ＡｌＮ結晶の表面処理方法、ＡｌＮ結晶基板、エピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板および半導体デバイス
【課題】 本発明は、半導体デバイスに用いることができるＡｌＮ結晶基板を効率的に得るため、効率よくＡｌＮ結晶にモフォロジーの良好な表面を形成するＡｌＮ結晶の表面処理方法を提供する。
【解決手段】 ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、その表面をエッチングする工程とを含むＡｌＮ結晶の表面処理方法である。ここで、表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いることができる。また、表面をエッチングする工程をウエットエッチングにより行なうことができる。
【解決手段】 ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、その表面をエッチングする工程とを含むＡｌＮ結晶の表面処理方法である。ここで、表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いることができる。また、表面をエッチングする工程をウエットエッチングにより行なうことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられるＡｌＮ結晶の表面処理方法に関する。さらに、本発明は、ＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＮ結晶などのＩＩＩ族窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板を形成するための材料として非常に有用なものである。
【０００３】
従来は、ＡｌＮ結晶からＡｌＮ結晶基板を形成する方法として、ＡｌＮ結晶を所定の厚さにスライスした後、表面を研磨する方法が採られており、特に化学機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing；以下ＣＭＰという）が広く行なわれていた（たとえば、特許文献１〜３を参照）。
【０００４】
しかし、ＡｌＮ結晶は硬質で反応性に乏しいため、ＣＭＰによる研磨では、研磨速度が非常に低く、非効率的である。
【０００５】
一方、機械研削または機械研磨によりＡｌＮ結晶の表面を研磨すると、ＡｌＮ結晶の表面側領域に厚い加工変質層が形成され、その結晶表面上にエピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物結晶層の表面は凹凸が大きくなり白濁してしまい、良質な半導体デバイスを形成することができない。
【特許文献１】米国特許第６５９６０７９号明細書
【特許文献２】米国特許第６４８８７６７号明細書
【特許文献３】国際公開第０３／０４３７８０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、半導体デバイスに用いることができるＡｌＮ結晶基板を効率的に得るため、効率よくＡｌＮ結晶にモフォロジーの良好な表面を形成するＡｌＮ結晶の表面処理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】
【０００７】
本発明は、ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、その表面をエッチングする工程とを含むＡｌＮ結晶の表面処理方法である。
【０００８】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いることができる。また、表面を機械研削または機械研磨する工程後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下とすることができる。
【０００９】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程をウェットエッチングにより行なうことができる。また、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲyを４０ｎｍ以下とすること、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲaを４ｎｍ以下とすることができる。
【００１０】
また、本発明は、上記のＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板である。さらに、本発明は、このＡｌＮ結晶基板を熱処理して得られたＡｌＮ結晶基板である。
【００１１】
本発明にかかるＡｌＮ結晶基板において、ＡｌＮ結晶基板の主面を、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行とすることができる。また、ＡｌＮ結晶基板の主面を、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下とすることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記のＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有するエピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板である。
【００１３】
また、本発明は、上記のＡｌＮ結晶基板を含む半導体デバイスである。さらに、本発明は、ＡｌＮ結晶基板における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層と、ＡｌＮ結晶基板の他方の主面に形成された第１の電極と、半導体層の最外半導体層上に形成された第２の電極とを含む発光素子と、前記発光素子を搭載する導電体とを備え、上記発光素子は、前記ＡｌＮ結晶基板側が発光面側であり、前記最外半導体層側が搭載面側であり、上記半導体層は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイスである。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように、本発明によれば、効率よくＡｌＮ結晶にモフォロジーの良好な表面を形成することができ、半導体デバイスに用いることができるＡｌＮ結晶基板を効率的に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法は、図１を参照して、ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、その表面をエッチングする工程とを含む。ＡｌＮ結晶表面のＣＭＰに替えて機械研削または機械研磨を行なうことにより、効率的にＡｌＮ結晶表面を平坦化することができる。さらに、このＡｌＮ結晶表面のエッチングを行なうことにより、機械研削または機械研磨によって形成された加工変質層および表面の傷もしくは凹凸を除去または低減することができる。
【００１６】
ここで、機械研削とは、図１（ａ）を参照して、たとえば、砥粒をボンドで固めた砥石１２を砥石台金１３に固定してその回転軸１３ｃを中心に回転させながら、結晶ホルダ１１に固定されその回転軸１１ｃを中心に回転しているＡｌＮ結晶１の表面に送り出すことにより、ＡｌＮ結晶１の表面を削り取りながら平滑化することをいう。また、機械研磨とは、図１（ｂ）を参照して、たとえば定盤１５をその回転軸１５ｃを中心に回転させながら、定盤１５上に砥粒１６を分散したスラリーを供給するとともに、ＡｌＮ結晶１を固定した結晶ホルダ１１上に重り１４を載せてその回転軸１１ｃを中心にして回転させながら、ＡｌＮ結晶１を上記定盤１５に押し当てることにより、ＡｌＮ結晶の表面を平滑化することをいう。機械研磨において、砥粒を分散したスラリーを用いることに替えて、図示はしないが、上記砥粒をボンドで固めた砥石をＡｌＮ結晶に回転させながら押し当てることにより、ＡｌＮ結晶の表面を研磨することも可能である。
【００１７】
ＡｌＮ結晶表面の機械研削または機械研磨において用いられる砥粒は、通常ＡｌＮより硬度の高い材質で形成される。ＡｌＮより硬度の高い材質としては、たとえば、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3およびＺｒＯ2などから選ばれる１以上の材質が好ましく挙げられる。また、上記の砥粒とともに、ＳｉＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2、ＭｎＯ2、Ｆｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｏＯ2、Ｃｕ2Ｏ、ＣｕＯ、ＳｎＯ2、ＧｅＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3などで形成される砥粒を併用することもできる。
【００１８】
なお、砥粒は、単一の金属元素を含む酸化物に限定されず、２種類以上の金属元素を含む酸化物（たとえば、フェライト、ペロブスカイト、スピネルまたはイルメナイトなどの構造を有するもの）であってもよい。また、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどの窒化物、ＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3などの炭酸化物、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉなどの金属、炭素（具体的には、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、Ｃ６０など）を用いることもできる。
【００１９】
また、ＡｌＮ結晶表面の機械研削または機械研磨において用いられる砥石は、上記砥粒をボンドで固めたものが好ましい。ボンドには、特に制限はなく、メタルボンド、ビトリファイドボンド、レジンボンドのいずれのボンドが用いられていてもよい。機械研削または機械研磨において砥粒の粒径が小さい砥石を用いる場合は、砥石をドレッシングすることにより砥石の目詰まりを抑制することができる。ドレッシングは、機械研削または機械研磨と交互に行なってもよいし、機械研削または機械研磨と同時に行なってもよい。砥石のドレッシング方法には、電圧を印加してボンドを溶出させる方法の他、超音波の印加、砥石加工により機械的にボンドを除去する方法などがある。
【００２０】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法におけるＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いることが好ましい。砥粒径を小さくするほど機械研削または機械研磨によってＡｌＮ結晶に形成される加工変質層を薄くすることができ、砥粒径を６μｍ以下とすることにより、加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下にすることが可能となる。かかる観点から、砥粒径を３μｍ以下とすることがより好ましい。
【００２１】
ここで、実際の機械研削または機械研磨においては、研削または研磨の進行とともに砥粒または砥石の砥粒径を段階的に小さくしていくのが能率的である。このように、機械研削または機械研磨において砥粒径が段階的に小さくなる場合には、ＡｌＮ結晶の最終的な表面状態は最終段階の砥粒径により決まることから、本願において砥粒または砥石の砥粒径とは、最終段階の機械研削または機械研磨において用いられた砥粒または砥石の砥粒径をいうものとする。
【００２２】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下とすることが好ましい。加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下とすることにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層（エピタキシャル成長によって形成された層をいう、以下同じ）を形成することが可能となる。
【００２３】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程には、特に制限なく、ウェットエッチングおよびドライエッチングのいずれをも用いることができるが、エッチングのコストおよび生産性の観点からはウェットエッチングの方が好ましい。
【００２４】
ウェットエッチングとは、液体である化学薬品を用いて、液相−固相界面における化学反応を利用して、固体であるＡｌＮ結晶の表面を溶解除去する方法の総称をいう。ウェットエッチングにおいては、エッチング剤として塩酸、硝酸、硫酸などの無機酸、蟻酸、酢酸、クエン酸、リンゴ酸、フタル酸、フマル酸などの有機酸、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＮＨ4ＯＨ、アミンなどの塩基を含む液体が好ましく用いられる。また、必要に応じてこれらの液体を混合して用いてもよい。さらに、これらの液体に、次亜塩素酸、ジクロロイソシアヌル酸、トリクロロイソシアヌル酸、過酸化水素酸、過マンガン酸カリウム、オゾンなどを添加してもよい。また、エッチングを促進させるために、上記エッチング剤の温度を上げること、超音波を印加することなどが有効である。
【００２５】
ドライエッチングとは、液体を用いずに、ガス、プラズマ、イオンまたは光などによる気相−固相界面における化学的または物理的反応を利用して、固体であるＡｌＮ結晶の表面を除去する方法の総称をいう。ドライエッチングとしては、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）−ＲＩＥ、ＣＡＩＢＥ（化学アシストイオンビームエッチング）、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）などが挙げられる。また、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法においてＡｌＮ結晶にエピタキシャル成長をさせる前に、ＨＣｌなどのガスを用いてエッチングすることも可能である。
