JPH11147791A - 単結晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシャルウェハ - Google Patents
単結晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシャルウェハInfo
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- JPH11147791A JPH11147791A JP31051997A JP31051997A JPH11147791A JP H11147791 A JPH11147791 A JP H11147791A JP 31051997 A JP31051997 A JP 31051997A JP 31051997 A JP31051997 A JP 31051997A JP H11147791 A JPH11147791 A JP H11147791A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 エピタキシャル膜との間で、格子整合性があ
り、熱膨張係数の差が小さく、かつ熱的にも安定である
という条件を備えた単結晶基板を提供し、その単結晶基
板上に良好な格子整合性でエピタキシャル成長させるこ
とで、エピタキシャル膜内の結晶欠陥を大幅に低減す
る。 【解決手段】 この発明の単結晶基板とその上に成長さ
せた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成された
エピタキシャルウェハは、一般構造式がＡ5 （ＰＯ4）3
Ｆ（組成例、）、Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 （組成例
、、）、Ｘ 2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2（組成例）、Ｌ
ｉ2Ｂ4Ｏ7（組成例）、Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａ XＯ14、ある
いはＬｉＨｏ（ＷＯ4）2 で表される単結晶を基板と
し、その単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結
晶を成長させて成る、ことを特徴としている。
り、熱膨張係数の差が小さく、かつ熱的にも安定である
という条件を備えた単結晶基板を提供し、その単結晶基
板上に良好な格子整合性でエピタキシャル成長させるこ
とで、エピタキシャル膜内の結晶欠陥を大幅に低減す
る。 【解決手段】 この発明の単結晶基板とその上に成長さ
せた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成された
エピタキシャルウェハは、一般構造式がＡ5 （ＰＯ4）3
Ｆ（組成例、）、Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 （組成例
、、）、Ｘ 2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2（組成例）、Ｌ
ｉ2Ｂ4Ｏ7（組成例）、Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａ XＯ14、ある
いはＬｉＨｏ（ＷＯ4）2 で表される単結晶を基板と
し、その単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結
晶を成長させて成る、ことを特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、単結晶基板とそ
の上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とか
ら構成されたエピタキシャルウェハに関するものであ
る。
の上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とか
ら構成されたエピタキシャルウェハに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ガリウムナイトライド（ＧａＮ）に代表
される窒化物系化合物は、ウルツライト型の六方晶構造
をした直接遷移型のワイドギャップ半導体であり、その
エネルギギャップに対応した発光作用に基づいて、青色
から紫外領域の発光波長を持つ発光ダイオードあるいは
レーザ素子材料として注目されている。この窒化物系化
合物を使って、すでに青色の発光ダイオードは実用化さ
れ、短波長レーザは開発段階にさしかかっている。
される窒化物系化合物は、ウルツライト型の六方晶構造
をした直接遷移型のワイドギャップ半導体であり、その
エネルギギャップに対応した発光作用に基づいて、青色
から紫外領域の発光波長を持つ発光ダイオードあるいは
レーザ素子材料として注目されている。この窒化物系化
合物を使って、すでに青色の発光ダイオードは実用化さ
れ、短波長レーザは開発段階にさしかかっている。
【０００３】この系の材料は融点が高く（ＧａＮの場
合、１７２７℃）、その成長温度域での窒素（Ｎ）の平
衡蒸気圧が高いため、常圧化でのバルク結晶の成長が困
難である。そのため、電子デバイス用途、または発光デ
バイス用途としての単結晶を得るためには、有機金属気
相法（ＭＯＣＶＤ法）やハライド気相成長法（ＨＶＰＥ
法）などのエピタキシャル気相成長法が用いられ、基板
上に結晶をエピタキシャルに成長させる方法が一般的に
行われている。
合、１７２７℃）、その成長温度域での窒素（Ｎ）の平
衡蒸気圧が高いため、常圧化でのバルク結晶の成長が困
難である。そのため、電子デバイス用途、または発光デ
バイス用途としての単結晶を得るためには、有機金属気
相法（ＭＯＣＶＤ法）やハライド気相成長法（ＨＶＰＥ
法）などのエピタキシャル気相成長法が用いられ、基板
上に結晶をエピタキシャルに成長させる方法が一般的に
行われている。
【０００４】ＧａＮのエピタキシャル成長において主に
使われている基板は、六方晶構造を持つサファイア単結
晶の（０００１）面である。サファイア単結晶が基板と
して使用されているのは、結晶構造が類似しているとい
う理由からである。しかし、サファイアに比べて、Ｇａ
Ｎの方が格子定数が小さく、サファイア基板の（０００
１）面にＧａＮを成長させても、サファイア基板とＧａ
Ｎエピタキシャル膜との格子ミスマッチ量は、１３．８
％と大きくなる。また、サファイアとＧａＮとでは、熱
膨張係数の差が２５．５％も存在している。このため、
ＧａＮの成長過程や成長後の降温過程において、格子ミ
スマッチと熱膨張差に起因した歪みや内部応力が必然的
に発生し、エピタキシャル膜内に結晶欠陥を発生させ品
質を悪化させていた。このように、ＧａＮ等の窒化ガリ
ウム系化合物のエピタキシャル成長に適した基板は未だ
得られておらず、このことが有望な発光デバイス、電子
デバイスであるのに関わらず、実用化が思ったほど進ま
ないでいる主要な原因となっている。
使われている基板は、六方晶構造を持つサファイア単結
晶の（０００１）面である。サファイア単結晶が基板と
して使用されているのは、結晶構造が類似しているとい
う理由からである。しかし、サファイアに比べて、Ｇａ
Ｎの方が格子定数が小さく、サファイア基板の（０００
１）面にＧａＮを成長させても、サファイア基板とＧａ
Ｎエピタキシャル膜との格子ミスマッチ量は、１３．８
％と大きくなる。また、サファイアとＧａＮとでは、熱
膨張係数の差が２５．５％も存在している。このため、
ＧａＮの成長過程や成長後の降温過程において、格子ミ
