JP2007287771A - ヘテロエピタキシャル膜基板、及びデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な工程を経ることなく、成膜中及び／又は成膜後にエピタキシャル膜にかかる応力を効果的に緩和して、良質なヘテロエピタキシャル膜を成長させる。
【解決手段】ヘテロエピタキシャル膜基板１は、基板１０上に、基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０を介して、ヘテロエピタキシャル膜４０が形成されたものである。柱状構造膜２０は、成膜中及び／又は成膜後のヘテロエピタキシャル膜４０にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上にヘテロエピタキシャル膜を備えたヘテロエピタキシャル膜基板、及びこのヘテロエピタキシャル膜基板を用いて製造された各種デバイスに関するものである。

ヘテロエピタキシャル成長は、バルク基板が得られない単元素、化合物等の薄膜を成膜する際に、薄膜とは異なる物質上に薄膜を成膜する薄膜形成技術で、特に、基板上に結晶配向性を有する化合物半導体等の薄膜を成長させる薄膜形成技術である。欠陥の少ない高品質なヘテロエピタキシャル膜を成長させるには、基板とヘテロエピタキシャル膜との相性が重要である。

例えば、基板とエピタキシャル膜との格子定数差が大きいと、成膜中及び／又は成膜後のエピタキシャル膜に応力が生じて、得られるエピタキシャル膜にミスフィット転位等の格子欠陥や内部歪みが発生する恐れがある。また、基板とエピタキシャル膜との熱膨張係数差が大きいと、成膜中及び／又は成膜後のエピタキシャル膜に応力が生じて、クラック、膜の部分剥離、及び基板の反り等が発生する恐れがある。

特許文献１には、シリコン基板と窒化物半導体エピタキシャル膜との間に、窒化物半導体バッファ層と、エピタキシャル膜と同種の材料からなる犠牲層と、エピタキシャル膜よりも融点又は耐熱性が高い材料からなり、基板からエピタキシャル膜へのシリコンの拡散を防止する反応防止層とを介在させることが提案されている。

特許文献２には、シリコン基板と窒化物半導体エピタキシャル膜との間に、窒化シリコンバッファ層を介在させることが記載されている。

特許文献３には、基板面に対して垂直に切り立った形状のエピタキシャル膜を形成して、エピタキシャル膜を変形自由度の大きな3次元構造とすることが提案されている。

特許文献４は、エピタキシャル膜からなる自立基板の製造方法に関するものである。特許文献４には、基板上に窒化物半導体に対して分解作用を持つ金属元素を含む金属元素含有膜を介して、窒化物半導体をエピタキシャル成長することにより、金属元素含有膜側に空隙部を有する窒化物半導体エピタキシャル膜を成膜することができ、この空隙部の存在によって、エピタキシャル膜の基板からの剥離が容易になることが記載されている。また、特許文献４には、上記空隙部が応力緩和機能を有することが記載されている。
特開2002-299253号公報 特開平11-265853号公報 特開2004-281869号公報 特開2004-39810号公報

特許文献１及び２に記載の技術では、基板とエピタキシャル膜との格子定数差や熱膨張係数差が大きい場合には、基板とエピタキシャル膜との間に介在させる層の数を増やして対応する必要があり、工程数が多くなってしまう。

特許文献３に記載の技術では、特殊形状のエピタキシャル膜を形成する必要があり、工程が複雑である。また、エピタキシャル膜を基板の全面に形成する場合には、適用できない。

特許文献４に記載の技術では、窒化物半導体に対して分解作用を持つ特殊な金属元素を含む金属元素含有膜を形成し、金属元素含有膜と窒化物半導体とを反応させながら、窒化物半導体エピタキシャル膜を成長させる必要がある。そのため、工程が複雑で、応力緩和機能を有する空隙部の形成の制御も難しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、複雑な工程を経ることなく、成膜中及び／又は成膜後にエピタキシャル膜にかかる種々の応力を効果的に緩和して、良質なヘテロエピタキシャル膜を成長させることが可能なヘテロエピタキシャル膜基板を提供することを目的とするものである。

