青色より短波長域における発光素子の作製を目的として、2.6eV以上のバンドギャップ・エネルギ(Eg)を持つ謂ゆるワイドギャップ半導体の研究が活発化している。本論文は、紫外から可視にわたる広い波長域における発光材料としてInGaAlN四元混晶系に着目し、従来最も詳しく研究されてきたGaNを中心とした六方晶系窒化物半導体の有機金属気相エビタキシシャル(MOVPE)成長の研究を行った結果をまとめたものである。

　この材料系の特徴は、(1)材料系を構成する三つの二元化合物が何れも直接遷移型のバンド構造を持つこと、(2)Egが2から6eVという広いエネルギ範囲をカバーすること、(3)格子定数をEgとは独立に変化できることの三点である。特に、この材料系では、従来、六方晶系窒化物半導体では困難であった格子整合成長を、いくつかの基板結晶に対して行うことが可能である。本研究で提案した格子整合基板の一例としては、ZnO(0001)基板を挙げることができる。加えて、GaN近傍の限られた組成域のみとは言え、結晶のp型化が報告されていることを考え合わせると、六方晶系窒化物半導体は短波長発光材料として重要な特徴を兼ね備えている。しかしながら、この材料系では、成長温度における高N₂解離圧に起因して様々な問題が生じる。本研究では、この材料系に本質的な問題点を解決し、高品質膜成長技術の確立に資することを目的として、以下のような観点から検討を進めた。

　まず、この材料系では大型の単結晶基板の成長が難しく、ヘテロエピタキシャル成長が避けられないことから、成長基板の選択が重要な課題である。次に、ヘテロエピタキシャル成長に本質的な三次元成長を抑制する方法として、二段階成長法がGaN結晶の高品質化に有効であることが知られているが、従来、表面モホロジや膜特性に及ぼす成長条件の効果について十分な言及がされていなかった。このことから、GaN高品質化の条件を明確化することが重要であるものと考えた。また、これまで、GaNの膜特性は高解離圧に起因するN空孔の生成によって制限されているものと考えられてきたが、従来のGaN成長では、低温単結晶成長ができなかったばかりではなく、膜特性と成長温度の関係を整理した報告は、直接成長、二段階成長を問わずほとんどなかった。一般に化合物半導体のエピタキシャル成長では、熱解離が問題とならない温度範囲で、成長温度の高温化が成長層の結晶性や純度の向上に重要である。従って、単結晶成長温度の低温化の検討を進めるとともに、熱解離による膜特性の劣化が起こらない成長温度領域を特定することが、この材料系の成否を見極める上で極めて重要な課題である。最後に、InGaAlN混晶系のポテンシャルを具現化するためには、従来単結晶成長の報告がなかったInを含む窒化物半導体の単結晶成長条件を把握することが必要である。

　本論文は7章からなり、各章の内容は以下のように要約できる。

　第1章は、序論であり、従来のワイドギャップ半導体の研究状況を概観し、本研究の課題や目的を述べるとともに、本論文の構成を説明した。

　第2章では、GaNのMOVPE成長で観測される様々な成長条件依存性を、直接成長について整理した。まず、2-3節では、サファイア上GaN成長において、格子不整合が基板面方位に依存して変化する現象に着目し、GaN膜特性のサファイア基板面方位依存性を整理した。次に、2-4節では、従来のサファイア(0001)基板に比べ、格子不整合が大幅に低減される6H-SiC(0001)基板上へのGaN成長について述べた。また、2-5節では、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを用いて行ったGaN低温単結晶成長について述べるとともに、2-3節では、サファイア上直接成長におけるGaN膜特性の成長温度依存性を整理し、膜特性の向上に成長温度の高温化が重要であることを示した。

　第3章では、サファイア(0001)上二段階成長による高品質GaNの成長条件を把握することを目的として、直接成長及び二段階成長で観察される様々な成長条件依存性を比較した。まず、3-2節では、直接成長GaNの表面モホロジと成長条件の関係を整理し、直接成長で平坦な連続膜を得ることが困難な理由を実験的に明らかにした。次に、3-3節では、低温成長AIN層上で鏡面成長が起こる条件を整理し、3-2節で得られた直接成長に関する知見が、低温成長バッファ層上で鏡面成長を得るための重要な指針を与えることを示した。また、3-3節では、GaNの膜特性に関して、二段階成長条件の最適化を行い、2-2節で述べたGaN成長温度の上昇に伴う膜特性の向上が、二段階成長にも共通の傾向であることを示した。

　第4章では、GaNの成長過程を熱力学的に解析し、GaN成長に及ぼす熱解離の効果を議論した。直接成長及び二段階成長で見られる高成長温度化に伴うGaN膜特性の向上は、高成長温度化に伴うN₂解離圧の上昇が、膜特性に影響を及ぼさないことを意味している。第4章では、成長雰囲気におけるGaNの熱力学的安定性を評価することにより、GaNが持つ高N₂解離圧がGaN成長に及ぼす効果について考察した。

