(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の上に結晶成長されて形成されたＡｌＮバッファ層を含み主面を有する下地層と、
前記下地層の上に設けられた積層体であって、
前記下地層の上に設けられた第１ＧａＮ中間層と、
前記第１ＧａＮ中間層の上において前記第１ＧａＮ中間層と接して設けられＡｌＮの第１高Ａｌ組成層と、
前記第１高Ａｌ組成層の上において前記第１高Ａｌ組成層と接して設けられＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）の第１低Ａｌ組成層と、
を含む第１積層中間層を含む積層体と、
前記積層体の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
を備え、
前記第１低Ａｌ組成層におけるＡｌ組成比は、無歪みのＧａＮの前記主面に対して平行な第１軸の格子間隔と無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の絶対値の第１比、以下であり、
前記第１低Ａｌ組成層は前記第１軸方向の圧縮歪みを有しており、
前記第１低Ａｌ組成層の前記第１軸方向の格子間隔は、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔と等しく、
前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔は、前記無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔よりも大きく、
前記第１高Ａｌ組成層は前記第１ＧａＮ中間層との界面で格子緩和しており、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔は、前記第１ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔よりも小さく、
前記第１比は、０．５７以上１未満である窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記積層体と前記機能層との間に設けられたＧａＮ層をさらに備えた請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記積層体は、前記第１積層中間層と前記機能層との間に設けられた第２積層中間層をさらに含み、
前記第２積層中間層は、
前記第１積層中間層の上に設けられた第２ＧａＮ中間層と、
前記第２ＧａＮ中間層の上に設けられＡｌＮの第２高Ａｌ組成層と、
前記第２高Ａｌ組成層の上に設けられＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２＜１）の第２低Ａｌ組成層と、
を含み、
前記第２低Ａｌ組成層におけるＡｌ組成比は、無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第２高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の絶対値の第２比、以下であり、
前記第２低Ａｌ組成層は前記第１軸方向の圧縮歪みを有しており、
前記第２低Ａｌ組成層の前記第１軸方向の格子間隔は、前記第２高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔と等しく、
前記第２高Ａｌ組成層は前記第２ＧａＮ中間層との界面で格子緩和しており、前記第２高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔は、前記第２ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔よりも小さく、
前記第１比は、０．５７以上１未満である請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第１低Ａｌ組成層の前記Ａｌ組成比は、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の前記絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の前記絶対値の前記第１比の３５％以上である請求項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】
前記第１ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔は、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔よりも小さい請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
主面を有するシリコン基板と、
前記主面の上に設けられＡｌＮバッファ層を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられた積層体であって、
前記下地層の上に設けられた第１ＧａＮ中間層と、
前記第１ＧａＮ中間層の上において前記第１ＧａＮ中間層と接して設けられＡｌＮの第１高Ａｌ組成層と、
前記第１高Ａｌ組成層の上において前記第１高Ａｌ組成層と接して設けられＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）の第１低Ａｌ組成層と、
を含む第１積層中間層を含む積層体と、
前記積層体の上に設けられた窒化物半導体層と、
を備え、
前記第１低Ａｌ組成層におけるＡｌ組成比は、無歪みのＧａＮの前記主面に対して平行な第１軸の格子間隔と無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の絶対値の第１比、以下であり、
前記第１低Ａｌ組成層は前記第１軸方向の圧縮歪みを有しており、
前記第１低Ａｌ組成層の前記第１軸方向の格子間隔は、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔と等しく、
前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔は、前記無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔よりも大きく、
前記第１高Ａｌ組成層は前記第１ＧａＮ中間層との界面で格子緩和しており、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔は、前記第１ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔よりも小さく、
前記第１比は、０．５７以上１未満であるウェーハ。
【請求項７】
前記積層体は、前記第１積層中間層の上に設けられた第２積層中間層をさらに含み、
前記第２積層中間層は、
前記第１積層中間層の上に設けられた第２ＧａＮ中間層と、
前記第２ＧａＮ中間層の上に設けられＡｌＮの第２高Ａｌ組成層と、
前記第２高Ａｌ組成層の上に設けられＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２＜１）の第２低Ａｌ組成層と、
を含み、
前記第２低Ａｌ組成層におけるＡｌ組成比は、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第２高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の絶対値の第２比、以下であり、
前記第２低Ａｌ組成層は前記第１軸方向の圧縮歪みを有しており、
前記第２低Ａｌ組成層の前記第１軸方向の格子間隔は、前記第２高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔と等しく、
前記第２高Ａｌ組成層は前記第２ＧａＮ中間層との界面で格子緩和しており、前記第２高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔は、前記第２ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔よりも小さく、
前記第１比は、０．５７以上１未満である請求項６記載のウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、窒化物半導体素子及びウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子の１つである発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば、表示装置や照明などに用いられている。また、窒化物半導体を用いた電子デバイスは高速電子デバイスやパワーデバイスに利用されている。
【０００３】
このような窒化物半導体素子を、量産性に優れるシリコン基板上に形成すると、格子定数および熱膨張係数の違いに起因した欠陥、及び、クラックが発生しやすい。特にシリコンなどの基板上において、クラックが少ない高品質な結晶を作製する技術が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９−５２７９１３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、クラックが少ない窒化物半導体素子及びウェーハを提供する。
【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、シリコン基板の上に結晶成長されて形成されたＡｌＮバッファ層を含み主面を有する下地層と、前記下地層の上に設けられた積層体であって、前記下地層の上に設けられた第１ＧａＮ中間層と、前記第１ＧａＮ中間層の上において前記第１ＧａＮ中間層と接して設けられＡｌＮの第１高Ａｌ組成層と、前記第１高Ａｌ組成層の上において前記第１高Ａｌ組成層と接して設けられＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）の第１低Ａｌ組成層と、を含む第１積層中間層を含む積層体と、前記積層体の上に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記第１低Ａｌ組成層におけるＡｌ組成比は、無歪みのＧａＮの前記主面に対して平行な第１軸の格子間隔と無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の絶対値の第１比、以下である。前記第１低Ａｌ組成層は前記第１軸方向の圧縮歪みを有している。  前記第１低Ａｌ組成層の前記第１軸方向の格子間隔は、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔と等しい。前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔は、前記無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔よりも大きい。前記第１高Ａｌ組成層は前記第１ＧａＮ中間層との界面で格子緩和しており、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔は、前記第１ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔よりも小さい。前記第１比は、０．５７以上１未満である。
