(57)【要約】【課題】III族窒化物の表面荒れを抑制し、転位の少ないIII族窒化物半導体層を有するIII族窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に、厚さ方向に第１Ｓｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層、厚さ方向に第２Ｓｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層、および厚さ方向に第３Ｓｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層、がこの順に配されたIII族窒化物半導体層を有し、第２Ｓｃ濃度勾配＞第１Ｓｃ濃度勾配、且つ第２Ｓｃ濃度勾配＞第３Ｓｃ濃度勾配である、III族窒化物半導体装置とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に、
厚さ方向に第１Ｓｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層、
厚さ方向に第２Ｓｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層、および
厚さ方向に第３Ｓｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層、がこの順に配されたIII族窒化物半導体層を有し、
第２Ｓｃ濃度勾配＞第１Ｓｃ濃度勾配、且つ第２Ｓｃ濃度勾配＞第３Ｓｃ濃度勾配である、
III族窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１III族窒化物層の最大Ｓｃ濃度が１．７×１０２０ｃｍ−３以下である、
請求項１に記載のIII族窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１III族窒化物層の最大Ｓｃ濃度が４．０×１０１８ｃｍ−３以上である、
請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記III族窒化物半導体層の厚さが１μｍ以上である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記III族窒化物半導体層の表面でのＳｃ濃度が１．０×１０１６ｃｍ−３以下である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体装置。
【請求項６】
第１Ｓｃ濃度勾配＞第３Ｓｃ濃度勾配の関係を満たす、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体装置。
【請求項７】
第１Ｓｃ濃度勾配＜第３Ｓｃ濃度勾配の関係を満たす、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体層がＧａＮで構成される、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はIII族窒化物半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体はIII族元素（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ等）を組み合わせることにより、広いバンドギャップを実現できることから、光半導体デバイスであるＬＥＤ、ＬＤや、高周波、高出力用電子デバイス等に広く応用されている。III族窒化物半導体デバイスは、一般的にはサファイア基板上にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて作製されている。しかしながら、サファイア基板とIII族窒化物半導体（ＧａＮ）との、｛（ＧａＮの格子定数−サファイアの格子定数）／ＧａＮの格子定数｝にて表記される格子不整合は１３．８％と大きい。そのため、III族窒化物半導体エピタキシャル層内の欠陥密度が高くなってしまう、という課題が生じる。
【０００３】
当該課題に対し、III族窒化物半導体との格子不整合を低減させる新規基板として、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板が提案されており、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板を用いたＧａＮエピタキシャル技術が開示されている（特許文献１）。ＳｃＡｌＭｇＯ４とＧａＮとの格子不整合は−１．８％と小さい。したがって、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に作製したIII族窒化物半導体は、高品質・高性能半導体デバイスへの展開が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１７８４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長に用いるＳｃＡｌＭｇＯ４基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶体を（０００１）面にて壁開することで得られる。