JPH09227298A - Carbon nitride single crystal film - Google Patents

Carbon nitride single crystal film

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JPH09227298A
JPH09227298A JP3607596A JP3607596A JPH09227298A JP H09227298 A JPH09227298 A JP H09227298A JP 3607596 A JP3607596 A JP 3607596A JP 3607596 A JP3607596 A JP 3607596A JP H09227298 A JPH09227298 A JP H09227298A
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慶春 内海
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a carbon nitride single crystal film having excellent crystallinity useful as tools, wear resistant parts, etc., by forming a single crystal film of AlN, etc., as an intermediate layer on a single crystal substrate, and forming the carbon nitride single crystal film having a specified crystalline structure thereon. SOLUTION: The single crystal film 2 of a solid soln. consisting of hexagonal gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, hexagonal silicon carbide, zinc oxide or materials consisting of >=2 kinds thereof is formed as the intermediate layer on the single crystal substrate 1. The carbon nitride single crystal film 3 which has a crystalline structure of β-Si3 N4 type or α-Si3 N4 type and is expressed by the chemical formula C3 N4 is formed on the single crystal film 2. The single crystal film 2 of the intermediate layer is preferably so formed that the (0001) face parallels with the substrate face of the single crystal substrate 1 and that the (0001) face of the carbon nitride single crystal film 3 parallels with the (0001) face of the single crystal film 2. The resulted carbon nitride single crystal film 3 has the excellent crystallinity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は工具、耐摩部品、高
熱伝導率ヒートシンク、高温動作素子、耐環境素子、発
光素子などに利用される窒化炭素膜に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon nitride film used for tools, wear resistant parts, high thermal conductivity heat sinks, high temperature operating devices, environment resistant devices, light emitting devices and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】これまで物質中最高の硬度を有する物質
としてダイヤモンドが知られていたが、1989年Cohenら
は窒化炭素β-C3N4がダイヤモンドを越える超硬度物質
であることを計算機実験により予測した。β-C3N4はsp3
混成軌道によるC-N結合を持ちβ-Si3N4型の結晶構造を
有する新物質である。同様にα-Si3N4型の結晶構造を有
するα-C3N4もダイヤモンドを越える超高硬度物質であ
ることが予想される。Cohenらによる計算機予測以来、
結晶質の窒化炭素すなわちβ-C3N4あるいはα-C3N4の薄
膜を合成する試みが盛んに行われているが、そのほとん
どはアモルファス状であり結晶質の薄膜が得られた例は
ほとんどない。結晶質の窒化炭素薄膜を合成する方法と
しては、例えばUS005110679Aにおいてスパッタ法を用い
る方法が提案されている。これは窒素を含む雰囲気ガス
中でグラファイトターゲットをスパッタリングするもの
で、Si(100)単結晶基板上にβ-C3N4の薄膜をGe(111)単
結晶基板上にα-C3N4の薄膜を形成している。
2. Description of the Related Art Diamond has been known as a material having the highest hardness among the materials, but in 1989, Cohen et al. Calculated that carbon nitride β-C 3 N 4 is a superhard material that exceeds diamond. Predicted by. β-C 3 N 4 is sp3
It is a new substance having a β-Si 3 N 4 type crystal structure with a CN bond by a hybrid orbital. Similarly, α-C 3 N 4 having an α-Si 3 N 4 type crystal structure is also expected to be an ultra-hard material exceeding diamond. Since computer prediction by Cohen et al.
Many attempts have been made to synthesize a thin film of crystalline carbon nitride, that is, β-C 3 N 4 or α-C 3 N 4 , but most of them were amorphous and crystalline thin films were obtained. Almost never. As a method for synthesizing a crystalline carbon nitride thin film, for example, a method using a sputtering method has been proposed in US005110679A. In this method, a graphite target is sputtered in an atmosphere gas containing nitrogen.A thin film of β-C 3 N 4 is deposited on a Si (100) single crystal substrate and α-C 3 N 4 is deposited on a Ge (111) single crystal substrate. Forming a thin film of.

【0003】また、WO95/02709においてはレーザーアブ
レーションを用いる方法が提案されている。これは基板
上 にグラファイトターゲットのレーザーアブレーショ
ンによりC原子を、RFプラズマにより形成した原子状窒
素ビームによりN原子を供給する方法で、Si(100)単結晶
基板および多結晶Ni基板上にβ-C3N4の薄膜を形成して
いる。また、Dong.Liらはスパッタ法を用い、Si基板上
およびM2スチール上にβ-C3N4とTiNの積層膜を作成して
いる(Appl.Phys.Lett.,67(2),203(1995))。これはTiN
とC3N4の超薄膜を交互に積層したものであり、TiN(111)
面の原子配列周期の2倍とβ-C3N4(0001) 面の原子配列
周期の格子ミスマッチが約7%と小さいことを利用してC
3N4層をβ型結晶にすることに成功している。
Further, in WO95 / 02709, a method using laser ablation is proposed. This is a method of supplying C atoms by laser ablation of a graphite target on the substrate and N atoms by an atomic nitrogen beam formed by RF plasma, and β-C on Si (100) single crystal substrate and polycrystalline Ni substrate. A thin film of 3 N 4 is formed. In addition, Dong.Li et al. Created a laminated film of β-C 3 N 4 and TiN on a Si substrate and M 2 steel by using the sputtering method (Appl.Phys.Lett., 67 (2), 203 (1995)). This is TiN
And C 3 N 4 ultra-thin films are alternately laminated, and TiN (111)
By taking advantage of the fact that the lattice mismatch of the atomic arrangement period of β-C 3 N 4 (0001) is twice as small as about 7%,
We have succeeded in converting the 3 N 4 layer into a β-type crystal.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】β-C3N4あるいはα-C3
N4をその超高硬度を利用して工具や耐摩部品として使用
する場合、あるいは高熱伝導率を利用してヒートシンク
として利用する場合、最高の性能を発揮するには結晶性
が良好であること、できれば結晶粒界の存在しない単結
晶であることが望ましい。また発光素子や高温動作素子
などの半導体材料として使用する場合においては、基板
上に単結晶膜を合成可能なことが必須となる。しかしな
がら、前記した従来技術において得られる窒化炭素膜は
すべて多結晶膜であり、単結晶膜を得るための方法につ
いては述べられていない。
[Problems to be Solved by the Invention] β-C 3 N 4 or α-C 3
When N 4 is used as a tool or wear resistant part by utilizing its ultra-high hardness, or when it is used as a heat sink by utilizing high thermal conductivity, it must have good crystallinity for the best performance. If possible, a single crystal having no grain boundaries is desirable. Further, when it is used as a semiconductor material for a light emitting device or a high temperature operating device, it is essential that a single crystal film can be synthesized on a substrate. However, all the carbon nitride films obtained in the above-mentioned prior art are polycrystalline films, and no method for obtaining a single crystal film is described.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明はβ-C3N4および
α-C3N4の(0001)面と格子整合性の良好な六方晶炭化硅
素(h-SiC)単結晶、酸化亜鉛(ZnO)単結晶の(0001)
面、酸化マグネシウム(MgO)単結晶の(111)面を基板と
して使用し、その上にβ-C3N4あるいはα-C3N4を成長さ
せることにより、窒化炭素の単結晶膜を得ることを実現
したものである。また、単結晶基板上にβ-C3N4および
α-C3N4と格子整合性の良好な六方晶窒化ガリウム(h-G
aN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(In
N)、六方晶炭化硅素(h-SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、あ
るいはこれらのなかの2種類以上の物質からなる固溶
体、立方晶窒化ガリウム(c-GaN)、立方晶炭化硅素(c
-SiC)、窒化チタニウム(TiN)、酸化マグネシウム(M
gO)あるいはこれらのなかの2種類以上の物質からなる
固溶体の単結晶膜を形成し、その上にβ-C3N4あるいは
α-C3N4を成長させることにより、窒化炭素の単結晶膜
を得ることを実現したものである。
The present invention provides a hexagonal silicon carbide (h-SiC) single crystal having good lattice matching with the (0001) planes of β-C 3 N 4 and α-C 3 N 4 , and oxidation. Zinc (ZnO) single crystal (0001)
Plane, a (111) plane of magnesium oxide (MgO) single crystal is used as a substrate, and a β-C 3 N 4 or α-C 3 N 4 is grown on it to obtain a carbon nitride single crystal film That is what was realized. In addition, hexagonal gallium nitride (hG) with good lattice matching with β-C 3 N 4 and α-C 3 N 4 on a single crystal substrate
aN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (In
N), hexagonal silicon carbide (h-SiC), zinc oxide (ZnO), or a solid solution of two or more of these substances, cubic gallium nitride (c-GaN), cubic silicon carbide (c)
-SiC), titanium nitride (TiN), magnesium oxide (M
gO) or a solid solution single crystal film consisting of two or more of these substances and growing β-C 3 N 4 or α-C 3 N 4 on it to grow a carbon nitride single crystal. It was realized to obtain a film.

