WO2026018896A1 - エピタキシャル基板および半導体素子 - Google Patents

Abstract

高抵抗のＩＩＩ族元素窒化物基板を用いて、性能に優れた高電子移動度トランジスタ素子を提供する。本発明の実施形態によるエピタキシャル基板は、遷移元素がドープされたＩＩＩ族元素窒化物で構成され、互いに対向する上面および下面を有する下地基板と、前記下地基板の前記上面に形成されたエピタキシャル層とを有し、前記エピタキシャル層は、前記下地基板側からチャネル層およびバリア層を有し、前記チャネル層の厚さは０．８μｍ以上であり、前記チャネル層の上面から深さ０．５μｍの部位における遷移元素濃度と、前記チャネル層の上面から深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度の平均値との和が、７×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３未満である。

Description

エピタキシャル基板および半導体素子

　本発明は、エピタキシャル基板および半導体素子に関する。

　ＩＩＩ族元素窒化物は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度を有することから、例えば、高周波／ハイパワーの電子デバイス用の半導体材料として開発が活発に行われている。ＩＩＩ族元素窒化物を用いた半導体素子として、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）素子が挙げられる。

　近年、下地基板としてＩＩＩ族元素窒化物基板を用い、この下地基板上にＨＥＭＴ構造を有するＨＥＭＴ素子の開発が進められている。ＨＥＭＴ構造を積層するＩＩＩ族元素窒化物基板は高抵抗であることが望まれている。高抵抗のＩＩＩ族元素窒化物基板としては、例えば特許文献１に開示されている。

特許第５４５１０８５号公報

　しかし、上記高抵抗のＩＩＩ族元素窒化物基板を用いて得たＨＥＭＴ素子は、性能が十分でない場合がある。例えば、リーク電流が大きいＨＥＭＴ素子が得られる場合がある。また、最大電流が十分でないＨＥＭＴ素子が得られる場合がある。

　上記に鑑み、本発明は、高抵抗のＩＩＩ族元素窒化物基板を用いて、性能に優れたＨＥＭＴ素子を提供することを主たる目的とする。

　１．本発明の実施形態によるエピタキシャル基板は、遷移元素がドープされたＩＩＩ族元素窒化物で構成され、互いに対向する上面および下面を有する下地基板と、前記下地基板の前記上面に形成されたエピタキシャル層とを有し、前記エピタキシャル層は、前記下地基板側からチャネル層およびバリア層を有し、前記チャネル層の厚さは０．８μｍ以上であり、前記チャネル層の上面から深さ０．５μｍの部位における遷移元素濃度と、前記チャネル層の上面から深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度の平均値との和が、７×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３未満である。
　２．上記１に記載のエピタキシャル基板において、上記チャネル層の上記上面から深さ０．２μｍの部位から深さ０．５μｍの部位までの遷移元素濃度の平均値をＴ（ｃｍ^－３）とし、上記下地基板の遷移元素濃度をＳ（ｃｍ^－３）とし、上記チャネル層の厚さをＤ（μｍ）とし、上記チャネル層の上面からの深さをｄ（μｍ）としたとき、上記チャネル層は下記式（１）に近似される領域を有してもよい。
　Ｔ＝Ｓ×１０＾（ｋ（Ｄ－ｄ））・・・（１）
　ここで、ｋの単位はμｍ^－１である。
　３．上記２に記載のエピタキシャル基板において、上記係数ｋは６．５以下であってもよい。
　４．上記２または３に記載のエピタキシャル基板において、上記係数ｋは６．０以下であってもよい。
　５．上記２から４のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、上記係数ｋは４．５以上であってもよい。
　６．上記２から５のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、上記遷移元素濃度Ｔが５×１０^１６ｃｍ^－３から５×１０^１７ｃｍ^－３の範囲において、上記式に近似されてもよい。
　７．上記１から６のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、上記チャネル層の厚さは２μｍ以下であってもよい。
　８．上記１から７のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、上記下地基板は窒化ガリウムを含んでもよい。
　９．上記１から８のいずれかに記載のエピタキシャル基板において、上記下地基板の上記遷移元素濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下であってもよい。
　１０．本発明の別の実施形態による半導体素子は、上記１から９のいずれかに記載のエピタキシャル基板と、前記エピタキシャル基板のエピタキシャル層上に設けられたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、を備える。

　本発明の実施形態によれば、性能に優れたＨＥＭＴ素子を提供することができる。

本発明の１つの実施形態に係るエピタキシャル基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。 １つの実施形態に係るＩＩＩ族元素窒化物基板の製造工程を示す図である。 図２Ａに続く図である。 図２Ｂに続く図である。 本発明の１つの実施形態に係るＨＥＭＴ素子の概略の構成を示す模式的な断面図である。 実験例１のサンプルＢ－３のエピタキシャル基板のＳＩＭＳの測定結果である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。図面は説明をより明確にするため、実施の形態に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、図面については、同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。