【００２６】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲyを４０ｎｍ以下とすることが好ましい。本願において、表面粗さＲyとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積としてとして１０μｍ角（１００μｍ2）だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均面から最も高い山頂までの高さと最も低い谷底までの深さとの和をいう。表面粗さＲyを４０ｎｍ以下とすることにより、すなわち結晶表面の最も大きい凹凸差または最も深い傷が４０ｎｍ以下となるように平坦化することにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することが可能となる。かかる観点から、表面粗さＲyを１０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００２７】
また、本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲaを４ｎｍ以下とすることが好ましい。本願において、表面粗さＲaとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積として１０μｍ角（１００μｍ2）だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均面から測定曲面までの偏差の絶対値を合計してそれを基準面積で平均した値をいう。表面粗さＲaを４ｎｍ以下とすることにより、すなわち結晶表面における凹凸差の平均値が４ｎｍ以下となるように平坦化することにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することが可能となる。かかる観点から、表面粗さＲaを１ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００２８】
また、本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、エッチング工程後におけるＡｌＮ結晶の表面酸化層の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、表面酸下層の厚さは、エリプソメトリー、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）またはＲＢＳ（ラザフォード後方散乱法）などにより評価することができる。ＡｌＮ結晶のエッチング工程後の表面酸化層を３ｎｍ以下にすることにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することができる。かかる観点から、上記表面酸化層の厚さは２ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２９】
また、上記エッチング工程後におけるＡｌＮ結晶表面の不純物の量については、原子番号が１９以上の元素の原子は１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下、Ｏ（酸素）およびＣ（炭素）を除く原子番号が１から１８までの元素の原子は１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下であることが好ましい。また、Ｏ原子およびＣ原子は、ＡｌＮ結晶表面に存在する全元素の原子に対して、それぞれ４０原子％以下であることが好ましい。ＡｌＮ結晶表面におけるＡｌ原子およびＮ原子は、ＡｌＮ結晶表面に存在するＡｌ原子およびＮ原子の和に対して、それぞれ４０原子％〜６０原子％であることが好ましい。ここで、原子番号が１９以上の元素の原子ならびにＯおよびＣを除く原子番号が１から１８までの元素の原子の量は、ＴＸＲＦ（全反射蛍光Ｘ線分析法）により評価することができる。Ｏ、Ｃ、ＡｌおよびＮの原子の量は、ＸＰＳ、ＡＥＳなどにより評価することができる。ＡｌＮ結晶表面を上記の化学組成とすることにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００３０】
本発明にかかるＡｌＮ結晶基板は、上記のＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板である。上記の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、この上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することができる。本発明にかかるＡｌＮ結晶基板は、具体的には、各種方法により成長させたＡｌＮ結晶を、必要に応じて所定の面に平行にスライスした後、上記の方法により機械研削または機械研磨し、その表面を上記の方法によりエッチングすることによって得られる。
【００３１】
なお、上記ＡｌＮ結晶の成長方法には特に制限はないが、大きなバルク状のＡｌＮ結晶を効率的に成長させる観点から、昇華法またはＨＶＰＥ（ハライドまたはハイドライド気相エピタキシャル成長）法などの気相成長法が好ましく用いられる。
【００３２】
上記のようにして得られたＡｌＮ結晶基板をさらに熱処理することが好ましい。かかる熱処理により、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyおよび表面粗さＲaの値を低減することができる。この熱処理は、非酸化性雰囲気下、より好ましくは還元性雰囲気下（具体的には、Ｎ2ガス雰囲気下、ＮＨ3雰囲気下、Ｈ2雰囲気下など）で、９００℃〜１１００℃程度で行なうことが好ましい。
【００３３】
上記ＡｌＮ結晶基板の主面は、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行であることが好ましい。ここで、Ｃ面とは{０００１}面および{０００−１}面を、Ａ面とは{１１−２０}面およびその等価面を、Ｒ面とは{０１−１２}面およびその等価面を、Ｍ面とは{１０−１０}面およびその等価面を、Ｓ面とは{１０−１１}面およびその等価面を意味する。ＡｌＮ結晶基板の主面がウルツ鉱型構造における上記各面に平行または平行に近い状態とすることにより、ＡｌＮ結晶基板上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成しやすくなる。
【００３４】
また、上記ＡｌＮ結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下であることが好ましい。０．０５°以上のオフ角を設けることによりＡｌＮ結晶基板上に形成するエピタキシャル層の欠陥を低減することができる。しかし、オフ角が１５°を超えるとエピタキシャル層に階段状の段差ができやすくなる。かかる観点から、オフ角は、０．１°以上１０°以下であることがより好ましい。
【００３５】
本発明にかかるエピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板は、上記のＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有する。上記のＡｌＮ結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、この上にエピタキシャル成長させられたＩＩＩ族窒化物層は良好なモフォロジーを有する。ここで、ＩＩＩ族窒化物層には、特に制限がなく、たとえばＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）などが挙げられる。また、ＩＩＩ族窒化物層エピタキシャル成長をさせる方法にも、特に制限がなく、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などが好ましく挙げられる。
【００３６】
本発明にかかる半導体デバイスは、上記のＡｌＮ結晶基板を含む。上記のＡｌＮ結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、このＡｌＮ結晶基板上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成して品質のよい半導体デバイスを形成することができる。本発明にかかる半導体デバイスとしては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device；表面弾性波素子）などが挙げられる。
【００３７】
また、本発明にかかる半導体デバイスは、図２を参照して、上記のＡｌＮ結晶基板２１０を含む半導体デバイス２００であって、ＡｌＮ結晶基板２１０における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層２５０と、ＡｌＮ結晶基板２１０の他方の主面に形成された第１の電極２６１と、半導体層２５０の最外半導体層上に形成された第２の電極２６２とを含む発光素子と、発光素子を搭載する導電体２８２とを備え、発光素子は、ＡｌＮ結晶基板２１０側が発光面側であり、最外半導体層側が搭載面側であり、半導体層２５０は、ｐ型半導体層２３０と、ｎ型半導体層２２０と、ｐ型半導体層２３０とｎ型半導体層２２０との間に形成される発光層２４０とを含む。上記構成を有することにより、ＡｌＮ結晶基板面側を発光面側とする半導体デバイスを形成することができる。
【００３８】
かかる半導体デバイスは、半導体層側が発光面側である半導体デバイスと比較して、発光層での発熱に対する放熱性に優れる。そのため、高電力で作動させても半導体デバイスの温度上昇が緩和され、高輝度の発光を得ることができる。また、サファイア基板などの絶縁性基板では、半導体層にｎ側電極およびｐ側電極の２種類の電極を形成する片面電極構造をとる必要があるが、本発明にかかる半導体デバイスは、半導体層とＡｌＮ結晶基板にそれぞれ電極を形成する両面電極構造をとることができ、半導体デバイスの主面の大部分を発光面とすることができる。さらに、半導体デバイスの実装の際に、ワイヤボンデイングが１回で足りるなど製造工程が簡略化できるなどの利点がある。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
本実施例は、昇華法で成長させたＡｌＮ結晶の表面を、機械研削し、さらにエッチングすることにより処理する場合の実施例である。
【００４０】
（１−１）ＡｌＮ結晶の作製
ＡｌＮ種結晶（直径５０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ）のＡｌ原子面側のＣ面（（０００１）面）上に、昇華法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させた。
【００４１】
図３を参照して、ＢＮ製の坩堝３２の下部にＡｌＮ粉末などのＡｌＮ原料５を収納し、内径４８ｍｍの坩堝３２の上部にＡｌＮ種結晶９を配置した。ＡｌＮ種結晶９は平坦に加工されており、このＡｌＮ種結晶９の裏面に種結晶保護材３３であるＢＮ材が密着するように配置して、ＡｌＮ種結晶９の裏面からのＡｌＮの昇華を防止した。
【００４２】
次に、反応容器３１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル３５を用いて加熱体３４を加熱することにより、坩堝３２内の温度を上昇させた。坩堝３２内の昇温中は、坩堝３２のＡｌＮ種結晶９側の温度をＡｌＮ原料５側の温度よりも高くして、昇温中にＡｌＮ種結晶９の表面をエッチングにより清浄するとともに、昇温中にＡｌＮ種結晶９および坩堝３２内部から放出された不純物を、坩堝３２に設けた排気口３２ｃを通じて除去した。
【００４３】
次に、坩堝３２のＡｌＮ種結晶９側の温度を２１００℃、ＡｌＮ原料５側の温度を２１５０℃にして、ＡｌＮ原料５からＡｌＮを昇華させて、坩堝３２の上部に配置されたＡｌＮ種結晶９上で、ＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶１を成長させた。ＡｌＮ結晶成長中も、反応容器３１内の坩堝３２の外側にＮ2ガスを流し続け、反応容器３１内の坩堝３２の外側のガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように、Ｎ2ガス導入口３１ａにおけるＮ2ガス導入量とＮ2ガス排気口３１ｃにおけるＮ2ガス排気量とを制御した。上記の結晶成長条件で５０時間ＡｌＮ結晶を成長させた後、室温（２５℃）まで冷却して、ＡｌＮ結晶を得た。
【００４４】
得られたＡｌＮ結晶は、結晶の外周部において多結晶化が見られたが、結晶の中心から直径４２ｍｍの範囲内ではＸ線回折の半値幅は２００ａｒｃｓｅｃ以下であり、半導体デバイスの基板として使用可能なＡｌＮ単結晶であった。このＡｌＮ結晶の厚さは、厚い部分で７．５ｍｍ、薄い部分で４．５ｍｍであった。
【００４５】
次に、得られた上記のＡｌＮ結晶を、ＡｌＮ種結晶９の（０００１）面と平行な面でスライスし、また多結晶化した外周部を取り除き、直径４２ｍｍ×厚さ１．５ｍｍのＡｌＮ結晶基板を得た。
【００４６】
（１−２）ＡｌＮ結晶表面基板の機械研削
図１（ａ）を参照して、上記ＡｌＮ結晶基板のＮ原子面側のＣ面をセラミックス製の結晶ホルダ１１にワックスで貼り付けた。研削機としては、インフィード型のものを用いた。砥石１２は、外径８０ｍｍ×幅５ｍｍのリング形状をした、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石を用いた。ＡｌＮ結晶１を結晶ホルダ１１に固定してその回転軸１１ｃを中心にして回転させるとともに、砥石１２を砥石台金１３に固定してその回転軸１２ｃを中心にして回転させながら、砥石１２をＡｌＮ結晶の表面に送り込むことによってＡｌＮ結晶の表面の機械研削を行なった。砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍの４種類のダイヤモンド砥石を準備し、機械研削の進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。本実施例においては、砥粒径が１５μｍ、５μｍの２種類のダイヤモンド砥石を、砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いた。砥粒径が１５μｍの砥石で研削した後のＡｌＮ結晶基板の表面には研削による傷と表面の破砕による深さ１００ｎｍ以上の穴が見られたが、砥粒径が５μｍの砥石で研削した後のＡｌＮ結晶基板の表面には研削による傷が低減し、表面の破砕による深さ１００ｎｍ以上の穴は見られなかった。また、砥粒径が３μｍまたは２μｍの砥石で研削した後のＡｌＮ結晶基板の表面には研削による傷および表面の破砕による深さ１００ｎｍ以上の穴はいずれも見られなかった。
