JPH08310900A - 窒化物薄膜単結晶及びその製造方法 - Google Patents
窒化物薄膜単結晶及びその製造方法Info
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- JPH08310900A JPH08310900A JP13722895A JP13722895A JPH08310900A JP H08310900 A JPH08310900 A JP H08310900A JP 13722895 A JP13722895 A JP 13722895A JP 13722895 A JP13722895 A JP 13722895A JP H08310900 A JPH08310900 A JP H08310900A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 表面が平滑で、結晶性に優れたＡｌＮ、Ｉｎ
Ｎ、ＧａＮ等の窒化物半導体単結晶を製造すること。 【構成】 基板の上に、ホウ素を含む窒化物中間層を形
成する。この上に目的の窒化物薄膜表面層を形成する。
中間層の効果によって、上層の窒化物は単結晶となる。
さらに表面は極めて平滑になる。この窒化物薄膜は平滑
な単結晶であるから、発光素子、表面弾性波素子、耐熱
高周波素子等の材料として好適である。
Ｎ、ＧａＮ等の窒化物半導体単結晶を製造すること。 【構成】 基板の上に、ホウ素を含む窒化物中間層を形
成する。この上に目的の窒化物薄膜表面層を形成する。
中間層の効果によって、上層の窒化物は単結晶となる。
さらに表面は極めて平滑になる。この窒化物薄膜は平滑
な単結晶であるから、発光素子、表面弾性波素子、耐熱
高周波素子等の材料として好適である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は工具、表面弾性波素
子、発光素子、高熱伝導ヒートシンクなどに用いられる
窒化物薄膜単結晶及びその製造方法に関する。
子、発光素子、高熱伝導ヒートシンクなどに用いられる
窒化物薄膜単結晶及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどの窒化物
は、広いバンドギャップ、高い硬度、速い音速、高い熱
伝導度などに恵まれている。もしも大きい単結晶ができ
ればその用途は極めて大きいものであろうと推定され
る。しかし残念ながら、現在に至るまでこれらの窒化物
については大型単結晶ができなかった。チョクラルスキ
−法やブリッジマン法によって大型の結晶を作ることが
できない。その他の方法によっても大きい単結晶を製造
することができない。配向性の薄膜又は単結晶薄膜の製
造技術が開発されてきた。
は、広いバンドギャップ、高い硬度、速い音速、高い熱
伝導度などに恵まれている。もしも大きい単結晶ができ
ればその用途は極めて大きいものであろうと推定され
る。しかし残念ながら、現在に至るまでこれらの窒化物
については大型単結晶ができなかった。チョクラルスキ
−法やブリッジマン法によって大型の結晶を作ることが
できない。その他の方法によっても大きい単結晶を製造
することができない。配向性の薄膜又は単結晶薄膜の製
造技術が開発されてきた。
【０００３】ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ等の３族元素の窒
化物は天然には存在しない。いずれも広いバンドギャッ
プを持つ半導体である。硬度が高く、熱伝導にも優れ
る。六方晶系のものと、立方晶系のものがある。立方晶
系のものはＧａＡｓ等と同じように閃亜鉛鉱型の結晶構
造を持つ。ＡｌＮは大きい単結晶はできない。粉体や薄
膜の形で合成される。粉体によって焼結体を作ることが
できる。薄膜又は焼結体の形で、工具、耐熱部材、表面
弾性波フィルターとしての用途が期待される。
化物は天然には存在しない。いずれも広いバンドギャッ
プを持つ半導体である。硬度が高く、熱伝導にも優れ
る。六方晶系のものと、立方晶系のものがある。立方晶
系のものはＧａＡｓ等と同じように閃亜鉛鉱型の結晶構
造を持つ。ＡｌＮは大きい単結晶はできない。粉体や薄
膜の形で合成される。粉体によって焼結体を作ることが
できる。薄膜又は焼結体の形で、工具、耐熱部材、表面
弾性波フィルターとしての用途が期待される。
【０００４】ＧａＮはバンドギャップが広いから、青色
発光素子の材料として有望である。しかしこれも大きい
単結晶は作れない。異種基板の上にＭＯＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法によって、アンモニアガス、トリメチルガリウムガ
スからＧａＮの薄膜を作る。異種基板として良く使われ
るのはＳｉ、サファイヤなどである。この方法によって
できるＧａＮは柱状の多結晶で、表面は凹凸が多い。半
導体材料として高品質なものではない。これは島状の成
長によるものであろう。
発光素子の材料として有望である。しかしこれも大きい
単結晶は作れない。異種基板の上にＭＯＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法によって、アンモニアガス、トリメチルガリウムガ
スからＧａＮの薄膜を作る。異種基板として良く使われ
るのはＳｉ、サファイヤなどである。この方法によって
できるＧａＮは柱状の多結晶で、表面は凹凸が多い。半
導体材料として高品質なものではない。これは島状の成
長によるものであろう。
【０００５】これら窒化物は配向性薄膜によって、工
具、高周波用表面弾性波フィルター、短波長発光素子な
どに向けて、実用化研究、開発研究が進められてきた。
Ｓｉやサファイヤなどの基板に、窒化物の薄い膜を合成
する。異種基板の上に薄膜を作るのは、大きい窒化物の
基板が得られないからである。Ｓｉやサファイヤの場合
は大きい基板を作ることができる。異種材料の上に薄膜
形成するから、平滑で結晶性の良い高品質単結晶を得る
ことが困難であった。
具、高周波用表面弾性波フィルター、短波長発光素子な
どに向けて、実用化研究、開発研究が進められてきた。
Ｓｉやサファイヤなどの基板に、窒化物の薄い膜を合成
する。異種基板の上に薄膜を作るのは、大きい窒化物の
基板が得られないからである。Ｓｉやサファイヤの場合
は大きい基板を作ることができる。異種材料の上に薄膜
形成するから、平滑で結晶性の良い高品質単結晶を得る
ことが困難であった。
【０００６】特にＧａＮ、及びＧａＮにＡｌやＩｎを添
加した結晶は、青色や緑色などの短波長発光素子として
優れている事が最近明らかになってきた。青色発光素子
はこれまで有力なものが存在しなかったので、ＧａＮに
よる青色発光素子は広い応用が期待されている。
加した結晶は、青色や緑色などの短波長発光素子として
優れている事が最近明らかになってきた。青色発光素子
はこれまで有力なものが存在しなかったので、ＧａＮに
よる青色発光素子は広い応用が期待されている。
【０００７】しかし発光素子とするには多結晶では役に
立たない。単結晶でなければならず、高品質であること
が好ましいことは言うまでもない。Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＰなどの半導体基板が、広く半導体デバイスの基板と
