JP2012199398A

JP2012199398A - 複合ＧａＮ基板およびその製造方法、ならびにＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2012199398A
Application number: JP2011062795A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kiyama; 誠木山; Hideki Matsubara; 秀樹松原; Takuji Okahisa; 拓司岡久
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-10-18
Also published as: US20130175543A1; EP2701184A1; CN103180935A; WO2012127738A9; EP2701184A4; WO2012127738A1

Abstract

【課題】高特性かつ手頃な価格の複合ＧａＮ基板およびその製造方法ならびにＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本複合ＧａＮ基板１は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板１０と、導電性ＧａＮ基板１０上に配置された比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層２０と、を含む。本ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２は、上記の複合ＧａＮ基板１と、複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０上に配置された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層３０と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスに好適に用いられる複合ＧａＮ基板およびその製造方法、ならびにその複合ＧａＮ基板を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

近年、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、光デバイスのみならず、ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ、以下同じ。）などの電子デバイスなどにも広く適用されている。

たとえば、山田ら、「ＧａＮ−ＨＥＭＴエピ構造最適化によるオフ電流低減」，信学技報，ＥＤ２００９−４８，電気情報通信学会，２００９年６月，ｐｐ６３−６７（非特許文献１）は、半絶縁性のＳｉＣ基板上にｉ−ＧａＮ層、ｎ−ＡｌＧａＮ層およびｎ−ＧａＮ層が順次形成されたＨＥＭＴを開示する。また、K. K. Chu et al, “9.4-W/mm Power Density AlGaN-GaN HEMTs on Free-Standing GaN Substrates”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Institute of Electrical and Electronic Engineers, VOL. 25, NO. 9, SEPTEMBER 2004, pp596-598（非特許文献２）は、半絶縁性の自立ＧａＮ基板上にＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層が順次形成されたＨＥＭＴを開示する。

山田ら、「ＧａＮ−ＨＥＭＴエピ構造最適化によるオフ電流低減」，信学技報，ＥＤ２００９−４８，電気情報通信学会，２００９年６月，ｐｐ６３−６７ K. K. Chu et al, "9.4-W/mm Power Density AlGaN-GaN HEMTs on Free-Standing GaN Substrates", IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Institute of Electrical and Electronic Engineers, VOL. 25, NO. 9, SEPTEMBER 2004, pp596-598

しかし、山田ら、「ＧａＮ−ＨＥＭＴエピ構造最適化によるオフ電流低減」，信学技報，ＥＤ２００９−４８，電気情報通信学会，２００９年６月，ｐｐ６３−６７（非特許文献１）に開示された半絶縁性ＳｉＣ基板上に形成されたＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層を含むＨＥＭＴは、ＳｉＣ基板とＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層との間の結晶格子の不整合に起因した欠陥が多いため、電流ドリフトなどの不良が顕著であるという問題点があった。

また、K. K. Chu et al, “9.4-W/mm Power Density AlGaN-GaN HEMTs on Free-Standing GaN Substrates”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Institute of Electrical and Electronic Engineers, VOL. 25, NO. 9, SEPTEMBER 2004, pp596-598（非特許文献２）に開示された半絶縁性ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層を含むＨＥＭＴは、ＧａＮ基板とＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層との間の結晶格子の整合性が高いため欠陥が少なく電流ドリフトなどの不良が少ないが、半絶縁性ＧａＮ基板が極めて高価であるためＨＥＭＴが高価になるという問題点があった。

そこで、本発明は、高特性かつ手頃な価格の複合ＧａＮ基板およびその製造方法ならびにＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板と、導電性ＧａＮ基板上に配置された比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層と、を含む複合ＧａＮ基板である。

本発明にかかる複合ＧａＮ基板において、半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ、Ｆｅ、ＣｒおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つの原子を含むことができる。また、半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ原子を含み、Ｃ原子の濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とすることができる。

また、本発明は、上記の複合ＧａＮ基板と、複合ＧａＮ基板の半絶縁性ＧａＮ層上に配置された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスである。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおいて、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、電子走行層と電子供給層とを含むことができる。