【００４７】
この機械研削後のＡｌＮ結晶基板の断面からＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察した加工変質層１ａの厚さは、２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の１０μｍ角の範囲内におけるＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察した表面粗さＲyは３５ｎｍ、表面粗さＲaは３．３ｎｍであった。ここで、加工変質層とは、結晶表面の研削または研磨によって結晶の表面側領域に形成される結晶格子が乱れた層をいい、ＴＥＭ観察によりその層の存在およびその厚さを確認できる。
【００４８】
（１−３）ＡｌＮ結晶基板表面のエッチング
上記機械研削後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度のＫＯＨ水溶液に浸漬し、液温を５０℃に保持した後、このＡｌＮ結晶基板を取り出して、水洗いした。このエッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは４０ｎｍ、表面粗さＲaは４ｎｍであった。
【００４９】
（１−４）ＡｌＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記エッチング後のＡｌＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ＮＨ3ガスを１ｓｌｍ（標準状態のガスが１分間に１リットル流れる流量の単位をいう、以下同じ）流しながら１０００℃まで昇温した後、ＨＮ3ガスを０．５ｓｌｍ〜５ｓｌｍ流しながら１０００℃で１０分間保持することによって、ＡｌＮ結晶基板の熱処理を行なった。
【００５０】
その後、１０００℃で、流量が２ｓｌｍのＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、以下同じ）ガスを３０分間流すことにより、ＡｌＮ結晶基板上に、エピタキシャル層として厚さが１μｍのＡｌＮ層を形成した。
【００５１】
このエピタキシャル層の表面粗さＲyは１８ｎｍ、表面粗さＲaは２．０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５２】
（実施例２）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍの２種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００５３】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１２ｎｍ、表面粗さＲaは１．１ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１５ｎｍ、表面粗さＲaは１．４ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは７．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．７１ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５４】
（実施例３）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍの４種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、機械研削後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度の硝酸水溶液に浸漬し、液温を７５℃に保持したこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。結果を表１にまとめた。
【００５５】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは７．３ｎｍ、表面粗さＲaは０．８２ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは９．２ｎｍ、表面粗さＲaは１．１ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは４．３ｎｍ、表面粗さＲaは０．５０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５６】
（実施例４）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍの３種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、また、最終段階に用いたダイヤモンド砥石には砥粒径１μｍのＦｅ2Ｏ3が混合質量比は、ダイヤモンド：Ｆｅ2Ｏ3＝８０：２０）されていたこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００５７】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは８．５ｎｍ、表面粗さＲaは０．７３ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１０ｎｍ、表面粗さＲaは０．８８ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは５．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．４２ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５８】
（実施例５）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍの３種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、ＲＩＥによるドライエッチングを行なった以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。本実施例におけるドライエッチングは、平行平板式のＲＩＥ装置を用いてエッチングガスとしてＣｌ2ガスとＢＣｌ3ガスを使用した。Ｃｌ2ガス流量は２５ｓｃｃｍ（標準状態のガスが１分間に１ｃｍ3流れる流量の単位をいう、以下同じ）、ＢＣｌ3ガス流量は２５ｓｃｃｍ、圧力は２．６６Ｐａ、ＲＦパワーは２００Ｗであった。
【００５９】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは９．６ｎｍ、表面粗さＲaは０．９４ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１１ｎｍ、表面粗さＲaは１．２ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは６．７ｎｍ、表面粗さＲaは０．４５ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００６０】
（比較例１）
実施例１と同様にして機械研削をした後、エッチングを行なうことなく、ＡｌＮ結晶基板上に実施例１と同様にしてエピタキシャル層を形成した。機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは３５ｎｍ、表面粗さＲaは３．２ｎｍであった。また、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層は白濁し、その表面粗さＲyは１００ｎｍを超え、表面粗さＲaは１０ｎｍを超えていた。結果を表１にまとめた。
【００６１】
【表１】
【００６２】
表１より明らかなように、ＡｌＮ結晶を、その加工変質層の厚さが２０００ｎｍ以下になるように機械研削した後、その表面粗さＲyが４０ｎｍ以下および／またはその表面粗さＲaが４ｎｍ以下になるようにエッチングを行なうことにより、モフォロジーの良好なエピタキシャル層が得られた。特に、機械研削において、最終段階に用いられるダイヤモンド砥石の砥粒径を２μｍ、または砥粒径１μｍのＦｅ2Ｏ3砥粒が混合された砥粒径３μｍのダイヤモンド砥石を用いることによって、機械研削後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さが５００ｎｍとなった。なお、この場合には、１０００℃で５分間の熱処理により、平坦なエピタキシャル層の形成が可能となった。
【００６３】
（実施例６）
本実施例は、ＨＶＰＥ法で成長させたＡｌＮ結晶の表面を、機械研磨し、さらにエッチングすることにより処理する場合の実施例である。
【００６４】
（２−１）ＡｌＮ結晶の作製
ＡｌＮ種結晶（直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）のＡｌ原子面側のＣ面（（０００１）面）上に、ＨＶＰＥ法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させた。
【００６５】
図４を参照して、反応容器４１内のペディスタル４２上にＡｌＮ種結晶９を配置し、反応容器４１に、Ａｌ原料ガス導入口４１ａからＡｌ原料ガス７としてＡｌＣｌガスまたはＡｌＣｌ3ガスを、窒素原料ガス導入口４１ｂから窒素原料ガス８としてＮＨ3ガスを導入した。ＩＩＩ族元素原料ガスおよび窒素原料ガスのキャリアガスとしてＮ2ガスを用いた。ＡｌＣｌガスまたはＡｌＣｌ3ガスとＮＨ3ガスとの比（モル比）を１：１００、ＡｌＮ種結晶の温度を１０００℃として、ＡｌＮ結晶の成長速度が２０μｍ／ｈｒとなるように調整して、上記ＡｌＮ種結晶９上に厚さ５ｍｍのＡｌＮ結晶１を成長させた。
【００６６】
次に、得られた上記のＡｌＮ結晶を、ＡｌＮ種結晶９の（０００１）面と平行な面でスライスし、直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＡｌＮ結晶基板を得た。
【００６７】
（２−２）ＡｌＮ結晶表面基板の機械研磨
図１（ｂ）を参照して、ＡｌＮ結晶基板１のＮ原子面側のＣ面（（０００−１）面）をセラミックス製の結晶ホルダ１１にワックスで貼り付けた。ラップ装置（図示せず）に直径３００ｍｍの定盤１５を設置し、ダイヤモンドの砥粒１６が分散されたスラリーを定盤１５に供給しながら、定盤１５をその回転軸１５ｃを中心にして回転させるとともに、結晶ホルダ１１上に重り１４を載せることによりＡｌＮ結晶基板１を定盤１５に押し付けながら、ＡｌＮ結晶基板１を結晶ホルダ１１の回転軸１１ｃを中心にして回転させることにより、ＡｌＮ結晶の表面の機械研磨を行なった。ここで、定盤１５としては銅定盤または錫定盤を用いた。砥粒径が６μｍ、３μｍ、２μｍ、０．５μｍの４種類のダイヤモンド砥粒を準備し、機械研磨の進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。本実施例においては、砥粒径が６μｍの砥粒を用いた。研磨圧力は１００ｇ／ｃｍ2〜５００ｇ／ｃｍ2とし、ＡｌＮ結晶１および定盤１５の回転数はいずれも３０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍとした。
【００６８】
この機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層１ａの厚さは、２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは３４ｎｍ、表面粗さＲaは３．２ｎｍであった。
【００６９】
（２−３）ＡｌＮ結晶基板表面のエッチング
上記機械研磨後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度のＫＯＨ水溶液に浸漬し、液温を５０℃に保持した後、このＡｌＮ結晶基板を取り出して、水洗いした。このエッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは４０ｎｍ、表面粗さＲaは４．０ｎｍであった。
【００７０】
（２−４）ＡｌＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記エッチング後のＡｌＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ＮＨ3ガスを１ｓｌｍ流しながら１０００℃まで昇温した後、ＮＨ3ガスを０．５ｓｌｍ〜５ｓｌｍ流しながら１０００℃で１０分間保持することによって、ＡｌＮ結晶基板の熱処理を行なった。
【００７１】
その後、１０００℃で、流量が２ｓｌｍのＴＭＡガスを３０分間流すことにより、ＡｌＮ結晶基板上に、エピタキシャル層として厚さが１μｍのＡｌＮ層を形成した。このエピタキシャル層の表面粗さＲyは１９ｎｍ、表面粗さＲaは２．０ｎｍであった。結果を表２にまとめた。
【００７２】
（実施例７）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍの２種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７３】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１４ｎｍ、表面粗さＲaは１．３ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１８ｎｍ、表面粗さＲaは１．８ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは９．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．８９ｎｍであった。
【００７４】
