(57)【要約】【課題】クラックの少ない窒化物半導体層をＧａ２Ｏ３基板上に有する結晶積層構造体及びその製造方法、並びにその結晶積層構造体を含む半導体素子を提供する。【解決手段】ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板１１と、Ｇａ２Ｏ３基板１１上に形成された、ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなるバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成された、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からなる、クラック領域密度が１０％未満の窒化物半導体層１３と、を有する結晶積層構造体１０を提供する。上記クラック領域密度は、窒化物半導体層１３の表面の主領域を１ｍｍ×１ｍｍのグリッドに区画したときの、クラックを含む区域の数を全区域数で除した値を百分率で表したものである。【選択図】図２
2016082200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板と、
前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成された、ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された、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からなる、クラック領域密度が１０％未満の窒化物半導体層と、
を有し、
前記クラック領域密度は、前記窒化物半導体層の表面の主領域を１ｍｍ×１ｍｍのグリッドに区画したときの、クラックを含む区域の数を全区域数で除した値を百分率で表したものであり、
前記主領域は、前記窒化物半導体層の表面の、前記窒化物半導体層の幅の５％の幅の外周部分を除いた領域である、結晶積層構造体。
【請求項２】
前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面は、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面から±２°以内の範囲で傾いた面である、
請求項１に記載の結晶積層構造体。
【請求項３】
前記クラック領域密度が０％である、
請求項１又は２に記載の結晶積層構造体。
【請求項４】
前記バッファ層がＡｌＮ結晶からなり、かつ前記窒化物半導体層の厚さが８．４μｍ以下、又は前記バッファ層がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなり、かつ前記窒化物半導体層の厚さが５．９μｍ以下である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の結晶積層構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の結晶積層構造体を含む、
半導体素子。
【請求項６】
ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板上に、ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、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からなる窒化物半導体層を形成する、第１の成長工程及び前記第１の成長工程後の第２の成長工程を含む工程と、
を含み、
前記第１の成長工程では、前記窒化物半導体層の厚さが３．２μｍ以下である場合は、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件、前記窒化物半導体層の厚さが５．０μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件又は成長圧力が７００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が９５０℃以上の成長条件、前記窒化物半導体層の厚さが５．９μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で前記窒化物半導体層を成長させ、
前記第２の成長工程では、前記第１の成長工程の成長温度よりも高い温度で第２の層を成長させる、結晶積層構造体の製造方法。
【請求項７】
ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板上に、ＡｌＮ結晶からなるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、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からなる、厚さ８．４μｍ以下の窒化物半導体層を形成する、第１の成長工程及び前記第１の成長工程後の第２の成長工程を含む工程と、
を含み、
前記第１の成長工程では、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が８８５℃以上の成長条件で前記窒化物半導体層を成長させ、
前記第２の成長工程では、前記第１の成長工程の成長温度よりも高い温度で第２の層を成長させる、結晶積層構造体の製造方法。
【請求項８】
前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面は、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面から±２°以内の範囲で傾いた面である、
請求項６又は７に記載の結晶積層構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶積層構造体及びその製造方法、並びに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】
しかし、窒化物半導体結晶をＧａ２Ｏ３基板上に形成する場合に、クラックの発生を効果的に抑制する方法は確立されていない。例えば、サファイア基板上に窒化物半導体結晶を形成する場合は、窒化物半導体結晶の厚さを薄くすることや、窒化物半導体結晶に発生する転位の密度を低減することにより、クラックの発生を抑制できることが知られているが、このような方法は、窒化物半導体結晶をＧａ２Ｏ３基板上に形成する場合には効果が低い。
【０００６】
