特許 7381249 窒化アルミニウム積層部材および発光デバイス

(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】2023-11-07

(45)【発行日】2023-11-15

(54)【発明の名称】窒化アルミニウム積層部材および発光デバイス

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20231108BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20231108BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20231108BHJP

   H01L 33/22 20100101ALI20231108BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 C

C30B25/18

H01L21/205

H01L33/22

C23C16/34

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019150308

(22)【出願日】2019-08-20

(65)【公開番号】P2020132513

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2022-06-10

(31)【優先権主張番号】P 2019023916

(32)【優先日】2019-02-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002093

【氏名又は名称】住友化学株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145872

【弁理士】

【氏名又は名称】福岡 昌浩

(74)【代理人】

【識別番号】100187632

【弁理士】

【氏名又は名称】橘高 英郎

(72)【発明者】

【氏名】藤倉 序章

【審査官】安齋 美佐子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０６４９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０８７０１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０７７５４１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ １／００－３５／００

Ｃ２３Ｃ １６／００－１６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ３３／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高さが５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である凸部が周期的に配置された下地面を有するサファイア基板と、
前記下地面上に成長され、表面が平坦面であり、内部にボイドを実質的に含まない、窒化アルミニウム層と、
を備え、
前記表面は、前記表面の５μｍ角領域の原子間力顕微鏡測定により求めた二乗平均平方根値として３ｎｍ以下の表面粗さを有し、
前記窒化アルミニウム層の断面観察像において、前記表面に平行な１０μｍ以上の長さの線を、前記線がボイドを横切る長さが最大になるように記した場合に、前記線の長さに対する、前記ボイドの長さの比率であるボイド含有率が、１０％以下であり、
前記表面は単一の結晶方位を有し、前記表面に対して最も近い低指数の結晶面が、前記窒化アルミニウム層を構成する窒化アルミニウムの＋ｃ面であり、
前記凸部の高さ方向が、前記サファイア基板を構成するサファイアのｃ軸方向と平行であり、
前記凸部の各々は、錘状または尾根状であり、前記凸部の各々の斜面の平面視での幅が、５００ｎｍ以下であり、
最も近くに隣り合う前記凸部同士のピッチが、１０００ｎｍ以下である、
窒化アルミニウム積層部材。

【請求項2】

前記表面は、ステップ・テラス構造を有する、請求項１に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【請求項3】

前記窒化アルミニウム層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（０００２）回折の半値幅が３００秒以下である、請求項１または２に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【請求項4】

前記窒化アルミニウム層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（１０－１２）回折の半値幅が５００秒以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【請求項5】

前記表面は、前記表面上に他の窒化アルミニウム層をホモエピタキシャル成長させた場合に、前記他の窒化アルミニウム層を構成する窒化アルミニウムのＸ線ロッキングカーブ測定による（０００２）回折の半値幅の、前記窒化アルミニウム層を構成する窒化アルミニウムのＸ線ロッキングカーブ測定による（０００２）回折の半値幅に対する増加量が、１００秒以下となるように、前記他の窒化アルミニウム層が成長可能な表面である、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【請求項6】

前記窒化アルミニウム層は、厚さ方向の途中の位置において酸素濃度が階段状に変化する界面を有さないような、単層の窒化アルミニウム層で構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【請求項7】

前記窒化アルミニウム層の、前記凸部の下端から前記表面までの厚さが、８００ｎｍ以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化アルミニウム積層部材を備える、発光デバイス。

【請求項9】

前記窒化アルミニウム層の前記表面上に配置され、ＩＩＩ族窒化物半導体層の積層で構成された発光構造を有し、
前記サファイア基板の裏面側から光が取り出される、請求項８に記載の発光デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化アルミニウム積層部材および発光デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

周期的な凹凸形状が形成されたサファイア基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を成長させる技術が、例えば、紫外発光ダイオード（ＵＶ－ＬＥＤ）の作製手法として提案されている（例えば非特許文献１参照）。サファイア基板の凹凸形状としては、凹部が周期的に（そして離散的に）配置された形状と、凸部が周期的に（そして離散的に）配置された形状と、が知られている（凹部が設けられたサファイア基板上にＡｌＮ層を成長させる技術について、例えば非特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Ｈ．Ｍｉｙａｋｅ他、「ＨＶＰＥ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ＡｌＮ ｏｎ ｔｒｅｎｃｈ－ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ｐｈｙｓ Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｃ ８、Ｎｏ．５、１４８３－１４８６（２０１１）

