JPH11147797A - 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 - 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るエピタキシャルウェハInfo
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- JPH11147797A JPH11147797A JP31051897A JP31051897A JPH11147797A JP H11147797 A JPH11147797 A JP H11147797A JP 31051897 A JP31051897 A JP 31051897A JP 31051897 A JP31051897 A JP 31051897A JP H11147797 A JPH11147797 A JP H11147797A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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る
エピタキシャルウェハは、単結晶基板を、アルミニウム
（Ａｌ）とストロンチウム（Ｓｒ）を含むペロブスカイ
ト型立方晶（〜）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。
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る
エピタキシャルウェハは、単結晶基板を、アルミニウム
（Ａｌ）とストロンチウム（Ｓｒ）を含むペロブスカイ
ト型立方晶（〜）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。
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
ら構成される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
ら構成される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】ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどの窒化物系
化合物半導体は、直接遷移型のバンド構造を持ち、その
大きなバンドギャップに対応して、青色から紫外域の波
長の光を放射するため、青色から紫外域の光の発光素子
（発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはレーザダイオード
（ＬＤ））の材料結晶として使用可能である。そして、
これらのＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮから成る混晶化合物
は、組成式Ｉｎx Ｇａy Ａｌ1ーx-y Ｎ（ｘ＋ｙ≦１）で
表され、その組成比ｘ，ｙを変えることで目的とする発
光波長を得ることでき、そのため組成式Ｉｎx Ｇａy Ａ
ｌ1ーx-y Ｎで表される窒化物系化合物半導体は、発光デ
バイス用途の重要な結晶材料として注目されている。
化合物半導体は、直接遷移型のバンド構造を持ち、その
大きなバンドギャップに対応して、青色から紫外域の波
長の光を放射するため、青色から紫外域の光の発光素子
（発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはレーザダイオード
（ＬＤ））の材料結晶として使用可能である。そして、
これらのＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮから成る混晶化合物
は、組成式Ｉｎx Ｇａy Ａｌ1ーx-y Ｎ（ｘ＋ｙ≦１）で
表され、その組成比ｘ，ｙを変えることで目的とする発
光波長を得ることでき、そのため組成式Ｉｎx Ｇａy Ａ
ｌ1ーx-y Ｎで表される窒化物系化合物半導体は、発光デ
バイス用途の重要な結晶材料として注目されている。
【０００３】そもそも、窒化物系化合物は構成元素の一
つである窒素の蒸気圧が極めて高く、窒素の飛散を押さ
えることが原理的に不可能なため、この窒化物系化合物
を基板上に積層させるには、液相からの成長は困難であ
り、このため一般的には、気相法によって成長させてい
る。ところで、この気相法により基板上にエピタキシャ
ル成長させる場合、基板とエピタキシャル膜との間に良
好な格子整合性が得られていないという問題がある。
つである窒素の蒸気圧が極めて高く、窒素の飛散を押さ
えることが原理的に不可能なため、この窒化物系化合物
を基板上に積層させるには、液相からの成長は困難であ
り、このため一般的には、気相法によって成長させてい
る。ところで、この気相法により基板上にエピタキシャ
ル成長させる場合、基板とエピタキシャル膜との間に良
好な格子整合性が得られていないという問題がある。
【０００４】よく使われている成長用基板として、サフ
ァイア単結晶があるが、このサファイア単結晶が基板に
使用される理由として、サファイア単結晶は、ＧａＮと
同じく、６回対称の結晶軸をＣ面垂直方向に持っている