（実施例８）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍ、２μｍの３種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、機械研磨後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度の硝酸水溶液に浸漬し、液温を７０℃に保持したこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７５】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは７．９ｎｍ、表面粗さＲaは０．８２ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１０ｎｍ、表面粗さＲaは１．１ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは５．５ｎｍ、表面粗さＲaは０．５１ｎｍであった。
【００７６】
（実施例９）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍの２種類のＳｉＣ砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、定盤１５に替えて不織布に樹脂を含浸させた研磨パッドを用いたこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７７】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは７．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．７４ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは９．４ｎｍ、表面粗さＲaは０．９６ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは４．８ｎｍ、表面粗さＲaは０．４６ｎｍであった。
【００７８】
（実施例１０）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍ、２μｍ、０．５μｍの４種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、機械研磨後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度の硝酸水溶液に浸漬し、液温を７０℃に保持したこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７９】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは２００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは４．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．４１ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは５．０ｎｍ、表面粗さＲaは０．５２ｎｍであった。エッチング後におけるＡｌＮ結晶基板の表面酸化層の厚さは２ｎｍであり、このＡｌＮ結晶基板表面におけるＡｌ原子とＮ原子の比率はそれぞれ５０原子％と５０原子％であった。ここで、表面酸下層の厚さおよびＡｌ原子とＮ原子との比率の評価は、ＸＰＳにより行なった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは２．９ｎｍ、表面粗さＲaは０．２８ｎｍであった。
【００８０】
（実施例１１）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍの２種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、ＲＩＥによるドライエッチングを行なった以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。本実施例におけるドライエッチングは、平行平板式のＲＩＥ装置を用いてエッチングガスとしてＣｌ2ガスとＢＣｌ3ガスを使用した。Ｃｌ2ガス流量は２５ｓｃｃｍ、ＢＣｌ3ガス流量は２５ｓｃｃｍ、圧力は２．６６Ｐａ、ＲＦパワーは２００Ｗであった。
【００８１】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１４ｎｍ、表面粗さＲaは１．３ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１６ｎｍ、表面粗さＲaは１．５ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは８．３ｎｍ、表面粗さＲaは０．７２ｎｍであった。
【００８２】
（比較例２）
実施例６と同様にして機械研磨をした後、エッチングを行なうことなく、ＡｌＮ結晶基板上に実施例６と同様にしてエピタキシャル層を形成した。機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは３４ｎｍ、表面粗さＲaは３．１ｎｍであった。また、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層は白濁し、その表面粗さＲyは１００ｎｍを超え、表面粗さＲaは１０ｎｍを超えていた。
【００８３】
【表２】
【００８４】
表２より明らかなように、ＡｌＮ結晶を、その加工変質層の厚さが２０００ｎｍ以下になるように機械研磨した後、その表面粗さＲyが４０ｎｍ以下および／またはその表面粗さＲaが４ｎｍ以下になるようにエッチングを行なうことにより、モフォロジーの良好なエピタキシャル層が得られた。特に、機械研磨において、最終段階に用いられるダイヤモンド砥粒の砥粒径を２μｍ以下、またはＳｉＣ砥の砥粒径を３μｍとすることによって、機械研磨後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さが５００ｎｍ以下となった。なお、この場合には、１０００℃で５分間の熱処理により、平坦なエピタキシャル層の形成が可能となった。
【００８５】
（実施例１２）
ＨＶＰＥ法によりＡｌＮ結晶を成長させる際に、ＳｉをＡｌＮ結晶にドーピングしてｎ型のＡｌＮ結晶を得た。得られたｎ型のＡｌＮ結晶を、実施例８と同様にして、機械研磨、エッチングを行い、ｎ型のＡｌＮ結晶基板を得た。
【００８６】
次に、図２を参照して、このｎ型のＡｌＮ結晶基板２１０の一方の主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型半導体層２２０としての厚さ１μｍのｎ型ＡｌＮ層２２１（ドーパント：Ｓｉ）および厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層２２２（ドーパント：Ｓｉ）、発光層２４０、ｐ型半導体層２３０としての厚さ５０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層２３１（ドーパント：Ｍｇ）および厚さ１５０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２３２（ドーパント：Ｍｇ）を順次形成して、半導体デバイスとしての発光素子を得た。ここで、発光層２４０は、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.70Ｉｎ0.05Ｎ層で形成される障壁層の６層と、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎ層で形成される井戸層の５層とが交互に積層された多重量子井戸構造とした。
【００８７】
次に、ｎ型のＡｌＮ結晶基板の他方の主面上に第１の電極２６１として、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ１０００ｎｍのＡｌ層、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ２０００ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、窒素雰囲気中で加熱することにより、ｎ側電極を形成した。一方、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２３２上に第２の電極２６２として、厚さ４ｎｍのＮｉ層、厚さ４ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、ｐ側電極を形成した。上記積層体をチップ化した後に、上記ｐ側電極をＡｕＳｎで形成されたはんだ層２７０で導電体２８２にボンディングした。さらに、上記ｎ側電極と導電体２８１とをワイヤ２９０でボンディングして、発光装置としての半導体デバイス４００を得た。
【００８８】
このようにして、ＡｌＮ結晶基板２１０側が発光面側であり、半導体層２５０の最外半導体層であるｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２３２側が導電体２８２への搭載面側である発光装置が得られる。また、分光器を用いてこの発光装置の発光スペクトルを測定したところ３３０ｎｍにピーク波長を有していた。
【００８９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＡｌＮ結晶の表面を機械研削する工程を示し、（ｂ）はＡｌＮ結晶の表面を機械研磨する工程を示し、（ｃ）はＡｌＮ結晶の表面をエッチングする工程を示す。
【図２】本発明にかかる一の半導体デバイスを示す断面模式図である。
【図３】本発明において、昇華法によりＡｌＮ結晶を成長させる昇華炉を示す模式図である。
【図４】本発明において、ＨＶＰＥ法によりＡｌＮ結晶を成長させるＨＶＰＥ装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１ ＡｌＮ結晶、１ａ 加工変質層、５ ＡｌＮ原料、７ Ａｌ原料ガス、８ 窒素原料ガス、９ ＡｌＮ種結晶、１１ 結晶ホルダ、１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ 回転軸、１２ 砥石、１３ 砥石台金、１４ 重り、１５ 定盤、１６ 砥粒、１７ エッチング、３０ 昇華炉、３１，４１ 反応容器、３１ａ Ｎ2ガス導入口、３１ｃ Ｎ2ガス排気口、３２ 坩堝、３３ 種結晶保護材、３４ 加熱体、３５ 高周波加熱コイル、３６ 放射温度計、４０ ＨＶＰＥ装置、４１ａ Ａｌ原料ガス導入口、４１ｂ 窒素原料ガス導入口、４２ ペディスタル、４５ ヒータ、２００ 半導体デバイス、２１０ ＡｌＮ結晶基板、２２０ ｎ型半導体層、２２１ ｎ型ＡｌＮ層、２２２ ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、２３０ ｐ型半導体層、２３１ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、２３２ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２４０ 発光層、２５０ 半導体層、２６１ 第１の電極、２６２ 第２の電極、２７０ はんだ層、２８１，２８２ 導電体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板などに用いられるＡｌＮ結晶の表面処理方法に関する。さらに、本発明は、ＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＮ結晶などのＩＩＩ族窒化物結晶は、発光素子、電子素子、半導体センサなどの半導体デバイスの基板を形成するための材料として非常に有用なものである。
【０００３】
従来は、ＡｌＮ結晶からＡｌＮ結晶基板を形成する方法として、ＡｌＮ結晶を所定の厚さにスライスした後、表面を研磨する方法が採られており、特に化学機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing；以下ＣＭＰという）が広く行なわれていた（たとえば、特許文献１〜３を参照）。
【０００４】
しかし、ＡｌＮ結晶は硬質で反応性に乏しいため、ＣＭＰによる研磨では、研磨速度が非常に低く、非効率的である。
【０００５】
一方、機械研削または機械研磨によりＡｌＮ結晶の表面を研磨すると、ＡｌＮ結晶の表面側領域に厚い加工変質層が形成され、その結晶表面上にエピタキシャル成長させたＩＩＩ族窒化物結晶層の表面は凹凸が大きくなり白濁してしまい、良質な半導体デバイスを形成することができない。
【特許文献１】米国特許第６５９６０７９号明細書
【特許文献２】米国特許第６４８８７６７号明細書
【特許文献３】国際公開第０３／０４３７８０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、半導体デバイスに用いることができるＡｌＮ結晶基板を効率的に得るため、効率よくＡｌＮ結晶にモフォロジーの良好な表面を形成するＡｌＮ結晶の表面処理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】
【０００７】
本発明は、ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、その表面をエッチングする工程とを含むＡｌＮ結晶の表面処理方法である。
【０００８】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いることができる。また、表面を機械研削または機械研磨する工程後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下とすることができる。
【０００９】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程をウェットエッチングにより行なうことができる。また、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲyを４０ｎｍ以下とすること、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲaを４ｎｍ以下とすることができる。
