JP5782033B2 - 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、ｐｎ接合ダイオード素子、および半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

Description

半導体素子用のエピタキシャル基板に関し、特に、III族窒化物半導体により構成される多層構造エピタキシャル基板に関する。

窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度を有することから次世代の高周波／ハイパワーデバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである（例えば、非特許文献１参照）。

ＨＥＭＴ素子用基板の下地基板として、例えばシリコンやＳｉＣのような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶（異種単結晶）を用いることがある。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたＨＥＭＴ素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、２次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進する目的として、厚さ１ｎｍ前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばＡｌＮなどで構成される。さらには、ＨＥＭＴ素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばｎ型ＧａＮ層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。

チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＡｌＧａＮにて形成するという、最も一般的な構成の窒化物ＨＥＭＴ素子の場合、ＨＥＭＴ素子用基板に内在する二次元電子ガスの濃度は、障壁層を形成するＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率の増加に伴い増加することが知られている（例えば、非特許文献２参照）。二次元電子ガス濃度を大幅に増やすことができれば、ＨＥＭＴ素子の可制御電流密度、すなわち取り扱える電力密度を大幅に向上させることが可能と考えられる。

また、チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＩｎＡｌＮにて形成したＨＥＭＴ素子のように、ピエゾ分極効果への依存が小さくほぼ自発分極のみにより高い濃度で二次元電子ガスを生成できる歪の少ない構造を有するＨＥＭＴ素子も注目されている（例えば、非特許文献３参照）。

チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＩｎＡｌＮにて形成するＩｎＡｌＮ／ＧａＮ構造のＨＥＭＴ素子を形成するにあたり、電流コラプス抑制などを目的として、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなど、少なくともＧａを含むＩｎＡｌＧａＮからなるキャップ層を、障壁層の上に形成することがある。この場合、キャップ層の形成条件によっては、Ｇａ元素が障壁層であるＩｎＡｌＮ層中に拡散し、その結果としてエピタキシャル膜の電子状態が変動して、デバイス特性が劣化する。

また、同じくＩｎＡｌＮ／ＧａＮ構造のＨＥＭＴ素子を形成するにあたり、ゲート電極構造をショットキー接合に代えてＩｎＡｌＮ層との間でＰＮ接合とする目的で、Ｍｇを含む窒化物キャップ層を障壁層の上に形成することがある。この場合、キャップ層の形成条件によっては、アクセプタとしてドープしたＭｇ元素が障壁層であるＩｎＡｌＮ層中に拡散し、良好なＰＮ接合が得られない。

"Highly Reliable 250W High Electron Mobility Transistor Power Amplifier", TOSHIHIDE KIKKAWA, Jpn. J. Appl. Phys. 44,(2005),4896 "Gallium Nitride Based High Power Heterojuncion Field Effect Transistors: process Development and Present Status at USCB", Stacia Keller, Yi-Feng Wu, Giacinta Parish, Naiqian Ziang, Jane J. Xu, Bernd P. Keller, Steven P. DenBaars, and Umesh K. Mishra, IEEE Trans. Electron Devices 48, (2001), 552 "Can InAlN/GaN be an alternative to high power/high temperature AlGaN/GaN devices?", F. Medjdoub, J.-F. Carlin, M. Gonschorek, E. Feltin, M.A. Py, D. Ducatteau, C. Gaquiere, N. Grandjean, and E. Kohn, IEEE IEDM Tech. Digest in IEEE IEDM 2006, 673

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、キャップ層からの元素の拡散が好適に抑制され、かつ特性の優れた、半導体素子用のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、下地基板の上にIII族窒化物層群を（０００１）結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板が、前記下地基板の上に形成されてなる、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成されてなる、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０．１４≦ｘ２≦０．２４）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層と、前記チャネル層の上に形成されてなる、ＡｌＮからなり、３ｎｍ以上の厚みを有する拡散防止層と、前記拡散防止層の上に形成されてなる、Ａｌ _ｙ３ Ｇａ _ｚ３ Ｎ（ｙ３＋ｚ３＝１、０≦ｙ３≦０．２）なる組成の第３のIII族窒化物からなるキャップ層と、を備えるようにした。

本発明の第２の態様では、下地基板の上にIII族窒化物層群を（０００１）結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板が、前記下地基板の上に形成されてなる、Ｉｎ _ｘ１ Ａｌ _ｙ１ Ｇａ _ｚ１ Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成されてなる、Ｉｎ _ｘ２ Ａｌ _ｙ２ Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、ｘ２＞０、ｙ２＞０）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層と、前記障壁層の上に形成されてなる、ＡｌＮからなり、３ｎｍ以上の厚みを有する拡散防止層と、前記拡散防止層の上に形成されてなる、Ａｌ _ｙ３ Ｇａ _ｚ３ Ｎ（ｙ３＋ｚ３＝１、ｚ３＞０）なる組成の第３のIII族窒化物にアクセプタ元素をドープしたものであるキャップ層と、を備えるようにした。
本発明の第３の態様では、第２の態様に係るエピタキシャル基板において、前記アクセプタ元素がＭｇであるようにした。
本発明の第４の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板において、前記第２のIII族窒化物のバンドギャップが前記第１のIII族窒化物のバンドギャップよりも大きいようにした。

