特開 2023-96570 化合物半導体基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023096570

(43)【公開日】2023-07-07

(54)【発明の名称】化合物半導体基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20230630BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20230630BHJP

   C30B 29/38 20060101ALI20230630BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20230630BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20230630BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

H01L21/20

C30B29/38 D

C23C16/34

H01L33/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021212419

(22)【出願日】2021-12-27

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】山田 永

【テーマコード（参考）】

4G077

4K030

5F045

5F152

5F241

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077AB01

4G077AB04

4G077AB06

4G077BE13

4G077BE15

4G077DB08

4G077ED06

4G077EF03

4G077EF04

4G077GA02

4G077GA06

4G077GA07

4G077HA02

4G077HA06

4G077TA04

4G077TB05

4G077TC14

4K030AA11

4K030BA02

4K030BA08

4K030BA38

4K030BB12

4K030CA05

4K030CA12

4K030FA10

4K030HA01

4K030JA01

4K030JA10

4K030LA14

5F045AA04

5F045AB15

5F045AB17

5F045AD14

5F045AD15

5F045AD16

5F045AD17

5F045AF01

5F045AF02

5F045AF03

5F045AF04

5F045AF09

5F045BB12

5F045BB16

5F045CA10

5F045CA12

5F045DA53

5F045DA55

5F045DA67

5F152LL03

5F152LL05

5F152LN03

5F152LN12

5F152MM10

5F152NN01

5F152NN03

5F152NN05

5F152NN06

5F152NN07

5F152NN09

5F152NN13

5F152NP09

5F152NQ09

5F241AA40

5F241CA05

5F241CA40

(57)【要約】

【課題】本発明は、化合物半導体基板において、機能層が、下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、表面状態が良好であり、低い転位密度を同時に満たすことで、デバイスに要求される効率等の特性を満足し、シート抵抗等物性値の面内均一性を確保することを目的とする。
【解決手段】本発明の一態様に係る化合物半導体基板は、面内格子定数がａである下地層と、前記下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層と、を有し、前記下地層、前記応力緩和層、および前記機能層が、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層の順に配置され、前記機能層が、前記下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

面内格子定数がａである下地層と、
前記下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、
面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層と、を有し、
前記下地層、前記応力緩和層、および前記機能層が、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層の順に配置され、
前記機能層が、前記下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、
前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満である、化合物半導体基板。

【請求項2】

前記応力緩和層の面内格子定数が、（ａ＋ｃ－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすｃである、請求項１に記載の化合物半導体基板。

【請求項3】

前記応力緩和層が、積層構造であり、
前記応力緩和層は、前記下地層側に接して位置して、面内格子定数がａとｂの間となるｃ１である第１結晶層と、前記第１結晶層の機能層側に接して位置して、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ２である第２結晶層と、を有する、請求項１に記載の化合物半導体基板。

【請求項4】

前記応力緩和層の前記第１結晶層の厚さが６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下である、請求項３に記載の化合物半導体基板。

【請求項5】

前記応力緩和層の前記第２結晶層の厚さが６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下である、請求項３または４に記載の化合物半導体基板。

【請求項6】

前記応力緩和層が、前記第１結晶層および前記第２結晶層からなる積層の繰り返し数を２周期以上有し、
前記応力緩和層の厚さが、５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下、となる、請求項３～５の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項7】

前記応力緩和層において、前記第１結晶層の化学組成が、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ≦１．０）であり、前記第２結晶層の化学組成が、Ａｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ（０≦ｙ＜１．０）であり、ｙ＜ｘである、請求項３～６の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項8】

前記応力緩和層が、前記第２結晶層の機能層側に接して位置し、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３－３×ｂ）／（３×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ３である第３結晶層、をさらに有する、請求項３～７の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項9】

前記応力緩和層が、前記第３結晶層より前記機能層の側に位置する第ｎ結晶層の機能層側に接して位置し、面内格子定数が｛ｃ１＋ｃ２＋・・・＋ｃ（ｎ－１）＋ｃｎ－ｎ×ｂ｝／（ｎ×ｂ）≦±０．５％を満たすｃｎである第ｎ結晶層、をさらに有する、請求項８に記載の化合物半導体基板。
ここで、前記ｎは、４以上の整数である。

【請求項10】

前記下地層に対する前記機能層の格子緩和率が６０％以上である、請求項３～９の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項11】

前記下地層と前記応力緩和層との間に、前記下地層に接して位置する中間層、をさらに有する、請求項３～１０の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項12】

前記機能層の上に位置し、前記機能層の面内格子定数ｂと擬似格子整合する活性層、をさらに有する、請求項１～１１の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項13】

前記機能層の上に位置し、前記機能層の面内格子定数ｂと擬似格子整合する活性層、および、前記活性層の上に位置するコンタクト層、をさらに有する請求項１～１１の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項14】

前記コンタクト層が、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有する、請求項１３に記載の化合物半導体基板。

【請求項15】

前記応力緩和層が、前記活性層から発生する光を５０％以上反射する、ことを特徴とする請求項１２～１４の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【請求項16】

前記化合物半導体基板の表面が、鏡面である請求項１～１５の何れか一項に記載の化合物半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、化合物半導体基板に関する。

【背景技術】

【0002】

発光ダイオード（ＬＥＤ；Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザー（ＬＤ；Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ、ＶＣＳＥＬ；Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ；Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）といった化合物半導体を用いた数多くの光電子素子（化合物半導体素子）が実用化されている。目的に応じた化合物半導体素子を作製するためには、基板上に基板と同一材料あるいは異種材料を積層する結晶成長が必要である。異種材料の結晶成長はヘテロエピタキシャル成長と呼ばれ、面内格子定数や熱膨張係数の違いから、面内に圧縮歪みまたは引っ張り歪みが導入される。例えば、ＧａＮのｃ面における面内格子定数は、ＡｌＮの面内格子定数よりも約２．４％大きいことから、ＡｌＮ基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させる場合、ＧａＮエピタキシャル層は基板面内で圧縮歪みを受ける。半導体素子に必要とされるエピタキシャル層の厚みを大きくすると、エピタキシャル層中の歪みエネルギーが蓄積され、最終的には、歪みエネルギーを緩和させるために格子緩和が起き、ミスフィット転位が導入されると共に表面荒れを引き起こしてしまう。

【0003】

ＡｌＧａＮ化合物半導体は、ＡｌとＧａの組成比を制御することで、禁制帯幅（バンドギャップ）を３．４ｅＶから６．２ｅＶまで変化させることが可能であり、当該禁制帯幅は、３６０ｎｍから２００ｎｍの発光波長に対応する。例えば、非特許文献１に示されるように、Ａｌ組成比が０．７から０．５付近のＡｌＧａＮを利用した深紫外ＬＥＤは、３００ｎｍから２５０ｎｍの範囲の発光波長をカバーする。上記深紫外ＬＥＤは、細菌やウイルスの殺菌効果等、応用範囲が広いことから、現在、その高性能化に関する技術検討が行われている。特に、ＡｌＧａＮ機能層の結晶中に存在する、転位密度がＬＥＤの発光効率に与える影響について検討されている。

【0004】

例えば、非特許文献２には、ＡｌＮ自立基板と、該ＡｌＮ自立基板上に形成された、繰り返し周期数１０のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ／Ａｌ_ｙＧａ_１－ｙＮからなる超格子構造と、該超格子層上にＡｌＧａＮ機能層（Ａｌ＝０．５）と、該機能層上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたコンタクト層からなる半導体基板の結晶特性が開示されている。前記ＡｌＧａＮ機能層（Ａｌ＝０．５）の前記ＡｌＮ自立基板に対する格子緩和率と前記ＡｌＧａＮ機能層の非対称面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅には線形の関係があり、前記格子緩和率が０％から７０％になると前記半値幅は１８０から４２０ａｒｃｓｅｃまで増大し、前記格子緩和率が１００％で前記半値幅は７２０ａｒｃｓｅｃまで増大し、前記ＡｌＧａＮ機能層上に形成したＬＥＤは３００ｎｍで発光することが認められる。

【0005】

例えば、非特許文献３には、ＡｌＮ自立基板と、該ＡｌＮ自立基板上に形成された４００ｎｍのＡｌＮ下地層と、該下地層上に形成された５０ｎｍのＡｌ組成比を０から線形に変化させた傾斜層と、該傾斜層上に形成された厚さ０．５～１．３μｍのｎ型ＡｌＧａＮ機能層（Ａｌ＝０．４５～０．７５）からなる半導体基板の構造と結晶特性、が開示されている。前記ＡｌＧａＮ機能層の対称面（００２）および非対称面（１０２）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は、前記機能層が前記下地層と面内格子定数が一致している擬似格子整合（シュードモルフィック）の状態では、前記（００２）半値幅が６４から８１ａｒｃｓｅｃ、前記（１０２）半値幅が８４から１０４ａｒｃｓｅｃの範囲である。前記機能層のＡｌ組成が低い場合、または前記機能層の厚さが厚い場合は、前記機能層の面内格子定数がＡｌＮ下地層の面内格子定数と一致せず、格子緩和が発生し、前記対称面（００２）のＸ線ロッキングカーブ半値幅が２３９ａｒｃｓｅｃ、前記非対称面（１０２）のＸ線ロッキングカーブ半値幅が３０２ａｒｃｓｅｃと大きく悪化すること、さらに格子緩和が起きた、Ａｌ組成比０．６、厚さ０．５μｍの前記機能層は表面荒れが顕著であることが認められる。

【0006】

ＡｌＮ自立基板に代わりにサファイア基板上のＡｌＧａＮ深紫外ＬＥＤが報告されている。サファイア基板は比較的安価であり、大口径基板が入手可能であることから大量生産が期待される。しかし、サファイア基板とＡｌＧａＮ機能層は面内格子定数差が１３％から１６％あることから、サファイア基板上に直接ＡｌＧａＮ機能層を成長すると転位密度は１０^１０ｃｍ^－２台にまで高くなる。このため、サファイア基板上にまずＡｌＮ下地層を形成する。ただし該ＡｌＮ下地層に存在する転位密度は１０^８～１０^９ｃｍ^－２台であり、ＡｌＮ自立基板よりも３桁高いことから、深紫外ＬＥＤの発光効率への影響が大きい。つまり、該ＡｌＮ下地層上に成膜したＡｌＧａＮ機能層の高品質化が一層重要である。

