特許 7104408 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-12

(45)【発行日】2022-07-21

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20220713BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20220713BHJP

   H01L 21/203 20060101ALI20220713BHJP

   G02F 1/377 20060101ALI20220713BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 C

C23C14/06 A

C23C14/06 P

H01L21/203 S

G02F1/377

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018164953

(22)【出願日】2018-09-03

(65)【公開番号】P2020037501

(43)【公開日】2020-03-12

【審査請求日】2021-04-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「ＡｌＧａＮ系テンプレートの高品質化」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】304026696

【氏名又は名称】国立大学法人三重大学

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(72)【発明者】

【氏名】林 侑介

(72)【発明者】

【氏名】三宅 秀人

【審査官】山本 一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０７６１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２３９７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８８２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５５１１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／３８

Ｃ２３Ｃ １４／０６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０３

Ｇ０２Ｆ １／３７７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、サファイアの基板上に第１窒化アルミニウム層を形成する第１工程と、
窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第１窒化アルミニウム層上に第２窒化アルミニウム層を形成する第２工程と、を有し、
前記第１窒化アルミニウム層は、窒素極性を有し、
前記第２窒化アルミニウム層は、アルミニウム極性を有し、
前記第１工程および第２工程における前記スパッタリングでは、
前記基板の温度は約５００～６５０℃であり、スパッタリングで装置内に窒素を含むガスが供給されている
窒化物半導体基板の製造方法。

【請求項2】

前記第１窒化アルミニウム層の膜厚は５０ｎｍ以上であり、
前記第１窒化アルミニウム層の膜厚は２００ｎｍ以下であり、
前記第１および第２窒化アルミニウム層の膜厚の合計は１０００ｎｍ以下である
請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。

【請求項3】

前記第２工程の後に、前記第１および第２窒化アルミニウム層が形成された前記基板を１４００度以上１７５０度以下の温度でアニールする第３工程を有する
請求項１または２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。

【請求項4】

窒化物半導体基板であって、
基板と、
前記基板上に形成された第１窒化物層と、
前記第１窒化物層上に形成された第２窒化物層と、を備え、
前記第１窒化物層は窒素極性を有し、
前記第２窒化物層は前記窒素極性を反転した極性を有し、
前記第１窒化物層の膜厚は５０ｎｍ以上であり、
前記窒化物半導体基板は、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を構成する
窒化物半導体基板。

【請求項5】

前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる
請求項４に記載の窒化物半導体基板。

【請求項6】

前記第１窒化物層は窒素極性を含む窒化アルミニウム層であり、
前記第２窒化物層はアルミ極性を含む窒化アルミニウム層であり、
請求項５に記載の窒化物半導体基板。

【請求項7】

前記第１窒化物層および第２窒化物層の少なくとも一方のX線回折（１０－１２）のロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）は１０００ａｒｃｓｅｃ以下である
請求項６に記載の窒化物半導体基板。

【請求項8】

前記第１窒化物層の膜厚は２００ｎｍ以下であり、
前記第１窒化物層および第２窒化物層の膜厚の合計は１０００ｎｍ以下である
請求項７に記載の窒化物半導体基板。

【請求項9】

前記第１窒化物層および第２窒化物層からなる窒化物層を厚さｈ、を幅ｗ、長さｌとなる形状の導波路に形成し、
前記厚さｈ、幅ｗ、長さｌは、ｌ方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される
請求項４記載の窒化物半導体基板。

【請求項10】

前記入射波長をλ１とし、前記窒化物半導体基板の出力光の波長をλ２とした場合の前記窒化物層の入射波長における屈折率をｎ１、出射波長における屈折率をｎ２として、前記幅ｗまたは前記厚さｈの値の一つを固定した後、前記幅ｗまたは前記厚さｈの固定していない値を変化させたときに、ｎ１＝ｎ２となるときのｗまたはｈの値が算出される
請求項９に記載の窒化物半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）等を発光材料として利用した紫外光源（波長２００ｎｍ～４００ｎｍ）の研究開発が盛んである（例えば、特許文献１、２参照）。

【0003】

また、極性反転層を有する窒化物半導体基板は、ＳＨＧ素子（Second Harmonic Generation）に利用可能である。すなわち、極性反転層を有する窒化物半導体基板上にＩｎＧａＮ青色レーザ素子を形成し、極性反転層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させる光学系として構成すれば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させるＳＨＧ素子として利用可能である。

【0004】

極性反転層に関して次のような先行技術がある。非特許文献１は、ウルツ鉱型ＧａＮの分子線エピタキシ成長中のマグネシウムの混入はＧａ極性（０００１）面をＮ極性に反転させることを開示している。非特許文献２は、プラズマ分子線エピタキシにより成長させたＧａＮの極性を、窒化アルミニウム／酸化アルミニウムを混合した中間層を挿入することにより、Ｎ極性からＧａ極性に反転させることを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－０５５１１６号公報

【文献】特開２００８－３０３１３７号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】V. Ramachandran et al.,"Inversion of wurtzite GaN(0001) by exposure to magnesium" Published in Appl. Phys. Lett. 75, 808 (1999)

【文献】Man Hoi Wong et al., "Polarity inversion of N-face GaN using an aluminum oxide interlayer" Journal of Applied Physics 108, 123710 (2010), Published Online: 28 December 2010

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来技術によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させることが困難であるという問題がある。

【0008】

例えば、非特許文献１に開示された手法により極性反転したＧａＮ層に作成する場合、窒化マグネシウムからなる中間層を含むため、結晶性が悪化するという問題がある。また、非特許文献２に開示された手法により極性反転したＧａＮ層に作成する場合、酸化アルミニウムからなる中間層を含むため、結晶性が悪化するという問題がある。

【0009】

本発明は、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させた窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板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】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、サファイアの基板上に第１窒化アルミニウム層を形成する第１工程と、窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第１窒化アルミニウム層上に第２窒化アルミニウム層を形成する第２工程と、を有し、前記第１窒化アルミニウム層は、窒素極性を有し、前記第２窒化アルミニウム層は、アルミニウム極性を有し、前記第１工程および第２工程における前記スパッタリングでは、前記基板の温度は約５００～６５０℃であり、スパッタリングで装置内に窒素を含むガスが供給されている。

【0011】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、窒化物半導体基板であって、基板と、前記基板上に形成された第１窒化物層と、前記第１窒化物層上に形成された第２窒化物層と、を備え、前記第１窒化物層は窒素極性を有し、前記第２窒化物層は前記窒素極性を反転した極性を有し、前記第１窒化物層の膜厚は５０ｎｍ以上であり、前記窒化物半導体基板は、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を構成する。

【発明の効果】

【0012】

本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させることができ、製造コストを大幅に低減することができる。

【0013】

また、本発明の窒化物半導体基板によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1A】図１Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成例を示す断面図である。

【図1B】図１Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体基板のより具体的な例を示す断面図である。

【図2】図２は、実施の形態に係るスパッタ装置の構成例を示す模式図である。

【図3】図３は、実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を示すフローチャートである。

【図4A】図４Ａは、アルミニウムをターゲットとして成膜した窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。

【図4B】図４Ｂは、アルミニウムをターゲットとして成膜した１つ目の窒化アルミニウム層の上に、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した２つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。

【図5】図５は、図４Ａおよび図４Ｂに示した試料の特性を示す図である。

【図6】図６は、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した１つ目の窒化アルミニウム層の上に、アルミニウムをターゲットとして成膜した２つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。

