JP5731225B2 - 窒化ガリウム膜の形成方法、及び窒化ガリウム膜の形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、反応性スパッタ法を用いて窒化ガリウム膜を形成する方法、及び該形成方法を用いて窒化ガリウム膜を形成する装置に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体の１つである窒化ガリウム系半導体は、紫外光から可視光に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップを有することから、発光ダイオードやレーザダイオード等の発光装置の形成材料として広く用いられている。また、窒化ガリウムは、例えばシリコンやガリウムヒ素等の他の半導体材料と比較して、電圧破壊に対する高い耐性を有することに加え、高い飽和電子速度を有する。そのため、窒化ガリウムは、上記発光装置の形成材料としてだけではなく、電子デバイスや受光素子等の形成材料としても広く用いられている。

こうした窒化ガリウムは一般に、バルク単結晶の製造が困難なために、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の他、例えば特許文献１に記載のような反応性スパッタ法によって、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの異種基板上にエピタキシャル成長される。

上記文献に記載の方法では、まず、バッファ層と呼ばれる窒化アルミニウム層が、反応性スパッタ法によってサファイア基板上に形成される。次いで、窒化ガリウム層が、同じく反応性スパッタ法によってバッファ層上に形成される。これにより、サファイア基板の格子定数と窒化ガリウム層の格子定数との不整合がバッファ層によって解消されることによって、窒化ガリウム層が、バッファ層上にエピタキシャル成長することになる。

また、デバイス構造の加工性、窒化ガリウム層の結晶品質向上の観点からすると、窒化ガリウム膜の成長様式は、成長表面が基板表面に沿った層状成長であることが好ましい。例えば、非特許文献１には、ＭＢＥを用いた窒化ガリウム形成における成長表面の形態、すなわち上記成長様式の制御方法が提案されている。

特開２００８−２９４４４９号公報（スパッタＧａＮ／ＡｌＮに関する）

G. Koblmueller et al. APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 161904 2007

ところで、上記特許文献に記載の方法では、反応性スパッタ法による窒化ガリウム層の形成を可能にするための条件として、下記の範囲を規定している。そして、同文献においては、下記の範囲が、反応性スパッタ法による窒化ガリウム層の形成を行う上で至適な範囲であるものとしている。
・基板の温度範囲（８００℃〜１２００℃）。
・基板を収容する真空槽の圧力範囲（１０^−３Ｐａ以下）。
・窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスに占める窒素ガスの割合の範囲（２０％〜９８％
）。

一方、本願発明者らの鋭意研究によれば、窒化ガリウム層が有する構造は、上述した条件やその範囲のみによって一つに定まるものではなく、ガリウムと窒素種との基板への供給比率、及び基板表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とに密接に関係し、これにより、下記（ａ）〜（ｃ）のいずれかに定まることが見出された。
（ａ）窒化ガリウム層の表面の一部にてガリウムが半球状に析出する析出構造。
（ｂ）窒化ガリウム層の表面が基板表面に沿う層状構造。
（ｃ）窒化ガリウム層の表面が基板表面の法線方向に延びる柱状構造。

上記（ａ）〜（ｃ）の膜構造のうち、上記（ｂ）層状構造の窒化ガリウム層は、基板表面の面方向に沿うデバイス構造に対して加工に優れた構造である一方、上記（ｃ）柱状構造の窒化ガリウム層は、基板表面の法線方向に沿うデバイス構造に対して加工に優れた構造である。この点、上記文献に記載の条件とは、ガリウムと窒素種の基板への供給比率、基板表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とが考慮されたものでなく、それゆえに上記（ａ）〜（ｃ）の膜構造が混在する虞がある。

そのうえ、上述した真空槽の圧力範囲や窒素ガスの割合とは、基板表面に到達するガリウムの流束や基板表面から蒸発するガリウムの流束を各別に制御することの可能なパラメータとは言い難いものである。そのため、同文献に記載のスパッタ装置とは異なる仕様のスパッタ装置では、上記（ａ）〜（ｃ）の膜構造の混在する割合すら、その再現が困難なものとなっている。こうした理由から、スパッタ装置の仕様に関わらず、反応性スパッタ法による窒化ガリウム層の形成を可能とするプロセスの開発が切望されてもいる。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記（ａ）〜（ｃ）のうち、上記（ｂ）層状構造の窒化ガリウム膜を汎用性の高められたプロセスで選択的に形成することの可能な窒化ガリウム膜の形成方法、及び該形成方法を用いて窒化ガリウム膜を形成する装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、真空槽内に配置されたガリウムターゲットにバイアス電力を供給して、前記真空槽内に供給された希ガスによって前記ガリウムターゲットをスパッタする工程と、前記真空槽内に供給されて、プラズマにより活性化された窒素含有ガスと、前記スパッタされたガリウムとを、前記真空槽内で加熱される単結晶基板上にて反応させることで窒化ガリウム膜を形成する工程とを有する窒化ガリウム膜の形成方法であって、前記単結晶基板の表面に到達したガリウムと、前記単結晶基板を構成する原子とが、これらの境界において互いに拡散した相互拡散層が形成され、前記窒素含有ガスが、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記真空槽内に供給されるものであり、前記バイアス電力が、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるものであり、前記単結晶基板の温度が、前記窒化されるガリウム及び前記相互拡散層のガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるものであることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、単結晶基板を収容するとともに該単結晶基板を加熱する加熱部を有した真空槽と、前記真空槽内に希ガスと窒素含有ガスとを供給するガス供給部と、前記真空槽内に配置されたガリウムターゲットと、前記ガリウムターゲットにバイアス電力を供給する電力供給部と、前記ガリウムターゲットを前記希ガスでスパッタするときに、前記加熱部、前記ガス供給部、及び前記電力供給の動作を制御する制御部とを備える窒化ガリウム膜の形成装置であって、前記制御部は、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるように前記電力供給部に前記バイアス電力を出力させ、前記単結晶基板の表面に到達したガリウムと前記単結晶基板を構成する原子とに、これらの境界において互いに拡散した相互拡散層を形成させるとともに、前記窒化されるガリウム及び前記相互拡散層のガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるように前記加熱部に前記単結晶基板を加熱させることを要旨とする。

