JP2013084913A - 窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、シリコン基板と、その上に順次設けられた、下側歪緩和層、中間層、上側歪緩和層及び機能層と、を有する窒化物半導体ウェーハが提供される。中間層は、第１下側層と、第１ドープ層と、第１上側層と、を含む。第１下側層は、下側歪緩和層の上に設けられ下側歪緩和層の格子定数よりも大きい格子定数を有する。第１ドープ層は、第１下側層の上に設けられ第１下側層の格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度であり第１下側層よりも高い濃度で不純物を含有する。第１上側層は、第１ドープ層の上に設けられ第１ドープ層の格子定数以上で第１下側層の格子定数よりも大きい格子定数を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法に関する。

窒化物半導体は、発光・受光素子で代表される光デバイス、及び、高周波素子で代表される高速電子デバイスなどのさまざまな分野で利用されている。

量産性に優れたシリコン基板上に窒化物半導体結晶を形成すると、格子定数または熱膨張係数の違いに起因したクラックなどの欠陥が発生し易い。また、高い性能を得るために、転位の少ない高品位の結晶が望まれる。

米国特許第７，８２５，４３２Ｂ２号明細書

本発明の実施形態は、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、シリコン基板と、下側歪緩和層と、中間層と、上側歪緩和層と、機能層と、を有する窒化物半導体ウェーハが提供される。前記下側歪緩和層は、前記シリコン基板の主面上に設けられ窒化物半導体層を含む。前記中間層は、前記下側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む。前記上側歪緩和層は、前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む。前記機能層は、前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む。前記中間層は、第１下側層と、第１ドープ層と、第１上側層と、を含む。前記第１下側層は、前記下側歪緩和層の上に設けられ、前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。前記第１ドープ層は、前記第１下側層の上に設けられる。前記第１ドープ層は、前記第１下側層の前記窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度であり前記第１下側層よりも高い濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。前記第１上側層は、前記第１ドープ層の上に設けられる。前記第１上側層は、前記第１ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第１下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。

第１の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハを示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの一部を示す模式的断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、窒化物半導体ウェーハの一部を示す原子力間顕微鏡写真像である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、窒化物半導体ウェーハの特性を示すグラフ図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、窒化物半導体ウェーハの特性を示すグラフ図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハを示す模式的断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハを示す模式的断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体結晶を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法を示すフローチャート図である。 第２の実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法を示すフローチャート図である。 第３の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。 第３の実施形態に係る別の窒化物半導体装置を示す模式的断面図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施の形態）
第１の実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。窒化物半導体ウェーハには、例えば、半導体装置の少なくとも一部、または、半導体装置の少なくとも一部となる部分が設けられる。この半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード（ＰＤ）などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、電界トランジスタ（ＦＥＴ）及びショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などを含む。

図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１１０は、シリコン基板５０と、下側歪緩和層５１と、中間層５５と、上側歪緩和層５２と、機能層４０と、を含む。

シリコン基板５０は、主面５０ａを有している。シリコン基板５０は、例えばＳｉ（１１１）基板である。ただし、実施形態はこれに限らず、シリコン基板５０の面方位は、任意である。

下側歪緩和層５１は、シリコン基板５０の主面５０ａの上に設けられる。下側歪緩和層５１は、窒化物半導体を含む。下側歪緩和層５１には、例えば、ＡｌＮが用いられる。さらに具体的には、下側歪緩和層５１には、低温成長のＡｌＮ層が用いられる。下側歪緩和層５１は、シリコン基板５０の主面５０ａに設けられる核形成層としての機能を有することができる。下側歪緩和層５１の厚さは、例えば、１０ナノメートル（ｎｍ）以上２００ｎｍ以下である。

中間層５５は、下側歪緩和層５１の上に設けられる。中間層５５は、窒化物半導体を含む。

上側歪緩和層５２は、中間層５５の上に設けられる。上側歪緩和層５２は、窒化物半導体層を含む。上側歪緩和層５２には、例えば、Ａｌ_ｚ０Ｇａ_１−ｚ０Ｎ（０＜ｚ０≦１）が用いられる。上側歪緩和層５２には、例えばＡｌＮまたは、ＡｌＧａＮが用いられる。

機能層４０は、上側歪緩和層５１の上に設けられる。機能層４０は、窒化物半導体を含む。機能層４０は、例えば、半導体発光素子の発光機能を有する層を含む。機能層４０は、例えば、半導体受光素子の受光機能を有する層を含む。機能層４０は、例えば、電子デバイスの整流、スイッチング及び増幅の少なくともいずれかの機能を有する層を含む。機能層４０の構成の例については後述する。

中間層５５は、第１下側層ＬＡ１、第１ドープ層ＬＢ１及び第１上側層ＬＣ１を含む。第１下側層ＬＡ１は、下側歪緩和層５１の上に設けられる。第１下側層ＬＡ１は、窒化物半導体を含む。第１下側層ＬＡ１に含まれる窒化物半導体は、下側歪緩和層５１の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する。

本願明細書において、「格子定数」は、ａ軸方向の格子定数であるものとする。

第１ドープ層ＬＢ１は、第１下側層ＬＡ１の上に設けられる。第１ドープ層ＬＢ１は、窒化物半導体を含む。第１ドープ層ＬＢ１に含まれる窒化物半導体は、第１下側層ＬＡ１の格子定数以上の格子定数を有する。第１ドープ層ＬＢ１は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度で不純物を含有する。

第１上側層ＬＣ１は、第１ドープ層ＬＢ１の上に設けられる。第１上側層ＬＣ１は窒化物半導体を含む。第１上側層ＬＣ１に含まれる窒化物半導体は、第１ドープ層ＬＢ１の窒化物半導体の格子定数以上であり第１下側層ＬＡ１の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する。

中間層５５は、第１積層膜ＳＬ１を有する。第１積層膜ＳＬ１は、上記の第１下側層ＬＡ１、第１ドープ層ＬＢ１及び第１上側層ＬＣ１を含む。ただし、後述するように、中間層５５は、複数の積層膜の構成を有していても良い。

ここで、第１下側層ＬＡ１から第１上側層ＬＣ１に向かう方向を積層方向（Ｚ軸方向）とする。積層方向は、シリコン基板５０から機能層４０に向かう方向に対して平行である。

第１積層膜ＳＬ１において、積層方向に向かって（第１下側層ＬＡ１から第１上側層ＬＣ１に向かう方向において）、格子定数が大きくなる。第１下側層ＬＡ１の格子定数をａ１とし、第１ドープ層ＬＢ１の格子定数をｂ１とし、第１上側層ＬＣ１の格子定数をｃ１とすると、ａ１＜ｃ１であり。そして、ａ１＜ｂ１＜ｃ１、または、ａ１≦ｂ１＜ｃ１、または、ａ１＜ｂ１≦ｃ１である。