して利用できるのは、優れた性質の大きい単結晶が、大
量に製造できるからである。
立たない。単結晶でなければならず、高品質であること
が好ましいことは言うまでもない。Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＰなどの半導体基板が、広く半導体デバイスの基板と
して利用できるのは、優れた性質の大きい単結晶が、大
量に製造できるからである。
【０００８】窒化物薄膜単結晶を発光素子のような半導
体活性層として用いるためには、高純度で結晶欠陥が少
なく、表面が極めて平滑な単結晶を用いなければならな
い。ところが現在のところ、窒化物については異種材料
の上に薄膜を成長させた低品質単結晶しかない。
体活性層として用いるためには、高純度で結晶欠陥が少
なく、表面が極めて平滑な単結晶を用いなければならな
い。ところが現在のところ、窒化物については異種材料
の上に薄膜を成長させた低品質単結晶しかない。
【０００９】しかしながら、Ｓｉやサファイヤ等の異種
基板上に窒化物を成長させると島状に成長しやすい。異
種基板上で、核発生が孤立して起こり、核を中心として
結晶が拡大してゆく。だから島状になって、孤立粒子が
いくつも生成するのである。基板の表面が露呈する場所
もあるし、一方では高く結晶粒が生成しているところも
ある。かなり厚い膜を作って初めて基板表面を覆うこと
ができるようになる。１層ずつ規則正しく成長するわけ
ではない。
基板上に窒化物を成長させると島状に成長しやすい。異
種基板上で、核発生が孤立して起こり、核を中心として
結晶が拡大してゆく。だから島状になって、孤立粒子が
いくつも生成するのである。基板の表面が露呈する場所
もあるし、一方では高く結晶粒が生成しているところも
ある。かなり厚い膜を作って初めて基板表面を覆うこと
ができるようになる。１層ずつ規則正しく成長するわけ
ではない。
【００１０】こうして異種基板上に成長させた窒化物結
晶は平滑な膜でなく島状になる。たとえ表面の全てを窒
化物によって覆い尽くすことができたとしても、最終的
に表面の粗い、柱状の組織を持った薄膜になる。表面が
ざらざらしている。微視的に見ても結晶欠陥が多く、半
導体素子としては問題が多い。
晶は平滑な膜でなく島状になる。たとえ表面の全てを窒
化物によって覆い尽くすことができたとしても、最終的
に表面の粗い、柱状の組織を持った薄膜になる。表面が
ざらざらしている。微視的に見ても結晶欠陥が多く、半
導体素子としては問題が多い。
【００１１】特開平４−２９７０２３号は、ＧａＮをサ
ファイヤ基板の上に成長させる時において、基板にＧａ
x Ａｌ1-x Ｎのバッファ層を５００℃の低い基板温度
で、２ｎｍ〜５００ｎｍの厚みに成長させ、この上に１
０２０℃の基板温度でＧａＮの薄膜を成長させる方法を
提案している。つまりＧａＮとＡｌＮの混晶をバッファ
層として形成するのである。これによればｐ型、ｎ型半
導体ＧａＮとしたときに、高いキャリヤ濃度のものが得
られると述べている。図１にその構成を示す。
ファイヤ基板の上に成長させる時において、基板にＧａ
x Ａｌ1-x Ｎのバッファ層を５００℃の低い基板温度
で、２ｎｍ〜５００ｎｍの厚みに成長させ、この上に１
０２０℃の基板温度でＧａＮの薄膜を成長させる方法を
提案している。つまりＧａＮとＡｌＮの混晶をバッファ
層として形成するのである。これによればｐ型、ｎ型半
導体ＧａＮとしたときに、高いキャリヤ濃度のものが得
られると述べている。図１にその構成を示す。
【００１２】どうしてＧａＮ・ＡｌＮの混晶バッファ層
がその上のＧａＮの膜質を向上させるのか？理由につい
ては述べるところがない。基板の上に直接にＧａＮを形
成するよりも、ＧａＮ・ＡｌＮ混晶の上にＧａＮを形成
する方が格子定数の違いが小さいので、より良好な結晶
が得られるのであろうか？
がその上のＧａＮの膜質を向上させるのか？理由につい
ては述べるところがない。基板の上に直接にＧａＮを形
成するよりも、ＧａＮ・ＡｌＮ混晶の上にＧａＮを形成
する方が格子定数の違いが小さいので、より良好な結晶
が得られるのであろうか？
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】これらスパッタ法や、
ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などで異種基板上に成長した窒
化物は、島状に成長し、平滑な膜にならない。最終的に
表面の粗い柱状の組織をもった膜になる。この膜は結晶
欠陥が多く、半導体素子材料には向かなかった。発光素
子にするにはとりわけ優れた結晶性が必要である。発光
素子は、狭い断面に大電流が通過し発熱が著しく、結晶
の劣化を誘発するからである。
ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などで異種基板上に成長した窒
化物は、島状に成長し、平滑な膜にならない。最終的に
表面の粗い柱状の組織をもった膜になる。この膜は結晶
欠陥が多く、半導体素子材料には向かなかった。発光素
子にするにはとりわけ優れた結晶性が必要である。発光
素子は、狭い断面に大電流が通過し発熱が著しく、結晶
の劣化を誘発するからである。
【００１４】窒化物を発光素子とするには、欠陥のない
平滑な単結晶が必須である。発光素子は材料的な条件が
とりわけ厳しい。しかしその他の半導体素子の材料とし
て窒化物を利用する場合でも、単結晶であって、表面が
平滑で、結晶欠陥の少ないものが強く望まれる。
平滑な単結晶が必須である。発光素子は材料的な条件が
とりわけ厳しい。しかしその他の半導体素子の材料とし
て窒化物を利用する場合でも、単結晶であって、表面が
平滑で、結晶欠陥の少ないものが強く望まれる。
【００１５】さらに表面弾性波素子の材料とする場合
は、狭い幅の櫛形電極を表面に形成する必要があるか
ら、表面は平滑でなければならない。工具、耐磨部品と
する場合も表面の平滑性は重要である。前記の特開平４
−２９７０２３号はＧａＮ薄膜についての改良だけを提
案している。ＩｎＮやＡｌＮには使えない。本発明者
は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮに共通の方法が必要である
と考える。
は、狭い幅の櫛形電極を表面に形成する必要があるか
ら、表面は平滑でなければならない。工具、耐磨部品と
する場合も表面の平滑性は重要である。前記の特開平４
−２９７０２３号はＧａＮ薄膜についての改良だけを提
案している。ＩｎＮやＡｌＮには使えない。本発明者
は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮに共通の方法が必要である
と考える。
【００１６】単結晶のＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなどの３
族元素の窒化物薄膜を提供する事が本発明の第１の目的
である。表面が平滑なＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなどの３
