窒化物半導体基板
【課題】
しきい値電圧をより向上させることのできる、中間層とデバイス活性層の間にノーマリ
ーオフ作用をもつ窒化物半導体層を形成する。
【解決手段】
Ｓｉ単結晶基板上に形成され窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒化物半導体からなる領域１と、領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒化物半導体からなる領域２と、領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層からなる窒化物半導体基板。
しきい値電圧をより向上させることのできる、中間層とデバイス活性層の間にノーマリ
ーオフ作用をもつ窒化物半導体層を形成する。
【解決手段】
Ｓｉ単結晶基板上に形成され窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒化物半導体からなる領域１と、領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の窒化物半導体からなる領域２と、領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層からなる窒化物半導体基板。
【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に用いられる、窒化物半導体基板の構造に関する。
【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有し、特に、高周波動作かつ高耐圧を必要とする領域に用いられる電子デバイス、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 FET）への適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の構造や作製方法として、例えば、Ｓｉ単結晶基板上に窒化物半導体層からなる中間層を介して窒化物半導体結晶を成膜する方法は、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。
【０００４】
ところで、ヘテロ接合を用いた電界効果トランジスタには、ＡｌＧａＮ層を電子供給層とし、ＧａＮ層をチャネル層としたヘテロ接合が用いられているが、このようなＧａＮ系ＦＥＴ構造の課題は、ノーマリーオフ型素子の作製が困難なことである。また、単純にノーマリーオフ型にすることだけを目的とすると、この材料系の特徴である通電時の抵抗である（オン抵抗）の低減性と相反する。すなわち、ノーマリーオフ型素子を作るためにはキャリアを抑制しなければならないが、これは素子のオン抵抗を高めることになり好ましくない。よって、ノーマリーオフ動作が低オン抵抗を損なうことなく実現されるには、制御可能なゲート部のみで電流の遮断を行い、その他のソース−ゲート間のチャネルおよびゲート−ドレイン間のチャネルでは低抵抗性を確保しなければならない。
【０００５】
この課題の解決方法として、たとえば、特許文献１には、窒化物半導体電界効果トランジスタにおいて、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】
また、特許文献２には、ノーマリーオフ動作を実現可能な半導体装置として、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に設けられ第１の窒化物半導体層よりもバン
ドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層の上に設けられたソース電極と、第２の窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極と、第２の窒化物半導体層の表面上におけるソース電極とドレイン電極との間に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられたｐ型の第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層の上に設けられたゲート電極とを備えるという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０８０３号公報
【特許文献２】特開２００９−７１０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、しきい値電圧の制御が可能ではあるが、さらに高いしきい値電圧を得るという要求に対しては、十分対応できているとはいえなかった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では、ゲート電極の下にｐ型窒化物半導体層を設けることと、ｐ型窒化物半導体層を単に電子供給層に接して設けた場合に起こる不具合を抑制するために、ｐ型窒化物半導体層とチャネル層との間を電気的に絶縁分離する絶縁膜を形成している。よって絶縁膜の形成が高コスト化を招く。また、しきい値電圧向上の点でも、やはり十分とはいいがたい。
【００１０】
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
を実現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、簡易な構造で提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成されＡｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、前記中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１と、前記領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域２と、前記領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層とからなることを特徴とする。このような構成をとることで、従来よりしきい値電圧を高くできるノーマリーオフ型の窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、前記中間層または前記デバイス活性層のいずれか１つもしくは両方の炭素濃度が、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。このような構成をとることで、高耐圧化に加えてノーマリーオフ化が達成される効果を併せ持つ、従来よりしきい値電圧を高くできるノーマリーオフ型の窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体基板は、これを用いてデバイスを作製することにより、しきい値電圧の向上を図ることができるため、高耐圧デバイス、特に、ノーマリーオフ型スイッチングデバイスに好適に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る窒化物半導体基板の一形態を示す概念図である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の一形態を示す概念図。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成されＡｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、前記中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１と、前記領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域２と、前記領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層とからなる。
