化合物半导体基板

技术领域

本发明涉及化合物半导体基板，更特定而言，涉及能够降低含Al(铝)的氮化物半导体层内的穿透位错的化合物半导体基板。

背景技术

GaN(氮化镓)作为相比于Si(硅)而能带间隙大、绝缘破坏电场强度高的宽能带间隙半导体材料而被知晓。GaN由于与其他的宽能带间隙半导体材料相比也具有高的耐绝缘破坏性，因而被期待对于新时代的低损耗的功率器件的适用。

在将Si基板用于使用了GaN的半导体器件的初始基板(基底基板)的情况下，起因于GaN与Si之间的晶格常数及热膨胀系数的大的差，容易引起在基板产生翘曲、或者在GaN层内产生裂纹的现象。因此，提出了作为开始基板，通过采用在Si基板上形成有SiC(碳化硅)层等的化合物半导体基板，从而通过SiC层等缓和GaN与Si之间的晶格常数及热膨胀系数的差的技术。

作为这样的技术，在下述专利文献1等中公开了抑制基板的翘曲、裂纹的产生的技术。在下述专利文献1中公开了如下的化合物半导体基板：具备：SiC层、形成于SiC层之上的AlN(氮化铝)缓冲层、形成于AlN缓冲层之上的含Al的氮化物半导体层、形成于氮化物半导体层之上的第1的GaN层、与第1的GaN层相接触并形成于第1的GaN层之上的第1的AlN中间层、以及与第1的AlN中间层相接触并形成于第1的AlN中间层之上的第2的GaN层。

具备现有的GaN层的半导体基板也被公开于下述专利文献2。在下述专利文献2中公开了如下的半导体结构：具备：由SiC制成的基板、形成于基板之上的由AlN制成的核生成层、被形成于核生成层之上的由AlGaN(氮化铝镓)制成的倾斜层、以及形成于倾斜层之上的由GaN制成的氮化物层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/069087号

专利文献2：日本特表2010-521065号公报

发明内容

发明要解决的课题

在具备现有的GaN层的半导体基板中，作为缓冲层而大多使用了含Al的氮化物半导体层(AlGaN等)。但是，对于现有的含Al的氮化物半导体层，存在有内部的穿透位错多的这种问题。另外，在含Al的氮化物半导体层之上形成有GaN层的情况下，穿透位错也被继承在GaN层内，GaN层内的穿透位错也增加。

本发明用于解决上述课题，其目的在于提供能够降低含Al的氮化物半导体层内的穿透位错的化合物半导体基板。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式的化合物半导体基板，其具备：Si基板；第1氮化物半导体层，是形成于Si基板之上的含Al的第1氮化物半导体层，是Al浓度沿厚度方向随着从Si基板远离而减少的倾斜层；第2氮化物半导体层，是形成于第1氮化物半导体层之上的第2氮化物半导体层，具有比第1氮化物半导体层的平均Al浓度低的平均Al浓度；以及第3氮化物半导体层，是形成于第2氮化物半导体层之上的含Al的第3氮化物半导体层，具有比第2氮化物半导体层的平均Al浓度高的平均Al浓度，第3氮化物半导体层内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度比第1氮化物半导体层内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度低。

在上述化合物半导体基板中，优选第2氮化物半导体层由GaN制成，具有3nm以上且100nm以下的厚度。

在上述化合物半导体基板中，优选第1氮化物半导体层包含：下部层；以及上部层，其形成于下部层之上，具有比下部层的平均Al浓度低的平均Al浓度。

在上述化合物半导体基板中，优选在将第1氮化物半导体层内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DA、将第3氮化物半导体层内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DB的情况下，穿透位错密度DB相对于穿透位错密度DA的比率(DB/DA)大于0且为0.6以下。

在上述化合物半导体基板中，优选第2氮化物半导体层的厚度W2相对于第1氮化物半导体层的厚度W1的比率(W2/W1)为0.007以上且0.26以下。

在上述化合物半导体基板中，优选还具备形成于第3氮化物半导体层之上的GaN层。

在上述化合物半导体基板中，优选在将第1氮化物半导体层内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DA、将GaN层内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DC的情况下，穿透位错密度DC相对于穿透位错密度DA的比率(DC/DA)大于0且为0.3以下。

在上述化合物半导体基板中，优选还具备上部复合层，上部复合层包含在上下方向上被层叠的多个上部GaN层、以及形成于多个上部GaN层各自之间的含Al的上部氮化物半导体层，GaN层是多个上部GaN层当中最下层的上部GaN层，上部氮化物半导体层的厚度W4相对于多个上部GaN层各自的厚度W3的比率(W4/W3)为0.0015以上且0.025以下。

