窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板とその製造方法
【課題】窒化物半導体デバイス用の半導体積層構造を成長させるために改善されたバッファ層構造を有する基板を提供する。
【解決手段】窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面上に形成された窒化ケイ素層、この窒化ケイ素層上に堆積されたＡｌＮ結晶層、およびこのＡｌＮ層上に堆積された複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層を含み、これら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層においてはその下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有しており、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層結晶中の一層は非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含んでいる。
【解決手段】窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面上に形成された窒化ケイ素層、この窒化ケイ素層上に堆積されたＡｌＮ結晶層、およびこのＡｌＮ層上に堆積された複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層を含み、これら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層においてはその下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有しており、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層結晶中の一層は非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板の改善に関し、特にその基板が有するバッファ層構造の改善に関する。そのように改善された基板上に積層された複数の窒化物半導体層を含むエピタキシャルウエハは、例えばヘテロ接合電界効果トランジスタのような窒化物半導体デバイスの作製に好ましく利用され得るものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロ接合電界効果トランジスタに必要な例えばＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮ障壁層との積層構造を含むエピタキシャルウエハを作製する場合、ＧａＮ基板が高価であることから、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなどの異種材料の基板上にそれらの窒化物半導体層を結晶成長させることが従来から行なわれている。
【０００３】
異種材料の基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）で成長させる場合、基板と半導体層との間における結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差などに基づく歪を緩和するために、種々のバッファ層構造が用いられている。
【０００４】
例えば特許文献１の特開平２−２２９４７６号公報は、サファイア基材上に４００℃以上９００℃以下の比較的低い基板温度でＡｌＮ層をバッファ層として堆積させることを教示している。このように比較的低温で堆積されたバッファ層は、低温バッファ層とも呼ばれる。
【０００５】
しかし、低温バッファ層は、非晶質の母相中に微結晶や多結晶を含んでいる。したがって、半導体デバイス用の窒化物半導体層を低温バッファ層上に結晶成長させるために基板温度を１０００℃程度以上まで上昇させたとき、そのバッファ層内の非晶質の母相が多結晶化して内部に比較的多量の転位を含むことになる。そして、そのバッファ層上に成長させたデバイス用の窒化物半導体積層構造において、多量の転位が導入されると共に、結晶品質がばらついて、クラックが入りやすくなる傾向がある。
【０００６】
他方、例えば特許文献２の特開２００２−３６７９１７号公報は、サファイア基板上に１１００℃以上１２５０℃以下の比較的高い基板温度でＡｌＮ結晶層をバッファ層として堆積させることを教示している。このように比較的高温で堆積されたバッファ層は、高温バッファ層とも呼ばれる。
【０００７】
しかし、特許文献３の特開２００７−５９８５０号公報は、高温バッファ層上に成長させた窒化物半導体積層構造においてはクラックが発生しにくくなるが、そのバッファ層の表面において原子レベルでの平坦性を確保するためには、バッファ層の厚さを大きくしなければならないと述べている。実際に、特許文献２は、その発明の実施例において高温ＡｌＮバッファ層をかなり大きな２μｍの厚さに堆積することを教示している。特許文献３はまた、バッファ層の厚さを大きくすれば基板とバッファ層との格子定数差に起因して基板に反りが発生しやすくなることも述べており、さらにＡｌＮバッファ層の堆積温度を高くすればそのバッファ層の表面に白濁が発生しやすくなることも述べている。
【０００８】
一方、特許文献４の特開２００９−１５２６２７号公報は、単結晶シリコン基板上に窒化物半導体結晶層を成長させる場合の問題点を指摘している。具体的には、シリコン基板上に窒化物低温バッファ層を堆積してから窒化物半導体結晶層を成長させる場合、窒化物低温バッファ層の堆積時にシリコン基板表面のランダムな領域に非晶質窒化ケイ素を生じ、これが基板と窒化物半導体結晶層との界面の平坦度を悪化させたり、窒化物半導体結晶層に欠陥を生じさせる原因となると指摘している。そして、この問題を改善するために、特許文献４は窒化物低温バッファ層の堆積前にシリコン基板表面を窒化処理によって均一厚さの窒化ケイ素層で覆うことを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−２２９４７６号公報
【特許文献２】特開２００２−３６７９１７号公報
【特許文献３】特開２００７−５９８５０号公報
【特許文献４】特開２００９−１５２６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者たちは、バッファ層構造を有する基板の改善のための予備的実験において、Ｓｉ基板の（１１１）主面上にＡｌＮ結晶層を堆積し、その上に複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層をさらに堆積した。これら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は、下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有していており、これを組成傾斜バッファ層構造とも呼ぶこととする。本発明者たちは、このような組成傾斜バッファ層構造が基板の反りを軽減させるように作用し得ることを確認した。しかし、傾斜バッファ層構造の上面には微細な凸状欠陥が現れる問題を生じることが分かった。なお、本発明者たちは、予備的実験の幾つかの例において、組成傾斜バッファ層上にさらに超格子バッファ層構造を積層することも試みた。
【００１１】
上記のような傾斜バッファ層構造の上面における微細な凸状欠陥の問題に鑑み、本発明者たちは、特許文献４の教示を考慮して、Ｓｉ基板の（１１１）主面を窒化処理し、その窒化ケイ素層上にＡｌＮ結晶層および複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層を順次に堆積した。その結果、Ｓｉ基板を窒化ケイ素層で覆っても、組成傾斜バッファ層の上表面において微細な凸状欠陥が依然として多く生じることが暗視野光学顕微鏡法によって確認された。
【００１２】