Ａ．エピタキシャル基板
　図１は本発明の１つの実施形態に係るエピタキシャル基板の概略の構成を示す模式的な断面図である。エピタキシャル基板１００は、板状であり、下地基板１０とエピタキシャル層２０とを有している。エピタキシャル基板１００は、互いに対向する第一主面（上面）１１および第二主面（下面）１２を有する下地基板１０と、下地基板１０の第一主面１１に形成されたエピタキシャル層２０と、を有している。エピタキシャル基板１００は、下地基板１０上にエピタキシャル層２０をエピタキシャル成長させることにより得ることができる。エピタキシャル層２０は、下地基板１０側からチャネル層２１とバリア層２２とが積層された積層構造を有している。

　エピタキシャル基板１００は、任意の適切な形状で製造され得る。１つの実施形態においては、円盤状に（いわゆるウェハの形態で）製造される。エピタキシャル基板１００のサイズは、目的に応じて適切に設定され得る。例えば、ウェハの直径は５０ｍｍ～２００ｍｍである。エピタキシャル基板１００は、結晶方位（例えば、ウェハの結晶方位）を示すため、その一部にオリエンテーションフラットやノッチが形成されていてもよい。

Ａ－１．下地基板
　下地基板１０の厚さは、例えば２５０μｍ以上８００μｍ以下である。下地基板１０は、ＩＩＩ族元素窒化物結晶で構成されたＩＩＩ族元素窒化物基板である。ＩＩＩ族元素窒化物を構成するＩＩＩ族元素としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）が用いられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。ＩＩＩ族元素窒化物の具体例としては、窒化アルミニウム（Ａｌ_ｘＮ）、窒化ガリウム（Ｇａ_ｙＮ）、窒化インジウム（Ｉｎ_ｚＮ）、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ）、窒化ガリウムインジウム（Ｇａ_ｙＩｎ_ｚＮ）、窒化アルミニウムインジウム（Ａｌ_ｘＩｎ_ｚＮ）、窒化アルミニウムガリウムインジウム（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ）が挙げられる。なお、括弧内の各化学式において、代表的には、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。

　下地基板１０は、半絶縁性であり得る。下地基板１０の抵抗率は、例えば１×１０^５Ω・ｃｍ以上１×１０^１４Ω・ｃｍ以下であり、好ましくは１×１０^６Ω・ｃｍ以上であり、より好ましくは１×１０^７Ω・ｃｍ以上である。抵抗率は、例えば、電荷量時間変化により求めることができる。電荷量時間変化によれば、基板を破壊することなく抵抗率を求めることができる。具体的には、基板をプローブとステージから構成されるキャパシター内に挿入してパルス電圧を印加し、基板の電荷量の時間変化を測定し、測定値から抵抗率を算出する。この際、プローブは基板に接触しないため、オーミック性接触電極を形成することなく抵抗率を求めることができる。なお、プローブの空間分解能は１ｍｍ～１０ｍｍ程度であり得る。抵抗率の求め方については、例えば、非特許文献である「R. Stibal et al., “Contactless evaluation of semi-insulating GaAs wafer resistivity using the time-dependent charge measurement” Semiconductor Science and Technology 6 p995 (1991)」に記載されている。

　下地基板１０は、ＩＩＩ族元素以外の元素がドープされている。具体的には、ＩＩＩ族元素窒化物は、ドーパントとしてＩＩＩ族元素以外の元素を含む。下地基板１０は、ＩＩＩ族元素以外の元素がドープされていることにより、上記抵抗率を良好に満足し得る。上記ドーパントとしては、好ましくは、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の遷移元素が用いられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。これらの中でも、鉄、マンガンが好ましく用いられ、より好ましくはマンガンが用いられる。

　下地基板１０における遷移元素の存在量（単位：ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）は、任意の適切な値に設定され得る。下地基板１０における遷移元素の存在量（単位：ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）は、以下、単に、遷移元素濃度（単位：ｃｍ^－３）と称する場合がある。下地基板１０の遷移元素濃度は、例えば６×１０^１７ｃｍ^－３以上であり、好ましくは７×１０^１７ｃｍ^－３以上であり、より好ましくは８×１０^１７ｃｍ^－３以上であり、さらに好ましくは９×１０^１７ｃｍ^－３以上であり、特に好ましくは１×１０^１８ｃｍ^－３以上である。下地基板１０の遷移元素濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^－３以下であり、好ましくは５×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、より好ましくは３×１０^１９ｃｍ^－３以下であり、さらに好ましくは１×１０^１９ｃｍ^－３以下である。１つの実施形態においては、遷移元素濃度は、鉄濃度とマンガン濃度の合計であってもよく、鉄濃度またはマンガン濃度であってもよい。

　上記ＩＩＩ族元素窒化物結晶においては、代表的には、＜０００１＞方向がｃ軸方向であり、＜１－１００＞方向がｍ軸方向であり、＜１１－２０＞方向がａ軸方向である。また、ｃ軸に直交する結晶面はｃ面であり、ｍ軸に直交する結晶面はｍ面であり、ａ軸に直交する結晶面はａ面である。１つの実施形態においては、ＩＩＩ族元素窒化物基板１０の厚さ方向はｃ軸に平行または略平行であり、第一主面１１は（０００１）面側のＩＩＩ族元素極性面であり、第二主面１２は（０００－１）面側の窒素極性面である。第一主面１１は、（０００１）面に平行であってもよく、（０００１）面に対して傾斜していてもよい。第一主面１１の（０００１）面に対する傾斜角は、例えば１０°以下であり、５°以下であってもよく、２°以下であってもよく、１°以下であってもよい。第二主面１２は、（０００－１）面に平行であってもよく、（０００－１）面に対して傾斜していてもよい。第二主面１２の（０００－１）面に対する傾斜角は、例えば１０°以下であり、５°以下であってもよく、２°以下であってもよく、１°以下であってもよい。

