ＩＩＩ族窒化物半導体電子デバイス、ＩＩＩ族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャルウエハ
【課題】ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスを提供する。
【解決手段】５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上に、第１のエピタキシャル半導体層１３はコヒーレントに設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５は、第１のエピタキシャル半導体層１３にヘテロ接合２３ａを成すように第１のエピタキシャル半導体層１３上に設けられる。第１のエピタキシャル半導体層１３がこの半導体表面２１ａへのコヒーレントな成長により、第１のエピタキシャル半導体層１３は、半導体表面２１ａの格子定数に合わせて歪んであり、緩和していない。ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層１３により、III族窒化物半導体電子デバイス１１のトランジスタ特性が向上可能である。
【解決手段】５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上に、第１のエピタキシャル半導体層１３はコヒーレントに設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５は、第１のエピタキシャル半導体層１３にヘテロ接合２３ａを成すように第１のエピタキシャル半導体層１３上に設けられる。第１のエピタキシャル半導体層１３がこの半導体表面２１ａへのコヒーレントな成長により、第１のエピタキシャル半導体層１３は、半導体表面２１ａの格子定数に合わせて歪んであり、緩和していない。ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層１３により、III族窒化物半導体電子デバイス１１のトランジスタ特性が向上可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体電子デバイス、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、III族窒化物半導体積層ウエハ及びIII族窒化物半導体デバイスが記載されている。III族窒化物半導体積層ウエハ及びIII族窒化物半導体デバイスでは、二次元電子ガスの移動度を高め電流特性を向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−４９４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、ＡｌＧａＮチャネル層のシート抵抗（Ｒｓ）とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値全幅との関係を示す。ＸＲＣの半値全幅が小さいほど、高電子移動度トランジスタのシート抵抗は小さい。特許文献１とは別の特許出願（特願２０１１−０２５３７５号）は未公開であり、この未公開の特許出願では、ＡｌＧａＮチャネル層は下地のＡｌＮに対して緩和している。
【０００５】
III族窒化物半導体を用いる電子デバイスでは、最大ドレイン電流及びゲートリーク電流といったトランジスタ特性の向上が望まれている。発明者らは、特許文献１におけるＡｌＧａＮチャネル層の半値全幅とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）との関係とは異なる更なる検討を行ってきた。この検討によれば、Ｘ線ロッキングカーブとは異なる別の指標を用いることでトランジスタ特性を向上できる。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスを提供することを目的とし、またそのIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法を提供することを目的とし、さらにIII族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハ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】
【０００７】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、（ａ）５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面の上にコヒーレントに設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、（ｂ）前記第１のエピタキシャル半導体層の上に設けられ、第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、（ｃ）前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極とを備える。前記第１のエピタキシャル半導体層は前記第２のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成し、前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる。
【０００８】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上には、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられることが可能になる。これ故に、第１のエピタキシャル半導体層は緩和しておらず、この第１のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成すように、第２のエピタキシャル半導体層が第１のエピタキシャル半導体層上に設けられる。このヘテロ接合を有するIII族窒化物半導体電子デバイスは、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層の無緩和を利用して、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性が向上可能である。
【０００９】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含むことができる。前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下である（０＜Ｚ≦１）ことができる。前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）ことができる。前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成は前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙより大きい（Ｙ＜Ｚ）。当該III族窒化物半導体電子デバイスは、前記チャネル層にキャリアを供給するように前記半導体表面の上に設けられたソース電極及びドレイン電極を更に備えることができる。
【００１０】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなる。このIII族窒化物半導体電子デバイスは、ソース電極及びドレイン電極に電気的に接続されたＡｌＧａＮチャネル層を含み、このＡｌＧａＮチャネル層によりトランジスタ特性を向上可能である。
【００１１】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第２のエピタキシャル半導体層が前記ＡｌＮと前記第１のエピタキシャル半導体層とにコヒーレントに成長しており、前記ゲート電極は、前記第２のエピタキシャル半導体層に接合を成すことができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上には、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられることが可能になり、これ故に、このＡｌＮ及び第１のエピタキシャル半導体層上にコヒーレントに、第２のエピタキシャル半導体層が設けられることが可能になる。この第２のエピタキシャル半導体層にゲート電極が接合を成すとき、この第２のエピタキシャル半導体層の無緩和の利用によりトランジスタ特性が向上可能である。
【００１２】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに成長されるので、転位密度１×１０８ｃｍ−２未満の第１のエピタキシャル半導体層をIII族窒化物半導体電子デバイスに提供できる。
【００１３】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が２００ｓ未満であることができる。
【００１４】
このIII族窒化物半導体電子デバイスでは、ＡｌＮ半導体表面が５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有すると共に第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに成長されるので、上記の半値全幅が２００ｓ未満であることができる。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、前記第２のエピタキシャル半導体層は二元ＡｌＮからなり、前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＮに接合を成すことができる。
【００１６】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１及び第２のエピタキシャル半導体層は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面上に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層（ＡｌＮ）が、０．５以上のアルミニウム組成を有する第１のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）に接合を成す。これらの構成を有する電子デバイスは実用的な形態である。第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）と第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＮバリア層）のＡｌ組成差を大きくでき、III族窒化物半導体電子デバイスの二次元電子ガスの濃度（Ｎｓ）を高めることができ、これ故により優れたデバイス特性が得られる。
【００１７】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、前記第２のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＧａＮに接合を成すことができる。
【００１８】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１及び第２のエピタキシャル半導体層は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面上に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）が、０．５以上のアルミニウム組成を有する第１のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）に接合を成す。これらの構成を有する電子デバイスは実用的な形態である。第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）及び第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮバリア層）によりプロセスウィンドウを広めることができる。
【００１９】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮ基板を更に備えることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、ＡｌＮ基板は、その主面に、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体面を提供できる。
【００２０】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮテンプレートを更に備えることができる。前記ＡｌＮテンプレートの転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下である。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、ＡｌＮテンプレートは、その主面に、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面を提供できる。
【００２１】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しく、前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるので、ＡｌＮのａ軸格子定数が第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しい。
【００２２】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるとき、第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しい。第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層のＡｌＮとの間に挟まれる。
【００２３】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるとき、第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しい。第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮとの間に挟まれる。
【００２４】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなるとき、以下のいずれかの形態を有することができる。これによって、５×１０７ｃm−２以下の低転位のＡｌＮ表面上にコヒーレントなＡｌＧａＮを成長できる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満であることができる。
【００２５】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、（ａ）ＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、（ｂ）前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、（ｃ）前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極とを備える。前記ＡｌＮの前記半導体表面の転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下であり、前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であり（０＜Ｙ＜１）、前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは以下の範囲（ａ）、範囲（ｂ）、範囲（ｃ）、範囲（ｄ）及び範囲（ｅ）のいずれかを満たす。
前記範囲（ａ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満である。
前記範囲（ｂ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満である。
前記範囲（ｃ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満である。
前記範囲（ｄ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満である。
前記範囲（ｅ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満である。
【００２６】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び第１のエピタキシャル半導体層の厚さが上記の範囲（ａ）〜範囲（ｅ）のいずれにあるとき、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上に、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられる。このIII族窒化物半導体電子デバイスは、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層を利用して、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性が向上可能である。
【００２７】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成は前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成より大きいことができる。
【００２８】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスは、ＡｌＧａＮチャネル層を含み、ＡｌＧａＮチャネル層によりトランジスタ特性が向上可能である。
【００２９】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しい。このIII族窒化物半導体電子デバイスでは、第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び第１のエピタキシャル半導体層の厚さが上記の範囲（ａ）〜範囲（ｅ）のいずれかにあるとき、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成され、これ故にＡｌＮのａ軸格子定数が第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しい。
【００３０】
本発明に係る、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法は、（ａ）５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上に、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層をコヒーレントに成長する工程と、（ｂ）第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層を前記第１のエピタキシャル半導体層の上に成長する工程と、（ｃ）前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上にゲート電極を形成する工程とを備える。前記第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きく、前記第１のIII族窒化物半導体材料は前記ＡｌＮと異なる。
