特許 5768159 半導体素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5768159

(24)【登録日】2015年6月26日

(45)【発行日】2015年8月26日

(54)【発明の名称】半導体素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20150806BHJP

   C09K 11/80 20060101ALI20150806BHJP

   H01L 33/08 20100101ALI20150806BHJP

   H01L 33/16 20100101ALI20150806BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20150806BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20150806BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20150806BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/205

   C09K11/80CPM

   H01L33/00 120

   H01L33/00 160

   H01L33/00 186

   C30B29/38 D

   C30B25/18

【請求項の数】12

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2014-52131(P2014-52131)

(22)【出願日】2014年3月14日

(62)【分割の表示】特願2009-221212(P2009-221212)の分割

【原出願日】2009年9月25日

(65)【公開番号】特開2014-132683(P2014-132683A)

(43)【公開日】2014年7月17日

【審査請求日】2014年3月14日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用 ２００９年９月８日 社団法人 応用物理学会発行の「第７０回応用物理学会学術講演会講演予稿集」にて発表

(73)【特許権者】

【識別番号】000001133

【氏名又は名称】株式会社小糸製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(72)【発明者】

【氏名】野村 明宏

(72)【発明者】

【氏名】大川 和宏

(72)【発明者】

【氏名】平子 晃

【審査官】 境 周一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−００５３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１３４８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０１１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５０２１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３４９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１２９９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２７０５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２０４０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２０４０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３０９１１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／０１６５２９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／００−２１／９８

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の面方位を持つＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２からなる発光セラミックの単一基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記バッファ層を形成する工程は、
ＩＩＩ族元素としてＡｌを含む第１のガスを前記単一基板上にパルス供給し、該単一基板上の少なくとも一部にＡｌからなる核形成層を形成する第１工程と、
前記第１のガスの供給を停止してからＶ族元素を含む第２のガスを前記単一基板上に供給する第２工程と、
前記第２のガスを供給しながら前記第１のガスの供給を再開する第３工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。

【請求項2】

前記バッファ層を形成する工程は、前記核形成層の表面の少なくとも一部をＶ族元素と化合させてＡｌＮに変化させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項3】

Ｖ族元素を含む第２のガスを前記核形成層上に供給することにより前記核形成層の表面の少なくとも一部をＩＩＩ−Ｖ族化合物に変化させることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項4】

前記バッファ層を形成する工程は、前記核形成層上にＩＩＩ−Ｖ族化合物層を積層する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項5】

ＩＩＩ族元素およびＶ族元素の双方を含む第３のガスを前記核形成層上に供給することにより、前記核形成層上に前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物層を積層することを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項6】

前記バッファ層上にさらに前記バッファ層を積層する工程を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。

【請求項7】

前記単一基板は、Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。

【請求項8】

前記単一基板は、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉからなる群より選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。

【請求項9】

前記Ｃｅは、Ｃｅ^３＋からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項10】

前記Ｔｂは、Ｔｂ^２＋からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項11】

前記Ｅｕは、Ｅｕ^２＋からなることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の製造方法。

【請求項12】

Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２からなる発光セラミックの単一基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、を備え、
前記バッファ層を形成する工程は、
ＩＩＩ族元素としてＡｌを含む第１のガスを前記単一基板上にパルス供給し、該単一基板上の少なくとも一部にＡｌからなる核形成層を形成する第１工程と、
前記第１のガスの供給を停止してからＶ族元素を含む第２のガスを前記単一基板上に供給する第２工程と、
前記第２のガスを供給しながら前記第１のガスの供給を再開する第３工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体素子およびその製造方法に関し、特にＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２により形成された基板とＩＩＩ族窒化物半導体層とを備える半導体素子およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子を用いて例えば白色光を発する発光モジュールを得るため、蛍光体材料を用いる技術が盛んに開発されている。例えば、青色光を発するＬＥＤに、青色光によって励起され黄色光を発する蛍光体材料を取り付けることにより、白色光を得ることが可能である。ここで、例えば発光層によって放出された光の経路内に配置されたセラミック層を備える構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

例えば、上述の特許文献では、セラミック層など予め板状にされている蛍光体材料を発光層に取り付ける方法として、接着などが提案されている。しかしながら、接着層は発光層からの光を受けて劣化する可能性がある。また、接着層にはボイドが生じる場合があり、このボイドの存在によって光の取り出し効率が低下するおそれがある。また、屈折率が比較的低い接着層を設けることによっても、光の取り出し効率が低下するおそれがある。また、接着層の光透過率は１００％より低いため、接着層を透過するときにも光の取り出し効率が低下するおそれがある。さらに、成長基板上に半導体層を結晶成長させる工程とは別に接着工程が必要となる。これに加えて、セラミック層など予め板状にされている蛍光体材料の他に、結晶成長用のサファイア、ＳｉＣ等の高価な基板が必要となる。

