(57)【要約】【課題】非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板上に複数の核形成層を形成する工程と、該核形成層上に非極性ＩＩＩ族窒化物層を形成する工程とを備え、複数の核形成層がそれぞれ独立して下記式（Ｉ）で表される窒化物から選択される。2010183050.tif 000014上記式において、ＡとＢは異なっており、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩＮ又はＴｌから選択され、且つ０≦ｘ≦１である。該複数の核形成層によって、応力の緩和、格子不整合（ｍｉｓｍａｔｃｈ）の減少、転位延長の阻止、転位密度の低減に有利になるため、表面が平坦で且つ結晶品質の良いＩＩＩ族窒化物層を形成することができる。【選択図】図２Ｄ
2010183050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
前記基板上に複数の核形成層を形成する工程と、
前記核形成層上に非極性ＩＩＩ族窒化物層を形成する工程と、
を備え、
前記複数の核形成層がそれぞれ独立して下記式（Ｉ）で表される窒化物から選択されることを特徴とする非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【数１】
2010183050.tif 000010
上記式において、ＡとＢは互いに異なっており、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩＮ又はＴｌから選択され、且つ０≦ｘ≦１である。
【請求項２】
前記複数の核形成層を形成する工程が、前記基板上に第１の核形成層を１０００〜１２００℃の温度で、第２の核形成層を７００〜９００℃の温度で順に形成する工程を備え、且つ前記第１の核形成層及び第２の核形成層の材質が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項３】
前記第２の核形成層を形成した後、第３の核形成層を１０００〜１２００℃の温度で形成する工程をさらに備え、且つ前記第３の核形成層の材質が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項２に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項４】
前記基板がｒ面基板であり、且つ前記非極性ＩＩＩ族窒化物層が非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項１に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項５】
複数の核形成層を形成した後、窒化アルミニウムガリウム層を形成し、前記窒化アルミニウムガリウム層を前記核形成層と前記非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に介在させる工程をさらに備え、前記窒化アルミニウムガリウム層が下記式（Ｉ）で表される組成を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【数２】
2010183050.tif 000011
上記式において、ＡはＡｌであり、ＢはＧａであり、且つ０．１≦ｘ≦０．９である。
【請求項６】
前記核形成層の形成圧力が５０〜１５０ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１又は２に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項７】
前記核形成層の結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比が１０００〜１８００であることを特徴とする請求項６に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項８】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物層が非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項９】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物層を１０００〜１２００℃の温度で形成することを特徴とする請求項１又は８に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項１０】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物層を５０〜１５０ｔｏｒｒの圧力で形成することを特徴とする請求項９に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項１１】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物層の結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比が７００〜１６００であることを特徴とする請求項１０に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項１２】
前記基板の材質がサファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛又は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法。
【請求項１３】
非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造であって、
基板と、
前記基板上に形成された複数の核形成層と、
前記核形成層上に形成され、前記基板との間に前記複数の核形成層が介在された非極性ＩＩＩ族窒化物層とを備え、