【0007】

例えば、非特許文献４に、サファイア基板と、該サファイア基板と接するＡｌＮ下地層と、該下地層の一部分に選択的に形成された、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子層と、該超格子層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ機能層（Ａｌ組成比＝０．５５）と、該機能層上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたコンタクト層からなる、半導体基板の構造と結晶特性、が開示されている。非特許文献４には、ＬＥＤは波長２９０ｎｍで発光していることが認められる。しかし、前記超格子構造の厚さ、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比、構造、および面内歪みに関する記述は認められない。

【0008】

例えば、非特許文献５は、サファイア基板と、該サファイア基板上に形成された９００ｎｍのＡｌＮ下地層と、該下地層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ機能層と、該機能層上に形成された活性層からなる半導体基板の構造、および結晶特性が開示されている。回折面（１１４）からのＸ線逆格子マッピングにより、Ａｌ組成比０．５７、厚さ２７ｎｍの前記機能層の前記下地層に対して擬似格子整合（シュードモルフィック）状態にあり、Ａｌ組成比０．４７、厚さ３５０ｎｍの前記機能層では、該機能層の前記下地層に対して部分緩和（メタモルフィック）の状態にあり、格子緩和率が５５％であり、室温での光励起発光スペクトル（フォトルミネセンス）が２８９ｎｍにピークを持つことが非特許文献５には認められる。さらに、Ｘ線ロッキングカーブから見積もられた転位密度は、擬似格子整合状態から部分緩和状態になると極僅かな改善が見られることが認められる。例えば、螺旋転位密度が６．７×１０^９ｃｍ^－２から５．６×１０^９ｃｍ^－２に減少し、刃状転位密度が１．６×１０^９ｃｍ^－２から１．５×１０^９ｃｍ^－２に減少していることが認められる。

【0009】

例えば、非特許文献６に、サファイア基板と、該サファイア基板と接するＡｌＮ下地層と、該下地層上に形成されたＡｌＮ（厚さ２．５ｎｍ）／ＧａＮ（厚さ１．０～２．５ｎｍ）からなる超格子層と、該超格子層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ機能層と、該機能層上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたコンタクト層からなる半導体基板の結晶特性が開示されている。回折面（１０５）からのＸ線逆格子マッピングにより、前記機能層は前記下地層に対して部分緩和（メタモルフィック）の状態にあり、超格子構造上に形成したＬＥＤは波長３１０ｎｍで発光しており、半導体基板表面の荒れが非常に顕著であることが非特許文献６に認められる。

【0010】

例えば、非特許文献７は、サファイア基板と、該サファイア基板と接するＡｌＮ下地層と、該下地層上に形成された繰り返し周期数３０～７０、厚さ１４～７ｎｍのＡｌ_０．３７Ｇａ_０．６３Ｎ／Ａｌ_０．２７Ｇａ_０．７３Ｎからなる超格子層と、該超格子上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ機能層と、該機能層上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたコンタクト層からなる半導体基板の構造と結晶特性が開示されている。前記超格子構造の総厚さは４３０ｎｍであり、前記機能層の前記下地層に対する格子緩和率は８７％であり、前記機能層の回折面（１０２）のＸ線ロッキングカーブ半値幅が７９３ａｒｃｓｅｃであり、ＬＥＤは波長３４１ｎｍで発光していることが非特許文献７に認められる。

【0011】

例えば、非特許文献８は、サファイア基板と、該サファイア基板と接するＡｌＮ下地層と、該下地層上に形成されたＡｌ組成比が０．６のＡｌＧａＮからなる第１層と、該第１層上の形成されたＡｌ組成比が０．６以下のＡｌＧａＮかつＡｌ組成比が前記基板から離れるほど漸減する第２層からなる積層体と、該第２層上の形成されたｎ型ＡｌＧａＮ機能層と、該機能層上に形成された活性層と、該活性層上に形成されたコンタクト層からなる半導体基板の構造および結晶特性が開示されている。前記機能層の前記下地層に対する格子緩和率は最大で３０％であり、転位密度は１×１０^９ｃｍ^－２であり、ＬＥＤは波長３１６ｎｍから２９５ｎｍで発光することが非特許文献８に認められる。

【0012】

例えば、特許文献１は、基板と、該基板上に形成されたＡｌＮからなるＡｌＮ歪緩衝層と、該ＡｌＮ歪緩衝層上に形成された超格子歪緩衝層と、該超格子歪緩衝層上に形成された窒化物半導体層とを備える窒化物半導体素子であって、前記超格子歪緩衝層は、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）よりなり、且つ、Ｍｇを含む第１の層と、ＡｌＮよりなり、意図的にＭｇを含んでいない第２の層とを交互に積層して超格子構造を形成したものであることを特徴とする、窒化物半導体素子が開示されている。特許文献１には、ＧａＮやＡｌ含有率が低いＡｌＧａＮと、ＡｌＮとを組み合わせた超格子歪緩衝層を基板上に平坦性良く形成するため、前記超格子歪緩衝層の厚さを可能な限り薄くし、かつＡｌＧａＮやＧａＮの横方向の結晶成長を促進するためにＭｇを添加することで、該超格子歪緩衝層上に積層する窒化物半導体層の結晶性を改善できることが記載されている。

【0013】

例えば、特許文献２は、基板と、該基板上に実質的に原子レベルで平坦な表面を有するＡｌＮ下地層を形成することによってテンプレート基板を形成する工程と、該ＡｌＮ下地層の上にＡｌＧａＮ機能層を形成する工程と、を備え、前記ＡｌＧａＮ機能層形成工程において、１０００℃よりも高く１１００℃よりも低い形成温度で、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０．５＜ｘ≦１）なる組成式で表される第１単位層とＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ（０．５≦ｙ＜１かつｙ＜ｘ）なる組成式で表される第２単位層を交互に繰り返し積層する超格子構造を有するように前記ＡｌＧａＮ層の形成方法が開示されている。特許文献２には、前記超格子構造は格子緩和が生じない範囲内の厚みで形成するのが好ましく、すなわち第１単位層と第２単位層をコヒーレント成長させつつＡｌＧａＮ層を形成し、表面層の面内格子定数と略同一の面内格子定数を有し、かつ、表面が実質的に原子レベルで平坦なＡｌＧａＮ層を得ることができると記載されている。

【0014】

例えば、特許文献３は、発光波長が２２０～２８０ｎｍであるＩＩＩ族窒化物半導体の深紫外発光素子構造であって、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮ井戸層とからなるＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層と、該ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層を上下に挟むように配置されるｎ型ＡｌＧａＮ機能層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層とを備え、前記ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が７０％以上であり、前記ＧａＮ井戸層の厚さが０．７５ｎｍ以下であることを特徴とする、深紫外発光素子構造が開示されている。特許文献３には、高い発光効率を得ることができる理由として、前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ短周期超格子層がコヒーレントにエピタキシャル成長し、ミスフィット転位などの欠陥は発生せず、前記ＧａＮ層には大きな圧縮歪が内在しているため、と記載されている。

【0015】

例えば、特許文献４は、効率的な紫外線ＬＥＤを実現するため、基板またはテンプレートと、該基板または該テンプレート上にエピタキシャルに形成されるＡｌＮまたはＡｌＧａＮ機能層であって、前記基板または前記テンプレートによってＡｌＮまたはＡｌＧａＮ機能層に加えられる計算された面内圧縮歪みが１％以上であるＡｌＮまたはＡｌＧａＮ機能層と、前記エピタキシャルＡｌＮまたはＡｌＧａＮ機能層と前記基板またはテンプレートとの間に挿入された、高度にドープされたエピタキシャルＡｌＮまたはＡｌＧａＮ中間層と、を有し、前記高度にドープされたエピタキシャルＡｌＮまたはＡｌＧａＮ中間層は、厚さが４０～４００ｎｍであり、かつ、５×１０^１９～５×１０^２０ｃｍ^－３の範囲でドープされるヘテロエピタキシー歪み管理構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特許第４６８１６８４号公報

【特許文献2】特許第５２７４７８５号公報

【特許文献3】特許第５４００００１号公報

【特許文献4】特許第６３５３１３３号公報

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】Y. Nagasawa and A. Hirano, Appl. Sci., 8, 1264 (2018).

【非特許文献2】Z. Ren et al., Applied Physics Letters 91, 051116 (2007).

【非特許文献3】J.R. Grandusky et al., Journal of Crystal Growth 311, 2864 (2009).

【非特許文献4】V. ADIVARAHAN et al., Jpn. J. Appl. Phys., 46, L877 (2007).

【非特許文献5】X. Li et al., Optical Materials Express, 5, 380 (2015)

【非特許文献6】J. Enslin et al., Journal of Crystal Growth 464, 185 (2017).

【非特許文献7】T. Matsumoto et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 115102(2019).

【非特許文献8】M. Ajmal Khan et al., J. Mater. Chem. C, 7, 143, (2019).

