(57)【要約】【課題】  室温でスペクトル幅の狭い高効率の紫外発光ができる窒化物材料を、低コストで製造できる製造方法を提供する。【解決手段】  アルミニウム金属板６４１とガドリニウム金属板６４２とをターゲット材料とし、アルゴン、窒素混合ガス６７の雰囲気中でスパッタリングを行うことでガドリニウム添加の窒化アルミニウム薄膜を製造する。また、窒化アルミニウム金属板６４３及びガドリニウム金属板６４２をターゲット材料とし、アルゴンガス６８の雰囲気中でスパッタリングを行うことでガドリニウム添加の窒化アルミニウム薄膜を製造する。好ましくは、シリコン基板６６上に薄膜を形成する。【選択図】図１
2008108759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムとガドリニウムとをターゲット材料とし、不活性ガスに窒素を混入した雰囲気中でスパッタリングを行う工程を有することを特徴とする窒化物材料製造方法。
【請求項２】
窒化アルミニウム及びガドリニウムをターゲット材料とし、スパッタリングを行う工程を有することを特徴とする窒化物材料製造方法。
【請求項３】
シリコンを基板に用いてスパッタリングを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の窒化物材料製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物材料の製造方法に関し、特に紫外領域で発光することのできる窒化物材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外発光ダイオードなどの固体素子の紫外発光デバイスは、固体照明用励起光源、超高集積光記録デバイス用光源、計測用気体レーザー置き換え、環境汚染物質に対する光触媒分解処理光源、殺菌用光源、バイオ、医学応用など、様々な応用分野が期待されている。そこで、従来より、窒化ガリウム（ＧａＮ）と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の混晶半導体である窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いた紫外発光デバイスが活発に提案されている（例えば、非特許文献１）。このような窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）は、伝導帯から価電子帯への電子の遷移により禁制帯幅に相当するエネルギーを紫外発光する。
【０００３】
しかし、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いた紫外発光デバイスは、電子の占めるエネルギー位置が熱的に広がっており、また、禁制帯中の不純物エネルギー位置に電子が落ち込むこともあり、室温で、スペクトル幅が狭い高効率な紫外発光を得ることは困難であった。
【０００４】
そこで、新たに、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にガドリニウム（Ｇｄ）を添加する紫外発光デバイスが提案された（例えば非特許文献２及び特許文献１）。これによると、電子がガドリニウム（Ｇｄ）のエネルギー的に局在した内殻準位に落ち込み、その内殻準位間での遷移により、紫外発光するため、室温で、スペクトル幅の狭い高効率発光を得ることができる。この窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にガドリニウム（Ｇｄ）を添加した紫外発光デバイスの製造方法としては、現在、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）を用いて炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に単結晶膜を作成するもののみが知られている。
【非特許文献１】天野浩、「III族窒化物半導体による紫外光源の開発動向」、応用物理、社団法人応用物理学会、２００５年１1月、第７４巻、第１１号、ｐ1433−1436
【非特許文献２】Sung Woo Choi他９名、「Emisssion Spectra From AlN and GaN doped with rare earth elements」、Journal of Alloys and Compounds、408-412(2006)p717-p720
