(57)【要約】【課題】半導体エピタキシャルウェハの上に高電子移動度トランジスタを含む電界効果トランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタなどの電子デバイスを作製した際に、エピタキシャル層の中に導電性不純物が混入することによって、バッファ層の中に高い導電性を有する部分（導電層）が形成されるのを防止し、その結果、高い特性を実現する半導体エピタキシャルウェハを提供する。【解決手段】基板１の上にバッファ層２を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層２がＡｌXＧａ1-XＮバッファ層２３（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層２２、ＧａＮバッファ層２１を順に形成した構造からなることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記バッファ層がＡｌXＧａ1-XＮバッファ層（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層、ＧａＮバッファ層を順に形成した構造からなることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記バッファ層がＡｌXＧａ1-XＮバッファ層（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層、ＧａＮバッファ層を順に形成した構造からなり、且つ前記ＡｌXＧａ1-XＮバッファ層に１×１０18cm-3以上の炭素と５×１０17cm-3以上のｎ型ドーパントを添加したことを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記バッファ層がＩｎYＧａ1-YＮバッファ層（０≦Ｙ≦１）、ＡｌXＧａ1-XＮバッファ層（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層、ＧａＮバッファ層を順に形成した構造からなり、且つ前記ＡｌXＧａ1-XＮバッファ層に１×１０18cm-3以上の炭素と５×１０17cm-3以上のｎ型ドーパントを添加したことを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記基板が、サファイア基板又はＳｉＣ基板からなることを特徴とする半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハ上に、チャネル層、電子供給層、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を形成し、切り分けることにより作製したことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体エピタキシャルウェハ、特に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などを含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の作製の際に好適に用いられる半導体エピタキシャルウェハ及びそれから得られたＦＥＴに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＨＥＭＴを含むＦＥＴでは、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を、ゲート電極からの空乏層の広がりによって制御する。
【０００３】
しかし、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるエピタキシャル層を成長させたエピタキシャルウェハを製造する際には、エピタキシャル層と基板との界面を清浄するための技術が十分に確立されていないことや、原料ガスの一つであるアンモニア（ＮＨ3）ガスとして高純度のものが得られないことなどにより、エピタキシャル層への導電性不純物の混入が起こり易い。
【０００４】
そして、その結果、バッファ層においては他の層と比較してより高い絶縁性が求められているのにもかかわらず、バッファ層に導電性不純物が混入した結果、チャネル層の導電性に近い程度に高い導電性を帯びてしまうという問題があり、この傾向は、特に、バッファ層の基板に近い部分において顕著である。
【０００５】
このような問題は、ゲート電極から空乏層を広がりにくくする原因となる。
【０００６】
また、バッファ層に導電性不純物が混入した結果、バッファ層の基板に近い部分に高い導電性を有する部分（導電層）が形成され、そこに電流が流れることにより、良好な特性（図７に示した理想に近いピンチオフ特性）を有する電子デバイスを得ることを難しくしていた。
【０００７】
例えば、特許文献１や特許文献２には、サファイア基板又は炭化珪素（ＳｉＣ）基板の上にＧａＮからなるバッファ層を形成した電子デバイス（ＨＥＭＴ、ＦＥＴ）が記載されているが、上記のような理由により十分な特性が得られていないと考えられる。
【特許文献１】特開２００１−１０２５６４号公報
