JP2009298626A - Hexagonal boron nitride structure and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hexagonal boron nitride structure which is economically cheap and capable of having a large area and cleavage, and its manufacturing method. <P>SOLUTION: The hexagonal boron nitride structure has a sapphire single crystal substrate 41 and single crystal hexagonal boron nitride 42 formed on the substrate 41. Single crystal hexagonal boron nitride 42 is formed on the sapphire single crystal substrate 41 by a vapor growth method using ammonia which is a group V raw material, and triethyl boron, trimethyl boron, diborane, boron trichloride or boron trifluoride which are group III raw materials. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化ホウ素半導体構造とその製造方法に関し、特に、サファイア基板上の六方晶窒化ホウ素構造とその製造方法に関する。   The present invention relates to a boron nitride semiconductor structure and a manufacturing method thereof, and more particularly to a hexagonal boron nitride structure on a sapphire substrate and a manufacturing method thereof.

紫外領域で発光する発光ダイオードや半導体レーザーは、高密度記録媒体用光源、光触媒、殺菌、ナノサージェリー等への幅広い応用が期待されている。また、その光デバイスの発光材料としては、窒化ホウ素が期待されている。   Light emitting diodes and semiconductor lasers that emit light in the ultraviolet region are expected to be widely applied to light sources for high-density recording media, photocatalysts, sterilization, and nanosurgery. Further, boron nitride is expected as a light emitting material of the optical device.

窒化ホウ素には、その結晶構造の違いにより、高圧安定相である立方晶窒化ホウ素、常圧安定相である六方晶窒化ホウ素、高圧安定相かつ準安定相であるウルツ鉱窒化ホウ素が存在する。高圧安定相である立方晶窒化ホウ素は、n型及びp型ドーピングが報告されており、高温高圧法を用いることにより立方晶窒化ホウ素発光ダイオードが実現されている。一方、常圧安定相である六方晶窒化ホウ素は、結晶成長上の問題により光デバイスとしては長い間実現されていなかったが、最近、高温高圧法により、その単結晶バルク結晶が実現され、発光特性が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。   Boron nitride includes cubic boron nitride that is a high-pressure stable phase, hexagonal boron nitride that is a normal-pressure stable phase, and wurtzite boron nitride that is a high-pressure stable phase and a metastable phase due to the difference in crystal structure. Cubic boron nitride, which is a high-pressure stable phase, has been reported for n-type and p-type doping, and a cubic boron nitride light-emitting diode is realized by using a high-temperature high-pressure method. On the other hand, hexagonal boron nitride, which is an atmospheric pressure stable phase, has not been realized for a long time as an optical device due to problems in crystal growth, but recently, a single crystal bulk crystal has been realized by a high-temperature high-pressure method, and light emission. Characteristics have been reported (for example, see Non-Patent Document 1).

しかしながら、バンド構造、発光特性、伝導性等、六方晶窒化ホウ素の基礎物性に関しては未解明な部分が多く、六方晶窒化ホウ素の結晶成長技術を確立することにより、その基礎物性を解明することが強く望まれている。また、将来の応用を考えると、適切な基板上に単結晶六方晶窒化ホウ素を結晶成長させることが望まれている。   However, there are many unexplained parts regarding the basic physical properties of hexagonal boron nitride, such as the band structure, light emission characteristics, and conductivity. By establishing crystal growth technology for hexagonal boron nitride, the basic physical properties can be clarified. It is strongly desired. In consideration of future applications, it is desired to grow single crystal hexagonal boron nitride on an appropriate substrate.

以上、2つの点、つまり、六方晶窒化ホウ素の基礎物性の解明を行なうこと、および将来の応用の観点から適切な基板上に単結晶六方晶窒化ホウ素構造を実現することが、現在最も重要な課題である。   As described above, it is currently most important to elucidate the basic physical properties of hexagonal boron nitride and to realize a single crystal hexagonal boron nitride structure on a suitable substrate from the viewpoint of future application. It is a problem.

各種基板上の単結晶六方晶窒化ホウ素構造としては、以下の3つの構造が考えられる。
(1)単結晶六方晶窒化ホウ素バルク基板上の六方晶窒化ホウ素構造
(2)六方晶窒化ホウ素と格子整合する(もしくは格子不整合が小さい)基板上の六方晶窒化ホウ素構造
(3)六方晶窒化ホウ素と格子不整合する基板上の六方晶窒化ホウ素構造
高品質な六方晶窒化ホウ素成長のためには、(1)の単結晶六方晶窒化ホウ素バルク基板上に単結晶六方晶窒化ホウ素構造をホモエピタキシャル成長させる方法が、最も渇望されるところである。しかし、現在実現されている単結晶六方晶窒化ホウ素基板の大きさは、最大で0.5−1mm程度であり、また再現性良く成長させることが大変難しい。さらに、単結晶六方晶窒化ホウ素バルク基板は、商用的には販売されておらず入手不可能である。
As the single crystal hexagonal boron nitride structure on various substrates, the following three structures are conceivable.
(1) Hexagonal boron nitride structure on a single crystal hexagonal boron nitride bulk substrate (2) Hexagonal boron nitride structure on a substrate that is lattice-matched with hexagonal boron nitride (or has a small lattice mismatch) (3) Hexagonal crystal Hexagonal Boron Nitride Structure on Substrate Mismatched with Boron Nitride For high-quality hexagonal boron nitride growth, the single crystal hexagonal boron nitride structure on the single crystal hexagonal boron nitride bulk substrate of (1) is used. The method of homoepitaxial growth is the place where the most cravings are desired. However, the size of the single crystal hexagonal boron nitride substrate currently realized is about 0.5-1 mm at the maximum, and it is very difficult to grow it with good reproducibility. Furthermore, single crystal hexagonal boron nitride bulk substrates are not commercially available and are not available.

