(57)【要約】【課題】縦方向の電流−電圧特性の面内均一性を向上することのできる化合物半導体基板を提供する。【解決手段】化合物半導体基板ＣＳ１は、平面的に見た場合に、中心ＰＴ１と、中心ＰＴ１から７１．２ｍｍ離れた位置であるエッジＰＴ２とを備える。化合物半導体基板ＣＳ１のＧａＮ層における中心ＰＴ１の膜厚を膜厚Ｗ１とし、ＧａＮ層におけるエッジＰＴ２の膜厚を膜厚Ｗ２とした場合に、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１−Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷは、０より大きく８％以下である。ＧａＮ層の中心ＰＴ１における深さ方向の平均炭素濃度は、３×１０18個／ｃｍ3以上５×１０20個／ｃｍ3以下である。ＧａＮ層の中心ＰＴ１における深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ１とし、ＧａＮ層のエッジＰＴ２における深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ２とした場合に、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１−Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣは、０以上５０％以下である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面的に見た場合に、中心と、前記中心から７１．２ｍｍ離れた位置であるエッジとを備えた化合物半導体基板であって、
Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の上面側に形成されたＡｌＮを含むバッファー層と、
前記バッファー層の上面側に形成されたＡｌを含む窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上面側に形成されたＧａＮ層とを備え、
前記ＧａＮ層における前記中心の膜厚を膜厚Ｗ１とし、前記ＧａＮ層における前記エッジの膜厚を膜厚Ｗ２とした場合に、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１−Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷは、０より大きく８％以下であり、
前記ＧａＮ層の前記中心における深さ方向の平均炭素濃度は、３×１０18個／ｃｍ3以上５×１０20個／ｃｍ3以下であり、
前記ＧａＮ層の前記中心における深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ１とし、前記ＧａＮ層の前記エッジにおける深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ２とした場合に、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１−Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣは、０以上５０％以下である、化合物半導体基板。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板の上面に形成されたＳｉＣ層をさらに備えた、請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
前記窒化物半導体層の上面側に形成された複合層をさらに備え、
前記複合層は、
前記ＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層の上面に形成されたＡｌＮ層とを含む、請求項２に記載の化合物半導体基板。
【請求項４】
前記化合物半導体基板の縦方向の真性破壊電圧値は、１２００Ｖ以上１６００Ｖ以下である、請求項３に記載の化合物半導体基板。
【請求項５】
前記真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こす前記ＧａＮ層の前記中心の欠陥密度は、０より大きく１００個／ｃｍ2以下である、請求項４に記載の化合物半導体基板。
【請求項６】
前記真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こす前記ＧａＮ層の前記エッジの欠陥密度は、０より大きく７個／ｃｍ2以下である、請求項４または５に記載の化合物半導体基板。
【請求項７】
前記中心から前記エッジまでの領域がクラックフリーである、請求項２〜６のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【請求項８】
基板全面でメルトバックフリーを満たす、請求項２〜７のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体基板に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）層を備えた化合物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮは、Ｓｉ（ケイ素）に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いワイドバンドギャップ半導体材料として知られている。ＧａＮは、他のワイドバンドギャップ半導体材料と比べても高い耐絶縁破壊性を有するので、次世代の低損失なパワーデバイスへの適用が期待されている。
【０００３】
ＧａＮを用いた半導体デバイスのスタート基板（下地基板）にＳｉ基板を用いた場合、ＧａＮとＳｉとの間の格子定数および熱膨張係数の大きな差に起因して、基板に反りが発生したり、ＧａＮ層内にクラックが発生したりする現象が起こりやすくなる。このため、Ｓｉ基板上にバッファー層を形成することで、ＧａＮとＳｉとの間の格子定数および熱膨張係数の差を緩和することが提案されている。
【０００４】
従来のＧａＮ層を形成する技術は、たとえば下記特許文献１および２などに開示されている。下記特許文献１などには、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成された３Ｃ−ＳｉＣ層（炭化ケイ素）と、交互に形成された複数のＡｌＮ（窒化アルミニウム）層およびＧａＮ層とを備えた半導体基板が開示されている。
【０００５】
下記特許文献２には、Ｓｉよりなる基板と、基板上に設けられ、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層とＧａＮ層とが繰り返し積層されたバッファー層と、バッファー層上に設けられ、Ｆｅ（鉄）を含むＧａＮ層よりなる高抵抗層と、高抵抗層上に設けられたＧａＮよりなるチャネル層と、チャネル層上に設けられ、ＡｌＧａＮよりなるバリア層とを備えた半導体基板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１７９１２１号公報
