JP2020075842A - 窒化物半導体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡｌＮを含み下地となる層による影響に関わらず品質の良好な窒化物半導体を提供する。【解決手段】窒化物半導体１はＡｌＮで形成されたＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮで形成されたＡｌＧａＮ層１１と、ＡｌＧａＮ層１１の表面に積層して結晶成長され、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率がＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮ層１１より小さく、ＡｌＧａＮ層１１側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域１２Ａ、及び転位集中領域１２Ａの表面に積層され転位集中領域１２Ａより転位が少ない上層１２Ｂを有するｎ−ＡｌＧａＮ層１２とを備えている。窒化物半導体１は、転位集中領域１２Ａを形成することによって、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層する初期の段階に転位を集中させておき、上層１２Ｂへの転位の伝搬を抑えることができる。これにより、窒化物半導体１は発光層１３等の構造を上層１２Ｂの表面に良好に形成することができる。【選択図】図５

Description

本発明は窒化物半導体に関するものである。

紫外発光デバイス、特に紫外半導体レーザにおいて、素子の特性や寿命に大きく影響を与える結晶欠陥を低減させることは極めて重要な課題である。紫外発光デバイスは、一般的には、ＡｌＮ結晶を下地にして成長させたＡｌＧａＮ系窒化物半導体結晶を用いて作製される。
例えば、特許文献１には、サファイア基板の表面にＡｌＮ核形成を行った後、ＡｌＮ核を埋め込んで貫通転位を低減し、その後、縦方向に高速に結晶成長させることを繰り返すことによって得られた品質の良好なＡｌＮ層を下地として、その上にＡｌＮのモル分率が０．７以上の品質の良好なＡｌＧａＮ層を形成することが開示されている。

特開２００９−５４７８０号公報 H.Miyake, C.Lin, K.Tokoro, K.Hiramatsu"Preparation of high-quality AlN on sapphire by high-temperature face-to-face annealing"、Journal of Crystal Growth ２０１６年 Vol．４５６、P．１５５−１５９

しかし、特許文献１におけるＡｌＮ層は、作製する際に結晶成長させる装置内への材料の供給を変化させる必要があり手間がかかる。また、ＡｌＧａＮ層のＡｌＮのモル分率が小さい（０．７未満）ＡｌＧａＮ層の成長においては、下地であるＡｌＮ層と格子定数が大きく異なるため下地であるＡｌＮ層と同等の品質のＡｌＧａＮ層の成長は困難である。
非特許文献１に示すように、発明者はサファイア基板の上にスパッタ法を用いてＡｌＮ層を結晶成長させ、高温（窒素雰囲気中、１７００℃、３時間）でアニールすることで低欠陥のＡｌＮ結晶を作製する技術を開発した。このＡｌＮ層は結晶欠陥が１×１０⁹／ｃｍ²以下であり高品質である。しかし、このＡｌＮ層の表面にＡｌＧａＮ層を積層して結晶成長させると、格子定数の違いによりＡｌＧａＮ層に圧縮応力がかかることによって格子緩和が生じ、ＡｌＧａＮ層内において、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層との界面から結晶欠陥が生じる。そのため、サファイア基板の上にスパッタ法を用いてＡｌＮ層を結晶成長させて高温でアニールしたＡｌＮ層の上に後述する図１に示す構造を作製した場合、結晶表面における欠陥密度は、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法等を用いて積層した欠陥の多いＡｌＮ層の表面に同様の構造（後述する図１に示す構造）を結晶成長した場合と同等（３〜５×１０⁹／ｃｍ²）であることがわかった。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ＡｌＮを含み下地となる層による影響に関わらず、品質の良好な窒化物半導体を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の窒化物半導体は、
ＡｌＮ又はＡｌＧａＮで形成された第１層と、
前記第１層の表面に積層して結晶成長され、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率が前記第１層より小さく、前記第１層側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域、及び前記転位集中領域の表面に積層され前記転位集中領域より転位が少ない上層を有する第２層と、
を備えていることを特徴とする。

