JP5274785B2

JP5274785B2 - ＡｌＧａＮ結晶層の形成方法

Info

Publication number: JP5274785B2
Application number: JP2007088219A
Authority: JP
Inventors: 圭小坂; 茂明角谷; 智彦柴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: US20080242060A1; JP2008251643A; US7713847B2

Description

本発明は、テンプレート基板上へのＡｌＧａＮ結晶層の形成技術に関する。

III族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル形成する際の下地基板として利用可能なテンプレート基板（エピタキシャル基板）を得る技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。

一方、Ａｌ組成比の高いＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ≧０．４）を用いて発光層やｎ型およびｐ型導電層を形成することで、紫外域に発光波長を有するダイオード構造型の発光素子が得られることも公知である（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００６−３３２５７０号公報 "III-Nitride UV devices", M.Asif Khan, M.Shatalov, H.P.Maruska, H.M. Wang, and E. Kuokstis, Jpn. J. Appl. Phys., vol.44, No.10, 2005, pp.7191-7206"

非特許文献１に開示されているような深紫外域に発光波長を有する発光素子を作製するためには、サファイアやＳｉＣの単結晶基材の上に、Ａｌ組成比の高いＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ≧０．４）からなる複数の結晶層を基板上に積層形成することが必要となる。特性の良好な発光素子を得るためには、係る積層形成が良好になされることが必要であり、そのためには、各結晶層の表面平坦性が良好であることが求められる。

特許文献１には、単結晶基材の上に例えばＡｌＮなどのIII族窒化物からなる結晶層を表面層として形成した後、該結晶層の形成温度よりも高い温度での熱処理を行うことで、該結晶層の表面平坦性が改善されたテンプレート基板が得られることが開示されている。しかしながら、係るＡｌＮからなる表面層が形成されてなるテンプレート基板を用いて、ＡｌＧａＮ層を形成した場合、得られたＡｌＧａＮ層は良好な結晶性を有するものの、必ずしも表面平坦性が良好ではないことが、本発明の発明者によって確認されている。

また、非特許文献１には、クラックの発生を防止するため、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮ層の形成に先立って、多層バッファ層を形成する態様が開示されているが、この場合も、良好な表面平坦性を有する結晶層を得ることが出来ない点は同様である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、表面平坦性の優れた、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮ結晶層を作製する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、所定の単結晶基材上に実質的に原子レベルで平坦な表面を有するＡｌＮ層を形成することによってテンプレート基板を作製するＡｌＮ層形成工程と、前記加熱工程の後に前記ＡｌＮ層の上にＡｌＧａＮ層を形成するＡｌＧａＮ層形成工程と、を備え、前記ＡｌＧａＮ層形成工程においては、１０００℃よりも高く１１００℃よりも低い形成温度で、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第１単位層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．５≦ｙ＜１かつｙ＜ｘ）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第２単位層とを交互に繰り返し積層することによって、超格子構造を有するように前記ＡｌＧａＮ層を形成する、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、前記ＡｌＧａＮ層形成工程においては、前記第１単位層と前記第２単位層を、格子緩和が生じない範囲内の厚みで形成する、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、前記ＡｌＮ層形成工程が、前記単結晶基材の上にＡｌＮからなる結晶層をエピタキシャル形成する形成工程と、前記１３００℃以上の加熱温度で前記結晶層を加熱する加熱工程と、含み、前記加熱工程によって得られる、面内圧縮応力が作用してなるとともに実質的に原子レベルで平坦な表面を有する前記結晶層を前記ＡｌＮ層とする、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、前記ＡｌＧａＮ層形成工程における前記ＡｌＧａＮ層の形成温度が１０２５℃以上１０７５℃以下である、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、前記ＡｌＧａＮ層形成工程における前記ＡｌＧａＮ層の形成温度が１０４０℃以上１０６０℃以下である、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、前記ＡｌＧａＮ層形成工程においては、所定のドーパントをドープしつつ前記第１単位層と前記第２単位層とを交互に繰り返し積層することによって、導電性を有するように前記ＡｌＧａＮ層を形成する、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、前記第１単位層をＡｌＮにて形成する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項７の発明によれば、表面が実質的に原子レベルで平坦なＡｌＧａＮ層を得ることができる。