　下地基板を構成するＩＩＩ族元素窒化物基板は、例えば、育成用基板と種結晶膜とを有する種結晶基板の種結晶膜上にＩＩＩ族元素以外の元素がドープされたＩＩＩ族元素窒化物結晶を育成することにより得ることができる。

　図２Ａから図２Ｃは、１つの実施形態に係るＩＩＩ族元素窒化物基板の製造工程を示す図である。図２Ａは、互いに対向する上面３１ａおよび下面３１ｂを有する育成用基板３１の上面３１ａに種結晶膜３２が成膜され、種結晶基板３３が完成した状態を示している。

　上記育成用基板としては、例えば、所望の形状・サイズを有するＩＩＩ族元素窒化物基板を製造可能な形状・サイズを有する基板が用いられる。代表的には、育成用基板は、直径５０ｍｍ～２００ｍｍの円盤状とされる。育成用基板の厚さは、例えば２００μｍ～８００μｍである。育成用基板は、代表的には、単結晶体で構成される。育成用基板を構成する材料としては、例えば、サファイア、結晶配向性アルミナ、シリコン、酸化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、ガリウム砒素、炭化ケイ素が挙げられる。

　上記種結晶膜の厚さは、例えば０．２μｍ以上である。ＩＩＩ族元素窒化物結晶育成時のメルトバックや消失を防止する観点から、種結晶膜の厚さは、１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは２μｍ以上である。一方、種結晶膜の厚さは、生産性の観点から、１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下である。種結晶膜を構成する材料としては、代表的には、ＩＩＩ族元素窒化物が用いられる。ＩＩＩ族元素窒化物の詳細は上述のとおりである。

　種結晶膜は、任意の適切な方法により成膜され得る。種結晶膜の成膜方法としては、代表的には、気相成長法が用いられる。気相成長法の具体例としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、蒸着法、昇華法が挙げられる。これらの中でも、ＭＯＣＶＤ法が好ましく用いられる。

　上記ＭＯＣＶＤ法による種結晶膜の成膜は、例えば、第一形成工程および第二形成工程をこの順に含む。具体的には、第一形成工程では温度Ｔ１（例えば、４５０℃～５５０℃）にて育成用基板上に図示しない第一の層（低温成長緩衝層）を成膜し、第二形成工程では温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２（例えば、１０００℃～１２００℃）にて図示しない第二の層を成膜する。第一の層の厚さは、例えば２０ｎｍ～５０ｎｍである。第二の層の厚さは、例えば１μｍ～５μｍである。

　次に、種結晶基板３３の種結晶膜３２上にＩＩＩ族元素窒化物結晶を育成してＩＩＩ族元素窒化物結晶層３４を形成し、図２Ｂに示すように積層基板３５を得る。所望のＩＩＩ族元素窒化物基板の厚さに応じて、ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成の程度（ＩＩＩ族元素窒化物結晶層３４の厚さ）は調整され得る。ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成方向としては、用途、目的等に応じて、任意の適切な方向が選択され得る。具体例として、上記ｃ面、ａ面、ｍ面それぞれの法線方向、上記ｃ面、ａ面、ｍ面に対して傾斜した面の法線方向が挙げられる。

　ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成方法としては、上記種結晶膜の結晶方位に概ね倣った結晶方位を達成し得る方法であれば、特に限定されない。ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成方法の具体例としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、昇華法等の気相成長法；フラックス法、アモノサーマル法、水熱法、ゾルゲル法等の液相成長法が挙げられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。

　好ましくは、ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成方法として、フラックス法（例えば、Ｎａフラックス法）が採用される。このような育成方法の詳細は、例えば、特許第５４５１０８５号公報に記載されており、適宜、記載された育成方法の各種条件を調整して育成してもよい。具体的には、ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成は、高圧窒素ガスを供給可能な耐圧容器と、この耐圧容器内で回転可能な回転台と、この回転台に載置される外容器とを備える結晶製造装置を用いて、各種条件を調整して行うことができる。

　フラックス法によるＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成は、代表的には、育成容器としての坩堝を用いて行われる。具体的には、坩堝内の所定の位置に上記種結晶基板が配置され、さらに、原料が充填される。種結晶基板が配置された坩堝は、代表的には、蓋をした状態で、窒素を含む雰囲気下、所定の圧力・温度下に置かれ、育成処理に供される。

　上記原料は、例えば、フラックス、ＩＩＩ族元素、および、ドーパントを含む融液組成物である。フラックスは、アルカリ金属とアルカリ土類金属の少なくとも一方を含むことが好ましく、より好ましくは金属ナトリウムを含む。代表的には、フラックスと金属原料物質とを混合して使用する。金属原料物質としては、単体金属、合金、金属化合物等が用いられ得るが、取扱いの観点から、単体金属が好ましく用いられる。

