JP2002050585A - 半導体の結晶成長方法 - Google Patents
半導体の結晶成長方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡単な方法で低欠陥の半導体が得られる半導
体の結晶成長方法を提供する。 【解決手段】 単結晶基板１上にアルミニウム層を形成
し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化して得られる
多孔質アルミナ層２上にIII 族窒化物結晶層３を成長さ
せるという簡単な方法により、低欠陥の半導体が得られ
る。
体の結晶成長方法を提供する。 【解決手段】 単結晶基板１上にアルミニウム層を形成
し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化して得られる
多孔質アルミナ層２上にIII 族窒化物結晶層３を成長さ
せるという簡単な方法により、低欠陥の半導体が得られ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の結晶成長
方法に関する。
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウ
ムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム
（ＧａＡｌＮ）等のＧａＮ系化合物半導体は、青色発光
ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＥＤ）の
材料として脚光を浴びている。さらにＧａＮ系化合物半
導体は、光素子以外にも耐熱性や耐環境性がよいため、
この特徴を活かした電子デバイス用素子の開発も行われ
ている。
ムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム
（ＧａＡｌＮ）等のＧａＮ系化合物半導体は、青色発光
ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＥＤ）の
材料として脚光を浴びている。さらにＧａＮ系化合物半
導体は、光素子以外にも耐熱性や耐環境性がよいため、
この特徴を活かした電子デバイス用素子の開発も行われ
ている。
【０００３】ＧａＮ系化合物半導体は、バルク結晶成長
が難しく、実用に耐えるＧａＮの基板は未だ得られてい
ない。現在広く実用化されているＧａＮ成長用の基板は
サファイアであり、単結晶サファイア基板の上に有機金
属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等でＧａＮをエピタキシ
ャル成長させる方法が一般的である。
が難しく、実用に耐えるＧａＮの基板は未だ得られてい
ない。現在広く実用化されているＧａＮ成長用の基板は
サファイアであり、単結晶サファイア基板の上に有機金
属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等でＧａＮをエピタキシ
ャル成長させる方法が一般的である。
【０００４】サファイア基板は、ＧａＮと格子定数が異
なるため、サファイア基板上に直接ＧａＮを成長させた
のでは単結晶膜を成長させることができない。このた
め、サファイア基板上に一旦低温でＡｌＮやＧａＮのバ
ッファ層を成長させ、このバッファ層で格子の歪みを緩
和させてからそのバッファ層の上にＧａＮを成長させる
方法が開示されている（特開昭６３−１８８９８３号公
報参照）。
なるため、サファイア基板上に直接ＧａＮを成長させた
のでは単結晶膜を成長させることができない。このた
め、サファイア基板上に一旦低温でＡｌＮやＧａＮのバ
ッファ層を成長させ、このバッファ層で格子の歪みを緩
和させてからそのバッファ層の上にＧａＮを成長させる
方法が開示されている（特開昭６３−１８８９８３号公
報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した低
温成長ＡｌＮ層をバッファ層として用いたＧａＮの成長
でも、基板と結晶の格子とのずれが生じてしまい、無数
の欠陥を有する。この欠陥は、ＧａＮ系ＬＤを製造する
上で障害となる。
温成長ＡｌＮ層をバッファ層として用いたＧａＮの成長
でも、基板と結晶の格子とのずれが生じてしまい、無数
の欠陥を有する。この欠陥は、ＧａＮ系ＬＤを製造する
上で障害となる。