【特許文献２】特開２００２−５０７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記のような特性の低下を招くような欠陥、より具体的には、エピタキシャル層の中に導電性不純物が混入することによって、バッファ層の中に高い導電性を有する部分（導電層）が形成されるのを防止し、その結果、高い特性を実現した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、ＨＥＭＴなど）を作製する際に好適に用いられる半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層がＡｌXＧａ1-XＮバッファ層（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層、ＧａＮバッファ層を順に形成した構造からなることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層がＡｌXＧａ1-XＮバッファ層（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層、ＧａＮバッファ層を順に形成した構造からなり、且つ前記ＡｌXＧａ1-XＮバッファ層に１×１０18cm-3以上の炭素と５×１０17cm-3以上のｎ型ドーパントを添加したことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、基板の上にバッファ層を有する半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層がＩｎYＧａ1-YＮバッファ層（０≦Ｙ≦１）、ＡｌXＧａ1-XＮバッファ層（０≦Ｘ＜１）、ＡｌＮバッファ層、ＧａＮバッファ層を順に形成した構造からなり、且つ前記ＡｌXＧａ1-XＮバッファ層に１×１０18cm-3以上の炭素と５×１０17cm-3以上のｎ型ドーパントを添加したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４の発明に係る半導体エピタキシャルウェハは、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハにおいて、上記基板が、サファイア基板又はＳｉＣ基板からなることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５の発明に係る電界効果トランジスタは、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェハ上に、チャネル層、電子供給層、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を形成し、切り分けることにより作製したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、エピタキシャル層の中に導電性不純物が混入することによって、バッファ層の中に高い導電性を有する部分（導電層）が形成されるのを防止し、その結果、高い特性を実現した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、ＨＥＭＴなど）を作製する際に好適に用いられる半導体エピタキシャルウェハを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
＜実施例１＞
図１は、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第１の実施の形態を示す断面図である。
【００１７】
具体的には、図１に示す構造は、ＡｌＧａＮバッファ層２３、ＡｌＮバッファ層２２、ＧａＮバッファ層２１からなるバッファ層２の特性（導電性）を測定するために、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第１の実施の形態を用いて作製した特性測定用素子であり、サファイアからなる基板１の上に、アンドープＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮバッファ層２３、アンドープＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層２２、厚さ２μｍのアンドープＧａＮからなるＧａＮバッファ層２１、そして、その上に形成した測定用電極１１、１２からなる。
【００１８】
そして、上記特性測定用素子構造において、ＡｌＧａＮバッファ層２３へ添加する炭素及び珪素（ｎ型ドーパント）の組合せを、炭素の添加量５×１０17cm-3、１×１０18cm-3、１．５×１０18cm-3に対し、珪素（ｎ型ドーパント）の添加量をそれぞれ炭素の添加量の０．１倍、０．５倍、１倍とした特性測定用素子を作製した。
【００１９】
なお、ここでＡｌＧａＮバッファ層２３、ＡｌＮバッファ層２２の厚さはそれぞれ０．０５μｍ、０．２５μｍにした。
【００２０】
この特性測定用素子に用いられている半導体エピタキシャルウェハのエピタキシャル成長には、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた。ここで、ガリウム原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、アルミニウム原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、インジウム原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、窒素原料としてはアンモニアガスを用い、キャリアガスとしては水素を用いた。
【００２１】
図４は、この場合における、ＡｌＧａＮバッファ層２３の炭素及び珪素（ｎ型ドーパント）の添加量と、導電性（電流値で示し、単位はＡ／mmである）との関係を示した図である。なお、導電性の評価方法としては、図１に示した半導体エピタキシャルウェハに、１０Ｖの電圧をかけて、そのときに流れる電流を測定し比較した。
【００２２】