こと、熱的に安定であること、及び大面積の単結晶が比
較的容易に入手可能であることが主に挙げられる。しか
し、サファイア基板のＣ面上にＧａＮを成長させても、
サファイア基板とＧａＮエピタキシャル膜との格子ミス
マッチから生じるひずみが、エピタキシャル膜の中に必
然的に導入されてしまって結晶性の悪いエピタキシャル
膜となり、したがって、電子材料用途の結晶としては必
ずしも適していなかった。
ァイア単結晶があるが、このサファイア単結晶が基板に
使用される理由として、サファイア単結晶は、ＧａＮと
同じく、６回対称の結晶軸をＣ面垂直方向に持っている
こと、熱的に安定であること、及び大面積の単結晶が比
較的容易に入手可能であることが主に挙げられる。しか
し、サファイア基板のＣ面上にＧａＮを成長させても、
サファイア基板とＧａＮエピタキシャル膜との格子ミス
マッチから生じるひずみが、エピタキシャル膜の中に必
然的に導入されてしまって結晶性の悪いエピタキシャル
膜となり、したがって、電子材料用途の結晶としては必
ずしも適していなかった。
【０００５】そこで、バッファー層という緩衝層をサフ
ァイア基板の上に成長させ、この上にＧａＮのエピタキ
シャル膜を成長をさせるという方法が開発された。これ
は、格子ミスマッチによるひずみをバッファー層で吸収
し、その上に成長させるエピタキシャル膜にひずみを伝
播させないという考えに基づく成長技術である。この技
術により、サファイア基板の上に、従来より結晶性のよ
いエピタキシャル膜を成長させることが可能となり、現
在では、ＧａＮ系化合物を主体とした青色ＬＥＤや、Ｇ
ａx Ｉｎ1-x Ｎ混晶を活性層にした短波長レーザなどに
適用されている。
ァイア基板の上に成長させ、この上にＧａＮのエピタキ
シャル膜を成長をさせるという方法が開発された。これ
は、格子ミスマッチによるひずみをバッファー層で吸収
し、その上に成長させるエピタキシャル膜にひずみを伝
播させないという考えに基づく成長技術である。この技
術により、サファイア基板の上に、従来より結晶性のよ
いエピタキシャル膜を成長させることが可能となり、現
在では、ＧａＮ系化合物を主体とした青色ＬＥＤや、Ｇ
ａx Ｉｎ1-x Ｎ混晶を活性層にした短波長レーザなどに
適用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、サファイア基板の上にバッファー層を設けその上に
エピタキシャル膜を成長させても、膜内には、依然とし
て多くの結晶欠陥が含まれており、光デバイスとしての
十分な機能を発揮させるには至っていない。このこと
は、透過電子顕微鏡の観察結果から確認されている。こ
こでいう結晶欠陥とは、転位、積層欠陥、空孔などをい
う。これらの結晶欠陥の存在は、光デバイスにおいて非
発光中心となる危険性があり、したがって、発光効率の
低下、強いては光デバイス特性の劣化、破損につながる
おそれがある。そのため、これらの結晶欠陥をエピタキ
シャル膜内部から除去するか、あるいはその発生そのも
のを抑えることが非常に重要である。
に、サファイア基板の上にバッファー層を設けその上に
エピタキシャル膜を成長させても、膜内には、依然とし
て多くの結晶欠陥が含まれており、光デバイスとしての
十分な機能を発揮させるには至っていない。このこと
は、透過電子顕微鏡の観察結果から確認されている。こ
こでいう結晶欠陥とは、転位、積層欠陥、空孔などをい
う。これらの結晶欠陥の存在は、光デバイスにおいて非
発光中心となる危険性があり、したがって、発光効率の
低下、強いては光デバイス特性の劣化、破損につながる
おそれがある。そのため、これらの結晶欠陥をエピタキ
シャル膜内部から除去するか、あるいはその発生そのも
のを抑えることが非常に重要である。
【０００７】また、サファイア基板の場合よりも、Ｇａ
Ｎに対して格子ミスマッチ量が少ない単結晶基板を使っ
てエピタキシャル成長を行わせる試みもなされている。
その単結晶基板としては、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ、Ｓ
ｉＣなどが使われているが、サファイア基板上に成長さ
せたとき以上の発光特性を発揮させるには至っていな
い。これらの単結晶基板のうち、ＳｉＣ基板が、格子整
合性が比較的よいこと（格子不整合率２．５％）、熱的
安定性を有していること、入手しやすいことなどから有
利であるが、基板の大面積化が現状では困難なこと、及
び基板自体に欠陥が含まれやすいことから、商業ベース
での成長用基板としては成り立っていない。
Ｎに対して格子ミスマッチ量が少ない単結晶基板を使っ
てエピタキシャル成長を行わせる試みもなされている。
その単結晶基板としては、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ、Ｓ
ｉＣなどが使われているが、サファイア基板上に成長さ
せたとき以上の発光特性を発揮させるには至っていな
い。これらの単結晶基板のうち、ＳｉＣ基板が、格子整
合性が比較的よいこと（格子不整合率２．５％）、熱的
安定性を有していること、入手しやすいことなどから有
利であるが、基板の大面積化が現状では困難なこと、及
び基板自体に欠陥が含まれやすいことから、商業ベース
での成長用基板としては成り立っていない。
