ホーム > 特許ランキング > エア・ウォーター株式会社
(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】
(24)【登録日】2022-10-13
(45)【発行日】2022-10-21
(54)【発明の名称】化合物半導体基板
(51)【国際特許分類】
C30B 29/38 20060101AFI20221014BHJP
C30B 25/18 20060101ALI20221014BHJP
C23C 16/34 20060101ALI20221014BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20221014BHJP
【ＦＩ】
C30B29/38 C
C30B25/18
C30B29/38 D
C23C16/34
H01L21/205
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2018241389
(22)【出願日】2018-12-25
(65)【公開番号】P2020100539
(43)【公開日】2020-07-02
【審査請求日】2020-12-10
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000126115
【氏名又は名称】エア・ウォーター株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100110788
【弁理士】
【氏名又は名称】椿 豊
(72)【発明者】
【氏名】大内 澄人
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 悠宜
(72)【発明者】
【氏名】生川 満久
(72)【発明者】
【氏名】川村 啓介
【審査官】篠原 法子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－０５３３８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１４０５２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００７／０７７６６６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／０６９０８７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ １／００ －３５／００
Ｃ２３Ｃ１６／００ －１６／５６
Ｈ０１Ｌ２１／２０５
Ｈ０１Ｌ２１／３１
Ｈ０１Ｌ２１／３６５
Ｈ０１Ｌ２１／４６９
Ｈ０１Ｌ２１／８６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成されたＡｌを含む第１の窒化物半導体層であって、厚さ方向に沿って前記Ｓｉ基板から離れるに従ってＡｌ濃度が減少する傾斜層である第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層であって、前記第１の窒化物半導体層の平均Ａｌ濃度よりも低い平均Ａｌ濃度を有する第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に形成されたＡｌを含む第３の窒化物半導体層であって、前記第２の窒化物半導体層の平均Ａｌ濃度よりも高い平均Ａｌ濃度を有する第３の窒化物半導体層とを備え、
前記第３の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度は、前記第１の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度よりも低く、
前記第１の窒化物半導体層内に存在している貫通転位の少なくとも一部は、前記第２の窒化物半導体層によって覆われており、
前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層との界面は滑り面である、化合物半導体基板。
【請求項2】
前記第２の窒化物半導体層はＧａＮよりなり、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項3】
前記第１の窒化物半導体層は、下部層と、
前記下部層上に形成され、前記下部層の平均Ａｌ濃度よりも低い平均Ａｌ濃度を有する上部層とを含む、請求項１または２に記載の化合物半導体基板。
【請求項4】
前記第１の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＡ、前記第３の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＢとした場合、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＢの比率（ＤＢ／ＤＡ）は０より大きく０．６以下である、請求項１～３のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【請求項5】
前記第１の窒化物半導体層の厚さＷ１に対する前記第２の窒化物半導体層の厚さＷ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）は０．００７以上０．２６以下である、請求項１～４のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【請求項6】
前記第３の窒化物半導体層上に形成されたＧａＮ層をさらに備えた、請求項１～５のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【請求項7】
前記第１の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＡ、前記ＧａＮ層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＣとした場合、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＣの比率（ＤＣ／ＤＡ）は０より大きく０．３以下である、請求項６に記載の化合物半導体基板。
【請求項8】
上部複合層をさらに備え、前記上部複合層は、
上下方向に積層された複数の上部ＧａＮ層と、
前記複数の上部ＧａＮ層の各々の間に形成されたＡｌを含む上部窒化物半導体層とを含み、
前記ＧａＮ層は前記複数の上部ＧａＮ層のうち最下層の上部ＧａＮ層であり、
前記複数の上部ＧａＮ層の各々の厚さＷ３に対する前記上部窒化物半導体層の厚さＷ４の比率（Ｗ４／Ｗ３）は０．００１５以上０．０２５以下である、請求項６または７に記載の化合物半導体基板。
【請求項9】
前記Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ層と、前記ＳｉＣ層上に形成されたＡｌＮよりなるバッファー層とをさらに備え、
前記第１の窒化物半導体層は前記バッファー層上に形成される、請求項１～８のいずれか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し、より特定的には、Ａｌ（アルミニウム）を含む窒化物半導体層内の貫通転位を低減することのできる化合物半導体基板に関する。
【背景技術】
【0002】
ＧａＮ（窒化ガリウム）は、Ｓｉ（ケイ素）に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いワイドバンドギャップ半導体材料として知られている。ＧａＮは、他のワイドバンドギャップ半導体材料と比べても高い耐絶縁破壊性を有するので、次世代の低損失なパワーデバイスへの適用が期待されている。
【0003】
ＧａＮを用いた半導体デバイスのスタート基板（下地基板）にＳｉ基板を用いた場合、ＧａＮとＳｉとの間の格子定数および熱膨張係数の大きな差に起因して、基板に反りが発生したり、ＧａＮ層内にクラックが発生したりする現象が起こりやすくなる。このため、スタート基板として、Ｓｉ基板上にＳｉＣ（炭化ケイ素）層などを形成した化合物半導体基板を採用することで、ＧａＮとＳｉとの間の格子定数および熱膨張係数の差をＳｉＣ層などによって緩和する技術が提案されている。
【0004】
