(57)【要約】【課題】拡散抑制層を用いずとも、ｐ型導電性元素の拡散によるトランジスタの特性悪化を、極めて単純な構成で抑制することを可能にした窒化物半導体構造を提供する。【解決手段】１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備えた窒化物半導体基板であって、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む第三層と、がこの順で積層されており、前記第一層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の最大値が、前記第三層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の１０％以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。【選択図】図１
2020096173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備えた窒化物半導体基板であって、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含む第三層と、がこの順で積層されており、前記第一層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の最大値が、前記第三層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の１０％以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記第一層がＧａＮ、前記第二層がＡｌＧａＮ、および前記第三層がＧａＮで構成され、前記ｐ型導電性不純物がＭｇであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
下地基板上に窒化物半導体からなるバッファー層を介して前記積層構造体が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記第三層の表面にピットが存在し、
前記ピットの形状は、前記表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状であり、
前記ピットの密度は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ2以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物導体基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体基板を用いて製造された窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にノーマリオフ型の半導体装置に好適な窒化物半導体基板、およびこれを用いた窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体からなる高移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）等では、いわゆるノーマリオフ型の積層構造として、電子供給層の上またはゲート電極直下に、ｐ型半導体からなるノーマリオフ支援層なる層を形成する技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、サファイア基板、ＳｉＣ基板またはＧａＮ基板の（０００１）面である主面上、またはＳｉ基板の（１１１）面である主面上に、III族窒化物半導体より構成される下地層とチャネル層と電子供給層とｐ型層とがこの順に形成されており、前記ｐ型層の上にはゲート電極が形成され、前記下地層が前記基板側からＡｌＮ層とその上に形成されたＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ＜１）とにより構成され、かつ前記チャネル層の禁制帯幅が前記ＡｌxＧａ1-xＮ層及び前記電子供給層の禁制帯幅よりも小さいノーマリオフ型の電界効果トランジスタ、という発明の開示がある。
【０００４】
しかし、一般的なＨＥＭＴの製造方法である有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で、各相を順次積層する場合、ノーマリオフ支援層を形成する過程で導入されるｐ型導電性不純物が電子供給層およびチャネル層（電子走行層）内に拡散して、トランジスタの動作に支障が生じる。
【０００５】
ｐ型導電性不純物であるＭｇは、窒化物半導体膜中をより速く拡散することが知られている。このＭｇが、特に電子走行層にまで多量に拡散してしまうと、二次元電子ガス(２ＤＥＧ)の電子走行が阻害されて抵抗が高くなり、エネルギー効率の悪いデバイスとなる。
【０００６】