【０００８】このように、エピタキシャル成長に必要な
良好な格子整合が得られる単結晶基板が確定していない
のが現状である。
良好な格子整合が得られる単結晶基板が確定していない
のが現状である。
【０００９】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
単結晶基板との間での格子整合性を大幅に改善し、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
するようにした、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
シャルウェハを提供することを目的とする。
単結晶基板との間での格子整合性を大幅に改善し、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
するようにした、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
シャルウェハを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にこの発明は、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るエピタキシ
ャルウェハにおいて、上記単結晶基板を、アルミニウム
（Ａｌ）とストロンチウム（Ｓｒ）を含むペロブスカイ
ト型立方晶で構成し、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るエピタキシ
ャルウェハにおいて、上記単結晶基板を、アルミニウム
（Ａｌ）とストロンチウム（Ｓｒ）を含むペロブスカイ
ト型立方晶で構成し、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。
【００１１】
【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（１）（２）（３）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（１）（２）（３）を満たしている必要があ
る。
【００１２】（１）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
をここでは次の様に定義する。すなわち単結晶基板にお
いて、窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させよう
とする面（エピタキシャル面）内に配列している原子間
隔をａs 、窒化ガリウム系化合物半導体結晶のａ軸長
さをａg 、格子不整合率（格子ミスマッチ量）をＬと
したときに、Ｌは次式（１）で計算で求めることがで
き、格子不整合率（格子ミスマッチ量）Ｌが小さいほど
格子整合性が高いことを意味する。 格子不整合率Ｌ＝｛（ｎ１×ａg −ｎ２×ａs ）／（ｎ１×ａg ）｝×１００ ・・・・・（１） ｎ１，ｎ２：基板と窒化ガリウム系化合物半導体結晶と
の同一結晶軸方向での格子定数の関係を表す係数
の格子不整合率が２．５％以内であること。格子整合性
をここでは次の様に定義する。すなわち単結晶基板にお
いて、窒化ガリウム系化合物半導体結晶を成長させよう
とする面（エピタキシャル面）内に配列している原子間
隔をａs 、窒化ガリウム系化合物半導体結晶のａ軸長
さをａg 、格子不整合率（格子ミスマッチ量）をＬと
したときに、Ｌは次式（１）で計算で求めることがで
き、格子不整合率（格子ミスマッチ量）Ｌが小さいほど
格子整合性が高いことを意味する。 格子不整合率Ｌ＝｛（ｎ１×ａg −ｎ２×ａs ）／（ｎ１×ａg ）｝×１００ ・・・・・（１） ｎ１，ｎ２：基板と窒化ガリウム系化合物半導体結晶と
の同一結晶軸方向での格子定数の関係を表す係数
【００１３】（２）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及び化学的に安定であること。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が
行われる環境において、すなわち温度と原料ガスから決
まる熱的、化学的雰囲気において安定的に存在している
ことである。
成長環境において熱的及び化学的に安定であること。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が
行われる環境において、すなわち温度と原料ガスから決
まる熱的、化学的雰囲気において安定的に存在している
ことである。
【００１４】（３）単結晶基板の上にエピタキシャル成
長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶膜の結晶性が
よいこと。具体的には結晶のモザイシティが小さく、つ
まりＸ線回折によるエピタキシャル膜のロッキングカー
ブの半値幅が小さいこと、望ましくは３００秒以下であ
ること。またエピタキシャル膜の転位密度が１０8 ／ｃ
ｍ2 になること。そして成長表面が平滑であることも条
件であり、表面の荒さを表す指標Ｒｍｓがエピタキシャ
ル膜表面において１ｎｍ以下になることを基準とする。
長させた窒化ガリウム系化合物半導体結晶膜の結晶性が