スマッチと熱膨張差に起因した歪みや内部応力が必然的
に発生し、エピタキシャル膜内に結晶欠陥を発生させ品
質を悪化させていた。このように、ＧａＮ等の窒化ガリ
ウム系化合物のエピタキシャル成長に適した基板は未だ
得られておらず、このことが有望な発光デバイス、電子
デバイスであるのに関わらず、実用化が思ったほど進ま
ないでいる主要な原因となっている。
【０００５】そこで、この問題を解決すべく、サファイ
ア基板の上にバッファ層という中間層を堆積させ、その
上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させるという手法が
開発された。これにより、発光デバイスとしての使用に
耐えうる良質なＧａＮエピタキシャル膜が得られるよう
になった。
ア基板の上にバッファ層という中間層を堆積させ、その
上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させるという手法が
開発された。これにより、発光デバイスとしての使用に
耐えうる良質なＧａＮエピタキシャル膜が得られるよう
になった。
【０００６】バッファ層は、格子ミスマッチと熱膨張係
数差に起因した歪み、内部応力、貫通転位などを自身の
中で緩和して、上層のＧａＮエピタキシャル膜に伝播さ
せないという役割を果たしている。したがって、バッフ
ァ層上に成長させたＧａＮ膜は、サファイア基板に直接
成長させたＧａＮ膜に対して、結晶方位の揺らぎが少な
い、貫通転位や積層欠陥が減じているといった特徴を有
している。なお、前者の結晶方位の揺らぎは、Ｘ線回折
によるロッキングカーブから算出した半値幅により評価
でき、また後者の貫通転位や積層欠陥は、透過電子顕微
鏡によって観察可能である。また、電気特性では、残留
キャリア濃度の減少と電子移動度の増加といった改善効
果が現れてきた。現在では、このバッファ層の上に、Ｇ
ａＮとＡｌＮ、あるいはＩｎＮとの混晶化合物であるＡ
ｌXＧａ1-XＮ、ＩｎXＧａ1-XＮ、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-Y
Ｎ といった窒化ガリウム系化合物をエピタキシャル成
長させて形成した活性層を有する発光ダイオードやレー
ザダイオードが作られている。
数差に起因した歪み、内部応力、貫通転位などを自身の
中で緩和して、上層のＧａＮエピタキシャル膜に伝播さ
せないという役割を果たしている。したがって、バッフ
ァ層上に成長させたＧａＮ膜は、サファイア基板に直接
成長させたＧａＮ膜に対して、結晶方位の揺らぎが少な
い、貫通転位や積層欠陥が減じているといった特徴を有
している。なお、前者の結晶方位の揺らぎは、Ｘ線回折
によるロッキングカーブから算出した半値幅により評価
でき、また後者の貫通転位や積層欠陥は、透過電子顕微
鏡によって観察可能である。また、電気特性では、残留
キャリア濃度の減少と電子移動度の増加といった改善効
果が現れてきた。現在では、このバッファ層の上に、Ｇ
ａＮとＡｌＮ、あるいはＩｎＮとの混晶化合物であるＡ
ｌXＧａ1-XＮ、ＩｎXＧａ1-XＮ、ＩｎXＡｌYＧａ1-X-Y
Ｎ といった窒化ガリウム系化合物をエピタキシャル成
長させて形成した活性層を有する発光ダイオードやレー
ザダイオードが作られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、バッファ層上
に形成したエピタキシャル膜には、減少したとはいえ、
結晶欠陥は依然として多数存在しており、このため、デ
バイス化しても十分な発光特性を発揮させるに至ってい
ない。ここで、結晶欠陥とは、ＧａあるいはＮが抜けた
原子空孔であり、また基板・成長界面から成長面に抜け
る貫通転位であり、さらには成長面に平行に存在する積
層欠陥などをいう。
に形成したエピタキシャル膜には、減少したとはいえ、
結晶欠陥は依然として多数存在しており、このため、デ
バイス化しても十分な発光特性を発揮させるに至ってい
ない。ここで、結晶欠陥とは、ＧａあるいはＮが抜けた
原子空孔であり、また基板・成長界面から成長面に抜け
る貫通転位であり、さらには成長面に平行に存在する積
層欠陥などをいう。
【０００８】エピタキシャル膜中にこれらの結晶欠陥が
存在すると、素子として構成したとき、その素子の中で
非発光中心として作用し発光特性を悪化させてしまう
し、素子への注入電流が残留転位を移動させたり堆積さ
せる駆動力として消費されてしまい、強いては素子の劣
化、破損につながってしまう。したがって、素子として
の機能を充分に発揮させるには、エピタキシャル膜中の
結晶欠陥を極力低減することが重要である。このような
理由から、サファイア基板に替えて、基板上に直接成長
させてもＧａＮと良好に格子整合でき、かつ熱膨張係数
が近い単結晶基板が検討されてきた。
存在すると、素子として構成したとき、その素子の中で
非発光中心として作用し発光特性を悪化させてしまう
し、素子への注入電流が残留転位を移動させたり堆積さ
せる駆動力として消費されてしまい、強いては素子の劣
化、破損につながってしまう。したがって、素子として
の機能を充分に発揮させるには、エピタキシャル膜中の
結晶欠陥を極力低減することが重要である。このような
理由から、サファイア基板に替えて、基板上に直接成長
させてもＧａＮと良好に格子整合でき、かつ熱膨張係数
が近い単結晶基板が検討されてきた。
【０００９】ＧａＮとは完全な格子整合はしないもの
の、サファイア基板に比べて格子ミスマッチ量（格子不
整合率）が少ない単結晶として、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｚｎ
Ｏ、ＳｉＣなどが挙げられる。これらの単結晶の中でＳ
ｉＣ基板は、ＧａＮとの熱膨張係数の差は、サファイア
基板の場合と同程度であるが、格子ミスマッチ量は２．
５％と小さい。また、このＳｉＣ基板はＧａＮの成長過
程でも熱的に安定に存在するので、サファイア代替え基
板としてはほぼ条件を満たしている。しかし、ＳｉＣ単
結晶の場合、大型の単結晶が得られないこと、またこの
結晶特有のマイクロパイプという欠陥が基板エピタキシ
ャル面に存在し、やはり多数の結晶欠陥を発生させてし
まうといったことが問題となっている。このように、Ｇ
ａＮエピタキシャル膜の成長に最適な単結晶基板が確定
していないのが現状であり、ここにおいて、ＧａＮと格
子整合性があり、熱膨張係数の差が小さく、かつ熱的に
も安定であるという条件を兼ね備えた単結晶の出現が強
く望まれるようになってきた。
の、サファイア基板に比べて格子ミスマッチ量（格子不
整合率）が少ない単結晶として、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｚｎ
Ｏ、ＳｉＣなどが挙げられる。これらの単結晶の中でＳ
ｉＣ基板は、ＧａＮとの熱膨張係数の差は、サファイア
基板の場合と同程度であるが、格子ミスマッチ量は２．
５％と小さい。また、このＳｉＣ基板はＧａＮの成長過
程でも熱的に安定に存在するので、サファイア代替え基
板としてはほぼ条件を満たしている。しかし、ＳｉＣ単
結晶の場合、大型の単結晶が得られないこと、またこの
結晶特有のマイクロパイプという欠陥が基板エピタキシ
ャル面に存在し、やはり多数の結晶欠陥を発生させてし
まうといったことが問題となっている。このように、Ｇ
ａＮエピタキシャル膜の成長に最適な単結晶基板が確定
していないのが現状であり、ここにおいて、ＧａＮと格
子整合性があり、熱膨張係数の差が小さく、かつ熱的に
も安定であるという条件を兼ね備えた単結晶の出現が強
く望まれるようになってきた。
【００１０】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