【0006】一般に単結晶膜を成長させる方法として、
同じ物質の単結晶を基板として使用しその上に単結晶膜
を成長させるホモエピタキシャル成長がよく用いられて
いるが、窒化物のように基板として使用可能な大型の単
結晶が合成できない場合には、異種物質を基板として使
用しその上に単結晶膜を成長させるヘテロエピタキシャ
ル成長が用いられる。窒化炭素も大型の単結晶が合成で
きないためヘテロエピタキシャル成長により単結晶膜を
合成する方法が考えられる。発明者らは窒化炭素単結晶
膜をヘテロエピタキシャル成長により成長させるための
下地について検討、実験を重ねた結果、以下に示す材料
が窒化炭素単結晶膜を成長させる下地として優れている
ことを見い出した。
Generally, as a method for growing a single crystal film,
Although homoepitaxial growth is often used in which a single crystal of the same substance is used as a substrate and a single crystal film is grown on it, when a large single crystal that can be used as a substrate such as nitride cannot be synthesized, Heteroepitaxial growth is used in which a different material is used as a substrate and a single crystal film is grown thereon. Since carbon nitride cannot also synthesize a large single crystal, a method of synthesizing a single crystal film by heteroepitaxial growth can be considered. As a result of repeated studies and experiments on a base for growing a carbon nitride single crystal film by heteroepitaxial growth, the inventors have found that the following materials are excellent as a base for growing a carbon nitride single crystal film.

【0007】1)h-GaN、AlN、InN、h-SiC、ZnO、およ
びこれらのなかの2種類以上の物質からなる固溶体。 2)c-GaN、c-SiC、TiN、MgOあるいはこれらのなかの2
種類以上の物質からなる固溶体。 一般にヘテロエピ成長により単結晶膜を形成するための
基板の条件としては、(a)基板と膜の界面において基
板と膜の原子配列周期の回転対称性が同じであること、
および(b)基板の原子配列周期と膜の原子配列周期の
差が非常に小さいことすなわち格子ミスマッチが小さい
ことが重要となる。1)に示した材料は窒化炭素(β-C
3N4、α-C3N4)と同様に六方晶系の結晶構造を有し、そ
の(0001)面はβ-C3N4、α-C3N4の(0001)面と同じ3回対
称の原子配列を有している。2)に示した材料は立方晶
系の結晶構造を有し、その(111)面はβ-C3N4、α-C3N4
の(0001)面と同じ3回対称の原子配列を有している。つ
まり、1)、2)の材料はすべて前記したヘテロエピ成
長の条件の(a)を満たしている。
1) A solid solution composed of h-GaN, AlN, InN, h-SiC, ZnO, and two or more kinds of these substances. 2) c-GaN, c-SiC, TiN, MgO or 2 of these
Solid solution consisting of more than one type of substance. Generally, the substrate conditions for forming a single crystal film by heteroepitaxial growth are (a) that the rotational symmetry of the atomic arrangement period of the substrate and the film is the same at the interface between the substrate and the film,
And (b) It is important that the difference between the atomic arrangement period of the substrate and the atomic arrangement period of the film is very small, that is, the lattice mismatch is small. The material shown in 1) is carbon nitride (β-C
3 N 4 , α-C 3 N 4 ) has a hexagonal crystal structure, and its (0001) plane is the same as the (0001) plane of β-C 3 N 4 , α-C 3 N 4. It has an atomic arrangement with 3-fold symmetry. The material shown in 2) has a cubic crystal structure, the (111) plane of which is β-C 3 N 4 , α-C 3 N 4
It has the same three-dimensional symmetry as the (0001) plane. That is, all of the materials 1) and 2) satisfy the above-mentioned condition (a) for heteroepitaxial growth.

【0008】1)の材料の(0001)面の原子配列周期の2
倍とβ-C3N4、α-C3N4の(0001)面の原子配列周期との格
子ミスマッチを表1に示す。同様に2)の材料の(111)
面の原子配列周期の2倍とβ-C3N4、α-C3N4の(0001)面
の原子配列周期との格子ミスマッチを表2に示す。表
1、2から明らかなように、1)、2)の材料はいずれ
も原子配列周期の2倍とβ-C3N4、α-C3N4の(0001)面と
の格子ミスマッチが小さく前記した(b)の条件を満た
している。
The atomic arrangement period of the (0001) plane of the material 1) is 2
Table 1 shows the lattice mismatch between the atomic number and the atomic arrangement period of the (0001) plane of β-C 3 N 4 and α-C 3 N 4 . Similarly (2) material (111)
Table 2 shows the lattice mismatch between twice the atomic arrangement period of the plane and the atomic arrangement period of the (0001) plane of β-C 3 N 4 and α-C 3 N 4 . As is clear from Tables 1 and 2, the materials 1) and 2) both have a double atomic arrangement period and a lattice mismatch between β-C 3 N 4 and α-C 3 N 4 (0001) planes. It satisfies the condition (b) described above.

【0009】[0009]

【表1】 [Table 1]

【0010】[0010]

【表2】 [Table 2]

【0011】したがって、1)の材料の単結晶の(0001)
面上にβ-C3N4、α-C3N4を成長させれば(0001)面どうし
が平行になるようにエピタキシャル成長し単結晶膜が得
られる。また、2)の材料の単結晶の(111)面上にβ-C3
N4、α-C3N4を成長させれば(111)面と(0001)面が平行に
なるようにエピタキシャル成長し単結晶膜が得られる。
1)に含まれる六方晶炭化硅素(h-SiC)には、2H-Si
C、4H-SiC、6H-SiCのポリタイプが存在するが、(0001)
面の原子配列周期はすべて同じであるため、すべて本発
明に使用することができる。
Therefore, the single crystal (0001) of the material 1)
If β-C 3 N 4 and α-C 3 N 4 are grown on the plane, a single crystal film is obtained by epitaxial growth so that the (0001) planes are parallel to each other. Also, β-C 3 on the (111) plane of the single crystal of the material of 2)
If N 4 and α-C 3 N 4 are grown, a single crystal film is obtained by epitaxial growth so that the (111) plane and the (0001) plane are parallel to each other.
The hexagonal silicon carbide (h-SiC) contained in 1) contains 2H-Si.
There are polytypes of C, 4H-SiC, 6H-SiC, but (0001)
Since all the atomic arrangement periods of the plane are the same, they can all be used in the present invention.

【0012】1)のなかでもInNとh-GaNの固溶体である
InxGa(1-x)NおよびInNとAlNの固溶体であるInxAl(1-x)N
およびInNとSiCの固溶体である(InN)x(SiC)(1-x)は最適
な組成を選択することにより窒化炭素との格子ミスマッ
チを0にすることができ、結晶性の良好な膜が得られる
ため特に望ましい。理論的にInxGa(1-x)Nではx=0.087に
てβ-C3N4との格子ミスマッチが0になり、x=0.340にて
α-C3N4との格子ミスマッチが0になるため、これらの組
成のInxGa(1-x)N上に窒化炭素を成長させるのが最も望
ましいが、β-C3N4を成長させる場合にはx=0.001〜0.2
3、α-C3N4を成長させる場合にはx=0.19〜0.48の範囲の
ものを使用すれば十分結晶性の良好な窒化炭素単結晶膜
が成長可能である。
Among 1), it is a solid solution of InN and h-GaN.
In x Ga (1-x) N and In x Al (1-x) N, which is a solid solution of InN and AlN
And (InN) x (SiC) (1-x), which is a solid solution of InN and SiC, makes it possible to reduce the lattice mismatch with carbon nitride to 0 by selecting the optimum composition, and a film with good crystallinity can be obtained. It is particularly desirable because it can be obtained. Theoretically, for In x Ga (1-x) N, the lattice mismatch with β-C 3 N 4 is 0 at x = 0.087, and the lattice mismatch with α-C 3 N 4 is 0 at x = 0.340. Therefore, it is most desirable to grow carbon nitride on In x Ga (1-x) N having these compositions, but when growing β-C 3 N 4 , x = 0.001 to 0.2.
3. When growing α-C 3 N 4 , a carbon nitride single crystal film having sufficiently good crystallinity can be grown if x = 0.19 to 0.48 is used.