【図7】図７は、図６に示した試料の特性を示す図である。

【図8A】図８Ａは、窒化物半導体基板１に形成されたＳＨＧ素子の構成例を示す図である。

【図8B】図８Ｂは、窒化物半導体基板１を用いたＳＨＧ素子の導波路幅と実効屈折率との関係を示す図である。

【図9】図９は、窒化物半導体基板１に形成されたＳＨＧ素子の電界分布を示す図である。

【図10A】図１０Ａは、窒化物半導体基板１の電子顕微鏡写真を示す図である。

【図10B】図１０Ｂは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ１を拡大した図である。

【図10C】図１０Ｃは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ２を拡大した図である。

【図10D】図１０Ｃは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ３を拡大した図である。

【図11】図１１は、窒化物半導体基板の二次イオン質量分析法による計測結果を示す図である。

【図12】図１２は、比較例に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図である。

【図13】図１３は、窒化物半導体基板内でIII族極性、窒素極性が反転している状態示す電子顕微鏡写真を示す図である。

【図14】図１４は、サファイア基板の上に形成された窒化アルミニウム層の極性の定義を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した、極性反転構造を有する窒化物半導体基板に関し、結晶性の問題および製造コストの問題が生じることを見出した。

【0016】

結晶性の問題については非特許文献１および２を引用して既に説明したので、ここでは主に製造コストの問題について説明する。

【0017】

まず、比較例として、本発明者らの知見に係る窒化物半導体基板の製造方法をについて説明する。

【0018】

図１２は、比較例に係る極性反転構造を有する窒化物半導体基板の製造方法を示す説明図である。

【0019】

はじめに、図１２の（ａ）に示されるように、サファイア基板２ａの上にＡｌＮ緩衝層３ａを成膜する工程が行われる。ＡｌＮ緩衝層３ａは、窒化アルミニウム結晶層３の前駆体であり、後の構成において熱処理されることにより、窒化アルミニウム結晶層３となる層である。ＡｌＮ緩衝層３ａは、例えば、７００Ｗ、６００℃の条件でスパッタ法を用いて成膜される。このとき生成されるＡｌＮ緩衝層３ａは、例えば２００ｎｍの厚さである。なお、サファイア基板２ｂ上にＡｌＮ緩衝層３ｂが成膜された基板も同様に製造される。例えばサファイア基板２ａとサファイア基板２ｂとは、同時に同じプロセスで処理される異なるウェハーである。

【0020】

次に、図１２の（ｂ）に示すように、サファイア基板２ａ上にＡｌＮ緩衝層３ａが成膜された半導体基板とサファイア基板２ｂ上にＡｌＮ緩衝層３ｂが成膜された半導体基板とを２枚一組として半導体基板組とし、各半導体基板におけるＡｌＮ緩衝層３ａと３ｂが配置された面（ＡｌＮ面）を対向して密着させる。

【0021】

次に、図１２の（ｃ）に示すように、ＡｌＮ面を対向して密着させた半導体基板組の熱処理を行う。熱処理は、電気炉などを用いた熱処理工程である。例えば、１７００℃の温度で３時間熱処理を行う。半導体基板組の主面対向面や周囲では、ガスが実質的に流れない滞留状態としており、熱処理時にＡｌＮの成分が解離して抜け出すのが抑制され、表面が平坦でかつ高品質のＡｌＮ結晶層が形成された窒化物半導体基板１が作製される。

【0022】

次に、図１２の（ｄ）に示すように、２枚の半導体基板のうちの一方について、サファイア基板２ｂを剥離する処理を行う。サファイア基板２ｂを剥離した窒化物半導体基板は、サファイア基板２ａ上にＡｌ極性のＡｌＮ結晶層３ａが配置され、ＡｌＮ結晶層３ａの上に窒素極性のＡｌＮ結晶層３ｂが配置された構成となっている。このようにして極性反転された２つのＡｌＮ結晶層を形成することができる。

【0023】

次に、図１２の（ｅ）及び（ｆ）は、上記した様に得られた半導体基板を、デバイスとして加工する工程である。ＳＨＧ素子を例に取り簡単に説明する。

【0024】

まず、図１２の（ｅ）に示すように、サファイア基板２ａの上に積層された＋ｃＡｌＮ結晶層３ａと－ｃＡｌＮ結晶層３ｂとを、リソグラフィー、ドライエッチングといった半導体加工プロセスで一般的な手法を用いて導波路コア層のパターンに形成する。その後、図１２の（ｆ）に示すように、導波路コア層内に光を閉じ込めるための保護層として、クラッド層７を形成する。

【0025】

図１２の比較例で示した窒化物半導体基板の製造方法によれば、極性反転構造を有する窒化物半導体基板を良好な結晶品質で製造することができる。しかしながら、ＳＨＧ素子を作成するためにサファイア基板２ｂを剥離しなければならず（図１２の（ｄ））、煩雑な工程が必要となる。また、半導体基板組における２枚の基板の位置ずれおよび角度ずれを考慮しなければならず、精密は位置整合には装置的コストおよび時間的コストを要するという問題がある。

【0026】

そこで、本発明は、第１に、極性反転構造を有する窒化物半導体基板の結晶性を向上させた窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板を提供することを目的とする。第２に、製造コストを低減させる窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板を提供することを目的とする。

【0027】

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、基板上に第１窒化アルミニウム層を形成する第１工程と、窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第１窒化アルミニウム層上に第２窒化アルミニウム層を形成する第２工程とを有する。

【0028】

これによれば、第１窒化物層と第２窒化物層との間に中間層を介在させることなく極性反転構造を形成するので結晶性を向上させることができる。また、第1工程および第２工程のスパッタリングを連続的に行うことができるので、窒化物半導体基板同士を張り合わせたり剥離したりする工程を要しないので複雑な製造装置を必要とせず、製造装置の低コスト化と、製造時間の短縮とによって、製造コストを大幅に低減することができる。

【0029】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上に形成された第１窒化物層と、前記第１窒化物層上に形成された第２窒化物層と、を備え、前記第１窒化物層は窒素極性を有し、前記第２窒化物層は窒素極性を反転した極性を有し、前記第１窒化物層の膜厚は５０ｎｍ以上である。

【0030】

これによれば、中間層を介在させない極性反転構造により結晶性を向上させることができる。

【0031】

補足すると、本件発明者らは、上記課題について、窒化物半導体のスパッタリング条件を制御することで極性反転する手法を見出した。すなわち、ターゲットにアルミニウム固体を使用するとＮ極性の窒化アルミニウム層が成膜され、ターゲットに窒化アルミニウムの焼結体を使用するとＡｌ極性の窒化アルミニウム層が成膜されることを明らかにした。これにより、スパッタリングのターゲットを切り替えることでＮ極性からＡｌ極性に極性を反転させることが可能となる。したがって、中間層を有しないことから結晶性を向上させ、また、サファイア基板の剥離という煩雑な工程をなくして製造コストを大幅に低減することができる。

【0032】

具体的な実施態様の説明の前に、極性反転構造を有する窒化物半導体基板１の構成例について説明する。

【0033】

図１３は、窒化物半導体基板内でIII族極性、窒素極性が反転している状態示す電子顕微鏡写真を示す図である。図１３の（ａ）および（ｂ）は、窒化物半導体基板のIII族極性（同図ではＡｌ極性）と窒素極性とがIII族結晶層内で反転している状態を示す電子顕微鏡写真である。より詳細には、図１３の（ａ）および（ｂ）に示す電子顕微鏡写真は、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ（High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Ｍicroscopy、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡）による窒化物半導体基板の観測像（ＳＴＥＭ像）である。図１３の（ａ）および（ｂ）では、窒化物半導体基板が有するサファイア基板と、サファイア基板のｃ軸方向の一方向を正としたときの正の極性を示す＋ｃＡｌＮ結晶層と、ｃ軸方向の正の方向と反対方向を負としたときの負の極性を示す－ｃＡｌＮ結晶層とが観測されている。極性が反転している部分、すなわち＋ｃＡｌＮ結晶層と－ｃＡｌＮ結晶層との界面は、比較例では図１２の（ｂ）に示したように基板組を貼り合わせた場合の界面である。なお、図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）に示した半導体基板における＋ｃＡｌＮ結晶層と－ｃＡｌＮ結晶層との界面近傍の一部を１５００万倍の高倍率で測定した結果を示している。

