窒化物半導体基板及びその製造方法
【課題】より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板１と、前記基板１の一主面上に形成されるバッファー層２と、前記バッファー層２上に形成される中間層３と、前記中間層３上に形成される電子走行層４と、前記電子走行層４上に形成される電子供給層５とを含む窒化物半導体基板１０において、前記中間層３を厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）とし、前記電子走行層４が厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）とする。
【解決手段】基板１と、前記基板１の一主面上に形成されるバッファー層２と、前記バッファー層２上に形成される中間層３と、前記中間層３上に形成される電子走行層４と、前記電子走行層４上に形成される電子供給層５とを含む窒化物半導体基板１０において、前記中間層３を厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）とし、前記電子走行層４が厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速かつ高耐圧電子デバイスとして好適な窒化物半導体用の窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体は、高い電子移動度や高い耐熱性等の優れた特性を持ち、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等に好適に適用できる。
【０００３】
特に、窒化物半導体を用いたノーマリーオフ型のＨＥＭＴ構造における各種電気特性の向上への要求が高まってきており、その対応として、いくつかの技術が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、ＧａＮのバッファー層中の残留キャリアの伝導によるリーク電流成分を低減し、トランジスタのピンチオフ特性を向上させるために、ＧａＮバッファー層と、ＧａＮあるいはＩｎＧａＮとＧａＮを組み合わせたチャンネル層と、ＡｌＧａＮ層とが、サファイア基板又はＳｉＣ基板上に順次形成されたヘテロ構造のＧａＮバッファー層中にＡｌＧａＮ層を設け、該ＡｌＧａＮ層におけるＡｌＮ組成比を表面のＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比よりも小さくする、という技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、しきい電圧の制御が可能なエンハンスメント形の動作を得ることを目的として、結晶方位の＋ｃ方向にＡｌxＧａ1-xＮ層、ＧａＮ層、ＡｌyＧａ1-yＮ層の順に積層されており、ｘ≧ｙにすることにより空乏化しているダブルヘテロ構造からなるチャンネルをゲート部に有することを特徴とする窒化物半導体電界効果トランジスタという技術が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、電流コラプスを抑制することができる電界効果トランジスタとして、第１の窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に形成されて、第１の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第２の窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層とを備え、第１の窒化物半導体層は、貫通転位密度が積層方向に増大する領域を有しているＨＥＭＴ構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９６５７５号公報
【特許文献２】特開２００８−０１０８０３号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２３８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年、ノーマリーオフ型のヘテロ接合電界効果トランジスタにおいて、しきい値電圧の向上と電流コラプスの改善に対する要求が高くなりつつある。
しかし、特許文献１に記載の技術は、ピンチオフ特性の向上に有効といえるが、しきい値電圧と電流コラプスの改善という点では、必ずしも十分ではなかった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では、しきい値電圧の制御が可能としているが、さらに高いしきい値電圧を得るという要求に対して、十分対応できているとは言えなかった。
【００１０】
そして、特許文献３に記載の技術でも、電流コラプスを抑制することは可能であるが、しきい値電圧の向上という点では、やはり十分とは言えなかった。
【００１１】
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板の一主面上に形成されるバッファー層と、前記バッファー層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される電子走行層と、前記電子走行層上に形成される電子供給層とを含む窒化物半導体基板であって、前記中間層が、厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）であり、前記電子走行層が、厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）であることを特徴とする。
このような構成をとることで、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板とすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、前記中間層と前記電子走行層との間、及び、前記電子走行層と前記電子供給層との間に、それぞれ、ＡｌＮスペーサー層が介在していることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記バッファー層は、初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなり、前記初期バッファー層は、ＡｌＮ層とＡｌｚＧａ1-ｚＮ（０≦ｚ≦１）層がこの順で積層され、前記周期堆積層は、ＧａＮ層とＡｌＮ層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにＧａＮ層が形成されてなる１組の複合層が複数組積層されていることが好ましい。
【００１５】
そして、本発明に係る窒化物半導体基板の好適な製造方法は、気相成長法を用いて窒化物半導体基板を製造する方法において、前記バッファー層上に前記中間層を形成する際の温度を９７０℃以上１２５０℃以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体基板は、バッファー層と電子走行層との間に、中間層で具備する。これにより、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化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】
【００１７】
【図１】本発明の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図。
【図２】本発明の他の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面をもとに詳細に説明する。