【文献】Ｌ. Ｚｈａｎｇ他、「Ｈｉｇｈ-ｑｕａｌｉｔｙ ＡｌＮ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ ｎａｎｏ-ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｓａｐｐｈｉｒe ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｎａｎｏ-ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ ６、３５９３４ （２０１６）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の技術では、凸部が周期的に配置されたサファイア基板を用いると、不規則で乱雑なＡｌＮ結晶が成長するため、平坦な表面を有するようにＡｌＮ層を成長させることはできなかった。

【0005】

また、凹部が周期的に配置されたサファイア基板を用いることで、平坦な表面を有するＡｌＮ層を形成することは可能であるものの、このような技術においては、ＡｌＮ層の内部に空洞（ボイド）が形成される（非特許文献２参照）。後述のように、このようなボイドは、得られたＡｌＮ層を例えばＵＶ－ＬＥＤに適用する際に、不利である。

【0006】

本発明の一目的は、凸部が周期的に配置されたサファイア基板上に、平坦な表面を有するとともに、内部にボイドを実質的に含まないように成長されたＡｌＮ層を備える、ＡｌＮ積層部材を提供することである。

【0007】

本発明の他の目的は、このようなＡｌＮ積層部材を備える発光デバイスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様によれば、
高さが５００ｎｍ以下である凸部が周期的に配置された下地面を有するサファイア基板と、
前記下地面上に成長され、表面が平坦面であり、内部にボイドを実質的に含まない、窒化アルミニウム層と、
を備える、窒化アルミニウム積層部材
が提供される。

【0009】

本発明の他の態様によれば、
上記の一態様による窒化アルミニウム積層部材を備える、発光デバイス
が提供される。

【発明の効果】

【0010】

凸部が周期的に配置されたサファイア基板上に、平坦な表面を有するとともに、内部にボイドを実質的に含まないように成長された窒化アルミニウム層を備える、窒化アルミニウム積層部材が提供される。また、このようなＡｌＮ積層部材を備える発光デバイスが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による積層部材１００の例示的な概略断面図である。

【図2】図２は、一実施形態による基板１０の例示的な概略平面図である。

【図3】図３は、実験例の結果を示す、ＡＦＭ像および光学顕微鏡像である。

【図4】図４は、実験例の結果を示す、断面ＳＥＭ像である。

【図5】図５は、応用例によるＬＥＤの概略断面図である。

【図6】図６は、尾根状の凸部１２が配置された他の実施形態を例示する、基板１０の概略平面図である。

【図7】図７（ａ）および図７（ｂ）は、従来技術で用いられる加工サファイア基板、および、加工サファイア基板上に従来技術により成長させたＡｌＮ層を、それぞれ、模式的に示した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜一実施形態＞
本発明の一実施形態による窒化アルミニウム（ＡｌＮ）積層部材１００（以下、積層部材１００ともいう）について説明する。図１は、本実施形態による積層部材１００の例示的な概略断面図である。積層部材１００は、サファイア基板１０（以下、基板１０ともいう）と、基板１０上に成長されたＡｌＮ層２０（以下、層２０ともいう）と、を備える。本実施形態による層２０は、その表面２１が、成長により形成された平坦面であり、内部にボイドを実質的に含まないことを特徴とする。

【0013】

基板１０は、単結晶のサファイアで構成され、層２０を成長させるための下地である下地面１１を有する。下地面１１は、周期的に（そして離散的に）配置された複数の凸部１２を有する。凸部１２の形状は、例えば錘状である。本実施形態において、錘状とは、円錐および角錐を含み、頂部が尖った形状だけでなく、頂部が平坦な形状（錘台）も含む。ここでは、凸部１２が円錐状である態様を例示する。

【0014】

下地面１１の、凸部１２の外側の部分１３（以下、谷部１３ともいう）は、（仮想的な）平面１４上に配置されている。凸部１２は、平面１４上に配置されていると捉えることができ、平面１４の法線方向Ｎ１４が、凸部１２の高さ方向である。凸部１２の高さＨ１２は、平面１４から凸部１２の上端までの距離で規定される。凸部１２の高さ方向が、基板１０を構成するサファイアのｃ軸方向と平行となるように、凸部１２が形成されている。各凸部１２の頂部には、サファイアのｃ面が露出している。なお、本明細書において、「ある方向Ｄ１と他の方向Ｄ２とが平行である」とは、ある方向Ｄ１と他の方向Ｄ２とのなす角が、３°以下であることをいう。