【0034】

ＳＴＥＭ像では、重い原子ほど明るく見える。このことより、図１３の（ｂ）において、白いドットはＮ原子よりも重いＡｌ原子を示しており、そこから彗星の尾のように伸びている部分にＮ原子が存在していることがわかる。＋ｃＡｌＮ結晶層と－ｃＡｌＮ結晶層とは、もともと２枚の独立したＡｌＮ基板であったが、界面にはくっきりとした原子像が見られており、非常に高い結晶性を示していることが分かる。＋ｃＡｌＮ結晶層から－ｃＡｌＮ結晶層への極性反転は、単原子層で生じており、これまでの結晶成長法では難しかった急峻な極性反転を実現している。ここで、原子構造の乱れが１ｎｍ以下であること、＋ｃＡｌＮ結晶層と－ｃＡｌＮ結晶層とが１乃至２原子レベルで完全に接合していること、および、＋ｃＡｌＮ結晶層と－ｃＡｌＮ結晶層との界面にアモルファス層が存在していないことを、ＳＴＥＭ像から読み取ることができる。

【0035】

また、ＳＴＥＭ像からＡｌ原子の原子間距離を抽出すると、貼り合わせ界面では２．８Åであり、貼り合わせ界面から離れた箇所では２．５Åであった。貼り合わせ界面では原子間距離が１割ほど大きくなっていることから、貼り合わせ界面には酸素や炭素などの不純物が含まれており、これらを介した原子結合になっていることが考えられる。

【0036】

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すもので
ある。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲によって特定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0037】

（実施の形態１）
［１．窒化物半導体基板の構成］
図１Ａおよび図１Ｂを参照して本実施の形態に係る窒化物半導体基板１について説明する。図１Ａは、実施の形態に係る窒化物半導体基板１の構成例を示す断面図である。図１Ｂは、実施の形態に係る窒化物半導体基板１のより具体的な例を示す断面図である。

【0038】

図１Ａに示すように、窒化物半導体基板１は、基板２と、基板２側に窒素極性を有する第１窒化物層３と、基板２側にIII族極性を有する第２窒化物層４とを有する。この窒化物半導体基板１は、例えば極性反転型ＳＨＧ素子等に用いる窒化物半導体基板である。

【0039】

基板２は、サファイア、炭化ケイ素および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる基板である。

【0040】

窒化物半導体基板１は、基板の表面に、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１－ｘ－ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦1、０≦ｙ≦1、（ｘ＋ｙ）≦１）で表わされるIII族窒化物半導体の結晶粒の集合体からなるIII族窒化物半導体結晶層を有している。窒化物半導体基板１は、III族窒化物半導体結晶層として、基板２側に窒素極性を有する第１窒化物層３と、基板２側にIII族極性である第２窒化物層４とを有し、III族極性と窒素極性との極性反転層構造を有している。

【0041】

具体例としては、図１Ｂに示すように、窒化物半導体基板１は、基板の一例であるサファイア基板２と、基板２側に窒素極性を有する窒化アルミニウム層（つまり第１窒化物層３）と、基板２側にＡｌ極性を有する窒化アルミニウム層（つまり第２窒化物層４）を有している。以下、基板２、第１窒化物層３、第２窒化物層４を、具体例を示すときはサファイア基板２、第１窒化アルミニウム層３、第２窒化アルミニウム層４とそれぞれ呼ぶことがある。

【0042】

サファイア基板２の上に形成された第１窒化アルミニウム層３と第２窒化アルミニウム層４とは、サファイア基板２のｃ軸方向に沿って互いに反平行な自発分極ないしピエゾ分極を有している。ここで、ウルツ鉱型結晶中のＡｌ－Ｎ結合のうちｃ軸に平行な結合に着目し、サファイア基板側にＡｌが位置する場合をＡｌ極性、Ｎが位置する場合を窒素極性の結晶方位と定義するのが一般的である。図１４は、サファイア基板の上に形成された窒化アルミニウム層の極性の定義を示す説明図である。同図の（ａ）はアルミニウム極性（Ａｌ極性）を、（ｂ）は窒素極性（Ｎ極性）を模式的に示している。図１４の（ａ）中の破線枠は図１３中の部分画像Ｐ１３１に対応する。また、図１４の（ｂ）中の破線枠は図１３中の部分画像Ｐ１３２に対応する。

【0043】

図１Ｂでは、第１窒化アルミニウム層３は窒素極性である。第２窒化アルミニウム層４はＡｌ極性である。以下では、サファイア基板２の上に配置された窒化アルミニウム層について、Ａｌ極性を有する窒化アルミニウム層を、＋ｃＡｌＮ結晶層とも呼ぶ。また、窒素極性を有する窒化アルミニウム層を、－ｃＡｌＮ結晶層とも呼ぶ。本実施の形態では、第１窒化アルミニウム層３は、－ｃＡｌＮ結晶層であり、第１窒化物層３である。第２窒化アルミニウム層４は、＋ｃＡｌＮ結晶層であり、第２窒化物層４である。

【0044】

ここで、Ａｌ極性と窒素極性が反転している第１窒化物層３および第２窒化物層４が積層された構造を極性反転構造という。つまり、－ｃＡｌＮ結晶層と＋ｃＡｌＮ結晶層とが積層された構造を極性反転構造という。また、第１窒化物層３および第２窒化物層４との極性反転構造において、Ａｌ極性と窒素極性が反転している層を、極性反転層と定義する。極性反転層は、１乃至２原子の厚さの中での構造であり、かつ、第１窒化物層３と第２窒化物層４との界面という側面を持つものである。また、窒化物半導体基板１において、－ｃＡｌＮ結晶層上に＋ｃＡｌＮ結晶層が積層された構造を極性反転構造は、サファイア基板２の表面と平行に、－ｃＡｌＮ結晶層と＋ｃＡｌＮ結晶層との界面が配置される構成となっている。つまり、窒化物半導体基板１において、極性反転層は、図１Ａおよび図１Ｂにも示すようにサファイア基板２の表面と平行である。

【0045】

なお、図１では窒化物半導体基板１を模式的に表現しているため、サファイア基板と第１窒化物層３および第２窒化物層４とが同等の厚さにみえるが、実際にはサファイア基板２は、２００μｍ以上１０００μｍ以下程度であり、第１窒化物層３は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度である。第１窒化物層３と第２窒化物層４の膜厚の合計は１０００ｎｍ以下である。図１Ａに示す窒化物半導体基板１では、第１窒化物層３および第２窒化物層４の界面である厚みの中央付近に極性反転層を有する。しかし、第１窒化物層３と第２窒化物層４は同じ厚さでなくてもよい。そのため、極性反転層は、必ずしも結晶層３および第２窒化物層４の合計厚さの中央付近にできるものではなく、窒化物半導体基板１を加工して得られるデバイスの特性要求に応じて、極性反転層の位置を自由に設定できるものである。

【0046】

［２．窒化物半導体基板の製造装置］
次に、極性反転構造を有する窒化物半導体基板１の製造装置としてスパッタ装置の構成について説明する。

【0047】

図２は、実施の形態に係るスパッタ装置１０の構成例を示す模式図である。同図のようにスパッタ装置１０は、チェンバー１００、吸気管１０１、排気管１０２、バルブ１０３、排気ポンプ１０４、基板ホルダ１０５、永久磁石１０８、高圧電源１０９を備える。

【0048】

チェンバー１００は、基板２と、第１窒化物層３の原料となるターゲット１０７とを対向させて保持し、内圧および温度を任意に設定可能なほぼ密閉された部屋である。

【0049】

吸気管１０１は、外部から供給される不活性ガスをチェンバー１００内部に導入するための吸気管である。不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガスなどである。

