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製造方法
【課題】任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、第１層と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記第１層は、非晶質層の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する。前記機能層は、前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む。
【解決手段】実施形態によれば、第１層と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記第１層は、非晶質層の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する。前記機能層は、前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムなどの窒化物半導体を用いた各種の窒化物半導体素子が開発されている。例えば、紫外、青色または緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、及び、青紫色または青色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が挙げられる。
【０００３】
窒化物半導体素子のＧａＮ層は、通常、サファイア基板などに上に形成される。しかしながら、低価格化と大口径化のために、サファイア以外の基板上にＧａＮ層を成長させる技術の確立が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９６０８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、第１層と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記第１層は、非晶質層の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する。前記機能層は、前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】実験で作製したＡｌＮ層の特性を示すＲＨＥＥＤ像である。
【図５】実験で作製したＡｌＮ層の特性を示すグラフ図である。
【図６】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図１０】実験で作製したＡｌ膜の特性を例示するＸＲＤ解析結果を示すグラフ図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハを示す模式的断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１３】第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
【図１４】第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示する模式的断面図である。
【図１６】第４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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
（第１の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体素子に係る。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。
【００１０】
図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成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、下地層６０（第１層）と、機能層１０ｓと、を備える。下地層６０は、非晶質層５０の上に形成されている。下地層６０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。非晶質層５０は、例えば、基板４０の上に設けられている。機能層１０ｓは、窒化物半導体を含む。
【００１１】
下地層６０から機能層１０ｓに向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。
【００１２】
以下、窒化物半導体素子１１０が、発光素子である場合について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る１つの例である窒化物半導体素子１１１において、機能層１０ｓは、第１半導体層１０と、発光部３０と、第２半導体層２０と、を含む。第１半導体層１０は、下地層６０の上に形成される。第１半導体層１０は、窒化物半導体を含み、第１導電形である。発光部３０は、第１半導体層１０の上に設けられる。第２半導体層２０は、発光部３０の上に設けられる。第２半導体層２０は、窒化物半導体を含み、第２導電形である。第２導電形は、第１導電形と異なる。
【００１３】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。また、第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形で、第２導電形がｐ形である場合として説明する。
【００１４】
窒化物半導体素子１１１は、第１電極７０と、第２電極８０と、をさらに備えることができる。第１電極７０は、第１半導体層１０に電気的に接続されている。第２電極８０は、第２半導体層２０に電気的に接続される。
【００１５】
この例では、機能層１０ｓの、第２半導体層２０の側の主面において、第１半導体層１０の一部、及び、第２半導体層２０と、が露出している。第１電極７０及び第２電極８０は、この主面の側において、第１半導体層１０及び第２半導体層２０のそれぞれに接続される。
【００１６】
第１電極７０と第２電極８０との間に電圧を印加することで、第１半導体層１０及び第２半導体層２０を介して発光部３０に電流が供給され、発光部３０から光が放出される。
【００１７】
図３は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、発光部３０は、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１どうしの間に設けられた井戸層３２と、を含む。例えば、複数の障壁層３１と、複数の井戸層３２と、がＺ軸に沿って交互に積層される。
【００１８】
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。
【００１９】
井戸層３２は、例えば、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。障壁層３１は、例えば、ＧａＮを含む。すなわち、例えば、井戸層３２はＩｎを含み、障壁層３１はＩｎを実質的に含まない。障壁層３１におけるバンドギャップエネルギーは、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【００２０】
発光部３０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構成を有することができる。このとき、発光部３０は、２つの障壁層３１と、その障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。または、発光部３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構成を有することができる。このとき、発光部３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む。
【００２１】
すなわち、発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層３１と、ｎ個の井戸層３２と、を含む（ｎは、２以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２半導体層２０との間に配置される（ｉは、１以上（ｎ−１）以下の整数）。第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ井戸層ＷＬｉと第２半導体層２０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１半導体層１０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられる。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第ｎ障壁層ＢＬｎと第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ井戸層ＷＬｎと第２半導体層２０との間に設けられる。
【００２２】
発光部３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば４００ナノメートル（ｎｍ）以上６５０ｎｍ以下である。ただし、実施形態において、ピーク波長は任意である。
【００２３】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ型不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。第１半導体層１０は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。
【００２４】
第２半導体層２０には、例えば、ｐ型不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｐ型不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかを用いることができる。第２半導体層２０は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。
【００２５】
図１及び図２に例示したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び１１１は、さらに、基板４０を備えることができる。基板４０は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００２６】
基板４０には、例えばＳｉが用いられる。実施形態はこれに限らず、例えば、基板４０には、Ｓｉ、ＳｉＯ２、石英、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ及びＧａＡsのいずれかが用いられる。このとき、基板４０の面方位は任意である。以下では、基板４０としてＳｉ基板を用いる例について説明する。
【００２７】
基板４０の上に、非晶質層５０が形成される。非晶質層５０の上に、ＡｌＮの下地層６０が形成される。このとき、下地層６０は、Ｚ軸方向（下地層６０の層面に対して垂直な方向）に沿って実質的に配向していることが好ましい。
【００２８】
下地層６０の上に第１半導体層１０が形成される。第１半導体層１０の上に発光部３０が形成される。発光部３０の上に第２半導体層２０が形成される。例えば、機能層１０ｓ（第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０）の形成後に、基板４０を除去しても良い。
【００２９】