よいこと。具体的には結晶のモザイシティが小さく、つ
まりＸ線回折によるエピタキシャル膜のロッキングカー
ブの半値幅が小さいこと、望ましくは３００秒以下であ
ること。またエピタキシャル膜の転位密度が１０8 ／ｃ
ｍ2 になること。そして成長表面が平滑であることも条
件であり、表面の荒さを表す指標Ｒｍｓがエピタキシャ
ル膜表面において１ｎｍ以下になることを基準とする。
【００１５】格子整合性があるという範囲では、ＺｎＯ
（格子不整合率２．０％）、ＭｎＯ（格子不整合率１．
４％）などの酸化物単結晶が上記の（１）の条件をみた
す。しかし品質の良いエピタキシャル膜を得るためには
１０００℃前後の温度での成長が必要であり、これらの
酸化物単結晶はこの温度では熱分解をおこすので成長用
基板としては適当ではない。
（格子不整合率２．０％）、ＭｎＯ（格子不整合率１．
４％）などの酸化物単結晶が上記の（１）の条件をみた
す。しかし品質の良いエピタキシャル膜を得るためには
１０００℃前後の温度での成長が必要であり、これらの
酸化物単結晶はこの温度では熱分解をおこすので成長用
基板としては適当ではない。
【００１６】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、かつ成長環境において安定に
存在する基板として適合する単結晶基板を検討した結
果、本発明者はペロブスカイト型立方晶に属し、３Ｂ族
元素であるアルミニウム（Ａｌ）と、２Ａ族元素である
ストロンチウム（Ｓｒ）とを含んでいる酸化物単結晶の
｛１１０｝面がエピタキシャル面として最適であるとい
う結論を得た。ペロブスカイト型酸化物の組成式は一般
的にＸＹＯ3 （Ｏ：酸素原子）という形で表されるの
で、上記の本発明に係る単結晶基板を組成式で表すと、
その組成式はＡ1-xＳｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 （０≦Ｘ≦
１，０≦Ｙ≦１）となる。ここで、構成元素Ａには希土
類元素を、構成元素Ｂには５Ａ族元素を用いるとき、格
子整合性はより改善されることも見出した。
結晶と格子整合性があり、かつ成長環境において安定に
存在する基板として適合する単結晶基板を検討した結
果、本発明者はペロブスカイト型立方晶に属し、３Ｂ族
元素であるアルミニウム（Ａｌ）と、２Ａ族元素である
ストロンチウム（Ｓｒ）とを含んでいる酸化物単結晶の
｛１１０｝面がエピタキシャル面として最適であるとい
う結論を得た。ペロブスカイト型酸化物の組成式は一般
的にＸＹＯ3 （Ｏ：酸素原子）という形で表されるの
で、上記の本発明に係る単結晶基板を組成式で表すと、
その組成式はＡ1-xＳｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 （０≦Ｘ≦
１，０≦Ｙ≦１）となる。ここで、構成元素Ａには希土
類元素を、構成元素Ｂには５Ａ族元素を用いるとき、格
子整合性はより改善されることも見出した。
【００１７】すなわち、本発明では、ペロブスカイト型
立方晶の一般式ＸＹＯ3 のうち、構成元素Ｘをストロン
チウム（Ｓｒ）とし、あるいはそのＳｒの一部をランタ
ン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）、パラジウム（Ｐｒ）
等の希土類元素で置換して成り、また構成元素Ｙをアル
ミニウム（Ａｌ）とし、あるいはそのＡｌの一部をニオ
ブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等の５Ａ族元素で置換し
て成る。
立方晶の一般式ＸＹＯ3 のうち、構成元素Ｘをストロン
チウム（Ｓｒ）とし、あるいはそのＳｒの一部をランタ
ン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）、パラジウム（Ｐｒ）
等の希土類元素で置換して成り、また構成元素Ｙをアル
ミニウム（Ａｌ）とし、あるいはそのＡｌの一部をニオ
ブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等の５Ａ族元素で置換し
て成る。
【００１８】次に、上記のペロブスカイト型立方晶単結
晶の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。
晶の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。
【００１９】図１はこの発明に係るペロブスカイト型立
方晶単結晶の原子配列を示す図であり、｛１１０｝面上
のＸ元素とＹ元素の原子配列を示してある。図中のハッ
チングをした○印はＸ元素、白抜きの○印はＹ元素であ
る。組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 中のＡにおい
て示すところの元素と、ＳｒとがＸ元素に相当し、Ａｌ
と、Ｂにおいて示すところの元素とがＹ元素に相当す
る。ここでは６個の単位格子に相当する原子配列を示し
ている。また、酸素原子は図では省略してある。この単
結晶基板とＧａＮとは、単結晶基板の〈１１０〉方向と
ＧａＮのａ軸方向で格子整合しており、基板側の格子定
数をａs で示してある。
方晶単結晶の原子配列を示す図であり、｛１１０｝面上
