(57)【要約】【課題】Ｇａ２Ｏ３基板とその上のＡｌＧａＮ結晶層との間の電気抵抗が低く、かつＡｌＧａＮ結晶層が優れた品質を有し得る、紫外線ＬＥＤ用に適した窒化物半導体テンプレート、及びその製造方法を提供する。【解決手段】Ｇａ２Ｏ３基板１１と、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆うように形成された誘電体層１２と、誘電体層１２上の多結晶１７と、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面の誘電体層１２に覆われていない領域上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とするバッファ層１３と、バッファ層１３上に形成され、多結晶１７を覆い隠す、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とするＡｌＧａＮ層１４と、を有する、窒化物半導体テンプレート１０を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ２Ｏ３基板と、
前記Ｇａ２Ｏ３基板上に、前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面を部分的に覆うように形成された誘電体層と、
前記誘電体層上の多結晶と、
前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面の前記誘電体層に覆われていない領域上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とするバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、前記多結晶を覆い隠す、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とするＡｌＧａＮ層と、
を有する、窒化物半導体テンプレート。
【請求項２】
前記誘電体層がＳｉＮ層である、
請求項１に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項３】
前記ＡｌＧａＮ層の表面の最大径が１μｍ以上あるピットの数が、３００μｍ角の領域当たり１０個以内である、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体テンプレート。
【請求項４】
Ｇａ２Ｏ３基板上に、前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面を部分的に覆うように誘電体層を形成する工程と、
前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面の前記誘電体層に覆われていない領域上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とするバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とするＡｌＧａＮ単結晶を成長させ、前記誘電体層上に成長する多結晶を埋め込みつつＡｌＧａＮ層を形成する工程と、
を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【請求項５】
前記多結晶を埋め込むまでの前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長速度が、前記ＡｌＧａＮ単結晶が前記多結晶をちょうど覆い隠した時点での前記ＡｌＧａＮ単結晶の表面のピットの最大径の最大値が平均値の１．５倍以下になる速度である、
請求項４に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【請求項６】
前記多結晶が埋め込まれた後、前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長速度を増加させる、
請求項４又は５に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【請求項７】
前記多結晶を埋め込むまでの前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長温度が、前記ＡｌＧａＮ単結晶の（１１−２２）面以外の面の成長が前記多結晶の埋め込みに寄与する温度である、
請求項４〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【請求項８】
前記多結晶が埋め込まれた後、前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長温度を１１００℃以上まで増加させる、
