化合物半導体基板
【課題】Ｓｉ単結晶基板を用いた化合物半導体基板において、化合物半導体基板の機械強度低下と熱伝導率低下を、Ｓｉ単結晶基板のドーパント濃度制御で低減する。
【解決手段】Ｓｉ単結晶基板上に中間層とデバイス活性層を備えた化合物半導体基板で、Ｓｉ単結晶基板は、中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かってドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、ドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、ドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とからなる。
【解決手段】Ｓｉ単結晶基板上に中間層とデバイス活性層を備えた化合物半導体基板で、Ｓｉ単結晶基板は、中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かってドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、ドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、ドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、その他各種の電子素子用のＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化物半導体等の化合物半導体に用いられる化合物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体、特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるワイドバンドギャップ窒化物半導体デバイスは、そのバンド構造を生かした青色、紫外等の短波長の発光デバイスの他、ヘテロ接合界面に発生する２次元電子ガスの高い電子移動度、材料自体の持つ高い耐熱性等の優れた特性を生かしたスイッチング電源向けの高速・高耐圧電子デバイスや、高周波アンプ向けの超高速電子デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
この窒化物半導体に用いる窒化物半導体基板は、一例として、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ等の異種基板上へ窒化物半導体結晶を薄膜で成膜する方法で作製できるが、この場合、特にＳｉ基板を用いた場合は、他の異種基板と比べて、高品質な結晶を安定供給でき、低価格で大面積の基板が得られる点で、好適といえる。以下、このような異種材料基板上に窒化物半導体結晶を製膜したものを、化合物半導体基板と呼ぶこととする。
【０００４】
ところで、Ｓｉ基板上に窒化物半導体結晶を成膜する場合、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の違いにより発生する応力起因の基板の反り、窒化物半導体単結晶膜の割れさらにはＳｉ基板へのスリップ欠陥の導入といった問題がある。この解決のためにさまざまな方法が考えられており、Ｓｉ基板の基板特性を最適設計する手法も、いくつか試みられている。
【０００５】
具体的には、Ｓｉ中の各種物質の濃度、例えば酸素濃度、窒素濃度、炭素濃度、酸素析出物等の欠陥濃度、ドーパント濃度を制御することが考えられる。特に、ドーパントとして含まれるボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等の各種元素の濃度を高くするとＳｉ基板の機械強度が向上することから、窒化物半導体基板の反りや割れ、スリップなどの欠陥導入頻度を大幅に低減させることが可能である。
【０００６】
例えば、特許文献１には、シリコン基板よりも大きい熱膨張率を持つ半導体材料の層をエピタキシャル成長させても、シリコン基板の湾曲を抑制することができるシリコン基板及びその製造方法を提供することを目的として、一の主面からまたは該主面近傍の所定の深さから裏面まで、連続的または段階的に減少する窒素不純物の濃度分布を有し、該窒素不純物の濃度分布に概ね対応して分布する酸素析出物を有することを特徴とするシリコン基板という技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、反りや割れの発生や、Ｓｉ基板へのスリップ欠陥の導入という課題の解決に関するものではないが、順方向電圧（Ｖｆ）が従来よりも低い窒化物系半導体素子を提供する目的で、基板にＳｉを用いる窒化物系半導体素子において、Ｓｉ基板の少なくとも一部と窒化物半導体層とを能動領域に含み、Ｓｉ基板における能動領域の導電型がｐ型であること、あるいは、Ｓｉ基板における能動領域の不純物濃度が、１Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ＋２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である窒化物系半導体素子という技術が開示されている。
【０００８】
ところで、Ｓｉ中のドーパント濃度については、例えば非特許文献１では、Ｓｉ中のドーパント濃度が高くなると、Ｓｉの熱伝導性が低下するということが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２５１７０４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００６−１２０９０８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｍ．Ａｓｈｅｇｈｉ，ｅｔ．ａｌ．：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．９１ Ｎｏ．８ １５．Ａｐｒｉｌ２００２ ５０７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の方法においては、酸素析出の生成時における膨張力を利用することにより、化合物半導体基板の反りを制御する方法が開示されているが、この方法は、化合物半導体層を形成後、所定の熱処理によって酸素析出物を生成させ、反りの制御を行うため、化合物半導体層の形成時に発生する応力は、従来と同様となる。そのため、化合物半導体層の形成時に発生するＳｉ基板へのスリップ欠陥導入に関しては、効果が得られない。
【００１２】
特許文献２は、順方向電圧（Ｖｆ）が従来よりも低い窒化物系半導体素子を提供する目的で、Ｓｉ基板とＧａＮ層の界面に接するＳｉ基板の不純物すなわちドーパント濃度を高くすることが記載されており、Ｓｉ基板の不純物濃度が窒化物半導体の特性に影響することが示唆されている。しかし、反りや割れの発生や、転位や結晶欠陥の多発という課題に対して、Ｓｉ基板中のドーパント濃度の形態がどのように影響するかについては、特許文献２の記載のみでは明らかでないと考えられる。
【００１３】
一般に、Ｓｉ中のドーパントの濃度を高くすると、機械強度の向上、すなわち臨界せん断応力値の向上がみられるので、スリップ発生や反りの抑制には効果的である。一方、ドーパント濃度が高い場合においては、非特許文献１に記載されているように、Ｓｉ単結晶の熱伝導率が低下してしまい、化合物半導体基板を窒化物半導体光・電子デバイスとして用いるには好ましくない。高濃度ドーピングにおける機械強度と熱伝導率にはトレードオフの関係が存在するため、ドーパントの濃度、深さ方向の分布については、最適設計が必要となるが、これまでに十分な検討がなされていたとは言い難い。
【００１４】
