(57)【要約】      （修正有）【課題】  板状基体の反りの低減と主半導体領域の結晶性改善との両方を得る。【解決手段】  シリコン基板の上に窒化物半導体から成るバッファ領域３を介して半導体素子の主要部を形成するための主半導体領域が配置されている。バッファ領域３が多層構造の複数の第１のバッファ領域９と単層構造の複数の第２のバッファ領域１０との交互積層体で形成されている。第２のバッファ領域１０に空隙１５が含まれている。多層構造の第１のバッファ領域９の相互間に空隙１５を有する第２のバッファ領域１０が配置されることによって、半導体基体の反りが改善され且つ主半導体領域の結晶性が改善される。【選択図】図３
2006100501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に配置されたバッファ領域と、前記バッファ領域の上に配置された化合物半導体から成る主半導体領域とを備えた半導体素子の形成に使用するための板状基体であって、
前記バッファ領域は複数の多層構造バッファ領域と前記複数の多層構造バッファ領域の相互間に配置された単層構造バッファ領域とから成り、
前記多層構造バッファ領域は第１の層と第２の層との交互積層体であり、
前記多層構造バッファ領域の前記第１の層はアルミニウムを所定の割合で含む窒化物半導体から成り、
前記多層構造バッファ領域の前記第２の層はアルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む窒化物半導体から成り、
前記単層構造バッファ領域はアルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む窒化物半導体から成り且つ前記第１及び第２の層よりも厚く形成されており且つ空隙を有していることを特徴とする半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項２】
前記バッファ領域は、３又はこれよりも多い数の多層構造バッファ領域と２又はこれよりも多い数の単層構造バッファ領域とを有していることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項３】
前記多層構造バッファ領域の前記第１の層の数は３〜５０であり、前記第２の層の数は２〜４９であることを特徴とする請求項２記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項４】
前記基板はシリコン半導体基板であり、
前記多層構造バッファ領域の前記第１の層は、
化学式  ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される窒化物半導体であり、
前記多層構造バッファ領域の前記第２の層は、
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される窒化物半導体であり、
前記単層構造バッファ領域は、
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される窒化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項５】
前記多層構造バッファ領域は、２０〜４００ｎｍの厚さを有し、前記単層構造バッファ領域は２０〜４００ｎｍの厚さを有していることを特徴する請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項６】
前記多層構造バッファ領域の前記第１の層は０．２〜２０ｎｍの厚さを有し、前記多層構造バッファ領域の前記第２の層は０．２〜３０ｎｍの厚さを有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項７】
前記単層構造バッファ領域の空隙は、前記基板の上面に平行な平面におけるＸ軸方向とこれに直交するＹ軸方向との両方に繰り返して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項８】
前記バッファ領域及び前記主半導体領域は気相成長法によって形成された窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体素子の形成に使用するための板状基体。
【請求項９】
基板を用意する工程と、
前記基板の一方の主面上に気相成長法によってバッファ領域を形成する工程であって、前記バッファ領域として、複数の多層構造バッファ領域と前記複数の多層構造バッファ領域の相互間に配置された単層構造バッファ領域とから成り、前記多層構造バッファ領域は第１の層と第２の層との交互積層体であり、前記多層構造バッファ領域の前記第１の層はアルミニウムを所定の割合で含む窒化物半導体から成り、前記多層構造バッファ領域の前記第２の層はアルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む窒化物半導体から成り、前記単層構造バッファ領域はアルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む窒化物半導体から成り且つ前記第１及び第２の層よりも厚い厚さを有しているものを形成する工程と、
前記バッファ領域の上に気相成長法によって化合物半導体から成る主半導体領域を形成する工程と
