ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル積層基板
【課題】基板の反り量を大きくすることなく、III族窒化物半導体の結晶性を向上させることが可能なIII族窒化物エピタキシャル積層基板を提供する。
【解決手段】基板２上に形成されたバッファ３と、その上にIII族窒化物層４をエピタキシャル成長する積層基板１であって、バッファ３は、基板２と接する初期成長層５ならびに初期成長層上に形成された第１超格子積層体６および第１超格子積層体上に形成された第２超格子積層体７からなり、第１超格子積層体６は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層６ａおよびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層６ｂを交互に５〜２０組積層してなり、かつ、第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの１組の厚みが４４ｎｍ未満であり、第２超格子積層体７は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層７ａおよび該第１層とはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層７ｂを交互に複数組積層する。
【解決手段】基板２上に形成されたバッファ３と、その上にIII族窒化物層４をエピタキシャル成長する積層基板１であって、バッファ３は、基板２と接する初期成長層５ならびに初期成長層上に形成された第１超格子積層体６および第１超格子積層体上に形成された第２超格子積層体７からなり、第１超格子積層体６は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層６ａおよびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層６ｂを交互に５〜２０組積層してなり、かつ、第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの１組の厚みが４４ｎｍ未満であり、第２超格子積層体７は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層７ａおよび該第１層とはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層７ｂを交互に複数組積層する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物エピタキシャル積層基板に関し、特に、結晶品質の良く、基板の反り量が少ないIII族窒化物エピタキシャル積層基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般に、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、発光素子や電子デバイス用素子等に広く用いられている。このようなデバイスの特性は、III族窒化物半導体の結晶性に大きく影響されるため、結晶性の高いIII族窒化物半導体を成長させるための技術が求められている。
【０００３】
III族窒化物半導体は、従来、サファイア基板上にエピタキシャル成長させることによって形成されていた。しかしながら、サファイア基板は熱伝導率が小さいために放熱性が悪く、高出力デバイスの作成には適さないという問題があった。
【０００４】
そのため、近年、III族窒化物半導体の結晶成長基板として、シリコン基板を用いる技術が提案されている。シリコン基板は、上記サファイア基板よりも放熱性が良いため高出力デバイスの作成に適しており、また、大型基板が安価であることから、製造コストを抑えることができるという利点を有している。しかしながら、サファイア基板と同様に、シリコン基板はIII族窒化物半導体とは格子定数が異なり、このシリコン基板上に直接III族窒化物半導体を成長させても、結晶性の高いIII族窒化物半導体を得ることは期待できなかった。
【０００５】
また、シリコン基板上に直接III族窒化物半導体を成長させた場合、このIII族窒化物半導体の熱膨張係数はシリコンと比較して非常に大きいため、高温の結晶成長工程から室温にまで冷却する過程において、III族窒化物半導体に大きな引っ張り歪が生じ、これに起因して、シリコン基板側を凸として反ってしまうと同時に、高密度のクラックが発生してしまうという問題があった。
【０００６】
そのため、特許文献１には、シリコン基板とIII族窒化物半導体との間にＡｌＮ系超格子バッファ層を設けることにより、結晶性が高く、かつ、クラックの発生を防止したIII族窒化物半導体を製造する技術が開示されている。
【０００７】
ここで、特許文献１では、窒化物半導体層の表面を原子層レベルで平滑にすることで、結晶性を良くし、クラックの発生を防止することに言及してはいるが、基板の反りに関しては何ら言及がない。
【０００８】
一方で、このようなバッファ層の厚さに関しては、厚ければ厚いほど、その上に形成されるIII族窒化物半導体の結晶性を向上させることができるが、シリコンとの熱膨張係数の違いによる反りは大きくなるという傾向があった。すなわち、バッファ層を厚くすれば結晶性を高めることができると思われるものの、その場合、基板の反りがより大きく生じてしまうという背反の関係にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−６７０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような課題に鑑み、本発明は、基板の反り量を大きくすることなく、III族窒化物半導体の結晶性を向上させることが可能な、すなわち、結晶性の向上と基板の反りの抑制とを両立させたIII族窒化物エピタキシャル積層基板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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）基板と、該基板上に形成されたバッファと、該バッファ上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体とを具えるIII族窒化物エピタキシャル積層基板であって、前記バッファは、前記基板と接する初期成長層ならびに該初期成長層上に形成された第１超格子積層体および該第１超格子積層体上に形成された第２超格子積層体からなり、前記第１超格子積層体は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層およびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層を交互に５〜２０組積層してなり、かつ、前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の１組の厚みが４４ｎｍ未満であり、前記第２超格子積層体は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層および該第１層とはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層を交互に複数組積層してなることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１２】
（２）前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、２４ｎｍ以下で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ以下である上記（１）に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１３】
（３）前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、１０．５ｎｍ未満で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ未満である上記（２）に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１４】
（４）前記第２超格子積層体の前記第１層がＡｌＮ材料からなり、前記第２層がAlｘGaｙN(０＜ｘ＜１, ０＜ｙ＜１, ｘ＋ｙ＝１)材料からなる上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１５】
（５）前記第２超格子積層体の前記第１層および前記第２層の組数は、４０〜３００の範囲である上記（１）〜（４）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１６】
（６）前記バッファが絶縁性であり、横方向を電流導通方向とする上記（１）〜（５４）のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１７】
（７）前記第２超格子積層体の平均Ｃ濃度が１×１０18/cm3以上である上記（１）〜（６）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１８】