【0015】

図２は、基板１０の例示的な概略平面図である。本実施形態において、凸部１２は、例えば、三角格子、四角格子または六角格子の格子点上に配置されることで、２次元的に周期的に（そして離散的に）配置されている。ここでは、凸部１２が正三角格子の格子点上に配置されている態様を例示する。正三角格子の軸方向を、一点鎖線で示す。凸部１２が配置される三角格子等の格子の軸方向は、特に限定されないが、例えば、基板１０を構成するサファイアのｍ軸方向またはａ軸方向と平行である。

【0016】

層２０は、基板１０の下地面１１上にヘテロエピタキシャル成長されたＡｌＮで構成されている。層２０の表面（上面）２１は、成長により形成された平坦面である。ここで、表面２１が平坦面である（または平坦である）とは、表面２１が、５μｍ角領域の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）測定により求めた二乗平均平方根（ＲＭＳ）値として典型的には３ｎｍ以下の表面粗さを有することをいう。基板１０の下地面１１が、凸部１２に応じた凹凸形状を有するのに対し、層２０の表面２１は、平坦となっている。つまり、層２０が、下地面１１の谷部１３を埋め込んで成長することで、平坦面である表面２１が形成されている。

【0017】

層２０は、内部にボイドを実質的に含まない。つまり、層２０は、凸部１２間の谷部１３を完全に埋め込んでいる。層２０が「ボイドを実質的に含まない」ことの定義については、後述する。

【0018】

層２０を構成するＡｌＮは、基板１０の下地面１１に露出したサファイア単結晶によって結晶方位が制御されることで、そのｃ軸方向が、凸部１２の高さ方向と平行である。つまり、層２０を構成するＡｌＮのｃ軸方向は、基板１０を構成するサファイアのｃ軸方向と、平行である（概ね一致している）。表面２１に対して最も近い低指数の結晶面は、層２０を構成するＡｌＮの＋ｃ面（Ａｌ極性面）となる。層２０を構成するＡｌＮは、単結晶であり、表面２１は、単一の結晶方位を有する。

【0019】

後述の実験例で説明するように（図３参照）、層２０の表面２１は、ステップ・テラス構造を有し、層２０を構成するＡｌＮは、高い結晶性を有する。層２０を構成するＡｌＮのＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）測定による半値幅は、例えば、（０００２）回折について３００秒以下であることが好ましく、また例えば、（１０－１２）回折について５００秒以下であることが好ましい。

【0020】

表面２１は、成長で形成された（アズグロウンの）平坦面であり、研磨等の加工により平坦化された平坦面ではないため、当該加工に起因するＡｌＮ結晶へのダメージを有しない。これにより、表面２１は、表面２１上に他のＡｌＮ層をホモエピタキシャル成長させた場合に、当該他のＡｌＮ層を構成するＡｌＮのＸＲＣ測定による半値幅が、層２０を構成するＡｌＮのＸＲＣ測定による半値幅と比べて、同等程度を超えないように（つまり、層２０よりも結晶性が低下しないように）、当該他のＡｌＮ層が成長可能な表面となっている。「同等程度を超えない」とは、層２０の半値幅と比べて、当該他のＡｌＮ層の半値幅が、等しいか、減少するか、または、増加する場合であってもその増加量が１００秒以下に抑制されていることをいう、つまり、層２０の半値幅と比べて、当該他のＡｌＮ層の半値幅の増加量が、１００秒以下であることをいう。ここで、半値幅は、例えば（０００２）回折の半値幅であり、また例えば（１０－１２）回折の半値幅である。

【0021】

層２０は、単層のＡｌＮ層で構成されている。ここで、「単層のＡｌＮ層」とは、酸素等の不純物の濃度が相互に異なるような、複数のＡｌＮサブ層の積層により構成されたＡｌＮ層（以下、複層のＡｌＮ層とも称する）ではないことをいう。複層のＡｌＮ層では、ＡｌＮサブ層同士の積層界面において、酸素等の不純物の濃度が階段状に変化する。したがって、「単層のＡｌＮ層」は、厚さ方向の途中の位置において酸素等の不純物の濃度が階段状に変化する界面を有さないようなＡｌＮ層、ということができる。

【0022】

本願発明者は、表面２１が平坦面となるように層２０を成長させるためには、凸部１２の高さＨ１２を低くすることが好ましいという知見を得ている。具体的には、凸部１２の高さＨ１２は、５００ｎｍ以下であることが好ましく、３００ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、凸部１２の高さＨ１２の下限は、特に制限されないが、凸部１２を明確に規定する観点から、凸部１２の高さＨ１２は、例えば５０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上とする。