図１は、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図である。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体基板１０は、基板１と、前記基板１の一主面上に形成されるバッファー層２と、バッファー層２上に形成される中間層３と、中間層３上に形成される電子走行層４と、電子走行層４上に形成される電子供給層５とを含む窒化物半導体基板１０であって、中間層３が厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）であり、電子走行層４が厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）である。
【００２０】
基板１は、窒化物半導体を形成する下地基板として、公知の技術で製造された各種の単結晶材料を用いることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ガリウム（ＧａＮ）が挙げられる。
【００２１】
基板１は、Ｓｉ単結晶基板が容易に入手できる点で好適であり、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）で製造された単結晶や、あるいは、気相成長法や貼り合わせ法等の各種製法で作製された基板が適用できる。さらに、窒化物半導体基板へ及ぼす特性を考慮して、Ｓｉ単結晶基板の厚さや面状態、基板中に含まれる酸素、窒素、炭素、リンやホウ素等のドーパント、各種結晶欠陥における濃度や分布を、適宜制御した上で用いてもよい。
【００２２】
基板１の一主面上には、バッファー層２が形成される。基板１にＳｉ単結晶を適用した場合、Ｓｉと窒化物半導体では、格子定数、熱膨張係数が異なる。これにより、窒化物半導体基板１０に大きな反りやクラック、スリップ等の結晶欠陥が発生する。これらを抑えるため、デバイスを形成する窒化物半導体層との間に、バッファー層２を設ける。
【００２３】
バッファー層２の構造や材料は、作製する窒化物半導体基板１０の用途や要求仕様に基づいて、適宜最適なものを選択してよい。本発明においては、例えば、各種の窒化物半導体でもよく、あるいは、高い基板特性を容易に得られることから、Ａｌを含む窒化物半導体を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造でもよい。
【００２４】
バッファー層２の構造は、ＡｌＮ層とＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦１）層がこの順で積層された初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなることが特に好ましい。前記周期堆積層は、ＧａＮ層とＡｌＮ層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにＧａＮ層が形成されてなる１組の複合層が複数組積層された構成を備えているものである。
【００２５】
バッファー層２上には、特性を改善する働きをする中間層が形成され、この中間層３上には電子走行層４が、さらにその上に電子供給層５が形成されている。この構造は、公知のＨＥＭＴ等の基板構造に準ずるものである。このようにして、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板１０が形成される。
【００２６】
中間層３は、厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）である。
【００２７】
一般に、しきい値電圧を向上させる方法として、このバッファー層２と電子走行層４との間に形成される中間層３における伝導帯と、フェルミ準位とのエネルギー差を大きくすることが考えられる。これには、中間層３内の電子の密度を減らす必要があり、その一例として、中間層３内の欠陥の発生を抑制する方法が挙げられる。
【００２８】
中間層３としてＡｌxＧａ1-xＮを用いた場合、ノーマリーオフ化には、ある程度の膜厚が必要になる。ところで、ＡｌxＧａ1-xＮ自体は、気相成長法で成膜する際において欠陥の入りやすい材料である。このため、成膜された層内に含有される電子が増え、フェルミ準位が高くなる。さらに、膜厚を厚くすると、成膜された層内に含有される電子量も、これに比例して増加するため、しきい値電圧の向上が見込めない。
【００２９】
そこで、本発明においては、中間層３の厚さは、２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とした。好ましくは、８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。
２００ｎｍ未満では、本発明の効果がみられる程度の電子量とするには、著しく膜厚が不足しているので好ましくない。一方、１５００ｎｍを超えると、耐圧が低下してしまうため、これも好ましくない。
【００３０】
中間層３における炭素濃度は、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下が好ましく、より好ましくは１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。
【００３１】
ここで、炭素濃度は、広がり抵抗（ＳＲ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法等の公知の濃度測定方法を用いて、基板の厚さ方向に沿って測定したときの平均値を用いている。また、特に断らない限り、基板の一主面における中央１点の測定値で代表するが、必要に応じて、基板の一主面における多点を測定した値を用いてもよい。
【００３２】
炭素が中間層３に適度に含有されていることにより、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、直上に形成される電子走行層４の伝導帯を引上げる効果がある。
しかしながら、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より低い炭素濃度では、伝導帯引上げ効果が十分に得られず、逆に、１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より高い濃度では、高炭素濃度によるコラプス特性低下の影響が懸念されるため、いずれも好ましくない。
【００３３】
なお、好ましくは、本発明の中間層３は、ＡｌＧａＮ（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が６００秒以下である。Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が６００秒を超えていると、中間層３の結晶性が低いことにより、しきい値の向上が阻害される懸念がある。
【００３４】
そして、中間層３におけるＡｌxＧａ1-xＮのｘは、０．０５以上０．２４以下が好ましく、０．１５以上０．０．２３以下がさらに好ましい。
【００３５】
ＡｌxＧａ1-xＮのｘが小さい、すなわち、Ａｌが少なすぎると、しきい値電圧のシフト量が小さくなるため好ましくない。一方、Ａｌが多すぎると、コラプス特性が悪化するため、これも好ましくない。
【００３６】
なお、中間層３は、組成ＡｌxＧａ1-xＮの単層のみならず、Ａｌの組成ｘの値が異なる複数のＡｌxＧａ1-xＮ層からなる多層構造でもよい。さらに、Ａｌの濃度が、厚さ方向に対して一様に増加又は減少して変化する構造でもよい。
【００３７】
中間層３の直上に位置する電子走行層４は、厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）である。
【００３８】
電子走行層４の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
電子走行層４の厚さが５ｎｍ未満では、全体に均一に成膜することが困難なほど薄い膜であり、膜厚が不均一になることによる特性劣化が懸念され好ましくない。一方、２００ｎｍを超えると、伝導帯引上げ効果が十分に得られず、しきい値電圧の向上効果が低減してしまうため、これも好ましくない。
【００３９】
また、電子走行層４のＡｌ組成は、ＡｌyＧａ1-yＮとした場合において、ｙを０以上０．０４以下とすることが好ましく、さらに好適には、ｙ＝０のＧａＮである。Ａｌが多いと、電子移動度の低下が懸念されるため、好ましくない。
