JP2014053412A - エピタキシャルウェハ及びその製造方法、紫外発光デバイス - Google Patents

エピタキシャルウェハ及びその製造方法、紫外発光デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】シリコン基板上に形成される単結晶の窒化アルミニウム層の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能なエピタキシャルウェハ及びその製造方法、紫外発光デバイスを提供する。
【解決手段】エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層１６と、シリコン基板１１と窒化アルミニウム層１６との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物１２とを備える。また、エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１とアルミニウム堆積物１２と窒化アルミニウム層１６とに跨る複数の空洞部１７とを備える。アルミニウム堆積物１２及び窒化アルミニウム層１６は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により形成されている。エピタキシャルウェハ１は、紫外発光デバイスの製造に利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン基板上に窒化アルミニウム薄膜を備えたエピタキシャルウェハ及びその製造方法、紫外発光デバイスに関するものである。
III族窒化物半導体を利用した半導体デバイスとしては、発光ダイオードに代表される発光デバイス、高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transistor：ＨＥＭＴ）に代表される電子デバイスなどが各所で研究開発されている。また、最近では、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途などの分野で、III族窒化物半導体を用いた紫外発光デバイスに大きな期待が集まっている。
ところで、III族窒化物半導体結晶は、エピタキシャル成長用の基板として利用可能なバルク結晶（例えば、ＧａＮ自立基板、ＡｌＮ自立基板など）の低コスト化及び大口径化が難しく、異種材料からなる基板上にエピタキシャル成長させて利用されることが多い。紫外発光デバイスに関しては、サファイア基板上に窒化アルミニウム層をエピタキシャル成長させた基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、III族窒化物半導体結晶とサファイア基板とは、格子定数が大きく異なる。このため、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体結晶には、III族窒化物半導体結晶とサファイア基板との格子定数差に起因した貫通転位が生じてしまう。そこで、半導体デバイスにおいては、III族窒化物半導体結晶の結晶性の向上及びデバイス特性の向上が望まれている。
また、サファイア基板は、硬度が非常に高く、研磨などの加工が難しい。このため、紫外発光デバイスの一種である紫外発光ダイオードにおいては、エピタキシャル成長用の基板に、光取り出し効率を向上させるための加工を施すのが難しかった。
そのため、従来から、III族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる基板としては、シリコン基板も検討されている（例えば、特許文献２，３）。シリコン基板は、サファイア基板に比べて、微細加工や研磨などの加工が比較的容易であり、且つ、放熱性も優れている。また、現状では、シリコン基板は、サファイア基板や、III族窒化物半導体結晶基板（例えば、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板など）に比べて、大口径のものを安価に購入可能である。このため、シリコン基板上へのIII族窒化物半導体結晶の成長技術は、次世代の高効率の紫外発光デバイスの開発において重要な要素技術と考えられている。
特許文献３には、図６に示すように、半導体成長用基板１１１の主面上にＡｌＮからなる窒化物系半導体層１１２を成長させたエピタキシャル基板１０１が記載されている。このエピタキシャル基板１０１は、半導体成長用基板１１１の主面の一部に、窒化物系半導体層１１２の成長を抑制する加工部１１１ｂが設けられており、窒化物系半導体層１１２が、加工部１１１ｂに成長する加工部成長層１１２ｂ、及び、非加工部１１１ａに成長する非加工部成長層１１２ａからなる。
特許文献３には、半導体成長用基板１１１として、Ｃ面を主面とするサファイア基板が例示され、この他にシリコンの単結晶を採用できる旨が記載されている。また、特許文献３には、ＡｌＮの選択横方向成長を起こさせるためには、１２００℃以上の基板温度が必要である旨が記載されている。
特開２００９−５４７８０号公報 特開平５−３４３７４１号公報 特開２００６−２７８４７７号公報
シリコン基板上に窒化アルミニウム薄膜をエピタキシャル成長させる結晶成長法としては、膜厚制御性及び量産性の観点から、例えば、有機金属気相成長（metal organic vapor phase epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法が考えられる。
しかしながら、シリコン基板は、サファイア基板と同様、III族窒化物半導体との格子定数差が大きい。このため、エピタキシャル成長用の基板としてシリコン基板を用いた場合には、基板上に結晶性の良い単結晶のIII族窒化物半導体薄膜を形成することが難しく、結晶性の良い単結晶の窒化アルミニウム薄膜を形成することも難しかった。
特許文献３には、エピタキシャル基板１０１の半導体成長用基板１１１としてシリコンの単結晶を採用できる旨が記載されている。
しかしながら、本願発明者らは、特許文献３に記載されたエピタキシャル基板１０１の製造方法と同様の製造方法では、半導体成長用基板１１１として主面が（１１１）面の単結晶シリコン基板を用いた場合に、ＡｌＮからなる窒化物系半導体層１１２の結晶性が良くないという知見を得た。
また、本願発明者らは、シリコン基板上に窒化アルミニウム層をＭＯＶＰＥ法により成長させる実験を繰り返し行い、窒化アルミニウム層の表面の平坦性を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）により評価した。その結果、本願発明者らは、基板温度を１２００℃以上としても、窒化アルミニウム層の表面の平坦性の再現性が低く、窒化アルミニウム薄膜の表面に突起が存在する場合があるという知見を得た。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、シリコン基板上に形成される窒化アルミニウム層の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能なエピタキシャルウェハ及びその製造方法、紫外発光デバイスを提供することにある。
本発明のエピタキシャルウェハは、シリコン基板と、前記シリコン基板の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層と、前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム層との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物と、前記シリコン基板と前記アルミニウム堆積物と前記窒化アルミニウム層とに跨る複数の空洞部とを備えることを特徴とする。
このエピタキシャルウェハにおいて、前記窒化アルミニウム層は、前記アルミニウム堆積物上に直接形成された第１窒化アルミニウム薄膜と、前記第１窒化アルミニウム薄膜上に直接形成された第２窒化アルミニウム薄膜とからなり、前記空洞部のうち、前記第１窒化アルミニウム薄膜に形成されている第１部分の幅が一様であり、前記第２窒化アルミニウム薄膜に形成されている第２部分の幅が前記シリコン基板から離れるにつれて小さくなっていることが好ましい。
このエピタキシャルウェハにおいて、前記窒化アルミニウム層の表面が（０００１）面であり、前記各空洞部の各々は、前記窒化アルミニウム層のａ軸及びｃ軸に直交する方向が長手方向であり、前記長手方向の両側が開放されていることが好ましい。
本発明のエピタキシャルウェハの製造方法は、シリコン基板と、前記シリコン基板の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層と、前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム層との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物と、前記シリコン基板と前記アルミニウム堆積物と前記窒化アルミニウム層とに跨る複数の空洞部とを備え、前記窒化アルミニウム層の表面が（０００１）面であり、前記各空洞部の各々は、前記窒化アルミニウム層のａ軸及びｃ軸に直交する方向が長手方向であり、前記長手方向の両側が開放されており、前記窒化アルミニウム層は、前記アルミニウム堆積物上に直接形成された第１窒化アルミニウム薄膜と、前記第１窒化アルミニウム薄膜上に直接形成された第２窒化アルミニウム薄膜とからなり、前記空洞部のうち、前記第１窒化アルミニウム薄膜に形成されている第１部分の幅が一様であり、前記第２窒化アルミニウム薄膜に形成されている第２部分の幅が前記シリコン基板から離れるにつれて小さくなっているエピタキシャルウェハの製造方法である。この製造方法は、前記シリコン基板を準備して減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に配置した状態において、前記シリコン基板の温度である基板温度を３００℃以上１２００℃未満の第１所定温度としてからアルミニウムの原料ガスであるトリメチルアルミニウム及びＨ2ガスを前記反応炉内に供給することによって、前記シリコン基板の前記一表面上に前記アルミニウム堆積物を形成する第１工程と、前記第１工程の後で前記基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第２所定温度としてから前記トリメチルアルミニウム、Ｈ2ガス及び窒素の原料ガスであるアンモニアを前記反応炉内に供給することによって、前記シリコン基板の前記一表面側に前記第１窒化アルミニウム薄膜を形成する第２工程と、前記第１窒化アルミニウム及び前記シリコン基板における前記各空洞部の形成予定領域の各々に前記第１窒化アルミニウム薄膜の表面側から前記シリコン基板の前記一表面よりも深い位置に至る凹部を形成する第３工程と、前記第３工程の後で前記基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第３所定温度としてから前記トリメチルアルミニウム及び窒素の原料ガスであるアンモニアを前記反応炉内に供給することによって、前記シリコン基板の前記一表面側に前記第２窒化アルミニウム薄膜及び前記各空洞部を形成する第４工程とを備えることを特徴とする。
このエピタキシャルウェハの製造方法において、前記第１工程では、前記アルミニウム堆積物の堆積厚さを、０．２ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍよりも小さな値に設定することが好ましい。
本発明の紫外発光デバイスは、シリコン基板と、前記シリコン基板の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層と、前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム層との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物と、前記シリコン基板と前記アルミニウム堆積物と前記窒化アルミニウム層とに跨る複数の空洞部と、前記窒化アルミニウム層上に形成された第１導電形の第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２窒化物半導体層とを備えることを特徴とする。