本発明は、これらの課題を鑑みてなされたもので、効果的に転位発生の防止と基板の反りの低減を成すとともに、熱伝導率の低下を必要最小限に抑えることを簡易な手法で実現する、Ｓｉ単結晶基板を用いた化合物半導体基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板と、前記Ｓｉ単結晶基板の一主面上形成された化合物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された化合物半導体からなるデバイス活性層から構成され、前記Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とが順次形成され、さらに、前記領域１と前記領域３のそれぞれの厚さが前記Ｓｉ単結晶基板の全体の厚さに対して１５％以上３５％以下の範囲であることを特徴とする。このような構成をとることで、基板におけるスリップなどの転位発生防止、基板の反り低減、基板の熱伝導率低下抑制という効果を、効率よく併せ持つ化合物半導体基板とすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る化合物半導体基板におけるドーパントは、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のうち、いずれか１種類もしくは複数種類であることがさらに好ましい。このような構成をとることで、簡易かつ低コストで、効率よく基板におけるスリップなどの転位発生防止、基板の反り低減、基板の熱伝導率低下抑制という効果を得ることが出来る。これらの元素はＳｉの格子位置に置換して固溶するため、固溶強化によりＳｉ基板の機械強度、即ち臨界せん断応力を向上させることが出来る。
【００１７】
また、本発明に係る化合物半導体基板においては、中間層およびデバイス活性層は、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体からなることが好ましい。このような構成をとることで、ワイドバンドギャップ材料の特性を生かした半導体デバイスの実現が可能となる他、それらの組み合わせによって、優れた基板の反り低減効果を発揮することが出来る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る化合物半導体基板は、化合物半導体基板において重要である、スリップなどの欠陥発生防止、基板の反り低減、および基板厚さ方向の熱伝導率低下抑制という効果を、簡易な基板構造で効率的かつバランスよく実現することができ、優れた特性を有する化合物半導体基板を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る化合物半導体基板の構造を示す概念図、図２は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の厚さ方向における領域１と領域２の関係を示す概念図、図３は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の厚さ方向における遷移領域のドーパント濃度プロファイルの他の形態を示す概念図、図４は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の各領域の形態を示す概略図、そして図５は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の応力と曲げモーメントの関係を示す式と概念図である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る、化合物半導体基板の構造を示す概念図。
【図２】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向におけるドーパント濃度プロファイルの、遷移領域の一形態を示す概念図。
【図３】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向における遷移領域のドーパント濃度プロファイルの、他の形態を示す概念図。
【図４】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の各領域の形態を示す概略図。
【図５】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の応力と曲げモーメントの関係を示す式と概念図。
【００２１】
本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板と、前記Ｓｉ単結晶基板の一主面上に形成された化合物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された化合物半導体からなるデバイス活性層から構成され、前記Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とが順次形成され、さらに、前記領域１と前記領域３のそれぞれの厚さが前記Ｓｉ単結晶基板の全体の厚さに対して、１５％以上３５％以下の範囲である。
【００２２】
Ｓｉ単結晶基板は、化合物半導体を形成する下地として用いられるが、基本的な製法や結晶構造は特に限定されるものではなく、公知の半導体デバイス作製用のＳｉ単結晶基板を広く用いることができる。例えば、Ｓｉ単結晶育成方法としてはＣＺ法でもＦＺ法でもよく、基板加工処理として各種熱処理を施したウェーハも適用できる。また、基板の面方位やベベル形状、化合物半導体が形成される主面および裏面の面粗さ等の仕上げ状態についても、設計する化合物半導体基板の仕様に合わせて適時選択できる。
【００２３】
Ｓｉ単結晶基板の一主面上に形成された化合物半導体からなる中間層は、Ｓｉ基板とデバイス活性層である化合物半導体との、格子定数の違いによる不整合や熱膨張係数の違いにより発生する応力を緩和する働きをもつ。中間層の構造については、特に限定されるものではないが、比較的簡易に作製できることから、任意の厚さと組成をもつ化合物半導体の積層からなる多層構造であることが好ましい。
【００２４】
中間層上には化合物半導体からなるデバイス活性層が形成される。化合物半導体としては、各種の材料が適用でき、例えばＡｌＧａＮ等の窒化物半導体結晶が用いられる。
【００２５】
そして、Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３と、が順次形成されている。
【００２６】
本発明において、領域１から領域３における平均ドーパント濃度とは、例えば領域１なら、一主面の表面から深さ方向における区間を任意に分割して得られた点でのドーパント濃度を平均した値で表現される。そして、ドーパント濃度は、例えば、広がり抵抗（ＳＲ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法などの測定手法により、Ｓｉ単結晶基板の深さ方向に対して、数点望ましくは数十点以上測定することで得られる。このとき同時に、各領域の厚さも測定されるが、厚さは、別途他の手法で測定することもできる。なお、深さ方向とは、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向と同義で、一主面から他主面に対してほぼ垂直に向かう方向のことを指している。
【００２７】
本発明においては、ドーパント濃度の平均値が本発明の実施範囲内であればよく、例えば領域１で２０ポイント測定して、１ポイントのドーパント濃度の測定値が領域２の濃度範囲であっても特に問題ない。この場合の目安として、測定ポイントの９０％以上、より好ましくは９５％以上が領域１の範囲であれば、それ以外の測定ポイントが全て領域２の濃度の範囲であっても、本発明の効果に大きな影響を与えない。
【００２８】
さらに、ドーパント濃度を厚さ方向にプロットすることでドーパント濃度プロファイルが得られるが、領域１から領域３の各領域内におけるドーパント濃度プロファイルの形状は、必ずしも一定のドーパント濃度値を保持した形状を要求するものではなく、例えば、深さ方向に対して、ドーパント濃度値が緩やかに低減または増加する形状でもよく、一旦ドーパント濃度値が上昇後減少に転じるような山なり形状でもよい。
【００２９】
