JP2021134118A - Substrate and light-emitting element - Google Patents

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Abstract

To provide a substrate having an aluminum nitride layer excellent in crystallinity.SOLUTION: A substrate 10 includes an aluminum nitride layer L1 containing crystalline aluminum nitride, and a sapphire layer L2 containing crystalline α-alumina. The aluminum nitride layer L1 is directly piled on the surface of the sapphire layer L2, and the (0001) plane of the aluminum nitride is approximately parallel to the surface of the sapphire layer, and the (11-20) plane of the α-alumina is approximately parallel to the surface of the sapphire layer, and the (11-20) plane of the aluminum nitride is approximately parallel to the (1-100) plane of the α-alumina.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、基板及び発光素子に関する。 The present invention relates to a substrate and a light emitting element.

窒化アルミニウム(AlN)等の第13族元素の窒化物は半導体である。第13族元素の窒化物の結晶は、青色帯から紫外帯にわたる短波長光を発する発光素子、又はパワートランジスタの材料として注目されている。 Nitride of Group 13 element such as aluminum nitride (AlN) is a semiconductor. Nitride crystals of Group 13 elements are attracting attention as materials for light emitting devices or power transistors that emit short wavelength light from the blue band to the ultraviolet band.

例えば、深紫外線発光ダイオード等の発光素子は、AlNの結晶からなるバッファー層を備える。このバッファー層は、サファイア基板の表面に形成される。そして、n型半導体層、発光層及びp型半導体層等の窒化物半導体層をバッファー層の表面に順次積層することにより、発光素子が製造される。バッファー層が窒化物半導体層とサファイア基板との間に介在することにより、窒化物半導体とサファイア(α‐Al)との格子不整合が抑制され、格子不整合に起因する貫通転位が抑制される。その結果、発光層等の窒化物半導体層の結晶性が向上し、発光素子の発光効率が向上する。 For example, a light emitting element such as a deep ultraviolet light emitting diode includes a buffer layer made of AlN crystals. This buffer layer is formed on the surface of the sapphire substrate. Then, a light emitting device is manufactured by sequentially laminating nitride semiconductor layers such as an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer on the surface of the buffer layer. By interposing the buffer layer between the nitride semiconductor layer and the sapphire substrate , the lattice mismatch between the nitride semiconductor and sapphire (α-Al 2 O 3 ) is suppressed, and through-dislocations due to the lattice mismatch are suppressed. It is suppressed. As a result, the crystallinity of the nitride semiconductor layer such as the light emitting layer is improved, and the luminous efficiency of the light emitting element is improved.

発光素子に用いられる一般的な基板の場合、バッファー層の(0001)面が、サファイア基板の(0001)面上に形成される。一方、下記特許文献1に記載の基板の場合、バッファー層の(0001)面が、酸窒化アルミニウム層を介してサファイア基板の(11−20)面上に形成され、バッファー層の(1−100)面が、サファイア基板の(1−100)面と平行である。下記特許文献1に記載の基板の製造方法では、バッファー層の結晶性を向上するために、サファイア基板の直接的な還元窒化(Reduction‐Nitridization)により、酸窒化アルミニウム層及びバッファー層が、サファイア基板の表面に形成される。また下記特許文献2に記載の基板の場合、バッファー層の結晶性を向上するために、バッファー層の(0001)面が、サファイア基板の(0001)面又は(110)面上に形成される。下記特許文献2に記載の基板の製造方法においても、サファイア基板の直接的な還元窒化により、バッファー層がサファイア基板の表面に形成される。 In the case of a general substrate used for a light emitting element, the (0001) plane of the buffer layer is formed on the (0001) plane of the sapphire substrate. On the other hand, in the case of the substrate described in Patent Document 1 below, the (0001) surface of the buffer layer is formed on the (11-20) surface of the sapphire substrate via the aluminum nitride layer, and the (1-100) surface of the buffer layer is formed. ) Plane is parallel to the (1-100) plane of the sapphire substrate. In the method for producing a substrate described in Patent Document 1 below, in order to improve the crystallinity of the buffer layer, the aluminum nitride layer and the buffer layer are formed of the sapphire substrate by direct reduction nitriding of the sapphire substrate. Formed on the surface of. Further, in the case of the substrate described in Patent Document 2 below, in order to improve the crystallinity of the buffer layer, the (0001) plane of the buffer layer is formed on the (0001) plane or the (110) plane of the sapphire substrate. Also in the method for manufacturing a substrate described in Patent Document 2 below, a buffer layer is formed on the surface of the sapphire substrate by direct reduction nitriding of the sapphire substrate.

特開2004‐137142号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-137142 特開2019‐64870号公報JP-A-2019-64870

有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)によってバッファー層を上記特許文献1及び2に記載の基板の表面上で成長させる場合、バッファー層の結晶性は基板の良好な結晶性を引き継ぎ難い。例えば、Out‐оf‐Plane方向におけるバッファー層の(0001)面のロッキングカーブの半値全幅は、元々基板の表面に形成されているAlN層の(0001)面のロッキングカーブの半値全幅よりも大きい。そして、バッファー層の厚さの増加に伴って、バッファー層の(0001)面のロッキングカーブの半値全幅が増加し易い。つまり、バッファー層の成長に伴って、バッファー層の結晶性が劣化する。バッファー層が結晶性に劣る場合、バッファー層上に形成される窒化物半導体層(発光層等)の結晶性も劣化してしまう。その結果、発光素子の発光効率が低下してしまう。 When the buffer layer is grown on the surface of the substrate described in Patent Documents 1 and 2 by the Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), the crystallinity of the buffer layer gives good crystallinity of the substrate. It is difficult to take over. For example, the full width at half maximum of the locking curve of the (0001) plane of the buffer layer in the Out-оf-Plane direction is larger than the full width at half maximum of the locking curve of the (0001) plane of the AlN layer originally formed on the surface of the substrate. Then, as the thickness of the buffer layer increases, the full width at half maximum of the locking curve of the (0001) plane of the buffer layer tends to increase. That is, as the buffer layer grows, the crystallinity of the buffer layer deteriorates. When the buffer layer is inferior in crystallinity, the crystallinity of the nitride semiconductor layer (light emitting layer or the like) formed on the buffer layer also deteriorates. As a result, the luminous efficiency of the light emitting element is lowered.

本発明は、結晶性に優れた窒化アルミニウム層を有する基板、及び当該基板を備える発光素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a substrate having an aluminum nitride layer having excellent crystallinity, and a light emitting device provided with the substrate.

本発明の一側面に係る基板は、結晶質の窒化アルミニウムを含む窒化アルミニウム層と、結晶質のα‐アルミナを含むサファイア層と、を備え、窒化アルミニウム層が、サファイア層の表面に直接重なっており、窒化アルミニウムの(0001)面が、サファイア層の表面に略平行であり、α‐アルミナの(11−20)面が、サファイア層の表面に略平行であり、窒化アルミニウムの(11−20)面が、α‐アルミナの(1−100)面に略平行である。 The substrate according to one aspect of the present invention includes an aluminum nitride layer containing crystalline aluminum oxide and a sapphire layer containing crystalline α-alumina, and the aluminum nitride layer directly overlaps the surface of the sapphire layer. The (0001) plane of aluminum oxide is substantially parallel to the surface of the sapphire layer, the (11-20) plane of α-alumina is substantially parallel to the surface of the sapphire layer, and the (11-20) plane of aluminum nitride. ) Plane is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina.

窒化アルミニウム層の表面の面内(In‐Plane)方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブ(rocking curve)の半値全幅(full width at half maximum, FWHM)が、0秒以上500秒以下(0arcsecоnd以上500arcsecоnds以下)であってよい。 The full width at half maximum (FWHM) of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer is 0 seconds. It may be 5 seconds or more and 500 seconds or less (0 arcsecоnd or more and 500 arcsecоnds or less).

窒化アルミニウム層の表面の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が、50秒以上300秒以下であってよい。 The full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer may be 50 seconds or more and 300 seconds or less.

窒化アルミニウム層が、希土類元素、アルカリ土類元素及びアルカリ金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の添加元素を含んでよい。 The aluminum nitride layer may contain at least one additive element selected from the group consisting of rare earth elements, alkaline earth elements and alkali metal elements.

窒化アルミニウム層のうち窒化アルミニウム層及びサファイア層の境界に沿う境界領域が、添加元素を含んでよく、添加元素が、希土類元素、アルカリ土類元素及びアルカリ金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよく、境界領域における添加元素の含有量の合計が、0.1質量ppm以上200質量ppm以下であってよい。 Of the aluminum nitride layer, the boundary region along the boundary between the aluminum nitride layer and the sapphire layer may contain an additive element, and the additive element is at least one selected from the group consisting of rare earth elements, alkaline earth elements and alkali metal elements. It may be an element, and the total content of the added elements in the boundary region may be 0.1 mass ppm or more and 200 mass ppm or less.

窒化アルミニウム層の厚さが、50nm以上1000nm以下であってよい。 The thickness of the aluminum nitride layer may be 50 nm or more and 1000 nm or less.

窒化アルミニウム層の厚さが、50nm以上500nm以下であってよい。 The thickness of the aluminum nitride layer may be 50 nm or more and 500 nm or less.

RC1(1−100)は、窒化アルミニウム層の表面の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブであってよく、RC2(1−100)は、窒化アルミニウム層のうちサファイア層の表面からの距離が100nm以下である領域に含まれる窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブであってよく、RC2(1−100)は、サファイア層の表面に略平行な面内方向において測定されてよく、RC1(1−100)の半値全幅は、RC2(1−100)の半値全幅よりも小さくてよい。 RC1 (1-100) may be the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer, and RC2 (1-100) may be the locking curve of the aluminum nitride layer. Of these, the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride contained in the region where the distance from the surface of the sapphire layer is 100 nm or less may be, and RC2 (1-100) is substantially parallel to the surface of the sapphire layer. It may be measured in the in-plane direction, and the half-price full width of RC1 (1-100) may be smaller than the half-price full width of RC2 (1-100).

本発明の一側面に係る基板は、発光素子に用いられてよい。 The substrate according to one aspect of the present invention may be used as a light emitting device.

本発明の一側面に係る発光素子は、上記の基板を備える。 The light emitting element according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned substrate.

本発明の一側面に係る発光素子は、上記の基板と、上記の窒化アルミニウム層に重なるn型半導体層と、n型半導体層に重なる発光層と、発光層に重なるp型半導体層と、を備えてよい。 The light emitting device according to one aspect of the present invention includes the above substrate, an n-type semiconductor layer overlapping the aluminum nitride layer, a light emitting layer overlapping the n-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer overlapping the light emitting layer. You may be prepared.

本発明によれば、結晶性に優れた窒化アルミニウム層を有する基板、及び当該基板を備える発光素子が提供される。 According to the present invention, a substrate having an aluminum nitride layer having excellent crystallinity and a light emitting device including the substrate are provided.

図1は、本発明の一実施形態に係る基板の模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a substrate according to an embodiment of the present invention. 図2は、窒化アルミニウムの結晶構造の模式的な斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of the crystal structure of aluminum nitride. 図3は、窒化アルミニウムの結晶構造の単位胞(unit cell)における基本ベクトル、結晶方位及び結晶面を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic vector, a crystal orientation, and a crystal plane in a unit cell of the crystal structure of aluminum nitride. 図4は、α‐アルミナの結晶構造の斜視図及び上面図である。FIG. 4 is a perspective view and a top view of the crystal structure of α-alumina. 図5は、α‐アルミナの結晶構造の単位胞における基本ベクトル、結晶方位及び結晶面を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a basic vector, a crystal orientation, and a crystal plane in a unit cell of the crystal structure of α-alumina. 図6は、本発明の一実施形態に係る基板に含まれる窒化アルミニウム及びα‐アルミナ其々の結晶面の方位を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic view showing the orientation of the crystal planes of aluminum nitride and α-alumina contained in the substrate according to the embodiment of the present invention. 図7は、従来の基板に含まれる窒化アルミニウム及びα‐アルミナ其々の結晶面の方位を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic view showing the orientation of the crystal planes of aluminum nitride and α-alumina contained in the conventional substrate. 図8は、面内方向におけるロッキングカーブの測定方法(φスキャン)を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic view showing a method of measuring a locking curve (φ scan) in the in-plane direction. 図9は、RC1(1−100)の一例、及びRC2(1−100)の一例である。FIG. 9 shows an example of RC1 (1-100) and an example of RC2 (1-100). 図10は、本発明の一実施形態に係る基板を備える発光素子の模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device including a substrate according to an embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態が説明される。図面において、同等の構成要素には同等の符号が付される。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。図1、図8及び図10に示されるX,Y及びZは、互いに直交する3つの座標軸を意味する。各座標軸が示す方向は、図1、図8及び図10に共通する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, equivalent components are labeled with equivalent reference numerals. The present invention is not limited to the following embodiments. X, Y and Z shown in FIGS. 1, 8 and 10 mean three coordinate axes orthogonal to each other. The directions indicated by the coordinate axes are common to FIGS. 1, 8 and 10.

(基板)
本実施形態に係る基板は、窒化アルミニウム層と、サファイア層と、を備える。本実施形態に係る基板の構造は、図1に示される。図1は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1及びサファイア層L2の表面SL2に垂直な基板10の断面である。図1に示されるように、窒化アルミニウム層L1は、サファイア層L2の表面SL2に直接重なっている。窒化アルミニウム層L1の表面SL1は、平坦であってよい。サファイア層L2の表面SL2も平坦であってよい。積層方向Zにおける窒化アルミニウム層L1の厚さTは、略均一であってよい。積層方向Zにおけるサファイア層L2の厚さも、略均一であってよい。積層方向Zにおける基板10全体の厚さも、略均一であってよい。
(substrate)
The substrate according to this embodiment includes an aluminum nitride layer and a sapphire layer. The structure of the substrate according to this embodiment is shown in FIG. Figure 1 is a cross-section of a vertical substrate 10 on the surface S L2 of the surface S L1 and sapphire layer L2 of the aluminum nitride layer L1. As shown in FIG. 1, an aluminum nitride layer L1 is overlapped directly on the surface S L2 of the sapphire layer L2. Surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 may be flat. Surface S L2 of the sapphire layer L2 may also be flat. The thickness T of the aluminum nitride layer L1 in the stacking direction Z may be substantially uniform. The thickness of the sapphire layer L2 in the stacking direction Z may also be substantially uniform. The thickness of the entire substrate 10 in the stacking direction Z may also be substantially uniform.

窒化アルミニウム層L1は、結晶質の窒化アルミニウム(AlN)を含む。結晶質の窒化アルミニウムは、窒化アルミニウムの単結晶であってよい。窒化アルミニウム層L1は、結晶質の窒化アルミニウムのみからなっていてよい。窒化アルミニウム層L1は、結晶質の窒化アルミニウムに加えて、後述される添加元素Mを更に含んでよい。添加元素Mは、結晶質の窒化アルミニウム中に含有されてよい。窒化アルミニウム層L1は、アルミニウム(Al)、窒素(N)及び添加元素Mのみから構成されていてよい。窒化アルミニウムの結晶性が損なわれない限りにおいて、窒化アルミニウム層L1は、Al、N及び添加元素Mに加えて、他の元素(不純物等)を含んでよい。例えば、窒化アルミニウム層L1のうち窒化アルミニウム層L1及びサファイア層L2の境界に沿う境界領域が、微量の酸素(O)を含んでよい。つまり、窒化アルミニウム層L1においてサファイア層L2に面する領域は、微量の酸素を含んでよい。窒化アルミニウム層L1は、Al、N、添加元素M及びOのみから構成されていてよい。窒化アルミニウム層L1及びサファイア層L2の境界は、窒素の有無によって特定されてよい。つまり境界は、Al及びNの両方が検出される層(窒化アルミニウム層L1)と、Al及びOが検出され且つNが検出されない層(サファイア層L2)との界面と定義されてよい。 The aluminum nitride layer L1 contains crystalline aluminum nitride (AlN). The crystalline aluminum nitride may be a single crystal of aluminum nitride. The aluminum nitride layer L1 may be composed of only crystalline aluminum nitride. The aluminum nitride layer L1 may further contain an additive element M described later in addition to the crystalline aluminum nitride. The additive element M may be contained in crystalline aluminum nitride. The aluminum nitride layer L1 may be composed of only aluminum (Al), nitrogen (N) and the additive element M. As long as the crystallinity of aluminum nitride is not impaired, the aluminum nitride layer L1 may contain other elements (impurities and the like) in addition to Al, N and the additive element M. For example, in the aluminum nitride layer L1, the boundary region along the boundary between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2 may contain a trace amount of oxygen (O). That is, the region of the aluminum nitride layer L1 facing the sapphire layer L2 may contain a small amount of oxygen. The aluminum nitride layer L1 may be composed of only Al, N, and additive elements M and O. The boundary between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2 may be specified by the presence or absence of nitrogen. That is, the boundary may be defined as the interface between the layer in which both Al and N are detected (aluminum nitride layer L1) and the layer in which Al and O are detected and N is not detected (sapphire layer L2).