【００３１】
このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法（以下、「作製方法」として参照される）によれば、第１のエピタキシャル半導体層が、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上に成長されるので、第１のエピタキシャル半導体層を緩和させることなく成長することが可能になる。また、第１のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成すように、第２のエピタキシャル半導体層を第１のエピタキシャル半導体層上に成長できる。ＡｌＮに対してコヒーレントに成長された第１のエピタキシャル半導体層を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性を向上できる。
【００３２】
本発明に係る作製方法では、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含むことができる。前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であることができる（０＜Ｚ≦１）。前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であることができる（０＜Ｙ＜１）。
【００３３】
この作製方法によれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなることができる。ＡｌＧａＮチャネル層を含むIII族窒化物半導体電子デバイスを作製可能であり、ＡｌＧａＮチャネル層によりトランジスタ特性を向上できる。
【００３４】
本発明に係る作製方法では、前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しく、前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮ及びＡｌＮのいずれか一方を含むことができる。この作製方法によれば、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成され、これ故にＡｌＮのａ軸格子定数が第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しくなる。
【００３５】
本発明に係る、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハは、（ａ）５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層と、（ｂ）前記第１のエピタキシャル半導体層の上にコヒーレントに設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層のための第２のエピタキシャル半導体層とを備える。前記第１のエピタキシャル半導体層は第１のIII族窒化物半導体材料からなり、前記第２のエピタキシャル半導体層は第２のIII族窒化物半導体材料からなり、前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる。
【００３６】
このエピタキシャルウエハによれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上には、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられることが可能になる。第２のエピタキシャル半導体層は、第１のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成すようには第１のエピタキシャル半導体層上に設けられる。このヘテロ接合を有するエピタキシャルウエハは、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層の無緩和を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性を向上可能である。
【００３７】
本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であることができる（０＜Ｚ≦１）。前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）ことができる。
【００３８】
このエピタキシャルウエハによれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなることができる。このエピタキシャルウエハは、ＡｌＧａＮチャネル層を含み、このＡｌＧａＮチャネル層により良好なトランジスタ特性をIII族窒化物半導体電子デバイスに提供可能である。
【発明の効果】
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスが提供される。また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法が提供される。さらに、本発明によれば、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスにおけるチャネル層及びバリア層と下地ＡｌＮとの格子定数に関する関係を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を示す工程フロー図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、低転位ＡｌＮ基板上のエピ構造のための逆格子マッピング像を示す図面である。
【図６】図６は、高転位ＡｌＮテンプレート上にエピ積層のための逆格子マッピングの像を示す図面である。
【図７】図７は、ＡｌＧａＮチャネル層と下地のＡｌＮ面との関係（コヒーレント、或いは緩和している）を示す図面である。
【図８】図８は、コヒーレント成長が可能なＡｌ組成及びＡｌＧａＮ厚の関係を示す図面である。
【図９】図９は、厚さ３０ｎｍのＡｌＮバリア層及びＡｌ組成０．５５のＡｌＧａＮチャネル層を有する４種類のトランジスタの特性を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
引き続いて、添付図面を参照しながら、III族窒化物半導体電子デバイス、エピタキシャルウエハ、並びにエピタキシャルウエハ及びIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４２】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを概略的に示す図面である。III族窒化物半導体電子デバイス１１は、第１のエピタキシャル半導体層１３と、第２のエピタキシャル半導体層１５とを備える。第１のエピタキシャル半導体層１３及び第２のエピタキシャル半導体層１５は、エピタキシャル半導体積層１９に含まれている。支持基体２１はエピタキシャル半導体積層１９を搭載している。第１のエピタキシャル半導体層１３は、支持基体２１の半導体表面２１ａ上にコヒーレントに設けられる。この半導体表面２１ａは５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有し、ＡｌＮからなる。第２のエピタキシャル半導体層１５は第１のエピタキシャル半導体層１３上に設けられる。第１のエピタキシャル半導体層１３がこの半導体表面２１ａへのコヒーレントに成長することにより、第１のエピタキシャル半導体層１３は、半導体表面２１ａの格子定数に合わせて歪んでおり、緩和していない。
【００４３】
第１のエピタキシャル半導体層１３は第１のIII族窒化物半導体材料からなり、第２のエピタキシャル半導体層１５は第２のIII族窒化物半導体材料からなる。第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる。第２のエピタキシャル半導体層１５の第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは第１のエピタキシャル半導体層１３の第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きい。第１のエピタキシャル半導体層１３は第２のエピタキシャル半導体層１５にヘテロ接合２３ａを成し、ヘテロ接合２３ａに沿って二次元電子ガス層が生成される。また、第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａにヘテロ接合２３ｂを成すことができるが、第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａ上のバッファ層上に成長されることができる。
【００４４】
このIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上には、第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに設けられることが可能になる。第２のエピタキシャル半導体層１５は、第１のエピタキシャル半導体層１３にヘテロ接合２３ａを成すように第１のエピタキシャル半導体層１３上に設けられる。このヘテロ接合２３ａを有するIII族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層１３の無緩和を利用して、III族窒化物半導体電子デバイス１１のトランジスタ特性が向上可能である。
【００４５】
この半導体表面２１ａの転位密度が５×１０７ｃｍ−２以下であるとき、この半導体表面２１ａの上に成長したエピタキシャル層をコヒーレントに成長することが可能となる。これよりも高い転位密度の場合、コヒーレントに成長することは、困難である。転位密度が高い場合、半導体表面２１ａとエピタキシャル層の界面において、転位を起因とした凹凸が高い密度で発生し、緩和が起こる。
【００４６】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、チャネル層は第１のエピタキシャル半導体層１３を含み、バリア層は第２のエピタキシャル半導体層１５を含む。電極（例えばゲート電極１７）が第１及び第２のエピタキシャル半導体層１３、１５上に設けられ、一実施例では、ゲート電極１７はショットキ電極を含むことができる。ゲート電極１７は、第２のエピタキシャル半導体層１５にショットキ接触２７ｂを成すことができる。ゲート電極１７はチャネル層のキャリア濃度を制御する。
【００４７】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、チャネル層にキャリアを供給するように半導体表面２１ａ上に設けられたソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂを更に備えることができる。ソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂは、第２のエピタキシャル半導体層１５上に設けられ、第２のエピタキシャル半導体層１５の表面に接合を成す。本実施例では、ソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂは、半導体積層１９の表面１９ａに接触２７ａを成し、この接触２７ａはオーミック接触であることがよい。
【００４８】
III族窒化物半導体電子デバイス１１では、第１のIII族窒化物半導体材料がIII族構造元素としてアルミニウムを含む窒化物からなると共に、第２のIII族窒化物半導体材料がIII族構造元素としてアルミニウムを含む窒化物からなるとき、第２のIII族窒化物半導体材料のアルミニウム組成は第１のIII族窒化物半導体材料のアルミニウム組成より大きい。第１のエピタキシャル半導体層１３は例えばＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、このＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙはゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）ことができる。また、第２のエピタキシャル半導体層１５は例えばＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、このＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下である（０＜Ｚ≦１）（Ｙ＜Ｚ）ことができる。
【００４９】
このIII族窒化物半導体電子デバイス１１において、第１のエピタキシャル半導体層１３はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層１５はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなるとき、ＡｌＧａＮチャネル層は、ソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂに電気的に接続され、このＡｌＧａＮチャネル層の利用によりトランジスタ特性を向上可能である。
【００５０】
III族窒化物半導体電子デバイス１１では、第２のエピタキシャル半導体層１５が半導体表面２１ａのＡｌＮと第１のエピタキシャル半導体層１３とにコヒーレントに成長している。このIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上には、第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに設けられることが可能になり、また第２のエピタキシャル半導体層１５がＡｌＮ及び第１のエピタキシャル半導体層１３上にコヒーレントに設けられることが可能になる。この第２のエピタキシャル半導体層１５にゲート電極１７が接合を成すことが可能になるので、この第２のエピタキシャル半導体層１５の利用によりトランジスタ特性が向上可能である。
【００５１】
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上への成長では、第１のエピタキシャル半導体層１３の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であることができる。第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに成長されるので、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を第１のエピタキシャル半導体層１３に提供できる。これ故に、第１のエピタキシャル半導体層１３の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が２００ｓ未満であることができる。発明者らの実験によれば、ＡｌＮの半導体表面２１ａが５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有すると共にこの表面２１ａ上に第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに成長されるので、上記の半値全幅が２００ｓ未満であることができる。
【００５２】
一実施例では、第１のエピタキシャル半導体層１３は三元ＡｌＧａＮからなり、第２のエピタキシャル半導体層１５は二元ＡｌＮからなることが良い。第１のエピタキシャル半導体層１３のアルミニウム組成は０．５以上であることがよく、０．５未満である場合、ＡｌＮの半導体表面２１ａが５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有していても、その上のエピタキシャル層が緩和するためである。第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮは半導体主面２１ａのＡｌＮに接合２３ｂ（ここではヘテロ接合）を成すことができる。
【００５３】
この構造は、電子デバイスの実用的な形態である。第１及び第２のエピタキシャル半導体層１３、１５は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面２１ａ上に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５のＡｌＮは０．５以上のアルミニウム組成を有する第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮに接合を成す。
【００５４】
この実施例のIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）１３と第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＮバリア層）１５とのアルミニウム組成差を大きくでき、III族窒化物半導体電子デバイス１１の二次元電子ガス濃度（Ｎｓ）を高めることができ、これ故により高いデバイス特性が得られる。
【００５５】
別の実施例では、第１のエピタキシャル半導体層１３は三元ＡｌＧａＮからなり、第２のエピタキシャル半導体層１５は三元ＡｌＧａＮからなることが良い。第１のエピタキシャル半導体層１３のアルミニウム組成は０．５以上であることが良く、第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮは半導体主面２１ａのＡｌＮに接合を成す。
【００５６】
この構造は、電子デバイスの実用的な形態である。第１及び第２のエピタキシャル半導体層１３、１５が、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面２１ａ上に設けられる。第１のエピタキシャル半導体層１３のアルミニウム組成が０．５以上であることがよく、０．５未満である場合、ＡｌＮの半導体表面２１ａが５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有していても、その上のエピタキシャル層が緩和するためである。第２のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）１５が第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮに接合を成す。
【００５７】
この実施例のIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）１３及び第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮバリア層）１５の使用により、両者のともＡｌとＧａを含むエピタキシャル半導体層であるため、両者の成長条件は近く、良好なヘテロ界面を形成しやすくなる。また、プロセスウィンドウも広くすることが可能となる。これ故に、III族窒化物半導体電子デバイス１１に良好な二次元電子ガストランジスタが提供される。
