特許 7364183 ＡｌＮバッファー層を備えるテンプレート基板および窒化物半導体素子ならびにそれらの製造方法

(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】2023-10-10

(45)【発行日】2023-10-18

(54)【発明の名称】ＡｌＮバッファー層を備えるテンプレート基板および窒化物半導体素子ならびにそれらの製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20231011BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20231011BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20231011BHJP

   C23C 14/58 20060101ALI20231011BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20231011BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20231011BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 C

C30B25/18

C23C14/06 A

C23C14/58 A

C23C16/34

H01L21/205

H01L33/32

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019103375

(22)【出願日】2019-05-31

(65)【公開番号】P2020196644

(43)【公開日】2020-12-10

【審査請求日】2022-03-28

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （公開１：研究集会における発表）集会名： ＩＳＧＮ－７（７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＩＩＩ－Ｎｉｔｒｉｄｅｓ）（第７回国際ＩＩＩ族窒化物成長シンポジウム） 開催日： ２０１８年 ８月 ５日～ ８月１０日 発表日時：２０１８年 ８月 ９日 １４：３０～１４：４５ 開催場所：ポーランド・ワルシャワ、クラコフスキエ・プシエドミエシチェ２６／２８、ワルシャワ大学 予稿発行：２０１８年 ８月 ５日 （公開２：研究集会における発表）集会名： 第７９回応用物理学会秋季学術講演会 開催日： ２０１８年 ９月１８日～ ９月２１日 発表日時：２０１８年 ９月２１日 １６：００～１６：１５ 開催場所：名古屋国際会議場 予稿発行：２０１８年 ９月 ５日 （公開３：研究集会における発表）集会名： 公開２に同じ 開催日： 公開２に同じ 発表日時：２０１８年 ９月２１日 １６：１５～１６：３０ 開催場所：公開２に同じ 予稿発行：公開２に同じ （公開４：研究集会における発表）集会名： 日本学術振興会 第１６２委員会 特別公開シンポジウム「紫外発光デバイスの最前線と将来展望」 開催日： ２０１８年 ９月２７日～ ９月２８日 発表日時：２０１８年 ９月２７日 １７：００～１８：３０ 開催場所：東京大学 駒場ＩＩキャンパス生産技術研究所コンベンションホール 予稿発行：２０１８年 ９月２７日 （公開５：研究集会における発表）集会名： ＩＷＮ２０１８（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）（ＩＷＮ２０１８窒化物半導体国際ワークショップ） 開催日： ２０１８年１１月１１日～１１月１６日 発表日時：２０１８年１１月１５日 １１：４０～１１：５５ 開催場所：石川県立音楽堂、ＡＮＡクラウンプラザホテル金沢、もてなしドーム 予稿発行：２０１８年１１月１１日 （公開６：研究集会における発表）集会名： 第６６回応用物理学会春季学術講演会 開催日： ２０１９年 ３月 ９日～ ３月１２日 発表日時：２０１９年 ３月１１日 １４：３０～１４：４５ 開催場所：東京工業大学大岡山キャンパス 予稿発行：２０１９年 ２月２５日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （公開７：電気通信回線を通じた刊行物等の発表）掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．７５６７／１３４７－４０６５／ａｂ１０６６ 刊行物・巻号：Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ５８，ＳＣ１０２９（２０１９） 掲載日： ２０１９年 ５月１７日 掲載者： 公益社団法人応用物理学会

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100130960

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 正之

(72)【発明者】

【氏名】定 昌史

(72)【発明者】

【氏名】前田 哲利

(72)【発明者】

【氏名】平山 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】大澤 篤史

(72)【発明者】

【氏名】前岡 淳史

【審査官】森坂 英昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０５５１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０７２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００４１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０６４９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２２７２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８３４０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ １／００ － ３５／００

Ｃ２３Ｃ １４／００ － １４／５８

Ｃ２３Ｃ １６／００ － １６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ３３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板の表面上にＤＣスパッタリング法によってスパッタリングＡｌＮ層を形成するＤＣスパッタリングステップと、
該スパッタリングＡｌＮ層が形成された前記サファイア基板を少なくとも１３００℃に到達する温度でアニール処理して該スパッタリングＡｌＮ層からＨＴＡ－ＡｌＮ層を得るアニールステップと、
前記アニールステップより後に、ＭＯＣＶＤ法によって前記ＨＴＡ－ＡｌＮ層上にＡｌＮの再成長層を形成する再成長ステップと
を含み、
前記再成長ステップが１３００℃以下で実行される、
ＡｌＮバッファー層を備えるテンプレート基板の製造方法。

【請求項2】

サファイア基板の表面上にＤＣスパッタリング法によってスパッタリングＡｌＮ層を形成するＤＣスパッタリングステップと、
該スパッタリングＡｌＮ層が形成された前記サファイア基板を少なくとも１３００℃に到達する温度でアニール処理して該スパッタリングＡｌＮ層からＨＴＡ－ＡｌＮ層を得るアニールステップと、
前記アニールステップより後に、ＭＯＣＶＤ法によって前記ＨＴＡ－ＡｌＮ層上にＡｌＮの再成長層を形成する再成長ステップと
を含み、
前記再成長ステップは、前記アニールステップの最高到達温度よりも低い温度で実行される、
ＡｌＮバッファー層を備えるテンプレート基板の製造方法。

【請求項3】

サファイア基板の表面上にＤＣスパッタリング法によってスパッタリングＡｌＮ層を形成するＤＣスパッタリングステップと、
該スパッタリングＡｌＮ層が形成された前記サファイア基板を少なくとも１３００℃に到達する温度でアニール処理して該スパッタリングＡｌＮ層からＨＴＡ－ＡｌＮ層を得るアニールステップと
を含み、
前記ＤＣスパッタリングステップは、低インダクタンスアンテナ支援誘導結合プラズマを用いるＤＣスパッタリング法により行われる、
ＡｌＮバッファー層を備えるテンプレート基板の製造方法。

【請求項4】

前記アニールステップが１６００℃以下の温度で実行される
請求項１～３のいずれか１項に記載のテンプレート基板の製造方法。

【請求項5】

前記再成長ステップが１２００℃以下で実行される、
請求項１に記載のテンプレート基板の製造方法。

【請求項6】

請求項１～３のいずれか１項に記載のテンプレート基板の製造方法により作製されたテンプレート基板を準備するステップと、
該テンプレート基板の前記ＡｌＮバッファー層の上または上方に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと
を含む窒化物半導体素子の製造方法。

