(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア単結晶基板の表面を窒化処理して該サファイア単結晶基板の表面に厚さ３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の窒素極性の窒化アルミニウム層を形成し、
大気雰囲気中で加熱し、前記窒化アルミニウム層の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転させるために該窒素極性の窒化アルミニウム層の表面に酸素を含有させて酸素含有層を形成し、
前記酸素含有層上に、液相成長法により転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜を形成することを特徴とするエピタキシャル成長用基板の製造方法。
【請求項２】
酸素濃度が１ａｔｏｍｉｃ％以上７ａｔｏｍｉｃ％以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
【請求項３】
ａ面を主面とする前記サファイア単結晶基板の表面を窒化処理することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエピタキシャル成長用基板の製造方法。
【請求項４】
サファイア単結晶基板と、前記サファイア単結晶基板の表面に形成された３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の窒素極性の窒化アルミニウム層と、該窒化アルミニウム層の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転させるための前記窒素極性の窒化アルミニウム層の表面に形成された酸素含有層とを有する窒化サファイア基板と、
前記酸素含有層上に形成された転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜とを備え、
前記サファイア単結晶基板は、ａ面を主面とすることを特徴とするエピタキシャル成長用基板。
【請求項５】
前記アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜中の酸素濃度は、１ａｔｏｍｉｃ％以上７ａｔｏｍｉｃ％以下であることを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャル成長用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させるための下地となるエピタキシャル成長用基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外発光素子は、蛍光灯の代替、高密度ＤＶＤ、生化学用レーザ、光触媒による公害物質の分解、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、水銀灯の代替等の次世代の光源として幅広く注目されている。紫外発光素子は、ワイドギャップ半導体と呼ばれる窒化アルミニウムガリウム系窒化物半導体からなり、以下の表１に示すようなサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（４Ｈ−ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の異種基板上に積層される。
【０００３】
しかしながら、サファイアを用いた場合には、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）との格子不整合が大きいため、多数の貫通転位が存在してしまい、非発光再結合中心となって内部量子効率を著しく低下させてしまう。また、４Ｈ−ＳｉＣ及び窒化ガリウムを用いた場合には、格子整合性が高いという利点があるものの、高価であるためコスト性に問題があるだけでなく、波長３８０ｎｍ以下及び３６５ｎｍ以下の紫外線をそれぞれ吸収してしまう。
【０００４】
これに対して、窒化アルミニウムは、窒化アルミニウムガリウムと格子定数が近く、２００ｎｍの紫外領域まで透明であるため、発光した紫外線を吸収することなく、紫外光を効率よく外部へ取り出すことができる。つまり、窒化アルミニウムは、窒化アルミニウム単結晶を基板として用い、窒化アルミニウムガリウム系発光素子を準ホモエピタキシャル成長させることにより、結晶の欠陥密度を低く抑えた紫外発光素子を作製することができる。
【０００５】
【表１】
0006491488.tif 000002
【０００６】
窒化アルミニウム単結晶自立基板に関しては、現在、昇華法やハイドライド気相成長（HVPE：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法等による作製が試行されている。しかしながら、昇華法で得られた窒化アルミニウムは、結晶性に優れているものの、製造プロセス中の多量の不純物の混入が原因となって紫外線透過性に劣り、また、非常に高価であるという問題がある。また、昇華法で得られた窒化アルミニウムを下地基板として、この上にハイドライド気相成長法により厚さ数百ミクロンの窒化アルミニウムを成長させ、その後、下地層である昇華法で得られた窒化アルミニウムを除去することにより、昇華法による窒化アルミニウムの良好な結晶性を引き継ぎ、且つ、紫外線透過性を有する窒化アルミニウム自立基板が得られているが、昇華法で得られた窒化アルミニウムを利用する限り、非常に高価であるという問題点が克服されることはない。
【０００７】