本発明のヘテロエピタキシャル膜基板は、基板上に、該基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を介して、ヘテロエピタキシャル膜を有することを特徴とするものである。

前記柱状構造膜は、成膜中及び／又は成膜後の前記ヘテロエピタキシャル膜にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能することができる。
前記応力としては、前記基板と前記ヘテロエピタキシャル膜との格子定数差によって発生する応力、及び／又は前記基板と前記ヘテロエピタキシャル膜との熱膨張係数差によって発生する応力が挙げられる。

前記柱状構造膜は、前記ヘテロエピタキシャル膜の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有する結晶配向性膜であることが好ましい。
本明細書において、「略同一の結晶面方位」とは、面方位の差が±５°以内である結晶面方位と定義する。

前記柱状構造膜をなす前記多数の柱状体の平均柱径は２０〜２００ｎｍであることが好ましい。
本明細書において、「多数の柱状体の平均柱径」は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて断面写真を撮像して任意の１０個の柱状体の径を求め、これらの平均値により求めるものとする。

前記柱状構造膜をなす前記柱状体の成長方向は、前記基板面の法線方向から0°以上60°未満の角度方向であることが好ましい。
前記柱状構造膜と前記ヘテロエピタキシャル膜の間に、バッファ層を有していてもよい。

前記柱状構造膜としては、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，Ｇｅ, ＧｅＯ_２, ＡｌＮ, ＺｎＯ, ＩｎＳｂ, ＧａＰ, ＣｄＳ，ＺｎＳｅ及びＧａＮからなる群より選ばれた１種又は２種以上を主成分とする半導体膜が挙げられる。
本明細書において、「主成分」は含量５０質量％以上の成分と定義する。

本発明のヘテロエピタキシャル膜は、多数の柱状体からなる柱状構造膜又は該柱状構造膜上に成膜された膜を下地として成膜されたものであることを特徴とするものである。

本発明のデバイスは、上記の本発明のヘテロエピタキシャル膜基板、若しくはヘテロエピタキシャル膜を用いて製造されたものであることを特徴とするものである。

本発明のヘテロエピタキシャル膜基板は、基板上に、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を設け、その上にヘテロエピタキシャル膜を設ける構成としている。かかる構成では、柱状構造膜の存在によって、成膜中及び／又は成膜後にヘテロエピタキシャル膜にかかる応力を効果的に緩和することができる。本発明によれば、基板とヘテロエピタキシャル膜との格子定数差によって発生する応力と、基板とヘテロエピタキシャル膜との熱膨張係数差によって発生する応力の双方を効果的に緩和することができる。

本発明では、特許文献１及び２に記載の技術と異なり、基板とヘテロエピタキシャル膜との格子定数差や熱膨張係数差が大きい場合にも、一層の柱状構造膜によって充分な応力緩和効果が得られるので、基板とヘテロエピタキシャル膜との間に介在させる層の数を増やす必要がない。また、特許文献３及び４に記載の技術と異なり、特殊形状のヘテロエピタキシャル膜を形成したり、特殊な反応によって空隙部を形成するなどの、複雑な工程も要しない。

したがって、本発明によれば、複雑な工程を経ることなく、成膜中及び／又は成膜後にヘテロエピタキシャル膜にかかる応力を効果的に緩和して、良質なヘテロエピタキシャル膜を成長させることができる。

以下に、本発明について詳述する。

図１を参照して、本発明に係る一実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板の構成について説明する。図１は基板の厚み方向断面図である。図１（ａ）は後記柱状体２１を基板面に対して垂直方向に成長させた例であり、図１（ｂ）は柱状体２１を基板面に対して斜め方向に成長させた例であり、それ以外の層構成が同じ図である。

本実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板１は、基板１０上に、基板１０の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０を介して、ヘテロエピタキシャル膜４０が形成されたものである。また、柱状構造膜２０とヘテロエピタキシャル膜４０との間に、バッファ層３０が形成されている。本実施形態では、層２０、３０、４０はいずれも基板１０の略全面に形成されている。図１では、視認しやすくするため、柱状体２１や各層の厚みを誇張して図示してある。

