(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有するIII族窒化物支持基体と、
３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなり前記主面上に設けられたドリフト層と、
を備え、
前記ドリフト層の前記ｎ−型III族窒化物系半導体は有機金属気相成長法で形成されたものであり、
前記ドリフト層内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記ドリフト層内におけるキャリア濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記III族窒化物支持基体のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．１５度以上である、ことを特徴とするIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項２】
主面を有するIII族窒化物支持基体と、
１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなり前記主面上に設けられたドリフト層と、
を備え、
前記ドリフト層の前記ｎ−型III族窒化物系半導体は有機金属気相成長法で形成されたものであり、
前記ドリフト層内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記ドリフト層内におけるキャリア濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記III族窒化物支持基体のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．１５度以上である、ことを特徴とするIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項３】
主面を有し、３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるドリフト層を備え、
前記ドリフト層の前記ｎ−型III族窒化物系半導体は有機金属気相成長法で形成されたものであり、
前記ドリフト層内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記ドリフト層内におけるキャリア濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記ドリフト層のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．１５度以上である、ことを特徴とするIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項４】
主面を有し、１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるドリフト層を備え、
前記ドリフト層の前記ｎ−型III族窒化物系半導体は有機金属気相成長法で形成されたものであり、
前記ドリフト層内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記ドリフト層内におけるキャリア濃度は、３×１０１６ｃｍ−３以下であり、
前記ドリフト層のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．１５度以上である、ことを特徴とするIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項５】
前記ドリフト層上に設けられたショットキ電極をさらに備え、
当該III族窒化物系電子デバイスはショットキバリアダイオードである、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項６】
前記ドリフト層上に設けられたｐ型III族窒化物系半導体層をさらに備え、
当該III族窒化物系電子デバイスは、ｐｎ接合ダイオードおよびｐｉｎ接合ダイオードのいずれかである、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項７】
ｎ型窒化ガリウム系半導体からなるソース領域と、
前記ドリフト層と前記ソース領域との間に設けられｐ型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、
前記ウエル領域上に設けられたゲート電極と、
をさらに備え、
当該III族窒化物系電子デバイスは縦型トランジスタである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項８】
前記ドリフト層内における水素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項９】
前記合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．７度以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項１０】
前記合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．７度未満である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項１１】
前記Ｃ面は、＜１−１００＞軸および＜１１−２０＞軸のうちのいずれかの軸方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項１２】
前記合成オフ角は、Ｓｑｒｔ（ＴＨ１２＋ＴＨ２２）により規定され、
前記ｓｑｒｔは平方根の演算を示し、
前記ＴＨ１は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関する第１のオフ角度成分であり、
前記ＴＨ２は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの他の方向に関する第２のオフ角度成分であり、
前記ＴＨ１の絶対値は前記ＴＨ２の絶対値よりも大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項１３】
１×１０１７ｃｍ−３以上のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有しており前記III族窒化物支持基体と前記ドリフト層との間に設けられたｎ型III族窒化物系半導体層を更に備える、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【請求項１４】
前記ｎ−型III族窒化物系半導体は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかである、ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物系電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物系電子デバイスおよびエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザ発振寿命の一層優れた窒化物半導体レーザ素子が記載されている。窒化物半導体レーザ素子は、ｃ面に対して角度０．３〜０．７度の範囲で傾斜した表面を有する窒化物半導体基板と、この基板上に積層された窒化物半導体層より成る。窒化物半導体基板の表面は、窒化物半導体レーザ素子は、転位集中領域と広い低転位領域とを有する。窒化物半導体層は、転位集中領域直上に凹部を有する。この凹部を除いた領域で極めて平坦性良くクラックのない高品質な量子井戸活性層と、成長したままでなんら活性化処理施すことなくｐ型伝導を示す層およびストライプ状のレーザ光導波領域とを有する。特許文献１の図５〜図７は、それぞれ、ｃ面からの傾斜角に対して表面粗さ、発光半値幅、エッチピット密度の依存性を示している。
【０００３】
特許文献２には、低駆動電流・電圧で発光し、かつ、高輝度の窒化物系化合物半導体発光素子が記載されている。この窒化物系化合物半導体発光素子は、ＧａＮ基板上に、窒化物系化合物半導体からなるアクセプタードーピング層と活性層を有する。ＧａＮ基板は、結晶方位が＜０００１＞方向より角度０．０５度以上２度以下の範囲で傾斜している。特許文献２の図６〜図９は、それぞれ、ｃ面からの傾斜角に対して正孔濃度、転位密度、結晶軸に関する発光強度、成長温度に関する発光強度の依存性を示している。
【０００４】
特許文献３には、窒化ガリウム系半導体膜を形成する方法および半導体基板生産物が記載されている。基板の主面の法線と基板のＣ軸との成す角度と表面モフォロジとの関係について説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２７６５５号公報
【特許文献２】特開２００１−１９６６３２号公報