【特許文献１】特開２００３−４５９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）は、液体窒素等の冷却装置や超高真空を実現できる排気系ポンプを含む複雑な装置を必要とするものであり、装置の製造コスト及び液体窒素等を利用することによるランニングコスト等の多くの費用を必要とする。また、基板として用いる炭化珪素（ＳｉＣ）は、一般に良く用いられるシリコン（Ｓｉ）等に比べて高価でありこの点でも費用が大きくなる。
【０００６】
そこで本発明は、室温でスペクトル幅の狭い高効率の紫外発光ができる窒化物材料を、低い費用で製造できる製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかる窒化物材料製造方法は、アルミニウムとガドリニウムとをターゲット材料とし、不活性ガスに窒素を混入した雰囲気中でスパッタリングを行う工程を有することを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載の発明に係る窒化物材料製造方法は、窒化アルミニウム及びガドリニウムをターゲット材料とし、スパッタリングを行う工程を有することを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載の発明に係る窒化物材料製造方法は、シリコンを基板に用いてスパッタリングを行うこと特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明に係る方法によると、アルミニウムとガドリニウムとをターゲット材料とし、不活性ガスに窒素を混入した雰囲気中でスパッタリングを行うことで、ガドリニウム（Ｇｄ）を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を生成できる。スパッタリングは、比較的簡単な設備で行うことができるので、室温でスペクトル幅の狭い高効率の紫外発光ができる窒化物材料であるガドリニウム（Ｇｄ）が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、低い費用で製造できる。
【００１１】
請求項２の発明に係る方法によると、窒化アルミニウムとガドリニウムとをターゲット材料とし、不活性ガスのみに雰囲気中でスパッタリングを行うことで、ガドリニウムを添加した窒化アルミニウム薄膜を生成できる。スパッタリングは、比較的簡単な設備で行うことができるので、雰囲気に窒素を混入しなくとも、室温でスペクトル幅の狭い高効率の紫外発光ができる窒化物材料であるガドリニウム（Ｇｄ）が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、低い費用で製造できる。
【００１２】
請求項３の発明によると、シリコンを基板に用いるので、炭化珪素等を基板に用いる場合に比べて、安価な窒化物材料を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、本発明の第１の実施形態として、アルミニウム(Ａｌ）とガドリニウム（Ｇｄ）とをターゲット材料とし、窒素（Ｎ）とアルゴン（Ａｒ）を含む雰囲気中で高周波マグネトロンスパッタを行うことにより、シリコン（Ｓｉ）基板上にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成する場合について説明する。
【００１４】
高周波マグネトロンスパッタ装置１０は、図１に示すように、回路２０上に高周波電源３０と整合器４０とブロッキングコンデンサ５０とを直列的に配置しており、回路２０はチャンバー６０内部で所定の間隔を断線している。なお、回路２０には適宜位置にアースが設けられている。また、整合器４０にはコイル４０１及び可変コンデンサ４０２が適宜配置されており、高周波電源から印加される電圧を効率よくプラズマに与える役割を果たすものである。チャンバー６０の内部は密閉可能に構成されており、弁８１を経て真空ポンプ８２に繋がっており、弁９１及び減圧弁９２を経てアルゴンの高圧ガスボンベ９３及び窒素の高圧ガスボンベ９４にそれぞれ繋がっている。チャンバー６０の内部の上方にはチャンバー６０上面に固定される支持部材６１によって、基板ホルダー６２が支持されている。なお、支持部材６１の内部には、回路２０の一方の端部が配線されている。また、チャンバー６０の内部の下方にはチャンバー下面に固定される支持部材６３によって、ターゲット材料６４が固定されている。また、ターゲット材料６４よりも下方位置には、支持部材６３によって永久磁石６５が支持されている。なお、支持部材６３の内部には回路２の他方の端部がターゲット材料６４まで配線されている。
【００１５】
第１の実施形態において、基板ホルダー６２の下向き面には、基板としてシリコン基板６６が固定されている。また、ターゲット材料６４としては、アルミニウム金属板６４１が支持部材６３に固定され、更にアルミニウム金属板６４１の上面にガドリニウム金属板６４２が載置されている。
