JP2006351640A - Ｉｉｉ族窒化物半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】基板表面のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層におけるクラックの発生を低減させることができるIII族窒化物半導体基板を提供する。
【解決手段】III族窒化物半導体基板１は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層１１と、この第一層１１上に形成される第二層１２と、第二層１２上に形成され、組成ｂが一定のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層１３とを備える。第二層１２は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有している。組成ａ、ｂ、ｘはａ<ｘ<ｂなる関係が成立している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体基板に関する。

近年、III族窒化物半導体基板は、青色ＬＥＤ、短波長ＬＤ、紫外光ＬＥＤ、白色ＬＥＤ等に使用されており、その市場は拡大傾向にある。
III族窒化物半導体基板としては、従来から、ＧａＮ基板が使用されている。しかしながら、このＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層を含む素子構造を形成した場合には、ＧａＮ基板の格子定数と、ＡｌＧａＮ層の格子定数との差により、ＡｌＧａＮ層に歪みが生じることがある。たとえば、ＧａＮ基板上にレーザ構造体を形成する場合、クラッド層としてＡｌの組成の高いＡｌＧａＮ層を使用することがある。Ａｌの組成の高いＡｌＧａＮ層をクラッド層とすることで、光閉じこめ効果を向上させることができるからである。
この場合には、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ基板との格子定数の差が大きくなり、ＡｌＧａＮ層に大きな歪みが生じる可能性が高い。
そのため、従来のＧａＮ基板にかえて、Ａｌを含んだＡｌＧａＮ基板を使用することが望まれている。

ここで、従来の典型的なＡｌＧａＮ基板の製造方法について、図７を使って説明する。有機金属気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって、サファイア基板２０上に１μｍ程度のＧａＮバッファ層２１を成長させ、その上に０．１〜２μｍ程度のＡｌＧａＮ層２２を直接、成長させる（特許文献１参照）。ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成は、０．３〜０．５の範囲であり、ＡｌＧａＮ層２２におけるＡｌＮ組成は、一定である。
特開２００３−１９２４９６号公報

しかしながら、本発明者らが、従来の方法により、ＡｌＧａＮ基板を作成した結果、以下の課題があることが明らかとなった。
ＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層は２μｍ以上の厚さになると表面にアレイ状のクラックが高密度に発生することがわかった。また、ＡｌＮ組成が０．１を超えた場合にも、アレイ状のクラックが発生しやすいことがわかった。このようなクラックの多いＡｌＧａＮ層を有する基板上に、レーザ構造体等を形成した場合には、良好なデバイス特性は得られないと考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板表面のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層におけるクラックの発生を低減させることができるIII族窒化物半導体基板を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、従来のＡｌＧａＮ基板のＡｌＧａＮ層におけるアレイ状のクラックの発生には、ＧａＮバッファ層とＡｌＧａＮ層との熱膨張係数の違い、格子定数の違いが大きく影響していると推測した。
ＧａＮバッファ層と、ＡｌＧａＮ層との熱膨張係数の違いによって、引っ張り応力が生じる。この引っ張り応力が、ＡｌＧａＮ層でのアレイ状のクラックの発生に大きく影響していると考えられる。
また、ＧａＮバッファ層と、ＡｌＧａＮ層との格子定数の違いにより、ＡｌＧａＮ層に大きな歪みが生じると考えられ、この歪みがアレイ状のクラックの発生に大きく影響していると考えられる。
本発明は、このような知見推測に基づくものである。

本発明によれば、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層と、この第一層上に形成される第二層と、前記第二層上に形成され、組成ｂが一定のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層と、を備え、前記第二層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層に接する表面の組成ｘが、第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有し、前記組成ａ、ｂ、ｘにおいてａ<ｘ<ｂとなる関係が成立していることを特徴とするIII族窒化物半導体基板が提供される。

ここで、本発明の第二層では、第三層に接する表面の組成ｘが、第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなっていればよい。すなわち、本発明の第二層では、組成ｘの値が第一層側から、第三層側に向かって単純増加する組成分布であってもよく、また、組成ｘが第一層側から、第三層側に向かって増加した後、一旦減少し、再度増加するといった組成分布になっていてもよい。

