アジア若手の研究から

AlGaAs バッファ層を有する GaAs(001) 基板上に成長させた立方晶 GaN の構造相転移の TEM による研究
TEM Study of Structural Phase Transition in Cubic Phase GaN Grown on GaAs (001)with AlGaAs Intermediated Layer
Jamreonta Parinyataramasａ , Sakuntam Sanorpimａ，ｂ , Chanchana Thanachayanontｃ , Kentaro OnabeｄａNanoscience and Technology, Graduate school, Chulalongkorn Universityｂ

Department of Physics, Faculty of Science, Chulalongkorn Universityｃ

National Metal and Materials Technology Center

ｄDepartment of Advanced Materials Science, The University of Tokyo

要旨AlGaAs バッファ層を使った GaAs(001) 基板上の有機金属気相エピタキシャル成長による立方晶 GaN 膜における構造相転移を透過電子顕微鏡法（TEM）で調べた．立方晶 GaN 層のナノスケールでの構造相転移に対する AlGaAs バッファ層の役割に焦点をおいた．
挿入されたバッファ層は高成長温度（900°C 以上）で GaAs 基板が熱分解することを防ぐ保護層として振る舞うことがわかった．このことによって GaN/AlGaAs 界面での孔（voids）が生成することなく GaAs 基板上に GaN 層を成長させることができる．他方，立方晶 GaN/GaAs/AlGaAs/GaAs(001) 基板多層構造では孔の生成が観察されたが，これらの孔は AlGaAs バッファ層界面で留まることがわかった．しかしながらこの AlGaAs バッファ層は GaN 最上層内で立方晶から六方晶への相転移を誘起することが明らかになった．
この立方晶から立方晶／六方晶混晶へのナノ構造相転移の存在と立方晶 GaN 層内でのエピタキシャル方位関係を TEM 観察によって解析した．これらの結果は，フォトルミネッセンス，ラマン散乱測定によって確認された．

キーワード：立方晶 GaN，六方構造，透過電子顕微鏡，構造相転移1. 緒

一般的に h-GaN は（111）配向した GaAs 基板上に成長さ言せるが，c-GaN は（001）配向した GaAs 基板上に成長させ窒化ガリウム（GaN）は室温で 3.4 eV の直接遷移バンド

る 8,9,15,17,18）．GaAs 基板上の GaN の問題点は，GaAs が熱分解ギャップを持ち，発光ダイオード（LED），レーザーダイオーするために高温であまり安定でないことである 17,19,20）．したド（LDs）1 ～ 3）及びガスセンサー材料 3 ～ 7）などの光エレクト

がって GaAs(111) 基板上の h-GaN および GaAs(001) 基板上ロニクスデバイスへの応用が期待されている．通常 GaN はの c-GaN 成長の両方にとって高温での分解から基板を保護二種類の安定構造を持つが，六方晶相（h-GaN）が熱力学的することが重要である．この問題を解決する為にバッファ層安定相として工業化されており，デバイス製造に用いられる．

が用いられる．Wu 等 17） は，GaAs 基板を熱分解から保護す

もう一つの準安定立方晶相（c-GaN）はその高い結晶学的対るために低温成長（575°C）バッファ層と c-GaN エピ層の間称性によってフォノン散乱が減少するために低抵抗，高ドーに GaN 中間層を挿入することで，980°C においても比較的8 ～ 11）．しかし速い成長速度で GaAs(100) 基板上に c-GaN を成長させた．

ながら高品質の c-GaN は，その準安定な性質と高温で安定

最近 AlAs/GaAs(001) 基板上に h-GaN を成長させた報告もあな適当な基板が無いために作製が難しいとされている．実際，

る 14,18）．GaAs と AlAs は殆ど同じ格子定数を持ち，構造も同GaN はサファイア，SiC，Si，GaAs などの多様な基板の上にじ ZnS 型であるにもかかわらず，AlAs を GaN と GaAs(001)プ効率などの優れた電気的性質を持っている成長させる

2,3,8,9,12 ～ 14）．中でも GaAs は他の基板に比べ比較的大きなウェハーサイズ，高い伝導度，および c-GaN とほぼ基板間に挿入すると GaAs(001) 上に（0001）配向の h-GaNが成長することが見いだされている 18）．

同じ熱膨張係数を持つ 14,15）．その上，c-GaN/GaAs 系はレー

本研究では GaAs(001) と低温成長させた GaN（LT-GaN）

ザーダイオードを作製するときに使われる基板ファセットにの 間 に 挿 入 し た AlGaAs 中 間 保 護 層 が 比 較 的 高 い 温 度 で沿って容易に劈開することができ 11），基板上への電極形成もGaAs 基板を熱分解から守ることを示す．この技術によって容易である 16）．

GaAs 基板上に GaN 層を高い成長温度で成長させることが可ｂ

Phayathai Rd., Pathumwan, Bangkok 10330, Thailand
2009 年 11 月 30 日受付

特集

能となる．しかしながら AlGaAs 中間層は立方晶から六方晶への構造相転移を誘起し，GaN 膜の構造的，光学的性質にAlGaAs バッファ層を有する GaAs(001) 基板上に成長させた立方晶 GaN の構造相転移の TEM による研究

13【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

影響を及ぼす．TEM によってこの立方晶から立方晶／六方を観察するために，図 1（b）及び図 2（b）に示すように，晶混晶へのナノスケール構造相転移の存在を示す欠陥を調AlGaAs バッファ層と LT-GaN 層の間にもう一層の GaAs 中べた．

間 層 を 挿 入 し た． こ の GaAs 中 間 層 の み に 孔 が 存 在 し，

2.