本発明の第５の態様では、第１ないし第４のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板において、前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）であるようにした。

本発明の第６の態様では、第５の態様に係るエピタキシャル基板において、前記第１のIII族窒化物がＧａＮであるようにした。

本発明の第７の態様では、第１ないし第６のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板において、前記チャネル層と前記障壁層との間に、Ｉｎ_ｘ４Ａｌ_ｙ４Ｇａ_ｚ４Ｎ（ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１、ｙ４＞０）なる組成を有し、前記第２のIII族窒化物よりもバンドギャップが大きい第４のIII族窒化物からなるスペーサ層をさらに備えるようにした。

本発明の第８の態様では、第７の態様に係るエピタキシャル基板において、前記第４のIII族窒化物がＡｌＮであるようにした。

本発明の第９の態様では、半導体素子を、第１ないし第８のいずれかの態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板を用いて作製した。

本発明の第１０の態様では、ＰＮ接合ダイオード素子を、第２または第３の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板を用いて作製した。

本発明の第１１の態様では、下地基板の上にIII族窒化物層群を（０００１）結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板の製造方法が、下地基板の上に、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）なる組成の第１のIII族窒化物にてチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、前記チャネル層の上に、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、ｘ２＞０、ｙ２＞０）なる組成の第２のIII族窒化物にて障壁層を形成する障壁層形成工程と、前記障壁層の上にＡｌＮからなる拡散防止層を形成する拡散防止層形成工程と、前記拡散防止層の上に、Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（ｙ３＋ｚ３＝１、ｚ３＞０）なる組成の第３のIII族窒化物にアクセプタ元素をドープすることによってキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、を備えるようにした。
本発明の第１２の態様では、第１１の態様に係るエピタキシャル基板の製造方法において、前記アクセプタ元素がＭｇであるようにした。
本発明の第１３の態様では、第１１または第１２の態様に係るエピタキシャル基板の製造方法において、前記第２のIII族窒化物のバンドギャップが前記第１のIII族窒化物のバンドギャップよりも大きいようにした。

本発明の第１４の態様では、第１１ないし第１３のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板の製造方法において、前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）であるようにした。

本発明の第１５の態様では、第１４の態様に係るエピタキシャル基板の製造方法において、前記第１のIII族窒化物がＧａＮであるようにした。

本発明の第１６の態様では、第１１ないし第１５のいずれかの態様に係るエピタキシャル基板の製造方法において、前記チャネル層の上に、Ｉｎ_ｘ４Ａｌ_ｙ４Ｇａ_ｚ４Ｎ（ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１、ｙ４＞０）なる組成を有し、前記第２のIII族窒化物よりもバンドギャップが大きい第４のIII族窒化物からなるスペーサ層を形成するスペーサ層形成工程、をさらに備え、前記障壁層形成工程においては、前記スペーサ層の上に前記障壁層を形成するようにした。

本発明の第１７の態様では、第１６の態様に係るエピタキシャル基板の製造方法において、前記第４のIII族窒化物がＡｌＮであるようにした。

本発明の第１ないし第１７の態様によれば、障壁層の上にキャップ層を設けるのみならず、両層の間に拡散防止層としてのＡｌＮ層を設けることで、エピタキシャル基板においては、キャップ層から障壁層への元素の拡散が防止される。これにより、キャップ層を有しかつ特性の優れたエピタキシャル基板、さらには該エピタキシャル基板を用いた半導体素子やＰＮ接合ダイオード素子が、実現される。

特に、本発明の第１の態様によれば、キャップ層を備えているにもかかわらず、これを備えないエピタキシャル基板と同程度のシート抵抗、二次元電子ガス濃度および二次元電子ガス移動度が実現される。

特に、本発明の第２、第３、第１０、第１１、および第１２の態様によれば、ＰＮ接合部分における逆方向漏れ電流が好適に低減されたエピタキシャル基板、さらには該エピタキシャル基板を用いた半導体素子やＰＮ接合ダイオード素子が実現される。

本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す断面模式図である。 拡散防止層６を備えるエピタキシャル基板１０についての、主要元素のデプスプロファイルである。 拡散防止層６を備えないエピタキシャル基板１０についての、主要元素のデプスプロファイルである。 拡散防止層６を備えるエピタキシャル基板１０についての、主要元素の濃度プロファイルである。 拡散防止層６を備えないエピタキシャル基板１０についての、主要元素の濃度プロファイルである。

＜エピタキシャル基板の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す断面模式図である。エピタキシャル基板１０は、下地基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５と、拡散防止層６と、キャップ層７とが積層形成された構成を有する。なお、図１における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５と、拡散防止層６と、キャップ層７とはいずれも、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）を用いてエピタキシャル形成される（詳細は後述）のが好適な一例である。