【００５８】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮ基板３１を更に備えることができる。ＡｌＮ基板３１は半導体積層１９を搭載する主面３１ａを有しており、主面３１ａは５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる。ＡｌＮ基板３１は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有する単結晶ＡｌＮからなり、半導体表面２１ａを提供する。
【００５９】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮテンプレート３３を更に備えることができる。ＡｌＮテンプレート３３は主面３３ａを有し、また半導体表面２１ａを提供する。ＡｌＮテンプレート３３は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ膜３５ａと、このＡｌＮ膜３５ａを搭載する支持体３５ｂとを含む。ＡｌＮテンプレート３３の主面３３ａは、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面を提供できる。支持体３５ｂの材料は例えばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなることができる。
【００６０】
図２の（ａ）部に示されるように、第１のエピタキシャル半導体層１３及び第２のエピタキシャル半導体層１５はＡｌＮの表面２１ａの法線方向（例えば、ＡｌＮのｃ軸の方向）に配列されている。第１のエピタキシャル半導体層１３が法線方向にコヒーレント成長で形成されるので、下地のＡｌＮのａ軸格子定数Ｌ０（ＡｌＮ）と第１のエピタキシャル半導体層１３のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数Ｌ１３（ＡｌＧａＮ）は等しい。
【００６１】
第２のエピタキシャル半導体層１５がＡｌＮからなることができる。このとき、第２のエピタキシャル半導体層１５が半導体表面２１ａのＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるときには、ａ軸格子定数Ｌ１３（ＡｌＧａＮ）と第２のエピタキシャル半導体層１５のa軸格子定数Ｌ１５（ＡｌＮ）は等しくなる。第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａのＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層１５のＡｌＮとの間に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５の歪みは第１のエピタキシャル半導体層１３に内包される歪みに比べて非常に小さい。
【００６２】
第２のエピタキシャル半導体層１５はＡｌＧａＮからなることができる。このとき、第２のエピタキシャル半導体層１５が半導体表面２１ａのＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるときには、ａ軸格子定数Ｌ１３（ＡｌＧａＮ）は第２のエピタキシャル半導体層１５のa軸格子定数Ｌ１５（ＡｌＧａＮ）に等しくなる。第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａのＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層１５のＡｌＧａＮとの間に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５は第１のエピタキシャル半導体層１３に内包される歪みに比べて小さい。
【００６３】
次いで、より具体的な形態について説明する。第１のエピタキシャル半導体層１３がＡｌＧａＮからなるとき、以下の形態及び範囲を有することができる。これによって、５×１０７ｃm−２以下の低転位といったＡｌＮ表面上にコヒーレントなＡｌＧａＮを成長できる。第１のエピタキシャル半導体層１３はアルミニウム組成Ｙ及び厚さＤ１３を有する。
範囲（ａ）：アルミニウム組成Ｙが０．５以上であり、厚さＤ１３が１５０ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｂ）：アルミニウム組成Ｙが０．５５以上であり、厚さＤ１３が３００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｃ）：アルミニウム組成Ｙが０．６０以上であり、厚さＤ１３が５００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｄ）：アルミニウム組成Ｙが０．７０以上であり、厚さＤ１３が１０００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｅ）：アルミニウム組成Ｙが０．７５以上であり、厚さＤ１３が２０００ｎｍ未満であることができる。
第１のエピタキシャル半導体層１３が上記のいずれかの形態におけるアルミニウム組成Ｙ及び厚さＤ１３を有するとき、第１のエピタキシャル半導体層１３は、５×１０７ｃm−２以下の低転位の半導体表面２１ａ上においてコヒーレントな状態に維持され、従って格子緩和が第１のエピタキシャル半導体層１３に生成されていない。このIII族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層１３を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性が向上可能である。
【００６４】
図２の（ｂ）部に示されるように、エピタキシャル半導体層３及びエピタキシャル半導体層５はＡｌＮの表面１ａの法線方向（例えば、ＡｌＮのｃ軸の方向）に配列されている。エピタキシャル半導体層３、５が、１×１０９ｃｍ−２程度の転位密度のＡｌＮ上に成長される。エピタキシャル半導体層３が法線方向に格子緩和しながら成長されるので、ＡｌＮのａ軸格子定数Ｌ１（ＡｌＮ）はエピタキシャル半導体層３のａ軸格子定数Ｌ３（ＡｌＧａＮ）と異なる。なお、エピタキシャル半導体層５のａ軸格子定数Ｌ５（ＡｌＮ）はエピタキシャル半導体層３のａ軸格子定数Ｌ３（ＡｌＧａＮ）と同じになる。このIII族窒化物半導体電子デバイス２は、高転位密度のＡｌＮ表面１ａに対して緩和して設けられたエピタキシャル半導体層３に起因して、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性は、最大ドレイン電流やゲートリーク電流特性の点で劣ったものになる。
【００６５】
図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を示す工程フロー図である。図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を模式的に示す図面である。
【００６６】
工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体電子デバイスの作製に使用する基板を準備する。この基板は、図４の（ａ）部においては、符号４１として参照される。基板４１は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面４１ａを有する。基板４１としては、既に説明したように、ＡｌＮ単結晶基板やＡｌＮテンプレートを用いることができる。半導体表面４１ａの面方位は典型的には｛０００１｝面であることができる。
【００６７】
工程Ｓ１０２では、図４の（ａ）部に示されるように、この基板４１を反応炉１０ａに配置した後に、基板４１のＡｌＮ表面４１ａに熱処理を行う。ＡｌＮ表面４１ａの熱処理は、例えばアンモニア雰囲気中で行われ、熱処理温度は例えば摂氏１０５０度であることができる。その後、反応炉１０ａでは、例えば有機金属気相成長法により結晶成長が行われる。
【００６８】
工程Ｓ１０３では、図４の（ｂ）部に示されるように、反応炉１０ａで、チャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層４３を半導体表面４１ａ上に対してコヒーレントに成長する。半導体表面４１ａは、工程Ｓ１０２におけるサーマルクリーニングにより清浄化されており、清浄化されたＡｌＮ表面は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有する。第１のエピタキシャル半導体層４３は、例えばIII族構成元素としてアルミニウムを含む第１のIII族窒化物半導体材料からなることができ、また基板４１のＡｌＮと異なる。第１のエピタキシャル半導体層４３は、例えばアンドープＡｌＧａＮからなる。第１のエピタキシャル半導体層４３の厚さの範囲及びＡｌ組成の範囲は、以下に示すとおりである。
第１のエピタキシャル半導体層１３はアルミニウム組成Ｙ及び厚さＤ１３を有する。
範囲（ａ）：アルミニウム組成Ｙが０．５以上であり、厚さＤ１３が１５０ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｂ）：アルミニウム組成Ｙが０．５５以上であり、厚さＤ１３が３００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｃ）：アルミニウム組成Ｙが０．６０以上であり、厚さＤ１３が５００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｄ）：アルミニウム組成Ｙが０．７０以上であり、厚さＤ１３が１０００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｅ）：アルミニウム組成Ｙが０．７５以上であり、厚さＤ１３が２０００ｎｍ未満であることができる。
第１のエピタキシャル半導体層４３がコヒーレント態様の成長であるので、第１のエピタキシャル半導体層４３は格子緩和無しに、第１のエピタキシャル半導体層４３のＡｌＧａＮのＡｌ組成と下地のＡｌＮとのＡｌ組成差に応じた歪を内包する。この歪は緩和されていない。
【００６９】
工程Ｓ１０４では、図４の（ｃ）部に示されるように、バリア層のための第２のエピタキシャル半導体層４５を第１のエピタキシャル半導体層４３上に反応炉１０ａで成長する。第２のエピタキシャル半導体層４５は第２のIII族窒化物半導体材料からなり、第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは、第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きい。第２のエピタキシャル半導体層４５は、例えばIII族構成元素としてアルミニウムを含む第２のIII族窒化物半導体材料からなることができ、例えばアンドープＡｌＧａＮ、アンドープＡｌＮ、ＳｉドープＡｌＧａＮ、又はＳｉドープＡｌＮからなることができる。第２のエピタキシャル半導体層４５の厚さの範囲は、例えば５ｎｍ以上であり、５０ｎｍ以下であることができる。第２のエピタキシャル半導体層４５のＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成は、例えば第１のエピタキシャル半導体層４３のＡｌ組成より０．１以上大きく、１以下であることができる。第２のエピタキシャル半導体層４５がコヒーレント態様の成長になるので、第２のエピタキシャル半導体層４５は格子緩和無しに、第２のエピタキシャル半導体層４５のＡｌＧａＮのＡｌ組成と下地のＡｌＮとのＡｌ組成差に応じた歪を内包する。この歪は緩和されていない。
【００７０】
工程Ｓ１０５では、工程Ｓ１０２〜工程Ｓ１０４までのエピ成長により作成されたエピタキシャル基板Ｅを反応炉１０ａから取り出す。上記の作製方法において、第１のエピタキシャル半導体層４３及び第２のエピタキシャル半導体層４５はＡｌＮ表面４１ａの法線方向に配列されており、本実施例では、表面４１ａを提供するＡｌＮのｃ軸の方向に順に成長される。第１のエピタキシャル半導体層４３がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるので、第１のIII族窒化物半導体材料４３のａ軸格子定数がＡｌＮのａ軸格子定数に等しい。第２のエピタキシャル半導体層４５がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるとき、第２のIII族窒化物半導体材料４５の第２のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数がＡｌＮのａ軸格子定数に等しくなる。
【００７１】
エピタキシャルウエハＥは、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面４１ａ上にコヒーレントに設けられ、チャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層４３と、第１のエピタキシャル半導体層４３上にコヒーレントに設けられバリア層のための第２のエピタキシャル半導体層４３とを備える。
【００７２】
工程Ｓ１０６では、エピタキシャル基板Ｅ上に電極を形成する。この電極の形成では。ゲート電極を形成すると共にソース電極及びドレイン電極を形成する。ゲート電極の材料は例えばＮｉ／Ａｕ等であり、ソース電極及びドレイン電極の材料は例えばＴｉ／Ａｌ、Ｚｒ／Ａｌ等である。これらの電極の作製方法としては、例えば蒸着により金属膜の成長とリフトオフによるパターン形成を用いる。ソース電極・ドレイン電極の場合は、オーミック接合形成のため、合金化を行うことが好ましい。
【００７３】
この作製方法によれば、第１のエピタキシャル半導体層４３が、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面４１ａ上に成長されるので、第１のエピタキシャル半導体層４３はコヒーレントに設けられることが可能になる。また、第２のエピタキシャル半導体層４５は、第１のエピタキシャル半導体層４３にヘテロ接合を成すようには第１のエピタキシャル半導体層４３上に成長される。ＡｌＮに対してコヒーレントに成長された第１のエピタキシャル半導体層４３を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性を向上できる。
【００７４】
（実施例１）
・低転位のＡｌＮ基板を用意する。ＡｌＮ基板の特性の一例。
厚み：４００μｍ。
転位密度：５×１０７ｃｍ−２。
Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅：（０００２）面で６６秒、（１０−１２）面で７６秒。ここで、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。
・意図的に転位密度を大きく形成したＡｌＮテンプレートを用意する。ＡｌＮテンプレートはサファイア基板上に成長される。ＡｌＮテンプレートは、ＭＯＶＰＥ法を用いて、摂氏１３００度の成長温度で成長される。
テンプレートの厚み：１μｍ。
転位密度：１×１０９ｃｍ−２。
Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅：（０００２）面で２８１秒、（１０−１２）面で６２３秒。ここで、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。
【００７５】
低転位ＡｌＮ基板及び高転位ＡｌＮテンプレートを反応炉にセットした後に、摂氏１０５０度の温度及びアンモニア雰囲気中で、これらの熱処理を行う。この後、摂氏１０５０度で、厚さ５００ｎｍのＡｌＮ膜をバッファ層として成長する。その後に、厚さ３００ｎｍ及びＡｌ組成０．７５のＡｌＧａＮ膜をチャネル層として成長し、次いで、摂氏１０５０度で、厚さ３０ｎｍのＡｌＮ膜をバリア層として成長して、エピ基板を作製する。また、上記のエピ基板に加えて、厚さ１５０ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍのＡｌＧａＮ膜をチャネル層として有するエピ基板を低転位ＡｌＮ基板及び高転位ＡｌＮテンプレートを用いて作製する。
【００７６】
高転位ＡｌＮテンプレート上のエピ構造及び低転位ＡｌＮ基板上のエピ構造について、逆格子マッピングの測定を行う。図５は、低転位ＡｌＮ基板上のエピ積層したときの逆格子マッピング像を示す。図６は、高転位ＡｌＮテンプレート上にエピ積層したときの逆格子マッピング像を示す。図５及び図６では、ＡｌＮ・ＡｌＧａＮの（２０−２４）面における逆格子マッピング像が測定される。図５に示されるように、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、２つの信号ピーク（ＳＰ０（ＡｌＮ）及びＳＰ０（ＡｌＧａＮ））がラインＬ０上に整列しているので、低転位ＡｌＮ単結晶基板のＡｌＧａＮ膜に緩和は観察されない。図５において、ラインＯＢは完全緩和を示し、完全緩和のときＡｌＮからの信号ピークとＡｌＧａＮからの信号ピークがラインＯＢ上に整列される。一方、図６に示されるように、高転位ＡｌＮテンプレートのエピ構造では、２つの信号ピーク（ＳＰＲ（ＡｌＮ）及びＳＰＲ（ＡｌＧａＮ））がラインＬ０上に整列していないので、高転位ＡｌＮテンプレート上のＡｌＧａＮ膜に若干の緩和が観察される。したがって、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、低転位のＡｌＮ表面上にＡｌＧａＮ膜のコヒーレントな成長が実現されている。しかしながら、高転位ＡｌＮテンプレート上のＡｌＧａＮ膜ではコヒーレントな成長が実現されていない。
【００７７】
厚さ１５０ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍのＡｌＧａＮ膜をチャネル層として有するエピ基板についても逆格子マッピング像を測定するとき、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、低転位のＡｌＮ表面上にＡｌＧａＮ膜のコヒーレントな成長が実現されているけれども、高転位ＡｌＮテンプレート上のＡｌＧａＮ膜ではコヒーレントな成長が実現されていない。ＡｌＧａＮ膜の厚みが薄いときには、ＡｌＮテンプレート上のエピ構造において緩和の程度は小さいけれども、コヒーレント成長は達成されていない。
【００７８】
以上説明したように、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、ＡｌＧａＮ膜のコヒーレントな成長が可能である。
【００７９】
（実施例２）
低転位のＡｌＮ基板を用意する。ＡｌＮ基板の特性の一例。
厚み：４００μｍ。
転位密度：５×１０７ｃｍ−２。
Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅：（０００２）面で６６秒、（１０−１２）面で７６秒。ここで、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。
このＡｌＮ基板を反応炉にセットした後に、摂氏１０５０度の温度及びアンモニア雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理の後に、ＡｌＮ膜（成長温度１０５０度、厚さ５００ｎｍ）を成長する。このＡｌＮ膜上に、ＡｌＧａＮ膜（成長温度１０５０度、Ａｌ組成Ｙパーセント、厚さＸｎｍ）をチャネル層として成長する。このＡｌＧａＮ膜上に、ＡｌＮ膜（成長温度１０５０度、厚さ３０ｎｍ）をバリア層として成長する。これらの工程によりエピタキシャル基板を作製する。これらのエピタキシャル基板について、（２０−２４）面の逆格子マッピングの測定を行う。図７は、ＡｌＧａＮチャネル層と下地のＡｌＮ面との関係（コヒーレント、或いは緩和している）を示す図面である。図７において、クロス印は「緩和」を示し、丸印は「コヒーレント」を示す。図８は、コヒーレント成長が可能なＡｌ組成及びＡｌＧａＮ厚の関係を示す図面である。