特に、請求項２の発明によれば、第１単位層と第２単位層とをコヒーレント成長させつつＡｌＧａＮ層を形成することができるので、テンプレート基板のＡｌＮ層の面内格子定数と略同一の面内格子定数を有し、かつ、表面が実質的に原子レベルで平坦なＡｌＧａＮ層を得ることができる。

特に、請求項３の発明によれば、クラックの発生が抑制されるので、表面が実質的に原子レベルで平坦なＡｌＧａＮ層をより確実に得ることができる。

＜概要＞
図１は、本発明の実施の形態に係る方法を用いることによって作製される積層体１０の断面模式図である。積層体１０は、発光デバイスや受光デバイスなどの種々のデバイスにおいてその構成部分となる構造体を、簡略化して示したものである。

本実施の形態に係る方法は、実質的に原子レベルで平坦な表面を有する下地基板であるテンプレート基板１の上に、ＡｌＧａＮからなる結晶層（以下、ＡｌＧａＮ層）２を優れた表面平坦性を有するように形成する方法である。本実施の形態においては、下地基板であるテンプレート基板１の上に、ＡｌＧａＮ層２を超格子構造を有するように設けることで、係る表面平坦性の優れたＡｌＧａＮ層２の形成を実現する。なお、図示の都合上、図１における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。

＜テンプレート基板＞
本実施の形態においては、テンプレート基板１として、所定の単結晶からなる基材１ａの上に、ＡｌＮからなる表面層１ｂが形成された構造を有するものを用いる。ただし、このことは、係る構造以外のテンプレート基板の使用を排除するものではなく、テンプレート基板１の表面層１ｂと同等の表面層を有する、つまりは転位密度が表面層１ｂと同程度あるいはさらに小さく、かつ表面平坦性についても表面層１ｂと同程度あるいはさらに良好である表面層を有するテンプレート基板を用いる態様であってもよい。

基材１ａは、一般的には、その上に形成する表面層１ｂの組成や構造、あるいはさらにその上に結晶層の形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やサファイアなどの基板を用いる。あるいは、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ₂、ＬｉＧａＯ₂、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃、ＮｄＧａＯ₃、ＭｇＯといった各種酸化物材料、Ｓｉ、Ｇｅといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＧｅといった各種IV−IV族化合物、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮといった各種III−Ｖ族化合物およびＺｒＢ₂といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。基材１ａの厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍの厚みのものが好適である。

紫外域での光デバイス用途の場合には、動作波長の光に対し透明な材料を用いることが望ましく、III族窒化物の結晶構造との相性から鑑みると、基材１ａとしてはサファイアが最も好適である。また、高出力の光デバイスや、放熱性が必要な電子デバイスなどを用途とする場合には、高い熱伝導率を持つＳｉＣが最も好適である。薄膜形成等の加熱処理温度の設定温度によっては、高温で分解しない材料を用いることが必要になる。

本実施の形態においては、Ｃ面サファイアを基材１ａとして用いる場合を例に説明するが、上述のように、基材１ａはこれに限られるものではない。

表面層１ｂは、一般的には、例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法（ハイドライドを用いた気相エピタキシャル成長法）、スパッタ法、基材の窒化処理などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ここでいうIII族窒化物結晶とは、Ｂ_xＡｌ_yＧａ_zＩｎ_1-x-y-zＮ（ｘ，ｙ，ｚ≧０）の組成で表され、ウルツ鉱構造あるいは閃亜鉛鉱構造を有する結晶である。ＭＯＣＶＤ法には、ＰＡＬＥ法（パルス原子層エピタキシ法；Pulsed Atomic Layer Epitaxy）、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。ＭＢＥ法に関しても、同様の技術を併用可能である。ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法といった成長方法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適している。一方、ＨＶＰＥ法は、原料を一時に多量に供給できるため、短時間で厚膜を成長させることに適している。表面層１ｂを形成する際に、これらの方法を組み合わせて形成することも可能である。