【００４０】
なお、電子走行層４の炭素濃度は、特に限定されないが、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下が好ましく、より好ましくは１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。
【００４１】
炭素が高濃度であると、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、一例として電子走行層４として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。
しかしながら、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より低い炭素濃度では、欠陥によるフェルミ準位の上昇抑制と電子走行層として形成されるＧａＮ層の伝導帯引上げ効果が十分に得られず、好ましくない。一方、１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より高い濃度では、高炭素濃度によるコラプス特性低下の影響が懸念されるため、これも好ましくない。
【００４２】
そして、電子走行層４上には、電子供給層５が形成される。本発明の一態様に係る窒化物半導体基板において、電子供給層５は、ノーマリーオフ型のＨＥＭＴ構造を有する各種の材料と組成の層を用いて形成してもよい。電子供給層５の材料としては、窒化物半導体が好適であり、一例として任意のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮが適用される。
【００４３】
このように、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板１０は、中間層３の膜厚、炭素濃度と、これに接する電子走行層４の膜厚、組成との最適な組み合わせからなるものである。そして、これにより、従来では見られなかった高いしきい値電圧を達成することを可能としている。
【００４４】
図２に、本発明の他の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図を示す。図２に示すように、本発明の他の一態様に係る窒化物半導体基板１０においては、さらに、中間層３と電子走行層４との間、及び、電子走行層４と電子供給層５との間に、それぞれ、ＡｌＮスペーサー層６が介在してもよい。
【００４５】
ＡｌＮスペーサー層６は、主にしきい値電圧のシフト増大の効果を呈する。本発明では、電子走行層４の直下に中間層３が存在する状態で、電子走行層４を挟むようにしてＡｌＮスペーサー層６が存在することで、より一層しきい値電圧のシフト増大の効果が発揮される。
【００４６】
なお、ＡｌＮスペーサー層６の膜厚は、好ましくは０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下である。０．２ｎｍ未満では、膜厚制御性が悪化するので好ましくないが、２ｎｍを超えると、電子移動度が悪化する懸念があり、こちらも好ましくない。
【００４７】
ここで、ＡｌＮスペーサー層６は、中間層３と電子走行層４との間、及び、電子走行層４と電子供給層５との間に、それぞれ、介在していることが好ましい。片方だけでは、十分なしきい値電圧のシフト増大の効果が得られないおそれがあるからである。
【００４８】
そして、本発明に係る窒化物半導体基板１０の好適な製造方法は、気相成長法を用いて、基板１の一主面上にバッファー層２を形成する工程と、バッファー層２上に中間層３を形成する工程と、中間層３上に電子走行層４を形成する工程と、電子走行層４上に電子供給層５を形成する工程とを含み、前記中間層３を形成する際の温度を９７０℃以上１２５０℃以下とする。
【００４９】
窒化物半導体基板１０は、Ｓｉ基板等の一主面上に、気相成長法によって、順次バッファー層２、中間層３、電子走行層４、電子供給層５が形成される。気相成長法は、半導体基板の製造において通常用いられる、広く公知の方法が適用できるが、好適には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられる。
【００５０】
中間層３は、その結晶性と膜厚、さらには炭素濃度を最適化することにより、顕著なしきい値向上が得られる。特に、結晶性の制御は、気相成長法を適用した場合において、その成膜温度で精密に制御することが可能である。
【００５１】
なお、炭素濃度を最適化する方法も、気相成長法、特にＭＯＣＶＤ法を用いた場合は、炭素源がＭＯＣＶＤ法で用いられる原料中に含まれるため、成長温度や原料供給流量、成長時間等を精密に制御することにより調整することができる。
【００５２】
中間層３の成膜温度が９７０℃未満では、必要な結晶性が得られず好ましくない。一方、１２５０℃を超えると、均一な成長速度が得られず、膜厚均一性の劣化やＡｌ濃度制御性悪化の影響が顕著となるため、こちらも好ましくない。好適には、９８０℃以上１０３０℃以下である。
【００５３】
なお、中間層３以外の各層の成長温度については、格別限定することを要せず、要求される窒化物半導体基板の特性に合わせて適宜調整してよい。
【００５４】
本発明の一態様に係る窒化物半導体基板１０において、基板１、バッファー層２、中間層３、電子走行層４、電子供給層５は、必要最小限の構成要素である。必要に応じて、あるいは、各種の特性を付加する目的で、基板１とバッファー層２の間、あるいは、電子供給層５上に、好適には各種の窒化物半導体からなる層が、１層あるいは多層、追加されていてもよい。
【００５５】
以上のように、本発明によれば、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板と、その好適な製造方法を提供することができる。
【００５６】
また、本発明に係る窒化物半導体基板１０は、しきい値電圧向上という効果を、従来よりも少ない層数の構成と、成長温度制御という簡易かつ精密な制御が可能な手法との組み合わせにより達成することが可能である点でも、優位であると言える。
【実施例】
【００５７】
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。
【００５８】
（実験１）
図１に示すような層構造を備えた窒化物半導体基板１０を、以下の工程により作製した。共通する製造方法として、直径３インチ、ドーパントタイプｎ型、厚さ６２５μｍ、面方位（１００）のＳｉ単結晶からなる基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、窒化物半導体の原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ3）、メタン（ＣＨ4）を用い、形成する層に応じてこれらの原料を適宜使い分け、気相成長温度を１０００℃にして、各層を形成した。なお、各層の組成及び厚さの調整は、各原料の選定、流量、圧力及び供給時間の調整により行った。
【００５９】
基板１上に、厚さ２０ｎｍで炭素濃度５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＡｌＮ単結晶層を形成し、続けて、厚さ８０ｎｍで炭素濃度５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ単結晶層を積層させ、これらを同様の工程にて交互に繰り返し、各１０層、合計２０層積層させてバッファー層２を形成した。
【００６０】
このバッファー層２上に、気相成長温度１０００℃、厚さ１０００ｎｍ、組成ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．２０）、炭素濃度１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の単層からなる中間層３を、続けて、厚さ１００ｎｍで炭素濃度１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＧａＮ単結晶層の電子走行層４を形成した。さらに、厚さ３０ｎｍで炭素濃度５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ単結晶による電子供給層５を形成した。このようにして、試料１の窒化物半導体基板１０を得た。