（０００１）面にて壁開されたＳｃＡｌＭｇＯ４基板には、理想的には表面に凹凸（ステップ）が存在しないことが望まれる。しかしながら、実際には壁開の精度により、表面にステップを有してしまい、数百ｎｍ以上の大きな凹凸を有する箇所も存在してしまう。これらのＳｃＡｌＭｇＯ４基板表面に存在するステップは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長において、欠陥形成などの不具合を生じさせてしまう。特に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板のステップ高さは、少なくとも８．３８７Åであり、比較的大きい。そのため、従来のステップを有するサファイア基板やＧａＮ基板上にIII族窒化物半導体を成長させる場合とは異なり、ステップ端部において、III族窒化物半導体膜に欠陥が生じやすい、という課題がある。
【０００６】
本開示は、以上の課題を解決すべくなされたものであり、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に高品質なIII族窒化物半導体層を有するIII族窒化物半導体装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示は、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に、厚さ方向に第１Ｓｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層、厚さ方向に第２Ｓｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層、および厚さ方向に第３Ｓｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層、がこの順に配されたIII族窒化物半導体層を有し、第２Ｓｃ濃度勾配＞第１Ｓｃ濃度勾配、かつ第２Ｓｃ濃度勾配＞第３Ｓｃ濃度勾配である、III族窒化物半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示のIII族窒化物半導体装置は、高品質なIII族窒化物半導体層を有し、より高性能なデバイスを供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＳｃＡｌＭｇＯ４結晶の構造図
【図２】ＳｃＡｌＭｇＯ４基板表面のステップ端での欠陥生成イメージ図
【図３】本開示の実施の形態１におけるIII族窒化物半導体装置の概略断面図
【図４】本開示の実施の形態１におけるIII族窒化物半導体装置中のＳｃ濃度分布を示した図
【図５】本開示の実施の形態１におけるIII族窒化物半導体層表面のＡＦＭ図
【図６】本開示の実施の形態１における欠陥抑制メカニズムを示した図
【図７】本発明の実施の形態２におけるIII族窒化物半導体装置中のＳｃ濃度分布を示した図
【図８】本発明の実施の形態３におけるIII族窒化物半導体装置の概略断面図
【図９】本発明の実施の形態３におけるIII族窒化物半導体装置中のＳｃ濃度分布を示した図
【図１０】従来例におけるIII族窒化物半導体装置中のＳｃ濃度分布を示した図
【図１１】従来例におけるIII族窒化物半導体層表面のＡＦＭ図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の結晶構造を図１に示す。ＳｃＡｌＭｇＯ４結晶は六方晶であるＡｌＭｇＯ２層とロックソルト構造であるＳｃＯ層とが［０００１］方向に積層された構造を取っている。壁開にて形成される（０００１）面はＡｌＭｇＯ２層である。ＳｃＡｌＭｇＯ４結晶の［０００１］方向の結晶格子は２５．１６Åであり、劈開によって出現するステップ高さは（２５．１６÷３）Åの倍数、すなわち８．３８７Åの倍数となる。
【００１１】
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に生じるステップ高さは、III族窒化物であるＧａＮに生じるステップ高さ（２．５９３Å）や、ｃ面サファイアに生じるステップ高さ（２．１６５Å）と比較すると大きな値である。そのため、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板では、ステップ端にてIII族窒化物結晶が欠陥を生成しやすい。図２に、ステップを有するＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＧａＮを成長させた場合の、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板とＧａＮ結晶との界面におけるステップ端近傍での欠陥生成イメージを示す。
