JP2002145700A - サファイア基板および半導体素子ならびに電子部品および結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物半導体などの窒化物材料を用い、例え
ば、ＩｎＧａＡｌＮを構成要素とし、電気的・光学的特
性に優れ、寿命の長い窒化物半導体装置など、より特性
の良い素子を得ることができるようにする。 【解決手段】 サファイアＭ面オフ基板の表面（ヘテロ
エピタキシャル成長面）が、サファイア基板のｃ軸を回
転軸として８°から２０°回転された傾斜（傾斜角すな
わちオフ角度は回転角に等しい）を有する場合、基板の
傾斜した方向に基板上に結晶のステップが形成されてい
る。このステップがＭ面ジャスト面上に発生する双晶の
発生を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロエピタキシ
ャル成長面を有するサファイア基板および基板上に成長
させたＩＩＩ族窒化物単結晶層を有する半導体素子、な
らびに、菱面体晶系結晶構造の結晶基板上に窒化物材料
の結晶層を備えた電子部品および結晶成長方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】バンドギャップエネルギーが高く融点が
高い半導体材料として、窒化ガリウム系の材料が注目さ
れている。例えば、結晶ＩｎＧａＡｌＮを用いた素子の
作製が行われている。この素子の作製に当たっては、結
晶の膜を基板上にヘテロエピタキシャル成長する必要が
ある。これは、窒化ガリウム系の結晶からなる結晶基板
がないためである。従来、結晶膜をヘテロエピタキシャ
ル成長させる基板としては、主にコランダム（サファイ
ア）が用いられ、この（０００１）面（Ｃ面）が、異種
材料である窒化物材料の結晶を成長させるヘテロエピタ
キシャル成長面として利用されている。

【０００３】通常、サファイア基板上には、まずはじめ
に、本結晶の中で最も成長しやすいＧａＮを成長する。
この理由は、（１）混晶の成長は組織制御が難しいこ
と、（２）ＡｌＮ成長には１３００℃以上の高温が必要
であること、（３）ＩｎＮの成長には高いＮの平衡蒸気
圧を実現するために、窒素原料とＩｎ原料の供給比Ｎ／
Ｉｎを１，０００，０００程度と極めて大きくする必要
があり、成長速度が１００ｎｍ／ｈ以下になり工業的で
ない、などである。

【０００４】ＧａＮの成長に当たっても、基板上に直接
単結晶を成長しようとすると、凹凸の激しい表面を有す
る結晶しか得られなかった。このような表面の上に結晶
を積層することは困難であり、積層したとしても、積層
された層の厚さが不均一となり、層厚を制御した成長が
できない。また、直接単結晶を成長しようとすると、結
晶粒界が生じ、ここが欠陥となり、結晶の光学的・電気
的特性を大きく損なう。これらのことにより、直接成長
した結晶を素子作製に用いることができなかった。

【０００５】そこで、この難点を解消するために、二段
階成長法が登場してきた。この二段階成長法について簡
単に説明すると、基板上に厚さ２０〜５０ｎｍの多結
晶、非晶質、または両状態が混在したＧａＮあるいはＡ
ｌＮを低温で成長させ（低温バッファ層成長）、この
後、高温で単結晶化を図り（アニール）、この上に良質
の単結晶ＧａＮを成長する（本成長）。この場合、基板
とＧａＮ間に存在する格子不整合率１３．８％のため
に、密度１０⁸〜１０¹⁰／ｃｍ²の貫通転位が、膜中に存
在している。この転位が、ＧａＮの電気的・光学的特性
を劣化させている。

【０００６】この転位密度を低下させるために、選択成
長と横方向成長を巧みに利用した方法が提案された。す
なわち、前述した方法で、サブミクロン厚のＧａＮを成
長する。つぎに、この上に選択成長マスクとして、Ｓｉ
Ｏ₂の帯状パタンを多数平行に形成する。この帯と帯と
の間の膜厚方向に垂直な方向に（横方向）成長しやすい
条件を用いて、ＧａＮを成長する。この結果、一本の帯
状ＳｉＯ₂の上で、この帯の両端からのびてきたＧａＮ
が合体し、基板表面の全面がＧａＮで覆われることにな
る。

【０００７】良質な結晶を得るためには、ＧａＮの膜厚
を１００〜２００μｍと厚くする必要がある。しかし、
窓部上の結晶には、下地のＧａＮに含まれる転位が残
る。また、ＧａＮの上記合体部では、基板とエピタキシ
ャル成長膜であるＧａＮとの格子定数が合わないため
に、無数の欠陥が含まれることになる。良質な結晶の存
在するところは、合体部とＳｉＯ₂窓部との間だけであ
る。しかし、この部分にも、密度１０⁴〜１０⁶／ｃｍ²
程度の転位が存在する。また、良質結晶部の形状は、幅
５μｍ程度の帯状でしかない。この幅を広くできない理
由は、横方向成長技術の制限による

【０００８】以上述べてきた方法によって形成されたＧ
ａＮを堆積した基板上に、半導体レーザ構造が作製され
ている。しかし、本素子の最も重要な用途と目されてい
るＤＶＤ装置への適用では動作温度５０℃での光出力３
０ｍＷという条件下での素子寿命１０万時間が要求され
ているが、現状での最長の素子寿命は数百時間と二桁以
上短い。この原因は、良質結晶部内に存在する歪みと、
これの両側に存在する転位の伸展によっていると考えら
れている。従って、上述してきた方法は、未だ結晶性の
面では、不十分であるという問題があった。

【０００９】さらに、上述した結晶成長法では、(１)低
温バッファ層成長、アニールおよび本成長からなる二段
階成長、(２)選択成長用膜形成とこのパタン形成、
（３）横方向成長の３工程を必要とし、工程が複雑で、
成長にコストがかかるという問題があった。

【００１０】格子整合基板の存在を調査すると、同じサ
ファイアの中で、（０１−１０）面（以下Ｍ面と記す）
がある。このＭ面は、従来から発明者らがヘテロエピタ
キシャル成長面として提案している（特許２７０４１８
１号公報）。提案をした時点（出願日平成１年２月１３
日）では、二段階成長ではなく、低温成長ＧａＮ層を介
さずに直接基板上に高温でＧａＮを成長する直接成長が
行われていた時代であった。この時代には、サファイア
（０００１）面（以下Ｃ面と記す）上よりも、表面の平
坦性、低残留キャリア濃度、高移動度、高強度フォトル
ミネッセンスなどの点で良好な特性を示すＧａＮ結晶が
Ｍ面上で得られていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】サファイアＭ面上に成
長したＧａＮの結晶性をさらに向上すべく、サファイア
Ｍ面を用いて、二段階成長を行った。このとき用いた基
板面のＭ面からの傾きは各方位において０．３°以下で
あり、通常（０１−１０）ジャスト面と呼ぶことのでき
る面を本基板は有していた。しかし、得られたＧａＮ結
晶の表面は、サファイアＣ面上に二段階成長して得られ
るＧａＮ結晶よりも、荒れた表面を有していた。

【００１２】これは、図８に示すように、サファイア
（０１−１０）ジャスト面を有する基板上では、双晶が
発生し易いという問題を内在していたためである。双晶
が発生する理由は、（０１−１０）ジャスト面基板で
は、ＧａＮのｃ軸が、基板面の法線方向から、サファイ
ア基板の［２−１−１０］と［−２１１０］との２方向
にそれぞれ３２°傾くことにある。すなわち、ｃ軸の方
位が二通りにとれることが、双晶を発生させている。こ
の結果、サファイア（０１−１０）ジャスト面を有する
基板上にＧａＮバッファ層を形成し、この上に窒化ガリ
ウムを結晶成長させると、図８のように二方向に結晶が
成長して双晶が形成される。