その結果、ＡｌＧａＮバッファ層２３、ＡｌＮバッファ層２２、ＧａＮバッファ層２１からなるバッファ層２を形成した場合、特に、ＡｌＧａＮバッファ層２３への炭素と珪素（ｎ型ドーパント）の添加量の比（珪素の添加量／炭素の添加量、以下、ドーピング比という）が０．５の場合においては、非常に小さな電流値（低い導電性）を得ることができた。具体的には、１×１０18cm-3の炭素濃度のＡｌＧａＮバッファ層２３においては、ドーピング比が０．１のときにおいては、電流値が１×１０-6Ａ／mmであったのに対し、ドーピング比が０．５のときにおいては、電流値が１×１０-8Ａ／mm、ドーピング比が１のときにおいては、電流値は５×１０-4Ａ／mmであった。
【００２３】
よって、実際に、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第１の実施の形態を用いてＦＥＴを作製する場合には、炭素の添加量１×１０18cm-3以上、且つ珪素（ｎ型ドーパント）の添加量５×１０17cm-3以上が好ましい。なぜならば、実用上問題を生じないと考えられている電流値は１×１０-7Ａ／mm以下であるからである。
【００２４】
図２は、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第１の実施の形態を用いて作製したＨＥＭＴを示す断面図である。
【００２５】
図２に示すＨＥＭＴは、サファイアからなる基板１の上に、厚さ０．０５μｍ、Ａｌ組成比０．１、炭素の添加量１．５×１０18cm-3、珪素（ｎ型ドーパント）の添加量７．５×１０17cm-3のアンドープＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮバッファ層２３、厚さ０．２μｍのアンドープＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層２２、厚さ２μｍのアンドープＧａＮからなるＧａＮバッファ層２１、厚さ０．１μｍのアンドープＧａＮからなるチャネル層４、厚さ０．０２５μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるキャリア供給層５を順次形成し、その上に厚さ０．００２μｍのキャップ層６を形成した。そして、キャリア供給層５の上にはゲート電極８を形成し、キャップ層６の上にはソース電極７、ドレイン電極９を形成した。
【００２６】
このＨＥＭＴのエピタキシャル成長にはＭＯＶＰＥ法を用いた。また、成長の際に用いた原料は、ガリウム原料としてはＴＭＧを用い、アルミニウム原料としてはＴＭＡを用い、インジウム原料としてはＴＭＩを用い、窒素原料としてはアンモニアガスを用い、キャリアガスとしては水素を用い、ｎ型ドーパントとしてはモノシランを用いた。エピタキシャル成長は、フェイスアップのヒーター加熱減圧炉（図示せず）を用いて、炉内の圧力を１３３３２Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）に設定して行なった。
【００２７】
このようにして作製したＨＥＭＴの特性を測定した結果、バッファ層の導電性が低下した結果、良好なピンチオフ特性（ピンチオフ電圧−４．１Ｖ）を有することが確認された。
【００２８】
＜実施例２＞
図３は、本発明の半導体エピタキシャルウェハの第２の実施の形態を用いて作製したＨＥＭＴを示す断面図である。
【００２９】
図３に示すＨＥＭＴは、サファイアからなる基板１の上に、厚さ０．０１μｍ、Ｉｎ組成比０．０５のアンドープＩｎＧａＮからなるＩｎＧａＮバッファ層３４、厚さ０．０５μｍ、Ａｌ組成比０．１、炭素の添加量１×１０18cm-3以上、珪素（ｎ型ドーパント）の添加量５×１０17cm-3以上のアンドープＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮバッファ層３３、厚さ０．２μｍのアンドープＡｌＮからなるＡｌＮバッファ層３２、厚さ２μｍのアンドープＧａＮからなるＧａＮバッファ層３１、厚さ０．１μｍのアンドープＧａＮからなるチャネル層４、厚さ０．０２５μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるキャリア供給層５を順次形成し、その上に厚さ０．００２μｍのキャップ層６を形成した。そして、キャリア供給層５の上にはゲート電極８を形成し、キャップ層６の上にはソース電極７、ドレイン電極９を形成した。
【００３０】
このＨＥＭＴのエピタキシャル成長には、実施例１と同様に、ＭＯＶＰＥ法を用いた。また、成長の際に用いた原料は、実施例１と同様に、ガリウム原料としてはＴＭＧを用い、アルミニウム原料としてはＴＭＡを用い、インジウム原料としてはＴＭＩを用い、窒素原料としてはアンモニアガスを用い、キャリアガスとしては窒素を用い、ｎ型ドーパントとしてはモノシランを用いた。エピタキシャル成長は、フェイスアップのヒーター加熱減圧炉（図示せず）を用いて、炉内の圧力を１３３３２Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）に設定して行なった。
【００３１】
このようにして作製したＨＥＭＴの特性を測定した結果、バッファ層の導電性が低下した結果、良好なピンチオフ特性（ピンチオフ電圧−４．０Ｖ）を有することが確認された。
【００３２】
＜比較例１＞
図５は、上記実施例１、２の半導体エピタキシャルウェハの比較例としての半導体エピタキシャルウェハを示す断面図である。
【００３３】
具体的には、図５に示す構造は、ＧａＮからなるバッファ層１０の特性（導電性）を測定するために作製された特性測定用素子であり、サファイアからなる基板１の上に、厚さ２μｍのＧａＮからなるバッファ層１０、そして、その上に形成した測定用電極１１、１２からなる。なお、この特性測定用素子に用いられている半導体エピタキシャルウェハのエピタキシャル成長方法及びエピタキシャル成長の際に用いた原料等は、上記実施例１、２においてＧａＮバッファ層を成長する際に用いたものと同様である。