このため、Ｇａ２Ｏ３基板上に窒化物半導体結晶が形成された結晶積層構造体を用いて半導体素子を製造した場合、半導体素子がクラックを含むおそれが強い。半導体素子にクラックが存在する場合、リークが発生し、その素子は不良となる。このため、半導体素子の製造歩留まりが低く、製品化が困難である。
【０００７】
そこで、本発明の目的の１つは、半導体素子を歩留まりよく製造するため、クラックの少ない窒化物半導体層をＧａ２Ｏ３基板上に有する結晶積層構造体及びその製造方法、並びにその結晶積層構造体を含む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】
【０００８】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、以下の［１］〜［４］の結晶積層構造体、［５］の半導体素子、［６］〜［８］の結晶積層構造体の製造方法を提供する。
【０００９】
［１］ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板と、前記Ｇａ２Ｏ３基板上に形成された、ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなるバッファ層と、前記バッファ層上に形成された、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からなる、クラック領域密度が１０％未満の窒化物半導体層と、を有し、前記クラック領域密度は、前記窒化物半導体層の表面の主領域を１ｍｍ×１ｍｍのグリッドに区画したときの、クラックを含む区域の数を全区域数で除した値を百分率で表したものであり、前記主領域は、前記窒化物半導体層の表面の、前記窒化物半導体層の幅の５％の幅の外周部分を除いた領域である、結晶積層構造体。
【００１０】
［２］前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面は、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面から±２°以内の範囲で傾いた面である、上記［１］に記載の結晶積層構造体。
【００１１】
［３］前記クラック領域密度が０％である、上記［１］又は［２］に記載の結晶積層構造体。
【００１２】
［４］前記バッファ層がＡｌＮ結晶からなり、かつ前記窒化物半導体層の厚さが８．４μｍ以下、又は前記バッファ層がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなり、かつ前記窒化物半導体層の厚さが５．９μｍ以下である、上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の結晶積層構造体。
【００１３】
［５］上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の結晶積層構造体を含む、半導体素子。
【００１４】
［６］ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板上に、ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に、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からなる窒化物半導体層を形成する、第１の成長工程及び前記第１の成長工程後の第２の成長工程を含む工程と、を含み、前記第１の成長工程では、前記窒化物半導体層の厚さが３．２μｍ以下である場合は、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件、前記窒化物半導体層の厚さが５．０μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件又は成長圧力が７００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が９５０℃以上の成長条件、前記窒化物半導体層の厚さが５．９μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で前記窒化物半導体層を成長させ、前記第２の成長工程では、前記第１の成長工程の成長温度よりも高い温度で第２の層を成長させる、結晶積層構造体の製造方法。
【００１５】
［７］ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下であるＧａ２Ｏ３基板上に、ＡｌＮ結晶からなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に、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からなる、厚さ８．４μｍ以下の窒化物半導体層を形成する、第１の成長工程及び前記第１の成長工程後の第２の成長工程を含む工程と、を含み、前記第１の成長工程では、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が８８５℃以上の成長条件で前記窒化物半導体層を成長させ、前記第２の成長工程では、前記第１の成長工程の成長温度よりも高い温度で第２の層を成長させる、結晶積層構造体の製造方法。
【００１６】
［８］前記Ｇａ２Ｏ３基板の上面は、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面から±２°以内の範囲で傾いた面である、［６］又は［７］に記載の結晶積層構造体の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、クラックの少ない窒化物半導体層をＧａ２Ｏ３基板上に有する結晶積層構造体及びその製造方法、並びにその結晶積層構造体を含む半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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は、Ｇａ２Ｏ３基板が円形基板である場合に形成されるグリッドを示す平面模式図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、窒化物半導体層の表面に生じたクラックを表す光学顕微鏡写真である。