在上述化合物半导体基板中，优选还具备形成于Si基板之上的SiC层、以及形成于SiC层之上的由AlN制成的缓冲层，第1氮化物半导体层形成于缓冲层之上。

发明效果

根据本发明，能够提供能够降低含Al的氮化物半导体层内的穿透位错的化合物半导体基板。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式中的化合物半导体基板CS1的构成的截面图。

图2是表示本发明的第1实施方式中的复合层4内部的Al浓度分布的图。

图3是示意性表示构成GaN层42a的GaN的二维成长的图。

图4是表示本发明的第2实施方式中的化合物半导体基板CS2的构成的截面图。

图5是表示本发明的第1实施例中的化合物半导体基板CS1的制作条件、以及穿透位错数的测量位置P1、P2、及P3的截面图。

图6是表示本发明的第1实施例中的化合物半导体基板CS100的制作条件、以及穿透位错数的测量位置P1、P2、及P3的截面图。

图7是表示本发明的第1实施例中的穿透位错密度的测量结果的图。

图8是表示本发明的第1实施例中的化合物半导体基板的最外层(Al氮化物半导体层10)的表面的显微镜照片及蚀坑密度的测量结果的图。

图9是表示本发明的第2实施例中的试样C1、C2、及C3各自的翘曲量的测量结果的图。

图10是表示从本发明的第2实施例中的试样C1、C2、及C3各自的翘曲量的测量结果而得的GaN层42b的厚度与翘曲量的关系的图表。

图11是表示本发明的第2实施例中的试样D1、D2、及D3各自的翘曲量的测量结果的图。

图12是表示从本发明的第2实施例中的试样D1、D2、及D3各自的翘曲量的测量结果而得的Al氮化物半导体层52a及52b的厚度与翘曲量的关系的图表。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

[第1实施方式]

图1为表示本发明的第1实施方式中的化合物半导体基板CS1的构成的截面图。

参照图1，本实施方式中的化合物半导体基板CS1包含HEMT(High ElectronMobility Transistor)。化合物半导体基板CS1具备：Si基板1(Si基板的一例)、SiC层2(SiC层的一例)、AlN缓冲层3(缓冲层的一例)、复合层4、复合层5(上部复合层的一例)、GaN层7、以及Al氮化物半导体层10。

Si基板1例如由p

SiC层2接触于Si基板1，并形成于Si基板1之上。SiC层2由3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC等形成。特别地，在SiC层2外延成长于Si基板1之上的情况下，一般而言，SiC层2由3C-SiC形成。

SiC层2可以通过如下方式形成：在通过对Si基板1的表面进行碳化而得到的由SiC形成的基底层上，使用MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、CVD(Chemical VaporDeposition)法、或LPE(Liquid Phase Epitaxy)法等使SiC同质外延成长。SiC层2也可以仅通过对Si基板1的表面进行碳化来形成。此外，SiC层2也可以通过在Si基板1的表面(或夹着缓冲层)进行异质外延成长来形成。SiC层2例如被掺杂有N(氮)等，具有n型的导电型。SiC层2例如具有0.1μm以上且3.5μm以下的厚度。需要说明的是，SiC层2可以具有p型的导电型，或者也可以为半绝缘性。

需要说明的是，作为AlN缓冲层3的基底层，可以使用由任意的材料制成的层。作为一例，在Si基板1之上可以不形成SiC层2，而是使AlN缓冲层3直接形成在Si基板1之上。在这种情况下，AlN缓冲层3的基底层成为Si基板1。但是，通过在Si基板1与AlN缓冲层3之间形成SiC层2，能够通过SiC层2可靠地抑制回熔蚀刻(GaN层中的Ga扩散与Si基板1中的Si反应，Si基板1被破坏的现象)。

AlN缓冲层3接触于SiC层2，并形成于SiC层2之上。AlN缓冲层3发挥作为缓和SiC层2与构成复合层4的Al氮化物半导体层的晶格常数的差的缓冲层的功能。AlN缓冲层3例如使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法来形成。AlN缓冲层3的成长温度例如为1000℃以上且低于Si熔点。此时，作为Al源气体，例如可以使用TMA(Tri MethylAluminium)、TEA(Tri Ethyl Aluminium)等。作为N源气体，例如可以使用NH