請求項４〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体テンプレート及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ドットパターンを有するＳｉＮ層が表面に設けられたＧａ２Ｏ３基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させると、Ｇａ２Ｏ３基板とＧａＮ結晶との間の電位障壁が無くなり、縦方向の電気抵抗が低減することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１の方法を応用すれば、Ｇａ２Ｏ３基板上にＡｌＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた場合にも、Ｇａ２Ｏ３基板とＡｌＧａＮ結晶との間の電気抵抗が低減することが期待される。ＧａＮ結晶の代わりにＡｌＧａＮ結晶を形成することにより、紫外線ＬＥＤ用のテンプレートとして用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５８６５２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｇａ２Ｏ３基板上にＡｌＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる場合、ＡｌＧａＮ結晶中のＡｌ組成が高くなるにつれて、エピタキシャル成長中の結晶表面における原料拡散長が短くなり、ＳｉＮ層上に多結晶が析出しやすくなることが予測される。
【０００６】
この多結晶の存在は、ＡｌＧａＮ結晶の表面の孔状の欠陥であるピットの発生原因となるため、ＳｉＮ層上に多結晶が析出した場合であってもＡｌＧａＮ結晶層の表面のピットの数を少なく抑えることのできる特別な手段が求められる。
【０００７】
本発明の目的は、Ｇａ２Ｏ３基板とその上のＡｌＧａＮ結晶層との間の電気抵抗が低く、かつＡｌＧａＮ結晶層が優れた品質を有し得る、紫外線ＬＥＤ用に適した窒化物半導体テンプレート、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、以下の［１］〜［３］の窒化物半導体テンプレート、［４］〜［８］の窒化物半導体テンプレートの製造方法を提供する。
【０００９】
［１］Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に、前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面を部分的に覆うように形成された誘電体層と、前記誘電体層上の多結晶と、前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面の前記誘電体層に覆われていない領域上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とするバッファ層と、前記バッファ層上に形成され、前記多結晶を覆い隠す、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とするＡｌＧａＮ層と、を有する、窒化物半導体テンプレート。
【００１０】
［２］前記誘電体層がＳｉＮ層である、上記［１］に記載の窒化物半導体テンプレート。
【００１１】
［３］前記ＡｌＧａＮ層の表面の最大径が１μｍ以上あるピットの数が、３００μｍ角の領域当たり１０個以内である、上記［１］又は［２］に記載の窒化物半導体テンプレート。
【００１２】
［４］Ｇａ２Ｏ３基板上に、前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面を部分的に覆うように誘電体層を形成する工程と、前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面の前記誘電体層に覆われていない領域上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とするバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とするＡｌＧａＮ単結晶を成長させ、前記誘電体層上に成長する多結晶を埋め込みつつＡｌＧａＮ層を形成する工程と、を含む、窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【００１３】
［５］前記多結晶を埋め込むまでの前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長速度が、前記ＡｌＧａＮ単結晶が前記多結晶をちょうど覆い隠した時点での前記ＡｌＧａＮ単結晶の表面のピットの最大径の最大値が平均値の１．５倍以下になる速度である、上記［４］に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【００１４】
［６］前記多結晶が埋め込まれた後、前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長速度を増加させる、上記［４］又は［５］に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【００１５】
［７］前記多結晶を埋め込むまでの前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長温度が、前記ＡｌＧａＮ単結晶の（１１−２２）面以外の面の成長が前記多結晶の埋め込みに寄与する温度である、上記［４］〜［６］のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【００１６】