これに対し、比較的安価なサファイア単結晶基板を用い、この基板上に窒化アルミニウム単結晶膜を成長させた基板作製の検討が行われている。例えば、特許文献１では、サファイア単結晶基板の表面を窒化処理することにより表面窒化層を形成し、この窒化層を介して窒化アルミニウム膜を形成した基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４２６０３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、窒化アルミニウム膜の形成には気相成長法が用いられている。その一方で、液相成長法は、熱力学的に平衡に近い状態で成長が行われるため、より転位密度の低い単結晶膜の成長が期待される。しかしながら、本発明者らは、液相成長法を用いて、表面窒化層を有するサファイア単結晶基板上への窒化アルミニウム膜の形成を試みたところ、液相成長法では、表面窒化層を有するサファイア単結晶基板上には窒化アルミニウム膜が成長しないことを確認している。
【００１０】
そこで、本発明は、低転位密度のアルミニウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させることが可能な基板として、サファイア単結晶基板上に低転位密度の窒化アルミニウム膜を液相成長法により形成させたエピタキシャル成長用基板及びその製造方法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】
【００１１】
上述した目的を達成するための本発明に係るエピタキシャル成長用基板の製造方法は、サファイア単結晶基板の表面を窒化処理してサファイア単結晶基板の表面に厚さ３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の窒素極性の窒化アルミニウム層を形成し、大気雰囲気中で加熱し、窒化アルミニウム層の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転させるために窒素極性の窒化アルミニウム層の表面に酸素を含有させて酸素含有層を形成し、酸素含有層上に、液相成長法により転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜を形成することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るエピタキシャル成長用基板は、サファイア単結晶基板と、サファイア単結晶基板の表面に形成された３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の窒素極性の窒化アルミニウム層と、窒化アルミニウム層の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転させるための窒素極性の窒化アルミニウム層の表面に形成された酸素含有層とを有する窒化サファイア基板と、酸素含有層上に形成された転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜とを備え、前記サファイア単結晶基板は、ａ面を主面とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低転位密度のアルミニウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体膜を、有機金属気相成長（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によりエピタキシャル成長させることが可能なエピタキシャル成長用基板を作製することができ、更に、このエピタキシャル成長用基板を用いることで、アルミニウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体膜で構成される半導体素子の高性能化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長用基板の構成例を示す図である。
【図２】実施例１で得られたエピタキシャル成長用基板の断面を透過型電子顕微鏡により撮影した画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル成長用基板及びその製造方法について、図面を参照しながら以下の項目に沿って詳細に説明する。なお、本発明に係るエピタキシャル成長用基板及びその製造方法は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることは可能である。
【００１６】
１．エピタキシャル成長用基板の製造方法
１−１．窒素極性の窒化アルミニウム層の形成工程
１−２．酸素含有層の形成工程
１−３．アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜の形成工程
２．エピタキシャル成長用基板
【００１７】
１．エピタキシャル成長用基板の製造方法
エピタキシャル成長用基板の製造方法では、サファイア単結晶基板の表面に窒素極性の窒化アルミニウム層を形成し、窒素極性の窒化アルミニウム層の極表面に酸素含有層を形成し、酸素含有層上にアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜を形成することで、図１に示すようなエピタキシャル成長用基板１が作製される。
【００１８】
一般的に、サファイア単結晶基板には、ａ面を主面とするものやｃ面を主面とするもの等が知られている。エピタキシャル成長用基板１の出発原料であるサファイア単結晶基板１０ａは、後述するエピタキシャル成長用基板１の最上層に形成されるアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の転位密度を低減することができれば特に限定されず、例えば、ａ面を主面とするものやｃ面を主面とするもの等を用いる。これらのうち、ａ面を主面とするサファイア単結晶基板１０ａを用いた場合には、ｃ面を主面とするサファイア単結晶基板１０ａを用いた場合と比較して、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０における低転位密度化を図ることができる。
【００１９】
１−１．窒素極性の窒化アルミニウム層の形成工程
窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの形成工程では、サファイア単結晶基板１０ａの表面を窒化処理することにより、サファイア単結晶基板１０ａの表面に、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂが形成される。
