JP2018201008A - テンプレート、窒化物半導体紫外線発光素子及びテンプレートの製造方法 - Google Patents

テンプレート、窒化物半導体紫外線発光素子及びテンプレートの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】結晶性を劇的に改善する窒化物半導体紫外線発光素子の提供。【解決手段】テンプレートは、（０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板と、サファイア基板の主面に直接形成される主面に対してエピタキシャルな結晶方位関係を有するＡｌＮ結晶で構成されたＡｌＮ層と、を備える。テンプレートにおいて、ＡｌＮ層の主面から２０ｎｍの厚さにおけるＡｌＮ結晶の平均粒径は、１００ｎｍ以下であり、前記ＡｌＮ層の主面から２０ｎｍの厚さにおける平均粒径が１００ｎｍ以下の前記ＡｌＮ結晶が、主面の９０％以上を被覆している。【選択図】図３

Description

本発明は、サファイア基板を備えたテンプレート及びその製造方法と、当該テンプレートを備えた窒化物半導体紫外線発光素子とに関する。特に、ピーク発光波長が紫外領域にある窒化物半導体紫外線発光素子用のテンプレート及びその製造方法と、当該窒化物半導体紫外線発光素子とに関する。
ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体を活性層に用いた窒化物半導体紫外線発光素子のテンプレートとして、サファイア基板の主面にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させたテンプレートが用いられることが多い。
複数の半導体層を順番にエピタキシャル成長させることで作製される半導体発光素子では、下地の半導体層の結晶性が、その上の半導体層の結晶性に大きな影響を与えることになる。そのため、テンプレートの表面の結晶性は、半導体発光素子の全体の結晶性に影響を与えることになるため、特に重要である。そして、テンプレートの表面の結晶性が良好であるほど、半導体発光素子が備える各半導体層（特に、活性層）の結晶性も良好になり、発光を生じる電子及び正孔の再結合が結晶欠陥によって阻害され難くなるため、発光効率等の特性が良好になる。
しかし、サファイア基板の主面にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させて作製されるテンプレートは、サファイアとＡｌＮの格子不整合や、Ａｌ原子がマイグレーションし難い等の理由から、良好な結晶性のＡｌＮ層を得ることが困難であるという問題がある。
この問題に関して、ＡｌＮ層の成長時における原料ガスの供給タイミングを工夫することで、ＡｌＮ層の結晶性を改善したテンプレートの製造方法が、特許文献１、２及び非特許文献１で提案されている。ここで、特許文献１、２及び非特許文献１で提案されているテンプレートの製造方法について、図面を参照して説明する。図１４は、従来のテンプレートの製造方法を示した模式図であり、特許文献１及び２の発明者の１人であって非特許文献１の著者の１人でもある平山秀樹氏の特集記事（ＲＩＫＥＮ ＮＥＷＳ Ｊｕｎｅ ２０１１の２〜５頁）に記載されている図３の一部である。
特許文献１、２及び非特許文献１で提案されているテンプレートの製造方法は、最初にサファイア基板の主面上にいくつかのＡｌＮ結晶核を形成した後に（図１４の第１段階）、Ａｌの原料ガスを連続的に供給しながらＮの原料ガス（アンモニア）をパルス的に供給することで、ＡｌＮ結晶核の間の隙間を埋め込むＡｌＮ層を成長させる（図１４の第２段階）。このような方法で成長させたＡｌＮ層は、単にサファイア基板の主面上で膜状に成長させたＡｌＮ層と比較して、貫通転位が少なくなる。そして、その後は、ＡｌＮ層の膜厚を増大させて、表面を平坦化する（図１４の第３段階）。なお、特許文献１及び非特許文献１で提案されているテンプレートの製造方法では、ＡｌＮ層の膜厚を増大させている途中において、図１４の第２段階と同様の方法で原料ガスを供給することによって、ＡｌＮ結晶の横方向成長を促進させる（図１４の第４段階）。これにより、ＡｌＮ層の成長に伴い上方に伝播しようとする貫通転位が横方向に曲げられることで、ＡｌＮ層の最終表面における結晶性が改善される。
特開２００９−５４７８０号公報 国際公開第２０１３／００５７８９号
Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ，Ａ２０６，Ｎｏ．６，１１７６−１１８２（２００９）
しかしながら、特許文献１、２及び非特許文献１で提案されているテンプレートの製造方法は、ＡｌＮ結晶の成長態様を従来から大きく変更するものではなく、従来においてＡｌＮ層の結晶性が低下する原因とされていた貫通転位を低減するものに留まるものであるため、ＡｌＮ層の結晶性を劇的に改善するまでには至らない。
そこで、本発明は、ＡｌＮ結晶の成長態様を従来から大きく変更することによってＡｌＮ層の結晶性を劇的に改善したテンプレート及びその製造方法と、当該テンプレートを備えた窒化物半導体紫外線発光素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、（０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面に直接形成される、当該主面に対してエピタキシャルな結晶方位関係を有するＡｌＮ結晶で構成されたＡｌＮ層と、を備え、前記ＡｌＮ層の前記主面から２０ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が、１００ｎｍ以下であることを特徴とするテンプレートを提供する。
さらに、上記特徴のテンプレートにおいて、前記ＡｌＮ層の前記主面から２０ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が、７５ｎｍ以下であってもよいし、７０ｎｍ以下であってもよい。また、上記特徴のテンプレートにおいて、前記ＡｌＮ層の前記主面から３００ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が、３００ｎｍ以下であってもよい。
また、上記特徴のテンプレートにおいて、前記サファイア基板の前記主面が、（０００１）面に対して０．２°以上傾斜した面であってもよい。このテンプレートによれば、上記のような平均粒径が小さいＡｌＮ結晶を得られ易くすることができる。
また、上記特徴のテンプレートにおいて、前記ＡｌＮ層の前記主面から３００ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶は、前記サファイア基板の上方に向かって＋Ｃ軸配向していてもよい。このテンプレートによれば、ＡｌＮ層の結晶性をさらに改善させることができる。
また、本発明は、上記のテンプレートと、前記テンプレート上に積層された複数のＡｌＧａＮ系半導体層を含む素子構造部と、を備えることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子を提供する。
