JP3972976B2 - 非晶質中間層を用いた高配向性窒化ガリウム系結晶層の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質中間層を用いて高配向性窒化ガリウム系結晶層を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒化ガリウム系結晶層は、トランジスタや青色発光ダイオード等の半導体素子に多く利用されている。
これらの半導体素子において良好な素子特性を得るためには、単結晶の状態であることが望ましい。このため、窒化ガリウム系結晶層は、結晶成長させるための成長基板として、サファイアやシリコンカーバイト等の単結晶が多く使用されている。単結晶基板を用いることにより、単結晶基板の結晶性に関する情報が、結晶成長される窒化ガリウム系結晶層に影響を与えることにより、例えばエピタキシャル成長等により結晶成長させる窒化ガリウム系結晶層は、成長基板である単結晶基板と同様の結晶配列を有する単結晶層となる。
【０００３】
窒化ガリウム系結晶層は青色発光、白色発光が可能であり、省電力に優れた照明装置として従来の蛍光灯などの照明装置に置き換えることが可能であるが、しかしながら、上記に述べたように、サファイア等の単結晶基板が一般に高コストであると共に大きな基板面積を得ることが困難であるため、普及していない。
【０００４】
このため、コストの高い単結晶基板の代わりに、低コストで大面積のものが得られる多結晶金属基板を使用して、窒化ガリウム系結晶層を形成する方法が試みられている。多結晶金属基板上に窒化ガリウム系結晶層を形成することができれば、単結晶基板の場合と比較して低コストで大面積の窒化ガリウム系結晶層を形成することができると共に、金属基板を直接電極として利用することができ、さらに金属基板の高い熱伝導性により半導体素子の放熱に利用することができる等の利点がある。
【０００５】
しかしながら、多結晶金属基板上に窒化ガリウム系結晶層を直接に形成しようとすると、下地である多結晶金属基板の結晶軸が不特定方向に配向していることから、その上に形成される窒化ガリウム系結晶層は、結晶軸が同一方向に整列して成長することを阻害する規制力を多結晶金属基板から受け、結晶配向性の悪い窒化ガリウム系結晶層となり、電気特性及び発光特性の悪い窒化ガリウム系結晶層となる。
従って、結晶軸が同一方向に整列した結晶性の優れた窒化ガリウム系結晶層を多結晶金属基板上に直接に形成することは極めて困難である。
【０００６】
また、単結晶金属基板上に単結晶の窒化ガリウム系結晶層を形成する方法が、特開平１０−２１５０２６号公報により開示されている。この方法においては、単結晶金属基板と窒化ガリウム系結晶層との格子不整合を、例えば窒化アルミニウムから成る中間層（バッファ層）を設けることにより緩和し、単結晶金属基板上に単結晶の窒化ガリウム系結晶層を結晶成長させるようにするものである。
【０００７】
この場合の中間層は、単結晶基板の結晶性に関する情報が窒化ガリウム系結晶層に十分に伝わるように、一般には約０．２μｍ以下の厚さを有しており、下地である単結晶基板及び窒化ガリウム系結晶層と同様の結晶系であることが必要である。
【０００８】
しかしながら、このような方法は、良好な結晶性を有する窒化ガリウム系結晶層を得るためには効果的であるが、単結晶状態の金属基板は特殊なものであることから、極めて高価であると共に大量には入手することが困難であり、半導体素子の量産には不適である。
【０００９】
また、大面積の照明装置、あるいは表示装置を得るために、サファイア等の単結晶基板上に窒化ガリウム系結晶層を形成した後に、窒化ガリウム系結晶層をサファイア基板から剥がし、金属基板上に固定する技術が知られている。
しかしながら、このような技術は、複雑な工程を必要とし、かつ、工数が多いため、低コストで大面積照明装置、あるいは表示装置を製造することは困難である。
【００１０】
さらに、融点が１２００℃以上の高融点多結晶基板上に、II族元素の酸化物による高配向性のバッファ層を形成し、その高配向性のバッファ層の上に窒化ガリウム系結晶層を形成する方法が特開平０９−１７２１９９号公報により開示されている。
