多重構造窒化物半導体構造
【課題】基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長する場合、窒化物半導体素子厚さに依存しない反りの制御が可能になる多層構造窒化物半導体素子の構造を提供する。
【解決手段】多重構造窒化物半導体は、基板１上に、窒化物半導体が１層かまたは複数層積層されたバッファ層２と、バッファ層２上に窒化物半導体が形成された多層構造バッファ層３と、多層構造バッファ層３上に窒化物半導体が１層かまたは複数層積層された半導体層４とから構成される。多層構造バッファ層３は多層構造バッファ層５と多層構造バッファ層５上に接したバッファ層６とが１層かまたは複数層積層されることで成り、多層構造バッファ層５は、バッファ層７とバッファ層７上に接したバッファ層８から成り、バッファ層７とバッファ層８は複数層積層されている。バッファ層７およびバッファ層８のすくなくとも一方の３族材料の組成を変化させることで窒化物半導体素子の反りの制御を可能にした。
【解決手段】多重構造窒化物半導体は、基板１上に、窒化物半導体が１層かまたは複数層積層されたバッファ層２と、バッファ層２上に窒化物半導体が形成された多層構造バッファ層３と、多層構造バッファ層３上に窒化物半導体が１層かまたは複数層積層された半導体層４とから構成される。多層構造バッファ層３は多層構造バッファ層５と多層構造バッファ層５上に接したバッファ層６とが１層かまたは複数層積層されることで成り、多層構造バッファ層５は、バッファ層７とバッファ層７上に接したバッファ層８から成り、バッファ層７とバッファ層８は複数層積層されている。バッファ層７およびバッファ層８のすくなくとも一方の３族材料の組成を変化させることで窒化物半導体素子の反りの制御を可能にした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に結晶成長した窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体を用いた電子デバイスは、高い破壊電界強度と高いキャリア移動度を有しており、次世代パワーデバイスや高周波向けデバイスとして注目されている。特にシリコン基板上に窒化物半導体を形成することは、シリコンが高い熱伝導率を有していることからデバイスの高温動作に有利である。また、シリコン基板の大口径化も容易であり、デバイスの集積化やコスト削減にも有利である。さらに窒化物半導体はＧａＡｓやＩｎＰのようにＡｓやＰを含有しないことから、環境に対して無害である半導体材料として有望である。
【０００３】
窒化物半導体を基板上にエピタキシャル成長する場合、基板と窒化物半導体の熱膨張係数の差や格子定数の差などによってクラックや転位などが多く発生する。特に、シリコン基板では、窒化物半導体としてＧａＮを成長するときに、Ｇａとシリコンが反応するメルトバックエッチングによる汚染も発生する。このような間題を解決する技術は、例えばサファイア基板上の窒化物半導体結晶成長については、特許文献１などに開示されている。この技術は、サファイア基板上にＡｌ2０3層とＡｌＯＮ層、ＡｌＮ層を成長することで、基板とＡｌＮを格子整合させて転位を減らしている。また、シリコン基板上の窒化物半導体結晶成長については、非特許文献１などに開示されている。この技術は、シリコン基板上にＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層を成長させることで、Ｇａによるメルトバックエッチングを低減し、またＡｌＮとＧａＮの格子定数の差による転位を低減している。
【０００４】
これらのような技術を用いて窒化物半導体を積層した場合、熱膨張係数の差による応力のかかり具合により窒化物半導体が反る。また、窒化物半導体の縦方向の耐圧を向上させるため、窒化物半導体層を厚膜化することが知られているが、窒化物半導体層の厚膜化にともない反りはより大きくなる。反りを低減するために、特許文献２などの技術が開示されている。特許文献２では、窒化物半導体の多層構造の厚膜化により応力を相殺し、反りを低減している。しかし、特許文献２における技術では、任意の希望する膜厚で反りを低減する事が困難である。シリコンをはじめとした窒化物半導体を結晶成長するための基板は、基板に歪みが内包されることや基板自身の形状が同一基板種でも相違していることが多く、特に窒化物半導体素子をあらかじめ定めた厚さで作製する場合、定めた厚さで反りの大きさを制御することは難しい。また、窒化物半導体素子を量産化する場合、厚さや形状の違いはデバイス作製や集積化に大きな影響を与えるので、厚さや形状の違いが少ないことが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０５／０１５６１８号パンフレット
【特許文献２】特開２００８−２１８４７９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈ．Ｉｓｈｉｋａｗａ、他５名、「ＧａＮ ｏｎ Ｓｉ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗｉｔｈ ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｌａｙｅｒ」Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏ１．３８（１９９９）ｐｐ−Ｌ４９２−Ｌ４９４、日本応用物理学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、特許文献２の課題である、窒化物半導体の多層構造の厚膜化により反りを低減する方法では膜厚が限定されるという課題である。本発明の目的は、基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長する場合、特許文献２が示すような、窒化物半導体素子の厚さを制御することにより反りを制御することとは異なり、窒化物半導体素子の厚さを制御しなくても反りを制御することが可能となる多層構造窒化物半導体素子の構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、基板１の主面上に形成され、窒化物半導体からなるバッファ層２と、バッファ層２上に窒化物半導体が形成された多層構造バッファ層３と、多層構造バッファ層３上に窒化物半導体からなる半導体層４が形成された多重構造窒化物半導体素子であって、多層構造バッファ層３は多層構造バッファ層５を少なくとも１層含み、多層構造バッファ層５は、互いに異なる組成からなるバッファ層７とバッファ層８から成り、、バッファ層７とバッファ層８とを少なくとも１層ずつ含み、任意の順番で１層かまたは複数層積層されていて、任意の厚みを有する前記多層構造バッファ層３に対して、前記バッファ層７と前記バッファ層８の窒化物半導体の３族材料の組成を調節することで多重構造窒化物半導体素子の反りを制御することを特徴とする多重構造窒化物半導体素子の構造である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、多層構造バッファ層３は、バッファ層７およびバッファ層８とは異なる組成からなるバッファ層６をさらに１層かまたは複数層含み、バッファ層６と多層構造バッファ層５とは任意の順番で交互に１層かまたは複数層積層されることを特徴とする請求項１に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、基板１がシリコン、ＳＯＩ、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド及びサファイアのうちいずれかを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多重構造窒化物半導体素子である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、バッファ層２が、それぞれ１層かまたは複数層の、ＡｌＮの層と、ＡｌSＧａ1一SＮの層とから成り、ＡｌＮの層とＡｌSＧａ1一SＮの層のそれぞれは任意の順番で交互に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。ここで、ｓはＡｌ組成の割合であり、０＜ｓ＜１を満たす数値である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、バッファ層７またはバッファ層８の少なくとも一方が、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮまたはＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。ここで、Ｋ、Ｌ、Ｍ、ｋ、ｌ、ｍはそれぞれ３族材料の組成の割合であり、
