炭化アルミニウム薄膜、炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法
【課題】結晶性の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明によると、炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする炭化アルミニウム薄膜が提供される。また、本発明によると、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜の製造方法が提供される。
【解決手段】本発明によると、炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする炭化アルミニウム薄膜が提供される。また、本発明によると、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜の製造方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化アルミニウム薄膜、炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法に関する。特に、本発明は、基板に形成した結晶性の炭化アルミニウム薄膜、その炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板、及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を用いた発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、信号機や液晶パネルのバックライト等の様々な機器に利用されている。２６０〜２９０ｎｍ、３６０〜６００ｎｍの波長帯で使用されるＡｌＧａＩｎＮ系ＬＥＤは、３６０ｎｍより短波長帯（３００〜３４０ｎｍ）においてＡｌＧａＮ系を活性層とする材料が使用可能であることから、長らくＡｌｘＧａ１−ｘＮ系の開発が行われてきた。２８０ｎｍの波長帯では、１０％以上の外部取り出し効率が得られている。
【０００３】
しかし、ＡｌＧａＮは割れ易く、転位密度が高いことから、３６０ｎｍ以下、３００ｎｍ以上の波長帯に用いる材料の開発は進んでいない。これまでの報告では、３００〜３５０ｎｍの波長帯でのＬＥＤの外部取り出し効率は僅か８％であった。
【０００４】
一般に、周期率表で上部に属する原子は、短波長で発光する。最も波長が短い材料はＢＮあるいはＣであるが、これらは成長に２５００℃以上の高温が必要であることから、汎用発光材料には適さない。これらに準じる材料としては、ＡｌＮが挙げられる。ＡｌＮは短波長（λ＝２１０ｎｍ）で発光する材料として研究が進められている。しかし、ＡｌＧａＮについては、上述したように、外部取り出し効率が低いという問題があった。
【０００５】
一方、炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３、以下、ＡｌＣという）は、室温で高い電気抵抗と高い熱伝導性を併せ持ち、アルミニウム関連技術において重要な化合物とされている。ＡｌＣと類似のアルミニウム化合物であるＡｌＣＮが、広いバンドギャップと高い化学的安定性、高い硬度を持ち、超小型電子技術、光電子技術など様々な産業に応用可能であることから、ＡｌＣについても同様の可能性が期待される。ＡｌＣは、ＩＩＩ−ＩＶ属という特殊な材料で、一般には、ナノ加工材料として知られている。
【０００６】
ＡｌＣを半導体基板、特にＬＥＤの分野で利用するには、結晶性に優れた薄膜を得る必要がある。しかし、現在までにＡｌＣを結晶薄膜とした材料についての報告は少なく、開発が進んでいないのが現状である。これまでは、ＡｌＣの非結晶薄膜が報告されているのみであった（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】L.Yate et al., Surface and Coatings Technology, 203, 1904 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、結晶性の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態によると、炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする炭化アルミニウム薄膜が提供される。
【００１０】
前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光してもよい。
【００１１】
前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有してもよい。
【００１２】
前記炭化アルミニウム薄膜は、前記サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されてもよい。
【００１３】
前記炭化アルミニウム薄膜は、前記サファイア基板のｃ面に形成されてもよい。
【００１４】
また、本発明の一実施形態によると、炭化アルミニウム薄膜を有する半導体基板であって、前記炭化アルミニウム薄膜は炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする半導体基板が提供される。
【００１５】
前記半導体基板において、前記炭化アルミニウム薄膜が、サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されてもよい。
【００１６】
前記半導体基板において、前記炭化アルミニウム薄膜が、前記サファイア基板のｃ面に形成されてもよい。
【００１７】
前記半導体基板の前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光してもよい。
【００１８】
前記半導体基板の前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有してもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態によると、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜の製造方法が提供される。
【００２０】
前記炭化アルミニウム薄膜は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２１】
前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であてもよい。
【００２２】
前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２３】
前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであってもよい。
【００２４】
前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２５】
前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させてもよい。
【００２６】
前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させてもよい。
【００２７】
本発明の一実施形態によると、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法が提供される。
【００２８】
前記半導体基板の製造方法において、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２９】
前記半導体基板の製造方法において、前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であってもよい。
【００３０】
前記半導体基板の製造方法において、前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００３１】
前記半導体基板の製造方法において、前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであってもよい。
【００３２】
