JP6226627B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法に関する。本発明は特に、優れた表面平坦性および低減した反りの両立を可能としたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法に関する。

近年、一般に、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、発光素子や電子デバイス用素子等に広く用いられている。このようなデバイスの特性は、III族窒化物半導体の原子レベルの表面平坦性に大きく影響されるため、表面平坦性に優れたIII族窒化物半導体を成長させるための技術が求められている。

III族窒化物半導体は、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどからなる基板上にエピタキシャル成長させることによって形成される。しかし、III族窒化物半導体とこれらの基板とでは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なる。そのため、これらの基板上にIII族窒化物半導体を成長させた場合、格子の不整合、熱膨張係数の違いなど種々の理由により、基板上に形成したIII族窒化物半導体の歪みが大きくなってしまい、原子レベルの優れた表面平坦性を得ることは難しかった。そこで、基板上にＡｌＮバッファ層を形成した後、該バッファ層上にＡｌＮ層およびＡｌＧａＮ層を交互にエピタキシャル成長させた超格子積層体を形成することで、この超格子積層体上に、表面平坦性に優れたIII族窒化物層を成長させることができることが知られている。ＡｌＮバッファ層によって熱膨張係数と格子定数の不整合を解消しつつ、超格子積層体によって応力緩和し、転位を減らすことができるためである。

ここで、特許文献１は、Ｓｉ基板上にＡｌＮバッファ層を形成し、ＡｌＮバッファ層上にＡｌ組成が結晶成長方向に減少するように組成を傾斜させた組成傾斜層と、高Ａｌ含有層と低Ａｌ含有層とを交互に積層した超格子複合層とを順次形成してなるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を開示する。また、特許文献１に記載された技術によると、このIII族窒化物半導体エピタキシャル基板上にIII族窒化物半導体層を形成することで、結晶性の高いIII族窒化物半導体層を得ることが可能である。

特開２００９−１５８８０４号公報

特許文献１に記載の超格子積層体を用いて表面平坦性に優れたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を得るためには、超格子積層体として高Ａｌ含有層および低Ａｌ含有層を交互に２層ずつ積層するだけでも、III族窒化物半導体エピタキシャル基板表面でのピットの発生抑制効果は認められる。ところが、本発明者らのより詳細な検討によれば、ピットの発生を最も効果的に抑制するためには、交互に相当数（例えば高Ａｌ含有層および低Ａｌ含有層を交互に４０層ずつ以上）積層する必要があることが判明した。超格子積層体は、その積層数が増えれば増えるほど、結晶内部の応力を緩和して伝搬する転位を減らすことができ、その結果、優れた表面平坦性を有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を得ることができる。しかしながら、超格子積層体の積層数が多くなると、超格子積層体と基板との熱膨張係数差により、III族窒化物半導体エピタキシャル基板の反りが大きくなってしまう。そのため、優れた表面平坦性の実現と、低減した反りの実現とは、二律背反の関係にある。ここで、III族窒化物半導体エピタキシャル基板の反りは、III族窒化物半導体エピタキシャル基板にさらに半導体素子として機能する層（以下、単に「素子形成層」と称する。）を形成してなるIII族窒化物半導体素子にとって、クラック発生の原因となり得るものであり、さらにデバイスに加工する際の支障ともなり得るものである。したがって、優れた表面平坦性および低減した反りを両立したIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法が求められている。なお、「クラック」とは、基板が分割されることは無い程度のひび割れや亀裂を意味する。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、優れた表面平坦性および低減した反りを両立したIII族窒化物半導体エピタキシャル基板、およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）サファイア基板の上にＡｌＮ単結晶が形成されたＡｌＮテンプレート基板と、該基板上に形成されるアンドープＡｌＮ層と、該アンドープＡｌＮ層上に形成されるＡｌＮバッファ層と、該ＡｌＮバッファ層上に形成される超格子積層体と、を有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板において、
前記ＡｌＮバッファ層は、１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度でＳｉドープされ、前記超格子積層体は、前記ＡｌＮバッファ層上に、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を積層し、さらに結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）と前記高Ａｌ含有層とを交互にｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）積層してなり、前記ＡｌＮバッファ層側から数えて１番目から（ｎ−２）番目までの前記低Ａｌ含有層が、第１の厚みを有し、（ｎ−１）番目の前記低Ａｌ含有層が、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有し、ｎ番目の前記低Ａｌ含有層が、前記第２の厚み以上の第３の厚みを有することを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。

（２）前記低Ａｌ含有層は、Ａｌ組成が結晶成長方向に沿って減少する組成傾斜層である上記（１）に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。

（３）前記高Ａｌ含有層は、０．９５≦ｘ≦１である上記（１）または（２）に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。

（４）前記高Ａｌ含有層は、ＡｌＮ層（ｘ＝１）である上記（３）に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。

（５）前記第３の厚みは、前記第２の厚みよりも厚い上記（１）〜（４）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。

（６）前記高Ａｌ含有層は、等しい厚みを有する上記（１）〜（５）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。

（７）サファイア基板の上にＡｌＮ単結晶が形成されたＡｌＮテンプレート基板上にアンドープＡｌＮ層を形成する工程と、該アンドープＡｌＮ層上にＡｌＮバッファ層を形成する工程と、該ＡｌＮバッファ層上に超格子積層体を形成する工程と、とを有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、
前記ＡｌＮバッファ層を形成する工程では、１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度となるようにＳｉドープし、前記超格子積層体を形成する工程では、前記ＡｌＮバッファ層上に、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を積層し、さらに結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）と前記高Ａｌ含有層とを交互にｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）積層するにあたり、 前記ＡｌＮバッファ層側から数えて１番目から（ｎ−２）番目までの前記低Ａｌ含有層の厚みを第１の厚みとし、（ｎ−１）番目の前記低Ａｌ含有層の厚みを、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みとし、ｎ番目の前記低Ａｌ含有層の厚みを、前記第２の厚み以上の第３の厚みとすることを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。

本発明によれば、優れた表面平坦性および低減した反りの両立を可能としたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０の模式的断面図である。 図１のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０における第１積層体２１の拡大図である。 比較例５（試行例１０）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面写真である。 比較例５（試行例１０）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板のＴＥＭ断面写真である。 比較例３（試行例８）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面写真である。 実施例１（試行例１）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面写真である。 実施例１（試行例１）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板のＴＥＭ断面写真である。 本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０上に素子構成層３０を設けて形成したIII族窒化物半導体発光素子５０の一例である。 本発明のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０の製造方法における、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の混合比の経時変化の一例を示す図である。 本発明のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０の製造方法における、ＴＭＧおよびＴＭＡの混合比の経時変化の一例を示す図である。 反り量（ＳＯＲＩ）の定義を説明する基板の模式断面図である。 実施例１（試行例１）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板のＴＥＭ断面写真であって、超格子積層体部分の拡大写真である。