本発明の別の実施形態によれば、主面を有するシリコン基板と、前記主面の上に設けられＡｌＮバッファ層を含む下地層と、前記下地層の上に設けられた積層体であって、前記下地層の上に設けられた第１ＧａＮ中間層と、前記第１ＧａＮ中間層の上において前記第１ＧａＮ中間層と接して設けられＡｌＮの第１高Ａｌ組成層と、前記第１高Ａｌ組成層の上において前記第１高Ａｌ組成層と接して設けられＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）の第１低Ａｌ組成層と、を含む第１積層中間層を含む積層体と、前記積層体の上に設けられた窒化物半導体層と、を備えたウェーハが提供される。前記第１低Ａｌ組成層におけるＡｌ組成比は、無歪みのＧａＮの前記主面に対して平行な第１軸の格子間隔と無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔との差の絶対値に対する、前記無歪みのＧａＮの前記第１軸の格子間隔と前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔との差の絶対値の第１比、以下である。前記第１低Ａｌ組成層は前記第１軸方向の圧縮歪みを有している。前記第１低Ａｌ組成層の前記第１軸方向の格子間隔は、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔と等しい。前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の格子間隔は、前記無歪みのＡｌＮの前記第１軸の格子間隔よりも大きい。前記第１高Ａｌ組成層は前記第１ＧａＮ中間層との界面で格子緩和しており、前記第１高Ａｌ組成層の前記第１軸の前記格子間隔は、前記第１ＧａＮ中間層の前記第１軸の格子間隔よりも小さい。前記第１比は、０．５７以上１未満である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、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図である。
【図４】窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を示す顕微鏡像である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｄ）は、窒化物半導体素子のＸ線回折測定の結果を示す模式図である。
【図７】窒化物半導体における転位密度を示すグラフ図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｄ）は、窒化物半導体素子を示す模式図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）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図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、第２の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハを示す模式図である。
【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（ａ）〜図１（ｄ）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図である。  
図１（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０の構成を例示する模式的断面図である。図１（ｂ）は、積層体におけるＡｌ組成比（ＣＡｌ）を例示するグラフ図である。図１（ｃ）は、積層体における成長温度ＧＴ（形成温度）を例示するグラフ図である。図１（ｄ）は、積層体におけるａ軸の格子間隔Ｌｄを例示するグラフ図である。
【００１１】
図１（ａ）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と、積層体５０と、機能層１０と、を含む。下地層６０は、主面６０ａを有する。積層体５０は、下地層６０の主面６０ａと、機能層１０との間に設けられる。積層体５０は、第１積層中間層５０ａを含む。
【００１２】
ここで、主面６０ａに対して垂直な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸方向とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。機能層１０は、積層体５０とＺ軸に沿って積層される。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。
【００１３】
この例では、窒化物半導体素子１１０は、基板４０をさらに含む。基板４０と積層体５０（例えば第１積層中間層５０ａ）との間に下地層６０が配置される。基板４０は、主面４０ａを有している。基板４０の主面４０ａは、下地層６０の主面６０ａに対して平行である。
【００１４】
基板４０には、例えば、シリコン基板が用いられる。基板４０は、例えば、Ｓｉ（１１１）基板である。ただし、実施形態において、基板４０の面方位は、（１１１）面でなくても良く、例えば、（１１ｎ）（ｎ：整数）で表される面方位や（１００）面でも良い。（１１０）面の基板４０を用いると、例えば、シリコン基板と窒化物半導体層との格子不整合が小さくなるため好ましい。
【００１５】
また、基板４０として、酸化物層を含む基板を用いることができる。例えば、基板４０としては、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用いることができる。
【００１６】
基板４０は、機能層１０の格子間隔とは異なる格子定数を有する材料、または、機能層１０の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する材料を含む。
【００１７】
例えば、基板４０の材料として、サファイア、スピネル、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＳｉＧｅまたはＳｉＣを用いることができる。
【００１８】
窒化物半導体素子１１０は、基板４０が除去された状態で使用される場合がある。また、窒化物半導体素子１１０は、下地層６０と、積層体５０と、が除去された状態で使用される場合がある。窒化物半導体素子１１０は、機能層１０の一部が除去された状態で使用される場合がある。
【００１９】
主面６０ａに対して平行な１つの軸を第１軸とする。第１軸の方向は、Ｘ−Ｙ平面内の任意の方向である。第１軸として、例えば、結晶のａ軸を用いることができる。  
下地層６０の主面６０ａに対して垂直な軸（Ｚ軸）が、下地層６０の結晶のｃ軸に対して、実質的に平行になる場合、下地層６０のａ軸は、Ｚ軸に対して実質的に垂直である。なお、ａ軸は、Ｘ−Ｙ平面内の任意の方向である。
【００２０】
この場合、積層体５０に含まれる結晶のａ軸は、Ｚ軸に対して垂直である。機能層１０に含まれる結晶のａ軸は、Ｚ軸に対して垂直である。下地層６０におけるａ軸、積層体５０におけるａ軸、及び、機能層１０におけるａ軸は、互いに実質的に平行である。
【００２１】
以下では、結晶のｃ軸が積層方向（Ｚ軸）に実質的に平行な場合について説明する。すなわち、ａ軸はＺ軸に対して実質的に垂直であり、Ｘ−Ｙ平面と平行である。ただし、後述するように、実施形態において、第１軸は、ａ軸以外でも良い。
【００２２】
下地層６０は、ＡｌＮバッファ層６２と、ＡｌＧａＮ下地層６３と、を有する。  
ＡｌＮバッファ層６２は、ＡｌＧａＮ下地層６３と基板４０との間に配置される。ＡｌＮバッファ層６２は、基板４０の上に形成され、基板４０に接している。
【００２３】
ＡｌＮとシリコンとの化学反応は生じ難い。基板４０に接して、ＡｌＮを含むＡｌＮバッファ層６２を設けることで、シリコンとガリウムとの反応によって生じるメルトバックエッチングなどが抑制される。ＡｌＮバッファ層６２の厚さは、例えば２０ｎｍ（ナノメートル）以上４００ｎｍ以下が好ましく、例えば約１００ｎｍである。
【００２４】
ＡｌＧａＮ下地層６３は、ＡｌＮバッファ層６２の上に形成される。ＡｌＧａＮ下地層６３は、ＡｌとＧａとＮとを含む。ＡｌＧａＮ下地層６３のＡｌ組成比は、例えば０．１以上０．９以下が好ましい。より好ましくは、０．２以上０．６以下であり、例えば０．２５である。Ａｌ組成比は、III族元素の原子の個数に占めるＡｌ元素の原子の個数の割合である。ＡｌＧａＮ下地層６３は一層に限らず、Ａｌ組成比の異なる複数の層が積層されていてもよい。この場合、ＡｌＮバッファ層６２から機能層１０に向かう方向に、Ａｌ組成比を徐々に小さくすることが好ましい。Ａｌ組成比の異なる複数の層を積層することで、格子不整合によって生じる欠陥が抑制される。
【００２５】
ＡｌＧａＮ下地層６３により、メルトバックエッチングの抑制効果を増大させることができる。また、ＡｌＧａＮ下地層６３内に圧縮応力が形成され、結晶成長後の降温過程において窒化物半導体（例えば機能層１０）と基板４０との間の熱膨張係数の差によって生じる引っ張り応力が低減される。これにより、クラックの発生を抑制することができる。ＡｌＧａＮ下地層６３の厚さは、例えば１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、例えば約２５０ｎｍである。
【００２６】
互いに組成が異なる複数の窒化物半導体層を積層した場合に、上に積層する窒化物半導体層（例えば、ＡｌＧａＮ下地層６３）は、下に形成された窒化物半導体層（例えば、ＡｌＮバッファ層６２）の格子間隔（格子の長さ）に整合するように形成される。このため、窒化物半導体層の実際の格子間隔は、無歪みの格子間隔（格子定数）とは異なる。
【００２７】
本明細書において、窒化物半導体の無歪みの格子間隔を「格子定数」とする。形成した窒化物半導体層の実際の格子の長さを「格子間隔」とする。格子定数は、例えば、物性定数である。格子間隔は、例えば、形成された窒化物半導体素子に含まれる窒化物半導体層における実際の格子の長さのことである。格子間隔は、例えば、Ｘ線回折測定から求められる。
【００２８】