【0050】

排気管１０２は、チェンバー１００内部のガスを外部に排気するための排気管である。

【0051】

バルブ１０３は、排気管１０２の排気流量を調整する。

【0052】

排気ポンプ１０４は、排気管１０２およびバルブ１０３を介してチェンバー１００内部のガスを外部に排気するためのポンプである。

【0053】

基板ホルダ１０５は、ウェハー基板の状態の基板２を保持する。なお、基板ホルダ１０５は、同時に成膜される複数枚の基板２を保持してもよい。

【0054】

ターゲット１０７は、ターゲットホルダに保持される。なお、ターゲットホルダは、複数種類のターゲットを保持し、スパッタリングの対象となる１つのターゲットを切り替え可能な構成でもよい。本実施形態では、ターゲットホルダは、少なくとも２つのターゲット、つまりアルミニウム固体と窒化アルミニウムの焼結体とを保持し、チェンバー１００内で保持したまま、スパッタリングターゲットとして択一的に切り替え可能であるものとする。

【0055】

永久磁石１０８は、スパッタリングによりイオン化したターゲット１０７の原子を基板２に導くための磁界を形成する。

【0056】

高圧電源１０９は、基板２とターゲット１０７との間に高周波電圧を印加する。高周波電圧は、例えば、ＤＣ（Direct Current）電圧によりバイアスされたＲＦ（Radio Frequency）電圧である。高周波電圧のＲＦ電圧成分は、基板２とターゲット１０７の間で不活性ガスをプラズマ化する。プラズマ化した不活性ガスは、ＤＣ電圧成分による電界によってターゲット１０７に衝突し、ターゲット１０７表面の原子を弾き出す（スパッタリングする）。弾き出された原子は、ＤＣ電圧成分の電界に従って、基板２に向かって飛び、付着する。その結果、基板２上にターゲット１０７を原料とする膜を形成する。高周波電圧の電圧は、例えば、数百Ｖ、高周波電圧の周波数は数十ＭＨｚでよい。

【0057】

なお、図２のスパッタ装置１０では、高周波電圧を用いるいわゆるＲＦスパッタの例を示したが、数百Ｖの直流電圧を用いるＤＣスパッタでもよい。

【0058】

また、図２のスパッタ装置１０では、基板２がターゲット１０７よりも上側に対向して配置されるスパッタアップ型（またはフェイスダウン型）の構成例を説明したが、基板２がターゲット１０７よりも下に対向して配置されるスパッタダウン型（ファイスアップ型）でもよいし、基板２がターゲット１０７の側方に対向して配置されサイドスパッタ型（サイドファイス型）でもよい。

【0059】

［３．窒化物半導体基板の製造方法］
次に、図３のフローチャートを用いて、窒化物半導体基板１の製造方法について説明する。

【0060】

図３に示すように、窒化物半導体基板１の製造方法は、大きく分けて、ステップＳ２１～ステップＳ２７を有する。

【0061】

ステップＳ２１では、スパッタ装置１０内の基板ホルダ１０５に基板２を準備する。この基板２は、ウェハー基板の状態でよく、例えば、サファイア製のウェハーである。基板ホルダ１０５は、例えば、２インチのウェハー基板を４枚保持可能な構成でもよい。

【0062】

ステップＳ２２では、成膜材料であるターゲット１０７としてアルミニウムの固体を準備する。具体的には、まず、ターゲットホルダにアルミニウムの固体と窒化アルミニウムの焼結体とを保持させる。次に、スパッタリングの対象としてアルミニウムの固体をプラズマ放電に曝される位置に配置する。このとき、スパッタリングの対象でない窒化アルミニウムの焼結体はプラズマ放電に曝されない位置に配置しシャッターなどにより影響を受けない状態にする。

【0063】

ステップＳ２３では、ターゲット１０７であるアルミニウム固体をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含む第１窒化物層３（ここではＡｌＮ層）を基板２上に成膜する。これにより、サファイア基板２側に窒素極性を有する窒化アルミニウム層が成膜される。このとき、ターゲットホルダに保持されたアルミニウムの固体がスパッタリングされ、ターゲットホルダに保持された窒化アルミニウムの焼結体はスパッタリングされない。

【0064】

より具体的に説明すると、チェンバー１００の内圧は、０．５Ｐａ以下になるように排気ポンプ１０４およびバルブ１０３により調整される。チェンバー１００のサファイア基板２付近には図示はしていないがヒータが設置され、サファイア基板２の温度は約５００～６５０℃の範囲内の温度で、例えば約６００℃に保たれる。また、ターゲット１０７、永久磁石１０８の付近には配管によって冷却水が引かれており、ターゲット１０７付近の温度は１００～２００℃の範囲に押さえられている。吸気管１０１からは不活性ガスとして窒素（Ｎ２）ガスのみが供給される。窒素ガスの流量は、例えば、数１０ｓｃｃｍ（standard Cubic Centimeter per Minute）である。単位ｓｃｃｍは、０℃、１気圧で標準化された単位である。高圧電源１０９の高周波電圧は 数百Ｖであり、高周波電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚである。スパッタリングする時間は、成膜すべき第１窒化物層３の所望する膜厚に応じて定めればよい。

【0065】

第１窒化物層３の膜厚は、極性反転構造を形成する観点からは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であればよい。また、第１窒化物層３の膜厚が大きいほどチェンバー１００の内圧を小さくしてもよい。

【0066】

第１窒化物層３の所望する膜厚に対応するスパッタリング時間の経過後に、スパッタリングを停止する。つまり、高圧電源１０９による高周波電圧の発生を停止する。このとき、高周波電圧以外のチェンバー１００の状態（温度、不活性ガスの供給、スパッタ圧力等）は維持しておいてよい。

【0067】

ステップＳ２４では、成膜材料であるターゲット１０７として窒化アルミニウムの焼結体を準備する。具体的には、ターゲットホルダに保持されたアルミニウムの固体と窒化アルミニウムの焼結体のうち、スパッタリングの対象として窒化アルミニウムの焼結体をプラズマ放電に曝される位置に配置する。このとき、スパッタリングの対象でないアルミニウムの固体はプラズマ放電に曝されない位置に配置しシャッターなどにより影響を受けない状態にする。

【0068】

ステップＳ２５では、ターゲット１０７である窒化アルミニウムの焼結体をスパッタリングすることにより、ターゲット材料の組成を含む第２窒化物層４（ここではＡｌＮ層）を第１窒化物層３上に成膜する。これにより、サファイア基板２側にＡｌ極性を有する窒化アルミニウム層が成膜される。このとき、ターゲットホルダに保持された窒化アルミニウムの焼結体がスパッタリングされ、ターゲットホルダに保持されたアルミニウムの固体はスパッタリングされない。

【0069】

スパッタリングの設定条件は、ステップＳ２３と同様でよい。ただし、スパッタリングする時間は、成膜すべき第２窒化物層４の所望する膜厚に応じて定めればよい。第２窒化物層４の膜厚は、極性反転構造を形成する観点からは、第１窒化物層３の膜厚と合わせて１０００ｎｍ以下にしてもよい。なお、第２窒化物層４の膜厚は、クラックの発生を抑制する観点からは、６４０ｎｍ以下にしてもよいし、第２窒化物層４の膜厚が大きいほどチェンバー１００の内圧を小さくしてもよい。ここで内圧は０．５Ｐａ、好ましくは０．２Ｐａである。

【0070】

ステップＳ２６では、第１窒化物層３および第２窒化物層４が成膜されたサファイア基板２を、１４００℃以上、好ましくは１６５０℃以上１７５０℃以下でアニールする。

【0071】

より具体的に説明すると、まず、ステップＳ２５によって第１窒化物層３および第２窒化物層４が成膜された基板２を、アニール装置の内部に配置する。アニール装置は、アニール処理が可能な装置であればよく、スパッタ装置１０とは別の装置であってもよいし、スパッタ装置１０であってもよい。アニール装置内部での基板２の配置は次のように行う。すなわち、成膜された第２窒化物層４の主面から窒化物半導体の成分が解離するのを抑制するためのカバー部材で第２窒化物層４の主面を覆った気密状態にする。ここで、「解離」とは、第２窒化物層４の種面からその成分（窒素、アルミニウム、ガリウム、インジウム等）が離脱して抜け出すことをいい、昇華、蒸発および拡散が含まれる。また、半導体（または基板）の「主面」とは、その上に他の材料が積層（または形成）される場合における積層（形成）される側の表面をいう。