【特許文献２】特表２０１５−２０１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＧａＮ層を備えた化合物半導体基板では、縦方向（ＧａＮ層の主面に直交する方向）の耐圧を向上するために、ＧａＮ層にＣ（炭素）を添加することでＧａＮ層の絶縁性を増加させる場合がある。しかし、従来においてＧａＮ層にＣを添加した場合には、ＧａＮ層の主面内の位置によって炭素濃度が異なり、炭素濃度の面内均一性が低かった。その結果、ＧａＮ層の主面内の位置によって化合物半導体基板の縦方向の電流−電圧特性が異なり、縦方向の電流−電圧特性の面内均一性が低いという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、縦方向の電流−電圧特性の面内均一性を向上することのできる化合物半導体基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の局面に従う化合物半導体基板は、平面的に見た場合に、中心と、中心から７１．２ｍｍ離れた位置であるエッジとを備えた化合物半導体基板であって、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の上面側に形成されたＡｌＮを含むバッファー層と、バッファー層の上面側に形成されたＡｌを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上面側に形成されたＧａＮ層とを備え、ＧａＮ層における中心の膜厚を膜厚Ｗ１とし、ＧａＮ層におけるエッジの膜厚を膜厚Ｗ２とした場合に、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１−Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷは、０より大きく８％以下であり、ＧａＮ層の中心における深さ方向の平均炭素濃度は、３×１０18個／ｃｍ3以上５×１０20個／ｃｍ3以下であり、ＧａＮ層の中心における深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ１とし、ＧａＮ層のエッジにおける深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ２とした場合に、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１−Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣは、０以上５０％以下である。
【００１０】
上記化合物半導体基板において好ましくは、Ｓｉ基板の上面に形成されたＳｉＣ層をさらに備える。
【００１１】
上記化合物半導体基板において好ましくは、窒化物半導体層の上面側に形成された複合層をさらに備え、複合層は、ＧａＮ層と、ＧａＮ層の上面に形成されたＡｌＮ層とを含む。
【００１２】
上記化合物半導体基板において好ましくは、化合物半導体基板の縦方向の真性破壊電圧値は、１２００Ｖ以上１６００Ｖ以下である。
【００１３】
上記化合物半導体基板において好ましくは、真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こすＧａＮ層の中心の欠陥密度は、０より大きく１００個／ｃｍ2以下である。
【００１４】
上記化合物半導体基板において好ましくは、真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こすＧａＮ層のエッジの欠陥密度は、０より大きく７個／ｃｍ2以下である。
【００１５】
上記化合物半導体基板において好ましくは、中心からエッジまでの領域がクラックフリーである。
【００１６】
上記化合物半導体基板において好ましくは、基板全面でメルトバックフリーを満たす。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば縦方向の電流−電圧特性の面内均一性を向上することのできる化合物半導体基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ（アルミニウム）組成比の分布を示す図である。
【図３】ＧａＮ層を構成するＧａＮの二次元成長を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。
【図７】本発明の第２の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施例における試料３（化合物半導体基板ＣＳ１０）の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施例における縦耐電圧の計測方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施例における化合物半導体基板ＣＳ３の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例において算出された濃度誤差ΔＣの値を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施例において算出された膜厚誤差ΔＷの値を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施例において計測された欠陥密度の値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。
【００２２】
図１を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１は、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいる。化合物半導体基板ＣＳ１は、Ｓｉ基板１と、ＳｉＣ層２と、ＡｌＮバッファー層３（ＡｌＮよりなるバッファー層の一例）と、Ａｌ窒化物半導体層４（Ａｌを含む窒化物半導体層の一例）と、複合層５と、ＧａＮ層７と、Ａｌ窒化物半導体層１０とを備えている。
【００２３】
Ｓｉ基板１は、たとえばｐ+型のＳｉよりなっている。Ｓｉ基板１の表面には（１１１）面が露出している。なお、Ｓｉ基板１は、ｎ型の導電型を有していてもよいし、半絶縁性であってもよい。Ｓｉ基板１の表面には（１００）面や（１１０）面が露出していてもよい。Ｓｉ基板１は、たとえば６インチの直径を有しており、１０００μｍの厚さを有している。
【００２４】
ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１に接触しており、Ｓｉ基板１上に形成されている。ＳｉＣ層２は、３Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、または６Ｈ−ＳｉＣなどよりなっている。特に、ＳｉＣ層２がＳｉ基板１上にエピタキシャル成長されたものである場合、一般的に、ＳｉＣ層２は３Ｃ−ＳｉＣよりなっている。
【００２５】
ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面を炭化することで得られたＳｉＣよりなる下地層上に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いて、ＳｉＣをホモエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面を炭化することのみによって形成されてもよい。さらに、ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面に（またはバッファー層を挟んで）ヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層２は、たとえばＮ（窒素）などがドープされており、ｎ型の導電型を有している。ＳｉＣ層２は、たとえば０．１μｍ以上３．５μｍ以下の厚さを有している。なお、ＳｉＣ層２はｐ型の導電型を有していてもよいし、半絶縁性であってもよい。
【００２６】
ＡｌＮバッファー層３は、ＡｌＮを含む層であり、Ｓｉ基板１の上面側に形成されている。ここではＡｌＮバッファー層３は、ＳｉＣ層２に接触しており、ＳｉＣ層２上に形成されている。ＡｌＮバッファー層３は、ＳｉＣ層２とＡｌ窒化物半導体層４との格子定数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。ＡｌＮバッファー層３は、たとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される。ＡｌＮバッファー層３の成長温度は、たとえば１０００℃以上１３００℃以下とされる。このとき、Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）や、ＴＥＡ（Ｔｒｉ  Ｅｔｈｙｌ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）などが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3（アンモニア）が用いられる。ＡｌＮバッファー層３は、たとえば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有している。