【0004】

このため、上述の特許文献において、セラミック層の上にＩＩＩ族窒化物核生成層を低温で直接堆積させ、さらにその上にＧａＮ（窒化ガリウム）によるバッファ層を高温で堆積させる技術が提案されている。上述の特許文献によれば、多数の低温中間層をＧａＮバッファ層との間に挿入することにより、格子不整合による弊害を是正することが可能としている。また、面方位（１１１）のＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（以下、必要に応じて適宜「ＹＡＧ（Yttrium Alminum Garnet）」という）により形成された基板上にバッファ層を形成し、そのバッファ層上にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成した窒化物半導体素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−５３６７号公報

【特許文献2】特開２００３−２０４０８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述の特許文献１に記載されるように、発光層を成長させる前にこのように多数の層をセラミック層に堆積させるためには多くの工程を経なければならず、発光モジュール製造時の生産性向上の点で改善の余地がある。また、上述の特許文献２に記載される技術は、面方位（１１１）のＹＡＧにより形成された基板を使用することを前提としている。しかし、ＹＡＧの面方位は（１１１）以外にも存在し、また、多結晶構造のＹＡＧを使用可能とすることへの当該技術分野における要望も強い。

【0007】

そこで、本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数種類の面方位のＹＡＧのいずれにも簡易な工程でＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の半導体素子の製造方法は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２により形成された基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層を形成する工程と、バッファ層上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、を備える。バッファ層を形成する工程は、基板上にＩＩＩ族元素からなる核形成層を形成する工程を含む。

【0009】

発明者による鋭意なる研究開発の結果、このような工程によって半導体素子を製造することにより、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２により形成された基板上の少なくとも一部にＩＩＩ族元素からなる核形成層を形成することにより、複数種類の面方位のＹＡＧのいずれにおいても、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層を形成後に適切にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することが可能なことが判明した。したがってこの態様によれば、複数種類の面方位のＹＡＧのいずれにも簡易な工程でＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができる。このとき、ＩＩＩ族元素を含む第１のガスを基板上に供給することにより核形成層を形成してもよい。

【0010】

バッファ層を形成する工程は、核形成層の表面の少なくとも一部をＶ族元素と化合させてＩＩＩ−Ｖ族化合物に変化させる工程をさらに含んでもよい。この態様によれば、簡易にＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層を形成することができる。このとき、Ｖ族元素を含む第２のガスを核形成層上に供給することにより核形成層の表面の少なくとも一部をＩＩＩ−Ｖ族化合物に変化させてもよい。

【0011】

バッファ層を形成する工程は、核形成層上にＩＩＩ−Ｖ族化合物層を積層する工程をさらに含んでもよい。この態様によっても、簡易にＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層を形成することができる。このとき、ＩＩＩ族元素およびＶ族元素の双方を含む第３のガスを核形成層上に供給することにより、核形成層上にＩＩＩ−Ｖ族化合物層を積層してもよい。

【0012】

ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、およびＩｎのうち１つ以上からなる核形成層を形成してもよい。この態様によれば、これらの元素からなる核形成層を基板状に形成することにより、より適切にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができる。

【0013】

バッファ層上にさらにバッファ層を積層する工程を備えてもよい。この態様によれば、さらに適切にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができる。

【0014】

基板は、面方位（１００）、（１１０）、（１１１）のいずれかの単結晶基板、または複数の面方位を持つ多結晶基板であってもよい。この態様によれば、面方位（１１１）以外の基板を用いても、ＩＩＩ族窒化物半導体層を適切に形成することができる。このため、ＹＡＧ基板の選択の幅を広げることができる。

【0015】

基板は、Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものでもよい。また、基板は、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉからなる群より選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有してもよい。なお、ＣｅはＣｅ^３＋であってもよい。ＴｂはＴｂ^２＋であってもよい。ＥｕはＥｕ^２＋であってもよい。

【0016】

本発明の別の態様は、半導体素子である。この半導体素子は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２により形成された基板と、基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物を含むバッファ層と、バッファ層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備える。バッファ層は、基板上に形成されたＩＩＩ族元素からなる核形成層と、核形成層上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物層と、を含む。

【0017】

上述のように、ＹＡＧ基板上にＩＩＩ族元素からなる核形成層を形成することにより、複数種類の面方位のＹＡＧのいずれにおいても、適切にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することが可能である。したがってこの態様によれば、複数種類の面方位のＹＡＧのいずれにも簡易な工程でＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、複数種類の面方位のＹＡＧのいずれにも簡易な工程でＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の実施形態に係る半導体素子の断面図である。

【図2】第１の実施形態に係るバッファ層を形成させるときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る半導体素子の製造工程を示す図である。

【図4】（ａ）は、比較例１に係る半導体素子を製造するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。（ｂ）は、比較例１に係る半導体素子の表面写真である。（ｃ）は、比較例１に係る半導体素子の断面写真である。

【図5】（ａ）は、第１の実施形態に係るバッファ層を形成させるときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真である。（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体素子の断面写真である。

【図6】（ａ）は、比較例２に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。（ｂ）は、比較例２に係る半導体素子の表面写真である。（ｃ）は、比較例２に係る半導体素子の断面写真である。

【図7】（ａ）は、比較例３に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。（ｂ）は、比較例３に係る半導体素子の表面写真である。（ｃ）は、比較例３に係る半導体素子の断面写真である。