本発明のエピタキシャルウェハにおいては、シリコン基板上に形成される窒化アルミニウム層の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能になるという効果がある。
本発明のエピタキシャルウェハの製造方法においては、シリコン基板上に形成する窒化アルミニウム層の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能になるという効果がある。
本発明の紫外発デバイスにおいては、シリコン基板上に形成される単結晶の窒化アルミニウム層の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能になるという効果がある。
実施形態におけるエピタキシャルウェハの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態における紫外発光デバイスの概略断面図である。 （ａ）はシリコン基板をＨ2ガス中において１３００℃の基板温度でアニールした後のシリコン基板の鳥瞰ＳＥＭ像図、（ｂ）はシリコン基板をＨ2ガス中において１３００℃の基板温度でアニールした後のシリコン基板の断面ＳＥＭ像図、（ｃ）はシリコン基板をＨ2ガス中において１２００℃の基板温度でアニールした後のシリコン基板の鳥瞰ＳＥＭ像図、（ｄ）はシリコン基板をＨ2ガス中において１２００℃の基板温度でアニールした後のシリコン基板の断面ＳＥＭ像図である。 参考形態におけるエピタキシャルウェハの概略断面図である。 （ａ）は参考例１における窒化アルミニウム層の表面を光学顕微鏡により観察した表面形態図、（ｂ）は参考例２のエピタキシャルウェハにおける窒化アルミニウム層の表面を光学顕微鏡により観察した表面形態図、（ｃ）は参考例３における窒化アルミニウム層の表面を光学顕微鏡により観察した表面形態図、（ｄ）は参考例４における窒化アルミニウム層の表面を光学顕微鏡により観察した表面形態図である。 従来例のエピタキシャル基板を説明する断面図である。
以下では、本実施形態のエピタキシャルウェハ１及びその製造方法について図１に基づいて説明する。
エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層１６と、シリコン基板１１と窒化アルミニウム層１６との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物１２とを備える。また、エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１とアルミニウム堆積物１２と窒化アルミニウム層１６とに跨る複数の空洞部１７とを備える。
アルミニウム堆積物１２及びIII族窒化物半導体結晶である窒化アルミニウム層１６は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により形成されている。
エピタキシャルウェハ１は、窒化アルミニウム層１６の表面が（０００１）面であることが好ましい。各空洞部１７の各々は、窒化アルミニウム層１６のａ軸（図１（ｄ）参照）及びｃ軸（図１（ｄ）参照）に直交する方向（図１（ｄ）の紙面に直交する方向）が長手方向であり、この長手方向の両側が開放されていることが好ましい。複数の空洞部１７は、ａ軸方向に並んでいる。
窒化アルミニウム層１６は、アルミニウム堆積物１２上に直接形成された第１窒化アルミニウム薄膜１３と、第１窒化アルミニウム薄膜１３上に直接形成された第２窒化アルミニウム薄膜１５ａとからなる。各空洞部１７の各々は、第１窒化アルミニウム薄膜１３に形成されている第１部分の幅が一様であり、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａに形成されている第２部分の幅がシリコン基板１１から離れるにつれて小さくなっていることが好ましい。
エピタキシャルウェハ１は、III族窒化物半導体を利用した半導体デバイスの製造に利用することができ、例えば、紫外発光デバイス２（図２参照）などの製造に利用することができる。つまり、エピタキシャルウェハ１には、ウェハサイズ及び紫外発光デバイス２のチップサイズに基づいた複数の紫外発光デバイス２を形成することができる。ここにおいて、エピタキシャルウェハ１は、このエピタキシャルウェハ１上に形成されるIII族窒化物半導体層（図２の例では、下地層２１、第１窒化物半導体層２２、活性層２３、電子ブロック層２４、第２窒化物半導体層２５、ｐ形コンタクト層２６）の結晶性を向上させることが可能となる。図２は、エピタキシャルウェハ１に形成された複数の紫外発光デバイス２のうちの１つに相当する部分の概略断面図であり、個々の紫外発光デバイス２に分割した後には、シリコンウェハからなるシリコン基板１１が、チップサイズのシリコン基板１１ａとなる。
図２に示した構成の紫外発光デバイス２は、窒化アルミニウム層１６上に形成された第１導電形の第１窒化物半導体層２２と、第１窒化物半導体層２２上に形成された活性層２３と、活性層２３上に形成された第２窒化物半導体層２５とを備えている。この紫外発光デバイス２は、２１０ｎｍ〜３６０ｎｍの紫外波長領域に発光波長（発光ピーク波長）を有する紫外発光ダイオードであり、活性層２３（以下、発光層２３と称する）の材料としてＡｌＧａＮ系材料を採用している。
また、紫外発光デバイス２は、第１窒化物半導体層２２に電気的に接続された第１電極２７と、第２窒化物半導体層２５に電気的に接続された第２電極２８とを備えている。
また、紫外発光デバイス２は、第１導電形がｎ形、第２導電形がｐ形であり、第２窒化物半導体層２５における発光層２３側とは反対側にｐ形コンタクト層２６が形成され、第２電極２８が、ｐ形コンタクト層２６の一部の上に形成されている。要するに、紫外発光デバイス２は、第２電極２８が、ｐ形コンタクト層２６を介して第２窒化物半導体層２５に電気的に接続されている。ここで、紫外発光デバイス２は、発光層２３と第２窒化物半導体層２５との間に電子ブロック層２４を設けることが好ましい。また、紫外発光デバイス２は、メサ構造を有しており、第１窒化物半導体層２２における発光層２３側において露出させた表面２２ａの一部の上に第１電極２７が形成されている。
発光層２３は、量子井戸構造を有していることが好ましい。量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。発光層２３は、所望の発光波長の紫外光を発光するように井戸層のＡｌの組成を設定すればよい。ここにおいて、ＡｌＧａＮ系材料からなる発光層２３では、Ａｌの組成を変化させることにより、発光波長を２１０〜３６０ｎｍの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。例えば、所望の発光ピーク波長が２６５ｎｍ付近である場合には、Ａｌの組成を０．５０に設定すればよい。また、紫外発光デバイス２は、発光層２３を単層構造として、発光層２３と発光層２３の厚み方向の両側の層（例えば、ｎ形窒化物半導体層及びｐ形窒化物半導体層）とでダブルヘテロ構造が形成されるようにしてもよい。
なお、紫外発光デバイス２は、紫外発光ダイオードに限らず、紫外レーザダイオードでもよい。
以下、エピタキシャルウェハ１及び紫外発光デバイス２の各構成要素について詳細に説明する。
シリコン基板１１は、結晶構造がダイヤモンド構造の単結晶シリコン基板である。単結晶シリコン基板としては、例えば、直径が５０〜３００ｍｍ、厚みが２００〜１０００μｍ程度のシリコンウェハを用いることができる。シリコン基板１１の導電形は、ｐ形、ｎ形のいずれでもよい。また、シリコン基板１１の抵抗率は、特に限定するものではない。
ところで、窒化アルミニウム層１６は、シリコン基板１１側とは反対側の表面が（０００１）面であることが好ましい。このため、シリコン基板１１は、結晶性の良い窒化アルミニウム層１６をエピタキシャル成長させるという観点から、窒化アルミニウム層１６との格子整合性を考慮し、上記一表面が（１１１）面の単結晶シリコン基板を採用するのが好ましい。
シリコン基板１１は、（１１１）面からのオフ角が、０〜０．３°のものが好ましい。これにより、シリコン基板１１の上記一表面上にアルミニウム堆積物１２を形成する際には、多数のアルミニウム核が島状に形成されるのを抑制することが可能となり、アルミニウム堆積物１２を層状の連続膜ないし連続膜に近い状態とすることが可能となる。結果的に、エピタキシャルウェハ１は、窒化アルミニウム層１６の高品質化を図ることが可能となる。これは、アルミニウム堆積物１２を形成するために供給される原子が、シリコン基板１１の上記一表面上で拡散し安定な場所で堆積しやすくなり、シリコン基板１１のオフ角が小さいほどテラス幅が長く、核の密度を減少させやすくなるからであると推考される。
ところで、本願発明者らは、減圧ＭＯＶＰＥ装置によりシリコン基板１１上に窒化アルミニウム薄膜を直接成長させた場合に、１２００℃以上の基板温度で平坦性の良好な窒化アルミニウム薄膜が形成されない原因について鋭意研究を行った。その一環として、本願発明者らは、減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内にシリコン基板１１を配置した状態で、Ｈ2ガスのみを供給して１２００℃以上の基板温度でアニール時間を変えてアニールする実験を行った。そして、本願発明者らは、減圧ＭＯＶＰＥ装置から取り出した、アニール後のシリコン基板１１について、光学顕微鏡及びＳＥＭそれぞれによる観察を行った。光学顕微鏡による観察の結果、本願発明者らは、シリコン基板１１の上記一表面側に、多数の黒い斑点の存在を確認した。そこで、本願発明者らは、斑点が何であるのか特定するために、アニール後のシリコン基板１１について、ＳＥＭによる観察を行った。ＳＥＭによる観察の結果、本願発明者らは、上述の斑点が、突起であるという知見を得た。
アニール後のシリコン基板１１には、高さが１〜２μｍ程度の突起が形成されたものや、高さが０．１〜０．２μｍ程度の突起が形成されたものなど、様々であった。本願発明者らは、上述の実験の結果から、基板温度が高いほど突起の高さ寸法が大きくなり、アニール時間が長いほど突起の高さ寸法が大きくなるという知見を得た。また、本願発明者らは、上述の実験の結果から、シリコン基板１１の上記一表面に形成された突起の高さが、０．１μｍ以上であるという知見を得た。図３（ａ），（ｂ）は、高さが１〜２μｍ程度の突起が形成されたシリコン基板１１のＳＥＭ像図である。図３（ｃ），（ｄ）は、高さが０．１〜１μｍ程度の突起が形成されたシリコン基板１１のＳＥＭ像図である。
また、本願発明者らは、シリコン基板１１に形成された突起の組成を調べるために、エネルギ分散Ｘ線分光法（energy dispersive X-ray spectroscopy：ＥＤＸ）による組成分析を行った。ＥＤＸによる組成分析の結果、突起は、主な成分がシリコンと窒素であった。そして、本願発明者らは、突起が発生した原因として、減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に残留していたアンモニアがシリコン基板１１と１２００℃以上の高温下で反応し、窒化シリコンが形成されたものと推考した。
また、本願発明者らは、これらの突起が、窒化アルミニウム薄膜上に形成するIII族窒化物半導体層のエピタキシャル成長を阻害し、III族窒化物半導体層を備えた半導体デバイスの性能及び歩留まりの低下を引き起こす原因であると推考した。
そして、本願発明者らは、シリコン基板１１の上記一表面に窒化シリコンが形成されるのを抑制し、且つ、高品質な単結晶の窒化アルミニウム層１６を形成可能とするために、シリコン基板１１と窒化アルミニウム層１６との間にアルミニウム堆積物１２を設けることを考えた。要するに、アルミニウム堆積物１２は、ＳｉＮ形成抑制層として設けてある。