（８）前記基板は、Ｓｉ単結晶基板である上記（１）〜（７）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、バッファが、初期成長層と第２超格子積層体との間に第１超格子積層体を具えることにより、基板の反り量を大きくすることなく、バッファ上に成長させるIII族窒化物層の結晶性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル積層基板の模式的断面図である。
【図２】図２は、実験例１〜５について、ＧａＮチャネル層の(0002)面と(10-12)面のＸ線ロッキングカーブ(ωスキャン)を測定した結果をプロットしたグラフである。
【図３】図３は、実験例１〜２および６〜９について、Ｓｉ単結晶基板の反り量を測定し、第１超格子積層体の第２ＧａＮ層の厚さを横軸、測定した反り量と初期反り量との差を縦軸として測定結果をプロットしたグラフである。
【図４】図４は、実験例１，２において、第２超格子積層体の組数を変化させたときの半値幅の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に従う電子デバイス用III族窒化物エピタキシャル積層基板の断面構造を模式的に示したものである。なお、図１は、説明の便宜上、厚さ方向を誇張して描いたものである。
【００２２】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板１は、図１に示すように、基板２と、この基板２上に形成されたバッファ３と、このバッファ３上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体４とを具え、バッファ３は、基板２と接する初期成長層５ならびにこの初期成長層５上に形成された第１超格子積層体６およびこの第１超格子積層体６上に形成された第２超格子積層体７からなる。
【００２３】
第１超格子積層体６は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層６ａおよびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層６ｂを交互に複数組積層してなる。ただし、本明細書でいうＡｌＮ材料およびＧａＮ材料は、好ましくはＡｌＮおよびＧａＮであるが、合計５％以下の他のＩＩＩ族元素（ＡｌＮ材料の場合は、Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ、ＧａＮ材料の場合は、Ｂ，Ａｌ，Ｉｎ）を含んでいてもよい。また、たとえばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量不純物を含むことができる。
【００２４】
第２超格子積層体７は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層７ａおよびこの第１層７ａとはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層７ｂを交互に複数組積層してなる。ただし、本明細書でいう「ＡｌＧａＮ材料」は、好ましくはＡｌＧａＮであるが、合計５％以下の他のＩＩＩ族元素（Ｂ，Ｉｎ）を含んでいても良い。また、たとえばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量不純物を含むことができる。
【００２５】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板は、上述したように、第２超格子積層体の下に第１超格子積層体を設ける点が特徴的構成の一つである。このような従来にないバッファ層の層構成を採用することにより、基板の反り量を大きくすることなく、バッファ上に成長させるIII族窒化物層の結晶性を向上させることができるものである。すなわち、従来の層構成のバッファの場合、膜厚を厚くすればその分基板の反りが大きくなることを回避できないが、上記の層構成を採用すれば、従来よりも基板の反りを抑制することができる。
【００２６】
また、第１の超格子積層体を上記構成とすることは、結晶性の観点からも好ましい。第２ＧａＮ層を構成するＧａＮ材料は、横方向成長速度が速く、転位を屈曲消滅させる効果の高く、また、第１ＡｌＮ層を構成するＡｌＮ層は、ＧａＮ内の歪をより強くすることができるため、ＧａＮ材料の効果を最大化させることができるためである。
【００２７】
また、第２の超格子積層体を上記のように、よりバンドギャップが大きく抵抗率の高いＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料とＡｌＧａＮ材料とを組み合わせることは、縦方向耐圧を高める観点からも好ましい。
【００２８】
本発明における結晶性は、後述する実験例に記載のとおり、ＧａＮチャネル層の(10-12)面のＸ線ロッキングカーブ(ωスキャン)の半値幅（FMHW）で評価する。また、基板の反りは、後述する実験例に記載のとおり、全層成長後のＳｉ単結晶基板の反り量と初期反り量との差で評価する。本発明では、半値幅が１２００未満かつ反り量が５０μｍ以下を得ることができ、より好ましくは、半値幅が１１５０以下かつ反り量が４０μｍ以下、さらに好ましくは、半値幅が１１００以下かつ反り量が３５μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
基板２は、Ｓｉ単結晶基板であるのが好ましい。このとき、Ｓｉ単結晶基板の面方位は特に指定されず、(111),(100),(110)面等を使用することができるが、III族窒化物の(0001)面を成長させるためには（110）(111)面が望ましく、さらに、表面平坦性よく成長させるためには、(111)面を使用することが望ましい。オフ角度については、単結晶成長を損なわないように、１°以下で適宜設定される。また、ｐ型、ｎ型いずれの伝導型としてもよく、0.001Ωcm〜100000Ωcmまでの各種抵抗率に適用可能である。また、必ずしも抵抗率はＳｉ単結晶基板全体で均一である必要はない。また、Ｓｉ基板内に導電性を制御する以外の目的の不純物（Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｇｅなど）を含むこともできる。また、Ｓｉ単結晶基板とは、成長層側が単結晶基板である場合を総称しており、成長層と反対側には別の基板が張り合わされたり、酸化膜・窒化膜などの他の材料からなる膜が形成されていたりしているものも含む。基板の厚みは、単結晶成長後の反り量等を勘案して、適宜設定される。
【００３０】
初期成長層５を構成する典型的な材料としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．９≦ｘ≦１．０）が挙げられる。また、初期成長層５の基板近接部分をＡｌＮ材料で形成することにより、Ｓｉ単結晶基板との反応を抑制し、縦方向耐圧を向上させることができる。なお、ＡｌＮとＳｉ単結晶基板の界面部分に、Ｓｉの窒化膜・酸化膜・炭化膜等の薄膜を挿入したり、こうした膜とＡｌＮが反応した薄膜を挿入したりすることは可能である。また、初期成長層５は、結晶品質を損ねない範囲の厚みで、例えば低温バッファ層のようなアモルファス層、多結晶層を形成することもできる。ただし、初期成長層５は、膜厚方向に必ずしも均一組成である必要はなく、基板近接部分をＡｌＮ材料とすれば、異なる組成の複数層の積層としたり、組成傾斜させたりすることができる。
【００３１】
本発明における各層の成長方法としては、界面急峻性の確保が容易な、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法を用いることが好ましい。特に、ＭＯＣＶＤ法において本願発明の結晶品質向上効果が期待できる。ＭＯＣＶＤ法の場合は、ＭＢＥ法の場合と比較して横方向成長速度が速いため、第１超格子積層体における転位の合体消失確率が高く、結晶品質をより向上できるからである。
【００３２】
第１超格子積層体６の第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの一組の厚み(第１ＡｌＮ層６ａの厚み＋第２ＧａＮ層６ｂの厚み)は、４４ｎｍ未満とし、より好ましくは２４ｎｍ以下、さらに好ましくは１０．５ｎｍ未満とする。また、第１ＡｌＮ層６ａの厚みは、好ましくは４ｎｍ以下、さらに好ましくは４ｎｍ未満である。第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの一組の厚みまたは第１ＡｌＮ層６ａの厚みを上記厚み以上とすると、反り量の絶対値が大きくなるおそれがあるためである。なお、第２超格子積層体は、縦方向耐圧を確保する観点から所定厚み以上設けることが好ましいため、本発明では、第１超格子積層体の膜厚を上記のように制限する。
【００３３】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板１においては、第１超格子積層体６の第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの組数は、５〜２０の範囲とする。組数が２０を超えると、反りが大きくなるおそれがあり、一方、組数が５未満だと、挿入したとしても結晶品質改善効果が十分見込めないためである。
