JP2004250314A - ＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、電界放出型陰極装置、フィールドエミッション表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板のドット構造の形成が容易なＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、電界放出型陰極装置、フィールドエミッション表示装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るＧａＮ単結晶基板１０は、少なくともＮＨ_３を含むガス雰囲気中で熱処理されて、表面１２ａに微細突起１４Ａ，１４Ｂが複数形成されていることを特徴とする。このＧａＮ単結晶基板１０においては、熱処理によって基板表面１２ａにドット構造の微細突起１４Ａ，１４Ｂが形成されている。すなわち、このＧａＮ単結晶基板１４は、簡便な熱処理のみでドット構造が形成され、特別な表面処理や多くの工程を必ずしも必要とはしないため、ドット構造を容易に形成することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、電界放出型陰極装置、フィールドエミッション表示装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物系化合物半導体において、ドット状の構造で代表される低次元構造が注目されている。ドット構造の応用として、電界放出型陰極素子や青紫色量子ドットレーザが挙げられる。
【０００３】
電界放出型陰極素子は、ドット状の陰極に電圧を印加して電子を放出させるものであり、放出させた電子を蛍光板に照射することによって表示装置に利用することができる。これは、原理上ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）と同じであるため、高い表示品質が得られると同時に、装置の薄型化及び表示面積の拡大が容易であり、将来のフラットパネルディスプレイとして期待されている。ここで、電界放出型陰極素子に求められる要素として、エミッション電流の大きさがある。そして、このエミッション電流の増大には、例えば、小さな表面仕事関数（すなわち、小さな電子親和力）、鋭い先端形状等が必要である。
【０００４】
まず、小さな電子親和力を有する材料としては、電子親和力が０（若しくは負）といわれているＡｌＮが好適である。また、ＡｌＮに限らず、ｎ型の導電性を得やすい上に非常に安定であるとの理由から、窒化物系化合物半導体（例えば、ＧａＮなど）が電界放出型陰極素子に適している。
【０００５】
また、陰極のドット構造が鋭い先端形状であれば、その先端部に電界が集中する。ドット構造をこのような形状にするために、様々な方法が試みられている。例えば、Ｐｒｏｃ． Ｔｏｐｉｃａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ＩＩＩ−Ｖ ｎｉｔｒｉｄｅｓ， ｐ．１８１（Ｎａｇｏｙａ， １９８５）では、ＧａＮエピタキシャル層の上にドット状の開口部を有するＳｉＯ_２マスクを形成し、その上にＧａＮを選択成長させることによってドット状ＧａＮを形成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の方法には、次のような課題が存在している。すなわち、ドット構造の形成には多くの工程（例えば、表面の濡れ性を低減させる処理工程）が必要であり、非常に煩雑であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、基板のドット構造の形成が容易なＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、電界放出型陰極装置、フィールドエミッション表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板は、少なくともＮＨ_３を含むガス雰囲気中で熱処理されて、表面に微細突起が複数形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このＧａＮ単結晶基板においては、熱処理によって基板表面にドット構造の微細突起が形成されている。すなわち、このＧａＮ単結晶基板は、簡便な熱処理のみでドット構造が形成され、特別な表面処理や多くの工程を必ずしも必要とはしないため、ドット構造を容易に形成することができる。
【００１０】
また、微細突起は、略円錐形状であることが好ましい。このように、微細突起が略円錐形状となることにより、突起先端に電界が集中し電子が放出されやすくなる。
【００１１】
また、微細突起は、ｎ型の導電性を有するＧａＮで構成されていることが好ましい。例えば、このようなＧａＮ単結晶基板を電界放出型陰極に応用したときに突起表面に効率的に電子を供給できるので、エミッション電流を増加することができる。
【００１２】
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板は、上記ＧａＮ単結晶基板の微細突起が形成された表面上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層が積層されていることを特徴とする。