【0023】

後述のように、層２０は、好ましくは気相成長、例えばハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）により成長され、層２０の成長の前に、下地面１１には、酸素（Ｏ）を含むガス、好ましくは酸素ガス（Ｏ_２ガス）に曝しながら行う熱処理（以下、酸素ガス処理ともいう）が施されている。下地面１１が、酸素ガス処理により荒れることで、下地面１１の全面上においてＡｌ原子の付着しやすさが増し、さらに、ＡｌＮがサファイアとの結晶方位を揃えたかたちで付着しやすくなっているものと考えられる。

【0024】

本実施形態では、凸部１２の高さＨ１２が充分に低く、さらに、酸素ガス処理により下地面１１の全面上におけるＡｌ原子の吸着しやすさが増していることで、谷部１３が埋め込まれやすくなっているのではないかと考えられる。表面２１が平坦面となり、また、内部にボイドが実質的に含まれないように層２０を成長させるための好適な成長条件（成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比等）については、後述する。

【0025】

層２０の表面２１を平坦面とするためには、凸部１２の上端を超える高さ（厚さ）まで、層２０を成長させる。つまり、層２０の、谷部１３（凸部１２の下端）から表面２１までの厚さＴ２０は、凸部１２の高さＨ１２よりも大きい。本実施形態では、凸部１２の高さＨ１２を５００ｎｍ以下とし、酸素ガス処理された下地面１１上に層２０を成長させることで、表面２１を平坦面とするために要する、凸部１２の下端から表面２１までの層２０の厚さＴ２０を、８００ｎｍ以下に薄くすることができる。

【0026】

凸部１２の斜面の平面視での幅Ｗ１２が広いほど、あるいは、最も近くに隣り合う凸部１２同士のピッチＰ１２が広いほど、下地面１１の凹凸の程度が大きいといえ、層２０の表面２１を平坦化することが難しくなるといえる。本実施形態によって平坦な表面２１が得られる下地面１１の凹凸の目安として、例えば、幅Ｗ１２が５００ｎｍ以下であることが挙げられ、また例えば、ピッチＰ１２が１０００ｎｍ以下であることが挙げられる。

【0027】

次に、積層部材１００の製造方法について説明する。基板１０を準備する。基板１０の凸部１２の高さＨ１２は、５００ｎｍ以下とする。凸部１２の斜面の幅Ｗ１２は、５００ｎｍ以下とすることが好ましく、凸部１２のピッチＰ１２は、１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。このような基板１０は、パターン化サファイア基板（ＰＳＳ）の形成技術により作製することができる。基板１０の下地面１１を、酸素ガス処理する。酸素ガス処理としては、例えば、酸素ガスを２ｓｌｍ程度流した管状炉内において、８００～１１００℃の温度で１０～３０分間加熱処理を行うのが好ましい。また、酸素プラズマを用いた、下地面１１の酸化も好ましい酸素ガス処理の一形態である。

【0028】

酸素ガス処理された下地面１１上に、気相成長法、好ましくはＨＶＰＥにより、ＡｌＮを成長させることで、層２０を形成する。アルミニウム（Ａｌ）原料ガスとしては、例えば、一塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ）ガスまたは三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガスが用いられ、窒素（Ｎ）原料ガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）ガスが用いられる。これらの原料ガスを、水素ガス（Ｈ_２ガス）、窒素ガス（Ｎ_２ガス）またはこれらの混合ガスを用いたキャリアガスと混合して供給してもよい。

【0029】

成長条件としては、以下が例示される。成長温度としては、１０００～１３００℃が例示される。Ａｌ原料ガスに対するＮ原料ガスの供給量比であるＶ／ＩＩＩ比としては、０．２～２００が例示される。成長速度としては、０．５～５００ｎｍ／分が例示される。なお、ＨＶＰＥ装置の成長室内に各種ガスを導入するガス供給管のノズルへのＡｌＮの付着を防止するために、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを流してもよく、ＨＣｌガスの供給量は、ＡｌＣｌガスまたはＡｌＣｌ_３ガスに対して０．１～１００の比率となるような量が例示される。

【0030】

以上のようにして、表面２１が平坦面であり、内部にボイドを実質的に含まない層２０を成長させる。層２０の厚さＴ２０は、表面２１が平坦面となる厚さ以上であれば、適宜調整されてよい。ただし、厚さＴ２０が過度に厚いと、層２０にクラックが生じるおそれがある。このため、層２０の厚さＴ２０は、例えば８００ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0031】

ここで、本実施形態によるＡｌＮ層２０の特徴を明確にするために、従来技術による加工サファイア基板上に成長させたＡｌＮ層の特徴について説明する。従来技術による加工サファイア基板上のＡｌＮ成長は、例えば非特許文献２などに例示されている。図７（ａ）および図７（ｂ）は、従来技術で用いられる加工サファイア基板３１０、および、加工サファイア基板３１０上に従来技術により成長させたＡｌＮ層３２０を、それぞれ、模式的に示した断面図である。

