DE69800719T2

DE69800719T2 - LiGa02 Einkristall, Einkristallinessubstrat und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69800719T2
Application number: DE69800719T
Authority: DE
Inventors: Takao Ishii; Shintaro Miyazawa; Yasuo Tazou
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2001-10-25
Anticipated expiration: 2018-01-24
Also published as: US6077342A; EP0856600A1; DE69800719D1; JP3549719B2; EP0856600B1; JPH10324597A; US6045611A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen LiGaO&sub2;-Einkristall, ein LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
In den letzten Jahren haben III-V-Nitriergemisch- Halbleiter (Ga, In, Al)N eine erhöhte Aufmerksamkeit erhalten als einer der Kandidaten für Materialien von lichtemittierenden Vorrichtungen in einem Bereich kurzer Wellenlänge von blau oder bläulich grün bis ultraviolett.
Dies auf Nitriden basierenden Materialien sind gekennzeichnet durch ihre große Härte, hohe Schmelzpunkte und hohe thermische Leitfähigkeit. Zusätzlich haben sie eine Bandstruktur vom Direktübergangstyp als eine Energiebandstruktur. Die Bandabstandsenergie bei Raumtemperatur kann von 1,95 eV bis 6,0 eV geändert werden durch Verwendung eines Mischkristalls der auf Nitrit basierenden Materialien. Es wird erwartet, daß die auf Nitrit basierenden Materialien nicht nur für lichtemittierende Vorrichtungen, sondern auch für Hochleistungstransistoren oder Umweltwiderstands- Halbleitervorrichtungen aufgrund ihrer großen Bandabstände verwendet werden.
Herkömmlich ist kein angemessenes Substrat für das epitaxiale Aufwachsen eines auf Galliumnitrit basierenden Halbleiters verfügbar, und ein Dünnfilm aus einem auf Galliumnitrit basierenden Halbleiter wird auf einem Saphirsubstrat (Al&sub2;O&sub3;-Substrat) aufgewachsen ungeachtet des großen Gitterversatzes (13%) zwischen dem GaN-Film und dem Saphirsubstrat. Jedoch zeigt, wenn GaN direkt auf dem Saphirsubstrat bei einer hohen Temperatur aufgewachsen wird, daß GaN ein dreidimensionales hexagonales pyramidenförmiges Wachstumsmuster aufgrund des großen Gitterversatzes, so daß die Kristallwachstumsoberfläche nicht eine flache Spiegeloberfläche sein kann.
Aus diesem Grund wird im Allgemeinen AlN oder GaN bei einer niedrigen Temperatur als ein amorpher Film aufgewachsen, der als eine Pufferschicht dient, und GaN wird auf der Pufferschicht bei einer hohen Temperatur aufgewachsen.
Jedoch ist die Versetzungsdichte des nach diesem Verfahren aufgewachsenen GaN-Films so hoch wie 10&sup8; bis 10&sup9; cm&supmin;², so daß der Film nicht als ein hochqualitativer epitaxial aufgewachsener Film angesehen werden kann, was ein schwerwiegendes Problem bei der praktischen Verwendung von optischen oder elektronischen Vorrichtungen darstellt.
Unter diesem Gesichtspunkt ist, um die Versetzungsdichte eines epitaxial aufgewachsenen GaN-Films herabzusetzen, eine starke Nachfrage nach einem Substratmaterial mit einer kleineren Gitterversetzung gegenüber GaN aufgetreten.
Als ein Substratmaterial mit einer kleineren Gitterversetzung gegenüber GaN als Saphir wird 6H-SiC am beliebtesten verwendet. Jedoch hat 6H-SiC einen hohen Schmelzpunkt (2700ºC) wodurch es schwierig ist, einen großen Einkristall herzustellen. Zusätzlich kann sich leicht ein Defekt, der als Mikrolunker bezeichnet wird, beim Wachsen des Einkristalls bilden, so daß die Kristallqualität als ein Substratmaterial unzufriedenstellend ist.
Anders als die herkömmlichen Substratmaterialien hat Lithiumgallat (LiGaO&sub2;) eine verzerrte Kristallstruktur vom Wurtzit-Typ, d. h. nahezu dieselbe Kristallstruktur wie die von GaN als ein hexagonaler Kristall. Die Gitterversetzung gegenüber GaN als dem hexagonalen Kristall wird auf etwa 0,9% auf der Basis der Gitterkonstanten von LiGaO&sub2; geschätzt, d. h. viel kleiner als die des herkömmlichen Substratmaterials. Ein GaN-Dünnfilm kann auf der c-Ebene des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrat aufgewachsen werden.
Herkömmlicherweise ergibt sich jedoch das folgende Problem. Der LiGaO&sub2;-Kristall ist ein invertierter symmetrischer Kristall, der zur Punktgruppe mm² gehört, d. h. Raumgruppe Pna2&sub1;, und eine Polarität entlang der c-Achsenrichtung hat. Wenn dieser Kristall nach dem Czochralski (CZ)-Verfahren in der c- Achsenrichtung hochgezogen wird und ein c- Ebenensubstrat gebildet wird durch Schneiden der c- Ebene senkrecht zu der c-Achsenrichtung, werden -c- und +c-Bereiche mit einer Domänenstruktur gleichzeitig auf der Substratoberfläche aufgrund der Polaritätsumkehrung gebildet.