さらに、本発明では、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成される第一層は、低温成長したバッファ層であってもよく、III族窒化物半導体基板の下地基板であってもよい。
また、本発明では、第一層の組成ａは一定であるとしているが、ここでいう一定とは、組成ａに対し、±１０％の変動を含む概念でり、±１０％の範囲内の変動があっても、一定であるとみなされる。同様に第三層において、組成ｂが一定であるとは、組成ｂに対し、±１０％の変動を含む概念である。

本発明では、第一層と、第三層との間に、第二層を設けている。この第二層は、組成ｘが層厚方向に変化するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）により、構成されるため、第一層と、第三層との間の熱膨張係数の差を緩和することができる。これにより、第三層に加わる引っ張り応力を低減させることができ、第三層でのアレイ状のクラックの発生を低減させることができる。

これに加え、第二層は、組成ｘが層厚方向に変化するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成されるため、第一層と、第三層との間の格子定数の差も緩和することができる。格子定数の差に基づく歪みが第三層で発生しにくくなるため、第三層でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減させることができる。

本発明によれば、基板表面のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）層におけるアレイ状のクラックの発生を低減させることができるIII族窒化物半導体基板が提供される。

本発明では、第二層は、組成ｘが第一層から第三層に向かって増加する組成分布を有してもよい。
なかでも、第二層は、組成ｘが２段階以上にわたって階段状に増加する組成分布を有することが好ましい。

本発明では、第二層により第一層および第三層間の熱膨張係数の差、格子定数の差を緩和するとともに、さらに、第二層中で発生する欠陥により、第三層でのクラックの発生を低減させることができる。
すなわち、第二層内では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）の組成ｘが層厚方向に変化しているため、ミスフィット転位によりある程度の欠陥が生じる可能性がある。特に、組成ｘが階段状に増加する組成分布とすれば、第二層において、組成ｘが急激に変化する組成不連続面を形成することができ、組成不連続面において、欠陥を生じさせることが可能となる。
第一層〜第三層の熱膨張係数の違い、格子定数の違いにより、ストレスが第二層に加わると、第二層の前記欠陥により、組成不連続面に多数のクラックが発生する。この第二層のクラックの存在により、第三層に加わる引っ張り応力が低減されることとなり、第三層表面でのアレイ状のクラックの発生をさらに、低減させることが可能となる。

また、本発明では、前記第一層はＧａＮにより構成されていてもよく、また、第三層はＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．1≦ｂ≦１）により構成されていてもよい。

さらに、本発明では、前記第二層の前記第三層と接する表面における組成ｘは、前記第三層の組成ｂの３０％以上の値であることが好ましい。
このように、前記第二層の前記第三層と接する表面における組成ｘを、前記第三層の組成ｂの３０％以上の値とすることで、第二層と、第三層との間に生じる格子定数の差および熱膨張係数の差を小さくすることができる。

本発明では、第二層は、３μｍ以上であることが好ましい。
第二層の層厚を３μｍ以上とすることで、第三層表面でのアレイ状のクラックを確実に減少させることができる。
また、前記第三層の層厚は、３μｍを超えることが好ましい。
第三層の層厚を、３μｍを超えるものとすることで、第二層のクラックが、第三層表面にまで伝播してしまうことを防止できる。さらに、第三層と、第二層との界面でミスフィット転位が生じてしまったとしても、第三層の層厚を３μｍを超えるものとしておけば、第三層表面まで達するミスフィット転位に起因する欠陥を低減することができる。
さらに、本発明では、前記第二層には、クラックが形成されていることが好ましい。
前述したように、第二層のクラックの存在により、第三層に加わる引っ張り応力を低減させることができ、第三層表面でのアレイ状のクラックの発生をさらに、低減させることが可能となる。
さらに、本発明のIII族窒化物半導体基板は、第一層が形成される下地基板を有するものであってもよい。下地基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかにより構成されることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１には、本実施形態のIII族窒化物半導体基板１の断面図が示されている。
III族窒化物半導体基板１は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層１１と、この第一層１１上に形成される第二層１２と、第二層１２上に形成され、組成ｂが一定のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層１３とを備える。
第二層１２は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有している。組成ａ、ｂ、ｘはａ<ｘ<ｂなる関係が成立している。