(2)に関しては、単結晶Ni(111)基板上の六方晶窒化ホウ素構造が有望である。六方晶窒化ホウ素とNi(111)との面内の格子不整合の大きさは0.5%程度であり、非常に小さい。実際に、トリエチルボロンとアンモニアを用いた流量変調エピタキシー法により、基板温度1020℃で成長させた単結晶Ni(111)基板上の単結晶六方晶窒化ホウ素構造が報告されている(例えば、非特許文献2参照)。   Regarding (2), a hexagonal boron nitride structure on a single crystal Ni (111) substrate is promising. The in-plane lattice mismatch between hexagonal boron nitride and Ni (111) is about 0.5%, which is very small. Actually, a single crystal hexagonal boron nitride structure on a single crystal Ni (111) substrate grown at a substrate temperature of 1020 ° C. by a flow modulation epitaxy method using triethylboron and ammonia has been reported (for example, non-patent) Reference 2).

図1は、(2)に関する従来技術によりNi(111)基板上に成長させた六方晶窒化ホウ素構造のヘテロ界面の透過型電子顕微鏡像である。図示されるように、Ni(111)と六方晶窒化ホウ素とのヘテロ界面は、原子レベルで急峻かつ平坦であり、六方晶窒化ホウ素結晶内にsp2結合による層状の六方晶窒化ホウ素構造が観察された。また、得られた格子定数は6.66Åであることから、Ni(111)基板上に窒化ホウ素構造が形成されていることが確認できた。   FIG. 1 is a transmission electron microscope image of a heterointerface of a hexagonal boron nitride structure grown on a Ni (111) substrate by the prior art relating to (2). As shown in the figure, the hetero interface between Ni (111) and hexagonal boron nitride is steep and flat at the atomic level, and a layered hexagonal boron nitride structure due to sp2 bonds is observed in the hexagonal boron nitride crystal. It was. Moreover, since the obtained lattice constant was 6.66Å, it was confirmed that a boron nitride structure was formed on the Ni (111) substrate.

しかしながら、Ni(111)基板上の六方晶窒化ホウ素構造は、いくつかの問題点を有する。まず、市販されているSi基板、6H−SiC基板、サファイア基板等と比較して、単結晶Ni(111)基板は極めて高価である。次に、2インチ等の大面積のNi(111)基板を得ることは困難であり、さらに、へき開が不可能である。最後に、市販されているSi基板、6H−SiC基板、サファイア基板等と比較して、Ni(111)基板は結晶性が劣る。このように、Ni(111)基板は、汎用性においていくつかの問題点を有している。   However, the hexagonal boron nitride structure on the Ni (111) substrate has several problems. First, a single crystal Ni (111) substrate is extremely expensive compared to a commercially available Si substrate, 6H—SiC substrate, sapphire substrate, and the like. Next, it is difficult to obtain a Ni (111) substrate having a large area of 2 inches or the like, and furthermore, cleavage is impossible. Finally, the Ni (111) substrate is inferior in crystallinity as compared with commercially available Si substrates, 6H-SiC substrates, sapphire substrates, and the like. Thus, the Ni (111) substrate has some problems in versatility.

(3)に関しては、サファイア基板上の窒化ホウ素構造が有望である。サファイア基板は、六方晶系の結晶構造を有し、Ni(111)基板と比較して極めて安価である。また、サファイア基板は、2インチ等の大面積化が可能であり、高い結晶性を有するなど、Ni(111)基板と比較して汎用性に優れる。さらに、サファイア基板は、優れた特性、例えば、耐熱性に優れ、広い光透過領域を有し、高い絶縁性と機械的強度を有している。   Regarding (3), a boron nitride structure on a sapphire substrate is promising. The sapphire substrate has a hexagonal crystal structure and is extremely inexpensive as compared with the Ni (111) substrate. In addition, the sapphire substrate can have a large area of 2 inches or the like, and has excellent versatility compared to the Ni (111) substrate, such as having high crystallinity. Furthermore, the sapphire substrate has excellent characteristics, for example, excellent heat resistance, a wide light transmission region, and high insulation and mechanical strength.

しかしながら、サファイア基板上の窒化ホウ素構造は、乱層窒化ホウ素構造となってしまうという大きな問題がある。サファイア基板と六方晶窒化ホウ素のそれぞれの格子定数は大きく異なっており、47%の格子不整合が存在する。この大きな格子不整合により、単結晶六方晶窒化ホウ素の形成が阻害され、サファイア基板上にオーダリングが乱れた乱層窒化ホウ素あるいはアモルファス窒化ホウ素が形成されてしまう。   However, there is a big problem that the boron nitride structure on the sapphire substrate becomes a disordered layer boron nitride structure. The lattice constants of the sapphire substrate and the hexagonal boron nitride are greatly different, and there is a lattice mismatch of 47%. Due to this large lattice mismatch, formation of single crystal hexagonal boron nitride is hindered, and disordered boron nitride or amorphous boron nitride is formed on the sapphire substrate.