また、本発明は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板を準備する工程と、導電性ＧａＮ基板上に、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法により、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層を成長させる工程と、を含む複合ＧａＮ基板の製造方法である。

本発明にかかる複合ＧａＮ基板の製造方法において、半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ、Ｆｅ、ＣｒおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つの原子を含むことができる。また、半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ原子を含み、Ｃ原子の濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とすることができる。

また、本発明は、上記の複合ＧａＮ基板の製造方法により得られる複合ＧａＮ基板を準備する工程と、複合ＧａＮ基板の半絶縁性ＧａＮ層上に、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法およびＭＢＥ（分子線成長）法の少なくともいずれかの方法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる工程と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法である。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法において、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、電子走行層と電子供給層とを含むことができる。

本発明によれば、高特性かつ手頃な価格の複合ＧａＮ基板およびその製造方法ならびにＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供することができる。

本発明にかかる複合ＧａＮ基板の一例を示す概略断面図である。本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの一例を示す概略断面図である。本発明にかかる複合ＧａＮ基板およびＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法の一例を示す概略断面図である。典型的なＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの一例を示す概略断面図である。

［実施形態１：複合ＧａＮ基板］
図１を参照して、本発明の一実施形態である複合ＧａＮ基板１は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板１０と、導電性ＧａＮ基板１０上に配置された比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層２０と、を含む。本実施形態の複合ＧａＮ基板１は、上記の導電性ＧａＮ基板１０と半絶縁性ＧａＮ層２０とを含む構成とすることにより、手頃な価格の基板とすることができ、また、半絶縁性ＧａＮ層２０上に結晶品質のよい少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることができるため、高特性かつ手頃な価格のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを好適に製造することができる。

（導電性ＧａＮ基板）
本実施形態の複合ＧａＮ基板１における導電性ＧａＮ基板１０は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の単結晶である。ここで、導電性ＧａＮ基板１０の比抵抗は、ｖａｎｄｅｒＰａｕｗ法などにより、測定することができる。
また、かかる導電性ＧａＮ基板を得る方法は、特に制限はないが、結晶品質のよい基板を得る観点から、単結晶基板の場合は、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法などの気相法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などの方法が好適である。

また、導電性ＧａＮ基板１０には、一般的に、ドナー性不純物が添加されている。たとえば、導電性ＧａＮ基板１０は、その比抵抗を低減する観点から、ドナー性不純物として、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅなどの原子を含むことができる。

（半絶縁性ＧａＮ層）
本実施形態の複合ＧａＮ基板１における半絶縁性ＧａＮ層２０は、半導体デバイスとしてＨＥＭＴなどの電子デバイスを好適に形成する観点から、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上であることが必要である。

半絶縁性ＧａＮ層２０は、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上であれば特に制限はないが、比抵抗１×１０⁴Ωｃｍ以上の半絶縁性が効率的に得られる観点から、Ｃ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇ、Ｚｎなどの不純物の原子を含むことが好ましい。さらに、安定に上記の半絶縁性が得られる観点から、半絶縁性ＧａＮ層２０は、不純物としてＣ、Ｆｅ、ＣｒおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つの原子を含むことが好ましい。さらに、半絶縁性ＧａＮ層２０に含まれる不純物が、導電性ＧａＮ基板１０ならびに半絶縁性ＧａＮ層２０上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層に拡散するのを抑制する観点から、半絶縁性ＧａＮ層２０は、不純物としてＣ原子を含み、そのＣ原子の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることがより好ましい。Ｃ原子の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3より低いと比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上の高抵抗の半絶縁性ＧａＮ層２０を得ることが困難となり、Ｃ原子の濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3より高いと半絶縁性ＧａＮ層２０の結晶品質が低下する。

また、上記の半絶縁性ＧａＮ層２０を形成する方法は、特に制限はないが、結晶品質のよい基板を得る観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、昇華法などの気相法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などの方法が好適であり、これらの方法の中で、厚い層を形成するのが有利な観点から、結晶品質が高く結晶成長速度が高いＨＶＰＥ法が特に好適である。