次に、各領域について説明する。領域１は、中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００３０】
Ｓｉ基板上に窒化物半導体結晶を成膜する場合、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の違いにより発生する応力起因の基板の反り、窒化物半導体単結晶膜の割れ、さらにはＳｉ基板へのスリップ欠陥の導入といった問題がおこる。特に、デバイス活性層の厚膜化に伴い、応力が増大するので、この応力に対応するだけの臨界せん断応力をもたせるために、Ｓｉ単結晶基板のドーパント濃度を高くする必要がある。
【００３１】
本発明においては、この応力に対応するだけの臨界せん断応力をもたせるのに必要な領域１の平均ドーパント濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では、必要な臨界せん断応力が得られず、一方１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、臨界せん断応力の向上がほとんどみられないことと、ドーパントが過剰に存在することによる偏析や結晶性の悪化が懸念されるので、いずれも好ましくない。
【００３２】
遷移領域１は、領域１に続いて基板の深さ方向に形成され、ドーパント濃度が連続的に変化する。図２は、領域１と領域２の間に形成された遷移領域１の、ドーパント濃度プロファイルの一形態を示す概念図である。
【００３３】
図３に、本発明に係る遷移領域１のドーパント濃度プロファイルの、他の形態を示す。本発明においては、ドーパント濃度が連続的に変化していれば、ごく短い深さ方向の間で急激に変化するいわゆる階段状の形態でもよい。また、図示しないが、ドーパント濃度の単位深さ方向あたりの減少率が一定である必要もなく、急激に変化したのち緩やかに変化してもよく、その逆でもよい。
【００３４】
遷移領域１の深さ方向における厚さは、後述するように、領域１、領域２、領域３のそれぞれの厚さが、化合物半導体の反りや熱伝導率に寄与しているので、これに影響を及ぼさない範囲で薄いほうが好ましい。遷移領域１の制御可能な厚さの範囲は、製造方法により異なるが、最も一般的な表層からの不純物熱拡散法や、不純物濃度の異なる基板の貼り合せ、Ｓｉエピ等の製造方法においては、遷移領域１の深さ方向における厚さは、０．１μｍ以上１００μｍ以下の範囲が好ましいといえる。
【００３５】
領域２は、遷移領域１に続いて形成され、平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００３６】
Ｓｉ単結晶基板の深さ方向全体を、領域１のドーパント濃度にすると、臨界せん断応力は向上するが、高ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板は、フォノン散乱の増大により熱伝導率が低くなるため、化合物半導体基板の厚さ方向の熱抵抗も増大する。その結果、この化合物半導体基板上に各種デバイス構造を作製して動作させた場合、動作中のデバイス温度が上昇し、デバイスの寿命や信頼性を低下させてしまう。
【００３７】
図５は、Ｓｉ単結晶基板の応力と曲げモーメントの関係を示す式と概念図で、これは基板の曲げを簡略化したモデルである。せん断応力は、断面厚さ方向の中立線から一方は引っ張り応力、反対方向には圧縮応力となり、それぞれ基板の表面で最大応力となる。スリップは臨界せん断応力を超えたときに発生するので、基板の表面でスリップが発生する以上のせん断応力を有するドーパント濃度の領域があれば、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向の中心付近はこれより小さいせん断応力を有するドーパント濃度の領域でも、スリップ発生に対する基板の強度に影響はない。
【００３８】
従って、Ｓｉ単結晶基板の深さ方向において、高ドーパント濃度の層と低ドーパント濃度の層２が適切な割合で存在すれば、臨界せん断応力と熱伝導率のバランスに優れたＳｉ単結晶基板とすることが可能となる。なお、本発明においては、平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上という濃度は、実質的にドーパントを含まない、ノンドープのＳｉ単結晶基板の平均ドーパント濃度と同義とする。
【００３９】
遷移領域２は、領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する領域であり、次に形成される領域３を接合、区分する役割を有する。基本的には、遷移領域１と構造、作用は同じである。ただし、遷移領域１と遷移領域２とは、完全に同じ構造、すなわち、ドーパント濃度プロファイルの濃度、形状、領域の厚さが一致している必要はない。ドーパント濃度については、本発明の範囲内での差異があってもよく、厚さについても１〜３μｍ程度の差異があってもよい。
【００４０】
領域３は、遷移領域２に続いて、Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され、平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。領域３も、基本的な構造と作用効果は領域１に準じ、Ｓｉ単結晶基板の機械強度を確保する目的で形成される。
【００４１】
さらに、本発明においては、領域１と領域３のそれぞれの厚さがＳｉ単結晶基板の全体の厚さに対して１５％以上３５％以下の範囲であることを特徴とする。これは、臨界せん断応力に優れる領域１と領域３と、熱伝導率が高い領域２との割合によっては、片方の特性が著しく損なわれる範囲が存在するためである。領域１と領域３のそれぞれの厚さが、１５％未満では機械強度が、３５％超では熱伝導率の低下が、それぞれ影響大となり、いずれも好ましくない。より好ましい範囲としては、２０％以上２５％以下である。図４に各領域とその形態を模式的に表現した概念図を示す。
【００４２】
なお、領域１と領域３は、必ずしもドーパント濃度プロファイル形状と厚さが同一であることを要せず、例えば厚さについては、領域１と領域３のそれぞれの厚さが、本発明の範囲内であればよい。また、目的に応じて、Ｓｉ単結晶基板の裏面側、すなわち化合物半導体層を形成しない側の面に各種の層や膜を形成することも、機械強度と熱伝導率の好ましいバランスを有するという、本発明の効果を損なわない限り、これを排除するものではない。
【００４３】
本発明においては、ドーパントの種類としては、Ｓｉ単結晶のドーパントとして用いられる各種の元素が適用できるが、基板製造の容易さから、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のうち、いずれか１種類もしくは複数種類を適用することが好ましい。しかしながら、化合物半導体基板への影響を考慮すると、ボロン（Ｂ）、またはヒ素（Ａｓ）を単体で用いることが、より好ましい。
【００４４】
本発明に係る化合物半導体基板として、中間層およびデバイス活性層を、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む、具体的には組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化物半導体とすることがさらに好ましい。これらは、Ｓｉ単結晶基板との相性がよく、本発明の構成を適用することで発明の効果が、簡易かつ確実に得られるためである。
【００４５】
なお、本発明に係るＳｉ単結晶基板は、広く公知の製造方法によって作製される。例えば、低ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板上に気相成長法で高ドーパント濃度の層を形成するエピタキシャル法、低ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板と高ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板を準備しこれらを貼り合せる貼り合せ法、その他イオン打ち込み法などが適用できる。しかしながら、領域１〜３の厚さと遷移領域１，２のドーパント濃度プロファイル形状を、比較的安価かつ精密に制御できる点で、Ｓｉ単結晶基板表層に高ドーパント濃度の層を熱拡散その他の方法で形成し、その後拡散炉等の熱処理装置にて所定の深さ方向までドーパントを熱拡散することで製造される、いわゆる拡散ウェーハが好適に用いられる。
