(57)【要約】【課題】窒素雰囲気下でのエピタキシャル成長が可能となるレーザーＭＢＥを用い、ＬｉＮｂＯ３　や（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　などの表面の原子レベルでの平坦化とバッファ層として、ＡＩＮ層を形成することにより、モノリシック化することで、現在回路の主役である電子回路を凌駕するような集積化装置を構築することができる酸化物基板上への集積回路装置の製造方法及装置を提供する。【解決手段】酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＬｉＮｂＯ３　や（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板の超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化されたＬｉＮｂＯ３　や（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する。【選択図】　　図５
2004087814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）酸化物光学結晶基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記酸化物光学結晶基板はＬｉＮｂＯ３　基板であることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＰＬＤ法により、液体Ｇａメタルターゲットを用い、前記ＬｉＮｂＯ３　基板温度７００℃、窒素分圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒにて前記ＧａＮ層の成長を行うことを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＰＬＤ法によるパルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚであることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は４の何れか１項に記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記酸化物光学結晶基板上に半導体レーザーとしてのＧａＮ素子と酸化物光制御素子と光検出器としてのＩｎＧａＮ素子を実装することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項６】
（ａ）酸化物光学結晶の基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備する酸化物基板上への集積回路装置の製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造される酸化物光学結晶基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる酸化物基板上の集積回路装置。
【請求項８】
（ａ）ＮｄＧａＯ３　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、エタノールとアセトンによる脱脂洗浄の後、前記ＮｄＧａＯ３　基板をＰＬＤチャンバに導入し、該ＰＬＤチャンバのベースプレッシャーを１．０〜２．０×１０−９Ｔｏｒｒとし、成長中は窒素ガスを導入し、窒素圧を１．０×１０−２Ｔｏｒｒに保ち、ターゲットにはＧａＮの焼結体を用いることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ターゲットは基板より５ｃｍ下方に位置し、ＫｒＦエキシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ，τ＝２０ｎｓ）によってアブレートさせ、そのエネルギー密度は３．０Ｊ／ｃｍ２　、パルス周波数は１０Ｈｚに設定することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、成長レートを約１０ｎｍ／ｈとし、前記基板の温度を７５０℃に設定することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１２】
（ａ）ＮｄＧａＯ３　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備する酸化物基板上への集積回路装置の製造装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造されるＮｄＧａＯ３　基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる酸化物基板上の集積回路装置。
【請求項１４】
（ａ）（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＡｌＮ層を室温で成長させることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板をＰＬＤチャンバに導入し、該ＰＬＤチャンバのベースプレッシャーを約１０−１０　Ｔｏｒｒとし、成長中は窒素ガスを導入し、窒素圧を１．０×１０−２Ｔｏｒｒに保ち、ターゲットにはＡｌＮの焼結体を用いることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＰＬＤ法によるパルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚのエキシマレーザーであることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項１８】
（ａ）（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造される（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる酸化物基板上の集積回路装置。
【請求項２０】
（ａ）ＭｎＯ基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＭｎＯ基板をＰＬＤチャンバに導入し、成長中は窒素ガスを導入し、窒素圧を１．０−５から１０−２Ｔｏｒｒに保ち、基板温度を７００〜８００℃とし、ターゲットには金属ＧａおよびＡｌＮの焼結体を用いて前記ＡｌＮ層およびＧａＮ層を成長させることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＰＬＤ法によるパルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚのエキシマレーザーであることを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造方法。
【請求項２３】
（ａ）ＭｎＯ基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、該研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、
（ｂ）レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、
（ｃ）該ＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備することを特徴とする酸化物基板上への集積回路装置の製造装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造されるＭｎＯ基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる酸化物基板上の集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物基板、特に光学結晶基板上または磁性酸化物基板上への集積回路装置の製造方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような技術分野の参考文献としては、以下に開示されるようなものがあった。
〔１〕Ｊ．Ｏｈｔａ，Ｈ．Ｆｕｊｉｏｋａ，Ｍ．Ｓｕｍｉｙａ，Ｈ．Ｋｏｉｎｕｍａ，Ｍ．Ｏｓｈｉｍａ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，２２５（２００１）７３．
〔２〕Ｊ．Ｏｈｔａ，Ｈ．Ｆｕｊｉｏｋａ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍ．Ｏｓｈｉｍａ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．（ａ），１８８（２００１）４９７．
〔３〕Ｊ．Ｏｈｔａ，Ｈ．Ｆｕｊｉｏｋａ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｍ．Ｓｕｍｉｙａ　ａｎｄ　Ｍ．Ｏｓｈｉｍａ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ　２３３（２００１）７７９．