本発明者らの鋭意研究によれば、窒化ガリウムのプロセス領域のうち、窒化されるガリウム以外のガリウムが基板の表面に到達する領域であれば、基板表面上に到達したガリウムの有する基板表面上での流動性によって、ガリウムそのものが二次元的に拡散し、窒化ガリウムの粒成長が基板表面上にて抑えられることが見出された。そして、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発するような領域であれば、上述のようにして拡散したガリウムが、基板表面上から蒸発することになるため、窒化ガリウム膜の表面の一部にてガリウムが半球状に析出することが抑えられ、これにより上記層状構造の窒化ガリウム膜が形成されることが見出された。

この点、請求項１に記載の窒化ガリウムの形成方法、及び請求項５に記載の窒化ガリウムの形成装置によれば、窒素濃度は基板に供給されるガリウムと活性化された窒素種の比率とが決定されるとともに、バイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させるものであり、基板の温度が、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板の表面から蒸発させるものである。そして、窒化ガリウム膜を形成するパラメータのうち、窒素濃度とは、基板表面に供給されるガリウムと活性化された窒素種の比率を制御することが可能なパラメータであり、バイアス電力とは、基板の表面に到達するガリウムの流量を独立して制御することの可能なパラメータであり、また、基板の温度とは、基板の表面から蒸発するガリウムの流量をこれもまた独立して制御することの可能なパラメータである。それゆえに、基板表面に供給されるガリウムと活性化された窒素種の比率を制御することの可能な窒素濃度と、基板表面におけるガリウムの流束を直接的に制御することの可能なバイアス電力と基板の温度とによってプロセスが構築されるため、上記層状構造の窒化ガリウム膜を汎用性の高められたプロセスで選択的に形成することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、前記窒素含有ガスが窒素ガスであり、前記希ガスがアルゴンガスであって、前記窒素ガリウム膜を形成するときの前記窒素濃度を該窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲とし、且つ、前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ^２）とするとき、６００≦Ｔ≦１２００、０＜Ｐ≦４．６３を満たすことを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、前記制御部が、前記窒素濃度が成長速度の極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ^２）とするとき、前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、６００≦Ｔ≦１２００、０＜Ｐ≦４．６３を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御することを要旨とする。

請求項２に記載の窒化ガリウム膜の形成方法、及び請求項６に記載の窒化ガリウム膜の形成装置では、基板の温度を６００℃以上１２００℃以下とするとともに、ガリウムターゲットの単位面積あたりに供給されるバイアス電力Ｐを０Ｗ／ｃｍ^２より大きく４．６３Ｗ／ｃｍ^２以下とする。上述のような窒素濃度の条件下において、基板の温度の範囲とバイアス電力の範囲とが規定されるため、基板上にて単体の状態で存在するガリウムの量と、基板の熱によって蒸発するガリウムの量とを略等しくすることが容易なものとなる。

請求項３に記載の発明は、前記窒素濃度が、前記窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲であり、前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力であり、前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たすことを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力であり、前記ガス供給部が、前記希ガスであるアルゴンガスと前記窒素含有ガスである
窒素ガスとを供給し、前記制御部が、前記窒素濃度が前記窒化ガリウム膜の成長速度の極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御するとともに、前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御すること要旨とする。

請求項３に記載の窒化ガリウム膜の形成方法、及び請求項７に記載の窒化ガリウム膜の形成装置では、窒化ガリウム膜の形成時に、窒素濃度を該窒素濃度によって窒化ガリウム膜の成長速度が律速される範囲、且つ、窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲としている。つまり、成膜対象である基板に供給されるガリウムの量が、窒素の量に対して過剰である条件にて窒化ガリウム膜の形成を行うようにしている。そのため、基板上においては、上述したようにガリウムの表面拡散が窒素によって抑制されにくくなることから、窒化ガリウム膜が基板面内において二次元的に成長しやすくなる。

また、上記方法及び構成では、上記窒素濃度を窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲とするときに、上記バイアス電力を周波数が１３，５６ＭＨｚである高周波電力とするとともに、上記基板温度Ｔ及びバイアス電力Ｐが、Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たす条件で窒化ガリウム膜の形成を行うようにしている。そのため、基板に供給されるガリウムの量が窒素の供給量に対して過剰である窒素濃度であっても、基板上において窒素と反応して窒化ガリウム膜を形成するガリウム以外のガリウム、つまり基板上にて単体の状態で存在するガリウムの量と、基板の熱によって蒸発するガリウムの量とを略等しくすることができる。

したがって、窒化ガリウム膜の形成された基板上には、二次元的に拡散したガリウムと窒素との反応によって得られる窒化ガリウムのみが残存し、且つ、こうした窒化ガリウム膜は面内において引き続き二次元的に成長することから、基板上に平坦な窒化ガリウム膜を形成することができるようになる。

