(57)【要約】【課題】窒化物半導体積層体に反りが生じることを抑制する技術を提供する。【解決手段】基板のいずれかの主面上に設けられる窒化物半導体層を備え、窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、第１の窒化物半導体層は、窒化物半導体積層体に発生する反りを低減する不純物元素をさらに含み、第１の窒化物半導体層中における不純物元素の濃度が、第２の窒化物半導体層中における不純物元素の濃度よりも高くなるように形成されている。【選択図】図１
2016096298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板のいずれかの主面上に設けられる窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体積層体であって、
前記窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、
前記第１の窒化物半導体層は、前記窒化物半導体積層体に発生する反りを低減する不純物元素をさらに含み、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度よりも高くなるように形成されている
窒化物半導体積層体。
【請求項２】
前記窒化物半導体層の最下層が前記第１の窒化物半導体層で形成されている
請求項１に記載の窒化物半導体積層体。
【請求項３】
前記窒化物半導体層の最上層が前記第２の窒化物半導体層で形成されている
請求項１又は２に記載の窒化物半導体積層体。
【請求項４】
前記窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層と、が交互に複数回積層されてなる
請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体積層体。
【請求項５】
前記第１の窒化物半導体層はそれぞれ、前記窒化物半導体層の上層側に位置するほど、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が低くなる
請求項４に記載の窒化物半導体積層体。
【請求項６】
前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度は、１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である
請求項１ないし５のいずれかに記載の窒化物半導体積層体。
【請求項７】
前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度は、３．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である
請求項１ないし６のいずれかに記載の窒化物半導体積層体。
【請求項８】
前記窒化物半導体層の厚さに対する前記第１の窒化物半導体層の合計厚さの割合が３０％以下である
請求項１ないし７のいずれかに記載の窒化物半導体積層体。
【請求項９】
基板のいずれかの主面上に設けられた窒化物半導体層を備える窒化物半導体積層体と、
前記窒化物半導体層上に設けられる発光層と、
前記発光層上に設けられる電極と、を備え、
前記窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、
前記第１の窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層の反りの発生を低減する不純物元素をさらに含み、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度よりも大きくなるように形成されている
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、窒化物半導体積層体及び窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の窒化物半導体装置（半導体素子）には、基板と、基板のいずれかの主面上に設けられる窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体積層体が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７８９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、基板のいずれかの主面上に窒化物半導体層を設けて窒化物半導体積層体を形成すると、窒化物半導体積層体に反りが生じてしまうことがある。
【０００５】
本発明の目的は、窒化物半導体積層体に反りが生じることを抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板のいずれかの主面上に設けられる窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体積層体であって、
前記窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、
前記第１の窒化物半導体層は、前記窒化物半導体積層体に発生する反りを低減する不純物元素をさらに含み、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度よりも高くなるように形成されている窒化物半導体積層体が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、
基板のいずれかの主面上に設けられた窒化物半導体層を備える窒化物半導体積層体と、
前記窒化物半導体層上に設けられる発光層と、
前記発光層上に設けられる電極と、を備え、
前記窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、