【0013】同様に、InxAl(1-x)Nではx=0.251でβ-C3N
4との、x=0.459でα-C3N4との格子ミスマッチが0になる
ため、これらの組成を使用することが最も望ましいが、
β-C3N4を成長させる場合にはx=0.13〜0.37、α-C3N4
成長させる場合にはx=0.34〜0.57の範囲のものを使用す
れば十分結晶性の良好な窒化炭素単結晶膜が成長可能で
ある。同様に、(InN)x(SiC)(1-x)ではx=0.300でβ-C3N4
との、x=0.494でα-C3N4との格子ミスマッチが0になる
ため、これらの組成を使用することが最も望ましいが、
β-C3N4を成長させる場合にはx=0.19〜0.41、α-C3N4
成長させる場合にはx=0.38〜0.60の範囲のものを使用す
れば十分結晶性の良好な窒化炭素単結晶膜が成長可能で
ある。
Similarly, for In x Al (1-x) N, β-C 3 N at x = 0.251
With 4, the lattice mismatch with alpha-C 3 N 4 with x = 0.459 is 0, it is most desirable to use these compositions,
When β-C 3 N 4 is grown, x = 0.13 to 0.37 is used, and when α-C 3 N 4 is grown, x = 0.34 to 0.57 is used. A carbon single crystal film can be grown. Similarly, in (InN) x (SiC) (1-x) , x = 0.300 and β-C 3 N 4
, The lattice mismatch with α-C 3 N 4 is 0 at x = 0.494, so it is most desirable to use these compositions,
When β-C 3 N 4 is grown, x = 0.19 to 0.41 is used, and when α-C 3 N 4 is grown, x = 0.38 to 0.60 is used. A carbon single crystal film can be grown.

【0014】以上に挙げた組合せに限らずIn-Ga-Al-Nな
どの元素系でも組成比を適当に調節する事により、α及
びβのC3N4を成長させることができる。この組合せは本
発明で記載する全ての基材料から選択できる。本発明に
おいては1)、2)に示した物質のバルクの単結晶を基
板として用いその上に窒化炭素単結晶膜を成長させるこ
とが良好な結晶性の窒化炭素単結晶膜が得られるためも
っとも望ましいが、単結晶基板上に1)、2)に示した
物質の単結晶膜を中間層として形成し、その上に窒化炭
素単結晶膜を成長させても良い。1)、2)の物質のう
ちh-SiC、ZnO、MgOなどは比較的大型のバルクの単結晶
が入手可能であるが、これ以外の物質は大型の単結晶を
入手することが困難なため、単結晶基板上に中間層とし
て成長させた形で用いることが望ましい。中間層の厚さ
は1nm以上1μm以下が適当な範囲である。これ以上薄い
と中間層が無いのと同等であり、厚いと中間層自体に歪
みや欠陥が発生し、その上に形成するC3N4の結晶性を低
下させる。
Not only the above-mentioned combinations but also elemental systems such as In-Ga-Al-N can grow C 3 N 4 of α and β by appropriately adjusting the composition ratio. This combination can be selected from all the base materials described in this invention. In the present invention, it is most preferable to use a bulk single crystal of the substance shown in 1) or 2) as a substrate and to grow a carbon nitride single crystal film on it as a crystalline carbon nitride single crystal film. Although it is desirable, a single crystal film of the substance shown in 1) or 2) may be formed as an intermediate layer on a single crystal substrate, and a carbon nitride single crystal film may be grown thereon. Of the substances 1) and 2), h-SiC, ZnO, MgO, etc. are available as bulky single crystals, but other substances are difficult to obtain. It is desirable to use it in the form of being grown as an intermediate layer on a single crystal substrate. The suitable thickness of the intermediate layer is 1 nm or more and 1 μm or less. If it is thinner than this, it is equivalent to the absence of an intermediate layer, and if it is thicker, distortions and defects occur in the intermediate layer itself, and the crystallinity of C 3 N 4 formed thereon deteriorates.

【0015】単結晶基板上に1)、2)の物質の単結晶
膜を成長させる場合、単結晶基板としては、例えばサフ
ァイア、h-SiC、ZnOの(0001)面、c-SiC、ダイヤモン
ド、Si、BN、MgOの(111)面などを用いることが出来る。
これらの単結晶基板上に1)、2)の物質の単結晶膜を
成長させるための合成方法としては、熱CVD法、プラズ
マCVD法、スパッタ法、イオンプレーティング法、反応
性蒸着法、MBE法、レーザーアブレーション法などの公
知の方法を用いることが出来る。単結晶基板上にGaN、A
lN、InNあるいはこれらの固溶体の単結晶膜を成長させ
る場合には、結晶性、表面の平滑性に優れた膜を成長さ
せるために、まず単結晶基板上にこれらの物質の低温成
長バッファー層を形成し、その上に基板温度を上げて単
結晶膜を成長させる方法を用いることもできる。
When a single crystal film of the substances 1) and 2) is grown on a single crystal substrate, the single crystal substrate may be, for example, sapphire, h-SiC, ZnO (0001) plane, c-SiC, diamond, The (111) plane of Si, BN, MgO, etc. can be used.
As a synthesis method for growing a single crystal film of the substances 1) and 2) on these single crystal substrates, there are thermal CVD method, plasma CVD method, sputtering method, ion plating method, reactive vapor deposition method, MBE method. A known method such as a method or a laser ablation method can be used. GaN, A on single crystal substrate
When growing a single crystal film of lN, InN, or a solid solution of these, in order to grow a film with excellent crystallinity and surface smoothness, a low temperature growth buffer layer of these substances is first formed on the single crystal substrate. It is also possible to use a method in which a single crystal film is grown by growing the single crystal film on the substrate.

【0016】1)、2)の物質の単結晶基板上、あるい
は単結晶基板上に中間層として形成した1)、2)の物
質の単結晶膜上に窒化炭素単結晶膜を成長させるための
合成方法としては、熱CVD法、プラズマCVD法、レーザー
CVD法、スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオン
プレーティング法、反応性蒸着法、MBE法、レーザーア
ブレーション法などの公知の方法を用いることが出来
る。いずれの合成法においても窒化炭素単結晶膜を成長
させるためには基板を高温に加熱する必要があり、その
温度は合成手法によって異なるが、600℃から2000℃で
ある。
For growing a carbon nitride single crystal film on the single crystal substrate of the substances 1) and 2) or on the single crystal film of the substances 1) and 2) formed as an intermediate layer on the single crystal substrate. As the synthesis method, thermal CVD method, plasma CVD method, laser
Known methods such as the CVD method, the sputtering method, the ion beam sputtering method, the ion plating method, the reactive vapor deposition method, the MBE method, and the laser ablation method can be used. In any of the synthesis methods, it is necessary to heat the substrate to a high temperature in order to grow the carbon nitride single crystal film, and the temperature is 600 ° C to 2000 ° C, though it depends on the synthesis method.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図4は熱CVD装置を、図5はプラ
ズマCVD装置を、図6はレーザーCVD装置を示している。
熱CVD装置では熱により原料ガスを分解し、基板上に窒
化炭素を成長させる。図4では高周波で基板の加熱を行
っているが、基板加熱の方法として抵抗加熱、赤外線加
熱なども用いることができる。プラズマCVD装置ではプ
ラズマにより原料ガスを分解する。図5は高周波(RF)
プラズマCVD装置を示しているが、DCプラズマCVD装置、
ECRプラズマCVD装置、μ波プラズマCVD装置などのプラ
ズマCVD装置も使用することができる。図6はレーザーC
VD装置を示している。レーザCVD装置ではレーザー光に
より原料ガスを分解する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 4 shows a thermal CVD apparatus, FIG. 5 shows a plasma CVD apparatus, and FIG. 6 shows a laser CVD apparatus.
In the thermal CVD device, the raw material gas is decomposed by heat to grow carbon nitride on the substrate. Although the substrate is heated at a high frequency in FIG. 4, resistance heating, infrared heating, or the like can be used as a method for heating the substrate. In a plasma CVD device, raw material gas is decomposed by plasma. Figure 5 shows high frequency (RF)
Although a plasma CVD device is shown, a DC plasma CVD device,
A plasma CVD apparatus such as an ECR plasma CVD apparatus or a μ wave plasma CVD apparatus can also be used. Figure 6 shows Laser C
5 shows a VD device. In a laser CVD device, a source gas is decomposed by laser light.

【0018】図7はRFスパッタ装置を示している。スパ
ッタ法としてはDCスパッタも使用することができる。図
8はイオンビームスパッタ装置を示している。50のイ
オン源によりターゲットをスパッタしながら、42のイ
オン源により基板に窒素元素を含むイオンを照射して基
板上に窒化炭素膜を成長させる。イオン源としてはECR
イオン源、RFイオン源、カーフマン型イオン源などのイ
オン源を用いることができる。
FIG. 7 shows an RF sputtering device. DC sputtering can also be used as the sputtering method. FIG. 8 shows an ion beam sputtering apparatus. While the target is sputtered by the ion source of 50, the substrate is irradiated with ions containing a nitrogen element by the ion source of 42 to grow a carbon nitride film on the substrate. ECR as an ion source
An ion source such as an ion source, an RF ion source, or a Kalfman type ion source can be used.

【0019】図9はイオンプレーティング装置を示して
いる。図9は高周波型の装置を示しているが、直流型の
装置も使用できる。原料を蒸発させる蒸発源としては、
図9に示した電子ビームを用いる方法以外にも、抵抗加
熱や高周波加熱も用いることができる。
FIG. 9 shows an ion plating device. Although FIG. 9 shows a high frequency type device, a direct current type device can also be used. As an evaporation source for evaporating raw materials,
Besides the method using the electron beam shown in FIG. 9, resistance heating or high frequency heating can also be used.

