第50回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成12年9月20日 東京 有楽町朝日ホール（平成27年9月 一部改稿）

青色発光素子を求めて−−窒化物半導体と完全結晶−−

名古屋大学名誉教授
名城大学理工学部教授

赤x

勇

皆さんこんばんは。ただいまご紹介いただの竹を使い、その炭素繊維をフィラメントときました名城大学理工学部の赤cでございま

して第２世代の光源といわれる白熱電球を発す。

明しました。これは熱放射といって、高温の

本日は半導体青色発光素子、つまり青色の物体が出す光（電磁波）を利用しています。

発光ダイオードとレーザダイオードがどのよ

これによって人々は夜の闇から解放されまし

うにして創られたかという題で、同僚の西永た。

先生と二人で、私は前半の「青色発光素子をそれからだいぶ下って、蛍光灯が作られま求めて」という話をさせていただきます。

した。テレビのブラウン管に原理は似ていま

私は名前が「赤」ですが、実は赤色の発光す。ブラウン管はフェースプレートの内面にダイオードは1968年に商品化されています。

塗布されている蛍光体を高いエネルギーの電

その後、効率は低いのですが、緑（黄緑）色

子線で刺激（励起）して光らせています。蛍の発光ダイオードも作られました。しかし三光灯は内部に封入してある水銀の放電による原色のうち青色はごく最近実現されたのです。

紫外線で蛍光体を励起して白色発光させる放はじめに、半導体青色発光素子というのは電管で、白熱電球とは原理が異なり、第３世

どういうものか、なぜ窒化物半導体なのか。

代と言ってよいと思います。

そして、青色発光素子の実現に必須の窒化物

第４世代、第５世代の光源が固体の半導体

半導体の高品質単結晶とそのp-n接合をいか

発光ダイオードやレーザダイオードです。50にして実現したか。最後に、青色発光素子は年ほど前にトランジスタが発明されましたが、いまどんなところに使われているのか、将来

それから15年ほどの間に赤外や赤色の発光ダ

どうなるだろうかという話をさせていただこ

イオードが開発されました。また、目には見うと思います。そして材料研究というのは地えませんが、赤外レーザダイオードも作られ味ですが、非常に大切であるということも併ています。しばらくして、少し効率は低いのせてご理解いただければと思います。

ですが、黄色とか緑色に近い発光ダイオード「はじめに光ありき」という言葉に示されも作られました。しかし青色発光半導体素子

るように、私たちは五感のうち視覚から最もはなかなか難しく、その実現は人々の永年の多くの情報を得て生活しているといわれてい夢でした。

ます。このため、人類は太古の昔から永遠のご存じのように色の三原色は、赤、緑、青光である太陽に憧れ、太陽のような光源を求です。この青色がないために、たとえばカラめ続けてきました。人類が最初に手にした光ー表示をするとき完全な天然色を表示するこは火だったのではないでしょうか。それからとはできませんでした。また、情報の高密度120年ほど前に、トーマス・エジソンが京都

記録には青色半導体レーザが不可欠だからで
1

の各Si原子の外殻電子は８個で稀ガス同様、非常に安定な構造です。Si
半導体やGe半導体はこのような結晶構造（ダイヤモンド構造とよぶ）
をしています。
さて、窒化物半導体ですが、その代表は窒化ガリウム（GaN）です。
ガリウム（Ga）原子の最外殻電子は３個でⅢ族元素です。Ⅴ族元素の最外殻電子は５個です。窒素（N）
やヒ素（As）がそうです。GaとN

図１ 元素の周期表（短周期）の一部
Ⅰ〜Ⅶ族はそれぞれA族、B族に分けられる。
（例えばMgはⅡA族、ZnはⅡB族元素であるが、この表では省略した。）

す。

が一つの化合物を作ると考えますと、
たとえば、Nの一個の外殻電子の一部分（実際、半導体内の電子は波として振舞

次に、なぜ窒化物半導体なのかということいます）がGaの方にもれているとしますと、に移りたいと思います。その前に高校時代のトータルの電子数は８個で２個のSi原子が結周期表を思い出していただければと思います。

合した場合と同じ形です。これは厳密な意味

図１はその一部分を抜き出して、しかも簡略の共有結合ではありませんが、（つまりそれ化してあります。元素の種類は90種類くらい、ぞれの原子が一部イオン化して）少しイオン

人工元素を加えると110種類くらいです。宇性を含んだ共有結合となり、やはり安定な構

宙を含めて数え切れないくらいの多種多様な造です。これを化合物半導体と呼んでいます。

物質・材料がありますが、これらを構成して化合物半導体には多くの種類があり、たといる元素の種類はたかだか100そこそこであえばGaとAsの化合物のヒ化ガリウム（GaAs）

るということは、驚くべきことです。もし、や今日お話しするGaNなど、Ⅲ族とV族元素

元素の種類が何万種もあると、私たちは周期からなる化合物はⅢ−V族化合物半導体と呼表を眺めて、ある材料の性質とその構成元素

ばれています。このうち、V族元素がNであの種類や構造との関係を想像することは不可る化合物をⅢ族窒化物半導体といいます。

能でしょう。元素の種類が100くらいである

図２を見ますと、GaNを中心にして、アルということに、私は自然の摂理を感じます。

ミニウム（Al）とNの化合物：窒化アルミニ

さて、原子は原子核とその周りを取り巻いウム（AlN）、あるいはインジウム（In）とているいくつかの電子の層（電子軌道）からNの化合物：窒化インジウム（InN）のようなっています。いちばん外側の軌道（最外殻な兄弟があります。また、AlNとGaNをたと軌道）にある電子が結合に与ります。この最