【００３４】
また、第２超格子積層体７の第１層７ａがＡｌＮ材料からなり、第２層７ｂがAlｘGaｙN(０＜ｘ＜１, ０＜ｙ＜１, ｘ＋ｙ＝１)材料からなるのが好ましい。これにより、Ｂを含有した場合における、六方晶系以外の結晶構造の発生の可能性による結晶品質の劣化の可能性を低くすることができ、また、Ｉｎを含有した場合における、Ｉｎ金属析出による結晶品質の低下の可能性を低くすることができる。また、超格子積層体の歪緩衝効果によるクラックの抑制を図るには、第１層７ａと第２層７ｂとの間に組成差が必要であることから、０．１≦ｘ≦０．５とするのがより好ましい。さらに好ましくは、０．１≦ｘ≦０．２とする。
【００３５】
第２超格子積層体７の第１層７ａおよび第２層７ｂの組数は、４０〜３００の範囲であるのが好ましい。組数が３００を超えると、クラックが発生するおそれがあり、一方、組数が４０未満だと、後述の絶縁性を十分に確保できなくなるおそれがあるためである。
【００３６】
また、バッファ３の第１および第２超格子積層体６，７を構成する各層（第１ＡｌＮ層６ａ，第２ＧａＮ層６ｂ，第１層７ａ，第２層７ｂ）の厚みが、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。０．５ｎｍ未満では１原子層未満の厚みとなるためである。
【００３７】
さらに、バッファ３が絶縁性であり、横方向を電流導通方向とするのが好ましい。ここで、「横方向を電流導通方向とする」とは、主に積層体の幅方向に電流が流れることを意味し、例えば半導体を一対の電極で挟んだ構造のように、主に縦方向すなわち積層体の厚さ方向に電流が流れるものとは異なることを意味する。
【００３８】
なお、第２超格子積層体７の平均Ｃ濃度は１×１０18/cm3以上であるのが好ましい。第２超格子積層体７の平均Ｃ濃度を１×１０18/cm3以上とすることにより、縦方向耐圧を向上させることができる。また、この場合、絶縁性を確保するためにはＣの混入を効率的に行うためにも、第２層７ｂのＡｌ組成比ｘは、０．１を超えるのが好ましい。また、第２超格子で絶縁性が十分確保されていれば、第１超格子の平均Ｃ濃度は特に指定されないが、さらに縦方向耐圧を向上させるには、第１超格子の平均Ｃ濃度も１×１０18/ｃｍ3以上とすることが好ましい。ここで、本明細書において「平均Ｃの濃度」とは、第１層７ａおよび第２層７ｂを交互に積層した積層体の内部の炭素濃度の厚みに対する加重平均を意味し、ＳＩＭＳにて、膜をエッチングしながら、深さ方向の炭素濃度プロファイルを測定し、この測定結果に基づいて算出するものとする。
【００３９】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板１は、任意の電子デバイスに用いることができ、特にＨＥＭＴに用いるのが好ましい。図１に示す主積層体４は、Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0≦b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなるチャネル層４ａおよびチャネル層４ａよりバンドギャップの大きいBa2Alb2Gac2Ind2N(0≦a2≦1, 0≦b2≦1, 0≦c2≦1, 0≦d2≦1, a2+b2+c2+d2=1)材料からなる電子供給層４ｂを有することができる。この際、両層とも単一もしくは複数の組成から構成することができる。特に、合金散乱をさけ、電流導通部分の比抵抗を下げるためには、チャネル層４ａの少なくとも電子供給層４ｂと接する部分はGaN材料とすることが好ましい。
【００４０】
チャネル層４ａのバッファ層とは反対側の部分は、Ｃ濃度が低いことが好ましく、３×１０16/ｃｍ3以下に設定することが好ましい。この部分は、電子デバイスの電流導通部分に相当するため、導電性を阻害したり、電流コラプスを発生させたりする不純物は含まないほうが望ましいからである。
【００４１】
なお、図１は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。たとえば、各層の間に本発明の効果に悪影響を与えない程度の中間層や他の超格子層を挿入したり、組成に傾斜をつけたりすることもできる。また、基板の表面に、窒化膜、炭化膜、Ａｌ層などを形成することもできる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
（実験例１）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(Ｓｂドープ比抵抗０．０１５Ωｃｍ、厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮとAl0.25Ga0.75Nを順に積層した初期成長層(ＡｌＮの厚さ:１００ｎｍ、Al0.25Ga0.75Nの厚さ４０ｎｍ)ならびに第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを２０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)および第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを１００組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、AlGaNの厚さ:２５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第２超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。成長方法としては、原料として、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用いたＭＯＣＶＤ法を用いている。キャリアガスとしては、窒素・水素を用いた。各層の成長条件（圧力・温度）は表１に示す通りである。
【００４３】
【表１】
【００４４】
（実験例２）
上記第１超格子積層体を形成しなかったこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４５】
（実験例３）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮ材料からなる初期成長層(厚さ:１００ｎｍ)ならびに第２超格子積層体(ＡｌＮ/Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎを５０組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)、第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを２０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)および第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを５０組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第２超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４６】
（実験例４）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮ材料からなる初期成長層(厚さ:１００ｎｍ)ならびに第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを１００組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)および第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを２０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第１超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４７】
（実験例５）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮ材料からなる初期成長層(厚さ:１００ｎｍ)ならびに第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを１０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)、第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを１００組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)および第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを１０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第１超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４８】