Selbst wenn der GaN-Dünnfilm aufgewachsen wird, werden ein Bereich, in welchem der Dünnfilm epitaxial aufgewachsen wird, und ein Bereich, in welchem der Dünnfilm abgeschält wird, gebildet, so daß der Li- GaO&sub2;-Kristall in der Praxis nicht als Substrat für epitaxiales Aufwachsen verwendet werden kann.
Wenn der -c- und der +c-Bereich gleichzeitig als die Domänenstruktur vorhanden sind, hat die Substratoberfläche eine Stufe, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die c-Ebene senkrecht zu der c-Achsenrichtung wird aus dem LiGaO&sub2;-Einkristall geschnitten, welcher durch Hochziehen des Kristalls in der c-Achsenrichtung nach dem CZ-Verfahren gebildet ist, wodurch ein Einkristallsubstrat gebildet wird. Wenn die Oberfläche des Einkristallsubstrats durch chemisch-mechanisches Polieren poliert wird, wird eine gekreuzte Linie 202, welche sich radial von der Mitte eines Substrats 201 erstreckt, beobachtet, wie in Fig. 2A gezeigt ist.
Eine detailliertere Betrachtung des Bereichs der gekreuzten Linie offenbart, daß die +c-Bereiche und die -c-Bereiche einander abwechseln, wie in Fig. 2B gezeigt ist. Fig. 2B zeigt einen Schnitt, der entlang eines Pfeils in Fig. 2A genommen ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen LiGaO&sub2;-Einkristall, ein LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrat und ein Verfahren zum Herstellen desselben anzugeben, welche gleichförmig einen epitaxialen Dünnfilm aus einem auf Galliumnitrit basierenden Halbleiter mit einer niedrigeren Versetzungsdichte auf einem LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat bilden können.
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein LiGaO&sub2;-Einkristall vorgesehen, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist und eine kristallographische Achse als eine Ziehrichtung hat, die innerhalb eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)-Richtung eingestellt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein LiGaO&sub2;-Einkristall vorgesehen, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist und eine kristallographische Achse als eine Ziehrichtung hat, die innerhalb eines Bereichs von 30º von einer a- Achsen(100)-Richtung eingestellt ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat vorgesehen, das einen LiGaO&sub2;-Einkristall aufweist, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist und eine kristallographische Achse als eine Ziehrichtung aufweist, die innerhalb eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)-Richtung eingestellt ist, wobei eine Hauptfläche einer c-Ebene entspricht.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat vorgesehen, das einen LiGaO&sub2;-Einkristall aufweist, der durch das Czochralski-Verfahren hergestellt wurde und eine kristallographische Achse als eine Ziehrichtung aufweist, die innerhalb eines Bereichs von 30º von einer a-Achsen(100)-Richtung eingestellt ist, wobei eine Hauptfläche einer c-Ebene entspricht.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;-Einkristalls vorgesehen, welches das Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)- Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze und das Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen des LiGaO&sub2;-Einkristalls zu bewirken, aufweist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;-Einkristalls vorgesehen, welches das Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer a-Achsen(100)- Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze und Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski- Verfahren, um das Wachsen des LiGaO&sub2;-Einkristalls zu bewirken, aufweist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrats vorgesehen, welches das Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer b- Achsen(010)-Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze, Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen des LiGaO&sub2;- Einkristalls zu bewirken, und Schneiden einer c-Ebene von dem Einkristall, um das LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrat zu erhalten, welches eine Hauptfläche entsprechend der c-Ebene besitzt, aufweist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrats vorgesehen, welches das Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer a- Achsen(100)-Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze, Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen des LiGaO&sub2;- Einkristalls zu bewirken, und Schneiden einer c-Ebene von dem Einkristall, um ein LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrat zu erhalten, welches eine Hauptfläche entsprechend der c-Ebene besitzt, aufweist.

Kurbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung des Kristallzustands eines LiGaO&sub2;- Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1B bis 1F sind perspektivische Ansichten zum Erläutern eines LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrats gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Verfahrens zum Herstellen desselben; und
Fig. 2A und 2B sind Ansichten zum Erläutern eines LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats, das nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
Der Kern der vorliegenden Erfindung wird zuerst beschrieben.
Die vorliegenden Erfinder schätzten den Grund, warum Bereiche mit unterschiedlichen Polaritäten in einem LiGaO&sub2;-Einkristall, welcher durch Hochziehen des Kristalls in der c-Achsenrichtung nach dem CZ-Verfahren gewachsen wurde, vorhanden waren.
LiGaO&sub2; ist ein piezoelektrischer Kristall, und der LiGaO&sub2;-Einkristall hat eine Polaritätsachse entlang der c-Achsenrichtung. Wenn der LiGaO&sub2;-Kristall wächst durch Hochziehen des Kristalls in der c- Achsenrichtung, wird die thermische Verzerrungsenergie, die beim Kühlen unmittelbar unter dem Schmelzpunkt erzeugt wird, entspannt durch Bilden einer Domänenstruktur durch Umkehrung der Polarität. Aus diesem Grund werden, wenn der Kristall in der c- Achsenrichtung hochgezogen wird, um das Wachsen des Kristalls zu bewirken, ein -c-Bereich 102 und ein +c- Bereich 103, welche unterschiedliche Polaritäten haben, gleichzeitig in einem LiGaO&sub2;-Einkristall 100 gebildet, wie in Fig. 1A gezeigt ist.
Die b- und die a-Achse sind keine Polaritätsachsen. Daher sagten die vorliegenden Erfinder Folgendes voraus: Wenn der Kristall in den Richtungen der b- und a-Achse hochgezogen wird, wird die Domänenstruktur aufgrund der Polaritätsumkehrung nicht gebildet, selbst wenn die thermische Verzerrungsenergie erzeugt wird beim Kühlen unmittelbar unter dem Schmelzpunkt, und ein Einkristall mit einer Einzeldomänenstruktur kann gewachsen werden.
Angesichts dieser Vorhersage führten die vorliegenden Erfinder eine Anzahl von Experimenten durch, um die Ziehbedingung für das Wachsen des Einkristalls mit der Einzeldomänenstruktur zu finden, und sie fanden, daß LiGaO&sub2;-Einkristalle 104a und 104b mit einer Einzeldomänenstruktur in dem Bereich eines bestimmten Abweichungswinkels in der b- oder a-Achsenrichtung gewachsen werden konnten, wie in den Fig. 1B und 1D gezeigt ist. Wenn eine c-Ebene 105 von dem sich ergebenden LiGaO&sub2;-Einkristall 104a oder 104b geschnitten wird, hat die Oberfläche des sich ergebenden LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats 106a oder 106b keine Domänenstruktur, wie in den Fig. 1C und 1E gezeigt ist.
Wie in Fig. 1F gezeigt ist, weist, wenn ein Dünnfilm 107 bestehend aus einem Nitrit-Halbleiter auf der Grundlage von GaN auf dem LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat 106a, das keine Domänenstruktur besitzt, aufgewachsen wird, der Dünnfilm 107 eine höchst zufriedenstellende Gitteranpassung an den LiGaO&sub2;-Einkristall, so daß die Versetzung in dem aufgewachsenen Dünnfilm 107 reduziert werden kann. Die Verwendung des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats 106a mit dem aus einem Nitrit- Halbleiter bestehenden Dünnfilm 107 auf diesem ermöglicht, eine Vorrichtung zu erhalten, welche ausgezeichnete Eigenschaften besitzt, da die Versetzung reduziert werden konnte.