このような技術として、下記特許文献１などには、基板の反りやクラックの発生を抑止する技術が開示されている。下記特許文献１には、ＳｉＣ層と、ＳｉＣ層上に形成されたＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファー層と、ＡｌＮバッファー層上に形成されたＡｌを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に形成された第１のＧａＮ層と、第１のＧａＮ層に接触して第１のＧａＮ層上に形成された第１のＡｌＮ中間層と、第１のＡｌＮ中間層に接触して第１のＡｌＮ中間層上に形成された第２のＧａＮ層とを備えた化合物半導体基板が開示されている。
【0005】
従来のＧａＮ層を備えた半導体基板は、下記特許文献２にも開示されている。下記特許文献２には、ＳｉＣよりなる基板と、基板上に形成されたＡｌＮよりなる核生成層と、核生成層上に形成されたＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）よりなる傾斜層と、傾斜層上に形成されたＧａＮよりなる窒化物層とを備えた半導体構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１７／０６９０８７号
【文献】特表２０１０－５２１０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来のＧａＮ層を備えた半導体基板においては、バッファー層としてＡｌを含む窒化物半導体層（ＡｌＧａＮなど）が用いられることが多かった。しかし、従来のＡｌを含む窒化物半導体層には、内部の貫通転位が多いという問題があった。また、Ａｌを含む窒化物半導体層上にＧａＮ層を形成した場合には、貫通転位がＧａＮ層内にも引き継がれ、ＧａＮ層内の貫通転位も増加していた。
【0008】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、Ａｌを含む窒化物半導体層内の貫通転位を低減することのできる化合物半導体基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一の局面に従う化合物半導体基板は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成されたＡｌを含む第１の窒化物半導体層であって、厚さ方向に沿ってＳｉ基板から離れるに従ってＡｌ濃度が減少する傾斜層である第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層であって、第１の窒化物半導体層の平均Ａｌ濃度よりも低い平均Ａｌ濃度を有する第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層上に形成されたＡｌを含む第３の窒化物半導体層であって、第２の窒化物半導体層の平均Ａｌ濃度よりも高い平均Ａｌ濃度を有する第３の窒化物半導体層とを備え、第３の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度は、第１の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度よりも低く、第１の窒化物半導体層内に存在している貫通転位の少なくとも一部は、第２の窒化物半導体層によって覆われており、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との界面は滑り面である。
【0010】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第２の窒化物半導体層はＧａＮよりなり、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有する。
【0011】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１の窒化物半導体層は、下部層と、下部層上に形成され、下部層の平均Ａｌ濃度よりも低い平均Ａｌ濃度を有する上部層とを含む。
【0012】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＡ、第３の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＢとした場合、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＢの比率（ＤＢ／ＤＡ）は０より大きく０．６以下である。
【0013】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１の窒化物半導体層の厚さＷ１に対する第２の窒化物半導体層の厚さＷ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）は０．００７以上０．２６以下である。
【0014】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第３の窒化物半導体層上に形成されたＧａＮ層をさらに備える。
【0015】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１の窒化物半導体層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＡ、ＧａＮ層内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＣとした場合、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＣの比率（ＤＣ／ＤＡ）は０より大きく０．３以下である。
【0016】
上記化合物半導体基板において好ましくは、上部複合層をさらに備え、上部複合層は、上下方向に積層された複数の上部ＧａＮ層と、複数の上部ＧａＮ層の各々の間に形成されたＡｌを含む上部窒化物半導体層とを含み、ＧａＮ層は複数の上部ＧａＮ層のうち最下層の上部ＧａＮ層であり、複数の上部ＧａＮ層の各々の厚さＷ３に対する上部窒化物半導体層の厚さＷ４の比率（Ｗ４／Ｗ３）は０．００１５以上０．０２５以下である。
【0017】
上記化合物半導体基板において好ましくは、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ層と、ＳｉＣ層上に形成されたＡｌＮよりなるバッファー層とをさらに備え、第１の窒化物半導体層はバッファー層上に形成される。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、Ａｌを含む窒化物半導体層内の貫通転位を低減することのできる化合物半導体基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第１の実施の形態における複合層４内部のＡｌ濃度の分布を示す図である。
【図3】ＧａＮ層４２ａを構成するＧａＮの二次元成長を模式的に示す図である。
【図4】本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。の構成を示す断面図である。
【図5】本発明の第１の実施例における化合物半導体基板ＣＳ１の作製条件、ならびに貫通転位数の計測位置Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３を示す断面図である。
【図6】本発明の第１の実施例における化合物半導体基板ＣＳ１００の作製条件、ならびに貫通転位数の計測位置Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３を示す断面図である。
【図7】本発明の第１の実施例における貫通転位密度の計測結果を示す図である。
【図8】本発明の第１の実施例における化合物半導体基板の最表層（Ａｌ窒化物半導体層１０）の表面の顕微鏡写真およびエッチピットの密度の計測結果を示す図である。
【図9】本発明の第２の実施例における試料Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３の各々の反り量の計測結果を示す図である。
【図10】本発明の第２の実施例における試料Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３の各々の反り量の計測結果から得られたＧａＮ層４２ｂの厚さと反り量との関係を示すグラフである。