非晶質層５０には、例えばＳｉＯ２が用いられる。実施形態はこれに限らず、非晶質層５０には、例えばＳｉＯ２及びアモルファスＳｉのいずれかなどが用いられる。また、非晶質層５０には、非晶質金属膜（ＴａＡｌなど）を用いても良い。なお、非晶質層５０として、ＳｉＯ２またはアモルファスＳｉが用いることで、非晶質層５０の耐熱性が高くなる。これにより、この上に形成する機能層１０ｓの形成時のプロセス耐性が向上し、より好ましい。
【００３０】
このように、実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び１１１においては、非晶質層５０の上にＡｌＮ層（下地層６０）が設けられる。これにより、機能層１０ｓ（例えばＧａＮ層）とは結晶性が異なる基板４０上に、高い結晶品質を有する機能層１０ｓを形成することができる。
【００３１】
以下、本実施形態に係る構成を構築する基となった実験結果について説明する。
発明者は、Ｓｉ（１００）基板上に種々の非晶質層を形成し、その非晶質層上にＡｌＮ層を形成した。非晶質層としては、ＴａＡｌ、ＳｉＯ２膜またはａ−Ｓｉ膜を形成した。
【００３２】
図４は、実験で作製したＡｌＮ層の特性を例示するＲＨＥＥＤ像である。
同図は、非晶質層としてＴａＡｌ膜を形成し、その上にＡｌＮ層を形成した試料のＲＨＥＥＤ像を示す。
図４に表したように、ＲＨＥＥＤ像において、スポット状（ドット状）の輝点が観察される。このことは、ＡｌＮ層の面方位が揃っていることを示す。
【００３３】
図５は、実験で作製したＡｌＮ層の特性を例示するグラフ図である。
同図は、非晶質層としてＳｉＯ２膜またはａ−Ｓｉ膜を形成し、それぞれの上にＡｌＮ層を形成した試料のＸＲＤ半値幅の測定結果を示す。横軸は、ＡｌＮ層の厚さであり、縦軸はＸＲＤ半値幅である。
図５に表したように、ＳｉＯ２膜及びａ−Ｓｉ膜のいずれの場合にも、ＡｌＮ層において高い配向性が得られる。
【００３４】
以上のように、非晶質層５０の上にＡｌＮ層（下地層６０）を形成することで、ＡｌＮ層とは結晶性の異なる基板４０（この例では、Ｓｉ基板）上でも、高い配向性を示すＡｌＮ層（下地層６０）が形成可能であることがわかった。
【００３５】
このような下地層６０の上に、機能層１０ｓを結晶成長性させることで、機能層１０ｓの結晶品質を高くすることができる。
【００３６】
本実施形態において、下地層６０は、機能層１０ｓの結晶成長に適する残留応力を有していることが望ましい。例えば、下地層６０は、機能層１０ｓに圧縮応力を印加することができる。または、下地層６０は、機能層１０ｓに引張応力を印加することができる。これにより、機能層１０ｓにおいて良好な特性（例えば、電荷の注入の制御性、クラックなどの抑制、転位密度の低減など）が得られる。
【００３７】
図６は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６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１１２においては、非晶質層５０が凹凸形状を有している。例えば、基板４０の主面上に凹凸を形成することで、非晶質層５０に凹凸が形成される。このような窒化物半導体素子１１２においても、非晶質層５０の上にＡｌＮの下地層６０を形成することにより、面内において良好かつ均一な結晶性を有する下地層６０が得られる。これにより、良好な特性の機能層１０ｓが得られる。
【００３８】
さらに、非晶質層５０の凹凸形状に傾斜面を設けても良い。例えば、基板４０に形成される凹凸に傾斜面を設けることで、非晶質層５０の凹凸に傾斜面が形成される。
【００３９】
図７は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７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１１３においては、基板４０の上に設けられる非晶質層５０がパターニングされ、部分的に設けられている。また、この例では、下地層６０が部分的に設けられている。さらに、機能層１０ｓが部分的に設けられている。このように、非晶質層５０、下地層６０及び機能層１０ｓの少なくともいずれかをＸ−Ｙ平面内の複数の領域に設けることができる。これらの層を有する領域と有していない領域とで、それぞれの領域の上に形成する層の結晶性を変化させ、欠陥の選択集中が可能になる。これにより、必要な領域において欠陥が少ない良好な結晶が得られる。
【００４０】
図８は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８及び図９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１２０及び１２１においては、下地層６０は、非晶質層５０の上に設けられた配向性層５５（第２層）上に設けられる。これ以外は、窒化物半導体素子１１０及び１１１と同様なので説明を省略する。以下、配向性層５５について説明する。配向性層５５には、例えばＡｌが用いられる。
【００４１】
発明者は、Ｓｉ（１００）基板上に非晶質層５０としてＴａＡｌ膜を形成し、ＴａＡｌ膜の上に配向性層５５となるＡｌ膜を形成した。
【００４２】
図１０は、実験で作製したＡｌ膜の特性を例示するＸＲＤ解析結果を示すグラフ図である。
図１０の横軸は、角度ωであり、縦軸は、ＸＲＤの強度である。
図１０に表したように、非晶質層５０（ＴａＡｌ膜）の上に形成された配向性層５５（Ａｌ膜）は、高い配向性を示すことがわかった。この例では、配向性層５５（Ａｌ膜）のＸＲＤ半値幅は、０．６度であった。このように、高配向性の配向性層５５の上に下地層６０（ＡｌＮ層）を形成することで、高配向性の下地層６０が得られる。そして、高配向性の機能層１０ｓが得られる。
【００４３】
実施形態において、配向性層５５には、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ及びＷの少なくともいずれかが用いられる。
【００４４】
配向性層５５は、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有していることが望ましい。配向性層５５のＸＲＤ半値幅は、１０度以下であることが望ましい。
【００４５】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１２０及び１２１においては、非晶質層５０の上に、配向性層５５が形成され、配向性層５５の上に下地層６０（ＡｌＮ層）が設けられる。配向性層５５を導入することにより、下地層６０の配向性をより向上させることが可能となる。また、配向性層５５の導入により、下地層６０を薄膜化することが可能となる。これにより、結晶性の異なる基板４０上でも高い結晶品質の窒化物半導体層が形成できる。これにより、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子が得られる。
【００４６】
サファイア以外の基板上にＧａＮを成長させる方法としては、格子不整合を緩和するためのバッファ層を導入する方法がある。例えば、シリコン基板上にＺｒ（ジルコニウム）膜を形成し、その上に成長させるＧａＮ層との格子不整合を緩和させる方法がある。しかしながら、この方法においては、基板とＧａＮとの格子不整合を緩和する目的でバッファ層を導入しており、用いる基板に制約が生じる。
【００４７】
これに対して、実施形態においては、基板の結晶性をキャンセルする非晶質層５０を導入することで、結晶性の異なる基板上でも高い結晶品質を有する窒化物半導体層が形成できる。
【００４８】
（第２の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。このウェーハには、例えば、半導体装置の少なくとも一部、または、半導体装置の少なくとも一部となる部分が設けられている。この半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。
【００４９】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図１１（ａ）に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１３０は、基板４０と、基板４０の上に設けられた非晶質層５０と、非晶質層５０の上に設けられ、窒化アルミニウムを含む下地層６０と、下地層６０の上に形成され窒化物半導体を含む機能層１０ｓと、を備える。
【００５０】
上記の基板４０、非晶質層５０、下地層６０及び機能層１０ｓには、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
【００５１】
例えば、非晶質層５０は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかである。また、非晶質層５０は、非晶質金属でも良い。下地層６０は、下地層６０の層面に対して垂直な方向に配向していることが望ましい。
【００５２】
図１１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ１４０は、非晶質層５０と下地層６０との間に設けられた配向性層５５をさらに備える。上記の配向性層５５には、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
【００５３】
例えば、配向性層５５は、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有することが望ましい。基板４０は、シリコン基板であることが望ましい。
【００５４】
（第３の実施形態）
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２（ａ）に表したように、本製造方法においては、基板４０の上に非晶質層５０を形成する（ステップＳ１１０）。そして、非晶質層５０の上に窒化アルミニウムを含む下地層６０を形成する（ステップＳ１２０）。そして、下地層６０の上に窒化物半導体を含む機能層１０ｓを形成する（ステップＳ１３０）。
【００５５】
図１２（ｂ）に表したように、本製造方法においては、下地層６０の形成（ステップＳ１２０）は、非晶質層５０の上に配向性層５５を形成し、配向性層５５の上に下地層６０を形成することを含む。
【００５６】
非晶質層５０及び下地層６０の少なくともいずれかの形成には、例えばスパッタ法が用いられる。スパッタ法を用いることで膜の配向性の制御が可能になる。さらに、残留応力を広範囲で制御することが可能になる。これにより、機能層１０ｓの結晶性向上に利点がある。
【００５７】
非晶質層５０及び下地層６０の少なくともいずれかの形成には、例えばＣＶＤ法を用いることも可能である。ＣＶＤ法を用いた場合は、これらの層と機能層１０ｓとを一貫して形成することが可能となる。
【００５８】
非晶質層５０としてＳｉＯ２層を用い、基板４０としてＳｉ基板を用いる場合は、非晶質層５０を熱酸化法で形成することも可能である。
【００５９】
機能層１０ｓの形成においては、例えば、下地層６０上に第１半導体層１０を形成し、その上に発光部３０を形成し、その上に、第２半導体層２０を形成する。そして、第１電極７０及び第２電極８０を形成して、実施形態に係る窒化物半導体素子が作製される。なお、基板４０は、技術的に可能な任意の工程で除去しても良い。
【００６０】
実施形態に係る窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法において、半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、及び、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法などを用いることができる。
【００６１】
本実施形態に係る製造方法においては、任意の基板上において、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を製造できる。