例えば、第１下側層ＬＡ１は、Ａｌ_ｘａ１Ｉｎ_ｙａ１Ｇａ_{１−ｘａ１−ｙａ１}Ｎ（０≦ｘａ１＜１、０≦ｙａ１＜１、ｘａ１＋ｙａ≦１）を含む。第１ドープ層ＬＢ１は、Ａｌ_ｘｂ１Ｉｎ_ｙｂ１Ｇａ_{１−ｘｂ１−ｙｂ１}Ｎ（０≦ｘｂ１＜１、０≦ｙｂ１＜１、ｘｂ１＋ｙｂ１≦１）を含む。第１上側層ＬＣ１は、Ａｌ_ｘｃ１Ｉｎ_ｙｃ１Ｇａ_{１−ｘｃ１−ｙｃ１}Ｎ（０≦ｘｃ１＜１、０≦ｙｃ１＜１、ｘｃ１＋ｙｃ１≦１）を含む。

例えば、第１下側層ＬＡ１は、Ａｌ_ｘａ１Ｇａ_１−ｘａＮ（０＜ｘａ１≦１）を含む。第１ドープ層ＬＢ１は、Ａｌ_ｘｂ１Ｇａ_{１−ｘｂ１}Ｎ（０＜ｘｂ１＜ｘａ１）を含む。第１上側層ＬＣ１は、Ａｌ_ｘｃ１Ｇａ_{１−ｘｃ１}Ｎ（０≦ｘｃ１＜ｘｂ１）を含む。

例えば、第１ドープ層ＬＢ１の組成比は、第１下側層ＬＡ１の組成と異なり、第１上側層ＬＣ１の組成比とも異なる。第１ドープ層ＬＢ１の格子定数は、第１下側層ＬＡ１の格子定数よりも大きく、第１上側層ＬＣ１の格子定数よりも小さい。

第１下側層ＬＡ１には、例えば、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層が用いられる。第１ドープ層ＬＢ１には、例えばＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層が用いられる。第１上側層ＬＣ１には、例えば、ＧａＮ層が用いられる。

第１下側層ＬＡ１の厚さは、例えば１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１ドープ層ＬＢ１の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。第１上側層ＬＣ１の厚さは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

第１ドープ層ＬＢ１が含有する不純物は、例えば、シリコン（Ｓｉ）及びマグネシウム（Ｍｇ）の少なくともいずれかを含む。さらに、不純物は、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、酸素（Ｏ）及びカーボン（Ｃ）の少なくともいずれかを含むこともできる。

このように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１１０においては、中間層５５が積層膜（例えば第１積層膜ＳＬ１）を有しており、第１積層膜ＳＬ１においては、積層方向に沿って格子定数が大きくなる。これにより、第１積層膜ＳＬ１において圧縮歪が印加される。これにより、クラックが抑制される。第１積層膜ＳＬ１においては、積層方向に向かって、圧縮歪みが大きくなる。

さらに、第１積層膜ＳＬ１において、格子定数が小さい第１下側層ＬＡ１と、格子定数が大きい第１上側層ＬＣ１と、の間に、不純物がドープされた第１ドープ層ＬＢ１が配置される。これにより、転位が減少する。

実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハが提供できる。すなわち、転位密度とクラック密度とが同時に低減される。

図２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２は、窒化物半導体ウェーハ１１０が、半導体発光素子に応用される場合における機能層４０の構成を例示している。

図２に表したように、この例では、機能層４０は、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、を含む。第１半導体層１０は、上側歪緩和層５２の上に設けられる。第１半導体層１０は、窒化物半導体を含み、第１導電形である。第２半導体層２０は、第１半導体層１０の上に設けられる。第２半導体層２０は、窒化物半導体を含み、第１導電形とは異なる第２導電形である。例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形で、第１導電形がｎ形でも良い。

発光部３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。発光部３０は、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。井戸層３２の数は、１つでも良く、複数でも良い。すなわち、発光部３０は、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）構造、または、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造を有することができる。

障壁層３１のバンドギャップエネルギーは、井戸層３２のバンドギャップエネルギーよりも大きい。井戸層３２には、例えば、ＩｎＧａＮが用いられる。障壁層３１には、ＧａＮが用いられる。障壁層３１にＩｎＧａＮが用いられる場合は、障壁層３１におけるＩｎ組成比は、井戸層３２におけるＩｎ組成比よりも小さい。発光部３０から放出される光のピーク波長は、例えば２００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下である。

本願明細書において、「第１層の上に第２層が設けられる状態」は、第１層の上に第１層に接して第２層が配置される状態の他に、第１層の上に第３層が挿入され第３層の上に第２層が配置される状態も含む。

窒化物半導体ウェーハ１１０は、例えば、以下のようにして作製される。シリコン基板５０の主面５０ａ上に、下側歪緩和層５１を形成し、その上に第１下側層ＬＡ１を形成し、その上に第１ドープ層ＬＢ１を形成し、その上に第１上側層ＬＣ１を形成する。さらに、その上に上側歪緩和層５２を形成し、その上に機能層４０を形成する。

具体的には、シリコン基板５０の主面５０ａ上に、例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いて以下の結晶層を形成する。まず、下側歪緩和層５１となる低温成長ＡｌＮ層を形成する。下側歪緩和層５１の形成温度は、例えば、９００℃以下である。下側歪緩和層５１の形成温度は、例えば約７００℃である。下側歪緩和層５１の厚さは、例えば３０ｎｍである。

さらに、その上に、第１下側層ＬＡ１となるＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎ層を形成する。第１下側層ＬＡ１の形成温度は、例えば１１００℃である。第１下側層ＬＡ１の厚さは、例えば、約３００ｎｍである。

さらに、その上に、第１ドープ層ＬＢ１となるＡｌ_０．２Ｇａ_０．２Ｎ層を形成する。第１ドープ層ＬＢ１の形成温度は、例えば、約１１００℃である。第１ドープ層ＬＢ１には、例えば、高濃度でＭｇがドーピングされる。第１ドープ層ＬＢ１におけるＭｇの濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満である。

さらに、その上に、第１上側層ＬＣ１となるＧａＮ層を形成する。第１上側層ＬＣ１の形成温度は、例えば１１２０℃である。第１上側層ＬＣ１の厚さは、例えば６００ｎｍである。

さらに、この上に、上側歪緩和層５２となる低温成長ＡｌＮ層を形成する。上側歪緩和層５２には、低温成長のＡｌＧａＮ層を用いても良い。上側歪緩和層５２の形成温度は、例えば、９００℃以下である。上側歪緩和層５２の形成温度は、例えば約７００℃である。上側歪緩和層５２の厚さは、例えば、１５ｎｍである。

さらに、上側歪緩和層５２の上に、第１半導体層１０となるｎ形ＧａＮ層を形成する。第１半導体層１０の形成温度は、例えば１１００℃である。第１半導体層１０には、例えばＳｉがドープされる。第１半導体層１０の厚さは、例えば、２マイクロメートル（μｍ）である。さらに、この上に、井戸層３２となるＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層と、障壁層３１となるＧａＮ層と、を例えば７５０℃で積層して、発光部３０を形成する。さらにこの上に、第２半導体層２０となるｐ形ＧａＮ層を形成する。第２半導体層２０には、Ｍｇがドーピングされる。第２半導体層２０の形成温度は、例えば９５０℃である。

これにより、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１１０が形成される。さらに、この後、ｐ側電極及びｎ側電極を形成した後、個別の素子に分断することで半導体発光素子が形成される。

