JPH11162852A - 電子デバイス用基板およびその製造方法 - Google Patents

電子デバイス用基板およびその製造方法

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JPH11162852A
JPH11162852A JP34389597A JP34389597A JPH11162852A JP H11162852 A JPH11162852 A JP H11162852A JP 34389597 A JP34389597 A JP 34389597A JP 34389597 A JP34389597 A JP 34389597A JP H11162852 A JPH11162852 A JP H11162852A
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electronic device
nitride
film
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 AlN、GaN、InN等の窒化物バルク単
結晶ウエハと同等の特性を有し、かつ電子デバイスの製
造に適用可能な大面積の基板を提供する。 【解決手段】 Al、GaおよびInから選択される少
なくとも1種とNとを主成分とし、ウルツァイト型構造
を有する窒化物結晶を有する窒化物薄膜から構成され、
前記窒化物結晶の(0001)面が、前記窒化物薄膜表
面に平行となるように単一配向しており、面積が10cm
2以上である電子デバイス用基板。この電子デバイス用
基板は、表面がSi単結晶から構成される支持基板の表
面に、希土類元素の酸化物および/または酸化ジルコニ
ウムから構成されるエピタキシャル膜であるバッファ層
を形成し、このバッファ層表面に前記窒化物薄膜を成長
させた後、支持基板の少なくとも一部または支持基板と
バッファ層との少なくとも一部を除去することにより製
造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオードや
レーザーダイオード等に適用される電子デバイス用基板
およびその製造方法に関し、詳しくは、含窒素III−V
族化合物半導体層を備える窒化物半導体装置などに適用
される基板およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニ
ウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、窒化アル
ミニウム・ガリウム(AlGaN)、あるいはこれらの
混晶などのIII−V族窒化物半導体は、電界効果型トラ
ンジスタ、LED(発光ダイオード)、レーザーダイオ
ード等の窒化物半導体装置の構成材料として利用されて
いる。特に最近では、たとえば、日経エレクトロニクス
no.674,p.79(1996)に示されるように、このような窒化
物半導体の積層構造からなり、青色、緑色等の短波長光
を発光するLEDが注目されている。
【0003】GaN薄膜を用いた半導体素子では、薄膜
を形成するための基板材料として、一般にサファイアが
用いられている。しかし、サファイアはGaNと格子定
数および熱膨張係数が大きく異なるため、基板とGaN
薄膜との界面からGaN薄膜側に転位が導入されたり、
GaN結晶が応力により変形を受けたりし、良質な結晶
が得られないという問題がある。また、サファイア基板
は劈開面を出して割ることが難しく、レーザーダイオー
ドを作製する場合に端面の形成が難しいという問題があ
る。また、サファイア基板はSi等の半導体基板と比べ
ると高価であり、表面平坦性が悪いなどの問題もある。
【0004】窒化物半導体装置に最も適する基板は、そ
の上に形成する窒化物結晶薄膜と結晶構造および格子定
数が一致し、かつ熱膨張係数が同等のものである。例え
ば、GaNからなるエピタキシャル薄膜を利用して半導
体素子を作製する場合、GaNの単結晶基板を用いれ
ば、高品質のGaNエピタキシャル薄膜を成長させるこ
とができるので、特性の高い半導体装置が得られる。こ
の場合のGaN単結晶基板は、その表面が(0001)
面となっている必要がある。
【0005】しかし、AlN、GaN、InNなどの窒
化物バルク単結晶は、数立方ミリメートル程度のものし
か得られていない。すなわち、窒化物バルク単結晶で
は、サファイア基板を代替するような面積10cm2以上
のウエハを製造することは不可能である。
【0006】一方、サファイアに比べ安価なSiを、G
aN系半導体素子用基板として用いることも検討されて
いる。しかし、SiとGaNとは、格子定数差、熱膨張
係数差、格子構造の違いが大きいため、Si単結晶基板
の上に良質のGaN薄膜を形成することはやはり難しか
った。
【0007】GaN等の窒化物半導体層の結晶性を向上
させるための提案として、例えば特開平9−45960
号公報には、Si基板上にZnOバッファ層を介してI
nGaAlN層を設けることが記載されている。同公報
では、Si基板上にZnOバッファ層をスパッタ法等に
より直接形成している。しかし、本発明者らの実験で
は、Si基板上にZnOバッファ層を単結晶膜(本明細
書におけるエピタキシャル膜)として形成することは実
質的に不可能であり、結晶性および表面性に優れた膜と
することができないことがわかった。このため、このよ
うなZnOバッファ層上には、良好な結晶性を有する窒
化物半導体層を形成することはできない。
【0008】また、特開平8−264894号公報に
は、SiやSiC基板上に、CaxMg1-x2(0≦x
≦1)層およびMgtCa3-t2(0≦t≦3)層の少
