KR20100040261A

KR20100040261A - 우르츠광형 결정성장용 기판, 그 제조 방법, 및 반도체장치

Info

Publication number: KR20100040261A
Application number: KR1020090095436A
Authority: KR
Inventors: 나호 이타가키; 타쓰야 이와사키; 카츠유키 호시노
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2010-04-19
Also published as: EP2175054A2; JP5451280B2; US8679650B2; EP2175054A3; CN101719483B; JP2010114423A; KR101270519B1; CN101719483A; US20100092800A1; EP2175054B1

Abstract

적층구조체는, 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어진 제1층과, 상기 제1층 위에 형성된 금속 산질화물 결정으로 이루어진 제2층을 포함하고, 상기 제2층이, Ｉｎ, Ｇａ, Ｓｉ, Ｇｅ 및 Ａｌ로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소를 포함하고, N, O 및 Ｚｎ을 주원소로서 포함하고, 또한 제2층이 면내 배향성을 갖는다.

우르츠광형, 결정성장용 기판, 반도체 장치, 적층구조체.

Description

우르츠광형 결정성장용 기판, 그 제조 방법, 및 반도체장치{SUBSTRATE FOR GROWING WURTZITE TYPE CRYSTAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은, 대표적으로는 우르츠광형(wurtzite type) 결정인 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어지는 제1층과 금속 산질화물 결정으로 이루어지는 제2층을 갖는 적층구조체를 구비한 우르츠광형 결정성장용 기판, 그 제조 방법, 및 반도체장치에 관한 것이다.

최근, ＩｎＮ의 광학 밴드갭이 0.7ｅＶ(적외영역), ＧａＮ의 광학 밴드갭이 3.4ｅＶ(자외영역)이므로, ＩｎＧａＮ질화물반도체를 수발광소자로서 이용했을 경우, 자외영역에서 적외영역까지 매우 넓은 대역에서 수발광할 수 있다고 생각되기 때문에, ＩｎＧａＮ계 반도체를 사용한 수발광소자가 주목받고 있다. 또한, 그 작은 전자유효질량 때문에, 전자 디바이스에의 적용을 생각했을 경우에도 고주파동작을 기대할 수 있다. 이상의 배경으로부터, ＩｎＧａＮ에 대한 연구 개발이 최근 왕성해지고 있다. 이것들의 관련 기술들은, 예를 들면 일본특허 제2751963호, Applied Physics Letters Ｖｏｌ．92, p.262110(2008), Physica.Status.Solidi.(c)5, No.1, p.143(2008), 및 Proceedings of SPIE, Vol.6669, p.66690X (2007)에 기재되어 있다.

그렇지만, 우르츠광형 결정인 ＩｎＧａＮ과 격자 정합된 결정 기판이 존재하지 않는다고 하는 문제가 있다. ＧａＮ과 같이 사파이어(Ａｌ₂O₃)를 기판으로서 사용하고 그 사파이어 위에 직접 ＩｎＧａＮ을 성장하는 방법이 이용되고 있지만, 그 얻어진 막의 결정성은 낮다. 그러므로, 일본특허 제2751963호 및 Applied Physics Letters Ｖｏｌ．92, p.262110(2008), Physica.Status.Solidi.(c)5, No.1, p.143(2008)에서는, 사파이어 위에 우선 ＧａＮ층을 성장하고, 그 후 ＩｎＧａＮ의 성장을 행한다고 하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에서는, ＧａＮ층을 성장시키고나서 ＩｎＧａＮ을 성장시키기 때문에, 성장 면내에서의 회전 도메인의 형성을 억제하여, 높은 결정성을 얻는다고 하는 장점이 있다.

그러나, ＧａＮ과 ＩｎＮ의 a축 격자정수는, 각각 0.3189ｎｍ와 0.3548ｎｍ로 크게 다르기 때문에, 지금까지 얻어진 고품질인 IｎＧａＮ은 모두 Ｇａ-ｒｉｃｈ조성뿐이었다. 이것에는 여러 가지 요인이 생각될 수 있고, 그 하나의 요인은, ＧａＮ 위에 ＩｎＧａＮ을 성장할 때, 성장 초기 과정에서의 Ｇａ조성 인입 효과(ＧａＮ하지층과의 격자부정합을 감소시키기 위해서 Ｉｎ원자가 받아들이기 어려워 지는 효과)로 인해, 상기 하지층과 크게 격자정수가 다른 결정을 얻는 것이 어려운 것이다.

그러므로, Proceedings of SPIE, Vol.6669, p.66690X (2007)에서는, ＺｎＯ가 ＧａＮ보다도 격자정수가 크고, ＩｎＧａＮ과의 격자 부정합이 작기 때문에 ＺｎＯ기판 위에 ＩｎＧａＮ을 형성하는 시도를 한다. 그러나, ＺｎＯ와 완전하게 격자 정합된 Ｉｎ의 조성은, Ｉｎ/(Ｉｎ+Ｇａ)=18원자％이며, 여전히, Ｉｎ-ｒｉｃｈ의 고품질ＩｎＧａＮ막을 형성하는 것이 곤란하다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하는 것이며, 그 목적은, 원하는 격자정수와 우수한 결정성을 갖는 적층구조체를 구비하는 우르츠광형 결정성장용기판 및 그 제조 방법을 제공하는데에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기 우르츠광형 결정성장용 기판을 사용한 반도체장치를 제공하는데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명자들은 금속 산질화물 결정과 우르츠광형 결정의 적층 구조체에 착안해서 예의 검토하였다. 그 결과, 본 발명을 완성하였다. 본 발명에서는, 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어지는 제1층과 상기 제1층 위에 형성되는 금속 산질화물 결정으로 이루어지는 제2층을 갖고, 상기 제2층이, Ｉｎ, Ｇａ, Ｓｉ, Ｇｅ 및 Ａｌ로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소와, N, O 및 Ｚｎ을 주원소로서 포함하고, 또한 상기 제2층이 면내배향성을 갖는, 적층구조체를 구비한, 우르츠광형 결정성장용 기판을 지향한다.

상기 제1층은, 우르츠광형 결정 또는 Ａl₂O₃결정이다. 상기 제2층은 우르츠광형 결정이다.

상기 제2층의 ａ축 격자정수는, 0.320ｎｍ로부터 0.358ｎｍ까지의 범위에 있다.

상기 제2층의 (002)면의 X선 록킹 커브(rocking curve)의 반값폭(FWHM)은, 1도 이하이다.

상기 제1층은 ＧａＮ 및 ＺｎＯ로 이루어진 군으로부터 선택된 우르츠광형 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｉｎ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9.

상기 제1층은 ＧａＮ 및 ＺｎＯ로 이루어진 군으로부터 선택된 우르츠광형 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｇａ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9.

상기 제1층은 Ａｌ₂O₃ 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｉｎ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9.

상기 제1층은 Ａｌ₂O₃ 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｇａ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9.

본 발명에서는, 우르츠광형 결정성장용 기판을 기판으로서 사용한 반도체장치를 지향한다.

본 발명에서 지향하는 적층구조체를 구비한 우르츠광형 결정성장용 기판의 제조 방법은, 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어지는 제1층 위에, 면내 배향성을 갖는 금속 산질화물 결정으로 이루어진 제2층을, 질소를 포함하는 분위기중에서 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2층은, Iｎ, Ga, Ｓｉ, Ｇｅ 및 Ａｌ로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1개의 원소와, N, O 및 Ｚｎ을 주원소로서 포함한다.

상기 제2층은 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있다.

상기 제2층의 막 증착 속도는, 10ｎｍ/ｍｉｎ이하이다.

본 발명에 의하면, 원하는 격자정수와 우수한 결정성을 갖는 우르츠광형 결정성장용 기판을 저비용으로 제공할 수 있다.

