JP6819969B2 - 窒化物半導体基板 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載された方法は、分子線エピタキシ(MBE)法による窒化物半導体の成長方法であって、基板上にバッファー層を形成する工程と、バッファー層上に、第1の温度で第1の窒化物結晶を形成する工程と、第1の窒化物結晶上に第1の温度よりも高温の第2の温度で第1の窒化物結晶を形成する工程とを含む。
特許文献1に記載された方法は、残留不純物濃度が低いなどの利点を有するMBE法によって、サファイア基板上などに結晶欠陥密度の低い窒化物半導体を成長させることを目的としている。
本発明の課題は、サファイア基板上に、結晶性と表面平坦性に優れた窒化物半導体層が形成された基板を提供することである。
(1) サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成され、Alを含むIII 族元素および窒素を主成分とする窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体基板である。
(2) サファイア基板の窒化物半導体層が形成されている側の面は、最大開口寸法が2nm以上60nm以下である凹部を、1cm2当たり1×109個以上1×1011個以下の割合で有する。
(3) 上記凹部と、窒化物半導体層の上記凹部の直上の面と、で形成される空間を有する。
(4) 窒化物半導体層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差が、10nm以下である。
(5) 窒化物半導体層の上記凹部の上側の部分は、Alを含むIII族元素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造を有する。
(11)サファイア基板上に、Alを含むIII 族元素および窒素からなる窒化物半導体を主成分とする厚さ0.1nm以上10nm以下の凹部形成用膜を形成する第一工程。
(12)第一工程後のサファイア基板を1100℃以上1350℃以下の温度でアニールすることで、凹部形成用膜に貫通穴を形成するとともに、サファイア基板の凹部形成用膜が形成されている面に、最大開口寸法が2nm以上60nm以下である凹部を、1cm2当たり3×109個以上1×1011個以下の割合で形成する第二工程。
(13)第二工程後のサファイア基板の凹部形成用膜上に、Alを含むIII族元素および窒素を主成分とする窒化物半導体層を形成する第三工程。
従来の一般的な方法では、凹部が形成されたサファイア基板上に窒化物半導体層を形成した場合、窒化物半導体層の凹部の上側の部分は、V族元素である窒素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造となる傾向にある。また、窒化物半導体層のサファイア基板側の面のうち凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差は10nmよりも大きくなる傾向にある。いずれの場合も、窒化物半導体層の表面は良好な平坦性が得られない傾向にある。つまり、従来技術では、結晶性と表面平坦性の両立が困難であった。
(a) 窒化物半導体層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差が、10nm以下となる。
(b) 窒化物半導体層の上記凹部の上側の部分は、Alを含むIII族元素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造を有する。
これにより、窒化物半導体層の初期段階後に形成される部分は、島状成長する割合が低くなるため、第三工程で、表面(サファイア基板とは反対側の面)の平坦性に優れた窒化物半導体層が形成される。
また、得られる窒化物半導体基板は、窒化物半導体層の上記構成の凹部の直上の面とこの凹部とで形成される空間を有する。
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、この発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定はこの発明の必須要件ではない。
なお、以下の説明で使用する図において、図示されている各部の寸法関係は、実際の寸法関係と異なる場合がある。
図1に示すように、この実施形態の窒化物半導体基板1は、サファイア基板2と、サファイア基板2上に形成された窒化物半導体層3とからなる。窒化物半導体層3は、Alを含むIII族元素および窒素を主成分とする窒化物半導体層である。
サファイア基板2の窒化物半導体層3が形成されている主面21は、最大開口寸法が2nm以上60nm以下である凹部211を、1cm2当たり1×109個以上1×1011個以下の割合で、好ましくは3×109cm-2以上1×1011cm-2以下の割合で有する。
窒化物半導体基板1は、凹部211と、窒化物半導体層3の凹部211の直上の面311と、で形成される空間4を有する。窒化物半導体層3のサファイア基板側の面31のうち、凹部211の直上の面311と平坦面212に接触する面312との高さの差ΔHが、10nm以下である。
窒化物半導体層3の凹部211の上側の部分32は、Alを含むIII族元素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造を有する。
この実施形態の窒化物半導体基板の製造方法を、図2を用いて説明する。
先ず、サファイア基板2の略平坦な主面21上に、有機金属堆積法(MOCVD法)を用いて、Alを含むIII族元素および窒素からなる窒化物半導体を主成分とし、厚さが0.1nm以上2nm以下の凹部形成用膜301を成膜する(第一工程)。図2(a)はこの状態を示す。凹部形成用膜301としては、例えば、AlN、GaN及びInNのうちの少なくともいずれか1つ、又はこれらの混晶を500℃以上900℃以下の範囲で成膜する。
凹部形成用膜301としては、例えば、AlN、GaN及びInNのうちの少なくともいずれか1つ、又はこれらの混晶を500℃以上1050℃以下の範囲で成膜する。第二工程のアニール温度を1100℃以上1350℃以下に、好ましくは1200℃以上1300℃以下にする。第二工程のアニール時間を600秒以上1800秒以下の範囲とする。