【００１７】
Ｓｉ単結晶からなる基板は、窒化物半導体を形成するための下地の基板として用いられる。このＳｉ単結晶は、公知の技術で製造された各種の材料を広く用いることができる。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も適用できる。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、リンやボロンなどのドーパント、各種結晶欠陥における濃度や分布を適時制御して用いることも可能である。
【００１８】
Ｓｉ単結晶基板上には、Ａｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層が形成される。Ｓｉ単結晶と窒化物半導体では格子定数、熱膨張係数が異なり、これにより、窒化物半導体基板に大きな反りが発生、またスリップ等の結晶欠陥が多発する。これを抑えるため、デバイスを形成するデバイス活性層との間に各種構造の中間層を設けるが、本発明においては、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層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層が好適に適用される。
【００１９】
そして、中間層上には、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１が形成されている。ここで、多層の場合は、各層の合計値の厚さを領域１の厚さとする。
【００２０】
ノーマリーオフ型の窒化物半導体基板の一例として、デバイス活性層にＧａＮからなる電子走行層とＡｌＧａＮからなる電子供給層を形成し、さらに、中間層と電子走行層との間にＡｌＧａＮからなる層を挿入した構造が挙げられる。そして、各層の膜厚や特性を調整することで、ノーマリーオフ化を達成し、さらにしきい値電圧を向上させることが可能となる。
【００２１】
しきい値電圧を向上させる方法として、この中間層と電子走行層との間に形成されるＡｌＧａＮからなる層（以下、ノーマリーオフ化層と記載）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。フェルミ準位を低く抑えるには、ノーマリーオフ化層内の電子の密度を減らす必要があり、一例として、ノーマリーオフ化層内の欠陥の発生を抑制することが挙げられる。
【００２２】
ところで、ＡｌＧａＮ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り、しきい値電圧を向上させることが困難となる。
【００２３】
ノーマリーオフ化層としてＡｌＧａＮを用いた場合、ノーマリーオフ化達成のためにはある程度の膜厚が必要になる。しかし、膜厚を厚くすると成膜された層内に含有される電子の量も、これに比例して増加するので、しきい値電圧を向上が見込めない。
【００２４】
そこで、本発明においては、ノーマリーオフ化層を領域１と領域２の２つの異なる構造を有する構成とすることで、相反する特性であるノーマリーオフ化としきい値電圧向上を同時に高いレベルで達成することを可能とする。ここで、領域１は、欠陥の発生しにくい領域であることにより、しきい値電圧向上の効果をもたらす役割を受け持っている。
【００２５】
領域１におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮのｘは、０以上０．０５以下が好ましく、０以上０．０２以下がさらに好ましい。ＡｌＧａＮに比べると、ＧａＮのほうが成膜時欠陥は入りにくいので、しきい値電圧向上においてＡｌを含まないＧａＮが理想ではある。しかしながら、しきい値電圧向上を著しく阻害しない範囲でＡｌが含有されていても、本発明の効果は得られる。実質的に気相成長工程では、領域１にはＡｌ組成が完全にゼロでない層もわずかに形成される。それでも、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｘは、０≦ｘ≦０．０５の範囲であれば特に問題ない。
【００２６】
領域１におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮの厚さは、２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下が好ましく、１０００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下がさらに好ましい。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。しかし、２０００ｎｍを超えると、中間層とデバイス活性層を含めた窒化物半導体層の合計の膜厚が厚くなりすぎて、窒化物半導体基板全体の反りが増大してしまうので、これも好ましくない。
【００２７】
また、領域１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）の単層または多層構造の窒化物半導体から構成されるが、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）の単層のみならず、Ａｌの組成ｘの値が異なる複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を形成した多層構造であってもよい。さらには、Ａｌの濃度が厚さ方向に一様に増加、または減少して変化する構造も、擬似的にｘが異なる層が多層連続した構造とみなせるので、本発明の範疇に入る。
【００２８】
領域１における炭素濃度は、１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、より好ましくは１´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。炭素が窒化物半導体に高濃度で含有されることで、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、デバイス活性層として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。しかしながら、１´１０１８ａｔｏｍｓ／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デバイス活性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、逆に１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、炭素をドープすること自体が困難であることから、いずれも好ましくない。
【００２９】
ここで、炭素濃度が１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下というのは、広がり抵抗（ＳＲ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法など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。
【００３０】
次に、領域１上には、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層、または多層構造の窒化物半導体からなる領域２が形成される。
【００３１】
