JP5296995B2 - 半導体素子、半導体素子の製造方法、発光素子及び電子素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子、半導体素子の製造方法、発光素子及び電子素子に関する。

発光素子や電子素子に搭載される半導体素子として、シリコン半導体や１３族化合物半導体が知られている。シリコン半導体は、一般的には高純度のシリコンウェハの表面を加工することで作製される。窒化ガリウム（ＧａＮ）を中心とする１３族窒化物半導体素子は、一般的にはサファイアウェハやＳｉＣウェハ上にエピタキシャル成長によって作製される。
Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 7, No. 3, June 2005, p. 1421 - 1427

しかしながら、上述したシリコン、サファイア、ＳｉＣなどは硬くて脆く、基板を曲げて使用することができないため、用途が限定されてしまうという問題がある。これらの材料は高価でもあり、単結晶で大面積化しようとするとコストが高くなってしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能な半導体素子、半導体素子の製造方法、発光素子及び電子素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る薄膜の形成方法は、金属を主成分とする基板と、前記基板上に設けられ、岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物からなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられた半導体層とを具備することを特徴とする。

金属は加熱や圧延によってグレインを高速で成長可能であり、低コストで単結晶のまま大面積化が可能であることが知られている。本発明によれば、半導体素子の基板が金属を主成分とするので、大面積の単結晶基板を安価に得ることができる。しかも、金属にはフレキシブル性があるため、例えば基板を曲げて使用することが可能である。これにより、スペースに応じて曲げて使用するなどの幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能な半導体素子を得ることができる。

一般に、金属と半導体とが高温下で接する場合、界面反応を起こしやすいことが知られている。このため、従来、金属基板上に直接半導体を成長させて半導体層を形成する場合、半導体の成長温度を高くすることが困難であった。半導体の成長温度を高くできないため、半導体の結晶が十分に成長せず、半導体層の結晶性が低くなってしまうという問題があった。また、金属基板から半導体層中に金属原子が拡散し、半導体層の品質が劣化するという問題があった。

これに対して、本発明者らは、岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物は化学的に極めて安定であり他との反応性が極めて低い点、このような化学的に安定な物質をバッファ層として半導体を成長させると成長温度を高くしても界面反応が起こりにくい点を見出した。

そこで、本発明では、岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物からなるバッファ層が基板上に設けられており、当該バッファ層上に半導体層が設けられた構成としたので、バッファ層上に半導体を成長させる際には成長温度を高くしても、バッファ層と半導体との間では反応はほとんど生じない。このため、半導体を高温下で成長させることができ、結晶性に優れた半導体層を得ることができる。また、バッファ層を介して半導体を配置することによって、金属基板から半導体層に金属原子が拡散するのを防ぐことができるので、半導体層の品質を維持することができるという利点もある。

上記の半導体素子は、前記金属窒化物が、４族窒化物であることを特徴とする。
岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物として、４族金属と窒化物が知られている。本発明によれば、金属窒化物が４族窒化物であることとしたので、バッファ層上に成長させる半導体の結晶構造と整合性が高くなる。このため、結晶性に優れた半導体層を得ることができる。

上記の半導体素子は、前記金属窒化物が、ハーフニウムナイトライド又はジルコニウムナイトライドであることを特徴とする。
４族窒化物の中でも、ハーフニウムナイトライド（ＨｆＮ）又はジルコニウムナイトライド（ＺｒＮ）は、特に化学的に安定であり、かつ製造が容易であることが知られている。そこで、本発明では、金属窒化物が、ハーフニウムナイトライド又はジルコニウムナイトライドであることとしたので、結晶性に優れた半導体層を有する半導体素子を得ることができる。

上記の半導体素子は、前記基板が、鉄又は銅を主成分とすることを特徴とする。
鉄や銅は、金属の中でも安価であり、また高い柔軟性を有している。本発明によれば、基板が鉄又は銅を主成分とするので、幅広い用途に対応することができ、低コストで大面積化することができる半導体素子を得ることができる。

上記の半導体素子は、前記基板が、電磁鋼板であることを特徴とする。
電磁鋼板は、鉄を主成分とし、３％のシリコンを含んだ基板である。電磁鋼板はフレキシブル性が高く、安価である。本発明によれば、基板が電磁鋼板であるため、幅広い用途に対応することができ、低コストで大面積化することができる半導体素子を得ることができる。

上記の半導体素子は、前記半導体層が、１３族窒化物からなることを特徴とする。
１３族窒化物は金属との反応性が特に高いため、金属基板上に直接形成した場合、界面反応が生じやすい。本発明によれば、当半導体層をバッファ層上に設ける構成になっているため、半導体層が１３族窒化物からなる場合であっても、半導体層を高温で十分に成長させることができる。

