JP2001122693A

JP2001122693A - 結晶成長用下地基板およびこれを用いた基板の製造方法

Info

Publication number: JP2001122693A
Application number: JP30115899A
Authority: JP
Inventors: Haruo Sunakawa; 晴夫砂川; Yoshinari Matsumoto; 良成松本; Akira Usui; 彰碓井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2001-05-08
Also published as: KR100401898B1; US20030207125A1; TW480705B; CN1303131A; KR20010051169A; DE10051632A1

Abstract

(57)【要約】【課題】工程の煩雑化を招くことなく、異種材料基板上
に形成されるエピタキシャル結晶層の結晶欠陥を大幅に
低減すること。【解決手段】（０００１）面サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基
板１１上に、ＧａＮ膜１２を形成した後、ウエットエッ
チングによりＧａＮ膜１２を島状に残す。この島状のＧ
ａＮ膜１２は上部が単結晶層により構成されている。こ
の島状のＧａＮ膜１２が残存した状態で、エピタキシャ
ル成長を行うことにより、結晶欠陥の少ないＧａＮ膜１
５を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下地基板の上に、
下地基板と異なる結晶系のエピタキシャル層を形成する
技術に関するものである。

【０００２】

【従来技術】結晶成長技術の一つにエピタキシー技術が
ある。エピタキシーとは下地結晶の上に下地の結晶性を
引き継いで主に下地結晶表面を覆うごとく層状の結晶を
成長する技術である。エピタキシーに期待される主なこ
とは下地結晶の上に所望の性質を備えた結晶層を形成す
ることにある。

【０００３】引き上げ法等で作成し、スライスして用意
したＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓをエピタキシーすると
いった例があり、エピタキシーにより所望の厚み、不純
物の種類および濃度を持ったＧａＡｓエピタキシャル層
が形成できるわけである。エピタキシー技術が決定的役
割を果たす半導体デバイスとしては半導体レーザーや通
称ＨＥＭＴと呼ばれる二次元電子ガストランジスタなど
があることは周知のとおりである。これらのデバイスで
は下地結晶の上に下地結晶と同種の結晶層や異種の結晶
層がエピタキシーされ、いわゆるヘテロ構造が形成され
る。以上、述べてきた例に共通なことは、下地結晶の上
に下地結晶の結晶構造やその格子定数がほとんど変わら
ない結晶層がエピタキシーで形成されていることであ
り、上記したような半導体デバイスを製造する上で欠く
ことのできない技術となっている。

【０００４】こうしたエピタキシー技術ではあるが、前
記したようにエピタキシーしようとする結晶と結晶構造
や格子定数等の点で整合のとれる下地基板が用意できな
い場合が多々ある。ここで格子定数の整合とは通常、下
地基板とエピタキシャル層での格子定数の差がほとんど
ないことをさし、この目安は格子定数の不整合に基づく
転位等の結晶欠陥の発生がエピタキシャル層にほとんど
ない程度に格子定数が近い状態をさす。格子定数は温度
の関数でもあり、またわずかに格子定数が違っていても
エピタキシャル層が厚くなれば歪みが増加して欠陥は発
生するわけで、格子の整合条件を単なる格子定数差だけ
で一律に規定できないことは言うまでもない。また、広
い意味での格子の整合とは下地結晶基板の格子定数
ａ₁、その上に形成する結晶層の格子定数ａ₂とした時
に、ｍａ₁≒ｎａ₂ （ｍ、ｎ：自然数）の関係が成り立つ場合も含まれる。

【０００５】こうした適当な下地結晶がないことで問題
を抱えている材料として最もいま注目されているものは
III族元素窒化物系材料である。ＧａＮに代表されるIII
族元素窒化物系材料の結晶と結晶構造や格子定数等の点
で整合のとれる下地基板は見出されておらず、サファイ
ア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄などが下地基板として広く利
用されている。このようにエピタキシャル層を構成する
材料と異種の材料からなる下地基板を用いる場合、通
常、下地基板上にバッファ層を形成し、この上に所定の
エピタキシャル層を形成する方法をとる。しかしなが
ら、このようにして形成されたエピタキシャル層中には
多数の転位等の結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥を低
減することは、上記エピタキシャル層を半導体レーザ等
のデバイスに適用する上できわめて重要な技術的課題と
なっている。

【０００６】結晶欠陥の比較的少ないIII族元素窒化物
系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基
板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上
にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られてい
る。「応用物理第６８巻第７号（１９９９）第７
６８〜７７３頁」（以下、文献１と略称する。）には、
低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法の例として以下のよ
うなプロセスが示されている。まず、サファイア等基板
上にＡｌＮまたはＧａＮを５００℃付近で堆積し、アモ
ルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成す
る。これを、1000℃付近に昇温することで一部を蒸発さ
せ、また結晶化することで密度の高い結晶核を形成す
る。これを成長の核として比較的結晶のよいGaN膜を形
成している。上記文献１の図４はその様子を示したもの
であり、高温処理した後、六角錐の群落のような集合体
が形成される様子が示されている。

【０００７】しかしながら、上記のような低温堆積緩衝
層を形成する方法を用いても、上記文献に記載されてい
るように、貫通転位や空孔パイプなどの結晶欠陥が１０
⁸〜１０¹¹ｃｍ^-2程度存在し、電極の異常拡散や非輻射
再結合準位の増大などの問題を生じさせることがあっ
た。

【０００８】このような状況下、最近になって、ペンデ
ィオエピタキシー（ＰｅｎｄｅｏＥｐｉｔａｘｙ：以
後、適宜「ＰＥ」と略称する。）とよばれる新しい結晶
成長技術が注目されつつある。以下、ＰＥ技術の概要に
ついて説明する。図１１は、ＰＥの２つのモードの概念
を示すために描かれたエピタキシャル成長断面の模式図
であり、同様な図面は文献（Tsvetankas.Zhelevaet.Ａ
ｌ.；ＭＲＳInternet J. Nitride Semicond.Res. 4S1,G
3.38(1999)；以後文献２と略称）にも紹介されているも
のである。図１１において（ａ）図、（ｂ）図共に６Ｈ
−ＳｉＣ下地結晶１０１の上にＡｌＮ膜１０２を形成
し、ＧａＮ１０３を形成した後で、リソグラフィー技術
で選択エッチングマスクを形成し、続いてＧａＮ１０
３、ＡｌＮ１０２、さらには６Ｈ−ＳｉＣ下地結晶１０
１に至る選択エッチングを行い、図に示すように紙面垂
直方向にストライプ状に延びたパターンを形成する。こ
の後、図中ＰＥ層１０４として示したＧａＮ種結晶層を
形成するものである。図中、デポ層１０５についてはし
ばらく無視して説明を行う。

【０００９】図１１（ａ）および（ｂ）は、ＰＥ層１０
４の成長起点が異なっている。図１１（ａ）では、Ｇａ
Ｎ１０３の側壁面である（１１−２０）結晶面を起点と
してＰＥ層１０４の成長が進行する。一方、図１１
（ｂ）では、ＧａＮ１０３の上面である（０００１）結
晶面を起点としてＰＥ層１０４の成長が進行する。この
ような成長起点の相違は、ＰＥ層１０４の形成条件の違
いにより生じる。しかしながら、いずれの場合において
も、ＧａＮ１０３の（１１−２０）結晶面において著し
く速い結晶成長速度が観測される。

【００１０】図１２は周期的に配列したストライプ状パ
ターンに成長してできた連続膜となったエピタキシャル
成長断面を示したもので、この（ａ）および（ｂ）図は
それぞれ図１１の（ａ）および（ｂ）図に対応した模式
図である。この図１２に示された２つの模式図について
は先の文献２には見事な断面写真で示されているが、本
明細書では模式図面としている。ＰＥ層１０４は連続層
となっている。ストライプ状周期パターンの上にエピタ
キシャル成長すると連続膜ＰＥ層ができること自体、極
めて興味深いことであるが、より重要なことは連続膜Ｐ
Ｅ層の転位等の欠陥が少ないということである。これは
ウルツ構造を持つＧａＮ等の結晶中の転位が（０００
１）面に対して垂直に近い方向に延びており、（１１−
２０）方向への速い成長が支配しているＰＥではストラ
イプ状ＧａＮ１０３中にある多量の転位を引き継ぐこと
がないためである。すなわち、ＰＥで作られたＰＥ層１
０４中では転位密度が低減することとなり、このＰＥ層
を基板に用いて作成すればＧａＮ等の発光ダイオード
（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）の性能を向上させる
ことが期待される。なお、図１１中でデポ層１０５とし
たものは、ストライプ領域以外にもＰＥ成長時における
若干のＧａＮの堆積が起こることを示したものであり、
図１２ではデポ層１０５は省略してある。デポ層１０５
自身の結晶性は一般に劣悪であるが、デポ層１０５がで
きることによるＰＥ層１０４の結晶性への影響はない。

【００１１】以上のように、ペンディオエピタキシーを
用いることにより、エピタキシャル層の結晶欠陥を低減
することが可能となる。しかしながら、ペンディオエピ
タキシーは、工程が煩雑になるため、種々の改善の余地
を有していた。

【００１２】ペンディオエピタキシーでは結晶成長に先
だちパターン形成する必要がある。先の文献２に述べら
れているパターン形成ではアプライド・フィジックス・
レター（Appl.Phys.Lett.)の第７１巻、第２５号、３６
３１頁から３６３３頁（以後、文献３と略称する。）に
示されているようにニッケル膜をフォトレジストにてパ
ターン形成し、これをマスクにして選択エッチングする
ことで周期パターンのストライプ状ＧａＮを形成してい
る。このようにＰＥ成長では選択エッチング用マスク素
材の堆積、リソグラフィ、選択エッチング工程、マスク
素材の除去等の煩雑な工程が必要となる。煩雑な工程の
みならず、リソグラフィのための高価な露光装置を用意
しなければならず、また、露光用のガラスマスクなどの
機材も必要になる。さらに、このような煩雑な工程を経
なければならないことに起因して、エピタキシャル成長
前の段階で基板表面が汚染されやすくなり、エピタキシ
ャル層の品質低下をもたらすことがある。特に、ペンデ
ィオエピタキシーではフォトレジスト除去工程が必須と
なるが、この除去が充分でなくフォトレジスト残渣が生
じた場合、その後のエピタキシャル層成長に悪影響を及
ぼすこととなり、成長時にウエーハ全面で平滑なＰＥ成
長が行われない状況も起こる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記した事情に鑑み、
本発明は、工程の煩雑化を招くことなく、異種材料基板
上に形成されるエピタキシャル結晶層の結晶欠陥を大幅
に低減することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決しようとする手段】本発明によれば、エピ
タキシャル結晶層を成長させるための下地として用いら
れる結晶成長用下地基板であって、前記エピタキシャル
結晶層と異なる結晶系の下地基板と、前記下地基板上に
離間して形成された複数の島状結晶とを有し、前記島状
結晶は、前記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系の単結
晶層を含んでなることを特徴とする結晶成長用下地基板
が提供される。