ＡｌＧａＮ層においては、Ａｌ組成が大きいと、伝導帯からフェルミ準位までのエネルギー差が大きくなるので、しきい値電圧を高くすることが出来る。領域１のみでは、十分にしきい値電圧を高くすることが困難なので、領域２と組み合わせることで、よりしきい値電圧を高くすることが可能となる。
【００３２】
領域２のＡｌ組成は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮとした場合において、ｙを０．１以上１以下とすることが好ましく、０．２以上１以下がさらに好ましい。Ａｌが少ないと、伝導帯からフェルミ準位までのエネルギー差を十分大きく出来ないので、よりしきい値電圧を高くするという目的を十分達成することが困難になる。なお、領域１の場合と同様に、領域２のＡｌ組成は、本発明の効果を著しく損なわない範囲であれば、上限は特に制限されない。
【００３３】
領域２におけるＡｌｙＧａ１−ｙＮの厚さは、０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。０．２ｎｍ未満では、１分子層を下回るほどの薄い膜なので、基盤の表面全体に均一に成膜することが困難になり、膜厚保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。しかし、１００ｎｍを超えると、フェルミ準位が高くなり、しきい値電圧の向上効果が低減してしまうので、これも好ましくない。
【００３４】
領域２における炭素濃度は、１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、より好ましくは１´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。領域１と同様に、炭素が窒化物半導体に高濃度で含有されることで、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、デバイス活性層として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。しかしながら、１´１０１８ａｔｏｍｓ／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デバイス活性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´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、炭素をドープすること自体が困難であることから、これも好ましくない。
【００３５】
また、領域２は、領域１と同様に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）の単層または多層構造の窒化物半導体から構成される。しかしながら、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）の単層のみならず、Ａｌの組成ｙの値が異なる複数のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を形成した多層構造であってもよい。さらには、Ａｌの濃度が厚さ方向に一様に増加、または減少して変化する構造も、擬似的にｙが異なる層が多層連続した構造とみなせるので、本発明の範疇に入る。
【００３６】
そして、前記領域２上には、窒化物半導体のデバイス活性層が形成される。本発明の好適な例としては、電子走行層と電子供給層から構成された窒化物半導体層の積層構造が挙げられる。なお、このとき、電子走行層と電子供給層との間に、本発明の領域２に相当する窒化物半導体層を挿入してもよい。領域２を介在させることで、この部位にも、しきい値電圧向上効果を追加することが可能となるからである。
【００３７】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、前記中間層は炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下かつ前記デバイス活性層は炭素濃度５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００３８】
領域１および領域２と同様に、前記中間層に炭素が窒化物半導体に高濃度で含有されることで、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、デバイス活性層として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。しかしながら、１´１０１８ａｔｏｍｓ／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デバイス活性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´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、炭素をドープすること自体が困難であることから、いずれも好ましくない。加えて、前記デバイス活性層に炭層濃度が５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、電子が散乱され電子移動度の低下が顕著となり好ましくない。
【００３９】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体基板においては、中間層とデバイス活性層との間に、しきい値電圧をより向上できるノーマリーオフ化層を簡易な構成で具備する。これにより、従来よりしきい値電圧を高くできるノーマリーオフ型の窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【実施例】
【００４０】
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。
【００４１】
図１に示すような層構造を備えた窒化物半導体基板を、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４インチのＳｉ単結晶基板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）、ＮＨ3、メタンを用い、積層する膜に応じてこれらの原料を適時使い分け、気相成長温度を１０００℃にして各層を気相成長にて形成した。なお、各層の組成および厚さの調整は、各原料の選定、流量および供給時間の調整により行った。
【００４２】
（実施例１）
Ｓｉ単結晶基板１上に、厚さ２０ｎｍで炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のＡｌＮ単結晶層２１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２２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層積層させて中間層２を形成した。この中間層２上に、厚さ１４００ｎｍかつ組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域１と、領域１上に厚さ３０ｎｍかつ組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．２）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域２とを形成した。領域２上に、厚さ５００ｎｍで炭素濃度５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のＧａＮ単結晶層を電子走行層４１として、続けて、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４２をそれぞれ積層させることで、窒化物活性層４を形成した。以上の工程を経て、窒化物半導体基板を得た。
