JP7277908B2 - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３０年９月１８日及び２１日に、第７９回応用物理学会秋季学術講演会にて発表 平成３０年９月５日に、第７９回応用物理学会秋季学術講演会のウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１８ａ／ｓｕｂｊｅｃｔ／２１ｐ－１４６－１２／ａｄｖａｎｃｅｄ、ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１８ａ／ｓｕｂｊｅｃｔ／２１ｐ－１４６－１４／ａｄｖａｎｃｅｄ、ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１８ａ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１８ｐ－１４６－７／ｄａｔｅ？ｃｒｙｐｔｏＩｄ）にて講演要旨が掲載 平成３０年９月５日に、公益財団法人応用物理学会が発行した「２０１８年第７９回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集」のＤＶＤにて公開

特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３０年９月２７日に、独立行政法人日本学術振興会 ワイドギャップ半導体光・電子デバイス第１６２委員会 第１１０回研究会・特別公開シンポジウム「紫外発光デバイスの最前線と将来展望」にて発表 平成３０年９月２７日に、独立行政法人日本学術振興会が発行した「第１１０回研究会・特別公開シンポジウム「紫外発光デバイスの最前線と将来展望」」の予稿集にて公開

特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３０年１０月１２日に、第二回窒化物半導体に関する最先端技術研究会にて発表

特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３０年１１月１４日に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ２０１８（ＩＷＮ２０１８）（２０１８年窒化物半導体国際ワークショップ）にて発表 平成３０年１１月１１日に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ２０１８ が発行した「ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＤＩＧＥＳＴ ＩＷＮ２０１８（窒化物半導体に関する国際ワークショップ２０１８の技術資料）」にて公開

特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３０年１２月１０日に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ＵＶ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＩＷＵＭＤ）２０１８（ＵＶマテリアル・デバイスに関する国際ワークショップ２０１８）にて発表 平成３０年１２月９日に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ＵＶ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＩＷＵＭＤ） ２０１８が発行した「Ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ＵＶ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ（第３回ＵＶマテリアル・デバイスに関する国際ワークショップの技術資料）」にて公開

特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３１年３月１１日に、第６６回応用物理学会春季学術講演会にて発表 平成３１年２月２５日に、第６６回応用物理学会春季学術講演会のウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１９ｓ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１１ｐ－Ｗ５４１－７／ａｄｖａｎｃｅｄ、ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１９ｓ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１１ｐ－Ｗ５４１－２／ａｄｖａｎｃｅｄ、ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１９ｓ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１１ｐ－Ｗ５４１－６／ａｄｖａｎｃｅｄ、ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１９ｓ／ｓｕｂｊｅｃｔ／１１ｐ－Ｗ５４１－１／ａｄｖａｎｃｅｄ）にて講演要旨が掲載 平成３１年２月２５日に、公益財団法人応用物理学会が発行した「２０１９年第６６回応用物理学会春季学術講演会の講演予稿集」のＤＶＤにて公開

特許法第３０条第２項適用申請有り 平成３０年９月１４日に、第１１回窒化物半導体の成長・評価に関する夏期ワークショップにて発表 平成３０年９月１３日に、第１１回窒化物半導体の成長・評価に関する夏期ワークショップが発行した「第１１回窒化物半導体の成長・評価に関する夏期ワークショップ」の予稿集にて公開

本発明は、劈開面を利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板及び光半導体デバイスに関する。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）及び窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物半導体は、光半導体デバイス用の材料として、注目を集めている。

特に、窒化物半導体の劈開面を利用した光半導体デバイスとしては、レーザデバイス、光導波路デバイス、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）デバイスなどが挙げられ、応用開発も始まっている。そのため、劈開面を利用可能な窒化物半導体を作製する技術は、極めて重要である。

このような劈開面を利用可能な窒化物半導体を作製する方法として、サファイア基板のａ面上にＡｌＮ層を形成する方法が知られている（特許文献１）。

サファイア基板は、安価でありかつ大面積基板を入手することが容易であり、利用価値が高い。また、ＡｌＮは、半導体材料の中で非常に大きいバンドギャップエネルギーを有しており、約２１０ｎｍよりも長波長の光に対して透明である。そのため、ＡｌＮは、素子内で発生した光を吸収することなく、効率よく素子の外部へ取り出すことができる。また、ＡｌＮは、高い熱伝導率、高い熱的及び化学的安定性を有しており、応用へ期待されている。

特許文献１では、サファイア基板のａ面上に、スパッタ法を用いて１２００℃以下に加熱しながらＡｌＮ層を成膜した窒化物半導体が開示されている。このような窒化物半導体は、サファイア及びＡｌＮのｍ面が互いに平行な構造となり、劈開によりサファイア及びＡｌＮのｍ面が劈開面として露出する。また、上記特許文献１では、さらに、当該ＡｌＮ層上に、さらに、窒化物半導体層を積層した光半導体デバイスが開示されている。当該光半導体デバイスは、劈開により露出したサファイア及びＡｌＮのｍ面（劈開面）を共振面として利用するレーザ素子である。

特開２００４－１７９４５７号公報

一方で、特許文献１に開示されたＡｌＮ層上の窒化物半導体層は、ＡｌＮ層の結晶性を引き継ぐ。そのため、光半導体デバイスの特性を高めるためには、ＡｌＮ層の結晶性を高める必要がある。しかしながら、ＡｌＮ層の結晶性を高めるために、スパッタ成膜時に上記以上の温度で加熱すると、サファイア及びＡｌＮのｍ面がお互いに約３０°ずれて配置されることが知られている。そのため、劈開面を利用する窒化物半導体においては、スパッタ成膜時に上記以上の温度で加熱することができない。その結果、特許文献１において開示されたＡｌＮ層の結晶性が低く、これに伴い、光半導体デバイスの特性も同様に、低い可能性がある。

本発明は、上述した課題を解決しようとするものであり、劈開面を利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板及び光半導体デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、スパッタ装置内にａ面サファイア基板を準備する第１工程と、前記スパッタ装置内に成膜材料であるＡｌを含むターゲットを準備する第２工程と、４００℃以上１０００℃以下の温度で保ちながら前記ターゲットをスパッタリングすることにより、ＡｌＮ層を前記ａ面サファイア基板のａ面上に成膜する第３工程とを有する。

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、ａ面サファイア基板と、前記ａ面サファイア基板のａ面上に形成されたＡｌＮ層とを有し、前記ＡｌＮ層の膜厚は、４００ｎｍ以下であり、前記ＡｌＮ層の（０００２）回折におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、前記ＡｌＮ層の（１０－１２）回折におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００ａｒｃｓｅｃ以下である。

また、本発明の一態様に係る光半導体デバイスは、上記記載の窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成された窒化物半導体層とを有する。

本発明の窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板及び光半導体デバイスによれば、劈開面を利用でき、かつ、結晶性を高めることができる。

図１は、実施の形態１に係る窒化物半導体基板の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１に係るスパッタ装置の構成例を示す模式図である。 図３は、実施の形態１に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図４は、図３に示される第４工程における気密状態の一例を示す図である。 図５Ａは、図２に示すターゲットがＡｌである窒化物半導体基板の表面の顕微鏡写真を示す図である。 図５Ｂは、図２に示すターゲットがＡｌＮである窒化物半導体基板の表面の顕微鏡写真を示す図である。 図６Ａは、実施の形態１に係る窒化物半導体基板の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ測定より得られた回折ピークの半値幅を示す図である。 図６Ｂは、実施の形態１に係る窒化物半導体基板の（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブ測定より得られた回折ピークの半値幅を示す図である。 図７は、実施の形態１に係る窒化物半導体基板のＸ線回折装置（ＸＲＤ）によるＸ線回折測定結果を示す図である。 図８は、本実施の形態１に係るａ面サファイア基板及びＡｌＮ層の単位格子を示す図である。 図９は、実施の形態１に係るＡｌＮ層などの異方的な面内格子歪を示す図である。 図１０は、実施の形態１に係る窒化物半導体基板を水酸化カリウム（ＫＯＨ）処理した後のＡｌＮ層の表面形状を示す図である。 図１１は、実施の形態１に係る窒化物半導体基板を用いたＳＨＧデバイスの構成例を示す概略図である。 図１２は、実施の形態１に係るＳＨＧデバイスの電界分布を示す図である。 図１３は、実施の形態１に係る窒化物半導体基板を用いたＳＨＧデバイスの設計例に係る導波路幅と実効屈折率との関係を示す図である。 図１４は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板の材料特性と応用について説明する図である。 図１５は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板の研究目的について説明する図である。 図１６は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板の先行研究について説明する図である。 図１７は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板及び実験方法について説明する図である。 図１８は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板及びＡｌＮの面内配向について説明する図である。 図１９は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板及びＡｌＮの面内配向について説明する図である。 図２０は、実施の形態２に係るダイヤモンド基板及びＡｌＮの実験結果について説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。以下の説明においては、アルミニウムをＡｌ、窒化アルミニウムをＡｌＮ、窒化アルミニウムガリウムをＡｌＧａＮ、サファイアをＡｌ_２Ｏ_３と示すこともある。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
［窒化物半導体基板の構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の構成例について説明する。図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の構成例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０は、ａ面サファイア基板１１と、ＡｌＮ層１２とを有する。

