JP6117010B2 - 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法に関する。

窒化物半導体を用いた半導体発光素子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。

このような窒化物半導体素子の高性能化のためには、窒化物半導体層中の欠陥を低減することが重要である。転位が少ない窒化物半導体結晶を作製する技術が望まれている。

特開２０１１−２３３９３６号公報

本発明の実施形態は、転位が少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、積層体と、機能層と、を含む窒化物半導体素子が提供される。前記積層体は、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層と、前記第１Ｓｉ含有層に設けられ凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられた第２ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第２Ｓｉ含有層と、を含む。前記機能層は、前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む。
本発明の別の実施形態によれば、基板と、前記基板に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層と、前記バッファ層に設けられた積層体と、を含む窒化物半導体ウェーハが提供される。前記積層体は、７×１０ ^１９ ／ｃｍ ^３ 以上４×１０ ^２０ ／ｃｍ ^３ 以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層と、前記第１Ｓｉ含有層に設けられ凸部を含む第１ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層に設けられた第２ＧａＮ層と、前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第２Ｓｉ含有層と、を含む。
本発明の別の実施形態によれば、基板の上に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層に、７×１０ ^１９ ／ｃｍ ^３ 以上４×１０ ^２０ ／ｃｍ ^３ 以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層を形成し、前記第１Ｓｉ含有層に凸部を含む第１ＧａＮ層を形成し、前記第１ＧａＮ層に第２ＧａＮ層を形成し、前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間に、Ｓｉを含有する第２Ｓｉ含有層を形成する、窒化物半導体層の形成方法が提供される。

第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部を示す模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す図である。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す図である。 図５（ａ）〜図５（ｆ）は、試料を示す模式的断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｆ）は、試料の断面の走査型電子顕微鏡像である。 試料における転位密度の測定結果を示すグラフ図である。 図８（ａ）〜図８（ｃ）は、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９（ａ）〜図９（ｃ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を示す電子顕微鏡写真像である。 図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を示すグラフ図である。 図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、参考例の窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。 第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。 第３の実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法を示すフローチャート図である。

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。

（第１の実施形態）
本実施形態は、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハに係る。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。実施形態に係る窒化物半導体ウェーハは、実施形態に係る窒化物半導体素子の少なくとも一部を含む。

図１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図１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、積層体５０と、機能層１５と、を含む。機能層１５は、積層体５０の上に設けられる。

この例では、窒化物半導体素子１１０は、バッファ層６０をさらに含む。バッファ層６０は、窒化物半導体を含む。バッファ層６０の上に積層体５０が設けられる。この例では、バッファ層６０として、ＡｌＮバッファ層６２が用いられている。

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との間に、バッファ層６０が配置される。

基板４０は、例えば、シリコン基板である。基板４０として、例えば、Ｓｉ（１１１）基板が用いられる。基板４０として、シリコン基板を用いる場合、シリコン基板の面方位は、例えば、（１１ｎ）（ｎ：整数）で表される面方位でも良い。面方位は、例えば（１００）面でも良い。基板４０として、例えば（１１０）面のシリコン基板を用いることが好ましい。これにより、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。

基板４０として、酸化物層を含む基板を用いても良い。例えば、基板４０として、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板が用いられる。基板４０として、機能層１５の格子定数とは異なる材料の基板を用いることができる。基板４０として、機能層１５の熱膨張係数とは異なる材料の基板を用いることができる。例えば、基板４０として、サファイア、スピネル、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ及びＳｉＣのいずれかの基板を用いることができる。

例えば、基板４０の上にバッファ層６０が形成される。バッファ層６０の上に、積層体５０が形成される。積層体５０の上に機能層１５が形成される。これらの形成においてエピタキシャル成長が行われる。

本実施形態において、各層の形成の後に基板４０の少なくとも一部が除去されていも良い。本実施形態において、各層の形成の後にバッファ層６０の少なくとも一部が除去されていても良い。

図１に表したように、積層体５０は、ＡｌＧａＮ層５１ａと、第１Ｓｉ含有層５１ｓと、第１ＧａＮ層５１ｇと、第２Ｓｉ含有層５２ｓと、第２ＧａＮ層５２ｇと、を含む。

ＡｌＧａＮ層５１ａには、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）が用いられる。ＡｌＧａＮ層５１ａは、上面５１ａｕを有する。

ＡｌＧａＮ層５１ａは、１つの層でも良く、複数の層を含んでも良い。この例では、ＡｌＧａＮ層５１ａは、第１ＡｌＧａＮ層５１ａａ、第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂ及び第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃを含む。ＡｌＧａＮ層５１ａに含まれる層の数は、２でも良く、４以上でも良い。第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂは、第１ＡｌＧａＮ層５１ａａの上に設けられる。第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃは、第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂの上に設けられる。第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂにおけるＡｌ組成比（III元素中におけるＡｌ組成比）は、第１ＡｌＧａＮ層５１ａａにおけるＡｌ組成比よりも低い。第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃにおけるＡｌ組成比は、第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂにおけるＡｌ組成比よりも低い。

第１Ｓｉ含有層５１ｓは、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに接する。このように、第１Ｓｉ含有層５１ｓは、ＡｌＧａＮ層５１ａの上に設けられる。第１Ｓｉ含有層５１ｓは、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する。第１Ｓｉ含有層５１ｓは、上面５１ｓｕを有する。第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕは、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに対して実質的に平行である。

第１ＧａＮ層５１ｇは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上に設けられる。第１ＧａＮ層５１ｇは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕに接している。第１ＧａＮ層５１ｇは、凸部５１ｇｐを含む。凸部５１ｇｐは、斜面５１ｇｓを有する。斜面５１ｇｓは、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに対して傾斜している。斜面５１ｇｓは、曲面でも良い。

凸部５１ｇｐは、斜面５１ｇｓの他に、頂面５１ｇｔを有していても良い。頂面５１ｇｔは、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに対して平行である。凸部５１ｇｐには、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに対して平行な頂面５１ｇｔが必ずしも設けられなくても良い。

第１ＧａＮ層５１ｇは、例えば、島状である。島状の膜も「層」ということにする。複数の独立した複数の凸部５１ｇｐが設けられても良い。また、第１ＧａＮ層５１ｇは、連続的でも良い。

第２Ｓｉ含有層５２ｓは、第１ＧａＮ層５１ｇの上に設けられる。第２Ｓｉ含有層５２ｓは、第１ＧａＮ層５１ｇに接する。第２Ｓｉ含有層５２ｓは、Ｓｉを含有する。第２Ｓｉ含有層５２ｓは、例えば、第１ＧａＮ層５１ｇを覆う。

この例では、第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部が、第１Ｓｉ含有層５１ｓと接している。例えば、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕは、第１領域５１ｓｐと、第２領域５１ｓｑと、を含む。第１ＧａＮ層５１ｇは、第１領域５１ｓｐの上に設けられている。例えば、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐは、第１領域５１ｓｐの上に設けられている。第１ＧａＮ層５１ｇは、第２領域５１ｓｑの上には設けられていない。第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部は、第２領域５１ｓｑにおいて第１Ｓｉ含有層５１ｓと接している。

後述するように、第１ＧａＮ層５１ｇは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕを覆っても良い。この場合は、第２Ｓｉ含有層５２ｓは、第１Ｓｉ含有層５１ｓには接しない。以下では、第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部が、第１Ｓｉ含有層５１ｓと接する場合の例（窒化物半導体素子１１０）について説明する。

第２Ｓｉ含有層５２ｓは、第１ＧａＮ層５１ｇの形状（凸部５１ｇｐの形状）に沿っている。第２Ｓｉ含有層５２ｓの上面は、凸部５１ｇｐの形状に沿って凹凸状である。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの上に、第２ＧａＮ層５２ｇが設けられる。第２ＧａＮ層５２ｇにより、第１ＧａＮ層５１ｇの凹凸（第２Ｓｉ含有層５２ｓの凹凸）の凹部が埋め込まれる。第２ＧａＮ層５２ｇの上面は、実質的に平坦である。

第１ＧａＮ層５１ｇは、例えばＡｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ（０≦ｚ１＜１、ｚ１＜ｘ）を含む。第１ＧａＮ層５１ｇには、例えばＧａＮが用いられる。第１ＧａＮ層５１ｇは、ｎ形の不純物を含んでも良い。

第２ＧａＮ層５２ｇは、例えばＡｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０≦ｚ２＜１、ｚ２＜ｘ）を含む。第２ＧａＮ層５２ｇには、例えばＧａＮが用いられる。第２ＧａＮ層５２ｇは、ｎ形の不純物を含んでも良い。

ｎ形の不純物として、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｂ及びＯの少なくともいずれかが用いられる。

ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

機能層１５は、積層体５０とＺ軸方向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。

Ｚ軸方向は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕに対して垂直である。積層体５０と機能層１５との間の界面１５ｌは、Ｚ軸方向に対して垂直である。

ＡｌＧａＮ層５１ａの厚さは、例えば、１００ナノメートル（ｎｍ）以上５００ｎｍ以下（例えば、約２５０ｎｍ）である。ＡｌＧａＮ層５１ａにおけるIII族元素中のＡｌの組成比は、例えば０．１５以上０．３５以下（例えば０．２５）である。

第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さｔｓ１は、例えば、０．４原子層以上２原子層以下である。厚さｔｓ１は、例えば、０．１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。第１Ｓｉ含有層５１ｓは、一様な膜でなくても良く、不連続な島状の膜などでも良い。第１Ｓｉ含有層５１ｓは、開口部が設けられた膜でも良い。

第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。この例のように、第１Ｓｉ含有層５１ｓの一部の上に第１ＧａＮ層５１ｇが設けられる場合は、凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕと、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの上端と、の間の距離である。凸部５１ｇｐが頂面５１ｇｔを有する場合は、高さｔｇ１は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕと、頂面５１ｇｔと、の間の距離である。第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐのうちで最も高さが高い凸部５１ｇｐにおける、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上面５１ｓｕと、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの上端と、の間の距離とする。

後述するように、第１ＧａＮ層５１ｇが第１Ｓｉ含有層５１ｓを覆っても良い。この場合には、第１ＧａＮ層５１ｇにおける凸部５１ｇｐの高さは、第１ＧａＮ層５１ｇの凹凸の高さ（深さ）、すなわち、凹凸の凸部と凹部との間のＺ軸方向に沿った距離に対応する。

第１ＧａＮ層５１ｇには、凸部５１ｇｐが設けられ、第１ＧａＮ層５１ｇの厚さは均一ではない。第１ＧａＮ層５１ｇの厚さは、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１とは、異なる。第１ＧａＮ層５１ｇの厚さは、第１ＧａＮ層５１ｇの平均の厚さとする。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さｔｓ２は、例えば、０．４原子層以上１．５原子層以下である。厚さｔｓ２は、例えば、０．１ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である。第２Ｓｉ含有層５２ｓは一様な膜でなくても良く、不連続な島状の膜などでも良い。第２Ｓｉ含有層５２ｓは、開口部が設けられた膜でも良い。

第２ＧａＮ層５２ｇの厚さｔｇ２は、例えば、１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。第２ＧａＮ層５２ｇの厚さｔｇ２は、第２Ｓｉ含有層５２ｓの上端と、第２ＧａＮ層５２ｇの上面（この例では、積層体５０と機能層１５との間の界面１５ｌ）と、の間のＺ軸方向に沿った距離である。

ＡｌＧａＮ層５１ａの厚さ、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さｔｓ１、第１ＧａＮ層５１ｇの厚さ、第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さｔｓ２は、Ｚ軸方向に沿う長さである。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さは、例えば、第２Ｓｉ含有層５２ｓのうちで第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓ上に設けられている部分の、斜面５１ｇｓに対して垂直な方向に沿う長さである。

これらの厚さは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）像及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）像の少なくともいずれかから得られる。

機能層１５の厚さは、例えば、約１．５マイクロメートル（μｍ）以上５μｍ以下（例えば２μｍ）である。

機能層１５は、例えば、半導体発光素子の発光機能を有する層を含む。機能層１５は、例えば、半導体受光素子の受光機能を有する層を含む。機能層１５は、例えば、電子デバイスの整流、スイッチング及び増幅の少なくともいずれかの機能を有する層を含む。以下では、機能層１５が発光機能を有する層を含む場合の例について説明する。

図２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の一部を例示する模式的断面図である。
図２は、機能層１５の構成の例を示している。図２に表したように、この例では、機能層１５は、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、発光層３０と、を含む。発光層３０は、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられる。ｎ形半導体層１０は窒化物半導体を含む。ｐ形半導体層２０は、窒化物半導体を含む。発光層３０は、窒化物半導体を含む。

機能層１５は、低不純物濃度層１０ｉをさらに含んでも良い。低不純物濃度層１０ｉにおける不純物濃度は、ｎ形半導体層１０における不純物濃度よりも低い。低不純物濃度層１０ｉは必要に応じて設けられ、省略しても良い。積層体５０の上に低不純物濃度層１０ｉが設けられる。

ｎ形半導体層１０は、積層体５０の上に設けられる。ｎ形半導体層１０は、低不純物濃度層１０ｉの上に設けられる。ｎ形半導体層１０の上に発光層３０が設けられる。発光層３０の上にｐ形半導体層２０が設けられる。

発光層３０は、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。井戸層３２の数は、１つでも良く、複数でも良い。すなわち、発光層３０は、例えば、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）構造、または、ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造を有する。

障壁層３１のバンドギャップエネルギーは、井戸層３２のバンドギャップエネルギーよりも大きい。井戸層３２には、例えば、ＩｎＧａＮが用いられる。障壁層３１には、ＧａＮが用いられる。障壁層３１にＩｎＧａＮが用いられる場合は、障壁層３１におけるＩｎ組成比は、井戸層３２におけるＩｎ組成比よりも低い。発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば２００ｎｍ以上１９００ｎｍ以下である。