【００１３】
この窒化物系半導体エピタキシャル基板においては、上述したＧａＮ単結晶基板が採用されており、このＧａＮ単結晶基板においては簡便な熱処理のみでドット構造が形成され、特別な表面処理や多くの工程を必ずしも必要とはしない。そのため、この窒化物系半導体エピタキシャル基板も容易に作製することができる。また、この窒化物系半導体エピタキシャル基板においては、ＡｌＧａＩｎＮ層が、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ＋ｙ＝１）であれば、電界放出型陰極装置に適した積層構造となる。
【００１４】
また、ＡｌＧａＩｎＮ層は、ｎ型の導電性を有することが好ましい。例えば、このような窒化物系半導体エピタキシャル基板を電界放出型陰極装置に応用すると、微細突起の表面に効率的に電子を供給することができるので、電界放出型陰極装置のエミッション電流を高めることができる。
【００１５】
本発明に係る電界放出型陰極装置は、上記ＧａＮ単結晶基板、若しくは窒化物系半導体エピタキシャル基板の裏面に陰極電極が取り付けられて形成された陰極基板と、陰極基板から放出される電子が入射する陽極電極とを備えることを特徴とする。
【００１６】
この電界放出型陰極装置においては、陰極基板から平板状陽極電極へと電子が移動する。その際、陰極基板の窒化物系半導体エピタキシャル基板の微細突起の先端部に電界が集中して、該微細突起から電子が放出される。
【００１７】
本発明に係るフィールドエミッション表示装置は、上記ＧａＮ単結晶基板、若しくは窒化物系半導体エピタキシャル基板の裏面に陰極電極が取り付けられて形成された陰極基板と、陰極基板から放出される電子が入射して蛍光する陽極プレートとを備えることを特徴とする。
【００１８】
このフィールドエミッション表示装置においては、上述したＧａＮ単結晶基板、若しくは窒化物系半導体エピタキシャル基板が採用されており、このＧａＮ単結晶基板及び窒化物系半導体エピタキシャル基板においては簡便な熱処理のみでドット構造が形成され、特別な表面処理や多くの工程が必ずしも必要ではない。そのため、このフィールドエミッション表示装置も容易に製造することができる。また、この装置の表示面の拡大化及び平坦化を図ることが可能である。
【００１９】
本発明に係るＧａＮ単結晶基板の製造方法は、表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板を、少なくともＮＨ_３を含むガス雰囲気中で熱処理することにより、表面に複数の微細突起を形成することを特徴とする。
【００２０】
このＧａＮ単結晶基板の製造方法においては、熱処理によって基板表面にドット構造の微細突起が形成される。すなわち、このＧａＮ単結晶基板の製造方法によれば、簡便な熱処理のみで基板表面にドット構造を形成することができ、特別な表面処理や多くの工程が必ずしも必要ではしないため、ドット構造を有する基板を容易に作製することができる。
【００２１】
また、熱処理の際、ＧａＮ単結晶基板の基板温度が９８５℃以下であることが好ましい。ＧａＮ単結晶基板の基板温度を９８５℃以下にして所定の熱処理を施すことで、上述した微細突起を基板表面に確実に形成することができる。
【００２２】
また、ガスには、Ｈ_２ガスが含まれていることが好ましい。このように、熱処理時にＨ_２ガスを補充することでＧａＮの分解が促進されて、上記微細突起が形成されやすくなる。
【００２３】
また、ガスには、Ｎ_２ガスが含まれていることが好ましい。このように、熱処理時にＮ_２ガスを補充して窒素分圧を増加させることにより、上記微細突起が安定して存在しやすい状態となる。そのため、微細突起の数を容易に増加させることができる。
【００２４】
また、ＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、熱処理の際、ガスにＧａＮ内でドナーとなる不純物を含むガスを添加することが好ましい。この場合、微細突起が導電性を帯びさせることができる。
【００２５】
また、不純物を含むガスは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＧｅＨ_４、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏのうち、少なくとも一つを含むことが好ましい。この場合、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｏが微細突起に取り込まれてドナーとして働き、微細突起がｎ型の導電性を帯びることとなる。
【００２６】
本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法は、上記ＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られるＧａＮ単結晶基板の微細突起が形成された表面上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層を積層することを特徴とする。
【００２７】
この窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法においては、上述したＧａＮ単結晶基板の表面上にＡｌＧａＩｎＮ層が積層されている。すなわち、簡便な熱処理のみでドット構造が形成されたＧａＮ単結晶基板が採用することで、窒化物系半導体エピタキシャル基板を容易に作製することができる。また、この窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法において、ＡｌＧａＩｎＮ層を、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ＋ｙ＝１）にすれば、電界放出型陰極装置に適した積層構造にすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、電界放出型陰極装置、フィールドエミッション表示装置及びその製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本実施形態に係るＧａＮ単結晶基板の概略断面図であり、図２は、図１のＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による俯瞰写真である。また、図３は、図１のＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による平面写真であり、図４は、図３のＡ−Ａ′断面図である。
【００３０】
図１〜図４に示すように、ＧａＮ単結晶基板１０は、平坦な基板１２の基板表面１２ａ上に円錐形状の突起（微細突起）１４Ａが複数形成されている。この突起１４Ａは、後述の表面熱処理により形成されるものであり、それぞれの高さは１０〜２０ｎｍ程度である。また、この突起１４Ａの断面は、ほぼ２等辺三角形となっている。さらに、突起１４Ａの基板表面１２ａにおける略円形の接触面１２ｂの直径Ｄは、２００〜８００ｎｍ程度となっている。
【００３１】
また、ＧａＮ単結晶基板１０に形成される突起の別の態様を図５〜７に示す。図５は、上述した突起１４Ａとは異なる形状の突起（微細突起）１４Ｂが形成されたＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による俯瞰写真である。また、図６は、図５のＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による平面写真であり、図７は、図６のＢ−Ｂ′断面図である。
【００３２】
図５〜７に示すように、ＧａＮ単結晶基板１０の表面１２ａ上には、突起１４Ａよりも鋭い突起１４Ｂが形成されている。この突起１４Ｂは、突起１４Ａと同等の熱処理（後述）によって形成されるものであり、その高さは４０〜８０ｎｍ程度である。また、この突起１４Ｂの断面は、突起１４Ａの断面同様に２等辺三角形をしており、この２等辺三角形の先端角は、突起１４Ａのそれよりも鋭い（４０〜６０度程度）。さらに、突起１４Ｂの基板表面１２ａにおける略円形の接触面１２ｂの直径Ｄは５０〜１００ｎｍ程度となっている。
【００３３】
次に、ＧａＮ単結晶基板１０の製造工程を説明する。
（Ａ）まず、ＧａＮ単結晶である表面が平坦な基板１２を製造し、製造された基板１２を研磨材を用いて表面研磨し、純水等を用いて液体洗浄する（単結晶基板製造工程）。
（Ｂ）次に、基板１２を所定の混合ガスＧ１の雰囲気内に配置し、基板温度Ｔ１で時間ｔ１の間、加熱する（表面処理工程）。
【００３４】
以下、詳説する。
【００３５】
まず、単結晶基板製造工程として、製造された基板１２を、研磨材を用いて表面研磨し、純水等を用いて液体洗浄する。この液体洗浄には、純水の他、有機溶剤、酸、アルカリ溶液を用いてもよい。製造された基板１２の表面には、機械研磨ダメージによる加工変質層が存在するが、これは好適な表面処理によって除去する。
【００３６】
次に、表面処理工程として、基板１２をＮＨ_３を含む混合ガスＧ１雰囲気中で熱処理する。この熱処理により、基板表面１２ａ上には上述した突起１４Ａまたは突起１４Ｂが形成される。このように、所定の熱処理により基板表面１２ａに突起１４Ａ，１４Ｂが形成される過程は、次のように考えられる。
【００３７】
まず、基板１２上にＮＨ_３ガスが供給されると、ＮＨ_３がＮ_２とＨ_２とに分解される。そして、分解したＨ_２がＧａＮと反応し、Ｇａ原子が生成される。これらの反応は、下記式（１）、（２）で表される。
【数１】

【数２】

【００３８】
そして、Ｇａ原子は、高温化で基板表面１２ａをマイグレーションし、ＮＨ_３と反応してＧａＮ核が形成され、突起１４Ａ，１４Ｂが形成されることとなる。なお、この反応は下記式（３）で表される。
【数３】

【００３９】
以上のような熱処理によって突起１４Ａ，１４Ｂが基板表面１２ａに形成される。
【００４０】
また、表面熱処理工程の際、熱処理温度は、上述の各反応の速度、Ｇａ原子のマイグレーション長さ及びＧａ原子の脱離速度等に影響を及ぼす。つまり、基板温度Ｔ１が高いほど、Ｇａ原子のマイグレーション距離は長くなるので、Ｇａ原子は研磨傷部分等の表面欠陥に到達して、そこに堆積しやすくなる。これに対して、基板温度Ｔ１が低いと、Ｇａ原子が研磨傷部分等に到達する前にＮＨ_３と反応してＧａＮが生成し核発生するので、突起１４Ａ，１４Ｂが形成される。このような機構で基板表面１２ａに突起１４Ａ，１４Ｂが形成されると考えられるが、それに適した温度を鋭意検討した結果、基板温度は９８５℃以下が好ましいことを発明者らは見出した。したがって、表面熱処理工程において、基板温度Ｔ１は９８５℃以下であることが好ましい。