また、本発明は、（０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板の前記主面にＡｌＮ結晶を直接エピタキシャル成長させてＡｌＮ層を形成する工程を備え、前記工程において、前記主面から２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が１００ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするテンプレートの製造方法を提供する。
また、本発明は、（０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板の前記主面にＡｌＮ結晶を直接エピタキシャル成長させてＡｌＮ層を形成する工程を備え、前記工程において、前記主面の９０％以上を被覆する前記ＡｌＮ層を２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた時に、前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が１００ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするテンプレートの製造方法を提供する。
また、上記特徴のテンプレートの製造方法の前記工程において、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が３００ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させてもよい。
また、上記特徴のテンプレートの製造方法の前記工程において、前記主面から２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させてもよい。例えば、前記主面から２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が５ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させてもよいし、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が１０ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させてもよい。
また、上記特徴のテンプレートの製造方法の前記工程において、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶が＋Ｃ軸配向する成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させてもよい。このテンプレートの製造方法によれば、ＡｌＮ層の結晶性をさらに改善させることができる。
また、上記特徴のテンプレートの製造方法の前記工程において、前記ＡｌＮ層の成長温度が１１５０℃以上１３００℃以下にしてもよい。このテンプレートの製造方法によれば、サファイア基板の主面に対してＡｌＮ結晶を好適にエピタキシャル成長させることができる。
上記特徴のテンプレート及びその製造方法によれば、サファイア基板の主面にエピタキシャル成長させるＡｌＮ層の結晶性を劇的に改善することができる。また、このテンプレートを用いた窒化物半導体紫外線発光素子は、素子構造部の結晶性が改善されるため、発光効率等の特性を改善することができる。
本発明の実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図。 図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子を図１の上側から見た場合の構造の一例を模式的に示した平面図。 オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像。 オフ角が０．５°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像。 オフ角が１．０°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像。 オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表。 オフ角が０．５°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表。 オフ角が１．０°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表。 図６〜８に示したＡｌＮ結晶の粒径の測定結果と、ＡＦＭ装置によって測定されたＡｌＮ結晶の粒径及びＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値とを併せて示した表。 オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像と、ＡＦＭ装置によって測定されたＡｌＮ結晶の粒径及びＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値を示した表。 オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像と、ＡＦＭ装置によって測定されたＡｌＮ結晶の粒径及びＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値を示した表。 本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層と、特許文献１及び非特許文献１に記載されている従来のテンプレートにおけるＡｌＮ層とを比較して示した図。 本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層の（０００２）面に対するＸＲＣ法による測定結果を示した表。 従来のテンプレートの製造方法を示した模式図。 本発明の実施形態に係るテンプレートにおける、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差を示した表。 本発明の実施形態に係るテンプレートにおける、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差及び累積度数９０％の高さを示した表。 本発明の実施形態に係るテンプレートにおける、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の高さプロファイルと高さヒストグラムの一例を示した図。
以下、本発明の実施形態を説明するにあたり、サファイア基板を含むテンプレートと、当該テンプレート上に積層された複数のＡｌＧａＮ系半導体層を有する素子構造部とを備えて通電によりピーク発光波長が３６５ｎｍ以下の光（紫外線）を出射する発光ダイオードである窒化物半導体紫外線発光素子と、その製造方法とを例示する。なお、素子構造部に含まれるＡｌＧａＮ系半導体層のそれぞれを構成する材料であるＡｌＧａＮ系半導体とは、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮまたはＧａＮ、あるいは、これらに微量の不純物（例えば、ＳｉやＭｇ、Ｉｎなど）が含まれた半導体であり、以下では必要に応じてＡｌ及びＧａに対して添字を用いることでＡｌ及びＧａの相対的な組成比を表している（例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）。
