JP2014201457A - 結晶積層構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｇａ_２Ｏ_３基板上に高品質の窒化物半導体層を形成することのできる結晶積層構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】一実施の形態において、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する第１の結晶からなり、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面を部分的に覆うバッファ層１２を形成する工程と、バッファ層１２上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する第２の結晶からなる窒化物半導体層１３を形成する工程と、を含み、窒化物半導体層１３を形成する工程は、９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で第２の結晶を成長させる第１の成長工程と、第１の成長工程後の、１０５０℃以上かつ１１２５℃以下の温度で第２の結晶を成長させる第２の成長工程を含む、結晶積層構造体１０の製造方法を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、結晶積層構造体の製造方法に関する。

従来、Ｇａ_２Ｏ_３基板上にバッファ層を介して窒化物半導体結晶を成長させる発光素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の発光素子の製造方法によれば、窒化物半導体結晶を２段階に分けて成長させており、初めに窒素ガスをキャリアガスとして用いて７００℃から１０３５℃の温度で成長させた後、続けて水素ガスをキャリアガスとして用いて１０５０℃以上の温度で成長させる。

特開２０１２−１４２５１２号公報

本発明の目的の１つは、Ｇａ_２Ｏ_３基板上に高品質の窒化物半導体層を形成することのできる結晶積層構造体の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［６］の結晶積層構造体の製造方法を提供する。

［１］Ｇａ_２Ｏ_３基板上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する第１の結晶からなり、前記Ｇａ_２Ｏ_３基板の上面を部分的に覆うバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する第２の結晶からなる窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、前記窒化物半導体層を形成する工程は、９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で前記第２の結晶を成長させる第１の成長工程と、前記第１の成長工程後の、１０５０℃以上かつ１１２５℃以下の温度で前記第２の結晶を成長させる第２の成長工程を含む、結晶積層構造体の製造方法。

［２］前記第１の成長工程において、Ｈ_２ガスをキャリアガスとして用いる、前記［１］に記載の結晶積層構造体の製造方法。

［３］前記窒化物半導体層の前記第１の成長工程により形成された領域の厚さは、前記窒化物半導体層の全体の厚さの３４％以上かつ６０％以下である、前記［１］又は［２］に記載の結晶積層構造体の製造方法。

［４］前記Ｇａ_２Ｏ_３基板の主面の面方位は、（１０１）又は（−２０１）である、前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法。

［５］前記第１の結晶の組成はＡｌＮである、前記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法。

［６］前記第２の結晶の組成はＧａＮ結晶である、前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法。

本発明によれば、Ｇａ_２Ｏ_３基板上に高品質の窒化物半導体層を形成することのできる結晶積層構造体の製造方法を提供することができる。

図１は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体の垂直断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体の製造工程を表す垂直断面図である。 図３（ａ）は、結晶核生成前の膜状のバッファ層の表面の観察画像である。図３（ｂ）は、８９０℃で結晶核生成したバッファ層の表面の観察画像である。 図４（ａ）は、９９０℃で結晶核生成したバッファ層の表面の観察画像である。図４（ｂ）は、１０９０℃で結晶核生成したバッファ層の表面の観察画像である。 図５（ａ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層の表面の観察画像である。図５（ｂ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が９９０℃であった窒化物半導体層の表面の観察画像である。図５（ｃ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層の表面の観察画像である。 図６は、ＧａＮ結晶である第２の結晶の成長温度と酸素濃度との関係を表すグラフである。 図７は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度と窒化物半導体層１３のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。 図８は、第１の層の厚さと窒化物半導体層のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。 図９（ａ）は、第１の層の厚さが３０００ｎｍである窒化物半導体層の表面の観察画像である。図９（ｂ）は、第１の層の厚さが４０００ｎｍである窒化物半導体層の表面の観察画像である。

Ｇａ_２Ｏ_３基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を介して窒化物半導体結晶を成長させる場合には、キャリアガスや結晶の原料ガスによるＧａ_２Ｏ_３基板の表面のエッチングを抑えることが重要である。Ｇａ_２Ｏ_３基板の表面がキャリアガスや結晶の原料ガスによりエッチングされると、Ｇａ_２Ｏ_３基板と窒化物半導体結晶との界面にボイドが発生するおそれがある。例えば、キャリアガスとして用いられるＨ_２ガスや、Ｎの原料としてのＮＨ_３ガスが、Ｇａ_２Ｏ_３基板に対する反応性が高く、Ｇａ_２Ｏ_３基板をエッチングしやすい。