【００１６】
以上のように構成される高周波マグネトロンスパッタ装置１を用いてガドリニウム（Ｇｄ）添加の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成するときには、まず、真空ポンプ８２を作動させてチャンバー６０内を例えば０．１Ｐａまで減圧する。次に、アルゴンの高圧ガスボンベ９３及び窒素の高圧ガスボンベ９４から減圧弁９２、９２を通して、アルゴン、窒素混合ガス６７をチャンバー６０内の圧力が例えば０．９Ｐａとなるように導入する。そして、高周波電源をＯＮにして高周波電流を通電する。
【００１７】
このようにして、高周波電力を印加するとアルゴンイオンを含むプラズマが発生する。そして、このアルゴンイオンは、高周波電力を印加することで発生した電界により、加速されてターゲット材料６４であるアルミニウム金属板６４１及びガドリニウム金属板６４２に衝突する。アルゴンイオンがアルミニウム金属板６４１及びガドリニウム金属板６４２に衝突すると、その衝撃でアルミニウム及びガドリニウムが雰囲気中に弾き飛ばされる。そして、雰囲気中に飛ばされたアルミニウム（Ａｌ）は、雰囲気中にある窒素イオンと反応することで、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）となり、ガドリニウム（Ｇｄ）とともにシリコン基板６６上に堆積して、薄膜を形成する。なお、本実施形態においては、永久磁石６５がターゲット材料であるアルミニウム金属板６４１及びガドリニウム金属板６４２の下方位置に配置されているので、アルゴンイオンはアルミニウム金属板６４１及びガドリニウム金属板６４３近傍に集められさらに加速されて衝突されることになるので、より効率よくスパッタリングすることができる。
【００１８】
次に、本発明の第２の実施形態として、窒化アルミニウム(ＡｌＮ）とガドリニウム（Ｇｄ）とをターゲット材料とし、アルゴン（Ａｒ）を雰囲気ガスとして高周波マグネトロンスパッタを行うことにより、シリコン（Ｓｉ）基板上にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成する場合について図２を参照しつつ説明する。なお、ターゲット材料及び雰囲気以外の構成は第１の実施形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００１９】
第２の実施形態において、ターゲット材料６４としては、窒化アルミニウム金属板６４３が支持部材６３に固定され、更に窒化アルミニウム金属板６４３の上面にガドリニウム金属板６４２が載置されている。
【００２０】
ガドリニウム（Ｇｄ）添加の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成するときには、まず、真空ポンプ８２を用いてチャンバー６０内を例えば０．１Ｐａまで減圧した後、アルゴンの高圧ガスボンベ９３から減圧弁９２を通して、アルゴンガス６８をチャンバー６０内の圧力が例えば０．９Ｐａとなるように注入する。そして、高周波電源をＯＮにして高周波電流を通電する。
【００２１】
このようにして、高周波電力を印加するとアルゴンイオンを含むプラズマが発生する。そして、このアルゴンイオンは、高周波電力を印加することで発生した電界により、加速されてターゲット材料６４である窒化アルミニウム金属板６４３及びガドリニウム金属板６４２に衝突する。アルゴンイオンが窒化アルミニウム金属板６４３及びガドリニウム金属板６４２に衝突すると、その衝撃で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びガドリニウム（Ｇｄ）が雰囲気中に弾き飛ばされる。希ガスであるアルゴンイオンは、アルミニウム又はガドリニウムと結合しないので、雰囲気中に飛ばされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びガドリニウム（Ｇｄ）は、そのまま、シリコン基板６６上に堆積して、薄膜を形成する。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施形態として、アルミニウム（Ａｌ）とガドリニウム（Ｇｄ）を混合してターゲット材料とし、窒素（Ｎ）とアルゴン（Ａｒ）を含む雰囲気中で直流電源を用いた２極スパッタを行うことにより、シリコン（Ｓｉ）基板上にガドリニウム（Ｇｄ）を添加した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成する場合について説明する。
