JP4342853B2 - 基板上への窒化物薄膜の成長方法及び窒化物薄膜装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物薄膜の内部電界を制御する方法及びその窒化物薄膜装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、基板上への窒化物薄膜の成長において、窒化物薄膜の内部電界を制御するには、１０００度以上の温度で制御する方法が主体であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の方法では、１０００度以上の高い温度を加えることになり、それまでに行った基板表面処理の効果を打ち消してしまうため、任意のマスクパターンで窒化物薄膜の極性を制御することは困難であった。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑み、低温プロセスで窒化物薄膜の極性方向を制御することができる基板上への窒化物薄膜の成長方法及び窒化物薄膜装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕基板上への窒化物薄膜の成長方法において、サファイア基板上へ窒化物薄膜を成長させる場合に、前記サファイア基板の前処理としてＨ 2 クリーニングを行った前記サファイア基板を酸性溶液で低温処理することにより前記窒化物薄膜の極性方向を制御することを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の基板上への窒化物薄膜の成長方法において、前記酸性溶液が硝酸であることを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔１〕記載の基板上への窒化物薄膜の成長方法において、前記サファイア基板をＨ2 クリーニングした後マスクを形成して酸性溶液処理することで、窒化物薄膜にパターニングされた極性方向が異なる領域を形成することを特徴とする。
【０００８】
〔４〕窒化物薄膜装置であって、上記〔１〕記載の基板上への窒化物薄膜の成長方法を用いて得られる。
【０００９】
〔５〕上記〔４〕記載の窒化物薄膜装置が、ｃ面サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板上に＋ｃ面で成長するＧａ面と、−ｃ面で成長するＮ面とを有する装置であることを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔４〕記載の窒化物薄膜装置が、素子が分離された装置や表面が周期的にパターン化された装置であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示すＧａＮ極性構造の模式図、図２はその各部の極性を示す平面図（観察平面）である。
【００１３】
図１において、１はｃ面サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板、２はそのサファイア基板１上で＋ｃ面に成長するＧａ面、３はそのサファイア基板１上で−ｃ面に成長するＮ面である。Ｇａ面２はサファイア基板１のＨ2 クリーニングを行い、また、Ｎ面３はサファイア基板１のＨ2 クリーニングと窒化を行うことにより得られる。なお、Ｎ面３はアルカリ溶液でエッチングが可能である。
【００１４】
このように、１つのサファイア基板上に両極性のＧａＮ薄膜を成長させることができる。
【００１５】
かかる両極性のＧａＮ薄膜を成長させるためには、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）（０００１）基板をＨ2 クリーニング処理した上で、部分的に硝酸処理を行うために、フォトレジストを用いてその基板上に任意のマスクを形成する。このような基板を硝酸溶液に浸漬する。
【００１６】
因みに、本発明のサファイア基板のＨ2 クリーニング処理を行った上での硝酸溶液処理の条件としては、硝酸（ＨＮＯ3 ）濃度が６−６３％、温度が４０℃、時間が０〜１０ｍｉｎ（分）であり、従来の高温窒化処理の条件（比較例）としては、ＮＨ3 の割合（分圧）が５０％、温度が７５０〜１１００℃、時間が５ｍｉｎ（分）である。
【００１７】
図３は硝酸処理によるＮ面成長におけるサファイア基板のＨ2 クリーニングの有無の違いを示す図であり、図３（ａ）はかかるＨ2 クリーニングを行った場合（本発明の場合）を示す図、図３（ｂ）はかかるＨ2 クリーニングを行わなかった場合（比較例）を示す図である。
【００１８】
因みに、評価方法としては、界面や基板表面の観察には、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）、ＲＨＥＥＤ（Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いる。また、バッファ層の熱処理による変化は、ＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）強度、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察する。更に、成長層の様子は、ＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）強度、ＸＲＣ半値全幅により確認することができる。
【００１９】