［８］前記多結晶が埋め込まれた後、前記ＡｌＧａＮ単結晶の成長温度を１１００℃以上まで増加させる、上記［４］〜［７］のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、Ｇａ２Ｏ３基板とその上のＡｌＧａＮ結晶層との間の電気抵抗が低く、かつＡｌＧａＮ結晶層が優れた品質を有し得る、紫外線ＬＥＤ用に適した窒化物半導体テンプレート、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施の形態に係る窒化物半導体テンプレートの垂直断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る結晶積層構造体の製造工程を表す垂直断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る結晶積層構造体の製造工程を表す垂直断面図である。
【図４】図４（ａ）は、表面に誘電体層が形成されたＧａ２Ｏ３基板を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図４（ｂ）は、ＡｌＧａＮ単結晶の成長初期の状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【図５】図５（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶を成長温度１１００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図５（ｂ）は、ＡｌＧａＮ単結晶を成長温度１１００℃、成長速度１．２５μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【図６】図６（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶を成長温度１１００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで９００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図６（ｂ）は、ＡｌＧａＮ単結晶を成長温度１０００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで９００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図６（ｃ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１０００℃、成長速度０．８μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【図７】図７（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶を成長温度１０００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させて多結晶１７を埋め込んだ後、成長温度を１１００°、成長速度を１．２５μｍ／ｈに上げてさらに１８００ｎｍの厚さだけ成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図７（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）のＡｌＧａＮ層の垂直断面のＴＥＭ観察像である。
【図８】図８は、電流−電圧特性の測定のために窒化物半導体テンプレートのＧａ２Ｏ３基板とＡｌＧａＮ層に電極を接続した様子を示す模式図である。
【図９】図９は、実施例及び比較例に係る窒化物半導体テンプレートの縦方向（垂直方向）の電流−電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔実施の形態〕
（窒化物半導体テンプレートの構造）
図１は、実施の形態に係る窒化物半導体テンプレート１０の垂直断面図である。窒化物半導体テンプレート１０は、発光波長が３６５ｎｍ以下の紫外線ＬＥＤの用途に適したテンプレートである。
【００２０】
窒化物半導体テンプレート１０は、Ｇａ２Ｏ３基板１１と、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆うように形成された誘電体層１２と、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面の誘電体層１２に覆われていない領域上に形成されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とするバッファ層１３と、バッファ層１３上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とするＡｌＧａＮ層１４と、を有する。
【００２１】
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。Ｇａ２Ｏ３基板１１の主面は、品質の高い窒化物半導体結晶の成長の下地となることのできる、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面からおよそ±２°以内の範囲で傾いた面である。Ｇａ２Ｏ３基板１１は、例えば、直径５０．８ｍｍ（２インチ）の円形基板であるが、その形状及び大きさは限定されない。
【００２２】