【００６２】
本製造方法においては、下地層６０（第１層）は、スパッタ法により形成されることが特に好ましい。例えば、下地層６０となるＡｌＮ層をＣＶＤ法またはＭＯＣＶＤ法により形成する場合は、下地層６０に加わる応力（stress）を制御することが難しい。すなわち、これらの手法では、下地層６０の歪（strain）を制御することが難しい。これに対し、下地層６０をスパッタ法で形成することで、下地層６０に圧縮歪（圧縮応力）または引張歪（引張応力）を制御性良く付与することができる。
【００６３】
以下、下地層６０のＡｌＮ層をスパッタ法で形成した場合の特性の例について説明する。
図１３は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
図１３は、非晶質層５０としてＳｉＯ２膜を用い、この上に、スパッタ法でＡｌＮを形成したときのＡｌＮ層の応力の測定結果を示している。スパッタにおいては、Ａｌのターゲットを用い、高周波電力Ｐｗを１５０Ｗ（ワット）とし、Ｎ２ガス流量を１０ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minutes)とし、Ａｒガス流量を変えている。図１３の横軸は、Ａｒガス流量ＦＡｒ（ｓｃｃｍ）であり、縦軸は、ＡｌＮ層の応力Ｓｔ（残留応力）（ＭＰａ：メガパスカル）である。応力Ｓｔが正であるときは引張応力であり、応力Ｓｔが負であるときは圧縮応力である。応力Ｓｔが正であるときは、ＡｌＮ層において引張歪が形成され、応力Ｓｔが負であるときは、ＡｌＮ層において圧縮歪が形成される。
【００６４】
図１３に示したように、Ａｒガス流量ＦＡｒが小さいと圧縮応力（圧縮歪）が得られ、Ａｒガス流量ＦＡｒが大きいと引張応力（引張歪）が得られる。そして、ガス流量ＦＡｒの変化に対して、応力Ｓｔは、実質的に線形に変化する。このように、Ａｒガス流量ＦＡｒを変えることで、ＡｌＮ層に、圧縮応力から引張応力までの広い範囲の応力Ｓｔを制御性良く印加できる。例えば、成膜中にＡｌＮ層中にＡｒがトラップされ、この程度がＡｒガス流量ＦＡｒを変えることで変化し、その結果、ＡｌＮ層における応力が変化することが考えられる。
【００６５】
図１３に示した例では、応力Ｓｔは、−１０００ＭＰａ〜＋１５００ＭＰａの範囲で制御されているが、実施形態はこれに限らない。実施形態において、応力Ｓｔは、−４０００ＭＰａ〜＋３０００ＭＰａの、圧縮から引張までの広い範囲で制御することができる。このような広い範囲の応力Ｓｔの制御は、成膜をスパッタ法により行うことで特に得られる効果である。−１０００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約０．３％の圧縮歪に対応する。＋１５００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約０．５％の引張歪に対応する。−４０００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約１．３％の圧縮歪に対応する。＋３０００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約１．０％の引張歪に対応する。
【００６６】
図１４は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
図１４は、非晶質層５０としてＳｉＯ２膜を用い、この上に、スパッタ法でＡｌＮを形成し、このときの高周波電力Ｐｗを変えたときのＡｌＮ層の応力Ｓｔを示している。図１４の横軸は、高周波電力Ｐｗ（任意目盛）であり、縦軸は、応力Ｓｔ（任意目盛である）。
【００６７】
図１４に表したように、高周波電力Ｐｗが小さいと引張応力（引張歪）が得られ、高周波電力Ｐｗが大きいと圧縮応力（圧縮歪）が得られる。高周波電力Ｐｗは所定の範囲内において、高周波電力Ｐｗの変化に対して、応力Ｓｔは、実質的に線形に変化する。このように、高周波電力Ｐｗを変えることで、ＡｌＮ層に、圧縮応力から引張応力までの広い範囲の応力Ｓｔを制御性良く印加できる。例えば、高周波電力Ｐｗを大きくすることで、ＡｌＮ層が緻密になり、また、温度が上昇することなどにより圧縮応力が生成されるものと考えられる。
【００６８】
また、スパッタ法において、成膜中の温度を変えることでも、ＡｌＮ層における応力を制御することができる。
【００６９】
このように、スパッタ法を用いてＡｌＮ層を成膜する場合においては、Ａｒガス流量ＦＡｒ、高周波電力Ｐｗ、及び、温度などのように、調整が容易なパラメータを制御することで、ＡｌＮ層における応力を精度良く、再現性良く生成することができる。
【００７０】
スパッタによれば、他の手法に比べて、例えば密度を大きく変化させたＡｌＮ層を形成することができる。スパッタにより形成したＡｌＮ層おいては、圧縮から引張までの広い範囲の応力を生成することが容易である。
【００７１】
例えば、基板４０としてシリコン基板を用いた場合には、ＡｌＮ層に付与される残留応力（応力Ｓｔ）は、−４０００ＭＰａ〜−１０００ＭＰａの範囲が好ましい。実施形態においては、ＡｌＮ層は、例えば、１．３％〜０．３％の圧縮歪を有していることが好ましい。この条件を用いることで、結晶成長後の基板の反りを効果的に抑制することができる。なお、応力Ｓｔと歪との関係は、ＡｌＮ層を形成する基板の種類やＡｌＮ膜などによって変化することがある。上記の応力Ｓｔの値及び歪の値は、実用的な半導体発光素子における適正な値の例である。
【００７２】
ただし、適正な残留応力の範囲は、結晶成長の際に用いる基板の種類及び厚さ、並びに、成膜時の温度によっても異なる。実施形態においては、ＡｌＮ層に付与される残留応力（応力Ｓｔ）は任意である。
【００７３】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る窒化物半導体素子は、第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体素子と同様の構成を有する。ただし、本実施形態においては、下地層６０（ＡｌＮ）は、圧縮歪または引張歪を有する。すなわち、下地層６０は、圧縮応力または引張応力の残留応力を有する。この残留応力（歪）は、機能層１０ｓの結晶成長に適するように設計される。例えば、基板４０としてシリコン基板を用い、非晶質層５０としてＳＩＯ２膜を用い、機能層１０ｓがＧａＮ層を含む場合の例について説明する。
【００７４】
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示する模式的断面図である。
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、下地層６０が残留応力（歪）を有していない窒化物半導体素子２１９に対応し、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）は、下地層６０が圧縮応力（圧縮歪）を有する窒化物半導体素子２１０に対応する。図１５（ａ）及び図１５（ｃ）は、機能層１０ｓを結晶成長しているときの状態を例示している。機能層１０ｓを結晶成長しているときの温度は、例えば９００℃以上１２００℃以下の高温である。図１５（ｂ）及び図１５（ｄ）は、機能層１０ｓの結晶成長が終了し、室温まで降温したときの状態を例示している。
【００７５】
図１５（ａ）に表したように、下地層６０が応力を有していない窒化物半導体素子２１９においては、機能層１０ｓの結晶成長の高温時に、基板全体は平坦である。そして、図１５（ｂ）に表したように、室温に戻したときには、上に凹状態となる。これには、シリコンとＧａＮとにおける熱膨張係数の差に起因している。このように、下地層６０が応力を有しない場合には、大きな反りが生じ、さらに、クラックが発生し易くなる。そして、この状態においては、機能層１０ｓには大きな引張応力が印加される。この状態は、例えば、機能層１０ｓに含まれる活性層の特性を劣化させることがある。具体的には、転位密度などの欠陥密度が高くなり、電荷の注入効率が低下する。また、リーク点が増加することがある。
【００７６】
これに対して、図１５（ｃ）に表したように、下地層６０が圧縮応力を有している窒化物半導体素子２１０においては、機能層１０ｓの結晶成長の高温時に、基板全体は上に凸状態である。そして、図１５（ｄ）に表したように、室温に戻したときには、基板全体が平坦になる。すなわち、図１５（ｂ）に例示した状態よりも、基板の反りが抑制される。このように、下地層６０が圧縮応力を有する場合には、反りが抑制され、クラックの発生も抑制される。また、下地層６０の応力を適切に制御することで、機能層１０ｓにおいて、適正な応力を印加することもできる。例えば、機能層１０ｓに適切な圧縮応力が印加されている状態を形成することで、ピエゾ電界の影響を低減することができる。また、デバイス作製工程の、貼り合わせ工程が容易になる。また、例えば、機能層１０ｓに適切な引張応力が印加されている状態を形成することで、電荷（ホール及び電子の少なくともいずれか）の移動度に影響を与えることができる。
【００７７】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体素子２１０は、非晶質層５０の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層（下地層６０）と、第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層１０ｓと、を備える。これにより、反りクラックの発生を抑制できる。その結果、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子を提供できる。
【００７８】
なお、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）は、下地層６０が圧縮歪を有する窒化物半導体ウェーハ２２０の特性も例示している。窒化物半導体ウェーハ２２０においても、ウェーハの反りやクラックを抑制できる。
【００７９】
すなわち、実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２２０は、基板４０と、基板４０の上に設けられた非晶質層５０と、非晶質層５０の上に設けられ、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層（下地層６０）と、第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層１０ｓと、を備える。これにより、これにより、反りクラックの発生を抑制できる。その結果、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体ウェーハが提供できる。
【００８０】
なお、ＳｉＮ上に、ＦＩＢ（フォーカスドイオンビーム）によるＡｌ堆積と熱処理との組み合わせ、または、金属蒸着と熱処理との組み合わせなどのように、Ａｌを含む原料を供給してＡｌＮを成長させる手法によりＡｌＮ層を形成する構成が考えられる。この方法においては、熱処理によるマイグレーションを用いてＡｌＮ層を形成するため、高い熱処理温度が必要となり、基板へのダメージやスループットの面で問題になる。また、ＳｉＮ上にＡｌＮを形成する場合は、ＳｉＮに含まれるＮをＡｌ膜が取り込むことでＡｌＮ層が形成されるため、形成できるＡｌＮの厚さに制約が生じる。また、ＡｌＮ層を形成する過程で下地のＳｉＮが分解されるため、ＡｌＮ層は、分解されるＳｉＮの影響を受ける。このため、この方法では、良質なＡｌＮの結晶を得ることが困難である。非晶質膜のＳｉＯ２膜の上にＡｌＮを形成する場合には上記のような制約や、下地の影響が発生しない。
【００８１】