えば50％：50％の割合で混ぜて、Al0.5Ga0.5N

外殻電子の数が４個のものがⅣ族元素、たとを作ることができます。これを混晶といいま

えば炭素（C）、シリコン（Si）やゲルマニ

す。混晶はそれぞれの化合物の性質の中間のウム（Ge）などです。ちなみに、ダイヤモ

性質を持っています。化合物の種類と混ぜる

ンドは固体炭素の一種です。たとえばSi結晶割合によって性質も変るので、極めて多種類

は、正四面体の４つの頂点とその中心にSi原の半導体を作ることができます。

子があり、それぞれのSi原子は自分自身の最これらの混晶を含むⅢ族窒化物半導体は、外殻電子と隣のSi原子に属している最外殻電

光学的性質や電気的性質が非常に優れており、子を共有して結合しています（共有結合）。

青色発光素子や、高性能の紫外線検出器、あその結合は４つの等価な方向にあり、結晶中

るいは次世代のトランジスタと言われていま2

C.B.に励起されます。しかし、この中間のエ
ネルギーのところには、電子は入ることはできません。この両者のエネルギー差の最小の値をエネルギーギャップ（Eg）と呼んでいます。
ところで、C.B.に励起された電子は、その励起の原因を取り除く（例えばエネルギーの高い紫外線で励起したとして、その照射をやめる）と、電子はEgに等しいエネルギーの光を放出して元のV.B.へ戻り（遷移し）ます（再結合）。この遷移はエネルギー保存則を満足しています。また、GaN（左側）の場合は、再結合の前後で電子の運動量は同じ（直接遷移型半導体といいます）ですから、運動量も保存されるので、このような再結合（遷移）の起こる確率は極めて高い（発光効率が高い）のです。一方、Si（右側）の場合は、C.B.の最小のエネルギーの電子が、V.B.の最大エネ
図２ #族窒化物半導体と、その素子への応用

ルギーに遷移する場合を考えると、両者は運動量が大きく異なって（間接遷移型）います。

す超高速・高出力のトランジスタなどの材料

つまり、運動量保存則が満足されないので、として非常に有望です。しかも極めて安定な

この様な遷移（再結合発光）は極めて起こり化合物で、劣悪な環境下でも動作すると言わにくいのです。ですから、通常の固体Siではれています。さらに、NとGaの化合物ですか

効率のよい発光ダイオードやレーザを作るこら、環境にやさしいということもこの材料のとはできません。一方、図２のⅢ族窒化物半長所です。

導体は混晶を含めてすべて直接遷移型である

次に、発光素子材料として優れている点が２つあります。その第１は、Ⅲ族窒化物半導ために、高い発光効率が期待されます。
次に図４は、窒化物半導体のEgの逆数に体のファミリー（図２）（BNを除く）はすべて直接遷移型の半導体であるという点です。半導体内の電子のエネルギーを縦軸に、その運動量に相当する量を横軸にとりますと、図３の右図のようになります。通常、下の価電子帯（V.B.）は電子で充たされています（うすい影で電子を示しています）。一方、上の伝導帯（C.B.）には電子はありませんが、両者のエネルギー差（Eg）以上のエネルギーを与えると、V.B.の電子の一部は上の

図３ #族窒化物半導体の特徴

3

です。結晶が物理的、化学的に安定であるということは、
極めて作りにくいことを意味します。また、非常に堅くて加工しにくい。これらは窒化物半導体素子の実現を難しくしていた理由の一つですが、逆に一旦できた暁には、極めて安定な素子が期待できることになります。
次に、熱伝導率が他の競合
図４ #族窒化物半導体のエネルギーギャップ（発光波長で示す）と格子定数の関係材料に比べて大きく、動作中の温度上昇が他の材料より小さいと予想されます。今日は比例する波長を横軸にとってあります。Eg

発光素子以外の素子については触れる時間はが大きいほど短い波長の光が出ることになりないと思いますが、窒化物は将来の超高速・ます。右軸の比視感度は人の目に感じやすさ

大出力トランジスタとしてもたいへん有利なを表しています。緑色は比視感度が最も大き性質を兼ね備えています。つまり、半導体と

いこと、人の目に感じる最も短い波長の光はして極めて高いポテンシャル（潜在能力）を紫色であることや、700nm（1nmは10億分の持っているので、私は1m）より長波長の光（赤外光）や反対にんでいます。

380nm（紫色）より短波長の紫外線は見えないことを示しています。

究極の半導体と呼ところが、すべての半導体素子に共通することですが、高性能の素子を実現するためにSiのEgは波長換算で約1.1μm（1100nm）

は、少なくとも次の二点をクリアしなければですから、仮に発光したとしても人の目にはなりません。まず、極めて高品質の、できれ見えません。また、代表的なⅢ−V族化合物

ば完全な単結晶（完全結晶）が必須です。ごであるGaAsからの発光波長は870nmで、こ存じのように、半導体の中で結晶品質では優れも赤外です。このGaAsに、Egが少し大き