以下に、III族窒化物半導体基板１の構成について、より詳細に説明する。
第一層１１は、下地基板１０上にＧａＮバッファ層Ｂを介して形成されたものである。
下地基板１０としては、単結晶基板が好ましく、例えば、サファイア基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、ガリウムリン（ＧａＰ）基板である。

なかでも、下地基板１０としてサファイア基板を使用することが好ましい。サファイア基板は、安価で、品質がよいからである。また、サファイア基板上には、良質の窒化物エピタキシャル層（第一層１１〜第三層１３）を形成することができるという点からもサファイア基板を使用することが好ましい。このようなサファイア基板上に、第一層１１等を形成する際には、サファイア基板の（０００１）ｃ面、（１１−２０）ａ面、或いは（１０−１０）ｍ面で、オフアングルが０〜１０°である面が選択される。なかでも、（０００１）ｃ面で、オフアングルが０．１〜１°である面が、より好ましい。
また、下地基板１０としては、ＧａＮ基板を使用してもよい。

第一層１１は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成されており、組成ａは、一定である。この第一層１１は、エピタキシャル成長により形成される。
ここで、第一層１１としては、ａ＝０のＧａＮにより構成される層であることが好ましい。ＧａＮ層は、その初期成長が安定であるからである。また、一般に下地基板１０として、表面に０．０１〜１０μｍのＧａＮ層を成長させた基板が使用されることが多いため、第一層１１をＧａＮにより構成される層とすることが好ましい。

この第一層１１の層厚は０．０１〜１００μｍである。なかでも、１μｍ以上であることが好ましい。エピタキシャル成長では、１μｍ以上成長させると、結晶性が向上するからである。また、第一層１１は、２０μｍ以下であることが好ましい。第一層１１を２０μｍを超えるものとすると、コストかかるうえ、第一層１１に割れが発生する可能性があるからである。

第二層１２は、エピタキシャル成長した層であり、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成される。この第二層１２では、アレイ状のクラックが発生している。
第二層１２は、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有する。
本実施形態では、第二層１２の組成ｘは、第一層１１から第三層１３に向かい５段階にわたって階段状に増加している。すなわち、本実施形態では、第二層１２は、５層構成（層１２１〜１２５）となっている。例えば、各層１２１〜１２５の組成ｘが第一層１１側から第三層１３側に向かい、０．１ずつ増加するような構成を採用することができる。第一層１１側の層１２１をＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、層１２２をＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ、層１２３をＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ、層１２４をＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ、層１２５をＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎとすることができる。
なお、第三層１３に接する層１２５の組成ｘは、第三層１３のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）の組成ｂの３０％以上の値であることが好ましい。

ここで、組成ｘを階段状に増加させるためには、第二層１２を形成する際に、Ａｌ原料ガス供給量とＧａ原料ガス供給量との比を変化させればよい。
また、第二層１２の組成ｘを階段状に増加させる場合には、第二層１２が多層構成となるが、第二層１２は、２層以上、３０層以下であることが好ましい。結晶の品質、コストを考慮すると、２層以上、１５層以下であることがより好ましい。
また、第二層１２を構成する各層の厚みは０．２〜５０μｍであることが好ましい。
さらに、第二層１２全体の層厚は、２〜１００μｍであることが好ましいが、３〜５０μｍであることがより好ましく、なかでも、３〜２５μｍであることが特に好ましい。
第二層１２の層厚を３μｍ以上とすることで、第三層１３表面でのアレイ状のクラックを確実に減少させることができる。

第三層１３は、エピタキシャル成長した層であり、組成ｂが一定のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される。
第三層１３のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮの組成ｂは、０．1≦ｂ≦１であることが好ましい。従って、第三層１３は、ＡｌＮであってもよい。
さらに、０．３≦ｂ≦１であることがより好ましく、さらには、０．５≦ｂ≦１であることが特に好ましい。