【図４】図４（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５】図５は、Ｇａ２Ｏ３基板のドナー濃度と、窒化物半導体層のクラック領域密度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、窒化物半導体層の厚さが３．２μｍ、第１の層の成長圧力が４００ｍｂａｒであるときの、クラック領域密度と第１の層の成長温度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、バッファ層の材料がＧａＮ、第１の層の成長圧力が４００ｍｂａｒであるときの、クラック領域密度と第１の層の成長温度との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、バッファ層の材料がＧａＮ、窒化物半導体層の厚さが５．０μｍ、第１の層の成長温度が１０００℃であるときの、クラック領域密度と第１の層の成長圧力との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、バッファ層の材料がＧａＮ又はＡｌＮ、第１の層の成長温度が１０００℃であるときの、クラック領域密度と窒化物半導体層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【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の主面は、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、（−２０１）面、（１０１）面、（３１０）面、（３−１０面）、又はこれらの面からおよそ±２°以内の範囲で傾いた面である。Ｇａ２Ｏ３基板１１は、例えば、直径５０．８ｍｍ（２インチ）の円形基板であるが、その形状及び大きさは限定されない。
【００２１】
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、Ｓｉ、Ｓｎ等のドナー不純物を含んでもよい。Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下である場合に、後述する窒化物半導体層１３のクラックの発生を抑えることができる。
【００２２】
バッファ層１２は、窒化物半導体結晶、すなわちＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される組成を有する結晶からなる。バッファ層１２の典型的な組成は、ＡｌＮ（ｘ＝１、ｙ＝０）又はＧａＮ（ｘ＝０、ｙ＝１）である。なお、バッファ層１２は、窒化物半導体層１３のクラックの発生のしやすさにほとんど影響を与えない程度の微量のＩｎ等を含んでもよい。バッファ層１２は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面の全域を覆ってもよいが、上面を部分的に覆うことが好ましい。
【００２３】
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。窒化物半導体層１３の典型的な組成はＧａＮ（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）である。また、窒化物半導体層１３は、Ｓｉ等のドナー不純物を含んでもよい。
【００２４】
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。例えば、第１の層１３ａの厚さと第２の層１３ｂの厚さは等しい。
【００２５】
バッファ層１２がＡｌＮ結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが８．４μｍ以下である場合、第１の層１３ａは、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上、成長温度が８８５℃以上の成長条件で形成される。
【００２６】
バッファ層１２がＧａＮ結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが３．２μｍ以下である場合は、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で、第１の層１３ａを成長させる。
【００２７】
また、バッファ層１２がＧａＮ結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが５．０μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件、又は成長圧力が７００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が９５０℃以上の成長条件で、第１の層１３ａを成長させる。
【００２８】
また、バッファ層１２がＧａＮ結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが５．９μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で、第１の層１３ａを成長させる。
【００２９】
このような成長条件で第１の層１３ａを形成することにより、後述する窒化物半導体層１３のクラック領域密度を低くすることができる。
【００３０】
ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶は、ｘが小さいほどＧａＮ結晶に近い性質を有し、ｘが大きいほどＡｌＮに近い性質を有する。そして、上記のように、バッファ層１２がＡｌＮ結晶からなる場合のクラックの少ない窒化物半導体層１３の成長条件は、バッファ層１２がＧａＮ結晶からなる場合のクラックの少ない窒化物半導体層１３の成長条件を広い範囲で設定することが可能である。
【００３１】
このため、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなる場合、バッファ層１２がＧａＮ結晶からなる場合と同様の成長条件でクラックの少ない窒化物半導体層１３を形成することができる。
【００３２】
すなわち、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが３．２μｍ以下である場合は、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で、第１の層１３ａを成長させる。
【００３３】
また、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが５．０μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件、又は成長圧力が７００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が９５０℃以上の成長条件で、第１の層１３ａを成長させる。