のＸ元素とＹ元素の原子配列を示してある。図中のハッ
チングをした○印はＸ元素、白抜きの○印はＹ元素であ
る。組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 中のＡにおい
て示すところの元素と、ＳｒとがＸ元素に相当し、Ａｌ
と、Ｂにおいて示すところの元素とがＹ元素に相当す
る。ここでは６個の単位格子に相当する原子配列を示し
ている。また、酸素原子は図では省略してある。この単
結晶基板とＧａＮとは、単結晶基板の〈１１０〉方向と
ＧａＮのａ軸方向で格子整合しており、基板側の格子定
数をａs で示してある。
【００２０】図２は基板上に成長させるＧａＮ結晶のガ
リウム原子の配列を示す図であり、ＧａＮ結晶のＣ面で
のＧａ原子の配列を示してある。図中の符号Ｇａ（黒
丸）がＧａ原子である。また、格子定数をａg で示して
ある。
リウム原子の配列を示す図であり、ＧａＮ結晶のＣ面で
のＧａ原子の配列を示してある。図中の符号Ｇａ（黒
丸）がＧａ原子である。また、格子定数をａg で示して
ある。
【００２１】図３は単結晶基板上に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。図
１のペロブスカイト型立方晶単結晶基板の｛１１０｝面
の上に、図２に示したＧａＮをエピタキシャル成長させ
ると、図３に示したような原子配列になる。黒丸（Ｇａ
原子）の位置が、ハッチングした○印（Ｘ元素）の位置
と白抜きの○印（Ｙ元素）の位置とに重なれば、格子不
整合率（格子ミスマッチ量）Ｌがゼロとなり、完全な格
子整合性が得られることになる。
キシャル成長させたときの原子配列を示す図である。図
１のペロブスカイト型立方晶単結晶基板の｛１１０｝面
の上に、図２に示したＧａＮをエピタキシャル成長させ
ると、図３に示したような原子配列になる。黒丸（Ｇａ
原子）の位置が、ハッチングした○印（Ｘ元素）の位置
と白抜きの○印（Ｙ元素）の位置とに重なれば、格子不
整合率（格子ミスマッチ量）Ｌがゼロとなり、完全な格
子整合性が得られることになる。
【００２２】図４には、組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ
1-y Ｏ3 で表されるこの発明に係るペロブスカイト型立
方晶単結晶としての５つの組成例〜が例示してあ
り、また、〜の各組成から成る単結晶の格子定数ａ
s と、その単結晶基板上にＧａＮをエピタキシャル成長
させたときの格子不整合率Ｌとを示してある。
1-y Ｏ3 で表されるこの発明に係るペロブスカイト型立
方晶単結晶としての５つの組成例〜が例示してあ
り、また、〜の各組成から成る単結晶の格子定数ａ
s と、その単結晶基板上にＧａＮをエピタキシャル成長
させたときの格子不整合率Ｌとを示してある。
【００２３】組成例〜は構成元素Ａの希土類元素と
構成元素Ｂの５Ｂ族元素との種々の組み合わせで成るも
のであり、は構成元素Ａにランタン（Ｌａ）、構成元
素Ｂにタンタル（Ｔａ）を用いた場合であり、は構成
元素Ａにネオジウム（Ｎｄ）、構成元素Ｂにニオブ（Ｎ
ｂ）を用いた場合であり、は構成元素Ａにパラジウム
（Ｐｒ）、構成元素Ｂにニオブ（Ｎｂ）を用いた場合で
あり、は構成元素Ａにランタン（Ｌａ）とネオジウム
（Ｎｄ）、構成元素Ｂにタンタル（Ｔａ）を用いた場合
であり、は構成元素Ａにネオジウム（Ｎｄ）、構成元
素Ｂにタンタル（Ｔａ）を用いた場合である。
構成元素Ｂの５Ｂ族元素との種々の組み合わせで成るも
のであり、は構成元素Ａにランタン（Ｌａ）、構成元
素Ｂにタンタル（Ｔａ）を用いた場合であり、は構成
元素Ａにネオジウム（Ｎｄ）、構成元素Ｂにニオブ（Ｎ
ｂ）を用いた場合であり、は構成元素Ａにパラジウム
（Ｐｒ）、構成元素Ｂにニオブ（Ｎｂ）を用いた場合で
あり、は構成元素Ａにランタン（Ｌａ）とネオジウム
（Ｎｄ）、構成元素Ｂにタンタル（Ｔａ）を用いた場合
であり、は構成元素Ａにネオジウム（Ｎｄ）、構成元
素Ｂにタンタル（Ｔａ）を用いた場合である。
【００２４】図４の５つの組成例に対する格子不整合率
Ｌは、上記の式（１）から求まるが、式（１）の係数ｎ
１はここでは３1/2 であり、係数ｎ２は、、では
２-1 /2、、では２1/2 となる。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（％）＝｛（３1/2 ×ａg −２-1/2×ａs ）／（３1/2 ×ａg ）｝×１００ ・・・・・（２） また、、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（％）＝｛（３1/2 ×ａg −２1/2 ×ａs ）／（３1/2 ×ａg ）｝×１００ ・・・・・（３） なお、ＧａＮの格子定数ａg ＝３．１６０Åとする。上
記の式（２）及び式（３）に図４の格子定数ａs の値
と、ＧａＮの格子定数ａg の値３．１６０Åを代入して
求めた格子不整合率Ｌは、では０．０４％、では
０．１８％、では０．３％、では０．４％、そして
では０．７％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。
Ｌは、上記の式（１）から求まるが、式（１）の係数ｎ
１はここでは３1/2 であり、係数ｎ２は、、では