エピタキシャル膜との間で、格子整合性があり、熱膨張
係数の差が小さく、かつ熱的にも安定であるという条件
を備えた単結晶基板を提供し、その単結晶基板上に窒化
ガリウム系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させ
ることで、エピタキシャル膜内の結晶欠陥を大幅に低減
させ、電子デバイスに用いるとき、そのデバイス特性を
大幅に改善できる、単結晶基板とその上に成長させた窒
化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタ
キシャルウェハを提供することを目的とする。
エピタキシャル膜との間で、格子整合性があり、熱膨張
係数の差が小さく、かつ熱的にも安定であるという条件
を備えた単結晶基板を提供し、その単結晶基板上に窒化
ガリウム系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させ
ることで、エピタキシャル膜内の結晶欠陥を大幅に低減
させ、電子デバイスに用いるとき、そのデバイス特性を
大幅に改善できる、単結晶基板とその上に成長させた窒
化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタ
キシャルウェハを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、単結晶基板とその上に成
長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成さ
れたエピタキシャルウェハにおいて、上記単結晶基板
を、一般構造式がＡ5（ＰＯ4 ）3Ｆで表され構成元素Ａ
が２Ａ族元素であるアパタイト型六方晶で構成し、その
単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエピ
タキシャル成長させて成る、ことを特徴としている。
に、請求項１に記載の発明は、単結晶基板とその上に成
長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成さ
れたエピタキシャルウェハにおいて、上記単結晶基板
を、一般構造式がＡ5（ＰＯ4 ）3Ｆで表され構成元素Ａ
が２Ａ族元素であるアパタイト型六方晶で構成し、その
単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエピ
タキシャル成長させて成る、ことを特徴としている。
【００１２】また、請求項３に記載の発明は、上記単結
晶基板を、一般構造式がＸ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 で表さ
れ構成元素Ｘが２Ａ族元素、構成元素Ｚが３Ａ族希土類
元素であるアパタイト型六方晶で構成し、その単結晶基
板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエピタキシャ
ル成長させて成る、ことを特徴としている。
晶基板を、一般構造式がＸ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 で表さ
れ構成元素Ｘが２Ａ族元素、構成元素Ｚが３Ａ族希土類
元素であるアパタイト型六方晶で構成し、その単結晶基
板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエピタキシャ
ル成長させて成る、ことを特徴としている。
【００１３】請求項５に記載の発明は、上記単結晶基板
を、請求項３の一般構造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 中
の、ＳｉＯ4をＰＯ4で置き換えて構成した、ことを特徴
としている。
を、請求項３の一般構造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 中
の、ＳｉＯ4をＰＯ4で置き換えて構成した、ことを特徴
としている。
【００１４】また、請求項６に記載の発明は、上記単結
晶基板を、一般構造式がＬｉ2Ｂ4Ｏ 7 で表される酸化物
単結晶で構成し、その単結晶基板上に窒化ガリウム系化
合物半導体結晶をエピタキシャル成長させて成る、こと
を特徴としている。
晶基板を、一般構造式がＬｉ2Ｂ4Ｏ 7 で表される酸化物
単結晶で構成し、その単結晶基板上に窒化ガリウム系化
合物半導体結晶をエピタキシャル成長させて成る、こと
を特徴としている。
【００１５】さらに、請求項７に記載の発明は、上記単
結晶基板を、一般構造式がＬａ3 Ｎｂ1-X ＧａX Ｏ
14（０＜Ｘ＜１）で表される酸化物単結晶で構成し、そ
の単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエ
ピタキシャル成長させて成る、ことを特徴としている。
結晶基板を、一般構造式がＬａ3 Ｎｂ1-X ＧａX Ｏ
14（０＜Ｘ＜１）で表される酸化物単結晶で構成し、そ
の単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエ
ピタキシャル成長させて成る、ことを特徴としている。
【００１６】また、請求項８に記載の発明は、上記単結
晶基板を、一般構造式がＬｉＨｏ（ＷＯ4 ）2 で表され
る酸化物単結晶で構成し、その単結晶基板上に窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させて成
る、ことを特徴としている。
晶基板を、一般構造式がＬｉＨｏ（ＷＯ4 ）2 で表され
る酸化物単結晶で構成し、その単結晶基板上に窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させて成
る、ことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を詳
細に説明する。基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合
物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際に、基板側
は次の条件（Ｉ）（II）（III ）を満たしている必要が
ある。
細に説明する。基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合
物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際に、基板側
は次の条件（Ｉ）（II）（III ）を満たしている必要が
ある。
【００１８】（Ｉ）窒化ガリウム系化合物半導体結晶と
の格子不整合率が２．５％以内であること。格子整合性
をここでは次にのべるように定義する。すなわち、窒化
ガリウム系化合物半導体結晶のエピタキシャル成長を行
わんとする単結晶基板において、基板に平行な結晶面に
おける原子間隔（格子定数）をＤs 、窒化ガリウム系化
合物半導体結晶の成長方向に垂直な面におけるＧａ原子
の格子定数をＤg とする。格子不整合率をＬとしたと
き、ＬはＤs とＤg の両者を用いて次に表わす式（１）
で求められる。 格子不整合率Ｌ＝｛（ｎ１×Ｄg −ｎ２×Ｄs ）／（ｎ１×Ｄg ）｝×１００ ・・・・・（１） ｎ１、ｎ２：同じ結晶方位での格子定数の関係を表わす
係数 この格子不整合率Ｌの値が低いほど基板と窒化ガリウム
系化合物半導体結晶との格子整合性が良いといえる。
の格子不整合率が２．５％以内であること。格子整合性
をここでは次にのべるように定義する。すなわち、窒化
ガリウム系化合物半導体結晶のエピタキシャル成長を行