[Beispiel 1]

Die Fig. 1B und 1C erläutern das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beim Beispiel 1 wurden beim Kristallwachstum unter Verwendung des Ziehverfahrens Kristalle innerhalb des Bereichs eines Winkelbereichs von 30º gegenüber b- Achsen(010)-Richtung hochgezogen, um LiGaO&sub2;- Einkristalle wachsen zu lassen, und c-Ebenen- Substrate wurden aus den Einkristallen geschnitten.
Genauer gesagt, Lithiumkarbonat (Li&sub2;CO&sub3;) mit einer Reinheit von 99,999% und Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;) wurden in einem stöchiometrischen Verhältnis gemischt. LiGaO&sub2;, das durch Sintern der Mischung bei 1300ºC während 20 Stunden erhalten wurden, wurde gemahlen, um ein Quellenmaterial herzustellen. Dieses Quellenmaterial wurde in einen Iridiumtiegel eingebracht und durch Hochfrequenzerwärmung geschmolzen. Als Nächsten wurde der Kristallkeim in der b-Achsen(010)-Richtung geschnitten, um die b-Ebene freizulegen. Der Kristallkeim wurde in die Schmelze so eingetaucht, daß die b-Ebene parallel zu der Schmelzenoberfläche verlief, und langsam nach oben gezogen, um jeden Einkristall wachsen zu lassen. Beim Kristallwachstum durch das Ziehverfahren kann, wenn die Orientierung des Kristallkeims vorher bestimmt ist, ein Kristall mit derselben Orientierung wie der des Kristallkeims gewachsen werden.
Der gewachsene Einkristall wurde entfernt und bei etwa 800ºC während etwa 20 Stunden geglüht, um die Verzerrungen in dem gewachsenen Einkristall herabzusetzen.
Die Achse wurde so eingestellt, daß die c-Ebene von dem Einkristall freigelegt wurde, der Kristall wurde auf eine Dicke von etwa 0,5 mm geschnitten, und die Oberfläche der c-Ebene wurde mechanisch poliert unter Verwendung von Aluminiumoxidpulver als Schleifmittel.
Die Oberfläche wurde unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure in einer zweckmäßigen Konzentration geätzt und die Polarität der sich ergebenden Substratoberfläche wurde bestimmt.
Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Einzeldomänenverhältnis der Polarität auf der Substratoberfläche, die durch das obige Verfahren erhalten wurde, und die Orientierung des Kristallkeims wurde als der Keim für den Einkristall verwendet. In Tabelle 1 ist Winkel 1 der von der b-Achse des Kristallkeims in der a-Achsenrichtung gemessene Winkel, und Winkel 2 ist der von der b-Achse in der c-Achsenrichtung gemessene Winkel. Tabelle 1
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, kann, wenn der Kristallkeim, der innerhalb des Winkelbereichs von 30º von der b-Achsen(010)-Richtung geschnitten ist, zum Hochziehen des Kristalls verwendet wird, ein Li- GaO&sub2;-Einkristall mit einer Einzeldomänenstruktur gewachsen werden.

[Beispiel 2]