【００２７】
Ａｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＮバッファー層３の上面側に形成されている。ここではＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＮバッファー層３に接触しており、ＡｌＮバッファー層３上に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層４は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される材料よりなっている。またＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される材料よりなっていてもよい。Ａｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＮバッファー層３と複合層５中のＣ−ＧａＮ層５１ａとの格子定数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。Ａｌ窒化物半導体層４は、たとえば５００ｎｍ以上２μｍ以下、好ましくは９００ｎｍ以上２μｍ以下の厚さを有している。Ａｌ窒化物半導体層４は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。
【００２８】
複合層５は、Ａｌ窒化物半導体層４の上面側に形成されている。ここでは複合層５は、Ａｌ窒化物半導体層４に接触しており、Ａｌ窒化物半導体層４上に形成されている。複合層５は、上下方向（Ｓｉ基板１、ＳｉＣ層２、ＡｌＮバッファー層３、およびＡｌ窒化物半導体層４の積層方向と同じ方向、図１中縦方向）に積層された複数のＣ−ＧａＮ層と、複数のＣ−ＧａＮ層の各々の間に形成されたＡｌＮ層とを含んでいる。言い換えれば、複合層５は、Ｃ−ＧａＮ層とＡｌＮ層とが１以上の回数だけ交互に積層された構成を有しており、複合層５の最上層および最下層は、いずれもＣ−ＧａＮ層である。Ｃ−ＧａＮ層とは、Ｃ（炭素）を含むＧａＮ層（ＣがドープされたＧａＮ層）である。ＣはＧａＮ層の絶縁性を高める役割を果たす。
【００２９】
複合層５を構成するＣ−ＧａＮ層の層数は２以上であればよく、複合層５を構成するＡｌＮ層の層数も任意である。本実施の形態の複合層５は、Ｃ−ＧａＮ層として、２層のＣ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ（ＧａＮ層の一例）と、１層のＡｌＮ層５２ａ（ＡｌＮ層の一例）とを含んでいる。Ｃ−ＧａＮ層５１ａは複合層５を構成する層のうち最下層となっており、Ａｌ窒化物半導体層４と接触している。Ｃ−ＧａＮ層５１ｂは複合層５を構成する層のうち最上層となっており、ＧａＮ層７と接触している。ＡｌＮ層５２ａは、Ｃ−ＧａＮ層５１ａとＣ−ＧａＮ層５１ｂとの間に形成されている。
【００３０】
複合層５を構成する複数のＣ−ＧａＮ層（本実施の形態ではＣ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ）の各々において、中心ＰＴ１（図４）における深さ方向の平均炭素濃度は、３×１０18個／ｃｍ3以上５×１０20個／ｃｍ3以下であり、好ましくは３×１０18個／ｃｍ3以上２×１０19個／ｃｍ3以下である。複合層５を構成する複数のＧａＮ層の各々は、同一の平均炭素濃度を有していてもよいし、互いに異なる平均炭素濃度を有していてもよい。
【００３１】
また、複合層５を構成する複数のＣ−ＧａＮ層の各々は、たとえば５５０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは８００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の厚さを有している。複合層５を構成する複数のＣ−ＧａＮ層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。
【００３２】
複合層５を構成するＡｌＮ層（本実施の形態ではＡｌＮ層５２ａ）は、たとえば３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは２０ｎｍ以下の厚さを有している。複合層５を構成するＡｌＮ層が複数である場合、複合層５を構成するＡｌＮ層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。
【００３３】
複合層５を構成するＣ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂは、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえば、ＴＭＧ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ）や、ＴＥＧ（Ｔｒｉ  Ｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ）などが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3などが用いられる。複合層５を構成するＡｌＮ層は、ＡｌＮバッファー層３と同様の方法で形成される。
【００３４】
一般的に、Ｃ−ＧａＮ層を形成する際には、Ｃを取り込まない場合のＧａＮ層の成長温度よりも、ＧａＮ層の成長温度が低く設定（具体的には、ＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約３００℃低い温度に設定）される。これにより、Ｇａ源ガスに含まれるＣがＧａＮ層に取り込まれ、ＧａＮ層がＣ−ＧａＮ層となる。一方で、ＧａＮ層の成長温度が低くなると、Ｃ−ＧａＮ層の品質が低下し、Ｃ−ＧａＮ層のＣ濃度の面内均一性が低下する。
【００３５】
そこで本願発明者らは、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の上面側に形成されたＡｌＮを含むバッファー層と、バッファー層の上面側に形成されたＡｌを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上面側に形成されたＧａＮ層とを備えた構成において、ＧａＮ層（ここではＣ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々）を形成する際に、反応チャンバー内にＧａ源ガスおよびＮ源ガスとともにＣ源ガス（Ｃプリカーサ）として炭化水素を導入する方法を見出した。この方法によれば、ＣのＧａＮ層への取り込みが促進されるため、ＧａＮの成長温度を高温に設定（具体的には、ＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約２００℃低い温度に設定）しつつ、Ｃ−ＧａＮ層を形成することができる。その結果、Ｃ−ＧａＮ層の品質が向上し、Ｃ−ＧａＮ層のＣ濃度の面内均一性が向上する。
【００３６】
具体的に、Ｃ源ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテン、アセチレン、プロピン、ブチン、ペンチン、ヘキシン、ヘプチン、またはオクチンなどの炭化水素が用いられる。特に二重結合や三重結合を含む炭化水素は、高い反応性を有するため好ましい。Ｃ源ガスとしては、１種類のみの炭化水素が用いられてもよいし、２種類以上の炭化水素が用いられてもよい。
【００３７】
なお、Ａｌ窒化物半導体層４と複合層５との間には、アンドープのＧａＮ層などの他の層が介在していてもよい。
【００３８】
ＧａＮ層７は、複合層５に接触しており、複合層５上に形成されている。ＧａＮ層７は、アンドープであり、半絶縁性である。ＧａＮ層７は、ＨＥＭＴの電子走行層となる。ＧａＮ層７は、たとえば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有している。ＧａＮ層７は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧやＴＥＧなどが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3などが用いられる。