【００２０】
窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの形成工程では、サファイア単結晶基板１０ａを窒素含有雰囲気中で、所定の温度及び時間で加熱することにより、サファイア単結晶基板１０ａの表面に窒化処理を施す。例えば、サファイア単結晶基板１０ａを窒素（Ｎ２）分圧０．９ａｔｍ／一酸化炭素（ＣＯ）分圧０．１ａｔｍ、温度１５００℃で１時間保持した後、窒素分圧１．０ａｔｍで５時間保持することにより、サファイア単結晶基板１０ａの表面に、結晶性に優れた窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂを形成することができる。
【００２１】
１−２．酸素含有層の形成工程
酸素含有層１０ｃの形成工程では、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面の少なくとも一部の窒素原子を酸素原子に置換することにより、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面に酸素含有層１０ｃが形成される。
【００２２】
酸素含有層１０ｃの形成工程では、例えば、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂが形成されたサファイア単結晶基板１０ａを大気雰囲気中で加熱する。この加熱処理で、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面の少なくとも一部の窒素原子が酸素原子に置換され、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面に酸素含有層１０ｃを形成することができる。
【００２３】
或いは、後述する窒化アルミニウム膜２０を形成するためのアルミニウム含有合金融液中に、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂが形成されたサファイア単結晶基板１０ａを浸漬し、アルミニウム含有合金融液中にｐｐｍオーダーの酸素を含む窒素ガスを吹き込むことにより、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面の少なくとも一部の窒素原子を酸素原子に置換し、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面に酸素含有層１０ｃを形成することもできる。アルミニウム合金融液中で酸素含有層１０ｃを形成する際には、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂ表面の一部が融液中に溶解（メルトバック）するため、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂは、３ｎｍ以上の厚さを有することが必要となる。
【００２４】
以上のような酸素含有層１０ｃの形成工程では、前工程でサファイア単結晶基板１０ａの表面に、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂを形成し、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面に、酸素含有層１０ｃを形成することで、窒化サファイア基板１０を作製することができる。
【００２５】
１−３．アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜の形成工程
アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の形成工程では、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの形成工程及び酸素含有層１０ｃの形成工程を経て得られた窒化サファイア基板１０を用い、液相成長法により、窒化サファイア基板１０上にアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成する。アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の形成工程では、液相成長法を用いることで、アルミニウム極性を有し、低転位密度の窒化アルミニウム膜２０が得られる。
【００２６】
アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の形成工程では、例えば、アルミニウムを含有する合金融液としてＧａ−Ａｌ合金融液を用い、窒化サファイア基板１０をＧａ−Ａｌ合金融液に浸漬すると共に、Ｇａ−Ａｌ合金融液中に窒素ガスを吹き込みながら保持することにより、窒化サファイア基板１０の最上層である酸素含有層１０ｃ上に、転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成することができる。ここでは、窒化サファイア基板１０の最上層に酸素含有層１０ｃが存在することで、窒化サファイア基板１０上に成長する窒化アルミニウム結晶の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転し、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成することができる。
【００２７】
アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の液相成長法では、熱力学的に平衡に近い状態で窒化アルミニウムの結晶成長が行われるため、転位密度が低く、結晶性に優れた窒化アルミニウム結晶が成長する。従って、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂを形成したサファイア単結晶基板１０ａ上に、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成することによる、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の転位低減効果に加えて、酸素含有層１０ｃを介することにより、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を液相成長法で形成することが可能となり、更にアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の転位密度を低減することができる。
【００２８】
また、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の形成工程において、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂが表面に形成されたサファイア単結晶基板１０ａを用い、Ｇａ−Ａｌ合金融液中で酸素含有層１０ｃ及びアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成する場合には、まず、Ｇａ−Ａｌ合金融液に窒素ガスを吹き込み、サファイア単結晶基板１０ａをＧａ−Ａｌ合金融液に浸漬して昇温する。酸素含有層１０ｃは、Ｇａ−Ａｌ合金融液を所定温度に昇温する過程で形成される。次いで、所定温度まで昇温したＧａ−Ａｌ合金融液を保持することにより、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂを有するサファイア単結晶基板１０ａの極表面に形成された酸素含有層１０ｃ上に、転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０が形成される。
【００２９】
Ｇａ−Ａｌ合金融液としては、ガリウムとアルミニウムとのモル比率が９９：１〜１：９９の範囲のものを用いることができる。この中でも、低温成長及び結晶性の観点から、ガリウムとアルミニウムとのモル比率が９８：２〜４０：６０の範囲のものが好ましく、９８：２〜５０：５０の範囲のものが更に好ましい。
【００３０】
アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の形成工程では、窒素ガスとして酸素含有量が少ないものを使用することができる。窒素分圧は、通常、０．０１ＭＰａ以上１ＭＰａ以下である。また、酸素分圧としては、特に限定されず、非常に低くてもよく、例えば、１×１０−６ａｔｍ以下であってもよい。窒素ガス中の酸素分圧の制御は、例えば、市販の窒素ガスボンベから得られるガスを、数百℃の温度に保った銅やニッケル等が充填された脱酸素炉に通して酸素分圧を十分に低下させた後、所望の酸素分圧となるように微量の酸素ガス又は酸素／窒素混合ガスを添加する。或いは、ジルコニア式酸素ポンプを用いて酸素分圧を制御することもできる。また、予め所望の酸素分圧になるように調製されたガスボンベから窒素ガスを供給するようにしてもよい。
【００３１】
ところで、酸素含有層１０ｃが形成されず、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂのみが形成されたサファイア単結晶基板１０ａを、Ｇａ−Ａｌ合金融液に浸漬させた場合には、窒化アルミニウム結晶は殆ど成長せずに、逆に、窒化アルミニウム層１０ｂがＧａ−Ａｌ合金融液に溶解して消失してしまう現象が多く見られる。一方、上述した各工程を経て得られた窒化サファイア基板１０を用いた場合には、酸素含有層１０ｃが窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの溶解による消失を防ぐことにより、窒化サファイア基板１０上にアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成することができる。
【００３２】
以上のようなエピタキシャル成長用基板１の製造方法では、窒化サファイア基板１０の最上層に酸素含有層１０ｃが存在することで、窒化サファイア基板１０上に成長する窒化アルミニウム結晶の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転し、液相成長法により、転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を有するエピタキシャル成長用基板１を作製することができる。
【００３３】
２．エピタキシャル成長用基板
エピタキシャル成長用基板１は、図１に示すように、窒化サファイア基板１０と、窒化サファイア基板１０上に形成されたアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０とから構成されている。窒化サファイア基板１０は、サファイア単結晶基板１０ａと、サファイア単結晶基板１０ａの表面に形成された窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂと、窒化アルミニウム層１０ｂの極表面に形成された酸素含有層１０ｃとから構成されている。
【００３４】
窒化アルミニウム層１０ｂは、ｃ軸配向単結晶膜であり、且つ、窒素で終端された窒素極性を有する。また、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの厚さは、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。結晶性の良い窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂとするためには、ある程度の厚さが必要であり、また、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面に、酸素含有層１０ｃを形成するためには、３ｎｍ以上の厚さが必要である。
【００３５】