を備えていることを特徴とする半導体素子の形成に使用するための板状基体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、ＨＥＭＴ、ＦＥＴ等の化合物半導体素子の形成に使用するための板状基体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体素子を形成するための板状基体即ちウエーハは、サファイア又はＳｉＣ又はＳｉ等から成る基板とこの上にエピタキシャル成長された複数の窒化物系化合物半導体層とから成る。サファイア基板及びＳｉＣ基板は、高価であるために、これに代わってＳｉ基板を使用することが、特開２００３-５９９４８号公報等に開示されている。しかし、Ｓｉ基板と窒化物系化合物半導体領域との間に、比較的大きい線膨張係数の差がある。このため、窒化物系化合物半導体領域に応力が加わり、ここにクラックや転位が発生し易い。この問題を解決するために上記特許公開公報の技術では、Ｓｉ基板上に多層構造のバッファ領域が設けられ、このバッファ領域の上に半導体素子形成用窒化物半導体領域がエピタキシャル成長されている。上記多層構造のバッファ領域は、バッファ領域内に転位が導入された構成に基づいて良好な歪応力緩和効果を有するので、バッファ上の半導体素子形成用窒化物系化合物半導体領域のクラックや転位が減少する。
【０００３】
しかし、半導体素子のコスト低減等のために、Ｓｉ基板とバッファ領域と半導体素子の主要部を形成すための主半導体領域とから成る板状基体（ウエーハ）を大面積にすると、板状基体の反りが無視できなくなる。例えば、直径５．０８ｃｍ(２インチ)のＳｉ基板を使用した時の板状基体の反り量は５０μｍであるが、直径１２．７ｃｍ（５インチ）のＳｉ基板を使用した時の板状基体の反り量は１００μｍである。従って、板状基体の反り量は板状基体の径の増大に応じて大きくなる。また、板状基体の反りは、バッファ領域の上に形成される半導体素子を形成するための主半導体領域の厚みが増大するに従って増大する。主半導体領域の厚みの増大は、半導体素子の耐圧等の特性の向上のために要求されている。板状基体の反り量が大きくなると、フォトリソグラフィー等の半導体素子製造プロセスを良好に進めることができなくなる。
板状基体に対して、反りの改善の他に、主半導体領域の結晶性の改善の要求がある。主半導体領域の結晶性はバッファ領域に依存している。従来のバッファ構造によって比較的厚い主半導体領域を結晶性の良い状態に形成することは困難であった。
そこで、本件出願人は、複数の多層構造バッファ領域の相互間に単層構造のバッファ領域を形成し、この単層構造バッファ領域の格子定数を多層構造バッファ領域を構成する第１の層（相対的にＡｌを多い割合で含む層）の格子定数よりも主半導体領域の格子定数に近づけた板状基体を製作した。このような板状基体によれば、単層構造バッファ領域は主半導体領域に対して、多層構造バッファ領域が主半導体領域に与える歪応力と反対方向の歪応力を付与するため、板状基体の反りが良好に緩和されることが期待された。しかしながら、主半導体領域の結晶性を良好に保持して歪応力を緩和することは困難であった。
今、Ｓｉ基板を使用する場合について述べたが、半導体素子を形成するための窒化物半導体に対してＳｉ基板と同様に比較的大きな線膨張係数の差を有している別の基板を使用した板状基体においても、Ｓｉ基板を使用した板状基体と同様な問題がある。
【特許文献１】特開２００３-５９９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明が解決しようとする課題は、半導体素子の形成に使用するための板状基体の反りの改善と主半導体領域の結晶性の改善との両方が要求されていることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明は、基板と、前記基板上に配置されたバッファ領域と、前記バッファ領域の上に配置された化合物半導体から成る主半導体領域とを備えた半導体素子の形成に使用するための板状基体であって、
前記バッファ領域は複数の多層構造バッファ領域と前記複数の多層構造バッファ領域の相互間に配置された単層構造バッファ領域とから成り、
前記多層構造バッファ領域は第１の層と第２の層との交互積層体であり、
前記多層構造バッファ領域の前記第１の層はアルミニウムを所定の割合で含む窒化物半導体から成り、
前記多層構造バッファ領域の前記第２の層はアルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む窒化物半導体から成り、
前記単層構造バッファ領域はアルミニウムを含まない又は前記第１の層よりも小さい割合でアルミニウムを含む窒化物半導体から成り且つ前記第１及び第２の層よりも厚く形成されており且つ空隙を有していることを特徴とする半導体素子の形成に使用するための板状基体に係るものである。
【０００６】
なお、請求項２に示すように、前記バッファ領域は、３又はこれよりも多い数の多層構造バッファ領域と２又はこれよりも多い数の単層構造バッファ領域とを有していることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記多層構造バッファ領域の前記第１の層の数は３〜５０であり、前記第２の層の数は２〜４９であることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記基板はシリコン半導体基板であり、
前記多層構造バッファ領域の前記第１の層は、
化学式  ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される窒化物半導体であり、
前記多層構造バッファ領域の前記第２の層は、
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される窒化物半導体であり、
前記単層構造バッファ領域は、
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される窒化物半導体であることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記多層構造バッファ領域は、２０〜４００ｎｍの厚さを有し、前記単層構造バッファ領域は２０〜４００ｎｍの厚さを有していることが望ましい。
また、請求項６に示すように、前記多層構造バッファ領域の前記第１の層は０．２〜２０ｎｍの厚さを有し、前記多層構造バッファ領域の前記第２の層は０．２〜３０ｎｍの厚さを有していることが望ましい。