【００１５】ここで、島状結晶の格子定数が、エピタキ
シャル結晶層の格子定数と実質的に等しいものとするこ
とが好ましい。ここで「実質的に等しい」とは、５％程
度以下の差異であることをいう。また、上記単結晶層の
各結晶軸方向とエピタキシャル結晶層の各結晶軸方向と
は実質的に一致していることが好ましい。

【００１６】上記島状結晶は、(i)下地基板上に形成さ
れた下部多結晶層と、この上に形成されたエピタキシャ
ル結晶層と同じ結晶系の上部単結晶層からなる構成や、
(ii)エピタキシャル結晶層と同じ結晶系の単結晶から主
としてなる構成とすることが好ましい。

【００１７】また、上記下地基板が凹凸形状を有し、該
凹凸形状の凸部に上記島状結晶が形成された構成とする
こともできる。

【００１８】さらに本発明によれば、上記した結晶成長
用下地基板の島状結晶上にエピタキシャル結晶層が形成
されたことを特徴とする基板が提供される。

【００１９】また本発明によれば、下地基板とその上に
離間して形成された複数の島状結晶とを有し上記下地基
板と異なる結晶系のエピタキシャル結晶層を成長させる
ための下地として用いられる結晶成長用下地基板を製造
する方法であって、下地基板表面に直接に、または他の
層を介して、上記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系の
バッファ層を形成する工程と、上記バッファ層の一部を
ウエットエッチングして島状領域を残存させ、上記エピ
タキシャル結晶層と同じ結晶系の単結晶層を含む上記島
状結晶を形成する工程とを含むことを特徴とする結晶成
長用下地基板の製造方法が提供される。

【００２０】また本発明によれば、下地基板とその上に
離間して形成された複数の島状結晶とを有し、前記下地
基板と異なる結晶系のエピタキシャル結晶層を成長させ
るための下地として用いられる結晶成長用下地基板を製
造する方法であって、下地基板表面に直接に、または他
の層を介して、前記第一のバッファ層を第一の成長温度
で形成する工程と、前記エピタキシャル結晶層と同じ結
晶系の第二のバッファ層を、第一の成長温度よりも高い
第二の成長温度で形成する工程と、第一および第二のバ
ッファ層の一部をウエットエッチングして島状領域を残
存させ、前記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系の単結
晶層を含む前記島状結晶を形成する工程とを含むことを
特徴とする結晶成長用下地基板の製造方法が提供され
る。

【００２１】ここで、第一のバッファ層は、上記エピタ
キシャル結晶層と同じ結晶系の層とすることができる。

【００２２】これらの製造方法において、バッファ層を
ウエットエッチングする際、下地基板の露出面の少なく
とも一部をエッチングしてもよい。

【００２３】また本発明によれば、下地基板とその上に
離間して形成された複数の島状結晶とを有し、上記下地
基板と異なる結晶系のエピタキシャル結晶層を成長させ
るための下地として用いられる結晶成長用下地基板を製
造する方法であって、下地基板表面に直接に、または他
の層を介して、上記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系
の単結晶層を含む結晶層を島状に堆積することにより上
記島状結晶を形成する工程を含むことを特徴とする結晶
成長用下地基板の製造方法が提供される。

【００２４】この製造方法において、島状結晶を形成し
た後、下地基板の露出面の少なくとも一部をエッチング
することとしてもよい。

【００２５】以上述べた各製造方法において、(i)下地
基板上に形成された下部多結晶層と、この上に形成され
たエピタキシャル結晶層と同じ結晶系の上部単結晶層か
らなる構成や、(ii)エピタキシャル結晶層と同じ結晶系
の単結晶から主としてなる構成とすることが好ましい。

【００２６】本発明の結晶成長用下地基板やその製造方
法において、下地基板の表面に対する島状結晶の被覆率
は、たとえば０．１％以上６０％以下とすることができ
る。また、島状結晶の平均粒径を、０．１μｍ以上１０
μｍ以下とすることができる。さらに、島状結晶間の平
均間隔を、１０μｍ以上５００μｍ以下とすることがで
きる。また、島状結晶の数密度は、１０^-5個／μｍ²以
上１０^-2個／μｍ²以下とすることができる。

【００２７】本発明において、エピタキシャル結晶層
は、たとえばIII族元素窒化物系材料からなるものとす
ることができる。

【００２８】また本発明によれば、上記した結晶成長用
下地基板の製造方法により製造された結晶成長用下地基
板が提供される。

【００２９】さらに本発明によれば、上記した結晶成長
用下地基板の製造方法を用いて結晶成長用下地基板を製
造した後、島状結晶を埋め込むように、島状結晶と同じ
結晶系のエピタキシャル成長層を形成する工程を含むこ
とを特徴とする基板の製造方法が提供される。この製造
方法において、エピタキシャル成長層は、島状結晶を成
長起点とした成長により形成される。また、本発明によ
れば、かかる基板の製造方法により製造された基板が提
供される。

【００３０】以下、上述した本発明の作用について説明
する。

【００３１】本発明の結晶成長用ウェーハ上に形成する
エピタキシャル成長層の結晶構造は、異種基板とは異な
り島状結晶と同じである。したがって、エピタキシャル
成長層は、同じ結晶構造を有する島状結晶から優先的に
成長し、異種基板を起点とする成長は相対的に抑制され
る。このため、異種基板に含まれる、あるいは異種基板
とエピタキシャル層界面から発生する結晶欠陥がエピタ
キシャル成長層に伝達することを防止でき、エピタキシ
ャル成長層中の結晶欠陥を効果的に低減できる。

【００３２】以上のように本発明は、島状結晶を設けた
構成により異種基板からの結晶欠陥の取り込みを抑える
ものである。しかしながら、これのみでは、現在望まれ
ているような高品位の結晶構造を実現することは困難で
ある。結晶欠陥を抑制し、このような高品位の結晶構造
を実現するためには、結晶成長の起点となる島状結晶自
体に含まれる結晶欠陥をも低減することが重要となる。
そこで本発明においては、島状結晶が単結晶層を含む構
成とし、エピタキシャル層中の結晶欠陥の大幅な低減を
実現している。上記構成の採用により結晶欠陥が大幅に
低減される理由は必ずしも明らかではないが、実質的に
結晶欠陥のない単結晶層を成長起点とするエピタキシャ
ル層成長が優先的に進行するため、その成長起点以外か
らの結晶欠陥の伝達がほとんど無いことによるものと考
えられる。

【００３３】以上のように、本発明においては単結晶層
を含む島状結晶がエピタキシャル層の成長起点となるた
め、エピタキシャル成長層中の結晶欠陥を大幅に低減で
きる。

【００３４】また、このような島状結晶は比較的簡便な
製造工程で形成できるため、本発明によれば、歩留まり
を向上させ、製造中におけるウェーハの汚染を効果的に
防止できるという利点も得られる。前述のように、ペン
ディオエピタキシーによる結晶成長では、ストライプ状
パターンを形成する必要があるため、ドライエッチング
を含むリソグラフ工程を行うことが必要となる。これに
対し本発明は、島状結晶を形成する方法として、(i)島
状結晶形成用の膜を形成後、ウエットエッチングにより
島状とする方法や、(ii)成膜材料、成膜温度の調整等に
より、結晶成長時に単結晶を含む島状結晶を形成する方
法等、種々の簡便な方法を採用することが可能である。
したがって、ペンディオエピタキシーのような複雑な工
程を行う必要が無く、これにより、プロセス上の理由に
より結晶中に不純物が取り込まれる等の不都合を回避す
ることができるのである。

【００３５】さらに本発明によれば、基板の反りを低減
することができる。エピタキシャル成長後に成長装置か
ら取り出したウエーハには通常、大きな反りが見られる
が、エピタキシャル層を下地基板から分離後にはほとん
どこの反りは解消される。これはエピタキシャル層と下
地基板が島状結晶によってのみ結合されており、分離前
の反りの原因が成長温度から室温への温度変化による下
地基板とエピタキシャル層における熱膨張係数の違いだ
けでほとんど決まっているためと考えられる。特にこの
反りの解消は島状結晶の被覆率が１０％以下の場合に顕
著となる。

【００３６】以上のように本発明は、単結晶層を含む島
状結晶を形成し、この島状結晶を成長起点としてエピタ
キシャル層を成長させることを特徴とするものである
が、かかる特徴を一層明確にするため、以下、本発明に
ついて、従来のエピタキシャル成長技術と対比しつつ説
明する。

【００３７】図９（ａ）は、低温堆積緩衝層を用いた従
来法を示す図である。この方法は、低温堆積緩衝層を高
温で熱処理することで微細な島状構造を形成し、この上
に高温でGaN単結晶を成長するものである。ところが、
この島状構造は、前述の文献１に記載されているよう
に、結晶成長を低温で行うことによって、表面上を均一
に堆積し、しかも比較的原子間結合の弱い部分を意識的
に作って大きな格子不整を緩和するという役割を果たす
ものである。すなわち、上記島状構造は、５００℃程度
の低温で堆積を行う必要がある。このため、上記島状構
造は多結晶構造を有し、欠陥や積層欠陥が多数含まれて
おり、結晶軸が揃っていないこともあった。

【００３８】一方、発明においては島状結晶が単結晶層
を含んでおり、この点で上記従来技術と相違する。すな
わち、本発明においては島状結晶が単結晶層を含むよう
な成膜温度で形成され、ＧａＮの場合は、たとえば９０
０℃以上の高温で形成される。本発明における島状結晶
は、このような単結晶層を含んでいるため、下地基板上
にエピタキシャル層を成長させる際、結晶欠陥の少ない
単結晶層の部分から優先的にエピタキシャル成長が進行
し、エピタキシャル層中の結晶欠陥を大幅に低減するこ
とができる。

【００３９】また、本発明においては、上記従来技術と
比較して、下地基板上の島状結晶密度を小さくするとと
もに島状結晶の粒径を大きくする（図９（ａ）、
（ｂ））。島状結晶密度を小さくして隣接する島状結晶
の平均間隔を大きくすることにより、それぞれの島状結
晶を成長起点とするエピタキシャル層同士が衝突するこ
とによって生じる境界部（バウンダリ）を減らすことが
でき、結晶欠陥をより一層低減することができる。ま
た、各島状結晶を比較的大きくすることにより、それぞ
れの島状結晶を成長起点とするエピタキシャル層が合体
し、平坦なエピタキシャル層になることが促進される。