ただし、本発明は、主としてテンプレートに関するものであるため、テンプレート上の素子構造部の構造はどのようなものであってもよく、以下の＜窒化物半導体紫外線発光素子＞に例示する構造に限定されるものではない。
＜窒化物半導体紫外線発光素子＞
最初に、本発明の実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の構造の一例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子の構造の一例を模式的に示した要部断面図である。図２は、図１に示す窒化物半導体紫外線発光素子を図１の上側から見た場合の構造の一例を模式的に示した平面図である。なお、図１では、図示の都合上、基板、ＡｌＧａＮ系半導体層及び電極の厚さ（図中の上下方向の長さ）を模式的に示しているため、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。また、以下の説明において、ｐ型及びｎ型の両方を記載していないＡｌＧａＮ系半導体はアンドープであるが、アンドープであっても不可避的に混入する程度の微量の不純物は含まれ得る。
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体紫外線発光素子１は、サファイア基板１１を含むテンプレート１０と、複数のＡｌＧａＮ系半導体層２１〜２４及び電極２５，２６を含む素子構造部２０とを備える。この窒化物半導体紫外線発光素子１は、実装用の基台に対して素子構造部２０側（図１における図中上側）を向けて実装される（フリップチップ実装される）ものであり、光の取出方向はテンプレート１０側（図１における図中下側）である。
テンプレート１０は、（０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度（オフ角）だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板１１と、サファイア基板１１の主面に直接形成されたＡｌＮ層１２とを備える。ＡｌＮ層１２は、サファイア基板１１の主面からエピタキシャル成長したＡｌＮ結晶で構成され、このＡｌＮ結晶はサファイア基板１１の主面に対してエピタキシャルな結晶方位関係を有している。具体的に例えば、サファイア基板１１のＣ軸方向（＜０００１＞方向）とＡｌＮ結晶のＣ軸方向が揃うように、ＡｌＮ結晶が成長する。なお、ＡｌＮ層１２を構成するＡｌＮ結晶が、微量のＧａやその他の不純物を含んでいてもよい。また、ＡｌＮ層１２の上面に、ＡｌαＧａ１−αＮ（１＞α＞０）系半導体で構成された層がさらに形成されていてもよい。
素子構造部２０は、テンプレート１０側から順に、ｎ型クラッド層２１、活性層２２、電子ブロック層２３及びｐ型コンタクト層２４を順にエピタキシャル成長させて積層した構造を備えている。
ｎ型クラッド層２１は、ｎ型のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（１≧Ｘ＞０）系半導体で構成される。活性層２２は、ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｙ１Ｎ系半導体（Ｘ＞Ｙ１≧０）で構成された井戸層と、ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｙ２Ｎ（Ｘ≧Ｙ２＞Ｙ１）で構成された障壁層とのそれぞれを、１層以上交互に積層した単一または多重量子井戸構造である。電子ブロック層２３は、ｐ型のＡｌＺＧａ１−ＺＮ（１≧Ｚ≧Ｙ２）系半導体で構成される。ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型のＡｌＱＧａ１−ＱＮ（Ｚ＞Ｑ≧０）系半導体で構成される。
さらに、素子構造部２０は、例えばＮｉ／Ａｕで構成されてｐ型コンタクト層２４の上面に形成されるｐ電極２５と、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕで構成されてｎ型クラッド層２１が露出している一部の領域においてｎ型クラッド層２１の上面に形成されるｎ電極２６とを備えている。このｐ電極２５から正孔が供給されるとともにｎ電極２６から電子が供給されるように通電すると、供給された正孔及び電子のそれぞれが活性層２２に到達して再結合することで発光する。
次に、図１に例示した窒化物半導体紫外線発光装置１の製造方法の一例について説明する。
まず、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により、テンプレート１０に含まれるＡｌＮ層１１及び素子構造部２０に含まれるＡｌＧａＮ系半導体層２１〜２４を、サファイア基板１１上に順番にエピタキシャル成長させて積層する。このとき、ｎ型の層にはドナー不純物として例えばＳｉをドープし、ｐ型の層にはアクセプタ不純物として例えばＭｇをドープする。
次に、反応性イオンエッチング等の周知のエッチング法により、上記のように積層した半導体層の一部の領域を選択的にエッチングして、当該領域のｎ型クラッド層２１を露出させる。そして、電子ビーム蒸着法などの周知の成膜法により、エッチングされていない領域内のｐ型コンタクト層２４上にｐ電極２５を形成するとともに、エッチングされた領域内のｎ型クラッド層２１上にｎ電極２６を形成する。なお、ｐ電極２５及びｎ電極２６の一方または両方の形成後に、ＲＴＡ（瞬間熱アニール）などの周知の熱処理方法により熱処理を行ってもよい。
＜テンプレート＞
次に、上述したテンプレート１０について説明する。なお、本発明の実施形態に係るテンプレート１０は、サファイア基板１１の主面に対して形成されるＡｌＮ層１２に特徴があり、サファイア基板１１は、ＡｌＮ層１２がエピタキシャル成長可能（特にＣ軸方向に成長可能）なものであれば、任意のものを使用することが可能である。
本発明の実施形態に係るテンプレート１０は、サファイア基板１１の主面に形成されるＡｌＮ結晶の粒径をできるだけ小さくする点で、特許文献１、２及び非特許文献１で提案されているテンプレートと大きく相違する。ＡｌＮ結晶の粒径は、例えば、サファイア基板１１のオフ角や成長温度（基板温度）、原料の供給量や供給比（Ｖ／ＩＩＩ比）、キャリアガスの供給量などの様々な成長条件に応じて決まるものであり、使用する成膜装置に応じて異なり得る。なお、特許文献１、２及び非特許文献１で提案されているテンプレートのように、サファイア基板上にＡｌＮ結晶核を形成し、そのＡｌＮ結晶核の間を埋めるようにＡｌＮ層を成長させようとする場合は、ＡｌＮ層の成長時に特殊な成長方法（アンモニアのパルス供給）が必要であるが、本発明の実施形態に係るテンプレート１０のように個々のＡｌＮ結晶の粒径をできるだけ小さくしようとする場合は、特殊な成長方法は特に必要なく、使用する成膜装置に応じた適切な成長条件を実験等により適宜探索して採用すればよい。ただし、特にＭＯＶＰＥ法によってＡｌＮ層を成長させる場合、サファイア基板１１の主面に対してＡｌＮ結晶を好適にエピタキシャル成長させる観点から、成長温度を１１５０℃以上１３００℃以下にすると好ましく、１２００℃より高く１３００℃未満にするとさらに好ましい。