初期層302の形成は、サファイア基板2の表面温度を800℃以上900℃以下に保った状態で、MOCVD法により形成する。初期層302としてAlNを形成する場合には、初期層302の膜厚を0.5nm以上10nm以下にすることが好ましい。
第二層304の形成はMOCVD法により行い、その際の表面温度は、例えば1050℃以上1150℃以下または1000℃以上1150℃以下の範囲とする。第二層304の膜厚は1500nm以上4500nm以下または1500nm以上5000nm以下とすることが好ましい。
なお、初期層302の形成は行わなくてもよい。
上記各工程において、Al原料としては、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いることができる。Ga原料としては、例えばトリメチルガリウム(TMGa)を用いることができる。N原料としては、例えば、アンモニア(NH3)を用いることができる。In原料としては、例えば、トリメチルインジウム(TMIn)を用いることができる。
この実施形態の方法によれば、本発明の第二態様の方法が実施されることで、第三工程で、表面(サファイア基板とは反対側の面)33の平坦性に優れた窒化物半導体層3が形成される。その結果、図1に示すように、サファイア基板2上に、結晶性と表面33の平坦性に優れた窒化物半導体層3が形成された窒化物半導体基板1が得られる。
<サファイア基板>
サファイア基板は、主面に、最大開口寸法が2nm以上60nm以下であり、分布密度が1×109cm-2以上1×1011cm-2以下である凹部と、平坦部と、を有する。凹部の分布密度は、3×109cm-2以上1×1011cm-2以下であることが好ましく、7×109cm-2以上1×1011cm-2以下であることがより好ましく、1×1010cm-2以上1×1011cm-2以下であることがさらに好ましい。
また、凹部の最大開口寸法は、凹部の開口端の開口内側に引くことが可能な直線の最大長さで定義される。例えば凹部の開口端が円形である場合には、円の直径が凹部の最大開口寸法となる。また凹部の開口端が多角形状である場合には、多角形の対角線の最大長さが凹部の最大開口寸法となる。
なお、この場合には、断面図中に存在する凹部の横方向、つまり、サファイア基板の主面に平行な方向に延びる凹部の長さを凹部の最大開口寸法として定義する。
また、この場合、分布密度については、平面TEM測定から観測される凹部の個数を測定面積で除したものの平均値、または断面TEM測定から断面中の凹部の個数を測定範囲及び測定試料奥行長さで除した値のうち、密度の多い方を分布密度とし、5断面の平均値を、サファイア基板の凹部の分布密度として定義する。
これにより、サファイア基板の主面上に窒化物半導体層を形成する際に、初期の段階で形成される窒化物半導体層部分への転位集中の度合いをさらに高め、その後に形成される窒化物半導体層部分の結晶性がさらに向上する。
ここで、凹部の底面とは、凹部の開口端から最も深い位置にあり、サファイア基板の主面に対して略平行な面を意味する。また、底面の最大寸法とは、凹部の最大開口寸法と同じく、底面の内側に引くことが可能な直線の最大長さで定義される。凹部の開口端から最も深い位置にサファイア基板の主面に対して平行な面が存在しない場合、つまり例えば凹部の先端が尖っている場合や、凹部の底面がサファイア基板の主面に対して傾斜している場合等には、底面の最大寸法は零とする。
窒化物半導体層は、前述のサファイア基板の主面上に形成され、Alを含む層である。また、窒化物半導体層のサファイア基板の凹部上の部分はIII族元素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造(以下、「III族極性面の部分」、「III族極性面」とも称する)を有し、窒化物半導体層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と、平坦部面に接触する面との高さの差が10nm以下である。
ここで、窒化物半導体層の凹部上の部分がIII族極性面であることの確認方法は、以下の通りである。
まず、窒化物半導体基板を、80℃に加熱された50wt%のKOH溶液に10分浸漬する。その後、KOH溶液から取り出した窒化物半導体基板の窒化物半導体層の表面を、走査型電子顕微鏡(SEM)や原子間力顕微鏡(AFM)で観察し、窒化物半導体基板の断面を断面透過型電子顕微鏡(TEM)により観察する。
窒化物半導体層の極性面は、III族極性面か、V族極性面のいずれかとなるため、上記の条件を用いて窒化物半導体層の表面を観察することで、KOH溶液でエッチングされていない部分が、窒化物半導体層のIII族極性面であると確認することができる。
また、窒化物半導体基板の表面(サファイア基板とは反対側の面)に窒化物半導体層以外の層が形成されている場合は、表面を物理的に研削研磨し、窒化物半導体層を露出させることで、上記のKOH溶液による判別が可能となる。
ここでは、窒化物半導体基板の断面を5断面で「窒化物半導体層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差」を観察し、その平均値を「窒化物半導体層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差」とする。
窒化物半導体層がAlを含むことは、蛍光X線元素分析法(XRF)、ラザフォード後方散乱分光(RBS)、二次イオン質量測定SIMSおよびX線光電子分光(XPS)により確認することが可能である。
Al原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMAl)を用いることができる。Ga原料としては、例えば、トリメチルガリウム(TMGa)やトリエチルガリウム(TEGa)を用いることができる。またN原料としては例えば、アンモニア(NH3)を用いることができる。In原料としては、例えば、トリメチルインジウム(TMIn)を用いることができる。
