(57)【要約】【課題】割れ難く、表面が平滑である基板の提供。【解決手段】基板１０は、第一層Ｌ１と、第二層Ｌ２と、第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の間に挟まれる中間層Ｌｍと、を備え、第一層Ｌ１が、結晶質の窒化アルミニウムを含み、第二層Ｌ２が、結晶質のα‐アルミナを含み、中間層Ｌｍが、アルミニウム、窒素、酸素及び添加元素を含み、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であり、中間層Ｌｍにおける添加元素の濃度の最大値が、０．１質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一層と、第二層と、前記第一層及び前記第二層の間に挟まれる中間層と、を備え、
前記第一層が、結晶質の窒化アルミニウムを含み、
前記第二層が、結晶質のα‐アルミナを含み、
前記中間層が、アルミニウム、窒素、酸素及び添加元素を含み、
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であり、
前記中間層における前記添加元素の濃度の最大値が、０．１質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である、
基板。
【請求項２】
前記中間層における窒素の含有量が、前記第一層から前記第二層に向かう方向に沿って減少し、
前記中間層における酸素の含有量が、前記第一層から前記第二層に向かう方向に沿って増加する、
請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記中間層の厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、
請求項１又は２に記載の基板。
【請求項４】
前記中間層における前記添加元素の濃度の最大値が、０．５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の基板。
【請求項５】
前記添加元素が、ユウロピウム及びカルシウムのうち少なくともいずれかを含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の基板。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板を備える、
発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板及び発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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の材料として注目されている。また第１３族元素の窒化物の結晶は、パワートランジスタの材料としても有用である。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に記載の発光素子は、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、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によってサファイア基板の表面に形成される。バッファー層が、窒化物半導体層（ＧａＮ等）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との格子不整合が緩和され、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、発光層の発光効率も向上する。
【０００４】
下記特許文献２に記載の発光素子用の積層基板では、α‐アルミナの単結晶基板、酸窒化アルミニウム層及び窒化アルミニウム膜がこの順で積層されている。この積層基板は、カーボン、窒素及び一酸化炭素の存在下でα‐アルミナの単結晶基板を窒化することによって製造される。下記特許文献２は、窒化アルミニウム膜を酸窒化アルミニウム層の上に形成することにより、窒化アルミニウム膜の結晶性が向上することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１３／００５７８９号パンフレット
【特許文献２】特開２００５‐１０４８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１及び２に記載の基板及び発光素子は、以下のような技術的問題を有している。
【０００７】
バッファー層（ＡｌＮ層）が気相成長法によってサファイア基板の表面に形成される過程では、サファイア基板及びＡｌＮ層が加熱される。サファイア及びＡｌＮは熱膨張率及び格子定数において異なる。したがって、サファイア基板及びＡｌＮ層の加熱により、応力がサファイア基板及びＡｌＮ層の界面に作用し易い。応力がサファイア基板及びＡｌＮ層の界面に作用することにより、サファイア基板及びＡｌＮ層は容易に割れてしまう。割れは、応力が集中する界面において形成され易い。サファイア及び酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）も熱膨張率及び格子定数において異なり、ＡｌＯＮ及びＡｌＮも熱膨張率及び格子定数において異なる。したがって、ＡｌＯＮ層がサファイア基板及びＡｌＮ層の間に配置される場合であっても、これらの界面に応力が作用し易く、サファイア基板、酸窒化アルミニウム層及びＡｌＮ層が割れ易い。
【０００８】
サファイア基板及びＡｌＮ層が上記の応力によって反ることにより、サファイア基板及びＡｌＮ層の温度が不均一になり易い。例えば、サファイア基板の中央部と周縁部との間で温度差が生じ易い。サファイア基板及びＡｌＮ層の温度が不均一であることにより、ＡｌＮ層がサファイア基板の表面において均一に成長し難い。その結果、ＡｌＮ層の組成が不均一になり、ＡｌＮ層の結晶性が劣化する。換言すれば、Ａｌ及びＮがバッファー層中に不均一に分布し易く、結晶欠陥がＡｌＮ層中に形成され易い。ＡｌＮ層の組成が不均一であり、ＡｌＮ層の結晶性が劣化していることにより、ＡｌＮ層の表面が粗くなる。各半導体層がＡｌＮ層の粗い表面に形成されることにより、各半導体層の組成も不均一になり易く、各半導体層の結晶性も劣化し易く、各半導体層の表面も粗くなる。その結果、正常に作動する発光素子を製造することが困難になる。
【０００９】
本発明は、割れ難く、表面が平滑である基板、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面に係る基板は、第一層と、第二層と、第一層及び第二層の間に挟まれる中間層と、を備え、第一層が、結晶質の窒化アルミニウムを含み、第二層が、結晶質のα‐アルミナを含み、中間層が、アルミニウム、窒素、酸素及び添加元素を含み、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であり、中間層における添加元素の濃度の最大値が、０．１質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である。
【００１１】
中間層における窒素の含有量が、第一層から第二層に向かう方向に沿って減少してよく、中間層における酸素の含有量が、第一層から第二層に向かう方向に沿って増加してよい。
【００１２】
