(57)【要約】本発明に係る窒化ガリウム成長用基板は、基板上にＳｉＮ膜を形成する工程Ｐ１と、該ＳｉＮ膜の表面に対して該ＳｉＮ膜の表面を含む表層部にＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されることとなるエネルギーでＧａイオンを照射する工程Ｐ２とを経て得られる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ膜を成長させる基板であって、基板上にＳｉＮ膜が形成され、該ＳｉＮ膜の表層部には、Ｇａイオンが照射されることによってＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム成長用基板。
【請求項２】
ＧａＮ膜を成長させる基板を製造する方法であって、基板上にＳｉＮ膜を形成した後、該ＳｉＮ膜の表面に対して、該ＳｉＮ膜の表面を含む表層部にＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されることとなるエネルギーでＧａイオンを照射することを特徴とする窒化ガリウム成長用基板の製造方法。
【請求項３】
前記エネルギーは、４ｋｅＶ以下である請求の範囲第２項に記載の窒化ガリウム成長用基板の製造方法。
【請求項４】
基板上にＳｉＮ膜が形成され、該ＳｉＮ膜の表層部には、Ｇａイオンが照射されることによってＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成され、該ＧａＮ含有層の表面にＧａＮ膜が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム基板。
【請求項５】
基板上にＳｉＮ膜を形成した後、該ＳｉＮ膜の表面に対して、該ＳｉＮ膜の表面を含む表層部にＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されることとなるエネルギーでＧａイオンを照射し、該ＧａＮ含有層の表面にＧａＮ膜を成長させることを特徴とする窒化ガリウム基板の製造方法。
【請求項６】
前記エネルギーは、４ｋｅＶ以下である請求の範囲第５項に記載の窒化ガリウム基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム膜を成長させる窒化ガリウム成長用基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、青色光や紫外光を発する発光ダイオードやレーザダイオードの基板として、窒化ガリウム基板が用いられている。窒化ガリウム基板は、Ｓｉ基板やガラス基板等にＧａＮ（窒化ガリウム）膜を形成することが困難であるため、格子定数が近似しているＳｉＣ基板やサファイア基板にＧａＮ膜を形成して構成されている。尚、基板上にＧａＮ膜を形成する種々の方法が提案されている（例えば、日本国特許第３２２６７９６号公報及び日本国特許第３０９４９６５号公報参照）。
しかしながら、従来の窒化ガリウム基板においては、基板としてＳｉＣ基板やサファイア基板が採用されているため、デバイスへの応用が可能な分野が狭い問題があった。又、ＳｉＣ基板やサファイア基板は高価であるため、窒化ガリウム基板のコストが高くなる問題があった。
本発明の目的は、デバイスへの応用分野が広い安価な窒化ガリウム基板を実現することが可能な窒化ガリウム成長用基板及びその製造方法を提供することである。
【発明の開示】
【０００３】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行なった結果、基板上にＧａＮを含むＧａＮ含有層を形成しておき、該ＧａＮ含有層を種結晶としてＧａＮ膜を成長させることに想到した。
ところで、ＳｉＮ（シリコン窒化）膜の表面に７５ｋｅＶのエネルギーでＧａイオンを照射することによってＳｉＮ膜の内部にアモルファスＧａＮか形成されることが報告されている（Ｓ．Ａ．Ａｌｍｅｉｄａ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｂｏｎｄ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ」、“Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ”誌、１９９９年、３４３−３４４巻ｐ．６３２−６３６）。
しかし、彼らの研究によれば、ＳｉＮ膜の表面に７５ｋｅＶの高いエネルギーでＧａイオンを照射する方法によっては、ＳｉＮ膜の表層部にＧａＮが形成されないことが判明した。
