JP2012166995A - 積層基板及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】結晶性の炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１としてサファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板の上に結晶性のＧａＮ層１０、結晶性のＡｌＣ層２０を順次積層して配置した
積層基板１００であって、炭化アルミニウムの結晶の成長条件としては、アルミニウムを含むガスとしてトリメチルアルミニウムと、炭素を含むガスとしてメタンを供給し、有機金属気相成長法により成長させる。成長温度としては７００℃以上が好ましく、さらには１１００℃以上が好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板及びその製造方法に関する。特に、本発明は、結晶性の炭化アルミニウム層を形成した積層基板及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を用いた発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、信号機や液晶パネルのバックライト等の様々な機器に利用されている。２６０〜２９０ｎｍ、３６０〜６００ｎｍの波長帯で使用されるＡｌＧａＩｎＮ系ＬＥＤは、３６０ｎｍより短波長帯（３００〜３４０ｎｍ）においてＡｌＧａＮ系を活性層とする材料が使用可能であることから、長らくＡｌｘＧａ１−ｘＮ系の開発が行われてきた。２８０ｎｍの波長帯では、１０％以上の外部取り出し効率が得られている。
しかし、ＡｌＧａＮは割れ易く、転位密度が高いことから、３６０ｎｍ以下、３００ｎｍ以上の波長帯に用いる材料の開発は進んでいない。これまでの報告では、３００〜３５０ｎｍの波長帯でのＬＥＤの外部取り出し効率は僅か８％であった。
一般に、周期率表で上部に属する原子は、短波長で発光する。最も発光波長が短い材料はＢ、ＮあるいはＣであるが、これらは成長に２５００℃以上の高温が必要であることから、汎用発光材料には適さない。これらに準じる材料としては、ＡｌＮが挙げられる。ＡｌＮは短波長（λ＝２１０ｎｍ）で発光する材料として研究が進められている。しかし、ＡｌＧａＮについては、上述したように、外部取り出し効率が低いという問題があった。
一方、炭化アルミニウム（Ａｌ４Ｃ３、以下、ＡｌＣという）は、室温で高い電気抵抗と高い熱伝導性を併せ持ち、アルミニウム関連技術において重要な化合物とされている。ＡｌＣと類似のアルミニウム化合物であるＡｌＣＮが、広いバンドギャップと高い化学的安定性、高い硬度を持ち、超小型電子技術、光電子技術など様々な産業に応用可能であることから、ＡｌＣについても同様の可能性が期待される。ＡｌＣは、ＩＩＩ−ＩＶ属という特殊な材料で、一般には、ナノ加工材料として知られている。
ＡｌＣを半導体基板、特にＬＥＤの分野で利用するには、結晶性に優れた薄膜を得る必要がある。しかし、現在までにＡｌＣを結晶薄膜とした材料についての報告は少なく、開発が進んでいないのが現状である。これまでは、ＡｌＣの非結晶薄膜が報告されているのみであった（非特許文献１）。
L.Yate et al., Surface and Coatings Technology, 203, 1904 (2009).
ＡｌＣを特にＬＥＤの分野で利用するには、ＡｌＣ層と、ＧａＮ層とを積層した積層基板が必要となるが、上述したように、従来はＡｌＣを結晶薄膜とすることが困難であったことから、これまで、ＡｌＣ層とＧａＮ層との積層基板の開発がなされてこなかった。
本発明は、結晶性の炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明の一実施形態によると、窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有することを特徴とする積層基板が提供される。
前記積層基板は、窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに含んでもよい。
前記積層基板において、前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されてもよい。
前記積層基板において、前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、前記サファイア基板のｃ面に形成されてもよい。
前記積層基板において、前記窒化ガリウム層と前記炭化アルミニウム層とは、前記窒化アルミニウム層を介して対向して形成されてもよい。
また、本発明の一実施形態によると、第１の窒化アルミニウム層と、第２の窒化アルミニウム層とを有し、前記第１の窒化アルミニウム層と、前記第２の窒化アルミニウム層とは炭化アルミニウム層を介して対向して形成されることを特徴とする積層基板が提供される。
また、本発明の一実施形態によると、窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有することを特徴とする半導体装置が提供される。
前記半導体装置は、窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに含んでもよい。
前記半導体装置において、前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されてもよい。
前記半導体装置において、前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、前記サファイア基板のｃ面に形成されてもよい。
前記半導体装置において、前記窒化ガリウム層と前記炭化アルミニウム層とは、前記窒化アルミニウム層を介して対向して形成されてもよい。
また、本発明の一実施形態によると、第１の窒化アルミニウム層と、第２の窒化アルミニウム層とを有し、前記第１の窒化アルミニウム層と、前記第２の窒化アルミニウム層とは炭化アルミニウム層を介して対向して形成されることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本発明の一実施形態によると、窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する積層基板の製造方法であって、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする積層基板の製造方法が提供される。
前記積層基板の製造方法において、窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに形成してもよい。
また、本発明の一実施形態によると、窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する積層基板の製造方法であって、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする積層基板の製造方法が提供される。
前記積層基板の製造方法において、前記炭化アルミニウム層は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
前記積層基板の製造方法において、前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されてもよい。
前記積層基板の製造方法において、前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
