(57)【要約】【課題】平坦な表面を有し、結晶性の高い窒化物半導体下地層を、反りを抑えて、大きな成長速度で成長させることができる窒化物半導体構造の製造方法を提供する。【解決手段】第３の窒化物半導体下地層を形成する工程において、第３の窒化物半導体下地層の成長時に単位時間当たりに供給されるＶ族原料ガスのモル量と単位時間当たりに供給されるＩＩＩ族原料ガスのモル量との比であるＶ／ＩＩＩ比を７００以下とし、第３の窒化物半導体下地層の成長時の圧力を２６．６ｋＰａ以上とし、第３の窒化物半導体下地層の成長速度を２．５μｍ／時以上とする、窒化物半導体構造の製造方法である。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部と前記凹部の間に設けられた凸部とを表面に有する三方晶コランダムまたは六方晶の結晶からなる基板を準備する工程と、
前記基板上に窒化物半導体中間層を形成する工程と、
前記窒化物半導体中間層上に第１の窒化物半導体下地層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体下地層上に第２の窒化物半導体下地層を形成する工程と、
前記第２の窒化物半導体下地層上に第３の窒化物半導体下地層をＭＯＣＶＤ法により形成する工程と、を含み、
前記第１の窒化物半導体下地層の表面は、第１の斜めファセット面と、第１の平坦領域とを有しており、
前記第１の窒化物半導体下地層の前記表面における前記第１の斜めファセット面の面積割合が、前記第１の平坦領域の面積割合よりも小さく、
前記第２の窒化物半導体下地層は、前記凸部を取り囲む第２の斜めファセット面を有し、
前記第３の窒化物半導体下地層の下面は、前記第２の斜めファセット面に接し、
前記第３の窒化物半導体下地層を形成する工程において、前記第３の窒化物半導体下地層の成長時に単位時間当たりに供給されるＶ族原料ガスのモル量と単位時間当たりに供給されるＩＩＩ族原料ガスのモル量との比であるＶ／ＩＩＩ比を７００以下とし、前記第３の窒化物半導体下地層の成長時の圧力を２６．６ｋＰａ以上とし、前記第３の窒化物半導体下地層の成長速度を２．５μｍ／時以上とする、窒化物半導体構造の製造方法。
【請求項２】
前記第３の窒化物半導体下地層を形成する工程において、前記第３の窒化物半導体下地層の成長時に１９８ｓｌｍ未満の水素を供給する、請求項１に記載の窒化物半導体構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）は、赤外から紫外領域の波長を有する光のエネルギに相当するバンドギャップを有しているため、赤外から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子やその領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料として有用である。
【０００３】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩＩＩ族窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。
【０００４】
さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体は、環境を害することがほとんどなく、取り扱いやすい材料としても注目されている。
【０００５】
上述したような優れた材料であるＩＩＩ族窒化物半導体を用いて実用的な窒化物半導体素子を作製するためには、所定の基板上にＩＩＩ族窒化物半導体の薄膜からなるＩＩＩ族窒化物半導体層を積層して、所定の素子構造を形成する必要がある。
【０００６】
ここで、基板としては、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を直接成長させることが可能な格子定数や熱膨張係数を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる基板を用いることが最も好適であり、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる基板としては、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板などを用いることが好ましい。
【０００７】
しかしながら、ＧａＮ基板は、現状ではその寸法が直径２インチ以下と小さく、また非常に高価であるため、実用的ではない。
【０００８】
そのため、現状では、窒化物半導体素子の作製用の基板としては、ＩＩＩ族窒化物半導体とは格子定数差および熱膨張係数差が大きいサファイア基板や炭化珪素（ＳｉＣ）基板などが用いられている。
【０００９】
サファイア基板と代表的なＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮとの間には約１６％程度の格子定数差が存在する。また、ＳｉＣ基板とＧａＮとの間には約６％程度の格子定数差が存在する。このような大きな格子定数差が基板とその上に成長するＩＩＩ族窒化物半導体との間に存在する場合には、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる結晶をエピタキシャル成長させることは一般的に困難である。たとえば、サファイア基板上に直接ＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた場合には、ＧａＮ結晶の３次元的な成長が避けられず、平坦な表面を有するＧａＮ結晶が得られないという問題がある。
【００１０】
そこで、基板とＩＩＩ族窒化物半導体との間に、基板とＩＩＩ族窒化物半導体との間の格子定数差を解消させるための所謂バッファ層と呼ばれる層を形成することが一般的に行なわれている。
【００１１】
たとえば、特許文献１には、サファイア基板上にＡｌＮのバッファ層をＭＯＶＰＥ法によって形成した後に、ＡｌxＧａ1-xＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる方法が記載されている。
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載の方法においても、平坦な表面を有するＡｌＮのバッファ層を再現性良く得ることは困難であった。これは、ＭＯＶＰＥ法によってＡｌＮのバッファ層を形成する場合には、原料ガスとして用いられるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガスとが気相中で反応しやすいためと考えられる。
【００１３】
したがって、特許文献１に記載の方法においては、表面が平坦であって、かつ欠陥密度が小さい高品質のＡｌxＧａ1-xＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体をＡｌＮのバッファ層上に再現性良く成長させることは困難であった。
【００１４】
また、たとえば特許文献２には、サファイア基板上に直流バイアスを印加した高周波スパッタ法でＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）バッファ層を形成する方法が開示されている。
【００１５】
しかしながら、特許文献２に記載されている方法によってＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）バッファ層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体は、特許文献３の段落[０００４]および特許文献４の段落[０００４]に記載されているように、優れた結晶性を有するものではなかった。
【００１６】
そこで、特許文献３には、ＤＣマグネトロンスパッタ法で形成したＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層を水素ガスとアンモニアガスとの混合ガスの雰囲気下で熱処理する方法が提案されており、また、特許文献４には、４００℃以上に昇温されたサファイア基板上にＤＣマグネトロンスパッタ法によって５０オングストローム以上３０００オングストローム以下の膜厚のＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファ層を形成する方法が提案されている。
【００１７】
また、特許文献５には、７５０℃に加熱されたサファイア基板上に高周波スパッタ法によってＡｌＮの柱状結晶からなるバッファ層を形成する方法が提案されている。
【００１８】
また、特許文献６には、結晶欠陥の少ないＩＩＩ族窒化物半導体を成長するため、基板表面に凹凸構造を設け、その上にＩＩＩ族窒化物半導体をラテラル成長させることが記載されている。
【００１９】
さらに、特許文献７の段落［００４３］および［００４４］には、凹凸構造を設けた基板上に、ＧａＮ層を「サファイア基板１１の主面に対して傾斜したファセットを斜面に有する二等辺三角形の断面形状となるようにＧａＮ層１２を成長させ」るステップと、「次に、成長条件を横方向成長が支配的となる条件に設定して成長を続け・・・ＧａＮ層１２をその表面がサファイア基板１１の主面と平行な平坦面となるまで横方向成長させる。」というステップからなる２段階の成長が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特許第３０２６０８７号公報
【特許文献２】特公平５−８６６４６号公報
【特許文献３】特許第３４４０８７３号公報
【特許文献４】特許第３７００４９２号公報
【特許文献５】特開２００８−３４４４４号公報
【特許文献６】特許第３９５０４７１号公報
【特許文献７】特開２００６−３５２０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
結晶欠陥の少ない高品質のＩＩＩ族窒化物半導体を成長させるためには、その下地となる窒化物半導体下地層についても結晶欠陥が少なく高い結晶性を有するものが要求される。
【００２２】
そして、さらに近年においては、高品質のＩＩＩ族窒化物半導体を効率良く製造するために、平坦な表面を有し、結晶性の高い窒化物半導体下地層を、反りを抑えて、大きな成長速度で成長させる要望が大きくなっている。
【００２３】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、平坦な表面を有し、結晶性の高い窒化物半導体下地層を、反りを抑えて、大きな成長速度で成長させることができる窒化物半導体構造の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、凹部と凹部の間に設けられた凸部とを表面に有する三方晶コランダムまたは六方晶の結晶からなる基板を準備する工程と、基板上に窒化物半導体中間層を形成する工程と、窒化物半導体中間層上に第１の窒化物半導体下地層を形成する工程と、第１の窒化物半導体下地層上に第２の窒化物半導体下地層を形成する工程と、第２の窒化物半導体下地層上に第３の窒化物半導体下地層をＭＯＣＶＤ法により形成する工程と、を含み、第１の窒化物半導体下地層の表面は、第１の斜めファセット面と、第１の平坦領域とを有しており、第１の窒化物半導体下地層の表面における第１の斜めファセット面の面積割合が、第１の平坦領域の面積割合よりも小さく、第２の窒化物半導体下地層は、凸部を取り囲む第２の斜めファセット面を有し、第３の窒化物半導体下地層の下面は、第２の斜めファセット面に接し、第３の窒化物半導体下地層を形成する工程において、第３の窒化物半導体下地層の成長時に単位時間当たりに供給されるＶ族原料ガスのモル量と単位時間当たりに供給されるＩＩＩ族原料ガスのモル量との比であるＶ／ＩＩＩ比を７００以下とし、第３の窒化物半導体下地層の成長時の圧力を２６．６ｋＰａ以上とし、第３の窒化物半導体下地層の成長速度を２．５μｍ／時以上とする、窒化物半導体構造の製造方法である。
【００２５】