以下、本発明のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１，図２および図８では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、各層の厚さを基板に対して誇張して示す。なお、図１および図８では、超格子積層体２０の積層構造の一部を省略している。また、本明細書において単に「ＡｌＧａＮ」と表記する場合は、III族元素（Ａｌ，Ｇａの合計）とＮとの化学組成比が１：１であり、III族元素ＡｌとＧａとの比率は不定の任意の化合物を意味するものとする。「ＡｌＧａＮ」と表記することによって、ＡｌＮであることを排除するものではない。また、この化合物におけるIII族元素中のＡｌ組成の割合が結晶成長方向に変化しない場合に、特に「Ａｌ含有率」と称する。なお、本発明におけるＡｌＮからなる層および表面部分とはいずれも単結晶のＡｌＮ層であり、例えば９００℃以下の低温で成長された多結晶やアモルファスを主体とするＡｌＮ層ではない。

図１に示すように、本発明の一実施形態であるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０は、少なくとも表面部分がＡｌＮからなる基板１２と、この基板１２上に形成されるアンドープＡｌＮ層１４と、このアンドープＡｌＮ層１４上に形成されるＡｌＮバッファ層１６と、このＡｌＮバッファ層１６上に形成される超格子積層体２０と、を有する。詳細を後述するが、超格子積層体２０は、ＡｌＮバッファ層１６上に、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を積層し、さらに結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）と高Ａｌ含有層とを交互にｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）積層してなる。ここで、ＡｌＮバッファ層側から数えて１番目から（ｎ−２）番目までの低Ａｌ含有層が、第１の厚みを有し、（ｎ−１）番目の低Ａｌ含有層が、第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有し、ｎ番目の低Ａｌ含有層が、第２の厚み以上の第３の厚みを有する。

ここに、超格子積層体２０において、ＡｌＮバッファ層１６直上の高Ａｌ含有層から、ＡｌＮバッファ層１６側から数えて（ｎ−２）番目の高Ａｌ含有層までの層からなる積層体を「第１積層体２１」と称す。この第１積層体２１における高Ａｌ含有層を高Ａｌ含有層２１Ａと表し、低Ａｌ含有層を低Ａｌ含有層２１Ｂと表す。また、第１積層体２１直上の低Ａｌ含有層を低Ａｌ含有層２２Ｂと表し、この低Ａｌ含有層２２Ｂ上の高Ａｌ含有層を高Ａｌ含有層２２Ａと表し、低Ａｌ含有層２２Ｂおよび高Ａｌ含有層２２Ａからなる積層体を「第２積層体２２」と称す。さらに、第２積層体２２直上の低Ａｌ含有層を低Ａｌ含有層２３Ｂと表し、この低Ａｌ含有層２３Ｂ上の高Ａｌ含有層を高Ａｌ含有層２３Ａと表し、低Ａｌ含有層２３Ｂおよび高Ａｌ含有層２３Ａからなる積層体を「第３積層体２３」と称す。すなわち、低Ａｌ含有層２２Ｂは、ＡｌＮバッファ層側から数えて（ｎ−１）番目の低Ａｌ含有層であり、第２の厚みを有する。また、低Ａｌ含有層２３Ｂは、ＡｌＮバッファ層側から数えてｎ番目の低Ａｌ含有層であり、第３の厚みを有する。

少なくとも表面部分がＡｌＮからなる基板１２としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ダイヤモンドや、Ａｌなどの金属からなる基板の上にＡｌＮ単結晶が形成されたＡｌＮテンプレート基板と、基板全体がＡｌＮであるＡｌＮ単結晶基板とが挙げられる。基板１２の厚みは、各層のエピタキシャル成長後の反り量などを勘案して適宜設定されるが、例えば４００〜２０００μｍの範囲内である。なお、本発明に使用する基板１２の表面部分のＡｌＮは結晶性が良く、例えばＸ線ロッキングカーブ回折法（ＸＲＣ; X-ray Rocking Curve）によるＡｌＮの（１０２）面における半値幅が６００秒以下の基板であることが好ましい。転位密度としては、１．０×１０^９／ｃｍ^２以下であることが好ましい。転位の少ない基板を用いることで、後述するＳｉドープされるＡｌＮバッファ層１６を用いる場合の、転位発生が過剰になることによるクラック発生の恐れを抑制することができるためである。

基板１２上には、アンドープＡｌＮ層１４が形成される。このアンドープＡｌＮ層１４は、結晶性の良い基板１２のＡｌＮの結晶性を引き継ぐことを目的としており、厚さは１０〜５０ｎｍの範囲内である。ここで言う「アンドープ」とは、意図的に不純物をドープしないことを意味し、装置起因や拡散等による不可避的不純物の排除まで意図するものではない。具体的には、アンドープにおいて、不可避的不純物ではないｐ型またはｎ型になりうる不純物の不純物濃度は、５．０×１０^１６／ｃｍ^３以下として定義することができる。これは、ＬＥＤ等の発光デバイスにおいて、電気伝導に寄与しないレベルの濃度である。

アンドープＡｌＮ層１４上には、ＡｌＮ組成からなり、１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度でＳｉドープされるＡｌＮバッファ層１６が形成される。本明細書において、不純物濃度とはＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）により得られた不純物の検出強度のピーク値を濃度換算した値を意味する。１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度となるようにＡｌＮバッファ層１６にＳｉドープする理由は、後述する。

以下、図１および図２を用いて、超格子積層体２０の詳細を説明する。
ＡｌＮバッファ層１６上には、既述の第１積層体２１と、第２積層体２２と、第３積層体２３とから構成される超格子積層体２０が形成される。この超格子積層体２０は、既述のとおり、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）と、結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）との２種類のＡｌ平均組成のＡｌＧａＮ層を交互に積層してなる。ここで、高Ａｌ含有層のＡｌの平均組成ｘに関し、「Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．９＜ｘ≦１）」であるとは、Ａｌ組成が高Ａｌ含有層内において、一定であっても、連続的または不連続に変化してよく、結晶成長方向のＡｌ平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１であることを意味する。低Ａｌ含有層のＡｌ平均組成ｙが「Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ≦１）」と表されることも、同様の意味である。また、高Ａｌ含有層２１Ａ〜２３Ａは、同じＡｌ平均組成ｘを有する。同様に、低Ａｌ含有層２１Ｂ〜２３Ｂは、同じＡｌ平均組成ｙを有する。