この窒化物半導体は、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮで形成された下地となる層である第１層の表面に、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率が第１層より小さい第２層を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、第２層に転位が生じることになる。この窒化物半導体は、第２層に転位集中領域を形成することによって、第２層を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域から外側に延びた転位を曲げることで、上層への転位の伝搬を抑えることができる。これにより、この窒化物半導体は発光層等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。

したがって、本発明の窒化物半導体はＡｌＮを含み下地となる層による影響に関わらず品質が良好である。

実施例１の窒化物半導体の構造を示す模式図である。 実施例１の窒化物半導体を作製中に、作製中の窒化物半導体の表面に向けて６５８ｎｍの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体の表面からの光の反射率の変化をプロットしたグラフである。 実施例１の窒化物半導体を作製中に、スパッタ法を用いたＡｌＮテンプレート基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ層の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層を１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時におけるそれぞれの結晶表面の顕微鏡写真、及びｎ−ＡｌＧａＮ層を１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフである。 実施例１の窒化物半導体の表面をＣＬ測定して得られた画像である。 実施例１の窒化物半導体における（１１−２０）面に平行な結晶断面のＴＥＭ画像である。 実施例１〜３の窒化物半導体のそれぞれを作製中に、各基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ層の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層を各々１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時における結晶表面の顕微鏡写真である。 実施例１〜３の窒化物半導体の各基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ層の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層を各々１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフである。 実施例１〜３の窒化物半導体のそれぞれを作製中に、各基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ層の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層を各々１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時にＣＬ測定して得られた表面の画像である。 実施例４の窒化物半導体の構造を示す模式図である。 実施例４の窒化物半導体を作製中に、作製中の窒化物半導体の表面に向けて６５８ｎｍの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体の表面からの光の反射率の変化をグラフである。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

本発明の窒化物半導体の第２層の反射率は、層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低くなり得る。この場合、この窒化物半導体の中間部には転位集中領域の先端部が位置し、上部には上層が位置しており、転位集中領域の表面に上層を積層して結晶成長させることによって、反射率が中間部から上部に向けて高くなっている。つまり、この窒化物半導体は、上層を積層して結晶成長することによって上部の結晶性を良好にすることができ、これにより、この窒化物半導体は発光層等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。

次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例１〜４について、図面を参照しつつ説明する。

＜実施例１＞
今回、発明者らが鋭意検討した結果、ＡｌＮ層の表面側にＡｌＧａＮ層を積層して結晶成長する成長条件として、Ｖ／ＩＩＩ比を高くして、従来に比べて低い成長レートとすることによって、ＡｌＮ層の表面側にＡｌＧａＮ層を積層して結晶成長する初期の段階において、山形状の転位集中領域を含む三次元成長をさせ、その後、二次元成長させることによって、従来に比べて表面の平坦性が向上した高品質なＡｌＧａＮ層を得ることができることを見出した。

実施例１の窒化物半導体１は、図１に示すように、サファイア基板１０Ａ、第１層であるＡｌＮ層１０Ｂ、第１層であるＡｌＧａＮ層１１、第２層であるｎ−ＡｌＧａＮ層１２、発光層１３を備えている。発光層１３は第１ガイド層１３Ａ、２重量子井戸活性層１３Ｂ、及び第２ガイド層１３Ｃを備えている。窒化物半導体１は結晶欠陥のレベルを確認するためのテスト構造であり、発光層１３として機能する２重量子井戸活性層１３Ｂの表面に位置する第２ガイド層１３Ｃまでの結晶成長を行ったものである。
実施例１の窒化物半導体１は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて積層して結晶成長する。