复合层4接触于AlN缓冲层3，并形成于AlN缓冲层3之上。复合层4包含：在上下方向(与Si基板1、SiC层2及AlN缓冲层3的层叠方向相同的方向，图1中的纵向)上被层叠的多个Al氮化物半导体层、以及形成于多个Al氮化物半导体层各自之间的GaN层。换言之，复合层4具有Al氮化物半导体层与GaN层相互层叠1次以上的次数的构成，复合层4的最上层及最下层均为Al氮化物半导体层。

构成复合层4的Al氮化物半导体层的层数可以为2层以上，并优选为9层以下。构成复合层4的GaN层的层数也可以为1层以上，并优选为8层以下。本实施方式的复合层4，包含2层的Al氮化物半导体层41a(第1氮化物半导体层的一例)及41b(第3氮化物半导体层的一例)作为Al氮化物半导体层，包含1层的GaN层42a(第2氮化物半导体层的一例)作为GaN层。Al氮化物半导体层41a被形成于2层的Al氮化物半导体层41a及41b中最接近于Si基板1的位置，与AlN缓冲层3相接触。Al氮化物半导体层41b被形成于2层的Al氮化物半导体层41a及41b中距Si基板1最远的位置。GaN层42a被形成于Al氮化物半导体层41a与Al氮化物半导体层41b之间。换言之，GaN层42a被形成于Al氮化物半导体层41a之上，Al氮化物半导体层41b被形成于GaN层42a之上。

构成复合层4的Al氮化物半导体层各自由含Al的氮化物半导体形成，优选由AlGaN形成。构成复合层4的Al氮化物半导体层各自例如由Al

构成复合层4的Al氮化物半导体层例如使用MOCVD法来形成。此时，作为Ga源气体，例如可以使用TMG(Tri Methyl Gallium)、TEG(Tri Ethyl Gallium)等。作为Al源气体，例如可以使用TMA、TEA等。作为N源气体，例如可以使用NH

构成复合层4的GaN层发挥如后所述地使化合物半导体基板CS1产生凹形状的翘曲的作用。

构成复合层4的GaN层例如使用MOCVD法来形成。此时，作为Ga源气体，例如可以使用TMG、TEG等。作为N源气体，例如可以使用NH

构成复合层4的GaN层例如具有3nm以上且100nm以下的厚度，优选具有3nm以上且50nm以下的厚度。在构成复合层4的GaN层为多个的情况下，构成复合层4的GaN层各自可以具有同一的厚度，或者也可以具有相互不同的厚度。

另外，在将Al氮化物半导体层41a的厚度作为厚度W1、将GaN层42a的厚度作为厚度W2的情况下，厚度W2相对于厚度W1的比率(W2/W1)优选为0.007以上且0.26以下。

复合层5接触于复合层4(Al氮化物半导体层41b)，并形成于复合层4(Al氮化物半导体层41b)之上。复合层5包含：在上下方向(与Si基板1、SiC层2、AlN缓冲层3及复合层4的层叠方向相同的方向，图1中的纵向)上被层叠的多个GaN层、以及被形成于多个GaN层各自之间的Al氮化物半导体层。换言之，复合层5具有GaN层与Al氮化物半导体层被交互层叠1次以上的次数的构成，复合层5的最上层及最下层均为GaN层。

构成复合层5的GaN层的层数可以为2层以上，并且优选为9层以下。构成复合层5的Al氮化物半导体层的层数也可以为1层以上，并且优选为8层以下。本实施方式的复合层5，包含3层的GaN层51a、51b、及51c(上部GaN层及GaN层的一例)作为GaN层，包含2层的Al氮化物半导体层52a及52b(上部氮化物半导体层的一例)作为Al氮化物半导体层。GaN层51a被形成于3层的GaN层51a、51b、及51c中最接近于Si基板1的位置，并与复合层4(Al氮化物半导体层41b)接触。GaN层51b被形成于3层的GaN层51a、51b、及51c中第2接近于Si基板1的位置。GaN层51c被形成于3层的GaN层51a、51b、及51c中距Si基板1最远的位置。Al氮化物半导体层52a被形成于GaN层51a与GaN层51b之间。Al氮化物半导体层52b被形成于GaN层51b与GaN层51c之间。

优选构成复合层5的GaN层各自被掺杂有C(碳)。C发挥提高GaN层的绝缘性的作用。优选掺杂有C的GaN层具有1×10

在构成复合层5的GaN层中掺杂C的情况下，采用使TMG中所含的C被纳入GaN层的这样的GaN成长条件。作为在GaN层中掺杂C的具体方法，有降低GaN的成长温度的方法、降低GaN的成长压力、或对于NH

另外，构成复合层5的GaN层各自例如具有550nm以上且3000nm以下的厚度，优选具有800nm以上且2500nm以下的厚度。构成复合层5的GaN层各自可以具有相同的厚度，或者也可以具有相互不同的厚度。构成复合层5的GaN层以与构成复合层4的GaN层同样的方法形成。