また、超格子積層体２０の積層数に関して、ＡｌＮバッファ層１６上の高Ａｌ含有層を除く、交互に順次形成される低Ａｌ含有層と高Ａｌ含有層の積層数をｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）と表す。上記ｎを用いると、第１積層体２１は、ＡｌＮバッファ層１６上に高Ａｌ含有層２１Ａを１層積層し、さらに低Ａｌ含有層２１Ｂおよび高Ａｌ含有層２１Ａをこの順に交互に（ｎ−２）組積層することで形成される。高Ａｌ含有層２１Ａの膜厚は、１〜１０ｎｍ程度とすることができる。第１積層体２１におけるそれぞれの高Ａｌ含有層２１Ａは、この範囲内で任意の値をそれぞれ取ることができる。一方、低Ａｌ含有層２１Ｂの膜厚である第１の厚みは、０．５〜１．５ｎｍ程度とすることができるが、第１の厚みは、第１積層体２１において一定である。第１積層体２１の総膜厚は、３〜９２ｎｍ程度とすることができる。

第１積層体２１上の第２積層体２２では、第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有する低Ａｌ含有層２２Ｂと、高Ａｌ含有層２２Ａとをこの順に１層ずつ積層される。高Ａｌ含有層２２Ａの膜厚は、１〜１０ｎｍ程度とすることができ、第１積層体２１の高Ａｌ含有層２１Ａの膜厚と同じ膜厚としてもよいし、異なっていてもよい。一方、低Ａｌ含有層２２Ｂの膜厚（第２の厚み）は、第１積層体２１の低Ａｌ含有層２１Ｂの第１の厚みよりも膜厚が厚いという条件の下、１．５〜２．５ｎｍ程度とすることができる。第２積層体２２の総膜厚は、２．５〜１２．５ｎｍ程度とすることができる。

第２積層体２２上には、第２の厚み以上である第３の厚みを有する低Ａｌ含有層２３Ｂと、高Ａｌ含有層２３Ａとをこの順に１層ずつ積層してなる第３積層体２３が形成される。高Ａｌ含有層２３Ａの膜厚は、１〜１０ｎｍ程度とすることができ、第１積層体２１の高Ａｌ含有層２１Ａの膜厚および／または第２積層体の高Ａｌ含有層２２Ａと同じ膜厚としてもよいし、異なっていてもよい。一方、低Ａｌ含有層２３Ｂの膜厚（第３の厚み）は、第２積層体２２の低Ａｌ含有層２２Ｂの膜厚（第２の厚み）以上であるという条件の下、１．５〜３．５ｎｍ程度とすることができる。換言すれば、低Ａｌ含有層の膜厚において、前述した第２の厚みは第１の厚みより厚い。そして、第２の厚みと第３の厚みとは、同一の厚みであってもよいが、後述するように、第３の厚みが第２の厚みより厚くなることがより好ましい。なお、低Ａｌ含有層に関して、厚さを変えてもよい層は、第２の厚みを有する低Ａｌ含有層２２Ｂの１層および第３の厚みを有する低Ａｌ含有層２３Ｂの１層の計２層までとし、低Ａｌ含有層の３層以上の厚みを連続して変化させることはできない。以下に説明する同一面での核発生のみが残存する状態が失われ、本発明の効果を奏しなくなるためである。このことからわかるように、応力を緩和するために行われる公知の超格子構造と、本発明の超格子構造とでは、設計思想が大きく異なる。

ここで、既述の低Ａｌ含有層および高Ａｌ含有層を交互に積層する組数ｎの上限を、１０とするのは、総厚を減らすことで欠陥の発生位置を揃え、かつ、欠陥同士を繋げて消滅させ、その結果、III族窒化物半導体エピタキシャル基板１０の平坦化を促進するためである。この交互に積層する組数ｎは、好ましくは５以上７以下（５≦ｎ≦７）であり、最も好ましくは６（ｎ＝６）である。この交互に積層する数が好適である理由の詳細は、ＡｌＮバッファ層１６に所定濃度でＳｉをドープする理由と併せて後述するが、ｎを５以上とすることで、応力を緩和することができ、ｎを７以下とすることで、欠陥をより低減することができる。また、ｎを６とすることで、これらの効果が最も得られる。なお、ＡｌＮバッファ層１６上に形成される高Ａｌ含有層２１Ａ以降の、低Ａｌ含有層および高Ａｌ含有層が、例えば交互に６組（ｎ＝６）積層されて超格子積層体２０が形成されるときに、超格子積層体２０の積層組数は「６．５組」である、と言う。すなわち、既述のｎを用いれば、超格子積層体２０の積層組数を、（ｎ＋０．５）組と表すことができる。

本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０の特徴は、既述の所定濃度でＳｉドープされたＡｌＮバッファ層１４と、該ＡｌＮバッファ層１４上に形成される超格子積層体２０である。このような構成を採用することにより、本発明では、優れた表面平坦性および低減した反りの両立を可能としたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０を得ることできるという顕著な効果を奏する。

このような構成を採用することの技術的意義を、作用効果を含めて以下に説明する。
本発明者らは、反りを低減するために、ＡｌＮバッファ層１６上に形成する超格子積層体２０の積層組数を減らして形成した場合の表面平坦性を種々検討した。ＡｌＮバッファ層１６へのＳｉドープする不純物濃度を１．０×１０^１９／ｃｍ^３以下とし、超格子積層体２０の積層組数が４０．５組であり、かつ、第２および第３積層体を形成しなかった試行例１０（実施例において、詳細を後述する。）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。このとき、超格子積層体２０の上に形成されたｎ型コンタクト層の表面には図３に示す表面写真のように、ランダムな高さの凹凸が形成されていた。図４に示すＴＥＭを用いて取得した試行例１０にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の断面図から、この凹凸は超格子積層体２０の最表面付近を起源とする面欠陥によるものであることが分かる。ランダムな高さの凹凸となるのは、面欠陥の垂直方向での発生起源の位置がランダムであるためと予想される。