【００４１】
なお、上述した工程では、（２）式に示したとおり、ＧａＮがＨ_２の存在下で分解して、Ｇａ原子が形成されることが重要である。しかしながら、（１）式の反応速度は非常に遅く、１０００℃でも数％のＮＨ_３しかＨ_２とＮ_２とに分解されない。この程度のＨ_２の量では、上述の表面処理を進行させるには十分ではないため、表面熱処理工程において、混合ガスＧ１は、ＮＨ_３とＨ_２ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００４２】
また、混合ガスＧ１雰囲気中の窒素の分圧を高くすれば、形成された突起１４Ａ，１４Ｂの熱分解速度を下げることができる。すなわち、突起１４Ａ，１４Ｂが安定的に基板表面１２ａで核生成して、突起１４Ａ，１４Ｂが微細になりやすくなると共に、多数形成されやすくなる。ただし、Ｎ_２は反応に寄与できる活性な窒素ラジカルを供給しにくいので、ＮＨ_３の供給は不可欠である。そのため、表面熱処理において、混合ガスＧ１は、ＮＨ_３とＮ_２との混合ガスであることが好ましい。なお、以上の理由により、混合ガスＧ１として、ＮＨ_３、Ｈ_２及びＮ_２の混合ガスを採用することがさらに好ましいことはいうまでもない。
【００４３】
なお、図２〜図４に示した突起１４Ａは、基板温度９８５℃、ＮＨ_３＝１１ｓｌｍ、Ｎ_２＝５ｓｌｍ、圧力２００Ｔｏｒｒ、５ｍｉｎという条件下で形成される。一方、図５〜図７に示した突起１４Ｂは、基板温度９８５℃、ＮＨ_３＝１１ｓｌｍ、Ｈ_２＝５ｓｌｍ、圧力２００Ｔｏｒｒ、５ｍｉｎという条件下で基板１２上に形成される。
【００４４】
以上詳細に説明したように、本発明に係る実施形態によれば、ドット構造として多数の微細な突起（突起状ＧａＮ）１４Ａ、１４Ｂを、熱処理のみの簡単な工程で基板表面１２ａに形成できるため、従来のドット構造の製造方法に比べて、ドット構造を容易に形成することができる。
【００４５】
なお、ＧａＮ単結晶基板１０に導電性が有れば、基板１０の裏面に１つの電極を形成することができるため、素子面積を低減することができる等の効果がある。出願人らによって開発されたこのＧａＮ単結晶基板１０は、不純物を制御することにより、ＧａＮ単結晶基板１０にｎ型の導電性を持たせることができた。そして、ＧａＮ単結晶で構成された基板１２の導電型がｎ型である場合には、表面熱処理時に、ＧａＮにとってｎ型となる不純物を含むガスを混合ガスＧ１中に添加して、突起１４Ａ，１４Ｂをｎ型の導電性を持たせることにより、ＧａＮ単結晶基板１０が応用される各種窒化物系化合物半導体装置の特性を向上させることが可能である。
【００４６】
ここで、ＧａＮ単結晶基板１０を電界放出型陰極装置に応用する場合について説明する。図８に示すように、電界放出型陰極装置２０は、上述したＧａＮ単結晶基板１０の裏面１２ｃに陰極電極２２が取り付けられた陰極基板２４と、この陰極基板２４と所定距離だけ離間して対面する平板状陽極電極２６とを備えている。この電界放出型陰極装置においては、陰極基板２４のＧａＮ単結晶基板１０に形成された突起１４Ａ，１４Ｂから電子が放出され、その電子が陽極電極２６に到達する（図中の破線矢印）。陰極基板２４のＧａＮ単結晶基板１０の突起１４Ａ，１４Ｂは略円錐形状であるため、突起先端部に電界が集中し、電子が放出されやすい。なお、上述したようにＧａＮ単結晶基板１０の表面熱処理時に、ＧａＮにとってｎ型となる不純物を含むガスを混合ガスＧ１中に添加すれば、突起１４Ａ，１４Ｂがｎ型となる。それにより、電界放出型陰極装置２０において、突起１４Ａ，１４Ｂに効率的に電子を供給できるようになり、高いエミッション電流を実現することができる。この混合ガスＧ１に添加するドーピングガスとしては、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＧｅＨ_４、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏが適当であり、Ｓｉや、Ｇｅや、Ｏが突起１４Ａ，１４Ｂに取り込まれてドナーとして働き、突起１４Ａ，１４Ｂがｎ型の導電性を帯びることとなる。いずれも極微量で結晶中に取り込まれてｎ型として働くので、ドーピング量を制御するには、水素等で希釈したガスをマスフローコントローラ等で正確に流量制御して添加する必要がある。
【００４７】
