)面上の 無極性GaNエピタキシャル薄膜
物質・材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA)
ナノエレクトロニクス材料ユニット
知京 豊裕
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GaN on Siの応用と市場
GaN Power on Si
GaN Power
device
LED on Si
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GaN on Si の市場性
2013年9月9日 日経BPリサーチ“ニュース”から
From “Topical Workshop on Hetero structure Microelectronics(TWHM 2013)”
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課題:LEDに関する3つの課題
①大型サファイア基板がない。
② シュタルク効果のために発光効率が悪い。
③ Green付近の発光効率が悪い。
緑色LED
①の解決策:Si基板を使う。
②の解決策: 非極性面を使う。
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LEDに関する2つの課題解決策
• 基板の大型化ができない。 => 汎用Si上に作製
• シュタルク効果による発光効率の低下 => 無極性面を利用
• 硫化物を用いた緩衝層による
無極性AlN面の作製
問題を解決する 2つのキーテクノロジー
Si(100)基板
硫化物緩衝層
AlNキャップ層
p-GaN
i-ZnO
n-ZnO
電極
• Si(100)基板を用いる。
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成果のポイント:ZnO/GaNからの純紫外域バンド端発光
AlN (1120)
GaN (1120) [1μm]
p+-GaN (1120) [1μm]
MnS (100)
Si (100)
n+-ZnO/n--ZnO/p+-GaN/GaN
/AlN/MnS/Si(100)からの注入発光
(100)Si基板上に成長した無極性
(1120) ZnO LEDからの純紫外域
バンド端発光
n--ZnO (1120) [0.6μm]
n+-ZnO (1120) [0.3μm]
Au/Ti 電極 Au/Ni Back-Contact
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無極性GaN成長の従来の試み:基板の問題
Ga
N P. Waltereit et al., Nature 406 (2000)
865
Non-polar (1100) m-plane GaN
grown on (100) r-LiAlO2
M. D. Craven et al., APL 81 (2002)
469
Non-polar (1120) a-plane GaN
grown on (1102) r-
sapphire
C-GaN on 3C-SiC(001)
Non-polar a-plane GaN
substrate
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Si (100)
酸化物緩衝層
無極性
発光素子
Si(100)面上の酸化物、窒化物緩衝層の課題
・Siと酸化物、窒化物の反応のために
非晶質層ができる。
GaNキャップ層
・多結晶で配向性のない膜の生成
非晶質反応層
良質なGaN膜を得ることができない。
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Si (100)
硫化物緩衝層
無極性
発光素子
Si(100)面上の硫化物緩衝層- 界面反応からみた有効性-
・硫化物とSiとはほとんど反応せず、
急峻な界面の作製が可能
GaNキャップ層 ・硫化物と窒化物も急峻な界面の作製が可能
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Si(100)面上の硫化物緩衝層-転位からみた有効性-
Si (111) Si (100)
硫化物緩衝層 硫化物緩衝層
GaN(0001)層 GaN(11-20)層
ダイヤモンド
構造
NaCl構造
六方晶構造
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立方晶の硫化物一覧
Advantages of MnS buffer layer
ZnS MnS MgS CaS CdS Hg
S LaS SmS EuS CeS BeS SrS BaS
Lattice
(Å)
ZB a=5.41
Wz a
=3.82
c=6.25
NaCl
a=5.22
ZB
a=5.61
5.20 5.69
ZB
a=5.82
Wz
a=4.14
c=6.71
5.86 5.85 4.97 5.97 5.99 4.87 6.02 6.39
Mismatc
h to Si
-0.38 -3.8 -4.20 4.77 7.2 7.9 7.79 -8.48 9.9 10.1 -10.4 10.8 17.6
Eg 3.7 3.2 5.4 0.3 1.1 0.2 0.2 1.65 5.5-6 4.5-
4.1 0.3
Ionicity 0.62 > 0.5 0.79 0.90 0.69 0.79 0.29 0.91
Stable cubic atomic arrangements
Small lattice mismatch to Si (-3.8%)
Wide energy band gap,
Control of Resistivity & Eg
High ionic nature
Small Large
格子歪をいれることで
転位を制御する。
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Our research
Non-polar plane GaN on Si
(100)
• no columnar structure
• possible low dislocation
density
• more simple process
GaN
New Buffer Layer
Si (100)
[0001]
[1120]
Ga N Mn S
GaN (1120) MnS (100)
top view top view
GaN [0001]
GaN [1120]
MnS [001]
MnS [100]
Lattice mismatch
(1120)
[1100] c
GaN/Mn
S +5.9% -0.5%
AlN/MnS +3.2% -4.7%
GaN on MnS/Si(100)の結晶方位関係
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High quality MnS growth – 成長温度の最適化
MnSの成長温度: 600 ~800 oC Tgrowth=600 oC Tgrowth=650 oC Tgrowth=700 oC
Tgrowth=750 oC Tgrowth=800 oC
750℃で結晶性の良いMnSが成長
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Sharp interface between MnS and GaN
GaN (1120) / MnS (100) / Si (100)の断面TEM観察結果
0.27 nm [1120]
[1100]
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AlN (1120)/ MnS / Si (100)の断面TEM観察結果
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AlN thin film on MnS/Si(100)の結晶性評価:X線回折
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
s)
30 40 50 60 70 80
2 Theta (Degrees)
Si
(200)
Si
(400)
W-
AlN
(0002)
Si
(400)
MnS
(200)
W-AlN
(1120)
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AlN onMnS/Si (100)の結晶対称性評価:X線回折
0
100
200
300
0
100
200
300
-150 -100 -50 0 50 100 1500
1x105
2x105
3x105
4x105
Inte
nsi
ty (
arb
. un
its)
Azimuthal (Degree)
MnS (420)
Si (440)
AlN (1122)
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GaN(100nm)/AlN(20nm)/MnS(50nm)/Si(001)
GaN (0002) GaN (0002) GaN (11-20) GaN (11-20) MnS (400)
Si (400)
すべての条件を最適化し、高品位のGaN層の開発に成功した。
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Si (100)
硫化物緩衝層
無極性ZnO
発光素子
なぜ、Si(100)面上の硫化物緩衝層、
ZnO発光素子なのか?
