ＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法
【課題】表面の平坦化が図られたＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るＧａＮ基板２８は、ＧａＮ単結晶からなる基板１４と、基板１４上にエピタキシャル成長された、ＡｌＧａＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層２４と、中間層２４上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層２６とを備えることを特徴とする。中間層２４はＡｌＧａＮからなり、このＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域を含む主面１４ａの全域に成長する。そのため、中間層２４は基板１４上に正常に成長しており、その成長面２４ａは平坦である。このように中間層２４の成長面２４ａが平坦であるため、中間層２４上にエピタキシャル成長される上層２６の成長面２６ａも平坦となっている。
【解決手段】本発明に係るＧａＮ基板２８は、ＧａＮ単結晶からなる基板１４と、基板１４上にエピタキシャル成長された、ＡｌＧａＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層２４と、中間層２４上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層２６とを備えることを特徴とする。中間層２４はＡｌＧａＮからなり、このＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域を含む主面１４ａの全域に成長する。そのため、中間層２４は基板１４上に正常に成長しており、その成長面２４ａは平坦である。このように中間層２４の成長面２４ａが平坦であるため、中間層２４上にエピタキシャル成長される上層２６の成長面２６ａも平坦となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光デバイスの基板材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）が着目されている。ＧａＮ製の基板は、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板等の半導体単結晶基板上にＧａＮの単結晶層を成長させた後、ＧａＡｓ基板を除去することで形成される。そして、かかる基板の上にエピタキシャル層を成長させることによってＧａＮ基板が完成する。
【０００３】
従来より、このようなエピタキシャル層として、基板と同じ組成のＧａＮからなるホモエピタキシャル層を成長させている。このようなホモエピタキシャル層を成長させることで、貫通転位などの欠陥を減少させ得るとされているからである。特に、ＧａＮ系の半導体からなるレーザ素子においては、貫通転位が素子の寿命に影響するため、ホモエピタキシャル層が必要とされていた。なお、ＧａＮ基板の公知技術としては、以下の特許文献１及び２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０２３０７号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようにして作製される従来のＧａＮ基板には、次のような課題が存在している。すなわち、基板の表面が汚染されている状態で、基板上にＧａＮホモエピタキシャル層が正常に成長しない部分があるという問題があった。これを図１３を参照しつつ説明すると、ＧａＮ単結晶製の基板４０上にＧａＮホモエピタキシャル層４２を成長させてＧａＮ基板４４を作製する場合、基板４０の表面４０ａのうち一部領域４０ｂでは、ＧａＮホモエピタキシャル層４２が正常に成長せず、その部分には窪みが生じる。それにより、このＧａＮ基板４４の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。発明者らは、このような事態が生じる原因の一つとして、上述した基板４０の作製時に、基板表面４０ａに付着した汚染物質がＧａＮホモエピタキシャル層４２を成長させる工程まで基板４０に残留したためであると考えた。
【０００６】
また、発明者らは、原因の他の一つとして、基板４０を製作する際に形成される欠陥集中領域表面の結晶品質が充分でないためであることを見出した。これを図１４（ａ）〜図１４（ｄ）を参照しつつ説明する。図１４（ａ）に示すように、ＧａＮ単結晶製の基板４０は、周囲の低欠陥領域よりも欠陥密度が高く厚さ方向に延びる複数の欠陥集中領域４０ｃを含んでいることが多い。この基板４０の表面４０ａ上にＧａＮホモエピタキシャル層４２を成長させると、図１４（ｂ）に示すように、ＧａＮホモエピタキシャル層４２は主に欠陥集中領域４０ｃ表面以外の部分に成長する。そして、図１４（ｃ）に示すように、欠陥集中領域４０ｃ上のＧａＮホモエピタキシャル層４２の成長が不完全となる結果、図１４（ｄ）に示すように、欠陥集中領域４０ｃ上のＧａＮホモエピタキシャル層４２表面に窪み（ピット４２ａ）が形成される。従って、ＧａＮ基板４４の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。発明者らは、鋭意研究の末に、上述した事態を回避可能な技術を見出した。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、表面の平坦化が図られたＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るＧａＮ基板は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、基板の主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層とを備えることを特徴とする。または、本発明に係るＧａＮ基板は、ＧａＮ単結晶からなる基板と、基板上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記ＧａＮ基板においては、基板と上層との間に中間層が介在している。この中間層はＡｌＧａＮからなり、このＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長することが発明者らにより見出された。そのため、中間層は基板上に正常に成長しており、その成長面（すなわち、上面）は平坦である。このように中間層の成長面が平坦であるため、中間層上にエピタキシャル成長された上層の成長面も平坦となっている。
【００１０】
また、上記ＧａＮ基板においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記ＧａＮ基板によれば、中間層及び上層の成長面を平坦にすることができる。
【００１１】
また、中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有することが好ましい。この場合、中間層の比抵抗が低減するため、ＧａＮ基板を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等の縦型のデバイスを作製した場合に、それらのデバイス特性が向上する。
【００１２】
また、中間層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を備えた超格子構造であることが好ましい。この場合、超格子構造によってＧａＮ基板内における貫通転位の伝播が阻止されるため、良好な結晶性を有するＧａＮ基板となる。
【００１３】
また、ＧａＮ基板は、中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備えることが好ましい。この場合、中間層の間に挟まれたＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層によりＧａＮ基板のさらなる平坦化が図られる。
【００１４】
また、中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【００１５】
本発明に係るＧａＮ基板の製造方法は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップとを有することを特徴とする。または、本発明に係るＧａＮ基板の製造方法は、ＧａＮ単結晶からなる基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップとを有することを特徴とする。
【００１６】
上記ＧａＮ基板の製造方法においては、ＧａＮからなる上層を基板上に積層することに先立ち、ＡｌＧａＮからなる中間層を基板上に積層する。中間層を構成するＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長することが発明者らにより見出された。そのため、基板上へ積層された中間層の成長面（すなわち、上面）は平坦となる。このような成長面が平坦な中間層上にエピタキシャル成長される上層の成長面も平坦となる。
【００１７】
また、ＧａＮ基板の製造方法においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記ＧａＮ基板の製造方法によれば、中間層及び上層の成長面を平坦にすることができる。
【００１８】
また、中間層形成ステップの際にドーパントを添加して、中間層をｎ型またはｐ型にすることが好ましい。この場合、中間層の比抵抗が低減するため、ＧａＮ基板を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等の縦型のデバイスを作製した場合に、それらのデバイス特性が向上する。
【００１９】
また、中間層形成ステップに割り込んで、中間層の間に挟まれる、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を形成する第２の中間層形成ステップをさらに備え、中間層と第２の中間層とによって超格子構造を形成することが好ましい。この場合、形成された超格子構造によってＧａＮ基板内における貫通転位の伝播が阻止されるため、良好な結晶性を有するＧａＮ基板が作製される。
【００２０】
また、中間層形成ステップに割り込んで、中間層の間に挟まれるようにＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層を形成するＩｎＧａＮエピタキシャル層形成ステップをさらに備えることが好ましい。この場合、中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層によりＧａＮ基板のさらなる平坦化が図られる。
【００２１】
また、ＧａＮ基板の製造方法においては、中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【００２２】
また、ＧａＮ基板の製造方法においては、中間層及び上層を８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させることが好ましい。ＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域表面を含む基板表面の全域に成長するので、８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で中間層を成長させても、中間層の成長面（すなわち、上面）を平坦にできる。従って、比較的高い圧力下で中間層及び上層を成長させることにより、結晶性の良い中間層及び上層が得られる。
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体素子は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、基板の主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、中間層上に設けられたｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域とを備えることを特徴とする。
【００２４】
上記窒化物半導体素子においては、基板上に中間層が設けられている。発明者らは、ＡｌＧａＮが、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長可能であることを見出した。中間層は基板上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮ層を含むので、中間層は基板上に正常に成長しており、その成長面（すなわち、上面）は平坦となる。このように中間層の成長面が平坦であるため、中間層上に形成されるｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域の界面の平坦性が向上し、当該窒化物半導体素子のデバイス特性（例えば発光量など）が向上する。
【００２５】
また、上記窒化物半導体素子においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記窒化物半導体によれば、中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域の成長面を平坦にすることができる。
【００２６】
また、上記窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体領域またはｐ型窒化物半導体領域は、中間層上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなる上層を含むことが好ましい。この場合、基板表面に加工などによる微小な凹凸が存在し、中間層の表面にこの凹凸が現れているような場合であっても、中間層上に上層をエピタキシャル成長させることによって成長面を平坦にできる。従って、上層を除くｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域の結晶性が向上するので、デバイス特性がさらに向上する。
【００２７】
また、上記窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体領域とｐ型窒化物半導体領域との間に発光層をさらに備え、ｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域のそれぞれがクラッド層を含むことが好ましい。この場合、成長面が平坦な基板上に積層されたｎ型及びｐ型のクラッド層、並びに発光層の界面の平坦性が向上するので、素子の発光特性が向上する。
【００２８】
また、上記窒化物半導体においては、発光層における発光領域が、少なくとも一部の欠陥集中領域上にわたっていることが好ましい。上記窒化物半導体によれば、欠陥集中領域の位置に関係なく発光層の界面を平坦にできるので、発光領域が欠陥集中領域上にわたっている場合でも、発光領域における結晶性をより良くすることができる。
【００２９】
また、上記窒化物半導体素子において、中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有することが好ましい。この場合、中間層の比抵抗が低減するため、当該窒化物半導体素子のデバイス特性がさらに向上する。
【００３０】
また、上記窒化物半導体素子において、中間層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層とが交互に積層された超格子構造を有することが好ましい。この場合、超格子構造によって中間層における貫通転位の伝播が阻止されるため、良好な結晶性を有するｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域が形成される。
【００３１】
また、窒化物半導体素子は、中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備えることが好ましい。この場合、中間層の間に挟まれたＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層により、中間層のさらなる平坦化が図られる。
【００３２】
また、上記窒化物半導体素子において、中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【００３３】
本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、中間層上に、ｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域を形成する半導体領域形成ステップとを有し、中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域のそれぞれを８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させることを特徴とする。
【００３４】
上記窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＧａＮ層を含む中間層を基板上に積層する。ＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長するので、８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で中間層を成長させても、中間層の成長面（すなわち、上面）を平坦にできる。従って、このような比較的高い圧力下で各層を成長させることにより、結晶性の良い中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域が得られ、窒化物半導体素子のデバイス特性が向上する。
【００３５】
また、上記窒化物半導体素子の製造方法においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記窒化物半導体素子の製造方法によれば、中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域の成長面を平坦にすることができる。
【００３６】
また、上記窒化物半導体素子の製造方法においては、中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、表面の平坦化が図られたＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＧａＮ基板の作製に用いる気相成長装置を示した図である。
