JP6117010B2 - Nitride semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method of forming nitride semiconductor layer - Google Patents

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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。   Embodiments described herein relate generally to a nitride semiconductor device, a nitride semiconductor wafer, and a method for forming a nitride semiconductor layer.

窒化物半導体を用いた半導体発光素子である発光ダイオード(LED)は、例えば、表示装置や照明などに用いられている。また、窒化物半導体を用いた電子デバイスは高速電子デバイスやパワーデバイスに利用されている。   A light emitting diode (LED), which is a semiconductor light emitting element using a nitride semiconductor, is used in, for example, a display device or illumination. Electronic devices using nitride semiconductors are used for high-speed electronic devices and power devices.

このような窒化物半導体素子の高性能化のためには、窒化物半導体層中の欠陥を低減することが重要である。転位が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。   In order to improve the performance of such a nitride semiconductor device, it is important to reduce defects in the nitride semiconductor layer. A technique for producing a nitride semiconductor crystal with few dislocations is desired.

特開2011−233936号公報JP 2011-233936 A

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。   Embodiments of the present invention provide a nitride semiconductor device, a nitride semiconductor wafer, and a method for forming a nitride semiconductor layer with few dislocations.

本発明の実施形態によれば、積層体と、機能層と、を含む窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、7×1019/cm以上4×1020/cm以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層と、前記第1Si含有層に設けられ凸部を含む第1GaN層と、前記第1GaN層に設けられた第2GaN層と、前記第1GaN層と前記第2GaN層との間に設けられSiを含有する第2Si含有層と、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。
本発明の別の実施形態によれば、基板と、前記基板に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層と、前記バッファ層に設けられた積層体と、を含む窒化物半導体ウェーハが提供される。前記積層体は、7×10 19 /cm 以上4×10 20 /cm 以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層と、前記第1Si含有層に設けられ凸部を含む第1GaN層と、前記第1GaN層に設けられた第2GaN層と、前記第1GaN層と前記第2GaN層との間に設けられSiを含有する第2Si含有層と、を含む。
本発明の別の実施形態によれば、基板の上に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層に、7×10 19 /cm 以上4×10 20 /cm 以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層を形成し、前記第1Si含有層に凸部を含む第1GaN層を形成し、前記第1GaN層に第2GaN層を形成し、前記第1GaN層と前記第2GaN層との間に、Siを含有する第2Si含有層を形成する、窒化物半導体層の形成方法が提供される。
According to the embodiment of the present invention, a nitride semiconductor device including a stacked body and a functional layer is provided. The stacked body includes a first Si-containing layer containing Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less, a first GaN layer including a convex portion provided in the first Si-containing layer, , A second GaN layer provided in the first GaN layer, and a second Si-containing layer containing Si provided between the first GaN layer and the second GaN layer . The functional layer is provided in the stacked body and includes a nitride semiconductor.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a nitride semiconductor wafer including a substrate, a buffer layer provided on the substrate and including a nitride semiconductor, and a stacked body provided on the buffer layer. The stacked body includes a first Si-containing layer containing Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less, a first GaN layer including a convex portion provided in the first Si-containing layer, , A second GaN layer provided in the first GaN layer, and a second Si-containing layer containing Si provided between the first GaN layer and the second GaN layer.
According to another embodiment of the present invention, the buffer layer provided on the substrate and including the nitride semiconductor contains Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less. Forming a 1Si-containing layer, forming a first GaN layer including a protrusion on the first Si-containing layer, forming a second GaN layer on the first GaN layer, and between the first GaN layer and the second GaN layer, A method for forming a nitride semiconductor layer is provided that forms a second Si-containing layer containing Si.

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。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to a first embodiment. 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。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a part of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図3(a)及び図3(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。FIG. 3A and FIG. 3B are views showing the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図4(a)〜図4(d)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。FIG. 4A to FIG. 4D are views showing the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図5(a)〜図5(f)は、試料を示す模式的断面図である。Fig.5 (a)-FIG.5 (f) are typical sectional drawings which show a sample. 図6(a)〜図6(f)は、試料の断面の走査型電子顕微鏡像である。FIG. 6A to FIG. 6F are scanning electron microscope images of the cross section of the sample. 試料における転位密度の測定結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the measurement result of the dislocation density in a sample. 図8(a)〜図8(c)は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式図である。FIG. 8A to FIG. 8C are schematic views showing the nitride semiconductor device according to the embodiment. 図9(a)〜図9(c)は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す電子顕微鏡写真像である。FIG. 9A to FIG. 9C are electron micrograph images showing the nitride semiconductor device according to the embodiment. 図10(a)〜図10(d)は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。FIG. 10A to FIG. 10D are graphs showing characteristics of the nitride semiconductor device. 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。It is a graph which shows the characteristic of the nitride semiconductor element which concerns on 1st Embodiment. 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。It is a graph which shows the characteristic of the nitride semiconductor element which concerns on 1st Embodiment. 図13(a)及び図13(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。FIG. 13A and FIG. 13B are graphs showing characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 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。It is a graph which shows the characteristic of the nitride semiconductor element which concerns on 1st Embodiment. 図15(a)及び図15(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。FIG. 15A and FIG. 15B are graphs showing the characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 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。It is a graph which shows the characteristic of the nitride semiconductor element which concerns on 1st Embodiment. 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。1 is a graph showing a nitride semiconductor device according to a first embodiment. 図18(a)及び図18(b)は、参考例の窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。FIG. 18A and FIG. 18B are graphs illustrating the nitride semiconductor device of the reference example. 第1の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。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another nitride semiconductor element according to the first embodiment. FIG. 第2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。5 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to a second embodiment. FIG. 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。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to an embodiment. 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。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to an embodiment. 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。6 is a schematic cross-sectional view illustrating another nitride semiconductor element according to the embodiment. FIG. 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。1 is a schematic cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to an embodiment. 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。It is a flowchart figure which shows the formation method of the nitride semiconductor layer which concerns on 3rd Embodiment.

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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(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。
(First embodiment)
The present embodiment relates to a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor wafer. The nitride semiconductor device according to the embodiment includes a semiconductor device such as a semiconductor light emitting device, a semiconductor light receiving device, and an electronic device. The semiconductor light emitting element includes, for example, a light emitting diode (LED) and a laser diode (LD). The semiconductor light receiving element includes a photodiode (PD) and the like. The electronic device includes, for example, a high electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction bipolar transistor (HBT), a field transistor (FET), a Schottky barrier diode (SBD), and the like. The nitride semiconductor wafer according to the embodiment includes at least a part of the nitride semiconductor device according to the embodiment.

図1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に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子110は、積層体50と、機能層15と、を含む。機能層15は、積層体50の上に設けられる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device 110 according to this embodiment includes a stacked body 50 and a functional layer 15. The functional layer 15 is provided on the stacked body 50.

この例では、窒化物半導体素子110は、バッファ層60をさらに含む。バッファ層60は、窒化物半導体を含む。バッファ層60の上に積層体50が設けられる。この例では、バッファ層60として、AlNバッファ層62が用いられている。   In this example, the nitride semiconductor device 110 further includes a buffer layer 60. The buffer layer 60 includes a nitride semiconductor. A stacked body 50 is provided on the buffer layer 60. In this example, an AlN buffer layer 62 is used as the buffer layer 60.

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。   In this example, the nitride semiconductor device 110 further includes a substrate 40. A buffer layer 60 is disposed between the substrate 40 and the stacked body 50.

基板40は、例えば、シリコン基板である。基板40として、例えば、Si(111)基板が用いられる。基板40として、シリコン基板を用いる場合、シリコン基板の面方位は、例えば、(11n)(n:整数)で表される面方位でも良い。面方位は、例えば(100)面でも良い。基板40として、例えば(110)面のシリコン基板を用いることが好ましい。これにより、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。   The substrate 40 is, for example, a silicon substrate. As the substrate 40, for example, a Si (111) substrate is used. When a silicon substrate is used as the substrate 40, the plane orientation of the silicon substrate may be, for example, a plane orientation represented by (11n) (n: integer). The plane orientation may be, for example, the (100) plane. As the substrate 40, for example, a (110) plane silicon substrate is preferably used. Thereby, the lattice mismatch between the silicon substrate and the nitride semiconductor layer is reduced.

基板40として、酸化物層を含む基板を用いても良い。例えば、基板40として、SOI(silicon on insulator)基板が用いられる。基板40として、機能層15の格子定数とは異なる材料の基板を用いることができる。基板40として、機能層15の熱膨張係数とは異なる材料の基板を用いることができる。例えば、基板40として、サファイア、スピネル、GaAs、InP、ZnO、Ge、SiGe及びSiCのいずれかの基板を用いることができる。   As the substrate 40, a substrate including an oxide layer may be used. For example, an SOI (silicon on insulator) substrate is used as the substrate 40. As the substrate 40, a substrate of a material different from the lattice constant of the functional layer 15 can be used. As the substrate 40, a substrate made of a material different from the thermal expansion coefficient of the functional layer 15 can be used. For example, as the substrate 40, any one of sapphire, spinel, GaAs, InP, ZnO, Ge, SiGe, and SiC can be used.

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15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。   For example, the buffer layer 60 is formed on the substrate 40. A stacked body 50 is formed on the buffer layer 60. The functional layer 15 is formed on the stacked body 50. In these formations, epitaxial growth is performed.

本実施形態において、各層の形成の後に基板40の少なくとも一部が除去されていも良い。本実施形態において、各層の形成の後にバッファ層60の少なくとも一部が除去されていても良い。   In the present embodiment, at least a part of the substrate 40 may be removed after the formation of each layer. In the present embodiment, at least a part of the buffer layer 60 may be removed after the formation of each layer.

図1に表したように、積層体50は、AlGaN層51aと、第1Si含有層51sと、第1GaN層51gと、第2Si含有層52sと、第2GaN層52gと、を含む。   As shown in FIG. 1, the stacked body 50 includes an AlGaN layer 51a, a first Si-containing layer 51s, a first GaN layer 51g, a second Si-containing layer 52s, and a second GaN layer 52g.

AlGaN層51aには、AlGa1−xN(0<x≦1)が用いられる。AlGaN層51aは、上面51auを有する。 Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) is used for the AlGaN layer 51a. The AlGaN layer 51a has an upper surface 51au.

AlGaN層51aは、1つの層でも良く、複数の層を含んでも良い。この例では、AlGaN層51aは、第1AlGaN層51aa、第2AlGaN層51ab及び第3AlGaN層51acを含む。AlGaN層51aに含まれる層の数は、2でも良く、4以上でも良い。第2AlGaN層51abは、第1AlGaN層51aaの上に設けられる。第3AlGaN層51acは、第2AlGaN層51abの上に設けられる。第2AlGaN層51abにおけるAl組成比(III元素中におけるAl組成比)は、第1AlGaN層51aaにおけるAl組成比よりも低い。第3AlGaN層51acにおけるAl組成比は、第2AlGaN層51abにおけるAl組成比よりも低い。   The AlGaN layer 51a may be a single layer or may include a plurality of layers. In this example, the AlGaN layer 51a includes a first AlGaN layer 51aa, a second AlGaN layer 51ab, and a third AlGaN layer 51ac. The number of layers included in the AlGaN layer 51a may be two or four or more. The second AlGaN layer 51ab is provided on the first AlGaN layer 51aa. The third AlGaN layer 51ac is provided on the second AlGaN layer 51ab. The Al composition ratio in the second AlGaN layer 51ab (Al composition ratio in the III element) is lower than the Al composition ratio in the first AlGaN layer 51aa. The Al composition ratio in the third AlGaN layer 51ac is lower than the Al composition ratio in the second AlGaN layer 51ab.

第1Si含有層51sは、AlGaN層51aの上面51auに接する。このように、第1Si含有層51sは、AlGaN層51aの上に設けられる。第1Si含有層51sは、7×1019/cm以上4×1020/cm以下の濃度でSiを含有する。第1Si含有層51sは、上面51suを有する。第1Si含有層51sの上面51suは、AlGaN層51aの上面51auに対して実質的に平行である。 The first Si-containing layer 51s is in contact with the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a. Thus, the first Si-containing layer 51s is provided on the AlGaN layer 51a. The first Si-containing layer 51s contains Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less. The first Si-containing layer 51s has an upper surface 51su. The upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s is substantially parallel to the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a.

第1GaN層51gは、第1Si含有層51sの上に設けられる。第1GaN層51gは、第1Si含有層51sの上面51suに接している。第1GaN層51gは、凸部51gpを含む。凸部51gpは、斜面51gsを有する。斜面51gsは、AlGaN層51aの上面51auに対して傾斜している。斜面51gsは、曲面でも良い。   The first GaN layer 51g is provided on the first Si-containing layer 51s. The first GaN layer 51g is in contact with the upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s. The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp. The convex portion 51gp has a slope 51gs. The inclined surface 51gs is inclined with respect to the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a. The slope 51gs may be a curved surface.

凸部51gpは、斜面51gsの他に、頂面51gtを有していても良い。頂面51gtは、AlGaN層51aの上面51auに対して平行である。凸部51gpには、AlGaN層51aの上面51auに対して平行な頂面51gtが必ずしも設けられなくても良い。   The convex portion 51gp may have a top surface 51gt in addition to the inclined surface 51gs. The top surface 51gt is parallel to the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a. The convex portion 51gp does not necessarily have to be provided with the top surface 51gt parallel to the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a.

第1GaN層51gは、例えば、島状である。島状の膜も「層」ということにする。複数の独立した複数の凸部51gpが設けられても良い。また、第1GaN層51gは、連続的でも良い。   The first GaN layer 51g has an island shape, for example. An island-like film is also called a “layer”. A plurality of independent plurality of convex portions 51gp may be provided. The first GaN layer 51g may be continuous.

第2Si含有層52sは、第1GaN層51gの上に設けられる。第2Si含有層52sは、第1GaN層51gに接する。第2Si含有層52sは、Siを含有する。第2Si含有層52sは、例えば、第1GaN層51gを覆う。   The second Si-containing layer 52s is provided on the first GaN layer 51g. The second Si-containing layer 52s is in contact with the first GaN layer 51g. The second Si-containing layer 52s contains Si. The second Si-containing layer 52s covers, for example, the first GaN layer 51g.

この例では、第2Si含有層52sの一部が、第1Si含有層51sと接している。例えば、第1Si含有層51sの上面51suは、第1領域51spと、第2領域51sqと、を含む。第1GaN層51gは、第1領域51spの上に設けられている。例えば、第1GaN層51gの凸部51gpは、第1領域51spの上に設けられている。第1GaN層51gは、第2領域51sqの上には設けられていない。第2Si含有層52sの一部は、第2領域51sqにおいて第1Si含有層51sと接している。   In this example, a part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s. For example, the upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s includes a first region 51sp and a second region 51sq. The first GaN layer 51g is provided on the first region 51sp. For example, the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is provided on the first region 51sp. The first GaN layer 51g is not provided on the second region 51sq. A part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s in the second region 51sq.

後述するように、第1GaN層51gは、第1Si含有層51sの上面51suを覆っても良い。この場合は、第2Si含有層52sは、第1Si含有層51sには接しない。以下では、第2Si含有層52sの一部が、第1Si含有層51sと接する場合の例(窒化物半導体素子110)について説明する。   As will be described later, the first GaN layer 51g may cover the upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s. In this case, the second Si-containing layer 52s does not contact the first Si-containing layer 51s. Hereinafter, an example (nitride semiconductor element 110) in which a part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s will be described.

第2Si含有層52sは、第1GaN層51gの形状(凸部51gpの形状)に沿っている。第2Si含有層52sの上面は、凸部51gpの形状に沿って凹凸状である。   The second Si-containing layer 52s is along the shape of the first GaN layer 51g (the shape of the convex portion 51gp). The upper surface of the second Si-containing layer 52s is uneven along the shape of the protrusion 51gp.

第2Si含有層52sの上に、第2GaN層52gが設けられる。第2GaN層52gにより、第1GaN層51gの凹凸(第2Si含有層52sの凹凸)の凹部が埋め込まれる。第2GaN層52gの上面は、実質的に平坦である。   A second GaN layer 52g is provided on the second Si-containing layer 52s. The second GaN layer 52g fills the recesses of the irregularities of the first GaN layer 51g (irregularities of the second Si-containing layer 52s). The upper surface of the second GaN layer 52g is substantially flat.

第1GaN層51gは、例えばAlz1Ga1−z1N(0≦z1<1、z1<x)を含む。第1GaN層51gには、例えばGaNが用いられる。第1GaN層51gは、n形の不純物を含んでも良い。 The first GaN layer 51g includes, for example, Al z1 Ga 1-z1 N (0 ≦ z1 <1, z1 <x). For example, GaN is used for the first GaN layer 51g. The first GaN layer 51g may contain an n-type impurity.

第2GaN層52gは、例えばAlz2Ga1−z2N(0≦z2<1、z2<x)を含む。第2GaN層52gには、例えばGaNが用いられる。第2GaN層52gは、n形の不純物を含んでも良い。 The second GaN layer 52g includes, for example, Al z2Ga1 -z2N (0 ≦ z2 <1, z2 <x). For example, GaN is used for the second GaN layer 52g. The second GaN layer 52g may contain an n-type impurity.

n形の不純物として、例えば、Si、Ge、Te、Sb及びOの少なくともいずれかが用いられる。   For example, at least one of Si, Ge, Te, Sb, and O is used as the n-type impurity.

AlGaN層51aの上面51auに対して垂直な方向をZ軸方向とする。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。   A direction perpendicular to the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a is taken as a Z-axis direction. One direction perpendicular to the Z-axis direction is taken as an X-axis direction. A direction perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction is taken as a Y-axis direction.

機能層15は、積層体50とZ軸方向に沿って積層される。本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。   The functional layer 15 is stacked with the stacked body 50 along the Z-axis direction. In the specification of the application, “stacking” includes not only the case of being stacked in contact with each other but also the case of being stacked with another layer inserted therebetween. Further, “provided on” includes not only the case of being provided in direct contact but also the case of being provided with another layer interposed therebetween.

Z軸方向は、第1Si含有層51sの上面51suに対して垂直である。積層体50と機能層15との間の界面15lは、Z軸方向に対して垂直である。   The Z-axis direction is perpendicular to the upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s. The interface 151 between the stacked body 50 and the functional layer 15 is perpendicular to the Z-axis direction.

AlGaN層51aの厚さは、例えば、100ナノメートル(nm)以上500nm以下(例えば、約250nm)である。AlGaN層51aにおけるIII族元素中のAlの組成比は、例えば0.15以上0.35以下(例えば0.25)である。   The thickness of the AlGaN layer 51a is, for example, 100 nanometers (nm) or more and 500 nm or less (for example, about 250 nm). The composition ratio of Al in the group III element in the AlGaN layer 51a is, for example, not less than 0.15 and not more than 0.35 (for example, 0.25).

第1Si含有層51sの厚さts1は、例えば、0.4原子層以上2原子層以下である。厚さts1は、例えば、0.1nm以上2nm以下である。第1Si含有層51sは、一様な膜でなくても良く、不連続な島状の膜などでも良い。第1Si含有層51sは、開口部が設けられた膜でも良い。   The thickness ts1 of the first Si-containing layer 51s is, for example, not less than 0.4 atomic layers and not more than 2 atomic layers. The thickness ts1 is, for example, not less than 0.1 nm and not more than 2 nm. The first Si-containing layer 51s may not be a uniform film, but may be a discontinuous island-shaped film or the like. The first Si-containing layer 51s may be a film provided with an opening.

第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、例えば、100nm以上1000nm以下である。この例のように、第1Si含有層51sの一部の上に第1GaN層51gが設けられる場合は、凸部51gpの高さtg1は、第1Si含有層51sの上面51suと、第1GaN層51gの凸部51gpの上端と、の間の距離である。凸部51gpが頂面51gtを有する場合は、高さtg1は、第1Si含有層51sの上面51suと、頂面51gtと、の間の距離である。第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、第1GaN層51gの凸部51gpのうちで最も高さが高い凸部51gpにおける、第1Si含有層51sの上面51suと、第1GaN層51gの凸部51gpの上端と、の間の距離とする。   The height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is, for example, not less than 100 nm and not more than 1000 nm. When the first GaN layer 51g is provided on a part of the first Si-containing layer 51s as in this example, the height tg1 of the convex portion 51gp is equal to the upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s and the first GaN layer 51g. It is the distance between the upper end of the convex part 51gp. When the convex portion 51gp has the top surface 51gt, the height tg1 is a distance between the top surface 51su of the first Si-containing layer 51s and the top surface 51gt. The height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is such that the upper surface 51su of the first Si-containing layer 51s in the convex portion 51gp having the highest height among the convex portions 51gp of the first GaN layer 51g and the first GaN layer 51g It is set as the distance between the upper end of the convex part 51gp.

後述するように、第1GaN層51gが第1Si含有層51sを覆っても良い。この場合には、第1GaN層51gにおける凸部51gpの高さは、第1GaN層51g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。   As will be described later, the first GaN layer 51g may cover the first Si-containing layer 51s. In this case, the height of the convex portion 51gp in the first GaN layer 51g is the height (depth) of the irregularities of the first GaN layer 51g, that is, along the Z-axis direction between the convex and concave portions of the irregularities. Corresponds to distance.

第1GaN層51gには、凸部51gpが設けられ、第1GaN層51gの厚さは均一ではない。第1GaN層51gの厚さは、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1とは、異なる。第1GaN層51gの厚さは、第1GaN層51gの平均の厚さとする。   The first GaN layer 51g is provided with a convex portion 51gp, and the thickness of the first GaN layer 51g is not uniform. The thickness of the first GaN layer 51g is different from the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. The thickness of the first GaN layer 51g is the average thickness of the first GaN layer 51g.

第2Si含有層52sの厚さts2は、例えば、0.4原子層以上1.5原子層以下である。厚さts2は、例えば、0.1nm以上1.5nm以下である。第2Si含有層52sは一様な膜でなくても良く、不連続な島状の膜などでも良い。第2Si含有層52sは、開口部が設けられた膜でも良い。   The thickness ts2 of the second Si-containing layer 52s is, for example, not less than 0.4 atomic layer and not more than 1.5 atomic layer. The thickness ts2 is, for example, not less than 0.1 nm and not more than 1.5 nm. The second Si-containing layer 52s may not be a uniform film, but may be a discontinuous island film or the like. The second Si-containing layer 52s may be a film provided with an opening.

第2GaN層52gの厚さtg2は、例えば、100nm以上5000nm以下である。第2GaN層52gの厚さtg2は、第2Si含有層52sの上端と、第2GaN層52gの上面(この例では、積層体50と機能層15との間の界面15l)と、の間のZ軸方向に沿った距離である。   The thickness tg2 of the second GaN layer 52g is, for example, not less than 100 nm and not more than 5000 nm. The thickness tg2 of the second GaN layer 52g is the Z between the upper end of the second Si-containing layer 52s and the upper surface of the second GaN layer 52g (in this example, the interface 15l between the stacked body 50 and the functional layer 15). The distance along the axial direction.

AlGaN層51aの厚さ、第1Si含有層51sの厚さts1、第1GaN層51gの厚さ、第2Si含有層52sの厚さts2は、Z軸方向に沿う長さである。第2Si含有層52sの厚さは、例えば、第2Si含有層52sのうちで第1GaN層51gの凸部51gpの斜面51gs上に設けられている部分の、斜面51gsに対して垂直な方向に沿う長さである。   The thickness of the AlGaN layer 51a, the thickness ts1 of the first Si-containing layer 51s, the thickness of the first GaN layer 51g, and the thickness ts2 of the second Si-containing layer 52s are lengths along the Z-axis direction. The thickness of the second Si-containing layer 52s is, for example, along the direction perpendicular to the inclined surface 51gs of the portion of the second Si-containing layer 52s provided on the inclined surface 51gs of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. Length.

これらの厚さは、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)像及び透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)像の少なくともいずれかから得られる。   These thicknesses are obtained from, for example, at least one of a scanning electron microscope (SEM) image and a transmission electron microscope (TEM) image.

機能層15の厚さは、例えば、約1.5マイクロメートル(μm)以上5μm以下(例えば2μm)である。   The thickness of the functional layer 15 is, for example, about 1.5 micrometers (μm) or more and 5 μm or less (for example, 2 μm).

機能層15は、例えば、半導体発光素子の発光機能を有する層を含む。機能層15は、例えば、半導体受光素子の受光機能を有する層を含む。機能層15は、例えば、電子デバイスの整流、スイッチング及び増幅の少なくともいずれかの機能を有する層を含む。以下では、機能層15が発光機能を有する層を含む場合の例について説明する。   The functional layer 15 includes, for example, a layer having a light emitting function of a semiconductor light emitting element. The functional layer 15 includes, for example, a layer having a light receiving function of a semiconductor light receiving element. The functional layer 15 includes, for example, a layer having a function of at least one of rectification, switching, and amplification of an electronic device. Below, the example in case the functional layer 15 contains the layer which has a light emission function is demonstrated.