【００４０】一方、通常のエピタキシャル成長の初期段
階においても島状構造体が離間して形成される。しかし
ながら、このような島状構造体は、エピタキシャル成長
中の過渡期において現れるものにすぎず、その分布や密
度を、結晶欠陥低減に適した範囲に制御することは困難
である。また、このような島状構造体は下地基板または
下地層の結晶欠陥や汚染箇所で核成長が起こることによ
って形成されることが知られており、結晶軸方向が不揃
いである上、島状結晶自体が結晶欠陥を含んでいること
が多く、結晶欠陥の少ないエピタキシャル層を得るため
に適した構造とはなっていない。さらに、上記のよう
に、島状結晶は結晶欠陥や汚染箇所に発生しやすいた
め、この点からも、その分布や密度を結晶欠陥低減に適
した範囲に制御することが困難となる。

【００４１】これに対し本発明は、エピタキシャル層中
の結晶欠陥を低減するのに適した構造の島状結晶、すな
わち、単結晶層を含んでなる島状結晶をを結晶成長用下
地基板上に形成し、これを用いてエピタキシャル層を形
成する技術に関するものである。本発明における島状結
晶は結晶成長用下地基板上に形成されるものであるた
め、その分布や密度を結晶欠陥低減に適した範囲に制御
することができる上、単結晶層の各結晶軸方向とエピタ
キシャル結晶層の各結晶軸方向とが実質的に一致する形
態とすることができ、島状結晶を起点とするエピタキシ
ャル成長を好適に進行させることができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明における島状結晶は単結晶
を含むものであるが、下地基板上に形成された下部多結
晶層と、この上に形成されたエピタキシャル結晶層と同
じ結晶系の上部単結晶層からなる構成とすることができ
る。このようにすれば、単結晶層部分がバッファ層とな
る多結晶層上に形成されることとなり、単結晶層の形成
を好適に行うことができる。

【００４３】また、本発明における島状結晶が単結晶か
ら主としてなる構成とすることもできる。このようにす
れば、エピタキシャル層中の結晶欠陥をより効果的に低
減することができる。

【００４４】本発明における島状結晶は、下地基板上に
直接形成されることが好ましい。下地基板上に他の層を
介して形成することもできるが、この場合、工程が煩雑
になる。

【００４５】島状結晶形成後に形成するエピタキシャル
層の厚みは、島状結晶の形状が認識できなくなり平滑は
表面が得られるまで行うことが好ましい。エピタキシャ
ル層の厚みは、少なくとも島状結晶の平均高さよりも厚
くすることが好ましく、島状結晶の平均高さの１０倍以
上とすることがより好ましい。このようにすれば半導体
レーザ等のデバイスを形成するのに好適なエピタキシャ
ル層とすることができる。

【００４６】本発明の結晶成長用下地基板において、下
地基板が凹凸形状を有し、該凹凸形状の凸部に前記島状
結晶が形成された構成とすることもできる。このような
構成の下地基板は、島状結晶を形成後、島状結晶の形成
されていない領域の下地基板表面をエッチングすること
によって作製することができる。たとえば、バッファ層
をエッチングして島状結晶層を形成する際に、下地基板
表面が局所的に露出した後、さらにエッチングを続ける
（オーバー・エッチング）と、島状結晶の大きさ、高さ
が共に減少すると同時に、下地基板が局所的にエッチン
グされ、溝が形成される。このような溝を形成すれば、
エピタキシャル層形成時に、下地基板からの結晶欠陥の
伝達を一層効果的に防止することができ、エピタキシャ
ル層中の結晶欠陥の低減効果がより顕著となる。

【００４７】なお、上記のような溝を形成した場合、エ
ピタキシャル層の成長を行った後にも溝はそのまま空洞
となって残る。このことは、エピタキシャル成長初期に
おいて島状結晶を結晶核とした横方向成長が急速に起こ
っていることを意味しており、この成長初期における速
い横方向成長こそがエピタキシャル層が平坦化する原因
であることを明確に物語っている。このように横方向成
長が支配的であるため、エピタキシャル成長層には異種
下地基板の結晶形態を引き継いだり、影響を受けること
が少ないのである。

【００４８】このように、エピタキシャル層成長後も溝
はそのまま空洞となって残ることから、上記溝は、エピ
タキシャル成長後に下地基板を除去する必要が生じた場
合にも大きな役割を果たす。下地基板を除去する場合、
通常、ウエーハをエッチング液に浸漬する方法が用いら
れるのであるが、この際、上記溝にエッチング液が浸透
することとなり、エピタキシャル成長層と異種下地基板
の分離が容易となる。

【００４９】本発明において、複数の島状結晶の被覆
率、すなわち、下地基板の表面積に対する島状結晶の占
める面積の割合の上限は、好ましくは６０％以下、より
好ましくは５０％以下とする。被覆率が大きすぎると、
エピタキシャル層中の結晶欠陥の低減効果が充分に得ら
れない場合がある。被覆率をある程度低くすることによ
り、それぞれの島状結晶を成長起点とするエピタキシャ
ル層同士が衝突することによって生じる境界部（バウン
ダリ）を減らすことができ、結晶欠陥を効果的に低減す
ることができる。一方、被覆率の下限については、好ま
しくは０．１％以上、より好ましくは１％以上とする。
被覆率が低すぎると、エピタキシャル層が充分に平坦に
ならないことがある。

【００５０】本発明において、複数の島状結晶の平均粒
径の下限は、好ましくは０．１μｍ以上、より好ましく
は１μｍ以上とする。一方、上限については、好ましく
は１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下とする。以
上のような平均粒径とすれば、結晶欠陥の少ない平坦な
エピタキシャル層を好適に形成することができる。

【００５１】本発明において、複数の島状結晶の平均間
隔の下限は、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは
２０μｍ以上とする。ここで、平均間隔とは、隣接する
島状結晶間の距離の平均値をいう。平均間隔が小さすぎ
ると、エピタキシャル層中の結晶欠陥の低減効果が充分
に得られない場合がある。平均間隔をある程度大きくす
ることにより、前記した境界部（バウンダリ）を減らす
ことができ、結晶欠陥を効果的に低減することができ
る。一方、上限については、好ましくは５００μｍ以
下、より好ましくは１００μｍ以下とする。平均間隔が
大きすぎると、エピタキシャル層が充分に平坦にならな
いことがある。なお、平均間隔が１００μｍ程度あって
も横方向成長によるエピタキシャル層が充分に平坦化さ
れる。このことは、バッファ層をエッチングしてＧａＮ
からなる島状結晶層を形成した後、オーバー・エッチン
グにより下地基板に溝を形成した実験例により確認され
ている。この実験例では、島状結晶の平均間隔を１００
μｍ程度としているが、ＧａＮエピタキシャル層形成後
にも溝がそのまま取り残されていた。このことから、上
記のように平均間隔を大きくした場合でも横方向成長に
よるエピタキシャル層の平坦化が起こる。

【００５２】本発明において、複数の島状結晶の数密度
の上限は、好ましくは１０^-2個／μｍ²以下、より好ま
しくは１０^-3個／μｍ²以下とする。数密度が大きすぎ
ると、エピタキシャル層中の結晶欠陥の低減効果が充分
に得られない場合がある。数密度をある程度小さくする
ことにより、前記した境界部（バウンダリ）を減らすこ
とができ、結晶欠陥を効果的に低減することができる。
一方、下限については、好ましくは１０^-5個／μｍ²以
上、より好ましくは１０^-4個／μｍ²以上とする。数密
度が小さすぎると、エピタキシャル層が充分に平坦にな
らないことがある。

【００５３】バッファ層の厚さについては特別な制限は
ない。通常は数千オングストロームから数マイクロメー
トル程度の厚さのバッファ層を堆積し、これをエッチン
グして島状結晶を形成する。一般的には、このバッファ
層は細かな結晶粒から形成されており、バッファ層の厚
さを増すと結晶粒が大きくなる。従って、エッチング後
の島状結晶の密度は低くなる傾向にあり、充分にエッチ
ングを行うと密度が低く、島と島の間隔が大きい島状結
晶となる。逆に薄いバッファ層を用意してエッチングを
行えば、結晶粒は小さいので、密度が高い、島と島の間
隔の狭い島状結晶が形成できる。結晶粒の大きさとして
は目安としてバッファ層の膜厚程度から数オングストロ
ーム径までいかようにも選択することができるし、島と
島の間隔についてもエッチングを進行させれば粒径の小
さなものは消えていくのでこれについても自由に選択で
きる。なお、島状結晶の粒径や間隔についてはバッファ
層の条件を一定にした上で光散乱をモニタリングすれば
工業的にほぼ満足できる再現性をもって一定の性状を持
った島状結晶を作ることができる。

【００５４】本発明において島状結晶または島状結晶を
形成するためのバッファ層の成長温度は、層を構成する
材料がグレインサイズの大きい結晶層を形成するのに適
した温度とすることが好ましい。たとえばＧａＮの場
合、好ましくは９００〜１１５０℃、より好ましくは９
５０〜１０５０℃とする。このようにすれば単結晶層を
含む島状結晶を安定的に形成することができる。

【００５５】次に、被覆率Ｒ、島状結晶の平均粒径なら
びにその平均間隔の関係について説明する。現実の島状
結晶の島の形状や島と島の間隔はランダムであるが、以
下の考察はこれらが平均値にあるとして行う。島状結晶
の平均粒径をＤ、密度をＮとすれば被覆率ＲはＲ＝（πＤ²／４）Ｎの関係にあり、密度Ｎが充分に大きい場合の島状結晶間
の平均間隔をＬはＬ＝Ｎ^-1/2 である。この関係を用い、次表には実験的に得られた付
近についてこれらの関係の計算結果を示す。

【００５６】

【表１】

【００５７】以下、本発明の好ましい実施の形態につい
て説明する。

【００５８】＜実施の形態１＞まず、下地基板上に、下
地基板と異なる結晶系のバッファ層を形成する。バッフ
ァ層は、細かな結晶粒が集合して形成されており、その
上に形成するエピタキシャル層と同じ結晶系にある。こ
のバッファ層の格子定数は、エピタキシャル層の格子定
数とほぼ近い値とする。

【００５９】この後、バッファ層の表面からウエットエ
ッチングを行う。ここで、バッファ層は結晶粒界を多数
含むために、ウエットエッチングは、通常、平坦に進ま
ない。エッチング速度はグレインの結晶粒界部で速く進
行し、、結晶粒部が取り残されることは容易に理解でき
ることである。このようにして異種下地基板の上にはバ
ッファ層が島状結晶になって残る。島状結晶は以上のよ
うにして形成されるので、単結晶構造を有するものとな
る。

【００６０】島状結晶が形成された異種下地基板上に所
定のエピタキシャル成長を行い島状結晶の厚み（高さ）
の数倍程度の厚みを越えると表面が平坦なエピタキシャ
ル成長層が得られる。

【００６１】＜実施の形態２＞異種下地基板上に直接形
成したバッファ層は、通常、結晶性があまり良好でな
く、一般に微少な数百ナノメーター以下の径を持った結
晶粒より構成されることが多い。このため、単結晶層を
有する島状結晶を形成するには、下地基板上に第一のバ
ッファ層を形成した後、その上に第一のバッファ層形成
温度より高い温度で第二のバッファ層を形成し、次い
で、これらの層をウエットエッチングする方法が有効と
なる。