前記複数の核形成層がそれぞれ独立して下記式（Ｉ）で表される窒化物から選択されることを特徴とする非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【数３】
2010183050.tif 000012
上記式において、ＡとＢは異なっており、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩＮ又はＴｌから選択され、且つ０≦ｘ≦１である。
【請求項１４】
前記複数の核形成層が、基板上に順に１０００〜１２００℃の温度で形成された第１の核形成層と、７００〜９００℃の温度で形成された第２の核形成層とを備え、且つ前記第１の核形成層及び第２の核形成層の材質が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１３に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【請求項１５】
１０００〜１２００℃の温度で形成された第３の核形成層をさらに備え、前記第２の核形成層が前記第１の核形成層と第３の核形成層との間に介在され、且つ前記第３の核形成層の材質が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１４に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【請求項１６】
前記基板がｒ面基板であり、且つ前記ＩＩＩ族窒化物層が非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項１３に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【請求項１７】
窒化アルミニウムガリウム層をさらに備え、前記窒化アルミニウムガリウム層が前記核形成層と前記非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に介在され、前記窒化アルミニウムガリウム層が下記式（Ｉ）で表される組成を有していることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【数４】
2010183050.tif 000013
上記式において、ＡはＡｌであり、ＢはＧａであり、且つ０．１≦ｘ≦０．９である。
【請求項１８】
前記非極性ＩＩＩ族窒化物層が非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１３に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【請求項１９】
前記基板の材質がサファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛又は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項１３に記載の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造及びその製造方法に関し、特に表面が平坦で且つ結晶品質の良い、非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は今日まで数十年以上にわたる発展を経て、赤、緑及び黄色の発光ダイオードの開発が成功し、いずれも商品化されている。近年、世界各国の研究機関は超高輝度の青緑色発光ダイオード及びレーザダイオードの発展に力を注いでいる。ＩＩＩ族窒化物半導体発光材料は、直接遷移、強い化学結合及び良好な熱伝導性などの利点を有しているため、緑色から紫外線に至る波長領域の多種多様な半導体発光材料のなかで特に注目されるようになっている。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等、発光に用いられる窒化物は、その発光スペクトルはほぼあらゆる可視光の範囲にわたり、紫外線領域にも広がっているため、近年、青／緑ないし紫外線の発光素子、ハイパワー及び高温電子素子、大型のフルカラー電光掲示板、交通信号、液晶ディスプレイバックライト、特殊な照射光源、並びにＤＶＤの半導体レーザ読み取りヘッド等、様々なハイテク製品に応用されている。
【０００３】
現在商業化されている青緑色発光ダイオード素子は、主にＩＩＩ−Ｖ族窒化物からなるものであるが、材料の成長方向及び構造からなる極性性質の制限を受けるため、光電変換効率が不足する問題がある。一般に極性ｃ面ＩＩＩ族窒化物では、原子電荷の非対称によってキャリアの流れに沿う方向に内蔵電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）が発生し、量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｎｆｉｎｅｄ  Ｓｔａｒｋ  Ｅｆｆｅｃｔ，  ＱＣＳＥ）が起こり、量子閉じ込めシュタルク効果によって量子井戸におけるバンド構造に歪みが生じ、電子及び正孔の波動関数のオーバーラップ確率が低下し、発光効率が低下し、スペクトルにも赤方偏移現象が起こる。非極性ＩＩＩ−Ｖ族窒化物材料は、光電変換効率の向上による素子の発光効率の増加に寄与しているほか、非極性材料放射の光源は偏光の特性も有しているため、光電素子の応用に有利になる。一般によく見られるのはサファイア（Ａｌ２Ｏ３、ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板上に非極性窒化ガリウム（ＧａＮ）を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ）として製造されるものである。
【０００４】