例えば、アルミニウム合金融液中で酸素含有層１０ｃを形成する際には、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂ表面の一部が融液中に溶解（メルトバック）するため、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂは、３ｎｍ以上の厚さを有することが必要となる。一方、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの厚さの上限は特に限定されないが、２０ｎｍを超えた膜を形成しても結晶性の向上には影響せず、窒化処理に長時間を要するのみで製造の効率低下を招く。
【００３６】
酸素含有層１０ｃの厚さは、酸素含有層１０ｃを介して形成される窒化アルミニウム膜２０の極性を、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極性に対して反転させ、アルミニウム極性にすることができ、アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の形成を阻害しない程度の厚さであれば特に限定されず、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。
【００３７】
アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０の転位密度は、例えば、透過型電子顕微鏡（TEM：Transmission Electron Microscope）を用いて測定することができ、１０１０／ｃｍ２以下である。液相成長法では、熱力学的に平衡に近い状態で窒化アルミニウムの結晶成長が行われるため、転位密度が低く、結晶性に優れた窒化アルミニウム結晶が成長することが知られている。更に、エピタキシャル成長用基板１は、液相成長法でアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０を形成することが可能となり、転位密度を低減することができる。
【００３８】
アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０中の酸素濃度は、例えば、窒化アルミニウム膜断面の透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光分析（TEM-EDX：Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spectroscopy）により測定することができ、１ａｔｏｍｉｃ％以上７ａｔｏｍｉｃ％以下である。アルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０は、酸素含有層１０ｃを介して形成されることから、酸素含有層１０ｃとの格子整合性が必要である。酸素含有層１０ｃは、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの極表面の少なくとも一部の窒素原子を酸素原子に置換して形成されることから、窒素極性の窒化アルミニウム層１０ｂの構造の格子定数から若干の変化がある。従って、酸素含有層１０ｃ上に形成されるアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜２０においては、このずれを緩和するため、その膜中に酸素が取り込まれている。
【００３９】
以上のようなエピタキシャル成長用基板１は、窒化サファイア基板１０の最上層に形成された酸素含有層１０ｃ上に、アルミニウム極性を有し、転位密度が１０１０／ｃｍ２以下の窒化アルミニウム膜２０が形成されている。これにより、エピタキシャル成長用基板１上に、低転位密度のアルミニウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体膜を、有機金属気相成長（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等によりエピタキシャル成長させることができ、アルミニウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体膜で構成される半導体素子の高性能化を図ることができる。
【実施例】
【００４０】
以下に示す実施例及び比較例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例及び比較例によって何ら限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
まず、実施例１では、ａ面を主面とするサファイア単結晶基板を、窒素（Ｎ２）分圧０．９ａｔｍ／一酸化炭素（ＣＯ）分圧０．１ａｔｍ、温度１５００℃で１時間保持した後、窒素分圧１．０ａｔｍで５時間保持することにより、サファイア単結晶基板の表面に窒化アルミニウム層を形成した。
【００４２】
実施例１では、サファイア単結晶基板上に形成した窒化アルミニウム層について、薄膜Ｘ線回折測定を行ったところ、ｃ軸配向した単結晶膜であった。また、窒化アルミニウム層の厚さを、透過型電子顕微鏡（TEM：Transmission Electron Microscope）を用いた断面の観察により測定した結果、図２に示すように、１０ｎｍであった。更に、収束電子回折（CBED：Convergent-beam electron diffraction）法により、窒化アルミニウム層の極性を判定したところ、窒素極性であった。
【００４３】
次に、実施例１では、表面に窒化アルミニウム層を形成したサファイア単結晶基板を大気雰囲気中、温度４５０℃で３時間保持することにより、窒化アルミニウム層の表面に酸素含有層を形成し、窒化サファイア基板を得た。
【００４４】