図１及び図２は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２１０の構成も例示している。窒化物半導体ウェーハ２１０は、基板４０と、バッファ層６０と、積層体５０と、を含む。窒化物半導体ウェーハ２１０は、機能層１５をさらに含んでも良い。基板４０、バッファ層６０、積層体５０及び機能層１５には、窒化物半導体素子１１０に関して説明した構成のそれぞれを適用できる。

本実施形態に係る窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハの製造方法の例について説明する。

基板４０として、例えば主面が（１１１）面であるシリコン基板を用いる。基板４０を、例えば、硫酸と過酸化水素との混合薬液、並びに、希フッ酸を用いて洗浄を行う。洗浄の後、基板４０をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入する。

基板４０を例えば１０８０℃まで加熱する。水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を流量５０ｃｃ／分、アンモニア（ＮＨ_３）を流量０．８Ｌ／分にて、２０分間供給する。これにより、ＡｌＮのバッファ層６０（ＡｌＮバッファ層６２）が形成される。ＡｌＮバッファ層６２の厚さは、例えば、約１００ｎｍである。

基板温度（基板４０の温度）を１０４０℃とする。水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を流量１０ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で、５分間供給する。これにより、第１ＡｌＧａＮ層５１ａａが形成される。第１ＡｌＧａＮ層５１ａａにおけるＡｌ組成比は、０．５５である。第１ＡｌＧａＮ層５１ａａの厚さは、例えば、約１００ｎｍである。

ＴＭＧａの流量を１７ｃｃ／分、ＴＭＡｌの流量を３０ｃｃ／分に変更し、１０分間供給する。これにより、第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂが形成される。第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂにおけるＡｌ組成比は、例えば、０．３である。第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂの厚さは、例えば、約２００ｎｍである。

ＴＭＧａの流量を２０ｃｃ／分、ＴＭＡｌの流量を１５ｃｃ／分に変更し、１１分間供給する。これにより、第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃが形成される。第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃにおけるＡｌ組成比は、例えば、０．１５である。第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃの厚さは、例えば、約２５０ｎｍである。

基板温度を１０４０℃のままに維持し、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、８分間供給する。これにより、第１Ｓｉ含有層５１ｓが形成される。第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さは、例えば、約１原子層である。第１Ｓｉ含有層５１ｓのＳｉ濃度は、例えば、２×１０^２０／ｃｍ^３である。

基板温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、５分間供給する。これにより、第１ＧａＮ層５１ｇが形成される。例えば、第１ＧａＮ層５１ｇは、島状の結晶である。第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐは、Ｘ−Ｙ平面に対して傾斜した斜面５１ｇｓを有する。第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、例えば、約４００ｎｍである。

基板温度を１０４０℃とし、と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ／分、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、３分間供給する。これにより、第２Ｓｉ含有層５２ｓが形成される。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さは、例えば、約０．４原子層である。第２Ｓｉ含有層５１ｓのＳｉ濃度は、例えば、７．５×１０^１９／ｃｍ^３である。

基板温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、６０分間供給する。これにより、第２ＧａＮ層５２ｇが形成される。第２ＧａＮ層５２ｇの厚さは、例えば、約２μｍである。

さらに、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量５６ｃｃ／分にて、３０分間供給する。これにより、ｎ形ＧａＮ層が形成される。ｎ形ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、例えば、５×１０^１８（／ｃｍ^３）である。ｎ形ＧａＮ層の厚さは、例えば、約１μｍである。ｎ形ＧａＮ層はｎ形半導体層１０（機能層１５の少なくとも一部）となる。これにより、本実施形態に係る窒化物半導体素子または窒化物半導体ウェーハが形成できる。

ｎ形ＧａＮ層の形成の前に、低不純物濃度層１０ｉを形成しても良い。ｎ形半導体層１０の上に、さらに、発光層３０及びｐ形半導体層２０を形成することで、窒化物半導体素子１１０及び窒化物半導体ウェーハ２１０が形成できる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する図である。
図３（ａ）は、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハの断面ＴＥＭ像である。図３（ｂ）は、図３（ａ）を基に描いた模式図である。図３（ｂ）においては、積層体５０に含まれる第１Ｓｉ含有層５１ｓ、第１ＧａＮ層５１ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇの構成が模式的に描かれている。第１Ｓｉ含有層５１ｓの形状及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの形状が、実線で描かれている。第１Ｓｉ含有層５１ｓよりも上の領域における転位８０が点線で模式的に描かれている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）から分かるように、基板４０とＡｌＮバッファ層６２との界面で転位８０が発生している。転位８０の密度は、ＡｌＮバッファ層６２中及びＡｌＧａＮ層５１ａ中では非常に高い。転位８０は、第１Ｓｉ含有層５１ｓよりも上側の層において大幅に減少している。第１Ｓｉ含有層５１ｓを設けることで、転位８０の密度が減少している。第１Ｓｉ含有層５１ｓは、転位８０を遮蔽する効果を有する。

この例では、第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部は第１Ｓｉ含有層５１ｓに接している。第２Ｓｉ含有層５２ｓが第１Ｓｉ含有層５１ｓに接する領域では、Ｓｉ含有層の合計の厚さが厚い。この領域においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓと第２Ｓｉ含有層５２ｓとにより、転位８０の遮蔽効果が増強されると考えられる。これにより、転位８０の密度がさらに減少すると考えられる。

さらに、第２ＧａＮ層５２ｇ中において、転位８０の密度はさらに減少している。すなわち、第１Ｓｉ含有層５１ｓと第２ＧａＮ層５２ｇとの間の領域（すなわち、第１ＧａＮ層５１ｇ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓとを含む領域）において、転位８０の密度が減少している。

第１ＧａＮ層５１ｇの内部において、転位８０の一部が屈曲している。これは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上に第１ＧａＮ層５１ｇを形成することで、第１ＧａＮ層５１ｇが三次元成長するためである。転位８０の一部が屈曲することで、転位８０の積層方向への伝播が抑制されている。

さらに、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓにおいて、転位８０がさらに減少している。この現象について、さらに説明する。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する図である。
図４（ａ）及び図４（ｃ）は、窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハの断面ＴＥＭ像である。図４（ａ）は、第１ＧａＮ層５１ｇの斜面５１ｇｓの部分を拡大した像である。図４（ｃ）は、第１ＧａＮ層５１ｇの頂面５１ｇｔの部分を拡大した像である。図４（ｂ）は、図４（ａ）を基に描いた模式図である。図４（ｄ）は、図４（ｃ）を基に描いた模式図である。図４（ｂ）及び図４（ｄ）においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓの形状及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの形状が、実線で描かれている。第１Ｓｉ含有層５１ｓよりも上の領域における転位８０が点線で模式的に描かれている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）から分かるように、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓの上に設けられた第２ＧａＮ層５２ｇにおいては、転位８０が消失している。このように、斜面５１ｇｓにおいて、転位８０が減少する。例えば、第１ＧａＮ層５１ｇは、凸部５１ｇｐ内において斜面５１ｇｓに繋がる複数の第１転位８１を有する。第２Ｓｉ含有層５２ｓを介して第１転位８１と連続する、第２ＧａＮ層５２ｇ内の転位８０の数は、複数の第１転位８１の数よりも少ない。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した範囲の領域においては、第２Ｓｉ含有層５２ｓを介して第１転位８１と連続する、第２ＧａＮ層５２ｇ内の転位８０の数は０と観察される。これに対して、凸部５１ｇｐ内において斜面５１ｇｓに繋がる第１転位８１の数が多い。このように、斜面５１ｇｓにおいて、転位８０が減少する現象は、本願発明者が新たに見出した現象である。

一方、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に表したように、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの頂面５１ｇｔの上に設けられた第２ＧａＮ層５２ｇにおいては、転位８０の抑制効果が小さい。この例では、頂面５１ｇｔの下側（第１ＧａＮ層５１ｇ）における転位８０（第２転位８２）は、頂面５１ｇｔの上側（第２ＧａＮ層５２ｇ）における転位８０（第３転位８３）と繋がっている。第２Ｓｉ含有層５２ｓのうちで、頂面５１ｇｔの上に位置する部分においては、転位８０の伝播の変化は小さく、第１ＧａＮ層５１ｇから第２ＧａＮ層５２ｇに向けて転位８０が伝播している。

このように、斜面５１ｇｓにおける転位の減少効果は、頂面５１ｇｔにおける転位の減少効果よりも大きい。

例えば、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐが、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに対して平行な頂面５１ｇｔを有する場合において、第１ＧａＮ層５１ｇは、第１転位８１（図４（ｂ）参照）と、第２転位８２（図４（ｄ）参照）と、を有する。第１転位８１は、凸部５１ｇｐ内において凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓに繋がる。第２転位８２は、凸部５１ｇｐ内において頂面５１ｇｔに繋がる。

第２ＧａＮ層５２ｇは、複数の第３転位８３を有している。複数の第３転位８３のうちの一部は、第２転位８２と連続している。薄い第２Ｓｉ含有層５２ｓを介して転位が連続する場合も、転位は連続している、とする。複数の第３転位８３のうちで第１転位８１と連続する第３転位８３の数（例えば、０以上の正の整数Ｎ１）の複数の第３転位の数（例えば、正の整数Ｎ３）に対する比を第１比（Ｎ１／Ｎ３）とする。複数の第３転位８３のうちで第２転位８２と連続する第３転位８３の数（例えば、正の整数Ｎ２）の複数の第３転位の数（Ｎ３）に対する比を第２比（Ｎ２／Ｎ３）とする。第１比（Ｎ１／Ｎ３）は、第２比（Ｎ２／Ｎ３）よりも低い。

凸部５１ｇｐ内の複数の第１転位８１の数をＮ０１とする。凸部５１ｇ内の複数の第２転位８２の数をＮ０２とする。例えば、複数の第３転位８３のうちで第１転位８１と連続する第３転位８３の数（Ｎ１）の複数の第１転位の数（Ｎ０１）に対する比（Ｎ１／Ｎ０１）は、複数の第３転位８３のうちで第２転位８２と連続する第３転位８３の数（Ｎ２）の複数の第２転位８２の数（Ｎ０２）に対する比（Ｎ２／Ｎ０２）よりも低い。

このように、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐが設けられる場合において、その斜面５１ｇｓに接して第２Ｓｉ含有層５２ｓを形成することで、第２ＧａＮ層５２ｇに伝わる転位８０を大幅に低減できる。これにより、機能層１５に到達する転位８０を大幅に低減できる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）、並びに、図４（ａ）〜図４（ｄ）は、本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハの特性も示している。実施形態に係る窒化物半導体ウェーハにおいても窒化物半導体素子と同様に、転位を少なくすることがでる。

実施形態によれば、転位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。

以下、各種の構成を有する窒化物半導体素子（または窒化物半導体ウェーハ）の試料に関する実験結果について説明する。

図５（ａ）〜図５（ｆ）は、試料を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）に表したように、第１試料１５１においては、上記のＡｌＧａＮ層５１ａ、第１Ｓｉ含有層５１ｓ、第１ＧａＮ層５１ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。第１ＧａＮ層５１ｇは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの一部の上に設けられており、第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部が、第１Ｓｉ含有層５１ｓに接している。第１ＧａＮ層５１ｇは、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む。第１試料１５１は、上記の窒化物半導体素子１１０または窒化物半導体ウェーハ２１０に対応する。第１試料１５１の製造方法は、窒化物半導体素子１１０に関して説明した製造方法と同じである。

図５（ｂ）に表したように、第２試料１５２においても、ＡｌＧａＮ層５１ａ、第１Ｓｉ含有層５１ｓ、第１ＧａＮ層５１ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。第２試料１５２においては、第１ＧａＮ層５１ｇは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの全面の上に設けられている。第２Ｓｉ含有層５２ｓは、第１Ｓｉ含有層５１ｓに接していない。第１ＧａＮ層５１ｇは、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む。第１ＧａＮ層５１ｇは、連続的である。第２試料１５２の製造方法の一部は、第１試料１５１の製造方法とは異なる。第２試料１５２においては、第１ＧａＮ層５１ｇの形成において、ＴＭＧａを流量１１２ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、２．５分間供給する。すなわち、第２試料１５２における第１ＧａＮ層５１ｇの成長速度は、第１試料１５１における第１ＧａＮ層５１ｇの成長速度の２倍である。その他の条件については、第１試料１５１と同じである。

図５（ｃ）に表したように、第３試料１５３においても、ＡｌＧａＮ層５１ａ、第１Ｓｉ含有層５１ｓ、第１ＧａＮ層５１ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。第３試料１５３においては、第１ＧａＮ層５１ｇは、凸部５１ｇｐを含まない。第１ＧａＮ層５１ｇは平坦である。第１ＧａＮ層５１ｇの厚さは、約６００ｎｍである。第２Ｓｉ含有層５２ｓも平坦である。第３試料１５３の作製においては、第１ＧａＮ層５１ｇの成長時間は１５分である。その他の条件については、第１試料１５１と同じである。

図５（ｄ）に表したように、第４試料１５４においては、ＡｌＧａＮ層５１ａ、第１ＧａＮ層５１ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。第４試料１５４においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられていない。第１ＧａＮ層５１ｇは、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む。第１ＧａＮ層は、連続的である。第４試料１５４においては、第１ＧａＮ層５１ｇの形成において、アンモニアの供給量は２．５Ｌ／分である。すなわち、第４試料１５４における第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比は、第１試料１５１におけるそれの１／１６である。その他の条件については、第１試料１５１と同じである。

図５（ｅ）に表したように、第５試料１５５においては、ＡｌＧａＮ層５１ａ、第１ＧａＮ層５１ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。第５試料１５５においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられていない。さらに、第１ＧａＮ層５１ｇは、凸部５１ｇｐを含んでおらず、第１ＧａＮ層５１ｇは、平坦である。第５試料１５５は、第３試料１５３において、第１Ｓｉ含有層５１ｓを設けない構成に対応する。