〔４〕Ｔ．Ｉｓｈｉｉ　ｅｔ　ａｌ．，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，１８９／１９０（１９９８）２０８．
〔５〕Ｃ．Ｊ．Ｒａｗｎ　ｅｔ　ａｌ．，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ，２２５（２００１）２１４．
〔６〕Ｄ．Ｋａｐｏｌｎｅｋ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６７（１９９５）１５４１．
〔７〕Ｂ．Ｈｅｙｉｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６８（１９９６）６４３．
〔８〕Ｗ．Ｌｉ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６９（１９９６）３３９０．
Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板は、デバイス融合の観点から非常に魅力的な基板材料であるものの、その熱的不安定性および化学的不安定性から、薄膜成長前に雰囲気ガスと反応して界面窒化層が生じ、従来のＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法では、良質なエピタキシャル成長が困難であった。
【０００３】
また、ＬｉＧａＯ２　やＭｇＡｌＯ３　などの酸化物基板は、ＩＩＩ　族窒化物と非常に格子マッチが良い（格子不整合は１％以下）ものの、水素による還元や、窒素源による窒化が問題となり、やはり成長前に基板材料そのものが分解してしまうなど、良質なＩＩＩ　族窒化物の成長は困難を極め、現在のところ、その結晶品質においてサファイアを越える基板はないとされている。そのサファイア基板は、格子不整合は約１６％と大きいが、熱的安定性・化学的安定性があり、現在では低温バッファ層の利用による結晶性向上など、成長技術がある程度確立された基板材料である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイアには、▲１▼絶縁体でありデバイス製造工程が複雑になる、▲２▼非常に硬く加工が容易でない、▲３▼レーザー作製時に劈開面が利用できない、▲４▼大面積基板が得られないなど、デバイス作製やコスト面において不利な点を多数有している。従って、サファイアに代わる新しい基板の探索は、現在でも最も重要な課題の一つと考えられている。
【０００５】
そこで、本願発明者らは、従来とはまったく様式を異にする、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）という成長手法に着目した。レーザーＭＢＥ法は、窒素源として窒素ガスを用いるために、窒素雰囲気中での窒化物の成長が可能であり、従来技術で問題となっている成長前の基板表面の窒化反応が抑えられる。そのため、従来技術では用いることの出来なかった基板上へも、良質なＩＩＩ　族窒化物薄膜が成長可能になるのではないかと考えた。
【０００６】
既に、本願発明者らは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｔａ）Ｏ３　（ＬＳＡＴ）基板、Ｍｎ−Ｚｎフェライト基板、Ｓｉ基板上へのＩＩＩ　族窒化物の成長を試みている〔参考文献１−３〕。
【０００７】
表１に各種基板およびＡｌＮ、ＧａＮの格子定数、熱膨張係数を示す。
【０００８】
【表１】
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この表１から分かるように、サファイア基板に比べ、ＬＳＡＴやフェライト基板とＩＩＩ　族窒化物の格子ミスマッチは小さい。これらの基板上に、レーザーＭＢＥ法を用いてＩＩＩ　族窒化物の成長を行ったところ、その界面には窒化層は存在せず、急峻な界面の作製が可能であることが分かった。
【０００９】
このようにして、本願発明者らはレーザーＭＢＥ法を用いて種々の基板上へのＩＩＩ　族窒化物の成長可能性を調べてきたが、本発明では、格子マッチング基板の一つとして、ＮＧＯ（ＮｄＧａＯ３　）基板に着目した。ＮＧＯ基板は、磁性体・強誘電体・超伝導体材料のヘテロエピタキシャル成長用基板として広く用いられており、これを基板として利用することは、格子マッチング基板であることの他にも、ＧａＮのような光デバイスと酸化物エレクトロニクスを集積・融合するという意味でも利点がある。
【００１０】
また、今回、この技術を用いれば、酸化物をベースとした光素子とＩＩＩ　族窒化物発光素子を融合した新機能集積デバイスが実現できると考え、光学結晶基板としてのＬｉＮｂＯ３　基板上へのＧａＮ成長の可能性を検討した。
【００１１】
光学結晶とは、光との相互作用をもった機能性酸化物であり、具体的には光スイッチ材料、固体レーザー材料、光偏向材料、光−光制御材料などを指し、光通信や光情報処理分野での応用が期待されている。この光学結晶を用いての光集積回路が数多く提案されている。
【００１２】
しかしなから、半導体レーザーや、半導体受発光素子を光集積回路基板に貼り付けるという従来の方法では、集積度が低く応用が非常に限られていた。
【００１３】
本願発明者は、光学結晶上にＧａＮなどの直接遷移型半導体をヘテロエピタキシャル成長させる方法を鋭意研究した結果、レーザーＭＢＥ装置を用いることにより、光学結晶基板（ＬｉＮｂＯ３　）上に良質なＧａＮを成長させることに成功した。
【００１４】
また、ＭｎＯやＬＳＡＴ、ＭｎＺｎフェライト（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　などの化学的に不安定な磁性酸化物基板上へもレーザーＭＢＥ装置を用いることにより、良質なＧａＮを成長させることに成功した。
【００１５】
本発明は、上記状況に鑑みて、窒素雰囲気下でのエピタキシャル成長が可能となるパルスレーザーＭＢＥ（ＰＬＤＭＢＥ）装置を用い、ＬｉＮｂＯ３　や（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　などの表面の原子レベルでの平坦化と、バッファ層としてＡＩＮ層を形成することにより、従来ハイブリッドであった光集積回路や磁気的集積素子をモノリシック化し、現在の回路の主役である電子回路を凌駕するような集積化装置を構築し得る酸化物基板上への集積回路装置の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、酸化物光学結晶基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする。
【００１７】
〔２〕上記〔１〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記酸化物光学結晶基板はＬｉＮｂＯ３　基板であることを特徴とする。
【００１８】
〔３〕上記〔２〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＰＬＤ法により、液体Ｇａメタルターゲットを用い、前記ＬｉＮｂＯ３　基板温度７００℃、窒素分圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒにて前記ＧａＮ層の成長を行うことを特徴とする。
【００１９】
〔４〕上記〔３〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＰＬＤ法によるパルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚであることを特徴とする。
【００２０】
〔５〕上記〔１〕又は〔４〕の何れか１項に記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記酸化物光学結晶基板上に半導体レーザーとしてのＧａＮ素子と酸化物光制御素子と光検出器としてのＩｎＧａＮ素子を実装することを特徴とする。
【００２１】
〔６〕酸化物基板上への集積回路装置の製造装置において、酸化物光学結晶基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、その研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備する。
【００２２】
〔７〕酸化物基板上の集積回路装置は、上記〔６〕に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造される酸化物光学結晶基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる。
【００２３】
〔８〕酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＮｄＧａＯ３　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする。
【００２４】