族元素の窒化物薄膜を提供することが本発明の第２の目
的である。結晶性に優れた３族元素の窒化物薄膜を提供
することが本発明の第３の目的である。表面弾性波素
子、耐熱高周波素子、発光素子などの材料として利用で
きる３族元素の窒化物薄膜を提供する事が本発明の第４
の目的である。
族元素の窒化物薄膜を提供する事が本発明の第１の目的
である。表面が平滑なＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮなどの３
族元素の窒化物薄膜を提供することが本発明の第２の目
的である。結晶性に優れた３族元素の窒化物薄膜を提供
することが本発明の第３の目的である。表面弾性波素
子、耐熱高周波素子、発光素子などの材料として利用で
きる３族元素の窒化物薄膜を提供する事が本発明の第４
の目的である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、ホウ素を含有
する窒化物単結晶中間層を単結晶基板上に形成し、この
中間層の上に目的の窒化物単結晶薄膜を成長させる。ホ
ウ素含有中間層の作用によって、表面が平滑で結晶欠陥
の少ない窒化物半導体表面層が得られる。つまり本発明
の窒化物薄膜は、基板の上に直接に目的の窒化物薄膜を
付けるのではなく、はじめに中間層を形成し、この上に
所望の窒化物薄膜を形成するのである。
する窒化物単結晶中間層を単結晶基板上に形成し、この
中間層の上に目的の窒化物単結晶薄膜を成長させる。ホ
ウ素含有中間層の作用によって、表面が平滑で結晶欠陥
の少ない窒化物半導体表面層が得られる。つまり本発明
の窒化物薄膜は、基板の上に直接に目的の窒化物薄膜を
付けるのではなく、はじめに中間層を形成し、この上に
所望の窒化物薄膜を形成するのである。
【００１８】新たにホウ素含有窒化物中間層が増えるの
である。中間層があるので、表面の窒化物が単結晶にな
り、しかも平滑なものになる。中間層の組成は、窒素が
約５０原子％を占める。残りはＧａ、Ｉｎ、Ａｌと少量
の不純物である。ホウ素は０．２原子％〜１２原子％含
まれる。つまり中間層の組成は、ＢＮ＋ＧａＮ＋ＩｎＮ
＋ＡｌＮ＋不純物であって、ＢＮが０．４原子％〜２４
原子％であって、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮは０原子％〜
９９．６原子％である。不純物は０原子％〜２原子％で
ある。
である。中間層があるので、表面の窒化物が単結晶にな
り、しかも平滑なものになる。中間層の組成は、窒素が
約５０原子％を占める。残りはＧａ、Ｉｎ、Ａｌと少量
の不純物である。ホウ素は０．２原子％〜１２原子％含
まれる。つまり中間層の組成は、ＢＮ＋ＧａＮ＋ＩｎＮ
＋ＡｌＮ＋不純物であって、ＢＮが０．４原子％〜２４
原子％であって、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮは０原子％〜
９９．６原子％である。不純物は０原子％〜２原子％で
ある。
【００１９】
【作用】本発明の特徴は、ホウ素を含有する中間層の挿
入にある。中間層の作用により表面層の結晶性が向上
し、平滑性も高揚するのである。中間層の存在が本発明
にとって重要である。以下に中間層の組成、構造を述べ
る。さらに基材と、基材の上にどのようにして中間層の
生成をするのかということについて説明する。図２に概
略の構成を示す。
入にある。中間層の作用により表面層の結晶性が向上
し、平滑性も高揚するのである。中間層の存在が本発明
にとって重要である。以下に中間層の組成、構造を述べ
る。さらに基材と、基材の上にどのようにして中間層の
生成をするのかということについて説明する。図２に概
略の構成を示す。
【００２０】［組成］（図３） 中間層となるホウ素を含有する窒化物薄膜の組成は、全
体の０．２％以上１２原子％以下のホウ素を含み、約５
０原子％が窒素で、残りがＡｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれ
た１種類以上からなる組成である。ホウ素が０．２原子
％未満であると本発明の効果がない。１２原子％を越え
るとホウ素を含む中間層の結晶性が著しく低下してアモ
ルファス的になり、その上に成長する窒化物単結晶薄膜
の結晶性も低下するので好ましくない。
体の０．２％以上１２原子％以下のホウ素を含み、約５
０原子％が窒素で、残りがＡｌ、Ｇａ、Ｉｎから選ばれ
た１種類以上からなる組成である。ホウ素が０．２原子
％未満であると本発明の効果がない。１２原子％を越え
るとホウ素を含む中間層の結晶性が著しく低下してアモ
ルファス的になり、その上に成長する窒化物単結晶薄膜
の結晶性も低下するので好ましくない。
【００２１】本発明の中間層の作用によって、表面層の
結晶性と表面平滑性が共に改善される。ホウ素の量は一
般に、０．２原子％〜１２原子％であるが、最も好まし
いホウ素含有量の範囲は、０．７原子％以上５原子％以
下である。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの中では、ＡｌＮがＢＮに
格子定数が最も近いので、Ａｌを主成分とすることが、
表面平滑性と結晶性の向上において最も望ましい。
結晶性と表面平滑性が共に改善される。ホウ素の量は一
般に、０．２原子％〜１２原子％であるが、最も好まし
いホウ素含有量の範囲は、０．７原子％以上５原子％以
下である。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの中では、ＡｌＮがＢＮに
格子定数が最も近いので、Ａｌを主成分とすることが、
表面平滑性と結晶性の向上において最も望ましい。
【００２２】しかしそれは表面層に限定がない場合であ
る。表面層（上層）がＧａＮ、ＩｎＮ、或いはＡｌＮと
いうふうに決まると、中間層の材料も決まってしまう。
表面層が何であるかということは、その薄膜形成の目的
によって決まってしまう。表面層がＡｌＮの場合は、中
間層の組成はホウ素含有ＡｌＮであって良い。最も重要
な半導体活性層（表面層）がＧａＮや、ＩｎＮである場
合には、ＡｌＮとＧａＮやＩｎＮの混合窒化物結晶にＢ
を含有させた中間層を形成することが好ましい。
る。表面層（上層）がＧａＮ、ＩｎＮ、或いはＡｌＮと
いうふうに決まると、中間層の材料も決まってしまう。
表面層が何であるかということは、その薄膜形成の目的
によって決まってしまう。表面層がＡｌＮの場合は、中
間層の組成はホウ素含有ＡｌＮであって良い。最も重要
な半導体活性層（表面層）がＧａＮや、ＩｎＮである場
合には、ＡｌＮとＧａＮやＩｎＮの混合窒化物結晶にＢ
を含有させた中間層を形成することが好ましい。
【００２３】しかし表面層がＩｎＮの場合、中間層の組
成をホウ素含有ＩｎＮにしても良い。また表面層がＧａ
Ｎの場合も、中間層をホウ素含有ＧａＮにしても良いの
である。さらにまた、表面層が、ＩｎＮ、ＡｌＮ、Ｇａ
Ｎのいずれか一つである時、中間層の組成をホウ素を含
有するＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮの混合物にしても良い。
