JP6328557B2 - 窒化アルミニウム基板およびｉｉｉ族窒化物積層体 - Google Patents

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Description

本発明は、新規な窒化アルミニウム基板に関するものである。詳しくは、特定の傾斜した面を主面として有する窒化アルミニウム単結晶層を有する、新規な窒化アルミニウム基板に関する。
窒化アルミニウムは、その禁制帯幅が約６．２ｅＶと大きく、かつ直接遷移型の半導体である。そのため、窒化アルミニウムおよびＩＩＩ族窒化物である窒化ガリウム（ＧａＮ）、および窒化インジウム（ＩｎＮ）との混晶、特に、ＩＩＩ族元素に占めるＡｌの割合が５０原子％以上の混晶（以下、Ａｌ系ＩＩＩ族窒化物単結晶という場合もある。）は紫外光発光素子材料として期待されている。
紫外発光素子などの半導体素子を形成するためには、ｎ電極に電気的に接合したｎ形半導体層とｐ電極に電気的に接合したｐ形半導体層との間にクラッド層、活性層などを含む積層構造を形成する必要がある。そして、発光効率の点から何れの層においても高い結晶品質、すなわち、結晶の転位や点欠陥が少ないこと、および結晶組成分布が均一であること、不純物濃度が低いことが重要である。
高い結晶品質を有する積層構造を形成するためには、結晶配列の単一性だけでなく、結晶成長面の平坦性が高いことが必須である。成長面が高い平坦性を保って結晶成長が行われると、成長面内において組成に揺らぎの無く、低不純物濃度の膜が得られる。その結果、高効率な発光素子が作製可能となる。発光層である量子井戸層は、通常数ｎｍ単位の微細な構造を有するため、量子井戸層表面の平坦性は特に重要である。表面が平坦となることにより面内における組成分布および不純物濃度が改善されることが期待される。
成長面の平坦性に関しては、ＩＩＩ族窒化物単結晶をその表面に成長させる結晶成長用基板において、その表面（主面）のオフ角を検討している例がいくつか報告されている。例えば、結晶成長用基板としてサファイア基板を使用し、特定のオフ角を有するサファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。また、結晶成長用基板として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板のオフ角を規定した例も知られている（例えば、特許文献１参照）。
非特許文献１によると、ｃ面（（０００１）面）から０.５°〜２°傾斜した面を主面とするサファイア基板上に、窒化アルミニウムバッファ層、およびＧａＮ層を成長すると、オフ角が小さい場合ほど成長面の平坦性が向上している。これは、基板表面をｃ面から適切な範囲で傾けることで表面に規則正しく分子ステップ（以下、単にステップと呼ぶ）が並び、基板上にＩＩＩ族窒化物単結晶を成長する際に、基板表面に供給された原子種がステップに取り込まれやすく、平坦性の高い良質な結晶が得られるためである。
しかしながら、サファイア基板は、ＩＩＩ族窒化物とは組成が異なる異種基板であるため、ＩＩＩ族窒化物の結晶成長用基板としては不利である。これは、サファイア基板とＩＩＩ族窒化物との格子定数のミスフィットによる結晶欠陥やクラックの発生が原因となり、高品質の結晶層が得られないためである。また、ＩＩＩ族窒化物は高温で成長させるが、ＩＩＩ族窒化物と熱膨張係数が異なるサファイアは、熱膨張差が生じるという点でも不利である。同様の理由からＳｉＣ基板も不利である。特に、この傾向は、紫外発光素子形成に必要なＩＩＩ族元素に占めるＡｌの割合が５０原子％以上の混晶であるＡｌ系ＩＩＩ族窒化物単結晶を成長させる場合に顕著となる。
そのため、ＩＩＩ族窒化物基板を結晶成長用基板とし、そのオフ角を限定した例も報告されている（例えば、特許文献２参照）。具体的には、ｃ面に平行（ｃ面に対して０．０５°未満の範囲のオフ角を有する）か、ｃ面に対して０．０５°以上１５°以下の範囲内のオフ角を有するＩＩＩ族窒化物基板上に半導体層をエピタキシャル成長する方法が記載されている。実質的にｃ面と平行にすることにより、結晶性のよい半導体層が形成され、特性のよいデバイスが得られることが示されている。一方、０．０５°以上１５°以下にすることにより、欠陥の少ない半導体層が形成できることが示されている。
この特許文献２には、ｃ面に対して０°以上１５°以下の範囲内のオフ角を有するＩＩＩ族窒化物基板について記載されているが、実施例においては、該ＩＩＩ族窒化物基板のオフ角は明記されていない。そして、実施例には、化学機械的研磨（ＣＭＰ）によって表面粗さ（Ｒａ）を０．０９〜０．４１ｎｍとした窒化アルミニウム単結晶基板上に、Ａｌの割合が２０原子％以下の混晶からなる半導体層を積層した例が示されている。この実施例で得られたデバイス（窒化アルミニウム単結晶基板上に半導体層が積層された半導体素子）は、高い光出力を有することから（特性のよい半導体デバイスであることから）、ｃ面に平行（ｃ面に対して０．０５°未満の範囲のオフ角を有する）である窒化アルミニウム単結晶基板を使用していると考えられる。
特許文献３には、ｃ面に対し０．０３〜１．０°のオフ角（θ）を有し、オフ方向のｍ軸方向に対するずれ角（φ）が０．５〜１６°であり、基板表面にー０．５°＜φ＜０．５°の領域を含まない窒化物半導体自立基板が記載され、具体的にはＧａＮ基板が開示されている。
X.Q. Shen and H. Okumura, Journal of Crystal Growth, 300(2007) 75-78
特開平１１−２３３３９１号公報 特開２００７−５５２６号公報 特開２００９−１３５４４１号公報
深紫外発光素子を製造する場合には、前記の通り、Ａｌを含むＩＩＩ族窒化物単結晶の混晶層（例えば、ＡｌＧａＮ等からなる混晶層）が必要となる。この場合、該混晶層を積層する結晶成長用基板として、該混晶層と格子定数が近い窒化アルミニウム単結晶基板を使用することにより、転位が非常に少ない高品質の発光素子層が形成できると考えられる。Ａｌの割合が高くなればなるほど、例えば、Ａｌの割合が５０原子％以上のＡｌ系ＩＩＩ族窒化物単結晶からなる混晶層を積層する場合に、より一層、窒化アルミニウム単結晶基板を使用することが有利となる。
そのため、本発明者等は、特許文献２に記載の方法に従い、Ａｌの割合が５０原子％以上のＩＩＩ族窒化物単結晶からなる混晶層を窒化アルミニウム単結晶基板上に成長させた。その結果、以下の点で改善の余地があることが判明した。具体的には、表面粗さ（Ｒａ）を０．４０ｎｍ以下とし、０°以上１５°以下のオフ角を有する該窒化アルミニウム単結晶基板の表面（主面）に、Ａｌの割合が５０原子％以上のＩＩＩ族窒化物単結晶からなる混晶層を成長させたところ、混晶層の平坦性が低下し、混晶層の組成分布の揺らぎが広がる、あるいは不純物濃度が増大する場合があることが判明した。すなわち、Ａｌの割合が５０原子％以上のＩＩＩ族窒化物単結晶からなる混晶層を成長させる場合、該混晶層の平滑性を向上させ、組成分布をより均一にして、あるいは不純物濃度を低下させるためには、従来技術をそのまま適用できないことが分かった。特に、ｃ面に平行（ｃ面に対して０．０５°未満の範囲のオフ角を有する）である窒化アルミニウム単結晶基板を使用した場合よりも、より一層、混晶層の平坦性を改善し、また、混晶層をより均一な組成分布にする、あるいは不純物濃度を低下させる必要があることが分かった。
また、具体的にＧａＮ基板の例示しかない特許文献３に記載の方法を、窒化アルミニウム単結晶層を有する基板に適用したところ、この場合も、混晶層の組成分布の揺らぎが広がる、あるいは不純物濃度が増大する場合があることが判明した。
したがって、本発明の目的は、平坦性がよく、均一な組成分布を有し、低不純物濃度である高品質なＩＩＩ族窒化物単結晶層をその表面に成長させることができる、窒化アルミニウムからなる基板を提供することにある。
特に、Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮ（但し、ｘ、ｙ及びｚは、夫々独立に０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和は、０．５未満である。）で示される組成を満足するＡｌＧａＩｎＢＮ層を成長する場合に、成長層の成長面の平坦性が高く、成長層の組成分布が均一で低不純物濃度にすることができる、窒化アルミニウム基板を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、高品質な発光素子を提供することにある。