【００８０】
５点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５で示される値を以下に示す。
点Ｐ１：Ａｌ組成が０．５０であり、ＡｌＧａＮ厚が１５０ｎｍである。
点Ｐ２：Ａｌ組成が０．５５であり、ＡｌＧａＮ厚が３００ｎｍである。
点Ｐ３：Ａｌ組成が０．６０であり、ＡｌＧａＮ厚が５００ｎｍである。
点Ｐ４：Ａｌ組成が０．７０であり、ＡｌＧａＮ厚が１０００ｎｍである。
点Ｐ５：Ａｌ組成が０．７５であり、ＡｌＧａＮ厚が２０００ｎｍである。
【００８１】
「コヒーレント」の達成が可能の範囲の一例を以下に示す。
範囲１：Ａｌ組成Ｙが０．５以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが１５０ｎｍ未満である。
範囲２：Ａｌ組成Ｙが０．５５以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが３００ｎｍ未満である。
範囲３：Ａｌ組成Ｙが０．６０以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが５００ｎｍ未満である。
範囲４：Ａｌ組成Ｙが０．７０以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが１０００ｎｍ未満である。
範囲５：Ａｌ組成Ｙが０．７５以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが２０００ｎｍ未満である。
【００８２】
これらの実験の詳細な検討によれば、これらの範囲に限定されることなく、図８のように、上記の点Ｐ１〜Ｐ５のうち隣接する２点を繋ぐ近似線を導くことができる。
【００８３】
このように、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有する低転位ＡｌＮ上に、上記実験により示されるＡｌＧａＮチャネル層の厚み及び組成で、ＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴエピを成長するとき、ＡｌＧａＮチャネル層をコヒーレントに成長することが可能となる。また、ＡｌＮバリア層あるいはＡｌＧａＮバリア層もコヒーレントに成長することが可能となる。
【００８４】
（実施例３）
上記のようにコヒーレントに成長されたＡｌＧａＮチャネル層を含む高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のトランジスタ特性を測定する。
図９は、厚さ３０ｎｍのＡｌＮバリア層及び０．５５のＡｌ組成のＡｌＧａＮチャネル層を有する４種類のトランジスタの特性を示す。
トランジスタＡ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ１５０ｎｍ。
トランジスタＢ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ３００ｎｍ。
トランジスタＣ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ５００ｎｍ。
トランジスタＤ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ１０００ｎｍ。
これらのトランジスタＡ〜Ｄのためのエピタキシャル基板について、（２０−２４）面の逆格子マッピング測定を行う。これらの逆格子マッピング像からＡｌＮ層に対するＡｌＧａＮチャネル層の緩和の有無を判定する。また、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮチャネル層の転位密度を測定する。さらに、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮチャネル層のＸＲＣ半値全幅（（０００２）面及び（１０−１２）面）の測定を行う。ここで、ＸＲＣ半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。これらのトランジスタＡ〜Ｄにおいて最大ドレイン電流密度及びゲートリーク電流密度を測定する。トランジスタＡ及びＢについては、最大ドレイン電流密度が１００ｍＡ／ｍｍ以上であり、ゲートリーク電流密度が１０ｎＡ／ｍｍ以下である。一方、トランジスタＣ及びＤについては、最大ドレイン電流密度が６３ｎＡ／ｍｍ未満であり、ゲートリーク電流密度が１．３μＡ／ｍｍ以上である。このように、緩和／コヒーレントに応じて、最大ドレイン電流密度及びゲートリーク電流密度といったトランジスタ特性が大きく変化する。本実験及び他の実験の結果から、ＡｌＧａＮチャネル層がＡｌＮ面にコヒーレントに成長されるとき、ＡｌＧａＮチャネル層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満である。ＡｌＧａＮチャネル層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が２００ｓ未満である。
【００８５】
上記の実験、及び追加の実験から、ＡｌＧａＮチャネル層の結晶品質については、ＡｌＧａＮチャネル層の緩和が起こらない範囲において、ある程度の厚みを有している方が結晶品質が向上し、より優れたデバイス特性が実現可能となる。厚いＡｌＧａＮチャネル層は、下地ＡｌＮからの不純物の影響等を低減可能である。図９を参照すると、トランジスタＢのためのＡｌＧａＮチャネル層の品質（転位密度やＸＲＣ半値全幅）はトランジスタＡのためのＡｌＧａＮチャネル層の品質より優れる。また、トランジスタＢの特性はトランジスタＡの特性より優れる。トランジスタＡ及びＢをトランジスタＣ及びＤと比較するとき、ＨＥＭＴエピ構造においてコヒーレントなＡｌＧａＮチャネル層の優位性が示される。
【００８６】
実施例１〜３に示されるように、下地ＡｌＮに対し、コヒーレントなＡｌＧａＮチャネル層を有するＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴを作製することによって、ＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴの特性を大幅に向上させることが可能となる。
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本実施の形態によれば、ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスが提供される。また、本実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法が提供される。さらに、本実施の形態によれば、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハが提供される。
【符号の説明】
【００８８】
１１…III族窒化物半導体電子デバイス、１３…第１のエピタキシャル半導体層、１５…第２のエピタキシャル半導体層、１７…ゲート電極、２１ａ…半導体表面、２３ａ…ヘテロ接合、２３ｂ…接合、２５ａ…ソース電極、２５ｂ…ドレイン電極、１９…半導体積層、２７ａ…接触（オーミック接触）、２７ｂ…ショットキ接触、３１…ＡｌＮ基板、３３…ＡｌＮテンプレート。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体電子デバイス、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法、及びエピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、III族窒化物半導体積層ウエハ及びIII族窒化物半導体デバイスが記載されている。III族窒化物半導体積層ウエハ及びIII族窒化物半導体デバイスでは、二次元電子ガスの移動度を高め電流特性を向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−４９４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、ＡｌＧａＮチャネル層のシート抵抗（Ｒｓ）とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）の半値全幅との関係を示す。ＸＲＣの半値全幅が小さいほど、高電子移動度トランジスタのシート抵抗は小さい。特許文献１とは別の特許出願（特願２０１１−０２５３７５号）は未公開であり、この未公開の特許出願では、ＡｌＧａＮチャネル層は下地のＡｌＮに対して緩和している。
【０００５】
III族窒化物半導体を用いる電子デバイスでは、最大ドレイン電流及びゲートリーク電流といったトランジスタ特性の向上が望まれている。発明者らは、特許文献１におけるＡｌＧａＮチャネル層の半値全幅とＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）との関係とは異なる更なる検討を行ってきた。この検討によれば、Ｘ線ロッキングカーブとは異なる別の指標を用いることでトランジスタ特性を向上できる。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスを提供することを目的とし、またそのIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法を提供することを目的とし、さらにIII族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハ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】
【０００７】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、（ａ）５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面の上にコヒーレントに設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、（ｂ）前記第１のエピタキシャル半導体層の上に設けられ、第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、（ｃ）前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極とを備える。前記第１のエピタキシャル半導体層は前記第２のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成し、前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる。
【０００８】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上には、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられることが可能になる。これ故に、第１のエピタキシャル半導体層は緩和しておらず、この第１のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成すように、第２のエピタキシャル半導体層が第１のエピタキシャル半導体層上に設けられる。このヘテロ接合を有するIII族窒化物半導体電子デバイスは、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層の無緩和を利用して、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性が向上可能である。
【０００９】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含むことができる。前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下である（０＜Ｚ≦１）ことができる。前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）ことができる。前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成は前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙより大きい（Ｙ＜Ｚ）。当該III族窒化物半導体電子デバイスは、前記チャネル層にキャリアを供給するように前記半導体表面の上に設けられたソース電極及びドレイン電極を更に備えることができる。
【００１０】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなる。このIII族窒化物半導体電子デバイスは、ソース電極及びドレイン電極に電気的に接続されたＡｌＧａＮチャネル層を含み、このＡｌＧａＮチャネル層によりトランジスタ特性を向上可能である。
【００１１】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第２のエピタキシャル半導体層が前記ＡｌＮと前記第１のエピタキシャル半導体層とにコヒーレントに成長しており、前記ゲート電極は、前記第２のエピタキシャル半導体層に接合を成すことができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上には、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられることが可能になり、これ故に、このＡｌＮ及び第１のエピタキシャル半導体層上にコヒーレントに、第２のエピタキシャル半導体層が設けられることが可能になる。この第２のエピタキシャル半導体層にゲート電極が接合を成すとき、この第２のエピタキシャル半導体層の無緩和の利用によりトランジスタ特性が向上可能である。
【００１２】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに成長されるので、転位密度１×１０８ｃｍ−２未満の第１のエピタキシャル半導体層をIII族窒化物半導体電子デバイスに提供できる。
【００１３】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が２００ｓ未満であることができる。
【００１４】
このIII族窒化物半導体電子デバイスでは、ＡｌＮ半導体表面が５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有すると共に第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに成長されるので、上記の半値全幅が２００ｓ未満であることができる。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、前記第２のエピタキシャル半導体層は二元ＡｌＮからなり、前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＮに接合を成すことができる。
【００１６】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１及び第２のエピタキシャル半導体層は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面上に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層（ＡｌＮ）が、０．５以上のアルミニウム組成を有する第１のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）に接合を成す。これらの構成を有する電子デバイスは実用的な形態である。第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）と第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＮバリア層）のＡｌ組成差を大きくでき、III族窒化物半導体電子デバイスの二次元電子ガスの濃度（Ｎｓ）を高めることができ、これ故により優れたデバイス特性が得られる。
【００１７】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、前記第２のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＧａＮに接合を成すことができる。
【００１８】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１及び第２のエピタキシャル半導体層は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面上に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）が、０．５以上のアルミニウム組成を有する第１のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）に接合を成す。これらの構成を有する電子デバイスは実用的な形態である。第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）及び第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮバリア層）によりプロセスウィンドウを広めることができる。
【００１９】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮ基板を更に備えることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、ＡｌＮ基板は、その主面に、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体面を提供できる。
【００２０】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮテンプレートを更に備えることができる。前記ＡｌＮテンプレートの転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下である。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、ＡｌＮテンプレートは、その主面に、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面を提供できる。
【００２１】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しく、前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるので、ＡｌＮのａ軸格子定数が第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しい。