基板１０としては特に制限はなく、Ｓｉ，ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＧａＡｓ，ＢＮ、ＺｎＯ等の半導体基板が挙げられる。基板１０としては、ヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有する単結晶基板が好ましい。
但し、本実施形態では、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との間に柱状構造膜２０を介在させるので、ヘテロエピタキシャル膜４０の成長に適した柱状構造膜２０を成膜できれば、基板１０は、ヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と異なる結晶面方位を有する単結晶基板でもよいし、アモルファス基板でも構わない。アモルファス基板としては、ガラス、石英、及び各種樹脂等の基板が挙げられる。基板１０は、基板上に結晶性を有する薄膜又はアモルファス薄膜が積層された積層基板でもよい。

ヘテロエピタキシャル膜４０の組成は特に制限なく、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＢＮ，及びＺｎＯ等からなる群より選ばれた１種又は２種以上を主成分とする半導体膜や、ダイヤモンド膜等が挙げられる。

ヘテロエピタキシャル膜４０の成膜方法及び成膜条件は特に制限されず、ＭＢＥ法、ＭＯＶＰＥ法、及びＭＯＣＶＤ法等が挙げられる。例えば、ＭＢＥ法でＧａＮを成膜する場合、基板温度７００℃、Ｇａｆｌｕｘ３×１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ｓ、ＲＦ出力 ３５０Ｗ、Ｎ_２流量２ｓｃｃｍの成膜条件にて成膜することにより、歪の少ない高品質のＧａＮヘテロエピタキシャル膜（例えば膜厚２０００ｎｍ）を形成することができる。

本実施形態のヘテロエピタキシャル膜４０は、多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０又は柱状構造膜２０上に成膜されたバッファ層３０を下地として成膜されたものである。
本実施形態において、柱状構造膜２０は、成膜中及び／又は成膜後のヘテロエピタキシャル膜４０にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能する層である。

柱状構造膜２０の組成は特に制限なく、上記柱状膜構造が得られる任意の材料が使用でき、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，Ｇｅ, ＧｅＯ_２, ＡｌＮ, ＺｎＯ, ＩｎＳｂ, ＧａＰ, ＣｄＳ，ＺｎＳｅ及びＧａＮからなる群より選ばれた１種又は２種以上を主成分とする半導体膜が挙げられる。柱状構造膜２０の組成は、基板１０及びヘテロエピタキシャル膜４０の組成に応じて、適宜選択することが好ましい。

柱状構造膜２０は、結晶配向性膜であることが好ましく、ヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有する結晶配向性膜であることが特に好ましい。

本実施形態において、柱状構造膜２０は、図１（ａ）のように、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１が基板１０の基板面に対して垂直方向に延びた垂直柱状膜構造でもよいし、図１（ｂ）のように柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１が基板１０の基板面に対して斜め方向に延びた斜め柱状膜構造でもよい。

垂直柱状膜構造の柱状構造膜２０は、基板を蒸着源に対して傾斜させずにEB蒸着やスパッタ蒸着等を行う正面蒸着法により成膜することができる。
斜め柱状膜構造の柱状構造膜２０は、基板を蒸着源に対して傾斜させてEB蒸着やスパッタ蒸着等を行う斜方蒸着法により成膜することができる。

基板１０が特定の結晶面方位を有する単結晶基板である場合には、結晶面方位及び結晶成長方向が基板１０の結晶面方位と略同一である柱状体２１を成長させやすく、その上に略同一の結晶面方位のヘテロエピタキシャル膜４０を成長させやすい。
したがって、基板１０としてヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有する単結晶基板を用いることで、所望の結晶面方位のヘテロエピタキシャル膜４０を成長させやすく、好ましい。

ただし、基板１０がヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と異なる結晶面方位を有する単結晶基板又はアモルファス基板であっても、成膜条件によっては、ヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有する柱状構造膜２０を成長させることができる。例えば、基板１０がアモルファス基板であっても、比較的低温（室温〜300℃）で成膜を行うと、特定の結晶面方位を有する柱状構造膜２０を成長させることができる。このように、少なくとも柱状構造膜２０がヘテロエピタキシャル膜４０の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有していれば、所望の結晶面方位のヘテロエピタキシャル膜４０を成長させやすく、好ましい。