また、窒化物半導体層の表面の二乗平均平方根粗さ(Rq)が0.15nm以上1nm以下であることが好ましい。これにより、窒化物半導体層の上に形成する層の結晶性を向上させることが可能となる。ここで、窒化物半導体層の表面の二乗平均平方根粗さ(Rq)は、AFM(Atomic Force Microscope)用いて測定することが可能である。AFMの測定範囲は例えば一辺が4μmの正方形とする。
また、窒化物半導体層の平坦部上の部分はIII 族極性面であることが好ましい。これにより、窒化物半導体層の表面平坦性をさらに向上させることが可能となる。
この実施形態の紫外線発光素子は、上述した実施形態の窒化物半導体基板を備える。
この実施形態の紫外線発光素子は、窒化物半導体層の主成分がAlNである窒化物半導体基板と、窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体積層部であって、窒化物半導体層側から、n型窒化物半導体層、発光層、およびp型窒化物半導体層を、この順に有する窒化物半導体積層部と、を備える。
窒化物半導体層が、本実施形態に係るサファイア基板上に形成されたAlN層であることで、この窒化物半導体層の上に結晶性の良好な窒化物半導体積層部を形成することができる。従って、本発明の窒化物半導体基板を利用することで、発光効率の優れた紫外線発光素子を得ることができる。窒化物半導体積層部の形成方法の一例としては、有機金属堆積法(MOCVD法)を用いることが可能である。
この実施形態の紫外線発光素子は、各種の装置に適用することができる。例えば、紫外線ランプが用いられている既存の全ての装置に適用することができ、用いられている紫外線ランプと置き換えることができる。特に、波長300nm以下の深紫外線を用いている装置に適用することができる。
また、例えば、医療及びライフサイエンス分野、環境分野、産業及び工業分野、生活及び家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用することができる。
さらに、薬品や化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体(容器、食品、医療機器等)殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・フラットパネルディスプレイ(FPD)・プリント基板(PCB)・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用や寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるがこの限りではない。
固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるがこの限りではない。
この実施形態の紫外線受光素子は、上述した実施形態の窒化物半導体基板を備える。
この実施形態の紫外線受光素子は、窒化物半導体層の主成分がAlNである窒化物半導体基板と、窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含む第一の窒化物半導体層と、前記第一の窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含み、Al含有率が前記第一の窒化物半導体層よりも多い第二の窒化物半導体層と、第二の窒化物半導体層上に形成された電極対と、を備える。
窒化物半導体層が、本実施形態に係るサファイア基板上に形成されたAlN層であることで、この窒化物半導体層の上に結晶性の良好な第一および第二の窒化物半導体層を形成することができる。従って、本発明の窒化物半導体基板を利用することで、受光効率の優れた紫外線受光素子を得ることができる。第一および第二の窒化物半導体層の形成方法の一例としては、有機金属堆積法(MOCVD法)を用いることが可能である。
この実施形態の紫外線発光素子は、各種の装置に適用することができる。例えば、紫外線センサが用いられている既存の全ての装置に適用することができ、用いられている紫外線センサと置き換えることができる。特に、波長300nm以下の深紫外線を用いている装置に適用することができる。
適用例としては、炎センサ、一酸化窒素センサ、オゾンセンサ、尿素センサなどが挙げられるが、この限りではない。
[実施例1]
以下の方法で窒化物半導体基板を作製した。
先ず、サファイア基板の略平坦な主面上に、有機金属堆積法(MOCVD法)でAlN層(凹部形成用膜)を0.3nm成膜した。このときのサファイア基板の表面温度は800℃とした。
次に、このAlN層(凹部形成用膜)が成膜されたサファイア基板を、1100℃で10分間アニールすることで、主面に最大開口寸法が2nm以上60nm以下の凹部を形成した。断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1010cm-2であった。
次に、サファイア基板の表面温度を850℃に保った状態で、サファイア基板の凹部形成用膜(AlN層)上に、AlN層(初期層)を3nm、MOCVD法で成膜した。
次に、AlN層(第一層)の上に、サファイア基板の表面温度を1100℃に保った状態で、AlN層(第二層)を3500nm、MOCVD法で成膜した。
上記のMOCVD法による成膜の際には、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、0.5nmであった。この測定は、AFMとして、エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製の「Nanocute」を用い、一辺が4μmの正方形を測定範囲とし、oper-ated in the noncontact modeで行った。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.0nmであった。
凹部形成用膜の膜厚を4nmとした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は5×1010cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=60arcsec、(10−12)面においてFWHM=270arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、0.5nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.0nmであった。