本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハにおいては、中間層５５の積層膜（例えば第１積層膜ＳＬ１）において、積層方向に沿って格子定数が大きくなるため、第１積層膜ＳＬ１において圧縮歪が印加される。これにより、クラックが抑制される。また、ウェーハの反りが軽減される。さらに、第１積層膜ＳＬ１において第１ドープ層ＬＢ１が配置されることにより、３次元的に結晶が成長することで、転位が減少する。例えば、第１積層膜ＳＬ１に第１ドープ層ＬＢ１が設けられることで、第１ドープ層ＬＢ１及びその上に形成される第１上側層ＬＣ１の表面に凹凸が大きくなり、再び平坦化する際に転位が減少する。

実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハが提供できる。すなわち、転位密度とクラック密度とが同時に低減される。

窒化物半導体装置を形成するための基板として、サファイア基板が多く用いられている。また、シリコンカーバイト基板、または、シリコン基板を用いることも検討されている。シリコン基板においては、サファイア基板及びシリコンカーバイト基板に比べて、切断または切削可能が容易である。また、シリコン基板は、低コスト化が容易である。また、シリコン基板は導電性を有することができ、シリコン基板を電流通路として使用することができる。しかし、シリコン基板と窒化物半導体との間の格子定数の差が大きいため、シリコン基板上に窒化物半導体を形成すると、サファイア基板上に形成したときよりも、転移密度が高くなり易い。また、シリコン基板と窒化物半導体との熱膨張係数差が大きいため、クラックが発生し易い。

一方、シリコン基板の上に不純物を含む第１の層と、不純物を含まない第２の層と、を交互に積層する構成（第１参考例）がある。この構成においては、第２の層の組成は、第１の層の組成と同じである。この場合、第１の層と第２の層とにおいて、組成が同じであるため、これらの層における格子定数も同じである。このため、これらの層により、圧縮応力が発生することはない。このような第１参考例においては、シリコン基板と窒化物半導体層との間において、大きな熱膨張係数差に起因して、成長温度から室温に降温する際、窒化物半導体層にクラックが発生し易い。

一方、シリコン基板上に、核形成層、Ａｌ組成傾斜層、第１窒化物半導体層及び歪緩和中間層及び第２窒化物半導体層をこの順で積層し、第１窒化物半導体層と歪緩和中間層との間にＳｉＮ層またはＭｇＮ層を配置する構成（第２参考例）がある。この構成により、マスク効果により第２窒化物半導体層の転位を低減することを試みている。

しかしながら、本願発明者の実験によると、中間層５５の第１ドープ層ＬＢ１として、ＳｉまたはＭｇを一定以上の高い濃度でドープすると、ＳｉＮまたはＭｇＮが形成され易い。ＳｉＮ層またはＭｇＮ層が形成されると、転位を十分に低減することが困難である。

第１ドープ層ＬＢ１においてIII族窒化物半導体結晶のIII族元素の位置を不純物が置換して格子位置に入ることにより、結晶状態が維持され、結晶内に不連続な部分が発生しない。結晶内に連続しない部分が発生すると、そこから新たな転位・欠陥が発生する可能性がある。ＳｉおよびＭｇなどの不純物濃度が高いときには、不純物が格子位置に入らずに格子間位置に現れ、不純物が窒素原子と直接結合を形成し、Ｓｉ−ＮまたはＭｇ−Ｎなどの異物が結晶内に発生する可能性がある。不純物濃度を１×１０^２１ｃｍ^−３未満にすることで、結晶内に異物が発生することが抑制できる。

本実施形態においては、第１ドープ層ＬＢ１における不純物濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満である。第１ドープ層ＬＢ１においては、ドープした不純物元素（例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｏ及びＣの少なくともいずれか）は、第１ドープ層ＬＢ１の窒化物半導体の格子位置に配置される。不純物元素は、格子位置に入る元素を置換する程度に導入される。例えば、導入された不純物により、ＳｉＮまたはＭｇＮなどの化合物は形成されない。

ドープされた不純物により、第１ドープ層ＬＢ１（及びその上に形成される第１上側層ＬＣ１）において、３次元的に結晶が成長し、表面の凹凸が大きくなる。これにより、転位（刃状転位：edge dislocation、及び、螺旋転位：screw dislocation）の密度が減少する。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、窒化物半導体ウェーハの一部の構成を例示する原子力間顕微鏡写真像である。
これらの図は、本願発明者が行った実験結果の例を示している。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、それぞれ、第１〜第４試料Ｓ０１〜Ｓ０４に対応する。第１試料Ｓ０１は、第１ドープ層ＬＢ１を形成しない試料である。第２試料Ｓ０２は、第１ドープ層ＬＢ１の形成の際に、Ｓｉを８．９×１０^−３μモル／分で導入した試料に相当する。第２試料Ｓ０２におけるＳｉの濃度は、４×１０^１９ｃｍ^−３に相当する。第３試料Ｓ０３は、第１ドープ層ＬＢ１の形成の際に、Ｓｉを８．９×１０^−２μモル／分で導入した試料に相当する。第３試料Ｓ０３におけるＳｉの濃度は、４×１０^２０ｃｍ^−３に相当する。第４試料Ｓ０４は、第１ドープ層ＬＢ１の形成の際に、Ｍｇを５．８×１０^−１μモル／分で導入した試料に相当する。第４試料Ｓ０４におけるＭｇの濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３に相当する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１〜第４試料Ｓ０１〜Ｓ０４において、第１上側層ＬＣ１（この例ではＧａＮ層）の上面を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した層を例示している。

図３（ａ）に表したように、第１ドープ層ＬＢ１を設けない第１試料Ｓ０１においては、表面は平坦である。表面粗さＲａ（算術平均粗さ）は、０．３４ｎｍである。

図３（ｂ）に表したように、第２試料Ｓ０２においては、第１上側層ＬＣ１（この例ではＧａＮ層）において、表面に凹凸が形成される。すなわち、ＧａＮ層が島状に形成される。第２試料Ｓ０２における表面粗さＲａは、３．７７ｎｍである。

図３（ｃ）に表したように、Ｓｉ濃度が高い第３試料Ｓ０２においては、ＧａＮ層の島状形成がさらに促進される。第３試料Ｓ０３における表面粗さＲａは、３８．７ｎｍである。このように、第１ドープ層ＬＢ１における不純物濃度を高めることで、ＧａＮ層の島状成長が促進され、ＧａＮ層の表面凹凸の高さが、著しく増大する。

図３（ｄ）に表したように、Ｍｇをドープした第４試料Ｓ０４においても、ＧａＮ層が島状に形成され、ＧａＮ層の表面に凹凸が形成される。第４試料Ｓ０４における表面粗さＲａは、１３．２ｎｍである。

このように、不純物をドープした第１ドープ層ＬＢ１を設けることで、その上に形成する第１上側層ＬＣ１の表面に凹凸が形成され、３次元的な島状の結晶が得られる。表面に凹凸が形成されることにより、形成された転位は、横方向（Ｚ軸方向に対して垂直な成分を有する方向）に沿って進み、例えば他の転位と繋がる。これにより、Ｚ軸方向に進んで延びる転位の密度が減少する。

