(57)【要約】【課題】ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素などの立方晶の高品質な結晶が、より大面積に形成できるようにする。【解決手段】ニッケル（単結晶のニッケル）からなる第１金属層１０１の上にイリジウムをエピタキシャル成長して第２金属層１０２を形成する（第１工程）。第２金属層１０２は、第１金属層１０１の表面を覆って形成する。ここで、第２金属層１０２は、厚さ５ｎｍ以下に形成する。次に、第２金属層１０２の上に立方晶の結晶をエピタキシャル成長して結晶層１０３を形成する（第２工程）。なお、結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素である。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルからなる第１金属層の上にイリジウムをエピタキシャル成長して第２金属層を形成する第１工程と、
前記第２金属層の上に立方晶の結晶をエピタキシャル成長して結晶層を形成する第２工程と
を備えることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
請求項１記載の結晶成長方法において、  
前記第１工程では、前記第２金属層を厚さ５ｎｍ以下に形成することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の結晶成長方法において、
前記結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項４】
請求項３記載の結晶成長方法において、
前記第２工程では、前記第２金属層の上にダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素からなる前記結晶をエピタキシャル成長して前記結晶層を形成し、
更に、前記結晶層の上に立法晶系窒化ホウ素またはダイアモンドからなる他結晶をエピタキシャル成長して他結晶層を形成する第３工程を備える
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項５】
ニッケルからなる第１金属層と、
前記第１金属層の上にエピタキシャル成長したイリジウムからなる第２金属層と、
前記第２金属層の上にエピタキシャル成長した立方晶の結晶からなる結晶層と
を備えることを特徴とする結晶積層構造。
【請求項６】
請求項５記載の結晶積層構造において、
前記第２金属層は、厚さ５ｎｍ以下に形成されていることを特徴とする結晶積層構造。
【請求項７】
請求項５または６記載の結晶積層構造において、
前記結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素であることを特徴とする結晶積層構造。
【請求項８】
請求項６記載の結晶積層構造において、
前記結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素であり、
更に、前記結晶層の上にエピタキシャル成長した立法晶系窒化ホウ素またはダイアモンドからなる他結晶からなる他結晶層を備える
ことを特徴とする結晶積層構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素などの立方晶の結晶を成長する結晶成長方法および立方晶の結晶層を備える結晶積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ワイドバンドギャップ半導体であるダイアモンドや立方晶窒化ホウ素が次世代半導体材料として注目されている。比較的高品質なダイアモンドおよび立方晶窒化ホウ素は、高温高圧下で合成したバルク結晶として得られているが、同時にドーピング制御の多様性やヘテロ構造の作製を目的として結晶成長による薄膜化も試みられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】鈴木 一博、澤邊 厚仁、「ダイアモンドのヘテロエピタキシャル成長」、第５９回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、15p-F5-2、２０１２年。
【非特許文献２】K. Hirama et al., "Heteroepitaxial growth of single-domain cubic boron nitride films by ion-beam-assisted MBE", Applied Physics Express, vol. 10, 035501, 2017.
【非特許文献３】小林康之、蔡俊瓏、赤坂哲也、「表面科学」、vol. 31, no. 2, pp. 99-105, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これまでのところ高品質ダイアモンド薄膜や高品質立方晶窒化ホウ素は、高温高圧合成したバルク結晶を基板としたホモエピタキシャル成長によって作製されており、現実的に大面積化は困難である。
【０００５】
この中で、ダイアモンド薄膜の大面積化を目指してイリジウム上のダイアモンド基板の薄膜成長が実現している（非特許文献１参照）。ただし、イリジウムとダイアモンドの間には７％以上の格子ミスマッチがあり、ホモエピタキシャルほどの品質は得られていない。
【０００６】
一方、立方晶窒化ホウ素に関しても、ダイアモンド基板上における薄膜化が実現しているが（非特許文献２参照）、そもそもダイアモンド基板自体の大面積化が難しいため、工業的な利点は小さい。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素などの立方晶の高品質な結晶が、より大面積に形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る結晶成長方法は、ニッケルからなる第１金属層の上にイリジウムをエピタキシャル成長して第２金属層を形成する第１工程と、第２金属層の上に立方晶の結晶をエピタキシャル成長して結晶層を形成する第２工程とを備える。なお、第１工程では、第２金属層を厚さ５ｎｍ以下に形成する。