一方、実施形態においては、ＡｌＮ層はスパッタにより形成できるので、高温の熱処理を必要としない。このため、基板へのダメージが抑制され、高いスループットが得られる。また、大面積のウェーハに対しても均一にＡｌＮを成長させやすい。実施形態においては、容易に製造できる手法を用いて形成したＡｌＮ層において、ＡｌＮ層の応力（歪）を適正に制御することで、任意の基板上においても、良好な結晶性を有する窒化物半導体素子を形成することができる。
【００８２】
下地層６０における応力は、例えばＸ線回折により求められる。
図１６は、第４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、基板４０としてシリコンの（１１１）基板を用い、非晶質層５０の上に、下地層６０となるＡｌＮ層をスパッタで形成した試料のＸ線回折解析結果を示している。図１６には、スパッタ条件が異なる２種類の試料（第１試料ＳＰ１及び第２試料ＳＰ２）の結果が示されている。図１６の横軸は、Ｘ線回折解析の回転角２θ（度）であり、縦軸は、強度Ｉｎｔ（任意目盛）である。なお、図１６において、回転角２θが約２８．５度におけるピークは、基板４０であるＳｉ（１１１）のピークである。
【００８３】
これらの試料は、Ｎ２ガス流量が５．５ｓｃｃｍで、マイクロ波パワーが５００Ｗで、高周波電力が５００Ｗで、成膜温度が２００℃の条件で形成された。第１試料ＳＰ１においては、Ａｒガス流量は３０ｓｃｃｍであり、第２試料ＳＰ２においては、Ａｒガス流量は２０ｓｃｃｍである。なお、この実験で用いた成膜装置は、図１３に関して説明した実験で用いた成膜装置とは異なる。
【００８４】
図１６に示したように、応力が印加されていない時のＡｌＮ層Ｐ０においては、回転角θが約３６．０度のときにピークが生じる。ＡｌＮ層の試料において、Ｘ線回折のピークに対応する角度２θが、無応力の２θの３６．０度よりも大きいときは、その試料には引張応力が印加され（すなわち、その試料は引張歪を有する）、小さいときは圧縮応力が印加されている（すなわち、その試料は圧縮歪を有する）ことを示す。
【００８５】
図１６に表したように、第１試料ＳＰ１においては、２θが約３５．７度（無応力の時に対して−０．３度）において、ピークが生じている。第２試料ＳＰ２においては、２θが約３５．４度（無応力の時に対して−０．６度）において、ピークが生じている。
【００８６】
これらの試料においては、Ｘ線回折において、ＡｌＮ層のピークに対応する回転角２θが、応力が印加されていないときのＡｌＮ層Ｐ０のピークに対応する回転角２θよりも小さく、圧縮応力が印加されている（すなわち、圧縮歪を有する）と判定できる。そして、その圧縮応力（圧縮歪）の大きさは、無応力の２θの３６．０度との差に対応する。
【００８７】
例えば、本実施形態においては、下地層６０のＡｌＮ層のＸ線回折におけるピークに対応する回転角２θと、応力が印加されていないときのＡｌＮ層Ｐ０のピークに対応する回転角２θとの差の絶対値は、０．３度以上である。
【００８８】
但し、実施形態はこれに限らない。所望の特性に応じて、下地層６０の圧縮応力を調整することができる。
【００８９】
このように、残留応力は、例えばＸ線回折法により測定できる。ＡｌＮ層をＸ線回折法により解析することで、ＡｌＮ層における歪（応力が印加されていない時のＡｌＮ層Ｐ０からの差）が求められる。求められた歪の値から、ＡｌＮ層の算出することができる。
【００９０】
なお、下地層６０が圧縮応力を有する場合、下地層６０は、その上に形成される機能層１０ｓに引張応力を印加する。また、下地層６０が引張応力を有する場合、下地層６０は、その上に形成される機能層１０ｓに圧縮応力を印加する。
【００９１】
また、基板４０に用いる材料と、機能層１０ｓに用いる材料と、の組み合わせが上記と異なる場合は、その組み合わせに応じて、下地層６０における応力（圧縮応力または引張応力）を調整しても良い。
【００９２】
このように、下地層６０における応力を調整することで、反り及びクラックを抑制でき、下地層６０の上に形成される機能層１０ｓの高い結晶性を実現できる。
【００９３】
図８に例示したように、窒化物半導体素子２１１は、窒化物半導体素子２１０の構成において、配向性層５５（第２層）をさらに備えている。
また、図１１（ｂ）に例示したように、窒化物半導体ウェーハ２１１は、窒化物半導体ウェーハ２２０の構成において、配向性層５５をさらに備えている。
【００９４】
配向性層５５は、例えば結晶性を有する。ここで、結晶性を有する状態は、単結晶である状態の他に、微結晶を含む状態も含む。結晶性を有する状態は、非晶質でない状態である。結晶性を有する状態は、何らかの方向に沿う配向を有する状態をいう。例えば配向性層５５は、結晶構造を有する。配向性層５５は、例えば、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する。
【００９５】
配向性層５５をスパッタにより形成しても良い。これにより、配向性層５５の形成と、下地層６０の形成と、を同様の装置で行うことができ、装置の効率が向上する。さらに、配向性層５５に圧縮または引張の応力を付与しても良い。反りやクラックの発生をより効果的に抑制できる。
【００９６】
実施形態によれば、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法が提供できる。
【００９７】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−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。
【００９８】
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は良い。
【００９９】
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ウェーハに含まれる基板、非晶質層、下地層、配向性層、第１層、第２層、半導体層、発光部及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１００】
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製造方法を基にして、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製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…第１半導体層、 １０ｓ…機能層、 ２０…第２半導体層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…基板、 ５０…非晶質層、 ５５…配向性層（第２層）、 ６０…下地層（第１層）、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 λ…波長、 λｐ…ピーク波長、 １１０、１１１、１１２、１１３、１２０、１２１、２１０、２１９…窒化物半導体素子、 １３０、１４０、２２０…窒化物半導体ウェーハ、 ＢＬ…障壁層、Ｉｎｔ…強度、Ｐｗ…高周波電力、ＳＰ１…第１試料、ＳＰ２…第２試料、Ｓｔ…強度、 ＷＬ…井戸層
【技術分野】
【０００１】
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製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムなどの窒化物半導体を用いた各種の窒化物半導体素子が開発されている。例えば、紫外、青色または緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、及び、青紫色または青色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が挙げられる。
【０００３】
窒化物半導体素子のＧａＮ層は、通常、サファイア基板などに上に形成される。しかしながら、低価格化と大口径化のために、サファイア以外の基板上にＧａＮ層を成長させる技術の確立が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９６０８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、第１層と、機能層と、を備えた窒化物半導体素子が提供される。前記第１層は、非晶質層の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する。前記機能層は、前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】実験で作製したＡｌＮ層の特性を示すＲＨＥＥＤ像である。
【図５】実験で作製したＡｌＮ層の特性を示すグラフ図である。
【図６】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。
【図１０】実験で作製したＡｌ膜の特性を例示するＸＲＤ解析結果を示すグラフ図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハを示す模式的断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１３】第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
【図１４】第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
【図１５】図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示する模式的断面図である。
【図１６】第４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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
（第１の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体素子に係る。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。
【００１０】
図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成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、下地層６０（第１層）と、機能層１０ｓと、を備える。下地層６０は、非晶質層５０の上に形成されている。下地層６０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。非晶質層５０は、例えば、基板４０の上に設けられている。機能層１０ｓは、窒化物半導体を含む。
【００１１】
下地層６０から機能層１０ｓに向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。
【００１２】
以下、窒化物半導体素子１１０が、発光素子である場合について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る１つの例である窒化物半導体素子１１１において、機能層１０ｓは、第１半導体層１０と、発光部３０と、第２半導体層２０と、を含む。第１半導体層１０は、下地層６０の上に形成される。第１半導体層１０は、窒化物半導体を含み、第１導電形である。発光部３０は、第１半導体層１０の上に設けられる。第２半導体層２０は、発光部３０の上に設けられる。第２半導体層２０は、窒化物半導体を含み、第２導電形である。第２導電形は、第１導電形と異なる。
【００１３】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。また、第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形で、第２導電形がｐ形である場合として説明する。