【００３４】
また、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが５．９μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で、第１の層１３ａを成長させる。
【００３５】
なお、より確実にクラックの発生を抑えるため、第１の層１３ａの成長温度の上限は、１０５０℃とすることが好ましい。第１の層１３ａの成長圧力の上限は、特に限定されず、結晶成長装置の結晶成長可能な圧力範囲の上限（例えば、減圧式ＭＯＣＶＤ装置の９００ｍｂａｒ）とすることができる。
【００３６】
第２の層１３ｂの成長温度は、第１の層１３ａの成長温度よりも高い。窒化物半導体層１３の上層である第２の層１３ｂの成長温度を高めることにより、窒化物半導体層１３の上面の平坦性を向上させることができる。また、窒化物半導体層１３の上面の平坦性をより効果的に向上させるためには、第２の層１３ｂの成長温度が１０５０℃以上であることが好ましい。
【００３７】
なお、窒化物半導体層１３の上面におけるヒロックの発生を抑制するため、第２の層１３ｂの成長温度の上限は、１１２０℃とすることが好ましい。また、第２の層１３ｂの成長圧力は、第１の層１３ａの成長圧力より低いことが好ましく、例えば、１００〜２５０ｍｂａｒである。第２の層１３ｂの成長圧力が１００ｍｂａｒよりも低いと窒化物半導体層１３の上面にヒロックが生じやすくなり、２５０ｍｂａｒよりも高いと窒化物半導体層１３の上面にピットが生じやすくなる。
【００３８】
Ｇａ２Ｏ３基板１１の上面がバッファ層１２に部分的に覆われている場合、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。
【００３９】
窒化物半導体層１３のクラック領域密度は１０％未満であり、好ましくは、０％である。
【００４０】
図２は、Ｇａ２Ｏ３基板１１が円形基板である場合に形成されるグリッドを示す平面模式図である。クラック領域密度は、窒化物半導体層１３の表面の主領域１３ｃを１ｍｍ×１ｍｍのグリッド１４に区画したときの、クラックを含む区域の数を全区域数で除した値を百分率で表したものである。
【００４１】
窒化物半導体層１３のクラック領域密度が小さいほど、１つの結晶積層構造体１０から多くの半導体素子を形成することができるため、半導体素子の製造歩留まりの観点から、窒化物半導体層１３のクラック領域密度は１０％未満であることが好ましい。
【００４２】
上記の主領域１３ｃは、窒化物半導体層１３の表面の、窒化物半導体層１３の幅の５％の幅の外周部分１３ｄを除いた結晶品質の良好な領域である。例えば、Ｇａ２Ｏ３基板１１が直径５０．８ｍｍの円形基板である場合は、外周部分１３ｄの幅は、５０．８ｍｍの５％にあたるおよそ２．５ｍｍである。
【００４３】
図３（ａ）、（ｂ）は、窒化物半導体層１３の表面に生じたクラックを表す光学顕微鏡写真である。図中の矢印が、クラックの位置を示している。
【００４４】
（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。
【００４５】
図４（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。
【００４６】
まず、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理されたＧａ２Ｏ３基板１１に有機洗浄、及びＳＰＭ（Sulfuric acid/ hydrogen peroxide mixture）洗浄を施す。
【００４７】
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。
【００４８】
次に、図４（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、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、ＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶をＧａ２Ｏ３基板１１上に成長させることにより形成される。
【００４９】
バッファ層１２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、及びＮの原料としてのＮＨ３ガスが用いられる。なお、キャリアガスとして、Ｈ２ガス等を用いてもよい。
【００５０】
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。
【００５１】
次に、図４（ｂ）に示されるように、バッファ層１２上に窒化物半導体層１３の第１の層１３ａを形成する。この工程を窒化物半導体層１３の第１の成長工程とする。
【００５２】
バッファ層１２がＡｌＮ結晶からなる場合、第１の成長工程では、圧力を４００ｍｂａｒ以上、温度を８８５℃以上に保持した状態で、窒化物半導体層１３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１の層１３ａを成長させる。
【００５３】
また、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、厚さが３．２μｍ以下である場合、第１の成長工程では、圧力を４００ｍｂａｒ以上、温度を１０００℃以上に保持した状態で、窒化物半導体層１３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１の層１３ａを成長させる。
【００５４】
また、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、厚さが５．０μｍ以下である場合、圧力を５００ｍｂａｒ以上、温度を１０００℃以上に保持した状態、又は圧力を７００ｍｂａｒ以上、温度を９５０℃以上に保持した状態で、窒化物半導体層１３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１の層１３ａを成長させる。
【００５５】
また、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、厚さが５．９μｍ以下である場合、圧力を５００ｍｂａｒ以上、温度を１０００℃以上に保持した状態で、窒化物半導体層１３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１の層１３ａを成長させる。
【００５６】