Die Fig. 1D und 1E erläutern das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Beim Beispiel 1 wurde der Einkristall, der in der b-Achsen(010)-Richtung geschnitten war, zum Hochziehen des Kristalls verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Ein in der a-Achsenrichtung geschnittener Kristallkeim kann verwendet werden, um einen Einkristall durch das Ziehverfahren (CZ-Verfahren) wachsen zu lassen.
Genauer gesagt, Lithiumkarbonat (Li&sub2;CO&sub3;) mit einer Reinheit von 99,999% und Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;) wurden in einem stöchiometrischen Verhältnis gemischt. LiGaO&sub2;, das durch Sintern der Mischung bei 1300ºC während 20 Stunden erhalten wurde, wurde gemahlen, um ein Quellenmaterial herzustellen. Dieses Quellenmaterial wurde in einen Iridiumtiegel eingebracht und durch Hochfrequenzerwärmung geschmolzen. Als Nächstes wurde der Kristallkeim in der a-Achsen(100)-Richtung geschnitten, um die a-Ebene freizulegen. Der Kristallkeim wurde so in die Schmelze eingetaucht, daß die a-Ebene parallel zu der Schmelzenoberfläche verlief, und langsam nach oben gezogen, um jeden Einkristall wachsen zu lassen.
Jeder gewachsene Einkristall wurde entfernt und bei etwa 800ºC während etwa 20 Stunden geglüht, um die Versetzungen in dem gewachsenen Einkristall zu verringern.
Die Achse wurde derart eingestellt, daß die c-Ebene von dem Einkristall freigelegt wurde, der Kristall wurde auf eine Dicke von etwa 0,5 mm geschnitten, und die Oberfläche der c-Ebene wurde mechanisch poliert unter Verwendung von Aluminiumoxidpulver als Schleifmittel.
Die Oberfläche wurde unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure mit einer geeigneten Konzentration geätzt, und die Polarität der sich ergebenden Substratoberfläche wurde bestimmt.
Tabelle 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Einzeldomänenverhältnis der Polarität auf der Substratoberfläche, die durch das obige Verfahren erhalten wurde, und die Orientierung des Kristallkeims, der als Keim für den Einkristall verwendet wurde. In Tabelle 2 ist Winkel 3 der Winkel, der von der a-Achse des Kristallkeims in der b-Achsenrichtung gemessen wurde, und Winkel 4 ist der Winkel, der von der a-Achse in der c-Achsenrichtung gemessen wurde.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, kann, wenn der Kristallkeim, der innerhalb des Winkelbereichs von 30º von der a-Achsen(100)-Richtung geschnitten ist, zum Hochziehen des Kristalls verwendet wird, ein LiGaO&sub2;-Einkristall mit einer Einzeldomänenstruktur gewachsen werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann, wenn das Ätzen unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure mit einer geeigneten Konzentration durchgeführt wird, die Polarität der sich ergebenden Substratoberfläche bestimmt werden. Dies wird im Einzelnen beschrieben.
Wie im Beispiel 1 beschrieben ist, wird der Kristallkeim, der in der b-Achsen(010)-Richtung geschnitten ist, zum Wachsen jedes LiGaO&sub2;-Einkristalls nach dem Ziehverfahren verwendet, und die c-Ebene wird aus diesem Einkristall geschnitten, wodurch ein LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrat, das die c-Ebene mit einer Einzeldomänenstruktur an seiner Oberfläche hat, gebildet wird. Andererseits wird jeder LiGaO&sub2;-Einkristall gewachsen unter Verwendung eines in der c- Achsenrichtung geschnittenen Kristallkeims, wie beim Stand der Technik, und die c-Ebene wird aus diesem Einkristall geschnitten, wodurch das LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrat mit einer Domänenstruktur an seiner Oberfläche gebildet wird. Bei diesem Einkristallsubstrat mit der Domänenstruktur sind -c und +c- Bereiche nahezu jeweils zur Hälfte vorhanden. Die Oberfläche des Einkristallsubstrats mit der Domänenstruktur wird nachfolgend als Domänen-c-Ebene bezeichnet.
Das Einkristallsubstrat mit der Einzeldomänenstruktur wird in eine wässrige Lösung von Salpetersäure (HNO&sub3; : H2O = 1 : 1) bei 150ºC während einer Minute eingetaucht, um die Oberfläche des Einkristallsubstrats zu ätzen. Eine c-Ebene, welche leicht geätzt wird, wird als Oberfläche A bezeichnet, und eine c- Ebene, welche schwer geätzt wird, wird als eine Oberfläche B bezeichnet.
Die Oberfläche A wird mit einer höheren Geschwindigkeit geätzt, die zumindest um eine Größenordnung höher ist als die bei der Oberfläche B. Wenn das Ätzen fortschreitet, wird ein relativ großes rautenförmiges Mesamuster (Ätzmuster) an der Oberfläche A erzeugt. Andererseits wird ein feines elliptisches Mesamuster (Ätzmuster) an der Oberfläche B erzeugt. Daher können die Oberflächen A und B des Einkristallsubstrats auf der Grundlage des Unterschieds im Ätzmuster unterschieden werden. Bei der vorbeschriebenen Domänen-c- Ebene sind die Oberflächen A und B jeweils nahezu zur Hälfte vorhanden.
Ein GaN-Dünnfilm wurde epitaxial jeweils auf die Domänen-c-Ebene, die Oberfläche A und die Oberfläche B aufgewachsen. Dieses epitaxiale Wachstum wurde durchgeführt durch eine Molekularstrahl-Epitaxie, während die Substrattemperatur auf 750ºC eingestellt war und Stickstoffradikale und eine Galliumströmung von einer Radikalen-Strahlungsquelle auf jede Substratoberfläche, auf welcher der Film zu bilden war, aufgestrahlt wurden. Der gewachsene GaN-Dünnfilm wurde gekennzeichnet durch RHEED (Hochenergieelektronen-Beugung) und Röntgenstrahlenbeugung, und es wurde bestätigt, daß der GaN-Dünnfilm GaN vom Wurzit-Typ war.