【００１０】
また、本発明は、上記のＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板である。さらに、本発明は、このＡｌＮ結晶基板を熱処理して得られたＡｌＮ結晶基板である。
【００１１】
本発明にかかるＡｌＮ結晶基板において、ＡｌＮ結晶基板の主面を、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行とすることができる。また、ＡｌＮ結晶基板の主面を、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下とすることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記のＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有するエピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板である。
【００１３】
また、本発明は、上記のＡｌＮ結晶基板を含む半導体デバイスである。さらに、本発明は、ＡｌＮ結晶基板における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層と、ＡｌＮ結晶基板の他方の主面に形成された第１の電極と、半導体層の最外半導体層上に形成された第２の電極とを含む発光素子と、前記発光素子を搭載する導電体とを備え、上記発光素子は、前記ＡｌＮ結晶基板側が発光面側であり、前記最外半導体層側が搭載面側であり、上記半導体層は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイスである。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように、本発明によれば、効率よくＡｌＮ結晶にモフォロジーの良好な表面を形成することができ、半導体デバイスに用いることができるＡｌＮ結晶基板を効率的に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法は、図１を参照して、ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、その表面をエッチングする工程とを含む。ＡｌＮ結晶表面のＣＭＰに替えて機械研削または機械研磨を行なうことにより、効率的にＡｌＮ結晶表面を平坦化することができる。さらに、このＡｌＮ結晶表面のエッチングを行なうことにより、機械研削または機械研磨によって形成された加工変質層および表面の傷もしくは凹凸を除去または低減することができる。
【００１６】
ここで、機械研削とは、図１（ａ）を参照して、たとえば、砥粒をボンドで固めた砥石１２を砥石台金１３に固定してその回転軸１３ｃを中心に回転させながら、結晶ホルダ１１に固定されその回転軸１１ｃを中心に回転しているＡｌＮ結晶１の表面に送り出すことにより、ＡｌＮ結晶１の表面を削り取りながら平滑化することをいう。また、機械研磨とは、図１（ｂ）を参照して、たとえば定盤１５をその回転軸１５ｃを中心に回転させながら、定盤１５上に砥粒１６を分散したスラリーを供給するとともに、ＡｌＮ結晶１を固定した結晶ホルダ１１上に重り１４を載せてその回転軸１１ｃを中心にして回転させながら、ＡｌＮ結晶１を上記定盤１５に押し当てることにより、ＡｌＮ結晶の表面を平滑化することをいう。機械研磨において、砥粒を分散したスラリーを用いることに替えて、図示はしないが、上記砥粒をボンドで固めた砥石をＡｌＮ結晶に回転させながら押し当てることにより、ＡｌＮ結晶の表面を研磨することも可能である。
【００１７】
ＡｌＮ結晶表面の機械研削または機械研磨において用いられる砥粒は、通常ＡｌＮより硬度の高い材質で形成される。ＡｌＮより硬度の高い材質としては、たとえば、ダイヤモンド、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3およびＺｒＯ2などから選ばれる１以上の材質が好ましく挙げられる。また、上記の砥粒とともに、ＳｉＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2、ＭｎＯ2、Ｆｅ3Ｏ4、Ｆｅ2Ｏ3、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｏＯ2、Ｃｕ2Ｏ、ＣｕＯ、ＳｎＯ2、ＧｅＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3などで形成される砥粒を併用することもできる。
【００１８】
なお、砥粒は、単一の金属元素を含む酸化物に限定されず、２種類以上の金属元素を含む酸化物（たとえば、フェライト、ペロブスカイト、スピネルまたはイルメナイトなどの構造を有するもの）であってもよい。また、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮなどの窒化物、ＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3などの炭酸化物、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉなどの金属、炭素（具体的には、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、Ｃ６０など）を用いることもできる。
【００１９】
また、ＡｌＮ結晶表面の機械研削または機械研磨において用いられる砥石は、上記砥粒をボンドで固めたものが好ましい。ボンドには、特に制限はなく、メタルボンド、ビトリファイドボンド、レジンボンドのいずれのボンドが用いられていてもよい。機械研削または機械研磨において砥粒の粒径が小さい砥石を用いる場合は、砥石をドレッシングすることにより砥石の目詰まりを抑制することができる。ドレッシングは、機械研削または機械研磨と交互に行なってもよいし、機械研削または機械研磨と同時に行なってもよい。砥石のドレッシング方法には、電圧を印加してボンドを溶出させる方法の他、超音波の印加、砥石加工により機械的にボンドを除去する方法などがある。
【００２０】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法におけるＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いることが好ましい。砥粒径を小さくするほど機械研削または機械研磨によってＡｌＮ結晶に形成される加工変質層を薄くすることができ、砥粒径を６μｍ以下とすることにより、加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下にすることが可能となる。かかる観点から、砥粒径を３μｍ以下とすることがより好ましい。
【００２１】
ここで、実際の機械研削または機械研磨においては、研削または研磨の進行とともに砥粒または砥石の砥粒径を段階的に小さくしていくのが能率的である。このように、機械研削または機械研磨において砥粒径が段階的に小さくなる場合には、ＡｌＮ結晶の最終的な表面状態は最終段階の砥粒径により決まることから、本願において砥粒または砥石の砥粒径とは、最終段階の機械研削または機械研磨において用いられた砥粒または砥石の砥粒径をいうものとする。
【００２２】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下とすることが好ましい。加工変質層の厚さを２０００ｎｍ以下とすることにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層（エピタキシャル成長によって形成された層をいう、以下同じ）を形成することが可能となる。
【００２３】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程には、特に制限なく、ウェットエッチングおよびドライエッチングのいずれをも用いることができるが、エッチングのコストおよび生産性の観点からはウェットエッチングの方が好ましい。
【００２４】
ウェットエッチングとは、液体である化学薬品を用いて、液相−固相界面における化学反応を利用して、固体であるＡｌＮ結晶の表面を溶解除去する方法の総称をいう。ウェットエッチングにおいては、エッチング剤として塩酸、硝酸、硫酸などの無機酸、蟻酸、酢酸、クエン酸、リンゴ酸、フタル酸、フマル酸などの有機酸、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＮＨ4ＯＨ、アミンなどの塩基を含む液体が好ましく用いられる。また、必要に応じてこれらの液体を混合して用いてもよい。さらに、これらの液体に、次亜塩素酸、ジクロロイソシアヌル酸、トリクロロイソシアヌル酸、過酸化水素酸、過マンガン酸カリウム、オゾンなどを添加してもよい。また、エッチングを促進させるために、上記エッチング剤の温度を上げること、超音波を印加することなどが有効である。
【００２５】
ドライエッチングとは、液体を用いずに、ガス、プラズマ、イオンまたは光などによる気相−固相界面における化学的または物理的反応を利用して、固体であるＡｌＮ結晶の表面を除去する方法の総称をいう。ドライエッチングとしては、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）−ＲＩＥ、ＣＡＩＢＥ（化学アシストイオンビームエッチング）、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）などが挙げられる。また、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法においてＡｌＮ結晶にエピタキシャル成長をさせる前に、ＨＣｌなどのガスを用いてエッチングすることも可能である。
【００２６】
本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲyを４０ｎｍ以下とすることが好ましい。本願において、表面粗さＲyとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積としてとして１０μｍ角（１００μｍ2）だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均面から最も高い山頂までの高さと最も低い谷底までの深さとの和をいう。表面粗さＲyを４０ｎｍ以下とすることにより、すなわち結晶表面の最も大きい凹凸差または最も深い傷が４０ｎｍ以下となるように平坦化することにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することが可能となる。かかる観点から、表面粗さＲyを１０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００２７】
また、本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲaを４ｎｍ以下とすることが好ましい。本願において、表面粗さＲaとは、粗さ曲面から、その平均面の方向に基準面積として１０μｍ角（１００μｍ2）だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均面から測定曲面までの偏差の絶対値を合計してそれを基準面積で平均した値をいう。表面粗さＲaを４ｎｍ以下とすることにより、すなわち結晶表面における凹凸差の平均値が４ｎｍ以下となるように平坦化することにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することが可能となる。かかる観点から、表面粗さＲaを１ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００２８】
また、本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法において、エッチング工程後におけるＡｌＮ結晶の表面酸化層の厚さは３ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、表面酸下層の厚さは、エリプソメトリー、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）またはＲＢＳ（ラザフォード後方散乱法）などにより評価することができる。ＡｌＮ結晶のエッチング工程後の表面酸化層を３ｎｍ以下にすることにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することができる。かかる観点から、上記表面酸化層の厚さは２ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２９】
また、上記エッチング工程後におけるＡｌＮ結晶表面の不純物の量については、原子番号が１９以上の元素の原子は１×１０12ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下、Ｏ（酸素）およびＣ（炭素）を除く原子番号が１から１８までの元素の原子は１×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2以下であることが好ましい。また、Ｏ原子およびＣ原子は、ＡｌＮ結晶表面に存在する全元素の原子に対して、それぞれ４０原子％以下であることが好ましい。ＡｌＮ結晶表面におけるＡｌ原子およびＮ原子は、ＡｌＮ結晶表面に存在するＡｌ原子およびＮ原子の和に対して、それぞれ４０原子％〜６０原子％であることが好ましい。ここで、原子番号が１９以上の元素の原子ならびにＯおよびＣを除く原子番号が１から１８までの元素の原子の量は、ＴＸＲＦ（全反射蛍光Ｘ線分析法）により評価することができる。Ｏ、Ｃ、ＡｌおよびＮの原子の量は、ＸＰＳ、ＡＥＳなどにより評価することができる。ＡｌＮ結晶表面を上記の化学組成とすることにより、ＡｌＮ結晶上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することができる。
【００３０】