窒化物半導体層１３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。なお、キャリアガスとして、Ｎ２ガス等を用いてもよい。
【００５７】
ここで、第１の層１３ａを成長させるためにチャンバー内の圧力及び温度を上昇させることにより、膜状のバッファ層１２を複数の結晶核からなるアイランド状に変化させることができる。これにより、バッファ層１２がＧａ２Ｏ３基板１１の上面を部分的に覆うことになる。なお、バッファ層１２をアイランド状に変化させず、膜状のまま用いてもよい。
【００５８】
図４（ａ）に示される膜状のバッファ層１２は、例えば、ＡｌＮからなる場合はおよそ１〜５ｎｍの厚さに形成され、ＧａＮからなる場合はおよそ１６〜６４ｎｍの厚さに形成される。この場合、第１の層１３ａを成長させる際のチャンバー内の圧力及び温度を制御することにより、バッファ層１２をアイランド状に変化させることができる。
【００５９】
次に、図４（ｃ）に示されるように、第１の層１３ａ上に第２の層１３ｂを形成する。この工程を窒化物半導体層１３の第２の成長工程とする。
【００６０】
第２の成長工程では、例えば、チャンバー内の温度を１０５０℃以上に保持した状態で、窒化物半導体層１３の原料ガスとキャリアガス（Ｈ２、Ｎ２等のガス）をチャンバー内に供給して、第２の層１３ｂを成長させる。
【００６１】
（結晶積層構造体のクラック領域密度の評価）
以下の表１は、Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度と、窒化物半導体層１３のクラック領域密度との関係を評価した結果を示す。また、図５は、表１の数値をグラフ化したものである。
【００６２】
この評価に用いられた結晶積層構造体１０の試料は、いずれも、Ｇａ２Ｏ３基板１１の形態が直径５０．８ｍｍの円形状、バッファ層１２の材料がＡｌＮ、窒化物半導体層１３の厚さが３．２μｍであり、第１の層１３ａが成長圧力４００ｍｂａｒ、成長温度１０００℃の条件下で形成されている。
【００６３】
【表１】
2016082200.tif 000003
【００６４】
表１及び図５は、Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度がおよそ１．０×１０１９／ｃｍ３を超えると、窒化物半導体層１３にクラックが発生しやすくなることを示している。このため、窒化物半導体層１３のクラックの発生を抑制するためには、Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度を１．０×１０１９／ｃｍ３以下とすることが有効である。
【００６５】
Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３を超える場合は、バッファ層１２の材料、窒化物半導体層１３の厚さ、第１の層１３ａの成長圧力、成長温度に依らず、クラックが少なく、かつ半導体素子が作製可能な結晶品質を有する窒化物半導体層１３を作製することは難しい。
【００６６】
また、表１の評価に用いた結晶積層構造体１０の試料のうち、Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度が１．４８×１０１９／ｃｍ３である試料の窒化物半導体層１３の（００２）面、（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定したところ、それぞれ３９８ａｒｃｓｅｃ、４６１ａｒｃｓｅｃであった。Ｘ線ロッキングカーブの半値幅は、結晶品質の指標になる。なお、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅には、Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度への顕著な依存性はない。
【００６７】
Ｘ線ロッキングカーブの半値幅は小さいほどよいが、例えば、高性能の半導体素子を作成するためには、窒化物半導体層の（００２）面、（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が、それぞれおよそ４５０ａｒｃｓｅｃ、５５０ａｒｃｓｅｃ以下であることが特に好ましい。
【００６８】
なお、表１の評価に用いた結晶積層構造体１０の試料のＧａ２Ｏ３基板１１を１０ｍｍ×１４ｍｍの四角形状のＧａ２Ｏ３基板１１に変えた場合、ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以上であっても、ほぼクラックが発生しない。これは、Ｇａ２Ｏ３基板１１の面積が小さいことによると考えられる。Ｇａ２Ｏ３基板１１の面積が小さいと、結晶成長時に加わる熱によるＧａ２Ｏ３基板１１の反りが小さく、基板面内の熱源（ヒーター）からの距離のばらつきが小さいため、基板面内の温度分布の幅（温度のばらつき）が小さくなる。このため、基板面内の結晶成長速度や結晶成長方向のばらつきが小さくなり、クラックの原因となる窒化物半導体層１３内に生じる応力が小さくなる。
【００６９】
以下の表２は、バッファ層１２の材料、窒化物半導体層１３の厚さ、第１の層１３ａの成長圧力、成長温度を変化させたときの、窒化物半導体層１３の（００２）面及び（１０１）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅、並びにクラック領域密度を評価した結果を示す。
【００７０】
この評価は、ドナー濃度が１．０×１０１９／ｃｍ３以下の、直径５０．８ｍｍの円形状のＧａ２Ｏ３基板１１を有する結晶積層構造体１０を用いて行った。
【００７１】
【表２】
2016082200.tif 000004
【００７２】
図６は、表１の数値を用いて、バッファ層１２の材料がＧａＮ又はＡｌＮ、窒化物半導体層１３の厚さが３．２μｍ、第１の層１３ａの成長圧力が４００ｍｂａｒであるときの、クラック領域密度と第１の層１３ａの成長温度との関係をグラフ化したものである。
【００７３】
図７は、表１の数値を用いて、バッファ層１２の材料がＧａＮ、窒化物半導体層１３の厚さが３．２μｍ又は５．０μｍ、第１の層１３ａの成長圧力が４００ｍｂａｒであるときの、クラック領域密度と第１の層１３ａの成長温度との関係をグラフ化したものである。
【００７４】
図８は、表１の数値を用いて、バッファ層１２の材料がＧａＮ、窒化物半導体層１３の厚さが５．０μｍ、第１の層１３ａの成長温度が１０００℃であるときの、クラック領域密度と第１の層１３ａの成長圧力との関係をグラフ化したものである。
【００７５】
図９は、表１の数値を用いて、バッファ層１２の材料がＧａＮ又はＡｌＮ、第１の層１３ａの成長温度が１０００℃であるときの、クラック領域密度と窒化物半導体層１３の厚さとの関係をグラフ化したものである。