〔９〕上記〔８〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、エタノールとアセトンによる脱脂洗浄の後、前記ＮｄＧａＯ３　基板をＰＬＤチャンバに導入し、このＰＬＤチャンバのベースプレッシャーを１．０〜２．０×１０−９Ｔｏｒｒとし、成長中は窒素ガスを導入し、窒素圧を１．０×１０−２Ｔｏｒｒに保ち、ターゲットにはＧａＮの焼結体を用いることを特徴とする。
【００２５】
〔１０〕上記〔９〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ターゲットは基板より５ｃｍ下方に位置し、ＫｒＦエキシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ，τ＝２０ｎｓ）によってアブレートさせ、そのエネルギー密度は３．０Ｊ／ｃｍ２　、パルス周波数は１０Ｈｚに設定することを特徴とする。
【００２６】
〔１１〕上記〔１０〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、成長レートを約１０ｎｍ／ｈとし、前記基板の温度を７５０℃に設定することを特徴とする。
【００２７】
〔１２〕酸化物基板上への集積回路装置の製造装置において、ＮｄＧａＯ３　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備する。
【００２８】
〔１３〕酸化物基板上の集積回路装置は、上記〔１２〕に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造されるＮｄＧａＯ３　基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる。
【００２９】
〔１４〕酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする。
【００３０】
〔１５〕上記〔１４〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＡｌＮ層を室温で成長させることを特徴とする。
【００３１】
〔１６〕上記〔１４〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板をＰＬＤチャンバに導入し、このＰＬＤチャンバのベースプレッシャーを約１０−１０　Ｔｏｒｒとし、成長中は窒素ガスを導入し、窒素圧を１．０×１０−２Ｔｏｒｒに保ち、ターゲットにはＡｌＮの焼結体を用いることを特徴とする。
【００３２】
〔１７〕上記〔１６〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＰＬＤ法によるパルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚのエキシマレーザーであることを特徴とする。
【００３３】
〔１８〕酸化物基板上への集積回路装置の製造装置において、（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、この基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備することを特徴とする。
【００３４】
〔１９〕酸化物基板上の集積回路装置は、上記〔１８〕に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造される（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる。
【００３５】
〔２０〕酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＭｎＯ基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成することを特徴とする。
【００３６】
〔２１〕上記〔２０〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、ＭｎＯ基板をＰＬＤチャンバに導入し、成長中は窒素ガスを導入し、窒素圧を１．０−５から１０−２Ｔｏｒｒに保ち、基板温度を７００〜８００℃とし、ターゲットには金属ＧａおよびＡｌＮの焼結体を用いて前記ＡｌＮ層およびＧａＮ層を成長させることを特徴とする。
【００３７】
〔２２〕上記〔２１〕記載の酸化物基板上への集積回路装置の製造方法において、前記ＰＬＤ法によるパルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚのエキシマレーザーであることを特徴とする。
【００３８】
〔２３〕酸化物基板上への集積回路装置の製造装置において、ＭｎＯ基板の表面にコロイダルシリカによるＣＭＰ基板研磨を行った後、この研磨された基板に超高真空中でのアニールを施し、前記基板上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成する手段と、レーザーＭＢＥ法により、前記原子レベルで平坦化された基板上にターゲットを用いたＡｌＮ層を成長させる手段と、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する手段とを具備することを特徴とする。
【００３９】
〔２４〕酸化物基板上の集積回路装置は、上記〔２３〕に記載される酸化物基板上への集積回路装置の製造装置によって製造されるＭｎＯ基板と、ＡｌＮ層と、ＧａＮ層からなる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００４１】
まず、本発明の各種の実施例に共通する技術について説明する。
【００４２】
〔Ａ〕基板の表面処理
図１は本発明の実施例を示す基板の研磨装置の模式図、図２はその基板の研磨のフローチャートである。
【００４３】
この図において、１は光学結晶基板や磁性酸化物基板などの基板、２はその基板１の保持具、３は研磨板、４はコロイダルシリカ容器、５はコロイダルシリカ供給ノズル、６はコロイダルシリカである。
【００４４】
この研磨装置によって、基板１の保持具２と研磨板３を回転させ、コロイダルシリカ６による基板１の化学機械的研磨を行った後に、超高真空中（１０−９Ｔｏｒｒ）でのアニールを行い、基板１を原子レベルで平坦化する。
【００４５】
以下、その基板の処理工程を図２を参照しながら説明する。
【００４６】
（１）まず、粒径３．０μｍのダイアモンドスラリーと溝付き銅板を用いた荒研磨を行う。この過程で基板の平面出しを行う。次に、超純水で軽く洗浄した後、アセトンで基板表面のワックスなどの汚れを拭き取る。さらに、２０秒ほど超純水で超音波洗浄する（ステップＳ１）。
【００４７】
（２）次いで、粒径０．５μｍのダイアモンドスラリーと研磨布を用いてラッピングを行う。研磨後はステップＳ１と同様に、超純水で軽く洗浄した後、アセトンで基板表面を軽く拭き、２０秒ほど超純水で超音波洗浄を行う（ステップＳ２）。
【００４８】
（３）次に、コロイダルシリカ（ｐＨ９．８）を用いてＣＭＰ（化学機械的研磨）を行う。このＣＭＰは、あまり長時間行うと基板表面がアルカリに侵されてダメージを受けるので、５分間程度が適切である。また、シリカ微粒子が凝集し易いので、研磨後は十分に純水でリンスする。研磨後に超音波洗浄を行うと、細かなピットが形成されるので、ここでは超音波洗浄は行わない（ステップＳ３）。
【００４９】
（４）最後に、超高真空中（１０−９Ｔｏｒｒ）でのアニールを行う（ステップＳ４）。
【００５０】
この基板の表面処理で重要なことは、原子間力顕微鏡で平均粗さ１０Å以下にすることが重要である。
【００５１】
〔Ｂ〕レーザーＭＢＥ装置
図３は本発明にかかるレーザーＭＢＥ装置の模式図である。
【００５２】
この図において、１０はＰＬＤチャンバ、１１はターゲット（ここではＡｌＮ焼結体であるが、以降のプロセスではＧａＮ焼結体や液体Ｇａメタル）、１２は基板、１３は加熱装置、１４はＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ，３Ｊ／ｃｍ２　、２−１５Ｈｚ）、１５はスクリーン、１６はＲＨＥＥＤ装置、１７，１８はＴＭＰ（Ｔｕｒｂｏ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｐｕｍｐ）、１９はＮ２　ガス源、２０は電子ビームである。
【００５３】
このＰＬＤチャンバ１０は、超高真空中で光電子分光（ＸＰＳ）装置、ＩＩＩ　−Ｖ族化合物半導体作製用分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置に連結されており、窒化物とＧａＡｓなどの多層構造の作製、および、化学結合状態解析による、試料表面および界面状態の評価が可能である。レーザーＭＢＥ装置のベースプレッシャーは１．０〜２．０×１０−９Ｔｏｒｒ程度となっている。
【００５４】
〔Ｃ〕ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）ＭＢＥ法