本発明にかかるＡｌＮ結晶基板は、上記のＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板である。上記の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、この上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成することができる。本発明にかかるＡｌＮ結晶基板は、具体的には、各種方法により成長させたＡｌＮ結晶を、必要に応じて所定の面に平行にスライスした後、上記の方法により機械研削または機械研磨し、その表面を上記の方法によりエッチングすることによって得られる。
【００３１】
なお、上記ＡｌＮ結晶の成長方法には特に制限はないが、大きなバルク状のＡｌＮ結晶を効率的に成長させる観点から、昇華法またはＨＶＰＥ（ハライドまたはハイドライド気相エピタキシャル成長）法などの気相成長法が好ましく用いられる。
【００３２】
上記のようにして得られたＡｌＮ結晶基板をさらに熱処理することが好ましい。かかる熱処理により、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyおよび表面粗さＲaの値を低減することができる。この熱処理は、非酸化性雰囲気下、より好ましくは還元性雰囲気下（具体的には、Ｎ2ガス雰囲気下、ＮＨ3雰囲気下、Ｈ2雰囲気下など）で、９００℃〜１１００℃程度で行なうことが好ましい。
【００３３】
上記ＡｌＮ結晶基板の主面は、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行であることが好ましい。ここで、Ｃ面とは{０００１}面および{０００−１}面を、Ａ面とは{１１−２０}面およびその等価面を、Ｒ面とは{０１−１２}面およびその等価面を、Ｍ面とは{１０−１０}面およびその等価面を、Ｓ面とは{１０−１１}面およびその等価面を意味する。ＡｌＮ結晶基板の主面がウルツ鉱型構造における上記各面に平行または平行に近い状態とすることにより、ＡｌＮ結晶基板上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成しやすくなる。
【００３４】
また、上記ＡｌＮ結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下であることが好ましい。０．０５°以上のオフ角を設けることによりＡｌＮ結晶基板上に形成するエピタキシャル層の欠陥を低減することができる。しかし、オフ角が１５°を超えるとエピタキシャル層に階段状の段差ができやすくなる。かかる観点から、オフ角は、０．１°以上１０°以下であることがより好ましい。
【００３５】
本発明にかかるエピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板は、上記のＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有する。上記のＡｌＮ結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、この上にエピタキシャル成長させられたＩＩＩ族窒化物層は良好なモフォロジーを有する。ここで、ＩＩＩ族窒化物層には、特に制限がなく、たとえばＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）などが挙げられる。また、ＩＩＩ族窒化物層エピタキシャル成長をさせる方法にも、特に制限がなく、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法などが好ましく挙げられる。
【００３６】
本発明にかかる半導体デバイスは、上記のＡｌＮ結晶基板を含む。上記のＡｌＮ結晶基板は、加工変質層がないかまたはあっても薄く、表面が平坦化されているため、このＡｌＮ結晶基板上にモフォロジーの良好なエピタキシャル層を形成して品質のよい半導体デバイスを形成することができる。本発明にかかる半導体デバイスとしては、発光ダイオード、レーザダイオードなどの発光素子、整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）などの電子素子、温度センサ、圧力センサ、放射線センサ、可視−紫外光検出器などの半導体センサ、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device；表面弾性波素子）などが挙げられる。
【００３７】
また、本発明にかかる半導体デバイスは、図２を参照して、上記のＡｌＮ結晶基板２１０を含む半導体デバイス２００であって、ＡｌＮ結晶基板２１０における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層２５０と、ＡｌＮ結晶基板２１０の他方の主面に形成された第１の電極２６１と、半導体層２５０の最外半導体層上に形成された第２の電極２６２とを含む発光素子と、発光素子を搭載する導電体２８２とを備え、発光素子は、ＡｌＮ結晶基板２１０側が発光面側であり、最外半導体層側が搭載面側であり、半導体層２５０は、ｐ型半導体層２３０と、ｎ型半導体層２２０と、ｐ型半導体層２３０とｎ型半導体層２２０との間に形成される発光層２４０とを含む。上記構成を有することにより、ＡｌＮ結晶基板面側を発光面側とする半導体デバイスを形成することができる。
【００３８】
かかる半導体デバイスは、半導体層側が発光面側である半導体デバイスと比較して、発光層での発熱に対する放熱性に優れる。そのため、高電力で作動させても半導体デバイスの温度上昇が緩和され、高輝度の発光を得ることができる。また、サファイア基板などの絶縁性基板では、半導体層にｎ側電極およびｐ側電極の２種類の電極を形成する片面電極構造をとる必要があるが、本発明にかかる半導体デバイスは、半導体層とＡｌＮ結晶基板にそれぞれ電極を形成する両面電極構造をとることができ、半導体デバイスの主面の大部分を発光面とすることができる。さらに、半導体デバイスの実装の際に、ワイヤボンデイングが１回で足りるなど製造工程が簡略化できるなどの利点がある。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
本実施例は、昇華法で成長させたＡｌＮ結晶の表面を、機械研削し、さらにエッチングすることにより処理する場合の実施例である。
【００４０】
（１−１）ＡｌＮ結晶の作製
ＡｌＮ種結晶（直径５０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ）のＡｌ原子面側のＣ面（（０００１）面）上に、昇華法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させた。
【００４１】
図３を参照して、ＢＮ製の坩堝３２の下部にＡｌＮ粉末などのＡｌＮ原料５を収納し、内径４８ｍｍの坩堝３２の上部にＡｌＮ種結晶９を配置した。ＡｌＮ種結晶９は平坦に加工されており、このＡｌＮ種結晶９の裏面に種結晶保護材３３であるＢＮ材が密着するように配置して、ＡｌＮ種結晶９の裏面からのＡｌＮの昇華を防止した。
【００４２】
次に、反応容器３１内にＮ2ガスを流しながら、高周波加熱コイル３５を用いて加熱体３４を加熱することにより、坩堝３２内の温度を上昇させた。坩堝３２内の昇温中は、坩堝３２のＡｌＮ種結晶９側の温度をＡｌＮ原料５側の温度よりも高くして、昇温中にＡｌＮ種結晶９の表面をエッチングにより清浄するとともに、昇温中にＡｌＮ種結晶９および坩堝３２内部から放出された不純物を、坩堝３２に設けた排気口３２ｃを通じて除去した。
【００４３】
次に、坩堝３２のＡｌＮ種結晶９側の温度を２１００℃、ＡｌＮ原料５側の温度を２１５０℃にして、ＡｌＮ原料５からＡｌＮを昇華させて、坩堝３２の上部に配置されたＡｌＮ種結晶９上で、ＡｌＮを再度固化させてＡｌＮ結晶１を成長させた。ＡｌＮ結晶成長中も、反応容器３１内の坩堝３２の外側にＮ2ガスを流し続け、反応容器３１内の坩堝３２の外側のガス分圧が１０１．３ｈＰａ〜１０１３ｈＰａ程度になるように、Ｎ2ガス導入口３１ａにおけるＮ2ガス導入量とＮ2ガス排気口３１ｃにおけるＮ2ガス排気量とを制御した。上記の結晶成長条件で５０時間ＡｌＮ結晶を成長させた後、室温（２５℃）まで冷却して、ＡｌＮ結晶を得た。
【００４４】
得られたＡｌＮ結晶は、結晶の外周部において多結晶化が見られたが、結晶の中心から直径４２ｍｍの範囲内ではＸ線回折の半値幅は２００ａｒｃｓｅｃ以下であり、半導体デバイスの基板として使用可能なＡｌＮ単結晶であった。このＡｌＮ結晶の厚さは、厚い部分で７．５ｍｍ、薄い部分で４．５ｍｍであった。
【００４５】
次に、得られた上記のＡｌＮ結晶を、ＡｌＮ種結晶９の（０００１）面と平行な面でスライスし、また多結晶化した外周部を取り除き、直径４２ｍｍ×厚さ１．５ｍｍのＡｌＮ結晶基板を得た。
【００４６】
（１−２）ＡｌＮ結晶表面基板の機械研削
図１（ａ）を参照して、上記ＡｌＮ結晶基板のＮ原子面側のＣ面をセラミックス製の結晶ホルダ１１にワックスで貼り付けた。研削機としては、インフィード型のものを用いた。砥石１２は、外径８０ｍｍ×幅５ｍｍのリング形状をした、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石を用いた。ＡｌＮ結晶１を結晶ホルダ１１に固定してその回転軸１１ｃを中心にして回転させるとともに、砥石１２を砥石台金１３に固定してその回転軸１２ｃを中心にして回転させながら、砥石１２をＡｌＮ結晶の表面に送り込むことによってＡｌＮ結晶の表面の機械研削を行なった。砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍの４種類のダイヤモンド砥石を準備し、機械研削の進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。本実施例においては、砥粒径が１５μｍ、５μｍの２種類のダイヤモンド砥石を、砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いた。砥粒径が１５μｍの砥石で研削した後のＡｌＮ結晶基板の表面には研削による傷と表面の破砕による深さ１００ｎｍ以上の穴が見られたが、砥粒径が５μｍの砥石で研削した後のＡｌＮ結晶基板の表面には研削による傷が低減し、表面の破砕による深さ１００ｎｍ以上の穴は見られなかった。また、砥粒径が３μｍまたは２μｍの砥石で研削した後のＡｌＮ結晶基板の表面には研削による傷および表面の破砕による深さ１００ｎｍ以上の穴はいずれも見られなかった。
【００４７】
この機械研削後のＡｌＮ結晶基板の断面からＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により観察した加工変質層１ａの厚さは、２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の１０μｍ角の範囲内におけるＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察した表面粗さＲyは３５ｎｍ、表面粗さＲaは３．３ｎｍであった。ここで、加工変質層とは、結晶表面の研削または研磨によって結晶の表面側領域に形成される結晶格子が乱れた層をいい、ＴＥＭ観察によりその層の存在およびその厚さを確認できる。
【００４８】
（１−３）ＡｌＮ結晶基板表面のエッチング
上記機械研削後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度のＫＯＨ水溶液に浸漬し、液温を５０℃に保持した後、このＡｌＮ結晶基板を取り出して、水洗いした。このエッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは４０ｎｍ、表面粗さＲaは４ｎｍであった。
【００４９】
（１−４）ＡｌＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記エッチング後のＡｌＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ＮＨ3ガスを１ｓｌｍ（標準状態のガスが１分間に１リットル流れる流量の単位をいう、以下同じ）流しながら１０００℃まで昇温した後、ＨＮ3ガスを０．５ｓｌｍ〜５ｓｌｍ流しながら１０００℃で１０分間保持することによって、ＡｌＮ結晶基板の熱処理を行なった。
【００５０】
その後、１０００℃で、流量が２ｓｌｍのＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、以下同じ）ガスを３０分間流すことにより、ＡｌＮ結晶基板上に、エピタキシャル層として厚さが１μｍのＡｌＮ層を形成した。
【００５１】
このエピタキシャル層の表面粗さＲyは１８ｎｍ、表面粗さＲaは２．０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５２】
（実施例２）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍの２種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００５３】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１２ｎｍ、表面粗さＲaは１．１ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１５ｎｍ、表面粗さＲaは１．４ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは７．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．７１ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５４】
（実施例３）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍ、２μｍの４種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、機械研削後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度の硝酸水溶液に浸漬し、液温を７５℃に保持したこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。結果を表１にまとめた。