【請求項7】

前記窒化物半導体層が、ｎ型ＡｌＧａＮ層と活性層とｐ型ＡｌＧａＮ層とを前記テンプレート基板の側からこの順にもつ発光層を含むものであり、
該発光層に電気的に接続される一対の電極を形成するステップ
をさらに含む
請求項６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はＡｌＮバッファー層を備えるテンプレート基板および窒化物半導体素子ならびにそれらの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード、レーザーダイオードといった発光素子や、受光センサー、高周波素子、パワーデバイスなど各種の用途に窒化物半導体素子が用いられている。ＧａＮ（窒化ガリウム）やＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）などの結晶を採用する窒化物半導体素子は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのエピタキシャル成長により作製される。そのためのテンプレート基板は、例えばサファイア基板に窒化アルミニウムバッファー層を形成したもの（「ＡｌＮバッファー付サファイア基板」）、ＧａＮ単結晶基板、ＡｌＮ単結晶基板である。これらのうち、ＡｌＮバッファー付サファイア基板は、ＧａＮ単結晶基板、ＡｌＮ単結晶基板に比してコストの観点での優位性を持っている。ＡｌＮバッファー付サファイア基板のための典型的なＡｌＮバッファー層の形成手段の一つは、やはりＭＯＣＶＤ法である。

【0003】

ＭＯＣＶＤ法とは異なり、より広い面積で均一な窒化アルミニウムの成膜が可能なスパッタリング法も注目されている。一般にスパッタリングによりサファイア基板に窒化アルミニウムを形成すると、高密度な貫通転位が生じる。非特許文献１には、サファイア基板上にＲＦスパッタリングにより形成したＡｌＮバッファー層を高温アニール（ＨＴＡ； ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理することによって、窒化物半導体の発光素子のためのテンプレートとなりうることが報告されている。当該報告によれば、作製されたＡｌＮバッファー層は、貫通転位密度が１×１０^８ｃｍ^－２程度、粗さＲａが０．４ｎｍ程度となり、その上にＡｌＧａＮベースでのＵＶ－ＬＥＤも作製された。

【0004】

なお、特許文献１（国際公開第２００８／１３６５０４号）は、（０００１）Ｃ面のサファイア基板に直接スパッタ法で単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することは困難であると説明している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２００８／１３６５０４号

【文献】特開２０１６－１８３４０２号

【非特許文献】

【0006】

【文献】H. Miyake et. al.,“Preparation of high-quality AlN on sapphire by high-temperature face-to-face annealing” J. Cryst. Growth 456, 155-159 (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.08.028

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

窒化ガリウム系青色ＬＥＤのためのＡｌＮバッファー層は、１０５０℃程度のＭＯＣＶＤ法で形成したものが採用されることがある。しかしながら、窒化物半導体によりＵＶ－ＬＥＤを形成する場合には、特に内部量子効率の観点から、より高品質なＡｌＮバッファー層が要求される。そのような高品質なＡｌＮバッファー層をＭＯＣＶＤ法のみにより形成してＡｌＮバッファー付サファイア基板を作製しようとすると、転位密度が小さく高品質な結晶を成長するためには高温（１３００℃程度またはそれ以上）での成膜プロセスが必須となる。高温向けの装備を持つＭＯＣＶＤ装置は、標準的なＭＯＣＶＤ装置とは異なる装備を要する特殊なものであり、同時成膜可能なサファイア基板ウェハーの枚数も少ない。また、ＭＯＣＶＤ法のみにより形成したＡｌＮバッファー層で良好な性能を得るためには、ＡｌＮバッファー層の膜厚を十分厚く形成する必要がある。例えばＡｌＮ層を３μｍ程度またはそれ以上にＭＯＣＶＤ法にて形成することには長い処理時間も要する。ＡｌＮをＭＯＣＶＤ法で成膜するための原料ガスも高価である。

【0008】

これらの要因から、ＭＯＣＶＤ法のみにより高品質で厚いＡｌＮバッファー層を形成する手法は生産効率が低く、それにより生産されるＡｌＮバッファー付サファイア基板は高価にならざるをえない。他方、ＲＦスパッタリング法は、ＭＯＣＶＤ法に比べてＡｌＮバッファー層の生産効率が高く、ＡｌＮバッファー付サファイア基板のコスト低減がある程度見込める。しかし、生産効率をさらに向上させることによるＡｌＮバッファー付サファイア基板の低コスト化への要請は依然として大きい。

【0009】

本開示は上記問題の少なくともいずれかを解決することを課題とする。本開示は、高品質なＡｌＮバッファー層が必要な用途のためであっても十分な性能を示しうるＡｌＮバッファー付サファイア基板を低コストで実現しうる手法を提供することにより、窒化物半導体素子の普及を促進し、窒化物半導体素子の用途拡大に大きく貢献するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明者は、非特許文献１のＲＦスパッタリング法よりも高い効率でＡｌＮバッファー付サファイア基板を作製しうる手法を鋭意検討し、大面積で短時間でのコーティングが可能なＤＣスパッタリング法に着目した。結果、ＤＣスパッタリング法によりＡｌＮバッファー層を成膜しても、十分な性能のＡｌＮバッファー付サファイア基板が作製可能であることを確認し、本開示を完成させた。

【0011】

すなわち、本開示のある態様においては、サファイア基板と、該サファイア基板の表面上にＤＣスパッタリング法によって形成されたＡｌＮ層を含むＡｌＮバッファー層であって、該ＡｌＮ層が１３００℃に到達する温度のアニール処理を経たＨＴＡ－ＡｌＮ層である、ＡｌＮバッファー層とを備えるテンプレート基板が提供される。

【0012】

ＤＣスパッタリング法によりＡｌＮ層を形成することにより、ＡｌＮバッファー付サファイア基板の高い生産効率を実現することができる。本開示においてスパッタリングＡｌＮ層（Sputtered AlN layer）と呼ぶものは、ＤＣスパッタリング法により形成したＡｌＮ層である。ＤＣスパッタリング法では、３００℃程度の温度で成膜処理が可能であり、７００℃またはそれ以上を要するＲＦスパッタリングよりも低温での成膜が行える。ＤＣスパッタリング法は、太陽電池素子のような大面積の成膜も可能であるなど、広い面積または多数の基板を同時に処理することも容易である。ＤＣスパッタリング法で金属のアルミニウムのターゲットで反応性スパッタリングを行う場合には、さらに円筒形状のターゲットを利用できてターゲット使用効率や生産性を高めることができる。これらから、ＤＣスパッタリング法では極めて効率良くテンプレート基板を形成することができる。本開示の上記態様においては、サファイア基板の表面のスパッタリングＡｌＮ層を１３００℃に到達する温度のアニール処理によって、結晶品質が改善されたＨＴＡ－ＡｌＮ層を作製する。このため、ＡｌＮバッファー層はすくなくともＨＴＡ－ＡｌＮ層を備えている。