図１Ａないし図１Ｂは、従来の非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムの製造方法を模式的に示す。図１Ａに示すように、ｒ面｛１−１０２｝サファイア基板１０を有機金属気相成長（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，  ＭＯＣＶＤ）装置に入れ、当該サファイア基板１０を高温でアニールし、次に、低温窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）層１１を４００〜９００℃の温度で形成する。図１Ｂに示すように、ＭＯＣＶＤ工程により窒化アルミニウムインジウム層１１上に非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウム１２を形成する。このうち、ガリウム源（Ｇａｌｌｉｕｍ  ｓｏｕｒｃｅ）のＶ／ＩＩＩ比（Ｖ／ＩＩＩ  ｒａｔｉｏ）は約７７０〜２３１０であり、窒素源（ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｓｏｕｒｃｅ）の結晶成長圧力は約０．５ａｔｍ（又はそれ以上）であり、温度は１１００℃である。
【０００５】
ただし、各層間の格子定数の差異により格子不整合（ｌａｔｔｉｃｅ  ｍｉｓｍａｔｃｈ）が起こり、各層の形成時に転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）が生じるため、従来の非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムの製造方法では転位密度（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ  ｄｅｎｓｉｔｙ）を効率的に低減させることができないことがあった。これらの転位によって窒化ガリウムの表面に空孔が形成され、窒化ガリウム表面に荒れや破損が生じるおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、上述した問題に鑑み、サファイア基板上に窒化ガリウムを形成した場合に生じる転位密度を如何にして効率よく低減させ、表面が平坦で且つ結晶品質の良い窒化ガリウムを形成するかが、解決が待たれる極めて重要な課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法は、基板を準備する工程と、当該基板上に複数の核形成層（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）を形成する工程と、当該核形成層上に非極性ＩＩＩ族窒化物層を形成する工程とを備え、複数の核形成層がそれぞれ独立して下記式（Ｉ）で表される窒化物から選択される。
【０００８】
【数１】
2010183050.tif 000003
【０００９】
上記式において、ＡとＢは異なっており、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩＮ又はＴｌから選択され、且つ０≦ｘ≦１である。
【００１０】
上述した多層構造の製造方法によれば、基板はｒ面基板であり、ＩＩＩ族窒化物層は非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層であってよい。具体的な実施例においては、基板の材質はサファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛又は炭化ケイ素材質であってよい。
【００１１】
具体的な実施例において、複数の核形成層を形成する工程は、基板上に、第１の核形成層を１０００〜１２００℃の温度で、第２の核形成層を７００〜９００℃の温度で順に形成する工程を備え、且つ第１の核形成層及び第２の核形成層の材質は窒化アルミニウムであってよい。他の具体的な実施例においては、第２の核形成層を形成した後、第３の核形成層を１０００〜１２００℃の温度で形成する工程をさらに備え、当該第３の核形成層の材質は窒化アルミニウムであってよい。
【００１２】
他の具体的な実施例において、複数の核形成層を形成した後、窒化アルミニウムガリウム層を形成し、当該窒化アルミニウムガリウム層を核形成層と非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に介在させる工程をさらに備えてもよく、当該窒化アルミニウムガリウム層は下記式（Ｉ）で表される組成を有する。
【００１３】
【数２】
2010183050.tif 000004
【００１４】
上記式において、ＡはＡｌであり、ＢはＧａであり、且つ０．１≦ｘ≦０．９である。
【００１５】
上述した製造方法によれば、核形成層を形成する前にｒ面基板をアニールする工程をさらに備えてよい。
【００１６】
上述した多層構造の製造方法によれば、核形成層は、高温窒化物層又は低温窒化物層であり、当該高温窒化物層の形成温度は１０００〜１２００℃であり、当該低温窒化物層の形成温度は７００〜９００℃であってよい。
【００１７】
上述した多層構造の製造方法によれば、基板上に形成した核形成層は、高温窒化物層／低温窒化物層／高温窒化物層の順であってよい。当該核形成層と非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に窒化アルミニウムガリウム層がさらに形成されてもよい。当該窒化アルミニウムガリウム層は形成過程において厚さの増加に従ってガリウムの割合を増加させ、アルミニウムの割合を減少させてもよい。
【００１８】
上述した製造方法によれば、核形成層の形成圧力は５０〜１５０ｔｏｒｒであり、核形成層の結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比は１０００〜１８００であってよい。
【００１９】
上述した製造方法によれば、非極性ＩＩＩ族窒化物層は非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムであってよい。
【００２０】