この例では、下地層６０は、ＧａＮ下地層６１をさらに含む。ＧａＮ下地層６１とＡｌＮバッファ層６２との間にＡｌＧａＮ下地層６３が配置される。すなわち、ＧａＮ下地層６１は、ＡｌＧａＮ下地層６３の上に形成される。ＡｌＧａＮ下地層６３の上にＧａＮ下地層６１を設けることで、積層体５０の結晶成長中に圧縮応力が生じ易くなる。これにより、クラックの発生を抑制することができる。
【００２９】
ＡｌＧａＮ下地層６３の格子間隔に比べ、格子定数の大きいＧａＮ下地層６１を形成する際、ＧａＮ下地層６１がＡｌＧａＮ下地層６３の格子間隔に格子整合するように形成され、ＧａＮ下地層６１には圧縮応力が形成される。ＧａＮ下地層６１の膜厚が増加すると、ＧａＮ下地層６１において格子緩和が生じ、ＧａＮ下地層６１の格子間隔は無歪みのＧａＮの格子間隔に近づく。ＧａＮ下地層６１の実際の格子間隔が、無歪みのＧａＮの格子間隔（ＧａＮの格子定数）に実質的に同じになった場合、さらに膜厚を増加させても、ＧａＮ下地層６１に加わる圧縮応力は生じず、基板４０から受ける引っ張り応力の影響を受けやすくなる。ＧａＮ下地層６１の厚さを適切に設定することで、ＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔が無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔（ＧａＮの格子定数）よりも小さい状態を維持できる。ＧａＮ下地層６１の厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、例えば約４００ｎｍである。なお、ＧａＮ下地層６１は、必要に応じて設けられ、場合によっては省略しても良い。
【００３０】
下地層６０の上に積層体５０が形成される。積層体５０は、ＧａＮ中間層５１（第１ＧａＮ中間層５１ａ）と、高Ａｌ組成層５２（第１高Ａｌ組成層５２ａ）と、低Ａｌ組成層５３（第１低Ａｌ組成層５３ａ）と、を有する。ＧａＮ中間層５１は、低Ａｌ組成層５３と下地層６０との間に設けられる。高Ａｌ組成層５２は、低Ａｌ組成層５３と下地層６０との間に設けられる。すなわち、低Ａｌ組成層５３は、高Ａｌ組成層５２の上に設けられ、高Ａｌ組成層５２は、ＧａＮ中間層５１の上に設けられる。
【００３１】
高Ａｌ組成層５２（第１高Ａｌ組成層５２ａ）には、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）が用いられる。高Ａｌ組成層５２（第１高Ａｌ組成層５２ａ）には、例えばＡｌＮを用いることができる。低Ａｌ組成層５３（第１低Ａｌ組成層５３ａ）には、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、ｙ１＜ｘ１）が用いられる。
【００３２】
ＧａＮ中間層５１の厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、例えば約３００ｎｍである。
【００３３】
高Ａｌ組成層５２におけるＡｌ組成比は、例えば０．５以上１．０以下が好ましく、例えば約１．０である。高Ａｌ組成層５２におけるＡｌ組成比が０．５よりも小さいと、高Ａｌ組成層５２が十分に緩和し難い。高Ａｌ組成層５２の厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、例えば約１２ｎｍである。高Ａｌ組成層５２の厚さが５ｎｍよりも薄いと、高Ａｌ組成層５２が十分に緩和し難い。高Ａｌ組成層５２の厚さが１００ｎｍよりも厚いと、高Ａｌ組成層５２の結晶品質が劣化しやすい。例えば、表面平坦性が悪化し、ピットが生じやすい。高Ａｌ組成層５２の厚さは、更に好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。高Ａｌ組成層５２の厚さが５０ｎｍ以下のときには、更に結晶品質の劣化が抑えられる。
【００３４】
低Ａｌ組成層５３は、ＡｌとＧａとＮとを含む。低Ａｌ組成層５３におけるＡｌ組成比は、例えば０．１以上０．９以下が好ましく、例えば約０．５である。低Ａｌ組成層５３の厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、例えば約２５ｎｍである。低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比及び厚さに関しては、後述する。
【００３５】
積層体５０の上に機能層１０が形成される。  
窒化物半導体素子１１０が発光素子である場合には、機能層１０は、例えば、積層体５０の上に形成されたｎ形半導体層１１と、ｎ形半導体層１１の上に形成された発光層１３と、発光層１３の上に形成されたｐ形半導体層１２と、を含む。発光層１３は、ＧａＮの複数の障壁層と、障壁層の間に設けられＩｎＧａＮ（例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ）層と、を含む。発光層１３は、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造、または、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）構造を有する。機能層１０の厚さは、例えば１マイクロメートル（μｍ）以上５μｍ以下が好ましく、例えば約３．５μｍである。
【００３６】
また、窒化物半導体素子１１０は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）の窒化物半導体素子に用いることができる。このときは、機能層１０は、例えば、不純物を含まないアンドープのＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ（０≦ｚ１≦１）層と、アンドープまたはｎ形のＡｌｚ２Ｇａ１−ｚ２Ｎ（０≦ｚ２≦１、ｚ１＜ｚ２）層と、の積層構造を有する。
【００３７】
なお、積層体５０の上に（例えば積層体５０と機能層１０との間に）ＧａＮ層１１ｉ（アンドープのＧａＮ層）を設けても良い。ＧａＮ層１１ｉ（アンドープのＧａＮ層）を設けることで、ＧａＮ層１１ｉに圧縮歪み（応力）が形成され、よりクラックが抑制される。
【００３８】
図１（ｂ）、図１（ｃ）及び図１（ｄ）において、縦軸は、Ｚ軸方向の位置である。  
図１（ｂ）の横軸は、Ａｌ組成比ＣＡｌである。図１（ｂ）に表したように、積層体５０において、Ａｌ組成比ＣＡｌは、ＧａＮ中間層５１において実質的に０であり、高Ａｌ組成層５２において実質的に１であり、低Ａｌ組成層５３において０よりも高く１よりも低い。
【００３９】
図１（ｃ）の横軸は成長温度ＧＴである。図１（ｃ）に表したように、例えば、ＧａＮ中間層５１の成長温度ＧＴは高い。ＧａＮ中間層５１を高くすることで、格子緩和が抑制され、ＧａＮ中間層５１に形成される圧縮応力を大きくすることができる。成長温度ＧＴは、例えば１０００℃以上１２００℃以下が好ましく、例えば約１１３０℃である。
【００４０】
高Ａｌ組成層５２の成長温度ＧＴは低い。高Ａｌ組成層５２の成長温度ＧＴは、例えば５００℃以上、１０５０℃以下が好ましく、例えば約８００℃である。より好ましくは、６００℃以上、８５０℃以下である。高Ａｌ組成層５２の成長温度ＧＴが５００℃よりも低いと、不純物が取り込まれ易い。また、立方晶ＡｌＧａＮなどが成長され、結晶転位が過度に生じてしまう。そして、高Ａｌ組成層５２の結晶品質が過剰に劣化してしまう。高Ａｌ組成層５２の成長温度ＧＴが１０５０℃よりも高いと、格子緩和が生じにくい。そのため、歪みが緩和されず、高Ａｌ組成層５２に引っ張り歪みが導入され易くなる。さらに、低Ａｌ組成層５３や機能層１０を高Ａｌ組成層５２の上に形成するときに、圧縮応力を適切にかけられず、結晶成長後の降温過程で、クラックが発生しやすい。これに対して、高Ａｌ組成層５２の成長温度ＧＴが例えば８００℃である場合には、高Ａｌ組成層５２は、格子緩和し易くなる。その結果、ＧａＮ中間層５１や下地層６１からの歪みの影響を実質的に受けないで、高Ａｌ組成層５２を形成することができる。すなわち、高Ａｌ組成層５２の形成の初期から、ＧａＮ中間層５１や下地層６１からの引っ張り歪みを受けにくくなる。このようにして、格子緩和した高Ａｌ組成層５２がＧａＮ中間層５１の上に形成される。
【００４１】
低Ａｌ組成層５３の成長温度ＧＴは、高い。低Ａｌ組成層５３の成長温度ＧＴは、例えば８００℃以上１２００℃以下が好ましく、例えば１１３０℃である。
【００４２】
図１（ｄ）の横軸は、ａ軸の格子間隔Ｌｄである。図１（ｄ）には、無歪みのＧａＮのａ軸の格子間隔ｄｇ（例えば、０．３１８９ｎｍ）と、無歪みのＡｌＮのａ軸の格子間隔ｄａ（例えば、０．３１１２ｎｍ）と、が示されている。無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）のａ軸（第１軸）の格子間隔ｄａは、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）のａ軸（第１軸）の格子定数に相当する。例えば、高Ａｌ組成層５２がＡｌＮである場合、無歪みの高Ａｌ組成層５２のａ軸（第１軸）の格子間隔ｄａは、ＡｌＮのａ軸（第１軸）の格子定数に相当する。無歪みのＧａＮの格子間隔ｄｇは、無歪みのＡｌＮの格子間隔ｄａよりも大きい。
【００４３】
図１（ｄ）に表したように、ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の格子間隔は大きく、高Ａｌ組成層５２におけるａ軸（第１軸）の格子間隔は小さい。ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の実際の格子間隔は、例えば無歪みのＧａＮのａ軸（第１軸）の格子間隔ｄｇよりも小さく、高Ａｌ組成層５２におけるａ軸（第１軸）の実際の格子間隔は、例えば無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）のａ軸（第１軸）の格子間隔ｄａよりも大きい。高Ａｌ組成層５２がＡｌＮである場合、高Ａｌ組成層５２の実際の格子間隔は、例えば無歪みのＡｌＮのａ軸（第１軸）の格子間隔ｄａよりも大きい。すなわち、積層体５０におけるａ軸（第１軸）の格子間隔は、ＧａＮ中間層５１で最も大きく、高Ａｌ組成層５２で急激に小さくなる。低Ａｌ組成層５３におけるａ軸（第１軸）の格子間隔は、高Ａｌ組成層５２におけるａ軸（第１軸）の格子間隔と同じか、それよりも大きい。
【００４４】
ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の格子間隔が小さいほど、ＧａＮ中間層５１に加わる圧縮応力が大きくなり好ましい。加えて、ＧａＮ中間層５１の上に形成される高Ａｌ組成層５２の格子間隔がより小さくなる。ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の格子間隔は、ＧａＮ中間層５１形成時の、例えば、アンモニア分圧によって変化する。例えば、アンモニア分圧が大きいほど、ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の格子間隔が小さくなる。アンモニア分圧は、例えば、０．２以上、０．５以下が好ましい。また、ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の格子間隔は、ＧａＮ中間層５１形成時の、例えば、Ｖ族原子の原料ガスとIII族原子の原料ガスとの比（Ｖ／III比）によって変化する。例えば、Ｖ／III比が大きいほど、ＧａＮ中間層５１におけるａ軸（第１軸）の格子間隔が小さくなる。アンモニア分圧は、例えば、２０００以上、８０００以下が好ましい。