【0013】

以下特に断りのない場合、窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を含み、必要に応じてＳｉまたはＭｇなどを含んでいて良い任意の窒化物半導体材料をいう。窒化物半導体素子は窒化物半導体材料を少なくとも一部に含む任意の素子を指す。テンプレート基板は、ヘテロエピタキシャル成長またはホモエピタキシャル成長において用いられる任意の物体を意味する。ＤＣスパッタリング法は、放電でイオン化したスパッタリングガスをＤＣ電界によりターゲット物質に衝突させ、その運動量により射出したターゲット物質またはその反応生成物を目的の基板に堆積させるスパッタリング法を一般に意味している。プラズマ密度の制御のために、高周波電界や、磁界を補助的に利用するようなものも含み、反応ガスを利用する反応性スパッタリングも含む。

【発明の効果】

【0014】

本開示のある態様では、生産効率の高いＤＣスパッタリング法により形成されたＡｌＮバッファー付サファイア基板であるテンプレート基板が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本開示の実施形態のテンプレート基板の構造を示す斜視図である。

【図2】図２は、本開示の実施形態のテンプレート基板の製造方法を示すフローチャートである。

【図3】図３は、本開示の実施形態のＨＴＡ－ＡｌＮ層のためのＳＰ－ＡｌＮ層をサファイア基板に形成するＤＣスパッタリング成膜装置の概略構成を示す説明図である。

【図4】図４は、本開示の実施形態において、テンプレート基板の典型的な作製過程の各ステップの代表的な処理条件の概要をまとめた説明図である。

【図5】図５は、本開示の実施形態において、テンプレート基板をテンプレートとして作製されるＵＶ－ＬＥＤの構成を示す斜視図である。

【図6】図６は、本開示の実施形態の実施例において、ＳＰ－ＡｌＮ層およびＨＴＡ－ＡｌＮ層のＸＲＣ測定の回折強度を示すグラフを含んでおり、（０００２）面反射のもの（図６Ａ）および（１０－１２）面反射のもの（図６Ｂ）である。

【図7】図７は、本開示の実施形態の実施例において、比較例サンプル１を対照にＡＦＭによる表面モフォロジーを観察した例を示しており、１μｍ×１μｍ領域（図７Ａ）および１０μｍ×１０μｍ領域（図７Ｂ）の範囲のものである。

【図8】図８は、本開示の実施形態の実施例において、ＡＦＭによる表面モフォロジーを観察した例であり、ＨＴＡ処理を施した実施例サンプルについて、１０μｍ×１０μｍ領域のものである。

【図9】図９は、本開示の実施形態の実施例において、比較例サンプル、実施例サンプルにおけるスパイクおよびヒロックの幅および高さの測定値の分布を示すグラフである。

【図10】図１０は、本開示の実施形態の実施例において、比較例サンプル、実施例サンプルにおけるスパイクおよびヒロックの密度を示すグラフである。

【図11】図１１は、本開示の実施形態の実施例において、再成長層形成後のＡＦＭによる表面モフォロジーの観察結果である。

【図12】図１２は、本開示の実施形態の実施例において、表面の凹凸の高さとＨＴＡ処理のアニール温度との関係を示すグラフであるである。

【図13】図１３は、本開示の実施形態の実施例において、ＡｌＮ層の対称（０００２）面反射および非対称（１０－１２）面反射での回折について走査したＸＲＣの半値幅をアニール温度に対してプロットしたグラフである。

【図14】図１４は、本開示の実施形態の実施例において、テンプレート基板を作製するまでの各段階でのＸＲＣ半値幅を示すグラフであり、（００２）面反射のもの（図１４Ａ）、（１０２）面反射のもの（図１４Ｂ）である。

【図15】図１５は、本開示の実施形態の実施例において、テンプレート基板を作製するまでの各段階でのＸＲＣ半値幅を示すグラフであり、（００２）面反射のもの（図１５Ａ）、（１０２）面反射のもの（図１５Ｂ）である。

【図16】図１６は、本開示の実施形態において、実施例として作製したＵＶ－ＬＥＤの特性を示すグラフであり、電流電圧特性（図１６Ａ）、光出力特性（図１６Ｂ）、外部量子効率（図１６Ｃ）、発光スペクトル（図１６Ｄ）である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下図面を参照し、本開示に係るテンプレート基板であるＡｌＮバッファー付サファイア基板の実施形態を説明する。全図を通じ当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付される。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。

【0017】

１．テンプレート基板の製造
１－１．全体構造
図１は、本実施形態のテンプレート基板１０の構造を示す斜視図である。テンプレート基板１０の一方の面にＡｌＮ層バッファー層４が形成されている。ＡｌＮ層バッファー層４は、典型的には２層のＡｌＮからなる層４２、４４を含む。ＡｌＮ層４２は、Ｃ面配向のサファイア基板２の一方の面にＤＣスパッタリング法により成膜され、高温アニール（ＨＴＡ）処理される。ＡｌＮ層４２を以下ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２と呼ぶ。他方のＡｌＮ層４４は、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の表面にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長により積層される再成長ＡｌＮ層４４である。

【0018】

１－２．製造方法
図２は、本実施形態のテンプレート基板１０の製造方法を示すフローチャートである。Ｃ面配向のサファイア基板２には、まずＤＣスパッタリング法により所定の厚みにＡｌＮ層が形成される（ステップＳ０２）。このためには、例えばターゲットをアルミニウムとし、スパッタリングガスをアルゴン（Ａｒ）、反応性ガスを窒素（Ｎ_２）としたＤＣスパッタリング法が採用される。この段階でのＡｌＮ層は、本願においてスパッタリングＡｌＮ（Sputtered AlN）層（ＳＰ－ＡｌＮ層）４１と呼ぶ。次に、ＡｌＮ層を形成したサファイア基板２がＨＴＡ処理されてＨＴＡ－ＡｌＮ層４２が形成される（ステップＳ０４）。このＨＴＡ処理により、ＤＣスパッタリング法の成長直後のＳＰ－ＡｌＮ層４１の結晶品質が高められる。この段階のＡｌＮ層がＨＴＡ－ＡｌＮ層４２となる。ＨＴＡ処理は、例えばＮ_２ガスを満たした炉で所定の温度および時間の条件で実施される熱処理である。その後、任意選択として、再成長処理が実施されて再成長層４４が形成される（ステップＳ０６）。再成長処理は、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）およびアンモニアガスによるＭＯＣＶＤ法によって、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２に再成長層４４をエピタキシャル成長する処理である。本実施形態の再成長層４４は、例えば１３００℃といった温度域で行うことができる。また、この温度域を例えば１２００℃とすることができる。１２００℃程度のＭＯＣＶＤ法は、テンプレートを利用してその上に結晶成長させるデバイスのための成膜処理装置と同一のＭＯＣＶＤ装置でも行えるので、高温対応の特殊なＭＯＣＶＤ装置は不要となりさらに好ましい。これにより、ＡｌＮ層４が形成されたテンプレート基板１０が完成する。テンプレート基板１０の作製プロセス全体をみると、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２を形成するＤＣスパッタリング処理（ステップＳ０２）が極めて効率良く処理でき、後述するように、その厚みを比較的薄くすることも許容される。以下、各工程の条件およびそのための材料の詳細を説明する。

