東北大学、格子歪のないＧａＮ自立基板の作製に成功
格子歪の無いＧａＮ自立基板の作製に成功
東北大学学際科学国際高等研究センターの八百隆文教授と金属材料研究所のＣＨＯ Ｍｅｏｕｎｇｗｈａｎ（チョ・ミョンファン）助教授の研究グループは、これまでに金属バッファー層を利用したケミカル・リフト・オフ技術の開発や縦型高輝度ＬＥＤ作製プロセス開発などＧａＮ（窒化ガリウム）デバイスの基盤技術を開発してきたが、最近、サファイヤ基板上にＺｎＯバッファー層を堆積し、次いでその上にＧａＮ厚膜を成長することによって、残留歪の無いＧａＮ自立基板の作製に成功した。これによって、デバイスの信頼性低下の一因である残留歪の問題が解決され、高輝度白色発光ダイオード（ＬＥＤ）や青色レーザダイオードの性能と信頼性が大幅に向上するものと期待される。
ＧａＮによって高輝度の青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、青色レーザダイオード、緑色のレーザダイオードだけでなく、さらに、高周波高速トランジスタや高電力トランジスターなども実現されている。これらの技術革新によって、高精細フラットパネルディスプレイ、高輝度屋外ディスプレイ、大容量記憶装置、大電力省エネルギー型の電力デバイス等々が実現し、実用化されつつある。これらの技術を支えつつあるのが、ＧａＮ基板である。実用レベルの青色レーザダイオードを作製するためにはＧａＮ基板が必要であり、ハイブリッド自動車のインバーター素子を作製するためにもＧａＮ基板が必要であり、さらには蛍光灯に取って代わるであろう高輝度の白色ＬＥＤを作製するためにもＧａＮ基板が必要になるであろうと言われている。
ＧａＮ基板における問題は、成長の下地基板として用いるサファイヤ基板との格子不整合や熱膨張係数の不整合などに起因する転位や残留歪が問題となっている。これらの問題のために、プロセスコストが増加するとともに、歩留まりも低下するためにコストが最終的に問題となる。
今回開発したＧａＮ自立基板の作製技術は、（１）残留歪の殆ど無いＧａＮ基板の作製が可能、（２）ＧａＮ厚膜成長終了時点ですでにサファイヤ基板から剥離されている、（３）ＧａＮ基板作製工程が簡単化されコスト低減が可能、（４）ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板、ＩｎＧａＮ基板、ＩｎＮ基板などの窒化物半導体基板の作製技術への応用が可能、などの特長を持つ。
今回開発したＧａＮ作製技術の概要を図１に示す。作製プロセスは以下のようである。（１）サファイヤ基板上にＺｎＯ層、次いでＧａＮ層を分子線エピタキシ法で積層する。（２）ＨＶＰＥ装置で９００ｏＣ程度で低温ＧａＮ厚膜を成長する。ＺｎＯ膜はこの過程で完全にエッチングされる。（３）引き続いて１０５０ｏＣで高温ＧａＮ厚膜を成長する。この技術のポイントは（２）の低温ＧａＮ層を成長する過程でＺｎＯを完全にエッチングする点であり、これによって、その上に成長した高温成長した高品質ＧａＮ厚膜中の残留歪は殆どゼロとなるとともに、高温ＧａＮ成長時点でサファイヤ基板からＧａＮ膜が剥がれる“その場リフトオフ”プロセスが初めて可能になった。図２にＸ線回折カーブを（０００２）、（０００４）、（０００６）回折について示す。Ｘ線の進入長がそれぞれ、１０ミクロン、２０ミクロン、３０ミクロンであることから、表面付近から３０ミクロンまでのｃ軸方向の格子定数は一定であり、その値は０．５１８５ｎｍとなる。同様にａ軸方向の格子定数を測定すると、０．３１８９ｎｍである。これらの格子定数値はバルクＧａＮの格子定数と等しい。さらにフォトルミネッセンス測定における自由励起子の発光エネルギーもバルクと同じである。これらの実験結果から、作製したＧａＮ基板内の残留歪は殆どゼロであることが結論される。
図３はＧａＮ基板断面からの顕微フォトルミネッセンス・スペクトルである。顕微フォトルミネッセンスの空間分解能は１ミクロン程度である。試料断面の位置をずらしながら測定している。フォトルミネッセンス測定温度は、７７Ｋである。高温ＧａＮ層からのフォトルミネッセンスは自由励起子発光が支配的であり、発光エネルギーの場所変化は無いことから、高温ＧａＮ層の内部の残留歪もゼロと言うことがわかる。
今回はｃ面サファイヤ基板を用いて、格子歪フリーのｃ面ＧａＮ自立基板の作製技術を開発したが、本技術は（１）ｃ面以外にも、Ｍ面やＡ面などの非極性面ＧａＮの作製にも応用できること、（２）ＧａＮ以外にもＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ基板作製にも応用できることを強調しておきたい。
この結果はＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌 ２月５日号に発表される予定になっている。
＊資料：図１～図３
（※ 関連資料を参照してください。）