つまり中間層の組成はこの場合（Ｂx Ａｌy Ｇａ1-x-y
Ｎなど）となる。
成をホウ素含有ＩｎＮにしても良い。また表面層がＧａ
Ｎの場合も、中間層をホウ素含有ＧａＮにしても良いの
である。さらにまた、表面層が、ＩｎＮ、ＡｌＮ、Ｇａ
Ｎのいずれか一つである時、中間層の組成をホウ素を含
有するＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮの混合物にしても良い。
つまり中間層の組成はこの場合（Ｂx Ａｌy Ｇａ1-x-y
Ｎなど）となる。
【００２４】［構造］本発明のホウ素を含有する中間層
は１層のみでなく、組成を変えた２層以上としても良
い。いずれの中間層もホウ素含有量は０．２原子％〜１
２原子％である必要がある。
は１層のみでなく、組成を変えた２層以上としても良
い。いずれの中間層もホウ素含有量は０．２原子％〜１
２原子％である必要がある。
【００２５】［基材］本発明のホウ素を含有する単結晶
基板には、Ｓｉ、サファイヤ（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）、Ｓｉ
Ｃ（３Ｃ−６Ｈ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ダイヤ
モンド等が比較的入手が容易で適している。これらの基
板材料のうち立方晶系の材料（Ｓｉ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｇ
ａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ダイヤモンド）は（１１１）
面を基材として用いるのが良い。六方晶系の材料（サフ
ァイア、６Ｈ−ＳｉＣ）は任意の面を基材として用いる
ことができる。特に（０００１）面が好適である。
基板には、Ｓｉ、サファイヤ（α−Ａｌ2 Ｏ3 ）、Ｓｉ
Ｃ（３Ｃ−６Ｈ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ダイヤ
モンド等が比較的入手が容易で適している。これらの基
板材料のうち立方晶系の材料（Ｓｉ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｇ
ａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ダイヤモンド）は（１１１）
面を基材として用いるのが良い。六方晶系の材料（サフ
ァイア、６Ｈ−ＳｉＣ）は任意の面を基材として用いる
ことができる。特に（０００１）面が好適である。
【００２６】Ｓｉは大面積の基板が安価に得られるので
本発明の窒化物半導体形成の基材として最適である。Ｓ
ｉＣ（３Ｃ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ）は高価であるが、
本発明に関係する窒化物と格子定数が近いので優れた結
晶性のものを作ることができる。
本発明の窒化物半導体形成の基材として最適である。Ｓ
ｉＣ（３Ｃ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ）は高価であるが、
本発明に関係する窒化物と格子定数が近いので優れた結
晶性のものを作ることができる。
【００２７】［成膜方法（プロセス、原料、温度）］窒
化物薄膜の成長中に窒素を結晶中に取り込むためには、
窒素活性度の高い雰囲気が必要である。つまり、雰囲気
中の窒素ガスの分圧が十分に高いか、窒素ガス分圧が低
い場合は窒素が原子やイオンなどの活性の高い状態であ
る必要がある。本発明のように、結晶性の高い薄膜を合
成する際には、総圧力が０．１気圧以下である減圧下で
行なうのが好ましい。この場合は特に窒素自体の活性を
高める必要がある。つまり窒素が原子状態、イオン状態
であることが必要である。
化物薄膜の成長中に窒素を結晶中に取り込むためには、
窒素活性度の高い雰囲気が必要である。つまり、雰囲気
中の窒素ガスの分圧が十分に高いか、窒素ガス分圧が低
い場合は窒素が原子やイオンなどの活性の高い状態であ
る必要がある。本発明のように、結晶性の高い薄膜を合
成する際には、総圧力が０．１気圧以下である減圧下で
行なうのが好ましい。この場合は特に窒素自体の活性を
高める必要がある。つまり窒素が原子状態、イオン状態
であることが必要である。
【００２８】このような要求から、本発明のホウ素含有
中間層の合成に際は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、活性
化ＭＢＥ法、プラズマＣＶＤ法、イオンビ−ム蒸着法、
レ−ザアブレ−ション法などが適している。この中でも
特に経済性と品質の良さから、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ
法、活性化ＭＢＥ法が適している。
中間層の合成に際は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、活性
化ＭＢＥ法、プラズマＣＶＤ法、イオンビ−ム蒸着法、
レ−ザアブレ−ション法などが適している。この中でも
特に経済性と品質の良さから、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ
法、活性化ＭＢＥ法が適している。
【００２９】［不純物］ホウ素含有中間層は、主成分が
窒素Ｎ（約５０％）と、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかで
あって、ホウ素Ｂを０．２原子％〜１２原子％含む。こ
れ以外に次の物質を不純物として０〜２原子％含んでも
良い。 不純物： Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ
窒素Ｎ（約５０％）と、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかで
あって、ホウ素Ｂを０．２原子％〜１２原子％含む。こ
れ以外に次の物質を不純物として０〜２原子％含んでも
良い。 不純物： Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ
【００３０】これらのうちＢｅ、Ｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｓな
どの不純物は、中間層の電気的特性を改善することがで
きる。これら不純物は窒化物半導体の中でｐ型不純物、
或いはｎ型不純物、或いは絶縁性を高める不純物として
機能する。例えば、Ｂｅ、Ｍｇはｐ型不純物に、Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｓはｎ型の不純物になる。
どの不純物は、中間層の電気的特性を改善することがで
きる。これら不純物は窒化物半導体の中でｐ型不純物、
或いはｎ型不純物、或いは絶縁性を高める不純物として
機能する。例えば、Ｂｅ、Ｍｇはｐ型不純物に、Ｃ、Ｓ
ｉ、Ｓはｎ型の不純物になる。
【００３１】だからこれら不純物を表面の活性層（上
層）にドープすることにより表面層にｐ領域やｎ領域を
