深紫外発光デバイスの開発を目指した単結晶AlN基板の作製

研究背景と目的

Ⅲ族窒化物半導体は，青～紫外発光デバイスとして近年特に注目されている物質である。 AlNなどのⅢ族窒化物はサファイアなどの基板上にMOVPEなどによってエピタキシャル成長させなければならない。しかしながら，基板材料との格子不整合が大きいため，未だに欠陥の少ない窒化物薄膜を得るのはきわめて難しく，多数の貫通転位が存在している。 　半導体デバイスの発光効率を決定するのは，基板上での初期結晶成長によるところが大きいため，整合性の良い基板材料の開発はこの分野に大きなブレークスルーをもたらす最重要課題となっている。 　本研究の目的は，安価で簡便な全く新しい単結晶窒化アルミニウム（AlN）基板の作製方法を確立すること，またこの独自の薄膜作製法における結晶成長メカニズムの解明を目指すことである。

研究概要

	格子不整合を極力緩和するため，本研究室では単結晶AlNを基板として使用することに注目した。サファイアを出発材料として，既存の製膜法とは全く異なる手法，すなわち，サファイア基板を炭素活量1の条件下で CO-N2混合ガスで直接窒化し，右図に示すように，基板表面にまずγ-酸窒化アルミニウム層（通称：ＡＬＯＮ）を生成させ，これを介して単結晶ＡＩＮ膜を成長させるという独創的な方法を開発した。 　酸窒化アルミニウム（ALON）を基板上に適切に生成させるためには，その熱力学的安定領域を正確に知る必要があるが，本研究室では以前よりALONに注目しており，その熱力学的安定領域を世界で初めて決定した。これにより，現在のところ，本研究室だけが窒素および酸素ポテンシャルを制御して単結晶AlN膜の成長を行なうことができる。