JP2017149629A - サファイア基板及び窒化物半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体層の形成に適したサファイア基板を提供する。
【解決手段】サファイア基板１０の主面１に複数の凹構造２を設け、凹構造２の開口端の直径を２ｎｍ以上６０ｎｍ以下とし、凹構造２の分布密度を、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下とする。これにより、主面１上に形成される窒化物半導体層の、初期の段階で形成される部分に転位が集中し、窒化物半導体層の結晶性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明はサファイア基板及び窒化物半導体基板に関する。

サファイア基板上に窒化物半導体層を形成する方法として、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）を用いた方法が提案されている。また、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成する際の成膜温度を調整することで、サファイア基板上に結晶欠陥密度の低い窒化物半導体層を成長させるようにした方法等も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１６８５９４号公報

従来、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成する際の成膜温度については種々の検討が行われている。その一方で、窒化物半導体層が形成されるサファイア基板自体の最適化については十分に検討が行われていないのが現状である。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、窒化物半導体層の形成に適したサファイア基板、これを用いた窒化物半導体基板、紫外線発光素子及び装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係るサファイア基板は、主面に複数の凹構造を備え、前記凹構造の開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、前記凹構造の分布密度が、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下であることを特徴としている。
本発明の他の態様に係る窒化物半導体基板は、上記態様のサファイア基板と、当該サファイア基板の主面上に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含む第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含み、前記第１の窒化物半導体層よりも転位密度が小さい第２の窒化物半導体層と、を備えることを特徴としている。

本発明の他の態様に係る紫外線発光素子は、上記態様の窒化物半導体基板を備える紫外線発光素子であって、前記窒化物半導体基板の前記第２の窒化物半導体層はＡｌＮを含み、前記第２の窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体積層部、を備え、前記窒化物半導体積層部は、ｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層と、がこの順に積層されていることを特徴としている。
さらに、本発明の他の態様に係る装置は、上記態様の紫外線発光素子を備えることを特徴としている。

本発明の一態様によれば、その上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上させることの可能なサファイア基板を提供することができる。そのため、このサファイア基板を用いた窒化物半導体基板や、この窒化物半導体基板を用いた紫外線発光素子や装置の特性向上を図ることができる。

本発明の一実施形態におけるサファイア基板の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるサファイア基板を用いた窒化物半導体基板の一例を示す断面図である。

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

＜サファイア基板＞
本発明の一実施形態に係るサファイア基板は、主面に複数の凹構造を備え、凹構造の開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、凹構造の分布密度が、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下である基板である。なお、凹構造２の形状は複数の凹構造間で同一であってもよく、異なる形状であってもよい。例えば、凹構造２の開口端の直径は、複数の凹構造間で均一であってもよく、また、開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下であれば、凹構造間で開口端の直径が異なっていてもよい。

図１に、本発明の一実施形態に係るサファイア基板の断面の一例を示す。図１に示すように、本発明の一実施形態に係るサファイア基板１０は、その主面１に複数の凹構造２が形成されている。このような構成とすることによって、このサファイア基板１０の主面１上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上させることができる。つまり、サファイア基板１０の主面１に凹構造２が存在することで、凹構造２を含む主面１上に成長する窒化物半導体層の転位が集中し、対消滅しやすくなることにより、結晶性の向上を図ることができる。

凹構造２は、サファイア基板１０の主面１に複数形成されており、主面１に対して窪んだ部分を意味する。また、凹構造の開口端の直径とは、凹構造２の開口端の開口内側に引くことが可能な直線の最大長さで定義される。例えば凹構造２の開口端が円形である場合には、円の直径が凹構造２の直径となる。また凹構造２の開口端が多角形状である場合には、多角形の対角線の最大長さが凹構造２の開口端の直径となる。
凹構造２の有無、凹構造２の開口端の直径については、サファイア基板１０の主面１を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等で観察することによって、観察又は測定することができる。凹構造２の分布密度は、サファイア基板１０の主面１の１００μｍ×１００μｍの領域に対して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて取得された画像を画像解析することで測定することができる。