表面層１ｂの厚みは、特に限定されるものではなく、最終的に利用されるデバイス構造あるいは使用形態に最適な膜厚を選択すればよい。例えば、数ｎｍ〜数ｍｍ程度の膜厚が想定されるが、数μｍ程度の厚みに形成するのが好適な一例である。また、表面層１ｂの組成は層内において均一である必要はなく、例えば、傾斜組成にしたり、異なる組成の応力緩和層を挿入したりすることも可能である。

また、表面層１ｂ内には、表面層１ｂを形成する際に不可避的に含まれてしまうＨ、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、遷移金属等の不純物が存在する場合もあるし、導電率制御のために意図的に導入される、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄといった不純物を含むこともできる。

本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＡｌＮからなる表面層１ｂを形成する場合を例に説明する。形成方法の詳細については後述するが、基材１ａの上に、ＭＯＣＶＤ法によって基板温度１１００℃以上でＡｌＮからなる単結晶層を表面層１ｂとして形成することによって得られたテンプレート基板１を加熱処理したものを、ＡｌＧａＮ層２の形成の際に下地基板として用いるものとする。

係る加熱処理は、単結晶である基材１ａの結晶配列の規則性を利用して、その上に形成された表面層１ｂの結晶品質の改善を行うものである。そのため、基材１ａとして用いる材料は、結晶品質の改善のために行う熱処理の温度帯で分解、融解しないもの、あるいは、表面層１ｂを形成するIII族窒化物結晶と強く反応しないものが望ましい。熱処理中に基材１ａの結晶配列に乱れが生じるのを回避する必要があるからである。従って、熱処理の際、基材１ａと表面層１ｂとの界面において両者の反応生成物が顕著に形成されないことが望ましい。反応生成物が顕著に形成されないとは、具体的には、熱処理後の両者の界面に反応生成物が全く存在しないか、あるいは存在したとしてもその厚みがせいぜい表面層１ｂの膜厚の１／１０以下であることを意味する。この膜厚を超えると、反応生成物の存在により、表面層１ｂの表面平坦性が損なわれる可能性があるからである。よって、熱処理により基材１ａと表面層１ｂとの界面において全体的にあるいは局所的に極薄の反応生成物が生成されることは、本発明からは除外されない。転位の低減等のためのバッファ層的な役割を果たすなど、こうした極薄の反応生成物が存在した方がむしろ好ましい場合もある。係る観点からは、融点の高いサファイア、ＭｇＯ、ＳｉＣが、基材１ａの材料として望ましい。

また、この加熱処理は、特に転位の低減や表面におけるピットの解消に対して有効である。例えば、転位密度は、おおよそ１／２以下にまで減少する。特に、刃状転位を効果的に合体消失させることができる。後述するように、本実施の形態に係る方法によって表面平坦性の良好なＡｌＧａＮ層２を形成する上においては、表面層１ｂの転位はできるだけ低減されていることが望ましいので、テンプレート基板１に対する加熱処理は、この点を鑑みても有効な処理である。

加熱処理後のテンプレート基板１の表面（つまりは表面層１ｂの表面）は、肉眼視では鏡面であってクラックも確認されず、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定した５μｍ□の領域での表面粗さｒａが数ｎｍ程度という、実質的に原子レベルで平坦であるといえる程度の優れた表面平坦性を有する。