等生のSi半導体結晶の純度は、イレブン９

いヒ化アルミニウム（AlAs）や燐化ガリウ（99.999999999％）と言われています。GaNム（GaP）を混ぜて、赤色発光ダイオードをも、Si単結晶ほどではないにしても高純度で、作ることができます。（黄）緑色発光ダイオ

欠陥の少ない高品質の単結晶が必要です。

ードはEgが比較的大きいGaPを用いて作ら結晶は１cm3の中におよそ10の22乗個（１れていますが、GaPは間接遷移型なので、あの次に０が22個つく）ほどの膨大な数の原子

まり効率は高くありません。

が３次元的に規則正しく配列しています。一ところで図４に示しますように、GaNやつの結晶の中に境界が全くない単一の結晶をGaNとInNの混晶は青色から赤までの可視光

単結晶といいます。単結晶の中に欠陥が全く

全域および赤外領域をカバーできます。またないのが完全結晶です。先ほど申し上げましAlGaNを用いると紫外域まで可能です。これたように、Siはほとんど完全結晶に近い、極が第２の長所です。

めて高品質の単結晶が作られています。Ge

さらに、機械的にも非常に丈夫で化学的にも安定です。この点は、青色発光素子用として競合するほかの材料に比べて際立った特長
4もそれに近いでしょう。このような高品質Si
は、LSIなどにたくさん使われています。
ところが、窒化物半導体は大きなポテンシ

ので←印のようにずれ（結晶欠陥）が発生し、品質が悪化します。基板との格子不整合が大きいほど悪影響の度合いが大
きくなります。GaNはバルク結晶基板がない上に、格子定数（図４左軸）が他の半導体結晶に比べて
図５ エピタキシャル成長の説明
エピタキシー はギリシャ語で、 on orderly arrangement（英語）を意味し、基板結晶の上に引続きその原子配列の影響を受けつつ結晶が成長することをいう。基板と成長結晶が同種のときホモエピタキシー、異種結晶のときへテロエピタキシーという。

かなり小さいため、格子不整合の極めて大きい系のヘテロエピタキシーにャルを持ちながら、バルク（塊）結晶さえ作

依らざるを得ないという宿命を負っています。異種基板上に品質の良るのが極めて困難です。例えばSiのバルク結

い目的結晶を成長させるよい方法を見出し､晶を作るには、Siを（1400℃くらいの）高温

その方法を普遍していくと、今までに無い新で融かし、種になるSi単結晶をつけてSi融液

しい材料の創生につながるだろうと考え、を冷やしながら固めて作ります。しかし、1970年代後半から80年代前半にかけて、私GaNの融点は現在でも分っていません。そしは種々の基板結晶を検討してきました。（ちて、Nの蒸気圧が非常に高く、温度を上げる

なみに同じころ、西永先生は、サファイア上と、Nが抜けて分解し、通常の方法では結晶のSi成長の研究をされていて、このような格を作ることはできません。まして高品質の単子定数差の大きい系におけるヘテロエピタキ

結晶を作るのは極めて困難です。すなわち第シーの研究の重要性を指摘されています。）

１の課題は解決されていません。
ここで気相エピタキシーという結晶成長法（あとで西永先生からもお話しいただけるとしかし、実際にやってみるとやはり非常に難しい。図６は私の松下電器時代のデータですが、基板としてサファイア単結晶を選び、思いますが）について説明します。作ろうとその上にGaNをエピタキシャル成長させた試

思う結晶の構成原子を含んだガスを、下地と料の光学顕微鏡写真です。表面は凹凸が激しなる基板結晶の上で加熱分解し、基板結晶のく、しかも沢山のクラックがあり、鏡面の結上に目的の結晶を析出･成長させる方法です。

晶には全くほど遠いものです。後で申し上げ

基板結晶と成長結晶が同材料の場合（図５左）、る方法を私たちが開発（1986年）するまでは、

格子定数その他同じですから、成長結晶層のGaNエピタキシャル結晶はすべて､このよう結晶軸は基板のそれに一致します（ホモエピな状況でした。

タキシー）。SiやGaAsの場合はこの方法で基第２の重要課題は、電気伝導の制御です。

板より高品質のエピタキシャル結晶を作るこ

図７は単結晶の一部を切り出して見たものととができます。

お考えいただけばよいかと思います。全体は

ところがGaNの場合、基板になる単結晶が単結晶であるこの構造はp-n接合と呼ばれ、ありません。このような場合、図５右図のよ発光ダイオード、レーザダイオードやトラン

うに他（種）の単結晶を用いざるを得ません

ジスタなど半導体素子に必須の構造です。こ（ ヘ テ ロ エ ピ タ キ シ ー ）。 B 結 晶 の 上 に Cの単結晶のある原子面（A-B面）を境にして、（GaN）を積むわけですが、格子定数が違う