【００１３】一般に、エピタキシャル成長において、結
晶性の改善のためには、ジャスト面に対して適当な角度
（オフ角と呼ばれている）だけ傾斜したオフ基板が用い
られている。この場合のオフ角は、通常１〜５°程度と
大きくない。実際にこの程度のオフ角度を有するサファ
イアＭ基板上にＧａＮをエピタキシャル成長してみた結
果、双晶発生の抑制には何ら効果がないことが判った。
このことは、実際に結晶成長して初めて明らかとなった
ことである。

【００１４】以上説明したように、従来では、結晶性の
良い窒化物半導体を得ることが困難なため、広いバンド
ギャップエネルギーをもつワイドギャップ半導体などの
特徴を有した窒化物材料を用いた特性の良い素子を得る
ことが困難であった。本発明は、以上のような問題点を
解消するためになされたものであり、窒化物半導体など
の窒化物材料を用い、例えば、ＩｎＧａＡｌＮを構成要
素とし、電気的・光学的特性に優れ、寿命の長い窒化物
半導体装置など、より特性の良い素子を得ることができ
るようにすることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の一形態における
サファイア基板は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サ
ファイア基板の（０１−１０）面を、サファイア基板の
結晶格子内において、サファイア基板のｃ軸を回転軸と
して、８°から２０°回転させてなる面に平行な状態と
したものである。このサファイア基板では、ヘテロエピ
タキシャル成長面における双晶の成長が抑制される。

【００１６】本発明の他の形態におけるサファイア基板
は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サファイア基板の
（０１−１０）面を、サファイア基板の結晶格子内にお
いて、サファイア基板のｃ軸を回転軸として、１３°か
ら１８°回転させてなる面に平行な状態としたものであ
る。このサファイア基板では、ヘテロエピタキシャル成
長面における双晶の成長が抑制される。

【００１７】本発明の他の形態におけるサファイア基板
は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サファイア基板の
（０１−１０）面を、サファイア基板の結晶格子内にお
いて、サファイア基板のｃ軸を回転軸として、８°から
２０°回転させ、さらに、ｃ軸周りの回転を伴わずに、
ｃ軸に対して０．１°から２０°傾斜させてなる面に平
行な状態としたものである。このサファイア基板では、
ヘテロエピタキシャル成長面における双晶の成長が抑制
され、かつ、結晶成長した結晶面における基板のｃ軸に
平行な方位にのびる縞状パタン（縞状の模様）の発生が
抑制される。

【００１８】本発明の他の形態におけるサファイア基板
は、ヘテロエピタキシャル成長面が、サファイア基板の
（０１−１０）面を、サファイア基板の結晶格子内にお
いて、サファイア基板のｃ軸を回転軸として、８°から
２０°回転させ、さらに、ｃ軸周りの回転を伴わずに、
ｃ軸に対して０．１°から２°傾斜させてなる面に平行
な状態としたものである。このサファイア基板では、ヘ
テロエピタキシャル成長面における双晶の成長が抑制さ
れ、かつ、結晶成長した結晶面における基板のｃ軸に平
行な方位にのびる縞状パタンの発生が抑制される。

【００１９】本発明の一形態における半導体素子は、上
述したサファイア基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物Ｉ
ｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ単結晶層またはその混晶Ｉｎ
_1-X-YＧａ_XＡｌ_YＮ単結晶（ここに、０≦Ｘ＜１、０≦
Ｙ＜１、０＜Ｘ＋Ｙ≦１とする）を少なくとも１層有す
るものである。

【００２０】本発明の一形態における電子部品は、｛０
１−１０｝面よりｃ軸を回転軸として８°から２０°回
転させた面を主表面とした菱面体晶系結晶構造の結晶基
板と、この結晶基板の主表面上に結晶成長した窒化物材
料の結晶層とを少なくとも備えたものである。この電子
部品によれば、結晶基板の主表面上に結晶成長した結晶
層においては、双晶の発生が抑制されている。

【００２１】本発明の他の形態における電子部品は、
｛０１−１０｝面よりｃ軸を回転軸として、１３°から
１８°回転させた面を主表面とした菱面体晶系結晶構造
の結晶基板と、この結晶基板の主表面上に結晶成長した
窒化物材料の結晶層とを少なくとも備えたものである。
この電子部品によれば、結晶基板の主表面上に結晶成長
した結晶層においては、双晶の発生が抑制されている。

【００２２】上記電子部品において、結晶基板の主表面
を、例えば、ｃ軸に対して０．１°から２０°、より好
ましくは０．１°から２°傾斜した面とすることで、結
晶層の表面における結晶基板のｃ軸に平行な方位にのび
る縞状パタンの発生が抑制される。また、上記電子部品
において、結晶基板としては、例えばコランダム基板が
適用できる。また、窒化物材料としては、例えば、窒素
とガリウムとを含む半導体材料が適用でき、窒素とガリ
ウムに加え、インジウムとアルミニウムとを含む半導体
材料を適用することもできる。

【００２３】本発明の一形態における結晶成長方法は、
主表面が｛０１−１０｝面よりｃ軸を回転軸として８°
から２０°回転させた面となっている菱面体晶系結晶構
造の結晶基板を用意し、結晶基板の主表面に、気相成長
法により窒化物材料を結晶成長し、結晶基板上に窒化物
材料の結晶層を形成するようにしたものである。この結
晶成長方法によれば、結晶基板の主表面上に、双晶の発
生を抑制した状態で、窒化物材料が結晶成長する。

【００２４】本発明の他の形態における結晶成長方法
は、主表面が｛０１−１０｝面よりｃ軸を回転軸として
１３°から１８°回転させた面となっている菱面体晶系
結晶構造の結晶基板を用意し、結晶基板の主表面に、気
相成長法により窒化物材料を結晶成長し、結晶基板上に
窒化物材料の層を形成するようにしたものである。この
結晶成長方法によれば、結晶基板の主表面上に、双晶の
発生を抑制した状態で、窒化物材料が結晶成長する。

【００２５】上記結晶成長方法において、結晶基板の主
表面を、ｃ軸に対して０．１°から２０°、より好まし
くは０．１°から２°傾斜した面とすることで、結晶成
長する窒化物材料の層の表面における結晶基板のｃ軸に
平行な方位にのびる縞状パタンの発生を抑制できる。ま
た、結晶基板としては、例えば、コランダム基板を用い
るようにすればいい。また、窒化物材料は、例えば、窒
素とガリウムとを含む半導体材料であり、また、窒素と
ガリウムに加え、インジウムとアルミニウムとを含む半
導体材料である。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照して説明する。以下、ＩｎＧａＡｌＮなどの
窒化ガリウム系の結晶膜を、例えばサファイア（コラン
ダム）などの結晶基板上に成長する場合を例にして説明
する。まず、本実施の形態の特徴を簡単に説明する。本
実施の形態では、サファイアのＭ面を特定の方向の回転
軸周りに回転させてなる面をヘテロエピタキシャル成長
面とし、窒化ガリウム系の結晶膜の結晶成長において、
双晶の発生を抑制した。双晶の発生を抑制することで、
表面が平坦で結晶性も良好な窒化ガリウム系の結晶を成
長させることが可能となり、特性の良い電子部品を得る
ことができる。

【００２７】本実施の形態におけるサファイア基板は、
従来のＩｎＧａＡｌＮを少なくとも一層含む半導体素子
用基板とは、以下の点で異なる。従来では、サファイア
のＭ面ジャスト面をヘテロエピタキシャル成長面として
いた。これに対し、本実施の形態では、サファイアのＭ
面に対して通常のオフ角度よりも大きな角度で傾斜した
表面をヘテロエピタキシャル成長面とし、例えばＧａＮ
などの窒化物材料の結晶膜を形成するようにした。