以降においては、各層の形成にＭＯＣＶＤ法を用いる場合を対象に説明を行うが、良好な結晶性を有するように各層を形成できる手法であれば、他のエピタキシャル成長手法、例えば、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、ＬＰＥなど、種々の気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法を用いてもよいし、異なる成長法を組み合わせて用いる態様であってもよい。

下地基板１は、その上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成できるものであれば、特段の制限なく用いることができる。単結晶６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いるのが好適な一例であるが、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライトなどからなる基板を用いる態様であってもよい。

また、バッファ層２は、その上に形成されるチャネル層３、スペーサ層４、障壁層５、拡散防止層６、およびキャップ層７の結晶品質を良好なものとするべく、ＡｌＮにて数百ｎｍ程度の厚みに形成される層である。例えば、２００ｎｍの厚みに形成するのが好適な一例である。

チャネル層３は、Ｉｎ_x1Ａｌ_y1Ｇａ_z1Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成のIII族窒化物（第１のIII族窒化物）にて、数μｍ程度の厚みに形成される層である。好ましくは、チャネル層３はＡｌ_y1Ｇａ_z1Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）組成のIII族窒化物にて形成され、より好ましくは、ＧａＮにて形成される。

一方、障壁層５は、Ｉｎ_x2Ａｌ_y2Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、ｘ２＞、ｙ２＞０）なる組成を有するIII族窒化物（第２のIII族窒化物）にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成される層である。好ましくは０．１４≦ｘ２≦０．２４である。ｘ２の値がこの範囲の外にある場合は、障壁層５に作用する歪みが±０．５％を超えることとなり、エピタキシャル基板１０の上にショットキー接合を形成する場合に、当該ショットキー接合の信頼性に及ぼす結晶歪みの影響が大きくなり始めるため好ましくない。

なお、チャネル層３と障壁層５とは、前者を構成する第１のIII族窒化物のバンドギャップよりも後者を構成する第２のIII族窒化物のバンドギャップの方が大きいという組成範囲をみたして形成される。

拡散防止層６は、ＡｌＮにて１ｎｍ〜十数ｎｍ程度の厚みに形成される。好ましくは、３ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みに形成される層である。拡散防止層６は、キャップ層７に存在するＧａやＭｇなどの元素が、障壁層５へと拡散することを防止する目的で設けられてなる。拡散防止層６の作用効果の詳細については後述する。

キャップ層７は、Ｉｎ_x3Ａｌ_y3Ｇａ_z3Ｎ（ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１、ｚ３＞０）組成のIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成される。好ましくは、１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みに形成される。

キャップ層７の具体的な組成は、エピタキシャル基板１０の形成目的に応じて適宜に定められる。例えば、エピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴ素子を構成するにあたって、電流コラプス抑制という効果を得ようとする場合であれば、キャップ層７は、ＧａＮ（ｘ３＝ｙ３＝０）やＡｌ_y3Ｇａ_z3Ｎ（ｘ３＝０）にて形成されるのが好適である。より具体的には、０≦ｙ３≦０．２をみたすように設けられるのが好適である。

あるいは、エピタキシャル基板１０を用いて半導体素子を構成するにあたって、ゲート電極を設けてショットキー接合を形成するのではなく、ＰＮ接合を形成しようとする場合であれば、ＧａＮにアクセプタ元素としてＭｇをドープすることによってキャップ層７を形成するのが好適である。

さらに、チャネル層３と障壁層５の間にはスペーサ層４が設けられる。スペーサ層４は、Ｉｎ_x4Ａｌ_y4Ｇａ_z4Ｎ（ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１）なる組成を有し、少なくともＡｌを含む（ｙ４＞０をみたす）III族窒化物（第４のIII族窒化物）にて、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲の厚みで形成される層である。

このような層構成を有するエピタキシャル基板１０においては、チャネル層３とスペーサ層４の界面に（より詳細には、チャネル層３の当該界面近傍に）二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域３ｅが形成される。

好ましくは、スペーサ層４と障壁層５とはそれぞれ、前者を構成する第４のIII族窒化物のバンドギャップが、後者を構成する第２のIII族窒化物のバンドギャップ以上という組成範囲をみたして形成される。係る場合、合金散乱効果が抑制され、二次元電子ガスの濃度および移動度が向上する。より好ましくは、スペーサ層４はＡｌＮ（ｘ４＝０、ｙ４＝１、ｚ４＝０）にて形成される。係る場合、スペーサ層４がＡｌとＮの二元系化合物となるので、Ｇａを含む３元系化合物の場合よりもさらに合金散乱効果が抑制され、二次元電子ガスの濃度および移動度が向上することとなる。なお、係る組成範囲についての議論は、スペーサ層４が不純物を含有することを除外するものではない。

なお、エピタキシャル基板１０においてスペーサ層４を備えるのは必須の態様ではなく、チャネル層３の上に直接に障壁層５を形成する態様であってもよい。係る場合、チャネル層３と障壁層５の界面に二次元電子ガス領域３ｅが形成される。