构成复合层5的Al氮化物半导体层发挥如后所述地使化合物半导体基板CS1产生凸形状翘曲的作用。

构成复合层5的Al氮化物半导体层由含Al的氮化物半导体形成，优选由AlN形成。构成复合层5的Al氮化物半导体层例如由Al

构成复合层5的Al氮化物半导体层例如具有3nm以上且50nm以下的厚度，优选具有20nm以下的厚度。在构成复合层5的Al氮化物半导体层为多个的情况下，构成复合层5的Al氮化物半导体层各自可以具有相同的厚度，或者也可以具有相互不同的厚度。另外，构成复合层5的Al氮化物半导体层各自的Al组成比为任意。构成复合层5的Al氮化物半导体层以与构成复合层4的Al氮化物半导体层同样的方法形成。

在将构成复合层5的GaN层各自的厚度作为厚度W3、将构成复合层5的Al氮化物半导体层的厚度作为厚度W4的情况下，厚度W4相对于厚度W3的比率(W4/W3)优选为0.0015以上且0.025以下。

GaN层7接触于复合层5，并形成于复合层5之上。GaN层7为未掺杂，是半绝缘性的。GaN层7成为HEMT的电子传输层。GaN层7例如具有100nm以上且1500nm以下的厚度。GaN层7以与构成复合层4的GaN层同样的方法形成。

Al氮化物半导体层10接触于GaN层7，并且形成于GaN层7之上。Al氮化物半导体层10由含Al的氮化物半导体形成，例如由Al

图2为表示本发明的第1实施方式中的复合层4内部的Al浓度分布的图。

参照图2，Al氮化物半导体层41a为Al浓度沿着厚度方向随着从Si基板1远离(朝着图1中上方)而减少的倾斜层。在本实施方式中，Al氮化物半导体层41a包含：下部层411(下部层的一例)、以及被形成于下部层411之上的上部层412(上部层的一例)。下部层411及上部层412各自在厚度方向上具有均一的Al浓度分布。下部层411的平均Al浓度为浓度S1a，上部层412的平均Al浓度为浓度S1b。上部层412的平均Al浓度(浓度S1b)比下部层411的平均Al浓度(浓度S1a)低。Al氮化物半导体层41a的平均Al浓度为浓度S1。

需要说明的是，Al氮化物半导体层41a也可以为Al浓度沿着厚度方向随着从Si基板1远离而以一定的比例减少的倾斜层。

GaN层42a具有比Al氮化物半导体层41a的平均Al浓度(浓度S1)低的平均Al浓度。GaN层42a的平均Al浓度当然可以为0(％)。需要说明的是，复合层4中的GaN层也可以被具有比0大且比浓度S1低的平均Al浓度的Al氮化物半导体层所置换。

Al氮化物半导体层41b具有比GaN层42a的平均Al浓度高的平均Al浓度。Al氮化物半导体层41b的平均Al浓度为浓度S2。浓度S2可以比浓度S1高也可以比浓度S1低。

构成复合层4的各层的Al浓度能够通过在利用MOCDV成膜时所使用的原料气体中所占的Al源气体的浓度比、成膜温度等来调整。另外，构成复合层4的各层的Al浓度通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)等方法进行测量。此外，构成化合物半导体基板的各层的厚度通过使用TEM(Transmission Electron Microscope)观察化合物半导体基板的截面而进行测量。

接着，对本实施方式的效果进行说明。

图3为示意性表示构成GaN层42a的GaN的二维成长的图。

参照图3，本申请发明人们发现，通过在作为倾斜层的Al氮化物半导体层41a之上，以比Al氮化物半导体层41a的成膜温度低的成膜温度形成GaN层42a(具有比Al氮化物半导体层41a的平均Al浓度低的平均Al浓度的氮化物半导体层)，从而促进了GaN的二维成长(图3中由箭头所示的方向的成长)。由此，存在于下层的穿透位错TD被GaN层42a覆盖，能够降低作为GaN层42a的上层的Al氮化物半导体层41b的穿透位错。进而，能够降低作为Al氮化物半导体层41b的上层的GaN层51a、51b及51c的穿透位错。

具体而言，Al氮化物半导体层41b内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度比Al氮化物半导体层41a内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度低。另外，在将Al氮化物半导体层41a内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DA、将Al氮化物半导体层41b内的厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DB的情况下，穿透位错密度DB相对于穿透位错密度DA的比率(DB/DA)大于0且为0.6以下。此外，在将GaN层51a、51b或51c的内部厚度方向的任意位置处的穿透位错密度作为穿透位错密度DC的情况下，穿透位错密度DC相对于穿透位错密度DA的比率(DC/DA)大于0且为0.3以下。