前記半導体基板の製造方法において、前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００３３】
前記半導体基板の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させてもよい。
【００３４】
前記半導体基板の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によると、結晶性の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る導体基板１００の模式図である。
【図２】本発明の一実施例における半導体基板１００に形成したＡｌＣ薄膜１０の製造条件を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の一実施例における成長温度と成長速度との関係を示す図であり、（ｂ）は本発明の一実施例に係るＴＭＡの流量とＡｌＣ薄膜１０の成長速度との関係を示す図であり、（ｃ）は本発明の一実施例に係るＩＶ／ＩＩＩ比と成長速度との関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０のＳＥＭ像であり、（ａ）７００℃、（ｂ）１１５０℃、（ｃ）１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０のＳＥＭ像である。
【図５】本発明の一実施例に係る半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像であり、（ａ）１１５０℃、（ｂ）１２００℃でＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＳＥＭ像である。
【図６】本発明の一実施例に係る半導体基板１００のＸＲＤの測定結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＥＤＸの結果を示す図であり、（ａ）は半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像であり、（ｂ）はアルミニウムの検出結果、（ｃ）は炭素の検出結果、（ｄ）は酸素の検出結果をそれぞれ示す。
【図８】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＣＬ測定の結果を示し、（ａ）は７００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示し、（ｂ）は１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示す。
【図９】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００の透過測定の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に本発明の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３８】
（炭化アルミニウム薄膜）
本発明者らは結晶性の炭化アルミニウム薄膜（以下、ＡｌＣ薄膜という）を得るべく、原料、製造条件等を鋭意検討した結果、サファイア基板のｃ面に結晶性のＡｌＣ薄膜を成長させることを実現した。
【００３９】
本発明に係るＡｌＣ薄膜は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、カソードルミネッセンス（ＣＬ）、透過測定により評価することができる。
【００４０】
一般にＡｌ４Ｃ３は黄色味を帯びており、他の基板上に本実施形態に係るＡｌＣ薄膜を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、ＳＥＭ観察において、基板上に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板上にＡｌＣ薄膜が形成されていることを確認することができる。
【００４１】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、他の結晶からなる基板上に形成した場合、その基板を構成する結晶に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、サファイア基板のｃ面上にＡｌＣ薄膜を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークを検出することもある。
【００４２】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれ確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ薄膜中に均一に分散していることが好ましい。
【００４３】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、ＣＬ測定において、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００４４】
透過測定において、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
【００４５】
以上説明したように、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、以上のような特性を有する結晶性の半導体層を実現することができる。また、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００４６】
（半導体基板）
上述のＡｌＣ薄膜を形成した半導体基板について、以下に説明する。図１は、本実施形態に係る半導体基板１００の模式図である。半導体基板１００は、基板２０の上面にＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板である。ここで、基板２０としては、ＡｌＣの結晶成長が可能な半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができる。基板２０としては、例えば、サファイア基板または炭化ケイ素基板を用いることができる。基板２０としてサファイア基板を用いる場合、ＡｌＣ薄膜１０を形成するサファイア基板２０の上面は、ｃ面とすることが望ましい。
【００４７】
本発明に係る半導体基板１００は、上述したように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、カソードルミネッセンス（ＣＬ）、透過測定により評価することができる。
【００４８】
基板２０の上に本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、半導体基板１００のＳＥＭ観察において、基板２０上に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板２０上にＡｌＣ薄膜１０が形成されていることを確認することができる。
【００４９】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、本実施形態に係る半導体基板１００は、Ａｌ４Ｃ３結晶由来のピークの他に、基板２０を構成する結晶に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、基板２０としてサファイア基板のｃ面上にＡｌＣ薄膜１０を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークを検出することもある。
【００５０】
本実施形態に係る半導体基板１００は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれ確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ薄膜１０中に均一に分散していることが好ましい。また、基板２０としてサファイア基板を用いた場合、アルミニウムはサファイア基板にも検出されるが、炭素はＡｌＣ薄膜１０中に検出される。
【００５１】
本実施形態に係る半導体基板１００は、ＣＬ測定において、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係る半導体基板１００は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００５２】