【０００９】
上記結晶成長方法において、結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素である。
【００１０】
上記結晶成長方法において、第２工程では、第２金属層の上にダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素からなる結晶をエピタキシャル成長して結晶層を形成し、更に、結晶層の上に立法晶系窒化ホウ素またはダイアモンドからなる他結晶をエピタキシャル成長して他結晶層を形成する第３工程を備えるようにしてもよい。
【００１１】
本発明に係る結晶積層構造は、ニッケルからなる第１金属層と、第１金属層の上にエピタキシャル成長したイリジウムからなる第２金属層と、第２金属層の上にエピタキシャル成長した立方晶の結晶からなる結晶層とを備える。なお、第２金属層は、厚さ５ｎｍ以下に形成されている。
【００１２】
上記結晶積層構造において、結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素である。
【００１３】
上記結晶積層構造において、結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素であり、更に、結晶層の上にエピタキシャル成長した立法晶系窒化ホウ素またはダイアモンドからなる他結晶からなる他結晶層を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、ニッケルからなる第１金属層の上にイリジウムをエピタキシャル成長して第２金属層を形成してから、立方晶の結晶層をエピタキシャル成長したので、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素などの立方晶の高品質な結晶が、より大面積に形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態における結晶成長方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態における結晶成長方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における結晶積層構造の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における他の結晶積層構造の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態おける結晶成長方法について図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。まず、図１Ａに示すように、ニッケル（単結晶のニッケル）からなる第１金属層１０１の上にイリジウムをエピタキシャル成長して第２金属層１０２を形成する（第１工程）。第２金属層１０２は、第１金属層１０１の表面を覆って形成する。ここで、第２金属層１０２は、厚さ５ｎｍ以下に形成する。なお、第１金属層１０１は、ニッケル基板でもよい。
【００１７】
次に、図１Ｂに示すように、第２金属層１０２の上に立方晶の結晶をエピタキシャル成長して結晶層１０３を形成する（第２工程）。例えば、よく知られた化学的気相成長法や分子線エピタキシー法により、立方晶の結晶をエピタキシャル成長させればよい。なお、結晶は、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素である。
【００１８】
上述した成長方法により、第１金属層１０１の上にエピタキシャル成長したイリジウムからなる第２金属層１０２と、第２金属層１０２の上にエピタキシャル成長した立方晶の結晶からなる結晶層１０３とを備える結晶積層構造が得られる。第２金属層１０２は、第１金属層１０１の表面を覆って形成されている。第２金属層１０２は、厚さ５ｎｍ以下に形成されている。
【００１９】
また、図２に示すように、基板１１１を用意し、基板１１１の上に第１金属層１０１を形成した後、上述同様に、第２金属層１０２、結晶層１０３を形成してもよい。この場合、基板１１１の上に、ニッケルをエピタキシャル成長することで第１金属層１０１を形成すればよい。
【００２０】
なお、第２工程では、第２金属層１０２の上にダイアモンドからなる結晶層１０３を形成し、更に、第３工程として、結晶層１０３の上に立法晶系窒化ホウ素からなる他結晶をエピタキシャル成長することで、図３に示すように、ダイアモンドからなる結晶層１０３と、立法晶系窒化ホウ素からなる他結晶層１０４とが、交互に積層した結晶積層構造としてもよい。なお、結晶層１０３を立法晶系窒化ホウ素とし、他結晶層１０４をダイアモンドとしてもよい。
【００２１】
以上に示したように、ニッケル単結晶上に５ｎｍ以下のイリジウムの層をエピタキシャル成長させることで、ダイアモンドや立方晶窒化ホウ素との間の格子ミスマッチを制御することができ、高品質ダイアモンドおよび立方晶窒化ホウ素のヘテロ成長が可能となる。
【００２２】
ここで、イリジウムからなる第２金属層は、単結晶のニッケルからなる第１金属層の面内格子定数を完全に引き継いだ状態、つまり完全に圧縮歪を印加された状態でもよいし、第２金属層を厚くすることで、部分的にイリジウム結晶を緩和させても良い。つまり、第２金属層において、歪の状態を制御することで、第２金属層の表面側に成長したダイアモンドや立方晶窒化ホウ素に印加される歪を制御することが可能となる。
【００２３】
ここで重要となるのは、第２金属層の表面側にダイアモンドもしくは立方晶窒化ホウ素を結晶成長する際、第１金属層のニッケルと、結晶層とが反応しないだけの厚さをもつ第２金属層の備えることである。第１金属層の表面を、完全に第２金属層で覆っているのであれば、第２金属層は、イリジウムの１原子層でもよいが、工業的には３原子層のイリジウムが存在することが望まれる。これは、第２金属層の部分的な欠陥により、ニッケルからなる第１金属層が露出することを避ける意味もあるが、ダイアモンドや立方晶窒化ホウ素が成長する過程で、第１金属層のエッチング効果が無視できないことが大きい。