中間層の厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってよい。
【００１３】
中間層における添加元素の濃度の最大値が、０．５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であってよい。
【００１４】
添加元素が、ユウロピウム及びカルシウムのうち少なくともいずれかを含んでよい。
【００１５】
本発明の一側面に係る発光素子は、上記の基板を備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、割れ難く、表面が平滑である基板、及び当該基板を備える発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る基板の模式的な斜視図である。
【図２】図２は、図１に示される基板の模式的な断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る基板を有する発光素子の模式的な断面図である。
【図４】図４は、基板における窒素、酸素及び添加元素其々の分布の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。図面において、同等の構成要素には同等の符号を付す。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。各図に示される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、全図に共通する。
【００１９】
（基板）
本実施形態に係る基板は、図１及び図２に示される。図２は、図１に示される基板１０のＺＸ面方向における断面である。換言すれば、図２は、基板１０の厚さ方向Ｚに平行な基板１０の断面であり、基板１０の表面（ＸＹ面方向）に対して垂直な基板１０の断面である。基板１０の厚さ方向Ｚとは、基板１０の表面からの深さ方向と言い換えられてよい。
【００２０】
図２に示されるように、基板１０は、第一層Ｌ１と、第二層Ｌ２と、第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の間に挟まれた中間層Ｌｍと、を備える。第一層Ｌ１は中間層Ｌｍに直接している。第二層Ｌ２も中間層Ｌｍに直接接している。
【００２１】
第一層Ｌ１は、結晶質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。第一層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。第一層Ｌ１は、窒化アルミニウムの単結晶のみからなっていてよい。ただし、第一層Ｌ１は、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、アルミニウム及び窒素以外の元素（不純物等）を含んでよい。例えば、第一層Ｌ１において中間層Ｌｍに面する領域は、窒化アルミニウムの結晶性を損なわない程度の微量の酸素を含んでよい。第一層Ｌ１において中間層Ｌｍに面する領域は、窒化アルミニウムの結晶性を損なわない程度の微量の添加元素Ｍを含んでよい。添加元素Ｍの詳細は、後述される。
【００２２】
第二層Ｌ２は、結晶質のα‐アルミナ（α‐Ａｌ２Ｏ３）を含む。α‐アルミナは、コランダム構造を有する酸化アルミニウムと言い換えてよい。第二層Ｌ２は、結晶質のα‐アルミナのみからなっていてよい。第二層Ｌ２は、サファイアのみからなっていてよい。サファイアとは、α‐アルミナの単結晶と言い換えてもよい。第二層Ｌ２は、α‐アルミナの結晶性が損なわれない限りにおいて、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、第二層Ｌ２において中間層Ｌｍに面する領域は、α‐アルミナの結晶性を損なわない程度の微量の窒素を含んでよい。第二層Ｌ２において中間層Ｌｍに面する領域は、α‐アルミナの結晶性を損なわない程度の微量の添加元素Ｍを含んでよい。
【００２３】
中間層Ｌｍは、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）及び添加元素Ｍを含む。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。中間層Ｌｍは、Ａｌ、Ｎ、Ｏ及びＭのみからなっていてよい。中間層Ｌｍは、Ａｌ、Ｎ、Ｏ及びＭに加えて、ごく微量の他の元素（例えば不純物）を更に含んでもよい。中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度の最大値は、０．１質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である。中間層Ｌｍが複数種の添加元素Ｍを含む場合、中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度とは、中間層Ｌｍに含まれる複数種の添加元素Ｍの濃度の合計である。以下に記載の添加元素含有領域ｍとは、中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度が最大である領域である。換言すれば、添加元素含有領域ｍは、中間層Ｌｍにおいて添加元素Ｍの濃度が０．１質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下である領域である。中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度は不均一であってよく、中間層Ｌｍの一部が添加元素含有領域ｍであってよい。中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度は均一であってもよく、中間層Ｌｍの全体が添加元素含有領域ｍであってもよい。中間層Ｌｍのうち添加元素含有領域ｍ以外の部分における添加元素Ｍの含有量の合計は、０質量ｐｐｍ以上０．１質量ｐｐｍ未満であってよい。
【００２４】
α‐アルミナ（サファイア）及びＡｌＮは熱膨張率及び格子定数において異なる。したがって、中間層Ｌｍがない場合、基板１０の製造過程におけるサファイア基板及びＡｌＮ層の加熱により、応力が第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の界面に作用し易い。応力が第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の界面に作用することにより、サファイア基板及びＡｌＮ層は容易に割れてしまう。割れは、応力が集中する界面において形成され易い。一方、中間層Ｌｍが第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の間に配置される場合、第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２が直接接する界面がない。つまり基板１０は、中間層Ｌｍを備えない従来の基板とは異なり、応力が集中し易い界面を有していない。そして、中間層Ｌｍの少なくとも一部が添加元素含有領域ｍであるため、基板１０に作用する応力は、中間層Ｌｍ中の添加元素含有領域ｍにおいて分散し易い。中間層Ｌｍの全体が添加元素含有領域ｍである場合、基板１０に作用する応力は、中間層Ｌｍ全体において分散し易い。結晶格子のスケールにおいては、α‐アルミナ及びＡｌＮの結晶構造に違いに因る応力が中間層Ｌｍに作用する。中間層Ｌｍが添加元素Ｍを含むことにより、結晶格子が応力によって容易に変形し、応力が緩和される。結晶格子のスケールにおける応力の緩和は、添加元素Ｍのカチオンのイオン半径が、アルミニウムイオンのイオン半径によるも大きい傾向に起因する。
