JP2005032765A

JP2005032765A - ＡｌＮ半導体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005032765A
Application number: JP2003192979A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Abe; 芳久阿部
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP4257701B2

Abstract

【課題】デバイスの作製工程を削減し得るＡｌＮ半導体の提供。
【解決手段】単結晶Ｓｉ基板１上に厚さ５〜５０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＣ単結晶層２及び厚さ１〜２０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＮ単結晶層３を順に介在して厚さ１〜５μｍ程度のｃ−ＡｌＮ単結晶膜４が形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された単結晶膜からなり、短波長ＬＥＤ（発光ダイオード）、短波長半導体レーザー素子等に用いられるＡｌＮ（窒化アルミニウム）半導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のＡｌＮ半導体としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板上にＡｌＮ単結晶膜が形成されているものが知られている。
このＡｌＮ半導体は、サファイア基板の表層部を窒化し、その窒化層をバッファ層とし、この窒化層にＡｌＮ単結晶膜をエピタキシャル成長させて製造されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＡｌＮ半導体及びその製造方法では、サファイアが絶縁体であるため、直列の電極は位置が取れず、デバイス作製時に多くの工程を要する不具合がある。
又、サファイアに成長するＡｌＮ単結晶は、ウルツ鉱型構造であって明確な劈解面を持たないため、レーザー素子として使用するには、上述した電極作製の場合と同様に、多くの加工工程を必要とする不具合がある。
【０００４】
そこで、本発明は、デバイスの作製工程を削減し得るＡｌＮ半導体及びその製造方法の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明のＡｌＮ半導体は、単結晶Ｓｉ基板１上に厚さ５〜５０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＣ単結晶層及び厚さ１〜２０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＮ単結晶層３を順に介在して厚さ１〜５μｍ程度のｃ−ＡｌＮ単結晶膜４が形成されていることを特徴とする。
【０００６】
一方、ＡｌＮ半導体の製造方法は、単結晶Ｓｉ基板上にＴｉ層を６００〜９００℃の温度で５〜５０ｎｍ程度の厚さに蒸着した後、Ｔｉ層をＨ_２雰囲気において１０００〜１３５０℃の温度で炭化してｃ−ＴｉＣ単結晶層に変質させ、次に、ｃ−ＴｉＣ単結晶層上にＴｉ層を６００〜９００℃の温度で１〜２０ｎｍ程度の厚さに蒸着した後、Ｔｉ層を９００〜１２００℃の温度で窒化してｃ−ＴｉＮ単結晶層に変質させ、しかる後、ｃ−ＴｉＮ単結晶層上にｃ−ＡｌＮ単結晶膜を１０００〜１３５０℃の温度で１〜５μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【０００７】
【作用】
本発明のＡｌＮ半導体及びその製造方法においては、電極としても使用可能な単結晶Ｓｉ基板上に、劈開面を有する超格子構造のｃ−ＡｌＮ（立方晶窒化アルミニウム）単結晶膜が、ｃ−ＴｉＣ（立方晶炭化チタン）単結晶層及びｃ−ＴｉＮ（立方晶窒化チタン）単結晶層により単結晶Ｓｉ基板と格子整合されて形成されている。
【０００８】
ｃ−ＴｉＣ単結晶層の厚さが、５ｎｍ未満であると、多結晶となる。一方、５０ｎｍを超過すると、表面が荒れる。
ｃ−ＴｉＣ単結晶層の厚さは、１０〜２０ｎｍがより好ましい。
ｃ−ＴｉＮ単結晶層の厚さが、１ｎｍ未満であると、多結晶となる。一方、５０ｎｍを超過すると、表面が荒れる。
ｃ−ＴｉＮ単結晶層の厚さは、５〜２０ｎｍがより好ましい。
ｃ−ＡｌＮ単結晶膜の厚さが、１μｍ未満であると、結晶欠陥が大量に残存する。一方、５μｍを超過すると、クラックが生じる。
ｃ−ＡｌＮ単結晶膜の厚さは、１〜２μｍがより好ましい。
【０００９】
一方、Ｔｉ層の炭化温度が、１０００℃未満であると、ＴｉＣにならない。一方、１３５０℃を超えると、単結晶Ｓｉ基板のエッチングが著しくなる。Ｔｉ層の炭化温度は、１０５０〜１３００℃がより好ましい。
Ｔｉ層の炭化用の原料としては、Ｃ_３Ｈ_８（プロパン）が用いられる。