【００２８】従って、本実施の形態における特徴的なサ
ファイア基板を、サファイアＭ面オフ基板と呼び、この
ヘテロエピタキシャル成長面をＭ面オフ面と呼ぶ。な
お、以下の説明においては、基板の表面（裏面、側面と
区別しての表面）がヘテロエピタキシャル成長面となっ
ている。ここで、Ｍ面について説明すると、コランダム
（サファイア）などの菱面体構造を有する六法晶系は、
六角柱型構造となっている。Ｍ面は、この六角柱の矩形
状を呈する６枚の側壁に当たる。結晶中のｃ軸は六角形
からなる上面と底面を垂直に貫く方向に平行であるの
で、もちろん、Ｍ面はｃ軸に平行である。このＭ面の面
方位は、「Ｍｉｌｌｅｒ−Ｂｒａｖａｉｓ」指数を用い
て表現すると、（１ −１ ０ ０），（−１ １ ０
０），（０ １ −１ ０），（０ −１ １ ０），（１
０ −１ ０），（−１ ０ １ ０）となる。これをまと
めて、｛０ １ −１ ０｝と書くこともできる。

【００２９】また、本実施の形態におけるサファイアＭ
面オフ基板上に作製された半導体素子は、従来のＩｎＧ
ａＡｌＮを少なくとも一層含む半導体素子とは、以下の
点で異なる。本実施の形態における半導体素子は、サフ
ァイアＭ面オフ基板上に形成されているため、素子を構
成する半導体層中の結晶欠陥が少ない。このため、良好
な特性が得られ、素子寿命も長い。また、従来技術にお
いては、横方向成長によって結晶成長した場合、良質の
結晶は帯状にしか得られないが、サファイアＭ面オフ基
板を用いた場合には、基板全面において、良好な特性を
示す結果が得られるため、素子の配列や大きさに制限が
ない。

【００３０】サファイアＭ面オフ基板の表面（ヘテロエ
ピタキシャル成長面）が、サファイア基板のｃ軸を回転
軸として８°から２０°回転された傾斜（傾斜角すなわ
ちオフ角度は回転角に等しい）を有する場合、基板の傾
斜した方向に基板上に結晶のステップが形成されてい
る。このステップがＭ面ジャスト面上に発生する双晶の
発生を抑制する。

【００３１】この作用について図１を用いて説明する。
図１は、サファイアのｃ軸に垂直な断面図である。点線
はサファイア基板上に形成したＧａＮバッファ層の表面
を示す。点線と実線とのなす角θが、基板のＭ面からの
傾斜角である。サファイアＭ面は安定面であるから、基
板の表面には傾斜角によらずＭ面が出現する。また、ス
テップの高さＤ_Sは結晶構造から一定であり、図１のよ
うに考えるのが妥当である。従って、Ｄ_Sは、 Ｄ_S＝ａ×ｓｉｎ６０°（１） となる。ここで、ａはサファイア結晶のａ軸の長さであ
る。これから、ステップの幅Ｗ_Sは、 Ｗ_S＝Ｄ_S／ｔａｎθ （２） と見積もられる。基板の傾斜角とステップ幅との関係を
表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】この表から、傾斜角が小さいときには、ス
テップ幅が大きいことが判る。すなわち、ステップの平
坦な部分（テラス部）が広くなる。このため、同一ステ
ップの上に任意の方位、すなわち、図８の双晶を形成す
る方向にそれぞれｃ軸を配する核が発生できる。従っ
て、双晶が発生しやすい。また、基板の傾斜角が大きい
と、ステップ幅が狭くなることが、表１から判る。この
場合には、ステップの中央（テラス部）が狭いため、核
が発生しにくく、ステップでの二次元結晶成長は起きに
くい。一方、上下に隣り合って存在するステップで構成
される場所であるキンク部に、成長原料から供給される
原子は付着しやすいので、キンク部からの成長が支配的
となる。

【００３４】一般に、平坦な成長面を得るには、付着原
子の横方向拡散距離が大きい方が好ましい。ところが、
大きく傾斜したＭ面では、上述したようにステップの多
い面に核が発生して結晶が成長することになるので、隣
のステップまでの距離が短く、付着原子の横方向拡散距
離が短くてすむ。従って、本実施の形態によれば、成長
条件のマージンが広くなり、より容易に平坦な成長面を
得るという点で大きな利点となる。

【００３５】基板の傾斜が［２−１−１０］方向である
とすれば、ステップの法線方向から［−２１１０］方向
３２°傾いたｃ軸を有する結晶が成長できるか考えてみ
る。ステップの法線方向とこの上のステップとの間に存
在するサファイアＭ面とのなす角は、３０°である。こ
の角は、上述した３２°より狭いので、窒化ガリウム系
材料の結晶は成長しにくいことになる。従って、キンク
部から［２−１−１０］方向にｃ軸の傾いた結晶が成長
し始め、ステップ上を［２−１−１０］方向にのびて成
長することになる。結果として、この成長形態が、大き
な結晶核を有する傾斜面上での成長を支配することにな
る。以上の説明では、サファイアＭ面オフ基板の傾斜が
［２−１−１０］として説明したが、反対の方位である
［−２１１０］の方向に傾斜しても同様のことが言え
る。

【００３６】さらに、結晶成長を付着分子の運動の観点
からも考えてみる。実際の結晶成長では、通常、三次元
成長形態ではなく、ステップがのびやすい二次元成長形
態が用いられる。この条件下では、ステップは、図１の
左側（ダウンステップ）にのびることになる。図１の右
側にのびるためには、上のステップ（アップステップ）
に付着分子が進行しなければならないためである。アッ
プステップに付着分子がマイグレーションするために
は、ダウンステップへ付着するより、大きな運動エネル
ギーを必要とする。ダウンステップ側にのびやすい成長
核は、ｃ軸方位の傾き方向がダウンステップ側を向いて
いる成長核でなければならない。この結果、双晶の発生
が抑制され、単一ドメインの単結晶が成長することにな
る。

【００３７】

【実施例】つぎに、本発明の実施例について説明する。
なお、実施例は１つの例示であって、本発明の精神を逸
脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得るこ
とは言うまでもない。

【００３８】＜実施例１＞つぎに、実際のＧａＮ成長方
法を以下に述べる。 （１）用いた基板 用いたサファイア基板は、サファイアＭ面ジャスト基板
とサファイアＭ面オフ基板の２種類である。サファイア
Ｍ面オフ基板は、サファイアのａ軸を回転軸として１５
°回転した面を表面としたものである。また、各々の基
板の大きさは１インチ角であり、板厚は４００μｍであ
った。また、基板の裏面はラッピング仕上げであり、成
長用面（基板表面）は鏡面仕上げである。この面は、ｃ
軸を回転軸としての傾斜は０．３°以内であり、意図し
て傾斜させていない。

【００３９】（２）基板クリーニング 各々の基板を、アセトン中で５分間超音波洗浄した後、
水洗し、窒素ガスを吹き付けて、乾燥した。 （３）基板の成長炉への搬送 有機金属気相成長装置のロードロック室に基板を入れ、
１．３×１０^-4Ｐａ（１０^-6Ｔｏｒｒ）台まで真空引き
した後、成長炉に基板を搬送した。

【００４０】（４）基板の水素クリーニング 基板を水素雰囲気で５分間１０５０℃に加熱すること
で、クリーニングした。このときの炉内の圧力は、８．
６×１０⁴Ｐａ（６５０Ｔｏｒｒ）である。以下の工程
での炉内の圧力を全て８．６×１０⁴Ｐａ（６５０Ｔｏ
ｒｒ）一定とした。