【0072】

次に、アニール装置内を排気して真空にした後に不活性ガスまたは混合ガスを流入することでガス置換を行う。その後に、気密状態に配置された第１窒化物層３、第２窒化物層４をアニールする。このとき、第１窒化物層３が成膜された基板２の温度は１６５０℃以上１７５０℃以下で、かつ、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスまたは不活性ガスにアンモニアガスを添加した混合ガスの雰囲気で、アニールする。

【0073】

また、アニール装置内の不活性ガスまたは混合ガスの圧力は、０．１～１０気圧（７６～７６００Ｔｏｒｒ）の範囲がアニール効果を期待できる範囲であるが、高温時の防爆強度等の関係から０．５～２気圧程度に設定される。原理的には、これらのガスの圧力が高い方がＡｌＮ緩衝層３の結晶性および表面荒れの改善が期待できるが、ガスの圧力は１気圧前後に設定してもよい。ここで圧力単位の関係は１気圧＝１０１，３２５Ｐａ（パスカル）＝７６０Ｔｏｒｒである。

【0074】

このようなアニールによって、第１窒化物層３、第２窒化物層４の貫通転位密度を低下させて結晶性を向上させることができる。

【0075】

ステップＳ２７では、アニール後の窒化物半導体基板１が常温になるまで放置することにより冷却する。

【0076】

なお、アニール装置は、一定の体積を持った加熱容器であって、基板温度を５００℃～１８００℃で制御できる機能、および、装置内に導入して置換するための不活性ガスおよび混合ガスの圧力と流量とを制御できる機能を有するものであればよい。 次に、ステップＳ２６における気密状態について説明する。

【0077】

気密状態とは、アニール装置内で実現される状態であり、第２窒化物層４の主面からその成分が解離するのを抑制するためのカバー部材で第２窒化物層４の主面を覆った状態である。つまり、気密状態は、物理的な手法で、第２窒化物層４の主面からその成分が解離するのを抑制している。この状態では、カバー部材と第１窒化物層３の主面との間におけるガスが実質的に流れない滞留状態となる。このような気密状態で、窒化物半導体基板をアニールすることで、第２窒化物層４の主面からその成分が解離することによって主面が荒れてしまうことが抑制される。また、より高温でのアニールが可能となり、表面が平坦でかつ高品質の第２窒化物層４が形成された窒化物半導体基板１が実現される。

【0078】

なお、ステップＳ２１で準備される基板２は、サファイアに限定されず、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の少なくとも一つからなる基板であってもよい。

【0079】

なお、ステップＳ２５のスパッタリングにおける不活性ガスは、窒素ガスに限らず、窒素ガスとアルゴンガスとの混合気体でもよい。

【0080】

なお、ステップＳ２４のＳ２５の間にＳ２６とＳ２７を実施してもよい。すなわち、第１窒化物層３を成膜してからアニールによって結晶性を向上させ、その上に第２窒化物層４を成膜してからアニールによって結晶性を向上させてもよい。

【0081】

図３に示した窒化物半導体基板１の製造方法によれば、ターゲットにアルミニウム固体を使用するとＮ極性の窒化アルミニウム層が成膜され、ターゲットに窒化アルミニウムの焼結体を使用するとＡｌ極性の窒化アルミニウム層が成膜される。これにより、スパッタリングのターゲットを切り替えることでＮ極性からＡｌ極性に極性を反転させることが可能となる。したがって、中間層を有しないことから結晶性を向上させ、また、サファイア基板の剥離という煩雑な工程をなくして製造コストを大幅に低減することができる。

【0082】

さらに、アニール処理によって、第１窒化物層３および第２窒化物層４の貫通転位密度を低下させて結晶性を向上させることができる。また、スパッタ圧力を０．５Ｐａ以下にすることによって、第１窒化物層３および第２窒化物層４の膜厚が大きいとでも、アニール処理に起因するクラックの発生を抑制することができる。

【0083】

続いて、実施の形態に係る窒化物半導体基板１の製造方法により作製した試料を評価した結果について説明する。

【0084】

図４Ａは、アルミニウムをターゲットとして成膜した窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。同図の試料４Ａは、図３のステップＳ２３で第１窒化物層３を２００ｎｍ成膜した直後に、評価のためにスパッタ装置１０から取り出したものである。

【0085】

図４Ａの上段の画像は、原子間力顕微鏡により試料４Ａの表面状態を観察した像であり、画像縦方向がＡｌＮの[１－１００]方向、画像横方向がＡｌＮの[１１－２０]方向となるように測定を行っている。２×２μｍ範囲では、表面の二乗平均平方根粗さを示すＲｑ値は０．４１ｎｍであった。一般的に、表面粗さが１ｎｍ以下であれば接合は可能とされており、接合には十分に平坦である。

【0086】

図４Ａの下段の画像は、試料４Ａの極性を確認するために、試料４Ａを水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液によって室温下で１０秒間エッチングした後の表面状態を観察した像である。エッチング後の表面の平均粗さを示すＲｑ値は２９．１ｎｍであった。図４Ａの下段の画像は、上段の画像と比べて凹凸がかなり大きく、画像が黒っぽくなっているのは、表面にＮ原子よりも十分に大きいＡｌ原子が見えている状態である。つまり、ＫＯＨ水溶液は窒素極性のＡｌＮのみを溶解する性質を持っているため、表面側にＡｌ極性（基板２側にＮ極性）になっていることが分かる。

【0087】

図４Ｂは、アルミニウムをターゲットとして成膜した１つ目の窒化アルミニウム層の上に、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した２つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。同図の試料４Ｂは、図３のステップＳ２３で第１窒化物層３を２０ｎｍ成膜し、ステップＳ２５で第２窒化物層４を１８０ｎｍ成膜した直後に、評価のためにスパッタ装置１０から取り出したものである。

【0088】

図４Ｂの上段の画像は、原子間力顕微鏡により試料４Ｂの表面状態を観察した像であり、２×２μｍ範囲では、表面の平均粗さを示すＲｑ値は１．５９ｎｍであった。

【0089】

図４Ｂの下段の画像は、試料４Ｂの極性を確認するために、試料４Ｂを水酸化カリウム水溶液によって室温下で３０秒間エッチングした後の表面状態を観察した像である。エッチング後の表面の平均粗さを示すＲｑ値は１．２６ｎｍであった。図４Ｂの下段の画像は、上段の画像と比べて凹凸がやや小さく、画像が黒っぽくなっていないのは、表面にＮ原子が見えている状態である。つまり、表面側にＮ極性（基板２側にＡｌ極性）になっていることが分かる。

【0090】

図５は、図４Ａおよび図４Ｂに示した試料４Ａおよび４Ｂの特性を示す図である。図５では、エッチングの結果から判別された極性と、（０００２）面におけるＸＲＣ（Ｘ線ロッキングカーブ）測定で得られる回折ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum、以下単に半値幅と呼ぶ）と、（１０－１２）面における同じく半値幅と、ｃ軸方向の格子定数とを示している。ＸＲＣの半値幅は小さいほど、つまり、得られる回折ピークがシャープなほど結晶性が良好であることを示す。なお、ＸＲＣの半値幅の単位は、角度を表わすａｒｃｓｅｃ（”）である。

【0091】

図５に示すように、試料４Ａについては、基板２側にＮ極性を有し、（０００２）面のＸＲＣ半値幅は１１ａｒｃｓｅｃ、（１０－１２）面のＸＲＣ半値幅は３１９ａｒｃｓｅｃ、ｃ軸格子定数は４．９８９Å、a軸格子定数は３．０９８Åである。

【0092】

試料４Ｂについては、基板２側にＡｌ極性を有し、（０００２）面のＸＲＣ半値幅は１３ａｒｃｓｅｃ、（１０－１２）面のＸＲＣ半値幅は２５５ａｒｃｓｅｃ、ｃ軸格子定数は４．９８８Å、a軸格子定数は３．０９９Åである。

