サファイア窒化法によるAlN薄膜をベースにした高品質バルク結晶への展開

采用蓝宝石氮化法开发基于 AlN 薄膜的高质量块状晶体

• 批准号: 19360341
• 负责人: 福山 博之
• 金额: $ 12.98万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-19360341/
• 关键词: 窒化物半導体; 結晶成長; 窒化アルミニウム; 窒化物半導体; 結晶成長; 窒化アルミニウム

次世代の光源として注目される紫外発光素子は,幅広い用途(蛍光灯の代替,高密度DVD,生化学用レーザー,光触媒による公害物質の分解,He-Cdレーザーや水銀灯の代替)が期待されており,裾野の広い基礎科学および新産業分野を創出する.この紫外発光素子は,ワイドギャップ半導体と呼ばれる窒化物(AINやGaN)を主成分とする半導体からなる.この半導体は,通常サファイアやSiCなどの異種基板上に成長が行われるが,基板との格子不整合が大きいため,未だに欠陥の少ない窒化物薄膜を得るのはきわめて難しく,多数の貫通転位が存在している.本研究では,AlN-Al_2O_3-C-N_2-CO系熱力学的相安定図を構築し,これに基づいたサファイア窒化法によるAIN膜の作製法を提案した.この相安定図を用いると,サファイアを窒化する場合に,炭素共存下でN_2-CO混合ガスを用いて,窒化駆動力を制御して窒化反応を進行させることができる.この熱力学的原理に基づいて作製したAlN膜は,結晶欠陥のない極めてきれいな膜であることが分かった.XRDの結果から,c面(0001)サファイア基板の面上には,c軸配向したAlNが生成し,Al_2O_3[11-20]方向とAlN[1-100]方向が平行であることが分かった.また,本研究における窒化条件では,AlN/Al_2O_3界面で生成したAl^<3+>およびO^<2->イオンがAlN膜内を外方拡散し,ガス/AlN界面ではAlNおよびCO(CO_2)ガスを生成して窒化反応が進行するものと考えられる.

随着下一代光源预计将具有广泛的应用（荧光灯，高密度DVD，生化激光器，污染物质的光催化分解的替代品），引起人们关注的紫外线发射设备，以及HE-CD激光灯和Mercury lamps的替代方案），创造了基础科学领域的广泛范围。这种紫外发光装置由半导体制成，其主要成分（AIN和GAN）称为宽间隙半导体。该半导体通常在蓝宝石和SIC等不同的底物上生长，但是由于与底物的晶格不匹配较大，很难获得很少有缺陷的硝酸盐薄膜，并且有很多螺纹错位。在这项研究中，我们构建了ALN-AL_2O_3-C-N_2-CO系统的热力学相位稳定性图，并提出了一种基于此方法使用Sapphire Nitriding制造AIN膜的方法。使用此相位稳定性图，当硝化蓝宝石时，可以在碳存在下使用N_2-CO混合气体控制硝化驱动力以进行硝化反应。在此热力学原理上制造的ALN膜是一部非常干净的膜，没有晶体缺陷。 XRD结果表明，ALN膜在C平面（0001）蓝宝石底物表面的C轴上定向。发现产生n，并且Al_2O_3 [11-20]和ALN [1-100]方向是平行的。此外，在这项研究的硝化条件下，在Aln/al_2O_3界面通过ALN膜向外扩散在ALN/AL_2O_3界面上产生的Al^<3+>和O^<2->离子，硝化反应通过产生ALN和CO（CO_2）气体在气体/ALN界面上在气体/ALN界面上进行。