JP2018088528A - 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転位が少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、積層体と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層と、を含む。前記機能層は、前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む。前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉを含有する第２層をさらに含む。前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、２つのピークを含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法に関する。

窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子として、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）は、表示装置や照明などに用いられている。窒化物半導体素子として、高速電子デバイスやパワーデバイスなどの電子デバイスもある。
このような窒化物半導体素子は、主としてサファイアやシリコン（Ｓｉ）などの異種基板上に形成されるが、格子定数の違いおよび熱膨張係数の違いに起因した欠陥や基板の反り（クラック）が発生しやすい。デバイスの高性能化のためには、窒化物半導体中の欠陥を低減することが重要であり、転位の少ない窒化物半導体結晶を作製する技術が望まれている。

特開２０１１−２１６５８０号公報

本発明の実施形態は、転位が少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法を提供する。

実施形態によれば、積層体と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層と、を含む。前記機能層は、前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む。前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉを含有する第２層をさらに含む。前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、２つのピークを含む。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態の第１ＧａＮ層を表すＳＥＭ像の例である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部を示す模式的断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は、試料を示す模式的断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は、バッファ層および積層体を示す断面ＳＥＭ像である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、参考例に係る窒化物半導体素子を示す透過型電子顕微鏡像である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示すグラフ図である。 図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、実施形態に係る窒化半導体素子を示す図である。 図１４（ａ）〜図１４（ｄ）は、第２の実施形態に係る窒化物半導体素子および窒化物半導体ウェーハを示す図である。 第２の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る別の窒化物半導体素子および窒化物半導体ウェーハを例示する模式的断面図である。 図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、実施形態に係る別の窒化物半導体素子および窒化物半導体ウェーハを示す模式的断面図である。 図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、試料を示す模式的断面図である。 図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、バッファ層および積層体の例を示す断面ＳＥＭ像である。 実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図２１（ａ）〜図２１（ｄ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示すグラフ図である。 図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す図である。 実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。 第３の実施形態に係る窒化物半導体層の形成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層の別の形成方法を示すフローチャート図である。

以下に、本発明の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の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハに係る。実施形態に係る窒化物半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。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。実施形態に係る窒化物半導体ウェーハは、実施形態に係る窒化物半導体素子の少なくとも一部を含む。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を抜き出した図である。
図１（ａ）に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１１０は、バッファ層６０と、積層体５０と、機能層１０と、を含む。積層体５０は、バッファ層６０の上に設けられる。積層体５０は、バッファ層６０と、機能層１０と、の間に設けられる。
積層体５０から機能層１０に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、バッファ層６０、積層体５０及び機能層１０の積層方向である。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。以下では、Ｚ軸方向（積層方向）を「上方向」あるいは「上」と称して説明することがある。但し、窒化物半導体素子１１０の上下方向が反転した場合には、前述した「上方向」および「上」は反転する。

この例では、窒化物半導体素子１１０は、基板４０をさらに含む。基板４０と積層体５０との間に、バッファ層６０が配置される。

基板４０は、例えば、Ｓｉ（１１１）基板である。実施形態において、基板４０がシリコン基板の場合、基板４０の面方位は、（１１１）面でなくてもよく、例えば、（１１ｎ）（ｎ：整数）で表される面方位や（１００）面でもよい。例えば（１１０）面は、シリコン基板と窒化物半導体層との格子不整合が小さくなるため好ましい。

基板４０は、酸化物層を含む基板でもよい。例えば、基板４０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ：silicon on insulator）基板などでもよい。基板４０には、格子定数が機能層１０の格子定数とは異なる材料を含む基板を用いてもよい。基板４０には、熱膨張係数が機能層１０の熱膨張係数とは異なる材料を含む基板を用いてもよい。例えば、基板４０は、サファイア、スピネル、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＡｌＮおよびＳｉＣのいずれかの基板でもよい。

例えば、基板４０の上にバッファ層６０が形成される。バッファ層６０の上に、積層体５０が形成される。積層体５０の上に機能層１０が形成される。これらの形成においてエピタキシャル成長が行われる。

実施形態に係る窒化物半導体素子１１０は、基板４０と、バッファ層６０と、積層体５０と、機能層１０の一部と、が除去された状態で使用される場合がある。窒化物半導体素子１１０が発光素子である場合には、機能層１０は、例えば、ｎ形半導体層と、発光層と、ｐ形半導体層と、を含む。

本願明細書において、積層される状態は、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる状態を含む。上に設けられる状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の層が挿入されて設けられる状態を含む。

バッファ層６０は、例えば、ＡｌＮバッファ層６２を含む。
ＡｌＮバッファ層６２の厚さは、例えば１０ナノメートル（ｎｍ）以上４００ｎｍ以下であることが好ましく、例えば約２００ｎｍである。バッファ層はＡｌＮ層に限らず、ＧａＮ層でもよい。バッファ層６０としてＧａＮ層を用いる場合、ＧａＮ層の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。ＧａＮ層の厚さは、例えば約３０ｎｍである。バッファ層６０として、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの混晶を用いることができる。

基板４０にシリコン基板を用いる場合、基板４０（シリコン基板）と化学的反応が生じにくいＡｌＮをシリコンに接するバッファ層６０として用いることで、シリコンとガリウムとの反応によって生じるメルトバックエッチングなどの問題を解決しやすい。バッファ層６０として用いられるＡｌＮの少なくとも一部は、単結晶を含むことが好ましい。ＡｌＮを１０００℃以上の高温でエピタキシャル成長させることで、単結晶のＡｌＮバッファ層６２を形成することができる。基板４０にシリコン基板を用いる場合、窒化物半導体とシリコン基板との間の熱膨張係数の差が、窒化物半導体とシリコンとは異なる材料の基板との間の熱膨張係数の差に比べて大きい。そのため、エピタキシャル成長後に生じる基板４０の反りが大きくなりやすく、クラックが生じやすい。単結晶を含むＡｌＮ層をバッファ層６０として用いることで、エピタキシャル成長中の窒化物半導体中に応力（歪み）が形成され、成長終了後の基板の反りを低減できる。

ＡｌＮバッファ層６２には、引っ張り応力（歪み）が形成されていることが好ましい。ＡｌＮバッファ層６２に引っ張り応力（歪み）が形成されることで、基板４０とバッファ層６０との界面での欠陥形成が抑制される。

バッファ層６０がＩｎを含むことで、バッファ層６０と基板４０（シリコン基板）との格子不整合が緩和され、転位の発生が抑制される。バッファ層６０がＩｎを含む場合、結晶成長中にＩｎの脱離反応が発生しやすく、平坦性の良いバッファ層６０を得るために、Ｉｎ組成比を５０％以下とすることが好ましい。

積層体５０は、第１ＧａＮ層５３と、第１層５４と、第２ＧａＮ層５５と、を含む。例えば、積層体５０は、ＡｌＧａＮ層５１と、第２層５６と、第３層５２と、第３ＧａＮ層５７と、をさらに含んでもよい。

ＡｌＧａＮ層５１には、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）が用いられる。ＡｌＧａＮ層５１の厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、例えば約２５０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層５１のＡｌの組成比は、例えば０．１以上０．９以下であることが好ましく、例えば０．２５である。ＡｌＧａＮ層５１により、メルトバックエッチングの抑制効果を増大させることができる。ＡｌＧａＮ層５１により、積層体５０に形成される圧縮応力（歪み）を増大させることができる。

互いに組成が異なる複数の窒化物半導体層を積層した場合に、上に積層する窒化物半導体層（例えば、ＡｌＧａＮ層５１）は、下に形成された窒化物半導体層（例えば、ＡｌＮバッファ層６２）の格子間隔（格子の長さ）に整合するように形成される。このため、窒化物半導体層の実際の格子間隔は、無歪みの格子間隔（格子定数）とは異なる。

本願明細書においては、窒化物半導体の無歪みの格子間隔を「格子定数」とする。本願明細書においては、形成した窒化物半導体層の実際の格子の長さを「格子間隔」とする。格子定数は、例えば物性定数である。格子間隔は、例えば形成された窒化物半導体素子に含まれる窒化物半導体層における実際の格子の長さである。格子間隔は、例えば、Ｘ線回折測定から求められる。

ＡｌＧａＮ層５１は、少なくとも一部に結晶性を有する。すなわち、ＡｌＧａＮ層５１の少なくとも一部は、非晶質ではなく、多結晶または単結晶である。単結晶のＡｌＮバッファ層６２上に、ＡｌＮバッファ層６２の格子間隔よりも格子定数が大きなＡｌＧａＮ層５１を形成することで、結晶性を有するＡｌＧａＮ層５１中に圧縮応力（歪み）が形成される。圧縮応力（歪み）の形成されたＡｌＧａＮ層５１の格子間隔は、無歪みの格子間隔（格子定数）よりも小さい。圧縮応力（歪み）を形成することで、結晶成長後の降温過程において窒化物半導体とシリコン基板との間の熱膨張係数の差によって生じる引っ張り応力（歪み）を低減でき、基板４０の反りやクラックの発生を抑制することができる。
ＡｌＧａＮ層５１が結晶性を有することで、ＡｌＧａＮ層５１上に形成する積層体５０の一部となるＧａＮ層が三次元成長しやすい。これにより、転位が低減しやすい。ＡｌＧａＮ層５１が結晶性を有することは、例えば、Ｘ線回折測定などによって、回折ピークが観測されることで評価できる。例えば、成長方向（積層方向）に対して平行な方向の結晶面（例えば、（０００２）面）の回折ピークを観察することで評価できる。

ＡｌＧａＮ層５１は、ピットのない平坦な表面を有することが好ましい。平坦な表面の上に積層体５０の一部となるＧａＮ層を形成することで、より大きな圧縮応力（歪み）がＧａＮ層に形成されやすくなる。
ＡｌＮバッファ層６２上にＡｌＧａＮ層５１を形成することで、ＡｌＮバッファ層６２とＡｌＧａＮ層５１との界面で転位を低減できる。

ＡｌＧａＮ層５１は、１層でもよく、複数の層を含んでもよい。この例では、ＡｌＧａＮ層５１は、第１ＡｌＧａＮ層５１ａ、第２ＡｌＧａＮ層５１ｂ及び第３ＡｌＧａＮ層５１ｃを含む。ＡｌＧａＮ層５１に含まれる層の数は、２でも良く、４以上でも良い。第２ＡｌＧａＮ層５１ｂは、第１ＡｌＧａＮ層５１ａの上に設けられる。第３ＡｌＧａＮ層５１ｃは、第２ＡｌＧａＮ層５１ｂの上に設けられる。ＡｌＧａＮ層５１として複数の層を形成することで、ＡｌＧａＮ層５１中に形成される圧縮応力（歪み）を増大させることができる。その場合、バッファ層６０から上方向に向かって（例えばバッファ層６０から機能層１０に向かう方向に）、Ａｌ組成比が小さくなるように積層することが好ましい。つまり、第２ＡｌＧａＮ層５１ｂにおけるＡｌ組成比が第１ＡｌＧａＮ層５１ａにおけるＡｌ組成比よりも低いことが好ましく、第３ＡｌＧａＮ層５１ｃにおけるＡｌ組成比が第２ＡｌＧａＮ層５１ｂにおけるＡｌ組成比よりも低いことが好ましい。

例えば、バッファ層６０にＡｌＮを用いる場合、ＡｌＮとＧａＮとの室温における格子不整合率をＡｌＧａＮ層５１の積層数で等間隔に分割した格子不整合率となるＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層５１を形成することが好ましい。すなわち、例えば、各層の格子不整合率が、ＡｌＮとＧａＮとの室温における格子不整合率を積層数に１を加えた数で割った値程度となるＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層５１を形成することが好ましい。これにより、ＡｌＧａＮ層５１中に形成される圧縮応力（歪み）が増大しやすい。

ＡｌＮとＧａＮ層との室温における格子不整合率は、約２．１％である。このことから、例えば、３層のＡｌＧａＮ層５１を形成する場合、各層の格子不整合率が０．５％程度（例えば０．４％以上０．６％以下）となるようなＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層５１を形成することができる。

例えば、Ａｌ組成比がおよそ０．５５、０．３および０．１５のＡｌＧａＮ層５１をこの順に積層することができる。例えば、第１ＡｌＧａＮ層５１ａにおけるＡｌ組成比は、約０．５５である。第２ＡｌＧａＮ層５１ｂにおけるＡｌ組成比は、約０．３である。第３ＡｌＧａＮ層５１ｃにおけるＡｌ組成比は、約０．１５である。Ａｌ組成比については、上記値（約０．５５、約０．３、約０．１５）の±０．０５の範囲であれば、各層の格子不整合率を０．５％程度（例えば０．４％以上０．６％以下）とすることができる。

例えば、２層のＡｌＧａＮ層５１を形成する場合、各層の格子不整合率が０．７％程度（例えば０．６％以上０．８％以下）となるようなＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層５１を形成することができる。

例えば、Ａｌ組成比がおよそ０．４５、および０．１８のＡｌＧａＮ層５１をこの順に積層することができる。例えば、第１ＡｌＧａＮ層５１ａにおけるＡｌ組成比は、約０．４５である。第２ＡｌＧａＮ層５１ｂにおけるＡｌ組成比は、約０．１８である。

各ＡｌＧａＮ層５１（この例では、第１ＡｌＧａＮ層５１ａ、第２ＡｌＧａＮ層５１ｂ及び第３ＡｌＧａＮ層５１ｃ）のＡｌ組成比の差が一定にならない理由は、ＡｌＧａＮ層５１中に歪み（応力）が形成されているためである。なお、ＡｌＧａＮ層５１の格子不整合率については、室温において、Ｘ線回折測定により算出することができる。

ＡｌＧａＮ層５１として複数の層を形成する場合、バッファ層６０から上方向に向かって（例えばバッファ層６０から機能層１０に向かう方向に）、膜厚が厚くなるように積層することが好ましい。つまり、第２ＡｌＧａＮ層５１ｂの膜厚が第１ＡｌＧａＮ層５１ａの膜厚よりも大きいことが好ましく、第３ＡｌＧａＮ層５１ｃにおける膜厚が第２ＡｌＧａＮ層５１ｂにおける膜厚よりも厚いことが好ましい。これにより、ＡｌＧａＮ層５１中に形成される圧縮応力（歪み）が増大しやすい。

第３層５２は、ＡｌＧａＮ層５１の上に設けられる。第１ＧａＮ層５３は、第３層５２の上に設けられる。第１層５４は、第１ＧａＮ層５３の上に設けられる。第２ＧａＮ層５５は、第１層５４の上に設けられる。第２層５６は、第２ＧａＮ層５５の上に設けられる。例えば、第３ＧａＮ層５７が設けられる場合には、第３ＧａＮ層５７は、第２層５６の上に設けられる。以下では、第３ＧａＮ層５７が設けられる場合を例に挙げて説明する。

本実施例における第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれは、シリコン（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）の少なくともいずれかを含有する。本実施例における第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれは、ＳｉおよびＭｇの両方を含有してもよい。第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれは、ＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含んでもよい。第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれは、ＳｉＮおよびＭｇＮの両方を含んでもよい。第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれは、高濃度にＳｉおよびＭｇの少なくともいずれかがドーピングされたＧａＮ層（δドーピング層）でもよい。第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれは、高濃度にＳｉおよびＭｇの両方がドーピングされたＧａＮ層（δドーピング層）でもよい。
第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれに含まれる元素は、Ｓｉのほうが、機能層１０の一部として形成されるｎ形半導体層１１の導電性を損なわないため望ましい。以下では、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれがＳｉを含有する場合を例に挙げて説明する。

第３層５２は、第３層５２の上に第１ＧａＮ層５３を形成する際に、第１ＧａＮ層５３を三次元的に成長させる効果をもたらす。これは、第３層５２は、積層方向に垂直な面内（Ｘ−Ｙ平面内）で、Ｓｉ濃度や厚さに揺らぎを有しており、Ｓｉ濃度の低い部分及び厚さの薄い部分の少なくともいずれかの上に選択的に第１ＧａＮ層５３が成長するためである。第１ＧａＮ層５３が三次元的に成長することで、バッファ層６０で発生した転位を積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直方向に曲げることができる。これにより、機能層１０に到達する転位を低減することができる。第３層５２によって第１ＧａＮ層５３の成長が阻害される領域では、バッファ層６０で生じた転位が第３層５２によって遮蔽される。これにより、転位の上部への伝播が阻害される。第３層５２のＡｌＧａＮ層５１に対する被覆率が高いほど、転位の低減効果は増大する。

この例では、第３層５２は、ＡｌＧａＮ層５１に接する。第３層５２がＡｌＧａＮ層５１に接することで、第１ＧａＮ層５３は、ＡｌＧａＮ層５１との格子不整合差の影響を受けながら成長する。格子不整合差を設けることで、第１ＧａＮ層５３は、より三次元成長しやすくなり、転位低減効果が増大する。格子不整合差を設けることで、ＡｌＧａＮ層５１と第１ＧａＮ層５３の界面で生じる転位を低減できる。

第１ＧａＮ層５３においては、圧縮応力（歪み）が形成されていることが好ましい。第１ＧａＮ層５３に圧縮応力（歪み）を形成することで、エピタキシャル成長後の基板４０の反りを低減できる。圧縮歪みを形成することにより、第１ＧａＮ層５３が島状に成長されやすい。
本願明細書においては、島状の膜も「層」ということにする。

ＡｌＧａＮ層５１の少なくとも一部を単結晶のＡｌＧａＮとすることで、第１ＧａＮ層５３に圧縮応力（歪み）を形成することができる。非晶質のＡｌＧａＮ層の場合には、ＡｌＧａＮ層５１の格子間隔が大きくなりやすく、第１ＧａＮ層５３に圧縮応力（歪み）を形成することは困難である。

第３層５２の厚さは、例えば１原子層であり、０．４原子層以上２．１原子層以下であることが好ましい。第３層５２の厚さが０．４原子層よりも薄いと、第１ＧａＮ層５３の三次元成長が生じ難く、転位の低減効果が得難い。一方、第３層５２の厚さが２．１原子よりも厚いと、第１ＧａＮ層５３が成長しない領域が増大し、第３ＧａＮ層５７の平坦性が低下しやすい。
第３層５２は、一様な層でなくても良く、不連続な島状の層などでも良い。第３層５２は、開口部が設けられた層でも良い。

第３層５２の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）または走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）による直接観察により得られる。ＳＥＭによる観察を行うときには、窒化物半導体層または基板の劈開面で切断した断面を使用する。第３層５２の厚さは、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）から得られる。二次イオン質量分析法において、層中のＳｉ濃度が２×１０^２０ｃｍ^３程度の場合は、第３層５２の厚さが１原子層に相当する。このＳｉ濃度は、面密度に換算すると、１×１０^１５ｃｍ^２程度のＳｉ面密度に対応する。

第１ＧａＮ層５３は、凹凸を含む。この凹凸は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第１斜面）５３ｓを有する。第１ＧａＮ層５３は、Ｘ−Ｙ平面内で不連続な島状の結晶層でもよい。積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した第１斜面５３ｓは、例えば、（１０−１１）面や（１１−２２）面などのファセット面である。第１斜面５３ｓは、特定の結晶面でなくてもよい。第１ＧａＮ層５３は、ドーム状の形状を有していてもよい。第１ＧａＮ層５３は、傾斜した表面ではなくＸ−Ｙ平面に対して垂直な平面を有してもよい。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る第１ＧａＮ層を表すＳＥＭ像の例である。 図２（ａ）に表した第１例Ｓ０１では、ＡｌＧａＮ層５１の上に、基板温度１０４０℃で、濃度が１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）が、流量３５０ｃｃ／分、アンモニアが流量２０Ｌ／分で、３分間供給される。これにより、第３層５２が形成される。その後、基板温度１０９０℃で、ＴＭＧが、流量５６ｃｃ／分、アンモニアが流量４０Ｌ／分にて、５分間供給される。これにより、第１ＧａＮ層５３が形成される。第１ＧａＮ層５３の形成の際のＶ／III比は、６５００に相当する。第３層５２の厚さは、約０．４原子層である。