【００２５】
以上の理由により、添加元素含有領域ｍを含む中間層Ｌｍは、基板１０の局所に作用する応力を緩和する。その結果、基板１０の割れが抑制される。
【００２６】
基板１０は、添加元素Ｍ及び炭素の存在下において、サファイア基板の表面を窒化することによって製造される。添加元素Ｍは、サファイア基板の表面の窒化を促進する。また上記の通り、添加元素含有領域ｍを含む中間層Ｌｍは、基板１０の製造過程において基板１０に作用する応力を緩和する。その結果、基板１０の製造過程における基板１０の反りが抑制される。基板１０の製造過程において添加元素Ｍが窒化を促進し、且つ基板１０の反りを抑制することにより、第一層Ｌ１の成長過程における第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の温度が均一になり、サファイア基板の表面が均一に窒化され、第一層Ｌ１がサファイア基板の表面において均一に成長し易い。その結果、第一層Ｌ１の組成が均一になり、第一層Ｌ１の結晶性が向上する。換言すれば、第一層Ｌ１を構成するＡｌ及びＮが第一層Ｌ１中に均一に分布し易く、第一層Ｌ１における結晶欠陥が抑制される。その結果、完成されたＡｌＮ層の表面が平滑になる。各半導体層がＡｌＮ層の平滑な表面に形成されることにより、各半導体層の組成が均一になり、各半導体層の結晶性が向上し、各半導体層の表面が平滑になる。その結果、発光素子の割れが抑制され、所望の機能を有する発光素子を高い歩留り率で製造することが可能になる。
【００２７】
中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度の最大値が、０．１質量ｐｐｍ未満である場合、中間層Ｌｍの厚さが小さ過ぎる傾向があり、基板１０に作用する応力が十分に緩和されず、基板１０が割れ易い。中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度の最大値が、２００質量ｐｐｍを超える場合、第一層Ｌ１の厚さが大き過ぎる傾向があり、第一層Ｌ１の組成が不均一になり易く、第一層Ｌ１中に結晶欠陥が形成され易く、第一層Ｌ１の表面が粗くなる。その結果、各半導体層の組成が不均一になり、各半導体層の結晶性が損なわれ、各半導体層の表面も粗くなる。つまり、中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度の最大値が、２００質量ｐｐｍを超える場合、基板１０を発光素子の製造に使用することが困難になる。基板１０の割れが抑制され易く、第一層Ｌ１の表面が平滑になり易いことから、中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度の最大値は、０．５質量ｐｐｍ以上１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
中間層Ｌｍの厚さは、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってよい。中間層Ｌｍの厚さが５ｎｍ以上である場合、基板１０に作用する応力が十分に緩和され易く、基板１０の割れを抑制し易い。中間層Ｌｍの厚さが５００ｎｍ以下である場合、第一層Ｌ１における結晶欠陥が抑制され易く、第一層Ｌ１の表面が平滑になり易い。基板１０の割れが抑制され易く、第一層Ｌ１の表面が平滑になり易いことから、中間層Ｌｍの厚さは、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
中間層Ｌｍにおける窒素の含有量は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（基板１０の厚さ方向Ｚ）に沿って減少してよい。対照的に、中間層Ｌｍにおける酸素の含有量は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（基板１０の厚さ方向Ｚ）に沿って増加してよい。中間層Ｌｍが添加元素Ｍを含むことにより、中間層Ｌｍにおける窒素及び酸素其々の分布が徐々に変化し易い。Ａｌは、中間層Ｌｍの全体に分布及び分散していてよい。第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向は、深さ方向と言い換えられてよい。窒素及び酸素其々の含有量の単位は、質量％又は原子％であってよい。
【００３０】
中間層Ｌｍは、第一面ｐ１と第二面ｐ２との間にある領域であってよい。第一面ｐ１及び第二面ｐ２のいずれも、視認される層間の界面（境界）ではなく、以下のように化学的組成に基づいて定義される。基板１０内に位置し、且つ第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２に略平行である任意の一つの面内に存在する窒素原子の数は、［Ｎ］と表記され、同じ面内に存在する酸素原子の数は、［Ｏ］と表記される。これらの表記に基づき、第一面ｐ１は、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が０．９である面と定義されてよく、第二面ｐ２は、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が０．１である面と定義されてよい。第一面ｐ１は、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）に基づいて、第一層Ｌ１と中間層Ｌｍとを画する面と言い換えられてよい。第二面ｐ２は、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）に基づいて、第二層Ｌ２と中間層Ｌｍとを画する面と言い換えられてよい。中間層Ｌｍは、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が減少し始める面から、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）の減少が止まる面までの間の領域であってよい。［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が減少し始める面から、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）の減少が終了する面までの間において、基板１０に作用する応力が緩和されてよい。中間層Ｌｍの厚さは、第一面ｐ１と第二面ｐ２との距離と定義されてよい。
【００３１】
深さ方向に沿った［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）及び［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）其々のプロファイルの一例は、図４に示される。深さ方向に沿った添加元素Ｍの濃度＜Ｍ＞のプロファイルの一例も、図４に示される。
【００３２】