しかも、上記窒素濃度、基板温度、及びターゲットに供給されるバイアス電力の条件によれば、上述のように基板表面に到達するガリウムの流束、基板上において窒素と反応するガリウムの量、及び基板上から蒸発するガリウムの流束を適切に制御できる。そのため、こうした窒化ガリウム膜の形成方法、及び窒化ガリウム膜の形成装置は、スパッタ装置の仕様によらず、汎用的に使用することが可能である。転じて、窒化ガリウム膜の形成時において、上述のような条件を実現できる装置であれば、その他の仕様に関わらず窒化ガリウム膜を形成できることから、形成装置としての汎用性も高められることになる。
請求項４に記載の発明は、前記窒化ガリウム膜を形成した後に、前記窒化ガリウム膜を冷却する工程をさらに備え、前記冷却する工程では、前記窒素含有ガスが、前記窒化ガリウム膜を形成する工程における前記窒素含有ガスの流量よりも大きい流量で、前記真空槽内に供給されることを要旨とする。

本発明の窒化ガリウム膜の形成装置をスパッタ装置として具現化した一実施形態の概略構成を示す図。 本発明の窒化ガリウム膜の形成方法の一実施形態における各種ガス、バイアス電力の供給態様と、基板温度の変更態様とを示すタイミングチャート。 真空槽に供給されるガスの総流量に占める窒素ガスの割合（％）と窒化ガリウム膜の成長速度との関係を示すグラフ。 （ａ）〜（ｃ）基板上に形成された窒化ガリウム膜の表面を撮像したＳＥＭ写真。 基板温度とバイアス電力とによって区分される窒化ガリウム膜の成膜状態の領域を示す図。 （ａ）〜（ｆ）基板上に形成された窒化ガリウム膜の表面を撮像したＳＥＭ写真。

以下、本発明の窒化ガリウム膜の形成方法及び窒化ガリウム膜の形成装置の一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。まず、窒化ガリウム膜の形成装置の全体的な構成について図１を参照して説明する。

図１に示されるように、スパッタ装置１０の備える円筒状の真空槽１１内には、カソードハウジング１２が配置され、また、該カソードハウジング１２の内部には、マグネトロン磁場を生成するためのマグネット１２ａが収容されている。このカソードハウジング１２のうち、マグネット１２ａの上側には、バッキングプレート１３が配置され、また、バッキングプレート１３の上側には、該バッキングプレート１３に接続されるターゲット１４が配置されている。このターゲット１４は、バッキングプレート１３の上側に配置された容器１４ｂと、該容器１４ｂに収容されるガリウム１４ａとから構成されている。この容器１４ｂに収容されるガリウム１４ａは、バッキングプレート１３を介して電力供給部としての高周波電源１５に接続されるとともに、該高周波電源１５の出力する例えば周波数が１３．５６ＭＨｚである高周波電力としてのバイアス電力が供給されるようになっている。また、上述したマグネット１２ａによるマグネトロン磁場が、このガリウム１４ａの表面上に形成されるように、上記ターゲット１４が配置されている。

上記真空槽１１内におけるターゲット１４の直上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）膜の形成対象である単結晶基板である基板Ｓ、例えばサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を保持する基板ステージ１６が設けられている。また、真空槽１１の内表面には、窒化ガリウムの付着を防ぐ防着板１７が、上記ターゲット１４における基板Ｓに対向する面と、上記基板ステージ１６とを露出させるように配置されている。

真空槽１１の外表面における上記基板ステージ１６と対向する位置には、円筒状のヒータ室１８が設けられ、また、該ヒータ室１８の内部には、加熱部としてのヒータユニット１９が設置されている。ヒータユニット１９は、例えばハロゲンランプヒータであって、その先端が基板ステージ１６の保持する基板Ｓに対向し、６００℃〜１２００℃の範囲で上記基板Ｓを加熱する。

真空槽１１には、ターゲット１４のガリウム１４ａをスパッタするアルゴン等の希ガスを供給する希ガス供給部としてのマスフローコントローラＭＦＣ１が接続されている。また、真空槽１１には、スパッタされたガリウムを窒化するための窒素含有ガスとしての窒素ガスを供給する窒素ガス供給部としてのマスフローコントローラＭＦＣ２が接続されている。さらにまた、真空槽１１には、該真空槽１１内を減圧するための真空ポンプや真空槽１１内の圧力を所定の圧力に調整するための圧力調整弁等から構成される排気部２０が接続されている。

スパッタ装置１０には、上記高周波電源１５、ヒータユニット１９、及びマスフローコントローラＭＦＣ１，ＭＦＣ２に接続されるとともに、これらの動作を制御する制御部３０が搭載されている。制御部３０は、上記ターゲット１４に供給すべき単位面積あたりのバイアス電力を形成条件の一つとして記憶するとともに、該バイアス電力に応じた駆動信号を高周波電源１５に出力する。また、制御部３０は、成膜時における基板Ｓの温度を形成条件の一つとして記憶するとともに、基板Ｓの温度を該成膜時における温度に上昇させるための駆動信号をヒータユニット１９に出力する。また、制御部３０は、成膜時におけるアルゴンガスの流量を形成条件の一つとして記憶するとともに、該流量でアルゴンガスを供給するための駆動信号をマスフローコントローラＭＦＣ１に出力する。また、制御部３０は、成膜時における窒素ガスの流量を形成条件の一つとして記憶するとともに、該流量で窒素ガスを供給するための駆動信号をマスフローコントローラＭＦＣ２に出力する。そして、制御部３０は、真空槽１１内に供給されるアルゴンガス及び窒素ガスの総流量に占める窒素ガスの流量を所定の割合とする。