そこで、本発明者たちは、組成傾斜バッファ層の上表面に微細な凸状欠陥がどのようにして生じるかを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によって調べた。
【００１３】
図４は、ＴＥＭ観察によって確認された結果として、表面凸状欠陥の発達過程を誇張して示す模式的断面図である。この図において、Ｓｉ基板１の（１１１）主面は、窒化処理で形成された窒化ケイ素層１ａで覆われている。この窒化ケイ素層１ａ上には、ＡｌＮ結晶層２が形成され、その上に複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層を含む組成傾斜バッファ層構造ＣＧＢが形成されている。
【００１４】
この場合に、ＡｌＮ層２の上表面には極微細の凸状欠陥２Ｐが形成される。そして、このような極微細凸状欠陥２Ｐは複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層を含む組成傾斜バッファ層構造ＣＧＢに引継がれ、その組成傾斜バッファ層構造の成長に伴って、凸状欠陥の面積と段差が拡大する傾向にあることが分かった。すなわち、組成傾斜バッファ層構造ＣＧＢの上面における凸状欠陥ＣＧＢＰの面積と段差は、ＡｌＮ結晶層２の上面における段差２Ｐに比べて大きな面積と大きな段差を有している。
【００１５】
図５は、予備的実験において観察されたＴＥＭ写真の一例を示している。このＴＥＭ写真は２００ｋＶの電子線加速電圧と４００００倍の倍率の条件下で撮影され、右下の１０目盛のスケールは全体で８００ｎｍの長さを表している。
【００１６】
図５のＴＥＭ写真に示された試料において、Ｓｉ基板１の（１１１）主面は、極めて薄い窒化ケイ素層１ａによって覆われている。窒化ケイ素層１ａ上には、ＡｌＮ結晶層２が堆積され、その上にＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ結晶層３、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ結晶層４、およびＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶層５が順次堆積されている。すなわち、これらのＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層３−５が組成傾斜バッファ層構造を構成している。そして、この試料においては、組成傾斜バッファ層構造３−５上にさらに超格子バッファ層６が堆積されている。
【００１７】
この図５に見られるように、例えばＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ結晶層４の上面に生じている２５ｎｍの段差を有する凸状欠陥は、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶層５の成長に伴ってその段差と面積が拡大して、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶層５の上面では約３０ｎｍの段差になっている。
【００１８】
本発明者たちが予備的実験によって確認した上述のような課題に鑑み、本願発明は、窒化物半導体デバイス用の半導体積層構造を成長させるためにさらに改善されたバッファ層構造を有する基板を提供することを主要な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面上に形成された窒化ケイ素層、この窒化ケイ素層上に堆積されたＡｌＮ結晶層、およびこのＡｌＮ層上に堆積された複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層を含み、これら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層においてはその下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有しており、それら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層結晶中の一層は非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含んでいることを特徴としている。
【００２０】
なお、ＡｌＮ中間層は１０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満の厚さを有していることが好ましい。また、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層中の最下層がＡｌＮ中間層を含んでいることが好ましい。複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は、下層から上層への順に０．７、０．４および０．１のＡｌ組成比ｘを有する３つの層を好ましく含み得る。複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層上においてＡｌＮ層およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ（１＞ｘ≧０）層が繰返し積層された超格子バッファ層をさらに含むことも好ましい。
【００２１】
上述のような基板を製造する方法においては、ＡｌＮ中間層は７５０℃より高くかつ１０００℃未満の基板温度において気相堆積されることが好ましい。また、ＡｌＮ結晶層および複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は１０００℃より高い基板温度において気相堆積されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
上記のような本発明によれば、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層中の一層内に非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含めることによって、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層の最上表面における凸状欠陥を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による基板を用いて作製し得るヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の一例を示す模式的断面図である。
【図２】比較例１として作製された基板の表面の暗視野光学顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施例１として作製された基板の表面の暗視野光学顕微鏡写真である。
【図４】組成傾斜バッファ層構造の堆積中に表面凸状欠陥が成長する態様を誇張して示す模式的断面図である。
【図５】図４において模式的に示された表面凸状欠陥の成長の態様を示すＴＥＭ観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施形態）
図１は、本発明による基板を用いて作製し得るヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の一例を模式的断面図で示している。このようなヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の作製方法の一例が、以下において説明される。基板１としては、（１１１）主面を有するＳｉ基板が用いられる。まず、フッ酸系のエッチャントでＳｉ基板１の表面酸化膜を除去した後に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置のチャンバ内にその基板がセットされる。
【００２５】
ＭＯＣＶＤ装置内ではＳｉ基板１が１０５０℃に加熱され、チャンバ内圧力１３．３ｋＰａの水素雰囲気にて基板表面のクリーニングが３００秒間行なわれる。
