selective movpe of semi-polar gan on patterned …Š 工シリコン基板上へのgan結晶成長...
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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