【図8】比較例４に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。

【図9】（ａ）は、比較例４に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、比較例４に係る半導体素子の断面写真である。

【図10】（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を５秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面写真である。

【図11】（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１０秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面写真である。

【図12】（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１５秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面写真である。

【図13】（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を２０秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面写真である。

【図14】第１の実施形態に係る半導体素子におけるＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を横軸にとり、ＧａＮ（０００２）ロッキングカーブ測定における半値幅を縦軸にとったときの関係を示す図である。

【図15】第１の実施形態に係る半導体素子１０におけるＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を横軸にとり、ＧａＮ（１０−１２）ロッキングカーブ測定における半値幅を縦軸にとったときの関係を示す図である。

【図16】面方位（１１１）のＹＡＧ基板を用いた比較例４に係る半導体素子の表面写真である。

【図17】（ａ）は、面方位（１１１）のＹＡＧ基板を用いた第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面の鳥瞰図である。

【図18】面方位（１１０）のＹＡＧ基板を用いた比較例５に係る半導体素子の表面写真である。

【図19】（ａ）は、面方位（１１０）のＹＡＧ基板を用いた第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面の鳥瞰図である。

【図20】面方位（１００）のＹＡＧ基板を用いた比較例６に係る半導体素子の表面写真である。

【図21】（ａ）は、面方位（１００）のＹＡＧ基板を用いた第１の実施形態に係る半導体素子の表面写真であり、（ｂ）は、その半導体素子の断面の鳥瞰図である。

【図22】第２の実施形態に係る半導体素子の断面図である。

【図23】第２の実施形態に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。

【図24】第２の実施形態に係る半導体素子の製造工程を示す図である。

【図25】第３の実施形態に係る半導体素子の断面図である。

【図26】第３の実施形態に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。

【図27】第３の実施形態に係る半導体素子の製造工程を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。

【0021】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体素子１０の断面図である。半導体素子１０は、ＹＡＧ基板１２、バッファ層１４、およびＩＩＩ族窒化物半導体層１６を有する。

【0022】

ＹＡＧ基板１２は、いわゆる発光セラミック、または蛍光セラミックと呼ばれるものであり、青色光によって励起される蛍光体であるＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、すなわちＹＡＧ（Yttrium Alminum Garnet）粉末を用いて作成されたセラミック素地を焼結することにより得ることができる。こうして得られたＹＡＧ基板１２は、青色光を波長変換して黄色光を出射する。このため、青色光を発する半導体層と組み合わせることにより、加法混色により青色光と黄色光の合成光として白色光を発する半導体素子１０を得ることができる。

【0023】

第１の実施形態では、ＹＡＧ基板１２は、板状に形成される。また、ＹＡＧ基板１２は、面方位（１００）、（１１０）、（１１１）のいずれかの単結晶基板、または複数の面方位を持つ多結晶基板が採用される。

【0024】

ＹＡＧ基板１２は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２のＹの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものでもよい。また、ＹＡＧ基板１２は、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉからなる群より選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有してもよい。なお、ＣｅはＣｅ^３＋であってもよい。ＴｂはＴｂ^２＋であってもよい。ＥｕはＥｕ^２＋であってもよい。

【0025】

また、ＹＡＧ基板１２は、透明に形成される。第１の実施形態において「透明」とは、変換波長域の光の全光線透過率が４０％以上のことを意味するものとする。発明者の鋭意なる研究開発の結果、変換波長域の光の全光線透過率が４０％以上の透明な状態であれば、ＹＡＧ基板１２による光の波長を適切に変換できると共に、ＹＡＧ基板１２から出射される光の減少も適切に抑制できることが判明した。したがって、ＹＡＧ基板１２をこのように透明な状態にすることによって、半導体層が発する光をより効率的に変換することができる。

【0026】

また、ＹＡＧ基板１２は有機系バインダーレスの無機物で構成され、有機系バインダーなどの有機物を含有する場合に比べて耐久性の向上が図られている。このため、例えば発光モジュールに１Ｗ（ワット）以上の電力を投入することが可能となっており、発光モジュールが発する光の輝度、光度、および光束を高めることが可能となっている。

【0027】

バッファ層１４はＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、ＹＡＧ基板１２上に形成される。バッファ層１４はＩＩＩ族窒化物半導体層１６を単結晶成長させるための緩和層として機能するものであり、ＩＩＩ族窒化物半導体層１６を単結晶成長させる前にＹＡＧ基板１２に形成される。

【0028】

バッファ層１４は、核形成層１８およびＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を有する。第１の実施形態に係る半導体素子１０では、複数種類の面方位のいずれのＹＡＧ基板１２を用いても適切にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成すべく、ＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を形成する前に、ＹＡＧ基板１２の表面に核形成層１８が形成される。

【0029】

核形成層１８は、まずアルミニウムによってＹＡＧ基板１２上に形成される。なお、核形成層１８は、他のＩＩＩ族元素により形成されてもよい。ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、およびＩｎのうち１つ以上からなる核形成層１８を形成してもよい。