またサファイア基板１０の主面１上に窒化物半導体層等が形成されている場合には、断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は平面透過型顕微鏡により観察することで、凹構造２の有無、凹構造２の開口端の直径及び凹構造２の分布密度を観察及び測定することが可能である。なおこの場合には、図１に示す断面図中に存在する凹構造２の横方向、つまり、サファイア基板１０の主面１に平行な方向に延びる凹構造２の長さを凹構造２の開口端の直径として定義する。またこの場合、分布密度については、平面ＴＥＭ測定から観測される凹構造２の個数を測定面積で除したものの平均値、または断面ＴＥＭ測定から断面中の凹構造２の個数を測定範囲及び測定試料奥行長さで除した値のうち、密度の多い方を分布密度とし、５断面の平均値を、サファイア基板１０の凹構造２の分布密度として定義する。

また、凹構造２は、深さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。凹構造２の深さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることにより、サファイア基板１０の主面１上に窒化物半導体層を形成する際に、初期の段階で形成される窒化物半導体層部分、つまり、凹構造２の内部又はその近傍に転位が集中し、その結果、その後に形成される窒化物半導体層部分の結晶性が向上する。ここで、凹構造２の深さとは、凹構造２の、開口端を含む面に垂直な方向の最大深さを意味する。凹構造２の深さは、前述の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により測定が可能である。

また、凹構造２は、体積つまり凹部の体積が１５．５ｎｍ^３以上１４１５００ｎｍ^３以下であることが好ましい。これによりサファイア基板１０の主面１上に窒化物半導体層を形成する際に、初期の段階で形成される窒化物半導体層部分、つまり凹構造２の内部又はその近傍に転位が集中し、その結果、その後に形成される窒化物半導体層部分の結晶性が向上する。
また、凹構造２は底面を有し、凹構造２の開口端の直径に対する底面の直径の比率（底面の直径／開口端の直径）が１０％以下であることが好ましい。これによりサファイア基板１０の主面１上に窒化物半導体層を形成する際に、初期の段階で形成される窒化物半導体層部分、つまり、凹構造２の内部又はその近傍に転位が集中し、その結果、その後に形成される窒化物半導体層部分の結晶性が向上する。ここで凹構造２の底面とは、凹構造２の開口端から最も深い位置にあり、サファイア基板１０の主面１に対して平行な面を意味する。また、底面の直径とは、凹構造２の開口端の直径と同じく、底面の内側に引くことが可能な直線の最大長さで定義される。凹構造２の開口端から最も深い位置にサファイア基板１０の主面１に対して平行な面が存在しない場合、つまり例えば凹構造２の先端が尖っている場合や、凹構造２の底面がサファイア基板１０の主面１に対して傾斜している場合等には、底面の直径は零とする。

また、凹構造２は側面を有し、凹構造の縦断面において、主面に対する側面の傾斜角が３０°以上５５°以下であることが好ましい。
これによりサファイア基板１０の主面１上に窒化物半導体層を形成する際に、転位が、サファイア基板１０の主面１に対して水平な方向に延び易くなり、窒化物半導体層の結晶性が向上する。
また、サファイア基板１０の主面１はステップ面及びテラス面を有することが好ましい。ここで、主面１が、互いに略平行な面が階段状に連なる形状の場合に、この略平行な面をステップ面と定義し、隣り合うステップ面を繋ぐ面をテラス面と定義する。これにより、例えばサファイア基板１０の主面１上にアルミニウムＡｌを含む窒化物半導体層（例えばＡｌＮ）を形成する際に、Ａｌ原子がステップ端に凝集しやすくなり、その結果、窒化物半導体層に含まれる転位の抑制が可能となる。

＜窒化物半導体基板＞
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板は、本発明の一実施形態に係るサファイア基板と、サファイア基板の主面上に形成され、アルミニウムＡｌ、ガリウムＧａ及びインジウムＩｎのうちの少なくとも１つを含む第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含み、第１の窒化物半導体層よりも転位密度が小さい第２の窒化物半導体層と、を備えるものである。
図２に、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の断面の一例を示す。図２に示すように、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板１００は、図１に示す凹構造２を備えたサファイア基板１０を備えており、このサファイア基板１０の上に、第１の窒化物半導体層２０と第２の窒化物半導体層３０とがこの順に積層されている。図１に示すサファイア基板１０を用いることで、初期の段階で形成される窒化物半導体層部分、つまり、凹構造２の内部又はその近傍に転位が集中し、その結果、サファイア基板１０の主面１上に形成された第１の窒化物半導体層２０の上に、第１の窒化物半導体層２０よりも転位密度の小さい第２の窒化物半導体層３０を形成することができる。