サファイア基板１０ＡはＣ面（（０００１）面）が表面（表は図１における上側である、以下同じ）である。ＡｌＮ層１０Ｂはサファイア基板１０Ａの表面に、スパッタ法を用いて積層される。ＡｌＮ層１０ＢはＡｌＮで形成されている。ＡｌＮ層１０ＢはＡｌＮのモル分率が１である。ＡｌＮ層１０Ｂの厚みは１７５ｎｍである。ＡｌＮ層１０Ｂを積層したところで、Ｎ₂（窒素）雰囲気中で１７００℃、３時間アニールを行う。こうして、サファイア基板１０Ａ、及びＡｌＮ層１０Ｂを有するスパッタ法を用いたＡｌＮテンプレート基板１０（以下、スパッタ−テンプレート基板１０ともいう）を作製する。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて層構造を形成する。

ＭＯＣＶＤ法を実行することができる反応炉（以下、反応炉ともいう）内にスパッタ−テンプレート基板１０を配置し、スパッタ−テンプレート基板１０の表面にＮ（窒素）原料であるＮＨ₃（アンモニア）を流しながら（以下、供給は停止しない）、Ｈ₂（水素）雰囲気中で、スパッタ−テンプレート基板１０の温度を１１５０℃まで昇温した後、１０分間保持する。

次に、ＡｌＮ層１０Ｂの表面にＡｌＧａＮ層１１を積層して結晶成長する。ＡｌＧａＮ層１１の厚みは１μｍである。ＡｌＧａＮ層１１は、スパッタ−テンプレート基板１０の温度を１１５０℃にした状態で、Ｇａ（ガリウム）原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、及びＡｌ（アルミニウム）原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を反応炉内に供給して形成する。ＡｌＧａＮ層１１はＡｌＮにＧａＮを少量添加したものであり、ＡｌＮのモル分率が０．９９である。ＡｌＧａＮ層１１はＡｌＧａＮで形成されている。ＡｌＧａＮ層１１は結晶表面の平坦性向上を目的としてＡｌＮにＧａを１％添加しているが、Ｇａを添加せずＡｌＮでもよい。

次に、ＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長する。ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みは５μｍである。ｎ−ＡｌＧａＮ層１２はＡｌＮ層１０Ｂの表面側に積層して結晶成長される。先ず、スパッタ−テンプレート基板１０の温度を１１３０℃まで降温し、所定の温度に達したら、ＡｌＮのモル分率が０．６になるようにＮ₂、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、及びドナーとなるＳｉ原料であるＳｉＨ₄（シラン）を反応炉内に供給する。この時、Ｖ／ＩＩＩ比は８００〜１２００として、成長レートを０．８〜１．２μｍ／ｈとし、低く抑える。ｎ−ＡｌＧａＮ層１２におけるＳｉの添加濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3になるように原料の供給流量を調整する。つまり、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２はＡｌＧａＮを含み、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２のＡｌＮのモル分率はＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮ層１１より小さい。

次に、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の表面に発光層１３を積層して結晶成長する。先ず第１ガイド層１３Ａを積層して結晶成長する。第１ガイド層１３Ａの厚みは１８０ｎｍである。
先ず、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、及びＳＨ₄の反応炉内への供給を停止し、スパッタ−テンプレート基板１０の温度を１１００℃まで降温する。所定の温度に達したら、ＡｌＮのモル分率が０．５になるようにＴＭＧａ、及びＴＭＡｌを反応炉内に供給する。

次に、第１ガイド層１３Ａの表面に２重量子井戸活性層１３Ｂを積層して結晶成長する。２重量子井戸活性層１３ＢはＡｌＮのモル分率が０．３のＡｌＧａＮ井戸層、及びＡｌＮモル分率が０．５のＡｌＧａＮ障壁層を有している（図示せず。）。ＡｌＧａＮ井戸層の厚みは４ｎｍである。ＡｌＧａＮ障壁層の厚みは８ｎｍである。２重量子井戸活性層１３Ｂは、スパッタ−テンプレート基板１０の温度を１１００℃にした状態でＡｌＧａＮ井戸層を積層して結晶成長させ、続いて、第１ガイド層１３Ａと同じ成長条件でＡｌＧａＮ障壁層を積層して結晶成長させる。これを２回繰り返すことで、ＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮの２重量子井戸活性層１３Ｂを形成する。