【0030】

第１の実施形態では、核形成層１８の表面はＶ族元素によりＶ族化される。このため核形成層１８は、Ｖ族化されずに残ったＩＩＩ族核形成層２２、およびＩＩＩ族元素によって形成されていた核形成層１８の表面がＶ族化して形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物層２４を含む。

【0031】

ＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０は、核形成層１８上に形成される。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、こうして形成されたバッファ層１４の表面に単結晶成長し形成される。

【0032】

図２は、第１の実施形態に係るバッファ層１４を形成させるときのＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）ガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。第１の実施形態では、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりバッファ層１４を形成する。図２は、このＭＯＣＶＤによるＴＭＡｌガスの供給タイミングおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、図１の実施形態に係る半導体素子１０の製造工程を示す図である。以下、図２、および図３（ａ）〜図３（ｄ）に関連して半導体素子１０の製造方法について説明する。

【0033】

図２に示すように、第１の実施形態では、ＹＡＧ基板１２の表面にＮＨ_３ガスを暴露させることなく、まずＴＭＡｌガスをＹＡＧ基板１２上にパルス供給する。このパルス供給時間をｔ１とする。ＴＭＡｌガスのパルス供給が終了してｔ２が経過したとき、今度はＮＨ_３ガスの供給を開始する。ＮＨ_３ガスの供給開始後ｔ３が経過したとき、ＴＭＡｌガスの供給を再び開始する。これによって、ＹＡＧ基板１２上には、ＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの双方の混合ガスが供給される。このときのＴＭＡｌガスの供給時間をｔ４とする。なお、ＴＭＡｌガスのキャリアガス、およびＮＨ_３のキャリアガスとして、Ｈ_２およびＮ_２のいずれか、またはＨ_２およびＮ_２の双方が用いられる。

【0034】

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体素子１０の製造工程を示す図である。図３（ａ）は、ＹＡＧ基板１２の表面に核形成層１８を形成した状態を示す図である。第１の実施形態では、半導体素子１０を製造するにあたって、まずＩＩＩ族元素であるアルミニウムを含むＴＭＡｌガスをパルス供給時間ｔ１の間、ＹＡＧ基板１２の表面にパルス供給することにより、ＹＡＧ基板１２上にアルミニウムからなる核形成層１８を形成する。なお、核形成層１８は、スパッタリングや真空蒸着など他の製膜方法によって形成されてもよい。

【0035】

図３（ｂ）は、核形成層１８の表面を窒化させたときの状態を示す図である。ＴＭＡｌガスのパルス供給を終了してからｔ２経過後、今度はＮＨ_３ガスを核形成層１８上に供給することにより核形成層１８の表面を窒化し、核形成層１８の表面をＩＩＩ−Ｖ族化合物であるＡｌＮ（窒化アルミニウム）に変化させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物層２４を形成させる。このとき窒化されずにアルミニウムのまま残った部分がＩＩＩ族核形成層２２となる。なお、ＩＩＩ族核形成層２２が残らなくなるまで核形成層１８を窒化させてもよい。また、窒素以外の他のＶ族元素を含むガスを核形成層１８上に供給することにより、核形成層１８の表面の少なくとも一部をＶ族元素と化合させてもよい。

【0036】

図３（ｃ）は、核形成層１８上にＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を形成した状態を示す図である。ＮＨ_３ガスの供給開始からｔ３が経過したとき、ＴＭＡｌガスの供給を再び開始する。このようにＩＩＩ族元素であるアルミニウムを含むＴＭＡｌガスとＶ族元素である窒素を含むＮＨ_３ガスとの混合ガスを核形成層１８上に供給することにより、核形成層１８上にＡｌＮからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を積層させる。

【0037】

こうして、核形成層１８とＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０によりバッファ層１４を形成する。なお、バッファ層１４上にさらにバッファ層１４を積層することにより、複数層のバッファ層１４をＹＡＧ基板１２とＩＩＩ族窒化物半導体層１６との間に形成してもよい。

【0038】

図３（ｄ）は、バッファ層１４上にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成した状態を示す図である。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、エピタキシャル成長法によりバッファ層１４上に、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を結晶成長して形成される。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、電圧が印加されることにより波長範囲の少なくとも一部を含む光を発するよう設けられる。具体的には、まずＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎにｎ型の不純物をドーピングして、半導体層をバッファ層１４上に成長させる。これにより、バッファ層１４上にｎ型半導体層を形成させる。次に、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎにｐ型の不純物をドーピングして、半導体層をさらにその上に成長させる。なお、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、量子井戸発光層が設けられてもよい。なお、エピタキシャル成長法には、ＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth）法が用いられてもよい。

【0039】

これらの半導体層の結晶成長は、ＭＯＣＶＤによって行われる。なお、結晶成長法がこれに限られないことは勿論であり、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法：Molecular Beam Epitaxy）によって半導体層の結晶成長が行われてもよい。

【0040】

この後、エッチングによりｐ型半導体層の一部を除去し、ｎ型半導体層の上面の一部を露出させる。次に、露出したｎ型半導体層の上面や、ｐ型半導体層の上面に電極を形成させる。最後にダイシングにより適切な大きさにカットされ、半導体素子１０が設けられる。第１の実施形態では、半導体素子１０は１ｍｍの矩形にダイシングされる。このように形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、電圧を印加することにより発光する半導体発光素子として機能する。第１の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体層１６にＹＡＧ基板１２を接着する工程を削減することができ、発光モジュール製造時の生産性を向上させることができる。また、高価なサファイア基板やＳｉＣ基板が不要となり、コストも低減させることができる。