上記の半導体素子は、前記半導体層が、シリコンからなることを特徴とする。
シリコンについても、金属基板上に直接形成した場合、界面反応が生じる虞がある。本発明によれば、当半導体層をバッファ層上に設ける構成になっているため、半導体層がシリコンからなる場合であっても、半導体層を高温で十分に成長させることができる。

本発明に係る半導体素子の製造方法は、金属を主成分とする基板上に、岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物によってバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層を構成する金属窒化物上に半導体層を成長させて半導体層を形成する工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、金属を主成分とする基板上に岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物によってバッファ層を形成する工程と、当該バッファ層を構成する金属窒化物上に半導体層を成長させて半導体層を形成する工程とを具備することとしたので、半導体層を成長させる際に高温で十分に成長させることができる。これにより、幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能であり、高い結晶性を有する半導体層を備えた半導体素子を製造することができる。

上記の半導体素子の製造方法は、前記半導体層が１３族窒化物からなり、前記半導体層を形成する工程では、前記バッファ層を構成する金属窒化物の（１１１）面に１３族窒化物の（０００１）面を成長させることを特徴とする。
本発明によれば、半導体層が１３族窒化物からなり、半導体層を形成する工程では、バッファ層を構成する金属窒化物の（１１１）面に１３族窒化物の（０００１）面を成長させることとしたので、金属窒化物と１３族窒化物との間で結晶整合性を保つことができる。

上記の半導体素子の製造方法は、前記半導体層がシリコンからなり、前記半導体層を形成する工程では、前記バッファ層を構成する金属窒化物の（１００）面にシリコンの（１００）面を成長させて半導体層を形成することを特徴とする。
本発明によれば、半導体層がシリコンからなり、半導体層を形成する工程では、バッファ層を構成する金属窒化物の（１００）面にシリコンの（１００）面を成長させて半導体層を形成することとしたので、金属窒化物とシリコンとの間で結晶整合性を保つことができる。

上記の半導体素子の製造方法は、上記の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子のうち、前記半導体層を基材表面に接着し、前記基板を前記バッファ層から剥離することを特徴とする。
基板を構成する金属とバッファ層を構成する金属窒化物とでは化学的・物理的性質が全く異なるため、容易に剥離することができる。本発明によれば、上記の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子のうち、半導体層を基材表面に接着し、基板をバッファ層から容易に剥離することができる。

本発明に係る発光素子は、上記の半導体素子、又は、上記の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子を搭載したことを特徴とする。
本発明によれば、幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能であり、高い結晶性を有する半導体層を備えた半導体素子を搭載したので、高性能の発光素子を安価で得ることができる。

本発明に係る電子素子は、上記の半導体素子、又は、上記の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子を搭載したことを特徴とする。
本発明によれば、幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能であり、高い結晶性を有する半導体層を備えた半導体素子を搭載したので、高性能の電子素子を安価で得ることができる。

本発明によれば、半導体素子の基板が金属を主成分とするため、加熱や圧延によって基板のグレインを高速に成長させることができる。このため、大面積の単結晶基板を安価に得ることができる。しかも、金属にはフレキシブル性があるため、例えば基板を曲げて使用することが可能である。これにより、スペースに応じて曲げて使用するなどの幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能な半導体素子を得ることができる。

本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体素子１の構成を示す図である。
同図に示すように、半導体素子１は、基板２上にバッファ層３を介して半導体層４が積層された構成になっている。この半導体素子１は、例えば発光素子や電子素子などに搭載されるものである。

基板２は、例えば鉄（Ｆｅ）や銅（Ｃｕ）、電磁鋼板（ＦｅＳｉ）などの金属又はこれらの合金からなる金属基板である。電磁鋼板は、鉄とシリコンとの合金であり、鉄がほぼ９７％、シリコンがほぼ３％含まれた基板である。
バッファ層３は、例えばハーフニウムナイトライド（ＨｆＮ）やジルコニウムナイトライド（ＺｒＮ）などの４族金属の窒化物からなる層である。これらの４族金属の窒化物は岩塩型結晶構造を有しており、化学的に安定性の高い層になっている。

半導体層４は、例えば１３族窒化物半導体からなる薄膜である。１３族窒化物としては、例えばＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）、ＩｎＮ（インジウムナイトライド）などが挙げられ、一般式Ｉｎ_ＸＧａ_ＹＡｌ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。