【0020】図10は反応性蒸着法に用いる真空蒸着装
置を示している。C原料を電子ビームにより蒸発させ、
ガスとして供給したN原料と基板上で反応させて窒化炭
素膜を成長させる。
FIG. 10 shows a vacuum vapor deposition apparatus used in the reactive vapor deposition method. Evaporate C raw material by electron beam,
A carbon nitride film is grown by reacting with the N source material supplied as a gas on the substrate.

【0021】図11はMBE装置を示している。C蒸発源と
しては電子ビーム蒸発源、クヌーセンセルなどを用い
る、N源としてはECRイオン源、RFイオン源、カーフマン
型イオン源などのイオン源を用いるか、N元素を含むガ
スをイオン源を用いずに直接供給する。
FIG. 11 shows an MBE device. An electron beam evaporation source, a Knudsen cell, or the like is used as the C evaporation source, an ion source such as an ECR ion source, an RF ion source, or a Karfman type ion source is used as the N source, or a gas containing an N element is used as the ion source. Supply directly without.

【0022】図12はレーザーアブレーション装置を示
している。C源のターゲットをレーザー光でアブレーシ
ョンしながら、イオン源を用いて基板上に窒素元素を含
むイオンを供給する。イオン源としてはECRイオン源、R
Fイオン源、カーフマン型イオン源などのイオン源を用
いることができる。N元素を含むガスをイオン源を用い
ずに直接供給してもよい。
FIG. 12 shows a laser ablation device. While ablating the target of the C source with laser light, ions containing a nitrogen element are supplied onto the substrate using an ion source. ECR ion source, R as ion source
An ion source such as an F ion source or a Kalfman type ion source can be used. The gas containing the N element may be directly supplied without using the ion source.

【0023】熱CVD法、プラズマCVD法、レーザーCVD法
などのCVD法では、C原料としてCH4、C2H6、C3H8などの
炭化水素を、N原料としてN2、NH3などを使用することが
できる。プラズマCVDでは、RFプラズマ、μ波プラズ
マ、ECRプラズマなどのプラズマを使用することができ
る。スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレ
ーティング法、反応性蒸着法、MBE法、レーザーアブレ
ーション法ではグラファイトなどの炭素固体をC原料と
して使用し、N2、NH3などをN原料として使用する。この
ようにして合成した窒化炭素は単結晶膜であるため、多
結晶膜のように極めて多数の粒界や欠陥を含むことがな
く非常に結晶性に優れるため、超高硬度、高熱伝導率と
いったC3N4固有の特性を最大限に活かすことができ、工
具、耐摩耗部品、高熱伝導率ヒートシンクとして優れた
特性を示す。
In CVD methods such as thermal CVD method, plasma CVD method and laser CVD method, hydrocarbons such as CH 4 , C 2 H 6 and C 3 H 8 are used as C raw materials, and N 2 and NH 3 are used as N raw materials. Can be used. Plasma such as RF plasma, μ wave plasma, and ECR plasma can be used in plasma CVD. In the sputtering method, the ion beam sputtering method, the ion plating method, the reactive vapor deposition method, the MBE method, and the laser ablation method, carbon solid such as graphite is used as the C raw material, and N 2 , NH 3 and the like are used as the N raw material. Since the carbon nitride synthesized in this way is a single crystal film, it does not contain an extremely large number of grain boundaries and defects like a polycrystalline film and is extremely excellent in crystallinity. It can make the most of the unique properties of C 3 N 4 and exhibits excellent properties as a tool, wear resistant parts, and high heat conductivity heat sink.

【0024】また、本発明では基板上に結晶性に優れた
窒化炭素単結晶膜を形成できるため、適切な不純物をド
ーピングすることにより価電子制御が可能であり、発光
素子、高温動作素子、耐環境素子用の半導体として利用
することができる。このときBe、B、Mg、Al、Ca、Zn、G
aなどをドーピングすることによりp型伝導性を、O、S、
Seなどをドーピングすることによりn型伝導性を持たせ
ることができる。不純物ドーピングの方法としては、成
膜中に不純物を原料として供給するかあるいは成膜後イ
オン注入によって行うことができる。
Further, in the present invention, since a carbon nitride single crystal film having excellent crystallinity can be formed on the substrate, the valence electrons can be controlled by doping an appropriate impurity, and the light emitting element, the high temperature operation element, It can be used as a semiconductor for environmental elements. At this time, Be, B, Mg, Al, Ca, Zn, G
The p-type conductivity is improved by doping a, etc. with O, S,
N-type conductivity can be provided by doping Se or the like. The impurity doping can be performed by supplying impurities as a raw material during film formation or by ion implantation after film formation.

【0025】[0025]

【実施例】【Example】

(実施例1) 単結晶基板としてサファイア(0001)面を
使用し中間層としてh-GaN単結晶膜を成長させ、その上
に窒化炭素膜を形成した。サファイア単結晶基板を基板
洗浄し、MOCVD法(有機金属を用いたCVD法)によりh-Ga
N単結晶膜を成長させた。基板洗浄は、1)アセトンに
よる超音波洗浄、2)純水リンス、3)10%塩化水素水
溶液による洗浄、3)純水リンスの手順で行った。キャ
リアガスとしてH2を10l/minの流量で、原料としてNH3
TMG(トリメチルガリウム)をそれぞれ4.0l/min、30μm
ol/minの流量で反応室内に導入し、基板温度500℃にてh
-GaNの低温バッファー層を25nm成長させた。次に導入ガ
スはそのままで、基板温度を1000℃に上昇し、バッファ
ー層上にh-GaN膜を30分間で0.5μm成長させた。成長さ
せた薄膜はX線回折により評価したところh-GaNであるこ
と、RHEEDにより基板面に対し(0001)面が平行にエピタ
キシャル成長した単結晶膜であることが確認された。
Example 1 A sapphire (0001) plane was used as a single crystal substrate, an h-GaN single crystal film was grown as an intermediate layer, and a carbon nitride film was formed thereon. The sapphire single crystal substrate is cleaned and then h-Ga is formed by MOCVD (CVD method using organic metal).
An N single crystal film was grown. The cleaning of the substrate was performed by the steps of 1) ultrasonic cleaning with acetone, 2) rinse with pure water, 3) cleaning with 10% hydrogen chloride aqueous solution, and 3) rinse with pure water. H 2 as a carrier gas at a flow rate of 10 l / min, NH 3 as a raw material,
TMG (trimethylgallium) 4.0l / min, 30μm
It is introduced into the reaction chamber at a flow rate of ol / min and the substrate temperature is 500 ° C
-The low temperature buffer layer of GaN was grown to 25 nm. Next, with the introduced gas as it was, the substrate temperature was raised to 1000 ° C. and an h-GaN film was grown on the buffer layer for 0.5 minutes to 0.5 μm. When the grown thin film was evaluated by X-ray diffraction, it was confirmed that it was h-GaN, and by RHEED it was a single crystal film in which the (0001) plane was epitaxially grown parallel to the substrate surface.

【0026】さらにこのh-GaN単結晶膜上にスパッタ法
により窒化炭素膜を成長させた。図7に示したRFマグネ
トロンスパッタ装置を使用し、ターゲットにグラファイ
トを、成膜ガスにAr+N2ガスを用い、成膜圧力5mTorr、
N2分圧2.5mTorr、RFパワー500W、基板温度1500℃、基板
バイアス300Vとし、1時間成長させ0.2μmの膜厚を得
た。図中、カソード39の中の磁石を省略した。成膜後の
サンプルをX線回折により評価したところβ-C3N4である
ことが、RHEEDによりh-GaN(0001)面に対しβ-C3N4(000
1)面が平行に成長した単結晶膜であることが確認され
た。作成したβ-C3N4膜の硬度を微小硬度計を用いて測
定した結果、ヌープ硬度は6800kg/mm2であり気相合成ダ
イヤモンドの5000〜7000kg/mm2にほぼ匹敵する硬度を有
することが判明した。
Further, a carbon nitride film was grown on this h-GaN single crystal film by a sputtering method. Using the RF magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 7, using graphite as a target and Ar + N 2 gas as a film forming gas, film forming pressure of 5 mTorr,
The N 2 partial pressure was 2.5 mTorr, the RF power was 500 W, the substrate temperature was 1500 ° C., and the substrate bias was 300 V. In the figure, the magnet in the cathode 39 is omitted. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found that it was β-C 3 N 4 by β-C 3 N 4 (000 for the h-GaN (0001) plane by RHEED.
It was confirmed that the 1) plane was a single crystal film grown in parallel. Results The hardness of the β-C 3 N 4 film produced was measured using a micro hardness tester, Knoop hardness have a substantially comparable hardness 5000~7000kg / mm 2 of is CVD diamond is 6800kg / mm 2 There was found.