上述した多層構造の製造方法によれば、非極性ＩＩＩ族窒化物層の形成温度は１０００〜１２００℃であり、当該非極性ＩＩＩ族窒化物層の形成圧力は５０〜１５０ｔｏｒｒであり、当該非極性ＩＩＩ族窒化物層の結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比は７００〜１６００であってよい。
【００２１】
上述した多層構造の製造方法によれば、核形成層を形成する方法は、有機金属気相成長又はハイドライド気相成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ，  ＨＶＰＥ）であり、且つ非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を形成する方法は、有機金属気相成長又はハイドライド気相成長であってよい。
【００２２】
また、本発明に係る非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造は、基板と、基板上に形成された複数の核形成層と、核形成層に形成され、基板との間に複数の核形成層が介在された非極性ＩＩＩ族窒化物層とを備え、それらの複数の核形成層がそれぞれ独立して下記式（Ｉ）で表される窒化物から選択される。
【００２３】
【数３】
2010183050.tif 000005
【００２４】
上記式において、ＡとＢは異なっており、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩＮ又はＴｌから選択され、且つ０≦ｘ≦１である。
【００２５】
上述した構造によれば、複数の核形成層が、基板上に順に１０００〜１２００℃の温度で形成された第１の核形成層と、７００〜９００℃の温度で形成された第２の核形成層とを備え、且つ、当該第１の核形成層及び第２の核形成層の材質が窒化アルミニウムであってよい。他の具体的な実施例において、非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造は、１０００〜１２００℃の温度で形成された第３の核形成層をさらに備え、第２の核形成層が第１の核形成層と第３の核形成層との間に介在され、且つ第３の核形成層の材質が窒化アルミニウムであってよい。従って、核形成層が高温窒化物層であり、即ち形成温度が１０００〜１２００℃であり、若しくは低温窒化物層であり、即ち形成温度が７００〜９００℃であり、核形成層が高温窒化物層／低温窒化物層／高温窒化物層であってよい。
【００２６】
また、非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造は、窒化アルミニウムガリウム層をさらに備え、当該窒化アルミニウムガリウム層が核形成層と非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に介在され、当該窒化アルミニウムガリウム層は下記式（Ｉ）で表される組成を有する。
【００２７】
【数４】
2010183050.tif 000006
【００２８】
上記式において、ＡはＡｌであり、ＢはＧａであり、且つ０．１≦ｘ≦０．９である。窒化アルミニウムガリウム層は形成過程において厚さの増加に従ってガリウムの割合を増加させ、アルミニウムの割合を減少させてもよい。
【００２９】
本発明に係るＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法は、まず複数の高温又は低温窒化物層からなる核形成層を形成し、そしてＩＩＩ族窒化物層を形成し、当該核形成層によって、応力を効率的に緩和し、格子不整合を減少させ、転位延長を阻止し、転位密度を低減することができ、表面が平坦で且つ結晶品質のよいＩＩＩ族窒化物層を容易に形成することができ、且つ、当該ＩＩＩ族窒化物層は極端に厚くする必要がないため、製造工程の時間やコストを節約でき、核形成層を高温、低圧、低Ｖ／ＩＩＩ比の成長条件に合わせることもでき、高品質のＩＩＩ族窒化物層を形成することができる。また、本発明に係る製造方法の工程は比較的に簡単である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】従来の非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムの製造方法を模式的に示す。
【図１Ｂ】従来の非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムの製造方法を模式的に示す。
【図２Ａ】本発明に係る第１の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法を模式的に示す。
【図２Ｂ】本発明に係る第１の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法を模式的に示す。
【図２Ｃ】本発明に係る第１の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法を模式的に示す。
【図２Ｄ】本発明に係る第１の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法を模式的に示す。
【図３】本発明に係る第２の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の断面図を示す。
【図４】本発明に係る第３の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の断面図を示す。
【図５】本発明に係る第４の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の断面図を示す。
【図６】本発明に係る第５の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の断面図を示す。
