JP2005347494A - 半導体装置を製造する方法、および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物基板上に良好な結晶品質のバッファ膜を形成する方法、および良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】ＧａＮ（０００１）基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０キロパスカルにして基板１のクリーニングを行う。その後、摂氏１０５０度の基板温度を摂氏１０５０度、炉内圧力を３０キロパスカルに保持したまま、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを導入して、厚さ1マイクロメートルの型ＧａＮバッフア層３を基板１に成長する。その後、一旦原料の供給を停止する。次いで、装置内の圧力を３０キロパスカルに保持したまま、摂氏１１００度の基板温度になるまで加熱する。温度が安定した後に、更に厚さ１マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層５を基板１上に成長する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置を製造する方法、および半導体装置に関する。

文献１（特開平１１−３３０６２２号公報）には、窒化物半導体装置が記載されている。この窒化物半導体素子では、ｎ型コンタクト層が、研磨面に形成されており、またｎ型不純物でドープされたｎ型窒化物半導体から成る。コンタクト層上には、カソード電極が形成される。このｎ型コンタクト層は、その上に電極を形成するための層として用いられ、またＧａＮ基板の研磨面のダメージを回復することができるので、発光素子では発光開始電圧を低下させて、発光効率に優れた素子を実現できる。窒化物半導体基板上に、ＧａＮバッファ層を摂氏１０５０度で形成する。このバッファ層は、単一のシリコンドープＧａＮ層であり、そのドーパント濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３である。

文献２（特開２０００−２２３７４３号公報）には、窒化物半導体発光素子が記載されている。窒化物系半導体発光素子は、ＧａＮからなる基板の上面に、窒化物半導体からなる発光層を形成してなる。基板の上面には、窒化物半導体から成るバッファ層が形成されており、バッファ層は、０．５マイクロメートルの厚さの単一のＧａＮ半導体層であり、またＧａＮ半導体層は１×１０^１８ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有している。

文献３（特開２００１−１４４３２６号公報）には、半導体発光素子が記載されている。ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＩｎＧａＮ量子井戸活性層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（または電子ブロック層）、およびｐ型ＧａＮコンタクト層が、ＧａＮ基板上に順次に形成される。バッファ層は、単一のｎ型ＧａＮ層であり、その厚さは２０ナノメートルである。ｎ型ＧａＮコンタクト層の厚さは４マイクロメートルである。

文献４（特開２００２−１９０６３５号公報）には、窒化物半導体レーザ素子が記載されている。半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板と六方晶窒化物半導体層との間に設けられたバッファ層を備える。バッファ層は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎを含む材料からなる。バッファ層の厚さは１０ナノメートル以上１０マイクロメートル以下である。このバッファ層は、第１の温度で窒化ガリウム基板上に成長される単一の半導体である。六方晶窒化物系半導体層は、第１の温度より高い第２の温度でバッファ層上に成長される。
特開平１１−３３０６２２号公報 特開２０００−２２３７４３号公報 特開２００１−１４４３２６号公報 特開２００２−１９０６３５号公報

文献１では、バッファ層の厚みが２マイクロメートルであり、厚い。成長時間が長く製造コストが上昇する。ドーパント（シリコン）濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３であり、この濃度は高い。この条件では、エピタキシャル層の表面が良好ではない。

文献２では、バッファ層の厚みが０．５マイクロメートル以上であり、厚い。成長時間が長く製造コストが上昇する。ドーパント（シリコン）濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３であり、この濃度は高い。この条件では、エピタキシャル層の表面が良好ではない。

文献３では、サファイア基板上と同様の低温成長のアモルファスバッファ層が用いられている。ｎ型コンタクト層の厚みが４マイクロメートルであり、この膜厚は厚い。成長時間が長いので、製造コストが上昇する。この条件では、エピタキシャル層の表面が良好でなない。

文献４では、結晶品質を上げるためには、２マイクロメートル以上のバッファ層膜厚が必要であり、バッファ層の層厚を２マイクロメートル未満の厚さでは、結晶品質が低下する。第１の温度が摂氏６００度であり、この温度は低い。この条件では、エピタキシャル層の表面が良好でなない。

そこで、本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、窒化物基板上に良好な結晶品質のバッファ膜を形成する方法、および良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置を提供することを目的としている。

本発明の一側面は、半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法に関する。この方法は、窒化物基板の主面上に窒化物半導体バッファ膜を形成する工程を備え、該工程は、（ａ）第１のガスを供給して第１の窒化物半導体バッファ層を窒化物基板の主面上に第１の圧力で形成する工程と、（ｂ）前記第１の窒化物半導体バッファ層を形成した後に、第２のガスを供給して第２の窒化物半導体バッファ層を前記窒化物基板上に第２の圧力で形成する工程とを含み、前記第２の圧力は前記第１の圧力より大きいことを特徴とする。

この方法によれば、低い圧力で窒化物半導体領域を成長する場合、横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板の主面が、薄い連続した窒化物半導体膜で覆われる。また、この窒化物半導体膜の表面は、良好な平坦性を有する。この窒化物半導体層上に窒化物半導体領域を高い圧力で成長する場合、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜が成長される。

本発明の方法では、前記第１の圧力は１キロパスカル以上であり、前記第１の圧力は５０キロパスカル以下であり、前記第２の圧力は１０キロパスカル以上であり、前記第２の圧力は２００キロパスカル以下であることができる。このような条件が好適である。

本発明の別の側面は、半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法に関する。この方法は、ガスの圧力を上昇させながら窒化物半導体バッファ領域を窒化物基板の主面上に形成する工程を備える。

この方法では、原料ガスの圧力を第１の圧力から第２の圧力に上昇させながら窒化物半導体バッファ膜が窒化物基板の主面上に形成されるので、低い圧力では、窒化物半導体の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板の主面が、薄い膜厚の連続した窒化物半導体層で覆われる。また、この窒化物半導体層の表面は、良好な平坦性を有する。圧力が高くなるにつれて、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜が成長される。

本発明の更なる別の側面は、半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法に関する。この方法は、窒化物基板の主面上に窒化物半導体バッファ膜を形成する工程を備え、該工程は、（ａ）第１の温度で第１の窒化物半導体バッファ層を窒化物基板の主面上に形成する工程と、（ｂ）前記第１の窒化物半導体バッファ層を形成した後に、第２の温度で第２の窒化物半導体バッファ層を前記窒化物基板上に形成する工程とを備え、前記第２の温度は前記第１の温度より高い。