図３（ａ）に示すようにＨ2 クリーニングを行った場合には、窒化物薄膜の表面はＮ面極性特有の６角形のファセットが多数観察されるが、図３（ｂ）に示すようにＨ2 クリーニングを行わなかった場合には、薄膜成長が不十分でその表面は非常に荒れていることが分かる。
【００２０】
図４は硝酸処理後の基板表面元素比を比較する図であり、図４（ａ）は従来の高温窒化処理温度に対する基板表面元素比を示し、横軸は窒化温度（℃）、縦軸は原子濃度（ａｔｏｍｉｃ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）（％）、図４（ｂ）は本発明の硝酸処理時間に対する基板表面元素比を示す図であり、横軸は硝酸処理時間（分）、縦軸は原子濃度（％）をそれぞれ示している。なお、図中、○は酸素、△はＡｌ、□はＮ（窒素）を示している。
【００２１】
図４（ａ）に示す高温窒化処理の場合、処理温度が高くなるにしたがって、サファイア基板表面の酸素濃度の割合が減少し、その代わりに窒素濃度の割合が増加している。これは、高温窒化処理によりサファイア基板表面に窒素原子が吸着して取り込まれ、基板表面の元素比が変化してしまっていることを示す。
【００２２】
一方、図４（ｂ）に示す硝酸処理の場合、処理時間が長くなっても窒素原子の吸着は観察されず、Ｈ2 クリーニング処理後のサファイア基板表面の元素比を維持していることが分かる。
【００２３】
図５は基板表面を比較する図であり、図５（ａ）は基板の処理前の状態、図５（ｂ）は、本発明の硝酸による処理を１０秒間行った後の状態、図５（ｃ）は硝酸処理を１０分間行った後の状態、図５（ｄ）は従来の高温窒化処理を５分間行った後の状態をそれぞれ示す図である。
【００２４】
図面上白く見えるのが、基板の〔１−１００〕と〔１１−２０〕方向から電子線を入射したときのＲＨＥＥＤパターンである。従来の高温窒化処理後ＡｌＮが形成されていることを示すＲＨＥＥＤパターンが得られる（同じ入射方向に対してパターンが逆転）が、図５（ａ）と図５（ｃ）のＲＨＥＥＤパターンを比較しても変化がないことから、硝酸処理によってサファイア基板表面にＡｌＮが形成されていないことが分かる。
【００２５】
図６は本発明にかかるフォトレジストによるマスクを用いて部分的に硝酸処理したサファイア基板上に両極性のＧａＮが形成されていることを示す図である。
【００２６】
図６（ａ）から分かるように、Ｇａ面領域１２、Ｎ面領域１１、Ｇａ面領域１３を１つの基板上に同時に成長させることができる。
【００２７】
なお、図６（ｂ）には、Ｎ面領域１１とＧａ面領域１３との境界部分の拡大図が示されており、フォトレジストによるマスクの通りにはっきりと境界領域が制御されていて、マスクの形状により任意の大きさでＮ面領域１１とＧａ面領域１３を成長できることが分かる。
【００２８】
また、本発明の基板上への窒化物薄膜の成長方法を用いて得られる窒化物薄膜装置は、その極性方向を任意に制御できるので、素子が分離された装置（デバイス）や表面が周期的にパターン化された基板（装置：デバイス）として構成することができる。
【００２９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、低温プロセスで窒化物薄膜の極性方向を制御することができる基板上への窒化物薄膜の成長方法及び窒化物薄膜装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すＧａＮ極性構造の模式図である。
【図２】 本発明の実施例を示すＧａＮ極性構造の各部の極性を示す平面図（観察平面）である。
【図３】 硝酸処理によるＮ面成長においてサファイア基板のＨ2 クリーニングの有無の違いを示す図である。
【図４】 硝酸処理後の表面元素比を比較する図である。
【図５】 基板表面を比較する図である。
【図６】 本発明にかかるフォトレジストによるマスクを用いて部分的に硝酸処理したサファイア基板上に両極性のＧａＮが形成されていることを示す図である。
【符号の説明】
１ ｃ面サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板
２ サファイア基板上の＋ｃ面に成長するＧａ面
３ サファイア基板上の−ｃ面に成長するＮ面
１１ Ｎ面領域
１２，１３ Ｇａ面領域

Claims (6)

  1. サファイア基板上へ窒化物薄膜を成長させる場合に、前記サファイア基板の前処理としてＨ 2 クリーニングを行った前記サファイア基板を酸性溶液で低温処理することにより前記窒化物薄膜の極性方向を制御することを特徴とする基板上への窒化物薄膜の成長方法。
  2. 請求項１記載の基板上への窒化物薄膜の成長方法において、前記酸性溶液が硝酸であることを特徴とする基板上への窒化物薄膜の成長方法。
  3. 請求項１記載の基板上への窒化物薄膜の成長方法において、前記サファイア基板をＨ2 クリーニングした後マスクを形成して酸性溶液処理することで、窒化物薄膜にパターニングされた極性方向が異なる領域を形成することを特徴とする基板上への窒化物薄膜の成長方法。
  4. 請求項１記載の基板上への窒化物薄膜の成長方法を用いて得られる窒化物薄膜装置。
  5. 請求項４記載の窒化物薄膜装置が、ｃ面サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板上に＋ｃ面で成長するＧａ面と、−ｃ面で成長するＮ面とを有する装置であることを特徴とする窒化物薄膜装置。
  6. 請求項４記載の窒化物薄膜装置が、素子が分離された装置や表面が周期的にパターン化された装置であることを特徴とする窒化物薄膜装置。
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