前記積層基板の製造方法において、前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであってもよい。
前記積層基板の製造方法において、前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
前記積層基板の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させてもよい。
前記積層基板の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させてもよい。
また、本発明の一実施形態によると、窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する半導体装置の製造方法であって、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
前記半導体装置の製造方法において、窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに形成してもよい。
また、本発明の一実施形態によると、窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する半導体装置の製造方法であって、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
前記半導体装置の製造方法において、前記炭化アルミニウム層は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
前記半導体装置の製造方法において、前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されてもよい。
前記半導体装置の製造方法において、前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
前記半導体装置の製造方法において、前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであってもよい。
前記半導体装置の製造方法において、前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させてもよい。
前記半導体装置の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させてもよい。
前記半導体装置の製造方法において、前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させてもよい。
本発明によると、結晶性の炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板及びその製造方法が提供される。
本発明の一実施形態に係る積層基板１００を示す模式図であり、（ａ）は積層基板１００の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の丸で囲んだ一部分の拡大図である。 本発明の一実施形態に係る積層基板２００を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る積層基板３００を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る積層基板４００を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置１０００を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置２０００を示す模式図である。 本実施例における積層基板１００の製造条件を示す図である。 本発明の一実施例に係る積層基板１００のＳＥＭ像であり、（ａ）は積層基板１００のＡｌＣ層２０の上面図、（ｂ）は（ａ）の一部の拡大図、（ｃ）は積層基板１００の鳥瞰図である。 本発明の一実施例に係る積層基板１００のＸＲＤの測定結果を示す図である。
以下に本発明の結晶性の炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板、半導体装置及びその製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の結晶性の炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板、半導体装置及びその製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本発明者は、結晶性の炭化アルミニウム層（以下、ＡｌＣ層という）を得るべく、原料、製造条件等を鋭意検討した結果、サファイア基板のｃ面に結晶性のＡｌＣ層を成長させることを実現した。本発明は、結晶性のＡｌＣ層を窒化ガリウム層（以下、ＧａＮ層という）や窒化アルミニウム層（以下、ＡｌＮ層という）の上層に形成することにより積層基板を製造し、半導体分野、特にＬＥＤの分野で利用可能とするものである。
本発明に係る積層基板は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）、カソードルミネッセンス（ＣＬ）、透過測定により評価することができる。
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る積層基板１００を示す模式図である。図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る積層基板１００の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の丸で囲んだ一部分の拡大図である。積層基板１００は、基板１、結晶性のＧａＮ層１０、結晶性のＡｌＣ層２０を順次積層して配置した基板である。本実施形態において、基板１としてサファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板を用いることができる。また、基板１としてサファイア基板を用いる場合には、サファイア基板のｃ面にＧａＮ層１０を形成するのが好ましい。
本実施形態に係る積層基板１００においては、ＧａＮ層１０の膜厚は０．５μｍ以下が好ましく、より好ましくは膜厚が０．１μｍ以下である。膜厚が０．１μｍ以下のＧａＮ層１０においては、ＧａＮ結晶１１が基板１の表面に点在するように配置される。
一般にＡｌ４Ｃ３は黄色味を帯びており、ＧａＮ層１０の上面にＡｌＣ層２０を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、ＳＥＭ観察において、ＧａＮ層１０の上層に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板上にＡｌＣ層２０が形成されていることを確認することができる。
本実施形態に係る積層基板１００は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、積層基板１００は、基板１、ＧａＮ層１０に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、サファイア基板１０のｃ面上にＧａＮ層１０およびＡｌＣ層２０を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークと、ＧａＮに由来する３１°付近および３４°付近のピークとを検出することもある。
本実施形態に係る積層基板１００は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれＡｌＣ層２０に確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ層２０中に均一に分散していることが好ましい。