図５（ｆ）に表したように、第６試料１５６においては、ＡｌＧａＮ層５１ａ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。第６試料１５６においては、第３試料１５３において、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第１ＧａＮ層５１ｇが設けられていない。

図６（ａ）〜図６（ｆ）は、試料の断面の走査型電子顕微鏡像である。
図６（ａ）〜図６（ｆ）は、それぞれ第１〜第６試料１５１〜１５６の断面ＳＥＭ像を示している。
図６（ａ）から分かるように、第１試料１５１においては、第１ＧａＮ層５１ｇは、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む。凸部５１ｇｐどうしの間の領域において、第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部が、第１Ｓｉ含有層５１ｓに接している。第１ＧａＮ層５１ｇにおける凹凸の高さ（凸部５１ｇｐの高さｔｇ１）は、約４００ｎｍである。

図６（ｂ）からわかるように、第２試料１５２において、第１ＧａＮ層５１ｇには、凸部５１ｇｐが設けられているが、第１ＧａＮ層５１ｇは、連続的な結晶である。第２Ｓｉ含有層５２ｓは第１Ｓｉ含有層５１ｓに接していない。第１ＧａＮ層５１ｇにおける凸部５１ｇｐの高さ（凹凸の高さ）は、約３００ｎｍである。第２試料１５２における第１ＧａＮ層５１ｇの凹凸の高さは、第１試料１５１（窒化物半導体素子１１０）における第１ＧａＮ層５１ｇの凹凸の高さよりも小さい。第２試料１５２においては、第１ＧａＮ層５１ｇの結晶の密度が高くなり、第１ＧａＮ層５１ｇが連続的な結晶となっている。ＧａＮ層の成長速度を速くすると、凹凸の高さが小さくなり、結晶の密度が高くなる。

図６（ｃ）からわかるように、第３試料１５３においては、第１ＧａＮ層５１ｇには、凸部が設けられていない。第１ＧａＮ層５１ｇは、平坦な膜である。

図６（ｄ）からわかるように、第４試料１５４においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられていない。そして、第１ＧａＮ層５１ｇは、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む。第１ＧａＮ層５１ｇは、連続的である。

図６（ｅ）からわかるように、第５試料１５５においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられていない。さらに、第１ＧａＮ層５１ｇは、平坦である。

図６（ｆ）からわかるように、第６試料１５６においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第１ＧａＮ層５１ｇが設けられていない。

図７は、試料における転位密度の測定結果を例示すグラフ図である。
図７は、第１〜第６試料１５１〜１５６における転位密度（刃状転位密度）の測定結果を示している。縦軸は、刃状転位密度Ｄｅである。刃状転位密度Ｄｅは、Ｘ線回折測定のロッキングカーブ半値幅から導かれる。

図７に示したように、第１試料１５１における刃状転位密度Ｄｅは、２．８×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、転位密度は低い。第１試料１５１における刃状転位密度Ｄｅは、窒化物半導体素子１１０または窒化物半導体ウェーハ２１０における刃状転位密度に対応する。第１試料１５１においては、以下により、刃状転位密度Ｄｅが低減していると考えられる。

第１ＧａＮ層５１ｇが三次元的に成長し、バッファ層６０で生じた転位８０を第１ＧａＮ層５１ｇ内において、積層方向（Ｚ軸方向）に対して平行方向に向けて曲げることができる。これにより、上層（機能層１５）に到達する転位８０を減らすことができる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓによって第１ＧａＮ層５１ｇの成長が抑制される領域（凸部５１ｇｐどうしの間の領域）では、バッファ層６０で生じた転位８０が第１Ｓｉ含有層５１ｓによって遮蔽される。これにより、転位８０の上層への伝播が抑制され、転位８０を減らすことができる。

さらに、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓにおいては、上層側に伝播する転位８０の数が減少する。斜面５１ｇｓにおいて、転位８０が屈曲する。すなわち、斜面５１ｇｓ上に設けられた第２Ｓｉ含有層５２ｓにおいて、転位８０が屈曲する。斜面５１ｇｓにおいて、転位８０の伝播が遮られる。その結果、上層に到達する転位８０を大幅に減らすことができる。

図７に示したように、第２試料１５２における刃状転位密度Ｄｅは、４．８×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、転位密度は低い。第１試料１５１における刃状転位密度Ｄｅの方が、第２試料１５２における刃状転位密度Ｄｅよりも低い。第２試料１５２においては、第２Ｓｉ含有層５２ｓは第１Ｓｉ含有層５１ｓと接していない。このため、第２試料１５２においては、ＡｌＧａＮ層５１ａから伝播する転位８０の遮蔽効果が小さいと考えられる。第２Ｓｉ含有層５２ｓが第１Ｓｉ含有層５１ｓと接する構成（例えば第１試料１５１）においては、接しない構成（例えば第２試料１５２）に比べて、刃状転位密度Ｄｅを６０％程度に低減できる。

図７から分かるように、第３試料１５３においては、刃状転位密度Ｄｅは、６．２×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、転位密度は高い。第３試料１５３においては、第１ＧａＮ層５１ｇに凸部５１ｇｐが設けられていない。このため、凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓにおける転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が得られない。さらに、第２Ｓｉ含有層５２ｓは第１Ｓｉ含有層５１ｓと接していない。このため転位８０の遮蔽効果が小さい。以上により、第３試料１５３においては、刃状転位密度Ｄｅが高いと考えられる。

図７から分かるように、第４試料１５４においては、刃状転位密度Ｄｅは、７．５×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、転位密度は高い。第４試料１５４においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられていないため、第１Ｓｉ含有層５１ｓによる転位８０の遮蔽効果が得られない。第４試料１５４における刃状転位密度Ｄｅは、第２試料１５２における刃状転位密度Ｄｅの約１．６倍である。すなわち、第１Ｓｉ含有層５１ｓ設ける構成（例えば第２試料１５２）においては、設けない構成（例えば第４試料１５４）に比べて、刃状転位密度Ｄｅを６４％程度に低減できる。

図７から分かるように、第５試料１５５においては、刃状転位密度Ｄｅは、１．１×１０^−９（／ｃｍ^２）であり、転位密度は高い。第５試料１５５においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられていない。このため、第１Ｓｉ含有層５１ｓによる、転位８０の遮蔽効果が得られない。さらに、第５試料１５５においては、第１ＧａＮ層５１ｇに凸部５１ｇｐが設けられていない。このため、凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓ（または斜面５１ｇｓ上に設けられた第２Ｓｉ含有層５２ｓ）による転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が得られない。このため、第５試料１５５においては、刃状転位密度Ｄｅが高いと考えられる。第５試料１５５における刃状転位密度Ｄｅは、第４試料１５４に比べ、約１．７倍である。すなわち、第１ＧａＮ層５１ｇが斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む構成（例えば第４試料１５４）においては、第１ＧａＮ層５１ｇが平坦な構成（例えば第５試料１５５）に比べて、刃状転位密度Ｄｅを７０％程度に低減できる。

図７から分かるように、第６試料１５６においては、刃状転位密度Ｄｅは、６．０×１０^−８（／ｃｍ^２）であり、転位密度は高い。第６試料１５６においては、第１ＧａＮ層５１ｇ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓが設けられていない。このため、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓ（または斜面５１ｇｓ上に設けられた第２Ｓｉ含有層５２ｓ）による転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が得られない。また、Ｓｉ含有層が１層であり、第２Ｓｉ含有層５２ｓが第１Ｓｉ含有層５１ｓに接することによる、転位８０の遮蔽効果の増強が得られない。以上により、第６試料１５６においては、刃状転位密度Ｄｅが高いと考えられる。

このように、積層体５０に、ＡｌＧａＮ層５１ａと、第１Ｓｉ含有層５１ｓと、斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む第ＧａＮ層５１ｇと、第２Ｓｉ含有層５２ｓと、第２ＧａＮ層５２ｇと、を設けることで、転位密度を低減できる。転位の少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハが得られる。

第１試料１５１及び第２試料１５２の構成により、転位を減少できる。第１試料１５１のように、第１ＧａＮ層５１ｇが第１Ｓｉ含有層５１ｓの一部の上に設けられ、第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部が、第１Ｓｉ含有層５１ｓと接する構成において、転位密度の低減効果が高い。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、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８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る１１０（または窒化物半導体ウェーハ２１０）のエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ分析）の結果の例を示すグラフである。図８（ｃ）は、ＥＤＳ分析における分析の場所を示している。図８（ｃ）は、ＥＤＳ分析の場所として、第１分析位置Ａｐ１及び第２分析位置Ａｐ２を、図４（ｃ）に例示した断面ＴＥＭ像上に示している。第１分析位置Ａｐ１は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの位置に対応する。第２分析位置Ａｐ２は、第２Ｓｉ含有層５２ｓの位置に対応する。

図８（ａ）は、第１分析位置Ａｐ１の分析結果に対応する。図８（ｂ）は、第２分析位置Ａｐ２の分析結果に対応する。図８（ａ）及び図８（ｂ）の横軸は、エネルギーＥｇ（ｋｅＶ：キロエレクトロンボルト）である。縦軸は、強度Ｉ（ｃｏｕｎｔｓ）である。このＥＤＳ分析における、Ｓｉの検出限界は、１０００ｐｐｍである。

この例では、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１は８分である。この条件は、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ面密度が１．２×１０^１５／ｃｍ^２である条件に対応する。第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２は３分である。この条件は、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ面密度が３．８×１０^１４／ｃｍ^２である条件に対応する。

図８（ａ）及び図８（ｂ）からわかるように、本実施形態においては、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓから、Ｓｉが検出される。第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度は、約４．５（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度は、約３．９（ａｔｏｍｉｃ／％）と見積もられる。このように、本実施形態においては、Ｓｉ含有層におけるＳｉ濃度は、検出限界（１０００ｐｐｍ）以上である。Ｓｉ含有層におけるＳｉ濃度を１０００ｐｐｍ以上とすることで、転位低減の大きな効果が得られる。

III族窒化物半導体の成長方法として、III族窒化物半導体の結晶核を島状に形成し、その後、窒素源ガスを供給しながら珪素源ガスとIII族源ガスを交互に供給して、その結晶核を島状に成長させ、さらに、窒素源ガスとIII族源ガスを供給し、島状の結晶核からIII族窒化物半導体を各々成長させる方法がある。この方法においては、結晶核からIII族窒化物半導体を横方向に成長させ、隣り合う結晶核から各々成長した結晶が接合する接合部に転位を集中させ、結晶核の厚さの差を利用し転位を閉じ込めて、上層での転位密度を減少させる。すなわち、結晶核どうしの間で転位を減少させる。この方法では、Ｓｉの検出限界が１０００ｐｐｍのＥＤＳ分析において、バッファ層や結晶核からＳｉはほぼ検出されないようにされる。

これに対して、本実施形態に係る窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハにおいては、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐ内の転位８０が、凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓ上に設けられた第２Ｓｉ含有層５２ｓにおいて、減少する。そして、既に説明したように、本実施形態においては、Ｓｉ含有層におけるＳｉ濃度は、十分に検出限界以上である。第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度は、例えば、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下である。

以下、本実施形態に係る構成の例について説明する。
バッファ層６０は、例えばＡｌＮバッファ層６２を有する。ＡｌＮバッファ層６２の厚さは、例えば約１００ｎｍ（例えば１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下）である。バッファ層６０として、ＧａＮ層を用いても良い。バッファ層６０としてＧａＮ層を用いる場合、そのＧａＮ層の厚さは、約３０ｎｍ（例えば２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下）である。バッファ層６０には、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、または、ＡｌＩｎＮなどの混晶を用いても良い。

基板４０としてシリコン基板を用いる場合は、シリコンと化学的反応が生じにくいＡｌＮを、シリコンに接するバッファ層６０として用いることで、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を抑制し易い。バッファ層６０がＩｎを含むと、シリコン基板との格子不整合が抑制され、転位を抑制し易くなる。バッファ層６０がＩｎを含む場合、結晶成長中にＩｎの脱離反応が発生しやすい。このため、平坦性の良いバッファ層６０を得るために、Ｉｎ組成比は、０．５以下とすることが好ましい。

積層体５０にＡｌＧａＮ層５１ａを設けることで、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。ＡｌＧａＮ層５１ａ中に圧縮応力が形成され、結晶成長後の降温過程において、窒化物半導体とシリコン基板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。

既に説明したように、ＡｌＧａＮ層５１ａは複数の層（例えば、第１〜第３ＡｌＧａＮ層５１ａａ、５１ａｂ及び５１ａｃなど）を含んでも良い。これにより、ＡｌＧａＮ層５１ａ中に形成される圧縮応力を増大することができる。ＡｌＧａＮ層５１ａが複数の層を含む場合、上方向に向かって、Ａｌ組成比が小さくなることが好ましい。

例えば、バッファ層６０としてＡｌＮを用いる場合、ＡｌＧａＮ層５１ａに設ける複数のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、例えば、ＡｌＮとＧａＮとの格子定数を積層数で等間隔に分割した格子定数差となるように設定される。ＡｌＮとＧａＮとの室温における格子不整合は、約２．１％である。

例えば、ＡｌＧａＮ層５１ａ中に３つのＡｌＧａＮ層を設ける場合は、ＡｌＧａＮ層どうしの格子定数差がおよそ０．７％程度となるように設定される。例えば、第１ＡｌＧａＮ層５１ａａにおけるＡｌ組成比は、約０．５５である。第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂにおけるＡｌ組成比は、例えば０．３である。第３ＡｌＧａＮ層５１ａｃにおけるＡｌ組成比は、例えば０．１５である。

例えば、ＡｌＧａＮ層５１ａ中に２つのＡｌＧａＮ層を設ける場合は、ＡｌＧａＮ層どうしの格子定数差がおよそ１．０％程度となるように設定される。例えば、第１ＡｌＧａＮ層５１ａａにおけるＡｌ組成比は、約０．５である。第２ＡｌＧａＮ層５１ａｂにおけるＡｌ組成比は、例えば０．２である。