Ｇａ２Ｏ３は、約４．８ｅＶ（波長に換算すると約２６０ｎｍ）の広いバンドギャップを有するため、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、紫外線ＬＥＤ用の窒化物半導体テンプレート１０の基板として優れている。一方、例えば、ＧａＮは波長３６５ｎｍ以下の光を吸収するため、ＧａＮ基板は、紫外線ＬＥＤ用のテンプレートには不適切であり、光取出効率の低下を防ぐためには、ＬＥＤの製造後にＧａＮ基板を除去しなければならず、その方法は非常に困難で有効な方法がみつかっていない。
【００２３】
また、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、Ｓｉ、Ｓｎ等のドーパントを含み、優れた導電性を有するため、ＬＥＤ用基板として優れている。一方、例えば、サファイア基板のような絶縁性の基板や導電性の低い基板を用いる場合、縦型のＬＥＤを形成することはできず、また、横型のＬＥＤを形成する場合であっても、基板上の膜厚の薄いＡｌＧａＮ層を電流が流れるため、電気抵抗が高くなる。
【００２４】
誘電体層１２は、ＳｉＮｘを主成分とするＳｉＮ層やＨｆＯ２を主成分とするＨｆＯ２層、ＳｉＯ２を主成分とするＳｉＯ２層等の誘電体層である。
【００２５】
誘電体層１２をＧａ２Ｏ３基板１１上に設けることにより、Ｇａ２Ｏ３基板１１とＡｌＧａＮ層１４との間の電位障壁を低減することができる。これによって、窒化物半導体テンプレート１０を用いて製造されるＬＥＤの動作電圧を低減することができる。
【００２６】
誘電体層１２の上面には、ＡｌＧａＮを主成分とする多結晶１７が析出している。
【００２７】
誘電体層１２が厚くなる（表面積が大きくなる）と、その上に析出する多結晶１７の体積が増え、これを埋め込んで良好なＡｌＧａＮ層１４の表面を形成するために必要なＡｌＧａＮ層１４の厚さが増大するため、誘電体層１２の厚さは１μｍ以下であることが好ましい。また、多結晶１７は埋め込まれるまでは成長を続けるため、ＡｌＧａＮ層１４の厚さの増大に伴って多結晶１７の体積がより大きくなることも考えられる。多結晶１７の埋め込みについては後述する。
【００２８】
誘電体層１２は、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆うように形成される。誘電体層１２のパターン形状は限定されず、例えば、ドットパターンやラインアンドスペースパターンである。
【００２９】
ただし、ＡｌＧａＮ層１４を構成するＡｌＧａＮ結晶のエピタキシャル成長中の表面での原料拡散長が短いことを考慮して、縁からの距離が２．５μｍを超える領域が存在しないようなパターンを有することが好ましい。例えば、ドットパターンであればドットの直径が５μｍ以下、ラインアンドスペースパターンであればラインの幅が５μｍ以下であることが好ましい。このようなパターンを有することにより、誘電体層１２上の多結晶１７の析出を抑えることができる。
【００３０】
誘電体層１２の屈折率がＧａ２Ｏ３基板１１の屈折率に近いほど、Ｇａ２Ｏ３基板１１と誘電体層１２の界面の反射率が小さくなる。誘電体層１２がＳｉＮ層である場合は、Ｏ等のＳｉ、Ｎ以外の元素を含んでもよいが、誘電体層１２の屈折率とＧａ２Ｏ３基板１１の屈折率の差をより小さくするためには、ほぼＳｉＮｘのみからなることが好ましい。
【００３１】
また、ＡｌＧａＮ層１４側からＧａ２Ｏ３基板１１側へ向かう光の全反射を抑えるために、誘電体層１２の屈折率は、ＡｌＧａＮ層１４の屈折率以下であり、Ｇａ２Ｏ３基板１１の屈折率以上であることが好ましい。
【００３２】
誘電体層１２の成膜温度等の形成条件を制御することにより、誘電体層１２の屈折率を調整して、誘電体層１２の屈折率とＧａ２Ｏ３基板１１の屈折率の差をより小さくすることができる。
【００３３】
バッファ層１３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を主成分とする。バッファ層１３が厚すぎると、その上のＡｌＧａＮ層１４の結晶品質が劣化するため、バッファ層１３の厚さは、１０ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３４】
ＡｌＧａＮ層１４は、窒化物半導体テンプレート１０を用いて形成される紫外線ＬＥＤにおいて、クラッド層として用いられる。ＡｌＧａＮ層１４は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）を主成分とする。ＡｌＧａＮ層１４のＡｌ組成ｙは、バッファ層１３のＡｌ組成ｘよりも小さい。クラッド層であるＡｌＧａＮ層１４がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５）を主成分とすることにより、発光波長が２９０〜３６５ｎｍの紫外線ＬＥＤを形成することができる。
【００３５】
ＡｌＧａＮ層１４を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＮのＡｌ組成ｙが０．５以下である場合、後述するように、ＡｌＧａＮ層１４の成長条件を適切に設定することにより、表面のピットを低減又は無くすことができる。ＡｌＧａＮ層１４の表面の最大径が１μｍ以上あるピットの数は、３００μｍ角の領域当たり１０個以内であることが好ましい。
【００３６】
ＡｌＧａＮ層１４は、Ｓｉ等のドーパントを含んでもよい。ＡｌＧａＮ層１４の厚さは、ＡｌＧａＮ層１４の表面のピットが十分に埋め込まれ、ＡｌＧａＮ層１４上にＬＥＤ等の層を形成したときにその層にクラックが生じない程度の厚さであればよい。ピットの埋め込みについては後述する。
【００３７】
（窒化物半導体テンプレートの製造方法）