以上のような構成を有するエピタキシャル基板１０に対し、電極パターンその他の構成要素を適宜に設けることによって、ＨＥＭＴ素子やダイオード素子などの種々の半導体素子を得ることができる。

＜ＨＥＭＴ素子の作製方法＞
次に、上述のような構成を有するエピタキシャル基板１０を作製する方法を説明する。

エピタキシャル基板１０の作製は、公知のＭＯＣＶＤ炉を用いて行うことができる。具体的には、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａについての有機金属（ＭＯ）原料ガス（ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＴＭＧ）と、Ｍｇなどのドーパント元素の原料ガス（Ｃｐ₂Ｍｇなど）と、アンモニアガスと、水素ガスと、窒素ガスとを、リアクタ内に供給可能に構成されてなるＭＯＣＶＤ炉を用いる。

まず、例えば（０００１）面方位の２インチ径の６Ｈ−ＳｉＣ基板などを下地基板１として用意し、該下地基板１を、ＭＯＣＶＤ炉のリアクタ内に設けられたサセプタの上に設置する。リアクタ内を真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を５ｋＰａ〜５０ｋＰａの間の所定の値に保ちつつ、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した上で、サセプタ加熱によって基板を昇温する。

サセプタ温度がバッファ層形成温度である９５０℃〜１２５０℃の間の所定温度（例えば１０５０℃）に達すると、Ａｌ原料ガスとＮＨ₃ガスをリアクタ内に導入し、バッファ層２としてのＡｌＮ層を形成する。

ＡｌＮ層が形成されると、サセプタ温度を所定のチャネル層形成温度に保ち、チャネル層３の組成に応じた有機金属原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、チャネル層３としてのＩｎ_x1Ａｌ_y1Ｇａ_z1Ｎ層（ただし、ｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３）を形成する。ここで、チャネル層形成温度Ｔ１は、９５０℃以上１２５０℃以下の温度範囲から、チャネル層３のＡｌＮモル分率ｙ１の値に応じて定められる値である。なお、チャネル層３形成時のリアクタ圧力には特に限定はなく、１０ｋＰａから大気圧（１００ｋＰａ）の範囲から適宜選ぶことができる。

Ｉｎ_x1Ａｌ_y1Ｇａ_z1Ｎ層が形成されると、次いで、サセプタ温度を保ったまま、リアクタ内を窒素ガス雰囲気に保ち、リアクタ圧力を１０ｋＰａとした後、有機金属原料ガスとアンモニアガスとをリアクタ内に導入して、スペーサ層４としてのＩｎ_x4Ａｌ_y4Ｇａ_z4Ｎ層を所定の厚みに形成する。

Ｉｎ_x4Ａｌ_y4Ｇａ_z4Ｎ層が形成されると、障壁層５となるＩｎ_x2Ａｌ_y2Ｎを形成するために、サセプタ温度を６５０℃以上８００℃以下の所定の障壁層形成温度に保ち、リアクタ内圧力が１ｋＰａ〜３０ｋＰａの間の所定の値に保たれるようにする。そして、アンモニアガスと、障壁層５の組成に応じた流量比の有機金属原料ガスとを、いわゆるＶ／III比が３０００以上２００００以下の間の所定の値となるようにリアクタ内に導入する。

Ｉｎ _ｘ２ Ａｌ _ｙ２ Ｎ層が形成されると、引き続いて、サセプタ温度を所定の拡散防止層形成温度としたうえで、有機金属原料ガスの流量比を調整して、拡散防止層６となるＡｌＮ層を所定の厚みに形成する。

ＡｌＮ層の形成後、続いて、サセプタ温度を所定のキャップ層形成温度としたうえで、有機金属原料ガスの流量比をキャップ層７の組成に応じて調整し、キャップ層７となるＩｎ _ｘ３ Ａｌ _ｙ３ Ｇａ _ｚ３ Ｎ層を所定の厚みに形成する。Ｍｇなどのアクセプタ元素をドープする場合は、当該元素の原料ガスについても、適宜の流量比にて供給される。キャップ層７が形成されれば、エピタキシャル基板１０が作製されたことになる。

＜拡散防止層の作用効果＞
次に、エピタキシャル基板１０に拡散防止層６を設けることの作用効果について説明する。

上述したように、拡散防止層６は、キャップ層７に存在するＧａやＭｇなどの元素が、障壁層５へと拡散することを防止する目的で設けられてなる。なお、これらの元素の拡散は、キャップ層７の形成のためにエピタキシャル基板１０が加熱されている間に進行する。図２ないし図５は、拡散防止層６の有無と元素分布との関係を示す図である。