前記第１の窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層の反りの発生を低減する不純物元素をさらに含み、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度よりも大きくなるように形成されている窒化物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、窒化物半導体積層体に反りが生じることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体積層体の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体積層体を製造する装置の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体積層体の製造工程を示すフロー図である。
【図４】本発明の一実施例にかかる窒化物半導体層中における不純物元素の濃度と、窒化物半導体積層体に生じる反り量と、の相関関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明の一実施例にかかる窒化物半導体層中における不純物元素の濃度と、窒化物半導体層の結晶性と、の相関関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（発明者等が得た知見）
本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明者等が得た知見について説明する。基板と、窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体積層体では、基板の熱膨張係数と窒化物半導体層の熱膨張係数とが異なっている。具体的には、窒化物半導体層の熱膨張係数が、基板の熱膨張係数よりも低くなっている。このため、高温雰囲気下で窒化物半導体層を形成した後に降温させる等の温度変化により、窒化物半導体積層体に反りが生じてしまうことがある。そこで、窒化物半導体層全体の熱膨張係数を高くし、窒化物半導体層全体の熱膨張係数を基板の熱膨張係数に近付けることで、窒化物半導体積層体に反りが生じることを抑制することが考えられる。本発明者等の鋭意検討の結果、窒化物半導体層中に、所定の不純物元素を含ませることで、窒化物半導体層全体の熱膨張係数が高くなり、窒化物半導体層に反りが生じることを抑制できることを見出した。例えば図４に示す窒化物半導体層中における不純物元素の濃度と、窒化物半導体積層体に生じる反り量と、の相関関係を表すグラフ図から、窒化物半導体層中における不純物元素の濃度が高くなるほど、窒化物半導体積層体に生じる反り量を低減できることが分かる。しかしながら、窒化物半導体層全体中における不純物元素の濃度が高くなると、窒化物半導体層の結晶性が低下してしまうことがある。例えば図５に示す窒化物半導体層中における不純物元素の濃度と、窒化物半導体層の結晶性と、の相関関係を表すグラフ図から、窒化物半導体層中における不純物元素の濃度が高くなるほど、窒化物半導体層の結晶性が悪くなることが分かる。そこで、本発明者等は、窒化物半導体層を、熱膨張係数の高い層と、結晶性の良い層と、を交互に積層して形成することで、窒化物半導体層全体での結晶性の低下を抑制しつつ、窒化物半導体積層体に反りが生じることを抑制できることを見出した。本発明は、発明者等が見出した上記知見に基づくものである。
【００１１】
＜本発明の一実施形態＞
（１）窒化物半導体積層体の構成
以下に、本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体積層体について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかる窒化物半導体積層体１の概略断面図である。
【００１２】
図１に示すように、窒化物半導体積層体１は、基板２を備えている。基板２としては、例えばサファイア基板を用いることができる。
【００１３】
基板２の少なくともいずれかの主面上には、窒化物半導体層３が設けられている。窒化物半導体層３は、第１の窒化物半導体層３Ａと、第２の窒化物半導体層３Ｂと、が交互に所定回数（１回又は複数回）ずつ積層されて形成されている。例えば、窒化物半導体層３は、第１の窒化物半導体層３Ａと第２の窒化物半導体層３Ｂとが、交互に２回ずつ積層されて形成されている。
【００１４】
第１の窒化物半導体層３Ａ及び第２の窒化物半導体層３Ｂはそれぞれ、ＩＩＩ族元素及び窒素（Ｎ）を含んでいる。ＩＩＩ族元素としては、例えばガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）の少なくともいずれかを用いることができる。つまり、第１の窒化物半導体層３Ａ及び第２の窒化物半導体層３Ｂはそれぞれ、例えばＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層で形成されている。なお、第１の窒化物半導体層３Ａ及び第２の窒化物半導体層３Ｂにはそれぞれ、同一のＩＩＩ族元素が含まれている。つまり、第１の窒化物半導体層３Ａが例えばＧａＮ層で形成されている場合は、第２の窒化物半導体層３ＢもＧａＮ層で形成されている。
【００１５】
第１の窒化物半導体層３Ａは、窒化物半導体積層体１に生じる反りを低減する不純物元素をさらに含んでいる。例えば、第１の窒化物半導体層３Ａは、熱膨張係数を基板２の熱膨張係数に近付ける不純物元素をさらに含んでいる。具体的には、第１の窒化物半導体層３Ａは、第１の窒化物半導体層３Ａの熱膨張係数を高くするような不純物元素をさらに含んでいる。不純物元素としては、塩素（Ｃｌ）、フッ素（Ｆ）、ヨウ素（Ｉ）、臭素（Ｂｒ）等のハロゲン元素を用いることができる。これらの不純物元素の中でも、Ｃｌが用いられることが好ましい。窒化物半導体層３が、熱膨張係数が高い第１の窒化物半導体層３Ａを備えることで、窒化物半導体層３全体の平均的な熱膨張係数を高くすることができる。つまり、窒化物半導体層３の熱膨張係数を、基板２の熱膨張係数に近付けることができる。また、第１の窒化物半導体層３Ａは、窒化物半導体層３に生じた応力を緩和（吸収、相殺）する応力緩和層として機能するようになる。その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。
【００１６】