Ｇａ_２Ｏ_３基板と窒化物半導体結晶との界面にボイドが発生した場合、窒化物半導体層が成長時に発生する応力等により割れたり、Ｇａ_２Ｏ_３基板から剥がれたりするおそれがある。また、窒化物半導体結晶中に、Ｇａ_２Ｏ_３基板との界面から上面まで達する高密度の転位等が発生し、結晶品質が低下するおそれがある。

そこで、Ｇａ_２Ｏ_３基板と窒化物半導体結晶との界面におけるボイドの発生を抑えるための方法の１つとして、Ｇａ_２Ｏ_３基板に対する反応性が高いＨ_２ガス以外のガスをキャリアガスとして用いて、キャリアガスによる窒化物半導体結晶のエッチングを抑える方法がある。

また、Ｇａ_２Ｏ_３基板と窒化物半導体結晶との界面におけるボイドの発生を抑えるための他の方法として、バッファ層をＧａ_２Ｏ_３基板の上面の全域を覆うように厚く形成し、Ｇａ_２Ｏ_３基板と窒化物半導体結晶とが直接接触しないようにし、Ｇａ_２Ｏ_３基板と窒化物半導体結晶との界面を形成しない方法がある。

しかしながら、Ｈ_２ガス以外のガス、例えばＮ_２ガスをキャリアガスとして用いる場合には、窒化物半導体結晶の結晶品質が低くなり、電気抵抗が大きくなるという問題がある。また、バッファ層を厚く形成する場合は、結晶積層構造体の縦方向の電気抵抗が高くなり、また、窒化物半導体結晶の結晶品質が低くなる。

そこで、この様な問題を回避するため、本発明者等は、鋭意研究の結果、窒化物半導体結晶の成長条件を制御することにより、上記の方法を用いずにキャリアガスによる窒化物半導体結晶のエッチングを抑えることができ、かつ高品質の結晶積層構造体が得られることを見出した。その一例を、実施の形態として以下に説明する。

〔第１の実施の形態〕
（結晶積層構造体の構造）
図１は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体１０の垂直断面図である。結晶積層構造体１０は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１と、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１上のバッファ層１２と、バッファ層１２上の窒化物半導体層１３を含む。

Ｇａ_２Ｏ_３基板１１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなる。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面は、品質の高い窒化物半導体結晶の成長の下地となることのできる、（１０１）、（−２０１）等の面方位を有する面である。

バッファ層１２は、窒化物半導体結晶、すなわちＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する結晶である第１の結晶からなる。この第１の結晶の典型的な組成はＡｌＮ（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）である。バッファ層１２は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面を部分的に覆う。

窒化物半導体層１３は、窒化物半導体結晶、すなわちＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する結晶である第２の結晶からなる。この第２の結晶の典型的な組成はＧａＮ（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）である。

窒化物半導体層１３は、第１の層１３ａと、第１の層１３ａ上の第２の層１３ｂを含む。第１の層１３ａは、９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で第２の結晶を成長させることにより形成される層である。また、第２の層１３ｂは、１０５０℃以上かつ１１２５℃以下の温度で第２の結晶を成長させることにより形成される層である。

第１の層１３ａの厚さＴ１は、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの３４％以上かつ６０％以下であることが好ましい。

窒化物半導体層１３は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面のバッファ層１２に覆われていない部分に接触する。

なお、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１及び窒化物半導体層１３は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。

（結晶積層構造体の製造方法）
以下に、本実施の形態の結晶積層構造体の製造工程の一例について説明する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体１０の製造工程を表す垂直断面図である。

まず、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理されたＧａ_２Ｏ_３基板１１に有機洗浄、ＳＰＭ（Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture）洗浄、及びＨＦ液による洗浄を施す。

次に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置のチャンバー内にＧａ_２Ｏ_３基板１１を搬送する。

次に、図２（ａ）に示されるように、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１上に膜状のバッファ層１２を形成する。この膜状のバッファ層１２は、チャンバー内の温度を４００〜６００℃に保持した状態で、第１の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのＮ_２ガスをチャンバー内に供給して、第１の結晶をＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長させることにより形成される。

第１の結晶の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、Ｇａの原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、Ｉｎの原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ_３ガスが用いられる。

この段階では、バッファ層１２はほぼ均一の厚さを有する膜であり、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面の全域を覆っている。