［実施形態２：ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス］
図２を参照して、本発明にかかる別の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２は、実施形態１の複合ＧａＮ基板１と、複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０上に配置された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層３０と、を含む。本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２は、実施形態１の複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０上に配置された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層３０の結晶品質が高いため、特性が高くなる。

（複合ＧａＮ基板）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２における複合ＧａＮ基板１は、実施形態１の複合ＧａＮ基板１と同様であるため、ここではその説明を繰り返さない。

（ＩＩＩ族窒化物半導体層）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２におけるＩＩＩ族窒化物半導体層３０は、特に制限はないが、ＨＥＭＴなどの電子デバイスを形成する観点から、電子走行層３２と電子供給層３４とを含むことが好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層３０としての電子走行層３２は、特に制限はないが、電子の移動度を高める観点から、ＧａＮ層が好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物半導体層３０としての電子供給層３４は、特に制限はないが、２ＤＥＧ（２次元電子ガス）が高濃度で得られる観点から、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ＜１）、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＮ層（０＜ｙ＜０．３）などが好ましい。

また、上記のＩＩＩ族窒化物半導体層３０を形成する方法は、特に制限はないが、結晶品質のよい半導体層を得る観点から、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、昇華法などの気相法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などの方法が好適であり、これらの方法の中で、結晶品質の高い半導体層が得られかつその半導体層の厚さの調整に有利な観点から、ＭＯＶＰＥ法およびＭＢＥ法の少なくともいずれかが特に好適である。

（電極）
図２を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２は、上記の電子走行層３２と電子供給層３４とを含むＩＩＩ族窒化物半導体層３０に加えて、電極として、電子走行層３２および電子供給層３４に接触するソース電極４２、電子走行層３２および電子供給層３４に接触するドレイン電極４４、ならびに電子供給層３４に接触するゲート電極４６を含むことにより、ＨＥＭＴを構成することができる。

ここで、ソース電極４２およびドレイン電極４４を形成する材料は、特に制限はなく、Ｔｉ層／Ａｌ層／Ｔｉ層／Ａｕ層からなる電極が好適に用いられる。また、ゲート電極４６を形成する材料は、特に制限はなく、Ｎｉ層／Ａｕ層からなる電極が好適に用いられる。

［実施形態３：複合ＧａＮ基板の製造方法］
図３を参照して、本発明にかかるさらに別の実施形態である複合ＧａＮ基板１の製造方法は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板１０を準備する工程（図３（Ａ））と、導電性ＧａＮ基板１０上に、ＨＶＰＥ法により、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層２０を成長させる工程（図３（Ｂ））と、を含む。本実施形態の複合ＧａＮ基板の製造方法によれば、高特性かつ手頃な価格のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを好適に製造することができる実施形態１の複合ＧａＮ基板１を効率よく製造することができる。

（導電性ＧａＮ基板の準備工程）
図３（Ａ）を参照して、導電性ＧａＮ基板１０を準備する工程は、比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板１０を準備できる工程であれば特に制限はなく、どのような方法であってもよい。たとえば、単結晶の導電性ＧａＮ基板を準備する場合は、単結晶基板の場合は、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、昇華法などの気相法、フラックス法、高窒素圧溶液法などの液相法などの方法が好適である。

また、導電性ＧａＮ基板１０には、比抵抗を低減する観点から、不純物として、Ｏ、Ｓｉ、Ｇｅなどの原子を含むことができる。

（半絶縁性ＧａＮ層の成長工程）
図３（Ｂ）を参照して、半絶縁性ＧａＮ層２０を成長させる工程は、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造に好適な複合ＧａＮ基板１を形成する観点から、上記の導電性ＧａＮ基板１０上に、ＨＶＰＥ法により、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上かつ厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層２０を成長させる。成長方法として、ＨＶＰＥ法を用いることにより、結晶品質が高く厚さが大きいＧａＮ層を効率的に成長させることができる。また、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層２０を成長させることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスとしてＨＥＭＴなどの電子デバイスを、半絶縁性基板を用いた場合とほぼ同等の高周波特性で、形成することができる。

