JP2005260093A - 窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 石英基板またはシリコン基板上に良質の微細結晶であって、発光性に優れた窒化ガリウムを形成することができるヘテロエピタキシャル成長方法を提供する。
【解決手段】 石英基板１０またはシリコン基板１０の表面での窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法であって、前記基板１０の表面に窒化する工程Ａと、ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂとを備える；石英基板１０の表面での窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法であって、ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基板上での窒素化合物半導体の成長方法に関するものである。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系の窒素化合物半導体（窒化物半導体）は、青色発光素子材料として研究が進められており、近年高輝度で発光する青色発光ダイオード（ＬＥＤ）が開発、商品化され脚光を浴びている。
しかしながら、窒化ガリウム系の結晶性の良いバルク単結晶は作製しにくいため、これらデバイスの薄膜成長は、サファイア基板等の別の材料上にヘテロエピタキシャル成長させている。
例えば、サファイア基板表面をまず高温にして、窒素だけを供給して均一な窒化面を作製する。その後、窒化した表面を比較的低温に保ち、均一にガリウム等の陽イオン元素を蒸着する。
そして、再度高温にしながら窒素を供給することにより表面を窒化するとともに、余分な陽イオン元素を再蒸発させ、陽イオン原子と窒素原子の結合を促し、これにより窒化物半導体の均質な初期層を形成させることにより、単結晶の窒化物半導体を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に係る、サファイア基板上に単結晶の窒化ガリウムを形成することにより得られる単結晶の窒化物半導体にあっては、その結晶性は良好である。
このような結晶性のよい単結晶窒化ガリウムを成長させるには、ＧａＡｌＮやＡｌＮ等のバッファ層を低温で成長させた後に、ＧａＮを成長させることが必要となる。
ところで、この窒化物半導体は、青色ＬＥＤの材料としてのみならず、紫外線発光の光源やＦＥＤ(フィールドエミションディスプレイ）等の電子で励起させる蛍光体にも応用することができる。
この場合には、窒化物半導体の物性として、結晶性より発光性が重視される。この発光性は、窒化物半導体に電子を照射して、そのカソードルミネッセンス（ＣＬ）特性を調べることで評価することができる。
特開平８−２６４４３９号公報
特許文献１に係る窒化ガリウムは単結晶となるが、本発明者らが、これのカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度を測定したところ、ＣＬ強度は低いことがわかり、発光性に劣る問題があった。
また、従来技術における基板にはサファイア基板等の高価なものが使用されており、コスト面での問題があった。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、石英基板またはシリコン基板上に良質の微細結晶であって、発光性に優れた窒化ガリウムを形成することができる窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、石英基板またはシリコン基板の表面での窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法であって、前記基板の表面を窒化する工程Ａと、ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂとを備えることを特徴とする窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項２にかかる発明は、石英基板の表面での窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法であって、ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂを備えることを特徴とする窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項３にかかる発明は、前記工程Ａでは、前記基板の表面を、アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、またはヒドラジン誘導体気体雰囲気中にさらす、窒素雰囲気中にさらす、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、窒化物溶液中に接触させる、および前記基板の表面に、窒素イオンを打ち込む、のいずれかの方法により窒化することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