ＡｌＧａＮ層どうしのＡｌ組成比の差は一定ではない。これは、ＡｌＧａＮ層中に歪みが形成されているためである。ＡｌＧａＮ層における室温での格子不整合率は、例えば、Ｘ線回折測定により算出される。

第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの少なくともいずれかは、ＳｉＮ層を含んでも良い。第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの少なくともいずれかは、ＧａＮの一部に高濃度にＳｉがドーピングされた層（δドーピング層）でもよい。

第１Ｓｉ含有層５１ｓを設けることで、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上に第１ＧａＮ層５１ｇを形成する際に、第１ＧａＮ層５１ｇが三次元的に成長する。第１Ｓｉ含有層５１ｓにおいて、積層方向に垂直な面（Ｘ−Ｙ平面）内で、Ｓｉ濃度や厚さに揺らぎがある。例えば、Ｓｉ濃度の低い部分または厚さが薄い部分に、選択的に第１ＧａＮ層５１ｇが成長し易い。これにより、第１ＧａＮ層５１ｇが三次元的に成長する。

第１ＧａＮ層５１ｇが三次元的に成長することで、バッファ層６０で発生した転位８０が積層方向（Ｚ軸方向）に対して平行方向に向けて曲がる。これにより、上層（機能層１５）に到達する転位８０の数を低減できる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓによって第１ＧａＮ層５１ｇの成長が抑制される領域（第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐどうしの間の領域）では、バッファ層６０で生じた転位８０が第１Ｓｉ含有層５１ｓによって遮蔽される。これにより、転位８０の上層への伝播が抑制される。第１Ｓｉ含有層５１ｓの被覆率が高いと、転位８０の低減効果は増大する。

第１Ｓｉ含有層５１ｓは、ＡｌＧａＮ層５１ａに接する。ＡｌＧａＮ層５１ａと第１ＧａＮ層５１ｇとが第１Ｓｉ含有層５１ｓを介して近接する。これにより、第１ＧａＮ層５１ｇは、ＡｌＧａＮ層５１ａとの格子不整合差の影響を受けながら成長する。格子不整合差を設けることで、第１ＧａＮ層５１ｇは、より三次元成長しやすくなり、転位低減効果が増大する。さらに、ＡｌＧａＮ層５１ａと第１ＧａＮ層５１ｇとが第１Ｓｉ含有層５１ｓを介して近接する部分で生じる転位を低減できる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さは、０．４原子層以上２原子層以下であり、例えば、例えば１原子層である。第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが０．４原子層よりも薄いと、第１ＧａＮ層５１ｇの三次元成長が生じ難くなり、転位８０の低減効果が小さくなる。第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが２原子層よりも厚いと、第１ＧａＮ層５１ｇの成長が困難になる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さは、透過型電子顕微鏡像による直接観察、または、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により見積もることができる。ＳＩＭＳ分析法の場合、層中のＳｉ濃度が２×１０^２０ｃｍ^３程度の場合が、１原子層に相当する。このＳｉ濃度は、面密度に換算すると、１×１０^１５ｃｍ^２程度のＳｉ面密度に対応する。

第１ＧａＮ層５１ｇの上に第２Ｓｉ含有層５２ｓが設けられる。第１ＧａＮ層５１ｇは、凸部５１ｇｐを含む。凸部５１ｇｐは、積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾斜した斜面５１ｇｓを有する。斜面５１ｇｓは、例えば、（１０−１１）面または（１１−２２）面などのファセット面である。また、斜面５１ｇｓは、特定の結晶面でなくても良い。凸部５１ｇｐにおいて、斜面５１ｇｓとＸ−Ｙ平面との間の角度は、変化しても良い。凸部５１ｇｐは、錐状、または、ドーム状の形状を有しても良い。

第１ＧａＮ層５１ｇに含まれる凸部５１ｇｐどうしの間において、第１Ｓｉ含有層５１ｓの一部が露出している。露出した第１Ｓｉ含有層５１ｓの上、第１ＧａＮ層５１ｇの上（凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓの上、及び、凸部５１ｇｐの上面（頂面５１ｇｔ）の上）に、第２Ｓｉ含有層５２ｓが形成される。第１ＧａＮ層５１ｇの斜面５１ｇｓの上に第２Ｓｉ含有層５２ｓを形成することで、斜面５１ｇｓと第２Ｓｉ含有層５２ｓとの界面で、転位８０の屈曲を生じさせ、機能層１５に伝播する転位８０を低減できる。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの一部が第１Ｓｉ含有層５１ｓと接すると、Ｓｉ含有層による転位８０の遮蔽効果が増大する。これにより、バッファ層６０で生じた転位８０の上層（機能層１５）への伝播の抑制効果が増大する。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さは、０．２原子層以上２原子層以下（例えば０．５原子層）であることが好ましい。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが０．２原子層よりも薄いと、斜面５１ｇｓでの転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られず、転位密度の低減効果が小さくなる。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが、２原子層よりも厚いと、第２ＧａＮ層５２ｇが成長し難くなる。結果として、第２ＧａＮ層５２ｇでの平坦化が困難となる。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さは、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さよりも薄いことが好ましい。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さよりも厚くなると、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓ上に、高密度の凹凸が形成され、表面平坦性が低下する。このため、機能層１５の特性が低下し易くなる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さと第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さとの和は、０．７原子層以上２原子層以下とすることが好ましい。厚さの和が０．７原子層よりも薄いと、Ｓｉ含有層による転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が得難くなる。厚さの和が２原子層よりも厚いと、ＧａＮ層での凹凸形成が過剰となり、平坦性が悪化する。さらに、厚さの和が２原子層よりも厚いと、凹凸形成によるＧａＮ層中の引っ張り応力の形成により、クラックが生じやすくなる。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの上に、十分な厚さの第２ＧａＮ層５２ｇが形成されることで、第２ＧａＮ層５２ｇの上面は平坦になる。そして、第２ＧａＮ層５２ｇの上に形成される機能層１５の主面は、平坦になる。

図９（ａ）〜図９（ｃ）は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する電子顕微鏡写真像である。
これらの図は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上に第１ＧａＮ層５１ｇを形成した３つの試料のＳＥＭ像である。これらの図においては、第１ＧａＮ層５１ｇの形状が表されている。これらの試料においては、層の形成状件が、互いに異なる。これらの図は、窒化物半導体ウェーハの例も示している。

図９（ａ）に示した第１例Ｓ０１では、ＡｌＧａＮ層５１ａの上に、基板温度が１０４０℃で、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量３５０ｃｃ、アンモニアを流量２０Ｌ／分で、３分間供給し、第１Ｓｉ含有層５１ｓが形成される。その後、基板温度が１０９０℃で、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、５分間供給し、第１ＧａＮ層５１ｇが形成される。ＴＭＧａの流量５６ｃｃ／分は、２７３μｍｏl／分に相当する。したがって、第１例Ｓ０１においては、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比は、６５００である。第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さは、約０．４原子層である。

図９（ｂ）に示した第２例Ｓ０２では、第１Ｓｉ含有層５１ｓの形成の際の成長時間が、８分である。それ以外は、第１例Ｓ０１と同じである。第２例Ｓ０２における第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さは、約１原子層である。

図９（ｃ）に示した第３例Ｓ０３では、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のアンモニア流量が２．５Ｌ／分である。それ以外は、第１例Ｓ０１と同じである。第３例Ｓ０３においては、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比は、４９０と低い。

図９（ａ）から分かるように、第１例Ｓ０１においては、第１ＧａＮ層５１ｇは、島状の結晶である。第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、１５０ｎｍ〜２００ｎｍである。第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの径（幅、すなわち、Ｘ−Ｙ平面に対向な方向の長さ））は、約１．５μｍである。第１例Ｓ０１においては、高さが５０ｎｍ以下の微結晶が多数観察される。

図９（ｂ）から分かるように、第２例Ｓ０２（第１Ｓｉ含有層５１ｓの形成時間を８分と長い）では、第１ＧａＮ層５１ｇの高さｔｇ１が、２００ｎｍ〜５００ｎｍに増大する。一方、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの径（幅）は約０．８μｍ程度に減少する。第２例Ｓ０２においては、上記の微結晶（高さが５０ｎｍ以下の微結晶）は、実質的に観察されない。

このように、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さによって、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１と径（幅）とを変化させることができる。Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間が長い、すなわち、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが厚いと、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が大きくなる。

図９（ｃ）から分かるように、第３例Ｓ０３（第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比が４９０と低い）では、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が、４００ｎｍ〜７００ｎｍに増大する。そして、斜面５１ｇｓの面積が増大する。凸部５１ｇｐは、錐状、または、ドーム状の形状となる。一方、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの径（幅）は、約１．５μｍであり、第１例Ｓ０１と実質的に同様である。

このように、第１ＧａＮ層５１ｇの形成におけるＶ／III比によって、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐ高さｔｇ１、及び、斜面５１ｇｓの形状を変化させることができる。Ｖ／III比が低いと、高さｔｇ１が高くなる。Ｖ／III比が低いと、斜面５１ｇｓの凸部５１ｇｐの全体に占める割合が、増大する。

図１０（ａ）〜図１０（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、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間（厚さ）、並びに、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比、成長温度、及び、成長速度を変えたときの、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１の例を表している。これらの図は、窒化物半導体ウェーハの特性の例も例示している。
この例では、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第１ＧａＮ層５１ｇに関して以下で説明しない条件は、図９（ａ）に関して説明した条件と同じである。

これらの図の縦軸は、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１である。図１０（ａ）の横軸は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１（分）である。図１０（ｂ）の横軸は、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比であるＲｇ１（Ｖ／III）である。図１０（ｃ）の横軸は、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際の成長温度ＧＴｇ１（℃）である。図１０（ｄ）の横軸は、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際の成長速度ＧＲｇ１（ｎｍ／分）である。

図１０（ａ）に表したように、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１が長いと、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が大きくなる。例えば、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１が５分の場合には、高さｔｇ１は、３００ｎｍである。成長時間ＴＭｓ１が１１分の場合には、高さｔｇ１は、６００ｎｍである。

図１０（ｂ）は、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際にＶ／III比を変えたときの、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１の変化を表している。この実験では、III族原料ガスであるＴＭＧａの供給量を５６ｃｃ／分で一定とし、アンモニアの供給量が変化させられている。

図１０（ｂ）に表したように、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際のＶ／III比（Ｒｇ１（Ｖ／III））が低いと、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が大きくなる。Ｖ／III比が３２５０の場合には、高さｔｇ１は４５０ｎｍである。Ｖ／III比が４１０の場合には、高さｔｇ１は１０００ｎｍである。

図１０（ｃ）に表したように、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際の、成長温度ＧＴｇ１（基板温度）が低いと、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が大きくなる。例えば、第１ＧａＮ層５１ｇの形成における成長温度ＧＴｇ１が１０５０℃の場合には、高さｔｇ１は５５０ｎｍである。成長温度ＧＴｇ１が１１２０℃の場合には、高さｔｇ１は２１０ｎｍである。第１ＧａＮ層５１ｇの成長温度ＧＴｇ１が１１２０℃よりも高いと、メルトバックエッチングが発生しやすくなり、結晶が劣化しやすい。第１ＧａＮ層５１ｇの成長温度ＧＴｇ１が１０００℃よりも低いと、ピットが発生しやすくなり、結晶が劣化しやすい。第１ＧａＮ層５１ｇの成長温度ＧＴｇ１は、１０００℃以上１１２０℃以下が好ましい。

図１０（ｄ）は、第１ＧａＮ層５１ｇの形成の際の成長速度ＧＲｇ１を変えたときの、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１の変化を表している。この実験では、ＴＭＧａの供給量が変化させられている。その際、第１ＧａＮ層５１ｇの形成時の原料ガスの総供給量が一定となるように成長時間を変化させている。例えば、ＴＭＧａの流量を１１２ｃｃ／分と２倍にした場合には、成長時間を２．５分と、１／２倍にされている。

図１０（ｄ）に表したように、第１ＧａＮ層５１ｇの成長速度ＧＲｇ１が低い（遅い）と、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が大きくなる。例えば、第１ＧａＮ層５１ｇの成長速度ＧＲｇ１が１９ｎｍ／分の場合には、高さｔｇ１は５５０ｎｍである。成長速度ＧＲｇ１が４８ｎｍ／分の場合には、高さｔｇ１は２５０ｎｍである。

図１１は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図１１は、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１と、窒化物半導体素子（及び窒化物半導体ウェーハ）における刃状転位密度Ｄｅと、の関係を例示している。

図１１の横軸は、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１である。高さｔｇ１は、断面ＳＥＭ像で観察される複数の凸部５１ｇｐのうちで、最も高い凸部５１ｇｐの高さである。この値は、断面ＳＥＭ像で観察される複数の凸部５１ｇｐのうちで、最も大きな島の高さに対応する。

第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、前述したように、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１（第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さに対応）、並びに、第１ＧａＮ層５１ｇの形成におけるＶ／III比（Ｒｇ１（Ｖ／III））、第１ＧａＮ層５１ｇの形成における成長温度ＧＴｇ１、及び、第１ＧａＮ層５１ｇの形成における成長速度ＧＲｇ１を変えることで、変化させた。具体的には、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１を長くする（第１Ｓｉ含有層５１ｓを厚くする）ことで、高さｔｇ１が増大する。第１ＧａＮ層５１ｇの形成時のアンモニア供給量（Ｖ／III比）を減少することで、高さｔｇ１が増大する。第１ＧａＮ層５１ｇの形成時の成長温度ＧＴｇ１を低くすることで、高さｔｇ１が増大する。第１ＧａＮ層５１ｇの成長速度ＧＲｇ１を低く（遅く）することで、高さｔｇ１が増大する。