【００２２】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるとき、第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しい。第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層のＡｌＮとの間に挟まれる。
【００２３】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるとき、第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しい。第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮとの間に挟まれる。
【００２４】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなるとき、以下のいずれかの形態を有することができる。これによって、５×１０７ｃm−２以下の低転位のＡｌＮ表面上にコヒーレントなＡｌＧａＮを成長できる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満であることができる。
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満であることができる。
【００２５】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスは、（ａ）ＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、（ｂ）前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、（ｃ）前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極とを備える。前記ＡｌＮの前記半導体表面の転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下であり、前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であり（０＜Ｙ＜１）、前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは以下の範囲（ａ）、範囲（ｂ）、範囲（ｃ）、範囲（ｄ）及び範囲（ｅ）のいずれかを満たす。
前記範囲（ａ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満である。
前記範囲（ｂ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満である。
前記範囲（ｃ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満である。
前記範囲（ｄ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満である。
前記範囲（ｅ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満である。
【００２６】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び第１のエピタキシャル半導体層の厚さが上記の範囲（ａ）〜範囲（ｅ）のいずれにあるとき、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上に、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられる。このIII族窒化物半導体電子デバイスは、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層を利用して、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性が向上可能である。
【００２７】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成は前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成より大きいことができる。
【００２８】
このIII族窒化物半導体電子デバイスによれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなることができる。このIII族窒化物半導体電子デバイスは、ＡｌＧａＮチャネル層を含み、ＡｌＧａＮチャネル層によりトランジスタ特性が向上可能である。
【００２９】
本発明に係るIII族窒化物半導体電子デバイスでは、前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しい。このIII族窒化物半導体電子デバイスでは、第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び第１のエピタキシャル半導体層の厚さが上記の範囲（ａ）〜範囲（ｅ）のいずれかにあるとき、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成され、これ故にＡｌＮのａ軸格子定数が第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しい。
【００３０】
本発明に係る、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法は、（ａ）５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上に、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層をコヒーレントに成長する工程と、（ｂ）第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層を前記第１のエピタキシャル半導体層の上に成長する工程と、（ｃ）前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上にゲート電極を形成する工程とを備える。前記第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きく、前記第１のIII族窒化物半導体材料は前記ＡｌＮと異なる。
【００３１】
このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法（以下、「作製方法」として参照される）によれば、第１のエピタキシャル半導体層が、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上に成長されるので、第１のエピタキシャル半導体層を緩和させることなく成長することが可能になる。また、第１のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成すように、第２のエピタキシャル半導体層を第１のエピタキシャル半導体層上に成長できる。ＡｌＮに対してコヒーレントに成長された第１のエピタキシャル半導体層を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性を向上できる。
【００３２】
本発明に係る作製方法では、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含むことができる。前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であることができる（０＜Ｚ≦１）。前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であることができる（０＜Ｙ＜１）。
【００３３】
この作製方法によれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなることができる。ＡｌＧａＮチャネル層を含むIII族窒化物半導体電子デバイスを作製可能であり、ＡｌＧａＮチャネル層によりトランジスタ特性を向上できる。
【００３４】
本発明に係る作製方法では、前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しく、前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮ及びＡｌＮのいずれか一方を含むことができる。この作製方法によれば、第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成され、これ故にＡｌＮのａ軸格子定数が第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しくなる。
【００３５】
本発明に係る、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハは、（ａ）５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層と、（ｂ）前記第１のエピタキシャル半導体層の上にコヒーレントに設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層のための第２のエピタキシャル半導体層とを備える。前記第１のエピタキシャル半導体層は第１のIII族窒化物半導体材料からなり、前記第２のエピタキシャル半導体層は第２のIII族窒化物半導体材料からなり、前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる。
【００３６】
このエピタキシャルウエハによれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面上には、第１のエピタキシャル半導体層がコヒーレントに設けられることが可能になる。第２のエピタキシャル半導体層は、第１のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成すようには第１のエピタキシャル半導体層上に設けられる。このヘテロ接合を有するエピタキシャルウエハは、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層の無緩和を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性を向上可能である。
【００３７】
本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であることができる（０＜Ｚ≦１）。前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）ことができる。
【００３８】
このエピタキシャルウエハによれば、第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなることができる。このエピタキシャルウエハは、ＡｌＧａＮチャネル層を含み、このＡｌＧａＮチャネル層により良好なトランジスタ特性をIII族窒化物半導体電子デバイスに提供可能である。
【発明の効果】
【００３９】
以上説明したように、本発明によれば、ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスが提供される。また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法が提供される。さらに、本発明によれば、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスにおけるチャネル層及びバリア層と下地ＡｌＮとの格子定数に関する関係を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を示す工程フロー図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、低転位ＡｌＮ基板上のエピ構造のための逆格子マッピング像を示す図面である。
【図６】図６は、高転位ＡｌＮテンプレート上にエピ積層のための逆格子マッピングの像を示す図面である。
【図７】図７は、ＡｌＧａＮチャネル層と下地のＡｌＮ面との関係（コヒーレント、或いは緩和している）を示す図面である。
【図８】図８は、コヒーレント成長が可能なＡｌ組成及びＡｌＧａＮ厚の関係を示す図面である。
【図９】図９は、厚さ３０ｎｍのＡｌＮバリア層及びＡｌ組成０．５５のＡｌＧａＮチャネル層を有する４種類のトランジスタの特性を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
引き続いて、添付図面を参照しながら、III族窒化物半導体電子デバイス、エピタキシャルウエハ、並びにエピタキシャルウエハ及びIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４２】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを概略的に示す図面である。III族窒化物半導体電子デバイス１１は、第１のエピタキシャル半導体層１３と、第２のエピタキシャル半導体層１５とを備える。第１のエピタキシャル半導体層１３及び第２のエピタキシャル半導体層１５は、エピタキシャル半導体積層１９に含まれている。支持基体２１はエピタキシャル半導体積層１９を搭載している。第１のエピタキシャル半導体層１３は、支持基体２１の半導体表面２１ａ上にコヒーレントに設けられる。この半導体表面２１ａは５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有し、ＡｌＮからなる。第２のエピタキシャル半導体層１５は第１のエピタキシャル半導体層１３上に設けられる。第１のエピタキシャル半導体層１３がこの半導体表面２１ａへのコヒーレントに成長することにより、第１のエピタキシャル半導体層１３は、半導体表面２１ａの格子定数に合わせて歪んでおり、緩和していない。
【００４３】
第１のエピタキシャル半導体層１３は第１のIII族窒化物半導体材料からなり、第２のエピタキシャル半導体層１５は第２のIII族窒化物半導体材料からなる。第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる。第２のエピタキシャル半導体層１５の第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは第１のエピタキシャル半導体層１３の第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きい。第１のエピタキシャル半導体層１３は第２のエピタキシャル半導体層１５にヘテロ接合２３ａを成し、ヘテロ接合２３ａに沿って二次元電子ガス層が生成される。また、第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａにヘテロ接合２３ｂを成すことができるが、第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａ上のバッファ層上に成長されることができる。
【００４４】
このIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上には、第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに設けられることが可能になる。第２のエピタキシャル半導体層１５は、第１のエピタキシャル半導体層１３にヘテロ接合２３ａを成すように第１のエピタキシャル半導体層１３上に設けられる。このヘテロ接合２３ａを有するIII族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層１３の無緩和を利用して、III族窒化物半導体電子デバイス１１のトランジスタ特性が向上可能である。
【００４５】
この半導体表面２１ａの転位密度が５×１０７ｃｍ−２以下であるとき、この半導体表面２１ａの上に成長したエピタキシャル層をコヒーレントに成長することが可能となる。これよりも高い転位密度の場合、コヒーレントに成長することは、困難である。転位密度が高い場合、半導体表面２１ａとエピタキシャル層の界面において、転位を起因とした凹凸が高い密度で発生し、緩和が起こる。
【００４６】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、チャネル層は第１のエピタキシャル半導体層１３を含み、バリア層は第２のエピタキシャル半導体層１５を含む。電極（例えばゲート電極１７）が第１及び第２のエピタキシャル半導体層１３、１５上に設けられ、一実施例では、ゲート電極１７はショットキ電極を含むことができる。ゲート電極１７は、第２のエピタキシャル半導体層１５にショットキ接触２７ｂを成すことができる。ゲート電極１７はチャネル層のキャリア濃度を制御する。
【００４７】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、チャネル層にキャリアを供給するように半導体表面２１ａ上に設けられたソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂを更に備えることができる。ソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂは、第２のエピタキシャル半導体層１５上に設けられ、第２のエピタキシャル半導体層１５の表面に接合を成す。本実施例では、ソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂは、半導体積層１９の表面１９ａに接触２７ａを成し、この接触２７ａはオーミック接触であることがよい。
【００４８】
III族窒化物半導体電子デバイス１１では、第１のIII族窒化物半導体材料がIII族構造元素としてアルミニウムを含む窒化物からなると共に、第２のIII族窒化物半導体材料がIII族構造元素としてアルミニウムを含む窒化物からなるとき、第２のIII族窒化物半導体材料のアルミニウム組成は第１のIII族窒化物半導体材料のアルミニウム組成より大きい。第１のエピタキシャル半導体層１３は例えばＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、このＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙはゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）ことができる。また、第２のエピタキシャル半導体層１５は例えばＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、このＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下である（０＜Ｚ≦１）（Ｙ＜Ｚ）ことができる。
【００４９】
このIII族窒化物半導体電子デバイス１１において、第１のエピタキシャル半導体層１３はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、第２のエピタキシャル半導体層１５はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなるとき、ＡｌＧａＮチャネル層は、ソース電極２５ａ及びドレイン電極２５ｂに電気的に接続され、このＡｌＧａＮチャネル層の利用によりトランジスタ特性を向上可能である。
【００５０】
