(57)【要約】  【課題】  基板面方位に左右されずに、任意の面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を作成する方法を提供する。  【解決手段】  気相成長結晶法を用いて結晶成長させたＧａＮ結晶３から、複数個の直方体の結晶塊４を切り出し、一方、別途準備したサファイア基板５の表面にシリコン酸化膜６を被覆して、次いで基板に達する複数個の凹部７を形成し、結晶塊４表面とシリコン酸化膜６を被覆後の基板表面とが、ほぼ同一の高さとなるようにし、かつその上部表面が所望の任意の同一面方位となるようにして、結晶塊４を凹部７に埋め込み、この結晶塊４を種として、気相成長法を用い、所望の任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶８を選択横方向成長させる。  【選択図】  図１
2005162526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、
前記マスク膜を被覆した基板に対し、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる複数個の凹部を形成する工程と、
前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにして、前記基板の複数個の凹部に埋め込み固定する工程と、
さらに熱処理を行う工程と、
その後、前記同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を成長させる工程と
を有する窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２】
前記埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４表面と、前記マスク膜を被覆後の基板表面とが、ほぼ同一の高さとなるようにすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項３】
前記複数個の凹部は、基板にまで到達する深さであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項４】
前記窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、複数個の凹部を形成する工程との間に、さらに窒化ガリウム結晶成長のための基板にマスク膜を被覆する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項５】
任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、
窒化ガリウム結晶成長のための基板に、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる複数個の凹部を形成する工程と、
前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにし、かつ前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面が前記基板の表面より高くなるようにして、前記基板の複数個の凹部に前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込み固定する工程と、
さらに熱処理を行う工程と、
前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込んだ前記基板にマスク膜を被覆する工程と、
その後前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４の頂部表面のマスク膜をエッチングにより除去する工程と、
前記同一面方位を有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、任意の面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を成長させる工程と
を有する窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項６】
前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４の、前記基板表面より上に飛び出している側壁部分には、マスク膜を被覆しないことを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項７】
前記マスク膜として、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜を用いることを特徴とする請求項１及び５に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項８】
任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、
窒化ガリウム結晶成長のための基板に対し、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる複数個の凹部を形成する工程と、
前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにして、前記基板の複数個の凹部に埋め込み固定する工程と、
さらに熱処理を行う工程と、
その後前記同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を成長させる工程と
を有する窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項９】
前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、別途作製した窒化ガリウム結晶から、所望の面が現れるように研削研磨して切り出すことを特徴とする請求項１、５及び８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１０】