透過測定において、本実施形態に係る半導体基板１００は、ＡｌＣ薄膜が３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係る半導体基板１００は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係る半導体基板１００は、製造温度を調整することにより、ＡｌＣ薄膜が間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
【００５３】
以上説明したように、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、本発明に係る半導体基板は、基板上に結晶性のＡｌＣ薄膜を形成することができる。従って、上述のような特性を有する半導体基板を実現することができる。また、本発明に係る半導体基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００５４】
（製造方法）
上述したＡｌＣ薄膜および半導体基板の製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係るＡｌＣ薄膜および半導体基板の製造方法においては、有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）を用いることが好ましい。本実施形態においては、基板２０の上面にＡｌＣ結晶を成長させて、ＡｌＣ薄膜１０を形成する。
【００５５】
上述したように、基板２０としては、ＡｌＣの結晶成長が可能な半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができる。基板２０としては、例えば、サファイア基板または炭化ケイ素基板を用いることができる。基板２０としてサファイア基板を用いる場合、ＡｌＣ薄膜１０を形成するサファイア基板２０の上面は、ｃ面とすることが望ましい。
【００５６】
ＡｌＣ薄膜１０を形成する原料には、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。炭素を含むガスとしてはメタン（CH4）を、アルミニウムを含むガスとしてはトリメチルアルミニウム（(CH3)3Al；以下、ＴＭＡという）を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
【００５７】
本実施形態に係るＡｌＣ結晶の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ薄膜１０の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０および半導体基板１００の製造においては、ＡｌＣ結晶を成長させる前に、水素ガスを供給してアニーリングを行うことが好ましい。アニーリングは１１５０℃で行うのが好ましく、例えば、水素ガスの流量を１０ｓｌｍとしたときに、１０分間で行うことができる。
【００５８】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜および半導体基板は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、結晶性のＡｌＣ薄膜を製造することができる。また、本発明に係る半導体基板は、基板上に結晶性のＡｌＣ薄膜を形成することができる。従って、上述のような特性を有する半導体基板を実現することができる。また、本発明に係る半導体基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【実施例】
【００５９】
上述の実施形態で説明した本発明に係る炭化アルミニウム薄膜、および炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板について、具体例を挙げてさらに説明する。図２は、本実施例における半導体基板１００に形成したＡｌＣ薄膜１０の製造条件を示す図である。
【００６０】
（成長温度）
本実施例において、ＡｌＣ薄膜１０の成長温度を検討した。図３（ａ）は、成長温度と成長速度との関係を示す図である。ＡｌＣ薄膜１０は７００℃以上で成長するが成長速度は遅く、１１００℃以上で測定可能な成長速度を示すようになった。なお、本実施例の装置において可能な加熱温度は、炉内温度で１２００℃であった。
【００６１】
図４は、（ａ）７００℃、（ｂ）１１５０℃、（ｃ）１２００℃でのＡｌＣ薄膜１０のＳＥＭ像である。それぞれの図は、ＡｌＣ薄膜１０が形成された半導体基板１００の上面方向から観察した図である。本実施例のおいては、ＳＥＭとして、日本電子社のＳＭ６４００型を用いた。成長温度が１１５０℃以上では、ＡｌＣ薄膜１０にＡｌＣ結晶の粒子が観察された。また、図５は、（ａ）１１５０℃、（ｂ）１２００℃での半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像である。１１５０℃、１２００℃ともに、基板２０の上面にＡｌＣ薄膜１０が形成されていることが観察された。
【００６２】
（ＴＭＡ濃度）
次に、ＡｌＣ薄膜１０の形成時に供給するＴＭＡの流量について検討した。図３（ｂ）は、供給するＴＭＡの流量とＡｌＣ薄膜１０の成長速度との関係を示す図である。本実施例においては、成長温度を１１５０℃、メタンの流量を１３．４ｍｍｏｌ／ｍｉｎとした。ＴＭＡの流量を（ａ）５．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、（ｂ）６．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、（ｃ）３３μｍｏｌ／ｍｉｎ、（ｄ）６６μｍｏｌ／ｍｉｎとした。供給するＴＭＡの流量の増加と共にＡｌＣ薄膜１０の成長速度も速くなった。
【００６３】
（ＩＶ／ＩＩＩ比）
次に、ＩＶ／ＩＩＩ比すなわち、ＡｌＣ薄膜１０の形成時に供給するメタンとＴＭＡとの比について検討した。図３（ｃ）は、ＩＶ／ＩＩＩ比と成長速度との関係を示す図である。本実施例においては、成長温度を１１５０℃とした。ＩＶ／ＩＩＩ比を（ａ）２０３、（ｂ）４０６、（ｃ）８１２、（ｄ）４０３２、（ｅ）５２６１とした。ＩＶ／ＩＩＩ比は４０６で、成長速度が最大となった。
【００６４】
（ＸＲＤ分析）
上述のような条件で形成した半導体基板１００のＡｌＣ薄膜１０について、ＸＲＤを２θ−ωモードで測定した。本実施例のおいては、ＸＲＤ装置として、フィリップス社のX’pert MRDを用いた。図６は、ＸＲＤの測定結果を示す図である。基板２０として用いたサファイアに由来するピークは、３８°付近および４２°付近に検出された。一方、１１００℃及び１１５０℃で形成したＡｌＣ薄膜１０においては、サファイア由来のピークの他に、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来するピークが３５°付近に検出された。成長温度が７００℃の場合にもＡｌＣ薄膜１０が僅かに形成されたが、形成効率が低いため、本実施例での６０分間の成長時間では、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来するピークは検出されなかった。
【００６５】
（ＥＤＸ）
次に、ＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００についてＥＤＸを行った。本実施例のおいては、ＥＤＸ装置として、Oxford社の Link ISIS を用いた。図７は、１１５０℃でＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＥＤＸの結果を示す図である。図７（ａ）は半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像であり、図７（ｂ）はアルミニウムの検出結果、図７（ｃ）は炭素の検出結果、図７（ｄ）は酸素の検出結果をそれぞれ示す。アルミニウムはＡｌＣ薄膜１０及びおよびサファイア基板２０ともに検出された。一方、炭素はＡｌＣ薄膜１０において検出され、酸素はサファイア基板２０において検出された。この結果からサファイア基板２０の上面にＡｌＣ薄膜１０が形成されたことが改めて確認された。
【００６６】
（ＣＬ測定）