【００１２】
ＳｃＡｌＭｇＯ４基板のステップ高さは前述したように、８．３８７Åの倍数である。ＧａＮ結晶はＳｃＡｌＭｇＯ４基板のステップ端にて格子不整合（ＧａＮ結晶が３原子層の場合−７．８％、４原子層の場合１９．１％）が大きく、この領域に結晶格子のｃ軸差による欠陥が発生しやすい。その結果、ＧａＮ結晶表面にピットが生じる。本開示ではこのような課題に対し、ＳｃをIII族窒化物半導体層中に混入させることでIII族窒化物半導体層の結晶性が向上することを見出した。
【００１３】
本開示の実施の形態１におけるIII族窒化物半導体装置は、図３に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１と、当該ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上に形成されたIII族窒化物半導体層１１０と、を有する。III族窒化物半導体層１１０は、厚さ方向に第１のＳｃ濃度勾配を持つ第１III族窒化物層１０２と、厚さ方向に第２のＳｃ濃度勾配を持つ第２III族窒化物層１０３と、厚さ方向に第３のＳｃ濃度勾配を持つ第３III族窒化物層１０４と、をこの順に有する。なお、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上にIII族窒化物半導体層１１０（第１III族窒化物層１０２等）を直接配置してもよいが、両者の間にバッファ層などの他の層を配置してもよい。さらに、第１III族窒化物層１０２、第２III族窒化物層１０３、および第３III族窒化物層１０４はそれぞれ、直接接していてもよいが、これらの間に、他の層を配置してもよい。
【００１４】
本実施の形態のIII族窒化物半導体装置を実際に作製した方法を以下説明する。本実施の形態では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上にＭＯＣＶＤ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）を用いて、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を行った。III族原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いた。キャリアガスとしては水素または窒素を用いた。
【００１５】
当該方法では、まず、ＭＯＣＶＤ炉内に導入されたＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１に対し、１１００℃にて１０分間、水素雰囲気中にて熱クリーニングを行った。この熱クリーニングによりＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１表面に付着しているカーボン系の汚れ等を取り除いた。その後、基板表面温度を４２５℃へと下げ、低温にてバッファ層（図示せず）を堆積させた。バッファ層の膜厚、組成は成長時間、及び供給するIII族原料の比率にて調整した。
【００１６】
バッファ層成長後、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１の温度を１１２５℃へと昇温させ、III族窒化物半導体層１１０をエピタキシャル成長させた。本実施の形態ではバッファ層（図示せず）にＧａＮを用い、その膜厚は３０ｎｍとした。また、バッファ層上のエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体層１１０もＧａＮとした。バッファ層形成後にIII族窒化物半導体層１１０をエピタキシャル成長させる際、基板１０１界面に近い初期の成長速度は１．５μｍ／時間とし、０．３μｍ成長させた。その後、供給原料を調整し、成長速度３μｍ／時間にてさらに２．７μｍ成長させた。
【００１７】
本実施の形態では、バッファ層側、すなわちＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１とIII族窒化物半導体層１１０との界面近傍において、III族窒化物半導体層１１０をエピタキシャル成長させる際の速度を、１．５μｍ／時間と比較的遅くしている。これは、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１の構成元素であるＳｃ、をＳｃＡｌＭｇＯ４とＧａＮとの界面近傍で、ＧａＮ中に有効的に拡散させるためである。
【００１８】
図４に本実施の形態のIII族窒化物半導体装置に対し、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）により、Ｓｃ濃度を分析したときのＳｃの濃度分布を示す。本実施の形態では、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板やバッファ層の近傍に、Ｓｃ濃度が高く維持されている領域が存在する。つまり、厚さ方向に第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２を有していることが分かる（図４中の（１））。当該第１III族窒化物層１０２における最大Ｓｃ濃度は４．０×１０１９ｃｍ−３程度である。第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２は、結晶の成長速度を遅くすることで得られる。