【００４５】
ここで、結晶における歪みの緩和（格子の緩和）の度合いに対応するパラメータとして、緩和率α（格子緩和率）を導入する。
【００４６】
高Ａｌ組成層５２が、ＧａＮ中間層５１の上に成長されるとき、高Ａｌ組成層５２において格子緩和が生じる。高Ａｌ組成層５２であるＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）の緩和率αを、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄａとの差の絶対値に対する、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、高Ａｌ組成層５２（第１高Ａｌ組成層５２ａ）の第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａと、の差の絶対値の比とする。すなわち、高Ａｌ組成層５２の緩和率αは、｜ｄｇ−Ｄａ｜／｜ｄｇ−ｄａ｜である。無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇは、ＧａＮの格子定数に相当する。無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄａは、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）の第１軸（例えばａ軸）の格子定数に相当する。
【００４７】
なお、無歪みのＡｌＸＧａ１−ＸＮの第１軸の格子間隔（格子定数）は、例えば、無歪みのＡｌＮの第１軸の格子間隔（格子定数）と無歪みのＧａＮの第１軸の格子間隔（格子定数）からベガード則を用いて算出される値である。
【００４８】
高Ａｌ組成層５２の緩和率αは、高Ａｌ組成層５２の成長時の成長温度ＧＴにより変化する。さらに、緩和率αは、成長速度、Ｖ族原子の原料ガスとIII族原子の原料ガスとの比（Ｖ／III比）、及び、アンモニア分圧などによって変化する。Ｖ／III比は、単位時間当たりに供給されるＶ族元素の原子の数の、単位時間当たりに供給されるIII族元素の原子の数に対する比である。アンモニア分圧は、成膜中に用いるガスの全体の圧力に対する、アンモニアの圧力の比である。
【００４９】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。  
これらの図は、高Ａｌ組成層５２がＡｌＮである場合において、ＡｌＮの成長時の形成の、成長温度ＧＴ、成長速度ＧＲ、Ｖ／III比（Ｖ／III）、及び、アンモニア分圧Ｐｐを変えたときの緩和率αの変化の例を表している。
【００５０】
図２（ａ）は、Ｖ／III比が１１３０で、成長速度ＧＲが３．９ｎｍ／分（ｍｉｎ）で、アンモニア分圧Ｐｐが０．０６のときに、成長温度ＧＴを変えたときの、緩和率αの変化を表している。図２（ａ）に表したように、例えば、高Ａｌ組成層５２であるＡｌＮの成長時の成長温度ＧＴが１１３０℃の場合には、高Ａｌ組成層５２の緩和率αは０．４３である。成長温度ＧＴが６５０℃の場合には、緩和率αは０．７１である。このように、成長温度ＧＴが低いと、緩和率αが大きくなる。緩和率αを大きくするためには、ＧａＮ中間層５１の成長温度ＧＴよりも低い成長温度ＧＴで形成することが好ましい。
【００５１】
図２（ｂ）は、Ｖ／III比が１１３０で、成長温度ＧＴが８００℃で、アンモニア分圧Ｐｐが０．０６のときに、成長速度ＧＲを変えたときの、緩和率αの変化を表している。図２（ｂ）に表したように、例えば、高Ａｌ組成層５２であるＡｌＮの成長速度ＧＲが、８．８２ｎｍ／分の場合には、緩和率αは０．３５である。成長速度ＧＲが３．９２ｎｍ／分の場合には、緩和率αは０．５７である。このように、成長速度ＧＲが遅いと、緩和率αが大きくなる。緩和率αを大きくするためには、ＧａＮ中間層５１の成長速度よりも小さい成長速度で形成することが好ましい。例えば、２ｎｍ／分以上が好ましい。より好ましくは、３ｎｍ／分以上、８ｎｍ／分以下である。
【００５２】
図２（ｃ）は、成長温度ＧＴが８００℃で、成長速度ＧＲが３．９ｎｍ／分で、アンモニア分圧Ｐｐが０．０６のときに、Ｖ／III比を変えたときの、緩和率αの変化を表している。図２（ｃ）に表したように、例えば、高Ａｌ組成層５２であるＡｌＮの成長時のＶ／III比が、１８００の場合には、緩和率αは０．４４である。Ｖ／III比が２２６００の場合には、緩和率αは０．７２である。このように、Ｖ／III比が大きいと、緩和率αが大きくなる。緩和率αを大きくするためには、Ｖ／III比を、例えば、１５００以上、１０００００以下にすることが好ましい。より好ましくは、１００００以上、５００００以下である。Ｖ／III比が１５００よりも小さくなると、高Ａｌ組成層５２が十分に緩和し難い。Ｖ／III比が１０００００よりも大きくなると、Ｖ族原子の原料ガスであるアンモニアとIII族原子の原料ガスであるアルミニウムとの気相反応が過剰となり、高Ａｌ組成層５２の結晶品質が低下する。
【００５３】
図２（ｄ）は、成長温度ＧＴが８００℃で、成長速度ＧＲが３．９ｎｍ／分で、Ｖ／III比が１１３００のときに、アンモニア分圧Ｐｐを変えたときの、緩和率αの変化を表している。図２（ｄ）に表したように、例えば、高Ａｌ組成層５２であるＡｌＮ成長時のアンモニア分圧Ｐｐが、０．００９の場合には、緩和率αは０．４３である。アンモニア分圧Ｐｐが０．１１１の場合には、緩和率αは０．７２である。このように、アンモニア分圧Ｐｐが大きいと、緩和率αが大きくなる。緩和率αを大きくするためには、アンモニア分圧Ｐｐを、例えば、０．０１以上、０．５以下にすることが好ましい。より好ましくは、０．０４以上、０．３以下である。アンモニア分圧Ｐｐが０．０１よりも小さくなると、高Ａｌ組成層５２が十分に緩和し難い。アンモニア分圧Ｐｐが０．５よりも大きくなると、Ｖ族原子の原料ガスであるアンモニアとIII族原子の原料ガスであるアルミニウムとの気相反応が過剰となり、高Ａｌ組成層５２の結晶品質が低下する。
【００５４】
緩和率αが大きくなることは、高Ａｌ組成層５２の実際のａ軸（第１軸）の格子間隔Ｄａが小さくなることに相当する。
【００５５】
高Ａｌ組成層５２が完全に格子緩和し、高Ａｌ組成層５２のａ軸（第１軸）の実際の格子間隔Ｄａが無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）のａ軸（第１軸）の格子間隔ｄａと等しくなると、ＧａＮ中間層５１の結晶情報を引き継ぐことができず、結晶軸の揺らぎが生じ、結晶品質が大幅に劣化する。また、格子緩和にともなうミスフィット転位が増大し、結晶品質が劣化する。したがって、高Ａｌ組成層５２のａ軸（第１軸）の実際の格子間隔Ｄａは、無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）のａ軸（第１軸）の格子間隔ｄａよりも大きいことが好ましい。
【００５６】
続いて、低Ａｌ組成層５３が高Ａｌ組成層５２の上に形成される。  
実施形態においては、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比は、高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下である。このとき、低Ａｌ組成層５３の第１軸（例えばａ軸）の格子定数は、高Ａｌ組成層５２の実際の格子間隔よりも大きい。低Ａｌ組成層５３は、高Ａｌ組成層５２の格子に格子整合するように、圧縮歪みを受けながら成長する。そのため、低Ａｌ組成層５３の第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａｇが、高Ａｌ組成層５２の実際の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔Ｄａと等しい、または、それよりも大きい。
【００５７】
これに対し、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が高Ａｌ組成層５２の緩和率αよりも大きい場合には、低Ａｌ組成層５３の第１軸（例えばａ軸）の格子定数は、高Ａｌ組成層５２の格子間隔よりも小さい。そのため、低Ａｌ組成層５３は引っ張り歪みを受けながら成長し、低Ａｌ組成層５３の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔が、高Ａｌ組成層５２の実際の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔Ｄａよりも小さくなる。このため、引っ張り歪みが生じ、クラックが生じやすい。
【００５８】
すなわち、高Ａｌ組成層５２の上に、不適正なＡｌ組成比の低Ａｌ組成層５３を形成すると、圧縮歪みは形成されず、クラックを抑制することはできない。高Ａｌ組成層５２の緩和率αを反映した、適切なＡｌ組成比を有する低Ａｌ組成層５３を形成することで、適正な圧縮歪みが形成され、クラックを抑制することができる。すなわち、Ａｌ組成比が高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下となる低Ａｌ組成層５３を形成することで、良好な特性が得られる。
【００５９】
低Ａｌ組成層５３を厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。低Ａｌ組成層５３の厚さが５ｎｍよりも薄いと、クラックの抑制効果、または、転位の低減効果が得られにくい。低Ａｌ組成層５３の厚さが１００ｎｍよりも厚いと、転位を低減させる効果が飽和するだけでなく、クラックが生じやすくなる。低Ａｌ組成層５３の厚さは、より好ましくは５０ｎｍ未満である。低Ａｌ組成層５３の厚さを５０ｎｍ未満にすることで、クラックおよび転位密度を効果的に低減することができる。
【００６０】