本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意検討を行った。そして、熱膨張等の物性を考慮して、窒化アルミニウムからなる基板を結晶成長用基板として用いた場合に、高品質なＩＩＩ族窒化物単結晶を成長できるような条件を種々検討した。その中でも、窒化アルミニウムからなる基板の結晶を成長させる面（結晶成長面）のオフ角の検討を行ったところ、従来よりも、窒化アルミニウム基板のオフ角をより厳密に制御することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、第一の本発明は、窒化アルミニウムからなる基板であって、
ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層を少なくとも表面に有することを特徴とする窒化アルミニウム基板である。本発明の窒化アルミニウム基板において、前記主面は、さらに０．００°以上０．４０°以下の範囲でａ軸方向に傾斜していることが好ましい。
また、第二の本発明は、前記窒化アルミニウム単結晶層の主面上に、Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮ（但し、ｘ、ｙ及びｚは、夫々独立に０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和は、０．５未満である。）で示される組成を満足するＡｌＧａＩｎＢＮ層を有するＩＩＩ族窒化物積層体である。
本発明によれば、前記Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮにおいて、ｘが０を超え０．５未満の有理数であり、ｙ及びｚが０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和が０を超え０．５未満となる組成のＡｌＧａＩｎＢＮ層を有するＩＩＩ族窒化物積層体であって、該ＡｌＧａＩｎＢＮ層の３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定において、該ＡｌＧａＩｎＢＮ層のバンド端発光ピークが４．５６ｅＶ以上５．９６ｅＶ未満に観測され、該発光ピークの半値幅が２２５ｍｅＶ以下であるＩＩＩ族窒化物積層体を容易に得ることができる。
また、前記窒化アルミニウム単結晶層の主面上に、直接ＡｌＮ層（前記Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮにおいて、ｘ、ｙ及びｚが０である）が積層され、該ＡｌＮ層の３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定において、該ＡｌＮ結晶のバンド端発光ピークの半値幅が１４５ｍｅＶ以下であり、該ＡｌＮ層の表面粗さ（Ｒａ）が０．２ｎｍ以下であるＩＩＩ族窒化物積層体を得ることもできる。なお、バンド端発光とは、価電子帯の上端の正孔と伝導帯の底の電子が再結合することにより生じる、結晶に固有の発光であり、その発光エネルギーは結晶の組成を反映している。
また、発光波長λ（ｎｍ）とそれに対応するエネルギーＥ（ｅＶ）は、Ｅ＝１２４０／λ、の式によって変換することができる。
さらに、第三の本発明は、前記ＩＩＩ族窒化物積層体における窒化アルミニウム単結晶層、および前記ＡｌＧａＩｎＢＮ層部分を少なくとも有するＩＩＩ族窒化物半導体素子である。
本発明の窒化アルミニウム基板をＩＩＩ族窒化物単結晶層の結晶成長用基板として使用することにより、該ＩＩＩ族窒化物単結晶層の成長面の平坦性を高くできる。そして、ＩＩＩ族窒化物単結晶層の組成分布がより均一で、不純物濃度が低いものとすることができる。その結果、高品質な発光素子を製造することができる。中でも、本発明の窒化アルミニウム基板は、格子定数が近いＡｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮ（但し、ｘ、ｙ及びｚは、夫々独立に０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和は、０．５未満である。）で示される組成を満足するＡｌＧａＩｎＢＮ層をその上に成長させる場合に、特に優れた効果を発揮する。そのため、本発明の窒化アルミニウム基板を有するＩＩＩ族窒化物積層体は、深紫外発光素子として使用できる。
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化アルミニウム基板の断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体素子の断面図である。
本発明は、窒化アルミニウムからなる基板であって、特定のオフ角を有する面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層を表面に有する窒化アルミニウム基板である。本発明の窒化アルミニウム基板は、該窒化アルミニウム単結晶層の主面上に、ＩＩＩ族窒化物単結晶層を成長させる結晶成長用基板である。そして、該窒化アルミニウム単結晶層部分とその上に形成されたＩＩＩ族窒化物単結晶層とを含む構造体を、発光素子として使用するものである。
まず、本発明の窒化アルミニウム基板について説明する。
（窒化アルミニウム基板）
図１は、本発明の窒化アルミニウム基板の断面を模式的に示した図である。本発明の窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウムからなり、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層を少なくとも表面に有する窒化アルミニウム基板である。すなわち、窒化アルミニウム基板の主面１とｃ面２のなす角であるオフ角３が０．０５°以上０．４０°以下の範囲である、窒化アルミニウム単結晶層を少なくとも表面に有する窒化アルミニウム基板である。なお、前記主面とは、窒化アルミニウム単結晶層の最も広い面積を有する部分であり、窒化アルミニウム基板の表面となる面である。そして、該主面上に、ＩＩＩ族窒化物、例えば、下記に詳述するＡｌＧａＩｎＢＮ層を成長させる。
該窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウムのみからなる。つまり、本発明の窒化アルミニウム基板は、サファイア、ＳｉＣ基板上に窒化アルミニウムよりなる単結晶層が形成されたような積層基板を含まない。このような異種の材質（サファイア、ＳｉＣ）を含む基板を使用した場合には、ＩＩＩ族窒化物単結晶層との格子定数差および熱膨張差が一因であると考えられるが、高品質なＩＩＩ族窒化物積層体を得ることができない。特に、ＩＩＩ族窒化物積層体の転位密度を低減することが困難となる。
本発明の窒化アルミニウム基板は、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層を少なくとも表面に有する窒化アルミニウム基板である。そのため、該窒化アルミニウム単結晶層を有するものであれば、窒化アルミニウム単結晶層の単一基板であっても、多層基板であってもよい。多層基板とする場合には、窒化アルミニウムからなる多結晶層または非結晶層（非単結晶層）の基板上に、上記窒化アルミニウム単結晶層が積層されたものであればよい。ただし、多結晶層、または非結晶層（非単結晶層）を有する多層の窒化アルミニウム基板を使用してＩＩＩ族窒化物積層体、およびＩＩＩ族窒化物半導体素子を製造した場合には、該非単結晶層部分を除去することもできる。つまり、本発明のＩＩＩ族窒化物積層体、および本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子は、前記窒化アルミニウム単結晶層の部分を含んでいればよい。
また、本発明の窒化アルミニウム基板は、不純物の濃度が異なる窒化アルミニウム単結晶層が積層されたものであってもよい。この場合、窒化アルミニウム単結晶層となる部分には、不純物が少ない方が好ましい。