【００４３】
（比較例１）
中間層２の形成までは実施例１と同様に作製した。この中間層２上に、厚さ１４３０ｎｍかつ組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域１のみ作製した。領域１上には、実施例１と同様の窒化物活性層４を形成した。以上の工程を経て、窒化物半導体基板を得た。
【００４４】
（参考例）
参考例として、本発明における領域１のない構造の例を示す。まず、中間層２の形成までは実施例１と同様に作製した。この中間層２上に、厚さ３０ｎｍかつ組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．２）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域２のみ作製した。領域２上には、実施例１と同様の窒化物活性層４を形成した。以上の工程を経て、窒化物半導体基板を得た。
【００４５】
これら３つの窒化物半導体基板に対して、それぞれしきい値電圧を測定し、比較した。なお、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のデバイス活性層上に、リセスゲートのショットキー電極(Ｎｉ／Ａｕ)およびソース・ドレインとしてオーミック電極(Ｔｉ／Ａｌ)の電極形成および素子分離を行い、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によるI−Ｖ測定を行うことで実施した。
【００４６】
しきい値電圧は、比較例１．０Ｖに対して、参考例は０．７Ｖ、実施例１は２．２Ｖとなった。これより、本発明の構成を有することで、従来よりしきい値電圧の向上が確認された。
【００４７】
次に、実施例１の形態を有する窒化物半導体基板をもとに、領域１と領域２のＡｌ組成、膜厚、炭素濃度を変更して作製した窒化物半導体基板の、それぞれのしきい値電圧を測定、比較した。このときの、領域１と領域２の各パラメータ値としきい値電圧を表１に示す。なお、各パラメータを振った実施例と比較例の評価結果において、しきい値電圧以外で特性の変化がみられたものについては、特記事項として記載した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１の結果から、本発明の実施範囲においては、しきい値電圧が１．５Ｖ以上となり、しきい値向上の効果が発揮されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、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】
【００５１】
1…Ｓｉ単結晶基板、2…中間層、21…１層目緩衝層、22…２層目緩衝層、3…ノーマリーオフ化層、31…領域１、32…領域２、4…デバイス活性層、41…電子走行層、42…電子供給層。
【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に用いられる、窒化物半導体基板の構造に関する。
【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有し、特に、高周波動作かつ高耐圧を必要とする領域に用いられる電子デバイス、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 FET）への適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の構造や作製方法として、例えば、Ｓｉ単結晶基板上に窒化物半導体層からなる中間層を介して窒化物半導体結晶を成膜する方法は、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。
【０００４】
ところで、ヘテロ接合を用いた電界効果トランジスタには、ＡｌＧａＮ層を電子供給層とし、ＧａＮ層をチャネル層としたヘテロ接合が用いられているが、このようなＧａＮ系ＦＥＴ構造の課題は、ノーマリーオフ型素子の作製が困難なことである。また、単純にノーマリーオフ型にすることだけを目的とすると、この材料系の特徴である通電時の抵抗である（オン抵抗）の低減性と相反する。すなわち、ノーマリーオフ型素子を作るためにはキャリアを抑制しなければならないが、これは素子のオン抵抗を高めることになり好ましくない。よって、ノーマリーオフ動作が低オン抵抗を損なうことなく実現されるには、制御可能なゲート部のみで電流の遮断を行い、その他のソース−ゲート間のチャネルおよびゲート−ドレイン間のチャネルでは低抵抗性を確保しなければならない。
【０００５】
この課題の解決方法として、たとえば、特許文献１には、窒化物半導体電界効果トランジスタにおいて、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】
また、特許文献２には、ノーマリーオフ動作を実現可能な半導体装置として、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に設けられ第１の窒化物半導体層よりもバン
ドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層の上に設けられたソース電極と、第２の窒化物半導体層の上に設けられたドレイン電極と、第２の窒化物半導体層の表面上におけるソース電極とドレイン電極との間に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられたｐ型の第３の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層の上に設けられたゲート電極とを備えるという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０８０３号公報
【特許文献２】特開２００９−７１０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、しきい値電圧の制御が可能ではあるが、さらに高いしきい値電圧を得るという要求に対しては、十分対応できているとはいえなかった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では、ゲート電極の下にｐ型窒化物半導体層を設けることと、ｐ型窒化物半導体層を単に電子供給層に接して設けた場合に起こる不具合を抑制するために、ｐ型窒化物半導体層とチャネル層との間を電気的に絶縁分離する絶縁膜を形成している。よって絶縁膜の形成が高コスト化を招く。また、しきい値電圧向上の点でも、やはり十分とはいいがたい。
【００１０】
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