【００６１】
また、比較のため、中間層３として、気相成長温度９００℃、厚さ１０００ｎｍかつ組成ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０）で炭素濃度１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の単層からなる窒化物半導体層を堆積し、それ以外は試料１と同様に作製し、これを試料２とした。
【００６２】
試料１と試料２の窒化物半導体基板１０について、それぞれ、しきい値電圧及び電流コラプスを比較した。下記表１に作製条件と評価結果を示す。
【００６３】
しきい値電圧の測定は、それぞれ作製した窒化物半導体基板１０の電子供給層５上に、リセスゲートのショットキー電極（Ｎｉ／Ａｕ）及びソース・ドレインとしてオーミック電極（Ｔｉ／Ａｌ）の電極形成及び素子分離を行い、電界効果型トランジスタのデバイスを形成後、室温にてカーブトレーサーによるＩ−Ｖ測定を行うことで実施した。そして、しきい値電圧については、試料２を０Ｖとしてこれを基準としたときに、どのくらいシフトしたかを電圧値として表した。
【００６４】
電流コラプス改善の評価は、電極間にストレス電圧を印加した前後の電流測定によるコラプス測定を用いた。また、炭素濃度はＳＩＭＳ法にて基板主面中央１点を評価した。
【００６５】
結果として、試料１のしきい値電圧のシフト値は、３．０Ｖとなった。これより、本発明の構成を有すると、従来よりしきい値電圧が向上することが確認できた。また、電流コラプス改善効果も、試料２に比べて、試料１の方がより改善されていることがわかる。
【００６６】
（実験２）
中間層３のＡｌ組成、膜厚、炭素濃度、電子走行層４の膜厚、炭素濃度を変更し、これ以外は試料１に準ずる窒化物半導体基板１０を作製し、評価を行った。
下記表１に作製条件と評価結果を示す。なお、備考欄に、前述の２つの評価項目以外の特性で、何らかの変化が見られたものについて記載した。また、参考として、一部の試料について、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅を記載した。
【００６７】
耐圧については、カーブトレーサーを用いて評価し、試料１の耐圧値を基準として、１μｍあたり１５０Ｖ以上の場合は良好、それ以下の場合は低下、と判断した。
また、電流コラプスについても、試料１と比較して、ストレス電圧印加後の電流値が印加前の半分以上の場合は良好、それ以下の場合は低下、と判断した。
【００６８】
（実験３）
バッファー層２を以下に示すような構成とし、これ以外は試料１に準ずる窒化物半導体基板１０を作製し、試料３０とした。
試料３０のバッファー層２は、初期バッファー層と周期堆積層とにより構成した。まず、初期バッファー層として、厚さ１００ｎｍでＡｌＮ単結晶層と厚さ２００ｎｍでＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ単結晶層を積層させた。次いで、周期堆積層として、厚さ２５ｎｍでＧａＮ単結晶層を形成し、続けて、厚さ５ｎｍでＡｌＮ単結晶層を積層させ、これらを同様の工程にて交互に繰り返し、各６層、合計１２層積層させた後、さらに、厚さ２２０ｎｍでＧａＮ層を形成し、これらを１組とした複合層を、６組繰り返し積層した。
【００６９】
また、試料３０において、Ｓｉ単結晶からなる基板１を面方位（１００）から（１１１）に変更し、それ以外は試料３０と同様にして窒化物半導体基板１０を作製し、試料３１とした。
さらに、バッファー層２の構成を試料３０と同様にし、それ以外は試料２に準ずる窒化物半導体基板１０を作製し、試料３２とした。
【００７０】
試料３０，３１の窒化物半導体基板１０について、試料３２を基準として、しきい値電圧、電流コラプス及び耐圧を比較した。下記表１に作製条件と評価結果を示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１の結果から、本発明の好ましい実施範囲においては、しきい値電圧、電流コラプスの改善、さらには耐圧のいずれかで、良好な特性が得られた。
一方、本発明の好ましい実施範囲を外れたものは、しきい値電圧、電流コラプスの改善、さらには耐圧のいずれかの少なくとも一部で、特性的にやや劣るものが見られた。
なお、試料２４は、上記の各特性は良好であったが、デバイスの抵抗が増加した。
また、試料３０と試料３１で特性に差が見られなかったことから、Ｓｉ単結晶からなる基板１の面方位の違いによる窒化物半導体基板１０の特性への影響はないことが確認された。
【００７３】
（実験４）
中間層３の成膜温度を変更し、これ以外は試料１に準ずる窒化物半導体基板１０を作製して、評価を行った。表２に作製条件と評価結果を示す。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２の結果より、本発明の範囲外にある場合は、特に低温側において、本発明の実施範囲と比べて、しきい値電圧に明らかな差がみられることがわかる。また、電流コラプス及び耐圧でも多少の差が見られた。
【００７６】
（実験５）
試料１の窒化物半導体基板１０に対して、厚さ１ｎｍのＡｌＮスペーサー層６を、図２に示す位置に介在させた。ＡｌＮは、試料１の製造過程中で連続して成膜し、成長温度は１０００℃とした。
【００７７】
この基板を、試料１と同様の評価を行ったところ、しきい値電圧のシフトが４．５Ｖであった。このことから、試料１よりも、しきい値電圧のシフトの点で、より優れていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る窒化物半導体基板は、大電流制御のインバータや、高速かつ高耐圧電子デバイスとして好適な窒化物半導体に用いられる、窒化物半導体基板として好適である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 基板
２ バッファー層
３ 中間層
４ 電子走行層
５ 電子供給層
６ ＡｌＮスペーサー層
１０ 窒化物半導体基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速かつ高耐圧電子デバイスとして好適な窒化物半導体用の窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体は、高い電子移動度や高い耐熱性等の優れた特性を持ち、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等に好適に適用できる。
【０００３】
特に、窒化物半導体を用いたノーマリーオフ型のＨＥＭＴ構造における各種電気特性の向上への要求が高まってきており、その対応として、いくつかの技術が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ＧａＮ系電界効果トランジスタにおいて、ＧａＮのバッファー層中の残留キャリアの伝導によるリーク電流成分を低減し、トランジスタのピンチオフ特性を向上させるために、ＧａＮバッファー層と、ＧａＮあるいはＩｎＧａＮとＧａＮを組み合わせたチャンネル層と、ＡｌＧａＮ層とが、サファイア基板又はＳｉＣ基板上に順次形成されたヘテロ構造のＧａＮバッファー層中にＡｌＧａＮ層を設け、該ＡｌＧａＮ層におけるＡｌＮ組成比を表面のＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比よりも小さくする、という技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、しきい電圧の制御が可能なエンハンスメント形の動作を得ることを目的として、結晶方位の＋ｃ方向にＡｌxＧａ1-xＮ層、ＧａＮ層、ＡｌyＧａ1-yＮ層の順に積層されており、ｘ≧ｙにすることにより空乏化しているダブルヘテロ構造からなるチャンネルをゲート部に有することを特徴とする窒化物半導体電界効果トランジスタという技術が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、電流コラプスを抑制することができる電界効果トランジスタとして、第１の窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に形成されて、第１の窒化物半導体よりもバンドギャップの大きな第２の窒化物半導体からなる第２の窒化物半導体層とを備え、第１の窒化物半導体層は、貫通転位密度が積層方向に増大する領域を有しているＨＥＭＴ構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９６５７５号公報