特に、本発明の一実施形態におけるサファイア基板１０を用いることで、第２の窒化物半導体層３０としてＡｌＮ層を形成する場合にその結晶性を向上させることが可能となる。この結晶性が良好なＡｌＮ層を下地層として用いることで、その上にＡｌＧａＮからなる紫外線発光素子や紫外線受光素子等を形成する際に、その特性を向上させることが可能となる。
ここで、第１の窒化物半導体層２０及び第２の窒化物半導体層３０がＡｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含むことの確認方法としては、蛍光Ｘ線元素分析法（ＸＲＦ）、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）、二次イオン質量測定（ＳＩＭＳ）及びＸ線光電子分光（ＸＰＳ）により確認することが可能である。また第１の窒化物半導体層２０及び第２の窒化物半導体層３０の転位密度は、カソードルミネッセンス法（ＣＬ）又は平面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）での測定や、表面に溶融ＫＯＨエッチングを実施した後に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定すること等により測定することができる。

また、第１の窒化物半導体層２０の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、第１の窒化物半導体層２０の上に形成する第２の窒化物半導体層３０の結晶性をさらに高めることが可能となる。つまり、第１の窒化物半導体層２０の膜厚が５０ｎｍより小さい場合には、第１の窒化物半導体層２０内の転位の影響が第２の窒化物半導体層３０にも影響してしまうため、第１の窒化物半導体層２０の膜厚は５０ｎｍ以上が好ましい。また第１の窒化物半導体層２０の膜厚が２００ｎｍより大きい場合には表面がマルチステップとなり、表面が荒れてしまうため、第１の窒化物半導体層２０の膜厚は２００ｎｍ以下が好ましい。

また、第２の窒化物半導体層３０の膜厚は１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、第２の窒化物半導体層３０が第１の窒化物半導体層２０内での転位等の影響をうけることを低減し、第２の窒化物半導体層３０の結晶性を高めることができる。第２の窒化物半導体層３０の膜厚が１５００ｎｍより小さい場合には、第１の窒化物半導体層２０内の転位の影響が第２の窒化物半導体層３０にも影響してしまうため、第２の窒化物半導体層３０の膜厚は１５００ｎｍ以上が好ましい。第２の窒化物半導体層３０の膜厚が５０００ｎｍより大きい場合には、成膜に要する時間が長くなるため、第２の窒化物半導体層３０の膜厚は５０００ｎｍ以下が好ましい。

また、第２の窒化物半導体層３０に含まれる転位の数は第１の窒化物半導体層２０に含まれる転位の数の１／１０以下であることが好ましい。これにより、第１の窒化物半導体層２０の上に形成する第２の窒化物半導体層３０の結晶性をさらに高めることが可能となる。第２の窒化物半導体層３０に含まれる転位の数が第１の窒化物半導体層２０に含まれる転位の数の１／１０より多い場合には、第２の窒化物半導体層３０上に別の層を形成する際に、その層の結晶性を悪化させてしまう。従って、第２の窒化物半導体層３０に含まれる転位の数は第１の窒化物半導体層２０に含まれる転位の数の１／１０以下であることが好ましい。

また、第１の窒化物半導体層２０は、サファイア基板１０の主面１に対して７５°以上１１５°以下の角度を有する転位を１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下含むことが好ましい。これにより第１の窒化物半導体層２０が成膜される初期の段階で欠陥同士を対消滅することが可能となり、結晶性を向上させることができる。
また、第２の窒化物半導体層３０は、サファイア基板１０の主面１に対して７５°以上１１５°以下の角度を有する転位を１×１０^７ｃｍ^−２以上１×１０^９ｃｍ^−２以下含むことが好ましい。これにより最表面まで到達する欠陥数を低減することができ、その結果、サファイア基板１０上に作製されるデバイスのデバイス特性を向上させることができる。