上記膜構造の柱状構造膜２０が、成膜中及び／又は成膜後のヘテロエピタキシャル膜４０にかかる応力を緩和する応力緩和層として機能する層であることを述べた。本実施形態では、柱状構造膜２０によって、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との格子定数差によって発生する応力と、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との熱膨張係数差によって発生する応力の双方を緩和することができる。

本実施形態における応力緩和のメカニズムは下記の通りであると考えられる。
基板１０と柱状構造膜２０との界面において、柱状構造膜２０側の界面近辺の結晶粒界に格子の不連続な乱れを有しており、柱状構造膜２０中の各柱状体２１の界面に、あたかも多数の転位が存在しているような状態となるため、基板１０と柱状構造膜２０との歪を吸収する。また、柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１同士の結晶粒界の結合力は、ボンドが切れていたり、その長さが長いため相対的に結晶の強度より弱くなるため、変形能が高く、歪が容易に吸収される。また、柱状構造膜２０と柱状構造膜上に成膜したヘテロエピタキシャル膜４０との間においても、同様のメカニズムにより歪みが吸収され、従って基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との格子定数差によって発生する応力及び熱膨張係数差によって生じる応力の双方を緩和することができる。

このように、本実施形態では格子定数差によって発生する応力を緩和することができるので、ミスフィット転位等の格子欠陥や内部歪みが少なく、結晶品質の良質なヘテロエピタキシャル膜４０を成長させることができる。Ａｌ_２Ｏ_３のＣ面上へのウルツ鉱型ＧａＮヘテロエピタキシャル膜の格子不整合は１４％、Ｓｉ（１１１）面上へのウルツ鉱型ＧａＮヘテロエピタキシャル膜の格子不整合は２０％、Ｓｉ（００１）面上への遷亜鉛鉱型ＧａＡｓヘテロエピタキシャル膜の格子不整合は４％、Ｓｉ（１１１）面上へのウルツ鉱型ＺｎＯヘテロエピタキシャル膜の格子不整合は１８％であり、本実施形態によれば、これらの格子不整合を効果的に緩和することができる。

また、本実施形態では熱膨張係数差によって発生する応力を緩和することができるので、クラック、膜の部分剥離、及び基板の反り等の発生を抑えることができる。
例えば、基板材料であるＳｉの熱膨張係数は３．５９×10^−６／Ｋ、Ａｌ_２Ｏ_３は７．５×１０^−６、一方ヘテロエピタキシャル膜材料であるＧａＮは５．５９×１０^−６ 、ＺｎＯは２．９×１０^−６である。従って、本実施形態は、基板１０としてＳｉ基板又はＡｌ_２Ｏ_３基板を用い、ＧａＮ膜又はＺｎＯからなるヘテロエピタキシャル膜４０を成膜する場合などに有効である。

柱状構造膜２０の厚みは特に制限されず、過小ではアイランド状になり十分な柱状構造膜が形成されず、柱状構造膜２０による応力緩和効果が充分に発現せず、過大では表面荒れが大きくなり良好なヘテロエピ膜の成長ができなくなるので、５〜５００ｎｍであることが好ましい。

柱状構造膜２０をなす多数の柱状体２１の平均柱径に特に制限はなく、２０〜２００ｎｍが好ましい。
柱状体２１の成長方向は特に制限はなく、基板１０の基板面の法線方向から０°以上６０°未満の角度方向であることが好ましい。圧縮あるいは引張応力が働くのは、基板面に対して平行な方向、つまり基板面の法線方向から９０°の角度方向である。柱状体２１の成長方向が６０°以上傾いた場合には、柱状構造膜２０が有する９０°方向への応力緩和作用は、柱状構造膜の成長方向が０°の場合の１／２以下になると考えられる。つまり、成長方向が０°の場合と同等の応力緩和作用を生じさせるには倍以上の膜厚が必要となると考えられ、そのため、成膜時間が長くなり効率的ではなくなる。よって６０°未満の角度とすることが好ましい。

