(57)【要約】【課題】歩留まりが高いＡｌＮ分極反転構造の製造方法を提供する。【解決手段】ＡｌＮ分極反転構造の製造方法では、厚さ方向に分極した第１ＡｌＮ層１１の表面を、Ａｌ源ガス及びＮ源ガスが流通する雰囲気に曝し、第１ＡｌＮ層１１上にＡｌＮを結晶成長させて第１ＡｌＮ層１１とは分極が反転した第２ＡｌＮ層１２を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に分極した第１ＡｌＮ層の表面を、Ａｌ源ガス及びＮ源ガスが流通する雰囲気に曝し、前記第１ＡｌＮ層上にＡｌＮを結晶成長させて前記第１ＡｌＮ層とは分極が反転した第２ＡｌＮ層を形成するＡｌＮ分極反転構造の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたＡｌＮ分極反転構造の製造方法において、
前記Ａｌ源ガスによるＡｌ原子の供給モル数に対する前記Ｎ源ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を１以上２０以下とするＡｌＮ分極反転構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＮ分極反転構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザの開発において、既存のレーザに非線形光学結晶を組み合わせて第二次高調波発生（ＳＨＧ）を利用することが検討されている。ここで、非線形光学材料としては、例えば分極反転構造を含むＡｌＮ結晶が挙げられる。そして、非特許文献１には、その製造方法として、ｃ面サファイア基板上にスパッタリングによりＡｌＮを成膜したものを２個作製し、それらをＡｌＮ同士が当接するように重ねてアニーリングすることにより接合するＦＦＡ法（Face-to-Face Annealing）が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. Miyake et al., JCG, 456, 155 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＦＦＡ法では、ＡｌＮの全面を接合させることが困難であり、そのため歩留まりが低いという問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、歩留まりが高いＡｌＮ分極反転構造の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、厚さ方向に分極した第１ＡｌＮ層の表面を、Ａｌ源ガス及びＮ源ガスが流通する雰囲気に曝し、前記第１ＡｌＮ層上にＡｌＮを結晶成長させて前記第１ＡｌＮ層とは分極が反転した第２ＡｌＮ層を形成するＡｌＮ分極反転構造の製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、厚さ方向に分極した第１ＡｌＮ層上にＡｌＮを結晶成長させて第１ＡｌＮ層とは分極が反転した第２ＡｌＮ層を形成するので、第１及び第２ＡｌＮ層間の全面が概ね一様に接合された構造となり、そのため高い歩留まりを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１ＡｌＮ層形成工程を示す説明図である。
【図２】第２ＡｌＮ層形成工程を示す説明図である。
【図３】実施例におけるＡｌＮを結晶成長させたときのタイミングチャートである。
【図４Ａ】実施例で得られたＡｌＮ分極反転構造の表面の走査型顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】実施例で得られたＡｌＮ分極反転構造をＫＯＨ水溶液に３０秒浸した後の表面の走査型顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】実施例で得られたＡｌＮ分極反転構造をＫＯＨ水溶液に９０秒浸した後の表面の走査型顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
実施形態に係るＡｌＮ分極反転構造の製造方法は、第１ＡｌＮ層形成工程と、第２ＡｌＮ層形成工程とを含む。
【００１１】
（第１ＡｌＮ層形成工程）
第１ＡｌＮ層形成工程では、図１に示すように、ベース基板１０上に第１ＡｌＮ層１１を形成する。
【００１２】
ベース基板１０としては、例えば、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板等が挙げられる。ベース基板１０は、その主面がｃ面又は−ｃ面である。ここで、本願における「主面」とは、半導体の積層成長方向に対して垂直な面であって、通常は表面における最も広い面である。
【００１３】