【特許文献３】特開２００５−１５９０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および特許文献２には、窒化物系半導体レーザについて説明されているけれども、ショットキバリアダイオード、ｐｎ接合ダイオード、縦型トランジスタといったIII族窒化物系電子デバイスに関する説明は記載されていない。このような窒化物系電子デバイスは高耐圧のパワーデバイスとして期待されている。その印加電圧は、半導体レーザへの印加電圧に比べて非常に大きい。このために、低キャリア濃度のエピタキシャル膜がドリフト層のために必要とする点で、III族窒化物電子デバイスは、半導体レーザといった窒化物発光素子と異なる。半導体レーザは、多量のキャリアを活性層に注入するために低抵抗なエピタキシャル膜を必要とする。このため、より多くのドーパントをエピタキシャル膜に添加しようとする。一方、III族窒化物電子デバイスでは、キャリア濃度を制御するためにドーパントを添加することもあるが、その添加量は半導体レーザにおけるドーパント濃度に比べて非常に小さい。エピタキシャル膜が低いドーパント濃度であるが故に、高いドーパント濃度ではあまり影響しないキャリア補償に係る現象がIII族窒化物電子デバイスの特性にとって重要になる。また、特許文献３には、不純物とIII族窒化物系電子デバイスの特性との関係については記載されていない。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、キャリア補償の影響を低減可能なIII族窒化物系電子デバイスおよびエピタキシャル基板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】
【０００８】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、（ａ）主面を有するIII族窒化物支持基体と、（ｂ）３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなり前記主面上に設けられたドリフト層とを備え、前記ドリフト層内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記III族窒化物支持基体のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．１５度以上である。
【０００９】
このIII族窒化物系電子デバイスによれば、合成オフ角は主面の全体にわたって０．１５度以上であるので、ドリフト層中の炭素濃度を小さくでき、炭素濃度を３×１０１６ｃｍ−３以下に下げることができる。ドリフト層が３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、キャリア補償に起因してドリフト層の層抵抗が大きくなることを抑制できる。
【００１０】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、（ａ）主面を有するIII族窒化物支持基体と、（ｂ）１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなり前記主面上に設けられたドリフト層とを備え、前記ドリフト層内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記III族窒化物支持基体のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は、前記主面の全体にわたって０．１５度以上である。
【００１１】
このIII族窒化物系電子デバイスによれば、合成オフ角は主面の全体にわたって０．１５度以上であるので、ドリフト層中の炭素濃度を小さくでき、炭素濃度を３×１０１６ｃｍ−３以下に下げることができる。ドリフト層が１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、キャリア補償に起因してドリフト層の層抵抗が大きくなることを抑制できる。
【００１２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、前記ドリフト層上に設けられたショットキ電極をさらに備えることでき、当該III族窒化物系電子デバイスはショットキバリアダイオードである。この発明によれば、キャリア補償に起因する直列抵抗の増加が小さいショットキバリアダイオードが提供される。
【００１３】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、前記ドリフト層上に設けられたｐ型III族窒化物系半導体層をさらに備えることができ、当該III族窒化物系電子デバイスはｐｎ接合ダイオードおよびｐｉｎ接合ダイオードのいずれかである。この発明によれば、キャリア補償に起因して直列抵抗の増加が小さい接合ダイオードが提供される。
【００１４】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、ｎ型窒化ガリウム系半導体からなるソース領域と、前記ドリフト層と前記ｎソース領域との間に設けられｐ型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、前記ウエル領域上に設けられたゲート電極とをさらに備え、当該III族窒化物系電子デバイスは縦型トランジスタである。この発明によれば、キャリア補償に起因する直列抵抗の増加が小さい縦型トランジスタが提供される。
【００１５】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記ドリフト層内における水素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下であることができる。この発明によれば、炭素濃度だけでなく水素濃度も小さくできる。これ故に、ドリフト層のためのエピタキシャル半導体層が高純度である。
【００１６】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．７度以上であることが好ましい。この発明によれば、窒化ガリウム基板の表面において合成オフ角に分布があっても、合成オフ角の分布に起因する有効キャリア濃度の変化は小さい。
【００１７】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．７度未満であることが好ましい。この発明によれば、合成オフ角の違いに依るキャリア濃度の分布の幅を小さくできる。また、ドリフト層のためのエピタキシャル膜の表面モフォロジーも良好である。
【００１８】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記Ｃ面は、＜１−１００＞軸および＜１１−２０＞軸のうちのいずれかの軸方向に傾斜していることが好ましい。この発明によれば、Ｃ面が＜１−１００＞軸および＜１１−２０＞軸のうちのいずれかの軸方向に傾斜しているので、III族窒化物系電子デバイス内におけるキャリア濃度の分布を小さくできる。
【００１９】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記合成オフ角は、Ｓｑｒｔ（ＴＨ１２＋ＴＨ２２）により規定され、前記ｓｑｒｔは平方根の演算を示し、前記ＴＨ１は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関する第１のオフ角度成分であり、前記ＴＨ２は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの他の方向に関する第２のオフ角度成分であり、前記ＴＨ１の絶対値は前記ＴＨ２の絶対値よりも大きいことが好ましい。この発明によれば、合成オフ角が主面の全体にわたって均一でないIII族窒化物系電子デバイスでも、III族窒化物系電子デバイス内における有効キャリア濃度の均一性が良好になる。
【００２０】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、１×１０１７ｃｍ−３以上のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有しており前記III族窒化物支持基体と前記ドリフト層との間に設けられたｎ型III族窒化物系半導体層を更に備えることが好ましい。この発明によれば、III族窒化物支持基体とドリフト層との間にｎ型III族窒化物系半導体層を含むことで、基板とエピタキシャル領域の界面のコンタミネーションによる界面近傍の直列抵抗の増大を防ぐことが可能となる。
【００２１】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記ｎ−型III族窒化物系半導体は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかであることが好ましい。ｎ−型III族窒化物系半導体がＧａＮであれば、良好な結晶品質のＧａＮが提供される。また、ｎ−型III族窒化物系半導体がＡｌＧａＮであれば、大きな耐圧のIII族窒化物系電子デバイスを提供するために好適である。
【００２２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスでは、前記III族窒化物支持基体の材料は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかであることが好ましい。支持基体がＧａＮからなるとき、低転位の支持基体が提供される。支持基体がＡｌＧａＮからなるとき、大きな耐圧のIII族窒化物系電子デバイスを提供するために好適である。
【００２３】
本発明の一側面に係るIII族窒化物系電子デバイスは、前記ｎ−型III族窒化物系半導体および前記III族窒化物支持基体の材料は窒化ガリウムであることが好ましい。低転位のＧａＮ支持基体上に良好な結晶品質のＧａＮが提供される。
【００２４】
