単結晶AlN (0001) /ダイヤモンド(111) ヘテロ構造

平間一行　谷保芳孝　嘉数誠
機能物質科学研究部

　窒化アルミニウム (AlN) のバンドギャップ (6 eV) はダイヤモンド (5.5 eV) よりも広く、さらにダイヤモンドで困難なn型ドーピングが容易である。一方、ダイヤモンドは窒化物半導体で困難なp型ドーピングが容易である。両者の特徴を組み合わせることで、それぞれ単独では実現困難な高効率の遠紫外発光素子や高周波高出力FETなどの新規デバイスが期待できる。この新規デバイスの作製には、ダイヤモンド基板上での単結晶AlN成長が不可欠である。ダイヤモンド（立方晶）とAlN（六方晶）は結晶構造が異なるため、ダイヤモンド (001) 基板上に成長したAlNには回転ドメインなどの複数のドメイン構造が形成され[1]、これまで単結晶AlN成長は実現していなかった。
　そこで我々は、六方晶AlN (0001) 面と原子結合構造が類似のダイヤモンド(111)面上にAlNを成長した。図1にダイヤモンド (111) 基板上に成長したAlNの (0002) 面および (101(―)1) 面のX線極点図を示す。AlN (0002) 面の極点図ではc軸配向を示すピークのみが観測された。AlN (101(―)1) の極点図では、そのc軸配向した六方晶AlNの6つの等価な (101(―)1) 面からのピークのみが観測された。これより、ダイヤモンド (111) 面を利用することによりダイヤモンド基板上での単結晶AlN成長に初めて成功した[2]。
　単結晶AlN (0001) /ダイヤモンド (111) ヘテロ界面構造の断面TEM観察より、成長初期からAlN [0001] 方位がダイヤモンド [111] 方位に配向した単結晶AlNが成長しており、また界面は非常に急峻であることがわかった（図2）。このヘテロ界面ではC-N結合 (3.1 eV/bond) とC-Al結合 (2.6 eV/bond) の2つ結合が考えられるが、結合エネルギーの高いC-N結合が形成するため、AlN薄膜はAl極性になる。
　AlN (0001) /ダイヤモンド (111) ヘテロ構造の面内配向関係は [101(―)0] AlN || [11(―)0] ダイヤモンドであったが、この格子不整合 (-28.8 %) は、[112(―)0] AlN || [11(―)0]ダイヤモンドの場合の格子不整合 (23.4 %)よ りも大きい。それぞれの配向関係における結合密度は2.7×1014 cm-2、2.2×1014 cm-2であり、[101(―)0] AlN || [11(―)0] ダイヤモンドの方が結合密度が高いため、界面エネルギーは低くなる。これより、面内配向関係 [101(―)0] AlN || [11(―)0] ダイヤモンドのヘテロ界面が形成される。

[1] K. Hirama, Y. Taniyasu, and M. Kasu, Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 04DH01.
[2] Y. Taniyasu and M. Kasu, J. Cryst. Growth 311 (2009) 2825.
　

　　
図1　 ダイヤモンド基板上に成長したAlN薄膜のX線極点図
(a) AlN (0002) 面，(b) AlN (101(―)1)面。
図2　 単結晶AlN/ダイヤモンド界面の 断面TEM像。
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