ＰＬＤ法では、２０〜３０ｎｓのパルス幅を持ったレーザー光をレンズによって、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　のエネルギー密度に集光し、入射窓を通して真空チャンバー内のターゲットにフォーカスし、ターゲット表面の約１０ｎｍを蒸発、アブレートする。放出される１０〜１００ｅＶのエネルギーを持った中性原子、分子、イオン等の粒子は、プルームと呼ばれる発光柱を形成し、対向する適度に過熱された基板上に凝縮し、薄膜を形成する。
【００５５】
ＰＬＤ法の利点としては、装置構成が簡単で、真空チャンバ内に加熱蒸発源や、プラズマ発生装置などを含まないのでクリーンな成膜雰囲気が得られる。
【００５６】
また、ターゲットを交換するだけで、ヘテロ構造や超格子を容易に形成できる。
【００５７】
さらに、酸化物のような高融点の材料でも全成分を一瞬でアブレートできるので、組成のズレの少ない膜を堆積できる。特に紫外光は、赤外光や可視光に比べ、ターゲット内への侵入深さが浅く、表面の微小領域で吸収されるので、１原子にまで分解した気化成分を生成する。
【００５８】
ＰＬＤ法は、上記の技術的な特徴だけでなく、酸化物薄膜の成長過程の制御にも重要なメリットを持っている。金属原料を分子線状態で基板表面に供給する前記ＭＢＥ法では、酸化反応は表面、あるいは表面近傍のみで起こり、酸素の供給で律速される動力学支配の反応になりやすい。一方、酸化物をターゲットに用いるＰＬＤ法では、主に酸化された分子やイオンが高い運動エネルギーをもって基板表面に衝突するので、基板表面温度や雰囲気の制御によって、熱平衡に近い高結晶性の構造にも動力学支配の非平衡構造にも緩和させられる自由度が高い。
【００５９】
表面過程の自由エネルギー変化で見ると、酸化状態で吸着した方が形成される酸化物とのエネルギー差が小さく、より平衡に近い結晶性のよい薄膜を形成するのに有利と考えられる。
【００６０】
〔Ｄ〕評価手法と装置
〔光電子分光法（ＸＰＳ）〕
ＸＰＳは代表的な表面分析装置の一つで、固体の表面から数ｎｍの深さ領域に関する元素および化学結合状態の分析に用いる。また、Ａｒイオンなどでエッチングを行いながら測定することにより、最表面の汚染物を除去した面や、サブミクロンオーダーまでの深さ方向分析が可能である。Ｘ線光電子分析とイオンスパッタリングを交互に繰り返し、スペクトルの変化を追跡することで、試料の深さ方向における組成変化の情報を得るのである。
【００６１】
試料は真空中で安定なものであれば何でも分析できるが、ほとんどの場合は固体試料である。金属、半導体、セラミックス、高分子材料など幅広い対象に用いられているが、絶縁物の場合は測定中に試料が帯電するため、低速電子を照射するなどの工夫が必要である。
【００６２】
また、高分子などはＸ線で損傷する場合が有り、分析には注意が必要となる。特にハロゲンや窒素などいわゆるヘテロ元素を含む試料では測定中にこれらの元素が脱離したり、化学状態が変化したりする場合が多々あるので十分注意が必要である。必要に応じ試料を冷却して測定する場合もある。
【００６３】
半導体結晶のヘテロエピタキシャル成長における基板とエピタキシャル膜の界面の急峻性は、デバイスへの応用を考えた場合非常に重要になってくる。そこで、成長したサンプルについて界面の状態を調べていくとともに成長の初期過程について詳しく研究を進めるため、ＸＰＳを用いることができる。
【００６４】
励起Ｘ線としてはＡｌやＭｇのＫαなど比較的低いエネルギーのものが良く用いられ、エネルギーアナライザーは電場を用いて電子の運動エネルギーを測定する装置で、同心円筒形（ＣＭＡ）、同心半球型（ＣＨＡ）などがある。
【００６５】
高真空中で固体試料表面に特定エネルギーの軟Ｓ線（Ａｌ　Ｋα線またはＭｇＫα線）を照射すると、光電効果により試料から電子（光電子）が放出される。これをアナライザーに導き、電子の運動エネルギーで分けてスペクトルとして検出する。Ｘ線は試料表面から数μｍまで侵入するため、光電子は深い領域からも放出されるが、試料表面に到達するまでに非弾性散乱により運動エネルギーを失うためにピークとしては検出されず、スペクトルのバックグラウンドとなる。
【００６６】
非弾性散乱せずに、試料表面（運動エネルギーにより異なるが、概ね数ｎｍから数十ｎｍ）から脱出した数ｎｍの深さ領域の光電子のみがピークとして検出され、分析に用いられる。スペクトルの横軸は電子の結合エネルギーで表示される。結合エネルギー（Ｅｂ）は照射した軟Ｘ線のエネルギー（Ｅ０　）から光電子の運動エネルギー（Ｅｋ　）を引いた差として求められる（厳密には表面の仕事関数分だけエネルギーの損失がある）。
【００６７】
Ｅｂ　＝Ｅ０　−Ｅｋ　
各種原子の内殻電子は固有の結合エネルギーを持っているため、検出された電子の結合エネルギーから元素の種類、シグナル強度から元素の比率を調べることができる。検出可能な元素はＬｉからＵまでである。検出限界は元素によって異なるが、およそ０．１％程度である。
【００６８】
さらに、各種元素の化学結合状態が異なると結合エネルギーが僅かに変化し、ピークが分離されて検出される。束縛エネルギーは、原則として原子の種類と電子の軌道により定まった値になるが、原子が化合物や結晶格子を形成している場合には、自由な状態と比較するとその値が僅かに変化する。これを「化学シフト」とよび、化学結合している相手を知る上で、重要な情報を与える。
【００６９】
Ｘ線光電子分光法ではこの化学シフトを利用して元素の種類だけでなく、化学状態を知ることができる。つまり、これにより有機物の官能基分析（Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏの定量など）や無機物の酸化状態の分析（メタルと酸化状態の定量）などが可能となる。Ａｒイオンエッチングによる深さ方向分析は、イオン照射により状態変化が起こりにくい無機物に有効である。
【００７０】
〔フォトルミネッセンス測定（ＰＬ）〕
フォトルミネッセンス（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＰＬ）とは、光で励起された半導体中の電子がエネルギーを放ちながら元のエネルギー状態に戻るときに発する光である。身近な例として、テレビのブラウン管があげられる。ブラウン管は電子線で蛍光体がルミネッセンスを発することを利用したデバイスである。
【００７１】
本発明の測定装置は、このルミネッセンスを、分光器により分光し、ＣＣＤ受光素子によってスペクトルを測定するためのシステムである。ＰＬスペクトルを調べることで半導体薄膜の光学的特性をはじめ、その結晶品質や含まれる不純物などを調べることが出来る。
【００７２】
本発明では、ＰＬ法によりＧａＮ薄膜の光学特性を評価した。
【００７３】
以下、各種の実施例について順次説明する。
【００７４】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００７５】
ここでは、レーザーＭＢＥ法を用いた光学結晶基板としてのＬｉＮｂＯ３　上へのＩＩＩ　族窒化物薄膜としてのＧａＮ薄膜の成長について説明する。
【００７６】
ＧａＮの成長は１０−５〜１０−２Ｔｏｒｒの窒素雰囲気下で７００℃の基板温度で行った。また、界面バッファー層としてＡｌＮを用いた。ターゲットには、金属Ｇａ、およびＡｌＮ焼結体を用いた。励起源としてはＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ，２０ｎｓ）を３Ｊ／ｃｍ２　、１５Ｈｚの条件で使用した。
【００７７】
得られた薄膜の評価は、反射型高速電子回折法（ＲＨＥＥＤ）、斜入射Ｘ線反射率法（ＧＩＸＲ）、高分解能Ｘ線回折法（ＨＲＸＲＤ）等を用いた。
【００７８】
以下、光学結晶基板としてのＬｉＮｂＯ３　上へのＩＩＩ　族窒化物薄膜の成長について詳細に説明する。
【００７９】
まず、ＩＩＩ　族窒化物薄膜について説明する。
【００８０】
ＧａＮ系ワイドギャップＩＩＩ　族窒化物半導体は、青色、緑色発光ダイオードとして実用化されるようになった。また、その高い絶縁破壊電界、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスが使用できることなどの優れた性質を有するので、短波長発光デバイスのみならず、次世代の超高周波・高出力トランジスタなどの材料としても有望視され、活発な研究が進められている。前記した表１にＧａＮとＡｌＮの一般的な性質が示されている。
【００８１】
半導体レーザーの短波長化は情報処理機器の高性能化を実現する鍵となる技術である。特に、光メモリ応用では、高密度化に対する光源波長の寄与は大きい。ＧａＮ系化合物半導体は青色〜紫外領域でのレーザー発振が可能な材料であり、高密度光メモリなどへの応用を目指してデバイス開発が進められている。
【００８２】
光学結晶とは、光と相互作用をもったアクティブな機能を示す酸化物単結晶をさす。現在の光エレクトロニクス分野における光学結晶材料の特色は、光学的性質と種々の外部要因との相互作用が大きい、いわゆる機能性を持っている。光エレクトロニクスの技術分野は、光通信、表示、記録、計測、光による光制御といった広範囲にわたる光応用であり、また新しい光学結晶が次々と育成されて、それに必要な結晶光学が深く係わっている。
【００８３】
次に、ＬｉＮｂＯ３　について説明する。
【００８４】