本発明の窒化アルミニウム基板において、ＩＩＩ族窒化物を成長させる窒化アルミニウム単結晶層の主面（窒化アルミニウム基板の表面）は、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面でなければならない。主面が前記範囲でｍ軸方向に傾斜した面であることにより、その面上に成長させるＩＩＩ族窒化物単結晶層の表面の平坦化、組成分布の均一化、不純物濃度低下を図ることができる。該主面のｍ軸方向に傾斜した角度が０．０５°未満の場合は、成長中の結晶表面に規則的なステップが形成されず、ランダムな核形成を起点とした成長モードとなり、成長面の凹凸が大きくなるため好ましくない。また、該主面のｍ軸方向に傾斜した角度が０．４０°を超えると、ステップ間の段差が単原子層でなく数原子層から成るいわゆるステップバンチングが形成され、成長面の凹凸が大きくなるため好ましくない。これは成長面の凹凸が大きくなると、混晶を形成する原子の一部が表面で偏析して組成分布に揺らぎが生じる、あるいは不純物濃度が増大するためである。成長面のステップが単原子層から成る規則的で平坦な表面を形成する為には、該主面は、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．３５°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面であることが好ましく、さらに０．１０°以上０．３５°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面であることが好ましく、特に０．１１°以上０．３２°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面であることが好ましい。
このような窒化アルミニウム基板においては、オフ角の方向、すなわち、ｃ面と窒化アルミニウム基板表面（主面）とがなす角度が最大となる方向としては、ｍ軸方向の他、ａ軸方向がある。本発明においては、窒化アルミニウム単結晶層の主面が、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面であれば、このａ軸方向への傾斜した角度は、特に制限されるものではない。ただし、より高品質のＩＩＩ族窒化物積層体を製造するためには、窒化アルミニウム単結晶の主面が、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．００°以上０．４０°以下の範囲でａ軸方向に傾斜した面であることが好ましい。
前記主面が、ウルツ鉱構造の（０００１）面から前記範囲でｍ軸方向に傾斜する場合、ａ軸方向には全く傾斜していない面を用いることで、その面上に、表面の平坦性に特に優れ、組成分布が均一化し、不純物濃度の低い高品質なＩＩＩ族窒化物単結晶層を製造することができる。
また、前記主面が、ウルツ鉱構造の（０００１）面から前記範囲でｍ軸方向に傾斜し、かつ０．００°を超え０．４０°以下の範囲でａ軸方向にも傾斜する面を有する場合には、ステップ形成がより安定し、ＩＩＩ族窒化物単結晶層を安定して成長することができる。その中でも、前記主面がウルツ鉱構造の（０００１）面から、ｍ軸方向へ０．０５°以上０．３５°以下の範囲で傾斜し、かつａ軸方向へ０．０５°以上０．３５°以下の範囲で傾斜することが好ましく、ｍ軸方向へ０．１０°以上０．３５°以下の範囲で傾斜し、かつａ軸方向へ０．１０°以上０．３５°以下の範囲で傾斜することがさらに好ましく、ｍ軸方向へ０．１１°以上０．３２°以下の範囲で傾斜し、かつａ軸方向へ０．１１°以上０．３２°以下の範囲で傾斜することが特に好ましい。
なお、窒化アルミニウム単結晶層の主面のオフ角は、公知の方法により測定することができる。具体的には、Ｘ線測定により求めることができる。本発明においては、窒化アルミニウム単結晶層のｃ面に対し、該窒化アルミニウム単結晶層の主面がｍまたはａ軸方向に対して有するオフ角を測定すればよい。
本発明において、窒化アルミニウム単結晶層は、ｍ軸方向のオフ角が前記範囲を満足すれば特に制限されるものではないが、以下の物性を有することが好ましい。例えば、窒化アルミニウム単結晶の転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。窒化アルミニウム単結晶層に含まれるＯ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂの合計不純物量は、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下であることが好ましい。窒化アルミニウム単結晶層の結晶品質、例えば、（０００２）面および（１０−１０）面のロッキングカーブの半値幅は、４００ａｒｃｓｅｃ以下であることが好ましい。また、窒化アルミニウム基板において主面の曲率半径は、１ｍ以上であることが好ましい。曲率半径の上限は、大きければ大きいほどよいが、工業的な生産を考慮すると１００００ｍ以下である。以上のような要件を満足する窒化アルミニウム単結晶層を使用することにより、より一層、高品質なＩＩＩ族窒化物積層体、及びＩＩＩ族窒化物半導体素子を製造することができる。
本発明において、窒化アルミニウム基板の厚さは、特に制限されるものではないが、以下の範囲となることが好ましい。具体的には、窒化アルミニウム基板が窒化アルミニウム単結晶層のみの単層からなる場合は、１０〜２０００μｍであることが好ましい。また、非単結晶の窒化アルミニウムからなる層（非単結晶層）と窒化アルミニウム層からなる場合には、窒化アルミニウム層の厚みが０．００５〜３００μｍであり、非単結晶層の厚みが１０〜２０００μｍであることが好ましい。
窒化アルミニウム基板、および窒化アルミニウム単結晶層の厚みが前記範囲を満足することにより、より一層、高品質なＩＩＩ族窒化物積層体、及びＩＩＩ族窒化物半導体素子が得られると共に、それらの製造が容易となる。
本発明の窒化アルミニウム基板は、ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層部分に特徴がある。この窒化アルミニウム単結晶層は、先ず、公知の方法により窒化アルミニウム単結晶層を製造し、得られた窒化アルミニウム単結晶層を研磨等、特に、化学的機械研磨（ＣＭＰ）の加工を施すことにより製造できる。
（窒化アルミニウム基板の製造：窒化アルミニウム単結晶層を構成する窒化アルミニウム単結晶の成長）
先ず、具体的には、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、昇華法（ＰＶＴ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｐｏｒｔ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）等の気相成長法や、ＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）等の液層成長法、あるいはこれらの組み合わせにより、窒化アルミニウム単結晶層を成長させる。中でも、生産性、最終的に得られるＩＩＩ族窒化物半導体素子の光取出し等を考慮すると、ＨＶＰＥ法で窒化アルミニウム単結晶層を成長させることが好ましい。特に、窒化アルミニウム単結晶層を構成する部分は、ＨＶＰＥ法で製造することが好ましい。
本発明の窒化アルミニウム基板が単層である場合の製造方法としては、例えば、特開２００９−１９０９６０号公報に記載の方法により製造できる。また、多結晶層、または非晶質層を有する多層基板は、例えば、特開２００９‐１６１３９０に記載の方法で製造することができる。特に結晶品質が良く、かつ紫外光透過性が良い窒化アルミニウム基板を作製する場合には、Ｙ． Ｋｕｍａｇａｉ，ｅｔ．ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ５ （２０１２） ０５５５０４ で報告されているように、昇華法で作製した窒化アルミニウム基板上にＨＶＰＥ法で単結晶窒化アルミニウムの厚膜を成長した積層体を使用することもできる。この場合、窒化アルミニウム単結晶層は、ＨＶＰＥ法で成長した単結晶窒化アルミニウムの厚膜とすることが好ましい。また、上記積層体は、昇華法基板部分を除去して、該単結晶窒化アルミニウムの厚膜からなる単層の窒化アルミニウム基板とすることもできる。
（窒化アルミニウム単結晶層の製造：主面の加工方法）