次に、ＡｌＮのモル分率が０．５になるようにＴＭＧａ、及びＴＭＡｌを反応炉内に供給して、第２ガイド層１３Ｃを積層して結晶成長する。こうして、発光層１３を形成する。第２ガイド層１３Ｃの厚みは１８０ｎｍである。

そして、ＴＭＧａ、及びＴＭＡｌの反応炉内への供給を停止して、結晶成長を終了させ、Ｈ₂とＮＨ₃を反応炉内に流しながら室温までスパッタ−テンプレート基板１０の温度を降温する。スパッタ−テンプレート基板１０の温度が室温になった後、反応炉のパージを十分行い、スパッタ−テンプレート基板１０を反応炉から取り出す。こうして、図１に示す層構造を有する窒化物半導体１が完成する。

ＭＯＣＶＤ法を用いて作製中の窒化物半導体１の表面に向けて６５８ｎｍの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体１の表面からの光の反射率の変化をプロットしたグラフを図２に示す。

図２に示すように、ＡｌＧａＮ層１１の結晶成長中には反射率の低下が見られないが、ＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長させると反射率が急激に低下する。さらにｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長させ、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ１００分経過した（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みがおよそ２μｍになった）ところで反射率は極小値を示す。そして、さらに結晶成長を続けると反射率は上昇し、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ２６０分経過した（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みがおよそ５μｍになった）ところでＡｌＧａＮ層１１の結晶成長中における反射率とほぼ同じになり、定常状態となる。つまり、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２は厚みがおよそ５μｍ以上になると平坦な結晶表面が得られることがわかった。ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長中における反射率は層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低い。
窒化物半導体１はｎ−ＡｌＧａＮ層１２のＡｌＮのモル分率を０．６としているが、ＡｌＮのモル分率を０．５としても同様の結果が得られる（図示せず。）。

ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物半導体１を作製中に、スパッタ−テンプレート基板１０の表面に積層されたＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時におけるそれぞれの結晶表面の顕微鏡写真、及びｎ−ＡｌＧａＮ層１２を１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフを図３に示す。

図３に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが１μｍの時（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ５０分経過した時）には、結晶表面に多くの凹凸が現われ、反射率が低下していく。
ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが３μｍの時（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ１５０分経過した時）には、結晶表面の凹凸が埋没しつつあり、平坦になりつつあるが、まだ、凹凸が現れており、極小値を示した反射率が回復する傾向にある。
ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが５μｍの時（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ２６０分経過した時）には、結晶表面が極めて平坦になり、反射率がＡｌＧａＮ層１１の結晶成長中における反射率とほぼ同じになり、定常状態になっている。
以上から、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みがおよそ２μｍまで（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ１００分の間）三次元成長（凹凸）が生じ、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みがおよそ２μｍを超える（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ１００分を過ぎる）と、三次元成長（凹凸）を埋没させるように二次元成長するものと考えられる。

窒化物半導体１の表面をＣＬ測定して得られた画像を図４に示す。図４における複数の黒い点は転位であることを示している。ＣＬ測定における加速電圧は３．０ｋＶである。ＣＬ測定によって得られた画像から見積もられた窒化物半導体１の第２ガイド層１３Ｃにおける転位密度は７．５×１０⁸／ｃｍ²であり、極めて転位の数が少ない。

窒化物半導体１における（１１−２０）面に平行な結晶断面のＴＥＭ画像を図５に示す。図５に示すように、ＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２が積層して結晶成長する初期の段階において、高さが２μｍ未満の山形状の特異な領域が複数形成されている。この領域は、圧縮応力が集中している領域であることが解析によってわかった。この領域は転位が集中する転位集中領域１２Ａである。転位集中領域１２Ａにおける転位には多方向に伸びる傾向が見られる。転位集中領域１２Ａにおける転位密度は２．５×１０¹⁰／ｃｍ²である。ｎ−ＡｌＧａＮ層１２は、転位集中領域１２Ａに転位が集中することによって、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の上部における転位を低減させていることがわかった。つまり、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の上部は転位集中領域１２Ａよりも転位が少ない上層１２Ｂである。