【0032】

従来技術では、ほとんどの場合、本実施形態とは異なり、サファイア基板３１０上に凹部３１２（穴または溝）を、周期的に（離散的に）形成したタイプの加工基板が用いられる。凹部３１２は、周期的に配置される。具体的には例えば、本実施形態の凸部１２が配置されている三角格子等の格子点上に、凸部１２ではなく凹部３１２が配置されているような構造（図２参照）の、サファイア基板３１０が用いられる。ただし、凹部３１２同士のピッチは、１μｍ弱から数１０μｍと長く、また、凹部３１２の深さは、１μｍ弱から数１０μｍと深い。ＡｌＮ層３２０の成長方法としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、あるいは、ＨＶＰＥ法が用いられる。

【0033】

従来技術では、サファイア基板３１０における凹部３１２間の表面３１１、凹部３１２の斜面、および、凹部３１２の底面の、全ての面上に、それぞれの面に対してｃ軸が垂直となるように、ＡｌＮ層３２０が成長する。ＡｌＮ層３２０の全体は、凹部３１２に成長したＡｌＮ結晶３２０ａと、表面３１１に成長したＡｌＮ結晶３２０ｂと、で構成される。

【0034】

凹部３１２の斜面に成長したＡｌＮは、表面３１１に成長したＡｌＮとは、結晶方位が異なる乱雑な結晶となる。また、凹部３１２の斜面に成長したＡｌＮと、凹部３１２の底面に成長したＡｌＮも、お互いに結晶方位が異なるため、結果として、凹部３１２には、乱雑なＡｌＮ結晶３２０ａが形成される。

【0035】

一方、表面３１１に成長するＡｌＮ結晶３２０ｂとサファイア基板３１０の結晶方位が揃っており、かつ、表面３１１と凹部３１２との間に高さの差があることで、表面３１１に成長するＡｌＮ結晶３２０ｂは、凹部３１２に成長するＡｌＮ結晶３２０ａと距離を保って、成長する。

【0036】

成長条件によっては、表面３１１に成長するＡｌＮを、ゆっくりではあるが横方向にも広げることが可能である。凹部３１２を挟んで隣り合う表面３１１のそれぞれの上に成長するＡｌＮ同士が会合するまで、凹部３１２に成長する乱雑なＡｌＮ結晶３２０ａがＡｌＮ結晶３２０ｂ追い付かないように、成長条件を工夫することで、最終的に、平坦な表面３２１を有するＡｌＮ結晶３２０ｂ得ることが可能である。最終的に平坦な表面３２１が得られる場合には、凹部３１２に成長する乱雑なＡｌＮ結晶３２０ａが、表面３１１に成長するＡｌＮ結晶３２０ｂに追い付かないことにより、必ず、ＡｌＮ層３２０の内部に空洞（ボイド）３３０が含まれることになる。

【0037】

また、従来技術において、平坦な表面３２１を得ようとする場合、ＡｌＮ結晶３２０ｂの成長における横方向への拡大速度が遅いため、５～２０μｍ程度の厚さの、厚いＡｌＮ結晶３２０ｂを成長させる必要がある。

【0038】

このように、従来技術において、平坦な表面３２１を得ようとする場合、ＡｌＮ層３２０がボイド３３０を含むとともに、厚いＡｌＮ層３２０を成長させる必要がある。これらは、以下に説明するように、ＡｌＮ層３２０を、例えばＵＶ－ＬＥＤの下地に適用しようとする場合に、不利である。

【0039】

ＵＶ－ＬＥＤは、ＡｌＮ層３２０の平坦な表面３２１上に、ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を成長することで形成される。ｐ型半導体層としては、紫外光に対して透明なｐ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層などを用いるのが理想的であるが、ｐ型ＡｌＧａＮ層を用いると抵抗が過度に大きくなる。よって、現状は、少なくとも最表面のコンタクト層としては、紫外光を吸収するｐ型ＧａＮ層が用いられる。これに起因して、成長面側に紫外光を取り出そうとすると、ほとんどの光がｐ型ＧａＮ層に吸収される。したがって、現状のＵＶ－ＬＥＤでは、サファイア基板の裏側から光を取り出す構造が用いられる。