前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、基板上に、第１の窒化ガリウム結晶層を形成する工程と、
前記第１の窒化ガリウム結晶層の上部に、基板面方向に延びる複数の凸部を形成する工程と、
互いに隣接する前記凸部同士に挟まれてなる凹部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、
前記第１の窒化ガリウム結晶層の上に、前記マスク膜から露出する前記各凸部の頂面を種結晶として第２の窒化ガリウム結晶層を形成する工程と、
隣接する前記第２の窒化ガリウム結晶層同士が接触しない段階で結晶成長を中止する工程と、
前記第２の窒化ガリウム結晶層のみを切り出す工程と、
切り出した前記第２の窒化ガリウム結晶層を、さらに前記基板面に対してほぼ垂直方向に切ることにより分割して作製することを特徴とする請求項１、５、８及び９に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１１】
前記各凸部の頂面をＣ面（０００１）とし、前記各凸部の断面をＭ面（１−１００）とすることにより、前記第２の窒化ガリウム結晶層に現れる（１１−２２）面もしくは（１１−２０）面を利用して、Ｍ面（１−１００）、（１１−２２）面もしくは（１１−２０）面を持つ複数の前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を作製することを特徴とする請求項１０に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１２】
前記各凸部の頂面をＣ面（０００１）とし、前記各凸部の断面をＡ面（１１−２０）とすることにより、前記第２の窒化ガリウム結晶層に現れる（１−１０１）面もしくは（１−１００）面を利用して、Ａ面（１１−２０）、（１−１０１）面もしくは（１−１００）面を持つ複数の前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を作製することを特徴とする請求項１０に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１３】
前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにして、前記基板の複数個の凹部に埋め込むための主たるあるいは補助的な方法として、密閉可能な容器を準備し、凹部が形成されている基板を前記容器底部に固定し、前記容器の中を、アセトン、ソルファイン、メタノール等の有機溶媒で満たし、さらに前記容器の中に凹部の数よりも多い任意の結晶塊４を入れて密閉し、その後、一定時間、この容器を良く振動させることを特徴とする請求項１〜１２に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１４】
前記振動の周波数は０．２〜１０００Ｈｚぐらいにて、また振動時間を５分から１時間程度行うことを特徴とする請求項１３に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１５】
サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓあるいはＧａＮを基板として用いることを特徴とする請求項１及び５に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１６】
シリコン酸化膜、シリコン窒化膜あるいはＡｌ等の金属を基板として用いることを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１７】
結晶成長手段として、有機金属気相成長法やＨＶＰＥ法を用いることを特徴とする請求項１、５、８、１０、１１及び１２に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１８】
結晶塊４のたて、横、及び高さ寸法がお互いに異なった結晶塊４を用いることを特徴とする請求項１〜１７に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項１９】
前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、直方体、三角柱構造、四角柱構造、台形構造、三角錐構造や四角錐構造であることを特徴とする請求項１〜１８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２０】
前記結晶塊４において、その表側あるいは裏側が、その逆側よりも若干面積を小さくした相似形状にすることを特徴とする請求項１〜１９に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２１】
前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の特徴的な長さが、１〜３００ミクロン程度であることを特徴とする請求項１〜２０に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２２】
前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、前記基板上に、ほぼ等間隔に配置することを特徴とする請求項１〜２１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２３】
前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の、前記基板上への配置間隔は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の特徴的な長さの０．１倍から１０倍程度であることを特徴とする請求項１〜２２に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２４】
前記熱処理方法として、６００℃〜９００℃の窒素雰囲気で、１０秒から３０分、加熱することを特徴とする請求項１、５及び８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【請求項２５】