次に、ＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００についてＣＬ測定を行った。本実施例のおいては、ＣＬ測定装置として、Oxford社のMONO CL2 を用いた。図８はＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＣＬ測定の結果を示し、図８（ａ）は７００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示し、図８（ｂ）は１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示す。１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０のＣＬ測定結果においては、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲での発光が検出され、典型的には３４０ｎｍ前後で、半値幅は５０ｎｍであった。一方、７００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０のＣＬ測定結果においては、３４０ｎｍより長い波長を含むブロードなピークが検出された。この結果から、１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０では成膜状態が良好であると推察される。
【００６７】
（透過測定）
最後にＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００について透過測定を行った。図９は透過測定の結果を示す図である。本実施例のおいては、１２００℃でＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００について評価した。図９の曲線から、本発明に係るＡｌＣ薄膜１０のバンドギャップは、典型的には約３．４ｅＶであり、直接遷移型であった。他の条件でのＡｌＣ薄膜１０についても検討した結果、本発明に係るＡｌＣ薄膜１０のバンドギャップは３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下であった。また、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
【符号の説明】
【００６８】
１００：本発明に係る半導体基板、１０：ＡｌＣ薄膜、２０：基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化アルミニウム薄膜、炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法に関する。特に、本発明は、基板に形成した結晶性の炭化アルミニウム薄膜、その炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板、及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を用いた発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、信号機や液晶パネルのバックライト等の様々な機器に利用されている。２６０〜２９０ｎｍ、３６０〜６００ｎｍの波長帯で使用されるＡｌＧａＩｎＮ系ＬＥＤは、３６０ｎｍより短波長帯（３００〜３４０ｎｍ）においてＡｌＧａＮ系を活性層とする材料が使用可能であることから、長らくＡｌｘＧａ１−ｘＮ系の開発が行われてきた。２８０ｎｍの波長帯では、１０％以上の外部取り出し効率が得られている。
【０００３】
しかし、ＡｌＧａＮは割れ易く、転位密度が高いことから、３６０ｎｍ以下、３００ｎｍ以上の波長帯に用いる材料の開発は進んでいない。これまでの報告では、３００〜３５０ｎｍの波長帯でのＬＥＤの外部取り出し効率は僅か８％であった。
【０００４】
一般に、周期率表で上部に属する原子は、短波長で発光する。最も波長が短い材料はＢＮあるいはＣであるが、これらは成長に２５００℃以上の高温が必要であることから、汎用発光材料には適さない。これらに準じる材料としては、ＡｌＮが挙げられる。ＡｌＮは短波長（λ＝２１０ｎｍ）で発光する材料として研究が進められている。しかし、ＡｌＧａＮについては、上述したように、外部取り出し効率が低いという問題があった。
【０００５】
一方、炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３、以下、ＡｌＣという）は、室温で高い電気抵抗と高い熱伝導性を併せ持ち、アルミニウム関連技術において重要な化合物とされている。ＡｌＣと類似のアルミニウム化合物であるＡｌＣＮが、広いバンドギャップと高い化学的安定性、高い硬度を持ち、超小型電子技術、光電子技術など様々な産業に応用可能であることから、ＡｌＣについても同様の可能性が期待される。ＡｌＣは、ＩＩＩ−ＩＶ属という特殊な材料で、一般には、ナノ加工材料として知られている。
【０００６】
ＡｌＣを半導体基板、特にＬＥＤの分野で利用するには、結晶性に優れた薄膜を得る必要がある。しかし、現在までにＡｌＣを結晶薄膜とした材料についての報告は少なく、開発が進んでいないのが現状である。これまでは、ＡｌＣの非結晶薄膜が報告されているのみであった（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】L.Yate et al., Surface and Coatings Technology, 203, 1904 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、結晶性の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態によると、炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする炭化アルミニウム薄膜が提供される。
【００１０】
前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光してもよい。
【００１１】
前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有してもよい。
【００１２】
前記炭化アルミニウム薄膜は、前記サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されてもよい。
【００１３】
前記炭化アルミニウム薄膜は、前記サファイア基板のｃ面に形成されてもよい。
【００１４】
また、本発明の一実施形態によると、炭化アルミニウム薄膜を有する半導体基板であって、前記炭化アルミニウム薄膜は炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする半導体基板が提供される。
【００１５】
前記半導体基板において、前記炭化アルミニウム薄膜が、サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されてもよい。
【００１６】
前記半導体基板において、前記炭化アルミニウム薄膜が、前記サファイア基板のｃ面に形成されてもよい。
【００１７】
前記半導体基板の前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光してもよい。
【００１８】
前記半導体基板の前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有してもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態によると、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜の製造方法が提供される。
【００２０】
前記炭化アルミニウム薄膜は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２１】
前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であてもよい。
【００２２】
前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２３】
前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであってもよい。
【００２４】