これは、光学結晶でも最も汎用的であり、利用価値の高いＬｉＮｂＯ３　基板（諸性質を表２に示す）を用いた。面方位は（０００１）面を用いたが、これは対称性を考慮したもので、（１１−２０）面、（１０−１０）面なども考えられるが、Ｌｉ原子が正四面体構造の中心にないために、同じ面上でＬｉ、Ｎｂ間の長さが異なるなど、非対称である。
【００８５】
【表２】
2004087814.tif 000004
次に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法について説明する。
【００８６】
図３に示すように、超高真空中に基板１２を置き、これを数百度に加熱しておき、堆積させたい物質を別々のルツボ状の容器（セル）に入れて加熱する。または焼結したターゲット１１にレーザー１４を照射することによって、堆積させたい物質が蒸発昇華し気相として基板１２の清浄表面に供給されることで結晶成長を行う方法である。この方法は、真空度が高いので、気相の分子の平均自由行程は１０００ｋｍ以上になり、ルツボ容器を飛び出した分子は互いに衝突することなく基板１２に到着する。
【００８７】
主な特色としては、
（１）通常の真空蒸着法と異なり、ＭＢＥ法では超高真空を用いている。そのため、基板表面へのチャンバ内の残留不純物（炭素、酸素、水及びその化合物）の付着がなく、一度基板表面を清浄化すればきわめて長時間（１０４〜１０５秒）清浄表面を維持できる。したがって、基板上にエピタキシャル単結晶を成長できるばかりでなく、成長速度を遅くしても不純物の取り込みが極めて少ないので、高純度の結晶が得られる。
【００８８】
（２）成長速度を極めて遅くする（０．１〜数μｍ／ｈｒ）ことができ、かつ多くの半導体材料の場合で成長モードが２次元的であるため、原子レベルで膜厚制御が可能である。またこのような成長モードが実現できる基板温度が他の成長法に比較して低温であるため、急激なヘテロ界面を実現することができる。
【００８９】
（３）各蒸着源セルにあるメカニカルなシャッターや各セルの温度を制御することによって、成長方向の混晶の組成分布、不純物ドーピングの分布を任意に高精度で制御することができる。したがって、成長方向にほぼ任意のバンドプロファイルをもつ半導体ヘテロ構造の作製が可能である。
【００９０】
（４）ＭＢＥでは基板上における原子の付着は熱力学的な平衡にはほとんど依存しないために、ある温度での蒸気圧や基板への付着確率が大幅に違う元素間の化合物を、熱力学的な平衡から大幅に外れた組成で成長させることができる。
【００９１】
（５）結晶成長中に種々の分析手法を用いて成長表面をその場観察することにより、成長機構に関する様々な情報が得られ、成長の制御にフィードバックさせることができる。特に、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）は、ＭＢＥが開発された初期の段階から現在に至るまで最も広く使われている極めて有用な成長中におけるその場観察の手段である。
【００９２】
（６）ＭＢＥ法はその原理の単純さ、得られる結晶の高品質性、原子レベルでの膜厚制御性、その場観察の能力など優れた特徴をもつことから、半導体材料ばかりでなく、金属、絶縁体、超伝導体、磁性体、あるいはそれらを組み合わせた人工格子や複合ヘテロ構造など、様々な人工材料の探索に利用できる。
【００９３】
以下、ＬｉＮｂＯ３　上へのＩＩＩ　族窒化物の形成について説明する。
【００９４】
酸化物基板上へテロエピタキシャル成長させる半導体材料には、結晶欠陥に強いＧａＮが、また酸化物光制御素子材料としては電気機械結合定数の高いＬｉＮｂＯ３　が適している。
【００９５】
上述したように、ＬｉＮｂＯ３　基板表面は窒化されやすいために、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法では良質なＧａＮはできない。
【００９６】
そこで、本発明では、窒素雰囲気中で反応が進行するＰＬＤ法を用いれば、化学的に不安定な酸化物基板にも良質なＧａＮ薄膜を成長させることができると考えた。
【００９７】
本発明では、かかるＬｉＮｂＯ３　上のＧａＮ薄膜の欠陥準位を低減する目的で、ＡｌＮバッファー層を形成させるようにした。
【００９８】
図４はそのＬｉＮｂＯ３　上へＡｌＮバッファー層を有するＧａＮ薄膜の模式図である。
【００９９】
この図において、１０１はＬｉＮｂＯ３　基板（０００１）、１０２はその上に形成されるＡｌＮバッファー層、１０３はその上に形成されるＧａＮ薄膜（０００１）である。
【０１００】
図５にそのＬｉＮｂＯ３　基板とＧａＮ薄膜の配向関係とそのロッキング曲線を示している。ここでは横軸に角度２θ（度）、縦軸に強度（相対単位）を示している。この図において、ａはＡｌＮバッファー層がない場合（半値幅は１．５°）、ｂはＡｌＮバッファー層がある場合（半値幅は０．７２）である。
【０１０１】
この図から、ＡｌＮバッファー層１０２の挿入により大幅に結晶性が向上していることが分かる。
【０１０２】
次に、ＧａＮ薄膜表面を観察すると、図６のようである。図６（ａ）はＡｌＮバッファー層なしの場合（ＲＭＳは１７．９ｎｍ）であり、図６（ｂ）はＡｌＮバッファー層ありの場合（ＲＭＳは０．６４ｎｍ）であり、これらの図から明らかなように、成長モードが３次元成長から２次元成長へ変化しており、ＡｌＮバッファー層の挿入により平坦性が向上していることが分かる。
【０１０３】
更に、レーザーＭＢＥ装置の窒素分圧を最適化するようにした。
【０１０４】
すなわち、図７はＡｌＮバッファー層の生成時の窒素分圧特性を示す図であり、ａは低圧ＡｌＮバッファー層（窒素分圧０．１ｍＴｏｒｒ）、ｂは高圧ＡｌＮバッファー層（窒素分圧１０ｍＴｏｒｒ）の場合であり、高圧ＡｌＮバッファー層の方が強いバンド端発光が確認された。
【０１０５】
上記から明らかなように、ＰＬＤ法によりＬｉＮｂＯ３　上へＡｌＮバッファー層を有するＧａＮ薄膜のエピタキシャル成長を行わせることができた。
【０１０６】
上記から以下の点が挙げられる。
【０１０７】
（１）ＧａＮとＬｉＮｂＯ３　は、図８に示すように、３０°回転した配向関係を持つ。このとき格子ミスマッチは７％と小さい。すなわち、以下に示す面内配向関係を有する。
【０１０８】
ＬｉＮｂＯ３　（０００１）／／ＧａＮ（０００１）
ＬｉＮｂＯ３　（１１−２０）／／ＧａＮ（１０−１０）
（２）ＡｌＮバッファー層の挿入で結晶性が大幅に向上した。
【０１０９】
（３）酸素分圧の最適化により、欠陥準位発光の殆ど無い良好な光学特性を示すＧａＮ薄膜を得ることができた。
【０１１０】
なお、ＬｉＮｂＯ３　と同様な性質を示す物質としてＮｂをＴａで置き換えたＬｉＴａＯ３　がある。すなわち、ＬｉＮｂＯ３　の格子定数は、ａ＝５．１４８２Å、ｃ＝１３．８５７Åであるが、ＬｉＴａＯ３　の格子定数は、ａ＝５．１５０９Å、ｃ＝１３．７７３Åであり、格子定数がほぼ同じであり、このＬｉＴａＯ３　を基板とした適用ができることは言うまでもない。
【０１１１】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【０１１２】
この実施例においては、レーザーＭＢＥ法を用いた酸化物基板としての（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　上へのＩＩＩ　族窒化物薄膜としてのＡｌＮ薄膜の室温エピタキシャル成長について説明する。
【０１１３】
ＡｌＮ薄膜の成長は、背圧１０−１０　Ｔｏｒｒ台のＰＬＤ装置によって行った。ターゲットにはＡｌＮの焼結体（純度９９．９％）を用い、雰囲気ガスとして、Ｎ２　を１０ｍＴｏｒｒ導入した。基板には（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　（１１１）を用い、成長温度は室温〜７００℃とした。励起源としてはＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ，２０ｎｓ）を３Ｊ／ｃｍ２　、１０Ｈｚの条件で使用した。得られた薄膜の評価は、反射型高速電子回折法（ＲＨＥＥＤ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、高分解能Ｘ線回折（ＨＲＸＲＤ）、斜入射Ｘ線反射率法（ＧＩＸＲ）等を用いた。
【０１１４】
次に、ＬＧＯ基板上のＩＩＩ　族窒化物薄膜の成長について詳細に説明する。
【０１１５】
ＬｉＧａＯ２　（ＬＧＯ）は図９に示すようなｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃの結晶構造を持ち（参考文献〔４〕）、その（００１）面は、ＧａＮとの格子ミスマッチが１％以下と非常に良いことから、格子マッチング基板の一つに挙げられ、良質なＧａＮ薄膜の成長が期待される（参考文献〔４〕，〔５〕）。
【０１１６】
しかしながら、従来のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などの成長手法では、やはり活性窒素源による基板窒化が問題となり、ＩＩＩ　族窒化物の成長は難しかった。最近、本願発明者らは、ＰＬＤ法を用いることによってＬＧＯ基板上へのＧａＮ直接成長に成功した。ここでは、そのＧ−ＧＩＸＤ測定の結果について述べる。