以下に、6H−SiC基板上に形成された乱層窒化ホウ素構造について説明する。図2は、トリエチルボロンとアンモニアを用いた流量変調エピタキシー法により、基板温度1020℃で成長させた単結晶6H−SiC基板上の単結晶乱層窒化ホウ素構造のヘテロ界面の透過型電子顕微鏡像である。図示されるように、6H−SiC基板と六方晶窒化ホウ素との間の19%の大きな格子不整合によって、ヘテロ界面にアモルファス窒化ホウ素が形成され、そのアモルファス窒化ホウ素の上に、数Åのサイズを有するsp2結合した窒化ホウ素がランダムな方向を向きながら形成されている。六方晶窒化ホウ素は、3次元的な秩序を有する結晶構造であり、その3次元的な秩序構造が乱れ、無秩序の度合いが増加した構造が乱層窒化ホウ素である。乱層窒化ホウ素構造の格子定数は、無秩序度が増加しているため、六方晶窒化ホウ素構造の格子定数と比較して大きくなることが報告されている。このように、大きな格子不整合を有する基板上には、乱層窒化ホウ素構造が形成されることがわかる。   Hereinafter, a turbulent boron nitride structure formed on a 6H—SiC substrate will be described. FIG. 2 is a transmission electron microscope image of a heterointerface of a single-crystal turbulent boron nitride structure on a single-crystal 6H-SiC substrate grown at a substrate temperature of 1020 ° C. by flow modulation epitaxy using triethylboron and ammonia. is there. As shown, the 19% large lattice mismatch between the 6H-SiC substrate and the hexagonal boron nitride results in the formation of amorphous boron nitride at the heterointerface, on the amorphous boron nitride, several millimeters in size. The sp2-bonded boron nitride having the structure is formed in a random direction. Hexagonal boron nitride is a crystal structure having a three-dimensional order, and the structure in which the three-dimensional order structure is disturbed and the degree of disorder is increased is the disordered layer boron nitride. It has been reported that the lattice constant of the disordered layer boron nitride structure is larger than the lattice constant of the hexagonal boron nitride structure because the degree of disorder increases. Thus, it can be seen that a turbulent boron nitride structure is formed on a substrate having a large lattice mismatch.

同様に、サファイア基板上の窒化ホウ素も大きな格子不整合を有するため、従来技術においては乱層窒化ホウ素構造が形成される。以下に、従来技術を用いて形成したサファイア基板上の乱層窒化ホウ素構造について説明する(例えば、非特許文献3参照)。なお、ここで説明する窒化ホウ素は、原料としてアンモニアとトリエチルボロンを用いた有機金属気相成長法により、サファイア基板上に成長させたものである。   Similarly, boron nitride on a sapphire substrate also has a large lattice mismatch, so that in the prior art a turbostratic boron nitride structure is formed. Hereinafter, a turbulent boron nitride structure on a sapphire substrate formed using a conventional technique will be described (for example, see Non-Patent Document 3). The boron nitride described here is grown on a sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy using ammonia and triethylboron as raw materials.

図3は、従来技術を用いてサファイア基板上に成長させた窒化ホウ素の格子定数の成長温度依存性を示すグラフである。縦軸は、c軸格子定数(Å)を表わし、横軸は、基板温度(℃)を表わす。なお、格子定数の測定は、X線回折測定により行った。   FIG. 3 is a graph showing the growth temperature dependence of the lattice constant of boron nitride grown on a sapphire substrate using the prior art. The vertical axis represents the c-axis lattice constant (Å), and the horizontal axis represents the substrate temperature (° C.). The lattice constant was measured by X-ray diffraction measurement.

図示されるように、基板温度を900℃から1200℃としてサファイア基板上に成長させた各窒化ホウ素の格子定数は、6.72Åから7.15Åであった。これらの格子定数は、六方晶窒化ホウ素のc軸格子定数6.66Åに比べて大きい。つまり、この結果は、従来技術によりサファイア基板上に成長させた窒化ホウ素の結晶構造が、乱層窒化ホウ素構造であることを示している。   As shown in the figure, the lattice constant of each boron nitride grown on the sapphire substrate at a substrate temperature of 900 ° C. to 1200 ° C. was 6.72 to 7.15 °. These lattice constants are larger than the c-axis lattice constant of 6.66Å of hexagonal boron nitride. That is, this result indicates that the crystal structure of boron nitride grown on the sapphire substrate by the conventional technique is a turbostratic boron nitride structure.

このように、従来技術においては、サファイア基板上に成長させた窒化ホウ素の結晶構造は、乱層窒化ホウ素であるという問題があった。乱層窒化ホウ素は、六方晶窒化ホウ素に比べて無秩序度が増加し、結晶性が劣化した構造であるため、六方晶窒化ホウ素の基礎物性解明には適さない構造であり、将来のデバイス応用の観点からも大きな問題を抱えている。   Thus, in the prior art, there is a problem that the crystal structure of boron nitride grown on the sapphire substrate is turbostratic boron nitride. Turbulent boron nitride has a structure with increased disorder and reduced crystallinity compared to hexagonal boron nitride, so it is not suitable for elucidating the basic physical properties of hexagonal boron nitride. It also has a big problem from the viewpoint.