（実験例６）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを４ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４９】
（実験例７）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを４ｎｍとし、ＧａＮの厚さを２０ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５０】
（実験例８）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを４ｎｍとし、ＧａＮの厚さを４０ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５１】
（実験例９）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを６ｎｍとし、ＧａＮの厚さを４０ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５２】
（実験例１０）
上記第１の超格子積層体のＡｌＮ/ＧａＮの組数を５組としたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５３】
（実験例１１）
上記第１の超格子積層体のＡｌＮ/ＧａＮの組数を４０組としたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５４】
（実験例１２）
上記第１の超格子積層体のＡｌＮ/ＧａＮの組数を１００組としたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５５】
（評価）
実験例１〜１２について、Ｘ線回折装置(Ｄ８、Bruker社製)を用い、ＧａＮチャネル層の(0002)面と(10-12)面のＸ線ロッキングカーブ(ωスキャン)を測定した。この(10-12)面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（FMHW）は、III族窒化物層の結晶性を評価する指標となるものである。
結晶性の評価は、以下の通りである。
○:１１００以下
△:１２００−１１００
×:１２００以上
また、実験例１〜１２について、光干渉式の反り測定装置を用い、全層成長後のＳｉ単結晶基板の反り量を測定し、初期反り量との差を計算し、評価した。
これらの結果を表２に示す。
なお、本実験例の範囲では、クラックは見られなかった。
【００５６】
【表２】
【００５７】
（評価１）
図２は、実験例１〜５の結果をプロットしたものである。図２から、実験例１は、実験例２〜５と比較して、(10-12)面の結晶性に優れていることがわかる。このことから、バッファ層が、基板側から順に初期成長層、第１超格子積層体、第２超格子積層体の順に形成された層構成からなる場合にのみ、その上に形成したIII族窒化物層の結晶性向上の効果が得られることがわかる。すなわち、第１超格子積層体がない場合（実験例２）はもちろん、第１および第２超格子積層体の順序が逆の場合（実験例４）や、本発明に対して余分な超格子積層体を付加した場合（実験例３，５）においては、十分な結晶性を得ることができない。
【００５８】
（評価２）
図３は、実験例１〜２、６〜９の結果をプロットしたものである。
表２に示すように、実験例６，７は、実験例２と比較して、(10-12)面の結晶性が良い。また図３から、実験例６，７に比べて、実験例８，９では第１超格子積層体の膜厚が厚く、反りを十分抑制することができていない。すなわち、第１超格子積層体のＡｌＮの厚さは薄い方がＳｉ単結晶基板の反り量が小さくなることが分かる。
【００５９】
（評価３）
表２に示すように、実験例１０〜１２は、実験例２と比較して、(10-12)面の結晶性が良い。このため、本発明の結晶性向上効果は、第１超格子積層体が５ペア以上から得ることができる。一方、実験例１１，１２は、第１超格子積層体の組数が多く、基板の反りを十分に抑制することができない。すなわち、第１超格子積層体の組数は少ない方がＳｉ単結晶基板の反り量が小さくなることが分かる。
【００６０】
（評価４）
さらに、実験例１，２のIII族窒化物エピタキシャル積層基板について、ホール効果測定法により、チャネル部分の電気特性を評価したところ、ウェーハ中心でのシート抵抗は410Ω／□、移動度は1480cm2/Vsであった。
【００６１】
（評価５）
また、全ての実験例のエピタキシャル積層基板について、ＳＩＭＳ(二次イオン質量分析計)にて、第１超格子積層体、第２超格子積層体、ＧａＮチャネル層の超格子積層体側、ＧａＮチャネル層の電子供給層側のＣ濃度を評価したところ、それぞれ、８×１０18/cm3、８×１０18/cm3、１×１０19/cm3、２×１０16/cm3であり、縦方向の破壊耐圧は、７００Ｖ以上であることが確認された。
【００６２】
（実施例２）
実験例１，２に対して、第２超格子積層体の組数を変更させた以外は実験例１（第１超格子積層体あり），実験例２（第１超格子積層体なし）と同様に行い、(10-12)面の結晶性の評価を行った結果を、図４に示す。第２超格子積層体のペア数については、第１超格子積層体の有無に関わらず、ペア数を増加させると半値幅が減少するという傾向を示し、第１超格子積層体を設けた場合の方が、どのペア数においても第１超格子積層体を設けない場合に比べて半値幅が小さいことがわかる。また、実験例１（第１超格子積層体あり）に対して第２超格子積層体の組数を変化させた場合（図４中黒塗り丸）の反り量は、実験例１の反り量（２６μｍ）に対して±５μｍ以内の範囲に抑えられていたのに対し、実験例２（第１超格子積層体なし）に対して第２超格子積層体の組数を変化させた場合（図４中黒塗り三角）の反り量は、実験例２の反り量（２５μｍ）よりも５μｍを超えた。
【００６３】
（実施例３）
また、実験例１に対して、第２超格子積層体のAl組成を変更させた以外は、実験例１と同様に行い、(10-12)面の結晶性の評価を行った。第２超格子積層体をＡｌＮ/Al0.05Ga0.95N（ｘ＝０．０５）とした場合、反り量と結晶性の評価指標である半値幅（10-12）は実験例１と同等の良好な結果が得られたが、半導体層表面に一部クラックが発生するものがあった。第２超格子積層体をＡｌＮ/Al0.2Ga0.8N（ｘ＝０．２）とした場合、反り量と結晶性の評価指標である半値幅（10-12）は実験例１と同等の良好な結果が得られ、半導体層表面にクラックが発生するものはなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、バッファが、初期成長層と第２超格子積層体との間に第１超格子積層体を具えることにより、基板の反り量を大きくすることなく、バッファ上に成長させるIII族窒化物層の結晶性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ III族窒化物エピタキシャル積層基板
２ 基板
３ バッファ
４ 主積層体
４ａ チャネル層
４ｂ 電子供給層
５ 初期成長層
６ 第１超格子積層体
６ａ 第１ＡｌＮ層
６ｂ 第２ＧａＮ層
７ 第２超格子積層体
７ａ 第１層
７ｂ 第２層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物エピタキシャル積層基板に関し、特に、結晶品質の良く、基板の反り量が少ないIII族窒化物エピタキシャル積層基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般に、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどとＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、発光素子や電子デバイス用素子等に広く用いられている。このようなデバイスの特性は、III族窒化物半導体の結晶性に大きく影響されるため、結晶性の高いIII族窒化物半導体を成長させるための技術が求められている。
【０００３】
III族窒化物半導体は、従来、サファイア基板上にエピタキシャル成長させることによって形成されていた。しかしながら、サファイア基板は熱伝導率が小さいために放熱性が悪く、高出力デバイスの作成には適さないという問題があった。
【０００４】
そのため、近年、III族窒化物半導体の結晶成長基板として、シリコン基板を用いる技術が提案されている。シリコン基板は、上記サファイア基板よりも放熱性が良いため高出力デバイスの作成に適しており、また、大型基板が安価であることから、製造コストを抑えることができるという利点を有している。しかしながら、サファイア基板と同様に、シリコン基板はIII族窒化物半導体とは格子定数が異なり、このシリコン基板上に直接III族窒化物半導体を成長させても、結晶性の高いIII族窒化物半導体を得ることは期待できなかった。
【０００５】
また、シリコン基板上に直接III族窒化物半導体を成長させた場合、このIII族窒化物半導体の熱膨張係数はシリコンと比較して非常に大きいため、高温の結晶成長工程から室温にまで冷却する過程において、III族窒化物半導体に大きな引っ張り歪が生じ、これに起因して、シリコン基板側を凸として反ってしまうと同時に、高密度のクラックが発生してしまうという問題があった。