【図７Ａ】本発明に係る第１の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造断面の透過型電子顕微鏡図を示す。
【図７Ｂ】従来の非極性ＩＩＩ族窒化物層構造断面の透過型電子顕微鏡図を示す。
【図８Ａ】本発明に係る非極性ＩＩＩ族窒化物層表面の走査型電子顕微鏡図を示す。
【図８Ｂ】本発明に係る非極性ＩＩＩ族窒化物層表面の走査型電子顕微鏡図を示す。
【図８Ｃ】本発明に係る非極性ＩＩＩ族窒化物層表面の走査型電子顕微鏡図を示す。
【図９】本発明に係る第１の実施例の非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造のＸＲＤ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
下記において特定の具体的な実施例により本発明の実施方式を説明する。この技術分野に精通した者であれば、本明細書に記載の内容によって、簡単に本発明のその他の利点や効果が理解できる。本発明は、その他の異なる実施例によって施行や応用を加えることが可能であり、本明細書に記載の内容も異なる観点や応用に基づき、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な修飾や変更が可能であり、そうした修飾や変更は本発明の技術範囲に入るものである。
【実施例１】
【００３２】
図２Ａないし図２Ｄは、本発明に係る非極性ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法の第１の実施例を模式的に示した図である。
【００３３】
図２Ａに示すように、まずｒ面基板２０を準備し、当該ｒ面基板２０を予めアニールしてから、複数の核形成層を形成する。このうち、それらの複数の核形成層はそれぞれ独立して下記式（Ｉ）で表される窒化物から選択される。
【００３４】
【数５】
2010183050.tif 000007
【００３５】
上記式において、ＡとＢは異なっており、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩＮ又はＴｌから選択され、且つ０≦ｘ≦１である。
【００３６】
本実施例においては、まず基板上に第１の核形成層２１を高温、例えば１０００〜１２００℃で形成し、前記基板２０の材質はｒ面サファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は炭化ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）基板であり、前記第１の核形成層２１の材質は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であってよい。第１の核形成層２１を形成する方法は、有機金属気相成長又はハイドライド気相成長であってよく、例えば、第１の核形成層２１を、５０〜１５０ｔｏｒｒ、好ましくは１００ｔｏｒｒの圧力で、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比（Ｖ／ＩＩＩ  ｒａｔｉｏ）を低Ｖ／ＩＩＩ比、例えば１０００〜１８００に調整することにより形成することができる。
【００３７】
図２Ｂに示すように、前記高温核形成層２１上に第２の核形成層２２を低温、例えば７００〜９００℃で形成し、当該第２の核形成層２２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）でよってよい。第２の核形成層２２を形成する方法は、有機金属気相成長又はハイドライド気相成長であってよく、同様に、第２の核形成層２２を形成する圧力は、例えば５０〜１５０ｔｏｒｒの低圧、好ましくは１００ｔｏｒｒであり、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比（Ｖ／ＩＩＩ  ｒａｔｉｏ）を低Ｖ／ＩＩＩ比、例えば１０００〜１８００に調整することにより第２の核形成層を形成する。
【００３８】
図２Ｃに示すように、前記低温窒化物層２２上に第３の核形成層２３を例えば１０００〜１２００℃の高温で形成し、当該第３の核形成層２３は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）であってよい。第３の核形成層２３を形成する方法は有機金属気相成長又はハイドライド気相成長であってよく、同様に、第３の核形成層２３を形成する圧力は、例えば５０〜１５０ｔｏｒｒの低圧、好ましくは１００ｔｏｒｒで、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比（Ｖ／ＩＩＩ  ｒａｔｉｏ）を低Ｖ／ＩＩＩ比、例えば１０００〜１８００に調整することにより第３の核形成層を形成する。また、前記第１の核形成層２１、第２の核形成層２２及び第３の核形成層２３の総厚さは約１００〜１２０ナノメートル（ｎｍ）である。
【００３９】
第２の核形成層上に非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層（ＩＩＩＡ−ｎｉｔｒｉｄｅ）３０を形成することができるが、本実施例においては、例えば図２Ｄに示すように、第３の核形成層２３上に非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０を形成することにより、それらの複数の核形成層が基板２０と非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０との間に介在される。非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０は非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウム層であってよい。非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０を形成する方法は有機金属気相成長又はハイドライド気相成長であってもよく、例えば５０〜１５０ｔｏｒｒの圧力、好ましくは１００ｔｏｒｒで、１０００〜１２００℃の高温において、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比を低Ｖ／ＩＩＩ比、例えば７００〜１６００、好ましくは７２９〜１２１６に調整することにより非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０を形成する。具体的な実施例において、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比を９１２にすることにより、望ましい表面均一性を有し、且つ空孔のない非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０を得ることができる。