【００１９】
また、本実施の形態のIII族窒化物半導体装置では、第１III族窒化物層１０２上に、急激にＳｃ濃度が変化する領域、すなわち厚さ方向に第２のＳｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層１０３が存在する（図４中の（２））。そしてさらに、第２III族窒化物半導体層１０３上に、厚さ方向にＳｃ濃度が緩やかに変化する領域、すなわち第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物半導体層１０４が存在している（図４中の（３））。
【００２０】
第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物半導体層１０４での最大Ｓｃ濃度は２．０×１０１７ｃｍ−３程度である。濃度勾配の大小としては第２III族窒化物半導体層１０３における濃度勾配が一番急激であり、図４から見積もられるＳｃ濃度は（２．１×１０−４）ｅｘｐ（５６．１×深さ）である。同様に自然対数のべき乗値で表される傾き値は、第１III族窒化物半導体層１０２にて１１．７であり、第３III族窒化物半導体層１０４にて６．４である。
【００２１】
本実施の形態のIII族窒化物半導体装置におけるエピタキシャル膜（ＧａＮ膜）表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）評価結果を図５に示す。図５より、１原子層分に対応した高さが等高線のように観測されており、原子レベルで平坦な、１原子層分以上の凹凸を持つピットのようなものが存在していない、良好なＧａＮ表面が得られていることが分かる。
【００２２】
一方、従来例のIII族窒化物半導体装置、具体的には成長温度１０５０℃、成長速度３μｍ／時間にてＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にＧａＮ膜を成長させた場合の表面ＡＦＭ結果を図１１に示す。従来例ではＧａＮ膜の成長温度が低い。Ｓｃの熱拡散は、成長温度に影響されやすく、従来例のような成長温度では、Ｓｃの熱拡散が十分に生じない。また、成長レートも３μｍ／時間と比較的速いレートである。そのため、所望の窒化物膜厚を得るための時間が短く、Ｓｃの拡散時間が短い。したがって、Ｓｃが十分に拡散しない。
【００２３】
図１１においては、ＧａＮ膜表面に１原子層レベル以上の凹凸を持つピットのようなものが散見された。これは、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板の持つステップにより、ＧａＮ膜中に欠陥が発生し、欠陥が表面まで伝播していると考えられる。また、欠陥部において成長が阻害され、原子層レベル以上の凹凸を持つピットとして現れてしまっていると考えられる。
【００２４】
従来例のIII族窒化物半導体装置のＳｃ濃度分布（ＳＩＭＳ分析結果）を図１０に示す。従来例では、図１０に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ４とＧａＮとの界面側から、Ｓｃ濃度が急激に変化する領域、および熱拡散の影響により緩やかにＳｃ濃度が変化する領域、のみが存在している。つまり、ＳｃＡｌＭｇＯ４とＧａＮとの界面側では、Ｓｃ拡散が抑制された状態であることが分かる。一方、図１０に示す従来例のＧａＮ膜のＳｃ濃度分布と図５に示す本実施の形態のＧａＮ膜のＳｃ濃度分布とを比較すると、ＧａＮ膜の表面近傍でのＳｃ濃度（図中の深さ２μｍにおけるＳｃ濃度）は本実施の形態（図５）のほうが低い。これは、従来例ではＧａＮ膜中の欠陥濃度が表面側で依然として高いことを表す。つまり、ＧａＮ膜の表面側でもＧａＮ膜が欠陥を有しており、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板側から当該欠陥を通してＳｃが拡散されていることを示している。
【００２５】
本実施の形態のIII族窒化物半導体装置におけるIII族窒化物半導体層１１０のＳｃ濃度勾配の効果は以下の様に考えることが出来る。III族窒化物半導体層１１０中に存在するＳｃはＳｃＮ構造にてIII族窒化物半導体中に入ると考えられる。ＳｃＮはロックソルト構造をしており、（１１１）面の格子定数は０．４５ｎｍとＧａＮに対し、格子不整合が０．２４％と小さい。
【００２６】