上記方法にて用意された窒化アルミニウム基板の該基板面を研磨することにより、第一の本発明であるウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層を少なくとも表面に有する窒化アルミニウム基板へと加工することができる。例えば、一般的にエピレディー基板を用意する際に用いられるＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が研磨方法として適用できる。研磨後の基板表面の平坦性を考慮するとＣＭＰ研磨であることが好ましい。本実施形態では、ｃ面窒化アルミニウム基板を研磨する。
ＣＭＰでは、砥粒を分散させたスラリーを用いて窒化アルミニウム基板を化学的かつ機械的に研磨する。「機械的に」というのは、窒化アルミニウム基板を２つの研磨パッドに挟んだ状態で回転させながらスラリーを供給し物理的に研磨することである。「化学的に」というのは、スラリーを酸性または塩基性とすることによって窒化アルミニウム基板の表面を化学的にエッチングすることである。ＣＭＰ法では、機械的研磨と化学的研磨を組み合わせることにより、平坦な表面を有する基板を効率よく得ることができる。機械的研磨に際しては、傾斜角を調整可能な保持台上に窒化アルミニウム基板を保持し、ウルツ鉱構造の（０００１）面に対する研磨面（主面となる）が上記所定角度となるように保持台の傾斜角を設定し、研磨を行う。
研磨パッドが窒化アルミニウム基板を押さえつける力の大きさ、および研磨パッドの回転数は適宜調整すれば良く特に制限されるものではない。研磨パッドが窒化アルミニウム基板を押さえつける力が強過ぎる場合、あるいは回転数が速すぎる場合には、窒化アルミニウム基板が破断する懸念がある。一方、研磨パッドが窒化アルミニウム基板を押さえつける力が弱すぎる場合、あるいは回転数が遅い場合には、研磨速度が遅くなるデメリットがある。
スラリー中の砥粒は、窒化アルミニウムよりも硬い材料であれば特に制限されるものではなく、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などが挙げられる。スラリーのｐＨは特に制限されるものではないが、ｐＨ８以上の塩基性条件下あるいはｐＨ６以下の酸性条件下で行うのが一般的である。砥粒の粒径は特に制限されるものではないが、直径が０．１μｍ〜１５μｍの範囲の砥粒を、粒径が大きいものから順に適宜使用する。
以上のような方法で窒化アルミニウム単結晶層を加工し、窒化アルミニウム単結晶層の主面を形成してやればよい。次に、この窒化アルミニウム単結晶層を含むＩＩＩ族窒化物積層体、及びＩＩＩ族窒化物半導体素子について説明する。
（ＩＩＩ族窒化物積層体、およびＩＩＩ族窒化物半導体素子）
本発明においては、以上のような方法で製造した窒化アルミニウム基板の表面（窒化アルミニウム単結晶層の主面）に、ＩＩＩ族窒化物単結晶層を成長させる。そして、ＩＩＩ族窒化物積層体、及びその積層体を含むＩＩＩ族窒化物半導体素子を製造する。
以下では、本発明の一実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体素子（発光素子）の実施形態を説明する。図２に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体素子１０は、窒化アルミニウム基板１１上にｎ層１２（ｎ型クラッド層）、量子井戸層１３、ｐ層１４（ｐ型クラッド層）、ｐ型キャップ層１５が順に積層された構造を有している。そして、ｎ層１２には負電極２０が形成されており、ｐ型キャップ層１５には正電極２１が形成される。各層は、特に制限されるものではないが、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）で成長させることが好ましい。
また、ｎ層１２を形成する前に、結晶品質を向上させることを目的として、窒化アルミニウム基板（窒化アルミニウム単結晶層）およびｎ層と同じもしくはそれらの中間の格子定数を有するバッファ層を形成することもできる。このバッファ層の厚みは、特に制限されるものではないが、２ｎｍ〜１０００ｎｍである。ただし、結晶品質のよい窒化アルミニウム基板を使用すれば、このバッファ層は形成しなくとも、良好なＩＩＩ窒化物半導体素子が形成できる。
ｎ層１２のドナー不純物原子は特に制限されないが、Ｓｉを用いることができる。濃度は特に制限されるものではないが、１０１７〜１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。なお、ｎ層１２の厚みは、特に制限されるものではないが、２００ｎｍ〜３０００ｎｍである。
量子井戸層１３は、井戸層と障壁層とが繰り返し積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造）から成ることが好ましい。また、量子井戸層１３の厚みも特に制限されるものではないが、井戸層が１〜５ｎｍ、障壁層が２〜５０ｎｍである。繰り返し回数も特に制限されないが１回から１０回であることが好ましい。
ｐ層１４は、アクセプター不純物原子がドープされておりｐ型特性を示す。アクセプター不純物は、特に制限されないがＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｂｅ等が挙げられ、その中でもＭｇ、Ｂｅが好ましい。また、ドナー不純物原子の濃度は、１０１７〜１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。ｐ層１４の厚みも、特に制限されるものではないが、５〜２００ｎｍである。
また、ｐ層１４を形成する前に、電子注入効率を向上させることを目的として、該ｐ層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する電子ブロック層を形成することもできる。このブロック層の厚みは、特に制限されるものではないが、２ｎｍ〜１００ｎｍである。
ｐ型キャップ層１５は、高いホール濃度を得やすく、また、正電極２１を構成する金属とオーミック接触性をとるためのものであり、ＧａＮ層からなることが好ましい。ｐ型キャップ層１５は、アクセプター不純物原子がドープされており、不純物原子の濃度が１０１７〜１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。このｐ型キャップ層１５は、原料ガス、ドナー不純物原子の原料ガスの供給比を変え、所望の組成となるように調整すればよい。ｐ型キャップ層の厚みも、特に制限されるものではないが、２〜３０００ｎｍである。
本発明のＩＩＩ族窒化物積層体は、窒化アルミニウム基板上に少なくともＩＩＩ族窒化物単結晶からなる層を有するものである。中でも、本発明の窒化アルミニウム基板は、少なくとも一層のＩＩＩ族窒化物単結晶層がＡｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮ（但し、ｘ、ｙ及びｚは、夫々独立に０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和は、０．５未満である。）で示される組成を満足するＡｌＧａＩｎＢＮ層である場合に、優れた効果を発揮する。つまり、窒化アルミニウム基板と格子定数が近いＩＩＩ族窒化物単結晶層がその上に形成される場合に、優れた効果を発揮する。なお、前記ＡｌＧａＩｎＢＮ層は、窒化アルミニウム基板上に存在すればよく、窒化アルミニウム基板の主面上に、直接、積層されていてもよいし、その他のＩＩＩ族窒化物単結晶層を介して積層されていてもよい。特に、窒化アルミニウム基板の主面上に、直接、前記ＡｌＧａＩｎＢ層（ＡｌＮ層を含む）が積層されることが好ましい。より具体的には、深紫外発光素子とする場合には、ｎ層、ｐ層が前記ＡｌＧａＩｎＢＮ層となることが好ましい。そのため、例えば、量子井戸層中の井戸層は、Ａｌの含有量が５０原子％未満となるＩＩＩ族窒化物単結晶層から形成されてもよい。
また、前記ＡｌＧａＩｎＢＮ層は、Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮにおいて、０≦Ｘ≦０．４、０≦Ｙ≦０．０１、０≦Ｚ≦０．０１、および０≦Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦０．４２を満足することがより好ましく、０．２≦Ｘ≦０．４、０≦Ｙ≦０．０１、０≦Ｚ≦０．０１、および０．２≦Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦０．４２を満足することがさらに好ましい。