【図２】（ａ）は、基板の一部を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示した基板のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る窒化物半導体素子として、発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）発光素子を作製する手順を示した図である。
【図８】発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図９】発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図１０】第１実施例によって作成された発光素子のｐ型コンタクト層の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１１】表１に示した１３通りの中間層について、厚さ及びＡｌ組成比とクラックの有無との相関を示すグラフである。
【図１２】比較例によって作成された発光素子のｐ型コンタクト層の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１３】従来のＧａＮ基板の表面状態を示した概略断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）欠陥集中領域を有する基板上にＧａＮホモエピタキシャル層を成長させた場合のＧａＮ基板の表面状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明によるＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＧａＮ基板の作製に用いる気相成長装置を示した図である。この気相成長装置１０は、気体流路が水平方向に形成された石英製のフローチャネル１２を有する、いわゆる横型のＭＯＣＶＤ装置である。ＧａＮ基板の作製に用いる基板１４は、ヒータ１６を有するサセプタ１８上のトレイ２０内に設置され、サセプタ１８は基板１４を回転自在に支持する。
【００４１】
フローチャネル１２は、上流フローチャネル１２Ａ、中間フローチャネル１２Ｂ及び下流フローチャネル１２Ｃから構成されている。そして、ＧａＮ結晶の製造に必要なガスは、上流フローチャネル１２Ａの３層ノズル２２から導入され、中間フローチャネル１２Ｂ内の基板１４の直前で混合される。基板１４上の反応で発生した残余ガスは、下流フローチャネル１２Ｃから排気される。
【００４２】
なお、ノズル２２から基板１４上に、III族原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を含むガスが、V族原料ガスとしてＮＨ３を含むガスが適宜供給され、また、ｎ型ドーピングガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ４）を含むガスが供給され、ｐ型ドーピングガスとしてはシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を含むガスが供給される。キャリアガスとしては、水素ガス（Ｈ２ガス）や窒素ガス（Ｎ２ガス）、Ｈ２ガスとＮ２ガスとの混合ガス等が用いられる。ノズル２２とこのノズル２２に各III族原料ガスを供給する複数のラインとの間には切替弁（図示せず）が配置されており、この切替弁の制御により、III族原料ガスの各流量が調整される。具体的には、切替弁は、ラインから送られてきたIII族原料ガスを、適宜、ノズル２２に送るメインラインと排気用のダミーラインとに振り分けて、各III族原料ガスの遮断や流量安定化を図る。
【００４３】
次に、本実施形態で用いられる基板１４について説明する。図２（ａ）は、基板１４の一部を示す平面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した基板１４のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。この基板１４は、ＧａＡｓ基板上に開口窓を複数有するマスク層を形成し、その開口窓内からＧａＮをラテラル成長させるという公知技術により生成されたものである。また、ラテラル成長の後、ＧａＡｓ基板は王水中でエッチング除去され、さらに、基板１４の表裏面１４ａ，１４ｂには機械研磨が施されている。
【００４４】
また、基板１４は、厚さ方向に延びる複数の欠陥集中領域１４ｃを有している。この欠陥集中領域１４ｃは、周囲の低欠陥領域１４ｄよりも欠陥密度が例えば１０倍以上高く、基板１４の主面１４ａにおいて点状に分布している。欠陥集中領域１４ｃは、ＧａＮをラテラル成長させる際に、ＧａＮ表面に例えば複数のファセットからなる凹部（ピット）が形成されることによりＧａＮ内部の転位などの欠陥が集まって形成された部分である。本実施形態では、欠陥集中領域１４ｃは、基板１４において不規則（ランダム）に配置されていてもよい。基板１４の主面１４ａにおける欠陥集中領域１４ｃの密度は、例えば１００［個／ｃｍ２］以上１×１０５［個／ｃｍ２］以下である。また、基板１４の主面１４ａの面積に占める欠陥集中領域１４ｃの表面積の割合は、例えば１パーセント以下である。欠陥集中領域１４ｃにおける転位密度は例えば３×１０７ｃｍ−２以下であり、低欠陥領域１４ｄにおける転位密度は例えば５×１０６ｃｍ−２以下である。
【００４５】
次に、本実施形態に係るＧａＮ基板を作製する手順について、図３を参照しつつ説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【００４６】
まず、フローチャネル１２内のサセプタ１８上のトレイ２０に、ＧａＮ単結晶からなるウェハ状の基板１４を、上面（主面）１４ａが（０００１）面となるように設置する（図３（ａ）参照）。この基板１４上へのエピタキシャル成長に先立ち、ノズル２２からＮＨ３ガスを含む混合ガスを導入して、フローチャネル１２内をＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気にする。そして、ヒータ１６によってサセプタ１８及び基板１２を１１００℃程度まで加熱して、基板１４の主面１４ａの清浄化処理（サーマルクリーニング）をおこなう。具体的には、ＮＨ３を５ｓｌｍ、Ｈ２を６ｓｌｍの条件で流した。このように適当な条件でサーマルクリーニングをおこなうことで、基板表面（主面）１４ａの汚染物質が取り除かれると共に、基板表面１４ａの平面度が向上する。
【００４７】
次に、基板１４の温度（基板温度）を１１００℃に、中間フローチャネル内の圧力を８０ｋＰａ以上にそれぞれ保持した状態で、III族原料ガス、V族原料ガス及びドーピングガスを上述のキャリアガスと共に、ノズル２２から基板１４上に供給する。より具体的には、ＴＭＧを２４．４２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを２．０２μｍｏｌ／ｍｉｎの条件で２３分間供給し、ＮＨ３を６ｓｌｍ、Ｈ２を８ｓｌｍの条件で流す。それにより、基板１４上には膜厚が２００ｎｍのＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．０８）からなる中間層２４が成長する（中間層形成ステップ、図３（ｂ）参照）。なお、Ａｌの組成比ｘは、０＜ｘ≦１の範囲内であればよい。また、中間層２４の厚さは、中間層の成長条件を変化させて１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さから適宜選択できるが、これより厚いと亀裂等の欠陥が発生する可能性が高くなる。本発明者らは、後述する実施例において示すように、Ａｌの組成比が０＜ｘ＜０．２４の範囲内である場合において中間層２４の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満であれば、亀裂等の欠陥が抑えられることを見出した。
【００４８】
このように、ＧａＮ単結晶からなる基板１４上にはＡｌＧａＮからなる中間層２４が成長し、その成長は欠陥集中領域１４ｃ（図２参照）の表面を含む基板表面１４ａの全域でおこる。一方、この基板１４上にＧａＮからなる層を直接成長させた場合、欠陥集中領域１４ｃ表面など基板表面１４ａの一部領域では、正常なエピタキシャル成長がおこらずに窪みが生じ（図１３、図１４参照）、ＧａＮ基板の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。
【００４９】
発明者らは、このような事態が生じる原因は、基板１４の作製時に、基板表面１４ａに汚染物質が付着しているため、或いは、欠陥集中領域１４ｃ表面の結晶品質が充分でないためであると考え、鋭意研究の末に、基板１４上にＡｌＧａＮからなる層（中間層２４）を積層することが有効であることを見出した。すなわち、中間層２４は、汚染物質が付着している基板表面領域や、欠陥集中領域１４ｃの表面領域を含む全域に成長すると共に、その表面２４ａは平坦となり、良好なモフォロジーを有する。なお、中間層２４にはその形成の過程で炭素が含有されてしまうが、その炭素濃度は低く、およそ１×１０１８ｃｍ−３以下となっている。
【００５０】
基板１４上に中間層２４を形成した後は、基板温度を１１５０℃まで昇温し、ＧａＮで構成される上層２６を８０ｋＰａ以上の圧力下でエピタキシャル成長させて（上層形成ステップ）、ＧａＮエピタキシャルウェハであるＧａＮ基板２８の作製が完了する（図３（ｃ）参照）。なお、上述したとおり、中間層２４の表面２４ａは平坦となっているため、中間層２４上に結晶性良くエピタキシャル成長される上層２６の表面２６ａ（すなわち、ＧａＮ基板２８の表面）も平坦となっている。
【００５１】
ＧａＮ基板２８を用いて発光デバイスを作製する場合には、さらに、基板１４の下面（裏面）１４ｂ及び上層２６の上面２６ａに電極３０を形成する。
【００５２】
以上説明したように、ＧａＮ基板２８においては、基板１４と上層２６との間に中間層２４が介在している。この中間層２４はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１、本実施形態ではｘ＝０．０８）からなり、このＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域及び欠陥集中領域１４ｃ表面を含む基板表面１４ａの全域にエピタキシャル成長する。そのため、中間層２４は基板１４上に正常に成長し、その成長面２４ａは平坦である。このように中間層２４の成長面２４ａが平坦であるため、中間層２４上にエピタキシャル成長される上層２６の成長面２６ａも平坦となる。
【００５３】
なお、中間層２４に伝導性を与えて中間層２４の比抵抗の低減を図る場合には、中間層２４の形成過程の際に、Ｈ２で１０ｐｐｍに希釈したＳｉＨ４をドーパントとして２．５ｓｃｃｍの条件で流すことで、キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３であるｎ型中間層を求めることができる。また、中間層２４の形成過程の際に、Ｃｐ２Ｍｇをドーパントとして０．０５３９μｍｏｌ／ｍｉｎの条件で供給することで、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｐ型中間層を形成することができる。この場合、ｐ型キャリア濃度を高めるため、中間層２４に別途活性化処理を施す必要がある。ＧａＮ基板２８が、比抵抗の低減が図られたこのような中間層２４を有すると、このＧａＮ基板２８を用いてＬＥＤやＨＢＴ等の縦型のデバイスを作製した場合において、それらのデバイス特性が向上する。
【００５４】
また、中間層２４及び上層２６は、本実施形態のように８０ｋＰａ以上の圧力下で成長されることが好ましい。ＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域を含む基板１４の表面１４ａの全域に成長可能なので、８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で中間層２４を成長させても、中間層２４の成長面２４ａを平坦にできる。従って、このような比較的高い圧力下で中間層２４及び上層２６を成長させることにより、結晶性の良い中間層２４及び上層２６を得ることができる。
【００５５】
また、前述したように、基板１４の主面１４ａにおける欠陥集中領域１４ｃの密度は１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域１４ｃの密度が比較的高い場合においても、本実施形態のＧａＮ基板２８及びその製造方法によれば、中間層２４及び上層２６の成長面を平坦にすることができる。
【００５６】
次に、上述したＧａＮ基板とは異なる態様のＧａＮ基板及びその製造方法について、図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【００５７】
まず、上述したＧａＮ基板２８の製造方法と同様の方法により、基板１４上に中間層２４を積層する。すなわち、装置１０のトレイ２０に、上面（主面）１４ａが（０００１）面となるように基板１４を設置して、清浄化処理を施した後（図４（ａ）参照）、上述した条件と同様又は同等の所定の条件で、ＴＭＧ及びＴＭＡを供給すると共に、ＮＨ３及びＨ２を流す。これにより、基板１４上には膜厚が数ｎｍ程度のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１６）からなる中間層２４Ａを成長させる（図４（ｂ）参照）。
【００５８】
次に、ノズル２２の上流にある切替弁を操作して、他の条件を変えず、基板１４上へのＴＭＡの供給だけを遮断する。これにより、中間層２４Ａの上にＧａＮ（すなわち、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０））からなる、膜厚が数ｎｍ程度のエピタキシャル薄膜（第２の中間層）３２を積層する（図４（ｃ）参照）。そして、このような切替弁の操作により、エピタキシャル薄膜３２上に、中間層２４Ａ及びエピタキシャル薄膜３２を交互に積層して５層の超格子構造を形成する（図４（ｄ）参照）。最後に、最上の中間層２４Ａ上に、上層２６をエピタキシャル成長することにより、上述したＧａＮ基板２８とは異なる態様のＧａＮ基板２８Ａの作製が完了する（図４（ｅ）参照）。
【００５９】
中間層２４Ａの間に、中間層２４Ａの組成と異なる組成のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるエピタキシャル薄膜３２を備え、中間層２４Ａとエピタキシャル薄膜３２とで超格子構造（歪超格子構造）が形成されたこのＧａＮ基板２８Ａにおいては、超格子構造によって基板１４からの貫通転位の伝播が阻止される。それにより、このＧａＮ基板２８Ａ内の転位密度が低減し、ＧａＮ基板２８Ａの結晶性が向上するため、高品質のデバイス作製に利用することができる。なお、エピタキシャル薄膜３２の材質は、ＧａＮに限らず、中間層２４Ａの組成と異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成を適宜選択できる。また、中間層２４Ａとエピタキシャル薄膜３２とで構成される超格子構造は、５層に限らず、適宜層数を増減してもよい。
【００６０】
次に、上述したＧａＮ基板とは異なる態様のＧａＮ基板及びその製造方法について、図５を参照しつつ説明する。図５（ａ）〜（ｅ）は、ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【００６１】
まず、上述したＧａＮ基板２８の製造方法と同様の方法により、基板１４上に中間層２４を積層する。すなわち、装置１０のトレイ２０に、上面１４ａが（０００１）面となるように基板１４を設置して、清浄化処理を施した後（図５（ａ）参照）、ＴＭＧを２４．４２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを２．０２μｍｏｌ／ｍｉｎ、基板温度１１００℃及び圧力８０ｋＰａ以上の条件で１１．５分間供給し、ＮＨ３を６ｓｌｍ、Ｈ２を８ｓｌｍの条件で流す。それにより、基板１４上には膜厚が１００ｎｍのＡｌｘＧａ１−ｘＮ（Ｘ＝０．０８）からなる中間層２４Ｂが成長する（図５（ｂ）参照）。
【００６２】
ここで、基板１４上へのエピタキシャル成長は、積層される層の材質がＡｌＧａＮである場合であっても、種々の要因により、図５（ｂ）に示したように異常成長となってしまう場合がある。そこで、中間層２４Ｂ上に、ＴＭＧを２４．４２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩを１１．１６μｍｏｌ／ｍｉｎ、基板温度８３０℃及び圧力８０ｋＰａ以上の条件で５分間供給すると共に、ＮＨ３を６ｓｌｍ、Ｈ２を８ｓｌｍの条件で流して、中間層２４Ｂ上には膜厚が５０ｎｍのＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．１０）からなるＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を成長させる（図５（ｃ）参照）。このようにすると、基板表面１４ａの汚染が甚だしく、或いは欠陥集中領域１４ｃ（図２参照）表面の結晶品質が著しく低いために、中間層２４Ｂが異常成長して十分な平坦化が図れない場合であっても、その中間層２４Ｂ上にＩｎＧａＮからなる層を成長させることにより、成長面３４ａの平坦化が補完されることを発明者らは新たに見出した。
【００６３】
上面３４ａが平坦なＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を成長させた後は、その上に中間層２４Ｃを中間層２４Ｂと同様の条件で成長させ（図５（ｄ）参照）、上述した上層と同様の条件で上層２６をエピタキシャル成長させて、ＧａＮ基板２８Ｂの作製が完了する（図５（ｅ）参照）。なお、ＩｎＧａＮエピタキシャル層３４上に中間層２４Ｃを積層することで、上層２６の形成のために基板温度を上昇した際に、ＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を構成するＩｎＧａＮが分解される事態が回避される。
【００６４】
以上で説明したように、中間層２４Ｂ，２４Ｃの間にＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を備えるこのＧａＮ基板２８Ｂにおいては、中間層２４Ｂが異常成長して十分な表面平坦化が図れない場合であっても、ＧａＮ基板２８Ｂの上面２６ａが平坦となる。なお、中間層２４Ｂ，２４ＣのＡｌ濃度やＩｎＧａＮエピタキシャル層３４のＩｎ濃度を、層形成時に変調させて、上述した超格子構造を形成することも可能である。また、必要に応じて、中間層２４Ｂ，２４ＣとＩｎＧａＮエピタキシャル層３４との間にＧａＮ薄膜を介在させてもよい。