この方法によれば、低い温度で窒化物半導体領域を成長する場合、横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板の主面が、薄い連続した窒化物半導体膜で覆われる。また、この窒化物半導体膜の表面は、良好な平坦性を有する。この窒化物半導体膜上に窒化物半導体領域を高い温度で成長する場合、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜が成長される。

本発明の方法では、前記第１の温度は摂氏９００度以上であり、前記第１の温度は摂氏１２００度以下であり、前記第２の温度は摂氏９００度以上であり、前記第２の温度は摂氏１２００度以下であるようにしてもよい。このような条件が好適である。

本発明に更なる別の側面は、半導体装置のための半導体膜を形成する方法に関する。この方法は、温度を上昇させながら窒化物半導体バッファ膜を窒化物基板の主面上に形成する工程を備える。

この方法によれば、第１の温度から第２の温度に温度を上昇させながら窒化物半導体バッファ領域が窒化物基板の主面上に形成されるので、低い温度では、窒化物半導体領域の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板の主面が、薄い連続した窒化物半導体膜で覆われる。また、この窒化物半導体膜の表面は、良好な平坦性を有する。温度が高くなるにつれて、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜が成長される。

本発明の方法では、成膜温度の下限は摂氏９００度以上であり、成膜温度の上限は摂氏１２００度以下である。このような条件が好適である。

本発明の方法では、前記窒化物半導体バッファ膜の膜厚は１０ナノメートル以上であり、前記膜厚は０．５マイクロメートル未満であることができる。

この方法によれば、０．５マイクロメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜であっても、基板の主面を連続的に覆うことができ、その膜の表面も平坦である。１０ナノメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜では、基板の主面を十分に連続的に覆うことができない。

本発明の方法では、前記窒化物基板は窒化ガリウム基板であり、前記窒化物半導体バッファ膜は窒化ガリウム膜であることができる。

本発明の更なる他の側面によれば、半導体装置は、（ａ）基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、（ｂ）前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層とを備えており、前記窒化物半導体バッファ層は、１０ナノメートル以上０．５マイクロメートル以下の厚さを有しており、前記窒化物半導体バッファ層は、前記基板の表面全体を覆う第１の成長層と、該第１の成長層上に設けられた第２の成長層とを有しており、前記第２の成長層は、前記発光層と前記第１の成長層との間に設けられており、前記第２の成長層の厚さは、前記第１の成長層の厚さ以上である。

この半導体装置によれば、窒化物半導体領域の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる条件で第１の成長層を形成して、連続的な窒化物半導体領域を用いて基板の表面を覆うことができる。また、上記条件とは異なる条件で第２の成長層を形成して、良好な結晶品質の窒化物半導体領域を成長できる。加えて、０．５マイクロメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜であっても、基板の主面を連続的に覆うことができ、その膜の表面も平坦である。１０ナノメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜では基板の主面を十分に連続的に覆うことができない。

本発明の更なる他の側面によれば、半導体装置は、（ａ）基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、（ｂ）前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層とを備えており、前記窒化物半導体バッファ層は、２０ナノメートル以上１０マイクロメートル以下の厚さを有しており、前記窒化物半導体バッファ層は、前記基板の表面全体を覆う第１の成長層と、該第１の成長層上に設けられた第２の成長層とを有しており、前記第２の成長層は、前記発光層と前記第１の成長層との間に設けられており、前記第２の成長層の厚さは、前記第１の成長層の厚さ以上である。

この半導体装置によれば、窒化物半導体領域の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる条件で第１の成長層を形成して、連続的な窒化物半導体領域を用いて基板の表面を覆うことができる。また、上記条件とは異なる条件で第２の成長層を形成して、良好な結晶品質の窒化物半導体領域を成長できる。更に、バッファ膜の厚さを１０マイクロメートル程度まで厚くできる。

本発明の更なる他の側面によれば、半導体装置は、（ａ）基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、（ｂ）前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層とを備えており、前記窒化物半導体バッファ層は、０．５マイクロメートル以上５マイクロメートル以下の厚さを有しており、前記窒化物半導体バッファ層は、前記基板の表面全体を覆う第１の成長層と、該第１の成長層上に設けられた第２の成長層とを有しており、前記第２の成長層のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、前記第２の成長層は、前記発光層と前記第１の成長層との間に設けられており、前記第２の成長層の厚さは、前記第１の成長層の厚さより厚い。

この半導体装置によれば、窒化物半導体領域の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる条件で第１の成長層を形成するので、連続的な窒化物半導体領域が基板の表面を覆うことができる。また、上記条件とは異なる条件で第２の成長層を形成して、良好な結晶品質の窒化物半導体領域を成長できる。加えて、１×１０^１７ｃｍ^−３以下のキャリア濃度であれば、窒化物半導体の結晶品質が更に良好にできる。

本発明に係る半導体装置では、前記第２の成長層の炭素濃度は、前記第１の成長層の炭素濃度より小さい。

この半導体装置によれば、横方向成長速度が速くするために、炭素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体膜が得られる。この窒化物半導体膜上に、炭素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。

本発明に係る半導体装置では、前記第２の成長層の酸素濃度は、前記第１の成長層の酸素濃度より小さい。

この半導体装置によれば、横方向成長速度が速くするために、酸素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体膜が得られる。この窒化物半導体膜上に、酸素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。

本発明の更なる他の側面によれば、半導体装置は、（ａ）基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、（ｂ）前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層とを備えており、前記窒化物半導体バッファ層の炭素濃度のプロファイルは、前記基板から前記発光層に向かう方向に単調に減少している。

この半導体装置によれば、横方向成長速度が速くするために、炭素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体領域が得られる。この窒化物半導体膜上に、炭素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。

本発明の更なる他の側面によれば、半導体装置は、（ａ）基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、（ｂ）前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層とを備えており、前記窒化物半導体バッファ層の酸素濃度のプロファイルは、前記基板から前記発光層に向かう方向に単調に減少している。

この半導体装置によれば、横方向成長速度が速くするために、酸素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体膜が得られる。この窒化物半導体膜上に、酸素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、窒化物基板上に良好な結晶品質のバッファ膜を形成する方法が提供される。また、本発明によれば、良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明に係る窒化物半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法、および良好な結晶品質のバッファ層を有する窒化物半導体装置に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）は、第１の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。図２（Ａ）は、成膜装置の炉内の圧力を示すグラフである。