（ＩＩＩ族窒化物積層体の特性）
本発明のＩＩＩ族窒化物積層体は、特に制限されるものではないが、以下の特性を有するものとすることができる。
本発明のＩＩＩ族窒化物積層体において、ＡｌＧａＮＩｎＮ層を、Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮにおいて、ｘが０を超え０．５未満の有理数であり、ｙ及びｚは０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和は０を超え０．５未満となる層とした場合には、該ＡｌＧａＩｎＢＮ層は、３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定において、該ＡｌＧａＩｎＢＮ層のバンド端発光ピークが４．５６ｅＶ以上５．９６ｅＶ未満に観測され、該ピークの半値幅が２２５ｍｅＶ以下とすることができる。加えて、該ＡｌＧａＩｎＢＮ層は、その表面粗さ（Ｒａ）を１．０ｎｍ以下とすることができる。つまり、該半値幅が２２５ｍｅＶ以下であるため、組成分布がより均一で不純物濃度の低い高品質なＩＩＩ族窒化物積層体となる。また、表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下であるため、平坦性の高いＩＩＩ族窒化物積層体となる。通常、該発光ピークが低エネルギー側へシフトすると三次元成長しやすくなるため、成長面の組成の揺らぎが大きくなる傾向がある。これらを考慮すると、ＩＩＩ族窒化物積層体のＡｌＧａＩｎＢＮ層は、発光ピークが４．５６ｅＶ以上５．９６ｅＶ未満に観測され、該半値幅が２２５ｍｅＶ以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下とすることが好ましい。さらに、該発光ピークが４．５６ｅＶ以上５．９６ｅＶ未満に観測され、該半値幅が２２５ｍｅＶ以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が１．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。通常、工業的な生産性を考慮すると、ＩＩＩ族窒化物積層体のＡｌＧａＩｎＢＮ層は、該発光ピークが４．５６ｅＶ以上５．３９ｅＶ以下に観測され、該半値幅が５０ｍｅＶ以上２２５ｍｅＶ以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下とすることが好ましい。この場合の好ましいＡｌＧａＩｎＢＮの組成は、０＜Ｘ≦０．４、０≦Ｙ≦０．０１、０≦Ｚ≦０．０１、および０＜Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦０．４２を満足することがより好ましく、０．２≦Ｘ≦０．４、０≦Ｙ≦０．０１、０≦Ｚ≦０．０１、および０．２≦Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦０．４２を満足することがより好ましい。
また、本発明のＩＩＩ族窒化物積層体おいて、窒化アルミニウム単結晶層の主面上に直接ＡｌＮ層（前記Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮにおいて、ｘ、ｙ及びｚが０であるＡｌＧａＩｎＢＮ層）を積層した場合には、該ＡｌＮ層は、３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定において、該ＡｌＮ結晶のバンド端発光ピークの半値幅が１４５ｍｅＶ以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が０．２ｎｍ以下とすることができる。通常、工業的な生産性を考慮すると、ＩＩＩ族窒化物積層体のＡｌＮ層は、該半値幅が１２０ｍｅＶ以上１４５ｍｅＶ以下であり、表面粗さ（Ｒａ）が０．０５ｎｍ以上０．２ｎｍ以下とすることが好ましい。
このようなＩＩＩ族窒化物積層体を含むＩＩＩ族窒化物半導体素子は、高品質な発光素子として使用できる。
（ＩＩＩ族窒化物積層体、およびＩＩＩ族窒化物半導体素子の製造方法）
ＩＩＩ族窒化物積層体、およびＩＩＩ族窒化物半導体素子は公知となっている方法に準じ、ＭＯＣＶＤ法を用いて製造することができる。
すなわち窒化アルミニウム基板１１をＭＯＣＶＤ装置に設置し、キャリアガスの水素を流通した状態で所望の温度とし、原料ガスを供給することによって所望のＡｌＧａＩｎＢＮ層を成長する。ＩＩＩ族原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルボロン（ＴＥＢ）、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ３）等を用いることができる。これらガスに加えドナー不純物原子の原料ガスも適宜供給できる。例えば、ｎ層１２を得る場合には、テトラエチルシランを反応炉内に導入し、ｐ層１４を得る場合には、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をキャリアガス、ＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガスと共に導入して成長させることができる。
以上の方法により、本発明のＩＩＩ族窒化物積層体を製造することができる。なお、上記方法は、本発明のＩＩＩ族窒化物積層体の製造方法の一例である。
（ｎ電極（負電極２０）、ｐ電極（正電極２１）の形成方法）
負電極２０、正電極２１の形成方法は、特に制限されるものではなく、公知の方法を採用することができる。負電極２０は、公知の方法によりエッチングして、露出したｎ層１２の上に形成する。負電極材料としてはＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等が挙げられる。正電極２１は、ｐ型キャップ層１５の上に形成する。正電極材料としてはＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ等が挙げられる。
以上のようにして、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子を製造することができる。
上記方法により得られたＩＩＩ族窒化物積層体は、本発明の窒化アルミニウム基板上に成長させているため、転位密度も小さく、組成分布が均一で、不純物濃度が低く、平坦性が高いものとなる。その結果、該ＩＩＩ族窒化物積層体を含むＩＩＩ族窒化物半導体素子（発光素子）は、高品質なものとなる。
以下に、本発明の具体的な実施例、比較例について図を参照しながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。
（結晶品質の評価：ＩＩＩ族窒化物単結晶層（ＩＩＩ族窒化物積層体）の結晶品質の評価）
（光学特性評価）
結晶品質は、３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス（以下、単に「ＰＬ」とする場合もある）測定により評価した。これは、ＰＬ測定における量子井戸層の発光ピークの半値幅が、量子井戸層内の組成の揺らぎや不純物濃度に起因するためである。この半値幅の評価は、上記ＩＩＩ族窒化物積層体またはＩＩＩ窒化物半導体素子を用いたＰＬ測定で行うことができる。本発明においては、図２において、窒化アルミニウム基板１１、ｎ層１２、および量子井戸層１３からなる積層体（実施例１〜３、比較例１〜４）、窒化アルミニウム基板１１およびｎ層１２からなる積層体（実施例４〜６、比較例５〜８）、並びに、窒化アルミニウム基板１１上に直接ＡｌＮ層を積層した積層体（実施例７〜９、比較例９〜１２）のＰＬ測定を行い、ＩＩＩ族窒化物単結晶層の評価（組成分布の評価）を行った。ＰＬ測定は、１９３ｎｍＡｒＦエキシマレーザを用いて実施した。なお、当然のことではあるが、この半値幅が短いものほど、組成分布がより均一であると言える。
（表面粗さの評価：ＩＩＩ族窒化物単結晶層（ＩＩＩ族窒化物積層体）の表面粗さの評価）
（表面モフォロジ評価）