【００４１】（５）ＧａＮバッファ層成長 ５５０℃に温度を下げ、非晶質と多結晶質の混在したＧ
ａＮを膜厚２５ｎｍ成長した（気相成長法）。原料ガス
としては、窒素源にはアンモニアを、ガリウム源にはト
リエチルガリウム（以下、ＴＥＧａと略記する）を用い
た。ＴＥＧａのキャリアおよびバブリングガスは水素で
ある。このときのアンモニアとＴＥＧａとの原料の供給
比Ｖ／ＩＩＩは６１２００である。成長圧力は８．６×
１０⁴Ｐａ（６５０Ｔｏｒｒ）である。 （６）バッファ層の単結晶化 １０５０℃に加熱温度を上昇させ、窒素とアンモニア混
合ガス中で、２０分間保持し、バッファ層の単結晶化を
図った。

【００４２】（７）ＧａＮ高温成長 １０１０℃で、ＧａＮを１時間成長した。形成した膜厚
は、０．９５μｍであった。なお、用いた原料ガスは、
窒素源としてアンモニア、ガリウム源としてトリメチル
ガリウム（以下、ＴＭＧａと略記する）である。ＴＭＧ
ａのキャリアおよびバブリングガスは水素である。この
ときの原料の供給比Ｖ／ＩＩＩは、２８００である。 （８）基板取り出し 成長後、毎分４０℃の速度で降温し、取り出した。降温
速度を４０℃／分としている理由は、毎分１００℃程度
以上の降温速度での降温では、熱歪みにより、基板が割
れることがあるためである。

【００４３】続いて、得られた結晶の特性を以下に示
す。成長したＧａＮ結晶の微分干渉光学顕微鏡表面写真
を図２に示す。図２（ａ）はＭ面ジャスト基板上にＧａ
Ｎバッファ層を介して結晶成長させた窒化ガリウム結晶
膜の表面状態を示す。また、図２（ｂ）は、サファイア
のｃ軸を回転軸として１５°回転した面（Ｍ面オフ面）
上にＧａＮバッファ層を介して結晶成長させた窒化ガリ
ウム結晶膜の表面状態を示す。

【００４４】サファイアＭ面ジャスト基板およびサファ
イアＭ面オフ基板の両基板とも、［２−１−１０］軸
（ａ軸）を回転軸とする回転による傾斜角は、０．３°
以内であり、前述したように意図して傾斜させていな
い。図２（ｂ）において、縞状のパタンが観察される。
この方位は、サファイアｃ軸に平行である。ＧａＮの六
角柱の側壁を斜め上から観察したことによって見られた
ＧａＮ六角柱から生じていると思われる。この縞状のパ
タンは、微分干渉顕微鏡で段差を強調して観察している
ため、写真上に現れている。しかし、実際の凹凸を原子
間力顕微鏡で測定したところ、１ｎｍ以下であり、極め
て平坦であった。

【００４５】表面の写真を示す図２（ａ）と（ｂ）と同
一サンプルについて、双晶か単結晶かどうかを判定する
ために、４結晶Ｘ線回折装置を用いて極点図の測定を行
った（図３（ａ），図３（ｂ））。極点図測定とは、Ｘ
線検出器の位置をＧａＮの（０００２）面からの反射を
検出できる位置に設定しておき、試料を面内回転と煽り
の両方について回転してＸ線回折強度を測定する方法で
ある。これにより、ＧａＮ（０００２）がどの方位を向
いていても、結晶中に存在する全てのＧａＮ（０００
２）を検出することができる。

【００４６】極点図を示す図３（ａ），図３（ｂ）にお
いて、リング状に示されている方位が、試料の面内回転
に対応している。また、０゜，３０゜，６０゜，および
９０゜と表記してある方位が、煽りの回転方位に対応し
ている。図２（ａ）に対応する図３（ａ）では、２つの
ピークを観測されている。このことは、ＧａＮ（０００
２）が異なった２方向に配向して結晶中に含まれている
ことを意味している。従って、図３（ａ）の場合には、
双晶が発生していることが明らかである。

【００４７】これに対して、図２（ｂ）に対応する図３
（ｂ）では、単峰性となっている。つまり、結晶中に
は、一方向に揃ってＧａＮ（０００２）が配向している
ことになる。従って、図３（ｂ）の場合には、単結晶成
長していると言える。以上の実験結果から、Ｍ面ジャス
ト基板では明らかに双晶が発生するのに対して、Ｍ面か
ら１５゜傾斜した基板では、単結晶成長が実現できるこ
とが明確となった。なお、図３（ｃ），図３（ｄ）は、
各々図３（ａ），図３（ｂ）対応した結晶の配向の様子
を示す模式図である。

【００４８】図４に基板の傾斜角と室温で測定したフォ
トルミネッセンス特性との関係を示す。傾斜角が大きい
ほど、深い準位（ｄｅｅｐ）からの発光である波長５０
０ｎｍ近傍での黄色発光が弱くなっている。一方、波長
３６０ｎｍ近傍のバンド端発光（ｅｄｇｅ）が支配的と
なっている。深い準位発光とバンド端発光との強度比
（ｄｅｅｐ／ｅｄｇｅ）を見ると、傾斜角の効果が良く
見て取れる。

【００４９】以上述べてきたように、基板を１５°前後
に傾斜することにより、良好なＧａＮ結晶を得ることが
できた。図４に示されているように、傾斜なしの場合よ
りも良好な特性は、傾斜角８°から２０°において現
れ、特に良好な特性は、傾斜角１３°から１８°におい
て現れるものと予想される。

【００５０】なお、ここでは、最も効果の大きいｃ軸を
回転軸として基板を傾斜させた場合について述べた。こ
のようなサファイアＭ面オフ基板を用いることで、双晶
は完全に消失したが、基板のｃ軸に平行な方位に縞状パ
タンが、ＧａＮに発生した。これを消してさらに平坦と
するため、基板の表面（ヘテロエピタキシャル成長面）
をｃ軸に対して、ｃ軸周りの回転を伴わずに、１°傾斜
された基板を用い、この上にＧａＮバッファ層を形成し
た後、ＧａＮを結晶成長した。この結果、ＧａＮの結晶
成長時にステップが流れ、鏡面が得られた。

【００５１】形成した窒化ガリウム結晶膜の平坦度は、
微分干渉光学顕微鏡を持ってしても、如何なる模様も観
察できないほどであった。なお、この場合の面の傾斜
は、この面に平行でｃ軸に垂直な方向を回転軸とする回
転によって行うものとする。このようにすれば、面はｃ
軸周りの回転を伴わずに傾斜し、傾斜角は回転角に等し
くなる。ここで、傾斜角を１゜としたが、この角度につ
いては、厳密に限定するものではない。ステップの流れ
る速度と膜厚方向との成長速度の比によって、必要とす
る傾斜角が決められ、傾斜角は、成長条件に依存するも
のである。

【００５２】ｃ軸に対してｃ軸周りの回転を伴わずに傾
斜する角度は、０．１°から２０°が好ましく、さらに
０．１°から２°がより好ましい。また、上述では、バ
ッファ層としてＧａＮを用いたが、ＡｌＮでも同様に基
板の傾斜角の効果を認めることができる。ただし、Ａｌ
Ｎバッファ層の成長温度は、６００℃であり、アニール
温度は、１２５０℃とＧａＮバッファ層より高温であ
る。

【００５３】また、上述では、ＧａＮを結晶成長させる
例を示したが、これに限るものではなく、以降に説明す
るように、ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮであっても、同様に
結晶成長できる。はじめに、ＩｎＧａＮの結晶成長につ
いて説明する。まず、前述したのと同様にサファイアＭ
面オフ基板を用意し、この上にＧａＮバッファ層を形成
する。バッファ層の形成は、つぎに示すようにした。