또한, 적층구조체를 구비한 우르츠광형 결정성장용 기판을 사용하여, 고속의 트랜지스터나 다이오드, 또 고효율의 수광소자나 발광소자 등의 반도체장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부된 도면을 참조하여 아래의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.

우선, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명의 완성에 이른 경위를 설명한다.

본 발명자들은, ＺｎＯ가 ＩｎＮ, ＧａＮ 및 ＡｌＮ등의 질화물과 같이 우르츠광형의 결정구조를 갖는 사실에 착안하고, ＺｎＯ와 상기 질화물의 혼정인 금속 산질화물막의 작성을 시험해 보았다. 그 결과, 상기 금속 산질화물막은 모두 (001)배향(c축 배향)한 우르츠광형의 원자배치를 갖는 결정구조를 나타내는 것을 알았다.

도 1은 상기 금속 산질화물막의 전형적인 이차원 X선회절 패턴을 나타낸다. 여기에서, 상기 이차원 X선회절 패턴은, 시료를 기울이면서 q-2q측정(q:X선 입사각)을 반복하고, 그 회절강도를 연결시켜서 얻어지고, 배향막의 상동정(phase identification)이 가능하다. 도 1중의 가로축은 2q, 세로축은 기판 경사각χ를 나타내고 있다. 도 2는 X선회절의 기하학적 배치도를 나타낸다. 도 2에서, 화살표 2θ-θ는 산란 벡터를 나타낸다.

도 1에 나타나 있는 바와 같이, 금속 산질화물의 조성에 의존하여,

χ(기판경사각)가 0도 근방일 경우, 2q=30 내지 35도 부근에,

χ가 32도 근방일 경우, 2q=56 내지 64도 부근에(도시 생략),

χ가 43도 근방일 경우, 2q=43 내지 48도 부근에,

χ가 62도 근방일 경우, 2q=33 내지 37도 부근에,

χ가 약 90도 근방일 경우, 2q=29 내지 32도 부근에,

χ가 약 90도 근방일 경우, 2q=52 내지 58도 부근에(도시 생략),

회절 피크가 관측된다.

상기 관측된 회절 피크는, (001)배향한 우르츠광 구조를 갖는 ＺｎＯ와 ＧａＮ의 시뮬레이션 결과(도 3 및 도 4)와 같은 패턴을 보이고 있다.

이것으로부터, 박막 전체가 도 5에 나타나 있는 바와 같은, (001)배향한 우 르츠광형 구조의 원자배치를 갖는 산질화물로 형성되어 있는 것을 안다. 또한, 본 발명에 있어서, 우르츠광형 구조의 원자배치를 갖는 결정구조는, 이차원 X선회절에서 얻어지는 상술한 바와 같은 우르츠광형 구조와 같은 패턴에 대응한다.

다음에, 본 발명자들은, ＺｎＧｅＮ₂ 및 ＺｎＳｉＮ₂의 결정구조에 착안하고, 그 ＺｎＧｅＮ₂ 및 ＺｎＳｉＮ₂와 ＺｎＯ의 혼정으로 이루어진 금속 산질화물막의 제작을 시험해 보았는데, 그 이유는, ＺｎＧｅＮ₂와 ＺｎＳｉＮ₂의 결정구조가 사방정계로 분류되지만, N원자가, 각각 2개의 Ｇｅ와 2개의 Ｚｎ, 또는 2개의 Ｓｉ와 2개의 Ｚｎ으로 이루어진 4면체로 둘러싸여진 구조를 갖고, 우르츠광형 구조와 유사한 구조를 갖고 있기 때문이다. 그 결과, 이차원 X선회절에 있어서, 상기 금속 산질화물막도 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻고, 모두 (001)배향한 우르츠광형의 원자배치를 갖는 결정구조를 갖는 것을 알았다.

또한, 본 발명자들의 지견에 의하면, 이것들 금속 산질화물막을 우르츠광형 결정 위에 형성함으로써, 우수한 결정성과 정렬된 면내배향을 갖는 금속 산질화물막을 형성할 수 있다.

도 6은, 본 발명에 있어서의 금속 산질화물막의 X선회절 (002)면반사의 전형적인 록킹 커브를 나타낸다. 록킹 커브는, 특정한 결정면이 브래그(Bragg)의 회절조건을 충족시키는 각도의 2배의 위치에 디텍터를 고정하고, X선의 입사각을 변화시켜서 얻어진 회절이다. 록킹 커브의 FWHM에 의하여 면 방위의 요동의 정도를 판단할 수 있고, FWHM의 값이 작을수록, 결정 품질이 양호하다고 말할 수 있다. 본 발명에 있어서, FWHM은 조성 및 제막조건에 의존하지만, 어떠한 경우에도 1도 이하이며 작고, 고품질의 (001)배향 금속 산질화물막이 제작되어 있는 것을 안다.

도 7은 본 발명의 금속 산질화물막의 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 결과의 전형적인 예를 나타낸다. 여기에서, φ스캔은, 이차원 X선회절측정으로부터 얻어진 (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 시료를 면내방향으로 회전시켜서 행한다. 도 7로부터, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 본 발명의 금속 산질화물막이 6중 대칭구조를 갖는 것을 안다.

또한, 본 발명에 있어서, 면내배향성을 갖는 결정은, (101)면 φ스캔에 있어서, 전술한 바와 같이, 60도 간격으로 관측되는 회절 피크에 대응한다.

또한, 상기 금속 산질화물막의 격자정수를 X선회절 및 투과 전자현미경(ＴＥＭ)관찰로부터 도출한 결과, 그 조성에 의존해서 a축 격자정수가 0.320ｎｍ 내지 0.358ｎｍ의 범위에 있는 것을 알았다.

본 발명은 이러한 지견에 근거해서 이루어진다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 적층 구조체를 포함하는 우르츠광형 결정성장용 기판에 관하여 설명한다.

도 8은 본 실시예의 적층 구조체를 포함하는 우르츠광형 결정성장용 기판의 모식도를 나타낸다. 기판(10) 위에 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어지는 제1층(11)을 설치하고, 제1층(11) 위에 금속 산질화물 결정으로 이루어지는 제2층(12)을 설치함으로써 형성된다.

상기 기판(10)으로서는, 우르츠광형 결정성장에 일반적으로 사용된 Ａｌ₂O₃(산화알류미늄)이나 ＧａＮ(질화갈륨), ＺｎＯ(산화아연), Ｓｉ(규소), ＳｉＣ(탄화 규소), ＳｃＡｌＭｇＯ₄(ＳＣＡＭ, 스칸듐 알루미늄 마그네슘 옥사이드), Y-안정화ＺｒＯ₂(ＹＳＺ)등을 사용할 수 있다. 제1층(11)으로서는, 6중 대칭구조를 갖는 결정, 예를 들면, Ａｌ₂O₃, ＧａＮ, ＺｎＯ, ＩｎＮ(질화인듐), ＡｌＮ(질화알루미늄), Ｓｉ, ＳｉＣ, ＳＣＡＭ, YＳＺ, 또는 이것들을 적층한 막들을 사용하여도 되고, 특히, 우르츠광형 결정 또는 Ａｌ₂O₃ 결정을 사용할 수 있다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 제1층(11)으로서 ＧａＮ과 ＺｎＯ을 사용하면, 상기 제1층(11) 위에 형성된 제2층(12)의 결정성이 높다. 특히, 제1층(11)으로서 ＧａＮ과 ＺｎＯ을 사용하면, 제2층(12)의 결정성은 매우 높다.

본 발명에 적용할 수 있는 적층 구조체를 포함하는 우르츠광형 결정성장용 기판의 구성은, 상기 구성에 한정되지 않는다. 도 9에 나타나 있는 바와 같이, 예를 들면 ＧａＮ, ＺｎＯ, Ａｌ₂O₃ , ＡｌＮ, ＳｉＣ 및 ＳＣＡＭ으로 이루어진 제1층(11)은, 기판(10)으로서의 역할을 하여도 된다.