上層１２Ｂにおける転位には上下方向に伸びる傾向が見られる。上層１２Ｂの下部（すなわち、転位集中領域１２Ａの近傍）における転位密度は２．６×１０⁹／ｃｍ²である。また、上層１２Ｂの上部（すなわち、第１ガイド層１３Ａの近傍）における転位密度は１．８×１０⁹／ｃｍ²である。
つまり、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２はＡｌＮ層１０Ｂ側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域１２Ａ、及び転位集中領域１２Ａの表面に転位集中領域１２Ａより転位が少ない上層１２Ｂを有する。

また、第１ガイド層１３Ａにおける転位密度は１．５×１０⁹／ｃｍ²であり、第２ガイド層１３Ｃにおける転位密度は７．５×１０⁸／ｃｍ²である。
こうして、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の表面にさらに第１ガイド層１３Ａ、２重量子井戸活性層１３Ｂ、及び第２ガイド層１３Ｃ等の構造をエピタキシャル成長する過程において転位はより低減し、最終的に第２ガイド層１３Ｃの転位密度が１×１０⁹／ｃｍ²を下回ることがわかった。

このように、窒化物半導体１は、ＡｌＮで形成された下地となる層であるＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮで形成されたＡｌＧａＮ層１１の表面に、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率がＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮ層１１より小さいｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２に転位が生じることになる。窒化物半導体１は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２に転位集中領域１２Ａを形成することによって、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域１２Ａから外側に延びた転位を曲げることで、上層１２Ｂへの転位の伝搬を抑えることができる。これにより、窒化物半導体１は発光層１３等の構造を上層１２Ｂの表面に良好に形成することができる。

したがって、本発明の窒化物半導体１はＡｌＮを含み下地となるＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮ層１１による影響に関わらず品質が良好である。

窒化物半導体１のｎ−ＡｌＧａＮ層１２の反射率は、層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低い。つまり、窒化物半導体１の中間部には転位集中領域１２Ａの先端部が位置し、上部には上層１２Ｂが位置しており、転位集中領域１２Ａの表面に上層１２Ｂを積層して結晶成長させることによって、反射率が中間部から上部に向けて高くなっている。つまり、窒化物半導体１は、上層１２Ｂを積層して結晶成長することによって上部の結晶性を良好にすることができ、これにより、窒化物半導体１は発光層１３等の構造を上層１２Ｂの表面に良好に形成することができる。

＜実施例２、３＞
次に、スパッタ−テンプレート基板１０に代えて、ＭＯＣＶＤ法を用いてサファイア基板１０Ａの表面にＡｌＮ層を積層して結晶成長したテンプレート基板（以下、ＭＯＣＶＤ−テンプレート基板ともいう）を使い、窒化物半導体１と同様の構造を備えた実施例２の窒化物半導体２（以下、実施例２の窒化物半導体２ともいう）、及びスパッタ−テンプレート基板１０に代えて、ＡｌＮ自立基板を使い、窒化物半導体１と同様の構造を備えた実施例３の窒化物半導体３（以下、実施例３の窒化物半導体３ともいう）を作製した。
実施例２の窒化物半導体２はＭＯＣＶＤ−テンプレート基板を使用している点が実施例１の窒化物半導体１と相違する。実施例１と同一の構成は符号を付して詳細な説明は省略する。実施例２の窒化物半導体２を作製する手順は、実施例１のスパッタ−テンプレート基板１０を作製する手順を除き実施例１の窒化物半導体１を作製する手順と同一であり詳細な説明は省略する。
実施例３の窒化物半導体３はＡｌＮ自立基板を使用している点が実施例１の窒化物半導体１と相違する。実施例１と同一の構成は符号を付して詳細な説明は省略する。実施例３の窒化物半導体３を作製する手順は、実施例１のスパッタ−テンプレート基板１０を作製する手順を除き実施例１の窒化物半導体１を作製する手順と同一であり詳細な説明は省略する。

ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物半導体１〜３のそれぞれを作製中に、各基板（スパッタ−テンプレート基板１０、ＭＯＣＶＤ−テンプレート基板、及びＡｌＮ自立基板）の表面に積層されたＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を各々１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時の結晶表面の顕微鏡写真を図６に示す。
実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３はｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが１μｍの時にはヒロックが発生することによって凹凸が多く現れている。実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３はｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが５μｍの時には厚みが１μｍの時に比べて表面が平坦になっている。実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３におけるｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長中の結晶表面の様子の変化は実施例１の窒化物半導体１におけるｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長中の結晶表面の様子の変化と同様の傾向を示している。

各基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を各々１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフを図７に示す。
図７に示すように、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３はｎ−ＡｌＧａＮ層１２を結晶成長させると反射率は一旦低下した後上昇している。実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３における反射率の変化は実施例１の窒化物半導体１における反射率の変化と同様の傾向を示している。

ＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物半導体１〜３のそれぞれを作製中に、各基板の表面に積層されたＡｌＧａＮ層１１の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を各々１μｍ、３μｍ、５μｍエピタキシャル成長した時にＣＬ測定して得られた表面の画像を図８に示す。図８における複数の黒い点は転位であることを示し、黒い帯状の領域は転位が密集していることを示している。ＣＬ測定における加速電圧は３．０ｋＶである。

図８に示すように、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３はｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが１μｍの時に多くの転位が見られる。また、表面には凹凸が現れている（図６参照。）。つまり、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３は転位が集中する転位集中領域を有している。
そして、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３はｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが３μｍの時に転位が大きく低減する。また、表面の平坦性はｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが１μｍの時に比べて向上している（図６参照。）。つまり、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３は転位集中領域の表面に転位集中領域より転位が少ない上層を有する。
そして、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３はｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが５μｍの時に転位がさらに低減する。
このように、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３におけるｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長に伴う転位の変化は実施例１の窒化物半導体１におけるｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長に伴う転位の変化と同様の傾向を示している。
以上より、ＭＯＣＶＤ−テンプレート基板、及びＡｌＮ自立基板を使用しても、スパッタ−テンプレート基板１０を使用した場合と同様にｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長によって表面に伝搬する転位を低減することができることがわかった。

このように、窒化物半導体２、３は、ＡｌＮで形成された下地となる層であるＡｌＮ層、ＡｌＮ自立基板、及びＡｌＧａＮで形成されたＡｌＧａＮ層１１の表面に、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率がＡｌＮ層、ＡｌＮ自立基板、及びＡｌＧａＮ層１１より小さいｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２に転位が生じることになる。窒化物半導体２、３は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２に転位集中領域を形成することによって、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域から外側に延びた転位を曲げることで、上層への転位の伝搬を抑えることができる。これにより、窒化物半導体２、３は発光層１３等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。

したがって、実施例２の窒化物半導体２、及び実施例３の窒化物半導体３もＡｌＮを含み下地となるＡｌＮ層、ＡｌＮ自立基板、及びＡｌＧａＮ層１１による影響に関わらず品質が良好である。

＜実施例４＞
実施例４の窒化物半導体４は、図９に示すように、ＡｌＧａＮ層１１とｎ−ＡｌＧａＮ層１２との間にＡｌＧａＮ組成傾斜層１６を積層して結晶成長している点、及びｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みが実施例１〜３と相違する。実施例１と同一の構成は符号を付して詳細な説明は省略する。

ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６は、ＡｌＧａＮ層１１の表面に積層して結晶成長している。また、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２はＡｌＧａＮ組成傾斜層１６の表面に積層して結晶成長している。ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６は、ＡｌＧａＮ層１１からｎ−ＡｌＧａＮ層１２に向かうにつれて、ＡｌＮのモル分率が０．９９から０．６に徐々に変化して結晶成長している。ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６の厚みは１μｍである。ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みは４μｍである。