図2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2は、機能層15の構成の例を示している。図2に表したように、この例では、機能層15は、n形半導体層10と、p形半導体層20と、発光層30と、を含む。発光層30は、n形半導体層10とp形半導体層20との間に設けられる。n形半導体層10は窒化物半導体を含む。p形半導体層20は、窒化物半導体を含む。発光層30は、窒化物半導体を含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a part of the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 2 shows an example of the configuration of the functional layer 15. As shown in FIG. 2, in this example, the functional layer 15 includes an n-type semiconductor layer 10, a p-type semiconductor layer 20, and a light emitting layer 30. The light emitting layer 30 is provided between the n-type semiconductor layer 10 and the p-type semiconductor layer 20. The n-type semiconductor layer 10 includes a nitride semiconductor. The p-type semiconductor layer 20 includes a nitride semiconductor. The light emitting layer 30 includes a nitride semiconductor.

機能層15は、低不純物濃度層10iをさらに含んでも良い。低不純物濃度層10iにおける不純物濃度は、n形半導体層10における不純物濃度よりも低い。低不純物濃度層10iは必要に応じて設けられ、省略しても良い。積層体50の上に低不純物濃度層10iが設けられる。   The functional layer 15 may further include a low impurity concentration layer 10i. The impurity concentration in the low impurity concentration layer 10 i is lower than the impurity concentration in the n-type semiconductor layer 10. The low impurity concentration layer 10i is provided as necessary and may be omitted. A low impurity concentration layer 10 i is provided on the stacked body 50.

n形半導体層10は、積層体50の上に設けられる。n形半導体層10は、低不純物濃度層10iの上に設けられる。n形半導体層10の上に発光層30が設けられる。発光層30の上にp形半導体層20が設けられる。   The n-type semiconductor layer 10 is provided on the stacked body 50. The n-type semiconductor layer 10 is provided on the low impurity concentration layer 10i. A light emitting layer 30 is provided on the n-type semiconductor layer 10. A p-type semiconductor layer 20 is provided on the light emitting layer 30.

発光層30は、複数の障壁層31と、複数の障壁層31の間に設けられた井戸層32と、を含む。井戸層32の数は、1つでも良く、複数でも良い。すなわち、発光層30は、例えば、SQW(Single-Quantum Well)構造、または、MQW(Multi-Quantum Well)構造を有する。   The light emitting layer 30 includes a plurality of barrier layers 31 and a well layer 32 provided between the plurality of barrier layers 31. The number of well layers 32 may be one or plural. That is, the light emitting layer 30 has, for example, an SQW (Single-Quantum Well) structure or an MQW (Multi-Quantum Well) structure.

障壁層31のバンドギャップエネルギーは、井戸層32のバンドギャップエネルギーよりも大きい。井戸層32には、例えば、InGaNが用いられる。障壁層31には、GaNが用いられる。障壁層31にInGaNが用いられる場合は、障壁層31におけるIn組成比は、井戸層32におけるIn組成比よりも低い。発光層30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。   The band gap energy of the barrier layer 31 is larger than the band gap energy of the well layer 32. For the well layer 32, for example, InGaN is used. GaN is used for the barrier layer 31. When InGaN is used for the barrier layer 31, the In composition ratio in the barrier layer 31 is lower than the In composition ratio in the well layer 32. The peak wavelength of light emitted from the light emitting layer 30 is, for example, not less than 200 nm and not more than 1900 nm.

図1及び図2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15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15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。   1 and 2 also illustrate the configuration of the nitride semiconductor wafer 210 according to this embodiment. The nitride semiconductor wafer 210 includes a substrate 40, a buffer layer 60, and a stacked body 50. The nitride semiconductor wafer 210 may further include a functional layer 15. Each of the configurations described with respect to the nitride semiconductor element 110 can be applied to the substrate 40, the buffer layer 60, the stacked body 50, and the functional layer 15.

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の製造方法の例について説明する。   An example of a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor wafer according to this embodiment will be described.

基板40として、例えば主面が(111)面であるシリコン基板を用いる。基板40を、例えば、硫酸と過酸化水素との混合薬液、並びに、希フッ酸を用いて洗浄を行う。洗浄の後、基板40をMOCVD装置の反応室内に導入する。   As the substrate 40, for example, a silicon substrate whose main surface is a (111) plane is used. The substrate 40 is cleaned using, for example, a mixed chemical solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide and dilute hydrofluoric acid. After cleaning, the substrate 40 is introduced into the reaction chamber of the MOCVD apparatus.

基板40を例えば1080℃まで加熱する。水素と窒素との比率が2:1の混合雰囲気において、トリメチルアルミニウム(TMAl)を流量50cc/分、アンモニア(NH)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)が形成される。AlNバッファ層62の厚さは、例えば、約100nmである。 The substrate 40 is heated to 1080 ° C., for example. In a mixed atmosphere where the ratio of hydrogen to nitrogen is 2: 1, trimethylaluminum (TMAl) is supplied at a flow rate of 50 cc / min and ammonia (NH 3 ) at a flow rate of 0.8 L / min for 20 minutes. As a result, an AlN buffer layer 60 (AlN buffer layer 62) is formed. The thickness of the AlN buffer layer 62 is, for example, about 100 nm.

基板温度(基板40の温度)を1040℃とする。水素と窒素との比率が2:1の混合雰囲気において、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、第1AlGaN層51aaが形成される。第1AlGaN層51aaにおけるAl組成比は、0.55である。第1AlGaN層51aaの厚さは、例えば、約100nmである。   The substrate temperature (the temperature of the substrate 40) is set to 1040 ° C. In a mixed atmosphere where the ratio of hydrogen and nitrogen is 2: 1, trimethylgallium (TMGa) is supplied at a flow rate of 10 cc / min, TMAl at a flow rate of 50 cc / min, and ammonia at a flow rate of 2.5 L / min for 5 minutes. Thereby, the first AlGaN layer 51aa is formed. The Al composition ratio in the first AlGaN layer 51aa is 0.55. The thickness of the first AlGaN layer 51aa is, for example, about 100 nm.

TMGaの流量を17cc/分、TMAlの流量を30cc/分に変更し、10分間供給する。これにより、第2AlGaN層51abが形成される。第2AlGaN層51abにおけるAl組成比は、例えば、0.3である。第2AlGaN層51abの厚さは、例えば、約200nmである。   The TMGa flow rate is changed to 17 cc / min, and the TMAl flow rate is changed to 30 cc / min, and supplied for 10 minutes. Thereby, the second AlGaN layer 51ab is formed. The Al composition ratio in the second AlGaN layer 51ab is, for example, 0.3. The thickness of the second AlGaN layer 51ab is, for example, about 200 nm.

TMGaの流量を20cc/分、TMAlの流量を15cc/分に変更し、11分間供給する。これにより、第3AlGaN層51acが形成される。第3AlGaN層51acにおけるAl組成比は、例えば、0.15である。第3AlGaN層51acの厚さは、例えば、約250nmである。   The TMGa flow rate is changed to 20 cc / min and the TMAl flow rate is changed to 15 cc / min and supplied for 11 minutes. Thereby, the third AlGaN layer 51ac is formed. The Al composition ratio in the third AlGaN layer 51ac is, for example, 0.15. The thickness of the third AlGaN layer 51ac is, for example, about 250 nm.

基板温度を1040℃のままに維持し、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)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1Si含有層51sが形成される。第1Si含有層51sの厚さは、例えば、約1原子層である。第1Si含有層51sのSi濃度は、例えば、2×1020/cmである。 Maintaining the substrate temperature at 1040 ° C., in a mixed atmosphere where the ratio of hydrogen and nitrogen is 2: 1, silane (SiH 4 ) at a concentration of 10 ppm is flowed at 350 cc / min, and ammonia is flowed at 20 L / min for 8 minutes. Supply. Thereby, the first Si-containing layer 51s is formed. The thickness of the first Si-containing layer 51s is, for example, about one atomic layer. The Si concentration of the first Si-containing layer 51s is, for example, 2 × 10 20 / cm 3 .

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、5分間供給する。これにより、第1GaN層51gが形成される。例えば、第1GaN層51gは、島状の結晶である。第1GaN層51gの凸部51gpは、X−Y平面に対して傾斜した斜面51gsを有する。第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、例えば、約400nmである。   In a mixed atmosphere where the substrate temperature is 1090 ° C. and the ratio of hydrogen and nitrogen is 2: 1, TMGa is supplied at a flow rate of 56 cc / min and ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min for 5 minutes. Thereby, the first GaN layer 51g is formed. For example, the first GaN layer 51g is an island-shaped crystal. The convex portion 51gp of the first GaN layer 51g has an inclined surface 51gs inclined with respect to the XY plane. The height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is, for example, about 400 nm.

基板温度を1040℃とし、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)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2Si含有層52sが形成される。第2Si含有層52sの厚さは、例えば、約0.4原子層である。第2Si含有層51sのSi濃度は、例えば、7.5×1019/cmである。 In a mixed atmosphere with a substrate temperature of 1040 ° C. and a nitrogen ratio of 2: 1, silane (SiH 4 ) with a concentration of 10 ppm is supplied at a flow rate of 350 cc / min and ammonia is supplied at a flow rate of 20 L / min for 3 minutes. Thereby, the second Si-containing layer 52s is formed. The thickness of the second Si-containing layer 52s is, for example, about 0.4 atomic layer. The Si concentration of the second Si-containing layer 51s is, for example, 7.5 × 10 19 / cm 3 .

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、60分間供給する。これにより、第2GaN層52gが形成される。第2GaN層52gの厚さは、例えば、約2μmである。   In a mixed atmosphere where the substrate temperature is 1090 ° C. and the ratio of hydrogen to nitrogen is 2: 1, TMGa is supplied at a flow rate of 56 cc / min and ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min for 60 minutes. Thereby, the second GaN layer 52g is formed. The thickness of the second GaN layer 52g is about 2 μm, for example.

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)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、5×1018(/cm)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10(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または窒化物半導体ウェーハが形成できる。 Further, TMGa is supplied at a flow rate of 56 cc / min, ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min, and silane (SiH 4 ) at a concentration of 10 ppm is supplied at a flow rate of 56 cc / min for 30 minutes. Thereby, an n-type GaN layer is formed. The Si concentration in the n-type GaN layer is, for example, 5 × 10 18 (/ cm 3 ). The thickness of the n-type GaN layer is, for example, about 1 μm. The n-type GaN layer becomes the n-type semiconductor layer 10 (at least a part of the functional layer 15). Thereby, the nitride semiconductor device or nitride semiconductor wafer according to the present embodiment can be formed.

n形GaN層の形成の前に、低不純物濃度層10iを形成しても良い。n形半導体層10の上に、さらに、発光層30及びp形半導体層20を形成することで、窒化物半導体素子110及び窒化物半導体ウェーハ210が形成できる。   The low impurity concentration layer 10i may be formed before the formation of the n-type GaN layer. By further forming the light emitting layer 30 and the p-type semiconductor layer 20 on the n-type semiconductor layer 10, the nitride semiconductor element 110 and the nitride semiconductor wafer 210 can be formed.

図3(a)及び図3(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3(a)は、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハの断面TEM像である。図3(b)は、図3(a)を基に描いた模式図である。図3(b)においては、積層体50に含まれる第1Si含有層51s、第1GaN層51g、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gの構成が模式的に描かれている。第1Si含有層51sの形状及び第2Si含有層52sの形状が、実線で描かれている。第1Si含有層51sよりも上の領域における転位80が点線で模式的に描かれている。
FIG. 3A and FIG. 3B are views illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 3A is a cross-sectional TEM image of the nitride semiconductor device and the nitride semiconductor wafer. FIG. 3B is a schematic diagram drawn based on FIG. In FIG. 3B, the configurations of the first Si-containing layer 51s, the first GaN layer 51g, the second Si-containing layer 52s, and the second GaN layer 52g included in the stacked body 50 are schematically illustrated. The shape of the first Si-containing layer 51s and the shape of the second Si-containing layer 52s are drawn with solid lines. Dislocations 80 in the region above the first Si-containing layer 51s are schematically drawn with dotted lines.

図3(a)及び図3(b)から分かるように、基板40とAlNバッファ層62との界面で転位80が発生している。転位80の密度は、AlNバッファ層62中及びAlGaN層51a中では非常に高い。転位80は、第1Si含有層51sよりも上側の層において大幅に減少している。第1Si含有層51sを設けることで、転位80の密度が減少している。第1Si含有層51sは、転位80を遮蔽する効果を有する。   As can be seen from FIGS. 3A and 3B, dislocations 80 are generated at the interface between the substrate 40 and the AlN buffer layer 62. The density of dislocations 80 is very high in the AlN buffer layer 62 and the AlGaN layer 51a. The dislocations 80 are greatly reduced in the layer above the first Si-containing layer 51s. By providing the first Si-containing layer 51s, the density of dislocations 80 is reduced. The first Si-containing layer 51 s has an effect of shielding the dislocation 80.

この例では、第2Si含有層52sの一部は第1Si含有層51sに接している。第2Si含有層52sが第1Si含有層51sに接する領域では、Si含有層の合計の厚さが厚い。この領域においては、第1Si含有層51sと第2Si含有層52sとにより、転位80の遮蔽効果が増強されると考えられる。これにより、転位80の密度がさらに減少すると考えられる。   In this example, a part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s. In the region where the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s, the total thickness of the Si-containing layers is thick. In this region, it is considered that the shielding effect of dislocations 80 is enhanced by the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s. This is considered to further reduce the density of dislocations 80.

さらに、第2GaN層52g中において、転位80の密度はさらに減少している。すなわち、第1Si含有層51sと第2GaN層52gとの間の領域(すなわち、第1GaN層51g及び第2Si含有層52sとを含む領域)において、転位80の密度が減少している。   Further, the density of dislocations 80 is further reduced in the second GaN layer 52g. That is, the density of dislocations 80 is reduced in the region between the first Si-containing layer 51s and the second GaN layer 52g (that is, the region including the first GaN layer 51g and the second Si-containing layer 52s).

第1GaN層51gの内部において、転位80の一部が屈曲している。これは、第1Si含有層51sの上に第1GaN層51gを形成することで、第1GaN層51gが三次元成長するためである。転位80の一部が屈曲することで、転位80の積層方向への伝播が抑制されている。   A part of the dislocation 80 is bent inside the first GaN layer 51g. This is because the first GaN layer 51g is three-dimensionally grown by forming the first GaN layer 51g on the first Si-containing layer 51s. Propagation of the dislocation 80 in the stacking direction is suppressed by bending a part of the dislocation 80.

さらに、第1GaN層51gの凸部51gpの斜面51gsにおいて、転位80がさらに減少している。この現象について、さらに説明する。   Further, the dislocations 80 are further reduced on the slope 51gs of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. This phenomenon will be further described.

図4(a)〜図4(d)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4(a)及び図4(c)は、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハの断面TEM像である。図4(a)は、第1GaN層51gの斜面51gsの部分を拡大した像である。図4(c)は、第1GaN層51gの頂面51gtの部分を拡大した像である。図4(b)は、図4(a)を基に描いた模式図である。図4(d)は、図4(c)を基に描いた模式図である。図4(b)及び図4(d)においては、第1Si含有層51sの形状及び第2Si含有層52sの形状が、実線で描かれている。第1Si含有層51sよりも上の領域における転位80が点線で模式的に描かれている。
FIG. 4A to FIG. 4D are diagrams illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 4A and FIG. 4C are cross-sectional TEM images of the nitride semiconductor element and the nitride semiconductor wafer. FIG. 4A is an enlarged image of the slope 51gs portion of the first GaN layer 51g. FIG. 4C is an enlarged image of the top surface 51gt portion of the first GaN layer 51g. FIG. 4B is a schematic diagram drawn based on FIG. FIG.4 (d) is the schematic diagram drawn based on FIG.4 (c). 4B and 4D, the shape of the first Si-containing layer 51s and the shape of the second Si-containing layer 52s are drawn with solid lines. Dislocations 80 in the region above the first Si-containing layer 51s are schematically drawn with dotted lines.

図4(a)及び図4(b)から分かるように、第1GaN層51gの凸部51gpの斜面51gsの上に設けられた第2GaN層52gにおいては、転位80が消失している。このように、斜面51gsにおいて、転位80が減少する。例えば、第1GaN層51gは、凸部51gp内において斜面51gsに繋がる複数の第1転位81を有する。第2Si含有層52sを介して第1転位81と連続する、第2GaN層52g内の転位80の数は、複数の第1転位81の数よりも少ない。図4(a)及び図4(b)に示した範囲の領域においては、第2Si含有層52sを介して第1転位81と連続する、第2GaN層52g内の転位80の数は0と観察される。これに対して、凸部51gp内において斜面51gsに繋がる第1転位81の数が多い。このように、斜面51gsにおいて、転位80が減少する現象は、本願発明者が新たに見出した現象である。   As can be seen from FIGS. 4A and 4B, the dislocation 80 disappears in the second GaN layer 52g provided on the slope 51gs of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. Thus, the dislocation 80 decreases on the slope 51gs. For example, the first GaN layer 51g has a plurality of first dislocations 81 connected to the inclined surface 51gs in the convex portion 51gp. The number of dislocations 80 in the second GaN layer 52g that are continuous with the first dislocations 81 via the second Si-containing layer 52s is smaller than the number of the plurality of first dislocations 81. In the region shown in FIGS. 4A and 4B, the number of dislocations 80 in the second GaN layer 52g that are continuous with the first dislocations 81 through the second Si-containing layer 52s is observed as 0. Is done. In contrast, the number of first dislocations 81 connected to the slope 51gs is large in the convex portion 51gp. Thus, the phenomenon that the dislocation 80 decreases on the slope 51gs is a phenomenon newly found by the inventor of the present application.

一方、図4(c)及び図4(d)に表したように、第1GaN層51gの凸部51gpの頂面51gtの上に設けられた第2GaN層52gにおいては、転位80の抑制効果が小さい。この例では、頂面51gtの下側(第1GaN層51g)における転位80(第2転位82)は、頂面51gtの上側(第2GaN層52g)における転位80(第3転位83)と繋がっている。第2Si含有層52sのうちで、頂面51gtの上に位置する部分においては、転位80の伝播の変化は小さく、第1GaN層51gから第2GaN層52gに向けて転位80が伝播している。   On the other hand, as shown in FIGS. 4C and 4D, the second GaN layer 52g provided on the top surface 51gt of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g has an effect of suppressing the dislocation 80. small. In this example, the dislocation 80 (second dislocation 82) on the lower side (first GaN layer 51g) of the top surface 51gt is connected to the dislocation 80 (third dislocation 83) on the upper side (second GaN layer 52g) of the top surface 51gt. Yes. In the second Si-containing layer 52s, in the portion located on the top surface 51gt, the change in the dislocation 80 is small, and the dislocation 80 propagates from the first GaN layer 51g toward the second GaN layer 52g.

このように、斜面51gsにおける転位の減少効果は、頂面51gtにおける転位の減少効果よりも大きい。   Thus, the dislocation reduction effect on the slope 51gs is greater than the dislocation reduction effect on the top surface 51gt.

例えば、第1GaN層51gの凸部51gpが、AlGaN層51aの上面51auに対して平行な頂面51gtを有する場合において、第1GaN層51gは、第1転位81(図4(b)参照)と、第2転位82(図4(d)参照)と、を有する。第1転位81は、凸部51gp内において凸部51gpの斜面51gsに繋がる。第2転位82は、凸部51gp内において頂面51gtに繋がる。   For example, when the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g has a top surface 51gt parallel to the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a, the first GaN layer 51g has the first dislocation 81 (see FIG. 4B). The second dislocation 82 (see FIG. 4D). The first dislocation 81 is connected to the slope 51gs of the convex portion 51gp in the convex portion 51gp. The second dislocation 82 is connected to the top surface 51gt in the convex portion 51gp.

第2GaN層52gは、複数の第3転位83を有している。複数の第3転位83のうちの一部は、第2転位82と連続している。薄い第2Si含有層52sを介して転位が連続する場合も、転位は連続している、とする。複数の第3転位83のうちで第1転位81と連続する第3転位83の数(例えば、0以上の正の整数N1)の複数の第3転位の数(例えば、正の整数N3)に対する比を第1比(N1/N3)とする。複数の第3転位83のうちで第2転位82と連続する第3転位83の数(例えば、正の整数N2)の複数の第3転位の数(N3)に対する比を第2比(N2/N3)とする。第1比(N1/N3)は、第2比(N2/N3)よりも低い。   The second GaN layer 52 g has a plurality of third dislocations 83. A part of the plurality of third dislocations 83 is continuous with the second dislocations 82. Even when dislocations continue through the thin second Si-containing layer 52s, the dislocations continue. Of the plurality of third dislocations 83, the number of third dislocations 83 (for example, positive integer N1 of 0 or more) that are continuous with the first dislocation 81 is the number of third dislocations (for example, positive integer N3). The ratio is the first ratio (N1 / N3). Among the plurality of third dislocations 83, the ratio of the number of third dislocations 83 (for example, a positive integer N2) continuous with the second dislocation 82 to the number of third dislocations (N3) is set to the second ratio (N2 / N3). The first ratio (N1 / N3) is lower than the second ratio (N2 / N3).

凸部51gp内の複数の第1転位81の数をN01とする。凸部51g内の複数の第2転位82の数をN02とする。例えば、複数の第3転位83のうちで第1転位81と連続する第3転位83の数(N1)の複数の第1転位の数(N01)に対する比(N1/N01)は、複数の第3転位83のうちで第2転位82と連続する第3転位83の数(N2)の複数の第2転位82の数(N02)に対する比(N2/N02)よりも低い。   The number of the plurality of first dislocations 81 in the convex portion 51gp is N01. The number of the plurality of second dislocations 82 in the convex portion 51g is N02. For example, among the plurality of third dislocations 83, the ratio (N1 / N01) of the number (N1) of third dislocations 83 that are continuous with the first dislocation 81 to the number (N01) of the plurality of first dislocations is a plurality of the first dislocations 83. Among the three dislocations 83, the ratio (N2 / N02) of the number (N2) of the third dislocations 83 continuous with the second dislocations 82 to the number (N02) of the plurality of second dislocations 82 is lower.

このように、斜面51gsを有する凸部51gpが設けられる場合において、その斜面51gsに接して第2Si含有層52sを形成することで、第2GaN層52gに伝わる転位80を大幅に低減できる。これにより、機能層15に到達する転位80を大幅に低減できる。   Thus, in the case where the convex portion 51gp having the slope 51gs is provided, the dislocation 80 transmitted to the second GaN layer 52g can be significantly reduced by forming the second Si-containing layer 52s in contact with the slope 51gs. Thereby, the dislocation 80 reaching the functional layer 15 can be greatly reduced.

図3(a)及び図3(b)、並びに、図4(a)〜図4(d)は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの特性も示している。実施形態に係る窒化物半導体ウェーハにおいても窒化物半導体素子と同様に、転位を少なくすることがでる。   FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4A to 4D also show the characteristics of the nitride semiconductor wafer according to this embodiment. Also in the nitride semiconductor wafer according to the embodiment, dislocations can be reduced similarly to the nitride semiconductor element.

実施形態によれば、転位が少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハが提供できる。   According to the embodiment, a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor wafer with few dislocations can be provided.

以下、各種の構成を有する窒化物半導体素子(または窒化物半導体ウェーハ)の試料に関する実験結果について説明する。   Hereinafter, experimental results regarding samples of nitride semiconductor devices (or nitride semiconductor wafers) having various configurations will be described.

図5(a)〜図5(f)は、試料を例示する模式的断面図である。
図5(a)に表したように、第1試料151においては、上記のAlGaN層51a、第1Si含有層51s、第1GaN層51g、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gが設けられている。第1GaN層51gは、第1Si含有層51sの一部の上に設けられており、第2Si含有層52sの一部が、第1Si含有層51sに接している。第1GaN層51gは、斜面51gsを有する凸部51gpを含む。第1試料151は、上記の窒化物半導体素子110または窒化物半導体ウェーハ210に対応する。第1試料151の製造方法は、窒化物半導体素子110に関して説明した製造方法と同じである。
FIG. 5A to FIG. 5F are schematic cross-sectional views illustrating samples.
As shown in FIG. 5A, the first sample 151 is provided with the AlGaN layer 51a, the first Si-containing layer 51s, the first GaN layer 51g, the second Si-containing layer 52s, and the second GaN layer 52g. . The first GaN layer 51g is provided on a part of the first Si-containing layer 51s, and a part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s. The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp having a slope 51gs. The first sample 151 corresponds to the nitride semiconductor device 110 or the nitride semiconductor wafer 210 described above. The manufacturing method of the first sample 151 is the same as the manufacturing method described regarding the nitride semiconductor device 110.