そこで、Ｇａイオンの照射後にＳｉＮ膜にアニール処理を施すことにより、該ＳｉＮ膜の内部に存在するＧａをＳｉＮ膜の表面に引き寄せて表層部にＧａＮを形成することが考えられるが、窒化ガリウム基板の製造にアニール処理が必要となる。
本発明に係る窒化ガリウム成長用基板の製造においては、基板上にＳｉＮ膜を形成した後、該ＳｉＮ膜の表面に対して、該ＳｉＮ膜の表面を含む表層部にＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されることとなるエネルギーでＧａイオンを照射する。
上記製造方法においては、先ず、基板上にＳｉＮ膜が形成される。ここで、ＳｉＮ膜は、種々の基板に容易に成膜することが可能であるので、基板として、種々の分野で用いられる基板、例えばＳｉ基板、ガラス基板或いはガリウムヒ素基板を採用することが出来る。
次に、前記ＳｉＮ膜の表面にＧａイオンが照射されることによって、ＳｉＮ膜の表層部では、打ち込まれたＧａイオンによりＳｉとＮの結合が切り部されて、切り離されたＮとＧａが結合し、ＳｉＮ膜の表層部には、ＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成される。尚、ＳｉＮ膜の表層部にＧａＮ含有層が形成されることは、後述の実験により確認されている。
その後、上記製造方法によって得られた窒化ガリウム成長用基板のＧａＮ含有層の表面にＧａＮ膜を成長させて、本発明の窒化ガリウム基板を作製する。このとき、ＧａＮ含有層を種結晶として、ＧａＮ膜を容易に成長させることが出来る。
本発明によれば、窒化ガリウム成長用基板の基板として種々の分野で用いられる基板を採用することが出来るので、幅広い分野でデバイスへの応用が可能となる。又、基板としてＳｉ基板、ガラス基板或いはガリウムヒ素基板を採用すれば、ＳｉＣ基板やサファイア基板を具えた従来の窒化ガリウム基板に比べてコストを低下させることが出来る。
具体的には、前記エネルギーは、４．０ｋｅＶ以下に設定される。Ｇａイオンの照射エネルギーを４．０ｋｅＶよりも大きな値に設定すると、ＳｉＮ膜の表層部に形成されるＧａＮの量が減少する。従って、Ｇａイオンの照射エネルギーは、４．０ｋｅＶ以下に設定することが望ましい。
上述の如く、本発明によれば、デバイスへの応用分野が広い安価な窒化ガリウム基板を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明に係る窒化ガリウム基板の製造方法を表わす工程図である。
図２は、上記製造方法の作用を説明する図である。
図３は、本発明に係る窒化ガリウム成長用基板についてＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
図４は、Ｇａイオンの照射時の条件を変えて作製した４種類の窒化ガリウム成長用基板と従来の窒化ガリウム基板についてそれぞれＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
図５は、Ｇａイオンの照射エネルギーを変化させて作製した４種類の窒化ガリウム成長用基板と従来の窒化ガリウム基板についてそれぞれＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
図６は、Ｇａイオンを０．１ｋｅＶ及び０．２ｋｅＶで照射した基板と、リファレンス基板としての窒化ガリウム基板と、Ｇａイオンを照射していないＳｉＮ基板についてそれぞれＸＰＳ分析を行なって得られたＮのシグナルを表わすグラフである。
図７は、５００℃でアニール処理を施した窒化ガリウム成長用基板、アニール処理を施していない窒化ガリウム成長用基板、及び従来の窒化ガリウム基板についてそれぞれＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
図８は、６５０℃でアニール処理を施した窒化ガリウム成長用基板についてＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
図９は、アニール処理前の窒化ガリウム成長用基板の表面の反射高速電子線回折パターンを表わしている。
図１０は、６５０℃でのアニール処理後の窒化ガリウム成長用基板の表面の反射高速電子線回折パターンを表わしている。
図１１は、ＭＢＥ法により窒化ガリウム成長用基板の表面に実際にＧａＮ膜を成長させた後に得られる窒化ガリウム基板の表面のＸ線回折スペクトルを表わしている。
図１２は、Ｇａイオンの照射量を３×１０１５個／ｃｍ２に設定して作製された窒化ガリウム成長用基板を具えた窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン未照射領域の走査型電子顕微鏡写真である。