【００５４】ＧａのソースガスとしてＴＥＧａ（トリメ
チルガリウム）を用い、ＴＥＧａが収容された原料ボン
ベを温度１１℃程度とし、この原料ボンベ内に収容され
たＴＥＧａに流量２５sccmで水素をバブリングしてＴＥ
Ｇａガスを発生させ、このガスを供給量３．８５μｍｏ
ｌ／分程度で、キャリアガス（水素ガス：流量１．５sl
m）とともに結晶成長装置の成長室内に供給する。一
方、窒素のソースガスとしてアンモニアガスを、流量５
slmで上記成長室内に供給する。原料供給比として、Ｖ
族／ＩＩＩ族が５７９６０となる。

【００５５】以上の条件で、成長室内に各ソースガスを
供給し、成長室内の圧力を６５０Ｔｏｒｒとした状態
で、成長室内に載置したサファイアＭ面オフ基板を５５
０℃程度に加熱することで、サファイアＭ面オフ基板上
に非晶質状態の窒化ガリウムバッファ層を形成する。次
いで、形成したバッファ層を、アンモニア（流量０．１
slmで供給）と窒素（流量１５slmで供給）との雰囲気
（圧力６５０Ｔｏｒｒ）中で、２０分間１０１０℃に加
熱し、単結晶化する。

【００５６】つぎに、ＧａＮバッファ層上に、以下に示
すようにしてＩｎＧａＮを結晶成長する。まず、Ｇａの
ソースガスとしてＴＥＧａを用い、ＴＥＧａが収容され
た原料ボンベを温度１１℃程度とし、この原料ボンベ内
に収容されたＴＥＧａに流量５０sccmで窒素をバブリン
グしてＴＥＧａガスを発生させ、このガスを供給量７．
７μｍｏｌ／分程度で、キャリアガス（窒素ガス流量
１．５slm）とともに結晶成長装置の成長室内に供給す
る。

【００５７】また、インジウムのソースガスとしてはＴ
ＭＩｎ（トリメチルインジウム）を用い、ＴＭＩｎが収
容された原料ボンベを温度２０°程度とし、この原料ボ
ンベ内に収容されたＴＭＩｎに流量６００sccmで窒素ガ
スをバブリングしてＴＭＩｎガスを発生させ、このガス
を供給量６０．３μｍｏｌ／分程度で、キャリアガス
（窒素ガス）とともに結晶成長装置の成長室内に供給す
る。加えて、窒素のソースガスとしてアンモニアガス
を、流量１５slmで上記成長室内に供給する。原料供給
比として、Ｖ族／ＩＩＩ族が９７１５となる。

【００５８】以上の条件で、成長室内に各ソースガスを
供給し、成長室内の圧力を６５０Ｔｏｒｒとした状態
で、成長室内に載置したサファイアＭ面オフ基板を８０
０℃程度に加熱することで、ＧａＮバッファ層上にＩｎ
_0.114Ｇａ_0.886Ｎの膜を結晶成長する。以上説明したよ
うにしてＩｎＧａＮを結晶成長させても、前述したＧａ
Ｎと同様に、極めて平坦な結晶膜が得られる。なお、結
晶成長したＩｎＧａＮの結晶膜は、室温での発光波長が
４００ｎｍであった。

【００５９】ところで、より低い５００℃程度の温度で
もＩｎＧａＮを結晶成長させることができる。ただし、
温度が低いときにはアンモニアの活性化率が低下するた
め、高いＶ／ＩＩＩ比を用いる必要があり、例えば成長
温度を５００℃とした場合は、Ｖ／ＩＩＩ比を１６００
００とすればよい。

【００６０】つぎに、ＡｌＧａＮの結晶成長について説
明する。まず、前述したのと同様にサファイアＭ面オフ
基板を用意し、この上に、やはり前述したのと同様にし
てＧａＮバッファ層を形成する。つぎに、ＧａＮバッフ
ァ層上に、以下に示すようにしてＡｌＧａＮを結晶成長
する。まず、ＧａのソースガスとしてＴＥＧａを用い、
ＴＥＧａが収容された原料ボンベを温度１１℃程度と
し、この原料ボンベ内に収容されたＴＥＧａに流量８４
sccmで窒素をバブリングしてＴＥＧａガスを発生させ、
このガスを供給量１２．９μｍｏｌ／分程度で、キャリ
アガス（水素ガス流量１．５slm）とともに結晶成長装
置の成長室内に供給する。

【００６１】また、アルミニウムのソースガスとしては
ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を用い、ＴＭＩｎ
が収容された原料ボンベを温度１７．２℃程度とし、こ
の原料ボンベ内に収容されたＴＭＡｌに流量４sccmで水
素をバブリングしてＴＭＡｌガスを発生させ、このガス
を供給量１．８７μｍｏｌ／分程度で、キャリアガス
（水素ガス）とともに結晶成長装置の成長室内に供給す
る。なお、ＴＭＡガス供給量／（ＴＭＡガス供給量＋Ｔ
ＥＧａガス供給量）＝０．１３となるようにした。加え
て、窒素のソースガスとしてアンモニアガスを、流量１
５slmで上記成長室内に供給する。原料供給比として、
Ｖ族／ＩＩＩ族が１５１１７となる。

【００６２】以上の条件で、成長室内に各ソースガスを
供給し、成長室内の圧力を６５０Ｔｏｒｒとした状態
で、成長室内に載置したサファイアＭ面オフ基板を１０
１０℃程度に加熱することで、ＧａＮバッファ層上にＡ
ｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎの膜を結晶成長する。以上説明したよ
うにしてＡｌＧａＮを結晶成長させても、前述したＧａ
Ｎと同様に、極めて平坦な結晶膜が得られる。

【００６３】また、ＩｎＧａＡｌＮも上述したことと同
様にして、サファイアＭ面オフ基板上に結晶性の良い状
態で、平坦な結晶膜を径することができる。なお、上述
では、サファイアＭ面オフ基板上にＧａＮバッファ層を
設けてから結晶成長を行うようにしたが、サファイアＭ
面オフ基板上に直接結晶成長させるようにしても良い。

【００６４】ところで、例えばＩｎＧａＡｌＮをサファ
イアＭ面オフ基板上に結晶成長させる場合、各組成比を
適宜設定することで、互いの格子定数を合わせることが
できる。Ｉｎ_1-X-YＧａ_XＡｌ_YＮの格子定数は、「格子
定数＝ＩｎＮの格子定数×（１−Ｘ−Ｙ）＋ＧａＮの格
子定数×Ｘ＋ＡｌＮの格子定数×Ｙ」となる。

【００６５】＜実施例２＞図５、図６および図７は本発
明の第二の実施例を説明する図である。図５は、本実施
の形態における素子の概略を説明する斜視図である。本
発光素子は、ｃ軸を回転軸としてＭ面が１５゜回転され
たサファイア基板上に、ＧａＮ層やＩｎＧａＡｌＮ層な
どの結晶層を複数積層して構成されている。１はｃ軸を
回転軸としてＭ面が１５゜回転されたサファイア基板で
ある。２は、複数の半導体層からなる層である。３は電
流狭窄のためのＳｉＯ₂絶縁層である。また、４は、半
導体層上にＮｉとＡｕを順に積層した金属電極層であ
る。また、５は、半導体層上にＴｉとＡｌを順に積層し
た金属電極層である。

【００６６】ここで、半導体層２の部分の詳細を図６の
模式的な断面図を用いて説明する。図６において、６は
ＧａＮバッファ層、７はシリコンドープｎ型ＧａＮ層、
８はシリコンドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、
９はシリコンドープｎ型ＧａＮ導波路層、１０はＩｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ量子井戸構造からな
る活性層、１１はマグネシウムドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎバリア層、１２はマグネシウムドープｐ型ＧａＮ
導波路層、１３はマグネシウムドープｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ
_0.85Ｎクラッド層、１４はマグネシウムドープｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層である。