わんとする単結晶基板において、基板に平行な結晶面に
おける原子間隔（格子定数）をＤs 、窒化ガリウム系化
合物半導体結晶の成長方向に垂直な面におけるＧａ原子
の格子定数をＤg とする。格子不整合率をＬとしたと
き、ＬはＤs とＤg の両者を用いて次に表わす式（１）
で求められる。 格子不整合率Ｌ＝｛（ｎ１×Ｄg −ｎ２×Ｄs ）／（ｎ１×Ｄg ）｝×１００ ・・・・・（１） ｎ１、ｎ２：同じ結晶方位での格子定数の関係を表わす
係数 この格子不整合率Ｌの値が低いほど基板と窒化ガリウム
系化合物半導体結晶との格子整合性が良いといえる。
【００１９】（II）窒化ガリウム系化合物半導体結晶の
成長環境において、熱的かつ化学的に安定に存在する単
結晶であること。
成長環境において、熱的かつ化学的に安定に存在する単
結晶であること。
【００２０】（III ）エピタキシャル成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶の結晶性が良いこと。単結晶
基板と窒化ガリウム系化合物半導体結晶との間の格子不
整合性と、熱膨張係数の差とに起因した結晶欠陥は、最
終的には得られたエピタキシャル膜の結晶の良否に影響
を及ぼしている。そのため、ここではエピタキシャル膜
の結晶性を具体的な物性数値で代表させ評価する。
リウム系化合物半導体結晶の結晶性が良いこと。単結晶
基板と窒化ガリウム系化合物半導体結晶との間の格子不
整合性と、熱膨張係数の差とに起因した結晶欠陥は、最
終的には得られたエピタキシャル膜の結晶の良否に影響
を及ぼしている。そのため、ここではエピタキシャル膜
の結晶性を具体的な物性数値で代表させ評価する。
【００２１】すなわち、エピタキシャル膜の結晶として
の良否の判断基準として、一つはＸ線回折測定によるロ
ッキングカーブの半値幅が小さいことを挙げる。これは
エピタキシャル膜の、成長方向に垂直な面内での揺らぎ
が少ないことを意味する。ここでは、窒化ガリウム系化
合物半導体結晶の（０００２）面のロッキングカーブの
半値幅が、３００秒以下になることを条件とする。
の良否の判断基準として、一つはＸ線回折測定によるロ
ッキングカーブの半値幅が小さいことを挙げる。これは
エピタキシャル膜の、成長方向に垂直な面内での揺らぎ
が少ないことを意味する。ここでは、窒化ガリウム系化
合物半導体結晶の（０００２）面のロッキングカーブの
半値幅が、３００秒以下になることを条件とする。
【００２２】またエピタキシャル膜の転位密度が、透過
電子顕微鏡観察から求まる数値として、１０8 ／ｃｍ2
以下になること、さらに成長面の粗さを表わす尺度とし
てＲｍｓがあるが、原子間力顕微鏡測定結果を統計処理
して求まるＲｍｓの値として、１ｎｍ以下になることを
条件とする。
電子顕微鏡観察から求まる数値として、１０8 ／ｃｍ2
以下になること、さらに成長面の粗さを表わす尺度とし
てＲｍｓがあるが、原子間力顕微鏡測定結果を統計処理
して求まるＲｍｓの値として、１ｎｍ以下になることを
条件とする。
【００２３】このような、窒化ガリウム系化合物半導体
結晶と格子整合性があり、かつ熱的、化学的安定性が窒
化ガリウム系化合物半導体結晶の成長環境下で実現でき
る単結晶を鋭意検討したところ、本発明者は下記の
（１）〜（６）に述べるところの単結晶がエピタキシャ
ル成長に最適であることを見出した。
結晶と格子整合性があり、かつ熱的、化学的安定性が窒
化ガリウム系化合物半導体結晶の成長環境下で実現でき
る単結晶を鋭意検討したところ、本発明者は下記の
（１）〜（６）に述べるところの単結晶がエピタキシャ
ル成長に最適であることを見出した。
【００２４】すなわち、 （１）結晶構造としてアパタイト型六方晶に属し、その
一般構造式がＡ5 （ＰＯ4）3Ｆのタイプ（Ａは２Ａ族元
素）、またはＸ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 のタイプ（Ｘは２
Ａ族元素、Ｚは３Ａ族希土類元素）で表される単結晶の
（０００１）面。
一般構造式がＡ5 （ＰＯ4）3Ｆのタイプ（Ａは２Ａ族元
素）、またはＸ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 のタイプ（Ｘは２
Ａ族元素、Ｚは３Ａ族希土類元素）で表される単結晶の
（０００１）面。
【００２５】（２）特に、（１）の前者の構造式Ａ
5（ＰＯ4 ）3Ｆでは、Ａで表わされる元素がカルシウム
（Ｃａ）あるいはストロンチウム（Ｓｒ）であること。
後者の構造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 では、Ｘで表わさ
れる元素がカルシウム（Ｃａ）あるいはストロンチウム
（Ｓｒ）であり、Ｚで表わされる元素がランタン（Ｌ
ａ）あるいはイットリウム（Ｙ）であること。
5（ＰＯ4 ）3Ｆでは、Ａで表わされる元素がカルシウム
（Ｃａ）あるいはストロンチウム（Ｓｒ）であること。
後者の構造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 では、Ｘで表わさ
れる元素がカルシウム（Ｃａ）あるいはストロンチウム
（Ｓｒ）であり、Ｚで表わされる元素がランタン（Ｌ
ａ）あるいはイットリウム（Ｙ）であること。
【００２６】（３）上記の一般構造式Ｘ2Ｚ8（Ｓｉ
Ｏ4）6Ｏ2 において、配位子がＳｉＯ4の代わりにＰＯ
4 で構成され、一般構造式がＸ2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2 とな
る単結晶の（０００１）面。
Ｏ4）6Ｏ2 において、配位子がＳｉＯ4の代わりにＰＯ
4 で構成され、一般構造式がＸ2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2 とな
る単結晶の（０００１）面。
【００２７】（４）結晶構造として三方晶あるいは六方
晶に帰属できる酸化物単結晶の中で、その一般構造式が
Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7 で表わされる単結晶の（０００１）面。な
お、上記の（１）〜（４）の各単結晶においては、Ｇａ
Ｎエピタキシャル膜の成長方向はその構成単位格子であ
る六方晶のｃ軸に平行な方向である。
晶に帰属できる酸化物単結晶の中で、その一般構造式が
Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7 で表わされる単結晶の（０００１）面。な
お、上記の（１）〜（４）の各単結晶においては、Ｇａ
Ｎエピタキシャル膜の成長方向はその構成単位格子であ
る六方晶のｃ軸に平行な方向である。
【００２８】（５）結晶構造として三方晶あるいは六方
晶に帰属できる酸化物単結晶の中で、その一般構造式が
Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａxＯ14 で表わされる単結晶の（１０
０）面。
晶に帰属できる酸化物単結晶の中で、その一般構造式が
Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａxＯ14 で表わされる単結晶の（１０
０）面。
【００２９】（６）結晶構造として三方晶あるいは六方
晶に帰属できる酸化物単結晶の中で、その一般構造式が
ＬｉＨｏ（ＷＯ4）2で表わされる単結晶の（０００１）
面。なお、上記（５）（６）のＬａ3Ｎｂ1-XＧａxＯ
14 、ＬｉＨｏ（ＷＯ4）2においては、ＧａＮエピタキ
シャル膜の成長方向はその構成単位格子である六方晶の
ｃ軸に垂直な方向となる。
晶に帰属できる酸化物単結晶の中で、その一般構造式が
ＬｉＨｏ（ＷＯ4）2で表わされる単結晶の（０００１）