窒化アルミニウム層L1に含まれる窒化アルミニウムの結晶構造は、六方晶系のウルツ鉱(wurtzite)型構造である。窒化アルミニウムのウルツ鉱型構造は、図2に示される。ウルツ鉱型構造の単位胞は、図3に示される。基本ベクトル、結晶方位及び結晶面の表記のために、図3中の原子は省略されているが、ウルツ鉱型構造の単位胞uc1(正六角柱)の12個の頂点其々には、アルミニウムが配置される。図3中のa、a2、及びcは、ウルツ鉱型構造の単位胞uc1を構成する基本ベクトル(結晶軸)である。aの方位は[1000]である。aの方位は[0100]である。aの方位は[0010]である。cの方位は[0001]である。a、a及びa其々の長さは、互いに等しい。a、a及びaのいずれもcに垂直である。a、a及びaが互いになす角度は、120度(degrees)である。図2及び図3に示されるように、窒化アルミニウムの結晶構造はc軸に対する回転対称性を有するので、窒化アルミニウムの(11−20)面、(−2110)面及び(1−210)面は、面方位において等価である。したがって、(−2110)面及び(1−210)面は、(11−20)面とみなされてよい。窒化アルミニウムの(1−100)面と窒化アルミニウムの(11−20)面との間の角度は、90度である。(11−20)面と(−2110)面との間の角度は60度であるので、(1−100)面と(−2110)面との間の角度は、90度+60度(つまり150度)である。(11−20)面と(1−210)面との間の角度は−60度であるので、(1−100)面と(1−210)面との間の角度は、90度−60度(つまり30度)である。したがって、窒化アルミニウムの結晶構造内において(−2110)面及び(1−210)面が(11−20)面とみなされる場合、窒化アルミニウムの(1−100)面と窒化アルミニウムの(11−20)面との間の角度は、90度、150度、及び30度である。仮にα‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度が±30度である場合、窒化アルミニウムの(1−100)面と窒化アルミニウムの(11−20)面との間の角度は、90度、150度、及び30度であるので、α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(11−20)面との間の角度は、±30度+90度、±30度+150度、及び±30度+30度である。つまり、仮にα‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度が±30度である場合、α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(11−20)面との間の角度は、0度(180度)、60度及び120度である。したがって、α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度が±30度である場合、窒化アルミニウムの(11−20)面は、α‐アルミナの(1−100)面に平行である。つまり、α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度が±30度である場合、(11−20)面、(−2110)面及び(1−210)面のうちいずれか一つの窒化アルミニウムの結晶面は、必ずα‐アルミナの(1−100)面に平行である。窒化アルミニウムの(11−20)面は、窒化アルミニウムの(0001)面に垂直である。窒化アルミニウムの(1−100)面も、α‐アルミナの(0001)面に垂直である。窒化アルミニウムの(11−20)面は、窒化アルミニウムのa面と言い換えられてよい。窒化アルミニウムの(1−100)面は、窒化アルミニウムのm面と言い換えられてよい。窒化アルミニウムの(0001)面は、窒化アルミニウムのc面と言い換えられてよい。 The crystal structure of aluminum nitride contained in the aluminum nitride layer L1 is a hexagonal wurtzite type structure. The wurtzite structure of aluminum nitride is shown in FIG. The unit cell of the wurtzite type structure is shown in FIG. Atoms in FIG. 3 are omitted for the purpose of notation of the basic vector, crystal orientation and crystal plane, but aluminum is present at each of the 12 vertices of the unit cell uc1 (regular hexagonal prism) of the Ulz ore type structure. Be placed. A 1 , a 2, a 3 and c in FIG. 3 are basic vectors (crystal axes) constituting the unit cell uc1 of the wurtzite type structure. orientation of a 1 is [1000]. orientation of a 2 is [0100]. orientation of a 3 is a [0010]. The orientation of c is [0001]. The lengths of a 1 , a 2 and a 3 are equal to each other. All of a 1 , a 2 and a 3 are perpendicular to c. The angle formed by a 1 , a 2 and a 3 with each other is 120 degrees. As shown in FIGS. 2 and 3, the crystal structure of aluminum nitride has rotational symmetry with respect to the c-axis, so that the (11-20) plane, (-2110) plane, and (1-210) plane of aluminum nitride are , Equivalent in plane orientation. Therefore, the (-2110) and (1-210) planes may be considered as (11-20) planes. The angle between the (1-100) plane of aluminum nitride and the (11-20) plane of aluminum nitride is 90 degrees. Since the angle between the (11-20) plane and the (-2110) plane is 60 degrees, the angle between the (1-100) plane and the (-2110) plane is 90 degrees + 60 degrees (that is, 150 degrees). Degree). Since the angle between the (11-20) plane and the (1-210) plane is -60 degrees, the angle between the (1-100) plane and the (1-210) plane is 90 degrees -60 degrees. Degree (ie 30 degrees). Therefore, when the (-2110) and (1-210) planes are regarded as the (11-20) planes in the crystal structure of aluminum nitride, the (1-100) planes of aluminum nitride and the (11-20) planes of aluminum nitride are considered. ) The angles to the surface are 90 degrees, 150 degrees, and 30 degrees. If the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride is ± 30 degrees, the (1-100) plane of aluminum nitride and the (11-) plane of aluminum nitride 20) The angles between the planes are 90 degrees, 150 degrees, and 30 degrees, so the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (11-20) plane of aluminum nitride is ± 30 degrees +90 degrees, ± 30 degrees +150 degrees, and ± 30 degrees +30 degrees. That is, if the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride is ± 30 degrees, the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride The angles to the (11-20) plane are 0 degrees (180 degrees), 60 degrees and 120 degrees. Therefore, when the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride is ± 30 degrees, the (11-20) plane of aluminum nitride is that of α-alumina. It is parallel to the (1-100) plane. That is, when the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride is ± 30 degrees, the (11-20) plane, the (-2110) plane and the (1) plane are The crystal plane of any one of the −210) planes is always parallel to the (1-100) plane of α-alumina. The (11-20) plane of aluminum nitride is perpendicular to the (0001) plane of aluminum nitride. The (1-100) plane of aluminum nitride is also perpendicular to the (0001) plane of α-alumina. The (11-20) plane of aluminum nitride may be paraphrased as the a-plane of aluminum nitride. The (1-100) plane of aluminum nitride may be paraphrased as the m-plane of aluminum nitride. The (0001) plane of aluminum nitride may be paraphrased as the c-plane of aluminum nitride.

サファイア層L2は、結晶質のα‐アルミナ(α‐Al)を含む。結晶質のα‐アルミナは、α‐アルミナの単結晶(つまりサファイア)であってよい。サファイア層L2は、結晶質のα‐アルミナのみからなっていてよい。α‐アルミナの結晶性が損なわれない限りにおいて、サファイア層L2は、アルミニウム及び酸素以外の元素(不純物等)を含んでよい。例えば、サファイア層L2のうち窒化アルミニウム層L1及びサファイア層L2の境界に沿う境界領域が、微量の添加元素Mを含んでよい。つまり、サファイア層L2において窒化アルミニウム層L1に面する領域は、微量の添加元素Mを含んでよい。 The sapphire layer L2 contains crystalline α-alumina (α-Al 2 O 3 ). The crystalline α-alumina may be a single crystal of α-alumina (ie, sapphire). The sapphire layer L2 may be composed of only crystalline α-alumina. The sapphire layer L2 may contain elements (impurities and the like) other than aluminum and oxygen as long as the crystallinity of α-alumina is not impaired. For example, in the sapphire layer L2, the boundary region along the boundary between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2 may contain a trace amount of the additive element M. That is, the region of the sapphire layer L2 facing the aluminum nitride layer L1 may contain a trace amount of the additive element M.

サファイア層L2に含まれるα‐アルミナの結晶構造は、コランダム(corundum)型構造である。コランダム型構造は、正確には菱面体晶(rhombohedral crystal)であるが、コランダム型構造は六方晶で近似されてよい。α‐アルミナのコランダム型構造は、図4に示される。図4に示される六角形の図形は、c軸方向からみられるコランダム型構造(正六角柱)におけるアルミニウム原子及び酸素原子の配置を示している。コランダム型構造の単位胞は、図5に示される。基本ベクトル、結晶方位及び結晶面の表記のために、図5中の原子は省略されているが、コランダム型構造の単位胞uc2(正六角柱)の12個の頂点其々には、酸素が配置される。図5中のa、a2、及びcは、コランダム型構造の単位胞uc2を構成する基本ベクトル(結晶軸)である。aの方位は[1000]である。aの方位は[0100]である。aの方位は[0010]である。cの方位は[0001]である。a、a及びa其々の長さは、互いに略等しい。a、a及びaのいずれもcに略垂直である。a、a及びaが互いになす角度は、略120度である。α‐アルミナの(1−100)面は、α‐アルミナの(11−20)面に略垂直である。α‐アルミナの(0001)面は、α‐アルミナの(11−20)面に略垂直である。α‐アルミナの(1−100)面は、α‐アルミナの(0001)面に略垂直である。α‐アルミナの(11−20)面は、α‐アルミナのa面と言い換えられてよい。α‐アルミナの(1−100)面は、α‐アルミナのm面と言い換えられてよい。α‐アルミナの(0001)面は、α‐アルミナのc面と言い換えられてよい。 The crystal structure of α-alumina contained in the sapphire layer L2 is a corundum type structure. The corundum-type structure is more accurately a rhombohedral crystal, but the corundum-type structure may be approximated by a hexagonal crystal. The corundum-type structure of α-alumina is shown in FIG. The hexagonal figure shown in FIG. 4 shows the arrangement of aluminum atoms and oxygen atoms in a corundum-shaped structure (regular hexagonal prism) seen from the c-axis direction. The unit cell of the corundum type structure is shown in FIG. Atoms in FIG. 5 are omitted for the purpose of notation of the basic vector, crystal orientation and crystal plane, but oxygen is arranged at each of the 12 vertices of the corundum-type unit cell uc2 (regular hexagonal prism). Will be done. Reference numeral a 1 , a 2, a 3 and c in FIG. 5 are basic vectors (crystal axes) constituting the unit cell uc2 having a corundum-type structure. orientation of a 1 is [1000]. orientation of a 2 is [0100]. orientation of a 3 is a [0010]. The orientation of c is [0001]. The lengths of a 1 , a 2 and a 3 are approximately equal to each other. All of a 1 , a 2 and a 3 are substantially perpendicular to c. The angle formed by a 1 , a 2 and a 3 with each other is approximately 120 degrees. The (1-100) plane of α-alumina is approximately perpendicular to the (11-20) plane of α-alumina. The (0001) plane of α-alumina is substantially perpendicular to the (11-20) plane of α-alumina. The (1-100) plane of α-alumina is approximately perpendicular to the (0001) plane of α-alumina. The (11-20) plane of α-alumina may be paraphrased as the a-plane of α-alumina. The (1-100) plane of α-alumina may be paraphrased as the m-plane of α-alumina. The (0001) plane of α-alumina may be paraphrased as the c plane of α-alumina.

以下では、窒化アルミニウム層L1及び窒化アルミニウムが、同義語として用いられる場合がある。以下では、サファイア層L2及びα‐アルミナが、同義語として用いられる場合がある。 In the following, the aluminum nitride layer L1 and aluminum nitride may be used as synonyms. In the following, the sapphire layer L2 and α-alumina may be used as synonyms.

窒化アルミニウム層L1中の窒化アルミニウムの(0001)面は、サファイア層L2の表面SL2に略平行であり、サファイア層L2中のα‐アルミナの(11−20)面も、サファイア層L2の表面SL2に略平行である。窒化アルミニウム層L1中の窒化アルミニウムの(0001)面は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1に略平行であってよく、サファイア層L2中のα‐アルミナの(11−20)面も、窒化アルミニウム層L1の表面SL1に略平行であってよい。つまり、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面方位は[0001]であり、サファイア層L2の表面SL2の面方位は[11-20]であり、窒化アルミニウム層L1中の窒化アルミニウムの(0001)面は、サファイア層L2中のα‐アルミナの(11−20)面に略平行である。窒化アルミニウム層L1中の窒化アルミニウムの(11−20)面は、サファイア層L2中のα‐アルミナの(1−100)面に略平行である。窒化アルミニウム層L1中の窒化アルミニウムの(11−20)面は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1、及びサファイア層L2の表面SL2に対して略垂直である。サファイア層L2中のα‐アルミナの(1−100)面も、窒化アルミニウム層L1の表面SL1、及びサファイア層L2の表面SL2に対して略垂直である。 The (0001) plane of aluminum nitride in the aluminum nitride layer L1 is substantially parallel to the surface SL2 of the sapphire layer L2, and the (11-20) plane of α-alumina in the sapphire layer L2 is also the surface of the sapphire layer L2. it is substantially parallel to the S L2. (0001) plane of the aluminum nitride in the aluminum nitride layer L1 may be substantially parallel to the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1, also (11-20) plane of α- alumina in the sapphire layer L2, aluminum nitride substantially it may be parallel to the surface S L1 of the layer L1. In other words, the plane orientation of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 is [0001] plane orientation of the surface S L2 of the sapphire layer L2 is [11-20], the aluminum nitride in the aluminum nitride layer L1 (0001 The plane) is substantially parallel to the (11-20) plane of α-alumina in the sapphire layer L2. The (11-20) plane of aluminum nitride in the aluminum nitride layer L1 is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina in the sapphire layer L2. (11-20) plane of aluminum nitride in the aluminum nitride layer L1 is substantially perpendicular to the surface S L2 of the surface S L1, and sapphire layer L2 of the aluminum nitride layer L1. (1-100) plane of α- alumina in the sapphire layer L2 is also substantially perpendicular to the surface S L2 of the surface S L1, and sapphire layer L2 of the aluminum nitride layer L1.

上述された窒化アルミニウム及びα‐アルミナ其々の結晶面の方位の相対的な関係は、図6中に示される。図示の便宜上、図6(及び後述される図7)において、窒化アルミニウム(uc1)の(0001)面はα‐アルミナ(uc2)の(11−20)面に重なっていないが、実際には、窒化アルミニウムの(0001)面はα‐アルミナの(11−20)面に重なっている。窒化アルミニウムの(11−20)面がα‐アルミナの(1−100)面に略平行となるように、窒化アルミニウムの(0001)面がα‐アルミナの(11−20)面に対して平行に形成される場合、サファイア層L2の表面SL2上に成長する窒化アルミニウム層L1は、サファイア層L2の高い結晶性を引き継ぎ易い。その結果、本実施形態に係る基板10は、結晶性に優れた窒化アルミニウム層L1を有することができる。 The relative relationship between the orientations of the crystal planes of aluminum nitride and α-alumina described above is shown in FIG. For convenience of illustration, in FIG. 6 (and FIG. 7 described later), the (0001) plane of aluminum nitride (uc1) does not overlap the (11-20) plane of α-alumina (uc2), but in reality, The (0001) plane of aluminum nitride overlaps the (11-20) plane of α-alumina. The (0001) plane of aluminum nitride is parallel to the (11-20) plane of α-alumina so that the (11-20) plane of aluminum nitride is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina. when formed, the aluminum nitride layer L1 to be grown on the surface S L2 of the sapphire layer L2 is likely take over the high crystallinity sapphire layer L2. As a result, the substrate 10 according to the present embodiment can have the aluminum nitride layer L1 having excellent crystallinity.

