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)平林了 、1)光成正、 1)山口雅史、 1)天野浩、2)澤木宣彦

加工Si基板上への非極性GaN結晶成長

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

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

GaNデバイスの高品質化に向けて ・極性・無極性GaNの利用・基板の開発

極性面

(0001)面

半極性面

(11-22)面

無極性面

(11-20)面

本研究の背景～Si基板上への非極性高品質基板の開発～

(11-22)

(1-101)

T. Takeuchi et. al. Jpn. J. Appl. Phys. 39(2000) 413

Si基板上への厚膜GaN基板の作製→自立基板の作製（加工・安価・大面積）

本研究の目的

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

本研究の目的～Si基板上への非極性高品質基板の開発～

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 ◎ ○ △

半極性・無極性GaNの現状

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。

半極性・無極性の作製法

大面積の作製法が確立されていない

～2cm

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

半極性GaN on (001)Si

C軸を傾斜させてGaN結晶を作製

Si{111}ファセットへのGaN選択成長

GaN選択成長

・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

KOH異方性エッチング

5mm 5mm

SiO2 mask

Si substrate

(111) facet SiO2 mask

KOHによるエッチング

(0001) GaN on(111)Si

GaN結晶成長 GaN GaN

(111)Si

<0001> <0001>

<11-22>

<0001><0001>

<11-20>

C軸を傾けることが可能

2) KOHにより(111)Si面を形成

3) SiO2を片方の斜面に堆積

4) GaN成長

成長模式図

2mmvoid

GaN

7ooff Si sub.

(1-101)GaN

Si基板上へのC軸傾斜GaN作製

Si基板上へのC軸傾斜GaN成長

半極性平坦面の作製

ストライプを結合して平坦面の作製が可能

2inch-サイズSi基板上へ鏡面の(1-101)GaN 結晶の作製

Si 基板上(1-101)GaN

2inchサイズGaN成長の表面写真

1 mm

c)

1 mm

Growth time = 1 min 5 min（0001）

a) V溝の頂上部でのGaN核形成 b)(-1101)面方向への成長（-1101）

1 mm7 min

c)(1-101)成長

（1-101）

(1-101) GaNの成長過程

TEM像による転位の観察

転位密度が尐ない高品質結晶

Si基板上半極性GaNの低転位化

Re-growth GaN by MOVPE

(113)Si

Sub.

<21-1>

Re Growth

GaN

再成長領域で欠陥フリーのGaN結晶の作製が可能欠陥密度＜105cm2

半極性GaNストライプ上へSiO2マスク堆積→GaN再成長

Si substrate

GaN

LD

p-electrode

n-electrode

insulator

50

150

250

350

400

600800

1000

3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5

000111-221-101

Dec

ay ti

me (p

s)

Photon Energy(eV)

@2K

（0001)

（11-22)

（1-101)

各成長面上InGaNのTRPL評価@2K （ピエゾ電界の抑制）

400 380 360nm

5ns

400 380 360nm

5ns

400 380 360nm

5ns(0001) (1-101) (11-22)

ピエゾ電界による電子-正孔の空間的分離

Si基板上InGaN層の内部量子効率(IQE)評価

キャリアのレート方程式2BnAnG 　

→ＰＬ強度変化によるA係数の算出

2

2

BnAn

BnIQE

0

20

40

60

80

100

0 5 1017

1 1018

1.5 1018

2 1018

Inte

rnal

Quantu

m E

ffic

ien

cy

(%

)Carrier concentration (10

18cm

-3)

Sample B

Sample A

Q. Dai, et al, Appl. Phys. Lett.

94 (2009) 111109

Dislocation density 5.3×108/cm2

1.2×109/cm2

5.7×109/cm2

Blue LED on sapphire

非輻射再結合

輻射再結合

PLIn

(1-101)GaN上において高発光効率を実現。

Sample A : 420nm

Sample B： 500nm

Si基板上半極性GaN/InGaNの転位密度の推定

Sample A ： 7.4×106/cm2

Sample B ： 2.7×108/cm2

106

107

108

109

106

107

108

109

1010

Non

-rad

iati

ve

coef

fici

ent

A (

s-1)

Threading dislocation density (cm-2

)

(Q. Dai, et al, Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 111109)

Sample B

Sample A

BlueLED on sapphire

sub.

※転位密度とＡ係数が比例すると仮定する。

強光励起によるレーザー発振

N2

laser :337.1n

m

0.1

1

10

100

1000

104

105

380 400 420 440 460 480 500 520

PL

Inte

nsi

ty(a

rb.u

nit

)

Wavelength (nm)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30

PL

Inte

nsi

ty (

arb.u

nit

)

Excitation Intensity (MW/cm2)

Sample A

2.2MW/cm2

27MW/cm2

FWHM:5nm

420nmにおいて光ポンプによるレーザー発振を実現。

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

Si/AlN(50 nm)/GaN

2 mm

MOVPE GaN

Tg (℃)

Process time (min)

NH3

HCl (GaCl)

870-1000

GaN

1-6 hour

MOVPE GaN

(113)Si Sub.

[0001]

[11-22]

(113)Si Sub.

HVPE GaN

HVPE 成長

成長方法

成長プロセス

HVPEによる厚膜(11-22)GaN結晶成長

Growth Temp (℃) 870-1000

HCl (cc/min) 70

NH3 (cc/min) 500

V/III ratio 7

Growth Time

(hour)

1-6h

成長条件

Si基板上GaN厚膜成長の課題

大面積基板への結晶成長の課題

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

3 mm

<11-20>

(110)Si sub.