第２の窒化物半導体層３Ｂは、第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度が、第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度よりも低くなるように形成されている。なお、第２の窒化物半導体層３Ｂは、不純物元素を含んでいなくてもよい。これにより、第２の窒化物半導体層３Ｂは、第１の窒化物半導体層３Ａよりも結晶性の良い層となる。このように、窒化物半導体層３が、第１の窒化物半導体層３Ａよりも不純物元素の濃度が低い第２の窒化物半導体層３Ｂを備えることで、窒化物半導体層３の結晶性が低下することを抑制できる。例えば、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって測定した窒化物半導体層３の（０００４）面におけるロッキングカーブの半値幅（以下では、単に「窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅」とも言う。）を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にすることができる。なお、半値幅の値が小さい方が、窒化物半導体層３の結晶性が高い（良い）ことを示し、半値幅の値が高い方が、窒化物半導体層３の結晶性が低い（悪い）ことを示している。
【００１７】
上述したように、窒化物半導体層３は、不純物元素の濃度が異なる第１の窒化物半導体層３Ａと第２の窒化物半導体層３Ｂとが所定回数ずつ交互に積層されて形成されている。この際、窒化物半導体層３の最下層が第１の窒化物半導体層３Ａで形成されているとよい。つまり、基板２と接する窒化物半導体層３の箇所が、基板２の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する第１の窒化物半導体層３Ａで形成されているとよい。また、窒化物半導体層３の最上層が結晶性の良い第２の窒化物半導体層３Ｂで形成されているとよい。
【００１８】
第１の窒化物半導体層３Ａと第２の窒化物半導体層３Ｂとが複数回ずつ交互に積層され、窒化物半導体層３が複数の第１の窒化物半導体層３Ａを備えている場合、複数の第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度がそれぞれ異なっていてもよい。この際、複数の第１の窒化物半導体層３Ａのうち、最下層に位置する第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が最も高くなっているとよい。例えば、複数の第１の窒化物半導体層３Ａはそれぞれ、窒化物半導体層３の上層側に位置する第１の窒化物半導体層３Ａほど、第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が低くなるように形成されているとよい。具体的には、複数の第１の窒化物半導体層３Ａはそれぞれ、隣り合う２つの第１の窒化物半導体層３Ａのうち、窒化物半導体層３の上層側に位置する第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が、窒化物半導体層３の下層側に位置する第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度の例えば７０％以上８０％以下になるように形成されているとよい。
【００１９】
第１の窒化物半導体層３Ａと第２の窒化物半導体層３Ｂとが複数回ずつ交互に積層され、窒化物半導体層３が複数の第２の窒化物半導体層３Ｂを備えている場合、複数の第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度がそれぞれ異なっていてもよい。この際、複数の第２の窒化物半導体層３Ｂのうち、最上層に位置する第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度が最も低くなっているとよい。つまり、複数の第２の窒化物半導体層３Ｂはそれぞれ、窒化物半導体層３の上層側に位置する第２の窒化物半導体層３Ｂほど、第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度が低くなるように形成されているとよい。
【００２０】
第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度は、例えば１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００２１】
第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満であると、第１の窒化物半導体層３Ａの熱膨張係数を十分に高められないことがある。その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じてしまうことがある。第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度を１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上にすることで、第１の窒化物半導体層３Ａの熱膨張係数を十分に高めることができる。これにより、窒化物半導体層３の熱膨張係数を十分に高めることができる。その結果、窒化物半導体層３の熱膨張係数を基板２の熱膨張係数に十分に近付けることができる。つまり、窒化物半導体層３の熱膨張係数と、基板２の熱膨張係数と、の差を所望の範囲まで小さくすることができる。その結果、第１の窒化物半導体層３Ａを応力緩和層として機能させることができ、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。
【００２２】
しかしながら、第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が３．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、窒化物半導体層３中（つまり窒化物半導体層３全体）における不純物元素の濃度が高くなりすぎてしまうことがある。その結果、窒化物半導体層３の結晶性が低下してしまうことがある。第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度を３．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることで、窒化物半導体層３中における不純物元素の濃度が高くなりすぎてしまうことを抑制できる。その結果、窒化物半導体層３の結晶性の低下を抑制できる。例えば、窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にすることができる。