を実現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、簡易な構造で提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成されＡｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、前記中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１と、前記領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域２と、前記領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層とからなることを特徴とする。このような構成をとることで、従来よりしきい値電圧を高くできるノーマリーオフ型の窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、前記中間層または前記デバイス活性層のいずれか１つもしくは両方の炭素濃度が、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。このような構成をとることで、高耐圧化に加えてノーマリーオフ化が達成される効果を併せ持つ、従来よりしきい値電圧を高くできるノーマリーオフ型の窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体基板は、これを用いてデバイスを作製することにより、しきい値電圧の向上を図ることができるため、高耐圧デバイス、特に、ノーマリーオフ型スイッチングデバイスに好適に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る窒化物半導体基板の一形態を示す概念図である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の一形態を示す概念図。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成されＡｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、前記中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１と、前記領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域２と、前記領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層とからなる。
【００１７】
Ｓｉ単結晶からなる基板は、窒化物半導体を形成するための下地の基板として用いられる。このＳｉ単結晶は、公知の技術で製造された各種の材料を広く用いることができる。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も適用できる。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、リンやボロンなどのドーパント、各種結晶欠陥における濃度や分布を適時制御して用いることも可能である。
【００１８】
Ｓｉ単結晶基板上には、Ａｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層が形成される。Ｓｉ単結晶と窒化物半導体では格子定数、熱膨張係数が異なり、これにより、窒化物半導体基板に大きな反りが発生、またスリップ等の結晶欠陥が多発する。これを抑えるため、デバイスを形成するデバイス活性層との間に各種構造の中間層を設けるが、本発明においては、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層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層が好適に適用される。
【００１９】
そして、中間層上には、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１が形成されている。ここで、多層の場合は、各層の合計値の厚さを領域１の厚さとする。
【００２０】
ノーマリーオフ型の窒化物半導体基板の一例として、デバイス活性層にＧａＮからなる電子走行層とＡｌＧａＮからなる電子供給層を形成し、さらに、中間層と電子走行層との間にＡｌＧａＮからなる層を挿入した構造が挙げられる。そして、各層の膜厚や特性を調整することで、ノーマリーオフ化を達成し、さらにしきい値電圧を向上させることが可能となる。
【００２１】
しきい値電圧を向上させる方法として、この中間層と電子走行層との間に形成されるＡｌＧａＮからなる層（以下、ノーマリーオフ化層と記載）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。フェルミ準位を低く抑えるには、ノーマリーオフ化層内の電子の密度を減らす必要があり、一例として、ノーマリーオフ化層内の欠陥の発生を抑制することが挙げられる。
【００２２】
ところで、ＡｌＧａＮ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り、しきい値電圧を向上させることが困難となる。
【００２３】
ノーマリーオフ化層としてＡｌＧａＮを用いた場合、ノーマリーオフ化達成のためにはある程度の膜厚が必要になる。しかし、膜厚を厚くすると成膜された層内に含有される電子の量も、これに比例して増加するので、しきい値電圧を向上が見込めない。
【００２４】
そこで、本発明においては、ノーマリーオフ化層を領域１と領域２の２つの異なる構造を有する構成とすることで、相反する特性であるノーマリーオフ化としきい値電圧向上を同時に高いレベルで達成することを可能とする。ここで、領域１は、欠陥の発生しにくい領域であることにより、しきい値電圧向上の効果をもたらす役割を受け持っている。
【００２５】
領域１におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮのｘは、０以上０．０５以下が好ましく、０以上０．０２以下がさらに好ましい。ＡｌＧａＮに比べると、ＧａＮのほうが成膜時欠陥は入りにくいので、しきい値電圧向上においてＡｌを含まないＧａＮが理想ではある。しかしながら、しきい値電圧向上を著しく阻害しない範囲でＡｌが含有されていても、本発明の効果は得られる。実質的に気相成長工程では、領域１にはＡｌ組成が完全にゼロでない層もわずかに形成される。それでも、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｘは、０≦ｘ≦０．０５の範囲であれば特に問題ない。
【００２６】
領域１におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮの厚さは、２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下が好ましく、１０００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下がさらに好ましい。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。しかし、２０００ｎｍを超えると、中間層とデバイス活性層を含めた窒化物半導体層の合計の膜厚が厚くなりすぎて、窒化物半導体基板全体の反りが増大してしまうので、これも好ましくない。
【００２７】
また、領域１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）の単層または多層構造の窒化物半導体から構成されるが、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）の単層のみならず、Ａｌの組成ｘの値が異なる複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を形成した多層構造であってもよい。さらには、Ａｌの濃度が厚さ方向に一様に増加、または減少して変化する構造も、擬似的にｘが異なる層が多層連続した構造とみなせるので、本発明の範疇に入る。
【００２８】