【0041】

（比較例１）
図４（ａ）は、比較例１に係る半導体素子を製造するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。比較例１に係る半導体素子は、バッファ層の形成方法以外は第１の実施形態に係る半導体素子１０と同様の製法により製造される。

【0042】

比較例１では、ＹＡＧ基板１２の表面にＴＭＡｌガスをパルス供給せず、また、ＮＨ_３ガスに暴露もさせない。比較例１では、ＹＡＧ基板１２の表面に、ＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの混合ガスを供給する。このときのＴＭＡｌガスの供給時間をｔ１１とする。比較例１では、ｔ１１は６００秒とした。こうしてＹＡＧ基板１２上にバッファ層を形成し、さらにその上にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を結晶成長させた。

【0043】

図４（ｂ）は、比較例１に係る半導体素子の表面写真であり、図４（ｃ）は、比較例１に係る半導体素子の断面写真である。図４（ｂ）および図４（ｃ）から分かるように、比較例１のＩＩＩ族窒化物半導体層１６であるＧａＮ層の表面には凹凸が発生している。

【0044】

図５（ａ）は、第１の実施形態に係るバッファ層１４を形成させるときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。比較例１などとの比較のために作成した半導体素子１０では、ｔ１を１５秒、ｔ２を１分、ｔ３を５分、およびｔ４を６００秒とした。

【0045】

図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図５（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体素子１０の断面写真である。図５（ｂ）および図５（ｃ）から分かるように、半導体素子１０のＧａＮ層の表面の凹凸はほとんど見られず、比較例１よりも適切にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を結晶成長できていることが分かる。

【0046】

（比較例２）
図６（ａ）は、比較例２に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。また、比較例２に係る半導体素子は、バッファ層の形成方法以外は第１の実施形態に係る半導体素子１０と同様の製法により製造される。

【0047】

比較例２では、まずＹＡＧ基板１２の表面をｔ２１の間だけＮＨ_３ガスに暴露させる。比較例２では、ｔ２１は５分とした。ＮＨ_３ガスの暴露終了後、ｔ２２経過したときにＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの双方の混合ガスをｔ２３の間だけＹＡＧ基板１２上に供給する。比較例２では、ｔ２２を１分とし、ｔ２３を６００秒とした。

【0048】

図６（ｂ）は、比較例２に係る半導体素子の表面写真であり、図６（ｃ）は、比較例２に係る半導体素子の断面写真である。図６（ｂ）および図６（ｃ）から分かるように、ＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの混合ガスを供給する前にＹＡＧ基板１２の表面をＮＨ_３ガスに暴露させると、暴露させない図４（ｂ）および図４（ｃ）に示す場合に比べ、ＧａＮ層の表面の凹凸はさらに大きくなっている。このため、より適切にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成するためには、ＹＡＧ基板１２の表面をＮＨ_３ガスに暴露させないことが必要であることが分かる。

【0049】

（比較例３）
図７（ａ）は、比較例３に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。比較例３では、まずＹＡＧ基板１２の表面をｔ３１の間ＮＨ_３ガスに暴露させる。ＮＨ_３ガスの暴露終了後、少し時間をあけて今度はＴＭＡｌガスをｔ３２の間パルス供給した。ＴＭＡｌガスのパルス供給の終了後、今度はＮＨ_３ガスのみをｔ３３の間供給した。ＮＨ_３ガスの供給開始からｔ３３経過したとき、ＴＭＡｌガスの供給を開始してＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの双方の混合ガスをｔ３４の間供給した。比較例３では、ｔ３１を５分、ｔ３２を１５秒、ｔ３３を５分、ｔ３４を６００秒とした。

【0050】

図７（ｂ）は、比較例３に係る半導体素子の表面写真であり、図７（ｃ）は、比較例３に係る半導体素子の断面写真である。図７（ｂ）および図７（ｃ）から分かるように、ＧａＮ層の表面の凹凸は、ＹＡＧ基板１２の表面をＮＨ_３ガスに暴露させた後においても、ＴＭＡｌガスをパルス供給することにより、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示す場合よりもＧａＮ層の表面の凹凸を大幅に緩和できている。

【0051】

（比較例４）
図８は、比較例４に係る半導体素子のバッファ層を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。図２に示すｔ２の最適時間を得るべく、ｔ２を変化させたときのＧａＮ層表面を観察すると共に、比較例４のＧａＮ層表面との対比も行った。

【0052】

比較例４では、まずＹＡＧ基板１２の表面をｔ４１の間ＮＨ_３ガスに暴露させた。その後、ＴＭＡｌガスの供給を開始し、ｔ４２の間ＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの双方の混合ガスをＹＡＧ基板１２に供給した。比較例４では、ｔ４１を３０秒とし、ｔ４２を６００秒とした。