【００２６】
続いて、チャンバ内圧力と基板温度を維持したまま、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとＨ２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下でＳｉ基板１の表面が４０秒間窒化処理される。これによって、Ｓｉ基板１の表面に窒化ケイ素層１ａが形成される。
【００２７】
窒化ケイ素層１ａ上には、ＡｌＮ結晶バッファ層２が、１０５０℃の基板温度、１３．３ｋＰａの圧力、１０８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および１２．５ｓｌｍのＮＨ３のＭＯＣＶＤ条件下で２００ｎｍの厚さに成長させられる。
【００２８】
その後、基板温度を１１５０℃に上昇させ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）流量＝１２．７ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ結晶層３が２００ｎｍの厚さに堆積される。
【００２９】
その後、基板温度を９００℃に低下させ、１０．０ｋＰａの圧力、１８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および０．１ｓｌｍのＮＨ３流量のＭＯＣＶＤ条件下で非常に薄い３０ｎｍの厚さのＡｌＮ中間層３ａが堆積させられる。この中間層３ａは、比較的低い基板温度の下で堆積されるので、非晶質と結晶質が混在した構造を有している。
【００３０】
そして基板温度が再度１１５０℃に上げられ、再度ＴＭＡ流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝１２．７ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３が２００ｎｍの厚さに堆積される。
【００３１】
続いて、基板温度を維持したまま、ＴＭＡ流量＝５０．９ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝２２．１ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層４が４００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＡ流量＝１６．４ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝３０．４、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５が４００ｎｍの厚さに堆積される。これによって、中間層３ａを含む組成傾斜バッファ層構造３−５が形成される。
【００３２】
Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５上には、同じ基板温度の下で、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２０ｎｍ厚）層の５０周期の繰返しを含む超格子多層バッファ層構造６が堆積される。このとき、ＡｌＮ層はＴＭＡ流量＝１０２μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層はＴＭＧ流量＝７２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され得る。なお、超格子多層バッファ層構造６は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造コストや製造時間などの観点から省略されてもよい。
【００３３】
その後に基板温度が１１００℃に下げられ、ＴＭＧ流量＝２２４μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、ＧａＮ層７が１３．３ｋＰａの圧力下で１．０μｍの厚さに堆積され、ＧａＮ層８が９０ｋＰａの圧力下で０．５μｍの厚さに堆積される。ここで、堆積圧力が低い場合にＴＭＧに含まれるカーボンがＧａＮ層内にドープされやすく、堆積圧力が高い場合にＴＭＧからＧａＮ層内にカーボンがドープされにくい傾向にある。
【００３４】
そして、ＧａＮ層８上には、１３．３ｋＰａの圧力下で、ＡｌＮ特性改善層９（１ｎｍ厚）、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層１０（２０ｎｍ厚）およびＧａＮキャップ層１１（１ｎｍ厚）を含む電子供給層が堆積される。このとき、ＡｌＮ層９はＴＭＡ流量＝５１μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、ＡｌＧａＮ層１０はＴＭＧ流量＝４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝７μｍｏｌ／ｍｉｎおよび、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、そしてＧａＮ層１１はＴＭＧ流量＝５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され得る。
【００３５】
なお、以上の実施形態ではＡｌＧａＮ層３、４および５のＡｌ組成比が０．７、０．４および０．１の順に変化させられたが、組成傾斜バッファ層構造に含まれるＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層におけるＡｌ組成比ｘの組合せはこの組合せに限定されるものではない。また、組成傾斜バッファ層構造に含まれて異なるＡｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層の数も３層に限定されず、任意の数とすることができる。重要なことは、組成傾斜バッファ層構造の下面から上面に向かうにしたがってＡｌ組成比ｘが徐々に減少していくことである。さらに、超格子多層バッファ層構造６は、ＡｌＮ層／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層の繰返しに限定されず、例えばＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層は他のＡｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層に置き換えることも可能である。
【００３６】
（比較例１）
本発明の基板の改善効果を調べるために、比較例１としての基板が作製された。この比較例１の基板は、図１におけるＳｉ基板１、窒化ケイ素層１ａ、ＡｌＮ結晶バッファ層２および組成傾斜バッファ層構造３−５を有しているが、中間層３ａを含んでいない。
【００３７】
すなわち、比較例１においては、上述の実施形態と同様に表面クリーニング処理されたＳｉ基板１に窒化ケイ素層１ａが形成され、その上にＡｌＮ結晶バッファ層２が、１０５０℃の基板温度、１３．３ｋＰａの圧力、１０８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および１２．５ｓｌｍのＮＨ３のＭＯＣＶＤ条件下で２００ｎｍの厚さに成長させられた。その後、ＡｌＮ中間層３ａを含まないことを除いて、ＡｌＮ結晶バッファ層２上に上述の実施形態と同様に組成傾斜バッファ層構造３−５が形成された。
【００３８】
図２は、こうして得られた比較例１の基板におけるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５の表面の暗視野光学顕微鏡写真を示している。なお、この顕微鏡写真中の右下に示された白い線分は、５０μｍのスケールを示している。図２の写真から分かるように、比較例１の基板の表面は多くの微細な凸状欠陥を含んでおり、その基板の中央部における欠陥密度を測定したところ２．４×１０５個／ｃｍ２であった。
【００３９】
（実施例１）
