JP4726408B2 - Ｉｉｉ−ｖ族系窒化物半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子に関する。

窒化物半導体素子は、基板とその上に積層された窒化物半導体層とからなる積層構造体であり、ここにおける基板の材質は、窒化物半導体とそれ以外（非窒化物半導体）との２つに大きく分けられる。ここで、基板が非窒化物半導体からなるもの（例えばサファイア基板）であると、基板とその上に接して設けられた窒化物半導体との間の熱膨張係数差が大きくなるため、モーメント性の歪みを受けて窒化物半導体素子全体に反りが発生し、素子表面をリソグラフィー加工する際に露光斑の原因となったり、素子にクラックが発生したりする。このため、素子の作製歩留まりが低下する。

他方、基板が窒化物半導体からなるものであると、基板上に積層する窒化物半導体層との熱膨張係数差がほとんどないので熱膨張係数差によっては反りが生じないものの、現在の技術では、反りのない単結晶の窒化物半導体基板自体を製造することが非常に難しい。

ここで、基板上に積層する窒化物半導体層が受けるモーメント性の歪みを緩和させることを目的として、基板と窒化物半導体層との間に低温バッファ層を設ける技術が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、３７号、１５４０−１５４２ページ（Ｈ．Ａｍａｎｏ ｅｔ ａｌ． ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．Ｌ１５４０−Ｌ１５４２，Ｐａｒｔ２）

しかしながら、この非特許文献１に記載の技術を用いると、窒化物半導体層が受けるモーメント性の歪みのうち、圧縮歪みを低減させることができるものの、逆に、引っ張り歪みが増大してしまうことがある。このため、窒化物半導体素子（積層構造体）の反りを確実かつ十分に抑制することができない。

本発明は上記課題を解決するものであり、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の反りとクラックを抑制することを目的とする。

ここで、上記『原子分率』とは、本明細書中において以下のように定義される。リン（Ｐ）原子の原子分率（％）＝１００×（Ｐ）／（基板反り抑制層の全てのＩＩＩ族原子＋基板反り抑制層の全てのＶ族原子）。
例えば、基板反り抑制層の組成がＧａＮＰの場合、Ｐの原子分率は１００×Ｐ／（Ｇａ＋Ｎ＋Ｐ）である。

本発明のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられた基板反り抑制層と、前記基板反り抑制層上に接して設けられた上部窒化物半導体層とを少なくとも有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子であって、
前記基板反り抑制層が、ＧａＮＰからなり、少なくとも以下の物性を有することを特徴とする。
（１）リン原子を０．０５〜２０％の原子分率で含むこと。
（２）その層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であること。
（３）リン原子が、基板反り抑制層を構成する窒化物半導体の結晶構造におけるＩＩＩ族サイトに添加されていること。
ここで、上記基板が窒化物半導体以外の材質（例えば、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板）からなる場合は、上記（１）〜（３）の構成を有する基板反り抑制層に加えて、さらに以下の構成を必須とする。
（４）基板と基板反り抑制層との間に、さらに、７３ｎｍ以上の層厚を有する下部窒化物半導体層が設けられていること。

リン原子は窒素原子よりも小さな電気陰性度を有するため、比較的ＩＩＩ族原子との原子置換を起こしやすい。本発明にかかる上記構成のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子であると、リン原子を２０％以下の原子分率で含み、かつ、その層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であるＧａＮＰからなる基板反り抑制層を備えており、基板反り抑制層中に０．０５％以上のリン原子を含ませている。これにより、リン原子とＩＩＩ族原子との原子置換が生じやすくなり、基板の反りに起因したモーメント性の歪みによる上部窒化物半導体層に対する拘束力が解放される。つまり、上部窒化物半導体層の格子歪みが緩和されて上部窒化物半導体層の格子定数がバルクの値に近づくため、窒化物半導体素子における露光斑の発生やクラックの発生が抑制される。