図１１に表したように、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が０ｎｍの場合、刃状転位密度Ｄｅは高い。高さｔｇ１が０ｎｍの場合は、第１ＧａＮ層５１ｇが平坦な場合に対応する。一方、高さｔｇ１が１０００ｎｍよりも大きい場合も、刃状転位密度Ｄｅは高い。

これに対して、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の場合は、刃状転位密度Ｄｅが低い。高さｔｇ１が１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の場合は、刃状転位密度Ｄｅは、４×１０^８（／ｃｍ^２）以下（例えば、３×１０^８（／ｃｍ^２）以上４×１０^８（／ｃｍ^２）以下）である。

凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が１００ｎｍよりも低い場合には、斜面５１ｇｓの形成が不十分であり、積層方向に対して垂直な平坦面（頂面５１ｇｔ）の結晶表面に占める割合が大きい。このため、斜面５１ｇｓ上に設けられた第２Ｓｉ含有層５２ｓによる転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られないと考えられる。凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が１００ｎｍよりも低い場合には、第１ＧａＮ層５１ｇの結晶の体積（表面積）が小さいため、結晶内で転位８０の伝播方向が変化せず、第１ＧａＮ層５１ｇ中での転位低減効果が小さくなると考えられる。

凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が１０００ｎｍよりも高い場合には、隣り合う凸部５１ｇｐどうしが合体しやすくなり、第１Ｓｉ含有層５１ｓと第２Ｓｉ含有層５２ｓとが接する領域が小さくなる。その結果、バッファ層６０で生じた転位８０の遮蔽効果が低減し、転位密度が増加すると考えられる。

高さｔｇ１が１０００ｎｍよりも大きな凹凸を形成すると、第２ＧａＮ層５２ｇにおける平坦化が困難となり、第２ＧａＮ層５２ｇの表面にピットが形成されやすくなる。実験の結果、第２ＧａＮ層５２ｇの厚さが、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１の２倍程度以上になると、平坦な第２ＧａＮ層５２ｇが得られることがわかった。本実施形態においては、第２ＧａＮ層５２ｇの厚さは、例えば約２μｍである。第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、第２ＧａＮ層５２ｇの厚さの１／２以下である。

平坦な層においては、その層の表面の面積の９０％以上の面積の領域が、層の主面と平行である。

このように、第１ＧａＮ層５１ｇの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合に、転位密度が効果的に低減する。高さｔｇ１は、より好ましくは、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。

図１２は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図１２は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間を変えたときの、刃状転位密度Ｄｅの変化に関する実験結果を例示している。横軸は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１であり、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さに対応する。この実験では、第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２は、３分である。第１ＧａＮ層５１ｇは、基板温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａの流量が５６ｃｃ／分、アンモニアの流量が４０Ｌ／分にて形成される。第１ＧａＮ層５１ｇの成長時間は、５分である。

図１２からわかるように、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１が３分以上１６分以下において、刃状転位密度Ｄｅが低くなる。成長時間ＴＭｓ１が３分よりも短い、または、１６分よりも長い場合には、刃状転位密度Ｄｅは高い。第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１が１７分のときは、機能層１５の表面にピットが形成され、十分に平坦化ができない。

本実験では、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１が８分のときが、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが１原子層である条件に相当する。

図１２の結果から、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが０．４原子層以上２原子層以下の場合に、低い刃状転位密度Ｄｅが得られることが分かる。第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが０．４原子層よりも薄い場合には、転位密度が高くなる。これは、第１ＧａＮ層５１ｇの三次元成長が生じ難く、転位密度の低減効果が小さいためと考えられる。第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが２原子よりも厚い場合には、転位密度が高くなる。これは、第１ＧａＮ層５１ｇが実質的に成長しなくなるためと考えられる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さは、ＴＥＭ像による直接観察、または、ＳＩＭＳ分析により見積もることができる。

ＳＩＭＳ分析の場合、スパッタレートなどの測定条件によって、Ｓｉ濃度が厚さ（深さ）方向に広がりを有するように観測される場合がある。この場合、例えば、Ｓｉ含有層に相当する領域でのＳｉ濃度の極大値（最大値）に対して、Ｓｉ濃度が１０％の値に低減する領域までのＳｉ濃度の総和（Ｓｉ原子の厚さ方向の積分値）を、Ｓｉ含有層に含まれる単位面積あたりのＳｉ原子の数（Ｓｉ面密度）とみなすことができる。

Ｓｉ含有層の厚さは、このＳｉ濃度の総和（Ｓｉ面密度）を用いて見積もることができる。すなわち、Ｓｉ含有層中のＳｉ原子が、一様に、ＧａＮ層のＧａ原子（III族原子）と置換した場合における、Ｓｉに置換されたＧａＮ層の厚さとして見積もることができる。

本願明細書においては、Ｓｉ含有層中のＳｉ原子の数が、ＧａＮ層の１層分に相当するＧａ原子を置換する数である場合のＳｉ含有層の厚さを、１原子層とする。

ＧａＮ層における（０００１）面のＧａ原子（III族原子）の面密度は、約１×１０^１５（／ｃｍ^２）である。したがって、膜中のＳｉの面密度が１×１０^１５（／ｃｍ^２）程度の場合に、第１Ｓｉ含有層５１ｓ、及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが１原子層であることに相当する。

ＳＩＭＳ分析において、例えば、Ｓｉ濃度のピーク値が２×１０^２０（／ｃｍ^３）であって、幅２００ｎｍの拡がりを有する場合は、面密度に換算すると、１×１０^１５（／ｃｍ^２）程度のＳｉ面密度に相当する。

すなわち、膜中のＳｉ濃度が２×１０^２０（／ｃｍ^３）程度の場合が、Ｓｉ含有層の厚さが１原子層であることに相当する。したがって、「第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さが０．４原子層以上２原子層以下の場合に転位密度が低減する」は、「第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度が、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４．０×１０^２０（／ｃｍ^３）以下の場合に転位密度が低減する」ことに相当し、転位密度が低くなる。そして、膜中のＳｉ面密度が３．５×１０^１４（／ｃｍ^２）以上２．０×１０^１５（／ｃｍ^２）以下の場合に、転位密度が低くなる。

第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１を変えると、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度が変化する。第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１を変えて第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度を変化させた試料について、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度と、転位密度と、の関係について説明する。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る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、図１２に示した試料に関して、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度と刃状転位密度Ｄｅと、の関係を示す。図１３（ａ）の横軸は、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ１（／ｃｍ^３）である。図１３（ｂ）の横軸は、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ１（／ｃｍ^２）である。ＣＳｖ１は、実質的に、ＣＳａ１×２×１０^５である。

図１３（ａ）から分かるように、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ１が７×１０^１９以上４×１０^２０（／ｃｍ^３）のときに、低い刃状転位密度Ｄｅが得られる。

図１３（ｂ）から分かるように、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ１が３．５×１０^１４以上２×１０^１５（／ｃｍ^２）のときに、低い刃状転位密度Ｄｅが得られる。

図１４は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図１４は、第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間を変えたときの、刃状転位密度Ｄｅの実験結果を例示している。横軸は、第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２であり、第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さに対応する。この実験では、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１は、８分である。第１ＧａＮ層５１ｇは、基板温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａの流量が５６ｃｃ／分で、アンモニアの流量４０Ｌ／分により形成される。第１ＧａＮ層５１ｇの成長時間は、５分である。

図１４からわかるように、第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２が３分以上１２分以下において、刃状転位密度Ｄｅが低くなる。成長時間ＴＭｓ２が３分よりも短い、または、１２分よりも長い場合には、刃状転位密度Ｄｅは高い。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２が８分のときが、第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが１原子層に相当する。

図１４の結果から、第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが０．４原子層以上１．５原子層以下の場合に、低い刃状転位密度Ｄｅが得られる。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが０．４原子層よりも薄い場合は、第２Ｓｉ含有層５２ｓでの転位の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られない。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが１．５原子層よりも厚い場合は、第２Ｓｉ含有層５２ｓ上への第２ＧａＮ層５２ｇの成長が阻害され、第２Ｓｉ含有層５２ｓでの転位の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られない。また、第２ＧａＮ層５２ｇの表面平坦性が、低くなる。

図１４に示した結果からわかるように、第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さ以下の場合に、転位密度が低減し易い。第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さが、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さよりも大きくなると、第２ＧａＮ層５２ｇで凹凸が過剰に形成され、平坦性が悪化し易い。このため、転位密度が高くなる。さらに、例えば、過剰な凹凸によって引っ張り応力が生じ、クラックが増大し易い。

第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２を変えると、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度が変化する。第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２を変えて第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度を変化させた試料について、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度と、転位密度と、の関係について説明する。

図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、第１の実施形態に係る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、図１４に示した試料に関して、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度と刃状転位密度Ｄｅと、の関係を示す。図１５（ａ）の横軸は、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ２（／ｃｍ^３）である。図１５（ｂ）の横軸は、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ２（／ｃｍ^２）である。ＣＳｖ２は、実質的に、ＣＳａ２×２×１０^５である。これら図において、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ１は２×１０^２０（／ｃｍ^３）であり、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ１は１×１０^１５（／ｃｍ^２）である。

図１５（ａ）から分かるように、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ２が７×１０^１９以上３×１０^２０（／ｃｍ^３）以下のときに、低い刃状転位密度Ｄｅが得られる。

図１５（ｂ）から分かるように、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ２が３．５×１０^１４以上１．５×１０^１５（／ｃｍ^２）以下のときに、低い刃状転位密度Ｄｅが得られる。

第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ２は、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ１以下であることが好ましい。この場合に、図１５（ａ）に表したように、転位密度が低減し易い。

第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ２は、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ面密度ＣＳａ１以下であることが好ましい。この場合に、図１５（ｂ）に表したように、転位密度が小さくなり易い。

第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ２が、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ濃度ＣＳｖ１よりも大きくなると、第２ＧａＮ層５２ｇで凹凸が過剰に形成され、平坦性が悪化し易い。このため、転位密度が高くなる。さらに、例えば、過剰な凹凸によって引っ張り応力が生じ、クラックが増大し易い。

図１６は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子の特性を例示するグラフ図である。 図１６は、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さの合計の厚さと、刃状転位密度Ｄｅと、の関係を例示している。横軸は、合計の厚さｔｓであり、単位は原子層である。

図１６からわかるように、第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さの合計の厚さｔｓが、０．７原子層以上２原子層において、低い刃状転位密度Ｄｅが得られる。合計の厚さｔｓが０．７原子層よりも薄い、または、２原子層よりも厚い場合には、転位密度が高い。合計の厚さｔｓが０．７原子層よりも薄いと、Ｓｉ含有層による転位の屈曲効果または遮蔽効果が低くなる。合計の厚さｔｓが２原子層よりも厚いと、ＧａＮ層での凹凸形成が過剰となり、平坦性が悪化する。これにより、転位密度が高くなる。さらに、合計の厚さｔｓが２原子層よりも厚いと、凹凸形成によるＧａＮ層中の引っ張り応力の形成によりクラックが生じやすくなり、結晶品質が低下する。

第１Ｓｉ含有層５１ｓの厚さ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの厚さの合計の厚さｔｓが０．７原子層であるときは、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ濃度の和が、１．５×１０^２０／ｃｍ^３に相当する。合計の厚さｔｓが２原子層であるときは、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ濃度の和が、４．０×１０^２０／ｃｍ^３に相当する。第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ濃度の和は、１．５×１０^２０／ｃｍ^３以上４．０×１０^２０／ｃｍ^３以下が好ましい。

合計の厚さｔｓが０．７原子層であるときは、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ面密度の和が７．５×１０^１４／ｃｍ^２に相当する。合計の厚さｔｓが２原子層であるときは、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ面密度の和が２．０×１０^１５／ｃｍ^２に相当する。第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ面密度の和は、７．５×１０^１４／ｃｍ^２以上２．０×１０^１５／ｃｍ^２に以下が好ましい。

図１７は、第１の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。
図１７は、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０（または窒化物半導体ウェーハ２１０）のＳＩＭＳ分析結果の例を示している。この例では、深さ（積層方向）に沿って、５ｎｍ間隔で測定される。図１７の横軸は、深さＺｄ（Ｚ軸方向の位置に相当する）である。縦軸は、Ｓｉ濃度ＣＳ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。この例では、第１Ｓｉ含有層５１ｓの成長時間ＴＭｓ１は８分である。この条件は、第１Ｓｉ含有層５１ｓにおけるＳｉ面密度が１．２×１０^１５／ｃｍ^２である条件に対応する。第２Ｓｉ含有層５２ｓの成長時間ＴＭｓ２は３分である。この条件は、第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ面密度が３．８×１０^１４／ｃｍ^２である条件に対応する。

図１７から分かるように、積層体５０の範囲において、３段階のＳｉのピークが観察される。例えば、積層体５０におけるＳｉ濃度プロファイルは、第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７を有する。第１〜第７部分ｐ１〜ｐ７は、Ｚ軸方向に沿って積層される。第２部分ｐ２は、第１部分ｐ１の上側に設けられる。

第１部分ｐ１は、Ｓｉ濃度が７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の第１濃度を有する。

第２部分ｐ２は、Ｓｉ濃度が第１濃度よりも低い第２濃度を有する。第２濃度は、例えば、２×１０^１７／ｃｍ^３未満である。第２部分ｐ２においては、Ｓｉ濃度は比較的一定である。

第３部分ｐ３は、第１部分ｐ１と第２部分ｐ２との間に設けられる。第３部分ｐ３は、Ｓｉ濃度が第１濃度と第２濃度との間の第３濃度を有する。第３濃度は、例えば３×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３である。第３部分ｐ３においては、Ｓｉ濃度は比較的一定である。

第４部分ｐ４は、第３部分ｐ３と第２部分ｐ２との間に設けられる。第４部分ｐ４は、Ｓｉ濃度が第３濃度と第２濃度との間の第４濃度を有する。第４濃度は、例えば２×１０^１７／ｃｍ^３以上２×１０^１８／ｃｍ^３以下である。第４部分ｐ４においては、Ｓｉ濃度は比較的一定である。