【００１４】
窒化物半導体素子１１１は、第１電極７０と、第２電極８０と、をさらに備えることができる。第１電極７０は、第１半導体層１０に電気的に接続されている。第２電極８０は、第２半導体層２０に電気的に接続される。
【００１５】
この例では、機能層１０ｓの、第２半導体層２０の側の主面において、第１半導体層１０の一部、及び、第２半導体層２０と、が露出している。第１電極７０及び第２電極８０は、この主面の側において、第１半導体層１０及び第２半導体層２０のそれぞれに接続される。
【００１６】
第１電極７０と第２電極８０との間に電圧を印加することで、第１半導体層１０及び第２半導体層２０を介して発光部３０に電流が供給され、発光部３０から光が放出される。
【００１７】
図３は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、発光部３０は、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１どうしの間に設けられた井戸層３２と、を含む。例えば、複数の障壁層３１と、複数の井戸層３２と、がＺ軸に沿って交互に積層される。
【００１８】
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。
【００１９】
井戸層３２は、例えば、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。障壁層３１は、例えば、ＧａＮを含む。すなわち、例えば、井戸層３２はＩｎを含み、障壁層３１はＩｎを実質的に含まない。障壁層３１におけるバンドギャップエネルギーは、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【００２０】
発光部３０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構成を有することができる。このとき、発光部３０は、２つの障壁層３１と、その障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。または、発光部３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構成を有することができる。このとき、発光部３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む。
【００２１】
すなわち、発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層３１と、ｎ個の井戸層３２と、を含む（ｎは、２以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２半導体層２０との間に配置される（ｉは、１以上（ｎ−１）以下の整数）。第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ井戸層ＷＬｉと第２半導体層２０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１半導体層１０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられる。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第ｎ障壁層ＢＬｎと第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ井戸層ＷＬｎと第２半導体層２０との間に設けられる。
【００２２】
発光部３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば４００ナノメートル（ｎｍ）以上６５０ｎｍ以下である。ただし、実施形態において、ピーク波長は任意である。
【００２３】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ型不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかを用いることができる。第１半導体層１０は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。
【００２４】
第２半導体層２０には、例えば、ｐ型不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｐ型不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかを用いることができる。第２半導体層２０は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。
【００２５】
図１及び図２に例示したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び１１１は、さらに、基板４０を備えることができる。基板４０は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００２６】
基板４０には、例えばＳｉが用いられる。実施形態はこれに限らず、例えば、基板４０には、Ｓｉ、ＳｉＯ２、石英、サファイア、ＧａＮ、ＳｉＣ及びＧａＡsのいずれかが用いられる。このとき、基板４０の面方位は任意である。以下では、基板４０としてＳｉ基板を用いる例について説明する。
【００２７】
基板４０の上に、非晶質層５０が形成される。非晶質層５０の上に、ＡｌＮの下地層６０が形成される。このとき、下地層６０は、Ｚ軸方向（下地層６０の層面に対して垂直な方向）に沿って実質的に配向していることが好ましい。
【００２８】
下地層６０の上に第１半導体層１０が形成される。第１半導体層１０の上に発光部３０が形成される。発光部３０の上に第２半導体層２０が形成される。例えば、機能層１０ｓ（第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０）の形成後に、基板４０を除去しても良い。
【００２９】
非晶質層５０には、例えばＳｉＯ２が用いられる。実施形態はこれに限らず、非晶質層５０には、例えばＳｉＯ２及びアモルファスＳｉのいずれかなどが用いられる。また、非晶質層５０には、非晶質金属膜（ＴａＡｌなど）を用いても良い。なお、非晶質層５０として、ＳｉＯ２またはアモルファスＳｉが用いることで、非晶質層５０の耐熱性が高くなる。これにより、この上に形成する機能層１０ｓの形成時のプロセス耐性が向上し、より好ましい。
【００３０】
このように、実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び１１１においては、非晶質層５０の上にＡｌＮ層（下地層６０）が設けられる。これにより、機能層１０ｓ（例えばＧａＮ層）とは結晶性が異なる基板４０上に、高い結晶品質を有する機能層１０ｓを形成することができる。
【００３１】
以下、本実施形態に係る構成を構築する基となった実験結果について説明する。
発明者は、Ｓｉ（１００）基板上に種々の非晶質層を形成し、その非晶質層上にＡｌＮ層を形成した。非晶質層としては、ＴａＡｌ、ＳｉＯ２膜またはａ−Ｓｉ膜を形成した。
【００３２】
図４は、実験で作製したＡｌＮ層の特性を例示するＲＨＥＥＤ像である。
同図は、非晶質層としてＴａＡｌ膜を形成し、その上にＡｌＮ層を形成した試料のＲＨＥＥＤ像を示す。
図４に表したように、ＲＨＥＥＤ像において、スポット状（ドット状）の輝点が観察される。このことは、ＡｌＮ層の面方位が揃っていることを示す。
【００３３】
図５は、実験で作製したＡｌＮ層の特性を例示するグラフ図である。
同図は、非晶質層としてＳｉＯ２膜またはａ−Ｓｉ膜を形成し、それぞれの上にＡｌＮ層を形成した試料のＸＲＤ半値幅の測定結果を示す。横軸は、ＡｌＮ層の厚さであり、縦軸はＸＲＤ半値幅である。
図５に表したように、ＳｉＯ２膜及びａ−Ｓｉ膜のいずれの場合にも、ＡｌＮ層において高い配向性が得られる。
【００３４】
以上のように、非晶質層５０の上にＡｌＮ層（下地層６０）を形成することで、ＡｌＮ層とは結晶性の異なる基板４０（この例では、Ｓｉ基板）上でも、高い配向性を示すＡｌＮ層（下地層６０）が形成可能であることがわかった。
【００３５】
このような下地層６０の上に、機能層１０ｓを結晶成長性させることで、機能層１０ｓの結晶品質を高くすることができる。
【００３６】
本実施形態において、下地層６０は、機能層１０ｓの結晶成長に適する残留応力を有していることが望ましい。例えば、下地層６０は、機能層１０ｓに圧縮応力を印加することができる。または、下地層６０は、機能層１０ｓに引張応力を印加することができる。これにより、機能層１０ｓにおいて良好な特性（例えば、電荷の注入の制御性、クラックなどの抑制、転位密度の低減など）が得られる。
【００３７】
図６は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６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１１２においては、非晶質層５０が凹凸形状を有している。例えば、基板４０の主面上に凹凸を形成することで、非晶質層５０に凹凸が形成される。このような窒化物半導体素子１１２においても、非晶質層５０の上にＡｌＮの下地層６０を形成することにより、面内において良好かつ均一な結晶性を有する下地層６０が得られる。これにより、良好な特性の機能層１０ｓが得られる。
【００３８】
さらに、非晶質層５０の凹凸形状に傾斜面を設けても良い。例えば、基板４０に形成される凹凸に傾斜面を設けることで、非晶質層５０の凹凸に傾斜面が形成される。
【００３９】
図７は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７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１１３においては、基板４０の上に設けられる非晶質層５０がパターニングされ、部分的に設けられている。また、この例では、下地層６０が部分的に設けられている。さらに、機能層１０ｓが部分的に設けられている。このように、非晶質層５０、下地層６０及び機能層１０ｓの少なくともいずれかをＸ−Ｙ平面内の複数の領域に設けることができる。これらの層を有する領域と有していない領域とで、それぞれの領域の上に形成する層の結晶性を変化させ、欠陥の選択集中が可能になる。これにより、必要な領域において欠陥が少ない良好な結晶が得られる。
【００４０】
図８は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８及び図９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１２０及び１２１においては、下地層６０は、非晶質層５０の上に設けられた配向性層５５（第２層）上に設けられる。これ以外は、窒化物半導体素子１１０及び１１１と同様なので説明を省略する。以下、配向性層５５について説明する。配向性層５５には、例えばＡｌが用いられる。
【００４１】
発明者は、Ｓｉ（１００）基板上に非晶質層５０としてＴａＡｌ膜を形成し、ＴａＡｌ膜の上に配向性層５５となるＡｌ膜を形成した。
【００４２】
図１０は、実験で作製したＡｌ膜の特性を例示するＸＲＤ解析結果を示すグラフ図である。
図１０の横軸は、角度ωであり、縦軸は、ＸＲＤの強度である。
図１０に表したように、非晶質層５０（ＴａＡｌ膜）の上に形成された配向性層５５（Ａｌ膜）は、高い配向性を示すことがわかった。この例では、配向性層５５（Ａｌ膜）のＸＲＤ半値幅は、０．６度であった。このように、高配向性の配向性層５５の上に下地層６０（ＡｌＮ層）を形成することで、高配向性の下地層６０が得られる。そして、高配向性の機能層１０ｓが得られる。