０≦Ｋ＜１，０≦Ｌ≦１，０≦Ｍ＜１，Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１
０≦ｋ＜１，０≦ｌ≦１，０≦ｍ＜１，ｋ十ｌ十ｍ≦１
を満たす数値である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記多層構造バッファ層５において前記バッファ層７がＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮからなり、前記バッファ層８がＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮからなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の多重構造窒化物半導体素子である。ここで、Ｋ、Ｌ、Ｍ、ｋ、ｌ、ｍはそれぞれ３族材料の組成の割合であり、
０≦Ｋ＜１，０≦Ｌ≦１，０≦Ｍ＜１，Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１
０≦ｋ＜１，０≦ｌ≦１，０≦ｍ＜１，ｋ十ｌ十ｍ≦１
を満たす数値である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、バッファ層６がＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮ、ただし０≦ｐ＜１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ＜１、ｐ＋ｑ＋ｒ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、半導体層４が１層かまたは複数層のＩｎXＡｌYＢZＧａ1-X-Y-ZＮからなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは、０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ＜１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦１を満たす数値である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、決められた多層構造窒化物半導体素子の層厚で、良好な形状の多層構造窒化物半導体素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【図２】図１における多層構造バッファ層５の概略図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）とバッファ層８のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例１にかかる、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）とバッファ層８のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例１にかかる、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）とバッファ層８のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【図７】図３における多層構造バッファ層５１の概略図である。
【図８】本発明の実施例３にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【図９】図４における多層構造バッファ層５ａの概略図である。
【図１０】図４における多層構造バッファ層５ｂの概略図である。
【図１１】図４における多層構造バッファ層５ｃの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【００２０】
図２は、図１における多層構造バッファ層５の概略図である。
【００２１】
実施例１の形態は、基板１の主面上にバッファ層２が形成され、バッファ層２に接して形成された多層構造バッファ層３と、多層構造バッファ層３に接して形成された半導体層４により構成される。
【００２２】
基板１は実施例１においてはシリコン基板を用いている。他にＳＯＩ基板、シリコンカーバイド基板、ガリウムナイトライド基板、サファイア基板のいずれの基板でもよい。
【００２３】
バッファ層２は窒化物半導体が１層以上積層されている。実施例１では、第一の層はＡｌＮ、第二の層はＡｌＧａＮで形成されている。
【００２４】
多層構造バッファ層３は、多層構造バッファ層５が１層かまたは複数層積層されていて、多層構造バッファ層５が複数層積層されている場合はバッファ層６と交互に積層されることで成る。多層構造バッファ層５が少なくとも１層積層されていれば、多層構造バッファ層５、バッファ層６それぞれの積層数、積層する順番、膜厚は任意に決定することができ、例えば、バッファ層２上に多層構造バッファ層５、別の多層構造バッファ層５上に半導体層４が積層されてもかまわない。実施例１では、多層構造バッファ層５とバッファ層６とが交互に１層積層されているが、積層数はこれに限定されない。
【００２５】
多層構造バッファ層３の厚さは、実施例１では２５００ｎｍおよび３０００ｎｍとした。
【００２６】
バッファ層６はＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮから構成され、０≦ｐ＜１，０≦ｑ≦１，０≦ｒ＜１，ｐ＋ｑ＋ｒ≦１の範囲で、３族材料について任意に組成を決定することができる。あるバッファ層６内で単一組成でもよいが、組成が１層中の場所によって異なっていてもよい。別のバッファ層６内では前述のバッファ層６とは異なる組成であってもよい。実施例１では、バッファ層６をＡｌＧａＮとし、Ａｌ組成が多層構造バッファ層５に接する面から半導体層４に接する面にかけて９０％から８０％まで連続的に変化するようにバッファ層６を成長させたが、この組成に限定されない。
【００２７】
多層構造バッファ層５はバッファ層７とバッファ層８とが複数層積層されることで成る。図２では典型的な例としてバッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ１０層積層されているが、積層数はこれに限定されない。また、バッファ層７とバッファ層８とがそれぞれ少なくとも１層ずつ積層されていれば、それぞれの積層数、積層する順番は任意に決定することができる。例えば、バッファ層２上にバッファ層７、別のバッファ層７上に半導体層４が積層されてもかまわない。また、バッファ層７、バッファ層８、バッファ層６はそれぞれ互いに組成が異なる。
【００２８】
バッファ層７は、ＩｎfＡｌtＢuＧａ1-f-t-uＮから構成され、０≦ｆ＜１，０≦ｔ≦１，０≦ｕ＜１，ｆ十ｔ十ｕ≦１の範囲で、各層で３族材料について任意に組成を決定することができる。あるバッファ層７内で単一組成でもよいが、組成が１層中の場所によって異なっていてもよい。別のバッファ層７内では前述のバッファ層７とは異なる組成であってもよい。
【００２９】
バッファ層８は、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、０≦Ｋ＜１，０≦Ｌ≦１，０≦Ｍ＜１，Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１の範囲で、各層で３族材料について任意に組成を決定することができる。あるバッファ層８内で単一組成でもよいが、組成が１層中の場所によって異なっていてもよい。別のバッファ層８内では前述のバッファ層８とは異なる組成であってもよい。ただし、バッファ層７とは異なる組成とする。