さらに、上記原子分率および層厚の範囲であると、基板反り抑制層における３元混晶化による欠陥結晶の発生量または発生確率が抑制されつつ、一定量以上のリン原子が含まれる。これにより、上部窒化物半導体層および基板反り抑制層自身の結晶性が高くなるため、半導体素子の駆動電圧を低閾値化できる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。
〔実施の形態〕
本発明にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子は、
Ａ）基板と、
Ｂ）この基板の上に設けられた基板反り抑制層と、
Ｃ）この基板反り抑制層の上に接して設けられた上部窒化物半導体層と
を少なくとも備える。

ここで以下に、本発明にかかるＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子における基板反り抑制層の好ましい構成について詳しく説明する。
＜＜基板反り抑制層＞＞
本発明にかかる基板反り抑制層は、少なくとも
（１）リン（Ｐ）原子を０．０５〜２０％の原子分率で含み、
（２）その層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下である
（３）この半導体の結晶構造のＩＩＩ族サイトにリン原子が添加されている
ＧａＮＰ層である。
さらに、この基板反り抑制層は、
（４）ｃ軸方向の格子定数が０．５１８９ｎｍ以下である、
（５）ａ軸方向の格子定数が０．３１８４ｎｍ以下である、
のうち１以上の物性を有することが好ましい。
さらに、上記基板が窒化物半導体以外の材質（例えば、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板）からなる場合は、上記（１）〜（３）の構成を有する基板反り抑制層に加えて、さらに以下の構成を必須とする。
（６）基板と基板反り抑制層との間に、さらに、７３ｎｍ以上の層厚を有する下部窒化物半導体層が設けられている。

図１は、この基板反り抑制層を含むＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体の成長ウエハの一例を示し、その矢状断面を模式的に示す図である。
この成長ウエハは、図１に示すように、サファイア基板１００と、この基板の上に接して設けられたＧａＮからなる低温バッファ層１０１（層厚：２５ｎｍ）と、この低温バッファ層の上に接して設けられたＧａＮからなる下部窒化物半導体層１０２（層厚：約２．２μｍ）と、この下部窒化物半導体層の上に接して設けられたＧａＮＰからなる基板反り抑制層１０３（層厚：２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下）と、この基板反り抑制層の上に接して設けられたＧａＮからなる上部窒化物半導体層１０４（層厚：約１．５μｍ）とからなる。

有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置などの、基板加熱機構を備えた反応炉内に有機金属原料を含む原料ガスを供給する公知の方法にかかる装置を用い、上記成長ウエハを以下のようにして作製した。
ａ）サファイア基板１００をＭＯＣＶＤ装置内に配置した。
ｂ）この基板の温度を５５０℃に調熱し、窒素源としてのアンモニア（ＮＨ₃）とガリウム源としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とを基板上に供給し、ＧａＮからなる低温バッファ層１０１を成長させた。
ｃ）基板温度を１０７５℃に調熱し、ＮＨ₃とＴＭＧａとを反応炉内（基板上）に供給し、ＧａＮからなる下部窒化物半導体層１０２をさらに成長させた。
ｄ）基板温度を９００℃に調熱し、ＮＨ₃とＴＭＧａとホスフィン（ＰＨ₃）とを反応炉内に供給し、ＧａＮＰからなる基板反り抑制層１０３をさらに成長させた。上記ＰＨ₃は、窒素（Ｎ₂）ガスによって１０％の濃度に希釈されたものを用いた。具体的には、３５００ｓｃｃｍ（３５００ｍｌ／ｍｉｎ）のＮＨ₃に対してＰＨ₃が０．０１〜１００ｓｃｃｍ（０．０１〜１００ｍｌ／ｍｉｎ）となるように混合した後、装置内に供給した。なお、この混合割合は１０１３２４．７２Ｐａ、２５℃の条件で換算したものである。また、成長速度は０．３μｍ／ｈ以下とした。
ｅ）基板温度を１０７５℃に調熱し、ＮＨ₃とＴＭＧａとを反応炉内に供給し、ＧａＮからなる上部窒化物半導体層１０４をさらに成長させて、上記成長ウエハを作製した。