ａ面サファイア基板１１は、六方晶構造のａ面を基板表面に露出させたサファイアである。そのため、ａ面サファイア基板１１は、ａ面上に、窒化物半導体を構成する薄膜を形成することができる。本実施の形態においては、ａ面サファイア基板１１は、ａ面上に、窒化物半導体の一例であるＡｌＮ層１２を形成する。

ＡｌＮ層１２は、六方晶構造であり、結晶粒の集合体であるＩＩＩ族窒化物半導体の一つである。本実施の形態に係るＡｌＮ層１２の膜厚は、４００ｎｍ以下であり、例えば、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ及び４００ｎｍである。ＡｌＮ層１２の（０００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は、２５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、ＡｌＮ層１２の（１０－１２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であってもよい。

また、上記の通り、窒化物半導体基板１０は、ａ面サファイア基板１１上にＡｌＮ層１２を有するため、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とは、一致し易い。具体的には、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とのなす角度は、５°以下である。

［窒化物半導体基板の製造方法及び製造装置］
次に、実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法及び製造装置について説明する。図２は、本実施の形態に係るスパッタ装置１００の構成例を示す模式図である。図３は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。

まず、図２に示すスパッタ装置１００の構成例について説明する。同図のようにスパッタ装置１００は、チェンバー１１０、吸気管１０１、排気管１０２、バルブ１０３、排気ポンプ１０４、基板ホルダ１０５、永久磁石１０８、高圧電源１０９を備える。

チェンバー１１０は、ａ面サファイア基板１１と、ＡｌＮ層１２の原料となるターゲット１０７とを対向させて保持し、チェンバー１１０内部の気体の圧力及び温度を任意に設定可能なほぼ密閉された部屋である。以下では、スパッタを行う際のチェンバー１１０内の気体圧力は、スパッタ圧力と表記される。

吸気管１０１は、外部から供給される不活性ガスをチェンバー１１０内部に導入するための吸気管である。不活性ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、窒素（Ｎ_２）ガス又はアルゴン（Ａｒ）ガスなどである。吸気管１０１は、一つの吸気管から複数種類のガスを同時に供給してもよい。また、チェンバー１１０に対して、複数の吸気管１０１が接続されている構成でもよい。また、吸気管１０１は、吸気管１０１から不活性ガス以外のガスを導入することが可能でもよい。不活性ガス以外のガスは、例えば水素（Ｈ_２）ガス、酸素（Ｏ_２）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）ガスなどである。吸気管１０１は、供給するガスの流量を精密に制御する機構を備えていてもよい。

排気管１０２は、チェンバー１１０内部のガスを外部に排気するための管である。

バルブ１０３は、排気管１０２の排気流量を調整する。

排気ポンプ１０４は、排気管１０２及びバルブ１０３を介してチェンバー１１０内部のガスをチェンバー１１０外部に排気するためのポンプである。

基板ホルダ１０５は、ウェハ基板の状態のａ面サファイア基板１１を保持する。なお、基板ホルダ１０５は、同時に成膜される複数枚のａ面サファイア基板１１を保持してもよい。基板ホルダ１０５は、加熱機構を有しており、ａ面サファイア基板１１を４００℃以上１０００℃以下、好ましくは５００℃以上７００℃以下、より好ましくは５００℃以上６５０℃以下の範囲で、例えば６００℃の温度で保持することが可能でもよい。基板ホルダ１０５は、ターゲット１０７からａ面サファイア基板１１を見込む角度を任意に制御することができる機構を有していてもよい。基板ホルダ１０５は、スパッタ成膜中にａ面サファイア基板１１を自転あるいは公転させることが可能でもよい。

ターゲット１０７は、ターゲットホルダに保持される。なお、ターゲットホルダは、異なる材料からなる複数種類のターゲットを保持してもよい。また、ターゲットホルダは、スパッタリングの対象となるターゲット１０７を切り替えることで、チェンバー１１０を高真空に保持したまま、複数の異なる材料を連続してスパッタリングすることが可能な構成でもよい。また、スパッタ装置１００は、複数の異なる材料を同時にスパッタリングすることが可能な構成でもよい。ターゲット１０７の形状は、例えば直径１０ｃｍの円形である。ターゲット１０７は、矩形あるいはそれ以外の形状であってもよい。また、ターゲット１０７は、Ａｌを含む。例えば、金属Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＡｌ以外の金属を含むＡｌ合金である。

高圧電源１０９は、ａ面サファイア基板１１とターゲット１０７との間に高周波電圧を印加する。高周波電圧は、例えば、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電圧である。高周波電圧のＲＦ電圧成分は、ａ面サファイア基板１１とターゲット１０７との間において、吸気管１０１から供給されたガスをプラズマ化する。プラズマ化されたガスは、セルフバイアス又は外部電源が印加したＤＣ電圧成分に起因する電界によってターゲット１０７に衝突し、ターゲット１０７の表面の原子を弾き出す（スパッタリングする）。弾き出された原子は、スパッタリングで与えられた運動エネルギーに従って、ａ面サファイア基板１１に向かって飛び、付着する。その結果、ａ面サファイア基板１１上にターゲット１０７を原料とする膜、あるいはターゲット１０７を構成する材料と吸気管１０１から供給されたガスとの化合物からなる膜が形成される。高周波電圧の電圧は、例えば、０～５０００Ｖ、高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚでよい。ＤＣ電圧成分は０から２０００Ｖが設定できる。

なお、図２のスパッタ装置１００では、高周波電圧を用いるいわゆるＲＦスパッタの例を示したが、直流電圧を用いるＤＣスパッタでもよい。また、電圧は、ある一定の時間幅を有するパルス状に印加されてもよい。ＤＣスパッタの場合、ターゲット１０７となる材料は、導電性を有する必要がある。

永久磁石１０８は、プラズマ中の電子をターゲット１０７の近傍に拘束するための磁界を形成する。これにより、ターゲット１０７近傍のプラズマ密度を高めてスパッタリング速度を上昇させる。また、ａ面サファイア基板１１からプラズマを遠ざけることにより、ａ面サファイア基板１１に対して電子又は荷電粒子が照射されてＡｌＮ層１２の結晶品質が低下することを防ぐ。また、スパッタ装置１００は、永久磁石１０８を有さなくてもよい。スパッタ成膜中に永久磁石１０８を任意に動かすことが可能でもよい。ターゲット１０７及び永久磁石１０８の付近は、冷却水によって冷却されているため、ターゲット１０７の温度上昇が抑えられる。

また、図２のスパッタ装置１００では、ａ面サファイア基板１１がターゲット１０７よりも上側に対向して配置されるスパッタアップ型（又はフェイスダウン型）の構成例を説明したが、これに限らない。スパッタ装置１００は、ａ面サファイア基板１１がターゲット１０７よりも下に対向して配置されるスパッタダウン型（フェイスアップ型）でもよい。さらに、スパッタ装置１００は、ａ面サファイア基板１１がターゲット１０７の側方に対向して配置されサイドスパッタ型（サイドフェイス型）でもよい。

図２において、ａ面サファイア基板１１とターゲット１０７の間の距離は、例えば１４５ｍｍである。

次に、図３のフローチャートを用いて、窒化物半導体基板１０の製造方法について説明する。

図３に示すように、窒化物半導体基板１０の製造方法は、スパッタ装置１００内にａ面サファイア基板１１を準備する第１工程（Ｓ２１）と、スパッタ装置１００内に成膜材料であるＡｌを含むターゲット１０７を準備する第２工程（Ｓ２２）と、４００℃以上１０００℃以下の温度で保ちながらターゲット１０７をスパッタリングすることにより、ＡｌＮ層１２をａ面サファイア基板１１のａ面上に成膜する第３工程（Ｓ２３）とを有する。さらに、窒化物半導体基板１０の製造方法は、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１をアニールすることで、ＡｌＮ層１２及びａ面サファイア基板１１の格子不整合によるＡｌＮ層１２の引張歪とＡｌＮ層１２及びａ面サファイア基板１１の熱膨張不整合によるＡｌＮ層１２の圧縮歪とが互いに打ち消す処理を施す第４工程（Ｓ２４）を有する。具体的には、第４工程（Ｓ２４）では、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１を、１４００℃以上１７５０℃以下の温度でアニールする。なお、引張歪及び圧縮歪の詳細は、図８及び図９を用いて、後述する。

すなわち、窒化物半導体基板１０の製造方法は、大きく分けて、第１工程（Ｓ２１）、第２工程（Ｓ２２）、第３工程（Ｓ２３）及び第４工程（Ｓ２４）を有する。

第１工程（Ｓ２１）では、スパッタ装置１００内の基板ホルダ１０５にａ面サファイア基板１１を準備する。このａ面サファイア基板１１の表面は、単一原子層又は単一分子層からなるステップテラス構造が形成されていてもよい。このａ面サファイア基板１１の裏面は、光学的に鏡面になるように研磨されていてもよいし、粗面化加工が施されていてもよい。このａ面サファイア基板１１の裏面に、ＡｌＮ又はＡｌＮ以外の材料からなる層が成膜されていてもよい。基板ホルダ１０５は、例えば、２インチのウェハ基板を４枚以上保持可能な構成でもよい。基板ホルダ１０５は、２インチ以上のサイズの基板を保持可能な構成でもよい。