【００２３】
２極スパッタ装置１は、図３に示すように、回路２１上に直流電源３１が設けられ、回路２１はチャンバー７０内部に配線されて所定間隔を断線している。チャンバー７０内部は密閉可能に構成されており、弁８１を経て真空ポンプ８２に繋がっており、弁９１及び減圧弁９２を介して、アルゴンの高圧ガスボンベ９３、窒素の高圧ガスボンベ９４にそれぞれ繋がっている。チャンバー７０の上方にはチャンバー７０の上面に固定される支持部材７１及び支持部材７２が設けられており、支持部材７１、７２は、それぞれターゲットホルダ７３、７４を支持している。なお、支持部材７１、７２の内部には回路２１の端部がそれぞれ配線されている。また、チャンバー７０の内部の下方にはチャンバー７０下面に固定される支持部材７５によって基板載置台７６が支持されている。
【００２４】
第３の実施形態において、ターゲットホルダ７３の内向き面には、ターゲットとしてアルミニウム、ガドリニウム混合金属板７８０が付設されており、ターゲットホルダ７４の内向き面には、ターゲットとしてアルミニウム金属板６４１が付設されている。また、基板載置台７６には基板として、シリコン基板６６が載置されている。
【００２５】
以上のように構成される２極スパッタ装置１１を用いてガドリニウム添加（Ｇｄ）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成するときには、まず、真空ポンプ８２を作動させてチャンバー７０内を例えば０．１Ｐａまで減圧する。次に、アルゴンの高圧ガスボンベ９３、窒素の高圧ガスボンベ９４及び減圧弁９２を用いて、アルゴン、窒素混合ガス６７をチャンバー７０内の圧力が例えば０．９Ｐａとなるように導入する。そして、直流電源をＯＮにして直流電流を通電する。
【００２６】
このようにして、直流電力を印加するとアルゴンイオンを含むプラズマが発生する。そして、このアルゴンイオンは、直流電力を印加することで発生した電界により、加速されてターゲット材料であるアルミニウム金属板６４１及びアルミニウム、ガドリニウム混合金属板７８０に衝突する。アルゴンイオンがアルミニウム金属板６４１及びアルミニウム、ガドリニウム混合金属板７８０に衝突すると、その衝撃でアルミニウム（Ａｌ）及びガドリニウム（Ｇｄ）が雰囲気中に弾き飛ばされる。そして、雰囲気中に飛ばされたアルミニウム（Ａｌ）は、雰囲気中にある窒素イオンと反応することで、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）となり、ガドリニウム（Ｇｄ）ともに、シリコン基板６６上に堆積して、薄膜を形成する。
【００２７】
次に、本発明の第４の実施形態として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とガドリニウム（Ｇｄ）を混合してターゲット材料とし、アルゴン（Ａｒ）の雰囲気中で直流電源を用いた２極スパッタを行うことにより、シリコン（Ｓｉ）基板上にガドリニウム（Ｇｄ）添加の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成する場合について説明する。なお、ターゲット材料及び雰囲気以外の構成は第３の実施形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００２８】
第４の実施形態において、ターゲットホルダ７３の内向き面には、ターゲットとして窒化アルミニウム、ガドリニウム混合金属板７８１が付設されており、ターゲットホルダ７４の内向き面には、ターゲットとして窒化アルミニウム金属板６４３が付設されている。
【００２９】
ガドリニウム添加（Ｇｄ）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜を形成するときには、まず、真空ポンプ８２を用いてチャンバー７０内を例えば０．１Ｐａまで減圧する。次に、減圧弁９２及びアルゴンの高圧ガスボンベ９３を用いて、アルゴンガス６８をチャンバー７０内の圧力が例えば０．９Ｐａとなるように注入する。そして、直流電源をＯＮにして直流電流を通電する。
【００３０】
このようにして、直流電力を印加するとアルゴンイオンを含むプラズマが発生する。そして、このアルゴンイオンは、直流電力を印加することで発生した電界により、加速されてターゲット材料である窒化アルミニウム金属板６４３及び窒化アルミニウム、ガドリニウム混合金属板７８１に衝突する。アルゴンイオンが窒化アルミニウム金属板６４３及び窒化アルミニウム、ガドリニウム混合金属板７８１に衝突すると、その衝撃で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びガドリニウム（Ｇｄ）が雰囲気中に弾き飛ばされる。そして、弾き飛ばされた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及びガドリニウム（Ｇｄ）はシリコン基板上に堆積して、薄膜を形成する。