ここで、半絶縁性ＧａＮ層２０の成長において、その比抵抗を１×１０⁴Ωｃｍ以上とするためには、特に制限はないが、半絶縁性ＧａＮ層２０に、不純物として、Ｃ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｇ、Ｚｎなどの原子を含めることが好ましい。さらに、安定に上記の半絶縁性が得られる観点から、半絶縁性ＧａＮ層２０に、不純物としてＣ、Ｆｅ、ＣｒおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つの原子を含めることが好ましい。

さらに、半絶縁性ＧａＮ層２０に含まれる不純物が、半絶縁性ＧａＮ層２０上に形成されるＩＩＩ族窒化物半導体層３０に拡散するのを抑制する観点から、半絶縁性ＧａＮ層２０は、不純物としてＣ原子を含み、そのＣ原子の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることがより好ましい。Ｃ原子の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3より低いと比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層２０を得ることが困難となり、Ｃ原子の濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3より高いと半絶縁性ＧａＮ層２０の結晶品質が低下する。

［実施形態４：ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法］
図３を参照して、本発明にかかるさらに別の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２の製造方法は、実施形態３の複合ＧａＮ基板の製造方法により得られる実施形態１の複合ＧａＮ基板１を準備する工程（図３（Ａ）および（Ｂ））と、複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０上に、ＭＯＶＰＥ法およびＭＢＥ法の少なくともいずれかの方法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層３０を成長させる工程（図３（Ｃ））と、を含む。本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法によれば、高特性かつ手頃な価格のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを好適に製造することができる。

（複合ＧａＮ基板の準備工程）
図３（Ａ）および（Ｂ）を参照して、実施形態３の複合ＧａＮ基板の製造方法により得られる実施形態１の複合ＧａＮ基板１を準備する工程は、実施形態１および３において説明した複合ＧａＮ基板の製造方法と同様であるため、ここでは繰り返さない。

（ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長工程）
図３（Ｃ）を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体層３０を成長させる工程は、複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０上に、ＭＯＶＰＥ法およびＭＢＥ法の少なくともいずれかの方法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層３０を成長させる。

ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体層３０を成長させる方法は、結晶品質の高い半導体層が得られかつその半導体層の厚さの調整に有利な観点から、ＭＯＶＰＥおよびＭＢＥ法の少なくともいずれかが用いられる。

また、成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層３０は、特に制限はないが、ＨＥＭＴなどの電子デバイスを形成する観点から、電子走行層３２と電子供給層３４とを含むことが好ましい。また、電子走行層３２は、特に制限はないが、電子の移動度を高める観点から、ＧａＮ層が好ましい。また、電子供給層３４は、特に制限はないが、２ＤＥＧ（２次元電子ガス）が高濃度で得られる観点から、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ＜１）、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＮ層（０＜ｙ＜０．３）などが好ましい。

（電極の形成工程）
図３（Ｄ）を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２の製造方法は、上記の電子走行層３２と電子供給層３４とを含むＩＩＩ族窒化物半導体層３０を成長させる工程（図３（Ｃ））に加えて、電極として、電子走行層３２および電子供給層３４にオーミック接触するソース電極４２、電子走行層３２および電子供給層３４にオーミック接触するドレイン電極４４、ならびに電子供給層３４にショットキー接触するゲート電極４６を形成する工程（図３（Ｄ））を含むことにより、ＨＥＭＴを構成することができる。

ここで、ソース電極４２およびドレイン電極４４を形成する方法には、特に制限はなく、たとえば、ソース電極４２およびドレイン電極４４を、電子供給層３４の一部の表面上にフォトリソグラフィと蒸着を用いたリフトオフ法などにより形成し、さらに熱処理によりソース電極４２およびドレイン電極４４中の原子を電子供給層３４の一部に拡散させることにより、電子供給層３４および電子走行層３２の一部にオーミック接触させる。