금속 산질화물 결정으로 이루어지는 제2층(12)으로서는, Ｉｎ, Ｇａ, Ｓｉ, Ｇｅ(게르마늄) 및 Ａｌ로부터 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소와, N, O 및 Ｚｎ을 포함하는 금속 산질화물을 사용할 수 있다. 예를 들면, ＩｎＺｎＯＮ, ＧａＺｎＯＮ, ＩｎＧａＺｎＯＮ, ＩｎＡｌＺｎＯＮ, ＳｉＺｎＯＮ, ＧｅＺｎＯＮ 및 ＩｎＧｅＺｎＯＮ등의 금속 산질화물막을 사용할 수 있다. 여기에서, 주원소는, 금속 산질화물내의 기지의 원소를 나타내고, 시료에의 첨가원소는 포함되지 않는다. 예를 들면, Ｉｎ과 N을 미량 첨가한 ＺｎＯ는, Ｉｎ과 N의 미량을 ＺｎＯ에 첨가한 경우라도 격자정수가 ＺｎＯ의 정수로부터 거의 바뀌지 않기 때문에, 본 발명의 금속 산질화물에는 포함되지 않는다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 격자정수를 변화시키기 위해서는, 상기 원소들이 주원소로서 포함되어야 하고, 구체적으로는 막중의 총 원자수에 대하여, 적어도 5원자％정도 포함되어야 한다. 반대로, 상기 산질화물만이 주원소를 포함하는 경우, 상기 산질화물은, 결정구조에 실질적으로 영향을 끼치지 않는 정도의 불순물을 포함하여 되고, 예를 들면, Ｂｅ(베릴륨) 및 Ｍｇ이라고 한 원소를 포함하여도 된다.

격자정수 제어의 관점에서, Ｚｎ, Ｉｎ, O 및 N을 주원소로서 포함할 수 있다.

도 10은 다른 Ｚｎ/(Ｉｎ+Ｚｎ)[원자％]를 갖는 ＩｎＺｎＯＮ막의 a축 격자정수[ｎｍ]를 나타낸다. Ｚｎ/(Ｉｎ+Ｚｎ)[원자％], 즉 조성비를 바꿈으로써, a축 격자정수를 약 0.330 내지 0.358의 폭넓은 범위에서 제어할 수 있는 것을 안다.

상기보다도 작은 격자정수가 필요한 경우에는, Ｇａ, Ｚｎ, O 및 N을 주원소로서 포함할 수 있다. 이때, a축 격자정수는 0.320ｎｍ 내지 0.332ｎｍ의 범위에서 제어될 수 있다. Ｇｅ, Ｚｎ, O, N; Ａｌ, Ｚｎ, O, N; 또는 Ｓｉ, Ｚｎ, O, N을 주원소로서 포함하는 경우도, a축 격자정수는 0.320ｎｍ 내지 0.330ｎｍ의 범위에서 제어하는 것이 가능해서, 바람직한 형태다.

이렇게 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판에 있어서의 금속 산질화물막 의 격자정수는 광범위하게 가변하여, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자정합성 기판으로서 우르츠광형 결정성장용 기판을 사용할 수 있다.

상기 우르츠광형 결정성장용 기판을 고품질 결정성장용 기판으로 사용하는 경우에, 금속 산질화물막의 결정성이 높고, 면내배향성을 갖고 있으면, 그 금속 산질화물막 위에 형성된 막의 결정성도 높게 되므로, 이러한 금속 산질화물막은 바람직하다. 본 발명자들의 검토에 의하면, (001)배향한 금속 산질화물막을 형성했을 경우, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 피크의 FWHM이 5°이하가 되면, 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판 위에 형성된 결정의 면내 배향성이 높고, 고품질의 결정성장이 가능하다. 그 때문에, 본 발명의 금속 산질화물막은 높은 면내 배향성을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 금속 산질화물 결정에서는, 면내배향성과 c축배향성간의 상관이 보여진다. 예를 들면, (001)배향한 금속 산질화물 결정에서는, (002)면의 X선 록킹 커브의 FWHM이 1°이하일 때, 높은 면내배향성((101)면φ스캔 피크의 FWHM이 5도이하)을 얻는다. 달리 말하면, 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판에 있어서, 금속 산질화물 결정으로 이루어진 제2층의 (002)면의 X선 록킹 커브의 FWHM이 1도이하일 수 있다.

다음에, 본 발명의 적층 구조체를 포함하는 우르츠광형 결정성장용 기판의 작성 방법에 관하여 설명한다. 우선, Ａｌ₂O₃, ＧａＮ, ＺｎＯ, Ｓｉ, ＳｉＣ, ＳＣＡＭ 및 ＹＳＺ등의 기판(10)을 준비한다.

이어서, 유기금속 화학기상성장법(ＭＯＣＶＤ), 분자선 에피택시법 (ＭＢＥ), 하이드라이드 기상 에피택시법(ＨＶＰＥ), 스퍼터링법, 펄스레이저 증착법, 및 전자빔증착법의 기상법, 혹은 그것들의 조합 등에 의해 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어진 제1층(11)을 형성한다.

또한, ＧａＮ, ＺｎＯ, Ａｌ₂O₃, ＳｉＣ 및 ＳＣＡＭ등, 6중 대칭구조를 갖는 제1층(11)이 기판(10)을 겸해도 된다.

또한, 제1층(11) 또는 제2층(12)을 형성하기 전에, 사용하는 기판(10)과 제1층(11)의 구성 원소와 제막방법에 따라, 대기 아닐(annealing), 진공 아닐, 수소 아닐, 질소 아닐 및 암모니아 아닐 등의 사전처리를 기판(10)에 대하여 행한다. 특히, 기판(10) 또는 제1층(11)이 Ａｌ₂O₃로 구성되는 경우, 수소 아닐 또는 암모니아 아닐을 행하는 것이 바람직하다. 이에 따라 Ａｌ₂O₃위에 형성되는 제1층 혹은 제2층의 고품질화가 가능해진다. 우르츠광형 결정의 성장에 있어서, 양이온(cation) 극성이, 음이온 극성보다 결정성이 높은 것이 알려져 있다. 이것은, 상기 아닐 처리에 의해 우르츠광형 결정의 성장 모드가 양이온 극성이 되기 보다 쉽기 때문이다. 이 원인은 명확하지 않지만, 상기 아닐 처리에 의해, 산소가 환원 또는 에칭되어, 기판표면은 화학량론비보다도 Ａｌ-ｒｉｃｈ로 되어 있는 것이 원인이라고 생각된다.

제1층(11)을 형성할 때의 기판(10)의 온도도 마찬가지로, 사용하는 기판(10)과 제1층(11)의 구성 원소와, 제막방법에 따라 적당하게 설정한다.

이어서, 스퍼터링법, 펄스레이저 증착법, ＭＯＣＶＤ법, ＭＢＥ법, ＨＶＰＥ법, 전자빔증착법의 기상법 중 하나, 및 그것들의 조합 등에 의해 금속 산질화물 결정으로 이루어지는 제2층(12)을 형성한다. 기판(10)의 온도는 적당하게 설정할 수 있다.

특히, 스퍼터링법을 사용하는 경우, 기판(10)에 입사하는 입자의 에너지가 높아서, 기판(10)의 표면에서의 마이그레이션이 촉진되고, 저온에서도 고품질의 금속 산질화물막을 형성할 수 있다.

특히, 막 증착 속도가 작을 경우, 상기 효과는 현저하다. 구체적으로는, 10ｎｍ/ｍｉｎ이하의 막 증착 속도에서, 기판(10)의 온도가 300℃이하라도, 면내배향성을 갖는 금속 산질화물 결정을 형성할 수 있다.

또한, 스퍼터링법은, 다른 제막방법에 비교해서 장치 및 런닝 코스트가 저렴해서, 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판이 저비용으로 제공될 수 있다고 하는 장점도 있다.