まず、III族化合物導電性基板を準備する。III族化合物導電性基板は、例えば窒化ガリウム基板といった窒化物基板１であることができる。窒化物基板１にアンモニア（ＮＨ_３）を用いてクリーニングを行う。この前処理の温度は、例えば、摂氏１０５０度であることができる。次いで、窒化物基板１の主面１ａ上に窒化物半導体バッファ膜を形成する。

図１（Ａ）に示されるように、第１のガスＧ１を供給して第１の窒化物半導体バッファ層３を窒化物基板１の主面１ａ上に第１の圧力Ｐ１で形成する。本実施例では、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を形成する。窒化ガリウム膜は、例えばｎ導電型を有する。窒化ガリウム膜は、例えば、有機金属気相成長装置を用いて成長され、原料ガスとして、トリメチルガリウム、アンモニアおよびシランを用いる。成膜温度は、例えば、摂氏１０５０度である。成膜圧力は、１０キロパスカル（ｋＰａ）である。その膜厚は、例えば、約１マイクロメートルである。

窒化物半導体バッファ膜を形成する工程では、第１の圧力Ｐ１は１キロパスカル以上であれば、十分な縦方向成長速度が得られる。第１の圧力Ｐ１は５０キロパスカル以下であれば、十分な横方向成長速度が得られる。

この後に、原料ガスの供給量を減少する。好ましくは、原料ガスを供給を停止する。次いで、第１の窒化物半導体バッファ層３を形成した後に、第２のガスＧ２を供給して第２の窒化物半導体バッファ層５を窒化物基板１上に第２の圧力Ｐ２で形成する。第２の圧力Ｐ２は第１の圧力Ｐ１より大きい。本実施例では、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を形成する。窒化ガリウム膜は、例えばｎ導電型を有する。窒化ガリウム膜は、例えば、有機金属気相成長装置を用いて成長され、原料ガスとして、トリメチルガリウム、アンモニアおよびシランを用いる。成膜温度は、例えば、摂氏１０５０度である。成膜圧力は、３０キロパスカル（ｋＰａ）である。その膜厚は、例えば、約１マイクロメートルである。

図２（Ａ）では、横軸に沿って原料ガスの供給を示す波形が示されており、成膜Ｇｒｏｗｔｈ１、Ｇｒｏｗｔｈ２において原料ガスが供給されている。

この方法によれば、図２（Ａ）に示されるように、バッファ膜成膜工程では、２つの成膜Ｇｒｏｗｔｈ１、Ｇｒｏｗｔｈ２が行われる。第１の成膜Ｇｒｏｗｔｈ１に先立って、炉内圧力を例えば圧力Ｐ１に設定した後、原料ガスの供給を開始し、圧力Ｐ１の下で第１の成膜Ｇｒｏｗｔｈ１を行う。低い圧力で窒化物半導体領域を成長する場合、横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板１の主面１ａが、連続した窒化物半導体膜３で覆われる。また、この窒化物半導体膜３の表面は良好な平坦性を有する。３族原料ガスの供給を停止して、第１の成膜Ｇｒｏｗｔｈ１を終了した後、炉内圧力を圧力Ｐ２に上昇させる。その後、再び３族原料ガスの供給を開始し、圧力Ｐ２の下で第２の成膜Ｇｒｏｗｔｈ２を行う。３族原料ガスの供給を停止して、第２の成膜Ｇｒｏｗｔｈ２を終了する。窒化物半導体層３上に窒化物半導体領域５を高い圧力で成長する場合、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜５が成長される。この結果、バッファ膜では、基板とエピタキシャル層との界面に起因する結晶の乱れ、例えば点欠陥の数が少ない。

窒化物半導体バッファ膜を形成する工程では、第２の圧力Ｐ２は１０キロパスカル以上であれば、十分良好な結晶品質が得られる。第２の圧力Ｐ２は２００キロパスカル以下であれば、製造装置を簡単化できる。成膜圧力Ｐ１と成膜圧力Ｐ２との差は、１０キロパスカル以上であることが好ましい。

この後に、III族窒化物半導体層を含む活性領域７をIII族化合物導電性基板上に形成する。活性領域７は、ガリウム元素を含む窒化物半導体層を含んでおり、例えばＩｎＧａＮ半導体層を含むことができる。好適な実施例では、図１（Ｃ）に示されるように、活性領域７は、量子井戸構造を有することができる。この活性領域７は、井戸膜７ａおよびバリア膜７ｂを含むことができる。好適な実施例では、井戸膜７ａおよびバリア膜７ｂの各々は、ＩｎＧａＮ半導体膜であることができる。井戸膜７ａの厚さは、例えば３ナノメートル半導体膜であることができ、バリア膜７ｂは、例えば１５ナノメートル半導体膜であることができる。この量子井戸構造では、これらの井戸膜７ａおよびバリア膜７ｂが交互に３周期の繰り返して形成される。井戸膜７ａおよびバリア膜７ｂの成膜温度は、例えば摂氏８００度であることができる。

次いで、図１（Ｃ）に示されるように、活性領域７上に、クラッド膜９を形成する。クラッド膜９は、ｐ型導電性を示すIII−Ｖ化合物半導体から成り、例えばマグネシウムドーパントを含むＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ半導体膜であることができる。その成膜温度は、例えば摂氏１０００度であることができる。その膜厚は、例えば２０ナノメートルである。

この後に、図１（Ｃ）に示されるように、クラッド９膜上に、コンタクト膜１１を形成する。コンタクト膜１１は、ｐ型導電性を示すIII−Ｖ化合物半導体から成り、例えばマグネシウムドーパントを含むＩｎＧａＮ半導体またはＧａＮ半導体で形成することができる。また、コンタクト膜１１の半導体は、クラッド膜９の半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有している。成膜温度は、例えば摂氏１０００度であることができる。

この後に、アノード電極のための電極膜をコンタクト膜１１上に形成する。カソード電極のための電極膜を基板１の裏面上に形成する。

好適な実施例では、窒化物半導体バッファ膜の総膜厚は１０ナノメートル以上である。１０ナノメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜では、基板の主面を十分に連続的に覆うことができない。また、膜厚は０．５マイクロメートル未満であることが好ましい。０．５マイクロメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜によれば、基板の主面を連続的に覆うことができ、その膜の表面も平坦である。