【００４６】
以上のことから、本発明に係る化合物半導体基板は、化合物半導体基板において重要なスリップなどの欠陥発生防止、基板の反り低減、および基板厚さ方向の熱伝導率低下抑制という効果を、簡易な基板構造で効率的かつバランスよく実現することができ、優れた特性を有する化合物半導体基板を提供することが可能となる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。
【００４８】
ＣＺ法で製造された、面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、ノンドープのＳｉ単結晶基板を準備した。そして、ドーパントとしてボロンまたはヒ素を用いて、横型熱処理炉を用いた熱拡散法にて、このＳｉ単結晶基板の両面から、深さ方向に対してドーパントを拡散して領域１と領域３を形成した。そして、ドーパント濃度と各領域の厚さについては表１に示す内容で、各サンプルを作製した。また、領域１（ｔａ）と領域３（ｔｃ）は同じ厚さとし、遷移領域１と遷移領域２の厚さは、ともに７０μｍから１００μｍの範囲とした。
【００４９】
次に、この各サンプルに対して、窒化物半導体からなる中間層とデバイス活性層を、気相成長法により堆積することで、窒化物半導体基板を作製した。なお、窒化物半導体の中間層およびデバイス活性層は、図１に示す構成とした。
【００５０】
Ｓｉ単結晶基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびＮＨ3を用い、１１００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層２１を形成した。さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２００ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ単結晶層２２を積層させ、この２層を初期バッファ領域とした。
【００５１】
次に、原料としてＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、前記初期バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層２３を積層させ、続けて厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層２４を積層させた。前記ＡｌＮ単結晶層２３およびＧａＮ単結晶層２４を同様の工程にて交互に繰り返し、積層数を５０として、第１の多層バッファ領域２５を形成した。さらに、前記第１の多層バッファ領域２５上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層２６および厚さを２５０ｎｍのＧａＮ単結晶層２７を交互に繰り返し積層させ、積層数を２４として、それ以外は、前記第１の多層バッファ領域２５の形成と同様の工程にて、第２の多層バッファ領域２８を形成した。
【００５２】
前記第２の多層バッファ領域２８上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層３１と、これに続けて、原料としてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ単結晶層３２を積層させて、電子供給層３を形成した。なお、気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により行った。さらに電子供給層３の上にソース、ゲート、ドレインの各電極をＥＢ蒸着により形成することにより、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）デバイスを得た。
【００５３】
次に作製された窒化物半導体基板について、スリップ発生の有無、および基板厚さ方向の熱伝導率について、それぞれ評価した。
【００５４】
スリップ発生の有無は、各サンプルのデバイス活性層面を斜光下検査して、目視でスリップが発生しているかどうかを確認した。基準は、目視判断できる範囲で１本でもスリップが確認できた場合は“有り”として
本発明の効果が得られなかったものと評価し、スリップを確認できなかった場合は“無”として本発明の効果があったものと評価した。
【００５５】
熱伝導性の評価は、ＦＥＴ素子の裏面を同形状のヒートシンクに貼り付け、同一条件でデバイス動作させた際における素子表面の最高温度を非接触のサーモビューワにより測定、比較することで相対評価を行った。各サンプルの、“素子表面の温度がほぼ同等から大幅に減少した”、とする範囲においては、本発明の効果があったものと評価し、増加したものは“増”と表記して、本発明の効果が得られなかったものと評価した。
【００５６】
以上のようにした、各サンプルの作製条件と評価結果を、表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１の結果から、本発明の実施範囲においては、スリップの発生がなく、かつ各サンプルの裏面側の温度がほぼ同等か減少しており、本発明の効果が得られていた。一方、本発明の実施範囲を一部または全部外れた場合は、スリップまたは各サンプルの裏面側の温度の項目で少なくともいずれか一つについて、本発明の効果が得られていなかった。さらに、ドーパントがボロンとヒ素の場合でも、特に有意差はなく、本発明の効果が同様に確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速・高温での動作可能な電子素子等に好適に用いられるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化物半導体基板として好適である。
【符号の説明】
【００６０】
1…Ｓｉ単結晶基板、11…領域３、12…領域２、13…領域１、14…遷移領域２、15…遷移領域１、2…中間層、21…ＡｌＮ単結晶層２１、22…Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ単結晶層２２、23…ＡｌＮ単結晶層、24…ＧａＮ単結晶層、25…第１の多層バッファ領域、26…ＡｌＮ単結晶層、27…ＧａＮ単結晶層、28…第２の多層バッファ領域、3…デバイス活性層、31…ＧａＮ単結晶層、32…Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ単結晶層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、その他各種の電子素子用のＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化物半導体等の化合物半導体に用いられる化合物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体、特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるワイドバンドギャップ窒化物半導体デバイスは、そのバンド構造を生かした青色、紫外等の短波長の発光デバイスの他、ヘテロ接合界面に発生する２次元電子ガスの高い電子移動度、材料自体の持つ高い耐熱性等の優れた特性を生かしたスイッチング電源向けの高速・高耐圧電子デバイスや、高周波アンプ向けの超高速電子デバイス等への応用が期待されている。
【０００３】