以下に、窒化物半導体テンプレート１０の製造方法の一例について説明する。
【００３８】
図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る結晶積層構造体の製造工程を表す垂直断面図である。
【００３９】
まず、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理されたＧａ２Ｏ３基板１１に有機洗浄、及びＳＰＭ（Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture）洗浄を施す。
【００４０】
次に、図２（ａ）に示されるように、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に膜状の誘電体層１２を形成する。本例では、誘電体層１２としてＳｉＮ層を形成する。
【００４１】
この膜状の誘電体層１２は、チャンバー内の温度を３００〜３５０℃に保持した状態で、Ｓｉの原料としてのＳｉＨ４、Ｎの原料としてのＮＨ３ガス、及び雰囲気ガスとしてのＮ２ガスをチャンバー内に供給して、ＳｉＮをＧａ２Ｏ３基板１１上に体積させることにより形成される。この段階では、誘電体層１２はほぼ均一の１μｍ程度の厚さを有する特別なパターンを持たない膜である。なお、それぞれの元素の原料は上記のものに限られない。
【００４２】
次に、図２（ｂ）に示されるように、誘電体層１２上にレジン１５を形成する。本例では、レジン１５はナノインプリントにより形成される。レジン１５の凸部のパターン形状は、例えば、ドットの直径が０．５μｍ、ピッチが１μｍのドットパターンである。また、ホールパターン、ラインアンドスペースパターン等の他のパターンであってもよい。
【００４３】
次に、図２（ｃ）に示されるように、レジン１５をマスクとして誘電体層１２にドライエッチングを施し、レジン１５のパターンを誘電体層１２に転写する。
【００４４】
次に、図２（ｄ）に示されるように、残ったレジン１５を除去する。その後、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置のチャンバー内にＧａ２Ｏ３基板１１を搬送する。
【００４５】
次に、図３（ａ）に示されるように、Ｇａ２Ｏ３基板１１上にバッファ層１３を形成する。このバッファ層１３は、チャンバー内の温度を４００〜６００℃に保持した状態で、原料ガスと、キャリアガスとしてのＮ２ガスをチャンバー内に供給して、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）をＧａ２Ｏ３基板１１上に成長させることにより形成される。
【００４６】
バッファ層１３の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。なお、キャリアガスとして、Ｈ２ガス等を用いてもよい。
【００４７】
なお、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）は、誘電体層１２上にも成長するが、この誘電体層１２上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）上にはＧａ２Ｏ３基板１１の結晶情報を引き継ぐエピタキシャル結晶成長は起こり得ないので、バッファ層として機能しない。
【００４８】
次に、図３（ｂ）に示されるように、バッファ層１３上にＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）からなるＡｌＧａＮ単結晶１６を成長させる。このとき、誘電体層１２上にはＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦０．５、ｙ＜ｘ）のエピタキシャル成長は起こらず、組成比の不定なＡｌＧａＮからなる多結晶１７が僅かに成長する。
【００４９】
ＡｌＧａＮ単結晶１６の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。なお、キャリアガスとして、Ｈ２ガス等を用いてもよい。
【００５０】
次に、図３（ｃ）に示されるように、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続けると、バッファ層１３上から成長するＡｌＧａＮ単結晶１６が誘電体層１２上の多結晶１７を覆い隠して内部に埋め込む。ＡｌＧａＮ単結晶１６の表面の、真下に多結晶１７が位置する領域には、ピット１８が形成される。
【００５１】
このＡｌＧａＮ単結晶１６の表面のピット１８の大きさのばらつきが大きすぎると、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続けてもピット１８が埋まりきらずに残存しやすくなるため、ピット１８の大きさのばらつきを抑えることが求められる。
【００５２】
例えば、ＡｌＧａＮ単結晶１６が多結晶１７をちょうど覆い隠した時点でのＡｌＧａＮ単結晶１６の表面のピット１８の最大径の最大値が平均値の１．５倍以下であれば、隣接するピット１８が繋がり難く、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続けることにより得られるＡｌＧａＮ層１４の表面に残存するピット１８の数を抑えることができる。例えば、最大径が１μｍ以上あるピット１８の数を３００μｍ角の領域当たり１０個以内に抑えることができる。
【００５３】