【００６２】たとえば、第一のバッファ層を０．１μｍ
厚程度形成した後、この上に第一のバッファ層形成温度
より高い温度で第二のバッファ層を数μｍから十数μｍ
厚形成する。このようにすれば、第二のバッファ層を形
成後、ウエットエッチングすることにより、比較的グレ
インサイズの大きい上層部を備えた島状結晶を形成する
ことができる。この場合、エッチングをやや長めに行え
ば、小さい結晶粒から整理され、結果として島状結晶の
上部は単結晶になる。この結果、ほとんどの島状結晶の
少なくとも上部は単結晶となる。このように、上部が単
結晶層からなる島状結晶が多数形成されたウエーハを結
晶成長下地基板として用いれば、上記島状結晶の単結晶
部を核としてエピタキシャル成長が進むので、結晶欠陥
の少ない、極めて結晶の高いエピタキシャル層を得るこ
とができる。

【００６３】単結晶層を含む島状結晶の形成された下地
基板を用いてエピタキシャルを行うことにより、結晶欠
陥を大幅に低減できることは、本発明者らの実験によっ
て確認された事実である（実施例にて後述）。この実験
結果から、エピタキシャル層中に転位が入る大きな原因
として結晶粒界が関わっていることが予想できる。

【００６４】以下、本実施形態における第一および第二
のバッファ結晶層の形成方法の具体例について説明す
る。

【００６５】（第一のバッファ層の形成条件）たとえ
ば、サファイア（０００１）面等の異種基板上への第一
のバッファ層の形成はＭＯＣＶＤ（有機金属熱分解）法
等によって行う。ここで、第一のバッファ層の形成は、
結晶第二のバッファ層や、その上に形成されるエピタキ
シャル層よりも低温で行うことが好ましく、好ましくは
４００〜６００℃程度とする。成膜の原料は、第一のバ
ッファ層をＧａＮにより構成する場合には、たとえば、
Ｇａ原料としてトリメチルガリウム、窒素原料としてア
ンモニアを用いる。第一のバッファ層の厚みは特に制限
がないが、たとえば２０〜２００ｎｍ程度とする。

【００６６】（第二のバッファ層の形成条件）第二のバ
ッファ層は、ハイドライドＶＰＥ法等により形成する。
成長温度は第一のバッファ層よりも高くすることが望ま
しく、好ましくは９００〜１１００℃、より好ましくは
９５０〜１０００℃とする。第二のバッファ層の厚み
は、たとえば５００〜５０００ｎｍとする。

【００６７】第二のバッファ層の成長速度は、その後に
形成されるエピタキシャル層の成長速度よりも遅くする
ことが好ましい。このようにすれば得られるエピタキシ
ャル層の結晶欠陥がより有効に低減される。このため第
二のバッファ層の成長時の原料供給量を、エピタキシャ
ル層成長時の原料供給量より少なくすることが好まし
い。

【００６８】＜実施の形態２＞＜実施の形態１＞では
バッファ層を形成した後でエッチングを行い、島状結晶
を形成した。島状結晶は実施例で述べるように適当な条
件で堆積する方法によって直接形成することもできる。
本実施形態では、島状バッファ層の堆積は比較的低温で
所望のエピタキシャル結晶と同じ結晶系にあり、かつ格
子定数的にも近い材料を適当な厚さ堆積して第一バッフ
ァ層を形成し、場合によっては成長温度を高めて第二バ
ッファ層を形成することで結晶粒径を大型化する。島状
化は第一バッファー形成後に温度を上げるプロセスで作
ることもできるし、第二バッファーまで積んだ後でエピ
タキシャル成長条件をエッチング条件に変えることでも
作ることができる。

【００６９】この後、所望のエピタキシャル成長に入る
わけであるが、この後の事情は＜実施の形態１＞で述べ
たものと同様である。島状結晶の粒径や間隔については
バッファ層形成時の条件、成長温度や原料ガス供給速度
などで調整できる。

【００７０】＜実施の形態４＞＜実施の形態３＞の変
形であるが、異種下地基板が熱分解しやすかったり、所
望のエピタキシャル層形成のための原料ガス等で化学分
解を起こすような場合には、バッファ層を形成する過程
において局所的に異種基板材料が分解が起こると同時に
島状結晶が形成される。こうした異種下地基板の例とし
ては所望のエピタキシャル層がIII族元素窒化物系材料
の場合にはＧａＡｓやＧａＰなどがＧａＡｓＰなどのII
I−Ｖ化合物半導体やシリコンがもっとも手に入れやす
く、かつ使いやすいものである。特にこれらの異種下地
基板を用いた場合にはIII族元素窒化物系材料系エピタ
キシャル層成長後に下地基板をエッチングで容易に取り
除くことができる大きな利点を有する。所望のエピタキ
シャル層がIII族元素窒化物系材料の場合にはＩｎＰな
どはエピタキシャル成長中に熱分解が激しすぎ適当では
ない。一般的には所望のエピタキシャル成長温度に較べ
て用いる異種下地基板の融点は２００度以上高いことが
好ましい。

【００７１】島状結晶が形成された後は所望のエピタキ
シャル成長に入るが＜実施の形態２＞の場合と同様、こ
の後の事情は＜実施の形態１＞で述べたものと基本的に
は同様である。また、この場合における島状結晶の粒径
や間隔はバッファ層形成条件で調整できるものであるこ
とは実施の形態２の場合と同様である。

【００７２】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。

【００７３】実施例中におけるエッチングピット密度
は、得られたエピタキシャル層をリン酸と硫酸の１対１
混合液（体積比）を用いてウエットエッチングした後、
透過型電子顕微鏡を用い、膜表面の観察により計測した
ものである。エッチングピット密度は、エピタキシャル
層中の転位密度を表す指標となる。

【００７４】また、各実施例では島状結晶を形成してい
るが、この島状結晶のプロファイルはいずれも下記範囲
内にあるものである。下地基板に対する被覆率：０．１％〜６０％（実施例１
において被覆率９０％としたものを除く）平均粒径：０．１〜１０μｍ隣接島状結晶の平均間隔：１０〜５００μｍ数密度：１０^-5〜１０^-2個／μｍ² 実施例１本実施例について図１を参照して説明する。本実施例で
は、基板として、（０００１）面サファイア（Ａｌ
₂Ｏ₃）基板１１を用いる（図１(ａ)）。この基板１１上
に、III族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＶ族
原料にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、キャリアガス
に水素ガス（Ｈ₂）と窒素ガス（Ｎ₂）を用いる有機金属
化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により１．５μｍの膜
厚のＧａＮ膜１２を形成する（図１(ｂ)）。ＧａＮ膜１
２の形成手順は以下の通りである。まず表面を洗浄した
サファイア基板１１をＭＯＶＰＥ装置の成長領域にセッ
トする。次に、Ｈ₂ガス雰囲気で、１０５０℃の温度に
昇温して、基板１１の表面の熱処理を行う。次に、基板
１１の温度を５００℃に減温する。温度が安定してから
ＴＭＧとＮＨ₃を供給して、２０ｎｍの厚さのＧａＮ層
を形成する。この時のＴＭＧとＮＨ₃の供給量は、それ
ぞれ１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、４０００ｃｍ³／ｍｉｎと
する。更に、ＮＨ₃ガスを供給しながら基板１１の温度
を１０５０℃に昇温する。温度が安定してからＴＭＧを
供給して、１．５μｍ程度の厚さのＧａＮ膜１２を形成
する。このときのＴＭＧ、ＮＨ₃の供給量は、５０μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ、４０００ｃｍ³／ｍｉｎとする。ＧａＮ
膜１２を形成後、ＮＨ₃雰囲気で、６００℃程度まで冷
却する。基板１１の温度が５００℃程度になったらＮＨ
₃ガスの供給を停止し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え
て常温まで冷却し、ＭＯＶＰＥ装置より取り出す。

【００７５】次に、溶液により基板１１上のＧａＮ膜１
２を島状になるようにエッチングする（図１(ｃ)）。こ
のＧａＮ膜１２を島状に形成するエッチングは、水分を
蒸発したリン酸と硫酸の１対１（体積比）の混合液を２
７０℃の温度に昇温して用いる。３０分間のエッチング
で、ＧａＮ膜１２が島状に除去され、開口部１３が形成
される。この条件でＧａＮ膜１２に形成した開口部１３
の割合は、５０％程度である。この溶液は、サファイア
もエッチングできるため、ＧａＮ膜１２が除去された開
口部１３領域のサファイア基板１１表面に溝１４が形成
される。

【００７６】さらに、島状に形成したＧａＮ膜１２に、
III族原料としてガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣ
ｌ）の反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を用
い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いた
ハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）により、ＧａＮ膜１
５を形成する（図１（ｄ）〜（ｆ））。ＧａＮ膜１５の
形成手順は、上記のようにして作製した基板をＨＶＰＥ
装置にセットし、Ｈ₂ガスを供給しながら６００℃程度
に昇温し、さらにＮＨ₃ガスを供給しながら、１０４０
℃の温度まで昇温する。成長温度が安定してから、Ｇａ
Ｃｌを供給してＧａＮを成長する。この時のＧａ上に供
給するＨＣｌ量は４０ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給
量は１０００ｃｍ³／ｍｉｎとする。この成長では、開
口部１３の基板１１の溝１４表面には、ＧａＮの成長が
起きにくいため、ＧａＮ膜１２の表面や開口部１３の側
面にエピタキシャル成長する（図１（ｄ））。ＧａＮ膜
１５の成長が進むにつれて開口部１３領域は次第に埋め
込まれていき、さらに成長を続けると、開口部１３が完
全に埋め込まれる（図１（ｅ））。更に、エピタキシャ
ル成長を続けて、ＧａＮ膜１５表面にできた凹凸を平坦
な表面になるまで形成する。２．５時間のエピタキシ
ャル成長で１５０μｍの厚さのＧａＮ膜１５が形成され
る。なお、エピタキシャル成長によるＧａＮ膜１５の形
成が終了した後も溝１４が残存する（図１（ｆ））。Ｇ
ａＮ膜１５の形成後、ＮＨ₃ガスを供給しながら、６０
０℃程度まで冷却し、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。そ
の後、常温まで冷却し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え
た後、基板をＨＶＰＥ装置より取り出す。