第１工程（Ｓ２１）の前段階として、図２には示されていないがチェンバー１１０と隣接して設けられ、独立して大気開放及び真空排気が可能なロードロックチェンバーにａ面サファイア基板１１を配置しする工程があってもよい。当該工程では、ロードロックチェンバー内で十分に高い真空度まで排気したのちに、真空下でａ面サファイア基板１１をロードロックチェンバーからチェンバー１１０へ搬送し、ａ面サファイア基板１１をチェンバー１１０内の基板ホルダに設置してもよい。これにより、基板ホルダ１０５にａ面サファイア基板１１を配置する際、チェンバー１１０が大気に曝露されることがなくなるため、チェンバー１１０内を常に高い真空度に維持することが可能となる。その結果、スパッタ成膜されたＡｌＮ層１２の結晶品質を安定的に制御することが可能となる。ａ面サファイア基板１１をチェンバー１１０内に搬送するまでに、ロードロックチェンバーの圧力は、例えば１×１０^－４Ｐａ以下まで低減されることが望ましい。

第２工程（Ｓ２２）では、スパッタ装置１００内に成膜材料であるターゲット１０７を準備する。本実施の形態に係るターゲット１０７は、Ａｌ又はＡｌＮの焼結体である。

第１工程（Ｓ２１）及び第２工程（Ｓ２２）おいて、ａ面サファイア基板１１及びターゲット１０７を配置してから、第３工程（Ｓ２３）においてスパッタ成膜を開始するまでに、十分な時間をかけて、チェンバー１１０は、真空排気される。さらに、真空排気する際に、ａ面サファイア基板１１がスパッタ成膜時と同じかそれよりも高い温度に保持された状態で、チェンバー１１０は、真空排気される。このような方法を用いて、チェンバー１１０の圧力を下げることが望ましい。このように、チェンバー１１０内の残留ガス濃度が低減されることで、スパッタ成膜されたＡｌＮ層１２の結晶品質を安定的に制御することが可能となる。また、ａ面サファイア基板１１を加熱しながらチェンバー１１０を真空排気することにより、ａ面サファイア基板１１がチェンバー１１０内に配置される前に、ａ面サファイア基板１１の表面に吸着した水分を効果的に除去することができる。これにより、スパッタ成膜されたＡｌＮ層１２の結晶品質を安定的に制御することが可能となる。第３工程（Ｓ２３）を開始する前に、チェンバー１１０の圧力を、例えば６×１０^－５Ｐａ以下まで低減することが望ましい。

第３工程（Ｓ２３）では、４００℃以上１０００℃以下の温度で保ちながらターゲット１０７をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含むＡｌＮ層１２がａ面サファイア基板１１上に成膜される。また、好ましくは、第３工程（Ｓ２３）では、５００℃以上７００℃以下の温度で保ちながらターゲット１０７をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含むＡｌＮ層１２がａ面サファイア基板１１上に成膜される。また、より好ましくは、第３工程（Ｓ２３）では、５００℃以上６５０℃以下の温度で保ちながらターゲット１０７をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含むＡｌＮ層１２がａ面サファイア基板１１上に成膜される。また、第３工程（Ｓ２３）では、ａ面サファイア基板のｍ面とＡｌＮ層のｍ面とのなす角度が５°以下であるＡｌＮ層を成膜してもよい。さらに、第３工程（Ｓ２３）では、０．５Ｐａよりも小さいスパッタ圧力でターゲット１０７をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含むＡｌＮ層１２がａ面サファイア基板１１上に成膜されてもよい。より具体的に説明すると、チェンバー１１０のスパッタ圧力は、０．５Ｐａ以下の所望の圧力になるように、吸気管から供給されるガスの流量、排気ポンプ１０４の排気速度及びバルブ１０３の開度により調整される。基板ホルダ１０５の加熱機構によって、ａ面サファイア基板１１の表面温度は、４００℃以上１０００℃以下、好ましくは５００℃以上７００℃以下、より好ましくは５００℃以上６５０℃以下の範囲内の温度、例えば約６００℃に保たれる。このような温度範囲とすることで、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とのなす角度が３０°ずれて配置されることはなく、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とは、一致しやすい。具体的には、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とのなす角度は、５°以下である。つまり、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とは、実質的に平行になる。すなわち、この方法で作製された窒化物半導体基板１０は、劈開面として、ｍ面を利用することができる。

吸気管１０１は、不活性ガスとして、例えば窒素ガスを供給する。窒素ガスの流量は、例えば、１０～１００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｕｂｉｃ Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ）である。単位ｓｃｃｍは、０℃、１気圧で標準化された単位である。高圧電源１０９の高周波電圧は、数百Ｖであり、高周波電圧の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚである。高圧電源１０９からターゲット１０７に供給する電力は、例えば２００～１０００Ｗである。スパッタリングする時間は、成膜すべきＡｌＮ層１２の所望する膜厚とターゲットに供給する電力に応じて定めればよい。

また、第３工程（Ｓ２３）の一部として、ＡｌＮ層１２の成膜を開始する前に、ａ面サファイア基板１１とターゲット１０７との間にシャッターを配置した状態で、プラズマを発生させ、ターゲット１０７をスパッタリングする工程があってもよい。この状態では、ターゲットからスパッタされた原子は、シャッターにさえぎられ、ａ面サファイア基板１１に到達しない。また、この工程を経ることでターゲット１０７の表面に付着した不純物を除去することが可能となる。シャッターを配置した状態で、十分な時間をかけてターゲット１０７の表面をスパッタリングし、シャッターを取り除いた後に、ａ面サファイア基板１１の表面にＡｌＮ層１２の成膜が開始されてもよい。これにより、その後スパッタ成膜されたＡｌＮ層１２の結晶品質を安定的に制御することが可能となる。

ＡｌＮ層１２の膜厚について詳細は後述するが、クラック抑制の観点からは、膜厚は、４００ｎｍ以下でよい。また、ＡｌＮ層１２の膜厚が大きいほど、チェンバー１１０のスパッタ圧力は、小さくなるように制御される。すなわち、ＡｌＮ層１２の狙いの膜厚が大きいときは、チェンバー１１０のスパッタ圧力は、小さく、かつ、一定の値に保たれながら、ＡｌＮ層１２は、成膜される。

例えば、クラック抑制のためにはチェンバー１１０のスパッタ圧力をＰ（Ｐａ）以下、ＡｌＮ層１２の膜厚をＴ（ｎｍ）以下としたとき、（Ｐ、Ｔ）の組は、（０．２、３２０）及び（０．４、２４０）の少なくとも一つを満たすようにしてもよい。あるいは、スパッタ圧力ＰとＡｌＮ層１２の膜厚Ｔが以下の範囲に含まれるように選択してもよい。すなわち、Ｐ≦０．４かつＴ≦２４０に含まれる範囲の中から選択してもよい。

より好ましくは、（Ｐ、Ｔ）の組は、（０．１、４００）及び（０．２、２４０）の少なくとも一つを満たすようにしてもよい。この場合においてスパッタ圧力、膜厚が上記以外の値の場合は、スパッタ圧力ＰとＡｌＮ層１２の膜厚Ｔが以下の範囲に含まれるように選択してもよい。すなわち、Ｐ≦０．４かつＴ≦２４０に含まれる範囲の中から選択してもよい。

さらに好ましくは、（Ｐ、Ｔ）の組は、（０．１、３２０）及び（０．２、１６０）の少なくとも一つを満たすようにしてもよい。この場合においてスパッタ圧力、膜厚が上記以外の値の場合は、スパッタ圧力ＰとＡｌＮ層１２の膜厚Ｔが以下の範囲に含まれるように選択してもよい。すなわち、Ｐ≦０．２かつＴ≦１６０に含まれる範囲の中から選択してもよい。

第４工程（Ｓ２４）では、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１をアニールする。第４工程（Ｓ２４）をアニール処理とも呼ぶ。

より具体的に説明すると、まず、第３工程（Ｓ２３）によってＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１は、アニール装置の内部に配置される。アニール装置は、アニール処理が可能な装置であればよく、スパッタ装置１００とは別の装置であってもよいし、スパッタ装置１００であってもよい。アニール装置内部でのａ面サファイア基板１１の配置は、次のように行う。成膜されたＡｌＮ層１２の主面は、ＡｌＮ層１２の主面から窒化物半導体成分の解離を抑制するためのカバー部材により覆われ、成膜されたＡｌＮ層１２の主面は、気密状態になる。ここで、「解離」とは、ＡｌＮ層１２の主面からその成分（窒素及びアルミニウム等）が離脱して抜け出すことであり、昇華、蒸発及び拡散が含まれる。また、窒化物半導体の「主面」とは、その上に他の材料が積層（又は形成）される場合における積層（形成）される側の表面をいう。

次に、アニール装置内の不純物は、排気により排出され、アニール装置内は、真空となる。続いて、不活性ガス又は混合ガスがアニール装置内へ流入し、アニール装置内のガス置換が完了する。その後に、気密状態に配置されたＡｌＮ層１２は、アニールされる。このとき、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１の温度は、１４００℃以上１７５０℃以下である。また、好ましくは、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１の温度は、１６５０℃以上１７５０℃以下である。さらに、アニール装置内は、窒素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気下又は不活性ガスにアンモニアガスを添加した混合ガス雰囲気下である。

