(57)【要約】【課題】Ｇａ２Ｏ３基板上に高品質の窒化物半導体層が形成された半導体積層構造体、及び半導体素子をを提供する。【解決手段】Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成される窒化物半導体層と、を有し、前記窒化物半導体層は、第１の酸素濃度を有し、前記Ｇａ２Ｏ３基板に近い側に形成される第１の層と、前記第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度を有し、前記Ｇａ２Ｏ３基板から遠い側に形成される第２の層と、を含む半導体積層構造体、及び半導体素子。【選択図】図６
2014204131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ２Ｏ３基板と、
前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成される窒化物半導体層と、を有し、
前記窒化物半導体層は、
第１の酸素濃度を有し、前記Ｇａ２Ｏ３基板に近い側に形成される第１の層と、
前記第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度を有し、前記Ｇａ２Ｏ３基板から遠い側に形成される第２の層と、を含む、
半導体積層構造体。
【請求項２】
前記窒化物半導体層の前記第１の層と、前記Ｇａ２Ｏ３基板との間にバッファ層が形成されている請求項１に記載の半導体積層構造体。
【請求項３】
前記窒化物半導体層の前記第１の層は、前記窒化物半導体層の厚さに対して、３４％以上、６０％以下の厚さを有する請求項１あるいは２に記載の半導体積層構造体。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体積層構造体を含む、
半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体積層構造体、及び半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｇａ２Ｏ３基板上にバッファ層を介して窒化物半導体結晶を成長させる発光素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の発光素子の製造方法によれば、窒化物半導体結晶を２段階に分けて成長させており、初めに窒素ガスをキャリアガスとして用いて７００℃から１０３５℃の温度で成長させた後、続けて水素ガスをキャリアガスとして用いて１０５０℃以上の温度で成長させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１４２５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的の１つは、Ｇａ２Ｏ３基板上に高品質の窒化物半導体層が形成された半導体積層構造体、及び半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［４］の半導体積層構造体、及び半導体素子を提供する。
【０００７】
［１］Ｇａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成される窒化物半導体層と、を有し、前記窒化物半導体層は、第１の酸素濃度を有し、前記Ｇａ２Ｏ３基板に近い側に形成される第１の層と、前記第１の酸素濃度より低い第２の酸素濃度を有し、前記Ｇａ２Ｏ３基板から遠い側に形成される第２の層と、を含む半導体積層構造体。
【０００８】
［２］前記窒化物半導体層の前記第１の層と、前記Ｇａ２Ｏ３基板との間にバッファ層が形成されている請求項１に記載の半導体積層構造体。
【０００９】
［３］前記窒化物半導体層の前記第１の層は、前記窒化物半導体層の厚さに対して、３４％以上、６０％以下の厚さを有する請求項１あるいは２に記載の半導体積層構造体。
【００１０】
［４］上記［１］に記載の半導体積層構造体を含む、半導体素子。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｇａ２Ｏ３基板上に高品質の窒化物半導体層が形成された半導体積層構造体、及び半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体の垂直断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体の製造工程を表す垂直断面図である。
【図３】図３（ａ）は、結晶核生成前の膜状のバッファ層の表面の観察画像である。図３（ｂ）は、８９０℃で結晶核生成したバッファ層の表面の観察画像である。
【図４】図４（ａ）は、９９０℃で結晶核生成したバッファ層の表面の観察画像である。図４（ｂ）は、１０９０℃で結晶核生成したバッファ層の表面の観察画像である。
【図５】図５（ａ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層の表面の観察画像である。図５（ｂ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が９９０℃であった窒化物半導体層の表面の観察画像である。図５（ｃ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層の表面の観察画像である。
【図６】図６は、ＧａＮ結晶である第２の結晶の成長温度と酸素濃度との関係を表すグラフである。