項４にかかる発明は、前記工程Ｂに引き続き、この堆積または蒸着されたガリウム元素の原子層の表面を、さらに窒化して、前記基板の表面上に窒化ガリウムから成る表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成する工程Ｃを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項５にかかる発明は、前記工程Ｃでは、前記堆積または蒸着されたガリウム元素の原子層の表面を、アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、またはヒドラジン誘導体の気体雰囲気中にさらす、窒素雰囲気中にさらす、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、窒化物溶液中に接触させる、および前記ガリウム元素の原子層の表面に、窒素イオンを打ち込む、のいずれかの方法により窒化して表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成することを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項６にかかる発明は、前記工程Ｃでは、前記アンモニア、前記アンモニア基を有する化合物、前記ヒドラジン、前記ヒドラジン誘導体、前記窒素、前記窒素ラジカル、前記窒化物溶液、および前記窒素イオンのいずれかの窒素原子を含有する窒素供給源とともに前記ガリウム元素を供給し、窒化して表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成することを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項７にかかる発明は、前記工程Ｃに引き続き、さらに、前記工程Ｂの処理と前記工程Ｃの処理とを繰り返す工程Ｄを備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
請求項８にかかる発明は、前記工程Ｄでは、前記ガリウム元素と前記窒素原子を含有する窒素源とを同時に供給することにより、前記工程Ｂの処理と前記工程Ｃの処理とを同時に行うことを特徴とする請求項７記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法である。
本発明の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法によれば、石英基板またはシリコン基板上に良質の微細結晶であって、発光性に優れた窒化ガリウムを形成することができる。
図１に、特開平８−２６４４６０号公報で開示したのと同様の、本発明のへテロエピタキシャル成長に用いる窒化ガリウム結晶成長装置の構成図を示す。
この装置は、（ａ）基板の鉛直下方の表面を露出させて収納するととともに、基板に加熱を行うための基板収納部１００と、（ｂ）窒素原子を含有する窒素供給源となる気体等（アンモニア基を有する化合物、窒素等）に加熱を行うための鉛直上方が開放された第１の成長室２００と、（ｃ）成長させるべきガリウム元素材料および窒素原子を含有する窒素供給源となる気体等に加熱を行うため、鉛直上方が開放された第２の成長室３００と、（ｄ）基板収納部１００で露出された基板の表面を、第１の成長室２００の開放部の上方ないし第２の成長室３００の開放部の上方へ移動させるための基板ステージ４００と、（ｅ）基板収納部１００、第１の成長室２００、第２の成長室３００、および駆動部である基板ステージ４を収納するとともに、内部の残留蒸気圧を０．１３Ｐａ程度以下とする真空槽５００とから構成されている。
この基板収納部１００は、基板ホルダ１１０と、この基板ホルダ１１０を収納するための鉛直下方が開放された石英管１２０と、この石英管１２０に巻かれたタングステン線からなる基板ヒータ１３０と、石英管１２０と基板ヒータ１３０との回りを取り囲むステンレス管１４０とを備えている。このステンレス管１４０は、加熱効率を高めるためのものである。
また、この第１の成長室２００は、底のある石英管２１０と、この石英管２１０に巻かれたタングステン線からなるヒータ２２０と、石英管２１０とヒータ２２０との回りを取り囲むステンレス管２３０とを備えている。このステンレス管２３０は、加熱効率を高めるためのものである。また、この石英管２１０には、窒素原子を含有する窒素供給源となる気体等を供給するための石英管２４０が挿入されている。
また、第２の成長室３００は、底のある石英管３１０と、この石英管３１０に巻かれたタングステン線からなるヒータ３２０と、石英管３１０とヒータ３２０との回りを取り囲むステンレス管３３０とを備えている。このステンレス管３３０は、加熱効率を高めるためのものである。また、この石英管３１０上部には、窒素原子を含有する窒素供給源となる気体等を供給するための石英管３４０が設けられており、石英管３１０の内部には、ガリウム元素材料が収容されている。
さらに、この基板ステージ４００と、第１の成長室２００および第２の成長室３００との間のギャップは任意に設定することができ、また基板ステージ４００は、第１の成長室２００および第２の成長室３００の上を自由にスライド移動することができるよう形成されている。