また、ゲート電極４６を形成する方法には、特に制限はなく、たとえば、ゲート電極４６を、電子供給層３４の一部の表面上に、フォトリソグラフィと蒸着を用いたリフトオフ法などにより形成することにより、電子供給層３４の一部にショットキー接触させる。

［実施例Ａ：複合ＧａＮ基板］
１．導電性ＧａＮ基板の準備
図３（Ａ）を参照して、下地基板として、比抵抗が０．０２Ωｃｍで、Ｏ原子濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3で、直径２インチ（５．０８ｃｍ）、厚さ３５０μｍ、主表面の面方位が（０００１）、転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2の導電性ＧａＮ基板１０を準備した。この導電性ＧａＮ基板１０は、ＧａＡｓ基板上にＨＶＰＥ法により成長させたものであった。

２．半絶縁性ＧａＮ層の成長
図３（Ｂ）を参照して、上記導電性ＧａＮ基板１０の上記主表面上に、ＨＶＰＥ法により、半絶縁性ＧａＮ層２０として不純物としてのＣ原子を添加した厚さ１０μｍのＧａＮ層を成長させた。Ｇａ原料として金属Ｇａを、原料ガスとしてＨＣｌガスおよびＮＨ₃ガスを、キャリアガスとしてＨ₂ガスを、Ｃ原子のドーピングガスとしてＣＨ₄ガスを用いて、比抵抗が互いに異なる６種類（例Ａ−１〜例Ａ−６）のＧａＮ層を成長させた。
これらのＧａＮ層の成長条件は、成長温度１１００℃、成長時間１０ｍｉｎで、ＨＣｌガス分圧を３．２×１０^-2ａｔｍ、ＮＨ₃ガス分圧を０．０４ａｔｍとして、ＣＨ₄ガス分圧を５．０×１０^-5ａｔｍ（例Ａ−１）、１．０×１０^-4ａｔｍ（例Ａ−２）、１．０×１０^-3ａｔｍ（例Ａ−３）、１．０×１０^-2ａｔｍ（例Ａ−４）、５．０×１０^-2ａｔｍ（例Ａ−５）、７．０×１０^-2ａｔｍ（例Ａ−６）とした。

得られた６種のＧａＮ層について、それらのＣ原子濃度をＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）法により測定し、それらの比抵抗を二端子法により測定し、それらの結晶品質をＸ線回折により評価し、それらの表面状態をノマルスキー干渉顕微鏡により観察した。結晶品質の評価基準は、ＧａＮ層の（０００２）面に由来する回折強度ピークの半値幅が５０ａｒｃｓｅｃ以下のものを極めて良好、５０ａｒｃｓｅｃより大きく２００ａｒｃｓｅｃ以下のものを良好、２００ａｒｃｓｅｃより大きいものを不良とした。また、表面状態の評価基準は、表面にマクロステップおよびクラックが発生しなかったものを極めて良好、表面にマクロステップが発生したがクラックが発生しなかったものを良好、表面にマクロステップおよびクラックが発生したものを不良とした。

例Ａ−１のＧａＮ層は、Ｃ原子濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3、比抵抗が５×１０^-2Ωｃｍ、結晶品質および表面状態が極めて良好であった。例Ａ−２のＧａＮ層は、Ｃ原子濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ、結晶品質および表面状態が極めて良好であった。例Ａ−３のＧａＮ層は、Ｃ原子濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3、比抵抗が１×１０⁷Ωｃｍより高く、結晶品質および表面状態が極めて良好であった。例Ａ−４のＧａＮ層は、Ｃ原子濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3、比抵抗が１×１０⁷Ωｃｍより高く、結晶品質および表面状態が極めて良好であった。例Ａ−５のＧａＮ層は、Ｃ原子濃度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3、比抵抗が１×１０⁷Ωｃｍより高く、結晶品質および表面状態が良好であった。例Ａ−６のＧａＮ層は、Ｃ原子濃度が７×１０¹⁹ｃｍ^-3、比抵抗が１×１０⁷Ωｃｍより高く、結晶品質および表面状態が不良であった。これらの結果を表１にまとめた。