前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２５】
前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させてもよい。
【００２６】
前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させてもよい。
【００２７】
本発明の一実施形態によると、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法が提供される。
【００２８】
前記半導体基板の製造方法において、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００２９】
前記半導体基板の製造方法において、前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であってもよい。
【００３０】
前記半導体基板の製造方法において、前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００３１】
前記半導体基板の製造方法において、前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであってもよい。
【００３２】
前記半導体基板の製造方法において、前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
【００３３】
前記半導体基板の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させてもよい。
【００３４】
前記半導体基板の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によると、結晶性の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る導体基板１００の模式図である。
【図２】本発明の一実施例における半導体基板１００に形成したＡｌＣ薄膜１０の製造条件を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の一実施例における成長温度と成長速度との関係を示す図であり、（ｂ）は本発明の一実施例に係るＴＭＡの流量とＡｌＣ薄膜１０の成長速度との関係を示す図であり、（ｃ）は本発明の一実施例に係るＩＶ／ＩＩＩ比と成長速度との関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０のＳＥＭ像であり、（ａ）７００℃、（ｂ）１１５０℃、（ｃ）１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０のＳＥＭ像である。
【図５】本発明の一実施例に係る半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像であり、（ａ）１１５０℃、（ｂ）１２００℃でＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＳＥＭ像である。
【図６】本発明の一実施例に係る半導体基板１００のＸＲＤの測定結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＥＤＸの結果を示す図であり、（ａ）は半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像であり、（ｂ）はアルミニウムの検出結果、（ｃ）は炭素の検出結果、（ｄ）は酸素の検出結果をそれぞれ示す。
【図８】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＣＬ測定の結果を示し、（ａ）は７００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示し、（ｂ）は１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示す。
【図９】本発明の一実施例に係るＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００の透過測定の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に本発明の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の炭化アルミニウム薄膜、結晶性の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板及びそれらの製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３８】
（炭化アルミニウム薄膜）
本発明者らは結晶性の炭化アルミニウム薄膜（以下、ＡｌＣ薄膜という）を得るべく、原料、製造条件等を鋭意検討した結果、サファイア基板のｃ面に結晶性のＡｌＣ薄膜を成長させることを実現した。
【００３９】
本発明に係るＡｌＣ薄膜は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、カソードルミネッセンス（ＣＬ）、透過測定により評価することができる。
【００４０】
一般にＡｌ４Ｃ３は黄色味を帯びており、他の基板上に本実施形態に係るＡｌＣ薄膜を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、ＳＥＭ観察において、基板上に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板上にＡｌＣ薄膜が形成されていることを確認することができる。
【００４１】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、他の結晶からなる基板上に形成した場合、その基板を構成する結晶に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、サファイア基板のｃ面上にＡｌＣ薄膜を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークを検出することもある。
【００４２】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれ確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ薄膜中に均一に分散していることが好ましい。
【００４３】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、ＣＬ測定において、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００４４】
透過測定において、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
【００４５】
以上説明したように、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、以上のような特性を有する結晶性の半導体層を実現することができる。また、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００４６】
（半導体基板）
上述のＡｌＣ薄膜を形成した半導体基板について、以下に説明する。図１は、本実施形態に係る半導体基板１００の模式図である。半導体基板１００は、基板２０の上面にＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板である。ここで、基板２０としては、ＡｌＣの結晶成長が可能な半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができる。基板２０としては、例えば、サファイア基板または炭化ケイ素基板を用いることができる。基板２０としてサファイア基板を用いる場合、ＡｌＣ薄膜１０を形成するサファイア基板２０の上面は、ｃ面とすることが望ましい。
【００４７】
本発明に係る半導体基板１００は、上述したように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、カソードルミネッセンス（ＣＬ）、透過測定により評価することができる。