【００６５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る窒化物半導体素子及びその製造方法について、図６を参照しつつ説明する。図６は、本実施形態に係る窒化物半導体素子として、発光素子１Ａの構成を示す側面断面図である。なお、本実施形態では、発光素子１Ａとして青色ＬＥＤを例示する。
【００６６】
発光素子１Ａは、ＧａＮ単結晶からなり、主面４６ａ及び裏面４６ｂを有する導電性の基板４６を備える。基板４６は、周囲の低欠陥領域１４ｄより欠陥密度が１０倍以上高く基板４６の主面４６ａにおいて点状に分布する欠陥集中領域１４ｃを有している。欠陥集中領域１４ｃは、基板１４の厚さ方向に延びている。この欠陥集中領域１４ｃは、基板４６において不規則に配置されていてもよい。なお、基板４６における欠陥集中領域１４ｃの密度、欠陥集中領域１４ｃ及び低欠陥領域１４ｄにおける欠陥密度、並びに主面１４ａの面積に占める欠陥集中領域１４ｃの表面積の割合は、前述した基板１４と同様である。また、発光素子１Ａは、基板４６の主面４６ａ上に順にエピタキシャル成長された中間層４８、ｎ型窒化物半導体領域５３、発光層５２、及びｐ型窒化物半導体領域５５を備える。また、発光素子１Ａは、基板４６の裏面４６ｂ上にカソード電極５８Ａを、ｐ型窒化物半導体領域５５上にアノード電極５８Ｂを、それぞれ備える。
【００６７】
中間層４８は、欠陥集中領域１４ｃ表面を含む基板４６の主面４６ａ（たとえば（０００１）面）上にエピタキシャル成長されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層を含んで構成される。また、中間層４８には、ｎ型のドーパントが添加されている。中間層４８の厚さは、本実施形態では５０ｎｍである。中間層４８の厚さは、中間層４８の成長条件を変化させることにより１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さから適宜選択できるが、これより厚いと亀裂等の欠陥が発生する可能性が高くなる。後述する実施例において示すように、Ａｌの組成比が０＜ｘ＜０．２４である場合において中間層４８の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満であれば、亀裂等の欠陥が好適に抑えられる。また、中間層４８にはその形成の過程で炭素が含有されてしまうが、その炭素濃度は発光素子１Ａの電気的特性に問題のない程度（１×１０１８ｃｍ−３以下）である。
【００６８】
ｎ型窒化物半導体領域５３は、例えばｎ型バッファ層５０といったｎ型の窒化物半導体を含んで構成されている。ｎ型バッファ層５０は、本実施形態における上層である。すなわち、本実施形態においては、基板４６、中間層４８、及びｎ型バッファ層５０は、第１実施形態のＧａＮ基板２８がチップ状に切断されることにより形成されることができる。ｎ型バッファ層５０は、中間層４８上にＧａＮがエピタキシャル成長されて成り、例えばＳｉといったｎ型ドーパントが添加されてｎ型の導電性を有している。また、ｎ型バッファ層５０は、発光層５２よりも屈折率が小さく且つバンドギャップが大きくなるような組成を有しており、発光層５２に対して下部クラッドとしての役割を果たす。なお、本実施形態において、ｎ型バッファ層５０の厚さは２μｍである。
【００６９】
発光層５２は、ｎ型窒化物半導体領域５３上（本実施形態ではｎ型バッファ層５０上）に形成され、ｎ型窒化物半導体領域５３及びｐ型窒化物半導体領域５５から供給されたキャリア（電子及び正孔）が再結合することにより発光領域５２ａにおいて光を発生する。本実施形態の発光層５２は、厚さ１５ｎｍの障壁層と厚さ３ｎｍの井戸層とが３周期にわたって交互に積層された多重量子井戸構造となっている。障壁層及び井戸層は、それぞれＩｎＧａＮからなり、インジウム（Ｉｎ）の組成を適宜選択することによって障壁層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップより大きくなるように構成されている。また、発光領域５２ａは、発光層５２において、キャリアが注入される領域に生じる。本実施形態では、発光領域５２ａは、発光層５２の全体に生じる。従って、発光領域５２ａは、基板４６の欠陥集中領域１４ｃのうち、少なくとも一部の欠陥集中領域１４ｃ上にわたって形成される。
【００７０】
ｐ型窒化物半導体領域５５は、例えばｐ型クラッド層５４及びｐ型コンタクト層５６といったｐ型の窒化物半導体を含んで構成されている。ｐ型クラッド層５４は、発光層５２上にＡｌＧａＮがエピタキシャル成長されて成り、例えばＭｇといったｐ型ドーパントが添加されてｐ型の導電性を有している。また、ｐ型クラッド層５４は、発光層５２よりも屈折率が小さく且つバンドギャップが大きくなるような組成を有しており、発光層５２に対して上部クラッドとしての役割を果たす。なお、本実施形態において、ｐ型クラッド層５４の厚さは２０ｎｍである。
【００７１】
ｐ型コンタクト層５６は、ｐ型クラッド層５４とアノード電極５８Ｂとを電気的に接続するための層である。ｐ型コンタクト層５６は、ｐ型クラッド層５４上にＧａＮがエピタキシャル成長されて成り、例えばＭｇといったｐ型ドーパントが添加されてｐ型の導電性を有している。なお、本実施形態において、ｐ型コンタクト層５６の厚さは１５０ｎｍである。
【００７２】
カソード電極５８Ａは、導電性材料からなり、基板４６との間にオーミック接触が実現されている。また、アノード電極５８Ｂは、発光層５２において発生した光を透過する導電性材料からなり、その少なくとも一部とｐ型窒化物半導体領域５５（本実施形態ではｐ型コンタクト層５６）との間にオーミック接触が実現されている。
【００７３】
次に、本実施形態に係る発光素子１Ａを作製する手順について、図７を参照しつつ説明する。図７（ａ）〜（ｅ）は、発光素子１Ａを作製する手順を示した図である。
【００７４】
まず、第１実施形態のＧａＮ基板２８を作成する。すなわち、図１に示したフローチャネル１２内のサセプタ１８上のトレイ２０に、ＧａＮ単結晶からなるウェハ状の基板１４を、（０００１）面を上向きにして設置する（図７（ａ）参照）。次に、基板１４の主面１４ａの清浄化処理（サーマルクリーニング）を、上記第１実施形態と同様に行う。
【００７５】
続いて、基板１４の温度（基板温度）を１０５０℃に、中間フローチャネル内の圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持した状態で、III族原料ガス、V族原料ガス及びドーピングガスを上述のキャリアガスと共に、ノズル２２から基板１４上に供給する。具体的には、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を基板１４上に供給し、基板１４の主面１４ａ上にｎ型のＡｌＧａＮからなる中間層２４を成長させる（中間層形成ステップ、図７（ｂ）参照）。このとき、中間層２４の組成がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）となるように成長条件を調整することが好ましい。また、このとき、中間層２４の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満となるように成長時間を設定することが好ましい。
【００７６】
続いて、基板温度を１０５０℃に、中間フローチャネル内の圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を中間層２４上に供給することにより、ｎ型のＧａＮからなりｎ型バッファ層となる上層２６を中間層２４上にエピタキシャル成長させる（図７（ｃ）参照）。こうして、基板１４、中間層２４、及び上層２６を備えるＧａＮ基板２８が作成される。
【００７７】
続いて、基板温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＮＨ３を上層２６上に供給することにより、ＩｎＧａＮからなる発光層６６を上層２６上にエピタキシャル成長させる。このとき、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＮＨ３の流量などを周期的に変更することにより、障壁層及び井戸層からなる量子井戸構造を形成する。続いて、基板温度を１０００℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇを発光層６６上に供給することにより、ｐ型のＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層６８を発光層６６上にエピタキシャル成長させる。続いて、基板温度を１０００℃に保持したまま、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇをｐ型クラッド層６８上に供給することにより、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層７０をｐ型クラッド層６８上にエピタキシャル成長させる（半導体領域形成ステップ、図７（ｄ）参照）。
【００７８】
続いて、発光層６６、ｐ型クラッド層６８、及びｐ型コンタクト層７０が形成されたＧａＮ基板２８をフローチャネル１２内から取り出し、ＧａＮ基板２８の裏面上にカソード電極５８Ａを、ｐ型コンタクト層７０上にアノード電極５８Ｂを、それぞれ蒸着等により形成する。そして、ＧａＮ基板２８を素子単位にチップ状に分割することにより、基板４６、中間層４８、ｎ型バッファ層５０、発光層５２、ｐ型クラッド層５４、及びｐ型コンタクト層５６を備える発光素子１Ａが完成する（図７（ｅ）参照）。
【００７９】
以上に説明した本実施形態による発光素子１Ａ及びその製造方法が有する効果について説明する。第１実施形態の説明において述べたように、ＧａＮ単結晶からなる基板上にＧａＮからなる層を直接成長させた場合、基板表面の一部領域では、正常なエピタキシャル成長がおこらずに窪みが生じ（図１３、図１４参照）、中間層の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。これに対して本実施形態の発光素子１Ａ及びその製造方法では、基板１４（４６）上にＡｌＧａＮからなる中間層２４（４８）を成長させる。ＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域或いは欠陥集中領域１４ｃの表面領域を含む基板４６表面の全域に成長するので、中間層４８の表面４８ａを平坦に形成することができる。従って、中間層４８上に積層される各層の界面（成長面）を平坦にすることができるので、発光素子１Ａの発光量といったデバイス特性を向上できる。
【００８０】
また、ＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域或いは欠陥集中領域１４ｃ表面を含む基板１４（４６）表面の全域に成長するので、中間層２４（４８）を８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で成長させても、中間層４８の表面４８ａを平坦にできる。従って、中間層４８上に積層されるｎ型バッファ層５０、発光層５２、ｐ型クラッド層５４、及びｐ型コンタクト層５６をこのような比較的高い圧力下で成長させても各層の界面を平坦に形成できるので、これらの層を比較的高い圧力下で成長させることができ、これによって各層の結晶性を向上させることができる。従って、発光素子１Ａのデバイス特性が向上する。
【００８１】
また、本実施形態のように、ｎ型窒化物半導体領域５３は、中間層４８上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなるｎ型バッファ層５０を含むことが好ましい。ｎ型窒化物半導体領域５３がｎ型バッファ層５０を含むことにより、例えば基板４６の主面４６ａに加工などによる微小な凹凸が存在し、中間層４８の表面４８ａにこの凹凸が現れているような場合であっても、中間層４８上にｎ型バッファ層５０をエピタキシャル成長させることによって成長面（ｎ型バッファ層５０の表面）を平坦にできる。従って、ｎ型バッファ層５０上にエピタキシャル成長される各層の結晶性が向上するので、発光素子１Ａにおける発光量などのデバイス特性がさらに向上する。
【００８２】
また、本実施形態のように、中間層４８は、ｎ型の伝導性を有することが好ましい。この場合、中間層４８の比抵抗が低減するため、基板４６の両側にカソード電極５８Ａ及びアノード電極５８Ｂが形成された縦型のデバイスである発光素子１Ａにおいて、発光量といったデバイス特性がさらに向上する。なお、本実施形態では中間層４８はｎ型にドープされているが、素子の構造によってはｐ型にドープされてもよい。
【００８３】
また、基板４６の主面４６ａにおける欠陥集中領域１４ｃの密度は基板１４と同様に１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域１４ｃの密度が比較的高い場合においても、本実施形態の発光素子１Ａ及びその製造方法によれば、中間層４８及び中間層４８上に積層される各層の界面を平坦にすることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、発光層５２における発光領域５２ａが、少なくとも一部の欠陥集中領域１４ｃ上にわたっている。発光素子１Ａのような発光素子では、発光層５２（のうち、特に発光領域５２ａ）をより結晶性良く成長させることが好ましい。しかし、従来の発光素子では、結晶欠陥領域上の発光層を結晶性良く形成することが困難であったため、高輝度化を妨げる一因となっていた。これに対し、本実施形態の発光素子１Ａによれば、基板４６の欠陥集中領域１４ｃの配置に関係なく発光層５２の界面を平坦にできるので、発光層５２の発光領域５２ａにおける結晶性をより良くすることができる。
【００８５】
なお、注意すべき点は、本実施形態における中間層４８がいわゆるクラッド層とは異なる点である。本実施形態の発光素子１ＡのようなＬＥＤにおいては、発光層付近に光を閉じ込めるためにクラッド層は比較的厚く形成される必要がある。例えば、本実施形態のｎ型バッファ層５０の厚さは２μｍとなっている。これに対し、本実施形態の中間層４８の厚さは５０ｎｍとなっている。中間層４８は、このような比較的薄い膜厚であっても上述した効果を好適に奏することができる。
【００８６】
次に、上述した発光素子１Ａとは異なる態様の発光素子１Ｂについて、図８を参照しつつ説明する。図８は、発光素子１Ｂの構成を示す側面断面図である。なお、発光素子１Ｂが発光素子１Ａと異なる点は、中間層４９の構造である。発光素子１Ｂにおける中間層４９以外の構成については、上記発光素子１Ａと同様なので詳細な説明を省略する。
【００８７】
発光素子１Ｂは、基板４６の主面４６ａ上に中間層４９を備える。中間層４９は、交互に積層された第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂを含んでいる。第１の層４９Ａはｎ型にドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなり、第２の層４９Ｂはｎ型にドープされたＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる。本実施形態では、第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂは、基板４６の主面４６ａ上に１０周期にわたって交互に積層されて超格子構造（歪超格子構造）を構成している。第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂの厚さは、例えばそれぞれ１０ｎｍである。
【００８８】
このような発光素子１Ｂの製造方法は、以下の点を除いて発光素子１Ａと同様である。すなわち、発光素子１Ｂを製造する際には、中間層４９を形成する工程において、第１の層４９Ａを形成後、例えばノズル２２（図１参照）の上流にある切替弁を操作して、ＴＭＡの供給を遮断する。これにより、第１の層４９Ａの上に、ＧａＮ（すなわち、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０））からなる第２の層４９Ｂが積層される。そして、このような切替弁の操作により、第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂを交互に積層して１０層の超格子構造を形成する。
【００８９】
第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂにより超格子構造（歪超格子構造）が形成された中間層４９を備える上記発光素子１Ｂにおいては、超格子構造によって基板４６からの貫通転位の伝播が阻止される。それにより、ｎ型窒化物半導体領域５３、発光層５２、及びｐ型窒化物半導体領域５５の転位密度が低減して結晶性が向上するため、発光輝度が高まるなど、デバイス特性を向上できる。なお、第１の層４９Ａと第２の層４９Ｂとで構成される超格子構造は、１０層に限らず、適宜層数を増減してもよい。
【００９０】
次に、上述した発光素子１Ａ及び１Ｂとは異なる態様の発光素子１Ｃについて、図９を参照しつつ説明する。図９は、発光素子１Ｃの構成を示す側面断面図である。なお、発光素子１Ｃが発光素子１Ａ及び１Ｂと異なる点は、中間層５１の間にＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を備えている点である。発光素子１ＣにおけるＩｎＧａＮエピタキシャル層５７以外の構成については、上記発光素子１Ａ及び１Ｂと同様なので詳細な説明を省略する。
【００９１】
発光素子１Ｃは、基板４６の主面４６ａ上に中間層５１を備える。中間層５１は、第１の層５１Ａ及び第２の層５１Ｂを含んで構成されている。そして、発光素子１Ｃは、中間層５１の第１の層５１Ａと第２の層５１Ｂとに挟まれたＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を備える。第１の層５１Ａ及び第２の層５１Ｂはそれぞれｎ型にドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなり、ＩｎＧａＮエピタキシャル層５７はｎ型にドープされたＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる。