右側にはドナー不純物（構成元素より外殻電5子が１個多い元素（Si半導体の場合、As等））
が添加（ドープ）してあり、電子が余分にある。これはn型といって電気伝導がマイナスの半導体です。同じ原子面を境にして左側にはアクセプター不純物（構成元素より電子が１個少ない元素（Siの場合、In等））をドー
プしてあり、電子が不足している。これはp型といって電気伝導プラスの半導体です。
図８はp-n接合構造のエネルギー帯図です。
n領域にはC.B.に電子が、p領域にはV.B.に電子の抜け穴（正孔）が余分にあります。図のように電圧（順バイアス）をかけると、n領域から電子がp領域（C.B.）へ、一方、p領域から正孔がn領域（V.B.）へ拡散します。これを（少数）
キャリヤの注入（carrier injection）といいます。p領域（V.B.）にはもともと正孔がたくさんありますから、そこへ注入された
電子は正孔と再結合し、Egに相当するエネ
ルギーの光を放出する（エネルギー保存則をわけです。同様にn領域（C.B.）にたく満たす）
さんある電子も、p領域から注入されてきた正孔と再結合発光します。このp-n接合構造によるキャリヤ注入は極めて効率が良いので、
図６ サファイア基板上のGaNエピタキシャル層

高効率の発光素子実現には不可欠のものです。

上は光学顕微鏡写真（a）透過光、（b）反射光。下は試料断面の模式図。1986年、低温堆積バッファ層技術が開発されるまでは、GaNは全てこのような結晶であった。

す。つまりEgが赤色に相当するエネルギー

発光波長は、その半導体のEgで決まりまで す と 、 赤 色 光 が 出 る こ と に な り ま す。
AlGaAsやGaP半導体等では、
p-n接合はすでに1960年代はじめには作られ、それにより赤色や黄緑色発光ダイオードが開発されていたわけです。しかし、
GaNやセレン化亜鉛（ZnSe）のようなEgが大きい半導体では、p型伝導の結晶（従って、p-n接合）を作るのは極めて難
しく、不可能ではないかと考えられたこともありました。
ここで話を整理しますと、青図７ 半導体p-n接合模式図

色発光素子の実現に窒化物半導原子面A-Bを境に、右側の領域にはドナー不純物が、左側にはアクセプター
不純物がドープされており、それぞれ電子または正孔が多数存在する。全体は単結晶であり、右側はn型伝導、左側はp型伝導である。

体は非常に有望であり、また、

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品質は良くないにしても単結晶私自身は1965年ごろから、
AlNの研究を始めました。
結晶成長と物性の研究をやっていました（図参照）。また、同じころ、GaAsPとGaP赤色発光ダイオードや、
GaP緑色発光ダイオードの開発を終了していましたので、 究極の半導体GaNを用いて、未開拓の青色発光素子を実現しようと決心し
図８ p-n接合型発光ダイオードの模式図
GaNのp-n接合（図７）の両側にオーム性電極を設け、n領域に対してp領域に極性が正の電圧（順電圧）を図のように印加すると、少数キャリヤが注入され、再結合発光が起こる。

ました。AlNからGaNに研究の中心を移した1974年ご
ろは、主だった研究者がGaNから撤退しつつあったが出来ることがわかったので、世界中で多くのですが、私は、GaNは、非常に大きな問題の人が研究し始めたのですが、発光素子実現

はあるけれども、いったん克服すればそのポに不可欠の高品質結晶と電気伝導の制御（特テンシャルを引き出し、きっと素晴らしいこにp型結晶）がともに極めて困難であったたとができるのではないかと夢を膨らせました。

め、1970年代後半になると、ほとんどの研

ある程度研究が進み（1981年）、有意な研究者が窒化物の研究から撤退してしまいまし究成果を国際会議で発表したのですが、ほとた。

んど誰も関心を示しませんでした。その時は

図９の縦軸（対数）は世界中で発表された「われ、一人、荒野を行く」心境でしたが、窒化物半導体に関する論文数です。HVPEとこの困難な研究に私を駆り立てたのは、窒化いう方法で（最初の）GaN単結晶が1969年に作られると、研究が活発になり、1971年にはMIS型という構造のGaN青色発光ダイオードが作られ､これらに刺激されて論文数もこのように（縦軸の１区切りは２倍ではなく10倍になっています）急速に増えていることが分かります。
ところが、今お話ししましたように①結晶性が半導体としては極めて劣悪である。また、②p型結晶が出来ないのでMIS構造にせざるを得ない。MIS構造では、キャリヤ注入効率が低い（発光効率が悪い）。また、動作電圧が高く、しかも、その制御が困難である上に素子作製も厄介である、等々の問題があります。このようなことから､1974年をピークに論文数も減りはじめ、細々と物性に関する研究はありましたが、論文数は1981年についには11件に落ち込んでしまいました（図９）。

図９ #族窒化物半導体関連論文数（INSPEC）と重要技術の最初の開発年度（1998年MRSに発表したものに一部追加、修正）7

物半導体のもつポテンシャ
ルであり、青色発光の魅力でした。もう一つは、不可能（？）と言われるが故に、逆にp型半導体を何とか
実 現 し よ う と 考 え ま し た。
Egの大きい（ワイドギャップ）半導体のp型伝導はできないという理論まで出されていましたが、私は①と②はきっと相互に密接に関係しており、まず、結晶品