図7に示すように、窒化アルミニウムの(1−100)面がα‐アルミナの(1−100)面に略平行となるように、窒化アルミニウムの(0001)面がα‐アルミナの(11−20)面に対して平行に形成される場合、サファイア層L2の表面SL2上に成長する窒化アルミニウム層L1は、サファイア層L2の高い結晶性を引き継ぎ難い。したがって、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面方位が[0001]であり、サファイア層L2の表面SL2の面方位が[11-20]であり、窒化アルミニウム層L1の(1−100)面がサファイア層L2の(1−100)面に略平行である場合、基板10は、結晶性に優れた窒化アルミニウム層L1を有することが困難である。 As shown in FIG. 7, the (0001) plane of aluminum nitride is (11-) of α-alumina so that the (1-100) plane of aluminum nitride is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina. when formed parallel to 20) surface, an aluminum nitride layer L1 grown on the surface S L2 of the sapphire layer L2 is hardly takes over the high crystallinity sapphire layer L2. Therefore, a surface orientation of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 is [0001], a surface orientation of the surface S L2 of the sapphire layer L2 is [11-20], the aluminum layer L1 nitride (1-100) plane Is substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2, it is difficult for the substrate 10 to have the aluminum nitride layer L1 having excellent crystallinity.

窒化アルミニウム層L1の結晶性は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブに基づいて評価されてよい。(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が小さいほど、窒化アルミニウム層L1の(1−100)面の配向度が高く、窒化アルミニウム層L1は結晶性に優れている。ロッキングカーブは、窒化アルミニウム層L1の表面SL1のφスキャンによって測定される。 Crystalline aluminum nitride layer L1 may be evaluated based on the rocking curve of (1-100) plane of the aluminum nitride measured in-plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. The smaller the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane, the higher the degree of orientation of the (1-100) plane of the aluminum nitride layer L1, and the better the crystallinity of the aluminum nitride layer L1. Rocking curve is measured by φ scan of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1.

φスキャンの概要は、図8に示される。φスキャンは、In Plane測定の一種である。説明の便宜上、基板10は円盤(ウェハー)であり、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の形状は、円である。φスキャンでは、基板10が窒化アルミニウム層L1の表面SL1の中心に対して回転する。つまり、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の中心は基板10の回転中心であり、φは基板10の回転角である。φの単位は、秒(arcsecоnd)である。φスキャンでは、入射X線がX線源XRから窒化アルミニウム層L1の表面SL1の中心へ照射される。方向d1は、入射X線の方向である。φスキャンに用いる入射X線は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1に略平行である。入射X線は、窒化アルミニウムの(1−100)面において回折され、回折X線として検出器Dによって検出される。φスキャンによって測定される回折X線は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1に略平行である。基準点が、窒化アルミニウム層L1の表面SL1において入射X線が照射される位置(つまり表面SL1の中心)と定義される場合、方向d2は、基準点から検出器Dへ向かう方向である。つまり方向d2は、入射X線が照射される位置に対する検出器Dの方向である。2θは、窒化アルミニウムの(1−100)面に由来する回折X線の回折角である。φスキャンとは、方向d1と方向d2との間の角度を回折角2θに固定し、窒化アルミニウムの(1−100)面に由来する回折X線の強度を、φの変化に伴って連続的に測定する方法である。窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブは、窒化アルミニウムの(1−100)面に由来する回折X線の強度のツイスト(twist)分布と言い換えられてよい。回折X線の強度の単位は、例えば、cps(cоunts per secоnd)であってよい。 An outline of the φ scan is shown in FIG. The φ scan is a type of In Plane measurement. For convenience of explanation, the substrate 10 is a disc (wafer), the shape of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 is circular. The φ scan, the substrate 10 is rotated relative to the center of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. That is, the center of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 is the rotation center of the substrate 10, phi is the angle of rotation of the substrate 10. The unit of φ is seconds (arcsecоnd). The φ scan, the incident X-rays are irradiated from the X-ray source XR to the center of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. The direction d1 is the direction of the incident X-ray. incident X-rays used in the φ scan is substantially parallel to the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. The incident X-rays are diffracted on the (1-100) plane of the aluminum nitride and detected by the detector D as diffracted X-rays. diffracted X-rays measured by φ scan is substantially parallel to the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. Reference points, when the incident X-ray on the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 is defined as a position to be irradiated (i.e. the center of the surface S L1), direction d2 is the direction from the reference point to the detector D .. That is, the direction d2 is the direction of the detector D with respect to the position where the incident X-ray is irradiated. 2θ 2 is the diffraction angle of the diffracted X-rays derived from the (1-100) plane of aluminum nitride. In φ scan, the angle between the direction d1 and the direction d2 is fixed at the diffraction angle 2θ 2, and the intensity of the diffracted X-rays derived from the (1-100) plane of aluminum nitride is continuously increased with the change of φ. It is a method of measuring. The locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride can be rephrased as the twist distribution of the intensity of the diffracted X-rays derived from the (1-100) plane of aluminum nitride. The unit of the intensity of the diffracted X-ray may be, for example, cps (cоunts per secоnd).

図9に示されるRC1(1−100)及びRC2(1−100)は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの具体例である。各ロッキングカーブの横軸はΔφである。各ロッキングカーブの縦軸は、回折X線の強度である。各ロッキングカーブの横軸における原点は、窒化アルミニウムの(1−100)面に由来する回折X線の強度が最大であるφに対応する。φが、窒化アルミニウムの(1−100)面に由来する回折X線の強度が最大であるφと定義される場合、窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブは、φが(φ−Δφ)以上(φ+Δφ)以下である範囲における(1−100)面の回折X線の強度の分布である。入射X線は、銅(Cu)の特性X線(CuKα線)であってよく。窒化アルミニウムの(1−100)面に由来する回折X線の回折角2θは、33.22度(degrees)であってよい。 RC1 (1-100) and RC2 (1-100) shown in Figure 9, the aluminum nitride measured in-plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 (1-100) plane of the rocking curve of the specific This is an example. The horizontal axis of each locking curve is Δφ. The vertical axis of each locking curve is the intensity of diffracted X-rays. The origin on the horizontal axis of each locking curve corresponds to φ, which has the maximum intensity of diffracted X-rays derived from the (1-100) plane of aluminum nitride. When φ 0 is defined as φ, which has the maximum intensity of diffracted X-rays derived from the (1-100) plane of aluminum nitride, the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride has φ (φ). 0 -Derutafai) is higher (phi 0 + [Delta] [phi) less is in the range (1-100) of the intensity of the diffracted X-ray of the plane distribution. The incident X-ray may be a characteristic X-ray (CuKα ray) of copper (Cu). The diffraction angle 2θ 2 of the diffracted X-rays derived from the (1-100) plane of aluminum nitride may be 33.22 degrees (degries).

窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、0秒以上500秒以下、好ましくは50秒以上300秒以下であってよい。(1−100)面のロッキングカーブは、窒化アルミニウム層L1全体の平均的な結晶性を示す。窒化アルミニウム層L1とサファイア層L2との間の格子不整合に因り、窒化アルミニウム層L1及びサファイア層L2の境界近傍に位置する窒化アルミニウムの結晶性は良くない。しかし本実施形態では、上述の理由により、サファイア層L2の表面SL2上に成長する窒化アルミニウム層L1は、サファイア層L2の高い結晶性を引き継ぎ易い。したがって、サファイア層L2の表面SL2からの窒化アルミニウムの距離の増加に伴って、窒化アルミニウムの結晶性が高まる。その結果、成長後の窒化アルミニウム層L1の(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、成長初期段階の窒化アルミニウム層L1の(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅よりも小さくなり易い。換言すれば、窒化アルミニウム層L1の厚さTの増加(窒化アルミニウム層L1の成長)に伴って、窒化アルミニウム層L1の(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は減少し易い。(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が500秒以下である場合、窒化アルミニウム層L1は十分に高い結晶性を有するので、窒化アルミニウム層L1上に形成される窒化物半導体層(発光層等)の結晶性も高まり易い。その結果、基板10から形成された発光素子の発光効率が高まり易い。理論的に最も好ましいロッキングカーブの半値全幅はゼロであるが、本実施形態において容易に達成できる半値全幅は、50秒程度である。窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、100秒以上470以下、170秒以上470秒以下、又は100秒以上280秒以下であってもよい。 Measured in-plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 of aluminum nitride (1-100) plane full width at half maximum of the rocking curve, 0 seconds 500 seconds or less, preferably a below 300 seconds 50 seconds You can. The locking curve of the (1-100) plane shows the average crystallinity of the entire aluminum nitride layer L1. Due to the lattice mismatch between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2, the crystallinity of the aluminum nitride located near the boundary between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2 is not good. However, in the present embodiment, for the reasons described above, the aluminum nitride layer L1 to be grown on the surface S L2 of the sapphire layer L2 is likely take over the high crystallinity sapphire layer L2. Thus, with increasing distance of the aluminum nitride from the surface S L2 of the sapphire layer L2, it increases the crystallinity of the aluminum nitride. As a result, the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of the aluminum nitride layer L1 after growth becomes smaller than the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of the aluminum nitride layer L1 at the initial stage of growth. easy. In other words, as the thickness T of the aluminum nitride layer L1 increases (growth of the aluminum nitride layer L1), the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of the aluminum nitride layer L1 tends to decrease. When the half-value total width of the locking curve of the (1-100) plane is 500 seconds or less, the aluminum nitride layer L1 has sufficiently high crystallinity, and therefore the nitride semiconductor layer (light emitting layer) formed on the aluminum nitride layer L1. Etc.), the crystallinity tends to increase. As a result, the luminous efficiency of the light emitting element formed from the substrate 10 tends to increase. Theoretically, the most preferable full width at half maximum of the locking curve is zero, but the full width at half maximum that can be easily achieved in this embodiment is about 50 seconds. Measured in-plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 of aluminum nitride (1-100) plane full width at half maximum of the rocking curve, 100 seconds or more 470 or less, than 170 seconds 470 seconds, or 100 seconds or more It may be 280 seconds or less.

サファイア基板の表面を直接還元窒化することによって窒化アルミニウム層が形成される場合、面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、500秒よりも大きい傾向がある。サファイア基板の表面を直接還元窒化することによって、サファイア基板に直接重なる酸窒化アルミニウム層と、酸窒化アルミニウム層に直接重なる窒化アルミニウム層が形成される場合も、面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、500秒よりも大きい傾向がある。 When the aluminum nitride layer is formed by directly reducing and nitriding the surface of the sapphire substrate, the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction tends to be larger than 500 seconds. Even when the aluminum nitride layer directly overlapping the sapphire substrate and the aluminum nitride layer directly overlapping the aluminum oxynitride layer are formed by directly reducing and nitriding the surface of the sapphire substrate, the aluminum nitride (1-) in the in-plane direction is formed. 100) The half-value full width of the surface locking curve tends to be larger than 500 seconds.

サファイア基板の表面を直接還元窒化することによって窒化アルミニウム層が形成される場合、面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、窒化アルミニウム層(バッファー層)の厚さの増加に伴って必ずしも十分に減少しない。サファイア基板の表面を直接還元窒化することによって窒化アルミニウム層が形成される場合、面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、窒化アルミニウム層(バッファー層)の厚さの増加に伴って増加する可能性もある。 When the aluminum nitride layer is formed by directly reducing and nitriding the surface of the sapphire substrate, the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction is the thickness of the aluminum nitride layer (buffer layer). It does not necessarily decrease sufficiently as the sapphire increases. When the aluminum nitride layer is formed by directly reducing and nitriding the surface of the sapphire substrate, the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction is the thickness of the aluminum nitride layer (buffer layer). It may increase as the sapphire increases.

図9中のRC1(1−100)は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブであってよい。図9中のRC2(1−100)は、窒化アルミニウム層L1のうちサファイア層L2の表面SL2からの距離が100nm以下である領域に含まれる窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブであってよい。RC2(1−100)は、サファイア層L2の表面SL2に略平行な面内方向において測定される。集束イオンビーム(Focused Ion Beam; FIB)による窒化アルミニウム層L1の表面SL1の切削により、窒化アルミニウム層L1の厚さTを100nm以下に調整した後、RC1(1−100)と同様のφスキャンによってRC2(1−100)が測定されてよい。窒化アルミニウム層L1の形成過程において窒化アルミニウム層L1の厚さTが100nm以下である時点においてRC2(1−100)が測定されてよく、窒化アルミニウム層L1の成長が完了した時点でRC1(1−100)が測定されてよい。上述の通り、窒化アルミニウム層L1の厚さTの増加(窒化アルミニウム層L1の成長)に伴って、窒化アルミニウム層L1の(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が減少し易い。したがって、RC1(1−100)の半値全幅は、RC2(1−100)の半値全幅よりも小さい。 RC1 (1-100) in FIG. 9 may be a rocking curve of (1-100) plane of the aluminum nitride measured in-plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. RC2 (1-100) in Figure 9, the distance from the surface S L2 of the sapphire layer L2 of the aluminum nitride layer L1 is aluminum nitride contained in the region is 100nm or less (1-100) in plane rocking curve It may be there. RC2 (1-100) is measured in a plane substantially parallel in the direction to the surface S L2 of the sapphire layer L2. It focused ion beam; by cutting (Focused Ion Beam FIB) by the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1, after adjusting the thickness T of the aluminum nitride layer L1 to 100nm or less, the same φ scan and RC1 (1-100) RC2 (1-100) may be measured by. RC2 (1-100) may be measured when the thickness T of the aluminum nitride layer L1 is 100 nm or less in the process of forming the aluminum nitride layer L1, and RC1 (1-100) is measured when the growth of the aluminum nitride layer L1 is completed. 100) may be measured. As described above, as the thickness T of the aluminum nitride layer L1 increases (growth of the aluminum nitride layer L1), the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of the aluminum nitride layer L1 tends to decrease. Therefore, the full width at half maximum of RC1 (1-100) is smaller than the full width at half maximum of RC2 (1-100).

図7に示すように、窒化アルミニウムの(1−100)面がα‐アルミナの(1−100)面に略平行となるように、窒化アルミニウムの(0001)面がα‐アルミナの(11−20)面に対して平行に形成される場合、RC1(1−100)の半値全幅は、RC2(1−100)の半値全幅よりも大きい。 As shown in FIG. 7, the (0001) plane of aluminum nitride is α-alumina (11-) so that the (1-100) plane of aluminum nitride is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina. 20) When formed parallel to the plane, the half-price full width of RC1 (1-100) is larger than the half-price full width of RC2 (1-100).

窒化アルミニウム層L1の厚さTは、50nm以上1000nm以下、好ましくは50nm以上500nm以下であってよい。窒化アルミニウム層L1の厚さTが50nm以上である場合、窒化アルミニウム層L1が十分に厚く、窒化アルミニウム層L1がサファイア層L2から受ける応力の影響が低減され易い。その結果、窒化アルミニウム層L1の表面SL1の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が、0秒以上500秒以下になり易い。窒化アルミニウム層L1の厚さTが500nm以上である場合、窒化アルミニウム層L1の形成に要する時間が長く、基板10の生産性が低下する。窒化アルミニウム層L1の厚さTが1000nm以上である場合、窒化アルミニウム層L1の厚さTの増加量に対するロッキングカーブの半値全幅の減少量の比率が小さくなる。つまり、窒化アルミニウム層L1の厚さTが1000nm以上である場合、窒化アルミニウム層L1を厚くすることの費用対効果が小さい。窒化アルミニウム層L1の厚さTは、上記の範囲に限定されない。例えば、窒化アルミニウム層L1の厚さTは、50nm以上5μm以下であってもよい。窒化アルミニウム層L1の厚さは、エリプソメーター(ellipsometer)によって測定されてよい。 The thickness T of the aluminum nitride layer L1 may be 50 nm or more and 1000 nm or less, preferably 50 nm or more and 500 nm or less. When the thickness T of the aluminum nitride layer L1 is 50 nm or more, the aluminum nitride layer L1 is sufficiently thick, and the influence of the stress applied to the aluminum nitride layer L1 from the sapphire layer L2 is likely to be reduced. As a result, the full width at half maximum of the rocking curve of (1-100) plane of the aluminum nitride measured in-plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1, prone to 500 seconds or more 00 seconds. When the thickness T of the aluminum nitride layer L1 is 500 nm or more, the time required for forming the aluminum nitride layer L1 is long, and the productivity of the substrate 10 is lowered. When the thickness T of the aluminum nitride layer L1 is 1000 nm or more, the ratio of the decrease in the full width at half maximum of the locking curve to the increase in the thickness T of the aluminum nitride layer L1 becomes small. That is, when the thickness T of the aluminum nitride layer L1 is 1000 nm or more, the cost-effectiveness of thickening the aluminum nitride layer L1 is small. The thickness T of the aluminum nitride layer L1 is not limited to the above range. For example, the thickness T of the aluminum nitride layer L1 may be 50 nm or more and 5 μm or less. The thickness of the aluminum nitride layer L1 may be measured by an ellipsometer.