作ることができる。表面層に不純物をドープすると、中
間層の方にも拡散によって進入してくる。積極的に中間
層に不純物を添加する必要はないが、表面層に不純物を
添加すると、結果として中間層にも不純物が入る。これ
は２原子％までなら差し支えないということである。
層）にドープすることにより表面層にｐ領域やｎ領域を
作ることができる。表面層に不純物をドープすると、中
間層の方にも拡散によって進入してくる。積極的に中間
層に不純物を添加する必要はないが、表面層に不純物を
添加すると、結果として中間層にも不純物が入る。これ
は２原子％までなら差し支えないということである。
【００３２】不純物添加により、ｐ領域、ｎ領域、さら
にｐｎ接合も形成する事ができる。これによって窒化物
薄膜層を発光素子や受光素子などの半導体デバイスにす
ることができる。不純物のドープは、不純物を原料ガス
に含ませることの他に、熱拡散イオン打ち込みなどの方
法を用いることもできる。このため不純物の添加は、本
発明の窒化物単結晶薄膜の用途を拡大することができる
という積極的な利点がある。しかし不純物が増えると中
間層の結晶性が劣化する。そこで不純物の総量は２原子
％を越えないことが望ましい。
にｐｎ接合も形成する事ができる。これによって窒化物
薄膜層を発光素子や受光素子などの半導体デバイスにす
ることができる。不純物のドープは、不純物を原料ガス
に含ませることの他に、熱拡散イオン打ち込みなどの方
法を用いることもできる。このため不純物の添加は、本
発明の窒化物単結晶薄膜の用途を拡大することができる
という積極的な利点がある。しかし不純物が増えると中
間層の結晶性が劣化する。そこで不純物の総量は２原子
％を越えないことが望ましい。
【００３３】
［実施例１］（図４） Ｓｉ基板の上に、本発明の方法に従い、ホウ素含有中間
層とＡｌＮ表面層薄膜を合成した。 基板： Ｓｉ（１１１）面単結晶 １０ｍｍ×１０ｍｍ ホウ素含有中間層： Ｂx Ａｌ1-x Ｎ 表面層の薄膜： ＡｌＮ
層とＡｌＮ表面層薄膜を合成した。 基板： Ｓｉ（１１１）面単結晶 １０ｍｍ×１０ｍｍ ホウ素含有中間層： Ｂx Ａｌ1-x Ｎ 表面層の薄膜： ＡｌＮ
【００３４】ａ．中間層の生成 単結晶Ｓｉ（１１１）を基板として、スパッタ法によ
り、ホウ素含有中間層を有するＡｌＮ薄膜の合成を次の
ように行なった。基板は１０ｍｍ角の単結晶Ｓｉ（１１
１）である。これを純水で５％に希釈した弗酸中に浸し
た後にアセトンによって洗浄した。これを高周波マグネ
トロンスパッタリング装置の試料台に固定した。
り、ホウ素含有中間層を有するＡｌＮ薄膜の合成を次の
ように行なった。基板は１０ｍｍ角の単結晶Ｓｉ（１１
１）である。これを純水で５％に希釈した弗酸中に浸し
た後にアセトンによって洗浄した。これを高周波マグネ
トロンスパッタリング装置の試料台に固定した。
【００３５】高純度金属アルミニウムを真空中で溶融
し、この中に立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）の粉末２５
重量％を分散した後に固化したものをスパッタタ−ゲッ
トとして、ホウ素含有中間層を製造した。つまり（アル
ミ７５重量％）＋（ｃ−ＢＮ２５重量％）の混合物をタ
−ゲットにしている。ｃ−ＢＮを含ませることにより、
中間層の中にホウ素を含有させるのである。これをスパ
ッタ装置のタ−ゲットとして、基板に対向するように取
り付けた。
し、この中に立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）の粉末２５
重量％を分散した後に固化したものをスパッタタ−ゲッ
トとして、ホウ素含有中間層を製造した。つまり（アル
ミ７５重量％）＋（ｃ−ＢＮ２５重量％）の混合物をタ
−ゲットにしている。ｃ−ＢＮを含ませることにより、
中間層の中にホウ素を含有させるのである。これをスパ
ッタ装置のタ−ゲットとして、基板に対向するように取
り付けた。
【００３６】スパッタ装置に、アルゴンと窒素ガスを等
量（５０容積％ずつ含む）混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ）
を導入し、チャンバ内の総圧力が０．０２Ｔｏｒｒにな
るように調整した。基板を９５０℃に加熱した。この状
態で、１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波を、２０分
間タ−ゲットとチャンバの間に印加した。タ−ゲットが
スパッタされて分子或いはプラズマになる。雰囲気ガス
の窒素もラディカルやプラズマになる。原子、イオンが
Ｓｉ基板の上に付着する。これによって中間層の成長が
なされる。中間層の組成は、ＡｌＮとＢＮの混合物にな
る。
量（５０容積％ずつ含む）混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ）
を導入し、チャンバ内の総圧力が０．０２Ｔｏｒｒにな
るように調整した。基板を９５０℃に加熱した。この状
態で、１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波を、２０分
間タ−ゲットとチャンバの間に印加した。タ−ゲットが
スパッタされて分子或いはプラズマになる。雰囲気ガス
の窒素もラディカルやプラズマになる。原子、イオンが
Ｓｉ基板の上に付着する。これによって中間層の成長が
なされる。中間層の組成は、ＡｌＮとＢＮの混合物にな
る。
【００３７】ｂ．表面層薄膜の生成 次に高純度金属アルミニウムをタ−ゲットにした。アル
ゴンと窒素を等量混合したガスを総圧力が０．０４Ｔｏ
ｒｒになるようにチャンバ内に導入した。基板温度は９
５０℃とした。１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波を
印加して１時間スパッタを行った。中間層の場合とタ−
ゲットの材料が違う。今回はＡｌをタ−ゲットにしてい
る。雰囲気ガスは同様にＡｒ／Ｎ2 ガスである。である
からＡｌＮの薄膜ができるはずである。
ゴンと窒素を等量混合したガスを総圧力が０．０４Ｔｏ
ｒｒになるようにチャンバ内に導入した。基板温度は９
５０℃とした。１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波を
印加して１時間スパッタを行った。中間層の場合とタ−
ゲットの材料が違う。今回はＡｌをタ−ゲットにしてい
る。雰囲気ガスは同様にＡｒ／Ｎ2 ガスである。である
からＡｌＮの薄膜ができるはずである。
【００３８】ｃ．薄膜の検査結果 中間層と表面層を合わせた合計の薄膜厚みは、１．２μ
ｍであった。この薄膜の表面を高速電子線回折法によっ
て観察したところ、ストリークパターンが見られた。薄
膜の表面は平滑である。上層（表面層）は結晶性の良い
単結晶ＡｌＮ（０００１）であることが分かった。二次
イオン質量分析法で薄膜を調べたところ、中間層の厚さ
は０．２μｍであった。中間層のホウ素含有量は約２．
５原子％であった。
ｍであった。この薄膜の表面を高速電子線回折法によっ
て観察したところ、ストリークパターンが見られた。薄
膜の表面は平滑である。上層（表面層）は結晶性の良い