上述した構成からなるスパッタ装置１０の作用のうち、特に上記スパッタ装置１０において実施される窒化ガリウム膜の形成方法について図２〜図６を参照して以下に説明する。

上記スパッタ装置１０にて窒化ガリウム膜の形成を行う際には、まず、上記排気部２０によって真空槽１１内が所定の圧力にまで減圧される。そして、図示しない搬出入口から真空槽１１内に基板Ｓが搬入されると、該基板Ｓが上記基板ステージ１６によって保持される。次いで、図２に示されるように、上記真空槽１１内に基板Ｓが搬入されると、アルゴンガス雰囲気においてヒータユニット１９による基板Ｓの昇温が行われる（タイミングｔ１〜タイミングｔ２）。そして、基板Ｓの温度が例えば室温から所定の温度にまで昇温されると、アルゴンガスと窒素ガスとがこれらの総流量に占める窒素ガスの流量が所定の割合となるように供給される。次いで、上記高周波電源１５からターゲット１４に対して所定のバイアス電力Ｐでのバイアス電力の供給が開始される（タイミングｔ２）。これにより、タイミングｔ１から継続して供給されているアルゴンガスによってターゲット１４のガリウム１４ａがスパッタされる。このとき、窒素ガスの供給も開始されていることから、スパッタされたガリウム粒子がプラズマで活性化された窒素ガスによって基板Ｓ上で窒化されることで、窒化ガリウム膜が上記基板Ｓ上に形成される（タイミングｔ２〜タイミングｔ３）。

なお、このとき、窒素ガスは所定の流量Ｆｎ１にて真空槽１１内に供給されるとともに、アルゴンガスは所定の流量Ｆａ２にて同真空槽１１内に供給される。これにより、真空槽１１内に供給されるガスの総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２に対して窒素ガスの流量Ｆｎ１が所定の割合とされる。この際、タイミングｔ１からタイミングｔ２にわたって供給されていたアルゴンの流量Ｆａ１と、タイミングｔ２からの上記総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２とを略同一とすることで、真空槽１１内における圧力の変動を抑えられる。これにより、アルゴンガスとは異なる窒素ガスが添加されるとしても、こうしたガス種の変更にかかわらず、以後に行われるスパッタの開始時にてプラズマの状態が安定するようになる。

そして、タイミングｔ２から所定の時間が経過すると、上記アルゴンガスの供給及びバイアス電力の供給を停止することで、ターゲット１４のスパッタを終了する（タイミングｔ３）。なお、上記制御部３０は、窒化ガリウムの膜厚に応じた成膜時間を形成条件の一つとして記憶しており、タイミングｔ２からタイミングｔ３の期間が、上記成膜時間に設定される。

また、タイミングｔ３において、上記ヒータユニット１９による基板Ｓの加熱も終了されることで、基板Ｓの温度が例えば室温にまで冷却される（タイミングｔ４）。基板Ｓの
冷却期間であるタイミングｔ３からタイミングｔ４までにわたり、真空槽１１内には、窒素ガスが、上記流量Ｆｎ１よりも大きい流量Ｆｎ２にて供給され続ける。これにより窒化ガリウムの成長温度において蒸気圧の高い窒素が窒化ガリウム膜から脱離することで、表面欠陥が生じることを抑制することができる。

ちなみに、例えば、窒化ガリウム膜の形成時（タイミングｔ２〜タイミングｔ３）において、基板Ｓの温度を８００℃とし、上記総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２に対する窒素ガスの流量Ｆｎ１の割合である窒素濃度を１８％とするときには、以下のような条件にて窒化ガリウム膜の形成を行う。

すなわち、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの２０分間で、基板Ｓの温度を室温から８００℃にまで昇温する。このときのアルゴンガスの流量Ｆａ１を５５ｓｃｃｍとする。そして、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの４０分間で、基板Ｓの温度を８００℃に維持しつつ、直径１２０ｍｍのターゲット１４に対して１５０Ｗの高周波電力を供給して、基板Ｓ上に窒化ガリウム膜を形成する。このときのアルゴンガスの流量Ｆａ２を４５ｓｃｃｍとし、窒素ガスの流量Ｆｎ１を１０ｓｃｃｍとすることで、上記窒素濃度を１８％とする。次いで、タイミングｔ３からタイミングｔ４の２０分間で、基板Ｓの温度を８００℃から室温にまで冷却する。このときの窒素ガスの流量Ｆｎ２を１００ｓｃｃｍとする。

本実施形態の窒化ガリウム膜の形成方法においては、上記タイミングｔ２からタイミングｔ３での窒化ガリウム膜の形成に際し、真空槽１１内に供給されるガスの総流量Ｆｎ１＋Ｆａ２に占める窒素ガスの流量Ｆｎ１の割合である上記窒素濃度と、基板Ｓの温度、及びバイアス電力を所定の範囲に制御するようにしている。これにより、基板Ｓの面内において平坦な窒化ガリウム膜が形成できるようになる。

以下、上記窒素濃度、基板温度、及びバイアス電力の範囲の詳細について、図３〜図６を参照して説明する。図３は、上述した窒化ガリウム膜の形成装置を用いて形成される窒化ガリウム膜の成長速度における窒素濃度（Ｎ_２％）の依存性を示すグラフである。なお、一点鎖線で示される曲線Ｃ１、実線で示される曲線Ｃ２、及び二点鎖線で示される曲線Ｃ３は、各々の形成条件のうち、窒素ガスの流量のみが変更されたときの成長速度を示している。また、曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々の条件では、成膜時の基板温度Ｔが互いに等しく、ターゲット１４に供給されるバイアス電力が、曲線Ｃ１、曲線Ｃ２、曲線Ｃ３の順に大きくなるように設定されている。