　上記坩堝（蓋を含む）としては、フラックス法に用いられ得る任意の適切な材質で形成され得る。坩堝の材質としては、例えば、アルミナ、イットリア、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）が挙げられる。また、坩堝の材質は、単結晶であってもよく、多結晶（セラミックス）であってもよい。セラミックスは、ＨＩＰ処理などで相対密度を高めた、いわゆる透光性を持たせたものであってよい。

　育成は、上述のとおり、窒素を含む雰囲気下で行われ得る。育成雰囲気は、窒素に加えて、他のガスを含み得る。他のガスとしては、アルゴン、ヘリウム、ネオン等の不活性ガスが好ましく用いられる。

　育成時の雰囲気の圧力は、任意の適切な圧力に設定され得る。育成時の雰囲気の圧力は、例えば、フラックスの蒸発を防止する観点から、例えば１ＭＰａ以上であり、２ＭＰａ以上であってもよく、３ＭＰａ以上であってもよい。一方、育成時の雰囲気の圧力は、例えば、育成装置が大がかりとなるのを防止する観点から、例えば５０ＭＰａ以下であり、１０ＭＰａ以下であってもよい。

　育成時の雰囲気の温度は、任意の適切な温度に設定され得る。育成時の雰囲気の温度は、好ましくは７００℃～１０００℃であり、より好ましくは８００℃～９００℃である。１つの実施形態においては、育成時の雰囲気の温度を調整することにより、上記所望の酸素濃度が達成され得る。

　育成は、例えば、上記融液組成物中への高圧窒素ガスの溶解を促進する観点から、下地基板（坩堝）を回転させながら行うことが好ましい。例えば、蓋をした坩堝を上記結晶製造装置の外容器に収容して回転台の上に載置し、この状態で、回転台を回転（例えば、自転）させることにより坩堝を回転させる。

　ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成後、図２Ｃに示すように、ＩＩＩ族元素窒化物結晶（ＩＩＩ族元素窒化物結晶層３４）から育成用基板３１を除去して、自立基板３６を得る。代表的には、図示するように、自立基板３６は、ＩＩＩ族元素窒化物結晶層３４および種結晶膜３２を含み得る。例えば、育成用基板３１からＩＩＩ族元素窒化物結晶層３４を分離して、自立基板３６を得る。ＩＩＩ族元素窒化物結晶は、任意の適切な方法により育成用基板から分離され得る。ＩＩＩ族元素窒化物結晶の分離方法としては、例えば、ＩＩＩ族元素窒化物結晶の育成後の降温工程において下地基板との熱収縮差を利用して育成用基板から自発分離させる方法、ケミカルエッチングにより分離する方法、レーザー光照射によるレーザリフトオフ法が挙げられる。また例えば、育成用基板３１を研削して除去する方法、ワイヤソー等を用いてスライスする方法などにより、自立基板を得てもよい。

　自立基板３６は、そのまま上記ＩＩＩ族元素窒化物基板とされ得るが、代表的には、自立基板３６に対して任意の適切な加工を行い、上記ＩＩＩ族元素窒化物基板を得る。

　上記自立基板に対して行う加工の一例としては、周縁部の研削加工（例えば、ダイヤモンド砥石を用いた研削加工）が挙げられる。代表的には、研削により、上記所望の形状・サイズ（例えば、所望の直径を有する円盤状）となるように加工する。

　上記自立基板に対して行う加工の別の例としては、主面（上面、下面）の研削、研磨（例えば、ラップ研磨、化学機械研磨（ＣＭＰ））等の加工が挙げられる。代表的には、研削および研磨により、所望の厚さとなるように薄板化および平坦化する。１つの実施形態においては、主面の加工により種結晶膜３２は除去され、ＩＩＩ族元素窒化物結晶層３４のみ（単一の結晶成長層のみ）の状態とされ得る。

　また、例えば、上記自立基板に対して行う加工としては、外周エッジの面取り、研削や研磨により表面に生じた加工変質層の除去、加工変質層に起因し得る残留応力の除去が挙げられる。１つの実施形態においては、上記種々の加工により、ＩＩＩ族元素窒化物基板１０の主面（例えば、ＩＩＩ族元素極性面）は、エピレディ面に仕上げられる。

Ａ－２．エピタキシャル層
　チャネル層２１およびバリア層２２を構成する材料としては、それぞれ、ＩＩＩ族元素窒化物結晶が採用され得る。ＩＩＩ族元素窒化物を構成するＩＩＩ族元素としては、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）が用いられる。これらは単独で、または、二種以上組み合わせて用いられ得る。１つの実施形態においては、チャネル層２１は、好ましくは、窒化ガリウムで構成される。そして、バリア層２２は、好ましくは、窒化アルミニウムガリウム、窒化アルミニウムインジウムおよび窒化アルミニウムインジウムガリウムから選択される少なくとも一つで構成される。