図１３は、上記窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン照射領域の走査型電子顕微鏡写真である。
図１４は、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２に設定して作製された窒化ガリウム成長用基板を具えた窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン未照射領域の走査型電子顕微鏡写真である。
図１５は、上記窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン照射領域の走査型電子顕微鏡写真である。
図１６は、Ｇａイオンの照射量を３×１０１５個／ｃｍ２に設定して作製された窒化ガリウム成長用基板を具えた窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン未照射領域のＸ線回折パターンを表わしている。
図１７は、上記窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン照射領域のＸ線回折パターンを表わしている。
図１８は、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２に設定して作製された窒化ガリウム成長用基板を具えた窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン未照射領域のＸ線回折パターンを表わしている。
図１９は、上記窒化ガリウム基板の表面のＧａイオン照射領域のＸ線回折パターンを表わしている。
図２０は、Ｇａイオンの照射量を３×１０１５個／ｃｍ２に設定して作製された窒化ガリウム成長用基板を具えた窒化ガリウム基板についてＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
図２１は、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２に設定して作製された窒化ガリウム成長用基板を具えた窒化ガリウム基板についてＸＰＳ分析を行なって得られたＧａのシグナルを表わすグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１は、本発明に係る窒化ガリウム基板の製造方法を表わしており、先ず、Ｓｉ基板の表面に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってＳｉ及びＮからなる厚さ数百ÅのＳｉＮ膜を形成する（工程Ｐ１）。ここで、ＳｉＮ膜は種々の基板に容易に成膜することが出来るので、基板としては、種々の分野で用いられる基板を採用することが可能であり、Ｓｉ基板に限らず、ガラス基板やガリウムヒ素基板等を採用することが出来る。尚、ＣＶＤ法に限らず、その他の周知の薄膜成長方法によって、ＳｉＮ膜を形成することが可能である。
次に、ＳｉＮ膜の表面に、公知のイオン注入装置を用いてＧａイオンを１００ｅＶのエネルギーで照射して、窒化ガリウム成長用基板を作製する（工程Ｐ２）。このとき、イオン源には、１００Ｖの電圧を印加してＧａイオンを発生させる。又、基板を加熱することなく基板温度を室温に設定すると共に、チャンバー内を１．３×１０−６Ｐａの真空状態とする。尚、Ｇａイオンの照射エネルギーは、１００ｅＶに限らず、後述の如くＳｉＮ膜の表層部においてＳｉとＮの結合が切り離され、切り離されたＮとＧａが結合する範囲内の値に設定される。ＳｉとＮの結合が切り離される最低のエネルギーは１０ｅＶ程度と考えられる。又、例えば１．３×１０−２Ｐａの窒素ガス雰囲気中でＧａイオンを照射することも可能であり、更に、該雰囲気中で、チャンバー内に設けられているタングステンフィラメントに通電して窒素ラジカルを発生させた状態でＧａイオンを照射することも可能である。
その後、上述の如く作製された窒化ガリウム成長用基板の表面に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法によってＧａＮ膜を成長させる（工程Ｐ３）。尚、ＭＢＥ法に限らず、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の周知の薄膜成長方法によって、ＧａＮ膜を成長させることが可能である。