ここで、基板反り抑制層の成長温度（基板温度）は、７００℃以上１０５０℃以下が好ましく、８５０℃以上１０００℃以下がさらに好ましい。この理由としては、７００℃未満の成長温度では、各原料ガスの分解効率の差が顕著となるため、このＧａＮＰ層においてリン（Ｐ）原子の原子分率が高くなり過ぎてしまい、ＧａＮＰ層の結晶性が低下することや、成長温度が１０５０℃を超えると、結晶中のリン（Ｐ）原子が蒸発しやすくなるため、ＧａＮＰ層の結晶構造が維持されなくなることなどがあげられる。

また、各原料ガスを反応炉内に供給する際には水素ガスや窒素ガスなどのキャリアガスと共に供給するが、基板反り抑制層を成長させるためには水素と窒素との混合ガスを用いることが好ましく、この混合ガスにおける窒素ガスの割合を０．０１％以上５０％以下とすることが好ましい。これは、窒素ガスの割合が５０％を超えると、基板反り抑制層の結晶性が急激に低下してしまうためである。

＜基板反り抑制層におけるリン原子の原子分率およびその層厚＞
上記構成の成長ウエハを、基板反り抑制層に含まれるリン原子の原子分率を０％〜２．４％の間で変えて作製し、Ｘ線装置を用いてこれらの成長ウエハにおける曲率半径を測定した。
この結果、成長ウエハの曲率半径は、基板反り抑制層に含まれるリン原子の原子分率が増加するに連れて大きくなることが見出された。例えば、基板反り抑制層に含まれるリン原子の原子分率が０％（実質的に供給したＰＨ₃：０ｓｃｃｍ（０ｍｌ／ｍｉｎ））である第１の成長ウエハでは、その曲率半径は６５８ｃｍであり、その原子分率が約０．７％（実質的に供給したＰＨ₃：３０ｓｃｃｍ（３０ｍｌ／ｍｉｎ））である第２の成長ウエハの曲率半径は８１９ｃｍであり、その原子分率が約２．４％（実質的に供給したＰＨ₃：１００ｓｃｃｍ（１００ｍｌ／ｍｉｎ））である第３の成長ウエハの曲率半径は１００２ｃｍであった。また、この第１の成長ウエハの曲率半径は、基板反り抑制層を設けない場合（図１において基板反り抑制層１０３を備えない構成）のそれとほぼ同じ値であった。なお、第１〜第３の成長ウエハにおける基板反り抑制層の層厚は４０ｎｍである。

さらに、基板反り抑制層の層厚を変えた成長ウエハを作製し、Ｘ線装置を用いてこれらの成長ウエハにおける曲率半径を測定した。その結果、基板反り抑制層の層厚が２５ｎｍ以上であると、その曲率半径が顕著に大きな値となることが見出された。例えば、基板反り抑制層の層厚が１０ｎｍである第４の成長ウエハでは、その曲率半径は６４１ｃｍであり、その層厚が３２．５ｎｍである第５の成長ウエハの曲率半径は７３５ｃｍであり、その層厚が７５ｎｍである第６の成長ウエハの曲率半径は１０６３ｃｍであった。ここで、この層厚は１００ｎｍ以下が好ましいことが見出された。これは層厚が１００ｎｍを超えると、３元混晶化による結晶欠陥の発生量が増加して、上部窒化物半導体層の結晶性を悪化させてしまうためであると考えられる。なお、第４〜第６の成長ウエハにおける基板反り抑制層が含むリン原子の原子分率は２．４％である。

これらのことから、リン原子を２０％以下の原子分率で含み、かつ、その層厚が２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である基板反り抑制層を備えることにより、基板の反りによる悪作用が低減することが判った。また、このような構成の成長ウエハであるとクラックの発生率が顕著に低かった。ここで、基板反り抑制層に含まれるリン原子は微量であってもこれらの効果は得られるが、リン原子の原子分率は０．０５％以上であることが好ましい。これは、基板反り抑制層に含有されるリン原子の総量を一定以上とする必要があり、原子分率が０．０５％未満である場合には基板反り抑制層を１００ｎｍよりも厚くしなければならず、３元混晶化による結晶欠陥の発生量が増加して、上部窒化物半導体層の結晶性を悪化させてしまうためである。