【０００６】この問題を解決すべく、ＥＬＯ（Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１８）２６３８（１９
９７））、ＦＩＥＬＯ（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．３８，Ｌ１８４（１９９９））、ペンデオエピタキ
シー（ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．４Ｓ１，Ｇ３．３８（１
９９９））等の成長技術が報告されているが、これらの
成長技術は、一旦成長ＧａＮエピタキシャル層を炉外に
取り出し、表面に加工を施した後、再度炉内に戻してＧ
ａＮ成長を行わなければならないという点で非常に手間
がかかる。また、必ずしも十分に欠陥密度を低減できる
わけではない。さらに、サファイアとＧａＮとの熱膨張
係数差に起因して基板が反るという問題があった。
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１８）２６３８（１９
９７））、ＦＩＥＬＯ（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．３８，Ｌ１８４（１９９９））、ペンデオエピタキ
シー（ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．４Ｓ１，Ｇ３．３８（１
９９９））等の成長技術が報告されているが、これらの
成長技術は、一旦成長ＧａＮエピタキシャル層を炉外に
取り出し、表面に加工を施した後、再度炉内に戻してＧ
ａＮ成長を行わなければならないという点で非常に手間
がかかる。また、必ずしも十分に欠陥密度を低減できる
わけではない。さらに、サファイアとＧａＮとの熱膨張
係数差に起因して基板が反るという問題があった。
【０００７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、簡単な方法で低欠陥の半導体が得られる半導体の結
晶成長方法を提供することにある。
し、簡単な方法で低欠陥の半導体が得られる半導体の結
晶成長方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の半導体の結晶成長方法は、基板上にアルミニ
ウム層を形成し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化
して得られる多孔質アルミナ層上に、基板と異なる材料
からなる半導体の単結晶を成長させるものである。
に本発明の半導体の結晶成長方法は、基板上にアルミニ
ウム層を形成し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化
して得られる多孔質アルミナ層上に、基板と異なる材料
からなる半導体の単結晶を成長させるものである。
【０００９】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、基板として六方晶系または立方晶系を有する単
結晶基板を用いてもよい。
方法は、基板として六方晶系または立方晶系を有する単
結晶基板を用いてもよい。
【００１０】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、多孔質アルミナ層の表面が、六方晶系のＣ面に
略配向するのが好ましい。
方法は、多孔質アルミナ層の表面が、六方晶系のＣ面に
略配向するのが好ましい。
【００１１】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、多孔質アルミナ層の表面が、１μｍ以下の周期
構造を有するようにするのが好ましい。
方法は、多孔質アルミナ層の表面が、１μｍ以下の周期
構造を有するようにするのが好ましい。
【００１２】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、多孔質アルミナ層の孔の深さを０．１μｍ以上
とするのが好ましい。
方法は、多孔質アルミナ層の孔の深さを０．１μｍ以上
とするのが好ましい。
【００１３】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、アルミニウムの表面を陽極酸化して得られる多
孔質アルミナを基板とし、この多孔質アルミナ基板に６