また、第１の窒化物半導体層２０及び第２の窒化物半導体層３０はＡｌＮからなることが好ましい。第１の窒化物半導体層２０及び第２の窒化物半導体層３０がＡｌＮからなる場合には、特にサファイア基板１０上に形成する第１の窒化物半導体層２０及び第２の窒化物半導体層３０の結晶性を高めることができる。
また、第２の窒化物半導体層３０の表面、つまり、第１の窒化物半導体層２０とは逆側の面はステップ面を有し、ステップ面のステップ高さが第２の窒化物半導体層３０の格子定数の４０％以上６０％以下の値であることが好ましい。第２の窒化物半導体層３０の表面がステップ面を有することで、その上にさらに別の層を形成する際に、この別の層の表面の平坦性を向上させることができる。
また、第２の窒化物半導体層３０の表面、つまり第１の窒化物半導体層２０とは逆側の面は、クラックを有しないことが好ましい。これにより、サファイア基板１０の上に、第１の窒化物半導体層２０及び第２の窒化物半導体層３０がこの順に積層されてなる窒化物半導体基板を用いたデバイスの特性向上を図ることができる。

＜窒化物半導体基板の製造方法＞
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を、以下に示す。
まず、その主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて０．１ｎｍ以上２ｎｍ以下の厚さを有する凹構造２形成用の膜を成膜する。具体的には、凹構造２形成用の膜として、例えばＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのうちの少なくともいずれか１つ、又はこれらの混晶を５００℃以上９００℃以下の範囲で成膜する（第１の工程）。

次に、第１の工程で主面に凹構造２形成用の膜が成膜されたサファイア基板を１１００℃以上の温度でアニールする。これにより、サファイア基板の主面に、開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造２を、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下の分布密度の範囲内で形成することができる。つまり、図１に示す凹構造２を備えたサファイア基板１０を得ることができる。この際のアニール時間としては、６００秒以上１２００秒以下の範囲が好適な範囲の一例として挙げられる（第２の工程）。
この凹構造２を有するサファイア基板１０の主面１側の面に、サファイア基板１０の表面温度を８００℃以上９００℃以下に保った状態で、ＭＯＣＶＤ法により、初期層を形成する。具体的には、初期層としてアルミニウムＡｌ、ガリウムＧａ、インジウムＩｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層を形成する。この窒化物半導体層の膜厚としては、例えば、窒化物半導体層としてＡｌＮを形成する場合には、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい（第３の工程）。

次に、第３の工程で作成した窒化物半導体層の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層を、第１の窒化物半導体層２０として形成する。第１の窒化物半導体層２０の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。第１の窒化物半導体層２０を形成する際の窒化物半導体層の表面温度としては、一例として、１２００℃以上１３５０℃以下の範囲が挙げられる（第４の工程）。
次に、第４の工程で形成された第１の窒化物半導体層２０の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含む第２の窒化物半導体層３０を形成する。第２の窒化物半導体層３０の膜厚は１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好ましい。第２の窒化物半導体層３０を形成する際の第１の窒化物半導体層２０の表面温度は、一例として、１０００℃以上１１５０℃以下の範囲である（第５の工程）。これによって、図２に示す凹構造２を備えたサファイア基板１０を含む窒化物半導体基板１００を得ることができる。

第１〜第５の工程において、Ａｌ原料としては例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いることができる。またＧａ原料としては例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いることができる。またＮ原料としては例えば、アンモニア（ＮＨ_３）を用いることができる。Ｉｎ原料としては例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いることができる。
なお、ここでは、第４の工程で第１の窒化物半導体層２０を形成する前に、第３の工程で、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含む窒化物半導体層を初期層として形成しているが、この工程は必ずしも必須の工程ではない。
上記の第１から第５の工程を実行することによって、サファイア基板１０上に、第１の窒化物半導体層２０よりも小さい転位密度を有する第２の窒化物半導体層３０が形成された窒化物半導体基板を形成することができる。