図10 有機金属化合物気相成長（MOVPE）法による窒化物結晶の生成反応

質を良くすれば伝導性の制御の可能性はひらけるのではないか、つまり他の物性値が違いすぎる。格子定数差のより

この二つの課題は同時に解決しなければなら小さい他の基板も、いろいろ検討しました。

ないのではないかと考えました。

ところでMOVPE法というのは図10のように、そこで、最初の目標として､Siのように鏡

たとえばGaN成長の場合、トリメチルガリウ

面の表面をもつ結晶を作る。つまり、図６のム（TMG）とアンモニア（NH 3）を高温でようなクラックやピットがない鏡面の結晶を分解させ、生成するGaとNを基板上で反応･何とかして実現しよう。また、GaNの場合、成長させる方法です。

通常は強いn型伝導性であるが、その原因に格子整合の点では、サファイアより条件のなっている残留不純物（や欠陥）をうんと減

良い材料がいくつかありますが、MOVPE法らしてきれいな状態にして（イレブン９とまの成長条件、つまり、1000℃位の高温で､しではいかなくても、それに近い状態にしておかもNH3雰囲気中という苛酷な条件に対するいて）、そこに必要な（p型伝導を与える）

耐性という点から、やはりサファイアの方が不純物をドープすれば、p型伝導を実現でき良いと考え、（将来）より適当な基板が見つるのではないかと考えたわけです。これで基かるまで当面はサファイア基板にしようと決

本方針は決まりました。次は具体的な方法でめました。

すが、まずはじめに結晶の成長方法を検討しところで、サファイアとGaNの格子定数はました。成長法としては、大別して先ほど出16％も異なっています。通常のヘテロエピタ

ましたHVPE法、有機金属化合物気相成長

キシーにおける格子定数差はたかだか１％（MOVPE）法、それから分子線エピタキシ

以内、それでも問題なのですが、GaN/サー（MBE）法等があります。

ファイアの場合はこの差があまりにも大きす

MBE法は超高真空中で非常にきれいな結ぎる。

晶が作れるすぐれた方法ですが、残念ながら

しかし、今お話ししましたように

GaNに関しては、Nの蒸気圧が非常に高いた「MOVPE法、サファイア基板」という選択

めに、N空孔が出来やすいので具合が悪い。

肢しか残されていません。本来、Aの上にA

N空孔は、欠陥の一種で残留電子を与えるのを積む理想的なホモエピタキシーでは、界面で、これではp型伝導を得にくいと考え、大エネルギーは０で、きれいにエピタキシャル

気圧か減圧下で行うMOVPE法にしようと決成長するので、GaN/サファイアの場合もそめました。次は基板ですが、サファイアは結晶

れに近い状況を作ればよいのではないかと考の対称性はGaNと似ていますが、格子定数やえ、サファイアとGaNの間の大きい界面エネ

8ファ層）と名付けました。バッファ層材料としては、できるだけ基板や成長層（この場合サファイアとGaN）に物性の似通った材料が望ましいと考え、図11（下）のような材料をメモしました。また、バッファ層は厚すぎると、基板の結晶情報を上の成長層に伝え難
くなり、また

柔らかさも制限されるのではないかと考え、バッファ層はごく薄く堆積することにしました。
図12は、実際に用いたMOVPE装置の模式図です。系全体は予め排気してあります。例
えばGaNを成長させる場合、液体のGa原料であるTMGを水素（H2）ガスでバブルさせて、右側の基板をおいてある反応管に送り込
図11 低温堆積バッファ層のコンセプトとその候補材料みます。同様にNH 3 もH 2 とともに流します。
基板は予め1000℃くらいに加熱されていて、ルギーを低減させるために、何か柔らかい（構造）材料の薄い層を

バッファ層

とし

図10の反応によりサファイア基板上にGaNを成長させます。これが永年のやり方でしたが、て導入することを思いつきました。柔らかい

私たちは、GaN成長の直前に低温堆積AlNバ

材料は、基板と成長層のッファ層を導入しました。

ぬれ

を良くする

（界面エネルギーを減らす）効果があるだろここまでに時間をかけ過ぎましたので少しうと考えました。しかし、今の場合固体です

急ぎますが、図13のSEM（走査型電子顕微から鏡）写真で明らかなように、バッファ層の導柔らかくするために結晶成長温度よりうんと低い温度で堆積することにしました。

入により､クラックやピットのない表面平坦

これを（鏡面）なGaNが成長しています。

低温堆積バッファ層 （以下、バッ

図12 有機金属化合物気相エピタキシャル成長装置 模式図9

300nmより厚い層、つまり、成長層の上部（厚さμmオーダーの層）には、ほとん
ど欠陥は見えません。写真には見えないから欠陥がないという訳ではありません
が、バッファ層を用いないで直接成長させた従来の試料（図18）は、結晶全体が欠陥だらけであるのに比べると、その差は歴然としています。この実験に成功したのは1985年です。
図19はその翌年撮ったのですが、サフ
図13 低温堆積バッファ層を介してサファイア基板上に成長させたGaN単結晶（a）とバッファ層を介さず直接成長させたGaN（b）の走査型電子顕微鏡（SEM）写真ァイア基板上にバッファ層を介してGaN（a）はクラック、ピットの全くない平坦な鏡面、（b）は表面凹凸が激しく、また多数のクラックがある。