本発明の別の側面に係る、III族窒化物系電子デバイスのためのエピタキシャル基板は、（ａ）主面を有するIII族窒化物基板と、（ｂ）３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有しており前記主面上に設けられておりドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜とを備え、前記ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記III族窒化物支持基体のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は、前記主面の全体にわたって分布しており、前記合成オフ角は０．１５度以上である。
【００２５】
このエピタキシャル基板によれば、合成オフ角は主面の全体にわたって変化しているけれども、合成オフ角はIII族窒化物基板の主面の全体にわたって０．１５度以上である。これ故に、ドリフト層のためのエピタキシャル膜中の炭素濃度を小さくでき、炭素濃度を３×１０１６ｃｍ−３以下に下げることができる。エピタキシャル膜が３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、ドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜の層抵抗がキャリア補償に起因して大きくなることを抑制できる。
【００２６】
本発明の別の側面に係る、III族窒化物系電子デバイスのためのエピタキシャル基板は、（ａ）主面を有するIII族窒化物基板と、（ｂ）１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有しており前記主面上に設けられておりドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜とを備え、前記ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜内における炭素濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下であり、前記III族窒化物支持基体のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮと前記主面の単位法線ベクトルＶＰＮとの成す合成オフ角は前記主面の全体にわたって分布しており、前記合成オフ角は０．１５度以上である。
【００２７】
このエピタキシャル基板によれば、合成オフ角は主面の全体にわたって変化しているけれども、合成オフ角はIII族窒化物基板の主面の全体にわたって０．１５度以上である。これ故に、ドリフト層のためのエピタキシャル膜中の炭素濃度を小さくでき、炭素濃度を３×１０１６ｃｍ−３以下に下げることができる。この発明によれば、エピタキシャル膜が１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、ドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜の層抵抗がキャリア補償に起因して大きくなることを抑制できる。
【００２８】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜内における水素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下であることができる。この発明によれば、炭素濃度だけでなく水素濃度も小さくできる。これ故に、ドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜が高純度になる。
【００２９】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記合成オフ角は、前記主面の全体にわたって０．７度以上であることが好ましい。この発明によれば、合成オフ角が主面の全体にわたって均一でないIII族窒化物基板でも、キャリア分布が合成オフ角の分布に影響されにくい。合成オフ角の違いに依るキャリア濃度の分布の幅を小さくできる。
【００３０】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記合成オフ角は前記主面の全体にわたって０．７度未満であることが好ましい。この発明によれば、合成オフ角の違いに依るキャリア濃度の分布の幅を小さくできる。また、ドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜の表面モフォロジーも良好である。
【００３１】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記合成オフ角は前記主面の全体にわたって分布しており、前記合成オフ角は、Ｓｑｒｔ（ＴＨ１２＋ＴＨ２２）により規定され、前記ｓｑｒｔは平方根の演算を示し、前記ＴＨ１は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関する第１のオフ角度成分であり、前記ＴＨ２は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの他の方向に関する第２のオフ角度成分であり、前記第１のオフ角度成分の符号は、前記一の方向を示すベクトルおよび前記主面の法線ベクトルによって規定される第１の基準面と前記主面との第１の交差線分の一端から他端に向かう途中で変わらず、前記第２のオフ角度成分の符号は、前記他の方向を示すベクトルおよび前記主面の法線ベクトルによって規定される第２の基準面と前記主面との第２の交差線分の一端から他端に向かう途中で変わり、前記第１の交差線分上における前記第１のオフ角度成分の最大値の絶対値は前記第１のオフ角度成分の最小値の絶対値と異なり、前記第１のオフ角度成分の最大値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも大きく、且つ前記第１のオフ角度成分の最小値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも小さく、前記第２の交差線分上における前記第２のオフ角度成分の最大値の絶対値は前記第２のオフ角度成分の最小値の絶対値と異なり、前記第２のオフ角度成分の最大値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも大きく、且つ前記第２のオフ角度成分の最小値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも小さく、前記III族窒化物基板の前記主面上の点において、前記第１のオフ角度成分の絶対値は前記第２のオフ角度成分の絶対値とよりも大きい。
【００３２】
この発明によれば、第１および第２のオフ角度成分の各々のための交差線分上における該オフ角度成分の最大値の絶対値は該オフ角度成分の最小値の絶対値と異なり、該オフ角度成分の最大値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも大きく、且つ該オフ角度成分の最小値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも小さくしているので、III族窒化物基板の主面上の点において、第１のオフ角度成分の絶対値と第２のオフ角度成分の絶対値との差を大きくできる。このため、合成オフ角が主面の全体にわたって変化しているけれども、基板の主面全体にわたる合成オフ角の分布幅を小さくできる。これ故に、キャリア濃度の分布の幅を小さくできる。
【００３３】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記合成オフ角は、Ｓｑｒｔ（ＴＨ１２＋ＴＨ２２）により規定され、前記ｓｑｒｔは平方根の演算を示し、前記ＴＨ１は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関する第１のオフ角度成分であり、前記ＴＨ２は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの他の方向に関する第２のオフ角度成分であり、前記一の方向を示すベクトルおよび前記主面の法線ベクトルによって規定される第１の基準面と前記主面との第１の交差線分上における前記第１のオフ角度成分の最大値と最小値との差は、前記他の方向を示すベクトルおよび前記主面の法線ベクトルによって規定される第２の基準面と前記主面との第２の交差線分上における前記第２のオフ角成分の最大値と最小値との差よりも小さく、前記第１の交差線分上における前記第１のオフ角度成分の最大値が前記第２の交差線分上の前記第２のオフ角成分の最大値よりも大きく、前記III族窒化物基板の前記主面上の点において、前記第１のオフ角度成分の絶対値は前記第２のオフ角度成分の絶対値と異なる。
【００３４】
第１の交差線分上における第１のオフ角度成分の最大値と最小値との差であるオフ角が、第２の交差線分上における第２のオフ角成分の最大値と最小値との差よりも小さいので、第１のオフ角度成分の変動幅は第２のオフ角成分の変動幅よりも小さい。また、第１の交差線分上における第１のオフ角度成分の最大値を第２の交差線分上の第２のオフ角成分の最大値よりも大きくすることにより、合成オフ角に第１のオフ角度成分がより大きく寄与することになる。合成オフ角が主面の全体にわたって変化しているけれども、基板の主面全体にわたる合成オフ角の分布幅を小さくできる。これ故に、キャリア濃度の分布の幅を小さくできる。