なお、基板の温度は、基板に接触させた熱電対でモニタすることができ、第１の成長室２００および第２の成長室３００の底部と開口部とにもそれぞれ熱電対が接触しており、これらの熱電対により温度をモニタすることができる。
次に、本発明の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法について説明する。図２に、本発明の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法の工程の一実施形態の概略図を示す。
本実施形態では、まず、清浄な表面１１を有する基板１０を容易する（図２（ａ）参照）。そのためには、この基板１０を、硫酸−過酸化水素等のエッチング液で洗浄した後、図１に示す窒化ガリウム結晶成長装置の第１の成長室２００内で０．１〜０．３ｍＰａ程度まで真空引きを行い、８００〜１２００℃、好ましくは９００〜１１００℃で、１５〜６０分間、好ましくは２０〜４０分間サーマルクリーニングを行い、表面を洗浄して清浄な表面１１とする。
次に、窒素原子を含有する窒素供給源からの活性化した窒素原子Ｎで、基板１０の表面の酸素を置き換えて窒化する工程Ａにより、均一な窒化面１２を生成させる（図２（ｂ）参照）。
この窒化工程Ａでは、基板温度を３００〜１０００℃、好ましくは５００〜６００℃に保つとともに、図１に示す窒化ガリウム結晶成長装置の第１の成長室２００内を７００〜１０００℃、好ましくは８００〜９００℃として、この第１の成長室２００内に窒素原子を含有する窒素供給源を流入させる。このような窒素原子を含有する窒素供給源としては、アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、ヒドラジン誘導体、窒素、窒素ラジカル、窒化物溶液、および窒素イオンのいずれかであるのが好ましい。そのなかでも、アンモニアが最も好ましい。この窒素原子を含有する窒素供給源を、５〜２００ｃｍ３／ｍｉｎ、好ましくは５０〜１００ｃｍ３／ｍｉｎの流量で供給し、そのまま５〜６０分間、好ましくは５〜２０分間放置して、基板１０表面の窒化を行う。
また、この窒化工程Ａは、基板１０の表面を、アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、またはヒドラジン誘導体の気体雰囲気中、より好ましくはアンモニアの気体雰囲気中にさらす、窒素雰囲気中にさらす、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、窒化物溶液中に接触させる、および前記基板の表面に、窒素イオンを打ち込む、のいずれかの方法により行うのが好ましい。
次いで、この窒素原子を含有する窒素供給源の流入を停止し、基板１０の温度を５００〜７００℃、好ましくは５５０〜６００℃まで下げる。この基板１０を、図１に示す窒化ガリウム結晶成長装置の第２の成長室３００に移動し、ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂを行う。このガリウムの蒸着工程Ｂの温度は、５５０℃を超え６００℃とするのが好ましい。特開平８−２６４４３９号公報（特許文献１）に示したような単結晶を作製する場合と異なり、上述範囲まで温度範囲を広くしても窒化ガリウムの微細結晶を作製することができる。
また、蒸着時間は膜厚に依存し、堆積または蒸着されたガリウムの厚さは、１〜２０ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍである。
このガリウムの蒸着工程Ｂにより、窒化面１２は窒化ガリウム層３１に変化し、さらに、この窒化ガリウム層３１上にはガリウム層３２が形成される（図２（ｃ）参照）。
次に、ガリウムの供給を止め、この基板１０を、図１に示す窒化ガリウム結晶成長装置の第１の成長室２００に移動し、再び窒素原子を含有する窒素供給源を流入させて、さらなる窒化工程Ｃを行う。この時、基板温度を８００〜１２００℃、好ましくは９００〜１１００℃まで昇温して、２０分以内、好ましくは５分以内保ち、微細結晶からなる窒化ガリウムの表面薄膜層または窒化物結晶粒群３３を生成させるとともに、余分なガリウムを再蒸発させる（図２（ｄ）参照）。
この窒化工程Ｃは、堆積または蒸着されたガリウム元素の原子層の表面を、アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、またはヒドラジン誘導体の気体雰囲気中、より好ましくはアンモニアの気体雰囲気中にさらす、窒素雰囲気中にさらす、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、窒化物溶液中に接触させる、および前記基板の表面に、窒素イオンを打ち込む、のいずれかの方法により行うのが好ましい。
また、この窒化工程Ｃは、窒素原子を含有する窒素供給源とともにガリウム元素を同時に供給して行ってもよい。