前記熱処理方法として、マイクロ波で加熱することを特徴とする請求項１、５及び８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Al、Ga、In等のIII族元素とV族元素との化合物である半導体は、ワイドギャップを有する直接遷移型半導体であり、可視から紫外域の発光材料として、最も有望であると考えられる。これら、光半導体デバイスの材料となる窒化ガリウムGaN等の、結晶学的に優れた制作手法が求められている。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metalorganic Chemical Vapor Phase Deposition法）は、これを産業レベルで実現できる有力な手法として、各方面で研究開発が進められている。
【０００３】
従来の窒化ガリウム結晶作成方法として、例えば以下のような方法があった。図１０は非特許文献１に記載されているような典型的な窒化ガリウム結晶作成方法を示す図である。結晶炉内底部に、表面がＣ面であるサファイア基板１を設置する。サファイア基板１上に、下から順に、ＧａＮバッファ層２を０．１ミクロン、この上にＧａＮ結晶３を１０ミクロン、有機金属気相成長結晶法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて結晶成長させる。用いた原料ガスは、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、また窒素源としてアンモニア（ＮＨ３）である。
【０００４】
これらの原料ガスを、窒素ガスあるいは水素ガスで希釈しながら有機金属気相成長結晶炉に供給し、ヒーター加熱した炉内で熱化学反応を生ぜしめ、結晶成長を行う。成長温度は、ＧａＮバッファ層２を作製する際には５５０℃、ＧａＮ結晶３を作製する際には９６０℃である。
【０００５】
一方、別の手法として、次のような手段もとられている。すなわち、特許文献１に記載されているように、表面がＣ面であるサファイア基板上に、ＧａＮからなる低温バッファ層を介してＥＬＯＧ用のＧａＮからなるシード層を形成し、このシード層の上部に基板面方向に互いに間隔をおいて延びるストライプ状の凸部を形成する。続いて、凸部同士に挟まれてなる各凹部の底面及び壁面上に窒化シリコンからなるマスク膜を形成し、その後、シード層の上に、各凸部と接するようにＧａＮからなる選択成長層をその下面と溝部の底面との間に空隙部が設けられるように形成する。
【非特許文献１】K. Harafuji et al.: Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000) pp.6180-6190
【特許文献１】特開２００２―９００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら前記従来の窒化ガリウム結晶作成方法においては、作成される結晶の面方位が、用いる基板の面方位により制限されるため、任意の面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を作成することが困難であった。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するために、任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を結晶種として選択横方向成長させることにより、任意の面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するための、本特許出願に係わる請求項１に記載の発明は、任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、窒化ガリウム結晶成長のための基板にマスク膜を被覆する工程と、前記マスク膜を被覆した基板に対し、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる複数個の凹部を形成する工程と、前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにして、前記基板の複数個の凹部に埋め込み固定する工程と、さらに熱処理を行う工程と、その後、前記同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を成長させる工程とを有する窒化ガリウム結晶作成方法である。
【０００９】
本特許出願に係わる請求項２に記載の発明は、前記埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４表面と、前記マスク膜を被覆後の基板表面とが、ほぼ同一の高さとなるようにすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１０】
本特許出願に係わる請求項３に記載の発明は、前記複数個の凹部は、基板にまで到達する深さであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１１】
本特許出願に係わる請求項４に記載の発明は、窒化ガリウム結晶成長のための基板にマスク膜を被覆する工程を省くことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１２】
本特許出願に係わる請求項５に記載の発明は、任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、窒化ガリウム結晶成長のための基板に、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる複数個の凹部を形成する工程と、前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにし、かつ前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面が前記基板の表面より高くなるようにして、前記基板の複数個の凹部に前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込み固定する工程と、さらに熱処理を行う工程と、前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込んだ前記基板にマスク膜を被覆する工程と、その後前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４の頂部表面のマスク膜をエッチングにより除去する工程と、前記同一面方位を有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、任意の面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を成長させる工程とを有する窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１３】
