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Comprehensive study on initial thermal oxidation of GaN(0001) surface and subsequent oxide growth in dry oxygen ambient

GaN(0001)表面の初期熱酸化と引き続くドライ酸素雰囲気中での酸化物成長の研究

山田 高寛*; 伊藤 丈予*; 淺原 亮平*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 中澤 敏志*; 按田 義治*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Yamada, Takahiro*; Ito, Joyo*; Asahara, Ryohei*; Watanabe, Kenta*; Nozaki, Mikito*; Nakazawa, Satoshi*; Anda, Yoshiharu*; Ishida, Masahiro*; Ueda, Tetsuzo*; Yoshigoe, Akitaka; Hosoi, Takuji*; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

GaNは高耐圧、大電流、低損失の次世代パワーデバイス材料として注目されている。GaN表面の酸化処理技術には、表面パッシベーション技術や、アイソレーション技術、ゲート絶縁膜技術などがあり、デバイス特性向上のための重要な要素技術となっている。そのため、GaN表面の熱酸化処理はこれまで詳細な検討が行われてきている。しかし、その酸化物形成過程は十分解明されていない。例えば、これまで厚いGaN酸化物の形成については多くの報告があるが、初期酸化過程については少ない。また、X線光電子分光(XPS)分析は、そのGaN表面の初期酸化過程の評価によく利用されているが、Ga-NやGa-O結合成分の正確な特定には至っていない。さらに、形成されたGaN酸化物の構造特性評価も十分な検討は行われていない。本研究では、GaN表面の熱酸化過程をXPS、分光エリプソメトリ(SE)、原子間力顕微鏡(AFM)、X線回折(XRD)測定を用いて評価した。特に、異なる転位密度を有するエピGaN層の酸化物形成過程について調べた。本実験には、Si基板上および自立GaN基板上にエピ成長した2種類のGaN試料を用いた。GaN/SiとGaN/GaN試料の転位密度は108と105cm-2台になるとそれぞれ見積もられている。両試料は大気圧O$$_{2}$$雰囲気中において700$$sim$$1000$$^{circ}$$Cの温度範囲で30分間熱酸化した。800$$^{circ}$$C以下の熱酸化では、表面近傍に存在する欠陥の酸化によると考えられる厚さ1nm以下の薄い酸化層が形成された。この酸化層の膜厚は酸化温度とは無関係にほとんど変化していなかったことから、酸化が飽和傾向にあると考えられた。また、GaN/Siで観察された転位部では微小な酸化物結晶の形成が確認されており、転位部において優先的に酸化が進行することがわかった。900$$^{circ}$$C以上の更なる酸化温度の増加では、$$alpha$$-と$$beta$$- Ga$$_{2}$$O$$_{3}$$結晶粒が両エピGaN層上にエピタキシャリに成長した。GaN/Siでは、転位部で顕著にGa$$_{2}$$O$$_{3}$$結晶が成長したため、荒れた表面形状が観察された。一方、GaN/GaNでもGa$$_{2}$$O$$_{3}$$微結晶粒が観察領域全面に渡って形成されたが、比較的平坦な表面形状が維持されていることがわかった。

Initial oxidation of GaN(0001) epilayers and subsequent growth of thermal oxides in dry oxygen ambient were investigated by means of X-ray photoelectron spectroscopy, spectroscopic ellipsometry, atomic force microscopy and X-ray diffraction measurements. It was found that, whereas initial oxide formation tends to saturate at temperatures below 800$$^{circ}$$C, selective growth of small oxide grains proceeds at dislocations in the epilayers, followed by noticeable grain growth leading to rough surface morphology at higher oxidation temperatures. This indicates that oxide growth and its morphology are crucially dependent on the defect density in the GaN epilayers. Structural characterizations also revealed that polycrystalline $$alpha$$- and $$beta$$-phase Ga$$_{2}$$O$$_{3}$$ grains in an epitaxial relation with the GaN substrate are formed from the initial stage of the oxide growth. On the basis of these experimental findings, we also developed a comprehensive model for GaN oxidation mediated by nitrogen removal and mass transport.

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パーセンタイル:7.33

分野:Physics, Applied

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