このようにアニール処理を行うことで、ＡｌＮ層１２の結晶性を高くすることができる。すなわち、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

また、アニール装置内の不活性ガス又は混合ガスの圧力は、高温時の防爆強度等の関係から０．５～２気圧程度に設定される。原理的には、これらのガスに含まれる窒素ガスの分圧が高くなるほど、ＡｌＮ層１２の結晶性の向上及び表面粗れの抑制が期待できる。しかしながら、これらのガスの圧力は、１気圧前後に設定してもよい。ここで圧力単位の関係は１気圧＝１０１，３２５Ｐａ（パスカル）＝７６０Ｔｏｒｒである。

なお、アニール装置は、一定の体積を持った加熱容器であって、基板温度を５００℃～１８００℃で制御できる機能を有するものであればよい。また、アニール装置は、装置内に導入する不活性ガス及び混合ガスの圧力及び流量を制御できる機能を有するものであればよい。

第４工程（Ｓ２４）では、成膜されたＡｌＮ層１２の主面は、カバー部材に覆われる。このとき、ＡｌＮ層１２の主面は、アニール装置に対し上向き又は下向きのいずれでもよい。さらに、アニール装置は、カバー部材と基板との間に任意の圧力を印加する機構を備えていてもよい。アニール装置は、複数枚のＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１を同時に熱処理することが可能であってもよい。

次に、第４工程（Ｓ２４）における気密状態について説明する。

気密状態とは、アニール装置内で実現される状態である。気密状態とは、ＡｌＮ層１２の主面からその成分（窒素及びアルミニウム等）が解離するのを抑制するためのカバー部材を用いてＡｌＮ層１２の主面が覆われた状態である。つまり、気密状態は、物理的な手法で、ＡｌＮ層１２の主面からその成分が解離するのを抑制している。この状態では、カバー部材とＡｌＮ層１２の主面との間におけるガスが実質的に流れない滞留状態となる。

このような気密状態において、窒化物半導体基板１０をアニールすることで、ＡｌＮ層１２の主面からその成分が解離することを抑制する。その結果、成分解離による主面の表面粗さが上昇することを抑制できる。また、気密状態において、窒化物半導体基板１０をアニールすることで、より高温でのアニールが可能となる。その結果、ＡｌＮ層１２は、表面が平坦、かつ、高品質となる。

また、気密状態を実現する方法は、上記に限られない。図４は、図３に示される第４工程（Ｓ２４）における気密状態の一例を示す図である。この一例においては、第４工程（Ｓ２４）前のＡｌＮ層１２が形成された窒化物半導体基板１０が、２つ用意される。図４には、第４工程（Ｓ２４）前のＡｌＮ層１２が形成された一方の窒化物半導体基板１０の上方に、第４工程（Ｓ２４）前のＡｌＮ層１２が形成された他方の窒化物半導体基板１０が、２つのＡｌＮ層１２がお互いに相対する向きで、載置された状態の断面図である。

この態様では、２つのＡｌＮ層１２は、表面の中央部において５～２０μｍ程度、凹んだ構造を有するので、２つのＡｌＮ層１２の間には、最大間隔で１０～４０μｍの気密空間５０が形成される。

図４に示される気密状態は、第４工程（Ｓ２４）前の２つの窒化物半導体基板１０の最表面同士が対向するように、一方の窒化物半導体基板１０の上方に他方の窒化物半導体基板１０が配置された状態に相当する。

すなわち、下方に位置する一方の窒化物半導体基板１０のカバー部材は、上方に位置する他方の窒化物半導体基板１０である。また、上方に位置する他方の窒化物半導体基板１０のカバー部材は、下方に位置する一方の窒化物半導体基板１０である。

このような気密状態により、窒化物半導体基板１０の上に、最表面が対向する向きで、単に、別の窒化物半導体基板１０を載せるだけで、気密状態が実現される。つまり、このような気密状態の実現には、特別な治具が不要であり、簡単に気密状態が実現される。また、２つの窒化物半導体基板１０を同時にアニールすることができる。

なお、第３工程（Ｓ２３）のスパッタリングにおける不活性ガスは、窒素ガスに限らず、アルゴンガス、ヘリウムガス又は窒素ガスとアルゴンガス、ヘリウムガスの混合気体でもよい。

図３に示した窒化物半導体基板１０の製造方法によれば、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とのなす角度が５°以下であり、かつＡｌＮ層１２のクラックが少なく結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。すなわち、ｍ面を劈開面として利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。

ここで、クラックとは、例えば、ＡｌＮ層１２の主面に生じるＡｌＮの破断である。クラックは、窒化物半導体基板１０を含む光半導体デバイスにおいて電流リークの原因となる。そのため、クラックは、窒化物半導体基板１０を用いた光半導体デバイスの作製において歩留まりを低下させる要因となる。また、クラックを起点として、ＡｌＮ層１２がａ面サファイア基板１１から剥離する場合がある。剥離したＡｌＮ層１２は、光半導体デバイス作製工程においてパーティクルとなり、歩留まりを低下させる要因となる。

そのため、クラックの発生を抑制することは、重要である。

次に、図３に示す第３工程（Ｓ２３）におけるスパッタ圧力と、クラック発生との関係について説明する。

［窒化物半導体基板の特性評価］
図５Ａは、図２に示すターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。図５Ｂは、図２に示すターゲット１０７がＡｌＮである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。

まず、ターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０について、説明する。図５Ａの（ａ）は、スパッタ圧力が０．２Ｐａ、ＡｌＮ層１２の膜厚が２００ｎｍである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。また、図５Ａの（ｂ）は、スパッタ圧力が０．１Ｐａ、ＡｌＮ層１２の膜厚が３００ｎｍである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。さらに、図５Ａの（ｃ）は、スパッタ圧力が０．１Ｐａ、ＡｌＮ層１２の膜厚が４００ｎｍである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。図５Ａの（ａ）及び図５Ａの（ｃ）が示す窒化物半導体基板１０はいずれも、複数の斜め線が存在しており、この複数の斜め線は、クラックを表している。一方で、図５Ａの（ｂ）が示す窒化物半導体基板１０には、斜め線が存在せず、クラックが発生していない。

なお、図示しないが、スパッタ圧力が０．２Ｐａであり、ＡｌＮ層１２の膜厚が１００ｎｍである窒化物半導体基板１０には、クラックが存在しない。また、図示しないが、スパッタ圧力が０．１Ｐａであり、ＡｌＮ層１２の膜厚が１００ｎｍ及び２００ｎｍである窒化物半導体基板１０には、クラックが存在しない。

つまり、スパッタ圧力が０．２Ｐａかつ膜厚が２００ｎｍ以上の場合、又は、スパッタ圧力が０．１Ｐａかつ膜厚が４００ｎｍ以上の場合において、ターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２には、破断（クラック）が生じる。すなわち、ＡｌＮ層１２の膜厚が大きいほど、スパッタ圧力を小さくすることで、膜厚が大きく、かつ、クラックが少なく結晶性の高いＡｌＮ層１２を得ることができる。

同様の現象が、ターゲット１０７としてＡｌＮを用いる条件下でも起こる。図５Ｂの（ａ）は、スパッタ圧力が０．２Ｐａ、ＡｌＮ層１２の膜厚が２００ｎｍである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。また、図５Ｂの（ｂ）は、スパッタ圧力が０．０５２Ｐａ、ＡｌＮ層１２の膜厚が３００ｎｍである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。さらに、図５Ｂの（ｃ）は、スパッタ圧力が０．０５２Ｐａ、ＡｌＮ層１２の膜厚が４００ｎｍである窒化物半導体基板１０の表面の顕微鏡写真を示す図である。図５Ｂの（ａ）及び図５Ｂの（ｃ）が示す窒化物半導体基板１０はいずれも、複数の斜め線が存在しており、この複数の斜め線は、クラックを表している。一方で、図５Ｂの（ｂ）が示す窒化物半導体基板１０には、斜め線が存在せず、クラックが発生していない。

なお、図示しないが、スパッタ圧力が０．２Ｐａであり、ＡｌＮ層１２の膜厚が１００ｎｍである窒化物半導体基板１０には、クラックが存在しない。また、図示しないが、スパッタ圧力が０．０５２Ｐａであり、ＡｌＮ層１２の膜厚が１００ｎｍ及び２００ｎｍである窒化物半導体基板１０には、クラックが存在しない。

つまり、スパッタ圧力が０．２Ｐａかつ膜厚が２００ｎｍ以上の場合、又は、スパッタ圧力が０．０５２Ｐａかつ膜厚が４００ｎｍ以上の場合において、ターゲット１０７がＡｌＮである窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２には、破断（クラック）が生じる。すなわち、ＡｌＮ層１２の膜厚が大きいほど、スパッタ圧力を小さくすることで、膜厚が大きく、かつ、クラックが少なく結晶性の高いＡｌＮ層１２を得ることができる。従って、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。また、この傾向は、ターゲット１０７の種類に依存しない。

図６Ａは、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ測定より得られた回折ピークの半値幅を示す図である。図６Ｂは、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブ測定より得られた回折ピークの半値幅を示す図である。