まず、図２および図３は、拡散防止層６の有無が異なる他は同一の条件にて作製した２種類のエピタキシャル基板１０について、オージェ電子分光法により測定した、Ｇａ元素、Ａｌ元素、およびＩｎ元素のデプスプロファイルである。図２が拡散防止層６を備えるエピタキシャル基板１０についてデプスプロファイルであり、図３が拡散防止層６を備えないエピタキシャル基板１０についてのデプスプロファイルである。なお、いずれのエピタキシャル基板１０も、障壁層５はＩｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎにて形成されてなり、キャップ層７はＧａＮにて形成されてなる。また、図２と図３のいずれにおいても、Sputter timeが０min.の位置がエピタキシャル基板１０の表面（キャップ層７の表面）に相当し、Sputter timeの値が大きくなるほど表面から離れた位置を指し示す。

図２においては、Sputter timeが５min.のところでＧａ濃度が急峻に減少して０に至る一方で、Ａｌ濃度が急峻に上昇し、ピークが形成されている。当該ピークは、拡散防止層６であるＡｌＮ層に相当すると解される。また、さらにSputter timeが６min.より大きい範囲では、Ａｌ濃度とＩｎ濃度とがそれぞれ略一定となっている。しかも、拡散防止層６を設けたＧａとＩｎとが共存する領域は存在していない。

これに対して、図３においては、Sputter timeが３min.を越えた辺りからＧａ濃度がなだらかに減少し、１５min.あたりでようやく０となっている。一方で、５min.のあたりでＡｌ濃度およびIn濃度が立ち上がっている。また、Ａｌ濃度のプロファイルにピークはみられない。

これらの結果は、拡散防止層６を設けない場合（図３）にはＧａ元素がキャップ層７から障壁層５へと拡散するのに対して、かつ、拡散防止層６を設けた場合（図２）には、キャップ層７から障壁層５へのＧａ元素の拡散が、拡散防止層６によって好適に防止されていることを示している。

一方、図４および図５は、拡散防止層６の有無が異なる他は同一の条件にて作製した２種類のエピタキシャル基板１０について、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により測定した、Ｍｇ元素およびＡｌ元素の濃度プロファイルである。図４が拡散防止層６を備えるエピタキシャル基板１０について濃度プロファイルであり、図５が拡散防止層６を備えないエピタキシャル基板１０についての濃度プロファイルである。なお、いずれのエピタキシャル基板１０も、障壁層５はＩｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎにて形成されてなり、キャップ層７はＭｇがドープされたＧａＮにて形成されてなる。

図４においては、表面深さが１５ｎｍ〜２０ｎｍ辺りのところでＭｇ濃度が急峻に減少している一方で、表面深さが２０ｎｍ〜２５ｎｍ辺りのところでＡｌ濃度が急峻に上昇し、表面深さが２４ｎｍの辺りにピークが形成されている。当該ピークは、拡散防止層６であるＡｌＮ層に相当すると解される。また、表面深さが２８ｎｍより大きい範囲では、Ａｌ濃度がそれぞれ略一定となっている。

これに対して、図５においては、表面深さが２ｎｍのあたりから２５ｎｍあたりまでＭｇ濃度がなだらかに減少している。一方で、２０ｎｍ〜３０ｎｍのあたりでＡｌ濃度が立ち上がっている。また、Ａｌ濃度のプロファイルにピークはみられない。

これらの結果は、拡散防止層６を設けない場合（図５）にはＭｇ元素がキャップ層７から障壁層５へと拡散するのに対して、拡散防止層６を設けた場合（図４）には、キャップ層７から障壁層５へのＭｇ元素の拡散が、拡散防止層６によって好適に防止されていることを示している。

すなわち、図２ないし図５に示す結果は、拡散防止層６としてＡｌＮ層を形成することが、キャップ層７からの元素の拡散を抑制するうえで有効であることを明確に示している。

そして、本実施の形態のように、キャップ層７および拡散防止層６を備えたエピタキシャル基板１０においては、単にキャップ層７のみを備え、拡散防止層６を備えないエピタキシャル基板に比して、優れた特性が実現される。

例えば、キャップ層７を備えているにもかかわらず、これを備えないエピタキシャル基板と同程度のシート抵抗、二次元電子ガス濃度および二次元電子ガス移動度が実現される。

あるいはまた、アクセプタ元素としてＭｇをドープしたＧａＮにてキャップ層７を形成し、ＰＮ接合を形成する場合であれば、当該ＰＮ接合における逆方向漏れ電流が１ｎＡ以下にまで低減される。

なお、上述のように、拡散防止層６の厚みは３ｎｍ以上であるのが好適である。３ｎｍを下回る場合でも、ある程度の拡散防止効果は得られるが、良好な電気特性を確実に確保するという観点からは、拡散防止層６は、３ｎｍ以上の厚みに形成するのが好ましい。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、障壁層の上にキャップ層を設けるのみならず、両層の間に拡散防止層としてのＡｌＮ層を設けることで、エピタキシャル基板においては、キャップ層から障壁層への元素の拡散が防止される。これにより、キャップ層を有し、かつ、特性の優れたエピタキシャル基板、さらには該エピタキシャル基板を用いた半導体素子やＰＮ接合ダイオード素子が、実現される。