【特許文献２】特開２００８−０１０８０３号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２３８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年、ノーマリーオフ型のヘテロ接合電界効果トランジスタにおいて、しきい値電圧の向上と電流コラプスの改善に対する要求が高くなりつつある。
しかし、特許文献１に記載の技術は、ピンチオフ特性の向上に有効といえるが、しきい値電圧と電流コラプスの改善という点では、必ずしも十分ではなかった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では、しきい値電圧の制御が可能としているが、さらに高いしきい値電圧を得るという要求に対して、十分対応できているとは言えなかった。
【００１０】
そして、特許文献３に記載の技術でも、電流コラプスを抑制することは可能であるが、しきい値電圧の向上という点では、やはり十分とは言えなかった。
【００１１】
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体基板は、基板と、前記基板の一主面上に形成されるバッファー層と、前記バッファー層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される電子走行層と、前記電子走行層上に形成される電子供給層とを含む窒化物半導体基板であって、前記中間層が、厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）であり、前記電子走行層が、厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）であることを特徴とする。
このような構成をとることで、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板とすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、前記中間層と前記電子走行層との間、及び、前記電子走行層と前記電子供給層との間に、それぞれ、ＡｌＮスペーサー層が介在していることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記バッファー層は、初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなり、前記初期バッファー層は、ＡｌＮ層とＡｌｚＧａ1-ｚＮ（０≦ｚ≦１）層がこの順で積層され、前記周期堆積層は、ＧａＮ層とＡｌＮ層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにＧａＮ層が形成されてなる１組の複合層が複数組積層されていることが好ましい。
【００１５】
そして、本発明に係る窒化物半導体基板の好適な製造方法は、気相成長法を用いて窒化物半導体基板を製造する方法において、前記バッファー層上に前記中間層を形成する際の温度を９７０℃以上１２５０℃以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体基板は、バッファー層と電子走行層との間に、中間層で具備する。これにより、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化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】
【００１７】
【図１】本発明の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図。
【図２】本発明の他の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面をもとに詳細に説明する。
図１は、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図である。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体基板１０は、基板１と、前記基板１の一主面上に形成されるバッファー層２と、バッファー層２上に形成される中間層３と、中間層３上に形成される電子走行層４と、電子走行層４上に形成される電子供給層５とを含む窒化物半導体基板１０であって、中間層３が厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）であり、電子走行層４が厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）である。
【００２０】
基板１は、窒化物半導体を形成する下地基板として、公知の技術で製造された各種の単結晶材料を用いることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ガリウム（ＧａＮ）が挙げられる。
【００２１】
基板１は、Ｓｉ単結晶基板が容易に入手できる点で好適であり、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）で製造された単結晶や、あるいは、気相成長法や貼り合わせ法等の各種製法で作製された基板が適用できる。さらに、窒化物半導体基板へ及ぼす特性を考慮して、Ｓｉ単結晶基板の厚さや面状態、基板中に含まれる酸素、窒素、炭素、リンやホウ素等のドーパント、各種結晶欠陥における濃度や分布を、適宜制御した上で用いてもよい。
【００２２】
基板１の一主面上には、バッファー層２が形成される。基板１にＳｉ単結晶を適用した場合、Ｓｉと窒化物半導体では、格子定数、熱膨張係数が異なる。これにより、窒化物半導体基板１０に大きな反りやクラック、スリップ等の結晶欠陥が発生する。これらを抑えるため、デバイスを形成する窒化物半導体層との間に、バッファー層２を設ける。
【００２３】
バッファー層２の構造や材料は、作製する窒化物半導体基板１０の用途や要求仕様に基づいて、適宜最適なものを選択してよい。本発明においては、例えば、各種の窒化物半導体でもよく、あるいは、高い基板特性を容易に得られることから、Ａｌを含む窒化物半導体を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造でもよい。
【００２４】
バッファー層２の構造は、ＡｌＮ層とＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦１）層がこの順で積層された初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなることが特に好ましい。前記周期堆積層は、ＧａＮ層とＡｌＮ層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにＧａＮ層が形成されてなる１組の複合層が複数組積層された構成を備えているものである。
【００２５】
バッファー層２上には、特性を改善する働きをする中間層が形成され、この中間層３上には電子走行層４が、さらにその上に電子供給層５が形成されている。この構造は、公知のＨＥＭＴ等の基板構造に準ずるものである。このようにして、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板１０が形成される。