図３に示されるように、窒化ガリウム膜の形成速度は、上記窒素濃度（Ｎ_２％）によって変化するものである。三つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３から明らかなように、成長速度は、基板温度及びバイアス電力の条件に関わらず、上記窒素濃度に対して極大となる値を有する。

三つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々において、極大値を与える窒素濃度よりも低濃度側、すなわち窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃは、窒素濃度が高くなるほど、窒化ガリウム膜の成長速度が高くなる領域である。このような窒素濃度の依存性から、こうした低濃度側の領域の殆どは、基板Ｓの表面に到達するガリウムの量に対して、同基板Ｓの表面に供給される窒素の量が少ない領域であって、窒化されるガリウムの量が窒素の量によって律速されている領域といえる。それゆえに、このような窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃであれば、窒化される前のガリウムを概ね基板Ｓの表面で流動させることが可能となる。

これに対し、三つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々において、極大値Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃを与える窒素濃度よりも高濃度側は、窒素濃度が高くなるほど、窒化ガリウム膜の成長速度
が低くなる領域である。このような窒素濃度の依存性から、こうした高濃度側の領域とは、基板Ｓに到達するガリウムの量に対して、同基板Ｓの表面に供給される窒素の量が過剰となる領域であって、窒化されるガリウムの量がガリウムの量によって律速されている領域といえる。それゆえに、このような領域では、スパッタされたガリウムが基板Ｓの表面に到達しても、基板Ｓの表面に存在する窒素が多い分、こうしたガリウムと窒素との反応機会が多くなり、結局のところ、基板Ｓの表面におけるガリウムの拡散が抑制されてしまう。

つまり、層状構造の窒化ガリウム膜の形成に際しては、曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の各々における上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ内とすることが好ましい。しかしながら、これら曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３における窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃが互いに異なる範囲であることからも明らかなように、窒化ガリウム膜の好ましい形成条件は、窒素濃度のみによって規定されるものではない。そのうえ、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃを用いて成膜を行ったとしても、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、三種類の構造を有する窒化ガリウム膜が基板Ｓ上に形成されることが本発明者らの実験によって認められた。

詳述すると、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃのうち、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束が、同基板Ｓの表面に到達するプラズマによって活性化された窒素の流束に対して過剰になる程度が大きい範囲、つまり成長速度が小さい側の範囲では、図４（ａ）に示されるように、ガリウムの単体が、基板Ｓの表面に半球状をなして析出してしまうことが認められた。

他方、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃのうち、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束が、同基板Ｓの表面に到達するプラズマによって活性化された窒素の流束に対して過剰になる程度が小さい範囲、つまり成長速度の極大近傍の範囲では、図４（ｃ）に示されるように、ガリウムの拡散が抑制されて窒化ガリウムが３次元的に成長することで、表面に凹凸が形成されることが認められた。

これは、図４（ｂ）に示されるような層状構造の窒化ガリウム膜を形成するためには、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束と基板表面から蒸発するガリウムの流束とを制御するパラメータの範囲を上記窒素濃度に加えて新たに規定する必要があることを示すものである。

ちなみに、上記成長速度の極大値Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃよりも高濃度側においても、図４（ｃ）に示されるように、窒化ガリウムが３次元的に成長することで、表面に凹凸が形成されることが認められた。

ここで、上記ターゲット１４に供給するバイアス電力が大きい程、ターゲット１４がスパッタされやすくなる。そのため、基板Ｓの表面に到達するガリウムの量は、ターゲット１４に供給する高周波電力の大きさに正の相関を有し、それゆえに、このバイアス電力を制御することによって、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流束を独立して制御することが可能となる。

また一方、ガリウムは、一旦基板Ｓの表面に到達したとしても、単体の状態にあるときに基板Ｓから熱を受けて蒸発する場合もある。このようにして基板Ｓの表面から蒸発するガリウムの量は、基板Ｓの温度に正の相関を有し、それゆえに、この基板Ｓの温度を制御することによって、基板Ｓの表面から蒸発するガリウムの流束を独立して制御することが可能となる。

そして、上記窒素濃度範囲Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃであれば、少なからずガリウムの有する流
動性によって、ガリウムそのものが二次元的に拡散し、図４（ａ）あるいは図４（ｂ）に示されるように、窒化ガリウム膜の柱状成長が基板表面上にて抑えられる。これに加え、基板Ｓの表面に到達したガリウムのうち、窒素と反応して窒化ガリウムとなる分を除くガリウムの量と、基板Ｓの表面から蒸発する量とが等しくなるような条件であれば、上述のようにして拡散したガリウムの余剰分が、基板Ｓの表面上から蒸発することになる。それゆえに、下記（条件１）及び（条件２）を満たす形成条件であれば、図４（ａ）に示されるようなガリウムの析出が抑えられ、先の図４（ｂ）に示すような層状構造の窒化ガリウム膜を形成することができる。
（条件１）バイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板Ｓの表面に到達させる範囲である。
（条件２）基板Ｓの温度が、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板Ｓの表面から蒸発させる範囲である。

以下に、上記（条件１）及び（条件２）が満たされる形成条件の一例を図５及び図６を参照して以下に説明する。図５及び図６は、上述した窒化ガリウム膜の形成装置を用いて、上記窒素濃度を窒化ガリウム膜の成長速度を窒素供給が律速する範囲とし、且つ成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲としたときの窒化ガリウム膜の構造を示すグラフ及びＳＥＭ写真である。