本特許出願に係わる請求項６に記載の発明は、前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４の、前記基板表面より上に飛び出している側壁部分には、マスク膜を被覆しないことを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１４】
本特許出願に係わる請求項７に記載の発明は、前記マスク膜として、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜を用いることを特徴とする請求項１及び５に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１５】
本特許出願に係わる請求項８に記載の発明は、任意の面方位を表面に有する微細な窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶塊４を複数個作製する工程と、窒化ガリウム結晶成長のための基板に対し、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる複数個の凹部を形成する工程と、前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにして、前記基板の複数個の凹部に埋め込み固定する工程と、さらに熱処理を行う工程と、その後前記同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を成長させる工程とを有する窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１６】
本特許出願に係わる請求項９に記載の発明は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、別途作製した窒化ガリウム結晶から、所望の面が現れるように研削研磨して切り出すことを特徴とする請求項１、５及び８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１７】
本特許出願に係わる請求項１０に記載の発明は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、基板上に、第１の窒化ガリウム結晶層を形成する工程と、前記第１の窒化ガリウム結晶層の上部に、基板面方向に延びる複数の凸部を形成する工程と、互いに隣接する前記凸部同士に挟まれてなる凹部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、前記第１の窒化ガリウム結晶層の上に、前記マスク膜から露出する前記各凸部の頂面を種結晶として第２の窒化ガリウム結晶層を形成する工程と、隣接する前記第２の窒化ガリウム結晶層同士が接触しない段階で結晶成長を中止する工程と、前記第２の窒化ガリウム結晶層のみを切り出す工程と、切り出した前記第２の窒化ガリウム結晶層を、さらに前記基板面に対してほぼ垂直方向に切ることにより分割して作製することを特徴とする請求項１、５、８及び９に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１８】
本特許出願に係わる請求項１１に記載の発明は、前記各凸部の頂面をＣ面（０００１）とし、前記各凸部の断面をＭ面（１−１００）とすることにより、前記第２の窒化ガリウム結晶層に現れる（１１−２２）面もしくは（１１−２０）面を利用して、Ｍ面（１−１００）、（１１−２２）面もしくは（１１−２０）面を持つ複数の前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を作製することを特徴とする請求項１０に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００１９】
本特許出願に係わる請求項１２に記載の発明は、前記各凸部の頂面をＣ面（０００１）とし、前記各凸部の断面をＡ面（１１−２０）とすることにより、前記第２の窒化ガリウム結晶層に現れる（１−１０１）面もしくは（１−１００）面を利用して、Ａ面（１１−２０）、（１−１０１）面もしくは（１−１００）面を持つ複数の前記窒化ガリウムからなる結晶塊４を作製することを特徴とする請求項１０に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２０】
本特許出願に係わる請求項１３に記載の発明は、前記複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を、その上部表面が同一面方位となるようにして、前記基板の複数個の凹部に埋め込むための主たるあるいは補助的な方法として、密閉可能な容器を準備し、凹部が形成されている基板を前記容器底部に固定し、前記容器の中を、アセトン、ソルファイン、メタノール等の有機溶媒で満たし、さらに前記容器の中に凹部の数よりも多い任意の結晶塊４を入れて密閉し、その後、一定時間、この容器を良く振動させることを特徴とする請求項１〜１２に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２１】
本特許出願に係わる請求項１４に記載の発明は、前記振動の周波数は０．２〜１０００Ｈｚぐらいにて、また振動時間を５分から１時間程度行うことを特徴とする請求項１３に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２２】