６０℃以上の温度で熱処理を施した後、半導体の単結晶
を成長させてもよい。
方法は、アルミニウムの表面を陽極酸化して得られる多
孔質アルミナを基板とし、この多孔質アルミナ基板に６
６０℃以上の温度で熱処理を施した後、半導体の単結晶
を成長させてもよい。
【００１４】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、成長させる半導体として、III 族元素の窒化物
を用いてもよい。
方法は、成長させる半導体として、III 族元素の窒化物
を用いてもよい。
【００１５】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、基板として、シリコンを用いてもよい。
方法は、基板として、シリコンを用いてもよい。
【００１６】上記構成に加え本発明の半導体の結晶成長
方法は、多孔質アルミナ層の表面に点状またはストライ
プ状の窓を有するマスクを設け、そのマスクの上に化合
物半導体単結晶を成長させてもよい。
方法は、多孔質アルミナ層の表面に点状またはストライ
プ状の窓を有するマスクを設け、そのマスクの上に化合
物半導体単結晶を成長させてもよい。
【００１７】また、本発明の半導体の結晶成長方法は、
単結晶基板上にアルミニウム層を形成し、そのアルミニ
ウム層の表面を陽極酸化して得られる多孔質アルミナを
基板として、この多孔質アルミナ基板上に、半導体単結
晶を成長させた後、多孔質部分から成長した半導体結晶
だけ剥離するものである。
単結晶基板上にアルミニウム層を形成し、そのアルミニ
ウム層の表面を陽極酸化して得られる多孔質アルミナを
基板として、この多孔質アルミナ基板上に、半導体単結
晶を成長させた後、多孔質部分から成長した半導体結晶
だけ剥離するものである。
【００１８】本発明によれば、単結晶基板上にアルミニ
ウム層を形成し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化
して得られる多孔質アルミナ層上にIII 族窒化物結晶を
成長させるという簡単な方法により低欠陥の半導体が得
られる。
ウム層を形成し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化
して得られる多孔質アルミナ層上にIII 族窒化物結晶を
成長させるという簡単な方法により低欠陥の半導体が得
られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。
図面に基づいて詳述する。
【００２０】図１は本発明の半導体の結晶成長方法を適
用したＧａＮエピタキシャル基板の一実施の形態を示す
断面模式図である。
用したＧａＮエピタキシャル基板の一実施の形態を示す
断面模式図である。
【００２１】このＧａＮエピタキシャル基板は、単結晶
基板１上に多孔質アルミナ層２及びIII 族窒化物単結晶
層３が順次形成されたものである。
基板１上に多孔質アルミナ層２及びIII 族窒化物単結晶
層３が順次形成されたものである。
【００２２】ここで、III 族窒化物結晶をエピタキシャ
ル成長させるには、下地となる基板と結晶系とが同じで
格子定数差が無く（少なく）、かつ熱膨張係数が近い必
要がある。
ル成長させるには、下地となる基板と結晶系とが同じで
格子定数差が無く（少なく）、かつ熱膨張係数が近い必
要がある。
【００２３】しかし、現在実用に耐えるIII 族窒化物単
結晶基板は無く、サファイア基板が用いられているのが
現状である。
結晶基板は無く、サファイア基板が用いられているのが
現状である。
【００２４】サファイア基板は、III 族窒化物結晶と同
じ六方晶系（厳密には六方晶系ではないが、近似でき
る。）であるが、格子定数、熱膨張係数とも、III 族窒
化物結晶とはかなり異なっている。このため、サファイ
ア上に成長したＧａＮは、欠陥密度が高く、かつ基板が
反るという問題がある。
じ六方晶系（厳密には六方晶系ではないが、近似でき
る。）であるが、格子定数、熱膨張係数とも、III 族窒
化物結晶とはかなり異なっている。このため、サファイ
ア上に成長したＧａＮは、欠陥密度が高く、かつ基板が
反るという問題がある。
【００２５】一方、従来技術で述べたＥＬＯやペンデオ
エピタキシー等の方法は、基板表面にマスクを設け、結
晶の核発生密度を限定し、下地からの欠陥の伝播を防止
することにより、エピタキシャル層中の欠陥密度低減を
図っている。
