公益財団法人 日本板硝子材料工学助成会
第41回研究成果発表会
2024年1月25日@住友会館

GaN系半導体への希土類元素添加に基づく表面・歪の意図的制御と光デバイスへの展開
1大阪大学

大学院工学研究科
2大阪大学 超高圧電子顕微鏡センター〇市川 修平1,2Osaka University

GaN系半導体の背景
InxGa1-xN 光デバイス

0.6～3.4 eV ⇒ 可視光全域をカバー
Lattice mismatchBandgap
w.r.t. GaN energy:[%]+50-5-10AlN

200

Bandgap energy [eV]

6543

AlGaN

300

AlInN

GaN

21InGaN

InN

400
500
600
700
800
800

Wavelength [nm]700.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36

Lattice parameter, a [nm][1] M. A. der Maur et al., Phys. Rev. Lett. 116, 027401 (2016).

長波長域や微細デバイスでの量子効率改善が課題(In-rich InGaN, surface recombination in a μ-LED chip)1

Osaka University

Micro LEDへの期待
Micro LEDディスプレイ

AR/MR/VRデバイス

超小型プロジェクタ

https://www.ledinside.com/news/
https://www.gizmodo.jp/2012/07/iglass.html

三原色LEDのモノリシック集積
InGaN

InGaN

AlGaInP“Pick-and-place” technique がピクセル密度を制限(Mass-transfer)⇒微細なLED素子の各色切り出しと正確な配置が必要

同一基板上3原色LEDを作製することが実現に向けたキーテクノロジー
2

Osaka University

窒化物半導体の応用先と転位密度
各基板上GaN中の貫通転位密度と応用先
基板種

GaN中の転位密度(cm-2)

基板の光透過性

熱伝導率(W/cm K)

単位面積あたりの価格

主な応用先GaN

105−106〇

2.050,000 円/cm2

光・パワーデバイス

サファイア

109

〇0.4600 円/cm2

光デバイス

SiC

107−108△4.925,000 円/cm2Si10 −10

パワーデバイス
910×1.5

230 円/cm

GaN研究コンソーシアムHPより[1][2] S. Y. Karpov et. al., Appl. Phys. Lett. 81, 4727 (2002).

3[1] http://gan-conso.jp/index.html

Osaka University

基板のオフ角とステップバンチング
Step-and terrace structure

c2tan

z (||c)GaN

z’Terrace width (nm)Surface

150100マクロステップ
50y’xx’

000.5
1.0
1.5
Off-angle,  (degree)

2.0on-axis(0.15º off)vicinal (1º off)
99.0 nm⇒14.9 nm
オフ角が存在すると劇的にテラス幅は減少⇒ステップバンチング
4Osaka University

バンチングにより生成したマクロステップによる転位の低減[2][2] X. Q. Shen et al., Appl. Phys. Lett. 86, 021912 (2005).

0.5°off

2.0°off

5

マクロステップの進行による横方向成長によって転位減少

Osaka University

微傾斜基板上成長の課題
GaN pinダイオード[4]InGaN/GaN QW[3]マクロステップ

マクロステップ端で組成変調⇒発光特性等に影響

マクロステップ箇所への電流集中[3] T. Lermer et al., Phys. Stat. Solidi A 208, 1199 (2011).

6[4] H. Fujikura et al., Appl. Phys. Express 11, 045502 (2018).

Osaka University

Eu添加GaNのこれまで✓ Eu3+イオンの4f 殻内遷移Eu-doped GaN (GaN:Eu)
を発光層とした赤色LED➢ 極めて狭帯域な発光➢ 電流注入量によるスペクトルシフトなし※Eu3+がGaサイトを置換

1.25 mW①電子トラップ.
②エネルギー輸送③Eu赤色発光GaN:Eu LED

EL INTENSITY (arb.units)p-GaN/GaN:Eu/n-GaN LED

RT

FWHM
0.7 nm
＜0.001 nm/℃
9 V, 60 mA
6 V, 14 mA

B. Mitchell, Y. Fujiwara et al., J. Appl. Phys. 123, 160901 (2018).

5 V, 3.9 mA
3 V, 39 A-9 V, 130 A

540

560

580

Our Approach

x2600

620

640

660680WAVELENGTH (nm)

Eu添加が成長表面に与える影響に着目

A. Nishikawa, Y. Fujiwara et al., Appl. Phys. Express 2, 071004 (2009).

7Osaka University

試料作製条件および評価方法
成長法 : 有機金属気相成長(MOVPE)法
成長基板: c面サファイア基板(on-axis, 1º-off toward [11-20]GaN)
Ga原料: TMG
N原料 : NH3
Eu原料: EuCppm2

評価手法
AFM, XRD, 光学顕微鏡,その場観察反射率モニター8※構造に関わらず最表面ud-GaNを評価
Osaka University

光学顕微鏡による巨視的表面観察
Optical microscope image
1º off toward [11-20]

on-axis[1100][1100]
100 μm[1120][1120]