【0019】

１－２－１．基板
テンプレート基板１０のためのサファイア基板２の典型的なものが、（０００１）面方位サファイア単結晶基板つまりＣ面サファイア基板である。Ｃ面サファイア基板は、例えば青色ＬＥＤ素子のための基板として容易に入手可能である。サファイア基板２のためには適切なオフ角をもつよう作製されたＣ面サファイア基板を利用することができる。

【0020】

１－２－２．ＡｌＮ形成
ＤＣスパッタリング処理（ステップＳ０２）は、放電でイオン化したスパッタリングガスをＤＣ電界によりターゲット物質に衝突させ、その運動量により射出したターゲット物質またはその反応生成物を目的の基板に堆積させるスパッタリング法を一般に意味している。プラズマ密度の制御のために、高周波電界や、磁界を補助的に利用するようなものも含み、反応ガスを利用する反応性スパッタリングも含む。

【0021】

図３は、本実施形態のＨＴＡ－ＡｌＮ層４２のためのＳＰ－ＡｌＮ層４１をサファイア基板２に形成するＤＣスパッタリング成膜装置の概略構成を示す説明図である。ＤＣスパッタリング成膜装置１００は、典型的には、特許文献２（特開２０１６－１８３４０２号）に開示されるものと同様のものである。ＡｌＮ層であるＳＰ－ＡｌＮ層４１を形成するために、ＤＣスパッタリング成膜装置１００のチェンバー２００には、概して中空の円筒形状であり、アルミニウムパイプであるターゲット１０５、１０６が配置されている。プラズマ領域１５０には、サファイア基板２がターゲット１０５、１０６を臨む向きに被成膜面を向けて配置されている。プラズマ領域１５０には、スパッターガス源６１０のＡｒガスがターゲット１０５、１０６の間隙下方からスパッターガスとして、また、反応ガス源６２０からのＮ_２ガスがサファイア基板２の付近に向けて反応ガスとして、それぞれ供給される。ターゲット１０５、１０６には、ＤＣ電源２６３が接続されており、ターゲットのアルミニウム材料に負の高電圧を印加してカソードとして動作させることができるようになっている。ターゲット１０５、１０６は、円筒の軸を回転軸として回転可能となっていて、内部に、マグネット１２３が配置されている。マグネット１２３は、ターゲット１０５、１０６の回転と関係なくサファイア基板２に向かって向けられていて、円筒壁を貫く磁界を生成してプラズマ密度を高める様になっている。サファイア基板２は、基板ホルダー１９０に取り付けられて、基板ホルダー１９０とともに適当な搬送機構により必要に応じ搬送することができる。

【0022】

ターゲット１０５、１０６の相互の間隙の下方には、誘導結合アンテナ２５１が配置されそこには高周波電源２５３が接続されている。誘導結合アンテナ２５１を通じて高周波が供給されると、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）が生成されるため、このような高周波を供給しての成膜処理は、低インダクタンスアンテナ（ＬＩＡ、登録商標）支援の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を伴うＤＣスパッタリング法である。

【0023】

ＤＣスパッタリング成膜装置１００は、適切な制御装置（図示しない）により、適宜設けられた開閉手段、制御弁、駆動手段（いずれも図示しない）によって、設定されたガス供給条件、電力供給条件、温度条件、成膜時間に応じて動作する。ガス供給条件は、（全圧、Ｎ_２流量）の組み合わせで決定される。電力供給条件は、ＤＣ電源２６３の供給電圧や連続／パルスの区別、高周波電源２５３の動作／非動作で決定される。温度条件は、基板ホルダー１９０の温度で決定される。特にガス供給条件について説明のため、本実施形態のための条件の典型的なものを列挙し、それらに名称を与える。本実施形態では、全圧について３．７５×１０^－３ Ｔｏｒｒ（０．５Ｐａ）および３．７５×１０^－４ Ｔｏｒｒ（０．０５Ｐａ）を、それぞれ「高圧」および「低圧」と呼ぶ。またＮ_２流量について「高圧」時の７５ｓｃｃｍ、１２５ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍをそれぞれ「Ｌｏｗ２」、「Ｌｏｗ」、「Ｈｉｇｈ」と呼び、「低圧」時の３５ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍをそれぞれ「Ｍｉｄｄｌｅ」、「Ｈｉｇｈ」と呼ぶ。例えば全圧を「高圧」、Ｎ_２流量を「Ｈｉｇｈ」等と記す。電力供給条件はターゲット１０５、１０６が負となるように印加する２００Ｖ、デューティー比７５％、繰り返し周期８０ｋＨｚパルス波形である。高周波電源２５３を動作させれば、ＬＩＡ支援ＩＣＰが生成されたＤＣスパッタリング法、非動作であればＬＩＡ支援ＩＣＰのないＤＣスパッタリング法となる。本実施形態では、高周波電源２５３を非動作のものを特に「ＬＩＡ支援ＩＣＰ無し」と呼び、特段記載のないものではＬＩＡ支援ＩＣＰを活用している。なお、本実施形態は、図３に示したＤＣスパッタリング成膜装置１００とは異なり、平板ターゲットのものを含むような任意のＤＣスパッタリング装置用いることによって実施されうる。

【0024】

本実施形態において、ＳＰ－ＡｌＮ層４１やＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の膜厚は特段限定されない。後述する最適化プロセスでは、例示として２００ｎｍ程度のものが採用される。また、ＳＰ－ＡｌＮ層４１を形成するための条件も、特段限定されない。

【0025】

１－２－３．高温アニール（ＨＴＡ）
高温アニール（ＨＴＡ； ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理は、ＤＣスパッタリング成膜装置１００にて形成したＳＰ－ＡｌＮ層４１を適切なアニール条件を満たしうる任意の炉により行うことができる。アニール条件は、温度、周囲気体、処理時間を組み合わせ、それらの組み合わせを１以上用いて特定される。用いられるアニール条件は、アニール処理後のＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の結晶品質が必要な水準となりうるものから選択され、本実施形態では、温度条件は結晶品質に改善が期待できる温度から選択する。具体的には、到達最高温度が１３００℃以上となるものが選択される。到達最高温度は、好ましくは、１５００℃以上とされたり、１７００℃以上とされる。高温によるＡｌＮの分解が生じうるため、その対策も適宜採用される。例えば、周囲気体は、任意の気体が利用され、Ｎ_２や、アルゴンガス、一酸化炭素を含む気体も利用されうる。また、２片のサンプルのＡｌＮ膜面を対向させるｆａｃｅ－ｔｏ－ｆａｃｅ配置も採用される（非特許文献１）。