なお、加熱処理後の表面層１ｂにおいては、無応力の理想的な状態に比してＡｌＮの面内格子定数が小さくなっていることが、すなわち、面内圧縮応力が作用していることが、確認されている。従って、ＡｌＧａＮ層２は、係る面内圧縮応力の存在下で形成されることになるが、この面内圧縮応力は、ＡｌＧａＮ層２にクラックが生じることを抑制するように作用する。このような応力状態にあるテンプレート基板１を用いることで、クラックを有しないＡｌＧａＮ層２の形成がより確実に行えることになる。ただし、このことによって、表面層１ｂの組成はＡｌＮに限定されるわけではない。表面平坦性、転位密度、応力状態について、ＡｌＮにて形成した場合と同程度あるいはより優れた特性を有するように表面層１ｂを形成できるのであれば、他の物質を用いて表面層１ｂが形成される態様であってもよい。

＜ＡｌＧａＮ層＞
ＡｌＧａＮ層２は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第１単位層２ａと、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第２単位層２ｂとが交互に繰り返し積層された超格子構造を有してなる。

第１単位層２ａと第２単位層２ｂの組成は、ＡｌＧａＮ層２に求められる機能に応じて適宜に定められてよい。例えば、紫外領域に発光波長を有する発光素子の機能層としてＡｌＧａＮ層２を形成する場合には、第１単位層２ａをＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５＜ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物にて形成し、第２単位層２ｂをＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０．５≦ｙ＜１かつｙ＜ｘ）なる組成式で表されるIII族窒化物にて形成するのが好ましい。

係るＡｌＧａＮ層２は、ＭＯＣＶＤ法によって、テンプレート基板１の上に形成される。なお、第１単位層２ａと第２単位層２ｂの厚みは、第１単位層２ａと第２単位層２ａにおいて格子緩和が生じない範囲内の厚みで形成するようにするのが好ましい。これは、換言すれば、第１単位層と第２単位層とをコヒーレント成長させつつＡｌＧａＮ層を形成するということである。このようにすることで、表面層１ｂの面内格子定数と略同一の面内格子定数を有し、かつ、表面が実質的に原子レベルで平坦なＡｌＧａＮ層２を得ることができる。また、両層の繰り返し層数については、ＡｌＧａＮ層２に対し求められる機能に応じて適宜に定められてよい。例えば数ｎｍ〜十数ｎｍ程度の厚みを有する第１単位層２ａと第２単位層２ｂを数十層〜数百層ずつ積層して数μｍ程度の総膜厚を有するＡｌＧａＮ層２を形成するのが好適な一例である。

ＡｌＧａＮ層２を形成する際の形成温度は、１０００℃より高い温度とするのが好ましい。これにより、良好な表面平坦性を有するＡｌＧａＮ層２が形成される。例えば、肉眼視では鏡面であってクラックは確認されず、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）にて測定した５μｍ□の領域での表面粗さｒａが数ｎｍ程度という、優れた表面平坦性を有するＡｌＧａＮ層２が形成可能である。ただし、１０２５℃より低い形成温度でＡｌＧａＮ層２を形成した場合には、ＡｌＧａＮ層２の表面にピットが形成されることが確認されている。形成温度を１０２５℃以上とした場合には、ピットがほとんど確認されることのない、さらに良好な表面平坦性を有するＡｌＧａＮ層２が形成される。

なお、形成温度を１１００℃以上とすると、表面粗さが劣化することから、形成温度は１１００℃より低くすることが好ましい。

ＡｌＧａＮ層２は、Ｐ型やＮ型の導電型を有するように、適宜にアクセプタ元素やドナー元素がドープされていてもよい。なお、ＡｌＧａＮ層２にＳｉをドーパントとしてドープすることによってＮ型の導電型を有するようにする場合も、形成温度は１１００℃未満とすることが好ましい。係る場合に、良好な導電性を有するようにＡｌＧａＮ層２が形成される。また、このような導電性を有するＡｌＧａＮ層２について、より高い導電性能を必要とする場合は、１０２５℃以上１０６０℃以下とするのがより好適である。