窒化工程Ｃに引き続き、そのまま窒素原子を含有する窒素供給源中で、基板温度を８００〜１２００℃、好ましくは９００〜１１００℃の状態を１分間以上維持し、窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群３５（以後、「初期層」と呼ぶ。）を形成させ、石英またはシリコン／窒化ガリウムヘテロエピタキシャル基板とする（図２（ｅ）参照）。ここで、ガリウムの厚さは１０ｎｍに満たなくてもよいが、超えないようにする。
この基板１０を、図１に示す窒化ガリウム結晶成長装置の第２の成長室３００に移動し、得られた初期層３５の表面上に、工程Ｄによりさらに窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群を成長させる。この成長は、単位時間あたりに基板に到着するＧａとＮのモル比を１０，０００以下とするのが好ましい。例えば、この成長をＮＨ３が１００ｓｃｃｍ、８００〜８５０℃、圧力０．０１３〜０．１３Ｐａの条件で行うと、ＧａとＮのモル比を１０，０００とすることができる。
また、このときの基板温度は、９５０〜１０５０℃が好ましく、この範囲であれば窒化ガリウムの微細結晶が成長する。そのなかでも、基板温度を１０００℃とすると、微細結晶の均一性がよくなることから、最も好ましい。
この工程Ｄは、ガリウムの蒸着工程Ｂの処理と窒化工程Ｃの処理とを繰り返して行ってもよいし、ガリウム元素と窒素原子を含有する窒素源とを同時に供給することにより、ガリウムの蒸着工程Ｂの処理と窒化工程Ｃの処理とを同時に行ってもよい。
以上説明したように、本発明の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法では、シリコン基板または石英基板表面をまず３００〜１０００℃、好ましくは５００〜６００℃にして、窒素原子だけを供給して均一な窒化面を作製する。その後、窒化した表面を比較的低温に保ち、均一にガリウム元素を蒸着する。
そして基板温度を８００〜１２００℃、好ましくは９００〜１１００℃の高温に上げ、窒素原子を供給することにより表面を窒化するとともに、余分なガリウム元素を再蒸発させ、ガリウム原子と窒素原子の結合を促し、これにより窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群である初期層を形成する。
このようにしてヘテロエピタキシャル成長させると、窒化ガリウムは単結晶や単結晶を含んだ混晶とならず、均質な窒化ガリウムの微細結晶とすることができる。
平均粒径が１０〜１００ｎｍの窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群で形成された初期層作成後に続いて、前記工程Ｄを実施すると、この表面薄膜層中または窒化物結晶粒群中の種結晶に到達したガリウム元素は、この種結晶表面に現われている窒素元素と結合して結晶化する。
ただし、種結晶が形成されず窒化面１２がむき出しとなっている部分に到達したガリウム元素は、窒化面１２上の窒素原子とガリウム元素との結合エネルギーの方が、９００〜１１００℃に熱せられた基板表面からガリウム元素が受け取る熱エネルギーよりも小さいため、再蒸発する。このため、窒化面１２がむき出しとなっている部分は、窒化ガリウムが成長しない領域となる。これらの理由から、種結晶粒部にのみ窒化ガリウムの微細結晶が成長する。
この窒化ガリウム表面薄膜層中または窒化物結晶粒群中の種結晶粒部は、粒径が小さいため、窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群と基板との界面に生じる応力が軽減され、転位がないか、あるいは転位が少なくなる。窒化ガリウムの微細結晶は、この種結晶部にのみ成長するため、得られた微細結晶は、転位が非常に少ないか、あるいは転位のない高品質の結晶となる。
これにより、結晶の転位による発光の減衰が大きく抑制される。したがって、本方法を用いて窒化ガリウムの微細結晶を形成することにより、発光特性を大きく向上できる。
また、窒化ガリウムを微細結晶構造の形態で形成させることにより、カソードルミネッセンス（ＣＬ）などの電子線励起により発光させる場合、凹凸の柱状構造の先鋭な柱部分に電界集中が生じるため、結晶性のよい柱微細結晶が優先的に励起され、平坦な窒化ガリウム結晶薄膜の場合と比べて発光特性を向上することができる。
前記工程Ｂで形成される窒化ガリウム層３１は、１〜２０ｎｍと非常に薄いため、窒化物結晶粒群になっているか、あるいは膜（または表面薄膜層）状体になっているとしても、この膜状体は壊れやすくなっていると考えられる。そのため、次の工程Ｃで、この膜状体は、窒化物結晶粒群になるか、あるいは膜状体が不均一になって窒化ガリウムの成長する場所が点在した表面薄膜層になると考えられる。いずれのメカニズムであっても、窒化ガリウム層３１を薄く作製することにより、微結晶窒化ガリウムを成長させることができる。
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく説明する。本発明は、下記実施例に何ら制限されるものではない。
［実施例１］
〈窒化ガリウムの作製〉
（前処理）
有機洗浄および硫酸−過酸化水素系エッチング液で洗浄を行ったシリコン基板を、図１に示した窒化ガリウム結晶成長装置の第１の成長室内で０．１３ｍＰａまで真空引きし、１０００℃で３０分間サーマルクリーニングを行い、表面を洗浄化した。