図２は、上記のバッファ層３の製造装置であるスパッタ装置の構成を示す図である。
同図に示すように、スパッタ装置１０は、チャンバ１１と、基板側電極１２と、ターゲット側電極１３と、直流電源１４と、基板保持部１５と、ターゲット保持部１６と、窒素供給源１７と、加熱装置１８とを主体として構成されている。

チャンバ１１は、外部に対して密閉可能に設けられている。チャンバ１１内は図示しない真空ポンプなどによって減圧できるようになっている。
基板側電極１２は、チャンバ１１内の基板側に配置されている。ターゲット電極１３は、チャンバ１１内に基板側電極１２に対向して設けられている。直流電源１４は、基板側電極１２及びターゲット側電極１３にそれぞれ電気的に接続されており、基板側電極１２とターゲット側電極１３との間に直流電圧を印加する電圧源である。

基板保持部１５は、薄膜を形成する基板２を保持可能に設けられている。
ターゲット保持部１６は、ターゲット１６ａを水平に保持可能に設置された坩堝であり、一定の導電性を有する材料からなる。このような材料としては、例えばチタン（Ｔｉ）などの金属を添加した窒化ホウ素（ＢＮ）や、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのＩＩＩ族金属の窒化物が挙げられる。

ターゲット１６ａは、例えばＩＩＩ族金属及びその合金からなる。ターゲット１６ａとして用いられるＩＩＩ族金属としては、例えばＧａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）などが挙げられる。これらのＩＩＩ族金属は、坩堝内に液体状で保持されるようになっている。

窒素供給源１７は、例えば供給管などによってチャンバ１１内に接続されており、チャンバ１１内に窒素ガスを供給する。図示しないが、窒素供給源１７の他、チャンバ内にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給源も設けられている。
加熱装置１１８は、例えば基板保持部１５に固定されており、基板保持部１１５上の基板１０２の周囲温度を調節できるようになっている。

図３は、上記の半導体層４の製造装置であるパルスレーザ装置の構成を示す図である。
同図に示すように、パルスレーザ装置２０は、チャンバ２１と、基板保持部２２と、ターゲット保持部２３と、レーザ光源２４と、レーザ入射口２５と、窒素供給源２６と、加熱装置２７とを主体として構成されている。

チャンバ２１は、上記のスパッタ装置１０のチャンバ１１と同様の構成になっている。すなわち、外部に対して密閉可能に設けられており、図示しない真空ポンプなどによって減圧できるようになっている。
基板保持部２２は、チャンバ２１内に設けられており、上記の基板２を保持可能になっている。

ターゲット保持部２３は、チャンバ２１内に基板保持部２２に対向するように配置されており、ターゲット２３ａを保持可能になっている。レーザ光源２４は、例えばＫｒＦエキシマレーザ光を生成可能な光源である。レーザ光の射出部はレーザ入射口２５に向けられている。レーザ入射口２５は、レーザ光源２４からのレーザ光をチャンバ２１内に入射する部分である。

窒素供給源２６は、例えば供給管などによってチャンバ２１内に接続されており、チャンバ２１内に窒素ガスを供給する。加熱装置２７は、例えば基板保持部２２に固定されており、基板保持部２２上の基板２の周囲温度を調節できるようになっている。

半導体素子１を構成するバッファ層３は、例えば上記のスパッタ装置１０を用いて形成される。
まず、チャンバ１１内にアルゴンガスを供給し、窒素供給源１６から窒素ガスをチャンバ１１内に供給する。アルゴンガス及び窒素ガスによってチャンバ１１内が所定の圧力になった後、基板２を基板電極１２に保持し、ハーフニウム（Ｈｆ）やジルコニウム（Ｚｒ）などの４族金属又はその合金からなるターゲット１３ａをターゲット電極１３上に設置する。

基板２及びターゲット１３ａを配置した後、加熱装置１７によって、基板２の周囲温度を５００℃〜１０００℃程度に調節する。基板２の周囲温度を調節した後、基板電極１２とターゲット電極１３との間に直流電圧を印加し、ターゲット１３ａをスパッタする。図４に示すように、基板２上には、４族金属の窒化物からなるバッファ層３が形成される。バッファ層３の表面は当該バッファ層を構成する４族金属窒化物の（１１１）面になっている。基板２上にバッファ層３を形成したら、基板２をチャンバ１１から取り出す。