【００９２】
このような発光素子１Ｃの製造方法は、以下の点を除いて発光素子１Ａと同様である。すなわち、発光素子１Ｃを製造する際には、中間層５１を形成する工程において、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第１の層５１Ａを形成後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を第１の層５１Ａ上に供給することにより、ｎ型のＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなるＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を成長させる。そして、ＩｎＧａＮエピタキシャル層５７上にｎ型のＡｌＧａＮを成長させることにより第２の層５１Ｂを形成する。
【００９３】
基板４６上でのエピタキシャル成長は、積層される層の材質がＡｌＧａＮであっても、種々の要因により、図９に示した第１の層５１Ａのように異常成長となってしまう場合がある。そこで、発光素子１Ｃのように、第１の層５１Ａ上にＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなるＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を成長させる。このようにすると、基板４６の主面４６ａの汚染が甚だしく、或いは欠陥集中領域１４ｃ表面の結晶品質が著しく低いために、中間層５１の第１の層５１Ａが異常成長して十分な平坦化が図れない場合であっても、その第１の層５１Ａ上にＩｎＧａＮからなる層を成長させることにより、成長面５７ａの平坦化が補完される。
【００９４】
（第１の実施例）
続いて、上記第２実施形態に対する実施例を示す。まず、第１実施例として、青色光を発光する発光素子１Ａを作成した。
【００９５】
まず、ＧａＮ単結晶からなるウェハ状の基板１４をサセプタ１８上のトレイ２０に配置し、フローチャネル１２内の圧力（炉内圧力）を１０１ｋＰａに保ちながらフローチャネル１２内にＮＨ３及びＨ２を導入し、基板１４の温度を１０５０℃に１０分間保ち主面６０ａのクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に、炉内圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、フローチャネル１２内にＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる中間層２４を成長させた。その後、基板温度及び炉内圧力を保持したまま、さらに厚さ２μｍのｎ型ＧａＮからなりｎ型バッファ層５０となる上層２６を成長させ、ＧａＮ基板２８を作成した。
【００９６】
次に、基板温度を８００℃まで下げ、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮからなる障壁層及び厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層を３周期にわたって交互に成長させ、発光層６６を形成した。その後、基板温度を再び１０００℃に上げ、フローチャネル１２内にＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇを導入して、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎからなるｐ型クラッド層６８を成長させた。そして、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇを導入して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層７０を成長させた。
【００９７】
図１０は、本実施例によって作成された発光素子１Ａのｐ型コンタクト層７０の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。図１０に示すように、ｐ型コンタクト層７０の表面は凹凸が少なく平坦な面となっていることがわかる。最上層であるｐ型コンタクト層７０の表面の状態は、その下層であるｐ型クラッド層６８、発光層６６、及び上層２６の界面（成長面）の状態が反映されたものであるので、図１０に示された写真より、ｐ型クラッド層６８、発光層６６、及び上層２６の界面が平坦であることも推測できる。
【００９８】
その後、ＧａＮ基板２８の裏面にカソード電極５８Ａを形成し、ｐ型コンタクト層７０上にアノード電極５８Ｂを形成した。そして、ＧａＮ基板２８を素子に分割し、発光素子１Ａを完成させた。こうして作成した発光素子１Ａに電流を連続して印加したところ、電流値２０ｍＡで発光波長４５０ｎｍとなり、ベアチップ（パッケージングを行う前の素子）の状態で発光量３ｍＷが得られた。
【００９９】
さらに、本発明者らは、本実施例において中間層４８の厚さ及びＡｌ組成比を様々に設定して発光素子１Ａの作成を試みた。以下の表１は、１３通りの厚さ及びＡｌ組成比で作成した中間層４８について、亀裂（クラック）の有無を調べた結果を示す表である。表１には、中間層４８の膜厚、及びＰＬ波長から導かれるＡｌ組成比ｘをあわせて示している。
【表１】
【０１００】
図１１は、表１に示した１３通りの中間層４８について、厚さ及びＡｌ組成比とクラックの有無との相関を示すグラフである。図１１を参照すると、直線Ａ（厚さ＝−５ｘ＋１．２、０＜ｘ＜０．２４）を境にして、中間層４８におけるクラックの有無が明確に異なることがわかる。すなわち、Ａｌ組成比ｘが０＜ｘ＜０．２４の範囲内であるときに、中間層４８の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満であれば、クラックが発生することなく中間層４８が好適に成長することが見出された。
【０１０１】
（第２の実施例）
続いて、第２実施例として、青色光を発光する発光素子１Ｂを作成した。まず、基板１４をトレイ２０に配置し、第１実施例と同様にして主面１４ａのクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に、炉内圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、フローチャネル１２内にＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、厚さ１０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、厚さ１０ｎｍのｎ型ＧａＮを交互に１０周期積層して、中間層を成長させた。その後、第１実施例と同様にしてｎ型バッファ層、発光層、ｐ型クラッド層、及びｐ型コンタクト層を成長させた。こうして成長させたｐ型コンタクト層表面を微分干渉顕微鏡によって観察したところ、第１実施例と同様に該表面が平坦に形成されていた。
【０１０２】
その後、基板１４の裏面にカソード電極５８Ａを形成し、ｐ型コンタクト層上にアノード電極５８Ｂを形成した。そして、基板１４を素子に分割し、発光素子１Ｂを完成させた。こうして作成した発光素子１Ｂに電流を連続して印加したところ、電流値２０ｍＡで発光波長４５０ｎｍとなり、ベアチップの状態で発光量５ｍＷが得られた。
【０１０３】
（比較例）
続いて、上記各実施例の効果を検証するための比較例を示す。ここでは、比較例として、中間層を備えない発光素子を作成した。
【０１０４】
まず、ＧａＮ単結晶からなる基板をサセプタ１８上のトレイ２０に配置し、第１実施例と同様にして主面のクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に、炉内圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、フローチャネル１２内にＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮを成長させた。その後、第１実施例と同様にして、発光層、ｐ型クラッド層、及びｐ型コンタクト層を順次成長させた。
【０１０５】
図１２は、本比較例によって作成された発光素子のｐ型コンタクト層の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。図１２に示すように、本比較例におけるｐ型コンタクト層の表面は凹凸が多く、平坦性があまり良くなかった。従って、ｐ型クラッド層、発光層、及びｎ型バッファ層の界面もまた平坦性が良くないと推測できる。
【０１０６】
その後、基板の裏面にカソード電極を形成し、ｐ型コンタクト層上にアノード電極を形成した。そして、基板を素子に分割し、発光素子を完成させた。こうして作成した発光素子に電流を連続して印加したところ、電流値２０ｍＡで発光波長４５０ｎｍとなり、ベアチップの状態で発光量１ｍＷしか得られなかった。これにより、上記各実施例では、基板上に中間層を備えることによって、発光素子のデバイス特性が向上していることが証明された。
【０１０７】
本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、中間層を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成は、ｘ＝０．０８やｘ＝０．１６、ｙ＝０に限らず、適宜増減することが可能である。また、ＩｎＧａＮエピタキシャル層を構成するＩｎｚＧａ１−ｚＮの組成は、ｚ＝０．１０に限らず、０＜ｚ≦１の範囲で適宜増減することが可能である。また、基板の材料としては、上述した単結晶ＧａＮのほか、多結晶ＧａＮを用いても、本発明の効果を好適に得ることができる。
【０１０８】
また、上記第２実施形態では中間層上にｎ型半導体領域が形成され、その上に活性層を挟んでｐ型半導体領域が形成されているが、中間層上にｐ型半導体領域が形成され、その上に活性層を挟んでｎ型半導体領域が形成されても良い。
【０１０９】
また、上記第２実施形態では本発明の窒化物半導体素子として発光素子を例示したが、本発明はこれに限らず、III族窒化物からなるｎ型領域及びｐ型領域を有するトランジスタ等にも好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１１０】
１Ａ〜１Ｃ…発光素子、１４，４６…基板、２４，２４ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，４８，４９，５１…中間層、２４ａ，２６ａ，３４ａ…面、２６…上層、２８，２８Ａ，２８Ｂ…ＧａＮ基板、３２…エピタキシャル薄膜、３４、５７…ＩｎＧａＮエピタキシャル層、４９Ａ、５１Ａ…第１の層、４９Ｂ、５１Ｂ…第２の層、５０…ｎ型バッファ層、５２…発光層、５３…ｎ型窒化物半導体領域、５４…ｐ型クラッド層、５５…ｐ型窒化物半導体領域、５６…ｐ型コンタクト層、５８Ａ…カソード電極、５８Ｂ…アノード電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光デバイスの基板材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）が着目されている。ＧａＮ製の基板は、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板等の半導体単結晶基板上にＧａＮの単結晶層を成長させた後、ＧａＡｓ基板を除去することで形成される。そして、かかる基板の上にエピタキシャル層を成長させることによってＧａＮ基板が完成する。
【０００３】
従来より、このようなエピタキシャル層として、基板と同じ組成のＧａＮからなるホモエピタキシャル層を成長させている。このようなホモエピタキシャル層を成長させることで、貫通転位などの欠陥を減少させ得るとされているからである。特に、ＧａＮ系の半導体からなるレーザ素子においては、貫通転位が素子の寿命に影響するため、ホモエピタキシャル層が必要とされていた。なお、ＧａＮ基板の公知技術としては、以下の特許文献１及び２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０２３０７号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようにして作製される従来のＧａＮ基板には、次のような課題が存在している。すなわち、基板の表面が汚染されている状態で、基板上にＧａＮホモエピタキシャル層が正常に成長しない部分があるという問題があった。これを図１３を参照しつつ説明すると、ＧａＮ単結晶製の基板４０上にＧａＮホモエピタキシャル層４２を成長させてＧａＮ基板４４を作製する場合、基板４０の表面４０ａのうち一部領域４０ｂでは、ＧａＮホモエピタキシャル層４２が正常に成長せず、その部分には窪みが生じる。それにより、このＧａＮ基板４４の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。発明者らは、このような事態が生じる原因の一つとして、上述した基板４０の作製時に、基板表面４０ａに付着した汚染物質がＧａＮホモエピタキシャル層４２を成長させる工程まで基板４０に残留したためであると考えた。
【０００６】
また、発明者らは、原因の他の一つとして、基板４０を製作する際に形成される欠陥集中領域表面の結晶品質が充分でないためであることを見出した。これを図１４（ａ）〜図１４（ｄ）を参照しつつ説明する。図１４（ａ）に示すように、ＧａＮ単結晶製の基板４０は、周囲の低欠陥領域よりも欠陥密度が高く厚さ方向に延びる複数の欠陥集中領域４０ｃを含んでいることが多い。この基板４０の表面４０ａ上にＧａＮホモエピタキシャル層４２を成長させると、図１４（ｂ）に示すように、ＧａＮホモエピタキシャル層４２は主に欠陥集中領域４０ｃ表面以外の部分に成長する。そして、図１４（ｃ）に示すように、欠陥集中領域４０ｃ上のＧａＮホモエピタキシャル層４２の成長が不完全となる結果、図１４（ｄ）に示すように、欠陥集中領域４０ｃ上のＧａＮホモエピタキシャル層４２表面に窪み（ピット４２ａ）が形成される。従って、ＧａＮ基板４４の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。発明者らは、鋭意研究の末に、上述した事態を回避可能な技術を見出した。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、表面の平坦化が図られたＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るＧａＮ基板は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、基板の主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層とを備えることを特徴とする。または、本発明に係るＧａＮ基板は、ＧａＮ単結晶からなる基板と、基板上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層とを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記ＧａＮ基板においては、基板と上層との間に中間層が介在している。この中間層はＡｌＧａＮからなり、このＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長することが発明者らにより見出された。そのため、中間層は基板上に正常に成長しており、その成長面（すなわち、上面）は平坦である。このように中間層の成長面が平坦であるため、中間層上にエピタキシャル成長された上層の成長面も平坦となっている。
【００１０】
また、上記ＧａＮ基板においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記ＧａＮ基板によれば、中間層及び上層の成長面を平坦にすることができる。
【００１１】
また、中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有することが好ましい。この場合、中間層の比抵抗が低減するため、ＧａＮ基板を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等の縦型のデバイスを作製した場合に、それらのデバイス特性が向上する。
【００１２】
また、中間層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を備えた超格子構造であることが好ましい。この場合、超格子構造によってＧａＮ基板内における貫通転位の伝播が阻止されるため、良好な結晶性を有するＧａＮ基板となる。
【００１３】
また、ＧａＮ基板は、中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備えることが好ましい。この場合、中間層の間に挟まれたＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層によりＧａＮ基板のさらなる平坦化が図られる。
【００１４】
また、中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【００１５】
本発明に係るＧａＮ基板の製造方法は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップとを有することを特徴とする。または、本発明に係るＧａＮ基板の製造方法は、ＧａＮ単結晶からなる基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップとを有することを特徴とする。
【００１６】
上記ＧａＮ基板の製造方法においては、ＧａＮからなる上層を基板上に積層することに先立ち、ＡｌＧａＮからなる中間層を基板上に積層する。中間層を構成するＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長することが発明者らにより見出された。そのため、基板上へ積層された中間層の成長面（すなわち、上面）は平坦となる。このような成長面が平坦な中間層上にエピタキシャル成長される上層の成長面も平坦となる。
【００１７】
また、ＧａＮ基板の製造方法においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記ＧａＮ基板の製造方法によれば、中間層及び上層の成長面を平坦にすることができる。
【００１８】