【０１１７】
成長はＰＬＤ法を用いて行った。ターゲットには液体Ｇａメタルターゲットを用い、成長温度７００℃、Ｎ２　圧１００ｍＴｏｒｒ、レーザーのパルス周波数は１５Ｈｚである。図１０に、ＧａＮ成長後のＲＨＥＥＤ像を示す。非常にシャープな回折像が得られており、良質なＧａＮ薄膜がエピタキシャル成長したことが分かる。
【０１１８】
図１１にＧａＮ薄膜の面内・面外回折点におけるＧ−ＧＩＸＤ法による逆格子マッピング測定の結果を示す。
【０１１９】
この図より、非常に強度が強く、鋭いピークが観察された。これは、成長したＧａＮ薄膜の結晶性が優れているためであると考えられる。
【０１２０】
表３に逆格子マッピングから求めたａ軸、ｃ軸方向の格子定数の値を示す。この結果より、ＬＧＯ上に成長したＧａＮ薄膜は、ａ軸、ｃ軸方向ともに圧縮歪みを受けていることが分かる。
【０１２１】
【表３】
2004087814.tif 000005
また、ＬＧＯはその結晶構造から、結晶方位によって格子長が異なっており、ＧａＮ薄膜の歪み量と結晶方位に何らかの相関関係が見られる可能性がある。それを調べるために、Ｘ線の入射方位を６０°および１２０°変化させて、同様に逆格子マッピングを取った結果も図１１に合わせて示す。
【０１２２】
逆格子マッピングから得られた格子定数が、やはり上記した表３にまとめられている。この表３より、ａ軸方向における歪み量について、６０°回転させた時に若干の変化が見られた。これは、ＬＧＯ基板からＧａＮ薄膜への応力が、結晶方位によって異なっているためと考えられる。
【０１２３】
また、Ｘ線の入射角を変えながら、面内方向における２ＴＨスキャンも行った。しかしながら、回折角にほとんど変化は見られず、歪み量の深さ依存は確認できなかった。この結果は、基板と薄膜の格子ミスマッチが非常に小さいことや、膜厚が非常に薄い成長初期過程であることにより、薄膜全体に転位がほぼ均一に入るなどして、歪み分布がないことを示していると考えられる。
【０１２４】
このように、Ｇ−ＧＩＸＤ法を用いることにより、各種基板上のＩＩＩ　族窒化物薄膜について詳細な歪み解析が可能となることが分かった。特に、ＰＬＤ法により成長したＩＩＩ　族窒化物薄膜は、ｂｕｌｋ結晶に適用される単純なＨｏｏｋｅの法則が成立しないため、Ｐｏｉｓｓｏｎ比を用いてａ軸方向の格子定数からｃ軸方向の格子定数を決定することができない。従って、薄膜表面における面内・面外の歪み量を正確に決定するためには、Ｇ−ＧＩＸＤ法により面内・面外の回折を測定し、直接決定する以外にない。
【０１２５】
このように、Ｇ−ＧＩＸＤ法は、ＰＬＤ法により成長したＩＩＩ　族窒化物薄膜表面の構造解析において非常に強力な手法であることが証明された。
【０１２６】
なお、ＧａＮ結晶に関して、４軸回折計を用いた面内・面外逆格子マッピング測定による、結晶の格子定数、歪み解析については比較的多くの論文が見られる。面外回折については、（２０−２４）など高次の面を用いており、かつ入射角も大きいため、Ｇ−ＧＩＸＤ法の特長である薄膜表面における解析を行っているものではないが、特に逆格子マッピング測定と、その解析については非常に参考となる（参考文献〔６〕−〔８〕）。
【０１２７】
次に、ＮｄＧａＯ３　（ＮＧＯ）基板上へのＩＩＩ　族窒化物の成長について説明する。
【０１２８】
最近、ＯｋａｚａｋｉらはネオジガレートＮｄＧａＯ３　（ＮＧＯ）がＧａＮ成長用の基板として適していることを示した。なぜならば、ＮＧＯ（０１１）面は、格子長や対称性がヘキサゴナルＧａＮ（０００１）面と非常に近く、ＮＧＯを基板とすれば、良質なＧａＮ薄膜の成長が期待できるからである。
【０１２９】
しかしながら、前述したように、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法による成長では窒素源として反応性の高いアンモニアやＮ２　プラズマを用いているために、成長前にＮＧＯ基板が窒化してしまい、格子マッチングなどの利点を打ち消してしまうことが知られている。ＮＧＯを基板として利用することは、格子マッチング基板であることの他に、ＧａＮのような光デバイスと酸化物エレクトロニクスを集積・融合するという意味でも利点がある。
【０１３０】
図１２はＮＧＯの結晶構造を示す図、図１３はそのＮＧＯ基板上へのデバイスの融合・集積化の例を示す図である。
【０１３１】
ＮＧＯ基板１１０は、ＩＩＩ　族窒化物半導体装置１１１、超伝導素子１１２、磁性体装置１１３を実装することにより、磁性体・強誘電体・超伝導体材料のヘテロエピタキシャル成長用基板として広く用いられている。
【０１３２】
従って、ＧａＮをＮＧＯ基板１１０上に成長することができれば、半導体・磁性体・強誘電体・超伝導体の全ての特性を１つのチップに集積したような新しいタイプのデバイスを開発することが期待される。
【０１３３】
しかしながら、これまでＧａＮをＮＧＯ（１１０）面上に成長したという報告はなされていない。そこで、本願発明者らは、他の基板と同様にレーザーＭＢＥ法を用いることで、ＮＧＯのような化学的、熱的に不安定な基板にも、良質なＩＩＩ　族窒化物を成長させることが可能ではないかと考え、レーザーＭＢＥ法を用いてＮＧＯ基板上にＧａＮを成長させることを試みた。
【０１３４】
そして、ＮＧＯ（１１０）基板上へのＧａＮ成長、および成長後のＧａＮ薄膜に対して、ＧＩＸＤ、ＧＩＸＲ、ＲＨＥＥＤ、ＡＦＭ測定を行った。
【０１３５】
ＮＧＯ結晶は図１２に示すようなｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃの結晶構造を持ち、（１１０）面の対称性は（０１１）と大きく異なっている。ＧａＮ薄膜は、ＰＬＤ法によりＮＧＯ（１１０）に成長した。エタノールとアセトンによる脱脂洗浄の後、ＮＧＯ基板をＰＬＤチャンバに導入した。
【０１３６】
チャンバのベースプレッッシャーは１．０〜２．０×１０−９Ｔｏｒｒであり、成長中はＮ２　ガス（９９．９９９９％　ｐｕｒｉｔｙ）を導入し、窒素圧を１．０×１０−２Ｔｏｒｒに保った。ターゲットにはＧａＮ（９９．９９％）の焼結体を用いた。ターゲットは基板より５ｃｍ下方に位置し、ＫｒＦエキシマレーザー（λ＝２４８ｎｍ、τ＝２０ｎｓ）によってアブレートされる。エネルギー密度は３．０Ｊ／ｃｍ２　であり、パルス周波数は１０Ｈｚに設定した。成長には、ＡＩＮおよびＧａＮバッファ層などは用いず、ＮＧＯ基板上に直接ＧａＮの成長を行った。成長レートは約１０ｎｍ／ｈとなっており、非常に低レートではあるが、これは成長の初期過程を調べるために、このような比較的ゆっくりした成長レートを選択した。基板温度は７５０℃に設定した。
【０１３７】
成長後はＲＨＥＥＤ（２５ｋｅＶ）による薄膜表面のｉｎ−ｓｉｔｕ観察を行った。チャンバから取り出した後、タッピングモードＡＦＭによる表面モルフォロジーの観察を行った。
【０１３８】
ＧＩＸＤおよびＧＩＸＲ測定は、理学電気のａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　Ｘ−ｒａｙ（ＡＴＸ）ｓｙｓｔｅｍを用いて行った。Ｘ線光源はＣｕＫα１　（λ＝１．５４０５Å）を用いた。入射角はＧａＮの全反射条件以下の０．２５°を選択した。また、それらに加えて放射光施設ＢＬ−３Ａにおいて、ＩＰ（イメージプレート）を用いたＧ−ＧＩＸＤ測定を行った。この測定ではキュービック層やダブルドメインなどの混在を確かめた。Ｇ−ＧＩＸＤ測定のセットアップについては、後述する。Ｘ線の波長は０．９Åとし、入射角は全反射条件以下の０．１〜０．２に設定した。
【０１３９】
図１４（ａ）および（ｂ）に、ＧａＮ成長前と成長後のＲＨＥＥＤ像を示す。
【０１４０】
成長前には、アニール処理によって表面の汚染層を除去し、図１４（ａ）に見られるようなシャープなストリークパターンを示している。図１４（ｂ）はＧａＮ成長後のＲＨＥＥＤ像である。成長後の膜厚は約１０ｎｍで、電子線の入射方向はＧａＮ〔０００１〕である。
【０１４１】
明確なスポットパターンを示していることから、ＧａＮはエピタキシャル成長しており、成長モードは３次元成長であることが分かる。電子線を様々な方向から入射し、パターンの変化を注意深く観察したところ、ヘキサゴナルＧａＮの（１１−２０）がＮＧＯ（１１０）面に成長していることが分かった。通常、ＧａＮは（０００１）面が配向し易いことが分かっている。像中には、それぞれのスポットが示す結晶面を示してある。
【０１４２】
ここで、ＩＰを用いたＧ−ＧＩＸＤ測定について説明する。
【０１４３】
ｃｕｂｉｃ−ＧａＮ層やダブルドメイン層の混在を調べるために、ＩＰを用いたＧ−ＧＩＸＤ測定を行った。
【０１４４】
図１５にＩＰを用いて得られた回折点を示す。
【０１４５】
２つの丸印で囲まれた回折点以外は、ＮＧＯ基板からの回折である。丸印がついている２つの回折点はそれぞれ、ｈｅｘａｇｏａｎｌ−ＧａＮの（１０−１０）面および（１１−２０）面からの回折であることが分かった。これらの回折点は、ＮＧＯとＧａＮの配向関係がＲＨＥＥＤで予想された配向関係であると仮定した場合に期待されるものと一致している。従って、ヘキサゴナルＧａＮ（１１−２０）面のみがＮＧＯ（１１０）基板に成長しており、ｃｕｂｉｃ−ＧａＮ層やダブルドメイン層は存在していないことが分かる。