半導体素子１を構成する半導体層４は、例えば上記のパルスレーザ装置２０を用いて形成される。
バッファ層３の形成された基板２をパルスレーザ装置２０内に移動し、チャンバ２１内の基板保持部２２上に保持する。ターゲット保持部２３には、１３族金属又はその合金からなるターゲット２３ａを設置し、チャンバ２１内に窒素ガスを供給する。窒素ガスを供給した後、パルスレーザをターゲット２３ａに照射する。レーザ光が照射されるとターゲット２３ａが蒸発し、図５に示すように、バッファ層３上には、１３族金属の窒化物からなる半導体層４が形成される。

ターゲット２３ａにパルスレーザを照射するときの基板２上の温度は５００℃〜７００℃程度にする。バッファ層３は化学的安定性の高い層であるため、基板２上の温度がこのような高温になっても、半導体層４との界面（表面）でほとんど化学反応を起こすことは無い。

半導体層４は、１３族金属の窒化物の（０００１）面が成長する。この結果、バッファ層３を構成する４族金属窒化物の（１１１）面に半導体層４を構成する１３族金属窒化物の（０００１）面が形成されることになる。

このように、本実施形態によれば、半導体素子１の基板２が金属を主成分とするため、例えば加熱や圧延によって基板２のグレインを高速に成長させることができる。このため、大面積の単結晶基板を安価に得ることができる。しかも、金属にはフレキシブル性があるため、例えば基板を曲げて使用することが可能である。これにより、スペースに応じて曲げて使用するなどの幅広い用途に対応することができ、製造コストが低く、大面積化が可能な半導体素子１を得ることができる。

一般に、金属基板と半導体との間では反応性が高く、界面反応を起こしやすいことが知られている。このため、従来、金属基板上に直接半導体を成長させて半導体層を形成する場合、半導体の成長温度を高くすることが困難であった。半導体の成長温度を高くできないため、半導体の結晶が十分に成長せず、半導体層の結晶性が低くなってしまうという問題があった。本発明者らは、当該金属窒化物は化学的に極めて安定であり他との反応性が極めて低い点、このような科学的に安定な物質をバッファ層として半導体を成長させると成長温度を高くしても界面反応が起こりにくい点を見出した。

そこで、本実施形態では、岩塩型の結晶構造を有するＨｆＮやＺｒＮなどの金属窒化物からなるバッファ層３が基板２上に設けられており、当該バッファ層３上に半導体層４が設けられた構成としたので、バッファ層３上に１３族窒化物半導体を成長させる際には成長温度を１０００℃程度に高くしても、バッファ層３と１３族窒化物半導体との間では反応はほとんど生じない。このため、１３族窒化物をバッファ層３上に十分に成長させることができ、結晶性に優れた半導体層４を得ることができる。

本実施形態によれば、金属窒化物が岩塩型の結晶構造を有する４族窒化物であることとしたので、結晶性に優れた半導体層４を有する半導体素子１を得ることができる。４族窒化物の中でも、ハーフニウムナイトライド（ＨｆＮ）又はジルコニウムナイトライド（ＺｒＮ）は、特に化学的に安定であり、かつ製造が容易であることが知られている。本実施形態のうち、バッファ層３を構成する金属窒化物が、ハーフニウムナイトライド又はジルコニウムナイトライドである場合、結晶性に優れた半導体層４を有する半導体素子を得ることができる。

また、鉄や銅は、金属の中でも安価であり、また高い柔軟性を有している。本実施形態のうち、例えば基板２が鉄又は銅を主成分とする場合には、幅広い用途に対応することができ、低コストで大面積化することができる半導体素子１を得ることができる。一方、電磁鋼板は、鉄を主成分とし、３％のシリコンを含んだ基板である。電磁鋼板はフレキシブル性が高く、安価である。本実施形態のうち、例えば基板２が電磁鋼板とする場合、幅広い用途に対応することができ、低コストで大面積化することができる半導体素子１を得ることができる。

また、１３族窒化物は金属との反応性が特に高いため、金属基板上に直接形成した場合、界面反応が生じやすい。本実施形態では、半導体層４をバッファ層３上に設けることとしたので、界面反応を回避することができる。これにより、半導体層４を高温で十分に成長させることができる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態においては、半導体層４として１３族金属の窒化物を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、半導体層４としてシリコン（Ｓｉ（１００））を形成しても構わない。

シリコンを金属基板上に成長させる場合、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法などの手法によって成長させることが可能である。この場合、シリコンターゲットを配置した真空チャンバ内にバッファ層３を形成した基板２を収容し、シリコンターゲットに電子ビームを照射して当該ターゲットを蒸発させ、蒸発したシリコン原子をバッファ層３上に付着させてシリコン薄膜を成長させるようにする。結晶性向上のためには１０００℃以上の高温でシリコンを成長させることが好ましい。