【００３１】
なお、本発明に係るスパッタリングに用いるスパッタ装置は、上述の高周波マグネトロンスパッタ装置１０及び２極スパッタ装置１１に限られるものではない。例えば、同軸マグネトロンスパッタリング装置、ＥＣＲスパッタリング装置、多極スパッタリング装置、イオンビームスパッタリング装置、スパッタガンスパッタリング装置などの種々のスパッタ装置を用いることができる。
【００３２】
また、本発明に係るスパッタリングに用いる基板は、上述のシリコン（Ｓｉ）基板が好適に用いられるがこれに限られるものではない。例えば、サファイア基板や炭化珪素（ＳｉＣ）基板などを用いることもできる。なお、シリコン（Ｓｉ）は他の基板材料に比べて安価であり、また、広範に普及しており、技術の応用における信頼性も高いので本発明の基板として好適に用いることができる。また、サファイアは、他の基板材料と異なり波長３５０ナノメートルの紫外光を透過することができるので、より高効率の紫外光発光を実現することができる。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は熱的、化学的、機械的安定性に優れているので、高温環境におかれる場合や薬品耐性が求められる場合などには、好適に用いられる。
【００３３】
また、本発明に係るスパッタリングに用いる雰囲気ガスは、上述の窒素とアルゴンとの混合ガスに限られるものではない。例えば、アルゴン（Ａｒ）に変えて、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ラドン（Ｒｎ）などの希ガスを用いてもよい。すなわち、アルミニウム（Ａｌ）及びガドリニウム（Ｇｄ）と殆ど反応しない気体であって、プラズマを発生し易い気体であればよい。
【００３４】
また、第２の実施形態及び第４の実施形態でも述べたように、雰囲気ガスとして希ガスのみを用い、窒素を注入しないものであってもよい。この場合、ターゲットとして、窒化アルミニウム及びガドリニウムを用いることで窒化アルミニウムガドリニウム薄膜を生成することができる。
【００３５】
本発明のスパッタリングを行うときの基板の温度は室温（摂氏２７度）から摂氏２００度の間であることが好ましい。基板温度が室温（摂氏２７度）未満であると、基板に堆積する窒化アルミニウムガドリニウム薄膜の質が悪くなり、また、基板温度が摂氏２００度を超えると基板に窒化アルミニウムガドリニウム薄膜が形成されにくくなるからである。また、本発明のスパッタリングを行うときの雰囲気ガスのガス圧は０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下の範囲内であることが好ましい。
【００３６】
また、本発明のスパッタリングにおいて、ターゲット材料としてアルミニウムとガドリニウムを使用する場合の雰囲気ガス中に含まれるアルゴンと窒素との比率は、アルゴンを１としたときに窒素が１以上１．５以下の範囲となることが好ましい。アルゴンの割合が低すぎるとプラズマが発生しにくくなり、効率的な薄膜生成ができなくなる。また、窒素の割合が低すぎるとスパッタリングされて雰囲気中に飛び出したアルミニウム及びガドリニウムが窒素イオンと反応しにくくなるため、窒化アルミニウムガドリニウム薄膜が形成されにくくなる。
【００３７】
また、ターゲット材料全体に対するガドリニウムの重量比率は２パーセント以上５０パーセント以下が好ましい。ガドリニウムの重量比率が２パーセント未満であると、生成される窒化アルミニウムガドリニウム薄膜中に含まれるガドリニウムの含有量が少なくなるため、高効率の紫外発光ができなくなる。また、ガドリニウムの重量比率が大きくなり、、アルミニウムの重量比率が小さくなりすぎると、窒化アルミニウムガドリニウム薄膜の質が低下する。
【００３８】
また、本発明のターゲット材料に印加される電力は２００ワット以上２０００ワット以下が好ましい。印加される電力が低すぎると、プラズマの発生やスパッタリングがされにくくなる。また、電力が高すぎるとターゲット及び基板が高温になりすぎる。更に、本発明においては、製膜時間は１５分以上１２０分以下であることが好ましい。
【００３９】
以上の条件のもとスパッタリングをおこなうと膜厚２００ナノメートル以上１２００ナノメートル以下の窒化アルミニウムガドリニウム薄膜が生成される。このようにして生成した窒化アルミニウムガドリニウム薄膜は、堆積しているガドリニウムが図５に示すようにその原子内に有する内殻エネルギー準位の６ｐ励起準位から８ｓ基底準位への電子の遷移により、約３１５ナノメートルの波長のスペクトル幅の狭い紫外発光が可能となる。