【０１４６】
次に、ＧＩＸＤ測定について説明する。
【０１４７】
図１６に、ＮＧＯ（１１０）上に成長したＧａＮ薄膜に対する、典型的な面内回折のスペクトルを示す。３２．７８°および６８．７４°に見える２つの強いピークはＮＧＯ（２−２２）および（４−４４）面からの回折である。また３４．５４°に見えるピークがＧａＮ（０００２）面からの回折ピークである。
【０１４８】
この結果から、面内におけるエピタキシャル関係は〔０００１〕ＧａＮ　／／〔１−１１〕ＮＧＯ　であることが分かる。また回折角よりＢｒａｇｇの式を用いてＧａＮ薄膜の〔０００１〕方向における格子定数を計算したところ、その値は５．１９Åであることが分かった。
【０１４９】
この値はバルクのＧａＮ結晶の格子定数（５．１８５Å）に非常に近く、歪み量は０．１％以下である。同様の実験をＧａＮ（１−１０１）面についても行っており、こちらの格子定数もバルクの値に非常に近いことが分かった。
【０１５０】
これらの結果より、ＮＧＯ（１１０）面に成長したＧａＮ薄膜はｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃであり、面内における歪みはほぼ緩和されていると考えられる。
【０１５１】
図１７は、ＧａＮとＮＧＯ（１１０）面の配向関係を示す模式図である。
【０１５２】
ＮＧＯ〔−１１１〕および〔１−１１〕方向における格子ミスマッチは、それぞれ０．９７％および−４．８６％と計算される。これらのミスマッチ量は、典型的なＧａＮ成長用基板であるサファイアとの格子ミスマッチ量（約１６％）と比べて非常に小さい。このミスマッチが小さいという事実が、このような配向関係でＧａＮが成長したことおよび歪み量が小さいことをよく説明している。
【０１５３】
次に、ＡＦＭによる表面観察について説明する。
【０１５４】
図１８は２０ｎｍ成長させたＧａＮ薄膜のＡＦＭによる表面観察の結果を示す図である。
【０１５５】
ＧａＮ表面は島状の構造を有しており、その平均サイズは４０ｎｍである。表面粗さのＲＭＳ値は２．６３ｎｍであった。この結果から、薄膜は３次元成長していると考えられ、これはＲＨＥＥＤ観察の結果と一致している。また、膜厚が増加するに従い、グレインサイズが増加する傾向にあることが分かった。
【０１５６】
次に、ＧＩＸＲによる、基板と薄膜の界面評価について説明する。
【０１５７】
図１９はＮＧＯ基板上に成長したＧａＮ薄膜のＧＩＸＲカーブを示す図である。
【０１５８】
この図から分かるように、ＧａＮ層とＮＧＯ基板界面における、Ｘ線の明瞭な干渉縞が確認された。実験により得られたカーブに対し、ＧａＮ／ＮＧＯの２層モデルを用いた理論的なフィッティングを行ったところ、図中の実線に示すような良好なフィッティング結果が得られた。
【０１５９】
また、フィッティングパラメータより、ＧａＮ／ＮＧＯ界面の粗さは０．５ｎｍ、表面粗さは１．２ｎｍであることが分かった。表面粗さについては、ＡＦＭ観察による結果（１．７ｎｍ）とほぼ一致する。また界面については窒化層などが存在せず、非常に急峻であることが分かった。
【０１６０】
上記を考慮して、本発明は、ＮＧＯ基板上にＩＩＩ　族窒化物を以下のように成長させるようにした。
【０１６１】
ＮｄＧａＯ３　基板表面に図１及び図３に示すように、コロイダルシリカ６によるＣＭＰ基板研磨と、該研磨された基板１２の超高真空中でのアニールを施し、その基板１２上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、この基板１２の表面にレーザーＭＢＥ法によりＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する。
【０１６２】
その成長に当たっては、エタノールとアセトンによる脱脂洗浄の後、ＮｄＧａＯ３　基板をＰＬＤチャンバ１０に導入し、該ＰＬＤチャンバ１０のベースプレッシャーは１．０〜２．０×１０−９Ｔｏｒｒであり、成長中はＮ２　ガスを導入し、窒素圧を１．０×１０−２Ｔｏｒｒに保ち、ターゲット１１にはＧａＮの焼結体を用いる。
【０１６３】
また、前記ターゲット１１は基板１２より５ｃｍ下方に位置し、ＫｒＦエキシマレーザー１４（λ＝２４８ｎｍ，τ＝２０ｎｓ）によってアブレートさせ、更に、エネルギー密度は３．０Ｊ／ｃｍ２　であり、パルス周波数は１０Ｈｚに設定するようにした。
【０１６４】
さらに、その成長レートを約１０ｎｍ／ｈとし、前記基板の温度を７５０℃に設定するようにした。
【０１６５】
次に、ＭｎＯ基板上へのＩＩＩ　族窒化物の成長について説明する。
【０１６６】
ＭｎＯは、ＩＩＩ　族窒化物薄膜と格子定数が非常に近く、この基板上にＩＩＩ　族窒化物を成長することができれば、非常に良質なＩＩＩ　族窒化物薄膜が得られるのではないかという観点から、研究が進められている新規基板である。
【０１６７】
ＭｎＯはＮａＣｌ型の結晶構造を持ち、その格子定数は４．４４４８Åとなっている。従って、ＭｎＯの１１１面は６回の対称性を持ち、なおかつＩＩＩ　族窒化物との格子ミスマッチが非常に小さい。
【０１６８】
図２０にＭｎＯとＧａＮの格子アラインメントを示す。
【０１６９】
この図からも分かるように、格子ミスマッチは非常に小さく、約１．６％となっている。しかしながら、ＭｎＯは熱的・化学的に不安定であり、従来の成長手法では成長前の基板窒化やｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎなどが問題となり、ＩＩＩ　族窒化物の成長は困難であった。
【０１７０】
そこで、本願発明者らは、ＰＬＤ法を用いることによりこれらの問題を克服し、初めてＭｎＯ上にＩＩＩ　族窒化物を成長させることに成功した。
【０１７１】
図２１にＭｎＯ上に直接成長したＧａＮのＲＨＥＥＤ像を示す。
【０１７２】
この図から分かるとおり、シャープなストリーク状の回折像が見られ、また３×３の表面再構成が起こっていることを示す３倍周期の回折像も見られる。
【０１７３】
従って、非常に良質なＧａＮ薄膜が得られたことが分かる。
【０１７４】
次に、ＭｎＯ上に直接成長したＧａＮ薄膜について、Ｇ−ＧＩＸＤによる構造解析を行ったので、その結果について述べる。
【０１７５】
図２２にＧａＮ薄膜の面内・面外回折点における逆格子マッピング測定の結果を示す。
【０１７６】
非常に強度が強く、鋭いピークが観察された。これは、成長したＧａＮ薄膜の結晶性は優れているためであると考えられる。
【０１７７】
表４にこれらの逆格子マッピングから得られたａ軸およびｃ軸方向の格子定数の値を示す。
【０１７８】
この表からも分かるとおり、ＭｎＯ上に直接成長したＧａＮ薄膜はａ軸、ｃ軸方向ともに圧縮歪みを受けていることが分かる。
【０１７９】
【表４】
2004087814.tif 000006
次に、基板の熱膨張係数を考慮して、ａ軸方向の歪みについて説明する。
【０１８０】
今仮に成長温度でＧａＮ薄膜の歪みが完全に緩和し、冷却過程において転位の運動がまったく起こらないと仮定すると、室温におけるＭｎＯ上ＧａＮのａ軸方向の格子定数は３．１２５Åと計算される。ＭｎＯ基板の熱膨張係数には、３．４５×１０−５Ｋ−１を用いた。この計算値は、Ｇ−ＧＩＸＤにより得られた格子定数と大きく異なっている。この原因として、基板と薄膜の大きな熱膨張係数差によって、冷却過程においても薄膜中に新たなミスフィット転位の導入が起こり、それによって歪みが緩和されていることが予想される。
【０１８１】
また、ｃ軸方向における圧縮歪みについては、やはりｂｕｌｋのＨｏｏｋｅの法
則からは説明できず、薄膜中における格子欠陥や転位の存在、ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙおよび、ＧａＮ薄膜の表面における解析であること、などが原因であると考えられる。
【０１８２】
上記を考慮して、本発明は、ＭｎＯ基板上にＩＩＩ　族窒化物を以下のように成長させるようにした。
【０１８３】
ＭｎＯ基板表面に、図１及び図３に示すように、コロイダルシリカ６によるＣＭＰ基板研磨と、この研磨された基板１２の超高真空中でのアニールを施し、この基板１２上に原子レベルで平坦な結晶表面を形成し、その基板１２の表面にレーザーＭＢＥ法によりＡｌＮ層を成長させ、このＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する。
【０１８４】
次に、ＭｎＯ基板をＰＬＤチャンバ１０に導入し、成長中はＮ２　ガスを導入し、窒素圧を１．０−５から１０−２Ｔｏｒｒに保ち、基板温度を７００〜８００℃とし、ターゲット１１には金属ＧａおよびＡｌＮの焼結体を用いて前記ＡｌＮ層およびＧａＮ層を成長させる。
【０１８５】
前記パルスレーザーは２４８ｎｍ、０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２　，２〜１５Ｈｚのエキシマレーザーを用いる。
【０１８６】