ここで、本発明の窒化物半導体構造の製造方法において、第３の窒化物半導体下地層を形成する工程において、第３の窒化物半導体下地層の成長時に１９８ｓｌｍ未満の水素を供給することが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、平坦な表面を有し、結晶性の高い窒化物半導体下地層を、反りを抑えて、大きな成長速度で成長させることができる窒化物半導体構造の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図２】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】図２に示す基板の表面の一例の模式的な拡大平面図である。
【図４】図３に示す凸部の中心を通るＢ−Ｂ線に沿った模式的な拡大断面図である。
【図５】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図７】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図８】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図９】実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１０】窒化物半導体下地層の各層の成長モードについて説明するための模式的な断面図である。
【図１１】第１の窒化物半導体下地層の表面の一例の模式的な拡大平面図である。
【図１２】第１の窒化物半導体下地層の表面の他の一例の模式的な拡大平面図である。
【図１３】図１２のＢ−Ｂに沿った模式的な拡大断面図である。
【図１４】第１の窒化物半導体下地層の表面の他の一例の模式的な拡大平面図である。
【図１５】第１の窒化物半導体下地層の形成後に成長させた第２の窒化物半導体下地層の表面の一例の模式的な拡大平面図である。
【図１６】図１５のＢ−Ｂに沿った模式的な拡大断面図である。
【図１７】第１の窒化物半導体下地層の形成後に成長させた第２の窒化物半導体下地層の表面の他の一例の模式的な拡大平面図である。
【図１８】実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図１９】実施の形態１の発光装置の模式的な断面図である。
【図２０】実施の形態２の窒化物半導体トランジスタ素子の模式的な断面図である。
【図２１】（ａ）は実施例の層厚の面内分布を示す図であり、（ｂ）は比較例の層厚の面内分布を示す図である。
【図２２】（ａ）は実施例のシート抵抗の面内分布を示す図であり、（ｂ）は比較例のシート抵抗の面内分布を示す図である。
【図２３】実施例および比較例のウエハの反りの測定方法を図解する模式的な側面図である。
【図２４】（ａ）および（ｂ）は、実施例のウエハの表面モフォロジーの微分干渉顕微鏡（金属顕微鏡）による観察像であり、（ｃ）および（ｄ）は、実施例のウエハのＥＰＤ測定による結晶欠陥の観察像である。
【図２５】（ａ）および（ｂ）は、比較例のウエハの表面モフォロジーの微分干渉顕微鏡（金属顕微鏡）による観察像であり、（ｃ）および（ｄ）は、比較例のウエハのＥＰＤ測定による結晶欠陥の観察像である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２９】
＜サファイア基板および窒化物半導体結晶の結晶方位＞
（ＡｌＧａＩｎ）Ｎ系の窒化物半導体結晶の結晶系は通常六方晶であり、またサファイアの結晶系は三方晶コランダムであるが六方晶の表記法で表わすことができる。そこで、サファイア基板および窒化物半導体結晶のいずれにおいても、ｃ軸方向を［０００１］とし、ａ１軸方向を［−２１１０］とし、ａ２軸方向を［１−２１０］とし、ａ３軸方向を［１１−２０］とし、ａ１軸方向、ａ２軸方向およびａ３軸方向の３方向を合わせてａ軸方向あるいは＜１１−２０＞方向と表記する。また、ｃ軸方向および＜１１−２０＞方向にそれぞれ垂直で等価な３方向をｍ軸方向（最も代表的には＜１−１００＞方向）と表記する。
【００３０】
なお、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。たとえば、結晶学の記法によれば１の逆方向は１の上にバーを記載するところを、便宜上「−１」と表記する。
【００３１】
＜実施の形態１＞
以下、図１〜図１０を参照して、本発明の窒化物半導体構造の製造方法の一例である実施の形態１の窒化物半導体構造の製造方法について説明する。なお、本発明の窒化物半導体構造の製造方法においては、後述する各工程間に他の工程が含まれていてもよいことは言うまでもない。
【００３２】
（基板を準備する工程）
まず、図１の模式的断面図に示すように、基板１を準備する工程を行なう。ここで、基板１としては、たとえば、三方晶コランダムあるいは六方晶の結晶からなる基板１を準備することができる。三方晶コランダムあるいは六方晶の結晶からなる基板１としては、たとえば、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）単結晶、ＡｌＮ単結晶またはＧａＮ単結晶などからなる基板を用いることができる。
【００３３】
また、基板１の表面４０は、ｃ面またはｃ面に対して５°以内の傾斜を有する表面であってもよく、傾斜の方向は、たとえば、ｍ（ｓｕｂ）軸（＜１−１００＞）方向のみであってもよく、ａ（ｓｕｂ）軸（＜１１−２０＞）方向のみであってもよく、あるいは両方向を合成した方向であってもよい。より具体的には、基板１としては、基板１の表面４０がｃ面（法線がｃ軸の面）から基板のｍ（ｓｕｂ）軸＜１−１００＞方向に０．１５゜〜０．３５゜傾斜したものなどを準備することができる。
【００３４】
なお、本明細書において、基板の結晶方向と、基板上の窒化物半導体層の結晶方向と、が異なるため基板の結晶方向に「ｓｕｂ」を付記し、窒化物半導体層の結晶方向に「ｌａｙｅｒ」を付記するものとする。ここで、基板の結晶軸と窒化物半導体層の結晶軸との関係に注意する必要がある。基板がサファイア単結晶である場合には、基板のａ（ｓｕｂ）軸方向は窒化物半導体層のｍ（ｌａｙｅｒ）軸方向と一致し、基板のｍ（ｓｕｂ）軸方向は窒化物半導体層のａ（ｌａｙｅｒ）軸方向と一致する。一方、基板がＡｌＮ単結晶またはＧａＮ単結晶である場合には、基板のａ（ｓｕｂ）軸方向は窒化物半導体層のａ（ｌａｙｅｒ）軸方向と一致し、基板のｍ（ｓｕｂ）軸方向は窒化物半導体層のｍ（ｌａｙｅｒ）軸方向と一致する。
【００３５】
また、基板１の口径は特には限定されないが、たとえば１５０ｍｍ（約６インチ）とすることができる。基板１としては、従来は５０．８ｍｍ（２インチ）程度の口径の基板を用いることが一般的であったが、生産性を高めるためには大口径の基板を用いることが好ましい。しかしながら、大口径の基板１を用いた場合には、基板１上に窒化物半導体層を形成した後に歪が蓄積するため、基板１の割れや窒化物半導体層の表面にクラックが生じやすくなる。本発明は、後述するように、１００ｍｍ（約４インチ）以上の大口径の基板１を用いた場合にも、基板１の割れや窒化物半導体層の表面に発生するクラックを抑制することができる。
【００３６】
次に、図２の模式的断面図に示すように、基板１の表面４０に、凹部１ｂと、凹部１ｂの間に設けられた凸部１ａと、を形成する。このような基板１の表面の凸部１ａおよび凹部１ｂは、たとえば、基板１の表面４０上に凸部１ａの平面配置を規定するマスクを形成するパターニング工程と、当該パターニング工程によって形成したマスクを用いて基板１の表面４０をエッチングして凹部１ｂを形成する工程とを含む工程により形成することができる。ここで、パターニング工程は、一般的なフォトリソグラフィ工程で行なうことができる。エッチング工程は、たとえば、ドライエッチング法やウエットエッチング法で行なうことができる。しかしながら、凸部１ａの形状が後述する先端部を備える形状とするためには、凸部１ａの形状を制御しやすいドライエッチング法で行なうことが好ましい。
【００３７】
図３に、図２に示す基板１の表面の一例の模式的な拡大平面図を示す。図３に示す基板１の表面の平面視において、平面形状が円形である凸部１ａは、たとえば仮想の三角形１ｔの頂点にそれぞれ位置しており、仮想の三角形１ｔの３辺のそれぞれの辺の方向に配列されている。本例において、凸部１ａは、基板１の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向（＜１１−２０＞方向）に配列されるとともに、基板１の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の傾きを為す方向および基板１の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の傾きを為す方向にそれぞれ配列されている。なお、本明細書において、基板１の表面の平面視において、ａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の傾きを為す方向およびａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の傾きを為す方向をそれぞれｕ方向という。
【００３８】
なお、凸部１ａの平面形状である円形の円の中心は、三角形１ｔの頂点と必ずしも完全に一致している必要はなく、実質的に一致していればよい。具体的には、円の中心がその円の半径以下のズレである場合には、後述する第１の窒化物半導体下地層が凸部１ａの領域上よりも安定して凹部１ｂの領域上に成長を開始する傾向にある。そして、第１の窒化物半導体下地層の成長がさらに進むと、第１の窒化物半導体下地層は、後述するように、凸部１ａを中心として凸部１ａの外側において凸部１ａを取り囲む少なくとも６つの斜めファセット面を形成できる傾向にある。
【００３９】
凸部１ａの底面における平面形状は、円形に限られるものではなく、たとえば、六角形および／または三角形などの多角形であってもよい。
【００４０】
また、基板１の表面の平面視において、頂点に凸部１ａが配置される仮想の三角形１ｔの各内角の角度は５０゜以上７０゜以下であることが好ましい。この場合には、後述する第１の窒化物半導体下地層が凸部１ａの領域上よりも安定して凹部１ｂの領域上に成長を開始する傾向にある。そして、第１の窒化物半導体下地層の成長がさらに進むと、第１の窒化物半導体下地層は、後述するように、凸部１ａを中心として凸部１ａの外側において凸部１ａを取り囲む少なくとも６つの斜めファセット面を形成できる傾向にある。
【００４１】
また、基板１の表面の平面視において、隣り合う凸部１ａの間隔は０．２μｍ以上７μｍ以下とすることが好ましく、２μｍ程度とすることがより好ましい。隣り合う凸部１ａの間隔が０．２μｍ以上７μｍ以下である場合には、プロセス上の問題が少なくなる傾向にある。プロセス上の問題としては、たとえば、凸部１ａの高さを高くするためのドライエッチング時間が長くなることや、後述する第２の窒化物半導体下地層の上面を完全に平坦とするまでに要する成長時間が長くなり過ぎることなどの問題が挙げられる。なお、本明細書において、隣り合う凸部１ａの間隔は、隣り合う凸部１ａの間の最短距離を意味する。
【００４２】
また、基板１の表面の平面視において、凸部１ａの円形の円の直径は、隣り合う凸部１ａの間隔の１／２以上３／４以下とすることが好ましい。たとえば、隣り合う凸部１ａの間隔が２μｍである場合には、凸部１ａの円形の円の直径は１．２μｍ程度とすることがより好ましい。凸部１ａの円形の円の直径が隣り合う凸部１ａの間隔の１／２以上３／４以下である場合、特に１．２μｍ程度である場合には、後述する第１の窒化物半導体下地層が凸部１ａの領域上よりも安定して凹部１ｂの領域上に成長を開始する傾向にある。そして、第１の窒化物半導体下地層の成長がさらに進むと、第１の窒化物半導体下地層は、後述するように、凸部１ａを中心として凸部１ａの外側において凸部１ａを取り囲む少なくとも６つの斜めファセット面を形成できる傾向にある。
【００４３】