本願発明者は、鋭意研究の結果、多結晶１７を埋め込むまでのＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度を通常よりも下げることによりＡｌＧａＮ単結晶１６の表面のピット１８の大きさのばらつきを低減できることを見出した。例えば、多結晶１７を埋め込むまでのＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度をおよそ０．８μｍ／ｈ以下とすることにより、ＡｌＧａＮ単結晶１６が多結晶１７をちょうど覆い隠した時点でのＡｌＧａＮ単結晶１６の表面のピット１８の最大径の最大値が平均値の１．５倍以下となる。このため、多結晶１７を埋め込むまでのＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度をおよそ０．８μｍ／ｈ以下、好ましくはおよそ０．４μｍ／ｈ以下にすることにより、ＡｌＧａＮ層１４の表面のピット１８の数を効果的に抑えることができる。なお、通常のＡｌＧａＮ単結晶の成長においては、成長速度を下げると製造コストが上がるだけで利点がないため、成長速度は１．０μｍ／ｈ以上に設定される。
【００５４】
また、本願発明者は、多結晶１７を埋め込むまでのＡｌＧａＮ単結晶１６の成長温度を通常よりも下げることにより、ＡｌＧａＮ単結晶１６が多結晶１７を覆って埋め込むまでの時間を短縮できることを見出した。通常の成長温度（例えば１１００℃）では、ほとんどＡｌＧａＮ単結晶１６の（１１−２２）面の成長のみが多結晶１７の埋め込みに寄与するが、より低い成長温度（例えば１０００℃）では、（１１−２２）面以外の面の成長が多結晶１７の埋め込みに寄与し、埋め込み速度が増加する。
【００５５】
ただし、上述のように、ＡｌＧａＮ単結晶１６の（ＡｌＧａＮ層１４を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＮの）Ａｌ組成ｙが０．５を超える場合には、多結晶１７の成長速度に対するＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度が低くなるため、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度や成長温度を下げても多結晶１７を埋め込むことが難しくなり、その結果、ＡｌＧａＮ層１４の表面のピット１８の数を抑えることは困難になる。
【００５６】
一方で、ＡｌＧａＮ単結晶１６の（ＡｌＧａＮ層１４を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＮの）Ａｌ組成ｙが０．１に満たない場合には、多結晶１７の成長速度に対するＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度が大きく、多結晶１７を埋め込むためのＡｌＧａＮ単結晶１６の特別な成長条件は必要ない。
【００５７】
次に、図３（ｄ）に示されるように、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続けて表面のピット１８を埋め込んでいく。ここで、多結晶１７を埋め込んだ後は、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長温度を１１００℃以上まで増加させることにより、ＡｌＧａＮ層１４の表面のピット数をより少なくすることができる。
【００５８】
また、成長速度については、多結晶１７を埋め込んだ後は成長速度を増加させてもピット１８の埋め込みに支障が出ることは少ないため、多結晶１７を埋め込む前の成長速度より高く、例えば１．２５μｍ／ｈとしてもよい。
【００５９】
その後、さらにＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続け、図１に示されるようなＡｌＧａＮ層１４を得る。
【００６０】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３基板とその上のＡｌＧａＮ結晶層との間の電気抵抗が低く、かつＡｌＧａＮ結晶層が優れた品質を有し得る、紫外線ＬＥＤ用に適した窒化物半導体テンプレート、及びその製造方法を提供することができる。
【実施例】
【００６１】
ＡｌＧａＮ層１４を構成するＡｌＧａＮ単結晶１６の成長条件とその表面状態との関係を調べた。
【００６２】
本実施例においては、Ｇａ２Ｏ３基板１１としての（−２０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板上に、誘電体層１２としての直径が０．５μｍ、ドット間ピッチが１μｍのドットパターンを有する厚さ５０ｎｍのＳｉＮ層、及びバッファ層１３としての厚さ２ｎｍのＡｌＮ層を形成し、ＡｌＧａＮ単結晶１６としてのＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ単結晶をエピタキシャル成長させてＡｌＧａＮ層１４としてのＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ層を形成した。
【００６３】
図４（ａ）は、表面に誘電体層１２が形成されたＧａ２Ｏ３基板１１を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図４（ａ）の状態は、図２（ｄ）の状態に相当する。
【００６４】