Das Verhältnis einer Fläche, auf der der GaN-Dünnfilm auf jeder Substratoberfläche aufgewachsen wurde, wurde beobachtet. Tabelle 3 zeigt das Ergebnis. Tabelle 3
Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, wuchs kein GaN-Kristall auf der Oberfläche A. Die Beobachtung des Kristallwachstumsvorgangs offenbarte, daß der auf der Oberfläche A gebildete GaN-Dünnfilm sofort abgeschält wurde.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, wächst der GaN-Kristall auf der Oberfläche B, welche kaum durch eine wässrige Lösung von Salpetersäure geätzt wird, während kein GaN-Kristall auf der Oberfläche A wächst, welche leicht geätzt werden kann.
Daher kann eine Oberfläche, welche kaum geätzt wird bei Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure, als eine Oberfläche bestimmt werden, auf der der GaN-Dünnfilm wachsen kann.
Auf der vorbeschriebenen Oberfläche B ist der aufgewachsene GaN-Dünnfilm aus einem Material, welches am zufriedenstellendsten eine Gitteranpassung an den LiGaO&sub2;-Einkristall ergibt, so daß die Versetzung auf dem aufgewachsenen GaN-Dünnfilm herabgesetzt werden kann. Die Verwendung der vorbeschriebenen Oberfläche B des LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrats mit einem Dünnfilm, der aus einem Nitrit-Halbleiter wie einem GaN-Film besteht, auf diesem ermöglicht, eine Vorrichtung mit ausgezeichneten Eigenschaften zu erhalten, bei der die Versetzung herabgesetzt werden kann.
Eine detailliertere Untersuchung der Oberfläche, die durch eine wässrige Lösung von Salpetersäure mit einer hohen Geschwindigkeit geätzt wurde und die mit einer geringen Geschwindigkeit geschmolzen wurde, offenbarte, daß die Oberfläche A eine Sauerstoffoberfläche war, und die Oberfläche B eine Metalloberfläche enthaltend Lithium und Gallium war. Bei dieser Untersuchung wurde ein koaxiale Direktkollisions- Ionenzersteuungs-Spektroskopie verwendet, bei der Heliumionen mit der Substratoberfläche kollidieren, und die Flugzeit bei der Ionenzerstreuung wurde gemessen, wodurch die Atomarten auf der Substratoberfläche identifiziert wurden.
Genauer gesagt, die c-Ebene des LiGaO&sub2;-Einkristalls, welche kaum geätzt wird, ist eine Metalloberfläche, und die c-Ebene, welche leicht geätzt wird, ist eine Sauerstoffoberfläche. Dies ist auch anwendbar auf einen Fall, bei welchem ein AlN-Dünnfilm oder ein InN- Dünnfilm aufgewachsen wird, wobei Al oder In als Strömungsquelle verwendet werden.
Bei dem obigen Beispiel wird der Kristall auf dem LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat durch Molekularstrahl- Epitaxie aufgewachsen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Selbst wenn ein GaN-Dünnfilm durch ein metallorganisches CVD- Verfahren (MOCVD) unter Verwendung von Trimethylgallium als einer Ga-Quelle und Ammoniak als einer N- Quelle aufgewachsen wurde, während ein Stickstoffgas als Trägergas zugeführt wurde, wurde dieselbe Wirkung wie vorstehend beschrieben, erhalten.
Bei dem obigen Beispiel wurde HNC&sub3; : H&sub2;O = 1 : 1 als die wässrige Lösung von Salpetersäure verwendet. Jedoch selbst wenn HNO&sub3; : H&sub2;O = 2 : 2 bis 1 : 2 verwendet wurde, konnte dieselbe Feststellung wie vorstehend beschrieben, gemacht werden. Obgleich die Ätzgeschwindigkeit von der Temperatur eines Ätzmittels abhängt, kann die Temperatur des Ätzmittels innerhalb des Bereichs von 100ºC bis 250ºC eingestellt werden. Bei höheren Temperaturen wird die Ätzgeschwindigkeit zu hoch und das Ätzmuster wird unbestimmt, so daß keine genaue Feststellung getroffen werden kann.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung der LiGaO&sub2;-Kristallkeim, der in der Richtung des Winkelbereichs von 30º von der b- Achsen(010)- oder der a-Achsen(100)-Richtung geschnitten ist, in die LiGaO&sub2;-Schmelze eingetaucht, und der Kristallkeim wird nach dem CZ-Verfahren nach oben gezogen, wodurch der LiGaO&sub2;-Einkristall wächst.
Daher hat der gewachsene Einkristall eine Einzeldomänenstruktur.
Bei dem Verfahren zum Einstellen des Einkristallsubstrats nach der vorliegenden Erfindung wird der Li- GaO&sub2;-Kristallkeim, der in der Richtung des Winkelbereichs von 30º von der b-Achsen(010)- oder a- Achsen(100)-Richtung geschnitten ist, in die LiGaO&sub2;- Schmelze eingetaucht, und der Kristallkeim wird durch das CZ-Verfahren nach oben gezogen. Die c-Ebene wird von dem sich ergebenden LiGaO&sub2;-Einkristall geschnitten, wodurch das LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat mit einer Hauptfläche entsprechend der c-Ebene gebildet wird.
Zusätzlich werden die beiden Oberflächen des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure geätzt, und eine Oberfläche, bei der die Ätzgeschwindigkeit niedrig ist, wird verwendet, um einen Nitrithalbleiter-Dünnfilm epitaxial aufzuwachsen.
Daher hat der gesamte Bereich der Oberfläche des sich ergebenden Substrats eine Einzeldomänenstruktur. Die Oberfläche, bei die Ätzgeschwindigkeit niedrig ist, ist eine Metalloberfläche, die Lithium und Gallium enthält.
Bei der vorliegenden Erfindung kann ein auf Galliumnitrit basierender Halbleiter gleichförmig auf der LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat-Oberfläche gebildet werden. Zusätzlich kann, da die Gitterversetzung zwischen dem auf Galliumnitrit basierenden Halbleiter und dem LiGaO&sub2;-Einkristall klein ist, ein epitaxialer Dünnfilm aus auf Galliumnitrit basierendem Halbleiter mit einer niedrigeren Versetzungsdichte gebildet werden.