図４に示されるように、中間層Ｌｍにおける窒素の分布［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（基板１０の厚さ方向Ｚ）に沿った勾配を有してよく、且つ第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向に沿って徐々に減少してよい。中間層Ｌｍにおける酸素の分布［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（基板１０の厚さ方向Ｚ）に沿った勾配を有してよく、且つ第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向に沿って徐々に増加してよい。図２及び図３に示される中間層Ｌｍの断面において、色が濃い部分ほど、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が大きい。換言すれば、図２及び図３に示される中間層Ｌｍの断面において、色が濃い部分ほど、［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が小さい。
【００３３】
図４に示されるように、中間層Ｌｍの組成は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向に沿って、第二層Ｌ２の組成（つまり、α‐アルミナ）へ徐々に近づいてよい。換言すれば、中間層Ｌｍの組成は、第二層Ｌ２から第一層Ｌ１に向かう方向に沿って、第一層Ｌ１の組成（つまり、窒化アルミニウム）へ徐々に近づいてよい。このように、中間層Ｌｍは、α‐アルミナと窒化アルミニウムとが混在する層といえる。
【００３４】
上記のように、基板１０の組成は、中間層Ｌｍにおいて徐々に（緩やかに）且つ連続的に変化してよい。換言すれば、窒素及び酸素其々の分布が、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２にわたって連続的に変化する点において、第一層Ｌ１の組成は中間層Ｌｍの組成と連続してよく、中間層Ｌｍの組成は第二層Ｌ２の組成と連続してよい。したがって、第一層Ｌ１と中間層Ｌｍとの間の結晶構造上の界面（境界）は存在しなくてよく、中間層Ｌｍと第二層Ｌ２の間の晶構造上の界面（境界）も存在しなくてよい。例えば、基板１０の厚さ方向Ｚに平行に切断された基板１０の断面において、第一面ｐ１及び第二面ｐ２に対応するような界面は観察されなくてよい。
【００３５】
以上のように、中間層Ｌｍの組成は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２へ向かう方向において、ＡｌＮからＡｌ２Ｏ３へ徐々に変化してよい。中間層Ｌｍの結晶構造は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２へ向かう方向において、ＡｌＮの結晶構造からＡｌ２Ｏ３の結晶構造へ徐々に変化してよい。中間層Ｌｍの組成及び結晶構造が上記の特徴を有することにより、基板１０に作用する応力が中間層Ｌｍにおいて緩和され易く、基板１０の反り及び割れが抑制され易い。
【００３６】
仮に仮に中間層Ｌｍではなく、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）を主成分として含む第三層が、第一層Ｌ１と第二層Ｌ２との間に介在する場合、α‐アルミナ（第二層Ｌ２）及び窒化アルミニウム（第三層）は熱膨張率及び格子定数において異なり、ＡｌＯＮ及びＡｌＮ（第一層Ｌ１）も熱膨張率及び格子定数において異なる。したがって、ＡｌＯＮ層が第一層Ｌ１及び第二層Ｌ２の間に配置される場合、これらの界面に応力が作用し易く、基板１０に作用する応力が緩和され難い。その結果、基板１０が割れ易く、第一層Ｌ１の表面が粗くなり易い。したがって、中間層Ｌｍは、酸窒化アルミニウムを全く含まないほうがよい。中間層Ｌｍが添加元素Ｍを含むことにより、酸窒化アルミニウムは中間層Ｌｍ中に存在し難い。ただし、上述の本発明に係る効果が阻害されない程度の微量の酸窒化アルミニウムが中間層Ｌｍに含まれていてもよい。第三層とは、主成分である酸窒化アルミニウムが均一に分布している層、又は結晶質の酸窒化アルミニウムからなる層と言い換えられてよい。
【００３７】
図４に示されるように、中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度は、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が１．０である面と、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が０．５である面の間において最大であってよい。換言すれば、添加元素含有領域ｍは、［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が１．０である面と［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が０．５である面の間に位置してよい。換言すれば、第一層Ｌ１と添加元素含有領域ｍとの距離は、添加元素含有領域ｍと第二層Ｌ２との距離よりも短くてよい。その結果、基板１０に作用する応力が緩和され易く、基板１０の反り及び割れが抑制され易く、第一層Ｌ１の表面が平滑になり易い。同様の理由から、添加元素含有領域ｍは、第一層Ｌ１の表面に略平行な方向に拡がる層であってよい。
【００３８】
基板１０の組成が、中間層Ｌｍにおいて徐々に（緩やかに）且つ連続的に変化する場合、基板１０の内部の屈折率も、中間層Ｌｍにおいて徐々に（緩やかに）且つ連続的に変化する。換言すれば、基板１０の内部において、化学的組成及び屈折率のいずれも臨界的に（急激に）変化し難い。したがって、基板１０の内部において、組成が異なる層間の界面における光の反射が起き難い。換言すれば、基板１０の内部において、層間の屈折率差に起因する光の反射が起き難い。
【００３９】
仮に中間層Ｌｍではなく、酸窒化アルミニウムを主成分として含む第三層が、第一層Ｌ１と第二層Ｌ２との間に介在する場合、以下の通り、基板１０内において光が反射され易い。
【００４０】
第三層に含まれる酸窒化アルミニウムは、第一層Ｌ１に含まれる窒化アルミニウムと全く異なる化合物であるので、第一層Ｌ１と第三層との間に界面（結晶構造上の境界）があり、この界面において光が反射され易い。換言すれば、第三層の屈折率は第一層Ｌ１の屈折率と全く異なるので、第一層Ｌ１と第三層との間の屈折率差に起因して、第一層Ｌ１と第三層との間の界面において光が反射され易い。
【００４１】
また、第三層に含まれる酸窒化アルミニウムは、第二層Ｌ２に含まれるα‐アルミナと全く異なる化合物であるので、第三層と第二層Ｌ２との間に界面（結晶構造上の境界）があり、この界面において光が反射され易い。換言すれば、第三層の屈折率は第二層Ｌ２の屈折率と全く異なるので、第三層と第二層Ｌ２との間の屈折率差に起因して、第三層と第二層Ｌ２との間の界面において光が反射され易い。
【００４２】
上記のような酸窒化アルミニウムを含む第三層ではなく、組成が連続的に変化する中間層Ｌｍを備える基板１０によれば、酸窒化アルミニウムに起因する光の反射を低減することができる。中間層Ｌｍは、酸窒化アルミニウムを全く含まないほうがよい。ただし、上述の本発明に係る効果が阻害されない程度の微量の酸窒化アルミニウムが中間層Ｌｍに含まれていてもよい。
【００４３】