図４（ｂ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長初期の状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図４（ｂ）の状態は、図３（ｂ）の状態に相当する。ＡｌＧａＮ単結晶１６の平滑な上面は（０００１）面である。
【００６５】
（成長速度と表面状態の関係）
図５（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１１００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図５（ｂ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１１００℃、成長速度１．２５μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図５（ａ）、（ｂ）の状態は、図３（ｃ）の状態に相当する。
【００６６】
図５（ａ）と図５（ｂ）のいずれも、ＡｌＧａＮ単結晶１６が誘電体層１２上の多結晶１７を埋め込むようにピット１８を形成しつつ成長していることを示しているが、図５（ａ）に示されるピット１８の大きさのばらつきは小さく、図５（ｂ）に示されるピット１８の大きさのばらつきは大きい。
【００６７】
図５（ａ）に示されるＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続けるとピット１８を埋め込んでほとんど消失させることができたが、図５（ｂ）に示されるＡｌＧａＮ単結晶１６の成長を続けてもピット１８を消失させることはできなかった。
【００６８】
図５（ｃ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１１００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させて多結晶１７を埋め込んだ後、成長速度を１．２５μｍ／ｈに上げてさらに９００ｎｍの厚さだけ成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【００６９】
図５（ｃ）に示されるピット１８の大きさのばらつきは図５（ａ）に示されるピット１８の大きさのばらつきとほぼ同じであることから、多結晶１７が埋め込まれた後であればＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度を上げてもピット１８の大きさのばらつきが大きくならないことがわかる。
【００７０】
なお、図５（ａ）に示されるピット１８よりも図５（ｃ）に示されるピット１８の方が大きいのは、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長速度を上げたために結晶の横方向への成長速度が低くなったことによると考えられる。
【００７１】
（成長温度と表面状態の関係）
図６（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１１００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで９００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。図６（ｂ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１０００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで９００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【００７２】
図６（ａ）に示されるピット１８の斜面はＡｌＧａＮ単結晶１６の６つの（１１−２２）面で構成されている。このため、ほとんどＡｌＧａＮ単結晶１６の（１１−２２）面の成長のみが多結晶１７の埋め込みに寄与していることがわかる。
【００７３】
一方で、図６（ｂ）に示されるピット１８の斜面には特定の方位の面がはっきりと表れておらず、（１１−２２）面以外の面の成長が多結晶１７の埋め込みに寄与していることがわかる。この場合、（１１−２２）面の成長のみが多結晶１７の埋め込みに寄与する場合と比較して、多結晶１７を埋め込む速度が大きくなる。
【００７４】
次に、この成長温度が１０００℃のときに（１１−２２）面以外の面の成長が多結晶１７の埋め込みに寄与するという結果を踏まえて、成長温度を１０００℃に固定して成長速度を増加させた。
【００７５】
図６（ｃ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１０００℃、成長速度０．８μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【００７６】
なお、成長速度が０．８μｍ／ｈであるときも、図６（ｃ）の観察像から確認できるように、ピット１８の最大径の最大値が平均値の１．５倍以下となり、ピット１８の数を効果的に抑えることができる。一方で、成長速度が０．８μｍ／ｈであるときは、０．４μｍ／ｈであるときよりも多結晶１７の成長速度が大きく、多結晶１７を埋め込む速度が若干遅いことがわかった。このことから、多結晶１７を埋め込むまでのＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度は０．８μｍ／ｈ以下であることが好ましく、０．４μｍ／ｈ以下であることがより好ましいと言える。