【0053】

図９（ａ）は、比較例４に係る半導体素子の表面写真であり、図９（ｂ）は、比較例４に係る半導体素子の断面写真である。図９（ａ）および図９（ｂ）から分かるように、ＧａＮ層表面には大きな凹凸が発生している。

【0054】

図１０（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を５秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図１０（ｂ）は、その半導体素子１０の断面写真である。その他、図２に示すｔ３を５分、ｔ４を６００秒した。

【0055】

図１１（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１０秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図１１（ｂ）は、その半導体素子１０の断面写真である。図２に示すｔ３およびｔ４は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す半導体素子の製造工程と同様である。

【0056】

図１２（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１５秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図１２（ｂ）は、その半導体素子１０の断面写真である。図２に示すｔ３およびｔ４は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す半導体素子の製造工程と同様である。

【0057】

図１３（ａ）は、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を２０秒として図２に示すＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングでバッファ層を形成した第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図１３（ｂ）は、その半導体素子１０の断面写真である。図２に示すｔ３およびｔ４は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示す半導体素子の製造工程と同様である。

【0058】

このようにパルス供給時間ｔ１を５秒、１０秒、１５秒、２０秒と変化させたとき、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すパルス供給時間ｔ１が１５秒のときが、ＧａＮ層の表面の凹凸が最も緩和されている。このため、ｔ１を１５秒としたときが、Ａｌによる核形成層１８の効果が最も顕著となることが確認された。

【0059】

図１４は、第１の実施形態に係る半導体素子１０におけるＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を横軸にとり、ＧａＮ（０００２）ロッキングカーブ測定における半値幅を縦軸にとったときの関係を示す図である。パルス供給時間ｔ１はゼロ秒から６０秒まで変化させた。

【0060】

図１４から分かるように、ＧａＮ（０００２）ロッキングカーブ測定結果では、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１５秒としたときに、回折ピーク半値幅が最も小さな値になっている。このため、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１５秒としたときに、ＧａＮ層を最も適切に形成できたことが分かる。

【0061】

図１５は、第１の実施形態に係る半導体素子１０におけるＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を横軸にとり、ＧａＮ（１０−１２）ロッキングカーブ測定における半値幅を縦軸にとったときの関係を示す図である。パルス供給時間ｔ１はゼロ秒から６０秒まで変化させた。

【0062】

図１５から分かるように、ＧａＮ（１０−１２）ロッキングカーブ測定結果においても、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１５秒としたときに、回折ピーク半値幅が最も小さな値になっている。このため、ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１を１５秒としたときに、ＧａＮ層を最も適切に形成できたことが分かる。

【0063】

図１６は、面方位（１１１）のＹＡＧ基板を用いた比較例４に係る半導体素子の表面写真である。図１６は、比較例４の表面写真である図９（ａ）を、他の半導体素子との比較のため低い倍率で表している。このように比較例４に係る半導体素子では、ＧａＮ層の表面には大きな凹凸が生じている。

【0064】

図１７（ａ）は、面方位（１１１）のＹＡＧ基板を用いた第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図１７（ｂ）は、その半導体素子１０の断面の鳥瞰図である。上述の通り、第１の実施形態に係る半導体素子１０では、図２に示す供給タイミングでＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスをＹＡＧ基板に供給してバッファ層を形成した後にＧａＮ層を形成する。ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１は、最も効果が確認された１５秒とした。図１７（ａ）および図１７（ｂ）から分かるように、面方位（１１１）のＹＡＧ基板を用いた場合、ＴＭＡｌガスをパルス供給することにより、ＧａＮ層の表面の凹凸は大幅に緩和される。

【0065】

（比較例５）
図１８は、面方位（１１０）のＹＡＧ基板を用いた比較例５に係る半導体素子の表面写真である。面方位（１１０）のＹＡＧ基板を用いる以外、半導体素子の製造方法は比較例４と同様である。したがって、比較例５に係る半導体素子では、図８に示す供給タイミングでＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスをＹＡＧ基板に供給してバッファ層を形成した後にＧａＮ層を形成する。ｔ４１およびｔ４２は、比較例４と同様である。このように比較例５に係る半導体素子においても、ＧａＮ層の表面には大きな凹凸が生じている。

【0066】

図１９（ａ）は、面方位（１１０）のＹＡＧ基板を用いた第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図１９（ｂ）は、その半導体素子１０の断面の鳥瞰図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示す半導体素子は、面方位が（１１０）のＹＡＧ基板を用いる以外、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示す半導体素子と製造方法は同様である。ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１は、面方位（１１１）のＹＡＧ基板において最も効果が確認された１５秒を、面方位（１１０）のＹＡＧ基板においても適用した。

【0067】

図１９（ａ）および図１９（ｂ）から分かるように、面方位（１１０）のＹＡＧ基板を用いた場合においても、ＴＭＡｌガスをパルス供給することにより、ＧａＮ層の表面の凹凸は大幅に緩和されることが判明した。