シリコンについても、金属基板上に直接形成した場合、界面反応が生じる虞があるため、１０００℃以上の高温で成長させることが困難である。これに対して、例えばＨｆＮやＺｒＮなどからなるバッファ層３上にシリコンを形成することにより、１０００℃以上の高温でシリコンの結晶を成長させても界面反応はほとんど生じない。

半導体層４にシリコンを用いた構成として、例えばＳｉ／ＨｆＮ／ＦｅＳｉの構成やＳｉ／ＺｒＮ／ＦｅＳｉの構成などが挙げられる。ＦｅやＣｕを基板２の材料として用いても良い。半導体層４を形成する際には、バッファ層３を構成する金属窒化物の（１００）面にシリコンの（１００）面を成長させることが好ましい。これにより、金属窒化物とシリコンとの間で結晶整合性を保つことができる。

また、図６に示すように本実施形態の手法によって製造された半導体素子１の半導体層４の表面に回路や配線などを形成した後、例えばポリマーやガラスなどからなる他の基板５にこの表面を接着し、図７に示すように半導体素子１の基板２をバッファ層３から剥離することにより、基板５上に半導体層４が配置された構成にしても良い。

基板２を構成する金属材料とバッファ層３を構成する金属窒化物材料とでは化学的・物理的性質が全く異なるため、容易に剥離することができる。この手法によれば、半導体層４を基板５の表面に接着し、基板２をバッファ層３から容易に剥離することができるので、他の用途に用いる基板に転写することも可能となる。これにより、幅広い用途に対応することができる。

また、上記実施形態では、半導体層４を形成する際にパルスレーザ法及びＭＢＥ法によって形成する例を説明したが、これに限られることはなく、例えばスパッタリング法や、ターゲット１３ａに電子線を照射するパルス電子線法（ＰＥＤ法）など、他の手法によって形成することとしても勿論構わない。

本発明の実施例１を説明する。
本実施例では、上記実施形態に記載のスパッタリング法によって電磁鋼板（ＦｅＳｉ（１１０））上にＨｆＮの薄膜（バッファ層）を形成した。チャンバ中のアルゴンガスを１．２ｓｃｃｍ、窒素ガスを０．８ｓｃｃｍ、ＤＣ電源を１００Ｗ、チャンバ内の圧力を２．０×１０^−３Ｔｏｒｒとした。成長温度を５００℃、７００℃、７５０℃、１０００℃としてそれぞれ形成した。

図８は、形成されたＨｆＮ薄膜のＥＢＳＤ逆極点図である。
同図に示すように、成長温度が５００℃の場合、ＨｆＮの結晶面はランダムに形成されている。成長温度が７００℃の場合、ＨｆＮ（１１１）のグレインが２つ形成されている。成長温度が７５０℃の場合、ＨｆＮ（１１１）の単結晶が形成されている。成長温度が１０００℃の場合、ＨｆＮ（１００）の単結晶が形成されている。

図９は、形成されたＨｆＮ（１１１）薄膜の（１００）ＥＢＳＤ極点図である。図１０は、形成されたＨｆＮ（１１１）薄膜の（１１１）ＥＢＳＤ極点図である。
図９及び図１０に示されるように、明瞭な３回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＨｆＮ（１１１）が電磁鋼板上（ＦｅＳｉ（１１０））に成長しているといえる。

本発明の実施例２を説明する。
本実施例では、上記の実施例１で形成されたＨｆＮ（１１１）薄膜上にパルスレーザ法によってＧａＮ薄膜（半導体層）を形成した。レーザ光をＫｒＦエキシマレーザとし、レーザ光の出力を３０Ｈｚ、２１．０ｋＶ、８５ｍＪとした。チャンバ内の圧力を４．０×１０^−６Ｔｏｒｒとし、成長温度を６９０℃とした。また、プラズマ強度を４００Ｗとした。

図１１は、形成されたＧａＮ薄膜の０００１ＥＢＳＤ極点図である。図１２は、このＧａＮ薄膜の１０−１２ＥＢＳＤ極点図である。
図１１に示すように、ＧａＮ薄膜の（０００１）方向に明確なスポットが確認できる。また、図１２に示すように、明確な６回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＧａＮ（０００１）がＨｆＮ（１１１）上に成長しているといえる。

図１３は、このＧａＮ（０００１）薄膜表面のＸＰＳ測定図である。
同図に示すように、ＧａＮの成長表面に不純物（ＦｅやＳｉの単体など）のピークは見られない。このことから、電磁鋼板からのＦｅ原子やＳｉ原子の拡散をＨｆＮ（１１１）がバッファ層として確実に防いでいることがわかる。