（領域１：析出領域：条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）
図５に示されるように、基板Ｓの温度が相対的に低く、且つターゲット１４に供給されるバイアス電力も相対的に小さい下記条件Ａ，Ｂでは、図６（ａ）に示されるように、基板Ｓの表面に半球状をなすようなガリウムの析出が認められた。
・条件Ａ：基板温度Ｔが６００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ^２
・条件Ｂ：基板温度Ｔが７００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ^２
また、条件Ａ及び条件Ｂよりも基板温度が高く、且つターゲットに供給されるバイアス電力がより大きい下記条件Ｃ，Ｄでも、条件Ａ，Ｂよりも少ないとはいえ、図６（ｂ）に示されるように、基板Ｓ表面にて半球状をなすガリウムの析出が認められた。
・条件Ｃ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが４．１７Ｗ／ｃｍ^２
・条件Ｄ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが４．１７Ｗ／ｃｍ^２
こうした結果から、上記条件Ａ〜条件Ｄを含む領域１とは、基板Ｓに到達したガリウムのうちで窒化された分を除くガリウムの量が、基板Ｓ上での加熱によって蒸発するガリウムの量よりも過剰となる領域であると言える。

（領域２：層状構造領域：条件Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ）
一方、条件Ｃと同一の基板温度であっても、ターゲット１４に供給されるバイアス電力がより小さい下記条件Ｅ，Ｆ，Ｇでは、図６（ｃ）に示されるように、基板Ｓの表面に平坦な窒化ガリウム膜が形成された。
・条件Ｅ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが０．４４Ｗ／ｃｍ^２
・条件Ｆ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ^２
・条件Ｇ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが２．０２Ｗ／ｃｍ^２
また、これら条件Ｅ，Ｆ，Ｇよりも高い基板温度である下記条件Ｈでも、条件Ｅ，Ｆ，Ｇにより形成された窒化ガリウム膜よりは平坦性に劣るものの、図６（ｄ）に示されるように、平坦な窒化ガリウム膜の形成が認められた。
・条件Ｈ：基板温度Ｔが９００℃、バイアス電力Ｐが１．３２Ｗ／ｃｍ^２
さらにまた、条件Ｅ，Ｆ，Ｇよりも高い基板温度であって、且つ高いバイアス電力である下記条件でも、条件Ｅ，Ｆ，Ｇにより形成された窒化ガリウム膜よりは平坦性に劣るものの、平坦な窒化ガリウム膜の形成が認められた。
・条件Ｉ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが２．２０Ｗ／ｃｍ^２
・条件Ｊ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが２．７８Ｗ／ｃｍ^２
・条件Ｋ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが３．７０Ｗ／ｃｍ^２
こうした結果から、上記条件Ｅ〜条件Ｋを含む領域２とは、基板Ｓに到達したガリウムのうちで窒素と反応せずに基板Ｓ上に単体として存在するガリウムの量と、基板Ｓ上での加熱によって蒸発するガリウムの量とが略等しくなる領域であると言える。

（領域３：柱状構造領域：条件Ｌ，Ｍ）
他方、上記条件Ｅ，Ｆ，Ｇと同一の基板温度であっても、よりターゲット１４に供給されるバイアス電力が小さい下記条件Ｌでは、図６（ｅ）に示されるように、柱状構造の窒化ガリウムが成長していた。
・条件Ｌ：基板温度Ｔが８００℃、バイアス電力Ｐが０．２３Ｗ／ｃｍ^２
また、条件Ｈよりも基板温度が高い下記条件Ｍでは、図６（ｆ）に示されるように、基板Ｓ上に凹凸に形成された柱状構造の窒化ガリウムが認められた。
・条件Ｍ：基板温度Ｔが１０００℃、バイアス電力Ｐが１．３９Ｗ／ｃｍ^２
こうした結果から、上記条件Ｌ，Ｍを含む領域３とは、基板Ｓに対して到達するガリウムの量から窒素と反応した分を除いた量よりも、基板Ｓでの加熱によって蒸発するガリウムの量が多い領域であるといえる。加えて、基板Ｓの表面に供給された窒素と反応する以前に蒸発するガリウムの量が、上記領域３よりも多くなる程度に基板温度の高い領域であると言える。

ちなみに、図５示されるように、先のいずれの条件よりも基板温度の高い下記条件Ｎでは、基板Ｓ上での窒化ガリウムの成長が認められなかった。つまり、該条件Ｎを含む領域４とは、基板Ｓに到達したガリウムが窒化されることなく基板Ｓから蒸発してしまう領域であると言える。
・条件Ｎ：基板温度Ｔが１２００℃、バイアス電力が１．３９Ｗ／ｃｍ^２
したがって、基板温度が６００℃以上１２００℃以下の範囲であって、且つ、ターゲット１４に供給されるバイアス電力が０Ｗ／ｃｍ^２より大きく４．６３Ｗ／ｃｍ^２以下であるときには、上記二つの直線で挟まれる上記領域２に含まれるように、基板温度Ｔとバイアス電力Ｐとが設定される。
・条件Ｇ，Ｋを通る第一直線：Ｐ＝０．００８４Ｔ−４．７
・条件Ｅ，Ｈ，Ｉを通る第二直線：Ｐ＝０．００８８Ｔ−６．６
なお、バイアス電力Ｐと基板Ｓの表面に到達するガリウムの量との関係は、線形近似されるものであるとともに、基板温度Ｔが６００℃以上１２００℃以下の範囲であれば、該基板温度Ｔと基板の表面から蒸発するガリウムの量との関係は、概ね線形近似されるものである。そのため、基板Ｓの表面にて余剰となるガリウムの量と基板の表面から蒸発するガリウムの量とが等しくなるようなバイアス電力Ｐと基板温度Ｔとの関係も線形近似されるものである。ちなみに、上記領域２に含まれる基板温度及びターゲット１４へのバイアス電力の条件によって形成された窒化ガリウム膜をＨＣｌ水溶液によってエッチングしたところ、該水溶性による窒化ガリウム膜のエッチングが認められなかった。そのため、同条件によって形成された窒化ガリウム膜は、窒素極性ではなく、ガリウム極性を有していると言える。