本実施形態に係る積層基板１００は、ＣＬ測定において、ＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
透過測定において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係るＡｌＣ層２０は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
以上説明したように、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、本発明に係る積層基板１００は、以上のような特性を有する結晶性のＡｌＣ層２０をＧａＮ層１０の上層に形成することができる。また、本発明に係る積層基板１００は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（製造方法）
上述した積層基板１００の製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係る積層基板１００の製造方法、特にＡｌＣ層２０の形成においては、有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）を用いることが好ましい。本実施形態においては、ＧａＮ層１０の上面にＡｌＣ結晶を成長させて、ＡｌＣ層２０を形成する。
上述したように、基板１としては、半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができる。基板１としては、例えば、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板を用いることができる。基板１としてサファイア基板を用いる場合、ＧａＮ層１０やＡｌＣ層２０を形成するサファイア基板１の上面は、ｃ面とすることが望ましい。
（ＧａＮ層の形成）
基板１の上面にＧａＮ層１０を形成する原料には、窒素を含むガスと、ガリウムを含むガスとを、それぞれ用いる。窒素を含むガスとしてはアンモニア（NH3）を、ガリウムを含むガスとしてはトリメチルガリウム（Ga(CH3)3；以下、ＴＭＧという）を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
本実施形態に係るＧａＮ層１０のＧａＮ結晶の成長条件としては、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ以上１００μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、アンモニアを４０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上１ｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＧａＮ結晶の成長温度は９００℃以上１１００℃以下である。本実施形態に係る積層基板１００の製造においては、ＧａＮ層１０は０．５μｍ以下の膜厚が好ましく、より好ましくは膜厚が０．１μｍ以下である。ＧａＮ層１０がこの範囲の膜厚よりも厚いとＧａＮ結晶の転位が多くなり、ＡｌＣ層２０を形成するときに、原料ガスに含まれる炭素がＧａＮ結晶の転位を介してＧａＮ層１０に混入し、好ましくない。
本実施形態に係る積層基板１００の製造においては、ＧａＮ層１０を形成した基板１を用いて、ＧａＮ層１０の上層にＡｌＣ層２０を形成する。このとき、ＡｌＣ結晶の成長温度に達するまでの間、ＴＭＧとアンモニアとを製造雰囲気中に供給することが好ましい。このように昇温中にＴＭＧとアンモニアを供給することにより、ＧａＮ層１０から窒素が抜けるのを防止することができる。
（ＡｌＣ層の形成）
ＡｌＣ層２０を形成する原料には、炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。炭素を含むガスとしてはメタン（CH4）を、アルミニウムを含むガスとしてはトリメチルアルミニウム（(CH3)3Al；以下、ＴＭＡという）を用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
本実施形態に係るＡｌＣ層２０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ層２０の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。
本実施形態に係る積層基板は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、結晶性のＡｌＣ層を形成することができる。また、本発明に係る積層基板は、ＧａＮ層上に結晶性のＡｌＣ層を形成することができる。従って、上述のようなＡｌＣ層の特性を有する積層基板を実現することができる。また、本発明に係る積層基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（実施形態２）
実施形態１において説明したように、ＭＯＣＶＤ法により１０００℃以上の高温条件下でＡｌＣ層を形成すると、原料ガスの炭素がＧａＮ層中に拡散する現象が見られる。本発明者は、ＡｌＣ層２０の上層にＡｌＮ層３０を例えば２０ｎｍの膜厚で形成し、さらに、その上層にＧａＮ層１０を形成する場合、ＧａＮ層１０の膜厚が１μｍ以下であれば積層基板２００を形成可能であることを見出した。本実施形態においては、ＧａＮ層への炭素の拡散を防ぐため、ＧａＮ層１０とＡｌＣ層２０との間に結晶性の窒化アルミニウム層（以下、ＡｌＮ層という）３０を配置する例を説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る積層基板２００を示す模式図である。積層基板２００は、基板１、結晶性のＡｌＣ層２０、結晶性のＡｌＮ層３０、結晶性のＧａＮ層１０を順次積層して配置した基板である。
ここで、本実施形態に係る積層基板２００が製造可能となる原理について説明する。ＡｌＣ層２０の形成においてＡｌＣ結晶の成長温度は１２００℃であり、ＧａＮ層１０の形成においてＧａＮ結晶の成長温度は１０５０℃、ＡｌＮ層３０の形成においてＡｌＮ結晶の成長温度は１３００℃である。１０００℃以上では炭素原子は、ＳＰ２とπ電子を持ち２次元の配列を有するため、ＧａＮ層１０へ拡散する。ＧａＮ結晶の成長温度は１０５０℃であり、ＡｌＣ結晶の成長温度より低い。このため、ＡｌＣ層２０とＧａＮ層１０の界面ではＣ−Ｎ結合ができるが、炭素はＳＰ３になるよりもＳＰ２とπ電子を好む傾向があり、２次元配列を取りやすい。一方、ＡｌＮ結晶は、成長温度が１３００℃と高く、ＡｌＮ結晶中の窒素は安定である。このため、ＡｌＣ層２０の形成における原料ガスに含まれる炭素は、ＡｌＮ結晶中には混入しにくい。
一般にＡｌ４Ｃ３は黄色味を帯びており、ＡｌＮ層３０の上面にＡｌＣ層２０を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、ＳＥＭ観察において、ＡｌＮ層３０の上層に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板上にＡｌＣ層２０が形成されていることを確認することができる。
本実施形態に係る積層基板２００は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、積層基板２００は、基板１、ＧａＮ層１０に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、サファイア基板１０のｃ面上にＧａＮ層１０、ＡｌＮ層３０およびＡｌＣ層２０を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークと、ＧａＮに由来する３１°付近および３４°付近のピークを検出することもある。