これを解決する方法として、特許文献２には、ＩｎpＡｌqＧａ1-p-qＮ（０≦ｐ＋ｑ≦１、０≦ｐ、０≦ｑ）からなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層よりバンドギャップの大きなＩｎrＡｌsＧａ1-r-sＮ（０≦ｒ＋ｓ≦１、０≦ｒ）からなる第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に選択的に形成され、ＩｎtＡｌuＧａ1-t-uＮ（０≦ｔ＋ｕ≦１、０≦ｔ、ｓ＞ｕ）からなる第３の半導体層と、前記第３の半導体層の上に形成され、ｐ型の導電性を有するＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、０≦ｙ）からなる第４の半導体層と、前記第４の半導体層の上に形成されたゲート電極とを備えることで、半導体装置のバリア層である第２の半導体層とｐ型の導電性を有する第４の半導体層との間に、拡散抑制層である第３の半導体層が存在するため、第４の半導体層の成長中にｐ型ドーパントが拡散しても、第２の半導体層へ拡散するｐ型ドーパントの量を低減することができ、第２の半導体層のｐ型化を抑制することができ、コンタクト抵抗及びシート抵抗の悪化を抑制することができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４００２６６号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／１８８７１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の拡散抑制層は、電子供給層側にｐ型導電性元素が拡散することを防止する効果があるものの、同時に、格子定数差に起因する歪みや転位の増大を招き、やはりトランジスタの動作に支障が生じる。トランジスタの仕様として、このような拡散抑制層を設けるべきでない場合には、有効な手法ではない。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、拡散抑制層を用いずとも、ｐ型導電性元素の拡散によるトランジスタの特性悪化を、極めて単純な構成で抑制することを可能にした窒化物半導体構造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】
【００１０】
本発明の窒化物半導体基板は、１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備えた窒化物半導体基板であって、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含む第三層とがこの順で積層されており、前記第一層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の最大値が、前記第三層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の１０％以下であることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成を有することで、新たな拡散抑制層等を挿入することなく、電子走行層に対するｐ型導電性元素の悪影響を効果的に防止することができる。
【００１２】
また、本発明では、前記第一層がＧａＮ、前記第二層がＡｌＧａＮ、前記第三層がＧａＮ、前記ｐ型導電性不純物がＭｇであると、好ましいものである。
【００１３】
そして、好適には、下地基板上に窒化物半導体からなるバッファー層を介して、本発明に係る積層構造体が形成されている窒化物半導体基板、より好適には、第四層の表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状のピットが存在する窒化物半導体基板が提供される。このときのピットの密度は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ2以下である。
さらには、この窒化物半導体基板を用いて製造された窒化物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、新たな拡散抑制層等を挿入することなく、電子走行層へのｐ型導電性元素の拡散を効果的に低減することができる窒化物半導体基板を提供することができる。かかる窒化物半導体基板を用いて製造された窒化物半導体装置は、高性能な半導体デバイスとして活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る一態様を示す断面概略図
【図２】実施例１と比較例１における基板の深さ方向のＭｇ濃度プロファイル
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。本発明の窒化物半導体基板は、１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備え、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含む第三層とがこの順で積層され、前記第一層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の最大値が、前記第三層内における前記ｐ型導電性不純物濃度の１０％以下である。
【００１７】