【００３９】
Ａｌ窒化物半導体層１０は、ＧａＮ層７に接触しており、ＧａＮ層７上に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層１０は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される材料よりなっている。またＡｌ窒化物半導体層１０は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される材料よりなっていてもよい。Ａｌ窒化物半導体層１０は、ＨＥＭＴの障壁層となる。Ａｌ窒化物半導体層１０は、たとえば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。Ａｌ窒化物半導体層１０は、Ａｌ窒化物半導体層４と同様の方法で形成される。
【００４０】
図２は、本発明の第１の実施の形態におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。
【００４１】
図２を参照して、Ａｌ窒化物半導体層４の内部におけるＡｌの組成比は、下部から上部に向かうに従って減少している。Ａｌ窒化物半導体層４は、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）とを含んでいる。Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１は、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２は、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１に接触してＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１上に形成されている。Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４３は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２に接触してＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２上に形成されている。なお、上記のＡｌ組成比は一例であり、Ａｌ組成比が、下部から上部に向かうに従って減少していれば、他の組成とすることもできる。
【００４２】
本実施の形態によれば、複合層５において、Ｃ−ＧａＮ層５１ａとＣ−ＧａＮ層５１ｂとの間にＡｌＮ層５２ａを形成することにより、Ｓｉ基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７へのクラックの発生を抑止することができる。これについて以下に説明する。
【００４３】
ＡｌＮ層５２ａを構成するＡｌＮは、Ｃ−ＧａＮ層５１ａを構成するＧａＮの結晶に対して不整合な状態（滑りが生じた状態）で、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ上にエピタキシャル成長する。一方、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７を構成するＧａＮは、下地であるＡｌＮ層５２ａを構成するＡｌＮの結晶の影響を受ける。すなわち、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７を構成するＧａＮは、ＡｌＮ層５２ａを構成するＡｌＮの結晶構造を引き継ぐように、ＡｌＮ層５２ａ上にエピタキシャル成長する。ＧａＮの格子定数は、ＡｌＮの格子定数よりも大きいため、ＧａＮ層５１ｂを構成するＧａＮの図１中横方向の格子定数は、一般的な（圧縮歪みを含まない）ＧａＮの格子定数よりも小さくなる。言い換えれば、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７は、その内部に圧縮歪みを含んでいる。
【００４４】
Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７形成後の降温時には、ＧａＮとＳｉとの熱膨張係数の差に起因して、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７はＡｌＮ層５２ａから応力を受ける。この応力がＳｉ基板１の反りの発生の原因となり、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７へのクラックの発生の原因となる。しかしこの応力は、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７形成時にＣ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７内部に導入された圧縮歪みによって緩和される。その結果、Ｓｉ基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７へのクラックの発生を抑止することができる。
【００４５】
また、化合物半導体基板ＣＳ１は、ＧａＮの絶縁破壊電圧よりも高い絶縁破壊電圧を有するＣ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ＡｌＮ層５２ａ、ならびにＡｌ窒化物半導体層４を含んでいる。その結果、化合物半導体基板の縦方向の耐電圧を向上することができる。
【００４６】
また、本実施の形態によれば、化合物半導体基板ＣＳ１が、ＡｌＮバッファー層３と複合層５中のＣ−ＧａＮ層５１ａとの間にＡｌ窒化物半導体層４を含んでいるので、Ｓｉの格子定数とＧａＮの格子定数との差を緩和することができる。Ａｌ窒化物半導体層４の格子定数は、Ｓｉの格子定数とＧａＮの格子定数との間の値を有しているためである。その結果、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの結晶品質を向上することができる。また、Ｓｉ基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂへのクラックの発生を抑止することができる。
【００４７】
また、本実施の形態によれば、上述のようにＳｉ基板１の反りの発生、ならびにＣ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７へのクラックの発生が抑止されるので、ＧａＮ層７を厚膜化することができる。
【００４８】
さらに、化合物半導体基板ＣＳ１は、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびにＧａＮ層７の下地層としてＳｉＣ層２を含んでいる。ＳｉＣの格子定数は、Ｓｉの格子定数と比較してＧａＮとの格子定数に近いので、ＳｉＣ層２上に、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびにＧａＮ層７が形成されることにより、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびにＧａＮ層７の結晶品質を向上することができる。
【００４９】
上述のように本実施の形態によれば、Ａｌ窒化物半導体層４、複合層５、およびＳｉＣ層２の各々の機能を分けることで、Ｓｉ基板１の反りの発生を抑止する効果、Ｃ−ＧａＮ層５１ｂおよびＧａＮ層７へのクラックの発生を抑止する効果、化合物半導体基板ＣＳ１の耐電圧を向上する効果、ならびにＣ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびにＧａＮ層７の結晶品質を向上する効果の各々を増大させることができる。特に、本実施の形態では、ＳｉＣ層２を下地層とすることで、ＧａＮ層７の結晶品質を改善できる点の寄与が大きい。
【００５０】