また、上記スパッタ装置１０を用いたスパッタ法によって窒化ガリウム膜を形成することにより、従来のＭＯＣＶＤ法等による窒化ガリウム膜の形成方法のように、窒化ガリウム膜の形成を可能とするバッファ層を基板Ｓ上に形成することなく、基板Ｓ上に直接窒化ガリウム膜を形成することができる。つまり、バッファ層の形成が割愛できる分だけ、窒化ガリウム膜をより少ない工程で形成することができるようになる。これは、窒化ガリウム膜の形成初期に、基板Ｓの表面に到達したガリウムと、基板Ｓを構成する原子とが、これらの境界において互いに拡散した相互拡散層が形成されることで、窒化ガリウム膜に対する基板Ｓの濡れ性が改善されたためと考えられる。

以上説明した実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）バイアス電力が、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板Ｓの表面に到達させるものであり、基板温度が、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの全てを基板の表面から蒸発させるものである。窒化ガリウム膜を形成するパラメータのうち、バイアス電力とは、基板Ｓの表面に到達するガリウムの流量を独立して制御することの可能なパラメータであり、また、基板温度とは、基板Ｓの表面から蒸発するガリウムの流束をこれもまた独立して制御することの可能なパラメータである。

それゆえに、基板Ｓの表面におけるガリウムの流束を直接的に制御することの可能なバイアス電力と基板Ｓの温度とによってプロセスが構築されるため、上記層状構造の窒化ガリウム膜を汎用性の高められたプロセスで選択的に形成することが可能となる。

（２）窒化ガリウム膜の形成時に、窒素濃度を該窒素濃度によって窒化ガリウム膜の成膜速度が律速される割合で、且つ、窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲とした。そのため、基板Ｓ上においては、ガリウムの表面拡散が窒素によって抑制されにくくなることから、窒化ガリウム膜が基板面内において二次元的に成長しやすくなる。

（３）また、上記窒素濃度の条件に加えて、基板Ｓの温度を６００℃以上１２００℃以下とするとともに、ターゲット１４の単位面積あたりに供給されるバイアス電力Ｐを０Ｗより大きく４．６３Ｗ以下とした。そして、こうした範囲においてＰ≦０．００８３Ｔ−４．７、Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６を満たす条件で窒化ガリウム膜の形成を行うようにした。

そのため、基板Ｓに供給されるガリウムの量が窒素の供給量に対して過剰である窒素濃度であっても、基板Ｓ上において窒素と反応して窒化ガリウム膜を形成するガリウム以外のガリウム、つまり基板Ｓ上にて単体の状態で存在するガリウムの量と、基板の熱によって蒸発するガリウムの量とを略等しくすることができる。これにより、窒化ガリウム膜の形成された基板Ｓ上には、窒素と反応したガリウムのみが残存し、且つ、こうした窒化ガリウム膜は面内において二次元的に成長することから、基板Ｓ上に平坦な窒化ガリウム膜を形成することができるようになる。

なお、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲は、窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度を示す窒素濃度領域においてのみ成り立つものである。しかしながら、他の窒素濃度範囲、すなわち、窒化ガリウム膜の成長速度が、その極大値に対して３０％以上９０％以下となる窒素濃度の範囲であれば、上記バイアス電力と基板温度との調整により層状構造を選択的に形成可能である。

（４）スパッタ法によって窒化ガリウム膜を形成するようにした。これにより、従来のＭＯＣＶＤ法等による窒化ガリウム膜の形成方法のように、窒化ガリウム膜の形成を可能とするバッファ層を基板Ｓ上に形成することなく、基板Ｓ上に直接窒化ガリウム膜を形成することができる。つまり、バッファ層の形成が割愛できる分だけ、窒化ガリウム膜をより少ない工程で形成することができるようになる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ターゲット１４をスパッタする希ガスとしてアルゴンガスを用いるようにしたが、アルゴン以外の希ガス、例えばヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガス等を用いるようにしてもよい。

・窒化されるガリウム以外のガリウムが基板Ｓの表面に到達しているか否かは、基板Ｓの表面に向けて進行する流束を計測するとともに、計測された流束の積算値と成膜された窒化ガリウム膜中のガリウムの量とを比較することによって確認することもできる。それゆえに、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させるバイアス電力は、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲の他、基板に到達するガリウムの流速と窒化ガリウム膜中に含まれるガリウムの量との計測値に基づく範囲に設定することもできる。要は、成膜時のバイアス電力は、窒化されるガリウム以外のガリウムを基板の表面に到達させる範囲であれば、その範囲を規定する方法について特に限定されるものではない。

・窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発しているか否かは、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの量とガリウムの蒸発速度とに基づいて確認することもできる。それゆえに、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発するような基板温度は、上述した第一直線及び第二直線に基づいて規定される範囲の他、上記窒化されるガリウム以外のガリウムの量とガリウムの蒸発速度に基づく範囲に設定することもできる。要は、成膜時の基板温度は、窒化されるガリウム以外のガリウムの全てが基板の表面から蒸発する範囲であれば、その範囲を規定する方法について特に限定されるものではない。

・窒素含有ガスは、希ガスと窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように真空槽内に供給されるものであればよく、こうした窒素濃度であれば該窒素濃度は上記範囲に限定されるものではない。