K. Wanatabe, T. Taniguchi, and H. Kanda, “Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal” Nature Materials, vol.3, pp.404, 2004.K. Wanatabe, T. Taniguchi, and H. Kanda, “Direct-bandgap properties and evidence for ultraviolet lasing of hexagonal boron nitride single crystal” Nature Materials, vol.3, pp.404, 2004. Y. Kobayashi, T. Nakamura, T. Akasaka, T. Makimoto, and N. Matumoto, “Hexagonal boron nitride on Ni(111) substrate grown by flow-rate modulation epitaxy” Journal of Crystal Growth, vol.298, pp.325, 2007.Y. Kobayashi, T. Nakamura, T. Akasaka, T. Makimoto, and N. Matumoto, “Hexagonal boron nitride on Ni (111) substrate grown by flow-rate modulation epitaxy” Journal of Crystal Growth, vol.298, pp. 325, 2007. K. Nakamura, “Preparation and Properties of Boron Nitride Films by Metal Organic Chemical Vapor Deposition” Journal of Electrochemical Society, vol.133, No.6, pp.1120, 1986.K. Nakamura, “Preparation and Properties of Boron Nitride Films by Metal Organic Chemical Vapor Deposition” Journal of Electrochemical Society, vol.133, No.6, pp.1120, 1986.

前述したように、単結晶Ni(111)基板上の六方晶窒化ホウ素構造には、Ni(111)基板が極めて高価であり、2インチ等の大面積化が困難で、かつ、へき開ができないという問題があった。また、サファイア基板上の乱層窒化ホウ素構造は、3次元的な秩序構造が乱れ、無秩序の度合いが増加した構造であり、欠陥、転位等が多く、六方晶窒化ホウ素の基礎物性の解明には適さないという問題があった。   As described above, in the hexagonal boron nitride structure on the single crystal Ni (111) substrate, the Ni (111) substrate is extremely expensive, it is difficult to increase the area of 2 inches or the like, and it cannot be cleaved. There was a problem. Moreover, the disordered boron nitride structure on the sapphire substrate is a structure in which the three-dimensional ordered structure is disturbed and the degree of disorder increases, and there are many defects, dislocations, etc., to elucidate the basic physical properties of hexagonal boron nitride. There was a problem that it was not suitable.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、経済的に安価であり、大面積化およびへき開が可能な、六方晶窒化ホウ素の基礎物性解明に適した六方晶窒化ホウ素構造とその製造方法を提供することである。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is economically inexpensive, suitable for elucidating the basic physical properties of hexagonal boron nitride that can be enlarged and cleaved. Another object is to provide a hexagonal boron nitride structure and a method for manufacturing the same.

このような目的を達成するために、請求項1〜5に係る六方晶窒化ホウ素構造は、サファイア単結晶基板上に単結晶六方晶窒化ホウ素を形成することを特徴とする。   In order to achieve such an object, the hexagonal boron nitride structure according to claims 1 to 5 is characterized in that single crystal hexagonal boron nitride is formed on a sapphire single crystal substrate.

請求項1〜5に係る六方晶窒化ホウ素構造は、サファイア単結晶基板上に形成されるため、Ni(111)基板上の六方晶窒化ホウ素構造に比べて、極めて安価に六方晶窒化ホウ素構造を形成することが可能になる。また、2インチ、3インチ等の大面積化が可能となり、六方晶窒化ホウ素構造のへき開も可能となる。   Since the hexagonal boron nitride structure according to any one of claims 1 to 5 is formed on a sapphire single crystal substrate, the hexagonal boron nitride structure is formed at a lower cost than the hexagonal boron nitride structure on the Ni (111) substrate. It becomes possible to form. Further, the area can be increased to 2 inches, 3 inches, etc., and the hexagonal boron nitride structure can be cleaved.

また、請求項6および7に係る六方晶窒化ホウ素の製造方法は、V族原料であるアンモニアのモル流量と、III族原料であるトリエチルボロン、トリメチルボロン、ジボラン、三塩化ホウ素、または三フッ化ホウ素のモル流量との間のV/III比が、1000以上であることを特徴とする。   Further, the method for producing hexagonal boron nitride according to claims 6 and 7 includes a molar flow rate of ammonia as a group V raw material and triethylboron, trimethylboron, diborane, boron trichloride, or trifluoride as a group III raw material. The V / III ratio with respect to the molar flow rate of boron is 1000 or more.

こうすることにより、サファイア単結晶基板上の乱層窒化ホウ素構造の成長を抑制して、サファイア単結晶基板上に単結晶六方晶窒化ホウ素を成長させることが可能となる。   By doing so, it is possible to grow single crystal hexagonal boron nitride on the sapphire single crystal substrate while suppressing the growth of the turbulent boron nitride structure on the sapphire single crystal substrate.

本発明によれば、サファイア基板上に六方晶窒化ホウ素を成長させることが可能となり、サファイア基板上の六方晶窒化ホウ素構造を実現することができる。これにより、経済的に安価であり、大面積化およびへき開が可能な、サファイア基板上の六方晶窒化ホウ素構造を提供することが可能となる。   According to the present invention, hexagonal boron nitride can be grown on a sapphire substrate, and a hexagonal boron nitride structure on the sapphire substrate can be realized. As a result, it is possible to provide a hexagonal boron nitride structure on a sapphire substrate that is economically inexpensive and can be enlarged and cleaved.