図5(b)に表したように、第2試料152においても、AlGaN層51a、第1Si含有層51s、第1GaN層51g、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gが設けられている。第2試料152においては、第1GaN層51gは、第1Si含有層51sの全面の上に設けられている。第2Si含有層52sは、第1Si含有層51sに接していない。第1GaN層51gは、斜面51gsを有する凸部51gpを含む。第1GaN層51gは、連続的である。第2試料152の製造方法の一部は、第1試料151の製造方法とは異なる。第2試料152においては、第1GaN層51gの形成において、TMGa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2試料152における第1GaN層51gの成長速度は、第1試料151における第1GaN層51gの成長速度の2倍である。その他の条件については、第1試料151と同じである。   As shown in FIG. 5B, the second sample 152 also includes an AlGaN layer 51a, a first Si-containing layer 51s, a first GaN layer 51g, a second Si-containing layer 52s, and a second GaN layer 52g. In the second sample 152, the first GaN layer 51g is provided on the entire surface of the first Si-containing layer 51s. The second Si-containing layer 52s is not in contact with the first Si-containing layer 51s. The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp having a slope 51gs. The first GaN layer 51g is continuous. A part of the manufacturing method of the second sample 152 is different from the manufacturing method of the first sample 151. In the second sample 152, TMGa is supplied at a flow rate of 112 cc / min and ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min for 2.5 minutes in forming the first GaN layer 51g. That is, the growth rate of the first GaN layer 51g in the second sample 152 is twice the growth rate of the first GaN layer 51g in the first sample 151. Other conditions are the same as those of the first sample 151.

図5(c)に表したように、第3試料153においても、AlGaN層51a、第1Si含有層51s、第1GaN層51g、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gが設けられている。第3試料153においては、第1GaN層51gは、凸部51gpを含まない。第1GaN層51gは平坦である。第1GaN層51gの厚さは、約600nmである。第2Si含有層52sも平坦である。第3試料153の作製においては、第1GaN層51gの成長時間は15分である。その他の条件については、第1試料151と同じである。   As shown in FIG. 5C, the third sample 153 also includes an AlGaN layer 51a, a first Si-containing layer 51s, a first GaN layer 51g, a second Si-containing layer 52s, and a second GaN layer 52g. In the third sample 153, the first GaN layer 51g does not include the convex portion 51gp. The first GaN layer 51g is flat. The thickness of the first GaN layer 51g is about 600 nm. The second Si-containing layer 52s is also flat. In the production of the third sample 153, the growth time of the first GaN layer 51g is 15 minutes. Other conditions are the same as those of the first sample 151.

図5(d)に表したように、第4試料154においては、AlGaN層51a、第1GaN層51g、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gが設けられている。第4試料154においては、第1Si含有層51sが設けられていない。第1GaN層51gは、斜面51gsを有する凸部51gpを含む。第1GaN層は、連続的である。第4試料154においては、第1GaN層51gの形成において、アンモニアの供給量は2.5L/分である。すなわち、第4試料154における第1GaN層51gの形成の際のV/III比は、第1試料151におけるそれの1/16である。その他の条件については、第1試料151と同じである。   As shown in FIG. 5D, the fourth sample 154 includes an AlGaN layer 51a, a first GaN layer 51g, a second Si-containing layer 52s, and a second GaN layer 52g. In the fourth sample 154, the first Si-containing layer 51s is not provided. The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp having a slope 51gs. The first GaN layer is continuous. In the fourth sample 154, in the formation of the first GaN layer 51g, the supply amount of ammonia is 2.5 L / min. That is, the V / III ratio in forming the first GaN layer 51g in the fourth sample 154 is 1/16 of that in the first sample 151. Other conditions are the same as those of the first sample 151.

図5(e)に表したように、第5試料155においては、AlGaN層51a、第1GaN層51g、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gが設けられている。第5試料155においては、第1Si含有層51sが設けられていない。さらに、第1GaN層51gは、凸部51gpを含んでおらず、第1GaN層51gは、平坦である。第5試料155は、第3試料153において、第1Si含有層51sを設けない構成に対応する。   As shown in FIG. 5E, in the fifth sample 155, an AlGaN layer 51a, a first GaN layer 51g, a second Si-containing layer 52s, and a second GaN layer 52g are provided. In the fifth sample 155, the first Si-containing layer 51s is not provided. Furthermore, the first GaN layer 51g does not include the convex portion 51gp, and the first GaN layer 51g is flat. The fifth sample 155 corresponds to a configuration in which the first Si-containing layer 51s is not provided in the third sample 153.

図5(f)に表したように、第6試料156においては、AlGaN層51a、第2Si含有層52s及び第2GaN層52gが設けられている。第6試料156においては、第3試料153において、第1Si含有層51s及び第1GaN層51gが設けられていない。   As shown in FIG. 5F, in the sixth sample 156, an AlGaN layer 51a, a second Si-containing layer 52s, and a second GaN layer 52g are provided. In the sixth sample 156, the first Si-containing layer 51s and the first GaN layer 51g are not provided in the third sample 153.

図6(a)〜図6(f)は、試料の断面の走査型電子顕微鏡像である。
図6(a)〜図6(f)は、それぞれ第1〜第6試料151〜156の断面SEM像を示している。
図6(a)から分かるように、第1試料151においては、第1GaN層51gは、斜面51gsを有する凸部51gpを含む。凸部51gpどうしの間の領域において、第2Si含有層52sの一部が、第1Si含有層51sに接している。第1GaN層51gにおける凹凸の高さ(凸部51gpの高さtg1)は、約400nmである。
FIG. 6A to FIG. 6F are scanning electron microscope images of the cross section of the sample.
6A to 6F show cross-sectional SEM images of the first to sixth samples 151 to 156, respectively.
As can be seen from FIG. 6A, in the first sample 151, the first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp having a slope 51gs. In the region between the convex portions 51gp, a part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s. The height of the unevenness in the first GaN layer 51g (the height tg1 of the convex portion 51gp) is about 400 nm.

図6(b)からわかるように、第2試料152において、第1GaN層51gには、凸部51gpが設けられているが、第1GaN層51gは、連続的な結晶である。第2Si含有層52sは第1Si含有層51sに接していない。第1GaN層51gにおける凸部51gpの高さ(凹凸の高さ)は、約300nmである。第2試料152における第1GaN層51gの凹凸の高さは、第1試料151(窒化物半導体素子110)における第1GaN層51gの凹凸の高さよりも小さい。第2試料152においては、第1GaN層51gの結晶の密度が高くなり、第1GaN層51gが連続的な結晶となっている。GaN層の成長速度を速くすると、凹凸の高さが小さくなり、結晶の密度が高くなる。   As can be seen from FIG. 6B, in the second sample 152, the first GaN layer 51g is provided with a convex portion 51gp, but the first GaN layer 51g is a continuous crystal. The second Si-containing layer 52s is not in contact with the first Si-containing layer 51s. The height of the protrusion 51gp (the height of the unevenness) in the first GaN layer 51g is about 300 nm. The height of the unevenness of the first GaN layer 51g in the second sample 152 is smaller than the height of the unevenness of the first GaN layer 51g in the first sample 151 (nitride semiconductor element 110). In the second sample 152, the crystal density of the first GaN layer 51g is high, and the first GaN layer 51g is a continuous crystal. When the growth rate of the GaN layer is increased, the height of the unevenness is reduced and the density of the crystal is increased.

図6(c)からわかるように、第3試料153においては、第1GaN層51gには、凸部が設けられていない。第1GaN層51gは、平坦な膜である。   As can be seen from FIG. 6C, in the third sample 153, the first GaN layer 51g has no protrusion. The first GaN layer 51g is a flat film.

図6(d)からわかるように、第4試料154においては、第1Si含有層51sが設けられていない。そして、第1GaN層51gは、斜面51gsを有する凸部51gpを含む。第1GaN層51gは、連続的である。   As can be seen from FIG. 6D, in the fourth sample 154, the first Si-containing layer 51s is not provided. The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp having a slope 51gs. The first GaN layer 51g is continuous.

図6(e)からわかるように、第5試料155においては、第1Si含有層51sが設けられていない。さらに、第1GaN層51gは、平坦である。   As can be seen from FIG. 6 (e), the fifth sample 155 is not provided with the first Si-containing layer 51s. Furthermore, the first GaN layer 51g is flat.

図6(f)からわかるように、第6試料156においては、第1Si含有層51s及び第1GaN層51gが設けられていない。   As can be seen from FIG. 6F, in the sixth sample 156, the first Si-containing layer 51s and the first GaN layer 51g are not provided.

図7は、試料における転位密度の測定結果を例示すグラフ図である。
図7は、第1〜第6試料151〜156における転位密度(刃状転位密度)の測定結果を示している。縦軸は、刃状転位密度Deである。刃状転位密度Deは、X線回折測定のロッキングカーブ半値幅から導かれる。
FIG. 7 is a graph showing an example of measurement results of dislocation density in a sample.
FIG. 7 shows the measurement results of the dislocation density (edge dislocation density) in the first to sixth samples 151 to 156. The vertical axis represents the edge dislocation density De. The edge dislocation density De is derived from the full width at half maximum of the rocking curve of the X-ray diffraction measurement.

図7に示したように、第1試料151における刃状転位密度Deは、2.8×10−8(/cm)であり、転位密度は低い。第1試料151における刃状転位密度Deは、窒化物半導体素子110または窒化物半導体ウェーハ210における刃状転位密度に対応する。第1試料151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。 As shown in FIG. 7, the edge dislocation density De in the first sample 151 is 2.8 × 10 −8 (/ cm 2 ), and the dislocation density is low. The edge dislocation density De in the first sample 151 corresponds to the edge dislocation density in the nitride semiconductor element 110 or the nitride semiconductor wafer 210. In the first sample 151, it is considered that the edge dislocation density De is reduced due to the following.

第1GaN層51g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51g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。   The first GaN layer 51g grows three-dimensionally, and the dislocation 80 generated in the buffer layer 60 can be bent in the first GaN layer 51g in a direction parallel to the stacking direction (Z-axis direction). Thereby, dislocations 80 reaching the upper layer (functional layer 15) can be reduced.

第1Si含有層51sによって第1GaN層51gの成長が抑制される領域(凸部51gp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1Si含有層51s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。   In the region where the growth of the first GaN layer 51g is suppressed by the first Si-containing layer 51s (the region between the convex portions 51gp), the dislocation 80 generated in the buffer layer 60 is shielded by the first Si-containing layer 51s. Thereby, propagation to the upper layer of the dislocation 80 is suppressed, and the dislocation 80 can be reduced.

さらに、第1GaN層51gの凸部51gpの斜面51gs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51gsにおいて、転位80が屈曲する。すなわち、斜面51gs上に設けられた第2Si含有層52sにおいて、転位80が屈曲する。斜面51gs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。   Furthermore, the number of dislocations 80 propagating to the upper layer side decreases on the slope 51gs of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. The dislocation 80 bends on the slope 51gs. That is, the dislocation 80 bends in the second Si-containing layer 52s provided on the slope 51gs. On the slope 51gs, the propagation of the dislocation 80 is blocked. As a result, the dislocation 80 reaching the upper layer can be greatly reduced.

図7に示したように、第2試料152における刃状転位密度Deは、4.8×10−8(/cm)であり、転位密度は低い。第1試料151における刃状転位密度Deの方が、第2試料152における刃状転位密度Deよりも低い。第2試料152においては、第2Si含有層52sは第1Si含有層51sと接していない。このため、第2試料152においては、AlGaN層51aから伝播する転位80の遮蔽効果が小さいと考えられる。第2Si含有層52sが第1Si含有層51sと接する構成(例えば第1試料151)においては、接しない構成(例えば第2試料152)に比べて、刃状転位密度Deを60%程度に低減できる。 As shown in FIG. 7, the edge dislocation density De in the second sample 152 is 4.8 × 10 −8 (/ cm 2 ), and the dislocation density is low. The edge dislocation density De in the first sample 151 is lower than the edge dislocation density De in the second sample 152. In the second sample 152, the second Si-containing layer 52s is not in contact with the first Si-containing layer 51s. For this reason, in the 2nd sample 152, it is thought that the shielding effect of the dislocation 80 propagating from the AlGaN layer 51a is small. In the configuration in which the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s (for example, the first sample 151), the edge dislocation density De can be reduced to about 60% compared to the configuration in which the second Si-containing layer 52s is not in contact (for example, the second sample 152). .

図7から分かるように、第3試料153においては、刃状転位密度Deは、6.2×10−8(/cm)であり、転位密度は高い。第3試料153においては、第1GaN層51gに凸部51gpが設けられていない。このため、凸部51gpの斜面51gsにおける転位80の屈曲効果または遮蔽効果が得られない。さらに、第2Si含有層52sは第1Si含有層51sと接していない。このため転位80の遮蔽効果が小さい。以上により、第3試料153においては、刃状転位密度Deが高いと考えられる。 As can be seen from FIG. 7, in the third sample 153, the edge dislocation density De is 6.2 × 10 −8 (/ cm 2 ), and the dislocation density is high. In the third sample 153, the first GaN layer 51g is not provided with the convex portion 51gp. For this reason, the bending effect or shielding effect of the dislocation 80 on the slope 51gs of the convex part 51gp cannot be obtained. Further, the second Si-containing layer 52s is not in contact with the first Si-containing layer 51s. For this reason, the shielding effect of the dislocation 80 is small. From the above, it is considered that the edge dislocation density De is high in the third sample 153.

図7から分かるように、第4試料154においては、刃状転位密度Deは、7.5×10−8(/cm)であり、転位密度は高い。第4試料154においては、第1Si含有層51sが設けられていないため、第1Si含有層51sによる転位80の遮蔽効果が得られない。第4試料154における刃状転位密度Deは、第2試料152における刃状転位密度Deの約1.6倍である。すなわち、第1Si含有層51s設ける構成(例えば第2試料152)においては、設けない構成(例えば第4試料154)に比べて、刃状転位密度Deを64%程度に低減できる。 As can be seen from FIG. 7, in the fourth sample 154, the edge dislocation density De is 7.5 × 10 −8 (/ cm 2 ), and the dislocation density is high. In the fourth sample 154, since the first Si-containing layer 51s is not provided, the shielding effect of the dislocation 80 by the first Si-containing layer 51s cannot be obtained. The edge dislocation density De in the fourth sample 154 is about 1.6 times the edge dislocation density De in the second sample 152. That is, in the configuration in which the first Si-containing layer 51s is provided (for example, the second sample 152), the edge dislocation density De can be reduced to about 64% compared to the configuration in which the first Si-containing layer 51s is not provided (for example, the fourth sample 154).

図7から分かるように、第5試料155においては、刃状転位密度Deは、1.1×10−9(/cm)であり、転位密度は高い。第5試料155においては、第1Si含有層51sが設けられていない。このため、第1Si含有層51sによる、転位80の遮蔽効果が得られない。さらに、第5試料155においては、第1GaN層51gに凸部51gpが設けられていない。このため、凸部51gpの斜面51gs(または斜面51gs上に設けられた第2Si含有層52s)による転位80の屈曲効果または遮蔽効果が得られない。このため、第5試料155においては、刃状転位密度Deが高いと考えられる。第5試料155における刃状転位密度Deは、第4試料154に比べ、約1.7倍である。すなわち、第1GaN層51gが斜面51gsを有する凸部51gpを含む構成(例えば第4試料154)においては、第1GaN層51gが平坦な構成(例えば第5試料155)に比べて、刃状転位密度Deを70%程度に低減できる。 As can be seen from FIG. 7, in the fifth sample 155, the edge dislocation density De is 1.1 × 10 −9 (/ cm 2 ), and the dislocation density is high. In the fifth sample 155, the first Si-containing layer 51s is not provided. For this reason, the shielding effect of the dislocation 80 by the first Si-containing layer 51s cannot be obtained. Further, in the fifth sample 155, the first GaN layer 51g is not provided with the convex portion 51gp. For this reason, the bending effect or shielding effect of the dislocation 80 by the slope 51gs of the convex part 51gp (or the second Si-containing layer 52s provided on the slope 51gs) cannot be obtained. For this reason, in the 5th sample 155, it is thought that edge dislocation density De is high. The edge dislocation density De in the fifth sample 155 is about 1.7 times that in the fourth sample 154. That is, in the configuration in which the first GaN layer 51g includes the convex portion 51gp having the inclined surface 51gs (for example, the fourth sample 154), the edge dislocation density is higher than that in the configuration in which the first GaN layer 51g is flat (for example, the fifth sample 155). De can be reduced to about 70%.

図7から分かるように、第6試料156においては、刃状転位密度Deは、6.0×10−8(/cm)であり、転位密度は高い。第6試料156においては、第1GaN層51g及び第2Si含有層52sが設けられていない。このため、第1GaN層51gの凸部51gpの斜面51gs(または斜面51gs上に設けられた第2Si含有層52s)による転位80の屈曲効果または遮蔽効果が得られない。また、Si含有層が1層であり、第2Si含有層52sが第1Si含有層51sに接することによる、転位80の遮蔽効果の増強が得られない。以上により、第6試料156においては、刃状転位密度Deが高いと考えられる。 As can be seen from FIG. 7, in the sixth sample 156, the edge dislocation density De is 6.0 × 10 −8 (/ cm 2 ), and the dislocation density is high. In the sixth sample 156, the first GaN layer 51g and the second Si-containing layer 52s are not provided. For this reason, the bending effect or shielding effect of the dislocation 80 by the slope 51gs of the convex part 51gp of the first GaN layer 51g (or the second Si-containing layer 52s provided on the slope 51gs) cannot be obtained. In addition, since the Si-containing layer is one layer and the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s, the shielding effect of the dislocations 80 cannot be enhanced. From the above, in the sixth sample 156, it is considered that the edge dislocation density De is high.

このように、積層体50に、AlGaN層51aと、第1Si含有層51sと、斜面51gsを有する凸部51gpを含む第GaN層51gと、第2Si含有層52sと、第2GaN層52g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。   As described above, the stack 50 includes the AlGaN layer 51a, the first Si-containing layer 51s, the first GaN layer 51g including the convex portion 51gp having the slope 51gs, the second Si-containing layer 52s, and the second GaN layer 52g. By providing, the dislocation density can be reduced. A nitride semiconductor device and a nitride semiconductor wafer with few dislocations can be obtained.

第1試料151及び第2試料152の構成により、転位を減少できる。第1試料151のように、第1GaN層51gが第1Si含有層51sの一部の上に設けられ、第2Si含有層52sの一部が、第1Si含有層51sと接する構成において、転位密度の低減効果が高い。   Dislocations can be reduced by the configuration of the first sample 151 and the second sample 152. In the configuration in which the first GaN layer 51g is provided on a part of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s as in the first sample 151, the dislocation density Reduction effect is high.

図8(a)〜図8(c)は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式図である。
図8(a)及び図8(b)は、実施形態に係る110(または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である。図8(c)は、EDS分析における分析の場所を示している。図8(c)は、EDS分析の場所として、第1分析位置Ap1及び第2分析位置Ap2を、図4(c)に例示した断面TEM像上に示している。第1分析位置Ap1は、第1Si含有層51sの位置に対応する。第2分析位置Ap2は、第2Si含有層52sの位置に対応する。
FIG. 8A to FIG. 8C are schematic views showing the nitride semiconductor device according to the embodiment.
FIG. 8A and FIG. 8B are graphs showing examples of results of energy dispersive X-ray spectroscopic analysis (EDS analysis) of 110 (or the nitride semiconductor wafer 210) according to the embodiment. FIG. 8C shows the analysis location in the EDS analysis. FIG. 8C shows the first analysis position Ap1 and the second analysis position Ap2 on the cross-sectional TEM image illustrated in FIG. 4C as EDS analysis locations. The first analysis position Ap1 corresponds to the position of the first Si-containing layer 51s. The second analysis position Ap2 corresponds to the position of the second Si-containing layer 52s.

図8(a)は、第1分析位置Ap1の分析結果に対応する。図8(b)は、第2分析位置Ap2の分析結果に対応する。図8(a)及び図8(b)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。縦軸は、強度I(counts)である。このEDS分析における、Siの検出限界は、1000ppmである。   FIG. 8A corresponds to the analysis result at the first analysis position Ap1. FIG. 8B corresponds to the analysis result at the second analysis position Ap2. The horizontal axis of Fig.8 (a) and FIG.8 (b) is energy Eg (keV: kiloelectron volt | bolt). The vertical axis represents intensity I (counts). The detection limit of Si in this EDS analysis is 1000 ppm.

この例では、第1Si含有層51sの成長時間TMs1は8分である。この条件は、第1Si含有層51sにおけるSi面密度が1.2×1015/cmである条件に対応する。第2Si含有層52sの成長時間TMs2は3分である。この条件は、第2Si含有層52sにおけるSi面密度が3.8×1014/cmである条件に対応する。 In this example, the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 8 minutes. This condition corresponds to the condition that the Si surface density in the first Si-containing layer 51s is 1.2 × 10 15 / cm 2 . The growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s is 3 minutes. This condition corresponds to the condition that the Si surface density in the second Si-containing layer 52s is 3.8 × 10 14 / cm 2 .

図8(a)及び図8(b)からわかるように、本実施形態においては、第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sから、Siが検出される。第1Si含有層51sにおけるSi濃度は、約4.5(atomic/%)と見積もられる。第2Si含有層52sにおけるSi濃度は、約3.9(atomic/%)と見積もられる。このように、本実施形態においては、Si含有層におけるSi濃度は、検出限界(1000ppm)以上である。Si含有層における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。   As can be seen from FIGS. 8A and 8B, in the present embodiment, Si is detected from the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s. The Si concentration in the first Si-containing layer 51s is estimated to be about 4.5 (atomic /%). The Si concentration in the second Si-containing layer 52s is estimated to be about 3.9 (atomic /%). Thus, in the present embodiment, the Si concentration in the Si-containing layer is not less than the detection limit (1000 ppm). By setting the Si concentration in the Si-containing layer to 1000 ppm or more, a great effect of reducing dislocations can be obtained.

III族窒化物半導体の成長方法として、III族窒化物半導体の結晶核を島状に形成し、その後、窒素源ガスを供給しながら珪素源ガスとIII族源ガスを交互に供給して、その結晶核を島状に成長させ、さらに、窒素源ガスとIII族源ガスを供給し、島状の結晶核からIII族窒化物半導体を各々成長させる方法がある。この方法においては、結晶核からIII族窒化物半導体を横方向に成長させ、隣り合う結晶核から各々成長した結晶が接合する接合部に転位を集中させ、結晶核の厚さの差を利用し転位を閉じ込めて、上層での転位密度を減少させる。すなわち、結晶核どうしの間で転位を減少させる。この方法では、Siの検出限界が1000ppmのEDS分析において、バッファ層や結晶核からSiはほぼ検出されないようにされる。   As a method for growing a group III nitride semiconductor, crystal nuclei of a group III nitride semiconductor are formed in an island shape, and then a silicon source gas and a group III source gas are alternately supplied while supplying a nitrogen source gas. There is a method in which crystal nuclei are grown in island shapes, and further, a nitrogen source gas and a group III source gas are supplied to grow group III nitride semiconductors from the island-like crystal nuclei. In this method, a group III nitride semiconductor is grown laterally from a crystal nucleus, and dislocations are concentrated at the junction where crystals grown from adjacent crystal nuclei join, and the difference in thickness of the crystal nuclei is utilized. Confine dislocations to reduce the dislocation density in the upper layer. That is, dislocations are reduced between crystal nuclei. In this method, Si is hardly detected from the buffer layer or the crystal nucleus in the EDS analysis in which the detection limit of Si is 1000 ppm.

これに対して、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51gの凸部51gp内の転位80が、凸部51gpの斜面51gs上に設けられた第2Si含有層52sにおいて、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、Si含有層におけるSi濃度は、十分に検出限界以上である。第1Si含有層51sにおけるSi濃度は、例えば、7×1019/cm以上4×1020/cm以下である。 On the other hand, in the nitride semiconductor device and the nitride semiconductor wafer according to the present embodiment, the dislocation 80 in the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is provided with the second Si provided on the inclined surface 51gs of the convex portion 51gp. It decreases in the layer 52s. And as already demonstrated, in this embodiment, Si concentration in Si content layer is fully more than a detection limit. The Si concentration in the first Si-containing layer 51 s is, for example, 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less.

以下、本実施形態に係る構成の例について説明する。
バッファ層60は、例えばAlNバッファ層62を有する。AlNバッファ層62の厚さは、例えば約100nm(例えば10nm以上400nm以下)である。バッファ層60として、GaN層を用いても良い。バッファ層60としてGaN層を用いる場合、そのGaN層の厚さは、約30nm(例えば20nm以上50nm以下)である。バッファ層60には、AlGaN、InGaN、または、AlInNなどの混晶を用いても良い。
Hereinafter, an example of a configuration according to the present embodiment will be described.
The buffer layer 60 includes, for example, an AlN buffer layer 62. The thickness of the AlN buffer layer 62 is, for example, about 100 nm (for example, not less than 10 nm and not more than 400 nm). A GaN layer may be used as the buffer layer 60. When a GaN layer is used as the buffer layer 60, the thickness of the GaN layer is about 30 nm (for example, 20 nm to 50 nm). The buffer layer 60 may be a mixed crystal such as AlGaN, InGaN, or AlInN.