【0027】(実施例2) 単結晶基板としてサファイ
ア(0001)面を使用し中間層としてInxGa(1-x)N(x=0.1
0)単結晶膜を成長させ、その上に窒化炭素膜を形成し
た。サファイア単結晶基板を実施例1と同様に基板洗浄
し、MOCVD法によりInxGa(1-x)N単結晶膜を成長させた。
まず実施例1と同様にしてh-GaNの低温バッファー層を2
5nm成長させた。次にキャリアガスとしてN2ガスを10l/m
inの流量で、原料としてNH3、TMI(トリメチルインジウ
ム)、TMGをそれぞれ4.0l/min、35μmol/min、1.0μmol
/minの流量で反応室内に導入し、基板温度800℃にて60
分間で0.25μm成長させた。成長させた薄膜はX線回折に
より評価したところInxGa(1-x)Nであること、RHEEDによ
り基板面に対し(0001)面が平行にエピタキシャル成長し
た単結晶膜であることが確認され、SIMSによる組成分析
結果から、x=0.10なる組成を有することが確認された。
さらにこのInxGa(1-x)N単結晶膜上に実施例1と同様に
してスパッタ法により窒化炭素膜を成長させた。成膜後
のサンプルをX線回折により評価したところβ-C3N4であ
ることが、RHEEDによりInxGa(1-x)N(0001)面に対しβ-C
3N4(0001)面が平行に成長した単結晶膜であることが確
認された。
Example 2 A sapphire (0001) plane was used as a single crystal substrate, and In x Ga (1-x) N (x = 0.1 ) was used as an intermediate layer.
0) A single crystal film was grown and a carbon nitride film was formed on it. The sapphire single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 1, and an In x Ga (1-x) N single crystal film was grown by the MOCVD method.
First, the low temperature buffer layer of h-GaN was formed in the same manner as in Example 1.
It was grown to 5 nm. Next, N 2 gas as a carrier gas was 10 l / m
At a flow rate of in, NH 3 , TMI (trimethylindium), and TMG as raw materials were 4.0 l / min, 35 μmol / min, and 1.0 μmol, respectively.
It is introduced into the reaction chamber at a flow rate of / min and the substrate temperature is 800 ° C.
It was grown for 0.25 μm per minute. The grown thin film was In x Ga (1-x) N when evaluated by X-ray diffraction, and it was confirmed by RHEED that it was a single crystal film in which the (0001) plane was epitaxially grown parallel to the substrate surface. From the composition analysis result by SIMS, it was confirmed that the composition was x = 0.10.
Further, a carbon nitride film was grown on the In x Ga (1-x) N single crystal film by the sputtering method in the same manner as in Example 1. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be β-C 3 N 4 , which was confirmed by RHEED to be β-C 3 N 4 relative to the In x Ga (1-x) N (0001) plane.
It was confirmed that the 3 N 4 (0001) plane was a single crystal film grown in parallel.

【0028】(実施例3) 単結晶基板としてダイヤモ
ンド(111)面を使用し中間層としてInxGa(1-x)N(x=0.3
6)単結晶膜を成長させ、その上に窒化炭素膜を形成し
た。ダイヤモンド単結晶基板を実施例1と同様に基板洗
浄し、MOCVD法によりInxGa(1-x)N単結晶膜を成長させ
た。まず実施例1と同様にしてh-GaNの低温バッファー
層を25nm成長させた。次にキャリアガスとしてN2ガスを
10l/minの流量で、原料としてNH3、TMI(トリメチルイ
ンジウム)、TMGをそれぞれ4.0l/min、130μmol/min、
1.0μmol/minの流量で反応室内に導入し、基板温度800
℃にて120分間で0.5μm成長させた。成長させた薄膜はX
線回折により評価したところInxGa(1-x)Nであること、R
HEEDにより基板面に対し(0001)面が平行にエピタキシャ
ル成長した単結晶膜であることが確認され、SIMSによる
組成分析結果から、x=0.36なる組成を有することが確認
された。さらにこのInxGa(1-x)N単結晶膜上にスパッタ
法により窒化炭素膜を成長させた。成膜条件は基板温度
を1200℃とした以外は実施例1と同じである。1時間成
長させ0.2μmの膜厚を得た。成膜後のサンプルをX線回
折により評価したところα-C3N4であることが、RHEEDに
よりInxGa(1-x)N (0001)面に対しα-C3N4(0001)面が平
行に成長した単結晶膜であることが確認された。作成し
たα-C3N4膜の硬度を微小硬度計を用いて測定した結
果、ヌープ硬度は6400kg/mm2であり気相合成ダイヤモン
ドの5000〜7000kg/mm2にほぼ匹敵する硬度を有すること
が判明した。
Example 3 A diamond (111) plane was used as a single crystal substrate, and In x Ga (1-x) N (x = 0.3 ) was used as an intermediate layer.
6) A single crystal film was grown and a carbon nitride film was formed on it. The diamond single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 1, and an In x Ga (1-x) N single crystal film was grown by the MOCVD method. First, in the same manner as in Example 1, a low-temperature buffer layer of h-GaN was grown to 25 nm. Next, N 2 gas is used as a carrier gas.
At a flow rate of 10 l / min, NH 3 , TMI (trimethylindium), and TMG were used as raw materials at 4.0 l / min, 130 μmol / min, and
Introduced into the reaction chamber at a flow rate of 1.0 μmol / min, substrate temperature 800
0.5 μm was grown at 120 ° C. for 120 minutes. The grown thin film is X
In x Ga (1-x) N evaluated by line diffraction, R
It was confirmed by HEED that it was a single crystal film in which the (0001) plane was epitaxially grown parallel to the substrate surface, and it was confirmed from the composition analysis result by SIMS that the composition was x = 0.36. Further, a carbon nitride film was grown on the In x Ga (1-x) N single crystal film by a sputtering method. The film forming conditions were the same as in Example 1 except that the substrate temperature was 1200 ° C. It was grown for 1 hour to obtain a film thickness of 0.2 μm. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be α-C 3 N 4 , which was confirmed by RHEED to be α-C 3 N 4 (0001) for the In x Ga (1-x) N (0001) plane. It was confirmed that the surface was a single crystal film grown in parallel. Results The hardness of the α-C 3 N 4 film produced was measured using a micro hardness tester, Knoop hardness have a substantially comparable hardness 5000~7000kg / mm 2 of is CVD diamond is 6400kg / mm 2 There was found.

【0029】(実施例4) 単結晶基板としてSi(111)
面を使用し中間層としてInxAl(1-x)N(x=0.24)単結晶
膜を成長させ、その上に窒化炭素膜を形成した。Si単結
晶基板を基板洗浄し、MOCVD法によりInxAl(1-x)N単結晶
膜を成長させた。基板洗浄は1)アセトンによる超音波
洗浄、2)純水リンス、3)1.5%フッ化水素水溶液に
よる酸化膜除去1分、3)純水リンスの手順で行った。
まず実施例1と同様にしてh-GaNの低温バッファー層を2
5nm成長させた。次にキャリアガスとしてN2ガスを10l/m
inの流量で、原料としてNH3、TMI(トリメチルインジウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニウム)をそれぞれ4.0l/
min、80μmol/min、2.0μmol/minの流量で反応室内に導
入し、基板温度800℃にて120分間で0.5μm成長させた。
成長させた薄膜はX線回折により評価したところInxAl
(1-x)Nであること、RHEEDにより基板面に対し(0001)面
が平行にエピタキシャル成長した単結晶膜であることが
確認され、SIMSによる組成分析結果から、x=0.24なる組
成を有することが確認された。さらにこのInxAl(1-x)N
単結晶膜上に実施例1と同様にしてスパッタ法により窒
化炭素膜を成長させた。成膜後のサンプルをX線回折に
より評価したところβ-C3N4であることが、RHEEDにより
InxAl(1-x)N (0001)面に対しβ-C3N4(0001)面が平行に
成長した単結晶膜であることが確認された。
Example 4 Si (111) as a single crystal substrate
Using the surface, an In x Al (1-x) N (x = 0.24) single crystal film was grown as an intermediate layer, and a carbon nitride film was formed thereon. The Si single crystal substrate was cleaned and an In x Al (1-x) N single crystal film was grown by the MOCVD method. The cleaning of the substrate was carried out in the procedure of 1) ultrasonic cleaning with acetone, 2) pure water rinse, 3) oxide film removal with 1.5% hydrogen fluoride aqueous solution for 1 minute, and 3) pure water rinse.
First, the low temperature buffer layer of h-GaN was formed in the same manner as in Example 1.
It was grown to 5 nm. Next, N 2 gas as a carrier gas was 10 l / m
at a flow rate of in, NH 3 as a raw material, TMI (trimethyl indium), TMA and (trimethyl aluminum) are 4.0 l /
It was introduced into the reaction chamber at flow rates of min, 80 μmol / min, and 2.0 μmol / min, and 0.5 μm was grown at a substrate temperature of 800 ° C. for 120 minutes.
When the grown thin film was evaluated by X-ray diffraction, In x Al
(1-x) N, RHEED confirmed that the (0001) plane was a single crystal film epitaxially grown parallel to the substrate surface, SIMS composition analysis results, x = 0.24 composition Was confirmed. Furthermore, this In x Al (1-x) N
A carbon nitride film was grown on the single crystal film by the sputtering method in the same manner as in Example 1. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be β-C 3 N 4 by RHEED.
It was confirmed that the β-C 3 N 4 (0001) plane was a single crystal film grown in parallel to the In x Al (1-x) N (0001) plane.