【0093】

図５から、アルミニウムをターゲットとして成膜した１つ目の窒化アルミニウム層と、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した２つ目の窒化アルミニウム層とでは極性が反転しており、極性反転構造をターゲットの切り替えで形成できることが確認できた。また、図５の半値幅および格子定数から高品質な結晶性を有し、例えば、１つ目のＮ極性の窒化アルミニウム層は高品質テンプレートとして利用可能である。

【0094】

次に、実施の形態に係る窒化物半導体基板１の製造方法とは異なる手順により作製した試料を評価した結果について説明する。

【0095】

図６は、窒化アルミニウムをターゲットとして成膜した１つ目の窒化アルミニウム層の上に、アルミニウムをターゲットとして成膜した２つ目の窒化アルミニウム層の極性を調べた顕微鏡写真を示す図である。同図の試料６は、図３のステップＳ２３とステップＳ２５の順番を入れ替えて作成したものである。

【0096】

図６の上段の画像は、原子間力顕微鏡により試料６の表面状態を観察した像であり、２×２μｍ範囲では、表面の平均粗さを示すＲｑ値は１．６４ｎｍであった。

【0097】

図６の下段の画像は、試料６の極性を確認するために、試料６を水酸化カリウム水溶液によって８０℃加熱下で２．５分間エッチングした後の表面状態を観察した像である。エッチング後の表面の平均粗さを示すＲｑ値は０．８５ｎｍであった。図６の下段の画像は、上段の画像と比べて凹凸がやや小さく、画像が黒っぽくなっていないのは、表面にＮ原子が見えている状態である。つまり、表面側にＮ極性（基板２側にＡｌ極性）になっていることが分かる。

【0098】

図７は、図６に示した試料６の特性を示す図である。同図は、図５と同じ項目を示す。

【0099】

試料６については、基板２側にＡｌ極性を有し、（０００２）面のＸＲＣ半値幅は２０ａｒｃｓｅｃ、（１０－１２）面のＸＲＣ半値幅は３２５ａｒｃｓｅｃ、ｃ軸格子定数は４．９９０Å、a軸格子定数は３．０９９Åである。

【0100】

図６および図７から、試料６の１層目の２０ｎｍの窒化アルミニウム層も、２層目の１８０ｎｍの窒化アルミニウム層も共に表面側にＮ極性（基板２側にＡｌ極性）になり、極性反転構造を形成できないことが分かった。言い換えれば、図３のステップＳ２３とステップＳ２５の順番を入れ替えた場合、極性反転構造を有する窒化物半導体基板を製造できないことが分かった。

【0101】

次に、窒化物半導体基板１を用いたＳＨＧ素子の構成例について説明する。

【0102】

図８Ａは、窒化物半導体基板１を用いたＳＨＧ素子の構成例を示す概略図である。図８Ａの（ａ）は、ＳＨＧデバイス３００の断面模式図である。また、図８Ａの（ｂ）は、ＳＨＧ素子３００の斜視図である。

【0103】

ＳＨＧ素子３００は、導波路３０１と、サファイアで構成されるクラッド層３０２とを有している。導波路３０１は、－ｃＡｌＮ結晶層３０３と、＋ｃＡｌＮ結晶層３０４とを有している。－ｃＡｌＮ結晶層３０３と＋ｃＡｌＮ結晶層３０４とは、上述した図３の製造方法で作製された極性反転構造となっている。－ｃＡｌＮ結晶層３０３、＋ｃＡｌＮ結晶層３０４は、第１窒化物層３、第２窒化物層４に対応する。

【0104】

ここで、導波路３０１は、窒化物半導体基板１を用いて、極性反転構造を有するＡｌＮ結晶層を導波路幅ｗ、導波路厚さｈ、導波路長ｌとなる形状の導波路に形成したものである。このＡｌＮ結晶層は、第１窒化物層３および第２窒化物層４からなる結晶層である。このときの導波路幅ｗ、導波路厚さｈ、導波路長ｌは、後述するように、導波路長ｌの方向つまり図８Ａの（ａ）に示すｙ軸方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出される。

【0105】

ここで、図８Ａの（ａ）を用いて極性反転層を中心とした、第二次高調波発生の仕組みを説明する。

【0106】

－ｃＡｌＮ結晶層３０３と＋ｃＡｌＮ結晶層３０４とで構成された導波路３０１は、光学非線形性を有している。光学非線形性を有する導波路３０１により第二次高調波（ＳＨ波）を得るには、位相整合条件を満たす必要がある。すなわち、導波路３０１に入力された光（基本波）と発生する光（ＳＨ波）とは結晶中で進む速さが異なるため、光の位相がπ異なる場合には両者が打ち消しあってしまう。そこで、導波路３０１では、異方性結晶の複屈折を利用して位相整合させることが一般的である。すなわち、異方性結晶への入射角度をうまく調整することで基本波とＳＨ波の屈折率を一致させる。これにより、導波路３０１において位相整合条件が満たされるので、効率よくＳＨ波を発生させることが可能となる。

【0107】

ここで、ＡｌＮ結晶層は、自立基板の作製に大きなコストがかかることから、数ｍｍ角のＡｌＮ結晶を要する従来の複屈折位相整合方法は実用的ではない。かつ、複屈折性が弱いことから、深紫外波長域では複屈折を用いた位相整合はそもそも不可能である。そこで、極性反転させたＡｌＮ結晶層（薄膜）を利用した疑似位相整合を用いている。このＳＨＧ素子３００からの出力は、下記の（式１）で示されるように、ｙ軸方向（伝搬方向）とｚ軸方向（垂直方向）の位相整合を満たす必要がある。このとき、ｙ軸方向の位相整合は導波路中のモード分散を利用し、ｚ軸方向の位相整合はＡｌＮの極性反転を利用する。なお、（式１）において、ｌはｙ軸方向に延びる導波路の導波路長、ｋは光の波数、ｄ３３は非線形光学係数である。

【0108】

【数1】

【0109】

まず、ｙ軸に関する項については、（式２）のように表せる。

【0110】

【数2】

【0111】

（式２）において、λωは基本波の波長、ｎωは基本波における実効屈折率、ｎ２ωはＳＨ波における実効屈折率を示す。基本波とＳＨ波の実効屈折率が一致するとΔｋは０になり、第１項はｓｉｎｃ関数として１を示すため、高いＳＨＧ効率を得ることができる。ここでは、一般的な複屈折は利用せず、上述したようにモード分散を利用して位相整合条件を満たしている。つまり、ＳＨ波には導波路の層の中央に電界分布の節が存在する高次モードを用いることで、基底次モード間では一致することのない実効屈折率の一致を実現している。

【0112】

図８Ａの（ａ）は導波路３０１を側面から見た図、図８Ａの（ｂ）は導波路３０１の斜視図になる。図８Ａの（ａ）では、ＡｌＮ結晶層により形成された導波路３０１を伝搬する基本波の電界分布（ＴＭ００ Ｅｚω）とＳＨ波の電界分布（ＴＭ０１ Ｅｚ２ω）とを実線で示している。また、図９の（ａ）に示された電界分布図は、ＴＭ００ Ｅｚωを、図９の（ｂ）にＴＭ０１ Ｅｚ２ωの電界分布をｘｚ平面上にプロットしたものである。図９の（ａ）および（ｂ）において、フィールド中にＢｌで指示している分布が正の値、Ｒｄで指示している分布が負の値を示している。

【0113】

ここで、ＴＭとは、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅを意味しており、図８Ａの（ａ）では、ｘ軸方向にのみ磁界成分が存在するような電磁波を指す。さらに、ＴＭｉｊの添字ｉ、ｊはｘ軸方向とｚ軸方向のそれぞれの電界分布の節の数を表している。図８Ａの（ａ）では、ＴＭ００ Ｅｚωには節がないが、ＴＭ０１ Ｅｚ２ωには節が中央に１つ見られる。ＡｌＮは屈折率が高く、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）は屈折率が低いことを利用して、それぞれの材料における電界分布を調整することで、両者の実効屈折率を調整することができる。なお、図８Ａの（ａ）において、ＴＭ００ ＥｚωおよびＴＭ０１ Ｅｚ２ωのカーブを示した近傍に記載されている破線は、電界０の位置を示している。