＜紫外線発光素子＞
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板を備える。本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子において、第２の窒化物半導体層３０はＡｌＮ層であり、第２の窒化物半導体層３０上に形成された窒化物半導体積層部を備える。この窒化物半導体積層部は、ｎ型窒化物半導体層と、発光層と、ｐ型窒化物半導体層と、がこの順に形成されてなる。なお、第２の窒化物半導体層３０上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層及びｐ型窒化物半導体層をこの順に形成してもよく、または、第２の窒化物半導体層３０上に、ｐ型窒化物半導体層、発光層及びｎ型窒化物半導体層をこの順に形成してもよい。

第２の窒化物半導体層３０が、本発明の一実施形態に係るサファイア基板１０上に形成されたＡｌＮ層であることで、この第２の窒化物半導体層３０の上に結晶性の良好なＡｌＧａＮ層を形成することができる。このＡｌＧａＮ層は紫外線発光素子のｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層として用いることができる。従って、本発明の窒化物半導体基板を利用することで、発光効率の優れた紫外線発光素子を得ることができる。ＡｌＧａＮ層の形成方法の一例としては、有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いることが可能である。

＜装置＞
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子は、各種の装置に適用することができる。
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子は、紫外線ランプが用いられている既存の全ての装置に適用することができ、用いられている紫外線ランプと置き換えることができる。特に、波長３００ｎｍ以下の深紫外線を用いている装置に適用することができる。
本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子は、例えば、医療及びライフサイエンス分野、環境分野、産業及び工業分野、生活及び家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る紫外線発光素子は、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体（容器、食品、医療機器等）殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）・プリント基板（ＰＣＢ）・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿及び貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるがこの限りではない。

気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。
固体殺菌装置（表面殺菌装置を含む）の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。

以下、本発明の一実施形態におけるサファイア基板１０について、実施例及び比較例をそれぞれ説明する。
［実施例１］
主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ層（凹構造２形成用の層）を０．３ｎｍ成膜した。このときのサファイア基板の表面温度は８００℃とした。
次に、主面上にＡｌＮ層が０．３ｎｍ成膜されたサファイア基板を１１００℃で１０分間アニールを行い、主面に開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造を形成した。これにより、凹構造２が形成されたサファイア基板１０が形成された。
このようにして得られたサファイア基板１０上に、サファイア基板１０の表面温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（初期層）を３ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。

この上に、サファイア基板１０の表面温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
第１の窒化物半導体層２０の上に、サファイア基板１０の表面温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層３０）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
上記のＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡｌ、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。
上記の実施例１と同様の手順を用い、実施例２〜１５として、サファイア基板１０の主面１上に、第１及び第２の窒化物半導体層２０及び３０を積層した。各実施例２〜１５において、実施例１との変更部分は、以下の通りである。これ以外の条件については、実施例１と同一である。

［実施例２］
凹構造２形成用の層の膜厚を４ｎｍに変更した。
［実施例３］
凹構造２形成用の層の膜厚を１０ｎｍに変更した。
［実施例４］
凹構造２形成のためのアニール時間を２０分に変更した。また第１の窒化物半導体層２０の膜厚を１５０ｎｍに変更した。
［実施例５］
凹構造２形成のためのアニール時間を５分に変更した。また第１の窒化物半導体層２０の膜厚を２００ｎｍに変更した。

［実施例６］
第１の窒化物半導体層２０の膜厚を５０ｎｍに変更した。
［実施例７］
第２の窒化物半導体層３０の膜厚を１５００ｎｍに変更した。
［実施例８］
第２の窒化物半導体層３０の膜厚を５０００ｎｍに変更した。
［実施例９］
第２の窒化物半導体層３０の成膜温度を１０００℃に変更した。
［実施例１０］
第２の窒化物半導体層３０の成膜温度を１１２０℃に変更した。

［実施例１１］
第１の窒化物半導体層２０の成膜温度を１３５０℃に変更した。
［実施例１２］
凹構造２形成用の層の材料をＧａＮに変更した。また、凹構造２形成用の層の成膜時のサファイア基板の表面温度を７００℃に変更した。
［実施例１３］
凹構造２形成用の層の材料をＩｎＮに変更した。また、凹構造２形成用の層の成膜時のサファイア基板の表面温度を６００℃に変更した。
［実施例１４］
凹構造２形成用の層の材料をＡｌＧａＮに変更した。また、凹構造２形成用の層の成膜時のサファイア基板の表面温度を９００℃に変更した。
［実施例１５］
凹構造２形成用の層の材料をＩｎＧａＮに変更した。