本実施の形態によれば、ＳｉＣ層２があり、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびにＧａＮ層７の結晶品質が向上することにより、複合層５中のＡｌＮ層の厚さを薄くすることができ、より効率的に反りの発生およびクラックの発生を抑えることができる。また、ＳｉＣ層２があり、Ｃ−ＧａＮ層５１ａの結晶品質が向上することにより、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびにＧａＮ層７を厚くすることができるため、より耐電圧を改善することができる。ＨＥＭＴの性能も向上することができる。
【００５１】
さらに、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々を形成する際に、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入することにより、次の効果を得ることができる。
【００５２】
Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々を形成する際に、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入することにより、ＧａＮの成長温度を高温に設定しつつ、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂを形成することができる。ＧａＮの成長温度が高温になるため、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの品質が向上する。
【００５３】
図３は、ＧａＮ層を構成するＧａＮの二次元成長を模式的に示す図である。図３（ａ）はＧａＮの成長温度が低温である場合の成長を示しており、図３（ｂ）はＧａＮの成長温度が高温である場合の成長を示している。
【００５４】
図３（ａ）を参照して、ＧａＮの成長温度が低温である場合には、ＧａＮ層の二次元成長（図３中横方向）が遅いため、ＧａＮ層５１ａまたは５１ｂの各々の下層に存在していたピットなどの欠陥ＤＦがＧａＮ層５１ａおよび５１ｂによって覆われず、欠陥ＤＦがＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の内部にも広がりやすい。
【００５５】
図３（ｂ）を参照して、本実施の形態ではＧａＮの成長温度が高温になるため、ＧａＮの二次元成長が促進され、ＧａＮ層５１ａまたは５１ｂの各々の下層に存在していたピットなどの欠陥ＤＦがＧａＮ層５１ａまたは５１ｂによって覆われる。その結果、ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の欠陥密度を低減することができ、欠陥ＤＦが化合物半導体基板を縦方向に貫通し、化合物半導体基板の耐圧が著しく低下する事態を回避することができる。
【００５６】
図４は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す平面図である。
【００５７】
図４を参照して、化合物半導体基板ＣＳ１の平面形状は任意である。化合物半導体基板ＣＳ１が円の平面形状を有している場合、化合物半導体基板ＣＳ１の直径は６インチ以上である。平面的に見た場合に、化合物半導体基板ＣＳ１の中心を中心ＰＴ１とし、中心ＰＴ１から７１．２ｍｍ離れた位置（直径６インチの基板における外周端部から５ｍｍ離れた位置に相当）をエッジＰＴ２とする。
【００５８】
Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの品質が向上した結果、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の膜厚の面内均一性が向上し、Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々のＣ濃度の面内均一性が向上する。また、化合物半導体基板ＣＳ１の縦方向の真性破壊電圧値が向上し、ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の欠陥密度が減少する。その結果、縦方向の電流−電圧特性の面内均一性を向上することができる。
【００５９】
具体的には、ＧａＮ層の中心ＰＴ１における深さ方向（図１中縦方向）の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ１とし、ＧａＮ層のエッジＰＴ２における深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ２とした場合に、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１−Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣは、０以上５０％以下であり、好ましくは０以上３３％以下である。
【００６０】
また、ＧａＮ層における中心ＰＴ１の膜厚を膜厚Ｗ１とし、ＧａＮ層におけるエッジＰＴ２の膜厚を膜厚Ｗ２とした場合に、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１−Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷは、０より大きく８％以下であり、好ましくは０より大きく４％以下である。
【００６１】
また、化合物半導体基板ＣＳ１の縦方向の真性破壊電圧値は１２００Ｖ以上１６００Ｖ以下である。また、この真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こすＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの中心ＰＴ１の欠陥密度は、０より大きく１００個／ｃｍ2以下であり、好ましくは０より大きく２個／ｃｍ2以下である。また、この真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こすＧａＮ層５１ａおよび５１ｂのエッジＰＴ２の欠陥密度は、０より大きく７個／ｃｍ2以下であり、好ましくは０より大きく２個／ｃｍ2以下である。
【００６２】
［第２の実施の形態］
【００６３】
図５は、本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。
【００６４】
図５を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１と比較して、複合層５の内部の構成が異なっている。具体的には、本実施の形態における複合層５は、Ｃ−ＧａＮ層として、３層のＣ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃと、２層のＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂとを含んでいる。Ｃ−ＧａＮ層５１ａは複合層５を構成する層のうち最下層となっており、Ａｌ窒化物半導体層４と接触している。ＡｌＮ層５２ａはＣ−ＧａＮ層５１ａと接触してＣ−ＧａＮ層５１ａ上に形成されている。Ｃ−ＧａＮ層５１ｂはＡｌＮ層５２ａと接触してＡｌＮ層５２ａ上に形成されている。ＡｌＮ層５２ｂはＣ−ＧａＮ層５１ｂと接触してＣ−ＧａＮ層５１ｂ上に形成されている。Ｃ−ＧａＮ層５１ｃはＡｌＮ層５２ｂと接触してＡｌＮ層５２ｂ上に形成されている。Ｃ−ＧａＮ層５１ｃは複合層５を構成する層のうち最上層となっており、ＧａＮ層７と接触している。
【００６５】
なお、上述以外の化合物半導体基板ＣＳ２の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００６６】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、
複合層５中に２層のＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂが存在しているので、上層のＧａＮ層５１ｂおよび５１ｃ、ならびにＧａＮ層７に対して圧縮歪みを与える効果が大きくなる。その結果、Ｓｉ基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃ、ならびにＧａＮ層７へのクラックの発生を抑止することができる。