＜ＡｌＧａＮ層の形成プロセス＞
次に、上述のような良好な表面平坦性を有するＡｌＧａＮ層の形成までのプロセスについて説明する。ここでは、Ｃ面サファイア単結晶が基材１ａとして用いられ、表面層１ｂとしてＡｌＮ層が形成されたテンプレート基板１を用いる場合について説明する。

まず、テンプレート基板１を得る。テンプレート基板１の作製は、公知の手法によって実現可能である。例えば、基材１ａとして数百μｍ程度のＣ面サファイア単結晶を用意し、これを、ＭＯＣＶＤ装置の所定位置に載置して１１００℃以上の温度に加熱し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアガスとを所定の流量比でキャリアガスである水素ガスともども供給することによって、ＡｌＮ層を数μｍ程度の厚みに形成する。なお、以下の説明においては、温度は基材１ａの温度を表すものとする。

その後、公知の熱処理炉で、係る基材１ａとＡｌＮ層との積層体を１５００℃以上の温度に加熱する加熱処理を行う。ＭＯＣＶＤ装置中で加熱する態様であってもよい。加熱処理により、面内圧縮応力が作用するとともに実質的に原子レベルで平坦な表面を有する表面層１ｂが形成される。これにより、テンプレート基板１が得られたことになる。

なお、加熱処理は、基材１ａの融点を超えない温度範囲で、あるいは、基材１ａと表面層１ｂとの反応生成物の生成が顕著に起こらない温度範囲つまりは過度な反応による表面層１ｂの結晶品質の劣化が生じない温度範囲で行うことが望ましい。ここでは、基材１ａとしてＣ面サファイアを用い、表面層１ｂをＡｌＮにて形成することから、両者の界面にγ−ＡＬＯＮが顕著に形成されない温度範囲で熱処理を行うことが好ましい。γ−ＡＬＯＮが顕著に形成されてしまうと、表面層１ｂの表面粗さが大きくなり、表面平坦性の良好なＡｌＧａＮ層２を形成することが困難となってしまうからである。

加熱処理中の雰囲気に関しては、ＡｌＮの分解を防ぐためにも窒素元素を含有する雰囲気であるのが望ましい。例えば、窒素ガス、アンモニアガスを含む雰囲気を用いることができる。熱処理時の圧力条件に関しては、減圧から加圧までどの圧力で行ってもＡｌＮ層の結晶品質が改善されることが、確認されている。

この加熱処理されたテンプレート基板１の上に、ＡｌＧａＮ層２を形成する。

まず、テンプレート基板１をＭＯＣＶＤ装置の所定位置に載置し、水素ガスのみを供給しつつ１０００℃〜１１００℃程度の温度に加熱して、数分間維持した後、さらに水素ガスとアンモニアガスとを供給して数分間維持する。係る昇温処理は、テンプレート基板１の表面に形成されている表面酸化膜を除去する目的で行う。

その後、テンプレート基板１の温度を１０００℃より高い所定の温度に維持した上で、超格子構造を有するＡｌＧａＮ層２を形成する。

具体的には、それぞれ数ｎｍ〜十数ｎｍの厚みを有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第１単位層２ａとＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第２単位層２ｂとを数十〜数百層ずつ、繰り返し交互に積層する。それぞれの層の形成は、水素ガスをキャリアガスとし、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを、それぞれの層の組成に応じた所定の流量で供給するとともに、それらの流量に見合う流量のアンモニアガスを供給することで実現される。

例えば、第１単位層２ａとしてＡｌＮ層を形成し、第２単位層２ｂとしてＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層を形成する場合であれば、前者についてはＴＭＡを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、後者についてはＴＭＡを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給するとともにＴＭＧを１６μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給すればよい。