以上の実施例１〜実施例１５により得られた、サファイア基板１０の主面１に形成された凹構造２の深さ、凹構造２の底面の直径に対する凹構造２の開口端の直径の比率、凹構造２の分布密度を測定した。凹構造２の深さ、凹構造２の底面の直径に対する凹構造２の開口端の直径の比率については、１０個の凹構造２の平均値を用いた。凹構造２の深さ、凹構造２の底面の直径に対する凹構造２の開口端の直径の比率の測定方法としては、断面ＴＥＭを用いた。また凹構造２の分布密度の測定については、サファイア基板１０の主面１の１００μｍ×１００μｍの領域に対して、ＳＥＭを用いて取得された画像を画像解析することで測定した。
さらに、第２の窒化物半導体層３０の結晶性を、ＡｌＮの（０００２）面及び（１０−１２）面に対してＸＲＤ法により測定した。
得られた結果を表１に示す。

［比較例１］
主面が略平坦なサファイア基板を用意した。
主面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、ほぼ平坦な状態であり、開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造は形成されていなかった。
このサファイア基板上に、基板表面の温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層を膜厚が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１２５０ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
比較例１において、ＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡｌ、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。

［比較例２］
主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ層（凹構造形成用の層）を３０ｎｍ成膜した。このときのサファイア基板１０の表面温度は８００℃とした。
次に、主面上にＡｌＮ層が０．１ｎｍ成膜されたサファイア基板を１１００℃で１０分間アニールを行った。主面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、表面の直径が８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の凹構造２が、２×１０^１０ｃｍ^−２の分布密度で形成されていた。また、２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造２は、４×１０^７ｃｍ^−２以下の分布密度であった。

このようにして得られたサファイア基板上に、基板表面の温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（初期層）を３ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層３０）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
比較例２におけるＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。

［比較例３］
主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ層（凹構造形成用の層）を０．３ｎｍ成膜した。このときのサファイア基板の表面温度は８００℃とした。
次に、主面上にＡｌＮ層が０．３ｎｍ成膜されたサファイア基板を１０００℃で１０分間アニールを行った。主面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、ほぼ平坦な状態のままであった。

このようにして得られたサファイア基板上に、基板表面の温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ（初期層）を３ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層３０）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
比較例３において、ＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡｌ、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。

［比較例４］
主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ層（凹構造形成用の層）を０．３ｎｍ成膜した。このときのサファイア基板の表面温度は７００℃とした。
次に、主面上にＡｌＮ層が０．３ｎｍ成膜されたサファイア基板を１１００℃で４０分間アニールを行った。主面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、開口端の直径が７０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の凹構造２が、４×１０^１０ｃｍ^−２の分布密度で形成されていた。また、２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造は、２×１０^７ｃｍ^−２以下の分布密度であった。

このようにして得られたサファイア基板上に、基板表面の温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（初期層）を３ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層３０）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
比較例４においてＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡｌ、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。

［比較例５］
主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ層（凹構造形成用の層）を１ｎｍ成膜した。このときのサファイア基板１０の表面温度は７５０℃とした。
次に、主面上にＡｌＮ層が１ｎｍ成膜されたサファイア基板を１３００℃で１０分間アニールを行った。主面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、表面の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造２が、３×１０^１２ｃｍ^−２の分布密度で形成されていた。

このようにして得られたサファイア基板上に、基板表面の温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（初期層）を３ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層３０）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
比較例５においてＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡｌ、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。

［比較例６］
主面が略平坦なサファイア基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＡｌＮ層（凹構造形成用の層）を０．３ｎｍ成膜した。このときのサファイア基板１０の表面温度は８００℃とした。
次に、主面上にＡｌＮ層が０．３ｎｍ成膜されたサファイア基板を１０５０℃で１５分間アニールを行った。主面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察したところ、表面の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造２が、２×１０^８ｃｍ^−２の分布密度で形成されていた。