この窒化物半導体に用いる窒化物半導体基板は、一例として、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ等の異種基板上へ窒化物半導体結晶を薄膜で成膜する方法で作製できるが、この場合、特にＳｉ基板を用いた場合は、他の異種基板と比べて、高品質な結晶を安定供給でき、低価格で大面積の基板が得られる点で、好適といえる。以下、このような異種材料基板上に窒化物半導体結晶を製膜したものを、化合物半導体基板と呼ぶこととする。
【０００４】
ところで、Ｓｉ基板上に窒化物半導体結晶を成膜する場合、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の違いにより発生する応力起因の基板の反り、窒化物半導体単結晶膜の割れさらにはＳｉ基板へのスリップ欠陥の導入といった問題がある。この解決のためにさまざまな方法が考えられており、Ｓｉ基板の基板特性を最適設計する手法も、いくつか試みられている。
【０００５】
具体的には、Ｓｉ中の各種物質の濃度、例えば酸素濃度、窒素濃度、炭素濃度、酸素析出物等の欠陥濃度、ドーパント濃度を制御することが考えられる。特に、ドーパントとして含まれるボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等の各種元素の濃度を高くするとＳｉ基板の機械強度が向上することから、窒化物半導体基板の反りや割れ、スリップなどの欠陥導入頻度を大幅に低減させることが可能である。
【０００６】
例えば、特許文献１には、シリコン基板よりも大きい熱膨張率を持つ半導体材料の層をエピタキシャル成長させても、シリコン基板の湾曲を抑制することができるシリコン基板及びその製造方法を提供することを目的として、一の主面からまたは該主面近傍の所定の深さから裏面まで、連続的または段階的に減少する窒素不純物の濃度分布を有し、該窒素不純物の濃度分布に概ね対応して分布する酸素析出物を有することを特徴とするシリコン基板という技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、反りや割れの発生や、Ｓｉ基板へのスリップ欠陥の導入という課題の解決に関するものではないが、順方向電圧（Ｖｆ）が従来よりも低い窒化物系半導体素子を提供する目的で、基板にＳｉを用いる窒化物系半導体素子において、Ｓｉ基板の少なくとも一部と窒化物半導体層とを能動領域に含み、Ｓｉ基板における能動領域の導電型がｐ型であること、あるいは、Ｓｉ基板における能動領域の不純物濃度が、１Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１Ｅ＋２２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である窒化物系半導体素子という技術が開示されている。
【０００８】
ところで、Ｓｉ中のドーパント濃度については、例えば非特許文献１では、Ｓｉ中のドーパント濃度が高くなると、Ｓｉの熱伝導性が低下するということが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２５１７０４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００６−１２０９０８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｍ．Ａｓｈｅｇｈｉ，ｅｔ．ａｌ．：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．９１ Ｎｏ．８ １５．Ａｐｒｉｌ２００２ ５０７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の方法においては、酸素析出の生成時における膨張力を利用することにより、化合物半導体基板の反りを制御する方法が開示されているが、この方法は、化合物半導体層を形成後、所定の熱処理によって酸素析出物を生成させ、反りの制御を行うため、化合物半導体層の形成時に発生する応力は、従来と同様となる。そのため、化合物半導体層の形成時に発生するＳｉ基板へのスリップ欠陥導入に関しては、効果が得られない。
【００１２】
特許文献２は、順方向電圧（Ｖｆ）が従来よりも低い窒化物系半導体素子を提供する目的で、Ｓｉ基板とＧａＮ層の界面に接するＳｉ基板の不純物すなわちドーパント濃度を高くすることが記載されており、Ｓｉ基板の不純物濃度が窒化物半導体の特性に影響することが示唆されている。しかし、反りや割れの発生や、転位や結晶欠陥の多発という課題に対して、Ｓｉ基板中のドーパント濃度の形態がどのように影響するかについては、特許文献２の記載のみでは明らかでないと考えられる。
【００１３】
一般に、Ｓｉ中のドーパントの濃度を高くすると、機械強度の向上、すなわち臨界せん断応力値の向上がみられるので、スリップ発生や反りの抑制には効果的である。一方、ドーパント濃度が高い場合においては、非特許文献１に記載されているように、Ｓｉ単結晶の熱伝導率が低下してしまい、化合物半導体基板を窒化物半導体光・電子デバイスとして用いるには好ましくない。高濃度ドーピングにおける機械強度と熱伝導率にはトレードオフの関係が存在するため、ドーパントの濃度、深さ方向の分布については、最適設計が必要となるが、これまでに十分な検討がなされていたとは言い難い。
【００１４】
本発明は、これらの課題を鑑みてなされたもので、効果的に転位発生の防止と基板の反りの低減を成すとともに、熱伝導率の低下を必要最小限に抑えることを簡易な手法で実現する、Ｓｉ単結晶基板を用いた化合物半導体基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板と、前記Ｓｉ単結晶基板の一主面上形成された化合物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された化合物半導体からなるデバイス活性層から構成され、前記Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とが順次形成され、さらに、前記領域１と前記領域３のそれぞれの厚さが前記Ｓｉ単結晶基板の全体の厚さに対して１５％以上３５％以下の範囲であることを特徴とする。このような構成をとることで、基板におけるスリップなどの転位発生防止、基板の反り低減、基板の熱伝導率低下抑制という効果を、効率よく併せ持つ化合物半導体基板とすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る化合物半導体基板におけるドーパントは、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のうち、いずれか１種類もしくは複数種類であることがさらに好ましい。このような構成をとることで、簡易かつ低コストで、効率よく基板におけるスリップなどの転位発生防止、基板の反り低減、基板の熱伝導率低下抑制という効果を得ることが出来る。これらの元素はＳｉの格子位置に置換して固溶するため、固溶強化によりＳｉ基板の機械強度、即ち臨界せん断応力を向上させることが出来る。
【００１７】
また、本発明に係る化合物半導体基板においては、中間層およびデバイス活性層は、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体からなることが好ましい。このような構成をとることで、ワイドバンドギャップ材料の特性を生かした半導体デバイスの実現が可能となる他、それらの組み合わせによって、優れた基板の反り低減効果を発揮することが出来る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る化合物半導体基板は、化合物半導体基板において重要である、スリップなどの欠陥発生防止、基板の反り低減、および基板厚さ方向の熱伝導率低下抑制という効果を、簡易な基板構造で効率的かつバランスよく実現することができ、優れた特性を有する化合物半導体基板を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る化合物半導体基板の構造を示す概念図、図２は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の厚さ方向における領域１と領域２の関係を示す概念図、図３は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の厚さ方向における遷移領域のドーパント濃度プロファイルの他の形態を示す概念図、図４は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の各領域の形態を示す概略図、そして図５は、本発明に係るＳｉ単結晶基板の応力と曲げモーメントの関係を示す式と概念図である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る、化合物半導体基板の構造を示す概念図。