【００６７】
また、複合層５中に２層のＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂが存在しているので、化合物半導体基板の縦方向の耐電圧を向上することができる。
【００６８】
［変形例］
【００６９】
本変形例では、化合物半導体基板ＣＳ１およびＣＳ２の各々のＡｌ窒化物半導体層４の変形例の構成について説明する。
【００７０】
図６は、本発明の第１の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。
【００７１】
図６を参照して、本変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＧａＮ層４ａと、ＡｌＮ中間層４４と、ＡｌＧａＮ層４ｂとを含んでいる。
【００７２】
ＡｌＧａＮ層４ａは、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ａは、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層４ａの内部におけるＡｌの組成比は一定である。
【００７３】
ＡｌＮ中間層４４は、ＡｌＧａＮ層４ａ上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４の下面はＡｌＧａＮ層４ａの上面に接触しており、ＡｌＮ中間層４４の上面はＡｌＧａＮ層４ｂの下面に接触している。
【００７４】
ＡｌＧａＮ層４ｂは、ＡｌＮ中間層４４上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ｂの内部におけるＡｌの組成比は、下部から上部に向かうに従って減少している。ＡｌＧａＮ層４ｂは、Ａｌ0.5Ｇａ0. 5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２に接触してＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２上に形成されたＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）とにより構成されている。
【００７５】
図７は、本発明の第２の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。
【００７６】
図７を参照して、本変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＧａＮ層４ａと、ＡｌＮ中間層４４と、ＡｌＧａＮ層４ｂとを含んでいる。
【００７７】
ＡｌＧａＮ層４ａは、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ａの内部におけるＡｌの組成比は、下部から上部に向かうに従って減少している。ＡｌＧａＮ層４ａは、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１に接触してＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１上に形成されたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）とにより構成されている。
【００７８】
ＡｌＮ中間層４４は、ＡｌＧａＮ層４ａ上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４の下面はＡｌＧａＮ層４ａの上面に接触しており、ＡｌＮ中間層４４の上面はＡｌＧａＮ層４ｂの下面に接触している。
【００７９】
ＡｌＧａＮ層４ｂは、ＡｌＮ中間層４４上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ｂは、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層４ｂの内部におけるＡｌの組成比は一定である。
【００８０】
なお、第１および第２の変形例の化合物半導体基板の各々における上述以外の構成は、上述の実施の形態の場合の構成と同様であるため、その説明は繰り返さない。
【００８１】
ＡｌＮ中間層４４は、ＡｌＧａＮ層４ｂに圧縮歪みを生じさせる機能を果たす。第１および第２の変形例のように、ＡｌＮ中間層４４を設けることで、反りやクラックをさらに抑制することができる。
【００８２】
［実施例］
【００８３】
第１の実施例として、本願発明者らは、試料として以下に説明する構成を有する試料１〜３の各々を製造した。
【００８４】
試料１：図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１を製造した。Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の厚さを約２μｍとし、ＡｌＮ層５２ａの厚さを１５ｎｍとした。Ｃ−ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の平均炭素濃度を３×１０18個／ｃｍ3以上１×１０20個／ｃｍ3以下の範囲内の値とした。
【００８５】
試料２：図５に示す化合物半導体基板ＣＳ２を製造した。Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の厚さを約１μｍとし、ＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとした。Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の平均炭素濃度を３×１０18個／ｃｍ3以上１×１０20個／ｃｍ3以下の範囲内の値とした。
【００８６】
試料３：図８に示す化合物半導体基板ＣＳ１０を製造した。化合物半導体基板ＣＳ１０は、複合層５の代わりにＣ−ＧａＮ層１０５が形成されている点において、化合物半導体基板ＣＳ１（試料１）と異なっており、これ以外の構成は化合物半導体基板ＣＳ１（試料１）と同じである。Ｃ−ＧａＮ層１０５の平均炭素濃度を３×１０18個／ｃｍ3以上１×１０20個／ｃｍ3以下の範囲内の値とした。
【００８７】
本願発明者らは、得られた各試料について、目視によるクラックの発生の有無の確認と、反り量の測定と、縦耐電圧（化合物半導体基板の厚さ方向の耐電圧）の測定とを行った。
【００８８】
縦耐電圧として、試料３の縦耐電圧を基準（ゼロ）とした場合の値を測定した。また反り量として、化合物半導体基板におけるＳｉ基板を下側にした場合に凸形となるように反りが発生した場合には「凸」、化合物半導体基板におけるＳｉ基板を下側にした場合に凹形となるように反りが発生した場合には「凹」とした。
【００８９】
その結果、試料３ではエッジＰＴ２よりも外周側の領域にクラックの発生が見られたのに対して、試料１および２では全面にわたってクラックの発生は見られなかった。また試料１〜３のいずれも、中心ＰＴ１からエッジＰＴ２までの領域にはクラックの発生は見られなかった（クラックフリーであった）。また試料３では凹形に１４６μｍという大きい反り量となっていたのに対して、試料１では凹形に４３μｍという小さい反り量となっていた。さらに試料２では凸形に２７μｍという反り量となっていた。なお、試料２の凸形の反りは、化合物半導体基板内のＣ−ＧａＮ層の圧縮歪みが大きいことに起因するものであり、クラックの発生を抑止する効果が大きいことを示している。これらの結果から、試料１および２では、試料３に比べてクラックの発生が抑止され、基板の反りが改善されていることが分かる。
【００９０】
図９は、本発明の第１の実施例における縦耐電圧の計測方法を示す断面図である。
【００９１】