III族窒化物半導体電子デバイス１１では、第２のエピタキシャル半導体層１５が半導体表面２１ａのＡｌＮと第１のエピタキシャル半導体層１３とにコヒーレントに成長している。このIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上には、第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに設けられることが可能になり、また第２のエピタキシャル半導体層１５がＡｌＮ及び第１のエピタキシャル半導体層１３上にコヒーレントに設けられることが可能になる。この第２のエピタキシャル半導体層１５にゲート電極１７が接合を成すことが可能になるので、この第２のエピタキシャル半導体層１５の利用によりトランジスタ特性が向上可能である。
【００５１】
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面２１ａ上への成長では、第１のエピタキシャル半導体層１３の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満であることができる。第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに成長されるので、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を第１のエピタキシャル半導体層１３に提供できる。これ故に、第１のエピタキシャル半導体層１３の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が２００ｓ未満であることができる。発明者らの実験によれば、ＡｌＮの半導体表面２１ａが５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有すると共にこの表面２１ａ上に第１のエピタキシャル半導体層１３がコヒーレントに成長されるので、上記の半値全幅が２００ｓ未満であることができる。
【００５２】
一実施例では、第１のエピタキシャル半導体層１３は三元ＡｌＧａＮからなり、第２のエピタキシャル半導体層１５は二元ＡｌＮからなることが良い。第１のエピタキシャル半導体層１３のアルミニウム組成は０．５以上であることがよく、０．５未満である場合、ＡｌＮの半導体表面２１ａが５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有していても、その上のエピタキシャル層が緩和するためである。第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮは半導体主面２１ａのＡｌＮに接合２３ｂ（ここではヘテロ接合）を成すことができる。
【００５３】
この構造は、電子デバイスの実用的な形態である。第１及び第２のエピタキシャル半導体層１３、１５は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面２１ａ上に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５のＡｌＮは０．５以上のアルミニウム組成を有する第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮに接合を成す。
【００５４】
この実施例のIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）１３と第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＮバリア層）１５とのアルミニウム組成差を大きくでき、III族窒化物半導体電子デバイス１１の二次元電子ガス濃度（Ｎｓ）を高めることができ、これ故により高いデバイス特性が得られる。
【００５５】
別の実施例では、第１のエピタキシャル半導体層１３は三元ＡｌＧａＮからなり、第２のエピタキシャル半導体層１５は三元ＡｌＧａＮからなることが良い。第１のエピタキシャル半導体層１３のアルミニウム組成は０．５以上であることが良く、第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮは半導体主面２１ａのＡｌＮに接合を成す。
【００５６】
この構造は、電子デバイスの実用的な形態である。第１及び第２のエピタキシャル半導体層１３、１５が、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面２１ａ上に設けられる。第１のエピタキシャル半導体層１３のアルミニウム組成が０．５以上であることがよく、０．５未満である場合、ＡｌＮの半導体表面２１ａが５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有していても、その上のエピタキシャル層が緩和するためである。第２のエピタキシャル半導体層（ＡｌＧａＮ）１５が第１のエピタキシャル半導体層１３のＡｌＧａＮに接合を成す。
【００５７】
この実施例のIII族窒化物半導体電子デバイス１１によれば、第１のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮチャネル層）１３及び第２のエピタキシャル半導体層（例えばＡｌＧａＮバリア層）１５の使用により、両者のともＡｌとＧａを含むエピタキシャル半導体層であるため、両者の成長条件は近く、良好なヘテロ界面を形成しやすくなる。また、プロセスウィンドウも広くすることが可能となる。これ故に、III族窒化物半導体電子デバイス１１に良好な二次元電子ガストランジスタが提供される。
【００５８】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮ基板３１を更に備えることができる。ＡｌＮ基板３１は半導体積層１９を搭載する主面３１ａを有しており、主面３１ａは５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる。ＡｌＮ基板３１は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有する単結晶ＡｌＮからなり、半導体表面２１ａを提供する。
【００５９】
III族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮテンプレート３３を更に備えることができる。ＡｌＮテンプレート３３は主面３３ａを有し、また半導体表面２１ａを提供する。ＡｌＮテンプレート３３は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ膜３５ａと、このＡｌＮ膜３５ａを搭載する支持体３５ｂとを含む。ＡｌＮテンプレート３３の主面３３ａは、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮ半導体表面を提供できる。支持体３５ｂの材料は例えばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなることができる。
【００６０】
図２の（ａ）部に示されるように、第１のエピタキシャル半導体層１３及び第２のエピタキシャル半導体層１５はＡｌＮの表面２１ａの法線方向（例えば、ＡｌＮのｃ軸の方向）に配列されている。第１のエピタキシャル半導体層１３が法線方向にコヒーレント成長で形成されるので、下地のＡｌＮのａ軸格子定数Ｌ０（ＡｌＮ）と第１のエピタキシャル半導体層１３のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数Ｌ１３（ＡｌＧａＮ）は等しい。
【００６１】
第２のエピタキシャル半導体層１５がＡｌＮからなることができる。このとき、第２のエピタキシャル半導体層１５が半導体表面２１ａのＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるときには、ａ軸格子定数Ｌ１３（ＡｌＧａＮ）と第２のエピタキシャル半導体層１５のa軸格子定数Ｌ１５（ＡｌＮ）は等しくなる。第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａのＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層１５のＡｌＮとの間に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５の歪みは第１のエピタキシャル半導体層１３に内包される歪みに比べて非常に小さい。
【００６２】
第２のエピタキシャル半導体層１５はＡｌＧａＮからなることができる。このとき、第２のエピタキシャル半導体層１５が半導体表面２１ａのＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるときには、ａ軸格子定数Ｌ１３（ＡｌＧａＮ）は第２のエピタキシャル半導体層１５のa軸格子定数Ｌ１５（ＡｌＧａＮ）に等しくなる。第１のエピタキシャル半導体層１３は半導体表面２１ａのＡｌＮと第２のエピタキシャル半導体層１５のＡｌＧａＮとの間に設けられる。第２のエピタキシャル半導体層１５は第１のエピタキシャル半導体層１３に内包される歪みに比べて小さい。
【００６３】
次いで、より具体的な形態について説明する。第１のエピタキシャル半導体層１３がＡｌＧａＮからなるとき、以下の形態及び範囲を有することができる。これによって、５×１０７ｃm−２以下の低転位といったＡｌＮ表面上にコヒーレントなＡｌＧａＮを成長できる。第１のエピタキシャル半導体層１３はアルミニウム組成Ｙ及び厚さＤ１３を有する。
範囲（ａ）：アルミニウム組成Ｙが０．５以上であり、厚さＤ１３が１５０ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｂ）：アルミニウム組成Ｙが０．５５以上であり、厚さＤ１３が３００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｃ）：アルミニウム組成Ｙが０．６０以上であり、厚さＤ１３が５００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｄ）：アルミニウム組成Ｙが０．７０以上であり、厚さＤ１３が１０００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｅ）：アルミニウム組成Ｙが０．７５以上であり、厚さＤ１３が２０００ｎｍ未満であることができる。
第１のエピタキシャル半導体層１３が上記のいずれかの形態におけるアルミニウム組成Ｙ及び厚さＤ１３を有するとき、第１のエピタキシャル半導体層１３は、５×１０７ｃm−２以下の低転位の半導体表面２１ａ上においてコヒーレントな状態に維持され、従って格子緩和が第１のエピタキシャル半導体層１３に生成されていない。このIII族窒化物半導体電子デバイス１１は、ＡｌＮに対してコヒーレントに設けられた第１のエピタキシャル半導体層１３を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性が向上可能である。
【００６４】
図２の（ｂ）部に示されるように、エピタキシャル半導体層３及びエピタキシャル半導体層５はＡｌＮの表面１ａの法線方向（例えば、ＡｌＮのｃ軸の方向）に配列されている。エピタキシャル半導体層３、５が、１×１０９ｃｍ−２程度の転位密度のＡｌＮ上に成長される。エピタキシャル半導体層３が法線方向に格子緩和しながら成長されるので、ＡｌＮのａ軸格子定数Ｌ１（ＡｌＮ）はエピタキシャル半導体層３のａ軸格子定数Ｌ３（ＡｌＧａＮ）と異なる。なお、エピタキシャル半導体層５のａ軸格子定数Ｌ５（ＡｌＮ）はエピタキシャル半導体層３のａ軸格子定数Ｌ３（ＡｌＧａＮ）と同じになる。このIII族窒化物半導体電子デバイス２は、高転位密度のＡｌＮ表面１ａに対して緩和して設けられたエピタキシャル半導体層３に起因して、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性は、最大ドレイン電流やゲートリーク電流特性の点で劣ったものになる。
【００６５】
図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を示す工程フロー図である。図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法及びエピタキシャルウエハを作製する方法おける主要な工程を模式的に示す図面である。
【００６６】
工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体電子デバイスの作製に使用する基板を準備する。この基板は、図４の（ａ）部においては、符号４１として参照される。基板４１は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面４１ａを有する。基板４１としては、既に説明したように、ＡｌＮ単結晶基板やＡｌＮテンプレートを用いることができる。半導体表面４１ａの面方位は典型的には｛０００１｝面であることができる。
【００６７】
工程Ｓ１０２では、図４の（ａ）部に示されるように、この基板４１を反応炉１０ａに配置した後に、基板４１のＡｌＮ表面４１ａに熱処理を行う。ＡｌＮ表面４１ａの熱処理は、例えばアンモニア雰囲気中で行われ、熱処理温度は例えば摂氏１０５０度であることができる。その後、反応炉１０ａでは、例えば有機金属気相成長法により結晶成長が行われる。
【００６８】
工程Ｓ１０３では、図４の（ｂ）部に示されるように、反応炉１０ａで、チャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層４３を半導体表面４１ａ上に対してコヒーレントに成長する。半導体表面４１ａは、工程Ｓ１０２におけるサーマルクリーニングにより清浄化されており、清浄化されたＡｌＮ表面は、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有する。第１のエピタキシャル半導体層４３は、例えばIII族構成元素としてアルミニウムを含む第１のIII族窒化物半導体材料からなることができ、また基板４１のＡｌＮと異なる。第１のエピタキシャル半導体層４３は、例えばアンドープＡｌＧａＮからなる。第１のエピタキシャル半導体層４３の厚さの範囲及びＡｌ組成の範囲は、以下に示すとおりである。
第１のエピタキシャル半導体層１３はアルミニウム組成Ｙ及び厚さＤ１３を有する。
範囲（ａ）：アルミニウム組成Ｙが０．５以上であり、厚さＤ１３が１５０ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｂ）：アルミニウム組成Ｙが０．５５以上であり、厚さＤ１３が３００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｃ）：アルミニウム組成Ｙが０．６０以上であり、厚さＤ１３が５００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｄ）：アルミニウム組成Ｙが０．７０以上であり、厚さＤ１３が１０００ｎｍ未満であることができる。
範囲（ｅ）：アルミニウム組成Ｙが０．７５以上であり、厚さＤ１３が２０００ｎｍ未満であることができる。
第１のエピタキシャル半導体層４３がコヒーレント態様の成長であるので、第１のエピタキシャル半導体層４３は格子緩和無しに、第１のエピタキシャル半導体層４３のＡｌＧａＮのＡｌ組成と下地のＡｌＮとのＡｌ組成差に応じた歪を内包する。この歪は緩和されていない。
【００６９】
工程Ｓ１０４では、図４の（ｃ）部に示されるように、バリア層のための第２のエピタキシャル半導体層４５を第１のエピタキシャル半導体層４３上に反応炉１０ａで成長する。第２のエピタキシャル半導体層４５は第２のIII族窒化物半導体材料からなり、第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは、第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きい。第２のエピタキシャル半導体層４５は、例えばIII族構成元素としてアルミニウムを含む第２のIII族窒化物半導体材料からなることができ、例えばアンドープＡｌＧａＮ、アンドープＡｌＮ、ＳｉドープＡｌＧａＮ、又はＳｉドープＡｌＮからなることができる。第２のエピタキシャル半導体層４５の厚さの範囲は、例えば５ｎｍ以上であり、５０ｎｍ以下であることができる。第２のエピタキシャル半導体層４５のＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成は、例えば第１のエピタキシャル半導体層４３のＡｌ組成より０．１以上大きく、１以下であることができる。第２のエピタキシャル半導体層４５がコヒーレント態様の成長になるので、第２のエピタキシャル半導体層４５は格子緩和無しに、第２のエピタキシャル半導体層４５のＡｌＧａＮのＡｌ組成と下地のＡｌＮとのＡｌ組成差に応じた歪を内包する。この歪は緩和されていない。
【００７０】
工程Ｓ１０５では、工程Ｓ１０２〜工程Ｓ１０４までのエピ成長により作成されたエピタキシャル基板Ｅを反応炉１０ａから取り出す。上記の作製方法において、第１のエピタキシャル半導体層４３及び第２のエピタキシャル半導体層４５はＡｌＮ表面４１ａの法線方向に配列されており、本実施例では、表面４１ａを提供するＡｌＮのｃ軸の方向に順に成長される。第１のエピタキシャル半導体層４３がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるので、第１のIII族窒化物半導体材料４３のａ軸格子定数がＡｌＮのａ軸格子定数に等しい。第２のエピタキシャル半導体層４５がＡｌＮのｃ軸の方向にコヒーレント成長で形成されるとき、第２のIII族窒化物半導体材料４５の第２のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数がＡｌＮのａ軸格子定数に等しくなる。
【００７１】
エピタキシャルウエハＥは、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面４１ａ上にコヒーレントに設けられ、チャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層４３と、第１のエピタキシャル半導体層４３上にコヒーレントに設けられバリア層のための第２のエピタキシャル半導体層４３とを備える。
【００７２】
工程Ｓ１０６では、エピタキシャル基板Ｅ上に電極を形成する。この電極の形成では。ゲート電極を形成すると共にソース電極及びドレイン電極を形成する。ゲート電極の材料は例えばＮｉ／Ａｕ等であり、ソース電極及びドレイン電極の材料は例えばＴｉ／Ａｌ、Ｚｒ／Ａｌ等である。これらの電極の作製方法としては、例えば蒸着により金属膜の成長とリフトオフによるパターン形成を用いる。ソース電極・ドレイン電極の場合は、オーミック接合形成のため、合金化を行うことが好ましい。
【００７３】
この作製方法によれば、第１のエピタキシャル半導体層４３が、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面４１ａ上に成長されるので、第１のエピタキシャル半導体層４３はコヒーレントに設けられることが可能になる。また、第２のエピタキシャル半導体層４５は、第１のエピタキシャル半導体層４３にヘテロ接合を成すようには第１のエピタキシャル半導体層４３上に成長される。ＡｌＮに対してコヒーレントに成長された第１のエピタキシャル半導体層４３を用いて、III族窒化物半導体電子デバイスのトランジスタ特性を向上できる。