【図11】本発明の第２の実施例における試料Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３の各々の反り量の計測結果を示す図である。
【図12】本発明の第２の実施例における試料Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３の各々の反り量の計測結果から得られたＡｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂの厚さと反り量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【0021】
［第１の実施の形態］
【0022】
図１は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。
【0023】
図１を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１は、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいる。化合物半導体基板ＣＳ１は、Ｓｉ基板１（Ｓｉ基板の一例）と、ＳｉＣ層２（ＳｉＣ層の一例）と、ＡｌＮバッファー層３（バッファー層の一例）と、複合層４と、複合層５（上部複合層の一例）と、ＧａＮ層７と、Ａｌ窒化物半導体層１０とを備えている。
【0024】
Ｓｉ基板１は、たとえばｐ+型のＳｉよりなっている。Ｓｉ基板１の表面には（１１１）面が露出している。なお、Ｓｉ基板１は、ｎ型の導電型を有していてもよいし、半絶縁性であってもよい。Ｓｉ基板１の表面には（１００）面や（１１０）面が露出していてもよい。Ｓｉ基板１は、たとえば６インチの直径を有しており、１０００μｍの厚さを有している。
【0025】
ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１に接触しており、Ｓｉ基板１上に形成されている。ＳｉＣ層２は、３Ｃ－ＳｉＣ、４Ｈ－ＳｉＣ、または６Ｈ－ＳｉＣなどよりなっている。特に、ＳｉＣ層２がＳｉ基板１上にエピタキシャル成長されたものである場合、一般的に、ＳｉＣ層２は３Ｃ－ＳｉＣよりなっている。
【0026】
ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面を炭化することで得られたＳｉＣよりなる下地層上に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いて、ＳｉＣをホモエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面を炭化することのみによって形成されてもよい。さらに、ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面に（またはバッファー層を挟んで）ヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層２は、たとえばＮ（窒素）などがドープされており、ｎ型の導電型を有している。ＳｉＣ層２は、たとえば０．１μｍ以上３．５μｍ以下の厚さを有している。なお、ＳｉＣ層２はｐ型の導電型を有していてもよいし、半絶縁性であってもよい。
【0027】
なお、ＡｌＮバッファー層３の下地層としては任意の材料よりなる層を使用することができる。一例として、Ｓｉ基板１上にＳｉＣ層２を形成せずに、ＡｌＮバッファー層３をＳｉ基板１上に直接形成してもよい。この場合、ＡｌＮバッファー層３の下地層はＳｉ基板１となる。しかし、Ｓｉ基板１とＡｌＮバッファー層３との間にＳｉＣ層２を形成することで、メルトバックエッチング（ＧａＮ層中のＧａが拡散しＳｉ基板１中のＳｉと反応し、Ｓｉ基板１が破壊される現象）をＳｉＣ層２によって確実に抑止することができる。
【0028】
ＡｌＮバッファー層３は、ＳｉＣ層２に接触しており、ＳｉＣ層２上に形成されている。ＡｌＮバッファー層３は、ＳｉＣ層２と、複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層との格子定数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。ＡｌＮバッファー層３は、たとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される。ＡｌＮバッファー層３の成長温度は、たとえば１０００℃以上Ｓｉ融点未満とされる。このとき、Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡ（Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）や、ＴＥＡ（Ｔｒｉ Ｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）などが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3（アンモニア）が用いられる。ＡｌＮバッファー層３は、たとえば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有している。
【0029】
複合層４は、ＡｌＮバッファー層３に接触しており、ＡｌＮバッファー層３上に形成されている。複合層４は、上下方向（Ｓｉ基板１、ＳｉＣ層２、およびＡｌＮバッファー層３の積層方向と同じ方向、図１中縦方向）に積層された複数のＡｌ窒化物半導体層と、複数のＡｌ窒化物半導体層の各々の間に形成されたＧａＮ層とを含んでいる。言い換えれば、複合層４は、Ａｌ窒化物半導体層とＧａＮ層とが１以上の回数だけ交互に積層された構成を有しており、複合層４の最上層および最下層は、いずれもＡｌ窒化物半導体層である。
【0030】
複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層の層数は２層以上であればよく、９層以下であることが好ましい。複合層４を構成するＧａＮ層の層数も１層以上であればよく、８層以下であることが好ましい。本実施の形態の複合層４は、Ａｌ窒化物半導体層として、２層のＡｌ窒化物半導体層４１ａ（第１の窒化物半導体層の一例）および４１ｂ（第３の窒化物半導体層の一例）を含んでおり、ＧａＮ層として１層のＧａＮ層４２ａ（第２の窒化物半導体層の一例）を含んでいる。Ａｌ窒化物半導体層４１ａは、２層のＡｌ窒化物半導体層４１ａおよび４１ｂのうちＳｉ基板１に最も近い位置に形成されており、ＡｌＮバッファー層３と接触している。Ａｌ窒化物半導体層４１ｂは、２層のＡｌ窒化物半導体層４１ａおよび４１ｂのうちＳｉ基板１から最も遠い位置に形成されている。ＧａＮ層４２ａは、Ａｌ窒化物半導体層４１ａとＡｌ窒化物半導体層４１ｂとの間に形成されている。言い換えれば、ＧａＮ層４２ａはＡｌ窒化物半導体層４１ａ上に形成されており、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂはＧａＮ層４２ａ上に形成されている。
【0031】
複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層の各々は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、好ましくはＡｌＧａＮよりなっている。複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層の各々は、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される材料よりなっている。この場合、Ａｌの組成比ｘを０．５以上にすることで、Ｇａの組成比が０．５以下となり、複合層４による反り制御の効果を大きくすることができる。また複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層の各々は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される材料よりなっていてもよい。複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層は、ＡｌＮバッファー層３と複合層５中のＧａＮ層との格子定数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層の総膜厚は、たとえば１００ｎｍ以上３μｍ以下、好ましくは９００ｎｍ以上２μｍ以下の厚さを有している。