図２（ｂ）に表した第２例Ｓ０２では、第３層５２の形成の際の成長時間が、８分とされる。第３層５２の厚さは、約１原子層である。
図２（ｃ）に表した第３例Ｓ０３では、第１ＧａＮ層５３の形成の際のアンモニア流量が２．５Ｌ／分とされる。すなわち、第１ＧａＮ層５３の形成の際のＶ／III比が４９０に小さくされる。

図２（ａ）から分かるように、第１ＧａＮ層５３は、島状の結晶層である。第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃ（第１凸部）の厚さ（高さ）は、１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕ（図１（ａ）参照）の直径（幅）５３ｖ（すなわち、Ｘ−Ｙ平面内に平行な方向の凸部の底部の長さ）は、約１．５μｍである。高さ５０ｎｍ以下の微結晶が、多数形成されている。

図２（ｂ）に表したように、第３層５２の形成時間を８分と長くすると、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの厚さ（高さ）が、２００ｎｍ〜５００ｎｍに増大する。一方、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの直径（幅）５３ｖは、約０．８μｍ程度に減少する。図２（ａ）でみられる高さ５０ｎｍ以下の微結晶は、実質的に形成されていない。このように、第３層５２の厚さによって、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）と第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの直径（幅）５３ｖとを変化させることができる。第３層５２の厚さが厚いと、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）が高くなる傾向にある。

一方、図２（ｃ）に表したように、第１ＧａＮ層５３のＶ／III比を４９０と小さくすると、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）が、４００ｎｍ〜７００ｎｍに増大する。第１斜面５３ｓの面積が増大し、錐状またはドーム状の形状となる。一方、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの直径（幅）５３ｖは、約１．５μｍで変わらない。このように、第１ＧａＮ層５３のＶ／III比によって、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）および第１斜面５３ｓの形状を変化させることができる。第１ＧａＮ層５３のＶ／III比が低いと、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）が高く（厚く）なり、第１斜面５３ｓの占める割合が増大する傾向にある。

第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）ｔ１（図１（ｂ）参照）は、例えば、１００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。図２（ａ）〜図２（ｃ）に表した例のように、第３層５２の一部の上に第１ＧａＮ層５３が設けられる場合には、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）ｔ１は、第３層５２の上面と、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの上端と、の間の距離である。第１ＧａＮ層５３が頂面（第１頂面５３ｔ）を有する場合は、高さｔ１は、第３層５２の上面と、頂面（第１頂面５３ｔ）と、の間の距離である。第１ＧａＮ層５３の高さｔ１は、第１ＧａＮ層５３の凸部（第１凸部）５３ｃうちで最も高さが高い凸部５３ｃにおける、第３層５２の上面と、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの上端と、の間の距離である。

第１ＧａＮ層５３と第３層５２との間に別の層が設けられる場合、あるいは、第３層５２が設けられない場合には、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さ（厚さ）ｔ１は、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕと、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの上端（第１ＧａＮ層５３が第１頂面５３ｔを有する場合には、第１頂面５３ｔ）と、の間の距離である。

第１ＧａＮ層５３は、第３層５２を覆っても良い。この場合には、第１ＧａＮ層５３における凸部５３ｃの高さ（厚さ）は、第１ＧａＮ層５３の凹凸の高さ（深さ）、すなわち、凹凸の凸部と凹部との間のＺ軸方向に沿った距離に対応する。第１ＧａＮ層５３が第３層５２を覆う場合には、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの直径（幅）５３ｖは、凹凸の第１凹部と、第１凹部の隣りの第２凹部と、の間の距離に対応する。

第１ＧａＮ層５３には、凸部５３ｃが設けられる。第１ＧａＮ層５３の厚さは、均一ではない。第１ＧａＮ層５３の厚さは、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの高さとは異なる。第１ＧａＮ層５３の厚さは、第１ＧａＮ層５３の平均の厚さである。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第３層５２の成長時間（厚さ）ＴＭ、および、第１ＧａＮ層５３を形成する際の、Ｖ／III比（Ｖ／III）、成長温度（基板温度）ＧＴ、成長速度ＧＲを変えたときの、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１の変化の例を表している。
この例では、第３層５２および第１ＧａＮ層５３に関して以下で説明しない条件は、図２（ａ）〜図２（ｃ）に関して前述したものと同様である。

図３（ａ）は、第３層５２の成長時間（厚さ）ＴＭを変えたときの、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１の変化を表している。図３（ａ）に表したように、例えば、第３層５２の成長時間ＴＭが５分の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は３００ｎｍである。成長時間ＴＭが１１分の場合には、第３層５２の高さ（厚さ）ｔ１は６００ｎｍである。このように、第３層５２の成長時間ＴＭが長いと、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１が高く（厚く）なる。第３層５２の成長時間ＴＭが長いと、第１ＧａＮ層５３の島密度が低くなり、第１ＧａＮ層５３同士の間隔が大きくなる。

図３（ｂ）は、第１ＧａＮ層５３を形成する際の、Ｖ／III比（Ｖ／III）を変えたときの、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１の変化を表している。この例では、III族原料ガスであるＴＭＧａの供給量を５６ｃｃ／分で一定とし、アンモニアの供給量が変更される。

図３（ｂ）に表したように、例えば、第１ＧａＮ層５３のＶ／III比が、「３２５０」の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は４５０ｎｍである。第１ＧａＮ層５３のＶ／III比が、「４１０」の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は１０００ｎｍである。このように、第１ＧａＮ層５３のＶ／III比が小さいと、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１が高く（厚く）なる。第１ＧａＮ層５３のＶ／III比が小さいと、第１ＧａＮ層５３の島密度が低くなり、第１ＧａＮ層５３同士の間隔が大きくなる。

図３（ｃ）は、第１ＧａＮ層５３を形成する際の、成長温度（基板温度）ＧＴを変えたときの、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１の変化を表している。図３（ｃ）に表したように、例えば、第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴが、１０５０℃の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は５５０ｎｍである。第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴが、１１２０℃の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は２１０ｎｍである。このように、第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴが低いと、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１が高く（厚く）なる。第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴが１１２０℃よりも高いと、メルトバックエッチングが発生しやすくなり、結晶が劣化しやすい。第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴが１０００℃よりも低いと、ピットが発生しやすくなり、結晶が劣化しやすい。したがって、第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴは、１０００℃以上１１２０℃以下が好ましい。第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴが高いと、結晶表面でのＧａ原料の脱離反応が増大し、第１ＧａＮ層５３の島密度が低くなる。第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズが小さくなる。

図３（ｄ）は、第１ＧａＮ層５３を形成する際の、成長速度ＧＲを変えたときの、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１の変化を表している。この実験では、ＴＭＧａの供給量を変化させる。その際、第１ＧａＮ層５３の形成時の原料ガスの総供給量が一定となるように成長時間を変化させる。例えば、ＴＭＧａの流量を１１２ｃｃ／分と２倍にする場合には、成長時間を２．５分と１／２倍にする。

図３（ｄ）に表したように、例えば、第１ＧａＮ層５３の成長速度ＧＲが、１９ｎｍ／分の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は５５０ｎｍである。第１ＧａＮ層５３の成長速度ＧＲが、４８ｎｍ／分の場合には、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は２５０ｎｍである。このように、第１ＧａＮ層５３の成長速度ＧＲが遅いと、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１が高く（厚く）なる。第１ＧａＮ層５３の成長速度ＧＲが遅いと、結晶表面でのＧａ原料の脱離反応が増大し、第１ＧａＮ層５３の島密度が低くなる。すなわち、第１ＧａＮ層５３の成長速度ＧＲが速いほど、高密度に島状の第１ＧａＮ層５３を形成することができる。

図２（ａ）〜図２（ｃ）、及び、図３（ａ）〜図３（ｄ）においては、第１ＧａＮ層５３には、アンドープのＧａＮが用いられている。第１ＧａＮ層５３に、ｎ形の不純物がドープされたｎ−ＧａＮを用いても良い。ｎ−ＧａＮが用いられる場合においては、ｎ形不純物（Ｓｉ）をドープしない場合に比べ、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズが小さく、凹凸の密度が高く、斜面の面積が増大しやすい。ｎ形不純物をドープすることで、ファセットの形成が促進されやすいためである。第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの第１斜面５３ｓ上に形成される第１層５４の面積が増大することで、転位の遮蔽または屈曲効果が増大し、転位が低減しやすい。

第１ＧａＮ層５３におけるｎ形不純物の濃度は、１．０×１０^１７（／ｃｍ^３）以上１．０×１０^２０（／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。第１ＧａＮ層５３におけるｎ形不純物の濃度は、１．０×１０^１８（／ｃｍ^３）以上５．０×１０^１９（／ｃｍ^３）以下であることがさらに好ましい。第１ＧａＮ層５３におけるｎ形不純物の濃度が１．０×１０^１７（／ｃｍ^３）の場合には、実質的にアンドープのＧａＮ層の場合のｎ形不純物の濃度に相当する。第１ＧａＮ層５３におけるｎ形不純物の濃度が１．０×１０^２０（／ｃｍ^３）よりも高いと、ｎ形不純物によって第１ＧａＮ層５３の成長が阻害され、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの斜面（第１斜面５３ｓ）の面積が減少し、転位密度の低減効果が減少する。

第１ＧａＮ層５３におけるｎ形不純物の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって評価できる。

図１（ａ）に表したように、第１ＧａＮ層５３の上に、第１層５４が形成される。この例では、第１ＧａＮ層５３は、Ｘ−Ｙ平面内に不連続な島状である。第１層５４のうちの一部は、第１ＧａＮ層５３に接する。第１層５４のうちの他の一部は、第３層５２に接する。第１ＧａＮ層５３の傾斜した表面（第１斜面５３ｓ）に第１層５４を形成することで、第１ＧａＮ層５３と第１層５４との界面で、転位の遮蔽または屈曲を生じさせ、機能層１０に伝播する転位を低減することができる。第１層５４が第３層５２と接することで、第１層５４での、転位の遮蔽または屈曲効果が増大し、バッファ層６０で生じた転位の機能層１０への伝播を抑制する効果が増大する。

第１層５４の厚さは、例えば０．５原子層であり、０．２原子層以上２原子層以下が好ましい。第１層５４の厚さが０．２原子層よりも薄いと、第１斜面５３ｓでの転位屈曲効果が得られず、転位が増大しやすい。一方、第１層５４の厚さが２原子層よりも厚いと、第１ＧａＮ層５３が実質的に成長しなくなり、第３ＧａＮ層５７の平坦性が低下する。
第１層５４は、一様な層でなくても良く、不連続な島状の層などでも良い。第１層５４は、開口部が設けられた層でも良い。

第１層５４の厚さは、第３層５２の厚さよりも薄いことが好ましい。第１層５４の厚さが第３層５２の厚さよりも厚くなると、第１ＧａＮ層５３の傾斜した表面（第１斜面５３ｓ）上でのＧａＮの成長が阻害される。これにより、表面平坦性が低下し、機能層１０の特性が低下する。

第１層５４の上に、第２ＧａＮ層５５が形成される。第２ＧａＮ層５５は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第２斜面５５ｓ）を有する凹凸を含む島状の結晶を含む。積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第２斜面５５ｓ）は、例えば、（１０−１１）面や（１１−２２）面などのファセット面である。第２斜面５５ｓは、特定の結晶面でなくてもよい。第２ＧａＮ層５５は、ドーム状の形状を有していてもよい。第２ＧａＮ層５５は、傾斜した表面ではなくＸ−Ｙ平面に対して垂直な平面を有してもよい。

例えば、第２ＧａＮ層５５は、第１ＧａＮ層５３の頂面（第１頂面５３ｔ）の上に形成される。例えば、第２ＧａＮ層５５は、第１ＧａＮ層５３の斜面（第１斜面５３ｓ）の上に形成される。本願明細書において、「第２ＧａＮ層５５が第１ＧａＮ層５３の上に設けられる」状態は、第２ＧａＮ層５５が、第１ＧａＮ層５３の頂面（第１頂面５３ｔ）の上および第１ＧａＮ層５３の斜面（第１斜面５３ｓ）の上の少なくともいずれかに設けられる状態を含む。

第２ＧａＮ層５５の凸部（第２凸部）５５ｃの高さ（厚さ）ｔ２（図１（ａ）参照）は、例えば、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの高さ（厚さ）ｔ２は、第１層５４の上面と、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの上端と、の間の距離である。第２ＧａＮ層５５が頂面（第２頂面）５５ｔを有する場合には、高さｔ２は、第１層５４の上面と、第２頂面５５ｔと、の間の距離である。第１ＧａＮ層５３の斜面（第１斜面５３ｓ）の上に設けられた第２ＧａＮ層５５においては、高さｔ２は、第１層５４の上面と、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの上端と、の間の第１ＧａＮ層５３の斜面（第１斜面５３ｓ）に垂直な方向の距離である。第２ＧａＮ層５５の高さｔ２は、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃうちで最も高さが高い凸部５５ｃにおける、第１層５４の上面と、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの上端と、の間の距離とする。

第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの高さ（厚さ）ｔ２が１０ｎｍよりも低い（薄い）と、第２斜面５５ｓの形成が不十分であり、第１層５４での、転位の屈曲または遮蔽効果が十分に得られない。この場合には、第１ＧａＮ層５３の結晶の体積（表面積）が小さい（狭い）ため、結晶内で転位の屈曲が生じにくく、第１ＧａＮ層５３内での転位低減効果が小さい。

一方、高さ（厚さ）ｔ２が１０００ｎｍよりも大きい場合には、隣り合う第２ＧａＮ層５５の結晶同士が合体しやすくなり、第２ＧａＮ層５５が連続的な層になりやすい。その結果、第２斜面５５ｓでの遮蔽効果が低減し、転位が増大しやすい。

第２ＧａＮ層５５には、アンドープのＧａＮが用いられてもよい。第２ＧａＮ層５５において、ｎ形の不純物がドープされたｎ−ＧａＮが設けられても良い。ｎ−ＧａＮが用いられる場合においては、ｎ形不純物（Ｓｉ）をドープしない場合に比べ、凸部のサイズが小さく、凹凸の密度が高く、斜面の面積が増大しやすい。ｎ形不純物をドープすることで、ファセットの形成が促進されやすいためである。すなわち、第１ＧａＮ層５３の上に、小さなサイズの第２ＧａＮ層５５が形成されやすい。第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの第２斜面５５ｓ上に形成される第２層５６の面積が増大する。これにより、例えば、転位の遮蔽または屈曲効果が増大し、転位が低減しやすい。

第２ＧａＮ層５５におけるｎ形不純物の濃度は、例えば、１．０×１０^１７（／ｃｍ^３）以上１．０×１０^２０（／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。第２ＧａＮ層５５におけるｎ形不純物の濃度は、１．０×１０^１８（／ｃｍ^３）以上５．０×１０^１９（／ｃｍ^３）以下であることがさらに好ましい。第２ＧａＮ層５５におけるｎ形不純物の濃度が１．０×１０^１７（／ｃｍ^３）の場合には、実質的にアンドープのＧａＮ層の場合のｎ形不純物の濃度に相当する。第２ＧａＮ層５５におけるｎ形不純物の濃度が１．０×１０^２０（／ｃｍ^３）よりも高い場合には、ｎ形不純物によって第２ＧａＮ層５５の成長が阻害され、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの斜面（第２斜面５５ｓ）の面積が減少し、転位密度の低減効果が減少する。

第２ＧａＮ層５５におけるｎ形不純物の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって評価できる。

第２ＧａＮ層５５の上に、第２層５６が形成される。この例では、第２ＧａＮ層５５は、Ｘ−Ｙ平面内に不連続な島状である。第２層５６のうちの一部は、第２ＧａＮ層５５に接している。第２層５６のうちの他の一部は、第１層５４に接している。

ＡｌＧａＮ層５１は、上面５１ａｕを有する。上面５１ａｕに対して垂直な方向がＺ軸方向に対応する。ＡｌＧａＮ層５１の上面５１ａｕは、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。 図１（ａ）および図１（ｂ）に表したように、ＡｌＧａＮ層５１の上面５１ａｕに対して平行方向（第１方向）の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ（幅）５５ｖは、第１方向の第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの長さ（幅５３ｖ）よりも短い。第１ＧａＮ層５３の斜面（第１斜面５３ｓ）上のうちのいずれかの接線方向（第２方向）の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの長さ５５ｗは、第２方向の第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの長さ５３ｗよりも短い。
言い換えれば、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズは、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズよりも小さい。
Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）上において、単位面積あたりの第２ＧａＮ層５５の第２斜面５５ｓの数は、単位面積あたりの第１ＧａＮ層５３の第１斜面５３ｓの数よりも多い。

ここで、本願明細書において、「層のサイズ」は、層（「島状の層」を含む）の幅を指す。「層の幅」は、ＡｌＧａＮ層５１の上面５１ａｕに対して平行方向（第１方向）の、層の長さである。「層の幅」として、第１ＧａＮ５３の斜面（第１斜面５３ｓ）上のうちのいずれかの接線方向（第２方向）の層の長さを用いてもよい。

第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの長さ５３ｖに対する第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ５５ｖの比率（長さ５５ｖ／長さ５３ｖ）は、例えば約０．００５以上１未満である。より好ましくは、例えば約０．００５以上０．９５以下程度である。さらに、より好ましくは、０．０１以上０．７以下である。

第１ＧａＮ層５３の上に、第１ＧａＮ層５３のサイズよりも小さなサイズの第２ＧａＮ層５５を形成することで、第１ＧａＮ層５３および第１層５４を貫通する転位を第２ＧａＮ層５５内で屈曲させることができる。第１ＧａＮ層５３は、頂面（第１頂面５３ｔ）を有していてもよい。第１ＧａＮ層５３の頂面（第１頂面５３ｔ）では、転位の遮蔽または屈曲効果が小さく、転位の大部分が機能層１０の側に進延する。第１ＧａＮ層５３の頂面（第１頂面５３ｔ）の上に第２斜面５５ｓを有する島状の第２ＧａＮ層５５を形成することで、第２ＧａＮ層５５で転位の屈曲を生じさせることができる。これにより、機能層１０に到達する転位を低減することができる。

なお、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ５５ｖが第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの長さ５３ｖよりも長い構造を有していてもよい。第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃと第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃとが積層された構造のうちで、望ましくは１０％以上の構造、さらに望ましくは５０％以上の構造において、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ５５ｖが第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの底部５３ｕの長さ５３ｖよりも短いことが、転位密度の低減には望ましい。

例えば、第２ＧａＮ層５５の成長温度（基板温度）を、第１ＧａＮ層５３の成長温度に比べ高くすると、第１ＧａＮ層５３の上に、第１ＧａＮ層５３よりも小さなサイズの第２ＧａＮ層５５が形成されやすい。例えば、第２ＧａＮ層５５における成長温度（基板温度）を、第１ＧａＮ層５３の成長温度に対し、２０℃〜６０℃程度高くする。