図３〜５は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおいて、２０ｎｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層の表面のＡＦＭ（Atomic Force Microscope）像である。図３は、オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像である。図４は、オフ角が０．５°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像である。図５は、オフ角が１．０°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像である。
図６〜９は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおいて、２０ｎｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層の表面のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表である。図６は、オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表である。図７は、オフ角が０．５°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表である。図８は、オフ角が１．０°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像から測定されたＡｌＮ結晶の粒径を示した表である。図９は、図６〜８に示したＡｌＮ結晶の粒径の測定結果と、ＡＦＭ装置によって測定されたＡｌＮ結晶の粒径及びＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ（Root Mean Square）値とを併せて示した表である。
図６〜図８に示す測定結果は、５００ｎｍ×５００ｎｍの大きさであるＡＦＭ像の測定領域を、１００ｎｍ×１００ｎｍの２５個の小領域に分割し、それぞれの小領域内に含まれるＡｌＮ結晶の粒径を１個ずつ測定した結果である。なお、小領域の境界上に位置するＡｌＮ結晶については、その半分以上の部分が含まれる小領域に振り分け、測定領域の境界上に位置するＡｌＮ結晶については、粒径を測定することができないため無視した。また、ＡＦＭ像中のＡｌＮ結晶は、概ね円形または楕円形である（厳密には六角形に近い形状であると考えられ、いくつかの粒では辺（ファセット）が見えているが、ＡＦＭ装置の性能の限界等もあって円形や楕円形のように見えている）ため、長軸の長さと短軸の長さの平均値を粒径とした。また、図６〜８に示すように、サファイア基板１１のオフ角が０．２°、０．５°及び１．０°である３種類の試料（ウエハ）のそれぞれについて、ウエハ上の異なる測定領域１〜３のそれぞれのＡＦＭ像からＡｌＮ結晶の粒径を測定した。
図９において、「個別測定値」の平均粒径及び標準偏差とは、図６〜８に示すようにＡＦＭ像におけるＡｌＮ結晶を１個ずつ測定した場合の値である。一方、「装置測定値」の平均粒径、標準偏差及び表面粗さのＲＭＳ値は、ＡＦＭ装置（プローブステーション：NanoNaviIIs、走査型プローブ顕微鏡ユニット：NanoCute、ソフトウェア：NanoNaviStation ver5.6B）によって測定された値である。このＡＦＭ装置は、測定領域内における各測定点の高さのうち所定の閾値高さ（例えば、平均値やメディアンなどの中間的な値）以上となる閉じた１つの領域を１つの粒子とみなして粒子数及び粒子総面積のそれぞれを検出し、粒子総面積を粒子数で除算した平均粒子面積となる円の直径を平均粒径として算出する。さらに、このＡＦＭ装置は、粒子面積の標準偏差を算出する。この粒子面積の標準偏差を円の直径の標準偏差に換算した値が、図９における「装置測定値」の粒径の標準偏差である。また、表面粗さのＲＭＳ値は、下記式（１）によって算出されるＲｑの値である。なお、下記式（１）において、Ｚ（ｉ）は測定領域内における各測定点の高さ、ｎは測定領域内における測定点の数、Ｚｅは測定領域内における各測定点の高さの平均値である。
Figure 2018201008
図３〜５及び図６〜８に示すように、サファイア基板１のオフ角が０．２°、０．５°及び１．０°のいずれの試料においても、およそ２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径のＡｌＮ結晶が密に詰まった状態になっている。また、図９に示すように、ＡＦＭ像におけるＡｌＮ結晶を１個ずつ測定して得られるＡｌＮ結晶の平均粒径と、ＡＦＭ装置によって測定されるＡｌＮ結晶の平均粒径とは同程度の大きさになっており、いずれの方法で測定されたＡｌＮ結晶の平均粒径も適切な値であると言える。
図１０及び図１１は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおいて、３００ｎｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層のＡＦＭ像と、ＡＦＭ装置によって測定された粒径及び表面粗さのＲＭＳ値とを示した図である。図１０は、オフ角が０．２°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像と、ＡＦＭ装置によって測定されたＡｌＮ結晶の粒径及びＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値を示した表である。図１１は、オフ角が１．０°のサファイア基板の主面に成長させた厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層のＡＦＭ像と、ＡＦＭ装置によって測定されたＡｌＮ結晶の粒径及びＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値を示した表である。
ここで、本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層と、特許文献１及び非特許文献１に記載されている従来のテンプレートにおけるＡｌＮ層との比較結果について、図面を参照して説明する。図１２は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層と、特許文献１及び非特許文献１に記載されている従来のテンプレートにおけるＡｌＮ層とを比較して示した図である。なお、図１２（ａ）は、特許文献１及び非特許文献１に記載されている従来のテンプレートにおけるＡｌＮ層のＡＦＭ像である。図１２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層のＡＦＭ像（図３のＡＦＭ像を複数並べた図と、図１０のＡＦＭ像の一部）と、特許文献１及び非特許文献１に記載されている従来のテンプレートにおけるＡｌＮ層のＡＦＭ像（図１２（ａ）のＡＦＭ像の一部）とを同じ大きさ（２μｍ×２μｍ）で比較して示した図である。