【0032】
複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧ（Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ｇａｌｌｉｕｍ）や、ＴＥＧ（Ｔｒｉ Ｅｔｈｙｌ Ｇａｌｌｉｕｍ）などが用いられる。Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡやＴＥＡなどが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3などが用いられる。
【0033】
複合層４を構成するＧａＮ層は、後述するように化合物半導体基板ＣＳ１に凹形状の反りを発生させる役割を果たす。
【0034】
複合層４を構成するＧａＮ層は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧやＴＥＧなどが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3などが用いられる。
【0035】
複合層４を構成するＧａＮ層は、たとえば３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。複合層４を構成するＧａＮ層が複数である場合、複合層４を構成するＧａＮ層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。
【0036】
また、Ａｌ窒化物半導体層４１ａの厚さを厚さＷ１とし、ＧａＮ層４２ａの厚さを厚さＷ２とした場合、厚さＷ１に対する厚さＷ２の比率（Ｗ２／Ｗ１）は０．００７以上０．２６以下であることが好ましい。
【0037】
複合層５は、複合層４（Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ）に接触しており、複合層４（Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ）上に形成されている。複合層５は、上下方向（Ｓｉ基板１、ＳｉＣ層２、ＡｌＮバッファー層３、および複合層４の積層方向と同じ方向、図１中縦方向）に積層された複数のＧａＮ層と、複数のＧａＮ層の各々の間に形成されたＡｌ窒化物半導体層とを含んでいる。言い換えれば、複合層５は、ＧａＮ層とＡｌ窒化物半導体層とが１以上の回数だけ交互に積層された構成を有しており、複合層５の最上層および最下層は、いずれもＧａＮ層である。
【0038】
複合層５を構成するＧａＮ層の層数は２層以上であればよく、９層以下であることが好ましい。複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層の層数も１層以上であればよく、８層以下であることが好ましい。本実施の形態の複合層５は、ＧａＮ層として３層のＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃ（上部ＧａＮ層およびＧａＮ層の一例）を含んでおり、Ａｌ窒化物半導体層として２層のＡｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂ（上部窒化物半導体層の一例）を含んでいる。ＧａＮ層５１ａは、３層のＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃのうちＳｉ基板１に最も近い位置に形成されており、複合層４（Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ）と接触している。ＧａＮ層５１ｂは、３層のＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃのうち２番目にＳｉ基板１に近い位置に形成されている。ＧａＮ層５１ｃは、３層のＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃのうちＳｉ基板１から最も遠い位置に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層５２ａは、ＧａＮ層５１ａとＧａＮ層５１ｂとの間に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層５２ｂは、ＧａＮ層５１ｂとＧａＮ層５１ｃとの間に形成されている。
【0039】
複合層５を構成するＧａＮ層の各々にはＣ（炭素）がドープされていることが好ましい。ＣはＧａＮ層の絶縁性を高める役割を果たす。ＣがドープされているＧａＮ層は、１×１０18個／ｃｍ3以上１×１０21個／ｃｍ3以下の平均炭素原子濃度を有していることが好ましく、３×１０18個／ｃｍ3以上２×１０19個／ｃｍ3以下の平均炭素濃度を有していることがより好ましい。ＣがドープされているＧａＮ層が複数存在する場合、それらのＧａＮ層は、同一の平均炭素原子濃度を有していてもよいし、互いに異なる平均炭素原子濃度を有していてもよい。
【0040】
複合層５を構成するＧａＮ層にＣをドープする場合、ＴＭＧに含まれるＣがＧａＮ層に取り込まれるようなＧａＮの成長条件が採用される。ＧａＮ層中にＣをドープする具体的な方法としては、ＧａＮの成長温度を下げる方法、ＧａＮの成長圧力を下げる方法、または、ＮＨ3に対してＴＭＧのモル流量比を高くする方法などがある。
【0041】
また、複合層５を構成するＧａＮ層の各々は、たとえば５５０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは８００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の厚さを有している。複合層５を構成するＧａＮ層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。複合層５を構成するＧａＮ層は、複合層４を構成するＧａＮ層と同様の方法で形成される。
【0042】
複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層は、後述するように化合物半導体基板ＣＳ１に凸形状の反りを発生させる役割を果たす。
【0043】
複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、好ましくはＡｌＮよりなっている。複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層は、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される材料よりなっている。この場合、Ａｌの組成比ｘを０．５以上にすることで、Ｇａの組成比が０．５以下となり、複合層４による反り制御の効果を大きくすることができる。また複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される材料よりなっていてもよい。
【0044】
複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層は、たとえば３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは２０ｎｍ以下の厚さを有している。複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層が複数である場合、複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。また、複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層の各々のＡｌ組成比は任意である。複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層は、複合層４を構成するＡｌ窒化物半導体層と同様の方法で形成される。
【0045】