この第三層１３の層厚は、３μｍを超えることが好ましい。第三層１３と、第二層１２との界面でミスフィット転位が生じてしまったとしても、第三層１３の層厚を３μｍを超えるものとしておけば、第三層１３表面まで達するミスフィット転位に起因する欠陥を低減することができる。
さらに、第三層１３の層厚を３μｍを超えるものとすることで、第二層１２のクラックが、第三層１３表面にまで伝播してしまうことを防止できる。
なお、第二層１２のクラックが、第三層１３表面にまで伝播してしまうことをより確実に防止し、さらに、第三層１３表面まで達するミスフィット転位に起因する欠陥を確実に低減するためには、第三層１３の層厚を５μｍ以上とすることが好ましい。第三層１３の成長の安定性およびコスト等を考慮すると、第三層１３の層厚は、５〜３００μｍ、さらに好ましくは５〜５０μｍである。

以上のようなIII族窒化物半導体基板１は、発光ダイオード、半導体レーザの基板として使用することができる。例えば、III族窒化物半導体基板１上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、電極等のレーザ構造体を形成し、半導体レーザを構成することができる。

このようなIII族窒化物半導体基板１は、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ法等により製造することができる。
例えば、下地基板１０上にＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層Ｂを形成し、さらに、ＨＶＰＥ法により、第一層１１から第三層１３を形成することができる。
また、ＭＯＣＶＤ法を用いずに、ＨＶＰＥ法により、ＧａＮバッファ層Ｂ、第一層１１〜第三層１３を形成することもできる。例えば、ＨＶＰＥ法により、４００〜７００℃（より好ましくは４５０〜６００℃）で下地基板１０上にＧａＮバッファ層Ｂを形成し、その後、ＨＶＰＥ法により、８５０〜１３００℃で、第一層１１〜第三層１３の各層を形成することができる。ＨＶＰＥ法を使用すれば、各層１１〜１３の層厚を厚くすることが可能である。
なお、良質なＧａＮバッファ層Ｂを形成するために、ＧａＮバッファ層Ｂを形成する前段で、９００〜１２００℃で下地基板１０表面を清浄化してもよい。清浄化する際の温度は、９００〜１２００℃であればよいが、１０００℃以上であれば、確実に清浄化を図ることができる。

以下に、III族窒化物半導体基板１の作用効果について説明する。
本実施形態では、第一層１１と第三層１３との間に、第二層１２を設けている。第二層１２は、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層１３に接する表面の組成ｘが、第一層１１に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）により構成される層である。この第二層１２により、第一層１１と、第三層１３との間の熱膨張係数の差を緩和することができる。そのため、第三層１３に加わる引っ張り応力を低減させることができ、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を低減することができる。
これに加え、第二層１２を設けることで、第一層１１と、第三層１３との間の格子定数の差を緩和することができる。格子定数の差に基づく歪みが第三層１３で発生しにくくなるため、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減することができる。

本実施形態のIII族窒化物半導体基板１は、第二層１２により第一層１１および第三層１３間の熱膨張係数の差、格子定数の差を緩和するとともに、さらに、第二層１２中で発生する欠陥により、第三層１３でのクラックの発生を低減したものである。
すなわち、第二層１２内では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）の組成ｘが層厚方向に変化しているため、ミスフィット転位によりある程度の欠陥が生じる可能性がある。特に、本実施形態では、組成ｘが階段状に増加する組成分布としているので、第二層１２において、組成ｘが急激に変化する組成不連続面を形成することができ、組成不連続面において、欠陥を生じさせることが可能となる。
第一層１１〜第三層１３の熱膨張係数の違い、格子定数の違いにより、ストレスが第二層１２に加わると、第二層１２の前記欠陥により、組成不連続面に多数のクラックが発生する。この第二層１２のクラックの存在により、第三層１３に加わる引っ張り応力が低減されることとなり、第三層１３表面でのアレイ状のクラックの発生をさらに、抑制することが可能となる。
また、第二層１２の組成不連続面には、欠陥やクラックが生じるため、第一層１１および第二層１２間でミスフィット転位が生じたとしても、第二層１２の組成不連続面の欠陥やクラックによりミスフィット転位の伝播が阻害されることとなる。これにより、第三層１３表面でのアレイ状のクラックの発生を確実に低減させることができる。