【００２３】
第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度は、例えば３．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００２４】
第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度が３．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、窒化物半導体層３中における不純物元素の濃度が高くなりすぎてしまうことがある。その結果、窒化物半導体層３の結晶性が低下してしまうことがある。第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度を３．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることで、窒化物半導体層３中における不純物元素の濃度が高くなりすぎてしまうことを抑制できる。その結果、窒化物半導体層３の結晶性の低下を抑制できる。例えば、窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にすることができる。
【００２５】
第１の窒化物半導体層３Ａは、窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合が例えば３０％以下になるように形成されているとよい。
【００２６】
窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合が３０％を超えると、窒化物半導体層３に占める第１の窒化物半導体層３Ａの割合が多くなってしまう。つまり、第１の窒化物半導体層３Ａに比べて結晶性の良い層である第２の窒化物半導体層３Ｂの割合が少なくなってしまう。その結果、窒化物半導体層３の結晶性が低下してしまうことがある。窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合を３０％以下にすることで、窒化物半導体層３の結晶性の低下を抑制できる。例えば、窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にすることができる。
【００２７】
しかしながら、窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合が低すぎると、窒化物半導体層３に占める第１の窒化物半導体層３Ａの割合が少なくなってしまうことがある。このため、窒化物半導体層３全体の平均的な熱膨張係数を十分に高めることができないことがあり、その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じてしまうことがある。従って、窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合は、窒化物半導体層３全体の平均的な熱膨張係数を十分に高めることができる割合であって、３０％以下にすることが好ましい。
【００２８】
また、第１の窒化物半導体層３Ａの各層の厚さがそれぞれ薄すぎると、第１の窒化物半導体層３Ａの各層が応力緩和層として十分に機能しないことがある。例えば、第２の窒化物半導体層３Ｂ上に第１の窒化物半導体層３Ａを設ける場合、第１の窒化物半導体層３Ａによって、第２の窒化物半導体層３Ｂで生じた応力（反り）を低減する効果が得られにくくなることがある。その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じてしまうことがある。このため、第１の窒化物半導体層３Ａの各層の厚さは、第１の窒化物半導体層３Ａを応力緩和層として十分に機能させることができる厚さであることが好ましい。その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。
【００２９】
しかしながら、第１の窒化物半導体層３Ａの各層の厚さが厚すぎると、例えば窒化物半導体層３の厚さの上限値が決まっている場合、窒化物半導体層３に占める第２の窒化物半導体層３Ｂの割合が少なくなってしまう。その結果、窒化物半導体層３の結晶性が低下してしまうことがある。また、窒化物半導体層３が複数の第１の窒化物半導体層３Ａを備える場合、厚さが厚い第１の窒化物半導体層３Ａが１層でもあると、窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合を３０％以下にするには、他の第１の窒化物半導体層３Ａの厚さを薄くしなければならなくなる。その結果、上述したように窒化物半導体積層体１に反りが生じてしまうことがある。従って、第１の窒化物半導体層３Ａの各層の厚さは、これらの課題を解決できる厚さであることが好ましい。つまり、窒化物半導体層３の結晶性の低下を抑制しつつ、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる厚さであることが好ましい。例えば、窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にしつつ、窒化物半導体積層体１の反り量を低減することができる厚さであることが好ましい。
【００３０】
また、第２の窒化物半導体層３Ｂの各層の厚さが薄すぎると、窒化物半導体層３の結晶性を十分に改善できないことがある。その結果、上述したように、窒化物半導体層３の結晶性が低下してしまうことがある。このため、第２の窒化物半導体層３Ｂの各層の厚さは、窒化物半導体層３の結晶性を十分に改善でき、窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を例えば２５０ａｒｃｓｅｃ以下にすることができる厚さであることが好ましい。
【００３１】
しかしながら、第２の窒化物半導体層３Ｂの各層の厚さが厚すぎると、例えば窒化物半導体層３の上限値が決まっている場合、窒化物半導体層３の厚さに対する第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さの割合を小さくしなければならないことがある。その結果、上述したように窒化物半導体積層体１に反りが生じてしまうことがある。このため、第２の窒化物半導体層３Ｂの各層の厚さは、これを解決し、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる厚さであることが好ましい。