例えば、第２ＧａＮ層５５の成長速度を、第１ＧａＮ層５３の成長速度に比べ遅くすると、第１ＧａＮ層５３の上に、第１ＧａＮ層５３よりも小さなサイズの第２ＧａＮ層５５が形成されやすい。例えば、第２ＧａＮ層５５における成長速度を、第１ＧａＮ層５３の成長速度に対し、１／４倍〜１／２倍程度に遅くする。

例えば、第２ＧａＮ層５５の成長時間を、第１ＧａＮ層５３の成長時間に比べ短くすると、第１ＧａＮ層５３の上に、第１ＧａＮ層５３よりも小さなサイズの第２ＧａＮ層５５が形成されやすい。
例えば、第２ＧａＮ層５５における成長圧力を、第１ＧａＮ層５３の成長圧力に比べ高くすると、第１ＧａＮ層５３の上に、第１ＧａＮ層５３よりも小さなサイズの第２ＧａＮ層５５が形成されやすい。例えば、第１ＧａＮ層５３における成長圧力を４００ヘクトパスカル（ｈＰａ）とし、第２ＧａＮ層５５における成長圧力を１０１３ｈＰａとする。

第２層５６の厚さは、例えば０．５原子層であり、０．２原子層以上２原子層以下が好ましい。第２層５６の厚さが０．２原子層よりも薄いと、第２斜面５５ｓでの転位屈曲効果が得難く、転位が増大しやすい。一方、第２層５６の厚さが２原子よりも厚いと、第２ＧａＮ層５５が実質的に成長し難くなり、第３ＧａＮ層５７での平坦化が困難となる。
第２層５６は一様な層でなくても良く、不連続な島状の層などでも良い。第２層５６は、開口部が設けられた層でも良い。

第２層５６の厚さは、第３層５２の厚さよりも薄いことが好ましい。第２層５６の厚さが第３層５２の厚さよりも厚くなると、第２ＧａＮ層５５の傾斜した表面（第２斜面５５ｓ）上でのＧａＮの成長が阻害される。これにより、表面平坦性が低下し、機能層１０の特性が低下する。

第２層５６の上に、第３ＧａＮ層５７が形成される。第３ＧａＮ層５７の上面は、例えば平坦である。第３ＧａＮ層５７の上に、機能層１０が形成される。第３ＧａＮ層５７の厚さｔ３は、例えば、１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。第３ＧａＮ層５７の厚さｔ３は、第２層５６の上端と、第３ＧａＮ層５７の上面（この例では、積層体５０と機能層１０との間の界面１０ｌ）と、の間のＺ軸方向に沿った距離である。

図４は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部を例示する模式的断面図である。
図４は、機能層１０の例を表している。窒化物半導体素子１１０が発光素子である場合には、機能層１０は、例えば、積層体５０の上に形成されたｎ形半導体層１１と、ｎ形半導体層１１の上に形成された発光層１３と、発光層１３の上に形成されたｐ形半導体層１２と、を含む。発光層１３は、ＧａＮの複数の障壁層１３ａと、障壁層１３ａの間に設けられた井戸層１３ｂと、を含む。井戸層１３ｂの数は、１つでも良く、複数でも良い。すなわち、発光層１３は、例えば、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）構造、または、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造を有する。

障壁層１３ａのバンドギャップエネルギーは、井戸層１３ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きい。障壁層１３ａには、例えば、ＧａＮが用いられる。井戸層１３ｂには、例えば、ＩｎＧａＮ（例えば、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ）が用いられる。障壁層１３ａにＩｎＧａＮが用いられる場合には、障壁層１３ａにおけるＩｎ組成比は、井戸層１３ｂにおけるＩｎ組成比よりも低い。発光層１３から放出される光のピーク波長は、例えば２００ｎｍ以上１９００ｎｍ以下である。機能層１０の厚さは、例えば５ｎｍ以上５μｍ以下が好ましく、例えば約３．５μｍである。

機能層１０は、低不純物濃度層１１ｉをさらに含んでもよい。低不純物濃度層１１ｉにおける不純物濃度は、ｎ形半導体層１１における不純物濃度よりも低い。低不純物濃度層１１ｉは、必要に応じて設けられ、省略されてもよい。低不純物濃度層１１ｉは、例えば積層体５０とｎ形半導体層１１との間に設けられる。

窒化物半導体素子１１０は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）の窒化物半導体素子に用いられる。このときには、機能層１０は、例えば、不純物を含まないアンドープのＡｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ（０≦ｚ１≦１）層と、アンドープまたはｎ形のＡｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０≦ｚ２≦１、ｚ１＜ｚ２）層と、の積層構造を有する。

このように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０においては、バッファ層６０と、窒化物半導体を含む機能層１０と、バッファ層６０と機能層１０との間に設けられた積層体５０と、が設けられる。積層体５０は、バッファ層６０の上に設けられたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層５１と、第３層５２と、第１ＧａＮ層５３と、第１層５４と、第２ＧａＮ層５５と、第２層５６と、第３ＧａＮ層５７と、がこの順に積層された構造を含む。第３層５２は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層５１に接する。第１ＧａＮ層５３は、積層方向に垂直な主面に対して傾斜した第１斜面５３ｓを有する凹凸（第１凸部５３ｃ）を含む。第２ＧａＮ層５５は、積層方向に垂直な主面に対して傾斜した第２斜面５５ｓを有する凹凸（第２凸部５５ｃ）を含む。第１層５４のうちの少なくとも一部が、第１ＧａＮ層５３および第３層５２に接する。第２層５６のうちの少なくとも一部が、第２ＧａＮ層５５および第１層５４に接する。第２ＧａＮ層５５の上面に対して平行な第１方向の第２凸部５５ｃの長さは、第１方向の第１凸部５３ｃの長さよりも短い。これにより、転位を低減する効果が得られ、機能層１０に到達する転位が低減される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２１０の構成も例示している。窒化物半導体ウェーハ２１０は、基板４０と、バッファ層６０と、積層体５０と、を含む。窒化物半導体ウェーハ２１０は、機能層１０をさらに含んでも良い。基板４０、バッファ層６０、積層体５０及び機能層１０には、窒化物半導体素子１１０に関して説明した構成のそれぞれを適用できる。

次に、本実施形態の窒化物半導体素子の特性について図面を参照しつつ説明する。
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、試料を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、バッファ層および積層体の例を示す断面ＳＥＭ像である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、参考例に係る窒化物半導体素子の例を示す透過型電子顕微鏡像である。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する図である。

本実施形態に係る第１実施例の窒化物半導体素子について説明する。
図５（ａ）に表した第１実施例の窒化物半導体素子１２０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に例示した窒化物半導体素子１１０の構成と同様の構成を有する。窒化物半導体素子１２０は、以下のようにして作製される。

まず、主面が（１１１）面であるシリコンからなる基板４０を硫酸と過酸化水素との混合薬液ならびに希フッ酸を用いた洗浄を行う。その後、基板４０をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入する。

基板４０を１０７０℃まで加熱する。水素と窒素との比率が２：１で、４００ｈＰａの減圧雰囲気において、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を流量５０ｃｃ／分、アンモニア（ＮＨ_３）を流量０．８Ｌ／分にて、２０分間供給する。これにより、ＡｌＮのバッファ層６０（ＡｌＮバッファ層６２）を形成する。ＡｌＮバッファ層６２の厚さは、約２００ｎｍである。

次に、基板温度（基板４０の温度）を１０２０℃（第４温度）とする。第４温度は、後述する第２温度以下である。トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を流量１０ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で、５分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．５５の第１ＡｌＧａＮ層５１ａを形成する。第１ＡｌＧａＮ層５１ａの厚さは、約１００ｎｍである。

引き続き、ＴＭＧの流量を１７ｃｃ／分、ＴＭＡの流量を３０ｃｃ／分に変更し、１０分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．３の第２ＡｌＧａＮ層５１ｂを形成する。第２ＡｌＧａＮ層５１ｂの厚さは、約２００ｎｍである。

さらに、ＴＭＧの流量を２０ｃｃ／分、ＴＭＡの流量を１５ｃｃ／分に変更し、１１分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．１５の第３ＡｌＧａＮ層５１ｃを形成する。第３ＡｌＧａＮ層５１ｃの厚さは、約２５０ｎｍである。

次に、基板温度を１０４０℃とし、成長圧力を１０１３ｈＰａの大気圧に変更し、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、８分間供給する。これにより、第３層５２を形成する。第３層５２の厚さは、約１原子層である。第３層５２にＭｇを含ませる場合には、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を第２ガスに含ませる。例えばシランとビスシクロペンタジエニルマグネシウムとアンモニアとを含む第２ガスを供給すると、ＳｉとＭｇとを含む第３層５２を形成することができる。

次に、基板温度を１０９０℃（第１温度）とし、例えばＴＭＧとシランとアンモニアとを含む第１ガスを、ＴＭＧを流量１１２ｃｃ／分、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量１１ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、２．５分間供給する。シランは、ＴＭＧおよびアンモニアとは別の経路により供給されてもよい。シランは、第１ガスに含まれていなくともよい。これにより、第１ＧａＮ層５３を形成する。第１ＧａＮ層５３は、積層方向に垂直な主面に対して傾斜した表面（第１斜面５３ｓ）を有する島状の結晶を含む。第１ＧａＮ層５３の厚さ（高さ）は、約３００ｎｍ程度である。

次に、基板温度を再度、第１温度以下の１０４０℃（第２温度）とし、シランとアンモニアとを含む第２ガスを、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、３分間供給する。これにより、第１層５４を形成する。第１層５４の厚さは、約０．５原子層である。第１層５４にＭｇを含ませる場合には、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を第２ガスに含ませる。例えばシランとビスシクロペンタジエニルマグネシウムとアンモニアとを含む第２ガスを供給すると、ＳｉとＭｇとを含む第１層５４を形成することができる。

次に、基板温度を第１温度以上の１１２０℃（第３温度）とし、例えばＴＭＧとシランとアンモニアとを含む第１ガスを、ＴＭＧを流量５６ｃｃ／分、シラン（ＳｉＨ_４）を流量５．６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、２．５分間供給する。シランは、ＴＭＧおよびアンモニアとは別の経路により供給されてもよい。シランは、第１ガスに含まれていなくともよい。これにより、第１ＧａＮ層５３の上に第２ＧａＮ層５５を形成する。第２ＧａＮ層５５は、積層方向に垂直な主面に対して傾斜した表面（第２斜面５５ｓ）を有する島状の結晶を含む。第２ＧａＮ層５５の厚さ（高さ）は、約１００ｎｍ程度である。

第１ＧａＮ層５３の成長時に比べて成長温度を３０℃高くし、ＴＭＧ流量を１／２倍にする。これにより、Ｇａの付着を抑制し、第１ＧａＮ層５３の上に、第１ＧａＮ層５３よりも小さな大きさ（サイズ）の島状の結晶を含む第２ＧａＮ層５５を選択的に形成する。第２ＧａＮ層５５の成長速度は、第１ＧａＮ層５３の成長速度に比べ、約１／２倍と遅い。

次に、基板温度を再度、１０４０℃とし、シランとアンモニアとを含む第２ガスを、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）の流量を３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、３分間供給する。これにより、第２層５６を形成する。第２層５６の厚さは、約０．５原子層である。第２層５６にＭｇを含ませる場合には、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を第２ガスに含ませる。例えばシランとビスシクロペンタジエニルマグネシウムとアンモニアとを含む第２ガスを供給すると、ＳｉとＭｇとを含む第２層５６を形成することができる。

引き続き、基板温度を１０９０℃とし、まず、ＴＭＧを流量２８ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、１０分間供給する。これにより、第２ＧａＮ層５５の一部を合体させる。１０分間で形成される第３ＧａＮ層５７の厚さは、約８０ｎｍ程度である。その後、ＴＭＧを流量５６ｃｃ／分に増加させ、６０分間供給する。これにより、第１ＧａＮ層５３および第２ＧａＮ層５５を合体させ、平坦な第３ＧａＮ層５７を形成する。第３ＧａＮ層５７の厚さは、約２μｍである。第３ＧａＮ層５７の形成の際、第３ＧａＮ層５７のうちの少なくとも一部を第１ＧａＮ層５３の成長時および第２ＧａＮ層５５の成長時に比べて、ＴＭＧ流量を小さくすることで、第３ＧａＮ層５７が平坦になる膜厚が小さくなりやすい。第３ＧａＮ層５７の成長速度を、第１ＧａＮ層５３の成長速度および第２ＧａＮ層５５の成長速度に比べて遅くすることで、第３ＧａＮ層５７が平坦になる膜厚を小さくできる。これにより、基板４０の反りを低減することができる。

その後、機能層１０の形成として、ＴＭＧを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分、シラン（ＳｉＨ_４）を流量５６ｃｃにて、３０分間供給する。これにより、Ｓｉ濃度が５×１０^１８ （／ｃｍ^３）のｎ−ＧａＮ層（ｎ形ＧａＮ層）を形成する。機能層１０の厚さは、約１μｍである。ｎ形ＧａＮ層は、ｎ形半導体層１１（機能層１０の少なくとも一部）となる。これにより、本実施形態に係る窒化物半導体素子または窒化物半導体ウェーハを形成することができる。

なお、変更点以外の成長条件に関しては、前の工程と同様の条件で形成している。各層を形成する際の条件変更時には、アンモニアガスを供給しつつ、III族ガスおよびシランの供給を停止し、窒化物半導体の成長を中断させる。

図６（ａ）〜図６（ｄ）は、窒化物半導体層の（１−１００）面で劈開した断面を観察したＳＥＭ像を例示する図である。
図６（ａ）は、第１実施例の窒化物半導体素子１２０の断面ＳＥＭ像を例示する図である。
図６（ａ）に示したように、第１ＧａＮ層５３は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面（第１斜面５３ｓ）を有する凹凸を含む。第１ＧａＮ層５３は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）で不連続な島状の結晶を含む。

第１層５４は、第１ＧａＮ層５３に接している。第１層５４のうちの一部が、第３層５２に接している。第２ＧａＮ層５５は、第１ＧａＮ層５３の上に形成される。第２ＧａＮ層５５は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面（第２斜面５５ｓ）を有する凹凸を含む。第２ＧａＮ層５５のサイズは、第１ＧａＮ層５３のサイズよりも小さい。この例では、第２ＧａＮ層５５は、第１ＧａＮ層５３の第１頂面５３ｔおよび第１斜面５３ｓの上に形成されている。

第２層５６は、第２ＧａＮ層５５に接している。第２層のうちの一部が、第１層５４に接している。第１ＧａＮ層５３の間隔は、１００ｎｍ程度と小さい。第１ＧａＮ層５３は、高密度に形成されていることがわかる。第１ＧａＮ層５３を高密度に形成することで、高さの低い結晶であっても第１斜面５３ｓの面積を増大させ転位の低減効果を大きくすることができる。高さを低くすることができることから、島状の第１ＧａＮ層５３同士が互いに合体する際に生じる引っ張り応力（歪み）を低減することができる。これにより、第１ＧａＮ層５３に形成される圧縮応力（歪み）を維持した状態で平坦なＧａＮ層を形成することができる。基板４０の反りを低減することができる。

以下、参考例について説明する。
（第１参考例）
図５（ｂ）は、第１参考例の窒化物半導体素子１３１を示す模式的断面図である。
第１参考例の窒化物半導体素子１３１においては、第２ＧａＮ層５５が第１層５４の上に連続的な膜として形成されている。すなわち、第１参考例の窒化物半導体素子１３１においては、第２ＧａＮ層５５が島状の結晶を含まない。

第１参考例においては、第１ＧａＮ層５３の形成時にシランの供給を止める。これとともに、第２ＧａＮ層５５の形成において、基板温度を１０９０℃とし、シランの供給を停止し、ＴＭＧを流量１１２ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、２．５分間供給する。すなわち、第２ＧａＮ層５５の形成において、第１ＧａＮ層５３の形成工程と同様の工程を再度行う。その他の条件は、窒化物半導体素子１２０と同じである。

図６（ｂ）は、第１参考例の窒化物半導体素子１３１の断面ＳＥＭ像を例示する図である。
図６（ｂ）からわかるように、第２ＧａＮ層５５が第１層５４の上に連続的な膜として形成されており、島状の結晶を含まない。このように、第１ＧａＮ層５３の形成と同様の工程を繰り返す場合には、島状の結晶は形成されない。この場合には、第１ＧａＮ層５３が相似的に拡大しやすい。

（第２参考例）
図５（ｃ）は、第２参考例の窒化物半導体素子１３２を示す模式的断面図である。
第２参考例の窒化物半導体素子１３２においては、第２ＧａＮ層５５および第２層５６が設けられていない。
図６（ｃ）は、第２参考例の窒化物半導体素子１３２の断面ＳＥＭ像を例示する図である。

（第３参考例）
図５（ｄ）は、第３参考例の窒化物半導体素子１３３を示す模式的断面図である。
第３参考例の窒化物半導体素子１３３においては、第１ＧａＮ層５３および第２ＧａＮ層５５は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面を有していない。第１ＧａＮ層５３および第２ＧａＮ層５５は、平坦な層である。

第３参考例においては、第１ＧａＮ層５３を形成する際に、シランの供給を停止し、ＴＭＧを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、１５分供給する。その後、第１ＧａＮ層５３と第１層５４との形成工程を２回繰り返す。その他の条件は、窒化物半導体素子１２０と同じである。

図６（ｄ）は、第３参考例の窒化物半導体素子１３３の断面ＳＥＭ像を例示する図である。
図６（ｄ）からわかるように、第１ＧａＮ層５３および第２ＧａＮ層５５は平坦である。第１ＧａＮ層５３の厚さは、約６００ｎｍである。第２ＧａＮ層５５の厚さは、約６００ｎｍである。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第２参考例で例示した窒化物半導体素子１３２の断面ＴＥＭ像を例示する図である。
図７（ａ）は、基板４０から機能層１０までの領域の断面ＴＥＭ像である。図７（ｂ）は、第１ＧａＮ層５３における、第１斜面５３ｓを含む領域（図７（ａ）に図示した領域ＲＮ１）と同様の領域を拡大した断面ＴＥＭ像である。図７（ｃ）は、第１ＧａＮ層５３における、積層方向に垂直な平面（第１頂面５３ｔ）を含む領域（図７（ａ）に図示した領域ＲＮ２）と同様の領域を拡大した断面ＴＥＭ像である。図７（ａ）〜図７（ｃ）に表した黒い線は、転位を表す。図７（ａ）においては、第１層５４を点線で描いている。

図７（ａ）からわかるように、基板４０とＡｌＮバッファ層６２との界面で発生する転位２０が、第３層５２で大幅に減少している。第３層５２を貫いて機能層１０の側へ伝播する転位２０の一部は、第１ＧａＮ層５３の内部で屈曲している。これにより、積層方向への伝播が抑制されている。これは、単結晶のＡｌＧａＮ層５１上に形成する第１ＧａＮ層５３が圧縮応力（歪み）を受け、三次元的に成長するためである。第３層５２によって、選択的な成長が強調されるためである。

三次元成長する島状の第１ＧａＮ層５３の上に、第１層５４が形成されている。第１層５４のうちの一部は、第３層５２に接している。第１層５４が第３層５２に接する領域では、ＡｌＮバッファ層６２から発生する大部分の転位２０の伝播が遮られている。これにより、第３ＧａＮ層５７の転位密度が大幅に減少している。