しかしながら、この場合、窒化ガリウム系結晶層と同じ結晶系のII族元素の酸化物をバッファ層の材料として使用し、高度に配向させる必要がある。このため、バッファ層としての材料が制限されてしまうと共に、配向処理が必要であることから、工程数が増大しコストが高くなってしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、低コストで大面積の高配向窒化ガリウム系結晶層を形成することができる、多結晶金属基板を用いた高配向性窒化ガリウム系結晶層の形成方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の非晶質中間層を用いた高配向性窒化ガリウム系結晶層の形成方法は、多結晶金属基板上に窒化ガリウム系結晶層を形成する方法において、多結晶金属基板上に、多結晶金属基板の結晶性に関する情報を窒化ガリウム系結晶層に伝えないようにするために、多結晶金属基板を３００℃以下に保持し、二酸化ケイ素からなる厚さ０．４μｍ以上の非晶質中間層をスパッタリングにより形成する第一の段階と、非晶質中間層が形成された多結晶金属基板を７００℃程度に保持し、非晶質中間層の上に、窒化ガリウム系結晶層を反応性蒸着法により形成する第二の段階とから成ることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、多結晶金属基板は、好ましくはチタン金属箔からなる。
【００１４】
上記構成によれば、第一の段階にて、多結晶金属基板上に所定の厚さ以上の非晶質中間層が形成されるので、多結晶金属基板の結晶性に関する情報が窒化ガリウム系結晶層に伝えられない。従って、窒化ガリウム系結晶層は、多結晶金属基板の結晶性に関する情報の影響を受けることなく、非晶質中間層の非晶質性に関する情報に基づいて良好な結晶配向性を有して形成される。
【００１５】
ここで、上記非晶質中間層は、多結晶金属基板の結晶性に関する情報を窒化ガリウム系結晶層に伝えないようにするものであって、従来の結晶基板の結晶性に関する情報を窒化ガリウム系結晶層に伝える機能を有するバッファ層とは異なる機能を有しており、配向処理を行なう必要がない。
【００１６】
上記非晶質中間層が二酸化ケイ素であり、かつ、厚さが０．４μｍ以上である場合には、窒化ガリウム系結晶層への多結晶金属基板の結晶性に関する情報が確実に遮断され、結晶配向性の高い窒化ガリウム系結晶層が形成される。
【００１７】
このように、本発明によれば、多結晶金属基板上に所定の厚さ以上の非晶質中間層を設け、この中間層上に窒化ガリウム系結晶層を形成することによって、高配向性の窒化ガリウム系結晶層を形成することができる。
なお、非晶質中間層は二酸化ケイ素に限定されるものではなく、例えば、一酸化ケイ素、アモルファスシリコン等の非晶質材料、またはその他の非晶質材料であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の非晶質中間層を用いた高配向性窒化ガリウム系結晶層の形成方法の一実施形態を示すもので、この実施の形態によって形成された高配向性窒化ガリウム系結晶層の構造を示す図である。
図１において、窒化ガリウム系結晶層１０は、多結晶金属基板１１上に形成された非晶質中間層１２の上に形成されている。
【００１９】
多結晶金属基板１１は、例えば厚さ５０μｍ程度のチタン金属箔から構成されている。このようなチタン金属箔は、柔軟で軽量であり、大面積基板として容易に入手可能である。
【００２０】
非晶質中間層１２は、例えば二酸化ケイ素等の材料により、多結晶金属基板１１の表面に形成されており、例えば約０．４μｍ以上の厚さを有している。
【００２１】
そして、窒化ガリウム系結晶層１０は、このような非晶質中間層１２の上に形成されている。
【００２２】
このような構成の窒化ガリウム系結晶層１０は、本発明の方法によれば、以下のようにして形成される。
始めに、第一の段階として、多結晶金属基板１１の表面に、非晶質中間層１２が形成される。