【図２】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向におけるドーパント濃度プロファイルの、遷移領域の一形態を示す概念図。
【図３】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向における遷移領域のドーパント濃度プロファイルの、他の形態を示す概念図。
【図４】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の各領域の形態を示す概略図。
【図５】本発明に係る、Ｓｉ単結晶基板の応力と曲げモーメントの関係を示す式と概念図。
【００２１】
本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板と、前記Ｓｉ単結晶基板の一主面上に形成された化合物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された化合物半導体からなるデバイス活性層から構成され、前記Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とが順次形成され、さらに、前記領域１と前記領域３のそれぞれの厚さが前記Ｓｉ単結晶基板の全体の厚さに対して、１５％以上３５％以下の範囲である。
【００２２】
Ｓｉ単結晶基板は、化合物半導体を形成する下地として用いられるが、基本的な製法や結晶構造は特に限定されるものではなく、公知の半導体デバイス作製用のＳｉ単結晶基板を広く用いることができる。例えば、Ｓｉ単結晶育成方法としてはＣＺ法でもＦＺ法でもよく、基板加工処理として各種熱処理を施したウェーハも適用できる。また、基板の面方位やベベル形状、化合物半導体が形成される主面および裏面の面粗さ等の仕上げ状態についても、設計する化合物半導体基板の仕様に合わせて適時選択できる。
【００２３】
Ｓｉ単結晶基板の一主面上に形成された化合物半導体からなる中間層は、Ｓｉ基板とデバイス活性層である化合物半導体との、格子定数の違いによる不整合や熱膨張係数の違いにより発生する応力を緩和する働きをもつ。中間層の構造については、特に限定されるものではないが、比較的簡易に作製できることから、任意の厚さと組成をもつ化合物半導体の積層からなる多層構造であることが好ましい。
【００２４】
中間層上には化合物半導体からなるデバイス活性層が形成される。化合物半導体としては、各種の材料が適用でき、例えばＡｌＧａＮ等の窒化物半導体結晶が用いられる。
【００２５】
そして、Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３と、が順次形成されている。
【００２６】
本発明において、領域１から領域３における平均ドーパント濃度とは、例えば領域１なら、一主面の表面から深さ方向における区間を任意に分割して得られた点でのドーパント濃度を平均した値で表現される。そして、ドーパント濃度は、例えば、広がり抵抗（ＳＲ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法などの測定手法により、Ｓｉ単結晶基板の深さ方向に対して、数点望ましくは数十点以上測定することで得られる。このとき同時に、各領域の厚さも測定されるが、厚さは、別途他の手法で測定することもできる。なお、深さ方向とは、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向と同義で、一主面から他主面に対してほぼ垂直に向かう方向のことを指している。
【００２７】
本発明においては、ドーパント濃度の平均値が本発明の実施範囲内であればよく、例えば領域１で２０ポイント測定して、１ポイントのドーパント濃度の測定値が領域２の濃度範囲であっても特に問題ない。この場合の目安として、測定ポイントの９０％以上、より好ましくは９５％以上が領域１の範囲であれば、それ以外の測定ポイントが全て領域２の濃度の範囲であっても、本発明の効果に大きな影響を与えない。
【００２８】
さらに、ドーパント濃度を厚さ方向にプロットすることでドーパント濃度プロファイルが得られるが、領域１から領域３の各領域内におけるドーパント濃度プロファイルの形状は、必ずしも一定のドーパント濃度値を保持した形状を要求するものではなく、例えば、深さ方向に対して、ドーパント濃度値が緩やかに低減または増加する形状でもよく、一旦ドーパント濃度値が上昇後減少に転じるような山なり形状でもよい。
【００２９】
次に、各領域について説明する。領域１は、中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００３０】
Ｓｉ基板上に窒化物半導体結晶を成膜する場合、Ｓｉと窒化物半導体との熱膨張係数の違いにより発生する応力起因の基板の反り、窒化物半導体単結晶膜の割れ、さらにはＳｉ基板へのスリップ欠陥の導入といった問題がおこる。特に、デバイス活性層の厚膜化に伴い、応力が増大するので、この応力に対応するだけの臨界せん断応力をもたせるために、Ｓｉ単結晶基板のドーパント濃度を高くする必要がある。
【００３１】
本発明においては、この応力に対応するだけの臨界せん断応力をもたせるのに必要な領域１の平均ドーパント濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では、必要な臨界せん断応力が得られず、一方１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、臨界せん断応力の向上がほとんどみられないことと、ドーパントが過剰に存在することによる偏析や結晶性の悪化が懸念されるので、いずれも好ましくない。
【００３２】
遷移領域１は、領域１に続いて基板の深さ方向に形成され、ドーパント濃度が連続的に変化する。図２は、領域１と領域２の間に形成された遷移領域１の、ドーパント濃度プロファイルの一形態を示す概念図である。
【００３３】
図３に、本発明に係る遷移領域１のドーパント濃度プロファイルの、他の形態を示す。本発明においては、ドーパント濃度が連続的に変化していれば、ごく短い深さ方向の間で急激に変化するいわゆる階段状の形態でもよい。また、図示しないが、ドーパント濃度の単位深さ方向あたりの減少率が一定である必要もなく、急激に変化したのち緩やかに変化してもよく、その逆でもよい。
【００３４】
遷移領域１の深さ方向における厚さは、後述するように、領域１、領域２、領域３のそれぞれの厚さが、化合物半導体の反りや熱伝導率に寄与しているので、これに影響を及ぼさない範囲で薄いほうが好ましい。遷移領域１の制御可能な厚さの範囲は、製造方法により異なるが、最も一般的な表層からの不純物熱拡散法や、不純物濃度の異なる基板の貼り合せ、Ｓｉエピ等の製造方法においては、遷移領域１の深さ方向における厚さは、０．１μｍ以上１００μｍ以下の範囲が好ましいといえる。
【００３５】
領域２は、遷移領域１に続いて形成され、平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【００３６】