他方、リン原子の原子分率は２０％以下が好ましく、１０％以下がさらに好ましい。これは、リン原子の原子分率が大きいほど基板反り抑制層の層厚を薄くできるものの、３元混晶化による結晶欠陥の発生確率が増加して、上部窒化物半導体層および基板反り抑制層自身の結晶性が低下しやすくなるためである。なお、基板反り抑制層の層厚は３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下の範囲であることがより好ましい。

これら第１〜第６の成長ウエハから得た２θ―ωによるＸ線測定結果を図２および図３に示すが、これから明らかなように、第２、第３の成長ウエハおよび第６の成長ウエハから測定されたＸ線強度は明確な２つのピークを示した。すなわち、第２、第３、第６の成長ウエハでは、第１または第４の成長ウエハと共通して見られる第１ピークに加えて、この第１ピークに対応する２θ値よりも大きな２θ値に対応した第２ピークが現れた。ここで、この第１ピークは、第１〜第３の成長ウエハおよび第４、第６の成長ウエハに共通したものであるため、第２、第３の成長ウエハおよび第６の成長ウエハにおいては主に下部窒化物半導体層１０２の格子結晶の状態を反映していると考えられる。他方、第２ピークは、上部窒化物半導体層１０４および基板反り抑制層１０３のそれを反映していると考えられる。また、第５の成長ウエハでは、明確な２ピーク状のＸ線測定結果はみられないものの、第１ピークと第２ピークとが分離しつつある状態が見いだされた。

これらのことから、基板の反りによる悪作用を抑制する効果が顕著となる場合には、Ｘ線強度の第１ピークに対応する２θ値よりも大きな２θ値に対応した第２ピークが現れることが判った。さらに、このような成長ウエハにおけるＸ線測定結果から、ブラッグの式を用いて基板反り抑制層のｃ軸方向とａ軸方向の格子定数とを算出したところ、ｃ軸方向の格子定数が０．５１８９ｎｍ以下であり、ａ軸方向の格子定数が０．３１８４ｎｍ以下であることが判った。

また、上部窒化物半導体層（ＧａＮ層）のｃ軸方向の格子定数を算出したところ、その格子定数が０．５１８５ｎｍ以上０．５１８９ｎｍ以下であることが判った。ここで、基板の反りによる悪作用が抑制されていない上記第１の成長ウエハにおける上部窒化物半導体層など、基板の反りに起因したモーメント性の歪みを受けているＧａＮ層におけるｃ軸方向の格子定数は０．５１９０〜０．５１９１ｎｍである。一方、このような歪みを受けていないＧａＮ層（バルク）におけるｃ軸方向の格子定数は０．５１８５ｎｍである。これは、上記基板反り抑制層を備えることによって、上部窒化物半導体層における格子歪みが緩和されたことを意味し、これにより成長ウエハにおける反りが低減し、また、クラックの発生率が減少したと考えられる。

また、基板の反りによる悪作用の抑制効果が顕著であった成長ウエハでは、基板反り抑制層のａ軸方向またはｃ軸方向の格子定数は、上部窒化物半導体層のそれと比較して小さいことが見出された。他方、基板反り抑制層のａ軸方向またはｃ軸方向の格子定数は、下部窒化物半導体層のそれと比較して小さいことも見出された。さらに、基板の反りによる悪作用の抑制効果が特に顕著であった成長ウエハでは、基板反り抑制層のａ軸方向またはｃ軸方向の格子定数が、上部窒化物半導体層と下部窒化物半導体層の両方のそれよりも小さいことが見出された。