Ｔｉ層の窒化温度が、９００℃未満であると、ＴｉＮにならない。一方、１２００℃を超過すると、基板のＳｉのエッチングが著しくなる。
Ｔｉ層の窒化温度は、９２０〜１１８０℃がより好ましい。
Ｔｉ層の窒化用の原料としては、ＮＨ_３（アンモニア）が用いられる。
ｃ−ＡｌＮ単結晶膜のエピタキシャル成長温度が、１０００℃未満であると、多結晶となる。一方、１３５０℃を超過すると、成長速度が著しく減少する。
ｃ−ＡｌＮ単結晶膜のエピタキシャル成長温度は、１０５０〜１２５０℃がより好ましい。
ｃ−ＡｌＮ単結晶膜のエピタキシャル成長用の原料としては、（ＣＨ_３）_３Ａｌ（トリメチルアルミニウム）とＮＨ_３が用いられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るＡｌＮ半導体の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【００１１】
このＡｌＮ半導体は、（１００）面の単結晶Ｓｉ基板１上に厚さ５〜５０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＣ単結晶層２及び厚さ１〜２０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＮ単結晶層３を順に介在して厚さ１〜５μｍ程度のｃ−ＡｌＮ単結晶膜４が形成されているものである。
【００１２】
上記ＡｌＮ半導体においては、電極としても使用可能な単結晶Ｓｉ基板１上に、劈開面を有する超格子構造のｃ−ＡｌＮ単結晶膜４が、ｃ−ＴｉＣ単結晶層２及びｃ−ＴｉＮ単結晶層３により単結晶Ｓｉ基板１と格子整合されて形成されている。
ちなみに、単結晶Ｓｉ、ｃ−ＴｉＣ、ｃ−ＴｉＮ及びｃ−ＡｌＮの格子定数は、それぞれオングストロームで、５．４３１、４．３２８、４．２３７及び４．３８である。
【００１３】
上述したＡｌＮ半導体を製造するには、先ず、（１００）面の単結晶Ｓｉ基板１をＨ_２（水素ガス）雰囲気において１０００℃以上の温度で加熱することにより自然酸化膜を除去する（図２（ａ）参照）。
次に、単結晶Ｓｉ基板１上に６００〜９００℃の温度でＴｉ層２′を５〜５０ｎｍ程度の厚さに蒸着した（図２（ｂ）参照）後、Ｈ_２雰囲気において１０５０〜１３５０℃の温度でＣ_３Ｈ_８を供給して、Ｔｉ層２′を炭化してｃ−ＴｉＣ単結晶層２に変質させる（図２（ｃ）参照）。
【００１４】
次いで、ｃ−ＴｉＣ単結晶層２上に６００〜９００℃の温度でＴｉ層３′を１〜２０ｎｍ程度の厚さに蒸着した（図２（ｄ）参照）後、９００〜１２００℃の温度でＮＨ_３を供給して、Ｔｉ層３′を窒化してｃ−ＴｉＮ単結晶層３に変質させる（図２（ｅ）参照）。
次に、ｃ−ＴｉＮ単結晶層３上に１０００〜１３５０℃の温度で（ＣＨ_３）_３Ａｌ及びＮＨ_３を供給して、ｃ−ＡｌＮ単結晶膜４を１〜５μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させる（図２（ｆ）参照）。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＡｌＮ半導体及びその製造方法によれば、電極としても使用可能な単結晶Ｓｉ基板上に、劈開面を有する超格子構造のｃ−ＡｌＮ単結晶膜が、ｃ−ＴｉＣ単結晶層及びＴｉＮ単結晶層により単結晶Ｓｉ基板と格子整合されて形成されるので、従来のものに比べてデバイスの作製工程を格段に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＡｌＮ半導体の実施の形態の一例を示す概念的な断面図である。
【図２】（ａ）は本発明に係るＡｌＮ半導体の製造方法の実施の形態の一例を示す第一工程説明図、（ｂ）上記製造方法の第２工程説明図、（ｃ）は上記製造方法の第３工程説明図、（ｄ）は上記製造方法の第４工程説明図、（ｅ）は上記製造方法の第５工程説明図、（ｆ）は上記製造方法の最終工程説明図である。
【符号の説明】
１単結晶Ｓｉ基板
２ｃ−ＴｉＣ単結晶層
２′ Ｔｉ層
３ｃ−ＴｉＮ単結晶層
３′ Ｔｉ層
４ｃ−ＡｌＮ単結晶膜

Claims

単結晶Ｓｉ基板１上に厚さ５〜５０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＣ単結晶層及び厚さ１〜２０ｎｍ程度のｃ−ＴｉＮ単結晶層３を順に介在して厚さ１〜５μｍ程度のｃ−ＡｌＮ単結晶膜４が形成されていることを特徴とするＡｌＮ半導体。
単結晶Ｓｉ基板上にＴｉ層を６００〜９００℃の温度で５〜５０ｎｍ程度の厚さに蒸着した後、Ｔｉ層をＨ_２雰囲気において１０００〜１３５０℃の温度で炭化してｃ−ＴｉＣ単結晶層に変質させ、次に、ｃ−ＴｉＣ単結晶層上にＴｉ層を６００〜９００℃の温度で１〜２０ｎｍ程度の厚さに蒸着した後、Ｔｉ層を９００〜１２００℃の温度で窒化してｃ−ＴｉＮ単結晶層に変質させ、しかる後、ｃ−ＴｉＮ単結晶層上にｃ−ＡｌＮ単結晶膜を１０００〜１３５０℃の温度で１〜５μｍ程度の厚さにエピタキシャル成長させることを特徴とするＡｌＮ半導体の製造方法。