図９を参照して、ガラス板２１上に貼り付けられた銅板２２上に、計測対象となる試料の化合物半導体基板ＣＳを固定した。固定した化合物半導体基板ＣＳのＡｌ窒化物半導体層１０上に、Ａｌ窒化物半導体層１０に接触するようにＡｌよりなる電極２３を設けた。カーブトレーサー２４の一方の端子を銅板２２に接続し、他方の端子を電極２３に接続した。カーブトレーサー２４を用いて銅板２２と電極２３との間に電圧を加え、銅板２２と電極２３との間を流れる電流（試料を縦方向に流れる電流）の密度を計測した。計測された電流の密度が１×１０-1Ａ／ｍｍ2に達した時に試料が絶縁破壊したものとみなし、この時の銅板２２と電極２３との間の電圧を耐電圧として計測した。
【００９２】
測定の結果、試料１では試料３に比べて縦耐電圧が６０Ｖだけ高くなった。試料２では試料３に比べて縦耐電圧が８５Ｖだけ高くなった。これらの結果から、試料１および２では、試料３に比べて縦耐電圧が向上していることが分かる。
【００９３】
第２の実施例として、本願発明者らは、６インチの直径を有する化合物半導体基板ＣＳ３を２通りの製造条件で製造し、本発明例Ａおよび比較例Ｂの各々を得た。
【００９４】
図１０は、本発明の第２の実施例における化合物半導体基板ＣＳ３の構成を示す断面図である。
【００９５】
図１０を参照して、化合物半導体基板ＣＳ３の構成は、Ａｌ窒化物半導体層４以外は図５に示す化合物半導体基板ＣＳ２の構成と同じである。化合物半導体基板ＣＳ３のＡｌ窒化物半導体層４は、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１と、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２と、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４３と、ＡｌＮ中間層４４および４５とを含んでいる。Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１は、Ａｌ窒化物半導体層４の最下層であり、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４は、Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１に接触してＡｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層４１上に形成されている。Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２は、ＡｌＮ中間層４４に接触してＡｌＮ中間層４４上に形成されている。ＡｌＮ中間層４５は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２に接触してＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層４２上に形成されている。Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層４３は、Ａｌ窒化物半導体層４の最上層であり、ＡｌＮ中間層４５に接触してＡｌＮ中間層４５上に形成されている。
【００９６】
化合物半導体基板ＣＳ３において、Ｓｉ基板１の厚さを１０００μｍとし、ＳｉＣ層２の厚さを１μｍとし、ＡｌＮバッファー層３およびＡｌ窒化物半導体層４の合計厚さを１μｍとし、ＡｌＮ中間層５２ａおよび５２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとし、ＧａＮ層７の厚さを０．５μｍとし、Ａｌ窒化物半導体層１０の厚さを２５ｎｍとした。Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の厚さを約２μｍに設定した。
【００９７】
本発明例Ａ：Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々を形成する際に、成膜温度を高温（ＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約２００℃低い温度）に設定し、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入した。
【００９８】
比較例Ｂ：Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々を形成する際に、成膜温度を低温（ＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約３００℃低い温度）に設定し、Ｃ源ガスを導入しなかった。
【００９９】
続いて本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ３へのクラックの発生の有無を目視にて確認した。その結果、本発明例Ａおよび比較例Ｂのいずれにおいてもクラックは発生していなかった。
【０１００】
続いて本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ３のＳｉ基板１へのメルトバックエッチング（ＳｉとＧａとの反応により結晶が変質する現象）の発生の有無を光学顕微鏡による観察にて確認した。その結果、本発明例Ａおよび比較例Ｂのいずれにおいてもメルトバックエッチングは発生していなかった（本発明例Ａおよび比較例Ｂのいずれも基板全面でメルトバックフリーを満たしていた）。
【０１０１】
次に本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ３のＣ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々について、中心ＰＴ１における深さ方向の炭素濃度分布と、エッジＰＴ２における深さ方向の炭素濃度分布とを計測した。この計測にはＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いた。次に計測した炭素濃度分布に基づいて、中心ＰＴ１における深さ方向の中心位置における炭素濃度である濃度Ｃ１と、エッジＰＴ２における深さ方向の中心位置における炭素濃度である濃度Ｃ２とを算出した。次に、算出した濃度Ｃ１およびＣ２に基づいて、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１−Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣを算出した。
【０１０２】
図１１は、本発明の第２の実施例において算出された濃度誤差ΔＣの値を示す図である。
【０１０３】
図１１を参照して、本発明例Ａにおいて、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の中心ＰＴ１における深さ方向の炭素濃度の範囲は、４×１０18個／ｃｍ2以上８×１０18個／ｃｍ2以下であり、エッジＰＴ２における深さ方向の炭素濃度の範囲は、４．３×１０18個／ｃｍ2以上７×１０18個／ｃｍ2以下であった。本発明例Ａでは、中心ＰＴ１の炭素濃度とエッジＰＴ２の炭素濃度とがほぼ同じ値であり、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の濃度誤差ΔＣは、それぞれ３３％、２１％、および０％であった。本願発明者らは複数の本発明例Ａを製造し、得られた複数の本発明例Ａの各々の濃度誤差ΔＣを上述の方法で計測した。その結果、いずれの本発明例Ａも濃度誤差ΔＣは０以上５０％以下の範囲内の値となった。
【０１０４】
一方、比較例Ｂにおいて、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の中心ＰＴ１における深さ方向の炭素濃度の範囲は、５×１０18個／ｃｍ2以上１．５×１０19個／ｃｍ2以下であり、エッジＰＴ２における深さ方向の炭素濃度の範囲は、２．３×１０19個／ｃｍ2以上４．２×１０19個／ｃｍ2以下であった。比較例Ｂでは、エッジＰＴ２の炭素濃度が中心ＰＴ１の炭素濃度と比較して高く、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の濃度誤差ΔＣは、それぞれ４４８％、３１２％、および２５８％であった。
【０１０５】
以上の結果から、本発明例Ａでは、比較例Ｂに比べてＣ−ＧａＮ層の炭素濃度の面内均一性が向上していることが分かる。