【0026】

１－３．再成長層
再成長層４４は、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の最表面上にＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長させたＡｌＮ層である。ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２上への再成長層４４の形成によりＡｌＮ層４が完成する。再成長層４４のための成長条件は、本実施形態では、典型的には、１μｍ程度の厚みをもつように形成される。ここでのＭＯＣＶＤ法では、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）およびアンモニアのガスを原料ガスとして用い、成膜温度は、例えば１３００℃とする。特に成膜温度が１２００℃以下であれば、高温装備なしのＭＯＣＶＤ装置により効率良く再成長層４４を形成することができる。より一般には、ＨＴＡ処理の最高到達温度よりも低い温度のＭＯＣＶＤ法により再成長層４４を形成することにより、ＨＴＡ処理によるＳＰ－ＡｌＮ層４１からＨＴＡ－ＡｌＮ層４２への結晶品質の向上の効果を生かすことができる。また、その後にテンプレート基板１０を利用して製造する窒化物半導体素子においてＭＯＣＶＤ法を採用する場合には、再成長層４４の成膜を窒化物半導体素子のためのＭＯＣＶＤ装置によって行い、そのまま窒化物半導体素子の製造プロセスを開始することもできる。

【0027】

１－４．評価
テンプレート基板１０の評価は、ＡｌＮ層４が、窒化物半導体素子の製造のためのテンプレート基板として要請される特性を最終的に満たすかどうかにより決定される。そのための指標は、ＳＰ－ＡｌＮ層４１、それをＨＴＡ処理した後のＨＴＡ－ＡｌＮ層４２、および再成長層４４の各層の形成完了時点での表面モフォロジー、結晶転位密度、その他のテンプレート表面を評価しうる指標である。表面モフォロジーはＡＦＭによる表面形状の計測により、また結晶転位密度はＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定などによる（０００２）面反射および（１０－１２）面反射のピークの半値幅（半値全幅、以下同様）により、それぞれ評価される。光学顕微鏡による観察でも、窒化物半導体素子への適用の適否を判断することができる。

【0028】

１－５．最適化プロセス（一般）
本願発明者らは、ＤＣスパッタリング法とＨＴＡ処理を組み合わせることによって、要請される特性を満たすようＡｌＮ層４の品質を向上することに成功した。得られたＡｌＮ層４は、ＲＦスパッタリングと高温アニールを組み合わせるもの（非特許文献１）や、ＭＯＣＶＤ法において得られるＡｌＮバッファー付サファイア基板と比して同等程度に良好な結晶品質を示す。他方、ヒロックと呼ばれる表面凹凸が発生しやすくなることから、良好な結晶品質を実現しつつヒロックを抑制するための最適化プロセスが必要であること、およびその抑制手法を見出した。

【0029】

図４は、テンプレート基板１０の典型的な作製過程の各ステップの代表的な処理条件の概要をまとめた説明図である。ＤＣスパッタリング法（ステップＳ０２）では、一例として成長温度３００℃程度で２００ｎｍ厚のＳＰ－ＡｌＮ層４１が形成される（図４Ａ）。この段階で、ＡｌＮ層は多結晶ではなく単結晶といいうる程度になっているものの、ＸＲＤによる評価では多数の結晶欠陥が残留していることを示す広がったピークが観察される。ＳＰ－ＡｌＮ層４１の表面には、スパイクと呼ぶ微小サイズで鋭いピーク部分が生じている場合もある。適切な周囲気体（例えば窒素）の中で１５００～１７００℃程度の温度でのＨＴＡ処理（Ｓ０４）を１時間程度施すと、結晶品質は大幅に向上する（図４Ｂ）。これにより、ＸＲＤでのピークの半値幅は小さくなって結晶品質が向上する。この時点で、ＳＰ－ＡｌＮ層４１はＨＴＡ－ＡｌＮ層４２となるものの、表面にはヒロックが生じることがある。ヒロックは、例えば高さが２０ｎｍを越すほどに高くなると、窒化物半導体素子の製造に障害となりうる。ついで、再成長処理（ステップＳ０６）を通じ、例えば厚み１μｍ程度のＭＯＣＶＤ法によるＡｌＮ層がＨＴＡ－ＡｌＮ層４２上に再成長層４４として堆積される。再成長層４４は、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２にエピタキシャル成長される、成長に応じてＨＴＡ－ＡｌＮ層４２表面のヒロックなどにより生じた凹凸が埋め込まれることもある。再成長層４４の表面が、その後の窒化物半導体素子の形成に適するものとするために、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４１の形成のためのＤＣスパッタリング法や、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２を得るためのＨＴＡ処理、再成長層４４を形成する再成長処理の各条件が決定される。

【0030】

２．適用例
本実施形態のテンプレート基板１０は、窒化物半導体素子のためのテンプレート基板として利用できる。窒化物半導体素子の一例として、紫外発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）について説明する。

【0031】

２－１．発光素子
図５は、テンプレート基板１０をテンプレートとして作製されるＵＶ－ＬＥＤ３０の構成を示す斜視図である。ＵＶ－ＬＥＤ３０は、テンプレート基板１０の再成長層４４の表面にＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長で窒化物半導体による各層が成長される。具体的には、ｎ－ＡｌＧａＮ；Ｓｉ層３０２、ＡｌＧａＮ―ＭＱＷ層３０４、ＭＱＢ層３０６、ｐ－ＡｌＧａＮ；Ｍｇ層３０８、およびｐ－ＧａＮ；Ｍｇ層３１０が形成される。テンプレート基板１０には、Ｐコンタクト電極３２０、ｎコンタクト電極３３０が形成されて、これら電極を通じて駆動電源（図示しない）が接続されて動作する。

【0032】

２－２．他の窒化物半導体素子
上記ＵＶ－ＬＥＤ３０に加え、テンプレート基板１０は、窒化物半導体で作製する光センサー、高周波素子、パワーデバイスのためのテンプレートとしても利用可能である。

【0033】

３．実施例（テンプレート）
次に、本実施形態のテンプレート基板１０の具体的な最適化を実施した実施例について説明する。最適化は２つに分けられる。第１は、ＳＰ－ＡｌＮ層４１のためのＤＣスパッタリング法の成膜条件をある程度決定する予備検討である。第２は、予備検討により有望と判断した条件のＤＣスパッタリング法で形成したＳＰ－ＡｌＮ層４１をＨＴＡ処理してＨＴＡ－ＡｌＮ層４２を得る条件の最適化である。これらの最適化は、目的の特性が実現するまで繰り返し最適化される。