Ｓｉ単結晶基板の深さ方向全体を、領域１のドーパント濃度にすると、臨界せん断応力は向上するが、高ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板は、フォノン散乱の増大により熱伝導率が低くなるため、化合物半導体基板の厚さ方向の熱抵抗も増大する。その結果、この化合物半導体基板上に各種デバイス構造を作製して動作させた場合、動作中のデバイス温度が上昇し、デバイスの寿命や信頼性を低下させてしまう。
【００３７】
図５は、Ｓｉ単結晶基板の応力と曲げモーメントの関係を示す式と概念図で、これは基板の曲げを簡略化したモデルである。せん断応力は、断面厚さ方向の中立線から一方は引っ張り応力、反対方向には圧縮応力となり、それぞれ基板の表面で最大応力となる。スリップは臨界せん断応力を超えたときに発生するので、基板の表面でスリップが発生する以上のせん断応力を有するドーパント濃度の領域があれば、Ｓｉ単結晶基板の厚さ方向の中心付近はこれより小さいせん断応力を有するドーパント濃度の領域でも、スリップ発生に対する基板の強度に影響はない。
【００３８】
従って、Ｓｉ単結晶基板の深さ方向において、高ドーパント濃度の層と低ドーパント濃度の層２が適切な割合で存在すれば、臨界せん断応力と熱伝導率のバランスに優れたＳｉ単結晶基板とすることが可能となる。なお、本発明においては、平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上という濃度は、実質的にドーパントを含まない、ノンドープのＳｉ単結晶基板の平均ドーパント濃度と同義とする。
【００３９】
遷移領域２は、領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する領域であり、次に形成される領域３を接合、区分する役割を有する。基本的には、遷移領域１と構造、作用は同じである。ただし、遷移領域１と遷移領域２とは、完全に同じ構造、すなわち、ドーパント濃度プロファイルの濃度、形状、領域の厚さが一致している必要はない。ドーパント濃度については、本発明の範囲内での差異があってもよく、厚さについても１〜３μｍ程度の差異があってもよい。
【００４０】
領域３は、遷移領域２に続いて、Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され、平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。領域３も、基本的な構造と作用効果は領域１に準じ、Ｓｉ単結晶基板の機械強度を確保する目的で形成される。
【００４１】
さらに、本発明においては、領域１と領域３のそれぞれの厚さがＳｉ単結晶基板の全体の厚さに対して１５％以上３５％以下の範囲であることを特徴とする。これは、臨界せん断応力に優れる領域１と領域３と、熱伝導率が高い領域２との割合によっては、片方の特性が著しく損なわれる範囲が存在するためである。領域１と領域３のそれぞれの厚さが、１５％未満では機械強度が、３５％超では熱伝導率の低下が、それぞれ影響大となり、いずれも好ましくない。より好ましい範囲としては、２０％以上２５％以下である。図４に各領域とその形態を模式的に表現した概念図を示す。
【００４２】
なお、領域１と領域３は、必ずしもドーパント濃度プロファイル形状と厚さが同一であることを要せず、例えば厚さについては、領域１と領域３のそれぞれの厚さが、本発明の範囲内であればよい。また、目的に応じて、Ｓｉ単結晶基板の裏面側、すなわち化合物半導体層を形成しない側の面に各種の層や膜を形成することも、機械強度と熱伝導率の好ましいバランスを有するという、本発明の効果を損なわない限り、これを排除するものではない。
【００４３】
本発明においては、ドーパントの種類としては、Ｓｉ単結晶のドーパントとして用いられる各種の元素が適用できるが、基板製造の容易さから、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のうち、いずれか１種類もしくは複数種類を適用することが好ましい。しかしながら、化合物半導体基板への影響を考慮すると、ボロン（Ｂ）、またはヒ素（Ａｓ）を単体で用いることが、より好ましい。
【００４４】
本発明に係る化合物半導体基板として、中間層およびデバイス活性層を、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む、具体的には組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される窒化物半導体とすることがさらに好ましい。これらは、Ｓｉ単結晶基板との相性がよく、本発明の構成を適用することで発明の効果が、簡易かつ確実に得られるためである。
【００４５】
なお、本発明に係るＳｉ単結晶基板は、広く公知の製造方法によって作製される。例えば、低ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板上に気相成長法で高ドーパント濃度の層を形成するエピタキシャル法、低ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板と高ドーパント濃度のＳｉ単結晶基板を準備しこれらを貼り合せる貼り合せ法、その他イオン打ち込み法などが適用できる。しかしながら、領域１〜３の厚さと遷移領域１，２のドーパント濃度プロファイル形状を、比較的安価かつ精密に制御できる点で、Ｓｉ単結晶基板表層に高ドーパント濃度の層を熱拡散その他の方法で形成し、その後拡散炉等の熱処理装置にて所定の深さ方向までドーパントを熱拡散することで製造される、いわゆる拡散ウェーハが好適に用いられる。
【００４６】
以上のことから、本発明に係る化合物半導体基板は、化合物半導体基板において重要なスリップなどの欠陥発生防止、基板の反り低減、および基板厚さ方向の熱伝導率低下抑制という効果を、簡易な基板構造で効率的かつバランスよく実現することができ、優れた特性を有する化合物半導体基板を提供することが可能となる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づき説明するが、本発明はこの実施例により限定されるものではない。
【００４８】
ＣＺ法で製造された、面方位（１１１）、直径４インチ、厚さ６２５μｍ、ノンドープのＳｉ単結晶基板を準備した。そして、ドーパントとしてボロンまたはヒ素を用いて、横型熱処理炉を用いた熱拡散法にて、このＳｉ単結晶基板の両面から、深さ方向に対してドーパントを拡散して領域１と領域３を形成した。そして、ドーパント濃度と各領域の厚さについては表１に示す内容で、各サンプルを作製した。また、領域１（ｔａ）と領域３（ｔｃ）は同じ厚さとし、遷移領域１と遷移領域２の厚さは、ともに７０μｍから１００μｍの範囲とした。
【００４９】
次に、この各サンプルに対して、窒化物半導体からなる中間層とデバイス活性層を、気相成長法により堆積することで、窒化物半導体基板を作製した。なお、窒化物半導体の中間層およびデバイス活性層は、図１に示す構成とした。
【００５０】
Ｓｉ単結晶基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびＮＨ3を用い、１１００℃での気相成長により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層２１を形成した。さらにその上に、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２００ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ単結晶層２２を積層させ、この２層を初期バッファ領域とした。
【００５１】