面。なお、上記（５）（６）のＬａ3Ｎｂ1-XＧａxＯ
14 、ＬｉＨｏ（ＷＯ4）2においては、ＧａＮエピタキ
シャル膜の成長方向はその構成単位格子である六方晶の
ｃ軸に垂直な方向となる。
【００３０】次に、上記の単結晶基板上に窒化ガリウム
系化合物半導体結晶がエピタキシャル成長するときの原
子配列を、ＧａＮの場合を例にとり、図１、図２及び図
３を用いて説明する。
系化合物半導体結晶がエピタキシャル成長するときの原
子配列を、ＧａＮの場合を例にとり、図１、図２及び図
３を用いて説明する。
【００３１】図１は基板上に成長させるＧａＮ結晶の
（０００１）面の原子配列を示す図である。図中の黒丸
印の位置がＧａ原子の配列に対応する。通常、ＧａＮの
成長方向は構成単位格子である六方晶のｃ軸に平行な方
向であるから、六方晶のａ軸の長さがこの原子配列での
格子定数Ｄgaとなる。
（０００１）面の原子配列を示す図である。図中の黒丸
印の位置がＧａ原子の配列に対応する。通常、ＧａＮの
成長方向は構成単位格子である六方晶のｃ軸に平行な方
向であるから、六方晶のａ軸の長さがこの原子配列での
格子定数Ｄgaとなる。
【００３２】図２はこの発明に係る単結晶基板の原子配
列を示す図であり、アパタイト型六方晶の単結晶、およ
び六方晶構造のＬｉ2Ｂ4Ｏ7 単結晶の各（０００１）面
の原子配列を表している。図中の白抜き○印が元素の位
置するところである。そして、これらの単結晶基板と上
記のＧａＮとは、ａ軸方向で格子整合しており、図では
単結晶基板の格子定数をＤsaで表している。一般構造式
（組成式）Ａ5（ＰＯ4）3Ｆ 中のＡで表すところの元素
が、図中の元素１，２，３に対応している。また、一般
構造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 またはＸ2Ｚ8（ＰＯ4）6
Ｏ2 中の、Ｘで表すところの元素が、図中の元素１に対
応し、Ｚで表すところの元素が、図中の元素２，３に対
応している。さらに、一般構造式Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7 中のＬｉ
（リチウム）原子が、図中の元素２に、Ｂ（ホウ素）原
子が、図中の元素１，３に対応している。
列を示す図であり、アパタイト型六方晶の単結晶、およ
び六方晶構造のＬｉ2Ｂ4Ｏ7 単結晶の各（０００１）面
の原子配列を表している。図中の白抜き○印が元素の位
置するところである。そして、これらの単結晶基板と上
記のＧａＮとは、ａ軸方向で格子整合しており、図では
単結晶基板の格子定数をＤsaで表している。一般構造式
（組成式）Ａ5（ＰＯ4）3Ｆ 中のＡで表すところの元素
が、図中の元素１，２，３に対応している。また、一般
構造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 またはＸ2Ｚ8（ＰＯ4）6
Ｏ2 中の、Ｘで表すところの元素が、図中の元素１に対
応し、Ｚで表すところの元素が、図中の元素２，３に対
応している。さらに、一般構造式Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7 中のＬｉ
（リチウム）原子が、図中の元素２に、Ｂ（ホウ素）原
子が、図中の元素１，３に対応している。
【００３３】基板とＧａＮとの格子整合は、図１のＧａ
原子（黒丸印）が図２の○印の元素上に重ね合わさるよ
うに、＜０００１＞方向に成長したときに成立し、格子
整合した状態での原子配列は、図３に示すように、Ｇａ
ＮのＧａ原子と、単結晶基板側の元素とが合致するよう
になる。
原子（黒丸印）が図２の○印の元素上に重ね合わさるよ
うに、＜０００１＞方向に成長したときに成立し、格子
整合した状態での原子配列は、図３に示すように、Ｇａ
ＮのＧａ原子と、単結晶基板側の元素とが合致するよう
になる。
【００３４】図４及び図５には、この発明に係る単結晶
としての９つの組成例〜が例示してあり、また、各
欄に〜の各組成から成る単結晶の格子定数Ｄs 、そ
の単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮの格
子定数Ｄg 、及びそのときの両者の格子不整合率Ｌを示
してある。
としての９つの組成例〜が例示してあり、また、各
欄に〜の各組成から成る単結晶の格子定数Ｄs 、そ
の単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮの格
子定数Ｄg 、及びそのときの両者の格子不整合率Ｌを示
してある。
【００３５】図４において、組成例は一般構造式Ａ5
（ＰＯ4）3Ｆ 中のＡで表される元素にＣａ（カルシウ
ム）を用いた場合であり、組成例はそのＡにＳｒ（ス
トロンチウム）を用いた場合であり、組成例は一般構
造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 中のＸで表わされる元素に
Ｃａを、Ｚで表される元素にＹ（イットリウム）を用い
た場合であり、組成例はそのＸにＣａを、ＺにＬａ
（ランタン）を用いた場合であり、組成例はそのＸに
Ｓｒを、ＺにＬａを用いた場合であり、組成例は一般
構造式Ｘ2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2 中のＸで表わされる元素に
Ｃａを、Ｚで表される元素にＬａを用いた場合であり、
そして、組成例は、組成式がＬｉ2Ｂ4Ｏ7の場合であ
る。
（ＰＯ4）3Ｆ 中のＡで表される元素にＣａ（カルシウ
ム）を用いた場合であり、組成例はそのＡにＳｒ（ス
トロンチウム）を用いた場合であり、組成例は一般構
造式Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2 中のＸで表わされる元素に
Ｃａを、Ｚで表される元素にＹ（イットリウム）を用い
た場合であり、組成例はそのＸにＣａを、ＺにＬａ
（ランタン）を用いた場合であり、組成例はそのＸに
Ｓｒを、ＺにＬａを用いた場合であり、組成例は一般
構造式Ｘ2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2 中のＸで表わされる元素に
Ｃａを、Ｚで表される元素にＬａを用いた場合であり、
そして、組成例は、組成式がＬｉ2Ｂ4Ｏ7の場合であ
る。
【００３６】図４の７つの組成例〜から成る各単結
晶基板とＧａＮとは、上記の図１〜図３で説明したよう
に、ａ軸方向で格子整合しており、その格子不整合率Ｌ
は、上記の式（１）から求まる。式（１）の係数ｎ１は
ここでは「３」となり、係数ｎ２は「１」となり、した
がって、〜の場合の格子不整合率Ｌを求める式は、
次のようになる。 Ｌ（％）＝｛（３×Ｄga−Ｄsa）／（３×Ｄga）｝×１００ ・・・・・（２） 上記の式（２）に図４の各格子定数Ｄsaの値と、ＧａＮ
の格子定数Ｄgaの値３．１６０Åを代入して格子不整合
率Ｌを求めると、では１．２％、では２．５％、
では１．５％、では１．６％、では２．２％、で
は０．２％、では０．０１％となり、いずれも従来の
格子不整合率、例えばサファイア基板の場合の約１４％
に比べて大幅な改善となっている。
晶基板とＧａＮとは、上記の図１〜図３で説明したよう
に、ａ軸方向で格子整合しており、その格子不整合率Ｌ
は、上記の式（１）から求まる。式（１）の係数ｎ１は
ここでは「３」となり、係数ｎ２は「１」となり、した
がって、〜の場合の格子不整合率Ｌを求める式は、
次のようになる。 Ｌ（％）＝｛（３×Ｄga−Ｄsa）／（３×Ｄga）｝×１００ ・・・・・（２） 上記の式（２）に図４の各格子定数Ｄsaの値と、ＧａＮ
の格子定数Ｄgaの値３．１６０Åを代入して格子不整合