複合層５を構成するＧａＮ層の各々の厚さを厚さＷ３とし、複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層の厚さを厚さＷ４とした場合、厚さＷ３に対する厚さＷ４の比率（Ｗ４／Ｗ３）は０．００１５以上０．０２５以下であることが好ましい。
【0046】
ＧａＮ層７は、複合層５に接触しており、複合層５上に形成されている。ＧａＮ層７は、アンドープであり、半絶縁性である。ＧａＮ層７は、ＨＥＭＴの電子走行層となる。ＧａＮ層７は、たとえば１００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の厚さを有している。ＧａＮ層７は、複合層４を構成するＧａＮ層と同様の方法で形成される。
【0047】
Ａｌ窒化物半導体層１０は、ＧａＮ層７に接触しており、ＧａＮ層７上に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層１０は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される材料よりなっている。またＡｌ窒化物半導体層１０は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される材料よりなっていてもよい。Ａｌ窒化物半導体層１０は、ＨＥＭＴの障壁層となる。Ａｌ窒化物半導体層１０は、たとえば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。Ａｌ窒化物半導体層１０は、複合層４を構成するＧａＮ層と同様の方法で形成される。
【0048】
図２は、本発明の第１の実施の形態における複合層４内部のＡｌ濃度の分布を示す図である。
【0049】
図２を参照して、Ａｌ窒化物半導体層４１ａは、Ａｌ濃度が厚さ方向に沿ってＳｉ基板１から離れるに従って（図１中上方向に向かって）減少する傾斜層である。本実施の形態では、Ａｌ窒化物半導体層４１ａは、下部層４１１（下部層の一例）と、下部層４１１上に形成された上部層４１２（上部層の一例）とを含んでいる。下部層４１１および上部層４１２の各々は厚さ方向に均一なＡｌ濃度分布を有している。下部層４１１の平均Ａｌ濃度は濃度Ｓ１ａであり、上部層４１２の平均Ａｌ濃度は濃度Ｓ１ｂである。上部層４１２の平均Ａｌ濃度（濃度Ｓ１ｂ）は、下部層４１１の平均Ａｌ濃度（濃度Ｓ１ａ）よりも低い。Ａｌ窒化物半導体層４１ａの平均Ａｌ濃度は濃度Ｓ１である。
【0050】
なお、Ａｌ窒化物半導体層４１ａは、Ａｌ濃度が厚さ方向に沿ってＳｉ基板１から離れるに従って一定の割合で減少する傾斜層であってもよい。
【0051】
ＧａＮ層４２ａは、Ａｌ窒化物半導体層４１ａの平均Ａｌ濃度（濃度Ｓ１）よりも低い平均Ａｌ濃度を有している。ＧａＮ層４２ａの平均Ａｌ濃度は０（％）であることは言うまでもない。なお、複合層４中のＧａＮ層は、０より大きく濃度Ｓ１よりも低い平均Ａｌ濃度を有するＡｌ窒化物半導体層によって置き換えられてもよい。
【0052】
Ａｌ窒化物半導体層４１ｂは、ＧａＮ層４２ａの平均Ａｌ濃度よりも高い平均Ａｌ濃度を有している。Ａｌ窒化物半導体層４１ｂの平均Ａｌ濃度は濃度Ｓ２である。濃度Ｓ２は濃度Ｓ１よりも高くても低くてもよい。
【0053】
複合層４を構成する各層のＡｌ濃度は、ＭＯＣＤＶにより成膜する際に使用する原料ガスに占めるＡｌ源ガスの濃度比や成膜温度などにより調整可能である。また、複合層４を構成する各層のＡｌ濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの方法によって計測される。さらに、化合物半導体基板を構成する各層の厚さは、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて化合物半導体基板の断面を観察することにより計測される。
【0054】
続いて、本実施の形態の効果を説明する。
【0055】
図３は、ＧａＮ層４２ａを構成するＧａＮの二次元成長を模式的に示す図である。
【0056】
図３を参照して、本願発明者らは、傾斜層であるＡｌ窒化物半導体層４１ａ上に、Ａｌ窒化物半導体層４１ａの成膜温度よりも低い成膜温度でＧａＮ層４２ａ（Ａｌ窒化物半導体層４１ａの平均Ａｌ濃度よりも低い平均Ａｌ濃度を有する窒化物半導体層）を形成することにより、ＧａＮの二次元成長（図３中矢印で示す方向の成長）が促進されることを見出した。これにより、下層に存在していた貫通転位ＴＤがＧａＮ層４２ａによって覆われ、ＧａＮ層４２ａの上層であるＡｌ窒化物半導体層４１ｂの貫通転位を低減することができる。ひいては、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂの上層であるＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの貫通転位を低減することができる。
【0057】
具体的には、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度は、Ａｌ窒化物半導体層４１ａ内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度よりも低い。また、Ａｌ窒化物半導体層４１ａ内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＡ、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＢとした場合、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＢの比率（ＤＢ／ＤＡ）は０より大きく０．６以下である。さらに、ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、または５１ｃの内部の厚さ方向の任意の位置における貫通転位密度を貫通転位密度ＤＣとした場合、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＣの比率（ＤＣ／ＤＡ）は０より大きく０．３以下である。
【0058】
加えて本実施の形態によれば、化合物半導体基板ＣＳ１の反りを容易に制御することができる。
【0059】
なお、以降の説明における「凸形状」および「凹形状」とは、Ｓｉ基板１を下側、Ａｌ窒化物半導体層１０を上側にした場合の凸形状および凹形状を意味している。
【0060】
図１を参照して、複合層４におけるＧａＮ層４２ａと、ＧａＮ層４２ａの下地層であるＡｌ窒化物半導体層４１ａと、ＧａＮ層４２ａの上層であるＡｌ窒化物半導体層４１ｂとの関係に着目する。
【0061】
ＧａＮ層４２ａとＡｌ窒化物半導体層４１ａとの界面ＢＲ１は滑り面となっている。言い換えれば、界面ＢＲ１においてＧａＮ層４２ａの結晶とＡｌ窒化物半導体層４１ａの結晶とは不整合となっている。このため、ＧａＮ層４２ａの結晶構造に及ぼすＡｌ窒化物半導体層４１ａの結晶構造の影響は小さく、ＧａＮ層４２ａの格子定数に及ぼすＡｌ窒化物半導体層４１ａの格子定数の影響は小さい。
【0062】
一方、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂは、下地層であるＧａＮ層４２ａの表面の結晶面に揃うように成長する。このため、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂの結晶構造はＧａＮ層４２ａの結晶構造の影響を受け、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂの格子定数はＧａＮ層４２ａの格子定数の影響を受ける。Ａｌ窒化物半導体層４１ｂを構成する材料（ＡｌＧａＮやＡｌＮなど）の格子定数はＧａＮ層４２ａを構成するＧａＮの格子定数よりも小さいため、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂには引張り応力が加わり、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂの内部には引張り歪みが発生する。引張り応力の反作用として、複合層４は化合物半導体基板ＣＳ１に凹形状の反りを発生させる。
【0063】