ここで、非晶質中間層１２は、例えば、二酸化ケイ素等の非晶質材料をマグネトロンスパッタリング法等によってスパッタして、多結晶金属基板１１の表面に形成される。その際、多結晶金属基板１１の温度を約３００℃以下に保持することにより、非晶質の二酸化ケイ素中間層が得られる。
【００２３】
次に、第二の段階として、上記非晶質中間層１２上に、例えば反応性蒸着法等により、窒化ガリウム系結晶層１０を形成する。この際、非晶質中間層１２が形成された多結晶金属基板１１を７００℃程度に保持して窒化ガリウム系結晶層１０を形成することにより、一つの結晶軸が同一方向に高度に配向した良好な結晶性を備えた窒化ガリウム系結晶層が得られる。
【００２４】
上記に説明した本発明の方法によれば、多結晶金属基板１１上に非晶質中間層１２を介して窒化ガリウム系結晶層１０を形成することにより、窒化ガリウム系結晶層１０が多結晶金属基板１１の結晶性に関する情報の影響を受けることがなく、非晶質中間層１２の非晶質性情報に影響されて高度に配向した良好な結晶性を有する窒化ガリウム系結晶層１０が得られ、従って、良好な特性を有するトランジスタ、発光ダイオード等のデバイスを得ることができる。
また、上述した本発明の方法によれば、低コスト、大面積、かつ放熱性等に優れた多結晶金属基板１１を基板として用いることができるので、例えば、省電力に優れ、かつ信頼性が高い大面積白色照明装置を低コストで製造することができる。
【００２５】
次に、本発明の実施例を説明する。
多結晶金属基板１１として、厚さ５０μｍ程度のチタン金属箔を使用した。
この多結晶金属基板１１の上に、マグネトロンスパッタリング装置を使用して、圧力２Ｐａのアルコンガス中にて、周波数１３．５６ＭＨｚで電力２００Ｗの高周波電力を印加し、二酸化ケイ素のターゲットを使用して、スパッタリングを行ない、非晶質中間層１２として、二酸化ケイ素からなる中間層を形成した。
これにより得られた二酸化ケイ素中間層の厚さは１．７μｍである。
ＣｕターゲットＸ線管を使用し、管電圧４０ｋＶ，管電流４０ｍＡでＣｕＫα線によるＸ線回折測定を行なったところ、図２に示すように、二酸化ケイ素中間層に関する回折ピークが極めて小さく、非晶質であることが確認された。
【００２６】
続いて、このように形成された非晶質中間層１２としての二酸化ケイ素中間層上に、反応性蒸着装置を使用して窒化ガリウム系結晶層１０を形成した。なお、比較のため、多結晶金属基板１１上に直接窒化ガリウム系結晶層１０を形成した比較試料も同時に作製した。
圧力０．１Ｐａの窒素ガス中にて、周波数１３．５６ＭＨｚで電力８０Ｗの高周波電力を印加して、窒素プラズマを形成し、この窒素プラズマ中でガリウム金属を加熱蒸発させて生成したガリウム金属蒸気を、多結晶金属基板１１上に形成した二酸化ケイ素中間層１２上、及び比較試料の多結晶金属基板１１上に供給し、窒化ガリウム系結晶層１０を形成した。窒化ガリウム系結晶層１０の形成速度は、約０．３μｍ／時間であり、厚さは０．５μｍであった。
【００２７】
次に、このようにして作製した試料のＸ線回折測定結果を示す。
比較試料、すなわち多結晶金属基板１１上に直接に形成された窒化ガリウム系結晶層１０は、Ｘ線回折測定を行なった結果、図３に示すように窒化ガリウム系結晶層に関する回折ピークの強度が全体的に弱く、さらに種々の結晶面からの回折ピークが現われていることから、結晶軸が同一方向に揃っていない、すなわち、結晶性が良好ではない窒化ガリウム系結晶層が形成されていることが分かる。これに対して、非晶質中間層である二酸化ケイ素中間層１２の上に形成された窒化ガリウム系結晶層１０は、Ｘ線回折測定を行なった結果、図４に示すように最大回折ピークの強度が、図３の場合と比較して２０倍程度増加していると共に、窒化ガリウム結晶のｃ面の回折ピーク、即ち（０００２）面及び（０００４）面の回折ピークだけが強く現われており、従って、窒化ガリウム系結晶層は、ｃ結晶軸が基板面に対して垂直な、かつ高度に配向した良好な結晶性を有していることが分かる。
【００２８】
図５は、非晶質中間層１２としての二酸化ケイ素中間層の膜厚を変えて、同様に窒化ガリウム系結晶層のＸ線回折測定を行なった結果を示している。