第１ドープ層ＬＢ１にドープする不純物の種類により、第１ドープ層ＬＢ１上の第１上側層ＬＣ１の凹凸に及ぼす影響が異なる。また、凹凸の大きさは、成長条件によっても影響を受ける。しかし、転位密度の低減効果をもたらす不純物濃度は、おおむね、１×１０^１８ｃｍ^−３以上、１×１０^２１ｃｍ^−３未満の範囲である。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、窒化物半導体ウェーハの特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、第１ドープ層ＬＢ１にドープする不純物としてＳｉを用いた時のＳｉの濃度と転位密度との関係を示している。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）には、第１ドープ層ＬＢ１を設けない参考例の半導体発光素子１９０の特性も示している。図４（ａ）の縦軸は、刃状転位密度ＥＤＤである。図４（ｂ）の縦軸は、螺旋転位密度ＳＤＤである。これらの図の横軸は、第１ドープ層ＬＢ１における不純物濃度Ｃ（Ｓｉ）である。

図４（ａ）に表したように、第１ドープ層ＬＢ１を設けない半導体発光素子１９０においては、刃状転位密度ＥＤＤは、約１．３×１０^１０ｃｍ^−２と高い。これに対して、Ｓｉをドープした第１ドープ層ＬＢ１を設けた場合（この例では不純物濃度Ｃ（Ｓｉ）は４×１０^１９／ｃｍ^３〜４×１０^２０／ｃｍ^３）は、刃状転位密度ＥＤＤは、約１．３×１０^９ｃｍ^−２〜約４．１×１０^９ｃｍ^−２と著しく減少している。

一方、図４（ｂ）に表したように、第１ドープ層ＬＢ１を設けない半導体発光素子１９０においては、螺旋転位密度ＳＤＤは、約３．３×１０^８ｃｍ^−２と大きい。これに対して、Ｓｉをドープした第１ドープ層ＬＢ１を設けた場合は、螺旋転位密度ＳＤＤは、約１．５×１０^８ｃｍ^−２〜約２．１×１０^８ｃｍ^−２と著しく減少している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、窒化物半導体ウェーハの特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、第１ドープ層ＬＢ１にドープする不純物としてＭｇを用いた時のＭｇの濃度と転位密度との関係を示している。図５（ａ）の縦軸は、刃状転位密度ＥＤＤである。図５（ｂ）の縦軸は、螺旋転位密度ＳＤＤである。これらの図の横軸は、第１ドープ層ＬＢ１における不純物濃度Ｃ（Ｍｇ）である。

図５（ａ）に表したように、半導体発光素子１９０の刃状転位密度ＥＤＤが約１．３×１０^１０ｃｍ^−２であるのに対して、Ｍｇをドープした第１ドープ層ＬＢ１を設けた場合（この例では不純物濃度Ｃ（Ｍｇ）は１．４×１０^１８／ｃｍ^３〜２．８×１０^１８／ｃｍ^３）は、刃状転位密度ＥＤＤは、約４．２×１０^９ｃｍ^−２〜約６．８×１０^９ｃｍ^−２と著しく減少している。

図５（ｂ）に表したように、半導体発光素子１９０の螺旋転位密度ＳＤＤが約３．３×１０^８ｃｍ^−２であるのに対して、Ｍｇをドープした第１ドープ層ＬＢ１を設けた場合は、螺旋転位密度ＳＤＤは、約２．１×１０^８ｃｍ^−２と著しく減少している。

実施形態においては、第１ドープ層ＬＢ１の形成においては、Ｓｉ及びＭｇなどの元素を不純物として第１ドープ層ＬＢ１に導入するために、窒化物半導体の原料となるガスと共に、Ｓｉ及びＭｇなどの不純物の原料ガスを反応容器中に導入する。例えば、第１ドープ層ＬＢ１となるＡｌＧａＮ層（例えば、Ａｌ_ｘｂ１Ｉｎ_ｙｂ１Ｇａ_{１−ｘｂ１−ｙｂ１}Ｎ層）となるIII族原料ガス及びＶ族原料ガスと共に、不純物となる原料ガスを導入する。これにより、不純物元素は、窒化物半導体に不純物として取り込まれる。一方、例えば、Ｇａを含むガスを導入せず、例えば、窒素を含むガスと、不純物元素を含む原料ガスと、を導入した場合は、不純物元素は、ＳｉＮまたはＭｇＮなどの化合物を形成する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ１１１においては、中間層５５は、第２下側層ＬＡ２と、第２ドープ層ＬＢ２と、第２上側層ＬＣ２と、をさらに含む。第２下側層ＬＡ２は、第１上側層ＬＣ１の上に設けられる。第２下側層は、第１上側層ＬＣ１の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第２ドープ層ＬＢ２は、第２下側層ＬＡ２の上に設けられる。第２ドープ層ＬＢ２は、窒化物半導体を含む。第２ドープ層ＬＢ２に含まれる窒化物半導体は、第２下側層ＬＡ２の格子定数以上の格子定数を有する。第２ドープ層ＬＢ２に含まれる窒化物半導体は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度で不純物を含有する。第２上側層ＬＣ２は、第２ドープ層ＬＢ２の上に設けられる。第２上側層ＬＣ２は、窒化物半導体を含む。第２上側層ＬＣ２に含まれる窒化物半導体層は、第２ドープ層ＬＢ２の窒化物半導体の格子定数以上であり第２下側層ＬＡ２の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する。

このように、中間層５５は、第１積層膜ＳＬ１と上側歪緩和層５２との間に設けられた第２積層膜ＳＬ２をさらに含む。第２積層膜ＳＬ２は、第２下側層ＬＡ２、第２ドープ層ＬＢ２及び第２上側層ＬＣ２を含む。

この例では、中間層５５は、第２歪緩和層ＬＤ２をさらに含む。すなわち、第２積層膜ＳＬ２は、第２歪緩和層ＬＤ２をさらに含む。第２歪緩和層ＬＤ２は、第１上側層ＬＣ１と第２下側層ＬＡ２との間に設けられる。第２歪緩和層ＬＤ２は、第２下側層ＬＡ２の窒化物半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第２歪緩和層ＬＤ２には、Ａｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０＜ｚ２≦１）が用いられる。第２歪緩和層ＬＤ２には、例えば、ＡｌＮ層が用いられる。例えば、第２歪緩和層ＬＤ２がＡｌＧａＮを含む場合は、Ａｌの組成比は、第２下側層ＬＡ２におけるＡｌの組成比よりも高い。第２歪緩和層ＬＤ２は、第２下側層ＬＡ２のうちの最もシリコン基板５０側の部分と見なしても良い。

例えば、第２下側層ＬＡ２は、Ａｌ_ｘａ２Ｉｎ_ｙａ２Ｇａ_{１−ｘａ２−ｙａ２}Ｎ（０≦ｘａ２＜１、０≦ｙａ２＜１、ｘａ２＋ｙａ２≦１）を含む。第２ドープ層ＬＢ２は、Ａｌ_ｘｂ２Ｉｎ_ｙｂ２Ｇａ_{１−ｘｂ２−ｙｂ２}Ｎ（０≦ｘｂ２＜１、０≦ｙｂ２＜１、ｘｂ２＋ｙｂ２≦１）を含む。第２上側層ＬＣ２は、Ａｌ_ｘｃ２Ｉｎ_ｙｃ２Ｇａ_{１−ｘｃ２−ｙｃ２}Ｎ（０≦ｘｃ２＜１、０≦ｙｃ２＜１、ｘｃ２＋ｙｃ２≦１）を含む。