図７（ｂ）からわかるように、第１ＧａＮ層５３の第１斜面５３ｓに接して第１層５４が形成されている。これにより、機能層１０の側に伝播する転位２０が第１層５４によって遮られている。このように、第１斜面５３ｓに接して形成された第１層５４において、転位２０が減少しやすい。例えば、第１ＧａＮ層５３は、凸部５３ｃ内において第１斜面５３ｓに繋がる複数の第１転位２１を有する。第１層５４を介して第１転位２１と連続する転位２０であって、第２ＧａＮ層５５内の転位２０の数は、複数の第１転位２１の数よりも少ない。
一方、図７（ｃ）に表したように、積層方向に垂直な主面（第１頂面５３ｔ）の上に形成された第１層５４の場合には、転位２０の伝播に変化はみられない。転位２０は、そのまま機能層１０の側へ伝播している。

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素子を例示する図である。
図８（ａ）は、窒化物半導体素子１１０及び窒化物半導体ウェーハ２１０の断面ＴＥＭ像である。図８（ｂ）は、図８（ａ）を基に描いた模式図である。図８（ｂ）においては、積層体５０に含まれる第３層５２、第１ＧａＮ層５３、第１層５４、第２ＧａＮ層５５、第２層５６、及び第３ＧａＮ層５７の構成が模式的に描かれている。第３層５２の形状、第１層５４の形状及び第２層５６の形状が、実線で描かれている。第３層５２よりも上の領域における転位２０が、点線で模式的に描かれている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）から分かるように、第１ＧａＮ層５３の第１斜面５３ｓに接して第１層５４が形成されている。これにより、機能層１０の側に伝播する転位２０が第１層５４で、屈曲し、または、転位２０の遮蔽が生じている。積層方向に垂直な主面（第１頂面５３ｔ）の上に形成された第１層５４の領域では、転位２０の伝播に変化は小さい。転位２０は、第２ＧａＮ層５５の内部へ伝播している。第２ＧａＮ層５５内に伝播する転位２０の一部は、第２ＧａＮ層５５内での転位の屈曲および第２層５６での転位の屈曲によって遮られている。これにより、機能層１０の側への転位２０の伝播が遮られている。

第２ＧａＮ層５５内での転位の屈曲は、例えば、第１層５４によって、第２ＧａＮ層５５の三次元成長が生じるために生ずる。第２層５６での転位の減少は、前述した第１層５４と同様に、第２ＧａＮ層５５の第２斜面５５ｓで生じやすい。例えば、第２ＧａＮ層５５は、凸部５５ｃ内において第２斜面５５ｓに繋がる複数の第２転位２２を有する。第２層５６を介して第２転位２２と連続する転位２０であって、第３ＧａＮ層５７内の転位２０の数は、複数の第２転位２２の数よりも少ない。

このように、第１ＧａＮ層５３と第１層５４とで形成された島状の結晶の上に、第１ＧａＮ層５３のサイズよりも小さいサイズの島状の結晶であって、第２ＧａＮ層５５（及び第２層５６）で形成された島状の結晶を形成することで、転位２０を大幅に低減することができる。

図９は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図９は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子における、刃状転位密度Ｄｅおよび基板の反りＷＰを表したグラフ図である。刃状転位密度Ｄｅは、Ｘ線回折測定における、（０００２）面、（０００４）面、（１０−１１）面、（２０−２２）面のロッキングカーブ半値幅から導かれる。基板の反りＷＰは、反り測定器によって基板４０（シリコン基板）の反りを計測することで導かれる。

第１実施例の窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅは、２．９×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、第１〜３参考例の窒化物半導体素子１３１、１３２、１３３の刃状転位密度Ｄｅよりも低い。第１実施例の窒化物半導体素子１２０の基板４０の反りＷＰは、凹状に２９μｍであり、比較的小さい反り量である。第１実施例の窒化物半導体素子１２０には、クラックは発生しない。

第１参考例の窒化物半導体素子１３１の刃状転位密度Ｄｅは、５．９×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、第１実施例の窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅよりも高い。第１参考例の窒化物半導体素子１３１の基板４０の反りＷＰは、凹状に４５μｍであり、第１参考例の窒化物半導体素子１３１の反りＷＰよりも大きな反り量である。第１参考例の窒化物半導体素子１３１には、クラックが形成された。

第１参考例において刃状転位密度Ｄｅが高いのは、第２ＧａＮ層５５が層状に形成されており、島状の結晶の斜面での転位の屈曲または遮蔽が生じないためであると考えられる。第１参考例の窒化物半導体素子１３１の刃状転位密度Ｄｅは、後述する第２参考例の窒化物半導体素子１３２の刃状転位密度Ｄｅと同程度である。第１ＧａＮ層５３を同様の形状で拡大するだけでは、転位の低減効果はほとんど得られないといえる。

第２参考例の窒化物半導体素子１３２の刃状転位密度Ｄｅは、５．５×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、第１実施例の窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅよりも高い。第２参考例の窒化物半導体素子１３２の基板４０の反りＷＰは、凹状に２８μｍであり、比較的低い反り量である。第２参考例の窒化物半導体素子１３２には、クラックは発生しない。第１実施例に比べ、刃状転位密度Ｄｅは約２倍の値を示していることから、第２ＧａＮ層５５を島状に形成し、第１斜面５３ｓに接して第２層５６を形成することで、転位を約５０％に低減できることがわかる。

第３参考例の窒化物半導体素子１３３の刃状転位密度Ｄｅは、１．１×１０^−９（／ｃｍ^２）であり、第１実施例の窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅよりも高い。第３参考例の窒化物半導体素子１３３の基板４０の反りは、凹状に５５μｍであり、第１参考例の窒化物半導体素子１３１の反りＷＰよりも大きな反り量である。第３参考例の窒化物半導体素子１３３には、クラックが形成された。
第３参考例において刃状転位密度Ｄｅが高いのは、第１ＧａＮ層５３および第２ＧａＮ層５５が島状に形成されておらず、転位の屈曲効果が弱いためであると考えられる。

このように、例えば、第３層５２を、少なくとも一部に単結晶を有するＡｌＧａＮ層５１に接して設けることで、第１ＧａＮ層５３が三次元的に成長する。これにより、バッファ層６０で発生する転位を積層方向（Ｚ軸方向）に対して平行方向に曲げ、機能層１０に到達する転位を低減することができる。第３層５２によって第１ＧａＮ層５３の成長が阻害される領域では、ＡｌＮバッファ層６２で生じた転位が第３層５２によって遮蔽される。これにより、転位の上部への伝播が阻害され、転位を低減することができる。

第１ＧａＮ層５３の第１斜面５３ｓに接して第１層５４を形成することで、例えば、機能層１０の側に伝播する転位２０が第１層５４によって屈曲または遮られる。その結果、機能層１０に到達する転位を大幅に低減することができる。

第２ＧａＮ層５５を第１ＧａＮ層５３の上に島状に形成し、さらに第２ＧａＮ層５５に接して第２層５６を形成することで、例えば、第１ＧａＮ層５３および第１層５４を貫く転位を屈曲させることができる。これにより、転位を大幅に低減することができる。

次に、第１ＧａＮ層５３の形状の効果の例について説明する。
図１０は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図１０は、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１を変化させたときの、窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅの変化を表している。図１０の横軸は、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１である。高さは、断面ＳＥＭ像でみられる凹凸形状で最も大きな凸部（島）の高さ（厚さ）をプロットするものである。第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は、第３層５２の厚さ（成長時間ＴＭ）、第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴ、第１ＧａＮ層５３の成長速度ＧＲ、または、第１ＧａＮ層５３のアンモニア供給量（Ｖ／III比）で変化させる。具体的には、第３層５２の厚さを厚くする（成長時間ＴＭを長くする）、第１ＧａＮ層５３の成長温度ＧＴを低くする、成長速度ＧＲを速くする、アンモニア供給量（Ｖ／III比）を減少させるなどによって、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）を増大させる。

図１０に表したように、第１ＧａＮ層５３が平坦な場合（高さｔ１が０ｎｍに相当する）に対して、１００ｎｍ〜１２００ｎｍの高さ（厚さ）の第１ＧａＮ層５３を形成する場合は、刃状転位密度Ｄｅが低減することがわかる。高さ（厚さ）ｔ１が１００ｎｍよりも低い（薄い）、または、１２００ｎｍよりも高い（厚い）場合には、刃状転位密度Ｄｅが増大する傾向がある。

高さ（厚さ）ｔ１が１００ｎｍよりも低い場合には、図２（ａ）に例示したように、第１斜面５３ｓの形成が不十分であり、積層方向に垂直な平坦面（第１頂面５３ｔ）の結晶表面に占める割合が大きい。そのため、第１層５４での転位の遮蔽効果が十分に得られないと考えられる。第１ＧａＮ層５３の結晶の体積（表面積）が小さい（狭い）ため、結晶内で転位の伝播方向が変化せず、第１ＧａＮ層５３中での転位の低減効果が小さくなると考えられる。

一方、高さ（厚さ）ｔ１が１２００ｎｍよりも高い場合には、隣り合う第１ＧａＮ層５３の結晶同士が合体しやすくなり、第３層５２と第１層５４が接する領域が狭くなる。その結果、ＡｌＮバッファ層６２で生じた転位の遮蔽効果が低減し、刃状転位密度Ｄｅが増加すると考えられる。

高さ（厚さ）ｔ１が１２００ｎｍよりも高い（厚い）凹凸を形成する場合には、第３ＧａＮ層５７の表面にピットが形成された。本実施例においては、第３ＧａＮ層５７の厚さは、２μｍであり、第３ＧａＮ層５７の厚さの半分以上の厚さを有する第１ＧａＮ層５３の島を平坦化することが困難であると考えられる。すなわち、平坦な第３ＧａＮ層５７を得るための第３ＧａＮ層５７の厚さは、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１の２倍程度である。最適な高さｔ１は１２００ｎｍに限定されるものではなく、第３ＧａＮ層５７の膜厚の１／２以下であることが好ましい。なお、「平坦」とは９０％以上の面積が主面と平行な結晶面で形成されていることを意味する。

このように、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１が１００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の場合に、刃状転位密度Ｄｅが低減することがわかる。より好ましくは、第１ＧａＮ層５３の高さ（厚さ）ｔ１は、３００ｎｍ以上、第３ＧａＮ層５７の厚さの１／２倍以下である。第３ＧａＮ層５７の厚さの１／２倍は、本実施例においては、１０００ｎｍである。

次に、第３層５２の厚さの効果の例について説明する。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
図１１（ａ）は、第３層５２の成長時間（厚さ）ＴＭを変化させたときの、窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅの変化を表している。図１１（ａ）の横軸は、第３層５２の成長時間ＴＭを表しており、第３層５２の厚さに相当する。

図１１（ａ）に表したように、第３層５２の成長時間ＴＭが３分以上１７分以下の場合に刃状転位密度Ｄｅが低くなる傾向があることがわかる。成長時間ＴＭが３分よりも短い場合には、島状の結晶が成長しにくく、第１ＧａＮ層５３が層状の結晶となる。第３層５２には、部分的にピットの開いた凹凸が形成されていた。この場合には、図２（ａ）に例示したように、第１斜面５３ｓの形成が不十分であり、積層方向に垂直な平坦面（第１頂面５３ｔ）の結晶表面に占める割合が大きい。そのため、第１層５４での転位の遮蔽効果が十分に得られず、転位が高くなると考えられる。一方、成長時間ＴＭが１７分よりも長い場合には、第１ＧａＮ層５３の高さが１３００ｎｍ程度となり、平坦な第３ＧａＮ層５７が得られない。第３ＧａＮ層５７の表面には、ピットが形成された。すなわち、第３ＧａＮ層５７の厚さの１／２倍以上の高さの第１ＧａＮ層５３が形成され、刃状転位密度Ｄｅが増加しやすくなると考えられる。

この例では、第３層５２の成長時間ＴＭが８分の場合において、１原子層に相当する。即ち、第３層５２の厚さが０．４原子層以上２．１原子層以下の場合に、刃状転位密度Ｄｅが低減する。第３層５２の厚さが０．４原子層よりも薄い場合に刃状転位密度Ｄｅが高くなるのは、第１ＧａＮ層５３の三次元成長が生じず、転位の低減効果が得られないためであると考えられる。一方、第３層５２の厚さが２．１原子よりも厚い場合に刃状転位密度Ｄｅが高くなるのは、第１ＧａＮ層５３の島状結晶の密度が小さくなり、その上に形成する第３ＧａＮ層５７の平坦性が低下するためであると考えられる。

図１１（ｂ）は、第３層５２におけるＳｉ濃度ＣＳを変化させたときの、窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅの変化を表している。
図１（ａ）に関して前述したように、第３層５２の厚さは、透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ）による直接観察や二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により見積もることができる。ＳＩＭＳ分析法において、層中のＳｉ濃度が２×１０^２０（／ｃｍ^３）程度の場合に、第３層５２の厚さが１原子層に相当する。このＳｉ濃度は、面密度に換算すると、１×１０^１５（／ｃｍ^２）程度のＳｉ面密度に対応する。

ＳＩＭＳ分析の場合、スパッタレートなどの測定条件によって、Ｓｉ濃度が厚さ（深さ）方向に広がりを有するように観測されることがある。この場合、例えば、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれに相当する領域でのＳｉ濃度の極大値（最大値）に対して、Ｓｉ濃度が１０％の値に低減する領域までのＳｉ濃度の総和（Ｓｉ原子の厚さ方向の積分値）を、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれに含まれる単位面積あたりのＳｉ原子の数（Ｓｉ面密度）とみなすことができる。

第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれの厚さについては、このＳｉ濃度の総和（Ｓｉ面密度）を用いて見積もることができる。すなわち、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれの中のＳｉ原子が、一様に、ＧａＮ層のＧａ原子（III族原子）と置換される場合における、Ｓｉに置換されるＧａＮ層の厚さとして見積もることができる。

本願明細書においては、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれの中のＳｉ原子の数がＧａＮ層の１層分に相当するＧａ原子を置換する数である場合に、その第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれの厚さを１原子層とする。

例えば、ＧａＮ層における（０００１）面のＧａ原子（III族原子）の面密度は、約１×１０^１５／ｃｍ^２である。したがって、膜中のＳｉの面密度が１×１０^１５／ｃｍ^２程度の場合に、第１層５４、及び第２層５６の厚さが１原子層であることに相当する。

ＳＩＭＳ分析において、例えば、Ｓｉ濃度のピーク値が２×１０^２０／ｃｍ^３であって、幅２００ｎｍの拡がりを有する場合は、面密度に換算すると、１×１０^１５／ｃｍ^２程度のＳｉ面密度に相当する。

すなわち、層中のＳｉ濃度が２×１０^２０／ｃｍ^３程度の場合が、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれの厚さが１原子層であることに相当する。したがって、「第３層５２の厚さが０．４原子層以上２．１原子層以下の場合に転位密度が低減する」とは、「第３層５２におけるＳｉ濃度が、７．０×１０^１９／ｃｍ^３以上４．５×１０^２０／ｃｍ^３以下の場合に転位密度が低減する」ことに相当し、転位密度が低くなる。そして、層中のＳｉ面密度が３．５×１０^１４／ｃｍ^２以上２．３×１０^１５／ｃｍ^２以下の場合に、転位密度が低くなる。

したがって、第３層５２におけるＳｉ濃度が、７．０×１０^１９ ／ｃｍ^３以上４．５×１０^２０ ／ｃｍ^３以下の場合に、刃状転位密度Ｄｅが低くなる傾向があるといえる。層中のＳｉ面密度が３．５×１０^１４ ／ｃｍ^２以上２．３×１０^１５ ／ｃｍ^２以下の場合に、刃状転位密度Ｄｅが低くなる傾向があるといえる。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０（すなわち窒化物半導体ウェーハ２１０）のＳＩＭＳ分析結果の例を示している。この例では、深さ方向（積層方向）に沿って、５ｎｍ間隔で測定される。図１２（ａ）および図１２（ｂ）の横軸は、深さＺｄ（Ｚ軸方向の位置に相当する）である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）の縦軸は、Ｓｉ濃度ＣＳ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。

図１２（ａ）の例では、第３層５２の成長時間ＴＭは、８分である。この条件は、第３層５２におけるＳｉ面密度が１．０×１０^１５／ｃｍ^２である条件に対応する。第１層５４の成長時間は、３分である。この条件は、第１層５４におけるＳｉ面密度が３．８×１０^１４／ｃｍ^２である条件に対応する。第２層５６の成長時間は、３分である。この条件は、第２層５６におけるＳｉ面密度が３．８×１０^１４／ｃｍ^２である条件に対応する。

図１２（ｂ）の例では、第３層５２の成長時間ＴＭは、１０分である。この条件は、第３層５２におけるＳｉ面密度が１．２×１０^１５／ｃｍ^２である条件に対応する。その他の条件については、図１２（ａ）の例と同じである。

図１２（ａ）から分かるように、積層体５０の範囲において、３段階のＳｉのピークが観察される。例えば、積層体５０におけるＳｉ濃度プロファイルは、第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７を有する。第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７は、Ｚ軸方向に沿って積層される。

第１部分ｐ１は、第１Ｓｉ濃度を有する。第１Ｓｉ濃度は、７．０×１０^１９／ｃｍ^３以上４．５×１０^２０／ｃｍ^３以下である。

第２部分ｐ２は、第１部分ｐ１の上側に設けられる。すなわち、第２部分ｐ２は、第１部分ｐ１と機能層１０との間に設けられる。第２部分ｐ２は、第２Ｓｉ濃度を有する。第２Ｓｉ濃度は、第１Ｓｉ濃度よりも低い。第２Ｓｉ濃度は、例えば１×１０^１７／ｃｍ^３未満である。第２部分ｐ２においては、Ｓｉ濃度は比較的一定である。

第３部分ｐ３は、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２との間に設けられる。第３部分ｐ３は、第３Ｓｉ濃度を有する。第３Ｓｉ濃度は、第１Ｓｉ濃度と第２Ｓｉ濃度との間である。第３Ｓｉ濃度は、例えば３×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３以下である。第３部分ｐ３においては、Ｓｉ濃度は比較的一定である。

第４部分ｐ４は、第３部分ｐ３と第２部分ｐ２との間に設けられる。第４部分ｐ４は、第４Ｓｉ濃度を有する。第４Ｓｉ濃度は、第３Ｓｉ濃度と第２Ｓｉ濃度との間である。第４Ｓｉ濃度は、例えば１×１０^１８／ｃｍ^３以上３×１０^１９／ｃｍ^３以下である。第４部分ｐ４においては、Ｓｉ濃度は比較的一定である。

第５部分ｐ５は、第１部分ｐ１と第３部分ｐ３との間に設けられる。第５部分ｐ５におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第３部分ｐ３におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い。第５部分ｐ５においては、Ｓｉ濃度が急激に変化する。

第６部分ｐ６は、第３部分ｐ３と第４部分ｐ４との間に設けられる。第６部分ｐ６におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第３部分ｐ３におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い。第６部分ｐ６におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第４部分ｐ４におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い。第６部分ｐ６においては、Ｓｉ濃度が急激に変化する。

第７部分ｐ７は、第４部分ｐ４と第２部分ｐ２との間に設けられる。第７部分ｐ７におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第４部分ｐ４におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い。第７部分ｐ７におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第２部分ｐ２におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い。

第１部分ｐ１においては、Ｓｉ濃度のピークの幅（厚さ方向の幅）が狭い。第１部分ｐ１は、第３層５２に対応する。
この例では、第１部分ｐ１におけるＳｉ濃度のピーク（最大値）は２．６×１０^２０／ｃｍ^３である。Ｓｉ濃度がピーク値の１０％の値に低減するまでのピークの幅は、約１２０ｎｍである。この領域の総Ｓｉ濃度（厚さ方向のＳｉ濃度の積分値）は、１．１×１０^１５／ｃｍ^２であり、第３層５２のＳｉ面密度に対応する。