以下に、本発明の一実施形態に係る六方晶窒化ホウ素構造およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a hexagonal boron nitride structure and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図4は、本発明の一実施形態に係るサファイア基板上の六方晶窒化ホウ素構造を示す図である。図示されるように、(0001)サファイア単結晶基板41上に、(0001)単結晶六方晶窒化ホウ素42が形成されている。   FIG. 4 is a view showing a hexagonal boron nitride structure on a sapphire substrate according to an embodiment of the present invention. As shown in the drawing, a (0001) single crystal hexagonal boron nitride 42 is formed on a (0001) sapphire single crystal substrate 41.

図5は、本発明の一実施形態に係る六方晶窒化ホウ素構造の製造装置を示す図である。本発明の一実施形態に係る六方晶窒化ホウ素構造の製造装置は、有機金属であるトリエチルボロンを貯蔵する貯蔵容器56と、窒素原料ガスであるアンモニアを貯蔵する貯蔵容器57とを備える。貯蔵容器56には、トリエチルボロンが液体の状態で貯蔵されており、バブリングすることによって有機金属ガスライン51に供給される。また、バルブ54aおよびバルブ54bは、それぞれ、貯蔵容器56から供給されるトリエチルボロンの、ベントライン53および有機金属ガスライン51へのフローを制御する。バルブ54cおよびバルブ54dは、それぞれ、貯蔵容器57から供給されるアンモニアの、ベントライン53およびアンモニアガスライン52へのフローを制御する。   FIG. 5 is a diagram showing an apparatus for manufacturing a hexagonal boron nitride structure according to an embodiment of the present invention. The apparatus for producing a hexagonal boron nitride structure according to an embodiment of the present invention includes a storage container 56 that stores triethylboron that is an organic metal, and a storage container 57 that stores ammonia that is a nitrogen source gas. In the storage container 56, triethylboron is stored in a liquid state, and is supplied to the organometallic gas line 51 by bubbling. The valve 54 a and the valve 54 b control the flow of triethylboron supplied from the storage container 56 to the vent line 53 and the organometallic gas line 51, respectively. The valve 54c and the valve 54d control the flow of ammonia supplied from the storage container 57 to the vent line 53 and the ammonia gas line 52, respectively.

貯蔵容器56から供給されるトリエチルボロンと、貯蔵容器57から供給されるアンモニアは、それぞれ、有機金属ガスライン51とアンモニアガスライン52を通って、水素キャリアガス55によりフローされて、反応炉58に供給される。有機金属トリエチルボロンは、恒温槽(不図示)により約0℃に設定されている。反応炉58内において、基板ヒーター59の上に置かれた(0001)サファイア単結晶基板41上に、単結晶六方晶窒化ホウ素が成長する。六方晶窒化ホウ素の成長を行わない場合、有機金属トリエチルボロンおよびアンモニアは、ベントライン53を通って排気される。   Triethylboron supplied from the storage container 56 and ammonia supplied from the storage container 57 are flowed by the hydrogen carrier gas 55 through the organometallic gas line 51 and the ammonia gas line 52, respectively, to the reaction furnace 58. Supplied. The organometallic triethylboron is set to about 0 ° C. by a thermostat (not shown). In the reaction furnace 58, single crystal hexagonal boron nitride grows on the (0001) sapphire single crystal substrate 41 placed on the substrate heater 59. When the hexagonal boron nitride is not grown, the organometallic triethylboron and ammonia are exhausted through the vent line 53.

以下に、図5に例示された製造装置を用いて、サファイア単結晶基板41上に単結晶窒化ホウ素構造を形成した手順を説明する。   The procedure for forming a single crystal boron nitride structure on the sapphire single crystal substrate 41 using the manufacturing apparatus illustrated in FIG. 5 will be described below.

まず、(0001)サファイア単結晶基板41を、反応炉58内の基板ヒーター59の上にセットした。次いで、水素キャリアガス55を流しながら基板ヒーター59を加熱し、基板表面温度を1080℃まで上昇させた。その後、水素キャリアガス55を流しながら、(0001)サファイア単結晶基板41を、1080℃において10分間熱的にクリーニングした。次に、有機金属トリエチルボロンとアンモニアを、それぞれ、有機金属ガスライン51とアンモニアガスライン52を通して、加熱されたサファイア単結晶基板41上に供給した。ここで、V/III比を、V族原料であるアンモニアのモル流量に対する、III族原料であるトリエチルボロンのモル流量の比と定義する。アンモニアのモル流量とトリエチルボロンのモル流量とを変化させることにより、V/III比を100から2000まで変化させ、窒化ホウ素をサファイア単結晶基板上に成長させた。サファイア単結晶基板41上に形成された窒化ホウ素の膜厚は、0.3μmであった。   First, the (0001) sapphire single crystal substrate 41 was set on the substrate heater 59 in the reaction furnace 58. Next, the substrate heater 59 was heated while flowing the hydrogen carrier gas 55 to raise the substrate surface temperature to 1080 ° C. Thereafter, the (0001) sapphire single crystal substrate 41 was thermally cleaned at 1080 ° C. for 10 minutes while flowing the hydrogen carrier gas 55. Next, organometallic triethylboron and ammonia were supplied onto the heated sapphire single crystal substrate 41 through the organometallic gas line 51 and the ammonia gas line 52, respectively. Here, the V / III ratio is defined as the ratio of the molar flow rate of triethylboron as a group III material to the molar flow rate of ammonia as a group V material. By changing the molar flow rate of ammonia and the molar flow rate of triethylboron, the V / III ratio was changed from 100 to 2000, and boron nitride was grown on the sapphire single crystal substrate. The film thickness of boron nitride formed on the sapphire single crystal substrate 41 was 0.3 μm.