なお、ＧａＮ層４２ａのエピタキシャル成長の条件（温度や圧力など）を制御することで、ＧａＮ層４２ａとＡｌ窒化物半導体層４１ａとの界面ＢＲ１を滑り面とすることができる。また、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂのエピタキシャル成長の条件（温度や圧力など）を制御することで、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂをＧａＮ層４２ａの表面の結晶面にすべりが生じないように成長（コヒーレント成長）させることができる。
【0064】
凹形状の反りを発生させる複合層４の作用は、複合層４を構成するＧａＮ層が厚くなるほど大きくなる。一方で、複合層４を構成するＧａＮ層が厚すぎるとＧａＮ層の内部にクラックが発生しやすくなる。複合層４を構成するＧａＮ層の内部へのクラックの発生を抑止しつつ複合層４による凹形状の反りを効果的に発生させるためには、複合層４中の１層当たりのＧａＮ層の厚さを３ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とし、複合層４中のＧａＮ層の数を１～２層程度にすることが好ましい。
【0065】
次に、複合層５におけるＡｌ窒化物半導体層５２ｂと、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの下地層であるＧａＮ層５１ｂと、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの上層であるＧａＮ層５１ｃとの関係に着目する。
【0066】
Ａｌ窒化物半導体層５２ｂとＧａＮ層５１ｂとの界面ＢＲ２は滑り面となっている。言い換えれば、界面ＢＲ２においてＡｌ窒化物半導体層５２ｂの結晶とＧａＮ層５１ｂの結晶とは不整合となっている。このため、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの結晶構造に及ぼすＧａＮ層５１ｂの結晶構造の影響は小さく、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの格子定数に及ぼすＧａＮ層５１ｂの格子定数の影響は小さい。
【0067】
一方、ＧａＮ層５１ｃは、下地層であるＡｌ窒化物半導体層５２ｂの表面の結晶面に揃うように成長する。このため、ＧａＮ層５１ｃの結晶構造はＡｌ窒化物半導体層５２ｂの結晶構造の影響を受け、ＧａＮ層５１ｃの格子定数はＡｌ窒化物半導体層５２ｂの格子定数の影響を受ける。ＧａＮ層５１ｃを構成するＧａＮの格子定数はＡｌ窒化物半導体層５２ｂを構成する材料（ＡｌＧａＮやＡｌＮなど）の格子定数よりも大きいため、ＧａＮ層５１ｃには圧縮応力が加わり、ＧａＮ層５１ｃの内部には圧縮歪みが発生する。圧縮応力の反作用として、複合層５は化合物半導体基板ＣＳ１に凸形状の反りを発生させる。
【0068】
なお、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂのエピタキシャル成長の条件（温度や圧力など）を制御することで、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂとＧａＮ層５１ｂとの界面ＢＲ２を滑り面とすることができる。また、ＧａＮ層５１ｃのエピタキシャル成長の条件（温度や圧力など）を制御することで、ＧａＮ層５１ｃをＡｌ窒化物半導体層５２ｂの表面の結晶面に揃うように成長させることができる。
【0069】
複合層５におけるＡｌ窒化物半導体層５２ａと、Ａｌ窒化物半導体層５２ａの下地層であるＧａＮ層５１ａと、Ａｌ窒化物半導体層５２ａの上層であるＧａＮ層５１ｂとの関係に着目した場合にも同様のことが言える。すなわち、Ａｌ窒化物半導体層５２ａの結晶構造に及ぼすＧａＮ層５１ａの結晶構造の影響は小さく、Ａｌ窒化物半導体層５２ａの格子定数に及ぼすＧａＮ層５１ａの格子定数の影響は小さい。一方、ＧａＮ層５１ｂは、下地層であるＡｌ窒化物半導体層５２ａの表面の結晶面に揃うように成長する。ＧａＮ層５１ｂにはＡｌ窒化物半導体層５２ａの影響により圧縮応力が加わり、ＧａＮ層５１ｂの内部には圧縮歪みが発生する。
【0070】
凸形状の反りを発生させる複合層５の作用は、複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層が厚くなるほど大きくなる。一方で、複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層が厚すぎるとＡｌ窒化物半導体層の内部にクラックが発生しやすくなる。複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層の内部へのクラックの発生を抑止しつつ複合層５による凸形状の反りを効果的に発生させるためには、複合層５中の１層当たりのＡｌ窒化物半導体層の厚さを３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とし、複合層５中のＡｌ窒化物半導体層の数を１～２層程度にすることが好ましい。
【0071】
本実施の形態によれば、化合物半導体基板ＣＳ１に凹形状の反りを発生させる機能を有する複合層４と、化合物半導体基板ＣＳ１に凸形状の反りを発生させる機能を有する複合層５との各々を調節することにより、化合物半導体基板ＣＳ１の反りを容易に制御することができる。
【0072】
加えて、滑り面である界面ＢＲ１およびＢＲ２上の半導体層は、下地層の格子定数差や歪みの影響を受けずに成長することができるので、クラックの発生も抑止することができる。さらに、複合層４の層の数が少ないため、容易に化合物半導体基板ＣＳ２を作製することができる。
【0073】
［第２の実施の形態］
【0074】
図４は、本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。
【0075】
図４を参照して、本実施の形態の複合層４は、Ａｌ窒化物半導体層として、３層のＡｌ窒化物半導体層４１ａ、４１ｂ、および４１ｃ（複数の下部窒化物半導体層の一例）を含んでおり、ＧａＮ層として２層のＧａＮ層４２ａおよび４２ｂ（下部ＧａＮ層の一例）を含んでいる。Ａｌ窒化物半導体層４１ａは、３層のＡｌ窒化物半導体層４１ａ、４１ｂ、および４１ｃのうちＳｉ基板１に最も近い位置に形成されており、ＡｌＮバッファー層３と接触している。Ａｌ窒化物半導体層４１ｂは、３層のＡｌ窒化物半導体層４１ａ、４１ｂ、および４１ｃのうち２番目にＳｉ基板１に近い位置に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層４１ｃは、３層のＡｌ窒化物半導体層４１ａ、４１ｂ、および４１ｃのうちＳｉ基板１から最も遠い位置に形成されている。ＧａＮ層４２ａは、Ａｌ窒化物半導体層４１ａとＡｌ窒化物半導体層４１ｂとの間に形成されている。ＧａＮ層４２ｂは、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂとＡｌ窒化物半導体層４１ｃとの間に形成されている。
【0076】
Ａｌ窒化物半導体層４１ａ、ＧａＮ層４２ａ、およびＡｌ窒化物半導体層４１ｂの各々は、図２に示す第１の実施の形態の場合と同じＡｌ濃度の分布を有している。Ａｌ窒化物半導体層４１ｃのＡｌ濃度は任意である。Ａｌ窒化物半導体層４１ｃのＡｌ濃度は、厚さ方向に沿ってＳｉ基板１から離れるに従って減少していてもよいし、厚さ方向に沿って一定であってもよい。
【0077】
本実施の形態における複合層４を構成するＧａＮ層の厚さが第１の実施の形態の場合と同一であると仮定した場合、本実施の形態における複合層４による凹形状の反りを発生させる効果は、第１の実施の形態の複合層４による凹形状の反りを発生させる効果よりも大きくなる。このため、化合物半導体基板ＣＳ２では、化合物半導体基板ＣＳ１よりも凹形状の反り量を大きくすることができる。一方で、本実施の形態における複合層４を構成するＧａＮ層の厚さを１の実施の形態の場合よりも薄くした場合には、化合物半導体基板ＣＳ２においても、化合物半導体基板ＣＳ１と同等の反り量とすることもできる。
【0078】
なお、上述以外の化合物半導体基板ＣＳ２の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成と同様であるため、その説明は繰り返さない。
【0079】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0080】