【図７】図７は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度と窒化物半導体層１３のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、第１の層の厚さと窒化物半導体層のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）は、第１の層の厚さが３０００ｎｍである窒化物半導体層の表面の観察画像である。図９（ｂ）は、第１の層の厚さが４０００ｎｍである窒化物半導体層の表面の観察画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ｇａ２Ｏ３基板上に窒化物半導体からなるバッファ層を介して窒化物半導体結晶を成長させる場合には、キャリアガスや結晶の原料ガスによるＧａ２Ｏ３基板の表面のエッチングを抑えることが重要である。Ｇａ２Ｏ３基板の表面がキャリアガスや結晶の原料ガスによりエッチングされると、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体結晶との界面にボイドが発生するおそれがある。例えば、キャリアガスとして用いられるＨ２ガスや、Ｎの原料としてのＮＨ３ガスが、Ｇａ２Ｏ３基板に対する反応性が高く、Ｇａ２Ｏ３基板をエッチングしやすい。
【００１４】
Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体結晶との界面にボイドが発生した場合、窒化物半導体層が成長時に発生する応力等により割れたり、Ｇａ２Ｏ３基板から剥がれたりするおそれがある。また、窒化物半導体結晶中に、Ｇａ２Ｏ３基板との界面から上面まで達する高密度の転位等が発生し、結晶品質が低下するおそれがある。
【００１５】
そこで、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体結晶との界面におけるボイドの発生を抑えるための方法の１つとして、Ｇａ２Ｏ３基板に対する反応性が高いＨ２ガス以外のガスをキャリアガスとして用いて、キャリアガスによるＧａ２Ｏ３基板のエッチングを抑える方法がある。
【００１６】
また、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体結晶との界面におけるボイドの発生を抑えるための他の方法として、バッファ層をＧａ２Ｏ３基板の上面の全域を覆うように厚く形成し、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体結晶とが直接接触しないようにし、Ｇａ２Ｏ３基板と窒化物半導体結晶との界面を形成しない方法がある。
【００１７】
しかしながら、Ｈ２ガス以外のガス、例えばＮ２ガスをキャリアガスとして用いる場合には、窒化物半導体結晶の結晶品質が低くなり、電気抵抗が大きくなるという問題がある。また、バッファ層を厚く形成する場合は、結晶積層構造体の縦方向の電気抵抗が高くなり、また、窒化物半導体結晶の結晶品質が低くなる。
【００１８】
そこで、この様な問題を回避するため、本発明者等は、鋭意研究の結果、窒化物半導体結晶の成長条件を制御することにより、上記の方法を用いずにキャリアガスによるＧａ２Ｏ３基板のエッチングを抑えることができ、かつ高品質の結晶積層構造体が得られることを見出した。その一例を、実施の形態として以下に説明する。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
（結晶積層構造体の構造）
図１は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体１０の垂直断面図である。結晶積層構造体１０は、Ｇａ２Ｏ３基板１１と、Ｇａ２Ｏ３基板１１上のバッファ層１２と、バッファ層１２上の窒化物半導体層１３を含む。
【００２０】
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面は、品質の高い窒化物半導体結晶の成長の下地となることのできる、（１０１）、（−２０１）等の面方位を有する面である。
【００２１】
バッファ層１２は、窒化物半導体結晶、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する結晶である第１の結晶からなる。この第１の結晶の典型的な組成はＡｌＮ（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）である。バッファ層１２は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆う。
【００２２】
窒化物半導体層１３は、窒化物半導体結晶、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される組成を有する結晶である第２の結晶からなる。この第２の結晶の典型的な組成はＧａＮ（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）である。
【００２３】
窒化物半導体層１３は、第１の層１３ａと、第１の層１３ａ上の第２の層１３ｂを含む。第１の層１３ａは、９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で第２の結晶を成長させることにより形成される層である。また、第２の層１３ｂは、１０５０℃以上かつ１１２５℃以下の温度で第２の結晶を成長させることにより形成される層である。
【００２４】
第１の層１３ａの厚さＴ１は、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの３４％以上かつ６０％以下であることが好ましい。
【００２５】
窒化物半導体層１３は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面のバッファ層１２に覆われていない部分に接触する。
【００２６】
なお、Ｇａ２Ｏ３基板１１及び窒化物半導体層１３は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。
【００２７】
（結晶積層構造体の製造方法）
以下に、本実施の形態の結晶積層構造体の製造工程の一例について説明する。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施の形態に係る結晶積層構造体１０の製造工程を表す垂直断面図である。