【0030】(実施例5) 単結晶基板として6H-SiC(0
001)面を使用し中間層としてInxAl(1-x)N(x=0.48)単
結晶膜を成長させ、その上に窒化炭素膜を形成した。6H
-SiC単結晶基板を実施例4と同様にして基板洗浄し、MO
CVD法によりInxAl(1-x)N単結晶膜を成長させた。まず実
施例1と同様にしてh-GaNの低温バッファー層を25nm成
長させた。次にキャリアガスとしてN2ガスを10l/minの
流量で、原料としてNH3、TMI(トリメチルインジウ
ム)、TMA(トリメチルアルミニウム)をそれぞれ4.0l/
min、160μmol/min、2.0μmol/minの流量で反応室内に
導入し、基板温度800℃にて240分間で1.0μm成長させ
た。成長させた薄膜はX線回折により評価したところInx
Al(1-x)Nであること、RHEEDにより基板面に対し(0001)
面が平行にエピタキシャル成長した単結晶膜であること
が確認され、SIMSによる組成分析結果から、x=0.48なる
組成を有することが確認された。さらにこのInxAl(1-x)
N単結晶膜上に実施例3と同様にしてスパッタ法により
窒化炭素膜を成長させた。成膜後のサンプルをX線回折
により評価したところα-C3N4であることが、RHEEDによ
り InxAl(1-x)N (0001)面に対しα-C3N4(0001)面が平行
に成長した単結晶膜であることが確認された。
(Example 5) As a single crystal substrate, 6H-SiC (0
An In x Al (1-x) N (x = 0.48) single crystal film was grown as an intermediate layer using the ( 001) plane, and a carbon nitride film was formed thereon. 6H
-SiC single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 4, and MO
An In x Al (1-x) N single crystal film was grown by the CVD method. First, in the same manner as in Example 1, a low-temperature buffer layer of h-GaN was grown to 25 nm. Next, N 2 gas as a carrier gas at a flow rate of 10 l / min and NH 3 as a raw material, TMI (trimethylindium), and TMA (trimethylaluminum) at 4.0 l / min, respectively.
It was introduced into the reaction chamber at a flow rate of min, 160 μmol / min, and 2.0 μmol / min, and the substrate was grown at a substrate temperature of 800 ° C. for 240 minutes to 1.0 μm. When the grown thin film was evaluated by X-ray diffraction, In x
Al (1-x) N, (0001) to the substrate surface by RHEED
It was confirmed that the surface was a single crystal film epitaxially grown in parallel, and it was confirmed from the composition analysis result by SIMS that the composition was x = 0.48. This In x Al (1-x)
A carbon nitride film was grown on the N single crystal film by the sputtering method in the same manner as in Example 3. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be α-C 3 N 4 , which was confirmed by RHEED to be α-C 3 N 4 (0001) against the In x Al (1-x) N (0001) plane. It was confirmed that the surface was a single crystal film grown in parallel.

【0031】(実施例6) 単結晶基板として6H-SiC(0
001)面を使用し中間層として(InN)x(SiC)(1-x) (x=0.3
0)単結晶膜を成長させ、その上に窒化炭素膜を形成し
た。6H-SiC単結晶基板を実施例4と同様にして基板洗浄
し、MOCVD法により(InN)x(SiC)(1-x)単結晶膜を成長さ
せた。キャリアガスとしてN2ガスを10l/minの流量で、
原料としてNH3、TMI(トリメチルインジウム)、SiH
4(シラン)、C3H8(プロパン)をそれぞれ4.0l/min、2
00μmol/min、10μmol/min、50μmol/minの流量で反応
室内に導入し、基板温度900℃にて90分間で0.5μm成長
させた。成長させた薄膜はX線回折により評価したとこ
ろ(InN)x(SiC)(1-x)であること、RHEEDにより基板面に
対し(0001)面が平行にエピタキシャル成長した単結晶膜
であることが確認され、SIMSによる組成分析結果から、
x=0.30なる組成を有することが確認された。さらにこの
(InN)x(SiC)(1-x)単結晶膜上に図12に示すレーザーア
ブレーション法によりC3N4膜を成長させた。パルスYAG
レーザーを使用し100mJでグラファイトターゲットをア
ブレーションしながら、100eVのNイオンビームを基板に
照射し、基板温度1500℃にて1時間成長させ400nmの膜厚
を得た。成膜後のサンプルをX線回折により評価したと
ころβ-C3N4であることが、 RHEEDにより(InN)x(SiC)
(1-x) (0001)面に対しβ-C3N4(0001)面が平行に成長し
た単結晶膜であることが確認された。
Example 6 As a single crystal substrate, 6H-SiC (0
(InN) x (SiC) (1-x) (x = 0.3
0) A single crystal film was grown and a carbon nitride film was formed on it. The 6H-SiC single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 4, and the (InN) x (SiC) (1-x) single crystal film was grown by the MOCVD method. N 2 gas as a carrier gas at a flow rate of 10 l / min,
NH 3 as raw materials, TMI (trimethyl indium), SiH
4 (silane) and C 3 H 8 (propane) at 4.0 l / min and 2 respectively
It was introduced into the reaction chamber at a flow rate of 00 μmol / min, 10 μmol / min, 50 μmol / min, and grown at a substrate temperature of 900 ° C. for 0.5 minutes to 0.5 μm. The grown thin film was (InN) x (SiC) (1-x) evaluated by X-ray diffraction, and it was a single crystal film in which the (0001) plane was epitaxially grown parallel to the substrate surface by RHEED. Confirmed, from the composition analysis results by SIMS,
It was confirmed to have a composition of x = 0.30. Furthermore this
A C 3 N 4 film was grown on the (InN) x (SiC) (1-x) single crystal film by the laser ablation method shown in FIG. Pulse YAG
While ablating a graphite target at 100 mJ using a laser, the substrate was irradiated with a 100 eV N ion beam and grown at a substrate temperature of 1500 ° C. for 1 hour to obtain a film thickness of 400 nm. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be β-C 3 N 4 by RHEED (InN) x (SiC)
It was confirmed that the β-C 3 N 4 (0001) plane was a single crystal film grown in parallel to the (1-x) (0001) plane.

【0032】(実施例7) 単結晶基板として6H-SiC(0
001)面を使用し中間層として(InN)x(SiC)(1-x) (x=0.5
2)単結晶膜を成長させ、その上に窒化炭素膜を形成し
た。6H-SiC単結晶基板を実施例4と同様にして基板洗浄
し、MOCVD法により(InN)x(SiC)(1-x)単結晶膜を成長さ
せた。キャリアガスとしてN2ガスを10l/minの流量で、
原料としてNH3、TMI(トリメチルインジウム)、SiH
4(シラン)、C3H8(プロパン) をそれぞれ5.0l/min、
300μmol/min、8μmol/min、40μmol/minの流量で反応
室内に導入し、基板温度900℃にて90分間で0.5μm成長
させた。成長させた薄膜はX線回折により評価したとこ
ろ(InN)x(SiC)(1-x)であること、RHEEDにより基板面に
対し(0001)面が平行にエピタキシャル成長した単結晶膜
であることが確認され、SIMSによる組成分析結果から、
x=0.52なる組成を有することが確認された。さらにこの
(InN)x(SiC)(1-x)単結晶膜上にレーザーアブレーション
法によりC3N4膜を成長させた。成膜条件は基板温度を12
00℃とした以外は実施例6と同様である。1時間成長さ
せ400nmの膜厚を得た。成膜後のサンプルをX線回折によ
り評価したところα-C3N4であることが、RHEEDにより(I
nN)x(SiC)(1-x) (0001)面に対しα-C3N4(0001)面が平行
に成長した単結晶膜であることが確認された。
Example 7 As a single crystal substrate, 6H-SiC (0
(InN) x (SiC) (1-x) (x = 0.5
2) A single crystal film was grown and a carbon nitride film was formed on it. The 6H-SiC single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 4, and the (InN) x (SiC) (1-x) single crystal film was grown by the MOCVD method. N 2 gas as a carrier gas at a flow rate of 10 l / min,
NH 3 as raw materials, TMI (trimethyl indium), SiH
4 (silane) and C 3 H 8 (propane) 5.0 l / min,
It was introduced into the reaction chamber at a flow rate of 300 μmol / min, 8 μmol / min, 40 μmol / min, and grown at a substrate temperature of 900 ° C. for 0.5 minutes for 0.5 μm. The grown thin film was (InN) x (SiC) (1-x) evaluated by X-ray diffraction, and it was a single crystal film in which the (0001) plane was epitaxially grown parallel to the substrate surface by RHEED. Confirmed, from the composition analysis results by SIMS,
It was confirmed that the composition was x = 0.52. Furthermore this
A C 3 N 4 film was grown on the (InN) x (SiC) (1-x) single crystal film by a laser ablation method. Substrate temperature is 12
Same as Example 6 except that the temperature was set to 00 ° C. It was grown for 1 hour to obtain a film thickness of 400 nm. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be α-C 3 N 4 by RHEED.
It was confirmed that the α-C 3 N 4 (0001) plane was grown in parallel with the (nN) x (SiC) (1-x) (0001) plane to be a single crystal film.