具体的には、図６Ａ及び図６Ｂは、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ：Ｘ－Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて、ＡｌＮの（０００２）面と、（１０－１２）面とにおけるＸ線回折のロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定を行った結果を示す図である。また、図６Ａ及び図６Ｂは、ＡｌＮ層１２の膜厚が１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ及び４００ｎｍであり、かつ、図２に示すターゲット１０７がＡｌ又はＡｌＮである窒化物半導体基板１０について測定を行った結果を示す図である。

ＡｌＮの結晶性は、（０００２）面及び（１０－１２）面のＸ線ロッキングカーブ測定で得られる回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ、以下単に半値幅と呼ぶ）の値により確認することができる。

このＸＲＣ半値幅が小さいほど、つまり、得られる回折ピークがシャープなほど結晶性が良好であることを示す。なお、ＸＲＣの半値幅の単位は、角度を表わすａｒｃｓｅｃである。

図６Ａに示されるように、ＡｌＮ層１２の膜厚が１００ｎｍ～４００ｎｍである本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０は、（０００２）面におけるＸＲＣ半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下である。具体的には、ターゲット１０７がＡｌの場合には、ＸＲＣ半値幅は、１７．８ａｒｃｓｅｃ（１００ｎｍ）、２５．３ａｒｃｓｅｃ（２００ｎｍ）、２４．３ａｒｃｓｅｃ（３００ｎｍ）、２０２ａｒｃｓｅｃ（４００ｎｍ）である（括弧内の数値は、ＡｌＮ層１２の膜厚を示す。以下同じ）。また、ターゲット１０７がＡｌＮの場合には、２３．９ａｒｃｓｅｃ（１００ｎｍ）、２７．４ａｒｃｓｅｃ（２００ｎｍ）、２２．９ａｒｃｓｅｃ（３００ｎｍ）、６２．６ａｒｃｓｅｃ（４００ｎｍ）である。ターゲット１０７がＡｌ又はＡｌＮのいずれの場合においても、ＸＲＣ半値幅は、低い値を示し、ＡｌＮ層１２は、高い結晶性を持つ。

すなわち、ＡｌＮ層１２の膜厚が４００ｎｍ以下である本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０は、（０００２）面のＸＲＣ半値幅が低く、（０００２）面の結晶性が高い。さらに、ＡｌＮ層１２の膜厚が３００ｎｍ以下である本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０は、ＡｌＮ層１２の膜厚が４００ｎｍである本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０と比べ、（０００２）面のＸＲＣ半値幅がより低く、（０００２）面の結晶性がより高い。

また、図６Ｂに示されるように、ターゲット１０７がＡｌ又はＡｌＮのいずれの場合においても、（１０－１２）面におけるＸＲＣ半値幅は、５００ａｒｃｓｅｃ以下であり、ＡｌＮ層１２の膜厚増加に伴い、低下する。具体的には、ターゲット１０７がＡｌの場合には、ＸＲＣ半値幅は、４５０ａｒｃｓｅｃ（１００ｎｍ）、２８２ａｒｃｓｅｃ（２００ｎｍ）、２２８ａｒｃｓｅｃ（３００ｎｍ）、２１２ａｒｃｓｅｃ（４００ｎｍ）である。ターゲット１０７がＡｌＮの場合には、ＸＲＣ半値幅は、４５４ａｒｃｓｅｃ（１００ｎｍ）、２６２ａｒｃｓｅｃ（２００ｎｍ）、２１４ａｒｃｓｅｃ（３００ｎｍ）、１８２ａｒｃｓｅｃ（４００ｎｍ）である。すなわち、（１０－１２）面の結晶性は、ＡｌＮ層１２の膜厚増加に伴い、向上する。

以上の様に、窒化物半導体基板１０において、ＡｌＮ層１２の膜厚を４００ｎｍ以下とすることができる。さらに、窒化物半導体基板１０において、ＡｌＮ層１２の（０００２）回折におけるＸＲＣ半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下、ＡｌＮ層１２の（１０－１２）回折におけるＸＲＣ半値幅を５００ａｒｃｓｅｃ以下とすることができる。これにより、ＡｌＮ層１２の結晶性を高くすることができる。すなわち、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

さらに、窒化物半導体基板１０において、ＡｌＮ層１２の膜厚を３００ｎｍ以下とすることができる。さらに、窒化物半導体基板１０において、ＡｌＮ層１２の（０００２）回折におけるＸＲＣ半値幅を５０ａｒｃｓｅｃ以下、ＡｌＮ層１２の（１０－１２）回折におけるＸＲＣ半値幅を５００ａｒｃｓｅｃ以下とすることができる。これにより、ＡｌＮ層１２の結晶性をより高くすることができる。すなわち、窒化物半導体基板１０の結晶性をより高くすることができる。

図７は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０のＸ線回折装置（ＸＲＤ）によるＸ線回折測定結果を示す図である。図７は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によるａ面サファイア基板１１の｛３－３００｝面と、ＡｌＮ層１２の｛１－１０２｝面とについてアジマス角（φ）スキャンし、得られたＸ線回折スペクトルを示す。

ａ面サファイア基板１１の｛３－３００｝面及びＡｌＮ層１２の｛１－１０２｝面のＸ線回折スペクトルには、φが９０°及び－９０°付近において、強い回折ピークが確認される。この強い回折ピークは、六方晶構造のｍ面に起因する回折ピークである。つまり、ａ面サファイア基板１１のｍ面及びＡｌＮ層１２のｍ面の両面は、平行であることを示している。前記したａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とのなす角度が５°以下であることは、この測定結果から導いた数値であり、実測値は、１．１°であった。なお、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によるＸ線回折測定の分解能は、０．１°である。

ここで、本実施の形態に係るＡｌＮ層１２の面内格子歪について図８及び図９及び表１を用いて説明する。

ａ面サファイア基板１１とＡｌＮ層１２と間に発生する格子不整合及び熱膨張不整合によって、ＡｌＮ層１２の面内格子歪は、決定される。

まず、格子不整合について説明する。図８は、本実施の形態に係るａ面サファイア基板１１及びＡｌＮ層１２の単位格子を示す図である。より具体的には、図８は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０を、上方から観察した場合の平面図である。斜線を付した長方形は、ａ面サファイア基板１１のサファイアのａ面の単位格子を示す。実線の六角形は、ＡｌＮ層１２のＡｌＮのｃ面の単位格子を示す。また、図８における、ａ－Ｓａｐ［１－１００］／／ｃ－ＡｌＮ［１－１００］は、サファイアのａ面の［１－１００］軸とＡｌＮのｃ面の［１－１００］軸とが平行である方向を示す。同様に、ａ－Ｓａｐ［０００１］／／ｃ－ＡｌＮ［１１－２０］は、サファイアのａ面の［０００１］軸とＡｌＮのｃ面の［１１－２０］軸とが平行である方向を示す。さらに、以下では、サファイアのａ面の［０００１］軸と平行な方向は、／／ａ－Ｓａｐ［０００１］と表記し、サファイアのａ面の［１－１００］軸と平行な方向は、／／ａ－Ｓａｐ［１－１００］と表記する。

また、サファイアの単位格子を紙面横方向に２つ（一方は、斜線を付した長方形で示され、もう一方は、区別のために、斜線のない長方形で示される）並べたスーパーセルの大きさは、サファイアのc軸格子定数を１２．９９２Å、a軸格子定数を４．７５８８Åとすると１６．１７０Å×１２．４４８Åとなる。

一方、ＡｌＮの単位格子を図８に示すように配置し、ａ軸格子定数(すなわち、六角形の一辺)を３．１１２Åとすると、１６．１７０Å×１２、９９２ÅのＡｌＮのスーパーセルがサファイアのスーパーセルにほぼ一致する。ここで、ＡｌＮ層１２の格子不整合率は、Δｓと表記し、サファイアの格子定数は、ｓ_ｓａｐと表記し、ＡｌＮの格子定数は、ｓＡｌＮと表記する。また、Δｓ＝（ｓ_ｓａｐ－ｓ_ＡｌＮ）／ｓ_ｓａｐである。

以上から、Δｓは、サファイアのａ面の［０００１］方向（ｃ軸方向）には、４．１９％、サファイアのａ面の［１－１００］方向（ｍ軸方向）には、１．１９％となり、両方向に引張歪が生じることが予想される。また、表１には、これらをまとめたものが示されている。

続いて、熱膨張不整合について説明する。と、熱膨張係数は、c軸方向とｍ軸方向とによって異なる。熱膨張係数は、表１に示される数値となる。表１を用いて計算されるＡｌＮ層１２の熱膨張係数不整合率は、Δｔと表記し、サファイアの熱膨張係数不整合率は、ｔ_ｓａｐと表記し、ＡｌＮの熱膨張係数不整合率は、ｔ_ＡｌＮと表記する。また、Δｔ＝（ｔ_ｓａｐ－ｔ_ＡｌＮ）／ｔ_ｓａｐである。表１に示される数値を用いて計算すると、Δｔは、サファイアのａ面の［０００１］方向（ｃ軸方向）には、３５．０％、サファイアのａ面の［１－１００］方向（ｍ軸方向）には、２７．６％である。この結果はすなわち、図３に示す第４工程（Ｓ２４）のアニール処理の降温時には、ＡｌＮ層１２に圧縮応力が生じ、特にサファイアのａ面の［０００１］方向（ｃ軸方向）の歪が大きくなることを示唆している。