また、凸部１ａの高さは、凸部１ａの円形の円の直径の１／４以上１以下とすることが好ましい。たとえば、凸部１ａの円形の円の直径が１．２μｍである場合には、凸部１ａの高さは０．６μｍ程度とすることがより好ましい。この場合には、後述する第１の窒化物半導体下地層が凸部１ａの領域上よりも安定して凹部１ｂの領域上に成長を開始する傾向にある。そして、第１の窒化物半導体下地層の成長がさらに進むと、第１の窒化物半導体下地層は、後述するように、凸部１ａを中心として凸部１ａの外側において凸部１ａを取り囲む少なくとも６つの斜めファセット面を形成できる傾向にある。
【００４４】
図４に、図３に示す凸部の中心を通るＢ−Ｂ線に沿った模式的な拡大断面図を示す。図４に示すように、基板１の表面の平面視における凸部１ａの中心を通る断面視において凸部１ａは先端部１ｃを備える形状であることが好ましい。なお、本明細書において、凸部１ａが先端部１ｃを備える形状とは、基板１の表面の平面視における凸部１ａの中心を通る断面視において、凸部１ａの上面が平坦となっていない形状となっていることを意味する。凸部１ａの上面が平坦である場合には、凹部１ｂだけでなく凸部１ａの平坦な上面にも後述する第１の窒化物半導体下地層が成長することがある。一方、凸部１ａが先端部１ｃを備える形状である場合には、後述の第１の窒化物半導体下地層は凹部１ｂから成長し、引き続き成長する後述の第２の窒化物半導体下地層が凸部１ａの先端部１ｃの上方で会合するため、結晶欠陥が生じる領域が限定され、全体としての欠陥の数を減らせると考えられる。
【００４５】
後述する窒化物半導体中間層の形成前に基板１の表面の前処理を行なうこともできる。基板１の表面の前処理の一例としては、たとえば、ＲＣＡ洗浄（希フッ酸水溶液（ＨＦ）処理、アンモニア（ＮＨ4ＯＨ）＋過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）処理、塩酸（ＨＣ１）＋過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）処理、超純水洗浄を順次行なう洗浄）を行なうことによって、基板１の表面を水素終端化する処理が挙げられる。これにより、基板１の表面上に良好な結晶性の窒化物半導体中間層を再現性良く積層することができる傾向にある。
【００４６】
また、基板１の表面の前処理の他の一例としては、基板１の表面を窒素ガスのプラズマに曝す処理が挙げられる。これにより、基板１の表面に付着した有機物や酸化物などの異物を除去し、基板１の表面の状態を整えることができる傾向にある。特に、基板１がサファイア基板である場合には、基板１の表面を窒素ガスのプラズマに曝すことによって、基板１の表面が窒化されて、基板１の表面上に積層される窒化物半導体中間層が面内で均一に形成されやすくなる傾向にある。
【００４７】
（窒化物半導体中間層を形成する工程）
次に、図５の模式的断面図に示すように、基板１の表面上に窒化物半導体中間層２を形成する。ここで、窒化物半導体中間層２は、たとえば、Ｎ2とＡｒとの混合雰囲気においてＡｌターゲットをスパッタする反応性スパッタ法によって形成することができる。
【００４８】
窒化物半導体中間層２としては、たとえばＡｌx0Ｇａy0Ｎ（０≦ｘ０≦１、０≦ｙ０≦１、ｘ０＋ｙ０≠０）の式で表わされる窒化物半導体からなる層を積層することができる。なかでも、窒化物半導体中間層２としては、ＡｌＮまたはＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．５＜ｘ１≦１）の式で表わされる窒化物半導体（窒化アルミニウム）からなる層を積層することが好ましい。この場合には、基板１の表面の法線方向に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなる良好な結晶性の窒化物半導体中間層２を得ることができる傾向にある。窒化物半導体中間層２は微量の酸素を含んでいてもよい。
【００４９】
窒化物半導体中間層２の厚さは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。窒化物半導体中間層２の厚さが５ｎｍ未満である場合には、窒化物半導体中間層２がバッファ層としての機能を十分に発揮しないおそれがある。窒化物半導体中間層２の厚さが１００ｎｍを超える場合にはバッファ層としての機能が向上することなく、窒化物半導体中間層２の形成時間だけが長くなるおそれがある。また、窒化物半導体中間層２の厚さを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることがより好ましい。この場合には、窒化物半導体中間層２のバッファ層としての機能を面内において均一に発揮させることができる傾向にある。窒化物半導体中間層２の一例として、わずかに酸素を含むＡｌＮ膜を約３０ｎｍの厚さで形成することができる。
【００５０】
窒化物半導体中間層２の形成時における基板１の温度は、３００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。窒化物半導体中間層２の形成時における基板１の温度が３００℃未満である場合には、窒化物半導体中間層２が基板１の表面の全面を覆うことができず、基板１の表面の一部が窒化物半導体中間層２から露出するおそれがある。また、窒化物半導体中間層２の積層時における基板１の温度が１０００℃を超える場合には、基板１の表面での原料のマイグレーションが活発になりすぎて、柱状結晶の集合体というよりはむしろ単結晶の膜に近い窒化物半導体中間層２が形成されて、窒化物半導体中間層２のバッファ層としての機能が低下するおそれがある。
【００５１】
（窒化物半導体下地層を形成する工程）
次に、図６の模式的断面図に示すように、窒化物半導体中間層２の表面上に、第１の斜めファセット面３ｆと第１の平坦領域３ｃとを有する第１の窒化物半導体下地層３を形成する。そして、図７の模式的断面図に示すように、第１の窒化物半導体下地層３の表面上に、第２の斜めファセット面４ｒと第２の平坦領域４ｃとを有する第２の窒化物半導体下地層４を形成する。また、図８の模式的断面図に示すように、第２の窒化物半導体下地層４の第２の斜めファセット面４ｒおよび第２の平坦領域４ｃに接するように、第３の窒化物半導体下地層５を形成する。以上により、基板１上に、窒化物半導体中間層２、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５がこの順に積層された実施の形態１の窒化物半導体構造が製造される。
【００５２】
ここで、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５は、それぞれ、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法によって、窒化物半導体中間層２の表面上に順次形成することができる。
【００５３】
より具体的には、図９の模式的断面図に示すように、まず、主に凹部１ｂにおける窒化物半導体中間層２の表面上に第１の窒化物半導体下地層３（例えば、厚さｔ3＝３００ｎｍ）を形成し、次に、少なくとも第１の窒化物半導体下地層３の表面上に第２の窒化物半導体下地層４（例えば、厚さｔ4＝１８００ｎｍ）を形成し、その後、少なくとも第２の窒化物半導体下地層４の表面上に第３の窒化物半導体下地層５（例えば、厚さｔ5＝６０００ｎｍ）を形成する。
【００５４】
〔窒化物半導体下地層の各層の成長モード〕
次に、図１０の模式的断面図を参照して、結晶欠陥が少なく、かつ平坦な上面５Ｕを有する第３の窒化物半導体下地層５を製造するまでの窒化物半導体下地層の各層の成長モードについて説明する。
【００５５】
まず、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５（以下、「窒化物半導体下地層の各層」とする。）は、それぞれ、適切な成長モードを選んで成長させる。以下、本明細書においては、下記のように、成長モードを便宜的に定義する。
２次元成長モード：平坦な表面が得られやすい成長モード
３次元成長モード：斜めファセット面が形成されやすい成長モード
２．５次元成長モード：２次元成長モードと３次元成長モードとの中間的な成長モード
〔窒化物半導体下地層の成長モードと成長パラメータとの関係〕
次に、窒化物半導体下地層の各層の成長に用いられる成長モードの切り替えは、それぞれ、（Ａ）成長温度、（Ｂ）成長圧力、（Ｃ）Ｖ／ＩＩＩ比、（Ｄ）基板の回転数、および（Ｅ）キャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比の５つの成長パラメータを適切に選択することにより行なうことができる。
【００５６】
具体的には、以下の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）および（Ｅ）の少なくとも１つの成長パラメータあるいはその組合せにより実現することができる。ここで、本発明者が鋭意研究に努めた結果、これら３つのそれぞれの成長パラメータと、窒化物半導体下地層の成長モードとの相関を知り得ることができた。
【００５７】
（Ａ）成長温度
成長温度が高いほど２次元成長モードになりやすく、成長温度が低いほど３次元成長モードになりやすい。
【００５８】
（Ｂ）成長圧力
成長圧力が低いほど２次元成長モードになりやすく、成長圧力が高いほど３次元成長モードになりやすい。
【００５９】
（Ｃ）Ｖ／ＩＩＩ比
Ｖ／ＩＩＩ比が小さいほど２次元成長モードになりやすく、Ｖ／ＩＩＩ比が大きいほど３次元成長モードになりやすい。なお、Ｖ／ＩＩＩ比は、窒化物半導体下地層の成長時に単位時間当たりに供給されるＶ族原料ガスのモル量と、単位時間当たりに供給されるＩＩＩ族原料ガスのモル量との比である。
【００６０】
（Ｄ）基板の回転数
基板の単位時間当たりの回転数が大きいほど２次元成長モードになりやすく、基板の単位時間当たりの回転数が小さいほど３次元成長モードになりやすい。
【００６１】
（Ｅ）キャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比
キャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比が小さいほど２次元成長モードになりやすく、キャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比が大きいほど３次元成長モードになりやすい。
【００６２】
そこで、結晶欠陥が少なく結晶性の高い平坦な上面５Ｕを有する第３の窒化物半導体下地層５を形成するためには、まず、第１の窒化物半導体下地層３は、平坦な表面が得られる「２次元成長モード」と斜めファセットの結晶面が優先的に出現する「３次元成長モード」との中間的な成長モードである「２．５次元成長モード」で成長させることが好ましい。
【００６３】
これにより、第１の窒化物半導体下地層３の表面は、第１の斜めファセット面３ｆと、第１の平坦領域３ｃとを有する。そして、それぞれの第１の窒化物半導体下地層３の表面における第１の斜めファセット面３ｆの面積割合が第１の平坦領域３ｃの面積割合よりも小さくなる。
【００６４】
第２の窒化物半導体下地層４は、第２の斜めファセット面４ｒが形成されるように「３次元成長モード」で成長させる。
【００６５】
これにより、第２の窒化物半導体下地層４の表面は、第２の斜めファセット面４ｒと、第２の平坦領域４ｃとを有する。そして、それぞれの第２の窒化物半導体下地層４の表面の平面視における第２の斜めファセット面４ｒの面積割合が第２の平坦領域４ｃの面積割合よりも大きくなる。
【００６６】
さらに、第３の窒化物半導体下地層５の下層５Ａおよび上層５Ｂは、それぞれ、第２の斜めファセット面４ｒを埋め込んで平坦な上面５Ｕを形成するために「２次元成長モード」で成長させることが好ましい。
【００６７】
これにより、結晶欠陥が少なく結晶性が良く、かつ平坦な上面５Ｕを有する第３の窒化物半導体下地層５を形成することができる。
【００６８】