【００３０】
半導体層４は１層かまたは複数層のＩｎXＡｌYＢZＧａ1-X-Y-ZＮから成る。実施例１では１層目はＧａＮ、２層目はＡｌＮ、３層目はＡｌＧａＮ，４層目はＧａＮとした。
【００３１】
図３は、バッファ層７の組成が各バッファ層７内で均一なＡｌＮ、多層構造バッファ層３の厚さが２５００ｎｍ、バッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ５０層積層されている場合の、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）と、バッファ層８のＡｌ組成との関係を示している。バッファ層８のＡｌ組成が小さいほどBOW値が大きくなっている。上記の条件ではバッファ層８のＡｌ組成の好ましい範囲は０％から５０％、より好ましくは０％から４０％である。
【００３２】
図４は、バッファ層７の組成が各バッファ層７内で均一なＡｌtＧａ1-tＮ、ｔ＝０．２５、多層構造バッファ層３の厚さが２５００ｎｍ、バッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ５０層積層されている場合の、ＢＯＷ値と、バッファ層８のＡｌ組成との関係を示している。図３と同様、バッファ層８のＡｌ組成が小さいほどBOW値が大きくなっている。上記の条件ではバッファ層８のＡｌ組成の好ましい範囲は１０％から８０％、より好ましくは１０％から５０％である。
【００３３】
図５は、バッファ層７の組成が各バッファ層７内で均一なＡｌＮ、多層構造バッファ層３の厚さが３０００ｎｍ、バッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ８０層積層されている場合の、ＢＯＷ値と、バッファ層８のＡｌ組成との関係を示している。図３および図４と同様、バッファ層８のＡｌ組成が小さいほどBOW値が大きくなっている。上記の条件ではバッファ層８のＡｌ組成の好ましい範囲は０％から６０％、より好ましくは０％から２０％である。
【００３４】
このようにして、多層構造バッファ層の厚みを固定し、多層構造バッファ層３を構成する各バッファ層のＡｌ組成を調節することで、反りの制御が可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図６は、本発明の実施例２にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【００３６】
図７は、図６における多層構造バッファ層５１の概略図である。
【００３７】
図６の多層構造窒化物半導体素子は、多層構造バッファ層３ａが多層構造バッファ層５１とバッファ層６１とが複数層積層される以外は、図１の多層構造窒化物半導体素子と同様の構造である。実施例２では多層構造バッファ層５１とバッファ層６１とが交互に３層ずつ積層されているが、多層構造バッファ層３ａに多層構造バッファ層５１が少なくとも１層積層されていればよい。
【００３８】
多層構造バッファ層５１はバッファ層７１とバッファ層８１とが複数層積層されて構成されている。実施例２では、交互に１０組積層されているが、バッファ層７１とバッファ層８１とがそれぞれ少なくとも１層積層されていればよい。バッファ層７１はＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから成り、バッファ層８１はＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから成る。バッファ層７１またはバッファ層８１は３族材料について単一組成でもよいが、層の中で連続または不連続に組成を変化させてもよく、組成が傾斜してもよい。多層構造バッファ層５１における各バッファ層７１または各バッファ層８１は３族材料について組成を互いに変えてもよいし、互いに異なる範囲で組成が連続または不連続に変化してもよい。また、各バッファ層７または各バッファ層８は互いに単一の膜厚でもよいが、１ｎｍから２００ｎｍまでの範囲で互いに異なる膜厚でもよい。実施例２では、バッファ層７１はＡｌＮであり、バッファ層８１はＡｌＧａＮである。
【００３９】
バッファ層６１はＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮから構成される。バッファ層６は３族材料について単一組成でもよいし、組成が連続または不連続に変化してもよく、組成が傾斜してもよい。また、多層構造バッファ層５１とバッファ層６１とが交互に複数層積層する場合の各バッファ層６１は、３族材料について単一組成でもよいし、各バッファ層６１で互いに組成が連続または不連続に変化してもよいし、互いに異なる範囲で組成が傾斜していてもよい。また、各バッファ層６１の膜厚は単一でもよいが、１ｎｍから１００００ｎｍの範囲で互いに異なる膜厚でもよい。
【００４０】
実施例２の場合も実施例１と同様、多層構造バッファ層の厚みを固定し、多層構造バッファ層３ａを構成する各バッファ層のＡｌ組成を調節することで、反りの制御が可能である。
【実施例３】
【００４１】
図８は、本発明の実施例３にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【００４２】
図９は、図８における多層構造バッファ層５ａの概略図である。
【００４３】
図１０は、図８における多層構造バッファ層５ｂの概略図である。
【００４４】
図１１は、図８における多層構造バッファ層５ｃの概略図である。
【００４５】
図８の多層構造窒化物半導体素子は、多層構造バッファ層３ｂが多層構造バッファ層５ａ〜５ｃとバッファ層６ａ〜６ｃとが図８に示すように複数層積層されて構成されている以外は、図６の多層構造窒化物半導体素子と同様の構造である。実施例３では、交互に３層積層されているが、多層構造バッファ層３ｂに多層構造バッファ層５ａまたは多層構造バッファ層５ｂまたは多層構造バッファ層５ｃのいずれかが少なくとも１層積層されていればよい。
【００４６】
多層構造バッファ層５ａ〜５ｃは、１０ｎｍ〜１００００ｎｍで溝成され、実施例３では、多層構造バッファ層５ａは１００ｎｍ、５ｂは１００ｎｍ、５ｃは１５０ｎｍで構成されている。
【００４７】
バッファ層６ａ〜６ｃは、ＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層６ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、６ｂではＧａＮであり、６ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％から９０％で傾斜している。
【００４８】
バッファ層６ａ〜６ｃの膜厚は、１ｎｍ〜１００００ｎｍで構成され、実施例３では、バッファ層６ａは２０ｎｍ、６ｂでは１００ｎｍ、６ｃでは５０ｎｍで構成されている。
【００４９】
多層構造バッファ層５ａは、バッファ層７１ａ、バッファ層８１ａ、バッファ層７２ａ、バッファ層８２ａ、バッファ層７３ａおよびバッファ層８３ａとが複数層積層されて構成されている。実施例３では、それぞれ３層積層されているが、多層構造バッファ層５ａが、バッファ層７１ａまたはバッファ層７２ａまたはバッファ層７３ａのうちの少なくとも１層、およびバッファ層８１ａまたはバッファ層８２ａまたはバッファ層８３ａのうちの少なくとも１層がそれぞれ積層されていればよい。
【００５０】
多層構造バッファ層５ｂは、多層構造バッファ層５ａと同様、バッファ層７１ｂ、バッファ層８１ｂ、バッファ層７２ｂ、バッファ層８２ｂ、バッファ層７３ｂ、バッファ層８３ｂ、バッファ層７４ｂ、バッファ層８４ｂ、バッファ層７５ｂおよびバッファ層８５ｂとが複数層積層されて構成されている。実施例３では、それぞれ５層積層されている。
【００５１】
多層構造バッファ層５ｃは、多層構造バッファ層５ａと同様、バッファ層７１ｃ、バッファ層８１ｃ、バッファ層７２ｃ、バッファ層８２ｃ、バッファ層７３ｃおよびバッファ層８３ｃとが複数層積層されて構成されている。実施例３では、それぞれ３層積層されている。
【００５２】
バッファ層７１ａ〜７３ａは、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層７１ａはＡｌＮであり、７２ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、７３ａはＡＩＮである。