第１部分ｐ１の厚さ（幅）は、例えば１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。第１部分ｐ１の厚さが１ｎｍよりも薄いと、第１ＧａＮ層５３の三次元成長が十分に生じない。第１部分ｐ１の厚さが２００ｎｍよりも厚い場合は、第１ＧａＮ層５３の成長が阻害され、斜面の面積が減少し、転位密度の低減効果が十分に得られない。

第５部分ｐ５は、第１ＧａＮ層５３に対応する。第３部分ｐ３は、第１層５４に対応する。第１層５４におけるＳｉ濃度は、２．５×１０^１９／ｃｍ^３である。第１ＧａＮ層５３のうちの少なくとも一部におけるＳｉ濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第１ＧａＮ層５３は、凸部５３ｃを含んでおり、その凸部５３ｃの上に第１層５４が設けられる。第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの直径（幅）５３ｖ（または５５ｗ）は、例えば５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である。ＳＩＭＳ分析において、分析の面積は、凸部の大きさ（面積）よりも広い。このため、ＳＩＭＳ分析によるＳｉ濃度は、複数の凸部を含む範囲（第２層５６、第２ＧａＮ層５５、第１層５４及び第１ＧａＮ層５３の範囲）の平均の値として検出される。例えば、第３ＧａＮ層５７が設けられる場合には、第３ＧａＮ層５７の範囲は、複数の凸部を含む範囲に含まれる。このため、Ｓｉ濃度プロファイルにおいて、厚さ（深さ）方向に広がりが生じるとともに、ピーク値が実際のＳｉ濃度に比べ小さくなり、第５部分ｐ５及び第３部分ｐ３のプロファイルが生じる。

この例では、第３部分ｐ３におけるＳｉ濃度のピークは、約２．５×１０^１９／ｃｍ^３であり、第３部分ｐ３及び第５部分ｐ５の幅（Ｓｉ濃度がピーク値の１０％の値に低減するまでのピークの幅に相当）は約２００ｎｍである。この領域の総Ｓｉ濃度（厚さ方向のＳｉ濃度の積分値）は、５．２×１０^１４／ｃｍ^２であり、第１層５４のＳｉ面密度に対応する。

第５部分ｐ５の厚さ（幅）は、例えば１００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。第５部分ｐ５の厚さが１００ｎｍよりも薄い場合は、第１ＧａＮ層５３の高さが１００ｎｍ以下の場合に相当する。このときには、第１斜面５３ｓの形成が不十分であり、転位密度の低減効果が減少する。第５部分ｐ５の厚さが１２００ｎｍよりも厚い場合は、第１ＧａＮ層５３の高さが１２００ｎｍ以上の場合に相当する。例えば、第３ＧａＮ層５７が設けられる場合には、第３ＧａＮ層５７の平坦性が低下しやすい。

第６部分ｐ６は、第２ＧａＮ層５５に対応する。第４部分ｐ４は、第２層５６に対応する。この例では、第２層５６におけるＳｉ濃度は、１．５×１０^１９／ｃｍ^３である。第２ＧａＮ層５５のうちの少なくとも一部におけるＳｉ濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２ＧａＮ層５５は、凸部５５ｃを含んでおり、その凸部の上に第２層５６が設けられる。第２ＧａＮ層５５の凸部の直径（幅）５５ｖ（または５５ｗ）は、例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。第２ＧａＮ層５５のサイズは、第１ＧａＮ層５３のサイズよりも小さい。

この例では、第４部分ｐ４におけるＳｉ濃度のピークは、約１．５×１０^１９／ｃｍ^３であり、第４部分ｐ４及び第６部分ｐ６のそれぞれの幅（Ｓｉ濃度がピーク値の１０％の値に低減するまでのピークの幅に相当）は約２２０ｎｍである。この領域の総Ｓｉ濃度（厚さ方向のＳｉ濃度の積分値）は、２．５×１０^１４／ｃｍ^２であり、第２層５６のＳｉ面密度に対応する。

例えば、第７部分ｐ７及び第２部分ｐ２は、第３ＧａＮ層５７に対応する。例えば、第３ＧａＮ層５７の一部（下側の一部）に、第３層５２、第１層５４及び第２層５６の少なくともいずれかから、Ｓｉが拡散すると考えられる。このＳｉの拡散領域が、第７部分ｐ７に対応していると考えられる。

第７部分ｐ７の厚さは、例えば１０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下である。第７部分ｐ７の厚さが１０ｎｍより薄い場合は、第１層５４および第２層５６での転位の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られない。第７部分ｐ７の厚さが２５００ｎｍよりも厚い場合は、第３ＧａＮ層５７の平坦性が低下しやすい。

例えば、ＳＩＭＳ分析において、第１部分ｐ１が存在することにより、第３層５２の存在が判断できる。第３部分ｐ３が存在することにより、第１層５４の存在が判断できる。第４部分ｐ４が存在することにより、第２層５６の存在が判断できる。

図１２（ｂ）から分かるように、この例の積層体５０の範囲においても、３段階のＳｉのピークが観察される。例えば、図１２（ｂ）に示した例の積層体５０におけるＳｉ濃度プロファイルは、図１２（ａ）の例と同様である。

第１部分ｐ１は、Ｓｉ濃度が７．０×１０^１９／ｃｍ^３以上４．５×１０^２０／ｃｍ^３以下の第１濃度を有する。第２部分ｐ２は、Ｓｉ濃度が例えば１×１０^１７／ｃｍ^３未満の第２濃度を有する。第３部分ｐ３は、Ｓｉ濃度が例えば３×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３の第３濃度を有する。第４部分ｐ４は例えば１×１０^１８／ｃｍ^３以上３×１０^１９／ｃｍ^３以下の第４濃度を有する。

図１２（ａ）の例と同様に、例えば、ＳＩＭＳ分析において、第１部分ｐ１が存在することにより、第３層５２の存在が判断できる。第３部分ｐ３が存在することにより、第１層５４の存在が判断できる。第４部分ｐ４が存在することにより、第２層５６の存在が判断できる。

図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す図である。
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子１１０（すなわち窒化物半導体ウェーハ２１０）のエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ分析）の結果の例を示すグラフ図である。図１３（ｄ）は、ＥＤＳ分析における分析の場所を示している。図１３（ｄ）は、ＥＤＳ分析の場所として、第１分析位置Ａｐ１、第２分析位置Ａｐ２及び第３分析位置Ａｐ３を、断面ＴＥＭ像上に示している。第１分析位置Ａｐ１は、第３層５２の位置に対応する。第２分析位置Ａｐ２は、第１層５４の位置に対応する。第３分析位置Ａｐ３は、第２層５６の位置に対応する。

図１３（ａ）は、第１分析位置Ａｐ１の分析結果を表す。図１３（ｂ）は、第２分析位置Ａｐ２の分析結果を表す。図１３（ｃ）は、第３分析位置Ａｐ３の分析結果を表す。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）の横軸は、エネルギーＥｇ（ｋｅＶ：キロエレクトロンボルト）である。図１３（ａ）〜図１３（ｃ）の縦軸は、強度Ｉｎｔ（ｃｏｕｎｔｓ）である。このＥＤＳ分析における、Ｓｉの検出限界は、１０００ｐｐｍである。

この例では、第３層５２の成長時間ＴＭは、８分である。この条件は、第３層５２におけるＳｉ面密度が１．０×１０^１５／ｃｍ^２である条件に対応する。第１層５４の成長時間は、３分である。この条件は、第１層５４におけるＳｉ面密度が３．８×１０^１４／ｃｍ^２である条件に対応する。第２層５６の成長時間ＴＭは、３分である。この条件は、第２層５６におけるＳｉ面密度が３．８×１０^１４／ｃｍ^２である条件に対応する。

図１３（ａ）〜図１３（ｃ）からわかるように、本実施形態においては、第３層５２、第１層５４、及び第２層５６から、Ｓｉが検出される。第３層５２におけるＳｉ濃度は、約４．６（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。第１層５４におけるＳｉ濃度は、約３．９（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。第２層５６におけるＳｉ濃度は、約４．２（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。このように、本実施形態においては、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれにおけるＳｉ濃度は、検出限界（１０００ｐｐｍ）以上である。第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれにおけるＳｉ濃度を１０００ｐｐｍ以上とすることで、転位低減の大きな効果が得られる。

本実施形態に係る窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハにおいては、第１ＧａＮ層５３の凸部内の転位２０が、凸部の斜面（第１斜面５３ｓ）上に設けられた第１層５４において減少する。第１ＧａＮ層５３の凸部の上に設けられ、第１ＧａＮ層５３よりも小さなサイズの第２ＧａＮ層５５において、第１ＧａＮ層５３の凸部内の転位２０がさらに減少する。そして、既に説明したように、本実施形態においては、第１層５４、第２層５６および第３層５２のそれぞれにおけるＳｉ濃度は、十分に検出限界以上である。第３層５２におけるＳｉ濃度は、例えば、７．０×１０^１９／ｃｍ^３以上４．５×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第１層５４におけるＳｉ濃度は、例えば、１．０×１０^１７／ｃｍ^３以上１．０×１０^２０／ｃｍ^３以下である。第２層５６におけるＳｉ濃度は、例えば、１．０×１０^１７／ｃｍ^３以上１．０×１０^２０／ｃｍ^３以下である。

（第２の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体素子に係る。
図１４（ａ）〜図１４（ｄ）は、第２の実施形態に係る窒化物半導体素子および窒化物半導体ウェーハを例示する図である。
図１４（ａ）は、模式的断面図である。図１４（ｂ）は、積層中間層におけるＡｌ組成比（Ｃ_Ａｌ）を例示するグラフ図である。図１４（ｃ）は、積層中間層における成長温度ＧＴ（形成温度）を例示するグラフ図である。図１４（ｄ）は、積層中間層におけるａ軸の格子間隔Ｌｄを例示するグラフ図である。

図１４（ｂ）、図１４（ｃ）及び図１４（ｄ）において、縦軸は、Ｚ軸方向の位置である。図１４（ｂ）の横軸は、Ａｌ組成比Ｃ_Ａｌである。図１４（ｂ）に表したように、積層中間層７０において、Ａｌ組成比Ｃ_Ａｌは、第１ＧａＮ中間層７１ａおよび第２ＧａＮ中間層７１ｂにおいて実質的に０である。Ａｌ組成比Ｃ_Ａｌは、第１ＡｌＮ中間層７２ａおよび第２ＡｌＮ中間層７２ｂにおいて実質的に１である。Ａｌ組成比Ｃ_Ａｌは、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａおよび第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂにおいて０よりも高く１よりも低い。

図１４（ａ）に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１３０および窒化物半導体ウェーハ２３０は、バッファ層６０と、積層中間層７０と、積層体５０と、機能層１０と、を含む。バッファ層６０と、積層体５０と、機能層１０と、のそれぞれには、第１の実施形態に関して説明した構成を適用することができる。以下、積層中間層７０について説明する。

バッファ層６０は、ＡｌＧａＮバッファ層６１を含む。ＡｌＧａＮバッファ層６１は、前述した積層体５０におけるＡｌＧａＮ層５１と同様の特性を有する。ＡｌＧａＮバッファ層６１の形成条件などは、ＡｌＧａＮ層５１で説明したものと同様である。

積層中間層７０は、第１中間層７０ａと第２中間層７０ｂとを含む。第１中間層７０ａは、第１ＧａＮ中間層７１ａと、第１ＡｌＮ中間層７２ａと、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａと、を含む。第２中間層７０ｂは、第２ＧａＮ中間層７１ｂと、第２ＡｌＮ中間層７２ｂと、第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂと、を含む。本実施例においては、ＧａＮ中間層７１と、ＡｌＮ中間層７２と、ＡｌＧａＮ中間層７３と、を有する構成が、２回繰り返し積層されている。繰り返し数は２回に限らず、３回以上繰り返してもよい。積層中間層７０は、第１中間層７０ａのみを有してもよい。

図１４（ｄ）に表したように、実施形態の積層中間層７０では、ａ軸の格子間隔Ｌｄ（積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向の格子間隔）は、ＧａＮ中間層７１で最も大きく、ＡｌＮ中間層７２で急激に小さくなる。

すなわち、ＡｌＧａＮバッファ層６１の上に、ＡｌＧａＮバッファ層６１よりも格子定数の大きい第１ＧａＮ中間層７１ａが形成されている。第１ＧａＮ中間層７１ａの形成温度（基板温度）は、例えば、ＡｌＧａＮバッファ層６１の形成温度よりも高く、約１０９０℃である。第１ＧａＮ中間層７１ａの形成温度を、ＡｌＧａＮバッファ層６１の形成温度よりも高くすることで、第１ＧａＮ中間層７１ａに圧縮歪み（応力）が蓄積しやすい。第１ＧａＮ中間層７１ａの厚さは、例えば１００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下が好ましく、例えば約３００ｎｍである。第１ＧａＮ中間層７１ａは、成長の初期では、ＡｌＧａＮバッファ層６１の格子定数に格子整合するように形成され、圧縮歪み（応力）を受けながら成長する。そして、ＧａＮの成長が進むにつれて徐々に歪み（応力）が緩和し、ＧａＮの格子間隔は、歪みを受けない状態のＧａＮの格子定数に近づく。

第１ＡｌＮ中間層７２ａが、第１ＧａＮ中間層７１ａの上に形成されている。第１ＡｌＮ中間層７２ａの厚さは、例えば５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下が好ましく、例えば約１２ｎｍである。第１ＡｌＮ中間層７２ａの結晶成長温度（基板温度）は、図１４（ｃ）に表したように、第１ＧａＮ中間層７１ａの温度よりも低く、例えば５００℃以上、１０５０℃以下であることが好ましい。第１ＡｌＮ中間層７２ａの形成温度（基板温度）は、例えば８００℃である。第１ＡｌＮ中間層７２ａの少なくとも一部は単結晶である。そのため、第１ＡｌＮ中間層７２ａは、格子緩和し易くなる。これにより、第１ＡｌＮ中間層７２ａの形成の初期から、下地となる第１ＧａＮ中間層７１ａからの引っ張り歪み（応力）を受けにくくなる。その結果、下地となる第１ＧａＮ中間層７１ａからの歪み（応力）の影響を減少するように、第１ＡｌＮ中間層７２ａを形成することができる。このようにして、格子緩和する第１ＡｌＮ中間層７２ａが第１ＧａＮ中間層７１ａの上に形成される。

続いて、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａが第１ＡｌＮ中間層７２ａの上に形成されている。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａのＡｌ組成比Ｃ_Ａｌは、第１ＡｌＮ中間層７２ａのＡｌ組成比Ｃ_Ａｌよりも低い。ＡｌＧａＮは、厚さが薄い状態すなわち成長の初期では、ＡｌＮの格子間隔に格子整合するように形成され、圧縮歪みを受けながら成長する。そして、ＡｌＧａＮの成長が進むにつれて徐々に歪みが緩和し、ＡｌＧａＮは、歪みを受けない状態のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）の格子間隔に近づく。

第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの形成温度（基板温度）は、例えば、第１ＡｌＮ中間層７２ａの形成温度（基板温度）および第１ＧａＮ中間層７１ａの形成温度（基板温度）よりも高い。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの形成温度を、第１ＡｌＮ中間層７２ａの形成温度および第１ＧａＮ中間層７１ａの形成温度よりも高くすることで、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａが緩和し難くなる。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの形成温度（基板温度）は、例えば約１１２０℃である。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａのＡｌの組成比は、第１ＡｌＮ中間層７２ａの緩和率α以下とされる。

第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａのＡｌの組成比が、第１ＡｌＮ中間層７２ａの緩和率αよりも大きいと、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａに引っ張り歪み（応力）が生じ、クラックが生じやすい。格子緩和が生じ、転位が増大しやすい。

緩和率αは、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、無歪みのＡｌＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄａと、の差の絶対値に対する、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと第１ＡｌＮ中間層７２ａの第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａと、の差の比で定義される値である。第１軸は、積層方向（Ｚ軸方向に対して垂直な１つの軸である。

第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの厚さは、例えば５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることが好ましい。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの厚さが５ｎｍよりも薄いと、転位を低減させる効果が得られにくい。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの厚さが１００ｎｍよりも厚いと、転位を低減させる効果が飽和するだけでなく、クラックが生じやすくなる。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの厚さは、より好ましくは５０ｎｍ未満である。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの厚さを５０ｎｍ未満にすることで、転位を効果的に低減することができる。第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂの厚さは、例えば約２５ｎｍである。

第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの形成温度（基板温度）が第１ＡｌＮ中間層７２ａの形成温度（基板温度）よりも８０℃以上高いと、ＡｌＮの格子定数に格子整合するように成長する効果がより大きく得られる。転位を低減する効果がより大きく得られる。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの形成温度は、例えば約１１２０℃である。

続いて、第２ＧａＮ中間層７１ｂが第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの上に形成されている。さらに、第２ＡｌＮ中間層７２ｂが第２ＧａＮ中間層７１ｂの上に形成されている。さらに、第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂが第２ＡｌＮ中間層７２ｂの上に形成されている。第２ＧａＮ中間層７１ｂ、第２ＡｌＮ中間層７２ｂおよび第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂについては、前述した第１ＧａＮ中間層７１ａ、第１ＡｌＮ中間層７２ａおよび第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａと同様の構成とすることができるため、説明を省略する。

本実施例においては、第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂが積層体５０におけるＡｌＧａＮ層５１として用いられている。このように、積層中間層７０が設けられる場合には、最も機能層１０に近い側のＡｌＧａＮ中間層７３を積層体５０におけるＡｌＧａＮ層５１として用いることができる。

次に、本実施形態に係る第２実施例の窒化物半導体素子の特性について説明する。
窒化物半導体素子１３０において、積層中間層７０以外は、前述した第１実施例の窒化物半導体素子と同様なので説明を省略する。窒化物半導体素子１３０の積層中間層７０は以下のようにして作製される。

ＡｌＮバッファ層６２を形成し、基板温度を１０２０℃とし、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を流量１０ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で８分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．５５の第１ＡｌＧａＮバッファ層６１ａを形成する。第１ＡｌＧａＮバッファ層６１ａの厚さは、約１００ｎｍである。引き続き、ＴＭＧの流量を１７ｃｃ／分、ＴＭＡの流量を３０ｃｃ／分に変更し、１０分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．３の第２ＡｌＧａＮバッファ層６１ｂを形成する。第２ＡｌＧａＮバッファ層６１ｂの厚さは、約２００ｎｍである。さらに、ＴＭＧの流量を２０ｃｃ／分、ＴＭＡの流量を１５ｃｃ／分に変更し、１１分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．１５の第３ＡｌＧａＮバッファ層６１ｃを形成する。第３ＡｌＧａＮバッファ層６１ｃの厚さは、約２５０ｎｍである。

次に、基板温度を１０９０℃とし、ＴＭＧを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、１５分間供給する。これにより、第１ＧａＮ中間層７１ａを形成する。第１ＧａＮ中間層７１ａの厚さは、約３００ｎｍである。

次に、基板温度を８００℃とし、ＴＭＡを流量１７ｃｃ／分、アンモニアを流量１０Ｌ／分にて、３分間供給する。これにより、第１ＡｌＮ中間層７２ａを形成する。第１ＡｌＮ中間層７２ａの厚さは、約１２ｎｍである。

次に、基板温度を１１２０℃とし、ＴＭＧａを流量１８ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量６ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で２．５分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．５の第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａを形成する。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの厚さは、約２５ｎｍである。