・硫化物と窒化物も急峻な界面の作製が可能
・硫化物とSiとはほとんど反応せず、
急峻な界面の作製が可能
・無極性ZnO超格子ではシュタルク効果を
抑制できる。
・大きいエキシトン結合エネルギー(60 meV)に
よる高効率発光
・バンドギャップ制御による緑色発光
Si基板はもっとも広く利用されている基板で最大
300mmΦまで利用できる。
Si上に発光素子を作製することで、Si周辺デバイスと発光素子
との融合が可能になる。
GaNキャップ層
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Si 基板(111))
ZnO (1010)0)
X線ΦスキャンによるZnOの結晶対称性評価
GaNAlN/MnS/Si基板上に無極性面
(11-20)のZnO がエピタキシャル成長。
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成果のポイント:ZnO/GaNからの純紫外域バンド端発光
AlN (1120)
GaN (1120) [1μm]
p+-GaN (1120) [1μm]
MnS (100)
Si (100)
n+-ZnO/n--ZnO/p+-GaN/GaN
/AlN/MnS/Si(100)からの注入発光
(100)Si基板上に成長した無極性
(1120) ZnO LEDからの純紫外域
バンド端発光
n--ZnO (1120) [0.6μm]
n+-ZnO (1120) [0.3μm]
Au/Ti 電極 Au/Ni Back-Contact
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無極性GaN/AlN/MnS/Si(100)基板のインパクト
無極性GaN系
発光素子
Si (100)
硫化物緩衝層
エピタキシャルGaN層
低転位
GaNエピ膜
GaN power device LED照明など
GaN/AlN/MnS/Si(100)基板
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今後の発展: Si(100)上の各種エピタキシャル基板
Si (100)
硫化物緩衝層
エピタキシャル層
Si (100)
硫化物緩衝層
Ga2O3層
Si (100)
硫化物緩衝層
無極性AlN
Si (100)
硫化物緩衝層
低転位エピ膜
導電性テンプレート基板
絶縁性テンプレート基板
転位低減基板 (GaN Power用)
導電性性テンプレート基板 (LED用)
現状:2インチ基板の 連続供給可能
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まとめ
硫化物緩衝層を用いてSi(100)基板上に無極性GaNエピタキシャル膜の作製に成功した。
この基板上にZnO/GaNヘテロ接合をもつLEDを作製し紫外線発光を実現した。
構造解析から、この基板は転位の少ないGaN薄膜成長の可能性
をもっていることが解った。
今後は緑色LEDやSi(100)基板上のGaNパワーデバイスへの
応用も可能である。
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従来技術とその問題点
• これまでの基板
① サファイヤ : 2-6インチで高価
② Si(111)基板:一般的な基板ではない。
• GaN(0001)面を使う。
=>極性面を使うために発光効率が
上がらない。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• Si(100)基板を使う。
=> 一般的な基板で300mmΦまである。
• GaN(11-20)面を使う。
=> 無極性面であるために、内部電界が
発生せず、発光効率が高い。
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想定される用途
• Si(100)基板のGaN系発光ダイオード
• Si(100)基板のGaN系パワーデバイス
• Si(100)基板上の紫外線イメージセンサー
• Siとの各種異種接合デバイス
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実用化に向けた課題
• Si(100)上のGaNの結晶性のさらなる向上
• Si基板を下部電極とする場合
=>導電性のある硫化物緩衝層の開発
• GaNパワーデバイスの場合
=> AlNの絶縁性の向上
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企業への期待
• 提供するAlN/MnS/Si(100)基板上へのMOCVDによるGaN-LEDの作製と発光特性の
評価
• 提供するAlN/MnS/Si(100)基板上へのGaN系
パワーデバイスの試作と特性評価
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産学連携の経歴
• 2003年-2007年 半導体先端テクノロジーズ社との
連携“High-k Net” http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20070604/133633/?rt=nocnt
• 2009年-2011年: サンゴバン株式会社
• 2009年-2012年 ルネサスエレクトロニクス株式会社
株式会社日立国際電気
(NEDOプロジェクト)
• 2011年- 株式会社DENSO
株式会社村田製作所
(JST Astepプログラム)
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お問い合わせ先
(独)物質・材料研究機構
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