960°C までの温度上昇とともに孔の空いた領域が拡がってい実

験ることが明瞭に観察される．

本 研 究 で 使 用 し た GaN 試 料 は， 有 機 金 属 気 相 成 長 法

AlGaAs バッファ層が GaAs 基板の熱分解を保護している（MOCVD）システム（東京大学）を用いて，GaAs(001) 基板かどうかを確認するため GaAs/AlGaAs バッファ層に成長さ

上 に 成 長 さ せ た．Ga，N，Al，As の 供 給 源 と し て TMGa，

せ た GaN 膜 の 断 面 TEM 像 を 図 3 に 示 す． す べ て の 孔 はDMHy，TMAl 及び AsH3 を，またキャリアガスには 160Torr

AlGaAs 表面で留まっており，GaAs(001) 基板を貫くことはの H2 ガスを用いた．GaN エピタキシャル膜は二段階成長法によって成長させた．これは二つの基板温度で GaN 成長を行うものであり，すなわち低温での初期成長（LT-GaN）とそれに続く高温での成長に分けられるが，GaAs(001) 表面上に AlGaAs バッファ層有りとバッファ層無しの二つの条件で行った．およそ 300 nm の厚い Al0.2Ga0.8As バッファ層と LTGaN 層はそれぞれ 700°C，600°C で成長させ，続いて 960°Cで HT-GaN 層を成長させた．GaAs(001) 基板上に成長させた
GaN 膜の構造及び光学的性質への AlGaAs バッファ層の影響を調べるために，走査電子顕微鏡（SEM），透過電子顕微鏡（TEM）観察，ラマン分光及びフォトルミネッセンス（PL）測定を行った．
3.

結果と考察

図 1 に試料の積層の模式図を，図 2 にはこれに対応したSEM 像 を 示 す． そ れ ぞ れ の（a） は GaAs(001) 基 板 上 にAlGaAs 中間層なし，（b）は GaAs/AlGaA 中間層及び（c）はAlGaAs 中間層を挿入して GaN 層を成長させた断面である．
GaAs(001) 基 板 に AlGaAs バ ッ フ ァ 層 を 介 し て 成 長 さ せ た
GaN 膜の方が高い品質であることがわかる．図 1（a）及び
図 2（a）に示したように，GaAs 上に直接 GaN を成長させると界面は概してスムーズであるが，高い成長温度（900°C）
での GaAs(001) 基板の分解の結果形成される小さな孔が並んでいるのがわかる．GaAs を高い温度に曝すと As が抜けて，孔（void）の形成を促進し表面が粗くなることが知られている．これとは対照的に，AlGaAs バッファ層をつけてより高

図 2 GaAs(001) 基 板 上 に（a） バ ッ フ ァ 層 無 し，（b）GaAs/AlGaAs バッファ層，（c）AlGaAs バッファ層に成長させた GaN
層の上表面および劈開面の断面 SEM 像．

い温度（960°C）で成長させた GaN では，GaN 層と AlGaAs/GaAs(001) 基板の間の界面は非常にスムーズで，図 2（c）に示すように全く孔が観察されない．この高温成長の振る舞い

図 1 試料構造の模式図．（a）AlGaAs バッファ層なし，（b）
AlGaAs バッファ層上に GaAs 層有り，及び（c）AlGaAs バッファ層上に GaN を成長させたもの．
14

図 3 図 2（b）に示した GaAs/AlGaAs バッファ層で成長させた GaN 膜の断面 TEM 像．像は GaAs の［110］方向から撮影した．

顕微鏡 Vol. 45, No. 1（2010）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

ないことがわかる．この結果はより高い成長温度（960°C）

AlGaAs バッファ層有りの GaN 膜では PL スペクトルは I2 バ

では AlGaAs バッファ層が GaAs(001) 基板の熱分解を阻止すン ド と し て 知 ら れ て い る 3.470 eV の h-GaN の 強 い ピ ーるのに効果的な役割を果たしていることを示している．

ク 10,14）と 3.416 eV のバンド 10）を示す．低エネルギー側には

図 4（a）に AlGaAs バッファ層無しで 900°C，および（b）

3.28 eV の DAP 遷移の寄与が見られる．この結果は AlGaAsにバッファ層付きで 960°C で成長させた GaN 膜について，バッファ層を使うことで結晶方位に影響を与え，h-GaN が主5.5 K で測定した PL スペクトルを示す．バッファ層無しでな結晶成分となり，c-GaN 量が減少することを示している．