サファイア層L2の厚さは、例えば、50μm以上3000μm以下であってよい。基板10全体の厚さは、サファイア層L2の厚さと窒化アルミニウム層L1の厚さTの合計である。 The thickness of the sapphire layer L2 may be, for example, 50 μm or more and 3000 μm or less. The thickness of the entire substrate 10 is the sum of the thickness of the sapphire layer L2 and the thickness T of the aluminum nitride layer L1.

窒化アルミニウム層L1に含まれる添加元素Mは、希土類元素、アルカリ土類元素及びアルカリ金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種である。つまり、添加元素Mは、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)及びラジウム(Ra)からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。 The additive element M contained in the aluminum nitride layer L1 is at least one selected from the group consisting of rare earth elements, alkaline earth elements and alkali metal elements. That is, the additive element M is scandium (Sc), ytterbium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), placeodim (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), and europium (Eu). ), Gadolium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Elbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu), Calcium (Ca), Strontium (Sr) ), Barium (Ba), Lithium (Li), Sodium (Na), Potassium (K), Rubidium (Rb), Thulium (Cs) and Radium (Ra).

窒化アルミニウム層L1が添加元素Mを含む場合、窒化アルミニウム層L1の(11−20)面が、サファイア層L2の(1−100)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1が高い結晶性を有し易い。また窒化アルミニウム層L1が添加元素Mを含む場合、窒化アルミニウム層L1の形成過程において、窒化アルミニウム層L1の厚さTが増加し易く、窒化アルミニウム層L1の表面SL1が平滑になり易い。添加元素Mを含む窒化アルミニウム層L1の高い結晶性と表面の平滑性に因り、窒化アルミニウム層L1の表面SL1に形成される半導体層における結晶欠陥が抑制され易く、半導体層の結晶性も高まり、半導体層の平滑な表面が形成され易い。 When the aluminum nitride layer L1 contains the additive element M, the (11-20) plane of the aluminum nitride layer L1 tends to be substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2, and the aluminum nitride layer L1 has high crystallinity. Easy to hold. In the case of aluminum nitride layer L1 contains an additive element M, in the process of forming an aluminum nitride layer L1, liable thickness T of the aluminum nitride layer L1 is increased, prone surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 becomes smooth. Due to the smoothness of the high crystallinity and surface of the aluminum nitride layer L1 including the additional element M, liable crystal defects is suppressed in the semiconductor layer formed on the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1, increased crystallinity of the semiconductor layer , The smooth surface of the semiconductor layer is easily formed.

添加元素Mは、窒化アルミニウム層L1とサファイア層L2との間の境界近傍に存在してよい。例えば、窒化アルミニウム層L1のうち窒化アルミニウム層L1及びサファイア層L2の境界に沿う境界領域が、上記の添加元素Mを含んでよい。境界領域が添加元素Mを含む場合、境界領域に応力が集中し易く、窒化アルミニウム層L1全体の反りが抑制され易い。反りが抑制された窒化アルミニウム層L1を備える基板10は、発光素子の製造に適している。境界領域が、Al、O及びNに比べてイオン半径が大きい添加元素Mを含む場合、境界領域に応力が集中し易い。境界領域に含まれる添加元素Mの少なくとも一部は、Eu及びCaのうち少なくとも一種であってよい。境界領域が、Eu及びCaのうち少なくとも一種を含むことにより、境界領域に起因する上記の効果が得られ易い。境界領域における添加元素Mの含有量の合計は、0.1質量ppm以上200質量ppm以下、又は10質量ppm以上200質量ppm以下であってよい。境界領域における添加元素Mの含有量の合計の最大値が、0.1質量ppm以上200質量ppm以下、又は10質量ppm以上200質量ppm以下であってよい。境界領域における添加元素Mの含有量の合計が0.1質量ppm以上(好ましくは10質量ppm以上)である場合、窒化アルミニウム層L1が、高い結晶性と十分な厚さTを有し易い。境界領域における添加元素Mの含有量の合計が200質量ppm以下である場合、窒化アルミニウム及びα‐アルミナ以外の組成物(例えば、添加元素Mに由来する化合物)が基板10中に形成され難く、窒化アルミニウム層L1が高い結晶性を有し易い。窒化アルミニウム層L1のうち境界領域を除く部分における添加元素Mの含有量の合計は、境界領域における添加元素Mの含有量の合計よりも小さくてよい。窒化アルミニウム層L1のうち境界領域を除く部分は、添加元素Mを含まなくてよい。窒化アルミニウム層L1における添加元素Mの含有量の合計は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1からサファイア層L2の表面SL2に向かう方向に沿って減少してよい。 The additive element M may be present near the boundary between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2. For example, in the aluminum nitride layer L1, the boundary region along the boundary between the aluminum nitride layer L1 and the sapphire layer L2 may contain the above-mentioned additive element M. When the boundary region contains the additive element M, stress is likely to be concentrated in the boundary region, and the warp of the entire aluminum nitride layer L1 is likely to be suppressed. The substrate 10 provided with the aluminum nitride layer L1 in which the warp is suppressed is suitable for manufacturing a light emitting element. When the boundary region contains an additive element M having an ionic radius larger than that of Al, O and N, stress tends to concentrate in the boundary region. At least a part of the additive element M contained in the boundary region may be at least one of Eu and Ca. When the boundary region contains at least one of Eu and Ca, the above-mentioned effect due to the boundary region can be easily obtained. The total content of the additive element M in the boundary region may be 0.1 mass ppm or more and 200 mass ppm or less, or 10 mass ppm or more and 200 mass ppm or less. The maximum value of the total content of the additive element M in the boundary region may be 0.1 mass ppm or more and 200 mass ppm or less, or 10 mass ppm or more and 200 mass ppm or less. When the total content of the additive element M in the boundary region is 0.1 mass ppm or more (preferably 10 mass ppm or more), the aluminum nitride layer L1 tends to have high crystallinity and a sufficient thickness T. When the total content of the additive element M in the boundary region is 200 mass ppm or less, it is difficult for a composition other than aluminum nitride and α-alumina (for example, a compound derived from the additive element M) to be formed in the substrate 10. The aluminum nitride layer L1 tends to have high crystallinity. The total content of the additive element M in the portion of the aluminum nitride layer L1 excluding the boundary region may be smaller than the total content of the additive element M in the boundary region. The portion of the aluminum nitride layer L1 excluding the boundary region does not have to contain the additive element M. The total content of additive element M in the aluminum nitride layer L1 may be reduced along a direction from the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 on the surface S L2 of the sapphire layer L2.

上記の境界領域は、窒化アルミニウム層L1のうちサファイア層L2の表面SL2からの距離が1000nm以下、500nm以下、200nm以下、100nm以下、又は50nm以下である領域であってよい。境界領域は、Al,O、N、及び添加元素Mから選ばれる少なくとも一つの元素を含んでよい。境界領域は、Al、N及び添加元素Mのみから構成されてよい。境界領域は、Al、N、O及び添加元素Mのみから構成されてよい。境界領域は、Al、N及びOのみから構成されていてもよい。境界領域におけるNの含有量は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1からサファイア層L2の表面SL2に向かう方向に沿って減少してよい。一方、境界領域におけるOの含有量は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1からサファイア層L2の表面SL2に向かう方向に沿って増加してよい。 The above boundary region, the distance from the surface S L2 of the sapphire layer L2 of the aluminum nitride layer L1 is 1000nm or less, 500 nm or less, 200 nm or less, 100 nm or less, or a region is 50nm or less. The boundary region may contain at least one element selected from Al, O, N, and the additive element M. The boundary region may be composed of only Al, N and the additive element M. The boundary region may be composed of only Al, N, O and the additive element M. The boundary region may be composed of only Al, N and O. The content of N in the boundary region may be reduced along a direction from the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 on the surface S L2 of the sapphire layer L2. On the other hand, the content of O in the border area may be increased along the direction from the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 on the surface S L2 of the sapphire layer L2.

窒化アルミニウム層L1の結晶性が損なわれない限りにおいて、窒化アルミニウム層L1は、微量の酸窒化アルミニウムを含んでもよい。例えば、窒化アルミニウム層L1のうち上記の境界領域が、微量の酸窒化アルミニウムを含んでもよい。ただし、酸窒化アルミニウムは、窒化アルミニウム層L1の結晶性を損ない易い。また酸窒化アルミニウムは、光の反射の一因であり、基板10を備える発光素子の発光能を損ない易い。したがって、窒化アルミニウム層L1は酸窒化アルミニウムを含まないことが好ましい。酸窒化アルミニウムの具体的組成は限定されないが、例えば、酸窒化アルミニウムは下記化学式1で表されてよい。下記化学式1中のVpは、陽イオンの空孔であり、下記化学式1中のxは、2より大きく6未満である。
Al(64+x)/3Vp(8−x)/332−x (1)
The aluminum nitride layer L1 may contain a trace amount of aluminum nitride as long as the crystallinity of the aluminum nitride layer L1 is not impaired. For example, the boundary region of the aluminum nitride layer L1 may contain a trace amount of aluminum nitride. However, aluminum nitride tends to impair the crystallinity of the aluminum nitride layer L1. Further, aluminum nitride contributes to the reflection of light and tends to impair the light emitting ability of the light emitting element provided with the substrate 10. Therefore, it is preferable that the aluminum nitride layer L1 does not contain aluminum nitride. The specific composition of aluminum nitride is not limited, but for example, aluminum nitride may be represented by the following chemical formula 1. Vp in the following chemical formula 1 is a cation pore, and x in the following chemical formula 1 is larger than 2 and less than 6.
Al (64 + x) / 3 Vp (8-x) / 3 O 32-x N x (1)

窒化アルミニウム層L1の結晶性は、窒化アルミニウム層L1の表面SL1のOut‐оf‐Plane方向において測定される窒化アルミニウムの(0001)面のロッキングカーブに基づいて評価されてもよい。(0001)面のロッキングカーブの半値全幅が小さいほど、Out‐оf‐Plane方向における窒化アルミニウム層L1の(0001)面の配向度が高く、窒化アルミニウム層L1は結晶性に優れている。窒化アルミニウムの(0001)面のロッキングカーブは、窒化アルミニウム層L1の表面SL1のωスキャンによって測定される。 Crystalline aluminum nitride layer L1 may be evaluated on the basis of the rocking curve of the (0001) plane of the aluminum nitride measured in Out-оf-Plane direction of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1. The smaller the full width at half maximum of the locking curve of the (0001) plane, the higher the degree of orientation of the (0001) plane of the aluminum nitride layer L1 in the Out-оf-Plane direction, and the better the crystallinity of the aluminum nitride layer L1. Rocking curve (0001) plane of the aluminum nitride is measured by ω scan of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1.

RC1(0001)は、窒化アルミニウム層L1の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される窒化アルミニウムの(0001)面のロッキングカーブであり、RC2(0001)は、窒化アルミニウム層L1のうちサファイア層の表面からの距離が100nm以下である領域に含まれる窒化アルミニウムの(0001)面のロッキングカーブであり、RC2(0001)は、サファイア層の表面に略垂直なOut‐оf‐Plane方向において測定され、RC1(0001)の半値全幅は、RC2(0001)の半値全幅よりも小さくてよい。窒化アルミニウム層L1の厚さTの増加(窒化アルミニウム層L1の成長)に伴って、Out‐оf‐Plane方向における窒化アルミニウム層L1の(0001)面のロッキングカーブの半値全幅が減少し易い。FIBによる窒化アルミニウム層L1の表面SL1の切削により、窒化アルミニウム層L1の厚さTを100nm以下に調整した後、RC1(0001)と同様のωスキャンによってRC2(0001)が測定されてよい。窒化アルミニウム層L1の形成過程において窒化アルミニウム層L1の厚さTが100nm以下である時点においてRC2(0001)が測定されてよく、窒化アルミニウム層L1の成長が完了した時点でRC1(0001)が測定されてよい。 RC1 (0001) is a locking curve of the (0001) plane of aluminum nitride measured in the Out-оf-Plane direction of the surface of the aluminum nitride layer L1, and RC2 (0001) is a sapphire layer of the aluminum nitride layer L1. It is a locking curve of the (0001) plane of aluminum nitride contained in the region where the distance from the surface of the aluminum nitride is 100 nm or less, and RC2 (0001) is measured in the Out-оf-Plane direction substantially perpendicular to the surface of the sapphire layer. , The half-price full width of RC1 (0001) may be smaller than the half-price full width of RC2 (0001). As the thickness T of the aluminum nitride layer L1 increases (growth of the aluminum nitride layer L1), the full width at half maximum of the locking curve of the (0001) plane of the aluminum nitride layer L1 in the Out-оf-Plane direction tends to decrease. The cutting of the surface S L1 of the aluminum nitride layer L1 by FIB, after adjusting the thickness T of the aluminum nitride layer L1 to 100nm or less, RC1 (0001) and may be measured RC2 (0001) by the same ω scan. RC2 (0001) may be measured when the thickness T of the aluminum nitride layer L1 is 100 nm or less in the process of forming the aluminum nitride layer L1, and RC1 (0001) is measured when the growth of the aluminum nitride layer L1 is completed. May be done.

(基板の製造方法)
基板10の製造方法は、少なくともスパッタリング工程と、スパッタリング工程に続く還元窒化工程を備える。基板10の製造方法は、スパッタリング工程及び還元窒化工程に加えて、MOCVD工程を更に備えてよい。各工程の詳細は以下の通りである。
(Substrate manufacturing method)
The method for manufacturing the substrate 10 includes at least a sputtering step and a reduction nitriding step following the sputtering step. The method for manufacturing the substrate 10 may further include a MOCVD step in addition to the sputtering step and the reduction nitriding step. The details of each process are as follows.