【００５３】
バッファ層７１ａ〜７３ａの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層７１ａは５ｎｍ、７２ａは１５ｎｍ、バッファ層７３ａは２０ｎｍで構成されている。
【００５４】
バッファ層８１ａ〜８３ａは、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層８１ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、８２ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、８３ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％〜９０％で傾斜している。
【００５５】
バッファ層８１ａ〜８３ａの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層８１ａは２５ｎｍ、８２ａは１５ｎｍ、８３ａは２０ｎｍで構成されている。
【００５６】
バッファ層７１ｂ〜７５ｂは、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層７１ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、７２ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は１０％から９０％で傾斜しており、７３ｂはＡｌＮであり、７４ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は５０％の単一組成であり、７５ｂはＡｌＮである。
【００５７】
バッファ層７１ｂ〜７５ｂの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層７１ｂは５ｎｍ、７２ｂは２０ｎｍ、７３ｂは１０ｎｍ、７４ｂは１０ｎｍ、７５ｂは５ｎｍで構成されている。
【００５８】
バッファ層８１ｂ〜８５ｂは、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層８１ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、８２ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、８３ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％〜９０％で傾斜しており、８４ｂはＡｌＮであり、８５ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成である。
【００５９】
バッファ層８１ｂ〜８５ｂの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層８１ｂは５ｎｍ、８２ｂは１０ｎｍ、８３ｂは１５ｎｍ、８４ｂは５ｎｍ、８５ｂは１５ｎｍで構成されている。
【００６０】
バッファ層７１ｃ〜７３ｃは、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。本実施では、バッファ層７１ｃはＡｌＮであり、７２ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、７３ｃはＡｌＮである。
【００６１】
バッファ層７１ｃ〜７３ｃの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層７１ｃは１５ｎｍ、７２ｃは１０ｎｍ、バッファ層７３ｃは１５ｎｍで構成されている。
【００６２】
バッファ層８１ｃ〜８３ｃは、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層８１ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、８２ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、８３ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％〜９０％で傾斜している。
【００６３】
バッファ層８１ｃ〜８３ｃの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層８１ｃは２０ｎｍ、８２ｃは４０ｎｍ、８３ｃは５０ｎｍで構成されている。
【００６４】
実施例３の場合も実施例１と同様、多層構造バッファ層の厚みを固定し、多層構造バッファ層３ｂを構成する各バッファ層のＡｌ組成を調節することで、反りの制御が可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に結晶成長した窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体を用いた電子デバイスは、高い破壊電界強度と高いキャリア移動度を有しており、次世代パワーデバイスや高周波向けデバイスとして注目されている。特にシリコン基板上に窒化物半導体を形成することは、シリコンが高い熱伝導率を有していることからデバイスの高温動作に有利である。また、シリコン基板の大口径化も容易であり、デバイスの集積化やコスト削減にも有利である。さらに窒化物半導体はＧａＡｓやＩｎＰのようにＡｓやＰを含有しないことから、環境に対して無害である半導体材料として有望である。
【０００３】
窒化物半導体を基板上にエピタキシャル成長する場合、基板と窒化物半導体の熱膨張係数の差や格子定数の差などによってクラックや転位などが多く発生する。特に、シリコン基板では、窒化物半導体としてＧａＮを成長するときに、Ｇａとシリコンが反応するメルトバックエッチングによる汚染も発生する。このような間題を解決する技術は、例えばサファイア基板上の窒化物半導体結晶成長については、特許文献１などに開示されている。この技術は、サファイア基板上にＡｌ2０3層とＡｌＯＮ層、ＡｌＮ層を成長することで、基板とＡｌＮを格子整合させて転位を減らしている。また、シリコン基板上の窒化物半導体結晶成長については、非特許文献１などに開示されている。この技術は、シリコン基板上にＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層を成長させることで、Ｇａによるメルトバックエッチングを低減し、またＡｌＮとＧａＮの格子定数の差による転位を低減している。
【０００４】
これらのような技術を用いて窒化物半導体を積層した場合、熱膨張係数の差による応力のかかり具合により窒化物半導体が反る。また、窒化物半導体の縦方向の耐圧を向上させるため、窒化物半導体層を厚膜化することが知られているが、窒化物半導体層の厚膜化にともない反りはより大きくなる。反りを低減するために、特許文献２などの技術が開示されている。特許文献２では、窒化物半導体の多層構造の厚膜化により応力を相殺し、反りを低減している。しかし、特許文献２における技術では、任意の希望する膜厚で反りを低減する事が困難である。シリコンをはじめとした窒化物半導体を結晶成長するための基板は、基板に歪みが内包されることや基板自身の形状が同一基板種でも相違していることが多く、特に窒化物半導体素子をあらかじめ定めた厚さで作製する場合、定めた厚さで反りの大きさを制御することは難しい。また、窒化物半導体素子を量産化する場合、厚さや形状の違いはデバイス作製や集積化に大きな影響を与えるので、厚さや形状の違いが少ないことが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０５／０１５６１８号パンフレット