【００７４】
（実施例１）
・低転位のＡｌＮ基板を用意する。ＡｌＮ基板の特性の一例。
厚み：４００μｍ。
転位密度：５×１０７ｃｍ−２。
Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅：（０００２）面で６６秒、（１０−１２）面で７６秒。ここで、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。
・意図的に転位密度を大きく形成したＡｌＮテンプレートを用意する。ＡｌＮテンプレートはサファイア基板上に成長される。ＡｌＮテンプレートは、ＭＯＶＰＥ法を用いて、摂氏１３００度の成長温度で成長される。
テンプレートの厚み：１μｍ。
転位密度：１×１０９ｃｍ−２。
Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅：（０００２）面で２８１秒、（１０−１２）面で６２３秒。ここで、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。
【００７５】
低転位ＡｌＮ基板及び高転位ＡｌＮテンプレートを反応炉にセットした後に、摂氏１０５０度の温度及びアンモニア雰囲気中で、これらの熱処理を行う。この後、摂氏１０５０度で、厚さ５００ｎｍのＡｌＮ膜をバッファ層として成長する。その後に、厚さ３００ｎｍ及びＡｌ組成０．７５のＡｌＧａＮ膜をチャネル層として成長し、次いで、摂氏１０５０度で、厚さ３０ｎｍのＡｌＮ膜をバリア層として成長して、エピ基板を作製する。また、上記のエピ基板に加えて、厚さ１５０ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍのＡｌＧａＮ膜をチャネル層として有するエピ基板を低転位ＡｌＮ基板及び高転位ＡｌＮテンプレートを用いて作製する。
【００７６】
高転位ＡｌＮテンプレート上のエピ構造及び低転位ＡｌＮ基板上のエピ構造について、逆格子マッピングの測定を行う。図５は、低転位ＡｌＮ基板上のエピ積層したときの逆格子マッピング像を示す。図６は、高転位ＡｌＮテンプレート上にエピ積層したときの逆格子マッピング像を示す。図５及び図６では、ＡｌＮ・ＡｌＧａＮの（２０−２４）面における逆格子マッピング像が測定される。図５に示されるように、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、２つの信号ピーク（ＳＰ０（ＡｌＮ）及びＳＰ０（ＡｌＧａＮ））がラインＬ０上に整列しているので、低転位ＡｌＮ単結晶基板のＡｌＧａＮ膜に緩和は観察されない。図５において、ラインＯＢは完全緩和を示し、完全緩和のときＡｌＮからの信号ピークとＡｌＧａＮからの信号ピークがラインＯＢ上に整列される。一方、図６に示されるように、高転位ＡｌＮテンプレートのエピ構造では、２つの信号ピーク（ＳＰＲ（ＡｌＮ）及びＳＰＲ（ＡｌＧａＮ））がラインＬ０上に整列していないので、高転位ＡｌＮテンプレート上のＡｌＧａＮ膜に若干の緩和が観察される。したがって、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、低転位のＡｌＮ表面上にＡｌＧａＮ膜のコヒーレントな成長が実現されている。しかしながら、高転位ＡｌＮテンプレート上のＡｌＧａＮ膜ではコヒーレントな成長が実現されていない。
【００７７】
厚さ１５０ｎｍ、５０ｎｍ、２０ｎｍのＡｌＧａＮ膜をチャネル層として有するエピ基板についても逆格子マッピング像を測定するとき、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、低転位のＡｌＮ表面上にＡｌＧａＮ膜のコヒーレントな成長が実現されているけれども、高転位ＡｌＮテンプレート上のＡｌＧａＮ膜ではコヒーレントな成長が実現されていない。ＡｌＧａＮ膜の厚みが薄いときには、ＡｌＮテンプレート上のエピ構造において緩和の程度は小さいけれども、コヒーレント成長は達成されていない。
【００７８】
以上説明したように、低転位ＡｌＮ単結晶基板のエピ構造では、ＡｌＧａＮ膜のコヒーレントな成長が可能である。
【００７９】
（実施例２）
低転位のＡｌＮ基板を用意する。ＡｌＮ基板の特性の一例。
厚み：４００μｍ。
転位密度：５×１０７ｃｍ−２。
Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅：（０００２）面で６６秒、（１０−１２）面で７６秒。ここで、Ｘ線ロッキングカーブの半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。
このＡｌＮ基板を反応炉にセットした後に、摂氏１０５０度の温度及びアンモニア雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理の後に、ＡｌＮ膜（成長温度１０５０度、厚さ５００ｎｍ）を成長する。このＡｌＮ膜上に、ＡｌＧａＮ膜（成長温度１０５０度、Ａｌ組成Ｙパーセント、厚さＸｎｍ）をチャネル層として成長する。このＡｌＧａＮ膜上に、ＡｌＮ膜（成長温度１０５０度、厚さ３０ｎｍ）をバリア層として成長する。これらの工程によりエピタキシャル基板を作製する。これらのエピタキシャル基板について、（２０−２４）面の逆格子マッピングの測定を行う。図７は、ＡｌＧａＮチャネル層と下地のＡｌＮ面との関係（コヒーレント、或いは緩和している）を示す図面である。図７において、クロス印は「緩和」を示し、丸印は「コヒーレント」を示す。図８は、コヒーレント成長が可能なＡｌ組成及びＡｌＧａＮ厚の関係を示す図面である。
【００８０】
５点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５で示される値を以下に示す。
点Ｐ１：Ａｌ組成が０．５０であり、ＡｌＧａＮ厚が１５０ｎｍである。
点Ｐ２：Ａｌ組成が０．５５であり、ＡｌＧａＮ厚が３００ｎｍである。
点Ｐ３：Ａｌ組成が０．６０であり、ＡｌＧａＮ厚が５００ｎｍである。
点Ｐ４：Ａｌ組成が０．７０であり、ＡｌＧａＮ厚が１０００ｎｍである。
点Ｐ５：Ａｌ組成が０．７５であり、ＡｌＧａＮ厚が２０００ｎｍである。
【００８１】
「コヒーレント」の達成が可能の範囲の一例を以下に示す。
範囲１：Ａｌ組成Ｙが０．５以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが１５０ｎｍ未満である。
範囲２：Ａｌ組成Ｙが０．５５以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが３００ｎｍ未満である。
範囲３：Ａｌ組成Ｙが０．６０以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが５００ｎｍ未満である。
範囲４：Ａｌ組成Ｙが０．７０以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが１０００ｎｍ未満である。
範囲５：Ａｌ組成Ｙが０．７５以上であるとき、ＡｌＧａＮ厚さＸが２０００ｎｍ未満である。
【００８２】
これらの実験の詳細な検討によれば、これらの範囲に限定されることなく、図８のように、上記の点Ｐ１〜Ｐ５のうち隣接する２点を繋ぐ近似線を導くことができる。
【００８３】
このように、５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有する低転位ＡｌＮ上に、上記実験により示されるＡｌＧａＮチャネル層の厚み及び組成で、ＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴエピを成長するとき、ＡｌＧａＮチャネル層をコヒーレントに成長することが可能となる。また、ＡｌＮバリア層あるいはＡｌＧａＮバリア層もコヒーレントに成長することが可能となる。
【００８４】
（実施例３）
上記のようにコヒーレントに成長されたＡｌＧａＮチャネル層を含む高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のトランジスタ特性を測定する。
図９は、厚さ３０ｎｍのＡｌＮバリア層及び０．５５のＡｌ組成のＡｌＧａＮチャネル層を有する４種類のトランジスタの特性を示す。
トランジスタＡ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ１５０ｎｍ。
トランジスタＢ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ３００ｎｍ。
トランジスタＣ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ５００ｎｍ。
トランジスタＤ：ＡｌＧａＮチャネル層の厚さ１０００ｎｍ。
これらのトランジスタＡ〜Ｄのためのエピタキシャル基板について、（２０−２４）面の逆格子マッピング測定を行う。これらの逆格子マッピング像からＡｌＮ層に対するＡｌＧａＮチャネル層の緩和の有無を判定する。また、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮチャネル層の転位密度を測定する。さらに、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮチャネル層のＸＲＣ半値全幅（（０００２）面及び（１０−１２）面）の測定を行う。ここで、ＸＲＣ半値全幅において、スリット幅は０．２ｍｍ×０．５ｍｍである。これらのトランジスタＡ〜Ｄにおいて最大ドレイン電流密度及びゲートリーク電流密度を測定する。トランジスタＡ及びＢについては、最大ドレイン電流密度が１００ｍＡ／ｍｍ以上であり、ゲートリーク電流密度が１０ｎＡ／ｍｍ以下である。一方、トランジスタＣ及びＤについては、最大ドレイン電流密度が６３ｎＡ／ｍｍ未満であり、ゲートリーク電流密度が１．３μＡ／ｍｍ以上である。このように、緩和／コヒーレントに応じて、最大ドレイン電流密度及びゲートリーク電流密度といったトランジスタ特性が大きく変化する。本実験及び他の実験の結果から、ＡｌＧａＮチャネル層がＡｌＮ面にコヒーレントに成長されるとき、ＡｌＧａＮチャネル層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満である。ＡｌＧａＮチャネル層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が２００ｓ未満である。
【００８５】
上記の実験、及び追加の実験から、ＡｌＧａＮチャネル層の結晶品質については、ＡｌＧａＮチャネル層の緩和が起こらない範囲において、ある程度の厚みを有している方が結晶品質が向上し、より優れたデバイス特性が実現可能となる。厚いＡｌＧａＮチャネル層は、下地ＡｌＮからの不純物の影響等を低減可能である。図９を参照すると、トランジスタＢのためのＡｌＧａＮチャネル層の品質（転位密度やＸＲＣ半値全幅）はトランジスタＡのためのＡｌＧａＮチャネル層の品質より優れる。また、トランジスタＢの特性はトランジスタＡの特性より優れる。トランジスタＡ及びＢをトランジスタＣ及びＤと比較するとき、ＨＥＭＴエピ構造においてコヒーレントなＡｌＧａＮチャネル層の優位性が示される。
【００８６】
実施例１〜３に示されるように、下地ＡｌＮに対し、コヒーレントなＡｌＧａＮチャネル層を有するＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴを作製することによって、ＡｌＧａＮチャネルＨＥＭＴの特性を大幅に向上させることが可能となる。
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本実施の形態によれば、ＡｌＮからなる半導体表面上に設けられると共に向上されたトランジスタ特性を有するIII族窒化物半導体電子デバイスが提供される。また、本実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法が提供される。さらに、本実施の形態によれば、III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハが提供される。
【符号の説明】
【００８８】
１１…III族窒化物半導体電子デバイス、１３…第１のエピタキシャル半導体層、１５…第２のエピタキシャル半導体層、１７…ゲート電極、２１ａ…半導体表面、２３ａ…ヘテロ接合、２３ｂ…接合、２５ａ…ソース電極、２５ｂ…ドレイン電極、１９…半導体積層、２７ａ…接触（オーミック接触）、２７ｂ…ショットキ接触、３１…ＡｌＮ基板、３３…ＡｌＮテンプレート。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体電子デバイスであって、
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、
前記第１のエピタキシャル半導体層の上にコヒーレントに設けられ、第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、
前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記第１のエピタキシャル半導体層は前記第２のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成し、
前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる、III族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であり（０＜Ｙ＜１）、
前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成は前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成より大きく、
当該III族窒化物半導体電子デバイスは、前記チャネル層にキャリアを供給するように前記半導体表面の上に設けられたソース電極及びドレイン電極を更に備える、請求項１に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項３】
前記第２のエピタキシャル半導体層が前記ＡｌＮと前記第１のエピタキシャル半導体層とにコヒーレントに成長されており、
前記ゲート電極は、前記第２のエピタキシャル半導体層に接合を成す、請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項４】
前記第１のエピタキシャル半導体層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項５】
前記第１のエピタキシャル半導体層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が、２００ｓ未満である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項６】
前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、
前記第２のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＮに接合を成す、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項７】
前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、
前記第２のエピタキシャル半導体層は二元ＡｌＮからなり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＮに接合を成す、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項８】
前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮ基板を更に備える、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項９】
前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮテンプレートを更に備え、
前記ＡｌＮテンプレートの転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１０】
前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、
前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しく、
前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１１】
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、
前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮからなる、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１２】
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、
前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなる、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１３】
前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１４】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１５】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１６】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１７】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１８】
III族窒化物半導体電子デバイスであって、
ＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、
前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、
前記第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記ＡｌＮの前記半導体表面の転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下であり、
前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であり（０＜Ｙ＜１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは以下の範囲（ａ）、範囲（ｂ）、範囲（ｃ）、範囲（ｄ）及び範囲（ｅ）のいずれかを満たし、
前記範囲（ａ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｂ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｃ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｄ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｅ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満である、III族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１９】