なくとも一方を形成し、この上にGayInzAl1-y-z
N(0≦y,z≦1)層を形成した半導体素子が記載さ
れている。同公報では、表面の平坦性が高いSiやSi
C等を用いることができ、かつ良質のGaInAlN層
を形成できることを効果としている。しかし、本発明者
らの実験によれば、Si基板上に形成したCaxMg1-x
2層やMgtCa3-t2層は、結晶性および表面性が不
十分であることがわかった。このため、これらの層の上
には、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を形成する
ことはできない。
【0009】また、Si基板上にGaN層を形成する際
に、バッファ層としてAlN層やSiC層を利用するこ
とも知られている[J.Cryst.Growth 128,391(1993)およ
びJ.Cryst.Growth 115,634(1991)]。しかし、本発明者
らの実験によれば、Si基板上に直接形成したAlN層
やSiC層は、結晶性および表面性が不十分であること
がわかった。このため、これらの層の上には、良好な結
晶性を有する窒化物半導体層を形成することはできな
い。
【0010】一方、これらに対し本発明者らは、特願平
8−264894号においてSi基板上に、高品質の窒
化物エピタキシャル膜を得る方法を提案している。
【0011】しかし、サファイア基板やSi単結晶基板
などを用いる方法では、いずれの方法においても基板と
その上に成長する窒化物半導体薄膜との間に格子定数差
や熱膨張係数差が存在するため、基板と窒化物半導体薄
膜との間にバッファ層を挟んだとしても窒化物半導体薄
膜中に応力が発生してしまう。この応力は、窒化物半導
体薄膜のエピタキシャル成長の妨げとなり、また窒化物
半導体薄膜の電気的特性を不安定にする要因となってし
まう。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、基板
上にGaN等の窒化物半導体薄膜を有し、LEDやレー
ザーダイオードに適用される窒化物半導体装置では、最
も理想的な基板はAlN、GaN、InNなどの窒化物
単結晶ウエハである。また、窒化物バルク単結晶ウエハ
は、圧電性、高熱伝導性などの各種物性が優れるという
特徴があるため、その特徴を利用して、SAW(弾性表
面波)素子用の基板、IC用のヒートシンク基板にも好
適である。しかし、現在のところ窒化物バルク単結晶は
大面積化が不可能であるため、これらの電子デバイスの
基板としては実用化されていない。
【0013】本発明はこのような事情からなされたもの
である。本発明の目的は、AlN、GaN、InNなど
の窒化物バルク単結晶ウエハと同等の特性を有し、か
つ、電子デバイスの製造に適用可能な大面積の基板を提
供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(12)のいずれかにより達成される。 (1) Al、GaおよびInから選択される少なくと
も1種とNとを主成分とし、ウルツァイト型構造を有す
る窒化物結晶を有する窒化物薄膜から構成され、前記窒
化物結晶の(0001)面が、前記窒化物薄膜表面に平
行となるように単一配向しており、面積が10cm2以上
である電子デバイス用基板。 (2) 上記(1)の電子デバイス用基板の一方の面側
に、希土類元素(ScおよびYを含む)の酸化物および
/または酸化ジルコニウムから構成されるエピタキシャ
ル膜であるバッファ層が存在する電子デバイス用基板。 (3) 上記(1)または(2)の電子デバイス用基板
の一方の面の一部に、Siからなる支持部材が存在する
電子デバイス用基板。 (4) 上記(1)または(2)の電子デバイス用基板
の一方の面に、補強板を張り付けたものである電子デバ
イス用基板。 (5) 上記(1)または(2)の電子デバイス用基板
の一方の面に、前記窒化物薄膜の自立性を補強するため
の補強膜を形成したものである電子デバイス用基板。 (6) 前記補強膜が、Al、GaおよびInから選択
される少なくとも1種とNとを主成分とし、多結晶また
はアモルファスである上記(5)の電子デバイス用基
板。 (7) 前記窒化物薄膜がエピタキシャル膜である上記
(1)〜(6)のいずれかの電子デバイス用基板。 (8) 上記(1)〜(7)のいずれかの電子デバイス
用基板を製造する方法であって、表面がSi単結晶から
構成される支持基板の表面に、希土類元素の酸化物およ
び/または酸化ジルコニウムから構成されるエピタキシ
ャル膜であるバッファ層を形成し、このバッファ層表面
に前記窒化物薄膜を成長させた後、支持基板の少なくと
も一部または支持基板とバッファ層との少なくとも一部
を除去する工程を有する電子デバイス用基板の製造方
法。 (9) 支持基板がSi(100)面を表面に有するも
のであり、バッファ層が(111)配向である上記
(8)の電子デバイス用基板の製造方法。 (10) 支持基板がSi(111)面を表面に有する
ものであり、バッファ層が(111)配向である上記
(8)の電子デバイス用基板の製造方法。 (11) 支持基板の少なくとも一部、または支持基板
とバッファ層との少なくとも一部を除去する際に、研磨
またはエッチングを利用する上記(8)〜(10)のい
ずれかの電子デバイス用基板の製造方法。 (12) 前記窒化物薄膜をスパッタリング法により成
長させる上記(8)〜(11)のいずれかの電子デバイ
ス用基板の製造方法。
【0015】
【作用および効果】本発明では、Si基板上に、高結晶
性を有し、表面平坦性に優れる薄膜(後述するR−Zr
系酸化物薄膜)の形成が可能なこと、また、この薄膜の
結晶構造および格子定数が窒化物薄膜に近似しているこ