本特許出願に係わる請求項１５に記載の発明は、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓあるいはＧａＮを基板として用いることを特徴とする請求項１及び５に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２３】
本特許出願に係わる請求項１６に記載の発明は、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜を基板として用いることを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２４】
本特許出願に係わる請求項１７に記載の発明は、結晶成長手段として、有機金属気相成長法やＨＶＰＥ法を用いることを特徴とする請求項１、５，８，１０，１１及び１２に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２５】
本特許出願に係わる請求項１８に記載の発明は、結晶塊４のたて、横、及び高さ寸法がお互いに異なった結晶塊４を用いることを特徴とする請求項１〜１７に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２６】
本特許出願に係わる請求項１９に記載の発明は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、直方体、三角柱構造、四角柱構造、台形構造、三角錐構造や四角錐構造であることを特徴とする請求項１〜１８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２７】
本特許出願に係わる請求項２０に記載の発明は、前記結晶塊４において、その表側あるいは裏側が、その逆側よりも若干面積を小さくした相似形状にすることを特徴とする請求項１〜１９に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２８】
本特許出願に係わる請求項２１に記載の発明は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の特徴的な長さが、１〜３００ミクロン程度であることを特徴とする請求項１〜２０に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００２９】
本特許出願に係わる請求項２２に記載の発明は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４は、前記基板上に、ほぼ等間隔に配置することを特徴とする請求項１〜２１に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００３０】
本特許出願に係わる請求項２３に記載の発明は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の、前記基板上への配置間隔は、前記窒化ガリウムからなる結晶塊４の特徴的な長さの０．１倍から１０倍程度であることを特徴とする請求項１〜２２に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００３１】
本特許出願に係わる請求項２４に記載の発明は、前記熱処理方法として、６００℃〜９００℃の窒素雰囲気で、１０秒から７分、加熱することを特徴とする請求項１、５及び８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【００３２】
本特許出願に係わる請求項２５に記載の発明は、前記熱処理方法として、マイクロ波で加熱することを特徴とする請求項１、５及び８に記載の窒化ガリウム結晶作成方法である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は上述した構成によって、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を作成することが可能となる。これにより、例えば、ｃ面である（０００１）あるいは（０００−１）以外の面を表面に持つ窒化ガリウム結晶を作成することにより、無極性基板を作製し、これにより、発光デバイスにおける発光効率を上げることができる。また、電子の走行するチャネルのモビリティが大きくなる方向の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を作成することにより、優れた高速電子デバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３５】
図１は、本発明の実施例１における任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶の製作工程を模式的に示した図である。図１において、図１０と同じ構成部については、同じ符号を用いる。
【００３６】
図１(a)に示すように、サファイア基板１上に、下から順に、ＧａＮバッファ層２を０．１ミクロン、この上にＧａＮ結晶３を２０ミクロン、有機金属気相成長結晶法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて結晶成長させた。用いた原料ガスは、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、また窒素源としてアンモニア（ＮＨ3）であった。これらの原料ガスを、窒素ガスあるいは水素ガスで希釈しながら有機金属気相成長結晶炉に供給し、ヒーター加熱した炉内で熱化学反応を生ぜしめ、結晶成長を行った。成長温度は、ＧａＮバッファ層２を作製する際には５５０℃、ＧａＮ結晶３を作製する際には９６０℃であった。
【００３７】
次に、図１(ｂ)に示すように、作製したＧａＮ結晶３から、（１１−２０）の表面が現われるような、一辺がおよそ５ミクロンの長さを持つ複数個の直方体の結晶塊４を、研削研磨加工を施して切り出した。図１(ｃ)は、切り出した直方体の結晶塊４を示している。
【００３８】