【非特許文献9】M.A. Moram, et al., Rep. Prog. Phys. 72, 036502 (2009).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

例えば、従来のＡｌＧａＮを用いた紫外ＬＥＤにおける発光効率（外部量子効率）は１０％に満たない。外部量子効率は、ＬＥＤを構成する機能層での発光効率（内部量子効率）と電子・正孔注入効率、および光取り出し効率の積で決定され、結晶中に存在する転位密度は、これらのいずれか、または全てに影響を与える。特に２×１０^９ｃｍ^－２を超える転位密度が存在する場合、その内部量子効率は４０％以下になることが知られている。そのため、高効率ＬＥＤの実現には、内部量子効率、電子・正孔注入効率、および光取り出し効率の向上が必要である。このためには転位密度の低減が必要である。また、例えばＡｌＧａＮを用いたＦＥＴの場合、機能層と活性層界面は原子レベルで平坦である必要がある。

【0019】

ＬＥＤやＦＥＴといったデバイスのデバイス特性を向上するには、機能層が２０００～４０００ｎｍ程度の厚さであることが重要である。しかし、非特許文献２～８に記載のとおり、ＩＩＩ族半導体結晶の面内格子定数が格子整合しない非コヒーレント成長の場合、機能層の厚さを前記の厚さにしようとすると、格子緩和によるミスフィット転位が発生するため、半導体結晶の転位密度が２×１０^９ｃｍ^－２以上と増大し、良好なデバイス特性は得られない。また、格子緩和すると半導体結晶の表面平坦性は著しく悪化するため、特に、６インチ等大きな基板を用いる場合、結晶品質やシート抵抗等の面内均一性を確保することはより困難になる。

【0020】

特許文献１～３には、基板とＩＩＩ族半導体結晶の面内格子定数が一致するコヒーレント成長となる擬格子整合（シュードモルフィック）の状態とすることが理想的である、と記載されており、面内格子定数が格子整合しない非コヒーレント成長を意図的に避けるような構造としている。

【0021】

特許文献４には、歪み管理のために高度にドープされた中間層を用いることで面内圧縮歪みが１％以上とする構造が記載されている。しかし、ドープすることによって半導体基板の表面状態、機能層の転位密度が改善するのかについては開示されていない。また、例えばＦＥＴのようなデバイスを目的とした場合、ドープされた中間層はリーク電流やドリフト電流などの発生源成りうるため、適用は特定の用途のみに限定される。

【0022】

本発明の目的は、機能層において、下層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、表面状態が良好であり、低い転位密度を同時に満たすことで、デバイスに要求される効率等の特性を満足し、シート抵抗等物性値の面内均一性を確保する、化合物半導体基板を提供することにある。なお、詳細は後述するが、ここでいう下層は、基板下地層、または、基板もしくは下地層の表面に配された中間層をいう。

【課題を解決するための手段】

【0023】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、面内格子定数がａである下地層と、前記下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層と、を有し、前記下地層、前記応力緩和層、および前記機能層が、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層の順に配置され、前記機能層が、前記下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満である、化合物半導体基板が提供される。

【0024】

前記下地層は、基板に対して完全格子整合していてもよく、擬似格子整合していてもよく、部分緩和していてもよく、完全緩和していてもよい。また、基板全面を覆う平坦基板であってもよく、表面が一部加工されたパターン基板であってもよい。

【0025】

前記応力緩和層は、下地層と非コヒーレントな部分が支配的になるよう形成され、面内格子定数が（ａ＋ｃ－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすｃであってもよい。

【0026】

前記機能層の前記下地層に対する格子緩和率が６０％以上の範囲であることが好ましく、７５％以上の範囲であることがより好ましく、９０％以上の範囲であることが特に好ましい。

【0027】

前記機能層の転位密度は１．５×１０^９ｃｍ^－２以下であることが好ましく、１．３×１０^９ｃｍ^－２以下であることがより好ましい。機能層の転位密度は小さい方が良いため下限は特段されない。機能層の転位密度は、例えば、１．０×１０^２ｃｍ^－２以上、または１．０×１０^３ｃｍ^－２以上とすることができる。

【0028】

前記半導体結晶層が、前記下地層と前記応力緩和層との間に、前記下地層に接して位置する中間層、をさらに有してもよい。前記半導体結晶層の厚さが、１０００ｎｍ以上１６０００ｎｍ以下であってもよい。

【0029】

前記基板の厚さが２００μｍ以上であってもよく、前記基板の直径が２５ｍｍ以上であってもよく、前記下地層の厚さが５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であってもよく、前記機能層の表面が鏡面であってもよい。

【0030】

本発明の第２の態様においては、面内格子定数がａである下地層と、前記下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層と、を有し、前記下地層、前記応力緩和層、および前記機能層が、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層の順に配置され、前記機能層が、前記下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満である、化合物半導体基板の検査方法であって、前記半導体結晶層の非対称面におけるＸ線逆格子マッピングによる前記機能層の前記下地層に対する格子緩和率が、６０％以上の場合に加え、前記機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が、５５０ａｒｃｓｅｃ未満である場合に合格と判定する化合物半導体基板の検査方法を提供する。ここで非対称面とは、例えば回折面（－１－１４）の場合、Ｘ線の回折面をミラー指数で表記したものであり、ミラー指数による面（ｈｋｌ）の表記におけるｈ＝－１、ｋ＝－１、ｌ＝４の場合をいう。なお指数－１は、１の上に横線を引いた記号（バー１）として表記される場合がある。

【0031】

本発明の第３の態様においては、面内格子定数がａである下地層と、該下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層、を有し、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層が、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層の順に配置され、前記応力緩和層が、前記下地層に接して位置し、面内格子定数がａとｂの間となるｃ１である第１結晶層と、該第１結晶層の機能層側に接して位置し、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ２である第２結晶層と、を有する、化合物半導体基板を提供する。該化合物半導体基板は、上記の第１の様態と同様に、追加の構成を更に備えてもよい。なお、第３の態様における前記式中のｂは、機能層の面内格子定数である。

【0032】

前記第１結晶層の厚さが、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下であることが特に好ましい。６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であれば、表面状態がより一層向上する。

【0033】

前記第２結晶層の厚さが、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下であることが特に好ましい。６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であれば、表面状態がより一層向上する。

【0034】

前記応力緩和層が、前記第１結晶層および前記第２結晶層からなる積層構造の繰り返し数を２周期以上有し、かつ前記応力緩和層の厚さが、５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下、であることが好ましい。

【0035】

前記応力緩和層において、前記第１結晶層の化学組成が、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ≦１．０）であり、前記第２結晶層の化学組成が、Ａｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ（０≦ｙ＜１．０）であり、ｙ＜ｘであってもよい。

【0036】

前記応力緩和層が、前記第１結晶層および前記第２結晶層からなる積層構造を複数有するものであってもよい。前記応力緩和層が、前記第２結晶層の機能層側に接して位置し、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３－３×ｂ）／（３×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ３である第３結晶層、をさらに有してもよい。前記応力緩和層が、前記第３結晶層より前記機能層の側に位置する第ｎ結晶層の機能層側に接して位置し、面内格子定数が｛ｃ１＋ｃ２＋・・・＋ｃ（ｎ－１）＋ｃｎ－ｎ×ｂ｝／（ｎ×ｂ）≦±０．５％を満たすｃｎである第ｎ結晶層と、をさらに有してもよい。ここで、前記式中のｎは、4以上の整数である。

【0037】

本発明の第４の態様においては、面内格子定数がａである下地層と、該下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層と、面内格子定数が前記機能層の面内格子定数ｂと擬似格子整合する活性層と、を有し、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層、および前記活性層が、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層、前記活性層の順に配置され、前記機能層が、前記下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満である、ことを特徴とする化合物半導体基板を提供する。該化合物半導体基板は、上記の第３の様態と同様に、追加の構成を更に備えてもよい。

【0038】

前記応力緩和層が、前記活性層から発生する光を５０％以上反射してもよい。

【0039】

本発明の第５の態様においては、面内格子定数がａである下地層と、該下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層と、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層と、面内格子定数が前記機能層の面内格子定数ｂと擬似格子整合する活性層と、コンタクト層を有し、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層、前記活性層、前記コンタクト層が、前記基板の側から、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層、前記活性層、前記コンタクト層の順に配置され、前記機能層が、前記下地層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満である、ことを特徴とする化合物半導体基板を提供する。該化合物半導体基板は、上記の第３の様態と同様に、追加の構成を更に備えてもよい。

【0040】

前記コンタクト層が、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有してもよい。

【0041】

化合物半導体基板は、基板と、該基板の上の半導体結晶層と、を有してよい。該半導体結晶層は、少なくとも、面内格子定数がａである下地層、該下地層から受ける歪みを緩和させる応力緩和層および、面内格子定数がｂ（ａ≠ｂ）である機能層から選択された何れかの層を有してよい。一例では、前記半導体結晶層は、前記下地層、前記応力緩和層、および前記機能層の全てを有してよい。他の例では、前記半導体結晶層は、前記応力緩和層および前記機能層を有してよい。ただし、この場合は、各層の位置関係において、基板を下地層としてみなす。よって、半導体結晶層が下地層を有しない場合、基板を本発明における下地層とみなし、基板の面内格子定数をａと見なしてよい。さらに他の例では、前記半導体結晶層は、前記下地層および前記応力緩和層を有してよい。

【0042】

前記下地層、前記応力緩和層および前記機能層は、前記下地層、前記応力緩和層、前記機能層の順に配置されてよい。前記応力緩和層は、少なくとも前記下地層側に接して位置してよく、面内格子定数がａとｂの間となるｃ１である第１結晶層と、前記第１結晶層の機能層側に接して位置してよく、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ２である第２結晶層と、の何れかを有してよい。一例では、前記応力緩和層は、前記第１結晶層および前記第２結晶層の両方を有してよい。

【0043】

前記第１結晶層の厚さが、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であってよい。前記第２結晶層の厚さが、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であってよい。前記応力緩和層が、前記第１結晶層および前記第２結晶層からなる積層の繰り返し数を２周期以上有して良い、前記応力緩和層の厚さが、５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下、であってよい。前記第１結晶層が、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ≦１．０）、前記第２結晶層が、ＡｌＧａ_１－ｙＮ（０．１≦ｙ≦１．０）、（ただしｙ＜ｘ）であってよい。前記応力緩和層が、前記第２結晶層の機能層側に接して位置してよく、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３－３×ｂ）／（３×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ３である第３結晶層を有してよい。前記応力緩和層が、前記第３結晶層より前記機能層の側に位置する第ｎ結晶層の機能層側に接して位置し、面内格子定数が｛ｃ１＋ｃ２＋・・・＋ｃ（ｎ－１）＋ｃｎ－ｎ×ｂ｝／（ｎ×ｂ）≦±０．５％を満たすｃｎである第ｎ結晶層を有してよい。ここで、ｎは、４以上の整数である。

【0044】

前記機能層の前記下地層に対する格子緩和率が、６０％以上であってよい。前記機能層の転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満であって良い。前記半導体結晶層が、前記下地層と前記応力緩和層との間に、前記下地層に接して位置してよく、面内格子定数が前記下地層の面内格子定数と異なる中間層、を有してよい。前記機能層の上に位置し、面内格子定数が前記機能層の面内格子定数ｂと擬似格子整合する活性層、を有してよい。前記応力緩和層が、前記活性層から発生する光を５０％以上反射してよい。前記活性層の上に位置するコンタクト層、を有してよい。前記コンタクト層が、前記活性層よりも大きいバンドギャップを有してよい。前記半導体結晶層の厚さが、１０００ｎｍ以上１６０００ｎｍ以下であってよい。前記下地層の厚さが、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であってよい。前記基板の厚さが、２００μｍ以上であってよい。前記基板の直径が、２５ｍｍ以上であってよい。前記機能層の表面が、鏡面であってよい。