このようにして形成された、ＡｌＧａＮ層２においては、その表面が鏡面であってクラックも確認されず、表面粗さｒａが数ｎｍ程度という優れた表面平坦性を有する。

ここで、ＡｌＧａＮ層２が超格子構造を有することが良好な表面平坦性を有するうえで有効であることを、超格子構造を有さない場合との対比において説明する。図２は、ＡｌＧａＮ層２の形成過程の模式図である。また、図３は、比較のために示す、テンプレート基板１にＡｌＧａＮからなる結晶層を連続的に（超格子構造ではないように）形成する場合の模式図である。

テンプレート基板１を１０００℃よりも高い所定の形成温度に加熱したうえで、まずテンプレート基板１の上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第１単位層２ａを形成するとき、テンプレート基板１の表面は実質的に原子レベルで平坦でかつ低転位であるので、その核３ａは不均一に生成する（図２（ａ））。超格子構造を構成する第１単位層２ａはせいせい数ｎｍ〜十数ｎｍ程度の厚みに形成されるのみであるので、第１単位層２ａの形成は、テンプレート基板１の表面は完全に被覆するものの核３ａの成長が十分なものとなる前に終了する（図２（ｂ））。よって、第１単位層２ａの表面はテンプレート基板１と同程度に良好な平坦性を有している。

引き続いてこの第１単位層２ａの上にはＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第２単位層２ｂが形成される。このときも同様に、核３ｂは不均一に形成され（図２（ｃ））、第２単位層２ｂの形成は、第１単位層２ａの表面は完全に被覆するものの核３ｂの成長が十分なものとなる前に終了する（図２（ｄ））。以降は、このような第１単位層２ａと第２単位層２ｂとの形成が繰り返されるので、結果として、表面平坦性の良好なＡｌＧａＮ層２が形成されることになる。

一方、図３に例示するように、１０００℃よりも高い形成温度に加熱したテンプレート基板１の上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる結晶層１０２を、超格子構造を有するＡｌＧａＮ層２の全体の厚みと同程度にまで連続的に形成する場合を考える。この場合、形成開始時には核１０３が不均一に生成する（図３（ａ））のは、図２（ａ）に示した本実施の形態の場合と同様である。しかし、その後も形成を続けると、核１０３が初期に形成された部分における成長速度とそうでない部分における成長速度とに違いが生じる（図３（ｂ））。結果として、得られた結晶層１０２は、本実施の形態のように超格子構造を形成する場合のＡｌＧａＮ層２に比べて著しく大きな表面凹凸を有する結晶層１０２しか得られないことになる（図３（ｃ））。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、実質的に原子レベルで平坦な表面層が形成されてなるテンプレート基板の上に、１０００℃よりも高い形成温度で超格子構造を有するようにＡｌＧａＮ層を形成することで、表面平坦性の優れたＡｌＧａＮ層を形成することができる。これにより、例えば、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮ層を機能層として有する素子を好適に作製することが可能となる。

本実施例では、以下に説明するＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の１０ヶの試料を作成し、その表面を観察した。図４は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の試料についての作製条件と、得られたＡｌＧａＮ層の表面の観察状態を一覧にして示す図である。

（Ｎｏ．１）
テンプレート基板の上に、超格子構造を有するＡｌＧａＮ層を形成し、その表面を観察した。

テンプレート基板は、厚み４００μｍの単結晶Ｃ面サファイアを基材として用意し、その上にＭＯＣＶＤ装置を用いて１μｍの厚みのＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることにより得た。係るテンプレート基板に対し、窒素中１５００℃での加熱処理を行った。そして、加熱処理後の表面層には面内圧縮応力が印加されていることを確認した。

加熱処理後のテンプレート基板をＭＯＣＶＤ装置の所定位置に載置し、水素ガスのみを供給しつつ１０５０℃に加熱して、６分間維持した後、さらに水素ガスとアンモニアガスとを供給して５分間維持した。係る熱処理時間は３０分とした。これにより、テンプレート基板の表面に形成されている表面酸化膜を除去した。

その後、温度を１０００℃に保ち、水素ガスをキャリアガスとしつつ、ＴＭＡを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給するとともに、アンモニアガスを所定の流量で供給することで、第１単位層としてのＡｌＮ層を１０ｎｍの厚みに形成した。