上記の説明によれば、図１（Ｂ）に示されように、良好な平坦性を示す表面を有するエピタキシャル基板Ｅ１が提供される。エピタキシャル基板Ｅ１は、窒化物基板１と、窒化物基板１の主面１ａ上に設けられており第１のガスＧ１を供給して第１の圧力Ｐ１で形成された第１の窒化物半導体バッファ膜３と、第１の窒化物半導体バッファ膜３上に設けられており第２のガスＧ２を供給して第２の圧力Ｐ２（第２の圧力Ｐ２は第１の圧力Ｐ１より大きい）で形成された第２の窒化物半導体バッファ膜５とを備える。また、エピタキシャル基板Ｅ２は、エピタキシャル基板Ｅ１上に設けられた量子井戸構造の発光領域を更に備える。

本実施の形態の方法の変形例を説明する。この方法は、原料ガスの圧力を上昇させながら窒化物半導体バッファ領域を窒化物基板の主面上に形成する工程を備える。図２（Ｂ）は、成膜装置の炉内の圧力を示すグラフである。図２（Ｂ）では、横軸に沿って原料ガスの供給を示す波形が示されており、成膜Ｇｒｏｗｔｈ３において原料ガスが供給されている。

この方法では、炉内の圧力を第３の圧力Ｐ３から第４の圧力Ｐ４まで上昇させながら窒化物半導体バッファ膜が窒化物基板の主面上に形成される。図２（Ｂ）に示されるように、バッファ膜成膜工程では、成膜Ｇｒｏｗｔｈ３が行われる。成膜Ｇｒｏｗｔｈ３に先立って、炉内圧力を例えば圧力Ｐ３に設定した後、原料ガスの供給を開始し、圧力Ｐ３の下で第３の成膜Ｇｒｏｗｔｈ３が開始される。炉内の圧力が徐々に上昇され、成膜Ｇｒｏｗｔｈ３の終了時において、炉内の圧力が圧力Ｐ４になる。低い圧力では、第１の窒化物半導体膜の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板の主面が、薄い膜厚の連続した窒化物半導体膜で覆われると共に、この窒化物半導体膜の表面は良好な平坦性を有する。圧力が高くなるにつれて、良好な結晶品質を有する窒化物半導体領域が成長される。この結果、バッファ膜では、基板とエピタキシャル層との界面に起因する結晶の乱れ、例えば点欠陥の数が少ない。この方法では、成膜圧力Ｐ３の下限は、１キロパスカル以上であり、５０キロパスカル以下であり、成膜圧力Ｐ４の上限は１０キロパスカル以上であり、２００キロパスカル以下であることができる。変形例の方法によっても、良好な平坦性を示す表面を有するエピタキシャル基板が提供される。成膜圧力Ｐ３と成膜圧力Ｐ４との差は、１０キロパスカル以上であることが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化物基板上に良好な結晶品質のバッファ膜を形成する方法が提供される。

（第２の実施の形態）
図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、第２の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。

III族化合物導電性基板１を準備する。第１の実施の形態と同様に、アンモニア（ＮＨ_３）を用いて窒化物基板１のサーマルクリーニングを摂氏１０５０度で行う。次いで、窒化物基板１の主面１ａ上に窒化物半導体バッファ膜を形成する。

図３（Ａ）に示されるように、第３のガスＧ３を供給して第１の窒化物半導体バッファ層１３を窒化物基板１の主面１ａ上に第１の温度Ｔ１で形成する。本実施例では、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を形成する。窒化ガリウム膜は、例えばｎ導電型を有する。窒化ガリウム膜は、例えば、有機金属気相成長装置を用いて成長され、原料ガスとして、トリメチルガリウム、アンモニアおよびシランを用いる。成膜温度は、例えば、摂氏１０５０度である。成膜圧力は、３０キロパスカル（ｋＰａ）である。その膜厚は、例えば、約１マイクロメートルである。

窒化物半導体バッファ膜を形成する工程では、第１の温度Ｔ１は摂氏９００度以上であれば十分良好な結晶品質が得られる。第１の温度Ｔ１は摂氏１２００度以下であれば十分良好な表面平坦性が得られる。成膜温度Ｔ１と成膜温度Ｔ２との差は、１０度以上であることが好ましい。

次いで、第１の窒化物半導体バッファ層１３を形成した後に、第４のガスＧ４を供給して第２の窒化物半導体バッファ層１５を窒化物基板１上に第２の温度Ｔ２で形成する。第２の温度Ｔ２は第１の温度Ｔ１より大きい。本実施例では、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を形成する。窒化ガリウム膜は、例えばｎ導電型を有する。窒化ガリウム膜は、例えば、有機金属気相成長装置を用いて成長され、原料ガスとして、トリメチルガリウム、アンモニアおよびシランを用いる。成膜温度は、例えば摂氏１１００度である。成膜圧力は、例えば３０キロパスカル（ｋＰａ）である。その膜厚は、例えば約１マイクロメートルである。

図４（Ａ）は、基板温度を示すグラフである。図４（Ａ）では、横軸に沿って原料ガスの供給を示す波形が示されており、成膜Ｇｒｏｗｔｈ４、Ｇｒｏｗｔｈ５において原料ガスが供給されている。

この方法によれば、図４（Ａ）に示されるように、バッファ膜成膜工程では、２つの成膜Ｇｒｏｗｔｈ４、Ｇｒｏｗｔｈ５が行われる。第１の成膜Ｇｒｏｗｔｈ４に先立って、基板温度は、例えば温度Ｔ１に設定されている。第１の成膜Ｇｒｏｗｔｈ４において、原料ガスを供給して成膜を基板温度Ｔ１で行う。低い基板温度で窒化物半導体領域１３を成長する場合、窒化物半導体層の３次元成長が抑制される。故に、窒化物基板１の主面１ａが、薄い連続した窒化物半導体膜１３で覆われる。また、この窒化物半導体膜１３の表面は、良好な平坦性を有する。第１の成膜Ｇｒｏｗｔｈ４の後に、基板温度が温度Ｔ２に変更される。第２の成膜Ｇｒｏｗｔｈ５において、原料ガスが基板温度Ｔ２で供給される。第２の成膜Ｇｒｏｗｔｈ５の後に、温度が温度Ｔ２０に変更される。窒化物半導体膜１３上に窒化物半導体領域１５を高い温度で成長する場合、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜が成長される。これらの成膜の結果、バッファ膜には、基板とエピタキシャル層との界面に起因する結晶の乱れ、例えば点欠陥の数が少ない。