Claims

1. Ein LiGaO&sub2;-Einkristall, der nach dem Czochralskl-Verfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine kristallografische Achse als eine Ziehrichtung hat, die innerhalb eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)-Richtung eingestellt ist.

2. Ein LiGaO&sub2;-Einkristall, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine kristallografische Achse als eine Ziehrichtung hat, die innerhalb eines Winkelbereichs von 30º von einer a-Achsen(100)- Richtung eingestellt ist.

3. Ein LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

einen LiGaO&sub2;-Einkristall, der nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt ist und eine kristallografische Achse als eine Ziehrichtung aufweist, die innerhalb eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)-Richtung eingestellt ist,

wobei eine Hauptfläche einer c-Ebene entspricht.

4. Ein LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

einen LiGaO&sub2;-Einkristall, der durch das Czochralski-Verfahren hergestellt wurde und eine kristallografische Achse als eine Ziehrichtung aufweist, die innerhalb eines Winkelbereichs von 30º von einer a-Achsen(100)-Richtung eingestellt wurde,

worin eine Hauptfläche einer c-Ebene entspricht.

5. Substrat gemäß Anspruch 3, worin ein dünner Film bestehend aus einem Nitriergemisch-Halbleiter auf der Hauptfläche gebildet ist.

6. Substrat nach Anspruch 4, worin ein dünner Film bestehend aus einem Nitriergemisch-Halbleiter auf der Hauptfläche gebildet ist.