【００４８】
基板２０の上に本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、半導体基板１００のＳＥＭ観察において、基板２０上に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板２０上にＡｌＣ薄膜１０が形成されていることを確認することができる。
【００４９】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、本実施形態に係る半導体基板１００は、Ａｌ４Ｃ３結晶由来のピークの他に、基板２０を構成する結晶に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、基板２０としてサファイア基板のｃ面上にＡｌＣ薄膜１０を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークを検出することもある。
【００５０】
本実施形態に係る半導体基板１００は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれ確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ薄膜１０中に均一に分散していることが好ましい。また、基板２０としてサファイア基板を用いた場合、アルミニウムはサファイア基板にも検出されるが、炭素はＡｌＣ薄膜１０中に検出される。
【００５１】
本実施形態に係る半導体基板１００は、ＣＬ測定において、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係る半導体基板１００は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００５２】
透過測定において、本実施形態に係る半導体基板１００は、ＡｌＣ薄膜が３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係る半導体基板１００は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係る半導体基板１００は、製造温度を調整することにより、ＡｌＣ薄膜が間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
【００５３】
以上説明したように、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、本発明に係る半導体基板は、基板上に結晶性のＡｌＣ薄膜を形成することができる。従って、上述のような特性を有する半導体基板を実現することができる。また、本発明に係る半導体基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【００５４】
（製造方法）
上述したＡｌＣ薄膜および半導体基板の製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係るＡｌＣ薄膜および半導体基板の製造方法においては、有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）を用いることが好ましい。本実施形態においては、基板２０の上面にＡｌＣ結晶を成長させて、ＡｌＣ薄膜１０を形成する。
【００５５】
上述したように、基板２０としては、ＡｌＣの結晶成長が可能な半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができる。基板２０としては、例えば、サファイア基板または炭化ケイ素基板を用いることができる。基板２０としてサファイア基板を用いる場合、ＡｌＣ薄膜１０を形成するサファイア基板２０の上面は、ｃ面とすることが望ましい。
【００５６】
ＡｌＣ薄膜１０を形成する原料には、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。炭素を含むガスとしてはメタン（CH4）を、アルミニウムを含むガスとしてはトリメチルアルミニウム（(CH3)3Al；以下、ＴＭＡという）を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
【００５７】
本実施形態に係るＡｌＣ結晶の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ薄膜１０の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。本実施形態に係るＡｌＣ薄膜１０および半導体基板１００の製造においては、ＡｌＣ結晶を成長させる前に、水素ガスを供給してアニーリングを行うことが好ましい。アニーリングは１１５０℃で行うのが好ましく、例えば、水素ガスの流量を１０ｓｌｍとしたときに、１０分間で行うことができる。
【００５８】
本実施形態に係るＡｌＣ薄膜および半導体基板は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、結晶性のＡｌＣ薄膜を製造することができる。また、本発明に係る半導体基板は、基板上に結晶性のＡｌＣ薄膜を形成することができる。従って、上述のような特性を有する半導体基板を実現することができる。また、本発明に係る半導体基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
【実施例】
【００５９】
上述の実施形態で説明した本発明に係る炭化アルミニウム薄膜、および炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板について、具体例を挙げてさらに説明する。図２は、本実施例における半導体基板１００に形成したＡｌＣ薄膜１０の製造条件を示す図である。
【００６０】
（成長温度）
本実施例において、ＡｌＣ薄膜１０の成長温度を検討した。図３（ａ）は、成長温度と成長速度との関係を示す図である。ＡｌＣ薄膜１０は７００℃以上で成長するが成長速度は遅く、１１００℃以上で測定可能な成長速度を示すようになった。なお、本実施例の装置において可能な加熱温度は、炉内温度で１２００℃であった。
【００６１】
図４は、（ａ）７００℃、（ｂ）１１５０℃、（ｃ）１２００℃でのＡｌＣ薄膜１０のＳＥＭ像である。それぞれの図は、ＡｌＣ薄膜１０が形成された半導体基板１００の上面方向から観察した図である。本実施例のおいては、ＳＥＭとして、日本電子社のＳＭ６４００型を用いた。成長温度が１１５０℃以上では、ＡｌＣ薄膜１０にＡｌＣ結晶の粒子が観察された。また、図５は、（ａ）１１５０℃、（ｂ）１２００℃での半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像である。１１５０℃、１２００℃ともに、基板２０の上面にＡｌＣ薄膜１０が形成されていることが観察された。
【００６２】
（ＴＭＡ濃度）
次に、ＡｌＣ薄膜１０の形成時に供給するＴＭＡの流量について検討した。図３（ｂ）は、供給するＴＭＡの流量とＡｌＣ薄膜１０の成長速度との関係を示す図である。本実施例においては、成長温度を１１５０℃、メタンの流量を１３．４ｍｍｏｌ／ｍｉｎとした。ＴＭＡの流量を（ａ）５．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、（ｂ）６．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、（ｃ）３３μｍｏｌ／ｍｉｎ、（ｄ）６６μｍｏｌ／ｍｉｎとした。供給するＴＭＡの流量の増加と共にＡｌＣ薄膜１０の成長速度も速くなった。
【００６３】
（ＩＶ／ＩＩＩ比）
次に、ＩＶ／ＩＩＩ比すなわち、ＡｌＣ薄膜１０の形成時に供給するメタンとＴＭＡとの比について検討した。図３（ｃ）は、ＩＶ／ＩＩＩ比と成長速度との関係を示す図である。本実施例においては、成長温度を１１５０℃とした。ＩＶ／ＩＩＩ比を（ａ）２０３、（ｂ）４０６、（ｃ）８１２、（ｄ）４０３２、（ｅ）５２６１とした。ＩＶ／ＩＩＩ比は４０６で、成長速度が最大となった。
【００６４】
（ＸＲＤ分析）