［実施例］
【0081】
第１の実施例として、本願発明者らは、ＧａＮ層４２ａを形成することによる貫通転位の低減の効果を確認すべく、以下の実験を行った。
【0082】
図５は、本発明の第１の実施例における化合物半導体基板ＣＳ１の作製条件、ならびに貫通転位数の計測位置Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３を示す断面図である。
【0083】
図５を参照して、本発明例Ａとして、図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１（ＧａＮ層４２ａ有りの化合物半導体基板）を作製した。Ｓｉ基板１としてｐ+型の導電性を有する６インチの基板を用いた。Ａｌ窒化物半導体層４１ａとして下部層４１１と上部層４１２とを形成した。ＧａＮ層４２ａの厚さを１５ｎｍとした。Ａｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとした。
【0084】
本発明例Ａにおいて、Ａｌ窒化物半導体層４１ａにおけるＧａＮ層４２ａとの界面から下方に０．１μｍだけ離れた位置を計測位置Ｐ１とした。Ａｌ窒化物半導体層４１ｂにおけるＧａＮ層４２ａとの界面から上方に０．３４μｍだけ離れた位置を計測位置Ｐ２とした。ＧａＮ層５１ａにおけるＡｌ窒化物半導体層４１ｂとの界面から上方に１μｍだけ離れた位置を計測位置Ｐ３とした。
【0085】
次に、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いた観察により、計測位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の各々の断面内に存在する貫通転位の個数を計測した。計測した貫通転位の個数を断面の面積（ここでは９．２５×１０-9ｃｍ2）で除した。これにより、計測位置Ｐ１における貫通転位密度ＤＡ、計測位置Ｐ２におけるＤＢ、および計測位置Ｐ３における貫通転位密度ＤＣを算出した。
【0086】
次に、貫通転位密度ＤＢを貫通転位密度ＤＡで除することにより、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＢの比率（ＤＢ／ＤＡ）を算出した。同様に、貫通転位密度ＤＣを貫通転位密度ＤＡで除することにより、貫通転位密度ＤＡに対する貫通転位密度ＤＣの比率（ＤＣ／ＤＡ）を算出した。なお、比率（ＤＢ／ＤＡ）が小さいことは、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の貫通転位密度ＤＢの減少率が大きいことを意味している。比率（ＤＣ／ＤＡ）が小さいことは、ＧａＮ層５１ａ内の貫通転位密度ＤＣの減少率が大きいことを意味している。
【0087】
図６は、本発明の第１の実施例における化合物半導体基板ＣＳ１００の作製条件、ならびに貫通転位数の計測位置Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３を示す断面図である。
【0088】
図６を参照して、比較例Ｂとして、ＧａＮ層４２ａを含まない化合物半導体基板ＣＳ１００（ＧａＮ層４２ａ無しの化合物半導体基板）を作製した。ＧａＮ層４２ａを含まない点以外の化合物半導体基板ＣＳ１００の構成については、本発明例Ａの化合物半導体基板ＣＳ１と同じにした。
【0089】
比較例Ｂにおいて、Ａｌ窒化物半導体層４１ａにおけるＡｌ窒化物半導体層４１ｂとの界面から下方に０．１μｍだけ離れたの位置を計測位置Ｐ１とした。Ａｌ窒化物半導体層４１ｂにおけるＡｌ窒化物半導体層４１ａとの界面から上方に０．３４μｍだけ離れた位置を計測位置Ｐ２とした。ＧａＮ層５１ａにおけるＡｌ窒化物半導体層４１ｂとの界面から上方に１μｍだけ離れた位置を計測位置Ｐ３とした。
【0090】
次に、本発明例Ａと同様の方法を用いて、計測位置Ｐ１における貫通転位密度ＤＡ、計測位置Ｐ２におけるＤＢ、および計測位置Ｐ３における貫通転位密度ＤＣを算出し、比率（ＤＢ／ＤＡ）および比率（ＤＣ／ＤＡ）を算出した。
【0091】
図７は、本発明の第１の実施例における貫通転位密度の計測結果を示す図である。
【0092】
図７を参照して、本発明例Ａにおいて、計測位置Ｐ１の貫通転位密度ＤＡは９．６×１０9個／ｃｍ2、計測位置Ｐ２の貫通転位密度ＤＢは５．２×１０9個／ｃｍ2、計測位置Ｐ３の貫通転位密度ＤＣは２．２×１０9個／ｃｍ2であった。比率（ＤＢ／ＤＡ）は０．５５であり、比率（ＤＣ／ＤＡ）は０．２３であった。
【0093】
なお、本発明例Ａにおいて、Ａｌ窒化物半導体層４１ａ内の深さ位置が互いに異なる複数の計測位置Ｐ１の各々の貫通転位密度ＤＡを計測し、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の深さ位置が互いに異なる複数の計測位置Ｐ２の各々の貫通転位密度ＤＢを計測し、ＧａＮ層５１ａ内の深さ位置が互いに異なる複数の計測位置Ｐ３の各々の貫通転位密度ＤＣを計測した。その結果、いずれの計測位置の組合せでも、比率（ＤＢ／ＤＡ）は０より大きく０．６以下であり、比率（ＤＣ／ＤＡ）は０より大きく０．３以下であった。
【0094】
比較例Ｂにおいて、計測位置Ｐ１の貫通転位密度ＤＡは１．１×１０10個／ｃｍ2、計測位置Ｐ２の貫通転位密度ＤＢは７．２×１０9個／ｃｍ2、計測位置Ｐ３の貫通転位密度ＤＣは３．８×１０9個／ｃｍ2であった。比率（ＤＢ／ＤＡ）は０．６７であり、比率（ＤＣ／ＤＡ）は０．３５であった。
【0095】
なお、比較例Ｂにおいて、Ａｌ窒化物半導体層４１ａ内の深さ位置が互いに異なる複数の計測位置Ｐ１の各々の貫通転位密度ＤＡを計測し、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の深さ位置が互いに異なる複数の計測位置Ｐ２の各々の貫通転位密度ＤＢを計測し、ＧａＮ層５１ａ内の深さ位置が互いに異なる複数の計測位置Ｐ３の各々の貫通転位密度ＤＣを計測した。その結果、いずれの計測位置の組合せでも、比率（ＤＢ／ＤＡ）は０．６より大きく、比率（ＤＣ／ＤＡ）は０．３より大きかった。
【0096】
以上の結果により、本発明例Ａにおいては、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の貫通転位密度は、Ａｌ窒化物半導体層４１ａ内の貫通転位密度よりも低いことが分かる。また、ＧａＮ層４２ａの導入により、Ａｌ窒化物半導体層４１ｂ内の貫通転位が大きく減少し、ＧａＮ層５１ａ内の貫通転位が大きく減少することが分かる。
【0097】
続いて本願発明者らは、本発明例Ａおよび比較例Ｂの各々について、化合物半導体基板ＣＳ１の最表層（Ａｌ窒化物半導体層１０）の表面に存在するエッチピットの密度を計測した。本発明例Ａおよび比較例Ｂの各々のＡｌ窒化物半導体層１０の表面を、溶融ＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液を用いてエッチングし、Ａｌ窒化物半導体層１０の表面を腐食させた。一般的に、溶融ＫＯＨ溶液を用いたエッチングにより、結晶表面の格子歪みが大きい部分や未結合手が存在する転位芯の部分が選択的にエッチングされることが知られている。次に、Ａｌ窒化物半導体層１０の表面を顕微鏡で観察し、Ａｌ窒化物半導体層１０の表面の所定の面積（ここでは４．３２×１０-4ｃｍ2の面積）の領域内に存在する、所定のサイズより大きいサイズのエッチピット（以降、エッチピット（大）と記すことがある）の数を計測した。そしてエッチピット（大）の数を観察した領域の面積で除することにより、エッチピット（大）の密度を算出した。同様に、Ａｌ窒化物半導体層１０の表面の所定の面積（ここでは２．５０×１０-7ｃｍ2の面積）の領域内に存在する、所定のサイズより小さいサイズのエッチピット（以降、エッチピット（小）と記すことがある）の数を計測し、エッチピット（小）の密度を算出した。
【0098】
なお、エッチピット（大）は、従来の知見によりナノパイプなどの微小な欠陥に由来するものであると推測される。エッチピット（小）は、密度レベルから貫通転位に由来するものであると推測される。
【0099】
図８は、本発明の第１の実施例における化合物半導体基板の最表層（Ａｌ窒化物半導体層１０）の表面の顕微鏡写真およびエッチピットの密度の計測結果を示す図である。
【0100】
