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GaNとほぼ格子整合する新しいITO膜の形成技術

2017/8/3

京都工芸繊維大学 電気電子工学系

助教 西中浩之

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発明の概要

ビックスバイト構造(bcc-ITO)安定相

菱面体晶構造(rh-ITO)準安定相

現在利用されているITOは全て、ビックスバイト構造もしくは非晶質。菱面体晶構造(rh-ITO)は合成に高圧が必要なため、作製例がほとんどなかった。新技術では、このrh-ITO膜の形成に成功した。

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新技術の特徴

rh-ITOは、GaNと格子定数がほぼ一致（ミスマッチ：0.7%）

GaN自身を除いて、最も格子不整合が小さい

材料 a軸長 不整合度

GaN 0.319 0 %

sapphire 0.475 16.2 %

rh-ITO 0.549 0.7 %

AlN 0.311 2.5 %

SCAM 0.325 1.8 %

ZnO 0.325 1.9 %

SiC 0.308 3.6 %

Si(111) 0.384 17.0 %

rh-ITOをバッファ層に利用できれば、、、

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従来技術とその問題点1

MQW

n-GaN

Sapphire

p-GaN

抵抗が十分低くないGaNを導電層としているため、電流集中によるロスが発生

p-電極

n-電極

サファイアとGaNの屈折率による全反射によるロス

格子不整合

現状の多くの課題に対して、基板を変更する検討が進んでいる

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従来技術とその問題点2

MQW

GaN 基板

p-GaN

n-電極

p-電極

電流集中のロスがない

GaNとサファイアとの全反射ロスがない

格子整合

理想形であるGaN基板はコストが高い

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新技術の特徴・従来技術との比較

MQW

n-GaN

Sapphire

p-GaN

電流集中

(a)従来p-電極

n-電極

Sapphire

Buffer layer

MQW

p-GaN

n-GaN

rh-ITO

(b)rh-ITO

電流集中抑制できる？

n-電極

p-電極

よりキャリア密度を大きくできるrh-ITOをバッファ層兼導電層として利用すれば、LEDの電流集中の抑制や擬似的な縦型デバイスを形成できる可能性がある。rh-ITOは従来のサファイア基板上の形成できるため、GaN基板程コストは高くならない

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ミストCVD法とは、

キャリアガス

水（媒質）原料溶液

成膜部へ

超音波振動子ミストの例

ミストCVD

ミストCVDとは、成膜原料を含む液体をミスト状にして、基板などに吹き付けることで成膜する手法ポイント・真空などを使わない低エネルギーな方法・気化が不要なため、取扱い容易、安全な材料が利用可能・ドーピング、混晶も液体に同時に混ぜるだけで可能

低環境負荷なグリーンテクノロジー

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ミストCVDの原理

3μm

In原料

Sn原料

InとSnの原料を同時に水に混ぜるだけ！

水

加熱による気化

CVDによる成膜

基板

粒径が小さいので容易に気化する

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ミストの特徴１

加圧式 超音波方式

加圧式

利点 欠点

簡単大量に使用可能

超音波方式

粒度分布が広く、粒径が大きい速度を持つため、制御が困難

粒度分布が小さい速度を持たないので、ガスのように扱うことができる

扱いが若干困難噴霧が難しい材料もある

※ref

※G. Blandenet et al. Thin Solid Films 77 (1981) 81.

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0.1 1 10粒径　[μm]

終末沈降速度

[cm

/s]

10-4

10-3

10-2

10-1

100

ミストの特徴２

1/3

2)

8(ρf

πσkd

ミストの粒径：Langの式

ミストの粒径は2～3 μm程度(2.4MHz)