　エピタキシャル層２０（チャネル層２１およびバリア層２２）は、下地基板１０に結晶をエピタキシャル成長させることにより形成され得る。エピタキシャル層２０の結晶方位と下地基板１０の結晶方位とは、実質的に揃い得る。また、エピタキシャル層２０のオフ方位（オフ角の方向）と下地基板１０のオフ方位とは、実質的に揃い得る。エピタキシャル層２０のオフ角と下地基板１０のオフ角とは、実質的に一致し得る。

　エピタキシャル層２０（チャネル層２１およびバリア層２２）の形成方法（成長方法）としては、代表的には、気相成長法が用いられる。気相成長法の具体例としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルス励起堆積（ＰＸＤ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、蒸着法、昇華法が挙げられる。これらの中でも、ＭＯＣＶＤ法が好ましく用いられる。この場合、エピタキシャル層２０の成長温度は、例えば８００℃以上１３００℃以下であり、好ましくは１０００℃以上１２００℃以下である。

　例えば、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層２１およびバリア層２２を形成する場合、ＩＩＩ族元素源として有機金属（ＭＯ）原料ガスが用いられ得る。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層２１として窒化ガリウム層を形成し、バリア層２２として窒化アルミニウムガリウム層を形成する場合、Ｇａ源およびＡｌ源として、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）が用いられ得る。そして、窒素源として、アンモニアガスが用いられ得る。また、キャリアガスとして、水素ガスまたは窒素ガスの少なくとも一つが用いられ得る。

　チャネル層２１の厚さは、０．８μｍ以上であり、好ましくは０．９μｍ以上であり、より好ましくは１．０μｍ以上であり、さらに好ましくは１．１μｍ以上である。一方で、チャネル層２１の厚さは、例えば３μｍ以下、好ましくは２μｍ以下であり、より好ましくは１．５μｍ以下であり、さらに好ましくは１．３μｍ以下である。バリア層２２の厚さは、例えば２ｎｍ～４０ｎｍであり、好ましくは５ｎｍ～２５ｎｍである。

　チャネル層２１は、下地基板１０に含まれ得る遷移元素を含み得る。具体的には、チャネル層２１の成長時に下地基板１０から遷移元素が拡散し得る。この拡散は、例えば、チャネル層２１の成長温度が高い程、促進される傾向にある。チャネル層２１における遷移元素の存在量（濃度）は、チャネル層２１の上面２１ａ側に行く程、少なくなる傾向にある。チャネル層２１において、チャネル層２１とバリア層２２との界面付近に２次元電子ガス（２ＤＥＧ：ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｇａｓ）が発生し得、２ＤＥＧが発生し得る領域において遷移元素の存在量は少ないことが好ましい。一方で、チャネル層２１の上面２１ａから深さ０．５μｍの部位における遷移元素濃度は、例えば５×１０^１４ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３未満であり得、好ましくは７×１０^１４ｃｍ^－３以上９×１０^１５ｃｍ^－３以下であり、より好ましくは１×１０^１５ｃｍ^－３以上８×１０^１５ｃｍ^－３以下である。１つの実施形態においては、チャネル層２１の厚さを、例えば１．０μｍ以上１．５μｍ以下とすることにより、このような遷移元素濃度の分布を良好に達成することができる。

　チャネル層２１は、炭素を含み得る。チャネル層２１に含まれる炭素は、例えば、チャネル層２１の成長に用いられる原料に由来する。チャネル層２１における炭素の存在量（炭素濃度）は、チャネル層２１の成長温度が高い程、少なくなる傾向にある。よって、チャネル層２１の成長条件を調整することにより、チャネル層２１における炭素の存在量およびその分布を制御することができる。チャネル層２１の上面２１ａから深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度の平均値は、例えば３×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３未満であり得、好ましくは３×１０^１５ｃｍ^－３以上８×１０^１５ｃｍ^－３以下である。

　チャネル層２１における炭素濃度の分布として、１つの実施形態においては、チャネル層２１は、深さ方向（厚さ方向）において均一な炭素濃度の領域を有する。ここで、均一な炭素濃度の領域とは、炭素濃度のバラツキが±１５％の範囲内である領域をいう。例えば、チャネル層２１の上面２１ａから深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度のバラツキは±１５％の範囲内である。また、深さ方向（厚さ方向）は、下地基板１０の上面１１に対して実質的に垂直な方向を意味する。

　チャネル層２１の上面２１ａから深さ０．５μｍの部位における遷移元素濃度とチャネル層２１の上面２１ａから深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度の平均値との和（以下、単に「濃度の和」と称する場合がある）は、７×１０^１５ｃｍ^－３以上である。このような濃度の和によれば、得られるＨＥＭＴ素子において、リーク電流を抑制することができる。リーク電流の発生は、下地基板１０とエピタキシャル層２０との界面付近に存在し得るＳｉ濃度の高い領域が原因の一つとして考えられる。具体的には、下地基板１０にエピタキシャル層２０を成長させる前に、下地基板１０の上面１１に付着したシリコン（Ｓｉ）が、エピタキシャル成長後に下地基板１０とエピタキシャル層２０との界面に蓄積されたまま残留してＳｉ濃度の高い領域が形成され、下地基板１０とエピタキシャル層２０との界面で電流が漏れ出すと考えられる。上述のように、チャネル層２１において遷移元素および炭素を敢えて存在させることにより、リーク電流を抑制することができる。なお、Ｓｉ濃度の高い領域は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により確認することができる。