これに対して、Ｓｉドープする不純物濃度を変えずに、第２および第３積層体をさらに設けつつ、超格子積層体２０の積層組数を４０．５組から大幅に減らした６．５組とした試行例８（実施例において、詳細を後述する。）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板では、図５に示す表面写真のように、超格子積層体２０の上に形成されたｎ型コンタクト層の表面には、凹凸は発生するものの、その凸面の高さが揃っていた。これは、第２および第３積層体をさらに設けたことにより、面欠陥の垂直方向での発生起源が同一面となり、合体消滅しなかったもののみが残存したためだと考えられる。なお、第２および第３積層体が無ければ凸面の高さが揃うことは無かった。

また、第２および第３積層体を超格子積層体２０に設けて積層組数を６．５組とし、かつ、Ｓｉドープする不純物濃度を１．０×１０^１９／ｃｍ^３超として本発明に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板としたときに、図６に示す表面写真のように、超格子積層体２０の上に形成されたｎ型コンタクト層の表面には凹凸がなくなり、最上面での高さが揃っていた。このときのＴＥＭ断面図を図７に示す。なお、図６の表面写真および図７のＴＥＭ断面写真は、試行例１にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を用いて取得しており、実施例において、詳細を後述する。図７から、面欠陥の垂直方向での発生起源が同一面となる状態において、Ｓｉドープを多量とすることによって、面欠陥の発生源が増加して飽和し、その結果、同一面を発生起源とする面欠陥が成長方向に伸びる際に、ほぼ全ての隣り合う面欠陥同士が合体消滅したためであると本発明者らは考えている。

ここで、ＡｌＮバッファ層１６へのＳｉドープは、ＡｌＮバッファ層１６表面に凹凸を形成して、表面を荒らす作用があるために、表面平坦性に優れた半導体エピタキシャル基板を得るためには、従来避けられていた。しかしながら、上述のように、第２および第３積層体を設けることで、超格子積層体２０の最上面には同一の高さの凹凸面のみが形成されることに本発明者らは着目した。ＡｌＮバッファ層１６にあえてＳｉを多量にドープすることにより、高さの揃った凸面を増加させて飽和させることによって、超格子積層体２０の最上面の平坦性を向上することを本発明者らは見出したのである。また、平坦性の向上と同時に、ＡｌＮバッファ層１６にＳｉを多量にドープすることにより、ＡｌＮバッファ層１６に欠陥が多く導入され、応力が低減し、その結果、反りが低減していると考えられる。なお、このように、超格子積層体２０の最上面の平坦性が揃うのは、既述のように、超格子積層体２０として第１積層体のみを形成していたときには、転位がランダムに残っていたところ、第１積層体とは低Ａｌ含有層の厚みが異なる第２積層体および第３積層体の形成により、一定方向の転位のみ残るようになり、面欠陥の形成により歪みが緩和されたためであると本発明者らは考えている。そして、第２および第３積層体の上記作用により、超格子積層体の積層組数を、ピットの発生を抑制するために必要であった従来公知の超格子積層体の積層組数と比較して相当数減らすことが可能となり、１０．５組以下（すなわち、ｎの最大値は１０である）とすることができた。

このように本発明者らは、原子レベルの高い表面平坦性および低減した反りを両立するためには、ＡｌＮバッファ層１６を１．０×１０^１９／ｃｍ^３よりも大きい不純物濃度以上でＳｉドープし、かつ、第１，第２および第３の厚みをそれぞれ有する低Ａｌ含有層２１Ｂ〜２３Ｂを含む超格子積層体２０を設けることにより、本発明目的を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は理論に縛られるものではないが、本実施形態のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０は、上記のような作用により、原子レベルの高い表面平坦性および低減した反りを両立することができるという顕著な効果を奏するものと考えられる。

なお、実施例において後述するように、第３積層体２３を形成せずに第１積層体２１および第２積層体２２から構成される超格子積層体２０を形成した場合、優れた表面平坦性および低減した反りを両立することはできなかった。このことから、本実施形態のように、超格子積層体２０には、第２積層体２２および第３積層体２３の両方が含まれることが必須である。これは、低Ａｌ含有層２１Ｂの第１の厚みよりも膜厚が厚い低Ａｌ含有層が１層あるだけでは、転位を一定方向のみとすることができないためであると考えられる。

ここで、本実施形態において、低Ａｌ含有層２３Ｂの第３の厚みは、低Ａｌ含有層２２Ｂの第２の厚みよりも厚いことが、より好ましい。第２積層体とは異なる応力を発生させることにより、転位の方向を変化させ、転位の消滅作用がより期待でき、表面平坦性がより優れたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０を得ることができる。

また、高Ａｌ含有層２１Ａ〜２３Ａは、等しい厚みを有することで、応力緩和効果をさらに得ることができ、好ましい。

一実施形態において、結晶成長方向の平均組成が０＜ｙ＜ｘであるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮからなる低Ａｌ含有層２１Ｂ〜２３Ｂは、Ａｌ組成を結晶成長方向に沿って減少させる組成傾斜層とすることが好ましい。この組成傾斜層に対して、Ａｌ組成が結晶成長方向に一定である層を、「組成矩形層」と称することとする。低Ａｌ含有層２１Ｂ〜２３Ｂは、組成傾斜層および組成矩形層のいずれであっても、本発明の効果を得られるものである。しかしながら、以下の理由のために、低Ａｌ含有層２１Ｂ〜２３Ｂは組成傾斜層であることがより好ましい。

既述のとおり、組成傾斜層は、ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成が結晶成長方向に連続又は不連続に減少するように組成を傾斜させた層である。結晶成長方向に減少するように組成傾斜層のＡｌ組成を傾斜させることで、低Ａｌ含有層の熱膨張率が、組成傾斜層の基板１２側の面では比較的高いＡｌ組成となり基板の膨張率に近づく。一方、組成傾斜層の結晶成長方向側の面では、比較的低いＡｌ組成となり、III族窒化物半導体エピタキシャル基板１０上に素子形成層を形成した場合の素子形成層の熱膨張率に近づくため、クラックの発生をより抑制できることが期待できる。

組成傾斜層の組成としては、ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成の値が、基板１２に近い側をｙ１、結晶成長方向側の面をｙ２とすると、基板１２に近い側では好ましくは０．７≦ｙ１≦ｘの範囲であり、より好ましくは０．９≦ｙ１≦ｘの範囲である。また、結晶成長方向側の面で好ましくは０≦ｙ２＜０．３の範囲であり、より好ましくは０≦ｙ２＜０．１の範囲である。Ａｌ組成を上記範囲として、結晶成長方向にｙ１からｙ２に組成傾斜すれば、基板１２と、組成傾斜層との格子定数の差を低減でき、その結果、素子形成層を形成した場合の結晶性を向上させることができる。