（実施例１）
本実施例では、障壁層５、拡散防止層６、およびキャップ層７の形成条件の組合せが異なる計５４種のエピタキシャル基板１０を作製した。具体的には、障壁層５については組成を３水準に違えた。拡散防止層６については、これを形成しない場合（膜厚０ｎｍ）を含め、膜厚を５水準に違えた。キャップ層７については、これを形成しない場合を含め、組成を４水準に、膜厚を２水準に違えた。得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０について、ホール効果法を用いて電気特性を評価した。

スペーサ層４の形成までは、全てのエピタキシャル基板１０について同じ手順で形成した。

具体的には、まず、下地基板１として（０００１）面方位の２インチ径の６Ｈ−ＳｉＣ基板を複数枚用意した。厚みは３００μｍであった。それぞれの基板について、ＭＯＣＶＤ炉リアクタ内に設置し、真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を３０ｋＰａとし、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した。次いで、サセプタ加熱によって下地基板１を昇温した。

サセプタ温度が１０５０℃に達すると、ＴＭＡバブリングガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、バッファ層として厚さ２００ｎｍのＡｌＮ層を形成した。

続いて、サセプタ温度を所定の温度とし、有機金属原料ガスとしてのＴＭＧバブリングガスとアンモニアガスとを所定の流量比でリアクタ内に導入し、チャネル層３としてのＧａＮ層を２μｍの厚みに形成した。

チャネル層３が得られると、リアクタ圧力を１０ｋＰａとし、次いでＴＭＡバブリングガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、スペーサ層４として厚さ１ｎｍのＡｌＮ層を形成した。

スペーサ層４を形成した後、続いて、障壁層５を形成した。障壁層５の組成は、Ｉｎ_0.14Ａｌ_0.86Ｎ、Ｉｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎ、Ｉｎ_0.22Ａｌ_0.78Ｎの３水準に違えた。なお、サセプタ温度は各々の試料において、７７０℃、７４５℃、７２０℃とした。また、障壁層５の厚みは、いずれも２０ｎｍとした。

拡散防止層６の形成対象である試料については、障壁層５の形成後、拡散防止層６としてのＡｌＮ層を１．５ｎｍ、３ｎｍ、６ｎｍ、または１０ｎｍの厚みに形成した。なお、サセプタ温度は８００℃とした。

キャップ層７の形成対象である試料については、障壁層５もしくは拡散防止層６の形成後、キャップ層７を１０ｎｍまたは５０ｎｍの厚みに形成した。キャップ層７の組成は、ＧａＮ、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの３水準に違えた。なお、サセプタ温度は８００℃とした。

それぞれの試料について、所定の層が形成された後、サセプタ温度を室温付近まで降温し、リアクタ内を大気圧に復帰させた後、作製されたエピタキシャル基板１０を取り出した。以上の手順により、それぞれのエピタキシャル基板１０が得られた。

ホール効果法にて電気特性を評価するため、それぞれのエピタキシャル基板１０の表面（キャップ層７の表面）に対し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる多層金属膜を蒸着し、オーミック性の電極を形成した。続いて、係る電極のコンタクト特性を良好なものにするために、８００℃の窒素ガス雰囲気中にて３０秒間の熱処理を施した。

係る態様にて電極形成を行ったエピタキシャル基板１０について、ホール効果法により、２次元電子ガス濃度（２ＤＥＧ濃度）、２次元電子化ガス移動度（２ＤＥＧ移動度）、およびシート抵抗を測定した。表１ないし表３に、それぞれのエピタキシャル基板１０に固有の作製条件と、電気特性についての評価結果とを一覧にして示す。

表１ないし表３からは、障壁層５の組成によらず、３ｎｍ以上の厚みの拡散防止層６を形成したうえで、キャップ層７を形成してなるエピタキシャル基板１０（サンプル番号１−４〜６、１０〜１２、１６〜１８、２２〜２４、２８〜３０、３４〜３６、４０〜４２、４６〜４８、５２〜５４）においては、拡散防止層６およびキャップ層７を備えないエピタキシャル基板１０（サンプル番号１−２、８、１４、２０、２６、３２、３８、４４、５０）と同等の電気特性が得られていることがわかる。

係る結果は、拡散防止層６を３ｎｍ以上の厚みに形成することで、キャップ層を備えつつもキャップ層を備えていない場合と同等の電気特性を具備したエピタキシャル基板１０が得られることを指し示している。

また、拡散防止層６を備えているエピタキシャル基板１０（サンプル番号１−２３）と、これを備えていないエピタキシャル基板１０（サンプル番号１−２０）とについて、オージェ電子分光法によりＧａ元素、Ａｌ元素、およびＩｎ元素のデプスプロファイルを得た。前者についての結果が図２であり、後者についての結果が図３である。上述したように、図３からは、Ｇａ元素がキャップ層７から障壁層５へと拡散していることが確認されるのに対して、図２からは、キャップ層７から障壁層５へのＧａ元素の拡散が、拡散防止層６によって好適に防止されていることが確認される。これらの結果は、拡散防止層６としてＡｌＮ層を形成することが、キャップ層７からのＧａ元素の拡散を抑制するうえで有効であることを明確に示している。