【００２９】
まず、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理されたＧａ２Ｏ３基板１１に有機洗浄、ＳＰＭ（Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture）洗浄、及びＨＦ液による洗浄を施す。
【００３０】
次に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置のチャンバー内にＧａ２Ｏ３基板１１を搬送する。
【００３１】
次に、図２（ａ）に示されるように、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に膜状のバッファ層１２を形成する。この膜状のバッファ層１２は、チャンバー内の温度を４００〜６００℃に保持した状態で、第１の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのＮ２ガスをチャンバー内に供給して、第１の結晶をＧａ２Ｏ３基板１１上に成長させることにより形成される。
【００３２】
第１の結晶の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、Ｇａの原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、Ｉｎの原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。
【００３３】
この段階では、バッファ層１２はほぼ均一の厚さを有する膜であり、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面の全域を覆っている。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示されるように、バッファ層１２上に第２の結晶を成長させ、窒化物半導体層１３の第１の層１３ａを形成する。この工程を第２の結晶の第１の成長工程とする。
【００３５】
第１の成長工程では、チャンバー内の温度を９５０℃以上かつ１０３０℃以下に保持した状態で、第２の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのＨ２ガスをチャンバー内に供給して、第２の結晶をバッファ層１２上に成長させる。
【００３６】
第２の結晶の原料ガスとしては、例えば、Ａｌの原料としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、Ｇａの原料としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、Ｉｎの原料としてのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。
【００３７】
ここで、第２の結晶を成長させるためにチャンバー内の温度を上昇させることにより、膜状のバッファ層１２から複数の第１の結晶の核がアイランド状に生成される。これにより、バッファ層１２がアイランド状の複数の結晶核から構成される層に変化し、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆うことになる。
【００３８】
なお、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を高く設定するほど、バッファ層１２における核生成が促進され、結晶核が大きく、かつ少なくなる。その結果、結晶核の間隔が大きくなり、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面がＨ２ガスやＮＨ３ガスによりエッチングされ易くなるため、Ｇａ２Ｏ３基板１１と第２の結晶との界面にボイドが発生しやすくなる。
【００３９】
そして、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を１０３０℃より高い温度に設定した場合には、Ｇａ２Ｏ３基板１１と第２の結晶との界面に、第２の結晶の割れや剥がれを引き起こすおそれのある量や大きさのボイドが発生する。そのため、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度は１０３０℃以下に設定される。
【００４０】
一方、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を低く設定するほど、バッファ層１２における核生成が進まず、結晶核が小さく、かつ多くなる。その結果、Ｇａ２Ｏ３基板１１と第２の結晶との界面から発生する転移の密度が高くなる。第２の結晶中に高密度の転位が発生すると、成長中に大きな応力が生じ、割れや剥がれを引き起こす。
【００４１】
そして、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を９５０℃より低い温度に設定した場合には、第２の結晶中に割れや剥がれを引き起こすおそれのある高密度の転位が存在する。そのため、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度は９５０℃以上に設定される。
【００４２】
なお、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が適切であっても、膜状のバッファ層１２が厚すぎるとアイランド状の結晶核が生成されないため、図２（ａ）に示される膜状のバッファ層１２はおよそ１〜５ｎｍの厚さに形成されることが好ましい。
【００４３】
次に、図２（ｃ）に示されるように、第１の層１３ａ上に第２の結晶を成長させ、第２の層１３ｂを形成する。この工程を第２の結晶の第２の成長工程とする。
【００４４】