スパッタリング工程では、スパッタリングにより酸窒化アルミニウム層がサファイア基板の一方の表面に形成される。サファイア基板は、基板10を構成するサファイア層L2に相当する。サファイア基板の表面の方位は、[11−20]である。つまり、酸窒化アルミニウム層が形成されるサファイア基板の表面は、サファイア基板を構成するα‐アルミナの(11−20)面に平行である。サファイア基板の寸法(dimensiоn)及び形状は、特に限定されない。サファイア基板の厚さは、例えば、50μm以上3000μm以下であってよい。サファイア基板は、円盤(ウェハー)であってよい。ウェハーの直径は、例えば、50mm以上300mm以下であってよい。酸窒化アルミニウム層は、Al、O及びNを含む層である。酸窒化アルミニウム層の組成及び構造は限定されない。酸窒化アルミニウム層の厚さは、例えば、50nm以上1000nm以下であってよい。酸窒化アルミニウム層の厚さは、スパッタリングの継続時間、及びスパッタリング中のターゲット(Alの単体)に与えられる入力パワー(電力密度)によって制御されてよい。酸窒化アルミニウム層は、還元窒化工程において形成される窒化アルミニウム層の前駆体である。酸窒化アルミニウム層の厚さは、還元窒化工程において形成される窒化アルミニウム層の厚さと略同じであってよい。したがって、酸窒化アルミニウム層の厚さに基づいて、還元窒化工程において形成される窒化アルミニウム層の厚さが制御されてよい。酸窒化アルミニウム層の厚さは、エリプソメーターによって測定されてよい。スパッタリングは、窒素(N)、酸素(O)及びアルゴン(Ar)の混合ガス(原料ガス)中で実施されてよい。窒化アルミニウム層を構成するN及びOは、原料ガスに由来する。 In the sputtering step, an aluminum nitride layer is formed on one surface of the sapphire substrate by sputtering. The sapphire substrate corresponds to the sapphire layer L2 constituting the substrate 10. The orientation of the surface of the sapphire substrate is [11-20]. That is, the surface of the sapphire substrate on which the aluminum nitride layer is formed is parallel to the (11-20) plane of α-alumina constituting the sapphire substrate. The dimensions and shape of the sapphire substrate are not particularly limited. The thickness of the sapphire substrate may be, for example, 50 μm or more and 3000 μm or less. The sapphire substrate may be a disk (wafer). The diameter of the wafer may be, for example, 50 mm or more and 300 mm or less. The aluminum nitride layer is a layer containing Al, O and N. The composition and structure of the aluminum nitride layer are not limited. The thickness of the aluminum nitride layer may be, for example, 50 nm or more and 1000 nm or less. The thickness of the aluminum nitride layer may be controlled by the duration of sputtering and the input power (power density) given to the target (elemental substance of Al) during sputtering. The aluminum nitride layer is a precursor of the aluminum nitride layer formed in the reduction nitriding step. The thickness of the aluminum nitride layer may be substantially the same as the thickness of the aluminum nitride layer formed in the reduction nitriding step. Therefore, the thickness of the aluminum nitride layer formed in the reduction nitriding step may be controlled based on the thickness of the aluminum nitride layer. The thickness of the aluminum nitride layer may be measured by an ellipsometer. Sputtering may be carried out in a mixed gas (raw material gas) of nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2) and argon (Ar). N and O constituting the aluminum nitride layer are derived from the raw material gas.

還元窒化工程では、酸窒化アルミニウム層が形成されたサファイア基板を窒素ガス中で加熱することにより、酸窒化アルミニウム層が還元窒化される。酸窒化アルミニウム層の還元窒化により、酸窒化アルミニウム層中の酸素が窒素で置換され、酸窒化アルミニウム層が窒化アルミニウム層L1aになる。サファイア基板の表面ではなく酸窒化アルミニウム層を還元窒化することにより、窒化アルミニウム層L1aの(0001)面が、サファイア層L2の(11−20)面に略平行になり、窒化アルミニウム層L1aの(11−20)面が、サファイア層L2の(1−100)面に略平行になる。還元窒化工程では、酸窒化アルミニウム層の全体が窒化アルミニウム層L1aになってよい。つまり、還元窒化工程後、酸窒化アルミニウム層は残存しなくてよい。 In the reduction nitriding step, the aluminum oxynitride layer is reduced and nitrided by heating the sapphire substrate on which the aluminum oxynitride layer is formed in nitrogen gas. By the reduction nitride of the aluminum nitride layer, oxygen in the aluminum nitride layer is replaced with nitrogen, and the aluminum nitride layer becomes the aluminum nitride layer L1a. By reducing and nitriding the aluminum nitride layer instead of the surface of the sapphire substrate, the (0001) plane of the aluminum nitride layer L1a becomes substantially parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer L2, and the (11-20) plane of the aluminum nitride layer L1a ( The 11-20) plane is substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2. In the reduction nitriding step, the entire aluminum nitride layer may be the aluminum nitride layer L1a. That is, the aluminum nitride layer does not have to remain after the reduction nitriding step.

還元窒化工程では、サファイア基板の表面ではなく、酸窒化アルミニウム層が還元窒化されるため、還元窒化の過程において、酸窒化アルミニウム層中の酸素が窒素で置換されるだけはなく、酸窒化アルミニウム層中のAlも熱に因って動き易い。その理由は、酸窒化アルミニウム層中のAlは、サファイア基板に由来するAlではなく、スパッタリング工程によってサファイア基板の表面に蒸着されたAlであり、強固な結晶構造中に固定されていないからである。還元窒化の過程で窒素だけでなくAlの位置も変動し易いので、サファイア基板の表面((11−20)面)の面内方向における窒化アルミニウム層L1aの結晶面の配向性が変動し易く、窒化アルミニウム層L1aの結晶構造が、エネルギーが低い状態へ安定化され易い。その結果、窒化アルミニウム層L1aの(11−20)面が、サファイア層L2の(1−100)面に略平行になる。 In the reduction nitriding step, the aluminum nitride layer is reduced and nitrided instead of the surface of the sapphire substrate. Therefore, in the reduction nitride process, not only the oxygen in the aluminum nitride layer is replaced by nitrogen, but also the aluminum nitride layer Al inside is also easy to move due to heat. The reason is that the Al in the aluminum nitride layer is not Al derived from the sapphire substrate, but Al deposited on the surface of the sapphire substrate by the sputtering process, and is not fixed in the strong crystal structure. .. Since the position of Al as well as nitrogen is likely to fluctuate in the process of reduction nitriding, the orientation of the crystal plane of the aluminum nitride layer L1a in the in-plane direction of the surface ((11-20) plane) of the sapphire substrate is likely to fluctuate. The crystal structure of the aluminum nitride layer L1a is likely to be stabilized in a low energy state. As a result, the (11-20) plane of the aluminum nitride layer L1a becomes substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2.

サファイア基板の表面((11−20)面)を直接還元窒化することによって、窒化アルミニウム層がサファイア基板の表面に形成される場合、サファイア基板中の酸素が窒素で置換されるが、サファイア基板を構成するAlは動き難い。その結果、還元窒化の過程において、サファイア基板の表面の面内方向における窒化アルミニウム層の結晶面の配向性は変動し難く、サファイア基板の結晶面の配向性と一致し易い。したがって、サファイア基板の表面が直接還元窒化される場合、窒化アルミニウム層の(0001)面は、サファイア層の(11−20)面に略平行になり得るが、窒化アルミニウム層の(1−100)面はサファイ層の(1−100)面に略平行になり易い。同様の理由から、サファイア基板の表面((11−20)面)を直接還元窒化することによって、サファイア層の表面に重なる酸窒化アルミニウム層と、酸窒化アルミニウム層に重なる窒化アルミニウム層が形成される場合も、窒化アルミニウム層の(0001)面は、サファイア層の(11−20)面に略平行になり得るが、窒化アルミニウム層の(1−100)面はサファイア基板の(1−100)面に略平行になり易い。 When the aluminum nitride layer is formed on the surface of the sapphire substrate by directly reducing and nitriding the surface ((11-20) surface) of the sapphire substrate, oxygen in the sapphire substrate is replaced by nitrogen, but the sapphire substrate is used. The constituent Al is difficult to move. As a result, in the process of reduction nitride, the orientation of the crystal plane of the aluminum nitride layer in the in-plane direction of the surface of the sapphire substrate is not easily changed, and it is easy to match the orientation of the crystal plane of the sapphire substrate. Therefore, when the surface of the sapphire substrate is directly reduced and nitrided, the (0001) plane of the aluminum nitride layer can be substantially parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer, but the (1-100) plane of the aluminum nitride layer. The surface tends to be substantially parallel to the (1-100) surface of the sapphire layer. For the same reason, by directly reducing and nitriding the surface ((11-20) surface) of the sapphire substrate, an aluminum nitride layer overlapping the surface of the sapphire layer and an aluminum nitride layer overlapping the aluminum oxynitride layer are formed. Also in this case, the (0001) plane of the aluminum nitride layer can be substantially parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer, but the (1-100) plane of the aluminum nitride layer is the (1-100) plane of the sapphire substrate. It tends to be almost parallel to.

窒化アルミニウム層L1aの(11−20)面がサファイア層L2の(1−100)面に略平行になる理由は、還元窒化工程における上記メカニズムに限定されない。 The reason why the (11-20) plane of the aluminum nitride layer L1a is substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2 is not limited to the above mechanism in the reduction nitriding step.

還元窒化工程前に、添加元素Mが、酸窒化アルミニウム層の表面の一部又は全体に付着されることが好ましい。例えば、添加元素Mを含む有機金属化合物の溶液が、酸窒化アルミニウム層の表面に塗布されてよい。さらに、溶液が塗布されたサファイア基板を大気中で加熱することにより、有機成分のみが分解及び焼失されてよい。添加元素Mを含む有機金属化合物の溶液として、有機金属分解法(Metal Organic Decomposition: MOD)に用いられる有機金属化合物の溶液が用いられてよい。 Prior to the reduction nitriding step, the additive element M is preferably adhered to a part or the whole of the surface of the aluminum nitride layer. For example, a solution of an organometallic compound containing the additive element M may be applied to the surface of the aluminum nitride layer. Further, by heating the sapphire substrate coated with the solution in the air, only the organic component may be decomposed and burned. As a solution of the organometallic compound containing the additive element M, a solution of the organometallic compound used in the organometallic decomposition method (MOD) may be used.

還元窒化工程において、添加元素Mは、酸窒化アルミニウム層の還元窒化を促進する。つまり、添加元素Mが付着した酸窒化アルミニウム層が窒素ガス中で加熱される場合、添加元素Mが酸窒化アルミニウム層の表面から酸素(O2−)を引き抜き、酸素欠陥が酸窒化アルミニウム層の表面に形成される。窒素は酸素欠陥へ導入され、酸素欠陥を通じて酸窒化アルミニウム層の表面から酸窒化アルミニウム層の内部へ熱拡散し易い。還元窒化工程では、添加元素Mが窒素ガスと反応して添加元素Mの窒化物が生成してよい。Mの窒化物が酸窒化アルミニウム層中の酸素と反応して、添加元素Mの酸化物とAlNが生成してよい。上記のような添加元素Mの作用に因り、窒化アルミニウム層L1aの(0001)面が、サファイア層L2の(11−20)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1aの(11−20)面が、サファイア層L2の(1−100)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1aの結晶性が高まり易い。添加元素Mは窒化アルミニウム層L1a中に残存してよい。少なくとも一部の添加元素Mは、添加元素Mの酸化物として、窒化アルミニウム層L1aから離脱してもよい。 In the reduction nitriding step, the additive element M promotes reduction nitriding of the aluminum oxynitride layer. That is, when the aluminum nitride layer to which the additive element M is attached is heated in nitrogen gas, the additive element M extracts oxygen (O2- ) from the surface of the aluminum nitride layer, and the oxygen defect is the aluminum nitride layer. Formed on the surface. Nitrogen is introduced into the oxygen defect and easily diffuses heat from the surface of the aluminum nitride layer to the inside of the aluminum nitride layer through the oxygen defect. In the reduction nitriding step, the additive element M may react with nitrogen gas to form a nitride of the additive element M. The nitride of M may react with oxygen in the aluminum nitride layer to form an oxide of the additive element M and AlN. Due to the action of the additive element M as described above, the (0001) plane of the aluminum nitride layer L1a tends to be substantially parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer L2, and the (11-20) plane of the aluminum nitride layer L1a tends to be substantially parallel. The plane tends to be substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2, and the crystallinity of the aluminum nitride layer L1a tends to increase. The additive element M may remain in the aluminum nitride layer L1a. At least a part of the additive element M may be separated from the aluminum nitride layer L1a as an oxide of the additive element M.

酸窒化アルミニウム層の表面に付着する少なくとも一部の添加元素Mは、ユウロピウム及びカルシウムのうち少なくとも一種であることが好ましい。酸窒化アルミニウム層の表面に付着する少なくとも一部の添加元素Mは、ユウロピウムであることがより好ましい。ユウロピウム又はカルシウムは、電気陰性度が比較的小さい元素である。したがって、ユウロピウム又はカルシウムは酸窒化アルミニウム層の表面から酸素(O2−)を引き抜き易く、酸素欠陥が酸窒化アルミニウム層の表面に形成され易い。その結果、窒素が酸素欠陥を介して酸窒化アルミニウム層内へ熱拡散し易い。また、ユウロピウム又はカルシウムは、添加元素Mの中でも比較的融点が低い元素である。したがって、ユウロピウム又はカルシウムは、低温においても、半ば液相として酸窒化アルミニウム層の表面全体へ拡散し易い。その結果、窒化アルミニウム層L1aの(0001)面が、サファイア層L2の(11−20)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1aの(11−20)面が、サファイア層L2の(1−100)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1aの結晶性が高まり易い。 At least a part of the additive element M adhering to the surface of the aluminum nitride layer is preferably at least one of europium and calcium. It is more preferable that at least a part of the additive element M adhering to the surface of the aluminum nitride layer is europium. Europium or calcium is an element with a relatively low electronegativity. Therefore, europium or calcium tends to extract oxygen (O2- ) from the surface of the aluminum nitride layer, and oxygen defects are likely to be formed on the surface of the aluminum nitride layer. As a result, nitrogen easily diffuses into the aluminum nitride layer through oxygen defects. Europium or calcium is an element having a relatively low melting point among the additive elements M. Therefore, europium or calcium tends to diffuse to the entire surface of the aluminum nitride layer as a semi-liquid phase even at a low temperature. As a result, the (0001) plane of the aluminum nitride layer L1a tends to be substantially parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer L2, and the (11-20) plane of the aluminum nitride layer L1a is the (1-20) plane of the sapphire layer L2. -100) The aluminum nitride layer L1a tends to be substantially parallel to the plane, and the crystallinity of the aluminum nitride layer L1a tends to increase.

還元窒化工程におけるサファイア基板の温度が1630℃以上になると、光の反射の一因である酸窒化アルミニウムがサファイア基板中に生成し易い。特にサファイア基板の温度が1700℃以上である場合、酸窒化アルミニウムがサファイア基板中に生成し易い。しかし、1680℃以下である温度で、添加元素Mが付着した酸窒化アルミニウム層が窒素ガス中で加熱される場合、サファイア基板中の酸窒化アルミニウムの生成を十分に抑制しながら、酸窒化アルミニウム層を還元窒化することができる。 When the temperature of the sapphire substrate in the reduction nitriding step becomes 1630 ° C. or higher, aluminum nitride, which is one of the causes of light reflection, is likely to be formed in the sapphire substrate. In particular, when the temperature of the sapphire substrate is 1700 ° C. or higher, aluminum nitride is likely to be formed in the sapphire substrate. However, when the aluminum nitride layer to which the additive element M is attached is heated in nitrogen gas at a temperature of 1680 ° C. or lower, the aluminum nitride layer is sufficiently suppressed while the formation of aluminum nitride in the sapphire substrate is sufficiently suppressed. Can be reduced and nitrided.

上述の通り、ユウロピウム及びカルシウムは、比較的低温においても、酸窒化アルミニウム層の表面全体へ十分に拡散し易く、酸窒化アルミニウム層の表面から酸素を引き抜き易い。したがって、窒素ガス中で加熱されるサファイア基板の温度が、窒化アルミニウムが生成し難い低温であっても、ユウロピウム及びカルシウムのうち少なくとも一方を用いることにより、酸窒化アルミニウム層の還元窒化により、高い結晶性を有する窒化アルミニウム層L1aを形成し易い。窒化アルミニウムが生成し難い低温とは、例えば、1630℃未満又は1600℃以下である。しかし、添加元素Mを用いることにより、1630℃未満である温度で、サファイア基板中の酸窒化アルミニウムの生成を抑制しながら、高い結晶性を有する窒化アルミニウム層L1aを形成することができる。 As described above, europium and calcium are likely to be sufficiently diffused over the entire surface of the aluminum nitride layer even at a relatively low temperature, and oxygen is easily extracted from the surface of the aluminum nitride layer. Therefore, even if the temperature of the sapphire substrate heated in nitrogen gas is low at which aluminum nitride is difficult to form, high crystals can be obtained by reducing nitriding of the aluminum nitride layer by using at least one of europium and calcium. It is easy to form the aluminum nitride layer L1a having a property. The low temperature at which aluminum nitride is difficult to form is, for example, less than 1630 ° C or 1600 ° C or lower. However, by using the additive element M, it is possible to form the aluminum nitride layer L1a having high crystallinity at a temperature of less than 1630 ° C. while suppressing the formation of aluminum nitride in the sapphire substrate.