エピタキシー等の方法は、基板表面にマスクを設け、結
晶の核発生密度を限定し、下地からの欠陥の伝播を防止
することにより、エピタキシャル層中の欠陥密度低減を
図っている。
【００２６】本発明に係る多孔質アルミナは、これまで
に述べた必要条件を満たすものとして発明者らがはじめ
て見出だしたものである。
に述べた必要条件を満たすものとして発明者らがはじめ
て見出だしたものである。
【００２７】すなわち、陽極酸化で得られる多孔質アル
ミナは、六方晶系をとり、自発的にＣ軸配向する。例え
ば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
のＶｏｌ．７６，Ｎｏ．１，ｐ．４９に多孔質アルミナ
の配向について報告がなされている。このため、多結晶
の金属アルミニウム基板又は基板上の多結晶の金属アル
ミニウム膜に陽極酸化を施すだけで簡単にＣ軸配向した
多孔質アルミナが得られる。
ミナは、六方晶系をとり、自発的にＣ軸配向する。例え
ば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
のＶｏｌ．７６，Ｎｏ．１，ｐ．４９に多孔質アルミナ
の配向について報告がなされている。このため、多結晶
の金属アルミニウム基板又は基板上の多結晶の金属アル
ミニウム膜に陽極酸化を施すだけで簡単にＣ軸配向した
多孔質アルミナが得られる。
【００２８】次に、格子定数差の問題については、多孔
質アルミナもサファイアもほとんど変わらない。但し、
表面が多孔質であるということは、孔の上には結晶の核
発生が起こらないため、結果的にＥＬＯやペンデオエピ
タキシーを行っているのと同じことになり、欠陥の発生
を大幅に抑えることができる。しかも、従来のＥＬＯや
ペンデオエピタキシーとは異なり、一旦ＧａＮ膜を成長
させてからその表面に加工を施すというプロセスが不用
で、簡単に低欠陥結晶を得ることができる。さらに、熱
膨張係数差の問題については、基板表面が多孔質である
ことから、熱膨張係数差に起因する歪みが多孔質部分で
吸収され、基板が反るということがない。
質アルミナもサファイアもほとんど変わらない。但し、
表面が多孔質であるということは、孔の上には結晶の核
発生が起こらないため、結果的にＥＬＯやペンデオエピ
タキシーを行っているのと同じことになり、欠陥の発生
を大幅に抑えることができる。しかも、従来のＥＬＯや
ペンデオエピタキシーとは異なり、一旦ＧａＮ膜を成長
させてからその表面に加工を施すというプロセスが不用
で、簡単に低欠陥結晶を得ることができる。さらに、熱
膨張係数差の問題については、基板表面が多孔質である
ことから、熱膨張係数差に起因する歪みが多孔質部分で
吸収され、基板が反るということがない。
【００２９】現在、ＧａＮの単結晶基板を作製する方法
として、基板上にＧａＮを厚く成長させ、後で基板だけ
を剥がすという方法が研究されている。しかし、基板に
サファイア等を用いた場合、簡単に基板を取り除く方法
がないという問題がある。例えばＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３８（１９９９）ｐ．Ｌ２１７
にはレーザパルスを使って基板を剥がす技術が報告され
ている。また、サファイア以外の基板を用いた場合でも
基板だけをエッチングで溶かす等の作業が必要になる
が、ここで、本発明に係る結晶成長方法を用いれば、多
孔質層の領域は機械的な結合が弱くなっているため、従
来よりもより簡単にＧａＮ層だけを剥がすことができ
る。
として、基板上にＧａＮを厚く成長させ、後で基板だけ
を剥がすという方法が研究されている。しかし、基板に
サファイア等を用いた場合、簡単に基板を取り除く方法
がないという問題がある。例えばＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３８（１９９９）ｐ．Ｌ２１７
にはレーザパルスを使って基板を剥がす技術が報告され
ている。また、サファイア以外の基板を用いた場合でも
基板だけをエッチングで溶かす等の作業が必要になる
が、ここで、本発明に係る結晶成長方法を用いれば、多
孔質層の領域は機械的な結合が弱くなっているため、従
来よりもより簡単にＧａＮ層だけを剥がすことができ
る。
【００３０】
【実施例】（実施例１）直径１００ｍｍ、厚さ３００μ
ｍのシリコン基板上に、金属アルミニウム層を１μｍス
パッタで形成し、その金属アルミニウム層の表面を、３