また、中間層形成ステップの際にドーパントを添加して、中間層をｎ型またはｐ型にすることが好ましい。この場合、中間層の比抵抗が低減するため、ＧａＮ基板を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）等の縦型のデバイスを作製した場合に、それらのデバイス特性が向上する。
【００１９】
また、中間層形成ステップに割り込んで、中間層の間に挟まれる、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を形成する第２の中間層形成ステップをさらに備え、中間層と第２の中間層とによって超格子構造を形成することが好ましい。この場合、形成された超格子構造によってＧａＮ基板内における貫通転位の伝播が阻止されるため、良好な結晶性を有するＧａＮ基板が作製される。
【００２０】
また、中間層形成ステップに割り込んで、中間層の間に挟まれるようにＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層を形成するＩｎＧａＮエピタキシャル層形成ステップをさらに備えることが好ましい。この場合、中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層によりＧａＮ基板のさらなる平坦化が図られる。
【００２１】
また、ＧａＮ基板の製造方法においては、中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【００２２】
また、ＧａＮ基板の製造方法においては、中間層及び上層を８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させることが好ましい。ＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域表面を含む基板表面の全域に成長するので、８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で中間層を成長させても、中間層の成長面（すなわち、上面）を平坦にできる。従って、比較的高い圧力下で中間層及び上層を成長させることにより、結晶性の良い中間層及び上層が得られる。
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体素子は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、基板の主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、中間層上に設けられたｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域とを備えることを特徴とする。
【００２４】
上記窒化物半導体素子においては、基板上に中間層が設けられている。発明者らは、ＡｌＧａＮが、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長可能であることを見出した。中間層は基板上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮ層を含むので、中間層は基板上に正常に成長しており、その成長面（すなわち、上面）は平坦となる。このように中間層の成長面が平坦であるため、中間層上に形成されるｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域の界面の平坦性が向上し、当該窒化物半導体素子のデバイス特性（例えば発光量など）が向上する。
【００２５】
また、上記窒化物半導体素子においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記窒化物半導体によれば、中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域の成長面を平坦にすることができる。
【００２６】
また、上記窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体領域またはｐ型窒化物半導体領域は、中間層上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなる上層を含むことが好ましい。この場合、基板表面に加工などによる微小な凹凸が存在し、中間層の表面にこの凹凸が現れているような場合であっても、中間層上に上層をエピタキシャル成長させることによって成長面を平坦にできる。従って、上層を除くｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域の結晶性が向上するので、デバイス特性がさらに向上する。
【００２７】
また、上記窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体領域とｐ型窒化物半導体領域との間に発光層をさらに備え、ｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域のそれぞれがクラッド層を含むことが好ましい。この場合、成長面が平坦な基板上に積層されたｎ型及びｐ型のクラッド層、並びに発光層の界面の平坦性が向上するので、素子の発光特性が向上する。
【００２８】
また、上記窒化物半導体においては、発光層における発光領域が、少なくとも一部の欠陥集中領域上にわたっていることが好ましい。上記窒化物半導体によれば、欠陥集中領域の位置に関係なく発光層の界面を平坦にできるので、発光領域が欠陥集中領域上にわたっている場合でも、発光領域における結晶性をより良くすることができる。
【００２９】
また、上記窒化物半導体素子において、中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有することが好ましい。この場合、中間層の比抵抗が低減するため、当該窒化物半導体素子のデバイス特性がさらに向上する。
【００３０】
また、上記窒化物半導体素子において、中間層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層とが交互に積層された超格子構造を有することが好ましい。この場合、超格子構造によって中間層における貫通転位の伝播が阻止されるため、良好な結晶性を有するｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域が形成される。
【００３１】
また、窒化物半導体素子は、中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備えることが好ましい。この場合、中間層の間に挟まれたＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層により、中間層のさらなる平坦化が図られる。
【００３２】
また、上記窒化物半導体素子において、中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【００３３】
本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法は、周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、中間層上に、ｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域を形成する半導体領域形成ステップとを有し、中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域のそれぞれを８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させることを特徴とする。
【００３４】
上記窒化物半導体素子の製造方法においては、ＡｌＧａＮ層を含む中間層を基板上に積層する。ＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域や欠陥集中領域を含む基板表面の全域に成長するので、８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で中間層を成長させても、中間層の成長面（すなわち、上面）を平坦にできる。従って、このような比較的高い圧力下で各層を成長させることにより、結晶性の良い中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域が得られ、窒化物半導体素子のデバイス特性が向上する。
【００３５】
また、上記窒化物半導体素子の製造方法においては、基板の主面における欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域の密度が比較的高い場合においても、上記窒化物半導体素子の製造方法によれば、中間層、ｎ型窒化物半導体領域、及びｐ型窒化物半導体領域の成長面を平坦にすることができる。
【００３６】
また、上記窒化物半導体素子の製造方法においては、中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させることが好ましい。中間層がこのような厚さに形成されることによって、中間層における亀裂等の欠陥の発生を抑えることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、表面の平坦化が図られたＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＧａＮ基板の作製に用いる気相成長装置を示した図である。
【図２】（ａ）は、基板の一部を示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示した基板のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る窒化物半導体素子として、発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）発光素子を作製する手順を示した図である。
【図８】発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図９】発光素子の構成を示す側面断面図である。
【図１０】第１実施例によって作成された発光素子のｐ型コンタクト層の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１１】表１に示した１３通りの中間層について、厚さ及びＡｌ組成比とクラックの有無との相関を示すグラフである。
【図１２】比較例によって作成された発光素子のｐ型コンタクト層の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。
【図１３】従来のＧａＮ基板の表面状態を示した概略断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）欠陥集中領域を有する基板上にＧａＮホモエピタキシャル層を成長させた場合のＧａＮ基板の表面状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明によるＧａＮ基板及びその製造方法、並びに窒化物半導体素子及びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るＧａＮ基板の作製に用いる気相成長装置を示した図である。この気相成長装置１０は、気体流路が水平方向に形成された石英製のフローチャネル１２を有する、いわゆる横型のＭＯＣＶＤ装置である。ＧａＮ基板の作製に用いる基板１４は、ヒータ１６を有するサセプタ１８上のトレイ２０内に設置され、サセプタ１８は基板１４を回転自在に支持する。
【００４１】
フローチャネル１２は、上流フローチャネル１２Ａ、中間フローチャネル１２Ｂ及び下流フローチャネル１２Ｃから構成されている。そして、ＧａＮ結晶の製造に必要なガスは、上流フローチャネル１２Ａの３層ノズル２２から導入され、中間フローチャネル１２Ｂ内の基板１４の直前で混合される。基板１４上の反応で発生した残余ガスは、下流フローチャネル１２Ｃから排気される。
【００４２】
なお、ノズル２２から基板１４上に、III族原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を含むガスが、V族原料ガスとしてＮＨ３を含むガスが適宜供給され、また、ｎ型ドーピングガスとしてはモノシラン（ＳｉＨ４）を含むガスが供給され、ｐ型ドーピングガスとしてはシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を含むガスが供給される。キャリアガスとしては、水素ガス（Ｈ２ガス）や窒素ガス（Ｎ２ガス）、Ｈ２ガスとＮ２ガスとの混合ガス等が用いられる。ノズル２２とこのノズル２２に各III族原料ガスを供給する複数のラインとの間には切替弁（図示せず）が配置されており、この切替弁の制御により、III族原料ガスの各流量が調整される。具体的には、切替弁は、ラインから送られてきたIII族原料ガスを、適宜、ノズル２２に送るメインラインと排気用のダミーラインとに振り分けて、各III族原料ガスの遮断や流量安定化を図る。
【００４３】
次に、本実施形態で用いられる基板１４について説明する。図２（ａ）は、基板１４の一部を示す平面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した基板１４のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。この基板１４は、ＧａＡｓ基板上に開口窓を複数有するマスク層を形成し、その開口窓内からＧａＮをラテラル成長させるという公知技術により生成されたものである。また、ラテラル成長の後、ＧａＡｓ基板は王水中でエッチング除去され、さらに、基板１４の表裏面１４ａ，１４ｂには機械研磨が施されている。
【００４４】
また、基板１４は、厚さ方向に延びる複数の欠陥集中領域１４ｃを有している。この欠陥集中領域１４ｃは、周囲の低欠陥領域１４ｄよりも欠陥密度が例えば１０倍以上高く、基板１４の主面１４ａにおいて点状に分布している。欠陥集中領域１４ｃは、ＧａＮをラテラル成長させる際に、ＧａＮ表面に例えば複数のファセットからなる凹部（ピット）が形成されることによりＧａＮ内部の転位などの欠陥が集まって形成された部分である。本実施形態では、欠陥集中領域１４ｃは、基板１４において不規則（ランダム）に配置されていてもよい。基板１４の主面１４ａにおける欠陥集中領域１４ｃの密度は、例えば１００［個／ｃｍ２］以上１×１０５［個／ｃｍ２］以下である。また、基板１４の主面１４ａの面積に占める欠陥集中領域１４ｃの表面積の割合は、例えば１パーセント以下である。欠陥集中領域１４ｃにおける転位密度は例えば３×１０７ｃｍ−２以下であり、低欠陥領域１４ｄにおける転位密度は例えば５×１０６ｃｍ−２以下である。
【００４５】
次に、本実施形態に係るＧａＮ基板を作製する手順について、図３を参照しつつ説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【００４６】
まず、フローチャネル１２内のサセプタ１８上のトレイ２０に、ＧａＮ単結晶からなるウェハ状の基板１４を、上面（主面）１４ａが（０００１）面となるように設置する（図３（ａ）参照）。この基板１４上へのエピタキシャル成長に先立ち、ノズル２２からＮＨ３ガスを含む混合ガスを導入して、フローチャネル１２内をＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気にする。そして、ヒータ１６によってサセプタ１８及び基板１２を１１００℃程度まで加熱して、基板１４の主面１４ａの清浄化処理（サーマルクリーニング）をおこなう。具体的には、ＮＨ３を５ｓｌｍ、Ｈ２を６ｓｌｍの条件で流した。このように適当な条件でサーマルクリーニングをおこなうことで、基板表面（主面）１４ａの汚染物質が取り除かれると共に、基板表面１４ａの平面度が向上する。
【００４７】
次に、基板１４の温度（基板温度）を１１００℃に、中間フローチャネル内の圧力を８０ｋＰａ以上にそれぞれ保持した状態で、III族原料ガス、V族原料ガス及びドーピングガスを上述のキャリアガスと共に、ノズル２２から基板１４上に供給する。より具体的には、ＴＭＧを２４．４２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを２．０２μｍｏｌ／ｍｉｎの条件で２３分間供給し、ＮＨ３を６ｓｌｍ、Ｈ２を８ｓｌｍの条件で流す。それにより、基板１４上には膜厚が２００ｎｍのＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．０８）からなる中間層２４が成長する（中間層形成ステップ、図３（ｂ）参照）。なお、Ａｌの組成比ｘは、０＜ｘ≦１の範囲内であればよい。また、中間層２４の厚さは、中間層の成長条件を変化させて１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さから適宜選択できるが、これより厚いと亀裂等の欠陥が発生する可能性が高くなる。本発明者らは、後述する実施例において示すように、Ａｌの組成比が０＜ｘ＜０．２４の範囲内である場合において中間層２４の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満であれば、亀裂等の欠陥が抑えられることを見出した。
【００４８】
このように、ＧａＮ単結晶からなる基板１４上にはＡｌＧａＮからなる中間層２４が成長し、その成長は欠陥集中領域１４ｃ（図２参照）の表面を含む基板表面１４ａの全域でおこる。一方、この基板１４上にＧａＮからなる層を直接成長させた場合、欠陥集中領域１４ｃ表面など基板表面１４ａの一部領域では、正常なエピタキシャル成長がおこらずに窪みが生じ（図１３、図１４参照）、ＧａＮ基板の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。
【００４９】
発明者らは、このような事態が生じる原因は、基板１４の作製時に、基板表面１４ａに汚染物質が付着しているため、或いは、欠陥集中領域１４ｃ表面の結晶品質が充分でないためであると考え、鋭意研究の末に、基板１４上にＡｌＧａＮからなる層（中間層２４）を積層することが有効であることを見出した。すなわち、中間層２４は、汚染物質が付着している基板表面領域や、欠陥集中領域１４ｃの表面領域を含む全域に成長すると共に、その表面２４ａは平坦となり、良好なモフォロジーを有する。なお、中間層２４にはその形成の過程で炭素が含有されてしまうが、その炭素濃度は低く、およそ１×１０１８ｃｍ−３以下となっている。
【００５０】