【００３５】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板は、１×１０１７ｃｍ−３以上のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有しており前記III族窒化物基板と前記ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜との間に設けられたｎ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜を更に備えることができる。
【００３６】
この発明によれば、エピタキシャル膜が１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度もしくはゲルマニウム濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、ドリフト層のためのｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜の層抵抗がキャリア補償に起因して大きくなることを抑制できる。
【００３７】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜はＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかから成ることが好ましい。
【００３８】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記III族窒化物基板はＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかかから成ることが好ましい。III族窒化物基板がＧａＮからなるとき、低転位の基板が提供される。III族窒化物基板がＡｌＧａＮからなるとき、大きな耐圧のIII族窒化物系電子デバイスを提供するために好適である。
【００３９】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記ｎ−型III族窒化物系半導体膜および前記III族窒化物基板の材料は窒化ガリウムであることが好ましい。低転位のＧａＮ基板上に良好な結晶品質のＧａＮが提供される。
【００４０】
本発明の別の側面に係るエピタキシャル基板では、前記ｎ−型III族窒化物系半導体は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかであることが好ましい。ｎ−型III族窒化物系半導体がＧａＮであれば、良好な結晶品質のＧａＮが提供される。また、ｎ−型III族窒化物系半導体がＡｌＧａＮであれば、大きな耐圧のIII族窒化物系電子デバイスを提供するために好適である。
【００４１】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００４２】
以上説明したように、本発明によれば、キャリア補償の影響を低減可能なIII族窒化物系電子デバイスが提供され、またIII族窒化物系電子デバイスのためのエピタキシャル基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１（Ａ）は、本実施の形態に係るIII族窒化物系電子デバイスを示す図面である。図１（Ｂ）に示されるような六方晶系結晶構造を有する材料からなる。
【図２】図２は、合成オフ角を実験により決定するためのＸ線回折装置を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、III族窒化物支持基体１３のためのIII族窒化物基板３１を示す図面である。
【図４】図４は、エピタキシャル基板のＳＩＭＳ分析を示す図面である。
【図５】図５は、エピタキシャル基板のＳＩＭＳ分析を示す図面である。
【図６】図６は、合成オフ角とショットキバリアダイオードのオン抵抗との関係を示す図面である。
【図７】図７は、合成オフ角と有効キャリア濃度との関係を示す図面である。
【図８】図８は、合成オフ角とエピタキシャル膜中の炭素濃度との関係を示す図面である。
【図９】図９（Ａ）は、ｐｎ接合ダイオードの構造を概略的に示す図面である。図９（Ｂ）は、ｐｉｎ接合ダイオードの構造を概略的に示す図面である。
【図１０】図１０は、ＭＯＳ構造またはＭＩＳ構造を有する縦型トランジスタの構造を概略的に示す図面である。
【図１１】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）および図１１（Ｃ）は、III族窒化物系電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作成する工程を示す図面である。
【図１２】図１２（Ａ）は、ｐｎ接合ダイオードのためのエピタキシャル基板を示す図面である。図１２（Ｂ）は、ｐｉｎ接合ダイオードのためのエピタキシャル基板を示す図面である。
【図１３】図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、窒化ガリウム基板Ｗの表面の９点におけるオフ角成分を示す図面である。図１３（Ｃ）は、窒化ガリウム基板Ｗの結晶方位を示す図面である。
【図１４】図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）は、インゴットにおけるＣ面の反りと基板主面における合成オフ角との関係を示す図面である。
【図１５】図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、III族窒化物系電子デバイスにおける＜１−１００＞軸および＜１１−２０＞軸に関するオフ角成分を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物系電子デバイスおよびエピタキシャル基板に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４５】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、本実施の形態に係るIII族窒化物系電子デバイスを示す図面である。図１（Ａ）を参照すると、III族窒化物系電子デバイス１１が示されている。III族窒化物系電子デバイス１１は、III族窒化物支持基体１３およびドリフト層１５を備える。III族窒化物支持基体１３は主面１３ａを有する。ドリフト層１５は主面１３ａ上に設けられており、また１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなる。このシリコンはドナーとして作用する。ドナーとして作用するドーパントにはシリコンのほかにゲルマニウムなどがあり、それらを用いることも可能である。以下の実施例ではドーパントとしてシリコンを用いているものの、ゲルマニウムや他の元素でも実施可能である。支持基体１３のIII族窒化物は、図１（Ｂ）に示されるような六方晶系結晶構造を有する材料からなる。合成オフ角は主面１３ａの全体にわたって０．１５度以上である。合成オフ角は、例えばIII族窒化物支持基体１３のＣ面の単位法線ベクトルＶＣＮ（図１（Ｂ）に示される＜０００１＞方向を指すベクトル）と主面１３ａの単位法線ベクトルＶＰＮとの成す角度である。例えば、主面１３ａ上の位置Ｐ１における合成オフ角は、主面１３ａ上に位置Ｐ１と異なる位置Ｐ２における合成オフ角と異なることになり、これ故に、合成オフ角の値は、主面１３ａ上にわたって分布している。ドリフト層１５内における炭素濃度ＮＣは３×１０１６ｃｍ−３以下である。ｎ−型III族窒化物系半導体は、例えばＧａＮまたはＡｌＧａＮから成ることができる。III族窒化物支持基体１３は、例えばＧａＮまたはＡｌＧａＮから成ることができる。
【００４６】
このIII族窒化物系電子デバイス１１によれば、合成オフ角は主面１３ａの全体にわたって０．１５度以上であるので、ドリフト層１３中の炭素濃度ＮＣを小さくでき、炭素濃度を３×１０１６ｃｍ−３以下に下げることができる。ドリフト層１５が１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、キャリア補償に起因してドリフト層１５の層抵抗が大きくなることを抑制できる。
【００４７】
より具体的には、III族窒化物系電子デバイス１１の一例として、図１（Ａ）にはショットキバリアダイオードが示されている。このショットキバリアダイオードは、ドリフト層１５にショットキ接合を成すショットキ電極１７を含む。また、ショットキバリアダイオードは、支持基体１３の裏面１３ｂ上にオーミック接合を成す電極１９を含む。ショットキバリアダイオードは、高耐圧の用途に好適な構造を有する。ドリフト層１５のｎ−型III族窒化物系半導体は、３×１０１６ｃｍ−３以下のシリコン濃度を有するからことが好ましく、例えばキャリア濃度は、３×１０１６ｃｍ−３程度である。このキャリア濃度はシリコン濃度の変化に応じて変更可能であり、これ故に、キャリア濃度はドーパント濃度により制御されている。このショットキバリアダイオードによれば、キャリア補償に起因する直列抵抗の増加が小さい。
【００４８】
また、ドリフト層１５内における水素濃度ＮＨは５×１０１６ｃｍ−３以下であることができる。炭素濃度だけでなく水素濃度も小さくできる。これ故に、ドリフト層のためのエピタキシャル半導体層が高純度になる。
【００４９】