単結晶ＡｌＮ（０００１）であることが分かった。二次
イオン質量分析法で薄膜を調べたところ、中間層の厚さ
は０．２μｍであった。中間層のホウ素含有量は約２．
５原子％であった。
【００３９】［比較例１］ （図５） 実施例と同様、以下の構造をスパッタ法によって製造し
た。但し中間層の生成の際に用いるスパッタタ−ゲット
の組成が違う。Ａｌに対するｃ−ＢＮの割合を、２５重
量％から６０重量％に増やしている。つまり中間層のホ
ウ素含有を増やして比較しているのである。その他の条
件は実施例１と同じである。
た。但し中間層の生成の際に用いるスパッタタ−ゲット
の組成が違う。Ａｌに対するｃ−ＢＮの割合を、２５重
量％から６０重量％に増やしている。つまり中間層のホ
ウ素含有を増やして比較しているのである。その他の条
件は実施例１と同じである。
【００４０】 基板： Ｓｉ（１１１）面単結晶 １０ｍｍ×１０ｍｍ ホウ素含有中間層： Ｂx Ａｌ1-x Ｎ 表面層の薄膜： ＡｌＮ
【００４１】ａ．中間層の生成 単結晶Ｓｉ（１１１）を基板として、スパッタ法によ
り、ホウ素含有中間層を有するＡｌＮ薄膜の合成を次の
ように行なった。基板は１０ｍｍ角の単結晶Ｓｉ（１１
１）である。これを純水で５％に希釈した弗酸中に浸し
た後にアセトンによって洗浄した。これを高周波マグネ
トロンスパッタリング装置の試料台に固定した。
り、ホウ素含有中間層を有するＡｌＮ薄膜の合成を次の
ように行なった。基板は１０ｍｍ角の単結晶Ｓｉ（１１
１）である。これを純水で５％に希釈した弗酸中に浸し
た後にアセトンによって洗浄した。これを高周波マグネ
トロンスパッタリング装置の試料台に固定した。
【００４２】高純度金属アルミニウムを真空中で溶融
し、この中に立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）の粉末６０
重量％を分散した後に固化したものをスパッタタ−ゲッ
トとして、ホウ素含有中間層を製造した。つまり（アル
ミ４０重量％）＋（ｃ−ＢＮ６０重量％）の混合物をタ
−ゲットにしている。タ−ゲットにより多くのｃ−ＢＮ
を含ませることにより、中間層の中により多くのホウ素
を含有させる。これをスパッタ装置のタ−ゲットとし
て、基板に対向するように取り付けた。
し、この中に立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）の粉末６０
重量％を分散した後に固化したものをスパッタタ−ゲッ
トとして、ホウ素含有中間層を製造した。つまり（アル
ミ４０重量％）＋（ｃ−ＢＮ６０重量％）の混合物をタ
−ゲットにしている。タ−ゲットにより多くのｃ−ＢＮ
を含ませることにより、中間層の中により多くのホウ素
を含有させる。これをスパッタ装置のタ−ゲットとし
て、基板に対向するように取り付けた。
【００４３】スパッタ装置に、アルゴンと窒素ガスを等
量（５０容積％ずつ含む）混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ）
を導入しチャンバ内の総圧力が０．０２Ｔｏｒｒになる
ように調整した。基板を９５０℃に加熱した。この状態
で、１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波を、２０分間
タ−ゲットとチャンバの間に印加した。タ−ゲットがス
パッタされて分子或いはプラズマになる。雰囲気ガスの
窒素もラディカルやプラズマになる。原子、イオンがＳ
ｉ基板の上に付着する。これによって中間層の成長がな
される。中間層の組成は、ＡｌＮとＢＮの混合物にな
る。但しＢＮの割合が実施例１よりも高くなる。
量（５０容積％ずつ含む）混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ）
を導入しチャンバ内の総圧力が０．０２Ｔｏｒｒになる
ように調整した。基板を９５０℃に加熱した。この状態
で、１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波を、２０分間
タ−ゲットとチャンバの間に印加した。タ−ゲットがス
パッタされて分子或いはプラズマになる。雰囲気ガスの
窒素もラディカルやプラズマになる。原子、イオンがＳ
ｉ基板の上に付着する。これによって中間層の成長がな
される。中間層の組成は、ＡｌＮとＢＮの混合物にな
る。但しＢＮの割合が実施例１よりも高くなる。
【００４４】ｂ．表面層薄膜の生成 次に高純度金属アルミニウムをタ−ゲットにした。アル
ゴンと窒素を等量混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ）を総圧力
が０．０４Ｔｏｒｒになるようにチャンバ内に導入し
た。基板温度は９５０℃とした。１３．５６ＭＨｚ、３
５０Ｗの高周波を印加して１時間スパッタを行った。中
間層の場合とタ−ゲットの材料が違う。今回はＡｌをタ
−ゲットにしている。雰囲気ガスは同様にＡｒ／Ｎ2 ガ
スである。ＡｌＮの薄膜ができる。上層薄膜の生成につ
いては実施例１と同様である。
ゴンと窒素を等量混合したガス（Ａｒ／Ｎ2 ）を総圧力
が０．０４Ｔｏｒｒになるようにチャンバ内に導入し
た。基板温度は９５０℃とした。１３．５６ＭＨｚ、３
５０Ｗの高周波を印加して１時間スパッタを行った。中
間層の場合とタ−ゲットの材料が違う。今回はＡｌをタ
−ゲットにしている。雰囲気ガスは同様にＡｒ／Ｎ2 ガ
スである。ＡｌＮの薄膜ができる。上層薄膜の生成につ
いては実施例１と同様である。
【００４５】ｃ．表面層薄膜の検査結果 中間層と表面層を合わせた合計の薄膜厚みは、１．０μ
ｍであった。この薄膜の表面を高速電子線回折法によっ
て観察したところ、ハローパターンが観察された。薄膜
の表面は結晶性を持たないアモルファスであることが分
かった。
ｍであった。この薄膜の表面を高速電子線回折法によっ
て観察したところ、ハローパターンが観察された。薄膜
の表面は結晶性を持たないアモルファスであることが分
かった。
【００４６】また、二次イオン質量分析法で薄膜を調べ
た。中間層の厚さは０．１μｍで、中間層のホウ素含有
量は約１６原子％であった。実施例１では中間層のホウ
素含有が２．５原子％であったから、これの約６倍にな
っている。中間層のホウ素成分の比率が高すぎると上層
の薄膜がアモルファスになってしまうということであ
る。中間層は重要であるが、窒素含有率が高すぎるとか
えって良くないということを示す。
た。中間層の厚さは０．１μｍで、中間層のホウ素含有
量は約１６原子％であった。実施例１では中間層のホウ
素含有が２．５原子％であったから、これの約６倍にな
っている。中間層のホウ素成分の比率が高すぎると上層
の薄膜がアモルファスになってしまうということであ
る。中間層は重要であるが、窒素含有率が高すぎるとか
えって良くないということを示す。
【００４７】［比較例２］（図６） 中間層のない以下の構造をスパッタ法によって製造し
た。中間層がないから、基板の上に窒化物の薄膜が形成
されるだけである。上層の薄膜の生成条件は実施例１と
同じに設定してある。
た。中間層がないから、基板の上に窒化物の薄膜が形成