とに着目し、まず、表面がSi単結晶からなる支持基板
の上に前記薄膜を形成し、これをバッファ層として、そ
の上に窒化物薄膜を形成する。このようにして得られた
窒化物薄膜は、高結晶性であり、表面平坦性が良好であ
る。
【0016】次に、支持基板を取り除くか、支持基板と
バッファ層とを取り除くことにより、窒化物薄膜、また
はこれとバッファ層との積層膜を得、これを電子デバイ
ス用基板として利用する。
【0017】このようにして作製された電子デバイス用
基板は、その上に窒化物半導体薄膜をエピタキシャル成
長させる際に、窒化物バルク単結晶基板と同等の効果を
示す。また、この電子デバイス用基板は、窒化物バルク
単結晶基板と同等の電気的特性や熱伝導性を示す。しか
も、窒化物単結晶バルク体では前述したように大面積の
ものは得られないが、本発明では、支持基板として用い
るSi単結晶ウエハと同等の大面積の窒化物単結晶基板
が得られる。また、支持基板として用いるSi単結晶
は、単結晶のなかで最も安価であるため、本発明では高
性能の電子デバイスを安価に提供できる。
【0018】本発明の電子デバイス用基板は、高品質の
LED、レーザーなどの窒化物半導体素子用の基板とし
て理想的な特性を示す。また、窒化物半導体素子用とし
てばかりでなく、AlN、GaN、InN等の窒化物の
物性、例えば、圧電性、高熱伝導性など特徴のある特性
を利用した電子デバイス、たとえばSAW素子用の基
板、IC用のヒートシンク基板にも好適である。
【0019】
【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。
【0020】本発明の電子デバイス用基板は、少なくと
も表面がSi単結晶である支持基板表面上にバッファ層
を形成し、このバッファ層上に、窒化物薄膜を形成した
後、支持基板またはこれとバッファ層とを取り去ること
により、製造される。
【0021】窒化物薄膜形成のためのバッファ層には、
後述するR−Zr系酸化物薄膜を用いる。
【0022】本発明におけるバッファ層と窒化物薄膜と
のように、2層の薄膜を連続して形成する場合、下地と
なる薄膜(下地薄膜)とその上に成長する薄膜(成長薄
膜)との間の格子の不整合度は、ミスマッチ度で表され
る。例えば、下地薄膜構成材料のバルク体の格子定数を
subとし、成長薄膜構成材料のバルク体の格子定数を
epiとすれば、ミスマッチ度δ(単位:%)は、 δ(%)=[(depi−dsub)/dsub]×100 で表される。成長薄膜の格子定数が下地薄膜のそれより
大きければ、δは正の値となる。一方、δが負の場合、
下地薄膜の格子定数が成長薄膜のそれよりも大きいこと
を意味している。δ=0である場合には、下地薄膜と成
長薄膜との格子が一致している、すなわち格子が整合し
ていることを意味している。δの符号にかかわらず、δ
の値が大きいほど格子不整合度が大きく、格子不整合に
起因する歪みや欠陥等が結晶に導入されやすくなるの
で、好ましくない。
【0023】従来、GaN薄膜等のGaInAlN系窒
化物薄膜を形成するための基板としては、上述したよう
にサファイア基板が一般的である。しかし、サファイア
c面の上に(0001)配向のGaNが成長する場合、
エピタキシャル成長時の両結晶の関係は、サファイア
[0001]/GaN[0001]かつサファイア[1
000]/GaN[−1010]となり、また、サファ
イアc面内の格子定数(a軸の格子定数)は0.476
nm、GaN(0001)面内の格子定数(a軸の格子定
数)は0.316nmなので、ミスマッチ度δは (31/2×0.316)/0.476−1、 すなわち、+15.0%と大きくなる。
【0024】これに対し、本発明において窒化物薄膜と
接するR−Zr系酸化物薄膜の構成材料、例えばZrO
2にYを添加した安定化ジルコニア(YSZ)結晶は、
立方晶であってそのa軸の格子定数が0.5204nmな
ので、図6に示すように(111)面内の格子定数は
0.3680nmとなる。この格子はGaN(0001)
面内の格子と整合し、そのときのδは−14.1%であ
り、サファイア基板を用いた場合に対しミスマッチ度が
改善される。また、YSZに替えてYb23、Lu
23、Sc23を用いれば、(111)面内の格子定数
はそれぞれ0.3679nm、0.3674nm、0.34
81nmとなり、GaN(0001)面とのマッチングは
さらに良好となる。
【0025】このように本発明では、従来用いられてい
るサファイア基板との組み合わせに比べ格子不整合度が
小さくなり、したがって、結晶性の高い窒化物薄膜が得
られる。
【0026】次に、各薄膜について説明する。
【0027】R−Zr系酸化物薄膜 本発明においてバッファ層として用いられるR−Zr系
酸化物薄膜は、希土類元素(ScおよびYを含む)の酸
化物および/または酸化ジルコニウムを主成分とするエ
ピタキシャル膜である。
【0028】希土類元素の酸化物は、Yb23、Tm2
3、Er23、Y23、Ho23、Gd23、Dy2
3、Tb23、Pr23、Nd23、CeO2、Eu
23、Sm23、La23、Sc23およびLu23
1種からなるか、これらの2種以上を含む固溶体から構
成されることが好ましく、これらのうちでは特に、Yb
23、Tm23、Er23、Y23、Ho23、Tb2
3、Sc23およびLu23の1種からなるか、これ
らの2種以上を含む固溶体から構成されることが好まし
い。希土類元素を2種以上含むとき、その比率は任意で
ある。なお、これらの酸化物は、化学量論組成から偏倚
していてもよい。
【0029】酸化ジルコニウムは、組成が実質的にZr
2であることが好ましいが、化学量論組成から偏倚し
ていてもよい。