【特許文献２】特開２００８−２１８４７９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｈ．Ｉｓｈｉｋａｗａ、他５名、「ＧａＮ ｏｎ Ｓｉ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｗｉｔｈ ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｌａｙｅｒ」Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏ１．３８（１９９９）ｐｐ−Ｌ４９２−Ｌ４９４、日本応用物理学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、特許文献２の課題である、窒化物半導体の多層構造の厚膜化により反りを低減する方法では膜厚が限定されるという課題である。本発明の目的は、基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長する場合、特許文献２が示すような、窒化物半導体素子の厚さを制御することにより反りを制御することとは異なり、窒化物半導体素子の厚さを制御しなくても反りを制御することが可能となる多層構造窒化物半導体素子の構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、基板１の主面上に形成され、窒化物半導体からなるバッファ層２と、バッファ層２上に窒化物半導体が形成された多層構造バッファ層３と、多層構造バッファ層３上に窒化物半導体からなる半導体層４が形成された多重構造窒化物半導体素子であって、多層構造バッファ層３は多層構造バッファ層５を少なくとも１層含み、多層構造バッファ層５は、互いに異なる組成からなるバッファ層７とバッファ層８から成り、、バッファ層７とバッファ層８とを少なくとも１層ずつ含み、任意の順番で１層かまたは複数層積層されていて、任意の厚みを有する前記多層構造バッファ層３に対して、前記バッファ層７と前記バッファ層８の窒化物半導体の３族材料の組成を調節することで多重構造窒化物半導体素子の反りを制御することを特徴とする多重構造窒化物半導体素子の構造である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、多層構造バッファ層３は、バッファ層７およびバッファ層８とは異なる組成からなるバッファ層６をさらに１層かまたは複数層含み、バッファ層６と多層構造バッファ層５とは任意の順番で交互に１層かまたは複数層積層されることを特徴とする請求項１に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、基板１がシリコン、ＳＯＩ、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド及びサファイアのうちいずれかを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多重構造窒化物半導体素子である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、バッファ層２が、それぞれ１層かまたは複数層の、ＡｌＮの層と、ＡｌSＧａ1一SＮの層とから成り、ＡｌＮの層とＡｌSＧａ1一SＮの層のそれぞれは任意の順番で交互に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。ここで、ｓはＡｌ組成の割合であり、０＜ｓ＜１を満たす数値である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、バッファ層７またはバッファ層８の少なくとも一方が、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮまたはＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。ここで、Ｋ、Ｌ、Ｍ、ｋ、ｌ、ｍはそれぞれ３族材料の組成の割合であり、
０≦Ｋ＜１，０≦Ｌ≦１，０≦Ｍ＜１，Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１
０≦ｋ＜１，０≦ｌ≦１，０≦ｍ＜１，ｋ十ｌ十ｍ≦１
を満たす数値である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記多層構造バッファ層５において前記バッファ層７がＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮからなり、前記バッファ層８がＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮからなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の多重構造窒化物半導体素子である。ここで、Ｋ、Ｌ、Ｍ、ｋ、ｌ、ｍはそれぞれ３族材料の組成の割合であり、
０≦Ｋ＜１，０≦Ｌ≦１，０≦Ｍ＜１，Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１
０≦ｋ＜１，０≦ｌ≦１，０≦ｍ＜１，ｋ十ｌ十ｍ≦１
を満たす数値である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、バッファ層６がＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮ、ただし０≦ｐ＜１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ＜１、ｐ＋ｑ＋ｒ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、半導体層４が１層かまたは複数層のＩｎXＡｌYＢZＧａ1-X-Y-ZＮからなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の多重構造窒化物半導体素子の構造である。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは、０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ＜１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦１を満たす数値である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、決められた多層構造窒化物半導体素子の層厚で、良好な形状の多層構造窒化物半導体素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【図２】図１における多層構造バッファ層５の概略図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）とバッファ層８のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例１にかかる、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）とバッファ層８のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例１にかかる、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）とバッファ層８のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【図７】図３における多層構造バッファ層５１の概略図である。
【図８】本発明の実施例３にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【図９】図４における多層構造バッファ層５ａの概略図である。
【図１０】図４における多層構造バッファ層５ｂの概略図である。
【図１１】図４における多層構造バッファ層５ｃの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【００２０】
図２は、図１における多層構造バッファ層５の概略図である。
【００２１】
実施例１の形態は、基板１の主面上にバッファ層２が形成され、バッファ層２に接して形成された多層構造バッファ層３と、多層構造バッファ層３に接して形成された半導体層４により構成される。
【００２２】
基板１は実施例１においてはシリコン基板を用いている。他にＳＯＩ基板、シリコンカーバイド基板、ガリウムナイトライド基板、サファイア基板のいずれの基板でもよい。
【００２３】
バッファ層２は窒化物半導体が１層以上積層されている。実施例１では、第一の層はＡｌＮ、第二の層はＡｌＧａＮで形成されている。