上述のような条件で形成した半導体基板１００のＡｌＣ薄膜１０について、ＸＲＤを２θ−ωモードで測定した。本実施例のおいては、ＸＲＤ装置として、フィリップス社のX’pert MRDを用いた。図６は、ＸＲＤの測定結果を示す図である。基板２０として用いたサファイアに由来するピークは、３８°付近および４２°付近に検出された。一方、１１００℃及び１１５０℃で形成したＡｌＣ薄膜１０においては、サファイア由来のピークの他に、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来するピークが３５°付近に検出された。成長温度が７００℃の場合にもＡｌＣ薄膜１０が僅かに形成されたが、形成効率が低いため、本実施例での６０分間の成長時間では、Ａｌ４Ｃ３結晶に由来するピークは検出されなかった。
【００６５】
（ＥＤＸ）
次に、ＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００についてＥＤＸを行った。本実施例のおいては、ＥＤＸ装置として、Oxford社の Link ISIS を用いた。図７は、１１５０℃でＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＥＤＸの結果を示す図である。図７（ａ）は半導体基板１００の断面方向からのＳＥＭ像であり、図７（ｂ）はアルミニウムの検出結果、図７（ｃ）は炭素の検出結果、図７（ｄ）は酸素の検出結果をそれぞれ示す。アルミニウムはＡｌＣ薄膜１０及びおよびサファイア基板２０ともに検出された。一方、炭素はＡｌＣ薄膜１０において検出され、酸素はサファイア基板２０において検出された。この結果からサファイア基板２０の上面にＡｌＣ薄膜１０が形成されたことが改めて確認された。
【００６６】
（ＣＬ測定）
次に、ＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００についてＣＬ測定を行った。本実施例のおいては、ＣＬ測定装置として、Oxford社のMONO CL2 を用いた。図８はＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００のＣＬ測定の結果を示し、図８（ａ）は７００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示し、図８（ｂ）は１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０の測定結果を示す。１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０のＣＬ測定結果においては、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲での発光が検出され、典型的には３４０ｎｍ前後で、半値幅は５０ｎｍであった。一方、７００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０のＣＬ測定結果においては、３４０ｎｍより長い波長を含むブロードなピークが検出された。この結果から、１２００℃で形成したＡｌＣ薄膜１０では成膜状態が良好であると推察される。
【００６７】
（透過測定）
最後にＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００について透過測定を行った。図９は透過測定の結果を示す図である。本実施例のおいては、１２００℃でＡｌＣ薄膜１０を形成した半導体基板１００について評価した。図９の曲線から、本発明に係るＡｌＣ薄膜１０のバンドギャップは、典型的には約３．４ｅＶであり、直接遷移型であった。他の条件でのＡｌＣ薄膜１０についても検討した結果、本発明に係るＡｌＣ薄膜１０のバンドギャップは３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下であった。また、本発明に係るＡｌＣ薄膜は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
【符号の説明】
【００６８】
１００：本発明に係る半導体基板、１０：ＡｌＣ薄膜、２０：基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする炭化アルミニウム薄膜。
【請求項２】
前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光することを特徴とする請求項１に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項３】
前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１または２に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項４】
前記炭化アルミニウム薄膜は、サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項５】
前記炭化アルミニウム薄膜は、前記サファイア基板のｃ面に形成されることを特徴とする請求項４に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項６】
炭化アルミニウム薄膜を有する半導体基板であって、
前記炭化アルミニウム薄膜は炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする半導体基板。
【請求項７】
前記炭化アルミニウム薄膜が、サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記炭化アルミニウム薄膜が、前記サファイア基板のｃ面に形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体基板。
【請求項９】
前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光することを特徴とする請求項６乃至８の何れか一に記載の半導体基板。
【請求項１０】
前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有することを特徴とする請求項６乃至９の何れか一に記載の半導体基板。
【請求項１１】
炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記炭化アルミニウム薄膜は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１１に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１３】
前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１４】
前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１３に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１５】
前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１６】
前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１５に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１７】
前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させることを特徴とする請求項１６に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１８】
前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させることを特徴とする請求項１６に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１９】
炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２０】
有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１９に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２１】
前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１９または２０に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２２】