【０００６】
そのため、特許文献１には、シリコン基板とIII族窒化物半導体との間にＡｌＮ系超格子バッファ層を設けることにより、結晶性が高く、かつ、クラックの発生を防止したIII族窒化物半導体を製造する技術が開示されている。
【０００７】
ここで、特許文献１では、窒化物半導体層の表面を原子層レベルで平滑にすることで、結晶性を良くし、クラックの発生を防止することに言及してはいるが、基板の反りに関しては何ら言及がない。
【０００８】
一方で、このようなバッファ層の厚さに関しては、厚ければ厚いほど、その上に形成されるIII族窒化物半導体の結晶性を向上させることができるが、シリコンとの熱膨張係数の違いによる反りは大きくなるという傾向があった。すなわち、バッファ層を厚くすれば結晶性を高めることができると思われるものの、その場合、基板の反りがより大きく生じてしまうという背反の関係にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−６７０７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような課題に鑑み、本発明は、基板の反り量を大きくすることなく、III族窒化物半導体の結晶性を向上させることが可能な、すなわち、結晶性の向上と基板の反りの抑制とを両立させたIII族窒化物エピタキシャル積層基板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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）基板と、該基板上に形成されたバッファと、該バッファ上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体とを具えるIII族窒化物エピタキシャル積層基板であって、前記バッファは、前記基板と接する初期成長層ならびに該初期成長層上に形成された第１超格子積層体および該第１超格子積層体上に形成された第２超格子積層体からなり、前記第１超格子積層体は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層およびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層を交互に５〜２０組積層してなり、かつ、前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の１組の厚みが４４ｎｍ未満であり、前記第２超格子積層体は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層および該第１層とはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層を交互に複数組積層してなることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１２】
（２）前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、２４ｎｍ以下で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ以下である上記（１）に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１３】
（３）前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、１０．５ｎｍ未満で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ未満である上記（２）に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１４】
（４）前記第２超格子積層体の前記第１層がＡｌＮ材料からなり、前記第２層がAlｘGaｙN(０＜ｘ＜１, ０＜ｙ＜１, ｘ＋ｙ＝１)材料からなる上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１５】
（５）前記第２超格子積層体の前記第１層および前記第２層の組数は、４０〜３００の範囲である上記（１）〜（４）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１６】
（６）前記バッファが絶縁性であり、横方向を電流導通方向とする上記（１）〜（５４）のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１７】
（７）前記第２超格子積層体の平均Ｃ濃度が１×１０18/cm3以上である上記（１）〜（６）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【００１８】
（８）前記基板は、Ｓｉ単結晶基板である上記（１）〜（７）のいずれか一に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、バッファが、初期成長層と第２超格子積層体との間に第１超格子積層体を具えることにより、基板の反り量を大きくすることなく、バッファ上に成長させるIII族窒化物層の結晶性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明に従うIII族窒化物エピタキシャル積層基板の模式的断面図である。
【図２】図２は、実験例１〜５について、ＧａＮチャネル層の(0002)面と(10-12)面のＸ線ロッキングカーブ(ωスキャン)を測定した結果をプロットしたグラフである。
【図３】図３は、実験例１〜２および６〜９について、Ｓｉ単結晶基板の反り量を測定し、第１超格子積層体の第２ＧａＮ層の厚さを横軸、測定した反り量と初期反り量との差を縦軸として測定結果をプロットしたグラフである。
【図４】図４は、実験例１，２において、第２超格子積層体の組数を変化させたときの半値幅の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に従う電子デバイス用III族窒化物エピタキシャル積層基板の断面構造を模式的に示したものである。なお、図１は、説明の便宜上、厚さ方向を誇張して描いたものである。
【００２２】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板１は、図１に示すように、基板２と、この基板２上に形成されたバッファ３と、このバッファ３上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体４とを具え、バッファ３は、基板２と接する初期成長層５ならびにこの初期成長層５上に形成された第１超格子積層体６およびこの第１超格子積層体６上に形成された第２超格子積層体７からなる。
【００２３】
第１超格子積層体６は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層６ａおよびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層６ｂを交互に複数組積層してなる。ただし、本明細書でいうＡｌＮ材料およびＧａＮ材料は、好ましくはＡｌＮおよびＧａＮであるが、合計５％以下の他のＩＩＩ族元素（ＡｌＮ材料の場合は、Ｂ，Ｇａ，Ｉｎ、ＧａＮ材料の場合は、Ｂ，Ａｌ，Ｉｎ）を含んでいてもよい。また、たとえばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量不純物を含むことができる。
【００２４】
第２超格子積層体７は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層７ａおよびこの第１層７ａとはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層７ｂを交互に複数組積層してなる。ただし、本明細書でいう「ＡｌＧａＮ材料」は、好ましくはＡｌＧａＮであるが、合計５％以下の他のＩＩＩ族元素（Ｂ，Ｉｎ）を含んでいても良い。また、たとえばＳｉ，Ｈ，Ｏ，Ｃ，Ｍｇ，Ａｓ，Ｐなどの微量不純物を含むことができる。
【００２５】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板は、上述したように、第２超格子積層体の下に第１超格子積層体を設ける点が特徴的構成の一つである。このような従来にないバッファ層の層構成を採用することにより、基板の反り量を大きくすることなく、バッファ上に成長させるIII族窒化物層の結晶性を向上させることができるものである。すなわち、従来の層構成のバッファの場合、膜厚を厚くすればその分基板の反りが大きくなることを回避できないが、上記の層構成を採用すれば、従来よりも基板の反りを抑制することができる。
【００２６】
また、第１の超格子積層体を上記構成とすることは、結晶性の観点からも好ましい。第２ＧａＮ層を構成するＧａＮ材料は、横方向成長速度が速く、転位を屈曲消滅させる効果の高く、また、第１ＡｌＮ層を構成するＡｌＮ層は、ＧａＮ内の歪をより強くすることができるため、ＧａＮ材料の効果を最大化させることができるためである。