(11-20)GaN

変質層

メルトバックエッチング熱膨張係数差によるクラック

500 mm100 mm

b)熱膨張係数差による歪クラック、反りの発生

GaN

Si基板

0

2000

4000

6000

8000

1 104

1.2 104

1.4 104

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3(KeV)

N

Ga

Si

Ga N Si Al

メルトバック部分 9.70 54.35 35.51 0.43

GaN成長 44.01 55.99 － ー

メルトバックエッチングのEDX分析（定量分析）

SiとGaの置換→ Si基板とGaNが反応し、SiNと液滴Gaに変化

Unit : atomic %

EDX spectra for “flower” and GaN

・GaN部分

・メルトバック部分

Si基板上GaNの厚膜化 (メルトバックエッチング抑制)

Al-Si

Ga-Si

Ga-Si Al-Si相図及びSiへのGaの拡散

1100℃

900℃

900℃

1100℃

Ga-Si Al-Si相図Si中へのGa拡散(300min)

・Si-Ga及びSi-Alによる融点の低下 ・高温におけるSi中へのGaの拡散

HVPEによるGaNの低温成長

AlN

GaN

Si

AlNピンホール→GaのSi中への拡散→メルトバックエッチングの促進

GaN

メルトバックエッチング対策① ～AlN中間層膜厚依存性～

AlN 45nm AlN 65nm

1mm

AlN 190nm

Si sub.AlN thickness

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。

HVPE GaN

Growth time 60min

Growth temp. 1050℃

After 75 min growth

表面GaN写真 （10×14mm）@920℃@940℃@960℃@1000℃

模式図（黄色＝GaN 黒色＝melt back部分)

@900℃

After 315min growth

Melt back

Single crystal

GaN

200mm

メルトバックエッチング対策② ～成長温度依存性～

表面でメルトバックが観察されていない

断面SEM像

50mm

表面SEM 像

thickness

230mm

100mm

(11-22)GaNの低温成長

5mm

転位密度=1.2 X 108/cm2

After 315min(6h) growth☆@870℃☆

表面CL像

断面SEM 像(0001)GaN

・(11-22)GaN：2D 成長

・(0001)GaN：Column 成長

Meltbackなし

半極性 (11-22) GaN自立基板(Si基板除去後)

1014

1015

1016

1017

1018

1019

1020

1021

101

102

103

104

105

106

107

108

0 1 2 3 4 5

Depth (mm)

Conce

ntr

atio

n (

atom

s/cm

3)

Sec

ondary

ion i

nte

nsi

ty (

counts

/sec

)

Si基板上厚膜GaNのSIMS分析

GaNO

H

C

Si

・O：5 x 1018cm-3

・Si、C： 1 x 1016cm-3以下(Si基板からのSiのドーピングの影響小)

(1-101) (11-22)

MOVPE* HVPE MOVPE* HVPE

C 5.0E+18 1.0E+16 1.0E+16 1.0E+16

O 1.5E+19 9.0E+18 2.0E+19 5.0E+18

SIMS測定

MOVEP(890℃),HVPE(870℃)の比較

1014

1015

1016

1017

1018

1019

1020

1021

101

102

103

104

105

106

107

108

0 1 2 3 4 5

Depth (mm)

Co

nce

ntr

atio

n (

ato

ms/

cm3)

Sec

ond

ary

io

n i

nte

nsi

ty (

cou

nts

/sec

)

GaNO

H

C

Si

(1-101) (11-22)

* S.C. Curz et al. / J. Cryst. Growth 311 (2009) 3817

792arcsec

Parallel to stripe

・ピークの分裂→ クラック、反りの影響

387arcsec

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

34 34.1 34.2 34.3 34.4 34.5 34.6

ω (degree)

X-r

ay I

nte

nsity (

a.u

.)

Normal to stripe

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

34 34.1 34.2 34.3 34.4 34.5X-r

ay I

nte

nsity (

a.u

.)

ω (degree)

XRC 測定 (112)ω-scan

断面（側面）

ストライプ方向

断面（上面）

表面

×Small curvature

Φ =90°

ω

Φ =90°

ωω

GaN表面写真by HVPE

Si基板除去後

・塑性変形

Si基板

GaN

C面成長

高密度のクラック ストレス、クラックの抑制

Si基板上半極性GaN

c-axis – 12 %

a-axis + 55 %

Si off-substrate

GaN

c-axis – 12 %

a-axis + 55 %

+ 3.2% ( q = 60°)q

熱膨張係数差による歪の検討

断面（側面）

ストライプ方向

断面（上面）

表面

×

KOH40min上GaN

7min

KOH エッチング時間変化による歪の緩和

ＫＯＨエッチング

6min 15min 30min 40min

Si薄膜化による・歪の抑制・自己剥離の促進

KOH6,30min自立基板KOHエッチング6min KOHエッチング30min

14mm

10mm

ストライプ方向

10mm

8mm 6mm

ストライプ方向

7mm 8mm

KOH エッチング時間変化による歪の緩和

・Si基板上へ高品質GaN結晶の作製が可能。

・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 (1000oC)

⇒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 (870oC)

⇒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

転位伝搬特性の評価結晶の暗点密度：~107/cm2

⇒テンプレートGaNの高品質を反映

まとめ