例えば、第２下側層ＬＡ２は、Ａｌ_ｘａ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０＜ｘａ２≦１）を含む。第２ドープ層ＬＢ２は、Ａｌ_ｘｂ２Ｇａ_{１−ｘｂ２}Ｎ（０＜ｘｂ２＜ｘａ２）を含む。第２上側層ＬＣ２は、Ａｌ_ｘｃ２Ｇａ_{１−ｘｃ２}Ｎ（０≦ｘｃ２＜ｘｂ２）を含む。

窒化物半導体ウェーハ１１１においては、第１積層膜ＳＬ１において、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。第１積層膜ＳＬ１のうちでは、最も上の第１上側層ＬＣ１において、印加される応力は大きい。さらに、第１積層膜ＳＬ１のうちで最も上の第１上側層ＬＣ１の上に、第２下側層ＬＡ２（または、第２歪緩和層ＬＤ２）が設けられる。第２下側層ＬＡ２（または、第２歪緩和層ＬＤ２）においては、応力が一旦解放され、歪が緩和されている。そして、第２積層膜ＳＬ２において、再び、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。このように、複数の積層膜のそれぞれにおいて、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。これにより、クラックの発生が抑制される。そして、第２積層膜ＳＬ２中に第２ドープ層ＬＢ２が設けられ、これにより、転位密度が低減される。

図６（ｂ）に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ１１２においては、中間層５５は、第３積層膜ＳＬ３（第３下側層ＬＡ３、第３ドープ層ＬＢ３及び第３上側層ＬＣ３）をさらに含む。この場合も、中間層５５（第３積層膜ＳＬ３）は、第３歪緩和層ＬＤ２をさらに含むことができる。第３歪緩和層ＬＤ３は、第２上側層ＬＣ２と第３下側層ＬＡ３との間に設けられる。第３歪緩和層ＬＤ３は、第３下側層ＬＡ３の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第３歪緩和層ＬＤ３は、第３下側層ＬＡ３のうちの最もシリコン基板５０側の部分と見なしても良い。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図７（ａ）に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ１１３においては、中間層５５は、第４積層膜ＳＬ４（第４下側層ＬＡ４、第４ドープ層ＬＢ４及び第４上側層ＬＣ４）をさらに含む。この場合も、中間層５５（第４積層膜ＳＬ４）は、第４歪緩和層ＬＤ４をさらに含むことができる。第４歪緩和層ＬＤ４は、第３上側層ＬＣ３と第４下側層ＬＡ４との間に設けられる。第４歪緩和層ＬＤ４は、第４下側層ＬＡ４の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第４歪緩和層ＬＤ４は、第４下側層ＬＡ４のうちの最もシリコン基板５０側の部分と見なしても良い。

このように、中間層５５には、複数の積層膜（例えば、第１〜第４積層膜ＳＬ１〜ＳＬ４など）を設けても良い。
例えば、図７（ｂ）に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ１１４においては、中間層５５は、第１積層膜ＳＬ１〜第ｎ積層膜ＳＬｎ（ｎは、２以上の整数である）を含むことができる。第ｎ積層膜ＳＬｎは、第ｎ下側層ＬＡｎと、第ｎドープ層ＬＢｎと、第ｎ上側層ＬＣｎと、を含む。第ｎ下側層ＬＡｎは、第（ｎ−１）上側層ＬＣ（ｎ−１）の上に設けられる。第ｎ下側層は、第（ｎ−１）上側層ＬＣ（ｎ−１）の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第ｎドープ層ＬＢｎは、第ｎ下側層ＬＡｎの上に設けられる。第ｎドープ層ＬＢｎは、第ｎ下側層ＬＡｎの格子定数以上の格子定数を有する。第ｎドープ層ＬＢｎは、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第ｎ上側層ＬＣｎは、第ｎドープ層ＬＢｎの上に設けられる。第ｎ上側層ＬＣｎは、第ｎドープ層ＬＢｎの格子定数以上であり第ｎ下側層ＬＡｎの格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。

このように、中間層５５は、第（ｎ−１）積層膜ＳＬ（ｎ−１）と上側歪緩和層５２との間に設けられた第ｎ積層膜ＳＬｎをさらに含むことができる。第ｎ積層膜ＳＬｎは、第ｎ下側層ＬＡｎ、第ｎドープ層ＬＢｎ及び第ｎ上側層ＬＣｎを含む。

中間層５５（第ｎ積層膜ＳＬｎ）は、第ｎ歪緩和層ＬＤｎをさらに含むことができる。第ｎ歪緩和層ＬＤｎは、第（ｎ−１）上側層ＬＣ（ｎ−１）と第ｎ下側層ＬＡｎとの間に設けられる。第ｎ歪緩和層ＬＤｎは、第ｎ下側層ＬＡｎの格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第ｎ歪緩和層ＬＤｎには、Ａｌ_ｚｎＧａ_１−ｚｎＮ（０＜ｚｎ≦１）が用いられる。第ｎ歪緩和層ＬＤｎには、ＡｌＮ層が用いられる。第ｎ歪緩和層ＬＤｎがＡｌＧａＮを含む場合は、Ａｌの組成比は、例えば、第ｎ下側層ＬＡｎにおけるＡｌの組成比よりも高い。第ｎ歪緩和層ＬＤｎは、第ｎ下側層ＬＡｎのうちの最もシリコン基板５０側の部分と見なしても良い。

例えば、第ｎ下側層ＬＡｎは、Ａｌ_ｘａｎＩｎ_ｙａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｎ（０≦ｘａｎ＜１、０＜ｙａｎ≦１、ｘａｎ＋ｙａｎ≦１）を含む。第ｎドープ層ＬＢｎは、Ａｌ_ｘｂｎＩｎ_ｙｂｎＧａ_{１−ｘｂｎ−ｙｂｎ}Ｎ（０≦ｘｂｎ＜１、０≦ｙｂｎ＜１、ｘｂｎ＋ｙｂｎ≦１）を含む。第ｎ上側層ＬＣｎは、Ａｌ_ｘｃｎＩｎ_ｙｃｎＧａ_{１−ｘｃｎ−ｙｃｎ}Ｎ（０≦ｘｃｎ＜１、０≦ｙｃｎ＜１、ｘｃｎ＋ｙｃｎ≦１）を含む。

例えば、第ｎ下側層ＬＡｎは、Ａｌ_ｘａｎＧａ_１−ｘｎＮ（０＜ｘｎ１≦１）を含む。第ｎドープ層ＬＢｎは、Ａｌ_ｘｂｎＧａ_{１−ｘｂｎ}Ｎ（０＜ｘｂｎ＜ｘａｎ）を含む。第ｎ上側層ＬＣｎは、Ａｌ_ｘｃｎＧａ_{１−ｘｃｎ}Ｎ（０≦ｘｃｎ＜ｘｂｎ）を含む。