％蓚酸水溶液中で、電界電圧１２Ｖの陽極酸化処理を行
った。その結果、金属アルミニウムが酸化され、多孔質
アルミナ層が形成された。多孔質層を形成した基板をＭ
ＯＣＶＤ炉に入れ、常圧、１１００℃の水素雰囲気で１
０分間熱処理を施した後、６００℃でＧａＮバッファ層
を２５ｎｍ、１１００℃でＧａＮ層を２μｍ成長させ
た。得られたＧａＮは、平坦な鏡面を呈していた。この
ＧａＮ層の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察し、
表面に現れるピットの密度を計数したところ、３×１０
5 個ｃｍ-3であった。従来法でサファイア基板上に成長
したＧａＮの表面には１０9 〜１０10個ｃｍ-3のピット
が観察されることから、欠陥密度が非常に小さいＧａＮ
エピタキシャル層が得られる。成長したＧａＮ層のＸ線
回折法によるロッキングカーブの半値幅は２２０ｓｅｃ
であった。
ｍのシリコン基板上に、金属アルミニウム層を１μｍス
パッタで形成し、その金属アルミニウム層の表面を、３
％蓚酸水溶液中で、電界電圧１２Ｖの陽極酸化処理を行
った。その結果、金属アルミニウムが酸化され、多孔質
アルミナ層が形成された。多孔質層を形成した基板をＭ
ＯＣＶＤ炉に入れ、常圧、１１００℃の水素雰囲気で１
０分間熱処理を施した後、６００℃でＧａＮバッファ層
を２５ｎｍ、１１００℃でＧａＮ層を２μｍ成長させ
た。得られたＧａＮは、平坦な鏡面を呈していた。この
ＧａＮ層の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察し、
表面に現れるピットの密度を計数したところ、３×１０
5 個ｃｍ-3であった。従来法でサファイア基板上に成長
したＧａＮの表面には１０9 〜１０10個ｃｍ-3のピット
が観察されることから、欠陥密度が非常に小さいＧａＮ
エピタキシャル層が得られる。成長したＧａＮ層のＸ線
回折法によるロッキングカーブの半値幅は２２０ｓｅｃ
であった。
【００３１】前述した従来法で得られたエピタキシャル
基板では、通常３００ｓｅｃ程度の値が得られているの
で、この値と比較して、十分に結晶性の高いエピタキシ
ャル層が得られる。また、基板の中央と周縁部との高さ
の差を測り、反りの評価を行ったところ、２μｍであっ
た。
基板では、通常３００ｓｅｃ程度の値が得られているの
で、この値と比較して、十分に結晶性の高いエピタキシ
ャル層が得られる。また、基板の中央と周縁部との高さ
の差を測り、反りの評価を行ったところ、２μｍであっ
た。
【００３２】これに対して前述した従来の技術で得られ
たエピタキシャル基板では通常５０μｍもの反りが観察
されるので、本発明に係るエピタキシャル基板の反りは
格段に少ないと言える。
たエピタキシャル基板では通常５０μｍもの反りが観察
されるので、本発明に係るエピタキシャル基板の反りは
格段に少ないと言える。
【００３３】（実施例２）実施例１と同様に表面に多孔
質アルミナ層を形成したシリコン基板を準備し、そのシ
リコン基板の上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮエピタキシャル
成長を行った。ここで、実施例１との違いは、低温成長
ＧａＮバッファ層を成長させず、多孔質アルミナ上に直
接高温でＧａＮを成長させた点である。従来のサファイ
ア基板法のＧａＮエピタキシャル成長では、低温バッフ
ァ層を挿入しないと、単結晶ＧａＮは得られないが、本
発明に係る半導体の結晶成長方法では、低温バッファ層
がなくても、ＧａＮの単結晶エピタキシャル基板が得ら
れた。得られたＧａＮの欠陥密度は、バッファ層を挿入
した場合と大差なく、４×１０5 個ｃｍ-3であった。ま
た、基板の反りも２μｍであり格段に少なかった。
質アルミナ層を形成したシリコン基板を準備し、そのシ
リコン基板の上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮエピタキシャル
成長を行った。ここで、実施例１との違いは、低温成長
ＧａＮバッファ層を成長させず、多孔質アルミナ上に直
接高温でＧａＮを成長させた点である。従来のサファイ
ア基板法のＧａＮエピタキシャル成長では、低温バッフ
ァ層を挿入しないと、単結晶ＧａＮは得られないが、本
発明に係る半導体の結晶成長方法では、低温バッファ層
がなくても、ＧａＮの単結晶エピタキシャル基板が得ら