本実施形態に係る積層基板２００は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれＡｌＣ層２０に確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ層２０中に均一に分散していることが好ましい。
本実施形態に係る積層基板２００は、ＣＬ測定において、ＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
透過測定において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係るＡｌＣ層２０は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、このようなＧａＮ層１０とＡｌＣ層２０との間にＡｌＮ層３０を配置した積層基板２００は、実施形態１で説明したような特性を有する結晶性のＡｌＣ層２０を形成することができる。また、本発明に係る積層基板２００は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（製造方法）
上述した積層基板２００の製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係る積層基板１００の製造方法においては、ＭＯＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施形態においては、基板１、ＡｌＣ層２０、ＡｌＮ層３０、ＧａＮ層１０を順次積層する。上述したように、基板１としては、半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができ、実施形態１と同様であるため説明は省略する。
（ＡｌＣ層の形成）
基板１の上面にＡｌＣ層２０を形成する原料には、実施形態１と同様に、炭素を含むガスとしてメタンを、アルミニウムを含むガスとしてＴＭＡを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。本実施形態に係るＡｌＣ層２０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ層２０の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。
（ＡｌＮ層の形成）
ＡｌＮ層３０を形成する原料には、窒素を含むガスとアルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。窒素を含むガスとしてはアンモニア（NH3）を、アルミニウムを含むガスとしてはＴＭＡを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
本実施形態に係るＡｌＮ層３０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、アンモニアを４０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上１ｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＮ結晶の成長温度は１３００℃以上が好ましい。ＡｌＮ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＮ層３０の厚さに依存するが、例えば、６秒から１時間程度である。
（ＧａＮ層の形成）
ＧａＮ層１０を形成する原料には、窒素を含むガスとしてアンモニアを、ガリウムを含むガスとしてＴＭＧを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。本実施形態に係るＧａＮ層１０のＧａＮ結晶の成長条件としては、ＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ以上８０μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、アンモニアを４０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上１ｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＧａＮ結晶の成長温度は９００℃以上１１００℃以下である。本実施形態に係る積層基板２００の製造においては、ＧａＮ層１０は１μｍ以下の膜厚が好ましく、より好ましくは膜厚が０．１μｍ以下である。
本実施形態に係る積層基板は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、結晶性のＡｌＣ層を形成することができる。また、本発明に係る積層基板は、ＡｌＣ層とＧａＮ層との間にＡｌＮ層を形成することにより、ＧａＮ層中への炭素の拡散を防止することができる。従って、上述のようなＡｌＣ層の特性を有する積層基板を実現することができる。また、本発明に係る積層基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（実施形態３）
実施形態２においては、ＡｌＣ層とＧａＮ層との間にＡｌＮ層を形成することにより、ＧａＮ層中への炭素の拡散を防止した積層基板２００について説明したが、本実施形態においては、積層基板２００の上層に、さらに、ＡｌＮ層及びＡｌＣ層を積層した積層基板３００について説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る積層基板３００を示す模式図である。積層基板３００は、基板１、結晶性のＡｌＣ層２０、結晶性のＡｌＮ層３０、結晶性のＧａＮ層１０、結晶性のＡｌＮ層３０及び結晶性のＡｌＣ層２０を順次積層して配置した基板である。本実施形態の基板１は、実施形態１と同様であるため、説明は省略する。
本実施形態に係る積層基板３００は、成長温度が１０５０℃のＧａＮ結晶を成長させてＧａＮ層１０を形成した後に、成長温度が１３００℃のＡｌＮ結晶を成長させてＡｌＮ層３０を形成する。その後に成長温度が１２００℃のＡｌＣ結晶を成長させてＡｌＣ層２０を積層することにより、積層基板３００を製造する。ＡｌＮ結晶中の窒素は安定であるため、ＡｌＣ層２０の形成における原料ガスに含まれる炭素は、ＡｌＮ層３０及びＧａＮ層１０に混入することなく、積層基板３００が製造可能となる。
一般にＡｌ４Ｃ３は黄色味を帯びており、基板１やＡｌＮ層３０の上面にＡｌＣ層２０を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、ＳＥＭ観察において、基板１やＡｌＮ層３０の上層に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板上にＡｌＣ層２０が形成されていることを確認することができる。
本実施形態に係る積層基板３００は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、積層基板３００は、基板１、ＧａＮ層１０に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、サファイア基板１０のｃ面上にＡｌＣ層２０、ＡｌＮ層３０、ＧａＮ層１０、ＡｌＮ層３０およびＡｌＣ層２０を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークと、ＧａＮに由来する３１°付近および３４°付近のピークを検出することもある。