【００２７】
また、第２の超格子積層体を上記のように、よりバンドギャップが大きく抵抗率の高いＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料とＡｌＧａＮ材料とを組み合わせることは、縦方向耐圧を高める観点からも好ましい。
【００２８】
本発明における結晶性は、後述する実験例に記載のとおり、ＧａＮチャネル層の(10-12)面のＸ線ロッキングカーブ(ωスキャン)の半値幅（FMHW）で評価する。また、基板の反りは、後述する実験例に記載のとおり、全層成長後のＳｉ単結晶基板の反り量と初期反り量との差で評価する。本発明では、半値幅が１２００未満かつ反り量が５０μｍ以下を得ることができ、より好ましくは、半値幅が１１５０以下かつ反り量が４０μｍ以下、さらに好ましくは、半値幅が１１００以下かつ反り量が３５μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
基板２は、Ｓｉ単結晶基板であるのが好ましい。このとき、Ｓｉ単結晶基板の面方位は特に指定されず、(111),(100),(110)面等を使用することができるが、III族窒化物の(0001)面を成長させるためには（110）(111)面が望ましく、さらに、表面平坦性よく成長させるためには、(111)面を使用することが望ましい。オフ角度については、単結晶成長を損なわないように、１°以下で適宜設定される。また、ｐ型、ｎ型いずれの伝導型としてもよく、0.001Ωcm〜100000Ωcmまでの各種抵抗率に適用可能である。また、必ずしも抵抗率はＳｉ単結晶基板全体で均一である必要はない。また、Ｓｉ基板内に導電性を制御する以外の目的の不純物（Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｇｅなど）を含むこともできる。また、Ｓｉ単結晶基板とは、成長層側が単結晶基板である場合を総称しており、成長層と反対側には別の基板が張り合わされたり、酸化膜・窒化膜などの他の材料からなる膜が形成されていたりしているものも含む。基板の厚みは、単結晶成長後の反り量等を勘案して、適宜設定される。
【００３０】
初期成長層５を構成する典型的な材料としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．９≦ｘ≦１．０）が挙げられる。また、初期成長層５の基板近接部分をＡｌＮ材料で形成することにより、Ｓｉ単結晶基板との反応を抑制し、縦方向耐圧を向上させることができる。なお、ＡｌＮとＳｉ単結晶基板の界面部分に、Ｓｉの窒化膜・酸化膜・炭化膜等の薄膜を挿入したり、こうした膜とＡｌＮが反応した薄膜を挿入したりすることは可能である。また、初期成長層５は、結晶品質を損ねない範囲の厚みで、例えば低温バッファ層のようなアモルファス層、多結晶層を形成することもできる。ただし、初期成長層５は、膜厚方向に必ずしも均一組成である必要はなく、基板近接部分をＡｌＮ材料とすれば、異なる組成の複数層の積層としたり、組成傾斜させたりすることができる。
【００３１】
本発明における各層の成長方法としては、界面急峻性の確保が容易な、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法を用いることが好ましい。特に、ＭＯＣＶＤ法において本願発明の結晶品質向上効果が期待できる。ＭＯＣＶＤ法の場合は、ＭＢＥ法の場合と比較して横方向成長速度が速いため、第１超格子積層体における転位の合体消失確率が高く、結晶品質をより向上できるからである。
【００３２】
第１超格子積層体６の第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの一組の厚み(第１ＡｌＮ層６ａの厚み＋第２ＧａＮ層６ｂの厚み)は、４４ｎｍ未満とし、より好ましくは２４ｎｍ以下、さらに好ましくは１０．５ｎｍ未満とする。また、第１ＡｌＮ層６ａの厚みは、好ましくは４ｎｍ以下、さらに好ましくは４ｎｍ未満である。第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの一組の厚みまたは第１ＡｌＮ層６ａの厚みを上記厚み以上とすると、反り量の絶対値が大きくなるおそれがあるためである。なお、第２超格子積層体は、縦方向耐圧を確保する観点から所定厚み以上設けることが好ましいため、本発明では、第１超格子積層体の膜厚を上記のように制限する。
【００３３】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板１においては、第１超格子積層体６の第１ＡｌＮ層６ａおよび第２ＧａＮ層６ｂの組数は、５〜２０の範囲とする。組数が２０を超えると、反りが大きくなるおそれがあり、一方、組数が５未満だと、挿入したとしても結晶品質改善効果が十分見込めないためである。
【００３４】
また、第２超格子積層体７の第１層７ａがＡｌＮ材料からなり、第２層７ｂがAlｘGaｙN(０＜ｘ＜１, ０＜ｙ＜１, ｘ＋ｙ＝１)材料からなるのが好ましい。これにより、Ｂを含有した場合における、六方晶系以外の結晶構造の発生の可能性による結晶品質の劣化の可能性を低くすることができ、また、Ｉｎを含有した場合における、Ｉｎ金属析出による結晶品質の低下の可能性を低くすることができる。また、超格子積層体の歪緩衝効果によるクラックの抑制を図るには、第１層７ａと第２層７ｂとの間に組成差が必要であることから、０．１≦ｘ≦０．５とするのがより好ましい。さらに好ましくは、０．１≦ｘ≦０．２とする。
【００３５】
第２超格子積層体７の第１層７ａおよび第２層７ｂの組数は、４０〜３００の範囲であるのが好ましい。組数が３００を超えると、クラックが発生するおそれがあり、一方、組数が４０未満だと、後述の絶縁性を十分に確保できなくなるおそれがあるためである。
【００３６】
また、バッファ３の第１および第２超格子積層体６，７を構成する各層（第１ＡｌＮ層６ａ，第２ＧａＮ層６ｂ，第１層７ａ，第２層７ｂ）の厚みが、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。０．５ｎｍ未満では１原子層未満の厚みとなるためである。
【００３７】
さらに、バッファ３が絶縁性であり、横方向を電流導通方向とするのが好ましい。ここで、「横方向を電流導通方向とする」とは、主に積層体の幅方向に電流が流れることを意味し、例えば半導体を一対の電極で挟んだ構造のように、主に縦方向すなわち積層体の厚さ方向に電流が流れるものとは異なることを意味する。
【００３８】
なお、第２超格子積層体７の平均Ｃ濃度は１×１０18/cm3以上であるのが好ましい。第２超格子積層体７の平均Ｃ濃度を１×１０18/cm3以上とすることにより、縦方向耐圧を向上させることができる。また、この場合、絶縁性を確保するためにはＣの混入を効率的に行うためにも、第２層７ｂのＡｌ組成比ｘは、０．１を超えるのが好ましい。また、第２超格子で絶縁性が十分確保されていれば、第１超格子の平均Ｃ濃度は特に指定されないが、さらに縦方向耐圧を向上させるには、第１超格子の平均Ｃ濃度も１×１０18/ｃｍ3以上とすることが好ましい。ここで、本明細書において「平均Ｃの濃度」とは、第１層７ａおよび第２層７ｂを交互に積層した積層体の内部の炭素濃度の厚みに対する加重平均を意味し、ＳＩＭＳにて、膜をエッチングしながら、深さ方向の炭素濃度プロファイルを測定し、この測定結果に基づいて算出するものとする。
【００３９】
本発明のIII族窒化物エピタキシャル積層基板１は、任意の電子デバイスに用いることができ、特にＨＥＭＴに用いるのが好ましい。図１に示す主積層体４は、Ba1Alb1Gac1Ind1N(0≦a1≦1, 0≦b1≦1, 0≦c1≦1, 0≦d1≦1, a1+b1+c1+d1=1)材料からなるチャネル層４ａおよびチャネル層４ａよりバンドギャップの大きいBa2Alb2Gac2Ind2N(0≦a2≦1, 0≦b2≦1, 0≦c2≦1, 0≦d2≦1, a2+b2+c2+d2=1)材料からなる電子供給層４ｂを有することができる。この際、両層とも単一もしくは複数の組成から構成することができる。特に、合金散乱をさけ、電流導通部分の比抵抗を下げるためには、チャネル層４ａの少なくとも電子供給層４ｂと接する部分はGaN材料とすることが好ましい。
【００４０】
チャネル層４ａのバッファ層とは反対側の部分は、Ｃ濃度が低いことが好ましく、３×１０16/ｃｍ3以下に設定することが好ましい。この部分は、電子デバイスの電流導通部分に相当するため、導電性を阻害したり、電流コラプスを発生させたりする不純物は含まないほうが望ましいからである。
【００４１】
なお、図１は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。たとえば、各層の間に本発明の効果に悪影響を与えない程度の中間層や他の超格子層を挿入したり、組成に傾斜をつけたりすることもできる。また、基板の表面に、窒化膜、炭化膜、Ａｌ層などを形成することもできる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