図１２（ａ）に示す特許文献１及び非特許文献１に記載されている従来のテンプレートにおけるＡｌＮ層のＡＦＭ像は、サファイア基板の主面に形成されるＡｌＮ核形成層（サファイア基板の主面に最初に形成される厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層における初期段階の層）のＡＦＭ像であり、本願の実施形態に係るテンプレートの図３〜５の状態（厚さ２０ｎｍ）に相当するものである。図１２（ａ）に示すＡＦＭ像において、いくつかのＡｌＮ結晶は合体して数μｍ程度まで巨大化しており合体前の粒径の測定は困難であるが、合体していないと見られる比較的小さいＡｌＮ結晶であっても、平均粒径は１０００ｎｍ程度もある。
図１２（ｂ）に示すＡＦＭ像の比較結果から明らかなように、本発明の実施形態に係るテンプレートのＡｌＮ層におけるＡｌＮ結晶の平均粒径は、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートのＡｌＮ層におけるＡｌＮ結晶の平均粒径よりも著しく小さくなっている。
具体的に、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートでは、ＡｌＮ層の成長開始段階におけるＡｌＮ結晶の平均粒径は１０００ｎｍ程度である。さらに、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートでは、ＡｌＮ層の厚さが３００ｎｍになると、複数存在していたＡｌＮ結晶が完全に合体して膜状になり、個々の結晶としては観察できない状態になる。これに対して、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、ＡｌＮ層の成長開始段階（厚さ２０ｎｍ）におけるＡｌＮ結晶の平均粒径は５０ｎｍ程度しかない。さらに、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、ＡｌＮ層の厚さが３００ｎｍになっても、個々の結晶として十分に観察可能であり、その平均粒径は２００ｎｍ程度しかない。
また、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートでは、ＡｌＮ層の成長開始段階における表面粗さのＲＭＳ値は２１．４ｎｍであり、ＡｌＮ層の厚さが３００ｎｍになった段階における表面粗さのＲＭＳ値は２１．４ｎｍと８．２ｎｍの間の値であると推測される（特許文献１の図４Ｂ参照）。一方、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、ＡｌＮ層の成長開始段階（厚さ２０ｎｍ）における表面粗さのＲＭＳ値が３ｎｍ程度、ＡｌＮ層の厚さが３００ｎｍになった段階における表面粗さのＲＭＳ値が５ｎｍ程度である。したがって、本発明の実施形態に係るテンプレートのＡｌＮ層における表面粗さのＲＭＳ値は、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートのＡｌＮ層における表面粗さのＲＭＳ値よりも著しく小さい。
特に、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートでは、ＡｌＮ層の成長開始段階において比較的大きいＡｌＮ結晶核が乱立し、当該ＡｌＮ結晶核の間を埋め込むように膜状のＡｌＮ層が形成されるため、ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が比較的大きくなる。そして、その後は、個々のＡｌＮ結晶核が膜状のＡｌＮ層に埋め尽くされるため、ＡｌＮ層の成長（厚さの増大）に伴いＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値は単純に減少していく。一方、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、微細な初期のＡｌＮ結晶を大量かつ高密度に成長させるため、ＡｌＮ層の成長開始段階における表面粗さのＲＭＳ値が比較的小さくなる。そして、その後で個々のＡｌＮ結晶が合体したり粗大化したりするため、この段階（上述のＡｌＮ層の厚さが３００ｎｍになった段階）におけるＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が、成長開始段階におけるＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値と同程度かそれ以上になる。
このように、特許文献１、２及び非特許文献１に記載のテンプレートと、本発明の実施形態に係るテンプレートとでは、ＡｌＮ層の成長開始段階におけるＡｌＮ結晶の成長態様が根本的に異なっており、その違いは、ＡｌＮ結晶の平均粒径やＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値に表われている。なお、本発明の実施形態に係るテンプレートであっても、ＡｌＮ層をさらに成長させる（厚さを３００ｎｍよりもさらに大きくする。例えば、１μｍ以上、好ましくは２μｍ以上。）と、個々のＡｌＮ結晶が次第に合体していき、最終的には膜状のＡｌＮ層が得られる。
次に、本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層の結晶性について、図面を参照して説明する。図１３は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層の（０００２）面に対するＸＲＣ（X-ray Rocking Curve）法による測定結果を示した表である。なお、図１３（ａ）はωスキャンの測定結果、図１３（ｂ）は２θ−ωスキャンの測定結果を示した表であり、それぞれの表に記載の数値は、（０００２）面に対応するピークの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）の平均値である。また、図１３（ａ）に示すωスキャンの測定においては、試料のＣ軸（サファイア基板及びＡｌＮ層のＣ軸）をＸ線正反射軸に合わせる軸立てを行うと、サファイア基板によるＸ線の正反射が測定されてしまいＡｌＮ層の半値全幅の測定が困難になったため、敢えてこのような軸立てを行わずに測定を行った。
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、ωスキャン及び２θ−ωスキャンの両方の測定結果において、ＡｌＮ層の厚さが２０ｎｍである場合の（０００２）面の半値全幅が、１０００ａｒｃｓｅｃ程度になっている。また、図１３（ｂ）に示すように、２θ−ωスキャンの測定結果において、ＡｌＮ層の厚さが３００ｎｍである場合の（０００２）面の半値全幅が、１００ａｒｃｓｅｃ程度になっている。