なお、拡散防止層６を１．５ｎｍの厚みに形成したうえで、キャップ層７を形成してなるエピタキシャル基板１０（サンプル番号１−３、９、１５、２１、２７、３３、３９、４５、５１）においても、拡散防止層６を備えないエピタキシャル基板１０に比べると、電気特性は改善されている。すなわち、限定的ではあるが、拡散防止層６による拡散防止効果は得られているものといえる。

（実施例２）
本実施例では、障壁層５、拡散防止層６、およびキャップ層７の形成条件の組合せが異なる計４５種のエピタキシャル基板１０を作製した。具体的には、障壁層５については組成を３水準に違えた。拡散防止層６については、これを形成しない場合（膜厚０ｎｍ）を含め、膜厚を５水準に違えた。キャップ層７については、アクセプタ元素としてドープするＭｇ元素の目標濃度を３水準に違えた。そして、それぞれのエピタキシャル基板１０を用いて、同心円型ＰＮダイオード素子を作製し、逆方向バイアス時の漏れ電流（逆方向漏れ電流）を測定した。

拡散防止層６の形成までは、実施例１と同じとした。

キャップ層７は、障壁層５もしくは拡散防止層６の形成後、ＧａＮ層にアクセプタ元素としてＭｇをドープすることにより形成した。Ｍｇ元素の目標濃度を、１．０×１０¹⁸／ｃｍ³、１．０×１０¹⁹／ｃｍ³、５．０×１０¹⁹／ｃｍ³の３水準に違えた。厚みは全て５０ｎｍとした。なお、サセプタ温度は９５０℃とした。

それぞれの試料について、キャップ層７が形成された後、サセプタ温度を室温付近まで降温し、リアクタ内を大気圧に復帰させた後、作製されたエピタキシャル基板１０を取り出した。その後、キャップ層７を設けた試料については、Ｍｇアクセプタの活性化処理として、窒素ガス雰囲気中で６００℃、３０分の熱処理を行った。以上の手順により、それぞれのエピタキシャル基板１０が得られた。

続いて、得られたエピタキシャル基板１０を用いて、中央円形電極をＰ型電極として有し、外側ドーナツ型電極をｎ型電極として有する同心円型ＰＮダイオード素子を作製した。

具体的には、まず、公知のＲＩＥ（反応性イオンエッチング）処理により、エピタキシャル基板１０の表面の外周部分においてキャップ層７および拡散防止層６を同心円状に除去するリセスエッチングを施し、障壁層５を露出させた。

次いで、露出した障壁層５の表面に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる多層金属電極を蒸着し、オーミック性のｎ型電極を形成した。さらに、係るｎ型電極におけるコンタクト特性を良好なものにするために、窒素ガス雰囲気中にて８００℃、３０秒間の熱処理を施した。

次に、ＲＩＥ処理にて除去されずに残ったエピタキシャル基板１０の表面部分（同心円の中央部分）に、Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２０／２００ｎｍ）からなる多層金属電極を蒸着し、オーミック性のｐ型電極を形成した。なお、ｐ型電極は、直径１ｍｍの平面視円形形状に形成した。さらに、係るｐ型電極におけるコンタクト特性を良好なものにするために、窒素ガス雰囲気中にて５００℃、３０秒間の熱処理を施した。これにより、同心円型ＰＮダイオード素子が得られた。

係る態様にて得られたダイオード素子について、逆方向バイアス電圧を印加し、漏れ電流を測定した。表４ないし表６に、それぞれのダイオード素子に使用したエピタキシャル基板１０に固有の作製条件と、漏れ電流の測定結果とを一覧にして示す。

表４ないし表６からは、拡散防止層６を形成せず、キャップ層７を形成したエピタキシャル基板１０（サンプル番号２−１、６、１１、１６、２１、２６、３１、３６、４１）、および、１．５ｎｍの厚みの拡散防止層６を形成したうえで、キャップ層７を形成してなるエピタキシャル基板１０（サンプル番号２−２、７、１２、１７、２２、２７、３２、３７、４２）においては、μＡオーダーの逆方向漏れ電流が生じたのに対して、３ｎｍ以上の厚みの拡散防止層６を形成したうえで、キャップ層７を形成してなるエピタキシャル基板１０（サンプル番号２−３〜５、８〜１０、１３〜１５、１８〜２０、２３〜２５、２８〜３０、３３〜３５、３８〜４０、４２〜４５）においては、逆方向漏れ電流が１ｎＡ以下にまで低減されていることがわかる。