図6は、サファイア単結晶基板41上に、V/III比630の条件で成長させた窒化ホウ素の2θ−ωX線回折測定結果を示す。サファイア単結晶基板41の(0006)回折ピークが、2θ=41.6°に明瞭に観測されると共に、窒化ホウ素からの弱い回折ピークが、2θ=26.2°に観測された。回折ピーク角度から求められるc軸格子定数は、6.78Åであり、六方晶窒化ホウ素のc軸格子定数6.66Åよりも大きい。このことから、V/III比630の条件で成長させた窒化ホウ素の結晶構造は、乱層窒化ホウ素であることがわかった。   FIG. 6 shows the result of 2θ-ω X-ray diffraction measurement of boron nitride grown on the sapphire single crystal substrate 41 under the condition of V / III ratio 630. A (0006) diffraction peak of the sapphire single crystal substrate 41 was clearly observed at 2θ = 41.6 °, and a weak diffraction peak from boron nitride was observed at 2θ = 26.2 °. The c-axis lattice constant determined from the diffraction peak angle is 6.78Å, which is larger than the c-axis lattice constant of 6.66Å of hexagonal boron nitride. From this, it was found that the crystal structure of boron nitride grown under the condition of V / III ratio 630 was turbostratic boron nitride.

一方、図7は、V/III比を増加させて、V/III比1250の条件で成長させた窒化ホウ素の2θ−ωX線回折測定結果を示す。図7では、図6と同様に、サファイア単結晶基板41の(0006)回折ピークが、2θ=41.6°に明瞭に観測された。しかし、図6で観測された乱層窒化ホウ素からの弱い回折ピークとは異なり、窒化ホウ素からの鋭い回折ピークと弱い回折ピークが、2θ=26.7°と2θ=55.0°に観測された。回折ピークから求められる格子定数は、6.66Åであり、鋭い回折ピークと弱い回折ピークは、それぞれ六方晶窒化ホウ素の(0002)および(0004)からの回折であることがわかった。このことから、V/III比を1250として、V/III比がより大きい条件で窒化ホウ素を成長させることにより、サファイア単結晶基板上に六方晶窒化ホウ素が成長したことがわかった。   On the other hand, FIG. 7 shows 2θ-ω X-ray diffraction measurement results of boron nitride grown under the condition of V / III ratio 1250 with increasing V / III ratio. In FIG. 7, as in FIG. 6, the (0006) diffraction peak of the sapphire single crystal substrate 41 was clearly observed at 2θ = 41.6 °. However, unlike the weak diffraction peak from the turbulent boron nitride observed in FIG. 6, a sharp diffraction peak and a weak diffraction peak from the boron nitride are observed at 2θ = 26.7 ° and 2θ = 55.0 °. It was. The lattice constant determined from the diffraction peak was 6.66Å, and it was found that the sharp diffraction peak and the weak diffraction peak were diffractions from (0002) and (0004) of hexagonal boron nitride, respectively. From this, it was found that hexagonal boron nitride was grown on the sapphire single crystal substrate by growing boron nitride under conditions where the V / III ratio was 1250 and the V / III ratio was larger.

図8は、V/III比を100から2000まで変化させて成長させた各窒化ホウ素の、X線回折より求めたc軸格子定数を示すグラフである。縦軸はc軸格子定数を表わし、横軸はV/III比を表わす。V/III比が1000以下の条件で成長させた窒化ホウ素のc軸格子定数は、6.78〜6.96Åとなり、六方晶窒化ホウ素のc軸格子定数よりも大きい。これは、この条件で成長した窒化ホウ素が、乱層窒化ホウ素構造であることを示している。対照的に、V/III比が1000以上の条件で成長させた窒化ホウ素のc軸格子定数は、6.66〜6.96Åとなった。これは、この条件で成長させた窒化ホウ素が、六方晶窒化ホウ素構造であることを示している。このように、V/III比が1000以上の条件で窒化ホウ素を成長させることにより、サファイア単結晶基板上に六方晶窒化ホウ素構造を実現することができた。   FIG. 8 is a graph showing the c-axis lattice constant determined by X-ray diffraction for each boron nitride grown with the V / III ratio varied from 100 to 2000. The vertical axis represents the c-axis lattice constant, and the horizontal axis represents the V / III ratio. The c-axis lattice constant of boron nitride grown under the condition where the V / III ratio is 1000 or less is 6.78 to 6.96Å, which is larger than the c-axis lattice constant of hexagonal boron nitride. This indicates that the boron nitride grown under these conditions has a turbostratic boron nitride structure. In contrast, the c-axis lattice constant of boron nitride grown under conditions where the V / III ratio was 1000 or more was 6.66 to 6.96. This indicates that the boron nitride grown under these conditions has a hexagonal boron nitride structure. Thus, a hexagonal boron nitride structure could be realized on a sapphire single crystal substrate by growing boron nitride under conditions where the V / III ratio was 1000 or more.