【0034】

３－１．予備検討
まず、ＤＣスパッタリング法の条件決定のための予備検討では、ＨＴＡ処理を施すまで実施してＨＴＡ－ＡｌＮ層４２が形成され再成長層４４は形成していないサンプルを準備し、結晶品質を評価して基本的条件の決定を行った。具体的には、ＤＣスパッタリング成膜装置１００でＳＰ－ＡｌＮ層４１を形成する条件を、
・基板加熱について、あり／なし
・ＬＩＡ支援ＩＣＰについて、あり／なし
・膜厚について、２００ｎｍ／４００ｎｍ
と変化させた計８通りの組み合わせのサンプルを準備した。なお、基板加熱をしない場合は、成膜中のプラズマによる加熱だけとなるため、正確な温度は不明である。他方、基板加熱をした場合には、基板温度は約３００℃に維持される。ＤＣスパッタリング成膜装置１００のターゲット１０５、１０６はアルミニウム、ガス条件はＡｒ、Ｎ_２とした。各サンプルのＨＴＡ処理は窒素中での加熱処理、ｆａｃｅ－ｔｏ－ｆａｃｅ配置とした。

【0035】

ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の評価の結果、基板加熱しないものでは、目視観察で白濁が生じるなど、ＸＲＤを取得するまでもなく結晶品質は不良であった。これに対し、基板加熱したものではそのようなことはなかった。また、基板加熱したものでも、ＬＩＡ支援ＩＣＰ無しではＸＲＣ半値幅が大きいままで結晶品質は不良であった。このことから、ＬＩＡ支援ＩＣＰも役立つと結論づけた。膜厚による違いは、さほど明瞭ではなかったが、ＸＲＣ半値幅は次の表１のとおりであった。

【表1】

条件の選択には、この結果に加えて、テンプレート基板１０の生産効率では膜厚が薄いことが有利であることも加味した。

【0036】

以上より、基板加熱あり、ＬＩＡ支援ＩＣＰあり、２００ｎｍ厚をＤＣスパッタリング法でのＳＰ－ＡｌＮ層４１の成膜条件として採用することとした。

【0037】

３－２．高温アニール処理の最適化
ＨＴＡ処理の条件を決定するために、処理温度を決定した。まず、各サンプルのＳＰ－ＡｌＮ層４１の成膜条件は、（０００１）面配向サファイア基板２に、ＬＩＡ支援ＩＣＰあり、膜厚２００ｎｍとし、他の条件は予備検討（３－１）と一致させた。つぎに、周囲気体をＮ_２、アニール時間を１時間に固定して、ＨＴＡ処理をおこなってＨＴＡ－ＡｌＮ層４２を得た。比較のためＨＴＡ処理を行わないもの（ＳＰ－ＡｌＮ層４１のままのもの）も含めて、表２のようなサンプルを準備した。

【表2】

さらに、再成長処理により、１μｍ厚でＭＯＣＶＤにて再成長層４４を形成した。再成長処理の条件は、１３００℃、ＴＭＡｌおよびアンモニアガスを、全圧３０ｋＰａに維持し、Ｖ／ＩＩＩ比を２５とした。再成長層４４の表面モフォロジーをＡＦＭで、またＡｌＮ層４の結晶品質をＸＲＤにて評価した。なお、各サンプルは、同条件での処理途中の特性を確認する目的で、同条件のものを複数片準備した。

【0038】

図６は、ＳＰ－ＡｌＮ層４１およびＨＴＡ－ＡｌＮ層４２のＸＲＣ測定の回折強度を示すグラフであり、（０００２）面反射のもの（図６Ａ）および（１０－１２）面反射のもの（図６Ｂ）である。サンプルは、ＨＴＡ処理の有無の比較つまりＳＰ－ＡｌＮ層４１とＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の比較のために、比較例サンプル１と実施例サンプル４とした。図中w/o (without) annealingは、比較例サンプル１、annealing at 1700℃は実施例サンプル４のものである。それぞれの半値幅は、
比較例サンプル１：（０００２） ９６１ａｒｃｓｅｃ，
（１０－１２）２６６４ａｒｃｓｅｃ；
実施例サンプル４：（０００２） ４７ａｒｃｓｅｃ，
（１０－１２）３９０ａｒｃｓｅｃ
となった。特にＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の実例である実施例サンプル４の（０００２）面反射での４７ａｒｃｓｅｃは、標準的なＭＯＣＶＤ法によるＨＴＡ処理の場合と比べても良好といいうる小さな値である。ＤＣスパッタリング法にＨＴＡ処理を組み合わせるテンプレート基板１０の製造方法にて、ＲＦスパッタリング法にＨＴＡ処理を組み合わせるもの（非特許文献１）と同様に、良好な結晶性が実現可能なことが確認された。

【0039】

図７は、比較例サンプル１を対照にＡＦＭによる表面モフォロジーを観察した例であり、１μｍ×１μｍ領域（図７Ａ）および１０μｍ×１０μｍ領域（図７Ｂ）の範囲のものである。図７Ａのように、表面は、小さく均一なサイズを持つＡｌＮのグレインで覆われている。図７Ａのものでは、ＲＭＳ粗さが０．６６ｎｍであった。グレインの平均サイズは２３ｎｍであり、グレイン密度は約１×１０^１１ｃｍ^２であった。観察された高密度でのグレイン様モフォロジーは、ＲＦスパッタリグのＡｌＮ層のものと類似していた（非特許文献１）。他方、図７Ｂのように、顕著な高さをもつ局所的スパイク構造（単に「スパイク」と呼ぶ）が形成されている。その高さおよび幅は、それぞれ５～４０ナノメートル、および１５０～３００ナノメートル程度の範囲に広がっていた。スパイクの密度は、約１×１０^７ｃｍ^２であった。スパイクの形成は、反跳したスパッタリングイオンのボンバードメントによる局所的な結晶の劣化のためと説明することができる。同様のモフォロジーがシリコン上にＡｌＮ層をＤＣスパッタリング法により形成した場合に報告されている。

【0040】

次にＤＣスパッタリング法によるＳＰ－ＡｌＮ層４１とＨＴＡ処理後のＨＴＡ－ＡｌＮ層４２とがどのように変化しているかを調査した。図８は、ＡＦＭによる表面モフォロジーを観察した例であり、ＨＴＡ処理を施しＨＴＡ－ＡｌＮ層４２が得られている実施例サンプル１～４について、１０μｍ×１０μｍ領域のものである。いずれのサンプルも、表面に多数のヒロックが生成されている。各ヒロックの高さおよびサイズはスパイクに比べて大きい。ヒロックの平均サイズは温度の増大につれて増大する。これは、ＨＴＡ処理中のマイグレーションが活発化するためのようである。

【0041】

図９は、比較例サンプル１、実施例サンプル１～４におけるスパイクおよびヒロックの幅および高さの測定値の分布を示すグラフである。図示されるように、ＨＴＡ処理を施していない比較例サンプルは幅および高さともに小さいスパイクを持つ。ＨＴＡ処理した実施例サンプル１～４ではアニール温度が高まると、幅および高さが増大するだけではなくアスペクト比にも違いが見られる。具体的には、１５００℃、１６００℃の実施例サンプル１、２においての高さ／幅のアスペクト比が０．２５程度となっている。１６５０℃以上の実施例サンプル３、４において、アスペクト比が０．５程度になっている。