例えば、高Ａｌ組成層５２がＡｌＮであって、低Ａｌ組成層５３がＡｌＸＧａ１−ＸＮである場合、ＡｌＮ層の上にＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を成長させる場合、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層が薄い状態（すなわち成長の初期）では、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層は、ＡｌＮ層の実際の格子間隔に格子整合するように形成され、歪みを受けながら成長する。そして、ＡｌＸＧａ１−ＸＮの成長が進むにつれて徐々に歪みが緩和し、成長するＡｌＸＧａ１−ＸＮの格子間隔は、歪みを受けない状態のＡｌＸＧａ１−ＸＮの格子間隔に近づく。ＡｌＮ層の上に、ＡｌＮ層の実際の格子間隔よりも格子定数の大きなＡｌＸＧａ１−ＸＮ層を、格子定数よりも小さな格子間隔で形成することで、ＡｌＸＧａ１−ＸＮが圧縮歪みを受けながら成長し、圧縮歪みが基板４０表面に蓄えられる。その結果、基板４０には上に凸状の反りが生じる。圧縮歪みを結晶成長中に予め蓄えておくことで、成長終了後の降温時に熱膨張係数差によって生じるクラックの発生を抑制することができる。低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比を、高Ａｌ組成層５２の緩和率αを反映した値に設定し、さらに膜厚を適正な値（上記の値）に設定することで、クラックを抑制することに加え、転位を低減することができる。
【００６１】
低Ａｌ組成層５３は、複数の層を含むことができる。この場合も、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比を高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下にすることで、クラックを抑制することができる。例えば、低Ａｌ組成層５３におけるＡｌ組成比が、基板４０側から成長方向に沿って、段階的に小さくなるステップ状、または、漸減状に変化していても良い。このような構成により、低Ａｌ組成層５３の格子緩和が抑制でき、低Ａｌ組成層５３に形成される圧縮応力を増大できる。また、低Ａｌ組成層５３とその上に形成される層との界面において、基板界面で生じた転位の屈曲が生じ、機能層１０に到達する転位を低減できる。
【００６２】
図１（ｃ）に表したように、低Ａｌ組成層５３の成長温度ＧＴは、例えば約１１３０℃である。低Ａｌ組成層５３の成長温度ＧＴが高Ａｌ組成層５２の成長温度ＧＴよりも８０℃以上高いと、低Ａｌ組成層５３が高Ａｌ組成層５２の実際の格子間隔に格子整合するように成長する効果が、より大きく得られる。例えば、低Ａｌ組成層５３の成長温度ＧＴが８８０℃以上のときには、格子整合するように成長する厚さが増大する。その結果、圧縮歪みが発生し易くなり、クラックが抑制し易くなる。また、転位の低減効果がより大きく得られる。また、低Ａｌ組成層５３の成長温度ＧＴはＧａＮ中間層５１の成長温度ＧＴ以上のであることが好ましい。これにより、低Ａｌ組成層５３の平坦性が向上し、その上に形成する窒化物半導体層（例えば、機能層１０）の結晶性が向上する。
【００６３】
高Ａｌ組成層５２と、低Ａｌ組成層５３と、ＧａＮ中間層５１と、の合計の厚さは、例えば５０ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であることが好ましい。この合計の厚さが５０ｎｍ未満で、これらの層の積層数が多いと、積層体５０の所望な厚さを得るための、成長温度ＧＴの昇温過程および降温過程が過度に増える。そのため、生産性が悪化する。一方、この合計の厚さが２０００ｎｍよりも厚いと、圧縮歪みの蓄積が不十分となり、クラックが発生しやすい。この合計の厚さは、より好ましくは３００ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満である。この合計の厚さを３００ｎｍ以上、１０００ｎｍ未満とすることで、平坦な表面を得易く、クラックと、転位と、を低減する効果が発揮されやすい。
【００６４】
なお、ＧａＮ中間層５１の一部に、図示しないＳｉのδドープ層が設けられていても良い。例えば、ＧａＮ中間層５１の内部にδドープ層が設けられていても良い。例えば、ＧａＮ中間層５１の高Ａｌ組成層５２の側の表面にδドープ層が設けられていても良い。例えば、ＧａＮ中間層５１の下地層６０の側の表面にδドープ層が設けられていても良い。高Ａｌ組成層５２の一部に、図示しないＳｉのδドープ層が設けられていても良い。低Ａｌ組成層５３の一部に、図示しないＳｉのδドープ層が設けられていても良い。これらのδドープ層を設けることで、δドープ層での転位の遮蔽、または、転位の屈曲が生じ、δドープ層の上に形成される半導体層（例えば、機能層１０）に到達する転位をより効果的に低減できる。δドープ層としては例えばＳｉを５ｘ１０１７ｃｍ−３以上２ｘ１０１９ｃｍ−３以下の濃度で含有する層が挙げられる。また、厚さは例えば０．３ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。しかしながら濃度及び厚さはこれに限定されるものではない。
【００６５】
本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０においては、積層体５０は、機能層１０と、下地層６０の間に設けられる。積層体５０は、ＧａＮ中間層５１と、高Ａｌ組成層５２と、低Ａｌ組成層５３と、がこの順に積層された構造を有する。無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（ｘ１＝１）の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄａと、の差の絶対値に対する、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、高Ａｌ組成層５２の第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａと、の差の比を高Ａｌ組成層の緩和率αとしたとき、低Ａｌ組成層５３のＡｌの組成比は、高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下である。これにより、結晶成長時に圧縮応力をかけクラックの発生を抑制する効果が得られる。また、転位を低減する効果が得られる。そのため、機能層１０におけるクラックおよび転位などが低減される。窒化物半導体素子１１０によれば、基板４０（例えばシリコン基板）上に形成したクラックが少ない高品位の窒化物半導体素子が得られる。
【００６６】
図３（ａ）〜図３（ｄ）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図である。  
図３（ａ）は、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子１２０の構成を例示する模式的断面図である。図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、積層中間層における、Ａｌ組成比（ＣＡｌ）、成長温度ＧＴ、及び、ａ軸の格子間隔Ｌｄをそれぞれ例示するグラフ図である。
【００６７】
図３（ａ）に表したように、窒化物半導体素子１２０は、下地層６０と、積層体５０と、機能層１０と、を含む。下地層６０及び機能層１０の構成は、窒化物半導体素子１１０に関して説明したのと同様なので説明を省略する。なお、この場合も、積層体５０と機能層１０との間にＧａＮ層１１ｉ（アンドープのＧａＮ層）を設けても良い。
【００６８】
窒化物半導体素子１２０における積層体５０の構成は、窒化物半導体素子１１０とは異なる。以下では、積層体５０に関して説明する。  
窒化物半導体素子１２０においては、積層体５０は、第１積層中間層５０ａと、第２積層中間層５０ｂと、を含む。第１積層中間層５０ａは、下地層６０と機能層１０の間に設けられる。第２積層中間層５０ｂは、第１積層中間層５０ａと機能層１０との間に設けられる。
【００６９】
第１積層中間層５０ａは、下地層６０の上に設けられた第１ＧａＮ中間層５１ａと、第１ＧａＮ中間層５１ａの上に設けられた第１高Ａｌ組成層５２ａと、第１高Ａｌ組成層５２ａの上に設けられた第１低Ａｌ組成層５３ａと、を含む。
【００７０】
第２積層中間層５０ｂは、第１積層中間層５０ａの上に設けられた第２ＧａＮ中間層５１ｂと、第２ＧａＮ中間層５１ｂの上に設けられた第２高Ａｌ組成層５２ｂと、第２高Ａｌ組成層５２ｂの上に設けられた第２低Ａｌ組成層５３ｂと、を含む。
【００７１】
第１及び第２ＧａＮ中間層５１ａ、５１ｂの構成は、窒化物半導体素子１１０に関して説明したＧａＮ中間層５１の構成と同様である。第１及び第２高Ａｌ組成層５２ａ、５２ｂの構成は、窒化物半導体素子１１０に関して説明した高Ａｌ組成層５２の構成と同様である。第１及び第２低Ａｌ組成層５３ａ、５３ｂの構成は、窒化物半導体素子１１０に関して説明した低Ａｌ組成層５３の構成と同様である。
【００７２】
第１高Ａｌ組成層５２ａには、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）が用いられる。  
第１低Ａｌ組成層５３ａには、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１、ｙ１＜ｘ１）が用いられる。  
第２高Ａｌ組成層５２ｂには、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）が用いられる。  
第２低Ａｌ組成層５３ｂには、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２＜１、ｙ２＜ｘ２）が用いられる。
【００７３】
第１低Ａｌ組成層５３ａにおけるＡｌ組成比は、第１高Ａｌ組成層５２ａの緩和率（第１緩和率αａ：無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（ｘ１＝１）の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄａと、の差の絶対値に対する、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、第１高Ａｌ組成層５２ａの第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａ１と、の差の絶対値の比）以下である。
【００７４】
第２低Ａｌ組成層５３ｂにおけるＡｌ組成比は、第２高Ａｌ組成層５２ｂの緩和率（第２緩和率αｂ：無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、無歪みのＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ２＝１）の第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄａ２と、の差の絶対値に対する、無歪みのＧａＮの第１軸（例えばａ軸）の格子間隔ｄｇと、第２高Ａｌ組成層５２ｂの第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａ２と、の差の絶対値の比）以下である。
【００７５】
窒化物半導体素子１２０においては、ＧａＮ中間層、高Ａｌ組成層及び低Ａｌ組成層を含む組（周期）が２つ設けられている。実施形態は、これに限らず、組（周期）の数は、３以上でも良い。