第２の成長工程では、チャンバー内の温度を１０５０℃以上かつ１１２５℃以下に保持した状態で、第２の結晶の原料ガスとキャリアガスとしてのＨ２ガスをチャンバー内に供給して、第２の結晶の成長を継続する。
【００４５】
ここで、第２の成長工程における第２の結晶の成長温度を１０５０℃より低い温度に設定した場合には、第２の結晶の成長速度が低すぎるため、水平方向への成長速度が低くなる。その結果、第２の層１３ｂの上面の平坦性が悪くなり、白濁が生じる。
【００４６】
なお、当然ながら、第２の結晶の第１の成長工程のみで窒化物半導体層１３を形成しようとする場合（第１の層１３ａのみで窒化物半導体層１３を構成する場合）は、最後まで９５０℃以上かつ１０３０℃以下の温度で第２の結晶を成長させることになるため、窒化物半導体層１３の上面の平坦性が悪くなり、白濁が生じる。
【００４７】
上記のように、第１の成長工程により窒化物半導体層１３の結晶品質を向上させ、かつ、Ｇａ２Ｏ３基板１１からの剥がれを防ぐことができ、第２の成長工程により窒化物半導体層１３の上面を平坦化し、白濁をふせぐことができる。
【００４８】
このため、窒化物半導体層１３の形成における第１の成長工程の割合が大きいほど、窒化物半導体層１３の結晶品質を向上させることができるが、第２の成長工程の割合が少なすぎると、窒化物半導体層１３の上面を十分に平坦化することができない。そこで、窒化物半導体層１３の上面を十分に平坦化し、かつ窒化物半導体層１３の結晶品質を高めるためには、第１の成長工程で形成される第１の層１３ａの厚さＴ１が、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの３４％以上かつ６０％以下であることが好ましい。
【００４９】
なお、仮に第１の層１３ａ中に転移が発生した場合であっても、第２の層１３ｂを形成するために第２の結晶の成長温度を変化させたときに成長方向が変わり、転移の方向を曲げることができる。Ｇａ２Ｏ３基板１１の鉛直方向に伸びていた転位を水平方向に曲げることで、転移同士をぶつけ合い消滅させることもできる。
【００５０】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、窒化物半導体層１３の形成を第１の成長工程と第２の成長工程の２段工程を含む工程で行うことにより、結晶品質が高く、Ｇａ２Ｏ３基板１１から剥がれず、かつ上面が平坦で白濁していない窒化物半導体層１３を得ることができる。また、第１の成長工程おいてＨ２ガスをキャリアガスとして用いてもＧａ２Ｏ３基板１１と窒化物半導体結晶１３との界面におけるボイドの発生を抑えることができるため、より結晶品質の高い窒化物半導体層１３を形成することができる。
【００５１】
そして、このような高品質の窒化物半導体層１３を含む結晶積層構造体１０は、十分な特性を備えた発光素子やトランジスタ等のデバイスの形成に用いることができる。
【実施例１】
【００５２】
第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が窒化物半導体層１３の品質に与える影響を評価した。
【００５３】
まず、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（１０１）面を主面とする３枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、３枚のＧａ２Ｏ３基板１１を格納したチャンバー内の温度をそれぞれ８９０℃、９９０℃、１０９０℃まで上昇させて、アイランド状の結晶核を生成した。そして、各々のＧａ２Ｏ３基板１１上のバッファ層１２の結晶核の状態を電子顕微鏡により観察した。
【００５４】
図３（ａ）は、結晶核生成前の膜状のバッファ層１２の表面の観察画像である。図３（ｂ）は、８９０℃で結晶核生成したバッファ層１２の表面の観察画像である。図４（ａ）は、９９０℃で結晶核生成したバッファ層１２の表面の観察画像である。図４（ｂ）は、１０９０℃で結晶核生成したバッファ層１２の表面の観察画像である。
【００５５】
図３（ａ）に示されるように、４５０℃で形成した膜状のバッファ層１２の表面は平坦であり、目立った凹凸は観察されない。そして、図３（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、昇温後の温度が高いほど結晶核が大きくなり、その数が減少する。なお、図３（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）の結晶核の下に観察される均一な濃い色の部分は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面の露出部分である。
【００５６】
これらの結果は、窒化物半導体層１３を形成する際の第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が高いほど、膜状のバッファ層１２から生成される結晶核が大きくなり、その数が減少することを示している。
【００５７】
次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（１０１）面を主面とする３枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、３枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に、それぞれ成長温度８９０℃、９９０℃、１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて第１の層１３ａを形成した（第１の成長工程）。さらに、３枚のＧａ２Ｏ３基板１１の第１の層１３ａ上に、成長温度１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を各々成長させて、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが２３００ｎｍとなるように第２の層１３ｂを形成した（第２の成長工程）。そして、各々のＧａ２Ｏ３基板１１上の窒化物半導体層１３の表面（第２の層１３ｂの表面）の状態を光学顕微鏡により観察した。