本発明による実施例１による基板が比較例１に類似して作製された。この実施例１の基板は、比較例１に比べて、図１に示されているようにＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３がＡｌＮ中間層３ａを含んでいることのみにおいて異なっている。
【００４０】
すなわち、実施例１では、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３に関する基板温度＝１１５０℃、ＴＭＡ流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝１２．７ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの堆積条件に比べて、ＡｌＮ中間層３ａの堆積条件が顕著に異なっており、上述の実施形態で述べられたように、基板温度を９００℃に低下させ、１０．０ｋＰａの圧力、１８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および０．１ｓｌｍのＮＨ３流量のＭＯＣＶＤ条件下で３０ｎｍの厚さに堆積させられた。このように比較的低い基板温度の下で堆積されたＡｌＮ中間層３ａは、非晶質と結晶質が混在した構造を有している。
【００４１】
図３は、こうして得られた実施例１の基板におけるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５の表面の暗視野光学顕微鏡写真を示している。この顕微鏡写真中の右下に示された白い線分も、５０μｍのスケールを示している。図２と図３の写真の比較から分かるように、実施例１の基板の表面においては微細な凸状欠陥が減少しており、その基板の中央部で欠陥密度を測定したところ１．２×１０５個／ｃｍ２であった。すなわち、実施例１の基板においては、比較的低い基板温度で堆積したＡｌＮ中間層３ａを組成傾斜バッファ層構造３−５内に挿入した効果として、比較例１に比べて、凸状欠陥密度が約半分に減少していることが分かる。
【００４２】
この理由としては、ＡｌＮ結晶バッファ層２の表面で発生した極微細の凸状欠陥が組成傾斜バッファ層構造３−５の堆積に伴って発達する過程において、その凸状欠陥が低温で堆積された薄いＡｌＮ中間層３ａによってマスクされ、それよって上の層に凸状欠陥が伝わりにくくなったからであると考えられる。何故ならば、低温で堆積された薄いＡｌＮ中間層３ａ内では非晶質と結晶が混在しており、非晶質部分が歪緩和作用や結晶質部分の凸状欠陥をマスクする作用を有すると考えられるからである。
【００４３】
なお、本発明の上述の実施形態と実施例においてＡｌＮ中間層３ａの堆積時の基板温度として９００℃が例示されたが、その基板温度は７５０℃より高くかつ１０００℃未満の範囲内にあればよい。ＡｌＮ中間層の堆積時の基板温度が７５０℃以下であれば、その中間層の非晶質性が強くなり過ぎて、その上に堆積されるＡｌＧａＮ層の結晶性が劣化するので好ましくない。他方、ＡｌＮ中間層の堆積時の基板温度が１０００℃以上であれば、非晶質による歪緩和効果が得られず、凸状欠陥の発達を抑制できなくなるので好ましくない。
【００４４】
また、本発明の上述の実施形態と実施例においては３０ｎｍの厚さのＡｌＮ中間層３ａが例示されたが、その厚さは１０ｎｍより大きくかつ１００ｎｍ未満であればよい。何故ならば、ＡｌＮ中間層の厚さが１０ｎｍ以下であれば、下層からの凸状欠陥や転位の伝播をマスクする効果が十分得られないからである。他方、ＡｌＮ中間層の厚さが１００ｎｍ以上あれば、その上に成長するＡｌＧａＮ層の結晶性が低下する恐れがあるからである。
【００４５】
なお、上述の実施形態と実施例においてはＡｌＮ中間層３ａが組成傾斜バッファ層構造中の最下層であるＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３内に含められる例が説明されたが、ＡｌＮ中間層は組成傾斜バッファ層構造中のいずれの層内に含められても、表面凸状欠陥の低減効果は得られる。ただし、ＡｌＮ中間層のＡｌ濃度に近いＡｌ濃度を有する最下層のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内にＡｌＮ中間層を含めることがより好ましい。
【００４６】
また、上述の実施形態と実施例においては組成傾斜バッファ層構造がＡｌ組成比の異なる３層のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含む例を説明したが、より多くの層を含んでもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上から明らかなように、本発明によれば、組成傾斜バッファ層構造内に低温で堆積された薄いＡｌＮ中間層を介在させるとによって、その組成傾斜バッファ層構造の表面の平滑性を改善することができ、その結果として組成傾斜バッファ層構造上に成長する窒化物半導体層の表面の平滑性をも改善することができる。
【００４８】
そして、そのように改善された表面平滑性を有する基板を利用することによって、その基板上に改善された種々の窒化物半導体デバイスを作製することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ Ｓｉ基板、１ａ 窒化ケイ素層、２ ＡｌＮ結晶層、３ Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、３ａ ＡｌＮ中間層、４ Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、５ Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、６ ＡｌＮ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ超格子バッファ構造、７ カーボンドープＧａＮ層、８ アンドープＧａＮチャネル層、９ ＡｌＮ特性改善層、１０ Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層、１１ ＧａＮキャップ層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板の改善に関し、特にその基板が有するバッファ層構造の改善に関する。そのように改善された基板上に積層された複数の窒化物半導体層を含むエピタキシャルウエハは、例えばヘテロ接合電界効果トランジスタのような窒化物半導体デバイスの作製に好ましく利用され得るものである。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロ接合電界効果トランジスタに必要な例えばＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮ障壁層との積層構造を含むエピタキシャルウエハを作製する場合、ＧａＮ基板が高価であることから、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなどの異種材料の基板上にそれらの窒化物半導体層を結晶成長させることが従来から行なわれている。
【０００３】
異種材料の基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）で成長させる場合、基板と半導体層との間における結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差などに基づく歪を緩和するために、種々のバッファ層構造が用いられている。
【０００４】
例えば特許文献１の特開平２−２２９４７６号公報は、サファイア基材上に４００℃以上９００℃以下の比較的低い基板温度でＡｌＮ層をバッファ層として堆積させることを教示している。このように比較的低温で堆積されたバッファ層は、低温バッファ層とも呼ばれる。
【０００５】
