Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

GaN / 発光素子 / 擬似単結晶 / エピタキシャル成長 / MBE / PLD / 表示素子 / 界面バッファー層 / 窒化ガリウム / 発光ダイオード / ホトルミネッセンス / 電磁鋼板 / ディスプレー / 窒化アルミニウム / Mgドーピング

本研究の目的は巨大グレインを持つ擬似単結晶金属基板に窒化ガリウムを成長し、低消費電力の大面積ディスプレイや電子ペーパー、高効率照明への応用の可能性を実証することである。GaN発光ダイオード(LED)は大面積表示素子や照明素子への応用が検討されてきたが、GaN結晶には(1)価格が高い(2)大面積化が困難等の本質的な問題点があり、実際にこの様な用途には未だ利用が進んでいない。一方、我々は、良く制御された温度勾配条件下で作製した金属板(擬似単結晶金属基板)が数十センチメートルから数メートルにも及ぶグレインサイズを持ち、この上に優れた結晶性を持つ窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム・ガリウム(InGaN)等のIII族窒化物結晶がエピタキシャル成長できることを見出した。擬似単結晶金属基板のグレイインサイズは半導体のキャリアの拡散長と比べて十分に大きいので、擬似単結晶金属基板上にエピタキシャル成長した半導体を用いて発光素子を作製すれば、バルク単結晶素子と同等の性能を持つLEDが低価格かつ大面積で実現できると考えられ、高輝度の低消費電力・軽量・大面積ディスプレーが実現すると予測される。このような金属基板上に高品質半導体の成長を実現するには、(1)金属板の平坦化・清浄化プロセスと(2)界面バッファー層の品質が重要であることが分かった。(1)に関しては、平坦化研磨液のpHを約8.5にコントロールすることや結晶成長装置内で金属表面に還元性のInプラズマを照射することによって、ステップ構造を持った超平坦清浄金属表面を得ることに成功した。また、(2)界面バッファー層に関しては窒素プラズマラジカル源を用いることによって品質の向上を実現した。これらの技術を用いて窒化ガリウムを擬似単結晶金属基板上に成長したところ非常に強いバンド端発光を示す単結晶が実現した。

PLD / MOCVD / バッファー層 / 薄膜 / ペロブスカイト / パイロクロア / リラクサー / エピタキシャル成長 / 蛍石型構造 / ペロブスカイト構造 / CeO_2 / SrTiO_3

緩和型誘電体であるPb(Mg_<1/3>Nb_<2/3>)O_3(PMN)および強誘電体であるPb(Zr, Ti)O_3(PZT)薄膜は現在精力的に研究が進められている。これらのペロブスカイト型化合物薄膜作製上の共通の問題点として、常誘電体のパイロクロア型化合物が生成し易いという間題点がある。本研究では類似多形であるペロブスカイト型化合物とパイロクロア型化合物が存在する系においてペロブスカイト型化合物を選択的に安定化させた薄膜を作製するための指導原理を検討した。薄膜はPt/IrO_2/SiO_2/Si基板上に作成した。PMN薄膜はPLD法で、PZT薄膜はMOCVD法作成した。その結果、PMN薄膜については、基板上に直接成膜を行ったところ、パイロクロア型化合物の単相薄膜となり、ペロブスカイト型化合物は全く生成しなかった。ところが、基板上に単位格子1〜数層分という極めて薄いBaTi03シード層を導入したところ、パイロクロア型化合物の生成は完全に抑制され、単相のペロブスカイト型化合物が生成することが明らかになった(基板温度:600℃)。PZT薄膜についてはシード層の導入なしでも基板温度を600℃以上とすると単相のペロブスカイ型化合物が生成したが,基板温度を400℃まで低下させるとパイロクロア型化合物のみが生成する。ところが、基板上に単位格子1〜数層分という極めて薄いSrTiO_3シ一ド層を導入したところ、ペロブスカイト型化合物の単相薄膜が得られることを見いだした。さらに、この方法により、M0CVD法ではPZTの結晶化温度を350℃まで低温化三せることが可能となった。一方、SrTiO_3シード層の膜厚を数十層分と大きくすると、逆にペロブスカイト型化合物の結晶性は著しく低下することが明らかになった。このことは、ペロブスカイト構造の安定化には単にSrTiO_3が必要というわけではなく、微構造や表面エネルギーが重要であることを示唆している。

【研究分担者】
脇谷尚樹	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)