【００６７】以下に、具体的な本素子の作製法を記す。
基板１として、厚さ４００μｍのｃ軸を回転軸としてＭ
面が１５゜回転されたサファイア基板（サファイアＭ面
オフ基板）を用いる。

【００６８】ＩｎＧａＡｌＮなどの半導体層の成長に
は、有機金属気相成長装置を用いる。金属原料としては
有機金属原料を用い、低温成長ＧａＮバッファ層６およ
び高温成長ＧａＮ用ガリウムにはそれぞれＴＥＧａおよ
びＴＭＧａを用い、インジウム原料としてはＴＭＩｎを
用い、アルミニウム原料としてはＴＭＡｌを用いる。有
機金属のキャリアガスは、インジウムを含む系には窒
素、インジウムを含まない系には水素であり、窒素原料
はアンモニアである。

【００６９】まずはじめに、低温成長ＧａＮバッファ層
６を、５５０℃で成長する。成長させた膜の厚さは２０
ｎｍである。この層は、基板とＧａＮとの間の格子不整
合±２％弱の緩衝層として働く。つぎに、このＧａＮバ
ッファ層６を、窒素とアンモニアの混合雰囲気中で１０
５０℃で２０分間アニールする。

【００７０】つぎに、ｎ型電極引き出し用にシリコンド
ープｎ型ＧａＮ層７を１０１０℃で厚さ３μｍ成長す
る。キャリア濃度は３×１０¹⁸／ｃｍ³である。この上
に厚さ０．５μｍのシリコンドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎクラッド層８、厚さ０．１μｍのシリコンドープｎ型
ＧａＮ導波路層９、活性層としてノンドープＩｎ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｎ（厚さ３ｎｍ）／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（厚さ６
ｎｍ）３対からなる量子井戸構造１０、厚さ２０ｎｍの
マグネシウムドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバリア層１
１、厚さ０．１μｍのマグネシウムドープｐ型ＧａＮ導
波路層１２、厚さ０．５μｍのマグネシウムドープｐ型
Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層１３、厚さ０．１μｍの
マグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４を連続
して成長する。

【００７１】ｐ型電極の形成の前に、注入電流の集中を
図るために、図５に示すように電流狭窄層として絶縁膜
３を形成する。絶縁膜３の形状はｐ型ＧａＮ層の露出部
の幅（共振器の軸方向に垂直な方向）３μｍとする。つ
ぎに、ｐ型ＧａＮ上に金属電極としてニッケル／金（図
５における層４）を蒸着する。つぎに、フォトリソグラ
フィ技術を用いて、金属層４、半導体層８〜１４を部分
的にエッチングして除去し、電極引き出し用ｎ型ＧａＮ
層７を露出させる。このとき層７の一部もエッチングさ
れてもよい。この後、図５に示すように、ｎ型金属電極
層５を、電極引き出し用ｎ型ＧａＮ層７の上にチタン／
アルミニウムを蒸着し、パタニングして形成する。

【００７２】つぎに、レーザの共振器の形成方法につい
て説明する。共振器の軸方向（光が往復する方向）をサ
ファイアｃ軸と平行に配置するように形成する。この理
由は、サファイア基板の劈開時には、劈開容易面である
Ｒ面が出るためである。共振器端面の形成に当たって
は、ドライエッチング技術を用いて、積層した半導体層
をエッチングした。また、チップ化に当たっては、基板
を劈開した。以上説明したことにより得たレーザダイオ
ードの光−電流特性を図７（ａ）に示す。室温で連続発
振し、レーザ発振の閾値電流は６８ｍＡであった。

【００７３】比較のために、図７（ｂ）にサファイアＣ
面基板上に作製した同一構造のレーザの光−電流特性を
示す。明らかに本実施の形態におけるサファイアＭ面オ
フ基板上に形成した半導体レーザ素子の方の閾値電流
が、サファイアＣ面基板上レーザよりも低い。また、外
部微分量子効率もサファイアＭ面オフ基板上レーザの方
が高い。このことは、サファイアＭ面オフ基板を用いた
ことにより、サファイアＣ面基板に比較して格子不整合
率が約一桁小く、結晶性が向上したためである。

【００７４】以上説明したように、サファイアＭ面オフ
基板上にＩｎＧａＡｌＮを成長した場合、Ｍ面ジャスト
基板上ではＩｎＧａＡｌＮに双晶が発生するのに対し
て、双晶を発生させることなく、再現性よく、簡単な工
程で成長できる。このため、平坦で、良好な結晶性を示
すＩｎＧａＡｌＮを得ることができ、このＩｎＧａＡｌ
Ｎを用いて電気的・光学的特性に優れ、素子寿命の長い
半導体素子を作製することができる。また、ＩｎＧａＡ
ｌＮのｃ軸の方位が基板表面の法線方向から傾くため、
サファイアＣ面基板を用いた場合に比べて、発光効率低
下の原因となるピエゾ効果を抑制することができる。

【００７５】なお、上記実施の形態では、サファイアＭ
面に対して通常のオフ角度よりも大きな角度で傾斜した
表面を備えたサファイアＭ面オフ基板と、窒化ガリウム
系の半導体材料との組み合わせについて説明したが、こ
れに限るものではない。他の菱面体晶系結晶構造の結晶
の、｛０１−１０｝面よりｃ軸を回転軸として８°から
２０°、より好ましくは１３°から１８°回転させた面
を主表面とし、また、加えてｃ軸に対して０．１°から
２０°より好ましくは０．１°から２°傾斜した面を主
表面とした結晶基板他の窒化物材料との組み合わせにも
本発明を適用できることは言うまでもない。

【００７６】ｃ軸を回転軸として｛０ １ −１ ０｝面
（Ｍ面）から８°〜２０°の範囲で回転した面の例とし
て、｛１ ２ −３ ０｝，｛１ ３ −４ ０｝，
｛２３ −５ ０｝，｛１ ４ −５ ０｝，｛３ ４
−７ ０｝，｛４ ５ −９ ０｝，｛２ ５ −７
０｝，｛２ ７ −９ ０｝，｛３ ５ −８
０｝，｛３ ７ −１０ ０｝，｛３ ８ −１１
０｝，｛３ １０ −１３０｝，｛３ １３ −１６
０｝，｛４ ７ −１１ ０｝，｛４ ９ −１３
０｝，｛４ １１ −１５ ０｝，｛４ １３ −１７
０｝，｛４ １５−１９ ０｝，｛４ １７ −２１
０｝がある。またこの中で、｛１ ３ −４ ０｝，
｛２ ５ −７ ０｝，｛２ ７ −９ ０｝，｛３
７ −１０ ０｝，｛３ ８ −１１ ０｝，｛３ １
０ −１３ ０｝，｛４ １１ −１５ ０｝，｛４
１３ −１７ ０｝は、ｃ軸を回転軸として｛０１−１
０｝面から１３°〜１８°の範囲で回転した面である。

【００７７】なお、｛ｈ ｋ ｌ ０｝の示す内容にお
いて、まず、ｌ＝−（ｈ＋ｋ）である。また、｛｝の中
のｈ，ｋ，およびｌの順番を変えた面、（ｈ ｋ ｌ
０），（ｈ ｌ ｋ ０），（ｋ ｈ ｌ ０），（ｋ
ｌ ｈ ０），（ｌ ｈｋ ０），（ｌ ｋ ｈ
０）を含む。また、これら各面において、全ての指数の
符号を変えた面、（−ｈ −ｋ −ｌ −０），（−ｈ
−ｌ −ｋ −０），（−ｋ −ｈ −ｌ −０），
（−ｋ −ｌ −ｈ −０），（−ｌ −ｈ−ｋ −
０），（−ｌ −ｋ −ｈ −０）も含む。