図9は、V/III比1250の条件で成長させた(0001)サファイア単結晶基板上の六方晶窒化ホウ素構造のヘテロ界面の透過型電子顕微鏡像である。図示されるように、(0001)サファイア単結晶基板上に、(0001)六方晶窒化ホウ素が成長している。六方晶窒化ホウ素の領域では、その構造が、sp2結合により層状に成長していることが確認され、その各層の間隔より求めた格子定数は、6.66Åであった。従って、図9から、六方晶窒化ホウ素構造が形成されたことが確認できた。   FIG. 9 is a transmission electron microscope image of a heterointerface of a hexagonal boron nitride structure on a (0001) sapphire single crystal substrate grown under the condition of a V / III ratio of 1250. As shown in the drawing, (0001) hexagonal boron nitride is grown on a (0001) sapphire single crystal substrate. In the hexagonal boron nitride region, the structure was confirmed to grow in layers by sp2 bonding, and the lattice constant determined from the spacing between the layers was 6.666. Therefore, from FIG. 9, it was confirmed that a hexagonal boron nitride structure was formed.

同様に、気相成長におけるIII族原料として、トリメチルボロン、ジボラン、三塩化ホウ素、または三フッ化ホウ素を用いた場合でも、V族原料であるアンモニアのモル流量とIII族原料のモル流量との間のV/III比が1000以上の条件で窒化ホウ素を気相成長させることにより、(0001)サファイア単結晶基板上に六方晶窒化ホウ素構造が形成された。   Similarly, even when trimethylboron, diborane, boron trichloride, or boron trifluoride is used as the group III material in the vapor phase growth, the molar flow rate of the ammonia that is the group V material and the molar flow rate of the group III material A hexagonal boron nitride structure was formed on the (0001) sapphire single crystal substrate by vapor-phase growth of boron nitride under the condition that the V / III ratio was 1000 or more.

上述した実施例は、(0001)サファイア単結晶基板上の(0001)六方晶窒化ホウ素構造に関するものである。(0001)サファイア単結晶基板と(0001)六方晶窒化ホウ素のa軸方向の格子不整合は、前述したように、47%と極めて大きい。結晶成長においては、基板と基板上の薄膜との間の格子不整合が小さい場合、より高品質な薄膜構造が成長する。(11−20)面サファイア単結晶基板と六方晶窒化ホウ素のa軸方向の格子不整合は5%であり、(0001)面サファイア単結晶基板と六方晶窒化ホウ素のa軸方向の格子不整合47%と比較して、極めて小さい。(0001)サファイア単結晶基板と同様に、(11−20)面サファイア単結晶基板においても、気相成長におけるIII族原料としてトリエチルボロン、トリメチルボロン、ジボラン、三塩化ホウ素、または三フッ化ホウ素を用いた場合、V族原料であるアンモニアのモル流量とIII族原料のモル流量との間のV/III比が1000以上の条件で窒化ホウ素を気相成長させることにより、(11−20)サファイア単結晶基板上に六方晶窒化ホウ素構造が形成された。   The embodiment described above relates to a (0001) hexagonal boron nitride structure on a (0001) sapphire single crystal substrate. As described above, the lattice mismatch in the a-axis direction between the (0001) sapphire single crystal substrate and the (0001) hexagonal boron nitride is as large as 47%. In crystal growth, if the lattice mismatch between the substrate and the thin film on the substrate is small, a higher quality thin film structure is grown. The lattice mismatch in the a-axis direction between the (11-20) plane sapphire single crystal substrate and the hexagonal boron nitride is 5%, and the lattice mismatch in the a-axis direction between the (0001) plane sapphire single crystal substrate and the hexagonal boron nitride. Very small compared to 47%. Similar to the (0001) sapphire single crystal substrate, in the (11-20) plane sapphire single crystal substrate, triethylboron, trimethylboron, diborane, boron trichloride, or boron trifluoride is used as a group III material in vapor phase growth. When used, (11-20) sapphire is obtained by vapor-phase-growing boron nitride under the condition that the V / III ratio between the molar flow rate of ammonia as a group V raw material and the molar flow rate of the group III raw material is 1000 or more. A hexagonal boron nitride structure was formed on the single crystal substrate.

また、同様に(1−102)面サファイア単結晶基板と六方晶窒化ホウ素のa軸方向の格子不整合は9%であり、(0001)面サファイア単結晶基板と六方晶窒化ホウ素のa軸方向の格子不整合47%と比較して、極めて小さい。(0001)サファイア単結晶基板と同様に、(1−102)面サファイア単結晶基板においても、気相成長におけるIII族原料としてトリエチルボロン、トリメチルボロン、ジボラン、三塩化ホウ素、または三フッ化ホウ素を用いた場合、V族原料であるアンモニアのモル流量とIII族原料のモル流量との間のV/III比が1000以上の条件で窒化ホウ素を気相成長させることにより、(1−102)面サファイア単結晶基板上に六方晶窒化ホウ素構造が形成された。   Similarly, the lattice mismatch in the a-axis direction between the (1-102) plane sapphire single crystal substrate and the hexagonal boron nitride is 9%, and the (0001) plane sapphire single crystal substrate and the hexagonal boron nitride in the a-axis direction. Compared with the lattice mismatch of 47%, it is extremely small. Similar to the (0001) sapphire single crystal substrate, in the (1-102) plane sapphire single crystal substrate, triethylboron, trimethylboron, diborane, boron trichloride, or boron trifluoride is used as a group III material in vapor phase growth. When used, the vapor phase growth of boron nitride under the condition that the V / III ratio between the molar flow rate of ammonia, which is a Group V raw material, and the molar flow rate of the Group III raw material is 1000 or more, results in (1-102) plane. A hexagonal boron nitride structure was formed on the sapphire single crystal substrate.