III族窒化物系電子デバイス１１は、１×１０１７ｃｍ−３以上のシリコン濃度を有しておりIII族窒化物支持基体１３とドリフト層１５との間に設けられたｎ型III族窒化物系半導体層を更に備えることが好ましい。ｎ型III族窒化物系半導体層の厚さはドリフト層１５の厚さよりも小さい。このｎ型III族窒化物系半導体層を含むことで、基板とエピタキシャル領域の界面のコンタミネーションによる界面近傍の直列抵抗の増大を防ぐことが可能となる。
【００５０】
図２は、合成オフ角を実験により決定するためのＸ線回折装置を概略的に示す図面である。合成オフ角は、図２に示されるようにＸ線回折法を用いて測定される。以下、測定方法を簡略に説明する。Ｘ線源２１からの入射Ｘ線ビーム２３に対して基板２５の表面２５ａが平行になるように、軸Ａｘの回りの角度ＯＭＥＧＡが調整される。この調整により、調整された基板２５はＡｘ−Ｒ平面上に置かれる。この角度をＯＭＥＧＡの基準値（ゼロ値）とする。軸Ａｘは軸Ｒに直交している。２倍のＴＨＥＴＡ（以下、２×ＴＥＴＨＡと記す。ＴＥＴＨＡは、ＧａＮ基板の（０００２）面の面間隔に対応しており、ブラッグの法則を用いて求めることができる。）の角度を入射Ｘ線ビーム２３に対して成す軸上にシンチレーションカウンタ２７を置く。ＯＭＥＧＡ＝ＴＨＥＴＡとなる位置にＯＭＥＧＡをセットする。ＯＭＥＧＡ−２×ＴＨＥＴＡスキャンを行い、回折強度が最も強くなる２×ＴＨＥＴＡのところにシンチレーションカウンタを置く。この値を新たなＴＨＥＴＡ値とする。ＯＭＥＧＡスキャンを行い、（０００２）面の回折像を測定する。回折強度がもっとも強くなるＯＭＥＧＡ値を用いて、式ＴＨ１＝ＴＥＴＨＡ（０００２）−ＯＭＥＧＡの関係式を用いて、値ＴＨ１を求める。基板２５をＡｘ−Ｒ平面上において角度９０度だけ回転した後に、同様の測定を行って式ＴＨ２＝ＴＥＴＨＡ（０００２）−ＯＭＥＧＡを用いて、値ＴＨ２を求める。合成オフ角は、実験的には、ｓｑｒｔ（ＴＨ１２＋ＴＨ２）により与えられる。「ｓｑｒｔ」は平方根を求める演算記号である。当該支持基体１３のための基板の表面上のいくつかの位置において上記の測定を行う。値ＴＨ１が、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関してＸ線回折法により測定された第１のオフ角度成分であり、値ＴＨ２が＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの他の方向に関してＸ線回折法により測定された第２のオフ角度成分である。値ＴＨ１、ＴＨ２の測定を繰り返すことによって、主面上に多数の点におけるオフ角成分および合成オフ角が求められる。この測定には、薄膜材料結晶性解析Ｘ線回折装置（本実施例では、フィリップス社製の２結晶X線回折装置を用いている。この基板上に、窒化ガリウムといったｎ−型III族窒化物系半導体膜を成長する。
【００５１】
図３は、III族窒化物支持基体１３のためのIII族窒化物基板３１を示す図面であり、特に単一のIII族窒化物支持基体１３が代表的に示されている。III族窒化物基板３１の一部であるIII族窒化物支持基体１３において、図３には、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸が描かれている。例えば位置Ｐ３における合成オフ角は０．１５度以上である。位置Ｐ４では、主面３１ａ（１３ａ）の法線ベクトルＶＰＮ及び＜１−１００＞軸方向を指すベクトルＶ＜１−１００＞が規定される。法線ベクトルＶＰＮ及びベクトルＶ＜１−１００＞によって規定される基準面と基板３１の主面３１ａとは交差線ＩＳ１において交差する。また、位置Ｐ５では、主面３１ａ（１３ａ）の法線ベクトルＶＰＮ及び＜１１−２０＞軸方向を指すベクトルＶ＜１１−２０＞が規定される。法線ベクトルＶＰＮ及びベクトルＶ＜１１−２０＞によって規定される基準面と基板３１の主面３１ａとは交差線ＩＳ２において交差する。これらの交差線ＩＳ１、ＩＳ２は、基板３１の主面３１ａ全体にわたって規定される線分である。
【００５２】
（実施例）
さまざまなオフ角を持った窒化ガリウム自立基板を準備する。窒化ガリウム基板の転位密度は１×１０６ｃｍ−２未満である。これらの基板の合成オフ角の分布を調べる。サーマルクリーニングに引き続き、有機金属気相成長法を用いてIII族窒化物の結晶成長を行う。原料として、トリメチルガリウム、アンモニア、ドーパントとしてモノシラン、キャリアガスとして水素を用いる。窒化ガリウム自立基板上にｎ＋ＧａＮバッファ膜を成長する。このバッファ膜の厚さは、０．５マイクロメートルであり、シリコン濃度ＮＳｉは２×１０１７ｃｍ−３である。次いで、有機金属気相成長法を用いて、ｎ＋ＧａＮバッファ膜上にｎ−ＧａＮドリフト膜を成長する。このバッファ膜の厚さは、７．０マイクロメートルであり、シリコン濃度ＮＳｉは３．５×１０１６ｃｍ−３である。このエピタキシャル基板の二次イオン放出質量（ＳＩＭＳ）分析を行いエピタキシャル膜中の不純物濃度（水素、炭素）を測定する。また、基板の裏面にオーミック電極を形成すると共に、エピタキシャル膜の表面にショットキー電極を形成する。Ｃ−Ｖ法を用いて有効キャリア濃度(Ｎｄ−Ｎａ)を測定する。また、Ｉ−Ｖ測定を行ってショットキバリアダイオードのオン抵抗（直列抵抗）を測定する。
【００５３】
図４および図５は、エピタキシャル基板のＳＩＭＳ分析の結果を示す図面である。これらＳＩＭＳ分析では、シリコン、炭素、水素、酸素、シリコンが分析対象である。図４を参照すると、まず、合成オフ角（＜１−１００＞方向のオフ角成分：０．３０、＜１１−２０＞方向のオフ角成分：０．０３）０．３０のエリアの分析結果ＳＩＭＳ２が示される。分析結果ＳＩＭＳ２によれば、基板とエピタキシャル成長領域との界面ＩＦ３およびバッファ層とドリフト層との界面ＩＦ４のいずれにおいても、炭素濃度および水素濃度は共に、ほぼ一定である。エピタキシャル層中での炭素濃度は約１．５×１０１６ｃｍ−３であった。また、同様に水素濃度は約４×１０１６ｃｍ−３であった。
【００５４】
図５を参照すると、まず、合成オフ角（＜１−１００＞方向のオフ角成分：０．０９、＜１１−２０＞方向のオフ角成分：０．０４）０．１０のエリアの分析結果ＳＩＭＳ１が示される。分析結果ＳＩＭＳ１によれば、基板とエピタキシャル成長領域との界面ＩＦ１およびバッファ層とドリフト層との界面ＩＦ２に、シリコンのパイルアップが見られる。炭素濃度および水素濃度は共に、界面ＩＦ１と界面ＩＦ２との間のエピタキシャル成長領域で大きく、界面ＩＦ２から離れるにつれてエピタキシャル成長領域において減少しているものの、ＳＩＭＳ２と比較して、炭素濃度・水素濃度ともに常に高い。エピタキシャル層中の炭素濃度のもっとも低い部分で約４×１０１６ｃｍ−３であった。また、同様に水素濃度のもっとも低い部分で６×１０１６ｃｍ−３であった。
【００５５】
発明者らの実験によれば、分析結果ＳＩＭＳ１のような不純物プロファイルを持つ場合、エピタキシャル成長領域と基板との界面付近が高抵抗化する。また、界面付近の炭素濃度が高いので、シリコンドーパントによるキャリアが補償されやすく、キャリア濃度がドーパント濃度による設計値から大きくずれ、この結果、キャリア濃度の制御性が低下する。
【００５６】
図６は、合成オフ角とショットキバリアダイオードのオン抵抗との関係を示す図面である。図６に示されるように、合成オフ角が０．１５度（Ａｎｇｌｅ１）以上では、オン抵抗が約１ｍΩ・ｃｍ２程度と低い値となる。一方、０．１５度未満では、その合成オフ角が小さければ小さいほど、オン抵抗が増大する。この測定結果では、０．１度（Ａｎｇｌｅ２）では、約２０ｍΩ・ｃｍ２であり、０．０５度（Ａｎｇｌｅ３）の合成オフ角で約１００ｍΩ・ｃｍ２程度である。
【００５７】
図７は、合成オフ角と有効キャリア濃度との関係を示す図面である。なお、この合成オフ角の範囲では、エピタキシャル膜中でのシリコン濃度のオフ角依存性は見られず、任意のオフ角でそのシリコン濃度は同じであった。図７から、有効キャリア濃度は、合成オフ角の低下に伴って小さくなることが分かる。また、図８は、合成オフ角とエピタキシャル膜中の炭素濃度との相関を示す図面である。ここで、炭素濃度の測定はＳＩＭＳ分析を用いて行っており、図面中に用いた値はエピタキシャル膜中での最も低い値を用いている。これらから分かるように、合成オフ角が大きくなれば、エピタキシャル膜中での炭素濃度が低くなり、合成オフ角を０．１５度以上とすることで炭素濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下の、高純度で補償の少ないエピタキシャル膜を作製することが可能となる。
【００５８】
図７を参照すると、有効キャリア濃度は、合成オフ角の増加に伴って大きくなりながら、ある値に向けて漸近的に近づく。合成オフ角が０．７度（Ａｎｇｌｅ４）以上では、有効キャリア濃度の変化が十分に小さく、窒化ガリウム基板の表面において合成オフ角に分布があっても、合成オフ角の分布に起因する有効キャリア濃度の変化は十分に小さい。
【００５９】
合成オフ角が０．７度（Ａｎｇｌｅ４）以下０．１５度以上（Ａｎｇｌｅ５）では、有効キャリア濃度の変化があるため、窒化ガリウム基板の表面において合成オフ角に分布があった場合、合成オフ角の分布に起因する有効キャリア濃度の変化が生じる。一方で、この角度範囲は、エピタキシャル成長領域の表面モフォロジーが良好であり、微細加工を行う電子デバイスやショットキ接合を有する電子デバイスにも好適である。合成オフ角が０．７度（Ａｎｇｌｅ４）以下０．１５度以上（Ａｎｇｌｅ５）の領域を電子デバイスに用いる場合、有効キャリア濃度の変化を小さくするため、基板の合成オフ角の分布が小さいものを使うことが望ましい。