表１を参照して、ＧａＮ層を成長させる際のＣＨ₄ガス分圧の増加とともに、ＧａＮ層のＣ原子濃度および比抵抗が増大し、ＣＨ₄ガス分圧が１．０×１０^-4ａｔｍ以上のときにＣ原子濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層が得られた。ＣＨ₄ガス分圧が高くなりすぎると、ＧａＮ層の結晶品質および表面状態は低下した。たとえば、ＣＨ₄ガス分圧が５．０×１０^-2ａｔｍ以上のときには、Ｘ線回折における回折強度ピークの半値幅が１００ａｒｃｓｅｃとなり、表面にはマクロステップが多数発生した。さらに、ＣＨ₄ガス分圧が７．０×１０^-2ａｔｍ以上のときには、Ｘ線回折における回折強度ピークの半値幅が１０００ａｒｃｓｅｃとなり、表面にはマクロステップが多数発生するとともにクラックが多数発生した。

［実施例Ｂ：ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス（ＨＥＭＴ）］
１．複合ＧａＮ基板の準備
図３（Ａ）および（Ｂ）を参照して、下地基板として、実施例Ａと同様の導電性ＧａＮ基板を準備し、その上に、実施例Ａの例Ａ−４と同様の条件で成長時間を変えることにより、互いに厚さの異なる半絶縁性ＧａＮ層２０を有する３種類（例Ｂ−１〜例Ｂ−３）の複合ＧａＮ基板１を準備した。ここで、半絶縁性ＧａＮ層２０の厚さは、それぞれ１０μｍ（例Ｂ−１）、５μｍ（例Ｂ−２）、および２μｍ（例Ｂ−３）とした。

また、実施例Ａと同様の導電性ＧａＮ基板１０を準備し、その上に、ＣＨ₄ガスに替えてＣｐＦｅ（フェロセン）を用いたこと以外は実施例Ａと同様にして、Ｆｅが３×１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度で添加された比抵抗が１×１０⁷Ωｃｍより高い厚さが１０μｍの半絶縁性ＧａＮ層２０を成長させて、別種の複合ＧａＮ基板１（例Ｂ−４）を得た。

２．ＩＩＩ族窒化物半導体層の成長
図３（Ｃ）を参照して、例Ｂ−１〜例Ｂ−４の４種類の複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０上に、ＭＯＶＰＥ法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層３０として、電子走行層３２であるＧａＮ層および電子供給層３４，１３４であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を成長させた。

ＩＩＩ族窒化物半導体層３０，１３０の成長は、以下の手順により行なった。まず、リアクタ中で、例Ｂ−１〜例Ｂ−４の４種類の複合ＧａＮ基板１の半絶縁性ＧａＮ層２０をＨ₂ガス、Ｎ₂ガスおよびＮＨ₃ガスの雰囲気中で基板温度を１１００℃として２０ｍｉｎ間熱処理した。次いで、基板温度を１１３０℃として、ＮＨ₃ガスおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）をリアクタに供給して、電子走行層３２，１３２として厚さ２．０μｍのＧａＮ層を成長させた。次いで、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、およびＮＨ₃ガスをリアクタに供給して電子供給層３４，１３４として厚さ３０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を成長させた。

また、図４を参照して、参考例として、比抵抗が１×１０⁷Ωｃｍ以上で、直径２インチ（５．０８ｃｍ）、厚さ４００μｍ、主表面の面方位が（０００１）の高抵抗ＳｉＣ基板１１０を準備し、その上に、ＭＯＶＰＥ法により、成長温度１１５０℃で、厚さ１５０ｎｍのＡｌＮバッファ層１２０を形成し、その上に例Ｂ−１〜例Ｂ−４と同様にして、電子走行層１２３である厚さ２．０μｍのＧａＮ層と、電子供給層１３４である厚さ３０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を成長させたもの（例Ｂ−５）を準備した。