【0045】

上記で述べた化合物半導体基板の検査方法であって、前記半導体結晶層のＸ線逆格子マッピングによる前記機能層の前記下地層に対する格子緩和率が、６０％以上の場合に加え、前記機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が、５５０ａｒｃｓｅｃ未満である場合に合格と判定してよい。

【発明の効果】

【0046】

本発明の上記態様によれば、機能層において、下層の結晶格子から格子緩和している領域が支配的であり、表面状態が良好であり、低い転位密度を同時に満たすことで、デバイスに要求される効率等の特性を満足し、シート抵抗等物性値の面内均一性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る化合物半導体基板１００の断面図である。

【図2】同実施形態に係る化合物半導体基板１００の変形例を示した断面図である。

【図3】同実施形態に係る化合物半導体基板１００の変形例を示した断面図である。

【図4】同実施形態に係る化合物半導体基板１００の変形例を示した断面図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る化合物半導体基板２００の断面図である。

【図6】同実施形態に係る化合物半導体基板２００の変形例を示した断面図である。

【図7】本発明の第３の実施形態に係る化合物半導体基板３００の断面図である。

【図8】本発明の第４の実施形態に係る化合物半導体基板４００の断面図である。

【図9】実験例４の非対称面となる回折面（－１－１４）のＸ線逆格子マッピング像である。

【図10】実験例４の表面を２０μｍ四方視野範囲でスキャンした原子間力顕微鏡像である。

【図11】実験例４の機能層１０８の回折面（００２）および（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブをプロットしたグラフである。

【図12】実験例１～５、１２、１３の格子緩和率をプロットしたグラフである。

【図13】実験例１～５、１２、１３の表面粗さをプロットしたグラフである。

【図14】実験例１～５、１２、１３の転位密度をプロットしたグラフである。

【図15】実験例３、６～１０の格子緩和率をプロットしたグラフである。

【図16】実験例３、６～１０の表面粗さをプロットしたグラフである。

【図17】実験例３、６～１０の転位密度をプロットしたグラフである。

【図18】実験例１１の非対称面となる回折面（－１－１４）のＸ線逆格子マッピング像である。

【図19】実験例１１の表面を２０μｍ四方視野範囲でスキャンした原子間力顕微鏡像である。

【図20】実験例１１の機能層１０８の回折面（００２）および回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブをプロットしたグラフである。

【図21】実験例１９～２６の格子緩和率をプロットしたグラフである。

【図22】実験例１９～２６の表面粗さをプロットしたグラフである。

【図23】実験例１９～２６の転位密度をプロットしたグラフである。

【図24】実験例１９～２６のＰＬ強度をプロットしたグラフである。

【図25】実験例１９～２６のシート抵抗面内分布をプロットしたグラフである。

【図26】実験例２９の反射スペクトルをプロットしたグラフである。

【図27】実験例２７～３０の反射率をプロットしたグラフである。

【図28】実験例３１のＸ線回折パターンをプロットしたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0048】

（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る化合物半導体基板１００の断面図である。化合物半導体基板１００は、基板１０２と、基板１０２の上の半導体結晶層とを有する。基板１０２は、半導体結晶層を支持する支持基板である。基板１０２としてサファイア、シリコン、砒化ガリウム、ガリウムアンチモン、砒化インジウム、酸化ガリウム、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、または窒化アルミニウム基板等を用いることができる。基板１０２として直径１５０ｍｍ等の大型基板を用いることにより、材料価格を下げることができ、安価にかつ工業的にコスト競争力を高めることができる。したがって、基板１０２の直径は１５０ｍｍ以上であることが好ましい。

【0049】

半導体結晶層は、下地層１０４と、応力緩和層１０６と、機能層１０８と、を有し、下地層１０４、応力緩和層１０６および機能層１０８は、基板１０２の側から、下地層１０４、応力緩和層１０６、機能層１０８の順に配置されている。

【0050】

下地層１０４は、面内格子定数がａであり、下地層１０４の化学組成として、例えば、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０．８≦ｘ１≦１．０）を挙げることができ、代表的にはＡｌＮ（ｘ１＝１）を挙げることができる。下地層１０４により、基板１０２上に初期核を形成し、半導体結晶層の平坦性を向上することができる。

【0051】

本実施形態に係る化合物半導体基板１００では、基板１０２上の半導体結晶層の最初の半導体層が下地層１０４であり、この下地層１０４の結晶特性は、その上に成長する半導体結晶層の結晶特性に大きく影響する。

【0052】

応力緩和層１０６は、例えばＡｌ_ｘ３Ｇａ_１－ｘ３Ｎであり、そのＡｌの組成比ｘ３は、応力緩和層１０６の面内格子定数ｃが（ａ＋ｃ－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすように決めればよい。応力緩和層１０６は、下地層１０４と非コヒーレントな部分が支配的になるよう形成され、下地層１０４から受ける歪みを緩和させる役割を果たすことで、応力緩和層１０６の上に形成する、窒化物半導体層である機能層１０８の結晶性が向上し、当該機能層１０８の電気的、光学的、機械的、化学的特性が向上する。つまり、応力が緩和された機能層１０８の転位密度が低減され結晶品質を向上することができる。

【0053】

一般に、窒化物半導体層の結晶品質を向上させるために、窒化物半導体層は、ヘテロ接合面において、下地の結晶格子に対してコヒーレントにするよう形成される。しかしながら、本発明のように下地層１０４と応力緩和層１０６が、非コヒーレントな部分が支配的になるよう形成された場合、結晶の面内格子定数は互いに異なる値をもつため、厚さが厚くなるに従い膜内に応力歪が蓄積され、成長厚さが臨界厚さを超えると、歪の緩和のために多数の欠陥が発生する。多数の欠陥が発生した後に成長を続けると３次元成長するため、最終的には鏡面ではなく、白濁した化合物半導体基板になる場合がある。この場合、応力緩和層１０６の上に形成した機能層１０８の結晶品質が大きく損なわれてしまう。

【0054】

本発明者らが検討した結果、非コヒーレントに形成した界面によってミスフィット転位を発生させても、応力緩和層１０６の形成条件によっては、転位密度が低く十分な結晶品質を得ることが可能であることが分かった。このメカニズムについての詳細は不明であるが、応力緩和層１０６内部において転位の対消滅により、その上方に形成した機能層１０８へ転位が伝播しないためであると本発明者らは推察している。

【0055】

格子緩和は、半導体結晶層の積層構造（格子定数差、厚さ）や結晶品質（転位密度）、または成長条件によって変化することが知られているが、本実施形態によれば、上記に示す応力緩和層１０６の形成によって格子緩和率を制御することが可能である。

【0056】

応力緩和層１０６により応力が十分に緩和することで、下地層１０４に対する機能層１０８の格子緩和率が高く、かつ表面平坦性に優れ、低い転位密度が実現できる。また、ウエハ全体の応力が緩和されることで、シート抵抗等の物性値の面内バラツキを低く抑えることができる。すなわち、基板１０２の上に形成する半導体結晶層の均一性を高めることができる。

【0057】

機能層１０８は、例えばＡｌ_ｘ４Ｇａ_１－ｘ４Ｎ（０≦ｘ４＜１）からなり、代表的には（０．３≦ｘ４≦０．７）層である。機能層１０８は、後に光電子素子が形成される層である。機能層１０８は、下地層１０４の結晶格子から格子緩和している領域が支配的である。例えば、機能層１０８において、非対称回折面におけるＸ線逆格子マッピングによる機能層１０８の下地層１０４に対する格子緩和率が６０％以上であることが好ましい。
機能層１０８は、その目的に応じて２層以上の複数層に分けることができる。例えば、機能層１０８に電気伝導を制御する役割を持たせるために、機能層１０８をｎ型キャリア注入層とした場合、例えば機能層１０８の応力緩和層１０６側に接する側は平坦性を高めキャリアの散乱を低減した層とし、その上層はｎ型キャリア補償となる炭素等の不純物濃度を極力低くした電気伝導層とすることで、デバイス全体のシート抵抗を下げることが可能である。または、機能層１０８を電子走行層とする目的で、機能層１０８の応力緩和層１０６側に接する側は耐電圧を高めた高抵抗層とし、その上層は不純物濃度を極力少なくした高純度層とすることでキャリアの散乱を少なくし、電子の移動度を高めることが可能である。

【0058】

半導体結晶層の厚さ、言い換えると、下地層１０４、応力緩和層１０６、および機能層１０８の合計厚さは、５００ｎｍ以上１６０００ｎｍ以下とすることが好ましい。半導体結晶層の厚さを当該範囲とすることで、化合物半導体基板１００の反り量を小さくすることができる。基板１０２の厚さが２００μｍ以上であり、基板１０２の直径が２５ｍｍ以上である場合、下地層１０４の厚さは、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることが好ましい。基板１０２および下地層１０４を当該範囲とすることで、化合物半導体基板１００の反り量を小さくすることができる。機能層１０８の厚さは、より好ましくは２０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。機能層１０８の厚さを当該範囲とすることで、デバイス特性を一層向上させることができる。なお、半導体結晶層が下地層１０４を有しない場合、半導体結晶層の厚さは、応力緩和層１０６および機能層１０８の合計厚さである。

【0059】

基板１０２との熱膨張係数差によりエピタキシャル成長時の高い温度から室温にまで半導体結晶層および基板１０２の温度が下がると、半導体結晶層は基板１０２に対して応力を生じる。しかし、本実施形態の化合物半導体基板１００では、応力緩和層１０６により応力が緩和されるので、化合物半導体基板１００の反りを抑制できる。