【００５８】
図５（ａ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。図５（ｂ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が９９０℃であった窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。図５（ｃ）は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。
【００５９】
図５（ａ）に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層１３の内部には、矢印で示される位置に割れが発生した。これは、第２の結晶の成長途中に発生した割れが、その上に成長した第２の結晶に覆われたものである。
【００６０】
また、図５（ｃ）に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層１３の内部には、矢印で示される位置にボイドが発生した。
【００６１】
一方、図５（ｂ）に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が１０９０℃であった窒化物半導体層１３には、割れもボイドも観察されなかった。そして、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度がおよそ９５０℃以上かつ１０３０℃以下である場合に、窒化物半導体層１３に割れ及びボイドが発生しないことが確認された。
【００６２】
図６は、ＧａＮ結晶である第２の結晶の成長温度と酸素濃度との関係を表すグラフである。図６は、結晶成長温度の増加に伴って酸素濃度が低下することを示している。図６を用いれば、例えば、第１の層１３ａの酸素濃度を測定することにより、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度を推定できる。
【００６３】
図７は、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度と窒化物半導体層１３のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。
【００６４】
図７には、窒化物半導体層１３の第２の結晶の（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が示されている。
【００６５】
図７に示されるように、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃であった窒化物半導体層１３において、第２の結晶の（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が広い。これは、第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が８９０℃程度であるときには、窒化物半導体層１３の結晶品質が低くなることを表している。
【００６６】
第１の成長工程における第２の結晶の成長温度が、窒化物半導体層１３に割れ及びボイドが発生しない９５０℃以上かつ１０３０℃以下であるときは、（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が比較的狭く、窒化物半導体層１３の結晶品質が高いことが図７から読み取れる。
【００６７】
なお、本実施例においては、Ｇａ２Ｏ３基板１１として（１０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板を用いた場合の評価結果を示したが、（−２０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板を用いた場合にも同様の評価結果が得られる。また、第１の結晶がＡｌＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合や、第２の結晶がＧａＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合であっても、同様の評価結果が得られる。
【実施例２】
【００６８】
第１の層１３ａの厚さが窒化物半導体層１３の品質に与える影響を評価した。
【００６９】
ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（１０１）面を主面とする３枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に成長温度４５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、３枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に成長温度９９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、それぞれ厚さ５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍの第１の層１３ａを形成した（第１の成長工程）。さらに、３枚のＧａ２Ｏ３基板１１の第１の層１３ａ上に、成長温度１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが２０００ｎｍとなるように第２の層１３ｂを各々形成した（第２の成長工程）。
【００７０】
図８は、第１の層１３ａの厚さＴ１と窒化物半導体層１３のＸ線ロッキングカーブの半値幅との関係を示すグラフである。