図４に示されるように、第一層Ｌ１に属し、且つ中間層Ｌｍに面する領域近傍における［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、０．９より大きく１．０以下であってよい。換言すれば、第一層Ｌ１に属し、且つ中間層Ｌｍに面する領域近傍における［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、０以上０．１未満であってよい。また図４に示されるように、第二層Ｌ２に属し、且つ中間層Ｌｍに面する領域近傍における［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、０以上０．１未満であってよい。換言すれば、第二層Ｌ２に属し、且つ中間層Ｌｍに面する領域近傍における［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、０．９より大きく１．０以下であってよい。
【００４４】
基板１０の厚さは、例えば、５０μｍ以上３０００μｍ以下であってよい。第一層Ｌ１の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってよい。第二層Ｌ２の厚さは、例えば、約５０μｍ以上３０００μｍ以下であってよい。
【００４５】
上述の通り、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、中間層Ｌｍ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を含む。中間層Ｌｍは、複数種の添加元素Ｍを含んでもよい。中間層Ｌｍは、添加元素Ｍとして、ユウロピウム及びカルシウムのうち少なくともいずれかを含むことが好ましい。その結果、基板１０に作用する応力が緩和され易く、基板１０の反り及び割れが抑制され易く、第一層Ｌ１の表面が平滑になり易い。
【００４６】
（基板の製造方法）
基板１０の製造方法は、添加元素Ｍをサファイア基板の片方の表面に付着させる工程と、添加元素Ｍが付着したサファイア基板の表面を窒素ガス中で加熱する窒化処理工程と、を備える。
【００４７】
サファイア基板とは、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。
【００４８】
サファイア基板の表面からの深さが大きい箇所ほど、窒素は拡散及び到達することが困難である。したがって、サファイア基板の表面からの深さ方向に沿って、窒素の含有量が徐々に減少する。その結果、サファイア基板の表面からの深さが所定の値以上である領域において中間層Ｌｍが形成される。そして、窒素が拡散せず到達しなかった領域は、結晶質のα‐アルミナを含む第二層として残存する。一方、窒素が導入されたサファイア基板の表面近傍は十分に窒化されて、結晶質の窒化アルミニウムを含む第一層Ｌ１になる。
【００４９】
サファイア基板を窒素ガス中で加熱する前に、添加元素Ｍを、サファイア基板の表面の一部又は全体に付着させる。例えば、添加元素Ｍを含む有機金属化合物（Ｍ化合物）の溶液をサファイア基板の表面に塗布してよい。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、有機成分のみを分解及び焼失させてよい。添加元素Ｍを含む有機金属化合物の溶液として、例えば、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を用いてよい。有機金属化合物の溶液におけるＭ化合物の含有量は、０．０００５質量％以上０．０５質量％以下であってよい。有機金属化合物の溶液におけＭ化合物の含有量が上記の範囲内である場合、中間層Ｌｍにおける添加元素Ｍの濃度の最大値が、０．１質量ｐｐｍ以上２００質量ｐｐｍ以下に制御され易く、中間層Ｌｍの厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下に制御され易い。有機金属化合物の溶液におけＭ化合物の含有量の増加に伴い、中間層Ｌｍの厚さが増加する傾向がある。
【００５０】
添加元素Ｍが付着したサファイア基板を窒素ガス中で加熱する。その結果、添加元素Ｍがサファイア基板の表面から酸素（Ｏ２−）を引き抜き、酸素欠陥がサファイア基板の表面に形成される。窒素は酸素欠陥に導入され、酸素欠陥を通じてサファイア基板の表面（片面）からサファイア基板の内部へ熱拡散する。つまり、サファイア基板の表面における還元窒化反応により、酸素が窒素で置換される。その結果、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２それぞれが、基板１０の表面に平行な方向において均一に形成され易い。
【００５１】
サファイア基板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。サファイア基板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をサファイア基板の表面に付着させることにより、ユウロピウム又はカルシウムがサファイア基板の表面から酸素（Ｏ２−）を引き抜き易く、酸素欠陥がサファイア基板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サファイア基板内へ熱拡散し易く、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２が形成され易い。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、半ば液相としてサファイア基板の表面全体へ拡散し易い。その結果、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２それぞれが、基板１０の表面に平行な方向において均一に形成され易い。
【００５２】
窒素ガス中で加熱される基板の温度が１６３０℃以上になると、酸窒化アルミニウムが基板中で生成し始め、１７００℃以上で特に酸窒化アルミニウムが生成し易い。しかし、サファイア基板の温度が１６８０℃以下である場合、添加元素Ｍが付着し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の生成を十分に抑制しながら、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２を形成することができる。
【００５３】
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、サファイア基板の表面全体へ十分に拡散し易く、サファイア基板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る場合であっても、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、サファイア基板における窒素の熱拡散が起き易く、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２を容易に形成することができる。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。添加元素Ｍがサファイア基板に付着していることにより、１６３０℃未満である温度で、酸窒化アルミニウムの生成を抑制しながら、第一層Ｌ１、中間層Ｌｍ及び第二層Ｌ２を形成することができる。
【００５４】
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をサファイア基板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、酸窒化アルミニウムが生成し易い。