また、本実施の形態では界面近傍の初期成長速度を０．５μｍ／時間と遅くすることで、基板であるＳｃＡｌＭｇＯ４からIII族窒化物半導体層中へのＳｃの拡散を促進させている。促進されたＳｃはＳｃＡｌＭｇＯ４基板／III族窒化物半導体界面にて発生した欠陥を通してIII族窒化物半導体層１１０の表面側へと拡散される。そして、III族窒化物半導体の欠陥位置にてＳｃＮ結晶となる。その結果、第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物半導体層１０２では欠陥位置にてＳｃＮ結晶形成が促進される。ここで、III族窒化物半導体中の欠陥位置にて形成されたＳｃＮ結晶は、III族窒化物半導体内の欠陥が上部へ伝播することを抑制する（図６にイメージ図を示す）。また、III族窒化物半導体中にて界面から伝播していた欠陥が低減することによってＳｃ自体の表面への拡散自体も抑制される。
【００２７】
一方、ＳｃＮ結晶はロックソルト構造を有し、当該結晶構造は、III族窒化物半導体結晶の結晶構造（六方晶構造）と異なる。そのため、III族窒化物半導体中のＳｃＮ結晶は結晶粒界面にて結晶欠陥を伴う側面も持っている。よって、高品質化したIII族窒化物半導体中でのＳｃＮ結晶はIII族窒化物半導体の更なる高品質化を阻害する要因ともなりうる。そのため、本実施の形態では、第２のＳｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層１０３にて、急激にＳｃ濃度を下げる。これにより、III族窒化物半導体層１１０の更なる高品質化が促進される。そして、第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層１０４は、十分にＳｃ濃度を下げた状態であり、エピタキシャル成長が進むにつれ結晶性が向上する。この様に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上に形成するIII族窒化物半導体層１１０に、所定のＳｃ濃度勾配を設けることで良好な結晶性を有するIII族窒化物半導体層１１０を得ることが出来る。
【００２８】
実施の形態１ではＳｃ濃度勾配が第２の領域１０３にて最も高い。これにより、第３III族窒化物層中へのＳｃの拡散が抑制されている。また、Ｓｃ濃度勾配は、第１III族窒化物層１０２＞第３III族窒化物層１０４である。当該構成によれば、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１側で、Ｓｃ濃度が速く低減するため、III族窒化物半導体層１１０が薄くても、III族窒化物半導体層１１０表面でのＳｃ濃度が十分に低くなる。
【００２９】
（実施の形態２）
実施の形態２のIII族窒化物半導体装置は、実施の形態１のIII族窒化物半導体装置と同様の構成を有する。ただし、III族窒化物半導体層１１０を作製する際の条件が異なり、III族窒化物半導体層１１０内における厚さ方向のＳｃの濃度勾配が異なる。
【００３０】
本実施の形態では、バッファ層の形成後、第１III族窒化物層１０２の成長温度を１１４５℃とした。第１III族窒化物層１０２の成長速度は０．５μｍ／時間であり、その膜厚は０．６μｍとした。その後、第２III族窒化物層１０３および第３III族窒化物層１０４の成長温度を１１１０℃とし、成長速度３μｍ／時間として合計２．４μｍ成長させた。
【００３１】
図７に、本実施の形態のIII族窒化物半導体装置について、ＳＩＭＳ分析によりＳｃ濃度を分析した結果を示す。本実施の形態では第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２（図７中の（１））の最大Ｓｃ濃度が１．７×１０２０ｃｍ−３である。本実施の形態では、実施の形態１と比較して、第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２の成長速度を遅くした事に加え、成長温度を１１４５℃へと上昇させている。そのため、III族窒化物半導体（ＧａＮ）内へのＳｃの拡散がより促進されている。また、第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層１０４（図７中の（３））の最大Ｓｃ濃度は３．０×１０１６ｃｍ−３である。これは、成長温度を１１１０℃と下げた効果であり、第２のＳｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層１０３（図７中の（２））にて大きくＳｃ濃度を変化させたためである。第２III族窒化物層１０３の自然対数のべき乗値は７４．１である。
【００３２】
本実施の形態においても、第２のＳｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層１０３の濃度勾配が最も大きく、第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２では自然対数のべき乗値が５．４であり、第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層１０４では５．５である。本実施の形態においても、結晶性の高いIII族窒化物半導体層１１０をＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に有するIII族窒化物半導体装置を得ることが出来る。