此外，根据本实施方式，还能够容易地控制化合物半导体基板CS1的翘曲。

需要说明的是，下述说明中的“凸形状”及“凹形状”意指在将Si基板1作为下侧、将Al氮化物半导体层10作为上侧的情况下的凸形状及凹形状。

参照图1，着眼于复合层4中的GaN层42a、作为GaN层42a的基底层的Al氮化物半导体层41a、与作为GaN层42a的上层的Al氮化物半导体层41b的关系。

GaN层42a与Al氮化物半导体层41a的界面BR1成为滑移面。换言之，在界面BR1处，GaN层42a的晶体与Al氮化物半导体层41a的晶体变为不匹配。因此，Al氮化物半导体层41a的晶体结构对于GaN层42a的晶体结构的影响小，Al氮化物半导体层41a的晶格常数对于GaN层42a的晶格常数的影响小。

另一方面，Al氮化物半导体层41b以与作为基底层的GaN层42a的表面的结晶面一致的方式成长。因此，Al氮化物半导体层41b的晶体结构受到GaN层42a的晶体结构的影响，Al氮化物半导体层41b的晶格常数受到GaN层42a的晶格常数的影响。由于构成Al氮化物半导体层41b的材料(AlGaN、AlN等)的晶格常数比构成GaN层42a的GaN的晶格常数小，因而对Al氮化物半导体层41b施加拉伸应力，在Al氮化物半导体层41b的内部产生拉伸应变。作为拉伸应力的反作用，复合层4使凹形状的翘曲在化合物半导体基板CS1产生。

需要说明的是，通过控制GaN层42a的外延成长的条件(温度、压力等)，从而能够将GaN层42a与Al氮化物半导体层41a的界面BR1作为滑移面。另外，通过控制Al氮化物半导体层41b的外延成长的条件(温度、压力等)，从而能够使Al氮化物半导体层41b在GaN层42a的表面的结晶面不产生滑移的方式成长(共格生长)。

关于使凹形状的翘曲产生的复合层4的作用，构成复合层4的GaN层越厚则越大。另一方面，若构成复合层4的GaN层过厚，则在GaN层的内部容易产生裂纹。为了抑制裂纹向构成复合层4的GaN层的内部的产生并有效地使复合层4带来的凹形状的翘曲产生，将复合层4中的每1层的GaN层的厚度设为3nm以上且100nm以下、优选3nm以上且50nm以下，优选将复合层4中的GaN层的数量设为1～2层左右。

接下来，着眼于复合层5中的Al氮化物半导体层52b、作为Al氮化物半导体层52b的基底层的GaN层51b、与作为Al氮化物半导体层52b的上层的GaN层51c的关系。

Al氮化物半导体层52b与GaN层51b的界面BR2成为滑移面。换言之，在界面BR2处，Al氮化物半导体层52b的晶体与GaN层51b的晶体变为不匹配。因此，GaN层51b的晶体结构对于Al氮化物半导体层52b的晶体结构的影响小，GaN层51b的晶格常数对于Al氮化物半导体层52b的晶格常数的影响小。

另一方面，GaN层51c以与作为基底层的Al氮化物半导体层52b的表面的结晶面一致的方式成长。因此，GaN层51c的晶体结构受到Al氮化物半导体层52b的晶体结构的影响，GaN层51c的晶格常数受到Al氮化物半导体层52b的晶格常数的影响。由于构成GaN层51c的GaN的晶格常数比构成Al氮化物半导体层52b的材料(AlGaN、AlN等)的晶格常数大，因而对GaN层51c施加压缩应力，在GaN层51c的内部产生压缩应变。作为压缩应力的反作用，复合层5使凸形状的翘曲在化合物半导体基板CS1产生。

需要说明的是，通过控制Al氮化物半导体层52b的外延成长的条件(温度、压力等)，从而能够将Al氮化物半导体层52b与GaN层51b的界面BR2作为滑移面。另外，通过控制GaN层51c的外延成长的条件(温度、压力等)，从而能够使GaN层51c以与Al氮化物半导体层52b的表面的结晶面一致的方式成长。