れた。得られたＧａＮの欠陥密度は、バッファ層を挿入
した場合と大差なく、４×１０5 個ｃｍ-3であった。ま
た、基板の反りも２μｍであり格段に少なかった。
【００３４】（実施例３）直径１００ｍｍ、厚さ３００
μｍのシリコン基板上に、金属アルミニウムを２μｍ蒸
着し、得られたアルミニウム層の表面を、８％硫酸水溶
液で電界電圧１０Ｖの陽極酸化処理を行った。その結
果、アルミニウムが酸化され、多孔質アルミナ層が形成
された。この多孔質基板上にＳｉＯ2 膜をプラズマＣＶ
Ｄ法で４００ｎｍ積層し、さらにフォトリソグラフィに
よりＳｉＯ2 膜に直径１μｍ、ピッチ５μｍの窓を開け
た。マスクをかけた基板をＭＯＣＶＤ炉に入れ、常圧、
６００℃でＧａＮバッファ層を２０ｎｍ、１０５０℃で
ＧａＮ層を２μｍ成長させた。得られたＧａＮは、平坦
な鏡面を呈していた。この表面を原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）で観察し、表面に現れるピットの密度を計数したと
ころ、２×１０4 個ｃｍ-3であった。
μｍのシリコン基板上に、金属アルミニウムを２μｍ蒸
着し、得られたアルミニウム層の表面を、８％硫酸水溶
液で電界電圧１０Ｖの陽極酸化処理を行った。その結
果、アルミニウムが酸化され、多孔質アルミナ層が形成
された。この多孔質基板上にＳｉＯ2 膜をプラズマＣＶ
Ｄ法で４００ｎｍ積層し、さらにフォトリソグラフィに
よりＳｉＯ2 膜に直径１μｍ、ピッチ５μｍの窓を開け
た。マスクをかけた基板をＭＯＣＶＤ炉に入れ、常圧、
６００℃でＧａＮバッファ層を２０ｎｍ、１０５０℃で
ＧａＮ層を２μｍ成長させた。得られたＧａＮは、平坦
な鏡面を呈していた。この表面を原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）で観察し、表面に現れるピットの密度を計数したと
ころ、２×１０4 個ｃｍ-3であった。
【００３５】（実施例４）直径１００ｍｍ、厚さ３００
μｍのシリコン基板上に、蒸着により厚さ５μｍのアル
ミニウム層を形成し、そのアルミニウム層の表面を５％
硫酸水溶液中で、電界電圧２０Ｖの陽極酸化処理を行っ
た。その結果、アルミニウムが酸化され、多孔質アルミ
ナ層が形成された。多孔質層を形成した基板をＨＶＰＥ
炉に入れ、減圧、水素雰囲気１１００℃で１０分間、熱
処理を施した後、１１００℃でＧａＮ層を２００μｍ成
長させた。得られたＧａＮは、平坦な鏡面を呈してい
た。この基板に、室温〜６００℃の急熱、急冷サイクル
を１０回施したところ、Ｓｉ基板とＧａＮとの熱膨張差
により、多孔質層に歪が加わり、自然に基板とエピタキ
シャル層とが剥離した。剥離して得られたＧａＮ層には
多孔質アルミナの一部が付着していたが、クラックの発
生は観察されなかった。付着していたアルミナは、Ｇａ
Ｎを研磨することで容易に除去することができた。この
ようにしてＧａＮの自立基板が得られた。ＧａＮ基板の
表面を原子間力顕微鏡で観察し、表面に現れるピットの
密度を計数したところ、８×１０5 個ｃｍ-3であった。
また、ＧａＮ基板の反りは、前述の測定法で５μｍ以下
に収まっていた。
μｍのシリコン基板上に、蒸着により厚さ５μｍのアル
ミニウム層を形成し、そのアルミニウム層の表面を５％
硫酸水溶液中で、電界電圧２０Ｖの陽極酸化処理を行っ
た。その結果、アルミニウムが酸化され、多孔質アルミ
ナ層が形成された。多孔質層を形成した基板をＨＶＰＥ
炉に入れ、減圧、水素雰囲気１１００℃で１０分間、熱
処理を施した後、１１００℃でＧａＮ層を２００μｍ成
長させた。得られたＧａＮは、平坦な鏡面を呈してい
た。この基板に、室温〜６００℃の急熱、急冷サイクル
を１０回施したところ、Ｓｉ基板とＧａＮとの熱膨張差
により、多孔質層に歪が加わり、自然に基板とエピタキ
シャル層とが剥離した。剥離して得られたＧａＮ層には
多孔質アルミナの一部が付着していたが、クラックの発
生は観察されなかった。付着していたアルミナは、Ｇａ
Ｎを研磨することで容易に除去することができた。この
ようにしてＧａＮの自立基板が得られた。ＧａＮ基板の
表面を原子間力顕微鏡で観察し、表面に現れるピットの
密度を計数したところ、８×１０5 個ｃｍ-3であった。
また、ＧａＮ基板の反りは、前述の測定法で５μｍ以下
に収まっていた。
【００３６】（最適条件についての根拠）陽極酸化の条
件は、基板の抵抗率や表面積、エッチング液の組成、