【0068】

（比較例６）
図２０は、面方位（１００）のＹＡＧ基板を用いた比較例６に係る半導体素子の表面写真である。面方位（１００）のＹＡＧ基板を用いる以外、半導体素子の製造方法は比較例４と同様である。したがって、比較例６に係る半導体素子では、図８に示す供給タイミングでＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスをＹＡＧ基板に供給してバッファ層を形成した後にＧａＮ層を形成する。ｔ４１およびｔ４２は、比較例４と同様である。このように比較例６に係る半導体素子においても、ＧａＮ層の表面には大きな凹凸が生じている。

【0069】

図２１（ａ）は、面方位（１００）のＹＡＧ基板を用いた第１の実施形態に係る半導体素子１０の表面写真であり、図２１（ｂ）は、その半導体素子１０の断面の鳥瞰図である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示す半導体素子は、面方位が（１００）のＹＡＧ基板を用いる以外、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示す半導体素子と製造方法は同様である。ＴＭＡｌガスのパルス供給時間ｔ１は、面方位（１１１）のＹＡＧ基板において最も効果が確認された１５秒を、面方位（１００）のＹＡＧ基板においても適用した。

【0070】

図２１（ａ）および図２１（ｂ）から分かるように、面方位（１００）のＹＡＧ基板を用いた場合においても、ＴＭＡｌガスをパルス供給することにより、ＧａＮ層の表面の凹凸は大幅に緩和されることが判明した。しかし、ＧａＮ層の表面には目スジ状の凹凸が残っている。このため、この条件では、ＴＭＡｌガスの１５秒のパルス供給は、面方位（１００）のＹＡＧ基板よりも、面方位（１１０）のＹＡＧ基板および面方位（１１１）のＹＡＧ基板の方が効果が大きいことが判明した。

【0071】

このように、第１の実施形態に係る半導体素子１０によれば、面方位（１１１）のＹＡＧ基板だけでなく、面方位（１１０）のＹＡＧ基板、または面方位（１００）のＹＡＧ基板を使用した場合においても、ＩＩＩ族窒化物半導体層１６であるＧａＮ層を適切に形成することができる。

【0072】

（第２の実施形態）
図２２は、第２の実施形態に係る半導体素子１００の断面図である。以下、第１の実施形態と同様の個所は同一の符号を付して説明を省略する。

【0073】

半導体素子１００は、ＹＡＧ基板１２、バッファ層１０２、およびＩＩＩ族窒化物半導体層１６を有する。バッファ層１０２はＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、ＹＡＧ基板１２上に形成される。バッファ層１０２もまた、ＩＩＩ族窒化物半導体層１６を単結晶成長させるための緩和層として機能する。

【0074】

バッファ層１０２は、核形成層１０４およびＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を有する。第２の実施形態に係る半導体素子１００では、複数種類の面方位のいずれのＹＡＧ基板１２を用いても適切にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成すべく、ＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を形成する前に、ＹＡＧ基板１２の表面に核形成層１０４が形成される。

【0075】

核形成層１０４は、まずアルミニウムによってＹＡＧ基板１２上に形成される。なお、核形成層１０４は、他のＩＩＩ族元素により形成されてもよい。ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、およびＩｎのうち１つ以上からなる核形成層１０４を形成してもよい。ＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０は、核形成層１０４上に形成される。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、こうして形成されたバッファ層１０２の表面に単結晶成長し形成される。

【0076】

図２３は、第２の実施形態に係る半導体素子１００のバッファ層１０２を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。第２の実施形態においても、ＭＯＣＶＤによりバッファ層１０２を形成する。

【0077】

第２の実施形態では、ＹＡＧ基板１２の表面にＮＨ_３ガスを暴露させることなく、まずＴＭＡｌガスをＹＡＧ基板１２上にパルス供給する。このパルス供給時間をｔ５１とする。ＴＭＡｌガスのパルス供給が終了してｔ５２が経過したとき、ＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの双方の供給を再び開始する。これによって、ＹＡＧ基板１２上には、ＴＭＡｌガスとＮＨ_３ガスの双方の混合ガスが供給される。このときのＴＭＡｌガスの供給時間をｔ５３とする。ｔ５１は１５秒とされてもよく、ｔ５３は、６００秒とされてもよい。

【0078】

図２４（ａ）〜図２４（ｃ）は、第２の実施形態に係る半導体素子１００の製造工程を示す図である。図２４（ａ）は、ＹＡＧ基板１２の表面に核形成層１０４を形成した状態を示す図である。第２の実施形態では、半導体素子１００を製造するにあたって、まずＩＩＩ族元素であるアルミニウムを含むＴＭＡｌガスをパルス供給時間ｔ５１の間、ＹＡＧ基板１２の表面にパルス供給することにより、ＹＡＧ基板１２上にアルミニウムからなる核形成層１０４を形成する。なお、核形成層１０４は、スパッタリングや真空蒸着など他の製膜方法によって形成されてもよい。

【0079】

図２４（ｂ）は、核形成層１０４上にＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を形成した状態を示す図である。ＴＭＡｌガスのパルス供給の終了後ｔ３が経過したとき、ＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの双方による混合ガスを供給し、核形成層１０４上にＡｌＮからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を積層させる。こうして、核形成層１０４とＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０によりバッファ層１０２を形成する。