　第5章では、本研究で始めて得られたInN及びIn系多元混晶の単結晶成長について述べた。

　最後に、第6章では、本研究で得られた結果を総括した。本研究で得られた知見は、以下のようにまとめることができる。

　本論文は、「GaN及びその多元混晶のMOVPE成長」と題し、青より短波長の波長域における発光材料として重要な、GaNを中心とした六方晶系窒化物半導体の有機金属気相エピタキシャル(MOVPE)成長に関する研究結果をまとめたものである。

　GaNは、青色発光材料として、古くから注目されてきた材料である。また、従来単結晶成長の報告があったGaN及びAlNにInNを加えると、六方晶系窒化物半導体の材料設計の自由度を大きく拡大することができる。しかし、この材料系に関する従来の研究では、以下のような問題が未解決となっていた。

　まず、高品質のGaNを成長する方法として、低温成長バッファ層を用いた二段階成長法が従来から知られていたが、二段階成長における表面モホロジや膜特性と成長条件の関係については、十分な研究がされてこなかった。次に、これまで、CaNの膜特性は高N2解離圧に起因するN空孔の生成によって制限されているものと考えられてきたが、GaN成長に及ぼす熱解離の効果について詳しい検討はされていなかった。また、InGaAlN混晶系のポテンシャルを具現化するには、従来単結晶成長の報告がなかったInを含む窒化物半導体の単結晶成長条件を把握することが必要である。

　本研究の目的は、上記の問題点を解決し、高品質膜成長技術の確立に資することにあり、本論文では、高品質GaNの成長条件の明確化、及びIn系窒化物半導体の単結晶成長条件の把握という観点から、検討が進められている。

　本論文は、6章と補足からなっている。

　第1章は、「序論」であり、本研究の背景と目的、及び本論文の構成について述べている。

　第2章は、「GaN直接成長」と題し、CaNのMOVPE成長で観測される様々な成長条件依存性を、直接成長について整理している。ここでは、特に、サファイア上直接成長GaNの膜特性が、基板面方位に依らず、成長温度の高温化に伴い一様に向上することを示している。

　第3章は、「サファイア(0001)上GaN二段階成長」と題し、サファイア(0001)上GaN成長で観測される様々な成長条件依存性を、直接成長と二段階成長の間で比較することによって、GaN高品質化に必要な成長条件を明確化している。まず、直接成長GaNの表面モホロジと成長条件の関係を整理し、直接成長で平坦な連続膜を得ることが困難な理由が、連続膜成長とCaN(0001)面の安定化が両立しないことにあることを明らかにしている。次に、GaN二段階成長における鏡面成長条件を整理し、直接成長で観察される表面モホロジの成長条件依存性が、低温成長バッファ層上で鏡面成長を得るための重要な指針を与えることを示している。また、GaNの膜特性に関して、二段階成長条件の最適化を行い、第2章で述べた成長温度の上昇に伴う膜特性の向上が、二段階成長にも共通の傾向であることを示している。

　第4章は、「GaN成長過程」と題し、Ga成長に及ぼす熱解離の効果を議論している。直接成長及び二段階成長で見られる高成長温度化に伴うGaN膜特性の向上は、高成長温度化に伴うN2解離圧の上昇が膜特性に影響を及ぼさないことを意味している。MOVPE成長雰囲気おけるGaNの熱力学的安定性を評価することにより、GaNが持つ高N2解離圧の効果が成長雰囲気中のNH3によって抑制され得る可能性を示している。

　第5章は、本研究で始めて得られたInN及びIn系多元混晶の単結晶成長について述べている。ここでは、成長温度とV/III比の最適化によりInN単結晶を成長できること、成長温度に応じてトリエチルガリウムとトリメチルインジウムの供給量を制御することによりInGaN単結晶の組成制御が可能であること、InGaN結晶品質の向上に高成長温度化と格子整合成長が有効であること、及びInGaN単結晶成長条件を基盤としてInGaAlN単結晶成長を成長できることを示している。

　第6章は、「総括」であり、本研究で得られた結果をまとめている。

　補足では、「六方格子とその逆格子」、「本研究に関連する結晶構造」、「ウルツ絋型結晶の高速電子線回折」、及び「GaN成長に関連する質量作用の法則」について、説明している。

　以上を要約すると、本研究は、高品質GaNの成長条件を明らかにし、GaNの膜特性が熱解離によって制限されたものではないことを示すとともに、InN及びIn系多元混晶の単結晶成長条件及び高品質化条件を示したものであり、物理工学に寄与するところが大きい。よって、本論文は、博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。