【0060】

下地層１０４と応力緩和層１０６との間、応力緩和層１０６と機能層１０８との間、および機能層１０８の上層の少なくともいずれかの位置には、任意の層が配置され得る。例えば図２に示すように、下地層１０４と応力緩和層１０６との間に中間層１１０を形成しても良く、例えば図３に示すように、機能層１０８の上に活性層１１２を形成しても良く、例えば図４に示すように、機能層１０８の上に活性層１１２、およびコンタクト層１１４を形成しても良い。中間層１１０、活性層１１２、およびコンタクト層１１４は、下地層１０４、応力緩和層１０６、および機能層１０８と同様に半導体結晶層を構成する層である。よって、半導体結晶層がこれらの層を有する場合、半導体結晶層の厚さは、これらの層の厚さも含む合計厚さである。

【0061】

図２の構成において中間層１１０は、下地層１０４と応力緩和層１０６との間に下地層１０４に接して位置する。中間層１１０の化学組成は、例えばＡｌ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（０．６≦ｘ２≦０．９）からなる。中間層１１０は、下地層１０４で形成した初期核を拡大し、上層に形成する応力緩和層１０６の下地面を形成する。中間層１１０と下地層１０４のヘテロ界面がコヒーレントに連続していても、非コヒーレントに成長された領域が支配的でも構わない。

【0062】

図３の構成において活性層１１２は、例えば、化学組成がＡｌ_ｘ５Ｇａ_１－ｘ５Ｎであるショットキ層とすることができる。詳細には、活性層１１２と機能層１０８とのヘテロ界面には２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成され、トランジスタの電子供給層として機能するショットキ層とすることができる。活性層１１２のＡｌ組成比ｘ５は、機能層１０８のＡｌ組成比ｘ３よりも高ければ良く、厚さは機能層１０８の面内格子定数であるｂに擬似格子整合する範囲で決めれば良く、形成するトランジスタの構造に応じて適宜変更することが可能である。

【0063】

図４の構成において活性層１１２は、例えばＡｌ_ｘ６Ｇａ_１－ｘ６Ｎ／Ａｌ_ｘ７Ｇａ_１－ｘ７Ｎを発光領域となる多重量子井戸（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層とすることができる。ＭＱＷ層のＡｌ組成ｘ６、ｘ７および各厚さは機能層１０８の面内格子定数であるｂに擬似格子整合する範囲で決めれば良く、形成するダイオードの構造に応じて適宜変更することが可能である。

【0064】

コンタクト層１１４は、例えばＭｇをドーピングしたＡｌ_ｘ８Ｇａ_１－ｘ８Ｎとすることができ、そのＡｌ組成ｘ８および厚さは、形成するダイオードの構造に応じて適宜変更することが可能である。また、コンタクト層１１４は、バンドギャップの大きい窒化ホウ素（ＢＮ）で構成されてもよい。

【0065】

（実施形態２）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る化合物半導体基板２００の断面図である。図６は、化合物半導体基板２００の変形例を示した断面図である。化合物半導体基板２００は、図５に示すように、化合物半導体基板１００と同様に、基板１０２の上に半導体結晶層を有し、半導体結晶層には、下地層１０４、応力緩和層１０６および機能層１０８を有する。ただし、化合物半導体基板２００の応力緩和層１０６は、図５および図６に示すように、積層構造１０６ｃを１つまたは複数有する。積層構造１０６ｃは、第１結晶層１０６ａおよび第２結晶層１０６ｂを有する。化合物半導体基板２００のその他の構成は、化合物半導体基板１００と同様である。

【0066】

第１結晶層１０６ａは、面内格子定数がａとｂの間となるｃ１であり、厚さが６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であることが好ましい。第２結晶層１０６ｂは、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ２であり、厚さが６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下であることが好ましい。第１結晶層１０６ａおよび第２結晶層１０６ｂは、この順序で、基板１０２側から配置される。

【0067】

第１結晶層１０６ａは、例えばＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ≦１．０）からなり、代表的には０．６＜ｘ≦０．９である。第１結晶層１０６ａの厚さを６ｎｍ以上とすることで、応力緩和層１０６の平坦性を維持することができる。なお、第１結晶層１０６ａの厚さを小さくしすぎると表面平坦性が損なわれ、第１結晶層１０６ａの厚さを大きくしすぎると、応力緩和の効果が損なわれる傾向にあるため、第１結晶層１０６ａの厚さは、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下が特に好ましい。

【0068】

第２結晶層１０６ｂは、例えばＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ（０≦ｙ＜１．０）からなり、代表的には（０．１≦ｙ≦０．６）である。ただし、ｙは、第１結晶層１０６ａのＡｌ組成比ｘよりも小さい値である。第２結晶層１０６ｂの厚さは、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下とすることができる。なお、第２結晶層１０６ｂの厚さを小さくしすぎると応力緩和の効果が損なわれ、第２結晶層１０６ｂの厚さを大きくしすぎると、表面平坦性が損なわれる傾向にあるため、第２結晶層１０６ｂの厚さは、６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下が特に好ましい。第２結晶層１０６ｂは、第１結晶層１０６ａとのヘテロ接合面において、結晶格子が第１結晶層１０６ａの結晶格子に対し非コヒーレントにするよう意図的に形成される。前記したとおり、第２結晶層１０６ｂのバルク状態における面内格子定数ｃ２は第１結晶層１０６ａのバルク状態における面内格子定数ｃ１と異なるため、第２結晶層１０６ｂが第１結晶層１０６ａに対し非コヒーレントであれば、第２結晶層１０６ｂには第１結晶層１０６ａに対する応力が開放される。これにより、応力緩和が促進される。

【0069】

複数の積層構造１０６ｃは、図６に示すように、多層積層構造、いわゆる超格子構造を構成してもよい。積層構造１０６ｃの繰り返し周期数（積層構造１０６ｃの積層数）は、例えば１～１００とすることができる。応力緩和層１０６を繰り返し周期数が多い積層構造とすることにより、応力緩和層１０６が応力を緩和する効果を大きくすることができる。また、積層構造１０６ｃの積層数により応力緩和層１０６の格子緩和率を容易に制御することができる。

【0070】

このため、第１結晶層１０６ａと第２結晶層１０６ｂのヘテロ界面は、理想的なコヒーレント界面ではなく、積極的に一部欠陥を有することで、当該欠陥部分により格子緩和されるような界面であると考えられ、第１結晶層１０６ａと第２結晶層１０６ｂとのヘテロ界面を積層することによって、非コヒーレントな部分がより支配的になると思われる。

【0071】

応力緩和層１０６の厚み、特に第２結晶層１０６ｂに関しては厚くするほど、また、第１結晶層１０６ａと第２結晶層１０６ｂの繰り返し周期数が大きくなるほど、歪みが緩和する、すなわち機能層１０８の下地層１０４に対する格子緩和率が大きくなることが期待される。本実施形態においては、格子緩和率が大きくなるとともに機能層１０８の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の改善、さらに表面が鏡面であるという効果が同時に得られる。ここで「表面が鏡面である」とは、通常の蛍光灯照明下（１０００～５０００ルクス）で、白濁のないことを言う。これらの特性パラメーターが、バランスよく向上するメカニズムについては不明であるが、発明者らは下地層１０４の転位密度、応力緩和層１０６、機能層１０８の成長温度等の条件が影響していると推測している。

【0072】

なお、応力緩和層１０６に第１結晶層１０６ａおよび第２結晶層１０６ｂからなる積層構造１０６ｃを含む限り、応力緩和層１０６のその他の層構成は任意である。例えば、応力緩和層１０６を構成する結晶層が深さ方向に組成が連続的に変化する、いわゆるグレーティッド型の結晶層であってもよい。

【0073】

（実施形態３）
図７は、第３の実施形態に係る化合物半導体基板３００の断面図である。化合物半導体基板３００は、化合物半導体基板１００と同様に、基板１０２の上に半導体結晶層を有し、半導体結晶層には、下地層１０４、応力緩和層１０６および機能層１０８を有する。ただし、化合物半導体基板３００の応力緩和層１０６は、第２の実施形態の応力緩和層１０６において、面内格子定数が（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３－３×ｂ）／（３×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ３である第３結晶層１０６ｄをさらに有する。第１結晶層１０６ａ、第２結晶層１０６ｂ、および第３結晶層１０６ｄは、この順序で、基板１０２側から配置される。化合物半導体基板３００のその他の構成は、化合物半導体基板１００と同様である。図７では、積層構造１０６ｃが複数積層された態様が示されているが、化合物半導体基板３００は、１つの積層構造１０６ｃを有してもよい。言い換えると、化合物半導体基板３００における積層構造１０６ｃの繰返し周期数は１であってもよい。

【0074】

第３結晶層１０６ｄは、例えばＡｌ_ｚ１Ｇａ_１－ｚ１Ｎ（０≦ｚ１≠１）からなり、代表的には０．０≦ｚ１≦０．５を満足する層である。第３結晶層１０６ｄの厚さは任意である。ただし第３結晶層１０６ｄのバルク状態における面内格子定数は（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３－３×ｂ）／（３×ｂ）≦±０．５％を満たすｃ３とする。第３結晶層１０６ｄは、第２結晶層１０６ｂとのヘテロ接合面において、結晶格子が第２結晶層１０６ｂの結晶格子に対しコヒーレントあるいは非コヒーレントに連続するよう形成される。また、積層構造１０６ｃが複数配される場合、第３結晶層１０６ｄは、第１結晶層１０６ａとのヘテロ接合面において、結晶格子が第１結晶層１０６ａの結晶格子に対しコヒーレントあるいは非コヒーレントに連続するよう形成される。したがって、第１結晶層１０６ａ、第２結晶層１０６ｂおよび第３結晶層１０６ｄにより応力が緩和される。

【0075】

なお、第３結晶層１０６ｄと第２結晶層１０６ｂのヘテロ界面、および第３結晶層１０６ｄと第１結晶層１０６ａのヘテロ界面がコヒーレントあるいは非コヒーレントに連続しているというのは、擬似格子整合あるいは欠陥等による格子緩和が発生していることをいい、コヒーレントあるいは非コヒーレント成長された領域が混在していてもよい。