本実施形態に係る積層基板３００は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれＡｌＣ層２０に確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ層２０中に均一に分散していることが好ましい。
本実施形態に係る積層基板３００は、ＣＬ測定において、ＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
透過測定において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係るＡｌＣ層２０は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、このようなＧａＮ層１０とＡｌＣ層２０との間にＡｌＮ層３０を配置した積層基板３００は、実施形態１で説明したような特性を有する結晶性のＡｌＣ層２０を形成することができる。また、本発明に係る積層基板３００は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（製造方法）
上述した積層基板３００の製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係る積層基板３００の製造方法においては、ＭＯＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施形態においては、基板１、第１のＡｌＣ層２０、第１のＡｌＮ層３０、ＧａＮ層１０、第２のＡｌＮ層３０及び第２のＡｌＣ層２０を順次積層する。上述したように、基板１としては、半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができ、実施形態１と同様であるため説明は省略する。
（第１のＡｌＣ層の形成）
基板１の上面にＡｌＣ層２０を形成する原料には、実施形態１と同様に、炭素を含むガスとしてメタンを、アルミニウムを含むガスとしてＴＭＡを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。本実施形態に係るＡｌＣ層２０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ層２０の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。
（第１のＡｌＮ層の形成）
ＡｌＮ層３０を形成する原料には、窒素を含むガスとアルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。窒素を含むガスとしてはアンモニア（NH3）を、アルミニウムを含むガスとしてはＴＭＡを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
本実施形態に係るＡｌＮ層３０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、アンモニアを４０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上１ｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＮ結晶の成長温度は１３００℃以上が好ましい。ＡｌＮ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＮ層３０の厚さに依存するが、例えば６秒から１時間程度である。
（ＧａＮ層の形成）
ＧａＮ層１０を形成する原料には、窒素を含むガスとしてアンモニアを、ガリウムを含むガスとしてＴＭＧを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。本実施形態に係るＧａＮ層１０のＧａＮ結晶の成長条件としては、ＴＭＧを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ以上８０μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、アンモニアを４０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上１ｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＧａＮ結晶の成長温度は５００℃以上１０５０℃以下である。本実施形態に係る積層基板３００の製造においては、ＧａＮ層１０は１μｍ以下の膜厚が好ましく、より好ましくは膜厚が０．１μｍ以下である。
（第２のＡｌＣ層及び第２のＡｌＮ層の形成）
第２のＡｌＮ層３０及び第２のＡｌＣ層２０の形成方法は、第１のＡｌＣ層及び第１のＡｌＮ層の形成方法と同様であるため、説明は省略する。
本実施形態に係る積層基板は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、結晶性のＡｌＣ層を形成することができる。また、本発明に係る積層基板は、ＡｌＣ層とＧａＮ層との間にＡｌＮ層を形成することにより、ＧａＮ層中への炭素の拡散を防止することができる。従って、上述のようなＡｌＣ層の特性を有する積層基板を実現することができる。また、本発明に係る積層基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（実施形態４）
上述の実施形態においては、ＧａＮ層１０を有する積層基板について説明したが、本実施形態においては、第１のＡｌＮ層と第２のＡｌＮ層とが、ＡｌＣ層を介して対向して形成された積層基板４００について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る積層基板４００を示す模式図である。積層基板４００は、基板１、結晶性のＡｌＮ層３１、結晶性のＡｌＣ層２０、結晶性のＡｌＮ層３３を順次積層して配置した基板である。本実施形態の基板１は、実施形態１と同様であるため、説明は省略する。
本実施形態に係る積層基板４００は、基板１上に形成した第１のＡｌＮ層３１に例えばケイ素（Si）をドープし、ＡｌＣ層２０上に形成した第２のＡｌＮ層３３に例えばマグネッシウム（Mg）をドープする。このようにドーピングすることにより、第１のＡｌＮ層３１はｎ型半導体として機能し、第２のＡｌＮ層３３はｐ型半導体として機能させることができる。
一般にＡｌ４Ｃ３は黄色味を帯びており、ＡｌＮ層３１の上面にＡｌＣ層２０を形成すると、目視または光学顕微鏡観察により、黄色に変色していることが観察される。また、ＳＥＭ観察において、ＡｌＮ層３１の上層に結晶の成長を認めることができ、その断面方向からのＳＥＭ像において、基板上にＡｌＣ層２０が形成されていることを確認することができる。
本実施形態に係る積層基板４００は、ＸＲＤの２θ−ωモードでの測定において、３５°付近にＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶由来のピークを有する。また、積層基板４００は、基板１に由来するピークも同時に検出することもある。例えば、サファイア基板１０のｃ面上にＡｌＮ層３１、ＡｌＣ層２０およびＡｌＮ層３３を形成した場合、サファイアに由来する３８°付近および４２°付近のピークを検出することもある。
本実施形態に係る積層基板４００は、ＥＤＸにおいて、アルミニウムと炭素の存在をそれぞれＡｌＣ層２０に確認することができる。アルミニウムと炭素をそれぞれ検出したＥＤＸ画像において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は結晶性を有するため、アルミニウムと炭素とが分散した構造として検出される。本実施形態において、アルミニウムと炭素とは、ＡｌＣ層２０中に均一に分散していることが好ましい。