アルミニウム堆積物１２の堆積厚さは、０．２ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍよりも小さいことが好ましい。ここにおいて、アルミニウム堆積物１２の堆積厚さは、予め実験的に求めたアルミニウム堆積物１２の堆積速度に、アルミニウム堆積物１２の堆積時間を乗じた値である。ここで、堆積速度については、堆積速度を求めるためにシリコン基板１１上に比較的厚く堆積させたアルミニウム堆積物１２をＳＥＭにより観察し、断面ＳＥＭ像から求めたアルミニウム堆積物１２の膜厚を、このアルミニウム堆積物１２の堆積時間で除することにより求めた値である。
アルミニウム堆積物１２の堆積厚さが０．２ｎｍよりも小さい値に設定されている場合には、アルミニウム堆積物１２の形成後に、シリコン基板１１の上記一表面側に窒化シリコンが形成されてしまう。これは、アルミニウム堆積物１２が島状などの非連続膜となるため、アルミニウム堆積物１２の形成後にＨ2ガスを供給しながら基板温度を窒化アルミニウム層１６の成長温度まで上昇させる際に、シリコン基板１１が反応炉内に残留しているアンモニア（ＮＨ3）や、加熱された周辺部材（例えば、シリコン基板１１を保持するサセプタや、原料ガスの流路を形成する部材など）に付着している反応生成物（窒化物半導体）から脱離した窒素原子と反応してしまうためであると推考される。
また、アルミニウム堆積物１２の堆積厚さが２０ｎｍよりも大きい値に設定されている場合には、窒化アルミニウム層１６の表面の平坦性の低下の原因となる。これは、窒化アルミニウム層１６を形成する際の基板温度が１２００℃以上であるため、窒化アルミニウム層１６の形成前にアルミニウム堆積物１２の表面の平坦性が低下してしまうためであると推考される。
窒化アルミニウム層１６は、その上に形成するIII族窒化物半導体層の貫通転位を低減するとともにIII窒化物半導体層の残留歪みを低減するためのバッファ層として利用することができる。窒化アルミニウム層１６は、シリコン基板１１の上記一表面上のアルミニウム堆積物１２を覆うように、上述の減圧ＭＯＶＰＥ装置により形成する。窒化アルミニウム層１６を成長させる際には、減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に、アルミニウムの原料ガスと窒素の原料ガスとを供給する。アルミニウムの原料ガスは、トリメチルアルミニウム（trimethyl aluminum：ＴＭＡ）である。ＴＭＡの分解温度は、３００℃である。窒素の原料ガスは、ＮＨ3である。なお、窒化アルミニウム層１６は、この窒化アルミニウム層１６を形成する際に不可避的に混入されるＨ、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｆｅなどの不純物が存在してもよい。また、窒化アルミニウム層１６は、導電性制御のために意図的に導入されるＳｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃなどの不純物を含んでもよい。
窒化アルミニウム層１６は、上述のように、第１窒化アルミニウム膜１３と、第２窒化アルミニウム膜１５ａとからなる。
第１窒化アルミニウム薄膜１３の膜厚は、例えば、５ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲で設定するのが好ましい。第１窒化アルミニウム薄膜１３は、その膜厚が５ｎｍ未満の場合には、平坦性が低下し、５００ｎｍ以上の場合にはクラックが発生しやすくなる。
第２窒化アルミニウム薄膜１５ａは、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面側からシリコン基板１１の上記一表面よりも深い位置に至る複数の凹部１４（図１（ｃ）参照）が形成された後に、減圧ＭＯＶＰＥ装置により形成されている。各凹部１４は、第１窒化アルミニウム１３及びシリコン基板１１における各空洞部１７の形成予定領域の各々に形成されている。そして、エピタキシャルウェハ１は、この第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを成長させることにより、各凹部１４の各々に対応する位置に空洞部１７が形成される。
第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを成長させる際には、各凹部１４の各々が、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａの成長時に形成される第３窒化アルミニウム薄膜１５ｂにより充実されるよりも先に、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面における凹部１４の幅方向の両側から横方向に成長した窒化アルミニウムが凹部１４の上方で結合する。これにより、エピタキシャルウェハ１には、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａと第１窒化アルミニウム薄膜１３とアルミニウム堆積部１２とシリコン基板１１とに跨る複数の空洞部１７が形成される。凹部１４は、幅を２μｍ、深さを１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１と窒化アルミニウム層１６との熱膨張係数差などに起因して窒化アルミニウム層１６に発生する引張応力が複数の空洞部１７により緩和されるため、窒化アルミニウム層１６の膜厚を比較的厚くしながらも、窒化アルミニウム層１６へのクラックの発生を抑制することが可能となる。
このような空洞部１７による、クラック発生の抑制効果を窒化アルミニウム層１６の面内全体で得るためには、エピタキシャルウェハ１を製造するにあたり、凹部１４の周期を例えば０．５μｍ〜２０μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。凹部１４の周期は、凹部１４をフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して形成する際の加工性、設備コスト及びスループットなどの観点から、０．５μｍ以上とするのが好ましい。また、凹部１４の周期を２０μｍよりも大きくすると、クラック発生の抑制効果が得られにくくなるため、凹部１４の周期は、２０μｍ以下とするのが好ましい。また、凹部１４の周期は、一定でもよいし、凹部１４の並んでいる方向において、途中で周期が変化していてもよい。
また、空洞部１７の長手方向をａ軸及びｃ軸に直交する方向としたのは、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長させる際に、窒化アルミニウムをａ軸に沿った方向に横方向成長させやすいからである。したがって、エピタキシャルウェハ１は、その製造にあたり、凹部１４の長手方向をａ軸及びｃ軸に直交する方向とすれば、窒化アルミニウム層１６を形成する際に、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面における凹部１４の幅方向の両側からの窒化アルミニウムの横方向成長が促進される。その結果、エピタキシャルウェハ１は、製造時に、窒化アルミニウム層１６の膜厚を過度に厚くすることなく、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面における凹部１４の幅方向の両側から横方向に成長した窒化アルミニウムが凹部１４の上方で結合する。なお、エピタキシャルウェハ１の製造にあたっては、凹部１４を互いに異なる２方向に沿って形成して、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平面視において凹部１４で囲まれた部分の形状を平行四辺形状としてもよい。また、エピタキシャルウェハ１の製造にあたっては、凹部１４を互いに異なる３方向に沿って形成して、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平面視において凹部１４で囲まれた部分の形状を三角形状としてもよい。
また、凹部１４の深さ寸法は、第１窒化アルミニウム薄膜１３の膜厚とアルミニウム堆積物１２の膜厚との合計膜厚の値よりも大きいことが好ましい。これにより、エピタキシャルウェハ１は、製造時において、凹部１４の内底面から成長する第３窒化アルミニウム薄膜１５ｂが、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面からの窒化アルミニウムの横方向成長を阻害するのを抑制することが可能となり、空洞部１７の形成が阻害されるのを抑制することが可能となる。
第２窒化アルミニウム薄膜１５ａの膜厚は、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａの表面の平坦性を考慮して例えば３〜９μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。
窒化アルミニウム層１６は、例えば紫外発光デバイス２において、第１窒化物半導体層２２の貫通転位を低減するとともに第１窒化物半導体層２２の残留歪みを低減するためのバッファ層として利用することが可能である。
発光層２３は、注入されたキャリア（ここでは、電子と正孔）を光に変換するものであり、量子井戸構造を有している。量子井戸構造は、障壁層２３ａと井戸層２３ｂとからなる。図２に示した例では、障壁層２３ａと井戸層２３ｂとが交互に積層されており、井戸層２３ｂの数が２であるが、井戸層２３ｂの数は特に限定するものではない。要するに、量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。また、井戸層２３ｂ及び障壁層２３ａそれぞれの膜厚も特に限定するものではない。ただし、発光層２３は、井戸層２３ｂの膜厚が厚すぎると、井戸層２３ｂに注入された電子及び正孔が、量子井戸構造における格子不整合に起因するピエゾ電界に起因して、空間的に分離してしまい、発光効率が低下する。また、発光層２３は、井戸層２３ｂの膜厚が薄すぎる場合、キャリアの閉じ込め効果が低下し、発光効率が低下する。このため、井戸層２３ｂの膜厚は、１〜５ｎｍ程度が好ましく、１．３〜３ｎｍ程度が、より好ましい。また、障壁層２３ａの膜厚は、例えば、５〜１５ｎｍ程度の範囲で設定することが好ましい。本実施形態では、一例として、井戸層２３ｂの膜厚を２ｎｍに設定し、障壁層２３ａの膜厚を１０ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚に限定するものではない。
発光層２３は、所望の発光波長の紫外光を発光するように井戸層２３ｂのＡｌの組成を設定してある。ここにおいて、ＡｌＧａＮ系材料からなる発光層２３では、Ａｌの組成を変化させることにより、発光波長を２１０〜３６０ｎｍの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。例えば、所望の発光波長が２６５ｎｍ付近である場合には、Ａｌの組成を０．５０に設定すればよい。また、発光層２３を単層構造として、発光層２３と発光層２３の厚み方向の両側の層（例えば、ｎ形窒化物半導体層及びｐ形窒化物半導体層）とでダブルヘテロ構造が形成されるようにしてもよい。