【0076】

（実施形態４）
図８は、第４の実施形態に係る化合物半導体基板４００の断面図である。化合物半導体基板４００は、化合物半導体基板１００と同様に、基板１０２の上に半導体結晶層を有し、半導体結晶層には、下地層１０４、応力緩和層１０６および機能層１０８を有する。ただし、化合物半導体基板４００の応力緩和層１０６の積層構造１０６ｃは、第３結晶層１０６ｄより機能層１０８の側に位置する１以上の結晶層を有していてもよい。積層構造１０６ｃにおける最も機能層１０８側に位置する結晶層である第ｎ結晶層１０６ｎの面内格子定数は、｛ｃ１＋ｃ２＋・・・ｃ（ｎ－１）＋ｃｎ－ｎ×ｂ｝／（ｎ×ｂ）≦±０．５％を満たすｃｎである。言い換えると、ｃｎは、第１結晶層１０６ａから数えた場合のｎ番目の結晶層（第ｎ結晶層１０６ｎ）の面内格子定数である。ここで、ｎは、４以上の整数である。化合物半導体基板４００のその他の構成は、化合物半導体基板３００と同様である。第３結晶層１０６ｄより機能層１０８の側に位置する結晶層が１層である場合、言い換えると、化合物半導体基板３００における第３結晶層１０６ｄに接して、第４結晶層１０６ｅのみが配される場合、第１結晶層１０６ａ、第２結晶層１０６ｂ、第３結晶層１０６ｄおよび第４結晶層１０６ｎが順次積層される構成となる。図８では、積層構造１０６ｃが複数積層された態様が示されているが、化合物半導体基板４００は、１つの積層構造１０６ｃを有してもよい。言い換えると、化合物半導体基板４００における積層構造１０６ｃの繰返し周期数は１であってもよい。

【0077】

第ｎ結晶層１０６ｎは、例えばＡｌ_ｚ２Ｇａ_１－ｚ２Ｎ（０≦ｚ２≠１）からなり、代表的には０．０≦ｚ２≦０．５を満足する層である。第ｎ結晶層１０６ｎの厚さは任意である。ただし第ｎ結晶層１０６ｎの面内格子定数は｛ｃ１＋ｃ２＋・・・＋ｃ（ｎ－１）＋ｃｎ－ｎ×ｂ｝／（ｎ×ｂ）≦±０．５％を満たすｃｎとする。第ｎ結晶層１０６ｎは、第ｎ－１結晶層１０６（ｎ－１）とのヘテロ接合面において、結晶格子が第ｎ－１結晶層１０６（ｎ－１）の結晶格子に対しコヒーレントあるいは非コヒーレントに連続するよう形成される。したがって、第１結晶層１０６ａ、第２結晶層１０６ｂ、第３結晶層１０６ｄから第ｎ－１結晶層１０６（ｎ－１）、および第ｎ結晶層１０６ｎにより応力が緩和される。

【0078】

なお、第ｎ結晶層１０６ｎと第ｎ－１結晶層１０６（ｎ－１）のヘテロ界面がコヒーレントあるいは非コヒーレントに連続しているというのは、擬似格子整合あるいは欠陥等による格子緩和が発生していることをいい、コヒーレントあるいは非コヒーレント成長された領域が混在していてもよい。

【0079】

以上実施形態１～４で説明した各層の構成は、その組み合わせが発明の趣旨と矛盾しない限り、任意に組み合わせることが可能である。また、実施形態１～４で説明した各結晶層の組成および層内での分布は、明示した条件を満たす限り任意である。例えば、各結晶層における厚さ方向の組成分布が、均一であってもよく、グレーティッドに変化しているものであってもよい。また、実施形態１～４で説明した各結晶層の厚さは、明示した条件を満たす限り任意である。各結晶層における組成分布および厚さの組み合わせも、明示した条件を満たす限り任意に組み合わせることができる。
また、実施形態２～４においても実施形態１と同様に、中間層１１０、活性層１１２、またはコンタクト層１１４の少なくともいずれかを更に有してもよい。

【0080】

実施形態１～４で説明した各半導体結晶層は、一般的なエピタキシャル成長法、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により形成することができる。例えばＭＯＣＶＤ法に用いる原料ガス、製造装置、製膜温度等の製造条件についても周知の材料、装置、条件を適用できる。ただし、化合物半導体基板１００～４００の製造方法において、応力緩和層１０６の厚さＤを下記の（１）式に示す式に従い決定し、決定した厚さＤで応力緩和層１０６を形成することができる。
５００≦Ｄ＝（ｄ１＋ｄ２＋・・・＋ｄ（ｎ－１）＋ｄｎ）×Ｐ≦１００００ｎｍ（ｎｍ） …（１）式
ただし、前記（１）式中、ｄ１、ｄ２、・・・、ｄ（ｎ－１）、ｄｎは、それぞれ第１結晶層１０６ａの厚さ、第２結晶層１０６ｂの厚さ、・・・・、第ｎ－１結晶層１０６（ｎ－１）の厚さ、及び第ｎ結晶層１０６ｎの厚さであり、Ｐは、繰り返し周期数である。当該方法によれば、格子緩和率が大きく、表面粗さが良好で、かつ、転位密度が低い化合物半導体基板１００～４００を製造することができる。

【0081】

上記した実施形態１～４において、応力緩和層１０６（または応力緩和層１０６が積層構造１０６ｃを備える場合は第１結晶層１０６ａ）より基板１０２の側に位置する下層結晶層と、応力緩和層１０６または第１結晶層１０６ａとのヘテロ接合面では、応力緩和層１０６または第１結晶層１０６ａの結晶格子が、下層結晶層の結晶格子に対しコヒーレントに連続せず、界面においてコヒーレントな領域と格子緩和している領域が混在する中、格子緩和している領域が支配的である状態が好ましい。ここで言う下層結晶層とは、応力緩和層１０６または第１結晶層１０６ａより基板側で、応力緩和層１０６または第１結晶層１０６ａと接して配された結晶層をいう。具体的には、応力緩和層１０６または第１結晶層１０６ａと接する、下地層１０４、中間層１１０（図２参照）、第２結晶層１０６ｂ（図６参照）、第３結晶層１０６ｄ（図７参照）、または第ｎ結晶層１０６ｎ（図８参照）をいう。さらに、下地層１０４および中間層１１０を有しない場合は、応力緩和層１０６または第１結晶層１０６ａに接する基板１０２が下層結晶層に対応する。

【0082】

また、上記した実施形態１～４において、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）で表される半導体結晶層を構成する各結晶層の面内格子定数は、Ａｌ組成比ｘで制御可能である。また、ヘテロ接合面における非コヒーレントな成長は、成長温度等プロセス条件により制御できる。

【0083】

（実施形態５）
実施形態１～４では、化合物半導体基板１００～４００として本発明の特徴を把握したが、本発明の特徴は、検査方法として把握することも可能である。すなわち、基板１０２と、基板１０２の上の半導体結晶層と、を有し、前記半導体結晶層が、下地層１０４と、応力を緩和する応力緩和層１０６と、キャリアを制御する機能層１０８と、を有し、下地層１０４、応力緩和層１０６および機能層１０８が、基板１０２の側から、下地層１０４、応力緩和層１０６、機能層１０８の順に配置された化合物半導体基板の検査方法であって、半導体結晶層の非対称回折面におけるＸ線逆格子マッピングによる機能層１０８の下地層１０４に対する格子緩和率が６０％以上の場合に加え、かつ、前記機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が、５５０ａｒｃｓｅｃ未満である場合に合格と判定することができる。合格と判定する化合物半導体基板の検査方法として把握することができる。検査対象の化合物半導体基板は、中間層１１０、活性層１１２、およびコンタクト層１１４を有していてもよい。本実施形態に係る検査方法においては、合否判定に用いる格子緩和率の閾値は、６０％に限られず、変更されてもよい。

【実施例0084】

次に本発明の実施例を示すが、実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

【0085】

（実施例１）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層および機能層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の積層構造として、第１結晶層として６～１００ｎｍの厚さのＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎの層を、第２結晶層として６～１２５ｎｍの厚さのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの層を形成した。第２結晶層は、第１結晶層における下地層側の面と反対側の面に形成した。上記積層構造を１．５～５０回繰り返して積層し、応力緩和層の総厚さが約６００ｎｍになるように、各厚さと繰り返し数を調整した。機能層として２５００ｎｍの厚さのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６２Ｇａ_０．３８Ｎの層を形成した。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。上記のようにして実験例１～１０の化合物半導体基板を作製した。

【0086】

（比較例１Ａ）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に機能層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。機能層として２５００ｎｍの厚さのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６２Ｇａ_０．３８Ｎの層を形成した。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。上記のようにして実験例１１の化合物半導体基板を作製した。応力緩和層を形成しないこと以外は実施例１と同様の条件とした。

【0087】

（比較例１Ｂ）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層および機能層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の積層構造として、第１結晶層としてＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎの層を、第２結晶層としてＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの層を形成し、応力緩和層の総厚さが約６００ｎｍになるように、積層構造の繰り返し数を調整した。応力緩和層の表面に機能層として２５００ｎｍの厚さのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６２Ｇａ_０．３８Ｎの層を形成した。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。（第１結晶層／第２結晶層／積層構造の繰り返し数）の組み合わせとして、（３ｎｍ／３ｎｍ／１００）および（２００ｎｍ／２００ｎｍ／１．５）として実験例１２および１３の化合物半導体基板を作製した。

【0088】

ここで、実験例４の化合物半導体基板（第１結晶層の厚さが５０ｎｍ、第２結晶層の厚さが５０ｎｍ、繰り返し周期数が６）を例にとり、格子緩和率、表面粗さ、および回折面（００２）、（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の評価方法について図９から図１１を用いて説明する。

【0089】

図９のグラフは、半導体基板の非対称面となる回折面（－１－１４）のＸ線逆格子マッピング像である。下地層、機能層のＸ線逆格子平面（Ｑｘ－Ｑｚ平面）における各ピーク位置関係が図９から読み取れる。Ｑｚが成長面に垂直な格子定数の逆数に対応し、Ｑｘは成長面に平行な方向の格子定数の逆数に対応する。なお、Ｑｘ値、Ｑｚ値が小さくなることは格子定数では大きくなることを意味する。下地層のＱｘ値から下地層の面内格子定数ａ＝０．３０９６４ｎｍを算出でき、機能層のＱｘ値から機能層の面内格子定数ｂ＝０．３１３２ｎｍ、ならびにＱｘ値およびＱｚ値からＡｌの組成比０．６２が算出できる。このＡｌ組成比から完全緩和する面内格子定数ｒ＝０．３１３２ｎｍが算出され、Ｒ＝｜（ｂ－ａ）／（ｒ－ａ）｜×１００の式に従い格子緩和率Ｒを算出すると、格子緩和率は１００％という結果が得られる。つまり、実験例４では、機能層は下地層に対して完全に格子緩和していた。なおＱｘ値、Ｑｚ値、Ａｌ組成、および格子緩和率は、ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製解析ソフトＥｐｉｔａｘｙ（ｖｅｒｓｉｏｎ４．５ａ）により決定できる。