【００３２】
（２）窒化物半導体積層体の製造装置
次に、本実施形態にかかる窒化物半導体積層体１の製造装置について、窒化物半導体層３としてＧａＮ層を形成する装置を例に、図２を用いて説明する。図２は、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）装置の概略断面図である。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態にかかる窒化物半導体積層体１の製造装置２０（以下では、「ＨＶＰＥ装置２０」とも言う。）は、例えば石英（ＳｉＯ２）等の耐熱性材料により形成される反応容器２１を備えている。反応容器２１内の筒中空部には、処理室２２が形成されている。処理室２２内には、処理室２２内で基板２を支持する基板支持部としてのサセプタ２３が設けられている。サセプタ２３には回転軸２３ａが設けられており、サセプタ２３は回転可能に構成されている。処理室２２内には、液体原料２４と後述の反応ガスとを反応させて処理ガスを生成する気化器（処理ガス生成容器）２５が設けられている。気化器２５は、例えば主に第１のヒータ２６ａによって加熱される処理室２２内の領域に設けられている。気化器２５内には、液体原料２４として、例えばＧａ融液が収容されている。気化器２５には、気化器２５内に後述の反応ガスを導入する導入口と、気化器２５内で生成された処理ガスを排出する排出口と、が設けられている。反応容器２１の外周には、加熱部として、第１のヒータ２６ａ及び第２のヒータ２６ｂが設けられている。主に第１のヒータ２６ａによって、気化器２５内が所定温度（例えば６００℃〜９００℃）に加熱される。主に第２のヒータ２６ｂによって処理室２２内の基板２が所定温度（例えば５００℃〜１２００℃）に加熱される。反応容器２１には、処理室２２内の雰囲気を排気する排気管２７が設けられている。排気管２７には、排気装置としての真空ポンプ２８が設けられている。
【００３４】
反応容器２１には、不純物元素含有ガス供給管２９と、第１の処理ガス供給管３０と、反応ガス供給管３１と、がそれぞれ、反応容器２１の側部を貫通するように気密に設けられている。
【００３５】
不純物元素含有ガス供給管２９の反応容器２１の外側には、上流側から順に、不純物元素含有ガス供給源２９ａ、流量制御器としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２９ｂ、処理室２２内の基板２に対して不純物元素含有ガスの供給・停止を行う弁としてのバルブ２９ｃが設けられている。不純物元素含有ガス供給管２９から、不純物元素含有ガスとして例えば塩化水素（ＨＣｌ）ガスが処理室２２内の基板２に供給される。第１の処理ガス供給管３０の反応容器２１の外側には、上流側から順に、第１の処理ガス供給源３０ａ、処理室２２内の基板２に対して第１の処理ガスの供給・停止を行う弁としてのバルブ３０ｂが設けられている。第１の処理ガス供給管３０からは、第１の処理ガスとして例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスが、処理室２２内の基板２に供給される。
【００３６】
反応ガス供給管３１の反応容器２１の外側には、上流側から順に、反応ガス供給源３１ａ、気化器２５内への反応ガスの供給・停止を行う弁としてのバルブ３１ｂが設けられている。反応ガス供給管３１の下流端は、気化器２５の導入口に接続されている。反応ガス供給管３１から反応ガスとして例えばＨＣｌガスが気化器２５内に供給される。気化器２５の排出口には、気化器２５内で生成された処理ガス（第２の処理ガス）を基板２に供給する第２の処理ガス供給管３２が気密に設けられている。第２の処理ガス供給管３２から、第２の処理ガスとして例えば塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスが、処理室２２内の基板２に供給される。
【００３７】
（３）窒化物半導体積層体の製造方法
次に、本実施形態にかかる窒化物半導体積層体１の製造方法の一実施形態について、図３を用いて説明する。ここでは、上述のＨＶＰＥ装置２０を用い、窒化物半導体層３をエピタキシャル成長法により形成する場合を例に説明する。
【００３８】
（基板搬入工程（Ｓ１０））
まず、気化器２５内に例えばＧａの固体を入れる（補充する）。そして、基板２としての例えばサファイア基板を処理室２２内に搬入し、サセプタ２３上に載置した後、サセプタ２３の回転を開始する。サセプタ２３の回転は、少なくとも後述の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３０）が終了するまで継続する。
【００３９】
（圧力・温度調整工程（Ｓ２０））
処理室２２内が所定の圧力（真空度）になるように、真空ポンプ２８によって処理室２２内を真空排気する（圧力調整）。また、気化器２５内が所定の温度（例えば６００℃〜９００℃）になるように、第１のヒータ２６ａによって加熱する。これにより、気化器２５内のＧａの固体が溶融して液体原料２４であるＧａ融液が生成される。第１のヒータ２６ａによる加熱と併行して、処理室２２内の基板２が所定の温度（例えば５００℃〜１２００℃）になるように、第２のヒータ２６ｂによって加熱する。
【００４０】
（窒化物半導体層形成工程（Ｓ３０））
［第１の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３１）］
処理室２２内が所定の圧力になり、気化器２５内でＧａ融液が生成されるとともに、基板２が所定の温度に達したら、バルブ３０ｂを開けて、第１の処理ガス供給管３０から、第１の処理ガス（例えばＮＨ３ガス）の処理室２２内の基板２への供給を開始する。また、バルブ２９ｃを開けて、不純物元素含有ガス供給管２９から、不純物元素含有ガス（例えばＨＣｌガス）の処理室２２内の基板２への供給を開始する。この際、第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が所定の濃度（例えば１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）になるように、ＭＦＣ２９ｂの開度を調整して、不純物元素含有ガスの流量を調整するとよい。また、バルブ３１ｂを開けて、反応ガス供給管３１から、反応ガス（例えばＨＣｌガス）の気化器２５内への供給を開始する。これにより、気化器２５内で、Ｇａ融液と反応ガスとが接触し、Ｇａ融液と反応ガスとが反応して、第２の処理ガス（例えばＧａＣｌガス）が生成される。第２の処理ガス供給管３２から、第２の処理ガスを処理室２２内の基板２に供給する。そして、不純物元素の濃度が所定の濃度である第１の窒化物半導体層３Ａ（ＧａＮ層）を形成する。