【００５５】
窒素ガス中で加熱されるサファイア基板の温度（窒化処理温度）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。上述の通り、窒素ガスをサファイア基板内へ熱拡散させるためには、窒化処理温度が少なくとも１５５０℃以上であることが好ましい。添加元素Ｍを用いない場合、１６３０℃以上の窒化処理温度においてサファイアの窒化が進むと共に、酸窒化アルミニウムが基板中で生成される。一方、添加元素Ｍを用いる場合、１６３０℃以下である窒化処理温度において、基板中における酸窒化アルミニウムを生成させずにサファイアを窒化させることができる。窒化処理温度が１７００℃未満、より好ましくは１６３０℃以下である場合、基板中における酸窒化アルミニウムの生成を抑制することができる。窒化処理温度が１６３０℃未満又は１６００℃以下である場合、添加元素Ｍを用いることによって、基板の表面において窒化アルミニウムを生成させることができる。窒化処理温度が１６００℃以上１６３０℃未満である場合、結晶質の窒化アルミニウムを含む第一層Ｌ１の表面の平滑性が向上し易い。
【００５６】
窒化処理の温度、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によって、第一層Ｌ１及び中間層Ｌｍ其々の厚さ及び組成が制御されてよい。窒素ガス中で加熱されるサファイア基板の温度が高いほど、サファイア基板中での窒素の拡散、及びサファイアの窒化が促進される。その結果、第一層Ｌ１及び中間層Ｌｍ其々の厚さが増加し易く、第二層Ｌ２の厚さが減少し易い。窒素ガス中でサファイア基板を加熱する時間が長いほど、サファイア基板中での窒素の拡散、及びサファイアの窒化が促進される。その結果、第一層Ｌ１及び中間層Ｌｍ其々の厚さが増加し易く、第二層Ｌ２の厚さが減少し易い。サファイア基板の表面に付着して拡散する添加元素Ｍが多いほど、サファイア基板中での窒素の拡散、及びサファイアの窒化が促進される。その結果、第一層Ｌ１及び中間層Ｌｍ其々の厚さが増加し易く、第二層Ｌ２の厚さが減少し易い。窒素ガスの分圧又は供給量が大きいほど、サファイア基板中での窒素の拡散、及びサファイアの窒化が促進される。その結果、第一層Ｌ１及び中間層Ｌｍ其々の厚さが増加し易く、第二層Ｌ２の厚さが減少し易い。
【００５７】
窒化処理工程は、少なくとも二回実施される。例えば、添加元素Ｍが付着したサファイア基板を上記の窒化処理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窒化処理温度で加熱してよい。１度目の加熱により、添加元素Ｍがサファイア基板の表面全体に均一に拡散し易い。換言すれば、１度目の加熱により、添加元素Ｍがサファイア基板の表層へ均一に拡散し易い。続く２度目の長時間の加熱により、窒素がサファイア基板の表面から内部へ斑なく拡散し易い。その結果、第一層Ｌ１の表面の平滑性が向上し易い。窒化処理を二度のステップに分けずにサファイア基板を長時間加熱した場合、第一層Ｌ１の表面の平滑性が損なわれ易い。一度の窒化処理のみによって本実施形態に係る基板１０を製造することは困難である。
【００５８】
窒素ガス中でのサファイア基板の窒化処理は、炭素粉末の存在下で実施されてよい。添加元素Ｍによってサファイア基板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。
【００５９】
以上の製造方法により、基板１０が製造される。
【００６０】
（発光素子）
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、発光素子の割れが抑制される。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、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３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１００の構造は、図３に示される積層構造に限定されない。
【００６１】
図３に示されるように、本実施形態に係る発光ダイオード１００は、基板１０と、第一層Ｌ１（基板１０の片面）に直接重なる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の表面の一部に設置された第一電極４８と、ｐ型半導体層４４の表面の一部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。
【００６２】
ｎ型半導体層４０は、バッファー層３９を介して第一層Ｌ１に間接的に重なっていてよい。例えば、バッファー層３９は、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、バッファー層３９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。バッファー層３９がｎ型半導体層４０と第一層Ｌ１との間に配置されることにより、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。バッファー層３９が十分に薄い場合、波長の標準偏差σが低減され易い。バッファー層３９は必須ではなく、ｎ型半導体層４０が第一層Ｌ１に直接重なっていてよい。
【００６３】
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。
【００６４】
発光層４２から発せられた光はｎ型半導体層４０及び基板１０を介して全方位へ照射される。上述の通り、基板１０が中間層Ｌｍを含むため、発光層４２から発せられた光は、基板１０によって反射され難い。したがって、サファイアのみからなる基板を備える従来の発光ダイオードに比べて、発光層４２から発された光が基板１０を透過し易く、光の取り出し効率が向上する。
【００６５】
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。
【００６６】
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。本実施形態に係る発光素子は半導体レーザー発振器であってもよい。つまり、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。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。
【実施例】
【００６７】
以下では実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、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。
【００６８】
（実施例１）
スピンコートにより、ＭＯＤ用溶液をサファイア基板のｃ面全体に塗布した。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。サファイア基板のｃ面とは、（００１）面である。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。ＭＯＤ用溶液におけるＣａの化合物の濃度は、下記表１に示される。スピンコートは、２０００ｒｐｍで２０秒間実施した。ＭＯＤ用溶液が塗布されたサファイア基板を、１５０℃のホットプレート上で１０分間乾燥させた後、空気中において６００℃で２時間加熱した。以上の工程は、ＭＯＤ工程と表記される。