窒化アルミニウム基板のＡｌＮ単結晶層、ｎ層および量子井戸層の表面粗さの評価は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用い２μｍ×２μｍの範囲を測定し評価した。これは、結晶表面の粗さが大きくなると量子井戸層内の組成の揺らぎや不純物原子の取り込みが増大すると考えられるためである。表面粗さはＲａで評価した。Ｒａとは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に記載されている表面粗さ評価指標の一つであり、粗さ曲面から、その平均値の方向に基準面積（ここでは２μｍ×２μｍ）を抜き取り、この抜き取り部分の平均面から測定曲面までの偏差の絶対値を合計して、それを基準面積で平均した値をいう。なお、当然のことではあるが、このＲａの値が小さいものほど、表面が平坦であると言える。
実施例１
厚さ約５００μｍの窒化アルミニウム単結晶からなるｃ面窒化アルミニウム基板の表面および裏面を研削し、ＣＭＰ研磨した。そして、窒化アルミニウム基板の主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．１１°傾斜した面を有する、厚さ２００μｍの窒化アルミニウム基板（ＡｌＮ単結晶層のみからなる窒化アルミニウム基板）を得た。この窒化アルミニウム基板の曲率半径は、２０ｍであり、表面粗さ（Ｒａ）は０．１７ｎｍであった。また、ウルツ鉱構造の（０００１）面からのａ軸方向の傾斜は０．００°であった。
この窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）を形成した。その後、該ｎ層上に、ＭＯＣＶＤ法により量子井戸層が以下の構造となるように障壁層、井戸層を形成した。障壁層は２ｎｍであり、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎの組成を満足するように形成し、井戸層は７ｎｍであり、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎの組成を満足するように形成した。この障壁層、井戸層は３回繰り返し形成し、これら層を量子井戸層とした。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．７６ｅＶであり、半値幅は１９７ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．１８ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例２
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．２３°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．８６ｅＶであり、半値幅は２０３ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例３
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．３２°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．７９ｅＶであり、半値幅は２０８ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．３０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例４
実施例１と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）のみを形成した。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１７ｅＶであり、半値幅は２１１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．１７ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例５
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．２３°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例４と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１５ｅＶであり、半値幅は２１９ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２１ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例６
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．３２°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例４と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。結果を表１にまとめた。
ｎ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１２ｅＶであり、半値幅は２２０ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２４ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例７
実施例１と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたＡｌＮ層０．２μｍのみを形成した。成長条件は、成長温度が１２００℃、Ｖ／ＩＩＩ比が２５００、系内圧力３５ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（８．５ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ＡｌＮ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．９６ｅＶであり、半値幅は１４０ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．０８ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例８
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．２３°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例７と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ＡｌＮ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ＡｌＮ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．９６ｅＶであり、半値幅は１４１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．０９ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例９
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．３２°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例７と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ＡｌＮ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ＡｌＮ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．９６ｅＶであり、半値幅は１４１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．０９ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１０