すなわち、第１の窒化物半導体下地層３の表面に第１の斜めファセット面３ｆを設けることによって窒化物半導体層のｃ（ｌａｙｅｒ）軸方向に伸長する転位を第１の斜めファセット面３ｆの方向に曲げることにより、その数を低減する。
【００６９】
そして、第２の窒化物半導体下地層４の表面の平面視における第２の平坦領域４ｃの面積割合よりも大きい面積割合の第２の斜めファセット面４ｒを設けることによって、窒化物半導体層のｃ（ｌａｙｅｒ）軸方向に伸長する転位を第２の斜めファセット面４ｒの方向に曲げて、その数をさらに低減する。
【００７０】
このように窒化物半導体層のｃ（ｌａｙｅｒ）軸方向に伸長する転位の数が低減された第２の窒化物半導体下地層４の表面上に、平坦な表面を有する窒化物半導体層の成長を促進する２次元成長モードで第３の窒化物半導体下地層５を成長させることによって、結晶欠陥が少なく結晶性が良く、かつ平坦な上面５Ｕを有する第３の窒化物半導体下地層５を形成することができる。
【００７１】
以上の結果をまとめると、第１の窒化物半導体下地層３および第２の窒化物半導体下地層４を形成する工程は、以下の（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）、（ｉｖ）および（ｖ）からなる群から選択された少なくとも１つの条件を満たすように行なわれることが好ましい。これにより、クラックが生じにくく、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅の狭い窒化物半導体下地層が得られる傾向にある。
【００７２】
（ｉ）第１の窒化物半導体下地層３の成長時の成長温度を第２の窒化物半導体下地層４の成長時の成長温度以上とする。
【００７３】
（ｉｉ）第１の窒化物半導体下地層３の成長時の圧力を第２の窒化物半導体下地層の成長時の圧力以下とする。
【００７４】
（ｉｉｉ）第１の窒化物半導体下地層３の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比を第２の窒化物半導体下地層４の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比以下とする。
【００７５】
（ｉｖ）第１の窒化物半導体下地層３の成長時の基板１の単位時間当たりの回転数を、第２の窒化物半導体下地層４の成長時の基板１の単位時間当たりの回転数以上とする。
【００７６】
（ｖ）第１の窒化物半導体下地層３の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比を、第２の窒化物半導体下地層４の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比以下とする。
【００７７】
また、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５を形成する工程は、以下の（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）および（Ｖ）からなる群から選択された少なくとも１つの条件を満たすように行なわれるとともに、以下の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）からなる群から選択された少なくとも１つの条件を満たすように行なわれることが好ましい。これにより、クラックが生じにくく、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が狭く結晶性が良好であって平坦な上面５Ｕを有する第３の窒化物半導体下地層５が得られる傾向にある。
【００７８】
（Ｉ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の成長温度を第１の窒化物半導体下地層３の成長時の成長温度以上する。
【００７９】
（ＩＩ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の圧力を第１の窒化物半導体下地層３の成長時の圧力以下とする。
【００８０】
（ＩＩＩ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比を第１の窒化物半導体下地層３の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比以下とする。
【００８１】
（ＩＶ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の基板１の単位時間当たりの回転数を、第１の窒化物半導体下地層３の成長時の基板１の単位時間当たりの回転数以上とする。
【００８２】
（Ｖ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比を、第１の窒化物半導体下地層３の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比以下とする。ここでいうキャリアガスとは、シャワーヘッドから出てくるガスのことである。
【００８３】
（ａ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の成長温度を第２の窒化物半導体下地層４の成長時の成長温度以上とする。
【００８４】
（ｂ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の圧力を第２の窒化物半導体下地層４の成長時の圧力以下とする。
【００８５】
（ｃ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比を第２の窒化物半導体下地層４の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比以下とする。
【００８６】
（ｄ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の基板１の単位時間当たりの回転数を、第２の窒化物半導体下地層４の成長時の基板１の単位時間当たりの回転数以上とする。
【００８７】
（ｅ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比を、第２の窒化物半導体下地層４の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比以下とする。
【００８８】
さらに、第３の窒化物半導体下地層５を形成する工程において、以下の（ｆ）〜（ｈ）の条件をすべて満たすことによって、平坦な表面を有し、結晶性の高い第３の窒化物半導体下地層５を、反りを抑えて、大きな成長速度で成長させることができる。
【００８９】
（ｆ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時に供給されるガスのＶ／ＩＩＩ比を７００以下とする。
【００９０】
（ｇ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時の圧力を２６．６ｋＰａ以上とする。
（ｈ）第３の窒化物半導体下地層５の成長速度を２．５μｍ／時以上とする。
【００９１】
さらに、第３の窒化物半導体下地層５を形成する工程において、以下の（ｋ）の条件を満たすことによって、第３の窒化物半導体下地層５の成長時におけるＩＩＩ族原料ガスの濃度が上昇し、ＭＯＣＶＤ装置の成長室内でのＩＩＩ族原料ガスの滞留時間を長くすることができるため、第３の窒化物半導体下地層５の成長速度をさらに大きくすることができる。第３の窒化物半導体下地層５の成長速度は、上記（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）および（ｋ）の条件に加えて、ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の排気速度を低下させることで、さらに大きくすることができる傾向にある。
【００９２】
（ｋ）第３の窒化物半導体下地層５の成長時に１９８ｓｌｍ未満の水素を供給する。
〔第１の窒化物半導体下地層３〕
図１１に、第１の窒化物半導体下地層３の表面の一例の模式的な拡大平面図を示す。図１１に示すように、第１の窒化物半導体下地層３は、凸部１ａの外側において、凸部１ａを取り囲む第１の斜めファセット面３ｆを有している。
【００９３】
また、１つの凸部１ａを取り囲む第１の斜めファセット面３ｆと、他の１つの凸部１ａを取り囲む第１の斜めファセット面３ｆとは、第１の窒化物半導体下地層３の第１の平坦領域３ｃで連結されている。
【００９４】
第１の窒化物半導体下地層３の第１の斜めファセット面３ｆは、第１の窒化物半導体下地層３の第１の平坦領域３ｃから基板１の凸１ａに向かって下りながら傾斜している。
【００９５】
図１２に、第１の窒化物半導体下地層３の表面の他の一例の模式的な拡大平面図を示す。図１２に示す例においては、基板１の凹部１ｂのほぼ全面が第１の窒化物半導体下地層３の第１の平坦領域３ｃで均一に覆われており、第１の斜めファセット面３ｆが凸部１ａの周囲にわずかに形成されている点を特徴としている。
【００９６】
すなわち、図１２に示す例においては、図１１に示す例と比べて、第１の窒化物半導体下地層３の表面において、第１の平坦領域３ｃが占める面積割合が、第１の斜めファセット面３ｆが占める面積割合よりも大きくなっている。
【００９７】
図１３に、図１２のＢ−Ｂに沿った模式的な拡大断面図を示す。第１の窒化物半導体下地層３は、基板１の凹部１ｂの上方の領域から選択的に成長が進行する。そして、第１の窒化物半導体下地層３の成長の進行により、基板１の凹部１ｂの上方の領域のほぼ全面が第１の窒化物半導体下地層３の第１の平坦領域３ｃで均一に覆われ、第１のファセット面３ｆが基板１の凸部１ａの周囲にわずかに形成される。
【００９８】
図１４に、第１の窒化物半導体下地層３の表面の他の一例の模式的な拡大平面図を示す。図１４に示す例においては、第１の窒化物半導体下地層３の表面に粗面領域３ｄが形成されていることを特徴としている。
【００９９】
ここで、第１の窒化物半導体下地層３が、たとえば６０ｎｍ以上といった大きな層厚を有する場合でも、基板１の凹部１ｂの上方の領域の第１の窒化物半導体下地層３の表面には、第１の平坦領域３ｃと、第１の平坦領域３ｃよりも粗い粗面領域３ｄとが混在する。この場合、この粗面領域３ｄの表面上に第２の窒化物半導体下地層４を成長すると、第２の窒化物半導体下地層４の表面はさらに大きな粗面になりやすく、さらにその上に成長する第３の窒化物半導体下地層５の表面が平坦化しにくくなるという問題が生じる可能性がある。
【０１００】
そこで、第１の窒化物半導体下地層３は、第１の窒化物半導体下地層３の表面を占める粗面領域３ｄの面積割合が５％以下となる条件で成長させられることが好ましい。この場合には、第１の窒化物半導体下地層３の表面上に成長する第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５がそれぞれ結晶欠陥が少なく結晶性の良好な膜となる傾向にある。
【０１０１】
〔第２の窒化物半導体下地層４〕
図１５に、第１の窒化物半導体下地層３の形成後に成長させた第２の窒化物半導体下地層４の表面の一例の模式的な拡大平面図を示す。第２の窒化物半導体下地層４は、基板１の凸部１ａの外側において、凸部１ａを取り囲む６つの第２の斜めファセット面４ｒを有している。
【０１０２】
図１５に示す平面視において、第２の斜めファセット面４ｒは、ａ（ｓｕｂ）軸方向に２つ現れ、ａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の角度で傾いた方向およびａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の角度で傾いた方向（いずれもｕ方向）にそれぞれ２つずつ現れている（この場合を「ケース１」とする。）。
【０１０３】