【００７７】基板１１上のＧａＮ膜１５には、直接成長
した場合に８μｍ程度以上の厚膜で問題となるクラック
や割れがなく形成できた。図１（ｆ）の状態に対応する
ＳＥＭ写真を図１５に示す。図１５にはＧａＮ膜１５と
サファイア基板１１界面近傍の断面が示されている。図
面下部が図１（ｆ）のサファイア基板１１に対応し、図
面上部が図１（ｆ）のＧａＮ膜１５に対応する。また、
図面中央の三角形状の部分が図１（ｆ）の溝１４に対応
する。図から、溶液エッチングによって形成した開口部
１３（図１（ｆ））が完全に埋め込まれ、さらに、サフ
ァイア基板１１表面にできた溝１４には成長が生じてい
ないことが判る。さらに、ＧａＮ膜１５表面の溶液によ
るエッチングピット密度を測定したところ、１×１０⁷
／ｃｍ²であり、マスクを用いた選択成長で形成したＧ
ａＮ膜と同等の値であった。

【００７８】本実施例で形成したＧａＮ膜１５は、欠陥
が少なく、クラックが発生していないために、ＧａＮ膜
１５上にレーザ構造、ＦＥＴ構造、およびＨＢＴなどの
デバイス構造を成長すると特性を向上させることができ
る。

【００７９】さらにサファイア基板１１を研磨や、ケミ
カルエッチング、レーザ等により基板から剥離すること
で、ＧａＮ膜１５を基板結晶として用いることができ
る。

【００８０】次に、本実施例と同様の方法を用いた場合
における島状結晶の被覆率（島状結晶の占有面積を下地
基板表面積で除した値）と島状結晶から成長したエピタ
キシャル層中の転位密度との関係を求めた結果を図１０
に示す。ここで、島状結晶の被覆率は、リン酸と硫酸の
混合液によるエッチング時間を調整することによって制
御した。図に示すように、被覆率を０．６以下とするこ
とにより、転位密度を顕著に低減できることがわかる。

【００８１】本実施例では、ＧａＮ膜１５のエピタキシ
ャル成長に成長速度の速いハイドライドＶＰＥ法を用い
て形成したが、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰ
Ｅ）を用いても同様な効果が得られる。また、下地基板
としてサファイア基板１１を用いたが、Ｓｉ基板、Ｚｎ
Ｏ基板、ＳｉＣ基板、ＬｉＧａＯ₂基板、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄
基板、ＮｄＧａＯ₃基板、ＧａＡｓ基板等を用いても同
様な効果が得られる。本実施例では、基板１１上に形成
したＧａＮ膜を用いたが、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ膜（ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ膜（ｘ≦１）、Ｉｎ_xＧ
ａ_1-xＮ膜（ｘ≦１）、ＩｎＮ膜、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ膜
（ｘ≦１）、Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ膜（ｘ≦１）を形成しても
同様な効果が得られる。本実施例では、ＧａＮ膜１５の
エピタキシャル成長について述べたが、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ
_zＮ膜（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１（０≦ｘ、y、z、≦１））、Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＮ膜（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ膜（ｘ
≦１）、ＩｎＮ膜、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ膜（ｘ≦１）、Ｉ
ｎ_xＧａ_1-xＰ膜（ｘ≦１）をエピタキシャル成長しても
同様な効果が得られる。さらに、不純物の添加しても同
様な効果が得られる。

【００８２】実施例２本実施例について図２を参照して説明する。本実施例で
は、基板として、（０００１）面サファイア（Ａｌ
₂Ｏ₃）基板２１を用いる（図２(ａ)）。この基板２１上
にIII族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）とＶ族原料にアンモニア
（ＮＨ₃）ガスを用い、キャリアガスに水素ガス（Ｈ₂）
と窒素ガス（Ｎ₂）を用いるＭＯＶＰＥ法により厚さ２
μｍ程度のクラック２３の入ったＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２
２を形成する（図２(ｂ)）。Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２２の
形成手順は以下の通りである。まず表面を洗浄したサフ
ァイア基板２１をＭＯＶＰＥ装置の成長領域にセットす
る。次に、Ｈ₂ガス雰囲気で、１０５０℃の温度に昇温
して、基板２１の成長表面の熱処理を行う。次に、５０
０℃の温度に減温して、温度が安定してからＴＭＧ、Ｔ
ＭＡとＮＨ₃を供給して、２０ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ
層を形成する。ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ₃の供給量は、１
０μｍｏｌ／ｍｉｎ、２μｍｏｌ／ｍｉｎ、３０００ｃ
ｍ³／ｍｉｎで行った。更に、ＮＨ₃ガスを供給しながら
基板２１の温度を１０２０℃に、再び昇温する。温度が
安定してからＴＭＧ、ＴＭＡを供給して１μｍ程度のＡ
ｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２２を形成する。このときのＴＭＧ、
ＴＭＡ、ＮＨ₃の供給量は、５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、４
０μｍｏｌ／ｍｉｎ、４０００ｃｍ³／ｍｉｎで行っ
た。Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２２の形成後、ＮＨ₃雰囲気
で、６００℃程度まで冷却し、ＮＨ₃ガスの供給を停止
する。さらに、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え常温まで
冷却し、ＭＯＶＰＥ装置より取り出す。

【００８３】以上のようにして形成したＡｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ｎ膜２２には、サファイア基板２１との格子乗数の違い
から、クラック２３が生じる。次に、溶液により基板２
１上のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２２に開口部２４と基板２１
の溝２３を形成する（図２(ｃ)）。このエッチング液
は、りん酸（Ｈ₃ＰＯ₄）と硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）を１対１．
５の割合で混合して２８０℃の温度に昇温して用いる。
このエッチングでは、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２２のクラッ
ク２３領域が速く進むために、開口部２４は、クラック
２３にそって形成できる。この溶液は、上記、実施例１
と同様にサファイアもエッチングできるため、Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.8Ｎ膜２２の開口部２４に沿って基板２１表面に
溝２５が形成できる。さらに、開口部２４と溝２５を形
成した基板２１に、実施例１と同様にIII族原料にガリ
ウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の反応生成物である
塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とＶ族原料にアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）ガスを用いるハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）
を用いて、ＧａＮ膜２６を形成する（図２（ｄ）、
（ｅ））。ＧａＮ膜２６の形成手順は、先ず、上記のよ
うにして作製した基板をＨＶＰＥ装置にセットし、Ｈ₂
ガスを供給しながら６００℃の温度に昇温する。さら
に、ＮＨ₃ガスを供給しながら１０２０℃の温度に昇温
する。成長温度が安定してからＧａＣｌを供給して、Ｇ
ａＮを成長する。Ｇａ上に供給するＨＣｌ量は４０ｃｍ
³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量は８００ｃｍ³／ｍｉｎ
で行う。このＧａＮのＨＶＰＥ成長では、開口部２４の
溝２５には、成長しにくいために、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜
１２の表面と側面に形成される（図２（ｄ））。さら
に、エピタキシャル成長を続けるとＧａＮ膜２６は、実
施例１と同様に、溝２５領域を埋め込んだのち、平坦な
表面が形成できる（図２（ｅ））。４時間の成長で、３
００μｍの膜厚のＧａＮ膜２６が形成できた。ＧａＮ膜
２６形成後、ＮＨ₃ガスを供給しながら、６００℃程度
まで冷却し、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。さらに常温
まで冷却し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え成長装置よ
り取り出す。取り出した基板２１上のＧａＮ膜２６に
は、実施例１と同様にクラックや割れがなく形成でき
た。また、溶液によるエッチングピット密度を測定した
ところ、ＧａＮ膜２６表面には、１×１０⁷／ｃｍ²であ
り、マスクを用いた選択成長で形成したＧａＮ膜と同等
の値であった。

【００８４】実施例では、Ａｌ組成を０．２のＡｌＧａ
Ｎ膜２１を用いたが、Ａｌ組成や膜厚を変えることで、
クラック２３に量や方向で決めることができる。また、
溶液のエッチング時間や温度、混合比によって、開口部
２４の形状が制御できる。

【００８５】本実施例によれば、結晶欠陥の少ないＧａ
Ｎ膜２６が得られた。本実施例では、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
膜２１を直接（０００１）面のサファイア基板上に形成
したが、サファイア基板上にＩｎ_xＧａ_1-xＮ膜（１≦ｘ
≦０）、ＧａＮ膜、ＩｎＧａＡｓ膜、ＺｎＯ膜、ＳｉＣ
膜を形成した基板材料を用いても同様な効果が得られ
る。実施例では、基板１１材料に（０００１）サファイ
ア基板を用いたが、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基
板、ＬｉＧａＯ₂基板、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板、ＮｄＧａＯ₃
基板、ＧａＡｓ基板、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ基板（０≦ｘ≦
１）等を用いても同様な効果が得られる。

【００８６】実施例３本実施例について図３を参照して説明する。本実施例で
は、基板３１として、（０００１）面サファイア基板結
晶を用いる（図３（ａ））。この基板３１上に島状のＧ
ａＮ膜３２を形成する（図３（ｂ））。島状のＧａＮ膜
３２の形成は、III族原料にガリウム（Ｇａ）と塩化水
素（ＨＣｌ）の反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣ
ｌ）とＶ族原料にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いるハ
イドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）により行う。ＧａＮ膜
３２の形成手順は、先ず基板３１をＨＶＰＥ装置にセッ
トし、Ｈ₂ガスを供給しながら６００℃の温度に昇温す
る。さらにＮＨ₃ガスを供給して、１０２０℃の温度に
昇温する。成長温度が安定してから、Ｇａ上に供給する
ＨＣｌを供給してＧａＮを成長する。ＧａＣｌの供給量
は５ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量を５００ｃｍ³
／ｍｉｎで行った。１分間の供給で、高さが２μｍ程度
の島状のＧａＮ膜３２を形成した。ＧａＮ膜３２を形成
後、ＮＨ₃ガスを供給しながら、６００℃程度まで冷却
し、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。さらに常温まで冷却
し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え成長装置より取り出
す。以上のような成膜方法を採用することにより、Ｇａ
Ｎ膜３２が島状に形成される。

【００８７】次に、島状のＧａＮ膜３２と基板３１表面
の露出部３３をエッチングして、基板１１に溝３４を形
成する（図３(ｃ)）。エッチングには、塩素（Ｃｌ₂）
ガスを用いる反応性イオンエッチング法（ＲＩＢＥ）に
より行なった。形成手順は、基板３１をＲＩＢＥ装置に
セットし、装置内の圧力を０．６ｍｔＯｒｒの減圧にす
る。次に、塩素（Ｃｌ₂）ガスを供給し、装置内の圧力
が安定してから加速電圧を５００Ｖ、エッチングを行
う。Ｃｌ₂ガスの供給量は、６ｃｍ³／ｍｉｎとし、基板
３１の温度は常温とする。２０分間のエッチングで、Ｇ
ａＮ膜３２と基板３１の露出部３３は、１μｍ程度除去
され、露出部３３の基板３１表面に溝３４が形成でき
る。エッチング後、加速電圧、Ｃｌ₂ガスを停止し、Ｎ₂
ガスを供給して装置内をＮ₂雰囲気にする。Ｃｌ₂ガスが
十分パージしてから装置内の圧力、常圧にして、基板３
１を取り出す。