＜基板反り抑制層におけるストイキオメトリについて＞
上記第３の成長ウエハにおける基板反り抑制層の結晶構造を調べるため、オージェ電子分光（ＡＥＳ）装置を用いて各構成原子の組成比（原子分率）を測定した。なお、原子分率を正確に見積もるために、標準試料（ＧａＮとＧａＰ）を用いて装置の感度を校正した。
基板反り抑制層（ＧａＮＰ層）における各構成原子の原子分率の総和を１００％とすると、ガリウム原子の原子分率は４７．６％であり、リン原子の原子分率は２．４％であり、窒素原子の原子分率は５０％であった。このＡＥＳ測定結果から、窒化物半導体のＩＩＩ族元素とＶ族元素のストイキオメトリが５０％になるようにＰの配分を考えると、ＩＩＩ族サイトにＰが添加されていると考えるとうまく説明が成り立つ。このようにして、本発明者らはＰが窒化物半導体のＩＩＩ族サイトに含まれていると判断した。

このような結晶構造は、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体層の形成時に、リン原子と窒素原子とが安定した結合状態をとらせるようにすることにより実現しうるが、本発明では、アンモニアとホスフィンとを混合して反応炉内に供給し、かつ０．３μｍ／ｈ以下のゆっくりした成長速度でＧａＮＰ層を形成させている。このような成長方法であると、Ｐ₃Ｎ₅やＰＮなどの安定性の高い化合物が生じやすくなるため、このような結晶構造が形成されるものと考えられる。

なお、基板反り抑制層における原子分率を調べるためには、上記ＡＥＳ測定法以外にも、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定法を用いることができるのは勿論である。また、基板反り抑制層の組成がＧａＮＰ以外の場合についても、同様の方法によってその原子分率を測定できるのは勿論である。

＜＜窒化物半導体素子＞＞
上記基板反り抑制層を備えたＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子であると、基板反り抑制層の上に設けられた窒化物半導体層に対する、基板の反りに起因したモーメント性の歪みが抑制されてバルクの格子定数に近づくため、露光斑の発生やクラックの発生が防止され、素子の作製歩留まりが高く（素子の動作閾値が低く）なる。ここで、上記窒化物半導体素子としては、例えば半導体レーザ素子、発光ダイオード素子、トランジスタ素子などがあげられる。以下にこれらの構成を具体的に示す。

＜半導体レーザ素子＞
本発明にかかる基板反り抑制層を備えた窒化物半導体レーザ素子としては、例えば図６に示すように、
（Ａ）（０００１）面ｎ型ＧａＮ基板３００と、
（Ｂ）基板の上に接して設けられたｎ型ＧａＮＰ（リン原子の原子分率：６％）からなる基板反り抑制層３０１（層厚：５０ｎｍ）と、
（Ｃ）基板反り抑制層の上に接して設けられたｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３０２（上部窒化物半導体層に該当）と、
（Ｄ）クラッド層３０２の上に接して設けられたｎ型ＧａＮ光ガイド層３０３と、
（Ｅ）光ガイド層３０３の上に接して設けられた、厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造（３周期）の発光層３０４と、
（Ｆ）発光層の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層３０５と、
（Ｇ）キャリアブロック層３０５の上に接して設けられたｐ型ＧａＮ光ガイド層３０６と、
（Ｈ）光ガイド層３０６の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３０７と、
（Ｉ）クラッド層３０７の上に接して設けられたｐ型ＧａＮ層３０８と、
（Ｊ）ｐ型ＧａＮ層３０８の上に接して設けられたｐ型ＩｎＧａＮＡｓ（Ａｓの原子分率：０．５％）コンタクト層３０９と、
（Ｋ）ｎ電極３１０と、ｐ電極３１１と、ＳｉＯ₂誘電体膜３１２とからなる構成とすることができる。
このような窒化物半導体レーザ素子は、例えば光磁気再生記録装置、ＤＶＤ装置、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等の半導体光学装置に適用することができる。