基板１４上に中間層２４を形成した後は、基板温度を１１５０℃まで昇温し、ＧａＮで構成される上層２６を８０ｋＰａ以上の圧力下でエピタキシャル成長させて（上層形成ステップ）、ＧａＮエピタキシャルウェハであるＧａＮ基板２８の作製が完了する（図３（ｃ）参照）。なお、上述したとおり、中間層２４の表面２４ａは平坦となっているため、中間層２４上に結晶性良くエピタキシャル成長される上層２６の表面２６ａ（すなわち、ＧａＮ基板２８の表面）も平坦となっている。
【００５１】
ＧａＮ基板２８を用いて発光デバイスを作製する場合には、さらに、基板１４の下面（裏面）１４ｂ及び上層２６の上面２６ａに電極３０を形成する。
【００５２】
以上説明したように、ＧａＮ基板２８においては、基板１４と上層２６との間に中間層２４が介在している。この中間層２４はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１、本実施形態ではｘ＝０．０８）からなり、このＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域及び欠陥集中領域１４ｃ表面を含む基板表面１４ａの全域にエピタキシャル成長する。そのため、中間層２４は基板１４上に正常に成長し、その成長面２４ａは平坦である。このように中間層２４の成長面２４ａが平坦であるため、中間層２４上にエピタキシャル成長される上層２６の成長面２６ａも平坦となる。
【００５３】
なお、中間層２４に伝導性を与えて中間層２４の比抵抗の低減を図る場合には、中間層２４の形成過程の際に、Ｈ２で１０ｐｐｍに希釈したＳｉＨ４をドーパントとして２．５ｓｃｃｍの条件で流すことで、キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３であるｎ型中間層を求めることができる。また、中間層２４の形成過程の際に、Ｃｐ２Ｍｇをドーパントとして０．０５３９μｍｏｌ／ｍｉｎの条件で供給することで、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｐ型中間層を形成することができる。この場合、ｐ型キャリア濃度を高めるため、中間層２４に別途活性化処理を施す必要がある。ＧａＮ基板２８が、比抵抗の低減が図られたこのような中間層２４を有すると、このＧａＮ基板２８を用いてＬＥＤやＨＢＴ等の縦型のデバイスを作製した場合において、それらのデバイス特性が向上する。
【００５４】
また、中間層２４及び上層２６は、本実施形態のように８０ｋＰａ以上の圧力下で成長されることが好ましい。ＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域を含む基板１４の表面１４ａの全域に成長可能なので、８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で中間層２４を成長させても、中間層２４の成長面２４ａを平坦にできる。従って、このような比較的高い圧力下で中間層２４及び上層２６を成長させることにより、結晶性の良い中間層２４及び上層２６を得ることができる。
【００５５】
また、前述したように、基板１４の主面１４ａにおける欠陥集中領域１４ｃの密度は１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域１４ｃの密度が比較的高い場合においても、本実施形態のＧａＮ基板２８及びその製造方法によれば、中間層２４及び上層２６の成長面を平坦にすることができる。
【００５６】
次に、上述したＧａＮ基板とは異なる態様のＧａＮ基板及びその製造方法について、図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【００５７】
まず、上述したＧａＮ基板２８の製造方法と同様の方法により、基板１４上に中間層２４を積層する。すなわち、装置１０のトレイ２０に、上面（主面）１４ａが（０００１）面となるように基板１４を設置して、清浄化処理を施した後（図４（ａ）参照）、上述した条件と同様又は同等の所定の条件で、ＴＭＧ及びＴＭＡを供給すると共に、ＮＨ３及びＨ２を流す。これにより、基板１４上には膜厚が数ｎｍ程度のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１６）からなる中間層２４Ａを成長させる（図４（ｂ）参照）。
【００５８】
次に、ノズル２２の上流にある切替弁を操作して、他の条件を変えず、基板１４上へのＴＭＡの供給だけを遮断する。これにより、中間層２４Ａの上にＧａＮ（すなわち、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０））からなる、膜厚が数ｎｍ程度のエピタキシャル薄膜（第２の中間層）３２を積層する（図４（ｃ）参照）。そして、このような切替弁の操作により、エピタキシャル薄膜３２上に、中間層２４Ａ及びエピタキシャル薄膜３２を交互に積層して５層の超格子構造を形成する（図４（ｄ）参照）。最後に、最上の中間層２４Ａ上に、上層２６をエピタキシャル成長することにより、上述したＧａＮ基板２８とは異なる態様のＧａＮ基板２８Ａの作製が完了する（図４（ｅ）参照）。
【００５９】
中間層２４Ａの間に、中間層２４Ａの組成と異なる組成のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるエピタキシャル薄膜３２を備え、中間層２４Ａとエピタキシャル薄膜３２とで超格子構造（歪超格子構造）が形成されたこのＧａＮ基板２８Ａにおいては、超格子構造によって基板１４からの貫通転位の伝播が阻止される。それにより、このＧａＮ基板２８Ａ内の転位密度が低減し、ＧａＮ基板２８Ａの結晶性が向上するため、高品質のデバイス作製に利用することができる。なお、エピタキシャル薄膜３２の材質は、ＧａＮに限らず、中間層２４Ａの組成と異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成を適宜選択できる。また、中間層２４Ａとエピタキシャル薄膜３２とで構成される超格子構造は、５層に限らず、適宜層数を増減してもよい。
【００６０】
次に、上述したＧａＮ基板とは異なる態様のＧａＮ基板及びその製造方法について、図５を参照しつつ説明する。図５（ａ）〜（ｅ）は、ＧａＮ基板を作製する手順を示した図である。
【００６１】
まず、上述したＧａＮ基板２８の製造方法と同様の方法により、基板１４上に中間層２４を積層する。すなわち、装置１０のトレイ２０に、上面１４ａが（０００１）面となるように基板１４を設置して、清浄化処理を施した後（図５（ａ）参照）、ＴＭＧを２４．４２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを２．０２μｍｏｌ／ｍｉｎ、基板温度１１００℃及び圧力８０ｋＰａ以上の条件で１１．５分間供給し、ＮＨ３を６ｓｌｍ、Ｈ２を８ｓｌｍの条件で流す。それにより、基板１４上には膜厚が１００ｎｍのＡｌｘＧａ１−ｘＮ（Ｘ＝０．０８）からなる中間層２４Ｂが成長する（図５（ｂ）参照）。
【００６２】
ここで、基板１４上へのエピタキシャル成長は、積層される層の材質がＡｌＧａＮである場合であっても、種々の要因により、図５（ｂ）に示したように異常成長となってしまう場合がある。そこで、中間層２４Ｂ上に、ＴＭＧを２４．４２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩを１１．１６μｍｏｌ／ｍｉｎ、基板温度８３０℃及び圧力８０ｋＰａ以上の条件で５分間供給すると共に、ＮＨ３を６ｓｌｍ、Ｈ２を８ｓｌｍの条件で流して、中間層２４Ｂ上には膜厚が５０ｎｍのＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．１０）からなるＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を成長させる（図５（ｃ）参照）。このようにすると、基板表面１４ａの汚染が甚だしく、或いは欠陥集中領域１４ｃ（図２参照）表面の結晶品質が著しく低いために、中間層２４Ｂが異常成長して十分な平坦化が図れない場合であっても、その中間層２４Ｂ上にＩｎＧａＮからなる層を成長させることにより、成長面３４ａの平坦化が補完されることを発明者らは新たに見出した。
【００６３】
上面３４ａが平坦なＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を成長させた後は、その上に中間層２４Ｃを中間層２４Ｂと同様の条件で成長させ（図５（ｄ）参照）、上述した上層と同様の条件で上層２６をエピタキシャル成長させて、ＧａＮ基板２８Ｂの作製が完了する（図５（ｅ）参照）。なお、ＩｎＧａＮエピタキシャル層３４上に中間層２４Ｃを積層することで、上層２６の形成のために基板温度を上昇した際に、ＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を構成するＩｎＧａＮが分解される事態が回避される。
【００６４】
以上で説明したように、中間層２４Ｂ，２４Ｃの間にＩｎＧａＮエピタキシャル層３４を備えるこのＧａＮ基板２８Ｂにおいては、中間層２４Ｂが異常成長して十分な表面平坦化が図れない場合であっても、ＧａＮ基板２８Ｂの上面２６ａが平坦となる。なお、中間層２４Ｂ，２４ＣのＡｌ濃度やＩｎＧａＮエピタキシャル層３４のＩｎ濃度を、層形成時に変調させて、上述した超格子構造を形成することも可能である。また、必要に応じて、中間層２４Ｂ，２４ＣとＩｎＧａＮエピタキシャル層３４との間にＧａＮ薄膜を介在させてもよい。
【００６５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る窒化物半導体素子及びその製造方法について、図６を参照しつつ説明する。図６は、本実施形態に係る窒化物半導体素子として、発光素子１Ａの構成を示す側面断面図である。なお、本実施形態では、発光素子１Ａとして青色ＬＥＤを例示する。
【００６６】
発光素子１Ａは、ＧａＮ単結晶からなり、主面４６ａ及び裏面４６ｂを有する導電性の基板４６を備える。基板４６は、周囲の低欠陥領域１４ｄより欠陥密度が１０倍以上高く基板４６の主面４６ａにおいて点状に分布する欠陥集中領域１４ｃを有している。欠陥集中領域１４ｃは、基板１４の厚さ方向に延びている。この欠陥集中領域１４ｃは、基板４６において不規則に配置されていてもよい。なお、基板４６における欠陥集中領域１４ｃの密度、欠陥集中領域１４ｃ及び低欠陥領域１４ｄにおける欠陥密度、並びに主面１４ａの面積に占める欠陥集中領域１４ｃの表面積の割合は、前述した基板１４と同様である。また、発光素子１Ａは、基板４６の主面４６ａ上に順にエピタキシャル成長された中間層４８、ｎ型窒化物半導体領域５３、発光層５２、及びｐ型窒化物半導体領域５５を備える。また、発光素子１Ａは、基板４６の裏面４６ｂ上にカソード電極５８Ａを、ｐ型窒化物半導体領域５５上にアノード電極５８Ｂを、それぞれ備える。
【００６７】
中間層４８は、欠陥集中領域１４ｃ表面を含む基板４６の主面４６ａ（たとえば（０００１）面）上にエピタキシャル成長されたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層を含んで構成される。また、中間層４８には、ｎ型のドーパントが添加されている。中間層４８の厚さは、本実施形態では５０ｎｍである。中間層４８の厚さは、中間層４８の成長条件を変化させることにより１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さから適宜選択できるが、これより厚いと亀裂等の欠陥が発生する可能性が高くなる。後述する実施例において示すように、Ａｌの組成比が０＜ｘ＜０．２４である場合において中間層４８の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満であれば、亀裂等の欠陥が好適に抑えられる。また、中間層４８にはその形成の過程で炭素が含有されてしまうが、その炭素濃度は発光素子１Ａの電気的特性に問題のない程度（１×１０１８ｃｍ−３以下）である。
【００６８】
ｎ型窒化物半導体領域５３は、例えばｎ型バッファ層５０といったｎ型の窒化物半導体を含んで構成されている。ｎ型バッファ層５０は、本実施形態における上層である。すなわち、本実施形態においては、基板４６、中間層４８、及びｎ型バッファ層５０は、第１実施形態のＧａＮ基板２８がチップ状に切断されることにより形成されることができる。ｎ型バッファ層５０は、中間層４８上にＧａＮがエピタキシャル成長されて成り、例えばＳｉといったｎ型ドーパントが添加されてｎ型の導電性を有している。また、ｎ型バッファ層５０は、発光層５２よりも屈折率が小さく且つバンドギャップが大きくなるような組成を有しており、発光層５２に対して下部クラッドとしての役割を果たす。なお、本実施形態において、ｎ型バッファ層５０の厚さは２μｍである。
【００６９】
発光層５２は、ｎ型窒化物半導体領域５３上（本実施形態ではｎ型バッファ層５０上）に形成され、ｎ型窒化物半導体領域５３及びｐ型窒化物半導体領域５５から供給されたキャリア（電子及び正孔）が再結合することにより発光領域５２ａにおいて光を発生する。本実施形態の発光層５２は、厚さ１５ｎｍの障壁層と厚さ３ｎｍの井戸層とが３周期にわたって交互に積層された多重量子井戸構造となっている。障壁層及び井戸層は、それぞれＩｎＧａＮからなり、インジウム（Ｉｎ）の組成を適宜選択することによって障壁層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップより大きくなるように構成されている。また、発光領域５２ａは、発光層５２において、キャリアが注入される領域に生じる。本実施形態では、発光領域５２ａは、発光層５２の全体に生じる。従って、発光領域５２ａは、基板４６の欠陥集中領域１４ｃのうち、少なくとも一部の欠陥集中領域１４ｃ上にわたって形成される。
【００７０】
ｐ型窒化物半導体領域５５は、例えばｐ型クラッド層５４及びｐ型コンタクト層５６といったｐ型の窒化物半導体を含んで構成されている。ｐ型クラッド層５４は、発光層５２上にＡｌＧａＮがエピタキシャル成長されて成り、例えばＭｇといったｐ型ドーパントが添加されてｐ型の導電性を有している。また、ｐ型クラッド層５４は、発光層５２よりも屈折率が小さく且つバンドギャップが大きくなるような組成を有しており、発光層５２に対して上部クラッドとしての役割を果たす。なお、本実施形態において、ｐ型クラッド層５４の厚さは２０ｎｍである。
【００７１】
ｐ型コンタクト層５６は、ｐ型クラッド層５４とアノード電極５８Ｂとを電気的に接続するための層である。ｐ型コンタクト層５６は、ｐ型クラッド層５４上にＧａＮがエピタキシャル成長されて成り、例えばＭｇといったｐ型ドーパントが添加されてｐ型の導電性を有している。なお、本実施形態において、ｐ型コンタクト層５６の厚さは１５０ｎｍである。
【００７２】
カソード電極５８Ａは、導電性材料からなり、基板４６との間にオーミック接触が実現されている。また、アノード電極５８Ｂは、発光層５２において発生した光を透過する導電性材料からなり、その少なくとも一部とｐ型窒化物半導体領域５５（本実施形態ではｐ型コンタクト層５６）との間にオーミック接触が実現されている。
【００７３】
次に、本実施形態に係る発光素子１Ａを作製する手順について、図７を参照しつつ説明する。図７（ａ）〜（ｅ）は、発光素子１Ａを作製する手順を示した図である。
【００７４】
まず、第１実施形態のＧａＮ基板２８を作成する。すなわち、図１に示したフローチャネル１２内のサセプタ１８上のトレイ２０に、ＧａＮ単結晶からなるウェハ状の基板１４を、（０００１）面を上向きにして設置する（図７（ａ）参照）。次に、基板１４の主面１４ａの清浄化処理（サーマルクリーニング）を、上記第１実施形態と同様に行う。
【００７５】
続いて、基板１４の温度（基板温度）を１０５０℃に、中間フローチャネル内の圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持した状態で、III族原料ガス、V族原料ガス及びドーピングガスを上述のキャリアガスと共に、ノズル２２から基板１４上に供給する。具体的には、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を基板１４上に供給し、基板１４の主面１４ａ上にｎ型のＡｌＧａＮからなる中間層２４を成長させる（中間層形成ステップ、図７（ｂ）参照）。このとき、中間層２４の組成がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）となるように成長条件を調整することが好ましい。また、このとき、中間層２４の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満となるように成長時間を設定することが好ましい。
【００７６】
続いて、基板温度を１０５０℃に、中間フローチャネル内の圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を中間層２４上に供給することにより、ｎ型のＧａＮからなりｎ型バッファ層となる上層２６を中間層２４上にエピタキシャル成長させる（図７（ｃ）参照）。こうして、基板１４、中間層２４、及び上層２６を備えるＧａＮ基板２８が作成される。
【００７７】
続いて、基板温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＮＨ３を上層２６上に供給することにより、ＩｎＧａＮからなる発光層６６を上層２６上にエピタキシャル成長させる。このとき、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＮＨ３の流量などを周期的に変更することにより、障壁層及び井戸層からなる量子井戸構造を形成する。続いて、基板温度を１０００℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇを発光層６６上に供給することにより、ｐ型のＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層６８を発光層６６上にエピタキシャル成長させる。続いて、基板温度を１０００℃に保持したまま、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇをｐ型クラッド層６８上に供給することにより、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層７０をｐ型クラッド層６８上にエピタキシャル成長させる（半導体領域形成ステップ、図７（ｄ）参照）。
【００７８】