通常、ＡｌＮ結晶の粒径を特に制限することなくサファイア基板の（０００１）面上に数μｍ程度成長させたＡｌＮ層における（０００２）面の半値全幅は、およそ２０００ａｒｃｓｅｃ程度である。これに対して、非特許文献１では、ＡｌＮ層の成長開始段階において少数のＡｌＮ結晶核を形成するとともに当該ＡｌＮ結晶核を埋め込む膜状のＡｌＮ層を成長させ、さらに、ＡｌＮ層の成長途中にも横方向成長を促進することによって、４．８μｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層における（０００２）面の半値全幅が、２００ａｒｃｓｅｃ程度まで改善したと報告されている。
これらの従来技術と比較して、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、ＡｌＮ層の成長開始段階（厚さ２０ｎｍ）における（０００２）面の半値全幅が、１０００ａｒｃｓｅｃ程度と既に小さく、３００ｎｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層における（０００２）面の半値全幅は１００ａｒｃｓｅｃ程度とさらに小さくなっている。即ち、本発明の実施形態に係るテンプレートは、ＡｌＮ層をわずか３００ｎｍ程度成長させただけで、特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートにおいてＡｌＮ層を４．８μｍの厚さまで成長させなければ達成し得なかった結晶性と同等かそれ以上の結晶性を実現することができる。そして、本発明の実施形態に係るテンプレートにおいて、ＡｌＮ層をさらに厚く成長させることで、さらなる結晶性の改善が見込まれる。
以上のように、サファイア基板の主面にエピタキシャル成長させるＡｌＮ結晶の平均粒径を、特許文献１及び非特許文献１（さらに、これらと同様の方法でＡｌＮ層が形成される特許文献２）に記載のテンプレートのＡｌＮ層におけるＡｌＮ結晶の平均粒径よりもよりも十分に小さくすることで、サファイア基板の主面にエピタキシャル成長させるＡｌＮ層の結晶性を劇的に改善することができる。
なお、図６〜１２に示した本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ結晶の平均粒径や粒径のばらつきの範囲及び偏り、本発明の実施形態に係るテンプレートと特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートとのそれぞれにおけるＡｌＮ結晶の粒径の乖離などを考慮すると、ＡｌＮ層の成長開始段階（厚さ２０ｎｍ）におけるＡｌＮ結晶の平均粒径を１００ｎｍ以下にすることで上記の効果が得られると考えられる。特に、図６〜８において、ＡｌＮ結晶の粒径の最大値の平均値が大きくても７５ｎｍ程度であることから、ＡｌＮ結晶の平均粒径を７５ｎｍ以下にすると好ましく、平均粒径を７０ｎｍ以下にするとさらに好ましい。また、この平均粒径を２０ｎｍ以上にすると好ましく、特に、図６〜８において、ＡｌＮ結晶の粒径の最小値の平均値が２８ｎｍ程度はあることから、ＡｌＮ結晶の平均粒径を２８ｎｍ以上にするとさらに好ましい。同様に、厚さが３００ｎｍであるＡｌＮ層におけるＡｌＮ結晶の平均粒径を３００ｎｍ以下にすることで上記の効果が得られると考えられ、この平均粒径を２５０ｎｍ以下にするとさらに好ましい。また、この平均粒径を１５０ｎｍ以上にすると、好ましい。
また、図９〜１２に示した本発明の実施形態に係るテンプレートにおけるＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値や、本発明の実施形態に係るテンプレートと特許文献１及び非特許文献１に記載のテンプレートとのそれぞれにおけるＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値の乖離などを考慮すると、ＡｌＮ層の成長開始段階（厚さ２０ｎｍ）におけるＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値を５ｎｍ以下にすることで上記の効果が得られると考えられ、このＲＭＳ値を４ｎｍ以下にするとさらに好ましい。また、このＲＭＳ値を２ｎｍ以上にすると、好ましい。同様に、厚さが３００ｎｍであるＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値を１０ｎｍ以下にすることで上記の効果が得られると考えられ、このＲＭＳ値を６ｎｍ以下にするとさらに好ましい。また、このＲＭＳ値を４ｎｍ以上にすると、好ましい。
なお、ウルツ鉱型構造であるＡｌＮは、Ｃ軸方向に非対称な結晶構造（Ｃ軸を上下方向に見立てた場合、上下非対称な結晶構造）であり、＋Ｃ軸方向（［０００１］方向）と−Ｃ軸方向（［０００−１］方向）が等価ではなく、＋Ｃ面（（０００１）面：Ａｌ極性面）と−Ｃ面（（０００−１）面：Ｎ極性面）も等価ではない。そして、サファイア基板の（０００１）面上にＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させた場合、＋Ｃ軸方向に成長するＡｌＮ結晶と、−Ｃ軸方向に成長するＡｌＮ結晶とが混在し得る。
これについて、ＡｌＮ層を構成するＡｌＮ結晶を、基板の上方に向かって＋Ｃ軸配向させる（ＡｌＮ結晶の主たる成長方向を＋Ｃ軸方向にして、ＡｌＮ層の表面の全面または大部分（例えば８０％以上、好ましくは９０％以上）を＋Ｃ面にする）と、ＡｌＮ層の結晶性をさらに改善させることができるため、好ましい。
ＡｌＮ結晶を＋Ｃ軸配向させる方法の一例として、例えば、Applied Physics Express 4 (2011) 092102で採用されている方法が挙げられる。また例えば、ＭＯＶＰＥ法でサファイア基板上にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させる場合、Ａｌの原料ガス（例えば、ＴＭＡ：TriMethylAluminium）を、Ｎの原料ガス（例えば、アンモニア）と同時かそれよりも早く供給を開始することで、サファイア基板の主面が過度に窒化されることを抑制して、ＡｌＮ層を＋Ｃ軸配向させるという方法が挙げられる。なお、上述の実施形態に係るテンプレートは、後者の方法を採用してＡｌＮ層を成長させたものであり、サファイア基板の主面から２０ｎｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層の表面の少なくとも５０％が＋Ｃ面になっており、３００ｎｍの厚さまで成長させたＡｌＮ層の表面の少なくとも８０％以上が＋Ｃ面になっている（＋Ｃ軸配向している）。
また、上述の実施形態では、サファイア基板のオフ角が０．２°、０．５°及び２．０°のテンプレートについて説明したが、上述した実施形態と同程度のＡｌＮ結晶が得られる限りにおいて、サファイア基板のオフ角は任意である。ただし、オフ角を０．２°以上にすると、上述した実施形態と同程度のＡｌＮ結晶が得られ易くなるため、好ましい。
＜特許文献１、２及び非特許文献１におけるＡｌＮ結晶核と、本発明の実施形態におけるＡｌＮ層を構成する微細なＡｌＮ結晶との違い＞