基板40としてシリコン基板を用いる場合は、シリコン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を抑制し易い。バッファ層60がInを含むと、シリコン基板との格子不整合が抑制され、転位を抑制し易くなる。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い。このため、平坦性の良いバッファ層60を得るために、In組成比は、0.5以下とすることが好ましい。   When a silicon substrate is used as the substrate 40, it is easy to suppress meltback etching caused by the reaction between silicon and gallium by using AlN, which hardly causes chemical reaction with silicon, as the buffer layer 60 in contact with silicon. When the buffer layer 60 contains In, lattice mismatch with the silicon substrate is suppressed, and dislocation is easily suppressed. When the buffer layer 60 contains In, an In elimination reaction is likely to occur during crystal growth. For this reason, in order to obtain the buffer layer 60 with good flatness, the In composition ratio is preferably 0.5 or less.

積層体50にAlGaN層51aを設けることで、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51a中に圧縮応力が形成され、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が低減される。これにより、クラックの発生を抑制することができる。   By providing the laminated body 50 with the AlGaN layer 51a, the effect of suppressing meltback etching can be increased. Compressive stress is formed in the AlGaN layer 51a, and tensile stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the nitride semiconductor and the silicon substrate is reduced in the temperature lowering process after crystal growth. Thereby, generation | occurrence | production of a crack can be suppressed.

既に説明したように、AlGaN層51aは複数の層(例えば、第1〜第3AlGaN層51aa、51ab及び51acなど)を含んでも良い。これにより、AlGaN層51a中に形成される圧縮応力を増大することができる。AlGaN層51aが複数の層を含む場合、上方向に向かって、Al組成比が小さくなることが好ましい。   As already described, the AlGaN layer 51a may include a plurality of layers (for example, the first to third AlGaN layers 51aa, 51ab, and 51ac). Thereby, the compressive stress formed in the AlGaN layer 51a can be increased. When the AlGaN layer 51a includes a plurality of layers, it is preferable that the Al composition ratio decreases in the upward direction.

例えば、バッファ層60としてAlNを用いる場合、AlGaN層51aに設ける複数のAlGaN層のAl組成比は、例えば、AlNとGaNとの格子定数を積層数で等間隔に分割した格子定数差となるように設定される。AlNとGaNとの室温における格子不整合は、約2.1%である。   For example, when AlN is used as the buffer layer 60, the Al composition ratio of the plurality of AlGaN layers provided in the AlGaN layer 51a is, for example, a lattice constant difference obtained by dividing the lattice constant of AlN and GaN at equal intervals by the number of layers. Set to The lattice mismatch between AlN and GaN at room temperature is about 2.1%.

例えば、AlGaN層51a中に3つのAlGaN層を設ける場合は、AlGaN層どうしの格子定数差がおよそ0.7%程度となるように設定される。例えば、第1AlGaN層51aaにおけるAl組成比は、約0.55である。第2AlGaN層51abにおけるAl組成比は、例えば0.3である。第3AlGaN層51acにおけるAl組成比は、例えば0.15である。   For example, when three AlGaN layers are provided in the AlGaN layer 51a, the lattice constant difference between the AlGaN layers is set to about 0.7%. For example, the Al composition ratio in the first AlGaN layer 51aa is about 0.55. The Al composition ratio in the second AlGaN layer 51ab is, for example, 0.3. The Al composition ratio in the third AlGaN layer 51ac is, for example, 0.15.

例えば、AlGaN層51a中に2つのAlGaN層を設ける場合は、AlGaN層どうしの格子定数差がおよそ1.0%程度となるように設定される。例えば、第1AlGaN層51aaにおけるAl組成比は、約0.5である。第2AlGaN層51abにおけるAl組成比は、例えば0.2である。   For example, when two AlGaN layers are provided in the AlGaN layer 51a, the lattice constant difference between the AlGaN layers is set to about 1.0%. For example, the Al composition ratio in the first AlGaN layer 51aa is about 0.5. The Al composition ratio in the second AlGaN layer 51ab is, for example, 0.2.

AlGaN層どうしのAl組成比の差は一定ではない。これは、AlGaN層中に歪みが形成されているためである。AlGaN層における室温での格子不整合率は、例えば、X線回折測定により算出される。   The difference in Al composition ratio between AlGaN layers is not constant. This is because strain is formed in the AlGaN layer. The lattice mismatch rate at room temperature in the AlGaN layer is calculated by, for example, X-ray diffraction measurement.

第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sの少なくともいずれかは、SiN層を含んでも良い。第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sの少なくともいずれかは、GaNの一部に高濃度にSiがドーピングされた層(δドーピング層)でもよい。   At least one of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s may include a SiN layer. At least one of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s may be a layer (δ-doping layer) in which a part of GaN is doped with Si at a high concentration.

第1Si含有層51sを設けることで、第1Si含有層51sの上に第1GaN層51gを形成する際に、第1GaN層51gが三次元的に成長する。第1Si含有層51sにおいて、積層方向に垂直な面(X−Y平面)内で、Si濃度や厚さに揺らぎがある。例えば、Si濃度の低い部分または厚さが薄い部分に、選択的に第1GaN層51gが成長し易い。これにより、第1GaN層51gが三次元的に成長する。   By providing the first Si-containing layer 51s, the first GaN layer 51g grows three-dimensionally when the first GaN layer 51g is formed on the first Si-containing layer 51s. In the first Si-containing layer 51s, the Si concentration and thickness fluctuate within a plane (XY plane) perpendicular to the stacking direction. For example, the first GaN layer 51g is likely to grow selectively in a portion having a low Si concentration or a portion having a small thickness. Thereby, the first GaN layer 51g grows three-dimensionally.

第1GaN層51g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80が積層方向(Z軸方向)に対して平行方向に向けて曲がる。これにより、上層(機能層15)に到達する転位80の数を低減できる。   As the first GaN layer 51g grows three-dimensionally, the dislocations 80 generated in the buffer layer 60 bend in a direction parallel to the stacking direction (Z-axis direction). Thereby, the number of dislocations 80 reaching the upper layer (functional layer 15) can be reduced.

第1Si含有層51sによって第1GaN層51gの成長が抑制される領域(第1GaN層51gの凸部51gp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1Si含有層51s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る。第1Si含有層51sの被覆率が高いと、転位80の低減効果は増大する。   In the region where the growth of the first GaN layer 51g is suppressed by the first Si-containing layer 51s (the region between the protrusions 51gp of the first GaN layer 51g), the dislocation 80 generated in the buffer layer 60 is shielded by the first Si-containing layer 51s. Is done. Thereby, propagation to the upper layer of the dislocation 80 is suppressed. When the coverage of the first Si-containing layer 51s is high, the effect of reducing dislocations 80 increases.

第1Si含有層51sは、AlGaN層51aに接する。AlGaN層51aと第1GaN層51gとが第1Si含有層51sを介して近接する。これにより、第1GaN層51gは、AlGaN層51a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51g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。さらに、AlGaN層51aと第1GaN層51gとが第1Si含有層51sを介して近接する部分で生じる転位を低減できる。   The first Si-containing layer 51s is in contact with the AlGaN layer 51a. The AlGaN layer 51a and the first GaN layer 51g are close to each other through the first Si-containing layer 51s. As a result, the first GaN layer 51g grows while being affected by the lattice mismatch difference with the AlGaN layer 51a. By providing the lattice mismatch difference, the first GaN layer 51g is more easily grown three-dimensionally, and the dislocation reduction effect is increased. Furthermore, dislocations that occur in a portion where the AlGaN layer 51a and the first GaN layer 51g are close to each other via the first Si-containing layer 51s can be reduced.

第1Si含有層51sの厚さは、0.4原子層以上2原子層以下であり、例えば、例えば1原子層である。第1Si含有層51sの厚さが0.4原子層よりも薄いと、第1GaN層51gの三次元成長が生じ難くなり、転位80の低減効果が小さくなる。第1Si含有層51sの厚さが2原子層よりも厚いと、第1GaN層51gの成長が困難になる。   The thickness of the first Si-containing layer 51s is not less than 0.4 atomic layer and not more than 2 atomic layer, for example, 1 atomic layer. If the thickness of the first Si-containing layer 51s is thinner than the 0.4 atomic layer, the three-dimensional growth of the first GaN layer 51g is difficult to occur, and the effect of reducing the dislocations 80 is reduced. If the thickness of the first Si-containing layer 51s is thicker than the diatomic layer, the growth of the first GaN layer 51g becomes difficult.

第1Si含有層51sの厚さは、透過型電子顕微鏡像による直接観察、または、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分析法の場合、層中のSi濃度が2×1020cm程度の場合が、1原子層に相当する。このSi濃度は、面密度に換算すると、1×1015cm程度のSi面密度に対応する。 The thickness of the first Si-containing layer 51s can be estimated by direct observation using a transmission electron microscope image or by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In the case of SIMS analysis, the case where the Si concentration in the layer is about 2 × 10 20 cm 3 corresponds to one atomic layer. This Si concentration corresponds to a Si surface density of about 1 × 10 15 cm 2 in terms of surface density.

第1GaN層51gの上に第2Si含有層52sが設けられる。第1GaN層51gは、凸部51gpを含む。凸部51gpは、積層方向(Z軸方向)に垂直な平面(X−Y平面)に対して傾斜した斜面51gsを有する。斜面51gsは、例えば、(10−11)面または(11−22)面などのファセット面である。また、斜面51gsは、特定の結晶面でなくても良い。凸部51gpにおいて、斜面51gsとX−Y平面との間の角度は、変化しても良い。凸部51gpは、錐状、または、ドーム状の形状を有しても良い。   A second Si-containing layer 52s is provided on the first GaN layer 51g. The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp. The convex part 51gp has a slope 51gs inclined with respect to a plane (XY plane) perpendicular to the stacking direction (Z-axis direction). The inclined surface 51gs is, for example, a facet surface such as a (10-11) surface or a (11-22) surface. The slope 51gs may not be a specific crystal plane. In the convex portion 51gp, the angle between the inclined surface 51gs and the XY plane may change. The convex portion 51gp may have a conical shape or a dome shape.

第1GaN層51gに含まれる凸部51gpどうしの間において、第1Si含有層51sの一部が露出している。露出した第1Si含有層51sの上、第1GaN層51gの上(凸部51gpの斜面51gsの上、及び、凸部51gpの上面(頂面51gt)の上)に、第2Si含有層52sが形成される。第1GaN層51gの斜面51gsの上に第2Si含有層52sを形成することで、斜面51gsと第2Si含有層52sとの界面で、転位80の屈曲を生じさせ、機能層15に伝播する転位80を低減できる。   A part of the first Si-containing layer 51s is exposed between the protrusions 51gp included in the first GaN layer 51g. A second Si-containing layer 52s is formed on the exposed first Si-containing layer 51s, on the first GaN layer 51g (on the slope 51gs of the convex portion 51gp and on the upper surface (top surface 51gt) of the convex portion 51gp). Is done. By forming the second Si-containing layer 52s on the inclined surface 51gs of the first GaN layer 51g, the dislocation 80 is caused to bend at the interface between the inclined surface 51gs and the second Si-containing layer 52s and propagates to the functional layer 15. Can be reduced.

第2Si含有層52sの一部が第1Si含有層51sと接すると、Si含有層による転位80の遮蔽効果が増大する。これにより、バッファ層60で生じた転位80の上層(機能層15)への伝播の抑制効果が増大する。   When a part of the second Si-containing layer 52s is in contact with the first Si-containing layer 51s, the shielding effect of the dislocation 80 by the Si-containing layer is increased. As a result, the effect of suppressing propagation of dislocations 80 generated in the buffer layer 60 to the upper layer (functional layer 15) is increased.

第2Si含有層52sの厚さは、0.2原子層以上2原子層以下(例えば0.5原子層)であることが好ましい。第2Si含有層52sの厚さが0.2原子層よりも薄いと、斜面51gsでの転位80の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られず、転位密度の低減効果が小さくなる。第2Si含有層52sの厚さが、2原子層よりも厚いと、第2GaN層52gが成長し難くなる。結果として、第2GaN層52gでの平坦化が困難となる。   The thickness of the second Si-containing layer 52s is preferably 0.2 atomic layer or more and 2 atomic layer or less (for example, 0.5 atomic layer). If the thickness of the second Si-containing layer 52s is smaller than the 0.2 atomic layer, the bending effect or shielding effect of the dislocation 80 on the inclined surface 51gs cannot be sufficiently obtained, and the dislocation density reducing effect is reduced. If the thickness of the second Si-containing layer 52s is thicker than the diatomic layer, the second GaN layer 52g is difficult to grow. As a result, it is difficult to planarize the second GaN layer 52g.

第2Si含有層52sの厚さは、第1Si含有層51sの厚さよりも薄いことが好ましい。第2Si含有層52sの厚さが第1Si含有層51sの厚さよりも厚くなると、第1GaN層51gの凸部51gpの斜面51gs上に、高密度の凹凸が形成され、表面平坦性が低下する。このため、機能層15の特性が低下し易くなる。   The thickness of the second Si-containing layer 52s is preferably thinner than the thickness of the first Si-containing layer 51s. When the thickness of the second Si-containing layer 52s is larger than the thickness of the first Si-containing layer 51s, high-density irregularities are formed on the slope 51gs of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g, and the surface flatness is lowered. For this reason, the characteristics of the functional layer 15 are likely to deteriorate.

第1Si含有層51sの厚さと第2Si含有層52sの厚さとの和は、0.7原子層以上2原子層以下とすることが好ましい。厚さの和が0.7原子層よりも薄いと、Si含有層による転位80の屈曲効果または遮蔽効果が得難くなる。厚さの和が2原子層よりも厚いと、GaN層での凹凸形成が過剰となり、平坦性が悪化する。さらに、厚さの和が2原子層よりも厚いと、凹凸形成によるGaN層中の引っ張り応力の形成により、クラックが生じやすくなる。   The sum of the thickness of the first Si-containing layer 51s and the thickness of the second Si-containing layer 52s is preferably 0.7 atomic layer or more and 2 atomic layers or less. If the sum of the thicknesses is thinner than the 0.7 atomic layer, it is difficult to obtain the bending effect or shielding effect of the dislocation 80 by the Si-containing layer. If the sum of the thicknesses is thicker than the diatomic layer, the formation of irregularities in the GaN layer becomes excessive and the flatness deteriorates. Furthermore, if the sum of the thicknesses is greater than the diatomic layer, cracks are likely to occur due to the formation of tensile stress in the GaN layer due to the formation of irregularities.

第2Si含有層52sの上に、十分な厚さの第2GaN層52gが形成されることで、第2GaN層52gの上面は平坦になる。そして、第2GaN層52gの上に形成される機能層15の主面は、平坦になる。   By forming the sufficiently thick second GaN layer 52g on the second Si-containing layer 52s, the upper surface of the second GaN layer 52g becomes flat. The main surface of the functional layer 15 formed on the second GaN layer 52g is flat.

図9(a)〜図9(c)は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する電子顕微鏡写真像である。
これらの図は、第1Si含有層51sの上に第1GaN層51gを形成した3つの試料のSEM像である。これらの図においては、第1GaN層51gの形状が表されている。これらの試料においては、層の形成状件が、互いに異なる。これらの図は、窒化物半導体ウェーハの例も示している。
FIG. 9A to FIG. 9C are electron micrograph images illustrating the nitride semiconductor device according to the embodiment.
These drawings are SEM images of three samples in which the first GaN layer 51g is formed on the first Si-containing layer 51s. In these drawings, the shape of the first GaN layer 51g is shown. In these samples, the formation conditions of the layers are different from each other. These figures also show examples of nitride semiconductor wafers.

図9(a)に示した第1例S01では、AlGaN層51aの上に、基板温度が1040℃で、濃度10ppmのシラン(SiH)を流量350cc、アンモニアを流量20L/分で、3分間供給し、第1Si含有層51sが形成される。その後、基板温度が1090℃で、TMGaを流量56cc/分、アンモニアを流量40L/分にて、5分間供給し、第1GaN層51gが形成される。TMGaの流量56cc/分は、273μmol/分に相当する。したがって、第1例S01においては、第1GaN層51gの形成の際のV/III比は、6500である。第1Si含有層51sの厚さは、約0.4原子層である。 In the first example S01 shown in FIG. 9A, on the AlGaN layer 51a, the substrate temperature is 1040 ° C., silane (SiH 4 ) having a concentration of 10 ppm is flowed 350 cc, and ammonia is flowed 20 L / min for 3 minutes. The first Si-containing layer 51s is formed. Thereafter, TMGa is supplied at a flow rate of 56 cc / min and ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min for 5 minutes at a substrate temperature of 1090 ° C., thereby forming the first GaN layer 51 g. The TMGa flow rate of 56 cc / min corresponds to 273 μmol / min. Therefore, in the first example S01, the V / III ratio at the time of forming the first GaN layer 51g is 6500. The thickness of the first Si-containing layer 51s is about 0.4 atomic layer.

図9(b)に示した第2例S02では、第1Si含有層51sの形成の際の成長時間が、8分である。それ以外は、第1例S01と同じである。第2例S02における第1Si含有層51sの厚さは、約1原子層である。   In the second example S02 shown in FIG. 9B, the growth time for forming the first Si-containing layer 51s is 8 minutes. The rest is the same as the first example S01. The thickness of the first Si-containing layer 51s in the second example S02 is about one atomic layer.

図9(c)に示した第3例S03では、第1GaN層51gの形成の際のアンモニア流量が2.5L/分である。それ以外は、第1例S01と同じである。第3例S03においては、第1GaN層51gの形成の際のV/III比は、490と低い。   In the third example S03 shown in FIG. 9C, the ammonia flow rate when forming the first GaN layer 51g is 2.5 L / min. The rest is the same as the first example S01. In the third example S03, the V / III ratio at the time of forming the first GaN layer 51g is as low as 490.

図9(a)から分かるように、第1例S01においては、第1GaN層51gは、島状の結晶である。第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、150nm〜200nmである。第1GaN層51gの凸部51gpの径(幅、すなわち、X−Y平面に対向な方向の長さ))は、約1.5μmである。第1例S01においては、高さが50nm以下の微結晶が多数観察される。   As can be seen from FIG. 9A, in the first example S01, the first GaN layer 51g is an island-shaped crystal. The height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is 150 nm to 200 nm. The diameter (width, that is, the length in the direction facing the XY plane) of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is about 1.5 μm. In the first example S01, many microcrystals having a height of 50 nm or less are observed.

図9(b)から分かるように、第2例S02(第1Si含有層51sの形成時間を8分と長い)では、第1GaN層51gの高さtg1が、200nm〜500nmに増大する。一方、第1GaN層51gの凸部51gpの径(幅)は約0.8μm程度に減少する。第2例S02においては、上記の微結晶(高さが50nm以下の微結晶)は、実質的に観察されない。   As can be seen from FIG. 9B, in the second example S02 (the formation time of the first Si-containing layer 51s is as long as 8 minutes), the height tg1 of the first GaN layer 51g increases to 200 nm to 500 nm. On the other hand, the diameter (width) of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is reduced to about 0.8 μm. In the second example S02, the above-mentioned microcrystals (microcrystals having a height of 50 nm or less) are not substantially observed.

このように、第1Si含有層51sの厚さによって、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1と径(幅)とを変化させることができる。Si含有層51sの成長時間が長い、すなわち、第1Si含有層51sの厚さが厚いと、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が大きくなる。   Thus, the height tg1 and the diameter (width) of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g can be changed depending on the thickness of the first Si-containing layer 51s. When the growth time of the Si-containing layer 51s is long, that is, when the thickness of the first Si-containing layer 51s is thick, the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g increases.

図9(c)から分かるように、第3例S03(第1GaN層51gの形成の際のV/III比が490と低い)では、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が、400nm〜700nmに増大する。そして、斜面51gsの面積が増大する。凸部51gpは、錐状、または、ドーム状の形状となる。一方、第1GaN層51gの凸部51gpの径(幅)は、約1.5μmであり、第1例S01と実質的に同様である。   As can be seen from FIG. 9C, in the third example S03 (V / III ratio when forming the first GaN layer 51g is as low as 490), the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is 400 nm. Increase to ˜700 nm. And the area of the slope 51gs increases. The convex portion 51gp has a conical shape or a dome shape. On the other hand, the diameter (width) of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is about 1.5 μm, which is substantially the same as the first example S01.

このように、第1GaN層51gの形成におけるV/III比によって、第1GaN層51gの凸部51gp高さtg1、及び、斜面51gsの形状を変化させることができる。V/III比が低いと、高さtg1が高くなる。V/III比が低いと、斜面51gsの凸部51gpの全体に占める割合が、増大する。   Thus, the convex part 51gp height tg1 of the first GaN layer 51g and the shape of the slope 51gs can be changed by the V / III ratio in the formation of the first GaN layer 51g. When the V / III ratio is low, the height tg1 is high. When the V / III ratio is low, the ratio of the slope 51gs to the entire convex portion 51gp increases.

図10(a)〜図10(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。 これらの図は、第1Si含有層51sの成長時間(厚さ)、並びに、第1GaN層51gの形成の際のV/III比、成長温度、及び、成長速度を変えたときの、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1の例を表している。これらの図は、窒化物半導体ウェーハの特性の例も例示している。
この例では、第1Si含有層51s及び第1GaN層51gに関して以下で説明しない条件は、図9(a)に関して説明した条件と同じである。
FIG. 10A to FIG. 10D are graphs illustrating characteristics of the nitride semiconductor device. These drawings show the first GaN layer when the growth time (thickness) of the first Si-containing layer 51s, the V / III ratio, the growth temperature, and the growth rate when the first GaN layer 51g is formed are changed. The example of the height tg1 of the 51g convex part 51gp is represented. These figures also illustrate examples of characteristics of nitride semiconductor wafers.
In this example, the conditions not described below with respect to the first Si-containing layer 51s and the first GaN layer 51g are the same as the conditions described with reference to FIG.

これらの図の縦軸は、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1である。図10(a)の横軸は、第1Si含有層51sの成長時間TMs1(分)である。図10(b)の横軸は、第1GaN層51gの形成の際のV/III比であるRg1(V/III)である。図10(c)の横軸は、第1GaN層51gの形成の際の成長温度GTg1(℃)である。図10(d)の横軸は、第1GaN層51gの形成の際の成長速度GRg1(nm/分)である。   In these drawings, the vertical axis represents the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. The horizontal axis of FIG. 10A is the growth time TMs1 (minute) of the first Si-containing layer 51s. The horizontal axis of FIG.10 (b) is Rg1 (V / III) which is V / III ratio at the time of formation of the 1st GaN layer 51g. The horizontal axis of FIG.10 (c) is the growth temperature GTg1 (degreeC) at the time of formation of the 1st GaN layer 51g. The horizontal axis of FIG. 10D is the growth rate GRg1 (nm / min) when the first GaN layer 51g is formed.

図10(a)に表したように、第1Si含有層51sの成長時間TMs1が長いと、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が大きくなる。例えば、第1Si含有層51sの成長時間TMs1が5分の場合には、高さtg1は、300nmである。成長時間TMs1が11分の場合には、高さtg1は、600nmである。   As shown in FIG. 10A, when the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is long, the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g increases. For example, when the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 5 minutes, the height tg1 is 300 nm. When the growth time TMs1 is 11 minutes, the height tg1 is 600 nm.

図10(b)は、第1GaN層51gの形成の際にV/III比を変えたときの、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1の変化を表している。この実験では、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化させられている。   FIG. 10B shows a change in the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g when the V / III ratio is changed when the first GaN layer 51g is formed. In this experiment, the supply amount of TMGa, which is a group III source gas, is constant at 56 cc / min, and the supply amount of ammonia is changed.

図10(b)に表したように、第1GaN層51gの形成の際のV/III比(Rg1(V/III))が低いと、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が大きくなる。V/III比が3250の場合には、高さtg1は450nmである。V/III比が410の場合には、高さtg1は1000nmである。   As shown in FIG. 10B, when the V / III ratio (Rg1 (V / III)) when forming the first GaN layer 51g is low, the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is large. Become. When the V / III ratio is 3250, the height tg1 is 450 nm. When the V / III ratio is 410, the height tg1 is 1000 nm.

図10(c)に表したように、第1GaN層51gの形成の際の、成長温度GTg1(基板温度)が低いと、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が大きくなる。例えば、第1GaN層51gの形成における成長温度GTg1が1050℃の場合には、高さtg1は550nmである。成長温度GTg1が1120℃の場合には、高さtg1は210nmである。第1GaN層51gの成長温度GTg1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51gの成長温度GTg1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。第1GaN層51gの成長温度GTg1は、1000℃以上1120℃以下が好ましい。   As shown in FIG. 10C, when the growth temperature GTg1 (substrate temperature) at the time of forming the first GaN layer 51g is low, the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g increases. For example, when the growth temperature GTg1 in forming the first GaN layer 51g is 1050 ° C., the height tg1 is 550 nm. When the growth temperature GTg1 is 1120 ° C., the height tg1 is 210 nm. If the growth temperature GTg1 of the first GaN layer 51g is higher than 1120 ° C., meltback etching is likely to occur, and the crystal is likely to deteriorate. If the growth temperature GTg1 of the first GaN layer 51g is lower than 1000 ° C., pits are likely to be generated, and the crystal is likely to deteriorate. The growth temperature GTg1 of the first GaN layer 51g is preferably 1000 ° C. or higher and 1120 ° C. or lower.