【0040】

本願発明者の考察によれば、このような構造では、ＡｌＮ層３２０にボイド３３０が存在することで、ＡｌＮ層３２０とサファイア基板３１０との界面付近の平均的な屈折率が低下するため、発光層で発生した紫外光が、基板側へ透過しにくくなる。すなわち、ＡｌＮ層３２０がボイド３３０を含むことは、 ＵＶ－ＬＥＤの出力低下の原因となるため、不利である。また、厚いＡｌＮ層３２０の成長が必要であることは、ＵＶ－ＬＥＤの製造コスト低減の観点で、不利である。

【0041】

次に、本実施形態に係る実験例について説明する。本実験例において、基板１０（サファイア基板）としては、円錐状の凸部１２が正三角格子状に配置された、直径２インチのものを用いた。凸部１２の、高さＨ１２、斜面の幅Ｗ１２、および、ピッチＰ１２は、それぞれ、２２０ｎｍ、２５０ｎｍ、および、６００ｎｍとした。層２０（ＡｌＮ層）の成長条件は、上記で例示した成長条件である。層２０は、基板１０の下地面１１の谷部１３から、層２０の表面２１までの厚さＴ２０が７００ｎｍとなるように、成長させた。

【0042】

図３および図４に、本実験例の結果を示す。図３は、本実験例の結果を示す平面像である。図３の上部は、ＡｌＮ層の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による５μｍ角領域の像であり、図３の下部の左側部分および右側部分は、ＡｌＮ層の表面の光学顕微鏡像である。ＡＦＭ像からわかるように、ＡｌＮ層の表面は、ステップ・テラス構造が観察され、平坦である。当該ステップ・テラス構造において、各ステップの高さは、ＡｌＮの１分子または２分子に相当すると推測される。当該ＡＦＭ測定により求めた表面粗さのＲＭＳ値は、この場合１．６ｎｍであり、２インチウエハ全体を１０ｍｍピッチ毎に調べた結果でも、全点でＲＭＳ値は３ｎｍ以下であった。光学顕微鏡像からも、ＡｌＮ層の表面が平坦であることがわかる。

【0043】

本実験例で作製したＡｌＮ層に対して、２インチウエハの中心部のＸＲＣ測定を行ったところ、（０００２）回折の半値幅は２６０秒であり、（１０－１２）回折の半値幅は３００秒であった。２インチウエハ全体を１０ｍｍピッチ毎に調べた結果でも、全点で（０００２）回折の半値幅は３００秒以下であり、（１０－１２）回折の半値幅は５００秒以下であった。

【0044】

図４は、本実験例の結果を示す、断面走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。断面は、図２の矢印Ｐ１２に垂直な面（サファイアのＭ面、ＡｌＮのＡ面）、つまり、ＡｌＮ層の表面と直交する面である。撮像時のチャージアップの影響で、実物とは若干寸法が異なって見えている。しかしながら、この断面像からも、表面が平坦なＡｌＮ層が形成されており、また、ＡｌＮ層を構成する結晶内部にボイドが含まれないことが、明らかである。なお、断面を広い範囲で観察すると、極稀にボイドが形成されている場所も観察された。しがし、これは、サファイア基板におけるパターン加工の不完全性による不均一に起因したもので、本質的なものではない。

【0045】

ＡｌＮ層に含まれるボイドの量は、例えば、以下のように見積もられる。低倍率（幅１０μｍ以上の領域が観察可能な倍率）の断面ＳＥＭ像において、ＡｌＮ層中に、表面に平行な１０μｍ以上の長さの線Ｌを、線Ｌがボイドを横切る長さが最大になるように記した場合に、線Ｌの長さに対する、ボイドの長さ（線Ｌがボイドを横切る長さ）の比率を、ボイド含有率と称する。ＡｌＮ層に含まれるボイドの量は、例えば、このようなボイド含有率で見積もられる。ボイド含有率が１０％以下である場合を、ＡｌＮ層がボイドを実質的に含まない、と規定する。

【0046】

本実験例において、ボイド含有率は、１０％以下であり、ほとんどの場合は５％以下であり、最適の場合には０％であった。つまり、本実験例で得られたＡｌＮ層は、ボイドを実質的に含まないものであった。ボイド含有率は、５％以下であることが好ましく、２％以下であることがより好ましく、０％（０．５％未満）であることがさらに好ましい。

【0047】

なお、図７（ｂ）に、従来技術におけるＡｌＮ層３２０のボイド含有率を見積もるために記された線Ｌを、概念的に例示する。従来技術におけるＡｌＮ層３２０では、ボイド含有率が、１０％を超える。