図５から明らかなように、二酸化ケイ素中間層の膜厚が０．０６μｍ（図５（ａ）参照）及び０．１４μｍ（図５（ｂ）参照）の場合には、多結晶金属基板１１の結晶性に関する情報の影響を受けて、窒化ガリウム系結晶層が種々の方向に結晶軸を有しており、配向性があまり良好ではないことが分かる。
これに対して、二酸化ケイ素中間層の膜厚が０．４２μｍ（図５（ｃ）参照）及び１．７μｍ（図５（ｄ）参照）の場合には、（０００２）面の回折ピークだけが強く現われており、従って、多結晶金属基板１１の結晶性に関する情報の影響を受けることなく、ｃ結晶軸が基板面に対して垂直である高度に配向した良好な結晶性を有する窒化ガリウム系結晶層が形成されていることが分かる。
【００２９】
図６は中間層の材料として、非晶質二酸化ケイ素，多結晶窒化アルミニウム、及び多結晶窒化ガリウムを使用した場合の窒化ガリウム系結晶層の（０００２）面によるＸ線回折強度を比較した結果を示している。
図６から明らかなように、多結晶膜である窒化アルミニウム及び窒化ガリウムの場合には、膜厚を変化させても強い回折強度を示さないが、非晶質膜である二酸化ケイ素の場合には膜厚が０．４μｍ以上の場合において、強い回折強度を示していることが分かる。
以上の測定結果から、多結晶金属基板上に非晶質中間層を所定の膜厚以上に形成して、その上に窒化ガリウム系結晶層を形成すれば、高配向性窒化ガリウム系結晶層を形成し得ることが分かる。
【００３０】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、多結晶金属基板上に結晶配向性の優れた窒化ガリウム系結晶層を形成することができる。
従って、本発明法により形成した高配向性窒化ガリウム系結晶層を用いれば、低消費電力、高信頼性、かつ低コストな大面積照明装置、大面積表示装置に使用すれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態により多結晶金属基板上に形成された高配向性窒化ガリウム系結晶層の拡大断面図である。
【図２】図１に示した非晶質中間層のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図３】多結晶金属基板上に直接に窒化ガリウム系結晶層を形成した場合の窒化ガリウム系結晶層のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図４】本発明の方法による非晶質中間層上に形成した高配向性窒化ガリウム系結晶層のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図５】非晶質中間層の膜厚を変えて形成した窒化ガリウム系結晶層のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図６】中間層の材料及び膜厚を変えて形成した窒化ガリウム系結晶層のＸ線回折測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１０ 窒化ガリウム系結晶層
１１ 多結晶金属基板
１２ 非晶質中間層

Claims (2)

1. 多結晶金属基板上に窒化ガリウム系結晶層を形成する方法において、 多結晶金属基板上に、該多結晶金属基板の結晶性に関する情報を窒化ガリウム系結晶層に伝えないようにするために、該多結晶金属基板を３００℃以下に保持し、二酸化ケイ素からなる厚さ０．４μｍ以上の非晶質中間層をスパッタリングにより形成する第一の段階と、
   上記非晶質中間層が形成された上記多結晶金属基板を７００℃程度に保持し、上記非晶質中間層の上に、窒化ガリウム系結晶層を反応性蒸着法により形成する第二の段階と、から成ることを特徴とする、非晶質中間層を用いた高配向性窒化ガリウム系結晶層の形成方法。
2. 前記多結晶金属基板がチタン金属箔からなることを特徴とする、請求項１に記載の非晶質中間層を用いた高配向性窒化ガリウム系結晶層の形成方法。

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