凹部形成用膜の膜厚を10nmとした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は8×1010cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=70arcsec、(10−12)面においてFWHM=290arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、0.8nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.5nmであった。
アニールの時間を20分間とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1010cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=45arcsec、(10−12)面においてFWHM=245arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、0.3nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は2.5nmであった。
アニールの時間を5分間とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1010cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=45arcsec、(10−12)面においてFWHM=240arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、0.2nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.0nmであった。
凹部形成用膜を形成しなかった以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
得られた窒化物半導体基板について、断面TEM測定を実施したところ、サファイアとAlN層の界面に凹部は存在しなかった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=350arcsec、(10−12)面においてFWHM=850arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、3.3nmであった。
アニールの時間を2分間とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は4×107cm-2であった。
AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=280arcsec、(10−12)面においてFWHM=700arcsecを得た。また、AFMにより、得られた窒化物半導体の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、2.3nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.0nmであった。
凹部が形成されたサファイア基板上に、サファイア基板の表面温度を850℃に保った状態で、NH3を30秒間照射した後に、AlN層(初期層)を3nm、MOCVD法で成膜した。これ以外の点は実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1010cm-2であった。
AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=235arcsec、(10−12)面においてFWHM=430arcsecを得た。また、AFMにより成膜後の表面の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、3.1nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.1nmであった。
第一層の形成温度を1050℃とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1010cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=90arcsec、(10−12)面においてFWHM=330arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、2.2nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は15.0nmであった。
凹部形成用膜の形成温度を750℃、膜厚を1.0nmとし、アニール温度を1300℃とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1012cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=160arcsec、(10−12)面においてFWHM=520arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、3.5nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は2.5nmであった。
凹部形成用膜の形成温度を770℃、膜厚を0.7nmとし、アニール温度を1300℃とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は3×1011cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=140arcsec、(10−12)面においてFWHM=440arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、2.7nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.5nmであった。