図８を参照して、本発明例Ａにおいて、エッチピット（大）の密度は７．８７×１０4個／ｃｍ2であった。エッチピット（小）の密度は１．０４×１０8個／ｃｍ2であった。比較例Ｂにおいて、エッチピット（大）の密度は２．７８×１０5個／ｃｍ2であった。エッチピット（小）の密度は１．４０×１０8個／ｃｍ2であった。
【0101】
以上の結果により、ＧａＮ層４２ａの導入により、ＧａＮ層５１ａ内の微小な欠陥および貫通転位が大きく減少することが分かる。
【0102】
第２の実施例として、本願発明者らは、本発明の化合物半導体基板による反りの制御の効果を確認すべく、以下の実験を行った。
【0103】
ＧａＮ層４２ｂの厚さを１５ｎｍ（試料Ｃ１）、４５ｎｍ（試料Ｃ２）、または６０ｎｍ（試料Ｃ３）とした３種類の化合物半導体基板ＣＳ２を作製した。試料Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３ではいずれも、Ａｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとし、ＧａＮ層４２ａの厚さを１５ｎｍとした。Ａｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂをＡｌＮとした。得られた化合物半導体基板ＣＳ２の反り量を計測した。
【0104】
図９は、本発明の第２の実施例における試料Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３の各々の反り量の計測結果を示す図である。図１０は、本発明の第２の実施例における試料Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３の各々の反り量の計測結果から得られたＧａＮ層４２ｂの厚さと反り量との関係を示すグラフである。なお、図１０および図１２では、凸形状となる反りの方向をマイナスとし、凹形状となる反りの方向をプラスとしている。
【0105】
図９および図１０を参照して、ＧａＮ層４２ｂの厚さが１５ｎｍである試料Ｃ１は、凸形状で９０μｍの反り量となった。ＧａＮ層４２ｂの厚さが４５ｎｍである試料Ｃ２は、凸形状で１５μｍの反り量となった。ＧａＮ層４２ｂの厚さが６０ｎｍである試料Ｃ３は、凹形状で３９μｍの反り量となった。また、ＧａＮ層４２ｂの厚さが増加するに従って、化合物半導体基板ＣＳ２の反り量は凹形状となる方向に略一定の割合で増加した。
【0106】
次に、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さ／Ａｌ窒化物半導体層５２ａの厚さを、１５ｎｍ／１５ｎｍ（試料Ｄ１）、１５ｎｍ／１０ｎｍ（試料Ｄ２）、または１０ｎｍ／１０ｎｍ（試料Ｄ３）とした３種類の化合物半導体基板ＣＳ２を作製した。試料Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３ではいずれも、ＧａＮ層４２ａおよび４２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとした。Ａｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂをＡｌＮとした。得られた化合物半導体基板ＣＳ２の反り量を計測した。
【0107】
図１１は、本発明の第２の実施例における試料Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３の各々の反り量の計測結果を示す図である。図１２は、本発明の第２の実施例における試料Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３の各々の反り量の計測結果から得られたＡｌ窒化物半導体層５２ａおよび５２ｂの厚さと反り量との関係を示すグラフである。
【0108】
図１１および図１２を参照して、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さ／Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さが１５ｎｍ／１５ｎｍである試料Ｄ１は、凸形状で９０μｍの反り量となった。Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さ／Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さが１５ｎｍ／１０ｎｍである試料Ｄ２は、凸形状で２３μｍの反り量となった。Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さ／Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さが１０ｎｍ／１０ｎｍである試料Ｄ３は、凹形状で４６μｍの反り量となった。また、Ａｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さとＡｌ窒化物半導体層５２ｂの厚さとの合計値が減少するに従って、化合物半導体基板ＣＳ２の反り量は凹形状となる方向に略一定の割合で増加した。
【0109】
以上の実験結果から、複合層４を構成するＧａＮ層の厚さまたは複合層５を構成するＡｌ窒化物半導体層の厚さを調節することにより、化合物半導体基板ＣＳ１の反りを容易に制御できることが分かった。
【0110】
［その他］
【0111】
本発明の化合物半導体基板は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成されたＡｌを含む第１の窒化物半導体層であって、厚さ方向に沿ってＳｉ基板から離れるに従ってＡｌ濃度が減少する傾斜層である第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層であって、第１の窒化物半導体層の平均Ａｌ濃度よりも低い平均Ａｌ濃度を有する第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層上に形成されたＡｌを含む第３の窒化物半導体層であって、第２の窒化物半導体層の平均Ａｌ濃度よりも高い平均Ａｌ濃度を有する第３の窒化物半導体層とを備えていればよい。一例として、図１における複合層５、ＧａＮ層７、およびＡｌ窒化物半導体層１０は省略されてもよいし、これらの層の代わりに別な層が形成されていてもよい。
【0112】
上述の実施の形態は、適宜組み合わせることが可能である。
【0113】
上述の実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0114】
１ Ｓｉ基板
２ ＳｉＣ層
３ ＡｌＮバッファー層
４，５ 複合層
７，４２ａ，４２ｂ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ ＧａＮ層
１０，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５２ａ，５２ｂ Ａｌ窒化物半導体層
４１１ 下部層
４１２ 上部層
ＢＲ１，ＢＲ２ 界面
ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ１００ 化合物半導体基板
ＥＰ エッチピット
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 貫通転位数の計測位置
ＴＤ 貫通転位
２ ＳｉＣ層
３ ＡｌＮバッファー層
４，５ 複合層
７，４２ａ，４２ｂ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ ＧａＮ層
１０，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５２ａ，５２ｂ Ａｌ窒化物半導体層
４１１ 下部層
４１２ 上部層
ＢＲ１，ＢＲ２ 界面
ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ１００ 化合物半導体基板
ＥＰ エッチピット
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 貫通転位数の計測位置
ＴＤ 貫通転位
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】