参照符号Ａｎｇｌｅ６は０．４度の合成オフ角を示し、参照符号Ａｎｇｌｅ７は０．２５度の合成オフ角を示し、参照符号Ａｎｇｌｅ８は０．３度の合成オフ角を示し、参照符号Ａｎｇｌｅ９は０．２度の合成オフ角を示す。
【００６０】
本実施の形態のIII族窒化物系電子デバイスでは、ドリフト層１５のｎ−型III族窒化物系半導体は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかであることが好ましい。ｎ−型III族窒化物系半導体がＧａＮであれば、良好な結晶品質のＧａＮが提供される。また、ｎ−型III族窒化物系半導体がＡｌＧａＮであれば、大きな耐圧のIII族窒化物系電子デバイスを提供するために好適である。また、III族窒化物支持基体１３の材料は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのいずれかであることが好ましい。支持基体１３がＧａＮからなるとき、低転位の支持基体が提供される。支持基体１３がＡｌＧａＮからなるとき、大きな耐圧のIII族窒化物系電子デバイスを提供するために好適である。ドリフト層１５のｎ−型III族窒化物系半導体およびIII族窒化物支持基体１５の材料は窒化ガリウムであることが好ましい。低転位のＧａＮ支持基体上に良好な結晶品質のＧａＮが提供される。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、キャリア補償の影響を低減可能なIII族窒化物ショットキバリアダイオードが提供される。このようなキャリア補償の影響の低減は、ショットキバリアダイオードに限定されることなく、ｐｎ接合ダイオード、ｐｉｎ接合ダイオードといった縦型ダイオードおよび縦型トランジスタにおいても得られる。
【００６２】
図９（Ａ）は、ｐｎ接合ダイオードの構造を概略的に示す図面である。ｐｎ接合ダイオード４１は、ドリフト層１５上に設けられたｐ型III族窒化物系半導体層４３をさらに備える。ｐ型III族窒化物系半導体層４３上には、アノード電極４５が設けられている。支持基体１３の裏面１３ｂ上にカソード電極４７が設けられている。ドリフト層１５はｐ型III族窒化物系半導体層４３とｐｎホモ接合を形成しており、ドリフト層１５は支持基体１３とホモ接合を形成する。このｐｎ接合ダイオードによれば、キャリア補償に起因して直列抵抗の増加が小さい。必要な場合には、ドリフト層１５と支持基体１３との間にバッファ層４９が設けられることができる。
【００６３】
図９（Ｂ）は、ｐｉｎ接合ダイオードの構造を概略的に示す図面である。ｐｉｎ接合ダイオード５１は、ドリフト層１５とｐ型III族窒化物系半導体層４３との間に設けられたｉ型III族窒化物系半導体層５３を更に含む。ドリフト層１５はｉ型III族窒化物系半導体層５３とホモ接合を形成しており、ｐ型III族窒化物系半導体層４３はｉ型III族窒化物系半導体層５３とホモ接合を形成する。ドリフト層１５、ｉ型III族窒化物系半導体層５３およびｐ型III族窒化物系半導体層４３はｐｉｎ構造を構成している。このｐｉｎ接合ダイオードによれば、キャリア補償に起因して直列抵抗の増加が小さい。
【００６４】
図１０は、ＭＯＳ構造またはＭＩＳ構造を有する縦型トランジスタの構造を概略的に示す図面である。縦型トランジスタ６１は、ドリフト層１５上に設けられたソース領域６３と、ドリフト層１５とソース領域６３との間に設けられたウエル領域６５と、ウエル領域６５上に設けられたゲート電極６７とをさらに備える。ソース領域６３はｎ型窒化ガリウム系半導体からなる。ウエル領域６５はｐ型窒化ガリウム系半導体からなる。ゲート電極６７とウエル領域６５との間には、ゲート絶縁膜６９が設けられている。ゲート絶縁膜６９は、ソース領域６３およびウエル領域６５上にも位置している。ソース領域６３およびウエル領域６５には、ソース電極７１が設けられている。支持基体１３の裏面１３ｂ上には、ドレイン電極７３が設けられている。この縦型トランジスタ６１によれば、キャリア補償に起因する直列抵抗の増加が小さい。
【００６５】
（第２の実施の形態）
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）および図１１（Ｃ）は、III族窒化物系電子デバイスのためのエピタキシャル基板を作成する工程を示す図面である。図１１（Ａ）に示されるように、III族窒化物基板８１を準備する。III族窒化物ウエハ８１の転位密度は１×１０８ｃｍ−２未満である。好ましくは、転位密度は１×１０６ｃｍ−２以下である。
【００６６】
図１１（Ｂ）に示されるように、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含む第１の成膜ガスを有機金属気相成長装置に供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８３をIII族窒化物基板８１に表面８１ａ上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜８３は、引き続く成膜工程のために窒化ガリウム系半導体表面８３ａを提供する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜８３は、例えばｎ＋型窒化ガリウムからなることができる。第１の成膜ガスＧ１としては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。窒化ガリウム系エピタキシャル膜８３は、１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。
【００６７】
図１１（Ｃ）に示されるように、Ｖ族原料、III族原料およびドーパントガスを含む第２の成膜ガスを有機金属気相成長装置に供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５を窒化ガリウム系半導体表面８３ａ上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５は、３×１０１６ｃｍ−３以下の炭素濃度を有している。また、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５は１×１０８ｃｍ−２未満の転位密度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５は、５×１０１６ｃｍ−３未満の電子キャリア濃度を有する。第２の成膜ガスとしては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。これら工程により、III族窒化物エピタキシャル基板Ｅ１が提供される。
【００６８】
この方法によれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満にでき、また窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５の転位密度が１×１０８ｃｍ−２未満にできる。このため、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５の電子キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３未満である場合でも、成膜ガス中のドナードーパント濃度に依って、窒化ガリウム系エピタキシャル膜９の電子キャリア濃度を調整できる。
【００６９】
低電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜は下記の推奨条件で作製される。
（１）この窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５を形成するための成長圧力Ｐ
成長圧力Ｐは、５０ｔｏｒｒ以上であることができる。成長圧力が低くなると、炭素の取り込みが増えるが、５０ｔｏｒｒ未満の圧力では炭素濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが困難だからである。好ましくは、成長圧力Ｐは２００ｔｏｒｒ以上である。なお、１ｔｏｒｒは、１３３.３２２Ｐａ（パスカル）であり、この換算によりＳＩ単位系に変換される。
（２）窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５を形成するための成長温度Ｔ
成長温度Ｔは、摂氏１０００度以上であることができる。成長温度が１０１０度を下回ると急激に炭素の取り込みが増えるので、１０００度未満の成長温度では炭素濃度を２×１０１６ｃｍ−３未満にすることが容易ではない。また、成長温度Ｔは１２００度以下であることができる。１２００度より高い成長温度ではＧａＮの成長が困難であるからである。好ましくは、成長温度Ｔは１０５０℃付近、例えば摂氏１０３０度以上１０７０度以下である。
（３）成膜ガスＧ２に関して
（Ｖ族原料の供給量）／（III族原料の供給量）（単に、「Ｖ／III」と記す）は２００以上であることができる。Ｖ／IIIが２００未満になると炭素の取り込みが増え、炭素濃度を３×１０１６ｃｍ−３以下にすることが困難だからである。また、Ｖ／IIIは１００００以下であることができる。Ｖ／IIIが高いほど成長速度が遅くなるため、Ｖ／IIIが１００００以上では実用に適さないからである。好ましくは、Ｖ／IIIは４００以上である。また、Ｖ／IIIは４０００未満であることが好ましい。
【００７０】