금속 산질화물 형성동안에, 원하는 막중 질소농도에 따라, 기상중에 N원자를 포함하는 원료 가스(예를 들면, N₂, ＮＨ₃, 및 ＮＯ)를 도입한다. 이 때, 라디칼원 등을 사용해서 N라디칼을 조사하는 것도, 막중 질소농도를 크게 하고 싶을 경우에 효과적이다.

또한, 상기 공정 후, 제작된 산질화물에 대하여 열처리를 행하는 것도 바람직한 형태다. 열처리 온도의 상한은, 적당하게 설정할 수 있지만, 금속 산질화물막 의 구성 원소가 분해온도보다도 낮을 수 있다. 예를 들면, 금속 산질화물막이 Ｉｎ 및 N을 포함하는 경우에는, 550℃이하로 열처리할 수 있다. 이에 따라, 한층 더 결정성이 우수한 금속 산질화물막을 형성할 수 있다. 효과적으로 열처리를 행하기 위해서는, 질소, 산소, 수증기 및 이산화탄소 중 어느 하나를 포함하는 분위기중에서 열처리를 행해야 한다.

이상에 의해, 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판을 작성할 수 있다.

이렇게, 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판을 사용함으로써, 원하는 격자정수를 갖고, 결정성이 우수한 기판을 저비용으로 제공할 수 있다.

특히, 지금까지, ＺｎＯ와 ＩｎＮ의 사이의 격자정수(0.3250ｎｍ 내지 0.3548ｎｍ)를 갖는 우르츠광형 기판이 없었기 때문에, 임의의 Ｉｎ조성을 갖는 ＩｎＧａＮ을 형성하는 것은 곤란했지만, 본 발명의 우르츠광형 결정성장용 기판은 상기 과제를 해결한다.

이하, 실시예들을 사용해서 본 발명을 더욱 설명하지만, 본 발명은 이것들의 실시예들에 한정되지 않는다.

(실시예 1)

(ＺｎＩｎＯＮ/ＧａＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ:Ｉｎ=37:20)

본 실시예에서는, ｃ면 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성하고, 그 후에 아르곤 질소 혼합 분위기중에서의 RF스퍼터링에 의해, ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다.

우선, 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성했다. 또한, 본 실시예에서는 기판사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 행하였다. 이에 따라 기판 위에 형성된 고품질의 ＧａＮ이 가능하다. ＧａＮ성장에 있어서, Ｇａ극성쪽이 N극성에 비교해 결정성이 높은 것이 알려져 있다. 이것은, 상기 사전처리에 의해, ＧａＮ의 성장 모드가 Ｇａ극성이 되기 때문이다. 이 원인은 명확하지 않지만, 상기 사전처리에 의해 산소가 환원 혹은 에칭되어, 기판 표면은 화학량론비보다도 Ａｌ-rich로 되어 있는 것이 요인이라고 생각된다.

그 후, 기판온도를 470도까지 하강시키고, Ｇａ원료로서 트리메틸 갈륨(ＴＭＧ)을, N원료로서 암모니아를 흘리고, ＧａＮ저온 버퍼층을 20ｎｍ형성했다.

이어서, 온도를 1150℃로 승온하고, 원료로서 ＴＭＧ, 암모니아를 흘리고, 고온ＧａＮ층을 5μm성장했다.

이렇게 저온 버퍼층 위에 고온ＧａＮ을 형성하면, 버퍼층을 핵으로 해서 고온ＧａＮ형성시에 그 핵이 가로방향 성장하면서 합체하고, 최종적으로 평탄한 ＧａＮ을 얻을 수 있다. 또한, 고온ＧａＮ이 가로방향 성장함으로써 관통 전위(dislocation)가 구부러지고, 그 결과, 전위밀도를 낮게 유지할 수 있다.

상기에 의해 얻어진 ＧａＮ을, 원자력 현미경(ＡＦＭ)으로 관찰한 바, 평균 자승 거칠기(Ｒｒｍｓ)는 0.258ｎｍ이었다.

다음에, X선회절에 의해 결정성을 평가한 바, (002)면 반사의 록킹 커브 FWHM은 약 0.05도이고 작았고, 고품질의 (001)배향의 ＧａＮ이 형성되어 있는 것을 알았다.

또한, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스으로 측정한 바, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 이 때, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 0.15도이었다.

다음에, ＧａＮ 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. ＺｎＩｎＯＮ막의 제조는, 듀얼 스퍼터 장치를 사용하여 행했다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 Ｉｎ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는 ＺｎＯ가 90W, Ｉｎ이 12W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 12cm이고, 성막시의 기판온도는 300℃이었다. ＺｎＩｎＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소 혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ이었다. 상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. 러더포드 후방산란(ＲＢＳ)분석에 의해 측정된 ＺｎＩｎＯＮ막의 조성비는 Ｚｎ:Ｉｎ:O:N=37:20:29:14(단위:원자％)이었다. ＲＢＳ의 측정정밀도는 ±5%이다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ의 저항율을 4탐침 측정에 의해 평가한 바, 8mΩｃｍ의 값을 보였다.

(비교 예 1)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ｓｉ(100), 기판사전처리 있음)

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. 본 비교 예에서는, 기판사전처리로서, 불산으로의 자연 산화막의 제거를 행하고 있다. ＺｎＩｎＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 1과 마찬가지로 했다.

상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. ＲＢＳ분석에 의해 측정된 ＺｎＩｎＯＮ막의 조성비는 Ｚｎ:Ｉｎ:O:N=37:20:29:14(단위:원자％)이었다.

(비교 예 2)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ｓｉ(100), 기판사전처리 없음)

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. 본 비교 예에서는 기판사전처리는 행하지 않았다. ＺｎＩｎＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 1과 마찬가지로 했다.

(결정성 평가)

본 실시예 1 및 비교 예 1, 2에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, q-2q측정(q:X선 입사각)에 의해, a축 격자정수는 약 0.331ｎｍ인 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 1에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 약 0.1도이었다.

도 6은 본 실시예 1에서 얻어진 (002)면 반사의 록킹 커브를 나타낸다.

한편, 비교 예 1, 2에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서 록킹 커브를 측정한 경우, (002)면 반사의 FWHM은 약 4.5도이었다.

도 12는 비교 예 1에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 (002)면 반사의 록킹 커브를 나타낸다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＩｎＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내 배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있다. 이 때, (101)면φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 약 0.8도이었다.

도 7은 본 실시예 1에서 얻어진 (101)면 φ스캔의 측정 결과를 나타낸다. 이 때 FWHM은 0.8도이었다.

한편, 비교 예 1 및 2의 ＺｎＩｎＯＮ막의 (101)면 φ스캔 측정을 행한 경우, φ에 의존하지 않고 어느 각도로부터도 회절이 관측되어, 면내배향하지 않고 있는 것을 안다.

도 13은, 비교 예 1에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 있어서의 (101)면 φ스캔 측정 결과를 나타낸다.

다음에, 본 실시예 1에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막을, 원자력 현미경(ＡＦＭ)으로 관찰한 바, Ｒｒｍｓ는 그 조성에 의존해서 0.470ｎｍ이었다.

한편, 비교 예 1 및 2의 Ｒｒｍｓ는 약 0.9ｎｍ이며, 본 실시예 1의 ＺｎＩｎＯＮ막은 평탄한 막이 형성되어 있는 것을 안다.

이렇게 ＺｎＩｎＯＮ막을 ＧａＮ결정층 위에 적층함으로써, 결정성 및 평탄 성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예 1의 ＺｎＩｎＯＮ막의 a축 격자정수는 ＺｎＯ의 격자정수보다 커서, 본 실시예 1의 우르츠광형 결정성장용 기판은, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자정합성 기판으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예 1의 ＺｎＩｎＯＮ막은 저항율이 낮아서, 전극기능도 갖는 기판을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다. 한층 더, 상기 ＺｎＩｎＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하여, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과도 기대된다.