【００６９】
ＭＯＤ工程後の基板を１００ｍｍ角のアルミナ板に載せて、基板の周囲の４か所其々に５ｍｇのカーボンの粉末（計２０ｍｇのカーボン）を配置した。アルミナ板の寸法は、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍであった。続いて、基板の全体をアルミナ匣鉢（Ｓａｇｇａｒ）で覆った後、基板を窒化処理炉内の試料設置台に設置した。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を用いた。窒化処理炉内で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まで炉内を脱気した。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、窒素ガスの供給を停止した。続いて、一回目の窒化処理では、炉内の基板を１６００℃で２時間加熱した。窒化処理における炉内の昇降温速度は６００℃／時間に調整した。窒化処理後、基板を室温まで冷却した後、基板を炉外へ取り出した。
【００７０】
一回目の窒化処理後の基板を、アルミナ板に載せた。アルミナ板の寸法は、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍであった。基板の周囲４か所其々に２０ｍｇのカーボンの粉末（計８０ｍｇのカーボン）を配置した。続いて、基板の全体を上記のアルミナ匣鉢（Ｓａｇｇａｒ）で覆った後、基板を上記の窒化処理炉内の試料設置台に設置した。回転ポンプと拡散ポンプを用いて０．０３Ｐａまで炉内を脱気した。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、窒素ガスの供給を停止した。続いて、二回目の窒化処理では、炉内の基板を１６００℃で１２時間加熱した。二回目の窒化処理における炉内の昇降温速度は６００℃／時間に調整した。二回目の窒化処理後、基板を室温まで冷却した後、基板を炉外へ取り出した。
【００７１】
以上の手順で実施例１の基板を作製した。
【００７２】
（実施例２〜７）
実施例２〜７其々の基板の作製では、ＭＯＤ用溶液におけるＣａの化合物の濃度が、下記表１に示される値に調整された。ＭＯＤ用溶液を除いて実施例１と同様の方法で、実施例２〜７其々の基板を作製した。
【００７３】
（実施例８）
実施例８の基板の作製では、Ｃａの化合物の代わりにＥｕの化合物を含むＭＯＤ用溶液が用いられた。Ｅｕは、添加元素Ｍである。ＭＯＤ用溶液におけるＥｕの化合物の濃度は、下記表１に示される値に調整された。ＭＯＤ用溶液を除いて実施例１と同様の方法で、実施例８の基板を作製した。
【００７４】
（比較例１）
直流マグネトロンスパッタリング法を用いて、窒化アルミニウムの薄膜をサファイア基板のｃ面全体に成膜した。サファイア基板の直径φは２インチであった。窒化アルミニウムの薄膜の厚さは１０００ｎｍであった。スパッタリングターゲットとしては金属アルミニウムを用いた。原料ガスとしては、窒素ガスとアルゴンの混合ガスを用いた。（Ｎ２の体積：Ａｒの体積）は、３：１であった。スパッタリングのパワーは７００Ｗであった。成膜時のサファイア基板の温度は６５０℃であり、成膜時間は３０分であった。
【００７５】
上記のスパッタリング後、基板を１００ｍｍ角のアルミナ板に載せて、基板の周囲４か所其々に５ｍｇのカーボンの粉末（計２０ｍｇのカーボン）を配置した。続いて、基板の全体を上記のアルミナ匣鉢（Ｓａｇｇａｒ）で覆った後、基板を上記の窒化処理炉内の試料設置台に設置した。窒化処理炉内で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まで炉内を脱気した。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、窒素ガスの供給を停止した。続いて、一回目の窒化処理では、炉内の基板を１６００℃で４時間加熱した。窒化処理における炉内の昇降温速度は６００℃／時間に調整した。窒化処理後、基板を室温まで冷却した後、基板を炉外へ取り出した。
【００７６】
以上の手順で比較例１の基板を作製した。
【００７７】
（参考例１）
参考例１の作製では、ＭＯＤ用溶液におけるＣａの化合物の濃度が、下記表１に示される値に調整された。ＭＯＤ用溶液を除いて実施例１と同様の方法で、参考例１の基板を作製した。
【００７８】
＜基板の分析＞
以下に記載の基板の表面とは、窒化処理においてアルミナ板と接することなく窒素ガス中に露出していた基板の表面である。つまり以下に記載の基板の表面は、基板の窒化された表面を意味する。
【００７９】
［Ｘ線回折パターンの測定］
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）を用いた。
【００８０】
実施例１の基板の表面のＸＲＤパターンを測定した。実施例１のＸＲＤパターンは、ＡｌＮの（００２）面に由来する回折線のピークを有していた。またＡｌＮの（１１２）面の極図をＸＲＤ法で測定した。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。一方、ＸＲＤパターンは、ＡｌＮ及びサファイア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の結晶相に由来するピークを有していなかった。これらの測定結果は、実施例１の基板の表面がＡｌＮの単結晶を含むことを示していた。
【００８１】
以上の実施例１の分析結果は、サファイア基板の窒化された表面がＡｌＮの単結晶層であることを示していた。ＡｌＮの単結晶層は、サファイア基板のｃ軸に沿って配向していた。
【００８２】
実施例１の場合と同様の方法で、実施例２〜８、比較例１及び参考例１其々の基板を個別に分析した。実施例２〜８、比較例１及び参考例１のいずれの場合も、サファイア基板の窒化された表面は、ＡｌＮの単結晶層であり、ＡｌＮの単結晶層は、サファイア基板のｃ軸に沿って配向していた。実施例２〜８、比較例１及び参考例１のいずれの場合も、ＸＲＤパターンは、ＡｌＮ及びサファイア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。
【００８３】
［基板の内部の組成及び構造の分析］
実施例１の基板を割って、基板の破断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した。窒化アルミニウムの単結晶層（第一層）と、窒化されていないサファイア層（第二層）との間の界面（明確な境界）は破断面内に発見されなかった。
【００８４】
実施例１と同様の方法で、実施例２〜８及び比較例１其々の基板をＳＥＭ及びＴＥＭで観察した。実施例２〜８のいずれの場合も、窒化アルミニウムの単結晶層（第一層）と、窒化されていないサファイア層（第二層）との間の界面（明確な境界）は破断面内に発見されなかった。一方、比較例１の場合、窒化アルミニウムの単結晶層（第一層）と、窒化されていないサファイア層（第二層）との間の界面（明確な境界）があった。
【００８５】