本実施形態に係る積層基板４００は、ＣＬ測定において、ＡｌＣ層２０のＡｌ４Ｃ３結晶に由来する３１０ｎｍ以上４１３ｎｍ以下の範囲の波長で発光する。本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３４０ｎｍ付近にピークを有し、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
透過測定において、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、３．４ｅＶ以上４．３ｅＶ以下のバンドギャップを有する。また、本実施形態に係るＡｌＣ層２０は、このバンドギャップの範囲、すなわち、発光するエネルギー領域では直接遷移型である。ここで、直接遷移型は、エネルギーに対して、Ａｌ４Ｃ３／基板の透過率を基板の透過率で割った値をプロットしたときに、透過率の２乗がエネルギーに比例する状態である。また、本発明に係るＡｌＣ層２０は、製造温度を調整することにより、間接遷移型のバンドギャップを有するようにすることもできる。
従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、積層基板４００は、実施形態１で説明したような特性を有する結晶性のＡｌＣ層２０を形成することができる。また、このようなｎ型半導体として機能する第１のＡｌＮ層３１と、ｐ型半導体として機能する第２のＡｌＮ層３３との間にＡｌＣ層２０を配置した本発明に係る積層基板４００は、ＬＥＤとして用いたときに、３１０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（製造方法）
上述した積層基板４００の製造方法について、以下に説明する。本実施形態に係る積層基板４００の製造方法においては、ＭＯＣＶＤ法を用いることが好ましい。本実施形態においては、基板１、第１のＡｌＮ層３１、ＡｌＣ層２０及び第２のＡｌＮ層３３を順次積層する。上述したように、基板１としては、半導体分野、特にＬＥＤの分野において既知の基板を用いることができ、実施形態１と同様であるため説明は省略する。
（第１のＡｌＮ層の形成）
基板１の上面にＡｌＮ層３１を形成する原料には、窒素を含むガスとアルミニウムを含むガスとを、それぞれ用いる。窒素を含むガスとしてはアンモニア（NH3）を、アルミニウムを含むガスとしてはＴＭＡを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。
本実施形態に係るＡｌＮ層３０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、アンモニアを４０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上１ｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＮ結晶の成長温度は１３００℃以上が好ましい。ＡｌＮ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＮ層３０の厚さに依存するが、例えば、６秒から１時間程度である。また、ＡｌＮ層３１には、ケイ素をドーピングする。ここで、ケイ素のドーピングは、公知の技術を用いることができる。
（ＡｌＣ層の形成）
ＡｌＣ層２０を形成する原料には、実施形態１と同様に、炭素を含むガスとしてメタンを、アルミニウムを含むガスとしてＴＭＡを用いることができる。また、キャリアガスとして水素（H2）を用いることができる。各原料は、半導体分野、特にＬＥＤの分野において使用される市販の原料を用いることができる。本実施形態に係るＡｌＣ層２０の成長条件としては、ＴＭＡを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給することが好ましい。また、ＡｌＣ結晶の成長温度は７００℃以上が好ましく、さらに好ましくは１１００℃以上である。ＡｌＣ結晶を成長させる時間は、原料の流量や、形成するＡｌＣ層２０の厚さに依存するが、例えば、６０分から１２０分程度である。
（第２のＡｌＮ層の形成）
第２のＡｌＮ層３３の形成方法は、第１のＡｌＮ層の形成方法と同様であるため、詳細な説明は省略する。なお、ＡｌＮ層３３には、マグネッシウム（Mg）をドーピングする。ここで、マグネッシウム（Mg）のドーピングは、公知の技術を用いることができる。
本実施形態に係る積層基板は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、実施形態１で説明したような特性を有する結晶性のＡｌＣ層２０を形成することができる。また、このようなｎ型半導体として機能する第１のＡｌＮ層３１と、ｐ型半導体として機能する第２のＡｌＮ層３３との間にＡｌＣ層２０を配置した本発明に係る積層基板４００は、ＬＥＤとして用いたときに、３１０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（実施形態５）
上述の実施形態においては、結晶性のＡｌＣ層を形成した積層基板について説明した。上述したようにこれらの積層基板は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。本実施形態においては、実施形態３で説明した積層基板３００を半導体装置、特にＬＥＤに適用する例について説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０００であるＬＥＤを示す模式図である。半導体装置１０００は、基板１、Ｎ型の第１の結晶性のＡｌＣ層２１、第１の結晶性のＡｌＮ層３０、活性層である結晶性のＧａＮ層１０、第２の結晶性のＡｌＮ層３０、及びＰ型の第２の結晶性のＡｌＣ層２３を順次積層して配置した基板を有する。また、半導体装置１０００はＰ電極９１及びＮ電極９３を有し、Ｐ電極９１はＰ型の第２のＡｌＣ層２０の上面の一部に配設され、Ｎ電極９３はＮ型の第１のＡｌＣ層２１の上面の一部に配設される。
半導体装置１０００において、基板１上に形成した第１のＡｌＣ層２１に、例えばケイ素（Si）をドープし、第２のＡｌＮ層３０上に形成した第２のＡｌＣ層２３に、例えば亜鉛（Zn）やマグネシウム（Mg）をドープする。このようにドーピングすることにより、第１のＡｌＣ層２１はｎ型半導体として機能し、第２のＡｌＣ層２３はｐ型半導体として機能させることができる。なお、本実施形態に係る半導体装置１０００には、実施形態３で説明した積層基板３００を適用できるため、積層基板の構成及び特性の説明は省略する。
（電極）
ここで、電極について説明する。本実施形態に係るＰ電極９１としては、例えば、Ｐ型の第２のＡｌＣ層２０の上面にニッケル、金を順次積層したＡｕ／Ｎｉ電極パッドを用いることができる。また、Ｎ電極９３としては、例えば、Ｎ型の第１のＡｌＣ層２１の上面にチタン、アルミニウムを順次積層したＡｌ／Ｔｉ電極パッドを用いることができる。本実施例に係る電極はこれらに限定されるものではない。
（製造方法）
本実施形態に係る半導体装置１０００の製造において、例えば、基板１の上面にＮ型の第１のＡｌＣ層２１を１μｍ、第１のＡｌＮ層３０を１０ｎｍ、ＧａＮ層１０を１０ｎｍ、第２のＡｌＮ層３０を１０ｎｍ、Ｐ型の第２のＡｌＣ層２３を１μｍとして形成することができる。積層基板３００を形成する工程については実施形態３で説明したため、詳細な説明は省略するが、第１のＡｌＣ層２１には、ケイ素をドーピングする。また、第２のＡｌＣ層２３には、亜鉛やマグネシウムをドーピングする。ここで、ドーピングには、公知の技術を用いることができる。