【0030】R−Zr系酸化物薄膜が希土類元素酸化物
と酸化ジルコニウムとの固溶体である場合、固溶比率は
任意である。ただし、表面平坦性を良好にするために
は、R−Zr系酸化物薄膜を、実質的に希土類元素酸化
物から構成するか、実質的に酸化ジルコニウムから構成
することが好ましい。また、酸化ジルコニウムを主成分
とする場合、酸化ジルコニウムの純度が高いほど絶縁抵
抗も高くなり、リーク電流も小さくなることから、絶縁
特性を必要とする場合には好ましい。酸化ジルコニウム
を主成分とする場合には、薄膜中の酸素を除く構成元素
中におけるZrの比率は、好ましくは93mol%超、より
好ましくは95mol%以上、さらに好ましくは98mol%以
上、最も好ましくは99.5mol%以上である。高純度の
酸化ジルコニウム薄膜において、酸素およびZrを除く
構成元素は、通常、希土類元素やPなどである。なお、
Zrの比率の上限は、現在のところ99.99mol%程度
である。また、現在の高純度化技術ではZrO2とHf
2との分離は難しいので、ZrO2の純度は、通常、Z
r+Hfでの純度を指している。したがって、本明細書
におけるZrO2の純度は、HfとZrとを同元素とみ
なして算出された値であるが、HfO2は本発明におけ
るR−Zr系酸化物薄膜においてZrO2と全く同様に
機能するため、問題はない。
【0031】R−Zr系酸化物薄膜には、特性改善のた
めに添加物を導入してもよい。例えば、CaやMgなど
のアルカリ土類元素をドーピングすると、膜のピンホー
ルが減少し、リークを抑制することができる。また、A
lおよびSiは、膜の抵抗率を向上させる効果がある。
さらに、Mn、Fe、Co、Niなどの遷移元素は、膜
中において不純物による準位(トラップ準位)を形成す
ることができ、この準位を利用することにより導電性の
制御が可能になる。
【0032】R−Zr系酸化物薄膜は、その上に形成さ
れる窒化物薄膜との間で、格子定数を好ましくマッチン
グさせることにより、結晶性の高い窒化物薄膜を形成す
る役割を果たす。窒化物薄膜は六方晶系の結晶から構成
されるため、R−Zr系酸化物薄膜は、(111)配向
のエピタキシャル膜から構成される。
【0033】なお、希土類元素酸化物薄膜は、Si(1
11)基板上に形成する場合でもSi(100)基板上
に形成する場合でも(111)配向となるため、この場
合には支持基板が(100)配向であってもよい。これ
に対し酸化ジルコニウム薄膜は、Si(111)基板上
では(111)配向となるが、Si(100)基板上で
は(001)配向となるので、この場合には(111)
配向の支持基板を用いる。
【0034】なお、本明細書におけるエピタキシャル膜
は、まず、単一配向膜である必要がある。本明細書にお
ける単一配向膜とは、X線回折による測定を行ったと
き、目的とする面以外のものの反射のピーク強度が目的
とする面の最大ピーク強度の10%以下、好ましくは5
%以下である膜である。例えば、(111)単一配向膜
は、膜の2θ−θX線回折で(LLL)面以外の反射ピ
ークの強度が、(LLL)面反射の最大ピーク強度の1
0%以下、好ましくは5%以下の膜である。なお、本明
細書において(LLL)は、(111)や(222)な
どの等価な面を総称する表示である。また、例えば六方
晶系の結晶における(0001)単一配向膜、すなわち
c面単一配向膜は、(000L)面以外の反射ピークの
強度が、(000L)面反射の最大ピーク強度の10%
以下、好ましくは5%以下の膜である。なお、(000
L)は、(0001)や(0002)などの等価な面を
総称する表示である。
【0035】そして、本明細書におけるエピタキシャル
膜とは、上記単一配向膜において、膜面内をX−Y面と
し、膜厚方向をZ軸としたとき、結晶がX軸、Y軸およ
びZ軸方向にともに揃って配向しているものである。こ
のような配向は、RHEED評価でスポットまたはスト
リークパターンを示すことで確認できる。なお、RHE
EDとは、反射高速電子線回折(Reflection High Ener
gy Electron Diffraction)であり、RHEED評価
は、膜面内における結晶軸の配向の指標である。
【0036】なお、RHEED像がストリークであっ
て、しかもシャープである場合、各層の結晶性および表
面平坦性が優れていることを意味する。
【0037】結晶性の高い窒化物薄膜を形成するために
は、R−Zr系酸化物薄膜は、結晶性および表面平坦性
に優れるものであることが好ましい。具体的には、R−
Zr系酸化物薄膜、あるいはこれを構成する各薄膜は、
X線回折による(111)面の反射のロッキングカーブ
の半値幅が1.50°以下となる程度の結晶性を有して
いることが好ましい。また、R−Zr系酸化物薄膜の表
面性を、AFM(原子間力顕微鏡)により測定される表
面粗さRz(十点平均粗さ、基準長さ500nm)で表し
たとき、Rzは、好ましくは2nm以下、より好ましくは
0.60nm以下である。なお、このような表面粗さは、
表面の好ましくは80%以上、より好ましくは90%以
上、さらに好ましくは95%以上の領域で実現している
ことが望ましい。上記表面粗さは、基板全面にわたって
各層を形成したときに、面積10cm2以上の領域にわた
って平均に分布した任意の10箇所以上を測定しての値
である。本明細書において、薄膜表面の例えば80%以
上でRzが2nm以下であるとは、上記のように10箇所
以上を測定したときにその80%以上の箇所でRzが2
nm以下であることを意味する。なお、表面粗さRzは、
JIS B 0610に規定されている。
【0038】R−Zr系酸化物薄膜におけるロッキング
カーブの半値幅およびRzの下限値は特になく、小さい