量、電界電圧等によって大きく左右されるので、一義的
に決めることはできない。エッチング液と電界電圧とを
選択することで規則性の高い微小構造が得られる条件が
存在する（ＮＡＴＵＲＥ Ｖｏｌ．３３７ Ｐ１４７
（１９８９）等参照）。エッチング液には、硫酸、燐
酸、シュウ酸等が知られている。
件は、基板の抵抗率や表面積、エッチング液の組成、
量、電界電圧等によって大きく左右されるので、一義的
に決めることはできない。エッチング液と電界電圧とを
選択することで規則性の高い微小構造が得られる条件が
存在する（ＮＡＴＵＲＥ Ｖｏｌ．３３７ Ｐ１４７
（１９８９）等参照）。エッチング液には、硫酸、燐
酸、シュウ酸等が知られている。
【００３７】多孔質アルミナの表面が、六方晶系のＣ面
に略配向していることは、その多孔質アルミナの上に成
長する窒化物結晶の成長方位を揃える上で必要なことで
ある。
に略配向していることは、その多孔質アルミナの上に成
長する窒化物結晶の成長方位を揃える上で必要なことで
ある。
【００３８】多孔質アルミナの表面が１μｍ以下の規則
的な周期を有する構造であることは、その多孔質アルミ
ナの上に成長する窒化物結晶の核発生密度のばらつきを
抑え、均一な膜成長を行わせる上で必要なことである。
孔の周期性が１μｍを超えると、成長時に発生した核と
核とが多孔質アルミナ上で結合しない領域が生じ、エピ
タキシャル層中に新たな欠陥が導入されたり、孔が開く
という問題が生じてしまう。
的な周期を有する構造であることは、その多孔質アルミ
ナの上に成長する窒化物結晶の核発生密度のばらつきを
抑え、均一な膜成長を行わせる上で必要なことである。
孔の周期性が１μｍを超えると、成長時に発生した核と
核とが多孔質アルミナ上で結合しない領域が生じ、エピ
タキシャル層中に新たな欠陥が導入されたり、孔が開く
という問題が生じてしまう。
【００３９】多孔質アルミナの孔の深さが０．１μｍ以
上であることは、孔がＧａＮで埋まってしまわないよう
にするために必要なことである。孔の深さが０．１μｍ
よりも浅いと、ＧａＮ成長時に孔が埋まり、そこから方
位の異なるＧａＮが成長して単結晶ＧａＮが得られな
い。
上であることは、孔がＧａＮで埋まってしまわないよう
にするために必要なことである。孔の深さが０．１μｍ
よりも浅いと、ＧａＮ成長時に孔が埋まり、そこから方
位の異なるＧａＮが成長して単結晶ＧａＮが得られな
い。
【００４０】多孔質アルミナを基板に６６０℃以上の温
度で熱処理を施すのは、表面の配向性を高めるための処
理である。
度で熱処理を施すのは、表面の配向性を高めるための処
理である。
【００４１】ここで、６６０℃の温度は金属アルミニウ
ムの融点であり、これ以上の温度で熱処理を施すことに
よって、未酸化のアルミニウムが動きやすくなる。
ムの融点であり、これ以上の温度で熱処理を施すことに
よって、未酸化のアルミニウムが動きやすくなる。
【００４２】なお、本実施例では単結晶基板上にアルミ
ニウム層を形成した場合で説明したが、本発明はこれに
限定されず、多結晶基板やアモルファス基板にアルミニ
ウム層を形成し、陽極酸化を施して配向性を有する多孔
質層を形成してもよい。また、金属アルミニウム基板の
表面に陽極酸化を施して配向性を有する多孔質層を形成
してもよい。しかし、これらの膜は、配向性が得られる
陽極酸化の条件が狭く、また、得られた多孔質膜の配向
度も低い。
ニウム層を形成した場合で説明したが、本発明はこれに
限定されず、多結晶基板やアモルファス基板にアルミニ
ウム層を形成し、陽極酸化を施して配向性を有する多孔
質層を形成してもよい。また、金属アルミニウム基板の
表面に陽極酸化を施して配向性を有する多孔質層を形成
してもよい。しかし、これらの膜は、配向性が得られる
陽極酸化の条件が狭く、また、得られた多孔質膜の配向
度も低い。
【００４３】本発明は、III 族窒化物結晶基板の作製に
用いることができる。結晶基板は、内部に多孔質アルミ
ナ層を残したままでも、表面のIII 族窒化物結晶層だけ
を取り外して使用してもよい。また、基板となる窒化物
層を成長させた後、連続してデバイス機能を有するエピ
タキシャル層を成長させてもよい。
用いることができる。結晶基板は、内部に多孔質アルミ
ナ層を残したままでも、表面のIII 族窒化物結晶層だけ
を取り外して使用してもよい。また、基板となる窒化物
層を成長させた後、連続してデバイス機能を有するエピ
タキシャル層を成長させてもよい。