上記の条件により、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５の炭素濃度が２×１０１６ｃｍ−３未満になる。例えば、上記の条件（１）〜（３）のいずれか一つが、記載された好ましい値を下回るときは、残りの条件として、記載された好ましい値以上の範囲内の値を用いれば、窒化ガリウム系エピタキシャル膜８５の炭素濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下にできる。
【００７１】
上記の方法により作製されたエピタキシャル基板Ｅ１は、III族窒化物基板８１と、ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８５とを含む。ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８５は、主面８１ａ上に設けられており、また３×１０１６ｃｍ−３以下（或いは１×１０１７ｃｍ−３未満）のシリコン濃度を有する。ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜内における炭素濃度ＮＣは２×１０１６ｃｍ−３以下であり、合成オフ角は主面８１ａの全体にわたって分布しており、合成オフ角は０．１５度以上である。エピタキシャル膜８５が１×１０１７ｃｍ−３未満のシリコン濃度を有するｎ−型III族窒化物系半導体からなるけれども、キャリア補償の影響が小さい。また、エピタキシャル膜８５の層抵抗がキャリア補償に起因して大きくなることを抑制できる。好ましくは、エピタキシャル膜８５のシリコン濃度は３×１０１６ｃｍ−３以下である。エピタキシャル膜８５内における水素濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下であることができる。エピタキシャル基板Ｅ１は、例えばショットキバリアダイオード、縦型トランジスタ等を作製するために用いられる。
【００７２】
上記のエピタキシャル基板Ｅ１の作製工程に引き続いて、一又は複数のエピタキシャル成長工程を行うことができる。例えば、ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８５上にｐ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８７を成長して、エピタキシャル基板Ｅ２を作製することができる。図１２（Ａ）に示されるおように、エピタキシャル基板Ｅ２は、III族窒化物基板８１と、ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８５と、ｐ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８７とを含む。エピタキシャル基板Ｅ２は、例えばｐｎ接合ダイオード等を作製するために用いられる。
【００７３】
あるいは、ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８５上に、ｉ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８９およびｐ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８７を順に成長して、エピタキシャル基板Ｅ３を作製することができる。図１２（Ｂ）に示されるように、エピタキシャル基板Ｅ３は、III族窒化物基板８１と、ｎ−型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８５と、ｉ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８９と、ｐ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜８７とを含む。エピタキシャル基板Ｅ３は、例えばｐｉｎ接合ダイオード等を作製するために用いられる。
【００７４】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、窒化ガリウム基板Ｗの表面の９点におけるオフ角成分を示す図面である。図１３（Ｃ）は、窒化ガリウム基板Ｗの結晶方位を示す図面である。図１３（Ｃ）に示されるように、窒化ガリウム基板ＷのＯＦには（１１−２０）面が現れており、窒化ガリウム基板ＷのＩＦには（１−１００）面が現れている。
【００７５】
本実施の形態に係る窒化ガリウム基板Ｗは、その作製法に起因して生じるオフ角分布を有する。窒化ガリウム基板Ｗは、例えば、次のような方法を用いて製造することができる。ＧａＡｓ（１１１）単結晶基板の上にマスクを形成する。このマスクは、［１１−２］方向および［−１１０］方向にそれぞれ等間隔に配列された窓を有する。まず、マスクの窓に低温でＧａＮバッファ層を成長する。ついで、高温において、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いてＧａＮバッファ層およびマスクの上に別のＧａＮ層をエピタキシャル成長する。この後に、ＧａＡｓ基板を除去してＧａＮ単結晶基板を製造する。ＧａＡｓ基板は王水でエッチングすることによって除去できる。窒化ガリウム系半導体デバイスを作製するために、該ＧａＮ単結晶基板を用いることができる。あるいは、この単結晶基板上に、数ミリメートル以上の厚みを有するＧａＮエピタキシャル層を厚く形成してＧａＮインゴットを形成する。このインゴットから複数の窒化ガリウム基板を形成する。さらにＧａＮの表面は鏡面研磨されて、実質的に平坦な面である。ＧａＮインゴットには反りがあり、インゴットから作製された窒化ガリウム基板にはこの反りのためオフ角分布がある。このようなオフ角の分布により、ウェハ面内の合成オフ角が分布を持ち、この結果、キャリア濃度にも分布が生じ得る。
【００７６】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）を参照すると、［１−１００］方向に関して５点の測定点があり、破線で囲まれた値は［１−１００］方向のオフ角成分を示し、残りの値は［１１−２０］方向のオフ角成分を示す。例えば、これらの５測定点は、図３に示された交差線分ＩＳ２に沿って選択されている。同様に、［１１−２０］方向に関して５点の測定点があり、破線で囲まれた値は［１１−２０］方向のオフ角成分を示し、残りの値は［１−１００］方向のオフ角成分を示す。例えば、これらの５測定点は、図３に示された交差線分ＩＳ１に沿って選択されている。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）のいずれの基板Ｗも、基板のほぼ中心のオフ角（オフ角成分）がゼロになるように、ＧａＮインゴットから切り出されている。本実施例では、交差線分ＩＳ２は交差線分ＩＳ１と基板の中心で交差している。
【００７７】
図１３（Ａ）を参照すると、オフ角度成分ＴＨ１の符号は、交差線分ＩＳ１の一端から他端に向かう途中で変わり、オフ角度成分ＴＨ２の符号は、交差線分ＩＳ２の一端から他端に向かう途中で変わる。＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向に関するオフ角成分の変化がほぼ同じ傾向で変化している。
【００７８】
このＧａＮインゴットでは、反り量の異方性が小さい。このような異方性の小さいＧａＮインゴットから基板を切り出すとき、合成オフ角の分布幅を小さくするために好適な形態を説明する。この形態の一例では、＜１−１００＞軸方向に関するオフ角成分ＴＨ１の変動幅は−０．２度から＋０．２度であり、同じく、＜１１−２０＞軸方向に関するオフ角成分ＴＨ２の変動幅は−０．２度から＋０．２度であるとする。この形態では、オフ角成分ＴＨ１（ＴＨ２）を０．４にすると共に、オフ角成分ＴＨ２（ＴＨ１）をゼロに近づけるように基板主面を取ってオフ角成分の最大値の絶対値と最小値の絶対値の差を大きくすることによって、合成オフ角が最も大きい部分と小さい部分の差が０．４１にできる。一方、オフ角成分ＴＨ１およびＴＨ２をほぼ等しく０．２８程度にするように基板主面を取ると、最もオフが大きい部分と小さい部分の差が０．４３になる。故に、本形態では、オフ角成分ＴＨ１およびＴＨ２をほぼ等しくする形態に比べて、合成オフ角のバラツキが小さくなり、面内均一性も向上する。これ故に、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちのいずれか方向のオフ角成分をできるだけゼロに近づけると共に、他方のオフ角成分を大きく取ることによって、基板の主面内の合成オフ角の分布を小さくできる。
【００７９】
したがって、下記のような形態によれば、合成オフ角が主面の全体にわたって変化しているけれども、基板の主面全体にわたる合成オフ角の分布幅を小さくできる。
以下の条件
条件１：第１の交差線分上における第１のオフ角度成分の最大値の絶対値が第１のオフ角度成分の最小値の絶対値と異なる、
条件２：第１のオフ角度成分の最大値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも大きい、
条件３：第１のオフ角度成分の最小値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも小さい、
を満たすオフ角分布は、第１のオフ角度成分の最大値の絶対値が第１のオフ角度成分の最小値の絶対値とほぼ等しいオフ角分布に比べて、両者の第１のオフ角成分に関する変動幅が同じでも、第１のオフ角度成分の最大値の絶対値と第１のオフ角度成分の最小値の絶対値との差を大きくできる。