（実験例１）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(Ｓｂドープ比抵抗０．０１５Ωｃｍ、厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮとAl0.25Ga0.75Nを順に積層した初期成長層(ＡｌＮの厚さ:１００ｎｍ、Al0.25Ga0.75Nの厚さ４０ｎｍ)ならびに第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを２０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)および第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを１００組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、AlGaNの厚さ:２５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第２超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。成長方法としては、原料として、ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用いたＭＯＣＶＤ法を用いている。キャリアガスとしては、窒素・水素を用いた。各層の成長条件（圧力・温度）は表１に示す通りである。
【００４３】
【表１】
【００４４】
（実験例２）
上記第１超格子積層体を形成しなかったこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４５】
（実験例３）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮ材料からなる初期成長層(厚さ:１００ｎｍ)ならびに第２超格子積層体(ＡｌＮ/Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎを５０組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)、第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを２０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)および第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを５０組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第２超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４６】
（実験例４）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮ材料からなる初期成長層(厚さ:１００ｎｍ)ならびに第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを１００組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)および第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを２０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第１超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４７】
（実験例５）
(111)面３インチｎ型Ｓｉ単結晶基板(厚さ:６００μｍ)上に、バッファ層として、ＡｌＮ材料からなる初期成長層(厚さ:１００ｎｍ)ならびに第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを１０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)、第２超格子積層体(ＡｌＮ/Al0.15Ga0.85Nを１００組、ＡｌＮの厚さ:４ｎｍ、ＡｌＧａＮの厚さ:２５ｎｍ)および第１超格子積層体(ＡｌＮ/ＧａＮを１０組、ＡｌＮの厚さ:２ｎｍ、ＧａＮの厚さ:６．５ｎｍ)をエピタキシャル成長させ、この第１超格子積層体上に、主積層体として、ＧａＮチャネル層(厚さ:１．５μｍ)およびAl0.25Ga0.75N電子供給層(厚さ:３０ｎｍ)をエピタキシャル成長させてＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４８】
（実験例６）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを４ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００４９】
（実験例７）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを４ｎｍとし、ＧａＮの厚さを２０ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５０】
（実験例８）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを４ｎｍとし、ＧａＮの厚さを４０ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５１】
（実験例９）
上記第１超格子積層体のＡｌＮの厚さを６ｎｍとし、ＧａＮの厚さを４０ｎｍとしたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５２】
（実験例１０）
上記第１の超格子積層体のＡｌＮ/ＧａＮの組数を５組としたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５３】
（実験例１１）
上記第１の超格子積層体のＡｌＮ/ＧａＮの組数を４０組としたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５４】
（実験例１２）
上記第１の超格子積層体のＡｌＮ/ＧａＮの組数を１００組としたこと以外は、実験例１と同様の方法によりＨＥＭＴ構造を持つIII族窒化物エピタキシャル積層基板を作製した。
【００５５】
（評価）
実験例１〜１２について、Ｘ線回折装置(Ｄ８、Bruker社製)を用い、ＧａＮチャネル層の(0002)面と(10-12)面のＸ線ロッキングカーブ(ωスキャン)を測定した。この(10-12)面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（FMHW）は、III族窒化物層の結晶性を評価する指標となるものである。
結晶性の評価は、以下の通りである。
○:１１００以下
△:１２００−１１００
×:１２００以上
また、実験例１〜１２について、光干渉式の反り測定装置を用い、全層成長後のＳｉ単結晶基板の反り量を測定し、初期反り量との差を計算し、評価した。
これらの結果を表２に示す。
なお、本実験例の範囲では、クラックは見られなかった。
【００５６】
【表２】
【００５７】
（評価１）
図２は、実験例１〜５の結果をプロットしたものである。図２から、実験例１は、実験例２〜５と比較して、(10-12)面の結晶性に優れていることがわかる。このことから、バッファ層が、基板側から順に初期成長層、第１超格子積層体、第２超格子積層体の順に形成された層構成からなる場合にのみ、その上に形成したIII族窒化物層の結晶性向上の効果が得られることがわかる。すなわち、第１超格子積層体がない場合（実験例２）はもちろん、第１および第２超格子積層体の順序が逆の場合（実験例４）や、本発明に対して余分な超格子積層体を付加した場合（実験例３，５）においては、十分な結晶性を得ることができない。
【００５８】
（評価２）
図３は、実験例１〜２、６〜９の結果をプロットしたものである。
表２に示すように、実験例６，７は、実験例２と比較して、(10-12)面の結晶性が良い。また図３から、実験例６，７に比べて、実験例８，９では第１超格子積層体の膜厚が厚く、反りを十分抑制することができていない。すなわち、第１超格子積層体のＡｌＮの厚さは薄い方がＳｉ単結晶基板の反り量が小さくなることが分かる。
【００５９】
（評価３）
表２に示すように、実験例１０〜１２は、実験例２と比較して、(10-12)面の結晶性が良い。このため、本発明の結晶性向上効果は、第１超格子積層体が５ペア以上から得ることができる。一方、実験例１１，１２は、第１超格子積層体の組数が多く、基板の反りを十分に抑制することができない。すなわち、第１超格子積層体の組数は少ない方がＳｉ単結晶基板の反り量が小さくなることが分かる。
【００６０】
（評価４）
さらに、実験例１，２のIII族窒化物エピタキシャル積層基板について、ホール効果測定法により、チャネル部分の電気特性を評価したところ、ウェーハ中心でのシート抵抗は410Ω／□、移動度は1480cm2/Vsであった。
【００６１】
（評価５）
また、全ての実験例のエピタキシャル積層基板について、ＳＩＭＳ(二次イオン質量分析計)にて、第１超格子積層体、第２超格子積層体、ＧａＮチャネル層の超格子積層体側、ＧａＮチャネル層の電子供給層側のＣ濃度を評価したところ、それぞれ、８×１０18/cm3、８×１０18/cm3、１×１０19/cm3、２×１０16/cm3であり、縦方向の破壊耐圧は、７００Ｖ以上であることが確認された。