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．１４°、ａ軸方向に０．２４°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．８４ｅＶであり、半値幅は２０８ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２９ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１１
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．２３°、ａ軸方向に０．１９°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．８３ｅＶであり、半値幅は２０９ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２３ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１２
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．３０°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．８５ｅＶであり、半値幅は１９９ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．１１ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１３
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．３２°、ａ軸方向に０．１１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．８７ｅＶであり、半値幅は２０６ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２２ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１４
実施例１０と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）のみを形成した。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．２０ｅＶであり、半値幅は２１５ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１５
実施例１１と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）のみを形成した。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１６ｅＶであり、半値幅は２１８ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２５ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１６
実施例１２と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）のみを形成した。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１６ｅＶであり、半値幅は２０９ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．１５ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
実施例１７
実施例１３と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）のみを形成した。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１７ｅＶであり、半値幅は２１６ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．３０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例１
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．０３°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．７４ｅＶであり、半値幅は２４８ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は２．０３ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例２
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．４１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．６７ｅＶであり、半値幅は２３１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．６３ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例３
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．６４°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．７０ｅＶであり、半値幅は２３５ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．７０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例４
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．８１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．６８ｅＶであり、半値幅は２５２ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は２．３４ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例５
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．０３°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例４と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１６ｅＶであり、半値幅は２５１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は１．３０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例６
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．４１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例４と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１３ｅＶであり、半値幅は２３０ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．３０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例７
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．８１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例４と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．０８ｅＶであり、半値幅は２６７ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は１．５７ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例８