準備した積層基板３００の一部分から第２のＡｌＣ層２０、第２のＡｌＮ層３０、ＧａＮ層１０及び第２のＡｌＮ層３０の一部分をそれぞれ除去する。さらに、Ｐ型の第２のＡｌＣ層２３の一部分を平坦化する。この工程は、例えば、塩化ホウ素（BCl3）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により行うことができる。このように平坦化されたＰ型の第２のＡｌＣ層２３の一部分に、例えば、１０ｎｍのチタン層、１０ｎｍのアルミニウム層を順次積層して、Ｎ電極９３を形成することができる。また、第２のＡｌＣ層２０の上面に、例えば、１０ｎｍのニッケル層、１０ｎｍの金層を順次積層して、Ｐ電極９１を形成することができる。
本実施例に係る半導体装置は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、結晶性のＡｌＣ層を形成することができる。また、本発明に係る半導体装置は、ＡｌＣ層とＧａＮ層との間にＡｌＮ層を形成することにより、ＧａＮ層中への炭素の拡散を防止することができる。従って、上述のようなＡｌＣ層の特性を有する積層基板を実現することができる。また、本発明に係る半導体装置は、ＬＥＤとして用いたときに、３００〜３５０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
（実施形態６）
本実施形態においては、実施形態４で説明した積層基板４００を半導体装置、特にＬＥＤに適用する例について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係る半導体装置２０００であるＬＥＤを示す模式図である。半導体装置２０００は、基板１、Ｎ型の結晶性のＡｌＮ層３１、活性層である結晶性のＡｌＣ層２０、Ｐ型の結晶性のＡｌＮ層３３を順次積層して配置した基板を有する。また、半導体装置２０００はＰ電極９１及びＮ電極９３を有し、Ｐ電極９１は第２のＡｌＮ層３３の上面の一部に配設され、Ｎ電極９３は第１のＡｌＮ層３１の上面の一部に配設される。
半導体装置２０００において、基板１上に形成した第１のＡｌＮ層３１に例えばケイ素（Si）をドープし、ＡｌＣ層２０上に形成した第２のＡｌＮ層３３に例えばマグネッシウム（Mg）をドープする。このようにドーピングすることにより、第１のＡｌＮ層３１はｎ型半導体として機能し、第２のＡｌＮ層３３はｐ型半導体として機能させることができる。なお、本実施形態に係る半導体装置２０００には、実施形態４で説明した積層基板４００を適用できるため、積層基板の構成及び特性の詳細な説明は省略する。
（電極）
ここで、電極について説明する。本実施形態に係るＰ電極９１としては、例えば、第２のＡｌＮ層３３の上面にニッケル、金を順次積層したＡｕ／Ｎｉ電極パッドを用いることができる。また、Ｎ電極９３としては、例えば、第１のＡｌＮ層３１の上面にチタン、アルミニウムを順次積層したＡｌ／Ｔｉ電極パッドを用いることができる。本実施例に係る電極はこれらに限定されるものではない。
（製造方法）
本実施形態に係る半導体装置２０００の製造において、積層基板４００を形成する工程については実施形態４で説明したため、説明は省略する。準備した積層基板４００の一部分から第２のＡｌＮ層３３及びＡｌＣ層２０の一部分をそれぞれ除去する。さらに、第１のＡｌＮ層３１の一部分を平坦化する。この工程は、例えば、塩化ホウ素（BCl3）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により行うことができる。このように平坦化された第１のＡｌＮ層３１の一部分に、例えば、１０ｎｍのチタン層、１０ｎｍのアルミニウム層を順次積層して、Ｎ電極９３を形成することができる。また、第２のＡｌＮ層３３の上面に、例えば、１０ｎｍのニッケル層、１０ｎｍの金層を順次積層して、Ｐ電極９１を形成することができる。
本実施例に係る半導体装置は、以上の製造法を用いることで、従来は非結晶薄膜しか報告されていなかったＡｌＣ薄膜に対して、実施形態１で説明したような特性を有する結晶性のＡｌＣ層２０を形成することができる。また、このようなｎ型半導体として機能する第１のＡｌＮ層３１と、ｐ型半導体として機能する第２のＡｌＮ層３３との間にＡｌＣ層２０を配置した本発明に係る半導体装置は、ＬＥＤとして用いたときに、３１０ｎｍの波長帯での外部取り出しを可能にするものである。
上述の実施形態で説明した本発明に係る炭化アルミニウム層及び窒化ガリウム層を有する積層基板及びその製造方法について、具体例を挙げてさらに説明する。一例として、実施形態１と同様の構成の積層基板１００について説明する。図７は、本実施例における積層基板１００の製造条件を示す図である。
（製造方法）
本実施例においては、基板１の上面に０．５μｍの膜厚のＧａＮ層１０を形成し、つづいてＧａＮ層１０の上面にＡｌＣ層２０を形成した。ここで、ＧａＮ層１０は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、製造雰囲気中に４４μｍｏｌ／ｍｉｎでＴＭＧを、２２３ｍｍｏｌ／ｍｉｎでアンモニアを供給し、１５分間で基板１の上面にＧａＮ結晶を成長させて形成した。
つづいて、図７に示したように本実施例においては、昇温時に５００℃以上からＴＭＧとアンモニアとを製造雰囲気中に供給した。このとき、一例として、ＴＭＧは８７μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアは２２３ｍｍｏｌ／ｍｉｎで供給した。ＴＭＧとアンモニアの供給は、ＡｌＣ結晶の成長温度である１１００℃まで行った。製造雰囲気の温度が１１００℃に達した時点でＴＭＧとアンモニア供給を停止し、ＴＭＡとメタンとを製造雰囲気中に供給した。ＡｌＣ結晶を１１００℃で、６０分間成長させて、ＡｌＣ層２０を形成した。このとき、一例として、ＴＭＡは３３μｍｏｌ／ｍｉｎ、メタンは２６．８ｍｍｏｌ／ｍｉｎ供給した。この結果、１μｍの膜厚のＡｌＣ層２０が形成された。
（ＳＥＭ像）
図８は、製造された積層基板１００のＳＥＭ像である。（ａ）は積層基板１００のＡｌＣ層２０の上面図、（ｂ）は（ａ）の一部の拡大図、（ｃ）は積層基板１００の鳥瞰図である。本実施例の積層基板１００において、ＡｌＣ層２０が形成されたことが確認された。
（ＸＲＤ分析）
上述のような条件で形成した積層基板１００のＡｌＣ薄膜１０について、ＸＲＤを２θ−ωモードで測定した。本実施例のおいては、ＸＲＤ装置として、フィリップス社のX’pert MRDを用いた。CuKa、CuKβを入射Ｘ線として用いて測定した。図９は、ＸＲＤの測定結果を示す図である。比較のため、図９には、基板１として用いたサファイアを用い、ＧａＮ層１０を形成したのみの基板と、本実施例に係る積層基板１００の測定結果を示す。基板１として用いたサファイアに由来するピークは、３８°および４２°付近に検出された。また、ＧａＮ層１０に由来する３１°付近および３４°付近に検出された。一方、積層基板１００においては、ＡｌＣ薄膜１０のＡｌ４Ｃ３結晶に由来するピークが３５°付近に検出された。
１：基板、１０：ＧａＮ層、１１：ＧａＮ結晶、２０：ＡｌＣ層、２１：第１のＡｌＣ層、２３：第２のＡｌＣ層、３０：ＡｌＮ層、３１：第１のＡｌＮ層、３３：第２のＡｌＮ層、９１：Ｐ電極、９３：Ｎ電極、１００：本発明に係る積層基板、２００：本発明に係る積層基板、３００：本発明に係る積層基板、４００：本発明に係る積層基板、半導体装置１０００、半導体装置２０００

Claims (32)

  1. 窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有することを特徴とする積層基板。
  2. 窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の積層基板。