以上のことから、格子不整合は引張歪、熱膨張不整合は圧縮歪をそれぞれ生じさせることになる。つまり、第４工程（Ｓ２４）においては、アニールすることで、ＡｌＮ層１２及びａ面サファイア基板１１の格子不整合によるＡｌＮ層１２の引張歪とＡｌＮ層１２及びａ面サファイア基板１１の熱膨張不整合によるＡｌＮ層１２の圧縮歪とを打ち消す処理が施される。

ここで、実験的にＡｌＮの格子定数から算出した歪について説明する。

図９は、本実施の形態に係るＡｌＮ層１２の異方的な面内格子歪を示す図である。より具体的には、図９は、本実施の形態に係るＡｌＮ層１２において、サファイアのａ面の［０００１］方向（ｃ軸方向）及び［１－１００］方向（ｍ軸方向）からＸ線を入射して測定した得られた面内格子歪の値を示す。

また、上記実験により得られた面内格子歪の値と、文献値より得られた面内格子歪の値を比較することで、上記実験により得られた面内格子歪が引張歪か圧縮歪かを判断することができる。本実施の形態においては、上記実験により得られた２つの面内格子歪は、圧縮歪であった。特にサファイアのａ面の［０００１］方向（ｃ軸方向）の歪が大きいことがわかる。

上述の通り、熱膨張不整合は、圧縮方向の歪を生じさせ、格子不整合は、引張方向の歪を生じさせるため、本実施の形態に係るＡｌＮ層１２は、熱膨張不整合による圧縮歪の影響が支配的であることを示唆している。

また、上述の通り、アニールすることで、格子不整合によるＡｌＮ層１２の引張歪と熱膨張不整合によるＡｌＮ層１２の圧縮歪とを打ち消す処理を施すことで、ＡｌＮ層１２の面内格子歪が抑制され、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

続いて、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２の極性について説明する。

図１０は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０を水酸化カリウム（ＫＯＨ）処理した後のＡｌＮ層１２の表面形状を示す図である。また、図１０の画像は、原子間力顕微鏡により窒化物半導体基板１０の表面状態を観察した像である。より具体的には、図１０の（ａ）は、ターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０を示す図であり、図１０の（ｂ）は、ターゲット１０７がＡｌＮである窒化物半導体基板１０を示す図である。なお、図１０の（ａ）及び図１０の（ｂ）が示す窒化物半導体基板１０はいずれも、ＡｌＮ層１２の膜厚が３００ｎｍである。

対象となる窒化物半導体基板１０を水酸化カリウム処理することで、窒化物半導体基板１０の極性が明らかになる。水酸化カリウム処理とは、対象物質を水酸化カリウム水溶液によって室温下で１０秒間浸漬する処理である。

エッチング後の表面の平均粗さを示すＲＭＳ値は、ターゲット１０７がＡｌである場合は、５１ｎｍ、ターゲット１０７がＡｌＮである場合は、０．７ｎｍであった。図１０の（ａ）に示されるターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０は、図１０の（ｂ）に示されるターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０に比べ、表面の粗さが増している。すなわち、図１０の（ａ）に示されるターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２は、溶解（エッチング）されていることが明らかである。

水酸化カリウム処理は、基板側にＮ極性をもつＡｌＮのみをエッチングする。そのため、図１０の（ａ）に示されるターゲット１０７がＡｌである窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２は、表面側がＡｌ極性であり、ａ面サファイア基板１１側がＮ極性である。一方、図１０の（ｂ）に示されるターゲット１０７がＡｌＮである窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２は、エッチングが生じていない。つまり、ターゲット１０７がＡｌＮである窒化物半導体基板１０のＡｌＮ層１２は、表面側がＮ極性であり、ａ面サファイア基板１１側がＡｌ極性である。

このように、ターゲット１０７の選択により、ＡｌＮ層１２の極性を制御することが可能である。

次に、窒化物半導体基板１０を用いた光半導体デバイスの一例について説明する。

光半導体デバイスは、窒化物半導体基板１０と、窒化物半導体基板１０上に形成された窒化物半導体層とを有する。例えば、窒化物半導体基板１０は、ａ面サファイア基板１１上に、ターゲット１０７がＡｌであるＡｌＮ層１２を作製することで、形成される。さらに、このような窒化物半導体基板１０上に、ターゲット１０７がＡｌＮであるＡｌＮ層１２を作製することで、極性反転構造を有する光半導体デバイスとなる。この光半導体デバイスは、ＳＨＧデバイスとして利用可能である。この場合、窒化物半導体層は、ターゲット１０７がＡｌＮであるＡｌＮ層１２である。

そこで、次に、窒化物半導体基板１０を用いた光半導体デバイスの一例であるＳＨＧデバイスの構成例について説明する。

図１１は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０を用いたＳＨＧデバイス３００の構成例を示す概略図である。図１１の（ａ）は、ＳＨＧデバイス３００の断面模式図である。また、図１１の（ｂ）は、ＳＨＧデバイス３００の斜視図である。

ＳＨＧデバイス３００は、導波路３０１と、ａ面サファイア基板１１で構成されるクラッド層３０２とを有している。導波路３０１は、－ｃＡｌＮ結晶層３０３と、＋ｃＡｌＮ結晶層３０４とを有している。－ｃＡｌＮ結晶層３０３と＋ｃＡｌＮ結晶層３０４とは、上述した製造方法で作製された極性反転構造となっている。つまりは、－ｃＡｌＮ結晶層３０３及び＋ｃＡｌＮ結晶層３０４は、ターゲット１０７がＡｌであるＡｌＮ層１２及びターゲット１０７がＡｌＮであるＡｌＮ層１２である。また、本実施の形態においては、－ｃＡｌＮ結晶層３０３及び＋ｃＡｌＮ結晶層３０４を総称して「ＡｌＮ結晶層」と記載する場合がある。

ここで、導波路３０１は、窒化物半導体基板１０を用いて、極性反転構造を有するＡｌＮ結晶層を導波路幅ｗ、導波路厚さｈ、導波路長ｌとなる形状の導波路に形成したものである。上述の通り、このＡｌＮ結晶層は、ターゲット１０７がＡｌであるＡｌＮ層１２及びターゲット１０７がＡｌＮであるＡｌＮ層１２からなる結晶層である。このときの導波路幅ｗ、導波路厚さｈ、導波路長ｌは、後述するように、導波路長ｌの方向つまり図１１の（ａ）に示すｙ軸方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。

ここで、図１１の（ａ）を用いて極性反転構造を中心とした、第二次高調波の発生の仕組みを説明する。

導波路３０１は、－ｃＡｌＮ結晶層３０３と＋ｃＡｌＮ結晶層３０４とにより構成され、光学非線形性を有している。光学非線形性を有する導波路３０１が第二次高調波（ＳＨ波）を得るには、位相整合条件を満たす必要がある。すなわち、導波路３０１に入力された光（基本波）と発生する光（ＳＨ波）とは、結晶中で進む速さが異なるため、光の位相がπ異なる場合には両者が打ち消しあってしまう。そこで、導波路３０１では、異方性結晶の複屈折を利用して位相整合させることが一般的である。すなわち、異方性結晶への入射角度を調整することにより、基本波とＳＨ波との屈折率を一致させる。これにより、導波路３０１において位相整合条件が満たされるので、効率よくＳＨ波を発生させることが可能となる。

ここで、ＡｌＮ結晶層は、自立基板の作製に大きなコストがかかることから、数ｍｍ角のＡｌＮ結晶を要する従来の複屈折位相整合方法は、実用的ではない。また、複屈折性が弱いことから、深紫外波長域では、複屈折を用いた位相整合は、そもそも不可能である。そこで、極性反転させたＡｌＮ結晶層（薄膜）を利用した疑似位相整合が用いられる。このＳＨＧデバイス３００からの出力は、下記の（式１）で示されるように、ｙ軸方向（伝搬方向）とｚ軸方向（垂直方向）の位相整合を満たす必要がある。このとき、ｙ軸方向の位相整合は、導波路中のモード分散を利用し、ｚ軸方向の位相整合は、ＡｌＮの極性反転を利用する。なお、（式１）において、ｌは、ｙ軸方向に延びる導波路の導波路長、ｋは、光の波数、ｄ３３、は非線形光学係数である。

まず、ｙ軸に関する項については、（式２）のように表せる。

（式２）において、λωは、基本波の波長、ｎωは、基本波における実効屈折率、ｎ２ωは、ＳＨ波における実効屈折率を示す。基本波とＳＨ波との実効屈折率が一致すると、Δｋは、０になり、第１項はｓｉｎｃ関数として１を示すため、高いＳＨＧ効率を得ることができる。ここでは、一般的な複屈折は、利用せず、上述したようにモード分散を利用することで位相整合条件を満たしている。つまり、ＳＨ波には導波路の層の中央に電界分布の節が存在する高次モードを用いることで、基底次モード間では一致することのない実効屈折率が一致する。