第１ＡｌＮ層１１の形成方法は、特に限定されるものではなく、化学気相成長法（ＣＶＤ）であっても、また、物理気相成長法（ＰＶＤ）であっても、いずれでもよい。化学気相成長法（ＣＶＤ）としては、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等が挙げられる。物理気相成長法（ＰＶＤ）としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法等が挙げられる。
【００１４】
化学気相成長法（ＣＶＤ）の場合、ＣＶＤ装置の反応室内において、ベース基板１０を、Ａｌ源ガス及びＮ源ガスが流通する雰囲気に曝し、ベース基板１０上にＡｌＮをエピタキシャル結晶成長させて第１ＡｌＮ層１１を形成する。形成される第１ＡｌＮ層１１は、成長条件を適切に選定することにより、ｃ面（Ａｌ極性面）又は−ｃ面（Ｎ極性面）を得ることが出来る。なお、第１ＡｌＮ層１１の形成前に、ベース基板１０上に低温バッファ層を形成してもよい。
【００１５】
Ａｌ源ガスとしては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）では、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）ガス等が挙げられ、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）では、例えばＡｌＣｌガス、ＡｌＣｌ３ガスが挙げられる。Ｎ源ガスとしては、例えばＮＨ３ガス等が挙げられる。Ａｌ源ガス及びＮ源ガス以外に用いられるキャリアガスとしては、例えばＨ２ガス等が挙げられる。
【００１６】
Ａｌ源ガスによるＡｌ原子の供給モル数に対するＮ源ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比は、例えば１０以上１００以下である。結晶成長温度は、例えば１１５０℃以上１６００℃以下である。
【００１７】
なお、物理気相成長法（ＰＶＤ）の場合、形成される第１ＡｌＮ層１１が、ベース基板１０の主面の極性をそのまま保持し、その主面がベース基板１０と同一のｃ面（Ａｌ極性面）又は−ｃ面（Ｎ極性面）となるように条件設定する。
【００１８】
（第２ＡｌＮ層形成工程）
第２ＡｌＮ層形成工程では、化学気相成長法（ＣＶＤ）により、ＣＶＤ装置の反応室内において、第１ＡｌＮ層形成工程で形成したベース基板１０上の第１ＡｌＮ層１１を、Ａｌ源ガス及びＮ源ガスが流通する雰囲気に曝し、図２に示すように、第１ＡｌＮ層１１上にＡｌＮを結晶成長させて第１ＡｌＮ層１１とは分極が反転した第２ＡｌＮ層１２を形成する。形成される第２ＡｌＮ層１２は、第１ＡｌＮ層１１とは分極が反転するので、第１ＡｌＮ層１１の主面がｃ面（Ａｌ極性面）の場合は、その主面が−ｃ面（Ｎ極性面）となり、第１ＡｌＮ層１１の主面が−ｃ面（Ｎ極性面）の場合は、その主面がｃ面（Ａｌ極性面）となる。
【００１９】
Ａｌ源ガスとしては、第１ＡｌＮ層形成工程と同様、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）では、例えばＴＭＡガス、ＴＥＡガス等が挙げられ、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）では、例えばＡｌＣｌガス、ＡｌＣｌ３ガスが挙げられる。Ｎ源ガスとしては、例えばＮＨ３ガス等が挙げられる。なお、Ａｌ源ガス及びＮ源ガス以外に用いられるキャリアガスとしては、例えばＨ２ガス等が挙げられる。
【００２０】
Ａｌ源ガスによるＡｌ原子の供給モル数に対するＮ源ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比は、第１ＡｌＮ層１１とは分極が反転したＡｌＮの結晶成長を促進する観点から、好ましくは１以上２０以下、より好ましくは５以上１５以下である。結晶成長温度は、例えば１２００℃以上１４５０℃以下である。第１及び第２ＡｌＮ層１１，１２のいずれも化学気相成長法（ＣＶＤ）により形成する場合、それらの結晶成長温度は、同一であることが好ましい。
【００２１】
第１ＡｌＮ層１１とは分極が反転したＡｌＮの結晶成長を促進する観点からは、第１ＡｌＮ層１１上にＡｌＮを結晶成長させる前に、Ｎ源ガスの供給量がＡｌＮの結晶成長時と同じ量の雰囲気、ＡｌＮの結晶成長時よりも少ない量の雰囲気およびＮ源ガスを流通させない雰囲気のうちのいずれかの雰囲気に曝すサーマルクリーニングの期間を設けることが好ましい。Ｎ源ガスの節約の観点からはＮ源ガスを流通させない雰囲気がより好ましい。このサーマルクリーニングは、第１ＡｌＮ層１１の表面の温度を１２００℃以上１４５０℃以下とする期間を含むことが好ましい。サーマルクリーニング期間内の第１ＡｌＮ層１１の表面の温度は、かかる範囲内の温度で第２ＡｌＮ層形成工程における結晶成長温度と同一であってもよい。サーマルクリーニングの期間の長さは、好ましくは５分以上６０分以下、より好ましくは１０分以上５０分である。