に敷いた方眼紙に書いた文字がくっきり単結晶を成長させた試料の写真です。下

図14はX線回折のデータです。X線回折曲
線の半値幅が狭くなり、結晶軸の揺らぎがうんと少なくなっていることを示しています。
図15は、光学的特性が格段に向上したことを示しています。
また、図16から電気的性質が著しく向上
し、残留不純物（電子）密度も1017cm−3位に減少していることがわかります。実は、これは第１回目の実験結果ですが、このあとすぐ、
残留電子密度は1015cm−3のオーダーにまで激減し、同時に電子移動度（同じ電界下での動きやすさ）も200倍位大きくなりました。
図17は、試料断面のTEM（透過電子顕微鏡）写真です。約50nm厚のAlNバッファ層が見えます。バッファ層に近い成長初期層には沢山の欠陥が集まっていますが、およそ図15 GaNの光学（フォトルミネッセンス）特性
実線（a）
はGaNのEg付近の発光で、高品質結晶であること、
一方、点線（b）
は不純物や欠陥の多いことを示している。

と見えます。バッファ層技術開発以前の図６と比べていただくと、クラックやピットが全くなく鏡面の結晶である
ことがよくわかります。
図20は、そのようなGaNで青色発光ダイオードを作り、その中の一つに電流を流して発光させたときの写真です。中央の１つの発光
図14 Ｘ線回折曲線
バッファ層の導入（a）
により、バッファ層を介さない方法（b）に比べて回折線幅が著しく狭くなり、結晶性が向上したことを示している。

10ダイオードからの青色発光が試料の 端 で 反 射 し て お り 、 GaN層 は 全図18 バッファ層を用いず、サファイア基板上に直接成長させたGaNの断面TEM写真
結晶の上部層まで欠陥が見られる。

図16 GaNの電子密度 ｎ および電子移動度 μ の
温度依存性
バッファ層の導入により電子密度（不純物）が２桁以上減少し、一方電子移動度は１桁以上向上していることを示している。

図19 サファイア基板上にバッファ層を介して成長させたGaN
無色透明でクラックやピットも皆無で、下の方眼紙の文字がくっきり見える。

図17 サファイア（α-AI２O3）上に約50nｍ厚のAINバッファ層を介して成長させたGaN結晶の断面TEM写真
乱れた層（a）には欠陥が集合しているが、（b）でブロック状となり、上層部（c）では欠陥が激減している。

11

なくともサファイアを基板とするMOVPE成長において不可欠の技術として、世界中で用いられています。
さて、この結果、結晶性が著しく向上し、残留電子密度も激減（図16）しましたので、いよいよp型結晶実現の可能性が出てきました。p型結晶を作るには、（高純度結晶に）先ほどお話ししたアクセプター不純物をドープします。Ⅲ価のGaをⅡ価の亜鉛（Zn）ま図20 サファイア基板上にバッファ層を介して成長させたGaN結晶で作った青色発光
ダイオード
発光させているダイオードは１個（写真では白く見える）

たはマグネシウム（Mg）で置換すればよい
わけで、私たちは、はじめは使い慣れたZn
ドープの実験を行いました。しかし、繰り返し実験してもどうしてもp型にならない。あく透明で、クラックやピットがないことがよる時、Mgの方がZnより僅かながら活性化しくわかります。

やすいことに気づいたのです。

これらの実験結果、すなわち、結晶層表面

ところで結晶成長法がMOPVE法ですから、の状態、X線回折線幅、光学的特性、電気的不純物原料も有機金属化合物の方が良いわけ

特性および電子顕微鏡観察などの結果は、低ですが、そのころ、有機Mg化合物は日本で温堆積バッファ層の導入により、結晶性のみは入手できませんでした。何ヶ月か後にアメならず光学的および電気的性質が同時にしかリカから輸入したその有機Mg原料を使い、も格段に向上したことを如実に示しています

Mgを制御性をよくドープすることに成功し（図21）。その成長過程を様々な方法で調べました。そのままでは高抵抗でp型伝導性をた結果、当初予想したように低温バッファ層

示しませんでしたが、低速度の電子線を照射は界面エネルギーを低減させる効果があるこすることによって、世界で初めて、低抵抗のとがわかりました。また成長機構を原子スケ

p型伝導を実現しました。ただちに世界初のールで研究しておりますが、時間の関係で省

p-n接合紫外／青色発光ダイオードを作り、略させていただきます。
この低温バッファ層技術の開発を1986年

みごとな電流―電圧特性を添えて発表しました。1989年のことです。

に発表しましたが、その５年ほど後に日本の一方、新たな問題に気付きました。それは企業が、AlNの代りにGaNの低温バッファ層

バッファ層の導入前は結晶はすべてn型で、で同様の結果を出されました。現在、このしかも高い伝導度でしたが、バッファ層導入

AlNまたはGaNの低温バッファ層の技術は少により残留電子密度は激減し、その結果、伝導度が著しく低下したことです。
実際に、種々の高性能素子を作るにはp型結晶はもちろん必須ですが、n型結晶の伝導度を低伝導度から高伝導度まで広い範囲に亙って制御する必要があります。実は、n型伝導度の制御に関しては、１つだけ論文が米国の大学から1986年に発表されていましたが、その伝導度