【００２６】
中間層３は、厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）である。
【００２７】
一般に、しきい値電圧を向上させる方法として、このバッファー層２と電子走行層４との間に形成される中間層３における伝導帯と、フェルミ準位とのエネルギー差を大きくすることが考えられる。これには、中間層３内の電子の密度を減らす必要があり、その一例として、中間層３内の欠陥の発生を抑制する方法が挙げられる。
【００２８】
中間層３としてＡｌxＧａ1-xＮを用いた場合、ノーマリーオフ化には、ある程度の膜厚が必要になる。ところで、ＡｌxＧａ1-xＮ自体は、気相成長法で成膜する際において欠陥の入りやすい材料である。このため、成膜された層内に含有される電子が増え、フェルミ準位が高くなる。さらに、膜厚を厚くすると、成膜された層内に含有される電子量も、これに比例して増加するため、しきい値電圧の向上が見込めない。
【００２９】
そこで、本発明においては、中間層３の厚さは、２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下とした。好ましくは、８００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。
２００ｎｍ未満では、本発明の効果がみられる程度の電子量とするには、著しく膜厚が不足しているので好ましくない。一方、１５００ｎｍを超えると、耐圧が低下してしまうため、これも好ましくない。
【００３０】
中間層３における炭素濃度は、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下が好ましく、より好ましくは１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。
【００３１】
ここで、炭素濃度は、広がり抵抗（ＳＲ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法等の公知の濃度測定方法を用いて、基板の厚さ方向に沿って測定したときの平均値を用いている。また、特に断らない限り、基板の一主面における中央１点の測定値で代表するが、必要に応じて、基板の一主面における多点を測定した値を用いてもよい。
【００３２】
炭素が中間層３に適度に含有されていることにより、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、直上に形成される電子走行層４の伝導帯を引上げる効果がある。
しかしながら、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より低い炭素濃度では、伝導帯引上げ効果が十分に得られず、逆に、１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より高い濃度では、高炭素濃度によるコラプス特性低下の影響が懸念されるため、いずれも好ましくない。
【００３３】
なお、好ましくは、本発明の中間層３は、ＡｌＧａＮ（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅が６００秒以下である。Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が６００秒を超えていると、中間層３の結晶性が低いことにより、しきい値の向上が阻害される懸念がある。
【００３４】
そして、中間層３におけるＡｌxＧａ1-xＮのｘは、０．０５以上０．２４以下が好ましく、０．１５以上０．０．２３以下がさらに好ましい。
【００３５】
ＡｌxＧａ1-xＮのｘが小さい、すなわち、Ａｌが少なすぎると、しきい値電圧のシフト量が小さくなるため好ましくない。一方、Ａｌが多すぎると、コラプス特性が悪化するため、これも好ましくない。
【００３６】
なお、中間層３は、組成ＡｌxＧａ1-xＮの単層のみならず、Ａｌの組成ｘの値が異なる複数のＡｌxＧａ1-xＮ層からなる多層構造でもよい。さらに、Ａｌの濃度が、厚さ方向に対して一様に増加又は減少して変化する構造でもよい。
【００３７】
中間層３の直上に位置する電子走行層４は、厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）である。
【００３８】
電子走行層４の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。
電子走行層４の厚さが５ｎｍ未満では、全体に均一に成膜することが困難なほど薄い膜であり、膜厚が不均一になることによる特性劣化が懸念され好ましくない。一方、２００ｎｍを超えると、伝導帯引上げ効果が十分に得られず、しきい値電圧の向上効果が低減してしまうため、これも好ましくない。
【００３９】
また、電子走行層４のＡｌ組成は、ＡｌyＧａ1-yＮとした場合において、ｙを０以上０．０４以下とすることが好ましく、さらに好適には、ｙ＝０のＧａＮである。Ａｌが多いと、電子移動度の低下が懸念されるため、好ましくない。
【００４０】
なお、電子走行層４の炭素濃度は、特に限定されないが、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下が好ましく、より好ましくは１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。
【００４１】
炭素が高濃度であると、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、一例として電子走行層４として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。
しかしながら、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より低い炭素濃度では、欠陥によるフェルミ準位の上昇抑制と電子走行層として形成されるＧａＮ層の伝導帯引上げ効果が十分に得られず、好ましくない。一方、１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3より高い濃度では、高炭素濃度によるコラプス特性低下の影響が懸念されるため、これも好ましくない。
【００４２】
そして、電子走行層４上には、電子供給層５が形成される。本発明の一態様に係る窒化物半導体基板において、電子供給層５は、ノーマリーオフ型のＨＥＭＴ構造を有する各種の材料と組成の層を用いて形成してもよい。電子供給層５の材料としては、窒化物半導体が好適であり、一例として任意のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮが適用される。
【００４３】
このように、本発明の一態様に係る窒化物半導体基板１０は、中間層３の膜厚、炭素濃度と、これに接する電子走行層４の膜厚、組成との最適な組み合わせからなるものである。そして、これにより、従来では見られなかった高いしきい値電圧を達成することを可能としている。
【００４４】
図２に、本発明の他の一態様に係る窒化物半導体基板を断面から見た概念図を示す。図２に示すように、本発明の他の一態様に係る窒化物半導体基板１０においては、さらに、中間層３と電子走行層４との間、及び、電子走行層４と電子供給層５との間に、それぞれ、ＡｌＮスペーサー層６が介在してもよい。
【００４５】
ＡｌＮスペーサー層６は、主にしきい値電圧のシフト増大の効果を呈する。本発明では、電子走行層４の直下に中間層３が存在する状態で、電子走行層４を挟むようにしてＡｌＮスペーサー層６が存在することで、より一層しきい値電圧のシフト増大の効果が発揮される。
【００４６】
なお、ＡｌＮスペーサー層６の膜厚は、好ましくは０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下である。０．２ｎｍ未満では、膜厚制御性が悪化するので好ましくないが、２ｎｍを超えると、電子移動度が悪化する懸念があり、こちらも好ましくない。