窒化物半導体バッファ膜を形成する工程では、第２の温度Ｔ２は摂氏９００度以上であれば十分良好な結晶品質が得られる。第２の温度Ｔ２は摂氏１１００度以下であれば十分良好な表面平坦性が得られる。

この後に、図３（Ｃ）に示されるように、活性領域７、クラッド膜９、コンタクト膜１１を形成する。この後に、アノード電極のための電極膜をコンタクト膜１１上に形成する。カソード電極のための電極膜を基板の裏面１上に形成する。

上記の説明によれば、図３（Ｂ）に示されように、良好な平坦性を示す表面を有するエピタキシャル基板Ｅ３が提供される。エピタキシャル基板Ｅ３は、窒化物基板１と、窒化物基板１の主面１ａ上に設けられており第３のガスＧ３を供給して第１の温度Ｔ１で形成された第１の窒化物半導体バッファ膜１３と、第１の窒化物半導体バッファ膜３上に設けられており第４のガスＧ４を供給して第２の温度Ｔ２（第２の温度Ｔ２は第１の温度Ｔ１より大きい）で形成された第２の窒化物半導体バッファ膜２５とを備える。また、エピタキシャル基板Ｅ４は、エピタキシャル基板Ｅ３上に設けられた量子井戸構造の発光領域を更に備える。

以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化物基板上に良好な結晶品質のバッファ膜を形成する方法が提供される。

本実施の形態の方法の変形例を説明する。この方法は、成膜温度を温度Ｔ３から温度Ｔ４まで上昇させながら窒化物半導体バッファ膜を窒化物基板の主面上に形成する工程を備える。この方法によれば、図４（Ｂ）に示されるように温度が変更される。図４（Ｂ）では、横軸に沿って原料ガスの供給を示す波形が示されており、成膜Ｇｒｏｗｔｈ６において原料ガスが供給されている。

バッファ膜成膜工程では、図４（Ｂ）に示されるように、成膜Ｇｒｏｗｔｈ６ｘが行われる。成膜Ｇｒｏｗｔｈ６に先立って、例えば温度Ｔ３０に設定されている。成膜Ｇｒｏｗｔｈ６の開始時において、原料ガスが供給される。成膜Ｇｒｏｗｔｈ６は、基板温度Ｔ３で開始される。成膜中に、基板温度が徐々に上昇され、成膜Ｇｒｏｗｔｈ６の終了時の基板温度は、温度が連続的に変更されて温度Ｔ４になる。成膜Ｇｒｏｗｔｈ６の後、基板温度は、例えば温度Ｔ４０にされる。温度を上昇させながら窒化物半導体バッファ領域が窒化物基板の主面上に形成されるので、低い温度では、窒化物半導体領域の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる。故に、窒化物基板の主面が、薄い連続した窒化物半導体膜で覆われる。また、この窒化物半導体膜の表面は、良好な平坦性を有する。温度が高くなるにつれて、良好な結晶品質を有する窒化物半導体膜が成長される。この結果、バッファ膜には、基板とエピタキシャル層との界面に起因する結晶の乱れ、例えば点欠陥の数が少ない。この方法では、成膜温度Ｔ３の下限は、摂氏９００度以上であり、摂氏１２００度以下であり、成膜温度Ｔ４の上限は、摂氏９５０度以上であり、摂氏１２００度以下であることができる。変形例の方法によっても、良好な平坦性を示す表面を有するエピタキシャル基板が提供される。成膜温度Ｔ３と成膜温度Ｔ４との差は１０度以上であることが好ましい。

窒化物半導体バッファ膜の総膜厚は１０ナノメートル以上であることが好ましい。１０ナノメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜では、基板の主面を十分に連続的に覆うことができない。また、膜厚は０．５マイクロメートル未満であることが好ましい。０．５マイクロメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜によれば、基板の主面を連続的に覆うことができ、その膜の表面も平坦である。

変形例の方法によっても、良好な平坦性を示す表面を有するエピタキシャル基板が提供される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化物基板上に良好な結晶品質のバッファ膜を形成する方法が提供される。

引き続いて、バッファ膜の結晶成長のメカニズムを説明する。

ＧａＮ半導体の横方向の成長速度が速い条件でバッファ膜の全体を成長する場合、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）に示される模式図に従ってＧａＮ基板上にバッファ膜が成長される。図５（Ａ）に示されるように、ＧａＮ基板上に三次元成長核Ｎ１が生成される。これらの成長核Ｎ１は、図５（Ｂ）に示されるように、横方向に成長していく。ＧａＮ半導体の横方向の成長速度Ｒ_Ｌ１が、ＧａＮ半導体の縦方向の成長速度Ｒ_Ｖ１に比べて速いので、図５（Ｃ）に示されるように、ＧａＮ基板の表面を覆うＧａＮ半導体層Ｌａｙｅｒ０が形成される。ある程度、ＧａＮ基板の表面に沿ってＧａＮ半導体層が成長されると、このＧａＮ半導体層上に次の三次元成長核Ｎ２が形成される。このように、半導体層の成長が繰り返される。したがって、図６に示されるように、結果として成長されるバッファ膜の表面モフォロジはあまり良好でなく、試作した発光ダイオードの光出力も小さい。

ＧａＮ半導体の横方向の成長速度が遅い条件でバッファ膜の全体を成長する場合、図７（Ａ）、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示される模式図に従ってＧａＮ基板上にバッファ膜が成長される。図７（Ａ）に示されるように、ＧａＮ基板上に三次元成長核Ｎ３が生成される。これらの成長核Ｎ３は、図７（Ｂ）に示されるように、縦方向に成長していく。ＧａＮ半導体の縦方向の成長速度Ｒ_Ｖ２が、ＧａＮ半導体の横方向の成長速度Ｒ_Ｈ２に比べて速いので、図７（Ｃ）に示されるように、ＧａＮ基板の表面を覆うよりは、個々の結晶核が縦方向に成長していく。ある程度、成長核が成長すると、それぞれの成長核が部分的につながる。しかしながら、成長核は主に縦方向に成長しながら、バッファ膜が厚くなっていく。したがって、図８に示されるように、結果として成長されるバッファ膜の表面モフォロジはあまり良好でなく、試作した発光ダイオードの光出力も小さい。