　チャネル層２１の上面２１ａから深さ０．５μｍの部位における遷移元素濃度とチャネル層２１の上面２１ａから深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度の平均値との和は、１×１０^１６ｃｍ^－３未満であり、好ましくは９×１０^１５ｃｍ^－３以下である。このような濃度の和によれば、得られるＨＥＭＴ素子において、高い最大電流を得ることができる。

　チャネル層２１における遷移元素濃度の分布として、１つの実施形態においては、チャネル層２１は、チャネル層２１の遷移元素濃度をＴ（ｃｍ^－３）とし、下地基板１０の上面１１から深さ０．２μｍの部位から深さ０．５μｍの部位までの遷移元素濃度の平均値をＳ（ｃｍ^－３）とし、チャネル層２１の厚さをＤ（μｍ）とし、チャネル層２１の上面２１ａからの深さをｄ（μｍ）としたとき、Ｔ＝Ｓ×１０＾（ｋ（Ｄ－ｄ））で表される式に近似される領域を有し得る。ここで、ｋの単位はμｍ^－１である。例えば、遷移元素濃度Ｔが５×１０^１６ｃｍ^－３から５×１０^１７ｃｍ^－３の範囲において、上記式に良好に近似され得る。

　上記式中の係数ｋは、線形の傾きを示し、例えば、下地基板１０の遷移元素濃度、チャネル層２１の成長条件（例えば、成長温度、成長時間）によって変化し得る。係数ｋは、好ましくは６．５以下であり、６．０以下であってもよい。一方で、係数ｋは、好ましくは４．５以上である。

Ｂ．ＨＥＭＴ素子
　図３は、本発明の１つの実施形態に係るＨＥＭＴ素子の概略の構成を示す模式的な断面図である。ＨＥＭＴ素子２００は、エピタキシャル基板１００と、エピタキシャル基板１００のチャネル層２１とバリア層２２を有するエピタキシャル層２０上に設けられたソース電極２３とドレイン電極２４とゲート電極２５とを備える。これらの電極は、それぞれに、十数ｎｍ～百数十ｎｍ程度の厚さを有する金属電極であり得る。上記エピタキシャル基板を用いたＨＥＭＴ素子は、性能（例えば、出力特性）に優れ得る

　以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

［実験例１］
（種結晶基板の作製）
　直径４インチのｃ面サファイア基板を複数枚準備し、それぞれのサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により厚さ２μｍの窒化ガリウム膜を成膜して種結晶基板を作製した。

（窒化ガリウム結晶の育成）
　窒化ガリウム結晶の育成は、高圧窒素ガスを供給可能な耐圧容器と、この耐圧容器内で回転可能な回転台と、この回転台に載置される外容器と、この外容器を所望の温度環境下に置くための結晶育成炉とを備える結晶製造装置により行った。
　得られた種結晶基板を、窒素雰囲気のグローブボックス内で、アルミナ坩堝内に配置した。次に、４０ｇの金属ガリウムと８０ｇの金属ナトリウムと、ドープ元素としてマンガン０．０１ｇ～０．１０ｇをグローブボックス内でそれぞれ融解して坩堝内に充填し、種結晶基板をフラックス融液に浸漬し、アルミナ板で蓋をした。このようにして、マンガンの充填量が異なる４個の坩堝を準備した。
　準備した坩堝をステンレス製の内容器に入れ、さらにこの内容器を収容可能なステンレス製の外容器に入れて、窒素導入パイプの付いた蓋で外容器を閉じた。この状態で、外容器を結晶製造装置内に配置されている回転台の上に載置し、結晶製造装置の耐圧容器に蓋をして密閉した。
　次いで、加熱ヒーター部を操作して、結晶製造装置内の結晶育成炉の温度が均一に８５０℃になるように加熱しながら、４ＭＰａになるまで窒素ガスボンベから耐圧容器内に窒素ガスを導入し、外容器を水平回転させた。この状態を３５時間保持し、窒化ガリウム結晶を成長させた。
　その後、室温まで自然冷却して大気圧にまで減圧した後、アルミナ坩堝の蓋を開けたところ、成長させた窒化ガリウム結晶とサファイア基板とが自然剥離した状態であった。こうして、直径４インチで厚さ１ｍｍの窒化ガリウム結晶を得た。

　その後、窒化ガリウム結晶のサファイア基板からの剥離面およびその反対側の面を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨して平坦化し、直径４インチで厚さ０．４ｍｍのＭｎドープ窒化ガリウム基板を得た。具体的には、マンガン濃度が異なる４種類（Ａ：１×１０^１８ｃｍ^－３、Ｂ：２×１０^１８ｃｍ^－３、Ｃ：５×１０^１８ｃｍ^－３、Ｄ：１×１０^１９ｃｍ^－３）の窒化ガリウム基板を得た。なお、各窒化ガリウム基板のマンガン濃度は、下記の方法により測定した値である。