第１窒化物半導体層２２は、第１導電形がｎ形の場合、ｎ形窒化物半導体層となる。ｎ形窒化物半導体層は、発光層２３へ電子を輸送するためのものである。ｎ形窒化物半導体層の膜厚は一例として１μｍに設定してあるが、膜厚は特に限定するものではない。また、ｎ形窒化物半導体層は、ｎ形ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層である。ここで、ｎ形窒化物半導体層を構成するｎ形ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層のＡｌの組成であるｘは、発光層２３で発光する紫外光を吸収しない組成であれば、特に限定するものではない。例えば、上述のように発光層２３における井戸層２３ｂのＡｌの組成が０．５、障壁層２３ａのＡｌの組成が０．７０の場合、ｎ形ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層のＡｌの組成であるｘは、障壁層２３ａのＡｌの組成と同じ０．７０とすることができる。すなわち、発光層２３の井戸層２３ｂがＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層の場合、ｎ形窒化物半導体層は、ｎ形Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層とすることができる。なお、ｎ形窒化物半導体層の材料は、ＡｌＧａＮに限らず、発光層２３で発光する紫外光を吸収しない組成であれば、例えば、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどでもよい。ｎ形窒化物半導体層のドナー不純物としては、Ｓｉが好ましい。また、ｎ形窒化物半導体層の電子濃度は、例えば、１×１０18〜１×１０19ｃｍ-3程度の範囲で設定すればよい。本実施形態では、一例として、ｎ形窒化物半導体層の電子濃度を８×１０18ｃｍ-3に設定してある。
紫外発光デバイス２は、第１窒化物半導体層２２と窒化アルミニウム層１６との間に下地層２１を備えていてもよい。下地層２１の膜厚は、３００ｎｍに設定してあるが、これに限らず、例えば、１００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の範囲で設定することができる。下地層２１は、例えば、第１窒化物半導体層２２とＡｌの組成が同じＡｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層により構成することができるが、Ａｌの組成を特に限定するものではない。
第２窒化物半導体層２５は、第２導電形がｐ形の場合、ｐ形窒化物半導体層となる。ｐ形窒化物半導体層は、発光層２３へ正孔を輸送するためのものである。また、ｐ形窒化物半導体層は、ｐ形ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）層である。ここで、ｐ形窒化物半導体層を構成するｐ形ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）層のＡｌの組成であるｙは、発光層２３で発光する紫外光を吸収しない組成であれば、特に限定するものではない。例えば、上述のように発光層２３における井戸層２３ｂのＡｌの組成が０．５、障壁層２３ａのＡｌの組成が０．７０の場合、ｐ形ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）層のＡｌの組成であるｙは、例えば、障壁層２３ａのＡｌの組成と同じ０．７０とすることができる。すなわち、発光層２３の井戸層２３ｂがＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層の場合、ｐ形窒化物半導体層は、ｐ形Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層とすることができる。ｐ形窒化物半導体層のアクセプタ不純物としては、Ｍｇが好ましい。
また、ｐ形窒化物半導体層の正孔濃度は、特に限定するものではなく、ｐ形窒化物半導体層の膜質が劣化しない正孔濃度の範囲において、より高い濃度のほうが好ましい。しかしながら、紫外発光デバイス２としては、ｐ形ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）層の正孔濃度がｎ形ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層の電子濃度よりも低いので、ｐ形窒化物半導体層の膜厚が、厚すぎると、この紫外発光デバイス２の抵抗が大きくなりすぎる。このため、ｐ形窒化物半導体層の膜厚は、２００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が、より好ましい。なお、本実施形態では、一例として、ｐ形窒化物半導体層の膜厚を２５ｎｍに設定している。
また、紫外発光デバイス２は、発光層２３へ注入された電子のうち、発光層２３中で正孔と再結合されなかった電子が、ｐ形窒化物半導体層側へ漏れる（オーバーフロー）のを抑制するために、発光層２３と第２窒化物半導体層（ｐ形窒化物半導体層）２５との間に電子ブロック層２４を設けることが好ましい。電子ブロック層２４は、ｐ形ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）層により構成してある。電子ブロック層２４を構成するｐ形ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）層のＡｌの組成であるｚは、例えば、０．９とすることができるが、特に限定するものではない。電子ブロック層２４におけるＡｌの組成であるｚは、電子ブロック層２４のバンドギャップエネルギが、ｐ形窒化物半導体層もしくは障壁層２３ａのバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定することが好ましい。また、電子ブロック層２４の正孔濃度は、特に限定するものではない。また、電子ブロック層２４の膜厚については、特に限定するものではないが、膜厚が薄すぎるとオーバーフロー抑制効果が減少し、膜厚が厚すぎると紫外発光デバイス２の抵抗が大きくなってしまう。ここで、電子ブロック層２４の膜厚については、Ａｌの組成であるｚや正孔濃度などの値によって適した膜厚が変化するので、一概には言えないが、１〜５０ｎｍの範囲で設定することが好ましく、５〜２５ｎｍの範囲で設定することが、より好ましい。
ｐ形コンタクト層２６は、第２電極２８との接触抵抗を下げ、第２電極２８との良好なオーミック接触を得るために設けてある。ｐ形コンタクト層２６は、ｐ形ＧａＮ層により構成してある。ここで、ｐ形コンタクト層２６を構成するｐ形ＧａＮ層の正孔濃度は、ｐ形窒化物半導体層よりも高濃度とすることが好ましく、例えば、１×１０18ｃｍ-3程度とすることにより、第２電極２８との良好な電気的接触を得ることが可能である。ただし、ｐ形ＧａＮ層の正孔濃度は、特に限定するものではなく、第２電極２８との良好な電気的接触が得られる正孔濃度の範囲で適宜変更してもよい。ｐ形コンタクト層２６の膜厚は、５０ｎｍに設定してあるが、これに限らず、例えば、３０〜１５０ｎｍ程度の範囲で設定すればよい。
また、紫外発光デバイス２は、ｎ電極である第１電極２７上に、例えばＡｕ膜からなる第１パッド（図示せず）が形成されている。また、紫外発光デバイス２は、ｐ電極である第２電極２８の上に、例えばＡｕ膜からなる第２パッド（図示せず）が形成されている。
以下では、本実施形態のエピタキシャルウェハ１及び紫外発光デバイス２の製造方法について説明する。
（１）シリコン基板１１を反応炉に導入する工程
この工程では、上記一表面が（１１１）面であるシリコン基板１１（図１（ａ）参照）を準備して減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入する。この工程では、反応炉へのシリコン基板１１の導入前に、シリコン基板１１に対して薬品による前処理を行うことにより、シリコン基板１１の表面を清浄化することが好ましい。前処理としては、例えば、硫酸過水により有機物の除去を行い、その後、フッ酸により酸化物の除去を行う。また、この工程では、反応炉へシリコン基板１１を導入した後、反応炉の内部の真空引きを行う。その後には、Ｎ２ガスなどを反応炉内へ流すことによって反応炉内をＮ２ガスで満たしてから、排気するようにしてもよい。
（２）アルミニウム堆積物１２を形成する工程（第１工程）
この工程は、反応炉内の圧力を第１所定圧力に減圧した後、反応炉内を規定圧力に保ちながらシリコン基板１１の温度である基板温度を、アルミニウム堆積物１２を堆積させる第１所定温度まで昇温する。この工程は、その後、反応炉内の圧力を第１所定圧力に保ちながら基板温度を第１所定温度で保持した状態で、アルミニウムの原料であるＴＭＡ及びキャリアガスであるＨ2ガスを第１所定時間だけ反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面上にアルミニウム堆積物１２を形成する（図１（ｂ）参照）。第１所定圧力は、例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒとすることができるが、これに限らず、例えば、１ｋＰａ〜４０ｋＰａ程度の範囲で設定することができる。第１所定温度は、例えば、９００℃に設定することができるが、これに限らず、３００℃以上１２００℃未満の温度範囲内で設定するのが好ましい。これは、基板温度が１２００℃未満であれば、１２００℃以上の高温下でのシリコン基板１１と残留ＮＨ3などとの反応を防止することが可能となり、窒化シリコンの突起が発生するのを抑制することができるからである。また、これは、基板温度を３００℃とすればＴＭＡが分解しアルミニウム原子が単独でシリコン基板１１上に到達可能となり、アルミニウム堆積物１２を形成することが可能となるからである。ところで、第１所定温度は、５００℃〜１１５０℃程度の温度範囲で設定するのが、より好ましい。これは、基板温度が１１５０℃よりも高い場合には、基板温度が高温側へオーバーシュートしたり変動したときに、１２００℃以上となる懸念が生じるからである。また、これは、基板温度を５００℃以上とすれば、ＴＭＡの分解効率を向上させることができ略１００％の分解効率とさせることができるからである。第１所定時間は、例えば、６秒に設定することができるが、これに限らず、例えば、３秒〜２０秒程度の範囲で設定することが好ましい。この工程では、キャリアガスであるＨ2ガスの流量に対するＴＭＡの濃度を、例えば、０．０１０μｍｏｌ／Ｌ以上１．０μｍｏｌ／Ｌ以下とすることが好ましい。このＴＭＡの濃度が０．０１０μｍｏｌ／Ｌ未満の場合には、アルミニウムがシリコン基板１１の上記一表面の全体に行き渡り難くなり、アルミニウム堆積物１２が形成されない箇所ができたり、アルミニウム堆積物１２の堆積厚さが薄い箇所ができてしまい、結果的に第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成する前に窒化シリコンの突起が形成されてしまう。また、ＴＭＡの濃度が１．０μｍｏｌ／Ｌよりも高い場合には、アルミニウム堆積物１２の表面が荒れてしまい、その上に形成される第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面も荒れてしまうためである。
ところで、本願発明者らは、第１工程のプロセス条件を決定するにあたり、図４に示す参考形態のエピタキシャルウェハ１０を種々のプロセス条件で作製してエピタキシャルウェハ１０の表面の平坦性などを評価した。エピタキシャルウェハ１０は、シリコン基板１１上にアルミニウム堆積物１２が形成され、アルミニウム堆積物１２上に窒化アルミニウム層１６が形成された構造であり、実施形態のエピタキシャルウェハ１のような空洞部１７を備えていない。
参考形態のエピタキシャルウェハ１０の作製にあたっては、シリコン基板１１として、導電形がｎ形、比抵抗が１〜３Ω・ｃｍ、厚さが４３０μｍ、上記一表面が（１１１）面のシリコンウェハを準備した。
減圧ＭＯＶＰＥ装置にシリコン基板１１を導入する前の前処理としては、硫酸過水により有機物の除去を行い、その後、フッ酸により酸化物の除去を行った。
反応炉へシリコン基板１１を導入した後には、反応炉の内部の真空引きを行い、その後、反応炉内の圧力を第１所定圧力である１０ｋＰａに減圧した後、反応炉内を第１所定圧力に保ちながら基板温度を、第１所定温度である９００℃まで昇温した。第１工程では、反応炉内の圧力を第１所定圧力に保ちながら基板温度を９００℃で保持した状態で、ＴＭＡ及びＨ2ガスを第１所定時間である６秒だけ反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面上にアルミニウム堆積物１２を形成した。