上記製造方法においては、工程Ｐ１によって、図２（ａ）の如くＳｉ基板（１）の表面にＳｉＮ膜（２）が形成される。次に、工程Ｐ２によって、ＳｉＮ膜（２）の表層部において、該ＳｉＮ膜（２）に打ち込まれたＧａイオンの運動エネルギーによりＳｉとＮの結合が切り離され、切り離されたＮとＧａが結合して、同図（ｂ）の如く該表層部にＧａＮを含むＧａＮ含有層（３）が形成されることになる。ここで、ＧａＮ含有層（３）の膜厚は、１０〜数十Å程度である。その後、工程Ｐ３によって、該ＧａＮ含有層（３）を種結晶として、該ＧａＮ含有層（３）の表面にＧａＮ膜（４）が形成されることになる。
上記本発明に係る窒化ガリウム基板においては、基板として種々の分野で用いられているＳｉ基板（１）が採用されているので、幅広い分野でデバイスへの応用が可能である。例えば、青色系発光ダイオードや青色系レーザダイオードに応用される。又、２枚の窒化ガリウム基板にそれぞれ発光部及び受光部を設けて、高周波信号に対応可能な２枚の高周波数対応基板の通信部に応用することも可能である。
又、上記本発明に係る窒化ガリウム基板においては、Ｓｉ基板（１）が採用されているので、該窒化ガリウム基板を従来のＳｉ半導体の製造工程で用いることが可能であり、電子デバイスと光デバイスを融合した新しいデバイスの開発が期待される。
更に、Ｓｉ基板（１）は安価であるので、コストを従来のサファイア基板の１／１０００〜１／１００倍に低く抑えることが出来る。従って、安価な青色系発光ダイオードを実現することが可能であり、青色系発光ダイオードを具えたディスプレイや信号機の普及が期待される。
更に又、従来の製造方法においては、ＧａＮ膜の成膜時に薄膜成長方法としてＭＯＣＶＤ法を採用した場合、サファイア基板の全表面にＧａＮ膜が成長するため、ＧａＮ膜を成長させた後に不要な部分を削り取らねばならなかったが、本発明の製造方法によれば、ＧａイオンをＳｉＮ膜（２）の表面の一部に照射することによって該照射部分にのみＧａＮ膜（４）を成長させることが出来る。
次に、本発明の効果を確認するために行なった実験について説明する。
実験１
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜及びＳｉＮｘ（ｘ＞０）膜が順次積層されている基板の表面に、Ｇａイオンを６０ｅＶのエネルギーで照射した。このとき、基板を加熱することなく基板温度を室温に設定すると共に、チャンバー内を１．３×１０−６Ｐａの真空状態とした。又、Ｇａイオンの照射時間を１〜６０分に設定して、１ｃｍ２当たり１×１０１５〜５×１０１６個のＧａイオンを照射した。尚、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜が形成されているが、該ＳｉＯ２膜の表面に形成されているＳｉＮｘ膜は十分に厚いため、該ＳｉＯ２膜が実験結果に悪影響を及ぼすことはない。
（２）評価方法
上述の如く作製された窒化ガリウム成長用基板の表面にスパッタリングを施すことなく、ＸＰＳ分析法（Ｘ線光電子分光分析法）によって該基板の表層部のＧａの結合状態を分析した。但し、窒化ガリウム成長用基板は絶縁物であるため、測定値には、光電子の放出によるチャージアップに対する補正を施した。
（３）評価結果
図３は、上記作製された窒化ガリウム成長用基板についての評価結果を表わしており、Ｇａの３ｄ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。尚、図中の３本の縦線はそれぞれ、Ｏと結合しているＧａ、Ｎと結合しているＧａ及びＧａどうしで結合しているＧａの３ｄ軌道から放出される光電子の結合エネルギーを表わしている。Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギーは２０．２ｅＶ程度である。
図示の如く、光電子の結合エネルギーが２０ｅＶ付近で光電子の強度がピークとなっていることから、上記窒化ガリウム成長用基板の表層部には、多くのＧａＮが存在すると言える。
実験２
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
基板（ａ）
実験１と同様にして、窒化ガリウム成長用基板（ａ）を作製した。
基板（ｂ）
タングステンフィラメントに通電した状態で実験１と同じ構造を有する基板の表面にＧａイオンを照射して、窒化ガリウム成長用基板（ｂ）を作製した。このとき、Ｇａイオンの照射エネルギー、基板温度、チャンバー内の気圧、及びＧａイオンの照射時間は、実験１と同じ値に設定した。
基板（ｃ）
１．３×１０−２Ｐａの窒素ガス雰囲気中で実験１と同じ構造を有する基板の表面にＧａイオンを照射して、窒化ガリウム成長用基板（ｃ）を作製した。このとき、Ｇａイオンの照射エネルギー、基板温度及びＧａイオンの照射時間は、実験１と同じ値に設定した。