第５部分ｐ５は、第１部分ｐ１と第３部分ｐ３との間に設けられる。第５部分ｐ５におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第３部分ｐ３におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い。第５部分ｐ５においては、Ｓｉ濃度が急激に変化する。

第６部分ｐ６は、第３部分ｐ３と第４部分ｐ４との間に設けられる。第６部分ｐ６におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第３部分ｐ３におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い。第６部分ｐ６におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第４部分ｐ４におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い。第６部分ｐ６においては、Ｓｉ濃度が急激に変化する。

第７部分ｐ７は、第４部分ｐ４と第２部分ｐ２との間に設けられる。第７部分ｐ７におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第４部分ｐ４におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い。第７部分ｐ７におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率は、第２部分ｐ２におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い。

第１部分ｐ１においては、Ｓｉ濃度のピークの幅（厚さ方向の幅）が狭い。第１部分ｐ１は、第１Ｓｉ含有層５１ｓに対応する。第５部分ｐ５の少なくとも一部が、第１Ｓｉ含有層５１ｓにさらに含まれる。
この例では、第１部分ｐ１におけるＳｉ濃度のピーク（最大値）は２．８×１０^２０／ｃｍ^３である。Ｓｉ濃度がピーク値の１０％の値に低減するまでのピークの幅は、約１６０ｎｍである。この領域の総Ｓｉ濃度（厚さ方向のＳｉ濃度の積分値）は、１．２×１０^１５／ｃｍ^２であり、第１Ｓｉ含有層５１ｓのＳｉ面密度に対応する。

第１部分ｐ１の厚さ（幅）は、例えば、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。第１部分ｐ１の厚さが１ｎｍよりも小さいと、第１ＧａＮ層５１ｇの三次元成長が十分に生じない。第１部分ｐ１の厚さが２００ｎｍよりも厚い場合は、第１ＧａＮ層５１ｇの成長が阻害され、斜面の面積が減少し、転位密度の低減効果が十分に得られない。

第３部分ｐ３及び第６部分ｐ６は、第１ＧａＮ層５１ｇ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓに対応する。第２Ｓｉ含有層５２ｓにおけるＳｉ濃度は、８．０×１０^１８／ｃｍ^３である。第１ＧａＮ層５１ｇは、凸部５１ｇｐを含んでおり、その凸部５１ｇｐの上に第２Ｓｉ含有層５２ｓが設けられる。前述したように、凸部５１ｇｐの径は例えば、５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、ＳＩＭＳ分析において、分析の面積は、凸部５１ｇｐの大きさ（面積）よりも広い。このため、ＳＩＭＳ分析によるＳｉ濃度は、複数の凸部５１ｇｐを含む範囲（第２ＧａＮ層５２ｇ、第２Ｓｉ含有層５２ｓ及び第１ＧａＮ層５１ｇの範囲）の平均の値として検出される。このため、Ｓｉ濃度プロファイルにおいて、厚さ（深さ）方向に広がりが生じるとともに、ピーク値が実際のＳｉ濃度に比べ小さくなり、第３部分ｐ３及び第６部分ｐ６が生じる。

この例では、第３部分ｐ３におけるＳｉ濃度のピークは、約８．０×１０^１８／ｃｍ^３であり、第３部分ｐ３及び第６部分ｐ６の幅（Ｓｉ濃度がピーク値の１０％の値に低減するまでのピークの幅に相当）は約５００ｎｍである。この領域の総Ｓｉ濃度（厚さ方向のＳｉ濃度の積分値）は、３．８×１０^１４／ｃｍ^２であり、第２Ｓｉ含有層５２ｓのＳｉ面密度に対応する。

第３部分ｐ３の厚さ（幅）は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。第３部分ｐ３の厚さが１００ｎｍよりも小さい場合は、第１ＧａＮ層５１ｇの高さが１００ｎｍ以下の場合に相当する。このときには、斜面の形成が不十分であり、転位密度の低減効果が減少する。第３部分ｐ３の厚さが１０００ｎｍよりも厚い場合は、第１ＧａＮ層５１ｇの高さが１０００ｎｍ以下の場合に相当する。このときには、第２ＧａＮ層５１ｇの平坦性が低下しやすい。

例えば、第４部分ｐ４、第７部分ｐ７及び第２部分ｐ２は、第２ＧａＮ層５２ｇに対応する。第２ＧａＮ層５２ｇの一部（下側の一部）に、第１Ｓｉ含有層５１ｓ及び第２Ｓｉ含有層５２ｓの少なくともいずれかから、Ｓｉが拡散すると考えられる。このＳｉの拡散領域が、第４部分ｐ４に対応していると考えられる。

第４部分ｐ４の厚さは、例えば、３００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下である。第４部分ｐ４の厚さが３００ｎｍより小さい場合は、第２Ｓｉ含有層５２ｓでの転位の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られない。第４部分ｐ４の厚さが２５００ｎｍよりも厚い場合は、第２ＧａＮ層５１ｇの平坦性が低下しやすい。

例えば、ＳＩＭＳ分析において、第１部分ｐ１が存在することにより、第１Ｓｉ含有層５１ｓの存在が判断できる。

ＳＥＭ観察やＴＥＭ観察において凸部５１ｇｐを含む第１ＧａＮ層５１ｇが観察されることから、第２Ｓｉ含有層５２ｓの存在が判断できる。ＳＩＭＳ分析において第３部分ｐ３及び第４部分ｐ４が生じていることから、第２Ｓｉ含有層５２ｓの存在が判断できる。

図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、参考例の窒化物半導体素子を例示するグラフ図である。
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、それぞれ第１参考例及び第２参考例の窒化物半導体素子（または窒化物半導体ウェーハ）のＳＩＭＳ分析結果の例をそれぞれ示している。
第１参考例においては、積層体５０のＡｌＧａＮ層５１ａに変えて、ＧａＮ層が設けられ、そのＧａＮ層の上に第１Ｓｉ含有層５１ｓが設けられている。その上に、凸部５１ｇｐを含む第１ＧａＮ層５１ｇが設けられている。その上に第２ＧａＮ層５２ｇが設けられている。すなわち、第２Ｓｉ含有層５２ｓが設けられていない。

一方、第２参考例においては、平坦なＧａＮ層と、平坦なＳｉ含有層と、が交互に複数積層されている。この例では、Ｓｉ含有層の数は、４である。

図１８（ａ）に示したように、第２Ｓｉ含有層５２ｓが設けられない第１参考例においては、Ｓｉ濃度のピークは２段である。

図１８（ｂ）に示したように、平坦なＧａＮ層の上にＳｉ含有層を設ける場合には、鋭いＳｉ濃度のピークが観察される。Ｓｉ濃度のピークは１段である。

一方、既に説明したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び窒化物半導体ウェーハ２１０においては、Ｓｉ濃度に３段のピークが観察される。

図１９は、第１の実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図１９に表したように、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子１１１及び窒化物半導体ウェーハ２１１においては、第１ＧａＮ層５１ｇとして、ｎ形のｎ−ＧａＮ層５１ｎが用いられる。それ以外の構成は、窒化物半導体素子１１０及び窒化物半導体ウェーハ２１０と同様である。

窒化物半導体素子１１１及び窒化物半導体ウェーハ２１１によっても、転位が少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハを提供できる。

以下、実験結果について説明する。
ｎ−ＧａＮ層５１ｎは、例えば、基板温度を１０９０℃とし、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分、濃度１０ｐｐｍのシラン（ＳｉＨ_４）を流量５６ｃｃ／分にて、５分間供給して形成される。ｎ−ＧａＮ層５１ｎにおけるＳｉ濃度は、例えば、５×１０^１８（／ｃｍ^３）である。この例では、ｎ−ＧａＮ層５１ｎは、島状の結晶である。ｎ−ＧａＮ層５１ｎは、連続的でも良い。ｎ−ＧａＮ層５１ｎは凸部５１ｇｐを含む。ｎ−ＧａＮ層５１ｎの凸部５１ｇｐは、Ｘ−Ｙ平面に対して傾斜した斜面５１ｇｓを有する。ｎ−ＧａＮ層５１ｎの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、例えば、約５００ｎｍである。その他の層の製造方法は、窒化物半導体素子１１０に関して説明した製造方法と同じである。

窒化物半導体素子１１１における刃状転位密度Ｄｅは、２．１×１０^８（／ｃｍ^２）であり、窒化物半導体素子１１０における刃状転位密度（２．８×１０^８（／ｃｍ^２））に比べて、さらに低い値を示す。ｎ−ＧａＮ層５１ｎを設ける構成においては、第１ＧａＮ層５１ｇを設ける構成に対して、転位密度が約７５％に低減する。

図９（ａ）〜図９（ｃ）に関して説明した評価と同様の評価により、ｎ−ＧａＮ層５１ｎの形状を調べた結果、ｎ−ＧａＮ層５１ｎにおいては、ｎ形不純物（Ｓｉ）をドープしない場合に比べ、凸部の高さが高くなり、斜面の面積が増大する。ｎ形不純物をドープすることで、ファセットの形成が促進されたためであると考えられる。ｎ−ＧａＮ層５１ｎの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓ上に形成された第２Ｓｉ含有層５２ｓの面積が増大することで、転位の遮蔽効果または屈曲効果が増大し、転位が低減すると考えられる。

ｎ−ＧａＮ層５１ｎにおけるｎ形不純物の濃度は、１．０×１０^１７（／ｃｍ^３）以上１．０×１０^１９（／ｃｍ^３）以下であることが好ましい。ｎ−ＧａＮ層５１ｎにおけるｎ形不純物の濃度は、５．０×１０^１７（／ｃｍ^３）以上６．０×１０^１８（／ｃｍ^３）以下であることがさらに好ましい。ｎ−ＧａＮ層５１ｎにおけるｎ形不純物の濃度が１．０×１０^１７（／ｃｍ^３）よりも低い場合は、ファセットの形成が十分でなく、第２Ｓｉ含有層５２ｓでの転位密度の低減効果が減少する。ｎ−ＧａＮ層５１ｎにおけるｎ形不純物の濃度が１．０×１０^１９（／ｃｍ^３）よりも高い場合は、ｎ形不純物によってｎ−ＧａＮ層５１ｎの成長が阻害され、ｎ−ＧａＮ層５１ｎの凸部５１ｇｐの斜面５１ｇｓの面積が減少し、転位密度の低減効果が減少する。

ｎ−ＧａＮ層５１ｎの凸部５１ｇｐの高さｔｇ１は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合に、転位密度が効果的に低減する。高さｔｇ１は、より好ましくは、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。

凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が１００ｎｍよりも低い場合には、斜面５１ｇｓの形成が不十分であり、積層方向に対して垂直な平坦面（頂面５１ｇｔ）の結晶表面に占める割合が大きい。このため、斜面５１ｇｓ上に設けられた第２Ｓｉ含有層５２ｓによる転位８０の屈曲効果または遮蔽効果が十分に得られない。また、ｎ−ＧａＮ層５１ｎの結晶の体積（表面積）が小さいため、結晶内で転位８０の伝播方向が変化せず、ｎ−ＧａＮ層５１ｎ内での転位低減効果が小さくなる。

凸部５１ｇｐの高さｔｇ１が１０００ｎｍよりも高い場合には、隣り合う凸部５１ｇｐどうしが合体しやすくなり、第１Ｓｉ含有層５１ｓと第２Ｓｉ含有層５２ｓとが接する領域が小さくなる。その結果、バッファ層６０で生じた転位８０の遮蔽効果が低減し、転位密度が増加すると考えられる。

（第２の実施形態）
図２０は、第２の実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２０に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体素子１２０は、バッファ層６０と、積層中間層７０と、積層体５０と、機能層１５と、を含む。バッファ層６０の上に積層体５０が設けられる。積層中間層７０は、バッファ層６０と積層体５０との間に設けられる。積層体５０の上に機能層１５が設けられる。本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２２０は、基板４０、バッファ層６０、積層中間層７０及び積層体５０を含む。窒化物半導体ウェーハ２２０は、機能層１５をさらに含んでも良い。基板４０、バッファ層６０、積層体５０及び機能層１５のそれぞれには、第１の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。以下、積層中間層７０について説明する。

この例では、積層中間層７０は、第１中間層７０ａと第２中間層７０ｂとを含む。第２中間層７０ｂは、第１中間層７０ａの上に設けられる。

第１中間層７０ａは、第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａと、第１ＧａＮ中間層７２ａと、第１ＡｌＮ中間層７３ａと、を含む。第１ＧａＮ中間層７２ａは、第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａの上に設けられる。第１ＡｌＮ中間層７３ａは、第１ＧａＮ中間層７２ａの上に設けられる。

第２中間層７０ｂは、第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂと、第２ＧａＮ中間層７２ｂと、第２ＡｌＮ中間層７３ｂと、を含む。第２ＧａＮ中間層７２ｂは、第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの上に設けられる。第２ＡｌＮ中間層７３ｂは、第２ＧａＮ中間層７２ｂの上に設けられる。

この例では、ＡｌＧａＮ中間層と、ＧａＮ中間層と、ＡｌＮ中間層と、を含む構成が、２回繰り返して積層されている。繰り返しの数は、１回でも良く、３回以上でも良い。

本実施形態において、第１中間層７０ａにおいて、積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向の格子間隔（この例では、ａ軸の格子間隔に相当する）は、第１ＧａＮ中間層７２ａで最も大きく、第１ＡｌＮ中間層７３ａで急激に小さくなる。第２中間層７０ｂにおいて、積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向の格子間隔（この例では、ａ軸の格子間隔に相当する）は、第２ＧａＮ中間層７２ｂで最も大きく、第２ＡｌＮ中間層７３ｂで急激に小さくなる。