【0080】

図２４（ｃ）は、バッファ層１０２上にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成した状態を示す図である。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、エピタキシャル成長法によりバッファ層１０２上にＧａＮを結晶成長して形成される。第２の実施形態のようにＩＩＩ族元素からなる核形成層１０４にＩＩＩ−Ｖ族化合物層２０を直接形成した場合においても、表面の凹凸の少ない適切なＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成することができる。

【0081】

（第３の実施形態）
図２５は、第３の実施形態に係る半導体素子１５０の断面図である。以下、第１の実施形態と同様の個所は同一の符号を付して説明を省略する。

【0082】

半導体素子１５０は、ＹＡＧ基板１２、バッファ層１５２、およびＩＩＩ族窒化物半導体層１６を有する。バッファ層１５２はＩＩＩ−Ｖ族化合物を含み、ＹＡＧ基板１２上に形成される。バッファ層１５２もまた、ＩＩＩ族窒化物半導体層１６を単結晶成長させるための緩和層として機能する。

【0083】

バッファ層１５２は、ＩＩＩ族核形成層１５４およびＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６を有する。第３の実施形態に係る半導体素子１５０では、複数種類の面方位のいずれのＹＡＧ基板１２を用いても適切にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成すべく、まずＹＡＧ基板１２の表面にＩＩＩ族元素であるアルミニウムからなる核形成層が形成される。ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、およびＩｎのうち１つ以上からなる核形成層が形成されてもよい。この核形成層の表面がＶ族化され、表面にＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６が形成される。核形成層のうち、Ｖ族化されずに残った部分がＩＩＩ族核形成層１５４となる。なお、核形成層がすべてＶ族化されＩＩＩ族核形成層１５４が残らなくてもよい。これによりＩＩＩ族核形成層１５４とＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６によりバッファ層１５２が形成される。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、こうして形成されたバッファ層１５２の表面に単結晶成長し形成される。

【0084】

図２６は、第３の実施形態に係る半導体素子１５０のバッファ層１５２を形成するときのＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスの供給タイミングを示す図である。第３の実施形態では、ＹＡＧ基板１２の表面にＮＨ_３ガスを暴露させることなく、まずＴＭＡｌガスをＹＡＧ基板１２上にパルス供給する。このパルス供給時間をｔ６１とする。ＴＭＡｌガスのパルス供給が終了してｔ６２が経過したとき、ＮＨ_３ガスをｔ６３の間供給する。これによって、核形成層の表面がＶ族化され、核形成層の表面がＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６に変化する。ｔ６１は１５秒とされてもよく、ｔ６３は、５分とされてもよい。

【0085】

図２７（ａ）〜図２７（ｃ）は、第３の実施形態に係る半導体素子１５０の製造工程を示す図である。図２７（ａ）は、ＹＡＧ基板１２の表面に核形成層１５８を形成した状態を示す図である。第３の実施形態では、半導体素子１５０を製造するにあたって、まずＩＩＩ族元素であるアルミニウムを含むＴＭＡｌガスをパルス供給時間ｔ６１の間、ＹＡＧ基板１２の表面にパルス供給することにより、ＹＡＧ基板１２上にアルミニウムからなる核形成層１５８を形成する。なお、核形成層１５８は、スパッタリングや真空蒸着など他の製膜方法によって形成されてもよい。

【0086】

図２７（ｂ）は、核形成層１５８の表面をＶ族化してＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６に変化させたときの状態を示す図である。ＴＭＡｌガスのパルス供給の終了後ｔ６２が経過したとき、ＮＨ_３ガスを核形成層１５８の表面に供給し、核形成層１５８の表面をＶ族化してＡｌＮからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６を形成させる。こうして、ＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６と、Ｖ族化されずに残った部分であるＩＩＩ族核形成層１５４によりバッファ層１５２を形成する。なお、核形成層が全てＶ族化され、ＩＩＩ族核形成層１５４が残らなくてもよい。

【0087】

図２７（ｃ）は、バッファ層１５２上にＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成した状態を示す図である。ＩＩＩ族窒化物半導体層１６は、エピタキシャル成長法によりバッファ層１５２上にＧａＮを結晶成長して形成される。第３の実施形態のように、ＩＩＩ族元素からなる核形成層１５８の表面をＶ族化してＩＩＩ−Ｖ族化合物層１５６を形成した場合においても、表面の凹凸の少ない適切なＩＩＩ族窒化物半導体層１６を形成することができる。

【0088】

本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、各実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を各実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。

【符号の説明】

【0089】

１０ 半導体素子、 １２ ＹＡＧ基板、 １４ バッファ層、 １６ ＩＩＩ族窒化物半導体層、 １８ 核形成層、 ２０ ＩＩＩ−Ｖ族化合物層、 ２２ ＩＩＩ族核形成層、 ２４ ＩＩＩ−Ｖ族化合物層、 １００ 半導体素子、 １０２ バッファ層、 １０４ 核形成層、 １５０ 半導体素子、 １５２ バッファ層、 １５４ ＩＩＩ族核形成層、 １５６ ＩＩＩ−Ｖ族化合物層、 １５８ 核形成層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図8】

【図14】

【図15】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】