＜発光ダイオード素子＞
本発明にかかる基板反り抑制層を備えた窒化物半導体発光ダイオード素子としては、例えば図７に示すように、
（Ａ）ｎ型Ｓｉ基板４００と、
（Ｂ）基板の上に接して設けられたＡｌＮからなる下部窒化物半導体層４０１と、
（Ｃ）下部窒化物半導体層の上に接して設けられた、ｎ型ＧａＮＰからなる基板反り抑制層（層厚：６０ｎｍ）とＡｌＧａＮ層（層厚：２００ｎｍ）との多層構造（５周期）である多層膜４０２と、
（Ｄ）多層膜の上に接して設けられたＩｎＧａＮからなる多重量子井戸層４０３と、
（Ｅ）多重量子井戸層の上に接して設けられたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層４０４と、
（Ｆ）キャリアブロック層の上に接して設けられた、ＧａＮ層（層厚：１．５ｎｍ、Ｍｇドープ）とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層（層厚：１．５ｎｍ、Ｍｇドープ）とからなるｐ型短周期超格子（１００周期）４０５と、
（Ｇ）ｐ型短周期超格子の上に接して設けられたｐ型ＧａＮコンタクト層４０６と、
（Ｈ）ｐ型透光性電極４０７と、厚さ７ｎｍのＰｄからなるｐ電極４０８と、厚さ５００ｎｍのＡｕからなるｎ電極４０９とを備えた構成とすることができる。
このような窒化物半導体発光ダイオード素子は、例えば白色光源装置、液晶表示装置のバックライト、携帯電話のバックライト、光の三原色発光ダイオードを用いた表示装置、コピー機などの光学装置に適用することができる。

＜トランジスタ素子＞
本発明にかかる基板反り抑制層を備えた窒化物半導体トランジスタ素子としては、例えば図８に示すように、
（Ａ）ＳｉＣ基板５００と、
（Ｂ）基板の上に接して設けられたＡｌＧａＮからなる下部窒化物半導体層５０１と、
（Ｃ）下部窒化物半導体層の上に接して設けられたＧａＮＰからなる基板反り抑制層５０２と、
（Ｄ）基板反り抑制層の上に接して設けられたｉ型（真性）ＧａＮからなる上部窒化物半導体層５０３（層厚：３μｍ）と、
（Ｅ）上部窒化物半導体層の上に接して設けられたｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５０４（層厚：５０ｎｍ、Ｓｉ不純物濃度：５×１０¹⁸／ｃｍ³）と、
（Ｆ）ｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層の上に接して設けられた、インジウム原子の原子分率が５％であり、リン原子の原子分率が３％であるｎ型ＩｎＧａＮＰコンタクト層５０５と、
（Ｇ）コンタクト層５０５の上に接して設けられた、Ｔｉ（厚さ：１５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ：３０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：１００ｎｍ）からなるソース５０６と、ＰｄＳｉ（厚さ：１５ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：１００ｎｍ）からなるゲート５０７と、Ｔｉ（厚さ：１５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ：３０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ：１００ｎｍ）からなるドレイン５０８とを備えた構成のへテロ接合型電界効果トランジスタ素子とすることができる。
このような窒化物半導体トランジスタ素子は、例えば携帯電話などの通信伝送装置や、高速スイッチング装置などに適用することができる。

〔その他の事項〕
（１）上記実施の形態では、下部窒化物半導体層または上部窒化物半導体層の組成をＧａＮとしたが、これらの窒化物半導体層の組成をＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮとしても同様の優れた効果が得られる。さらに、これらの下部窒化物半導体層と上部窒化物半導体層がリン原子またはヒ素原子を含んでいてもよい。

（２）上記実施の形態では、図１に示すように基板反り抑制層を単層としたが、これに代えて図４に示すように、上部窒化物半導体層１０４の上にさらに第２の基板反り抑制層１０３ａと第２の上部窒化物半導体層１０４ａとを繰り返して積層するなどして、基板反り抑制層と窒化物半導体層とからなる多層膜構造または超格子構造とすることができる。ここで、この多層膜構造または超格子構造における最上部の窒化物半導体層は、例えば発光層であってもよいのは勿論である。また、この多層膜または超格子の極性をｎ型（あるいはｐ型）とするために、基板反り抑制層と窒化物半導体層との両層または片方の層のみに不純物（ＳｉあるいはＭｇ）を添加することができる。
ここで、多層膜構造または超格子構造における基板反り抑制層の厚みは、２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。また、多層膜構造または超格子構造における窒化物半導体層の好ましい厚みは、７３ｎｍ以上５μｍ以下である。