第１および第２の実施の形態で説明された方法でバッファ膜を成長する場合、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）および図９（Ｄ）に示される模式図に従ってＧａＮ基板上にバッファ膜が成長される。図９（Ａ）に示されるように、ＧａＮ基板上に三次元成長核Ｎ４が生成される。これらの成長核Ｎ４は、図９（Ｂ）に示されるように、横方向に成長していく。ＧａＮ半導体の横方向の成長速度Ｒ_Ｌ１が、ＧａＮ半導体の縦方向の成長速度Ｒ_Ｖ１に比べて速いので、図９（Ｃ）に示されるように、ＧａＮ基板の表面を覆うＧａＮ半導体層Ｌａｙｅｒ１が形成される。図９（Ｄ）に示されるように、半導体層Ｌａｙｅｒ１上に縦方向に成長していく。ＧａＮ半導体の縦方向の成長速度が、ＧａＮ半導体の横方向の成長速度に比べて速いので、半導体層Ｌａｙｅｒ２の表面全体にわたって縦方向に成長していく。ＧａＮ半導体層Ｌａｙｅｒ２は主に縦方向に成長しながら、バッファ膜が厚くなっていく。したがって、図１０に示されるように、結果として成長されるバッファ膜の表面モフォロジは良好になり、試作した発光ダイオードの光出力も大きい。

（第３の実施の形態）
図１１（Ａ）は、第３の実施の形態に係る窒化物半導体装置を示す図面である。半導体装置２１は、発光層２３と、窒化物半導体バッファ層２５とを備える。発光層２３は、基板２７上に設けられており、また窒化物半導体からなる。窒化物半導体バッファ層２５は、発光層２３と基板２７との間に設けられている。窒化物半導体バッファ層２５は、１０ナノメートル以上０．５マイクロメートル以下の厚さを有している。窒化物半導体バッファ層２５は、基板２７の表面２７ａの全体を覆う第１の成長層２９と、第１の成長層２９上に設けられた第２の成長層３１とを有する。第２の成長層３１は、発光層２３と基板２７との間に設けられている。第２の成長層３１の厚さは第１の成長層２９の厚さ以上である。

この窒化物半導体装置２１によれば、窒化物半導体バッファ層２５は、第１および第２の成長層２９、３１を有している。これ故に、窒化物半導体領域の横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる条件で第１の成長層２９を形成して、連続的な窒化物半導体領域を用いて基板２７の表面２７ａを覆うことができる。また、上記条件とは異なる条件で第２の成長層３１を形成して、良好な結晶品質の窒化物半導体領域を成長できる。このバッファ膜によれば、膜厚が０．５マイクロメートル未満の窒化物半導体膜を用いて、基板とエピタキシャル層との界面に起因する結晶の乱れ、例えば点欠陥等の少ない良好な結晶品質のバッファ膜で基板の主面を連続的に覆うことができる共にその膜の表面も平坦である。１０ナノメートル未満の膜厚の窒化物半導体バッファ膜では基板の主面を十分に連続的に覆うことができない。

窒化物半導体素子２１は、発光層２３上に設けられたクラッド層３３と、このクラッド層３３上に設けられたコンタクト層３５とを備えている。コンタクト層３５上には、電極３７が設けられている。基板２７の裏面２７ｂには、電極３９が設けられている。

一実施例の窒化物半導体装置を示せば、
バッファ層：ＧａＮ層、
第１の成長層２９：ＧａＮ層
（横方向の成長速度が縦方向の成長速度に比べて大きくなる条件で成長）
第２の成長層３１：ＧａＮ層
（縦方向の成長速度が横方向の成長速度に比べて大きくなる条件で成長）
基板２７：ＧａＮ基板
発光領域（井戸／バリア）２３：ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ
クラッド層３３：ｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層
コンタクト層３５：ｐ型ＧａＮ層
である。

好適な実施例では、第１の成長層２９の厚さは、１００ナノメートル以上２５０ナノメートル以下である。第２の成長層３１の厚さは、２５０ナノメートル以上０．４マイクロメートル以下である。

図１１（Ｂ）に示されるように、第２の成長層３１の炭素濃度は、第１の成長層２９の炭素濃度より小さい。発明者らの実験によれば、横方向成長速度が速くするために、炭素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体膜が得られる。この窒化物半導体膜上に、炭素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。第１の成長層の炭素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２の成長層の炭素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１４／ｃｍ^３以上１×１０^１７／ｃｍ^３以下である。

また、図１１（Ｃ）に示されるように、第２の成長層３１の酸素濃度は、第１の成長層２９の酸素濃度より小さい。発明者らの実験によれば、酸素を比較的に多く含む窒化物半導体の結晶成長では、３次元成長が抑制されるので、薄い連続な窒化物半導体膜が得られる。酸素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を該窒化物半導体膜上に設けることによって３次元成長が促進され、この窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。第１の成長層の酸素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２の成長層の酸素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１４／ｃｍ^３以上１×１０^１７／ｃｍ^３以下である。

以上説明したように、良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供される。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態の窒化物半導体装置によれば、窒化物半導体バッファ層２５の厚さは、２０ナノメートル以上であることが好ましい。基板２９の表面全体を覆う第１の成長層２９と該第１の成長層２９上に設けられた第２の成長層３１とを用いることによって、窒化物半導体バッファ層を薄くできる。また、第２の成長層３１は、半導体結晶を主に縦方向に成長させる条件で形成できるので、１０マイクロメートル程度のバッファ層を形成できる。

以上説明したように、良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供される。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態の窒化物半導体装置によれば、第２の成長層のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であることができる。窒化物半導体バッファ層２５の厚さは、０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。窒化物半導体バッファ層２５の厚さは、５マイクロメートル以下であることが好ましい。この範囲であれば、非常に良好な半導体結晶を得ることができる。この程度の膜厚およびキャリア濃度であれば、このバッファ層に起因する抵抗は、窒化物半導体において許容可能である。

以上説明したように、良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供される。

（第６の実施の形態）
図１２（Ａ）は、第６の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。図１２（Ｂ）は、窒化物半導体素子のバッファ層の炭素プロファイルを示す図面である。

窒化物半導体装置４１ａは、発光層２３と、窒化物半導体バッファ層４５ａとを備える。窒化物半導体バッファ層４５ａの炭素濃度のプロファイルは、基板２７から発光層２３に向かう方向に単調に減少している。この窒化物半導体装置４１ａによれば、横方向成長速度が速くするために、炭素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体領域が得られる。この窒化物半導体膜上に、炭素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。第１の成長層の炭素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２の成長層の炭素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１４／ｃｍ^３以上１×１０^１７／ｃｍ^３以下である。