図10(d)は、第1GaN層51gの形成の際の成長速度GRg1を変えたときの、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1の変化を表している。この実験では、TMGaの供給量が変化させられている。その際、第1GaN層51g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ている。例えば、TMGaの流量を112cc/分と2倍にした場合には、成長時間を2.5分と、1/2倍にされている。   FIG. 10D shows a change in the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g when the growth rate GRg1 when forming the first GaN layer 51g is changed. In this experiment, the supply amount of TMGa is changed. At this time, the growth time is changed so that the total supply amount of the source gas when forming the first GaN layer 51g is constant. For example, when the flow rate of TMGa is doubled to 112 cc / min, the growth time is halved to 2.5 minutes.

図10(d)に表したように、第1GaN層51gの成長速度GRg1が低い(遅い)と、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が大きくなる。例えば、第1GaN層51gの成長速度GRg1が19nm/分の場合には、高さtg1は550nmである。成長速度GRg1が48nm/分の場合には、高さtg1は250nmである。   As shown in FIG. 10D, when the growth rate GRg1 of the first GaN layer 51g is low (slow), the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g increases. For example, when the growth rate GRg1 of the first GaN layer 51g is 19 nm / min, the height tg1 is 550 nm. When the growth rate GRg1 is 48 nm / min, the height tg1 is 250 nm.

図11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は、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1と、窒化物半導体素子(及び窒化物半導体ウェーハ)における刃状転位密度Deと、の関係を例示している。   FIG. 11 is a graph illustrating characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 11 illustrates the relationship between the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g and the edge dislocation density De in the nitride semiconductor element (and nitride semiconductor wafer).

図11の横軸は、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1である。高さtg1は、断面SEM像で観察される複数の凸部51gpのうちで、最も高い凸部51gpの高さである。この値は、断面SEM像で観察される複数の凸部51gpのうちで、最も大きな島の高さに対応する。   The horizontal axis in FIG. 11 is the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g. The height tg1 is the height of the highest convex portion 51gp among the plurality of convex portions 51gp observed in the cross-sectional SEM image. This value corresponds to the largest island height among the plurality of convex portions 51gp observed in the cross-sectional SEM image.

第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、前述したように、第1Si含有層51sの成長時間TMs1(第1Si含有層51sの厚さに対応)、並びに、第1GaN層51gの形成におけるV/III比(Rg1(V/III))、第1GaN層51gの形成における成長温度GTg1、及び、第1GaN層51gの形成における成長速度GRg1を変えることで、変化させた。具体的には、第1Si含有層51sの成長時間TMs1を長くする(第1Si含有層51sを厚くする)ことで、高さtg1が増大する。第1GaN層51gの形成時のアンモニア供給量(V/III比)を減少することで、高さtg1が増大する。第1GaN層51gの形成時の成長温度GTg1を低くすることで、高さtg1が増大する。第1GaN層51gの成長速度GRg1を低く(遅く)することで、高さtg1が増大する。   As described above, the height tg1 of the protrusion 51gp of the first GaN layer 51g corresponds to the growth time TMs1 (corresponding to the thickness of the first Si-containing layer 51s) of the first Si-containing layer 51s and the formation of the first GaN layer 51g. The V / III ratio (Rg1 (V / III)), the growth temperature GTg1 in the formation of the first GaN layer 51g, and the growth rate GRg1 in the formation of the first GaN layer 51g were changed. Specifically, the height tg1 is increased by increasing the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s (thickening the first Si-containing layer 51s). The height tg1 is increased by decreasing the ammonia supply amount (V / III ratio) when forming the first GaN layer 51g. By reducing the growth temperature GTg1 when forming the first GaN layer 51g, the height tg1 increases. The height tg1 is increased by decreasing (slowing) the growth rate GRg1 of the first GaN layer 51g.

図11に表したように、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が0nmの場合、刃状転位密度Deは高い。高さtg1が0nmの場合は、第1GaN層51gが平坦な場合に対応する。一方、高さtg1が1000nmよりも大きい場合も、刃状転位密度Deは高い。   As shown in FIG. 11, when the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is 0 nm, the edge dislocation density De is high. The case where the height tg1 is 0 nm corresponds to the case where the first GaN layer 51g is flat. On the other hand, also when the height tg1 is larger than 1000 nm, the edge dislocation density De is high.

これに対して、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1が100nm以上1000nm以下の場合は、刃状転位密度Deが低い。高さtg1が100nm以上1000nm以下の場合は、刃状転位密度Deは、4×10(/cm)以下(例えば、3×10(/cm)以上4×10(/cm)以下)である。 On the other hand, when the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is 100 nm or more and 1000 nm or less, the edge dislocation density De is low. When the height tg1 is 100 nm or more and 1000 nm or less, the edge dislocation density De is 4 × 10 8 (/ cm 2 ) or less (eg, 3 × 10 8 (/ cm 2 ) or more and 4 × 10 8 (/ cm 2). ) Below).

凸部51gpの高さtg1が100nmよりも低い場合には、斜面51gsの形成が不十分であり、積層方向に対して垂直な平坦面(頂面51gt)の結晶表面に占める割合が大きい。このため、斜面51gs上に設けられた第2Si含有層52sによる転位80の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られないと考えられる。凸部51gpの高さtg1が100nmよりも低い場合には、第1GaN層51gの結晶の体積(表面積)が小さいため、結晶内で転位80の伝播方向が変化せず、第1GaN層51g中での転位低減効果が小さくなると考えられる。   When the height tg1 of the convex portion 51gp is lower than 100 nm, the slope 51gs is not sufficiently formed, and the ratio of the flat surface (top surface 51gt) perpendicular to the stacking direction to the crystal surface is large. For this reason, it is considered that the bending effect or shielding effect of the dislocation 80 by the second Si-containing layer 52s provided on the inclined surface 51gs is not sufficiently obtained. When the height tg1 of the convex portion 51gp is lower than 100 nm, since the volume (surface area) of the crystal of the first GaN layer 51g is small, the propagation direction of the dislocation 80 does not change in the crystal, and the first GaN layer 51g It is considered that the effect of reducing dislocation is reduced.

凸部51gpの高さtg1が1000nmよりも高い場合には、隣り合う凸部51gpどうしが合体しやすくなり、第1Si含有層51sと第2Si含有層52sとが接する領域が小さくなる。その結果、バッファ層60で生じた転位80の遮蔽効果が低減し、転位密度が増加すると考えられる。   When the height tg1 of the convex portion 51gp is higher than 1000 nm, adjacent convex portions 51gp are easily united, and the region where the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s are in contact with each other is reduced. As a result, it is considered that the shielding effect of dislocations 80 generated in the buffer layer 60 is reduced and the dislocation density is increased.

高さtg1が1000nmよりも大きな凹凸を形成すると、第2GaN層52gにおける平坦化が困難となり、第2GaN層52gの表面にピットが形成されやすくなる。実験の結果、第2GaN層52gの厚さが、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1の2倍程度以上になると、平坦な第2GaN層52gが得られることがわかった。本実施形態においては、第2GaN層52gの厚さは、例えば約2μmである。第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、第2GaN層52gの厚さの1/2以下である。   When unevenness having a height tg1 larger than 1000 nm is formed, it is difficult to planarize the second GaN layer 52g, and pits are easily formed on the surface of the second GaN layer 52g. As a result of the experiment, it was found that when the thickness of the second GaN layer 52g is about twice or more the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g, a flat second GaN layer 52g is obtained. In the present embodiment, the thickness of the second GaN layer 52g is, for example, about 2 μm. The height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is ½ or less of the thickness of the second GaN layer 52g.

平坦な層においては、その層の表面の面積の90%以上の面積の領域が、層の主面と平行である。   In a flat layer, a region having an area of 90% or more of the surface area of the layer is parallel to the main surface of the layer.

このように、第1GaN層51gの凸部51gpの高さtg1は、100nm以上1000nm以下であることが好ましい。この場合に、転位密度が効果的に低減する。高さtg1は、より好ましくは、300nm以上800nm以下である。   Thus, the height tg1 of the convex portion 51gp of the first GaN layer 51g is preferably 100 nm or more and 1000 nm or less. In this case, the dislocation density is effectively reduced. The height tg1 is more preferably not less than 300 nm and not more than 800 nm.

図12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12は、第1Si含有層51sの成長時間を変えたときの、刃状転位密度Deの変化に関する実験結果を例示している。横軸は、第1Si含有層51sの成長時間TMs1であり、第1Si含有層51sの厚さに対応する。この実験では、第2Si含有層52sの成長時間TMs2は、3分である。第1GaN層51gは、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の流量が56cc/分、アンモニアの流量が40L/分にて形成される。第1GaN層51gの成長時間は、5分である。   FIG. 12 is a graph illustrating characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 12 illustrates the experimental results regarding the change in the edge dislocation density De when the growth time of the first Si-containing layer 51s is changed. The horizontal axis represents the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s and corresponds to the thickness of the first Si-containing layer 51s. In this experiment, the growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s is 3 minutes. The first GaN layer 51g is formed at a substrate temperature of 1090 ° C., in a mixed atmosphere with a hydrogen / nitrogen ratio of 2: 1, with a TMGa flow rate of 56 cc / min and an ammonia flow rate of 40 L / min. The growth time of the first GaN layer 51g is 5 minutes.

図12からわかるように、第1Si含有層51sの成長時間TMs1が3分以上16分以下において、刃状転位密度Deが低くなる。成長時間TMs1が3分よりも短い、または、16分よりも長い場合には、刃状転位密度Deは高い。第1Si含有層51sの成長時間TMs1が17分のときは、機能層15の表面にピットが形成され、十分に平坦化ができない。   As can be seen from FIG. 12, the edge dislocation density De decreases when the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 3 minutes or more and 16 minutes or less. When the growth time TMs1 is shorter than 3 minutes or longer than 16 minutes, the edge dislocation density De is high. When the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 17 minutes, pits are formed on the surface of the functional layer 15, and sufficient planarization cannot be performed.

本実験では、第1Si含有層51sの成長時間TMs1が8分のときが、第1Si含有層51sの厚さが1原子層である条件に相当する。   In this experiment, the time when the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 8 minutes corresponds to the condition that the thickness of the first Si-containing layer 51s is one atomic layer.

図12の結果から、第1Si含有層51sの厚さが0.4原子層以上2原子層以下の場合に、低い刃状転位密度Deが得られることが分かる。第1Si含有層51sの厚さが0.4原子層よりも薄い場合には、転位密度が高くなる。これは、第1GaN層51gの三次元成長が生じ難く、転位密度の低減効果が小さいためと考えられる。第1Si含有層51sの厚さが2原子よりも厚い場合には、転位密度が高くなる。これは、第1GaN層51gが実質的に成長しなくなるためと考えられる。   From the result of FIG. 12, it can be seen that a low edge dislocation density De is obtained when the thickness of the first Si-containing layer 51s is not less than 0.4 atomic layer and not more than 2 atomic layer. When the thickness of the first Si-containing layer 51s is thinner than the 0.4 atomic layer, the dislocation density is increased. This is presumably because three-dimensional growth of the first GaN layer 51g hardly occurs and the effect of reducing the dislocation density is small. When the thickness of the first Si-containing layer 51s is thicker than 2 atoms, the dislocation density is increased. This is considered because the first GaN layer 51g does not substantially grow.

第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sの厚さは、TEM像による直接観察、または、SIMS分析により見積もることができる。   The thicknesses of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s can be estimated by direct observation with a TEM image or SIMS analysis.

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場合がある。この場合、例えば、Si含有層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、Si含有層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。   In the case of SIMS analysis, the Si concentration may be observed to expand in the thickness (depth) direction depending on measurement conditions such as the sputtering rate. In this case, for example, with respect to the maximum value (maximum value) of the Si concentration in the region corresponding to the Si-containing layer, the sum of the Si concentrations up to the region where the Si concentration is reduced to a value of 10% (the thickness of the Si atoms) (Integral value of direction) can be regarded as the number of Si atoms per unit area (Si surface density) contained in the Si-containing layer.

Si含有層の厚さは、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、Si含有層中のSi原子が、一様に、GaN層のGa原子(III族原子)と置換した場合における、Siに置換されたGaN層の厚さとして見積もることができる。   The thickness of the Si-containing layer can be estimated using the sum of the Si concentrations (Si surface density). That is, it can be estimated as the thickness of the GaN layer substituted with Si when Si atoms in the Si-containing layer are uniformly substituted with Ga atoms (Group III atoms) in the GaN layer.

本願明細書においては、Si含有層中の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のSi含有層の厚さを、1原子層とする。   In the present specification, the thickness of the Si-containing layer when the number of Si atoms in the Si-containing layer is a number that replaces Ga atoms corresponding to one layer of the GaN layer is defined as one atomic layer.

GaN層における(0001)面のGa原子(III族原子)の面密度は、約1×1015(/cm)である。したがって、膜中のSiの面密度が1×1015(/cm)程度の場合に、第1Si含有層51s、及び第2Si含有層52sの厚さが1原子層であることに相当する。 The surface density of Ga atoms (Group III atoms) on the (0001) plane in the GaN layer is about 1 × 10 15 (/ cm 2 ). Therefore, when the surface density of Si in the film is about 1 × 10 15 (/ cm 2 ), this corresponds to the thickness of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s being one atomic layer.

SIMS分析において、例えば、Si濃度のピーク値が2×1020(/cm)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、1×1015(/cm)程度のSi面密度に相当する。 In SIMS analysis, for example, when the peak value of the Si concentration is 2 × 10 20 (/ cm 3 ) and has a width of 200 nm, when converted to the surface density, it is about 1 × 10 15 (/ cm 2 ). This corresponds to the Si surface density.

すなわち、膜中のSi濃度が2×1020(/cm)程度の場合が、Si含有層の厚さが1原子層であることに相当する。したがって、「第1Si含有層51sの厚さが0.4原子層以上2原子層以下の場合に転位密度が低減する」は、「第1Si含有層51sにおけるSi濃度が、7×1019/cm以上4.0×1020(/cm)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、膜中のSi面密度が3.5×1014(/cm)以上2.0×1015(/cm)以下の場合に、転位密度が低くなる。 That is, the case where the Si concentration in the film is about 2 × 10 20 (/ cm 3 ) corresponds to the thickness of the Si-containing layer being one atomic layer. Therefore, “the dislocation density is reduced when the thickness of the first Si-containing layer 51s is not less than 0.4 atomic layer and not more than 2 atomic layers” means that the Si concentration in the first Si-containing layer 51s is 7 × 10 19 / cm. The dislocation density is reduced when it is 3 or more and 4.0 × 10 20 (/ cm 3 ) or less ”, and the dislocation density becomes low. And when Si surface density in a film is 3.5 * 10 < 14 > (/ cm < 2 >) or more and 2.0 * 10 < 15 > (/ cm < 2 >) or less, a dislocation density becomes low.

第1Si含有層51sの成長時間TMs1を変えると、第1Si含有層51sにおけるSi濃度が変化する。第1Si含有層51sの成長時間TMs1を変えて第1Si含有層51sにおけるSi濃度を変化させた試料について、第1Si含有層51sにおけるSi濃度と、転位密度と、の関係について説明する。   When the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is changed, the Si concentration in the first Si-containing layer 51s changes. The relationship between the Si concentration in the first Si-containing layer 51s and the dislocation density will be described for the sample in which the Si concentration in the first Si-containing layer 51s is changed by changing the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s.

図13(a)及び図13(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。
これらの図は、図12に示した試料に関して、第1Si含有層51sにおけるSi濃度と刃状転位密度Deと、の関係を示す。図13(a)の横軸は、第1Si含有層51sにおけるSi濃度CSv1(/cm)である。図13(b)の横軸は、第1Si含有層51sにおけるSi面密度CSa1(/cm)である。CSv1は、実質的に、CSa1×2×10である。
FIG. 13A and FIG. 13B are graphs illustrating characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
These figures show the relationship between the Si concentration in the first Si-containing layer 51s and the edge dislocation density De for the sample shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 13A is the Si concentration CSv1 (/ cm 3 ) in the first Si-containing layer 51s. The horizontal axis of FIG.13 (b) is Si surface density CSa1 (/ cm < 2 >) in the 1st Si content layer 51s. CSv1 is substantially CSa1 × 2 × 10 5 .

図13(a)から分かるように、第1Si含有層51sにおけるSi濃度CSv1が7×1019以上4×1020(/cm)のときに、低い刃状転位密度Deが得られる。 As can be seen from FIG. 13A, when the Si concentration CSv1 in the first Si-containing layer 51s is 7 × 10 19 or more and 4 × 10 20 (/ cm 3 ), a low edge dislocation density De is obtained.

図13(b)から分かるように、第1Si含有層51sにおけるSi面密度CSa1が3.5×1014以上2×1015(/cm)のときに、低い刃状転位密度Deが得られる。 As can be seen from FIG. 13B, a low edge dislocation density De is obtained when the Si surface density CSa1 in the first Si-containing layer 51s is 3.5 × 10 14 or more and 2 × 10 15 (/ cm 2 ). .

図14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14は、第2Si含有層52sの成長時間を変えたときの、刃状転位密度Deの実験結果を例示している。横軸は、第2Si含有層52sの成長時間TMs2であり、第2Si含有層52sの厚さに対応する。この実験では、第1Si含有層51sの成長時間TMs1は、8分である。第1GaN層51gは、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の流量が56cc/分で、アンモニアの流量40L/分により形成される。第1GaN層51gの成長時間は、5分である。   FIG. 14 is a graph illustrating characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 14 illustrates the experimental result of the edge dislocation density De when the growth time of the second Si-containing layer 52s is changed. The horizontal axis represents the growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s and corresponds to the thickness of the second Si-containing layer 52s. In this experiment, the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 8 minutes. The first GaN layer 51g is formed at a substrate temperature of 1090 ° C. and a hydrogen / nitrogen ratio of 2: 1 with a TMGa flow rate of 56 cc / min and an ammonia flow rate of 40 L / min. The growth time of the first GaN layer 51g is 5 minutes.

図14からわかるように、第2Si含有層52sの成長時間TMs2が3分以上12分以下において、刃状転位密度Deが低くなる。成長時間TMs2が3分よりも短い、または、12分よりも長い場合には、刃状転位密度Deは高い。   As can be seen from FIG. 14, the edge dislocation density De decreases when the growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s is 3 minutes or more and 12 minutes or less. When the growth time TMs2 is shorter than 3 minutes or longer than 12 minutes, the edge dislocation density De is high.

第2Si含有層52sの成長時間TMs2が8分のときが、第2Si含有層52sの厚さが1原子層に相当する。   When the growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s is 8 minutes, the thickness of the second Si-containing layer 52s corresponds to one atomic layer.

図14の結果から、第2Si含有層52sの厚さが0.4原子層以上1.5原子層以下の場合に、低い刃状転位密度Deが得られる。第2Si含有層52sの厚さが0.4原子層よりも薄い場合は、第2Si含有層52s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2Si含有層52sの厚さが1.5原子層よりも厚い場合は、第2Si含有層52s上への第2GaN層52gの成長が阻害され、第2Si含有層52s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。また、第2GaN層52gの表面平坦性が、低くなる。   From the result of FIG. 14, when the thickness of the second Si-containing layer 52s is not less than 0.4 atomic layer and not more than 1.5 atomic layer, a low edge dislocation density De is obtained. When the thickness of the second Si-containing layer 52s is thinner than the 0.4 atomic layer, the dislocation bending effect or the shielding effect in the second Si-containing layer 52s cannot be sufficiently obtained. When the thickness of the second Si-containing layer 52s is thicker than the 1.5 atomic layer, the growth of the second GaN layer 52g on the second Si-containing layer 52s is inhibited, and the bending effect of dislocation in the second Si-containing layer 52s or The shielding effect cannot be obtained sufficiently. Further, the surface flatness of the second GaN layer 52g is lowered.

図14に示した結果からわかるように、第2Si含有層52sの厚さが、第1Si含有層51sの厚さ以下の場合に、転位密度が低減し易い。第2Si含有層52sの厚さが、第1Si含有層51sの厚さよりも大きくなると、第2GaN層52gで凹凸が過剰に形成され、平坦性が悪化し易い。このため、転位密度が高くなる。さらに、例えば、過剰な凹凸によって引っ張り応力が生じ、クラックが増大し易い。   As can be seen from the results shown in FIG. 14, the dislocation density is likely to be reduced when the thickness of the second Si-containing layer 52s is equal to or less than the thickness of the first Si-containing layer 51s. If the thickness of the second Si-containing layer 52s is larger than the thickness of the first Si-containing layer 51s, the second GaN layer 52g is excessively uneven, and the flatness tends to deteriorate. For this reason, the dislocation density increases. Furthermore, for example, tensile stress is generated due to excessive unevenness, and cracks are likely to increase.

第2Si含有層52sの成長時間TMs2を変えると、第2Si含有層52sにおけるSi濃度が変化する。第2Si含有層52sの成長時間TMs2を変えて第2Si含有層52sにおけるSi濃度を変化させた試料について、第2Si含有層52sにおけるSi濃度と、転位密度と、の関係について説明する。   When the growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s is changed, the Si concentration in the second Si-containing layer 52s changes. The relationship between the Si concentration in the second Si-containing layer 52s and the dislocation density will be described for a sample in which the Si concentration in the second Si-containing layer 52s is changed by changing the growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s.

図15(a)及び図15(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。
これらの図は、図14に示した試料に関して、第2Si含有層52sにおけるSi濃度と刃状転位密度Deと、の関係を示す。図15(a)の横軸は、第2Si含有層52sにおけるSi濃度CSv2(/cm)である。図15(b)の横軸は、第2Si含有層52sにおけるSi面密度CSa2(/cm)である。CSv2は、実質的に、CSa2×2×10である。これら図において、第1Si含有層51sにおけるSi濃度CSv1は2×1020(/cm)であり、第1Si含有層51sにおけるSi面密度CSa1は1×1015(/cm)である。
FIG. 15A and FIG. 15B are graphs illustrating characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
These figures show the relationship between the Si concentration in the second Si-containing layer 52s and the edge dislocation density De for the sample shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 15A is the Si concentration CSv2 (/ cm 3 ) in the second Si-containing layer 52s. The horizontal axis of FIG.15 (b) is Si surface density CSa2 (/ cm < 2 >) in the 2nd Si content layer 52s. CSv2 is substantially CSa2 × 2 × 10 5 . In these drawings, the Si concentration CSv1 in the first Si-containing layer 51s is 2 × 10 20 (/ cm 3 ), and the Si surface density CSa1 in the first Si-containing layer 51s is 1 × 10 15 (/ cm 2 ).

図15(a)から分かるように、第2Si含有層52sにおけるSi濃度CSv2が7×1019以上3×1020(/cm)以下のときに、低い刃状転位密度Deが得られる。 As can be seen from FIG. 15A, when the Si concentration CSv2 in the second Si-containing layer 52s is 7 × 10 19 or more and 3 × 10 20 (/ cm 3 ) or less, a low edge dislocation density De is obtained.

図15(b)から分かるように、第2Si含有層52sにおけるSi面密度CSa2が3.5×1014以上1.5×1015(/cm)以下のときに、低い刃状転位密度Deが得られる。 As can be seen from FIG. 15B, when the Si surface density CSa2 in the second Si-containing layer 52s is not less than 3.5 × 10 14 and not more than 1.5 × 10 15 (/ cm 2 ), the low edge dislocation density De is low. Is obtained.

第2Si含有層52sにおけるSi濃度CSv2は、第1Si含有層51sにおけるSi濃度CSv1以下であることが好ましい。この場合に、図15(a)に表したように、転位密度が低減し易い。   The Si concentration CSv2 in the second Si-containing layer 52s is preferably not more than the Si concentration CSv1 in the first Si-containing layer 51s. In this case, as shown in FIG. 15A, the dislocation density is easily reduced.

第2Si含有層52sにおけるSi面密度CSa2は、第1Si含有層51sにおけるSi面密度CSa1以下であることが好ましい。この場合に、図15(b)に表したように、転位密度が小さくなり易い。   The Si surface density CSa2 in the second Si-containing layer 52s is preferably equal to or lower than the Si surface density CSa1 in the first Si-containing layer 51s. In this case, as shown in FIG. 15B, the dislocation density tends to be small.

第2Si含有層52sにおけるSi濃度CSv2が、第1Si含有層51sにおけるSi濃度CSv1よりも大きくなると、第2GaN層52gで凹凸が過剰に形成され、平坦性が悪化し易い。このため、転位密度が高くなる。さらに、例えば、過剰な凹凸によって引っ張り応力が生じ、クラックが増大し易い。   When the Si concentration CSv2 in the second Si-containing layer 52s is higher than the Si concentration CSv1 in the first Si-containing layer 51s, the unevenness is excessively formed in the second GaN layer 52g, and the flatness is likely to deteriorate. For this reason, the dislocation density increases. Furthermore, for example, tensile stress is generated due to excessive unevenness, and cracks are likely to increase.