図１４は、このＧａＮ上に素子を形成してＰＬ測定を行った結果を示すグラフである。グラフの縦軸が光の強さ、グラフの横軸がエネルギーをそれぞれ示している。
同図に示すように、エネルギーが３．２ｅＶ程度から発光が強くなっていき、エネルギーが３．４４ｅＶのときに発光の強さがピークに達している。その後、３．６ｅＶになるまで発光が弱くなっていく。このことから、ＧａＮがバンド端で発光していることが確認できる。

図１５は、このＧａＮ素子のショットキー特性を示すグラフである。グラフの縦軸が電流の大きさ、グラフの横軸が電圧の大きさをそれぞれ示している。
同図に示すように、電圧が０Ｖよりも大きくなるにつれて電流の値も大きくなっているが、電圧が０Ｖよりも小さくなっても電流の値はほとんど小さくなっていない。このことから、整流特性を有していることが認められる。

本発明の実施例３を説明する。
上記実施形態に記載のスパッタリング法によって電磁鋼板（ＦｅＳｉ（１００））上にＨｆＮ（１００）の薄膜（バッファ層）を形成した。チャンバ中のアルゴンガスを１．２ｓｃｃｍ、窒素ガスを０．８ｓｃｃｍ、ＤＣ電源を１００Ｗ、チャンバ内の圧力を２．０×１０^−３Ｔｏｒｒとした。成長温度を５００℃、７００℃、７５０℃、１０００℃としてそれぞれ形成した。

その後、形成されたＨｆＮ（１００）薄膜上にＭＢＥ法によって半導体層としてシリコン（Ｓｉ（１００））薄膜を形成した。このときのチャンバ内の圧力を２．０×１０^−８Ｔｏｒｒ、成長温度を６００℃とした。電子ビームの出力を７．６ｋＶ、１００ｍＡとした。

図１６は、形成されたＨｆＮ薄膜のＥＢＳＤ逆極点図である。
同図に示すように、成長温度が５００℃の場合、ＨｆＮの結晶面はランダムに形成されている。成長温度が７００℃の場合、ＨｆＮ（１１１）のグレインが２つ形成されている。成長温度が７５０℃の場合、ＨｆＮ（１００）の単結晶が形成されている。成長温度が１０００℃の場合、ＨｆＮ（１００）の単結晶が形成されている。したがって、成長温度は８００℃〜１０００℃程度が好ましいといえる。

図１７は、形成されたＨｆＮ（１００）薄膜の（１００）ＥＢＳＤ極点図である。図１８は、このＨｆＮ（１００）薄膜の（１１１）ＥＢＳＤ極点図である。
図１７及び図１８に示すように、明瞭な４回回転対称性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＨｆＮ（１００）が電磁鋼板（ＦｅＳｉ（１００））上に成長しているといえる。

図１９（ａ）は、形成されたＳｉ（１００）薄膜の（１００）ＥＢＳＤ極点図である。図１９（ｂ）は、このＳｉ（１００）薄膜の（１１１）ＥＢＳＤ極点図である。
図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示すように、明確な４回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＳｉ（１００）がＨｆＮ（１１１）上に成長しているといえる。

図２０は、このＳｉ（１００）薄膜のＲＨＥＥＤ図である。
同図に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質な単結晶が形成されているといえる。

本発明の実施例４を説明する。
本実施例では、上記実施形態に記載のスパッタリング法によって電磁鋼板（ＦｅＳｉ（１１０））上にＨｆＮの薄膜（バッファ層）を形成した。チャンバ中のアルゴンガスを１．２ｓｃｃｍ、窒素ガスを０．８ｓｃｃｍ、ＤＣ電源を１０２Ｗ、チャンバ内の圧力を２．０×１０^−３Ｔｏｒｒ、成長温度を５００℃、成長時間を４０ｍｉｎとした。ＨｆＮ薄膜の膜厚はほぼ２００ｎｍであった。

図２１は、形成されたＨｆＮ薄膜のＥＢＳＤ極点図である。
同図に示すように、明瞭な６回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＨｆＮが電磁鋼板上に成長しているといえる。なお、この薄膜の（１１１）面についてのＦＷＨＭ半値幅を測定したところ、０．８８°であった。また、この薄膜の（１１０）面についてのツイスト角を測定したところ、０．５６°であった。これらのことからも、形成されたＨｆＮの結晶性が高いことがわかる。