一方、図１(ｄ)に示すように、窒化ガリウム結晶成長のための基板として、別途サファイア基板５を準備し、この上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、マスク膜であるシリコン酸化膜６を０．３ミクロンの厚さで被覆した。シリコン酸化膜を被覆したサファイヤ基板５に対し、窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことができる、基板に達する深さ２ミクロン、一辺がおよそ５ミクロンの長さを持つ正方形状の複数個の凹部７を形成する。この凹部７の形成にあたっては、レジストマスクを用い、ＣＦ4またはＣＨＦ3ガスによりシリコン酸化膜６をドライエッチングし、さらにサファイア基板５をシリコン酸化膜６をマスクに用いることによりＡｒガスによりドライエッチングした。
【００３９】
その後、図１(ｅ)に示すように、シリコン酸化膜６を被覆したサファイヤ基板５の正方形状の複数個の凹部に、直方体の結晶塊４を、その上部表面が（１１−２０）の同一面方位となるようにして、サファイヤ基板５の複数個の凹部７に埋め込んだ。この際に、埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面と、シリコン酸化膜６を被覆後の表面とが、ほぼ同一の高さとなるようにした。さらに、６５０℃の窒素雰囲気で、１５分、熱処理を行い、直方体の結晶塊４とサファイヤ基板５との間の密着性を高めた。
【００４０】
最後に、図１(ｆ)に示すように、（１１−２０）の同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、（１１−２０）の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶８を選択横方向成長させた。
【００４１】
本実施例１においては、（１１−２０）の同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、（１１−２０）の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を選択横方向成長させたが、他の任意の面、例えば、（１−１００）、（１１−２２）、（１―１０１）等の面であっても、同様に結晶成長させることができる。
【００４２】
窒化ガリウムからなる結晶塊４は、ほぼ直方体であったが、表面が所望の任意の同一面方位を有する平らな面でありさえすれば、例えば、三角柱構造、四角柱構造、円柱、断面視台形構造、三角錐構造や四角錐構造であっても、同様な効果が期待できる。この際には、サファイヤ基板５に形成する複数個の凹部７も、結晶塊４と一致した、それぞれ三角柱構造、四角柱構造、台形構造、三角錐構造や四角錐構造であることが望ましい。
【００４３】
本実施例においては、一辺がおよそ５ミクロンの長さを持つ正方形状の窒化ガリウムからなる結晶塊４を用いたが、窒化ガリウムからなる結晶塊４の特徴的な長さは、１〜３００ミクロン程度であっても、同様な効果が期待できる。
【００４４】
任意の面を有する直方体の結晶塊４の作製方法としては、図１(ａ)〜（ｃ）において説明した方法以外に、例えば特許文献１に記載されているような窒化ガリウム結晶作成方法を用い、成長温度、成長圧力及びIII族とV族とのガス供給比を変えることにより、種々の面方位を持つ結晶を作り、これを用いる方法も有効であった。
【００４５】
図２に、その具体的な作製方法を示す。図２(a)のような断面がＭ面（１−１００）となり、紙面に垂直に奥行き方向に延びるストライプ構造を用い、成長温度９５０℃及び成長圧力２２０Ｔｏｒｒの条件にて成長させると、側面が（１１−２２）となるような三角柱構造１１が成長してくる。この三角柱構造１１を、図２(ｂ)のように切り出し、その後、図２(ｃ)のようにＭ面（１−１００）に平行となる面で分割することにより、Ｍ面（１−１００）を有する三角柱構造の結晶塊４１２が形成された。なお、側面（１１−２２）を利用することもできた。この結晶塊４を用いることにより、Ｍ面（１−１００）及び（１１−２２）を表面に持つ結晶を、選択横方向成長させることができた。
【００４６】
図３は、成長温度及びストライプ方向を変えることにより、特許文献１に基づいてどのような面方位を持つ結晶を作ることができたかを示している。（１１−２０）、（１−１００）、（１１−２２）、（１―１０１）等の結晶面方位を表面に有する三角柱構造、四角柱構造、台形構造の結晶塊４を、これにより作製することができた。
【００４７】
図４は、任意の結晶塊１３と、これを埋め込む凹部７との関係を示したものである。結晶塊１３は、凹部７より、幾分小さい方が、埋め込みやすかった。典型的には、凹部７と結晶塊１３との間には０．０１ミクロン〜０．３ミクロンぐらいの隙間がある方が、容易に埋め込むことができた。
【００４８】
図５は、任意の結晶塊１３を、凹部７に効率良く埋め込むために用いた１つの方法を示したものである。すなわち、容器１５の中に、凹部７が形成されている基板１４を底部に固定し、この中を、アセトン、ソルファイン、メタノール等の有機溶媒で満たし、さらにこの中に凹部７の数よりも多い所望の面方位を有する結晶塊１３を入れて密閉し、その後この容器を、周波数０．２〜１０００Ｈｚぐらいの周波数にて、５分から１時間程度良く振動させる。これにより、大部分の凹部７に結晶塊１３が、ほぼ所望の方向に入った。
【００４９】
凹部７に入る結晶塊１３の方向が所望の方向となるようにするためには、結晶塊１３のたて、横、及び高さがお互いに１．５倍程度以上異なる方が好ましかった。さらに、結晶塊１３の表裏までを制御して凹部７に埋め込むために、結晶塊１３において、その表側あるいは裏側が、その逆側よりも若干面積を小さくした相似形状にすることが有効であった。
【００５０】
本実施例１においては、基板５として、サファイアを用いたが、シリコン、ＳｉＣあるいはＧａＡｓを基板として用いても、同様な効果が期待できる。さらに、基板上の結晶成長手段として、ＭＯＣＶＤを用いたが、ＨＶＰＥ(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法やＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy法）等の成長手段を用いても構わない。さらに、ＧａＮ基板そのものを用いることも有効である。また、マスク膜として、シリコン酸化膜６を用いたが、シリコン窒化膜を用いることも有効である。窒化ガリウムからなる結晶塊４は、基板５上に、ほぼ等間隔に配置すると、より効果的である。また、窒化ガリウムからなる結晶塊４の、基板５上への配置間隔については、図１（ｅ）に示すように、隣接する２つの結晶塊４との間の距離ｃを結晶塊４の横方向の長さａにより除して得られた値が０．１以上１０以下であることが有効である。熱処理方法として、６００℃〜９００℃の窒素雰囲気で、１０秒から３０分、加熱する場合であっても、同様な効果が期待できる。また、熱処理方法として、マイクロ波で加熱することも有効である。