【0114】

例えば、厚さｈと導波路幅ｗを適宜調整することにより電界分布を調整することができる。図８Ａの（ｂ）ではサファイア基板３０２を残しているが、図５の（ｄ）の段階でも記載したように、基板を全て剥離して、別のクラッド層を周囲全周施すことができる。ＳＨＧ素子の場合には酸化ケイ素（ＳｉＯ２）にすると、より光の閉じ込め効果を向上させ、波長変換効率を向上させることができる。

【0115】

ただし、ＴＭ０１ Ｅｚ２ωは電界に正負があるため通常の単一の極性を有するＡｌＮ膜だと位相整合項の重なり積分が０になってしまうことが問題となる。そのため、上記した極性反転を行い、非線形光学係数ｄ３３（ｚ）の符号をＳＨ波電界分布の節にあたる膜厚において反転させる必要がある。これにより（式１）の積分項は非０の値になり、ＳＨＧ光が出力される。これらの取り組みにより、最終的にｙ軸方向とｚ軸方向の位相整合条件が満たされ、高効率なＳＨＧ出力を実現することができる。

【0116】

このように、既存のＩｎＧａＮ青色レーザを光源とし、窒化物半導体基板１のＡｌＮ結晶層を非線形光学結晶として第二次高調波を発生させるようなＳＨＧ素子を用いて光学系を組めば、コヒーレント性の高い紫外光を発生させることができる。

【0117】

なお、ＡｌＮ結晶層を非線形光学結晶として用いる利点として、次の３点が挙げられる。
（１）ＡｌＮ結晶層の吸収端波長は２１０ｎｍであるから、紫外の広い領域で透明である。
（２）既存の非線形光学結晶であるＢＢＯ（ホウ酸バリウム）やＣＬＢＯ（ホウ酸セシウムリチウム）よりも高い非線形光学係数ｄ３３を有する。
（３）ＡｌＮ結晶層は、化学的および機械的に安定な材料であり、ＢＢＯやＣＬＢＯのような潮解性および有毒性がない。

【0118】

次に、図８Ｂを用いて、本実施の形態に係る導波路３０１の設計例について説明する。以下では、
図８Ｂは、窒化物半導体基板１を用いたＳＨＧ素子の設計例に係る導波路幅ｗと実効屈折率との関係を示す図である。同図に示すグラフの横軸は導波路幅、縦軸は基本波（入射波長λ１＝５３２ｎｍ）とＳＨ波（出射波長λ２＝２６６ｎｍ）の実効屈折率を示している。導波路３０１を構成するＡｌＮ結晶層の膜厚はｈ＝１１０ｎｍ、導波路長はｌ＝１ｍｍとした。

【0119】

図８Ｂには、ＴＭ００ ＥｚωおよびＴＭ０１ Ｅｚ２ωの実効屈折率ｎｅｆｆ，１とｎｅｆｆ，２が導波路３０１の導波路幅ｗによって変化する曲線を示している。導波路３０１の導波路幅ｗを、２つの曲線の交点である導波路幅ｗ＝１．９４μｍにすると、実効屈折率の差がゼロとなり、波長変換効率は最大となる。本設計では、基本波にλ１＝５３２ｎｍの波長を用いたが、これは測定系の都合でＹＡＧレーザのＳＨ波を使用するためである。より短波長での波長変換を行う場合、λ１＝４５０ｎｍ付近の波長で設計を行えば、λ２＝２２５ｎｍのＳＨ波との間で位相整合を満たすことができる。

【0120】

ここで、上述した設計例は、入射波長をλ１とし、ＳＨＧデバイスから出力される出力光の波長をλ２＝λ１／２とした場合の結晶層の入射波長における屈折率をｎ１、出射波長における屈折率をｎ２として、ＡｌＮ結晶層の膜厚（導波路厚さ）ｈをｈ＝１１０ｎｍに固定して導波路幅ｗの値を変化させたときに、ｎ１＝ｎ２となる導波路幅ｗの値を求めたものである。ｎ１とｎ２の許容差は（ｎ１－ｎ２）／ｎ１で計算した場合好ましくは０．１％以下、より好ましくは±０．００５％である。導波路３０１の設計はこれに限らず、例えば導波路幅ｗの値を固定してＡｌＮ結晶層の膜厚ｈを変化させるグラフを用いることもできる。

【0121】

このように、入射波長をλ１とし、窒化物半導体基板１の出力光の波長をλ２とした場合のＡｌＮ結晶層の入射波長における屈折率をｎ１、出射波長における屈折率をｎ２として、前記幅ｗまたは前記厚さｈの値の一つを固定した後、前記幅ｗまたは前記厚さｈの固定していない値を変化させたときに、ｎ１＝ｎ２となるときのｗまたはｈの値が算出される。

【0122】

なお、図１Ａの第１窒化物層３および第２窒化物層４の少なくとも一方のＸ線回折（１０－１２）のロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）は１０００ａｒｃｓｅｃ以下であることが望ましい。

【0123】

続いて、図１０Ａ～図１０Ｄを用いて、本実施の形態に係る窒化物半導体基板１の製造方法により作製した窒化物半導体基板１の電子顕微鏡写真の例を示す。

【0124】

図１０Ａは、化物半導体基板１の電子顕微鏡写真を示す図であり、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭによる窒化物半導体基板１の観測像（ＳＴＥＭ像）の一例を示す図である。図１０Ｂは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ１の拡大画像を示す図である。図１０Ｃは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ２の拡大画像を示す図である。また、図１０Ｄは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ３の拡大画像を示す図である。

【0125】

図１０Ａに示す窒化物半導体基板１は、基板２（サファイア基板）の上にアルミニウムをターゲットとするスパッタリングにより成膜した約１００ｎｍのＡｌターゲット層と、窒化アルミニウムをターゲットとするスパッタリングにより成膜した約１００ｎｍのＡｌＮターゲット層とを含む。Ａｌターゲット層は、概ね図１Ｂの第１窒化物層３に対応する。ＡｌＮターゲット層は、概ね図１Ｂの第２窒化物層４に対応する。

【0126】

図１０Ａでは、ＡｌＮターゲット層の成膜開始直後の基板２側の部分は、アルミニウム極性ではなく窒素極性（－ｃＡｌＮ極性）になっており、その後反転してアルミニウム極性（＋ｃＡｌＮ極性）になっている。これは、ターゲットをＡｌ固体からＡｌＮ焼結体への切り替えた直後の過渡期に窒素極性（－ｃＡｌＮ極性）のなっているものと考えられる。

【0127】

図１０Ｂでは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ１の下部は基板２側に窒素極性（－ｃＡｌＮ極性）になっている。また、部分画像Ｐ１の上部は基板２側にＡｌ極性（＋ｃＡｌＮ極性）になっている。つまり、極性反転構造が形成されていることが確認できた。

【0128】

図１０Ｃでは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ２中の濃淡が現れている部分を更に拡大した部分を部分画像Ｐ２１として示している。部分画像Ｐ２１は、画像に濃淡が現れているものの、第１窒化物層３内ではいずれも窒素極性（－ｃＡｌＮ極性）になっていることが確認できた。

【0129】

図１０Ｄでは、図１０Ａ中の部分画像Ｐ３中の一部を更に拡大した部分画像Ｐ３１と部分画像Ｐ３３とを支援している。また、図１０Ｄ中の部分画像Ｐ３２は、特に積層欠陥が生じている部分を示している。積層欠陥のある部分画像Ｐ３３の下側にある部分画像Ｐ３３は、基板２側にＡｌ極性（＋ｃＡｌＮ極性）になっている。また、積層欠陥のある部分画像Ｐ３３の上側にある部分画像Ｐ３１は、画像上で極性を明確には判別困難である。