【００２４】
多層構造バッファ層３は、多層構造バッファ層５が１層かまたは複数層積層されていて、多層構造バッファ層５が複数層積層されている場合はバッファ層６と交互に積層されることで成る。多層構造バッファ層５が少なくとも１層積層されていれば、多層構造バッファ層５、バッファ層６それぞれの積層数、積層する順番、膜厚は任意に決定することができ、例えば、バッファ層２上に多層構造バッファ層５、別の多層構造バッファ層５上に半導体層４が積層されてもかまわない。実施例１では、多層構造バッファ層５とバッファ層６とが交互に１層積層されているが、積層数はこれに限定されない。
【００２５】
多層構造バッファ層３の厚さは、実施例１では２５００ｎｍおよび３０００ｎｍとした。
【００２６】
バッファ層６はＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮから構成され、０≦ｐ＜１，０≦ｑ≦１，０≦ｒ＜１，ｐ＋ｑ＋ｒ≦１の範囲で、３族材料について任意に組成を決定することができる。あるバッファ層６内で単一組成でもよいが、組成が１層中の場所によって異なっていてもよい。別のバッファ層６内では前述のバッファ層６とは異なる組成であってもよい。実施例１では、バッファ層６をＡｌＧａＮとし、Ａｌ組成が多層構造バッファ層５に接する面から半導体層４に接する面にかけて９０％から８０％まで連続的に変化するようにバッファ層６を成長させたが、この組成に限定されない。
【００２７】
多層構造バッファ層５はバッファ層７とバッファ層８とが複数層積層されることで成る。図２では典型的な例としてバッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ１０層積層されているが、積層数はこれに限定されない。また、バッファ層７とバッファ層８とがそれぞれ少なくとも１層ずつ積層されていれば、それぞれの積層数、積層する順番は任意に決定することができる。例えば、バッファ層２上にバッファ層７、別のバッファ層７上に半導体層４が積層されてもかまわない。また、バッファ層７、バッファ層８、バッファ層６はそれぞれ互いに組成が異なる。
【００２８】
バッファ層７は、ＩｎfＡｌtＢuＧａ1-f-t-uＮから構成され、０≦ｆ＜１，０≦ｔ≦１，０≦ｕ＜１，ｆ十ｔ十ｕ≦１の範囲で、各層で３族材料について任意に組成を決定することができる。あるバッファ層７内で単一組成でもよいが、組成が１層中の場所によって異なっていてもよい。別のバッファ層７内では前述のバッファ層７とは異なる組成であってもよい。
【００２９】
バッファ層８は、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、０≦Ｋ＜１，０≦Ｌ≦１，０≦Ｍ＜１，Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１の範囲で、各層で３族材料について任意に組成を決定することができる。あるバッファ層８内で単一組成でもよいが、組成が１層中の場所によって異なっていてもよい。別のバッファ層８内では前述のバッファ層８とは異なる組成であってもよい。ただし、バッファ層７とは異なる組成とする。
【００３０】
半導体層４は１層かまたは複数層のＩｎXＡｌYＢZＧａ1-X-Y-ZＮから成る。実施例１では１層目はＧａＮ、２層目はＡｌＮ、３層目はＡｌＧａＮ，４層目はＧａＮとした。
【００３１】
図３は、バッファ層７の組成が各バッファ層７内で均一なＡｌＮ、多層構造バッファ層３の厚さが２５００ｎｍ、バッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ５０層積層されている場合の、多層構造窒化物半導体素子の反り（ＢＯＷ値）と、バッファ層８のＡｌ組成との関係を示している。バッファ層８のＡｌ組成が小さいほどBOW値が大きくなっている。上記の条件ではバッファ層８のＡｌ組成の好ましい範囲は０％から５０％、より好ましくは０％から４０％である。
【００３２】
図４は、バッファ層７の組成が各バッファ層７内で均一なＡｌtＧａ1-tＮ、ｔ＝０．２５、多層構造バッファ層３の厚さが２５００ｎｍ、バッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ５０層積層されている場合の、ＢＯＷ値と、バッファ層８のＡｌ組成との関係を示している。図３と同様、バッファ層８のＡｌ組成が小さいほどBOW値が大きくなっている。上記の条件ではバッファ層８のＡｌ組成の好ましい範囲は１０％から８０％、より好ましくは１０％から５０％である。
【００３３】
図５は、バッファ層７の組成が各バッファ層７内で均一なＡｌＮ、多層構造バッファ層３の厚さが３０００ｎｍ、バッファ層７とバッファ層８とが交互にそれぞれ８０層積層されている場合の、ＢＯＷ値と、バッファ層８のＡｌ組成との関係を示している。図３および図４と同様、バッファ層８のＡｌ組成が小さいほどBOW値が大きくなっている。上記の条件ではバッファ層８のＡｌ組成の好ましい範囲は０％から６０％、より好ましくは０％から２０％である。
【００３４】
このようにして、多層構造バッファ層の厚みを固定し、多層構造バッファ層３を構成する各バッファ層のＡｌ組成を調節することで、反りの制御が可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図６は、本発明の実施例２にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【００３６】
図７は、図６における多層構造バッファ層５１の概略図である。
【００３７】
図６の多層構造窒化物半導体素子は、多層構造バッファ層３ａが多層構造バッファ層５１とバッファ層６１とが複数層積層される以外は、図１の多層構造窒化物半導体素子と同様の構造である。実施例２では多層構造バッファ層５１とバッファ層６１とが交互に３層ずつ積層されているが、多層構造バッファ層３ａに多層構造バッファ層５１が少なくとも１層積層されていればよい。
【００３８】
多層構造バッファ層５１はバッファ層７１とバッファ層８１とが複数層積層されて構成されている。実施例２では、交互に１０組積層されているが、バッファ層７１とバッファ層８１とがそれぞれ少なくとも１層積層されていればよい。バッファ層７１はＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから成り、バッファ層８１はＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから成る。バッファ層７１またはバッファ層８１は３族材料について単一組成でもよいが、層の中で連続または不連続に組成を変化させてもよく、組成が傾斜してもよい。多層構造バッファ層５１における各バッファ層７１または各バッファ層８１は３族材料について組成を互いに変えてもよいし、互いに異なる範囲で組成が連続または不連続に変化してもよい。また、各バッファ層７または各バッファ層８は互いに単一の膜厚でもよいが、１ｎｍから２００ｎｍまでの範囲で互いに異なる膜厚でもよい。実施例２では、バッファ層７１はＡｌＮであり、バッファ層８１はＡｌＧａＮである。
【００３９】
バッファ層６１はＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮから構成される。バッファ層６は３族材料について単一組成でもよいし、組成が連続または不連続に変化してもよく、組成が傾斜してもよい。また、多層構造バッファ層５１とバッファ層６１とが交互に複数層積層する場合の各バッファ層６１は、３族材料について単一組成でもよいし、各バッファ層６１で互いに組成が連続または不連続に変化してもよいし、互いに異なる範囲で組成が傾斜していてもよい。また、各バッファ層６１の膜厚は単一でもよいが、１ｎｍから１００００ｎｍの範囲で互いに異なる膜厚でもよい。
【００４０】
実施例２の場合も実施例１と同様、多層構造バッファ層の厚みを固定し、多層構造バッファ層３ａを構成する各バッファ層のＡｌ組成を調節することで、反りの制御が可能である。
【実施例３】
【００４１】
図８は、本発明の実施例３にかかる多層構造窒化物半導体素子の概略図である。
【００４２】
図９は、図８における多層構造バッファ層５ａの概略図である。
【００４３】