【実施例２】
【００４０】
図３に示すように、第１の実施例の方法を利用して、ｒ面基板２０上に、第１の核形成層２１、第２の核形成層２２、及び非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０の順で形成してもよい。
【実施例３】
【００４１】
図４に示すように、第１の実施例の方法を利用して、ｒ面基板２０上に、第１の核形成層２１、第２の核形成層２２、第３の核形成層２３、７００〜９００℃の温度で形成された第４の核形成層２４、及び非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０の順で形成してもよい。
【実施例４】
【００４２】
図５に示すように、第１の実施例の方法を利用して、ｒ面基板２０上に、第１の核形成層２１、第２の核形成層２２、第３の核形成層２３、７００〜９００℃の温度で形成された第４の核形成層２４、１０００〜１２００℃の温度で形成された第５の核形成層２５、及び非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０の順で形成してもよい。
【実施例５】
【００４３】
図６に示すように、第１の実施例の方法を利用して、ｒ面基板２０上に、第１の核形成層２１、第２の核形成層２２、第３の核形成層２３、窒化アルミニウムガリウム層２６、及び非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０の順で形成してもよい。このうち、当該窒化アルミニウムガリウム層２６はアルミニウム及びガリウムの異なる割合を有してもよい。具体的には、当該窒化アルミニウムガリウム層は下記式（Ｉ）で表される組成を有する。
【００４４】
【数６】
2010183050.tif 000008
【００４５】
上記式において、ＡはＡｌであり、ＢはＧａであり、且つ０．１≦ｘ≦０．９である。窒化アルミニウムガリウム層２６を形成する過程において、厚さの増加に従ってガリウムの割合を増加させ、アルミニウムの割合を減少させてよい。例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＮにおいて、Ｘが０．９から０．１に変化したとすると、当該窒化アルミニウムガリウム層２６の形成によって上下層の間の格子不整合をさらに緩和することができる。ただし、図６は窒化アルミニウムガリウム層２６の一実施例を説明するものにすぎず、同様に、２層、４層又は５層を有する核形成層の態様において、窒化アルミニウムガリウム層を核形成層と非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に形成させてもよい。
【００４６】
図７Ａ、図７Ｂは、非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ，ＴＥＭ）による断面図を示す。図７Ａに示す第１の実施例における３層の窒化アルミニウムを有する多層構造と、図７Ｂに示す単層の窒化アルミニウムを有する多層構造とを比較したところ、図７Ａの標記Ａに示す本発明に係る多層構造の最上層窒化ガリウムの転位に屈曲の現象が生じているため、表面の転位密度が減少している。実際に計算したところ、従来構造の単位面積上の転位（空孔）数が約４．７６×１０１０／ｃｍ２であるが、本発明では約１．６×１０９／ｃｍ２であるため、指標（ｏｒｄｅｒ  ｏｆ  ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）において一桁大幅に減少している。
【００４７】
図８Ａないし図８Ｃは、本発明に係る第１の実施例の非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造表面の走査型電子顕微鏡図を示す。このうち、図８Ａは最上層の窒化ガリウムのＶ／ＩＩＩ比を１２１６に、図８Ｂは９１２に、図８Ｃは７２９に調整した様子を示す図である。このうち、Ｖ／ＩＩＩ比が９１２（図８Ｂ）である表面がもっとも平坦であるが、一般には、９００〜１３００でも極めて良好な平坦性を有している。
【００４８】
図９は、本発明に係る第１の実施例の非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造のＸＲＤ（Ｘ線回折）図である。この図から、本発明に係る３層の窒化ガリウムを有する多層構造は、ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウムの結晶品質（ｃ方向に向かうＸＲＤ半値全幅（ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ，ＦＷＨＭ）が７３８であり、ｍ方向に向かうＸＲＤ半値全幅が１１３８である）の向上に有利である。通常、エピタキシャルの厚さの増加に従って半値全幅が低下すればするほど、エピタキシャルの品質はよくなる。従来技術では、厚さの増加によりエピタキシャルの品質を向上させるのが一般的である。例えば、一般にエピタキシャルが２０〜３０μｍに達してはじめて、上述のｃ方向に向かうＸＲＤ半値全幅が７３８に、ｍ方向に向かうＸＲＤ半値全幅が１１３８に達することができる。ただし、本発明では非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層の厚さが２〜１０μｍであってよく、且つ第１の実施例において２μｍの非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を例にすると、良好なエピタキシャル品質が得られ、コストや製造工程の時間が節約されることとなる。