なお、組成傾斜層のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮのＡｌ組成は、結晶成長方向に減少すれば、連続的でも不連続的でもよい。また、Ａｌ組成が結晶成長方向に減少する割合は、一定であっても、不規則であっても構わない。なお、ｙ１からｙ２に連続的に結晶成長方向に一定割合で組成を変化させた場合、平均組成ｙ＝（ｙ１＋ｙ２）/２として表すことができる。

高Ａｌ含有層は組成傾斜層、組成矩形層のいずれであっても良いが、Ａｌ組成が結晶成長方向に一定である組成矩形層の方が好ましい。

高Ａｌ含有層２１Ａ〜２３ＡのＡｌ平均組成ｘは、０．９５≦ｘ≦１であることが好ましい。これにより、隣接する低Ａｌ含有層とのＡｌ平均組成の差が大きくなり、歪緩衝効果が向上するためである。しかしながら、高Ａｌ含有層２１Ａ〜２３Ａは、全てＡｌＮ層（すなわち、ｘ＝１）であることがさらに好ましい。これにより、隣接する低Ａｌ含有層とのＡｌ平均組成の差が最大となり、歪緩衝効果が最大となるためである。

なお、ＡｌＮバッファ層１４へＳｉドープする不純物濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３より大きければ、本発明の効果を得られものであることは既述のとおりである。ここで、２×１０^１９／ｃｍ^３以上であれば、本発明の効果をより確実に得ることができるため、好ましい。しかしながら、この不純物濃度は８×１０^１９／ｃｍ^３未満であることがより好ましい。８×１０^１９／ｃｍ^３以上では、ＡｌＮバッファ層を起因とする転位が過剰となり、クラックが発生する場合が生ずるためである。

本発明に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０は、例えば発光素子、レーザーダイオード、トランジスタなど、任意の半導体素子に用いることができる。図８は、本発明に従うIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０を用いて形成した半導体発光素子５０である。例えば、ＭＯＣＶＤ法など既知の手法を用いてエピタキシャル成長させることにより、超格子積層体２０の上に、さらに接続層３１と、ｎ型コンタクト層３２と、ｎ型クラッド層３３と、多重量子井戸層（ＭＱＷ層）３４と、ｐ型クラッド層３５と、ｐ型コンタクト層３６とを含む素子形成層３０を順次形成する。この素子形成層３０の形成後、例えばドライエッチング法によりｎ型コンタクト層３２の一部を露出させ、この露出させたｎ型コンタクト層３２およびｐ型コンタクト層３６の上に、ｎ側電極４１およびｐ側電極４２をそれぞれ配置することで、横型構造のIII族窒化物発光素子５０を形成することができる。また、ｐ型コンタクト層の上部に接合層を形成し、別の支持基板に接合した後、レーザーやケミカルリフトオフ法を用いて、基板を除去した後に縦型構造の発光素子を形成することもできる。

なお、本明細書において、高Ａｌ含有層および低Ａｌ含有層を構成する「ＡｌＧａＮ」は、他のIII族元素であるＢおよび／またはＩｎを合計１％以下含んでいてもよい。また、例えばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量の不純物を含んでいてもよく、部分的にＭｇ不純物を意図して添加しても良い。なお、III族窒化物積層体を構成するＡｌＮなども同様に他のIII族元素を合計１％以下含んでいてもよい。

また、本明細書において、「一定」、「等しい」、「同じ」、「同一」などの表現は、厳密に数学的な意味での等しさを意味するものではなく、製造工程上不可避な誤差をはじめ、本発明の作用効果を奏する範囲で許容される誤差を含むものであることは勿論であり、この点は他の実施形態においても同様である。このような誤差としては、３％以内を「一定」、「等しい」、「同じ」、「同一」に含めることとする。

（III族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法）
本発明のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板１０の製造方法は、少なくとも表面部分がＡｌＮからなる基板１２上にアンドープＡｌＮ層１４を形成する工程と、該アンドープＡｌＮ層１４上にＡｌＮバッファ層１６を形成する工程と、該ＡｌＮバッファ層１６上に、超格子積層体２０を形成する工程と、を有する。ここで、ＡｌＮバッファ層１６を形成する工程では、１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度となるようにＳｉドープする。さらに、超格子積層体２０を形成する工程では、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を積層し、さらに結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）と前記高Ａｌ含有層とを交互にｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）積層するにあたり、ＡｌＮバッファ層１６側から数えて１番目から（ｎ−２）番目までの前記低Ａｌ含有層の厚みを第１の厚みとし、（ｎ−１）番目の前記低Ａｌ含有層の厚みを、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みとし、ｎ番目の前記低Ａｌ含有層の厚みを、前記第２の厚み以上の第３の厚みとすることを特徴とする。

本発明における各層のエピタキシャル成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法など既知の手法を用いることができる。ＡｌＧａＮを形成する場合の原料ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを挙げることができ、膜中のＡｌ組成の制御は、ＴＭＡとＴＭＧとの混合比を各層の成長段階に応じて制御することにより行うことができる。

すなわち、各層において、組成矩形層としてＡｌ組成を一定とする場合には、図９に示すように、ＴＭＡとＴＭＧとの混合比を各層の成長段階に応じて経時変化させることで、Ａｌ組成を制御することができる。また、エピタキシャル成長時間を制御すれば、各層の膜厚を任意に制御することができる。

また、組成傾斜層を形成する場合にも、ＴＭＧおよびＴＭＡの混合比を、各層のエピタキシャル成長時間に応じて経時変化させることで、組成傾斜層を形成することができる。図１０を用いて、高Ａｌ含有層としてＡｌＮ層を形成し、低Ａｌ含有層としてＡｌ組成を結晶成長方向に１から０．０２に連続的に漸減させるときの一実施形態を説明する。