【００５５】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは７．３ｎｍ、表面粗さＲaは０．８２ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは９．２ｎｍ、表面粗さＲaは１．１ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは４．３ｎｍ、表面粗さＲaは０．５０ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５６】
（実施例４）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍの３種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、また、最終段階に用いたダイヤモンド砥石には砥粒径１μｍのＦｅ2Ｏ3が混合質量比は、ダイヤモンド：Ｆｅ2Ｏ3＝８０：２０）されていたこと以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００５７】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは８．５ｎｍ、表面粗さＲaは０．７３ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１０ｎｍ、表面粗さＲaは０．８８ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは５．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．４２ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００５８】
（実施例５）
機械研削において、砥粒径が１５μｍ、５μｍ、３μｍの３種類のダイヤモンド砥石を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、ＲＩＥによるドライエッチングを行なった以外は、実施例１と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研削およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。本実施例におけるドライエッチングは、平行平板式のＲＩＥ装置を用いてエッチングガスとしてＣｌ2ガスとＢＣｌ3ガスを使用した。Ｃｌ2ガス流量は２５ｓｃｃｍ（標準状態のガスが１分間に１ｃｍ3流れる流量の単位をいう、以下同じ）、ＢＣｌ3ガス流量は２５ｓｃｃｍ、圧力は２．６６Ｐａ、ＲＦパワーは２００Ｗであった。
【００５９】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは９．６ｎｍ、表面粗さＲaは０．９４ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１１ｎｍ、表面粗さＲaは１．２ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは６．７ｎｍ、表面粗さＲaは０．４５ｎｍであった。結果を表１にまとめた。
【００６０】
（比較例１）
実施例１と同様にして機械研削をした後、エッチングを行なうことなく、ＡｌＮ結晶基板上に実施例１と同様にしてエピタキシャル層を形成した。機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは３５ｎｍ、表面粗さＲaは３．２ｎｍであった。また、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層は白濁し、その表面粗さＲyは１００ｎｍを超え、表面粗さＲaは１０ｎｍを超えていた。結果を表１にまとめた。
【００６１】
【表１】
【００６２】
表１より明らかなように、ＡｌＮ結晶を、その加工変質層の厚さが２０００ｎｍ以下になるように機械研削した後、その表面粗さＲyが４０ｎｍ以下および／またはその表面粗さＲaが４ｎｍ以下になるようにエッチングを行なうことにより、モフォロジーの良好なエピタキシャル層が得られた。特に、機械研削において、最終段階に用いられるダイヤモンド砥石の砥粒径を２μｍ、または砥粒径１μｍのＦｅ2Ｏ3砥粒が混合された砥粒径３μｍのダイヤモンド砥石を用いることによって、機械研削後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さが５００ｎｍとなった。なお、この場合には、１０００℃で５分間の熱処理により、平坦なエピタキシャル層の形成が可能となった。
【００６３】
（実施例６）
本実施例は、ＨＶＰＥ法で成長させたＡｌＮ結晶の表面を、機械研磨し、さらにエッチングすることにより処理する場合の実施例である。
【００６４】
（２−１）ＡｌＮ結晶の作製
ＡｌＮ種結晶（直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）のＡｌ原子面側のＣ面（（０００１）面）上に、ＨＶＰＥ法により以下のようにしてＡｌＮ結晶を成長させた。
【００６５】
図４を参照して、反応容器４１内のペディスタル４２上にＡｌＮ種結晶９を配置し、反応容器４１に、Ａｌ原料ガス導入口４１ａからＡｌ原料ガス７としてＡｌＣｌガスまたはＡｌＣｌ3ガスを、窒素原料ガス導入口４１ｂから窒素原料ガス８としてＮＨ3ガスを導入した。ＩＩＩ族元素原料ガスおよび窒素原料ガスのキャリアガスとしてＮ2ガスを用いた。ＡｌＣｌガスまたはＡｌＣｌ3ガスとＮＨ3ガスとの比（モル比）を１：１００、ＡｌＮ種結晶の温度を１０００℃として、ＡｌＮ結晶の成長速度が２０μｍ／ｈｒとなるように調整して、上記ＡｌＮ種結晶９上に厚さ５ｍｍのＡｌＮ結晶１を成長させた。
【００６６】
次に、得られた上記のＡｌＮ結晶を、ＡｌＮ種結晶９の（０００１）面と平行な面でスライスし、直径５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＡｌＮ結晶基板を得た。
【００６７】
（２−２）ＡｌＮ結晶表面基板の機械研磨
図１（ｂ）を参照して、ＡｌＮ結晶基板１のＮ原子面側のＣ面（（０００−１）面）をセラミックス製の結晶ホルダ１１にワックスで貼り付けた。ラップ装置（図示せず）に直径３００ｍｍの定盤１５を設置し、ダイヤモンドの砥粒１６が分散されたスラリーを定盤１５に供給しながら、定盤１５をその回転軸１５ｃを中心にして回転させるとともに、結晶ホルダ１１上に重り１４を載せることによりＡｌＮ結晶基板１を定盤１５に押し付けながら、ＡｌＮ結晶基板１を結晶ホルダ１１の回転軸１１ｃを中心にして回転させることにより、ＡｌＮ結晶の表面の機械研磨を行なった。ここで、定盤１５としては銅定盤または錫定盤を用いた。砥粒径が６μｍ、３μｍ、２μｍ、０．５μｍの４種類のダイヤモンド砥粒を準備し、機械研磨の進行とともに、砥粒径を段階的に小さくしていった。本実施例においては、砥粒径が６μｍの砥粒を用いた。研磨圧力は１００ｇ／ｃｍ2〜５００ｇ／ｃｍ2とし、ＡｌＮ結晶１および定盤１５の回転数はいずれも３０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍとした。
【００６８】
この機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層１ａの厚さは、２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは３４ｎｍ、表面粗さＲaは３．２ｎｍであった。
【００６９】
（２−３）ＡｌＮ結晶基板表面のエッチング
上記機械研磨後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度のＫＯＨ水溶液に浸漬し、液温を５０℃に保持した後、このＡｌＮ結晶基板を取り出して、水洗いした。このエッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは４０ｎｍ、表面粗さＲaは４．０ｎｍであった。
【００７０】
（２−４）ＡｌＮ結晶基板上へのエピタキシャル層の形成
上記エッチング後のＡｌＮ結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ＮＨ3ガスを１ｓｌｍ流しながら１０００℃まで昇温した後、ＮＨ3ガスを０．５ｓｌｍ〜５ｓｌｍ流しながら１０００℃で１０分間保持することによって、ＡｌＮ結晶基板の熱処理を行なった。
【００７１】
その後、１０００℃で、流量が２ｓｌｍのＴＭＡガスを３０分間流すことにより、ＡｌＮ結晶基板上に、エピタキシャル層として厚さが１μｍのＡｌＮ層を形成した。このエピタキシャル層の表面粗さＲyは１９ｎｍ、表面粗さＲaは２．０ｎｍであった。結果を表２にまとめた。
【００７２】
（実施例７）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍの２種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７３】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１４ｎｍ、表面粗さＲaは１．３ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１８ｎｍ、表面粗さＲaは１．８ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは９．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．８９ｎｍであった。
【００７４】
（実施例８）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍ、２μｍの３種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、機械研磨後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度の硝酸水溶液に浸漬し、液温を７０℃に保持したこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７５】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは７．９ｎｍ、表面粗さＲaは０．８２ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１０ｎｍ、表面粗さＲaは１．１ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは５．５ｎｍ、表面粗さＲaは０．５１ｎｍであった。
【００７６】
（実施例９）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍの２種類のＳｉＣ砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、定盤１５に替えて不織布に樹脂を含浸させた研磨パッドを用いたこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７７】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは５００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは７．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．７４ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは９．４ｎｍ、表面粗さＲaは０．９６ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは４．８ｎｍ、表面粗さＲaは０．４６ｎｍであった。
【００７８】
（実施例１０）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍ、２μｍ、０．５μｍの４種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、機械研磨後のＡｌＮ結晶基板を、２規定濃度の硝酸水溶液に浸漬し、液温を７０℃に保持したこと以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。
【００７９】
機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは２００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは４．２ｎｍ、表面粗さＲaは０．４１ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは５．０ｎｍ、表面粗さＲaは０．５２ｎｍであった。エッチング後におけるＡｌＮ結晶基板の表面酸化層の厚さは２ｎｍであり、このＡｌＮ結晶基板表面におけるＡｌ原子とＮ原子の比率はそれぞれ５０原子％と５０原子％であった。ここで、表面酸下層の厚さおよびＡｌ原子とＮ原子との比率の評価は、ＸＰＳにより行なった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは２．９ｎｍ、表面粗さＲaは０．２８ｎｍであった。
【００８０】
（実施例１１）
機械研磨において、砥粒径が６μｍ、３μｍの２種類のダイヤモンド砥粒を砥粒径の粗いものから細かいものを段階的に用いたこと、エッチングにおいて、ＲＩＥによるドライエッチングを行なった以外は、実施例６と同様にして、ＡｌＮ結晶基板の表面の機械研磨およびエッチングを行なった後、そのＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル層を形成した。本実施例におけるドライエッチングは、平行平板式のＲＩＥ装置を用いてエッチングガスとしてＣｌ2ガスとＢＣｌ3ガスを使用した。Ｃｌ2ガス流量は２５ｓｃｃｍ、ＢＣｌ3ガス流量は２５ｓｃｃｍ、圧力は２．６６Ｐａ、ＲＦパワーは２００Ｗであった。
【００８１】