100 μmオフを有するud-GaN表面に巨大なマクロステップが生成(表面原子ステップの間隔 << Gaのマイグレーション長)9

Osaka University

Eu中間層導入後の表面観察
1º off基板上の最表面ud-GaN

GaN:Eu中間層あり

ud-GaNのみ[1100][1100][1120]

100 μm[1120]

100 μm

GaN:Eu中間層の導入によってマクロステップが除去
10Osaka University

GaN:Eu中間層導入時の反射率モニター
1200

10000.4800

6000.2vicinal w/o Eu
400vicinal
050
100Time (min)0.6
10000.4

800

6000.2Temperature (ºC)

on-axis1200

Reflection at 633 nm (arb. unit)

0.60

最表面ud-GaN層

Temperature (ºC)

Reflection at 633 nm (arb. units)

LT-GaN ～ GaN:Eu中間層

40000206040Time (min)

80

100

Eu添加で反射率が回復⇒マクロステップ除去効果示唆(成長温度による効果ではない)
11Osaka University

キャップ層厚を変化させたときのマクロステップ構造変化
ud-GaN
GaN:Eu0～1000 nm
40 nmud-GaN

2 μm

LT-GaN

30 nm

sapphirecap 40nm

cap 200nm

cap 450nm

cap 1000nm

GaN:Eu層上部でマクロステップが徐々に平滑化
12Osaka University

蛍光顕微鏡によるGaN:Eu中間層の観察
λ~ 400 nm

CCD camera
Emission
filter

ud-GaN

Dichroicmirror

Hg lamp

GaN:EuGaN:Euemission

Excitation
filterObjectivelens

ud-GaN

Vicinal sapphire
Sample蛍光顕微鏡によるGaN:Eu中間層の選択励起
13

Osaka Universityud-GaN cap 40 nm

100 μmud-GaN cap 450 nm

ud-GaN cap 1000 nm

蛍光顕微鏡像

1ºオフサファイア上

光学顕微鏡像蛍光顕微鏡観察による界面推定

蛍光顕微鏡像はGaN:Eu中間層の界面ステップ構造を反映
14Osaka University

Normalized intensity (arb. units)

微傾斜基板上での転位密度低減(10-12)1.0

ud-GaN (on-axis)
ud-GaN
ud-GaN (vicinal)
ud-GaN (1deg off)
5 μm off)
on GaN:Eu (vicinal) GaN:Eu (1 deg353 arcsec
267 arcsec
257 arcsec

ud-GaN

GaN:Eu2 μm

ud-GaN

0.5Sapphire

XRDから見積もられる転位密度

1.3×109 cm-2 (on-axis)
0-0.2-0.1

00.1
 (degree)

0.2

マクロステップフリーで4.9×108 cm-2(1º off)

2 µmの厚膜ud-GaN成長後にマクロステップを消滅⇒転位の減少効果を得た上で表面平坦化(on-axis比 0.38倍)
15Osaka University不純物添加層上のud-GaN膜中の歪XRD (0002) 2θ−ωスキャン

Normalized intensity

100w/o strain

10-1

ステップ間に働く引力⇒バンチング促進

ud-GaN/GaN:Mg

𝜎 2 ℎ2𝐿s𝐹=ln∝ 𝜖2𝑀
2𝜋𝑎[8] J. Tersoff, Phys. Rev. Lett. 74, 24 (1995).

h : ステップ高さ
M : 弾性定数
Ls : ステップ間距離a : 格子定数

ud-GaN/GaN:Eu

10-2

ud-GaN層の面内歪10-3

ud-GaN/sapp.
10-434.50

34.55
2 (degree)

34.60

原子半径
Ga < Mg < Euを反映か

Eu添加層上のud-GaN層で圧縮歪が緩和
16e:歪s : 応力on sapp.
exx : -0.172%
on GaN:Mg
exx : -0.169%
on GaN:Euexx : -0.118%
Osaka University

InGaN/GaN量子井戸の下地層へのGaN:Eu層適用
光学顕微鏡像

w/o GaN:Eu

with GaN:Eu

InGaN量子井戸上部でもEu添加により微傾斜基板上の巨視的なマクロステップが解消
17Osaka University

PLマッピング測定による面内発光波長分布測定
w/o GaN:Eu

発光の分布を抑えるためには表面ラフニングの抑制が重要
18with GaN:Eu

試料

井戸幅In 組成with GaN:Eu

1.6 nm28%

w/o GaN:Eu

1.4 nm25%

GaN:Eu導入による圧縮歪の緩和によりIn取り込み効率が上昇
Osaka University

Eu中間層を有するInGaN LEDの電気的・光学的特性
conventional
on-axis

電流電圧特性ELスペクトル@ 5mA

60

with GaN:Eu
1ºoff

40
200-5w/o GaN:Eu
1ºoff
05Voltage (V)10Normalized EL intensityCurrent (mA)

80

1.0

with GaN:Eu
1ºoff

w/o GaN:Eu
1ºoff

0.5

0400

450500550
Wavelength (nm)600

Eu中間層により✓ IV特性が改善（表面平坦化による不純物取り込みの均一化?）✓ EL発光ピークが長波長化(In取り込みの増大)
19Osaka University