【００８８】次に、再びハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰ
Ｅ）により、島状のＧａＮ膜３２上にＧａＮ膜３５を形
成する（図３（ｄ、ｅ、ｆ））。ＧａＮ膜３５の形成手
順は、上記と同様に、先ず基板をＨＶＰＥ装置にセット
し、Ｈ₂ガス雰囲気で６００℃の温度に昇温する。６０
０℃の温度になってからＮＨ₃ガスを供給して１０２０
℃の温度に昇温する。成長温度が安定してから、ＧａＣ
ｌを供給してＧａＮを成長する。Ｇａ上に供給するＨＣ
ｌ量は２０ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量を１２０
０ｃｍ³／ｍｉｎで行う。成長過程は、上記実施例１お
よび２と同様に成長がすすむ。５時間の成長で、２５０
μｍの厚さのＧａＮ膜３５を形成した。ＧａＮ膜３５形
成後、ＮＨ₃ガスを供給しながら、６００℃程度まで冷
却し、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。さらに常温まで冷
却し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え成長装置より取り
出す。

【００８９】本実施例によれば、結晶欠陥の少ないＧａ
Ｎ膜３５が得られた。本実施例では、サファイアのエッ
チングにドライエッチングを用いたが、溶液エッチング
も同様な効果が得られる。また、ＧａＮ膜のドット成長
（島状成長）にハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）を用
いたが、ＭＯＶＰＥ法で形成しても同様な効果が得られ
る。また、ＧａＮ膜に限らず、島状の成長が出来れば、
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ膜（０≦ｘ≦１）やＩｎ_xＧａ_1-xＮ膜
（０≦ｘ≦１）、ＩｎＡｌＧａＮ膜でも同様な効果が得
られる。

【００９０】実施例４本実施例について図４を参照して説明する。本実施例で
は、基板４１として、（１１１）面シリコン（Ｓｉ）基
板結晶を用いる（図４（ａ））。この基板４１上に島状
のＧａＮ膜４２を形成する（図４（ａ））。島状のＧａ
Ｎ膜４２は、実施例３と同様にIII族原料にガリウム
（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の反応生成物である塩化
ガリウム（ＧａＣｌ）とＶ族原料にアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）ガスを用いるハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）
により形成する。島状のＧａＮ膜４２の形成手順は、先
ず、基板４１をＨＶＰＥ装置にセットし、Ｈ₂ガス雰囲
気で６００℃の温度に昇温する。６００℃の温度になっ
たらＮＨ₃ガスを供給して１０５０℃の温度に昇温す
る。成長温度が安定してから、Ｇａ上に供給するＨＣｌ
を供給してＧａＮを成長する。ＨＣｌの供給量は５ｃｍ
³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量を３００ｃｍ³／ｍｉｎ
とする。１分間の供給で、高さ１〜２μｍ程度の島状の
ＧａＮ膜４２が形成できる（図４（ｂ））。ＧａＮ膜４
２形成後、ＮＨ₃ガスを供給しながら、６００℃程度ま
で冷却し、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。さらに常温ま
で冷却し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え成長装置より
取り出す。

【００９１】次に、溶液により基板４１表面が露出領域
４３を溶液エッチングして、溝４４を形成する（図４
（ｃ））。基板４１表面の溝４４の形成は、硝酸と弗酸
の混合液（硝酸：弗酸：水＝１：１：２、体積比）を用
いたウエットエッチングにより行った。

【００９２】さらに、III族原料にガリウム（Ｇａ）と
塩化水素（ＨＣｌ）の反応生成物である塩化ガリウム
（ＧａＣｌ）とＶ族原料にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを
用いるハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）を用いて、島
状のＧａＮ膜４２にＧａＮ膜４５を形成する（図４
（ｄ）。ＧａＮ膜４５の形成手順は、基板をＨＶＰＥ装
置にセットし、Ｈ₂ガス雰囲気で６５０℃の温度に昇温
し、ＮＨ₃を供給して１０００℃の温度に昇温する。成
長温度が安定してから、ＧａＣｌを供給してＧａＮを成
長する。ＨＣｌの供給量は２０ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガ
スの供給量は１０００ｃｍ³／ｍｉｎで行う。この成長
では、基板４１に形成した溝４４には、ＧａＮの成長が
しにくい。そのため、優先的に島状のＧａＮ膜４２の表
面と側面にＧａＮが成長する（図４（ｅ））。成長を続
けると隣接する島状のＧａＮ膜４２から成長したＧａＮ
膜４５が露出領域４３を埋め込んでいき、基板４１表面
に形成した溝４４に空洞ができる（図４（ｅ））。更
に、上記、実施例１、２、３と同様にエピタキシャル成
長を続けると、ＧａＮ膜４５表面を平坦にすることがで
きる（図４（ｆ））。８時間の成長で、４００μｍの厚
さのＧａＮ膜４５が形成できた。ＧａＮ膜４５形成後、
ＮＨ₃ガスを供給しながら、６００℃程度まで冷却し、
ＮＨ₃ガスの供給を停止する。さらに常温まで冷却し、
Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え成長装置より取り出す。
取り出した基板４１上のＧａＮ膜４５には、実施例１と
同様にクラックや割れがなく形成できた。

【００９３】次に、基板４１を除去して、裏面を研磨し
て平坦にすることで、ＧａＮ膜４５を単体の基板結晶と
することができる（図４（ｇ））。基板のエッチング除
去には、硝酸と弗酸の混合液を用いて行う。１対１の混
合液に２４時間浸すことで、基板４１を除去し、研磨し
て平坦化した。この混合液は、シリコンは溶解するが、
ＧａＮ膜４５はほとんどエッチングしないため、下地基
板であるシリコン基板を好適に除去することができる。

【００９４】本実施例では、基板結晶４１に（１１１）
面のシリコン基板を用いたが、任意の方向に微傾斜した
（１１１）面、または（１００）面および他の面を用い
ても同様な効果が得られる。用いる基板面によって溝の
形状や大きさが異なるが、いずれの場合にも良好なエピ
タキシャル層を得ることができる。

【００９５】さらに、シリコン基板に限らず、ＧａＡｓ
基板、ＧａＰ基板、ＺｎＯ基板または、Ｓｉ基板上のＧ
ａＡｓ膜が形成された基板材料、その他の材料を用いた
場合にも良好なエピタキシャル層を得ることができる。

【００９６】実施例５本実施例は、実施例２で示したエピタキシャル層の形成
工程を、複数回繰り返すプロセスの例である。

【００９７】本実施例について図５を参照して説明す
る。本実施例では、まず実施例２で示した図２（ａ）〜
（ｅ）の工程を行う。すなわち、（０００１）面サファ
イア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板５１（図５（ａ））上に、クラッ
ク５３の入ったＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜５２を形成し（図５
(ｂ)）、次いで、ウエットエッチングを用いて基板５１
に溝部５５を設けた後、ハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰ
Ｅ）を用いて、ＧａＮ膜５４を形成する（図５
（ｃ））。このとき基板上に溝５５が残存する。

【００９８】つづいて、上記工程を再度繰り返す。すな
わち、ＧａＮ膜５４上にクラック５７の入ったＡｌ_0.2
Ｇａ_0.8Ｎ膜５６を形成し（図５(ｄ)）、次いで、ウエ
ットエッチングを用いてＧａＮ膜５４に溝部５９を設け
た後、ハイドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）を用いて、Ｇ
ａＮ膜５８を形成する（図５（ｅ））。

【００９９】以上のようにして、結晶欠陥が著しく低減
されたＧａＮ膜５８が得られる。

【０１００】実施例６本実施例について図６を参照して説明する。本実施例で
は、基板６１として、（１００）面[１１０]方向に２度
傾斜したＧａＡｓ基板結晶を用いる（図６（ａ））。こ
の基板６１上にIII族原料にガリウム（Ｇａ）と塩化水
素（ＨＣｌ）の反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣ
ｌ）とＶ族原料にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いるハ
イドライドＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）を用いて、島状のＧａ
Ｎ膜６２を形成し、同時に基板６１表面にエッチング溝
６３を形成する（図６（ｂ））。島状のＧａＮ膜６２と
基板６１表面の溝６３の形成手順は、基板６１をＨＶＰ
Ｅ装置にセットし、Ｈ₂ガス雰囲気で７００℃の温度に
昇温し、温度が安定してからＧａＣｌとＮＨ₃ガスを供
給して島状のＧａＮ膜６２を形成する。Ｇａ上に供給す
るＨＣｌ量は１ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量は１
０００ｃｍ³／ｍｉｎで行った。この成長により、基板
６１表面に島状のＧａＮ膜６２が形成されるとともに表
面の溝６３が形成される。ＧａＮの成長が進むに連れ
て、島状のＧａＮ膜６２は大きくなり、基板６１表面の
溝６３が大きくなる（図６（ｃ））。さらに成長が進む
と、隣接する島状のＧａＮ膜６２と合体する。この合体
したＧａＮ膜６２領域では、基板６１表面にエッチング
の進行が停止する。さらに、成長を続け、ＧａＮ膜６２
が基板６１表面を完全に被覆させる（図６（ｄ））。次
に、ＮＨ₃ガスを供給ながら基板６１の温度を１０００
℃に昇温する。温度が安定してからＧａＣｌを供給して
ＧａＮ膜６４を形成する。Ｇａ上に供給するＨＣｌ量は
２０ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量は１０００ｃｍ
³／ｍｉｎで行った。６時間の成長で、３００μｍの厚
さのＧａＮ膜６４が形成できた（図６（ｅ））。ＧａＮ
膜６４形成後、ＮＨ₃ガスを供給しながら、６００℃程
度まで冷却し、ＮＨ₃ガスの供給を停止する。さらに常
温まで冷却し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに切り替え成長装置
より取り出す。

【０１０１】次に、基板６１を除去して、ＧａＮ膜６４
の単体を形成する（図６（ｆ））。基板６１のエッチン
グ除去には、硫酸を用いて行う。１２時間浸すことで、
基板６１を除去してから、研磨して平坦な裏面を形成し
た。硫酸は、ＧａＮ膜６４をほとんどエッチングするこ
とができないのでＧａＮ膜６４の単体膜として取り出す
ことができる。本実施例によれば、結晶欠陥の少ないＧ
ａＮ膜６４が得られる上、基板の除去を容易に行うこと
ができる。

【０１０２】実施例７本実施例について図７を参照して説明する。本実施例で
は、基板として、（０００１）面サファイア（Ａｌ
₂Ｏ₃）基板７１を用いる（図７(ａ)）。この基板１１上
に、III族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＶ族
原料にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、キャリアガス
に水素（Ｈ₂）と窒素（Ｎ₂）を用いる有機金属化合物気
相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、不定形の島状のＧａＮ
膜７３を形成する（図７(ｃ)）。