ほど好ましいが、現在のところ、ロッキングカーブの半
値幅の下限値は、一般に0.7°程度、特に0.4°程
度、Rzの下限値は0.10nm程度である。
【0039】R−Zr系酸化物薄膜の好ましい厚さは、
好ましくは5〜500nm、より好ましくは10〜50nm
である。R−Zr系酸化物薄膜は、その結晶性、表面
性、絶縁性を損なわない程度に薄いことが好ましい。
【0040】なお、R−Zr系酸化物薄膜は、組成の異
なる2種以上の薄膜を積層したものであってもよく、厚
さ方向において組成が徐々に変化する傾斜構造膜であっ
てもよい。
【0041】窒化物薄膜 窒化物薄膜は、Al、GaおよびInから選択される少
なくとも1種とNとを主成分とし、好ましくは、実質的
にGaxInyAl1-x-yN(0≦x≦1、0≦x+y≦
1)で表される組成を有する。具体的組成は、適用され
る電子デバイスに応じ、必要とされる特性に合致するよ
うに決定すればよい。例えば、窒化物薄膜の組成を制御
することにより、格子定数および熱膨張係数を調整する
ことが可能なので、適用される電子デバイス中において
窒化物薄膜上に成長させる必要のあるエピタキシャル膜
に応じ、窒化物薄膜の組成を決定すればよい。
【0042】窒化物薄膜は、ウルツァイト型の結晶構造
を有する窒化物から構成される(0001)単一配向膜
であることが好ましく、エピタキシャル膜であることが
より好ましい。
【0043】窒化物薄膜は、絶縁基板として用いること
もでき、n型やp型の半導体基板として用いることもで
きる。半導体基板として用いる場合には、例えばSiや
Mgなど、GaxInyAl1-x-yNの半導体化において
公知のドーピング元素を添加すればよい。
【0044】窒化物薄膜を支持基板上に直接形成せずに
前記バッファ層を介して形成するのは、窒化物薄膜を支
持基板表面に直接形成すると、エピタキシャル成長しな
いからである。
【0045】窒化物薄膜は、結晶性および表面平坦性に
優れるものであることが好ましい。具体的には、窒化物
薄膜は、X線回折による(0001)面の反射のロッキ
ングカーブの半値幅が2.50°以下となる程度の結晶
性を有していることが好ましい。また、窒化物薄膜上に
結晶性の高い窒化物半導体薄膜を形成するためには、窒
化物薄膜の表面平坦性が良好であることが好ましい。窒
化物薄膜の表面平坦性を、AFM(原子間力顕微鏡)に
より測定される表面粗さRz(十点平均粗さ、基準長さ
500nm)で表したとき、Rzは、好ましくは20nm以
下、より好ましくは10nm以下である。なお、このよう
な表面粗さは、表面の好ましくは80%以上、より好ま
しくは90%以上、さらに好ましくは95%以上の領域
で実現していることが望ましい。上記表面粗さは、基板
全面にわたって各層を形成したときに、面積10cm2
上の領域にわたって平均に分布した任意の10箇所以上
を測定しての値である。
【0046】窒化物薄膜におけるロッキングカーブの半
値幅およびRzの下限値は特になく、小さいほど好まし
いが、現在のところ、ロッキングカーブの半値幅の下限
値は、一般に0.9°程度、Rzの下限値は0.10nm
程度である。
【0047】なお、表面平坦性を向上させるために、各
薄膜の表面を研磨してもよい。研磨には、研磨溶液に、
アルカリ溶液等を用いる化学的研磨、コロイダルシリカ
等を用いる機械的研磨、化学的研磨と機械的研磨との併
用などを利用すればよい。
【0048】窒化物薄膜の厚さは、好ましくは0.1〜
300μm、より好ましくは1〜100μmである。窒化
物薄膜が薄すぎると、支持基板を取り除いた後の取り扱
いが困難となり、自立膜とできないこともある。一方、
窒化物薄膜が厚すぎると、応力が発生しやすくなり、ま
た、形成時間も長くなりすぎる。
【0049】なお、窒化物薄膜が薄い場合(例えば10
μm未満である場合)、窒化物薄膜表面に補強板を張り
付けることにより、ハンドリング性、電気的特性、構造
的特性等の向上を図ることが可能である。補強板には、
窒化物薄膜に応力を生じさせないもの、具体的には、熱
膨張係数が窒化物薄膜と同等であるか近似し、かつ表面
平坦性の良好なもの、例えば平滑なガラス板などを用い
ることが好ましい。窒化物薄膜を補強板に固定する方法
は、窒化物薄膜に応力を生じさせないものであれば特に
限定されない。固定には例えば接着剤を用いてもよい
が、補強板の表面性が良好であれば、窒化物薄膜を載せ
るだけで補強板に密着して固定される。
【0050】また、ガラス板等の補強板を接着する構成
のほか、窒化物薄膜上に、窒化物薄膜の自立性を補強す
るための膜(以下、補強膜という)を形成する構成とし
てもよい。補強膜は、窒化物薄膜の応力発生を抑えるた
めに熱膨張係数のマッチング等を考慮して、窒化物薄膜
と同一または類似の組成の窒化物から構成することが好
ましい。ただし、補強膜には高結晶性は要求されないの
で、単結晶である必要はなく、多結晶膜やアモルファス
膜でよい。したがって、補強膜は、室温付近で形成で
き、また、膜形成速度を高くすることができる。補強膜
の厚さは、十分な補強効果が得られるように適宜決定す
ればよく、窒化物薄膜の厚さなどによっても好ましい範
囲は異なるが、例えば50〜1000μm、好ましくは
100〜500μmの範囲から選択すればよい。
【0051】なお、電子デバイス用基板としての窒化物
薄膜は、組成の異なる2種以上の薄膜を積層したもので
あってもよく、厚さ方向において組成が徐々に変化する
傾斜構造膜であってもよい。例えば、支持基板に対する
格子整合性が相対的に良好な窒化物からなる薄膜と、窒
化物半導体薄膜に対する格子整合性が相対的に良好な窒
化物からなる薄膜とを積層し、2層構造の窒化物薄膜と
してもよい。