【００４０】
次に、本発明の具体的実施な実施例を説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されるものでないことは云うまでもない。
【００４１】
[実施例１]
実施例１では、表１に示すように、スパッタ装置として図１に示した高周波マグネトロンスパッタ装置１０を用いた。また、基板として直径５センチメートルのシリコン単結晶ウエハを用い、（１００）結晶面が製膜面となるよう配置した。また、ターゲット材料は、直径５センチメートルのアルミニウム金属板上に１センチメートル角で厚さ１ミリメートルのガドリニウム薄板を４個載置した。チャンバー６０内の雰囲気はガス圧０．９パスカルとなるように、アルゴンと窒素との配合割合が１対１の混合ガスを注入した。回路２０には高周波電源３０を用いて、周波数１３．５６メガヘルツで、２００ワットの電力を１５分間通電した。なお、このときシリコン単結晶ウエハの温度は室温（摂氏２７度）となるように制御した。
【００４２】
実施例１のスパッタリングの結果、シリコン単結晶ウエハの（１００）結晶面をＳＥＭ（走査電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）で観察したところ、膜厚約５００ナノメートルの表面平坦な、ガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜を基板全面に観察できた。また、得られた膜を室温で１０キロボルトの加速電圧を用いて電子線照射したところ、図６に示すように、約３１９ナノメートルに発光ピークを持つ明瞭な紫外発光のカソードルミネセンス（ＣＬ）を観察した。
【表１】
2008108759.tif 000003
【００４３】
[実施例２]
実施例２では、図３に示すように、スパッタ装置として対向式２極スパッタ装置１１を用いた。また、表２に示すように、基板として直径５センチメートルのシリコン単結晶ウエハを用い、（１１１）結晶面に薄膜を生成するように基板載置台７６に載置した。また、一方のターゲットホルダ７３には、ターゲットとして一方の辺が１００ミリメートルで他方の辺が１６０ミリメートルで厚さ５ミリメートルの直方体のアルミニウムとガドリニウムとの混合金属板を設置した。なお、このアルミニウムとガドリニウムとの混合金属板のガドリニウムの混合割合は５重量パーセントとした。他方のターゲットホルダ７４には、ターゲットとして、一方の辺が１００ミリメートルで他方の辺が１６０ミリメートルで厚さ５ミリメートルの直方体のアルミニウム板を設置した。チャンバー７０内の雰囲気はガス圧０．５６パスカルとなるように、アルゴンと窒素との比率が３対４に混合した混合ガスを注入した。回路２１には直流電源３１を用いて、２０００ワットの直流電力を１２０分間通電した。なおこのときシリコン単結晶ウエハの温度は摂氏２００度となるように制御した。
【００４４】
実施例２のスパッタリングの結果、シリコン単結晶ウエハの（１１１）結晶面をＳＥＭで観察したところ、膜厚約１２００ナノメートルの表面平坦な、ガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜を基板全面に観察できた。この試料をＸ線回折（X-ray diffraction：ＸＲＤ）で調べたところ、図７に示すＸ線回折強度のグラフが得られた。図７によると、シリコン基板以外に窒化アルミニウムからの回折ピークがある事が分かる。また、得られた膜を室温で１０キロボルトの加速電圧を用いて電子線照射したところ、図８に示すように波長３１３ナノメートル及び３１８ナノメートルに発光ピークがある明瞭な紫外発光が見られた。
【００４５】
[実施例３]
実施例３は、チャンバー７０内の雰囲気のガス圧を０．７６パスカルとし、シリコン単結晶ウエハの温度を摂氏１００度に制御した。また、直流電力の通電時間を５０分とした。その他の点は実施例２と同じ条件で実施した。
【００４６】
実施例３のスパッタリングの結果、シリコン単結晶ウエハの（１１１）結晶面をＳＥＭで観察したところ、膜厚約５００ナノメートルの表面平坦な、ガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜を基板全面に観察できた。得られた膜を室温で１０キロボルトの加速電圧を用いて電子線照射したところ、図９に示すように波長３１２ナノメートルに発光ピークがある明瞭な紫外発光が観察できた。
【００４７】
[実施例４]