(실시예 2)

(ＺｎＩｎＯＮ/ＧａＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ:Ｉｎ=31:18)

우선, 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성했다. 본 실시예에서는, 기판사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 행하였다. 이에 따라, 기판 위에 형성된 고품질의 ＧａＮ이 가능하다. ＧａＮ성장에 있어서, Ｇａ극성쪽이 N극성에 비교해 결정성이 높은 것이 알려져 있다. 이것은, 상기 사전처리에 의해, ＧａＮ의 성장 모드가 Ｇａ극성이 되기 때문이다. 이 원인은 명확하지 않지만, 상기 사전처리에 의해 산소가 환원 혹은 에칭되어, 기판표면은 화학량론비보다도 Ａｌ-rich로 되어 있는 것이 요인이라고 생각된다. 그 후, 기판온도를 470도까지 하강시키고, Ｇａ원료로서 트리메틸 갈륨(ＴＭＧ)을, N원료로서 암모니아를 흘리고, ＧａＮ저온 버퍼층을 20ｎｍ형성했다.

이어서, 온도를 1150℃로 승온하고, 원료로서 ＴＭＧ 및 암모니아를 흘리고, 고온ＧａＮ층을 5μm성장했다.

이렇게 저온 버퍼층 위에 고온ＧａＮ을 형성하면, 버퍼층을 핵으로 해서 고온ＧａＮ형성시에 그 핵이 가로방향 성장하면서 합체하고, 최종적으로 평탄한 ＧａＮ을 얻을 수 있다. 또한, 고온ＧａＮ이 가로방향 성장함으로써, 관통 전위를 구부리고, 그 결과, 전위밀도를 낮게 유지할 수 있다.

상기에 의해 얻어진 ＧａＮ을, 원자력 현미경(ＡＦＭ)으로 관찰한 경우, 평균 자승 거칠기(Ｒｒｍｓ)는 0.258ｎｍ이었다.

다음에, X선회절에 의해 결정성을 평가한 경우, (002)면 반사의 록킹 커브 FWHM은 약 0.05도이고 작았고, 고품질의 (001)배향의 ＧａＮ이 형성되어 있는 것을 알았다.

또한, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 이 때, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 0.15도이었다.

다음에, ＧａＮ 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. ＺｎＩｎＯＮ막의 제조는 듀얼 스퍼터 장치를 사용하여 행했다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 Ｉｎ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)을 사용했다. 투입ＲＦ파워는 ＺｎＯ가 65W, Ｉｎ이 26W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 12cm이었고, 성막시의 기판온도는 300℃이었다. ＺｎＩｎＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ이었다.

상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. 러더포드 후방산란(ＲＢＳ)분석에 의해 측정된 ＺｎＩｎＯＮ막의 조성비는 Ｚｎ:Ｉｎ:O:N=31:18:31:20(단위:원자％)이었다. 또한, ＲＢＳ의 측정정밀도는 ±5%이다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ의 저항율을 4탐침 측정에 의해 평가한 경우, 2mΩｃｍ의 값을 나타냈다.

(비교 예 3)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ｓｉ(100), 기판사전처리 있음)

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. 본 비교 예에서는 기판사전처리로서, 불산으로의 자연 산화막의 제거를 행하였다. ＺｎＩｎＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 2와 마찬가지로 했다.

상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. ＲＢＳ분석에 의해 측정된 ＺｎＩｎＯＮ막의 조성비는 Ｚｎ:Ｉｎ:O:N=31:18:31:20(단위:원자％)이었다.

(비교 예 4)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ｓｉ(100), 기판사전처리 없음)

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. 본 비교 예에서는 기판사전처리는 행하지 않았다. ＺｎＩｎＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 2와 마찬가지로 했다.

(결정성 평가)

본 실시예 2 및 비교 예 3, 4에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, q-2q측정(q:X선 입사각)에 의해, a축 격자정수는 약 0.346ｎｍ인 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 2에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 약 0.3도이었다.

도 11은, 본 실시예 2에서 얻어진 (002)면 반사의 록킹 커브를 나타낸다. 한편, 비교 예 3, 4에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서 록킹 커브를 측정한 경우, (002)면 반사의 FWHM은 약 5.5도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＩｎＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되고, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 이 때, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 약 1.2도이었다. 한편, 비교 예 3 및 4의 ＺｎＩｎＯＮ막의 (101)면 φ스캔 측정을 행한 경우, φ에 의존하지 않고 어느 각도로부 터도 회절이 관측되고, 면내배향하지 않고 있는 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 2에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막을, 원자력 현미경(ＡＦＭ)으로 관찰한 경우, Ｒｒｍｓ는 조성에 의존해서 0.590ｎｍ이었다. 한편, 비교 예 3 및 4의 Ｒｒｍｓ는 약 1.2ｎｍ이며, 본 실시예 2의 ＺｎＩｎＯＮ막에서 평탄한 막이 형성되어 있는 것을 알았다.

이렇게 ＺｎＩｎＯＮ막을 ＧａＮ결정층 위에 적층함으로써, 결정성 및 평탄성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예 2의 ＺｎＩｎＯＮ막의 a축 격자정수는 ＺｎＯ의 격자정수보다 커서, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자 정합성 기판으로서 본 실시예 2의 우르츠광형 결정성장용 기판을 사용할 수 있다. 또한, 본 실시예 2의 ＺｎＩｎＯＮ막은 저항율이 낮아서, 전극기능도 갖는 기판을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하여, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과도 기대된다.

(실시예 3)

(ＺｎＩｎＯＮ/ＧａＮ/Ａｌ₂O₃;Ｚｎ/Ｉｎ조성 의존성)

우선, 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성했다. 본 실시예에서는, 기판사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 행하였다. 이에 따라, 기판 위에 형성된 고품질의 ＧａＮ이 가능하다. ＧａＮ성장에 있어서, Ｇａ극성쪽이 N극성에 비교해 결정성이 높은 것이 알려져 있다. 이것은, 상기 사전처리에 의해, ＧａＮ의 성장 모드가 Ｇａ극성이 되기 때문이다. 이 원인은 명확하지 않지만, 상기 사전처리에 의해 산소가 환원 혹은 에칭되고, 기판표면은 화학량론비보다도 Ａｌ-rich로 되어 있는 것이 요인이라고 생각된다.

이렇게 저온 버퍼층 위에 고온ＧａＮ을 형성하면, 버퍼층을 핵으로 해서 고온ＧａＮ형성시에 그 핵이 가로방향 성장하면서 합체하고, 최종적으로 평탄한 ＧａＮ을 얻을 수 있다. 또한, 고온ＧａＮ이 가로방향 성장함으로써 관통 전위가 구부러지고, 그 결과, 전위밀도를 낮게 유지할 수 있다.

다음에, ＧａＮ 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. ＺｎＩｎＯＮ막의 제조는, 대각 입사 구성의 코스퍼터링(co-sputtering) 장치를 사용하여 행했다. 타겟은 기판에 대하여 경사 방향으로 배치되고, 기판면상의 막의 조성이 타겟으로부터의 거리의 차에 의해 변화되었다. 이 때문에, 기판 위치를 바꿈으로써 여러 가지 조성을 갖는 박막을 얻을 수 있다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 Ｉｎ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는, ＺｎＯ가 74W이고, Ｉｎ이 18W이다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 10 내지 15cm, 성막시의 기판온도는 300℃로 했다. ＺｎＩｎＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소 혼합 가스 분위기중에서 성막되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ로 했다.

상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. 형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｉｎ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자 조성 비율은 10 내지 90원자％이었다. 또한, X선 광전자 분광(ＸＰＳ) 분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자조성 비율은 8원자％이상인 것이 확인되었다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ의 저항율을 4탐침 측정에 의해 평가한 경우, 조성에 따라 1 내지 10mΩｃｍ의 값을 나타냈다.