図２２は、形成されたＨｆＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真図である。図２３は、図２２で示された領域の相図である。
図２２に示すように、ＨｆＮ薄膜の表面には目立った凹凸は認められず、平坦に形成されていることがわかる。また、図２３に示すように、ＨｆＮ薄膜の表面には電磁鋼板（ＦｅＳｉ）を構成するＦｅ原子がほとんど認められない。このことから、ＨｆＮ薄膜がＦｅ原子の拡散を防ぐことができる高性能のバッファ層であるといえる。

本発明の実施例５を説明する。
本実施例では、上記の実施例１と同一の方法及び同一の条件によってＨｆＮのバッファ層を形成し、当該バッファ層上にパルスレーザ法によってＧａＮ薄膜（半導体層）を形成した。レーザ光をＫｒＦエキシマレーザとし、出力を５５〜８５Ｊ／ｃｍ^２（３０Ｈｚ）とした。チャンバ内の圧力を４．０×１０^−６Ｔｏｒｒ、成長温度を５００℃、成長時間を６０ｍｉｎとした。

図２４（ａ）は、形成されたＧａＮ薄膜の１１−２０ＲＨＥＥＤ図である。図２４（ｂ）は、このＧａＮ薄膜の１０−１０ＲＨＥＥＤ図である。
図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に示すように、回折スポットが明瞭に現れていることがわかる。このことから、良質な単結晶が形成されているといえる。

図２５（ａ）は、このＧａＮ薄膜の（０００１）ＥＢＳＤ極点図である。図２５（ｂ）は、このＧａＮ薄膜の１０−１０ＥＢＳＤ極点図である。
図２５（ａ）には、単一のスポットが明瞭に現れている。図２５（ｂ）には、明瞭な６回回転対象性が確認できる。このことから、結晶方位の揃った良質なＧａＮがバッファ層上に成長しているといえる。

図２６は、このＧａＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真図である。
同図に示すように、ＧａＮ薄膜の表面には目だった凹凸は認められず、平坦に形成されていることがわかる。

図２７は、半導体層、バッファ層、基板の３層構造（ＧａＮ／ＨｆＮ／ＦｅＳｉ）のＸＰＳ測定図である。図２７（ａ）及び図２７（ｂ）はバッファ層（ＨｆＮ）についてのＸＳＰ測定図であり、図２７（ｃ）、図２７（ｄ）及び図２７（ｅ）は電磁鋼板（ＦｅＳｉ）についてのＸＰＳ測定図である。

図２７（ａ）及び図２７（ｂ）に示すように、測定図中にＨｆ単体のピークが認められない。また、図２７（ｃ）、図２７（ｄ）及び図２７（ｅ）に示すように、測定図中にＦｅ単体及びＳｉ単体のピークが認められない。このことから、バッファ層及び電磁鋼板におけるＨｆ、Ｆｅ、Ｓｉ原子の拡散が無いことがわかる。

図２８は、半導体層、バッファ層、基板の３層構造（ＧａＮ／ＨｆＮ／ＦｅＳｉ）のＸ線回折の結果を示すグラフである。縦軸がピークの強さ、横軸がＸ線の照射角度（２θ）をそれぞれ示している。
同図に示すように、グラフ内には３箇所のピークが認められる。このピークはそれぞれＧａＮ（０００２）、ＨｆＮ（２２２）、Ｆｅ（２２０）の存在を示している。このことから、Ｆｅ（１１０）面上にＨｆＮ（１１１）面が形成され、ＨｆＮ（１１１）面上にＧａＮ（０００１）面が形成されていることがわかる。

図２９は、このＧａＮ上に素子を形成してＰＬ測定を行った結果を示すグラフである。グラフの縦軸が光の強さ、グラフの横軸がエネルギーをそれぞれ示している。
同図に示すように、エネルギーが３．０ｅＶ程度から発光が強くなっていき、エネルギーが３．４２ｅＶのときに発光の強さがピークに達している。その後、３．６ｅＶになるまで発光が弱くなっていく。このことから、ＧａＮがバンド端で発光していることが確認できる。この発光特性のＦＷＨＭは２２５ｍｅＶであった。

次に、本発明の実施例６を説明する。
本実施例では、上記の実施例１と同一の方法及び同一の条件によってＨｆＮのバッファ層を形成し、当該バッファ層上に実施例２とほぼ同一の条件でパルスレーザ法によってＧａＮ薄膜（半導体層）を形成した。実施例２と異なるのは、成長温度を５００℃ではなく、５５０℃とした点である。