【0052】支持基板 支持基板には、Si単結晶を表面に有するものを用い
る。支持基板の少なくとも表面は、Si単結晶の(11
1)面または(100)面から構成されていることが好
ましく、(111)面から構成されていることがより好
ましい。
【0053】薄膜形成方法 バッファ層の形成方法は特に限定されないが、好ましく
は、本出願人による特開平8−109099号公報に記
載された方法に準じて蒸着法を用いる。
【0054】窒化物薄膜の形成方法は特に限定されない
が、スパッタリング法やMOVPE(有機金属気相成
長)法を用いることが好ましく、特に、スパッタリング
法を用いることが好ましい。MOVPE法では基板温度
を1000℃程度と高くする必要があるが、本発明者ら
の実験によれば、スパッタリング法では基板温度600
℃程度で高結晶性の窒化物薄膜の形成が可能である。ま
た、支持基板を取り去って窒化物薄膜を自立膜とするた
めには、窒化物薄膜の内部応力を小さくする必要がある
が、スパッタリング法はMOVPE法と異なり、薄膜の
内部応力を多種類の条件、例えばガス圧、基板−ターゲ
ット間距離、入力パワーなどによって自在に制御できる
ので、内部応力を小さくすることが容易である。
【0055】本発明では、支持基板と同等の面積をもつ
電子デバイス用基板が得られるので、支持基板として大
面積のSi単結晶ウエハ、例えば面積10cm2以上のS
i単結晶ウエハを用いることにより、10cm2以上の大
面積の電子デバイス用基板を作製することができる。S
i単結晶はサファイアに比べて著しく安価であるため、
サファイア基板を用いる場合に比べ製造コストを著しく
低くできる。現状の半導体製造プロセスは、2〜8イン
チのSi単結晶ウエハ、特に6インチタイプを用いたも
のが主流であるが、本発明はこれに対応が可能である。
なお、マスク等を用いて、ウエハの一部だけに窒化物薄
膜を形成する構成としてもよい。
【0056】支持基板の除去方法 支持基板を除去する方法としては、例えば、支持基板を
研磨する方法、化学的にウエットエッチングする方法、
真空中でドライエッチングする方法、これらの方法を組
み合わせて用いる方法などが好ましい。研磨には、研磨
溶液としてアルカリ溶液等を用いる化学的研磨、コロイ
ダルシリカ等を用いる機械的研磨、化学的研磨と機械的
研磨とを併用する方法などを用いればよい。
【0057】なお、エッチングの際に、フォトレジスト
層やSiO2層などからなる保護パターンを形成してお
くことにより、支持基板の一部を選択的に取り去る選択
エッチングが可能である。したがって、窒化物薄膜が比
較的薄い場合に、支持基板の一部を残して構造的な補強
部材として利用することができる。例えば、支持基板を
選択エッチングしたり、いわゆるマイクロマシーニング
加工したりすることにより、目的とするデバイスに適し
た任意の基板構造を得ることができる。なお、支持基板
の除去は、どの段階で行ってもよい。例えば、デバイス
の種類によっては、窒化物薄膜上に素子を作り込んだ後
で支持基板を取り去る構成としてもよい。
【0058】支持基板の除去により得られた電子デバイ
ス用基板では、通常、支持基板と反対側の面を、窒化物
半導体薄膜等をエピタキシャル成長させる面として用い
る。
【0059】窒化物半導体装置 本発明の電子デバイス用基板を利用した窒化物半導体装
置の具体的用途は特に限定されず、窒化物半導体薄膜の
高結晶性および平坦性を利用した各種用途に好ましく適
用できる。具体的には、例えば、1層の窒化物半導体薄
膜上にショットキー電極を形成してショットキーダイオ
ードを構成したり、複数の窒化物半導体薄膜を設けてp
n接合を形成し、ダイオードやトランジスタを構成した
り、さらに活性層を設けて発光ダイオードを構成した
り、共振構造としてレーザーダイオードを構成したりす
ることができる。
【0060】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。
【0061】実施例1 まず、支持基板上に、バッファ層としてZrO2薄膜を
形成した。ZrO2薄膜の形成は、本出願人による特開
平8−109099号公報に記載された方法に準じて、
以下の手順で行った。
【0062】支持基板には、その表面が(111)面と
なるように切断して鏡面研磨したSi単結晶ウエハ(直
径2インチの円形、厚さ300μm)を用いた。研磨表
面は、40%フッ化アンモニウム水溶液によりエッチン
グ洗浄した。次に、図1に示す蒸着装置1を用い、その
真空槽1a内に設置された回転軸4およびモータ5を有
する回転手段と、ヒータ6を有する加熱手段とを備えた
基板ホルダ3に、支持基板2を固定し、真空槽内を10
-6Torrまで油拡散ポンプにより排気した。次に、支持基
板2の洗浄面をSi酸化物により保護するために、ま
ず、基板を20rpmで回転させ、酸化性ガス供給装置7
の酸化性ガス供給ノズル8から、酸素を支持基板2表面
付近に25cc/分の割合で導入しながら、600℃に加
熱した。これにより熱酸化が生じて、支持基板2表面に
厚さ約1nmのSi酸化物層が形成された。
【0063】次いで、支持基板を900℃に加熱し、2
0rpmで回転させると共にノズルから酸素ガスを25cc
/分の割合で導入しながら、Zr蒸発部9から金属Zr
を蒸発させて基板表面に供給した。これにより、前工程
で形成したSi酸化物層の還元とZrO2薄膜(バッフ
ァ層)の形成とを行った。このZrO2薄膜の厚さは、
10nmとした。
【0064】このZrO2薄膜についてX線回折を行っ
たところ、ZrO2の(111)ピークが明瞭に観察さ
れ、単一配向性の高結晶性の膜であることがわかった。
この(111)反射のロッキングカーブの半値幅は0.