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、基板の組成を基板の表面からの深さ方向に沿って分析した。深さ方向とは、図１及び図２に示されるＺ軸方向（基板１０の表面に垂直な方向）を意味する。深さ方向に沿った分析とは、掘り出された基板の断面（深さ方向に垂直な基板の断面）の組成の分析を意味する。組成の分析には、ＥＳＣＡ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ)及びＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いた。基板中のアルミニウム、窒素及酸素其々の含有量は、ＥＳＣＡによって測定された。基板中の添加元素Ｍの含有量は、ＳＩＭＳによって測定された。
【００８６】
分析の結果、実施例１の基板は、窒化アルミニウムの単結晶からなる第一層と、結晶質のα‐アルミナからなる第二層と、第一層と第二層とによって挟まれる中間層と、を備えることが確認された。中間層は、アルミニウム、窒素、酸素及びＣａ（添加元素Ｍ）からなることが確認された。深さ方向に沿った分析では、第一層の検出後に中間層が検出され、中間層の検出後に第二層が検出された。中間層Ｌｍにおける［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（深さ方向）に沿って減少することが確認された。また中間層Ｌｍにおける［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）は、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（深さ方向）に沿って増加することも確認された。［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が０．９である深さは、Ｄ１と表される。［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が０．１であるは、がＤ２と表される。中間層Ｌｍの厚さは、Ｄ２−Ｄ１と定義される。実施例１の中間層の厚さ（Ｄ２−Ｄ１）は、下記表１に示される。中間層における添加元素Ｍの濃度の最大値が、上記の方法によって測定された。実施例１の中間層における添加元素Ｍの濃度の最大値は、下記表１に示される。
【００８７】
実施例１と同様の方法で、実施例２〜８及び比較例１其々の基板をＥＳＣＡ及びＳＩＭＳを用いて分析した。
【００８８】
分析の結果、実施例２〜８其々の基板は、実施例１と同様に、窒化アルミニウムの単結晶からなる第一層と、結晶質のα‐アルミナからなる第二層と、第一層と第二層とによって挟まれる中間層と、を備えていた。実施例２〜８其々の中間層は、実施例１と同様に、アルミニウム、窒素、酸素及び添加元素Ｍからなっていた。実施例２〜８のいずれの場合も、実施例１と同様に、深さ方向に沿った分析において、第一層の検出後に中間層が検出され、中間層の検出後に第二層が検出された。実施例２〜８のいずれの場合も、実施例１と同様に、中間層Ｌｍにおける［Ｎ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（深さ方向）に沿って減少していた。また実施例２〜８のいずれの場合も、実施例１と同様に、中間層Ｌｍにおける［Ｏ］／（［Ｏ］＋［Ｎ］）が、第一層Ｌ１から第二層Ｌ２に向かう方向（深さ方向）に沿って増加していた。実施例２〜８其々の中間層の厚さは、下記表１に示される。実施例２〜８其々の中間層における添加元素Ｍの濃度の最大値は、下記表１に示される。
【００８９】
一方、比較例１の基板は、窒化アルミニウムの単結晶からなる第一層と、結晶質のα‐アルミナからなる第二層と、を備えており、第一層と第二層との間に他の層は存在していなかった。つまり、第一層が第二層に直接重なっていた。
【００９０】
後述の通り、参考例１の基板の表面全体が非常に粗かった。深さ方向に沿った参考例１の基板の分析は行われなかった。
【００９１】
［基板の表面の観察］
実施例１〜８其々の基板は、無色透明であった。一方、比較例１の基板の表面全体は白かった。各基板の表面を目視で観察することにより、実施例１〜８、比較例１及び参考例１其々の基板における割れの有無を調べた。その結果は、下記表１に示される。表１に記載のＡとは、基板の表面全体において割れが形成されていなかったことを意味する。表１に記載のＢとは、基板の表面の一部において割れが形成されていたことを意味する。表１に記載のＣとは、基板の表面全体において割れが形成されていたことを意味する。
【００９２】
比較例１の基板を、基板の表面に垂直な方向に切断して、その断面を目視で観察した。ＡｌＮの単結晶層（第一層）とサファイア層（第二層）との界面（境界線）が断面を横断していた。割れ界面近傍において形成されていた。
【００９３】
実施例１〜８、比較例１及び参考例１其々の基板の表面を、金属顕微鏡で観察した。つまり、実施例１〜８、比較例１及び参考例１其々のＡｌＮの単結晶層の表面を、金属顕微鏡で観察した。金属顕微鏡で観察された各基板の表面の形状は、下記表１に示される。表１に記載のＡ’とは、基板の表面全体が平滑であったことを意味する。表１に記載のＢ’とは、基板の表面の一部が凹凸状であったことを意味する。つまり、Ｂ’は、基板の表面の一部が粗く、それ以外の部分は平滑であったことを意味する。表１に記載のＣ’とは、基板の表面の全体が凹凸状であったことを意味する。つまり、Ｃ’は、基板の表面の全体が粗かったことを意味する。実施例４の基板の表面の中心部分は平滑であったが、実施例４の基板の表面の外周近傍は粗かった。
【００９４】
実施例１の基板の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で分析することにより、実施例１の基板の表面の自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）を測定した。実施例１の同様の方法により、実施例２〜８、及び比較例１及び参考例１其々の第一層の表面を分析した。
【００９５】
実施例１〜３、５〜８及び比較例１其々の基板の表面全体において、ＲＭＳは、０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である範囲内であった。実施例４の基板の表面のうち平滑な部分のＲＭＳは、０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である範囲内であった。実施例４の基板の表面のうち粗い部分のＲＭＳは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である範囲内であった。参考例１の基板の表面全体において、ＲＭＳは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である範囲内であった。参考例１の基板の表面全体が粗過ぎるため、参考例１の基板は半導体層の形成に全く適していなかった。
【００９６】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明に係る基板は、例えば、紫外線発光ダイオードの基板に用いられる。
【符号の説明】
【００９８】
１０…基板、３９…バッファー層、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、Ｌ１…第一層、Ｌ２…第二層、Ｌｍ…中間層、ｍ…添加元素含有領域、ｐ１…第一面、ｐ２…第二面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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