また、以下の条件
条件４：第２の交差線分上における第２のオフ角度成分の最大値の絶対値が第２のオフ角度成分の最小値の絶対値と異なる、
条件５：第２のオフ角度成分の最大値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも大きい、
条件６：第２のオフ角度成分の最小値の絶対値は（当該最大値の絶対値＋当該最小値の絶対値）／２よも小さい、
を満たすオフ角分布は、第２のオフ角度成分の最大値の絶対値が第２のオフ角度成分の最小値の絶対値とほぼ等しいオフ角分布に比べて、両者の第２のオフ角成分に関する変動幅が同じでも、第２のオフ角度成分の最大値の絶対値と第２のオフ角度成分の最小値の絶対値との差を大きくできる。反り量の異方性が小さいＧａＮインゴットでも、上記のように基板主面を傾斜させることによってオフ角成分の非対称性を高めて、基板の主面全体にわたる合成オフ角の分布幅を小さくできる。故に、キャリア濃度の均一性を高めることができる。
【００８０】
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、それぞれ、インゴット内のＣ面を等間隔で示すことにより［１１−２０］方向および［１−１００］方向におけるインゴットの反りを示す図面である。参照符合２Ｄは基板の直径を示す。図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示されるように、［１１−２０］方向および［１−１００］方向における反りの異方性は非常に小さい。このインゴットにおいて、参照符合Ｓ１に示されるように基板の主面を形成することにより、合成オフ角の分布幅を小さくできる。
【００８１】
図１３（Ｂ）を参照すると、交差線分ＩＳ２上におけるオフ角度成分の最大値と最小値との差は、交差線分ＩＳ１上におけるオフ角成分の最大値と最小値との差よりも大きい。＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のいずれか一方の向きに関して規定されるオフ角成分が、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のいずれか他方の向きに関して規定されるオフ角成分よりも大きく変化している。
【００８２】
このＧａＮインゴットでは、反り量の異方性が大きい。このような異方性の大きいＧａＮインゴットから基板を切り出すとき、合成オフ角の分布幅を小さくするために好適な形態を説明する。この形態（反り量の異方性が大きい形態）の一例では、＜１−１００＞軸方向に関するオフ角成分ＴＨ１の変動幅は−０．０２度から＋０．０２度であり、＜１１−２０＞軸方向に関するオフ角成分ＴＨ２の変動幅は−０．２度から＋０．２度である。この形態では、オフ角成分ＴＨ１（ＴＨ２）を０．４にすると共に、オフ角成分ＴＨ２（ＴＨ１）をゼロに近づけるように基板主面を取ってオフ角成分の最大値の絶対値と最小値の絶対値の差を大きくすることによって、合成オフ角が最も大きい部分と小さい部分の差が０．０７６にできる。一方、オフ角成分ＴＨ１およびＴＨ２をほぼ等しく０．２８程度にするように基板主面を取ると、最もオフが大きい部分と小さい部分の差が０．２８７になる。故に、本形態では、オフ角成分ＴＨ１およびＴＨ２をほぼ等しくする形態に比べて合成オフ角のバラツキが小さくなり、面内均一性も向上する。これ故に、Ｃ面に対する基板主面の傾斜角をオフ角成分の変動幅が小さい向きに大きくとり、このオフ角成分が合成オフ角に大きく寄与するようにする。
【００８３】
したがって、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関する交差線分上における第１のオフ角度成分の最大値と最小値との差を、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの交差線分上における第２のオフ角成分の最大値と最小値との差よりも小さくする。この条件により、一の方向（上記の例で、＜１−１００＞軸方向）に関するオフ角成分の変動幅が他の方向（上記の例で、＜１１−２０＞軸方向）に関するオフ角成分の変動幅に比べて小さいことになる。また、この条件により、一の方向に関するオフ角成分の最大値を他の方向に関するオフ角成分の最大値よりも大きくする。変動幅が大きいオフ角成分（上記の例で、＜１１−２０＞軸方向のオフ角成分）に比べて、変動幅が小さいオフ角成分（上記の例で、＜１−１００＞軸方向のオフ角成分）が合成オフ角の大きさに寄与する。つまり、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のいずれか一方の向きに関して規定されるオフ角が、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のいずれか他方の向きに関して規定されるオフ角よりも大きく変化しているとき、合成オフ角が主面の全体にわたって変化しているけれども、基板の主面全体にわたる合成オフ角の分布幅を小さくできる。これ故に、キャリア濃度の分布の幅を小さくできる。
【００８４】
図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）は、それぞれ、インゴット内のＣ面を等間隔で示すことにより［１１−２０］方向および［１−１００］方向におけるインゴットの反りを示す図面である。参照符合Ｄは基板の直径を示す。図１４（Ｃ）および図１４（Ｄ）に示されるように、［１１−２０］方向および［１−１００］方向における反りの異方性は非常に大きい。このインゴットにおいて、例えば、参照符合Ｓ２に示されるように基板の主面を形成することにより、合成オフ角の分布幅を小さくできる。
【００８５】
これまでの説明より、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示されるように、III族窒化物系電子デバイス９１は、III族窒化物支持基体９３と、ドリフト層９５とを含む。III族窒化物系電子デバイス９１では、III族窒化物支持基体９３の主面９３aに対してＣ面９７は＜１−１００＞軸および＜１１−２０＞軸のうちのいずれかの軸方向に傾斜していることが好ましい。このIII族窒化物系電子デバイスによれば、Ｃ面が＜１−１００＞軸および＜１１−２０＞軸のうちのいずれかの軸方向に傾斜しているので、III族窒化物系電子デバイス内におけるキャリア濃度の分布を小さくできる。
【００８６】
また、これまでの説明より、III族窒化物系電子デバイスでは、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの一の方向に関するオフ角度成分ＴＨ１の絶対値は、＜１−１００＞軸方向および＜１１−２０＞軸方向のうちの他の方向に関するオフ角度成分ＴＨ２の絶対値よりも大きいことが好ましい。このIII族窒化物系電子デバイスによれば、合成オフ角が主面の全体にわたって均一でないIII族窒化物系電子デバイスでも、III族窒化物系電子デバイス内における有効キャリア濃度の均一性が良好になる。
【００８７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００８８】
１１…III族窒化物系電子デバイス、１３…III族窒化物支持基体、１５…ドリフト層、１７…ショットキ電極、１９…電極、２１…Ｘ線源、２３…入射Ｘ線ビーム、２５…基板、２７…シンチレーションカウンタ、３１…III族窒化物基板、４１…ｐｎ接合ダイオード、４３…ｐ型III族窒化物系半導体層、４５…アノード電極、４７…カソード電極、５１…ｐｉｎ接合ダイオード、５３…ｉ型III族窒化物系半導体層、６１…縦型トランジスタ、６３…ソース領域、６５…ウエル領域、６７…ゲート電極、６９…ゲート絶縁膜、７１…ソース電極、７３…ドレイン電極、８１…III族窒化物基板、８３…窒化ガリウム系エピタキシャル膜、８５…窒化ガリウム系エピタキシャル膜、８７…ｐ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜、８９…ｉ型III族窒化物系半導体エピタキシャル膜、９１…III族窒化物系電子デバイス、９３…III族窒化物支持基体、９５…ドリフト層、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…エピタキシャル基板、ＴＨ１、ＴＨ２…オフ角度成分、ＶＣＮ…単位法線ベクトル、ＶＰＮ…単位法線ベクトル、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５…位置、ＩＳ１、ＩＳ２…交差線
【図１】
0005641029.tif 000002
【図２】
0005641029.tif 000003
【図３】
0005641029.tif 000004
【図４】
0005641029.tif 000005
【図５】
0005641029.tif 000006
【図６】
0005641029.tif 000007
【図７】
0005641029.tif 000008
【図８】
0005641029.tif 000009
【図９】
0005641029.tif 000010
【図１０】
0005641029.tif 000011
【図１１】
0005641029.tif 000012
【図１２】
0005641029.tif 000013
【図１３】
0005641029.tif 000014
【図１４】
0005641029.tif 000015
【図１５】
0005641029.tif 000016