（３）本発明では、上部窒化物半導体層または下部窒化物半導体層をＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ）層とすることができる。図５は、基板２００と、下部窒化物半導体層２０１と、基板反り抑制層２０２と、第１の上部窒化物半導体層２０３と、基板に対して平行なストライプ状に加工されたＳｉＯ₂膜、ＳｉＯ_x膜またはＳｉＮ_x膜からなる成長抑制膜２０４と、第２の上部窒化物半導体層２０５とからなる成長ウエハである。この成長ウエハでは、上部窒化物半導体層または下部窒化物半導体層をＥＬＯＧ層としているため、基板反り抑制層による上述した効果に加えて、ＥＬＯＧ層よりも下層で発生した結晶欠陥による転位を除去する効果が得られる。これにより、このような成長ウエハを用いた素子の作製歩留まりを一層向上できる。

（４）本発明で用いる基板としては、上記実施の形態で示したサファイア基板に限定するものではなく、例えばＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板またはＡｌＧａＮ基板などを用いることができる。但し、基板の材質を窒化物半導体とすると下部窒化物半導体層を設ける必要はないが、基板が窒化物半導体以外の材質であると、層厚７３ｎｍ以上の下部窒化物半導体層を備えることが必須である。

以上説明したように、本発明によると、基板反り抑制層の上に設けられた窒化物半導体層に対する、基板の反りに起因したモーメント性の歪みの伝達が解放されて、この窒化物半導体層がバルクの格子定数に近づき、窒化物半導体素子における露光斑の発生やクラックの発生が防止される。このような本発明の窒化物半導体素子は、半導体レーザ素子、発光ダイオード素子、トランジスタ素子およびこれらの素子を用いた装置等にも利用できるので、その産業上の利用可能性は大きい。

図１は、本発明にかかる基板反り抑制層を備えた成長ウエハの一例を示す図である。 図２は、基板反り抑制層におけるリン原子の原子分率を代えて作製した成長ウエハから得た２θ―ωによるＸ線測定結果を示す図である。 図３は、基板反り抑制層の層厚を代えて作製した成長ウエハから得た２θ―ωによるＸ線測定結果を示す図である。 図４は、本発明にかかる基板反り抑制層を備えた成長ウエハの別例を示す図である。 図５は、本発明にかかる基板反り抑制層を備えた成長ウエハの別例を示す図である。 図６は、本発明にかかる窒化物半導体レーザ素子の一例を示す図である。 図７は、本発明にかかる窒化物半導体発光ダイオード素子の一例を示す図である。 図８は、本発明にかかる窒化物半導体トランジスタ素子の一例を示す図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００・・・基板
１０１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・低温バッファ層
１０２、２０１、４０１、５０１・・・・・・・下部窒化物半導体層
１０３、２０２、３０１、５０２・・・・・・・基板反り抑制層
１０３ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２の基板反り抑制層
１０４、２０３、３０２、５０３・・・・・・・上部窒化物半導体層
１０４ａ、２０５・・・・・・・・・・・・・・第２の上部窒化物半導体層
２０４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・成長抑制膜
３０３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｎ型光ガイド層
３０４、４０３・・・・・・・・・・・・・・・発光層
３０５、４０４・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型キャリアブロック層
３０６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型光ガイド層
３０７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型クラッド層
３０８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型ＧａＮ層
３０９、４０６・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型コンタクト層
３１０、４０９・・・・・・・・・・・・・・・ｎ電極
３１１、４０８・・・・・・・・・・・・・・・ｐ電極
３１２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・誘電体膜
４０２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・多層膜
４０５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型短周期超格子
４０７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｐ型透光性電極
５０４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｎ型ＡｌＧａＮ層
５０５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ｎ型コンタクト層
５０６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ソース
５０７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ゲート
５０８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ドレイン

Claims (15)