【００２４】
次に、半導体や異種の単結晶金属基板を用い、この基板上にエピタキシャル成長したニッケルからなる第１金属層を用いる場合、単純には、第１金属層のニッケルが十分緩和し、面内格子定数が本来のニッケルの格子定数となっていても良いが、緩和を意図的に不完全とすることで、最表面の面内格子定数を制御できる。つまり、ニッケルよりも大きな格子定数を持つ基板を用いることで、結晶性を損なわない範囲で、ダイアモンドや立方晶窒化ホウ素との間の格子ミスマッチを制御することが可能となる。このように、異種の基板を用い、この基板の上に第１金属層を形成し、この第１金属層の上に第２金属層をエピタキシャル成長する際、前述の通り完全に歪んだ状態であっても部分的に緩和していても良い。
【００２５】
いずれにおいても、第１金属層の表面にエピタキシャル成長する第２金属層の厚さは、格子緩和が生じない数層としても良い。しかし、第１金属層と同様に、第２金属層を一部格子緩和させることで、ダイアモンドや立方晶窒化ホウ素との格子ミスマッチを制御することが可能である。すなわち、第１金属層、第２金属層のどちらも残留歪量を制御することで、ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素からなる結晶層に、圧縮歪や引っ張り歪を印加することが可能である。
【００２６】
次に、イリジウムからなる第２金属層の上に結晶成長したダイアモンドの上には、立方晶窒化ホウ素を形成することが可能であり、同様に、第２金属層の上に結晶成長した窒化ホウ素の上には、ダイアモンドを形成することが可能である。この場合、ダイアモンドの結晶層と立方晶窒化ホウ素の結晶層とによるシングルヘテロ構造はもちろん、交互に複数のヘテロ構造を積層する超格子も作製可能となる。
【００２７】
以下、結晶成長方法についてより詳細に説明する。例えばＭｇＯ基板上に、ニッケルを２００ｎｍ成長し十分に緩和させて第１金属層を形成する。ＭｇＯ基板の面方位は特定しなくてもよい。ニッケルの成長は真空中で、基板温度２５０℃前後で実施すればよい。ニッケルの供給方法は、Ｅガンであっても、スパッタであっても、高温Ｋセルであっても良い。当然ながら、ニッケルの成長に最適な基板温度は、成長速度、成長方法によって多少異なる。ニッケルを成長して第１金属層を形成した後、水素中もしくは水素分圧が５Ｔｏｒｒ以上の減圧環境下、基板温度１０００℃前後で第１金属層を加熱することで、第１金属層におけるニッケルの結晶性が向上する。
【００２８】
なお、基板は、単結晶であれば、サファイア基板、窒化物基板、ＳｉＣ基板、金属（ニッケル基板であっても、他の金属基板でもよい。ただし、立方晶窒化ホウ素やダイアモンドの結晶成長温度（１１００℃前後）に耐えることが可能な材料であることが必要である。
【００２９】
次に、第１金属層の上に、イリジウムを厚さ１ｎｍ以上５ｎｍ以下にエピタキシャル成長し、第２金属層を形成する。第２金属層は、５ｎｍよりも厚くすることで、部分的に緩和させることもある。イリジウムの供給方法は、Ｅガンであっても、スパッタであっても良い。高温Ｋセルを用いた場合、成長速度は著しく遅くなるが高品質なイリジウムが得られる。
【００３０】
このようにして成長したイリジウムによる第２金属層は、面内に圧縮歪を含有し、面内格子定数は単結晶ニッケルに等しくなる。本来、第２金属層は、イリジウムの１原子層を堆積させればよいが、工業的にはニッケルからなる第１金属層の表面を完全に被覆させるため、３層以上堆積させたて形成した方が安定である。
【００３１】
上述したように形成した第２金属層の表面上に、立方晶窒化ホウ素やダイアモンドをエピタキシャル成長することで結晶層の形成が可能となる。
【００３２】
上述したことにより作製できる立方晶窒化ホウ素の結晶層とダイアモンドの結晶層とによるヘテロ構造は、立方晶窒化ホウ素の結晶層を障壁層としダイアモンドの結晶層を井戸層とした量子井戸構造を作製すれば、第１金属層、第２金属層をゲート電極として用いた結晶層の伝導性制御が可能となる。このような構造は、基板の方位としては（００１）面、（１１１）面に限らずあらゆる面に応用できるが、ダイアモンドを結晶成長する場合は（００１）面を用いた場合がより容易である。
【００３３】
以上に説明したように、本発明によれば、ニッケルからなる第１金属層の上にイリジウムをエピタキシャル成長して第２金属層を形成し、この上に立方晶の結晶をエピタキシャル成長して結晶層を形成するようにしたので、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素などの立方晶の高品質な結晶が、より大面積に形成できるようになる。
【００３４】
ところで、ダイアモンドおよび立方晶窒化ホウ素に対して格子ミスマッチの小さい材料として、ニッケルが存在する。しかしながら、ニッケルを成長基板として用いることは極めて難しいことが判明している。例えば、ダイアモンドの場合、ニッケルに炭素が固溶してしまい、またニッケル表面にはＳＰ2結合のグラフェンライクカーボンなどダイアモンドと異なる結晶構造を持つ炭素が生成しやすい。窒化ホウ素の場合も、ニッケル表面にはＢとＮのＳＰ2結合による六方晶窒化ホウ素が生成してしまい、立方晶窒化ホウ素を得ることは難しい（非特許文献３参照）。
【００３５】
これに対し、本発明では、ニッケルの上をイリジウムで覆い、この上に、ダイアモンドまたは立法晶系窒化ホウ素などの立方晶の結晶をエピタキシャル成長するので、上述したような問題が発生しない。
【００３６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１…第１金属層、１０２…第２金属層、１０３…結晶層、１０４…他結晶層。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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