率Ｌを求めると、では１．２％、では２．５％、
では１．５％、では１．６％、では２．２％、で
は０．２％、では０．０１％となり、いずれも従来の
格子不整合率、例えばサファイア基板の場合の約１４％
に比べて大幅な改善となっている。
【００３７】また、図５において、組成例は組成式が
Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａxＯ14 の場合であり、組成例は組成
式がＬｉＨｏ（ＷＯ4）2の場合である。組成例で表さ
れる単結晶基板とＧａＮとは、上記の〜の単結晶基
板と異なり、ｃ軸方向で格子整合しており、その格子不
整合率Ｌを求める式（１）は、次のようになる。 組成例の場合の格子不整合率Ｌ（％） ＝｛（Ｄgc−Ｄsc）／Ｄgc｝×１００ ・・・・・（３）
Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａxＯ14 の場合であり、組成例は組成
式がＬｉＨｏ（ＷＯ4）2の場合である。組成例で表さ
れる単結晶基板とＧａＮとは、上記の〜の単結晶基
板と異なり、ｃ軸方向で格子整合しており、その格子不
整合率Ｌを求める式（１）は、次のようになる。 組成例の場合の格子不整合率Ｌ（％） ＝｛（Ｄgc−Ｄsc）／Ｄgc｝×１００ ・・・・・（３）
【００３８】また、組成例で表される単結晶基板とＧ
ａＮとは、基板側のａ軸方向と、ＧａＮ側のｃ軸方向と
で格子整合しており、その格子不整合率Ｌを求める式
（１）は、次のようになる。 組成例の場合の格子不整合率Ｌ（％） ＝｛（Ｄgc−Ｄsa）／Ｄgc｝×１００ ・・・・・（４） 上記の式（３）（４）に図５の基板側の格子定数Ｄsc、
Ｄsaの値と、ＧａＮの格子定数Ｄgcの値５．１２５Åを
それぞれ代入して求めた格子不整合率Ｌは、では０．
０６％、では０．７％となり、上記の〜の場合と
同様に、いずれも従来の格子不整合率、例えばサファイ
ア基板の場合の約１４％に比べて大幅な改善となってい
る。
ａＮとは、基板側のａ軸方向と、ＧａＮ側のｃ軸方向と
で格子整合しており、その格子不整合率Ｌを求める式
（１）は、次のようになる。 組成例の場合の格子不整合率Ｌ（％） ＝｛（Ｄgc−Ｄsa）／Ｄgc｝×１００ ・・・・・（４） 上記の式（３）（４）に図５の基板側の格子定数Ｄsc、
Ｄsaの値と、ＧａＮの格子定数Ｄgcの値５．１２５Åを
それぞれ代入して求めた格子不整合率Ｌは、では０．
０６％、では０．７％となり、上記の〜の場合と
同様に、いずれも従来の格子不整合率、例えばサファイ
ア基板の場合の約１４％に比べて大幅な改善となってい
る。
【００３９】
【実施例】（実施例１）この発明に係る単結晶基板の
内、図４の組成例（Ｃａ5（ＰＯ4）3Ｆ） から成る単
結晶基板を用い、その基板上に分子線エピキタシ成長方
法でＧａＮをエピタキシャル成長させた例を示す。先
ず、基板となる単結晶はＸ線回折測定から結晶方位を決
め、その面と平行になる断面で基板を切り出した。ここ
では、アパタイト型単結晶であるので（０００１）面に
平行に切り出すことになる。
内、図４の組成例（Ｃａ5（ＰＯ4）3Ｆ） から成る単
結晶基板を用い、その基板上に分子線エピキタシ成長方
法でＧａＮをエピタキシャル成長させた例を示す。先
ず、基板となる単結晶はＸ線回折測定から結晶方位を決
め、その面と平行になる断面で基板を切り出した。ここ
では、アパタイト型単結晶であるので（０００１）面に
平行に切り出すことになる。
【００４０】ＧａＮの成長に供する単結晶基板は、厚み
が０．５ｍｍ程度になるように切断し、そのカット面を
研磨剤でラッピングした。その後弗化アンモニアで洗浄
し、汚染金属成分を除いた後、有機溶剤と紫外線照射を
行って残留有機物を取り除いた。
が０．５ｍｍ程度になるように切断し、そのカット面を
研磨剤でラッピングした。その後弗化アンモニアで洗浄
し、汚染金属成分を除いた後、有機溶剤と紫外線照射を
行って残留有機物を取り除いた。
【００４１】次に、この基板を成長準備室に装填し、９
００℃で６時間加熱し、吸着ガスを除いた。その後、成
長室に搬送しＧａＮの成長を開始した。Ｇａ源は金属Ｇ
ａで、融点以上に加熱したクヌードセンるつぼから供給
した。供給量は、るつぼの開口部のシャッターの開閉操
作で制御した。また窒素源は窒素ガス、またはアンモニ
アガスをプラズマ化した活性窒素である。窒素の供給は
プラズマ照射の有無で決定した。基板温度はパイロメー
ターで計測し、基板温度を１０００℃としてエピタキシ
ャル成長を行わせた。成長している間はＲＨＥＥＤによ
って表面構造、主に成長面の平坦性をモニターした。成
長時間は６０分とした。
００℃で６時間加熱し、吸着ガスを除いた。その後、成
長室に搬送しＧａＮの成長を開始した。Ｇａ源は金属Ｇ
ａで、融点以上に加熱したクヌードセンるつぼから供給
した。供給量は、るつぼの開口部のシャッターの開閉操
作で制御した。また窒素源は窒素ガス、またはアンモニ
アガスをプラズマ化した活性窒素である。窒素の供給は
プラズマ照射の有無で決定した。基板温度はパイロメー
ターで計測し、基板温度を１０００℃としてエピタキシ
ャル成長を行わせた。成長している間はＲＨＥＥＤによ
って表面構造、主に成長面の平坦性をモニターした。成
長時間は６０分とした。
【００４２】これによって得られたＧａＮエピタキシャ
ル膜は厚みが０．９μｍであった。また（０００２）面
のＸ線回折によるロッキングカーブ測定では、そのピー
ク半値幅が ２００秒であった。転位密度を透過電子顕
微観察から求めたところ １０5 ／ｃｍ2 であった。ま
た原子力間顕微鏡で表面荒さＲｍｓを求めたところ、
０．４ｎｍであった。
ル膜は厚みが０．９μｍであった。また（０００２）面
のＸ線回折によるロッキングカーブ測定では、そのピー
ク半値幅が ２００秒であった。転位密度を透過電子顕
微観察から求めたところ １０5 ／ｃｍ2 であった。ま
た原子力間顕微鏡で表面荒さＲｍｓを求めたところ、
０．４ｎｍであった。
【００４３】（実施例２）この発明に係る単結晶基板の
内、図４の組成例（Ｃａ2Ｙ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2）から
成る単結晶基板上に有機金属輸送法（ＭＯＣＶＤ法）に
よるＧａＮエピタキシャル膜の成長を行った。ここで、
成長に供する単結晶基板の機械的、化学的前処理は実施
例１と同じである。ＭＯＣＶＤ成長装置に上記の単結晶
基板を装着した。基板を固定するところは石英製反応チ
ューブ内のカーボンサセプター上である。加熱は石英チ
ューブの外周にある高周波コイルで行った。
内、図４の組成例（Ｃａ2Ｙ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2）から
成る単結晶基板上に有機金属輸送法（ＭＯＣＶＤ法）に
よるＧａＮエピタキシャル膜の成長を行った。ここで、
成長に供する単結晶基板の機械的、化学的前処理は実施
例１と同じである。ＭＯＣＶＤ成長装置に上記の単結晶
基板を装着した。基板を固定するところは石英製反応チ
ューブ内のカーボンサセプター上である。加熱は石英チ
ューブの外周にある高周波コイルで行った。
【００４４】基板エピタキシャル面に斜め方向から原料
ガスが到達するように設けた原料ガス導入管から、アン
モニア（ＮＨ3 ）を２．５ｓｌｍで供給しながら、基板
を１１００℃のまで６０分かけて昇温した。１１００℃
になったところで３０分保持した。１１００℃のまま、
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を３０ｓｃｃｍ、水素
（Ｈ2 ）を６．０ｓｌｍ、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を