【００７６】
窒化物半導体素子１２０においても、基板４０（例えばシリコン基板）上に形成したクラックおよび転位が少ない窒化物半導体素子が得られる。
【００７７】
窒化物半導体素子１２０において、第２積層中間層５０ｂの構成は、第１積層中間層５０ａと異なっても良い。例えば、第２ＧａＮ中間層５１ｂの厚さは、第１ＧａＮ中間層５１ａの厚さよりも厚くても良い。積層に伴って蓄えられる歪みの量の変化に対応して構造を変化させることで、よりクラックや転位を低減する効果が得られる。
【００７８】
図３（ｄ）に表したように、第１及び第２ＧａＮ中間層５１ａ、５１ｂにおけるａ軸の格子間隔は大きく、第１及び第２高Ａｌ組成層５２ａ、５２ｂにおけるａ軸の格子間隔は小さい。第１及び第２ＧａＮ中間層５１ａ、５１ｂにおける実際のａ軸の格子間隔は、例えば無歪みのＧａＮのａ軸の格子間隔ｄｇよりも小さい。第１高Ａｌ組成層５２ａにおける実際のａ軸の格子間隔は、例えば、無歪みのＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）のａ軸の格子間隔ｄａ１よりも大きい。第２高Ａｌ組成層５２ｂにおける実際のａ軸の格子間隔は、例えば、無歪みのＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）のａ軸の格子間隔ｄａ２よりも大きい。すなわち、第１及び第２積層中間層５０ａ、５０ｂにおけるａ軸の格子間隔は、第１及び第２ＧａＮ中間層５１ａ、５１ｂで最も大きく、第１及び第２高Ａｌ組成層５２ａ、５２ｂで急激に小さくなる。第１及び第２低Ａｌ組成層５３ａ、５３ｂにおけるａ軸の格子間隔は、第１及び第２高Ａｌ組成層５２ａ、５２ｂにおけるａ軸の格子間隔と同じか、それよりも大きい。
【００７９】
第１積層中間層５０ａにおける第１ＧａＮ中間層５１ａ、第１高Ａｌ組成層５２ａ、および、第１低Ａｌ組成層５３ａの形成条件や特性などは、窒化物半導体素子１１０に関して説明した、積層体５０における高Ａｌ組成層５２、低Ａｌ組成層５３、ＧａＮ中間層５１の形成条件や特性と同様である。
【００８０】
第１積層中間層５０ａの上に、第２積層中間層５０ｂの第２ＧａＮ中間層５１ｂが形成される。  
図３（ｃ）に表したように、第２ＧａＮ中間層５１ｂの成長温度ＧＴは、例えば約１１３０℃である。第２ＧａＮ中間層５１ｂの厚さは、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、例えば約３００ｎｍ。
【００８１】
第２ＧａＮ中間層５１ｂの上に第２高Ａｌ組成層５２ｂが形成される。第２高Ａｌ組成層５２ｂの厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、例えば約１２ｎｍである。第２高Ａｌ組成層５２ｂの成長温度ＧＴは、例えば５００℃以上、１０５０℃以下が好ましく、例えば約８００℃である。このような温度で形成することで、第２高Ａｌ組成層５２ｂは、格子緩和し易くなる。
【００８２】
これにより、図３（ｄ）に表したように、第２高Ａｌ組成層５２ｂの実際のａ軸の格子間隔Ｌｄは、第１ＧａＮ中間層５１ａのａ軸の格子間隔、及び、第２ＧａＮ中間層５１ｂのａ軸の格子間隔と比較して、歪みを受けない状態のＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）の格子間隔（格子定数）に急激に近づく。そのため、第２高Ａｌ組成層５２ｂの形成の初期から、下地となる第１ＧａＮ中間層５１ａからの引っ張り歪みを受けにくくなる。その結果、下地となる第１ＧａＮ中間層５１ａからの歪みの影響を受けない状態で、第２高Ａｌ組成層５２ｂを形成することができる。このようにして、急激に格子緩和した第２高Ａｌ組成層５２ｂが第１ＧａＮ中間層５１ａの上に形成される。
【００８３】
続いて、Ａｌの組成比が第２高Ａｌ組成層５２ｂの第２緩和率αｂ以下の第２低Ａｌ組成層５３ｂが第２高Ａｌ組成層５２ｂの上に形成されている。第２低Ａｌ組成層５３ｂの厚さは、例えば５ｎｍ以上であることが好ましい。第２低Ａｌ組成層５３ｂの厚さは、より好ましくは５０ｎｍ未満である。第２低Ａｌ組成層５３ｂの厚さを５０ｎｍ未満にすることで、クラック及び転位密度を効果的に低減することができる。第２低Ａｌ組成層５３ｂの厚さは、例えば約２５ｎｍである。
【００８４】
例えば、第２高Ａｌ組成層５２ｂがＡｌＮであって、第２低Ａｌ組成層５３ｂがＡｌＸＧａ１−ＸＮである場合、ＡｌＸＧａ１−ＸＮは、厚さが薄い状態すなわち成長の初期では、ＡｌＮ層の実際の格子間隔に格子整合するように形成され、歪みを受けながら成長する。そして、ＡｌＸＧａ１−ＸＮの成長が進むにつれて徐々に歪みが緩和し、ＡｌＸＧａ１−ＸＮは、歪みを受けない状態のＡｌＸＧａ１−ＸＮの格子間隔に近づく。
【００８５】
図３（ｂ）に表したように、第２低Ａｌ組成層５３ｂにおけるＡｌ組成比ＣＡｌは、例えば０．１以上０．９以下が好ましく、例えば約０．５である。第２低Ａｌ組成層５３ｂとして、例えばＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層が用いられる。
【００８６】
図３（ｃ）に表したように、第２低Ａｌ組成層５３ｂの成長温度ＧＴは、例えば８００℃以上１２００℃以下が好ましく、例えば約１１３０℃である。第２低Ａｌ組成層５３ｂの成長温度ＧＴが第２高Ａｌ組成層５２ｂの成長温度ＧＴよりも８０℃以上高いと、第２高Ａｌ組成層５２ｂの実際の格子間隔に格子整合するように成長する効果がより大きく得られる。また、転位を低減する効果がより大きく得られる。例えば、第２低Ａｌ組成層５３ｂの成長温度ＧＴが８８０℃以上のときには、格子整合するように成長する厚さが増大する。
【００８７】
このように、積層体５０は、高Ａｌ組成層５２、低Ａｌ組成層５３及びＧａＮ中間層５１がこの順に周期的に複数回積層された構造を有することができる。これにより、結晶成長時に圧縮応力をかけクラックの発生を抑制する効果がより大きく得られる。また、転位を低減する効果がより大きく得られる。そのため、機能層１０におけるクラックおよび転位などが、より低減される。
【００８８】
本実施形態の窒化物半導体素子の特性の例について説明する。  
本願発明者は、以下の試料を作製した。  
基板４０（シリコン基板）の上に下地層６０を形成した。下地層６０のＧａＮ下地層６１（アンドープＧａＮ層）の上に、厚さ３００ｎｍのＧａＮ中間層５１を１０９０℃で形成した後、厚さが１２ｎｍのＡｌＮ層を８００℃で形成した。このＡｌＮ層は、高Ａｌ組成層５２に対応する。
【００８９】
続いて、ＡｌＮ層の上に、厚さが２５ｎｍのＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を１１３０℃で形成した。この層が低Ａｌ組成層５３に対応する。このとき、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層におけるＡｌ組成比ｚを０．２、０．３５、０．５または０．７の４種類とした。
【００９０】
そして、上記の、ＧａＮ層と、ＡｌＮ層と、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層と、の積層体を１周期として、さらに３周期分の積層体を形成した。つまり、発明者が作製した４種類の試料においては、中間層における積層体の周期数は、４である。
【００９１】
引き続き、４層目のＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の上に、厚さが１μｍのアンドープのＧａＮ層１１ｉを１０９０℃で形成した。その後、厚さが１μｍのｎ形ＧａＮ層を形成した。ｎ形不純物としてシリコンを用い、不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３とした。ｎ形ＧａＮ層は、機能層１０の少なくとも一部となる。
【００９２】
図４は、窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。  
図４は、作製した試料の成長中の基板の反りに関する特性を示している。  
図４の横軸は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の成長中の厚さｔＡｌＧａＮ（ｎｍ）である。縦軸は、結晶成長中の基板４０の曲率Ｃｖ（ｋｍ−１＝１０００ｍ−１）を示している。曲率Ｃｖは、実質的に基板４０の反りに相当する値である。基板４０の曲率Ｃｖは、光学モニタによって計測した値である。曲率Ｃｖは、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を結晶成長している間の基板４０の反りの推移を表す。この図では、曲率Ｃｖは、結晶成長を開始するとき時の基板４０の反りを０としている。曲率Ｃｖが正の値であることは、下に凸（凹状の反り）の状態に対応する。負の値であるときは、上に凸（凸状の反り）の状態に対応する。正の曲率Ｃｖは、窒化物半導体結晶中に加わる引っ張り応力による基板４０の反りに対応する。負の曲率Ｃｖは、窒化物半導体結晶中に加わる圧縮応力による基板４０の反りに対応する。図４には、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成比が異なる４種の試料の特性が示されている。
【００９３】
図４に示したように、Ａｌ組成比ｚが０．７５のときは、曲率Ｃｖは正である。すなわち、凹状の反りが発生し、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層には引っ張り応力が加わっている。ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の厚さｔＡｌＧａＮが増大すると、曲率Ｃｖの絶対値が大きくなり、引っ張り応力も大きくなる。
【００９４】
Ａｌ組成比ｚが０．２、０．３５または０．５のときは、曲率Ｃｖは負である。すなわち、凸状の反りが発生し、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層には圧縮応力が加わる。ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の厚さｔＡｌＧａＮが増大すると、曲率Ｃｖの絶対値が大きくなる。
【００９５】
Ａｌ組成比ｚが０．５のときは、成長初期でわずかに圧縮応力が加わるものの、やがて飽和し、厚さｔＡｌＧａＮを厚くした場合にも基板４０の曲率Ｃｖは変化せず、一定になる。これは、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層に応力が実質的に形成されていないことを意味している。Ａｌ組成比ｚが０．３５と小さいと、Ａｌ組成比ｚが０．５のときに比べて圧縮応力が増大し、凸状の反りが大きくなる。さらにＡｌ組成比ｚが０．２とさらに、圧縮応力がさらに増大し、凸状の反りがさらに大きくなる。