【0090】

図１０は、実験例４の化合物半導体基板の表面、言い換えると、機能層の表面を２０μｍ四方視野範囲でスキャンした原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。表面粗さはＲＭＳ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）値で算出され、この図から、表面粗さは５．８ｎｍと良好であり、大きな穴や段差は見られなかった。

【0091】

図１１のグラフは、実験例４の化合物半導体基板の機能層の回折面（００２）および（１０２）面におけるＸ線ロッキングカーブを示したもので、図１１からそれぞれ半値幅は２５０ａｒｃｓｅｃ、および４５８ａｒｃｓｅｃと見積もることができる。非特許文献９（M.A. Moram, et al., Rep. Prog. Phys. 72, 036502 (2009).）に記載の以下の式に従い、螺旋転位密度および刃状転位密度を計算し、機能層の転位密度（螺旋転位密度および刃状転位密度の合計）は１．３×１０^９ｃｍ^－２と算出された。以下では、螺旋転位密度および刃状転位密度の合計転位密度を、単に転位密度と呼称することがある。
螺旋転位密度＝（β_{（００２）} ^２／３６００×２π／３６０）／（４．３５×（０．５０８０／１０^７）^２）（ｃｍ^－２） ・・・（２）式
刃状転位密度＝（β_{（１０２）} ^２／３６００×２π／３６０）／（４．３５×（０．３１３２／１０^７）^２）（ｃｍ^－２） ・・・（３）式
転位密度＝螺旋転位密度＋刃状転位密度 （ｃｍ^－２）
上記（２）式中、β_{（００２）}は、回折面（００２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ａｒｃｓｅｃ）であり、上記（３）式中、β_{（１０２）}は、回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ａｒｃｓｅｃ）である。この計算によれば、実験例４では、螺旋転位密度および刃状転位密度はそれぞれ０．１×１０^９ｃｍ^－２、１．１×１０^９ｃｍ^－２、となり転位密度は１．３×１０^９ｃｍ^－２と見積もられた。

【0092】

実験例１～１３の化合物半導体基板を、上述のように格子緩和率、表面粗さ、回折面（００２）、（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅、および転位密度を評価した。その結果を表１に示す。格子緩和率が６０％以上、かつ、機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５５０ａｒｃｓｅｃ未満である場合を合格（〇）とし、格子緩和率６０％以上および前記半値幅５５０ａｒｃｓｅｃ未満の少なくともいずれかを満たさない場合を不合格（×）とした。

【0093】

【表1】

【0094】

図１２から図１４は、実験例１～５および実験例１２、１３の第１結晶層および第２結晶層の厚さに対する格子緩和率、表面粗さＲＭＳ、および転位密度をプロットしたグラフである。実験例１～５、１２、１３は、応力緩和層の第１結晶層および第２結晶層の厚さを比率１：１として、応力緩和層の合計厚さを約６００ｎｍに固定し、繰り返し周期数を変化させた例である。

【0095】

図１２のグラフから、全ての実験例で格子緩和率は６０％を超え、第１結晶層および第２結晶層の厚さが１０ｎｍを超えると格子緩和率は８０％を超え、２５ｎｍを超えると格子緩和率は９０％を超え、５０ｎｍまで厚くなると格子緩和率は１００％に到達した。

【0096】

図１３のグラフから、第１結晶層および第２結晶層の厚さが厚くなるに従い表面粗さが小さくなった。第１結晶層および第２結晶層の厚さが６ｎｍ以上でＲＭＳは１５．０ｎｍ以下になり、良好な平坦性が実現できた。

【0097】

実験例１～５で回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は５５０ａｒｃｓｅｃ未満であり、図１４のグラフに示されるように、転位密度は２．０×１０^９ｃｍ^－２未満であった。

【0098】

図１５から図１７は、実験例３、６～１０の第２結晶層の厚さに対する格子緩和率、表面粗さＲＭＳ、および転位密度をプロットしたグラフである。実験例３、６～１０は、応力緩和層の第１結晶層の厚さを２５ｎｍで固定しつつ、第２結晶層との厚さ比率を１：０．５～５．０になるよう第２結晶層の厚さを変化させ、かつ繰り返し周期数を変化させることで、応力緩和層の合計厚さを約６００あるいは６２５ｎｍとした例である。

【0099】

図１５のグラフから、実験例３、６～１０で格子緩和率は６０％を超え、第２結晶層の厚さが２５ｎｍを超えると格子緩和率は９０％を超え、５０ｎｍまで厚くなると格子緩和率は９７％に到達した。さらに厚くなると格子緩和率は減少するものの９０％を維持していた。

【0100】

図１６のグラフから、第２結晶層の厚さが１２ｎｍでは表面粗さは２１．０ｎｍであったものの、それ以上の厚さでは表面粗さは１０．０ｎｍ以下であり、良好な平坦性が得られた。

【0101】

図１７のグラフから、実験例３、６～１０で回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は５５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、転位密度は２．０×１０^９ｃｍ^－２未満であった。

【0102】

なお、照度２０００ｌｕｘの蛍光灯照明下で実験例１～１０の化合物半導体基板を肉眼で確認したところ、いずれも化合物半導体基板表面は白濁がなく、鏡面であった。

【0103】

このため、本発明においては、第１結晶層の厚さは６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下としており、第２結晶層の厚さは６ｎｍ以上１２５ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上７５ｎｍ以下とした。

【0104】

応力緩和層を形成しなかった実験例１１の化合物半導体基板についても、実施例１～１０と同様に格子緩和率、表面粗さ、および回折面（００２）、（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅、について評価した。

【0105】

図１８のグラフは、実験例１１の半導体基板の非対称面となる回折面（－１－１４）のＸ線逆格子マッピング像である。格子緩和率を算出すると、１７％という結果が得られた。つまり機能層は下地層に対して完全には格子緩和していなかった。

【0106】

図１９は、実験例１１の半導体基板の表面を２０μｍ四方視野範囲でスキャンした原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像である。表面粗さは２２．０ｎｍであり、この原因として表面に多数観察される大きな段差によるものであった。

【0107】

図２０のグラフは、実験例１１の化合物半導体基板の機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブを示したもので、図２０から半値幅を９１９ａｒｃｓｅｃと見積もることができる。非特許文献９に従い転位密度を計算すると、転位密度は７．３×１０^９ｃｍ^－２であった。

【0108】

また、図１２、１３、１４のグラフにも示されるように、実験例１２、１３の化合物半導体基板の格子緩和率は７５％以上であるものの、２０μｍ四方視野範囲でスキャンした原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像による表面粗さは１５．０ｎｍを超え、回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は５５０ａｒｃｓｅｃを超え、転位密度は２．０×１０^９ｃｍ^－２を超えていた。

【0109】

なお、照度２０００ｌｕｘの蛍光灯照明下で実験例１１～１３の化合物半導体基板を肉眼で確認したところ、化合物半導体基板表面は白濁していた。

【0110】

（実施例２）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層および機能層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の第１結晶層として２５ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ層を、第２結晶層として１２５ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ層を、表２に示す組成比で形成し、第１結晶層と第２結晶層が積層した積層構造を４回繰り返して積層し、応力緩和層の総厚さが約６００ｎｍになるように、各厚さと繰り返し数を調整した。機能層として２５００ｎｍの厚さのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６２Ｇａ_０．３８Ｎの層を形成した。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。（第１結晶層のＡｌ組成比／第２結晶層のＡｌ組成比）の組み合わせとして、（０．８／０．５）、（０．８／０．３５）、（０．９／０．６５）、（０．７／０．２）にして実験例１４～１７の化合物半導体基板を作製した。

【0111】

（比較例２）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層および機能層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の第１結晶層として２５ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ層を、第２結晶層として１２５ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ層を、表２に示す組成比で形成し、第１結晶層と第２結晶層が積層した積層構造を４回繰り返して積層し、応力緩和層の総厚さが約６００ｎｍになるように、各厚さと繰り返し数を調整した。機能層として２５００ｎｍの厚さのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６２Ｇａ_０．３８Ｎの層を形成した。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。（第１結晶層のＡｌ組成比／第２結晶層のＡｌ組成比）の組み合わせとして、（０．７／０．１）にして実験例１８の化合物半導体基板を作製した。

【0112】

実験例１４～１８の化合物半導体基板を、（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）の関係式の他、実施例１と同様に格子緩和率、表面粗さ、回折面（００２）、（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅、および転位密度を評価した。結果を表２に示す。（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）の関係式におけるｂ（機能層の面内格子定数ｂ）に、Ａｌ組成比０．６２の面内格子定数として０．３１３２ｎｍを使用した。
格子緩和率が６０％以上、かつ、機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５５０ａｒｃｓｅｃ未満である場合を合格（〇）とし、格子緩和率６０％以上および前記半値幅５５０ａｒｃｓｅｃ未満の少なくともいずれかを満たさない場合を不合格（×）とした。

【0113】

【表2】

【0114】

表２から、実験例１４～１７の化合物半導体基板における格子緩和率は全て６０％を超え、２０μｍ四方視野範囲でスキャンした原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像による表面粗さは全て７．０ｎｍ以下であり、回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は５５０ａｒｃｓｅｃ以下であり、転位密度は２．０×１０^９ｃｍ^－２未満であった。一方、実験例１８の化合物半導体基板における格子緩和率は１００％であるものの、表面粗さは２０．０ｎｍであり、回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は６２８ａｒｃｓｅｃであり、転位密度は２．４×１０^９ｃｍ^－２であった。