＜窒化ガリウム基板のマンガン濃度の測定＞
　得られた基板から２０ｍｍ×２０ｍｍのサイズの測定サンプルを切り出し、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によりマンガン（Ｍｎ）濃度を測定した。測定条件は以下のとおりである。なお、上記Ｍｎ濃度は、下記測定範囲におけるＭｎ濃度の平均値である。
（測定条件）
・二次イオン質量分析計の種類：扇形磁場型
・一次イオンの種類：Ｏ_２ ^＋
・測定範囲：基板表面（エピタキシャル成長面側の表面）から深さ０．２μｍの部位から深さ０．５μｍの部位まで
・検出下限：５×１０^１４ｃｍ^－３

（エピタキシャル基板の作製）
　ＭＯＣＶＤ法により、得られた窒化ガリウム基板の主面に、窒化ガリウム層（チャネル層）および窒化アルミニウムガリウム層（バリア層）をこの順にエピタキシャル成長させて、エピタキシャル基板を作製した。具体的には、得られた窒化ガリウム基板をＭＯＣＶＤ装置炉内のサセプターに配置した。ＭＯＣＶＤ炉内を水素ガスと窒素ガスの混合フローとし、炉内圧力０．３ａｔｍにて１１００℃～１２００℃の範囲内の所定温度まで昇温した。所定温度に到達後、アンモニアガスとＧａ原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて１μｍの窒化ガリウム層を成膜した。その後、１２００℃まで昇温し、さらにＡｌ原料ガスであるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加えて２０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌとＧａの組成比０．２：０．８）を成膜し、エピタキシャル基板を作製した。その後、室温まで基板温度を下げて大気圧に復圧した後、ＭＯＣＶＤ炉からエピタキシャル基板を取り出した。

［実験例２］
　窒化ガリウム層の成膜時間を１．２倍にして１．２μｍの窒化ガリウム層を成膜したこと以外は実験例１と同様にして、エピタキシャル基板を得た。

［実験例３］
　窒化ガリウム層の成膜時間を１．５倍にして１．５μｍの窒化ガリウム層を成膜したこと以外は実験例１と同様にして、エピタキシャル基板を得た。

＜評価＞
　実験例１、実験例２および実験例３で得られた各エピタキシャル基板について下記の評価を行った。実験例１で得られた各エピタキシャル基板についての評価結果を表１に示し、実験例２で得られた各エピタキシャル基板についての評価結果を表２に示し、実験例３で得られた各エピタキシャル基板についての評価結果を表３に示す。また、代表して、実験例１のサンプルＢ－３（窒化ガリウム基板のＭｎ濃度２×１０^１８ｃｍ^－３、窒化ガリウム層の成膜温度条件３）のエピタキシャル基板のＳＩＭＳの測定結果を図４に示す。図４において、縦軸は濃度Ｔ（ｃｍ^－３）であり、横軸はチャネル層の上面からの深さｄ（μｍ）である。なお、チャネル層上面付近においては、濃度測定においてノイズが確認され得る。

１．マンガン濃度および炭素濃度
　得られたエピタキシャル基板の中央部から２０ｍｍ×２０ｍｍのサイズの測定サンプルを切り出し、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によりマンガン（Ｍｎ）濃度および炭素（Ｃ）濃度を求めた。測定条件は以下のとおりである。
（測定条件）
・二次イオン質量分析計の種類：扇形磁場型
・一次イオンの種類：Ｏ_２ ^＋（マンガン測定時）、Ｃｓ^－（炭素測定時）
・測定範囲：表面から深さ５μｍまで
・検出下限：５×１０^１４ｃｍ^－３（マンガン測定時）、３×１０^１５ｃｍ^－３（炭素測定時）

　各表に示すＭｎ濃度（ｃｍ^－３）はチャネル層の上面から深さ０．５μｍの部位におけるＭｎ濃度を示し、Ｃ濃度（ｃｍ^－３）はチャネル層の上面から深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけてのＣ濃度の平均値を示し、和（ｃｍ^－３）はこれらの和である。

　各表に示すＭｎ濃度の傾きｋは、チャネル層２１のＭｎ濃度をＴ（ｃｍ^－３）とし、チャネル層２１の厚さをＤ（μｍ）とし、チャネル層２１の上面２１ａからの深さをｄ（μｍ）とし、上記窒化ガリウム基板のＭｎ濃度をＳ（ｃｍ^－３）とし、５×１０^１６≦Ｔ≦５×１０^１７の範囲で抽出したＴとｄの数値を用いてＴ＝Ｓ×１０＾（ｋ（Ｄ－ｄ））で表される式に最小二乗近似法を適用することにより求めた。