アルミニウム堆積物１２を形成した後には、基板温度を第２所定温度である１３００℃まで昇温し、反応炉内の圧力を第１所定圧力と同じ第２所定圧力（１０ｋＰａ）に保ちながら基板温度を１３００℃で保持した状態で、ＴＭＡ、Ｈ2ガス及びＮＨ3を反応炉内に供給することによって、膜厚が約３００ｎｍの窒化アルミニウム層１６を形成した。窒化アルミニウム層１６を形成する第２工程では、ＴＭＡの流量を標準状態で０．１Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3の流量を標準状態で１Ｌ／ｍｉｎにそれぞれ設定した。
参考形態のエピタキシャルウェハ１０の製造にあたり、第１工程の条件のみを異ならせた参考例１〜４について説明する。参考例１では、第１工程において、ＴＭＡの流量を標準状態で０Ｌ／ｍｉｎ、つまり、０ＳＣＣＭ（standard cc per minute）、Ｈ2ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、つまり、１００ＳＬＭ（standard liter per minute）にそれぞれ設定した。この参考例１の第１工程におけるＨ2ガスの流量に対するＴＭＡの濃度は、０μｍｏｌ／Ｌとなる。また、参考例２では、ＴＭＡの流量を標準状態で０．０００７Ｌ／ｍｉｎ、つまり、０．７ＳＣＣＭ、Ｈ2ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、つまり、１００ＳＬＭにそれぞれ設定した。この参考例２の第１工程におけるＨ2ガスの流量に対するＴＭＡの濃度は、０．００９８μｍｏｌ／Ｌとなる。参考例２におけるアルミニウム堆積物１２の堆積条件は、堆積厚さを０．２ｎｍに設定してある。また、参考例３では、第１工程において、ＴＭＡの流量を標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ、つまり、２０ＳＣＣＭ、Ｈ2ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、つまり、１００ＳＬＭにそれぞれ設定した。この参考例３の第１工程におけるＨ2ガスの流量に対するＴＭＡの濃度は、０．２８μｍｏｌ／Ｌとなる。参考例４では、ＴＭＡの流量を標準状態で０．０８Ｌ／ｍｉｎ、つまり、８０ＳＣＣＭ、Ｈ2ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、つまり、１００ＳＬＭにそれぞれ設定した。この参考例４の第１工程におけるＨ2ガスの流量に対するＴＭＡの濃度は、１．１μｍｏｌ／Ｌとなる。参考例４におけるこのアルミニウム堆積物１２の堆積条件は、堆積厚さを２０ｎｍに設定した場合である。
本願発明者らは、参考例１〜４の製造方法で作製したシリコン基板１１上の窒化アルミニウム層１６それぞれの表面を光学顕微鏡で観察した。その結果としては、図５に示す結果が得られた。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ参考例１、２、３及び４の表面形態図である。参考例１の製造された窒化アルミニウム層１６には、図５（ａ）に示すように、黒い斑点が多数発生していた。この斑点は、ＳＥＭによる観察結果から、高さが０．１μｍ以上の突起であることがわかった。また、ＥＤＸによる組成分析により、この突起の主な成分は、シリコンと窒素であることが分かった。これに対して、参考例３の製造方法で作製したシリコン基板１１上の第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面は、光学顕微鏡で観察した結果、図５（ｃ）に示すような鏡面が得られていた。また、参考例２の窒化アルミニウム層１６の表面には、図５（ｂ）に示すように、突起（黒い斑点）が観察された。参考例２の窒化アルミニウム層１６の表面の突起の数は、窒化アルミニウム層１６の面内全体で１０個であった。これにより、参考例２では、参考例１に比べて、窒化シリコンの形成がほとんど抑制されているものと推考される。そのため、第１工程におけるＴＭＡのＨ2ガスの流量に対する濃度は、０．０１０μｍｏｌ／Ｌ以上が望ましいと考えられる。参考例４の窒化アルミニウム層１６の表面には、図５（ｄ）に示すように、突起が見られないものの、やや荒れが見られた。窒化アルミニウム層１６の表面が荒れた原因としては、シリコン基板１１の表面で過剰に堆積されたアルミニウム堆積物１２の表面が、窒化アルミニウム層１６を形成する際の基板温度に起因して荒れてしまったことが影響したものと考えられる。そのため、第１工程におけるＴＭＡのＨ2ガスの流量に対する濃度は、１．０μｍｏｌ／Ｌ以下が望ましいと考えられる。
なお、エピタキシャルウェハ１の製造方法においては、反応炉内に導入されたシリコン基板１１の基板温度を、第１工程の前に、規定の熱処理温度（例えば、９００℃）まで昇温し、さらに、この熱処理温度での加熱によりシリコン基板１１の上記一表面を清浄化するようにしてもよい。この場合には、反応炉内へＨ2ガスを供給した状態でシリコン基板１１を加熱することにより、清浄化を効果的に行うことができる。
（３）第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成する工程（第２工程）
この工程では、第１工程の後で基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第２所定温度としてからＴＭＡ及び窒素の原料ガスであるＮＨ3を反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面側に第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成する（図１（ｂ）参照）。
より具体的に説明すれば、この工程では、シリコン基板１１の基板温度を、第２所定温度に設定する。この第２所定温度は、欠陥の少ない高品質な第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成するために、１３００℃に設定しているが、これに限らず、１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で設定することが好ましく、１２５０〜１３５０℃の温度範囲で設定することが、より好ましい。この工程では、基板温度が１２００℃未満の場合、欠陥の少ない高品質の第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成することができない。また、基板温度が１４００℃よりも高温になると、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面が荒れてしまい、平坦性が低下する。
この工程では、例えば、反応炉内にＨ2ガスのみを供給して反応炉内の圧力を第２所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）に保ちながら基板温度を第１所定温度から第２所定温度まで上昇させる。第２所定圧力は、第１所定圧力と同じ値が好ましいが、異なる値でもよい。この工程では、その後、基板温度を第２所定温度で保持した状態で、アルミニウムの原料であるＴＭＡ、ＴＭＡのキャリアガスであるＨ2ガス及び窒素の原料であるＮＨ3を反応炉内へ供給して第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成する（エピタキシャル成長させる）。
この工程では、ＴＭＡを連続して供給し且つＮＨ3を間欠的に供給して成長させる成長方法（以下、パルス供給成長法と称する）を採用している。この工程では、パルス供給成長法に限らず、例えば、ＴＭＡとＮＨ3とを同時に供給して第１窒化アルミニウム薄膜１３をエピタキシャル成長させる成長方法（以下、同時供給成長法と称する）を採用してもよい。また、この工程では、ＴＭＡとＮＨ3との供給タイミングをずらして第１窒化アルミニウム薄膜１３をエピタキシャル成長させる成長方法（以下、交互供給成長法と称する）を採用してもよい。また、この工程では、同時供給成長法と交互供給成長法とを時系列的に組み合わせてもよい。また、この工程では、同時供給成長法とパルス供給成長法とを時系列的に組み合わせてもよい。ＴＭＡとＮＨ3とのモル比を表すＶ/III比は、同時供給成長法、交互供給成長法、パルス供給成長法のいずれの場合でも、１以上５０００以下であることが好ましい。この工程における第２所定圧力（成長圧力）の値は、一例であり、特に限定するものではない。なお、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平坦性を左右する基板温度以外のパラメータとして、Ｖ／III比、ＴＭＡの供給量、成長圧力なども考えられるが、基板温度が最も本質的なパラメータであると考えられる。
（１）の工程において減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内にシリコン基板１１を導入した後、（３）の工程が終了するまでは、減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内で連続的に行う。
（４）凹部１４を形成する工程（第３工程）
この工程では、第１窒化アルミニウム１３及びシリコン基板１１における各空洞部１７の形成予定領域の各々に第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面側からシリコン基板１１の上記一表面よりも深い位置に至る凹部１４を形成する（図１（ｃ）参照）。凹部１４は、例えば、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して形成する。よって、凹部１４を形成するためには、アルミニウム堆積物１２及び第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成したシリコン基板１１を一旦、減圧ＭＯＶＰＥ装置から取り出す必要がある。エッチングマスクは、フォトリソグラフィ技術を利用したリフトオフ法により形成することができる。エッチングマスクは、例えば、パターニングされたＮｉ膜により構成することができる。Ｎｉ膜は、凹部１４の形成後に、例えば、王水によりエッチング除去することができる。ドライエッチングを行う際のエッチングガスとしては、例えば、Ｃｌ２ガスとＳｉＣｌ４ガスとの混合ガスを採用することができる。これにより、第３工程では、第１窒化アルミニウム薄膜１３とアルミニウム堆積物１２とシリコン基板１１とを同じエッチングガスを利用して連続的にドライエッチングすることが可能となる。エッチングガスは、特に限定するものではなく、上述の混合ガス以外のガスでもよい。
この工程では、凹部１４の幅を２μｍ、深さを１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。凹部１４の幅は、例えば、１〜５μｍ程度の範囲で設定することができる。また、凹部１４の深さは、例えば、０．５〜２μｍ程度の範囲で設定することができる。また、凹部１４の周期は、例えば０．５μｍ〜２０μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。また、凹部１４の周期は、一定でもよいし、凹部１４の並んでいる方向において、途中で周期が変化していてもよい。
（５）第２窒化アルミニウム薄膜１５ａ及び各空洞部１７を形成する工程（第４工程）
この工程は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により行う。この工程では、シリコン基板１１の基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第３所定温度としてからＴＭＡ及び窒素の原料ガスであるアンモニアを減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面側に第２窒化アルミニウム薄膜１５ａ及び各空洞部１７を形成する（図１（ｄ）参照）。