引き続き、ＴＭＡを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、かつＴＭＧを１６μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給するとともに、アンモニアガスを所定の流量で供給することで、第２単位層としてのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層を１０ｎｍの厚みに形成した。

これら第１単位層と第２単位層の形成を７５回繰り返すことによって、層膜厚が１．５μｍの、超格子構造を有するＡｌＧａＮ層を形成した。

（Ｎｏ．２）
ＡｌＧａＮ層の形成温度を１０２５℃とした他は、Ｎｏ．１と同様の手順でテンプレート基板の上にＡｌＧａＮ層を形成した。

（Ｎｏ．３）
ＡｌＧａＮ層の形成温度を１０５０℃とした他は、Ｎｏ．１と同様の手順でテンプレート基板の上にＡｌＧａＮ層を形成した。

（Ｎｏ．４）
ＡｌＧａＮ層の形成温度を１０７５℃とした他は、Ｎｏ．１と同様の手順でテンプレート基板の上にＡｌＧａＮ層を形成した。

（Ｎｏ．５）
ＡｌＧａＮ層を連続的に（超格子構造を有さないように）形成した他は、Ｎｏ．３と同様の手順でテンプレート基板の上にＡｌＧａＮ層を形成した。

ＡｌＧａＮ層は、水素ガスをキャリアガスとしつつ、ＴＭＡを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給し、かつＴＭＧを１６μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で供給するとともに、アンモニアガスを所定の流量で供給することで、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ｎ層を１．８μｍの厚みに形成することで得た。

（Ｎｏ．６）
テンプレート基板に対する加熱処理を省略した他は、Ｎｏ．３と同様の手順でテンプレート基板の上にＡｌＧａＮ層を形成した。

（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の比較）
図４に示すように、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、およびＮｏ．４の試料については、表面は鏡面であり、クラックおよびピットも観察されず、表面粗さｒａも２ｎｍ以下であって、実質的に原子レベルで平坦な表面を有するＡｌＧａＮ層が形成されていることが確認された。

一方、Ｎｏ．５の試料では、クラックが確認されないものの、表面には六角柱状の凹凸が確認された。Ｎｏ．２ないしＮｏ．４と対比すると、熱処理したテンプレート基板の上に、超格子構造を有するように形成することが、表面平坦性の良好なＡｌＧａＮ層を形成するためには好適であるといえる。

一方、Ｎｏ．１の試料では、表面は鏡面であり、クラックも観察されず、表面粗さｒａも２ｎｍであったが、ピットが存在することが確認された。Ｎｏ．２ないしＮｏ．４と対比すると、良好な表面平坦性を有するＡｌＧａＮ層を形成するには、形成温度を１０００℃よりも高くすることが有効であるといえる。

また、Ｎｏ．６の試料では、表面は鏡面であるものの、クラックが生じていることが確認された。Ｎｏ．２ないしＮｏ．４と対比すると、加熱処理によって表面層に面内圧縮応力が作用させることは、クラック抑制の観点から有効であるといえる。

（Ｎｏ．7）
ＡｌＧａＮ層の形成の際に、ＳｉＨ₄を所定の供給量でさらに供給することで、ＳｉがドープされたＮ型の導電型を有する領域を形成するようにした他は、Ｎｏ．１と同様の手順でＡｌＧａＮ層を形成した。

得られたＡｌＧａＮ層の表面状態は、Ｎｏ．１の試料と同様であった。また、シート抵抗を測定したところ、３１０Ω／□であった。

（Ｎｏ．８）
ＡｌＧａＮ層の形成の際に、ＳｉＨ₄を所定の供給量でさらに供給することで、ＳｉがドープされたＮ型の導電型を有する領域を形成するようにした他は、Ｎｏ．２と同様の手順でＡｌＧａＮ層を形成した。