以上説明したように、良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供される。

（第７の実施の形態）
図１２（Ｃ）は、第７の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。図１２（Ｄ）は、窒化物半導体素子のバッファ層の炭素プロファイルを示す図面である。

窒化物半導体装置４１ｂは、発光層２３と、窒化物半導体バッファ層４５ｂとを備える。窒化物半導体バッファ層４５ｂの酸素濃度のプロファイルは、基板２７から発光層２３に向かう方向に単調に減少している。この窒化物半導体装置４１ｂによれば、横方向成長速度が速くするために、酸素を比較的に多く含む窒化物半導体を用いることが好適であり、薄い連続な窒化物半導体領域が得られる。この窒化物半導体膜上に、酸素を比較的に少なく含む窒化物半導体層を設けることによって、該窒化物半導体層の結晶品質は良好になる。第１の成長層の酸素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２の成長層の酸素濃度の範囲は、例えば、１×１０^１４／ｃｍ^３以上１×１０^１７／ｃｍ^３以下である。

以上説明したように、良好な結晶品質のバッファ層を有する半導体装置が提供される。

引き続いて、いくつかの実施例を説明する。以下の通り有機金属気相成長装置により青色発光ダイオード構造を作製した。原料にはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。

（実施例１）
ＧａＮ（０００１）基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０キロパスカルにして、装置内にアンモニア（ＮＨ_３）と水素（Ｈ_２）を導入する。摂氏１０５０度の基板温度で１０分間クリーニングを行う。その後、摂氏１０５０度の基板温度で炉内圧力を３０キロパスカルに保持したまま、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを導入して、厚さ１マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッフア層を成長する。その後、一旦原料の供給を停止する。次いで、装置内の圧力を３０キロパスカルに保持したまま、摂氏１１００度の基板温度になるまで加熱する。温度が安定した後に、更に厚さ１マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。次に、基板温度を摂氏８００度に下げて、３ナノメートルのＩｎＧａＮ井戸層および１５ナノメートルのＩｎＧａＮ障壁層を順に成長して、３周期の多重量子井戸構造領域の発光層を成長する。その後、再び基板温度を摂氏１０００度に上昇して、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、厚さ２０ナノメートルのＭｇドープＡｌ_０．１２ＧａＮ_０．８８Ｎ層を成長する。この後、トリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入して厚さ５０ナノメートルのｐ型ＧａＮ層を成長する。エピタキシャル膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、良好な表面平坦性を示している。こうして成長した発光ダイオードのベアチップに連続電流印加を行うと、この青色発光ダイオードは、電流値２０ミリアンペアおよび波長４５０ナノメートルで３ミリワットの光出力を示している。

（実施例２）
ＧａＮ（０００１）基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０キロパスカルにしながら、装置内にアンモニア（ＮＨ_３）と水素（Ｈ_２）を導入する。摂氏１０５０度の基板温度で１０分間クリーニングを行う。その後、基板温度を摂氏１０５０度に保持したまま、炉内圧力を１０キロパスカルに下げ、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを導入して、厚さ１マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。その後、一旦原料の供給を停止する。次いで、摂氏１０５０度の基板温度を保持したまま、装置内の圧力を３０キロパスカルに上昇した後に、厚さ１マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。続いて、第１の実施例と同様に、発光層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層を成長する。エピタキシャル膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、良好な表面平坦性を示している。こうして成長した発光ダイオードのベアチップに連続電流印加を行うと、この青色発光ダイオードは、電流値２０ミリアンペアおよび波長４５０ナノメートルで３ミリワットの光出力を示している。

（実施例３）
ＧａＮ（０００１）基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０キロパスカルにしながら、装置内にアンモニア（ＮＨ_３）と水素（Ｈ_２）を導入する。摂氏１０５０度の基板温度で１０分間クリーニングを行う。その後、基板温度を摂氏１０５０度に保持したまま、炉内圧力を１０キロパスカルに下げ、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを導入して、厚さ０．４マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。続いて、第１の実施例と同様に、発光層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層を成長する。エピタキシャル膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、良好な表面平坦性を示している。こうして成長した発光ダイオードのベアチップに連続電流印加を行うと、この青色発光ダイオードは、電流値２０ミリアンペアおよび波長４５０ナノメートルで２ミリワットの光出力を示している。

（比較例１）
ＧａＮ（０００１）基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０キロパスカルにしながら、装置内にアンモニア（ＮＨ_３）と水素（Ｈ_２）を導入する。摂氏１０５０度の基板温度で１０分間クリーニングを行う。その後、炉内圧力を３０キロパスカルに保持したまま、基板温度を摂氏１１００度に上昇して、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを導入して、厚さ２マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。続いて、第１の実施例と同様に、発光層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層を成長する。エピタキシャル膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、一辺１００マイクロメートル程度の六角丘状の多数の欠陥が観測される。こうして成長した発光ダイオードのベアチップに連続電流印加を行うと、この青色発光ダイオードは、電流値２０ミリアンペアおよび波長４５０ナノメートルで１ミリワットの光出力を示している。

（比較例２）
ＧａＮ（０００１）基板をサセプタ上に配置し、炉内圧力を３０キロパスカルにしながら、装置内にアンモニア（ＮＨ_３）と水素（Ｈ_２）を導入する。摂氏１０５０度の基板温度で１０分間クリーニングを行う。その後、基板温度を摂氏１０５０度および炉内圧力を３０キロパスカルに保持し、トリメチルガリウム、アンモニア、シランを導入して、厚さ０．４マイクロメートルのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。続いて、第１の実施例と同様に、発光層、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層を成長する。エピタキシャル膜の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、エピタキシャル膜は不連続であり、多数の穴が観測される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、成膜装置の炉内の圧力および成膜中の温度は、本実施の形態に記載された特定の変化に限定されることない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）は、第１の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。 図２（Ａ）は、成膜装置の炉内の圧力を示すグラフである。図２（Ｂ）は、成膜装置の炉内の圧力を示すグラフである。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、第２の実施の形態に係る窒化物半導体素子を形成する方法の工程を示す図面である。 図４（Ａ）は、成膜のための温度を示すグラフである。図４（Ｂ）は、成膜のための温度を示すグラフである。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は、ＧａＮ基板上にバッファ膜が成長するメカニズムを示す図面である。 図６は、表面モフォロジを示す図面である。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）は、ＧａＮ基板上にバッファ膜が成長するメカニズムを示す図面である。 図８は、表面モフォロジを示す図面である。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）および図９（Ｄ）は、２ステップの結晶成長を示す模式図である。 図１０は、表面モフォロジを示す図面である。 図１１（Ａ）は、第３の実施の形態に係る窒化物半導体装置を示す図面である。図１１（Ｂ）は、窒化物半導体素子のバッファ層の炭素プロファイルを示す図面である。図１１（Ｃ）は、窒化物半導体素子のバッファ層の酸素プロファイルを示す図面である。 図１２（Ａ）は、第６の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。図１２（Ｂ）は、窒化物半導体素子のバッファ層の炭素プロファイルを示す図面である。図１２（Ｃ）は、第７の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。図１２（Ｄ）は、窒化物半導体素子のバッファ層の酸素プロファイルを示す図面である。