次に、図２（ｂ）に示されるように、バッファ層１２上に第２の結晶を成長させ、窒化物半導体層１３の第１の層１３ａを形成する。この工程を第２の結晶の第１の成長工程とする。

第１の成長工程では、チャンバー内の温度を９５０℃以上かつ１０３０℃以下に保持した状態で、第２の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのＨ_２ガスをチャンバー内に供給して、第２の結晶をバッファ層１２上に成長させる。

第２の結晶の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、Ｇａの原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、Ｉｎの原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ_３ガスが用いられる。

ここで、第２の結晶を成長させるためにチャンバー内の温度を上昇させることにより、膜状のバッファ層１２から複数の第１の結晶の核がアイランド状に生成される。これにより、バッファ層１２がアイランド状の複数の結晶核から構成される層に変化し、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面を部分的に覆うことになる。

なお、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を高く設定するほど、バッファ層１２における核生成が促進され、結晶核が大きく、かつ少なくなる。その結果、結晶核の間隔が大きくなり、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面がＨ_２ガスやＮＨ_３ガスによりエッチングされ易くなるため、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１と第２の結晶との界面にボイドが発生しやすくなる。

そして、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を１０３０℃より高い温度に設定した場合には、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１と第２の結晶との界面に、第２の結晶の割れや剥がれを引き起こすおそれのある量や大きさのボイドが発生する。そのため、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度は１０３０℃以下に設定される。

一方、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を低く設定するほど、バッファ層１２における核生成が進まず、結晶核が小さく、かつ多くなる。その結果、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１と第２の結晶との界面から発生する転位の密度が高くなる。第２の結晶中に高密度の転位が存在すると、成長中に大きな応力が生じ、割れや剥がれを引き起こす。

そして、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を９５０℃より低い温度に設定した場合には、第２の結晶中に割れや剥がれを引き起こすおそれのある高密度の転位が存在する。そのため、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度は９５０℃以上に設定される。

なお、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が適切であっても、膜状のバッファ層１２が厚すぎるとアイランド状の結晶核が生成されないため、図２（ａ）に示される膜状のバッファ層１２はおよそ１〜５ｎｍの厚さに形成されることが好ましい。

次に、図２（ｃ）に示されるように、第１の層１３ａ上に第２の結晶を成長させ、第２の層１３ｂを形成する。この工程を第２の結晶の第２の成長工程とする。

第２の成長工程では、チャンバー内の温度を１０５０℃以上かつ１１２５℃以下に保持した状態で、第２の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのＨ_２ガスをチャンバー内に供給して、第２の結晶の成長を継続する。

ここで、第２の成長工程における第２の結晶の成長温度を１０５０℃より低い温度に設定した場合には、第２の結晶の成長温度が低すぎるため、水平方向への成長速度が低くなる。その結果、第２の層１３ｂの上面の平坦性が悪くなり、白濁が生じる。

なお、当然ながら、第２の結晶の第１の成長工程のみで窒化物半導体層１３を形成しようとする場合（第１の層１３ａのみで窒化物半導体層１３を構成する場合）は、最後まで９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で第２の結晶を成長させることになるため、窒化物半導体層１３の上面の平坦性が悪くなり、白濁が生じる。

上記のように、第１の成長工程により窒化物半導体層１３の結晶品質を向上させ、かつ、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１からの剥がれを防ぐことができ、第２の成長工程により窒化物半導体層１３の上面を平坦化し、白濁をふせぐことができる。

このため、窒化物半導体層１３の形成における第１の成長工程の割合が大きいほど、窒化物半導体層１３の結晶品質を向上させることができるが、第２の成長工程の割合が少なすぎると、窒化物半導体層１３の上面を十分に平坦化することができない。そこで、窒化物半導体層１３の上面を十分に平坦化し、かつ窒化物半導体層１３の結晶品質を高めるためには、第１の成長工程で形成される第１の層１３ａの厚さＴ１が、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの３４％以上かつ６０％以下であることが好ましい。

なお、仮に第１の層１３ａ中に転位が発生した場合であっても、第２の層１３ｂを形成するために第２の結晶の成長温度を変化させたときに成長方向が変わり、転位の方向を曲げることができる。Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の鉛直方向に伸びていた転位を水平方向に曲げることで、転位同士をぶつけ合い消滅させることもできる。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、窒化物半導体層１３の形成を第１の成長工程と第２の成長工程の２段工程を含む工程で行うことにより、結晶品質が高く、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１から剥がれず、かつ上面が平坦で白濁していない窒化物半導体層１３を得ることができる。また、第１の成長工程においてＨ_２ガスをキャリアガスとして用いてもＧａ_２Ｏ_３基板１１と窒化物半導体結晶１３との界面におけるボイドの発生を抑えることができるため、より結晶品質の高い窒化物半導体層１３を形成することができる。