図．終末沈降速度と粒径の関係

静止流体中：空気中(20℃)、水微粒子

終末沈降速度：微粒子が定常状態になった時の速度

微粒子の沈降速度は10～数100 μm/s程度しかない

つまり、空気中に漂い、移送管内であまり凝集せずに容易に反応部に送り込める

超音波噴霧

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ミストCVD装置

流路方式成膜部管状炉方式成膜部

ノズル方式成膜部

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ミストCVDで形成できる金属酸化物

H

Na

K

Rb

Cs

Be

Ca

Sr

Ba

Sc

Hf Ta

Tc

Re

Ru Rh Pd

Os Ir Pt Au

Cd

Hg

B

Tl

Ge

Pb

As

Sb

Bi

Br

I

At

C

P

N

Cl

F

Kr

Xe

Rn

Ar

Ne

He

Se

Te

Po

S

O

Mg

Ti Fe Ni Cu Zn

Al

Ga

In Sn

Si

AgY

Cr

Nb

Mn

Mo

W

CoV

Li

当研究室で検討可能な金属酸化物

Zr

ミストCVD法で実績のある金属酸化物

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ミストCVD法のもう一つの特徴

☆rh-ITOの作製方法のキーポイント合成に必要な条件 ： rh-ITOは合成に高圧が必要

・ミストCVD法による水の擬似的な高圧状態

加熱された基板

ミスト（液体）

原料ミストは基板上で急速に加熱液体 → 気体の変化で、擬似的な高圧状態

気体

体積変化1000倍以上

3μm

In原料

Sn原料

水

加熱による気化

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rh-ITOの作製方法

☆rh-ITOの作製方法のキーポイント合成に必要な条件 ： rh-ITOは合成に高圧が必要

→ 二つのアプローチでrh-ITOを作製する・ミストCVD法による水の擬似的な高圧状態

・同じ結晶構造であるサファイアと緩衝層を利用したエピタキシャル成長技術

加熱された基板

ミスト（液体）

原料ミストは基板上で急速に加熱液体 → 気体の変化で、擬似的な高圧状態

気体

体積変化1000倍以上

rhombohedral : corundum

層 材料 a軸長(nm)

基板 sapphire 0.475

緩衝層 a-Ga2O3 0.498

エピタキシャル層 rh-ITO 0.549

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バッファ層による格子不整合の緩和

材料 格子定数(Å) 格子不整合(%)

基板 サファイア 4.754 0エピ層 rh-ITO 5.487 15.4緩衝層 α-Fe2O3 5.053 6.3緩衝層 α-Ga2O3 4.979 4.7

・同じ結晶構造であるサファイアと緩衝層を利用したエピタキシャル成長技術rh-ITOはサファイア基板と同じ結晶構造のため、サファイア基板上に形成が可能。そのため、LED用のサファイア基板がそのまま利用できる。しかしながら、格子不整合が大きいため、同じ結晶構造の緩衝層を利用し、rh-ITOの形成を可能とした。緩衝層もミストCVDで形成が可能である。

菱面体晶構造

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結果

rh-ITOの形成・rh-ITOのエピタキシャル成長に成功・水の高圧状態により、バッファ層なしでもrh-ITOが形成されている

30 35 40 452 [degree]

Inte

nsi

ty [

arb. u

nit

]

α-A

l 2O

3(0

00

6)

α-A

l 2O

3(0

00

6)

α-G

a 2O

3(0

00

6)

rh-ITO(0006)

bcc-ITO(400)

with buffer layer

without buffer layer

rh-ITO(0006)

17

200 400 600 800 10000

50

100

Wavelength [nm]

Tra

nsm

itta

nce [

%]

rh-ITO膜の導電性と透明性

0 2 4 6 8 1010

100

1000

Sh

eet

Resi

stiv

ity

[

/sq

.]

Sn doping conc. [at.%]0 2 4 6 8 10

0

10

20

30

40

50

60

Sn doping conc. [at.%]M

obil

ity [

cm

2/V

s]

without buffer layer

with a-Ga2O3buffer layer

without buffer layer

with a-Ga2O3buffer layer

可視光領域

rh-ITOの形成・rh-ITO膜はSnドープにより低抵抗化が可能キャリア密度：1020cm-3後半まで実績あり

・可視光領域で高い透明性を有する

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実用化に向けた課題

・ミストCVD装置は自作装置であり、装置の安定性、量産性などの検討がほとんどない

・rh-ITO上へのGaNの形成技術開発

・rh-ITOの熱・雰囲気安定性の検証

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企業への期待

・rh-ITO上へのGaNの形成技術開発

・ミストCVD法の装置開発

・ミストCVD法の他金属酸化物の適用

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本技術に関する知的財産権

発明の名称:

基体、発光素子および基体の製造方法

• 出願番号: 特願2015-221683

• 出願人: 国立大学法人京都工芸繊維大学

• 発明者: 西中浩之、吉本昌広

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お問い合わせ先

京都工芸繊維大学

研究戦略推進本部知的財産室

（研究推進課知的財産係）

tel. 075-724-7039 / fax. 075-724-7030

e-mail chizai@kit.ac.jp

http://www.liaison.kit.ac.jp/

http://www.ipo.kit.ac.jp/