【００５１】
さらに、本実施例１においては、図１（ｄ）〜（ｆ）で説明したように、基板５の上にマスク膜６を被覆したが、これは図１（ｆ）で示される選択横方向成長する際に、窒化ガリウム結晶８とマスク膜６との間に働く界面ストレスが、窒化ガリウム結晶８と基板５との間に働く界面ストレスよりも小さいため、マスク膜６を被覆することにより、転位発生や結晶の傾き等の結晶性劣化が抑制されるためである。
【００５２】
図６は、本実施例１において、マスク膜６を被覆せずに行った場合の２つの例である。図６（ａ）は、埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面が、基板５の表面より高くなるようにした場合である。また、図６（ｂ）は、埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面と、基板５の表面とが、ほぼ同一の高さとなるようにした場合である。両者とも、同様に、比較的良好な結晶が得られたが、接合面１６近傍において、転位発生や結晶の傾き等の結晶性劣化が観測された。
【００５３】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２における任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶の製作工程を模式的に示した図である。図７において、図１と同じ構成部については、同じ符号を用いて説明する。
【００５４】
図７(a)に示すように、サファイア基板１上に、下から順に、ＧａＮバッファ層２を０．１ミクロン、この上にＧａＮ結晶３を４００ミクロン、ＨＶＰＥ(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法を用いて結晶成長させた。用いた原料ガスは、ＧａとＨＣｌの反応で得られるＧａＣｌと窒素源であるアンモニア（ＮＨ3）であった。基板を反応管にセットし、これらの原料ガスを、水素ガスで希釈しながら供給し、ヒーター加熱した炉内で熱化学反応を生ぜしめ、結晶成長を行った。成長温度は、ＧａＮバッファ層２を作製する際には５００℃、ＧａＮ結晶３を作製する際には１０００℃であった。
【００５５】
次に、図７(ｂ)に示すように、作製したＧａＮ結晶３から、（１１−２２）の表面が現われるような、一辺がおよそ３０ミクロン×５０ミクロンの長さを持つ複数個の直方体の結晶塊４を、研削研磨加工を施してして切り出す。図７(ｃ)は、切り出した直方体の結晶塊４を示している。
【００５６】
一方、図７(ｄ)に示すように、窒化ガリウム結晶成長のための基板として、別途サファイア基板５を準備し、サファイヤ基板５に対し、窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる深さ５ミクロン、一辺がおよそ３０ミクロン×５０ミクロンの長さを持つ長方形状の複数個の凹部７を形成する。この凹部７の形成にあたっては、レジストマスクを用いＡｒガスによりサファイア基板５をドライエッチングした。
【００５７】
その後、図７(ｅ)に示すように、サファイヤ基板５の長方形状の複数個の凹部７に、直方体の結晶塊４を、その上部表面が（１１−２２）の同一面方位となるようにして、基板５の複数個の凹部７に埋め込んだ。この際に、埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面は、基板５の表面よりも、ほぼ１ミクロン程高くなるようにした。さらに、７００℃の窒素雰囲気で、１５分、熱処理を行い、直方体の結晶塊４とサファイヤ基板５との間の密着性を高めた。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、マスク膜であるシリコン窒化膜９を０．２ミクロンの厚さで被覆する。フォトリソグラフィとドライエッチングを組み合わせて用いることにより、直方体の結晶塊４の頂部シリコン窒化膜９を除去し、上部表面（１１−２２）が現れるようにする。
【００５８】
最後に、図７(ｆ)に示すように、（１１−２２）の同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、（１１−２２）の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶８を選択横方向成長させた。
【００５９】
本実施例２においては、図７（ｅ）及び（ｆ）で示されるように、埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面より飛び出した部分の側壁にもマスク膜９が被覆されているが、結晶塊４の側壁にマスク膜９が被覆されていない場合であっても同等に近いレベルの効果が期待できる。図８は、本発明の実施例２において、側壁にマスク膜９が被覆されていない場合の例である。結晶塊４の側壁にもマスク膜９が被覆されている図７（ｆ）で示される場合には、空隙部１７が形成され、窒化ガリウム結晶８とマスク膜６との間に働く界面ストレスが少なくなるため、結晶性が特に良かったが、側壁にマスク膜が被覆されていない図８で示される場合には、接合面１６近傍において、転位発生や結晶の傾き等の結晶性劣化が若干観測された。
【００６０】
（実施例３）
図９は、本発明の実施例３における任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶の製作工程を模式的に示した図である。図９において、図１と同じ構成部については、同じ符号を用いて説明する。
【００６１】