図１は、本発明の窒化物半導体基板の一態様を示す断面概略図である。前記窒化物半導体基板は、異種基板上にバッファー層を介して積層構造体が形成されたＨＥＭＴ構造を有する。すなわち、窒化物半導体基板Ｗとして、下地基板Ｓの一主面上に、バッファー層Ｂが積層され、その上に、積層構造体Ｇが形成されている。なお、図１では、半導体装置として具備される電極（Ｅ１がドレイン電極、Ｅ２がゲート電極、Ｅ３がソース電極）も図示している。
【００１８】
本発明で示す概略図は、説明のために形状を模式的に簡素化かつ強調したものであり、細部の形状、寸法、および比率は実際と異なる。また、同一の構成については符号を省略、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。
【００１９】
下地基板Ｓは、シリコン（Ｓｉ）の他に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等が挙げられる。また、単一材料で構成されたもの、異種材料で構成されたもののいずれでもよく、口径、面方位やドーパント濃度、オフ角等の構成も任意に設定できる。
【００２０】
バッファー層Ｂは、窒化物半導体層が複数積層された構造を有し、用途や目的に応じて公知の構造が適用されるが、最初に適切な初期層を形成した後、一層以上で組成や不純物濃度が互いに異なる窒化物半導体層を積層した形態がより好適といえる。
【００２１】
ここで、窒化物半導体は、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）等の１３族元素と、窒素（Ｎ）との組み合わせからなる。必要に応じて、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、Ｓｉ、鉄（Ｆｅ）、ボロン（Ｂ）等の各種元素がドープされていてもよい。
【００２２】
積層構造体Ｇは、第一層１と、第一層１よりバンドギャップの大きい第二層２と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含む第三層３とがこの順で積層されている。
【００２３】
本発明における積層構造体Ｇは、デバイスとして機能する第一層１、第二層２および第三層３、ならびに必要に応じて付加される各種の層を総称したものである。図１に示すＨＥＭＴ構造では、第一層１が電子走行層、第二層２が電子供給層、第三層３がノーマリオフ支援層である。
【００２４】
なお、窒化物半導体基板Ｗは、下地基板Ｓ上にバッファー層Ｂと積層構造体Ｇが形成されたものであれば、特にＨＥＭＴ構造に限定されず、高周波化、高耐圧化が可能なその他のパワーデバイス用としても好適に用いられる。
【００２５】
第一層１と、第一層１よりバンドギャップの大きい第二層２とについては、公知の構成（層厚、不純物濃度）を広く適用できる。第一層１の構成材料としては、上記したガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）等の１３族元素と、窒素（Ｎ）との組み合わせからなる窒化物半導体であればよく、例えばＧａＮおよびＡｌＧａＮ等が挙げられる。これらのうち、ＧａＮが好ましい。また、本発明においては、電子走行を妨げないとの理由で、第一層１は、ノンドープの窒化物半導体で形成されることが好ましい。
【００２６】
第二層２の構成材料は、第一層１よりバンドギャップが大きいのであれば、格別の制限はなく、例えば、三元混晶や四元混晶でも構わない。具体的には、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等が挙げられる。これらのうち、ＡｌＧａＮが好ましい。なお、ＡｌＧａＮの組成はＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．５）である。また、前記構成材料中に、導電性制御に使用する各種元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｆｅ等）がドープされていてもよい。
【００２７】
第二層２の上には、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上含む第三層３（ノーマリオフ支援層）が形成されている。かかる第三層３を導入することにより、閾値電圧を制御することができ、例えば、第二層の厚みに依存せずに電流を遮断する機能などが期待できる。ノーマリオフを実現するノーマリオフ支援層としては、公知の技術として知られるとおり、高濃度、すなわち、少なくとも５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のｐ型導電性不純物が含まれていることが必要である。
【００２８】
ｐ型導電性不純物は、窒化物半導体に添加されてｐ型を呈するものであれば、例えばマグネシウム（Ｍｇ）の他にＢｅおよびＺｎなどの公知の材料を広く適用できる。好適な一例は、窒化物半導体がＧａＮの場合、ｐ型導電性不純物がＭｇである。
【００２９】