基板（ｄ）
１．３×１０−２Ｐａの窒素ガス雰囲気中で、タングステンフィラメントに通電した状態で基板の表面にＧａイオンを照射して、窒化ガリウム成長用基板（ｄ）を作製した。このとき、Ｇａイオンの照射エネルギー、基板温度及びＧａイオンの照射時間は、実験１と同じ値に設定した。
基板（ｅ）
リファレンス基板として、サファイア基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させて窒化ガリウム基板（ｅ）を作製した。
（２）評価方法
作製した５種類の基板（ａ）〜（ｅ）について夫々、実験１と同様に、ＸＰＳ分析法によってＧａの結合状態を分析した。
（３）評価結果
図４は、上記５種類の基板（ａ）〜（ｅ）についての評価結果を表わしており、Ｇａの３ｄ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。尚、図中の４本の縦線はそれぞれ、Ｏと結合しているＧａ、Ｎと結合しているＧａ及びＧａどうしで結合しているＧａの３ｄ軌道から放出される光電子の結合エネルギーを表わしている。
リファレンス基板としての基板（ｅ）については、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっている。
基板（ａ）（ｂ）については、光電子の強度のピークが、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギーからＧａどうしで結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー側に僅かにずれている。これは、Ｇａイオンの照射量が過多であったためと考えられる。
基板（ｃ）については、光電子の強度のピークが、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギーからＯと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー側に僅かにずれている。これは、窒素ガスに含まれている酸素がＧａと結合したためと考えられる。
基板（ｄ）については、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっている。これは、基板に入射したもののＮと反応しなかったＧａがタングステンフィラメントの通電により活性化した窒素と結合して、基板の表面にＧａＮ膜が形成されたためと考えられる。
実験３
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
Ｇａイオンの照射エネルギーを０．１ｋｅＶ、０．２ｋｅＶ、４．０ｋｅＶ及び５．０ｋｅＶと変えて、４種類の窒化ガリウム成長用基板を作製した。実験１と同じ構造を有する基板を用い、基板温度、チャンバー内の気圧、及びＧａイオンの照射時間は実験１と同じ値に設定した。
又、リファレンス基板として、サファイア基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させて窒化ガリウム基板を作製した。
（２）評価方法
作製した５種類の基板について夫々、実験１と同様に、ＸＰＳ分析法によってＧａの結合状態を分析した。
又、上記５種類の基板の内、Ｇａイオンを０．１ｋｅＶ及び０．２ｋｅＶで照射した基板と、リファレンス基板としての窒化ガリウム基板と、Ｇａイオンを照射していないＳｉＮ基板について夫々、ＸＰＳ分析法によってＮの結合状態を分析した。
（３）評価結果
図５は、上記５種類の基板についての評価結果を表しており、Ｇａの３ｄ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。尚、図中の３本の縦の実線はそれぞれ、Ｏと結合しているＧａ、Ｎと結合しているＧａ及びＧａどうしで結合しているＧａの３ｄ軌道から放出される光電子の結合エネルギーを表わしている。
リファレンス基板としての窒化ガリウム基板については、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっている。
Ｇａイオンを０．１ｋｅＶ、０．２ｋｅＶ及び４．０ｋｅＶのエネルギーで照射した基板については、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっており、これは、ＳｉＮ膜の表層部では注入されたＧａの殆どがＮと結合して、ＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されたことを示している。