図９(a)に示すように、サファイア基板１上に、下から順に、ＧａＮバッファ層２を０．１ミクロン、この上にＧａＮ結晶３を２０ミクロン、有機金属気相成長結晶法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて結晶成長させた。用いた原料ガスは、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、また窒素源としてアンモニア（ＮＨ3）である。これらの原料ガスを、窒素ガスあるいは水素ガスで希釈しながら有機金属気相成長結晶炉に供給し、ヒーター加熱した炉内で熱化学反応を生ぜしめ、結晶成長を行った。成長温度は、ＧａＮバッファ層２を作製する際には５５０℃、ＧａＮ結晶３を作製する際には９６０℃であった。
【００６２】
次に、図９(ｂ)に示すように、作製したＧａＮ結晶３から、（１−１００）の表面が現われるような、一辺がおよそ５ミクロンの長さを持つ複数個の直方体の結晶塊４を、研削研磨加工を施してして切り出す。図９(ｃ)は、切り出した直方体の結晶塊４を示している。
【００６３】
一方、図９(ｄ)に示すように、窒化ガリウム結晶成長のための基板として、別途シリコン酸化膜基板１０を準備し、ＳｉＯ2基板１０に対し、窒化ガリウムからなる結晶塊４を埋め込むことのできる深さ３ミクロン、一辺がおよそ５ミクロンの長さを持つ正方形状の複数個の凹部７を形成する。この凹部７の形成にあたっては、レジストマスクを用い、ＣＦ4またはＣＨＦ3ガスによりシリコン酸化膜基板１０をドライエッチングした。
【００６４】
その後、図９(ｅ)に示すように、ＳｉＯ2基板１０の正方形状の複数個の凹部７に、直方体の結晶塊４を、その上部表面が（１−１００）の同一面方位となるようにして、基板の複数個の凹部７に埋め込んだ。この際に、埋め込まれた窒化ガリウムからなる結晶塊４の表面と、ＳｉＯ2基板１０の表面とが、ほぼ同一の高さとなるようにした。
【００６５】
最後に、図９(ｆ)に示すように、（１−１００）の同一面方位を表面に有する複数個の窒化ガリウムからなる結晶塊４を種として、気相成長法を用い、（１−１００）の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶８を選択横方向成長させた。
【００６６】
本実施例３においては、基板として、シリコン酸化膜を用いたが、シリコン窒化膜を基板として用いても、同様な効果が期待できる。さらに、ＧａＮよりも熱膨張率の大きなＡｌ等の金属基板を用いることも有効であった。これは、基板として、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いた場合には、窒化ガリウム結晶８と基板との界面ストレスは小さくなるものの、結晶塊４と凹部７との間の付着が十分に満足されず、場合によっては結晶塊４が凹部７からはずれやすくなるため、まず結晶塊４と基板をある程度高温にしてから結晶塊４を凹部７に埋め込み、その後冷却すると、凹部７の寸法収縮量が結晶塊４のそれより大きいため、結晶塊４と凹部７との間の付着固定が改善されるためである。
【００６７】
さらに、本実施例１〜３においては、窒化ガリウムからなる結晶塊４を、基板上の窒化ガリウム結晶成長により作製し、これを切り出して作製したが、バルク窒化ガリウム結晶から切り出して作製しても同様の効果が期待でき、その場合には、小型のバルク窒化ガリウム結晶を大型化する手段となり得る。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、任意の結晶面方位を表面に有する窒化ガリウム結晶を作成することができ、その産業上の利用可能性は非常に広くかつ大きい。
【００６９】
このようにして得られた窒化ガリウム結晶８の表面にｎ型半導体、活性層、およびｐ型半導体を成長させて窒化ガリウム半導体レーザ素子や半導体発光素子を形成し得る。また、結晶塊４にレーザなどを照射したり、基板５や酸化シリコン膜６を研磨することにより、得られた窒化ガリウム結晶８と基板５とを分離して、窒化ガリウム結晶８からなる窒化ガリウム基板を得てもよい。もちろん、このようにして基板５から分離された窒化ガリウム結晶８からなる窒化ガリウム基板の表面に、ｎ型半導体、活性層、およびｐ型半導体を成長させて窒化ガリウム半導体レーザ素子や半導体発光素子を形成し得る。得られた窒化ガリウム半導体レーザ素子は、光ディスク等の書き込みおよび読み出し用の光源として用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施例１における、窒化ガリウム結晶作成方法の製作工程を示した断面図
【図２】本発明の実施例１に関連して説明されている、結晶塊４の作製工程を示した模式図
【図３】本発明の実施例１に関連して説明されている、成長温度及びストライプ方向に依存した結晶塊４に現れる面方位を示した模式図
【図４】本発明の実施例１に関連して説明されている、任意の結晶塊４と、これを埋め込む凹部との関係を示した模式図
【図５】本発明の実施例１に関連して説明されている、任意の結晶塊４を、凹部に効率良く埋め込むための、１つの方法を示した模式図
【図６】本発明の実施例１に関連した別の方法を示した模式図
【図７】本発明の実施例２における、窒化ガリウム結晶作成方法の製作工程を示した断面図
【図８】本発明の実施例２に関連した別の方法を示した模式図
【図９】本発明の実施例３における、窒化ガリウム結晶作成方法の製作工程を示した断面図
【図１０】従来の窒化ガリウム結晶作成方法を示した断面図
【符号の説明】
【００７１】
１  サファイア基板
２  ＧａＮバッファ層
３ＧａＮ結晶
４  直方体の結晶塊
５  サファイア基板
６  シリコン酸化膜
７  凹部
８  窒化ガリウム結晶
９  シリコン窒化膜
１０  シリコン酸化膜基板
１１  三角柱構造
１２  三角柱構造の結晶塊
１３  任意の結晶塊
１４  基板
１５  容器
１６  接合面
１７  空隙部
【図１】
2005162526.tif 000003
【図２】
2005162526.tif 000004
【図３】
2005162526.tif 000005
【図４】
2005162526.tif 000006
【図５】
2005162526.tif 000007
【図６】
2005162526.tif 000008
【図７】
2005162526.tif 000009
【図８】
2005162526.tif 000010
【図９】
2005162526.tif 000011
【図１０】
2005162526.tif 000012