２-1 /2、、では２1/2 となる。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（％）＝｛（３1/2 ×ａg −２-1/2×ａs ）／（３1/2 ×ａg ）｝×１００ ・・・・・（２） また、、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（％）＝｛（３1/2 ×ａg −２1/2 ×ａs ）／（３1/2 ×ａg ）｝×１００ ・・・・・（３） なお、ＧａＮの格子定数ａg ＝３．１６０Åとする。上
記の式（２）及び式（３）に図４の格子定数ａs の値
と、ＧａＮの格子定数ａg の値３．１６０Åを代入して
求めた格子不整合率Ｌは、では０．０４％、では
０．１８％、では０．３％、では０．４％、そして
では０．７％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。
【００２５】
【実施例】（実施例１）上記の組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl
y Ｂ1-y Ｏ3 で表されるこの発明に係る単結晶の上に、
分子線エピタキシー成長装置によりＧａＮ膜をエピタキ
シャル成長させた例を示す。まず、基板となる単結晶に
Ｘ線回折を行って結晶方位を調べ、結晶方位＜１１０＞
方向に垂直になるように単結晶を切断した。厚みは０．
５ｍｍとした。切断面に研磨剤を用いて鏡面研磨を行っ
て、酸洗浄を実施した。その後、有機溶剤によりエピタ
キシャルさせる基板面を洗浄して、紫外線照射を行い、
表面に付着した有機汚染物を取り除いた。次に、この基
板を成長準備室に装てんした後、９００℃で６時間のベ
ーキングを行った。その後、成長室に移動させ、ＧａＮ
のエピタキシャル成長を開始した。Ｇａ原料はクヌード
センセルで溶解した金属Ｇａで、セル入り口に設けたシ
ャッターの開閉操作で照射時間を制御した。窒素原料
は、窒素ガス、あるいはアンモニアガスをプラズマ化し
たものを用い、基板成長面に向かって照射した。これも
シャッターの開閉操作で照射時間を制御した。基板温度
は１０００℃とした。成長時間は６０分とした。
y Ｂ1-y Ｏ3 で表されるこの発明に係る単結晶の上に、
分子線エピタキシー成長装置によりＧａＮ膜をエピタキ
シャル成長させた例を示す。まず、基板となる単結晶に
Ｘ線回折を行って結晶方位を調べ、結晶方位＜１１０＞
方向に垂直になるように単結晶を切断した。厚みは０．
５ｍｍとした。切断面に研磨剤を用いて鏡面研磨を行っ
て、酸洗浄を実施した。その後、有機溶剤によりエピタ
キシャルさせる基板面を洗浄して、紫外線照射を行い、
表面に付着した有機汚染物を取り除いた。次に、この基
板を成長準備室に装てんした後、９００℃で６時間のベ
ーキングを行った。その後、成長室に移動させ、ＧａＮ
のエピタキシャル成長を開始した。Ｇａ原料はクヌード
センセルで溶解した金属Ｇａで、セル入り口に設けたシ
ャッターの開閉操作で照射時間を制御した。窒素原料
は、窒素ガス、あるいはアンモニアガスをプラズマ化し
たものを用い、基板成長面に向かって照射した。これも
シャッターの開閉操作で照射時間を制御した。基板温度
は１０００℃とした。成長時間は６０分とした。
【００２６】これによって得られたＧａＮエピタキシャ
ル膜の膜厚は１．０μｍであった。また、得られたＧａ
Ｎの（０００２）面のＸ線回折によるロッキングカーブ
測定ではその半値幅が２２０秒であった。電子顕微鏡で
エピタキシャル膜の断面観察を行ったところ、転位密度
は１０4 ／ｃｍ2 であった。また、成長面の表面荒さを
原子間力顕微鏡で調べたところ、Ｒｍｓは０．３４ｎｍ
であった。
ル膜の膜厚は１．０μｍであった。また、得られたＧａ
Ｎの（０００２）面のＸ線回折によるロッキングカーブ
測定ではその半値幅が２２０秒であった。電子顕微鏡で
エピタキシャル膜の断面観察を行ったところ、転位密度
は１０4 ／ｃｍ2 であった。また、成長面の表面荒さを
原子間力顕微鏡で調べたところ、Ｒｍｓは０．３４ｎｍ
であった。
【００２７】（実施例２）この発明に係る単結晶の上
に、有機金属輸送方法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＧａＮ
をエピタキシャル成長させた例を示す。なお、成長室に
入れるまでの単結晶基板の取り扱いは実施例１と同じで
ある。
に、有機金属輸送方法（ＭＯＣＶＤ法）により、ＧａＮ
をエピタキシャル成長させた例を示す。なお、成長室に
入れるまでの単結晶基板の取り扱いは実施例１と同じで
ある。
【００２８】上記の単結晶基板を、ＭＯＣＶＤ成長装置
の成長室にて、カーボン製サセプター上に固定した。加
熱はサセプター周囲に巻いた高周波コイルで行った。基
板エピタキシャル面に対向させた原料ガス導入管からＮ
Ｈ3 を２．５slm 流しながら、温度を１１００℃まで５
０分かけて昇温させ、３０分保持した。その温度を保っ
たまま、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）３０sccm、Ｈ2
を５．０slm 、ＮＨ3を２．５slm 、窒素ガス（Ｎ2 ）
を１．３slm それぞれ流して、ＧａＮ膜をエピタキシャ