【００７７】
（ＡｌＧａＮ層の状態）
図７（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６を成長温度１０００℃、成長速度０．４μｍ／ｈで１８００ｎｍの厚さまで成長させて多結晶１７を埋め込んだ後、成長温度を１１００°、成長速度を１．２５μｍ／ｈに上げてさらに１８００ｎｍの厚さだけ成長させた状態を上方から観察したＳＥＭ観察像である。
【００７８】
図７（ａ）は、ＡｌＧａＮ単結晶１６の成長表面が鏡面化されており、高品質のＡｌＧａＮ層１４が得られたことを示している。また、ＡｌＧａＮ層１４の表面にはクラックも観察されなかった。
【００７９】
図７（ｂ）、（ｃ）は、図７（ａ）のＡｌＧａＮ層１４の垂直断面のＴＥＭ観察像である。図７（ｂ）はＡｌＧａＮ層１４の［０００２］方向に電子線を入射した像であり、図７（ｃ）はＡｌＧａＮ層１４の［１−１００］方向に電子線を入射した像である。
【００８０】
図７（ｃ）の観察像は、ＡｌＧａＮ層１４上に形成されるＬＥＤ発光層の輝度に影響を与える刃状転位の様相を示しているが、誘電体層１２がマスクとして働く選択横方向成長（Epitaxial Lateral Overgrowth：ＥＬＯ）効果により転移線が曲げられ、合体して低減していることがわかる。
【００８１】
ＴＥＭのサンプル厚は２００ｎｍであり、ＡｌＧａＮ層１４の表面に達している刃状転位の密度は１．２×１０９ｃｍ−２と導かれる。この値は、競合技術であるサファイア基板上に高品質なＡｌＧａＮ層を形成した紫外線ＬＥＤ用のテンプレートの一般的な値と同等である。
【００８２】
（電流−電圧特性）
図７（ａ）〜（ｃ）の窒化物半導体テンプレート１０の電流−電圧特性を測定した。
【００８３】
図８は、電流−電圧特性の測定のために窒化物半導体テンプレート１０のＧａ２Ｏ３基板１１とＡｌＧａＮ層１４に電極１９ａ、１９ｂをそれぞれ接続した様子を示す模式図である。電極１９ａ、１９ｂは、それぞれフォトリソグラフィを用いて形成されたＴｉＡｌ電極、ＴｉＡｕ電極である。
【００８４】
また、比較例として、誘電体層を有しない窒化物半導体テンプレートを用意し、同様に電流−電圧特性を測定した。この比較例に係る窒化物半導体テンプレートは、（−２０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板と、その上に積層されたバッファ層としてのＡｌＮ層、厚さ１００ｎｍのＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ層、応力緩和層としての厚さ１５０ｎｍのＡｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ層、応力緩和層としての厚さ５０ｎｍのＡｌ０．５５Ｇａ０．４５Ｎ層、厚さ９００ｎｍのＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ層を有する。
【００８５】
図９は、実施例及び比較例に係る窒化物半導体テンプレートの縦方向（垂直方向）の電流−電圧特性を示すグラフである。図９の横軸は電圧、縦軸は電流密度を示す。
【００８６】
図９は、比較例に係る窒化物半導体テンプレートにおいては、Ｇａ２Ｏ３基板とＡｌＧａＮ層の界面に電位障壁が存在するが、本実施例に係る窒化物半導体テンプレート１０においては、表面に誘電体層１２を有するＧａ２Ｏ３基板１１とＡｌＧａＮ層１４の界面の電位障壁が大きく低減されていることを示している。この結果は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の表面に誘電体層１２を設けることにより、窒化物半導体テンプレート１０の縦方向の電気抵抗が低減することを示している。
【００８７】
なお、比較例に係る窒化物半導体テンプレートの応力緩和層としてのＡｌ０．６０Ｇａ０．４０Ｎ層及びＡｌ０．５５Ｇａ０．４５Ｎ層は、Ｇａ２Ｏ３基板とＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ層との格子定数の差に起因してＡｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ層に生じる応力を緩和し、Ａｌ０．３４Ｇａ０．６６Ｎ層におけるクラックの発生を抑えるための層であるが、本実施例に係る窒化物半導体テンプレート１０においてはＡｌＧａＮ層１４にクラックが生じることはなく、応力緩和層が不要であることが確認された。
【００８８】
以上の評価から、本実施例に係る窒化物半導体テンプレート１０が、紫外線ＬＥＤ用のテンプレートとして実用化レベルに達していることが確認された。
【００８９】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００９０】
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００９１】
１０…窒化物半導体テンプレート、  １１…Ｇａ２Ｏ３基板、  １２…誘電体層、  １３…バッファ層、  １４…ＡｌＧａＮ層、  １６…ＡｌＧａＮ単結晶、  １７…多結晶、  １８…ピット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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