より具体的に説明すれば、この工程では、シリコン基板１１の基板温度を、第３所定温度に設定する。この第３所定温度は、欠陥の少ない高品質な第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを形成するために、１３００℃に設定しているが、これに限らず、１２００℃以上１４００℃以下の温度範囲で設定することが好ましく、１２５０〜１３５０℃の温度範囲で設定することが、より好ましい。
この工程では、例えば、反応炉内にＨ2ガスのみを供給して反応炉内の圧力を第３所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）に保ちながら基板温度を第３所定温度まで上昇させる。この工程では、その後、基板温度を第３所定温度で保持した状態で、アルミニウムの原料であるＴＭＡ、ＴＭＡのキャリアガスであるＨ2ガス及び窒素の原料であるＮＨ3を反応炉内へ供給して第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを形成する（エピタキシャル成長させる）。
この工程では、同時供給成長法を採用しているが、これに限らず、パルス供給成長法や交互供給成長法を採用してもよい。また、この工程では、同時供給成長法と交互供給成長法とを時系列的に組み合わせてもよい。また、この工程では、同時供給成長法とパルス供給成長法とを時系列的に組み合わせてもよい。ＴＭＡとＮＨ3とのモル比を表すＶ/III比は、同時供給成長法、交互供給成長法、パルス供給成長法のいずれの場合でも、１以上５０００以下であることが好ましい。この工程における第３所定圧力（成長圧力）の値は、一例であり、特に限定するものではない。なお、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａの表面の平坦性を左右する基板温度以外のパラメータとして、Ｖ／III比、ＴＭＡの供給量、成長圧力なども考えられるが、基板温度が最も本質的なパラメータであると考えられる。
本実施形態のエピタキシャルウェハ１の製造方法によれば、シリコン基板１１の上記一表面上にパターニングされたレジスト層を形成してシリコン基板１１を加工して、その後、このシリコン基板の上記一表面側に窒化アルミニウム層１６を形成する場合に比べて、窒化アルミニウム層１６の結晶性が向上することが実験で確認された。
なお、第３の工程と第４の工程との間では、シリコン基板１１の上記一表面側において凹部１４の内底面などが露出しているので、第４の工程の前に、第１工程と同様の条件でシリコン基板１１の上記一表面側にアルミニウム堆積物を形成するようにしてもよい。ただし、シリコン基板１１の上記一表面側において凹部１４の内底面などが露出している場合でも、凹部１４の内底面に窒化シリコンが発生しづらいことが実験により確認されている。これは、凹部１４には残留ＮＨ3が到達しにくいためであると推考される。また、エピタキシャルウェハ１の製造方法では、凹部１４の深さ寸法を第１窒化アルミニウム薄膜１３の膜厚よりも小さく設定した場合、凹部１４の形成後に、アルミニウム堆積物を再度形成する必要はない。
（５）の工程により製造されたエピタキシャルウェハ１は、基板温度を例えば室温付近まで降温させた後に減圧ＭＯＶＰＥ装置から取り出し、ＭＯＶＰＥ法以外の結晶成長方法、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によりIII族窒化物半導体層を形成してもよいし、エピタキシャルウェハ１の状態で保管してもよい。また、減圧ＭＯＶＰＥ装置により製造したエピタキシャルウェハ１を直ちに紫外発光デバイス２の製造に供する場合には、減圧ＭＯＶＰＥ装置からエピタキシャルウェハ１を取り出さずに、このエピタキシャルウェハ１上にIII族窒化物半導体層を形成し、その後、基板温度を室温付近まで降温させ、減圧ＭＯＶＰＥ装置から取り出すようにすればよい。
減圧ＭＯＶＰＥ装置によりエピタキシャルウェハ１の製造に続いて紫外発光デバイス２を製造する場合の各工程は、以下の通りである。
（６）下地層２１を形成する工程
下地層２１の成長条件としては、例えば、基板温度を１１００℃、成長圧力を第４所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）とする。また、下地層２１の成長条件としては、アルミニウムの原料ガスとしてＴＭＡ、ガリウムの原料ガスとしてトリメチルガリウム（trimethyl gallium：ＴＭＧ）、窒素の原料ガスとしてＮＨ3を用いる。各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしては、Ｈ2ガスを用いている。また、Ａｌの組成が所望の値（例えば、０．７０）となるようにIII族の原料ガスにおけるＴＭＡのモル比（〔ＴＭＡ〕／｛〔ＴＭＡ〕＋〔ＴＭＧ〕｝）を設定している。なお、各原料ガスは特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム（triethyl gallium：ＴＥＧａ）、窒素の原料ガスとしてヒドラジン誘導体を用いてもよい。また、基板温度及び第４所定圧力それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
（７）ｎ形窒化物半導体層を形成する工程
ｎ形窒化物半導体層の成長条件としては、例えば、基板温度を１１００℃、成長圧力を第５所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料ガスとしてＴＭＡ、ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧａ、窒素の原料ガスとしてＮＨ3、ｎ形導電性を付与する不純物であるシリコンの原料ガスとしてモノシラン（monosilane：ＳｉＨ4）を用い、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしてＨ2ガスを用いている。この工程では、Ａｌの組成が所望の値（例えば、０．７０）となるようにIII族の原料ガスにおけるＴＭＡのモル比（〔ＴＭＡ〕／｛〔ＴＭＡ〕＋〔ＴＭＧ〕｝）を設定している。なお、各原料ガスは特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてＴＥＧａ、窒素の原料ガスとしてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてテトラエチルシラン（tetraethyl silane：ＴＥＳｉ）を用いてもよい。また、基板温度及び第５所定圧力それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
（８）発光層２３を形成する工程
発光層２３の成長条件としては、例えば、基板温度を１１００℃、成長圧力を第６所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料ガスとしてＴＭＡ、ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧ、窒素の原料ガスとしてＮＨ3を用い、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしてＨ2ガスを用いている。ここで、発光層２３の井戸層２３ｂの成長条件については、所望の組成が得られるように、III族の原料ガスにおけるＴＭＡのモル比（〔ＴＭＡ〕／｛〔ＴＭＡ〕＋〔ＴＭＧ〕｝）を障壁層２３ａの成長条件よりも小さく設定している。なお、本実施形態では、障壁層２３ａに不純物をドーピングしていないが、これに限らず、障壁層２３ａの結晶品質が劣化しない程度の濃度でシリコンなどの不純物をドーピングしてもよい。ここで、シリコンの原料ガスとしては、例えば、ＳｉＨ4を用いることができる。各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてＴＥＧａ、窒素の原料ガスとしてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてＴＥＳｉを用いてもよい。また、基板温度及び第６所定圧力それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
（９）電子ブロック層２４を形成する工程
電子ブロック層２４の成長条件としては、基板温度を１１００℃、成長圧力を第７所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）とする。また、電子ブロック層２４の成長条件としては、アルミニウムの原料ガスとしてＴＭＡ、ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧ、窒素の原料ガスとしてＮＨ3、ｐ形導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いる。また、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしては、Ｈ2ガスを用いている。ここで、Ａｌの組成が所望の値（例えば、０．９）となるようにIII族の原料ガスにおけるＴＭＡのモル比（〔ＴＭＡ〕／｛〔ＴＭＡ〕＋〔ＴＭＧ〕｝）を設定している。各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてＴＥＧａ、窒素の原料ガスとしてヒドラジン誘導体を用いてもよい。また、基板温度及び第７所定圧力それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。発光層２３の成長条件における基板温度と電子ブロック層２４の成長条件における基板温度とは、同じ温度であることが好ましいが、必ずしも同じ温度である必要はない。
（１０）ｐ形窒化物半導体層を形成する工程
ｐ形窒化物半導体層の成長条件としては、基板温度を１１００℃、成長圧力を第８所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）とする。また、ｐ形窒化物半導体層の成長条件としては、アルミニウムの原料ガスとしてＴＭＡ、ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧ、窒素ガスの原料ガスとしてＮＨ3、ｐ形導電性を付与する不純物であるＭｇの原料ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用いる。また、各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしては、Ｈ2ガスを用いている。ここで、Ａｌの組成が所望の値（例えば、０．７０）となるようにIII族の原料ガスにおけるＴＭＡのモル比（〔ＴＭＡ〕／｛〔ＴＭＡ〕＋〔ＴＭＧ〕｝）を設定している。Ａｌの組成がｎ形窒化物半導体層におけるＡｌの組成と同じ場合には、ｎ形窒化物半導体層の成長条件と同じモル比に設定することができる。また、基板温度及び第８所定圧力それぞれの値は、一例であり、特に限定するものではない。
（１１）ｐ形コンタクト層２６を形成する工程
ｐ形コンタクト層２６の成長条件としては、基板温度を１０５０℃、成長圧力を第９所定圧力（例えば、１０ｋＰａ）とする。また、ｐ形コンタクト層２６の成長条件としては、ガリウムの原料ガスとしてＴＭＧ、窒素の原料ガスとしてＮＨ3、ｐ型導電性を付与する不純物であるＭｇの原料ガスとして、Ｃｐ2Ｍｇを用いる。各原料ガスを輸送するためのキャリアガスとしては、Ｈ2ガスを用いている。
ｐ形コンタクト層２６の成長が終わった後には、基板温度を室温付近まで降温させ、III族窒化物半導体層（下地層２１、第１窒化物半導体層２２、発光層２３、電子ブロック層２４、第２窒化物半導体層２５及びｐ形コンタクト層２６の積層膜が成長されているエピタキシャルウェハ１を減圧ＭＯＶＰＥ装置から取り出す。
（１２）メサ構造を形成する工程