係る結果は、拡散防止層６を３ｎｍ以上の厚みに形成することで、逆方向漏れ電流が好適に抑制されたエピタキシャル基板１０が得られることを指し示している。

また、拡散防止層６を備えているエピタキシャル基板１０（サンプル番号２−１９）と、これを備えていないエピタキシャル基板１０（サンプル番号２−１６）とについて、ＳＩＭＳ分析によりＭｇ元素およびＡｌ元素の濃度プロファイルを得た。前者についての結果が図４であり、後者についての結果が図５である。上述したように、図５からは、Ｍｇ元素がキャップ層７から障壁層５へと拡散していることが確認されるのに対して、図４からは、キャップ層７から障壁層５へのＭｇ元素の拡散が、拡散防止層６によって好適に防止されていることが確認される。これらの結果は、拡散防止層６としてＡｌＮ層を形成することが、キャップ層７からのＭｇ元素の拡散を抑制するうえで有効であることを明確に示している。

１ 下地基板
２ バッファ層
３ チャネル層
３ｅ 二次元電子ガス領域
４ スペーサ層
５ 障壁層
６ 拡散防止層
７ キャップ層
１０ エピタキシャル基板

Claims (17)

1. 下地基板の上にIII族窒化物層群を（０００１）結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
   前記下地基板の上に形成されてなる、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の上に形成されてなる、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０．１４≦ｘ２≦０．２４）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層と、
   前記障壁層の上に形成されてなる、ＡｌＮからなり、３ｎｍ以上の厚みを有する拡散防止層と、
   前記拡散防止層の上に形成されてなる、Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（ｙ３＋ｚ３＝１、０≦ｙ３≦０．２）なる組成の第３のIII族窒化物からなるキャップ層と、
   を備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
2. 下地基板の上にIII族窒化物層群を（０００１）結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
   前記下地基板の上に形成されてなる、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の上に形成されてなる、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、ｘ２＞０、ｙ２＞０）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層と、
   前記障壁層の上に形成されてなる、ＡｌＮからなり、３ｎｍ以上の厚みを有する拡散防止層と、
   前記拡散防止層の上に形成されてなる、Ａｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（ｙ３＋ｚ３＝１、ｚ３＞０）なる組成の第３のIII族窒化物にアクセプタ元素をドープしたものであるキャップ層と、
   を備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
3. 請求項２に記載のエピタキシャル基板であって、
   前記アクセプタ元素がＭｇである、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
   前記第２のIII族窒化物のバンドギャップが前記第１のIII族窒化物のバンドギャップよりも大きい、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
   前記第１のIII族窒化物がＡｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）である、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
6. 請求項５に記載のエピタキシャル基板であって、
   前記第１のIII族窒化物がＧａＮである、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
   前記チャネル層と前記障壁層との間に、Ｉｎ_ｘ４Ａｌ_ｙ４Ｇａ_ｚ４Ｎ（ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１、ｙ４＞０）なる組成を有し、前記第２のIII族窒化物よりもバンドギャップが大きい第４のIII族窒化物からなるスペーサ層をさらに備える、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
8. 請求項７に記載のエピタキシャル基板であって、
   前記第４のIII族窒化物がＡｌＮである、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板を用いて作製した、半導体素子。
10. 請求項２または請求項３に記載の半導体素子用エピタキシャル基板を用いて作製した、ＰＮ接合ダイオード素子。
11. 下地基板の上にIII族窒化物層群を（０００１）結晶面が基板面に対し略平行となるよう積層形成した半導体素子用のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    下地基板の上に、Ｉｎ_ｘ１Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）なる組成の第１のIII族窒化物にてチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
    前記チャネル層の上に、Ｉｎ_ｘ２Ａｌ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１、０．１４≦ｘ２≦０．２４）なる組成の第２のIII族窒化物にて障壁層を形成する障壁層形成工程と、
    前記障壁層の上にＡｌＮからなる拡散防止層を形成する拡散防止層形成工程と、
    前記拡散防止層の上にＡｌ_ｙ３Ｇａ_ｚ３Ｎ（ｙ３＋ｚ３＝１、ｚ３＞０）なる組成の第３のIII族窒化物にアクセプタ元素をドープすることによってキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、
    を備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
12. 請求項１１に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記アクセプタ元素がＭｇである、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
13. 請求項１１または請求項１２に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記第２のIII族窒化物のバンドギャップが前記第１のIII族窒化物のバンドギャップよりも大きい、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
14. 請求項１１ないし請求項１３のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記第１のIII族窒化物がＡｌ _ｙ１ Ｇａ _ｚ１ Ｎ（ｙ１＋ｚ１＝１、ｚ１＞０）である、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
15. 請求項１４に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記第１のIII族窒化物がＧａＮである、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
16. 請求項１１ないし請求項１５のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記チャネル層の上に、Ｉｎ _ｘ４ Ａｌ _ｙ４ Ｇａ _ｚ４ Ｎ（ｘ４＋ｙ４＋ｚ４＝１、ｙ４＞０）なる組成を有し、前記第２のIII族窒化物よりもバンドギャップが大きい第４のIII族窒化物からなるスペーサ層を形成するスペーサ層形成工程、
    をさらに備え、
    前記障壁層形成工程においては、前記スペーサ層の上に前記障壁層を形成する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
17. 請求項１６に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記第４のIII族窒化物がＡｌＮである、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。

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