より具体的には、６つの第２の斜めファセット面４ｒのうち、図１５に示す第２の窒化物半導体下地層４の表面の平面視において、ａ（ｓｕｂ）軸方向に現れる２つの第２の斜めファセット面４ｒは、ａ（ｓｕｂ）軸方向（＜１１−２０＞方向）に対して斜め上方に傾斜しており、その傾斜した方向に第２の斜めファセット面４ｒが伸長している。
【０１０４】
また、同様に、第２の窒化物半導体下地層４の表面の平面視において、ａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の角度で傾いた方向およびａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の角度で傾いた方向（いずれもｕ方向）にそれぞれ２つずつ現れる第２の斜めファセット面４ｒも、ａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の角度で傾いた方向およびａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の角度で傾いた方向に対してそれぞれ斜め上方に傾斜しており、その傾斜した方向に第２の斜めファセット面４ｒが伸長している。
【０１０５】
図１６に、図１５のＢ−Ｂに沿った模式的な拡大断面図を示す。図１６に現れる第２の斜めファセット面４ｒは、第２の斜めファセット面４ｒの存在する範囲内では、その断面の奥行き方向においても同様に現れる面である。
【０１０６】
また、１つの凸部１ａを取り囲む第２の斜めファセット面４ｒと、他の１つの凸部１ａを取り囲む第２の斜めファセット面４ｒとは、第２の窒化物半導体下地層４の上面４ｃで連結されている。
【０１０７】
ここで、凸部１ａの外周を取り囲む６つの第２の斜めファセット面４ｒは、それぞれ、凸部１ａから斜め上方に伸張することによって傾斜している。
【０１０８】
図１７に、第１の窒化物半導体下地層３の形成後に成長させた第２の窒化物半導体下地層４の表面の他の一例の模式的な拡大平面図を示す。図１７に示す例においては、基板１の表面の凸部１ａがａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋３０°傾斜した方向およびａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−３０°傾斜した方向にそれぞれに配列している場合の第２の窒化物半導体下地層４の第２の斜めファセット面４ｒと第２の平坦領域４ｃとの位置関係が示されている（この場合を「ケース２」とする。）。
【０１０９】
６つの第２の斜めファセット面４ｒが形成される３次元成長モードで第２の窒化物半導体下地層４を成長させる場合には、第２の窒化物半導体下地層４の第２の斜めファセット面４ｒおよび第２の平坦領域４ｃは、それぞれ、基板１の凸部１ａの配列の影響を受けやすくなる。
【０１１０】
ケース２においては、第２の窒化物半導体下地層４の表面の平面視において、第２の窒化物半導体下地層４の第２の平坦領域４ｃの形状が三角形が連なったような形状になり、第３の窒化物半導体下地層５の成長モードである２次元成長モードに切り替えた後に第２の平坦領域４ｃ上に第３の窒化物半導体下地層５が形成される。第２の窒化物半導体下地層４の第２の平坦領域４ｃの結晶欠陥は第３の窒化物半導体下地層５に引き継がれて伝播する傾向にあるため、第２の窒化物半導体下地層４の表面に占める第２の平坦領域４ｃの面積がより小さいケース１の場合の方がケース２の場合と比べて第３の窒化物半導体下地層５において結晶欠陥の少ない良好な結晶性の膜となる傾向にある。
【０１１１】
〔第３の窒化物半導体下地層５〕
第３の窒化物半導体下地層５の厚さは、凸部１ａの高さの２倍以上であることが好ましい。たとえば、凸部１ａの高さが０．６μｍである場合には、１．２μｍ以上であることが好ましい。第３の窒化物半導体下地層５の厚さが、凸部１ａの高さの２倍以上である場合には、第３の窒化物半導体下地層５で凸部１ａを埋め込むことができる傾向が大きくなるため、第３の窒化物半導体下地層５の上面５Ｕが平坦となる傾向が大きくなる。
【０１１２】
〔その他〕
なお、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４、第３の窒化物半導体下地層５としては、たとえば、Ａｌx2Ｇａy2Ｉｎz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を用いることができる。また、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５は、材料としては同じ組成とし、成長条件のみを変えることが好ましい。
【０１１３】
第１の窒化物半導体下地層３の成長時における成長モードから第２の窒化物半導体下地層４の成長時における成長モードへの切り替え、ならびに第２の窒化物半導体下地層４の成長時における成長モードから第３の窒化物半導体下地層５の成長時における成長モードへの切り替え時に、それぞれ、たとえば２秒〜６０秒程度の成長中断時間を設け、その間に成長条件を変更することが好ましいが、連続的に条件を変化させてもよい。
【０１１４】
第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４、第３の窒化物半導体下地層５としては、それぞれ、柱状結晶の集合体からなる窒化物半導体中間層２中の転位などの結晶欠陥を引き継がないようにするために、ＩＩＩ族元素としてＧａを含む窒化物半導体層を用いることが好ましい。
【０１１５】
窒化物半導体中間層２中の転位を引き継がないようにするためには窒化物半導体中間層２との界面付近で転位をループさせる必要があるが、第１の窒化物半導体下地層３がＧａを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合には転位のループが生じやすい。そこで、Ｇａを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４、および第３の窒化物半導体下地層５をそれぞれ用いることによって、窒化物半導体中間層２との界面付近で転位をループ化して閉じ込めて、窒化物半導体中間層２から第２の窒化物半導体下地層４に転位が引き継がれるのを抑えることができる傾向にある。
【０１１６】
第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５をそれぞれアンドープとすることが好ましいが、第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５をそれぞれｎ型ドープとしてもよい。ｎ型ドープとする場合には、ｎ型ドーパントが１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下の範囲でドーピングされていてもよい。
【０１１７】
ｎ型ドーパントとしては、たとえば、シリコン、ゲルマニウムおよび錫からなる群から選択された少なくとも１つなどを用いることができ、なかでもシリコンを用いることが好ましい。ｎ型ドーパントにシリコンを用いる場合には、ｎ型ドーピングガスとしてはシランガスまたはジシランガスを用いることが好ましい。
【０１１８】
第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５のそれぞれの成長時における基板１の温度は、８００℃以上１２５０℃以下であることが好ましく、９００℃以上１１５０℃以下であることがより好ましい。第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５のそれぞれの成長時における基板１の温度が８００℃以上１２５０℃以下である場合、特に９００℃以上１１５０℃以下である場合には、結晶欠陥の少ない結晶性に優れた第１の窒化物半導体下地層３、第２の窒化物半導体下地層４および第３の窒化物半導体下地層５を成長させることができる傾向にある。
【０１１９】
（窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法）
以下、図１８を参照して、本発明の窒化物半導体素子の製造方法の一例である実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法について説明する。実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施の形態１の窒化物半導体構造を用いて製造されていることに特徴がある。なお、以下においても、後述する工程間に他の工程が含まれていてもよいことは言うまでもない。
【０１２０】
まず、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、上記のようにして作製した実施の形態１の窒化物半導体構造の第３の窒化物半導体下地層５の平坦な上面５Ｕ上にｎ型窒化物半導体コンタクト層７を形成する。
【０１２１】
ｎ型窒化物半導体コンタクト層７としては、たとえば、Ａｌx3Ｇａy3Ｉｎz3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層にｎ型ドーパントをドーピングした層などを形成することができる。
【０１２２】
なかでも、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７としては、Ａｌx4Ｇａ1-x4Ｎ（０≦ｘ４≦１、好ましくは０≦ｘ４≦０．５、より好ましくは０≦ｘ４≦０．１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体にｎ型ドーパントとしてシリコンがドーピングされた窒化物半導体層であることが好ましい。
【０１２３】
ｎ型窒化物半導体コンタクト層７へのｎ型ドーパントのドーピング濃度は、５×１０17ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７とｎ側電極２０との良好なオーミック接触を維持し、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７におけるクラックの発生を抑制し、かつｎ型窒化物半導体コンタクト層７の良好な結晶性を維持することができる傾向にある。
【０１２４】
次に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７の表面上にｎ型窒化物半導体クラッド層９を形成する。
【０１２５】
ｎ型窒化物半導体クラッド層９としては、たとえば、Ａｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎの式（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｘ５＋ｙ５＋ｚ５≠０）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層にｎ型ドーパントをドーピングした層などを形成することができる。また、ｎ型窒化物半導体クラッド層９は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる複数の窒化物半導体層をヘテロ接合した構造や超格子構造であってもよい。
【０１２６】
ｎ型窒化物半導体クラッド層９の厚さは特に限定されないが、０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、０．００５μｍ以上０．１μｍ以下であることがより好ましい。
【０１２７】
ｎ型窒化物半導体クラッド層９へのｎ型ドーパントのドーピング濃度については、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが好ましく、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下であることがより好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体クラッド層９の良好な結晶性を維持し、かつ素子の動作電圧を低減することができる傾向にある。