(비교 예 5)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ｓｉ(100), 기판사전처리 있음)

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. 본 비교 예에서는 기판 사전처리로서, 불산으로의 자연 산화막의 제거를 행하였다. ＺｎＩｎＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 3과 마찬가지로 했다.

상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다.

형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｉｎ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율이 10 내지 90원자％이었다.

또한, X선 광전자 분광(ＸＰＳ)분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자조성 비율은 8원자％이상인 것이 확인되었다.

(비교 예 6)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ｓｉ(100), 기판사전처리 없음)

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. 본 비교 예에서는 기판사전처리를 행하지 않았다. ＺｎＩｎＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 3과 마찬가지로 했다.

또한, 형광 X선 분석에 의해 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｉｎ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율이 10 내지 90원자％이다.

또한, X선 광전자 분광(ＸＰＳ)분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자 조성 비율은 8원자％이상인 것이 확인되었다.

(결정성 평가)

본 실시예 3 및 비교 예 5, 6에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다.

또한, 구성 원소의 조성비에 따라 격자정수의 변화가 관측되어, a 축 격자정수는 약 0.330ｎｍ로부터 0.358ｎｍ까지 변화되는 것을 알았다.

도 10은 다른 Ｚｎ/(Ｉｎ+Ｚｎ)조성비(원자％)에 있어서의 ＺｎＩｎＯＮ막의 a축 격자정수를 나타낸다. 도 10은 본 실시예 3의 ＺｎＩｎＯＮ막의 결과이고, 비교 예 5, 6 모두에 대해 같은 결과를 얻었다.

다음에, 본 실시예 3에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 조성에 따라 약 0.09 내지 0.5도이었다. 한편, 비교 예 5, 6에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서 록킹 커브를 측정한 경우, (002)면 반사의 FWHM은 3 내지 6도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＩｎＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내 배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 어느 조성에 있어서도 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있다. 이 때, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 조성에 따라 약 0.5 내지 1.5도이었다. 한편, 비교 예 5 및 6의 ＺｎＩｎＯＮ막의 (101)면 φ스캔 측정을 행한 경우, φ에 의존하지 않고 어느 각도로부터도 회절이 관측되어, 면내배향하지 않고 있는 것을 안다.

다음에, 본 실시예 3에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막을, 원자력 현미경(ＡＦＭ)으로 관찰한 경우, Ｒｒｍｓ는 조성에 의존해서 0.440ｎｍ 내지 0.650ｎｍ이었다. 한편, 비교 예 5 및 6의 Ｒｒｍｓ는 약 0.8 내지 1.5ｎｍ이며, 본 실시예 3의 ＺｎＩｎＯＮ막은 평탄한 막이 형성되는 것을 알았다.

이렇게 ＺｎＩｎＯＮ막을 ＧａＮ결정층 위에 적층함으로써, 결정성 및 평탄성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 특히, 본 실시예 3의 ＺｎＩｎＯＮ막의 격자정수는 광범위하게 가변하여, 본 실시예 3의 우르츠광형 결정성장용 기판은, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자 정합성 기판으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예 3의 ＺｎＩｎＯＮ막은 저항율이 낮아서, 전극기능도 갖는 기판을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하므로, 그 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과도 기대된다.

(실시예 4)

(ＺｎＧａＯＮ/ＧａＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ:Ｇａ=24:24)

본 실시예에서는, ｃ면 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성하고, 그 후에 아르곤 질소혼합 분위기중에서의 RF스퍼터링에 의해, ＺｎＧａＯＮ막을 형성했다.

먼저, 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성했다. 본 실시예에서는 기판사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 행하였다. 이에 따라, 기판 위에 형성된 고품질의 ＧａＮ이 가능하다. ＧａＮ성장에 있어서, Ｇａ극성쪽이 N극성에 비교해 결정성이 높은 것이 알려져 있다. 이것은 상기 사전처리에 의해, ＧａＮ의 성장 모드가 Ｇａ극성이 되기 때문이라고 생각된다. 또한, 이것은, 상기 사전처리에 의해 산소가 환원 혹은 에칭되어, 기판 표면은 화학량론비보다도 Ａｌ-rich로 되어 있는 것에 기인한다.

이어서, 온도를 1150℃로 승온하고, 원료로서 ＴＭＧ와 암모니아를 흘리고, 고온ＧａＮ층을 5μm 성장했다.

이렇게 저온 버퍼층 위에 고온ＧａＮ을 형성하면, 버퍼층을 핵으로 해서 고온ＧａＮ형성시에 그 핵이 가로방향 성장하면서 합체하고, 최종적으로 평탄한 ＧａＮ을 얻을 수 있다. 또한, 고온ＧａＮ이 가로방향 성장 함으로써, 관통 전위가 구부러지고, 그 결과, 전위밀도를 낮게 유지할 수 있다.

다음에, X선회절에 의해 결정성을 평가한 경우, (002)면 반사의 록킹 커브 FWHM은 약 0.05도이고 작았고, 고품질의 (001)배향의 ＧａＮ이 형성된 것을 알았다.

다음에, ＧａＮ 위에 ＺｎＧａＯＮ막을 형성했다. ＺｎＧａＯＮ막의 형성은 듀얼 스퍼터 장치를 사용하여 행하였다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 ＧａＮ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는 ＺｎＯ가 69W이고, ＧａＮ이 23W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 12cm, 성막시의 기판온도는 300℃로 했다. ＺｎＧａＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ로 했다. 상기 얻어진 ＺｎＧａＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. ＲＢＳ분석에 의해 측정된 ＺｎＧａＯＮ막의 조성비는 Ｚｎ:Ｇａ:O:N=24:23:28:25(단위:원자％)이다. ＲＢＳ의 측정정밀도는 ±5%이었다.

(비교 예 7)

(ＺｎＧａＯＮ/Ｓｉ(100))

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100)기판 위에 ＺｎＧａＯＮ막을 형성했다. ＺｎＧａＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 4와 마찬가지로 했다.

상기 얻어진 ＺｎＧａＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다. ＲＢＳ분석에 의해 측정된 ＺｎＧａＯＮ막의 조성비는 Ｚｎ:Ｇａ:O:N=24:23:28:25(단위:원자％)이었다.

(결정성 평가)

본 실시예 4 및 비교 예 7에서 얻어진 ＺｎＧａＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, 구성 원소의 조성비에 따라 격자정수의 변화가 관측되고, a 축 격자정수는 약 0.328ｎｍ이었다.

다음에, 본 실시예 4에서 얻어진 ＺｎＧａＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 약 0.2도인 것을 알았다.

도 14는 (002)면 반사의 록킹 커브를 나타낸다. 한편, 비교 예 7에서 얻어진 ＺｎＧａＯＮ에 대해서 록킹 커브를 측정한 경우, (002)면 반사의 FWHM은 5도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＧａＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 이 때, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 약 0.53도이었다.

도 15는 (101)면 φ스캔의 측정 결과를 나타낸다. 한편, 비교 예 7의 ＺｎＧａＯＮ막의 (101)면 φ스캔 측정을 행한 경우, φ에 의존하지 않고 어느 각도로부터도 회절이 관측되어, 면내배향하지 않고 있는 것을 알았다.

이렇게 ＺｎＧａＯＮ막을 ＧａＮ결정층 위에 적층함으로써, 결정성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예 4의 ＺｎＧａＯＮ막의 a축 격자정수는 ＺｎＯ의 격자정수보다 커서, 본 실시예 4의 우르츠광형 결정성장용 기판은, 예를 들 면 ＩｎＧａＮ등의 격자 정합성 기판으로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 ＺｎＧａＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하여, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다.