２．５ｓｌｍ、窒素ガス（Ｎ2 ）を１．３ｓｌｍそれぞ
れ流した。ここで、ｓｌｍ、ｓｃｃｍとは、標準状態ガ
スの毎分当たりに流れる体積を表す単位であり、１００
０ｓｃｃｍ＝１ｓｌｍである。
ガスが到達するように設けた原料ガス導入管から、アン
モニア（ＮＨ3 ）を２．５ｓｌｍで供給しながら、基板
を１１００℃のまで６０分かけて昇温した。１１００℃
になったところで３０分保持した。１１００℃のまま、
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を３０ｓｃｃｍ、水素
（Ｈ2 ）を６．０ｓｌｍ、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を
２．５ｓｌｍ、窒素ガス（Ｎ2 ）を１．３ｓｌｍそれぞ
れ流した。ここで、ｓｌｍ、ｓｃｃｍとは、標準状態ガ
スの毎分当たりに流れる体積を表す単位であり、１００
０ｓｃｃｍ＝１ｓｌｍである。
【００４５】このようにして得られたＧａＮエピタキシ
ャル膜の厚みは３．０μｍであった。また（０００２）
面のロッキングカーブ測定ではその半値幅が２２０秒で
あった。また、透過電子顕微鏡から求めた転位密度は１
０5 ／ｃｍ2 であった。成長表面の荒さを原子間力顕微
鏡で観察したところ、表面荒さＲｍｓが０．３５ｎｍで
あった。また、この発明に係る他の組成例から成る単結
晶基板についても、その基板上に実施例１または実施例
２と同様にしてＧａＮエピタキシャル膜を成長させた
が、そのＧａＮエピタキシャル膜に関しても上記の実施
例１、実施例２とほぼ同等の品質結果が得られた。
ャル膜の厚みは３．０μｍであった。また（０００２）
面のロッキングカーブ測定ではその半値幅が２２０秒で
あった。また、透過電子顕微鏡から求めた転位密度は１
０5 ／ｃｍ2 であった。成長表面の荒さを原子間力顕微
鏡で観察したところ、表面荒さＲｍｓが０．３５ｎｍで
あった。また、この発明に係る他の組成例から成る単結
晶基板についても、その基板上に実施例１または実施例
２と同様にしてＧａＮエピタキシャル膜を成長させた
が、そのＧａＮエピタキシャル膜に関しても上記の実施
例１、実施例２とほぼ同等の品質結果が得られた。
【００４６】このように、実施例１、実施例２の双方と
も、基板にＧａＮと格子整合性があり、熱膨張率の差も
小さく、かつ成長環境において安定に存在する、一般構
造式がＡ5（ＰＯ4）3Ｆ、Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2、Ｘ2
Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7、Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａXＯ
14、あるいはＬｉＨｏ（ＷＯ4）2で表される単結晶を用
い、その基板上に、バッファー層を介さないで、直接エ
ピタキシャル成長させることで、結晶面の揺らぎが小さ
く、転位密度が低く、また表面粗さも小さいＧａＮ膜を
得ることができた。この基板とエピタキシャル膜とから
成るエピタキシャルウェハを、例えば発光デバイスに適
用した場合、その発光特性の改善に大きく寄与すること
ができ、発光デバイスの材料として大いに有望である。
も、基板にＧａＮと格子整合性があり、熱膨張率の差も
小さく、かつ成長環境において安定に存在する、一般構
造式がＡ5（ＰＯ4）3Ｆ、Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）6Ｏ2、Ｘ2
Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7、Ｌａ3Ｎｂ1-XＧａXＯ
14、あるいはＬｉＨｏ（ＷＯ4）2で表される単結晶を用
い、その基板上に、バッファー層を介さないで、直接エ
ピタキシャル成長させることで、結晶面の揺らぎが小さ
く、転位密度が低く、また表面粗さも小さいＧａＮ膜を
得ることができた。この基板とエピタキシャル膜とから
成るエピタキシャルウェハを、例えば発光デバイスに適
用した場合、その発光特性の改善に大きく寄与すること
ができ、発光デバイスの材料として大いに有望である。
【００４７】なお、上記の実施例１，２では、単結晶基
板の上に直接ＧａＮを成長させているが、この発明に係
る単結晶基板の上にバッファー層を介在させた状態で、
上記の実施例１，２と同条件でＧａＮを成長させたとこ
ろ、上記の結果と同等、またはそれ以上の品質を備えた
ＧａＮエピタキシャル膜を得ることができた。
板の上に直接ＧａＮを成長させているが、この発明に係
る単結晶基板の上にバッファー層を介在させた状態で、
上記の実施例１，２と同条件でＧａＮを成長させたとこ
ろ、上記の結果と同等、またはそれ以上の品質を備えた
ＧａＮエピタキシャル膜を得ることができた。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の単結晶
基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体
結晶とから構成されるエピタキシャルウェハによれば、
一般構造式がＡ5（ＰＯ4）3Ｆ、Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）
6Ｏ2、Ｘ2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2 、Ｌｉ 2Ｂ4Ｏ7、Ｌａ3Ｎｂ
1-XＧａXＯ14、あるいはＬｉＨｏ（ＷＯ4）2で表される
単結晶を基板として用いたので、単結晶基板と、その単
結晶基板上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体結
晶との間での格子整合性を大幅に改善することができ
た。このため、この単結晶基板上に成長させたエピタキ
シャル膜（窒化ガリウム系化合物半導体結晶）内の結晶
欠陥を大幅に低減することができ、したがってこのエピ
タキシャルウェハを例えば発光デバイスに適用した場
合、その発光特性の改善に大きく寄与することができ、
発光デバイスの材料として大いに有望である。
基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体
結晶とから構成されるエピタキシャルウェハによれば、
一般構造式がＡ5（ＰＯ4）3Ｆ、Ｘ2Ｚ8（ＳｉＯ4）
6Ｏ2、Ｘ2Ｚ8（ＰＯ4）6Ｏ2 、Ｌｉ 2Ｂ4Ｏ7、Ｌａ3Ｎｂ
1-XＧａXＯ14、あるいはＬｉＨｏ（ＷＯ4）2で表される
単結晶を基板として用いたので、単結晶基板と、その単
結晶基板上に成長させる窒化ガリウム系化合物半導体結
晶との間での格子整合性を大幅に改善することができ
た。このため、この単結晶基板上に成長させたエピタキ
シャル膜（窒化ガリウム系化合物半導体結晶）内の結晶
欠陥を大幅に低減することができ、したがってこのエピ
タキシャルウェハを例えば発光デバイスに適用した場
合、その発光特性の改善に大きく寄与することができ、
発光デバイスの材料として大いに有望である。
【図１】基板上に成長させるＧａＮ結晶の（０００１）
面の原子配列を示す図である。
面の原子配列を示す図である。
【図２】この発明に係る単結晶基板の原子配列を示す図
である。
である。
【図３】単結晶基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成
長させたときの原子配列を示す図である。
長させたときの原子配列を示す図である。
【図４】この発明に係る単結晶としての７つの組成例
と、その格子不整合率とを示す図である。