図16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16は、第1Si含有層51sの厚さ及び第2Si含有層52sの厚さの合計の厚さと、刃状転位密度Deと、の関係を例示している。横軸は、合計の厚さtsであり、単位は原子層である。   FIG. 16 is a graph illustrating characteristics of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 16 illustrates the relationship between the total thickness of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s and the edge dislocation density De. The horizontal axis represents the total thickness ts, and the unit is an atomic layer.

図16からわかるように、第1Si含有層51sの厚さ及び第2Si含有層52sの厚さの合計の厚さtsが、0.7原子層以上2原子層において、低い刃状転位密度Deが得られる。合計の厚さtsが0.7原子層よりも薄い、または、2原子層よりも厚い場合には、転位密度が高い。合計の厚さtsが0.7原子層よりも薄いと、Si含有層による転位の屈曲効果または遮蔽効果が低くなる。合計の厚さtsが2原子層よりも厚いと、GaN層での凹凸形成が過剰となり、平坦性が悪化する。これにより、転位密度が高くなる。さらに、合計の厚さtsが2原子層よりも厚いと、凹凸形成によるGaN層中の引っ張り応力の形成によりクラックが生じやすくなり、結晶品質が低下する。   As can be seen from FIG. 16, when the total thickness ts of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s is 0.7 atomic layer or more and 2 atomic layers, the low edge dislocation density De is low. can get. When the total thickness ts is thinner than 0.7 atomic layers or thicker than two atomic layers, the dislocation density is high. When the total thickness ts is thinner than the 0.7 atomic layer, the dislocation bending effect or shielding effect by the Si-containing layer is lowered. If the total thickness ts is thicker than the diatomic layer, the formation of irregularities in the GaN layer becomes excessive and the flatness deteriorates. This increases the dislocation density. Furthermore, if the total thickness ts is thicker than the diatomic layer, cracks are likely to occur due to the formation of tensile stress in the GaN layer due to the formation of irregularities, and the crystal quality deteriorates.

第1Si含有層51sの厚さ及び第2Si含有層52sの厚さの合計の厚さtsが0.7原子層であるときは、第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sのSi濃度の和が、1.5×1020/cmに相当する。合計の厚さtsが2原子層であるときは、第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sのSi濃度の和が、4.0×1020/cmに相当する。第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sのSi濃度の和は、1.5×1020/cm以上4.0×1020/cm以下が好ましい。 When the total thickness ts of the thickness of the first Si-containing layer 51s and the thickness of the second Si-containing layer 52s is 0.7 atomic layer, the sum of the Si concentrations of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s Corresponds to 1.5 × 10 20 / cm 3 . When the total thickness ts is a diatomic layer, the sum of the Si concentrations of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s corresponds to 4.0 × 10 20 / cm 3 . The sum of the Si concentrations of the first Si-containing layer 51 s and the second Si-containing layer 52 s is preferably 1.5 × 10 20 / cm 3 or more and 4.0 × 10 20 / cm 3 or less.

合計の厚さtsが0.7原子層であるときは、第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sのSi面密度の和が7.5×1014/cmに相当する。合計の厚さtsが2原子層であるときは、第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sのSi面密度の和が2.0×1015/cmに相当する。第1Si含有層51s及び第2Si含有層52sのSi面密度の和は、7.5×1014/cm以上2.0×1015/cmに以下が好ましい。 When the total thickness ts is 0.7 atomic layer, the sum of the Si surface densities of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s corresponds to 7.5 × 10 14 / cm 2 . When the total thickness ts is a diatomic layer, the sum of the Si surface densities of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s corresponds to 2.0 × 10 15 / cm 2 . The sum of the Si surface densities of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s is preferably 7.5 × 10 14 / cm 2 or more and 2.0 × 10 15 / cm 2 or less.

図17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17は、本実施形態に係る窒化物半導体素子110(または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(積層方向)に沿って、5nm間隔で測定される。図17の横軸は、深さZd(Z軸方向の位置に相当する)である。縦軸は、Si濃度CS(atoms/cm)である。この例では、第1Si含有層51sの成長時間TMs1は8分である。この条件は、第1Si含有層51sにおけるSi面密度が1.2×1015/cmである条件に対応する。第2Si含有層52sの成長時間TMs2は3分である。この条件は、第2Si含有層52sにおけるSi面密度が3.8×1014/cmである条件に対応する。
FIG. 17 is a graph illustrating the nitride semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 17 shows an example of the SIMS analysis result of the nitride semiconductor device 110 (or the nitride semiconductor wafer 210) according to this embodiment. In this example, measurement is performed at intervals of 5 nm along the depth (stacking direction). The horizontal axis in FIG. 17 is the depth Zd (corresponding to the position in the Z-axis direction). The vertical axis represents the Si concentration CS (atoms / cm 3 ). In this example, the growth time TMs1 of the first Si-containing layer 51s is 8 minutes. This condition corresponds to the condition that the Si surface density in the first Si-containing layer 51s is 1.2 × 10 15 / cm 2 . The growth time TMs2 of the second Si-containing layer 52s is 3 minutes. This condition corresponds to the condition that the Si surface density in the second Si-containing layer 52s is 3.8 × 10 14 / cm 2 .

図17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2部分p2は、第1部分p1の上側に設けられる。   As can be seen from FIG. 17, three levels of Si peaks are observed in the range of the stacked body 50. For example, the Si concentration profile in the stacked body 50 includes first to seventh portions p1 to p7. The first to seventh portions p1 to p7 are stacked along the Z-axis direction. The second portion p2 is provided on the upper side of the first portion p1.

第1部分p1は、Si濃度が7×1019/cm以上4×1020/cm以下の第1濃度を有する。 The first portion p1 has a first concentration of Si concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less.

第2部分p2は、Si濃度が第1濃度よりも低い第2濃度を有する。第2濃度は、例えば、2×1017/cm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。 The second portion p2 has a second concentration in which the Si concentration is lower than the first concentration. The second concentration is, for example, less than 2 × 10 17 / cm 3 . In the second portion p2, the Si concentration is relatively constant.

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、Si濃度が第1濃度と第2濃度との間の第3濃度を有する。第3濃度は、例えば3×1018/cm以上5×1019/cm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。 The third portion p3 is provided between the first portion p1 and the second portion p2. The third portion p3 has a third concentration where the Si concentration is between the first concentration and the second concentration. The third concentration is, for example, 3 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 19 / cm 3 . In the third portion p3, the Si concentration is relatively constant.

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、Si濃度が第3濃度と第2濃度との間の第4濃度を有する。第4濃度は、例えば2×1017/cm以上2×1018/cm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。 The fourth portion p4 is provided between the third portion p3 and the second portion p2. The fourth portion p4 has a fourth concentration where the Si concentration is between the third concentration and the second concentration. The fourth concentration is, for example, 2 × 10 17 / cm 3 or more and 2 × 10 18 / cm 3 or less. In the fourth portion p4, the Si concentration is relatively constant.

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。   The fifth part p5 is provided between the first part p1 and the third part p3. The rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the fifth portion p5 is higher than the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the third portion p3. In the fifth portion p5, the Si concentration changes abruptly.

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。   The sixth part p6 is provided between the third part p3 and the fourth part p4. The rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the sixth portion p6 is higher than the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the third portion p3. The rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the sixth portion p6 is higher than the rate of change with respect to the Si concentration in the fourth portion p4. In the sixth portion p6, the Si concentration changes abruptly.

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。   The seventh portion p7 is provided between the fourth portion p4 and the second portion p2. The rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the seventh portion p7 is higher than the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the fourth portion p4. The rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the seventh portion p7 is higher than the rate of change with respect to the Si concentration in the second portion p2.

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1Si含有層51sに対応する。第5部分p5の少なくとも一部が、第1Si含有層51sにさらに含まれる。
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2.8×1020/cm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160nm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、1.2×1015/cmであり、第1Si含有層51sのSi面密度に対応する。
In the first portion p1, the Si concentration peak width (width in the thickness direction) is narrow. The first portion p1 corresponds to the first Si-containing layer 51s. At least a part of the fifth portion p5 is further included in the first Si-containing layer 51s.
In this example, the peak (maximum value) of the Si concentration in the first portion p1 is 2.8 × 10 20 / cm 3 . The peak width until the Si concentration is reduced to 10% of the peak value is about 160 nm. The total Si concentration in this region (the integrated value of the Si concentration in the thickness direction) is 1.2 × 10 15 / cm 2 , and corresponds to the Si surface density of the first Si-containing layer 51s.

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よりも小さいと、第1GaN層51g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51g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。   The thickness (width) of the first portion p1 is, for example, not less than 1 nm and not more than 200 nm. If the thickness of the first portion p1 is smaller than 1 nm, the three-dimensional growth of the first GaN layer 51g does not occur sufficiently. When the thickness of the first portion p1 is greater than 200 nm, the growth of the first GaN layer 51g is hindered, the area of the slope is reduced, and the effect of reducing the dislocation density cannot be sufficiently obtained.

第3部分p3及び第6部分p6は、第1GaN層51g及び第2Si含有層52sに対応する。第2Si含有層52sにおけるSi濃度は、8.0×1018/cmである。第1GaN層51gは、凸部51gpを含んでおり、その凸部51gpの上に第2Si含有層52sが設けられる。前述したように、凸部51gpの径は例えば、50nm以上1500nm以下であり、SIMS分析において、分析の面積は、凸部51gp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51gpを含む範囲(第2GaN層52g、第2Si含有層52s及び第1GaN層51gの範囲)の平均の値として検出される。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3部分p3及び第6部分p6が生じる。 The third portion p3 and the sixth portion p6 correspond to the first GaN layer 51g and the second Si-containing layer 52s. The Si concentration in the second Si-containing layer 52s is 8.0 × 10 18 / cm 3 . The first GaN layer 51g includes a convex portion 51gp, and the second Si-containing layer 52s is provided on the convex portion 51gp. As described above, the diameter of the convex portion 51gp is, for example, not less than 50 nm and not more than 1500 nm. In SIMS analysis, the analysis area is larger than the size (area) of the convex portion 51gp. For this reason, the Si concentration by SIMS analysis is detected as an average value of a range including the plurality of convex portions 51gp (a range of the second GaN layer 52g, the second Si-containing layer 52s, and the first GaN layer 51g). For this reason, in the Si concentration profile, the spread occurs in the thickness (depth) direction, the peak value becomes smaller than the actual Si concentration, and the third portion p3 and the sixth portion p6 are generated.

この例では、第3部分p3におけるSi濃度のピークは、約8.0×1018/cmであり、第3部分p3及び第6部分p6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500nm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、3.8×1014/cmであり、第2Si含有層52sのSi面密度に対応する。 In this example, the peak of the Si concentration in the third portion p3 is about 8.0 × 10 18 / cm 3 , and the width of the third portion p3 and the sixth portion p6 (the Si concentration is 10% of the peak value). (Corresponding to the width of the peak until reduced to about 500 nm). The total Si concentration in this region (the integrated value of the Si concentration in the thickness direction) is 3.8 × 10 14 / cm 2 , and corresponds to the Si surface density of the second Si-containing layer 52s.

第3部分p3の厚さ(幅)は、例えば、100nm以上1000nm以下である。第3部分p3の厚さが100nmよりも小さい場合は、第1GaN層51gの高さが100nm以下の場合に相当する。このときには、斜面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3部分p3の厚さが1000nmよりも厚い場合は、第1GaN層51gの高さが1000nm以下の場合に相当する。このときには、第2GaN層51gの平坦性が低下しやすい。   The thickness (width) of the third portion p3 is, for example, not less than 100 nm and not more than 1000 nm. The case where the thickness of the third portion p3 is smaller than 100 nm corresponds to the case where the height of the first GaN layer 51g is 100 nm or less. At this time, the formation of the slope is insufficient, and the effect of reducing the dislocation density is reduced. The case where the thickness of the third portion p3 is thicker than 1000 nm corresponds to the case where the height of the first GaN layer 51g is 1000 nm or less. At this time, the flatness of the second GaN layer 51g tends to deteriorate.

例えば、第4部分p4、第7部分p7及び第2部分p2は、第2GaN層52gに対応する。第2GaN層52gの一部(下側の一部)に、第1Si含有層51s及び第2Si含有層52s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4部分p4に対応していると考えられる。   For example, the fourth portion p4, the seventh portion p7, and the second portion p2 correspond to the second GaN layer 52g. It is considered that Si diffuses into a part (a part on the lower side) of the second GaN layer 52g from at least one of the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s. This Si diffusion region is considered to correspond to the fourth portion p4.

第4部分p4の厚さは、例えば、300nm以上2500nm以下である。第4部分p4の厚さが300nmより小さい場合は、第2Si含有層52s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4部分p4の厚さが2500nmよりも厚い場合は、第2GaN層51gの平坦性が低下しやすい。   The thickness of the fourth portion p4 is, for example, not less than 300 nm and not more than 2500 nm. When the thickness of the fourth portion p4 is smaller than 300 nm, the dislocation bending effect or the shielding effect in the second Si-containing layer 52s cannot be sufficiently obtained. When the thickness of the fourth portion p4 is thicker than 2500 nm, the flatness of the second GaN layer 51g tends to be lowered.

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1Si含有層51sの存在が判断できる。   For example, in the SIMS analysis, the presence of the first Si-containing layer 51s can be determined by the presence of the first portion p1.

SEM観察やTEM観察において凸部51gpを含む第1GaN層51gが観察されることから、第2Si含有層52sの存在が判断できる。SIMS分析において第3部分p3及び第4部分p4が生じていることから、第2Si含有層52sの存在が判断できる。   Since the first GaN layer 51g including the convex portion 51gp is observed in the SEM observation or the TEM observation, the presence of the second Si-containing layer 52s can be determined. Since the third portion p3 and the fourth portion p4 are generated in the SIMS analysis, the presence of the second Si-containing layer 52s can be determined.

図18(a)及び図18(b)は、参考例の窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。
図18(a)及び図18(b)は、それぞれ第1参考例及び第2参考例の窒化物半導体素子(または窒化物半導体ウェーハ)のSIMS分析結果の例をそれぞれ示している。
第1参考例においては、積層体50のAlGaN層51aに変えて、GaN層が設けられ、そのGaN層の上に第1Si含有層51sが設けられている。その上に、凸部51gpを含む第1GaN層51gが設けられている。その上に第2GaN層52gが設けられている。すなわち、第2Si含有層52sが設けられていない。
FIG. 18A and FIG. 18B are graphs illustrating the nitride semiconductor device of the reference example.
18A and 18B show examples of SIMS analysis results of the nitride semiconductor elements (or nitride semiconductor wafers) of the first reference example and the second reference example, respectively.
In the first reference example, a GaN layer is provided instead of the AlGaN layer 51a of the stacked body 50, and a first Si-containing layer 51s is provided on the GaN layer. A first GaN layer 51g including a protrusion 51gp is provided thereon. A second GaN layer 52g is provided thereon. That is, the second Si-containing layer 52s is not provided.

一方、第2参考例においては、平坦なGaN層と、平坦なSi含有層と、が交互に複数積層されている。この例では、Si含有層の数は、4である。   On the other hand, in the second reference example, a plurality of flat GaN layers and flat Si-containing layers are alternately stacked. In this example, the number of Si-containing layers is four.

図18(a)に示したように、第2Si含有層52sが設けられない第1参考例においては、Si濃度のピークは2段である。   As shown in FIG. 18A, in the first reference example in which the second Si-containing layer 52s is not provided, the Si concentration peak has two steps.

図18(b)に示したように、平坦なGaN層の上にSi含有層を設ける場合には、鋭いSi濃度のピークが観察される。Si濃度のピークは1段である。   As shown in FIG. 18B, when a Si-containing layer is provided on a flat GaN layer, a sharp peak of Si concentration is observed. The peak of the Si concentration is one step.

一方、既に説明したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子110及び窒化物半導体ウェーハ210においては、Si濃度に3段のピークが観察される。   On the other hand, as already described, in the nitride semiconductor device 110 and the nitride semiconductor wafer 210 according to this embodiment, a three-stage peak is observed in the Si concentration.

図19は、第1の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19に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子111及び窒化物半導体ウェーハ211においては、第1GaN層51gとして、n形のn−GaN層51nが用いられる。それ以外の構成は、窒化物半導体素子110及び窒化物半導体ウェーハ210と同様である。
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view illustrating another nitride semiconductor element according to the first embodiment.
As shown in FIG. 19, in another nitride semiconductor device 111 and nitride semiconductor wafer 211 according to the present embodiment, an n-type n-GaN layer 51n is used as the first GaN layer 51g. Other configurations are the same as those of the nitride semiconductor device 110 and the nitride semiconductor wafer 210.

窒化物半導体素子111及び窒化物半導体ウェーハ211によっても、転位が少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハを提供できる。   The nitride semiconductor element 111 and the nitride semiconductor wafer 211 can also provide a nitride semiconductor element and a nitride semiconductor wafer with few dislocations.

以下、実験結果について説明する。
n−GaN層51nは、例えば、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、濃度10ppmのシラン(SiH)を流量56cc/分にて、5分間供給して形成される。n−GaN層51nにおけるSi濃度は、例えば、5×1018(/cm)である。この例では、n−GaN層51nは、島状の結晶である。n−GaN層51nは、連続的でも良い。n−GaN層51nは凸部51gpを含む。n−GaN層51nの凸部51gpは、X−Y平面に対して傾斜した斜面51gsを有する。n−GaN層51nの凸部51gpの高さtg1は、例えば、約500nmである。その他の層の製造方法は、窒化物半導体素子110に関して説明した製造方法と同じである。
Hereinafter, experimental results will be described.
In the n-GaN layer 51n, for example, in a mixed atmosphere with a substrate temperature of 1090 ° C. and a hydrogen / nitrogen ratio of 2: 1, TMGa has a flow rate of 56 cc / min, ammonia has a flow rate of 40 L / min, and a concentration of 10 ppm silane ( SiH 4 ) is supplied at a flow rate of 56 cc / min for 5 minutes. The Si concentration in the n-GaN layer 51n is, for example, 5 × 10 18 (/ cm 3 ). In this example, the n-GaN layer 51n is an island-shaped crystal. The n-GaN layer 51n may be continuous. The n-GaN layer 51n includes a convex portion 51gp. The convex portion 51gp of the n-GaN layer 51n has a slope 51gs inclined with respect to the XY plane. The height tg1 of the convex portion 51gp of the n-GaN layer 51n is, for example, about 500 nm. The method for manufacturing the other layers is the same as the manufacturing method described for the nitride semiconductor device 110.

窒化物半導体素子111における刃状転位密度Deは、2.1×10(/cm)であり、窒化物半導体素子110における刃状転位密度(2.8×10(/cm))に比べて、さらに低い値を示す。n−GaN層51nを設ける構成においては、第1GaN層51gを設ける構成に対して、転位密度が約75%に低減する。 The edge dislocation density De in the nitride semiconductor element 111 is 2.1 × 10 8 (/ cm 2 ), and the edge dislocation density in the nitride semiconductor element 110 (2.8 × 10 8 (/ cm 2 )). The value is even lower than. In the configuration in which the n-GaN layer 51n is provided, the dislocation density is reduced to about 75% compared to the configuration in which the first GaN layer 51g is provided.

図9(a)〜図9(c)に関して説明した評価と同様の評価により、n−GaN層51nの形状を調べた結果、n−GaN層51nにおいては、n形不純物(Si)をドープしない場合に比べ、凸部の高さが高くなり、斜面の面積が増大する。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たためであると考えられる。n−GaN層51nの凸部51gpの斜面51gs上に形成された第2Si含有層52sの面積が増大することで、転位の遮蔽効果または屈曲効果が増大し、転位が低減すると考えられる。   As a result of examining the shape of the n-GaN layer 51n by the same evaluation as that described with reference to FIGS. 9A to 9C, the n-GaN layer 51n is not doped with an n-type impurity (Si). Compared with the case, the height of the convex portion increases, and the area of the slope increases. This is probably because the formation of facets was promoted by doping with n-type impurities. The area of the second Si-containing layer 52s formed on the inclined surface 51gs of the convex portion 51gp of the n-GaN layer 51n is increased, so that the dislocation shielding effect or bending effect is increased and the dislocation is reduced.

n−GaN層51nにおけるn形不純物の濃度は、1.0×1017(/cm)以上1.0×1019(/cm)以下であることが好ましい。n−GaN層51nにおけるn形不純物の濃度は、5.0×1017(/cm)以上6.0×1018(/cm)以下であることがさらに好ましい。n−GaN層51nにおけるn形不純物の濃度が1.0×1017(/cm)よりも低い場合は、ファセットの形成が十分でなく、第2Si含有層52sでの転位密度の低減効果が減少する。n−GaN層51nにおけるn形不純物の濃度が1.0×1019(/cm)よりも高い場合は、n形不純物によってn−GaN層51nの成長が阻害され、n−GaN層51nの凸部51gpの斜面51gsの面積が減少し、転位密度の低減効果が減少する。 The n-type impurity concentration in the n-GaN layer 51n is preferably 1.0 × 10 17 (/ cm 3 ) or more and 1.0 × 10 19 (/ cm 3 ) or less. The n-type impurity concentration in the n-GaN layer 51n is more preferably 5.0 × 10 17 (/ cm 3 ) or more and 6.0 × 10 18 (/ cm 3 ) or less. When the n-type impurity concentration in the n-GaN layer 51n is lower than 1.0 × 10 17 (/ cm 3 ), facet formation is not sufficient, and the effect of reducing the dislocation density in the second Si-containing layer 52s is achieved. Decrease. When the n-type impurity concentration in the n-GaN layer 51n is higher than 1.0 × 10 19 (/ cm 3 ), the growth of the n-GaN layer 51n is inhibited by the n-type impurity, and the n-GaN layer 51n The area of the slope 51gs of the convex portion 51gp is reduced, and the effect of reducing the dislocation density is reduced.

n−GaN層51nの凸部51gpの高さtg1は、100nm以上1000nm以下であることが好ましい。この場合に、転位密度が効果的に低減する。高さtg1は、より好ましくは、300nm以上800nm以下である。   The height tg1 of the convex portion 51gp of the n-GaN layer 51n is preferably 100 nm or more and 1000 nm or less. In this case, the dislocation density is effectively reduced. The height tg1 is more preferably not less than 300 nm and not more than 800 nm.

凸部51gpの高さtg1が100nmよりも低い場合には、斜面51gsの形成が不十分であり、積層方向に対して垂直な平坦面(頂面51gt)の結晶表面に占める割合が大きい。このため、斜面51gs上に設けられた第2Si含有層52sによる転位80の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られない。また、n−GaN層51nの結晶の体積(表面積)が小さいため、結晶内で転位80の伝播方向が変化せず、n−GaN層51n内での転位低減効果が小さくなる。   When the height tg1 of the convex portion 51gp is lower than 100 nm, the slope 51gs is not sufficiently formed, and the ratio of the flat surface (top surface 51gt) perpendicular to the stacking direction to the crystal surface is large. For this reason, the bending effect or shielding effect of the dislocations 80 by the second Si-containing layer 52s provided on the inclined surface 51gs cannot be sufficiently obtained. Moreover, since the volume (surface area) of the crystal of the n-GaN layer 51n is small, the propagation direction of the dislocation 80 does not change in the crystal, and the dislocation reduction effect in the n-GaN layer 51n is reduced.

凸部51gpの高さtg1が1000nmよりも高い場合には、隣り合う凸部51gpどうしが合体しやすくなり、第1Si含有層51sと第2Si含有層52sとが接する領域が小さくなる。その結果、バッファ層60で生じた転位80の遮蔽効果が低減し、転位密度が増加すると考えられる。   When the height tg1 of the convex portion 51gp is higher than 1000 nm, adjacent convex portions 51gp are easily united, and the region where the first Si-containing layer 51s and the second Si-containing layer 52s are in contact with each other is reduced. As a result, it is considered that the shielding effect of dislocations 80 generated in the buffer layer 60 is reduced and the dislocation density is increased.

(第2の実施形態)
図20は、第2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20に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子120は、バッファ層60と、積層中間層70と、積層体50と、機能層15と、を含む。バッファ層60の上に積層体50が設けられる。積層中間層70は、バッファ層60と積層体50との間に設けられる。積層体50の上に機能層15が設けられる。本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ220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220は、機能層15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15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。
(Second Embodiment)
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view illustrating the nitride semiconductor device according to the second embodiment.
As shown in FIG. 20, the nitride semiconductor device 120 according to this embodiment includes a buffer layer 60, a stacked intermediate layer 70, a stacked body 50, and a functional layer 15. A stacked body 50 is provided on the buffer layer 60. The stacked intermediate layer 70 is provided between the buffer layer 60 and the stacked body 50. The functional layer 15 is provided on the stacked body 50. The nitride semiconductor wafer 220 according to this embodiment includes a substrate 40, a buffer layer 60, a stacked intermediate layer 70, and a stacked body 50. The nitride semiconductor wafer 220 may further include a functional layer 15. The configuration described in regard to the first embodiment can be applied to each of the substrate 40, the buffer layer 60, the stacked body 50, and the functional layer 15. Hereinafter, the laminated intermediate layer 70 will be described.