ユウロピウム及びカルシウムよりも融点が高い添加元素Mを用いた場合、添加元素Mを酸窒化アルミニウム層の表面全体へ拡散させるために、ユウロピウム又はカルシウムを用いる場合よりも高温でサファイア基板を加熱しなければならない。しかし、サファイア基板の温度が高いほど、光の反射の一因である酸窒化アルミニウムがサファイア基板中に生成し易い。 When the additive element M having a melting point higher than that of europium and calcium is used, the sapphire substrate must be heated at a higher temperature than when europium or calcium is used in order to diffuse the additive element M over the entire surface of the aluminum nitride layer. It doesn't become. However, the higher the temperature of the sapphire substrate, the easier it is for aluminum nitride, which contributes to the reflection of light, to be formed in the sapphire substrate.

窒素ガス中で加熱されるサファイア基板の温度(還元窒化温度)は、1550℃以上1700℃以下、1600℃以上1680℃以下、又は1600℃以上1630℃未満であってよい。窒素ガスを酸窒化アルミニウム層内へ熱拡散させるためには、還元窒化温度が少なくとも1550℃以上であることが好ましい。還元窒化温度が1700℃以下、より好ましくは1630℃未満である場合、サファイア基板中の酸窒化アルミニウムの生成を抑制することができる。添加元素Mが用いられない場合、1630℃以上の還元窒化温度において酸窒化アルミニウムがサファイア基板中で生成され易い。一方、添加元素Mが用いられる場合、1630℃未満又は1600℃以下である還元窒化温度で、サファイア基板中の酸窒化アルミニウムの生成を抑制しながら、酸窒化アルミニウム層を還元窒化することができる。還元窒化温度が1600℃以上1630℃未満である場合、窒化アルミニウム層L1aの(0001)面が、サファイア層L2の(11−20)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1aの(11−20)面が、サファイア層L2の(1−100)面に略平行になり易く、窒化アルミニウム層L1aの結晶性が高まり易い。 The temperature of the sapphire substrate heated in nitrogen gas (reduction nitriding temperature) may be 1550 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower, 1600 ° C. or higher and 1680 ° C. or lower, or 1600 ° C. or higher and lower than 1630 ° C. In order to thermally diffuse the nitrogen gas into the aluminum nitride layer, the reduction nitriding temperature is preferably at least 1550 ° C. or higher. When the reduction nitriding temperature is 1700 ° C. or lower, more preferably less than 1630 ° C., the formation of aluminum nitride in the sapphire substrate can be suppressed. When the additive element M is not used, aluminum nitride is likely to be formed in the sapphire substrate at a reduction nitriding temperature of 1630 ° C. or higher. On the other hand, when the additive element M is used, the aluminum nitride layer can be reduced-nitrided at a reduction nitriding temperature of less than 1630 ° C or 1600 ° C or less while suppressing the formation of aluminum nitride in the sapphire substrate. When the reduction nitriding temperature is 1600 ° C. or higher and lower than 1630 ° C., the (0001) plane of the aluminum nitride layer L1a tends to be substantially parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer L2, and the (11-) surface of the aluminum nitride layer L1a tends to be substantially parallel. 20) The plane tends to be substantially parallel to the (1-100) plane of the sapphire layer L2, and the crystallinity of the aluminum nitride layer L1a tends to increase.

還元窒化の継続時間、添加元素Mの使用量、及び窒素ガスの分圧又は供給量は、酸窒化アルミニウム層の厚さに応じて制御されてよい。還元窒化の継続時間が長いほど、酸窒化アルミニウム層の還元窒化が促進される。酸窒化アルミニウム層の表面に付着する添加元素Mが多いほど、酸窒化アルミニウム層の還元窒化が促進される。窒素ガスの分圧又は供給量が大きいほど、酸窒化アルミニウム層の還元窒化が促進される。 The duration of reduction nitriding, the amount of additive element M used, and the partial pressure or supply of nitrogen gas may be controlled according to the thickness of the aluminum nitride layer. The longer the duration of reduction nitriding, the more the reduction nitriding of the aluminum oxynitride layer is promoted. The greater the amount of the additive element M adhering to the surface of the aluminum oxynitride layer, the more the reduction nitriding of the aluminum oxynitride layer is promoted. The larger the partial pressure or supply of nitrogen gas, the more the reduction nitriding of the aluminum nitride layer is promoted.

還元窒化工程は、少なくとも二回実施されてよい。例えば、添加元素Mが用いられる場合、サファイア基板を上記の還元窒化温度で短時間加熱した後、より長時間にわたってサファイア基板を上記の還元窒化温度で加熱してよい。1度目の加熱により、添加元素Mが酸窒化アルミニウム層の表面全体に均一に拡散し易い。続く2度目の長時間の加熱により、窒素が酸窒化アルミニウム層の表面から内部へ斑なく拡散し易い。一回目の還元窒化工程の継続時間は、1時間以上8時間以下であってよい。二回目の還元窒化工程の継続時間は、1時間以上108時間以下であってよい。 The reduction nitriding step may be carried out at least twice. For example, when the additive element M is used, the sapphire substrate may be heated at the above reduction nitriding temperature for a short time, and then the sapphire substrate may be heated at the above reduction nitriding temperature for a longer period of time. By the first heating, the additive element M tends to diffuse uniformly over the entire surface of the aluminum nitride layer. By the subsequent heating for a long time for a second time, nitrogen is easily diffused from the surface of the aluminum nitride layer to the inside without unevenness. The duration of the first reduction nitriding step may be 1 hour or more and 8 hours or less. The duration of the second reduction nitriding step may be 1 hour or more and 108 hours or less.

窒素ガス中での酸窒化アルミニウム層の還元窒化は、炭素粉末の存在下で実施されてよい。添加元素Mによって酸窒化アルミニウム層から引き抜かれた酸素が、雰囲気中の炭素と反応して一酸化炭素が生成する。 The reduction nitriding of the aluminum nitride layer in nitrogen gas may be carried out in the presence of carbon powder. Oxygen extracted from the aluminum nitride layer by the additive element M reacts with carbon in the atmosphere to generate carbon monoxide.

以上の方法により、サファイア層L2の表面SL2に直接重なる窒化アルミニウム層L1aが形成される。以上の方法により、基板10が完成されてよい。説明の便宜のため、還元窒化工程において形成される窒化アルミニウム層L1aは、下地窒化アルミニウム層(base aluminum nitride layer)L1aと表記される。下地窒化アルミニウム層L1aは、上述された境界領域に相当する。 By the above method, direct overlap aluminum nitride layer L1a on the surface S L2 of the sapphire layer L2 is formed. The substrate 10 may be completed by the above method. For convenience of explanation, the aluminum nitride layer L1a formed in the reduction nitriding step is referred to as a base aluminum nitride layer L1a. The base aluminum nitride layer L1a corresponds to the boundary region described above.

還元窒化工程に続くMOCVD工程により、下地窒化アルミニウム層L1aを更に成長させてもよい。説明の便宜のため、下地窒化アルミニウム層L1aの表面上に成長する窒化アルミニウム層は、バッファー層(buffer layer)L1bと表記される。つまり、窒化アルミニウム層L1は、サファイア層L2の表面SL2に直接重なる下地窒化アルミニウム層L1aと、下地窒化アルミニウム層L1aに直接重なるバッファー層L1bとからなっていてよい。MOCVD工程において用いられるバッファー層L1bの原料は、例えば、トリメチルアルミニウム(C18Al)及びアンモニア(NH)であってよい。 The base aluminum nitride layer L1a may be further grown by the MOCVD step following the reduction nitriding step. For convenience of explanation, the aluminum nitride layer that grows on the surface of the underlying aluminum nitride layer L1a is referred to as a buffer layer L1b. That is, the aluminum nitride layer L1 is an aluminum base nitride layer L1a overlapping directly on the surface S L2 of the sapphire layer L2, may consist a buffer layer L1b overlapping directly to the aluminum base nitride layer L1a. Material of the buffer layer L1b used in MOCVD process may be, for example, trimethyl aluminum (C 6 H 18 Al 2) and ammonia (NH 3).

バッファー層L1bの結晶方位は、下地窒化アルミニウム層L1aの結晶方位と一致する。つまり、バッファー層L1b中の窒化アルミニウムの(0001)面は、サファイア層L2の表面SL2に略平行であり、バッファー層L1b中の窒化アルミニウムの(11−20)面は、サファイア層L2中のα‐アルミナの(1−100)面に略平行である。バッファー層L1bは、下地窒化アルミニウム層L1aの高い結晶性を引き継ぎ、下地窒化アルミニウム層L1aよりも高い結晶性を有することができる。例えば、バッファー層L1bの表面の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は、下地窒化アルミニウム層L1aの表面の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅よりも小さい。バッファー層L1bの厚さの増加に伴って、バッファー層L1bの表面の面内方向において測定される窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅は減少し易い。 The crystal orientation of the buffer layer L1b coincides with the crystal orientation of the underlying aluminum nitride layer L1a. In other words, (0001) plane of the aluminum nitride in the buffer layer L1b is substantially parallel to the surface S L2 of the sapphire layer L2, the aluminum nitride in the buffer layer L1b (11-20) plane, in the sapphire layer L2 It is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina. The buffer layer L1b can inherit the high crystallinity of the base aluminum nitride layer L1a and can have higher crystallinity than the base aluminum nitride layer L1a. For example, the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the buffer layer L1b is that of the aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the underlying aluminum nitride layer L1a. It is smaller than the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane. As the thickness of the buffer layer L1b increases, the full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the buffer layer L1b tends to decrease.

バッファー層L1bは十分に高い結晶性を有するので、バッファー層L1b上に形成される窒化物半導体層(発光層等)の結晶性も向上する。その結果、基板10から形成された発光素子の発光効率が高まる。したがって、MOCVD工程は、以下の後述される発光素子の製造過程において実施されてもよい。 Since the buffer layer L1b has sufficiently high crystallinity, the crystallinity of the nitride semiconductor layer (light emitting layer or the like) formed on the buffer layer L1b is also improved. As a result, the luminous efficiency of the light emitting element formed from the substrate 10 is increased. Therefore, the MOCVD step may be carried out in the manufacturing process of the light emitting device described later.

仮に、下地窒化アルミニウム層L1a中の窒化アルミニウムの(0001)面が、サファイア層L2の表面SL2に略平行であり、サファイア層L2中のα‐アルミナの(11−20)面が、サファイア層L2の表面SL2に略平行であり、下地窒化アルミニウム層L1a中の窒化アルミニウムの(1−100)面が、サファイア層L2中のα‐アルミナの(1−100)面に略平行である場合、バッファー層L1b中の窒化アルミニウムの(1−100)面も、サファイア層L2中のα‐アルミナの(1−100)面に略平行であり、バッファー層L1bは下地窒化アルミニウム層L1aの結晶性を引き継ぎ難く、バッファー層L1bの結晶性は下地窒化アルミニウム層L1aの結晶性に劣る。 Temporarily, the (0001) surface of aluminum nitride in the underlying aluminum nitride layer L1a is substantially parallel to the surface SL2 of the sapphire layer L2, and the (11-20) surface of α-alumina in the sapphire layer L2 is the sapphire layer. When it is substantially parallel to the surface SL2 of L2 and the (1-100) plane of aluminum nitride in the underlying aluminum nitride layer L1a is substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina in the sapphire layer L2. The (1-100) plane of aluminum nitride in the buffer layer L1b is also substantially parallel to the (1-100) plane of α-alumina in the sapphire layer L2, and the buffer layer L1b is crystalline of the underlying aluminum nitride layer L1a. The crystallinity of the buffer layer L1b is inferior to that of the underlying aluminum nitride layer L1a.

RC1(1−100)は、バッファー層L1bの表面の面内方向において測定されるバッファー層L1bの(1−100)面のロッキングカーブであってよく、RC2(1−100)は、下地窒化アルミニウム層L1aの表面の面内方向において測定される下地窒化アルミニウム層L1aの(1−100)面のロッキングカーブであってよく、RC1(1−100)の半値全幅は、RC2(1−100)の半値全幅よりも小さくてよい。 RC1 (1-100) may be the locking curve of the (1-100) plane of the buffer layer L1b measured in the in-plane direction of the surface of the buffer layer L1b, and RC2 (1-100) is the underlying aluminum nitride. It may be the locking curve of the (1-100) surface of the underlying aluminum nitride layer L1a measured in the in-plane direction of the surface of the layer L1a, and the full width at half maximum of RC1 (1-100) is that of RC2 (1-100). It may be smaller than the full width at half maximum.

RC1(0001)は、バッファー層L1bの表面のOut‐оf‐Plane方向において測定されるバッファー層L1bの(0001)面のロッキングカーブであってよく、RC2(0001)は、下地窒化アルミニウム層L1aの表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される下地窒化アルミニウム層L1aの(0001)面のロッキングカーブであってよく、RC1(0001)の半値全幅は、RC2(0001)の半値全幅よりも小さくてよい。 RC1 (0001) may be the locking curve of the (0001) plane of the buffer layer L1b measured in the Out-оf-Plane direction of the surface of the buffer layer L1b, and RC2 (0001) may be the locking curve of the base aluminum nitride layer L1a. It may be the locking curve of the (0001) plane of the base aluminum nitride layer L1a measured in the Out-оf-Plane direction of the surface, and the full width at half maximum of RC1 (0001) is smaller than the full width at half maximum of RC2 (0001). good.

(発光素子)
本実施形態に係る基板10は、発光素子に用いられてよい。つまり本実施形態に係る発光素子は、上記の基板10を備える。発光素子が基板10を備えることにより、発光素子は高い発光効率を有することができる。例えば、本実施形態に係る発光素子は発光ダイオードであってよい。発光ダイオードは、例えば、UVC LED又はDUV LED等の深紫外線発光ダイオードであってよい。以下では、基板10を備える発光素子の一例として、図10に示される発光ダイオード100が説明される。ただし、本実施形態に係る発光ダイオードの構造は、図10に示される積層構造に限定されない。
(Light emitting element)
The substrate 10 according to this embodiment may be used as a light emitting element. That is, the light emitting element according to the present embodiment includes the above-mentioned substrate 10. Since the light emitting element includes the substrate 10, the light emitting element can have high luminous efficiency. For example, the light emitting element according to this embodiment may be a light emitting diode. The light emitting diode may be, for example, a deep ultraviolet light emitting diode such as a UVC LED or a DUV LED. In the following, the light emitting diode 100 shown in FIG. 10 will be described as an example of the light emitting element including the substrate 10. However, the structure of the light emitting diode according to the present embodiment is not limited to the laminated structure shown in FIG.

本実施形態に係る発光ダイオード100は、基板10と、窒化アルミニウム層L1(バッファー層L1b)に重なるn型半導体層40と、n型半導体層40に重なる発光層42と、発光層42に重なるp型半導体層44と、n型半導体層40の表面に設置された第一電極48と、p型半導体層44の表面に設置された第二電極46と、を備える。障壁層(電子ブロック層)が発光層42とp型半導体層44との間に介在していてもよい。 The light emitting diode 100 according to the present embodiment includes a substrate 10, an n-type semiconductor layer 40 that overlaps the aluminum nitride layer L1 (buffer layer L1b), a light emitting layer 42 that overlaps the n-type semiconductor layer 40, and p that overlaps the light emitting layer 42. It includes a type semiconductor layer 44, a first electrode 48 installed on the surface of the n-type semiconductor layer 40, and a second electrode 46 installed on the surface of the p-type semiconductor layer 44. A barrier layer (electron block layer) may be interposed between the light emitting layer 42 and the p-type semiconductor layer 44.