・上記単結晶基板Ｓは、サファイア基板の他に、炭化シリコンＳｉＣ基板、シリコンＳｉ基板等であってもよい。
・上記単結晶基板Ｓ上に、バッファ層が形成されていてもよい。

・窒素ガス以外の窒素含有ガス、例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガス、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、及び二酸化窒素（ＮＯ_２）ガス等を用いるようにしてもよい。
・ターゲット１４に電力を供給する電源として高周波電源１５を用いるようにした。これに限らず、直流電源から直流電力を供給するようにしてもよい。また、ターゲット１４への直流電力の供給は、窒化ガリウム膜の形成期間である上記タイミングｔ２からタイミングｔ３の間に、間欠的に行うようにしてもよい。また、ターゲット１４に対して直流電力と高周波電力とを同時に供給するようにしてもよい。

１０…スパッタ装置、１１…真空槽、１２…カソードハウジング、１２ａ…マグネット、１３…バッキングプレート、１４…ターゲット、１４ａ…ガリウム、１４ｂ…容器、１５…高周波電源、１６…基板ステージ、１７…防着板、１８…ヒータ室、１９…ヒータユニット、２０…排気部、３０…制御部、ＭＦＣ１，ＭＦＣ２…マスフローコントローラ、Ｓ…基板。

Claims (7)

1. 真空槽内に配置されたガリウムターゲットにバイアス電力を供給して、前記真空槽内に供給された希ガスによって前記ガリウムターゲットをスパッタする工程と、
   前記真空槽内に供給されて、プラズマにより活性化された窒素含有ガスと、前記スパッタされたガリウムとを、前記真空槽内で加熱される単結晶基板上にて反応させることで窒化ガリウム膜を形成する工程と
   を有する窒化ガリウム膜の形成方法であって、
   前記単結晶基板の表面に到達したガリウムと、前記単結晶基板を構成する原子とが、これらの境界において互いに拡散した相互拡散層が形成され、
   前記窒素含有ガスが、前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記真空槽内に供給されるものであり、
   前記バイアス電力が、前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるものであり、
   前記単結晶基板の温度が、前記窒化されるガリウム及び前記相互拡散層のガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるものである
   ことを特徴とする窒化ガリウム膜の形成方法。
2. 前記窒素含有ガスが窒素ガスであり、前記希ガスがアルゴンガスであって、
   前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記窒素濃度を該窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲とし、
   且つ、前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、
   前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ^２）とするとき、
   ６００≦Ｔ≦１２００
   ０＜Ｐ≦４．６３
   を満たす
   請求項１に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
3. 前記窒素濃度が、前記窒化ガリウム膜の成長速度における極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲であり、
   前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力であり、
   前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、
   Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７
   Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６
   を満たす
   請求項２に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
4. 前記窒化ガリウム膜を形成した後に、前記窒化ガリウム膜を冷却する工程をさらに備え、
   前記冷却する工程では、前記窒素含有ガスが、前記窒化ガリウム膜を形成する工程における前記窒素含有ガスの流量よりも大きい流量で、前記真空槽内に供給される
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム膜の形成方法。
5. 単結晶基板を収容するとともに該単結晶基板を加熱する加熱部を有した真空槽と、
   前記真空槽内に希ガスと窒素含有ガスとを供給するガス供給部と、
   前記真空槽内に配置されたガリウムターゲットと、
   前記ガリウムターゲットにバイアス電力を供給する電力供給部と、
   前記ガリウムターゲットを前記希ガスでスパッタするときに、前記加熱部、前記ガス供給部、及び前記電力供給部の動作を制御する制御部と
   を備える窒化ガリウム膜の形成装置であって、
   前記制御部は、
   前記希ガスと前記窒素含有ガスとの総流量に占める該窒素含有ガスの割合である窒素濃度のうち、前記窒化ガリウム膜の成長速度が窒素供給によって律速される窒素濃度の範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、
   前記窒化されるガリウム以外にも前記単結晶基板の表面にガリウムを到達させるように前記電力供給部に前記バイアス電力を出力させ、前記単結晶基板の表面に到達したガリウムと前記単結晶基板を構成する原子とに、これらの境界において互いに拡散した相互拡散層を形成させるとともに、前記窒化されるガリウム及び前記相互拡散層のガリウム以外のガリウムの全てを前記単結晶基板の表面から蒸発させるように前記加熱部に前記単結晶基板を加熱させる
   ことを特徴とする窒化ガリウム膜の形成装置。
6. 前記制御部が、
   前記窒素濃度が成長速度の極大値に対して３０％以上９０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御し、
   前記窒化ガリウム膜を形成するときの前記単結晶基板の温度を基板温度Ｔ（℃）、
   前記ガリウムターゲットに供給される電力をバイアス電力Ｐ（Ｗ／ｃｍ^２）とするとき、
   前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、
   ６００≦Ｔ≦１２００
   ０＜Ｐ≦４．６３
   を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御する
   請求項５に記載の窒化ガリウム膜の形成装置。
7. 前記バイアス電力が、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波電力であり、
   前記ガス供給部が、前記希ガスであるアルゴンガスと前記窒素含有ガスである窒素ガスとを供給し、
   前記制御部が、
   前記窒素濃度が前記窒化ガリウム膜の成長速度の極大値に対して６０％以上７０％以下の成長速度となる範囲となるように前記ガス供給部の駆動を制御するとともに、
   前記基板温度Ｔと前記バイアス電力Ｐとが、
   Ｐ≦０．００８３Ｔ−４．７
   Ｐ≧０．００８８Ｔ−６．６
   を満たすように前記加熱部及び前記電力供給部を制御する
   請求項６に記載の窒化ガリウム膜の形成装置。