作製した GaN の PL スペクトルはピーク位置 3.267 eV で半図 5 にバッファ層有りおよび無しの場合に対してそれぞ値幅 15 meV の c-GaN の励起子遷移を示し，ドナー―アクセれ室温で測定したラマンスペクトルを示す．バッファ層無し

プター対（DAP）の遷移に比べ非常に強い強度を持つ．さらの GaN 膜では立方晶 GaN の横光学フォノン（c-TO）と縦光に h-GaN に対応する 3.30 eV 以上の位置には全く発光信号が学フォノン（c-LO）が 555.3 cm−1 と 737.2 cm−1 に現れ，六方無 く， 試 料 が 比 較 的 高 い 純 度 で あ る こ と を 示 し て い る．

晶 GaN の E2 モードのピークが 567.0 cm−1 に現れる．六方晶

図 4 （a）AlGaAs バッファ層なし及び（b）バッファ層有りで成長させた GaN の低温（5.5 K）PL スペクトル．

図 5 （a）AlGaAs バッファ層なし及び（b）バッファ層有りで成長させた GaN の室温ラマンスペクトル．

図 6 （a）AlGaAs バッファ層上に高温（960°C）で成長させた GaN 膜の［110］晶帯入射断面 TEM 像．（b）対応する GaN 層の電子回折像．（c），（d），（e）はそれぞれ立方晶及び六方晶関連の回折斑点の模式図を示す．

特集

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15【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 8 ［110］晶帯入射の HRTEM 像．
｛111｝面上の面欠陥を示す．

図 7 AlGaAs バッファ層上に成長させた GaN 膜中のピラミッド型構造を含む領域の［110］晶帯入射断面 TEM 像．

相は GaAs(001) 基板に成長した GaN に集中し，これらの六方晶相は PL 測定では弱すぎて検知できない．バッファ層有−14.

まとめ−1AlGaAs バッファ層を使った GaAs(001) 基板上の GaN 膜エ（c-LO）に現れ，六方晶ピークが 535.4 cm に，E2 ピークがピタキシャル成長を調べた．GaN 層とその下の層との間の567.0 cm−1 に出る．バッファ層を挿入すると優先的に成長し界 面 は AlGaAs バ ッ フ ァ 層 に よ っ て 著 し く 改 善 さ れ る．

た h-GaN がラマン散乱測定で観測される．

AlGaAs バッファ層上に成長した GaN 層は高い温度での成長

り の GaN 膜 で は 立 方 晶 が 556.5 cm （c-TO） と 737.2 cm−1

図 6（a）に GaAs(001) 基板上 AlGaAs バッファ層に成長さにもかかわらず孔の無い良好な界面を示す．しかし AlGaAs

せた GaN エピタキシャル層の断面 TEM 像を示す．界面部

バッファ層を使うと，電子回折，PL，ラマン散乱測定からに（111）ファセットを持つ特徴的なピラミッド型の構造が明らかなように，立方晶から立方／六方晶混晶への相転移がGaN 層側へ突き出しているのがわかる．
〈110〉方向の電子起こる．これらの結果と TEM 解析によって c-GaN の中に六回折によると図 6（b）に示すように立方晶と六方晶の両方の方晶の存在が示唆された．c-GaN から h-GaN への構造相転回折図形が見られる．電子回折図形をみると成長層では六方移は，例えば c-GaN の（111）表面に沿った積層欠陥や双晶晶相が支配的であることから c-GaN 層中に h-GaN 単結晶がなどの面欠陥から生じることが提案された．

混入していることがわかる．このことは立方晶から立方晶／六 方 晶 混 晶 へ と 相 転 移 し た こ と を 示 し て い る． さ ら に
図 6（c），（d），（e） に は c-GaN と 六 方 晶 と の 方 位 関 係 がc-{111}//h-(0002) かつ c〈110〉//h〈1120〉であることを示している．
図 7 には直線的なコントラストを示す GaN 層と AlGaAsバッファ層との間の粗い界面領域から得た高倍率の TEM 像を示す．これらの筋は｛111｝面に平行で，GaN 層全体を貫いており，面欠陥，例えば積層欠陥または双晶と考えられる．
GaN 層内の多くの面欠陥が GaN 層と AlGaAs バッファ層との界面から生じていることが観察される．
図 8 には GaN 層の断面から撮影した高分解能 TEM 像を示す．この像は立方晶―六方晶相転移が立方晶の｛111｝面に平行な六方晶｛0001｝面に沿っていることを示している．
これは立方晶結晶に六方晶相が混在していることを示すものであるが，c-GaN{111} 面上の欠陥は界面から発生する積層欠陥や双晶のような面欠陥である．これらの面欠陥は六方晶の核となっていることを示唆している．なぜなら｛111｝ファセットまたは高密度の積層欠陥の上に GaN を成長させると六方晶が形成される可能性があるからである．立方晶結晶の（111）表面は六方晶結晶の（0001）表面と等価であるので，h-GaN は c-GaN の（111）表面に成長することができる．
16

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