図１１の（ａ）は、導波路３０１を側面から見た図であり、図１１の（ｂ）は、導波路３０１の斜視図である。図１１の（ａ）では、ＡｌＮ結晶層により形成された導波路３０１を伝搬する基本波の電界分布（ＴＭ００ Ｅｚω）とＳＨ波の電界分布（ＴＭ０１ Ｅｚ２ω）とを実線で示している。また、図１２は、本実施の形態に係るＳＨＧデバイス３００の電界分布を示す図である。図１２の（ａ）に示された電界分布図は、ＴＭ００ Ｅｚωを、図１２の（ｂ）にＴＭ０１ Ｅｚ２ωの電界分布をｘｚ平面上にプロットした図である。図１２の（ａ）及び（ｂ）において、フィールド中にＢｌで指示している分布が正の値、Ｒｄで指示している分布が負の値を示している。

ここで、ＴＭとは、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅを意味しており、図１１の（ａ）では、ｘ軸方向にのみ磁界成分が存在するような電磁波を指す。さらに、ＴＭｉｊの添字ｉ、ｊはｘ軸方向とｚ軸方向のそれぞれの電界分布の節の数を表している。図１１の（ａ）では、ＴＭ００ Ｅｚωには節がないが、ＴＭ０１ Ｅｚ２ωには節が中央に１つ見られる。ＡｌＮは、屈折率が高く、サファイアは、屈折率が低いことを利用して、それぞれの材料における電界分布を調整することで、両者の実効屈折率を調整することができる。なお、図１１の（ａ）において、ＴＭ００ Ｅｚω及びＴＭ０１ Ｅｚ２ωのカーブを示した近傍に記載されている破線は、電界０の位置を示している。

例えば、厚さｈと導波路幅ｗとを適宜調整することにより電界分布を調整することができる。図１１の（ｂ）ではクラッド層３０２が残されているが、ａ面サファイア基板１１を全て剥離して、別のクラッド層を周囲全周施すことができる。ＳＨＧデバイス３００の場合には、別のクラッド層を酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）にすると、より光の閉じ込め効果を向上させ、波長変換効率を向上させることができる。

ただし、ＴＭ０１ Ｅｚ２ωは電界に正負があるため通常の単一の極性を有するＡｌＮ膜だと位相整合項の重なり積分が０になってしまうことが問題となる。そのため、上記した極性反転を行い、非線形光学係数ｄ３３（ｚ）の符号をＳＨ波電界分布の節にあたる膜厚において反転させる必要がある。これにより（式１）の積分項は非０の値になり、ＳＨＧ光が出力される。これらの取り組みにより、最終的にｙ軸方向とｚ軸方向の位相整合条件が満たされ、高効率なＳＨＧ出力を実現することができる。

このように、既存のＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）青色レーザを光源とし、窒化物半導体基板１０のＡｌＮ結晶層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるようなＳＨＧデバイス３００を用いて光学系を組むことができる。これによれば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。

なお、ＡｌＮ結晶層を非線形光学結晶として用いる利点として、次の３点が挙げられる。
（１）ＡｌＮ結晶層の吸収端波長は２１０ｎｍであるから、紫外の広い領域で透明である。
（２）既存の非線形光学結晶であるＢＢＯ（ホウ酸バリウム）やＣＬＢＯ（ホウ酸セシウムリチウム）よりも高い非線形光学係数ｄ３３を有する。
（３）ＡｌＮ結晶層は、化学的及び機械的に安定な材料であり、ＢＢＯやＣＬＢＯのような潮解性及び有毒性がない。

本実施の形態に係る光半導体デバイスは、窒化物半導体基板１０と、窒化物半導体基板１０上に形成された窒化物半導体層を有する。これによれば、結晶性が高い窒化物半導体基板１０の劈開面を利用でき、光半導体デバイスの特性が高くなる。

次に、図１３を用いて、本実施の形態に係る導波路３０１の設計例について説明する。

図１３は、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０を用いたＳＨＧデバイス３００の設計例に係る導波路幅ｗと実効屈折率との関係を示す図である。同図に示すグラフの横軸は導波路幅ｗ、縦軸は基本波（入射波長λ１＝５３２ｎｍ）とＳＨ波（出射波長λ２＝２６６ｎｍ）の実効屈折率を示している。導波路３０１を構成するＡｌＮ結晶層の膜厚はｈ＝１１０ｎｍ、導波路長はｌ＝１ｍｍとした。

図１３には、ＴＭ００ Ｅｚω及びＴＭ０１ Ｅｚ２ωの実効屈折率ｎｅｆｆ，１とｎｅｆｆ，２が導波路３０１の導波路幅ｗによって変化する曲線を示している。導波路３０１の導波路幅ｗを、２つの曲線の交点である導波路幅ｗ＝１．９４μｍにすると、実効屈折率の差がゼロとなり、波長変換効率は最大となる。本設計では、基本波にλ１＝５３２ｎｍの波長を用いたが、これは測定系の都合でＹＡＧレーザのＳＨ波を使用するためである。より短波長での波長変換を行う場合、λ１＝４５０ｎｍ付近の波長で設計を行えば、λ２＝２２５ｎｍのＳＨ波との間で位相整合を満たすことができる。

ここで、上述した設計例では、入射波長をλ１とし、ＳＨＧデバイス３００から出力される出力光の波長をλ２＝λ１／２とした場合の結晶層の入射波長における屈折率をｎ１、出射波長における屈折率をｎ２とする。さらに、上述した設計例では、ＡｌＮ結晶層の膜厚（導波路厚さｈ）をｈ＝１１０ｎｍに固定して導波路幅ｗの値を変化させたときに、ｎ１＝ｎ２となる導波路幅ｗの値を求めたものである。ｎ１とｎ２の許容差は（ｎ１－ｎ２）／ｎ１で計算した場合好ましくは０．１％以下、より好ましくは±０．００５％である。導波路３０１の設計はこれに限らず、例えば導波路幅ｗの値を固定してＡｌＮ結晶層の膜厚（導波路厚さｈ）を変化させるグラフを用いることもできる。

このように、入射波長をλ１とし、ＳＨＧデバイス３００の出力光の波長をλ２とした場合のＡｌＮ結晶層の入射波長における屈折率をｎ１、出射波長における屈折率をｎ２とする。さらに、導波路幅ｗ又は導波路厚さｈの値の一つを固定した後、導波路幅ｗ又は導波路厚さｈの固定していない値を変化させたときに、ｎ１＝ｎ２となるときの導波路幅ｗ又は導波路厚さｈの値が算出される。

なお、ターゲット１０７がＡｌであるＡｌＮ層１２及びターゲット１０７がＡｌＮであるＡｌＮ層１２の少なくとも一方のＸ線回折（１０－１２）のＸＲＣ半値幅は、１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることが望ましい。

［効果など］
以上の様に、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法は、スパッタ装置内にａ面サファイア基板１１を準備する第１工程（Ｓ２１）と、スパッタ装置内に成膜材料であるＡｌを含むターゲットを準備する第２工程（Ｓ２２）と、４００℃以上１０００℃以下の温度で保ちながらターゲットをスパッタリングすることにより、ＡｌＮ層１２をａ面サファイア基板１１のａ面上に成膜する第３工程（Ｓ２３）とを有する。

これにより、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とは、一致しやすく、かつＡｌＮ層１２のクラックが少なく結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。すなわち、ｍ面を劈開面として利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法において、ＡｌＮ層１２の膜厚は、４００ｎｍ以下である。

これにより、ＡｌＮ層１２の結晶性を高くすることができる。すなわち、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法は、第３工程（Ｓ２３）では、ＡｌＮ層１２の膜厚が大きいほどスパッタ圧力を小さくする。

これにより、膜厚が大きく、かつ、クラックが少なく結晶性の高いＡｌＮ層１２を得ることができる。すなわち、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法は、さらに、第３工程（Ｓ２３）後に、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１をアニールすることで、ＡｌＮ層１２及びａ面サファイア基板１１の格子不整合によるＡｌＮ層１２の引張歪とＡｌＮ層１２及びａ面サファイア基板１１の熱膨張不整合によるＡｌＮ層１２の圧縮歪とを打ち消す処理を施す第４工程（Ｓ２４）を有する。

これにより、ＡｌＮ層１２の面内格子歪が抑制され、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法において、第３工程（Ｓ２３）では、ａ面サファイア基板１１のｍ面とＡｌＮ層１２のｍ面とのなす角度が５°以下であるＡｌＮ層１２を成膜する。

これにより、ｍ面を劈開面として利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０の製造方法において、第４工程（Ｓ２４）では、ＡｌＮ層１２が成膜されたａ面サファイア基板１１を、１４００℃以上１７５０℃以下の温度でアニールする。

これにより、ＡｌＮ層１２の結晶性を高くすることができる。すなわち、窒化物半導体基板１０の結晶性を高くすることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０は、ａ面サファイア基板１１と、ａ面サファイア基板１１のａ面上に形成されたＡｌＮ層１２とを有する。さらに、本実施の形態に係るＡｌＮ層１２の膜厚は、４００ｎｍ以下である。さらに、本実施の形態に係るＡｌＮ層１２の（０００２）回折におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、ＡｌＮ層１２の（１０－１２）回折におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５００ａｒｃｓｅｃ以下である。

これにより、ａ面サファイア基板１１及びＡｌＮ層１２のｍ面が一致しやすく、かつＡｌＮ層１２のクラックが少なく結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。すなわち、ｍ面を劈開面として利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。