【０１０３】ＧａＮ膜７３の形成手順は以下のようにし
て行う。まず、表面を洗浄したサファイア基板７１をＭ
ＯＶＰＥ装置の成長領域にセットする。次に、Ｈ₂とＮ₂
ガスの混合雰囲気で、１１００℃の温度に昇温して、基
板７１の表面の熱処理を行う。次に、基板７１の温度を
５００℃に減温する。温度が安定してからＴＭＧとＮＨ
₃を供給して、３０ｎｍの厚さのＧａＮ層７２を形成す
る（図７(ｂ)）。この時のＴＭＧとＮＨ₃の供給量は、
それぞれ１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、５０００ｃｍ³／ｍｉ
ｎとして、Ｈ₂ガスとＮ₂ガスは、それぞれ１００００ｃ
ｍ³／ｍｉｎ供給した。ＧａＮ膜７２を形成後、再び、
ＮＨ₃ガスを供給しながら基板７１の温度を１０８０℃
に昇温する。この昇温工程で、ＧａＮ層７２の一部分が
蒸発して粒子状のＧａＮ膜となる。このような粒子状の
ＧａＮ膜を好適に形成するためには、昇温速度、成長温
度、Ｈ₂やＮＨ₃分圧に応じてＧａＮ膜の膜厚を適宜に設
定することが好ましい。

【０１０４】その後、温度が安定してからＴＭＧを供給
して、エピタキシャル成長を行う。これにより粒子状の
ＧａＮ層７２を核として、ファセット面を持つ不定形島
状のＧａＮ膜７３が形成する。このときのＴＭＧの供給
量は、９０μｍｏｌ／ｍｉｎとする。

【０１０５】その後、ＮＨ₃雰囲気で、６００℃程度ま
で冷却する。基板７１の温度が５００℃程度になったら
ＮＨ₃ガスの供給を停止し、Ｈ₂ガスの供給を停止し、Ｎ
₂ガスのみ供給して常温まで冷却し、ＭＯＶＰＥ装置よ
り取り出す。

【０１０６】次に、島状のＧａＮ膜７３上にＧａＮ膜７
５を形成する（図１（ｄ））。ＧａＮ膜７５の形成は、
III族原料にガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の
反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とＶ族原料
にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いるハイドライドＶＰ
Ｅ法（ＨＶＰＥ）により行う。ＧａＮ膜７３の形成手順
は以下の通りである。まず、基板７１をＨＶＰＥ装置に
セットし、Ｈ₂ガスを供給しながら６００℃程度に昇温
する。次いでＮＨ₃ガスを供給しながら、さらに１０４
０℃の温度に昇温する。成長温度が安定してから、Ｇａ
Ｃｌを供給してＧａＮを成長する。この時のＧａＣｌ供
給量は２０ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量は１００
０ｃｍ³／ｍｉｎで行う。このＨＶＰＥ成長では、サフ
ァイア基板７１表面が露出部７５には、ＧａＮの成長が
起きにくいため、実質的にＧａＮ膜７３表面でのみエピ
タキシャル成長が進行する。ＧａＮ膜７５の成長が進む
につれて露出部７４が埋め込まれる。さらに成長を続け
るとＧａＮ膜７５表面が平坦になる。５時間のエピタキ
シャル成長で、３００μｍの厚さのＧａＮ膜７５が形成
できる。ＧａＮ膜７５の形成後、ＮＨ₃ガスを供給しな
がら、６００℃程度まで冷却し、ＮＨ₃ガスの供給を停
止して、さらに常温まで冷却し、Ｈ₂ガスからＮ₂ガスに
切り替えてＨＶＰＥ装置より取り出す。

【０１０７】取り出した基板７１上のＧａＮ膜７５に
は、クラックや割れがなく形成できた。また、ＧａＮ膜
７５表面のりん酸系の溶液によるエッチングピット密度
を測定したところ、１×１０⁷／ｃｍ²であった。

【０１０８】本実施例では、ＧａＮ膜７５のエピタキシ
ャル成長に成長速度の速いハイドライドＶＰＥ法を用い
て形成したが、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰ
Ｅ）を用いても同様な効果が得られる。また、サファイ
ア基板１１を用いたが、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ
基板、ＬｉＧａＯ₂基板、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板、ＮｄＧａ
Ｏ₃基板、ＧａＰ基板等を用いても同様な効果が得られ
る。本実施例では、基板１１上に形成したＧａＮ膜を用
いたが、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ膜（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、Ａ
ｌ_xＧａ_1-xＮ膜（ｘ≦１）、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ膜（ｘ≦
１）、ＩｎＮ膜、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ膜（ｘ≦１）、Ｉｎ
_xＧａ_1-xＰ膜（ｘ≦１）を形成しても同様な効果が得ら
れる。本実施例では、ＧａＮ膜１５のエピタキシャル成
長について述べたが、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ膜（ｘ＋ｙ＋
ｚ＝１（０≦ｘ、y、z、≦１））、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ膜
（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ膜（ｘ≦１）、ＩｎＮ
膜、Ｉｎ _xＧａ_1-xＡｓ膜（ｘ≦１）、Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ膜
（ｘ≦１）をエピタキシャル成長しても同様な効果が得
られる。さらに、不純物の添加しても同様な効果が得ら
れる。

【０１０９】実施例８本実施例について図８を参照して説明する。本実施例で
は基板として、（０００１）面サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）
基板８１を用いる（図８(ａ)）。この基板８１上にIII
族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＶ族原料にア
ンモニア（ＮＨ₃）ガスを用い、キャリアガスに水素ガ
ス（Ｈ₂）と窒素ガス（Ｎ₂）を用いるＭＯＶＰＥ法によ
り厚さ５０ｎｍのＧａＮ層８２を形成する（図８
(ｂ)）。ＧａＮ層８２の厚みは、２０〜３００ｎｍの間
で、適宜選択することができる。

【０１１０】ＧａＮ膜８２の形成手順は以下の通りであ
る。まず、表面を洗浄したサファイア基板２１をＭＯＶ
ＰＥ装置の成長領域にセットする。次に、Ｈ₂ガス雰囲
気で、１０５０℃の温度に昇温して、基板８１の成長表
面の熱処理を行う。次に、５００℃の温度に減温して、
温度が安定してからＴＭＧ、ＮＨ₃をそれぞれ１０μｍ
ｏｌ／ｍｉｎ、５０００ｃｍ³／ｍｉｎとして、Ｈ₂ガス
とＮ₂ガスは、それぞれ１２０００ｃｍ³／ｍｉｎ、１０
０００ｃｍ³／ｍｉｎ供給して、ＧａＮ層８２を形成す
る。ＧａＮ膜８２の形成後、Ｎ₂ガスのみ常温まで冷却
し、ＭＯＶＰＥ装置より取り出す。

【０１１１】次に、実施例７と同様にしてハイドライド
ＶＰＥ法（ＨＶＰＥ）により、不定形の島状のＧａＮ膜
８３の形成、および、平坦な表面のＧａＮ層８４の形成
を行う（図８（ｃ）、（ｄ））。島状のＧａＮ膜８３お
よびＧａＮ層８４の形成手順を以下に示す。まず、基板
をＨＶＰＥ装置にセットし、Ｈ₂ガスを供給しながら６
００℃の温度に昇温する。さらに、ＮＨ₃ガスを供給し
ながら１０２０℃の温度に昇温する。この昇温工程で、
ＧａＮ層８２の大部分が蒸発して粒子状のＧａＮ膜とな
る。このような粒子状のＧａＮ膜を好適に形成するため
には、昇温速度、成長温度、Ｈ₂やＮＨ₃分圧に応じてＧ
ａＮ膜の膜厚を適宜に設定することが好ましい。

【０１１２】その後、成長温度が安定してからＧａＣｌ
を供給して、ＧａＮ膜８３を成長する。このＨＶＰＥ成
長では、実質的に粒子状ＧａＮ膜８２の表面のみを起点
とする成長が進行し、島状のＧａＮ膜８３が形成される
（図８（ｃ））。この状態の断面ＳＥＭ（走査型電子顕
微鏡）写真を図１３に示す。このとき、Ｇａ上に供給す
るＨＣｌ量は５ｃｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガスの供給量は５
００ｃｍ³／ｍｉｎとする。

【０１１３】次に、Ｇａ上に供給するＨＣｌ量を４０ｃ
ｍ³／ｍｉｎ、ＮＨ₃ガス流量を１２００ｃｍ³／ｍｉｎ
に増量してエピタキシャル成長を続け、島状のＧａＮ膜
８３表面に成長する。ＧａＮ膜８４は、実施例７と同様
に、隣接する島状のＧａＮ層８３から成長したＧａＮ膜
が合体する。さらに、成長を続けると平坦な表面が形成
できる。４時間の成長で、３００μｍの膜厚のＧａＮ膜
８４が形成できる。ＧａＮ膜８４形成後、ＮＨ₃ガスを
供給しながら、６００℃程度まで冷却し、ＮＨ₃ガスの
供給を停止する。さらに常温まで冷却し、Ｈ₂ガスから
Ｎ₂ガスに切り替え成長装置より取り出す。

【０１１４】以上のようにして得られたＧａＮ膜８４に
は、クラックや割れが認められなかった。

【０１１５】上述した各実施例においては、もっぱらII
I族元素窒化物系について本発明を適用した場合につい
て示した。しかし、本発明は横方向成長を巧妙に利用し
たものであり、エピタキシャルすべき材料を限定するも
のではない。従って、シリコン基板上への砒化ガリウム
（ＧａＡｓ）や炭化珪素（ＳｉＣ）などのエピタキシャ
ル成長にも適用できる。さらに異種下地基板に関して
も、単一素材からなるものに限られず、異なる材料の複
数の層からなる基板を用いることができる。

【０１１６】実施例９本実施例は、本発明の方法によりエピタキシャル層を形
成した後、その上に半導体レーザを構成する各半導体層
を形成した例を示すものである。

【０１１７】図１４(a)は、サファイア（０００１）面
基板１６１上に、実施例１と同様の方法により、珪素
（Si）がｎ型不純物として添加されたＧａＮエピタキシ
ャル層（膜厚２００μm）１６２を形成し、その基板上
に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて半
導体層を積層して形成された窒化ガリウム系レーザの概
略断面図である。

【０１１８】ＧａＮ系半導体レーザ構造は、(a)で示し
た基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、水素雰囲気で成長
温度１０５０℃に昇温する。６５０℃の温度からＮＨ₃
ガス雰囲気にする。Ｓｉを添加した１μｍの厚さのｎ型
ＧａＮ層１６３、Ｓｉを添加した０．４μｍの厚さのｎ
型Ａｌ_0.15Ｇａ0_.85Ｎクラット層１６４、Ｓｉを添加し
た０．１μｍの厚さのｎ型ＧａＮ光ガイド層１６５、
２．５ｎｍの厚さのアンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井
戸層と５ｎｍの厚さのアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0. ₉₅Ｎ障
壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層１６６、
マグネシウム（Ｍｇ）を添加した２０ｎｍの厚さのｐ型
Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１６７、Ｍｇを添加した０．１μｍ
の厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層１６８、Ｍｇを添加した
０．４μｍの厚さのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層
１６９、Ｍｇを添加した０．５μｍの厚さのｐ型ＧａＮ
コンタクト層１７０を順次形成しレーザー構造を作製し
た。ｐ型のＧａＮコンタクト層１７０を形成した後は、
ＨＮ₃ガス雰囲気で常温まで冷却し、成長装置より取り
出す。２．５ｎｍの厚さのアンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
量子井戸層と５ｎｍの厚さのアンドープＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎ障壁層からなる多重量子井戸構造活性層１６６
は、７８０℃の温度で形成した。