第三層１３のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮの組成ｂを０．１以上とした場合、従来のように、第三層１３を第一層１１上に直接、形成すると、第三層１３にアレイ状のクラックが発生してしまうが、本実施形態では、第二層１２を設けているので、第三層１３の組成ｂを０．１以上としても、第三層１３でアレイ状のクラックがほとんど発生することがない。

さらに、本実施形態では、第二層１２の第三層１３に接する層１２５の組成ｘの値を第三層１３の組成ｂの３０％以上としているので、第二層１２と、第三層１３との間に生じる格子定数の差および熱膨張係数の差を小さくすることができる。
これにより、第二層１２と、第三層１３との格子定数の差による、第三層１３でのアレイ状のクラックの発生を低減することができる。また、第二層１２と、第三層１３との熱膨張係数の差により生じる引っ張り応力を小さくすることができ、第三層１３におけるアレイ状のクラックの発生を低減することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、前記実施形態では、下地基板１０と、第一層１１との間に、ＧａＮバッファ層Ｂを形成したが、これに限らず、例えば、ＡｌＮのバッファ層を形成してもよい。
また、ＧａＮバッファ層Ｂを形成せずに、下地基板１０上に第一層１１を直接形成してもよい。さらには、第一層を低温成長させて、バッファ層としてもよい。

また、前記実施形態では、下地基板１０上に第一層１１〜第三層１３を形成したが、第一層１１としてＧａＮ基板を使用し、このＧａＮ基板上に第二層、第三層を形成してもよい。

前記実施形態では、第二層１２は、多層構成であり、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）の組成ｘは、第一層１１から第三層１３に向かい２段階以上にわたって階段状に増加するとしたが、これに限られるものではない。
例えば、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第二層１２を単層構成とし、第一層１１から第三層１３に向かい、なだらかに組成ｘが増加するものとしてもよい。
さらに、第一層１１から第三層１３に向かい直線的に組成ｘが増加するものとしてもよい。

また、図３に示すように、組成ｘが第一層側から、第三層側に向かって増加した後、一旦減少し、再度増加するといった繰り返しの組成分布になっていてもよい。
さらに、前記実施形態では、III族窒化物半導体基板１は、下地基板１０を備えるものとしたが、これに限らず、下地基板１０を有しない構成としてもよい。例えば、下地基板上に第一層〜第三層を形成し、第一層と下地基板との界面からエッチング等により、下地基板を分離してもよい。

（実施例）
本実施例では、図１に示した構造のIII族窒化物半導体基板をＨＶＰＥ法により、製造した。
まず、高純度ガリウム（Ｇａ）をＨＶＰＥ装置の石英製のＧａソースボートの中に充填し、高純度アルミニウム（Ａｌ）をアルミナ製のＡｌソースボートの中に充填した。そして、Ｇａソースボート、Ａｌソースボートを、水平型石英製のリアクタ内の所定位置にそれぞれ配置した。

下地基板としては、サファイア基板を使用した。サファイア基板は、直径２インチの円形で、（０００１）ｃ面で（１０−１０）方向に０．２５°に偏位した面を有するものを用いた。サファイア基板には、有機金属気相成長法により、厚さ２μｍのＧａＮ層があらかじめ形成されている。このサファイア基板をＨＶＰＥ装置のホルダー上に配置して回転させた。

以下の説明において、ガスの供給量の単位としては、標準状態に換算した単位であるＳＣＣＭを使用する。
窒素（Ｎ_２）ガスを前記リアクタ内に供給して、リアクタ内の空気を置換した後、Ｎ_２ガスの供給を止め、水素（Ｈ_２）ガスに切り替え、Ｈ_２ガスを１００００ＳＣＣＭで供給した。そして、ヒータによってリアクタ内を加熱した。ここでの加熱方法は、リアクタの外壁をヒータにより加熱する所謂ホットウオール法である。