【００４７】
ここで、ＡｌＮスペーサー層６は、中間層３と電子走行層４との間、及び、電子走行層４と電子供給層５との間に、それぞれ、介在していることが好ましい。片方だけでは、十分なしきい値電圧のシフト増大の効果が得られないおそれがあるからである。
【００４８】
そして、本発明に係る窒化物半導体基板１０の好適な製造方法は、気相成長法を用いて、基板１の一主面上にバッファー層２を形成する工程と、バッファー層２上に中間層３を形成する工程と、中間層３上に電子走行層４を形成する工程と、電子走行層４上に電子供給層５を形成する工程とを含み、前記中間層３を形成する際の温度を９７０℃以上１２５０℃以下とする。
【００４９】
窒化物半導体基板１０は、Ｓｉ基板等の一主面上に、気相成長法によって、順次バッファー層２、中間層３、電子走行層４、電子供給層５が形成される。気相成長法は、半導体基板の製造において通常用いられる、広く公知の方法が適用できるが、好適には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられる。
【００５０】
中間層３は、その結晶性と膜厚、さらには炭素濃度を最適化することにより、顕著なしきい値向上が得られる。特に、結晶性の制御は、気相成長法を適用した場合において、その成膜温度で精密に制御することが可能である。
【００５１】
なお、炭素濃度を最適化する方法も、気相成長法、特にＭＯＣＶＤ法を用いた場合は、炭素源がＭＯＣＶＤ法で用いられる原料中に含まれるため、成長温度や原料供給流量、成長時間等を精密に制御することにより調整することができる。
【００５２】
中間層３の成膜温度が９７０℃未満では、必要な結晶性が得られず好ましくない。一方、１２５０℃を超えると、均一な成長速度が得られず、膜厚均一性の劣化やＡｌ濃度制御性悪化の影響が顕著となるため、こちらも好ましくない。好適には、９８０℃以上１０３０℃以下である。
【００５３】
なお、中間層３以外の各層の成長温度については、格別限定することを要せず、要求される窒化物半導体基板の特性に合わせて適宜調整してよい。
【００５４】
本発明の一態様に係る窒化物半導体基板１０において、基板１、バッファー層２、中間層３、電子走行層４、電子供給層５は、必要最小限の構成要素である。必要に応じて、あるいは、各種の特性を付加する目的で、基板１とバッファー層２の間、あるいは、電子供給層５上に、好適には各種の窒化物半導体からなる層が、１層あるいは多層、追加されていてもよい。
【００５５】
以上のように、本発明によれば、より高いしきい値電圧と電流コラプス改善を両立できる、ノーマリーオフ型の高耐圧デバイスに好適な窒化物半導体基板と、その好適な製造方法を提供することができる。
【００５６】
また、本発明に係る窒化物半導体基板１０は、しきい値電圧向上という効果を、従来よりも少ない層数の構成と、成長温度制御という簡易かつ精密な制御が可能な手法との組み合わせにより達成することが可能である点でも、優位であると言える。
【実施例】
【００５７】
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。
【００５８】
（実験１）
図１に示すような層構造を備えた窒化物半導体基板１０を、以下の工程により作製した。共通する製造方法として、直径３インチ、ドーパントタイプｎ型、厚さ６２５μｍ、面方位（１００）のＳｉ単結晶からなる基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、窒化物半導体の原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ3）、メタン（ＣＨ4）を用い、形成する層に応じてこれらの原料を適宜使い分け、気相成長温度を１０００℃にして、各層を形成した。なお、各層の組成及び厚さの調整は、各原料の選定、流量、圧力及び供給時間の調整により行った。
【００５９】
基板１上に、厚さ２０ｎｍで炭素濃度５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＡｌＮ単結晶層を形成し、続けて、厚さ８０ｎｍで炭素濃度５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ単結晶層を積層させ、これらを同様の工程にて交互に繰り返し、各１０層、合計２０層積層させてバッファー層２を形成した。
【００６０】
このバッファー層２上に、気相成長温度１０００℃、厚さ１０００ｎｍ、組成ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．２０）、炭素濃度１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の単層からなる中間層３を、続けて、厚さ１００ｎｍで炭素濃度１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＧａＮ単結晶層の電子走行層４を形成した。さらに、厚さ３０ｎｍで炭素濃度５×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ単結晶による電子供給層５を形成した。このようにして、試料１の窒化物半導体基板１０を得た。
【００６１】
また、比較のため、中間層３として、気相成長温度９００℃、厚さ１０００ｎｍかつ組成ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０）で炭素濃度１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の単層からなる窒化物半導体層を堆積し、それ以外は試料１と同様に作製し、これを試料２とした。
【００６２】
試料１と試料２の窒化物半導体基板１０について、それぞれ、しきい値電圧及び電流コラプスを比較した。下記表１に作製条件と評価結果を示す。
【００６３】
しきい値電圧の測定は、それぞれ作製した窒化物半導体基板１０の電子供給層５上に、リセスゲートのショットキー電極（Ｎｉ／Ａｕ）及びソース・ドレインとしてオーミック電極（Ｔｉ／Ａｌ）の電極形成及び素子分離を行い、電界効果型トランジスタのデバイスを形成後、室温にてカーブトレーサーによるＩ−Ｖ測定を行うことで実施した。そして、しきい値電圧については、試料２を０Ｖとしてこれを基準としたときに、どのくらいシフトしたかを電圧値として表した。
【００６４】
電流コラプス改善の評価は、電極間にストレス電圧を印加した前後の電流測定によるコラプス測定を用いた。また、炭素濃度はＳＩＭＳ法にて基板主面中央１点を評価した。
【００６５】
結果として、試料１のしきい値電圧のシフト値は、３．０Ｖとなった。これより、本発明の構成を有すると、従来よりしきい値電圧が向上することが確認できた。また、電流コラプス改善効果も、試料２に比べて、試料１の方がより改善されていることがわかる。
【００６６】
（実験２）
中間層３のＡｌ組成、膜厚、炭素濃度、電子走行層４の膜厚、炭素濃度を変更し、これ以外は試料１に準ずる窒化物半導体基板１０を作製し、評価を行った。
下記表１に作製条件と評価結果を示す。なお、備考欄に、前述の２つの評価項目以外の特性で、何らかの変化が見られたものについて記載した。また、参考として、一部の試料について、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅を記載した。
【００６７】
耐圧については、カーブトレーサーを用いて評価し、試料１の耐圧値を基準として、１μｍあたり１５０Ｖ以上の場合は良好、それ以下の場合は低下、と判断した。
また、電流コラプスについても、試料１と比較して、ストレス電圧印加後の電流値が印加前の半分以上の場合は良好、それ以下の場合は低下、と判断した。
【００６８】
（実験３）
バッファー層２を以下に示すような構成とし、これ以外は試料１に準ずる窒化物半導体基板１０を作製し、試料３０とした。