この工程では、シリコン基板１１の上記一表面側に成長されたIII族窒化物半導体層において、メサ構造の上面に対応する領域上に、レジスト層を形成する。この工程では、その後、レジスト層をマスクとして、このIII族窒化物半導体層を表面側（ここでは、ｐ形コンタクト層２６の表面側）から第１窒化物半導体層２２の途中までエッチングすることによって、メサ構造を形成し、続いて、レジスト層を除去する。このIII族窒化物半導体層のエッチングは、例えば、反応性イオンエッチングにより行うことができる。なお、メサ構造の面積及び形状は特に限定するものではない。
（１２）までの工程が終了した後には、第１電極２７及び第２電極２８を形成し、その後、第１パッド及び第２パッドを形成する。これにより、紫外発光デバイス２が複数形成されたウェハが完成する。その後には、ダイシング工程であり、ウェハをダイシングソーなどによって裁断することで、個々の紫外発光デバイス２（チップ）に分割することにより、１枚のウェハから複数の紫外発光デバイス２を得ることができる。
本実施形態のエピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層１６と、シリコン基板１１と窒化アルミニウム層１６との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物１２とを備える。これにより、エピタキシャルウェハ１は、窒化アルミニウム層１６の形成前にシリコン基板１１の上記一表面側に窒化シリコンが形成されるのを抑制することが可能となり、シリコン基板１１上に形成される窒化アルミニウム層１６の表面の平坦性の向上を図ることが可能となる。また、エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１とアルミニウム堆積物１２と窒化アルミニウム層１６とに跨る複数の空洞部１７とを備える。これにより、エピタキシャルウェハ１は、窒化アルミニウム層１６にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。また、エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１の上記一表面にアルミニウム堆積部１２が形成されており、シリコン基板１１とアルミニウム堆積物１２と窒化アルミニウム層１６とに跨る複数の空洞部１７を備えていることにより、窒化アルミニウム層１６の結晶性の向上を図ることが可能となる。
エピタキシャルウェハ１は、窒化アルミニウム層１６が、アルミニウム堆積物１２上に直接形成された第１窒化アルミニウム薄膜１３と、第１窒化アルミニウム薄膜１３上に直接形成された第２窒化アルミニウム薄膜１５ａとからなる。そして、エピタキシャルウェハ１は、空洞部１７のうち、第１窒化アルミニウム薄膜１３に形成されている第１部分の幅が一様であり、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａに形成されている第２部分の幅がシリコン基板１１から離れるにつれて小さくなっている。これにより、エピタキシャルウェハ１は、シリコン基板１１の上記一表面側に第１窒化アルミニウム１３を形成した後に各空洞部１７の元になる凹部１４を形成してから、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを形成する際に各凹部１４に対応して各空洞部１７を形成するような製造プロセスを採用することが可能となる。
エピタキシャルウェハ１は、窒化アルミニウム層１６の表面が（０００１）面である。そして、各空洞部１７の各々は、窒化アルミニウム層１６のａ軸及びｃ軸に直交する方向が長手方向であり、この長手方向の両側が開放されていることが好ましい。これにより、エピタキシャルウェハ１は、製造時に第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを形成する際の窒化アルミニウムの横方向成長を促進させることが可能となり、平坦性をより向上させることが可能となる。
また、本実施形態のエピタキシャルウェハ１の製造方法は、シリコン基板１１を準備して減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に配置した状態において、第１工程、第２工程を順次行う。第１工程は、シリコン基板１１の温度である基板温度を３００℃以上１２００℃未満の第１所定温度としてからアルミニウムの原料ガスであるＴＭＡを反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面上にアルミニウム堆積物１２を形成する。第２工程は、シリコン基板１１の基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第２所定温度としてからＴＭＡ及び窒素の原料ガスであるＮＨ3を反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面側に第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成する。しかして、本実施形態のエピタキシャルウェハ１の製造方法では、第２工程の前に第１工程を設けることにより、シリコン基板１１の上記一表面側に窒化シリコンが形成されるのを抑制することが可能となり、シリコン基板１１上に形成する第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能になる。よって、本実施形態のエピタキシャルウェハ１の製造方法では、結果として窒化アルミニウム層１６の表面の平坦性及び結晶性の向上を図ることが可能となる。
本実施形態のエピタキシャルウェハ１の製造方法において、第１工程では、アルミニウム堆積物１２の堆積厚さを、０．２ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍよりも小さな値に設定することが好ましい。これにより、エピタキシャルウェハ１の製造方法では、シリコン基板１１上に形成する第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平坦性の向上を図ることが可能になる。ここにおいて、第１工程では、キャリアガスであるＨ２ガスの流量に対するＴＭＡの濃度を、０．０１０μｍｏｌ／Ｌ以上１．０μｍｏｌ／Ｌ以下とすることが好ましい。これにより、エピタキシャルウェハ１の製造方法では、シリコン基板１１上に形成する第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平坦性の向上を図ることが可能になる。
また、本実施形態のエピタキシャルウェハ１の製造方法では、第２工程の後に、各凹部１４を形成する第３工程と、第２窒化アルミニウム薄膜１５ａ及び各空洞部１７を形成する第４工程とを備えている。これにより、エピタキシャルウェハの製造方法では、第１窒化アルミニウム薄膜１３と第２窒化アルミニウム薄膜１５ａとからなる窒化アルミニウム層１４の平坦性を向上させることが可能となり、且つ、窒化アルミニウム層１６にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。
このエピタキシャルウェハ１の製造方法において、第１工程では、アルミニウム堆積物１２の堆積厚さを、０．２ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍよりも小さな値に設定することが好ましい。これにより、エピタキシャルウェハ１の製造方法では、第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面の平坦性を向上させることが可能となり、結果的に、窒化アルミニウム層１６の表面の平坦性を向上させることが可能となる。
また、紫外発光デバイス２は、シリコン基板１１ａと、シリコン基板１１ａの一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層１６と、シリコン基板１１ａと窒化アルミニウム層１６との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物１２と、シリコン基板１１ａとアルミニウム堆積物１２と窒化アルミニウム層１６とに跨る複数の空洞部１７と、窒化アルミニウム層１６上に形成された第１導電形の第１窒化物半導体層２２と、第１窒化物半導体層２２上に形成された活性層２３と、活性層２３上に形成された第２窒化物半導体層２５とを備えている。しかして、紫外発光デバイス２は、シリコン基板上に形成される単結晶の窒化アルミニウム層の表面の平坦性の向上を図ることが可能になり、且つ、窒化アルミニウム層１６へのクラックの発生を抑制することが可能となる。その結果、紫外発光デバイス２は、第１窒化物半導体層２２、活性層２３及び第２窒化物半導体層２５の結晶性を向上させることが可能となる。よって、本実施形態における紫外発光デバイス２の構造を採用することにより、高効率で、且つ、製造歩留まりの高い、発光波長が３６０ｎｍ以下の紫外発光デバイス２をシリコン基板１１上に作製することが可能となる。
（実施例１）
実施例１では、実施形態において説明したエピタキシャルウェハ１の製造方法に基づいてエピタキシャルウェハ１を製造した。
シリコン基板１１としては、導電形がｎ形、比抵抗が１〜３Ω・ｃｍ、厚さが４３０μｍ、上記一表面が（１１１）面のシリコンウェハを準備した。
減圧ＭＯＶＰＥ装置にシリコン基板１１を導入する前の前処理としては、硫酸過水により有機物の除去を行い、その後、フッ酸により酸化物の除去を行った。
反応炉へシリコン基板１１を導入した後には、反応炉の内部の真空引きを行い、その後、反応炉内の圧力を第１所定圧力である１０ｋＰａに減圧した後、反応炉内を第１所定圧力に保ちながら基板温度を、第１所定温度である９００℃まで昇温した。第１工程では、反応炉内の圧力を第１所定圧力に保ちながら基板温度を９００℃で保持した状態で、ＴＭＡ及びＨ２ガスを第１所定時間である６秒だけ反応炉内に供給することによって、シリコン基板１１の上記一表面上にアルミニウム堆積物１２を形成した。アルミニウム堆積物１２を形成する第１工程では、ＴＭＡの流量を標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ、つまり、２０ＳＣＣＭ（standard cc per minute）、Ｈ2ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、つまり、１００ＳＬＭ（standard liter per minute）にそれぞれ設定した。ここで、Ｈ2ガスの流量に対するＴＭＡの濃度は、０．２８μｍｏｌ／Ｌである。
アルミニウム堆積物１２を形成した後には、基板温度を第２所定温度である１３００℃まで昇温し、反応炉内の圧力を第１所定圧力と同じ第２所定圧力（１０ｋＰａ）に保ちながら基板温度を１３００℃で保持した状態で、ＴＭＡとＨ2ガスとを供給し続ける一方でＮＨ3を間欠的に供給するパルス供給法によって、膜厚が約２００ｎｍの第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成した。第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成する第２工程では、ＴＭＡの流量を標準状態で０．１Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガスの流量を標準状態で１００Ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3の流量を標準状態で１Ｌ／ｍｉｎにそれぞれ設定した。