続いて、発光層６６、ｐ型クラッド層６８、及びｐ型コンタクト層７０が形成されたＧａＮ基板２８をフローチャネル１２内から取り出し、ＧａＮ基板２８の裏面上にカソード電極５８Ａを、ｐ型コンタクト層７０上にアノード電極５８Ｂを、それぞれ蒸着等により形成する。そして、ＧａＮ基板２８を素子単位にチップ状に分割することにより、基板４６、中間層４８、ｎ型バッファ層５０、発光層５２、ｐ型クラッド層５４、及びｐ型コンタクト層５６を備える発光素子１Ａが完成する（図７（ｅ）参照）。
【００７９】
以上に説明した本実施形態による発光素子１Ａ及びその製造方法が有する効果について説明する。第１実施形態の説明において述べたように、ＧａＮ単結晶からなる基板上にＧａＮからなる層を直接成長させた場合、基板表面の一部領域では、正常なエピタキシャル成長がおこらずに窪みが生じ（図１３、図１４参照）、中間層の表面の平坦性が著しく損なわれてしまう。これに対して本実施形態の発光素子１Ａ及びその製造方法では、基板１４（４６）上にＡｌＧａＮからなる中間層２４（４８）を成長させる。ＡｌＧａＮは、汚染物質が付着している領域或いは欠陥集中領域１４ｃの表面領域を含む基板４６表面の全域に成長するので、中間層４８の表面４８ａを平坦に形成することができる。従って、中間層４８上に積層される各層の界面（成長面）を平坦にすることができるので、発光素子１Ａの発光量といったデバイス特性を向上できる。
【００８０】
また、ＡｌＧａＮは汚染物質が付着している領域或いは欠陥集中領域１４ｃ表面を含む基板１４（４６）表面の全域に成長するので、中間層２４（４８）を８０ｋＰａ以上といった比較的高い圧力下で成長させても、中間層４８の表面４８ａを平坦にできる。従って、中間層４８上に積層されるｎ型バッファ層５０、発光層５２、ｐ型クラッド層５４、及びｐ型コンタクト層５６をこのような比較的高い圧力下で成長させても各層の界面を平坦に形成できるので、これらの層を比較的高い圧力下で成長させることができ、これによって各層の結晶性を向上させることができる。従って、発光素子１Ａのデバイス特性が向上する。
【００８１】
また、本実施形態のように、ｎ型窒化物半導体領域５３は、中間層４８上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなるｎ型バッファ層５０を含むことが好ましい。ｎ型窒化物半導体領域５３がｎ型バッファ層５０を含むことにより、例えば基板４６の主面４６ａに加工などによる微小な凹凸が存在し、中間層４８の表面４８ａにこの凹凸が現れているような場合であっても、中間層４８上にｎ型バッファ層５０をエピタキシャル成長させることによって成長面（ｎ型バッファ層５０の表面）を平坦にできる。従って、ｎ型バッファ層５０上にエピタキシャル成長される各層の結晶性が向上するので、発光素子１Ａにおける発光量などのデバイス特性がさらに向上する。
【００８２】
また、本実施形態のように、中間層４８は、ｎ型の伝導性を有することが好ましい。この場合、中間層４８の比抵抗が低減するため、基板４６の両側にカソード電極５８Ａ及びアノード電極５８Ｂが形成された縦型のデバイスである発光素子１Ａにおいて、発光量といったデバイス特性がさらに向上する。なお、本実施形態では中間層４８はｎ型にドープされているが、素子の構造によってはｐ型にドープされてもよい。
【００８３】
また、基板４６の主面４６ａにおける欠陥集中領域１４ｃの密度は基板１４と同様に１００［個／ｃｍ２］以上であってもよい。このように欠陥集中領域１４ｃの密度が比較的高い場合においても、本実施形態の発光素子１Ａ及びその製造方法によれば、中間層４８及び中間層４８上に積層される各層の界面を平坦にすることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、発光層５２における発光領域５２ａが、少なくとも一部の欠陥集中領域１４ｃ上にわたっている。発光素子１Ａのような発光素子では、発光層５２（のうち、特に発光領域５２ａ）をより結晶性良く成長させることが好ましい。しかし、従来の発光素子では、結晶欠陥領域上の発光層を結晶性良く形成することが困難であったため、高輝度化を妨げる一因となっていた。これに対し、本実施形態の発光素子１Ａによれば、基板４６の欠陥集中領域１４ｃの配置に関係なく発光層５２の界面を平坦にできるので、発光層５２の発光領域５２ａにおける結晶性をより良くすることができる。
【００８５】
なお、注意すべき点は、本実施形態における中間層４８がいわゆるクラッド層とは異なる点である。本実施形態の発光素子１ＡのようなＬＥＤにおいては、発光層付近に光を閉じ込めるためにクラッド層は比較的厚く形成される必要がある。例えば、本実施形態のｎ型バッファ層５０の厚さは２μｍとなっている。これに対し、本実施形態の中間層４８の厚さは５０ｎｍとなっている。中間層４８は、このような比較的薄い膜厚であっても上述した効果を好適に奏することができる。
【００８６】
次に、上述した発光素子１Ａとは異なる態様の発光素子１Ｂについて、図８を参照しつつ説明する。図８は、発光素子１Ｂの構成を示す側面断面図である。なお、発光素子１Ｂが発光素子１Ａと異なる点は、中間層４９の構造である。発光素子１Ｂにおける中間層４９以外の構成については、上記発光素子１Ａと同様なので詳細な説明を省略する。
【００８７】
発光素子１Ｂは、基板４６の主面４６ａ上に中間層４９を備える。中間層４９は、交互に積層された第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂを含んでいる。第１の層４９Ａはｎ型にドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなり、第２の層４９Ｂはｎ型にドープされたＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる。本実施形態では、第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂは、基板４６の主面４６ａ上に１０周期にわたって交互に積層されて超格子構造（歪超格子構造）を構成している。第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂの厚さは、例えばそれぞれ１０ｎｍである。
【００８８】
このような発光素子１Ｂの製造方法は、以下の点を除いて発光素子１Ａと同様である。すなわち、発光素子１Ｂを製造する際には、中間層４９を形成する工程において、第１の層４９Ａを形成後、例えばノズル２２（図１参照）の上流にある切替弁を操作して、ＴＭＡの供給を遮断する。これにより、第１の層４９Ａの上に、ＧａＮ（すなわち、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０））からなる第２の層４９Ｂが積層される。そして、このような切替弁の操作により、第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂを交互に積層して１０層の超格子構造を形成する。
【００８９】
第１の層４９Ａ及び第２の層４９Ｂにより超格子構造（歪超格子構造）が形成された中間層４９を備える上記発光素子１Ｂにおいては、超格子構造によって基板４６からの貫通転位の伝播が阻止される。それにより、ｎ型窒化物半導体領域５３、発光層５２、及びｐ型窒化物半導体領域５５の転位密度が低減して結晶性が向上するため、発光輝度が高まるなど、デバイス特性を向上できる。なお、第１の層４９Ａと第２の層４９Ｂとで構成される超格子構造は、１０層に限らず、適宜層数を増減してもよい。
【００９０】
次に、上述した発光素子１Ａ及び１Ｂとは異なる態様の発光素子１Ｃについて、図９を参照しつつ説明する。図９は、発光素子１Ｃの構成を示す側面断面図である。なお、発光素子１Ｃが発光素子１Ａ及び１Ｂと異なる点は、中間層５１の間にＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を備えている点である。発光素子１ＣにおけるＩｎＧａＮエピタキシャル層５７以外の構成については、上記発光素子１Ａ及び１Ｂと同様なので詳細な説明を省略する。
【００９１】
発光素子１Ｃは、基板４６の主面４６ａ上に中間層５１を備える。中間層５１は、第１の層５１Ａ及び第２の層５１Ｂを含んで構成されている。そして、発光素子１Ｃは、中間層５１の第１の層５１Ａと第２の層５１Ｂとに挟まれたＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を備える。第１の層５１Ａ及び第２の層５１Ｂはそれぞれｎ型にドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなり、ＩｎＧａＮエピタキシャル層５７はｎ型にドープされたＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる。
【００９２】
このような発光素子１Ｃの製造方法は、以下の点を除いて発光素子１Ａと同様である。すなわち、発光素子１Ｃを製造する際には、中間層５１を形成する工程において、ｎ型のＡｌＧａＮからなる第１の層５１Ａを形成後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を第１の層５１Ａ上に供給することにより、ｎ型のＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなるＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を成長させる。そして、ＩｎＧａＮエピタキシャル層５７上にｎ型のＡｌＧａＮを成長させることにより第２の層５１Ｂを形成する。
【００９３】
基板４６上でのエピタキシャル成長は、積層される層の材質がＡｌＧａＮであっても、種々の要因により、図９に示した第１の層５１Ａのように異常成長となってしまう場合がある。そこで、発光素子１Ｃのように、第１の層５１Ａ上にＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなるＩｎＧａＮエピタキシャル層５７を成長させる。このようにすると、基板４６の主面４６ａの汚染が甚だしく、或いは欠陥集中領域１４ｃ表面の結晶品質が著しく低いために、中間層５１の第１の層５１Ａが異常成長して十分な平坦化が図れない場合であっても、その第１の層５１Ａ上にＩｎＧａＮからなる層を成長させることにより、成長面５７ａの平坦化が補完される。
【００９４】
（第１の実施例）
続いて、上記第２実施形態に対する実施例を示す。まず、第１実施例として、青色光を発光する発光素子１Ａを作成した。
【００９５】
まず、ＧａＮ単結晶からなるウェハ状の基板１４をサセプタ１８上のトレイ２０に配置し、フローチャネル１２内の圧力（炉内圧力）を１０１ｋＰａに保ちながらフローチャネル１２内にＮＨ３及びＨ２を導入し、基板１４の温度を１０５０℃に１０分間保ち主面６０ａのクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に、炉内圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、フローチャネル１２内にＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる中間層２４を成長させた。その後、基板温度及び炉内圧力を保持したまま、さらに厚さ２μｍのｎ型ＧａＮからなりｎ型バッファ層５０となる上層２６を成長させ、ＧａＮ基板２８を作成した。
【００９６】
次に、基板温度を８００℃まで下げ、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮからなる障壁層及び厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層を３周期にわたって交互に成長させ、発光層６６を形成した。その後、基板温度を再び１０００℃に上げ、フローチャネル１２内にＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇを導入して、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎからなるｐ型クラッド層６８を成長させた。そして、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＣｐ２Ｍｇを導入して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層７０を成長させた。
【００９７】
図１０は、本実施例によって作成された発光素子１Ａのｐ型コンタクト層７０の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。図１０に示すように、ｐ型コンタクト層７０の表面は凹凸が少なく平坦な面となっていることがわかる。最上層であるｐ型コンタクト層７０の表面の状態は、その下層であるｐ型クラッド層６８、発光層６６、及び上層２６の界面（成長面）の状態が反映されたものであるので、図１０に示された写真より、ｐ型クラッド層６８、発光層６６、及び上層２６の界面が平坦であることも推測できる。
【００９８】
その後、ＧａＮ基板２８の裏面にカソード電極５８Ａを形成し、ｐ型コンタクト層７０上にアノード電極５８Ｂを形成した。そして、ＧａＮ基板２８を素子に分割し、発光素子１Ａを完成させた。こうして作成した発光素子１Ａに電流を連続して印加したところ、電流値２０ｍＡで発光波長４５０ｎｍとなり、ベアチップ（パッケージングを行う前の素子）の状態で発光量３ｍＷが得られた。
【００９９】
さらに、本発明者らは、本実施例において中間層４８の厚さ及びＡｌ組成比を様々に設定して発光素子１Ａの作成を試みた。以下の表１は、１３通りの厚さ及びＡｌ組成比で作成した中間層４８について、亀裂（クラック）の有無を調べた結果を示す表である。表１には、中間層４８の膜厚、及びＰＬ波長から導かれるＡｌ組成比ｘをあわせて示している。
【表１】
【０１００】
図１１は、表１に示した１３通りの中間層４８について、厚さ及びＡｌ組成比とクラックの有無との相関を示すグラフである。図１１を参照すると、直線Ａ（厚さ＝−５ｘ＋１．２、０＜ｘ＜０．２４）を境にして、中間層４８におけるクラックの有無が明確に異なることがわかる。すなわち、Ａｌ組成比ｘが０＜ｘ＜０．２４の範囲内であるときに、中間層４８の厚さが（−５ｘ＋１．２）μｍ未満であれば、クラックが発生することなく中間層４８が好適に成長することが見出された。
【０１０１】
（第２の実施例）
続いて、第２実施例として、青色光を発光する発光素子１Ｂを作成した。まず、基板１４をトレイ２０に配置し、第１実施例と同様にして主面１４ａのクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に、炉内圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、フローチャネル１２内にＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、厚さ１０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、厚さ１０ｎｍのｎ型ＧａＮを交互に１０周期積層して、中間層を成長させた。その後、第１実施例と同様にしてｎ型バッファ層、発光層、ｐ型クラッド層、及びｐ型コンタクト層を成長させた。こうして成長させたｐ型コンタクト層表面を微分干渉顕微鏡によって観察したところ、第１実施例と同様に該表面が平坦に形成されていた。
【０１０２】
その後、基板１４の裏面にカソード電極５８Ａを形成し、ｐ型コンタクト層上にアノード電極５８Ｂを形成した。そして、基板１４を素子に分割し、発光素子１Ｂを完成させた。こうして作成した発光素子１Ｂに電流を連続して印加したところ、電流値２０ｍＡで発光波長４５０ｎｍとなり、ベアチップの状態で発光量５ｍＷが得られた。
【０１０３】
（比較例）
続いて、上記各実施例の効果を検証するための比較例を示す。ここでは、比較例として、中間層を備えない発光素子を作成した。
【０１０４】
まず、ＧａＮ単結晶からなる基板をサセプタ１８上のトレイ２０に配置し、第１実施例と同様にして主面のクリーニングを行った。次に、基板温度を１０５０℃に、炉内圧力を１０１ｋＰａにそれぞれ保持しながら、フローチャネル１２内にＴＭＧ、ＮＨ３、及びＳｉＨ４を導入し、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮを成長させた。その後、第１実施例と同様にして、発光層、ｐ型クラッド層、及びｐ型コンタクト層を順次成長させた。
【０１０５】
図１２は、本比較例によって作成された発光素子のｐ型コンタクト層の表面を微分干渉顕微鏡によって撮影した写真である。図１２に示すように、本比較例におけるｐ型コンタクト層の表面は凹凸が多く、平坦性があまり良くなかった。従って、ｐ型クラッド層、発光層、及びｎ型バッファ層の界面もまた平坦性が良くないと推測できる。
【０１０６】
その後、基板の裏面にカソード電極を形成し、ｐ型コンタクト層上にアノード電極を形成した。そして、基板を素子に分割し、発光素子を完成させた。こうして作成した発光素子に電流を連続して印加したところ、電流値２０ｍＡで発光波長４５０ｎｍとなり、ベアチップの状態で発光量１ｍＷしか得られなかった。これにより、上記各実施例では、基板上に中間層を備えることによって、発光素子のデバイス特性が向上していることが証明された。
【０１０７】
本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、中間層を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）の組成は、ｘ＝０．０８やｘ＝０．１６、ｙ＝０に限らず、適宜増減することが可能である。また、ＩｎＧａＮエピタキシャル層を構成するＩｎｚＧａ１−ｚＮの組成は、ｚ＝０．１０に限らず、０＜ｚ≦１の範囲で適宜増減することが可能である。また、基板の材料としては、上述した単結晶ＧａＮのほか、多結晶ＧａＮを用いても、本発明の効果を好適に得ることができる。
【０１０８】
また、上記第２実施形態では中間層上にｎ型半導体領域が形成され、その上に活性層を挟んでｐ型半導体領域が形成されているが、中間層上にｐ型半導体領域が形成され、その上に活性層を挟んでｎ型半導体領域が形成されても良い。
【０１０９】
また、上記第２実施形態では本発明の窒化物半導体素子として発光素子を例示したが、本発明はこれに限らず、III族窒化物からなるｎ型領域及びｐ型領域を有するトランジスタ等にも好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１１０】