試料３０のバッファー層２は、初期バッファー層と周期堆積層とにより構成した。まず、初期バッファー層として、厚さ１００ｎｍでＡｌＮ単結晶層と厚さ２００ｎｍでＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ単結晶層を積層させた。次いで、周期堆積層として、厚さ２５ｎｍでＧａＮ単結晶層を形成し、続けて、厚さ５ｎｍでＡｌＮ単結晶層を積層させ、これらを同様の工程にて交互に繰り返し、各６層、合計１２層積層させた後、さらに、厚さ２２０ｎｍでＧａＮ層を形成し、これらを１組とした複合層を、６組繰り返し積層した。
【００６９】
また、試料３０において、Ｓｉ単結晶からなる基板１を面方位（１００）から（１１１）に変更し、それ以外は試料３０と同様にして窒化物半導体基板１０を作製し、試料３１とした。
さらに、バッファー層２の構成を試料３０と同様にし、それ以外は試料２に準ずる窒化物半導体基板１０を作製し、試料３２とした。
【００７０】
試料３０，３１の窒化物半導体基板１０について、試料３２を基準として、しきい値電圧、電流コラプス及び耐圧を比較した。下記表１に作製条件と評価結果を示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
表１の結果から、本発明の好ましい実施範囲においては、しきい値電圧、電流コラプスの改善、さらには耐圧のいずれかで、良好な特性が得られた。
一方、本発明の好ましい実施範囲を外れたものは、しきい値電圧、電流コラプスの改善、さらには耐圧のいずれかの少なくとも一部で、特性的にやや劣るものが見られた。
なお、試料２４は、上記の各特性は良好であったが、デバイスの抵抗が増加した。
また、試料３０と試料３１で特性に差が見られなかったことから、Ｓｉ単結晶からなる基板１の面方位の違いによる窒化物半導体基板１０の特性への影響はないことが確認された。
【００７３】
（実験４）
中間層３の成膜温度を変更し、これ以外は試料１に準ずる窒化物半導体基板１０を作製して、評価を行った。表２に作製条件と評価結果を示す。
【００７４】
【表２】
【００７５】
表２の結果より、本発明の範囲外にある場合は、特に低温側において、本発明の実施範囲と比べて、しきい値電圧に明らかな差がみられることがわかる。また、電流コラプス及び耐圧でも多少の差が見られた。
【００７６】
（実験５）
試料１の窒化物半導体基板１０に対して、厚さ１ｎｍのＡｌＮスペーサー層６を、図２に示す位置に介在させた。ＡｌＮは、試料１の製造過程中で連続して成膜し、成長温度は１０００℃とした。
【００７７】
この基板を、試料１と同様の評価を行ったところ、しきい値電圧のシフトが４．５Ｖであった。このことから、試料１よりも、しきい値電圧のシフトの点で、より優れていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る窒化物半導体基板は、大電流制御のインバータや、高速かつ高耐圧電子デバイスとして好適な窒化物半導体に用いられる、窒化物半導体基板として好適である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 基板
２ バッファー層
３ 中間層
４ 電子走行層
５ 電子供給層
６ ＡｌＮスペーサー層
１０ 窒化物半導体基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の一主面上に形成されるバッファー層と、前記バッファー層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される電子走行層と、前記電子走行層上に形成される電子供給層とを含む窒化物半導体基板であって、
前記中間層が、厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）であり、前記電子走行層が、厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）であることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記中間層と前記電子走行層との間、及び、前記電子走行層と前記電子供給層との間に、それぞれ、ＡｌＮスペーサー層が介在していることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
前記バッファー層が、初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなり、
前記初期バッファー層は、ＡｌＮ層とＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦１）層がこの順で積層され、
前記周期堆積層は、ＧａＮ層とＡｌＮ層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにＧａＮ層が形成されてなる１組の複合層が複数組積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
気相成長法を用いて請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板を製造する方法において、前記バッファー層上に前記中間層を形成する際の温度を９７０℃以上１２５０℃以下とすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１】
基板と、前記基板の一主面上に形成されるバッファー層と、前記バッファー層上に形成される中間層と、前記中間層上に形成される電子走行層と、前記電子走行層上に形成される電子供給層とを含む窒化物半導体基板であって、
前記中間層が、厚さ２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、炭素濃度５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２４）であり、前記電子走行層が、厚さ５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．０４）であることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記中間層と前記電子走行層との間、及び、前記電子走行層と前記電子供給層との間に、それぞれ、ＡｌＮスペーサー層が介在していることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
前記バッファー層が、初期バッファー層と、前記初期バッファー層上に形成される周期堆積層からなり、
前記初期バッファー層は、ＡｌＮ層とＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦１）層がこの順で積層され、
前記周期堆積層は、ＧａＮ層とＡｌＮ層がこの順で複数回繰り返し積層され、さらにＧａＮ層が形成されてなる１組の複合層が複数組積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
気相成長法を用いて請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板を製造する方法において、前記バッファー層上に前記中間層を形成する際の温度を９７０℃以上１２５０℃以下とすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−８９３８（Ｐ２０１３−８９３８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８１５５（Ｐ２０１１−２４８１５５）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【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２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【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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