【0033】(実施例8) 単結晶基板としてSi(111)
面を使用し中間層としてTiN単結晶膜を成長させ、その
上に窒化炭素膜を形成した。Si単結晶基板を実施例4と
同様にして基板洗浄し、スパッタ法によりTiN単結晶膜
を成長させた。RFマグネトロンスパッタ装置を用い、タ
ーゲットにTiを、成膜ガスにAr+N2ガスを使用し、成膜
圧力5mTorr、N2ガス分圧2.5mTorr、RFパワー500W、基板
温度800℃にて60分間で0.5μm成長させた。成長させた
薄膜はX線回折により評価したところTiNであること、RH
EEDにより基板面に対し(111)面が平行にエピタキシャル
成長した単結晶膜であることが確認された。さらにこの
TiN単結晶膜上に実施例1と同様にしてスパッタ法によ
り窒化炭素膜を成長させた。成膜後のサンプルをX線回
折により評価したところβ-C3N4であることが、 RHEED
によりTiN(111)面に対しβ-C3N4(0001)面が平行に成長
した単結晶膜であることが確認された。
Example 8 Si (111) as a single crystal substrate
A TiN single crystal film was grown as an intermediate layer using the surface, and a carbon nitride film was formed thereon. The Si single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 4, and a TiN single crystal film was grown by the sputtering method. Using RF magnetron sputtering equipment, Ti as target, Ar + N 2 gas as film forming gas, film forming pressure 5 mTorr, N 2 gas partial pressure 2.5 mTorr, RF power 500 W, substrate temperature 800 ° C. for 60 minutes 0.5 μm. The grown thin film was TiN as evaluated by X-ray diffraction, RH
It was confirmed by EED that the (111) plane was a single crystal film epitaxially grown parallel to the substrate surface. Furthermore this
A carbon nitride film was grown on the TiN single crystal film in the same manner as in Example 1 by the sputtering method. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be β-C 3 N 4 by RHEED.
As a result, it was confirmed that the β-C 3 N 4 (0001) plane was a single crystal film grown in parallel to the TiN (111) plane.

【0034】(実施例9) 単結晶基板として6H-SiC(0
001)面を使用し、その上に窒化炭素膜を形成した。6H-S
iC単結晶基板を実施例4と同様にして基板洗浄し、実施
例6と同様にしてレーザーアブレーション法により窒化
炭素膜を成長させた。成膜後のサンプルをX線回折によ
り評価したところβ-C3N4であることが、RHEEDにより6H
-SiC(0001)面に対しβ-C3N4(0001)面が平行に成長した
単結晶膜であることが確認された。
Example 9 As a single crystal substrate, 6H-SiC (0
The 001) surface was used, and a carbon nitride film was formed thereon. 6H-S
The iC single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 4, and a carbon nitride film was grown by the laser ablation method in the same manner as in Example 6. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be β-C 3 N 4 by RHEED.
It was confirmed that the β-C 3 N 4 (0001) plane was a single crystal film grown in parallel with the -SiC (0001) plane.

【0035】(実施例10) 単結晶基板としてZnO(00
01)面を使用し、その上に窒化炭素膜を形成した。ZnO単
結晶基板を実施例1と同様にして基板洗浄し、実施例6
と同様にしてレーザーアブレーション法により窒化炭素
膜を成長させた。成膜後のサンプルをX線回折により評
価したところβ-C3N4であることが、RHEEDによりZnO(00
01)面に対しβ-C3N4(0001)面が平行に成長した単結晶膜
であることが確認された。
Example 10 As a single crystal substrate, ZnO (00
The (01) surface was used and a carbon nitride film was formed thereon. The ZnO single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 1 to obtain Example 6
A carbon nitride film was grown by the laser ablation method in the same manner as in. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found that it was β-C 3 N 4 by ZnO (00
It was confirmed that the β-C 3 N 4 (0001) plane was a single crystal film grown parallel to the (01) plane.

【0036】(実施例11) 単結晶基板としてMgO(11
1)面を使用し、その上に窒化炭素膜を形成した。MgO単
結晶基板を実施例1と同様にして基板洗浄し、実施例1
と同様にしてスパッタ法により窒化炭素膜を成長させ
た。成膜後のサンプルをX線回折により評価したところ
β-C3N4であることが、 RHEEDによりMgO(111)面に対し
β-C3N4(0001)面が平行に成長した単結晶膜であること
が確認された。
Example 11 As a single crystal substrate, MgO (11
1) surface was used and a carbon nitride film was formed on it. The MgO single crystal substrate was washed in the same manner as in Example 1 to obtain Example 1.
A carbon nitride film was grown by the sputtering method in the same manner as in. When the sample after film formation was evaluated by X-ray diffraction, it was found to be β-C 3 N 4 , and a single crystal in which the β-C 3 N 4 (0001) plane was grown parallel to the MgO (111) plane by RHEED. It was confirmed to be a film.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると基
板上に窒化炭素単結晶膜を形成することができる。
As described above, according to the present invention, a carbon nitride single crystal film can be formed on a substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の請求項1に記載の構造を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a structure according to claim 1 of the present invention.

【図2】本発明の請求項3に記載の構造を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a structure according to claim 3 of the present invention.

【図3】本発明の請求項6に記載の構造を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a structure according to claim 6 of the present invention.

【図4】熱CVD装置の概略断面図。FIG. 4 is a schematic sectional view of a thermal CVD apparatus.

【図5】プラズマCVD装置の概略断面図。FIG. 5 is a schematic sectional view of a plasma CVD apparatus.

【図6】レーザーCVD装置の概略断面図。FIG. 6 is a schematic sectional view of a laser CVD apparatus.

【図7】スパッタ装置の概略断面図。FIG. 7 is a schematic sectional view of a sputtering apparatus.

【図8】イオンビームスパッタ装置の概略断面図。FIG. 8 is a schematic sectional view of an ion beam sputtering apparatus.

【図9】イオンプレーティング装置の概略断面図。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an ion plating device.

【図10】真空蒸着装置の概略断面図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a vacuum vapor deposition device.

【図11】MBE装置の概略断面図。FIG. 11 is a schematic sectional view of an MBE device.