１Ａ〜１Ｃ…発光素子、１４，４６…基板、２４，２４ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，４８，４９，５１…中間層、２４ａ，２６ａ，３４ａ…面、２６…上層、２８，２８Ａ，２８Ｂ…ＧａＮ基板、３２…エピタキシャル薄膜、３４、５７…ＩｎＧａＮエピタキシャル層、４９Ａ、５１Ａ…第１の層、４９Ｂ、５１Ｂ…第２の層、５０…ｎ型バッファ層、５２…発光層、５３…ｎ型窒化物半導体領域、５４…ｐ型クラッド層、５５…ｐ型窒化物半導体領域、５６…ｐ型コンタクト層、５８Ａ…カソード電極、５８Ｂ…アノード電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、
前記基板の前記主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層と
を備える、ＧａＮ基板。
【請求項２】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項１に記載のＧａＮ基板。
【請求項３】
ＧａＮ単結晶からなる基板と、
前記基板上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層と
を備える、ＧａＮ基板。
【請求項４】
前記中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項５】
前記中間層は、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を備えた超格子構造である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項６】
前記中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項７】
前記中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項８】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の前記主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、
前記中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップと
を有する、ＧａＮ基板の製造方法。
【請求項９】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項８に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１０】
ＧａＮ単結晶からなる基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、
前記中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップと
を有する、ＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１１】
前記中間層形成ステップの際にドーパントを添加して、前記中間層をｎ型またはｐ型にする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１２】
前記中間層形成ステップに割り込んで、前記中間層の間に挟まれる、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を形成する第２の中間層形成ステップをさらに備え、
前記中間層と前記第２の中間層とによって超格子構造を形成する、請求項８〜１１のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１３】
前記中間層形成ステップに割り込んで、前記中間層の間に挟まれるようにＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層を形成するＩｎＧａＮエピタキシャル層形成ステップをさらに備える、請求項８〜１２のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１４】
前記中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる前記中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させる、請求項８〜１３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１５】
前記中間層及び前記上層を８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させる、請求項８〜１４のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１６】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、
前記基板の前記主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、
前記中間層上に設けられたｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域と
を備える、窒化物半導体素子。
【請求項１７】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項１６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１８】
前記ｎ型窒化物半導体領域または前記ｐ型窒化物半導体領域は、前記中間層上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなる上層を含む、請求項１６または１７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１９】
前記ｎ型窒化物半導体領域と前記ｐ型窒化物半導体領域との間に発光層をさらに備え、
前記ｎ型窒化物半導体領域及び前記ｐ型窒化物半導体領域のそれぞれがクラッド層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素子。
【請求項２０】
前記発光層における発光領域が、少なくとも一部の前記欠陥集中領域上にわたっている、請求項１９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２１】
前記中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有する、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
前記中間層は、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層とが交互に積層された超格子構造を有する、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２３】
前記中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備える、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２４】
前記中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる、請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２５】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の前記主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、
前記中間層上に、ｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域を形成する半導体領域形成ステップと
を有し、
前記中間層、前記ｎ型窒化物半導体領域、及び前記ｐ型窒化物半導体領域のそれぞれを８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させる、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２６】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項２５に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２７】
前記中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる前記中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させる、請求項２５または２６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、
前記基板の前記主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層と
を備える、ＧａＮ基板。
【請求項２】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項１に記載のＧａＮ基板。
【請求項３】
ＧａＮ単結晶からなる基板と、
前記基板上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、
前記中間層上にエピタキシャル成長された、ＧａＮからなる上層と
を備える、ＧａＮ基板。
【請求項４】
前記中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項５】
前記中間層は、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を備えた超格子構造である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項６】
前記中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項７】
前記中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＧａＮ基板。
【請求項８】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の前記主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、
前記中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップと
を有する、ＧａＮ基板の製造方法。
【請求項９】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項８に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１０】
ＧａＮ単結晶からなる基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、
前記中間層上に、ＧａＮからなる上層をエピタキシャル成長させる上層形成ステップと
を有する、ＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１１】
前記中間層形成ステップの際にドーパントを添加して、前記中間層をｎ型またはｐ型にする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１２】
前記中間層形成ステップに割り込んで、前記中間層の間に挟まれる、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮとは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）からなる第２の中間層を形成する第２の中間層形成ステップをさらに備え、
前記中間層と前記第２の中間層とによって超格子構造を形成する、請求項８〜１１のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１３】
前記中間層形成ステップに割り込んで、前記中間層の間に挟まれるようにＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層を形成するＩｎＧａＮエピタキシャル層形成ステップをさらに備える、請求項８〜１２のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１４】
前記中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる前記中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させる、請求項８〜１３のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１５】
前記中間層及び前記上層を８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させる、請求項８〜１４のいずれか一項に記載のＧａＮ基板の製造方法。
【請求項１６】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板と、
前記基板の前記主面上にエピタキシャル成長された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層と、
前記中間層上に設けられたｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域と
を備える、窒化物半導体素子。
【請求項１７】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項１６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１８】
前記ｎ型窒化物半導体領域または前記ｐ型窒化物半導体領域は、前記中間層上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなる上層を含む、請求項１６または１７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１９】
前記ｎ型窒化物半導体領域と前記ｐ型窒化物半導体領域との間に発光層をさらに備え、
前記ｎ型窒化物半導体領域及び前記ｐ型窒化物半導体領域のそれぞれがクラッド層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素子。
【請求項２０】
前記発光層における発光領域が、少なくとも一部の前記欠陥集中領域上にわたっている、請求項１９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２１】
前記中間層は、ドーパントが添加されてｎ型またはｐ型の伝導性を有する、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
前記中間層は、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層と、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とは組成の異なるＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ≠ｘ）層とが交互に積層された超格子構造を有する、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２３】
前記中間層の間に挟まれるＩｎｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）エピタキシャル層をさらに備える、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２４】
前記中間層は、厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる、請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２５】
周囲の低欠陥領域より欠陥密度が高く主面において点状に分布する欠陥集中領域を有し、ＧａＮからなる基板の前記主面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる中間層をエピタキシャル成長させる中間層形成ステップと、
前記中間層上に、ｎ型窒化物半導体領域及びｐ型窒化物半導体領域を形成する半導体領域形成ステップと
を有し、
前記中間層、前記ｎ型窒化物半導体領域、及び前記ｐ型窒化物半導体領域のそれぞれを８０ｋＰａ以上の圧力下で成長させる、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２６】
前記基板の前記主面における前記欠陥集中領域の密度が１００［個／ｃｍ２］以上である、請求項２５に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２７】
前記中間層形成ステップの際に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．２４）からなる前記中間層を厚さ（−５ｘ＋１．２）μｍ未満に成長させる、請求項２５または２６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１２９５５４（Ｐ２０１２−１２９５５４Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６２６２４（Ｐ２０１２−６２６２４）
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【分割の表示】特願２００８−１８７７８４（Ｐ２００８−１８７７８４）の分割
【原出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【分割の表示】特願２００８−１８７７８４（Ｐ２００８−１８７７８４）の分割
【原出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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