窒化アルミニウム層L1(バッファー層L1b)がサファイア層L2とn型半導体層40との間に配置されることにより、サファイア層L2とn型半導体層40との間の格子不整合が抑制され、基板10に積層される各半導体層の結晶欠陥が抑制され易い。別のバッファー層が、窒化アルミニウム層L1(バッファー層L1b)とn型半導体層40との間に介在してもよい。別のバッファー層は、例えば、第13族元素の窒化物の単結晶からなっていてよい。例えば、別のバッファー層は、Al及びGaのうち少なくともいずれの窒化物の単結晶であってよい。 By arranging the aluminum nitride layer L1 (buffer layer L1b) between the sapphire layer L2 and the n-type semiconductor layer 40, the lattice mismatch between the sapphire layer L2 and the n-type semiconductor layer 40 is suppressed, and the substrate Crystal defects of each semiconductor layer laminated on 10 are easily suppressed. Another buffer layer may be interposed between the aluminum nitride layer L1 (buffer layer L1b) and the n-type semiconductor layer 40. Another buffer layer may consist of, for example, a single crystal of a nitride of a Group 13 element. For example, another buffer layer may be a single crystal of at least any nitride of Al and Ga.

n型半導体層40は、例えば、n型の窒化ガリウム(n‐GaN)又はn型の窒化アルミニウムガリウム(n‐AlGaN)を含んでよい。n型半導体層40は、更にケイ素(Si)を含んでよい。n型半導体層40は、複数の層から構成されていてよい。発光層42は、例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)又は窒化インジウムガリウム(InGaN)を含んでよい。発光層42は、複数の層から構成されていてよい。p型半導体層44は、例えば、p型の窒化ガリウム(p‐GaN)又はp型の窒化アルミニウムガリウム(p‐AlGaN)を含んでよい。p型半導体層44は、更にマグネシウム(Mg)を含んでよい。p型半導体層44は、複数の層から構成されていてよい。例えば、p型半導体層44は、発光層42に重なるp型クラッド層と、p型クラッド層に重なるp型コンタクト層とを有してよい。n型半導体層40に設置された第一電極48は、例えばインジウム(In)を含んでよい。p型半導体層44に設置された第二電極46は、例えばニッケル(Ni)及び金(Au)のうち少なくともいずれかを含んでよい。 The n-type semiconductor layer 40 may include, for example, n-type gallium nitride (n-GaN) or n-type aluminum gallium nitride (n-AlGaN). The n-type semiconductor layer 40 may further contain silicon (Si). The n-type semiconductor layer 40 may be composed of a plurality of layers. The light emitting layer 42 may include, for example, gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), or indium gallium nitride (InGaN). The light emitting layer 42 may be composed of a plurality of layers. The p-type semiconductor layer 44 may include, for example, p-type gallium nitride (p-GaN) or p-type aluminum gallium nitride (p-AlGaN). The p-type semiconductor layer 44 may further contain magnesium (Mg). The p-type semiconductor layer 44 may be composed of a plurality of layers. For example, the p-type semiconductor layer 44 may have a p-type clad layer that overlaps the light emitting layer 42 and a p-type contact layer that overlaps the p-type clad layer. The first electrode 48 installed on the n-type semiconductor layer 40 may contain, for example, indium (In). The second electrode 46 installed on the p-type semiconductor layer 44 may contain, for example, at least one of nickel (Ni) and gold (Au).

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、本実施形態に係る基板10の用途は、発光ダイオードに限定されない。本実施形態に係る基板10は、紫外線レーザー等の半導体レーザー発振器が備える基板であってもよい。つまり、本実施形態に係る発光素子は半導体レーザー発振器であってもよい。本実施形態に係る基板10は、パワートランジスタに用いられてもよい。本実施形態に係る基板10は、多様な半導体素子の基板に用いられてもよい。基板10を半導体素子の基板に用いることにより、半導体素子のパワーの損失が低減される。基板10は、圧電素子(例えば圧電薄膜素子)に用いられてよい。基板10を圧電素子に用いることにより、圧電素子の圧電特性が改善される。 For example, the application of the substrate 10 according to this embodiment is not limited to the light emitting diode. The substrate 10 according to the present embodiment may be a substrate provided in a semiconductor laser oscillator such as an ultraviolet laser. That is, the light emitting element according to this embodiment may be a semiconductor laser oscillator. The substrate 10 according to this embodiment may be used as a power transistor. The substrate 10 according to this embodiment may be used as a substrate for various semiconductor elements. By using the substrate 10 as the substrate of the semiconductor element, the power loss of the semiconductor element is reduced. The substrate 10 may be used for a piezoelectric element (for example, a piezoelectric thin film element). By using the substrate 10 for the piezoelectric element, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element are improved.

以下では実施例及び比較例により本発明がさらに詳細に説明されるが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
<基板の作製>
スパッタリング工程では、直流マグネトロンスパッタリングにより、酸窒化アルミニウム層がサファイア基板の一方の表面に形成された。サファイア基板は、α‐アルミナの単結晶からなる基板である。サファイア基板の表面の方位は、[11−20]であった。つまり、酸窒化アルミニウム層が形成されたサファイア基板の表面は、α‐アルミナの(11−20)面に平行であった。サファイア基板は、円盤(ウェハー)であった。サファイア基板の直径は2インチであった。サファイア基板の厚さは、430μmであった。サファイア基板の厚さは、均一であった。酸窒化アルミニウム層の厚さT0は、下記表1に示される値に調整された。酸窒化アルミニウム層の厚さT0は、均一であった。スパッタリングの継続時間は10分であった。スパッタリングのターゲットには、金属Al(Alの単体)が用いられた。ターゲットに与えられる入力パワー(電力密度)は、700Wであった。スパッタリング中のサファイア基板の温度は、室温であった。スパッタリングは、窒素、酸素及びアルゴンの混合ガス中で実施された。
(Example 1)
<Manufacturing of substrate>
In the sputtering process, an aluminum nitride layer was formed on one surface of the sapphire substrate by DC magnetron sputtering. The sapphire substrate is a substrate made of a single crystal of α-alumina. The orientation of the surface of the sapphire substrate was [11-20]. That is, the surface of the sapphire substrate on which the aluminum nitride layer was formed was parallel to the (11-20) plane of α-alumina. The sapphire substrate was a disk (wafer). The diameter of the sapphire substrate was 2 inches. The thickness of the sapphire substrate was 430 μm. The thickness of the sapphire substrate was uniform. The thickness T0 of the aluminum nitride layer was adjusted to the values shown in Table 1 below. The thickness T0 of the aluminum nitride layer was uniform. The duration of sputtering was 10 minutes. A metal Al (a simple substance of Al) was used as the target for sputtering. The input power (power density) given to the target was 700 W. The temperature of the sapphire substrate during sputtering was room temperature. Sputtering was performed in a mixed gas of nitrogen, oxygen and argon.

スピンコートにより、MOD用溶液が酸窒化アルミニウム層の表面全体に塗布された。MOD用溶液は、Caの化合物(有機化合物)を含有していた。Caは、添加元素Mである。MOD用溶液におけるCaの化合物の濃度[Ca]は、下記表1に示す値に調整された。スピンコートは、2000rpmで20秒間実施された。MOD用溶液の塗布後、サファイア基板が、150℃のホットプレート上で10分間乾燥された。サファイア基板の乾燥後、サファイア基板が、空気中において600℃で2時間加熱された。MOD工程を用いた上記工程は、MOD工程と表記される。 By spin coating, the MOD solution was applied to the entire surface of the aluminum nitride layer. The MOD solution contained a Ca compound (organic compound). Ca is an additive element M. The concentration [Ca] of the compound of Ca in the MOD solution was adjusted to the value shown in Table 1 below. Spin coating was performed at 2000 rpm for 20 seconds. After applying the MOD solution, the sapphire substrate was dried on a hot plate at 150 ° C. for 10 minutes. After drying the sapphire substrate, the sapphire substrate was heated in air at 600 ° C. for 2 hours. The above-mentioned process using the MOD process is referred to as a MOD process.

MOD工程後のサファイア基板がアルミナ板上に載せられ、5mgのカーボンの粉末(計20mgのカーボン)が基板の周囲の4か所其々に配置された。MOD用溶液が塗布された表面(窒化アルミニウム層の表面)は、アルミナ板に接することなく露出していた。アルミナ板の寸法は、縦100mm×横100mmであった。続いて、サファイア基板の全体をアルミナ匣鉢(Saggar)で覆った後、サファイア基板が窒化処理炉内の試料設置台に設置された。アルミナ匣鉢の寸法は縦75mm×横75mm×高さ70mmであった。窒化処理炉としては、カーボンをヒーターとする抵抗加熱型の電気炉が用いられた。窒化処理炉内でサファイア基板を加熱する前に、回転ポンプと拡散ポンプを用いて0.03Paまで炉内が脱気された。次いで、炉内の気圧が100kPa(大気圧)になるまで、窒素ガスを炉内へ流した後、窒素ガスの供給が停止された。炉内への窒素ガスの供給後、還元窒化工程では、炉内のサファイア基板が1600℃で20時間加熱された。還元窒化工程においてサファイア基板が1600℃で加熱される時間は、「還元窒化時間」と表記される。還元窒化工程における炉内の昇降温速度は600℃/時間に調整された。還元窒化時間の経過後、サファイア基板を室温まで冷却した後、サファイア基板が炉外へ取り出された。 The sapphire substrate after the MOD process was placed on the alumina plate, and 5 mg of carbon powder (20 mg of carbon in total) was placed in each of the four locations around the substrate. The surface to which the MOD solution was applied (the surface of the aluminum nitride layer) was exposed without being in contact with the alumina plate. The dimensions of the alumina plate were 100 mm in length × 100 mm in width. Subsequently, after covering the entire sapphire substrate with an alumina saggar, the sapphire substrate was installed on a sample setting table in the nitriding furnace. The dimensions of the alumina saggar were 75 mm in length × 75 mm in width × 70 mm in height. As the nitriding furnace, a resistance heating type electric furnace using carbon as a heater was used. Before heating the sapphire substrate in the nitriding furnace, the inside of the furnace was degassed to 0.03 Pa using a rotary pump and a diffusion pump. Then, nitrogen gas was flowed into the furnace until the pressure in the furnace reached 100 kPa (atmospheric pressure), and then the supply of nitrogen gas was stopped. After supplying the nitrogen gas into the furnace, in the reduction nitriding step, the sapphire substrate in the furnace was heated at 1600 ° C. for 20 hours. The time during which the sapphire substrate is heated at 1600 ° C. in the reduction nitriding step is referred to as "reduction nitriding time". The elevating temperature rate in the furnace in the reduction nitriding step was adjusted to 600 ° C./hour. After the lapse of the reduction nitriding time, the sapphire substrate was cooled to room temperature, and then the sapphire substrate was taken out of the furnace.

以上の手順で実施例1の基板が作製された。下記の分析及び測定のために、実施例1の基板として、複数の同じ基板が作製された。 The substrate of Example 1 was produced by the above procedure. A plurality of the same substrates were made as the substrates of Example 1 for the analysis and measurement described below.

<分析1>
以下のX線回折(XRD)法では、入射X線としてCuの特性X線(CuKα線)が用いられた。以下に記載の基板の表面は、MOD工程においてMOD用溶液が塗布された表面に対応する。
<Analysis 1>
In the following X-ray diffraction (XRD) method, Cu characteristic X-rays (CuKα rays) were used as incident X-rays. The surface of the substrate described below corresponds to the surface coated with the MOD solution in the MOD process.

基板のOut‐оf‐Plane方向において、基板の表面のXRDパターンが測定された。実施例1のXRDパターンは、AlNの(0002)面に由来する回折線のピークを有していた。AlNの(1102)面の極図がXRD法で測定された。極図は、6回の回転対称性を示す6つのピークを有していた。XRDパターンは、AlN及びα‐アルミナ以外の結晶相に由来する回折線ピークを有していなかった。例えば、XRDパターンは、酸窒化アルミニウム(AlON)の結晶相に由来するピークを有していなかった。上記の測定結果は、AlNの単結晶からなる窒化アルミニウム層がサファイア層(サファイア基板)の表面に直接重なっていることを示していた。また上記の測定結果は、窒化アルミニウム層の(0001)面が、サファイア層の表面に平行であることを示していた。つまり、窒化アルミニウム層の(0001)面は、サファイア層の(11−20)面に平行であった。 The XRD pattern on the surface of the substrate was measured in the Out-оf-Plane direction of the substrate. The XRD pattern of Example 1 had a peak of diffraction lines derived from the (0002) plane of AlN. The polar map of the (1102) plane of AlN was measured by the XRD method. The polar map had 6 peaks showing 6 rotational symmetries. The XRD pattern did not have diffraction line peaks derived from crystal phases other than AlN and α-alumina. For example, the XRD pattern did not have a peak derived from the crystal phase of aluminum nitride (AlON). The above measurement results showed that the aluminum nitride layer made of a single crystal of AlN directly overlapped the surface of the sapphire layer (sapphire substrate). The above measurement results also showed that the (0001) plane of the aluminum nitride layer was parallel to the surface of the sapphire layer. That is, the (0001) plane of the aluminum nitride layer was parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer.

窒化アルミニウム層の表面の面内方向においてXRDパターンが測定された。このXRDパターンに基づき、α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度が特定された。α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度は、30度であった。したがって、窒化アルミニウムの(11−20)面は、α‐アルミナの(1−100)面に平行であった。 The XRD pattern was measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer. Based on this XRD pattern, the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride was identified. The angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride was 30 degrees. Therefore, the (11-20) plane of aluminum nitride was parallel to the (1-100) plane of α-alumina.

φスキャンにより、窒化アルミニウム層の表面の面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブが測定された。面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅FWHMaは、下記表1に示される。 The φ-scan measured the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer. The full width at half maximum FWHMa of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction is shown in Table 1 below.

実施例1の基板の表面をスパッタリングで徐々に掘りながら、窒化アルミニウム層の表面からの深さ方向に沿って、基板の組成が分析された。深さ方向とは、窒化アルミニウム層の表面に垂直であり、窒化アルミニウム層の表面からサファイア層の表面へ向かう方向である。組成の分析には、ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)及びSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)が用いられた。深さ方向に沿った分析では、Al及びNのみを含む部分が検出された後、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分が検出された。アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分では、Ca(添加元素M)も検出された。つまり分析の結果は、窒化アルミニウム層がCa(添加元素M)を含むことを示していた。アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分におけるCaの含有量は、それ以外の部分よりも高かった。窒化アルミニウム層におけるCaの含有量の最大値<Ca>maxは、下記表1に示される。 The composition of the substrate was analyzed along the depth direction from the surface of the aluminum nitride layer while gradually digging the surface of the substrate of Example 1 by sputtering. The depth direction is perpendicular to the surface of the aluminum nitride layer and is a direction from the surface of the aluminum nitride layer to the surface of the sapphire layer. For the analysis of the composition, ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) and SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) were used. In the analysis along the depth direction, a portion containing only Al and N was detected, and then a portion containing a mixture of aluminum, nitrogen and oxygen was detected. Ca (additive element M) was also detected in the portion where aluminum, nitrogen and oxygen were mixed. That is, the result of the analysis showed that the aluminum nitride layer contained Ca (additive element M). The Ca content in the portion where aluminum, nitrogen and oxygen were mixed was higher than that in the other portion. The maximum value <Ca> max of the Ca content in the aluminum nitride layer is shown in Table 1 below.

実施例1の窒化アルミニウム層の厚さTが、エリプソメーターで測定された。実施例1の窒化アルミニウム層の厚さTは、下記表1に示される。 The thickness T of the aluminum nitride layer of Example 1 was measured with an ellipsometer. The thickness T of the aluminum nitride layer of Example 1 is shown in Table 1 below.

以上の分析によって特定された窒化アルミニウム層は、下地窒化アルミニウム層である。 The aluminum nitride layer identified by the above analysis is a base aluminum nitride layer.

<バッファー層の形成>
MOCVD工程により、窒化アルミニウム層を下地窒化アルミニウム層の表面に成長させた。つまりMOCVD工程により、AlNの単結晶からなるバッファー層が、下地窒化アルミニウム層の表面に形成された。バッファー層の原料として、トリメチルアルミニウム及びアンモニアが用いられた。バッファー層の厚さは、2μmに調整された。
<Formation of buffer layer>
The aluminum nitride layer was grown on the surface of the underlying aluminum nitride layer by the MOCVD step. That is, by the MOCVD step, a buffer layer made of a single crystal of AlN was formed on the surface of the underlying aluminum nitride layer. Trimethylaluminum and ammonia were used as raw materials for the buffer layer. The thickness of the buffer layer was adjusted to 2 μm.