しかし、低温バッファ層は、非晶質の母相中に微結晶や多結晶を含んでいる。したがって、半導体デバイス用の窒化物半導体層を低温バッファ層上に結晶成長させるために基板温度を１０００℃程度以上まで上昇させたとき、そのバッファ層内の非晶質の母相が多結晶化して内部に比較的多量の転位を含むことになる。そして、そのバッファ層上に成長させたデバイス用の窒化物半導体積層構造において、多量の転位が導入されると共に、結晶品質がばらついて、クラックが入りやすくなる傾向がある。
【０００６】
他方、例えば特許文献２の特開２００２−３６７９１７号公報は、サファイア基板上に１１００℃以上１２５０℃以下の比較的高い基板温度でＡｌＮ結晶層をバッファ層として堆積させることを教示している。このように比較的高温で堆積されたバッファ層は、高温バッファ層とも呼ばれる。
【０００７】
しかし、特許文献３の特開２００７−５９８５０号公報は、高温バッファ層上に成長させた窒化物半導体積層構造においてはクラックが発生しにくくなるが、そのバッファ層の表面において原子レベルでの平坦性を確保するためには、バッファ層の厚さを大きくしなければならないと述べている。実際に、特許文献２は、その発明の実施例において高温ＡｌＮバッファ層をかなり大きな２μｍの厚さに堆積することを教示している。特許文献３はまた、バッファ層の厚さを大きくすれば基板とバッファ層との格子定数差に起因して基板に反りが発生しやすくなることも述べており、さらにＡｌＮバッファ層の堆積温度を高くすればそのバッファ層の表面に白濁が発生しやすくなることも述べている。
【０００８】
一方、特許文献４の特開２００９−１５２６２７号公報は、単結晶シリコン基板上に窒化物半導体結晶層を成長させる場合の問題点を指摘している。具体的には、シリコン基板上に窒化物低温バッファ層を堆積してから窒化物半導体結晶層を成長させる場合、窒化物低温バッファ層の堆積時にシリコン基板表面のランダムな領域に非晶質窒化ケイ素を生じ、これが基板と窒化物半導体結晶層との界面の平坦度を悪化させたり、窒化物半導体結晶層に欠陥を生じさせる原因となると指摘している。そして、この問題を改善するために、特許文献４は窒化物低温バッファ層の堆積前にシリコン基板表面を窒化処理によって均一厚さの窒化ケイ素層で覆うことを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−２２９４７６号公報
【特許文献２】特開２００２−３６７９１７号公報
【特許文献３】特開２００７−５９８５０号公報
【特許文献４】特開２００９−１５２６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者たちは、バッファ層構造を有する基板の改善のための予備的実験において、Ｓｉ基板の（１１１）主面上にＡｌＮ結晶層を堆積し、その上に複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層をさらに堆積した。これら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は、下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有していており、これを組成傾斜バッファ層構造とも呼ぶこととする。本発明者たちは、このような組成傾斜バッファ層構造が基板の反りを軽減させるように作用し得ることを確認した。しかし、傾斜バッファ層構造の上面には微細な凸状欠陥が現れる問題を生じることが分かった。なお、本発明者たちは、予備的実験の幾つかの例において、組成傾斜バッファ層上にさらに超格子バッファ層構造を積層することも試みた。
【００１１】
上記のような傾斜バッファ層構造の上面における微細な凸状欠陥の問題に鑑み、本発明者たちは、特許文献４の教示を考慮して、Ｓｉ基板の（１１１）主面を窒化処理し、その窒化ケイ素層上にＡｌＮ結晶層および複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層を順次に堆積した。その結果、Ｓｉ基板を窒化ケイ素層で覆っても、組成傾斜バッファ層の上表面において微細な凸状欠陥が依然として多く生じることが暗視野光学顕微鏡法によって確認された。
【００１２】
そこで、本発明者たちは、組成傾斜バッファ層の上表面に微細な凸状欠陥がどのようにして生じるかを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によって調べた。
【００１３】
図４は、ＴＥＭ観察によって確認された結果として、表面凸状欠陥の発達過程を誇張して示す模式的断面図である。この図において、Ｓｉ基板１の（１１１）主面は、窒化処理で形成された窒化ケイ素層１ａで覆われている。この窒化ケイ素層１ａ上には、ＡｌＮ結晶層２が形成され、その上に複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層を含む組成傾斜バッファ層構造ＣＧＢが形成されている。
【００１４】
この場合に、ＡｌＮ層２の上表面には極微細の凸状欠陥２Ｐが形成される。そして、このような極微細凸状欠陥２Ｐは複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層を含む組成傾斜バッファ層構造ＣＧＢに引継がれ、その組成傾斜バッファ層構造の成長に伴って、凸状欠陥の面積と段差が拡大する傾向にあることが分かった。すなわち、組成傾斜バッファ層構造ＣＧＢの上面における凸状欠陥ＣＧＢＰの面積と段差は、ＡｌＮ結晶層２の上面における段差２Ｐに比べて大きな面積と大きな段差を有している。
【００１５】
図５は、予備的実験において観察されたＴＥＭ写真の一例を示している。このＴＥＭ写真は２００ｋＶの電子線加速電圧と４００００倍の倍率の条件下で撮影され、右下の１０目盛のスケールは全体で８００ｎｍの長さを表している。
【００１６】
図５のＴＥＭ写真に示された試料において、Ｓｉ基板１の（１１１）主面は、極めて薄い窒化ケイ素層１ａによって覆われている。窒化ケイ素層１ａ上には、ＡｌＮ結晶層２が堆積され、その上にＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ結晶層３、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ結晶層４、およびＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶層５が順次堆積されている。すなわち、これらのＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層３−５が組成傾斜バッファ層構造を構成している。そして、この試料においては、組成傾斜バッファ層構造３−５上にさらに超格子バッファ層６が堆積されている。
【００１７】
この図５に見られるように、例えばＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ結晶層４の上面に生じている２５ｎｍの段差を有する凸状欠陥は、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶層５の成長に伴ってその段差と面積が拡大して、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ結晶層５の上面では約３０ｎｍの段差になっている。
【００１８】
本発明者たちが予備的実験によって確認した上述のような課題に鑑み、本願発明は、窒化物半導体デバイス用の半導体積層構造を成長させるためにさらに改善されたバッファ層構造を有する基板を提供することを主要な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面上に形成された窒化ケイ素層、この窒化ケイ素層上に堆積されたＡｌＮ結晶層、およびこのＡｌＮ層上に堆積された複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層を含み、これら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層においてはその下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有しており、それら複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層結晶中の一層は非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含んでいることを特徴としている。