その後、実施例１では、ガリウムとアルミニウムのモル比率が６０：４０のＧａ−Ａｌ合金融液を、窒素ガス中で昇温させた。そして、アルミニウムの融点に達した後、Ｇａ−Ａｌ合金融液中に、ジルコニア式酸素ポンプで酸素分圧を１．２×１０−９ａｔｍに調節した０．１ＭＰａの窒素ガスを２０ｃｃ／ｍｉｎの流速で吹き込んだ。次いで、坩堝内のＧａ−Ａｌ合金融液の温度を１３００℃に保ち、窒化サファイア基板をＧａ−Ａｌ合金融液中に浸漬させた。５時間経過した後、窒化サファイア基板をフラックス中から取り出して徐冷を行い、窒化サファイア基板上に窒化アルミニウム結晶を成長させることにより、厚さが約１μｍの窒化アルミニウム膜を形成させ、エピタキシャル成長用基板を得た。
【００４５】
実施例１では、窒化アルミニウム膜の転位密度をＴＥＭ観察により測定したところ、５×１０９／ｃｍ２であった。また、窒化アルミニウム膜の極性をＣＢＥＤ法により判定したところ、アルミニウム極性であった。また、窒化アルミニウム膜中の酸素濃度を、ＴＥＭ−ＥＤＸ法により測定したところ、１．２ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００４６】
［実施例２］
実施例２では、ｃ面を主面とするサファイア単結晶基板を用いたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア単結晶基板の表面に窒化アルミニウム層を形成した。この窒化アルミニウム層について、実施例１と同様にして、薄膜Ｘ線回折測定、ＴＥＭによる断面観察及びＣＢＥＤ法による極性判定を行ったところ、窒化アルミニウム層は、ｃ軸配向した単結晶膜であり、厚さは９ｎｍで窒素極性を有していた。
【００４７】
次に、実施例２では、実施例１と同様にして、窒化アルミニウム層の表面に酸素含有層を形成し、その上に液相成長法により窒化アルミニウム結晶を成長させることにより、窒化アルミニウム膜の形成を試みた。その結果、実施例２では、極性がアルミニウム極性であり、厚さが約１μｍの窒化アルミニウム膜が得られたが、その転位密度をＴＥＭ観察により測定したところ、８×１０９／ｃｍ２であった。
【００４８】
［実施例３］
実施例３では、窒化アルミニウム層の表面に酸素含有層を形成する際に、Ｇａ−Ａｌ合金融液中で行ったこと以外は実施例１と同様にして、エピタキシャル成長用基板を作製した。
【００４９】
実施例３では、実施例１と同様にして、サファイア単結晶基板の表面に窒化アルミニウム層を形成し、その後、ガリウムとアルミニウムのモル比率が６０：４０のＧａ−Ａｌ合金融液を、窒素ガス中で昇温させた。そして、アルミニウムの融点に達した後、Ｇａ−Ａｌ合金融液中に、ジルコニア式酸素ポンプで酸素分圧を１．９×１０−６ａｔｍに調節した０．１ＭＰａの窒素ガスを２０ｃｃ／ｍｉｎの流速で吹きむと共に、表面に窒化アルミニウム層を形成したサファイア単結晶基板を、Ｇａ−Ａｌ合金融液中に浸漬した。坩堝内のＧａ−Ａｌ合金融液の温度が１３００℃に達した後、その温度を１３００℃に保ち、５時間経過した後、窒化サファイア基板をフラックス中から取り出して徐冷を行い、窒化サファイア基板上に窒化アルミニウム結晶を成長させることにより、窒化アルミニウム膜を形成させた。
【００５０】
実施例３では、窒化アルミニウム層の表面上の酸素含有層は、坩堝内のＧａ−Ａｌ合金融液の温度を１３００℃まで昇温する過程で形成された。
【００５１】
実施例３では、エピタキシャル成長用基板について、ＴＥＭによる断面観察を行ったところ、窒化アルミニウム層の厚さは６ｎｍであり、窒化アルミニウム膜の厚さは約１μｍであった。また、窒化アルミニウム膜の転位密度をＴＥＭ観察により測定したところ、６×１０９／ｃｍ２であった。更に、窒化アルミニウム層及び窒化アルミニウム膜の極性をＣＢＥＤ法により判定したところ、窒化アルミニウム層は窒素極性を有し、窒化アルミニウム膜はアルミニウム極性を有していた。また更に、窒化アルミニウム膜中の酸素濃度を、ＴＥＭ−ＥＤＸ法により測定したところ、６．７ａｔｏｍｉｃ％であった。
【００５２】
［比較例１］
比較例１では、窒化アルミニウム層の表面に酸素含有層を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、窒化アルミニウム層を形成したサファイア単結晶基板上に、液相成長法により窒化アルミニウム結晶を成長させることにより、窒化アルミニウム膜の形成を試みた。
【００５３】
その結果、比較例１では、窒化アルミニウム層を形成したサファイア単結晶基板上に窒化アルミニウム結晶は均一に成長せず、基板表面の４０％の部分で窒化アルミニウム結晶が成長せずに、窒化アルミニウム膜の形成は見られなかった。
【００５４】
以上の各実施例及び比較例の結果から、サファイア単結晶基板の表面を窒化処理し、サファイア単結晶基板の表面に窒素極性の窒化アルミニウム層を形成した後、窒素極性の窒化アルミニウム層の極表面に酸素含有層を形成することにより、窒化サファイア基板を作製できることがわかった。
【００５５】
また、窒化サファイア基板の最上層に酸素含有層が存在することで、窒化サファイア基板上に成長する窒化アルミニウム結晶の極性が窒素極性からアルミニウム極性に反転し、転位密度が１０１０／ｃｍ２以下のアルミニウム極性の窒化アルミニウム結晶を、液相成長法により成長させてアルミニウム極性の窒化アルミニウム膜を形成し、エピタキシャル成長用基板を作製することができることが明らかとなった。
【００５６】
更に、各実施例の結果から、窒素極性の窒化アルミニウム層が形成されたサファイア単結晶基板を大気雰囲気中で加熱する方法や、窒素極性の窒化アルミニウム層が形成されたサファイア単結晶基板を浸漬したアルミニウム含有合金融液中に酸素を含む窒素ガスを吹き込んで加熱する方法の何れかの方法により、窒素極性の窒化アルミニウム層上に酸素含有層を形成できることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００５７】
１  エピタキシャル成長用基板、１０  窒化サファイア基板、１０ａ  サファイア単結晶基板、１０ｂ  窒化アルミニウム層、１０ｃ  酸素含有層、２０  窒化アルミニウム膜
【図１】
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【図２】
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