まず、ＴＭＧガスを流さずＴＭＡの割合を１００％として、ＡｌＮ層（高Ａｌ含有層）を形成する。その後、ＴＭＡガス流量を変化させずに、ＴＭＧガスを流し始め、ＴＭＧガスの流量を０ｓｃｃｍから、理論上、Ａｌ組成が０．０２（Ｇａ組成が０．９８）となるＴＭＧ流量まで一定時間の間に流量を連続的に増加させることで、Ａｌ組成を結晶成長方向に１から０．０２に連続的に減少するＡｌＧａＮ組成傾斜層（低Ａｌ含有層）を形成する（Ａｌの平均組成は０．５１である）。ここで、「理論上、Ａｌ組成が０．０２となるＴＭＧ流量」とは、使用する装置の結晶成長条件下において、所定のＴＭＡ流量およびＴＭＧ流量を流すことで、所定のＡｌ組成となることが、実験的に予め確認される流量のことである。この際、ＳＩＭＳによるＡｌ組成の定量分析を可能とする十分な厚みの層を形成して、ＴＭＡ流量およびＴＭＧ流量を確認すればよい。なお、組成傾斜層を形成するにあたってＴＭＡガス流量は必ずしも一定である必要はなく、目的とするＡｌ組成にあわせて変化させても構わない。これを繰り返して、第１積層体２１として、高Ａｌ含有層と低Ａｌ含有層とが交互に積層された積層体（５層のＡｌＮ層および４層のＡｌＧａＮ組成傾斜層）を形成する。ここで、低Ａｌ含有層の厚み（第１の厚み）は、エピタキシャル成長時間が等ければ、全て等しい。次に第２積層体２２としてのＡｌＧａＮ組成傾斜層およびＡｌＮ層の形成が行われる。第1積層体のときよりもＴＭＧ流量の時間当たりの流量増加率を減らし、これに対応してＴＭＧ流量の時間当たりの流量増加率を増加させながら、Ａｌ組成を０．０２まで減少させることで、第１積層体よりも厚いＡｌＧａＮ組成傾斜層（低Ａｌ含有層）を形成する。その後、ＴＭＧ流量を０として、ＡｌＮ層（高Ａｌ含有層）を形成する。例えば、第２積層体２２の形成にあたり、ＴＭＧ流量を増加させる間のエピタキシャル成長時間を第１積層体の２倍とした場合、第２積層体２２における低Ａｌ含有層２２Ｂの膜厚（第２の厚み）は、第１積層体２１における低Ａｌ含有層２１Ｂの膜厚（第１の厚み）の２倍となる。さらに、第３積層体２３として、第２積層体のときよりもＴＭＧ流量の時間当たりの流量増加率をさらに減らし、これに対応してＴＭＧ流量の時間当たりの流量増加率を増加させながらＡｌ組成を０．０２まで減少させることで、第２積層体よりも厚いＡｌＧａＮ組成傾斜層（低Ａｌ含有層）を形成する。その後、ＴＭＧ流量を０として、ＡｌＮ層（高Ａｌ含有層）を形成する。例えば、第３積層体２３でのＴＭＧ流量を増加させる間のエピタキシャル成長時間を第１積層体２１の３倍とした場合、第３積層体２３における低Ａｌ含有層２３Ｂの膜厚（第３の厚み）は、第１積層体２１における低Ａｌ含有層２１Ｂの膜厚（第１の厚み）の３倍となる。なお、図９および図１０を用いて説明した、組成矩形層および組成傾斜層の形成にあたり、ＴＭＡおよびＴＭＧに対するアンモニアのV／III比は適宜定めればよい。

なお、エピタキシャル成長後のＡｌ組成や膜厚の評価は、光学反射率法、ＴＥＭ−ＥＤＳ、フォトルミネッセンスなど既知の手法を用いることができる。なお、超格子構造の数ｎｍ〜数十ｎｍの膜厚については、ＴＥＭ測定結果による値を用いることとする。なお、ＴＥＭとＳＩＭＳ分析はＥＡＧ（Evans Analytical Group）に依頼した。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

（試行例１）
サファイア基板（厚さ：４３０μｍ）上にアンドープの単結晶ＡｌＮ層（厚さ：６００ｎｍ、ＸＲＣ（;X-ray Rocking Curve）によるＡｌＮ(１０２)面の半値幅：２４２秒）を形成したＡｌＮテンプレート基板を用意した。このＡｌＮテンプレート基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、圧力１０ｋＰａ、温度１１５０℃にてＴＭＡ：１１．５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３：５７５ｓｃｃｍを流して厚さ２１．６ｎｍのアンドープＡｌＮ層を形成したのち、ＴＭＡ：１１．５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３：５７５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ_４：５０ｓｃｃｍを流して不純物濃度２．０×１０^１９／ｃｍ^３のＳｉがドープされた厚さ５．４ｎｍのＳｉドープのＡｌＮバッファ層を形成した。すなわち、ＡｌＮテンプレート基板上に、アンドープＡｌＮ層と、ＳｉドープされたＡｌＮバッファ層が形成されている。次に、ＳｉドープされたＡｌＮバッファ層上に、超格子積層体を構成する第１積層体、第２積層体および第３積層体を順次エピタキシャル成長させた。

第１積層体では、高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）として膜厚８ｎｍの組成一定のＡｌＮ層（平均組成ｘ＝１）を用いた。この高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）の形成にあたり、ＴＭＡ：１１．５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３：５７５ｓｃｃｍを３００秒間流した。また、低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）として、膜厚１ｎｍ、平均組成ｙ＝０．５１の組成傾斜層を用いた。この低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）の形成にあたり、ＴＭＡ：１１．５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３：５７５ｓｃｃｍを流しつつ、ＴＭＧの流量を１０秒のエピタキシャル成長時間の間に、０ｓｃｃｍから４５ｓｃｃｍまで一定割合で増加させた。低Ａｌ含有層は理論上、結晶成長方向に沿ってＡｌ組成が１〜０．０２まで連続的に減少していると考えられる。第１積層体では、ＡｌＮバッファ層の上に高Ａｌ含有層から形成し、その後、低Ａｌ含有層と高Ａｌ含有層とを交互に４組積層した。最初の高Ａｌ含有層を０．５組として数えて４．５組となる。第１積層体に続く第２積層体の形成にあたり、ＴＭＧの流量を、２０秒のエピタキシャル成長時間の間に０ｓｃｃｍから４５ｓｃｃｍまで一定割合で増加させた以外は第１積層体と同様にして、低Ａｌ含有層（膜厚２ｎｍ，平均組成ｙ＝０．５１の組成傾斜層）および高Ａｌ含有層（膜厚８ｎｍ，平均組成ｘ＝１）を順次形成した。さらに、第２積層体に続く第３積層体として、ＴＭＧの流量を、３０秒のエピタキシャル成長時間の間に０ｓｃｃｍから４５ｓｃｃｍまで一定割合で増加させた以外は第１積層体と同様にして、低Ａｌ含有層（膜厚３ｎｍ，平均組成ｙ＝０．５１の組成傾斜層）および高Ａｌ含有層（膜厚８ｎｍ，平均組成ｘ＝１）を順次形成した。すなわち、本試行例においては第１積層体が４．５組、第２積層体が１組、第３積層体が１組で超格子積層体の積層組数は計６．５組であり、ｎ＝６である。