【0048】

以上説明したように、本実施形態によれば、基板１０の、凸部１２が周期的に配置された下地面１１上に、平坦な表面２１を有するとともに、内部にボイドを実質的に含まないように成長された層２０を備える、積層部材１００を得ることができる。平坦な表面２１は、成長により、つまりアズグロウンの表面として、得ることができる。これにより、表面２１を平坦化するための加工が不要となるため、当該加工に起因するＡｌＮ結晶へのダメージを防ぐことができる。したがって、例えば、層２０の表面２１上にさらにＩＩＩ族窒化物層を成長させる場合に、当該ＩＩＩ族窒化物層を、高い結晶性で成長させることができる。

【0049】

層２０は、単層のＡｌＮ層として、つまり１回の成長工程で、成長させることができる。このため、複数回の成長工程を要する、複層のＡｌＮ層と比べて、層２０は、容易に形成することができる。

【0050】

基板１０の凸部１２の高さＨ１２は、５００ｎｍ以下であり、層２０の厚さＴ２０は、上述のように、８００ｎｍ以下の薄さとすることができる。このため、層２０は、クラックのない高品質なＡｌＮ層として形成しやすい。また、本実施形態による層２０は、従来技術によるＡｌＮ層（例えば厚さ５～２０μｍ）よりも格段に薄い膜厚を有するので、成長に要するコストを大きく低減できるというメリットも有する。

【0051】

積層部材１００は、例えば、層２０の表面２１上にさらにＩＩＩ族窒化物層を成長させることでＬＥＤを作製する用途に用いられてよい。層２０が内部にボイドを実質的に含まないことで、以下に説明するように、積層部材１００を例えばＬＥＤの下地に適用する際、ボイドに起因する出力低下を抑制できる。なお、積層部材１００は、その他、どのような用途に用いられてもよい。

【0052】

次に、応用例として、積層部材１００を備える発光デバイスとして、ＵＶ－ＬＥＤ２００（以下、ＬＥＤ２００ともいう）について説明する。図５は、ＬＥＤ２００の概略断面図である。ＬＥＤ２００は、積層部材１００と、層２０の表面２１上に配置され、ＩＩＩ族窒化物半導体層の積層で構成された発光構造２０５と、発光構造２０５に電流を流すためのｎ側電極２４０およびｐ側電極２５０と、を有する。

【0053】

発光構造２０５としては、必要に応じて種々の構造が用いられてよい。発光構造２０５は、例えば、層２０の表面２１上に形成されたｎ型半導体層２１０、ｎ型半導体層２１０上に形成された発光層２２０、および、発光層２２０上に形成されたｐ型半導体層２３０を有する。なお、発光構造２０５は、必要に応じて、ＡｌＮ層２０とｎ型半導体層２１０との間に、歪緩和層を有してもよい。

【0054】

歪緩和層としては、例えば組成傾斜層が形成され、また例えば超格子層が形成される。ｎ型半導体層２１０としては、例えばｎ型ＡｌＧａＮ層が形成される。発光層２２０としては、例えば、Ａｌ組成が互いに異なるＡｌＧａＮ層が交互に積層された多重量子井戸層が形成される。ｐ型半導体層２３０としては、例えば、高Ａｌ組成のｐ型ＡｌＧａＮで構成された電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、および、ｐ型ＧａＮコンタクト層の積層が形成される。各ＡｌＧａＮ層は、発光波長に対して透明なＡｌ組成を有している。発光構造２０５を構成する各層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により成膜される。

【0055】

発光構造２０５のｎ型半導体層２１０上およびｐ型半導体層２３０上に、それぞれ、ｎ側電極２４０およびｐ側電極２５０が形成される。ｎ側電極２４０としては、Ｔｉ／Ａｌ電極等が用いられる。ｐ側電極２５０としては、Ｎｉ／Ａｕ電極、Ｎｉ／Ａｌ電極、Ｒｈ電極等が用いられる。

【0056】

発光層２２０で発生した紫外（ＵＶ）光２６０（以下、光２６０ともいう）は、基板１０の裏面側から外部に取り出される。図５に、光２６０の経路のいくつかを例示する。発光層２２０で発生し、基板１０の平坦な谷部１３に垂直入射した光２６０は、そのまま直進して、基板１０の裏面側から外部に取り出される。発光層２２０で発生し、基板１０の凸部１２の斜面に斜めに入射した光２６０は、当該斜面で屈折されて、基板１０の裏面側から外部に取り出される。

【0057】

層２０がボイドを実質的に含まないことで、ボイドに起因する、層２０と基板１０との界面付近の平均的な屈折率の低下が抑制される。これにより、発光層２２０で発生した光２６０が、基板１０側へ透過しやすくなるため、ボイドに起因するＬＥＤ２００の出力低下を抑制できる。なお、基板１０が凸部１２を有することで、基板１０の下地面１１の全面が平坦である場合と比べて、光２６０のうち下地面１１で全反射されて基板１０側に透過しない成分を減らせるため、光取り出し効率を向上させられる。