<分析2>
分析1と同様の方法で、バッファー層の表面においてXRDパターンが測定された。バッファー層の表面において測定されたXRDパターンから特定された窒化アルミニウムの各結晶面の方位は、下地窒化アルミニウム層の表面において測定されたXRDパターンから特定された窒化アルミニウムの各結晶面の方位と一致した。
<Analysis 2>
The XRD pattern was measured on the surface of the buffer layer in the same manner as in Analysis 1. The orientation of each crystal plane of aluminum nitride identified from the XRD pattern measured on the surface of the buffer layer coincides with the orientation of each crystal plane of aluminum nitride identified from the XRD pattern measured on the surface of the underlying aluminum nitride layer. bottom.

φスキャンにより、バッファー層の表面の面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブが測定された。バッファー層の面内方向における窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅FWHMbは、下記表1に示される。 The φ scan measured the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction of the surface of the buffer layer. The full width at half maximum FWHMb of the locking curve of the (1-100) plane of aluminum nitride in the in-plane direction of the buffer layer is shown in Table 1 below.

(実施例2〜5)
実施例2〜5其々のスパッタリング工程では、酸窒化アルミニウム層の厚さT0が、下記表1に示される値に調整された。実施例2〜5其々のMOD工程では、MOD用溶液におけるCaの化合物の濃度[Ca]が、下記表1に示す値に調整された。実施例2〜5其々の還元窒化工程では、還元窒化時間が下記表1に示す値に調整された。これらの事項を除いて実施例1と同様の方法で、実施例2〜5其々の基板が作製された。実施例1と同様の方法で、実施例2〜5其々のバッファー層が形成された。
(Examples 2 to 5)
In each of the sputtering steps of Examples 2 to 5, the thickness T0 of the aluminum nitride layer was adjusted to the value shown in Table 1 below. In each of the MOD steps of Examples 2 to 5, the concentration [Ca] of the compound of Ca in the MOD solution was adjusted to the value shown in Table 1 below. In each of the reduction nitriding steps of Examples 2 to 5, the reduction nitriding time was adjusted to the values shown in Table 1 below. Except for these matters, the substrates of Examples 2 to 5 were produced in the same manner as in Example 1. The buffer layers of Examples 2 to 5 were formed in the same manner as in Example 1.

実施例1と同様の方法で、実施例2〜5其々の分析1が行われた。実施例2〜5のいずれの場合も、AlNの単結晶からなる下地窒化アルミニウム層がサファイア層の表面に直接重なっていた。実施例2〜5のいずれの場合も、下地窒化アルミニウム層の(0001)面が、サファイア層の表面に平行であった。つまり実施例2〜5のいずれの場合も、下地窒化アルミニウム層の(0001)面は、サファイア層の(11−20)面に平行であった。 Analysis 1 of each of Examples 2 to 5 was performed in the same manner as in Example 1. In all of Examples 2 to 5, the base aluminum nitride layer made of a single crystal of AlN directly overlapped the surface of the sapphire layer. In all of Examples 2 to 5, the (0001) plane of the underlying aluminum nitride layer was parallel to the surface of the sapphire layer. That is, in each of Examples 2 to 5, the (0001) plane of the base aluminum nitride layer was parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer.

実施例2〜5のいずれの場合も、窒化アルミニウムの(11−20)面は、α‐アルミナの(1−100)面に平行であった。 In all of Examples 2-5, the (11-20) plane of aluminum nitride was parallel to the (1-100) plane of α-alumina.

実施例2〜5のいずれの場合も、深さ方向に沿った分析では、Al及びNのみを含む部分が検出された後、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分が検出された。実施例2〜5のいずれの場合も、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分では、Caも検出された。つまり実施例2〜5のいずれの場合も、下地窒化アルミニウム層がCaを含んでいた。実施例2〜5のいずれの場合も、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分におけるCaの含有量は、それ以外の部分よりも高かった。 In all of Examples 2 to 5, in the analysis along the depth direction, a portion containing only Al and N was detected, and then a portion containing a mixture of aluminum, nitrogen and oxygen was detected. In all of Examples 2 to 5, Ca was also detected in the portion where aluminum, nitrogen and oxygen were mixed. That is, in all of Examples 2 to 5, the base aluminum nitride layer contained Ca. In all of Examples 2 to 5, the Ca content in the portion where aluminum, nitrogen and oxygen were mixed was higher than that in the other portions.

実施例1と同様の方法で、実施例2〜5其々の分析2が行われた。実施例2〜5のいずれの場合も、バッファー層の表面において測定されたXRDパターンから特定された窒化アルミニウムの各結晶面の方位は、下地窒化アルミニウム層の表面において測定されたXRDパターンから特定された窒化アルミニウムの各結晶面の方位と一致した。 Analysis 2 of each of Examples 2 to 5 was performed in the same manner as in Example 1. In any of Examples 2 to 5, the orientation of each crystal plane of the aluminum nitride identified from the XRD pattern measured on the surface of the buffer layer is specified from the XRD pattern measured on the surface of the underlying aluminum nitride layer. It coincided with the orientation of each crystal plane of aluminum nitride.

実施例2〜5其々の<Ca>maxは、下記表1に示される。実施例2〜5其々の下地窒化アルミニウム層の厚さTは、下記表1に示される。実施例2〜5其々のFWHMaは、下記表1に示される。実施例2〜5其々のFWHMbは、下記表1に示される。 The <Ca> max of each of Examples 2 to 5 is shown in Table 1 below. The thickness T of each of the base aluminum nitride layers of Examples 2 to 5 is shown in Table 1 below. The FWHMa of Examples 2 to 5 are shown in Table 1 below. The FWHMbs of Examples 2 to 5 are shown in Table 1 below.

(比較例1)
比較例1の基板の作製では、スパッタリング工程は実施されず、酸窒化アルミニウム層は形成されなかった。比較例1のMOD工程では、MOD用溶液がサファイア基板の表面全体に直接塗布された。比較例1のMOD工程では、MOD用溶液におけるCaの化合物の濃度[Ca]が、下記表1に示す値に調整された。比較例1の還元窒化工程では、還元窒化時間が下記表1に示す値に調整された。これらの事項を除いて実施例1と同様の方法で、比較例1の基板が作製された。実施例1と同様の方法で、比較例1のバッファー層が形成された。
(Comparative Example 1)
In the production of the substrate of Comparative Example 1, the sputtering step was not carried out, and the aluminum nitride layer was not formed. In the MOD step of Comparative Example 1, the MOD solution was directly applied to the entire surface of the sapphire substrate. In the MOD step of Comparative Example 1, the concentration [Ca] of the compound of Ca in the MOD solution was adjusted to the value shown in Table 1 below. In the reduction nitriding step of Comparative Example 1, the reduction nitriding time was adjusted to the values shown in Table 1 below. The substrate of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except for these matters. The buffer layer of Comparative Example 1 was formed in the same manner as in Example 1.

実施例1と同様の方法で、比較例1の分析1が行われた。比較例1の場合、AlNの単結晶からなる下地窒化アルミニウム層がサファイア層の表面に直接重なっていた。比較例1の場合、下地窒化アルミニウム層の(0001)面が、サファイア層の表面に平行であった。つまり比較例1の場合、下地窒化アルミニウム層の(0001)面は、サファイア層の(11−20)面に平行であった。 Analysis 1 of Comparative Example 1 was performed in the same manner as in Example 1. In the case of Comparative Example 1, the base aluminum nitride layer made of a single crystal of AlN directly overlapped the surface of the sapphire layer. In the case of Comparative Example 1, the (0001) plane of the base aluminum nitride layer was parallel to the surface of the sapphire layer. That is, in the case of Comparative Example 1, the (0001) plane of the base aluminum nitride layer was parallel to the (11-20) plane of the sapphire layer.

比較例1の場合、α‐アルミナの(1−100)面と窒化アルミニウムの(1−100)面との間の角度は、ゼロ度であった。したがって、比較例1の場合、窒化アルミニウムの(1−100)面は、α‐アルミナの(1−100)面に平行であった。 In the case of Comparative Example 1, the angle between the (1-100) plane of α-alumina and the (1-100) plane of aluminum nitride was zero degree. Therefore, in the case of Comparative Example 1, the (1-100) plane of aluminum nitride was parallel to the (1-100) plane of α-alumina.

比較例1の場合、深さ方向に沿った分析では、Al及びNのみを含む部分が検出された後、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分が検出された。比較例1の場合、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分では、Caも検出された。つまり比較例1の場合、下地窒化アルミニウム層がCaを含んでいた。比較例1の場合、アルミニウム、窒素及び酸素が混在した部分におけるCaの含有量は、それ以外の部分よりも高かった。 In the case of Comparative Example 1, in the analysis along the depth direction, a portion containing only Al and N was detected, and then a portion containing a mixture of aluminum, nitrogen and oxygen was detected. In the case of Comparative Example 1, Ca was also detected in the portion where aluminum, nitrogen and oxygen were mixed. That is, in the case of Comparative Example 1, the base aluminum nitride layer contained Ca. In the case of Comparative Example 1, the Ca content in the portion where aluminum, nitrogen and oxygen were mixed was higher than that in the other portion.

実施例1と同様の方法で、比較例1の場合の分析2が行われた。比較例1の場合、バッファー層の表面において測定されたXRDパターンから特定された窒化アルミニウムの各結晶面の方位は、下地窒化アルミニウム層の表面において測定されたXRDパターンから特定された窒化アルミニウムの各結晶面の方位と一致した。 Analysis 2 in the case of Comparative Example 1 was performed in the same manner as in Example 1. In the case of Comparative Example 1, the orientation of each crystal plane of the aluminum nitride identified from the XRD pattern measured on the surface of the buffer layer is each of the aluminum nitrides identified from the XRD pattern measured on the surface of the underlying aluminum nitride layer. It coincided with the orientation of the crystal plane.

比較例1の場合の<Ca>maxは、下記表1に示される。比較例1のFWHMaは、下記表1に示される。比較例1のFWHMbは、下記表1に示される。 <Ca> max in the case of Comparative Example 1 is shown in Table 1 below. The FWHMa of Comparative Example 1 is shown in Table 1 below. The FWHMb of Comparative Example 1 is shown in Table 1 below.

Figure 2021134118
Figure 2021134118

本発明に係る基板は、例えば、深紫外線発光ダイオードの基板に用いられる。 The substrate according to the present invention is used, for example, as a substrate for a deep ultraviolet light emitting diode.

L1…窒化アルミニウム層、L1a…下地窒化アルミニウム層、L1b…バッファー層、L2…サファイア層、SL1…窒化アルミニウム層L1の表面、SL2…サファイア層L1の表面、10…基板、40…n型半導体層、42…発光層、44…p型半導体層、46…第二電極、48…第一電極、100…発光ダイオード(発光素子)。

L1 ... Aluminum nitride layer, L1a ... Base aluminum nitride layer, L1b ... Buffer layer, L2 ... Sapphire layer, SL1 ... Aluminum nitride layer L1 surface, SL2 ... Sapphire layer L1 surface, 10 ... Substrate, 40 ... n type Semiconductor layer, 42 ... light emitting layer, 44 ... p-type semiconductor layer, 46 ... second electrode, 48 ... first electrode, 100 ... light emitting diode (light emitting element).

Claims (11)

結晶質の窒化アルミニウムを含む窒化アルミニウム層と、
結晶質のα‐アルミナを含むサファイア層と、
を備え、
前記窒化アルミニウム層が、前記サファイア層の表面に直接重なっており、
前記窒化アルミニウムの(0001)面が、前記サファイア層の前記表面に略平行であり、
前記α‐アルミナの(11−20)面が、前記サファイア層の前記表面に略平行であり、
前記窒化アルミニウムの(11−20)面が、前記α‐アルミナの(1−100)面に略平行である、
基板。
An aluminum nitride layer containing crystalline aluminum nitride,
A sapphire layer containing crystalline α-alumina and
With
The aluminum nitride layer directly overlaps the surface of the sapphire layer.
The (0001) plane of the aluminum nitride is substantially parallel to the surface of the sapphire layer.
The (11-20) plane of the α-alumina is substantially parallel to the surface of the sapphire layer.
The (11-20) plane of the aluminum nitride is substantially parallel to the (1-100) plane of the α-alumina.
substrate.
前記窒化アルミニウム層の表面の面内方向において測定される前記窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が、0秒以上500秒以下である、
請求項1に記載の基板。
The full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) surface of the aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer is 0 seconds or more and 500 seconds or less.
The substrate according to claim 1.
前記窒化アルミニウム層の表面の面内方向において測定される前記窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブの半値全幅が、50秒以上300秒以下である、
請求項1又は2に記載の基板。
The full width at half maximum of the locking curve of the (1-100) surface of the aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer is 50 seconds or more and 300 seconds or less.
The substrate according to claim 1 or 2.
前記窒化アルミニウム層が、希土類元素、アルカリ土類元素及びアルカリ金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の添加元素を含む、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の基板。
The aluminum nitride layer contains at least one additive element selected from the group consisting of rare earth elements, alkaline earth elements and alkali metal elements.
The substrate according to any one of claims 1 to 3.
前記窒化アルミニウム層のうち前記窒化アルミニウム層及び前記サファイア層の境界に沿う境界領域が、添加元素を含み、
前記添加元素が、希土類元素、アルカリ土類元素及びアルカリ金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、
前記境界領域における前記添加元素の含有量の合計が、0.1質量ppm以上200質量ppm以下である、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の基板。
Of the aluminum nitride layer, the boundary region along the boundary between the aluminum nitride layer and the sapphire layer contains an additive element.
The additive element is at least one element selected from the group consisting of rare earth elements, alkaline earth elements and alkali metal elements.
The total content of the additive elements in the boundary region is 0.1 mass ppm or more and 200 mass ppm or less.
The substrate according to any one of claims 1 to 4.
前記窒化アルミニウム層の厚さが、50nm以上1000nm以下である、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の基板。
The thickness of the aluminum nitride layer is 50 nm or more and 1000 nm or less.
The substrate according to any one of claims 1 to 5.
前記窒化アルミニウム層の厚さが、50nm以上500nm以下である、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の基板。
The thickness of the aluminum nitride layer is 50 nm or more and 500 nm or less.
The substrate according to any one of claims 1 to 6.
RC1(1−100)は、前記窒化アルミニウム層の表面の面内方向において測定される前記窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブであり、
RC2(1−100)は、前記窒化アルミニウム層のうち前記サファイア層の前記表面からの距離が100nm以下である領域に含まれる前記窒化アルミニウムの(1−100)面のロッキングカーブであり、前記RC2(1−100)は、前記サファイア層の前記表面に略平行な面内方向において測定され、
前記RC1(1−100)の半値全幅は、前記RC2(1−100)の半値全幅よりも小さい、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の基板。
RC1 (1-100) is a locking curve of the (1-100) plane of the aluminum nitride measured in the in-plane direction of the surface of the aluminum nitride layer.
RC2 (1-100) is a locking curve of the (1-100) plane of the aluminum nitride contained in a region of the aluminum nitride layer in which the distance from the surface of the sapphire layer is 100 nm or less, and is the RC2. (1-100) was measured in an in-plane direction substantially parallel to the surface of the sapphire layer.
The full width at half maximum of RC1 (1-100) is smaller than the full width at half maximum of RC2 (1-100).
The substrate according to any one of claims 1 to 5.
発光素子に用いられる、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の基板。
Used for light emitting elements,
The substrate according to any one of claims 1 to 8.
請求項1〜9のいずれか一項に記載の基板を備える、
発光素子。
The substrate according to any one of claims 1 to 9 is provided.
Light emitting element.
前記基板と、
前記窒化アルミニウム層に重なるn型半導体層と、
前記n型半導体層に重なる発光層と、
前記発光層に重なるp型半導体層と、
を備える、
請求項10に記載の発光素子。

With the substrate
An n-type semiconductor layer that overlaps the aluminum nitride layer and
A light emitting layer that overlaps the n-type semiconductor layer,
A p-type semiconductor layer that overlaps the light emitting layer and
To prepare
The light emitting element according to claim 10.

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