スパッタリング窒化物半導体薄膜の作製とX線回折を用いた特性評価

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本研究は,窒化物半導体である窒化アルミニウムおよび近年,青色・紫外発光デバイス材料として注目を浴びている窒化ガリウム膜を廉価なガラス基板上にエピタキシャル成長させる作製法の開発と,ナノスケールオーダーの評価法の確率を目的とする.これらの膜は,一般的に化学的気相蒸着法を用いて高価な単結晶シリコンやサファイア基板上に作製される.本研究は,物理的気相蒸着法の一つであり,低温での成膜が可能である高周波マグネトロンスパッタリング法を用いて,ホウ珪酸ガラスおよび石英ガラス基板上に窒化物半導体膜を成長させた.本研究の対象となる窒化物半導体膜は稠密六方構造を有する結晶であり,本研究で得られた膜はすべて基板面法線方向に結晶のc軸が優先配向した構造を有していた.窒化アルミニウムの作製には,雰囲気ガスとしてアルゴン・窒素混合ガスを用いた.変化させたスパッタリング条件は,窒素分圧および基板とターゲットの距離である.窒素分圧が50%以上でc軸配向性の良い窒化アルミニウムが得られるが,窒素分圧の増加とともに圧縮残留応力が増加することが分かった.そして,窒素分圧が100%のとき,すなわち,発生する圧縮残留応力が最大になるとき,膜にクラックが発生した.窒化ガリウムの作製には,雰囲気ガスとして高純度窒素ガスを用いた.変化させたスパッタリング条件は,窒素ガス圧,基板温度,堆積時間および供給電力である.堆積時間および供給電力に対するc軸配向性の変化はほとんどみられなかったが,長い堆積時間および高い供給電力で作製した膜は,-1GPaを越える圧縮応力が発生した.また,低窒素ガス圧および高基板温度で作製するとc軸配向性の良い窒化ガリウム膜が得られることが分かった.しかし,低窒素ガス圧で-1GPaを越える大きな圧縮残留応力が,高基板温度では,膜にクラックが発生するほどの大きな引張残留応力が発生した.