【００４１】
［第２の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３２）］
第１の窒化物半導体層３Ａの厚さが所定の厚さに達したら、不純物元素含有ガスの供給、第１の処理ガスの供給、反応ガスの供給を維持しつつ、ＭＦＣ２９ｂの開度を調整して、不純物元素含有ガスの流量を調整するとよい。具体的には、第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度が所定の濃度（例えば３．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下）になるように、ＭＦＣ２９ｂの開度を調整する。そして、第１の窒化物半導体層３Ａ上に、不純物元素の濃度が第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度よりも低い第２の窒化物半導体層３Ｂを形成する。
【００４２】
［繰り返し工程］
第２の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３２）が終了したら、不純物元素含有ガスの供給、第１の処理ガスの供給、反応ガスの供給を維持しつつ、ＭＦＣ２９ｂの開度を調整して、不純物元素含有ガスの流量を調整し、再び第１の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３１）を行う。つまり、第１の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３１）と、第２の窒化物半導体層形成工程（Ｓ３２）と、を所定回数ずつ交互に繰り返して行い、第１の窒化物半導体層３Ａと、第２の窒化物半導体層３Ｂと、が所定回数ずつ交互に積層された所定厚さの窒化物半導体層３を、基板２上に形成する。
【００４３】
（大気圧復帰・基板搬出工程（Ｓ４０））
窒化物半導体層形成工程（Ｓ３０）が終了したら、基板２への不純物元素含有ガス及び第１の処理ガスの供給、気化器２５内への反応ガスの供給を停止する。また、第１のヒータ２６ａ及び第２のヒータ２６ｂによる加熱を停止し、気化器２５内、処理室２２内、基板２を降温させる。また、真空ポンプ２８により処理室２２内を大気圧に復帰させる。そして、サセプタ２３から基板２を取り外し、基板２を処理室２２外へ搬出する。
【００４４】
（４）窒化物半導体装置の構成
続いて、上述した窒化物半導体積層体１を備える窒化物半導体装置について、窒化物半導体装置が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合を例に、説明する。窒化物半導体装置は、窒化物半導体積層体１の上面、つまり窒化物半導体層３上に発光層を備えている。発光層は、例えばＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。また、発光層上には、電極が設けられている。
【００４５】
（５）本実施形態の効果
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【００４６】
（ａ）本実施形態によれば、窒化物半導体層３は、不純物元素を含む第１の窒化物半導体層３Ａと、第１の窒化物半導体層３Ａよりも不純物元素の濃度が低い第２の窒化物半導体層３Ｂと、が所定回数ずつ交互に積層されて形成されている。これにより、窒化物半導体層３の結晶性を低下させることなく、窒化物半導体積層体１が反ってしまうことを抑制できる。例えば、窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にするとともに、窒化物半導体積層体１の反り量を低減することができる。
【００４７】
窒化物半導体積層体１の反り量を低減することで、例えば、窒化物半導体積層体１が備える窒化物半導体層３上に、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層を成長させて窒化物半導体装置（ＬＥＤ）を形成する際、ＩｎＧａＮ層中のインジウム（Ｉｎ）の分布を面内均一にできる。従って、発光波長を面内均一にできる。また、例えばＬＥＤを形成する工程においてマスクを使用する際、マスクの吸着不良を抑制できる。その結果、マスクがずれてしまうことを抑制できる。また、例えば窒化物半導体積層体１に対してバックラップを行っている際に、窒化物半導体積層体１が割れてしまうことを抑制できる。
【００４８】
窒化物半導体層３の（０００４）面の半値幅を２５０ａｒｃｓｅｃ以下にすることで、例えば窒化物半導体積層体１上に発光層を形成してＬＥＤを形成する場合、結晶性の良い発光層を形成できる。その結果、ＬＥＤの発光輝度が低下することを抑制できる。つまり、ＬＥＤの信頼性の低下を抑制できる。
【００４９】
（ｂ）具体的には、第１の窒化物半導体層３Ａ中に不純物元素を含ませることで、第１の窒化物半導体層３Ａの熱膨張係数を高くすることができる。その結果、窒化物半導体層３の熱膨張係数を高くし、窒化物半導体層３の熱膨張係数を基板２の熱膨張係数に近付けることができる。また、第１の窒化物半導体層３Ａが窒化物半導体層３に生じた応力を緩和する応力緩和層として機能する。これにより、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。その結果、上記（ａ）の効果を得ることができる。
【００５０】
（ｃ）また、窒化物半導体層３が備える第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度を、第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度よりも低くすることで、窒化物半導体層３に所定の不純物元素を含ませた場合であっても、窒化物半導体層３全体の結晶性が低下することを抑制できる。つまり、第１の窒化物半導体層３Ａよりも不純物元素の濃度が低く、結晶性の良い第２の窒化物半導体層３Ｂを設けることで、窒化物半導体層３全体の結晶性が低下することを抑制できる。その結果、上記（ａ）の効果を得ることができる。