また、図８に示した電界放出型陰極装置２０を、図９及び図１０に示したフィールドエミッション表示装置３０に応用してもよい。図９は、フィールドエミッション表示装置３０を示した概略構成図であり、図１０は、図９のフィールドエミッション表示装置３０の要部（Ｘ）拡大図である。すなわち、フィールドエミッション表示装置３０は、上述した陰極基板２４と該陰極基板２４にマトリクス状に配置された陰極電極３１とゲート電極３２とを有する陰極プレート３３と、この陰極プレート３３と所定距離だけ離間して対面する陽極プレート３４とを備えている。ゲート電極３２は、絶縁膜３５を介して陰極基板２４上に載置されており、複数の小孔３６を有している。なお、この小孔３６の底には上述した陰極基板２４の突起１４Ａ，１４Ｂが露出している。また、陽極プレート３４は、透光性を有すると共に、陰極プレート３３のマトリクスに対応したマトリクス状セル３８に区分けされている。これら各セル３８には、Ｒ、Ｇ、Ｂの蛍光材料が塗布されている。あらかじめ陽極プレート３４には高電界Ｖ１が印加されており、陰極電極３１とゲート電極３２との間に電圧Ｖ２が印加されると、お互いの交点に対応した穴から電子が放出され、陽極プレート３４のセル３８に衝突し、蛍光が発せられる。このようにフィールドエミッション表示装置３０には、上述した電界放出型陰極２４が採用されており、この電界放出型陰極２４のＧａＮ単結晶基板においては簡便な熱処理のみで突起（ドット構造）１４Ａ，１４Ｂが形成され、特別な表面処理や多くの工程が必ずしも必要ではないため、容易に製造することができる。また、陰極基板２４を複数並べることにより大型で平坦な陰極プレート３３を作製可能なため、この装置３０の陽極プレート（表示面）３４の拡大化及び平坦化を図ることが可能である。
【００４８】
次に、ＧａＮ単結晶基板１０上に、適切な気相成長法（例えば、ＯＭＶＰＥ法など）を用いて、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）をヘテロ成長させた窒化物系半導体エピタキシャル基板について、図１１を参照しつつ説明する。
【００４９】
図１１に示すように、窒化物系半導体エピタキシャル基板４０は、上述したＧａＮ単結晶基板１０の突起１４Ａ，１４Ｂが形成された表面１２ａに、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４２が積層されている。すなわち、基板表面１２ａがＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４２で覆われている。それにより、各種窒化物系化合物半導体装置により適した形態となっている。より具体的に説明すると、例えば、ＧａＮ単結晶基板１０上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ＋ｙ＝１）４２を形成すれば、電界放出型陰極装置（図８参照）に適した積層構造となる。すなわち、電界放出型陰極装置２０のＧａＮ単結晶基板１０に代えて、窒化物系半導体エピタキシャル基板４０を用いることにより、電子を放出しやすくエミッション電流を高くすることができるためである。これは、ＡｌＮの電子親和力はほぼ０といわれているので、ＡｌＧａＮの電子親和力も０に近づくという知見に基づいている。なおこの場合、エミッション電流を高めるために、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層４２にｎ型の導電性をもたせることが好ましい。
【００５０】
以上説明したような窒化物系半導体エピタキシャル基板４０は、表面１２ａに突起１４が形成されたＧａＮ単結晶基板１０上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層４２が形成されているため、ＧａＮ単結晶基板１０においては簡便な熱処理のみで突起（ドット構造）１４Ａ，１４Ｂが形成されている。そのため、ＧａＮ単結晶基板１０のドット構造の形成に特別な表面処理や多くの工程を必ずしも必要とはしないため、この窒化物系半導体エピタキシャル基板４０も、容易に作製することができる。
【００５１】
【実施例】
ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置内で各種条件で熱処理した。使用したＭＯＣＶＤ装置６０は、図１２に模式的に示すように、基板面１２ａに対して垂直方向から原料ガスを噴射する縦型の成長炉である。この成長炉６０は、原料供給口６２ａ及び排気口６２ｂが設けられた水冷外壁６２と、この水冷外壁６２内に配置され、設置される基板１２を回転する試料台６４と、下方から試料台６４を加熱するヒータ６６とから構成されている。なお、符号６８は、原料ガスが基板１２に到達するまでに加熱されて反応してしまうのを防ぐために、原料ガスを冷却するための水冷ジャケットである。熱処理時のＮＨ_３は、１１ｓｌｍ、Ｈ_２あるいはＮ_２は、５ｓｌｍとした。
【００５２】
熱処理後に表面を原子間力顕微鏡で観察した結果を表１に示す。
【表１】

【００５３】
表１から明らかなように、９８５℃以下の熱処理ではいずれも突起１４Ａ，１４Ｂの発生が認められた。一方、９９０℃以上の熱処理では、基板表面に小さな孔（ピット）が形成されたり、基板表面が平坦になったりし、突起１４Ａ，１４Ｂの形成は認められなかった。なお、表１より、突起の直径Ｄや高さは熱処理条件を選ぶことにより、所望の値にすることができることがわかる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、基板のドット構造の形成が容易なＧａＮ単結晶基板、窒化物系半導体エピタキシャル基板、電界放出型陰極装置、フィールドエミッション表示装置及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るＧａＮ単結晶基板の概略断面図である。