【0042】

図１０は、比較例サンプル１、実施例サンプル１～４におけるスパイクおよびヒロックの密度を示すグラフである。比較例サンプル１の測定値には、As-grownと、また、実施例サンプル１～４のものにはAnnealedと付されている。ＳＰ－ＡｌＮ層４１の段階にある比較例サンプルはスパイクにくらべ、ヒロックの密度は１桁以上大きい。現時点では、ＤＣスパッタリング法で形成された表面のわずかな変位であっても、ＨＴＡ処理中のヒロックの形成に影響する可能性があるものと考えている。

【0043】

次に、再成長処理（ステップＳ０６）により再成長層４４を再成長させて実施例サンプル５～８によって結晶品質の変化を調査した。図１１は、再成長層４４形成後のＡＦＭによる表面モフォロジーの観察結果である。また、図１２は、表面の凹凸の高さとＨＴＡ処理のアニール温度との関係を示すグラフであり、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２の段階での値にはAnnealedと、また再成長層４４形成後の値にはRegrownと付されている。この際、小さなヒロックがＡｌＮ層再成長層４４の再成長の途中において埋め込まれているために、ヒロックの密度は１×１０^８ｃｍ^－２（図１０、１７００℃のもの）から４×１０^７ｃｍ^－２（図示しない）へと減少している。表面粗さについては、１７００℃のもの（実施例サンプル８）を除いて山谷の高低差が再成長により減少している。１７００℃でアニールしたものでは、高いアスペクト比をもつヒロックのいくつかが大きすぎるため、ヒロックの成長がＣ面の横方向成長と比べて支配的となる。これに対し小さいアスペクト比をもつヒロックは、埋め込まれて一様な膜となる。したがって、ＨＴＡ処理において形成された小さなヒロックは、サイズが微小であり、かつアスペクト比が小さいために、再成長層４４によって埋め込むことができ、表面モフォロジーを向上させることができる。

【0044】

次に、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２およびさらに再成長後のＡｌＮ層の結晶品質を調査した。図１３は、ＡｌＮ層の対称（０００２）回折および非対称（１０－１２）面反射での回折について走査したＸＲＣの半値幅をアニール温度に対してプロットしたグラフであり、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２（実施例サンプル１～４）、およびさらに再成長後（実施例サンプル５～８）を示している。ＤＣスパッタリング法で形成した直後のＳＰ－ＡｌＮ層４１では（０００２）面および（１０－１２）面の半値幅（図示しない）が、それぞれ８１０、３１００ａｒｃｓｅｃであった。したがって、ＤＣスパッタリング法で形成されたＳＰ－ＡｌＮ層４１の結晶性はいずれのアニール温度でもＨＴＡ処理によってＨＴＡ－ＡｌＮ層４２となることにより大きく向上した。ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２となっているサンプル（実施例サンプル１～４）では、（０００２）面および（１０－１２）面の半値幅が、アニール温度に応じて低下した。これに対し、再成長後の再成長層４４まで形成したサンプル（実施例サンプル５～８）では、１６００℃以上の温度のものでは結晶性が悪化した。したがって、本実施例では１５００℃にてアニール処理した実施例サンプル５が最良の結晶品質となった。

【0045】

実施例のまとめとして、ヒロックの抑制および良好な結晶品質の点でのＨＴＡ処理のアニール温度の最適化では、テンプレート基板１０に対応する処理を施した実施例サンプル５～８の比較において、１５００℃にてアニール処理した実施例サンプル５が最良であった。

【0046】

４．実施例（ＵＶ－ＬＥＤ）
次に、ＤＣスパッタリング法の最適化を再度実施して、図５の構造のＵＶ－ＬＥＤを作製した実施例について説明する。

【0047】

４－１．ＤＣスパッタリング法の最適化１
ＵＶ－ＬＥＤの作製のために、ＤＣスパッタリング法でのＳＰ－ＡｌＮ層４１の形成条件に立ち返った最適化を再度実施した。
最初にガス供給条件を（全圧、Ｎ_２流量）の組み合わせで表３のように変更したサンプルＡ１～Ａ２４を作製した。いずれも再成長層４４は形成していない。

【表3】

なお、ガス供給条件以外は、電力供給条件、温度条件、成膜時間により決まり、それぞれ全圧は「高圧」を３．７５×１０^－３ Ｔｏｒｒ（０．５Ｐａ）および「低圧」を３．７５×１０^－４ Ｔｏｒｒ（０．０５Ｐａ）とし、Ｎ_２流量について「低圧、Ｈｉｇｈ」を５０ｓｃｃｍ、「低圧、Ｍｉｄｄｌｅ」を３５ｓｃｃｍ、「高圧、Ｌｏｗ」を１２５ｓｃｃｍ、および、「高圧、Ｌｏｗ２」を７５ｓｃｃｍとし、電力供給条件は電圧－２００Ｖ、デューティー比７５％、繰り返し周期８０ｋＨｚのパルス波形とし、成膜時の設定温度は３９０℃、成膜時間は個々の条件で膜厚２００ｎｍおよび４００ｎｍになるように調整した。ＬＩＡ支援ＩＣＰはすべてで利用した。ＳＰ－ＡｌＮ層４１が形成された各条件４つのサンプルは、そのままＨＴＡ処理をしないサンプル１つ、ＨＴＡ処理を施してＨＴＡ－ＡｌＮ層４２とするサンプル３に分けた。ＨＴＡ処理を施すサンプルは、順に、１５００℃、１６００℃、１７００℃のアニール温度にて、１時間のアニール時間とした。例えばサンプルＡ１はＨＴＡ処理をしないサンプル、サンプルＡ２～Ａ４は、順に、１５００℃、１６００℃、１７００℃でＨＴＡ処理を施すサンプルである。以上の結果、サンプルＡ９～Ａ１２（低圧Ｎ_２Ｈｉｇｈ２）はＨＴＡ処理後もヒロックを形成せず、平坦な膜が得られることを確認した。

【0048】

４－２．ＤＣスパッタリング法の最適化２
さらに、別の条件での最適化を実施した。ガス供給条件を（全圧、Ｎ_２流量）の組み合わせにおいて、Ｎ_２流量をｈｉｇｈに固定し、他の条件を表４のように変更したサンプルＢ１～Ｂ２４を作製した。いずれも再成長層４４は形成していない。