その後、超格子積層体上に、さらに接続層としてのアンドープのＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率：０．７、厚さ：２４００ｎｍ）およびｎ型コンタクト層としてのＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率：０．６、厚さ：１２００ｎｍ）を順次エピタキシャル成長させて、実施例１にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

なお、上記各層の成長方法としては、原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用いたＭＯＣＶＤ法を用いた。キャリアガスとしては、窒素・水素を用いた。また、ＳｉドープにはＳｉＨ_４（モノシラン）を用いた。各層の成長条件は、いずれも圧力１０ｋＰａ、温度１１５０℃とした。また、ＴＭＡとＴＭＧとの供給比率を、図９および図１０を用いて既述したように制御することで、各層ごとのＡｌ組成比を制御した。

（試行例２）
ＡｌＮバッファ層へのＳｉドープによる不純物濃度を１．２０×１０^１９／ｃｍ^３に変えた以外は、試行例１と同様の方法により、実施例２にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例３）
ＡｌＮバッファ層へのＳｉドープによる不純物濃度を４．００×１０^１９／ｃｍ^３に変えた以外は、試行例１と同様の方法により、実施例３にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例４）
ＡｌＮバッファ層へのＳｉドープによる不純物濃度を４．００×１０^１８／ｃｍ^３に変えた以外は、試行例１と同様の方法により、比較例１にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例５）
第３積層体の低Ａｌ含有層の膜厚を２ｎｍに変えた（すなわち、第２の厚みと第３の厚みが等しい場合に相当する）以外は、試行例３と同様の方法により、実施例４にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例６）
低Ａｌ含有層を形成するにあたり、各エピタキシャル成長時間でのＴＭＧの流量を４５ｓｃｃｍに固定して、Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎの組成矩形層（Ａｌ含有率：０．０２）を形成した以外は、試行例１と同様の方法により、実施例５にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例７）
第３積層体を形成しなかった以外は、試行例３と同様の方法により、比較例２にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例８）
さらに第２積層体を形成せず、ＡｌＮバッファ層へのＳｉドープによる不純物濃度を４．００×１０^１８／ｃｍ^３に変えた以外は、試行例７と同様の方法により、比較例３にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例９）
第１積層体の積層組数を４０．５組としつつ、第２積層体および第３積層体を形成しなかった以外は、試行例１と同様の方法により、比較例４にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

（試行例１０）
ＡｌＮバッファ層へのＳｉドープによる不純物濃度を４．００×１０^１８／ｃｍ^３に変えた以外は、試行例９と同様の方法により、比較例５にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板を作製した。

以上の試行例１〜１０にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の、基板形成条件を表１にまとめて表記した。

（評価１：表面平坦性）
各試行例のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板について、金属顕微鏡装置（Nikon社製）を用い、ｎ型コンタクト層表面の表面写真を取得し、表面凹凸の有無を判定した。表面凹凸がなければ、III族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面平坦性が優れていることを意味する。結果を表１に示す。なお、表１中、表面凹凸があったものを×とし、表面凹凸がなかったものを○と評価している。既述の図４〜６は、それぞれ試行例１０（比較例５）、試行例８（比較例３）、試行例１（実施例１）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面写真であり、代表例としてここに示す。

さらに、各試行例のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板について、III族窒化物半導体エピタキシャル基板のＴＥＭ断面写真を取得し、表面欠陥を評価した。結果を表１に示す。なお、表１中、表面欠陥があったものを×とし、表面欠陥がなかったものを○と評価している。既述の図７および図４は、それぞれ施行例１（実施例１）および施行例１０（比較例５）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板のＴＥＭ断面写真であり、III族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面欠陥の有無を示す代表例としてここに示す。試行例１〜３，５，６（すなわち実施例１〜５）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面欠陥を観察したところ、図７と同様に、いずれも同一面を発生起源とする面欠陥が成長方向に伸びる際に、ほぼ全ての隣り合う面欠陥同士が合体消滅していると考えられ、表面欠陥が観察されなかった。一方、試行例４，７〜１１（すなわち比較例１〜６）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の表面欠陥を観察したところ、図４と同様に、超格子積層体の最表面付近を起源とする面欠陥が観察された。なお、ＴＥＭ断面写真を取得するにあたり、試行例１に対しては、さらに、ｎ型クラッド層としてのｎ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率：０．６１、膜厚：６００ｎｍ、ドーパント：Ｓｉ）、活性層（ＡｌＧａＮ系ＭＱＷ層、膜厚：７４ｎｍ、井戸層のＡｌ含有率：０．４１）、ｐ型クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ層（Ａｌ含有率：０．７５、膜厚：２０ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ）、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚：３５ｎｍ、ドーパント：Ｍｇ）を順次エピタキシャル成長させている。

（評価２：基板の反りの測定）
各試行例のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板について、光学干渉方式による反り測定装置（Ｎｉｄｅｋ社製、ＦＴ−９００）を用いて、超格子積層体上の、中間層およびｎ型コンタクト層の形成後の基板の反り量をＳＥＭＩ規格に準じて測定した。結果を表１に示す。本発明における「反り量」は、ＳＥＭＩ Ｍ１−０３０２に準じて測定したものを意味するものとする。すなわち、非強制状態で測定を行い、反り量は非吸着での全測定点データの最大値と最小値との差の値である。図１１に示すように、基準面を最小二乗法により求められた仮想平面とすると、反り量（ＳＯＲＩ）は最大値Ａと最小値Ｂの絶対値の和で示される。なお、従来公知のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板は１４０μｍ程度である。そこで、反り量が１００μｍ未満の試行例を○と評価し、１００μｍ以上である試行例を×と評価した。

（超格子積層体のＴＥＭ観察）
なお、試行例１（実施例１）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の断面のＴＥＭ像の超格子積層体部分の拡大図を図１２に示す。図面右方向が結晶成長方向であり、図面内縦方向の白線に見える箇所が超格子積層体の低Ａｌ含有層である。図１２では、第１積層体の低Ａｌ含有層の４層のうち、基板側の初めの２層は明瞭には観察できなかったが、第１積層体、第２積層体、第３積層体それぞれの低Ａｌ含有層の厚さの変化を観察することはできた。なお、ＡｌＮテンプレートの表面と、アンドープＡｌＮ層と、ＳｉドープＡｌＮバッファ層とは、同じＡｌＮであるため、図１２においては色による境界判断はできないものの、それぞれの界面で転位発生が起き、転位発生源の位置が揃うため、転位発生位置により境界線を判断することができる。