実施例４は、チャンバー７内の雰囲気のガス圧を０．７６パスカルとし、シリコン単結晶ウエハの温度を摂氏１００度に制御した。また、１０００ワットの直流電力を１００分間通電した。その他の点は実施例２と同じ条件で実施した。
【００４８】
実施例４のスパッタリングの結果、シリコン単結晶ウエハの（１１１）結晶面をＳＥＭで観察したところ、膜厚約５００ナノメートルの表面平坦な、ガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜を基板全面に観察できた。得られた膜を室温で１０キロボルトの加速電圧を用いて電子線照射したところ、図１０に示すように波長３１２ナノメートルに発光ピークがある明瞭な紫外発光が観察できた。
【表２】
2008108759.tif 000004
【００４９】
以上の実施例１から実施例４が示すように、ターゲットとしてアルミニウム及びガドリニウムを用い、窒素を含む雰囲気ガス中でスパッタリングすることで、ガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜をシリコン基板全面に生成することができる。そして、このガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜は波長３１０ナノメートルから３２０ナノメートルの範囲内に発光ピークを有する。
【００５０】
なお、実施例１から４には示していないが、ターゲットとして窒化アルミニウム及びガドリニウムを用いて、窒素を殆ど含まない雰囲気ガス中でスパッタリングすることでも、ガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜をシリコン基板全面に生成することができる。この場合も実施例１から４と同様の薄膜が形成されることとなるので、当然に波長３１０ナノメートルから３２０ナノメートルの範囲内に発光ピークを有することとなる。
【００５１】
光は波長が２５０ナノメートルから３５０ナノメートルの間で紫外発光するが、２５０ナノメートル付近の短い波長の紫外光ではレンズに対する透過性が低くなり、様々な使用が制限される問題がある。また、３５０ナノメートル付近の波長の紫外光では可視光に近くなり、化学反応を起こしにくくなるので、各種分野での応用が難しくなる。本発明により製造されたガドリニウムを含む窒化アルミニウム薄膜は、室温で波長３１０ナノメートルから３２０ナノメートルまでのスペクトル幅の狭い高効率の紫外発光ができるので、上述のような問題がなく、様々な技術分野に応用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、例えば紫外発光ダイオードの製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】ターゲット材料としてアルミニウム及びガドリニウムを用いる高周波マグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。
【図２】ターゲット材料として窒化アルミニウム及びガドリニウムを用いる高周波マグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。
【図３】ターゲット材料としてアルミニウム及びガドリニウムを用いる対向２極スパッタ装置の概略断面図である。
【図４】ターゲット材料として窒化アルミニウム及びガドリニウムを用いる対向２極スパッタ装置の概略断面図である。
【図５】ガドリニウム添加の窒化アルミニウムの各準位のエネルギー状態を示す図である。
【図６】実施例１の試料の発光ピークを示すグラフである。
【図７】実施例２の試料のＸ線回折強度を示すグラフである。
【図８】実施例２の試料の発光ピークを示すグラフである。
【図９】実施例３の試料の発光ピークを示すグラフである。
【図１０】実施例４の試料の発光ピークを示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
６４    ターゲット材料
６４１  アルミニウム金属板（Ａｌ）
６４２  ガドリニウム金属板（Ｇｄ）
６４３  窒化アルミニウム金属板（ＡｌＮ）
６６    シリコン基板（Ｓｉ）
６７    アルゴン、窒素混合ガス（Ａｒ、Ｎ）
６８    アルゴンガス（Ａｒ）
７８０  アルミニウム、ガドリニウム混合金属板（Ａｌ、Ｇｄ）
７８１  窒化アルミニウム、ガドリニウム混合金属板（ＡｌＮ、Ｇｄ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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