上記したように、本発明によれば、レーザーＭＢＥ法という新しい成長手法をＩＩＩ　族窒化物結晶成長に適用することにより、従来の成長手法であるＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法では成長が困難であった、ＮＧＯ、フェライトＭｎＯ、ＬＧＯ等の新規基板上に、良質なＩＩＩ　族窒化物薄膜をエピタキシャル成長させることに成功した。
【０１８７】
これらの成果によって、サファイア基板を用いている際に問題とされてきた、ＩＩＩ　族窒化物との格子ミスマッチが大きく、良質な薄膜が得られない、絶縁体でありデバイス作製工程が複雑になる、非常に硬く加工が容易でない、レーザー作製の際に劈開が出来ない、大面積を有する基板が得られない、といった数々の点の解決が期待される。それに伴い、デバイス作製時およびコスト面における大きな改善が見られ、ＩＩＩ　族窒化物系のデバイスは、現在に比べて、より一層の発展を遂げるであろう。
【０１８８】
基板と薄膜の格子ミスマッチが、サファイアに比べて格段に小さい格子マッチング基板については、薄膜中の格子欠陥やミスフィット転位が激減し、それによってＩＩＩ　族窒化物薄膜の結晶品質における格段の向上が見込まれ、ＧａＮ系デバイスにおける更なる長寿命化、高効率化が期待される。また、薄膜がｂｕｌｋ結晶に近づくことで、従来は見られなかった新たな物性が発見される可能性もある。
【０１８９】
ＳｉやＮＧＯなどの新機能デバイスを狙った基板材料については、ＡｌＮを高誘電性の極薄絶縁膜としたデバイスの高集積化や、３次元電子デバイスの作製、ＧａＮ系光デバイスとＳｉ系電子デバイスの融合、および磁性体・強誘電体・超伝導体などの酸化物エレクトロニクスとの集積・融合など、数多くの新機能デバイスが生み出される可能性が期待される。
【０１９０】
これらＧａＮ系デバイスの特性向上のためには、薄膜表面デバイス領域の構造解析が必須であるが、Ｇ−ＧＩＸＤ法を用いることによって、格子定数や歪み量の詳細な解析が実現された。薄膜のデバイス領域における歪み量と、光学・電気特性の相関関係が解明されれば、ＧａＮ系デバイスにおいて結晶中の格子欠陥や転位が１０７　〜１０９　ｃｍ−２と他の半導体材料に比べてはるかに多いにも関わらず、なぜ非常に良質な発光特性や、１０００時間以上もの長寿命を持つのか、といったＧａＮ系デバイスの特異的な物性の解明について大きなブレイクスルーとなり得る。
【０１９１】
特に、ＰＬＤ法により成長したＩＩＩ　族窒化物薄膜の表面は、格子欠陥やミスフィット転位、ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙの問題などによるものなのか、ｂｕｌｋの単純なＨｏｏｋｅの法則が成り立っていないことが本発明によって明らかになっており、従来の手法では面内・面外の格子歪みを正確に知ることはできなかった。一方、本発明で用いたＧ−ＧＩＸＤ法は唯一、面内・面外における歪み解析を詳細に行うことが可能な手法として、デバイス領域の構造解析に非常に強力なツールとなろう。
【０１９２】
図２３は光学結晶ＬｉＮｂＯ３　上へのＧａＮを成長させることから発展した高集積光演算素子の模式図、図２４はその構造を示す模式図、図２５はそこに実装される半導体レーザーのＲＨＥＥＤ像・ＰＬスペクトルを示す図、図２６はその半導体レーザーの波長に対するスペクトル強度特性図である。
【０１９３】
これらの図において、２０１は光学結晶ＬｉＮｂＯ３　基板、２０２はその光学結晶ＬｉＮｂＯ３　基板２０１に実装される半導体レーザー（ＧａＮ／ＡｌＮ／ＬｉＮｂＯ３　構造）、２０３は酸化物光制御素子、２０４は光半導体検出器（ＩｎＧａＮ）を示している。
【０１９４】
このように、半導体レーザー２０２、光半導体検出器２０４と光学結晶光制御素子２０３を高密度に集積化した光通信制御素子を構築することができる。
【０１９５】
また、これにより、高性能光制御素子や光コンピュータ、磁気ホール素子などが実現する道が開けた。
【０１９６】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能でありこれらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１９７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１９８】
（Ａ）光学結晶上にＧａＮなどの直接遷移型半導体をヘテロエピタキシャル成長させる方法を鋭意研究した結果、レーザーＭＢＥ装置を用いることにより光学結晶基板（ＬｉＮｂＯ３　）上に良質なＧａＮを成長させることができた。
【０１９９】
本発明の特徴は、特に窒素雰囲気下でのエピタキシャル成長が可能となるレーザーＭＢＥ装置を用いることにあるが、ＬｉＮｂＯ３　表面の平坦化とバッファ層として、ＡＩＮ層を設けることにより、従来ハイブリッドであった光集積回路を、モノリシック化することで、現在回路の主役である電子回路を凌駕するような集積化光素子を目指すことができ、高性能光制御素子や光コンピュータが実現することができる。
【０２００】
（Ｂ）また、ＮｄＧａＯ３　基板、（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ２　Ｏ４　基板、ＭｎＯ基板にも同様にＡＩＮ層を介したＧａＮ薄膜を形成することができ、従来ハイブリッドであった光集積回路や磁気的集積素子を、モノリシック化することで、現在回路の主役である電子回路を凌駕するような集積化装置を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す基板の研磨装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す基板の研磨のフローチャートである。
【図３】本発明にかかるレーザーＭＢＥ装置の模式図である。
【図４】本発明の実施例を示すＬｉＮｂＯ３　上へＡｌＮバッファー層を有するＧａＮ薄膜の模式図である。
【図５】ＬｉＮｂＯ３　基板とＧａＮ薄膜の配向関係とそのロッキング曲線を示す図である。
【図６】ＧａＮ薄膜表面を観察した図である。
【図７】本発明のＬｉＮｂＯ３　基板上にＡｌＮバッファー層の生成時の窒素分圧特性を示す図である。
【図８】ＧａＮとＬｉＮｂＯ３　が３０°回転した配向関係を示す模式図である。
【図９】ＬｉＧａＯ２　（ＬＧＯ）がｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃの結晶構造を示す図である。
【図１０】ＬｉＧａＯ２　（ＬＧＯ）基板へのＧａＮ成長後のＲＨＥＥＤ像を示す図である。
【図１１】ＧａＮ薄膜の面内・面外回折点におけるＧ−ＧＩＸＤ法による逆格子マッピング測定の結果を示す図である。
【図１２】ＮＧＯの結晶構造を示す図である。
【図１３】ＮＧＯ基板上へのデバイスの融合・集積化の例を示す図である。
【図１４】ＮＧＯ基板上へのＧａＮ成長前と成長後のＲＨＥＥＤ像を示す図である。
【図１５】ＩＰを用いたＧ−ＧＩＸＤ測定の結果のＩＰを用いて得られた回折点を示す　図である。
【図１６】ＮＧＯ（１１０）上に成長したＧａＮ薄膜に対する、典型的な面内回折のスペクトルを示す図である。
【図１７】ＧａＮとＮＧＯ（１１０）面の配向関係を示す模式図である。
【図１８】ＮＧＯ基板上へ２０ｎｍ成長させたＧａＮ薄膜のＡＦＭによる表面観察の結果を示す図である。
【図１９】ＮＧＯ基板上に成長したＧａＮ薄膜のＧＩＸＲカーブを示す図である。
【図２０】ＭｎＯとＧａＮの格子アラインメントを示す図である。
【図２１】ＭｎＯ上に直接成長したＧａＮのＲＨＥＥＤ像を示す図である。
【図２２】ＧａＮ薄膜の面内・面外回折点における逆格子マッピング測定の結果を示す図である。
【図２３】光学結晶ＬｉＮｂＯ３　上へのＧａＮを成長させることから発展した高集積光演算素子の模式図である。
【図２４】高集積光演算素子の構造を示す模式図である。
【図２５】実装される半導体レーザーのＲＨＥＥＤ像・ＰＬスペクトルを示す図である。
【図２６】半導体レーザーの波長に対するスペクトル強度特性図である。
【符号の説明】
１　　光学結晶基板や磁性酸化物基板などの基板
２　　基板の保持具
３　　研磨板
４　　コロイダルシリカ容器
５　　コロイダルシリカ供給ノズル
６　　コロイダルシリカ
１０　　ＰＬＤチャンバ
１１　　ターゲット
１２　　基板
１３　　加熱装置
１４　　ＫｒＦエキシマレーザー
１５　　スクリーン
１６　　ＲＨＥＥＤ装置
１７，１８　　ＴＭＰ（Ｔｕｒｂｏ　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｐｕｍｐ）
１９　　Ｎ２　ガス源
２０　　電子ビーム
１０１　　ＬｉＮｂＯ３　基板（０００１）
１０２　　ＡｌＮバッファー層
１０３　　ＧａＮ薄膜（０００１）
１１０　　ＮＧＯ（１１０）基板
１１１　　ＩＩＩ　族窒化物半導体装置
１１２　　超伝導素子
１１３　　磁性体装置
２０１　　光学結晶ＬｉＮｂＯ３　基板
２０２　　半導体レーザー（ＧａＮ／ＡｌＮ／ＬｉＮｂＯ３　構造）
２０３　　酸化物光制御素子
２０４　　光半導体検出器（ＩｎＧａＮ）
【図１】
2004087814.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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