本発明条件を満足する試行例１〜３，５，６（すなわち実施例１〜５）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板はいずれも、優れた表面平坦性および低減した反りを両立していた。

一方、本発明条件を少なくとも１つ以上満足しない試行例４，７〜１１（すなわち比較例１〜６）にかかるIII族窒化物半導体エピタキシャル基板は、表面平坦性および／または反りの条件を満足しなかった。

これらの結果から、以下のことがわかった。
Ｓｉドープの不純物濃度のみが異なる試行例１〜４を比較すると、Ｓｉドープの不純物濃度が、１．００×１０^１９／ｃｍ^３以下であると、優れた表面平坦性および低減した反りを両立できないことがわかる。

また、不純物濃度が等しく、第３積層体の有無のみが異なる試行例３，７を比較すると、本発明において第３積層体は必須であることがわかる。さらに、第３の厚みのみが異なる試行例３と試行例５とを比較すると、第３積層体の低Ａｌ含有層の膜厚は、第２積層体の低Ａｌ含有層の膜厚以上であればよいことが分かる。

また、試行例１と試行例６とを比較すると、低Ａｌ含有層は、組成傾斜層または組成矩形層のいずれであってもよいことが分かる。

しかしながら、既述のとおり、III族窒化物半導体エピタキシャル基板に素子形成層を形成した場合の結晶性を考慮すると、第３積層体の低Ａｌ含有層の膜厚（第３の厚み）は、第２積層体の低Ａｌ含有層の膜厚（第２の厚み）よりも厚いことが好ましいと考えられる。また、やはり同様に素子形成層を形成した場合のクラック発生を考慮すると、低Ａｌ含有層は、組成傾斜層であることが好ましいと考えられる。

なお、試行例９，１０は、超格子積層体の積層組数を４０．５組とした試行例（第２積層体および第３積層体は形成していない）であり、いずれも本発明条件を満たすものではない。しかし、この両者を比較すると、Ｓｉドープによる不純物濃度が本発明要件の下限未満である試行例１０は、表面平坦性に優れ、他方、本発明要件の不純物濃度を満足する試行例９では、表面平坦性に劣る。この違いは、ＡｌＮバッファ層へのＳｉドープによる不純物の影響により、既述のＡｌＮバッファ層表面に凹凸を形成して、表面を荒らす作用が生じたことによるものだと考えられる。

本発明によれば、優れた表面平坦性および低減した反りの両立を可能としたIII族窒化物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法を提供することができる。

１０ III族窒化物半導体エピタキシャル基板
１２ 基板（少なくとも表面部分がＡｌＮからなる基板）
１４ アンドープＡｌＮ層
１６ ＡｌＮバッファ層
２０ 超格子積層体
２１ 第１積層体
２１Ａ 高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）
２１Ｂ 低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）
２２ 第２積層体
２２Ａ 高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）
２２Ｂ 低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）
２３ 第３積層体
２３Ａ 高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）
２３Ｂ 低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）
３０ 素子形成層
３１ 接続層
３２ ｎ型コンタクト層
３３ ｎ型クラッド層
３４ 多重量子井戸層（ＭＱＷ層）
３５ ｐ型クラッド層
３６ ｐ型コンタクト層
４１ ｎ側電極
４２ ｐ側電極
５０ III族窒化物半導体発光素子

Claims (7)

1. サファイア基板の上にＡｌＮ単結晶が形成されたＡｌＮテンプレート基板と、
   該基板上に形成されるアンドープＡｌＮ層と、
   該アンドープＡｌＮ層上に形成されるＡｌＮバッファ層と、
   該ＡｌＮバッファ層上に形成される超格子積層体と、を有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板において、
   前記ＡｌＮバッファ層は、１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度でＳｉドープされ、
   前記超格子積層体は、前記ＡｌＮバッファ層上に、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を積層し、さらに結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）と前記高Ａｌ含有層とを交互にｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）積層してなり、
   前記ＡｌＮバッファ層側から数えて１番目から（ｎ−２）番目までの前記低Ａｌ含有層が、第１の厚みを有し、（ｎ−１）番目の前記低Ａｌ含有層が、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みを有し、ｎ番目の前記低Ａｌ含有層が、前記第２の厚み以上の第３の厚みを有することを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。
2. 前記低Ａｌ含有層は、Ａｌ組成が結晶成長方向に沿って減少する組成傾斜層である請求項１に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。
3. 前記高Ａｌ含有層は、０．９５≦ｘ≦１である請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。
4. 前記高Ａｌ含有層は、ＡｌＮ層（ｘ＝１）である請求項３に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。
5. 前記第３の厚みは、前記第２の厚みよりも厚い請求項１〜４いずれか１項に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。
6. 前記高Ａｌ含有層は、等しい厚みを有する請求項１〜５いずれか１項に記載のIII族窒化物半導体エピタキシャル基板。
7. サファイア基板の上にＡｌＮ単結晶が形成されたＡｌＮテンプレート基板上にアンドープＡｌＮ層を形成する工程と、
   該アンドープＡｌＮ層上にＡｌＮバッファ層を形成する工程と、
   該ＡｌＮバッファ層上に超格子積層体を形成する工程と、とを有するIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、
   前記ＡｌＮバッファ層を形成する工程では、１．０×１０^１９／ｃｍ^３より大きい不純物濃度となるようにＳｉドープし、
   前記超格子積層体を形成する工程では、
   前記ＡｌＮバッファ層上に、結晶成長方向の平均組成ｘが０．９＜ｘ≦１からなる高Ａｌ含有層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）を積層し、さらに結晶成長方向の平均組成ｙが０＜ｙ＜ｘからなる低Ａｌ含有層（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）と前記高Ａｌ含有層とを交互にｎ組（但し、ｎは４≦ｎ≦１０を満たす整数である）積層するにあたり、
   前記ＡｌＮバッファ層側から数えて１番目から（ｎ−２）番目までの前記低Ａｌ含有層の厚みを第１の厚みとし、（ｎ−１）番目の前記低Ａｌ含有層の厚みを、前記第１の厚みよりも厚い第２の厚みとし、ｎ番目の前記低Ａｌ含有層の厚みを、前記第２の厚み以上の第３の厚みとすることを特徴とするIII族窒化物半導体エピタキシャル基板の製造方法。