ｐ型導電性不純物は、公知の技術を用いて、第三層内において５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の濃度となるように添加する。具体的には、第三層の構成材料（トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）等）の導入と同時に、例えば、ビス（ジシクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）のようなＭｇ源を、供給量、成膜温度、成膜圧力を適時調整しながら、気相成長法により導入する。
【００３０】
本発明の具体的な一実施態様は、第一層１がＧａＮ、第二層２がＡｌＧａＮ、第三層３がＧａＮ、ｐ型導電性不純物がＭｇである。また、このとき、第一層１および第三層３の層厚は、それぞれ４０ｎｍ以上にするのが好ましく、第二層２はそのＡｌ組成に依存するが１．５〜８０ｎｍにするのが好ましい。
【００３１】
第一層１内におけるｐ型導電性不純物濃度の最大値は、第三層３内におけるｐ型導電性不純物濃度の１０％以下である。図２に、実施例１と比較例１についての、基板の深さ方向における、ｐ型導電性不純物（ここではＭｇ）濃度プロファイルを示す。横軸は、第三層３（Ｍｇ-ｄｏｐｅｄ ＧａＮ）の表層から第一層１（ｎｏｎ-ｄｏｐｅｄ ＧａＮ）に向かう深さを表す。また、図２中、実線は実施例１の結果を表し、点線は比較例１の結果を表す。
【００３２】
第一層１内におけるｐ型導電性不純物濃度の最大値とは、図２に示すように、第一層１内深さ方向において最も高い濃度値である。Ｍｇ濃度の高い第三層３から離れるに従い、濃度は漸減するので、通常は、第一層１と第二層２との界面におけるＭｇ濃度値がこれに
該当する。
【００３３】
ｐ型導電性不純物濃度の測定は、特に限定されないが、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で評価することが一般的である。このとき、測定精度上の制約で、局所的に濃度の変動がある場合はこれを考慮して、明らかに特異な値は最大値として扱わない。
【００３４】
第三層３内のｐ型導電性不純物濃度は、第三層３の層厚全体におけるｐ型導電性不純物濃度の平均値である。一例として、膜厚方向に均等な間隔で５か所を選択し、各箇所でのｐ型導電性不純物濃度の平均値を算出する。なお、選択箇所の数については、下限は精度確保のため３か所、上限は測定に要するコストと本発明の効果とのバランスを勘案して９か所、とするのが好ましい。
【００３５】
第三層３内のｐ型導電性不純物濃度を上記のように定義したのは、以下に示す理由による。すなわち、図２に示すように、ｐ型導電性不純物は、第三層３から拡散して、第一層１と第二層２との界面のｐ型導電性不純物濃度が決定される。第二層２が形成された時点では、第二層２および第一層１には、ｐ型導電性不純物は含まれていない。ＭＯＣＶＤ法で、第二層２上に第三層３を形成する過程で、ｐ型導電性不純物が、第二層２内に拡散して、所定の濃度プロファイルを形成する。
【００３６】
ここで、第三層３と第二層２との界面のｐ型導電性不純物濃度が低ければ、第二層２と第一層１との界面のｐ型導電性不純物濃度も低くなると考えられることから、第三層３を成膜する初期段階で、第二層２と第一層１との界面のｐ型導電性不純物濃度が決定されるといえる。
【００３７】
しかしながら、実際は、第三層３を所定の層厚まで成膜する間の各条件（成膜温度、成膜圧力、原料ガス供給量および供給時間、等）によって、第二層２内を拡散するｐ型導電性不純物の濃度プロファイル、および、第三層３内で形成されるｐ型導電性不純物の濃度プロファイルは様々なものとなる。
【００３８】
本発明においては、第一層１内におけるｐ型導電性不純物濃度と第三層３内におけるｐ型導電性不純物濃度との対比がポイントであるが、第三層３内で形成されるｐ型導電性不純物の様々な濃度プロファイルを全て使って対比するのは困難である。それゆえ、第三層３内のｐ型導電性不純物の濃度プロファイルを、その平均値で代用している。このような手段でも、大きく精度が低下することはなく、運用も簡易かつ低コストであり、実用上問題はない。
【００３９】
第一層１内におけるｐ型導電性不純物濃度の最大値が、第三層３内におけるｐ型導電性不純物濃度の１０％以下であると、第一層１と第二層２の界面近傍に形成される２ＤＥＧに与えるｐ型導電性不純物の影響が、実用上許容されるレベルに収まることがわかっている。より好ましくは、第一層１内におけるｐ型導電性不純物濃度の最大値が、第三層３内におけるｐ型導電性不純物濃度の５％以下である。
【００４０】
実際には、第二層２内のｐ型導電性不純物濃度プロファイル形状も、いくらか２ＤＥＧの動作に影響を与えていると考えられる。よって、第一層１内のｐ型導電性不純物濃度と第三層３内のｐ型導電性不純物濃度との関係に、前記プロファイル形状に関わる指標を加えることで、本発明のより好ましい実施形態の１つを表現できるといえる。
【００４１】
例えば、第二層２内のｐ型導電性不純物濃度プロファイルは、第二層２の厚さ方向で下地基板Ｓ方向に向かって漸減する際に、第二層２の厚さ前半部（第三層側）で急激に減少する。この結果は、２ＤＥＧとｐ型導電性不純物濃度との高い領域との距離が大きくなるので、本発明の効果である移動度低下の抑制効果がより顕著になることを示している。