柱状構造膜２０は、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０とが直接接触すると、接触面において反応が起こり、基板表面の平滑性が低下するような場合には、上記応力緩和層としての機能に加えて、基板表面の保護膜として機能することもできる。

バッファ層３０は、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との格子定数差等を緩和する層であり、また、上記柱状構造膜２０と同様に、基板表面の保護膜としての機能も有している。
バッファ層３０の組成は特に制限なく、ＳｉＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ等の１種又は２種以上の半導体を主成分とする半導体膜が挙げられる。バッファ層３０は、柱状構造膜２０上に通常の薄膜形成法により成膜された薄膜でもよいし、柱状構造膜２０の表面を窒化等して得られる窒化膜等でもよい。
本実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板１は、以上のように構成されている。

本実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板１は、基板１０上に、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体２１からなる柱状構造膜２０を設け、その上にヘテロエピタキシャル膜４０を設ける構成としている。かかる構成では、柱状構造膜２０の存在によって、成膜中及び／又は成膜後にヘテロエピタキシャル膜４０にかかる応力を効果的に緩和することができる。本実施形態によれば、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との格子定数差によって発生する応力と、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との熱膨張係数差によって発生する応力の双方を効果的に緩和することができる。

本実施形態によれば、成膜中及び／又は成膜後にエピタキシャル膜４０にかかる種々の応力を効果的に緩和して、良質なヘテロエピタキシャル膜４０を成長させることができる。

アモルファス基板を用い、柱状構造膜を設けずに、バッファ層のみを介してヘテロエピタキシャル成長を行う場合には、単結晶のヘテロエピタキシャル膜４０を成長させることは難しい（後記比較例２を参照）。これに対して、本実施形態では、基板１０としてアモルファス基板を用いる場合や、ヘテロエピタキシャル膜４０の下地であるバッファ層３０がアモルファスである場合にも、ヘテロエピタキシャル膜４０にかかる応力を効果的に緩和することができるので、結晶品質が良好な単結晶ヘテロエピタキシャル膜４０を成長させることができる（後記実施例３〜５を参照）。

本実施形態では、「背景技術」の項に挙げた特許文献１及び２に記載の技術と異なり、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との格子定数差や熱膨張係数差が大きい場合にも、一層の柱状構造膜２０によって充分な応力緩和効果が得られるので、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との間に介在させる層の数を増やす必要がない。ただし、必要に応じて、複数層の柱状構造膜２０を設けることは差し支えない。

本実施形態では、一層の柱状構造膜２０によって充分な応力緩和効果が得られるので、バッファ層３０を省略することもできる。本実施形態のように、基板１０とヘテロエピタキシャル膜４０との間にバッファ層３０を介在させる場合には、柱状構造膜２０とバッファ層３０の双方によって、ヘテロエピタキシャル膜４０にかかる応力を緩和することができ、より大きな応力緩和効果が得られる。

また、本実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板１では、特許文献３及び４に記載の技術と異なり、特殊形状のヘテロエピタキシャル膜を形成したり、特殊な反応によって空隙部を形成するなどの、複雑な工程も要しない。

本実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板１、若しくはヘテロエピタキシャル膜４０を用いて、各種デバイスを製造することができる。例えば、発光ダイオード、レーザダイオード、高周波デバイス等のデバイスを高品質に製造することができる。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
ＨＦ洗浄等により表面を清澄化したＳｉ（１１１）基板上に、ＥＢ蒸着により、室温下で２０ｎｍ厚のＳｉ膜を正面蒸着した。このＳｉ膜は、基板面に対して略垂直方向、すなわち＜１１１＞方位で成長した多数の柱状体からなる柱状構造膜であった。多数の柱状体の平均柱径は約５０ｎｍであり、柱状体の結晶面方位及び結晶成長方向は、基板の結晶面方位と略同一であった。上記Sｉ柱状構造膜上に、ＭＢＥ法により５０ｎｍ厚のＡｌＮバッファ層を積層し、最後にＧａＮを２０００ｎｍ厚でヘテロエピタキシャル成長させ、本発明のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。成膜条件は、ＧａＮ膜は基板温度を７００℃でＧａｆｌｕｘ３×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ｓ、RF出力 ３５０Ｗ、Ｎ_２流量２ｓｃｃｍであった。