これに対して、５．０ｋｅＶで照射した基板については、光電子の強度のピークがＧａどうしで結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー側に大きくずれており、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギーでは、０．１ｋｅＶ、０．２ｋｅＶ及び４．０ｋｅＶのエネルギーで照射した基板に比べて強度が低くなっている。
上述の結果から、５．０ｋｅＶで照射した基板の表層部には、Ｇａイオンの照射によってＧａＮが形成されるものの、その量は、０．１ｋｅＶ、０．２ｋｅＶ及び４．０ｋｅＶのエネルギーで照射した基板に比べて少ないと言える。従って、Ｇａイオンの照射エネルギーは、４．０ｋｅＶ以下に設定することが望ましいと言える。
図６は、Ｇａイオンを０．１ｋｅＶ及び０．２ｋｅＶで照射した基板と、リファレンス基板としての窒化ガリウム基板と、Ｇａイオンを照射していないＳｉＮ基板についての評価結果を表わしており、Ｎの１ｓ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。尚、Ｓｉと結合しているＮからの光電子の結合エネルギーは、３９７．４ｅＶ付近でピークとなり、Ｇａと結合しているＮからの光電子の結合エネルギーは、３９６．７ｅＶ付近でピークとなる。
Ｇａイオンを０．１ｋｅＶ及び０．２ｋｅＶのエネルギーで照射した基板については、Ｇａと結合しているＮからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっており、Ｎから放出される光電子のシグナルからも、注入されたＧａがＮと結合してＧａＮを含むＧａＮ含有層が形成されたと言える。
実験４
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
実験１と同じ構造を有する基板の表面にＧａイオンを０．２ｋｅＶのエネルギーで照射して、２枚の窒化ガリウム成長用基板を作製した。このとき、基板温度、チャンバー内の気圧、及びＧａイオンの照射時間は、実験１と同じ値に設定した。
又、リファレンス基板として、サファイア基板上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させて窒化ガリウム基板を作製した。
（２）アニール処理
窒素ガス雰囲気中において、作製した２枚の窒化ガリウム成長用基板の内、１枚の基板に５００℃で５分間アニール処理を施した。
（３）評価方法
アニール処理を施していない窒化ガリウム成長用基板、アニール処理を施した窒化ガリウム成長用基板及び窒化ガリウム基板について夫々、実験１と同様に、ＸＰＳ分析法によってＧａの結合状態を分析した。
（４）評価結果
図７は、上記３種類の基板についての評価結果を表わしており、Ｇａの３ｄ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。尚、図中の３本の縦線はそれぞれ、Ｏと結合しているＧａ、Ｎと結合しているＧａ及びＧａどうしで結合しているＧａの３ｄ軌道から放出される光電子の結合エネルギーを表わしている。
リファレンス基板としての窒化ガリウム基板については、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっている。
アニール処理を施した窒化ガリウム成長用基板についても、アニール処理を施していない窒化ガリウム成長用基板と同様に、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっている。
窒化ガリウム成長用基板の表面にＭＢＥ法等によってＧａＮ膜を成長させる際には、該基板を加熱するのであるが、上述の如く５００℃でアニール処理を施した基板についてもＮと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっていることから、ＧａＮ膜を成長させる際に基板を５００℃程度まで加熱したとしてもＧａとＮの結合が切り離されることはなく、ＧａＮ含有層を種結晶としてＧａＮ膜を容易に成長させることが出来ると言える。
実験５
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
実験１と同じ構造を有する基板の表面にＧａイオンを０．５ｋｅＶのエネルギーで照射して、窒化ガリウム成長用基板を作製した。このとき、１ｃｍ２当たり１×１０１５〜６×１０１５個のＧａイオンを照射した。又、基板温度、及びチャンバー内の気圧は、実験１と同じ値に設定した。
（２）アニール処理
真空中において、作製した窒化ガリウム成長用基板に６５０℃で５分間アニール処理を施した。