アルミニウム堆積物１２及び第１窒化アルミニウム薄膜１３を形成した後には、シリコン基板１１を減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉から取り出した。その後には、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を利用して各凹部１４を形成した。この各凹部１４を形成する工程では、シリコン基板１１の上記一表面側の第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面に塗布し、その後、マスクを通して紫外線露光を行い、その後、現像することにより、レジストのうち露光されていない箇所を残す。その後には、シリコン基板１１の上記一表面側に、ニッケル層を蒸着し、続いて、レジスト及びレジスト上の不要なニッケル層を除去するリフトオフを行うことにより、第１窒化アルミニウム膜１３上にストライプ状にパターニングされたニッケル層を形成した。その後には、ニッケル層をエッチングマスクとして、第１窒化アルミニウム膜１３、アルミニウム堆積物１２及びシリコン基板１１を、Ｃｌ2ガスとＳｉＣｌ4ガスとの混合ガスをエッチングガスとしてドライエッチングし、続いて、ニッケル層を王水でエッチング除去することにより、複数の凹部１４を形成した。凹部１４は、幅を２μｍ、深さを１μｍ、周期を１０μｍとしたが、これらの数値は限定するものではない。凹部１４の長手方向は、第１窒化アルミニウム薄膜１３のa軸及びｃ軸に直交する方向とした。
シリコン基板１１の上記一表面側に上述の各凹部１４を形成した後には、減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内にシリコン基板１１を導入し、反応炉内の圧力を１０ｋＰａ、基板温度を１３００℃としてから、ＴＭＡ、Ｈ2ガス及びＮＨ3を同時に供給し、窒化アルミニウム層１６の膜厚が４μｍとなるように第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを成長させた。
実施例１のエピタキシャルウェハ１については、光学顕微鏡、ＳＥＭ及びＸ線回折法それぞれによる評価を行った。
エピタキシャルウェハ１の表面には、光学顕微鏡による観察の結果、クラックは見当たらなかった。
エピタキシャルウェハ１は、個片化して、その断面をＳＥＭにより観察した結果、第１窒化アルミニウム１３の表面から成長した窒化アルミニウムが横方向成長し、空洞部１７の両側の窒化アルミニウム同士が結合していることが確認された。また、窒化アルミニウム層１６の表面には、高さが０．１μｍ以上の突起は見当たらなかった。
また、エピタキシャルウェハ１は、Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定を行なったところ、（１０−１２)面の半値幅が９８０秒という良好な結果が得られた。
(比較例1)
比較例１では、実施例１と同じ条件でシリコン基板１１上にアルミニウム堆積物１２を形成した。その後、比較例１では、膜厚が５００ｎｍの第１窒化アルミニウム薄膜１３を成長させた。
この比較例１における第１窒化アルミニウム薄膜１３の表面には、光学顕微鏡による観察の結果、クラックは見当たらなかった。
また、比較例１における第１窒化アルミニウム薄膜１３は、Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定を行なったところ、（１０−１２)面の半値幅が約３０００秒であり、結晶性が低いことが分かった。
（比較例２）
比較例２では、実施例と同仕様のシリコン基板１１を準備した。比較例２では、シリコン基板１１の上記一表面に複数の凹部１４を形成した。減圧ＭＯＶＰＥ装置にシリコン基板１１を導入する前の前処理は、実施例１と同じとした。反応炉へシリコン基板１１を導入した後には、反応炉の内部の真空引きを行い、その後、実施例１と同じ条件で第１窒化アルミニウム薄膜１３及び第２窒化アルミニウム薄膜１５ａを形成した。
比較例２で形成されたエピタキシャルウェハ１については、光学顕微鏡、ＳＥＭ及びＸ線回折法それぞれによる評価を行った。
エピタキシャルウェハ１の表面には、光学顕微鏡による観察の結果、クラックは見当たらなかった。
エピタキシャルウェハ１は、個片化して、その断面をＳＥＭにより観察した結果、第１窒化アルミニウム１３の表面から成長した窒化アルミニウムが横方向成長し，空洞部１７の両側の窒化アルミニウム同士が結合していることが確認された。また、窒化アルミニウム層１６の表面には、高さが０．１μｍ以上の突起は見当たらなかった。
しかしながら、Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定を行なったところ、（１０−１２)面の半値幅が１５００秒であり、実施例１よりも結晶性が低いことが確認された。
（実施例２）
実施例２では、実施例１のエピタキシャルウェハ１と同じ条件で製造したエピタキシャルウェハ１に紫外発光デバイス２を形成した。
下地層２１は、Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層とした。下地層２１は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長した。成長条件は、基板温度を１１００℃、成長圧力を１０ｋＰａ、アルミニウムの原料をＴＭＡ、ガリウムの原料をＴＭＧ、膜厚を３００ｎｍとした。
第１窒化物半導体層２２は、ｎ形Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層とした。第１窒化物半導体層２２は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長した。成長条件は、基板温度を１１００℃、成長圧力を１０ｋＰａ、アルミニウムの原料をＴＭＡ、ガリウムの原料をＴＭＧ、シリコンの原料をＳｉＨ4、膜厚を１μｍとした。
発光層２３は、多重量子井戸構造として、障壁層２３ａを膜厚が１０ｎｍのＡｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層とし、井戸層２３ｂを膜厚が２ｎｍのＡｌ0.50Ｇａ0.50Ｎ層とした。発光層２３は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長した。発光層２３の成長条件は、基板温度を１１００℃、成長圧力を１０ｋＰａ、アルミニウムの原料ガスをＴＭＡ、ガリウムの原料ガスをＴＭＧ、窒素の原料ガスをＮＨ3とした。
電子ブロック層２４は、ｐ形Ａｌ0.90Ｇａ0.10Ｎ層とした。電子ブロック層２４は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長した。電子ブロック層２４の成長条件は、基板温度を１１００℃、成長圧力を１０ｋＰａ、アルミニウムの原料ガスをＴＭＡ、ガリウムの原料ガスをＴＭＧ、窒素の原料ガスをＮＨ3、ｐ形導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスをビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、膜厚を２５ｎｍとした。
第２窒化物半導体層２５は、ｐ形Ａｌ0.70Ｇａ0.30Ｎ層とした。第２窒化物半導体層２５は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長した。成長条件は、基板温度を１１００℃、成長圧力を１０ｋＰａ、アルミニウムの原料をＴＭＡ、ガリウムの原料をＴＭＧ、ｐ形導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスをＣｐ2Ｍｇ、膜厚を２５ｎｍとした。
ｐ形コンタクト層２６は、ｐ形ＧａＮ層とした。ｐ形コンタクト層２６は、減圧ＭＯＶＰＥ装置により成長した。成長条件は、基板温度を１０５０℃、成長圧力を１０ｋＰａ、ガリウムの原料をＴＭＧ、ｐ形導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスをＣｐ2Ｍｇ、膜厚を５０ｎｍとした。
実施例２の紫外発光デバイス２については、エレクトロルミネッセンス測定を行った。その結果、紫外発光デバイス２では、発光波長が約２６０ｎｍのシングルピークが観測された。
１ エピタキシャルウェハ
２ 紫外発光デバイス
１１ シリコン基板
１２ アルミニウム堆積物
１３ 第１窒化アルミニウム薄膜
１４ 凹部
１５ａ 第２窒化アルミニウム薄膜
１６ 窒化アルミニウム層
１７ 空洞部
２２ 第１窒化物半導体層
２３ 活性層
２４ 第２窒化物半導体層

Claims (6)

  1. シリコン基板と、前記シリコン基板の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層と、前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム層との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物と、前記シリコン基板と前記アルミニウム堆積物と前記窒化アルミニウム層とに跨る複数の空洞部とを備えることを特徴とするエピタキシャルウェハ。
  2. 前記窒化アルミニウム層は、前記アルミニウム堆積物上に直接形成された第１窒化アルミニウム薄膜と、前記第１窒化アルミニウム薄膜上に直接形成された第２窒化アルミニウム薄膜とからなり、前記空洞部のうち、前記第１窒化アルミニウム薄膜に形成されている第１部分の幅が一様であり、前記第２窒化アルミニウム薄膜に形成されている第２部分の幅が前記シリコン基板から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャルウェハ。
  3. 前記窒化アルミニウム層の表面が（０００１）面であり、前記各空洞部の各々は、前記窒化アルミニウム層のａ軸及びｃ軸に直交する方向が長手方向であり、前記長手方向の両側が開放されていることを特徴とする請求項２記載のエピタキシャルウェハ。
  4. 請求項３記載のエピタキシャルウェハの製造方法であって、前記シリコン基板を準備して減圧ＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に配置した状態において、前記シリコン基板の温度である基板温度を３００℃以上１２００℃未満の第１所定温度としてからアルミニウムの原料ガスであるトリメチルアルミニウム及びＨ２ガスを前記反応炉内に供給することによって、前記シリコン基板の前記一表面上に前記アルミニウム堆積物を形成する第１工程と、前記第１工程の後で前記基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第２所定温度としてから前記トリメチルアルミニウム、Ｈ２ガス及び窒素の原料ガスであるアンモニアを前記反応炉内に供給することによって、前記シリコン基板の前記一表面側に前記第１窒化アルミニウム薄膜を形成する第２工程と、前記第１窒化アルミニウム及び前記シリコン基板における前記各空洞部の形成予定領域の各々に前記第１窒化アルミニウム薄膜の表面側から前記シリコン基板の前記一表面よりも深い位置に至る凹部を形成する第３工程と、前記第３工程の後で前記基板温度を１２００℃以上１４００℃以下の第３所定温度としてから前記トリメチルアルミニウム及び窒素の原料ガスであるアンモニアを前記反応炉内に供給することによって、前記シリコン基板の前記一表面側に前記第２窒化アルミニウム薄膜及び前記各空洞部を形成する第４工程とを備えることを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方法。
  5. 前記第１工程では、前記アルミニウム堆積物の堆積厚さを、０．２ｎｍよりも大きく且つ２０ｎｍよりも小さな値に設定することを特徴とする請求項４記載のエピタキシャルウェハの製造方法。
  6. シリコン基板と、前記シリコン基板の一表面側に形成された単結晶の窒化アルミニウム層と、前記シリコン基板と前記窒化アルミニウム層との間に設けられ窒化シリコンの形成を抑止するアルミニウム堆積物と、前記シリコン基板と前記アルミニウム堆積物と前記窒化アルミニウム層とに跨る複数の空洞部と、前記窒化アルミニウム層上に形成された第１導電形の第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２窒化物半導体層とを備えることを特徴とする紫外発光デバイス。
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