Eu添加GaN LEDを最下層として集積したRGB LED
Vertical-stacked
LED structure

1000

0

各p-GaN層を露出させた後に活性化アニール処理

0100

200
Time (min)p-GaN

InGaN/GaN MQWn-GaN

p-GaN

200n-GaN

400

GaN:Eu,O
p-GaN

600

InGaN/GaN MQW

800

n-GaN

Temperature (°C)

1200

Cross-sectional SEM image
Vacuump-GaN

Reflectance at 633 nm (arb. units)

In-situ reflection monitor

n-GaN
p-GaN

MQW
MQW

n-GaN
p-GaN
GaN:Eu,O

Green
LEDBlue
LEDRed
LEDn-GaN

300

1 μm

ud-GaN✓ Eu添加層の歪緩和を利用した高温InGaN成長が実現✓ 表面平坦性を維持して膜成長が進行✓ QW 構造の成長に耐えうる急峻な界面を実現
20

Osaka University

電流注入下でのフルカラーLEDの発光 @RT
同時駆動条件下各LEDの室温ELスペクトル
Normalized EL intensity

InGaN QWs
1.02 mA@RT

GaN:Eu,O
0.5

0400

500
600
Wavelength (nm)700

同一サファイア基板上で各LEDから明瞭なスペクトルを確認（RGB LED間でのクロストーク無し）
21

Osaka University

同一基板上フルカラーLEDの色域
This work @0.6 mA
Rec.2020
DCI-P3Rec.709

低電流注入化において (@ 0.6 mA)、
極めて高い色純度が実現された
RGBそれぞれ、100%, 97.1%, 99.7%

最大色域Standard

Arearatio

Coverageratio

Rec.709199.4%

100%

DCI-P3147.0%

96.5%

Rec.2020

105.5%

91.2%

同一サファイア基板上縦集積
かつ極めて広い色域を実現
22

Osaka Universityピーク波長の注入電流量依存性

注入電流に対する波長安定性Red ≳ Blue >> Green
バンドフィリング・スクリーニング効果により高電流注入時に緑色InGaN LEDにおいて顕著なブルーシフト⇒ 高電流注入時に色純度も劣化
23

Osaka University

輝度と色域の注入電流依存性
注入電流密度と輝度

輝度とRec.2020に対する色域比

Higher current injections

Comparing with the standard of Rec.2020,

RGB LEDの最大輝度 ~3100 cd/m2(Eu発光の飽和により制限)
24

Area ratio: 88.9%
Coverage ratio: 83.1% @1000 cd/m2
Osaka University半極性面InGaN量子井戸成長への展開
InGaN発光の高効率化にむけた結晶成長面制御

ത(2021)面上GaN

B. Leung et al.,Appl. Phys. Lett. 104, 262105 (2014).

ത(1122)面上GaN

半極性面上への量子井戸成長で内部電界を抑制✓ 輻射再結合寿命の短寿命化✓ 高電流注入時の波長シフト抑制
25Z. Wu et al.,Cryst. Eng. Commun. 21, 244 (2019).

Osaka Universityത
半極性(2021)面上成長時のファセット形成◆ud-GaNの成長膜厚に対する表面形状の変化を観察
試料構造

成長前(昇温直後)

AFM像

50 nm

75 nm

500 nm2000 nm

成長初期に生じたピットに起因し、マクロファセットが形成
26

Osaka Universityത
半極性(2021)面Eu添加GaN成長時の表面改善◆ テンプレート上にGaN:Euを成膜し、成長過程を観察
試料構造AFM像✓ 75 nm程度の成長で、表面ピットが消滅◆ ピット消滅後にud-GaNを成膜成長中の成長後の表面SEM像
In-situ表面反射率✓ ud-GaN成膜時にも、反射率を維持
27

試料全域でマクロファセットを抑制
Osaka University

ത InGaN量子井戸成長におけるEu中間層の適用
半極性(2021)
試料構造

AFM像

XRD 2θ-ωスキャン

PLスペクトルw/ Eu

In組成：11%, 井戸層幅：2.7 nm

半極性面InGaN成長でも表面の平坦化・界面の急峻化
28

w/o EuGaN:Eu層の導入により、発光エネルギー・強度の面内均一性が大幅に向上
Osaka Universityまとめ➢ GaN (0001) 微傾斜表面へのEu不純物添加によりマクロステップを抑制しつつ転位密度の低減を実現➢ マクロステップ端へのEuの優先取り込みが示唆⇒テラス上のGaN核成長が誘発されることでマクロステップが消滅か➢ 適度な歪緩和を促す不純物添加が持続的なマクロステップ解消に有用⇒傾斜表面でバンチングフリー表面でのpn制御可能➢ InGaNなどの混晶層への適用が可能⇒面内で均一な発光を実現⇒歪緩和効果により高温成長でもInの取り込み増加➢ マイクロLEDや非極性面成長、電子デバイス等のさらなる展開に期待
29

Osaka University