ここでは、特許文献１、２及び非特許文献１においてＡｌＮ層の成長前に形成されるＡｌＮ結晶核と、本発明の実施形態においてＡｌＮ層を構成する微細なＡｌＮ結晶との違いについて説明する。
まず、図１４を参照して説明したように、特許文献１、２及び非特許文献１では、サファイア基板の主面上にＡｌＮ結晶核を形成した後（図１４の第１段階）、ＡｌＮ結晶核の間を埋めるようにＡｌＮ層を形成する（図１４の第２段階）。このとき、ＡｌＮ結晶核は、図１４の第１段階に示されているように、サファイア基板の主面上に点在するのみであるから、この段階ではサファイア基板の主面を十分に被覆する『層』になっていない。
例えば、特許文献２の明細書の段落［００６０］には、「直径が２０〜５０ｎｍ、高さが２０〜４０ｎｍのＡｌＮ結晶核が２００個／μｍ２程度の密度で形成されている」と記載されている。ここで、２００個のＡｌＮ結晶核の全部が欠けることなく１μｍ２の領域内に収まっており、かつ、全てのＡｌＮ結晶核が直径５０ｎｍの平面視円形状であるという、ＡｌＮ結晶核の被覆率が最大限になる現実的にあり得ない状態を想定しても、ＡｌＮ結晶核が占める面積の合計は０．４μｍ２未満に過ぎず、被覆率は４０％未満に過ぎない。したがって、特許文献１、２及び非特許文献１においてＡｌＮ結晶核のみが形成されている状態では、明らかに『層』は形成されていない。
特許文献１、２及び非特許文献１では、図１４の第２段階に示すように、ＡｌＮ結晶核の間を埋める膜状のＡｌＮ結晶が形成された時点で、サファイア基板の主面を十分に被覆する『層』が形成される。そして、図１４の第２段階に至れば、図１２に示したようにＡｌＮ結晶核と融合した平均粒径が極めて大きい膜状のＡｌＮ結晶が形成されるため、ＡｌＮ層を構成するＡｌＮ結晶の平均粒径は１０００ｎｍ程度と極めて大きくなる。
また、特許文献２の明細書の段落［００７１］には、「ＡｌＮ結晶核２ａ同士が結合されて単結晶基板１の上記一表面側のＡｌＮ層がある程度まで平坦化されていることが確認された。ここにおいて、露出しているＡｌＮ結晶核２ａの密度は１００個／μｍ２程度まで減少し、ＡｌＮ結晶核２ａの直径も５０〜１００ｎｍ程度まで大きくなっていた。」と記載されている。これは、図１４の第２段階において、膜状のＡｌＮ結晶の厚みが増大して一部のＡｌＮ結晶核が膜状のＡｌＮ結晶に埋め尽くされ、残りのＡｌＮ結晶核の頂部が露出している状態であることを意味している。そして、この状態では、図１２に示したようにＡｌＮ結晶核と融合した平均粒径が大きい膜状のＡｌＮ結晶が存在しているため、ＡｌＮ層を構成するＡｌＮ結晶の平均粒径は１０００ｎｍ程度と極めて大きくなる。
以上に対して、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、図３〜５に示したＡＦＭ像から明らかなように、ＡｌＮ層を構成する微細なＡｌＮ結晶が形成された状態で、既にサファイア基板の主面を十分に被覆する『層』が形成されている。このことについて、以下、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１５は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおける、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差を示した表である。図１６は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおける、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差及び累積度数９０％の高さを示した表である。ここで、測定領域内高低差とは、上述したＡＦＭ装置による測定において、測定領域内における最も高い山の高さと、当該測定領域内における最も低い谷の高さとの差である。また、累積度数９０％の高さとは、測定領域内の高さを高い方から順に計数していった場合において、累計が９０％になった時点の高さである。なお、図１５において、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差は、図１０及び１１のそれぞれの表に記載している２つの測定領域から得られた値である。また、図１６において、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差及び累計度数９０％の高さは、図６〜８のそれぞれの表に記載している３つの測定領域の中の２つの測定領域から得られた値である。
図１７は、本発明の実施形態に係るテンプレートにおける、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の高さプロファイルと高さヒストグラムの一例を示した図であって、図１６に示した表の１段目の測定領域の詳細を示した図である。なお、図１７（ａ）はＡＦＭ像、図１７（ｂ）は図１７（ａ）に示すＡＦＭ像中の線Ｌに沿った高さプロファイル、図１７（ｃ）は図１７（ａ）に示すＡＦＭ像の測定領域の高さヒストグラムである。なお、図１７（ａ）に示したＡＦＭ像の測定領域は、図３に示したＡＦＭ像の測定領域と同じである。また、図１７（ｃ）において、薄い線Ｆ１は度数分布を表しており、濃い線Ｆ２は累積度数分布を表している。
図１５に示すように、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差は、４０ｎｍ程度であり、ＡｌＮ層の厚さよりも十分に小さい。この場合、測定領域内の最も深い谷にも、十分な厚さのＡｌＮ結晶が存在すると言える。したがって、厚さ３００ｎｍのＡｌＮ層では、サファイア基板の主面の全面がＡｌＮ結晶で覆われており、ＡｌＮ結晶によるサファイア基板の主面の被覆率は１００％であると言える。
一方、図１６に示すように、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の測定領域内高低差は２０ｎｍ程度であり、ＡｌＮ層の厚さと同程度である。そのため、測定領域内の最も深い谷にＡｌＮ結晶が存在しない可能性がある。しかし、図１６に示すように、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層の累積度数９０％の高さは５ｎｍ程度もある。ここで、０より大きいオフ角を有するサファイア基板の主面におけるステップの高さが０．２２ｎｍであり、主面の平均粗さＲａが０．１ｎｍ以下であることを考慮すれば、仮に測定領域内の最も深い谷にＡｌＮ結晶が存在していなかったとしても、１ｎｍ以上の高さがある部分にはＡｌＮ結晶が存在している可能性が高く、２ｎｍ以上の高さがある部分にはＡｌＮ結晶が存在している可能性が極めて高いと言える。したがって、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層を形成した時点におけるＡｌＮ結晶によるサファイア基板の主面の被覆率が９０％以上であり、サファイア基板の主面を十分に被覆する『層』になっていると言える。