次に、基板温度を１０９０℃とし、ＴＭＧを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、１５分間供給する。これにより、第２ＧａＮ中間層７１ｂを形成する。第２ＧａＮ中間層７１ｂの厚さは、約３００ｎｍである。

次に、基板温度を８００℃とし、ＴＭＡを流量１７ｃｃ／分、アンモニアを流量１０Ｌ／分にて、３分間供給する。これにより、第２ＡｌＮ中間層７２ｂを形成する。第２ＡｌＮ中間層７２ｂの厚さは、約１２ｎｍである。

次に、基板温度を１１２０℃とし、ＴＭＧａを流量１８ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量６ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で２．５分間供給する。これにより、Ａｌ組成比が０．５の第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂを形成する。第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂの厚さは、約２５ｎｍである。

このように、積層中間層７０を形成し、積層中間層７０の上に、積層体５０および機能層１０を形成する。積層体５０および機能層１０は、窒化物半導体素子１２０で前述した条件と同様の条件で形成される。

作製する窒化物半導体素子１３０の刃状転位密度Ｄｅを評価すると、２．１×１０^８（／ｃｍ^２）と低い値を示す。窒化物半導体素子１２０の刃状転位密度Ｄｅは、２．９×１０^８（／ｃｍ^２）であり、積層中間層７０を設けることで、転位密度が約７０％に低減する。

室温における基板４０を含む窒化物半導体素子１３０の反りを評価すると、反りは、凸状に１０μｍである。窒化物半導体素子１１０の反りは、凹状に２９μｍの反りである。積層中間層７０を設けることで、窒化物半導体素子の内部に形成される圧縮応力が増大し、反りがさらに低減する。

このように、バッファ層６０と積層体５０との間に、積層中間層７０を設けても、同様に、転位密度の低い窒化物半導体素子が得られる。
積層中間層７０を設けることで、窒化物半導体素子１３０の反りを低減することができ、クラックを抑制することができる。

図１５は、第２の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図１５は、（１１−２４）面の逆格子マッピング像の例である。逆格子マッピングは、Ｘ線回折測定によって測定される。図１５の横軸は、成長方向（積層方向）に対して垂直な方向の（１１−２０）面の格子面間隔の逆数Ｑｘである。逆数Ｑｘは、ａ軸の格子間隔の逆数に比例する値である。図１５の縦軸は、成長方向（積層方向）に対して平行な方向の（０００４）面の格子面間隔の逆数Ｑｚである。逆数Ｑｚは、ｃ軸の格子間隔の逆数に比例する値である。図１５において、ＧａＮの（１１−２４）面の回折ピークＰｇ（ＧａＮの格子間隔の逆数に対応）の点と、ＡｌＮの（１１−２４）面の回折ピークＰａ（ＡｌＮバッファ層６２の格子間隔の逆数に対応）の点と、が示されている。回折ピークＰｇの点と回折ピークＰａの点とを結んだ点線Ｌ１は、ベガード則に従う場合の、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比に対応した格子間隔の逆数の特性を表す。

図１５には、ＡｌＧａＮバッファ層６１に対応する（１１−２４）面の回折ピークの点Ｐ６１と、ＡｌＧａＮ中間層７３（または積層体におけるＡｌＧａＮ層５１）に対応する（１１−２４）面の回折ピークの点Ｐ７３と、が示されている。ＡｌＧａＮバッファ層６１およびＡｌＧａＮ中間層７３のピークが確認されることから、ＡｌＧａＮバッファ層６１およびＡｌＧａＮ中間層７３は少なくとも一部が単結晶であることがわかる。

図１５において、ＡｌＧａＮ層の格子間隔の測定結果のピーク（点Ｐ６１及び点Ｐ７３）が、点線Ｌ１よりも下側に現れている場合には、結晶が圧縮歪みを有する（圧縮応力を受けている）ことに対応する。測定結果のピーク（点Ｐ６１及び点Ｐ７３）が、点線Ｌ１よりも上側に現れている場合には、結晶が引っ張り歪みを有する（引っ張り応力を受けている）ことに対応する。

図１５からわかるように、ＡｌＧａＮバッファ層６１によるピークの点Ｐ６１は、点線Ｌ１よりも下側に現れている。このことから、ＡｌＧａＮバッファ層６１は、圧縮歪みを有する（圧縮応力を受けている）ことが分かる。

このようなＡｌＧａＮバッファ層６１の上に、積層中間層７０および積層体５０が形成される。ＡｌＧａＮバッファ層６１の上に、積層中間層７０および積層体５０を形成することで、積層中間層７０および積層体５０の中で形成される圧縮応力（歪み）が増大する。これにより、結晶成長後の降温過程で生じる引っ張り歪みが低減し、クラックを抑制する効果が増大する。

図１５に表したように、ＡｌＧａＮ中間層７３（または積層体におけるＡｌＧａＮ層５１）のＡｌの組成比ｚが０．５の場合には、点線Ｌ１よりも下側にピークが現れている。このことから、ＡｌＧａＮ中間層７３（または積層体におけるＡｌＧａＮ層５１）は圧縮歪みを有する（圧縮応力を受けている）ことがわかる。このようなＡｌＧａＮ中間層７３（または積層体におけるＡｌＧａＮ層５１）を形成することで、転位を低減できる。

このように、Ｘ線回折測定によって、ＡｌＧａＮバッファ層６１、ＡｌＧａＮ中間層７３、および、積層体５０中のＡｌＧａＮ層５１の応力（歪み）を評価することができる。

次に、Ｘ線回折測定により第１ＡｌＮ中間層７２ａの積層方向に垂直な格子間隔（この例では、ａ軸の格子間隔に相当する）が評価される。その結果、第１ＡｌＮ中間層７２ａの格子間隔Ｄａは０．３１４５ｎｍであり、無歪みのＡｌＮの格子間隔ｄａの０．３１１２ｎｍよりも大きな値である。第１ＡｌＮ中間層７２ａの上に形成される第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａには、圧縮応力（歪み）が形成されていることがわかる。無歪みのＧａＮのａ軸の格子間隔ｄｇは、３１８９ｎｍである。したがって、第１ＡｌＮ中間層７２ａの緩和率αは０．５７に相当する。

第１ＡｌＮ中間層７２ａの緩和率αは、無歪みのＧａＮの格子間隔ｄｇと、無歪みのＡｌＮの格子間隔ｄａと、の差の絶対値に対する、無歪みのＧａＮの格子間隔ｄｇと、第１ＡｌＮ中間層７２ａの実際の格子間隔Ｄａと、の差の絶対値の比である。すなわち、第１ＡｌＮ中間層７２ａの緩和率αは、｜ｄｇ−Ｄａ｜／｜ｄｇ−ｄａ｜である。無歪みのＧａＮの格子間隔ｄｇは、ＧａＮの格子定数に相当する。無歪みのＡｌＮの格子間隔ｄａは、ＡｌＮの格子定数に相当する。

この例においては、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａのＡｌ組成比が０．５であり、第１ＡｌＮ中間層７２ａの緩和率αよりも小さい。そのため、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａに圧縮応力（歪み）が形成される。

一方、例えば、Ａｌ組成比が０．７の第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａを形成すると、クラックが発生する。この試料について上記と同様の評価を行うと、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａには引っ張り応力（歪み）が形成されていることがわかる。すなわち、ＡｌＮ層の上に、ＡｌＮよりも無歪みの格子間隔の大きなＡｌ組成比０．７のＡｌＧａＮ層を形成しているにもかからず、ＡｌＧａＮ層に引っ張り応力（歪み）が形成された。これは、第１ＡｌＮ中間層７３ａが歪んでおり、実際の格子間隔が無歪みの格子間隔に対して、大きくなっているためである。このように、緩和率α以下のＡｌ組成比のＡｌＧａＮ中間層を形成することで、ＡｌＧａＮ中間層に圧縮応力（歪み）を形成することができる。これにより、クラックの少ない高品質の窒化物半導体素子が得られる。

このような窒化物半導体素子１３０により、シリコン基板上に形成する転位が少ない高品位の窒化物半導体素子を提供することができる。

図１６は、実施形態に係る別の窒化物半導体素子および窒化物半導体ウェーハを例示する模式的断面図である。
図１６に表したように、実施形態に係る別の窒化物半導体素子１４０は、バッファ層６０と、積層体５０と、積層中間層７０と、機能層１０と、を含む。バッファ層６０の上に、積層体５０が設けられる。積層体５０の上に積層中間層７０が設けられる。積層中間層７０の上に機能層１０が設けられる。本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２４０は、基板４０、バッファ層６０、積層中間層７０及び積層体５０を含む。窒化物半導体ウェーハ２４０は、機能層１０をさらに含んでも良い。基板４０、バッファ層６０、積層体５０、積層中間層７０、及び機能層１０のそれぞれには、窒化物半導体素子１３０に関して説明した構成を適用することができる。

本実施形態においては、第３ＡｌＧａＮバッファ層６１ｃが積層体５０におけるＡｌＧａＮ層５１として用いられている。このように、ＡｌＧａＮバッファ層６１が設けられる場合には、機能層１０に最も近い側のＡｌＧａＮバッファ層６１を積層体５０におけるＡｌＧａＮ層５１として用いることができる。

窒化物半導体素子１４０（及び窒化物半導体ウェーハ２４０）においては、積層中間層７０は、第１中間層７０ａと第２中間層７０ｂとを含む。第２中間層７０ｂは、第１中間層７０ａの上に設けられる。

第１中間層７０ａは、第１ＧａＮ中間層７１ａと、第１ＡｌＮ中間層７２ａと、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａと、を含む。第１ＡｌＮ中間層７２ａは、第１ＧａＮ中間層７１ａの上に設けられる。第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａは、第１ＡｌＮ中間層７２ａの上に設けられる。

第２中間層７０ｂは、第２ＧａＮ中間層７１ｂと、第２ＡｌＮ中間層７２ｂと、第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂと、を含む。第２ＧａＮ中間層７１ｂは、第１ＡｌＧａＮ中間層７３ａの上に設けられる。第２ＡｌＮ中間層７２ｂは、第２ＧａＮ中間層７１ｂの上に設けられる。第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂは、第２ＡｌＮ中間層７２ｂの上に設けられる。

窒化物半導体素子１４０（及び窒化物半導体ウェーハ２４０）の製造方法は、窒化物半導体素子１３０に関して説明した製造方法を、適宜変更して、適用することができる。

窒化物半導体素子１４０及び窒化物半導体ウェーハ２４０において、刃状転位密度Ｄｅは、２．５×１０^８（／ｃｍ^２）と低い値を示す。

基板４０を含む窒化物半導体素子１４０、及び、窒化物半導体ウェーハ２４０の、室温での反りは、凸状である。反りの大きさは、３５μｍである。

一方、基板４０を含む窒化物半導体素子１１０、及び、窒化物半導体ウェーハ２１０における反りは、凹状である。反りの大きさは、３９μｍである。基板４０を含む窒化物半導体素子１３０、及び、窒化物半導体ウェーハ２３０における反りは、凸状である。反りの大きさは、１０μｍである。

窒化物半導体素子１４０及び窒化物半導体ウェーハ２４０のように、積層体５０の上に積層中間層７０を設けることで、窒化物半導体素子の内部に形成される圧縮応力（歪み）が増大し、クラックを低減する効果が増大する。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、実施形態に係る別の窒化物半導体素子および窒化物半導体ウェーハを例示する模式的断面図である。
図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の一部を抜き出した図である。
図１７（ａ）に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１８０は、バッファ層６０と、積層体５０ａと、機能層１０と、を含む。積層体５０ａは、図１（ａ）に表した積層体５０に対して、第４層５８と、第４ＧａＮ層５９と、第５層６４と、第５ＧａＮ層６５と、さらに含む。

実施形態では、第３ＧａＮ層５７は、第２層５６の上に設けられる。第４層５８は、第３ＧａＮ層５７の上に設けられる。第４ＧａＮ層５９は、第４層５８の上に設けられる。第５層６４は、第４ＧａＮ層５９の上に設けられる。第５ＧａＮ層６５は、第５層６４の上に設けられる。

第４層５８および第５層６４のそれぞれは、シリコン（Ｓｉ）およびマグネシウム（Ｍｇ）の少なくともいずれかを含有する。第４層５８および第５層６４のそれぞれは、ＳｉおよびＭｇの両方を含有してもよい。第４層５８および第５層６４のそれぞれは、ＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含んでもよい。第４層５８および第５層６４のそれぞれは、ＳｉＮおよびＭｇＮの両方を含んでもよい。第４層５８および第５層６４のそれぞれは、高濃度にＳｉおよびＭｇの少なくともいずれかがドーピングされたＧａＮ層（δドーピング層）でもよい。第４層５８および第５層６４のそれぞれは、高濃度にＳｉおよびＭｇの両方がドーピングされたＧａＮ層（δドーピング層）でもよい。
第４層５８および第５層６４のそれぞれに含まれる元素は、Ｓｉのほうが、機能層１０の一部として形成されるｎ形半導体層１１の導電性を損なわないため望ましい。以下では、第４層５８および第５層６４のそれぞれがＳｉを含有する場合を例に挙げて説明する。

実施形態に係る窒化物半導体素子１８０では、第３ＧａＮ層５７は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第３斜面５７ｓ）を有する凹凸を含む島状の結晶を含む。積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第３斜面５７ｓ）は、例えば、（１０−１１）面や（１１−２２）面などのファセット面である。第３斜面５７ｓは、特定の結晶面でなくてもよい。第３ＧａＮ層５７は、ドーム状の形状を有していてもよい。第３ＧａＮ層５７は、傾斜した表面ではなくＸ−Ｙ平面に対して垂直な平面を有してもよい。

例えば、第３ＧａＮ層５７は、第２ＧａＮ層５５の頂面（第２頂面５５ｔ）の上に形成される。例えば、第３ＧａＮ層５７は、第２ＧａＮ層５５の斜面（第２斜面５５ｓ）の上に形成される。本願明細書において、「第３ＧａＮ層５７が第２ＧａＮ層５５の上に設けられる」状態は、第３ＧａＮ層５７が、第２ＧａＮ層５５の頂面（第２頂面５５ｔ）の上および第２ＧａＮ層５５の斜面（第２斜面５５ｓ）の上の少なくともいずれかに設けられる状態を含む。

第３ＧａＮ層５７の凸部（第３凸部）５７ｃの高さ（厚さ）ｔ３は、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの高さｔ２と略同じである。あるいは、第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの高さｔ３は、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの高さｔ２よりも低い。第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの高さｔ３の定義には、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの高さｔ２の定義を適用することができる。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）に表したように、ＡｌＧａＮ層５１の上面５１ａｕに対して平行方向（第１方向）の第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの底部５７ｕの長さ（幅）５７ｖは、第１方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ（幅５５ｖ）と略同じである。あるいは、第１方向の第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの底部５７ｕの長さ（幅）５７ｖは、第１方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ（幅５５ｖ）よりも短い。第２ＧａＮ層５５の斜面（第２斜面５５ｓ）上のうちのいずれかの接線方向（第２方向）の第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの長さ５７ｗは、第２方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの長さ５５ｗと略同じである。あるいは、第２方向の第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの長さ５７ｗは、第２方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの長さ５５ｗよりも短い。

言い換えれば、第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃのサイズは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズと略同じである。あるいは、第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃのサイズは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズよりも小さい。
Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）上において、単位面積あたりの第３ＧａＮ層５７の第３斜面５７ｓの数は、単位面積あたりの第１ＧａＮ層５３の第１斜面５３ｓの数よりも多い。Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）上において、単位面積あたりの第３ＧａＮ層５７の第３斜面５７ｓの数は、単位面積あたりの第２ＧａＮ層５５の第２斜面５５ｓの数と略同じ、または単位面積あたりの第２ＧａＮ層５５の第２斜面５５ｓの数よりも多い。

この例では、第３ＧａＮ層５７は、Ｘ−Ｙ平面内に不連続な島状である。第４層５８のうちの一部は、第３ＧａＮ層５７に接している。第４層５８のうちの他の一部は、第２層５６に接している。

第４ＧａＮ層５９は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第４斜面５９ｓ）を有する凹凸を含む島状の結晶を含む。積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）に対して傾斜した表面（第４斜面５９ｓ）は、例えば、（１０−１１）面や（１１−２２）面などのファセット面である。第４斜面５９ｓは、特定の結晶面でなくてもよい。第４ＧａＮ層５９は、ドーム状の形状を有していてもよい。第４ＧａＮ層５９は、傾斜した表面ではなくＸ−Ｙ平面に対して垂直な平面を有してもよい。

例えば、第４ＧａＮ層５９は、第３ＧａＮ層５７の頂面（第２頂面５７ｔ）の上に形成される。例えば、第４ＧａＮ層５９は、第３ＧａＮ層５７の斜面（第３斜面５７ｓ）の上に形成される。本願明細書において、「第４ＧａＮ層５９が第３ＧａＮ層５７の上に設けられる」状態は、第４ＧａＮ層５９が、第３ＧａＮ層５７の頂面（第３頂面５７ｔ）の上および第３ＧａＮ層５７の斜面（第３斜面５７ｓ）の上の少なくともいずれかに設けられる状態を含む。

第４ＧａＮ層５９の凸部（第４凸部）５９ｃの高さ（厚さ）ｔ４は、第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの高さｔ３と略同じである。あるいは、第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃの高さｔ４は、第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃの高さｔ３よりも低い。第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃの高さｔ４の定義には、第ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの高さｔ２の定義を適用することができる。

図１７（ａ）および図１７（ｂ）に表したように、第１方向の第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃの底部５９ｕの長さ（幅）５９ｖは、第１方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ（幅５５ｖ）と略同じである。あるいは、第１方向の第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃの底部５９ｕの長さ（幅）５９ｖは、第１方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの底部５５ｕの長さ（幅５５ｖ）よりも短い。第２方向の第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃの長さ５９ｗは、第２方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの長さ５５ｗと略同じである。あるいは、第２方向の第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃの長さ５９ｗは、第２方向の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃの長さ５５ｗよりも短い。

言い換えれば、第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃのサイズは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズと略同じである。あるいは、第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃのサイズは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズよりも小さい。
Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）上において、単位面積あたりの第４ＧａＮ層５９の第４斜面５９ｓの数は、単位面積あたりの第１ＧａＮ層５３の第１斜面５３ｓの数よりも多い。Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）上において、単位面積あたりの第４ＧａＮ層５９の第４斜面５９ｓの数は、単位面積あたりの第２ＧａＮ層５５の第２斜面５５ｓの数と略同じ、または単位面積あたりの第２ＧａＮ層５５の第２斜面５５ｓの数よりも多い。

この例では、第４ＧａＮ層５９は、Ｘ−Ｙ平面内に不連続な島状である。第５層６４のうちの一部は、第４ＧａＮ層５９に接している。第５層６４のうちの他の一部は、第４層５８に接している。

第５ＧａＮ層６５の上面は、例えば平坦である。第５ＧａＮ層６５の上に、機能層１０が形成される。第５ＧａＮ層６５の厚さｔ５は、例えば、１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。第５ＧａＮ層６５の厚さｔ５は、第５層６４の上端と、第５ＧａＮ層６５の上面（この例では、積層体５０ａと機能層１０との間の界面１０ｌ）と、の間のＺ軸方向に沿った距離である。

基板４０、バッファ層６０、機能層１０には、窒化物半導体素子１１０に関して説明した構成のそれぞれを適用できる。また、ＡｌＧａＮ層５１と、第３層５２と、第１ＧａＮ層５３と、第１層５４と、第２ＧａＮ層５５と、第２層５６と、には、窒化物半導体素子１１０に関して説明した構成のそれぞれを適用できる。また、第３ＧａＮ層５７および第４ＧａＮ層５９の他の構成には、窒化物半導体素子１１０の第２ＧａＮ層５５の構成を適用できる。また、第４層５８および第５層６４の他の構成には、窒化物半導体素子１１０の第２層５６の構成を適用できる。