図３０は、形成されたＧａＮ薄膜のＥＢＳＤ極点図である。
同図に示すように、明瞭な３回回転対象性が確認できる。このことから、成長温度を５００℃で形成した場合に比べて結晶方位がより揃った良質なＨｆＮが電磁鋼板上に成長しているといえる。なお、この薄膜の（１１１）面についてのＦＷＨＭ半値幅を測定したところ、０．３６°であった。また、この薄膜の（１１０）面についてのツイスト角を測定したところ、０．３３°であった。これらのことからも、成長温度を５００℃で形成した場合に比べて、形成されたＨｆＮの結晶性が高いことがわかる。

本発明の第１実施形態に係る半導体基板の構成を示す図。 本実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す図。 本実施形態に係るパルスレーザ装置の構成を示す図。 本実施形態に係る半導体素子の製造過程を示す工程図。 同、工程図。 本実施形態に係る半導体素子の他の製造過程を示す工程図。 同、工程図。 本発明の実施例１に係るＨｆＮ薄膜についてのＥＢＳＤ逆極点図。 本実施例に係るＨｆＮ（１１１）薄膜についての（１００）ＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＨｆＮ（１１１）薄膜についての（１１１）ＥＢＳＤ極点図。 本発明の実施例２に係るＧａＮ薄膜についての０００１ＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＧａＮ薄膜についての１０−１２ＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＧａＮ（０００１）薄膜表面のＸＰＳ測定図。 本実施例に係るＧａＮのＰＬ測定結果を示すグラフ。 本実施例に係るＧａＮのショットキー特性を示すグラフ。 本発明の実施例３に係るＨｆＮ薄膜についてのＥＢＳＤ逆極点図。 本実施例に係るＨｆＮ（１００）薄膜についての（１００）ＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＨｆＮ（１００）薄膜についての（１１１）ＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＳｉ（１００）薄膜のＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＳｉ（１００）薄膜のＲＨＥＥＤ図。 本発明の実施例４に係るＨｆＮ薄膜のＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＨｆＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真図。 本実施例に係るＨｆＮ薄膜の相図。 本発明の実施例５に係るＧａＮ薄膜のＲＨＥＥＤ図。 本実施例に係るＧａＮ薄膜のＥＢＳＤ極点図。 本実施例に係るＧａＮ薄膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真図。 本実施例に係る半導体素子に関するＸＰＳ測定図。 本実施例に係る半導体素子のＸ線回折の結果を示すグラフ。 本実施例に係るＧａＮのショットキー特性を示すグラフ。 本発明の実施例６に係るＧａＮ薄膜のＥＢＳＤ極点図。

符号の説明

１…半導体素子 ２…基板 ３…バッファ層 ４…半導体層 ５…基板 １０…スパッタ装置 ２０…パルスレーザ装置

Claims (9)

1. 銅を主成分とする基板と、
   前記基板上に設けられ、岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物からなるバッファ層と、
   前記バッファ層上に設けられた半導体層と
   を具備し、
   前記バッファ層は、ハーフニウムナイトライドからなるスパッタ膜である
   ことを特徴とする半導体素子。
2. 前記半導体層は、１３族窒化物からなるパルスレーザ堆積膜である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記半導体層が、１０００℃以上の所定温度で結晶成長させて形成されたシリコンからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
4. 銅を主成分とする基板上に、岩塩型の結晶構造を有する金属窒化物によってバッファ層を形成する工程と、
   前記バッファ層を構成する金属窒化物上に半導体層を成長させて半導体層を形成する工程と
   を具備し、
   前記バッファ層を形成する工程では、スパッタリング法によってハーフニウムナイトライドからなる薄膜を形成する
   ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
5. 前記半導体層が１３族窒化物からなり、
   前記半導体層を形成する工程では、パルスレーザ堆積法によって、前記バッファ層を構成する金属窒化物の（１１１）面に１３族窒化物の（０００１）面を成長させて薄膜を形成する
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造方法。
6. 前記半導体層がシリコンからなり、
   前記半導体層を形成する工程では、１０００℃以上の所定温度で前記バッファ層を構成する金属窒化物の（１００）面にシリコンの（１００）面を成長させて半導体層を形成する
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造方法。
7. 請求項４から請求項６のうちいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子のうち、前記半導体層を基材表面に接着し、
   前記基板を前記バッファ層から剥離する
   ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
8. 請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体素子、又は、請求項４から請求項６のうちいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子を搭載したことを特徴とする発光素子。
9. 請求項１乃至請求項３のうちいずれか一項に記載の半導体素子、又は、請求項４から請求項６のうちいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法によって製造された半導体素子を搭載したことを特徴とする電子素子。

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