【０１２８】
次に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型窒化物半導体クラッド層９の表面上に窒化物半導体活性層１１を形成する。
【０１２９】
窒化物半導体活性層１１がたとえば単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する場合には、窒化物半導体活性層１１としては、たとえば、Ｇａ1-z6Ｉｎz6Ｎ（０＜ｚ６＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を量子井戸層とするものを用いることができる。
【０１３０】
窒化物半導体活性層１１の厚さは、特に限定されないが、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましく、１ｎｍ以上６ｎｍ以下とすることがより好ましい。窒化物半導体活性層１１の厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である場合、特に１ｎｍ以上６ｎｍ以下である場合には、窒化物半導体発光ダイオード素子１００の発光出力を向上させることができる傾向にある。
【０１３１】
窒化物半導体活性層１１が、たとえばＧａ1-z6Ｉｎz6Ｎ（０＜ｚ６＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を量子井戸層とする単一量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する場合には、窒化物半導体発光ダイオード素子１００の発光波長が所望の発光波長となるように、窒化物半導体活性層１１のＩｎ組成や厚さを制御することができる。
【０１３２】
しかしながら、窒化物半導体活性層１１の形成時の基板１の温度が低いと結晶性が悪化するおそれがある一方で、窒化物半導体活性層１１の形成時の基板１の温度が高いとＩｎＮの昇華が顕著になって固相中へのＩｎの取り込まれ効率が低減してＩｎ組成が変動するおそれがある。そのため、Ｇａ1-z6Ｉｎz6Ｎ（０＜ｚ６＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層を井戸層とする単一量子井戸（ＳＱＷ）構造からなる窒化物半導体活性層１１の形成時の基板１の温度は７００℃以上９００℃以下であることが好ましく、７５０℃以上８５０℃以下であることがより好ましい。
【０１３３】
また、窒化物半導体活性層１１としては、たとえば、Ｇａ1-z6Ｉｎz6Ｎ（０＜ｚ６＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる量子井戸層と、量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＡｌx7Ｇａy7Ｉｎz7Ｎ（０≦ｘ７≦１、０≦ｙ７≦１、０≦ｚ７≦１、ｘ７＋ｙ７＋ｚ７≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる量子障壁層と、を交互に１層ずつ積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するものを用いることもできる。なお、上記の量子井戸層および／または量子障壁層にはｎ型またはｐ型のドーパントがドーピングされていてもよい。
【０１３４】
次に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、窒化物半導体活性層１１の表面上にｐ型窒化物半導体クラッド層１３を形成する。
【０１３５】
ｐ型窒化物半導体クラッド層１３としては、たとえば、Ａｌx8Ｇａy8Ｉｎz8Ｎ（０≦ｘ８≦１、０≦ｙ８≦１、０≦ｚ８≦１、ｘ８＋ｙ８＋ｚ８≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なかでも、ｐ型窒化物半導体クラッド層１３としては、Ａｌx8Ｇａ1-x8Ｎ（０＜ｘ８≦０．４、好ましくは０．１≦ｘ８≦０．３）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体にｐ型ドーパントをドーピングした層を積層することが好ましい。なお、ｐ型ドーパントとしては、たとえばマグネシウムなどを用いることができる。
【０１３６】
ｐ型窒化物半導体クラッド層１３のバンドギャップは、窒化物半導体活性層１１への光閉じ込めの観点から、窒化物半導体活性層１１のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。
【０１３７】
ｐ型窒化物半導体クラッド層１３の厚さは、特に限定されないが、０．０１μｍ以上０．４μｍ以下であることが好ましく、０．０２μｍ以上０．１μｍ以下であることがより好ましい。
【０１３８】
ｐ型窒化物半導体クラッド層１３へのｐ型ドーパントのドーピング濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましく、１×１０19ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることがより好ましい。ｐ型窒化物半導体クラッド層１３へのｐ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である場合、特に１×１０19ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下である場合には、良好な結晶性のｐ型窒化物半導体クラッド層１３を得ることができる傾向にある。
【０１３９】
また、ｐ型窒化物半導体クラッド層１３としては、たとえば、Ａｌx8aＧａ1-x8aＮ（０＜ｘ８ａ≦０．４、好ましくは０．１≦ｘ８ａ≦０．３）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層（Ａ層）と、Ａ層よりもバンドギャップの小さいＡｌx8bＧａy8bＩｎz8bＮ（０≦ｘ８ｂ≦１、０≦ｙ８ｂ≦１、０≦ｚ８ｂ≦１、ｘ８ｂ＋ｙ８ｂ＋ｚ８ｂ≠
０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる層（Ｂ層）とを交互に１層ずつ積層した超格子構造を有する層を用いることができる。なお、当該超格子構造においては、Ａ層およびＢ層のそれぞれにｐ型ドーパントがドーピングされていてもよく、Ａ層またはＢ層の一方のみにｐ型ドーパントがドーピングされていてもよい。
【０１４０】
次に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型窒化物半導体クラッド層１３の表面上にｐ型窒化物半導体コンタクト層１５を形成する。
【０１４１】
ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５としては、たとえば、Ａｌx9Ｇａy9Ｉｎz9Ｎ（０≦ｘ９≦１、０≦ｙ９≦１、０≦ｚ９≦１、ｘ９＋ｙ９＋ｚ９≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体にｐ型ドーパントをドーピングした層などを積層することができる。なかでも、ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５としては、ＧａＮ層にｐ型ドーパントをドーピングした層を用いることが好ましい。この場合には、ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５の良好な結晶性を維持し、かつ透光性電極層１９と良好なオーミック接触を得ることができる傾向にある。
【０１４２】
ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５へのｐ型ドーパントのドーピング濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましく、５×１０19ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-3以下であることがより好ましい。ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５へのｐ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である場合、特に５×１０19ｃｍ-3以上５×１０20ｃｍ-3以下である場合には、透光性電極層１９との良好なオーミック接触を維持し、ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５におけるクラックの発生を抑制し、ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５の良好な結晶性を維持することができる傾向にある。
【０１４３】
ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５の厚さは、特に限定されるものではないが、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることがより好ましい。ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５の厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下である場合、特に０．０５μｍ以上０．２μｍ以下である場合には、窒化物半導体発光ダイオード素子１００の発光出力を向上させることができる傾向にある。
【０１４４】
なお、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７、ｎ型窒化物半導体クラッド層９、窒化物半導体活性層１１、ｐ型窒化物半導体クラッド層１３およびｐ型窒化物半導体コンタクト層１５がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成される場合には、これらの層はそれぞれたとえば以下のガスを用いたＭＯＣＶＤ法によって積層することができる。
【０１４５】
すなわち、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に、たとえばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）からなる群から選択された少なくとも１つのＩＩＩ族元素の有機金属原料ガスと、たとえばアンモニアなどの窒素原料ガスとを供給して、これらを熱分解し、反応させることによって上記の層をそれぞれ積層することができる。
【０１４６】
また、ｎ型ドーパントであるシリコンをドーピングする場合には、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に、たとえばシラン（ＳｉＨ4）あるいはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）をドーピングガスとして上記の原料ガスに加えて供給することにより、シリコンをドーピングすることが可能である。
【０１４７】
また、ｐ型ドーパントであるマグネシウムをドーピングする場合には、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉の内部に、たとえばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）をドーピングガスとして上記の原料ガスに加えて供給することにより、マグネシウムをドーピングすることが可能である。
【０１４８】
次に、ｐ型窒化物半導体コンタクト層１５の表面上にたとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなる透光性電極層１９を形成した後に、透光性電極層１９の表面上にｐ側電極２１を形成する。ｐ側電極２１としては、たとえば、ニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層の積層膜を形成することができる。