領域１における炭素濃度は、１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、より好ましくは１´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。炭素が窒化物半導体に高濃度で含有されることで、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、デバイス活性層として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。しかしながら、１´１０１８ａｔｏｍｓ／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デバイス活性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、逆に１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、炭素をドープすること自体が困難であることから、いずれも好ましくない。
【００２９】
ここで、炭素濃度が１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下というのは、広がり抵抗（ＳＲ）測定法や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法など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。
【００３０】
次に、領域１上には、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層、または多層構造の窒化物半導体からなる領域２が形成される。
【００３１】
ＡｌＧａＮ層においては、Ａｌ組成が大きいと、伝導帯からフェルミ準位までのエネルギー差が大きくなるので、しきい値電圧を高くすることが出来る。領域１のみでは、十分にしきい値電圧を高くすることが困難なので、領域２と組み合わせることで、よりしきい値電圧を高くすることが可能となる。
【００３２】
領域２のＡｌ組成は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮとした場合において、ｙを０．１以上１以下とすることが好ましく、０．２以上１以下がさらに好ましい。Ａｌが少ないと、伝導帯からフェルミ準位までのエネルギー差を十分大きく出来ないので、よりしきい値電圧を高くするという目的を十分達成することが困難になる。なお、領域１の場合と同様に、領域２のＡｌ組成は、本発明の効果を著しく損なわない範囲であれば、上限は特に制限されない。
【００３３】
領域２におけるＡｌｙＧａ１−ｙＮの厚さは、０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。０．２ｎｍ未満では、１分子層を下回るほどの薄い膜なので、基盤の表面全体に均一に成膜することが困難になり、膜厚保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。しかし、１００ｎｍを超えると、フェルミ準位が高くなり、しきい値電圧の向上効果が低減してしまうので、これも好ましくない。
【００３４】
領域２における炭素濃度は、１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、より好ましくは１´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。領域１と同様に、炭素が窒化物半導体に高濃度で含有されることで、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、デバイス活性層として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。しかしながら、１´１０１８ａｔｏｍｓ／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デバイス活性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´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、炭素をドープすること自体が困難であることから、これも好ましくない。
【００３５】
また、領域２は、領域１と同様に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）の単層または多層構造の窒化物半導体から構成される。しかしながら、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）の単層のみならず、Ａｌの組成ｙの値が異なる複数のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を形成した多層構造であってもよい。さらには、Ａｌの濃度が厚さ方向に一様に増加、または減少して変化する構造も、擬似的にｙが異なる層が多層連続した構造とみなせるので、本発明の範疇に入る。
【００３６】
そして、前記領域２上には、窒化物半導体のデバイス活性層が形成される。本発明の好適な例としては、電子走行層と電子供給層から構成された窒化物半導体層の積層構造が挙げられる。なお、このとき、電子走行層と電子供給層との間に、本発明の領域２に相当する窒化物半導体層を挿入してもよい。領域２を介在させることで、この部位にも、しきい値電圧向上効果を追加することが可能となるからである。
【００３７】
また、本発明に係る窒化物半導体基板は、前記中間層は炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下かつ前記デバイス活性層は炭素濃度５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００３８】
領域１および領域２と同様に、前記中間層に炭素が窒化物半導体に高濃度で含有されることで、欠陥によるフェルミ準位の上昇を抑え、デバイス活性層として形成されるＧａＮ層の伝導帯を引上げる効果がある。しかしながら、１´１０１８ａｔｏｍｓ／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デバイス活性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´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、炭素をドープすること自体が困難であることから、いずれも好ましくない。加えて、前記デバイス活性層に炭層濃度が５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３より高い濃度では、電子が散乱され電子移動度の低下が顕著となり好ましくない。
【００３９】
以上のように、本発明に係る窒化物半導体基板においては、中間層とデバイス活性層との間に、しきい値電圧をより向上できるノーマリーオフ化層を簡易な構成で具備する。これにより、従来よりしきい値電圧を高くできるノーマリーオフ型の窒化物半導体基板とすることが可能となる。
【実施例】
【００４０】
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。
【００４１】
図１に示すような層構造を備えた窒化物半導体基板を、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４インチのＳｉ単結晶基板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）、ＮＨ3、メタンを用い、積層する膜に応じてこれらの原料を適時使い分け、気相成長温度を１０００℃にして各層を気相成長にて形成した。なお、各層の組成および厚さの調整は、各原料の選定、流量および供給時間の調整により行った。