【０１０６】
次に本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ３のＣ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々について、中心ＰＴ１の膜厚である膜厚Ｗ１と、エッジＰＴ２の膜厚である膜厚Ｗ２との各々を計測した。この計測は、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて化合物半導体基板ＣＳ３の断面を観察することにより行った。次に計測した膜厚Ｗ１およびＷ２に基づいて、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１−Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷを算出した。
【０１０７】
図１２は、本発明の第２の実施例において算出された膜厚誤差ΔＷの値を示す図である。
【０１０８】
図１２を参照して、本発明例Ａにおいて、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の膜厚誤差ΔＷはそれぞれ３．９％、１．８％、および１．２％であり、いずれも小さい値であった。本願発明者らは本発明例Ａとして複数の本発明例Ａを製造し、得られた複数の本発明例Ａの各々の膜厚誤差ΔＷを上述の方法で計測した。その結果、いずれの本発明例Ａも膜厚誤差ΔＷは０より大きく８％以下の範囲内の値となった。
【０１０９】
一方、比較例Ｂにおいて、Ｃ−ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の膜厚誤差ΔＷはそれぞれ９％、１１％、および１１％であり、いずれも大きい値であった。
【０１１０】
以上の結果から、本発明例Ａでは、比較例Ｂに比べてＣ−ＧａＮ層の膜厚の面内均一性が向上していることが分かる。
【０１１１】
次に本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ３の真性破壊電圧を計測した。真性破壊電圧の計測は、基本的に図９に示す方法と同様の方法で行われた。電極２３として十分に小さい面積を有する電極（具体的には直径０．１ｃｍの電極）を用い、化合物半導体基板ＣＳ３におけるＡｌ窒化物半導体層１０の表面の４つの異なる位置に電極２３を順番に接触させ、それぞれの位置に電極２３を接触させた場合の銅板２２と電極２３との間を流れる電流（試料を縦方向に流れる電流）の密度を計測した。計測された電流の密度が１×１０-1Ａ／ｍｍ2に達した時に試料が絶縁破壊したものとみなし、この時の銅板２２と電極２３との間の電圧を計測した。得られた４つの電圧のうち最も高い値と最も低い値とを除外し、残りの２つの値の平均値を真性破壊電圧とした。本発明例Ａとして複数の試料を作製し、それぞれの試料についての真性破壊電圧を計測した。その結果、本発明例Ａの真性破壊電圧は、いずれも１２００Ｖ以上１６００Ｖ以下の値であった。
【０１１２】
さらに本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ３のＧａＮ層（ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃのうち任意のＧａＮ層）の欠陥密度を次の方法による計測した。始めに、化合物半導体基板ＣＳ３におけるＡｌ窒化物半導体層１０の表面の中心ＰＴ１付近の５つの異なる位置に電極２３を順番に接触させ、それぞれの位置に電極２３を接触させた場合の銅板２２と電極２３との間を流れる電流（試料を縦方向に流れる電流）の密度を計測した。計測された電流の密度が１×１０-1Ａ／ｍｍ2に達した時に試料が絶縁破壊したものとみなし、この時の銅板２２と電極２３との間の電圧を中心ＰＴ１の絶縁破壊電圧とした。次に、計測した絶縁破壊電圧が真性絶縁破壊電圧の８０％以下である位置を欠陥が存在する位置と判断した。絶縁破壊電圧を計測した５つの位置に対する欠陥が存在する位置の個数の割合を、中心ＰＴ１の欠陥密度Ｄとして算出した。
【０１１３】
上述の中心ＰＴ１の欠陥密度Ｄの算出を、４種類の異なる面積Ｓ（０．２８３ｃｍ2、０．１２６ｃｍ2、０．０３１ｃｍ2、０．００２ｃｍ2）の電極の各々を用いてそれぞれ行った。その結果、電極の面積Ｓと中心ＰＴ１の欠陥密度Ｄとの組が４組得られた。
【０１１４】
次に、歩留りＹと、電極の面積Ｓと、欠陥密度Ｄとの関係を示す一般的なポアソン式である式（１）を用いて、４種類の異なる面積Ｓのそれぞれについての歩留りＹを算出した。
【０１１５】
Ｙ＝ｅｘｐ（−Ｓ×Ｄ）  ・・・（１）
【０１１６】
次に、算出した歩留りＹが５０％に最も近い面積Ｓの電極を、欠陥密度の算出に最適な電極と判断し、最適な電極の面積Ｓに対応する欠陥密度Ｄを、中心ＰＴ１の欠陥密度として採用した。
【０１１７】
また、電極２３を接触させる位置をＡｌ窒化物半導体層１０の表面のエッジＰＴ２付近の５つの異なる位置に変更し、上述と同様の方法でエッジＰＴ２の欠陥密度を計測した。
【０１１８】
図１３は、本発明の第２の実施例において計測された欠陥密度の値を示す図である。
【０１１９】
図１３を参照して、本発明例Ａの中心ＰＴ１の欠陥密度は１．８個／ｃｍ2であり、本発明例ＡのエッジＰＴ２の欠陥密度は１．８個／ｃｍ2であった。本願発明者らは複数の本発明例Ａを製造し、得られた複数の本発明例Ａの各々の中心ＰＴ１およびエッジＰＴ２の欠陥密度を上述の方法で計測した。その結果、いずれの本発明例Ａも欠陥密度は０より大きく７個／ｃｍ2以下の範囲内の値となった。一方、比較例Ｂの中心ＰＴ１の欠陥密度は２０７個／ｃｍ2であり、比較例ＢのエッジＰＴ２の欠陥密度は７．１個／ｃｍ2であった。
【０１２０】
以上の結果から、本発明例Ａでは、比較例Ｂに比べてＧａＮ層の欠陥密度が低減されていることが分かる。
【０１２１】
［その他］
【０１２２】
上述の実施の形態および変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
【０１２３】
上述の実施の形態、変形例、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は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でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２４】
１  Ｓｉ（ケイ素）基板
２  ＳｉＣ（炭化ケイ素）層
３  ＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファー層（ＡｌＮを含むバッファー層の一例）
４，１０  Ａｌ（アルミニウム）窒化物半導体層（Ａｌを含む窒化物半導体層の一例）
４ａ，４ｂ  ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層
５  複合層
７  ＧａＮ（窒化ガリウム）層
２１  ガラス板
２２  銅板
２３  電極
２４  カーブトレーサー
４１  Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ｎ層
４２  Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層
４３  Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層
４４，４５  ＡｌＮ中間層
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，１０５  Ｃ（炭素）−ＧａＮ層（ＧａＮ層の一例）
５２ａ，５２ｂ  ＡｌＮ層（ＡｌＮ層の一例）
ＣＳ，ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ１０  化合物半導体基板
ＰＴ１  中心
ＰＴ２  エッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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