【００２０】
なお、ＡｌＮ中間層は１０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満の厚さを有していることが好ましい。また、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層中の最下層がＡｌＮ中間層を含んでいることが好ましい。複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は、下層から上層への順に０．７、０．４および０．１のＡｌ組成比ｘを有する３つの層を好ましく含み得る。複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層上においてＡｌＮ層およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ（１＞ｘ≧０）層が繰返し積層された超格子バッファ層をさらに含むことも好ましい。
【００２１】
上述のような基板を製造する方法においては、ＡｌＮ中間層は７５０℃より高くかつ１０００℃未満の基板温度において気相堆積されることが好ましい。また、ＡｌＮ結晶層および複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は１０００℃より高い基板温度において気相堆積されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
上記のような本発明によれば、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層中の一層内に非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含めることによって、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層の最上表面における凸状欠陥を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による基板を用いて作製し得るヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の一例を示す模式的断面図である。
【図２】比較例１として作製された基板の表面の暗視野光学顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施例１として作製された基板の表面の暗視野光学顕微鏡写真である。
【図４】組成傾斜バッファ層構造の堆積中に表面凸状欠陥が成長する態様を誇張して示す模式的断面図である。
【図５】図４において模式的に示された表面凸状欠陥の成長の態様を示すＴＥＭ観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施形態）
図１は、本発明による基板を用いて作製し得るヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の一例を模式的断面図で示している。このようなヘテロ接合電界効果トランジスタの積層構造の作製方法の一例が、以下において説明される。基板１としては、（１１１）主面を有するＳｉ基板が用いられる。まず、フッ酸系のエッチャントでＳｉ基板１の表面酸化膜を除去した後に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置のチャンバ内にその基板がセットされる。
【００２５】
ＭＯＣＶＤ装置内ではＳｉ基板１が１０５０℃に加熱され、チャンバ内圧力１３．３ｋＰａの水素雰囲気にて基板表面のクリーニングが３００秒間行なわれる。
【００２６】
続いて、チャンバ内圧力と基板温度を維持したまま、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとＨ２流量＝３７．５ｓｌｍの条件下でＳｉ基板１の表面が４０秒間窒化処理される。これによって、Ｓｉ基板１の表面に窒化ケイ素層１ａが形成される。
【００２７】
窒化ケイ素層１ａ上には、ＡｌＮ結晶バッファ層２が、１０５０℃の基板温度、１３．３ｋＰａの圧力、１０８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および１２．５ｓｌｍのＮＨ３のＭＯＣＶＤ条件下で２００ｎｍの厚さに成長させられる。
【００２８】
その後、基板温度を１１５０℃に上昇させ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）流量＝１２．７ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ結晶層３が２００ｎｍの厚さに堆積される。
【００２９】
その後、基板温度を９００℃に低下させ、１０．０ｋＰａの圧力、１８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および０．１ｓｌｍのＮＨ３流量のＭＯＣＶＤ条件下で非常に薄い３０ｎｍの厚さのＡｌＮ中間層３ａが堆積させられる。この中間層３ａは、比較的低い基板温度の下で堆積されるので、非晶質と結晶質が混在した構造を有している。
【００３０】
そして基板温度が再度１１５０℃に上げられ、再度ＴＭＡ流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝１２．７ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３が２００ｎｍの厚さに堆積される。
【００３１】
続いて、基板温度を維持したまま、ＴＭＡ流量＝５０．９ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝２２．１ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層４が４００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＡ流量＝１６．４ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝３０．４、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５が４００ｎｍの厚さに堆積される。これによって、中間層３ａを含む組成傾斜バッファ層構造３−５が形成される。
【００３２】
Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５上には、同じ基板温度の下で、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２０ｎｍ厚）層の５０周期の繰返しを含む超格子多層バッファ層構造６が堆積される。このとき、ＡｌＮ層はＴＭＡ流量＝１０２μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層はＴＭＧ流量＝７２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され得る。なお、超格子多層バッファ層構造６は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造コストや製造時間などの観点から省略されてもよい。
【００３３】