２．トランジスタ素子の特性
（トランジスタ素子の作製）
　次に、得られたエピタキシャル基板を用いてトランジスタ素子を作製した。エピタキシャル基板への電極の形成に先立ち、得られたエピタキシャル基板に、パッシベーション膜として厚さ１０ｎｍの酸化ケイ素膜を成膜した。続いて、フォトリソグラフィにより、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極の形成予定箇所の酸化ケイ素膜をエッチングにより除去した。
　次に、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法とを用い、得られる各トランジスタ素子の境界となる部位を深さ４００ｎｍ程度までエピタキシャル成長層をエッチング除去した。
　次に、エピタキシャル成長層上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりソース電極およびドレイン電極が形成される領域に開口を形成し、真空蒸着法によりＴｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕの金属膜を、それぞれ、１５ｎｍ、２２０ｎｍ、４０ｎｍ、７５ｎｍの膜厚で順次成膜し多層構造を形成した。その後、有機溶剤や剥離液に基板を浸漬させ、リフトオフによりフォトレジスト膜を除去してソース電極およびドレイン電極を得た。次いで、オーミック性金属パターン電極となり得るソース電極およびドレイン電極のオーミック性を向上させる観点から、基板を、窒素ガス雰囲気中にて７００℃で３０秒間の熱処理に供した。
　続いて、ソース電極およびドレイン電極の形成と同様、フォトリソグラフィと真空蒸着法を用いて、Ｐｔの金属膜を１５ｎｍの膜厚にて成膜し、ショットキー性金属パターン電極となり得るゲート電極を形成した。
　こうして、ゲート幅が１ｍｍ、ソースとゲートとの間隔が０．５μｍ、ゲートとドレインとの間隔が７．５μｍ、ゲート長が１．５μｍの電極が形成されたトランジスタ素子を作製した。

　以上のように作製したトランジスタ素子について、ドレイン電流密度およびゲートリーク電流を測定した。具体的には、ソース・ドレイン間電圧として＋８Ｖを印加し、ゲート電圧を＋３Ｖとしたときに、ソース・ドレイン間に流れる電流からドレイン電流密度を求めた。また、ソース・ドレイン間電圧として＋８Ｖを印加し、ゲート電圧を－６Ｖとしてオフ状態にしたときに、ソース・ドレイン間に流れる電流からリーク電流密度を求めた。
　各エピタキシャル基板から得られたトランジスタ素子について、下記の基準で評価した。
（判定基準）
○：ドレイン電流密度が１０００ｍＡ／ｍｍ^２を超える
×：ドレイン電流密度が１０００ｍＡ／ｍｍ^２以下
○：リーク電流密度が１μＡ／ｍｍ^２未満
×：リーク電流密度が１μＡ／ｍｍ^２以上

　本発明の実施形態によるエピタキシャル基板は、例えば、半導体デバイスに適用され得る。

　１０　下地基板（ＩＩＩ族元素窒化物基板）、１１　第一主面（上面）、１２　第二主面（下面）、３１　育成用基板、３１ａ　上面、３１ｂ　下面、３２　種結晶膜、３３　種結晶基板、３４　ＩＩＩ族元素窒化物結晶層、３５　積層基板、３６　自立基板、２０　エピタキシャル層、２１　チャネル層、２２　バリア層、２３　ソース電極、２４　ドレイン電極、２５　ゲート電極、１００　エピタキシャル基板、２００　ＨＥＭＴ素子。

Claims (10)

1. 　遷移元素がドープされたＩＩＩ族元素窒化物で構成され、互いに対向する上面および下面を有する下地基板と、前記下地基板の前記上面に形成されたエピタキシャル層とを有し、
   　前記エピタキシャル層は、前記下地基板側からチャネル層およびバリア層を有し、
   　前記チャネル層の厚さは０．８μｍ以上であり、
   　前記チャネル層の上面から深さ０．５μｍの部位における遷移元素濃度と、前記チャネル層の上面から深さ０．１５μｍの部位から深さ０．５０μｍの部位にかけての炭素濃度の平均値との和が、７×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３未満である、
   　エピタキシャル基板。
2. 　前記チャネル層の遷移元素濃度をＴ（ｃｍ^－３）とし、前記下地基板の前記上面から深さ０．２μｍの部位から深さ０．５μｍの部位までの遷移元素濃度の平均値をＳ（ｃｍ^－３）とし、前記チャネル層の厚さをＤ（μｍ）とし、前記チャネル層の上面からの深さをｄ（μｍ）としたとき、前記チャネル層は下記式（１）に近似される領域を有する、請求項１に記載のエピタキシャル基板：
   　Ｔ＝Ｓ×１０＾（ｋ（Ｄ－ｄ））・・・（１）
   　ここで、ｋの単位はμｍ^－１である。
3. 　前記係数ｋは６．５以下である、請求項２に記載のエピタキシャル基板。
4. 　前記係数ｋは６．０以下である、請求項２に記載のエピタキシャル基板。
5. 　前記係数ｋは４．５以上である、請求項２に記載のエピタキシャル基板。
6. 　前記遷移元素濃度Ｔが５×１０^１６ｃｍ^－３から５×１０^１７ｃｍ^－３の範囲において、前記式に近似される、請求項２に記載のエピタキシャル基板。
7. 　前記チャネル層の厚さは２μｍ以下である、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
8. 　前記下地基板は窒化ガリウムを含む、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
9. 　前記下地基板の前記遷移元素濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載のエピタキシャル基板。
10. 　請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板と、
    　前記エピタキシャル基板のエピタキシャル層上に設けられたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、
    　を備える、半導体素子。