アニール温度を1050℃とした以外は、上記の実施例1と同じ方法で窒化物半導体基板を作製した。
凹部形成用膜(AlN層)が成膜されたサファイア基板について、断面TEMによる測定を行ったところ、凹部の分布密度は6×108cm-2であった。
得られた窒化物半導体基板について、AlN層の結晶性をX線ロッキングカーブ法(ωスキャン)により評価した結果、(0002)面においてFWHM=230arcsec、(10−12)面においてFWHM=610arcsecを得た。
また、AFMにより、得られた窒化物半導体基板の表面(AlN層)の二乗平均平方根粗さ(Rq)を測定したところ、2.5nmであった。
また、断面TEMで観察したところ、ΔH(AlN層のサファイア基板側の面のうち、凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差)は3.0nmであった。
これらの結果を表1にまとめた。表1では、本発明の態様から外れる構成に下線を施した。
実施例1〜5の窒化物半導体基板では、AlN層の結晶性が(0002)面において45arcsec以上70arcsec以下の範囲内であり、(10−12)面において240arcsec以上290arcsec以下の範囲内となっているが、比較例1〜7の窒化物半導体基板では、AlN層の結晶性がこれらの範囲外となっている。
実施例1〜5の窒化物半導体基板では、表面(窒化物半導体層のサファイア基板とは反対側の面)の二乗平均平方根粗さ(Rq)が0.15nm以上1nm以下の範囲内となっているが、比較例1〜7の窒化物半導体基板では、Rqがこの範囲外となっている。
つまり、実施例1〜5の窒化物半導体基板では、サファイア基板上に結晶性と表面平坦性に優れた窒化物半導体層が形成されている。
2 サファイア基板
21 サファイア基板の窒化物半導体層が形成されている側の面
211 凹部
212 平坦面
3 窒化物半導体層
301 窒化物半導体層を構成する凹部形成用膜
302 窒化物半導体層を構成する初期層
303 窒化物半導体層を構成する第一層
304 窒化物半導体層を構成する第二層
31 窒化物半導体層のサファイア基板側の面
311 凹部の直上の面
312 平坦面に接触する面
32 窒化物半導体層の凹部の上側の部分
33 窒化物半導体層の表面(サファイア基板とは反対側の面)
4 凹部と凹部の直上の面とで形成される空間
ΔH 凹部の直上の面と平坦面に接触する面との高さの差
Claims (9)
- サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成され、Alを含むIII族元素および窒素を主成分とする窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体基板であって、
前記サファイア基板の前記窒化物半導体層が形成されている側の面は、最大開口寸法が2nm以上60nm以下である凹部を、1cm2当たり1×109個以上1×1011個以下の割合で有し、
前記凹部と、前記窒化物半導体層の前記凹部の直上の面と、で形成される空間を有し、
前記窒化物半導体層の前記サファイア基板側の面のうち、前記凹部の直上の面と、平坦面に接触する面との高さの差が10nm以下であり、
前記窒化物半導体層の前記凹部の上側の部分は、前記III族元素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造を有し、
前記窒化物半導体層の結晶性が、
(0002)面において45arcsec以上70arcsec以下であり、
(10−12)面において240arcsec以上290arcsec以下であり、
前記窒化物半導体層の前記サファイア基板とは反対側の面の二乗平均平方根粗さ(Rq)が0.15nm以上1nm以下である窒化物半導体基板。 - 前記サファイア基板の前記窒化物半導体層が形成されている側の面は、最大開口寸法が2nm以上60nm以下である凹部を、1cm2当たり3×109個以上1×1011個以下の割合で有する請求項1記載の窒化物半導体基板。
- 前記窒化物半導体層の前記平坦面の上側の部分は、前記III族元素の極性面に沿った成長で生じた結晶構造を有する請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体基板。
- 前記凹部の深さが5nm以上50nm以下である請求項1から請求項3の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
- 前記凹部の底面の最大寸法は前記凹部の最大開口寸法の1/10以下である請求項1から請求項4の何れか一項に記載の窒化物半導体基板。
- 請求項1から請求項5の何れか一項に記載の窒化物半導体基板であって、前記窒化物半導体層の主成分がAlNである窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体層上に形成された窒化物半導体積層部であって、前記窒化物半導体層側から、n型窒化物半導体層、発光層、およびp型窒化物半導体層を、この順に有する窒化物半導体積層部と、
を備える紫外線発光素子。 - 請求項6に記載の紫外線発光素子を備える紫外線発光装置。
- 請求項1から請求項5の何れか一項に記載の窒化物半導体基板であって、前記窒化物半導体層の主成分がAlNである窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含む第一の窒化物半導体層と、
前記第一の窒化物半導体層上に形成され、AlおよびGaを含み、Al含有率が前記第一の窒化物半導体層よりも多い第二の窒化物半導体層と、
前記第二の窒化物半導体層上に形成された電極対と、
を備える紫外線受光素子。 - 請求項8に記載の紫外線受光素子を備える紫外線受光装置。
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