【００４２】
他の一例として、第二層２の厚さ方向の中間部のｐ型導電性不純物濃度が、第三層３内のｐ型導電性不純物濃度の１０％以下になり、その後、第一層１と第二層２との界面近傍まで濃度がほぼ一定であるような形態であってもよい。
【００４３】
また、第三層３内におけるｐ型導電性不純物濃度プロファイルを、第三層３と第二層２との界面近傍までは高濃度とし、該界面のごく近傍のみ、濃度を急激に下げたプロファイルとすると、第二層２でのｐ型導電性不純物濃度の最高値が低く抑えられ、第三層３を形成している最中に第一層１側に拡散していくｐ型導電性不純物が、第一層１と第二層２との界面近傍に達した段階でのｐ型導電性不純物濃度を好適に低く抑えることができる。
【００４４】
以上の通り、本発明によれば、拡散抑制層が無くとも、電子走行層へのｐ型導電性不純物の拡散を効果的に低減することで、トランジスタとしての動作性能が十分確保された窒化物半導体基板を提供することができる。そして、本発明の窒化物半導体基板を用いて製造された窒化物半導体装置は、高性能な半導体デバイスとして活用できる。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
【００４６】
［実施例１］
下地基板Ｓとして、結晶面方位（１１１）、６インチ、ｐ型のＳｉ単結晶基板を公知の基板洗浄方法で清浄化した後、ＭＯＣＶＤ装置内にセットして、装置内をキャリアガスで置換後昇温し、９５０℃の水素１００％雰囲気下で保持する熱処理を行い、シリコン単結晶表面の自然酸化膜を除去した。
【００４７】
次に、原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ3）を用いて、ＡｌＮ１００ｎｍ上にＡｌ0.28Ｇａ0.78Ｎ１５０ｎｍ積層した初期層、ＡｌＮ５ｎｍとＧａＮ３０ｎｍとの二層をそれぞれ８０回繰り返し積層した繰り返し層をこの順で気相成長させて積層したものをバッファー層Ｂとした。なお、成長温度は１０００℃、成長圧力は６０ｈＰａをおよその基準として、各層形成時に適時制御して実施した。
【００４８】
次に、積層構造体Ｇ（動作層）として、第一層１をＧａＮ１００ｎｍ、第二層２をＡｌ0.22Ｇａ0.78Ｎ２０ｎｍとして、各層をこの順で積層した。なお、成長温度と成長圧力は１０００℃および２００ｈＰａをおよその基準として、各層形成時に適時制御して実施した。
【００４９】
第三層３はＧａＮ６０ｎｍ、ｐ型導電性不純物をＭｇとして、Ｍｇ含有原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。成膜温度と成膜圧力は９５０℃および２００ｈＰａとして形成した。
【００５０】
［比較例１］
第三層３の作製条件で、ＧａＮを使用せず、まずＮＨ3を供給した状態でＣｐ2Ｍｇのみ供給し、１分後、追加でＴＭＧａを供給した以外は、実施例１と同様にして、比較例１の評価サンプルを作製した。
【００５１】
［比較例２］
第三層３の作製条件で、温度を１０００℃とした以外は、比較例１と同様にして、比較例２の評価サンプルを作製した。
【００５２】
［比較例３］
第三層３の作製条件で、温度を９００℃とした以外は、比較例１と同様にして、比較例３の評価サンプルを作製した。
【００５３】
［実施例２］
第三層３の作製条件で、Ｍｇ原料濃度を実施例１の１／３にした以外は、実施例１と同様にして、実施例２の評価サンプルを作製した。
【００５４】
［実施例３］
第二層厚みを２倍としたことと、第三層３の形成を比較例１と同様に、ＮＨ3を供給した状態でＣｐ2Ｍｇのみ供給し、１分後、ＴＭＧａを供給することにより行ったこと以外は、実施例２と同様にして、実施例３の評価サンプルを作製した。
【００５５】
［評価１〜Ｍｇ濃度］
各評価サンプルを直径方向に劈開し、主面中央付近から破片をサンプリングし、ＳＩＭＳにより、第三層３の表層から第一層１までの厚さ方向のＭｇ濃度プロファイルを得て、ここから、第三層３および第一層１における、それぞれ所定のＭｇ濃度を読み取った。
【００５６】
［評価２〜移動度］
各評価サンプルを７ｍｍ角のチップにダイシングし、個々のチップの第三層３上の四隅をエッチングして径０．２５ｍｍの孔を設け、ここにＴｉ／Ａｌ電極を、真空蒸着により形成した。次にＮ２雰囲気で６００℃、５分間の合金化熱処理を行った。そして、ナノメトリクス・ジャパン（株）製ＨＬ５５００ＰＣを用いて、ホール効果測定を行った。そして、比較例１との比で、移動度のレベルを表し、１０００ｃｍ２／Ｖｓ未満を×、１０００ｃｍ２／Ｖｓ以上を〇とし、〇を合格とした。
【００５７】
各評価サンプルのデータと評価結果を、まとめて以下の表１に示す。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
表１の結果から明らかなように、本発明の実施範囲にあるものは、５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上のＭｇ濃度を確保しつつ、且つ、移動度も高いものであった。なお、第一層１の第三層３に対するＭｇ濃度比は、実施例１が３．５％に対して実施例２が７％であり、実施例１は実施例２よりも移動度が約５％向上している。上記の比が小さい方がより好ましいといえる。
