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

GaN on Siの応用と市場

GaN Power on Si

GaN Power

device

LED on Si

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）”

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。

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。

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

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

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。

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

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

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。

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

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

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]

AlN （1120）/ MnS / Si (100)の断面TEM観察結果

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)

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)

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。

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

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。

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

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

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

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。

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。

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。

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

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

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

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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外部連携部門 研究連携室 連携企画チーム

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