【0130】

図１０Ａ～図１０Ｄに示すように、電子顕微鏡写真では極性不明な部分や積層欠陥が存在するけれども、図１Ｂのような、窒化物半導体基板１が極性反転構造を有することが確認できた。

【0131】

次に図１１を用いて本発明の窒化物半導体基板１が極性反転構造を含むことを確認するために行った二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry、略称：ＳＩＭＳ）の結果について説明する。ＳＩＭＳとは、質量分析法におけるイオン化方法の種類の一つである。

【0132】

図１１は、窒化物半導体基板の二次イオン質量分析法による計測結果を示す、すなわち不純物濃度の深さ方向分布を示している図である。図１１において横軸左側が窒化物半導体基板１の第２窒化物層４の表面側であり、横軸右端側がサファイア基板側である。表面側の不純物密度は、酸素（Ｏ）が７×１０^２０ｃｍ^－３、炭素（Ｃ）が２×１０^１９ｃｍ^－３、珪素（Ｓｉ）は５×１０^１８ｃｍ^－３である。これに対し、膜深さ０．５μｍ（５００ｎｍ）付近では酸素（Ｏ）が４×１０^１９ｃｍ^－３、炭素（Ｃ）が１×１０^１９ｃｍ^－３、珪素（Ｓｉ）は４×１０^１６ｃｍ^－３である。これは膜中の酸素濃度が高いと－ｃＡｌＮ極性が＋ｃＡｌＮ極性に反転することを示唆していると考えられる。言い換えれば、第２窒化物層４である窒化アルミニウム層の酸素濃度が第１窒化物層３である窒化アルミニウム層の酸素濃度より１０倍以上多くなっていることから、窒化物半導体基板１に極性反転構造ができていると考えられる。

【0133】

以上説明してきたように本実施の形態に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒素ガスを含む雰囲気でアルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、基板上に第１窒化アルミニウム層を形成する第１工程と、窒化アルミニウムをターゲットとしてスパッタリングすることにより、前記第１窒化アルミニウム層上に第２窒化アルミニウム層を形成する第２工程と、を有する。

【0134】

これによれば、第１窒化アルミニウム層と第２窒化アルミニウム層との間に中間層を介在させることなく極性反転層を形成するので結晶性を向上させることができる。また、第1工程および第２工程のスパッタリングを連続的に行うことができるので、窒化物半導体基板同士を張り合わせる工程を要しないので複雑な製造装置を必要とせず、製造装置の低コスト化と、製造時間の短縮とによって、製造コストを大幅に低減することができる。

【0135】

ここで、（前記第１窒化アルミニウム層は、窒素極性を有し、前記第２窒化アルミニウム層は、窒素極性からアルミニウム極性へと極性転換を有してもよい。

【0136】

これによれば、窒素極性の第１窒化アルミニウム層とアルミニウム極性の第２窒化アルミニウム層を順次形成することにより極性反転層を低製造コストで容易に形成し、結晶性向上させることができる。

【0137】

ここで、前記第１窒化アルミニウム層の膜厚は５０ｎｍ以上であり、前記第１窒化アルミニウム層の膜厚は２００ｎｍ以下であり、前記第１および第２窒化アルミニウム層の膜厚の合計は１０００ｎｍ以下であってもよい。

【0138】

これによれば、極性反転層を、第二次高調波を発生させる非線形光学系として利用可能な膜厚を確保することができる。

【0139】

ここで、前記第１工程および第２工程における前記スパッタリングでは、前記基板の温度は約５００～６５０℃であり、スパッタリングで装置内に窒素を含むガスが供給されていてもよい。

【0140】

これによれば、基板を加熱することにより基板表面での原子のマイグレーションが促進され、良質な成膜が可能となる。さらに、窒素を含むガスを流入することでＡｌＮを構成するＮ原子を供給することができる。

【0141】

ここで、前記第２工程の後に、前記第１および第２窒化アルミニウム層が形成された前記基板を１４００度以上１７５０度以下の温度でアニールする第３工程を有してもよい。

【0142】

これによれば、比較的高温でアニールするので第１および第２窒化アルミニウム層の結晶性を向上させ、ひいては極性反転層の結晶性を向上させることができる。

【0143】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板上に形成された第１窒化物層と、前記第１窒化物層上に形成された第２窒化物層と、を備え、前記第１窒化物層は前記窒素極性を有し、前記第２窒化物層は前記窒素極性を反転した極性を有し、前記第１窒化物層の膜厚は５０ｎｍ以上である。

【0144】

これによれば、中間層を介在させない極性反転層を有し、その結晶性を向上させることができる。

【0145】

ここで、前記基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、および窒化アルミニウムの少なくとも一つからなる構成としてもよい。

【0146】

これによれば、サファイアまたは炭化ケイ素からなる基板は比較的安価なので、コストを低減することができる。

【0147】

ここで、前記第１窒化物層は窒素極性を含む窒化アルミニウム層であり、前記第２窒化物層はアルミ極性を含む窒化アルミニウム層であり、前記第２窒化物層である窒化アルミニウム層の酸素濃度が前記第１窒化物層である窒化アルミニウム層の酸素濃度より１０倍以上多くてもよい。

【0148】

これによれば、膜中の酸素濃度を適切に調整することで窒化アルミニウム層の極性を任意に制御することができる。

【0149】

ここで、前記第１窒化物層および第２窒化物層の少なくとも一方のX線回折（１０－１２）のロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）は１０００ａｒｃｓｅｃ以下であってもよい。

【0150】

これによれば、極性反転層を、第二次高調波を発生させる非線形光学系として利用可能な膜厚を確保することができる。

【0151】

ここで、前記第１窒化物層の膜厚は２００ｎｍ以下であり、前記第１窒化物層および第２窒化物層の膜厚の合計は１０００ｎｍ以下であってもよい。

【0152】

これによれば、結晶性を向上させたＳＨＧ素子の製造コストを低減することができる
ここで、前記窒化物半導体基板は、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を構成してもよい。

【0153】

これによれば、非線形光学結晶を有する窒化物半導体デバイスとして、例えば光学的第二次高調波発生素子（ＳＨＧ素子）を実現し、入射したレーザ光波長の１／２波長の出力光を効率よく得ることができる。

【0154】

ここで、前記第１窒化物層および第２窒化物層からなる窒化物層を厚さｈ、を幅ｗ、長さｌとなる形状の導波路に形成し、前記厚さｈ、幅ｗ、長さｌは、ｌ方向に入射するレーザ光の入射波長に基づき算出されてもよい。

【0155】

ここで、前記入射波長をλ１とし、前記窒化物半導体基板の出力光の波長をλ２とした場合の前記窒化物層の入射波長における屈折率をｎ１、出射波長における屈折率をｎ２として、前記幅ｗまたは前記厚さｈの値の一つを固定した後、前記幅ｗまたは前記厚さｈの固定していない値を変化させたときに、ｎ１＝ｎ２となるときのｗまたはｈの値が算出されてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0156】

本発明は、基板上極性反転層を有する窒化物半導体基板として、例えば、照明、殺菌、フォトリソグラフィ、レーザ加工機、医療機器、ＤＮＡ分析器、蛍光体用光源、分光分布分析、紫外線硬化などの光源として使用される紫外光発光素子に利用することができる。また、光デバイス以外にも各種の電子部品への応用が期待できるものである。

【符号の説明】

【0157】

１ 窒化物半導体基板
２ 基板
３ 第１窒化物層
４ 第２窒化物層
１０ スパッタ装置
１００ チェンバー
１０１ 吸気管
１０２ 排気管
１０３ バルブ
１０４ 排気ポンプ
１０５ 基板ホルダ
１０７ ターゲット
１０８ 永久磁石
１０９ 高圧電源
３００ ＳＨＧデバイス（窒化物半導体デバイス）
３０１ 導波路
３０３ －ｃＡｌＮ結晶層
３０４ ＋ｃＡｌＮ結晶層

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】