そして、このような高品質の窒化物半導体層１３を含む結晶積層構造体１０は、十分な特性を備えた発光素子やトランジスタ等のデバイスの形成に用いることができる。

第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が窒化物半導体層１３の品質に与える影響を評価した。

まず、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（１０１）面を主面とする３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１を格納したチャンバー内の温度をそれぞれ８９０℃、９９０℃、１０９０℃まで上昇させて、アイランド状の結晶核を生成した。そして、各々のＧａ_２Ｏ_３基板１１上のバッファ層１２の結晶核の状態を電子顕微鏡により観察した。

図３（ａ）は、結晶核生成前の膜状のバッファ層１２の表面の観察画像である。図３（ｂ）は、８９０℃で結晶核生成したバッファ層１２の表面の観察画像である。図４（ａ）は、９９０℃で結晶核生成したバッファ層１２の表面の観察画像である。図４（ｂ）は、１０９０℃で結晶核生成したバッファ層１２の表面の観察画像である。

図３（ａ）に示されるように、４５０℃で形成した膜状のバッファ層１２の表面は平坦であり、目立った凹凸は観察されない。そして、図３（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、昇温後の温度が高いほど結晶核が大きくなり、その数が減少する。なお、図３（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）の結晶核の下に観察される均一な濃い色の部分は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１の上面の露出部分である。

これらの結果は、窒化物半導体層１３を形成する際の第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が高いほど、膜状のバッファ層１２から生成される結晶核が大きくなり、その数が減少することを示している。

次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（１０１）面を主面とする３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に、それぞれ成長温度８９０℃、９９０℃、１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて第１の層１３ａを形成した（第１の成長工程）。さらに、３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１の第１の層１３ａ上に、成長温度１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を各々成長させて、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが２３００ｎｍとなるように第２の層１３ｂを形成した（第２の成長工程）。そして、各々のＧａ_２Ｏ_３基板１１上の窒化物半導体層１３の表面（第２の層１３ｂの表面）の状態を光学顕微鏡により観察した。

図５（ａ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。図５（ｂ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が９９０℃であった窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。図５（ｃ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。

図５（ａ）に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層１３の内部には、矢印で示される位置に割れが発生した。これは、第２の結晶の成長途中に発生した割れが、その上に成長した第２の結晶に覆われたものである。

また、図５（ｃ）に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層１３の内部には、矢印で示される位置にボイドが発生した。

一方、図５（ｂ）に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層１３には、割れもボイドも観察されなかった。そして、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度がおよそ９５０℃以上かつ１０３０℃以下である場合に、窒化物半導体層１３に割れ及びボイドが発生しないことが確認された。

図６は、ＧａＮ結晶である第２の結晶の成長温度と酸素濃度との関係を表すグラフである。図６は、結晶成長温度の増加に伴って酸素濃度が低下することを示している。図６を用いれば、例えば、第１の層１３ａの酸素濃度を測定することにより、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を推定できる。

図７は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度と窒化物半導体層１３のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。

図７には、窒化物半導体層１３の第２の結晶の（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が示されている。

図７に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層１３において、第２の結晶の（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が広い。これは、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃程度であるときには、窒化物半導体層１３の結晶品質が低くなることを表している。

第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が、窒化物半導体層１３に割れ及びボイドが発生しない９５０℃以上かつ１０３０℃以下であるときは、（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が比較的狭く、窒化物半導体層１３の結晶品質が高いことが図７から読み取れる。

なお、本実施例においては、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１として（１０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３基板を用いた場合の評価結果を示したが、（−２０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３基板を用いた場合にも同様の評価結果が得られる。また、第１の結晶がＡｌＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合や、第２の結晶がＧａＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合であっても、同様の評価結果が得られる。

第１の層１３ａの厚さが窒化物半導体層１３の品質に与える影響を評価した。

ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（１０１）面を主面とする３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長温度９９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、それぞれ厚さ５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍの第１の層１３ａを形成した（第１の成長工程）。さらに、３枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１の第１の層１３ａ上に、成長温度１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが２０００ｎｍとなるように第２の層１３ｂを各々形成した（第２の成長工程）。