また、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１０は、ａ面サファイア基板のｍ面とＡｌＮ層のｍ面とのなす角度が５°以下である。

これにより、ｍ面を劈開面として利用でき、かつ、結晶性の高い窒化物半導体基板１０を得ることができる。

また、本実施の形態に係る光半導体デバイスは、上記記載の窒化物半導体基板１０と、窒化物半導体基板１０上に形成された窒化物半導体層とを有する光半導体デバイス。

これにより、結晶性が高い窒化物半導体基板１０の劈開面を利用でき、光半導体デバイスの特性が高くなる。

（実施の形態２）
なお、上記では、窒化物半導体基板を形成するために、ａ面サファイア基板１１が利用された。一方で、その他の方法として、ダイヤモンド基板が利用される。

ここでは、ダイヤモンド基板が利用される方法について、図１４～図２０を用いて説明する。

図１４は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板の材料特性と応用について説明する図である。ダイヤモンドは５．５ｅＶのバンドギャップと高い正孔導電性を活かしてパワーデバイスへの応用が期待されている。さらに近年では、窒素－空孔（ＮＶ）センターによる量子センシングにも注目が集まっている。一方、ＡｌＧａＮは深紫外ＬＥＤや高電子移動度トランジスタ等のデバイス研究が盛んに行われているが、低抵抗ｐ型形成が課題である。両材料の利点を組み合わせることで、導電性制御を可能にしたデバイス形成が期待できる。

また、ダイヤモンドは材料中でもっとも高い熱伝導率２２Ｗ／（ｃｍ Ｋ）を有しており、ヒートシンクとしても有用である。ＧａＮベースのパワーデバイスをダイヤモンド基板上に集積することで、高温度動作耐性を改善する研究も進められている。ただし、ダイヤモンド上への結晶成長は難しいため、現在はウェハ接合技術により集積がなされている。

図１５は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板の研究目的について説明する図である。ダイヤモンド上のＡｌＮ成長はＭＢＥ法、ＭＯＶＰＥ法、スパッタ法などにより報告されているが、スパッタと高温アニールを組み合わせた手法による報告はないため、本手法によるＡｌＮの成膜を検討した。

ＡｌＮやＧａＮなどの窒化物半導体をダイヤモンド上に成長する場合、（１１１）面と（００１）面が一般的に使用される。（１１１）面は３回回転対称を有するため、窒化物半導体を結晶成長すると６回回転対称の六方晶が成長する。ただし、（１１１）ダイヤモンド基板は（００１）ダイヤモンド基板から切り出して作製するため、サイズが数ｍｍ角かつ高価な点が課題である。一方で、（００１）面ダイヤモンドは１インチ以上の大型基板を利用可能で、単位面積あたりの価格が最も低いため、商業的に有利である。しかしながら４回回転対称であるために同じ４回回転対称である立方晶の窒化物半導体が成長されてしまったり、六方晶であっても２通りの結晶配向（ツインと呼ばれる）が存在するため、結晶性向上のためには面内配向をどちらか１つに安定化することが課題となる。

図１６は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板の先行研究について説明する図である。先行研究として、Ｒａｄｂｏｕｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＮｉｊｍｅｇｅｎとＫａｔｈｏｌｉｅｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ Ｌｅｕｖｅｎの研究を挙げる。（００１）面上に六方晶ＧａＮをＭＯＣＶＤ法で成長し、面内配向を｛１０－１１｝面の極点図により測定した結果、１２個のピークが観察された。この結果はＡ，Ｂの面内配向が存在していることを示している。同時に存在する２つの面内配向はツインと呼ばれ、バッファ層を厚膜化しても結晶性が改善しない原因となる。

この先行研究ではオフ角をつけることでツインの消滅を目指しているが、ＸＲＤで明瞭に確認できるほどのツインの消滅は達成できていなかった。本発明では、スパッタ成膜と高温アニール法を組み合わせたＡｌＮの成膜法を用いることで、ツインの消滅を達成している。

図１７は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板及び実験方法について説明する図である。表記の実験方法により、（００１）面ダイヤモンド上にＡｌＮ薄膜を成膜した。ダイヤモンド基板は［１１０］方向に約３°のオフ角がかかっている。後述するように、オフ角のある［１１０］方向とＡｌＮの［１１－２０］方向は一致することが確かめられており、面内配向の安定化（＝ツインの消滅）に支配的な影響を与えることを示唆している。オフ角の範囲は、０．５°から１０°の範囲で効果が期待できる。

図１８は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板及びＡｌＮの面内配向について説明する図である。Ｘ線回折のＰｈｉ角スキャンを行い、ダイヤモンド（１１１）回折、ＡｌＮ（１０－１２）回折のピークを測定した。これらのピークを測定することで結晶の回転対称性を確認することができ、ダイヤモンドとＡｌＮのピーク角度の関係により面内配向を調べることができる。

図１９は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板及びＡｌＮの面内配向について説明する図である。（００１）ダイヤモンド基板上にスパッタしアニール処理したＡｌＮ膜（厚さ２００、４００、６００ｎｍ）におけるダイヤモンド｛１１１｝回折、ＡｌＮ｛１０－１２｝回折のピークを示す。ダイヤモンドのピークが４５°、１３５°、２２５°、３１５°に現れるように基板を配置している。また、オフ角のついている［１１０］方向が４５°の方向を向くように基板を配置している。どの膜厚においても１５°、７５°、１３５°、１９５°、２５５°、３１５°の６つのピークが現れており、ツインは見られず、面内配向が安定化していることが初めて確認できた。さらに、オフ角のある［１１０］方向とＡｌＮの［１１－２０］方向がどのサンプルにおいても一致していることが示された。

図２０は、本実施の形態に係るダイヤモンド基板及びＡｌＮの実験結果について説明する図である。高温アニールにより結晶性の向上も確認することができた。

ＡｌＮ（０００２）回折のＸＲＣ半値幅はスパッタ成膜後４０００－６０００ａｒｃｓｅｃであり、高温アニールすると１０００－２０００ａｒｃｓｅｃまで改善することに成功した。

サファイア基板上の結果と比較すると結晶性は劣るが、高温アニールによる結晶性の改善は確認することができた。

（その他）
以上、実施の形態及び実施の形態の変形例に係る窒化物半導体基板１０の製造方法について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、光半導体デバイスは、ＳＨＧデバイス３００に限らず、レーザデバイス、光導波路デバイスなどの窒化物半導体基板の劈開面を利用した光半導体デバイスなどへ応用することができる。

その他、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態又は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

本発明は、ａ面サファイア基板上にＡｌＮ層が形成された窒化物半導体基板として、レーザデバイス、光導波路デバイス、ＳＨＧデバイスなどの窒化物半導体基板の劈開面を利用した光半導体デバイスとして利用することができる。

１０ 窒化物半導体基板
１１ ａ面サファイア基板
１２ ＡｌＮ層
５０ 気密空間
１００ スパッタ装置
１０１ 吸気管
１０２ 排気管
１０３ バルブ
１０４ 排気ポンプ
１０５ 基板ホルダ
１０７ ターゲット
１０８ 永久磁石
１０９ 高圧電源
１１０ チェンバー
３００ ＳＨＧデバイス
３０１ 導波路
３０２ クラッド層
３０３ －ｃＡｌＮ結晶層
３０４ ＋ｃＡｌＮ結晶層
Ｓ２１ 第１工程
Ｓ２２ 第２工程
Ｓ２３ 第３工程
Ｓ２４ 第４工程
ｄ３３ 非線形光学係数
ｈ 導波路厚さ
ｗ 導波路幅
ｌ 導波路長
λ１ 入射波長
λ２ 出力光の波長
ｎ１ 入射波長における屈折率
ｎ２ 出射波長における屈折率

Claims (5)

1. スパッタ装置内にａ面サファイア基板を準備する第１工程と、
   前記スパッタ装置内に成膜材料であるＡｌを含むターゲットを準備する第２工程と、
   ４００℃以上１０００℃以下の温度で保ちながら前記ターゲットをスパッタリングすることにより、ＡｌＮ層を前記ａ面サファイア基板のａ面上に成膜する第３工程とを有し、
   前記第３工程では、前記ＡｌＮ層の狙いの膜厚が大きいほどスパッタ圧力を小さくし、
   前記ＡｌＮ層の成膜中の前記スパッタ圧力は、一定に保たれる
   窒化物半導体基板の製造方法。
2. 前記ＡｌＮ層の膜厚は、４００ｎｍ以下である
   請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
3. さらに、前記第３工程後に、前記ＡｌＮ層が成膜された前記ａ面サファイア基板をアニールすることで、前記ＡｌＮ層及び前記ａ面サファイア基板の格子不整合による前記ＡｌＮ層の引張歪と前記ＡｌＮ層及び前記ａ面サファイア基板の熱膨張不整合による前記ＡｌＮ層の圧縮歪とを打ち消す処理を施す第４工程を有する
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
4. 前記第３工程では、前記ａ面サファイア基板のｍ面と前記ＡｌＮ層のｍ面とのなす角度が５°以下である前記ＡｌＮ層を成膜する
   請求項３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
5. 前記第４工程では、前記ＡｌＮ層が成膜された前記ａ面サファイア基板を、１４００℃以上１７５０℃以下の温度でアニールする
   請求項３又は４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。

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