このように、本発明によると、(11−20)面サファイア単結晶基板、および(1−102)面サファイア単結晶基板上にも、六方晶窒化ホウ素構造を形成することができる。   Thus, according to the present invention, a hexagonal boron nitride structure can also be formed on a (11-20) plane sapphire single crystal substrate and a (1-102) plane sapphire single crystal substrate.

従来技術によりNi(111)基板上に成長させた六方晶窒化ホウ素構造の電子顕微鏡像である。It is an electron microscope image of a hexagonal boron nitride structure grown on a Ni (111) substrate by a conventional technique. 従来技術により6H−SiC基板上に成長させた乱層窒化ホウ素構造の電子顕微鏡像である。It is an electron microscope image of the turbulent boron nitride structure grown on the 6H-SiC substrate by a conventional technique. 従来技術によりサファイア基板上に成長させた乱層窒化ホウ素のc軸格子定数の成長温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the growth temperature dependence of the c-axis lattice constant of the turbostratic boron nitride grown on the sapphire substrate by the prior art. 本発明の一実施形態に係るサファイア単結晶基板上の六方晶窒化ホウ素構造を示す図である。It is a figure which shows the hexagonal boron nitride structure on the sapphire single crystal substrate which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る六方晶窒化ホウ素構造の製造装置を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing apparatus of the hexagonal boron nitride structure which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るサファイア単結晶基板上にV/III比630で成長させた乱層窒化ホウ素のX線回折測定結果を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction measurement result of the turbulent layer boron nitride grown by the V / III ratio 630 on the sapphire single-crystal board | substrate which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るサファイア単結晶基板上にV/III比1250で成長させた六方晶窒化ホウ素のX線回折測定結果を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction measurement result of the hexagonal boron nitride grown by the V / III ratio 1250 on the sapphire single crystal substrate which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るサファイア単結晶基板上に成長させた窒化ホウ素のc軸格子定数のV/III比依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the V / III ratio dependence of the c-axis lattice constant of the boron nitride grown on the sapphire single crystal substrate which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るによるサファイア単結晶基板上の六方晶窒化ホウ素構造の電子顕微鏡像である。4 is an electron microscopic image of a hexagonal boron nitride structure on a sapphire single crystal substrate according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

41 サファイア基板
42 六方晶窒化ホウ素
51 有機金属ガスライン
52 アンモニアガスライン
53 ベントライン
54a、54b、54c、54d バルブ
55 水素キャリアガス
56、57 貯蔵容器
58 反応炉
59 基板加熱ヒーター
41 Sapphire substrate 42 Hexagonal boron nitride 51 Organometallic gas line 52 Ammonia gas line 53 Vent line 54a, 54b, 54c, 54d Valve 55 Hydrogen carrier gas 56, 57 Storage vessel 58 Reactor 59 Substrate heater

Claims (7)

サファイア単結晶基板と、該基板上に形成された単結晶六方晶窒化ホウ素を有することを特徴とする六方晶窒化ホウ素構造。   A hexagonal boron nitride structure comprising a sapphire single crystal substrate and a single crystal hexagonal boron nitride formed on the substrate. 前記基板の主方位面が、(0001)面であることを特徴とする請求項1に記載の六方晶窒化ホウ素構造。   The hexagonal boron nitride structure according to claim 1, wherein a main orientation plane of the substrate is a (0001) plane. 前記基板の主方位面が、(11−20)面であることを特徴とする請求項1に記載の六方晶窒化ホウ素構造。   The hexagonal boron nitride structure according to claim 1, wherein a main orientation plane of the substrate is a (11-20) plane. 前記基板の主方位面が、(1−102)面であることを特徴とする請求項1に記載の六方晶窒化ホウ素構造。   The hexagonal boron nitride structure according to claim 1, wherein a main orientation plane of the substrate is a (1-102) plane. 前記単結晶六方晶窒化ホウ素の主方位面が、(0001)面であることを特徴とする請求項1に記載の六方晶窒化ホウ素構造。   The hexagonal boron nitride structure according to claim 1, wherein a main orientation plane of the single crystal hexagonal boron nitride is a (0001) plane. V族原料であるアンモニアと、III族原料であるトリエチルボロン、トリメチルボロン、ジラボン、三塩化ホウ素、または三フッ化ホウ素とを用いる気相成長法により、サファイア単結晶基板上に単結晶六方晶窒化ホウ素を形成することを特徴とする六方晶窒化ホウ素の製造方法。   Single crystal hexagonal nitridation on a sapphire single crystal substrate by vapor phase growth method using group V source ammonia and group III source triethyl boron, trimethyl boron, dilabone, boron trichloride, or boron trifluoride A method for producing hexagonal boron nitride, characterized by forming boron. 前記V族原料であるアンモニアのモル流量と、前記III族原料であるトリエチルボロン、トリメチルボロン、ジボラン、三塩化ホウ素、または三フッ化ホウ素のモル流量との間のV/III比が、1000以上であることを特徴とする請求項6に記載の六方晶窒化ホウ素の製造方法。   The V / III ratio between the molar flow rate of the group V raw material ammonia and the molar flow rate of the group III raw material triethylboron, trimethylboron, diborane, boron trichloride, or boron trifluoride is 1000 or more. The method for producing hexagonal boron nitride according to claim 6.
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