【００６０】
ところで、ＭＯＣＶＤ法におけるＧａＮ層の形成には、本発明の実施例に例示される１０００℃のような、比較的高い成長温度が必要とされる。これは、成長温度が低いと、形成されたＧａＮ層の表面平坦性が悪化するためである。
【００６１】
一方、第三層３を形成する際の成長温度を低くすることで、Ｍｇの拡散が相対的に抑制され、本発明の効果（動作層へのＭｇ拡散による悪影響の抑制）は高くなる。すなわち、成長温度については、相反する特性を両立する最適な範囲が存在するといえる。
【００６２】
しかしながら、従来、この最適な成長温度は、窒化物半導体基板全体として要求される仕様や諸特性、使用する装置の性能、その時の成長条件、その他諸々の条件による制約を受けるため、必ずしも一義的に決定できるものではなかった。
【００６３】
本発明では、Ｍｇの拡散抑制と相反するパラメータとして表面平坦性に着目し、表面平坦性を維持しつつ比較的低い温度で成膜できる状態を、第三層３の表面に発現するピットのサイズで判断できることを見出した。
【００６４】
すなわち、本発明のさらに好ましい一態様では、第三層３の表面に存在するピットが、前記表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状であり、ピットの密度は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ2以下である。
【００６５】
本発明でいうピットは、いわゆるすり鉢状である。これは、第三層３の表面にほぼ円形の開口部が形成されており、表面に対して略垂直方向に穴が径を縮小しながら進展している形態で、円錐を逆さにした形状ともいえる。ただし、厳密な円錐形状でなくてもよく、多少の歪みの存在、底部に若干の平坦部が存在しても構わない。
【００６６】
内径１０ｎｍを超えるピットの開口部は、単独で層全体の平坦性を悪化させる懸念があり、好ましくない。なお、この内径は小さいほど好ましいが、特にＭＯＣＶＤ法で製造する限りは、ある程度の大きさになることは避けらず、本発明では、ピットの開口部の内径が０．３〜５ｎｍであればよい。
【００６７】
また、開口部の内径が１０ｎｍ以下のピットは、第三層３の表面に１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ2以下の密度で存在する限りにおいては、本発明の効果と平坦性は好適に両立される。こちらも、当該密度は低いほどよいが、実用上は５Ｅ＋8ヶ／ｃｍ2以上８Ｅ＋９ヶ／ｃｍ2以下であればよい。
【００６８】
本発明におけるピットの深さは、特に限定されないが、内径が１０ｎｍ以下のピットが発現する場合は、概ね１０〜８０ｎｍ程度であり、このレベルであればよい。
【００６９】
本発明の内径及び密度を有するピットとするには、成長温度のほかに、圧力、原料ガスまたはキャリアガスの流量を適時制御することで達成することができる。
【００７０】
本発明におけるピットは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって第三層３の表面から観察することができる。ただし、これ以外の方法、例えば、窒化物半導体基板を劈開して、その断面方向から透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）等で観測し、ピットの開口部の内径は実測し、密度は単位長さ当たりの個数から換算する、という方法を適用してもよい。
【００７１】
上記の通り観察したところ、実施例１では、第三層３の表面には、内径１０ｎｍ以下の開口部を有するピットは確認されなかった。
【００７２】
［比較例４］
ここでは、本発明の効果を顕在化させるため、実施例１における第三層３の成長温度を８００℃とした比較例４の評価サンプルを作製した。ＡＦＭで観察した結果、内径１０ｎｍを超える開口部を有するピットが密度６Ｅ＋９ヶ／ｃｍ2で観察された。
【００７３】
なお、併せて実施したＴＥＭによる断面観察によると、実施例１では第三層３に転位は観察されたが、比較例４では第三層３の下面から上面にわたり徐々に拡大するすり鉢状のピットが認められ、その密度から、ＴＥＭでは、ＡＦＭにて観察された１０ｎｍよりも大きな開口径ピットの断面を観察しているとみられる。
【００７４】
このことから、比較例４では、成長温度が実施例１に比べて低いため、エピタキシャル成長に必要な熱エネルギーが十分でなかったと考えられる。さらに、電極を形成して素子として特性を比較したところ、比較例４では大きな漏れ電流が発生しており、サンプル最表層に発生したピットが悪影響を及ぼしているといえるものであった。
【符号の説明】
【００７５】
Ｗ      窒化物半導体基板
Ｓ      下地基板（Ｓｉ単結晶）
Ｂ      バッファー層
Ｇ      積層構造体
１    第一層（電子走行層）
２    第二層（電子供給層）
３    第三層（ノーマリオフ支援層）
Ｅ１    ドレイン電極
Ｅ２    ゲート電極
Ｅ３    ソース電極
【図１】
2020096173.tif 000004
【図２】
2020096173.tif 000005