図21 低温堆積バッファ層の効果

12は全く制御されていません。当時、

と、世界中で研究開発が活発化し、各種高性能素子が次々開発され、同時に論文数が指数関数的に増加していることがよくわかります。
実はこの論文数のカーブは、青色発光ダイオードその他窒化物発光素子の効率向上のカー
ブに、全く良く一致しているのです。つまり、1970年代後半から80年代前半にかけての閉塞状況は、上記ブレークスルーにより打破されたのです。このことから、新しい技術、新しい素子の台頭は、材料の基礎研究が基になっていることをご理解いただけたかと存じます。
次に簡単に、応用の話をいたします。まず、屋外のディスプレイなどは以前は赤の方に色
図22 窒化物半導体研究における２つのブレークスルーが寄っていましたが、青色発光ダイオードの（１）低温バッファ技術の開拓による結晶の飛躍的高品質化を実現（２）p型伝導の発見と、n型伝導度の制御技術の確立

お陰で完全にフルカラーになりました。現在

私たち以外、世界のどの機関もバッファ層技

かに多種類の色を表示できます。情報量は映術を用いていないので、残留不純物（電子）像になりますと、色の種類をいかにたくさん

密度は1020cm−3もあり、これでは全く制御で表示できるかによって決まるわけで、これはのカラーテレビより、発光ダイオードの発光
色がより三原色に近いので、テレビよりはるきなかったのだと思います。
私たちは、バッファ層技術によって残留ドナーを減らし、同時にシラン（SiH4）をドープすることによって、電子密度を1015cm−3〜
５×1019cm−3に亘って制御できることを見出しました。このn型伝導度の制御は、p型伝導の実現とともに、実際の素子作製には極めて重要なことです。
このようにして、（１）高品質結晶の実現
および（２）pおよびn型の伝導性制御という２つのブレークスルーにより（図22）、Ⅲ族窒化物が初めて半導体としてのポテンシャ
ルを発現できるようになりました。まさに窒化物半導体研究は新時代に入ったといえるでしょう。
このことは図23を見ていただくとよくわかります。この図は前出の図９に、1986年以降の主なイベントを加えてあります。すべてのイベントは、機関を問わず最初に達成された年に記載してあります。1986年から1989年にかけての（１）、（２）のブレークスルーのあ

図23 #族窒化物半導体関連論文数（INSPEC）と重要技術の最初の開発年度（1998年MRSに発表したものに一部追加、修正）
図22の２つのブレークスルーの直後から、各種高性能素子が次々に実現されている。また、論文数は指数関
数的に向上していることがわかる。図には示されていないが、青色発光素子の効率向上のカーブは論文数のそれにほぼ同じ。

13

非常に大きな力になります。

層に多量の少数キャリアを注入し、反転分布

それから最近、交差点で鮮やかな信号灯をを起こさせます。これによって光の誘導放出ご覧になることがあるかと思います。発光ダが起こりますが、活性層の両端面に反射鏡をイオードを使った信号灯は、従来の白熱電球形成（実際は、へき開等で結晶面を原子的にを使った信号灯に比べて、電力の消費量が５平坦に）し、光を媒質中（活性層）を何回も分の１くらいで済みます。また、電球方式は往復させる（光共振器）ことにより、光の増中心部が明るいのですが、発光ダイオードの幅、レーザ発振を起こさせるのです。

場合、全体一様に光ります。しかも西日が当

このようにして発振するレーザ光のスペク

たっても見にくくなることはありません。さトルは極めてシャープ（単色光）で、空間的らに、電球に比べて発光ダイオードは寿命が広がりも狭く鋭いビーム状（指向性大）であ

はるかに長いうえに、電球のように突然切れり、さらに電波のように位相もそろっていてる心配がありません。

干渉性が高いのです。したがって、発光ダイ

次に、意外なところに使われようとしていオードではできない新しい応用が可能です。

ます。東海大学の高辻先生によりますと（応身近なところでは、コンパクトディスク

用物理,Vol68,（1999）909）、最近、野菜や植（CD）やバーコードリーダーに使われていま物を育成するのに電球が使われていますが、す。CDを例にとりますと、円盤の中に音楽

発光ダイオードは電球に比べても効率が良い

なら音楽の信号に合わせた形のピットが刻ま上に、（緑の野菜育成には緑色光は要らない

れています。いろいろな方式がありますが、

ので）赤、青の２種類の発光ダイオードで済いずれにしてもレーザ光を当てて、ピットのむそうです。また電球は発熱が大きく建物が底とピットのないところからの反射光の光路大きくなりますが、発光ダイオードを使えば差を読み取ります。