この例では、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。   In this example, the laminated intermediate layer 70 includes a first intermediate layer 70a and a second intermediate layer 70b. The second intermediate layer 70b is provided on the first intermediate layer 70a.

第1中間層70aは、第1AlGaN中間層71aと、第1GaN中間層72aと、第1AlN中間層73aと、を含む。第1GaN中間層72aは、第1AlGaN中間層71aの上に設けられる。第1AlN中間層73aは、第1GaN中間層72aの上に設けられる。   The first intermediate layer 70a includes a first AlGaN intermediate layer 71a, a first GaN intermediate layer 72a, and a first AlN intermediate layer 73a. The first GaN intermediate layer 72a is provided on the first AlGaN intermediate layer 71a. The first AlN intermediate layer 73a is provided on the first GaN intermediate layer 72a.

第2中間層70bは、第2AlGaN中間層71bと、第2GaN中間層72bと、第2AlN中間層73bと、を含む。第2GaN中間層72bは、第2AlGaN中間層71bの上に設けられる。第2AlN中間層73bは、第2GaN中間層72bの上に設けられる。   The second intermediate layer 70b includes a second AlGaN intermediate layer 71b, a second GaN intermediate layer 72b, and a second AlN intermediate layer 73b. The second GaN intermediate layer 72b is provided on the second AlGaN intermediate layer 71b. The second AlN intermediate layer 73b is provided on the second GaN intermediate layer 72b.

この例では、AlGaN中間層と、GaN中間層と、AlN中間層と、を含む構成が、2回繰り返して積層されている。繰り返しの数は、1回でも良く、3回以上でも良い。   In this example, a configuration including an AlGaN intermediate layer, a GaN intermediate layer, and an AlN intermediate layer is repeatedly stacked twice. The number of repetitions may be one time or three or more times.

本実施形態において、第1中間層70aにおいて、積層方向(Z軸方向)に対して垂直な方向の格子間隔(この例では、a軸の格子間隔に相当する)は、第1GaN中間層72aで最も大きく、第1AlN中間層73aで急激に小さくなる。第2中間層70bにおいて、積層方向(Z軸方向)に対して垂直な方向の格子間隔(この例では、a軸の格子間隔に相当する)は、第2GaN中間層72bで最も大きく、第2AlN中間層73bで急激に小さくなる。   In the present embodiment, in the first intermediate layer 70a, the lattice spacing (corresponding to the lattice spacing of the a-axis in this example) in the direction perpendicular to the stacking direction (Z-axis direction) is the first GaN intermediate layer 72a. The largest value is abruptly reduced at the first AlN intermediate layer 73a. In the second intermediate layer 70b, the lattice spacing in the direction perpendicular to the stacking direction (Z-axis direction) (corresponding to the lattice spacing of the a-axis in this example) is the largest in the second GaN intermediate layer 72b, and the second AlN The intermediate layer 73b decreases rapidly.

本明細書において、窒化物半導体の無歪みの格子間隔を「格子定数」とする。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のことである。格子間隔は、例えば、X線回折測定から求められる。   In this specification, an unstrained lattice spacing of a nitride semiconductor is defined as “lattice constant”. The actual lattice length of the formed nitride semiconductor layer is defined as “lattice spacing”. The lattice constant is, for example, a physical property constant. The lattice spacing is, for example, the actual length of the lattice in the nitride semiconductor layer included in the formed nitride semiconductor element. The lattice spacing is obtained from, for example, X-ray diffraction measurement.

第1AlGaN中間層71aがバッファ層60(例えばAlNバッファ層62)の上に形成される。第1AlGaN中間層71aの形成温度は、例えば、約1040℃である。AlGaNは、厚さが薄い状態すなわち成長の初期では、AlNの格子定数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AlGa1−XNの格子間隔に近づく。 The first AlGaN intermediate layer 71a is formed on the buffer layer 60 (for example, the AlN buffer layer 62). The formation temperature of the first AlGaN intermediate layer 71a is, for example, about 1040 ° C. AlGaN is formed so as to be lattice-matched to the lattice constant of AlN in a thin state, that is, in the early stage of growth, and grows while receiving compressive strain. The strain gradually relaxes as the growth of AlGaN progresses, and AlGaN approaches the lattice spacing of Al X Ga 1-X N in a state where it is not strained.

第1AlGaN中間層71aの上に、第1AlGaN中間層71aよりも格子定数の大きい第1GaN中間層72aが形成される。第1GaN中間層72aの形成温度は、例えば約1090℃である。第1GaN中間層72aの厚さは、例えば約300nmである。第1GaN中間層72aは、成長の初期では、AlGaNの格子定数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、GaNの成長が進むにつれて徐々に歪みが緩和し、GaNの格子定数は、歪みを受けない状態のGaNの格子定数に近づく。   A first GaN intermediate layer 72a having a lattice constant larger than that of the first AlGaN intermediate layer 71a is formed on the first AlGaN intermediate layer 71a. The formation temperature of the first GaN intermediate layer 72a is, for example, about 1090 ° C. The thickness of the first GaN intermediate layer 72a is, for example, about 300 nm. The first GaN intermediate layer 72a is formed so as to lattice match with the lattice constant of AlGaN at the initial stage of growth, and grows while receiving compressive strain. Then, as the growth of GaN progresses, the strain gradually relaxes, and the lattice constant of GaN approaches the lattice constant of GaN that is not subjected to strain.

さらに、第1AlN中間層73aが第1GaN中間層72aの上に形成される。第1AlN中間層73aの厚さは、例えば約12nmである。第1AlN中間層73aの結晶成長温度は、例えば500℃以上1050℃以下であることが好ましい。第1AlN中間層73aの形成温度は、例えば800℃である。そのため、第1AlN中間層73aは、格子緩和し易くなる。これにより、第1AlN中間層73aの形成の初期から、下地となる第1GaN中間層72aからの引っ張り歪みを受け難くなる。その結果、下地となる第1GaN中間層72aからの歪みの影響を減少するように、第1AlN中間層73aを形成することができる。このようにして、格子緩和した第1AlN中間層73aが第1GaN中間層72aの上に形成される。   Further, a first AlN intermediate layer 73a is formed on the first GaN intermediate layer 72a. The thickness of the first AlN intermediate layer 73a is, for example, about 12 nm. The crystal growth temperature of the first AlN intermediate layer 73a is preferably 500 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower, for example. The formation temperature of the first AlN intermediate layer 73a is, for example, 800 ° C. Therefore, the first AlN intermediate layer 73a is easily lattice-relaxed. This makes it difficult to receive tensile strain from the first GaN intermediate layer 72a serving as the base from the initial stage of formation of the first AlN intermediate layer 73a. As a result, the first AlN intermediate layer 73a can be formed so as to reduce the influence of strain from the first GaN intermediate layer 72a serving as a base. Thus, the lattice-relaxed first AlN intermediate layer 73a is formed on the first GaN intermediate layer 72a.

続いて、第2AlGaN中間層71bが第1AlN中間層73aの上に形成される。第2AlGaN中間層71bにおけるAlの組成比(III族元素中のAlの比率)は、第1AlN中間層73aの緩和率α以下である。   Subsequently, a second AlGaN intermediate layer 71b is formed on the first AlN intermediate layer 73a. The Al composition ratio (the ratio of Al in the group III element) in the second AlGaN intermediate layer 71b is less than or equal to the relaxation rate α of the first AlN intermediate layer 73a.

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73aの第1軸(例えばa軸)の実際の格子間隔Daと、の差の比である。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。   The relaxation rate α is the absolute value of the difference between the lattice spacing dg of the first axis (eg, a axis) of unstrained GaN and the lattice spacing da of the first axis (eg, a axis) of unstrained AlN. This is the ratio of the difference between the lattice spacing dg of the first axis (for example, the a axis) of unstrained GaN and the actual lattice spacing Da of the first axis (for example, the a axis) of the first AlN intermediate layer 73a. The first axis is a stacking direction (one axis perpendicular to the Z-axis direction).

第2AlGaN中間層71bの厚さは、例えば5nm以上100nm以下であることが好ましい。第2AlGaN中間層71bの厚さが5nmよりも薄いと、クラックの発生を抑制する効果及び転位を低減させる効果が得難い。第2AlGaN中間層71b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。さらに、クラックが生じ易くなる。第2AlGaN中間層71bの厚さは、より好ましくは50nm未満である。第2AlGaN中間層71bの厚さを50nm未満にすることで、転位密度を効果的に低減することができる。第2AlGaN中間層71bの厚さは、例えば約25nmである。   The thickness of the second AlGaN intermediate layer 71b is preferably not less than 5 nm and not more than 100 nm, for example. If the thickness of the second AlGaN intermediate layer 71b is less than 5 nm, it is difficult to obtain the effect of suppressing the occurrence of cracks and the effect of reducing dislocations. When the thickness of the second AlGaN intermediate layer 71b is thicker than 100 nm, the effect of reducing dislocation is saturated. Furthermore, cracks are likely to occur. The thickness of the second AlGaN intermediate layer 71b is more preferably less than 50 nm. By setting the thickness of the second AlGaN intermediate layer 71b to less than 50 nm, the dislocation density can be effectively reduced. The thickness of the second AlGaN intermediate layer 71b is, for example, about 25 nm.

第2AlGaN中間層71bの形成温度が第1AlN中間層73aの形成温度よりも高く、その差が80℃以上であると、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。さらに、転位を低減する効果がより大きく得られる。第2AlGaN中間層71bの形成温度は、例えば約1120℃である。   When the formation temperature of the second AlGaN intermediate layer 71b is higher than the formation temperature of the first AlN intermediate layer 73a and the difference is 80 ° C. or more, the effect of growing so as to lattice match with the lattice constant of AlN can be obtained. Furthermore, the effect of reducing dislocations can be obtained more greatly. The formation temperature of the second AlGaN intermediate layer 71b is, for example, about 1120 ° C.

第2GaN中間層72bが第2AlGaN中間層71bの上に形成される。第2GaN中間層72bについては、第1GaN中間層72aと同様の構成を適用できる。   A second GaN intermediate layer 72b is formed on the second AlGaN intermediate layer 71b. A configuration similar to that of the first GaN intermediate layer 72a can be applied to the second GaN intermediate layer 72b.

さらに、第2AlN中間層73bが第2GaN中間層72bの上に形成される。第2AlN中間層73bには、第1AlN中間層73aと同様の構成を適用できる。   Further, a second AlN intermediate layer 73b is formed on the second GaN intermediate layer 72b. A configuration similar to that of the first AlN intermediate layer 73a can be applied to the second AlN intermediate layer 73b.

本実施形態に係る窒化物半導体素子120(及び窒化物半導体ウェーハ220)の製造方法の例について説明する。   An example of a method for manufacturing the nitride semiconductor device 120 (and the nitride semiconductor wafer 220) according to this embodiment will be described.

基板40を1080℃まで加熱し、水素と窒素との比率が2:1の混合雰囲気において、トリメチルアルミニウム(TMAl)を流量50cc/分、アンモニア(NH)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(Alバッファ層62)が形成される。AlNバッファ層62の厚さは、約100nmである。 The substrate 40 is heated to 1080 ° C., and in a mixed atmosphere where the ratio of hydrogen and nitrogen is 2: 1, trimethylaluminum (TMAl) is supplied at a flow rate of 50 cc / min, and ammonia (NH 3 ) is supplied at a flow rate of 0.8 L / min. Feed for 20 minutes. Thus, an AlN buffer layer 60 (Al buffer layer 62) is formed. The thickness of the AlN buffer layer 62 is about 100 nm.

基板温度を1040℃とし、TMGaを流量18cc/分、TMAlを流量25cc/分、アンモニアを流量2.5L/分で11分間供給する。これにより、第1AlGaN中間層71aが形成される。第1AlGaN中間層71aにおけるAl組成比は、例えば、0.25である。   The substrate temperature is 1040 ° C., TMGa is supplied at a flow rate of 18 cc / min, TMAl is supplied at a flow rate of 25 cc / min, and ammonia is supplied at a flow rate of 2.5 L / min for 11 minutes. Thereby, the first AlGaN intermediate layer 71a is formed. The Al composition ratio in the first AlGaN intermediate layer 71a is, for example, 0.25.

基板温度を1090℃とし、TMGa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72aが形成される。第1GaN層51gの厚さは、例えば、約300nmである。   The substrate temperature is set to 1090 ° C., TMGa is supplied at a flow rate of 56 cc / min, and ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min for 15 minutes. Thereby, the first GaN intermediate layer 72a is formed. The thickness of the first GaN layer 51g is, for example, about 300 nm.

基板温度を800℃とし、TMAl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73aが形成される。第1AlN中間層73aの厚さは、例えば、約12nmである。   The substrate temperature is set to 800 ° C., TMAl is supplied at a flow rate of 17 cc / min, and ammonia is supplied at a flow rate of 10 L / min for 3 minutes. Thereby, the first AlN intermediate layer 73a is formed. The thickness of the first AlN intermediate layer 73a is, for example, about 12 nm.

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、第2AlGaN中間層71bが形成される。第2AlGaN中間層71bにおけるAl組成比は、例えば、0.5である。   The substrate temperature is set to 1120 ° C., TMGa is supplied at a flow rate of 18 cc / min, TMAl is supplied at a flow rate of 6 cc / min, and ammonia is supplied at a flow rate of 2.5 L / min for 2.5 minutes. Thereby, the second AlGaN intermediate layer 71b is formed. The Al composition ratio in the second AlGaN intermediate layer 71b is, for example, 0.5.

基板温度を1090℃とし、TMGa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72bが形成される。第2GaN中間層72bの厚さは、例えば、約300nmである。   The substrate temperature is set to 1090 ° C., TMGa is supplied at a flow rate of 56 cc / min, and ammonia is supplied at a flow rate of 40 L / min for 15 minutes. Thereby, the second GaN intermediate layer 72b is formed. The thickness of the second GaN intermediate layer 72b is, for example, about 300 nm.

基板温度を800℃とし、TMAl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73bが形成される。第2AlN中間層73bの厚さは、例えば、約12nmである。以上により、積層中間層70が形成される。   The substrate temperature is set to 800 ° C., TMAl is supplied at a flow rate of 17 cc / min, and ammonia is supplied at a flow rate of 10 L / min for 3 minutes. Thereby, the second AlN intermediate layer 73b is formed. The thickness of the second AlN intermediate layer 73b is, for example, about 12 nm. Thus, the laminated intermediate layer 70 is formed.

積層中間層70の上に、積層体50及び機能層15が形成される。積層体50及び機能層15については、第1の実施形態に関して説明した条件が適用される。
これにより、本実施形態に係る窒化物半導体素子120及び窒化物半導体ウェーハ220が作製される。
The stacked body 50 and the functional layer 15 are formed on the stacked intermediate layer 70. The conditions described in regard to the first embodiment are applied to the stacked body 50 and the functional layer 15.
Thereby, the nitride semiconductor device 120 and the nitride semiconductor wafer 220 according to the present embodiment are manufactured.

本実施形態に係る窒化物半導体素子120及び窒化物半導体ウェーハ220において、刃状転位密度Deは、2.0×10(/cm)と低い値を示す。 In the nitride semiconductor device 120 and the nitride semiconductor wafer 220 according to the present embodiment, the edge dislocation density De shows a low value of 2.0 × 10 8 (/ cm 2 ).

第1の実施形態に係る窒化物半導体素子110及び窒化物半導体ウェーハ210における刃状転位密度Deは、2.8×10(/cm)である(図7に例示した第1試料151)。積層中間層70を設ける構成においては、設けない構成に対して、転位密度が約70%に低減する。 The edge dislocation density De in the nitride semiconductor device 110 and the nitride semiconductor wafer 210 according to the first embodiment is 2.8 × 10 8 (/ cm 3 ) (first sample 151 illustrated in FIG. 7). . In the configuration in which the laminated intermediate layer 70 is provided, the dislocation density is reduced to about 70% compared to the configuration in which the stacked intermediate layer 70 is not provided.

基板40を含む窒化物半導体素子120、及び、窒化物半導体ウェーハ220の、室温での反りは、凹状であり、反りの大きさは、約10μmである。一方、第1実施形態に係る窒化物半導体素子110及び窒化物半導体ウェーハ210における反りは、凹状であり、反りの大きさは約40μmである。積層中間層70を設ける構成においては、設けない構成に対して、反りが低減するすなわち、積層中間層70を設けることで、窒化物半導体素子120、及び、窒化物半導体ウェーハ220に形成される引っ張り歪みを低減でき、クラックを低減できる。   The warpage at room temperature of the nitride semiconductor device 120 including the substrate 40 and the nitride semiconductor wafer 220 is concave, and the warpage is approximately 10 μm. On the other hand, the warpage in the nitride semiconductor device 110 and the nitride semiconductor wafer 210 according to the first embodiment is concave, and the magnitude of the warpage is about 40 μm. In the configuration in which the stacked intermediate layer 70 is provided, the warpage is reduced as compared with the configuration in which the stacked intermediate layer 70 is not provided. That is, the tensile formed in the nitride semiconductor element 120 and the nitride semiconductor wafer 220 by providing the stacked intermediate layer 70. Distortion can be reduced and cracks can be reduced.

このように、積層中間層70は、GaN中間層(例えば第1GaN中間層72a)と、AlN中間層(例えば第1AlN中間層73a)と、AlGaN中間層(例えば第2AlGaN中間層71b)と、を含む。AlN中間層(例えば第1AlN中間層73a)は、GaN中間層(例えば第1GaN中間層72a)の上に設けられる。AlGaN中間層(例えば第2AlGaN中間層71b)は、AlN中間層(例えば第1AlN中間層73a)の上に設けられる。   As described above, the laminated intermediate layer 70 includes a GaN intermediate layer (for example, the first GaN intermediate layer 72a), an AlN intermediate layer (for example, the first AlN intermediate layer 73a), and an AlGaN intermediate layer (for example, the second AlGaN intermediate layer 71b). Including. The AlN intermediate layer (for example, the first AlN intermediate layer 73a) is provided on the GaN intermediate layer (for example, the first GaN intermediate layer 72a). The AlGaN intermediate layer (for example, the second AlGaN intermediate layer 71b) is provided on the AlN intermediate layer (for example, the first AlN intermediate layer 73a).

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を設けることで、さらに転位密度の低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。さらに、積層中間層70を設けることで、反りを低減でき、クラックを抑制できる。   As described above, by providing the stacked intermediate layer 70 between the buffer layer 60 and the stacked body 50, a nitride semiconductor element and a nitride semiconductor wafer having a lower dislocation density can be obtained. Furthermore, by providing the lamination | stacking intermediate | middle layer 70, curvature can be reduced and a crack can be suppressed.

X線回折測定により、第1AlN中間層73aの、積層方向に対して垂直な第1軸の格子間隔(この例では、a軸の格子間隔に相当する)が評価できる。この測定において、第1AlN中間層73a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よりも大きい。そのため、第1AlN中間層73aの上に形成した第2AlGaN中間層73bには圧縮応力が形成されている。無歪みのGaNのa軸の格子間隔dgは、0.3189nmである。したがって、第1AlN中間層73aの緩和率αは、0.57に相当する。   By X-ray diffraction measurement, the first-axis lattice spacing (corresponding to the a-axis lattice spacing in this example) perpendicular to the stacking direction of the first AlN intermediate layer 73a can be evaluated. In this measurement, the lattice spacing Da of the first AlN intermediate layer 73a is 0.3145 nm, which is larger than the lattice spacing da of unstrained AlN, 0.3112 nm. Therefore, compressive stress is formed on the second AlGaN intermediate layer 73b formed on the first AlN intermediate layer 73a. The a-axis lattice spacing dg of unstrained GaN is 0.3189 nm. Therefore, the relaxation rate α of the first AlN intermediate layer 73a corresponds to 0.57.

一方、Al組成比が0.7の第2AlGaN中間層73bを形成した参考例では、クラックが発生した。この試料について、上記と同様の評価を行ったところ、第2AlGaN中間層73bには引っ張り応力が形成されていることがわかった。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組成比が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よりも大きくなっているためである。   On the other hand, cracks occurred in the reference example in which the second AlGaN intermediate layer 73b having an Al composition ratio of 0.7 was formed. When this sample was evaluated in the same manner as described above, it was found that tensile stress was formed in the second AlGaN intermediate layer 73b. That is, a tensile stress was formed on the AlGaN layer even though an AlGaN layer having an unstrained lattice spacing larger than that of AlN and having an Al composition ratio of 0.7 was formed on the AlN layer. This is because the first AlN intermediate layer 73a is distorted and the actual lattice spacing is larger than the unstrained lattice spacing.

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、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。   Thus, by forming an AlGaN intermediate layer having an Al composition ratio equal to or less than the relaxation rate α, a high-quality nitride semiconductor device with few cracks can be obtained.

このような窒化物半導体素子120及び窒化物半導体ウェーハ220により、転位が少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハを提供することができる。さらに、クラックを抑制できる。   With such a nitride semiconductor element 120 and nitride semiconductor wafer 220, a nitride semiconductor element and nitride semiconductor wafer with few dislocations can be provided. Furthermore, cracks can be suppressed.

図21は、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21に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子121は、第1電極10eと第2電極20eとをさらに含む。機能層15には、n形半導体層10と、p形半導体層20と、発光層30と、が設けられている。この例では、低不純物濃度層10iも設けられている。窒化物半導体素子121は、半導体発光素子である。
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view illustrating the nitride semiconductor device according to the embodiment.
As illustrated in FIG. 21, the nitride semiconductor device 121 according to the embodiment further includes a first electrode 10e and a second electrode 20e. The functional layer 15 includes an n-type semiconductor layer 10, a p-type semiconductor layer 20, and a light emitting layer 30. In this example, a low impurity concentration layer 10i is also provided. The nitride semiconductor element 121 is a semiconductor light emitting element.

この例では、n形半導体層10は、第1の部分11と、第2の部分12と、を含む。第2の部分12は、第1の部分11と、X−Y平面内において並ぶ。第2の部分12とp形半導体層20との間に発光層30が設けられる。   In this example, the n-type semiconductor layer 10 includes a first portion 11 and a second portion 12. The second portion 12 is aligned with the first portion 11 in the XY plane. A light emitting layer 30 is provided between the second portion 12 and the p-type semiconductor layer 20.

第1電極10eは、n形半導体層10の第1の部分11と電気的に接続される。第2電極20eは、p形半導体層20に電気的に接続される。第1電極10e及び第2電極20eを介して、機能層15に電流を供給し、発光層30から光が放出される。   The first electrode 10 e is electrically connected to the first portion 11 of the n-type semiconductor layer 10. The second electrode 20 e is electrically connected to the p-type semiconductor layer 20. A current is supplied to the functional layer 15 through the first electrode 10 e and the second electrode 20 e, and light is emitted from the light emitting layer 30.

窒化物半導体素子121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。   In the nitride semiconductor device 121, the stack 50 according to the embodiment is provided, so that the dislocation density is low, and as a result, for example, high luminous efficiency is obtained.

図22は、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22に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子122においても、第1電極10eと第2電極20eとが設けられる。この例では、機能層15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15のn形半導体層10、発光層30及びp形半導体層20を形成した後に、p形半導体層20の上に、第2電極20eが形成される。そして、第2電極20e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、及び、積層体50の少なくとも一部が除去される。
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view illustrating the nitride semiconductor device according to the embodiment.
As shown in FIG. 22, the nitride semiconductor element 122 according to the embodiment also includes the first electrode 10 e and the second electrode 20 e. In this example, after the functional layer 15 is formed on the stacked body 50, the substrate 40, the buffer layer 60, and the stacked body 50 are removed. For example, after forming the n-type semiconductor layer 10, the light emitting layer 30, and the p-type semiconductor layer 20 of the functional layer 15, the second electrode 20 e is formed on the p-type semiconductor layer 20. Then, the first bonding metal layer 46 is formed on the second electrode 20e. On the other hand, a support substrate 45 (for example, a silicon plate) on which the second bonding metal layer 47 is formed on the main surface is prepared. The first bonding metal layer 46 and the second bonding metal layer 47 are bonded to each other. Thereafter, at least a part of the substrate 40, the buffer layer 60, and the stacked body 50 used for crystal growth is removed.

窒化物半導体素子122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15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。   In the nitride semiconductor element 122, by using the functional layer 15 formed on the stacked body 50 according to the embodiment, the dislocation density is low, and as a result, for example, high luminous efficiency is obtained.

図23は、本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、実施形態に係る別の窒化物半導体素子123は、バッファ層60と、積層中間層70と、積層体50と、機能層15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15が設けられる。本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ223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220は、機能層15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15のそれぞれには、窒化物半導体素子120に関して説明した構成を適用することができる。
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view illustrating another nitride semiconductor element according to this embodiment.
As illustrated in FIG. 23, another nitride semiconductor device 123 according to the embodiment includes a buffer layer 60, a stacked intermediate layer 70, a stacked body 50, and a functional layer 15. A stacked body 50 is provided on the buffer layer 60. A laminated intermediate layer 70 is provided on the laminated body 50. The functional layer 15 is provided on the stacked intermediate layer 70. The nitride semiconductor wafer 223 according to this embodiment includes a substrate 40, a buffer layer 60, a stacked intermediate layer 70, and a stacked body 50. The nitride semiconductor wafer 220 may further include a functional layer 15. The configuration described with respect to the nitride semiconductor element 120 can be applied to each of the substrate 40, the buffer layer 60, the stacked body 50, the stacked intermediate layer 70, and the functional layer 15.