【０１１９】次に、レーザー構造を形成した結晶を研磨
器にセットし、サファイア基板１６１、およびＧａＮ膜
１６２を５０μｍ研磨する。露出したＧａＮ層６５面に
は、チタン（Ｔｉ）／アルミ（Ａｌ）のｎ型電極１７１
を形成し、ｐ型のＧａＮ層７３上には電流狭搾のために
ＳｉＯ₂膜１７２を形成して、ニッケル（Ｎｉ）／金
（Ａｕ）のｐ型電極１７２を作製した（図１４
（ｂ））。

【０１２０】上記構成の半導体レーザを構成する各半導
体層は、結晶性が良好であり、転位も少なかった。ま
た、歩留まりが良好で、製造安定性に優れており、閾値
電流密度3kA/cm²、閾値電圧5Vで室温連続発振が得られ
た。

【０１２１】本実施例では、ＧａＮ層１６２上にレーザ
ー構造形成してから、サファイア基板１６１、ＧａＮ膜
１６２の一部をを研磨したが、レーザー構造を作製する
前にサファイア基板１６１、ＧａＮ膜１６２の一部をを
研磨しても同様な効果が得られる。

【０１２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
結晶層を含んでなる島状結晶の設けられたウエーハを結
晶成長用下地基板としているため、工程の煩雑化を招く
ことなく、異種材料基板上に形成されるエピタキシャル
結晶層の結晶欠陥を大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図２】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図３】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図４】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図５】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図６】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図７】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図８】本発明に係る基板の製造方法を示す工程断面図
である。

【図９】本発明および従来技術に係る結晶成長用下地基
板の模式的断面図である。

【図１０】本発明に係る結晶成長用下地基板における島
状結晶の被覆率と、その上に形成されるエピタキシャル
層中の転位密度との関係を示す図である。

【図１１】ペンディオエピタキシー法を説明するための
図である。

【図１２】ペンディオエピタキシー法を説明するための
図である。

【図１３】本発明に係る結晶成長用下地基板の島状結晶
の外観を示す図面代用写真である。

【図１４】本発明に係る基板の製造方法を適用して作製
した半導体レーザの断面図である。

【図１５】本発明に係る結晶成長用下地基板を用いてエ
ピタキシャル層を形成した後の概観を示す図面代用写真
である。

【符号の説明】

１１サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板１２ＧａＮ膜１３開口部１４溝１５ＧａＮ膜２１サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板２２Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜２３クラック２４開口部２５溝２６ＧａＮ膜３１サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板３２ＧａＮ膜３３露出部３４溝３５ＧａＮ膜４１シリコン（Ｓｉ）基板結晶４２ＧａＮ膜４３露出領域４４溝４５ＧａＮ膜５１サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板５２Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜５３クラック５４ＧａＮ膜５５溝５６Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ膜５７クラック５８ＧａＮ膜６１ＧａＡｓ基板結晶６２ＧａＮ膜６３溝６４ＧａＮ膜７１サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板７２ＧａＮ層７３ＧａＮ膜７４露出部７５ＧａＮ膜８１サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板８２ＧａＮ層８３ＧａＮ膜８４ＧａＮ膜１６１サファイア（０００１）面基板１６２ＧａＮエピタキシャル層１６３ｎ型ＧａＮ層１６４ｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ0_.85Ｎクラット層１６５ｎ型ＧａＮ光ガイド層１６６多重量子井戸構造活性層１６７ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１６８ｐ型ＧａＮ光ガイド層１６９ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層１７０ｐ型ＧａＮコンタクト層１７１ｎ型電極１７２ｐ型電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者碓井彰東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE15 DB08 EE02 TK04 5F043 AA16 BB10 DD01 DD07 FF01 GG10 5F045 AA04 AB14 AC03 AC08 AC12 AC13 AC15 AD09 AD14 AF02 AF03 AF04 AF09 AF12 AF20 BB01 BB12 DA53 DA67

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エピタキシャル結晶層を成長させるため
の下地として用いられる結晶成長用下地基板であって、
前記エピタキシャル結晶層と異なる結晶系の下地基板
と、前記下地基板上に離間して形成された複数の島状結
晶とを有し、前記島状結晶は、前記エピタキシャル結晶
層と同じ結晶系の単結晶層を含んでなることを特徴とす
る結晶成長用下地基板。
【請求項２】前記島状結晶は、前記下地基板上に形成
された下部多結晶層と、この上に形成された前記エピタ
キシャル結晶層と同じ結晶系の上部単結晶層とからなる
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長用下地基
板。
【請求項３】前記島状結晶は、前記エピタキシャル結
晶層と同じ結晶系の単結晶から主としてなることを特徴
とする請求項１に記載の結晶成長用下地基板。
【請求項４】前記下地基板が凹凸形状を有し、該凹凸
形状の凸部に前記島状結晶が形成されたことを特徴とす
る請求項１乃至３いずれかに記載の結晶成長用下地基
板。
【請求項５】前記下地基板表面に対する前記複数の島
状結晶の被覆率が、０．１％以上６０％以下であること
を特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の結晶成長
用下地基板。
【請求項６】前記複数の島状結晶の平均粒径が、０．
１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項
１乃至５いずれかに記載の結晶成長用下地基板。
【請求項７】前記複数の島状結晶間の平均間隔が、１
０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求
項１乃至６いずれかに記載の結晶成長用下地基板。
【請求項８】前記複数の島状結晶の数密度が、１０^-5
個／μｍ²以上１０^- ²個／μｍ²以下であることを特徴と
する請求項１乃至７いずれかに記載の結晶成長用下地基
板。
【請求項９】前記エピタキシャル結晶層がIII族元素
窒化物系材料からなることを特徴とする請求項１乃至８
いずれかに記載の結晶成長用下地基板。
【請求項１０】請求項１乃至９いずれかに記載の結晶
成長用下地基板の前記島状結晶上にエピタキシャル結晶
層が形成されたことを特徴とする基板。
【請求項１１】下地基板とその上に離間して形成され
た複数の島状結晶とを有し、前記下地基板と異なる結晶
系のエピタキシャル結晶層を成長させるための下地とし
て用いられる結晶成長用下地基板を製造する方法であっ
て、下地基板表面に直接に、または他の層を介して、前
記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系のバッファ層を形
成する工程と、前記バッファ層の一部をウエットエッチ
ングして島状領域を残存させ、前記エピタキシャル結晶
層と同じ結晶系の単結晶層を含む前記島状結晶を形成す
る工程とを含むことを特徴とする結晶成長用下地基板の
製造方法。
【請求項１２】下地基板とその上に離間して形成され
た複数の島状結晶とを有し、前記下地基板と異なる結晶
系のエピタキシャル結晶層を成長させるための下地とし
て用いられる結晶成長用下地基板を製造する方法であっ
て、下地基板表面に直接に、または他の層を介して、前
記第一のバッファ層を第一の成長温度で形成する工程
と、前記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系の第二のバ
ッファ層を、第一の成長温度よりも高い第二の成長温度
で形成する工程と、第一および第二のバッファ層の一部
をウエットエッチングして島状領域を残存させ、前記エ
ピタキシャル結晶層と同じ結晶系の単結晶層を含む前記
島状結晶を形成する工程とを含むことを特徴とする結晶
成長用下地基板の製造方法。
【請求項１３】前記バッファ層をウエットエッチング
する際、前記下地基板の露出面の少なくとも一部をエッ
チングすることを特徴とする請求項１１または１２に記
載の結晶成長用下地基板の製造方法。
【請求項１４】下地基板とその上に離間して形成され
た複数の島状結晶とを有し、前記下地基板と異なる結晶
系のエピタキシャル結晶層を成長させるための下地とし
て用いられる結晶成長用下地基板を製造する方法であっ
て、下地基板表面に直接に、または他の層を介して、前
記エピタキシャル結晶層と同じ結晶系の単結晶層を含む
結晶層を島状に堆積することにより前記島状結晶を形成
する工程を含むことを特徴とする結晶成長用下地基板の
製造方法。
【請求項１５】前記島状結晶を形成した後、前記下地
基板の露出面の少なくとも一部をエッチングすることを
特徴とする請求項１４に記載の結晶成長用下地基板の製
造方法。
【請求項１６】前記島状結晶は、前記下地基板上に形
成された下部多結晶層と、この上に形成された上部単結
晶層からなることを特徴とする請求項１１乃至１５いず
れかに記載の結晶成長用下地基板の製造方法。
【請求項１７】前記島状結晶は、単結晶から主として
なることを特徴とする請求項１１乃至１５いずれかに記
載の結晶成長用下地基板の製造方法。
【請求項１８】前記下地基板表面に対する前記複数の
島状結晶の被覆率を、０．１％以上６０％以下とするこ
とを特徴とする請求項１１乃至１７いずれかに記載の結
晶成長用下地基板の製造方法。
【請求項１９】前記複数の島状結晶の平均粒径を、
０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることを特徴とする請
求項１１乃至１８いずれかに記載の結晶成長用下地基板
の製造方法。
【請求項２０】前記複数の島状結晶間の平均間隔を、
１０μｍ以上５００μｍ以下とすることを特徴とする請
求項１１乃至１９いずれかに記載の結晶成長用下地基板
の製造方法。
【請求項２１】前記複数の島状結晶の数密度を、１０
^-5個／μｍ²以上１０^-2個／μｍ²以下とすることを特徴
とする請求項１１乃至２０いずれかに記載の結晶成長用
下地基板の製造方法。
【請求項２２】前記エピタキシャル結晶層がIII族元
素窒化物系材料からなることを特徴とする請求項１１乃
至２１いずれかに記載の結晶成長用下地基板の製造方
法。
【請求項２３】請求項１１乃至２２いずれかに記載の
結晶成長用下地基板の製造方法により製造された結晶成
長用下地基板。
【請求項２４】請求項１１乃至２２いずれかに記載の結
晶成長用下地基板の製造方法を用いて結晶成長用下地基
板を製造した後、前記島状結晶を埋め込むように、前記
島状結晶と同じ結晶系のエピタキシャル成長層を形成す
る工程を含むことを特徴とする基板の製造方法。
【請求項２５】請求項２４記載の基板の製造方法によ
り製造された基板。