図１０は、図８における多層構造バッファ層５ｂの概略図である。
【００４４】
図１１は、図８における多層構造バッファ層５ｃの概略図である。
【００４５】
図８の多層構造窒化物半導体素子は、多層構造バッファ層３ｂが多層構造バッファ層５ａ〜５ｃとバッファ層６ａ〜６ｃとが図８に示すように複数層積層されて構成されている以外は、図６の多層構造窒化物半導体素子と同様の構造である。実施例３では、交互に３層積層されているが、多層構造バッファ層３ｂに多層構造バッファ層５ａまたは多層構造バッファ層５ｂまたは多層構造バッファ層５ｃのいずれかが少なくとも１層積層されていればよい。
【００４６】
多層構造バッファ層５ａ〜５ｃは、１０ｎｍ〜１００００ｎｍで溝成され、実施例３では、多層構造バッファ層５ａは１００ｎｍ、５ｂは１００ｎｍ、５ｃは１５０ｎｍで構成されている。
【００４７】
バッファ層６ａ〜６ｃは、ＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層６ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、６ｂではＧａＮであり、６ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％から９０％で傾斜している。
【００４８】
バッファ層６ａ〜６ｃの膜厚は、１ｎｍ〜１００００ｎｍで構成され、実施例３では、バッファ層６ａは２０ｎｍ、６ｂでは１００ｎｍ、６ｃでは５０ｎｍで構成されている。
【００４９】
多層構造バッファ層５ａは、バッファ層７１ａ、バッファ層８１ａ、バッファ層７２ａ、バッファ層８２ａ、バッファ層７３ａおよびバッファ層８３ａとが複数層積層されて構成されている。実施例３では、それぞれ３層積層されているが、多層構造バッファ層５ａが、バッファ層７１ａまたはバッファ層７２ａまたはバッファ層７３ａのうちの少なくとも１層、およびバッファ層８１ａまたはバッファ層８２ａまたはバッファ層８３ａのうちの少なくとも１層がそれぞれ積層されていればよい。
【００５０】
多層構造バッファ層５ｂは、多層構造バッファ層５ａと同様、バッファ層７１ｂ、バッファ層８１ｂ、バッファ層７２ｂ、バッファ層８２ｂ、バッファ層７３ｂ、バッファ層８３ｂ、バッファ層７４ｂ、バッファ層８４ｂ、バッファ層７５ｂおよびバッファ層８５ｂとが複数層積層されて構成されている。実施例３では、それぞれ５層積層されている。
【００５１】
多層構造バッファ層５ｃは、多層構造バッファ層５ａと同様、バッファ層７１ｃ、バッファ層８１ｃ、バッファ層７２ｃ、バッファ層８２ｃ、バッファ層７３ｃおよびバッファ層８３ｃとが複数層積層されて構成されている。実施例３では、それぞれ３層積層されている。
【００５２】
バッファ層７１ａ〜７３ａは、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層７１ａはＡｌＮであり、７２ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、７３ａはＡＩＮである。
【００５３】
バッファ層７１ａ〜７３ａの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層７１ａは５ｎｍ、７２ａは１５ｎｍ、バッファ層７３ａは２０ｎｍで構成されている。
【００５４】
バッファ層８１ａ〜８３ａは、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層８１ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、８２ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、８３ａはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％〜９０％で傾斜している。
【００５５】
バッファ層８１ａ〜８３ａの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層８１ａは２５ｎｍ、８２ａは１５ｎｍ、８３ａは２０ｎｍで構成されている。
【００５６】
バッファ層７１ｂ〜７５ｂは、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層７１ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、７２ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は１０％から９０％で傾斜しており、７３ｂはＡｌＮであり、７４ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は５０％の単一組成であり、７５ｂはＡｌＮである。
【００５７】
バッファ層７１ｂ〜７５ｂの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層７１ｂは５ｎｍ、７２ｂは２０ｎｍ、７３ｂは１０ｎｍ、７４ｂは１０ｎｍ、７５ｂは５ｎｍで構成されている。
【００５８】
バッファ層８１ｂ〜８５ｂは、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層８１ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、８２ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、８３ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％〜９０％で傾斜しており、８４ｂはＡｌＮであり、８５ｂはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成である。
【００５９】
バッファ層８１ｂ〜８５ｂの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層８１ｂは５ｎｍ、８２ｂは１０ｎｍ、８３ｂは１５ｎｍ、８４ｂは５ｎｍ、８５ｂは１５ｎｍで構成されている。
【００６０】
バッファ層７１ｃ〜７３ｃは、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。本実施では、バッファ層７１ｃはＡｌＮであり、７２ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、７３ｃはＡｌＮである。
【００６１】
バッファ層７１ｃ〜７３ｃの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層７１ｃは１５ｎｍ、７２ｃは１０ｎｍ、バッファ層７３ｃは１５ｎｍで構成されている。
【００６２】
バッファ層８１ｃ〜８３ｃは、ＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮから構成され、各層で３族材料の組成は単一でもよいし、各層で３族材料の組成が変化してもよい。実施例３では、バッファ層８１ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は９０％から８０％で傾斜しており、８２ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％の単一組成であり、８３ｃはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成は８０％〜９０％で傾斜している。
【００６３】
バッファ層８１ｃ〜８３ｃの膜厚は、１ｎｍから１０００ｎｍで構成され、バッファ層８１ｃは２０ｎｍ、８２ｃは４０ｎｍ、８３ｃは５０ｎｍで構成されている。
【００６４】
実施例３の場合も実施例１と同様、多層構造バッファ層の厚みを固定し、多層構造バッファ層３ｂを構成する各バッファ層のＡｌ組成を調節することで、反りの制御が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板１の主面上に、窒化物半導体からなるバッファ層２が形成され、前記バッファ層２上に窒化物半導体からなる多層構造バッファ層３が形成され、前記多層構造バッファ層３上に窒化物半導体からなる半導体層４が形成された多重構造窒化物半導体素子であって、