実際に、図１７に示す例において、図１７（ｂ）の高さプロファイルでは、谷底が平坦になっていない。また、図１７（ｃ）に示す高さヒストグラムでは、累積度数９０％の高さが５．３０ｎｍもあり、高さが１ｎｍ（さらには２ｎｍ）までの累積度数は１００％に極めて近い値になっている。また、この傾向は、図１７に示した測定領域（図１６に示した表の１段目の測定領域）だけでなく、図１６に示した表の他の測定領域（図１６に示した表の２〜６段目の測定領域）にも妥当する。したがって、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、仮に測定領域内の最も深い谷にＡｌＮ結晶が存在していなかったとしても、ＡｌＮ結晶がサファイア基板の主面を十分に被覆していると言える。
そして、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、上述の通りＡｌＮ結晶がサファイア基板の主面を十分に被覆する『層』になっており、図３〜５に示したＡＦＭ像や図１７（ｂ）に示した高さプロファイルから明らかなように、この時点で隣接するＡｌＮ結晶が既に衝突している。そのため、本発明の実施形態に係るテンプレートでは、図３〜５に示した状態（ＡｌＮ層を厚さ２０ｎｍだけ成長させた状態）からＡｌＮ結晶が成長しても、サファイア基板の主面から厚さ２０ｎｍにおけるＡｌＮ結晶の平均粒径はそれほど変動しない。したがって、本発明の実施形態に係るテンプレートにおいて、サファイア基板の主面から厚さ２０ｎｍにおけるＡｌＮ結晶の平均粒径は、１００ｎｍ以下（さらには７５ｎｍ以下）になる。
本発明は、サファイア基板を備えたテンプレート及びその製造方法と、当該テンプレートを備えた窒化物半導体紫外線発光素子とに利用可能である。特に、ピーク発光波長が紫外領域にある窒化物半導体紫外線発光素子用のテンプレート及びその製造方法と、当該窒化物半導体紫外線発光素子とに利用すると、好適である。
１ 窒化物半導体紫外線発光素子
１０ テンプレート
１１ サファイア基板
１２ ＡｌＮ層
２０ 素子構造部
２１ ｎ型クラッド層
２２ 活性層
２３ 電子ブロック層
２４ ｐ型コンタクト層
２５ ｐ電極
２６ ｎ電極

Claims (14)

  1. （０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板と、
    前記サファイア基板の前記主面に直接形成される、当該主面に対してエピタキシャルな結晶方位関係を有するＡｌＮ結晶で構成されたＡｌＮ層と、を備え、
    前記ＡｌＮ層の前記主面から２０ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が１００ｎｍ以下であり、
    前記ＡｌＮ層の前記主面から２０ｎｍの厚さにおける平均粒径が１００ｎｍ以下の前記ＡｌＮ結晶が、前記主面の９０％以上を被覆していることを特徴とするテンプレート。
  2. 前記ＡｌＮ層の前記主面から２０ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が、７５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のテンプレート。
  3. 前記ＡｌＮ層の前記主面から２０ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が、７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のテンプレート。
  4. 前記ＡｌＮ層の前記主面から３００ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が、３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のテンプレート。
  5. 前記サファイア基板の前記主面が、（０００１）面に対して０．２°以上傾斜した面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテンプレート。
  6. 前記ＡｌＮ層の前記主面から３００ｎｍの厚さにおける前記ＡｌＮ結晶は、前記サファイア基板の上方に向かって＋Ｃ軸配向していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のテンプレート。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のテンプレートと、
    前記テンプレート上に積層された複数のＡｌＧａＮ系半導体層を含む素子構造部と、
    を備えることを特徴とする窒化物半導体紫外線発光素子。
  8. （０００１）面または（０００１）面に対して所定の角度だけ傾斜した面を主面とするサファイア基板の前記主面にＡｌＮ結晶を直接エピタキシャル成長させてＡｌＮ層を形成する工程を備え、
    前記工程において、前記主面の９０％以上を被覆する前記ＡｌＮ層を２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた時に、前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が１００ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させることを特徴とするテンプレートの製造方法。
  9. 前記工程において、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶の平均粒径が３００ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項８に記載のテンプレートの製造方法。
  10. 前記工程において、前記主面から２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項８または９に記載のテンプレートの製造方法。
  11. 前記工程において、前記主面から２０ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が５ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のテンプレートの製造方法。
  12. 前記工程において、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面粗さのＲＭＳ値が１０ｎｍ以下になる成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のテンプレートの製造方法。
  13. 前記工程において、前記主面から３００ｎｍの厚さまでエピタキシャル成長させた前記ＡｌＮ層の表面における前記ＡｌＮ結晶が＋Ｃ軸配向する成長条件で、前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載のテンプレートの製造方法。
  14. 前記工程において、前記ＡｌＮ層の成長温度を１１５０℃以上１３００℃以下にすることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載のテンプレートの製造方法。
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