（窒化工程Ａ）
次に、基板温度を１０００℃に保つとともに、第１の成長室内を８９０℃として、第１の成長室内に純度９９．９％のアンモニアガスを１０ｃｍ３／ｍｉｎで流入させつつ５分間放置して、均一な窒化面を生成した。
（ガリウム蒸着工程Ｂ）
次いで、アンモニアの流入を止め、基板温度を６００℃まで下げて、この基板を第２の成長室に移動し、膜厚が１０ｎｍとなるまでガリウムを蒸着させた。
（窒化工程Ｃ）
次に、ガリウムの供給を止め、再び基板を第１の成長室に移動し、アンモニアガスを供給して、アンモニア雰囲気中で基板を１０００℃まで昇温して、微細結晶からなる窒化ガリウムの表面薄膜層または窒化物結晶粒群を生成するとともに、余分なガリウムを再蒸発させた。
（工程Ｄ）
引き続き、第１の成長室内のアンモニア雰囲気中で１０００℃の状態を約１分間以上維持して、初期層となる窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成し、シリコン／窒化ガリウムヘテロエピタキシャル基板を得た。基板を第２の成長室に移動し、この初期層の表面上に、ＮＨ３を１００ｓｃｃｍ、基板温度１０２０℃、圧力０．６５Ｐａで処理を行い、さらに窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群を１５００ｎｍ成長させ、窒化ガリウムの微細結晶を得た。
〈カソードルミネッセンス特性〉
カソードルミネッセンス（ＣＬ）特性は、ＣＬ法により発光分光スペクトルを測定して評価した。カソードルミネッセンス分析装置を用いて、加速電圧２ｋＶの電子ビームを、入射角４５度でこの微細結晶に照射し、３２０〜６５０ｎｍの波長光のＣＬ強度を測定した。この窒化ガリウム微細結晶のＣＬ特性を、図３のグラフに示す。
この窒化ガリウム微細結晶の表面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した。図４に、シリコン基板上に成長した実施例１の窒化ガリウム微細結晶のＳＥＭ写真およびＴＥＭ写真を示す。図４（ａ）は、基板に垂直方向から撮影したＳＥＭ写真、図４（ｂ）は、基板の斜め上方から撮影したＳＥＭ写真、図４（ｃ）は、さらに別の角度から撮影したＴＥＭ写真である。
［比較例１］
基板材料をサファイアとし、ガリウム蒸着工程Ｂの基板温度を５５０℃、窒化工程Ｃの基板温度を９１０℃とした以外は、実施例１と同様にして単結晶の窒化ガリウムを作製した。実施例１と同様の方法でＣＬ特性を評価した。このＣＬ特性を、図３のグラフに示す。
［比較例２］
窒化工程Ｃの基板温度を９８０℃とした以外は、実施例１と同様にして混晶の窒化ガリウムを作製した。実施例１と同様の方法でＣＬ特性を評価した。このＣＬ特性を、図３のグラフに示す。
［実施例２］
基板材料を石英とした以外は、実施例１と同様にして窒化ガリウム微細結晶を作製した。
〈フォトルミネッセンス特性〉
フォトルミネッセンス（ＰＬ）特性は、ＰＬ法により発光分光スペクトルを測定して評価した。フォトルミネッセンス分析装置（日本分光製）を用いて、励起光源Ｈｅ−Ｃｄレーザー３２５ｎｍラインをこの微細結晶に照射し、３４０〜６４０ｎｍの波長光のＰＬ強度を測定した。この窒化ガリウム微細結晶のＰＬ特性を、図５のグラフに示す。
また、この窒化ガリウム微細結晶の表面を、実施例１と同様にＳＥＭで観察した。図６に、石英基板上に成長した実施例２の窒化ガリウム微細結晶のＳＥＭ写真を示す。
［比較例３］
基板材料を石英とし、窒化工程Ａを行わなかった以外は、実施例１と同様にして微細結晶の窒化ガリウムを作製した。実施例２と同様の方法でＰＬ特性を評価した。このＰＬ特性を、図５のグラフに示す。また、実施例２と同様にＳＥＭで表面を観察した。このＳＥＭ写真を図６に示す。
［比較例４］
基板材料をシリコンとし、窒化工程Ａを行わなかった以外は、実施例１と同様にして微細結晶の窒化ガリウムを作製した。実施例２と同様の方法でＰＬ特性を評価した。ＰＬ特性による発光は、まったく認められなかった。
図３のＣＬ特性の結果によれば、実施例１と比較例１〜２とを比べると、窒化ガリウムのバンド端である３７０ｎｍ近傍において、実施例１の微細結晶のＣＬ強度は高かった。それに対し、比較例１の単結晶のＣＬ強度は、実施例１の１／２００であり、比較例２の混晶のＣＬ強度は１／２であった。
このことから、微細結晶の窒化ガリウムは、ＣＬ特性が優れていることが確認された。
また、図４のＳＥＭ写真およびＴＥＭ写真によれば、図４（ａ）の写真から、実施例１の窒化ガリウムは多結晶状態になっていることが確認された。また、図４（ｂ）の写真から、これらの微細結晶は柱状結晶であることが確認された。そして、図４（ｃ）の写真から、これらの微細結晶には転位は認められなかった。
比較例３と比較例４とのＰＬ特性の結果を比べると、比較例４では、ＰＬ特性による発光は認められなかった。それに対して、比較例３のそれは、窒化ガリウムのバンド端である３７０ｎｍ近傍において、発光が認められ、使用には問題ないものであった。
一方、図５のＰＬ特性の結果から、実施例２と比較例３とを比べると、実施例２のＰＬ強度は、比較例３のそれの２倍以上高く、ＰＬ特性は最も優れていた。