ル成長させた。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、１０００
sccm＝１slm である。
の成長室にて、カーボン製サセプター上に固定した。加
熱はサセプター周囲に巻いた高周波コイルで行った。基
板エピタキシャル面に対向させた原料ガス導入管からＮ
Ｈ3 を２．５slm 流しながら、温度を１１００℃まで５
０分かけて昇温させ、３０分保持した。その温度を保っ
たまま、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）３０sccm、Ｈ2
を５．０slm 、ＮＨ3を２．５slm 、窒素ガス（Ｎ2 ）
を１．３slm それぞれ流して、ＧａＮ膜をエピタキシャ
ル成長させた。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、１０００
sccm＝１slm である。
【００２９】得られたＧａＮエピタキシャル膜の膜厚は
３．１μｍであった。また、ＧａＮの（０００２）面の
Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定ではその半値幅が
３００秒であった。電子顕微鏡でエピタキシャル膜の断
面観察を行ったところ、転位密度は１０5 ／ｃｍ2 であ
った。また成長面の表面荒さを原子間力顕微鏡で調べた
ところ、Ｒｍｓは０．２１ｎｍであった。
３．１μｍであった。また、ＧａＮの（０００２）面の
Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定ではその半値幅が
３００秒であった。電子顕微鏡でエピタキシャル膜の断
面観察を行ったところ、転位密度は１０5 ／ｃｍ2 であ
った。また成長面の表面荒さを原子間力顕微鏡で調べた
ところ、Ｒｍｓは０．２１ｎｍであった。
【００３０】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かつ成長環境にお
いて安定に存在する、組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y
Ｏ3で表されるペロブスカイト型単結晶を用い、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、かつ転
位密度が低いＧａＮ膜を得ることができた。具体的には
ＧａＮの（０００２）面のロッキングカーブではその半
値幅が３００秒以下、転位密度が１０5 ／ｃｍ 2 以下の
ＧａＮエピタキシャル膜を得ることができた。この基板
とエピタキシャル膜と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かつ成長環境にお
いて安定に存在する、組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y
Ｏ3で表されるペロブスカイト型単結晶を用い、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、かつ転
位密度が低いＧａＮ膜を得ることができた。具体的には
ＧａＮの（０００２）面のロッキングカーブではその半
値幅が３００秒以下、転位密度が１０5 ／ｃｍ 2 以下の
ＧａＮエピタキシャル膜を得ることができた。この基板
とエピタキシャル膜と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。
【００３１】また、単結晶基板上にバッファ層を設けて
上記の実施例１、実施例２を実施したが、上記の場合と
同等若しくはそれ以上の品質のＧａＮエピタキシャル膜
を得ることができた。
上記の実施例１、実施例２を実施したが、上記の場合と
同等若しくはそれ以上の品質のＧａＮエピタキシャル膜
を得ることができた。
【００３２】
【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、
単結晶基板を、アルミニウムとストロンチウムを含むペ
ロブスカイト型立方晶で構成したので、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、
単結晶基板を、アルミニウムとストロンチウムを含むペ
ロブスカイト型立方晶で構成したので、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】この発明に係るペロブスカイト型立方晶単結晶
基板の原子配列を示す図である。
基板の原子配列を示す図である。
【図２】基板上に成長させるＧａＮ結晶のガリウム原子
の配列を示す図である。
の配列を示す図である。
【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】この発明に係るペロブスカイト型立方晶単結晶
の５つの組成例と、その格子不整合率とを示す図であ
る。
の５つの組成例と、その格子不整合率とを示す図であ
る。
Ｘ ＸＹＯ3 の構成元素Ｘ 組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 中のＡ元素とＳｒ
元素に相当 Ｙ ＸＹＯ3 の構成元素Ｙ 組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 中のＡｌ元素とＢ