【００４９】
従って、ある具体的な実施例において、本発明に係るＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造は、ｒ面基板である基板と、当該基板上に形成された複数の核形成層とを備え、当該複数の核形成層は、材質がいずれも窒化アルミニウムであって且つ前記基板上に順に１０００〜１２００℃の温度で形成された第１の核形成層、及び７００〜９００℃の温度で形成された第２の核形成層と、同じく材質が窒化アルミニウムであって且つ１０００〜１２００℃の温度で形成され、第１の核形成層との間に第２の核形成層が介在された第３の核形成層と、前記核形成層と非極性ＩＩＩ族窒化物層との間に介在された窒化アルミニウムガリウム層と、を備え、当該窒化アルミニウムガリウム層は下記式（Ｉ）で表される組成を有する。
【００５０】
【数７】
2010183050.tif 000009
【００５１】
上記式において、ＡはＡｌであり、ＢはＧａであり、且つ０．１≦ｘ≦０．９である。具体的な実施例においては、ｘが０．５であり、且つＩＩＩ族窒化物層が非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層３０であってよい。
【００５２】
また、本発明の製造方法によれば、核形成層（２１、２２、２３、２４、２５）、および窒化アルミニウムガリウム層（２６）の形成圧力は例えば５０〜１５０ｔｏｒｒの低圧であり、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比は１０００〜１８００であってよい。
【００５３】
同様に、非極性ＩＩＩ族窒化物層は非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化ガリウムであってよく、ＩＩＩ族窒化物層の形成温度は１０００〜１２００℃の高温であってよく、非極性ＩＩＩ族窒化物層の形成圧力は５０〜１５０ｔｏｒｒであってよく、結晶成長におけるＶ／ＩＩＩ比は７００〜１６００であってよい。
【００５４】
上述した多層構造によれば、基板の材質は、サファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛又は炭化ケイ素であってよい。
【００５５】
上述のように、本発明に係るＩＩＩ族窒化物層を有する多層構造の製造方法は、まず複数の核形成層（高低温それぞれによってなるものを交互に積層する方法が好ましい）を形成し、そして非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を形成し、前記核形成層によって、応力を効率的に緩和し、格子不整合を減少させ、転位延長を阻止し、転位密度を低減することができ、表面が平坦で且つ結晶品質のよい非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を容易に形成することができ、且つ、当該非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層は極端に厚くする必要がないため、製造工程の時間やコストを節約でき、又、核形成層を高温、低圧、低Ｖ／ＩＩＩ比の成長条件に合わせることもでき、エピタキシャルの成長を促進するとともに、高品質の非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層を形成することができ、従来の製造方法より本発明に係る製造方法の工程は比較的に簡単である。
【００５６】
上記の実施形態は本発明の原理および効果・機能を例示的に説明するものであり、本発明は、これらによって限定されるものではない。本発明に係る実質的な技術内容は、特許請求の範囲に定義される。本発明は、この技術分野に精通した者により本発明の要旨を逸脱しない範囲で色々な修飾や変更をすることが可能であり、そうした修飾や変更は本特許の請求範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００５７】
１０  ｒ面｛１−１０２｝サファイア基板
１１  窒化アルミニウムインジウム層
１２  非極性ａ面｛１１−２０｝窒化ガリウム
２０  基板
２１  第１の核形成層
２２  第２の核形成層
２３  第３の核形成層
２４  第４の核形成層
２５  第５の核形成層
２６  窒化アルミニウムガリウム層
３０  非極性ａ面｛１１−２０｝ＩＩＩ族窒化物層
Ａ  標記
【図１Ａ】
2010183050.tif 000015
【図１Ｂ】
2010183050.tif 000016
【図２Ａ】
2010183050.tif 000017
【図２Ｂ】
2010183050.tif 000018
【図２Ｃ】
2010183050.tif 000019
【図２Ｄ】
2010183050.tif 000020
【図３】
2010183050.tif 000021
【図４】
2010183050.tif 000022
【図５】
2010183050.tif 000023
【図６】
2010183050.tif 000024
【図９】
2010183050.tif 000025
【図７Ａ】
2010183050.tif 000026
【図７Ｂ】
2010183050.tif 000027
【図８Ａ】
2010183050.tif 000028
【図８Ｂ】
2010183050.tif 000029
【図８Ｃ】
2010183050.tif 000030