次に、サファイア基板上に良質のＧａＮバッファ層を形成するために、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを３０００ＳＣＣＭで導入し、１０５０℃で、３０分間、サファイア基板の表面をクリーニングした。
その後、サファイア基板を冷却した。
次に、Ａｌソースボート、Ｇａソースボート、サファイア基板の温度が、それぞれ５００℃、８００℃、５５０℃に保持されていることを確認し、ＧａＮバッファ層の気相成長を開始した。サファイア基板上に１５００ＳＣＣＭでＮＨ_３ガスを供給し、ＧａソースボートにＨＣｌガスを５０ＳＣＣＭで供給して、ＧａＣｌを５０ＳＣＣＭで生成させ、サファイア基板上に供給した。気相成長開始から５分後に、サファイア基板上にエピタキシャル成長したＧａＮバッファ層が形成された。

次に、Ｈ_２ガスの供給を止め、Ｎ_２ガスを前記リアクタ内に供給して、リアクタ内のＨ_２ガスをＮ_２ガスで置換した。このとき、Ｎ_２ガスを１００００ＳＣＣＭで導入した。その後、再びリアクタ内を昇温した。ＮＨ_３ガスを３０００ＳＣＣＭで導入して、ＧａＮバッファ層の表面のＧａＮの解離を防いだ。Ａｌソースボート、Ｇａソースボート、サファイア基板の温度が、それぞれ５００℃、８００℃、１０５０℃に保持されていることを確認した後、第一層の気相成長を開始した。

はじめにサファイア基板上に１５００ＳＣＣＭでＮＨ_３ガスを供給した。次にＮＨ_３ガスの流量を変えることなく、ＧａソースボートにＨＣｌガスを５０ＳＣＣＭで供給して、ＧａＣｌを５０ＳＣＣＭで生成させた。このＧａＣｌをＧａＮバッファ層が形成されたサファイア基板上に供給した。１０分間、ＧａＣｌの供給を行った。これにより、ＧａＮ層である第一層が形成された。この第一層は、エピタキシャル成長した層である。

次に、ＮＨ_３ガスと、ＧａＣｌガスの供給量を変えることなく、ＡｌソースボートにＨＣｌガスを供給してＡｌＣｌ_３を生成し、このＡｌＣｌ_３を第一層が形成されたサファイア基板上に供給した。ＡｌＣｌ_３の供給量を階段状に増加させて、第二層を成長させた。
具体的には、ＨＣｌガスの供給量を３０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ_３供給量１０ＳＣＣＭ）として、２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスの供給量を６０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ_３供給量２０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。

さらに、ＨＣｌガスの供給量を９０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ_３供給量３０ＳＣＣＭ）として、２分間供給した。
次に、ＨＣｌガスの供給量を１２０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ_３供給量４０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
さらに、ＨＣｌガスの供給量を１５０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ_３供給量５０ＳＣＣＭ）とし、２分間供給した。
以上より、５層からなる第二層が形成された。

次に、ＮＨ_３ガスの供給量とＧａＣｌガスの供給量を変えることなく、Ａｌソースボートに供給するＨＣｌガスの供給量を１８０ＳＣＣＭ（ＡｌＣｌ_３供給量６０ＳＣＣＭ）とし、３０分間供給して、第三層を形成した。
このようにして形成された第一層、第二層、第三層の層厚は、それぞれ１６μｍ、９μｍ、２６μｍであった。

フィリップス社のＸ線回折装置Ｘｐｅｒｔ-ＭＲＤの２θ−ω測定により各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から、第一層〜第三層の組成を求めた。

一般に、組成ｃをもつＡｌ_ｃＧａ_１−ｃＮの格子定数ｄ（ｃ）は、ＡｌＮの格子定数０．４９８１ｎｍとＧａＮの格子定数０．５１８５ｎｍとの差に基づいて求めることができる。格子定数ｄ（ｃ）と、ＡｌＮの格子定数と、ＧａＮの格子定数とでは、以下の関係が成立する。
ｄ（ｃ）＝０．４９８１＋（０．５１８５−０．４９８１）×（１−ｃ）…（式１）
この式１に基づいて、第三層の組成ｂを求めたところ、ｂ＝０．７２であった。
また、式１に基づいて、第二層の各層の組成を求めたところ、第一層側から順に、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ、Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．７７Ｎ、Ａｌ_０．２９Ｇａ_０．７１Ｎ、Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２Ｎとなっていた。