【００３４】
その結果得られた電流値は１×１０-1Ａ／mmであり、上記実施例１、２の場合と比較して、大きい電流値（高い導電性）しか得ることができなかった。
【００３５】
図６は、上記実施例１、２の半導体エピタキシャルウェハの比較例としての半導体エピタキシャルウェハを用いて作製したＨＥＭＴを示す断面図である。
【００３６】
図６に示すＨＥＭＴは、サファイアからなる基板１の上に、厚さ２μｍのアンドープＧａＮからなるバッファ層１０、厚さ０．１μｍのアンドープＩｎＧａＮからなるチャネル層４、厚さ０．０２５μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるキャリア供給層５を順次形成し、その上に厚さ０．００２μｍのキャップ層６を形成した。そして、キャリア供給層５の上にはゲート電極８を形成し、キャップ層６の上にはソース電極７、ドレイン電極９を形成した。
【００３７】
このＨＥＭＴのエピタキシャル成長には、実施例１、２と同様に、ＭＯＶＰＥ法を用いた。また、成長の際に用いた原料は、実施例１と同様に、ガリウム原料としてはＴＭＧを用い、アルミニウム原料としてはＴＭＡを用い、窒素原料としてはアンモニアガスを用い、キャリアガスとしては水素を用い、ｎ型ドーパントとしてはモノシランを用いた。エピタキシャル成長は、フェイスアップのヒーター加熱減圧炉（図示せず）を用いて、炉内の圧力を１３３３２Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）に設定して行なった。
【００３８】
このようにして作製したＨＥＭＴの特性を測定した結果、ピンチオフ出来なかった。つまり、実施例１、２におけるようにバッファ層の導電性が低下することはないので、実施例１、２におけるような良好なピンチオフ特性を有さないことが確認された。
【００３９】
＜他の実施例、変形例＞
上記実施例１、２においては、基板としてサファイア基板を用いたが、基板として炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いてもよく、その場合においても、基板１としてサファイア基板を用いた場合と同様な効果を得ることができる。
【００４０】
上記実施例１、２においては、Ａｌ組成比０．１のＡｌＧａＮバッファ層を用いているが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、Ａｌ組成比が０から１未満までのＡｌＧａＮバッファ層を含むものである。つまり、Ａｌ組成比が０の場合（ＧａＮ）をも含むものである。
【００４１】
上記実施例２においては、Ｉｎ組成比０．０５のＩｎＧａＮバッファ層を用いているが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、Ｉｎ組成比が０から１までのＡｌＧａＮバッファ層を含むものである。つまり、Ｉｎ組成比が０の場合（ＧａＮ）、Ｉｎ組成比が１の場合（ＩｎＮ）の場合をも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の半導体エピタキシャルウェハの第１の実施の形態を用いて作製した特性測定用素子を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体エピタキシャルウェハの第１の実施の形態を用いて作製した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を示す断面図である。
【図３】本発明の半導体エピタキシャルウェハの第２の実施の形態を用いて作製した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を示す断面図である。
【図４】本発明の半導体エピタキシャルウェハにおけるＡｌＧａＮバッファ層の炭素及び珪素（ｎ型ドーパント）の添加量と、導電性との関係を示した図である。
【図５】従来例の半導体エピタキシャルウェハを用いて作製した特性測定用素子を示す断面図である。
【図６】従来例の半導体エピタキシャルウェハを用いて作製した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を示す断面図である。
【図７】従来例の半導体エピタキシャルウェハ用いて作製した高電子移動度トランジスタのピンチオフ特性と、高電子移動度トランジスタにおける理想的なピンチオフ特性とを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  基板
２  バッファ層
２１  ＧａＮバッファ層
２２  ＡｌＮバッファ層
２３  ＡｌＧａＮバッファ層
３  バッファ層
３１  ＧａＮバッファ層
３２  ＡｌＮバッファ層
３３  ＡｌＧａＮバッファ層
３４  ＩｎＧａＮバッファ層
４  チャネル層
５  キャリア供給層
６  キャップ層
７  ソース電極
８  ゲート電極
９  ドレイン電極
１０  バッファ層
１１  測定用電極
１２  測定用電極
【図１】
2006114655.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006114655.tif 000006
【図５】
2006114655.tif 000007
【図６】
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【図７】
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