【００７１】
図８には、窒化物半導体層１３の第２の結晶の（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が示されている。
【００７２】
図８は、第１の層１３ａの厚さＴ１が大きくなるほど（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が狭くなり、窒化物半導体層１３の結晶品質が高くなることを示している。
【００７３】
結晶品質の高さの１つの指標として、（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５５０秒以下であることを用いれば、第１の層１３ａの厚さＴ１がおよそ６８０ｎｍ以上であるときに、窒化物半導体層１３の結晶品質が高くなるということができる。すなわち、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが２０００ｎｍであるので、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの３４％以上であるときに、窒化物半導体層１３の結晶品質が高くなるということができる。
【００７４】
次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、（−２０１）面を主面とする２枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に成長温度５５０℃でＡｌＮ結晶である第１の結晶を成長させて膜状のバッファ層１２をそれぞれ形成し、続いて、２枚のＧａ２Ｏ３基板１１上に成長温度９９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、それぞれ厚さ３０００ｎｍ、４０００ｎｍの第１の層１３ａを形成した（第１の成長工程）。さらに、２枚のＧａ２Ｏ３基板１１の第１の層１３ａ上に、成長温度１０９０℃でＧａＮ結晶である第２の結晶を成長させて、窒化物半導体層１３の全体の厚さＴが６０００ｎｍとなるように第２の層１３ｂを各々形成した（第２の成長工程）。そして、各々のＧａ２Ｏ３基板１１上の窒化物半導体層１３の表面（第２の層１３ｂの表面）の状態を光学顕微鏡により観察した。
【００７５】
図９（ａ）は、第１の層１３ａの厚さＴ１が３０００ｎｍである窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。この窒化物半導体層１３においては、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの５０％である。
【００７６】
図９（ｂ）は、第１の層１３ａの厚さＴ１が４０００ｎｍである窒化物半導体層１３の表面の観察画像である。この窒化物半導体層１３においては、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの６７％である。
【００７７】
図９（ｂ）に示されるように、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの６７％である窒化物半導体層１３の表面には、丸で囲まれる位置にピットが発生した。これは、第１の層１３ａの厚さＴ１の窒化物半導体層１３の全体の厚さＴに対する割合が大きすぎると、第２の結晶の成長温度が高く、結晶表面を平坦化することのできる第２の成長工程が短くなることによる。ピットを含む結晶を用いてデバイスを製造した場合、ピットがリーク等の不良の原因となることが知られている。
【００７８】
一方、図９（ａ）に示されるように、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴの５０％である窒化物半導体層１３の表面には、ピットが観察されなかった。そして、第１の層１３ａの厚さＴ１が窒化物半導体層１３の全体の厚さＴのおよそ６０％以下である場合に、窒化物半導体層１３の表面にピットが発生しないことが確認された。
【００７９】
なお、本実施例においては、Ｇａ２Ｏ３基板１１として（−２０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板を用いた評価と、（１０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板を用いた評価の結果を示したが、いずれの評価においても、（１０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板と（−２０１）面を主面とするＧａ２Ｏ３基板のいずれの基板を用いても同様の評価結果が得られる。また、第１の結晶がＡｌＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合や、第２の結晶がＧａＮ結晶以外の窒化物半導体結晶である場合であっても、同様の評価結果が得られる。
【００８０】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００８１】
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００８２】
１０…結晶積層構造体、  １１…Ｇａ２Ｏ３基板、  １２…バッファ層、  １３…窒化物半導体層、  １３ａ…第１の層、  １３ｂ…第２の層
【図１】
2014204131.tif 000003
【図２】
2014204131.tif 000004
【図６】
2014204131.tif 000005
【図７】
2014204131.tif 000006
【図８】
2014204131.tif 000007
【図３】
2014204131.tif 000008
【図４】
2014204131.tif 000009
【図５】
2014204131.tif 000010
【図９】
2014204131.tif 000011