符号の説明

１…窒化物基板、Ｇ１〜Ｇ４…成膜のためのガス、３、１３…第１の窒化物半導体バッファ層、５、１５…第２の窒化物半導体バッファ層、７…活性領域、９…クラッド膜、１１…コンタクト膜、Ｐ１〜Ｐ４…成膜装置の炉内の圧力、Ｔ１〜Ｔ４…温度、Ｅ１〜Ｅ４…エピタキシャル基板、２１、４１ａ、４１ｂ…半導体装置、２３…発光層、２５、４５ａ、４５ｂ…窒化物半導体バッファ層、２９…第１の成長層、３１…第２の成長層、３３…クラッド層、３５…コンタクト層、３７、３９…電極

Claims (15)

1. 半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法であって、
   窒化物基板の主面上に窒化物半導体バッファ膜を形成する工程を備え、
   該工程は、
   第１のガスを供給して第１の窒化物半導体バッファ層を窒化物基板の主面上に第１の圧力で形成する工程と、
   前記第１の窒化物半導体バッファ層を形成した後に、第２のガスを供給して第２の窒化物半導体バッファ層を前記窒化物基板上に第２の圧力で形成する工程と
   を含み、
   前記第２の圧力は前記第１の圧力より大きい、ことを特徴とする方法。
2. 前記第１の圧力は１キロパスカル以上であり、
   前記第１の圧力は５０キロパスカル以下であり、
   前記第２の圧力は１０キロパスカル以上であり、
   前記第２の圧力は２００キロパスカル以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法であって、
   ガスの圧力を上昇させながら窒化物半導体バッファ領域を窒化物基板の主面上に形成する工程を備える、ことを特徴とする方法。
4. 半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法であって、
   窒化物基板の主面上に窒化物半導体バッファ膜を形成する工程を備え、
   該工程は、
   第１の温度で第１の窒化物半導体バッファ層を前記窒化物基板の主面上に形成する工程と、
   前記第１の窒化物半導体バッファ層を形成した後に、第２の温度で第２の窒化物半導体バッファ層を前記窒化物基板上に形成する工程と
   を備え、
   前記第２の温度は前記第１の温度より高い、ことを特徴とする方法。
5. 前記第１の温度は摂氏９００度以上であり、
   前記第１の温度は摂氏１２００度以下であり、
   前記第２の温度は摂氏９００度以上であり、
   前記第２の温度は摂氏１２００度以下である、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
6. 半導体装置のためのバッファ膜を形成する方法であって、
   温度を上昇させながら窒化物半導体バッファ膜を窒化物基板の主面上に形成する工程を備える、ことを特徴とする方法。
7. 前記窒化物半導体バッファ膜の膜厚は、１０ナノメートル以上であり、
   前記膜厚は、０．５マイクロメートル未満である、ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された方法。
8. 前記窒化物基板は窒化ガリウム基板であり、
   前記窒化物半導体バッファ膜は窒化ガリウム膜である、ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載された方法。
9. 基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、
   前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層と
   を備えており、
   前記窒化物半導体バッファ層は、１０ナノメートル以上０．５マイクロメートル以下の厚さを有しており、
   前記窒化物半導体バッファ層は、前記基板の表面全体を覆う第１の成長層と、該第１の成長層上に設けられた第２の成長層とを有しており、
   前記第２の成長層は、前記発光層と前記第１の成長層との間に設けられており、
   前記第２の成長層の厚さは、前記第１の成長層の厚さ以上である、ことを特徴とする半導体装置。
10. 基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、
    前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層と
    を備えており、
    前記窒化物半導体バッファ層は、２０ナノメートル以上１０マイクロメートル以下の厚さを有しており、
    前記窒化物半導体バッファ層は、前記基板の表面全体を覆う第１の成長層と、該第１の成長層上に設けられた第２の成長層とを有しており、
    前記第２の成長層は、前記発光層と前記第１の成長層との間に設けられており、
    前記第２の成長層の厚さは前記第１の成長層の厚さ以上である、ことを特徴とする半導体装置。
11. 基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、
    前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層と
    を備えており、
    前記窒化物半導体バッファ層は、０．５マイクロメートル以上５マイクロメートル以下の厚さを有しており、
    前記窒化物半導体バッファ層は、前記基板の表面全体を覆う第１の成長層と、該第１の成長層上に設けられた第２の成長層とを有しており、
    前記第２の成長層のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
    前記第２の成長層は、前記発光層と前記第１の成長層との間に設けられており、
    前記第２の成長層の厚さは、前記第１の成長層の厚さより厚い、ことを特徴とする半導体装置。
12. 前記第２の成長層の炭素濃度は、前記第１の成長層の炭素濃度より小さい、ことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載された半導体装置。
13. 前記第２の成長層の酸素濃度は、前記第１の成長層の酸素濃度より小さい、ことを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載された半導体装置。
14. 基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、
    前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層と
    を備えており、
    前記窒化物半導体バッファ層の炭素濃度のプロファイルは、前記基板から前記発光層に向かう方向に単調に減少している、ことを特徴とする半導体装置。
15. 基板上に設けられており窒化物半導体からなる発光層と、
    前記発光層と前記基板との間に設けられた窒化物半導体バッファ層と
    を備えており、
    前記窒化物半導体バッファ層の酸素濃度のプロファイルは、前記基板から前記発光層に向かう方向に単調に減少している、ことを特徴とする半導体装置。

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