窒化物半導体ウェーハ１１４においては、第（ｎ−１）積層膜ＳＬ（ｎ−１）において、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。第（ｎ−１）積層膜ＳＬ（ｎ−１）のうちで最も上の第（ｎ−１）上側層ＬＣ（ｎ−１）において、印加される応力は大きい。さらに、第（ｎ−１）積層膜ＳＬ（ｎ−１）のうちで最も上の第（ｎ−１）上側層ＬＣ（ｎ−１）の上に、第ｎ下側層ＬＡｎ（または、第ｎ歪緩和層ＬＤｎ）が設けられる。第ｎ下側層ＬＡｎ（または、第ｎ歪緩和層ＬＤｎ）においては、応力が一旦解放され、歪が緩和されている。そして、第ｎ積層膜ＳＬｎにおいて、再び、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。このように、複数の積層膜のそれぞれにおいて、積層方向に沿って格子定数が増大するように設定される。これにより、クラックの発生が抑制される。そして、第ｎ積層膜ＳＬｎ中に第ｎドープ層ＬＢｎが設けられ、これにより、転位密度が低減される。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体結晶の構成を例示するグラフ図である。
図８（ａ）は、中間層５５が５つの積層膜（第１〜第５積層膜ＳＬ１〜ＳＬ５）を有する窒化物半導体ウェーハ１１５ａにおける、不純物濃度プロファイルを示している。この例では、ドープ層の不純物はＳｉである。図８（ａ）の縦軸は、Ｓｉの不純物濃度Ｃ（Ｓｉ）である。図８（ｂ）は、中間層５５が３つの積層膜（第１〜第３積層膜ＳＬ１〜ＳＬ３）を有する窒化物半導体ウェーハ１１２ａにおける、不純物濃度プロファイルを示している。この例では、ドープ層の不純物はＭｇである。図８（ｂ）の縦軸は、Ｍｇの不純物濃度Ｃ（Ｍｇ）である。

図８（ａ）に表したように、窒化物半導体ウェーハ１１５ａにおいては、中間層５５のドープ層（第１〜第５ドープ層ＬＢ１〜ＬＢ５）における不純物濃度Ｃ（Ｓｉ）は、約６×１０^１９ｃｍ^−３以上、約９×１０^１９ｃｍ^−３以下である。

図８（ｂ）に表したように、窒化物半導体ウェーハ１１２ａにおいては、中間層５５のドープ層（第１〜第３ドープ層ＬＢ１〜ＬＢ３）における不純物濃度Ｃ（Ｍｇ）は、約４×１０^１９ｃｍ^−３以上、約６×１０^１９ｃｍ^−３以下である。

窒化物半導体ウェーハ１１５ａ及び１１２ａによれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハが提供できる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体結晶の成長方法に係る。本成長方法は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどに用いられる窒化物半導体結晶の成長に適用される。

図９は、第２の実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図９に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法においては、シリコン基板５０の主面５０ａ上に下側歪緩和層５１を形成する（ステップＳ１１０）。

さらに、中間層５５を形成する（ステップＳ１２０）。中間層５５の形成は、下側歪緩和層５１の上に第１下側層ＬＡ１を形成し（ステップＳ１２０ａ１）、第１下側層ＬＡ１の上に第１ドープ層ＬＢ１を形成し（ステップＳ１２０ｂ１）、第１ドープ層ＬＢ１の上に第１上側層ＬＣ１を形成（ステップＳ１２０ｃ１）することを含む。既に説明したように、第１下側層ＬＡ１は、下側歪緩和層の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第１ドープ層ＬＢ１は、第１下側層ＬＡ１の格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第１上側層ＬＣ１は、第１ドープ層ＬＢ１の格子定数以上であり第１下側層ＬＡ１の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。このように、中間層５５の形成は、第１積層膜ＳＬ１の形成を含む。

さらに、本成長方法においては、中間層５５の上に窒化物半導体層を含む上側歪緩和層５２を形成する（ステップＳ１３０）。さらに、上側歪緩和層５２の上に、窒化物半導体を含む機能層４０を形成する。

本実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体結晶の成長方法が提供できる。すなわち、転位密度とクラック密度とが同時に低減する成長方法が提供できる。

本実施形態においても、第１ドープ層ＬＢ１の組成比は、第１下側層ＬＡ１の組成と異なり第１上側層ＬＣ１の組成比とも異なることができる。すなわち、第１ドープ層ＬＢ１の格子定数は、第１下側層ＬＡ１の前記格子定数よりも大きく、第１上側層ＬＣ１の格子定数よりも小さい。

例えば、第１下側層ＬＡ１は、Ａｌ_ｘａ１Ｉｎ_ｙａ１Ｇａ_{１−ｘａ１−ｙａ１}Ｎ（０≦ｘａ１＜１、０≦ｙａ１＜１、ｘａ１＋ｙａ≦１）を含む。第１ドープ層ＬＢ１は、Ａｌ_ｘｂ１Ｉｎ_ｙｂ１Ｇａ_{１−ｘｂ１−ｙｂ１}Ｎ（０≦ｘｂ１＜１、０≦ｙｂ１＜１、ｘｂ１＋ｙｂ１≦１）を含む。第１上側層ＬＣ１は、Ａｌ_ｘｃ１Ｉｎ_ｙｃ１Ｇａ_{１−ｘｃ１−ｙｃ１}Ｎ（０≦ｘｃ１＜１、０≦ｙｃ１＜１、ｘｃ１＋ｙｃ１≦１）を含む。

例えば、第１下側層ＬＡ１は、Ａｌ_ｘａ１Ｇａ_１−ｘａＮ（０＜ｘａ１≦１）を含む。第１ドープ層ＬＢ１は、Ａｌ_ｘｂ１Ｇａ_{１−ｘｂ１}Ｎ（０＜ｘｂ１＜ｘａ１）を含む。第１上側層ＬＣ１は、Ａｌ_ｘｃ１Ｇａ_{１−ｘｃ１}Ｎ（０≦ｘｃ１＜ｘｂ１）を含む。

下側歪緩和層５１は、例えば、ＡｌＮである。上側歪緩和層は、例えば、Ａｌ_ｚ０Ｇａ_１−ｚ０Ｎ（０＜ｚ０≦１）である。

第１ドープ層ＬＢ１に含まれる不純物は、例えば、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｏ及びＣの少なくともいずれかである。第１ドープ層ＬＢ１の厚さは、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。

中間層５５の形成は、複数の積層膜の形成を含んでも良い。
図１０は、第２の実施形態に係る窒化物半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図１０に表したように、中間層５５の形成（ステップＳ１２０）は、第１上側層ＬＣ１の上に第２下側層ＬＡ２を形成し（ステップＳ１２０ａ２）、第２下側層ＬＡ２の上に第２ドープ層ＬＢ２を形成し（ステップＳ１２０ｂ２）、第２ドープ層ＬＢ２の上に第２上側層ＬＣ２を形成する（ステップＳ１２０ｃ２）ことをさらに含む。既に説明したように、第２下側層ＬＡ２は、第１上側層ＬＣ１の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第２ドープ層ＬＢ２は、第２下側層ＬＡ２の格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第２上側層ＬＣ２は、第２ドープ層ＬＢ２の格子定数以上であり第２下側層ＬＡ２の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。