（実施例２）
斜めスパッタ蒸着によってＳｉ柱状構造膜を成膜した以外は、実施例１と同様にして、本発明のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。基板の蒸着源に対する傾斜角（＝基板面の法線方向と基板からみた蒸着源方向とのなす角）は４０°とした。
Ｓｉ柱状構造膜は、基板面の法線方向に対して約２０°の方向に成長した多数の柱状体からなる膜構造であった。多数の柱状体の平均柱径は約５０ｎｍであった。柱状体の結晶面方位及び結晶成長方向は基板の面方位と略同一であり、柱状結晶膜の垂直方向の結晶面方位は基板の垂直方向の結晶方位と略同一の＜１１１＞であった。

（実施例３）
Ｓｉ柱状構造膜を成膜した後、基板温度を１０００℃にし、装置内をＮＨ_３雰囲気にすることで、Ｓｉ柱状構造膜の表面を窒化して、１〜２ｎｍ厚のアモルファス窒化シリコンのバッファ層を形成し、その上にＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させた以外は、実施例１と同様にして、本発明のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。

（実施例４）
基板としてＨＦ洗浄等により表面を清澄化した石英基板を用い、基板温度１００℃の条件でＳｉ柱状構造膜を正面蒸着した以外は、実施例１と同様にして、本発明のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。
Ｓｉ柱状構造膜は、基板面に対して略垂直方向、すなわち＜１１１＞方位で成長した多数の柱状体からなる柱状構造膜であった。多数の柱状体の平均柱径は約５０ｎｍであり、柱状体の結晶面方位及び結晶成長方向は、基板の結晶面方位と略同一であった。

（実施例５）
基板として実施例４と同じ石英基板を用い、基板温度１００℃の条件でＳｉ柱状構造膜を斜めスパッタ蒸着した以外は、実施例２と同様にして、本発明のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。
Ｓｉ柱状構造膜は、基板面の法線方向に対して約２０°の方向に成長した多数の柱状体からなる膜構造であった。多数の柱状体の平均柱径は約５０ｎｍであった。柱状体の結晶面方位及び結晶成長方向は基板の面方位と略同一であり、柱状結晶膜の垂直方向の結晶面方位は基板の垂直方向の結晶方位と略同一の＜１１１＞であった。

（比較例１）
Ｓｉ柱状構造膜を設けずに、Ｓｉ基板上にＡｌＮバッファ層とＧａＮヘテロエピタキシャル膜とを積層した以外は、実施例１と同様にして、比較用のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。

（比較例２）
基板として実施例４と同じ石英基板を用いた以外は、比較例１と同様にして、比較用のヘテロエピタキシャル膜基板を得た。

（評価項目と評価方法）
＜転位密度＞
転位密度は、透過型電子顕微鏡により測定した。各例おいて得られたヘテロエピタキシャル膜基板を、基板中心からＲ／２（又はＷ／２）の位置において｛１１２０｝面で切り出し、縦断面の測定試料とした。測定試料に垂直に電子線を入射し、バーガスベクトルｂ＝＜０００１＞，ｂ＝１／３＜２−１−１０＞，ｂ＝１／３＜２−１−１３＞をもつ転位を×１５０００で観察し、その視野内の転位の長さを測定して密度を求めた。

＜基板の反り量＞
各例おいて得られたヘテロエピタキシャル膜基板の反り量δを成膜前後についてそれぞれ測定した。基板の反り量δは、図２に示すように、基板の一端を垂直面に当接させたときの、この当接高さと他端の高さとのずれ量である。図中、ｌは基板の長さ、ｔは基板の厚さ、ｄは基板上に成膜された薄膜の合計厚さである（薄膜光学ハンドブック 発行：講談社 編者：真下正夫、吉田政次 ｐ２１４−２１５）。