【００９６】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を例示する顕微鏡像である。  
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、ｎ形ＧａＮ層（機能層１０の少なくとも一部となる層）の表面の顕微鏡像である。図５（ａ）〜図５（ｄ）は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成比ｚが、０．２、０．３５、０．５または０．７の４種の試料のそれぞれに対応する。
【００９７】
図５（ｄ）に表したように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成比ｚが０．７の試料（引っ張り応力が形成された試料）においては、ｎ形ＧａＮ層には多数のクラックが発生した。
【００９８】
図５（ａ）〜図５（ｃ）に表したように、Ａｌ組成比ｚが０．２、０．３５または０．５の場合には、クラックは観察されなかった。圧縮応力が形成されることで、ｎ形ＧａＮ層に生じるクラックが減少した。すなわち、低Ａｌ組成層５３（ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層）に加わる引っ張り歪みを抑制することで、クラックの発生を大きく抑制できることがわかった。
【００９９】
このように、低Ａｌ組成層５３に加わる応力は、低Ａｌ組成層５３におけるＡｌ組成比に関係することがわかった。
【０１００】
光学モニタにより測定した、高Ａｌ組成層５２成長中の基板４０の曲率の変化の結果から、高Ａｌ組成層５２の形成温度における実際のａ軸の格子間隔を算出することができる。この例では、高Ａｌ組成層５２はＡｌＮであり、室温における実際の格子間隔に換算して、ＡｌＮの格子間隔は、０．３１４５ｎｍであった。一方、無歪みのＧａＮのａ軸の格子間隔ｄｇは、例えば、０．３１８９ｎｍであり、無歪みのＡｌＮのａ軸の格子間隔ｄａは、例えば０．３１１２ｎｍである。したがって、このとき、高Ａｌ組成層５２であるＡｌＮの緩和率αは０．５７に相当する。
【０１０１】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、窒化物半導体素子のＸ線回折測定の結果を例示する模式図である。  
これらの図は、Ｘ線回折測定によって測定した（１１−２４）面の逆格子マッピング像の一例である。横軸は、成長方向に対して垂直な方向の（１１−２０）面の格子面間隔の逆数Ｑｘである。Ｑｘは、ａ軸の格子間隔の逆数に比例する値である。縦軸は、成長方向に対して平行な方向の（０００４）面の格子面間隔の逆数Ｑｚである。Ｑｚは、ｃ軸の格子間隔の逆数に比例する値である。これらの図において、ＧａＮの（１１−２４）面の回折ピークＰｇ（ＧａＮの格子間隔の逆数に対応）の点と、ＡｌＮの（１１−２４）面の回折ピークＰａ（ＡｌＮバッファ層６２の格子間隔の逆数に対応）の点と、が示されている。これらの点を結んだ点線は、ベガード則に従う場合の、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比に対応した格子間隔の逆数の特性を表す。
【０１０２】
これらの図には、ＡｌＧａＮ下地層６３による（１１−２４）面の回折ピークの点Ｐ６３と、低Ａｌ組成層５３による（１１−２４）面の回折ピークの点Ｐ５３と、が示されている。
【０１０３】
これらの図中において、ＡｌＧａＮ層の格子間隔の測定結果のピーク（点Ｐ６３及び点Ｐ５３）が、この点線よりも下側に現れている場合には、結晶が圧縮歪みを有する（圧縮応力を受けている）ことに対応する。測定結果のピーク（点Ｐ６３及び点Ｐ５３）が、この点線よりも上側に現れている場合には、結晶が引っ張り歪みを有する（引っ張り応力を受けている）ことに対応する。
【０１０４】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成比ｚが、０．２、０．３５、０．５または０．７の４種の試料のそれぞれに対応する。
【０１０５】
図６（ａ）〜図６（ｄ）からわかるように、いずれの試料の場合も、ＡｌＧａＮ下地層６３によるピークの点Ｐ６３は、点線よりも下側に現れている。このことから、ＡｌＧａＮ下地層６３は、圧縮歪みを有する（圧縮応力を受けている）ことが分かる。
【０１０６】
このようなＡｌＧａＮ下地層６３の上に積層体５０が形成される。このＡｌＧａＮ下地層６３の上に、積層体５０を形成することで、積層体５０中で形成される圧縮応力が増大し、結晶成長後の降温過程で生じる引っ張り歪みが低減し、クラックを抑制する効果が増大する。
【０１０７】
図６（ｄ）に表したように、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比ｚが０．７の場合には、点線よりも上側にピークが現れており、低Ａｌ組成層５３は引っ張り歪みを有する（引っ張り応力を受けている）ことがわかる。
【０１０８】
一方、図６（ｃ）に表したように、低Ａｌ組成層５３のＡｌの組成比ｚが０．５の場合には、点線よりもわずかに下側にピークが現れており、低Ａｌ組成層５３は圧縮歪みを有する（圧縮応力を受けている）ことがわかる。
【０１０９】
図６（ｂ）に表したように、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比ｚが０．３５の場合には、低Ａｌ組成層５３のピークがＡｌＧａＮ下地層６３のピークと重なっており、低Ａｌ組成層５３の明確なピークが観察されない。すなわち、低Ａｌ組成層５３のピークは、図６（ｃ）に例示した状態よりもさらに下側に移動している。
【０１１０】
図６（ａ）に表したように、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比ｚが０．２の場合には、低Ａｌ組成層５３のピークは、図６（ｂ）に例示した状態よりもさらに下側に移動している。
【０１１１】
このように、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比ｚが低くなるほど、より圧縮歪みを受ける側にピーク位置が現れている。これらの結果は、図４に例示した、成長中の曲率Ｃｖによる応力変化の結果と良く一致している。また、図５（ａ）〜図５（ｄ）に例示した、クラック密度変化の結果と良く一致している。
【０１１２】
高Ａｌ組成層５２の上に形成した低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比ｚが０．７の場合には、低Ａｌ組成層５３には引っ張り歪みが形成される。高Ａｌ組成層５２の上に形成した低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比ｚが０．５の場合には、低Ａｌ組成層５３には圧縮歪みが形成された。この結果から、高Ａｌ組成層５２におけるａ軸の格子間隔は、０．５以上０．７以下の範囲のＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層におけるａ軸の格子間隔になっていると考えられる。この値は、高Ａｌ組成層５２の成長中の基板４０の反り変化から算出した、高Ａｌ組成層５２の緩和率αの値（０．５７）とほぼ一致する。
【０１１３】
また、低Ａｌ組成層５３を設けずに作製した窒化物半導体素子のＸ線回折測定において、高Ａｌ組成層５２の（１１−２４）面の回折ピークのＱｘの値は、Ａｌ組成比が０．５４のＡｌＧａＮ層に相当する位置に確認された。すなわち、高Ａｌ組成層５２の緩和率αは０．５４程度であることを表しており、上記結果とほぼ一致することがわかった。
【０１１４】
すなわち、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が、高Ａｌ組成層５２の緩和率αよりも大きい場合には、低Ａｌ組成層５３に引っ張り応力が生じる（低Ａｌ組成層５３は引っ張り歪みを有する）ことが分かった。低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が、高Ａｌ組成層５２の緩和率αよりも小さい場合には、低Ａｌ組成層５３に圧縮応力が生じる（低Ａｌ組成層５３は圧縮歪みを有する）ことがわかった。
【０１１５】
また、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成比ｚが０．２、０．３５、０．５及び０．７の場合のＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の無歪みのａ軸の格子間隔（ａ軸の格子定数）は、それぞれ、０．３１７４ｎｍ、０．３１６２ｎｍ、０．３１５１ｎｍ及び０．３１３５ｎｍである。この例の場合、上述したように、高Ａｌ組成層５２であるＡｌＮの実際のａ軸の格子間隔は０．３１４５ｎｍである。したがって、高Ａｌ組成層５２の上に、高Ａｌ組成層５２よりもＡｌ組成比の小さな低Ａｌ組成層５３を単に形成するだけでは、圧縮歪みは形成されず、クラックを抑制することはできない。高Ａｌ組成層５２の実際のａ軸の格子間隔、すなわち高Ａｌ組成層５２の緩和率αを反映したＡｌ組成比の低Ａｌ組成層５３を形成することにより、圧縮歪みが形成され、クラックが抑制できる。すなわち、Ａｌ組成比が高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下である低Ａｌ組成層５３を形成することで、圧縮歪みが形成され、クラックが抑制できる。
【０１１６】
以下、転位密度について説明する。  
図７は、窒化物半導体における転位密度を例示するグラフ図である。  
図７は、上記のＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成比ｚを変えた４つの試料、Ａｌ組成比ｚを０とした試料に関しての転位密度を例示している。図７６の横軸は、Ａｌ組成比ｘである。左の縦軸は、らせん転位密度Ｄｓ（ｃｍ−２）である。右に縦軸は、刃状転位密度Ｄｔ（ｃｍ−２）である。
【０１１７】
図７に表したように、Ａｌ組成比ｚが０の場合、らせん転位密度Ｄｓ及び刃状転位密度Ｄｔは、高い。らせん転位密度Ｄｓは、Ａｌ組成比ｚが０．２〜０．５の範囲において低い。Ａｌ組成比ｚが０．７において、らせん転位密度Ｄｓは上昇する。一方、刃状転位密度Ｄｔは、Ａｌ組成比ｚが０〜０．５の範囲において、Ａｌ組成比ｚの上昇に伴い減少する。そして、Ａｌ組成比ｚが０．７において、刃状転位密度Ｄｔは上昇する。
【０１１８】
Ａｌ組成比ｚが０〜０．５の範囲においては、Ａｌ組成比ｚの増加とともに、低Ａｌ組成層５３の格子定数が高Ａｌ組成層５２の実際の格子間隔に近づくため、低Ａｌ組成層５３と高Ａｌ組成層５２の間で生じるミスフィット転位が抑制されるためであると考えられる。Ａｌ組成比ｚが０．５を超えると、低Ａｌ組成層５３の格子定数が高Ａｌ組成層５２の実際の格子間隔よりも小さくなり、ミスフィット転位が増加し、転位密度が増加すると考えられる。