【００４３】
実施形態において、配向性層５５には、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ及びＷの少なくともいずれかが用いられる。
【００４４】
配向性層５５は、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有していることが望ましい。配向性層５５のＸＲＤ半値幅は、１０度以下であることが望ましい。
【００４５】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１２０及び１２１においては、非晶質層５０の上に、配向性層５５が形成され、配向性層５５の上に下地層６０（ＡｌＮ層）が設けられる。配向性層５５を導入することにより、下地層６０の配向性をより向上させることが可能となる。また、配向性層５５の導入により、下地層６０を薄膜化することが可能となる。これにより、結晶性の異なる基板４０上でも高い結晶品質の窒化物半導体層が形成できる。これにより、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子が得られる。
【００４６】
サファイア以外の基板上にＧａＮを成長させる方法としては、格子不整合を緩和するためのバッファ層を導入する方法がある。例えば、シリコン基板上にＺｒ（ジルコニウム）膜を形成し、その上に成長させるＧａＮ層との格子不整合を緩和させる方法がある。しかしながら、この方法においては、基板とＧａＮとの格子不整合を緩和する目的でバッファ層を導入しており、用いる基板に制約が生じる。
【００４７】
これに対して、実施形態においては、基板の結晶性をキャンセルする非晶質層５０を導入することで、結晶性の異なる基板上でも高い結晶品質を有する窒化物半導体層が形成できる。
【００４８】
（第２の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体ウェーハに係る。このウェーハには、例えば、半導体装置の少なくとも一部、または、半導体装置の少なくとも一部となる部分が設けられている。この半導体装置は、例えば、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどを含む。
【００４９】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図１１（ａ）に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ１３０は、基板４０と、基板４０の上に設けられた非晶質層５０と、非晶質層５０の上に設けられ、窒化アルミニウムを含む下地層６０と、下地層６０の上に形成され窒化物半導体を含む機能層１０ｓと、を備える。
【００５０】
上記の基板４０、非晶質層５０、下地層６０及び機能層１０ｓには、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
【００５１】
例えば、非晶質層５０は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかである。また、非晶質層５０は、非晶質金属でも良い。下地層６０は、下地層６０の層面に対して垂直な方向に配向していることが望ましい。
【００５２】
図１１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ１４０は、非晶質層５０と下地層６０との間に設けられた配向性層５５をさらに備える。上記の配向性層５５には、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
【００５３】
例えば、配向性層５５は、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有することが望ましい。基板４０は、シリコン基板であることが望ましい。
【００５４】
（第３の実施形態）
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２（ａ）に表したように、本製造方法においては、基板４０の上に非晶質層５０を形成する（ステップＳ１１０）。そして、非晶質層５０の上に窒化アルミニウムを含む下地層６０を形成する（ステップＳ１２０）。そして、下地層６０の上に窒化物半導体を含む機能層１０ｓを形成する（ステップＳ１３０）。
【００５５】
図１２（ｂ）に表したように、本製造方法においては、下地層６０の形成（ステップＳ１２０）は、非晶質層５０の上に配向性層５５を形成し、配向性層５５の上に下地層６０を形成することを含む。
【００５６】
非晶質層５０及び下地層６０の少なくともいずれかの形成には、例えばスパッタ法が用いられる。スパッタ法を用いることで膜の配向性の制御が可能になる。さらに、残留応力を広範囲で制御することが可能になる。これにより、機能層１０ｓの結晶性向上に利点がある。
【００５７】
非晶質層５０及び下地層６０の少なくともいずれかの形成には、例えばＣＶＤ法を用いることも可能である。ＣＶＤ法を用いた場合は、これらの層と機能層１０ｓとを一貫して形成することが可能となる。
【００５８】
非晶質層５０としてＳｉＯ２層を用い、基板４０としてＳｉ基板を用いる場合は、非晶質層５０を熱酸化法で形成することも可能である。
【００５９】
機能層１０ｓの形成においては、例えば、下地層６０上に第１半導体層１０を形成し、その上に発光部３０を形成し、その上に、第２半導体層２０を形成する。そして、第１電極７０及び第２電極８０を形成して、実施形態に係る窒化物半導体素子が作製される。なお、基板４０は、技術的に可能な任意の工程で除去しても良い。
【００６０】
実施形態に係る窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法において、半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、及び、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法などを用いることができる。
【００６１】
本実施形態に係る製造方法においては、任意の基板上において、良好な結晶性を有する窒化物半導体層を製造できる。
【００６２】
本製造方法においては、下地層６０（第１層）は、スパッタ法により形成されることが特に好ましい。例えば、下地層６０となるＡｌＮ層をＣＶＤ法またはＭＯＣＶＤ法により形成する場合は、下地層６０に加わる応力（stress）を制御することが難しい。すなわち、これらの手法では、下地層６０の歪（strain）を制御することが難しい。これに対し、下地層６０をスパッタ法で形成することで、下地層６０に圧縮歪（圧縮応力）または引張歪（引張応力）を制御性良く付与することができる。
【００６３】
以下、下地層６０のＡｌＮ層をスパッタ法で形成した場合の特性の例について説明する。
図１３は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
図１３は、非晶質層５０としてＳｉＯ２膜を用い、この上に、スパッタ法でＡｌＮを形成したときのＡｌＮ層の応力の測定結果を示している。スパッタにおいては、Ａｌのターゲットを用い、高周波電力Ｐｗを１５０Ｗ（ワット）とし、Ｎ２ガス流量を１０ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minutes)とし、Ａｒガス流量を変えている。図１３の横軸は、Ａｒガス流量ＦＡｒ（ｓｃｃｍ）であり、縦軸は、ＡｌＮ層の応力Ｓｔ（残留応力）（ＭＰａ：メガパスカル）である。応力Ｓｔが正であるときは引張応力であり、応力Ｓｔが負であるときは圧縮応力である。応力Ｓｔが正であるときは、ＡｌＮ層において引張歪が形成され、応力Ｓｔが負であるときは、ＡｌＮ層において圧縮歪が形成される。
【００６４】
図１３に示したように、Ａｒガス流量ＦＡｒが小さいと圧縮応力（圧縮歪）が得られ、Ａｒガス流量ＦＡｒが大きいと引張応力（引張歪）が得られる。そして、ガス流量ＦＡｒの変化に対して、応力Ｓｔは、実質的に線形に変化する。このように、Ａｒガス流量ＦＡｒを変えることで、ＡｌＮ層に、圧縮応力から引張応力までの広い範囲の応力Ｓｔを制御性良く印加できる。例えば、成膜中にＡｌＮ層中にＡｒがトラップされ、この程度がＡｒガス流量ＦＡｒを変えることで変化し、その結果、ＡｌＮ層における応力が変化することが考えられる。
【００６５】
図１３に示した例では、応力Ｓｔは、−１０００ＭＰａ〜＋１５００ＭＰａの範囲で制御されているが、実施形態はこれに限らない。実施形態において、応力Ｓｔは、−４０００ＭＰａ〜＋３０００ＭＰａの、圧縮から引張までの広い範囲で制御することができる。このような広い範囲の応力Ｓｔの制御は、成膜をスパッタ法により行うことで特に得られる効果である。−１０００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約０．３％の圧縮歪に対応する。＋１５００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約０．５％の引張歪に対応する。−４０００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約１．３％の圧縮歪に対応する。＋３０００ＭＰａの応力Ｓｔは、例えば、約１．０％の引張歪に対応する。
【００６６】
図１４は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の製造方法における特性を例示するグラフ図である。
図１４は、非晶質層５０としてＳｉＯ２膜を用い、この上に、スパッタ法でＡｌＮを形成し、このときの高周波電力Ｐｗを変えたときのＡｌＮ層の応力Ｓｔを示している。図１４の横軸は、高周波電力Ｐｗ（任意目盛）であり、縦軸は、応力Ｓｔ（任意目盛である）。
【００６７】
図１４に表したように、高周波電力Ｐｗが小さいと引張応力（引張歪）が得られ、高周波電力Ｐｗが大きいと圧縮応力（圧縮歪）が得られる。高周波電力Ｐｗは所定の範囲内において、高周波電力Ｐｗの変化に対して、応力Ｓｔは、実質的に線形に変化する。このように、高周波電力Ｐｗを変えることで、ＡｌＮ層に、圧縮応力から引張応力までの広い範囲の応力Ｓｔを制御性良く印加できる。例えば、高周波電力Ｐｗを大きくすることで、ＡｌＮ層が緻密になり、また、温度が上昇することなどにより圧縮応力が生成されるものと考えられる。
【００６８】
また、スパッタ法において、成膜中の温度を変えることでも、ＡｌＮ層における応力を制御することができる。
【００６９】
このように、スパッタ法を用いてＡｌＮ層を成膜する場合においては、Ａｒガス流量ＦＡｒ、高周波電力Ｐｗ、及び、温度などのように、調整が容易なパラメータを制御することで、ＡｌＮ層における応力を精度良く、再現性良く生成することができる。
【００７０】
スパッタによれば、他の手法に比べて、例えば密度を大きく変化させたＡｌＮ層を形成することができる。スパッタにより形成したＡｌＮ層おいては、圧縮から引張までの広い範囲の応力を生成することが容易である。
【００７１】
例えば、基板４０としてシリコン基板を用いた場合には、ＡｌＮ層に付与される残留応力（応力Ｓｔ）は、−４０００ＭＰａ〜−１０００ＭＰａの範囲が好ましい。実施形態においては、ＡｌＮ層は、例えば、１．３％〜０．３％の圧縮歪を有していることが好ましい。この条件を用いることで、結晶成長後の基板の反りを効果的に抑制することができる。なお、応力Ｓｔと歪との関係は、ＡｌＮ層を形成する基板の種類やＡｌＮ膜などによって変化することがある。上記の応力Ｓｔの値及び歪の値は、実用的な半導体発光素子における適正な値の例である。
【００７２】
ただし、適正な残留応力の範囲は、結晶成長の際に用いる基板の種類及び厚さ、並びに、成膜時の温度によっても異なる。実施形態においては、ＡｌＮ層に付与される残留応力（応力Ｓｔ）は任意である。