＜評価結果＞
各例において製造したヘテロエピタキシャル膜基板の基板と各層の組成、及び評価結果を表１に示す。

単結晶シリコン基板を用い、バッファ層のみを介してヘテロエピタキシャル膜を成長させた比較例１は、従来の標準的な方法でヘテロエピタキシャル膜を成長させた例であり、この例が基準となる。比較例１では単結晶のヘテロエピタキシャル膜を成長させることができ、その転位密度は１．０×１０^１０ｃｍ^−２であった。得られたヘテロエピタキシャル膜基板の反り量は６０μｍであった。

基板をアモルファス基板に変えて比較例１と同様にヘテロエピタキシャル成長を行った比較例２では、単結晶のヘテロエピタキシャル膜を成長させることができず、得られたヘテロエピタキシャル膜は多結晶であった。単結晶のヘテロエピタキシャル膜を成長できなかったので、転位密度とヘテロエピタキシャル膜基板の反り量の評価は実施しなかった。

上記比較例１，２に対して、柱状構造膜を介してヘテロエピタキシャル膜を成長させた実施例１〜５では、単結晶基板を用いた実施例１，２、アモルファスバッファ層を下地としてヘテロエピタキシャル成長を実施した実施例３、アモルファス基板を用いた実施例４，５のいずれにおいても、単結晶のヘテロエピタキシャル膜を成長させることができた。また、得られたヘテロエピタキシャル膜の転位密度は、４．０×１０^７〜９．０×１０^７ｃｍ^−２であり、比較例１の転位密度より３桁も低い値であった。また、ヘテロエピタキシャル膜基板の反り量も比較例１の１／３程度であった。これらの結果から、柱状構造膜が応力緩和層として有効であることが示された。

本発明のヘテロエピタキシャル膜基板は、発光ダイオード、レーザダイオード、高周波デバイス等の各種デバイスに好ましく利用できる。

（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る一実施形態のヘテロエピタキシャル膜基板の断面図 実施例と比較例の評価方法を説明するための図

符号の説明

１ ヘテロエピタキシャル膜基板
１０ 基板
２０ 柱状構造膜
２１ 柱状体
３０ バッファ層
４０ ヘテロエピタキシャル膜

Claims (10)

1. 基板上に、該基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜を介して、ヘテロエピタキシャル膜を有することを特徴とするヘテロエピタキシャル膜基板。
2. 前記柱状構造膜は、成膜中及び／又は成膜後の前記ヘテロエピタキシャル膜にかかる応力を緩和する応力緩和層であることを特徴とする請求項１に記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
3. 前記応力は、前記基板と前記ヘテロエピタキシャル膜との格子定数差によって発生する応力、及び／又は前記基板と前記ヘテロエピタキシャル膜との熱膨張係数差によって発生する応力であることを特徴とする請求項２に記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
4. 前記柱状構造膜は、前記ヘテロエピタキシャル膜の結晶面方位と略同一の結晶面方位を有する結晶配向性膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
5. 前記柱状構造膜をなす前記多数の柱状体の平均柱径が２０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
6. 前記柱状構造膜をなす前記柱状体の成長方向が、前記基板面の法線方向から０°以上６０°未満の角度方向であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
7. 前記柱状構造膜と前記ヘテロエピタキシャル膜の間に、バッファ層を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
8. 前記柱状構造膜は、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２，Ｇｅ, ＧｅＯ_２, ＡｌＮ, ＺｎＯ, ＩｎＳｂ, ＧａＰ, ＣｄＳ，ＺｎＳｅ及びＧａＮからなる群より選ばれた１種又は２種以上を主成分とする半導体膜であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のヘテロエピタキシャル膜基板。
9. 多数の柱状体からなる柱状構造膜又は該柱状構造膜上に成膜された膜を下地として成膜されたものであることを特徴とするヘテロエピタキシャル膜。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載のヘテロエピタキシャル膜基板、若しくは請求項９に記載のヘテロエピタキシャル膜を用いて製造されたものであることを特徴とするデバイス。

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