光学顕微鏡で、製造したIII族窒化物半導体基板の第三層の表面を観察したところ、図４に示すように、アレイ状のクラックの発生がないことが確認された。
III族窒化物半導体基板の下地基板は、無色透明なサファイア基板であるので、III族窒化物半導体基板の裏側のサファイア基板側から光学顕微鏡で観察したところ、図５に示すように、第一層および第二層にアレイ状のクラックが発生しているのが、確認された。
アレイ状のクラックは第一層および第二層で生じているが、第三層表面にまでは及んでいないことが確認された。

（比較例）
表面にＧａＮ層が形成されたサファイア基板（実施例で使用したサファイア基板と同じもの）上に、ＧａＮバッファ層、第一層、第三層を形成した。
ＧａＮバッファ層、第一層、第三層の形成方法は、実施例と同じである。比較例は、第一層と第三層との間に第二層を形成しない点において、実施例と異なっている。
比較例において、第一層の層厚は、１８μｍ、第三層の層厚は、２８μｍであった。

フィリップス社のＸ線回折装置Ｘｐｅｒｔ-ＭＲＤの２θ−ω測定で各層の回折ピーク角度を求め、格子定数から実施例と同様に組成を計算したところ、第三層の組成ｂは０．７であった。
光学顕微鏡で、第三層の表面を観察したところ、図６に示すように、アレイ状のクラックが発生していることが確認できた。このクラックは第三層の表面に高密度で発生していた。

本発明の実施形態にかかるIII族窒化物半導体基板の断面およびIII族窒化物半導体基板のＡｌ組成の割合を示す図である。 （Ａ）は、本発明の変形例にかかるIII族窒化物半導体基板の断面およびIII族窒化物半導体基板のＡｌ組成の割合を示す図である。 （Ｂ）は、本発明の他の変形例にかかるIII族窒化物半導体基板の断面およびIII族窒化物半導体基板のＡｌ組成の割合を示す図である。 本発明の変形例にかかるIII族窒化物半導体基板の断面およびIII族窒化物半導体基板のＡｌ組成の割合を示す図である。 実施例における第三層表面の顕微鏡写真（観察倍率２００倍）を示す図である。 実施例におけるクラックが発生した第一層および第二層の顕微鏡写真（観察倍率２００倍）を示す図である。 比較例の第三層の表面の顕微鏡写真（観察倍率２００倍）を示す図である。 従来のＡｌＧａＮ基板の断面を示す図である。

符号の説明

１ III族窒化物半導体基板
１０ 下地基板
１１ 第一層
１２ 第二層
１３ 第三層
２０ サファイア基板
２１ バッファ層
２２ ＡｌＧａＮ層
１２１〜１２５ 層
Ｂ バッファ層

Claims (8)

1. Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ<１）により構成され、組成ａが一定である第一層と、
   この第一層上に形成される第二層と、
   前記第二層上に形成され、組成ｂが一定のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０<ｂ≦１）により構成される第三層と、
   を備え、
   前記第二層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０<ｘ<１）層により構成され、組成ｘが層厚方向に変化し、第三層に接する表面の組成ｘが、第一層に接する表面の組成ｘよりも高くなった組成分布を有し、
   前記組成ａ、ｂ、ｘにおいてａ<ｘ<ｂとなる関係が成立していることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
2. 請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第二層は、組成ｘが第一層から第三層に向かって増加する組成分布を有することを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
3. 請求項２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第二層は、組成ｘが２段階以上にわたって階段状に増加する組成分布を有することを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第一層はＧａＮにより構成されることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第三層はＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０．1≦ｂ≦１）により構成されることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第二層の前記第三層と接する表面における組成ｘは、前記第三層の組成ｂの３０％以上の値であることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
   前記第二層には、クラックが形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
   下地基板上に、前記第一層が形成されており、
   前記下地基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰのいずれかにより構成されることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。