その後に基板温度が１１００℃に下げられ、ＴＭＧ流量＝２２４μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、ＧａＮ層７が１３．３ｋＰａの圧力下で１．０μｍの厚さに堆積され、ＧａＮ層８が９０ｋＰａの圧力下で０．５μｍの厚さに堆積される。ここで、堆積圧力が低い場合にＴＭＧに含まれるカーボンがＧａＮ層内にドープされやすく、堆積圧力が高い場合にＴＭＧからＧａＮ層内にカーボンがドープされにくい傾向にある。
【００３４】
そして、ＧａＮ層８上には、１３．３ｋＰａの圧力下で、ＡｌＮ特性改善層９（１ｎｍ厚）、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層１０（２０ｎｍ厚）およびＧａＮキャップ層１１（１ｎｍ厚）を含む電子供給層が堆積される。このとき、ＡｌＮ層９はＴＭＡ流量＝５１μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、ＡｌＧａＮ層１０はＴＭＧ流量＝４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝７μｍｏｌ／ｍｉｎおよび、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、そしてＧａＮ層１１はＴＭＧ流量＝５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され得る。
【００３５】
なお、以上の実施形態ではＡｌＧａＮ層３、４および５のＡｌ組成比が０．７、０．４および０．１の順に変化させられたが、組成傾斜バッファ層構造に含まれるＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層におけるＡｌ組成比ｘの組合せはこの組合せに限定されるものではない。また、組成傾斜バッファ層構造に含まれて異なるＡｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層の数も３層に限定されず、任意の数とすることができる。重要なことは、組成傾斜バッファ層構造の下面から上面に向かうにしたがってＡｌ組成比ｘが徐々に減少していくことである。さらに、超格子多層バッファ層構造６は、ＡｌＮ層／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層の繰返しに限定されず、例えばＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層は他のＡｌ組成比ｘを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層に置き換えることも可能である。
【００３６】
（比較例１）
本発明の基板の改善効果を調べるために、比較例１としての基板が作製された。この比較例１の基板は、図１におけるＳｉ基板１、窒化ケイ素層１ａ、ＡｌＮ結晶バッファ層２および組成傾斜バッファ層構造３−５を有しているが、中間層３ａを含んでいない。
【００３７】
すなわち、比較例１においては、上述の実施形態と同様に表面クリーニング処理されたＳｉ基板１に窒化ケイ素層１ａが形成され、その上にＡｌＮ結晶バッファ層２が、１０５０℃の基板温度、１３．３ｋＰａの圧力、１０８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および１２．５ｓｌｍのＮＨ３のＭＯＣＶＤ条件下で２００ｎｍの厚さに成長させられた。その後、ＡｌＮ中間層３ａを含まないことを除いて、ＡｌＮ結晶バッファ層２上に上述の実施形態と同様に組成傾斜バッファ層構造３−５が形成された。
【００３８】
図２は、こうして得られた比較例１の基板におけるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５の表面の暗視野光学顕微鏡写真を示している。なお、この顕微鏡写真中の右下に示された白い線分は、５０μｍのスケールを示している。図２の写真から分かるように、比較例１の基板の表面は多くの微細な凸状欠陥を含んでおり、その基板の中央部における欠陥密度を測定したところ２．４×１０５個／ｃｍ２であった。
【００３９】
（実施例１）
本発明による実施例１による基板が比較例１に類似して作製された。この実施例１の基板は、比較例１に比べて、図１に示されているようにＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３がＡｌＮ中間層３ａを含んでいることのみにおいて異なっている。
【００４０】
すなわち、実施例１では、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３に関する基板温度＝１１５０℃、ＴＭＡ流量＝９０．０ｓｃｃｍ、ＴＭＧ流量＝１２．７ｓｃｃｍ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの堆積条件に比べて、ＡｌＮ中間層３ａの堆積条件が顕著に異なっており、上述の実施形態で述べられたように、基板温度を９００℃に低下させ、１０．０ｋＰａの圧力、１８．５ｓｃｃｍのＴＭＡ流量、および０．１ｓｌｍのＮＨ３流量のＭＯＣＶＤ条件下で３０ｎｍの厚さに堆積させられた。このように比較的低い基板温度の下で堆積されたＡｌＮ中間層３ａは、非晶質と結晶質が混在した構造を有している。
【００４１】
図３は、こうして得られた実施例１の基板におけるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５の表面の暗視野光学顕微鏡写真を示している。この顕微鏡写真中の右下に示された白い線分も、５０μｍのスケールを示している。図２と図３の写真の比較から分かるように、実施例１の基板の表面においては微細な凸状欠陥が減少しており、その基板の中央部で欠陥密度を測定したところ１．２×１０５個／ｃｍ２であった。すなわち、実施例１の基板においては、比較的低い基板温度で堆積したＡｌＮ中間層３ａを組成傾斜バッファ層構造３−５内に挿入した効果として、比較例１に比べて、凸状欠陥密度が約半分に減少していることが分かる。
【００４２】
この理由としては、ＡｌＮ結晶バッファ層２の表面で発生した極微細の凸状欠陥が組成傾斜バッファ層構造３−５の堆積に伴って発達する過程において、その凸状欠陥が低温で堆積された薄いＡｌＮ中間層３ａによってマスクされ、それよって上の層に凸状欠陥が伝わりにくくなったからであると考えられる。何故ならば、低温で堆積された薄いＡｌＮ中間層３ａ内では非晶質と結晶が混在しており、非晶質部分が歪緩和作用や結晶質部分の凸状欠陥をマスクする作用を有すると考えられるからである。
【００４３】
なお、本発明の上述の実施形態と実施例においてＡｌＮ中間層３ａの堆積時の基板温度として９００℃が例示されたが、その基板温度は７５０℃より高くかつ１０００℃未満の範囲内にあればよい。ＡｌＮ中間層の堆積時の基板温度が７５０℃以下であれば、その中間層の非晶質性が強くなり過ぎて、その上に堆積されるＡｌＧａＮ層の結晶性が劣化するので好ましくない。他方、ＡｌＮ中間層の堆積時の基板温度が１０００℃以上であれば、非晶質による歪緩和効果が得られず、凸状欠陥の発達を抑制できなくなるので好ましくない。
【００４４】
また、本発明の上述の実施形態と実施例においては３０ｎｍの厚さのＡｌＮ中間層３ａが例示されたが、その厚さは１０ｎｍより大きくかつ１００ｎｍ未満であればよい。何故ならば、ＡｌＮ中間層の厚さが１０ｎｍ以下であれば、下層からの凸状欠陥や転位の伝播をマスクする効果が十分得られないからである。他方、ＡｌＮ中間層の厚さが１００ｎｍ以上あれば、その上に成長するＡｌＧａＮ層の結晶性が低下する恐れがあるからである。
【００４５】
なお、上述の実施形態と実施例においてはＡｌＮ中間層３ａが組成傾斜バッファ層構造中の最下層であるＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３内に含められる例が説明されたが、ＡｌＮ中間層は組成傾斜バッファ層構造中のいずれの層内に含められても、表面凸状欠陥の低減効果は得られる。ただし、ＡｌＮ中間層のＡｌ濃度に近いＡｌ濃度を有する最下層のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内にＡｌＮ中間層を含めることがより好ましい。