(실시예 5)

(ＺｎＧａＯＮ/ＧａＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ/Ｇａ 조성 의존성)

우선, 사파이어 기판 위에 ＭＯＣＶＤ법에 의해 ＧａＮ을 형성했다. 본 실시예에서는 기판사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 행하였다. 이에 따라, 기판 위에 형성된 고품질의 ＧａＮ가 가능하다. ＧａＮ성장에 있어서, Ｇａ극성쪽이 N극성에 비교해 결정성이 높은 것이 알려져 있다. 이것은, 상기 사전처리에 의해, ＧａＮ의 성장 모드가 Ｇａ극성이 되기 때문이라고 생각된다. 또한, 이것은, 상기 사전처리에 의해 산소가 환원 혹은 에칭되어, 기판표면은 화학량론비보다도 Ａｌ-rich로 되어 있는 것에 기인한다.

그 후에 기판온도를 470도까지 하강시키고, Ｇａ원료로서 트리메틸 갈륨(ＴＭＧ)을, N원료로서 암모니아를 흘리고, ＧａＮ저온 버퍼층을 20ｎｍ형성했다.

이어서, 온도를 1150℃로 승온하고, 원료로서 ＴＭＧ 및 암모니아를 흘리고, 고온ＧａＮ층을 5μm 성장했다.

이렇게 저온 버퍼층 위에 고온ＧａＮ을 형성하면, 버퍼층을 핵으로 해서 고온ＧａＮ형성시에 그 핵이 가로방향 성장하면서 합체하고, 최종적으로 평탄한 ＧａＮ을 얻을 수 있다. 또한, 고온ＧａＮ이 가로방향 성장함으로써, 관통 전위가 구부러지고, 그 결과, 전위밀도를 낮게 유지할 수 있다.

다음에, ＧａＮ 위에 ＺｎＧａＯＮ막을 형성했다. ＺｎＧａＯＮ막의 제조는 대각 입사구성을 갖는 코스퍼터링 장치를 사용하여 행하였다. 타겟은 기판에 대하여 경사 방향으로 배치되고, 기판면상의 막의 조성은 타겟으로부터의 거리의 차에 의해 변화된다. 이 때문에, 기판위치를 바꿈으로써 여러가지 조성을 갖는 박막을 얻을 수 있다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 ＧａＮ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는 ＺｎＯ가 69W이고, ＧａＮ이 23W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 10 내지 15cm, 성막시의 기판온도는 300℃로 했다. ＺｎＧａＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ로 했다.

상기 얻어진 ＺｎＧａＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 300ｎｍ이었다.

형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｇａ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율은 10 내지 90원자％이었다. 또한, X선 광전자 분광(ＸＰＳ)분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자조성 비율은 10원자％이상인 것이 확인되었다.

(비교 예 8)

(ＺｎＧａＯＮ/Ｓｉ(100))

본 비교 예에서는, Ｓｉ(100) 기판 위에 ＺｎＧａＯＮ막을 형성했다. ＺｎＧａＯＮ의 성막 조건은, 상기 실시예 5와 마찬가지로 했다.

형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｇａ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율은 10 내지 90원자％이었다. 또한, ＸＰＳ분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자조성 비율은 10원자％이상인 것이 확인되었다.

(결정성 평가)

본 실시예 5 및 비교 예 8에서 얻어진 ＺｎＧａＯＮ막의 이차원 X선회절 패 턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, 구성 원소의 조성비에 따라 격자정수의 변화가 관측되고, a 축 격자정수는 약 0.320ｎｍ로부터 0.332ｎｍ까지 변화되는 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 5에서 얻어진 ＺｎＧａＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 조성에 의존해서 약 0.15 내지 0.62도인 것을 알았다. 한편, 비교 예 8에서 얻어진 ＺｎＧａＯＮ에 대해서 록킹 커브를 측정한 경우, (002)면 반사의 FWHM은 4 내지 6도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＧａＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 어느 조성에 있어서도 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 이 때, (101)면 φ스캔으로부터 얻어진 회절 피크의 FWHM은 조성에 의존해서 약 0.35 내지 1.4도이었다. 한편, 비교 예 8의 ＺｎＩｎＯＮ막의 (101)면 φ스캔 측정을 행한 경우, φ에 의존하지 않고 어느 각도로부터도 회절이 관측되어, 면내배향하지 않고 있는 것을 알았다.

이렇게 ＺｎＧａＯＮ막을 ＧａＮ결정층 위에 적층함으로써, 결정성 및 격자정수 제어가 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 상기 ＺｎＧａＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하여, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다.

(실시예 6)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ:Ｉｎ=15:85)

본 실시예에서는, 아르곤 질소혼합 분위기중에서의 RF스퍼터링에 의해, ｃ면 Ａｌ₂O₃ 결정 기판 위에, ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다.

우선, Ａｌ₂O₃ 결정 기판에 사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 10분간 행했다.

다음에, Ａｌ₂O₃ 결정 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. ＺｎＩｎＯＮ막의 제조는 듀얼 스퍼터 장치를 사용하여 행했다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 Ｉｎ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는, ＺｎＯ가 70W이고, Ｉｎ이 18W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 12cm이고, 성막시의 기판온도는 300℃이었다. ＺｎＩｎＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ로 했다. 상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 30ｎｍ이었다. 형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｉｎ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율은 85원자％이었다. 또한, ＸＰＳ분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자조성 비율은 약 14원자％인 것이 확인되었다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ의 저항율을 4탐침 측정에 의해 평가한 경우, 300Ωｃｍ의 값을 보였다.

(결정성 평가)

본 실시예 6에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, q-2q측정(q:X선 입사각)에 의해, a축 격자정수는 약 0.334ｎｍ인 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 6에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 약 1도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＩｎＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 도 16은, 본 실시예 6에서 얻어진 (101)면 φ스캔의 측정 결과를 나타낸다.

이렇게 ＺｎＩｎＯＮ막을 Ａｌ₂O₃ 결정 위에 적층함으로써, 결정성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예 6의 ＺｎＩｎＯＮ막의 a축 격자정수는 ＺｎＯ의 격자정수보다 커서, 본 실시예 6의 우르츠광형 결정성장용 기판은, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자 정합성 기판으로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하므로, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과도 기대된다.

(실시예 7)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ:Ｉｎ=64:36)

다음에, 그 Ａｌ₂O₃ 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. ＺｎＩｎＯＮ막의 제조는, 듀얼 스퍼터 장치를 사용하여 행했다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 Ｉｎ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는, ＺｎＯ가 80W이고, Ｉｎ이 18W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 12cm이고, 성막시의 기판온도는 400℃이었다. ＺｎＩｎＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ로 했다. 상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 40ｎｍ이었다. 형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｉｎ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율은 64원자％이었다. 또한, ＸＰＳ분석에 의해, N/(N+O)로 나타내는 Ｎ의 원자조성 비율은 약 35원자％인 것이 확인되었다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ의 저항율을 4탐침 측정에 의해 평가한 경우, 1mΩｃｍ의 값을 보였다.

(결정성 평가)

본 실시예 7에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, q-2q측정(q:X선 입사각)에 의해, a축 격자정수는 약 0.341ｎｍ인 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 7에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 약 1도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＩｎＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 도 17은 본 실시예 7에서 얻어진 (101)면 φ스캔의 측정 결과를 나타낸다.

이렇게 ＺｎＩｎＯＮ막을 Ａｌ₂O₃ 결정 위에 적층함으로써, 결정성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예 7의 ＺｎＩｎＯＮ막의 a축 격자정수는 ＺｎＯ의 격자정수보다 커서, 본 실시예 7의 우르츠광형 결정성장용 기판은, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자 정합성 기판으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예 7의 ＺｎＩｎＯＮ막은 저항율이 작아서, 전극기능도 갖는 기판을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하므로, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과도 기대된다.

(실시예 8)

(ＺｎＩｎＯＮ/Ａｌ₂O₃; Ｚｎ:Ｉｎ=50:50)

우선, Ａｌ₂O₃ 결정 기판에 사전처리로서, 수소분위기중, 1150도에서의 아닐을 10분간 행하였다. 그 후에 암모니아 분위기중, 1150도에서의 또 다른 아닐을 행했다.