【００２２】
以上の実施形態に係るＡｌＮ分極反転構造の製造方法によれば、厚さ方向に分極した第１ＡｌＮ層１１上にＡｌＮを結晶成長させて第１ＡｌＮ層１１とは分極が反転した第２ＡｌＮ層１２を形成するので、第１及び第２ＡｌＮ層１１，１２間の全面が概ね一様に接合された構造となり、大半を素子形成に用いることができ、そのため高い歩留まりを得ることができる。しかも、第１及び第２ＡｌＮ層１１，１２の界面における不純物の濃度を低く抑えることができる。
【００２３】
得られたＡｌＮ分極反転構造は、第１及び第２ＡｌＮ層１１，１２の界面が光導波路とされた波長変換素子を構成し、既存のレーザとの組み合わせにより第二次高調波発生（ＳＨＧ）が利用され、それが、例えば、記録光源、医療応用、加工用途等の分野で用いられる深紫外線レーザに適用することができる。また、Ｎ極性面のＡｌＮでは、表面平坦性に問題があることがよく知られた事実であるが、表面平坦性の優れたＡｌ極性面の第１ＡｌＮ層１１上にＮ極性面の第２ＡｌＮ層１２の薄膜を積層することにより、表面平坦性の優れるＮ極性面のＡｌＮが得られることから、それを様々なデバイスに適用することが可能となる。
【実施例】
【００２４】
以下、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により第１及び第２ＡｌＮ層を形成したＡｌＮ分極反転構造の製造実験について説明する。
【００２５】
第１ＡｌＮ層形成工程では、まず、ＣＶＤ装置の反応室に、主面がｃ面のサファイア基板をセットし、反応室にキャリアガスのＨ２ガスを流し始め、圧力１００ｋＰａ下で、１６分間かけてサファイア基板の温度を１３００℃まで昇温した。次いで、サファイア基板の温度が１３００℃になった時、反応室内の減圧を開始し、１１分間かけて圧力を１００ｋＰａから２０ｋＰａまで減圧した。その後、ＮＨ３ガスを流し始め、その１０秒後、ＴＭＡガスを流し始め、６０分間ＴＭＡガスを流し、サファイア基板上にＡｌＮをエピタキシャル結晶成長させて主面がｃ面の第１ＡｌＮ層を形成した。このとき、Ａｌ源ガスのＴＭＡガスによるＡｌ原子の供給モル数に対するＮ源ガスのＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を１００とした。そして、ＴＭＡガスを停止し、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを流しながら、室温まで冷却した後、ＮＨ３ガスを停止した。
【００２６】
次の第２ＡｌＮ層形成工程では、図３に示すように、（ｉ）まず、Ｈ２ガスを流しながら、圧力１００ｋＰａ下で、１６分間かけてサファイア基板及び第１ＡｌＮ層の温度を１３００℃まで昇温した。（ii）次いで、サファイア基板及び第１ＡｌＮ層の温度が１３００℃になった時、この温度を維持しつつ反応室内の減圧を開始し、１１分間かけて圧力を１００ｋＰａから２０ｋＰａまで減圧した。この減圧過程において第１ＡｌＮ層の表面温度をＮ源ガスのＮＨ３ガスを流通させない雰囲気に曝すことによるサーマルクリーニングを１０分間行った。（iii）減圧過程終了後、ＮＨ３ガスを流し始め、（iv）その１０秒後、ＴＭＡガスを流し始め、６０分間ＴＭＡガスを流し、第１ＡｌＮ層上にＡｌＮを結晶成長させて第１ＡｌＮ層とは分極が反転した主面が−ｃ面の第２ＡｌＮ層を形成した。このとき、Ａｌ源ガスのＴＭＡガスによるＡｌ原子の供給モル数に対するＮ源ガスのＮＨ３ガスによるＮ原子の供給モル数の比であるＶ／III比を１０とした。（ｖ）そして、ＴＭＡガスを停止し、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを流しながら、室温まで冷却した後、Ｈ２ガス及びＮＨ３ガスを停止した。これにより、サファイア基板上に分極が反転した第１及び第２ＡｌＮ層が積層されて構成されたＡｌＮ分極反転構造を得た。
【００２７】
図４Ａは、得られたＡｌＮ分極反転構造の表面を示し、図４Ｂ及びＣは、それぞれＫＯＨ水溶液に３０秒及び９０秒浸した後の表面を示すが、これらより、第２ＡｌＮ層がＫＯＨ水溶液によりエッチングされており、このことから、第２ＡｌＮ層の主面が−ｃ面（Ｎ極性面）であることを確認した。また、エッチングされた以外の膜表面は＋ｃ面（Ａｌ極性面）であることも確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、ＡｌＮ分極反転構造の製造方法の技術分野について有用である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ベース基板
１１  第１ＡｌＮ層
１２  第２ＡｌＮ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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