【0058】

＜他の実施形態＞
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行ってもよい。また、種々の実施形態は、適宜組み合わせてよい。

【0059】

上述の実施形態では、層２０を成長させる基板１０として、錘状の凸部１２を有するものを例示したが、凸部１２は、錘状のものに限定されない。また、上述の実施形態では、凸部１２が２次元的に周期的に配置されている態様を例示したが、凸部１２の周期的配置は、２次元的なものに限定されない。図６は、尾根状の凸部１２が、尾根の延在方向同士が平行となるように、１次元的に周期的に配置されている基板１０を例示する概略平面図である。紙面上下方向に延在する実線および破線が、それぞれ、凸部１２の稜線および谷線を示している。

【0060】

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

【0061】

（付記１）
高さが５００ｎｍ以下である凸部が周期的に配置された下地面を有するサファイア基板と、
前記下地面上に成長され、表面が平坦面であり、内部にボイドを実質的に含まない、窒化アルミニウム層と、
を備える、窒化アルミニウム積層部材。

【0062】

（付記２）
前記表面は、前記表面の５μｍ角領域の原子間力顕微鏡測定により求めた二乗平均平方根値として３ｎｍ以下の表面粗さを有する、付記１に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0063】

（付記３）
前記窒化アルミニウム層の（前記表面と直交する）断面観察像において、前記表面に平行な１０μｍ以上の長さの線を、前記線がボイドを横切る長さが最大になるように記した場合に、前記線の長さに対する、前記ボイドの長さ（前記線が前記ボイドを横切る長さ）の比率であるボイド含有率が、１０％以下であり、好ましくは５％以下であり、より好ましくは２％以下であり、さらに好ましくは０％（０．５％未満）である、付記１または２に記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0064】

（付記４）
前記表面は単一の結晶方位を有し、前記表面に対して最も近い低指数の結晶面が、前記窒化アルミニウム層を構成する窒化アルミニウムの＋ｃ面である、付記１～３のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0065】

（付記５）
前記表面は、ステップ・テラス構造を有する、付記１～４のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0066】

（付記６）
前記窒化アルミニウム層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（０００２）回折の半値幅が３００秒以下である、付記１～５のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0067】

（付記７）
前記窒化アルミニウム層は、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（１０－１２）回折の半値幅が５００秒以下である、付記１～６のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0068】

（付記８）
前記表面は、前記表面上に他の窒化アルミニウム層をホモエピタキシャル成長させた場合に、前記他の窒化アルミニウム層を構成する窒化アルミニウムのＸ線ロッキングカーブ測定による（０００２）回折の（または（１０－１２）回折の）半値幅の、前記窒化アルミニウム層を構成する窒化アルミニウムのＸ線ロッキングカーブ測定による（０００２）回折の（または（１０－１２）回折の）半値幅に対する増加量が、１００秒以下となるように、前記他の窒化アルミニウム層が成長可能な表面である、付記１～７のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0069】

（付記９）
前記窒化アルミニウム層は、厚さ方向の途中の位置において酸素濃度が階段状に変化する界面を有さないような、単層の窒化アルミニウム層で構成されている、付記１～８のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0070】

（付記１０）
前記窒化アルミニウム層の、前記凸部の下端から前記表面までの厚さが、８００ｎｍ以下である、付記１～９のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0071】

（付記１１）
前記凸部の高さ方向が、前記サファイア基板を構成するサファイアのｃ軸方向と平行である、付記１～１０のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0072】

（付記１２）
前記凸部の各々は、錘状または尾根状であり、前記凸部の各々の斜面の平面視での幅が、５００ｎｍ以下である、付記１～１１のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0073】

（付記１３）
最も近くに隣り合う前記凸部同士のピッチが、１０００ｎｍ以下である、付記１～１２のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材。

【0074】

（付記１４）
付記１～１３のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム積層部材を備える、発光デバイス。

【0075】

（付記１５）
前記窒化アルミニウム層の前記表面上に配置され、ＩＩＩ族窒化物半導体層の積層で構成された発光構造を有し、
前記サファイア基板の裏面側から光が取り出される、付記１４に記載の発光デバイス。

【符号の説明】

【0076】

１０…サファイア基板、１１…下地面、１２…凸部、１３…谷部、１４…平面、２０…ＡｌＮ層、２１…表面、１００…ＡｌＮ積層部材、２００…ＬＥＤ、２０５…発光構造、２６０…光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】