（３）評価方法
アニール処理を施した窒化ガリウム成長用基板について、実験１と同様に、ＸＰＳ分析法によってＧａの結合状態を分析した。
又、アニール処理の前後に窒化ガリウム成長用基板表面の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを観察した。
（４）評価結果
図８は、上述の如くアニール処理を施した窒化ガリウム成長用基板についてのＸＰＳ分析結果を表わしており、Ｇａの３ｄ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。
窒化ガリウム成長用基板の表面にＭＢＥ法等によってＧａＮ膜を成長させる際には、該基板を６５０℃程度まで加熱することがあるが、図示の如く、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近（２０．２ｅＶ付近）で光電子の強度がピークとなっていることから、ＧａＮ膜を成長させる際に基板を６５０℃程度まで加熱したとしてもＧａとＮの結合が切り離されることはなく、ＧａＮ含有層を種結晶としてＧａＮ膜を容易に成長させることが出来ると言える。
又、図９は、アニール処理前の窒化ガリウム成長用基板表面の反射高速電子線回折パターンを表わし、図１０は、アニール処理後の窒化ガリウム成長用基板表面の反射高速電子線回折パターンを表わしている。
アニール処理前の窒化ガリウム成長用基板表面の反射高速電子線回折パターンは、図９に示す如く特定の方向や動径方向に特徴の見られない所謂ハローパターンを示しており、このことは、アニール処理前の窒化ガリウム成長用基板のＧａＮ含有層は、結晶性を有しておらず、アモルファス状態であることを示している。一方、アニール処理後の窒化ガリウム成長用基板表面の反射高速電子線回折パターンには、図１０に示す如く、動径方向にリング状のパターンが現れており、このことは、アニール処理後の窒化ガリウム成長用基板のＧａＮ含有層は多結晶状態であることを示している。この様に、アニール処理によって窒化ガリウム成長用基板のＧａＮ含有層がアモルファス状態から多結晶状態に変化していることから、アニール処理により窒化ガリウム成長用基板のＧａＮ含有層の結晶化が促進され、これによってＧａＮ膜をより容易に成長させることが可能になると言える。
実験６
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
実験１と同じ構造を有する基板の表面にＧａイオンを０．５ｋｅＶのエネルギーで照射して、窒化ガリウム成長用基板を作製した。このとき、１ｃｍ２当たり１×１０１５〜６×１０１５個のＧａイオンを照射した。又、基板温度、及びチャンバー内の気圧は、実験１と同じ値に設定した。
（２）ＧａＮ膜の成膜
作製した窒化ガリウム成長用基板の表面にＭＢＥ法によりＧａＮ膜を成長させて、窒化ガリウム基板を作製した。このとき、基板温度を６５０℃に設定した。又、ＭＢＥチャンバー内のベース真空度を約２．６×１０−７Ｐａに設定し、ＧａＮ膜成長時には、主にＭＢＥチャンバー内を窒素ラジカル雰囲気にするため、チャンバー内の気圧を約１．０×１０−２Ｐａに設定した。更に、Ｇａのフラックス量は、真空度換算で約３．９×１０−５Ｐａに設定した。
（３）評価方法
作製した窒化ガリウム基板の表面のＸ線回折スペクトルを測定した。
（４）評価結果
図１１は、上記窒化ガリウム基板の表面のＸ線回折スペクトルを表わしている。図示の如く、六方晶（ｈ−）ＧａＮの位置に回折ピークが現れており、このことは、ＭＢＥ法によって窒化ガリウム成長用基板の表面に六方晶ＧａＮが成長したことを示している。
実験７
（１）窒化ガリウム成長用基板の作製
基板（ａ）
実験１と同じ構造を有する基板の表面の一部に１ｃｍ２当たり３×１０１５個のＧａイオンを照射して、Ｇａイオンの照射領域と未照射領域とを有する窒化ガリウム成長用基板（ａ）を作製した。このとき、Ｇａイオンの照射エネルギーは、０．５ｋｅＶに設定した。又、基板温度、及びチャンバー内の気圧は、実験１と同じ値に設定した。
基板（ｂ）
実験１と同じ構造を有する基板の表面の一部に１ｃｍ２当たり６×１０１５個のＧａイオンを照射して、Ｇａイオンの照射領域と未照射領域とを有する窒化ガリウム成長用基板（ｂ）を作製した。このとき、Ｇａイオンの照射エネルギーは、０．５ｋｅＶに設定した。又、基板温度、及びチャンバー内の気圧は、実験１と同じ値に設定した。
（２）ＧａＮ膜の成膜
作製した２種類の窒化ガリウム成長用基板（ａ）（ｂ）の表面にＭＢＥ法によりＧａＮ膜を成長させて、２種類の窒化ガリウム基板（ａ）（ｂ）を作製した。このとき、基板温度、ＭＢＥチャンバー内の気圧、及びＧａのフラックス量は、実験６と同じ値に設定した。