されるだけである。上層の薄膜の生成条件は実施例１と
同じに設定してある。
【００４８】 基板： Ｓｉ（１１１）面単結晶 １０ｍｍ×１０ｍｍ 上部の薄膜： ＡｌＮ
【００４９】ａ．表面層薄膜の生成 単結晶Ｓｉ（１１１）を基板として、スパッタ法によ
り、ＡｌＮ薄膜の合成を次のように行なった。基板は１
０ｍｍ角の単結晶Ｓｉ（１１１）である。これを純水で
５％に希釈した弗酸中に浸した後にアセトンによって洗
浄した。これを高周波マグネトロンスパッタリング装置
の試料台に固定した。
り、ＡｌＮ薄膜の合成を次のように行なった。基板は１
０ｍｍ角の単結晶Ｓｉ（１１１）である。これを純水で
５％に希釈した弗酸中に浸した後にアセトンによって洗
浄した。これを高周波マグネトロンスパッタリング装置
の試料台に固定した。
【００５０】スパッタ装置において、高純度金属アルミ
ニウムをタ−ゲットにした。アルゴンと窒素を等量混合
したガス（Ａｒ／Ｎ２）を総圧力が０．０４Ｔｏｒｒに
なるように調整してチャンバ内に導入した。基板温度は
９５０℃とした。１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波
を印加して１時間スパッタを行った。窒素を含む雰囲気
においてＡｌのタ−ゲットを叩くので、Ｓｉ基板の上に
直接にＡｌＮの薄膜ができる。
ニウムをタ−ゲットにした。アルゴンと窒素を等量混合
したガス（Ａｒ／Ｎ２）を総圧力が０．０４Ｔｏｒｒに
なるように調整してチャンバ内に導入した。基板温度は
９５０℃とした。１３．５６ＭＨｚ、３５０Ｗの高周波
を印加して１時間スパッタを行った。窒素を含む雰囲気
においてＡｌのタ−ゲットを叩くので、Ｓｉ基板の上に
直接にＡｌＮの薄膜ができる。
【００５１】ｂ．表面層薄膜の検査結果 ＡｌＮの薄膜厚みは、１．０μｍであった。この薄膜の
表面を高速電子線回折法によって観察したところ、スポ
ット状のパターンが観察された。薄膜は表面の粗い多結
晶ＡｌＮ層であることが分かった。中間層がないので二
次イオン質量分析は行わなかった。ＡｌＮの表面が荒れ
るのは中間層がないからである。窒素含有中間層の存在
が表面層（上層）の窒化物薄膜の結晶性を大きく向上さ
せているということが分かる。
表面を高速電子線回折法によって観察したところ、スポ
ット状のパターンが観察された。薄膜は表面の粗い多結
晶ＡｌＮ層であることが分かった。中間層がないので二
次イオン質量分析は行わなかった。ＡｌＮの表面が荒れ
るのは中間層がないからである。窒素含有中間層の存在
が表面層（上層）の窒化物薄膜の結晶性を大きく向上さ
せているということが分かる。
【００５２】［実施例２］ （図７） 単結晶サファイヤを基板として、ＭＯＣＶＤ法により、
２層の窒素含有中間層と、上層のＧａＮ薄膜を製造し
た。
２層の窒素含有中間層と、上層のＧａＮ薄膜を製造し
た。
【００５３】 基板： ５０ｍｍΦサファイヤ単結晶（０００１） 第１ホウ素含有中間層： Ｂx Ａｌ1-x Ｎ 第２ホウ素含有中間層： Ｂy Ａｌz Ｇａ1-y-z Ｎ 表面層薄膜： ＧａＮ
【００５４】ａ．第１中間層の生成 基板である５０ｍｍ径の単結晶サファイヤ（０００１）
を純水で２０％に希釈した塩酸中に浸して表面の汚れを
取り、純水、アセトンによって洗浄した。ＭＯＣＶＤ装
置のサセプタにこの基板を取り付けた。チャンバを一旦
真空に引いてから水素ガスを流して基板を１０００℃に
加熱した。この状態を１５分間持続した。その後、次の
混合ガスよりなる原料ガスをチャンバに流した。
を純水で２０％に希釈した塩酸中に浸して表面の汚れを
取り、純水、アセトンによって洗浄した。ＭＯＣＶＤ装
置のサセプタにこの基板を取り付けた。チャンバを一旦
真空に引いてから水素ガスを流して基板を１０００℃に
加熱した。この状態を１５分間持続した。その後、次の
混合ガスよりなる原料ガスをチャンバに流した。
【００５５】 ア．水素ガス（Ｈ2 ） 約８０体積％（vol ％） イ．アンモニアＮＨ3 ガス ２０体積％ ウ．トリメチルアルミニウムＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）０．０２体積％ エ．トリメチルホウ素ＴＭＢ（Ｂ（ＣＨ3 ）3 ） ０．００１体積％
【００５６】この原料ガスを、計１２ｌ／ｍｉｎ供給し
た。基板温度は８００℃である。ガス圧力は６０Ｔｏｒ
ｒであった。この状態で２０分間保持し、第１中間層の
成長を行った。これによりＢx Ａｌ1-x Ｎの中間層がで
きる。
た。基板温度は８００℃である。ガス圧力は６０Ｔｏｒ
ｒであった。この状態で２０分間保持し、第１中間層の
成長を行った。これによりＢx Ａｌ1-x Ｎの中間層がで
きる。
【００５７】ｂ．第２中間層の生成 引き続き、次の混合ガスよりなる原料ガスをチャンバに
流した。 ア．水素ガス（Ｈ2 ） 約８０体積％（vol ％） イ．アンモニアＮＨ3 ガス ２０体積％ ウ．トリメチルアルミニウムＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）０．０２体積％ エ．トリメチルホウ素ＴＭＢ（Ｂ（ＣＨ3 ）3 ） ０．００１体積％ オ．トリメチルガリウムＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ） ０．０２体積％
流した。 ア．水素ガス（Ｈ2 ） 約８０体積％（vol ％） イ．アンモニアＮＨ3 ガス ２０体積％ ウ．トリメチルアルミニウムＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）０．０２体積％ エ．トリメチルホウ素ＴＭＢ（Ｂ（ＣＨ3 ）3 ） ０．００１体積％ オ．トリメチルガリウムＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ） ０．０２体積％
【００５８】この原料ガスを、計１５ｌ／ｍｉｎ供給し
た。基板温度は８００℃である。ガス圧力は６０Ｔｏｒ
ｒであった。この状態で２０分間保持し、第２中間層の
成長を行った。これによりＢy Ａｌz Ｇａ1-y-z Ｎの中
間層ができる。第２中間層の生成条件は、オのガスが添
加されているという点で第１中間層の合成と異なる。他
の点では同じである。
た。基板温度は８００℃である。ガス圧力は６０Ｔｏｒ
ｒであった。この状態で２０分間保持し、第２中間層の
成長を行った。これによりＢy Ａｌz Ｇａ1-y-z Ｎの中
間層ができる。第２中間層の生成条件は、オのガスが添
加されているという点で第１中間層の合成と異なる。他
の点では同じである。
【００５９】ｃ．上層の窒化物薄膜の合成 さらに、次の混合ガスよりなる原料ガスをチャンバに流
した。 ア．水素ガス（Ｈ2 ） 約７５体積％（voｌ％） イ．アンモニアＮＨ3 ガス ２５体積％ ウ．トリメチルガリウムＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ） ０．１体積％
した。 ア．水素ガス（Ｈ2 ） 約７５体積％（voｌ％） イ．アンモニアＮＨ3 ガス ２５体積％ ウ．トリメチルガリウムＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ） ０．１体積％