7°(支持基板からの反射を含む実測値)であり、配向
性に優れることも確認できた。また、このZrO2薄膜
を、RHEEDにより評価した結果、この薄膜表面の回
折パターンは完全にストリークであった。この完全にス
トリークであるパターンは、このZrO2薄膜が結晶
性、表面性に優れたエピタキシャル膜であることを示し
ている。また、この薄膜表面のほぼ全体にわたる10箇
所において、JIS B 0610による十点平均粗さRz(基準
長さL:500nm)を測定したところ、平均で0.80
nm、最大で1.00nm、最小で0.08nmであり、分子
レベルで平坦であることが確認された。
【0065】なお、図1に示す希土類元素蒸発部10か
ら希土類元素を蒸発させることにより、ZrO2薄膜に
替えて希土類元素酸化物薄膜を形成し、同様に結晶性と
表面性とを評価したところ、ZrO2薄膜と同等の結果
が得られた。ただし、ZrO2と希土類元素酸化物との
固溶体からなる薄膜を形成した場合には、表面性がやや
悪くなった。また、ZrO2薄膜およびYSZ(Yによ
り安定化したジルコニウム)薄膜の抵抗率を測定した結
果、ZrO2薄膜はYSZ薄膜に比べ5倍の高抵抗を示
し、絶縁性に優れることが確認された。
【0066】次に、ZrO2薄膜上に、窒化物薄膜とし
て厚さ20μmのAlN薄膜を形成した。AlN薄膜の
形成は、N2ガス雰囲気中におけるRFマグネトロンス
パッタリング法により行った。ターゲットにはAlを用
い、基板温度は600℃、N2ガス圧は0.25Pa、R
Fパワーは300Wとした。
【0067】このAlN薄膜についてX線回折を行った
ところ、AlNの(0002)ピークが明瞭に観察さ
れ、単一配向性のウルツァイト型の高結晶性の膜である
ことがわかった。この(0002)反射のロッキングカ
ーブの半値幅は1.9°であり、配向性に優れることも
確認できた。このAlN薄膜をRHEEDにより評価し
た。RHEEDにおける回折パターンは、支持基板を面
内において回転させると、図2のパターンと図3のパタ
ーンとが回転角30°ごとに交互に現れるものであっ
た。これらのパターンから、このAlN薄膜は、エピタ
キシャル膜であることがわかる。この薄膜表面のほぼ全
体にわたる10箇所において、JIS B 0610による十点平
均粗さRz(基準長さL:500nm)を測定したとこ
ろ、平均で2.5nm、最大で5nm、最小で1.0nmであ
り、平坦であることが確認された。
【0068】次に、ウエットエッチングにより支持基板
を取り去った。具体的には、AlN薄膜表面をフォトレ
ジスト層で保護した後、KOH溶液に投入することによ
り支持基板を溶解して取り去った。これにより、自立性
を有するAlN薄膜からなる電子デバイス用基板が得ら
れた。
【0069】実施例2 表面が(100)面となるように切断、鏡面研磨したS
i単結晶(直径2インチの円形、厚さ300μm)から
なる支持基板(100)と、表面が(111)面となる
ように切断、鏡面研磨したSi単結晶(直径2インチ、
厚さ300μm)からなる支持基板(111)とを準備
し、これらの支持基板の表面を、40%フッ化アンモニ
ウム水溶液によりエッチング洗浄した。これらの支持基
板を用いて、 1.支持基板、 2.バッファ層(Lu23薄膜)、 3.窒化物(GaN)薄膜 の順で薄膜が積層された膜構造体を、以下の手順で作製
した。
【0070】まず、実施例1と同様にして支持基板表面
にSi酸化物層を形成し、次いで、Zrの替わりにLu
を用いたほかは実施例1と同様にして、Lu23薄膜を
形成した。Lu23薄膜の厚さは、10nmとした。
【0071】Lu23薄膜についてX線回折を行ったと
ころ、支持基板(100)を用いた場合にはLu23
膜の希土類C型構造の(222)ピークが明瞭に観察さ
れ、強く配向したLu23結晶膜が得られたことが確認
された。また、支持基板(111)を用いた場合にも同
様に(222)ピークが明瞭に観察され、支持基板の結
晶構造、対称性を反映した方位に強く配向したLu23
結晶膜が得られたことが確認された。
【0072】また、各支持基板上のLu23薄膜をRH
EEDにより評価した。この結果、回折パターンはシャ
ープなストリーク状であり、これらの薄膜がエピタキシ
ャル膜であってその表面が原子レベルで平坦であること
が確認された。また、これらのLu23薄膜表面のほぼ
全体にわたる10箇所において、JIS B 0610による十点
平均粗さRz(基準長さL:500nm)を測定したとこ
ろ、支持基板(100)上のLu23(111)薄膜で
は、平均で0.70nm、最大で0.95nm、最小で0.