  3. 前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の積層基板。
  4. 前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、前記サファイア基板のｃ面に形成されることを特徴とする請求項３に記載の積層基板。
  5. 前記窒化ガリウム層と前記炭化アルミニウム層とは、前記窒化アルミニウム層を介して対向して形成されることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一に記載の積層基板。
  6. 第１の窒化アルミニウム層と、第２の窒化アルミニウム層とを有し、
    前記第１の窒化アルミニウム層と、前記第２の窒化アルミニウム層とは炭化アルミニウム層を介して対向して形成されることを特徴とする積層基板。
  7. 窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有することを特徴とする半導体装置。
  8. 窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。
  10. 前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、前記サファイア基板のｃ面に形成されることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記窒化ガリウム層と前記炭化アルミニウム層とは、前記窒化アルミニウム層を介して対向して形成されることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一に記載の半導体装置。
  12. 第１の窒化アルミニウム層と、第２の窒化アルミニウム層とを有し、
    前記第１の窒化アルミニウム層と、前記第２の窒化アルミニウム層とは炭化アルミニウム層を介して対向して形成されることを特徴とする半導体装置。
  13. 窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する積層基板の製造方法であって、
    炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
    炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする積層基板の製造方法。
  14. 窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに形成することを特徴とする請求項１３に記載の積層基板の製造方法。
  15. 窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する積層基板の製造方法であって、
    炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
    炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする積層基板の製造方法。
  16. 前記炭化アルミニウム層は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１３または１４に記載の積層基板の製造方法。
  17. 前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されることを特徴とする請求項１４または１６に記載の積層基板の製造方法。
  18. 前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１７に記載の積層基板の製造方法。
  19. 前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項１３乃至１８の何れか一に記載の積層基板の製造方法。
  20. 前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項１９に記載の積層基板の製造方法。
  21. 前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させることを特徴とする請求項２０に記載の積層基板の製造方法。
  22. 前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させることを特徴とする請求項２０に記載の積層基板の製造方法。
  23. 窒化ガリウムの結晶を含む窒化ガリウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する半導体装置の製造方法であって、
    炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
    炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  24. 窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層をさらに形成することを特徴とする請求項２３に記載の半導体装置の製造方法。
  25. 窒化アルミニウムの結晶を含む窒化アルミニウム層と、炭化アルミニウムの結晶を含む炭化アルミニウム層とを有する積層基板の製造方法であって、
    炭素を含むガスと、アルミニウムを含むガスとを供給し、
    炭化アルミニウムの結晶を成長させて、前記炭化アルミニウム層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  26. 前記炭化アルミニウム層は、有機金属気相成長法を用いて、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２３または２４に記載の半導体装置の製造方法。
  27. 前記窒化ガリウム層、前記炭化アルミニウム層または前記窒化アルミニウム層が、サファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化アルミニウム基板に形成されることを特徴とする請求項２４または２６に記載の半導体装置の製造方法。
  28. 前記サファイア基板のｃ面に前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２７に記載の半導体装置の製造方法。
  29. 前記炭素を含むガスはメタンであり、前記アルミニウムを含むガスはトリメチルアルミニウムであることを特徴とする請求項２３乃至２８の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
  30. 前記トリメチルアルミニウムを３３μｍｏｌ／ｍｉｎ以上６６μｍｏｌ／ｍｉｎ以下、前記メタンを１３ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以上２７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ以下で供給して、前記炭化アルミニウムの結晶を成長させることを特徴とする請求項２９に記載の半導体装置の製造方法。
  31. 前記炭化アルミニウムの結晶を７００℃以上で成長させることを特徴とする請求項３０に記載の半導体装置の製造方法。
  32. 前記炭化アルミニウムの結晶を１１００℃以上で成長させることを特徴とする請求項３０に記載の半導体装置の製造方法。
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