図８は、第１の層１３ａの厚さＴ１と窒化物半導体層１３のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。

図８には、窒化物半導体層１３の第２の結晶の（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が示されている。

図８は、第１の層１３ａの厚さＴ１が大きくなるほど（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が狭くなり、窒化物半導体層１３の結晶品質が高くなることを示している。

結晶品質の高さの１つの指標として、（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５５０秒以下であることを用いれば、第１の層１３ａの厚さＴ１がおよそ６８０ｎｍ以上であるときに、窒化物半導体層１３の結晶品質が高くなるということができる。すなわち、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが２０００ｎｍであるので、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの３４％以上であるときに、窒化物半導体層１３の結晶品質が高くなるということができる。

次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（−２０１）面を主面とする２枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長温度５５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、２枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１上に成長温度９９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、それぞれ厚さ３０００ｎｍ、４０００ｎｍの第１の層１３ａを形成した（第１の成長工程）。さらに、２枚のＧａ_２Ｏ_３基板１１の第１の層１３ａ上に、成長温度１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが６０００ｎｍとなるように第２の層１３ｂを各々形成した（第２の成長工程）。そして、各々のＧａ_２Ｏ_３基板１１上の窒化物半導体層１３の表面（第２の層１３ｂの表面）の状態を光学顕微鏡により観察した。

図９（ａ）は、第１の層１３ａの厚さＴ１が３０００ｎｍである窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。この窒化物半導体層１３においては、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの５０％である。

図９（ｂ）は、第１の層１３ａの厚さＴ１が４０００ｎｍである窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。この窒化物半導体層１３においては、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの６７％である。

図９（ｂ）に示されるように、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの６７％である窒化物半導体層１３の表面には、丸で囲まれる位置にピットが発生した。これは、第１の層１３ａの厚さＴ１の窒化物半導体層１３の全体の厚さＴに対する割合が大きすぎると、第２の結晶の成長温度が高く、結晶表面を平坦化することのできる第２の成長工程が短くなることによる。ピットを含む結晶を用いてデバイスを製造した場合、ピットがリーク等の不良の原因となることが知られている。

一方、図９（ａ）に示されるように、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの５０％である窒化物半導体層１３の表面には、ピットが観察されなかった。そして、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴのおよそ６０％以下である場合に、窒化物半導体層１３の表面にピットが発生しないことが確認された。

なお、本実施例においては、Ｇａ_２Ｏ_３基板１１として（−２０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３基板を用いた評価と、（１０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３基板を用いた評価の結果を示したが、いずれの評価においても、（１０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３基板と（−２０１）面を主面とするＧａ_２Ｏ_３基板のいずれの基板を用いても同様の評価結果が得られる。また、第１の結晶がＡｌＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合や、第２の結晶がＧａＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合であっても、同様の評価結果が得られる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０…結晶積層構造体、 １１…Ｇａ_２Ｏ_３基板、 １２…バッファ層、 １３…窒化物半導体層、 １３ａ…第１の層、 １３ｂ…第２の層

Claims (6)

1. Ｇａ_２Ｏ_３基板上に、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する第１の結晶からなり、前記Ｇａ_２Ｏ_３基板の上面を部分的に覆うバッファ層を形成する工程と、
   前記バッファ層上にＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する第２の結晶からなる窒化物半導体層を形成する工程と、
   を含み、
   前記窒化物半導体層を形成する工程は、９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で前記第２の結晶を成長させる第１の成長工程と、前記第１の成長工程後の、１０５０℃以上かつ１１２５℃以下の温度で前記第２の結晶を成長させる第２の成長工程を含む、結晶積層構造体の製造方法。
2. 前記第１の成長工程において、Ｈ_２ガスをキャリアガスとして用いる、
   請求項１に記載の結晶積層構造体の製造方法。
3. 前記窒化物半導体層の前記第１の成長工程により形成された領域の厚さは、前記窒化物半導体層の全体の厚さの３４％以上かつ６０％以下である、
   請求項１又は２に記載の結晶積層構造体の製造方法。
4. 前記Ｇａ_２Ｏ_３基板の主面の面方位は、（１０１）又は（−２０１）である、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法。
5. 前記第１の結晶の組成はＡｌＮである、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法。
6. 前記第２の結晶の組成はＧａＮ結晶である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の結晶積層構造体の製造方法。