こうして得られた、電子走行層３２，１３２および電子供給層３４，１３４の界面近傍に形成される２ＤＥＧ（２次元電子ガス）の濃度（シートキャリア濃度）を、以下のＣ−Ｖ特性評価により測定した。すなわち、かかるＣ−Ｖ特性評価において、基板上に形成された電子走行層３２，１３２上に形成された電子供給層３４，１３４の表面上に、フォトリソグラフィ法により、直径２００μｍのダブルショットキーパターンをＮｉ／Ａｕ電極により形成し、Ｃ−Ｖ測定から算出した２ＤＥＧ層のキャリア濃度プロファイルを積分することにより、２ＤＥＧのシートキャリア濃度Ｎｓを算出した。例Ｂ−１〜例Ｂ−５の電子走行層３２，１３２および電子供給層３４，１３４の界面近傍に形成される２ＤＥＧのシートキャリア濃度Ｎｓは、それぞれ、１．１×１０¹³ｃｍ^-2（例Ｂ−１）、１．１×１０¹³ｃｍ^-2（例Ｂ−２）、１．１×１０¹³ｃｍ^-2（例Ｂ−３）、０．９×１０¹³ｃｍ^-2（例Ｂ−４）および１．０×１０¹³ｃｍ^-2（例Ｂ−５）であった。結果を表２にまとめた。

３．電極の形成
図３（Ｄ）および図４を参照して、例Ｂ−１〜例Ｂ−５において、電子供給層３４であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層上の一部に、を、フォトリソグラフィおよびＴｉ層／Ａｌ層／Ｔｉ層／Ａｕ層の電子ビームによる蒸着を行ない、リフトオフ法によりソース電極４２およびドレイン電極４４を形成し、さらに熱処理を行なった。熱処理条件は、窒素雰囲気中６００℃で３０秒間とした。また、電子供給層３４上の一部に、リフトオフ法により、ゲート長が０．５μｍでゲート幅が１００μｍのＮｉ層／Ａｕ層の電極からなるゲート電極４６を形成した。こうして、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス２，１０２として、例Ｂ−１〜例Ｂ−５の５種類のＨＥＭＴが得られた。得られた５種類のＨＥＭＴの遮断周波数ｆＴを、ネットワークアナライザーにより測定した。例Ｂ−１〜例Ｂ−５のＨＥＭＴの遮断周波数ｆＴは、それぞれ、８ＧＨｚ（例Ｂ−１）、６ＧＨｚ（例Ｂ−２）、２ＧＨｚ（例Ｂ−３）、６ＧＨｚ（例Ｂ−４）および１０ＧＨｚ（例Ｂ−５）であった。結果を表２にまとめた。

表２を参照して、２ＤＥＧのシートキャリア濃度Ｎｓに関して、例Ｂ−１〜例Ｂ−３のＣ原子が添加された半絶縁性ＧａＮ層上に形成された電子走行層および電子供給層についてはいずれも１．１×１０¹³ｃｍ^-2と同様の高い値が得られた。これらの例Ｂ−１〜例Ｂ−３に対して、例Ｂ−４のＦｅ原子が添加された半絶縁性ＧａＮ層上に形成された電子走行層および電子供給層については０．９×１０¹³ｃｍ^-2と幾分低くなった。これは、半絶縁性ＧａＮ層中に添加されたＦｅ原子が、電子走行層および電子供給層の成長中にこれらの層に拡散したためと考えられる。また、これらの例Ｂ−１〜例Ｂ−３に対して、例Ｂ−５の半絶縁性ＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファ層を介在させて形成された電子走行層および電子供給層については１．０×１０¹³ｃｍ^-2と幾分低くなった。これは、半絶縁性ＳｉＣ基板とＡｌＮバッファ層との間およびＡｌＮバッファ層と電子走行層との間の界面で形成された転位によりキャリア補償がされたためと考えられる。