【０１４９】
次に、ｐ側電極２１の形成後の積層体の一部をエッチングにより除去することによって、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７の表面の一部を露出させる。
【０１５０】
次に、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７の露出した表面上にｎ側電極２０を形成する。ｎ側電極２０としては、たとえば、ニッケル層、アルミニウム層、チタン層および金層の積層膜を形成することができる。
【０１５１】
その後、ｎ側電極２０の形成後の積層体の全面にＳｉＯ2などの絶縁保護膜２３を形成し、ｐ側電極２１およびｎ側電極２０が露出するように絶縁保護膜２３に開口部を設け、複数の窒化物半導体発光ダイオード素子１００が形成されたウエハを個別の素子に分割することによって、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を作製することができる。
【０１５２】
ここで、ウエハの分割は、たとえば、基板１上に上記の構造を形成したウエハの裏面を研削および研磨してミラー状の面とした後に、ウエハを２８０μｍ×５５０μｍ角の長方形状のチップに分割することによって行なうことができる。
【０１５３】
以上のようにして作製した実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子１００は、平坦な表面を有し、結晶性が高く、反りが抑えられて、大きな成長速度で製造された第３の窒化物半導体下地層５の上面５Ｕ上にｎ型窒化物半導体コンタクト層７、ｎ型窒化物半導体クラッド層９、窒化物半導体活性層１１、ｐ型窒化物半導体クラッド層１３およびｐ型窒化物半導体コンタクト層１５がこの順序で積層されている。
【０１５４】
そのため、ｎ型窒化物半導体コンタクト層７、ｎ型窒化物半導体クラッド層９、窒化物半導体活性層１１、ｐ型窒化物半導体クラッド層１３およびｐ型窒化物半導体コンタクト層１５については転位密度が低くなり、優れた結晶性を有している。
【０１５５】
したがって、このような優れた結晶性を有する窒化物半導体層から形成された実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子１００は、動作電圧が低く、発光出力の高い素子となり、さらに効率良く製造することができる。
【０１５６】
なお、ケース１の条件で作成された窒化物半導体発光ダイオード素子１００をベアチップ（後述の樹脂封止を行わない）評価用素子とし、１０個の素子に３０ｍＡの電流を流したところ、平均して光出力３９ｍＷ、動作電圧３．０Ｖおよび発光波長４５５ｎｍの動作電圧が低く、発光出力の高い素子が得られることが確認された。
【０１５７】
（発光装置）
また、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を用いて、図１９に示す構成の実施の形態１の発光装置１１０を製造してもよい。
【０１５８】
ここで、実施の形態１の発光装置１１０は、たとえば、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を第２のリードフレーム３１上に設置し、窒化物半導体発光ダイオード素子１００のｐ側電極２１と第１のリードフレーム３０とを第１のワイヤ３３で電気的に接続するとともに、窒化物半導体発光ダイオード素子１００のｎ側電極２０と第２のリードフレーム３１とを第２のワイヤ３４で電気的に接続する。そして、透明なモールド樹脂３５で窒化物半導体発光ダイオード素子１００をモールドすることによって、砲弾型の形状の発光装置１１０を製造することができる。
【０１５９】
図１９に示す構成の実施の形態１の発光装置１１０は、実施の形態１の窒化物半導体発光ダイオード素子１００を用いていることから、動作電圧が低く、発光出力が高く、効率良く製造することができる発光装置とすることができる。
【０１６０】
＜実施の形態２＞
実施の形態２は、実施の形態１により製造された窒化物半導体構造を用いた電子デバイスである窒化物半導体トランジスタ素子であることを特徴としている。
【０１６１】
図２０に、実施の形態２の窒化物半導体トランジスタ素子３００の模式的な断面図を示す。窒化物半導体トランジスタ素子３００は、凸部１ａが等価な３つのａ（ｓｕｂ）軸方向に配されたｃ面を主面とするサファイア基板からなる基板１と、基板１の表面上に、順次積層された、ＡｌＮなどからなる窒化物半導体中間層２と、アンドープＧａＮなどからなる第１の窒化物半導体下地層３と、アンドープＧａＮなどからなる第２の窒化物半導体下地層４と、アンドープＧａＮなどからなる第３の窒化物半導体下地層５とからなる窒化物半導体構造を有している。
【０１６２】
そして、結晶欠陥の少ない良好な結晶性を有する第２の窒化物半導体下地層５の平坦な上面５ａ上にアンドープＧａＮなどからなる窒化物半導体電子走行層７１が積層され、窒化物半導体電子走行層７１の表面上にｎ型ＡｌＧａＮなどからなるｎ型窒化物半導体電子供給層７３が積層されている。
【０１６３】
ｎ型窒化物半導体電子供給層７３の表面上にはゲート電極７７が備えられており、ゲート電極７７の両側にｎ型ＧａＮなどからなるソースコンタクト層７５Ｓとドレインコンタクト層７５Ｄとが備えられている。また、ソースコンタクト層７５Ｓ上にソース電極７８Ｓが備えられており、ドレインコンタクト層７５Ｄ上にドレイン電極７８Ｄが備えられている。
【０１６４】
以下、実施の形態２の窒化物半導体トランジスタ素子３００の製造方法の一例について説明する。まず、実施の形態１と同様にして、凸部１ａおよび凹部１ｂを有する基板１の表面上に、反応性スパッタ法によってＡｌＮからなる窒化物半導体中間層２を形成する。
【０１６５】
次に、実施の形態１と同様の条件のＭＯＣＶＤ法によって、窒化物半導体中間層２の表面上に、アンドープＧａＮからなる第１の窒化物半導体下地層３と、アンドープＧａＮからなる第１の窒化物半導体下地層４とをこの順序で成長させる。ここで、第２の窒化物半導体下地層４は、第１の窒化物半導体下地層４の表面の平面視において、ａ（ｓｕｂ）軸方向に現れる２つの斜めファセット面４ｒと、ａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の角度で傾いた方向およびａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の角度で傾いた方向にそれぞれ２つずつ現れる斜めファセット面４ｒと、が現れる条件（たとえば、ケース１の条件）で成長させる。
【０１６６】
次に、実施の形態１と同様の条件のＭＯＣＶＤ法によって、第２の窒化物半導体下地層４の表面上にアンドープＧａＮからなる第３の窒化物半導体下地層５を成長させる。ここで、第３の窒化物半導体下地層５は、第１の窒化物半導体下地層４の斜めファセット面４ｒを埋め込んで平坦な上面５Ｕが現れる条件で成長させる。
【０１６７】
次に、ＭＯＣＶＤ法によって、第３の窒化物半導体下地層５の平坦な上面５Ｕ上にｎ型ＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体電子走行層７１を積層し、窒化物半導体電子走行層７１の表面上にｎ型窒化物半導体電子供給層７３を積層する。
【０１６８】
その後、ｎ型窒化物半導体電子供給層７３の表面上に、ソースコンタクト層７５Ｓおよびドレインコンタクト層７５Ｄを形成した後に、ソース電極７８Ｓ、ドレイン電極７８Ｄおよびゲート電極７７をそれぞれ形成する。以上により、実施の形態２の窒化物半導体トランジスタ素子３００を作製することができる。
【０１６９】
実施の形態２の窒化物半導体トランジスタ素子３００においても、実施の形態１と同様に、結晶性が高く、反りが抑えられて、大きな成長速度で製造された第３の窒化物半導体下地層５の平坦な上面５Ｕ上に、窒化物半導体電子走行層７１およびｎ型窒化物半導体電子供給層７３などの窒化物半導体層を積層している。これにより、特に、窒化物半導体電子走行層７１の最上面の２次元電子走行領域における結晶欠陥が低減するため、電子の移動度を向上させることができる。
【０１７０】
したがって、実施の形態２の窒化物半導体トランジスタ素子３００においても、第３の窒化物半導体下地層５の表面上に積層されたそれぞれの層については転位密度が低く結晶性に優れた層とすることができるため、電子移動度などの特性が向上した素子とすることができる。
【実施例】
【０１７１】
＜実施例＞
まず、口径６インチで厚さ１．３ｍｍのサファイア単結晶からなる基板を準備した。次に、その基板上に図３に示す凸部の平面配置を規定するマスクを形成し、当該マスクを用いて基板の表面をドライエッチングして図３に示す平面配置に凹部を形成した。
【０１７２】
これにより、基板の表面の凸部は、基板の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向（＜１１−２０＞方向）に配列されるとともに、基板の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向に対して＋６０°の傾きを為す方向および基板の表面のａ（ｓｕｂ）軸方向に対して−６０°の傾きを為す方向（いずれもｕ方向）にそれぞれ配列されていた。ここで、凸部は、基板の表面の平面視において、図３に示す仮想の三角形１ｔの頂点にそれぞれ位置しており、仮想の三角形の３辺のそれぞれの辺の方向に周期的に配列されていた。さらに、凸部の底面における平面形状は円形であった。また、基板の表面の平面視において、隣り合う凸部の間隔は２μｍであって、凸部の底面における平面形状である円形の円の直径は１．２μｍ程度であり、凸部の高さは０．６μｍ程度であった。さらに、基板の表面の凸部および凹部はそれぞれ図４に示す断面を有しており、凸部は先端部１ｃを有していた。
【０１７３】
次に、凸部および凹部の形成後の基板の表面のＲＣＡ洗浄を行なった。そして、チャンバーに上記のＲＣＡ洗浄後の基板を設置し、Ｎ2とＡｒとを導入し、基板を６５０℃に加熱して、Ｎ2とＡｒとの混合雰囲気においてＡｌターゲットをスパッタする反応性スパッタ法により、凸部および凹部を有する基板の表面上に、基板の表面の法線方向に伸長する結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるＡｌＮ結晶からなる厚さ３０ｎｍの窒化物半導体中間層を形成した。
【０１７４】
上記のようにして窒化物半導体中間層までを形成したウエハを縦型ＭＯＣＶＤ装置内に設置し、ウエハの基板の温度を１０００℃に加熱しながら、ウエハの基板を回転数６００ＲＰＭで回転させ、縦型ＭＯＣＶＤ装置内の雰囲気の圧力を６６．６ｋＰａとした状態で、縦型ＭＯＣＶＤ装置内に、原料ガスとしてＶ族原料ガスであるアンモニアガスとＩＩＩ族原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）との混合ガスを供給するとともに、キャリアガスとして水素ガスのみ（流量：１２９ｓｌｍ）を供給することによって、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮ結晶を５分間成長させて、厚さ３００ｎｍの第１の窒化物半導体下地層を形成した。
【０１７５】
ここで、原料ガスは、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比が１１６５となるようにして供給した。なお、キャリアガスとしては水素ガスのみ供給されていることから、第１の窒化物半導体下地層の成長時のキャリアガスの全体積に対する水素ガスの体積比が１であることは明らかである。
【０１７６】
その後、引き続き、上記と同一の条件で、アンドープＧａＮ結晶をさらに成長させて、厚さ１．８μｍの実施例１の第２の窒化物半導体下地層を形成した。