至近距離でいいわけで、将来は宇宙や船上なところで、情報の記録容量はピットの大き

ど、水と、赤、青の発光ダイオードさえあれさではなく、レーザ光のビーム径で決まりまばどこでも野菜が作れることになります。

す。どんなにピットを小さくしても、ビーム

次に、赤、緑、青は、三原色ですから、こ径が大きいと隣のピットからの信号が重なり、れらを組み合わせると白色光を出せます。現

区別がつかないからです。このため記録密度

在発光ダイオードを組合せた白色光の効率はを増すには、レーザビームのスポット径を小約30ルーメン／ワットです。この効率は白熱

さくしなければなりません。レーザ光の波長電球のそれをすでに上回っています。まだ蛍が半分になると、ビーム径は半分、面積は４

光灯には及びませんが、ごく近い将来蛍光灯分の１になり記録容量は４倍になります。

を凌賀するようになるでしょう。これが実現すれば大きな省エネになります。

今この記録容量を増やすことが大きな課題になっています。先ほども井垣専務理事さん

次にちょっと時間をお借りして、発光ダイからご紹介がありましたように、これからのオードとレーザダイオードの違いをお話しし高度情報化の時代には欠かせないものになったいと思います。発光ダイオードは0.3〜0.4ています。現在ディスク一枚当たりの容量はミリ角くらい、厚さはその100分の１くらい

4.7GB（ギガバイト）ですが、2005年あたりのGaNのかけらに、わずか４V足らずの電圧にはHD-DVDと言って20GBくらいのものがをかけて発光させますが、その青色発光とい必要になるそうです。これに対応するには青っても、そのスペクトルはかなり広い範囲に色半導体レーザが不可欠です。

わたっています。レーザダイオードに流す電

次に、紫外線検出器の応用についてお話し

流の密度（活性層の単位面積あたり）は発光ます。一つは、将来HD-DVDの光源としてダイオードの100倍以上です。こうして活性短波長レーザを使うと検出器の方も従来のSi14検出器では感度が足りないので、GaNや
AlGaNを使った短波長検出器が必要になります。

割愛させていただきます。）
私たちは低温バッファー層を、高温成長の
GaNの中にもう１段挿入するという方法を新

もう一つは、省エネの一環ですが、今の工たに提案しました。この方法の特徴は、ウェ

業炉の燃焼効率は100％ではなく、不完全燃

ハー全面にわたって転位を減らすことができ焼しているそうです。その燃焼状態を検出しることと、マスク材からの汚染が無い点です。

て制御系にフィードバックすれば、燃焼効率

この方法によって先にお話した紫外線検出器を高めることができます。窒化物の紫外線検の性能を向上させることに成功しました。も出器は非常に優れていて、火炎スペクトル中

う一つは、（今日はお話する時間がありませの紫外光を検出できます。蛍光灯から出る紫んが、）マス･トランスポートという現象を利

外線に邪魔されない波長は280nm以下のごく用する方法です。

狭い範囲ですが、GaNもAlGaNも直接遷移型

このように、GaNの結晶欠陥を減らし完全半導体であり、そのため波長選択性が優れて結晶に限りなく近づけようという研究が今、います。私たちは大阪ガスと共同でこのよう世界中で展開されています。どの方法をとる

な紫外線検出器を開発しましたが、まさに窒にしても、窒化物半導体の場合は、私たちが化物半導体の特徴を生かした新しい検出器で1986年に開発した低温バッファー層技術はす。これを多数個使うことにより炎の多くの必須で、この方法で高品質化したGaNを（サ点の燃焼状態を詳しく調べることができるよ

ファイアの代わりの）基板として、上に述べうになるでしょう。

た新技術を適用することになります。

最後に申し上げたいことは、先ほどバッフ

最後になりましたが、さらなる飛躍に向け

ァ層技術によってGaNの結晶性が格段に向上て、私は今、窒化物半導体の完全結晶の実現したという話をしましたが、それでもなお、を目指して研究を進めています。素子の寸法

１平方センチ当たり10の９乗から10の10乗を量子力学的波長程度に小さくしたものを量個くらいの欠陥があります。この欠陥密度は子構造といいますが、それによって非常に優発光ダイオードではあまり問題にはなりませ

れた特性を発揮させることができます。私たんが、レーザダイオードや紫外線検出器、あちの目標は窒化物半導体の完全結晶による量

るいは今日お話する時間がありませんでした

子構造の実現です。そのためには、結晶成長

が、次世代のトランジスタでは、このようなのさらに基礎的な研究が必要です。

高密度の結晶の乱れ（転位といいます）は大

最後は端折りまして雑駁になりました。私

きな問題になります。欠陥を如何に減らすかが自分ひとりでやったように申し上げたかもということが緊急の課題で、その解決策とししれませんが、当時の松下電器東京研究所でて、大別して二つの方向があります。

この研究をスタートさせました。その後、名一つは、先ほど一部ご紹介しましたが、西古屋大学と名城大学でここに記した沢山の永先生が1988年に発表された方法で、基板方々のご協力を得て、また国や種々の財団のに非晶質膜を堆積（マスク）させ、それによサポートをうけてこの研究を行ってきました。

って転位を止める方法です。マスクの一部に材料研究が大事であると申し上げましたが、幅の狭い窓を開け、その窓を通して成長させ、同時に表題に書いたように、材料研究という次にマスク上に横方向に成長させますのはこんなに面白いということを、一人でも（MCE）。MCEは転位の大幅低減に有効であ

多くの若い方に感じていただければ幸いです。

ることがすでに実証されていますが、今後さご清聴ありがとうございました。

らに発展するだろうと思います。（たぶん西永先生がお話になると思いますので、詳細は15