【００７３】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る窒化物半導体素子は、第１及び第２の実施形態に係る窒化物半導体素子と同様の構成を有する。ただし、本実施形態においては、下地層６０（ＡｌＮ）は、圧縮歪または引張歪を有する。すなわち、下地層６０は、圧縮応力または引張応力の残留応力を有する。この残留応力（歪）は、機能層１０ｓの結晶成長に適するように設計される。例えば、基板４０としてシリコン基板を用い、非晶質層５０としてＳＩＯ２膜を用い、機能層１０ｓがＧａＮ層を含む場合の例について説明する。
【００７４】
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示する模式的断面図である。
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、下地層６０が残留応力（歪）を有していない窒化物半導体素子２１９に対応し、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）は、下地層６０が圧縮応力（圧縮歪）を有する窒化物半導体素子２１０に対応する。図１５（ａ）及び図１５（ｃ）は、機能層１０ｓを結晶成長しているときの状態を例示している。機能層１０ｓを結晶成長しているときの温度は、例えば９００℃以上１２００℃以下の高温である。図１５（ｂ）及び図１５（ｄ）は、機能層１０ｓの結晶成長が終了し、室温まで降温したときの状態を例示している。
【００７５】
図１５（ａ）に表したように、下地層６０が応力を有していない窒化物半導体素子２１９においては、機能層１０ｓの結晶成長の高温時に、基板全体は平坦である。そして、図１５（ｂ）に表したように、室温に戻したときには、上に凹状態となる。これには、シリコンとＧａＮとにおける熱膨張係数の差に起因している。このように、下地層６０が応力を有しない場合には、大きな反りが生じ、さらに、クラックが発生し易くなる。そして、この状態においては、機能層１０ｓには大きな引張応力が印加される。この状態は、例えば、機能層１０ｓに含まれる活性層の特性を劣化させることがある。具体的には、転位密度などの欠陥密度が高くなり、電荷の注入効率が低下する。また、リーク点が増加することがある。
【００７６】
これに対して、図１５（ｃ）に表したように、下地層６０が圧縮応力を有している窒化物半導体素子２１０においては、機能層１０ｓの結晶成長の高温時に、基板全体は上に凸状態である。そして、図１５（ｄ）に表したように、室温に戻したときには、基板全体が平坦になる。すなわち、図１５（ｂ）に例示した状態よりも、基板の反りが抑制される。このように、下地層６０が圧縮応力を有する場合には、反りが抑制され、クラックの発生も抑制される。また、下地層６０の応力を適切に制御することで、機能層１０ｓにおいて、適正な応力を印加することもできる。例えば、機能層１０ｓに適切な圧縮応力が印加されている状態を形成することで、ピエゾ電界の影響を低減することができる。また、デバイス作製工程の、貼り合わせ工程が容易になる。また、例えば、機能層１０ｓに適切な引張応力が印加されている状態を形成することで、電荷（ホール及び電子の少なくともいずれか）の移動度に影響を与えることができる。
【００７７】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体素子２１０は、非晶質層５０の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層（下地層６０）と、第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層１０ｓと、を備える。これにより、反りクラックの発生を抑制できる。その結果、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子を提供できる。
【００７８】
なお、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）は、下地層６０が圧縮歪を有する窒化物半導体ウェーハ２２０の特性も例示している。窒化物半導体ウェーハ２２０においても、ウェーハの反りやクラックを抑制できる。
【００７９】
すなわち、実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２２０は、基板４０と、基板４０の上に設けられた非晶質層５０と、非晶質層５０の上に設けられ、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層（下地層６０）と、第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層１０ｓと、を備える。これにより、これにより、反りクラックの発生を抑制できる。その結果、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体ウェーハが提供できる。
【００８０】
なお、ＳｉＮ上に、ＦＩＢ（フォーカスドイオンビーム）によるＡｌ堆積と熱処理との組み合わせ、または、金属蒸着と熱処理との組み合わせなどのように、Ａｌを含む原料を供給してＡｌＮを成長させる手法によりＡｌＮ層を形成する構成が考えられる。この方法においては、熱処理によるマイグレーションを用いてＡｌＮ層を形成するため、高い熱処理温度が必要となり、基板へのダメージやスループットの面で問題になる。また、ＳｉＮ上にＡｌＮを形成する場合は、ＳｉＮに含まれるＮをＡｌ膜が取り込むことでＡｌＮ層が形成されるため、形成できるＡｌＮの厚さに制約が生じる。また、ＡｌＮ層を形成する過程で下地のＳｉＮが分解されるため、ＡｌＮ層は、分解されるＳｉＮの影響を受ける。このため、この方法では、良質なＡｌＮの結晶を得ることが困難である。非晶質膜のＳｉＯ２膜の上にＡｌＮを形成する場合には上記のような制約や、下地の影響が発生しない。
【００８１】
一方、実施形態においては、ＡｌＮ層はスパッタにより形成できるので、高温の熱処理を必要としない。このため、基板へのダメージが抑制され、高いスループットが得られる。また、大面積のウェーハに対しても均一にＡｌＮを成長させやすい。実施形態においては、容易に製造できる手法を用いて形成したＡｌＮ層において、ＡｌＮ層の応力（歪）を適正に制御することで、任意の基板上においても、良好な結晶性を有する窒化物半導体素子を形成することができる。
【００８２】
下地層６０における応力は、例えばＸ線回折により求められる。
図１６は、第４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、基板４０としてシリコンの（１１１）基板を用い、非晶質層５０の上に、下地層６０となるＡｌＮ層をスパッタで形成した試料のＸ線回折解析結果を示している。図１６には、スパッタ条件が異なる２種類の試料（第１試料ＳＰ１及び第２試料ＳＰ２）の結果が示されている。図１６の横軸は、Ｘ線回折解析の回転角２θ（度）であり、縦軸は、強度Ｉｎｔ（任意目盛）である。なお、図１６において、回転角２θが約２８．５度におけるピークは、基板４０であるＳｉ（１１１）のピークである。
【００８３】
これらの試料は、Ｎ２ガス流量が５．５ｓｃｃｍで、マイクロ波パワーが５００Ｗで、高周波電力が５００Ｗで、成膜温度が２００℃の条件で形成された。第１試料ＳＰ１においては、Ａｒガス流量は３０ｓｃｃｍであり、第２試料ＳＰ２においては、Ａｒガス流量は２０ｓｃｃｍである。なお、この実験で用いた成膜装置は、図１３に関して説明した実験で用いた成膜装置とは異なる。
【００８４】
図１６に示したように、応力が印加されていない時のＡｌＮ層Ｐ０においては、回転角θが約３６．０度のときにピークが生じる。ＡｌＮ層の試料において、Ｘ線回折のピークに対応する角度２θが、無応力の２θの３６．０度よりも大きいときは、その試料には引張応力が印加され（すなわち、その試料は引張歪を有する）、小さいときは圧縮応力が印加されている（すなわち、その試料は圧縮歪を有する）ことを示す。
【００８５】
図１６に表したように、第１試料ＳＰ１においては、２θが約３５．７度（無応力の時に対して−０．３度）において、ピークが生じている。第２試料ＳＰ２においては、２θが約３５．４度（無応力の時に対して−０．６度）において、ピークが生じている。
【００８６】
これらの試料においては、Ｘ線回折において、ＡｌＮ層のピークに対応する回転角２θが、応力が印加されていないときのＡｌＮ層Ｐ０のピークに対応する回転角２θよりも小さく、圧縮応力が印加されている（すなわち、圧縮歪を有する）と判定できる。そして、その圧縮応力（圧縮歪）の大きさは、無応力の２θの３６．０度との差に対応する。
【００８７】
例えば、本実施形態においては、下地層６０のＡｌＮ層のＸ線回折におけるピークに対応する回転角２θと、応力が印加されていないときのＡｌＮ層Ｐ０のピークに対応する回転角２θとの差の絶対値は、０．３度以上である。
【００８８】
但し、実施形態はこれに限らない。所望の特性に応じて、下地層６０の圧縮応力を調整することができる。
【００８９】
このように、残留応力は、例えばＸ線回折法により測定できる。ＡｌＮ層をＸ線回折法により解析することで、ＡｌＮ層における歪（応力が印加されていない時のＡｌＮ層Ｐ０からの差）が求められる。求められた歪の値から、ＡｌＮ層の算出することができる。
【００９０】
なお、下地層６０が圧縮応力を有する場合、下地層６０は、その上に形成される機能層１０ｓに引張応力を印加する。また、下地層６０が引張応力を有する場合、下地層６０は、その上に形成される機能層１０ｓに圧縮応力を印加する。
【００９１】
また、基板４０に用いる材料と、機能層１０ｓに用いる材料と、の組み合わせが上記と異なる場合は、その組み合わせに応じて、下地層６０における応力（圧縮応力または引張応力）を調整しても良い。
【００９２】
このように、下地層６０における応力を調整することで、反り及びクラックを抑制でき、下地層６０の上に形成される機能層１０ｓの高い結晶性を実現できる。
【００９３】
図８に例示したように、窒化物半導体素子２１１は、窒化物半導体素子２１０の構成において、配向性層５５（第２層）をさらに備えている。
また、図１１（ｂ）に例示したように、窒化物半導体ウェーハ２１１は、窒化物半導体ウェーハ２２０の構成において、配向性層５５をさらに備えている。
【００９４】
配向性層５５は、例えば結晶性を有する。ここで、結晶性を有する状態は、単結晶である状態の他に、微結晶を含む状態も含む。結晶性を有する状態は、非晶質でない状態である。結晶性を有する状態は、何らかの方向に沿う配向を有する状態をいう。例えば配向性層５５は、結晶構造を有する。配向性層５５は、例えば、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する。
【００９５】
配向性層５５をスパッタにより形成しても良い。これにより、配向性層５５の形成と、下地層６０の形成と、を同様の装置で行うことができ、装置の効率が向上する。さらに、配向性層５５に圧縮または引張の応力を付与しても良い。反りやクラックの発生をより効果的に抑制できる。
【００９６】
実施形態によれば、任意の基板上に形成でき良好な結晶性を有する窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法が提供できる。
【００９７】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−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。
【００９８】
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は良い。
【００９９】