と、その格子不整合率とを示す図である。
【図５】この発明に係る単結晶としての２つの組成例
と、その格子不整合率とを示す図である。
と、その格子不整合率とを示す図である。
１，２，３ 単結晶基板の原子配列 Ｇａ Ｇａ原子 Ｄsa ａ軸での基板側格子定数 Ｄsc ｃ軸での基板側格子定数 Ｄga ａ軸でのＧａＮ側格子定数 Ｄgc ｃ軸でのＧａＮ側格子定数
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/18 Ｈ０１Ｓ 3/18
Claims (8)
- 【請求項１】 単結晶基板とその上に成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシ
ャルウェハにおいて、 上記単結晶基板を、一般構造式がＡ5 （ＰＯ4 ）3Ｆ で
表され構成元素Ａが２Ａ族元素であるアパタイト型六方
晶で構成し、その単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体結晶をエピタキシャル成長させて成る、ことを特
徴とする単結晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム
系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシャルウ
ェハ。 - 【請求項２】 上記単結晶基板の構成元素Ａは、カルシ
ウム（Ｃａ）あるいはストロンチウム（Ｓｒ）である、
ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶基板とその上
に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構
成されたエピタキシャルウェハ。 - 【請求項３】 単結晶基板とその上に成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシ
ャルウェハにおいて、 上記単結晶基板を、一般構造式がＸ2 Ｚ8 （ＳｉＯ4 ）
6 Ｏ2 で表され構成元素Ｘが２Ａ族元素、構成元素Ｚが
３Ａ族希土類元素であるアパタイト型六方晶で構成し、
その単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を
エピタキシャル成長させて成る、ことを特徴とする単結
晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導
体結晶とから構成されたエピタキシャルウェハ。 - 【請求項４】 上記単結晶基板の構成元素Ｘは、カルシ
ウム（Ｃａ）あるいはストロンチウム（Ｓｒ）であり、
構成元素Ｚは、ランタン（Ｌａ）あるいはイットリウム
（Ｙ）である、ことを特徴とする請求項３に記載の単結
晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導
体結晶とから構成されたエピタキシャルウェハ。 - 【請求項５】 上記単結晶基板は、上記一般構造式Ｘ2
Ｚ8（ＳｉＯ4 ）6Ｏ2の内、ＳｉＯ4をＰＯ4で置き換え
て成る、ことを特徴とする請求項３または４に記載の単
結晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半
導体結晶とから構成されたエピタキシャルウェハ。 - 【請求項６】 単結晶基板とその上に成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシ
ャルウェハにおいて、 上記単結晶基板を、一般構造式がＬｉ2Ｂ4Ｏ7 で表され
る酸化物単結晶で構成し、その単結晶基板上に窒化ガリ
ウム系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させて成
る、ことを特徴とする単結晶基板とその上に成長させた
窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピ
タキシャルウェハ。 - 【請求項７】 単結晶基板とその上に成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシ
ャルウェハにおいて、 上記単結晶基板を、一般構造式がＬａ3Ｎｂ1-XＧａXＯ
14 （０＜Ｘ＜１）で表される酸化物単結晶で構成し、
その単結晶基板上に窒化ガリウム系化合物半導体結晶を
エピタキシャル成長させて成る、ことを特徴とする単結
晶基板とその上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導
体結晶とから構成されたエピタキシャルウェハ。 - 【請求項８】 単結晶基板とその上に成長させた窒化ガ
リウム系化合物半導体結晶とから構成されたエピタキシ
ャルウェハにおいて、 上記単結晶基板を、一般構造式がＬｉＨｏ（ＷＯ4 ）2
で表される酸化物単結晶で構成し、その単結晶基板上に
窒化ガリウム系化合物半導体結晶をエピタキシャル成長
させて成る、ことを特徴とする単結晶基板とその上に成
長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶とから構成さ
れたエピタキシャルウェハ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31051997A JP3853942B2 (ja) | 1997-11-12 | 1997-11-12 | エピタキシャルウェハ |
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|---|---|---|---|
| JP31051997A JP3853942B2 (ja) | 1997-11-12 | 1997-11-12 | エピタキシャルウェハ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11147791A true JPH11147791A (ja) | 1999-06-02 |
| JP3853942B2 JP3853942B2 (ja) | 2006-12-06 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP31051997A Expired - Fee Related JP3853942B2 (ja) | 1997-11-12 | 1997-11-12 | エピタキシャルウェハ |
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|---|---|
| JP (1) | JP3853942B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006518104A (ja) * | 2003-02-19 | 2006-08-03 | キネテイツク・リミテツド | シリコン基板改質用バッファ構造 |
-
1997
- 1997-11-12 JP JP31051997A patent/JP3853942B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| JP2006518104A (ja) * | 2003-02-19 | 2006-08-03 | キネテイツク・リミテツド | シリコン基板改質用バッファ構造 |
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| JP3853942B2 (ja) | 2006-12-06 |
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