図１０に表したように、中間層５５の形成は、第１上側層ＬＣ１と第２下側層ＬＡ２との間に設けられる第２歪緩和層ＬＤ２をさらに形成する（ステップＳ１２０ｄ２）ことをさらに含むことができる。第２歪緩和層ＬＤ２は、第２下側層ＬＡ２の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む。第２歪緩和層ＬＤ２として、例えば、Ａｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０＜ｚ２≦１）を形成する。

第２下側層ＬＡ２は、Ａｌ_ｘａ２Ｉｎ_ｙａ２Ｇａ_{１−ｘａ２−ｙａ２}Ｎ（０≦ｘａ２＜１、０≦ｙａ２＜１、ｘａ２＋ｙａ２≦１）を含む。第２ドープ層ＬＢ２は、Ａｌ_ｘｂ２Ｉｎ_ｙｂ２Ｇａ_{１−ｘｂ２−ｙｂ２}Ｎ（０≦ｘｂ２＜１、０≦ｙｂ２＜１、ｘｂ２＋ｙｂ２≦１）を含む。第２上側層ＬＣ２は、Ａｌ_ｘｃ２Ｉｎ_ｙｃ２Ｇａ_{１−ｘｃ２−ｙｃ２}Ｎ（０≦ｘｃ２＜１、０≦ｙｃ２＜１、ｘｃ２＋ｙｃ２≦１）を含む。

例えば、第２下側層ＬＡ２は、Ａｌ_ｘａ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０＜ｘａ２≦１）を含む。第２ドープ層ＬＢ２は、Ａｌ_ｘｂ２Ｇａ_{１−ｘｂ２}Ｎ（０＜ｘｂ２＜ｘａ２）を含む。第２上側層ＬＣ２は、Ａｌ_ｘｃ２Ｇａ_{１−ｘｃ２}Ｎ（０≦ｘｃ２＜ｘｂ２）を含む。

このように、本実施形態に係る成長方法においては、中間層５５の形成は、複数の積層膜を積層して形成することを含む。

（第３の実施の形態）
第３の実施形態は、窒化物半導体装置に係る。
実施形態に係る窒化物半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。実施形態に係る窒化物半導体装置は、第１の実施形態に係るウェーハを基に製造されることができる。

図１１は、第３の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体装置２１０は、シリコン基板５０の主面５０ａ上に形成され窒化物半導体を含む中間層５５と、中間層５５の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層５２と、上側歪緩和層５２の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層４０と、を備える。中間層５５は、第１下側層ＬＡ１と、第１ドープ層ＬＢ１と、第１上側層ＬＣ１と、を含む。第１下側層ＬＡ１は、シリコン基板５０の主面５０ａ上に形成され、窒化物半導体を含む。第１ドープ層ＬＢ１は、第１下側層ＬＡ１の上に設けられる。第１ドープ層ＬＢ１は、第１下側層ＬＢ１の窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む。第１上側層ＬＣ１は、第１ドープ層ＬＢ１の上に設けられる。第１上側層ＬＣ１は、第１ドープ層ＬＢ１の窒化物半導体の格子定数以上であり第１下側層ＬＡ１の窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む。

この例では、窒化物半導体装置２１０は、下側歪緩和層５１をさらに含んでいる。下側歪緩和層５１は、シリコン基板５０と第１下側層ＬＡ１との間に設けられる。下側歪緩和層５１の格子定数は、第１下側層ＬＡ１の格子定数よりも小さい。

この例では、窒化物半導体装置２１０は、シリコン基板５０をさらに含む。ただし、実施形態はこれに限らない。シリコン基板５０の上に中間層５５、上側歪緩和層５２及び機能層４０が形成された後に、シリコン基板５０が除去されても良い。このとき、例えば、下側歪緩和層５１の少なくとも一部が除去されても良い。

この例では、機能層４０は、上側歪緩和層５２の上に設けられ窒化物半導体を含み第１導電形（例えばｎ形）の第１半導体層１０と、第１半導体層１０の上に設けられ窒化物半導体を含み第１導電形とは異なる第２導電形（例えばｐ形）の第２半導体層２０と、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられた発光部３０と、を含む。発光部３０は、例えば、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。

窒化物半導体装置２１０は、半導体発光素子である。さらに具体的には、窒化物半導体装置２１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。

窒化物半導体装置２１０においては、第１半導体層１０の一部の上に発光部３０が設けられ発光部３０の上に第２半導体層２０が設けられている。第１半導体層１０の上に第１電極１０ｅが設けられ、第２半導体層２０の上に第２電極２０ｅが設けられている。第１電極１０ｅと第２電極２０ｅとの間に電圧を印加すると、発光部３０内において正孔と電子とが再結合して、発光部３０から、光が放出される。この光は、発光部３０からみて第２半導体層２０側の面、または、発光部３０からみて第１半導体層１０側の面から取り出される。

窒化物半導体装置２１０によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体装置が提供できる。転位密度が低減し、クラックが少なくなることで、例えば発光効率が向上する。さらに、信頼性が向上できる。

図１２は、第３の実施形態に係る別の窒化物半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図１２に表したように、実施形態に係る別の窒化物半導体装置２２０も、中間層５５と、上側歪緩和層５２と、機能層４０と、を含む。この例では、機能層４０は、上側歪緩和層５２の上に設けられた第１半導体層７１と、第１半導体層７１の上に設けられた第２半導体層７２と、を含む。第２半導体層７２のバンドギャップエネルギーは、第１半導体層７１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。

第１半導体層７１は、チャネル層となる。第２半導体層７２は、バリア層となる。第２半導体層７２は、第１半導体層７１とヘテロ接合をしている。中間層５５、上側歪緩和層５２、第１半導体層７１及び第２半導体層７２は、この順で、シリコン基板５０の主面上にエピタキシャル成長されている。

第１半導体層７１は、例えば、不純物を含まないアンドープのＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）を含む。第２半導体層７２は、例えばアンドープまたはｎ形のＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１、α＜β）を含む。例えば、第１半導体層７１にはアンドープのＧａＮ層が用いられ、第２半導体層７２にはアンドープまたはｎ形のＡｌＧａＮ層が用いられる。上側歪緩和層５２には、例えば、ＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層が用いられる。

第２半導体層７２の上には、ソース電極７３とドレイン電極７４とが互いに離間して設けられている。ソース電極７３及びドレイン電極７４のそれぞれは、第２半導体層７２の表面にオーミック接触をしている。ソース電極７３とドレイン電極７４との間における第２半導体層７２の上には、ゲート電極７５が設けられている。ゲート電極７５は、第２半導体層７２の表面にショットキー接触をしている。

第２半導体層７２の格子定数は、第１半導体層７１の格子定数よりも小さい。これにより、第２半導体層７２に歪みが生じて、ピエゾ効果により第２半導体層７２内にピエゾ分極が生じる。これにより、第１半導体層７１における第２半導体層７２との界面付近に２次元電子ガス７１ｇが形成される。