【００５１】
（ｄ）結晶性は悪いが、熱膨張係数が高い第１の窒化物半導体層３Ａと、第１の窒化物半導体層３Ａよりも熱膨張係数は低いが、結晶性の良い第２の窒化物半導体層３Ｂと、を交互に所定回数ずつ積層することで、第２の窒化物半導体層３Ｂの間に第１の窒化物半導体層３Ａを介在させることができる。この際、第１の窒化物半導体層３Ａが、例えば第２の窒化物半導体層３Ｂで生じた応力（反り）を第１の窒化物半導体層３Ａで相殺するように緩和する応力緩和層として機能する。その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じることをより抑制できる。また、第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さを薄くしても、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。このように結晶性の悪い第１の窒化物半導体層３Ａの合計厚さを薄くすることで、窒化物半導体層３全体の結晶性の低下を抑制することができる。その結果、上記（ａ）の効果をより得ることができる。
【００５２】
（ｅ）窒化物半導体層３の最下層を熱膨張係数の高い第１の窒化物半導体層３Ａで形成することで、基板２と接触する箇所の窒化物半導体層３の熱膨張係数を、基板２の熱膨張係数に近付けることができる。その結果、窒化物半導体積層体１に反りが生じることをより抑制できる。その結果、上記（ａ）の効果をより得ることができる。
【００５３】
（ｆ）窒化物半導体層３の最上層を第２の窒化物半導体層３Ｂで形成することで、例えば窒化物半導体積層体１が備える窒化物半導体層３上に発光層を成長させてＬＥＤを形成する際、窒化物半導体積層体１が加熱されることで窒化物半導体層３中の不純物元素が活性化した場合であっても、発光層中に拡散する不純物元素の量を低減できる。
【００５４】
（ｇ）窒化物半導体層３が複数の第１の窒化物半導体層３Ａと第２の窒化物半導体層３Ｂとを備え、複数の第１の窒化物半導体層３Ａ，複数の第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度がそれぞれ異なる場合、窒化物半導体層３の上層側に位置する第１の窒化物半導体層３Ａほど、第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度を徐々に低くし、窒化物半導体層３の上層側に位置する第２の窒化物半導体層３Ｂほど、第２の窒化物半導体層３Ｂ中における不純物元素の濃度を徐々に低くすることで、隣接する第１の窒化物半導体層３Ａと第２の窒化物半導体層３Ｂとの間の熱膨張係数の差を小さくできる。従って、窒化物半導体積層体１に反りが生じることをより抑制できる。また、第２の窒化物半導体層３Ｂの下地層としても機能する第１の窒化物半導体層３Ａ中における不純物元素の濃度が低くなると、第２の窒化物半導体層３Ｂの結晶性をより向上させることができる。
【００５５】
（ｈ）不純物元素として、ハロゲン元素を用いることで、第１の窒化物半導体層３Ａの熱膨張係数を向上させることができる。特に、不純物元素としてＦではなく、Ｃｌを用いることで、基板２上に窒化物半導体層３を形成する装置の構成部品（例えば石英で形成される部品）が腐食することを抑制できる。
【００５６】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。ただし、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００５７】
上述の実施形態では、窒化物半導体層３の最下層が第１の窒化物半導体層３Ａで形成され、最上層が第２の窒化物半導体層３Ｂで形成される場合について説明したが、これに限定されない。例えば、窒化物半導体層３の最下層を第２の窒化物半導体層３Ｂで形成してもよい。また、例えば、最上層を第１の窒化物半導体層３Ａで形成してもよい。これらによっても、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。
【００５８】
上述の実施形態では、窒化物半導体層３がシリコン（Ｓｉ）等のドーピング元素を含まないノンドープ層で形成される場合について説明したが、これに限定されない。つまり、窒化物半導体層３は、Ｓｉ等のドーピング元素がドープされたドープ層で形成されていてもよい。例えば、窒化物半導体層３の最上層を形成する層がドープ層で形成されていてもよい。これによっても、窒化物半導体積層体１に反りが生じることを抑制できる。
【００５９】
上述の実施形態では、不純物元素含有ガス供給管２９から処理室２２内の基板２に供給される不純物元素含有ガスの流量をＭＦＣ２９ｂで調整する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、不純物元素含有ガス供給管２９に、不純物元素含有ガスとともに、キャリアガスとしての不活性ガス（例えば窒素（Ｎ２）ガス、水素（Ｈ２）ガス、Ｎ２ガスとＨ２ガスとの混合ガス）を流すことで、不純物元素含有ガスの流量を調整してもよい。つまり、不純物元素含有ガス供給管２９に流すキャリアガスの流量を調整することで、不純物元素含有ガスの流量を調整してもよい。
【００６０】
上述の実施形態では、ＨＶＰＥ装置２０が、不純物元素含有ガス供給管２９を備える場合について説明したが、これに限定されない。例えば、ＨＶＰＥ装置２０が、キャリアガス供給管、ドーピングガス供給管を備える場合、キャリアガス供給管、ドーピングガス供給管を不純物元素含有ガス供給管として用いてもよい。この際、キャリアガス供給管、ドーピングガス供給管からそれぞれ、不純物元素含有ガスとともに、キャリアガスや、ドーピングガスを供給してもよい。
【００６１】
上述の実施形態では、窒化物半導体装置がＬＥＤである場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、本実施形態にかかる窒化物半導体積層体１は、電界効果型トランジスタ等に用いてもよい。
【００６２】
＜好ましい態様＞