【図２】図１のＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による俯瞰写真である。
【図３】図１のＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による平面写真である。
【図４】図３のＡ−Ａ′断面図である。
【図５】異なる形状の突起が形成されたＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による俯瞰写真である。
【図６】図５のＧａＮ単結晶基板の原子間力顕微鏡による平面写真である。
【図７】図６のＢ−Ｂ′断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電界放出型陰極装置を示す概略構成図である。
【図９】本発明の実施形態に係るフィールドエミッション表示装置を示す概略構成図である。
【図１０】図９に示したフィールドエミッション表示装置の要部（Ｘ）拡大図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の概略断面図である。
【図１２】本発明の実施例に使用されたＭＯＣＶＤ装置の成長炉の模式図である。
【符号の説明】
１０…ＧａＮ単結晶基板、１２…基板、１２ａ…表面、１４Ａ，１４Ｂ…突起、２０…電界放出型陰極装置、２２…陰極、２４…陰極基板、２６…陽極プレート、３０…フィールドエミッション表示装置、３３…陰極プレート、３４…陽極プレート、４０…窒化物系半導体エピタキシャル基板、４２…ＡｌＧａＩｎＮ層、６０…ＭＯＣＶＤ装置。

Claims (14)

1. 少なくともＮＨ_３を含むガス雰囲気中で熱処理されて、表面に微細突起が複数形成されていることを特徴とするＧａＮ単結晶基板。
2. 前記微細突起が、略円錐形状であることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ単結晶基板。
3. 前記微細突起は、ｎ型の導電性を有するＧａＮで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＧａＮ単結晶基板。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶基板の前記微細突起が形成された表面上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層が積層されていることを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャル基板。
5. 前記ＡｌＧａＩｎＮ層は、ｎ型の導電性を有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶基板、若しくは窒化物系半導体エピタキシャル基板の裏面に陰極電極が取り付けられて形成された陰極基板と、
   前記陰極基板から放出される電子が入射する陽極電極とを備えることを特徴とする電界放出型陰極装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶基板、若しくは窒化物系半導体エピタキシャル基板の裏面に陰極電極が取り付けられて形成された陰極基板と、
   前記陰極基板から放出される電子が入射して蛍光する陽極プレートとを備えることを特徴とするフィールドエミッション表示装置。
8. 表面が研磨されたＧａＮ単結晶基板を、少なくともＮＨ_３を含むガス雰囲気中で熱処理することにより、前記表面に複数の微細突起を形成することを特徴とするＧａＮ単結晶基板の製造方法。
9. 前記熱処理の際、前記ＧａＮ単結晶基板の基板温度が９８５℃以下であることを特徴とする請求項８に記載のＧａＮ単結晶基板の製造方法。
10. 前記ガスには、Ｈ_２ガスが含まれていることを特徴とする請求項８又は９に記載のＧａＮ単結晶基板の製造方法。
11. 前記ガスには、Ｎ_２ガスが含まれていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶基板の製造方法。
12. 前記ＧａＮ単結晶基板がｎ型の導電性を有しており、
    前記熱処理の際、前記ガスにＧａＮ内でドナーとなる不純物を含むガスを添加することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶基板の製造方法。
13. 前記不純物を含むガスは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＧｅＨ_４、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１２に記載のＧａＮ単結晶基板の製造方法。
14. 請求項８〜１３のいずれか一項に記載のＧａＮ単結晶基板の製造方法によって得られるＧａＮ単結晶基板の前記微細突起が形成された表面上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層を積層することを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。

Images