【００３３】
実施の形態２では、第１III族窒化物層１０２＜第３III族窒化物層１０４である。本実施の形態の構成によれば、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１とIII族窒化物半導体層１１０との界面近傍でのＳｃ濃度を高く保ち、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１とIII族窒化物半導体層１１０との界面にて発生した欠陥を、界面近傍にて効率良く低減することが可能である。
【００３４】
（実施の形態３）
本開示の実施の形態３のIII族窒化物半導体装置は、図８に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１と、当該ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上に形成されたIII族窒化物半導体層１１０を有する。III族窒化物半導体層１１０は、厚さ方向に第１のＳｃ濃度勾配を持つ第１III族窒化物層１０２と、厚さ方向に第２のＳｃ濃度勾配を持つ第２III族窒化物層１０３と、厚さ方向に第３のＳｃ濃度勾配を持つ第３III族窒化物層１０４と、厚さ方向に第４のＳｃ濃度勾配を持つ第４III族窒化物層１０５と、厚さ方向に第５のＳｃ濃度勾配を持つ第５III族窒化物層１０６と、をこの順に有する。
【００３５】
本実施の形態のIII族窒化物半導体装置を実際に作製した方法を以下説明する。本実施の形態では、実施の形態１と同様の条件で、第１III族窒化物層１０２および第２III族窒化物層１０３を形成した後、成長温度を１１４５℃へと上昇させてIII族窒化物半導体（第３III族窒化物半導体層１０４、第４III族窒化物半導体層１０５、第５III族窒化物半導体層１０６）を成長させている。
【００３６】
より具体的には、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板１０１上に第１のＳｃ濃度勾配を持つ第１III族窒化物層１０２を成長温度１１２５℃、成長速度０．５μｍ／時間にて０．３μｍ形成した。その後、第２のＳｃ濃度勾配を持つ第２III族窒化物層１０３を成長速度３μｍ／時間にて０．１μｍ形成した。更に、成長温度を１１４５℃へと上昇させて第３のＳｃ濃度勾配を持つ第３III族窒化物層１０４、第４のＳｃ濃度勾配を持つ第４III族窒化物層１０５、および第５のＳｃ濃度勾配を持つ第５III族窒化物層１０６を成長速度３．５μｍ／時間にて合計２．６μｍ形成した。
【００３７】
本実施の形態のIII族窒化物半導体装置は、成長温度を段階的に上昇させることによって、第３のＳｃ濃度勾配を持つ第３III族窒化物層１０４にてＳｃ拡散を促進させ、欠陥位置でのＳｃＮの形成を狙った構造である。更に第４のＳｃ濃度勾配を持つ第４III族窒化物半導体層１０５にて表面でのＳｃ濃度を低減すべく、成長速度を上昇させることでＳｃ拡散を抑制している。
【００３８】
図９に本実施の形態のIII族窒化物半導体装置に対し、ＳＩＭＳ分析によりＳｃ濃度分布を分析した結果を示す。第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２（図９中の（１））の最大Ｓｃ濃度は６．０×１０１９ｃｍ−３程度である。第１III族窒化物層１０２、および第２III族窒化物層１０３（図９中の（２））の形成後に成長温度を１１４５℃へと上昇させているため、Ｓｃの拡散がより促進され、第３のＳｃ濃度勾配を持つ第３III族窒化物層１０４（図９中の（３））にて、最大Ｓｃ濃度１．３×１０１８ｃｍ−３程度となる。つまり、第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２、第２のＳｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層１０３と同様のＳｃ濃度分布が、第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層１０４（図９中の（３））および第４のＳｃ濃度勾配を有する第４III族窒化物層１０５（図９中の（４））にて繰り返された構造を有している。そしてさらに、第５のＳｃ濃度勾配を有する第５III族窒化物半導体層１０６が存在している（図９中の（５））。
【００３９】
これは、実施の形態１に示した第１III族窒化物層１０２、第２III族窒化物層１０３の欠陥の伝播抑制効果を、第３III族窒化物層１０４および第４III族窒化物層１０５でも担うことを意味する。つまり、更なる欠陥の伝播抑制効果が得られる。本実施の形態によれば、これまでの実施の形態と同様に、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に結晶性の高いIII族窒化物半導体層を有するIII族窒化物半導体装置が得られる。