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。

第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａがバッファ層６０（例えばＡｌＮバッファ層６２）の上に形成される。第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａの形成温度は、例えば、約１０４０℃である。ＡｌＧａＮは、厚さが薄い状態すなわち成長の初期では、ＡｌＮの格子定数に格子整合するように形成され、圧縮歪みを受けながら成長する。そして、ＡｌＧａＮの成長が進むにつれて徐々に歪みが緩和し、ＡｌＧａＮは、歪みを受けない状態のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮの格子間隔に近づく。

第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａの上に、第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａよりも格子定数の大きい第１ＧａＮ中間層７２ａが形成される。第１ＧａＮ中間層７２ａの形成温度は、例えば約１０９０℃である。第１ＧａＮ中間層７２ａの厚さは、例えば約３００ｎｍである。第１ＧａＮ中間層７２ａは、成長の初期では、ＡｌＧａＮの格子定数に格子整合するように形成され、圧縮歪みを受けながら成長する。そして、ＧａＮの成長が進むにつれて徐々に歪みが緩和し、ＧａＮの格子定数は、歪みを受けない状態のＧａＮの格子定数に近づく。

さらに、第１ＡｌＮ中間層７３ａが第１ＧａＮ中間層７２ａの上に形成される。第１ＡｌＮ中間層７３ａの厚さは、例えば約１２ｎｍである。第１ＡｌＮ中間層７３ａの結晶成長温度は、例えば５００℃以上１０５０℃以下であることが好ましい。第１ＡｌＮ中間層７３ａの形成温度は、例えば８００℃である。そのため、第１ＡｌＮ中間層７３ａは、格子緩和し易くなる。これにより、第１ＡｌＮ中間層７３ａの形成の初期から、下地となる第１ＧａＮ中間層７２ａからの引っ張り歪みを受け難くなる。その結果、下地となる第１ＧａＮ中間層７２ａからの歪みの影響を減少するように、第１ＡｌＮ中間層７３ａを形成することができる。このようにして、格子緩和した第１ＡｌＮ中間層７３ａが第１ＧａＮ中間層７２ａの上に形成される。

続いて、第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂが第１ＡｌＮ中間層７３ａの上に形成される。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂにおけるＡｌの組成比（III族元素中のＡｌの比率）は、第１ＡｌＮ中間層７３ａの緩和率α以下である。

緩和率αは、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ＡｌＮ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１ＡｌＮ中間層７３ａの第１軸（例えばａ軸）の実際の格子間隔Ｄａと、の差の比である。第１軸は、積層方向（Ｚ軸方向に対して垂直な１つの軸である。

第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの厚さは、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの厚さが５ｎｍよりも薄いと、クラックの発生を抑制する効果及び転位を低減させる効果が得難い。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂ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。さらに、クラックが生じ易くなる。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの厚さは、より好ましくは５０ｎｍ未満である。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの厚さを５０ｎｍ未満にすることで、転位密度を効果的に低減することができる。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの厚さは、例えば約２５ｎｍである。

第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの形成温度が第１ＡｌＮ中間層７３ａの形成温度よりも高く、その差が８０℃以上であると、ＡｌＮの格子定数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。さらに、転位を低減する効果がより大きく得られる。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの形成温度は、例えば約１１２０℃である。

第２ＧａＮ中間層７２ｂが第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの上に形成される。第２ＧａＮ中間層７２ｂについては、第１ＧａＮ中間層７２ａと同様の構成を適用できる。

さらに、第２ＡｌＮ中間層７３ｂが第２ＧａＮ中間層７２ｂの上に形成される。第２ＡｌＮ中間層７３ｂには、第１ＡｌＮ中間層７３ａと同様の構成を適用できる。

本実施形態に係る窒化物半導体素子１２０（及び窒化物半導体ウェーハ２２０）の製造方法の例について説明する。

基板４０を１０８０℃まで加熱し、水素と窒素との比率が２：１の混合雰囲気において、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を流量５０ｃｃ／分、アンモニア（ＮＨ^３）を流量０．８Ｌ／分にて、２０分間供給する。これにより、ＡｌＮのバッファ層６０（Ａｌバッファ層６２）が形成される。ＡｌＮバッファ層６２の厚さは、約１００ｎｍである。

基板温度を１０４０℃とし、ＴＭＧａを流量１８ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量２５ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で１１分間供給する。これにより、第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａが形成される。第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば、０．２５である。

基板温度を１０９０℃とし、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、１５分間供給する。これにより、第１ＧａＮ中間層７２ａが形成される。第１ＧａＮ層５１ｇの厚さは、例えば、約３００ｎｍである。

基板温度を８００℃とし、ＴＭＡｌを流量１７ｃｃ／分、アンモニアを流量１０Ｌ／分にて、３分間供給する。これにより、第１ＡｌＮ中間層７３ａが形成される。第１ＡｌＮ中間層７３ａの厚さは、例えば、約１２ｎｍである。

基板温度を１１２０℃とし、ＴＭＧａを流量１８ｃｃ／分、ＴＭＡｌを流量６ｃｃ／分、アンモニアを流量２．５Ｌ／分で２．５分間供給する。これにより、第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂが形成される。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば、０．５である。

基板温度を１０９０℃とし、ＴＭＧａを流量５６ｃｃ／分、アンモニアを流量４０Ｌ／分にて、１５分間供給する。これにより、第２ＧａＮ中間層７２ｂが形成される。第２ＧａＮ中間層７２ｂの厚さは、例えば、約３００ｎｍである。

基板温度を８００℃とし、ＴＭＡｌを流量１７ｃｃ／分、アンモニアを流量１０Ｌ／分にて、３分間供給する。これにより、第２ＡｌＮ中間層７３ｂが形成される。第２ＡｌＮ中間層７３ｂの厚さは、例えば、約１２ｎｍである。以上により、積層中間層７０が形成される。

積層中間層７０の上に、積層体５０及び機能層１５が形成される。積層体５０及び機能層１５については、第１の実施形態に関して説明した条件が適用される。
これにより、本実施形態に係る窒化物半導体素子１２０及び窒化物半導体ウェーハ２２０が作製される。

本実施形態に係る窒化物半導体素子１２０及び窒化物半導体ウェーハ２２０において、刃状転位密度Ｄｅは、２．０×１０^８（／ｃｍ^２）と低い値を示す。

第１の実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び窒化物半導体ウェーハ２１０における刃状転位密度Ｄｅは、２．８×１０^８（／ｃｍ^３）である（図７に例示した第１試料１５１）。積層中間層７０を設ける構成においては、設けない構成に対して、転位密度が約７０％に低減する。

基板４０を含む窒化物半導体素子１２０、及び、窒化物半導体ウェーハ２２０の、室温での反りは、凹状であり、反りの大きさは、約１０μｍである。一方、第１実施形態に係る窒化物半導体素子１１０及び窒化物半導体ウェーハ２１０における反りは、凹状であり、反りの大きさは約４０μｍである。積層中間層７０を設ける構成においては、設けない構成に対して、反りが低減するすなわち、積層中間層７０を設けることで、窒化物半導体素子１２０、及び、窒化物半導体ウェーハ２２０に形成される引っ張り歪みを低減でき、クラックを低減できる。

このように、積層中間層７０は、ＧａＮ中間層（例えば第１ＧａＮ中間層７２ａ）と、ＡｌＮ中間層（例えば第１ＡｌＮ中間層７３ａ）と、ＡｌＧａＮ中間層（例えば第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂ）と、を含む。ＡｌＮ中間層（例えば第１ＡｌＮ中間層７３ａ）は、ＧａＮ中間層（例えば第１ＧａＮ中間層７２ａ）の上に設けられる。ＡｌＧａＮ中間層（例えば第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂ）は、ＡｌＮ中間層（例えば第１ＡｌＮ中間層７３ａ）の上に設けられる。

このように、バッファ層６０と積層体５０との間に積層中間層７０を設けることで、さらに転位密度の低い窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハが得られる。さらに、積層中間層７０を設けることで、反りを低減でき、クラックを抑制できる。

Ｘ線回折測定により、第１ＡｌＮ中間層７３ａの、積層方向に対して垂直な第１軸の格子間隔（この例では、ａ軸の格子間隔に相当する）が評価できる。この測定において、第１ＡｌＮ中間層７３ａの格子間隔Ｄａは、０．３１４５ｎｍであり、無歪みのＡｌＮの格子間隔ｄａの０．３１１２ｎｍよりも大きい。そのため、第１ＡｌＮ中間層７３ａの上に形成した第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂには圧縮応力が形成されている。無歪みのＧａＮのａ軸の格子間隔ｄｇは、０．３１８９ｎｍである。したがって、第１ＡｌＮ中間層７３ａの緩和率αは、０．５７に相当する。

一方、Ａｌ組成比が０．７の第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂを形成した参考例では、クラックが発生した。この試料について、上記と同様の評価を行ったところ、第２ＡｌＧａＮ中間層７３ｂには引っ張り応力が形成されていることがわかった。すなわち、ＡｌＮ層の上に、ＡｌＮよりも無歪みの格子間隔の大きな、Ａｌ組成比が０．７のＡｌＧａＮ層を形成しているにもかからず、ＡｌＧａＮ層に引っ張り応力が形成された。これは、第１ＡｌＮ中間層７３ａが歪んでおり、実際の格子間隔が無歪みの格子間隔よりも大きくなっているためである。

このように、緩和率α以下のＡｌ組成比のＡｌＧａＮ中間層を形成することで、クラックの少ない高品質の窒化物半導体素子が得られる。

このような窒化物半導体素子１２０及び窒化物半導体ウェーハ２２０により、転位が少ない窒化物半導体素子及び窒化物半導体ウェーハを提供することができる。さらに、クラックを抑制できる。

図２１は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２１に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１２１は、第１電極１０ｅと第２電極２０ｅとをさらに含む。機能層１５には、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、発光層３０と、が設けられている。この例では、低不純物濃度層１０ｉも設けられている。窒化物半導体素子１２１は、半導体発光素子である。

この例では、ｎ形半導体層１０は、第１の部分１１と、第２の部分１２と、を含む。第２の部分１２は、第１の部分１１と、Ｘ−Ｙ平面内において並ぶ。第２の部分１２とｐ形半導体層２０との間に発光層３０が設けられる。

第１電極１０ｅは、ｎ形半導体層１０の第１の部分１１と電気的に接続される。第２電極２０ｅは、ｐ形半導体層２０に電気的に接続される。第１電極１０ｅ及び第２電極２０ｅを介して、機能層１５に電流を供給し、発光層３０から光が放出される。

窒化物半導体素子１２１においては、実施形態に係る積層体５０が設けられていることで、転位密度が低く、その結果、例えば高い発光効率が得られる。

図２２は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２２に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１２２においても、第１電極１０ｅと第２電極２０ｅとが設けられる。この例では、機能層１５が積層体５０の上に形成された後に、基板４０、バッファ層６０及び積層体５０が除去されている。例えば、機能層１５のｎ形半導体層１０、発光層３０及びｐ形半導体層２０を形成した後に、ｐ形半導体層２０の上に、第２電極２０ｅが形成される。そして、第２電極２０ｅの上に、第１接合金属層４６が形成される。一方、主面上に第２接合金属層４７が形成された支持基板４５（例えばシリコン板など）が準備される。第１接合金属層４６と第２接合金属層４７とを互いに接合する。その後、結晶成長のために用いた基板４０、バッファ層６０、及び、積層体５０の少なくとも一部が除去される。

窒化物半導体素子１２２においては、実施形態に係る積層体５０の上に形成された機能層１５を用いることで、転位密度が低く、その結果、例えば高い発光効率が得られる。

図２３は、本実施形態に係る別の窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２３に表したように、実施形態に係る別の窒化物半導体素子１２３は、バッファ層６０と、積層中間層７０と、積層体５０と、機能層１５と、を含む。バッファ層６０の上に、積層体５０が設けられる。積層体５０の上に積層中間層７０が設けられる。積層中間層７０の上に機能層１５が設けられる。本実施形態に係る窒化物半導体ウェーハ２２３は、基板４０、バッファ層６０、積層中間層７０及び積層体５０を含む。窒化物半導体ウェーハ２２０は、機能層１５をさらに含んでも良い。基板４０、バッファ層６０、積層体５０、積層中間層７０、及び機能層１５のそれぞれには、窒化物半導体素子１２０に関して説明した構成を適用することができる。

窒化物半導体素子１２３（及び窒化物半導体ウェーハ２２３）においては、積層中間層７０は、第１中間層７０ａと第２中間層７０ｂとを含む。第２中間層７０ｂは、第１中間層７０ａの上に設けられる。

第１中間層７０ａは、第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａと、第１ＧａＮ中間層７２ａと、第１ＡｌＮ中間層７３ａと、を含む。第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａは、第１ＡｌＮ中間層７３ａの上に設けられる。第１ＧａＮ中間層７２ａは、第１ＡｌＧａＮ中間層７１ａの上に設けられる。

第２中間層７０ｂは、第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂと、第２ＧａＮ中間層７２ｂと、第２ＡｌＮ中間層７３ｂと、を含む。第２ＡｌＮ中間層７３ｂは、第１ＧａＮ中間層７２ａは、の上に設けられる。第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂは、第２ＡｌＮ中間層７３ｂの上に設けられる。第２ＧａＮ中間層７２ｂは、第２ＡｌＧａＮ中間層７１ｂの上に設けられる。

窒化物半導体素子１２３（及び窒化物半導体ウェーハ２２３）の製造方法は、窒化物半導体素子１２０に関して説明した製造方法を、適宜変更して、適用することができる。

窒化物半導体素子１２３及び窒化物半導体ウェーハ２２３において、刃状転位密度Ｄｅは、２．２×１０^８（／ｃｍ^２）と低い値を示す。

基板４０を含む窒化物半導体素子１２３、及び、窒化物半導体ウェーハ２２３の、室温での反りは、凸状であり、反りの大きさは、約１０μｍである。

一方、基板４０を含む窒化物半導体素子１１０、及び、窒化物半導体ウェーハ２１０における反りは、凹状であり、反りの大きさは約４０μｍである。基板４０を含む窒化物半導体素子１２０、及び、窒化物半導体ウェーハ２２０における反りは、凹状であり、反りの大きさは約１０μｍである。