機械研削後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは８００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１４ｎｍ、表面粗さＲaは１．３ｎｍであった。また、エッチング後のＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは１６ｎｍ、表面粗さＲaは１．５ｎｍであった。さらに、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層の表面粗さＲyは８．３ｎｍ、表面粗さＲaは０．７２ｎｍであった。
【００８２】
（比較例２）
実施例６と同様にして機械研磨をした後、エッチングを行なうことなく、ＡｌＮ結晶基板上に実施例６と同様にしてエピタキシャル層を形成した。機械研磨後におけるＡｌＮ結晶基板の加工変質層の厚さは２０００ｎｍであり、ＡｌＮ結晶基板の表面粗さＲyは３４ｎｍ、表面粗さＲaは３．１ｎｍであった。また、ＡｌＮ結晶基板上に形成されたエピタキシャル層は白濁し、その表面粗さＲyは１００ｎｍを超え、表面粗さＲaは１０ｎｍを超えていた。
【００８３】
【表２】
【００８４】
表２より明らかなように、ＡｌＮ結晶を、その加工変質層の厚さが２０００ｎｍ以下になるように機械研磨した後、その表面粗さＲyが４０ｎｍ以下および／またはその表面粗さＲaが４ｎｍ以下になるようにエッチングを行なうことにより、モフォロジーの良好なエピタキシャル層が得られた。特に、機械研磨において、最終段階に用いられるダイヤモンド砥粒の砥粒径を２μｍ以下、またはＳｉＣ砥の砥粒径を３μｍとすることによって、機械研磨後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さが５００ｎｍ以下となった。なお、この場合には、１０００℃で５分間の熱処理により、平坦なエピタキシャル層の形成が可能となった。
【００８５】
（実施例１２）
ＨＶＰＥ法によりＡｌＮ結晶を成長させる際に、ＳｉをＡｌＮ結晶にドーピングしてｎ型のＡｌＮ結晶を得た。得られたｎ型のＡｌＮ結晶を、実施例８と同様にして、機械研磨、エッチングを行い、ｎ型のＡｌＮ結晶基板を得た。
【００８６】
次に、図２を参照して、このｎ型のＡｌＮ結晶基板２１０の一方の主面上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型半導体層２２０としての厚さ１μｍのｎ型ＡｌＮ層２２１（ドーパント：Ｓｉ）および厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層２２２（ドーパント：Ｓｉ）、発光層２４０、ｐ型半導体層２３０としての厚さ５０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層２３１（ドーパント：Ｍｇ）および厚さ１５０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２３２（ドーパント：Ｍｇ）を順次形成して、半導体デバイスとしての発光素子を得た。ここで、発光層２４０は、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.70Ｉｎ0.05Ｎ層で形成される障壁層の６層と、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎ層で形成される井戸層の５層とが交互に積層された多重量子井戸構造とした。
【００８７】
次に、ｎ型のＡｌＮ結晶基板の他方の主面上に第１の電極２６１として、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ１０００ｎｍのＡｌ層、厚さ２００ｎｍのＴｉ層、厚さ２０００ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、窒素雰囲気中で加熱することにより、ｎ側電極を形成した。一方、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２３２上に第２の電極２６２として、厚さ４ｎｍのＮｉ層、厚さ４ｎｍのＡｕ層から形成される積層構造を形成し、不活性ガス雰囲気中で加熱することにより、ｐ側電極を形成した。上記積層体をチップ化した後に、上記ｐ側電極をＡｕＳｎで形成されたはんだ層２７０で導電体２８２にボンディングした。さらに、上記ｎ側電極と導電体２８１とをワイヤ２９０でボンディングして、発光装置としての半導体デバイス４００を得た。
【００８８】
このようにして、ＡｌＮ結晶基板２１０側が発光面側であり、半導体層２５０の最外半導体層であるｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層２３２側が導電体２８２への搭載面側である発光装置が得られる。また、分光器を用いてこの発光装置の発光スペクトルを測定したところ３３０ｎｍにピーク波長を有していた。
【００８９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明にかかるＡｌＮ結晶の表面処理方法を示す断面模式図である。ここで、（ａ）はＡｌＮ結晶の表面を機械研削する工程を示し、（ｂ）はＡｌＮ結晶の表面を機械研磨する工程を示し、（ｃ）はＡｌＮ結晶の表面をエッチングする工程を示す。
【図２】本発明にかかる一の半導体デバイスを示す断面模式図である。
【図３】本発明において、昇華法によりＡｌＮ結晶を成長させる昇華炉を示す模式図である。
【図４】本発明において、ＨＶＰＥ法によりＡｌＮ結晶を成長させるＨＶＰＥ装置を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９１】
１ ＡｌＮ結晶、１ａ 加工変質層、５ ＡｌＮ原料、７ Ａｌ原料ガス、８ 窒素原料ガス、９ ＡｌＮ種結晶、１１ 結晶ホルダ、１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ 回転軸、１２ 砥石、１３ 砥石台金、１４ 重り、１５ 定盤、１６ 砥粒、１７ エッチング、３０ 昇華炉、３１，４１ 反応容器、３１ａ Ｎ2ガス導入口、３１ｃ Ｎ2ガス排気口、３２ 坩堝、３３ 種結晶保護材、３４ 加熱体、３５ 高周波加熱コイル、３６ 放射温度計、４０ ＨＶＰＥ装置、４１ａ Ａｌ原料ガス導入口、４１ｂ 窒素原料ガス導入口、４２ ペディスタル、４５ ヒータ、２００ 半導体デバイス、２１０ ＡｌＮ結晶基板、２２０ ｎ型半導体層、２２１ ｎ型ＡｌＮ層、２２２ ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、２３０ ｐ型半導体層、２３１ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、２３２ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２４０ 発光層、２５０ 半導体層、２６１ 第１の電極、２６２ 第２の電極、２７０ はんだ層、２８１，２８２ 導電体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、前記表面をエッチングする工程とを含むＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項２】
前記表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いる請求項１に記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項３】
前記表面を機械研削または機械研磨する工程後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さが２０００ｎｍ以下である請求項１または請求項２に記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項４】
前記表面をエッチングする工程をウェットエッチングにより行なう請求項１から請求項３のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項５】
前記表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲyが４０ｎｍ以下である請求項１から請求項４のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項６】
前記表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲaが４ｎｍ以下である請求項１から請求項５のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板。
【請求項８】
請求項７に記載のＡｌＮ結晶基板を熱処理して得られたＡｌＮ結晶基板。
【請求項９】
前記ＡｌＮ結晶基板の主面が、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行である請求項７または請求項８に記載のＡｌＮ結晶基板。
【請求項１０】
前記ＡｌＮ結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下である請求項７に記載のＡｌＮ結晶基板。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有するエピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板。
【請求項１２】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板を含む半導体デバイス。
【請求項１３】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板を含む半導体デバイスであって、
前記ＡｌＮ結晶基板における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層と、前記ＡｌＮ結晶基板の他方の主面に形成された第１の電極と、前記半導体層の最外半導体層上に形成された第２の電極とを含む発光素子と、前記発光素子を搭載する導電体とを備え、
前記発光素子は、前記ＡｌＮ結晶基板側が発光面側であり、前記最外半導体層側が搭載面側であり、
前記半導体層は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイス。
【請求項１】
ＡｌＮ結晶の表面を機械研削または機械研磨する工程と、前記表面をエッチングする工程とを含むＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項２】
前記表面を機械研削または機械研磨する工程において、砥粒径が６μｍ以下の砥粒または砥石を用いる請求項１に記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項３】
前記表面を機械研削または機械研磨する工程後におけるＡｌＮ結晶の加工変質層の厚さが２０００ｎｍ以下である請求項１または請求項２に記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項４】
前記表面をエッチングする工程をウェットエッチングにより行なう請求項１から請求項３のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項５】
前記表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲyが４０ｎｍ以下である請求項１から請求項４のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項６】
前記表面をエッチングする工程後のＡｌＮ結晶の表面粗さＲaが４ｎｍ以下である請求項１から請求項５のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のＡｌＮ結晶の表面処理方法により得られたＡｌＮ結晶基板。
【請求項８】
請求項７に記載のＡｌＮ結晶基板を熱処理して得られたＡｌＮ結晶基板。
【請求項９】
前記ＡｌＮ結晶基板の主面が、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面に平行である請求項７または請求項８に記載のＡｌＮ結晶基板。
【請求項１０】
前記ＡｌＮ結晶基板の主面と、ウルツ鉱型構造におけるＣ面、Ａ面、Ｒ面、Ｍ面およびＳ面のいずれかの面とのなす角であるオフ角が、０．０５°以上１５°以下である請求項７に記載のＡｌＮ結晶基板。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板上にエピタキシャル成長により形成された１層以上のＩＩＩ族窒化物層を有するエピタキシャル層付ＡｌＮ結晶基板。
【請求項１２】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板を含む半導体デバイス。
【請求項１３】
請求項７から請求項１０のいずれかに記載のＡｌＮ結晶基板を含む半導体デバイスであって、
前記ＡｌＮ結晶基板における一方の主面側にエピタキシャル成長された３層以上の半導体層と、前記ＡｌＮ結晶基板の他方の主面に形成された第１の電極と、前記半導体層の最外半導体層上に形成された第２の電極とを含む発光素子と、前記発光素子を搭載する導電体とを備え、
前記発光素子は、前記ＡｌＮ結晶基板側が発光面側であり、前記最外半導体層側が搭載面側であり、
前記半導体層は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に形成される発光層とを含む半導体デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−６００６９（Ｐ２００６−６００６９Ａ）
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４１２３２（Ｐ２００４−２４１２３２）
【出願日】平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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