【００６２】
（実施例２）
実験例１，２に対して、第２超格子積層体の組数を変更させた以外は実験例１（第１超格子積層体あり），実験例２（第１超格子積層体なし）と同様に行い、(10-12)面の結晶性の評価を行った結果を、図４に示す。第２超格子積層体のペア数については、第１超格子積層体の有無に関わらず、ペア数を増加させると半値幅が減少するという傾向を示し、第１超格子積層体を設けた場合の方が、どのペア数においても第１超格子積層体を設けない場合に比べて半値幅が小さいことがわかる。また、実験例１（第１超格子積層体あり）に対して第２超格子積層体の組数を変化させた場合（図４中黒塗り丸）の反り量は、実験例１の反り量（２６μｍ）に対して±５μｍ以内の範囲に抑えられていたのに対し、実験例２（第１超格子積層体なし）に対して第２超格子積層体の組数を変化させた場合（図４中黒塗り三角）の反り量は、実験例２の反り量（２５μｍ）よりも５μｍを超えた。
【００６３】
（実施例３）
また、実験例１に対して、第２超格子積層体のAl組成を変更させた以外は、実験例１と同様に行い、(10-12)面の結晶性の評価を行った。第２超格子積層体をＡｌＮ/Al0.05Ga0.95N（ｘ＝０．０５）とした場合、反り量と結晶性の評価指標である半値幅（10-12）は実験例１と同等の良好な結果が得られたが、半導体層表面に一部クラックが発生するものがあった。第２超格子積層体をＡｌＮ/Al0.2Ga0.8N（ｘ＝０．２）とした場合、反り量と結晶性の評価指標である半値幅（10-12）は実験例１と同等の良好な結果が得られ、半導体層表面にクラックが発生するものはなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、バッファが、初期成長層と第２超格子積層体との間に第１超格子積層体を具えることにより、基板の反り量を大きくすることなく、バッファ上に成長させるIII族窒化物層の結晶性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１ III族窒化物エピタキシャル積層基板
２ 基板
３ バッファ
４ 主積層体
４ａ チャネル層
４ｂ 電子供給層
５ 初期成長層
６ 第１超格子積層体
６ａ 第１ＡｌＮ層
６ｂ 第２ＧａＮ層
７ 第２超格子積層体
７ａ 第１層
７ｂ 第２層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成されたバッファと、該バッファ上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体とを具えるIII族窒化物エピタキシャル積層基板であって、
前記バッファは、前記基板と接する初期成長層ならびに該初期成長層上に形成された第１超格子積層体および該第１超格子積層体上に形成された第２超格子積層体からなり、
前記第１超格子積層体は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層およびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層を交互に５〜２０組積層してなり、かつ、前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の１組の厚みが４４ｎｍ未満であり、
前記第２超格子積層体は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層および該第１層とはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層を交互に複数組積層してなることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項２】
前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、２４ｎｍ以下で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ以下である請求項１に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項３】
前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、１０．５ｎｍ未満で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ未満である請求項２に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項４】
前記第２超格子積層体の前記第１層がＡｌＮ材料からなり、前記第２層がAlｘGaｙN(０＜ｘ＜１, ０＜ｙ＜１, ｘ＋ｙ＝１)材料からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項５】
前記第２超格子積層体の前記第１層および前記第２層の組数は、４０〜３００の範囲である請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項６】
前記バッファが絶縁性であり、横方向を電流導通方向とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項７】
前記第２超格子積層体の平均Ｃ濃度が１×１０１８/ｃｍ3以上である請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項８】
前記基板は、Ｓｉ単結晶基板である請求項１〜７のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項１】
基板と、該基板上に形成されたバッファと、該バッファ上にIII族窒化物層をエピタキシャル成長することにより形成された主積層体とを具えるIII族窒化物エピタキシャル積層基板であって、
前記バッファは、前記基板と接する初期成長層ならびに該初期成長層上に形成された第１超格子積層体および該第１超格子積層体上に形成された第２超格子積層体からなり、
前記第１超格子積層体は、ＡｌＮ材料からなる第１ＡｌＮ層およびＧａＮ材料からなる第２ＧａＮ層を交互に５〜２０組積層してなり、かつ、前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の１組の厚みが４４ｎｍ未満であり、
前記第２超格子積層体は、ＡｌＮ材料またはＡｌＧａＮ材料からなる第１層および該第１層とはバンドギャップの異なるＡｌＧａＮ材料からなる第２層を交互に複数組積層してなることを特徴とするIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項２】
前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、２４ｎｍ以下で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ以下である請求項１に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項３】
前記第１超格子積層体の前記第１ＡｌＮ層および前記第２ＧａＮ層の一組の厚みが、１０．５ｎｍ未満で、かつ前記第１ＡｌＮ層の厚みが４ｎｍ未満である請求項２に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項４】
前記第２超格子積層体の前記第１層がＡｌＮ材料からなり、前記第２層がAlｘGaｙN(０＜ｘ＜１, ０＜ｙ＜１, ｘ＋ｙ＝１)材料からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項５】
前記第２超格子積層体の前記第１層および前記第２層の組数は、４０〜３００の範囲である請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項６】
前記バッファが絶縁性であり、横方向を電流導通方向とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項７】
前記第２超格子積層体の平均Ｃ濃度が１×１０１８/ｃｍ3以上である請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【請求項８】
前記基板は、Ｓｉ単結晶基板である請求項１〜７のいずれか一項に記載のIII族窒化物エピタキシャル積層基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１１９７１５（Ｐ２０１１−１１９７１５Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７４３２（Ｐ２０１０−２４７４３２）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０６３３４１８２）ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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