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ウェーハに含まれる基板、非晶質層、下地層、配向性層、第１層、第２層、半導体層、発光部及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１００】
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製造方法を基にして、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製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【符号の説明】
【０１０３】
１０…第１半導体層、 １０ｓ…機能層、 ２０…第２半導体層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…基板、 ５０…非晶質層、 ５５…配向性層（第２層）、 ６０…下地層（第１層）、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 λ…波長、 λｐ…ピーク波長、 １１０、１１１、１１２、１１３、１２０、１２１、２１０、２１９…窒化物半導体素子、 １３０、１４０、２２０…窒化物半導体ウェーハ、 ＢＬ…障壁層、Ｉｎｔ…強度、Ｐｗ…高周波電力、ＳＰ１…第１試料、ＳＰ２…第２試料、Ｓｔ…強度、 ＷＬ…井戸層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質層の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層と、
前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１層は、圧縮歪を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記機能層は、
前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、複数の障壁層と、前記複数の障壁層どうしの間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み、前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記非晶質層は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記非晶質層は、非晶質金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第１層は、前記第１層の層面に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記第１層は、前記非晶質層の上に設けられ面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する第２層の上に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第２層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ及びＷの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
基板と、
前記基板の上に設けられた非晶質層と、
前記非晶質層の上に設けられ、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層と、
前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１０】
前記第１層は、圧縮歪を有することを特徴とする請求項９記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１１】
前記非晶質層は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項９または１０に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１２】
前記第１層は、前記第１層の層面に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１３】
前記非晶質層と前記第１層との間に設けられ面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する第２層をさらに備えたことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１４】
前記第２層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ及びＷの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１３記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１５】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１６】
基板の上に非晶質層を形成し、
前記非晶質層の上に窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層をスパッタにより形成し、
前記第１層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成することを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。
【請求項１７】
前記第１層は圧縮歪を有し、
前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体層の製造方法。
【請求項１８】
前記第１層の形成は、
前記非晶質層の上に、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する第２層を形成し、前記第２層の上に前記第１層を形成することを含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載の窒化物半導体層の製造方法。
【請求項１】
非晶質層の上に形成され、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層と、
前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１層は、圧縮歪を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記機能層は、
前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、複数の障壁層と、前記複数の障壁層どうしの間に設けられた井戸層と、を含む発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み、前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記非晶質層は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記非晶質層は、非晶質金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第１層は、前記第１層の層面に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記第１層は、前記非晶質層の上に設けられ面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する第２層の上に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第２層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ及びＷの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
基板と、
前記基板の上に設けられた非晶質層と、
前記非晶質層の上に設けられ、窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層と、
前記第１層の上に形成され、窒化物半導体を含む機能層と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１０】
前記第１層は、圧縮歪を有することを特徴とする請求項９記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１１】
前記非晶質層は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかであることを特徴とする請求項９または１０に記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１２】
前記第１層は、前記第１層の層面に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１３】
前記非晶質層と前記第１層との間に設けられ面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する第２層をさらに備えたことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１４】
前記第２層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｍｏ及びＷの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１３記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１５】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１つに記載の窒化物半導体ウェーハ。
【請求項１６】
基板の上に非晶質層を形成し、
前記非晶質層の上に窒化アルミニウムを含み、圧縮歪または引張歪を有する第１層をスパッタにより形成し、
前記第１層の上に窒化物半導体を含む機能層を形成することを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。
【請求項１７】
前記第１層は圧縮歪を有し、
前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１６記載の窒化物半導体層の製造方法。
【請求項１８】
前記第１層の形成は、
前記非晶質層の上に、面心立方格子構造及び体心立方格子構造のいずれかを有する第２層を形成し、前記第２層の上に前記第１層を形成することを含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載の窒化物半導体層の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２５６８４３（Ｐ２０１２−２５６８４３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２９９９２（Ｐ２０１２−２９９９２）
【出願日】平成２４年２月１４日（２０１２．２．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１４日（２０１２．２．１４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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