【００７６】
表２及び図６〜９は、バッファ層１２がＡｌＮ結晶からなり、窒化物半導体層１３の厚さが８．４μｍ以下である場合、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上、成長温度が８８５℃以上の成長条件で第１の層１３ａを形成することにより、クラック領域密度を１０％未満に抑制できることを示している。
【００７７】
また、表２及び図６〜９は、バッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、厚さが３．２μｍ以下である場合は、成長圧力が４００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で第１の層１３ａを形成することにより、クラック領域密度を１０％未満に抑制できることを示している。
【００７８】
また、表２及び図６〜９はバッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、厚さが５．０μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件、又は成長圧力が７００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が９５０℃以上の成長条件で第１の層１３ａを形成することにより、クラック領域密度を１０％未満に抑制できることを示している。
【００７９】
また、表２及び図６〜９はバッファ層１２がＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）結晶からなり、厚さが５．９μｍ以下である場合は、成長圧力が５００ｍｂａｒ以上かつ成長温度が１０００℃以上の成長条件で第１の層１３ａを形成することにより、クラック領域密度を１０％未満に抑制できることを示している。
【００８０】
〔第２の実施の形態〕
（半導体素子の構造）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の結晶積層構造体１０を含む半導体素子についての形態である。以下に、その半導体素子の一例として、ＬＥＤ素子について説明する。
【００８１】
図１０は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子２０の垂直断面図である。ＬＥＤ素子２０は、Ｇａ２Ｏ３基板２１と、Ｇａ２Ｏ３基板２１上のバッファ層２２と、バッファ層２２上のｎ型クラッド層２３と、ｎ型クラッド層２３上の発光層２４と、発光層２４上のｐ型クラッド層２５と、ｐ型クラッド層２５上のコンタクト層２６と、コンタクト層２６上のｐ側電極２７と、Ｇａ２Ｏ３基板２１のバッファ層２２と反対側の面上のｎ側電極２８とを有する。
【００８２】
また、バッファ層２２、ｎ型クラッド層２３、発光層２４、ｐ型クラッド層２５、及びコンタクト層２６から構成される積層体の側面は、絶縁膜２９に覆われる。
【００８３】
ここで、Ｇａ２Ｏ３基板２１、バッファ層２２、及びｎ型クラッド層２３は、第１の実施の形態の結晶積層構造体１０を構成するＧａ２Ｏ３基板１１、バッファ層１２、及び窒化物半導体層１３にそれぞれ相当する。バッファ層２２及びｎ型クラッド層２３の厚さは、例えば、それぞれ５ｎｍ、３．２μｍである。
【００８４】
発光層２４は、例えば、３層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ１０ｎｍのＧａＮ結晶膜からなる。各多重量子井戸構造は、厚さ８ｎｍのＧａＮ結晶膜と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜からなる。
【００８５】
ｐ型クラッド層２５は、例えば、厚さ１５０ｎｍの、濃度５．０×１０１９／ｃｍ３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。
【００８６】
コンタクト層２６は、例えば、厚さ１０ｎｍの、濃度１．５×１０２０／ｃｍ３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。
【００８７】
絶縁膜２９は、ＳｉＯ２等の絶縁材料からなる。
【００８８】
ｐ側電極２７及びｎ側電極２８は、それぞれコンタクト層２６及びＧａ２Ｏ３基板２１にオーミック接合する電極である。
【００８９】
ＬＥＤ素子２０は、例えば、Ｇａ２Ｏ３基板２１側から光を取り出すＬＥＤチップであり、キャンタイプのステムにＡｇペーストを用いて実装される。
【００９０】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３基板１１のドナー濃度、バッファ層１２の材料、窒化物半導体層１３の厚さ、第１の層１３ａの成長圧力、成長温度を制御することにより、窒化物半導体層１３のクラックの発生を抑え、第２の層１３ｂの成長温度を制御することにより、窒化物半導体層１３の上面の平坦性を向上させることができる。これにより、高品質の結晶積層構造体１０を得ることができる。
【００９１】
そして、このような高品質の結晶積層構造体１０を用いてＬＥＤ素子２０等の発光素子やトランジスタ等のデバイスを製造することにより、デバイスの製造歩留まりを向上させることができる。
【００９２】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、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。
【００９３】
また、上記に記載した実施の形態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】
【００９４】
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、  ２０…ＬＥＤ素子、  ２１…Ｇａ２Ｏ３基板、  ２２…バッファ層、  ２３…ｎ型クラッド層
【図１】
2016082200.tif 000005
【図２】
2016082200.tif 000006
【図４】
2016082200.tif 000007
【図５】
2016082200.tif 000008
【図６】
2016082200.tif 000009
【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３】
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