【００４２】
（実施例１）
Ｓｉ単結晶基板１上に、厚さ２０ｎｍで炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のＡｌＮ単結晶層２１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２２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層積層させて中間層２を形成した。この中間層２上に、厚さ１４００ｎｍかつ組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域１と、領域１上に厚さ３０ｎｍかつ組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．２）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域２とを形成した。領域２上に、厚さ５００ｎｍで炭素濃度５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のＧａＮ単結晶層を電子走行層４１として、続けて、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４２をそれぞれ積層させることで、窒化物活性層４を形成した。以上の工程を経て、窒化物半導体基板を得た。
【００４３】
（比較例１）
中間層２の形成までは実施例１と同様に作製した。この中間層２上に、厚さ１４３０ｎｍかつ組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域１のみ作製した。領域１上には、実施例１と同様の窒化物活性層４を形成した。以上の工程を経て、窒化物半導体基板を得た。
【００４４】
（参考例）
参考例として、本発明における領域１のない構造の例を示す。まず、中間層２の形成までは実施例１と同様に作製した。この中間層２上に、厚さ３０ｎｍかつ組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．２）で炭素濃度５´１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の単層からなる領域２のみ作製した。領域２上には、実施例１と同様の窒化物活性層４を形成した。以上の工程を経て、窒化物半導体基板を得た。
【００４５】
これら３つの窒化物半導体基板に対して、それぞれしきい値電圧を測定し、比較した。なお、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のデバイス活性層上に、リセスゲートのショットキー電極(Ｎｉ／Ａｕ)およびソース・ドレインとしてオーミック電極(Ｔｉ／Ａｌ)の電極形成および素子分離を行い、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によるI−Ｖ測定を行うことで実施した。
【００４６】
しきい値電圧は、比較例１．０Ｖに対して、参考例は０．７Ｖ、実施例１は２．２Ｖとなった。これより、本発明の構成を有することで、従来よりしきい値電圧の向上が確認された。
【００４７】
次に、実施例１の形態を有する窒化物半導体基板をもとに、領域１と領域２のＡｌ組成、膜厚、炭素濃度を変更して作製した窒化物半導体基板の、それぞれのしきい値電圧を測定、比較した。このときの、領域１と領域２の各パラメータ値としきい値電圧を表１に示す。なお、各パラメータを振った実施例と比較例の評価結果において、しきい値電圧以外で特性の変化がみられたものについては、特記事項として記載した。
【００４８】
【表１】
【００４９】
表１の結果から、本発明の実施範囲においては、しきい値電圧が１．５Ｖ以上となり、しきい値向上の効果が発揮されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、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】
【００５１】
1…Ｓｉ単結晶基板、2…中間層、21…１層目緩衝層、22…２層目緩衝層、3…ノーマリーオフ化層、31…領域１、32…領域２、4…デバイス活性層、41…電子走行層、42…電子供給層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成されＡｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、前記中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１と、前記領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域２と、前記領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層とからなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記中間層は、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、かつ前記デバイス活性層は炭素濃度５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項１】
Ｓｉ単結晶からなる基板と、前記基板上に形成されＡｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層以上含む窒化物半導体の積層構造からなる中間層と、前記中間層上に形成され、組成ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）、厚さ２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域１と、前記領域１上に形成され、組成ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．１≦ｙ≦１）、厚さ０．２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の単層または多層構造の窒化物半導体からなる領域２と、前記領域２上に形成される窒化物半導体のデバイス活性層とからなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記中間層は、炭素濃度１´１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１´１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、かつ前記デバイス活性層は炭素濃度５´１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−２５８７８２（Ｐ２０１１−２５８７８２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３２５５８（Ｐ２０１０−１３２５５８）
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【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２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【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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