また、遮断周波数ｆＴに関して、典型的な半絶縁性ＳｉＣ基板を用いたＨＥＭＴ（例Ｂ−５）では１０ＧＨｚであったのに対し、半絶縁性ＧａＮ層の厚さが１０μｍのＨＥＭＴ（例Ｂ−１）では８ＧＨｚと半絶縁性ＳｉＣ基板を用いたＨＥＭＴと同等の高周波特性を有し、半絶縁性ＧａＮ層の厚さが５μｍのＨＥＭＴ（例Ｂ−２）では６ＧＨｚと実用可能な高周波特性を有していたが、半絶縁性ＧａＮ層の厚さが２μｍのＨＥＭＴ（例Ｂ−３）では２ＧＨｚと高周波特性が急激に低下した。したがって、導電性ＧａＮ基板を用いても、その上に厚さ５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層を形成することにより実用可能なＨＥＭＴが得られ、その上に厚さ１０μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層を形成することにより典型的な半絶縁性基板を用いたＨＥＭＴと同等以上の高周波特性を有するＨＥＭＴが得られることがわかった。

特に、本願発明の半導体デバイス（たとえばＨＥＭＴ）は、導電性ＧａＮ基板および半絶縁性ＧａＮ層で形成される複合ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させて得られたものであるため、複合ＧａＮ基板とＩＩＩ族窒化物半導体層との結晶格子の整合性が極めて高いことから、転位密度の低い複合ＧａＮ基板を用いることにより、成長させるＩＩＩ族窒化物半導体層の転位密度が低くなるため、典型的な半絶縁性ＳｉＣ基板を用いた典型的な半導体デバイス（たとえばＨＥＭＴ）では改善できなかった電流ドリフトなどの不良特性を改善することができる。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１複合ＧａＮ基板、２，１０２ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス、１０導電性ＧａＮ基板、２０半絶縁性ＧａＮ層、３０，１３０ＩＩＩ族窒化物半導体層、３２，１３２電子走行層、３４，１３４電子供給層、４２，１４２ソース電極、４４，１４４ドレイン電極、４６，１４６ゲート電極、１１０半絶縁性ＳｉＣ基板、１２０ＡｌＮバッファ層。

Claims

比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板と、
前記導電性ＧａＮ基板上に配置された比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層と、を含む複合ＧａＮ基板。
前記半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ、Ｆｅ、ＣｒおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つの原子を含む請求項１に記載の複合ＧａＮ基板。
前記半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ原子を含み、前記Ｃ原子の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である請求項１または請求項２に記載の複合ＧａＮ基板。
請求項１に記載の複合ＧａＮ基板と、
前記複合ＧａＮ基板の前記半絶縁性ＧａＮ層上に配置された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、電子走行層と電子供給層とを含む請求項４に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
比抵抗が１Ωｃｍ未満の導電性ＧａＮ基板を準備する工程と、
前記導電性ＧａＮ基板上に、ＨＶＰＥ法により、比抵抗が１×１０⁴Ωｃｍ以上で厚さが５μｍ以上の半絶縁性ＧａＮ層を成長させる工程と、を含む複合ＧａＮ基板の製造方法。
前記半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ、Ｆｅ、ＣｒおよびＶからなる群から選ばれる少なくとも１つの原子を含む請求項６に記載の複合ＧａＮ基板の製造方法。
前記半絶縁性ＧａＮ層は、不純物としてＣ原子を含み、前記Ｃ原子の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である請求項６または請求項７に記載の複合ＧａＮ基板の製造方法。
請求項６に記載の複合ＧａＮ基板の製造方法により得られる複合ＧａＮ基板を準備する工程と、
前記複合ＧａＮ基板の前記半絶縁性ＧａＮ層上に、ＭＯＶＰＥ法およびＭＢＥ法の少なくともいずれかの方法により、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる工程と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、電子走行層と電子供給層とを含む請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。