次に、原料としてＴＭＡおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、前記初期バッファ領域上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層２３を積層させ、続けて厚さ２０ｎｍのＧａＮ単結晶層２４を積層させた。前記ＡｌＮ単結晶層２３およびＧａＮ単結晶層２４を同様の工程にて交互に繰り返し、積層数を５０として、第１の多層バッファ領域２５を形成した。さらに、前記第１の多層バッファ領域２５上に、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層２６および厚さを２５０ｎｍのＧａＮ単結晶層２７を交互に繰り返し積層させ、積層数を２４として、それ以外は、前記第１の多層バッファ領域２５の形成と同様の工程にて、第２の多層バッファ領域２８を形成した。
【００５２】
前記第２の多層バッファ領域２８上に、原料としてＴＭＧおよびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０００ｎｍのＧａＮ単結晶層３１と、これに続けて、原料としてＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＮＨ3を用い、１０００℃での気相成長により、厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ単結晶層３２を積層させて、電子供給層３を形成した。なお、気相成長により形成した各層の厚さは、ガス流量および供給時間の調整により行った。さらに電子供給層３の上にソース、ゲート、ドレインの各電極をＥＢ蒸着により形成することにより、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）デバイスを得た。
【００５３】
次に作製された窒化物半導体基板について、スリップ発生の有無、および基板厚さ方向の熱伝導率について、それぞれ評価した。
【００５４】
スリップ発生の有無は、各サンプルのデバイス活性層面を斜光下検査して、目視でスリップが発生しているかどうかを確認した。基準は、目視判断できる範囲で１本でもスリップが確認できた場合は“有り”として
本発明の効果が得られなかったものと評価し、スリップを確認できなかった場合は“無”として本発明の効果があったものと評価した。
【００５５】
熱伝導性の評価は、ＦＥＴ素子の裏面を同形状のヒートシンクに貼り付け、同一条件でデバイス動作させた際における素子表面の最高温度を非接触のサーモビューワにより測定、比較することで相対評価を行った。各サンプルの、“素子表面の温度がほぼ同等から大幅に減少した”、とする範囲においては、本発明の効果があったものと評価し、増加したものは“増”と表記して、本発明の効果が得られなかったものと評価した。
【００５６】
以上のようにした、各サンプルの作製条件と評価結果を、表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１の結果から、本発明の実施範囲においては、スリップの発生がなく、かつ各サンプルの裏面側の温度がほぼ同等か減少しており、本発明の効果が得られていた。一方、本発明の実施範囲を一部または全部外れた場合は、スリップまたは各サンプルの裏面側の温度の項目で少なくともいずれか一つについて、本発明の効果が得られていなかった。さらに、ドーパントがボロンとヒ素の場合でも、特に有意差はなく、本発明の効果が同様に確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、発光ダイオード、レーザ発光素子、また、高速・高温での動作可能な電子素子等に好適に用いられるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）構造を有する窒化物半導体基板として好適である。
【符号の説明】
【００６０】
1…Ｓｉ単結晶基板、11…領域３、12…領域２、13…領域１、14…遷移領域２、15…遷移領域１、2…中間層、21…ＡｌＮ単結晶層２１、22…Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ単結晶層２２、23…ＡｌＮ単結晶層、24…ＧａＮ単結晶層、25…第１の多層バッファ領域、26…ＡｌＮ単結晶層、27…ＧａＮ単結晶層、28…第２の多層バッファ領域、3…デバイス活性層、31…ＧａＮ単結晶層、32…Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ単結晶層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ単結晶基板と、前記Ｓｉ単結晶基板の一主面上に形成された化合物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された化合物半導体からなるデバイス活性層から構成され、前記Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とが順次形成され、さらに、前記領域１と前記領域３のそれぞれの厚さが前記Ｓｉ単結晶基板の全体の厚さに対して１５％以上３５％以下の範囲であることを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項２】
前記ドーパントは、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のうち、いずれか１種類もしくは複数種類であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
前記中間層および前記デバイス活性層は、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物半導体基板。
【請求項１】
Ｓｉ単結晶基板と、前記Ｓｉ単結晶基板の一主面上に形成された化合物半導体からなる中間層と、前記中間層上に形成された化合物半導体からなるデバイス活性層から構成され、前記Ｓｉ単結晶基板は、前記中間層側の一主面の表面から厚さ方向に向かって平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域１と、前記領域１に続いて形成されドーパント濃度が連続的に減少する遷移領域１と、前記遷移領域１に続いて形成され平均ドーパント濃度が１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域２と、前記領域２に続いて形成されドーパント濃度が連続的に増加する遷移領域２と、前記遷移領域２に続いて前記Ｓｉ単結晶基板の他主面の表面まで形成され平均ドーパント濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である領域３とが順次形成され、さらに、前記領域１と前記領域３のそれぞれの厚さが前記Ｓｉ単結晶基板の全体の厚さに対して１５％以上３５％以下の範囲であることを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項２】
前記ドーパントは、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のうち、いずれか１種類もしくは複数種類であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
前記中間層および前記デバイス活性層は、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）を含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物半導体基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−５１７７４（Ｐ２０１２−５１７７４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９７２０７（Ｐ２０１０−１９７２０７）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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