【００４０】
（まとめ）
以上の結果のように、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上にIII族窒化物半導体層を形成する際、これらの界面近傍に第１のＳｃ濃度勾配を有する第１III族窒化物層１０２、第２のＳｃ濃度勾配を有する第２III族窒化物層１０３、および第３のＳｃ濃度勾配を有する第３III族窒化物層１０４等を設けることで、結晶性の良いIII族窒化物半導体層を有するIII族窒化物半導体装置を得ることが出来る。また、Ｓｃ濃度勾配領域は実施の形態３で示したように多段構成でも良く、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板およびIII族窒化物半導体層の界面から、III族窒化物半導体層の表面に向かってＳｃ濃度を下げていく構成であればよい。
【００４１】
なお、上述のいずれの実施の形態においても、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板とIII族窒化物半導体層との界面側に位置する第１III族窒化物層１０２の最大Ｓｃ濃度を４．０×１０１９ｃｍ−３〜１．７×１０２０ｃｍ−３の範囲内としている。ただし、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板上に形成されるIII族窒化物半導体の界面欠陥密度が最大でも１．０×１０１１ｃｍ−３程度であることを考慮すると、第１III族窒化物層中のＳｃ濃度を４．０×１０１７ｃｍ−３程度とすれば、Ｓｃ濃度が欠陥数と同等となる。そして、その１０倍程度の４．０×１０１８ｃｍ−３以上の最大Ｓｃ濃度が実現できれば、効果は十分にあると考えられる。
【００４２】
また、ＳｃＮ単結晶では十分な結晶性を得られていないのが現状であり、Ｓｃ濃度を１．７×１０２０ｃｍ−３程度以下にすれば、結晶性を損なわずにIII族窒化物半導体内の欠陥を低減することが可能である。また、上述の実施の形態では、III族窒化物半導体層の合計膜厚を３μｍとしているが、III族窒化物半導体層表面のＳｃ濃度を１．０×１０１６ｃｍ−３以下にすることが可能な膜厚であればよく、例えば１μｍ以上であれば問題ない。
【００４３】
さらに、上述の実施の形態ではＭＯＣＶＤ法を用いてIII族窒化物半導体装置を得ることを説明したが、エピタキシャル成長方法としてはＨＶＰＥ法、ＯＶＰＥ法、スパッタ法、ＭＢＥ法などを単独及び複数組み合わせてもよく、これらの方法によっても同様の効果を得ることが出来る。また、上述の実施の形態では、Ｓｃ濃度は、成長速度および成長温度の調整により制御したが、膜中にＳｃＣｌ、ＳｃＢｒ、ＳｃＦ、ＳｃＨ、ＳｃＯ、Ｓｃ（ＯＨ）等を用いてＳｃを意図的にドーピングしても同様の効果が得られる。
【００４４】
なお、本実施例ではＧａＮを用いているがIII族窒化物であれば同様の効果を得ることが可能である。III族窒化物を構成するIII族元素金属は、ガリウム（Ｇａ）が最もよいが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）等であってもよく、これらは１種類のみ用いてもよく、２種類以上併用してもよい。例えば、III族元素金属として、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）からなる群から選択される少なくとも一つを用いてもよい。この場合、製造されるIII族窒化物半導体層の組成は、ＡｌｓＧａｔＩｎ｛１−（ｓ＋ｔ）｝Ｎ（ただし、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、ｓ＋ｔ≦１）で表される。また、III族元素金属には、例えば、ドーパント材等を共存させて反応させても良い。前記ドーパントとしては、特に限定されないが、モノシラン(ＳｉＨ４)、酸化ゲルマニウム（例えばＧｅ２Ｏ３、Ｇｅ２Ｏ等）、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）等が挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本開示のIII族窒化物半導体装置は、高品質なIII族窒化物半導体層を有する。そのため、高性能なデバイスを供給することが可能となる。更に、窒化物半導体用の良好なテンプレート基板としても供給することを可能とする。
【符号の説明】
【００４６】
１０１  ＳｃＡｌＭｇＯ４基板
１０２  第１III族窒化物層
１０３  第２III族窒化物層
１０４  第３III族窒化物層
１０５  第４III族窒化物層
１０６  第５III族窒化物層
１１０  III族窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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