【００７８】ところで、前述した菱面体晶系結晶構造の
結晶としては、例えば、α−Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｇａ₂Ｏ₃，Ｒｈ
₂Ｏ₃，Ｔｉ₂Ｏ₃がある。以下に、主な菱面体晶系結晶構
造の結晶格子定数と、窒化ガリウムとの格子不整合につ
いて示す。 ・コランダム（Ａｌ₂Ｏ₃） 格子定数ａ：０．４７６ｎｍ，ｂ：１．２９４ｎｍ、格
子不整合ＧａＮ［０３−３２］：２．６４％，ＧａＮ
［２−１−１０］：−１．４１％ ・α−Ｆｅ₂Ｏ₃ 格子定数ａ：０．５０４ｎｍ，ｂ：１．３７２ｎｍ、格
子不整合ＧａＮ［０３−３２］：−２．９８％，ＧａＮ
［２−１−１０］：−７．５２％ ・Ｇａ₂Ｏ₃ 格子定数ａ：０．４９８ｎｍ，ｂ：１．３４３ｎｍ、格
子不整合ＧａＮ［０３−３２］：−１．８４％，ＧａＮ
［２−１−１０］：−５．２４％ ・Ｒｈ₂Ｏ₃ 格子定数ａ：０．５１１ｎｍ，ｂ：１．３８２ｎｍ、格
子不整合ＧａＮ［０３−３２］：−４．５１％，ＧａＮ
［２−１−１０］：−８．３１％ ・Ｔｉ₂Ｏ₃ 格子定数ａ：０．５１５ｎｍ，ｂ：１．３６４ｎｍ、格
子不整合ＧａＮ［０３−３２］：−５．２９％，ＧａＮ
［２−１−１０］：−６．８７％

【００７９】なお、上述では、有機金属気相成長法によ
り結晶を成長させるようにしたが、これに限るものでは
ない。例えば、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）
により結晶を成長させるようにしても良い。この場合、
金属Ｉｎ、金属Ｇａ、金属ＡｌをＩＩＩ族原料とし、窒
素原料としては、窒素またはアンモニアを用いる。ＭＢ
Ｅ法では、これらのガスをＥＣＲプラズマセルやｒｆプ
ラズマセルに導入し、これらの原料をセル中の放電によ
り分解し、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカルなどと
して、成長炉に導入する。

【００８０】また、ＭＢＥ法による結晶成長では、成長
炉中の圧力としては、原料がビームとして成長基板に到
達するために、平均自由行程が原料を供給するセルから
基板までの距離以上となる圧力を用いる。一般には、こ
の圧力は１０^-6Ｔｏｒｒより高い真空度である。なお、
ＭＢＥ法において、Ｖ族原料にガスを用いる場合にガス
ソースＭＢＥと称して区別する場合もある。

【００８１】また、結晶を成長させる手法として、ケミ
カルビームエピタキシャル成長法（ＣＢＥ）を用いるよ
うにしても良い。この場合、ＩＩＩ族原料としては、前
述した有機金属気相成長法と同じ有機原料を用い、窒素
原料には、ＭＢＥ法と同じ窒素やアンモニアを用いるよ
うにすればよい。このように、本実施の形態における窒
化物材料の結晶層の形成には、種々の気相成長法を用い
ることができる。

【００８２】

【発明の効果】本発明の実施によって、ＩＩＩ族窒化物
半導体ＩｎＧａＡｌＮの再現性よく、簡単な工程で成長
できるエピタキシャル成長用基板を提供するとともに、
ＩｎＧａＡｌＮを構成要素とし、安価、高歩留りで作製
可能であり、しかも電気的・光学的特性に優れ、素子寿
命の長い半導体装置を提供することが可能となる。

【００８３】一般に、半導体材料としては、バンドギャ
ップエネルギーが大きく、融点が高いことが求められて
いる。大きなバンドギャップエネルギーの半導体材料
は、耐圧が高く高電界を印加できるので、高速動作が可
能なトランジスタを実現できる。また、融点が高い半導
体材料を用いれば、高温での動作が可能となり、加えて
大電力動作も可能となる。このような特性が半導体材料
に対して要求されているなかで、窒化ガリウム系などの
窒化物半導体材料が注目されている。

【００８４】従来から、結晶ＩｎＧａＡｌＮを用いて素
子の作製が行われている。このような窒化物半導体は、
緑色より波長の短い発光素子に用いられている。窒化物
半導体を用いた発光素子としては、ＬＥＤが実用化され
ており、光メモリ，フルカラー表示装置，交通信号機な
どに用いられている。また、紫外光照射によって化学物
質を分解する方法を用いた除臭機器などにも用いられて
いる。しかしながら、窒化ガリウム系の半導体を用いた
半導体レーザは、実用とはなっていない。これは、結晶
中に含まれる多数の結晶欠陥のため、素子の寿命が短い
ためである。

【００８５】一方、従来からＡｌＧａＡｓやシリコンに
おいて実用化されているトランジスタより、高速，高出
力，および高温動作が可能であるという点においてより
優れた特性を実現できる半導体材料として、窒化物半導
体は期待されている。窒化物半導体は、ワイドギャップ
半導体であるため、絶縁破壊電圧が高く、また融点が高
いため、上述した特性が得られる。

【００８６】さらには、ＨＥＭＴ（高電子移動度トラン
ジスタ）を考えた場合、結晶構造の違いのため、ＧａＡ
ｓ系の半導体やシリコンにはない効果であるところの結
晶上下層での格子不整による歪みのもたらす圧電効果
と、ウルツ鉱型結晶構造が生む自然分極とにより、二次
元電子ガス層の電子密度が高くなり、結果として、大電
流動作を期待できる。例えば、窒化物半導体を用いて実
験的に作製された素子が、最大１４０ＧＨｚで動作した
報告がされている。しかしながら、やはり素子の寿命が
短いため、実用的な段階には至っていない。さらには、
バンドギャップの広さから期待されるほど、大きな電界
を印加できない状態にある。

【００８７】また、窒化物半導体は、特殊な受光素子へ
の応用も期待されている。窒化物半導体は広いバンドギ
ャップを持っているため、太陽光に反応しない受光素子
を作製することができる。この受光素子の大きな用途
は、燃焼装置に用いられている炎の監視装置（フレアデ
ィテクタ）である。しかしながら、材料中に含まれてい
る結晶欠陥が多いため、素子の暗電流が大きくなり、実
用には至っていない。

【００８８】また、窒化物半導体は、電子放射用の陰極
材料への応用も期待されている。ＡｌＮの電子親和力が
負であるという予想があり、実際に陰極を作製して特性
が調査されており、低電圧で大電流を引き出すことが示
されている。この陰極は、工業的にはプラズマディスプ
レイや電子顕微鏡などの電子放出源への応用が期待され
ている。しかしながら、やはり、作製された素子の材料
中に結晶欠陥が多いため、物性から期待されるほど低電
圧・大電流動作が得られていない。

【００８９】以上に示した窒化物半導体を用いた素子の
作製に当たっては、窒化物半導体の結晶を基板上にヘテ
ロエピタキシャル成長する必要がある。これは、これら
の結晶基板（バルク材料）が得られていないためであ
る。固相上での窒素の蒸気圧が高いため、通常の方法で
は窒化物半導体の結晶を成長させることが容易ではない
からである。１５０００気圧もの高圧をかけることで、
窒化物半導体の結晶を成長させる方法もあるが、この場
合、数ｍｍ角程度の小さな結晶しか得られておらず、素
子を形成するためには実用にならない。

【００９０】以上に説明した従来の技術に比較し、本発
明の一形態においては、例えばサファイアＭ面オフ基板
上に窒化物半導体を結晶成長させるようにした。この結
果、まず、格子不整合があまりない状態で、窒化物半導
体の結晶層を得ることができる。また、面積の大きなサ
ファイアＭ面オフ基板を用いることで、大面積の結晶層
を得ることが容易となる。また、本発明の一形態によれ
ば、表面が平坦な状態で、窒化物半導体の結晶層表面を
得ることができる。従って、本発明によれば、上述した
多くの素子を、実用になる状態で得ることができるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 サファイアＭ面基板のｃ軸に垂直な断面図で
ある。