前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２１に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２３】
前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１９乃至２２の何れか一に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２４】
前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２３に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２５】
前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させることを特徴とする請求項２４に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２６】
前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させることを特徴とする請求項２４に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項１】
炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする炭化アルミニウム薄膜。
【請求項２】
前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光することを特徴とする請求項１に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項３】
前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有することを特徴とする請求項１または２に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項４】
前記炭化アルミニウム薄膜は、サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項５】
前記炭化アルミニウム薄膜は、前記サファイア基板のｃ面に形成されることを特徴とする請求項４に記載の炭化アルミニウム薄膜。
【請求項６】
炭化アルミニウム薄膜を有する半導体基板であって、
前記炭化アルミニウム薄膜は炭化アルミニウムの結晶を含むことを特徴とする半導体基板。
【請求項７】
前記炭化アルミニウム薄膜が、サファイア基板または炭化ケイ素基板に形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記炭化アルミニウム薄膜が、前記サファイア基板のｃ面に形成されることを特徴とする請求項７に記載の半導体基板。
【請求項９】
前記炭化アルミニウム薄膜は、カソードルミネッセンス測定において、３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光することを特徴とする請求項６乃至８の何れか一に記載の半導体基板。
【請求項１０】
前記炭化アルミニウム薄膜は、透過測定において、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有することを特徴とする請求項６乃至９の何れか一に記載の半導体基板。
【請求項１１】
炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記炭化アルミニウム薄膜は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１１に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１３】
前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１４】
前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１３に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１５】
前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１６】
前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１５に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１７】
前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させることを特徴とする請求項１６に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１８】
前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させることを特徴とする請求項１６に記載の炭化アルミニウム薄膜の製造方法。
【請求項１９】
炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
基板上に炭化アルミニウムの結晶を成長させて、炭化アルミニウム薄膜を形成することを特徴とする炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２０】
有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１９に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２１】
前記基板はサファイア基板または炭化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１９または２０に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２２】
前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２１に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２３】
前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１９乃至２２の何れか一に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２４】
前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２３に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２５】
前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させることを特徴とする請求項２４に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【請求項２６】
前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させることを特徴とする請求項２４に記載の炭化アルミニウム薄膜を形成した半導体基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図２】
【図３】
【図８】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１５６４２９（Ｐ２０１２−１５６４２９Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６０８５（Ｐ２０１１−１６０８５）
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（５０６０２９００４）ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（５０６０２９００４）ソウル オプト デバイス カンパニー リミテッド (101)
【Ｆターム（参考）】
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