【００６０】この原料ガスを計１５ｌ／ｍｉｎ供給し
た。基板温度は中間層の生成よりも高温であって１００
０℃である。ガス圧力は８０Ｔｏｒｒとした。この状態
で６０分間保持し上層の薄膜を形成した。これにより目
的とするＧａＮの薄膜ができる。
た。基板温度は中間層の生成よりも高温であって１００
０℃である。ガス圧力は８０Ｔｏｒｒとした。この状態
で６０分間保持し上層の薄膜を形成した。これにより目
的とするＧａＮの薄膜ができる。
【００６１】ｄ．薄膜の検査結果 このような工程によって０．６μｍ厚の薄膜を得た。こ
の薄膜の表面を高速電子線回折法によって調べた。表面
にはストリークパターンが観察された。薄膜の表面は平
滑で、結晶性の良い単結晶ＧａＮ（０００１）であるこ
とが判明した。
の薄膜の表面を高速電子線回折法によって調べた。表面
にはストリークパターンが観察された。薄膜の表面は平
滑で、結晶性の良い単結晶ＧａＮ（０００１）であるこ
とが判明した。
【００６２】さらに二次イオン質量分析法で中間層の膜
厚、ホウ素の比率を調べた。第１中間層の厚さＤ１は
０．０３μｍで、ホウ素含有量は約１１原子％であっ
た。第２中間層の厚みは０．０６μｍでホウ素含有量は
約６原子％であった。比較例２と実施例２の結果から、
中間層のホウ素含有量は１２原子％以下であることが望
ましいということが分かる。
厚、ホウ素の比率を調べた。第１中間層の厚さＤ１は
０．０３μｍで、ホウ素含有量は約１１原子％であっ
た。第２中間層の厚みは０．０６μｍでホウ素含有量は
約６原子％であった。比較例２と実施例２の結果から、
中間層のホウ素含有量は１２原子％以下であることが望
ましいということが分かる。
【００６３】
【発明の効果】ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の３族元素の
窒化物は、これまで平滑な表面を持つ結晶を得ることが
できなかった。しかし本発明は、基板の上に中間層を設
けこの上に窒化物を形成するという手法によって、表面
平滑性、結晶性の優れた窒化物単結晶薄膜を生成するこ
とができる。表面平滑性、結晶性に卓越するから、本発
明の窒化物は発光素子、表面弾性波素子、耐熱高周波素
子等の材料として応用することができる。
窒化物は、これまで平滑な表面を持つ結晶を得ることが
できなかった。しかし本発明は、基板の上に中間層を設
けこの上に窒化物を形成するという手法によって、表面
平滑性、結晶性の優れた窒化物単結晶薄膜を生成するこ
とができる。表面平滑性、結晶性に卓越するから、本発
明の窒化物は発光素子、表面弾性波素子、耐熱高周波素
子等の材料として応用することができる。
【図１】特開平４−２９７０２３号のＧａＮ薄膜／Ｇａ
x Ａｌx-1 Ｎ／サファイヤの概略断面図。
x Ａｌx-1 Ｎ／サファイヤの概略断面図。
【図２】本発明の窒化物薄膜／中間層／基板の概略構成
図。
図。
【図３】本発明の窒化物薄膜／中間層／基板の中間層の
組成図。
組成図。
【図４】本発明の実施例１に係る窒化物薄膜／中間層／
基板の概略構成図。
基板の概略構成図。
【図５】比較例１の窒化物薄膜／中間層／基板の概略構
成図。
成図。
【図６】比較例２の窒化物薄膜／基板の概略構成図。
【図７】実施例２の窒化物薄膜／中間層／基板の概略構
成図。
成図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｈ 9/25 7259−5Ｊ Ｈ０３Ｈ 9/25 Ｃ
Claims (8)
- 【請求項１】 単結晶基板と、単結晶基板上に形成され
た０．２原子％以上のホウ素を含有した窒化物中間層
と、ホウ素含有窒化物中間層の上に形成された上層の窒
化物単結晶層とよりなることを特徴とする窒化物薄膜単
結晶。 - 【請求項２】 単結晶基板と、単結晶基板上に形成され
た０．２原子％以上１２原子％以下のホウ素を含有した
窒化物中間層と、ホウ素含有窒化物中間層の上に形成さ
れホウ素含有量が２原子％以下のＡｌＮ又はＧａＮまた
はＩｎＮを主成分とする１層以上の窒化物単結晶の表面
層とよりなることを特徴とする窒化物薄膜単結晶。 - 【請求項３】 単結晶基板がＳｉ（１１１）面、ダイヤ
モンド（１１１）面、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）面、６Ｈ
−ＳｉＣ（０００１）面、サファイヤ（０００１）面の
いずれかであることを特徴とする請求項１または２に記
載の窒化物薄膜単結晶。 - 【請求項４】 ホウ素を含有した窒化物中間層が、ホウ
素含有ＡｌＮであることを特徴とする請求項１又は請求
項２に記載の窒化物薄膜単結晶。 - 【請求項５】 薄膜結晶成長法によって単結晶基板上に
０．２原子％以上１２原子％以下のホウ素を含有した窒
化物中間層を形成する工程と、薄膜結晶成長法によって
ホウ素含有窒化物中間層の上に、ＡｌＮ又はＧａＮまた
はＩｎＮを主成分とする１層以上の窒化物単結晶表面層
を形成する工程からなる窒化物薄膜単結晶の製造方法。 - 【請求項６】 薄膜結晶成長法が、ＭＯＣＶＤ法、ＣＶ
Ｄ法、ＭＢＥ法、又はスパッタ法であることを特徴とす
る請求項５に記載の窒化物薄膜単結晶の製造方法。 - 【請求項７】 表面層のホウ素含有量が２原子％以下で
あることを特徴とする請求項６に記載の窒化物薄膜単結
晶の製造方法。 - 【請求項８】 単結晶基板がＳｉ（１１１）面、ダイヤ
モンド（１１１）面、３Ｃ−ＳｉＣ（１１１）面、６Ｈ
−ＳｉＣ（０００１）面、サファイヤ（０００１）面の
いずれかであることを特徴とする請求項５、６または７
に記載の窒化物薄膜単結晶の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13722895A JPH08310900A (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 窒化物薄膜単結晶及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13722895A JPH08310900A (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 窒化物薄膜単結晶及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08310900A true JPH08310900A (ja) | 1996-11-26 |
Family
ID=15193783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13722895A Pending JPH08310900A (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 窒化物薄膜単結晶及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08310900A (ja) |
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