【図２】 サファイアＭ面ジャスト基板（ａ）とサファ
イアＭ面オフ基板（ｂ）上に、ＧａＮバッファ層を介し
て結晶成長したＧａＮ結晶層の表面を顕微鏡で観察した
写真である。

【図３】 結晶を４結晶Ｘ線回折装置を用いて極点図の
測定を行った結果を示す特性図である。用いた反射面
は、（０００２）面である。

【図４】 サファイアＭ面基板の傾斜角と、この上に結
晶成長したＧａＮ結晶層の室温で測定したフォトルミネ
ッセンス特性との関係を示す特性図である。

【図５】 本発明の実施の形態における半導体素子の構
成例を概略的に示す斜視図である。

【図６】 図５に示した半導体素子の部分詳細を示す断
面図である。

【図７】 サファイアＭ面オフ基板上に形成した半導体
素子の光−電流特性（ａ）と、サファイアＣ面基板上に
形成した半導体素子の光−電流特性（ｂ）とを示す特性
図である。

【図８】 サファイアＭ面ジャスト基板上に、ＧａＮバ
ッファ層を介してＧａＮの結晶を成長させた状態を概略
的に示す斜視図である。

【符号の説明】

１…サファイアＭ面１５°オフ基板、２…ＩｎＧａＡｌ
Ｎからなる層の積層領域、３…電気的絶縁層、４…ｐ型
半導体用金属電極、５…ｎ型半導体用金属電極、６…Ｇ
ａＮバッファ層、７…シリコンドープｎ型ＧａＮ層、８
…シリコンドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、９
…シリコンドープｎ型ＧａＮ導波路層、１０…ノンドー
プＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ量子井戸層、
１１…マグネシウムドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバリア
層、１２…マグネシウムドープｐ型ＧａＮ導波路層、１
３…マグネシウムドープｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッ
ド層、１４…マグネシウムドープｐ型ＧａＮコンタクト
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 BB01 BE11 BE13 BE15 DB08 ED06 HA02 5F045 AB09 AB14 AB18 AC08 AC09 AC12 AD09 AD10 AD14 AE25 AF09 AF13 BB12 CA07 CA12 DA53 HA06 5F073 AA04 AA45 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA35

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヘテロエピタキシャル成長面を有するサ
   ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
   面が、前記サファイア基板の（０１−１０）面を、前記
   サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
   基板のｃ軸を回転軸として、８°から２０°回転させて
   なる面に平行であることを特徴とするサファイア基板。
2. 【請求項２】 ヘテロエピタキシャル成長面を有するサ
   ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
   面が、前記サファイア基板の（０１−１０）面を、前記
   サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
   基板のｃ軸を回転軸として、１３°から１８°回転させ
   てなる面に平行であることを特徴とするサファイア基
   板。
3. 【請求項３】 ヘテロエピタキシャル成長面を有するサ
   ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
   面が、前記サファイア基板の（０１−１０）面を、前記
   サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
   基板のｃ軸を回転軸として、８°から２０°回転させ、
   さらに、前記ｃ軸周りの回転を伴わずに、前記ｃ軸に対
   して０．１°から２０°傾斜させてなる面に平行である
   ことを特徴とするサファイア基板。
4. 【請求項４】 ヘテロエピタキシャル成長面を有するサ
   ファイア基板において、前記へテロエピタキシャル成長
   面が、前記サファイア基板の（０１−１０）面を、前記
   サファイア基板の結晶格子内において、前記サファイア
   基板のｃ軸を回転軸として、８°から２０°回転させ、
   さらに、前記ｃ軸周りの回転を伴わずに、前記ｃ軸に対
   して０．１°から２°傾斜させてなる面に平行であるこ
   とを特徴とするサファイア基板。
5. 【請求項５】 請求項１〜４いずれか１項に記載のサフ
   ァイア基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物ＩｎＮ、Ｇａ
   Ｎ、ＡｌＮ単結晶層またはその混晶Ｉｎ_{1-X- Y}Ｇａ_XＡｌ
   _YＮ単結晶（ここに、０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０＜Ｘ
   ＋Ｙ≦１とする）を少なくとも１層有することを特徴と
   する半導体素子。
6. 【請求項６】 ｛０１−１０｝面よりｃ軸を回転軸とし
   て８°から２０°回転させた面を主表面とした菱面体晶
   系結晶構造の結晶基板と、 この結晶基板の主表面上に結晶成長した窒化物材料の結
   晶層とを少なくとも備えたことを特徴とする電子部品。
7. 【請求項７】 ｛０１−１０｝面よりｃ軸を回転軸とし
   て、１３°から１８°回転させた面を主表面とした菱面
   体晶系結晶構造の結晶基板と、 この結晶基板の主表面上に結晶成長した窒化物材料の結
   晶層とを少なくとも備えたことを特徴とする電子部品。
8. 【請求項８】 請求項６または７記載の半導体部品にお
   いて、 前記結晶基板の前記主表面は、ｃ軸に対して０．１°か
   ら２０°傾斜した面であることを特徴とする電子部品。
9. 【請求項９】 請求項６または７記載の半導体部品にお
   いて、 前記結晶基板の前記主表面は、ｃ軸に対して０．１°か
   ら２°傾斜した面であることを特徴とする電子部品。
10. 【請求項１０】 請求項６〜９いずれか１項に記載の電
    子部品において、 前記結晶基板は、コランダム基板であることを特徴とす
    る電子部品。
11. 【請求項１１】 請求項６〜１０いずれか１項に記載の
    電子部品において、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムとを含む半導体材料
    であることを特徴とする電子部品。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の電子部品におい
    て、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムに加え、インジウム
    とアルミニウムとを含む半導体材料であることを特徴と
    する電子部品。
13. 【請求項１３】 主表面が｛０１−１０｝面よりｃ軸を
    回転軸として８°から２０°回転させた面となっている
    菱面体晶系結晶構造の結晶基板を用意し、 前記結晶基板の主表面に、気相成長法により窒化物材料
    を結晶成長し、前記結晶基板上に前記窒化物材料の結晶
    層を形成することを特徴とする結晶成長方法。
14. 【請求項１４】 主表面が｛０１−１０｝面よりｃ軸を
    回転軸として１３°から１８°回転させた面となってい
    る菱面体晶系結晶構造の結晶基板を用意し、 前記結晶基板の主表面に、気相成長法により窒化物材料
    を結晶成長し、前記結晶基板上に前記窒化物材料の層を
    形成することを特徴とする結晶成長方法。
15. 【請求項１５】 請求項１３または１４記載の薄膜形成
    方法において、 前記結晶基板の前記主表面は、ｃ軸に対して０．１°か
    ら２０°傾斜した面であることを特徴とする結晶成長方
    法。
16. 【請求項１６】 請求項１３または１４記載の薄膜形成
    方法において、 前記結晶基板の前記主表面は、ｃ軸に対して０．１°か
    ら２°傾斜した面であることを特徴とする結晶成長方
    法。
17. 【請求項１７】 請求項１３〜１６いずれか１項に記載
    の結晶成長方法において、 前記結晶基板は、コランダム基板であることを特徴とす
    る結晶成長方法。
18. 【請求項１８】 請求項１３〜１７いずれか１項に記載
    の結晶成長方法において、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムとを含む半導体材料
    であることを特徴とする結晶成長方法。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の結晶成長方法にお
    いて、 前記窒化物材料は、窒素とガリウムに加え、インジウム
    とアルミニウムとを含む半導体材料であることを特徴と
    する結晶成長方法。