对于着眼于复合层5中的Al氮化物半导体层52a、作为Al氮化物半导体层52a的基底层的GaN层51a、与作为Al氮化物半导体层52a的上层的GaN层51b的关系的情况，也可以说是同样的情况。即，影响到Al氮化物半导体层52a的晶体结构的GaN层51a的晶体结构的影响小，影响到Al氮化物半导体层52a的晶格常数的GaN层51a的晶格常数的影响小。另一方面，GaN层51b以与作为基底层的Al氮化物半导体层52a的表面的结晶面一致的方式成长。在GaN层51b经由Al氮化物半导体层52a的影响而施加压缩应力，在GaN层51b的内部产生有压缩应变。

关于使凸形状的翘曲产生的复合层5的作用，构成复合层5的Al氮化物半导体层越厚则越大。另一方面，若构成复合层5的Al氮化物半导体层过厚，则在Al氮化物半导体层的内部容易产生裂纹。为了抑制裂纹在构成复合层5的Al氮化物半导体层的内部的产生并有效地使复合层5带来的凸形状的翘曲产生，将复合层5中的每1层的Al氮化物半导体层的厚度设为3nm以上且50nm以下、优选20nm以下，优选将复合层5中的Al氮化物半导体层的数量设为1～2层左右。

若根据本实施方式，通过调节具有使凹形状的翘曲在化合物半导体基板CS1产生的功能的复合层4、以及具有使凸形状的翘曲在化合物半导体基板CS1产生的功能的复合层5的各个，从而能够容易地控制化合物半导体基板CS1的翘曲。

此外，由于作为滑移面的界面BR1及BR2之上的半导体层能够不受基底层的晶格常数差、应变的影响而进行成长，因而也能够抑制裂纹的产生。此外，由于复合层4的层数少，因而能够容易地制作化合物半导体基板CS2。

[第2实施方式]

图4为表示本发明的第2实施方式中的化合物半导体基板CS2的构成的截面图。

参照图4，本实施方式的复合层4，包含3层的Al氮化物半导体层41a、41b、及41c(复数的下部氮化物半导体层的一例)作为Al氮化物半导体层，包含2层的GaN层42a及42b(下部GaN层的一例)作为GaN层。Al氮化物半导体层41a被形成于3层的Al氮化物半导体层41a、41b、及41c中最接近于Si基板1的位置，并与AlN缓冲层3接触。Al氮化物半导体层41b被形成于3层的Al氮化物半导体层41a、41b、及41c中第2接近于Si基板1的位置。Al氮化物半导体层41c被形成于3层的Al氮化物半导体层41a、41b、及41c中距Si基板1最远的位置。GaN层42a被形成于Al氮化物半导体层41a与Al氮化物半导体层41b之间。GaN层42b被形成于Al氮化物半导体层41b与Al氮化物半导体层41c之间。

Al氮化物半导体层41a、GaN层42a、及Al氮化物半导体层41b的各个，具有与图2所示的第1实施方式的情况相同的Al浓度的分布。Al氮化物半导体层41c的Al浓度为任意。Al氮化物半导体层41c的Al浓度可以沿着厚度方向随着从Si基板1远离而减少，或者也可以沿着厚度方向为一定。

在假定本实施方式中构成复合层4的GaN层的厚度与第1实施方式的情况为相同的情况下，本实施方式中的复合层4带来的使凹形状的翘曲产生的效果比第1实施方式的复合层4带来的使凹形状的翘曲产生的效果大。因此，在化合物半导体基板CS2中，能够使凹形状的翘曲量比化合物半导体基板CS1大。另一方面，在使本实施方式中的构成复合层4的GaN层的厚度比第1实施方式的情况薄的情况下，在化合物半导体基板CS2中，也能够成为与化合物半导体基板CS1同等的翘曲量。

需要说明的是，上述以外的化合物半导体基板CS2的构成与第1实施方式中的化合物半导体基板CS1的构成相同，因而不重复其说明。

若根据本实施方式，能够得到与第1实施方式同样的效果。

[实施例]

作为第1实施例，本申请发明人们为了确认通过形成GaN层42a得到的穿透位错的降低效果，进行了以下的实验。

图5为表示本发明的第1实施例中的化合物半导体基板CS1的制作条件、以及穿透位错数的测量位置P1、P2、及P3的截面图。

参照图5，作为本发明例A，制作了图1所示的化合物半导体基板CS1(具有GaN层42a的化合物半导体基板)。作为Si基板1使用了具有p

在本发明例A中，将从Al氮化物半导体层41a中的与GaN层42a的界面向下方离开0.1μm的位置作为测量位置P1。将从Al氮化物半导体层41b中的与GaN层42a的界面向上方离开0.34μm的位置作为测量位置P2。将从GaN层51a中的与Al氮化物半导体层41b的界面向上方离开1μm的位置作为测量位置P3。