窒化物半導体素子１２３及び窒化物半導体ウェーハ２２３のように、積層体５０の上に積層中間層７０を設けることで、窒化物半導体素子に形成される引っ張り歪みを低減でき、クラックを低減する効果が増大する。

図２４は、実施形態に係る窒化物半導体素子を例示する模式的断面図である。
図２４に表したように、実施形態に係る窒化物半導体素子１３０は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）素子である。窒化物半導体素子１３０においては、機能層１５は、第１層１６と、第２層１７と、ゲート電極１８ｇと、ソース電極１８ｓと、ドレイン電極１８ｄと、が設けられる。

第１層１６は、積層体５０の上に設けられる。第２層１７は、第１層１６の上に設けられる。第１層１６には、例えば不純物を含まないアンドープのＡｌ_αＧａ_１−αＮ（０≦α≦１）が用いられる。第２層１７には、例えばアンドープまたはｎ形のＡｌ_βＧａ_１−βＮ（０≦β≦１、α＜β）が用いられる。例えば、第１層１６にはアンドープのＧａＮ層が用いられ、第２層１７にはアンドープまたはｎ形のＡｌＧａＮ層が用いられる。

ゲート電極１８ｇ、ソース電極１８ｓ及びドレイン電極１８ｄは、第２層１７の上に設けられる。ソース電極１８ｓは、Ｘ−Ｙ平面内においてドレイン電極１８ｄと離間している。ソース電極１８ｓ及びドレイン電極１８ｄは、第２層１７とオーミック接触している。ソース電極１８ｓとドレイン電極１８ｄとの間において、第２層１７の上に、ゲート電極１８ｇが配置される。ゲート電極１８ｇは、第２層１７とショットキー接触している。

第２層１７の格子定数は、第１層１６の格子定数よりも小さい。これにより、第２層１７に歪みが生じて、ピエゾ効果により第２層１７内にピエゾ分極が生じる。第１層１６のうちの第２層１７との界面付近に、２次元電子ガス１７ｇが形成される。窒化物半導体素子１３０においては、ゲート電極１８ｇに印加する電圧を制御することで、ゲート電極１８ｇ下の２次元電子ガス濃度が増減し、ソース電極１８ｓとドレイン電極１８ｄとの間に流れる電流が制御される。

窒化物半導体素子１３０においては、実施形態に係る積層体５０の上に形成された機能層１５を用いることで、転位密度が低く、その結果、良好な電気的特性が得られる。

本実施例において、バッファ層６０の上に、積層体５０が設けられ、積層体５０の上に積層中間層７０が設けられ、積層中間層７０の上に機能層１５が設けられても良い。

（第３の実施形態）
図２５は、第３の実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法を例示するフローチャート図である。
図２５に表したように、本実施形態に係る窒化物半導体層の形成方法では、基板４０の上に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層６０の上に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層５１ａを形成する（ステップＳ１１０）。

さらに、ＡｌＧａＮ層５１ａの上面５１ａｕに接し７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層５１ｓを形成する（ステップＳ１２０）。

さらに、第１Ｓｉ含有層５１ｓの上に、上面５１ａｕに対して傾斜した斜面５１ｇｓを有する凸部５１ｇｐを含む第１ＧａＮ層５１ｇを形成する（ステップＳ１３０）。

さらに、第１ＧａＮ層５１ｇの上に、Ｓｉを含有する第２Ｓｉ含有層５２ｓを形成する（ステップＳ１４０）。

さらに、第２Ｓｉ含有層５２ｓの上に、第２ＧａＮ層５２ｇを形成する（ステップＳ１５０）。

これにより、ＡｌＧａＮ層５１ａと、第１Ｓｉ含有層５１ｓと、第１ＧａＮ層５１ｇと、第２Ｓｉ含有層５２ｓと、第２ＧａＮ層５２ｇと、を含む積層体５０を形成する（ステップＳ１１０ａ）。
本形成方法によれば、転位が少ない窒化物半導体層の形成方法を提供できる。

図２５に表したように、本形成方法は、第２ＧａＮ層５２ｇの上に機能層１５を形成する処理（ステップＳ１６０）を、さらに含んでも良い。本形成方法は、基板４０の上に、バッファ層６０を形成する処理（ステップＳ１０５）をさらに含んでも良い。本形成方法は、バッファ層６０の上に積層中間層７０を形成する処理（ステップＳ１０６）をさらに含んでも良い。この場合には、ＡｌＧａＮ層５１ａの形成（ステップＳ１１０）においては、ＡｌＧａＮ層５１ａを積層中間層７０の上に形成する。

実施形態において、窒化物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。

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、ＮＨ_３（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、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）などを用いることができる。

実施形態によれば、転位が少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（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。

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ば良い。

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、バッファ層、積層中間層、積層体、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、Ｓｉ含有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。

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。

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、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法を基にして、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、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の形成方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

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。

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。

１０…ｎ形半導体層、 １０ｅ…第１電極、 １０ｉ…低不純物濃度層、 １１…第１の部分、 １２…第２の部分、 １５…機能層、 １５ｌ…界面、 １６…第１層、 １７…第２層、 １７ｇ…２次元電子ガス、 １８ｄ…ドレイン電極、 １８ｇ…ゲート電極、 １８ｓ…ソース電極、 ２０…ｐ形半導体層、 ２０ｅ…第２電極、 ３０…発光層、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…基板、 ４５…支持基板、 ４６…第１接合金属層、 ４７…第２接合金属層、 ５０…積層体、 ５１ａ…ＡｌＧａＮ層、 ５１ａａ…第１ＡｌＧａＮ層、 ５１ａｂ…第２ＡｌＧａＮ層、 ５１ａｃ…第３ＡｌＧａＮ層、 ５１ａｕ…上面、 ５１ｇ…第１ＧａＮ層、 ５１ｇｐ…凸部、 ５１ｇｓ…斜面、 ５１ｇｔ…頂面、 ５１ｎ…ｎ−ＧａＮ層、 ５１ｓ…第１Ｓｉ含有層、 ５１ｓｐ…第１領域、 ５１ｓ１…第２領域、 ５１ｓｕ…上面、 ５２ｇ…第２ＧａＮ層、 ５２ｓ…第２Ｓｉ含有層、 ６０…バッファ層、 ６２…ＡｌＮバッファ層、 ７０…積層中間層、 ７０ａ…第１中間層、 ７０ｂ…第２中間層、 ７１ａ…第１ＡｌＧａＮ中間層、 ７１ｂ…第２ＡｌＧａＮ中間層、 ７２ａ…第１ＧａＮ中間層、 ７２ｂ…第２ＧａＮ中間層、 ７３ａ…第１ＡｌＮ中間層、 ７３ｂ…第２ＡｌＮ中間層、 ８０…転位、 ８１…第１転位、 ８２…第２転位、 ８３…第３転位、 １１０、１１１、１２０、１２１、１２２、１２３、１３０…窒化物半導体素子、 １５１〜１５６…第１〜第６試料、 ２１０、２１１、２２０、２２３…窒化物半導体ウェーハ、 Ａｐ１、Ａｐ２…第１、第２分析位置、 ＣＳ…Ｓｉ濃度、 ＣＳａ１、ＣＳａ２…Ｓｉ面密度、 ＣＳｖ１、ＣＳｖ２…Ｓｉ濃度、 Ｄｅ…刃状転位密度、 ＧＲｇ１…成長速度、 ＧＴｇ１…成長温度、 Ｒｇ１（Ｖ／III）…Ｖ／III比、 Ｓ０１〜Ｓ０３…第１〜第３例、 ＴＭｓ１、ＴＭｓ２…成長時間、 Ｚｄ…深さ、 ｐ１〜ｐ７…第１〜第７部分、 ｔｇ１…高さ、 ｔｇ２…厚さ、 ｔｓ、ｔｓ１、ｔｓ２…厚さ

Claims (20)

1. ７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層と、
   前記第１Ｓｉ含有層に設けられ凸部を含む第１ＧａＮ層と、
   前記第１ＧａＮ層に設けられた第２ＧａＮ層と、
   前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第２Ｓｉ含有層と、
   を含む積層体と、
   前記積層体に設けられ窒化物半導体を含む機能層と、
   を備えた窒化物半導体素子。
2. 前記積層体は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層をさらに含み、
   前記ＡｌＧａＮ層と前記機能層との間に前記積層体が配置される請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記第１ＧａＮ層は、前記凸部内において前記凸部の斜面に繋がる複数の第１転位を有し、
   前記第２Ｓｉ含有層を介して前記第１転位と連続する、前記第２ＧａＮ層内の転位の数は、前記複数の第１転位の数よりも少ない請求項１記載の窒化物半導体素子。
4. 前記第１ＧａＮ層の前記凸部は、前記積層体から前記機能層に向かう方向に対して垂直な頂面をさらに有し、
   前記第１ＧａＮ層は、
   前記凸部内において前記凸部の斜面に繋がる複数の第１転位と、
   前記凸部内において前記頂面に繋がる複数の第２転位と、
   を有し、
   前記第２ＧａＮ層は、複数の第３転位を有し、
   前記複数の第３転位のうちの一部は、前記第２転位と連続し、
   前記複数の第３転位のうちで前記第１転位と連続する前記第３転位の数の前記複数の第１転位の数に対する比は、前記複数の第３転位のうちで前記第２転位と連続する前記第３転位の数の前記第２転位の数に対する比よりも低い請求項１記載の窒化物半導体素子。
5. 前記凸部の高さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
6. 前記第１Ｓｉ含有層の上面は、第１領域と、第２領域と、を含み、
   前記第１ＧａＮ層は、前記第１領域の上に設けられ、
   前記第２Ｓｉ含有層の一部は、前記第２領域において前記第１Ｓｉ含有層と接する請求項１〜５のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
7. 前記積層体におけるＳｉ濃度プロファイルは、
   Ｓｉ濃度が７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の第１濃度の第１部分と、
   Ｓｉ濃度が前記第１濃度よりも低い第２濃度の第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第１濃度と前記第２濃度との間の第３濃度の第３部分と、
   前記第３部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度が前記第３濃度と前記第２濃度との間の第４濃度の第４部分と、
   前記第１部分と前記第３部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する変化率よりも高い第５部分と、
   前記第３部分と前記第４部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第３部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第４部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第６部分と、
   前記第４部分と前記第２部分との間に設けられ、Ｓｉ濃度の厚さに対する変化率が前記第４部分におけるＳｉ濃度の厚さに対する前記変化率よりも高く前記第２部分におけるＳｉ濃度に対する変化率よりも高い第７部分と、
   を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
8. 前記第３部分の前記第３濃度は、３×１０^１８／ｃｍ^３以上５×１０^１９／ｃｍ^３以下である請求項７記載の窒化物半導体素子。
9. 前記第１部分の厚さは、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
   前記第３部分の厚さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
   前記第４部分の厚さは、３００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下である請求項７または８に記載の窒化物半導体素子。
10. 窒化物半導体を含むバッファ層をさらに備え、
    前記バッファ層と前記機能層との間に前記積層体が設けられる請求項１〜９のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
11. 前記バッファ層と前記積層体との間に設けられた積層中間層をさらに備え、
    前記積層中間層は、
    ＧａＮ中間層と、
    前記ＧａＮ中間層と前記積層体との間に設けられたＡｌＮ中間層と、
    前記ＡｌＮ中間層と前記バッファ層との間に設けられたＡｌＧａＮ中間層と、
    を含む請求項１０記載の窒化物半導体素子。
12. 基板をさらに備え、
    前記基板と前記積層体との間に前記バッファ層が配置される請求項１０または１１に記載の窒化物半導体素子。
13. 前記基板は、シリコン基板である請求項１２記載の窒化物半導体素子。
14. 前記第１Ｓｉ含有層及び前記第２Ｓｉ含有層の少なくともいずれかは、ＳｉＮを含む、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
15. 基板と、
    前記基板に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層と、
    前記バッファ層に設けられた積層体であって、
    ７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層と、
    前記第１Ｓｉ含有層に設けられ凸部を含む第１ＧａＮ層と、
    前記第１ＧａＮ層に設けられた第２ＧａＮ層と、
    前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間に設けられＳｉを含有する第２Ｓｉ含有層と、
    を含む積層体と、
    を備えた窒化物半導体ウェーハ。
16. 前記積層体は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層をさらに含み、
    前記ＡｌＧａＮ層は、前記バッファ層と前記第１Ｓｉ含有層との間に配置される請求項１５記載の窒化物半導体ウェーハ。
17. 前記第１Ｓｉ含有層及び前記第２Ｓｉ含有層の少なくともいずれかは、ＳｉＮを含む、請求項１５または１６に記載の窒化物半導体ウェーハ。
18. 基板の上に設けられ窒化物半導体を含むバッファ層に、７×１０^１９／ｃｍ^３以上４×１０^２０／ｃｍ^３以下の濃度でＳｉを含有する第１Ｓｉ含有層を形成し、
    前記第１Ｓｉ含有層に凸部を含む第１ＧａＮ層を形成し、
    前記第１ＧａＮ層に第２ＧａＮ層を形成し、
    前記第１ＧａＮ層と前記第２ＧａＮ層との間に、Ｓｉを含有する第２Ｓｉ含有層を形成する、窒化物半導体層の形成方法。
19. 前記バッファ層と前記第１Ｓｉ含有層との間に、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）のＡｌＧａＮ層をさらに形成する請求項１８記載の窒化物半導体層の形成方法。
20. 前記第１Ｓｉ含有層及び前記第２Ｓｉ含有層の少なくともいずれかは、ＳｉＮを含む、請求項１８または１９に記載の窒化物半導体層の形成方法。