得られたＡｌＧａＮ層の表面状態は、Ｎｏ．２の試料と同様であった。また、シート抵抗を測定したところ、８０Ω／□であった。

（Ｎｏ．９）
ＡｌＧａＮ層の形成の際に、ＳｉＨ₄を所定の供給量でさらに供給することで、ＳｉがドープされたＮ型の導電型を有する領域を形成するようにした他は、Ｎｏ．３と同様の手順でＡｌＧａＮ層を形成した。

得られたＡｌＧａＮ層の表面状態は、Ｎｏ．３の試料と同様であった。また、シート抵抗を測定したところ、９０Ω／□であった。

（Ｎｏ．１０）
ＡｌＧａＮ層の形成の際に、ＳｉＨ₄を所定の供給量でさらに供給することで、ＳｉがドープされたＮ型の導電型を有する領域を形成するようにした他は、Ｎｏ．４と同様の手順でＡｌＧａＮ層を形成した。

得られたＡｌＧａＮ層の表面状態は、Ｎｏ．４の試料と同様であった。また、シート抵抗を測定したところ、２２６Ω／□であった。

すなわち、Ｎｏ．７およびＮｏ．１０の試料のＡｌＧａＮ層については、Ｎｏ．８およびＮｏ．９の試料と同程度の良好な表面平坦性を有するものの、導電性能は劣ることが確認された。

積層体１０の断面模式図である。ＡｌＧａＮ層２の形成過程の模式図である。テンプレート基板１にＡｌＧａＮからなる結晶層を連続的に形成する場合の模式図である。実施例に係る各試料の作製条件と、得られたＡｌＧａＮ層の表面の観察状態を一覧にして示す図である。

符号の説明

１テンプレート基板
１ａ基材
１ｂ表面層
２ＡｌＧａＮ層
２ａ第１単位層
２ｂ第２単位層
３ａ、３ｂ核
１０積層体

Claims

所定の単結晶基材上に実質的に原子レベルで平坦な表面を有するＡｌＮ層を形成することによってテンプレート基板を作製するＡｌＮ層形成工程と、
前記ＡｌＮ層の上にＡｌＧａＮ層を形成するＡｌＧａＮ層形成工程と、
を備え、
前記ＡｌＧａＮ層形成工程においては、１０００℃よりも高く１１００℃よりも低い形成温度で、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第１単位層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．５≦ｙ＜１かつｙ＜ｘ）なる組成式で表されるIII族窒化物からなる第２単位層とを交互に繰り返し積層することによって、超格子構造を有するように前記ＡｌＧａＮ層を形成する、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。
請求項１に記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、
前記ＡｌＧａＮ層形成工程においては、前記第１単位層と前記第２単位層を、格子緩和が生じない範囲内の厚みで形成する、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。
請求項１または請求項２に記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、
前記ＡｌＮ層形成工程が、
前記単結晶基材の上にＡｌＮからなる結晶層をエピタキシャル形成する形成工程と、
１５００℃以上の加熱温度で前記結晶層を加熱する加熱工程と、
含み、
前記加熱工程によって得られる、面内圧縮応力が作用してなるとともに実質的に原子レベルで平坦な表面を有する前記結晶層を前記ＡｌＮ層とする、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、
前記ＡｌＧａＮ層形成工程における前記ＡｌＧａＮ層の形成温度が１０２５℃以上１０７５℃以下である、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。
請求項４に記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、
前記ＡｌＧａＮ層形成工程における前記ＡｌＧａＮ層の形成温度が１０４０℃以上１０６０℃以下である、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、
前記ＡｌＧａＮ層形成工程においては、所定のドーパントをドープしつつ前記第１単位層と前記第２単位層とを交互に繰り返し積層することによって、導電性を有するように前記ＡｌＧａＮ層を形成する、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のＡｌＧａＮ結晶層の形成方法であって、
前記第１単位層をＡｌＮにて形成する、
ことを特徴とするＡｌＧａＮ結晶層の形成方法。