10nmであり、支持基板(111)上のLu23(11
1)薄膜では、平均で0.80nm、最大で1.00nm、
最小で0.08nmであり、いずれも分子レベルで平坦で
あった。
【0073】次に、各Lu23(111)薄膜上に、
(0001)GaN薄膜を100μmの厚さに形成し
た。形成にはRFマグネトロンスパッタリング法を用
い、反応性ガスとして窒素を、ターゲットとしてGaを
用いた。基板温度は600℃とした。
【0074】支持基板(111)上に形成したGaN薄
膜についてX線回折を行ったところ、GaNの(000
2)ピークが明瞭に観察され、単一配向性のウルツァイ
ト型の高結晶性の膜であることがわかった。この(00
02)反射のロッキングカーブの半値幅は1.3°であ
り、配向性に優れることも確認できた。このGaN薄膜
を、RHEEDにより評価した。RHEEDにおける回
折パターンは、支持基板を面内において回転させると、
図4のパターンと図5のパターンとが回転角30°ごと
に交互に現れるものであった。これらのパターンから、
このGaN薄膜は、エピタキシャル膜であることがわか
る。この薄膜表面のほぼ全体にわたる10箇所におい
て、JIS B 0610による十点平均粗さRz(基準長さL:
500nm)を測定したところ、平均で0.9nm、最大で
1.5nm、最小で0.5nmであり、平坦であることが確
認された。
【0075】なお、支持基板(100)上に形成したG
aN薄膜についても、X線回折、RHEEDおよび表面
平坦性の評価において同様な結果が得られた。
【0076】次に、コロイダルシリカを用いた機械的研
磨により支持基板を厚さ20μmまで研削し、続いて、
ウエットエッチングにより支持基板の残部とLu23
膜とを取り去り、自立性を有するGaN薄膜からなる電
子デバイス用基板を得た。
【0077】実施例3 支持基板(111)を用い、GaN薄膜の厚さを400
nmとしたほかは実施例2と同様にして、支持基板、バッ
ファ層および窒化物薄膜からなる膜構造体を得た。
【0078】この膜構造体の窒化物薄膜上に、補強膜と
して厚さ200μmのGaN膜を形成した。補強膜の形
成には、窒化物薄膜と同様にRFマグネトロンスパッタ
リング法を用いた。スパッタリングの際の条件は、補強
膜に応力が生じないように選択した。具体的には、基板
(膜構造体)温度を室温とし、RFパワーを1kWとし、
スパッタ雰囲気をAr+N2(N2:20%)とした。得
られた補強膜は、面内に垂直にc軸が配向した多結晶膜
であった。
【0079】次に、実施例2と同様にして支持基板を厚
さ20μmまで研削し、続いてウエットエッチングによ
り支持基板の残部を取り去った。さらに、Arイオンエ
ッチングによりLu23薄膜を完全に除去し、補強膜と
窒化物薄膜との積層体からなる自立膜を得た。なお、L
23薄膜を除去する際に、窒化物薄膜も厚さ約50nm
にわたって除去された。補強膜を形成しなかった場合に
は窒化物薄膜を自立膜とすることは不可能であった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電子デバイス用基板の製造に用いられ
る蒸着装置の一例を示す図である。
【図2】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si
(111)支持基板/ZrO2(111)薄膜構造上に
形成したAlN薄膜のRHEEDパターンである。
【図3】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si
(111)支持基板/ZrO2(111)薄膜構造上に
形成したAlN薄膜のRHEEDパターンであり、電子
線の入射方向を、支持基板面内において図2に対し30
°回転させた方向とした場合のものである。
【図4】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si
(111)支持基板/Lu23(111)薄膜構造上に
形成したGaN薄膜のRHEEDパターンである。
【図5】結晶構造を示す図面代用写真であって、Si
(111)支持基板/Lu23(111)薄膜構造上に
形成したGaN薄膜のRHEEDパターンであり、電子
線の入射方向を、支持基板面内において図4に対し30
°回転させた方向とした場合のものである。
【図6】YSZ立方晶の格子定数を説明するための模式
図である。
【符号の説明】
1 蒸着装置 1a 真空槽 2 支持基板 3 ホルダ 4 回転軸 5 モータ 6 ヒータ 7 酸化性ガス供給装置 8 酸化性ガス供給ノズル 9 Zr蒸発部 10 希土類元素蒸発部

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al、GaおよびInから選択される少
    なくとも1種とNとを主成分とし、ウルツァイト型構造
    を有する窒化物結晶を有する窒化物薄膜から構成され、
    前記窒化物結晶の(0001)面が、前記窒化物薄膜表
    面に平行となるように単一配向しており、面積が10cm
    2以上である電子デバイス用基板。
  2. 【請求項2】 請求項1の電子デバイス用基板の一方の
    面側に、希土類元素(ScおよびYを含む)の酸化物お
    よび/または酸化ジルコニウムから構成されるエピタキ
    シャル膜であるバッファ層が存在する電子デバイス用基
    板。
  3. 【請求項3】 請求項1または2の電子デバイス用基板
    の一方の面の一部に、Siからなる支持部材が存在する
    電子デバイス用基板。
  4. 【請求項4】 請求項1または2の電子デバイス用基板
    の一方の面に、補強板を張り付けたものである電子デバ
    イス用基板。
  5. 【請求項5】 請求項1または2の電子デバイス用基板
    の一方の面に、前記窒化物薄膜の自立性を補強するため
    の補強膜を形成したものである電子デバイス用基板。
  6. 【請求項6】 前記補強膜が、Al、GaおよびInか
    ら選択される少なくとも1種とNとを主成分とし、多結
    晶またはアモルファスである請求項5の電子デバイス用
    基板。
  7. 【請求項7】 前記窒化物薄膜がエピタキシャル膜であ
    る請求項1〜6のいずれかの電子デバイス用基板。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかの電子デバイス
    用基板を製造する方法であって、 表面がSi単結晶から構成される支持基板の表面に、希
    土類元素の酸化物および/または酸化ジルコニウムから
    構成されるエピタキシャル膜であるバッファ層を形成
    し、このバッファ層表面に前記窒化物薄膜を成長させた
    後、支持基板の少なくとも一部または支持基板とバッフ
    ァ層との少なくとも一部を除去する工程を有する電子デ
    バイス用基板の製造方法。
  9. 【請求項9】 支持基板がSi(100)面を表面に有
    するものであり、バッファ層が(111)配向である請
    求項8の電子デバイス用基板の製造方法。
  10. 【請求項10】 支持基板がSi(111)面を表面に
    有するものであり、バッファ層が(111)配向である
    請求項8の電子デバイス用基板の製造方法。
  11. 【請求項11】 支持基板の少なくとも一部、または支
    持基板とバッファ層との少なくとも一部を除去する際
    に、研磨またはエッチングを利用する請求項8〜10の
    いずれかの電子デバイス用基板の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記窒化物薄膜をスパッタリング法に
    より成長させる請求項8〜11のいずれかの電子デバイ
    ス用基板の製造方法。
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