窒化物半導体装置２２０においては、ゲート電極７５に印加するゲート電圧を制御することで、ゲート電極７５下の２次元電子ガス７１ｇの濃度が増減し、ソース電極７３とドレイン電極７４との間に流れる電流が制御される。窒化物半導体装置２２０は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）である。

窒化物半導体装置２２０によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体装置が提供できる。転位密度が低減し、クラックが少なくなることで、性能が安定し、さらに、信頼性が向上できる。

実施形態において、半導体層の成長には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）法などを用いることができる。

例えば、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Ｇａの原料として、例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ_３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。

不純物の原料には、例えば、以下を用いることができる。Ｓｉの原料ガスとして、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）を用いることができる。Ｍｇの原料として、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。Ｍｎの原料として、例えば、トリカルボニルマンガン（ＭＭＴ）を用いることができる。Ｆｅの原料として、例えば、鉄カルボニル（Ｆｅ（ＣＯ）_５）、フェロセン（Ｃｐ_２Ｆｅ）を用いることができる。酸素（Ｏ）の原料として、例えば、酸素プラズマを用いることができる。

実施形態によれば、シリコン基板上に形成した、転位及びクラックの少ない窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法が提供される。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体ウェーハまたは窒化物半導体装置に含まれるシリコン基板、下側歪緩和層、中間層、上側歪緩和層、機能層、下側層、ドープ層及び上側層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての窒化物半導体ウェーハ、窒化物半導体装置及び窒化物半導体結晶の成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…第１半導体層、 １０ｅ…第１電極、 ２０…第２半導体層、 ２０ｅ…第２電極、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…機能層、 ５０…シリコン基板、 ５０ａ…主面、 ５１…下側歪緩和層、 ５２…上側歪緩和層、 ５５…中間層、 ７１…第１半導体層、 ７１ｇ…２次元電子ガス、 ７２…第２半導体層、 ７３…シース電極、 ７４…ドレイン電極、 ７５…ゲート電極、 １１０、１１１、１１２、１１２ａ、１１３、１１４、１１５ａ…窒化物半導体ウェーハ、 ２１０、２２０…窒化物半導体装置、 Ｃ（Ｍｇ）、Ｃ（Ｓｉ）…不純物濃度、 ＥＤＤ…刃状転位密度、 ＬＡ１〜ＬＡ４…第１〜第４下側層、 ＬＡｎ…第ｎ下側層、 ＬＡ（ｎ−１）…第（ｎ−１）下側層、 ＬＢ１〜ＬＢ４…第１〜第４ドープ層、 ＬＢｎ…第ｎドープ層、 ＬＢ（ｎ−１）…第（ｎ−１）ドープ層、 ＬＣ１〜ＬＣ４…第１〜第４上側層、 ＬＣｎ…第ｎ上側層、 ＬＣ（ｎ−１）…第（ｎ−１）上側層、 ＬＤ２〜ＬＤ４…第２〜第４下側層、 ＬＤｎ…第ｎ歪緩和層、 ＬＤ（ｎ−１）…第（ｎ−１）歪緩和層、 Ｓ０１〜Ｓ０４…第１〜第４試料、 ＳＤＤ…螺旋転位密度、 ＳＬ１〜ＳＬ４…第１〜第４積層膜、 ＳＬｎ…第ｎ積層膜、 ＳＬ（ｎ−１）…第（ｎ−１）積層膜

Claims (9)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板の主面上に設けられ窒化物半導体層を含む下側歪緩和層と、
   前記下側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む中間層と、
   前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層と、
   前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
   を備え、
   前記中間層は、
   前記下側歪緩和層の上に設けられ前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第１下側層と、
   前記第１下側層の上に設けられ前記第１下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度であり前記第１下側層よりも高い濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む第１ドープ層と、
   前記第１ドープ層の上に設けられ前記第１ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第１下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第１上側層と、
   を含む窒化物半導体ウェーハ。
2. 前記第１ドープ層の組成比は、前記第１下側層の組成と異なり前記第１上側層の組成比とも異なり、
   前記第１ドープ層の前記格子定数は、前記第１下側層の前記格子定数よりも大きく前記第１上側層の格子定数よりも小さい請求項１記載の窒化物半導体ウェーハ。
3. 前記不純物は、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、酸素（Ｏ）及びカーボン（Ｃ）の少なくともいずれかを含む請求項１または２に記載の窒化物半導体ウェーハ。
4. 前記中間層は、
   前記第１上側層の上に設けられ前記第１上側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む第２下側層と、
   前記第２下側層の上に設けられ前記第２下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度であり前記第２下側層よりも高い濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む第２ドープ層と、
   前記第２ドープ層の上に設けられ前記第２ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第２下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第２上側層と、
   をさらに含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
5. 前記中間層は、
   前記第１上側層と前記第２下側層との間に設けられ前記第２下側層の前記窒化物半導体の格子定数よりも小さい格子定数を有する窒化物半導体を含む第２歪緩和層をさらに含む請求項４記載の窒化物半導体ウェーハ。
6. 前記第１下側層は、Ａｌ_ｘａ１Ｇａ_１−ｘａＮ（０＜ｘａ１≦１）を含み、
   前記第１ドープ層は、Ａｌ_ｘｂ１Ｇａ_{１−ｘｂ１}Ｎ（０＜ｘｂ１＜ｘａ１）を含み、
   前記第１上側層は、Ａｌ_ｘｃ１Ｇａ_{１−ｘｃ１}Ｎ（０≦ｘｃ１＜ｘｂ１）を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
7. シリコン基板の主面上に形成され窒化物半導体を含む中間層と、
   前記中間層の上に設けられ窒化物半導体層を含む上側歪緩和層と、
   前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
   を備え、
   前記中間層は、
   前記主面上に形成され窒化物半導体を含む第１下側層と、
   前記第１下側層の上に設けられ前記第１下側層の前記窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度であり前記第１下側層よりも高い濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む第１ドープ層と、
   前記第１ドープ層の上に設けられ前記第１ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第１下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第１上側層と、
   を含む窒化物半導体装置。
8. 前記機能層は、
   前記上側歪緩和層の上に設けられ窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられ窒化物半導体を含み第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
   前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
   を含む請求項７記載の窒化物半導体装置。
9. シリコン基板の主面上に窒化物半導体を含む下側歪緩和層を形成し、
   前記下側歪緩和層の上に前記下側歪緩和層の前記窒化物半導体の格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第１下側層を形成し、
   前記第１下側層の上に前記第１下側層の窒化物半導体の格子定数以上の格子定数を有し１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３未満の濃度であり前記第１下側層よりも高い濃度で不純物を含有する窒化物半導体を含む第１ドープ層を形成し、
   前記第１ドープ層の上に前記第１ドープ層の前記窒化物半導体の前記格子定数以上であり前記第１下側層の前記窒化物半導体の前記格子定数よりも大きい格子定数を有する窒化物半導体を含む第１上側層を形成して、中間を形成し、
   前記中間層の上に窒化物半導体層を含む上側歪緩和層を形成し、
   前記上側歪緩和層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成する窒化物半導体結晶の成長方法。