（３）評価方法
評価方法１
上記２種類の窒化ガリウム基板（ａ）（ｂ）の表面のＧａイオンの照射領域及び未照射領域を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
評価方法２
上記２種類の窒化ガリウム基板（ａ）（ｂ）の表面のＸ線回折スペクトルを測定した。
評価方法３
上記２種類の窒化ガリウム基板（ａ）（ｂ）について、実験１と同様に、ＸＰＳ分析法によってＧａの結合状態を分析した。
（４）評価結果
評価結果１
図１２は、窒化ガリウム基板（ａ）の表面のＧａイオン未照射領域の走査型電子顕微鏡写真を表わす一方、図１３は、該基板の表面のＧａイオン照射領域の走査型電子顕微鏡写真を表わしている。又、図１４は、窒化ガリウム基板（ｂ）の表面のＧａイオン未照射領域の走査型電子顕微鏡写真を表わす一方、図１５は、該基板の表面のＧａイオン照射領域の走査型電子顕微鏡写真を表わしている。
図１３に示す如く、窒化ガリウム基板（ａ）のＧａイオン照射領域には、図１２に示すＧａイオン未照射領域と略同じ大きさの結晶粒からなるＧａＮ膜が成長しているのに対し、図１５に示す如く、窒化ガリウム基板（ｂ）のＧａイオン照射領域には、図１４に示すＧａイオン未照射領域よりも小さい結晶粒からなるＧａＮ膜が成長している。この様に、Ｇａイオンの照射量を３×１０１５個／ｃｍ２に設定した場合には、Ｇａイオンの照射はＧａＮ膜の結晶成長に悪影響を与えないが、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２に設定した場合には、Ｇａイオンの照射はＧａＮ膜の結晶成長に結晶粒が小さくなるという悪影響を与えることになる。
評価結果２
図１６は、窒化ガリウム基板（ａ）の表面のＧａイオン未照射領域のＸ線回折パターンを表わす一方、図１７は、該基板の表面のＧａイオン照射領域のＸ線回折パターンを表わしている。又、図１８は、窒化ガリウム基板（ｂ）の表面のＧａイオン未照射領域のＸ線回折パターンを表わす一方、図１９は、該基板の表面のＧａイオン照射領域のＸ線回折パターンを表わしている。
窒化ガリウム基板（ａ）については、図１６及び図１７に示す如く、Ｇａイオン照射領域と未照射領域とで回折ピークの半値幅が略同じであるのに対し、窒化ガリウム基板（ｂ）については、図１８及び図１９に示す如く、Ｇａイオン照射領域での回折ピークの半値幅は未照射領域よりも大きくなっており、このことは、Ｇａイオンの照射によって結晶性に乱れが生じたことを示している。この様に、Ｇａイオンの照射量を３×１０１５個／ｃｍ２に設定した場合には、Ｇａイオンの照射はＧａＮ膜の結晶成長に悪影響を与えないが、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２に設定した場合には、Ｇａイオンの照射はＧａＮ膜の結晶成長に結晶性に乱れを生じさせるという悪影響を与えることになる。
評価結果３
図２０及び図２１は夫々、窒化ガリウム基板（ａ）（ｂ）についてのＸＰＳ分析の結果を表わしており、Ｇａの３ｄ軌道から放出される光電子の強度をプロットしたものである。
窒化ガリウム基板（ａ）については、図２０に示す如く、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっている。尚、ピークの位置が該結合エネルギー付近から僅かにずれているのは、測定時の帯電効果に対する補正が不十分であるためである。これに対し、窒化ガリウム基板（ｂ）については、図２１に示す如く、Ｎと結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度がピークとなっているものの、Ｇａどうしで結合しているＧａからの光電子の結合エネルギー付近で光電子の強度が窒化ガリウム基板（ａ）に比べて高くなっている。このことから、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２に設定した場合、Ｎと結合しなかったＧａどうしが結合して窒化ガリウム成長用基板の表層部に存在することとなり、これによってその後のＧａＮ膜の成長が妨げられることになると考えられる。
上記評価結果１〜３から、Ｇａイオンの照射エネルギーを０．５ｋｅＶに設定した場合には、Ｇａイオンの照射量を６×１０１５個／ｃｍ２未満に設定することが望ましいと言える。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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