【００４４】以上において本発明によれば、簡単な方法
で、安価に、低欠陥な III族窒化物結晶を製造すること
ができる。本発明により得られたIII 族窒化物結晶は、
低欠陥なだけでなく、内部に残留する歪も少ない。ま
た、従来のようにエピタキシャル成長後の基板が反って
しまうこともない。
で、安価に、低欠陥な III族窒化物結晶を製造すること
ができる。本発明により得られたIII 族窒化物結晶は、
低欠陥なだけでなく、内部に残留する歪も少ない。ま
た、従来のようにエピタキシャル成長後の基板が反って
しまうこともない。
【００４５】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
な優れた効果を発揮する。
【００４６】簡単な方法で低欠陥の半導体が得られる半
導体の結晶成長方法の提供を実現することができる。
導体の結晶成長方法の提供を実現することができる。
【図１】本発明の半導体の結晶成長方法を適用したＧａ
Ｎエピタキシャル基板の一実施の形態を示す断面模式図
である。
Ｎエピタキシャル基板の一実施の形態を示す断面模式図
である。
１ 単結晶基板 ２ 多孔質アルミナ層 ３ III 族窒化物単結晶層
Claims (10)
- 【請求項１】 基板上にアルミニウム層を形成し、その
アルミニウム層の表面を陽極酸化して得られる多孔質ア
ルミナ層上に、上記基板と異なる材料からなる半導体の
単結晶を成長させることを特徴とする半導体の結晶成長
方法。 - 【請求項２】 上記基板として六方晶系または立方晶系
を有する単結晶基板を用いる請求項１に記載の半導体の
結晶成長方法。 - 【請求項３】 上記多孔質アルミナ層の表面が、六方晶
系のＣ面に略配向するようにする請求項１に記載の半導
体の結晶成長方法。 - 【請求項４】 上記多孔質アルミナ層の表面が、１μｍ
以下の周期構造を有するようにする請求項１に記載の半
導体の結晶成長方法。 - 【請求項５】 上記多孔質アルミナ層の孔の深さを０．
１μｍ以上とする請求項１に記載の半導体の結晶成長方
法。 - 【請求項６】 アルミニウムの表面を陽極酸化して得ら
れる多孔質アルミナを基板とし、この多孔質アルミナ基
板に６６０℃以上の温度で熱処理を施した後、半導体の
単結晶を成長させる請求項１に記載の半導体の結晶成長
方法。 - 【請求項７】 上記成長させる半導体として、III 族元
素の窒化物を用いる請求項１に記載の半導体の結晶成長
方法。 - 【請求項８】 上記基板として、シリコンを用いる請求
項１に記載の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項９】 上記多孔質アルミナ層の表面に点状また
はストライプ状の窓を有するマスクを設け、そのマスク
の上に化合物半導体単結晶を成長させる請求項１に記載
の半導体の結晶成長方法。 - 【請求項１０】 単結晶基板上にアルミニウム層を形成
し、そのアルミニウム層の表面を陽極酸化して得られる
多孔質アルミナを基板として、この多孔質アルミナ基板
上に、半導体単結晶を成長させた後、多孔質部分から成
長した半導体結晶だけ剥離することを特徴とする半導体
の結晶成長方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000240384A JP4396010B2 (ja) | 2000-08-03 | 2000-08-03 | 半導体の結晶成長方法 |
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| JP2000240384A JP4396010B2 (ja) | 2000-08-03 | 2000-08-03 | 半導体の結晶成長方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2002050585A true JP2002050585A (ja) | 2002-02-15 |
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-
2000
- 2000-08-03 JP JP2000240384A patent/JP4396010B2/ja not_active Expired - Fee Related
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