接下来，通过使用TEM(Transmission Electron Microscope)的观察，测量在测量位置P1、P2、P3各自的截面内存在的穿透位错的个数。以所测量的穿透位错的个数除以截面的面积(在此为9.25×10

接下来，通过以穿透位错密度DB除以穿透位错密度DA，从而算出穿透位错密度DB相对于穿透位错密度DA的比率(DB/DA)。同样地，通过以穿透位错密度DC除以穿透位错密度DA，从而算出穿透位错密度DC相对于穿透位错密度DA的比率(DC/DA)。需要说明的是，比率(DB/DA)小的情况意味着Al氮化物半导体层41b内的穿透位错密度DB的减少率大。比率(DC/DA)小的情况意味着GaN层51a内的穿透位错密度DC的减少率大。

图6为表示本发明的第1实施例中的化合物半导体基板CS100的制作条件、以及穿透位错数的测量位置P1、P2、及P3的截面图。

参照图6，作为比较例B，制作了不含GaN层42a的化合物半导体基板CS100(没有GaN层42a的化合物半导体基板)。对于不含GaN层42a的点以外的化合物半导体基板CS100的构成，设为与本发明例A的化合物半导体基板CS1相同。

在比较例B中，将从Al氮化物半导体层41a中的与Al氮化物半导体层41b的界面向下方离开0.1μm的位置作为测量位置P1。将从Al氮化物半导体层41b中的与Al氮化物半导体层41a的界面向上方离开0.34μm的位置作为测量位置P2。将从GaN层51a中的与Al氮化物半导体层41b的界面向上方离开1μm的位置作为测量位置P3。

接下来，使用与本发明例A同样的方法，算出测量位置P1处的穿透位错密度DA、测量位置P2处的DB、及测量位置P3处的穿透位错密度DC，算出比率(DB/DA)及比率(DC/DA)。

图7为表示本发明的第1实施例中的穿透位错密度的测量结果的图。

参照图7，在本发明例A中，测量位置P1的穿透位错密度DA为9.6×10

需要说明的是，在本发明例A中，测量Al氮化物半导体层41a内的深度位置相互不同的多个测量位置P1各自的穿透位错密度DA，测量Al氮化物半导体层41b内的深度位置相互不同的多个测量位置P2各自的穿透位错密度DB，测量GaN层51a内的深度位置相互不同的多个测量位置P3各自的穿透位错密度DC。其结果，在任意测量位置的组合中，比率(DB/DA)均大于0且为0.6以下，比率(DC/DA)均大于0且为0.3以下。

在比较例B中，测量位置P1的穿透位错密度DA为1.1×10

需要说明的是，在比较例B中，测量Al氮化物半导体层41a内的深度位置相互不同的多个测量位置P1各自的穿透位错密度DA，测量Al氮化物半导体层41b内的深度位置相互不同的多个测量位置P2各自的穿透位错密度DB，测量GaN层51a内的深度位置相互不同的多个测量位置P3各自的穿透位错密度DC。其结果，在任意测量位置的组合中，比率(DB/DA)均大于0.6，比率(DC/DA)均大于0.3。

根据以上的结果，可知在本发明例A中，Al氮化物半导体层41b内的穿透位错密度比Al氮化物半导体层41a内的穿透位错密度低。另外，可知通过GaN层42a的导入，使得Al氮化物半导体层41b内的穿透位错大幅地减少，GaN层51a内的穿透位错大幅地减少。

接着，本申请发明人们对于本发明例A及比较例B的各个，测量了在化合物半导体基板CS1的最外层(Al氮化物半导体层10)的表面存在的蚀坑的密度。使用熔融KOH(氢氧化钾)溶液蚀刻本发明例A及比较例B各自的Al氮化物半导体层10的表面，使Al氮化物半导体层10的表面腐蚀。一般而言，可知通过使用了熔融KOH溶液的蚀刻，使得晶体表面的晶格应变大的部分、悬空键所存在的错位芯的部分被选择性地蚀刻。接下来，以显微镜观察Al氮化物半导体层10的表面，测量在Al氮化物半导体层10的表面的规定面积(在此为4.32×10