【図12】レーザーアブレーション装置の概略断面図。FIG. 12 is a schematic sectional view of a laser ablation device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・単結晶基板 2・・・単結晶膜 3・・・窒化炭素単結晶膜 4・・・単結晶基板 5・・・単結晶膜 6・・・窒化炭素単結晶膜 7・・・単結晶基板 8・・・窒化炭素単結晶膜 9・・・石英管 10・・・排気口 11・・・高周波コイル 12・・・基板 13・・・サセプタ 14・・・原料ガス供給口 15・・・高周波電源 16・・・排気口 17・・・高周波電源 18・・・原料ガス供給口 19・・・石英管 20・・・高周波コイル 21・・・基板 22・・・基板ヒーター 23・・・基板ホルダー 24・・・レーザー 25・・・レンズ 26・・・真空槽 27・・・原料ガス供給口 28・・・排気口 29・・・基板 30・・・基板ヒーター 31・・・基板ホルダー 32・・・成膜ガス供給口 33・・・真空槽 34・・・排気口 35・・・基板ヒーター 36・・・基板 37・・・基板ホルダー 38・・・ターゲット 39・・・カソード 40・・・高周波電源 41・・・原料ガス供給口 42・・・イオン源 43・・・排気口 44・・・基板 45・・・ターゲット 46・・・ターゲットホルダー 47・・・基板ヒーター 48・・・基板ホルダー 49・・・真空槽 50・・・スパッタ用イオン源 51・・・スパッタガス供給口 52・・・真空槽 53・・・排気口 54・・・基板ヒーター 55・・・高周波コイル 56・・・シャッター 57・・・原料 58・・・ルツボ 59・・・基板バイアス用直流電源 60・・・基板ホルダー 61・・・基板 62・・・電子銃 63・・・原料ガス供給口 64・・・原料ガス供給口 65・・・真空槽 66・・・排気口 67・・・基板ヒーター 68・・・基板 69・・・原料 70・・・基板ホルダー 71・・・シャッター 72・・・ルツボ 73・・・電子銃 74・・・真空槽 75・・・基板ホルダー 76・・・ECRイオン源 77・・・原料ガス供給口 78・・・基板ヒーター 79・・・基板 80・・・シャッター 81・・・クヌーセンセル 82・・・原料 83・・・排気口 84・・・レーザー 85・・・レンズ 86・・・真空槽 87・・・ターゲット 88・・・ターゲットホルダー 89・・・排気口 90・・・基板ヒーター 91・・・基板ホルダー 92・・・基板 93・・・原料ガス供給口 94・・・イオン源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single crystal substrate 2 ... Single crystal film 3 ... Carbon nitride single crystal film 4 ... Single crystal substrate 5 ... Single crystal film 6 ... Carbon nitride single crystal film 7 ... Single crystal substrate 8 ... Carbon nitride single crystal film 9 ... Quartz tube 10 ... Exhaust port 11 ... High frequency coil 12 ... Substrate 13 ... Susceptor 14 ... Raw material gas supply port 15. ..High frequency power supply 16 ... exhaust port 17 ... high frequency power supply 18 ... raw material gas supply port 19 ... quartz tube 20 ... high frequency coil 21 ... substrate 22 ... substrate heater 23 ...・ Substrate holder 24 ・ ・ ・ Laser 25 ・ ・ ・ Lens 26 ・ ・ ・ Vacuum tank 27 ・ ・ ・ Material gas supply port 28 ・ ・ ・ Exhaust port 29 ・ ・ ・ Substrate 30 ・ ・ ・ Substrate heater 31 ・ ・ ・ Substrate holder 32 ... Film forming gas supply port 33 ... Vacuum chamber 34 ... Exhaust 35 ... Substrate heater 36 ... Substrate 37 ... Substrate holder 38 ... Target 39 ... Cathode 40 ... High frequency power source 41 ... Raw material gas supply port 42 ... Ion source 43 ... Exhaust port 44 ... Substrate 45 ... Target 46 ... Target holder 47 ... Substrate heater 48 ... Substrate holder 49 ... Vacuum chamber 50 ... Sputtering ion source 51 ... Sputtering Gas supply port 52 ... Vacuum chamber 53 ... Exhaust port 54 ... Substrate heater 55 ... High frequency coil 56 ... Shutter 57 ... Raw material 58 ... Crucible 59 ... Substrate bias DC Power source 60 ... Substrate holder 61 ... Substrate 62 ... Electron gun 63 ... Source gas supply port 64 ... Source gas supply port 65 ... Vacuum chamber 66 ... Exhaust port 7 ... Substrate heater 68 ... Substrate 69 ... Raw material 70 ... Substrate holder 71 ... Shutter 72 ... Crucible 73 ... Electron gun 74 ... Vacuum tank 75 ... Substrate holder 76 ... ECR ion source 77 ... Raw material gas supply port 78 ... Substrate heater 79 ... Substrate 80 ... Shutter 81 ... Knudsen cell 82 ... Raw material 83 ... Exhaust port 84. ..Laser 85 ... Lens 86 ... Vacuum chamber 87 ... Target 88 ... Target holder 89 ... Exhaust port 90 ... Substrate heater 91 ... Substrate holder 92 ... Substrate 93 ... ..Source gas supply port 94 ... Ion source

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/205 H01L 21/205 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI Technical display location H01L 21/205 H01L 21/205

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶基板(1)上に中間層として六方
晶窒化ガリウム(h-GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、
窒化インジウム(InN)、六方晶炭化硅素(h-SiC)、酸
化亜鉛(ZnO)、あるいはこれらのなかの2種類以上の
物質からなる固溶体の単結晶膜(2)が形成され、前記
単結晶膜上に窒化炭素単結晶膜(3)が形成された構造
を持ち、前記窒化炭素単結晶膜がβ-Si3N4型またはα-S
i3N4型の結晶構造を有し、C3N4なる化学式で示されるこ
とを特徴とする窒化炭素単結晶膜。
1. Hexagonal gallium nitride (h-GaN), aluminum nitride (AlN), as an intermediate layer on a single crystal substrate (1),
The single crystal film (2) of indium nitride (InN), hexagonal silicon carbide (h-SiC), zinc oxide (ZnO), or a solid solution composed of two or more kinds of these materials is formed. It has a structure in which a carbon nitride single crystal film (3) is formed thereon, and the carbon nitride single crystal film is β-Si 3 N 4 type or α-S.
A carbon nitride single crystal film having an i 3 N 4 type crystal structure and represented by the chemical formula C 3 N 4 .
【請求項2】 中間層の単結晶膜が単結晶基板の基板面
にたいし(0001)面が平行になるように形成され、前記単
結晶膜の(0001)面にたいし窒化炭素単結晶膜の(0001)面
が平行になるように形成されていることを特徴とする請
求項1に記載の窒化炭素単結晶膜。
2. An intermediate-layer single crystal film is formed such that a (0001) plane is parallel to a substrate surface of a single crystal substrate, and a carbon nitride single crystal is formed on a (0001) plane of the single crystal film. The carbon nitride single crystal film according to claim 1, wherein the (0001) planes of the film are formed to be parallel to each other.
【請求項3】 単結晶基板(4)上に中間層として立方
晶窒化ガリウム(c-GaN)、立方晶炭化硅素(c-SiC)、
窒化チタニウム(TiN)、酸化マグネシウム(MgO)ある
いはこれらのなかの2種類以上の物質からなる固溶体の
単結晶膜(5)が形成され、前記単結晶膜上に窒化炭素
単結晶膜(6)が形成された構造を持ち、前記窒化炭素
単結晶膜がβ-Si3N4型またはα-Si3N4型の結晶構造を有
し、C3N4なる化学式で示されることを特徴とする窒化炭
素単結晶膜。
3. A cubic crystal gallium nitride (c-GaN), a cubic crystal silicon carbide (c-SiC) as an intermediate layer on a single crystal substrate (4),
A solid solution single crystal film (5) made of titanium nitride (TiN), magnesium oxide (MgO) or two or more kinds of these materials is formed, and a carbon nitride single crystal film (6) is formed on the single crystal film. The carbon nitride single crystal film having a formed structure has a β-Si 3 N 4 type or α-Si 3 N 4 type crystal structure, and is represented by the chemical formula C 3 N 4. Carbon nitride single crystal film.
【請求項4】 中間層の単結晶膜が単結晶基板の基板面
にたいし(111)面が平行になるように形成され、前記単
結晶膜の(111)面にたいし窒化炭素単結晶膜の(0001)面
が平行になるように形成されていることを特徴とする請
求項3に記載の窒化炭素単結晶膜。
4. A single crystal film of an intermediate layer is formed such that a (111) plane is parallel to a substrate surface of a single crystal substrate, and a carbon nitride single crystal is formed on a (111) plane of the single crystal film. The carbon nitride single crystal film according to claim 3, wherein the (0001) planes of the film are formed to be parallel to each other.
【請求項5】 単結晶基板として、サファイア(α-Al2
O3)、六方晶炭化硅素(h-SiC)、酸化亜鉛(ZnO)の各
単結晶の(0001)面、あるいはシリコン(Si)、ダイヤモ
ンド、酸化マグネシウム(MgO)の各単結晶の(111)面の
いずれかを使用することを特徴とする請求項1、請求項
3に記載の窒化炭素単結晶膜。
5. A sapphire (α-Al 2
O 3 ), hexagonal silicon carbide (h-SiC), zinc oxide (ZnO) single crystal (0001) plane, or silicon (Si), diamond, magnesium oxide (MgO) single crystal (111) 4. The carbon nitride single crystal film according to claim 1, wherein one of the surfaces is used.
【請求項6】 六方晶炭化硅素(h-SiC)、酸化亜鉛(Z
nO)の各単結晶の(0001)面、あるいは酸化マグネシウム
(MgO)単結晶の(111)面を単結晶基板(7)として使用
し、前記単結晶基板上に窒化炭素単結晶膜(8)が基板
面に対し(0001)面が平行に形成されており、前記窒化炭
素単結晶膜がβ-Si3N4型またはα-Si3N4型の結晶構造を
有し、C3N4なる化学式で示されることを特徴とする窒化
炭素単結晶膜。
6. Hexagonal silicon carbide (h-SiC), zinc oxide (Z
(0001) plane of each single crystal of nO) or (111) plane of magnesium oxide (MgO) single crystal is used as a single crystal substrate (7), and a carbon nitride single crystal film (8) is formed on the single crystal substrate. Are formed so that the (0001) plane is parallel to the substrate surface, and the carbon nitride single crystal film has a β-Si 3 N 4 type or α-Si 3 N 4 type crystal structure, and C 3 N 4 A carbon nitride single crystal film having the following chemical formula.
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