ＭＯＣＶＤ法を用いて実施例４の窒化物半導体４を作製中に、作製中の窒化物半導体４の表面に向けて６５８ｎｍの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体４の表面からの光の反射率の変化をプロットしたグラフを図１０に示す。
図１０に示すように、実施例４の窒化物半導体４は、ＡｌＧａＮ層１１の結晶成長中に反射率の低下が見られないが、ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６の結晶成長中のＡｌＮのモル分率が０．７を下回る組成から反射率の低下が見られ（図１０における、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の近傍のＡｌＧａＮ組成傾斜層１６）、ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６の表面にｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長させると反射率が急激に低下する。このことから、ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６において、ＡｌＮのモル分率がおよそ０．７を下回ると転位が増加し、転位集中領域の形成が開始していると考えられる。そして、ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６において、ＡｌＮのモル分率がおよそ０．７を下回らなければ、転位が増加しないと考えられる。つまり、ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６において転位の量は、ＡｌＮのモル分率がおよそ０．７を境にして発生せず増加しない傾向と増加する傾向とに遷移すると考えられる。さらにｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長をさせ、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ７０分経過した（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みがおよそ１．５μｍになった）ところで反射率は極小値を示す。そして、さらに結晶成長を続けると反射率は上昇し、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶成長を開始しておよそ２１０分経過した（ｎ−ＡｌＧａＮ層１２の厚みがおよそ４μｍになった）ところでＡｌＧａＮ層１１及びＡｌＧａＮ組成傾斜層１６の結晶成長中における反射率とほぼ同じになり、定常状態となる。つまり、実施例４の窒化物半導体４の反射率の変化は窒化物半導体１〜３で得られた反射率の変化と同様の傾向を示すことがわかった。
以上より、実施例４の窒化物半導体４のｎ−ＡｌＧａＮ層１２は実施例１の窒化物半導体１と同様に、転位が集中した複数の転位集中領域、及び転位集中領域の表面に転位集中領域より転位が少ない上層を有していると考えられる。また、ＡｌＧａＮ組成傾斜層１６においても転位集中領域の形成が開始していると考えられる。

このように、窒化物半導体４は、ＡｌＮで形成された下地となる層であるＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮで形成されたＡｌＧａＮ層１１の表面に、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率がＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮ層１１より小さいｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２に転位が生じることになる。窒化物半導体４は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２に転位集中領域を形成することによって、ｎ−ＡｌＧａＮ層１２を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域から外側に延びた転位を曲げることで、上層への転位の伝搬を抑えることができると考えられる。これにより、窒化物半導体４は発光層１３等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。

したがって、実施例４の窒化物半導体４もＡｌＮを含み下地となるＡｌＮ層１０Ｂ、及びＡｌＧａＮ層１１による影響に関わらず品質が良好である。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１〜４に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、ｎ型不純物としてＳｉを添加してｎ−ＡｌＧａＮ層としているが、これに限らず、ｎ型不純物である、Ｇｅ、Ｔｅ等であっても良い。また、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等を添加して、ｐ−ＡｌＧａＮ層としてもよい。
（２）実施例１、２、４ではサファイア基板を使用しているがＳｉＣ基板等の他の基板にＡｌＮ層を積層して結晶成長しても良い。
（３）実施例１では、ＡｌＧａＮ層のＡｌＮのモル分率が０．９９であるが、ＧａＮを添加せず、組成をＡｌＮのみとしてもよい。

１、２、３、４…窒化物半導体
１０Ｂ…ＡｌＮ層（第１層）
１１…ＡｌＧａＮ層（第１層）
１２…ｎ−ＡｌＧａＮ層（第２層）
１２Ａ…転位集中領域
１２Ｂ…上層

Claims (2)

1. ＡｌＮ又はＡｌＧａＮで形成された第１層と、
   前記第１層の表面に積層して結晶成長され、ＡｌＧａＮを含み、ＡｌＮのモル分率が前記第１層より小さく、前記第１層側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域、及び前記転位集中領域の表面に積層され前記転位集中領域より転位が少ない上層を有する第２層と、
   を備えていることを特徴とする窒化物半導体。
2. 前記第２層の反射率は、層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体。