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２４０の構成も例示している。窒化物半導体ウェーハ２４０は、基板４０と、バッファ層６０と、積層体５０ａと、を含む。窒化物半導体ウェーハ２４０は、機能層１０をさらに含んでも良い。基板４０、バッファ層６０、積層体５０ａ及び機能層１０には、窒化物半導体素子１８０に関して説明した構成のそれぞれを適用できる。

次に、実施形態に係る窒化物半導体素子１８０および窒化物半導体ウェーハ２４０の製造方法に例について説明する。
バッファ層６０、ＡｌＧａＮ層５１、第３層５２、第１ＧａＮ層５３、および第１層５４の製造方法は、窒化物半導体素子１２０の製造方法に関して説明した通りである。

続いて、基板温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、３７秒間供給する。これにより、第２ＧａＮ層５５が形成される。第２ＧａＮ層５５の厚さは、例えば、約１００ｎｍである。

さらに、基板温度を１０４０℃に戻し、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、３分間供給する。これにより、第２層５６が形成される。

これらを繰り返すことで、第３ＧａＮ層５７、第４層５８、第４ＧａＮ層５９、および第５層６４が形成される。

基板温度を１０９０℃を維持したまま、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、６０分間供給する。これにより、第５ＧａＮ層６５が形成される。第５ＧａＮ層６５の厚さは、例えば、約２μｍである。

さらに、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量５６ｃｃ／分にて、３０分間供給する。これにより、ｎ形ＧａＮ層が形成される。ｎ形ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、例えば、５×１０^１８（／ｃｍ^３）である。ｎ形ＧａＮ層の厚さは、例えば、約１μｍである。ｎ形ＧａＮ層はｎ形半導体層１１（機能層１５の少なくとも一部）となる。これにより、本実施形態に係る窒化物半導体素子１８０または窒化物半導体ウェーハ２４０が形成できる。

次に、実施形態の窒化物半導体素子の特性について図面を参照しつつ説明する。
図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、試料を例示する模式的断面図である。
図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、バッファ層および積層体の例を示す断面ＳＥＭ像である。
図２０は、実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
図２０は、実施形態に係る窒化物半導体素子における刃状転位密度Ｄｅを表したグラフ図である。刃状転位密度Ｄｅは、Ｘ線回折測定における、（０００２）面、（０００４）面、（１０−１１）面、（２０−２２）面のロッキングカーブ半値幅から導かれる。

実施形態に係る窒化物半導体素子１１０、１１１ａ、１８０ａ、１８０を作製する。Ｓｉ基板上のＡｌＮバッファ（バッファ層６０）およびＡｌＧａＮバッファ（ＡｌＧａＮ層５１）については、前述した製造方法の通りに作製する。窒化物半導体素子１１０、１１１ａ、１８０ａ、１８０では、ＳｉＮ含有層とＧａＮ層との形成方法が互いに異なる。以下、窒化物半導体素子１１０、１１１ａ、１８０ａ、１８０の作製方法を示す。

図１８（ａ）に表した窒化物半導体素子１１０については、ＡｌＧａＮバッファまで形成したのち、第３層５２まで形成する。その後、成長温度を上げたのちに原料を１分間供給することで第１ＧａＮ層５３を形成する。温度を下げて第１層５４を形成したのちに、再度成長温度をあげて１分１５秒間原料供給し、第２ＧａＮ層５５を形成する。温度を下げて第２層５６を形成したのちに、温度を上げて第３ＧａＮ層５７を２μｍ形成することで窒化物半導体素子１１０を得る。

図１８（ｂ）に表した窒化物半導体素子１１０ａについては、ＡｌＧａＮバッファまで形成したのち、第３層５２まで形成する。その後、成長温度を上げたのちに原料を２分３０秒間供給することで第１ＧａＮ層５３を形成する。温度を下げて第１層５４を形成したのちに、再度成長温度をあげて３７秒間原料供給し、第２ＧａＮ層５５を形成する。温度を下げて第２層５６を形成したのちに、温度を上げて第３ＧａＮ層を２μｍ形成することで窒化物半導体素子１１０ａを得る。

図１８（ａ）および図１８（ｂ）に表したように、窒化物半導体素子１１０の第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズは、窒化物半導体素子１１０ａの第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズよりも小さい。窒化物半導体素子１１０の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズは、窒化物半導体素子１１０ａの第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズよりも大きい。窒化物半導体素子１１０ａは、窒化物半導体素子１１０の例の１つである。つまり、窒化物半導体素子１１０ａにおいて、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズは、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズよりも小さい。

図１８（ｃ）に表した窒化物半導体素子１８０ａについては、ＡｌＧａＮバッファまで形成したのち、第３層５２まで形成する。その後、成長温度を上げたのちに原料を２分３０秒間供給することで第１ＧａＮ層５３を形成する。温度を下げて第１層５４を形成したのちに、再度成長温度をあげて１分１５秒間原料供給し、第２ＧａＮ層５５を形成する。これを４回繰り返して第２層５６、第３ＧａＮ層５７、第４層５８、および第４ＧａＮ層５９を形成する。温度を下げて第５層６４を形成したのちに、温度を上げて第５ＧａＮ層を２μｍ形成することで窒化物半導体素子１８０ａを得る。

図１８（ｄ）に表した窒化物半導体素子１８０の作製方法は、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に関して前述した通りである。

図１８（ｃ）および図１８（ｄ）に表したように、窒化物半導体素子１８０の第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズは、窒化物半導体素子１８０ａの第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズよりも小さい。窒化物半導体素子１８０の第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズは、窒化物半導体素子１８０ａの第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズよりも小さい。窒化物半導体素子１８０の第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃのサイズは、窒化物半導体素子１８０ａの第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃのサイズよりも小さい。窒化物半導体素子１８０の第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃのサイズは、窒化物半導体素子１８０ａの第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃのサイズよりも小さい。窒化物半導体素子１８０ａは、窒化物半導体素子１８０の例の１つである。つまり、窒化物半導体素子１８０ａにおいて、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズは、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃのサイズよりも小さい。窒化物半導体素子１８０ａにおいて、第３ＧａＮ層５７の凸部５７ｃのサイズは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズと略同じ、または第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズよりも小さい。第４ＧａＮ層５９の凸部５９ｃのサイズは、第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズと略同じ、または第２ＧａＮ層５５の凸部５５ｃのサイズよりも小さい。

図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、窒化物半導体層の（１−１００）面で劈開した断面を観察したＳＥＭ像を例示する図である。
図１９（ａ）は、窒化物半導体素子１１０の断面ＳＥＭ像を例示する図である。図１９（ｂ）は、窒化物半導体素子１１０ａの断面ＳＥＭ像を例示する図である。図１９（ｃ）は、窒化物半導体素子１８０ａの断面ＳＥＭ像を例示する図である。図１９（ｄ）は、窒化物半導体素子１８０の断面ＳＥＭ像を例示する図である。

図１９（ｄ）に示したように、窒化物半導体素子１８０では、第３層５２、第１層５４、第２層５６、第４層５８、および第５層６４が形成されている。
第１ＧａＮ層５３は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面（第１斜面５３ｓ）を有する凹凸を含む。第１ＧａＮ層５３は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）で不連続な島状の結晶を含む。
第２ＧａＮ層５５は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面（第２斜面５５ｓ）を有する凹凸を含む。第２ＧａＮ層５５は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）で不連続な島状の結晶を含む。
第３ＧａＮ層５７は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面（第３斜面５７ｓ）を有する凹凸を含む。第３ＧａＮ層５７は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）で不連続な島状の結晶を含む。
第４ＧａＮ層５９は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した表面（第４斜面５９ｓ）を有する凹凸を含む。第４ＧａＮ層５９は、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面内）で不連続な島状の結晶を含む。

図２０に示したように、窒化物半導体素子１１０の刃状転位密度Ｄｅは、４．３×１０^−８（／ｃｍ^２）である。窒化物半導体素子１１０の刃状転位密度Ｄｅは、図９に表した第１〜３参考例の窒化物半導体素子１３１、１３２、１３３の刃状転位密度Ｄｅよりも低い。窒化物半導体素子１１０ａの刃状転位密度Ｄｅは、４．６×１０^−８（／ｃｍ^２）である。窒化物半導体素子１１０ａの刃状転位密度Ｄｅは、第１〜３参考例の窒化物半導体素子１３１、１３２、１３３の刃状転位密度Ｄｅよりも低い。

窒化物半導体素子１８０ａの刃状転位密度Ｄｅは、２．８×１０^−８（／ｃｍ^２）である。窒化物半導体素子１８０ａの刃状転位密度Ｄｅは、図９に表した第１〜３参考例の窒化物半導体素子１３１、１３２、１３３の刃状転位密度Ｄｅよりも低く、窒化物半導体素子１１０の刃状転位密度Ｄｅおよび窒化物半導体素子１１０ａの刃状転位密度Ｄｅよりもさらに低い。

窒化物半導体素子１８０の刃状転位密度Ｄｅは、２．３×１０^−８（／ｃｍ^２）である。窒化物半導体素子１８０の刃状転位密度Ｄｅは、図９に表した第１〜３参考例の窒化物半導体素子１３１、１３２、１３３の刃状転位密度Ｄｅよりも低く、窒化物半導体素子１１０の刃状転位密度Ｄｅ、窒化物半導体素子１１０ａの刃状転位密度Ｄｅ、および窒化物半導体素子１８０ａの刃状転位密度Ｄｅよりもさらに低い。

これは、ＳｉＮ含有層とＧａＮ層との形成の繰り返し回数が窒化物半導体素子１１０、１１０ａよりも多いために、転位伝搬の遮蔽効果が大きいと考えられる。また、窒化物半導体素子１８０では、単純にＳｉＮ含有層とＧａＮ層との形成を繰り返すだけではなく、第３層５２の形成後の第１ＧａＮ層５３をより小さい形状として、島状上部Ｃ面領域を小さくしている。これにより、貫通する転位を抑制しつつ、更に島状のＧａＮを密に配置して繰返すことで、遮蔽効果を最大限発揮できるようにＧａＮ層が配置されている。このことで、窒化物半導体素子１８０の刃状転位密度Ｄｅを、窒化物半導体素子１１０、１１０ａの刃状転位密度Ｄｅ比べ約半分に低減することが可能となる。

窒化物半導体素子１８０の刃状転位密度Ｄｅについて、さらに説明する。
窒化物半導体素子１８０においては、以下により、刃状転位密度Ｄｅが低減していると考えられる。

第１ＧａＮ層５３が三次元的に成長し、バッファ層６０で生じた転位８０を第１ＧａＮ層５３内において、積層方向（Ｚ軸方向）に対して平行方向に向けて曲げることができる。これにより、上層（機能層１５）に到達する転位８０を減らすことができる。

第３層５２によって第１ＧａＮ層５３の成長が抑制される領域（凸部５３ｃどうしの間の領域）では、バッファ層６０で生じた転位８０が第３層５２によって遮蔽される。これにより、転位８０の上層への伝播が抑制され、転位８０を減らすことができる。

さらに、第１ＧａＮ層５３の凸部５３ｃの斜面５３ｓにおいては、上層側に伝播する転位８０の数が減少する。斜面５３ｓにおいて、転位８０が屈曲する。すなわち、斜面５３ｓ上に設けられた第１層５４において、転位８０が屈曲する。斜面５３ｓにおいて、転位８０の伝播が遮られる。その結果、上層に到達する転位８０を大幅に減らすことができる。

このように、積層体５０に、ＡｌＧａＮ層５１と、第３層５２と、斜面５３ｓを有する凸部５３ｃを含む第１ＧａＮ層５３と、第１層５４と、第２ＧａＮ層５５と、を設けることで、転位密度を低減できる。転位の少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハが得られる。

図２１（ａ）〜図２１（ｄ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する図である。

図２１（ａ）は、実施形態にかかる窒化物半導体素子１１０（すなわち窒化物半導体素子ウェーハ２１０）のＳＩＭＳ分析結果の例を示している。図２１（ｂ）は、実施形態にかかる窒化物半導体素子１１０ａのＳＩＭＳ分析結果の例を示している。図２１（ｃ）は、実施形態にかかる窒化物半導体素子１８０ａのＳＩＭＳ分析結果の例を示している。図２１（ｄ）は、実施形態にかかる窒化物半導体素子１８０（すなわち窒化物半導体素子ウェーハ２４０）のＳＩＭＳ分析結果の例を示している。
この例では、深さ方向（積層方向）に沿って、５ｎｍ間隔で測定される。図２１（ａ）〜図２１（ｄ）の横軸は、深さＺｄ（Ｚ軸方向の位置に相当する）である。図２１（ａ）〜図２１（ｄ）の左側の縦軸は、Ｓｉ濃度ＣＳ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。図２１（ａ）〜図２１（ｄ）の左側の縦軸は、Ａｌ二次イオン強度ＩＡである。

図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す図である。
図２２（ａ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子１８０（すなわち窒化物半導体ウェーハ２４０）のエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ分析）の結果の例を示すグラフ図である。図２２（ｂ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子１８０（すなわち窒化物半導体ウェーハ２４０）のＥＤＳ分析における分析の場所を示している。図２２（ｂ）は、ＥＤＳ分析の場所として、第１分析位置Ａｐ１１、第２分析位置Ａｐ１２、第３分析位置Ａｐ１３、及び第４分析位置Ａｐ１４を、断面ＴＥＭ像上に示している。第１分析位置Ａｐ１１は、第３層５２の位置に対応する。第２分析位置Ａｐ１２は、第１層５４の位置に対応する。第３分析位置Ａｐ１３は、第２層５６の位置に対応する。第４分析位置Ａｐ１４は、第４層５８の位置に対応する。

図２２（ａ）は、第１分析位置Ａｐ１１の分析結果を表す。図２２（ａ）の横軸は、エネルギーＥｇ（ｋｅＶ：キロエレクトロンボルト）である。図２２（ａ）の縦軸は、強度Ｉｎｔ（ｃｏｕｎｔｓ）である。このＥＤＳ分析における、Ｓｉの検出限界は、１０００ｐｐｍである。

図２１（ａ）および図２１（ｂ）から分かるように、窒化物半導体素子１１０、１１０ａでは、積層体５０の範囲において、３段階のＳｉのピークが観察される。例えば、積層体５０におけるＳｉ濃度プロファイルは、第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７を有する。第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７は、Ｚ軸方向に沿って積層される。第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７については、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に関して前述した通りである。例えば、ＳＩＭＳ分析において、第１部分ｐ１が存在することにより、第３層５２の存在が判断できる。第３部分ｐ３が存在することにより、第１層５４の存在が判断できる。第４部分ｐ４が存在することにより、第２層５６の存在が判断できる。

一方で、図２１（ｃ）および図２１（ｄ）に表したように、窒化物半導体素子１８０ａ、１８０では、積層体５０ａの範囲において、５段階のＳｉピークが観察されるわけではない。図２１（ｃ）から分かるように、窒化物半導体素子１８０ａでは、第１部分ｐ１のＳｉピークおよび第３部分ｐ３のＳｉピークを観察することができる一方で、他のＳｉピークを観察することはできない。図２１（ｄ）から分かるように、窒化物半導体素子１８０では、第１部分ｐ１のＳｉピークを観察することができる一方で、他のＳｉピークを観察することはできない。

このように、実施形態に係る窒化物半導体素子１８０ａ、１８０のＳＩＭＳ分析結果では、５段階のＳｉピークを観察することができないことがある。
このような場合でも、図２２（ｂ）に表したように、第３層５２、第１層５４、第２層５６、第４層５８、および第５層６４が形成されている。

図２２（ａ）から分かるように、実施形態においては、第３層５２、第１層５４、第２層５６、および第４層５８から、Ｓｉが検出される。第３層５２におけるＳｉ濃度は、約４．８（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。第１層５４におけるＳｉ濃度は、約５．０（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。第２層５６におけるＳｉ濃度は、約５．３（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。第４層におけるＳｉ濃度は、約５．６（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。このように、本実施形態においては、第１層５４、第２層５６、第３層５２、および第４層５８のそれぞれにおけるＳｉ濃度は、検出限界（１０００ｐｐｍ）以上である。第１層５４、第２層５６、第３層５２、および第４層５８のそれぞれにおけるＳｉ濃度を１０００ｐｐｍ以上とすることで、転位低減の大きな効果が得られる。

図２３は、実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２３に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１５０は、第１電極８１ｅと第２電極８２ｅとをさらに含む。機能層１０には、ｎ形半導体層１１と、ｐ形半導体層１２と、発光層１３と、が設けられている。この例では、低不純物濃度層１１ｉも設けられている。窒化物半導体素子１５０は、半導体発光素子である。

この例では、ｎ形半導体層１１は、第１の部分１１ａと、第２の部分１１ｂと、を含む。第２の部分１１ｂは、第１の部分１１ａと、Ｘ−Ｙ平面内において並ぶ。第２の部分１１ｂとｐ形半導体層１２との間に発光層１３が設けられる。

第１電極８１ｅは、ｎ形半導体層１１の第１の部分１１ａと電気的に接続される。第２電極８２ｅは、ｐ形半導体層１２に電気的に接続される。第１電極８１ｅ及び第２電極８２ｅを介して、機能層１０に電流が供給され、発光層１３から光が放出される。

窒化物半導体素子１５０においては、実施形態に係る積層体５０が設けられていることで、転位密度が低く、その結果、例えば高い発光効率が得られる。

図２４は、実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２４に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１６０においても、第１電極８１ｅと第２電極８２ｅとが設けられる。この例では、機能層１０が積層体５０の上に形成された後に、基板４０、バッファ層６０及び積層体５０が除去されている。例えば、機能層１０のｎ形半導体層１１、発光層１３及びｐ形半導体層１２を形成した後に、ｐ形半導体層１２の上に、第２電極８２ｅが形成される。そして、第２電極８２ｅの上に、第１接合金属層４６が形成される。一方、主面上に第２接合金属層４７が形成された支持基板４５（例えばシリコン板または金属基板など）が準備される。第１接合金属層４６と第２接合金属層４７とを互いに接合する。その後、結晶成長のために用いた基板４０、バッファ層６０、積層中間層７０、及び、積層体５０の少なくとも一部が除去される。支持基板４５として、例えば金属層（めっきなどで形成される）を用いても良い。

窒化物半導体素子１６０においては、実施形態に係る積層体５０の上に形成された機能層１０を用いることで、転位密度が低く、その結果、例えば高い発光効率が得られる。

図２５は、実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２５に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１７０は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）素子である。窒化物半導体素子１７０においては、機能層１０として、第１層１６と、第２層１７と、が設けられる。さらに、ゲート電極１８ｇと、ソース電極１８ｓと、ドレイン電極１８ｄと、が設けられる。

第１層１６は、積層体５０の上に設けられる。第２層１７は、第１層１６の上に設けられる。第１層１６には、例えば不純物を含まないアンドープのＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）が用いられる。第２層１７には、例えばアンドープまたはｎ形のＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１、α＜β）が用いられる。例えば、第１層１６にはアンドープのＧａＮ層が用いられ、第２層１７にはアンドープまたはｎ形のＡｌＧａＮ層が用いられる。