7. Substrat nach Anspruch 5, worin der Nitriergemisch-Halbleiter aus einem auf GaN basierenden Material besteht.

8. Substrat nach Anspruch 6, worin der Nitriergemisch-Halbleiter aus einem auf GaN basierenden Material besteht.

9. Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;- Einkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)-Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze und Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen LiGaO&sub2;-Einkristalls zu bewirken.

10. Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;- Einkristalls, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer a-Achsen(100)-Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze und Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen LiGaO&sub2;-Einkristalls zu bewirken.

11. Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer b-Achsen(010)-Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze, Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen des LiGaO&sub2;-Einkristalls zu bewirken, und Schneiden einer c-Ebene von dem Einkristall, um das LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat zu erhalten, welches eine Hauptfläche entsprechend der c-Ebene aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiter aufweisend das Ätzen von zwei Oberflächen des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure und Verwendung einer Oberfläche, bei der eine Ätzgeschwindigkeit relativ gering ist, um einen Nitridhalbleiter-Dünnfilm epitaxial aufzuwachsen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin eine Zusammensetzung der wässrigen Lösung von Salpetersäure innerhalb eines Bereichs von HNO&sub3; : H&sub2;O = 2 : 1 zu 1 : 2 eingestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, worin eine Temperatur der wässrigen Lösung von Salpetersäure, die zum Ätzen verwendet wird, innerhalb eines Bereichs von 100ºC bis 250ºC eingestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend das Ätzen von zwei Oberflächen des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure und Verwendung einer Oberfläche, an der ein elliptisches Mesamuster erzeugt wird, um einen Nitridhalbleiter-Dünnfilm epitaxial aufzuwachsen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, worin eine Zusammensetzung der wässrigen Lösung von Salpetersäure innerhalb eines Bereichs von HNO&sub3; : H&sub2;O = 2 : 1 zu 1 : 2 eingestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, worin eine Temperatur der wässrigen Lösung von Salpetersäure, die zum Ätzen verwendet wird, innerhalb eines Bereichs von 100ºC bis 250ºC eingestellt wird.

18. Verfahren zum Herstellen eines LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats, dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

Einführen eines LiGaO&sub2;-Kristallkeims, der in einer Richtung eines Winkelbereichs von 30º von einer a-Achsen(100)-Richtung geschnitten wurde, in eine LiGaO&sub2;-Schmelze, Ziehen des Kristallkeims nach dem Czochralski-Verfahren, um das Wachsen des LiGaO&sub2;-Einkristalls zu bewirken, und Schneiden einer c-Ebene von dem Einkristall, um das LiGaO&sub2;-Einkristallsubstrat zu erhalten, welches eine Hauptfläche entsprechend der c-Ebene aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin aufweisend das Ätzen von zwei Oberflächen des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure und Verwendung einer Oberfläche, an der eine Ätzgeschwindigkeit relativ gering ist, um einen Nitridhalbleiter-Dünnfilm epitaxial aufzuwachsen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, worin eine Zusammensetzung der wässrigen Lösung von Salpetersäure innerhalb eines Bereichs von HNO&sub3; : H&sub2;O = 2 : 1 zu 1 : 2 eingestellt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19, worin eine Temperatur der wässrigen Lösung von Salpetersäure, die zum Ätzen verwendet wird, innerhalb eines Bereichs von 100º bis 250ºC eingestellt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin aufweisend das Ätzen von zwei Oberflächen des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Salpetersäure und Verwendung einer Oberfläche, an der ein elliptisches Mesamuster erzeugt wird, um einen Nitridhalbleiter-Dünnfilm epitaxial aufzuwachsen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, worin eine Zusammensetzung der wässrigen Lösung von Salpetersäure innerhalb eines Bereichs von HNO&sub3; : H&sub2;O = 2 : 1 bis 1 : 2 eingestellt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22, worin eine Temperatur der wässrigen Lösung der zum Ätzen verwendeten Salpetersäure innerhalb eines Bereichs von 100ºC bis 250ºC eingestellt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin aufweisen das Aufwachsen eines Nitridhalbleiter-Dünnfilms auf einer Oberfläche des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats.

26. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin aufweisend das Aufwachsen eines Nitridhalbleiter-Dünnfilms auf einer Oberfläche des LiGaO&sub2;- Einkristallsubstrats.