【０１１９】
低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が高Ａｌ組成層５２の緩和率αと同程度の場合に、低い転位密度（例えば最低の転位密度）が得られることがわかった。転位密度が低くなるＡｌ組成比は、高Ａｌ組成層５２の緩和率αに依存する。これは、高Ａｌ組成層５２の実際の格子間隔の変化に依存して、ミスフィット転位が生じる低Ａｌ組成層５３の格子定数が変化するためである。緩和率αが小さいときは、転位密度が低くなるＡｌ組成比は低くなる。すなわち、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比と高Ａｌ組成層５２の緩和率αとは相対関係にあり、低転位密度となるＡｌ組成比には、適正な範囲がある。
【０１２０】
図７は、高Ａｌ組成層５２の緩和率αが０．５７の場合の結果を例示している。このときは、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が０．２以下で、転位密度が急激に増加する。すなわち、Ａｌ組成比が、緩和率α（この例では０．５７）の３５％以下であるときに、転位密度が急激に増加する。一方、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が、高Ａｌ組成層５２の緩和率αよりも大きくなると、引っ張り歪みが形成され、クラックが増加する。
【０１２１】
このように、高Ａｌ組成層５２と、低Ａｌ組成層５３と、ＧａＮ中間層５１と、がこの順に積層された構造を有する積層体５０において、低Ａｌ組成層５３のＡｌ組成比が、高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下とすることで、クラックおよび転位が少ない高品位の窒化物半導体素子を提供することができる。
【０１２２】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、窒化物半導体素子の構成を例示する模式図である。  
図８（ａ）及び図８（ｂ）に表したように、窒化物半導体素子の窒化物半導体層のｃ軸が、Ｚ軸方向（下地層６０の主面６０ａに対して垂直な方向であり、基板４０の主面４０ａに対して垂直な方向）に対して垂直でも良い。このとき、格子間隔に関する第１軸は、例えば、（１−１００）面に対して平行な軸とすることができる。また、第１軸は、例えば、（１１−２０）面に対して平行な軸とすることができる。
【０１２３】
図８（ｃ）及び図８（ｄ）に表したように、窒化物半導体層のｃ軸が、Ｚ軸方向に対して傾斜しても良い。このとき、格子間隔に関する第１軸は、例えば、（１−１０１）面に対して平行な軸とすることができる。また、第１軸は、例えば、（１１−２２）面に対して平行な軸とすることができる。  
これらは例であり、実施形態において、第１軸は、下地層６０の主面６０ａに対して平行な任意の軸（基板４０の主面４０ａに対して平行な任意の軸）を適用できる。
【０１２４】
（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。
【０１２５】
図９（ａ）〜図９（ｄ）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図である。  
図９（ａ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２１０の構成を例示する模式的断面図である。図９（ｂ）は、積層中間層におけるＡｌ組成比（ＣＡｌ）を例示するグラフ図である。図９（ｃ）は、積層中間層における成長温度ＧＴ（形成温度）を例示するグラフ図である。図９（ｄ）は、積層中間層におけるａ軸の格子間隔Ｌｄを例示するグラフ図である。
【０１２６】
図９（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２１０は、基板４０と、下地層６０と、積層体５０と、を含む。積層体５０は、第１積層中間層５０ａを含む、窒化物半導体ウェーハ２１０は、機能層１０をさらに含んでも良い。基板４０、下地層６０、積層体５０及び機能層１０には、第１実施形態に関して説明した構成を適用することができる。基板４０の主面４０ａの上に下地層６０が設けられ、下地層６０の上に積層体５０が設けられ、積層体５０の上に機能層１０が設けられる。低Ａｌ組成層５３におけるＡｌ組成比は、高Ａｌ組成層５２の緩和率α以下である。
【０１２７】
窒化物半導体ウェーハ２１０により、クラックおよび転位が少ない高品位の窒化物半導体素子のための窒化物半導体ウェーハを提供することができる。  
本実施形態においても、積層体５０の上に（例えば積層体５０と機能層１０との間に）ＧａＮ層１１ｉ（アンドープのＧａＮ層）を設けても良い。
【０１２８】
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、第２の実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハの構成を例示する模式図である。  
図１０（ａ）は、本実施形態に係る別の窒化物半導体ウェーハ２２０の構成を例示する模式的断面図である。図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）は、積層中間層における、Ａｌ組成比（ＣＡｌ）、成長温度ＧＴ、及び、ａ軸の格子間隔Ｌｄをそれぞれ例示するグラフ図である。
【０１２９】
図１０（ａ）に表したように、窒化物半導体ウェーハ２２０において、積層体５０は、第１積層中間層５０ａと、第２積層中間層５０ｂと、を含む。第１積層中間層５０ａは、下地層６０の上に設けられる。例えば、第１積層中間層５０ａは、下地層６０と機能層１０の間に設けられる。第２積層中間層５０ｂは、第１積層中間層５０ａと機能層１０との間に設けられる。
【０１３０】
第１積層中間層５０ａは、下地層６０の上に設けられた第１ＧａＮ中間層５１ａと、第１ＧａＮ中間層５１ａの上に設けられた第１高Ａｌ組成層５２ａと、第１高Ａｌ組成層５２ａの上に設けられた第１低Ａｌ組成層５３ａと、を含む。第２積層中間層５０ｂは、第１積層中間層５０ａの上に設けられた第２ＧａＮ中間層５１ｂと、第２ＧａＮ中間層５１ｂの上に設けられた第２高Ａｌ組成層５２ｂと、第２高Ａｌ組成層５２ｂの上に設けられた第２低Ａｌ組成層５３ｂと、を含む。
【０１３１】
第１低Ａｌ組成層５３ａにおけるＡｌ組成比は、第１高Ａｌ組成層５２ａの緩和率αａ以下である。第２低Ａｌ組成層５３ｂにおけるＡｌ組成比は、第２高Ａｌ組成層５２ｂの緩和率αｂ以下である。
【０１３２】
窒化物半導体ウェーハ２２０により、クラックおよび転位が少ない高品位の窒化物半導体素子のための窒化物半導体ウェーハを提供することができる。  
この例においても、積層体５０と機能層１０との間にＧａＮ層１１ｉ（アンドープのＧａＮ層）を設けても良い。
【０１３３】
図３（ａ）または図１０（ａ）に示した実施形態において、第２ＧａＮ中間層５１ｂ、第２高Ａｌ組成層５２ｂ及び第２低Ａｌ組成層５３ｂを、それぞれ、第１ＧａＮ中間層５１ａ、第１高Ａｌ組成層５２ａ及び第１低Ａｌ組成層５３ａと見なしても良い。
【０１３４】
実施形態において、半導体層の成長には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition: ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー法(ＨＶＰＥ)法などを用いることができる。
【０１３５】
例えば、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Ｇａの原料として、例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料としては、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）などを用いることができる。
【０１３６】
実施形態によれば、クラックが少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハが提供できる。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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窒化物半導体ウェーハに含まれる基板、下地層、ＡｌＮバッファ層、ＡｌＧａＮ下地層、ＧａＮ下地層、積層中間層、高Ａｌ組成層、低Ａｌ組成層、ＧａＮ中間層及び機能層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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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及び窒化物半導体ウェーハを基にして、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及び窒化物半導体ウェーハも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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】
【０１４４】
１０…機能層、  １１…ｎ形半導体層、  １１ｉ…ＧａＮ層、  １２…ｐ形半導体層、  １３…発光層、  ４０…基板、  ４０ａ…主面、  ５０…積層体、  ５０ａ…第１積層中間層、  ５０ｂ…第２積層中間層、  ５１…ＧａＮ中間層、  ５１ａ…第１ＧａＮ中間層、  ５１ｂ…第２ＧａＮ中間層、  ５２…高Ａｌ組成層、  ５２ａ…第１高Ａｌ組成層、  ５２ｂ…第２高Ａｌ組成層、  ５３…低Ａｌ組成層、  ５３ａ…第１低Ａｌ組成層、  ５３ｂ…第２低Ａｌ組成層、  ６０…下地層、  ６０ａ…主面、  ６１…ＡｌＧａＮ下地層、  ６２…ＡｌＮバッファ層、  ６３…ＡｌＧａＮ下地層、  １１０、１２０…窒化物半導体素子、  ２１０、２２０…窒化物半導体ウェーハ、  ＣＳ…圧縮応力、  Ｃｖ…曲率、  ＣＡｌ…Ａｌ組成比、  Ｄｓ…らせん転位密度、  Ｄｔ…刃状転位密度、  ＧＲ…成長速度、  ＧＴ…成長温度、  Ｌｄ…格子間隔、  Ｑｘ…格子面間隔の逆数、  Ｑｚ…格子面間隔の逆数、  ＳＳ…引っ張り応力、  Ｖ／III…Ｖ／III比、  ｔＡｌＧａＮ…厚さ
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図５】
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【図６】
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