ゲート電極１８ｇ、ソース電極１８ｓ及びドレイン電極１８ｄは、第２層１７の上に設けられる。ソース電極１８ｓは、Ｘ−Ｙ平面内においてドレイン電極１８ｄと離間している。ソース電極１８ｓ及びドレイン電極１８ｄは、第２層１７とオーミック接触している。ソース電極１８ｓとドレイン電極１８ｄとの間において、第２層１７の上に、ゲート電極１８ｇが配置される。ゲート電極１８ｇは、第２層１７とショットキー接触している。

第２層１７の格子定数は、第１層１６の格子定数よりも小さい。これにより、第２層１７に歪みが生じて、ピエゾ効果により第２層１７内にピエゾ分極が生じる。第１層１６のうちの第２層１７との界面付近に、２次元電子ガス１７ｇが形成される。窒化物半導体素子１７０においては、ゲート電極１８ｇに印加する電圧を制御することで、ゲート電極１８ｇ下の２次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極１８ｓとドレイン電極１８ｄとの間に流れる電流が制御される。

窒化物半導体素子１８０においては、実施形態に係る積層体５０の上に形成された機能層１０を用いることで、転位密度が低く、その結果、良好な電気的特性が得られる。

本実施例において、バッファ層６０の上に、積層体５０が設けられ、積層体５０の上に積層中間層７０が設けられ、積層中間層７０の上に機能層１０が設けられても良い。

本実施例において、積層中間層７０は必要に応じて適宜省略できる。

（第３の実施形態）
図２６は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法を例示するフローチャート図である。
図２６に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法では、例えば基板４０の温度を１０２０℃（第４温度）とし、基板４０の上に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層６０の上に、ガリウム原料（例えば、ＴＭＧａ）とアルミニウム原料（例えば、ＴＭＡｌ）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含む第３ガスを供給し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層５１を形成する（ステップＳ１０５）。例えば第４温度は、第２温度以下である。

さらに、例えば基板４０の温度を第１温度以下の１０４０℃（第２温度）とし、ＡｌＧａＮ層５１の上面５１ａｕの上に、シリコン原料（例えば、シラン）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含む第２ガスを供給し、７．０×１０^１９／ｃｍ^３以上４．５×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する第３層５２を形成する（ステップＳ１０７）。

さらに、例えば基板４０の温度を１０９０℃（第１温度）とし、第３層５２の上に、ガリウム原料（例えば、ＴＭＧ）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含む第１ガスを供給し、上面５１ａｕに対して傾斜した第１斜面５３ｓを有する凸部を含む第１ＧａＮ層５３を形成する（ステップＳ１０９）。

さらに、例えば基板４０の温度を第１温度以下の１０４０℃（第２温度）とし、第１ＧａＮ層５３の上に、シリコン原料（例えば、シラン）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含む第２ガスを供給し、Ｓｉを含有する第１層５４を形成する（ステップＳ１１１）。例えば第２温度は、第１温度以下である。第２温度を第１温度以下とすることで、第１層での転位の遮蔽または屈曲が増大し、転位が低減しやすい。

さらに、例えば基板４０の温度を第１温度以上の１１２０℃（第３温度）とし、第１層５４の上に、ガリウム原料（例えば、ＴＭＧ）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含む第１ガスを供給し、上面５１ｕに対して傾斜した第２斜面５５ｓを有する凸部を含む第２ＧａＮ層５５であって、第１ＧａＮ層５３のサイズよりも小さいサイズの第２ＧａＮ層５５を形成する（ステップＳ１１３）。

さらに、例えば基板４０の温度を第１温度以下の１０４０℃（第２温度）とし、第２ＧａＮ層５５の上に、シリコン原料（例えば、シラン）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含む第２ガスを供給し、Ｓｉを含有する第２層５６を形成する（ステップＳ１１５）。

さらに、第２層５６の上に、第３ＧａＮ層５７を形成する（ステップＳ１１７）。

これにより、ＡｌＧａＮ層５１と、第３層５２と、第１ＧａＮ層５３と、第１層５４と、第２ＧａＮ層５５と、第２層５６と、第３ＧａＮ層５７と、を含む積層体５０を形成する（ステップＳ１１０）。
本形成方法によれば、転位が少ない窒化物半導体層の形成方法を提供できる。

なお、第３層５２、第１層５４および第２層５６を形成する工程（ステップＳ１０７、ステップＳ１１１、ステップＳ１１５）において、第２ガスを、マグネシウム原料（例えば、Ｃｐ_２Ｍｇ：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含むガスとすることで、Ｍｇを含む第３層５２、第１層５４および第２層５６をそれぞれ形成できる。
また、第２ガスを、シリコン原料とマグネシウム原料と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含むガスとすることで、ＳｉおよびＭｇの両方を含む第３層５２、第１層５４および第２層５６をそれぞれ形成できる。

本実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法では、第１ＧａＮ層５３を形成する工程（ステップＳ１０９）から第２層５６を形成する工程（ステップＳ１１５）を一組の工程とし、その一組の工程を繰り返してもよい。これによれば、第２層５６の上に、第１ＧａＮ層５３、第１層５４、第２ＧａＮ層５５、および第２層５６が繰り返し形成される。

図２６に表したように、本形成方法は、第３ＧａＮ層５７の上に機能層１０を形成する処理（ステップＳ１１９）を、さらに含んでも良い。本形成方法は、基板４０の上に、バッファ層６０を形成する処理（ステップＳ１０１）をさらに含んでも良い。本形成方法は、バッファ層６０の上に積層中間層７０を形成する処理（ステップＳ１０３）をさらに含んでも良い。この場合には、ＡｌＧａＮ層５１の形成（ステップＳ１０５）においては、ＡｌＧａＮ層５１を積層中間層７０の上に形成する。

実施形態において、窒化物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。Ｓｉの原料としては、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）などを用いることができる。Ｍｇの原料としては、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、ＥｔＣｐ_２Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）などを用いることができる。

図２７は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の別の形成方法を例示するフローチャート図である。
ＡｌＧａＮ層５１を形成する工程から第１層５４を形成する工程は、図２６に関して前述したステップＳ１０５からステップＳ１１１までの工程と同様である（ステップＳ１５５〜ステップＳ１６１）。

続いて、例えば基板４０の温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、３７秒間供給する。これにより、第２ＧａＮ層５５を形成する（ステップＳ１６３）。第２ＧａＮ層５５の厚さは、例えば、約１００ｎｍである。

さらに、基板温度を１０４０℃に戻し、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、３分間供給する。これにより、第２層５６を形成する（ステップＳ１６５）。

さらに、第２ＧａＮ層５５を形成する工程（ステップＳ１６３）および第２層５６を形成する工程（ステップＳ１６５）を一組の工程とし、その一組の工程を繰り返す。これによれば、第１層５４の上に、第２ＧａＮ層５５および第２層５６が繰り返し形成される。つまり、第３ＧａＮ層５７、第４層５８、第４ＧａＮ層５９、および第５層６４を形成する（ステップＳ１６７〜ステップＳ１７３）。

さらに、第５層６４の上に、第５ＧａＮ層６５を形成する（ステップＳ１７５）。

このように、本実施形態に係る窒化物半導体層の別の形成方法では、第２ＧａＮ層５５を形成する工程（ステップＳ１６３）および第２層５６を形成する工程（ステップＳ１６５）を一組の工程とし、その一組の工程を繰り返す。これによれば、第１層５４の上に、第２ＧａＮ層５５および第２層５６が繰り返し形成される。

これにより、ＡｌＧａＮ層５１と、第３層５２と、第１ＧａＮ層５３と、第１層５４と、第２ＧａＮ層５５と、第２層５６と、第３ＧａＮ層５７と、第４層５８と、第４ＧａＮ層５９と、第５層６４と、第５ＧａＮ層６５と、を含む積層体５０ａを形成する（ステップＳ１６０）。
本形成方法によれば、転位が少ない窒化物半導体層の形成方法を提供できる。

なお、第３層５２、第１層５４、第２層５６、第４層５８、および第５層６４を形成する工程（ステップＳ１５７、ステップＳ１６１、ステップＳ１６５、ステップＳ１６９、およびステップＳ１７３）において、第２ガスを、マグネシウム原料（例えば、Ｃｐ_２Ｍｇ：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含むガスとすることで、Ｍｇを含む第３層５２、第１層５４、第２層５６、第４層５８、および第５層６４をそれぞれ形成できる。
また、第２ガスを、シリコン原料とマグネシウム原料と窒素原料（例えば、アンモニア）とを含むガスとすることで、ＳｉおよびＭｇの両方を含む第３層５２、第１層５４、第２層５６、第４層５８、および第５層６４をそれぞれ形成できる。

図２７に表したように、本形成方法は、第５ＧａＮ層６５の上に機能層１０を形成する処理（ステップＳ１７７）を、さらに含んでも良い。本形成方法は、基板４０の上に、バッファ層６０を形成する処理（ステップＳ１５１）をさらに含んでも良い。本形成方法は、バッファ層６０の上に積層中間層７０を形成する処理（ステップＳ１５３）をさらに含んでも良い。この場合には、ＡｌＧａＮ層５１の形成（ステップＳ１５５）においては、ＡｌＧａＮ層５１を積層中間層７０の上に形成する。

実施形態によれば、転位が少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法が提供できる。

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る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、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハに含まれる基板、バッファ層、積層中間層、積層体、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、第１層５４、第２層５６、第３層５２及び機能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素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法を基にして、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素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法も、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…機能層、 １０ｌ…界面、 １１…ｎ形半導体層、 １１ａ…第１の部分、 １１ｂ…第２の部分、 １１ｉ…低不純物濃度層、 １２…ｐ形半導体層、 １３…発光層、 １３ａ…障壁層、 １３ｂ…井戸層、 １６…第１層、 １７…第２層、 １７ｇ…２次元電子ガス、 １８ｄ…ドレイン電極、 １８ｇ…ゲート電極、 １８ｓ…ソース電極、 ２０、２１、２２…転位、 ４０…基板、 ４５…支持基板、 ４６…第１接合金属層、 ４７…第２接合金属層、 ５０…積層体、 ５１…ＡｌＧａＮ層、 ５１ａ…第１ＡｌＧａＮ層、 ５１ａｕ…上面、 ５１ｂ…第２ＡｌＧａＮ層、 ５１ｃ…第３ＡｌＧａＮ層、 ５２…第３層、 ５３…第１ＧａＮ層、 ５３ｃ…第１凸部、 ５３ｓ…第１斜面、 ５３ｔ…第１頂面、 ５３ｕ…底部、 ５３ｖ…直径（幅）、 ５３ｗ…長さ、 ５４…第１層、 ５５…第２ＧａＮ層、 ５５ｃ…第２凸部、 ５５ｓ…第２斜面、 ５５ｔ…第２頂面、 ５５ｕ…底部、 ５５ｖ…長さ（幅）、 ５５ｗ…長さ、 ５６…第２層、 ５７…第３ＧａＮ層、 ６０…バッファ層、 ６１…ＡｌＧａＮバッファ層、 ６１ａ…第１ＡｌＧａＮバッファ層、 ６１ｂ…第２ＡｌＧａＮバッファ層、 ６１ｃ…第３ＡｌＧａＮバッファ層、 ６２…ＡｌＮバッファ層、 ７０…積層中間層、 ７０ａ…第１中間層、 ７０ｂ…第２中間層、 ７１…ＧａＮ中間層、 ７１ａ…第１ＧａＮ中間層、 ７１ｂ…第２ＧａＮ中間層、 ７２…ＡｌＮ中間層、 ７２ａ…第１ＡｌＮ中間層、 ７２ｂ…第２ＡｌＮ中間層、 ７３…ＡｌＧａＮ中間層、 ７３ａ…第１ＡｌＧａＮ中間層、 ７３ｂ…第２ＡｌＧａＮ中間層、 ８１ｅ…第１電極、 ８２ｅ…第２電極、 １１０、１２０、１３０、１３１、１３２、１３３、１５０、１６０、１７０…窒化物半導体素子、 ２１０、２３０…窒化物半導体ウェーハ、 Ａｐ１…第１分析位置、 Ａｐ２…第２分析位置、 Ａｐ３…第３分析位置、 Ｃ_Ａｌ…Ａｌ組成比、 ＣＳ…濃度、 Ｄａ…格子間隔、 Ｄｅ…刃状転位密度、 ＧＲ…成長速度、 ＧＴ…成長温度、 Ｉｎｔ…強度、 Ｌ１…点線、 Ｐ６１…点、 Ｐ７３…点、 Ｐａ…回折ピーク、 Ｐｇ…回折ピーク、 Ｑｘ…逆数、 Ｑｚ…逆数、 ＲＮ１、ＲＮ２…領域、 Ｓ０１…第１例、 Ｓ０２…第２例、 Ｓ０３…第３例、 ＴＭ…成長時間、 ＷＰ…反り、 Ｚｄ…深さ、 ｄａ…格子間隔、 ｄｇ…格子間隔、 ｐ１…第１部分、 ｐ２…第２部分、 ｐ３…第３部分、 ｐ４…第４部分、 ｐ５…第５部分、 ｐ６…第６部分、 ｐ７…第７部分、 ｔ１、ｔ２、ｔ３…高さ

実施形態によれば、積層体と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い前記第２ＧａＮ層と、前記第２ＧａＮ層に設けられＳｉを含有する第２層と、を含む。前記機能層は、前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む。前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、２つのピークを含む。

Claims (13)

1. 第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層と、を含む積層体と、
   前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
   を備え、
   前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉを含有する第２層をさらに含み、
   前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、２つのピークを含む、窒化物半導体素子。
2. 前記積層体は、
   Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層であって、前記第１ＧａＮ層が設けられるＡｌＧａＮ層と、
   前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第３層と、
   をさらに含み、
   前記Ｓｉ濃度プロファイルは、３つのピークを含む、請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記Ｓｉ濃度プロファイルは、
   Ｓｉ濃度が７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の第１濃度の第１部分と、
   Ｓｉ濃度が前記第１濃度よりも低い第２濃度の第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第１濃度と前記第２濃度との間の第３濃度の第３部分と、
   前記第３部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第３濃度と前記第２濃度との間の第４濃度の第４部分と、
   前記第１部分と前記第３部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い第５部分と、
   前記第３部分と前記第４部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第４部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第６部分と、
   前記第４部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第４部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高い第７部分と、
   を有する請求項２記載の窒化物半導体素子。
4. 第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層と、を含む積層体と、
   前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
   を備え、
   前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含有する第２層をさらに含み、
   前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、
   第１濃度の第１位置部分と、
   Ｓｉ濃度が前記第１濃度よりも低い第２濃度の第２位置部分と、
   前記第１位置部分と前記第２位置部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第１濃度と前記第２濃度との間の第３濃度の第３位置部分と、
   前記第１位置部分と前記第３位置部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第１位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い第４位置部分と、
   前記第３位置部分と前記第２位置部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第２部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第５位置部分と、
   を含む、窒化物半導体素子。
5. 前記積層体は、
   Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層であって、前記第１ＧａＮ層が設けられるＡｌＧａＮ層と、
   前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ＧａＮ層との間に設けられＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含有する第３層と、
   をさらに含み、
   前記積層体は、第６濃度を有する第６位置部分、及び、第７濃度を有する第７位置部分をさらに含み、
   前記第２位置部分と前記第６位置部分との間に前記第１位置部分があり、
   前記第１位置部分と前記第６位置部分との間に前記第７位置部分があり、
   前記第６濃度は、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、
   前記第１濃度は、前記第６濃度よりも低く、
   前記第７位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、前記第１位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高い、請求項４記載の窒化物半導体素子。
6. 基板と、
   第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層と、を含み、前記基板に設けられた積層体と、
   を備え、
   前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉを含有する第２層をさらに含み、
   前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、２つのピークを含む、窒化物半導体ウェーハ。
7. 前記積層体は、
   Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層であって、前記第１ＧａＮ層が設けられるＡｌＧａＮ層と、
   前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第３層と、
   をさらに含み、
   前記Ｓｉ濃度プロファイルは、３つのピークを含む、請求項６記載の窒化物半導体ウェーハ。
8. 前記Ｓｉ濃度プロファイルは、
   Ｓｉ濃度が７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の第１濃度の第１部分と、
   Ｓｉ濃度が前記第１濃度よりも低い第２濃度の第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第１濃度と前記第２濃度との間の第３濃度の第３部分と、
   前記第３部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第３濃度と前記第２濃度との間の第４濃度の第４部分と、
   前記第１部分と前記第３部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い第５部分と、
   前記第３部分と前記第４部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第４部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第６部分と、
   前記第４部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第４部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高い第７部分と、
   を有する請求項７記載の窒化物半導体ウェーハ。
9. 基板と、
   第１凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含有する第１層と、前記第１層に設けられ第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層と、を含み、前記基板に設けられた積層体と、
   を備え、
   前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含有する第２層をさらに含み、
   前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、
   第１濃度の第１位置部分と、
   Ｓｉ濃度が前記第１濃度よりも低い第２濃度の第２位置部分と、
   前記第１位置部分と前記第２位置部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第１濃度と前記第２濃度との間の第３濃度の第３位置部分と、
   前記第１位置部分と前記第３位置部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第１位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い第４位置部分と、
   前記第３位置部分と前記第２位置部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第２部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第５位置部分と、
   を含む、窒化物半導体ウェーハ。
10. 前記積層体は、
    Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層であって、前記第１ＧａＮ層が設けられるＡｌＧａＮ層と、
    前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ＧａＮ層との間に設けられＳｉＮおよびＭｇＮの少なくともいずれかを含有する第３層と、
    をさらに含み、
    前記積層体は、第６濃度を有する第６位置部分、及び、第７濃度を有する第７位置部分をさらに含み、
    前記第２位置部分と前記第６位置部分との間に前記第１位置部分があり、
    前記第１位置部分と前記第６位置部分との間に前記第７位置部分があり、
    前記第６濃度は、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、
    前記第１濃度は、前記第６濃度よりも低く、
    前記第７位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、前記第１位置部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高い、請求項９記載の窒化物半導体ウェーハ。
11. 基板に、第１凸部を含む第１ＧａＮ層を形成し、
    前記第１ＧａＮ層に、ＳｉおよびＭｇの少なくともいずれかを含有する第１層を形成し、
    前記第１層に、第２凸部を含む第２ＧａＮ層であって、前記第２凸部の底部の長さは、前記第１凸部の底部の長さよりも短い第２ＧａＮ層を形成し、
    前記第２ＧａＮ層に、窒化物半導体を含む機能層を形成し、
    を備え、
    前記積層体は、前記第２ＧａＮ層と前記機能層との間に設けられＳｉを含有する第２層をさらに含み、
    前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、２つのピークを含む、窒化物半導体層の形成方法。
12. 前記積層体は、
    Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層であって、前記第１ＧａＮ層が設けられるＡｌＧａＮ層と、
    前記ＡｌＧａＮ層と前記第１ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第３層と、
    をさらに含み、
    前記Ｓｉ濃度プロファイルは、３つのピークを含む、請求項１記載の窒化物半導体層の形成方法。
13. 前記Ｓｉ濃度プロファイルは、
    Ｓｉ濃度が７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の第１濃度の第１部分と、
    Ｓｉ濃度が前記第１濃度よりも低い第２濃度の第２部分と、
    前記第１部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第１濃度と前記第２濃度との間の第３濃度の第３部分と、
    前記第３部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第３濃度と前記第２濃度との間の第４濃度の第４部分と、
    前記第１部分と前記第３部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い第５部分と、
    前記第３部分と前記第４部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第４部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第６部分と、
    前記第４部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第４部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高い第７部分と、
    を有する請求項２記載の窒化物半導体層の形成方法。