前記多層構造バッファ層３は多層構造バッファ層５を少なくとも１層含み、
前記多層構造バッファ層５は、互いに異なる組成からなるバッファ層７とバッファ層８から成り、
前記バッファ層７と前記バッファ層８とを少なくとも１層ずつ含み、任意の順番で１層かまたは複数層積層されていて、任意の厚みを有する前記多層構造バッファ層３に対して、前記バッファ層７と前記バッファ層８の窒化物半導体の３族材料の組成を調節することで多重構造窒化物半導体素子の反りを制御することを特徴とする多重構造窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記多層構造バッファ層３は、前記バッファ層７および前記バッファ層８とは異なる組成からなるバッファ層６をさらに１層かまたは複数層含み、前記バッファ層６と前記多層構造バッファ層５とは任意の順番で交互に１層かまたは複数層積層されることを特徴とする請求項１に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記基板１はシリコン、ＳＯＩ、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド及びサファイアのうちいずれかを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記バッファ層２は、それぞれ１層かまたは複数層の、ＡｌＮの層と、ＡｌSＧａ1一SＮの層、ただし０＜ｓ＜１とから成り、ＡｌＮの層とＡｌSＧａ1一SＮの層のそれぞれは任意の順番で交互に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記バッファ層７または前記バッファ層８の少なくとも一方が、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮまたはＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮ、ただし０≦Ｋ＜１、０≦Ｌ≦１、０≦Ｍ＜１、Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１、０≦ｋ＜１、０≦ｌ≦１、０≦ｍ＜１、ｋ十ｌ十ｍ≦１から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記多層構造バッファ層５において前記バッファ層７がＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮ、ただし０≦ｋ＜１、０≦ｌ≦１、０≦ｍ＜１、ｋ十ｌ十ｍ≦１からなり、前記バッファ層８がＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮ、ただし０≦Ｋ＜１、０≦Ｌ≦１、０≦Ｍ＜１、Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記バッファ層６がＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮ、ただし０≦ｐ＜１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ＜１、ｐ＋ｑ＋ｒ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記半導体層４が１層かまたは複数層のＩｎXＡｌYＢZＧａ1-X-Y-ZＮ、ただし０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項１】
基板１の主面上に、窒化物半導体からなるバッファ層２が形成され、前記バッファ層２上に窒化物半導体からなる多層構造バッファ層３が形成され、前記多層構造バッファ層３上に窒化物半導体からなる半導体層４が形成された多重構造窒化物半導体素子であって、
前記多層構造バッファ層３は多層構造バッファ層５を少なくとも１層含み、
前記多層構造バッファ層５は、互いに異なる組成からなるバッファ層７とバッファ層８から成り、
前記バッファ層７と前記バッファ層８とを少なくとも１層ずつ含み、任意の順番で１層かまたは複数層積層されていて、任意の厚みを有する前記多層構造バッファ層３に対して、前記バッファ層７と前記バッファ層８の窒化物半導体の３族材料の組成を調節することで多重構造窒化物半導体素子の反りを制御することを特徴とする多重構造窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記多層構造バッファ層３は、前記バッファ層７および前記バッファ層８とは異なる組成からなるバッファ層６をさらに１層かまたは複数層含み、前記バッファ層６と前記多層構造バッファ層５とは任意の順番で交互に１層かまたは複数層積層されることを特徴とする請求項１に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記基板１はシリコン、ＳＯＩ、シリコンカーバイド、ガリウムナイトライド及びサファイアのうちいずれかを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記バッファ層２は、それぞれ１層かまたは複数層の、ＡｌＮの層と、ＡｌSＧａ1一SＮの層、ただし０＜ｓ＜１とから成り、ＡｌＮの層とＡｌSＧａ1一SＮの層のそれぞれは任意の順番で交互に積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記バッファ層７または前記バッファ層８の少なくとも一方が、ＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮまたはＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮ、ただし０≦Ｋ＜１、０≦Ｌ≦１、０≦Ｍ＜１、Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１、０≦ｋ＜１、０≦ｌ≦１、０≦ｍ＜１、ｋ十ｌ十ｍ≦１から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記多層構造バッファ層５において前記バッファ層７がＩｎkＡｌlＢmＧａ1-k-l-mＮ、ただし０≦ｋ＜１、０≦ｌ≦１、０≦ｍ＜１、ｋ十ｌ十ｍ≦１からなり、前記バッファ層８がＩｎKＡｌLＢMＧａl-K-L-MＮ、ただし０≦Ｋ＜１、０≦Ｌ≦１、０≦Ｍ＜１、Ｋ＋Ｌ＋Ｍ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記バッファ層６がＩｎpＡｌqＢrＧａ1-p-q-rＮ、ただし０≦ｐ＜１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ＜１、ｐ＋ｑ＋ｒ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記半導体層４が１層かまたは複数層のＩｎXＡｌYＢZＧａ1-X-Y-ZＮ、ただし０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ≦１からなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の多重構造窒化物半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２１６８２３（Ｐ２０１１−２１６８２３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８６０９９（Ｐ２０１０−８６０９９）
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００１０２７３９）エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社 (265)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００１０２７３９）エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社 (265)
【Ｆターム（参考）】
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