【００４６】
また、上述の実施形態と実施例においては組成傾斜バッファ層構造がＡｌ組成比の異なる３層のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を含む例を説明したが、より多くの層を含んでもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上から明らかなように、本発明によれば、組成傾斜バッファ層構造内に低温で堆積された薄いＡｌＮ中間層を介在させるとによって、その組成傾斜バッファ層構造の表面の平滑性を改善することができ、その結果として組成傾斜バッファ層構造上に成長する窒化物半導体層の表面の平滑性をも改善することができる。
【００４８】
そして、そのように改善された表面平滑性を有する基板を利用することによって、その基板上に改善された種々の窒化物半導体デバイスを作製することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ Ｓｉ基板、１ａ 窒化ケイ素層、２ ＡｌＮ結晶層、３ Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、３ａ ＡｌＮ中間層、４ Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、５ Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、６ ＡｌＮ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ超格子バッファ構造、７ カーボンドープＧａＮ層、８ アンドープＧａＮチャネル層、９ ＡｌＮ特性改善層、１０ Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層、１１ ＧａＮキャップ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板であって、
Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面上に形成された窒化ケイ素層、
この窒化ケイ素層上に堆積されたＡｌＮ結晶層、および
前記ＡｌＮ層上に堆積された複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層を含み、
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層においてはその下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有しており、
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層結晶中の一層は非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含んでいることを特徴とする基板。
【請求項２】
前記ＡｌＮ中間層は１０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満の厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層中の最下層が前記ＡｌＮ中間層を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の基板。
【請求項４】
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は下層から上層への順に０．７、０．４および０．１のＡｌ組成比ｘを有する３つの層を含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の基板。
【請求項５】
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層上においてＡｌＮ層およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ（１＞ｙ≧０）層が繰返し積層された超格子バッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の基板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの基板の製造方法であって、前記ＡｌＮ中間層は７５０℃より高くかつ１０００℃未満の基板温度において気相堆積されることを特徴とする基板の製造方法。
【請求項７】
前記ＡｌＮ結晶層および前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は１０００℃より高い基板温度において気相堆積されることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項１】
窒化物半導体層を成長させるためのバッファ層構造を有する基板であって、
Ｓｉ単結晶基板の（１１１）主面上に形成された窒化ケイ素層、
この窒化ケイ素層上に堆積されたＡｌＮ結晶層、および
前記ＡｌＮ層上に堆積された複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（１＞ｘ＞０）結晶層を含み、
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層においてはその下層に比べて上層ほど小さなＡｌ組成比ｘを有しており、
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層結晶中の一層は非晶質と結晶質が混在するＡｌＮ中間層を含んでいることを特徴とする基板。
【請求項２】
前記ＡｌＮ中間層は１０ｎｍより大きく１００ｎｍ未満の厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層中の最下層が前記ＡｌＮ中間層を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の基板。
【請求項４】
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は下層から上層への順に０．７、０．４および０．１のＡｌ組成比ｘを有する３つの層を含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の基板。
【請求項５】
前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層上においてＡｌＮ層およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ（１＞ｙ≧０）層が繰返し積層された超格子バッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の基板。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかの基板の製造方法であって、前記ＡｌＮ中間層は７５０℃より高くかつ１０００℃未満の基板温度において気相堆積されることを特徴とする基板の製造方法。
【請求項７】
前記ＡｌＮ結晶層および前記複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶層は１０００℃より高い基板温度において気相堆積されることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−９３５１５（Ｐ２０１３−９３５１５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６００７（Ｐ２０１１−２３６００７）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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