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
【００６３】
［付記１］
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板のいずれかの主面上に設けられる窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体積層体であって、
前記窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、
前記第１の窒化物半導体層は、前記窒化物半導体積層体に発生する反りを低減する不純物元素をさらに含み、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度よりも高くなるように形成されている窒化物半導体積層体が提供される。
【００６４】
［付記２］
付記１の窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記窒化物半導体層の最下層が前記第１の窒化物半導体層で形成されている。
【００６５】
［付記３］
付記１又は２の窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記窒化物半導体層の最上層が前記第２の窒化物半導体層で形成されている。
【００６６】
［付記４］
付記１ないし３のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層と、が交互に複数回積層されてなる。
【００６７】
［付記５］
付記１ないし４のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記第１の窒化物半導体層はそれぞれ、前記窒化物半導体層の上層側に位置するほど、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が低くなる。
【００６８】
［付記６］
付記１ないし５のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
隣り合う２つの前記第１の窒化物半導体層のうち、前記窒化物半導体層の上層側に位置する前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記窒化物半導体層の下層側に位置する前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度の７０％以上８０％以下である。
【００６９】
［付記７］
付記１ないし６のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記第２の窒化物半導体層はそれぞれ、前記窒化物半導体層の上層側に位置するほど、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が低くなる。
【００７０】
［付記８］
付記１ないし７のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記窒化物半導体層は、最下層である前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が最も高く、最上層である前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が最も低くなるように形成されている。
【００７１】
［付記９］
付記１ないし８のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記不純物元素はハロゲン元素である。
【００７２】
［付記１０］
付記９の窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記不純物元素は塩素である。
【００７３】
［付記１１］
付記１ないし１０のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度は、１Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００７４】
［付記１２］
付記１ないし１１のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度は、３．０Ｅ１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００７５】
［付記１３］
付記１ないし１２のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記窒化物半導体層の厚さに対する前記第１の窒化物半導体層の合計厚さの割合が３０％以下である。
【００７６】
［付記１４］
付記１ないし１３のいずれかの窒化物半導体積層体であって、好ましくは、
前記基板はサファイア基板である。
【００７７】
本発明の他の態様によれば、
基板のいずれかの主面上に設けられた窒化物半導体層を備える窒化物半導体積層体と、
前記窒化物半導体層上に設けられる発光層と、
前記発光層上に設けられる電極と、を備え、
前記窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、が交互に所定回数積層されてなり、
前記第１の窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層の反りの発生を低減する不純物元素をさらに含み、前記第１の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度が、前記第２の窒化物半導体層中における前記不純物元素の濃度よりも大きくなるように形成されている窒化物半導体装置が提供される。
【符号の説明】
【００７８】
１        窒化物半導体積層体
２        基板
３        窒化物半導体層
３Ａ      第１の窒化物半導体層
３Ｂ      第２の窒化物半導体層
【図１】
2016096298.tif 000003
【図２】
2016096298.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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