需要说明的是，蚀坑(大)经由以往的见解而被推测为来自纳米管等的微小的缺陷。蚀坑(小)根据密度水平而被推测为来自穿透位错。

图8为表示本发明的第1实施例中的化合物半导体基板的最外层(Al氮化物半导体层10)的表面的显微镜照片及蚀坑密度的测量结果的图。

参照图8，在本发明例A中，蚀坑(大)的密度为7.87×10

根据以上结果，可知通过GaN层42a的导入，使得GaN层51a内的微小缺陷及穿透位错大幅地减少。

作为第2实施例，本申请发明人们为了确认本发明的化合物半导体基板带来的翘曲的控制效果，进行了以下的实验。

制作了将GaN层42b的厚度设为15nm(试样C1)、45nm(试样C2)或60nm(试样C3)的3种化合物半导体基板CS2。在试样C1、C2及C3中，均将Al氮化物半导体层52a及52b各自的厚度设为15nm，均将GaN层42a的厚度设为15nm。将Al氮化物半导体层52a及52b设为AlN。测量所得的化合物半导体基板CS2的翘曲量。

图9为表示本发明的第2实施例中的试样C1、C2及C3各自的翘曲量的测量结果的图。图10为表示从本发明的第2实施例中的试样C1、C2及C3各自的翘曲量的测量结果而得的GaN层42b的厚度与翘曲量的关系的图表。需要说明的是，在图10及图12中，将成为凸形状的翘曲的方向作为负，将成为凹形状的翘曲的方向作为正。

参照图9及图10，GaN层42b的厚度为15nm的试样C1成为凸形状且90μm的翘曲量。GaN层42b的厚度为45nm的试样C2成为凸形状且15μm的翘曲量。GaN层42b的厚度为60nm的试样C3成为凹形状且39μm的翘曲量。另外，随着GaN层42b的厚度増加，化合物半导体基板CS2的翘曲量在成为凹形状的方向上以大致一定的比例增加。

接下来，制作了将Al氮化物半导体层52b的厚度/Al氮化物半导体层52a的厚度设为15nm/15nm(试样D1)、15nm/10nm(试样D2)或10nm/10nm(试样D3)的3种化合物半导体基板CS2。在试样D1、D2及D3中，均将GaN层42a及42b各自的厚度设为15nm。将Al氮化物半导体层52a及52b设为AlN。测量所得的化合物半导体基板CS2的翘曲量。

图11为表示本发明的第2实施例中的试样D1、D2及D3各自的翘曲量的测量结果的图。图12为表示从本发明的第2实施例中的试样D1、D2及D3各自的翘曲量的测量结果而得的Al氮化物半导体层52a及52b的厚度与翘曲量的关系的图表。

参照图11及图12，Al氮化物半导体层52b的厚度/Al氮化物半导体层52b的厚度为15nm/15nm的试样D1成为凸形状且90μm的翘曲量。Al氮化物半导体层52b的厚度/Al氮化物半导体层52b的厚度为15nm/10nm的试样D2成为凸形状且23μm的翘曲量。Al氮化物半导体层52b的厚度/Al氮化物半导体层52b的厚度为10nm/10nm的试样D3成为凹形状且46μm的翘曲量。另外，随着Al氮化物半导体层52b的厚度与Al氮化物半导体层52b的厚度的合计值减少，化合物半导体基板CS2的翘曲量在成为凹形状的方向上以大致一定的比例增加。

从以上的实验结果可知，通过调节构成复合层4的GaN层的厚度或构成复合层5的Al氮化物半导体层的厚度，从而能够容易地控制化合物半导体基板CS1的翘曲。

[其他]

本发明的化合物半导体基板可以具备如下：Si基板；第1氮化物半导体层，是形成于Si基板之上的含Al的第1氮化物半导体层，是Al浓度沿着厚度方向随着从Si基板远离而减少的倾斜层；第2氮化物半导体层，是形成于第1氮化物半导体层之上的第2氮化物半导体层，具有比第1氮化物半导体层的平均Al浓度低的平均Al浓度；第3氮化物半导体层，是形成于第2氮化物半导体层之上的含Al的第3氮化物半导体层，具有比第2氮化物半导体层的平均Al浓度高的平均Al浓度。作为一例，图1中的复合层5、GaN层7、及Al氮化物半导体层10可以被省略，或者也可以形成其它的层以取代这些层。

能够使上述的实施方式适宜组合。

应当认为，上述的实施方式及实施例在所有的点都为例示，而非限制性的。本发明的范围并非上述的说明，而是由发明请求范围表示，并意图包括与发明请求范围均等的意思及范围内的所有的变更。

附图标记的说明

1 Si基板

2 SiC层

3 AlN缓冲层

4、5 复合层

7、42a、42b、51a、51b、51c GaN层

10、41a、41b、41c、52a、52b Al氮化物半导体层

411 下部层

412 上部层

BR1、BR2 界面

CS1、CS2、CS100 化合物半导体基板

EP 蚀坑

P1、P2、P3 穿透位错数的测量位置

TD 穿透位错