다음에, 그 Ａｌ₂O₃ 결정 위에 ＺｎＩｎＯＮ막을 형성했다. ＺｎＩｎＯＮ막의 제조는 듀얼 스퍼터 장치를 사용하여 행했다.

타겟(재료원)으로서는, ＺｎＯ조성을 갖는 2인치 소결체 및 Ｉｎ조성을 갖는 2인치 소결체(각각 순도 99.9%)를 사용했다. 투입ＲＦ파워는, ＺｎＯ가 60W이고, Ｉｎ이 18W다. 또한, 타겟과 기판과의 거리는 약 12cm이고, 성막시의 기판온도는 300℃이었다. ＺｎＩｎＯＮ막은, 1×10^-1Ｐａ의 아르곤 질소혼합 가스 분위기중에서 형성되고, 도입 질소분압은 8×10^-2Ｐａ로 했다. 상기 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막에 대해서 단차계로 측정을 행한 경우, 막두께는 30ｎｍ이었다. 형광 X선 분석에 의해 측정된 Ｚｎ/(Ｚｎ+Ｉｎ)로 나타내는 Ｚｎ의 원자조성 비율은 50원자％이었다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ의 저항율을 4탐침 측정에 의해 평가한 경우, 1mΩｃｍ의 값을 보였다.

(결정성 평가)

본 실시예 8에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ막의 이차원 X선회절 패턴을 측정한 경우, ＺｎＩｎＯＮ막 모두 (001)배향한 우르츠광형 구조와 같은 패턴을 얻어, ＺｎＩｎＯＮ막이 우르츠광형 결정인 것을 알았다. 또한, q-2q측정(q:X선 입사각)에 의 해, a축 격자정수는 약 0.350ｎｍ인 것을 알았다.

다음에, 본 실시예 8에서 얻어진 ＺｎＩｎＯＮ에 대해서, (002)면 반사의 록킹 커브를 측정했다. 그 결과, 그 FWHM은 약 1도이었다.

또한, 본 실시예의 ＺｎＩｎＯＮ막에 대하여, (101)면의 회절위치에 검출기를 고정하고, 면내배향성을 φ스캔으로 측정한 경우, 60도 간격으로 (101)면의 회절 피크가 관측되어, 면내배향하고 있는 것을 알았다. 도 18은 본 실시예 8에서 얻어진 (101)면 φ스캔의 측정 결과를 나타낸다.

이렇게 ＺｎＩｎＯＮ막을 Ａｌ₂O₃ 결정 위에 적층함으로써, 결정성이 우수한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 실시예 8의 ＺｎＩｎＯＮ막의 a축 격자정수는 ＺｎＯ의 격자정수보다 커서, 본 실시예 8의 우르츠광형 결정성장용 기판은, 예를 들면 ＩｎＧａＮ, ＩｎＮ등의 격자 정합성 기판으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 실시예 8의 ＺｎＩｎＯＮ막은 저항율이 작으므로, 전극기능도 갖는 기판을 제공할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 상기 ＺｎＩｎＯＮ은 스퍼터링에 의해 형성 가능하므로, 기판을 저비용으로 제공할 수 있다고 하는 효과도 기대된다.

본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형 및 동등한 구조와 기능을 포함하도록 아주 넓게 해석해야 한다.

도 1은 우르츠광형의 금속 산질화물 결정의 전형적인 이차원 X선회절 패턴을 나타낸 것이다.

도 2는 이차원 X선회절 패턴 측정시의 기하학적 배치를 나타낸 도면이다.

도 3은 우르츠광형 구조 ＺｎＯ의 이차원 X선회절 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

도 4는 우르츠광형 구조 ＧａＮ의 이차원 X선회절 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

도 5는 우르츠광형 구조의 원자배치를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 금속 산질화물막의 X선회절에 있어서의 (002)면반사의 전형적인 록킹 커브를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 금속 산질화물막의 (101)면 φ스캔의 측정 결과를 나타낸 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 우르츠광형 결정성장용 기판의 모식도를 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명에 따른 우르츠광형 결정성장용 기판의 모식도를 나타낸 것이다.

도 10은 다른 Ｚｎ/Ｉｎ조성비에 있어서의 ＩｎＺｎＯＮ막의 a축 격자정수를 나타낸 그래프다.

도 11은 본 예시 2의 금속 산질화물막 X선회절에 있어서의 (002)면반사 록킹 커브를 나타낸 것이다.

도 12는 본 비교 예 1의 금속 산질화물막 X선회절에 있어서의 (002)면반사 록킹 커브를 나타낸 것이다.

도 13은 본 비교 예 1의 금속 산질화물막의 (101)면 φ스캔 측정 결과를 나타낸 그래프다.

도 14는 본 예시 4의 금속 산질화물막 X선회절에 있어서의 (002)면반사 록킹 커브를 나타낸 것이다.

도 15는 본 예시 4의 금속 산질화물막의 (101)면 φ스캔 측정 결과를 나타낸 그래프다.

도 16은 본 예시 6의 금속 산질화물막의 (101)면 φ스캔 측정 결과를 나타낸 그래프다.

도 17은 본 예시 7의 금속 산질화물막의 (101)면 φ스캔 측정 결과를 나타낸 그래프다.

도 18은 본 예시 8의 금속 산질화물막의 (101)면 φ스캔 측정 결과를 나타낸 그래프다.

Claims

6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어지는 제1층과 상기 제1층 위에 형성되는 금속 산질화물 결정으로 이루어지는 제2층을 갖는 적층 구조체를 포함하는 우르츠광형 결정성장용 기판으로서,

상기 제2층은, Ｉｎ, Ｇａ, Ｓｉ, Ｇｅ 및 Ａｌ로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소와, N, O 및 Ｚｎ을 주원소로서 포함하고, 상기 제2층은 면내배향성을 갖는, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제1층은, 우르츠광형 결정 또는 Ａl₂O₃결정인, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제2층은 우르츠광형 결정인 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제2층의 ａ축 격자정수는, 0.320ｎｍ 내지 0.358ｎｍ의 범위에 있는, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제2층의 (002)면의 X선 록킹 커브(rocking curve)의 FWHM(반값폭)은, 1도 이하인, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제1층은 ＧａＮ 및 ＺｎＯ로 이루어진 군으로부터 선택된 우르츠광형 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｉｎ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9인, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제1층은 ＧａＮ 및 ＺｎＯ로 이루어진 군으로부터 선택된 우르츠광형 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｇａ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기 서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9인, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제1층은 Ａｌ₂O₃ 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｉｎ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9인, 우르츠광형 결정성장용 기판.
제 1 항에 있어서,

상기 제1층은 Ａｌ₂O₃ 결정으로 이루어지고, 상기 제2층은 Ｚｎ_(x)Ｇａ_(1-x)O_(y)N_(1-y)으로 이루어지고, 여기서, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9인, 우르츠광형 결정성장용 기판.
청구항 1에 따른 우르츠광형 결정성장용 기판을 기판으로서 사용하는 반도체장치.
적층구조체를 구비한 우르츠광형 결정성장용 기판의 제조 방법으로서, 6중 대칭구조를 갖는 결정으로 이루어지는 제1층 위에, 면내 배향성을 갖는 금속 산질화물 결정으로 이루어진 제2층을, 질소를 포함하는 분위기중에서 형성하는 단계를 포함하고,

상기 제2층은, Iｎ, Ga, Ｓｉ, Ｇｅ 및 Ａｌ로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1개의 원소와, N, O 및 Ｚｎ을 주원소로서 포함하는, 우르츠광형 결정성장용 기판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 제2층을 스퍼터링법에 의해 형성하는, 우르츠광형 결정성장용 기판의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 제2층의 막 증착 속도는, 10ｎｍ/ｍｉｎ이하인, 우르츠광형 결정성장용 기판의 제조 방법.