元素に相当 Ｇａ Ｇａ原子 ａs ペロブスカイト型立方晶の格子定数 ａg ＧａＮの格子定数
元素に相当 Ｙ ＸＹＯ3 の構成元素Ｙ 組成式Ａ1-x Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ3 中のＡｌ元素とＢ
元素に相当 Ｇａ Ｇａ原子 ａs ペロブスカイト型立方晶の格子定数 ａg ＧａＮの格子定数
───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)
- 【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るエピタキシ
ャルウェハにおいて、 上記単結晶基板を、アルミニウム（Ａｌ）とストロンチ
ウム（Ｓｒ）を含むペロブスカイト型立方晶で構成し、
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るエピタキシャルウェハ。 - 【請求項２】 上記単結晶基板は、一般構造式がＡ1-x
Ｓｒx Ａl y Ｂ1-y Ｏ 3 （０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）の
形で表され、構成元素Ａが希土類元素、構成元素Ｂが５
Ａ族元素である、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るエピタキシャルウェハ。 - 【請求項３】 上記単結晶基板の構成元素Ａは、ランタ
ン（Ｌａ）、ネオジウム（Ｎｄ）あるいはパラジウム
（Ｐｒ）であり、構成元素Ｂはタンタル（Ｔａ）あるい
はニオブ（Ｎｂ）である、ことを特徴とする請求項２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るエピタキシャルウェ
ハ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31051897A JP4002643B2 (ja) | 1997-11-12 | 1997-11-12 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31051897A JP4002643B2 (ja) | 1997-11-12 | 1997-11-12 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11147797A true JPH11147797A (ja) | 1999-06-02 |
| JP4002643B2 JP4002643B2 (ja) | 2007-11-07 |
Family
ID=18006204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31051897A Expired - Fee Related JP4002643B2 (ja) | 1997-11-12 | 1997-11-12 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4002643B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003077835A (ja) * | 2001-09-06 | 2003-03-14 | Ngk Insulators Ltd | Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 |
| JP2003523080A (ja) * | 2000-02-10 | 2003-07-29 | モトローラ・インコーポレイテッド | 半導体構造 |
| JP2003282434A (ja) * | 2002-03-20 | 2003-10-03 | Ngk Insulators Ltd | ＺｎＯ系エピタキシャル成長基板、ＺｎＯ系エピタキシャル下地基板、及びＺｎＯ系膜の製造方法 |
-
1997
- 1997-11-12 JP JP31051897A patent/JP4002643B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003523080A (ja) * | 2000-02-10 | 2003-07-29 | モトローラ・インコーポレイテッド | 半導体構造 |
| JP2003077835A (ja) * | 2001-09-06 | 2003-03-14 | Ngk Insulators Ltd | Ｉｉｉ族窒化物素子及びｉｉｉ族窒化物エピタキシャル基板 |
| JP2003282434A (ja) * | 2002-03-20 | 2003-10-03 | Ngk Insulators Ltd | ＺｎＯ系エピタキシャル成長基板、ＺｎＯ系エピタキシャル下地基板、及びＺｎＯ系膜の製造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4002643B2 (ja) | 2007-11-07 |
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