【０１７７】
その後、基板の回転数を１２００ＲＰＭまで上昇させ、縦型ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の雰囲気の圧力を２６．６ｋＰａと低減した状態で、原料ガスとしてＶ族原料ガスであるアンモニアガス（アンモニアガス流量：２５ｓｌｍ）とＩＩＩ族原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム流量：３４０ｓｃｃｍ）との混合ガスを供給（Ｖ／ＩＩＩ比：６５６）するとともに、キャリアガスとして水素ガスのみ（流量：１５３ｓｌｍ）を供給することによって、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮ結晶を７２分間成長させて、第２の窒化物半導体下地層上に厚さ５．０μｍの第３の窒化物半導体下地層を形成（成長速度：４．１７μｍ／時）して、実施例の窒化物半導体構造を作製した。そして、実施例の窒化物半導体構造の第３の窒化物半導体下地層上に厚さ２．８μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層を積層した。
【０１７８】
その後、従来から用いられている方法によって、ｎ型窒化物半導体コンタクト層上に、ｎ型窒化物半導体超格子層、窒化物半導体発光層、ｐ型窒化物半導体クラッド層、ｐ型窒化物半導体コンタクト層および透光性電極層をこの順に積層した。
【０１７９】
その後、従来から用いられている方法によって、ｎ型窒化物半導体コンタクト層の表面を露出させ、ｎ型窒化物半導体コンタクト層の露出表面にｎ側電極を形成し、透光性電極層の表面上にｐ側電極を形成した。
【０１８０】
その後、透光性電極層、ｐ型窒化物半導体コンタクト層、ｐ型窒化物半導体クラッド層、窒化物半導体発光層、ｎ型窒化物半導体超格子層およびｎ型窒化物半導体コンタクト層のそれぞれの表面をＳｉＯ2からなる絶縁保護膜で覆った。
【０１８１】
その後、従来から用いられている方法によって、チップ状に分割して、実施例の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
【０１８２】
＜比較例＞
第３の窒化物半導体下地層を以下のようにして作製したこと以外は実施例と同様にして比較例の窒化物半導体構造を作製した。
【０１８３】
基板の回転数を１２００ＲＰＭまで上昇させ、縦型ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の雰囲気の圧力を１７．２ｋＰａとした状態で、原料ガスとしてＶ族原料ガスであるアンモニアガス（アンモニアガス流量：２５ｓｌｍ）とＩＩＩ族原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム流量：２７４ｓｃｃｍ）との混合ガスを供給（Ｖ／ＩＩＩ比：８１４）するとともに、キャリアガスとして水素ガスのみ（流量：１９８ｓｌｍ）を供給することによって、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮ結晶を１４０分間成長させて、第２の窒化物半導体下地層上に厚さ５．０μｍの第３の窒化物半導体下地層を形成（成長速度：２．１４μｍ／時）して、比較例の窒化物半導体構造を作製した。その後、実施例と同様にして、比較例の窒化物半導体構造の第３の窒化物半導体下地層上に厚さ２．８μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層を積層した。
【０１８４】
＜評価＞
上記のようにして作製した実施例の窒化物半導体構造と、比較例の窒化物半導体構造とについて、第３の窒化物半導体下地層上にｎ型窒化物半導体コンタクト層を形成した段階で、（１）層厚の面内分布、（２）シート抵抗の面内分布、（３）結晶性、（４）反りの大きさ、および（５）表面モフォロジーおよび結晶欠陥について、それぞれ評価した。
【０１８５】
（１）層厚の面内分布
第１の窒化物半導体下地層からｎ型窒化物半導体コンタクト層までの層厚の面内分布をフォトルミネッセンス測定法により測定した。層厚は、分光干渉を利用し、分光器で波長ごとの分光反射率を決定して算出した。図２１（ａ）に実施例の層厚の面内分布を示し、図２１（ｂ）に比較例の層厚の面内分布を示す。
【０１８６】
図２１（ａ）と図２１（ｂ）とを比較すると、図２１（ｂ）に示す比較例の層厚の面内分布は、ｎ型窒化物半導体コンタクト層の表面の中心から端部にかけて等高線状に層厚が厚くなっていた。しかしながら、図２１（ａ）に示す実施例の層厚の面内分布においては、そのような等高線状の分布とはなっていなかった。また、実施例の層厚の面内分布の層厚の偏差には大きな差が現れておらず、比較例の層厚の面内分布では現れていたオリエンテーションフラットから時計方向にかけて存在する端部の層厚部もその発生が抑制されていた。したがって、この結果から、実施例の窒化物半導体構造の第３の窒化物半導体下地層は、比較例の窒化物半導体構造の第３の窒化物半導体下地層と比べて、表面が平坦であると考えられる。
【０１８７】
（２）シート抵抗の面内分布
図２２（ａ）に実施例のシート抵抗の面内分布を示し、図２２（ｂ）に比較例のシート抵抗の面内分布を示す。ここで、シート抵抗は、非接触のシート抵抗測定器を用いて測定した。
【０１８８】
図２２（ａ）と図２２（ｂ）とを比較すると、図２２（ａ）に示す実施例のシート抵抗の面内分布の方が、図２２（ｂ）に示す比較例のシート抵抗の面内分布のと比べて、均一性が高かいように見受けられたが、シート抵抗の平均値には差異が見られなかった。
【０１８９】
（３）結晶性
実施例と比較例の窒化物半導体構造の第３の窒化物半導体下地層上に形成されたｎ型窒化物半導体コンタクト層の結晶性をＸ線ロッキングカーブ回折法（ＸＲＣ）によって評価した。
【０１９０】
ω測定によるＧａＮ（０００４）面のピーク半値幅は、実施例が３０ａｒｃｓｅｃ、比較例が３０ａｒｃｓｅｃであり、ＧａＮ（１０−１２）面のピーク半値幅は、実施例が１１６ａｒｃｓｅｃ、比較例が１１３ａｒｃｓｅｃであり、両者に大きな差は見られなかった。この結果から、実施例および比較例のいずれの窒化物半導体構造においても、第３の窒化物半導体下地層は良好な結晶性を有しているものと考えられる。
【０１９１】
これは、実施例と比較例の窒化物半導体構造の第１の窒化物半導体下地層および第２の窒化物半導体下地層の成長条件が同一であるため、実施例と比較例とにおいて、これらの層のファセット面の形状に差異が無かったためと考えられる。
【０１９２】
（４）反りの大きさ
実施例と比較例のそれぞれについて、ｎ型窒化物半導体コンタクト層の形成後のウエハの反りについて測定した。ウエハの反りは、図２３の模式的側面図に示すように、基準平面を最小二乗平面として非吸着での全測定点データの最大値と最小値の差の値を反りの大きさとした。
【０１９３】
その結果、実施例のウエハの反りは９７μｍであり、比較例のウエハの反りは１００μｍであって、実施例の方が比較例よりも反りが抑制できていることが確認された。したがって、この結果から、実施例の窒化物半導体構造の方が、比較例の窒化物半導体構造よりも反りが抑制できていると考えられる。
【０１９４】
（５）表面モフォロジーおよび結晶欠陥
実施例と比較例のそれぞれについて、ｎ型窒化物半導体コンタクト層の形成後のウエハの表面モフォロジーおよび結晶欠陥を観察した。ここで、表面モフォロジーは、微分干渉顕微鏡（金属顕微鏡）によって観察することにより評価した。また、結晶欠陥は、ＥＰＤ（エッチピット密度）測定により評価した。
【０１９５】
図２４（ａ）および図２４（ｂ）に、実施例のウエハの表面モフォロジーの微分干渉顕微鏡（金属顕微鏡）による観察像を示し、図２４（ｃ）および図２４（ｄ）に、実施例のウエハのＥＰＤ測定による結晶欠陥の観察像を示す。ここで、図２４（ａ）および図２４（ｃ）がそれぞれ５倍の倍率での観察像であり、図２４（ｂ）および図２４（ｄ）がそれぞれ２０倍の倍率での観察像である。
【０１９６】
図２５（ａ）および図２５（ｂ）に、比較例のウエハの表面モフォロジーの微分干渉顕微鏡（金属顕微鏡）による観察像を示し、図２５（ｃ）および図２５（ｄ）に、比較例のウエハのＥＰＤ測定による結晶欠陥の観察像を示す。ここで、図２５（ａ）および図２５（ｃ）がそれぞれ５倍の倍率での観察像であり、図２５（ｂ）および図２５（ｄ）がそれぞれ２０倍の倍率での観察像である。
【０１９７】
図２４（ａ）〜（ｄ）と、図２５（ａ）〜（ｄ）との比較から明らかなように、実施例と比較例のウエハの表面モフォロジーおよび結晶欠陥にほとんど差異は見られなかった。
【０１９８】
＜まとめ＞
以上の実施例と比較例との比較から、以下の１）〜３）の条件を満たすことによって、第３の窒化物半導体下地層の成長時間を１４０分間から７２分間に大幅に短縮して、平坦な表面を有し、結晶性が高く、反りが抑えられた第３の窒化物半導体下地層を成長させることができる。これにより、ＩＩＩ族原料ガスの使用量を大幅に低減することが可能となり、比較例のように端部に局所的に大きな層厚を有するエッジ部の発生を抑制することができる。
【０１９９】
１）ＩＩＩ族原料ガスであるＴＭＧの流量を２７４ｓｃｃｍから３４０ｓｃｃｍに増加させる。
【０２００】
２）キャリアガスである水素ガスの流量を１９８ｓｌｍから１５３ｓｌｍに減少させる。
【０２０１】
３）第３の窒化物半導体下地層の成長時の圧力を１７．２ｋＰａから２６．６ｋＰａに増加させる。
【０２０２】
また、ＩＩＩ族原料ガスの流量を増加させただけでは、上記のような大幅な成長時間の短縮を望むことはできないが、キャリアガスである水素ガスの流量を１５３ｓｌｍに減少させることによって、第３の窒化物半導体下地層の成長時における成長室内のＩＩＩ族原料ガスの濃度を上昇させることによって、上記の大幅な成長時間の短縮を望むことができる。このとき、縦型ＭＯＣＶＤ装置の成長室の排気装置の排気速度を低下させて、成長室内でＩＩＩ族原料ガスを滞留させることにより、第３の窒化物半導体下地層の成長速度をさらに大きくすることができる。
【０２０３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２０４】
本発明は、窒化物半導体構造の製造方法に利用することができ、また窒化物半導体発光ダイオード素子および窒化物半導体トランジスタ素子の製造方法に利用することもできる。
【符号の説明】
【０２０５】
１  基板、１ａ  凸部、１ｂ  凹部、１ｃ  先端部、１ｔ  三角形、２  窒化物半導体中間層、３  第１の窒化物半導体下地層、３ｃ  第１の平坦領域、３ｄ  粗面領域、３ｆ  第１の斜めファセット面、４  第２の窒化物半導体下地層、４ｃ  第２の平坦領域、４ｒ  第２の斜めファセット面、５  第３の窒化物半導体下地層、５Ｕ  上面、７  ｎ型窒化物半導体コンタクト層、９  ｎ型窒化物半導体クラッド層、１１  窒化物半導体活性層、１３  ｐ型窒化物半導体クラッド層、１５  ｐ型窒化物半導体コンタクト層、１９  透光性電極層、２０  ｎ側電極、２１  ｐ側電極、２３  絶縁保護膜、３０  第１のリードフレーム、３１  第２のリードフレーム、３３  第１のワイヤ、３４  第２のワイヤ、３５  モールド樹脂、４０  表面、７１  窒化物半導体電子走行層、７３  ｎ型窒化物半導体電子供給層、７５Ｓ  ソースコンタクト層、７５Ｄ  ドレインコンタクト層、７７  ゲート電極、７８Ｓ  ソース電極、７８Ｄ  ドレイン電極、１００  窒化物半導体発光ダイオード素子、１１０  発光装置、３００  窒化物半導体トランジスタ素子。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２３】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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