【0115】

（実施例３）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層、機能層および活性層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の第１結晶層として３０ｎｍの厚さのＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎの層を、第２結晶層として３０ｎｍの厚さのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの層を形成し、第１結晶層と第２結晶層が積層した積層構造を繰り返し周期数３０回として繰り返して積層し、応力緩和層の総厚さが１８００ｎｍになるようにした。機能層として厚さが５００～４０００ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６３Ｇａ_０．３７Ｎの層を形成した。活性層は、第１活性結晶層として７．０ｎｍの厚さのＡｌ_０．６０Ｇａ_０．４０Ｎの層を、第２活性結晶層として３．５ｎｍの厚さのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎの層を形成し、第１活性結晶層と第２活性結晶層が積層した活性積層構造を５回繰り返して積層した。各層の組成は、Ａｌ源ガスとＧａ源ガスの比を変えることで変化させた。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。上記のようにして実験例１９～２３の化合物半導体基板を作製した。

【0116】

応力緩和層（第１結晶層、第２結晶層）および機能層の面内格子定数の関係として（ｃ１＋ｃ２－２×ｂ）／（２×ｂ）≦±０．５％とした。上記式中、ｃ１は第１結晶層の面内格子定数であり、ｃ２は第２結晶層の面内格子定数であり、ｂは機能層の面内格子定数である。

【0117】

（比較例３）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に機能層および活性層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。機能層として厚さが５００～４０００ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_０．６２Ｇａ_０．３８Ｎの層を形成した。活性層は、第１活性結晶層として７．０ｎｍの厚さのＡｌ_０．６０Ｇａ_０．４０Ｎの層を、第２活性結晶層として３．５ｎｍの厚さのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎの層を形成し、第１活性結晶層と第２活性結晶層で構成される活性積層構造を５回繰り返して積層した。各層の組成は、Ａｌ源ガスとＧａ源ガスの比を変えることで変化させた。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。上記のようにして実験例２４～２６の化合物半導体基板を作製した。なお応力緩和層を形成しないこと以外は実施例２と同様の条件とした。

【0118】

実験例１９～２６の化合物半導体基板を表面粗さ、格子緩和率、回折面（００２）、（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅、およびフォトルミネッセンス（ＰＬ）における発光強度について評価した。表面粗さはＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の２μｍ四方視野におけるＲＭＳ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）で評価した。格子緩和率は、回折面（－１－１４）における、下地層と機能層のピーク位置関係から評価し、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅はω／２θによるＸ線回折法で測定した。ＰＬは２６６ｎｍのレーザーを励起光として、２７５～２９０ｎｍで発光するスペクトルのピーク強度を評価した。

【0119】

実験例１９～２６の化合物半導体基板を、格子緩和率、表面粗さ、回折面（００２）、（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅、転位密度、フォトルミネッセンス（ＰＬ）における発光強度、およびシート抵抗の面内分布について評価した結果を表３および図２１から図２４に示す。
格子緩和率が６０％以上、かつ、機能層の回折面（１０２）におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５５０ａｒｃｓｅｃ未満である場合を合格（〇）とし、格子緩和率６０％以上および前記半値幅５５０ａｒｃｓｅｃ未満の少なくともいずれかを満たさない場合を不合格（×）とした。

【0120】

【表3】

【0121】

図２１のグラフから、実験例１９～２３（実施例３）の化合物半導体基板は格子緩和率が全て７０％を超え、機能層の厚さが２０００ｎｍ以上で緩和率は９０％を超えた。一方、実験例２４～２６（比較例３）の化合物半導体基板は格子緩和率が全て６０％未満であった。

【0122】

図２２のグラフから、実験例１９～２３の化合物半導体基板はＲＭＳが全て６．０ｎｍ未満であり、一方、実験例２４～２６の化合物半導体基板はＲＭＳが全て６．０ｎｍを超えていた。

【0123】

実験例１９～２３の化合物半導体基板は（１０２）面の半値幅が全て５５０ａｒｃｓｅｃ未満であり、一方、実験例２４～２６の化合物半導体基板は（１０２）面の半値幅は、機能層の厚さが１０００ｎｍで４５０ａｒｃｓｅｃであったが、機能層の厚さが２０００ｎｍ以上では５５０ａｒｃｓｅｃを超えていた。図２３に示すように、実験例１９～２３では転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２未満であり、実験例２４～２６では転位密度が２．０×１０^９ｃｍ^－２以上であった。

【0124】

図２４のグラフから、ＰＬ発光強度が機能層の厚さが１０００ｎｍ（実験例２０）でＰＬ発光強度が８０００、厚さ２０００ｎｍ（実験例２１）でＰＬ発光強度が３００００を示した。一方、実験例２４～２６の化合物半導体基板では、機能層の厚さに関係なくＰＬ発光強度が全て７０００未満であった。

【0125】

図２５のグラフから、実験例１９～２３の化合物半導体基板はシート抵抗の面内分布が全て１２％以下を示した。一方、実験例２４～２６の化合物半導体基板は、機能層の厚さが５００ｎｍでは面内分布が１０％であったが、厚さが２０００ｎｍ、４０００ｎｍでは面内分布が４０％、８０％と増大した。

【0126】

なお、照度２０００ｌｕｘの蛍光灯照明下で実験例１９～２３の化合物半導体基板を肉眼で確認したところ、いずれも化合物半導体基板表面は白濁がなく、鏡面であった。一方、照度２０００ｌｕｘの蛍光灯照明下で実験例２４～２６の化合物半導体基板を肉眼で確認したところ、化合物半導体基板表面は白濁していた。

【0127】

（実施例４）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の第１結晶層として３０ｎｍの厚さのＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎの層を、第２結晶層として３０ｎｍの厚さのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの層を形成し、第１結晶層と第２結晶層が積層した積層構造を繰り返し周期数１０から４０回繰り返して積層し、応力緩和層の総厚さが６００ｎｍから２４００ｎｍになるようにした。各層の組成は、Ａｌ源ガスとＧａ源ガスの比を変えることで変化させた。成長温度は１０００～１１５０℃の範囲で変化させた。上記のようにして実験例２７～３０の化合物半導体基板を作製した。実験例２７は、応力緩和層における積層構造の繰返し周期数が１０であり、応力緩和層の総厚さが６００ｎｍの例である。実験例２８は、応力緩和層における積層構造の繰返し周期数が２０であり、応力緩和層の総厚さが１２００ｎｍの例である。実験例２９は、応力緩和層における積層構造の繰返し周期数が３０であり、応力緩和層の総厚さが１８００ｎｍの例である。実験例３０は、応力緩和層における積層構造の繰返し周期数が４０であり、応力緩和層の総厚さが２４００ｎｍの例である。

【0128】

実験例２７～３０の化合物半導体基板の光反射分光分析を行った。詳細には、Ｏｃｅａｎ Ｉｎｓｉｇｈｔ製反射分光装置を用い、実験例２７～３０の化合物半導体基板にキセノンランプとハロゲンランプを照射して、２４０～３２０ｎｍの範囲の反射強度を評価した。

【0129】

図２６は、光反射分光分析結果の一例として、実験例２９の反射スペクトルをプロットしたグラフである。図２６中、実線は測定値を示し、破線は計算値を示している。図２６のグラフに示すように、実験例２９では、波長２８０ｎｍの位置に反射率のピークがあり、最大反射率は０．８を示した。図２７は、実験例２７～３０の反射率をプロットしたグラフであり、横軸に示すＤＢＲ ｐａｉｒは、応力緩和層における積層構造の繰返し周期数を示す。また、図２７のグラフから応力緩和層の繰り返し周期数を１０から４０に増やすと反射率が０．５３から０．８４まで増大することが分かった。

【0130】

（実施例５）
サファイア基板（大きさ：直径５０ｍｍ）上に、下地層としてＡｌＮを３００～４００ｎｍの厚さで形成したＡｌＮテンプレートを準備し、その上に応力緩和層、機能層、活性層およびコンタクト層を、順次、ＭＯＣＶＤ法により形成した。応力緩和層の第１結晶層として３０ｎｍの厚さのＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ｎの層を、第２結晶層として３０ｎｍの厚さのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ｎの層を形成し、これら積層構造を繰り返し周期数３０回繰り返して積層し、応力緩和層の総厚さが１８００ｎｍになるようにした。機能層として厚さが２５００ｎｍのＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層（ＳｉドープＡｌ_０．６３Ｇａ_０．３７Ｎ）を形成した。活性層は、第１活性結晶層として７．０ｎｍの厚さのＡｌ_０．６０Ｇａ_０．４０Ｎの層を、第２活性結晶層として３．５ｎｍの厚さのＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｎの層を形成し、第１活性結晶層と第２活性結晶層で構成される活性積層構造を５回繰り返して積層した。コンタクト層として１２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＢＮコンタクト層を形成した。各層の組成は、Ａｌ源ガスとＧａ源ガスおよびＢ源ガスの比を変えることで変化させた。成長温度は１０００～１３５０℃の範囲で変化させた。上記のようにして実験例３１の化合物半導体基板を作製した。

【0131】

実験例３１の化合物半導体基板をＸ線回折について測定した。ω／２θ測定モードにて、２θを２５から４０ｄｅｇｒｅｅの範囲で測定した。

【0132】

図２８のグラフから、２θ＝２６．７２ｄｅｇｒｅｅ、３５．３１ｄｅｇｒｅｅ、３５．３９ｄｅｇｒｅｅ、および３５．９９ｄｅｇｒｅｅのピークは、それぞれ六方晶ＢＮコンタクト層、応力緩和層、ＡｌＧａＮ機能層、ＡｌＮ下地層を示すピークである。ＡｌＧａＮ活性層は、厚みが小さかったため、そのＸ線回折ピークは観測されなかった。六方晶ＢＮコンタクト層の高温成長を行ってもＡｌＧａＮ機能層、応力緩和層、およびＡｌＮ下地層の結晶破壊は起きていないことが確認された。

【符号の説明】

【0133】

１００、２００、３００，４００ 化合物半導体基板
１０２ 基板
１０４ 下地層
１０６ 応力緩和層
１０６ａ 第１結晶層
１０６ｂ 第２結晶層
１０６ｃ 積層構造
１０６ｄ 第３結晶層
１０６ｎ 第ｎ結晶層
１０８ 機能層
１１０ 中間層
１１２ 活性層
１１４ コンタクト層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】