前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚは前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙより大きい、請求項１８に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項２０】
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は、前記ＡｌＮのａ軸格子定数に等しい、請求項１８又は請求項１９に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項２１】
III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法であって、
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上に、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層をコヒーレントに成長する工程と、
第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層を前記第１のエピタキシャル半導体層の上に成長する工程と、
前記第２のエピタキシャル半導体層の上にゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きく、
前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法。
【請求項２２】
前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙはゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）、請求項２１に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法。
【請求項２３】
前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は、前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は、前記ＡｌＮのａ軸格子定数に等しく、
前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮ及びＡｌＮのいずれか一方を含む、請求項２１又は請求項２２に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法。
【請求項２４】
III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハであって、
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上にコヒーレントに設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層と、
前記第１のエピタキシャル半導体層の上に設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層のための第２のエピタキシャル半導体層と、
を備え、
前記第１のエピタキシャル半導体層は第１のIII族窒化物半導体材料からなり、
前記第２のエピタキシャル半導体層は第２のIII族窒化物半導体材料からなり、
前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる、エピタキシャルウエハ。
【請求項２５】
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙはゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）、請求項２４に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１】
III族窒化物半導体電子デバイスであって、
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有しＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、
前記第１のエピタキシャル半導体層の上にコヒーレントに設けられ、第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、
前記第１及び第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記第１のエピタキシャル半導体層は前記第２のエピタキシャル半導体層にヘテロ接合を成し、
前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる、III族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であり（０＜Ｙ＜１）、
前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成は前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成より大きく、
当該III族窒化物半導体電子デバイスは、前記チャネル層にキャリアを供給するように前記半導体表面の上に設けられたソース電極及びドレイン電極を更に備える、請求項１に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項３】
前記第２のエピタキシャル半導体層が前記ＡｌＮと前記第１のエピタキシャル半導体層とにコヒーレントに成長されており、
前記ゲート電極は、前記第２のエピタキシャル半導体層に接合を成す、請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項４】
前記第１のエピタキシャル半導体層の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項５】
前記第１のエピタキシャル半導体層の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅が、２００ｓ未満である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項６】
前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、
前記第２のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＮに接合を成す、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項７】
前記第１のエピタキシャル半導体層は三元ＡｌＧａＮからなり、
前記第２のエピタキシャル半導体層は二元ＡｌＮからなり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のＡｌＧａＮは前記半導体表面の前記ＡｌＮに接合を成す、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項８】
前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮ基板を更に備える、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項９】
前記半導体表面を提供する主面を有するＡｌＮテンプレートを更に備え、
前記ＡｌＮテンプレートの転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１０】
前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、
前記ＡｌＮのａ軸格子定数は前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数に等しく、
前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１１】
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、
前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＮからなる、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１２】
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は前記第２のIII族窒化物半導体材料のa軸格子定数に等しく、
前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなる、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１３】
前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮからなり、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１４】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１５】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１６】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１７】
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成は０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満である、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１８】
III族窒化物半導体電子デバイスであって、
ＡｌＮからなる半導体表面の上に設けられ、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層と、
前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層と、
前記第２のエピタキシャル半導体層の上に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記ＡｌＮの前記半導体表面の転位密度は５×１０７ｃｍ−２以下であり、
前記第１のエピタキシャル半導体層がＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１未満であり（０＜Ｙ＜１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成及び前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは以下の範囲（ａ）、範囲（ｂ）、範囲（ｃ）、範囲（ｄ）及び範囲（ｅ）のいずれかを満たし、
前記範囲（ａ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１５０ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｂ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．５５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは３００ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｃ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．６０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは５００ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｄ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．７０以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは１０００ｎｍ未満であり；
前記範囲（ｅ）：前記第１のエピタキシャル半導体層のアルミニウム組成Ｙは０．７５以上であり、前記第１のエピタキシャル半導体層の厚さは２０００ｎｍ未満である、III族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項１９】
前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成はゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚは前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙより大きい、請求項１８に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項２０】
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は、前記ＡｌＮのａ軸格子定数に等しい、請求項１８又は請求項１９に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイス。
【請求項２１】
III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法であって、
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上に、第１のIII族窒化物半導体材料からなる第１のエピタキシャル半導体層をコヒーレントに成長する工程と、
第２のIII族窒化物半導体材料からなる第２のエピタキシャル半導体層を前記第１のエピタキシャル半導体層の上に成長する工程と、
前記第２のエピタキシャル半導体層の上にゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記第２のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップは、前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きく、
前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる、III族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法。
【請求項２２】
前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層は前記第１のエピタキシャル半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層は前記第２のエピタキシャル半導体層を含み、
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙはゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）、請求項２１に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法。
【請求項２３】
前記第１のエピタキシャル半導体層及び前記第２のエピタキシャル半導体層は、前記ＡｌＮのｃ軸の方向に配列されており、
前記第１のIII族窒化物半導体材料のａ軸格子定数は、前記ＡｌＮのａ軸格子定数に等しく、
前記第２のエピタキシャル半導体層がＡｌＧａＮ及びＡｌＮのいずれか一方を含む、請求項２１又は請求項２２に記載されたIII族窒化物半導体電子デバイスを作製する方法。
【請求項２４】
III族窒化物半導体電子デバイスのためのエピタキシャルウエハであって、
５×１０７ｃｍ−２以下の転位密度を有するＡｌＮからなる半導体表面の上にコヒーレントに設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのチャネル層のための第１のエピタキシャル半導体層と、
前記第１のエピタキシャル半導体層の上に設けられ、前記III族窒化物半導体電子デバイスのバリア層のための第２のエピタキシャル半導体層と、
を備え、
前記第１のエピタキシャル半導体層は第１のIII族窒化物半導体材料からなり、
前記第２のエピタキシャル半導体層は第２のIII族窒化物半導体材料からなり、
前記第２のIII族窒化物半導体材料は前記第１のIII族窒化物半導体材料のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
前記第１のIII族窒化物半導体材料はＡｌＮと異なる、エピタキシャルウエハ。
【請求項２５】
前記第２のエピタキシャル半導体層はＡｌＺＧａ１−ＺＮからなると共に、前記ＡｌＺＧａ１−ＺＮのアルミニウム組成Ｚはゼロより大きく１以下であり（０＜Ｚ≦１）、
前記第１のエピタキシャル半導体層はＡｌＹＧａ１−ＹＮからなると共に、前記ＡｌＹＧａ１−ＹＮのアルミニウム組成Ｙはゼロより大きく１未満である（０＜Ｙ＜１）、請求項２４に記載されたエピタキシャルウエハ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−９３３８４（Ｐ２０１３−９３３８４Ａ）
【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２０１１−２３３２４４（Ｐ２０１１−２３３２４４）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合研究機構「ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造技術開発−窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術の開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【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２４日（２０１１．１０．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合研究機構「ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造技術開発−窒化物系化合物半導体基板・エピタキシャル成長技術の開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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