このようにして得られたサファイア基板上に、基板表面の温度を８５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（初期層）を３ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１２５０℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第１の窒化物半導体層２０）を１００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
この上に、基板表面の温度を１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層（第２の窒化物半導体層３０）を３５００ｎｍ、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜した。
比較例６においてＭＯＣＶＤ法による成膜の際には、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムＴＭＡｌ、Ｎ原料としてアンモニアＮＨ_３を用いた。

比較例１〜比較例６で得られた第２の窒化物半導体層３０の結晶性を、ＡｌＮ層の（０００２）面及び（１０−１２）面に対してＸＲＤ法により測定した。
得られた結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜実施例１５の方が、比較例１〜比較例６に比較して、結晶性が向上していることがわかる。
また、表１に示すように、開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下の凹構造２を、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下の分布密度の範囲内で主面１に有するサファイア基板１０を用いることで、その上に形成する第２の窒化物半導体層３０の結晶性を向上させることが可能となることが理解される。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 主面
２ 凹構造
１０ サファイア基板
２０ 第１の窒化物半導体層
３０ 第２の窒化物半導体層
１００ 窒化物半導体基板

Claims (17)

1. 主面に複数の凹構造を備え、
   前記凹構造の開口端の直径が２ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、前記凹構造の分布密度が、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下であるサファイア基板。
2. 前記凹構造の深さが５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である請求項１に記載のサファイア基板。
3. 前記凹構造の体積が１５．５ｎｍ^３以上１４１５００ｎｍ^３以下である請求項１又は請求項２に記載のサファイア基板。
4. 前記凹構造は底面を有し、
   前記凹構造の開口端の直径に対する前記底面の直径の比率が１０％以下である請求項１から請求項３の何れか一項に記載のサファイア基板。
5. 前記凹構造は側面を有し、
   前記凹構造の縦断面において、
   前記主面に対する前記側面の傾斜角が３０°以上５５°以下である請求項１から請求項４の何れか一項に記載のサファイア基板。
6. 前記主面はステップ面及びテラス面を有する請求項１から請求項５の何れか一項に記載のサファイア基板。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載のサファイア基板と、
   当該サファイア基板の主面上に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含む第１の窒化物半導体層と、
   前記第１の窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎのうちの少なくとも１つを含み、前記第１の窒化物半導体層よりも転位密度が小さい第２の窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体基板。
8. 前記第１の窒化物半導体層の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項７に記載の窒化物半導体基板。
9. 前記第２の窒化物半導体層の膜厚は１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である請求項７又は請求項８に記載の窒化物半導体基板。
10. 前記第２の窒化物半導体層に含まれる転位の数は前記第１の窒化物半導体層に含まれる転位の数の１／１０以下である請求項７から請求項９の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
11. 前記第１の窒化物半導体層は、前記主面に対して７５°以上１１５°以下の角度を有する転位を、１×１０^９ｃｍ^−２以上１×１０^１１ｃｍ^−２以下含む請求項７から請求項１０の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
12. 前記第２の窒化物半導体層は、前記主面に対して７５°以上１１５°以下の角度を有する転位を、１×１０^７ｃｍ^−２以上１×１０^９ｃｍ^−２以下含む請求項７から請求項１１の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
13. 前記第１の窒化物半導体層及び前記第２の窒化物半導体層はＡｌＮを含む請求項７から請求項１２の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
14. 前記第２の窒化物半導体層の、前記第１の窒化物半導体層とは逆側の面はステップ面を有し、
    当該ステップ面のステップ高さが前記第２の窒化物半導体層の格子定数の４０％以上６０％以下の値である請求項７から請求項１３の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
15. 前記第２の窒化物半導体層の、前記第１の窒化物半導体層とは逆側の面はクラックを有さない請求項７から請求項１４の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
16. 請求項７から請求項１５の何れか一項に記載の窒化物半導体基板を備える紫外線発光素子であって、
    前記窒化物半導体基板の前記第２の窒化物半導体層はＡｌＮを含み、
    前記第２の窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体積層部、を備え、
    前記窒化物半導体積層部は、
    ｎ型窒化物半導体層と、
    発光層と、
    ｐ型窒化物半導体層と、がこの順に積層されてなる紫外線発光素子。
17. 請求項１６に記載の紫外線発光素子を備える装置。

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