このことから、窒化工程Ａを行うと、ＰＬ特性が向上することが確認された。
また、図６のＳＥＭ写真によれば、実施例２の窒化ガリウムの表面の方が、比較例３のそれよりも平滑で緻密であった。
以上のことから、本発明の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法によれば、石英基板またはシリコン基板上に良質の微細結晶であって、発光性に優れた窒化ガリウムを形成することができた。
本発明のへテロエピタキシャル成長に用いる窒化ガリウム結晶成長装置の構成図である。 本発明の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法の工程の一実施形態の概略図である。 実施例１と比較例１及び比較例２の窒化ガリウムのＣＬ特性のグラフである。 シリコン基板上に成長した実施例１の窒化ガリウム微細結晶のＳＥＭ写真およびＴＥＭ写真である。図４（ａ）は、基板に垂直方向から撮影したＳＥＭ写真、図４（ｂ）は、基板の斜め上方から撮影したＳＥＭ写真、図４（ｃ）は、さらに別の角度から撮影したＴＥＭ写真である。 実施例２と比較例３の窒化ガリウムのＰＬ特性のグラフである。 石英基板上に成長した実施例２と比較例３の窒化ガリウムのＳＥＭ写真である。
符号の説明
１０ 基板
３３ 窒化ガリウム表面薄膜層または窒化物結晶粒群


Claims (8)

  1. 石英基板またはシリコン基板の表面での窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法であって、
    前記基板の表面を窒化する工程Ａと、
    ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂと
    を備えることを特徴とする窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  2. 石英基板の表面での窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法であって、
    ガリウム元素を１原子層以上堆積または蒸着する工程Ｂ
    を備えることを特徴とする窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  3. 前記工程Ａでは、前記基板の表面を、
    アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、またはヒドラジン誘導体の気体雰囲気中にさらす、窒素雰囲気中にさらす、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、窒化物溶液中に接触させる、および前記基板の表面に、窒素イオンを打ち込む、
    のいずれかの方法により窒化することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  4. 前記工程Ｂに引き続き、この堆積または蒸着されたガリウム元素の原子層の表面を、
    さらに窒化して、前記基板の表面上に窒化ガリウムから成る表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成する工程Ｃ
    を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  5. 前記工程Ｃでは、前記堆積または蒸着されたガリウム元素の原子層の表面を、
    アンモニア、アンモニア基を有する化合物、ヒドラジン、またはヒドラジン誘導体の気体雰囲気中にさらす、窒素雰囲気中にさらす、窒素ラジカル雰囲気中にさらす、窒化物溶液中に接触させる、および前記ガリウム元素の原子層の表面に、窒素イオンを打ち込む、
    のいずれかの方法により窒化して表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成することを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  6. 前記工程Ｃでは、前記アンモニア、前記アンモニア基を有する化合物、前記ヒドラジン、前記ヒドラジン誘導体、前記窒素、前記窒素ラジカル、前記窒化物溶液、および前記窒素イオンのいずれかの窒素原子を含有する窒素供給源
    とともに前記ガリウム元素を供給し、窒化して表面薄膜層または窒化物結晶粒群を形成することを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  7. 前記工程Ｃに引き続き、
    さらに、前記工程Ｂの処理と前記工程Ｃの処理とを繰り返す工程Ｄ
    を備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。
  8. 前記工程Ｄでは、前記ガリウム元素と前記窒素原子を含有する窒素源とを
    同時に供給することにより、前記工程Ｂの処理と前記工程Ｃの処理とを同時に行うことを特徴とする請求項７記載の窒化ガリウムのヘテロエピタキシャル成長方法。


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