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．０３°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例７と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ＡｌＮ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ＡｌＮ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．９６ｅＶであり、半値幅は１５３ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．４８ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例９
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．４１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例７と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ＡｌＮ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ＡｌＮ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．９６ｅＶであり、半値幅は１４１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．２９ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例１０
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．８１°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例７と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ、ａ軸方向の傾斜）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ＡｌＮ層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、ＡｌＮ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．９６ｅＶであり、半値幅は１５５ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．５１ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例１１
主面がウルツ鉱構造の（０００１）面からｍ軸方向に０．４２°、ａ軸方向に０．１５°傾斜した面を有する窒化アルミニウム基板を使用した以外は、実施例１と同様の操作、評価を行った。主面のオフ角以外の物性（結晶品質、曲率半径、表面粗さ（Ｒａ）、厚さ）は、実施例１で使用した窒化アルミニウム基板と同等のものを使用した。
ｎ層および量子井戸層成長後に、得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）のＰＬ測定を行った結果、量子井戸層に起因する発光ピークのピーク位置は４．８１ｅＶであり、半値幅は２４１ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．７２ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
比較例１２
比較例１１と同様の窒化アルミニウム基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＳｉをドープしたｎ層１μｍ（Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ）のみを形成した。成長条件は、成長温度が１０５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１４００、系内圧力５０ｍｂａｒであり、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧ、および水素で希釈したアンモニア（９．８ｓｌｍ）を供給した。
得られた基板（ＩＩＩ族窒化物積層体）を冷却しＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ＰＬ測定を行った。その結果、ｎ層に起因する発光ピークのピーク位置は５．１９ｅＶであり、半値幅は２３７ｍｅＶであった。表面粗さ（Ｒａ）は０．３７ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
Figure 0006328557
以上の結果より、実施例で得られたＩＩＩ族窒化物積層体は、組成分布揺らぎが少なく、低不純物濃度のものであって、表面粗さ（Ｒａ）が小さいものであることが分かる。また、実施例１〜３に示す通り、実施例４〜６で示された高品質なｎ層（ＡｌＧａＩｎＢＮ層）上に、量子井戸層を成長すると、該量子井戸層も高品質なものであることが分かる。
１ 基板主面
２ ｃ面
３ オフ角
１０ ＩＩＩ族窒化物半導体素子
１１ 窒化アルミニウム基板
１２ ｎ層
１３ 量子井戸層
１４ ｐ層
１５ ｐ型キャップ層
２０ 負電極
２１ 正電極

Claims (4)

  1. ウルツ鉱構造の（０００１）面から０．０５°以上０．４０°以下の範囲でｍ軸方向に傾斜した面を主面とする窒化アルミニウム単結晶層を少なくとも表面に有する窒化アルミニウム基板における窒化アルミニウム単結晶層の主面上に、
    Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮ（但し、ｘは０を超え０．５未満の有理数であり、ｙ及びｚは０以上０．５未満の有理数であり、ｘ、ｙ及びｚの和は０を超え０．５未満である。）で示される組成を満足するＡｌＧａＩｎＢＮ層を有し、
    該ＡｌＧａＩｎＢＮ層の３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定において、バンド端発光ピークが４．５６ｅＶ以上５．９６ｅＶ未満に観測され、該発光ピークの半値幅が２２５ｍｅＶ以下であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物積層体。
  2. 前記主面がウルツ鉱構造の（０００１）面から０．００°以上０．４０°以下の範囲でａ軸方向に傾斜することを特徴とする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物積層体。
  3. 前記窒化アルミニウム単結晶層の主面上に、
    直接ＡｌＮ層（前記Ａｌ１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）ＧａｘＩｎｙＢｚＮにおいて、ｘ、ｙ及び
    ｚが０である）が積層され、
    該ＡｌＮ層の３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス測定において、該ＡｌＮ結晶のバンド端発光ピークの半値幅が１４５ｍｅＶ以下であり、
    該ＡｌＮ層の表面粗さ（Ｒａ）が０．２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物積層体。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物積層体における窒化アルミニウム単結晶層、および前記ＡｌＧａＩｎＢＮ層部分を少なくとも有するＩＩＩ族窒化物半導体素子。
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