窒化物半導体素子123(及び窒化物半導体ウェーハ223)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。   In nitride semiconductor device 123 (and nitride semiconductor wafer 223), stacked intermediate layer 70 includes a first intermediate layer 70a and a second intermediate layer 70b. The second intermediate layer 70b is provided on the first intermediate layer 70a.

第1中間層70aは、第1AlGaN中間層71aと、第1GaN中間層72aと、第1AlN中間層73aと、を含む。第1AlGaN中間層71aは、第1AlN中間層73aの上に設けられる。第1GaN中間層72aは、第1AlGaN中間層71aの上に設けられる。   The first intermediate layer 70a includes a first AlGaN intermediate layer 71a, a first GaN intermediate layer 72a, and a first AlN intermediate layer 73a. The first AlGaN intermediate layer 71a is provided on the first AlN intermediate layer 73a. The first GaN intermediate layer 72a is provided on the first AlGaN intermediate layer 71a.

第2中間層70bは、第2AlGaN中間層71bと、第2GaN中間層72bと、第2AlN中間層73bと、を含む。第2AlN中間層73bは、第1GaN中間層72aは、の上に設けられる。第2AlGaN中間層71bは、第2AlN中間層73bの上に設けられる。第2GaN中間層72bは、第2AlGaN中間層71bの上に設けられる。   The second intermediate layer 70b includes a second AlGaN intermediate layer 71b, a second GaN intermediate layer 72b, and a second AlN intermediate layer 73b. The second AlN intermediate layer 73b is provided on the first GaN intermediate layer 72a. The second AlGaN intermediate layer 71b is provided on the second AlN intermediate layer 73b. The second GaN intermediate layer 72b is provided on the second AlGaN intermediate layer 71b.

窒化物半導体素子123(及び窒化物半導体ウェーハ223)の製造方法は、窒化物半導体素子120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。   The manufacturing method of the nitride semiconductor device 123 (and the nitride semiconductor wafer 223) can be applied by appropriately changing the manufacturing method described for the nitride semiconductor device 120.

窒化物半導体素子123及び窒化物半導体ウェーハ223において、刃状転位密度Deは、2.2×10(/cm)と低い値を示す。 In the nitride semiconductor element 123 and the nitride semiconductor wafer 223, the edge dislocation density De shows a low value of 2.2 × 10 8 (/ cm 2 ).

基板40を含む窒化物半導体素子123、及び、窒化物半導体ウェーハ223の、室温での反りは、凸状であり、反りの大きさは、約10μmである。   The warpage at room temperature of the nitride semiconductor element 123 including the substrate 40 and the nitride semiconductor wafer 223 is convex, and the magnitude of the warpage is about 10 μm.

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、凹状であり、反りの大きさは約40μmである。基板40を含む窒化物半導体素子120、及び、窒化物半導体ウェーハ220における反りは、凹状であり、反りの大きさは約10μmである。   On the other hand, the warpage in the nitride semiconductor device 110 including the substrate 40 and the nitride semiconductor wafer 210 is concave, and the size of the warpage is about 40 μm. The warpage in the nitride semiconductor device 120 including the substrate 40 and the nitride semiconductor wafer 220 is concave, and the magnitude of the warpage is about 10 μm.

窒化物半導体素子123及び窒化物半導体ウェーハ223のように、積層体50の上に積層中間層70を設けることで、窒化物半導体素子に形成される引っ張り歪みを低減でき、クラックを低減する効果が増大する。   Like the nitride semiconductor element 123 and the nitride semiconductor wafer 223, by providing the stacked intermediate layer 70 on the stacked body 50, tensile strain formed in the nitride semiconductor element can be reduced, and the effect of reducing cracks can be obtained. Increase.

図24は、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24に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子130は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)素子である。窒化物半導体素子130においては、機能層15は、第1層16と、第2層17と、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。
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view illustrating the nitride semiconductor device according to the embodiment.
As shown in FIG. 24, the nitride semiconductor device 130 according to the embodiment is a HEMT (High Electron Mobility Transistor) device. In the nitride semiconductor device 130, the functional layer 15 includes a first layer 16, a second layer 17, a gate electrode 18g, a source electrode 18s, and a drain electrode 18d.

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AlαGa1−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AlβGa1−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。 The first layer 16 is provided on the stacked body 50. The second layer 17 is provided on the first layer 16. For the first layer 16, for example, undoped Al α Ga 1-α N (0 ≦ α ≦ 1) containing no impurities is used. For the second layer 17, for example, undoped or n-type Al β Ga 1-β N (0 ≦ β ≦ 1, α <β) is used. For example, an undoped GaN layer is used for the first layer 16, and an undoped or n-type AlGaN layer is used for the second layer 17.

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。   The gate electrode 18 g, the source electrode 18 s, and the drain electrode 18 d are provided on the second layer 17. The source electrode 18s is separated from the drain electrode 18d in the XY plane. The source electrode 18 s and the drain electrode 18 d are in ohmic contact with the second layer 17. A gate electrode 18g is disposed on the second layer 17 between the source electrode 18s and the drain electrode 18d. The gate electrode 18g is in Schottky contact with the second layer 17.

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130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。   The lattice constant of the second layer 17 is smaller than the lattice constant of the first layer 16. As a result, distortion occurs in the second layer 17 and piezoelectric polarization occurs in the second layer 17 due to the piezoelectric effect. A two-dimensional electron gas 17 g is formed near the interface of the first layer 16 with the second layer 17. In the nitride semiconductor device 130, by controlling the voltage applied to the gate electrode 18g, the two-dimensional electron gas concentration under the gate electrode 18g increases or decreases, and the current flowing between the source electrode 18s and the drain electrode 18d is controlled. Is done.

窒化物半導体素子130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15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。   In the nitride semiconductor device 130, the dislocation density is low by using the functional layer 15 formed on the stacked body 50 according to the embodiment, and as a result, good electrical characteristics can be obtained.

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15が設けられても良い。   In the present embodiment, the stacked body 50 may be provided on the buffer layer 60, the stacked intermediate layer 70 may be provided on the stacked body 50, and the functional layer 15 may be provided on the stacked intermediate layer 70.

(第3の実施形態)
図25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25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、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、AlGa1−xN(0<x≦1)のAlGaN層51aを形成する(ステップS110)。
(Third embodiment)
FIG. 25 is a flowchart illustrating the method for forming the nitride semiconductor layer according to the third embodiment.
As shown in FIG. 25, in the method for forming a nitride semiconductor layer according to this embodiment, Al x Ga 1-x N (0) is formed on the buffer layer 60 provided on the substrate 40 and including the nitride semiconductor. <X ≦ 1) AlGaN layer 51a is formed (step S110).

さらに、AlGaN層51aの上面51auに接し7×1019/cm以上4×1020/cm以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層51sを形成する(ステップS120)。 Further, a first Si-containing layer 51s containing Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less is formed in contact with the upper surface 51au of the AlGaN layer 51a (step S120).

さらに、第1Si含有層51sの上に、上面51auに対して傾斜した斜面51gsを有する凸部51gpを含む第1GaN層51gを形成する(ステップS130)。   Further, a first GaN layer 51g including a convex portion 51gp having a slope 51gs inclined with respect to the upper surface 51au is formed on the first Si-containing layer 51s (step S130).

さらに、第1GaN層51gの上に、Siを含有する第2Si含有層52sを形成する(ステップS140)。   Further, a second Si-containing layer 52s containing Si is formed on the first GaN layer 51g (step S140).

さらに、第2Si含有層52sの上に、第2GaN層52gを形成する(ステップS150)。   Further, the second GaN layer 52g is formed on the second Si-containing layer 52s (step S150).

これにより、AlGaN層51aと、第1Si含有層51sと、第1GaN層51gと、第2Si含有層52sと、第2GaN層52gと、を含む積層体50を形成する(ステップS110a)。
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。
Thereby, the stacked body 50 including the AlGaN layer 51a, the first Si-containing layer 51s, the first GaN layer 51g, the second Si-containing layer 52s, and the second GaN layer 52g is formed (step S110a).
According to this formation method, a method for forming a nitride semiconductor layer with few dislocations can be provided.

図25に表したように、本形成方法は、第2GaN層52gの上に機能層15を形成する処理(ステップS160)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S105)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S106)をさらに含んでも良い。この場合には、AlGaN層51aの形成(ステップS110)においては、AlGaN層51aを積層中間層70の上に形成する。   As shown in FIG. 25, the formation method may further include a process (step S160) of forming the functional layer 15 on the second GaN layer 52g. The formation method may further include a process (step S105) for forming the buffer layer 60 on the substrate 40. The formation method may further include a process (step S106) of forming the stacked intermediate layer 70 on the buffer layer 60. In this case, in the formation of the AlGaN layer 51a (step S110), the AlGaN layer 51a is formed on the stacked intermediate layer 70.

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。   In the embodiment, the growth of the nitride semiconductor layer includes, for example, a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a molecule A line beam epitaxy (MBE) method, a halide vapor phase epitaxy (HVPE) method, or the like can be used.

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(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(モノシラン)、Si(ジシラン)などを用いることができる。 For example, when the MOCVD method or the MOVPE method is used, the following can be used as raw materials for forming each semiconductor layer. For example, TMGa (trimethyl gallium) and TEGa (triethyl gallium) can be used as the Ga raw material. As a source of In, for example, TMIn (trimethylindium), TEIn (triethylindium), or the like can be used. As a raw material for Al, for example, TMAl (trimethylaluminum) can be used. As a raw material of N, for example, NH 3 (ammonia), MMHy (monomethylhydrazine), DMHy (dimethylhydrazine) and the like can be used. As a Si raw material, SiH 4 (monosilane), Si 2 H 6 (disilane), or the like can be used.

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。   According to the embodiment, a nitride semiconductor device, a nitride semiconductor wafer, and a method for forming a nitride semiconductor layer with few dislocations can be provided.

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BInAlGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。 In this specification, “nitride semiconductor” means B x In y Al z Ga 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z ≦ 1) Semiconductors having all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges are included. Furthermore, in the above chemical formula, those further containing a group V element other than N (nitrogen), those further containing various elements added for controlling various physical properties such as conductivity type, and unintentionally Those further including various elements included are also included in the “nitride semiconductor”.

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。   In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strictly vertical and strictly parallel, but also include, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. It ’s fine.

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、Si含有層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。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, regarding a specific configuration of each element such as a substrate, a buffer layer, a stacked intermediate layer, a stacked body, an AlGaN layer, a GaN layer, a Si-containing layer, and a functional layer included in a nitride semiconductor element and a nitride semiconductor wafer, It is included in the scope of the present invention as long as a person skilled in the art can carry out the present invention by selecting appropriately from the known ranges and obtain the same effect.

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。   Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

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。   In addition, all nitride semiconductor elements that can be implemented by a person skilled in the art by appropriately modifying the design based on the nitride semiconductor element, nitride semiconductor wafer, and nitride semiconductor layer forming method described above as embodiments of the present invention. The nitride semiconductor wafer and the method for forming the nitride semiconductor layer also belong to the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.

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。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…n形半導体層、 10e…第1電極、 10i…低不純物濃度層、 11…第1の部分、 12…第2の部分、 15…機能層、 15l…界面、 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…p形半導体層、 20e…第2電極、 30…発光層、 31…障壁層、 32…井戸層、 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、 51a…AlGaN層、 51aa…第1AlGaN層、 51ab…第2AlGaN層、 51ac…第3AlGaN層、 51au…上面、 51g…第1GaN層、 51gp…凸部、 51gs…斜面、 51gt…頂面、 51n…n−GaN層、 51s…第1Si含有層、 51sp…第1領域、 51s1…第2領域、 51su…上面、 52g…第2GaN層、 52s…第2Si含有層、 60…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、 71a…第1AlGaN中間層、 71b…第2AlGaN中間層、 72a…第1GaN中間層、 72b…第2GaN中間層、 73a…第1AlN中間層、 73b…第2AlN中間層、 80…転位、 81…第1転位、 82…第2転位、 83…第3転位、 110、111、120、121、122、123、130…窒化物半導体素子、 151〜156…第1〜第6試料、 210、211、220、223…窒化物半導体ウェーハ、 Ap1、Ap2…第1、第2分析位置、 CS…Si濃度、 CSa1、CSa2…Si面密度、 CSv1、CSv2…Si濃度、 De…刃状転位密度、 GRg1…成長速度、 GTg1…成長温度、 Rg1(V/III)…V/III比、 S01〜S03…第1〜第3例、 TMs1、TMs2…成長時間、 Zd…深さ、 p1〜p7…第1〜第7部分、 tg1…高さ、 tg2…厚さ、 ts、ts1、ts2…厚さ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... n-type semiconductor layer, 10e ... 1st electrode, 10i ... Low impurity concentration layer, 11 ... 1st part, 12 ... 2nd part, 15 ... Functional layer, 15l ... Interface, 16 ... 1st layer, 17 2nd layer, 17g ... 2D electron gas, 18d ... drain electrode, 18g ... gate electrode, 18s ... source electrode, 20 ... p-type semiconductor layer, 20e ... 2nd electrode, 30 ... light emitting layer, 31 ... barrier layer, 32 ... Well layer, 40 ... Substrate, 45 ... Support substrate, 46 ... First junction metal layer, 47 ... Second junction metal layer, 50 ... Laminate, 51a ... AlGaN layer, 51aa ... First AlGaN layer, 51ab ... Second AlGaN 51ac ... third AlGaN layer, 51au ... upper surface, 51g ... first GaN layer, 51gp ... convex part, 51gs ... slope, 51gt ... top surface, 51n ... n-GaN layer, 5 s ... first Si-containing layer, 51sp ... first region, 51s1 ... second region, 51su ... upper surface, 52g ... second GaN layer, 52s ... second Si-containing layer, 60 ... buffer layer, 62 ... AlN buffer layer, 70 ... stacked Intermediate layer 70a ... first intermediate layer 70b ... second intermediate layer 71a ... first AlGaN intermediate layer 71b ... second AlGaN intermediate layer 72a ... first GaN intermediate layer 72b ... second GaN intermediate layer 73a ... first AlN intermediate Layer, 73b ... second AlN intermediate layer, 80 ... dislocation, 81 ... first dislocation, 82 ... second dislocation, 83 ... third dislocation, 110, 111, 120, 121, 122, 123, 130 ... nitride semiconductor element, 151 to 156... First to sixth samples, 210, 211, 220, 223... Nitride semiconductor wafer, Ap1, Ap2. Analysis position, CS ... Si concentration, CSa1, CSa2 ... Si surface density, CSv1, CSv2 ... Si concentration, De ... Edge dislocation density, GRg1 ... Growth rate, GTg1 ... Growth temperature, Rg1 (V / III) ... V / III Ratio, S01 to S03 ... first to third examples, TMs1, TMs2 ... growth time, Zd ... depth, p1-p7 ... first to seventh parts, tg1, ... height, tg2, ... thickness, ts, ts1, ts2 ... Thickness

Claims (20)

7×1019/cm以上4×1020/cm以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層と、
前記第1Si含有層に設けられ凸部を含む第1GaN層と、
前記第1GaN層に設けられた第2GaN層と、
前記第1GaN層と前記第2GaN層との間に設けられSiを含有する第2Si含有層と、
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、
を備えた窒化物半導体素子。
A first Si-containing layer containing Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less;
A first GaN layer provided on the first Si-containing layer and including a protrusion;
A second GaN layer provided on the first GaN layer;
A second Si-containing layer provided between the first GaN layer and the second GaN layer and containing Si;
A laminate comprising:
A functional layer provided in the laminate and including a nitride semiconductor;
A nitride semiconductor device comprising:
前記積層体は、AlGa1−xN(0<x≦1)のAlGaN層をさらに含み、
前記AlGaN層と前記機能層との間に前記積層体が配置される請求項1記載の窒化物半導体素子。
The laminate further includes an AlGaN layer of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1),
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the stacked body is disposed between the AlGaN layer and the functional layer.
前記第1GaN層は、前記凸部内において前記凸部の斜面に繋がる複数の第1転位を有し、
前記第2Si含有層を介して前記第1転位と連続する、前記第2GaN層内の転位の数は、前記複数の第1転位の数よりも少ない請求項記載の窒化物半導体素子。
The first GaN layer has a plurality of first dislocations connected to the slope of the convex portion in the convex portion,
Wherein said 2Si via-containing layer is continuous with the first transition, the number of dislocation of the 2GaN layer, said plurality of first dislocation nitride semiconductor device of less claim 1 than the number of.
前記第1GaN層の前記凸部は、前記積層体から前記機能層に向かう方向に対して垂直な頂面をさらに有し、
前記第1GaN層は、
前記凸部内において前記凸部の斜面に繋がる複数の第1転位と、
前記凸部内において前記頂面に繋がる複数の第2転位と、
を有し、
前記第2GaN層は、複数の第3転位を有し、
前記複数の第3転位のうちの一部は、前記第2転位と連続し、
前記複数の第3転位のうちで前記第1転位と連続する前記第3転位の数の前記複数の第1転位の数に対する比は、前記複数の第3転位のうちで前記第2転位と連続する前記第3転位の数の前記第2転位の数に対する比よりも低い請求項1記載の窒化物半導体素子。
The convex portion of the first GaN layer further has a top surface perpendicular to the direction from the stacked body toward the functional layer,
The first GaN layer includes
A plurality of first dislocations connected to the slope of the convex portion in the convex portion ;
A plurality of second dislocations connected to the top surface in the convex portion;
Have
The second GaN layer has a plurality of third dislocations;
A part of the plurality of third dislocations is continuous with the second dislocation,
The ratio of the number of the third dislocations continuing to the first dislocation among the plurality of third dislocations to the number of the first dislocations is continuous with the second dislocation among the plurality of third dislocations. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the ratio of the number of the third dislocations to the number of the second dislocations is lower.
前記凸部の高さは、100nm以上1000nm以下である請求項1〜のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。 Nitride semiconductor device according to the height of the convex portion is any one of claims 1-4 is 100nm or more 1000nm or less. 前記第1Si含有層の上面は、第1領域と、第2領域と、を含み、
前記第1GaN層は、前記第1領域の上に設けられ、
前記第2Si含有層の一部は、前記第2領域において前記第1Si含有層と接する請求項のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
The upper surface of the first Si-containing layer includes a first region and a second region,
The first GaN layer is provided on the first region;
Wherein the first 2Si part containing layer, a nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 5 in the second region in contact with said first 1Si-containing layer.
前記積層体におけるSi濃度プロファイルは、
Si濃度が7×1019/cm以上4×1020/cm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7部分と、
を有する請求項のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
The Si concentration profile in the laminate is
A first portion having a first concentration of Si concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less;
A second portion having a second concentration having a Si concentration lower than the first concentration;
A third portion provided between the first portion and the second portion and having a third concentration between which the Si concentration is between the first concentration and the second concentration;
A fourth portion provided between the third portion and the second portion and having a Si concentration of a fourth concentration between the third concentration and the second concentration;
A fifth portion provided between the first portion and the third portion, wherein the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration is higher than the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the third portion;
Provided between the third portion and the fourth portion, the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration is higher than the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the third portion, and with respect to the Si concentration in the fourth portion. A sixth part higher than the rate of change;
Provided between the fourth portion and the second portion, the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration is higher than the rate of change with respect to the thickness of the Si concentration in the fourth portion, and with respect to the Si concentration in the second portion. A seventh part higher than the rate of change;
The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, having a.
前記第3部分の前記第3濃度は、3×1018/cm以上5×1019/cm以下である請求項記載の窒化物半導体素子。 The nitride semiconductor device according to claim 7 , wherein the third concentration of the third portion is 3 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 19 / cm 3 or less. 前記第1部分の厚さは、1nm以上200nm以下であり、
前記第3部分の厚さは、100nm以上1000nm以下であり、
前記第4部分の厚さは、300nm以上2500nm以下である請求項またはに記載の窒化物半導体素子。
The thickness of the first portion is 1 nm or more and 200 nm or less,
The thickness of the third portion is 100 nm or more and 1000 nm or less,
The thickness of the fourth part, a nitride semiconductor device according to claim 7 or 8 is 300nm or more 2500nm or less.
窒化物半導体を含むバッファ層をさらに備え、
前記バッファ層と前記機能層との間に前記積層体が設けられる請求項1〜のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。
A buffer layer comprising a nitride semiconductor;
The nitride semiconductor device according to the laminate of any one of claims 1-9 provided between the buffer layer and the functional layer.
前記バッファ層と前記積層体との間に設けられた積層中間層をさらに備え、
前記積層中間層は、
GaN中間層と、
前記GaN中間層と前記積層体との間に設けられたAlN中間層と、
前記AlN中間層と前記バッファ層との間に設けられたAlGaN中間層と、
を含む請求項1記載の窒化物半導体素子。
A stack intermediate layer provided between the buffer layer and the stacked body;
The laminated intermediate layer is
A GaN intermediate layer;
An AlN intermediate layer provided between the GaN intermediate layer and the laminate;
An AlGaN intermediate layer provided between the AlN intermediate layer and the buffer layer;
Nitride semiconductor device according to claim 1 0, wherein including.
基板をさらに備え、
前記基板と前記積層体との間に前記バッファ層が配置される請求項1または1に記載の窒化物半導体素子。
Further comprising a substrate,
The nitride semiconductor device according to claim 1 0 or 1 1, wherein the buffer layer is disposed between the laminate and the substrate.
前記基板は、シリコン基板である請求項1記載の窒化物半導体素子。 The substrate, the nitride semiconductor device of claim 1 2 wherein the silicon substrate. 前記第1Si含有層及び前記第2Si含有層の少なくともいずれかは、SiNを含む、請求項1〜13のいずれか1つに記載の窒化物半導体素子。   14. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the first Si-containing layer and the second Si-containing layer includes SiN. 基板と、
前記基板に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層と、
前記バッファ層に設けられた積層体であって、
7×1019/cm以上4×1020/cm以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層と、
前記第1Si含有層に設けられ凸部を含む第1GaN層と、
前記第1GaN層に設けられた第2GaN層と、
前記第1GaN層と前記第2GaN層との間に設けられSiを含有する第2Si含有層と、
を含む積層体と、
を備えた窒化物半導体ウェーハ。
A substrate,
A buffer layer provided on the substrate and including a nitride semiconductor;
A laminate provided in the buffer layer,
A first Si-containing layer containing Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less;
A first GaN layer provided on the first Si-containing layer and including a protrusion;
A second GaN layer provided on the first GaN layer;
A second Si-containing layer provided between the first GaN layer and the second GaN layer and containing Si;
A laminate comprising:
A nitride semiconductor wafer comprising
前記積層体は、AlGa1−xN(0<x≦1)のAlGaN層をさらに含み、
前記AlGaN層は、前記バッファ層と前記第1Si含有層との間に配置される請求項15記載の窒化物半導体ウェーハ。
The laminate further includes an AlGaN layer of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1),
The nitride semiconductor wafer according to claim 15, wherein the AlGaN layer is disposed between the buffer layer and the first Si-containing layer.
前記第1Si含有層及び前記第2Si含有層の少なくともいずれかは、SiNを含む、請求項15または16に記載の窒化物半導体ウェーハ。   The nitride semiconductor wafer according to claim 15 or 16, wherein at least one of the first Si-containing layer and the second Si-containing layer contains SiN. 基板の上に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層に、7×1019/cm以上4×1020/cm以下の濃度でSiを含有する第1Si含有層を形成し、
前記第1Si含有層に凸部を含む第1GaN層を形成し、
前記第1GaN層に第2GaN層を形成し、
前記第1GaN層と前記第2GaN層との間に、Siを含有する第2Si含有層を形成する、窒化物半導体層の形成方法。
Forming a first Si-containing layer containing Si at a concentration of 7 × 10 19 / cm 3 or more and 4 × 10 20 / cm 3 or less in a buffer layer including a nitride semiconductor provided on the substrate;
Forming a first GaN layer including protrusions on the first Si-containing layer;
Forming a second GaN layer on the first GaN layer ;
A method for forming a nitride semiconductor layer, wherein a second Si-containing layer containing Si is formed between the first GaN layer and the second GaN layer .
前記バッファ層と前記第1Si含有層との間に、AlGa1−xN(0<x≦1)のAlGaN層をさらに形成する請求項18記載の窒化物半導体層の形成方法。 19. The method for forming a nitride semiconductor layer according to claim 18, further comprising forming an Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) AlGaN layer between the buffer layer and the first Si-containing layer. 前記第1Si含有層及び前記第2Si含有層の少なくともいずれかは、SiNを含む、請求項18または19に記載の窒化物半導体層の形成方法。   The method for forming a nitride semiconductor layer according to claim 18, wherein at least one of the first Si-containing layer and the second Si-containing layer contains SiN.
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