【表4】

なお、他の条件については、電力供給条件は電圧－２００Ｖ、デューティー比７５％、繰り返し周期８０ｋＨｚのパルス波形とし、成膜時の設定温度は３９０℃、成膜時間は個々の条件で膜厚２００ｎｍになるように調整した。ＳＰ－ＡｌＮ層４１が形成された各条件４つのサンプルを、ＨＴＡ処理をしないサンプル１つ、ＨＴＡ処理を施してＨＴＡ－ＡｌＮ層４２とするサンプル３つにわけ、ＨＴＡ処理の温度条件を１５００℃、１６００℃、１７００℃とし、１時間のアニール時間とした点はサンプルＡ１～Ａ２４と同様である。ＸＲＣ半値幅を測定したところ、１５００℃、１６００℃、１７００℃でのＨＴＡ処理の比較で、いずれのサンプルでも１７００℃が良好な結晶性を示した。とりわけＬＩＡ支援ＩＣＰを利用していないサンプルＢ９～Ｂ１２が（１０２）回折のＸＲＣで良好な結晶性を示した。また、サンプルＡ１～Ａ２４との比較において、サンプルＢ１～Ｂ２４のすべてで結晶性の改善が見られた。ＨＴＡ処理が高温なほどコアレッセンスが生じやすくヒロックがある場合にはそのサイズが大きくなった。この結果は図９と同様である。ヒロックを形成する核となるであろう構造が全く見られないものではヒロックは形成されず平坦化された。ただし、全く同様の条件でもアニール後の表面には差が生じることも多かった。

【0049】

４－３．ＵＶ－ＬＥＤの作製
ＵＶ－ＬＥＤ作製のために、以上の最適化の知見に基づいてテンプレート基板１０の作製条件を決定した。具体的には次の２種類を採用した。第１は、サンプルＡ１２の条件である、ＳＰ－ＡｌＮ層４１を得るためにＤＣスパッタリング法において、全圧＝低圧、Ｎ_２流量＝ｈｉｇｈとし、さらにＨＴＡ－ＡｌＮ層４２を得るために、ＨＴＡ処理を１７００℃、１時間としたものであり、第２は、サンプルＢ２１の条件である、ＤＣスパッタリング法において、全圧＝高圧、Ｎ_２流量＝ｈｉｇｈ、ＨＴＡ処理１７００℃、１時間としたもの、である。ＨＴＡ処理を終えＨＴＡ－ＡｌＮ層４２が得られた両条件のサンプルには、ＭＯＣＶＤ装置により再成長層４４を形成した。その条件は、圧力３０ｋＰａ処理時間１１分、温度１３００℃、Ｖ／ＩＩＩ比２５として、ＴＭＡｌとアンモニアを利用した。

【0050】

図１４は、サンプルＡ１２の条件に基づくテンプレート基板１０を作製するまでの各タイミングでのＸＲＣ半値幅を示すグラフであり、（００２）面反射のもの（図１４Ａ）、（１０２）面反射のもの（図１４Ｂ）である。また、図１５は、サンプルＢ２１の条件に基づくテンプレート基板１０を作製するまでの各タイミングでのＸＲＣ半値幅を示すグラフであり、（００２）面反射のもの（図１５Ａ）、（１０２）のもの（図１５Ｂ）面反射である。図１４、１５のいずれも、ＳＰ－ＡｌＮ層４１形成後（Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ）、ＨＴＡ－ＡｌＮ層４２形成後（Ａｎｎｅａｌｅｄ）、再成長層４４形成後（Ｒｅｇｒｏｗｎ）の各段階の測定値がプロットされている。

【0051】

図１４、１５に示すように、実施例テンプレート基板１０は、サンプルＡ１２の条件のもの、サンプルＢ２１の条件のもののいずれも結晶性が良好なＡｌＮ層４を備えるものであった。なお、これと対比すべき一例として、ＭＯＣＶＤ装置によって作製したＡｌＮバッファー層では、（００２）面反射および（１０２）面反射の典型的なＸＲＣ半値幅は、それぞれ、２００ａｒｃｓｅｃ程度、および３８０ａｒｃｓｅｃ程度である。

【0052】

そこでこれらの実施例テンプレート基板１０を利用して図５の構造のＵＶ－ＬＥＤを作製した。ＵＶ－ＬＥＤは、サンプルＡ１２の条件に基づくテンプレート基板１０を利用したもの、および、サンプルＢ２１の条件に基づくテンプレート基板１０を利用したもののそれぞれを、（１０２）面反射のＸＲＣ半値幅の値によって区別し、ＵＶ－ＬＥＤ＃４０７、およびＵＶ－ＬＥＤ＃３５１と記す。対比のために、ＭＯＣＶＤ装置によって作製したＡｌＮバッファー付サファイア基板（「ＭＯＣＶＤテンプレート」）を利用したＵＶ－ＬＥＤも同時に作製した。これをＵＶ－ＬＥＤ（ＭＯＣＶＤ）と記す。

【0053】

図１６は、作製したＵＶ－ＬＥＤの特性を示すグラフであり、電流電圧特性（図１６Ａ）、光出力特性（図１６Ｂ）、外部量子効率（図１６Ｃ）、発光スペクトル（図１６Ｄ）である。図中に示すように、ＵＶ－ＬＥＤ＃３５１では約０．８２％もの外部量子効率が得られた。この値は、同時に作製したＭＯＣＶＤテンプレートでのＵＶ－ＬＥＤよりもむしろ効率が高く、少なくとも相当程度高効率な発光が実現したものと考えている。なお、ＭＯＣＶＤテンプレートを利用し別の作製条件で作製したＵＶ－ＬＥＤでは５％程度の外部量子効率が得られており、本実施形態のＭＯＣＶＤテンプレート上のＵＶ－ＬＥＤの効率はそれに比して１／１０程度に留まっている。この効率の低さは、図５に示したＵＶ－ＬＥＤの構造では、例えばｐ－ＧａＮ３１０を採用するなど、高効率でのＵＶ発光が観察されにくい構造に原因があると推測している。

【0054】

以上、本開示の実施形態を具体的に説明した。上述の実施形態、変形例および実施例は、本出願において開示される発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。実施形態の他の組合せを含む本開示の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

【産業上の利用可能性】

【0055】

本開示は、任意の窒化物半導体素子の製造のために使用可能である。

【符号の説明】

【0056】

１０ テンプレート基板（ＡｌＮバッファー付サファイア基板）
２ サファイア基板
４ ＡｌＮ層
４１ ＳＰ－ＡｌＮ層
４２ ＨＴＡ－ＡｌＮ層
４４ 再成長層
１００ ＤＣスパッタリング成膜装置
１０５、１０６ ターゲット
１２３ マグネット
１５０ プラズマ領域
１９０ 基板ホルダー
２００ チェンバー
２５１ 誘導結合アンテナ
２５３ 高周波電源
２６３ ＤＣ電源
６１０ スパッターガス源
６２０ 反応ガス源
３０ ＵＶ－ＬＥＤ
３０２ ｎ－ＡｌＧａＮ；Ｓｉ部
３０４ ＡｌＧａＮ―ＭＱＷ部
３０６ ＭＱＢ部
３０８ ｐ－ＡｌＧａＮ；Ｍｇ部
３１０ ｐ－ＧａＮ；Ｍｇ部
３２０ ｐコンタクト電極
３３０ ｎコンタクト電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】