1. 窒化物半導体からなる基板と、前記基板上に設けられた窒化物半導体からなる基板反り抑制層と、前記基板反り抑制層上に接して設けられた上部窒化物半導体層とを少なくとも有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子であって、
   前記基板反り抑制層は、リン原子を０．０５〜２０％の原子分率で含み、かつその層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であるＧａＮＰ層であり、
   前記基板反り抑制層に含まれているリン原子が、前記基板反り抑制層を構成する窒化物半導体の結晶構造におけるＩＩＩ族サイトに添加されている
   ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
2. 窒化物半導体以外の材質からなる基板と、前記基板上に設けられた窒化物半導体からなる基板反り抑制層と、前記基板反り抑制層上に接して設けられた上部窒化物半導体層とを少なくとも有するＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子であって、
   前記基板と前記基板反り抑制層との間に、さらに、７３ｎｍ以上の層厚を有する下部窒化物半導体層が設けられており、
   前記基板反り抑制層は、リン原子を０．０５〜２０％の原子分率で含み、かつその層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であるＧａＮＰ層であり、
   前記基板反り抑制層に含まれているリン原子が、前記基板反り抑制層を構成する窒化物半導体の結晶構造におけるＩＩＩ族サイトに添加されている
   ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
3. 前記窒化物半導体以外の材質からなる基板が、サファイア基板、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板である、
   ことを特徴とする請求項２記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
4. 前記基板反り抑制層のｃ軸方向の格子定数が０．５１８９nm以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
5. 前記基板反り抑制層のａ軸方向の格子定数が０．３１８４ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
6. 前記基板反り抑制層と前記上部窒化物半導体層とが繰り返して積層された、多層膜構造または超格子構造を含む
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
7. 前記上部窒化物半導体層の層厚が７３ｎｍ以上５μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項６記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
8. 前記多層膜構造または前記超格子構造の、基板反り抑制層と上部窒化物半導体層との両層または片方の層のみに、ＳｉあるいはＭｇが添加される
   ことを特徴とする請求項６または７に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子。
9. 請求項項１ないし３いずれか１項に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子を備えた半導体装置。
10. 窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体からなる基板反り抑制層を成長させる基板反り抑制層成長工程と、前記基板反り抑制層上に窒化物半導体層をさらに成長させる工程とを備えたＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法であって、
    前記基板反り抑制層成長工程は、
    リン源と、窒素源と、ガリウム源とを少なくとも含有したガスを基板上に供給し、
    リン原子が０．０５〜２０％の原子分率で含まれ、かつその層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であり、
    前記基板反り抑制層に含まれているリン原子が、前記基板反り抑制層を構成する窒化物半導体の結晶構造におけるＩＩＩ族サイトに添加されているＧａＮＰ層を成長させる工程である
    ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。
11. 窒化物半導体以外の材質からなる基板上に窒化物半導体からなる基板反り抑制層を成長させる基板反り抑制層成長工程と、前記基板反り抑制層上に窒化物半導体層をさらに成長させる工程とを備えたＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法であって、
    前記基板反り抑制層成長工程は、
    リン源と、窒素源と、ガリウム源とを少なくとも含有したガスを基板上に供給し、
    リン原子が０．０５〜２０％の原子分率で含まれ、かつその層厚が２５ｎｍ以上７５ｎｍ以下であり、
    前記基板反り抑制層に含まれているリン原子が、前記基板反り抑制層を構成する窒化物半導体の結晶構造におけるＩＩＩ族サイトに添加されているＧａＮＰ層を成長させる工程であり、
    前記基板と前記基板反り抑制層との間に、さらに、７３ｎｍ以上の層厚を有する下部窒化物半導体層を設ける下部窒化物半導体層成長工程をさらに備える
    ことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。
12. 前記基板反り抑制層成長工程では、前記基板が７００℃以上１０５０℃以下に調熱されている
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。
13. 前記基板反り抑制層成長工程は、水素と窒素との混合ガスを供給し、その混合ガスにおける窒素の割合が０．０１％以上５０％以下である
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。
14. 前記リン源がホスフィンであり、前記窒素源がアンモニアであり、前記ホスフィンと前記アンモニアとをあらかじめ混合した後、これを基板上に供給して基板反り抑制層を成長させる
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。
15. 前記混合したホスフィンとアンモニアとの体積比が１：３５以上１：３５×１０⁴以下である
    ことを特徴とする請求項１４記載のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体素子の製造方法。

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