また、請求項７に示すように、前記単層構造バッファ領域の空隙は、前記基板の上面に平行な平面におけるＸ軸方向とこれに直交するＹ軸方向との両方に繰り返して配置されていることが望ましい。
また、請求項８，９に示すように、前記バッファ領域及び前記主半導体領域は気相成長法によって形成された窒化物半導体から成ることが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
各請求項に従う本発明のバッファ領域によれば、板状基体の反りの低減効果と主半導体領域の結晶性改善効果との両方を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図１〜図５を参照して本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１に本発明の実施例１に従う半導体素子としてのＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor ）構成のヘテロ接合電界効果トランジスタ（以下、単にトランジスタと言う。）を形成するための半導体ウエーハ即ち板状基体１が概略的に示されている。この板状基体１は、シリコン半導体基板２と、３−５族化合物半導体の１種である窒化物半導体から成るバッファ領域３と、３−５族化合物半導体の１種である窒化物半導体から成る主半導体領域４とを有する。シリコン基板２と主半導体領域４との間に配置されたバッファ領域３は多数の層を含むが、図示を簡単にするために図１では１つの層で示されている。シリコン半導体基板２及びバッファ領域３の詳細は後述する。
【００１０】
図１の主半導体領域４は、図４に示すトランジスタ４０の主半導体領域４ａを形成するための３−５族化合物半導体からなる第１及び第２の半導体層５、６を有する。バッファ領域３の上に配置された第１の半導体層５は、例えば
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
を満足させる数値、
で示すことができる窒化物半導体から成り、好ましくは不純物非ドープのＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）から成る。この第１の半導体領域５は図４のトランジスタ４０の電子走行層５ａとして使用される。
【００１１】
第１の半導体領域５の上に配置された第２の半導体領域６は、例えば、ｎ型不純物（例えばＳｉ）がドープされたＡｌxＧａ1-xＮ、ここで、ｘは０＜ｘ＜１を満足する数値、で示すことができるｎ型窒化物半導体から成り、好ましくはＡｌ0.2 Ｇａ0.8Ｎから成る。この第２の半導体層６は図４のトランジスタ４０の電子供給層６ａの形成に使用される。
【００１２】
図２には図１のシリコン半導体基板２とバッファ領域３とが拡大して示されている。シリコン基板２は、導電型決定不純物としてＢ（ボロン）等の３族元素を含むｐ型シリコン単結晶から成る。この基板２のバッファ領域３が配置されている側の主面は、例えばミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面である。この基板２の不純物濃度は、例えば１×１０13ｃｍ-3〜１×１０14ｃｍ-3程度であり、この基板２の抵抗率は例えば１００Ω・ｃｍ〜１０００Ω・ｃｍ程度である。基板２はバッファ領域３及び主半導体領域４を支持するためにバッファ領域３と主半導体領域４との合計の厚みよりも厚い３００〜１０００μｍの厚みＴｓを有する。なお、シリコン基板２をｎ型シリコン基板に変形し、このｎ型シリコン基板の上にバッファ領域３を形成することも勿論可能である
【００１３】
図２においてバッファ領域３が概略的即ち説明的に示されている。バッファ領域３は基板２上にエピタキシャル成長されたものであって、７個の多層構造バッファ領域としての第１のバッファ領域９と６個の単層構造バッファ領域としての第２のバッファ領域１０との交互積層体から成る。即ち、バッファ領域３においては、第１及び第２のバッファ領域９、１０が交互に６回繰返して積層され、更に、最も上に第１のバッファ領域９が配置されている。なお、図２で破線で示すように最も上に第２のバッファ領域１０を配置することもできる。第１及び第２のバッファ領域９、１０の数は任意に変更可能である。第１のバッファ領域９の好ましい数は２〜５０であり、より好ましい数は３〜５０であり、最も好ましい数は５〜１０である。また、第２のバッファ領域１０の好ましい数は１〜４９であり、より好ましい数は２〜４９であり、最も好ましい数は５〜９である。一般的には第１及び第２のバッファ領域９、１０の対の数を増すに従ってバッファ機能が向上する。バッファ領域３の厚みＴb は、好ましくは７０〜３０００ｎｍである。また、第１のバッファ領域９の厚みは好ましくは２０〜４００ｎｍ、より好ましくは５０〜１５０ｎｍである。また第２のバッファ領域１０の厚みは好ましくは２０〜４００ｎｍであり、より好ましくは１００〜２００ｎｍである。
【００１４】
図３はバッファ領域３の厚み方向の構成が明確になるように図２のバッファ領域３の一部を拡大して概略的即ち説明的に示す。第２のバッファ領域１０は単層構造バッファ領域であるが、第１のバッファ領域９は、それぞれをサブレイヤと呼ぶこともできる第１及び第２の層Ｌ1 、Ｌ2 が交互に積層された多層構造バッファ領域である。図３の例では、第１の層Ｌ1 が１１個、第２の層Ｌ2 が１０個である。しかし、第１及び第２の層Ｌ1 、Ｌ2 の数を任意に変えることができる。第１の層Ｌ1 の好ましい数は３〜５０、より好ましい数は５〜２０である。第２の層Ｌ2 の好ましい数は２〜４９、より好ましい数は４〜１９である。なお、図３では第１及び第２の層Ｌ1 、Ｌ2 の対が１０個積層され、更に追加して１個の第１の層Ｌ1 が積層されているが、図３で鎖線で示すように第１のバッファ領域９の最上層を第２の層Ｌ2 とすることもできる。
【００１５】
複数の第１の層Ｌ1 のそれぞれは、Ａｌ（アルミニウム）を含むｎ型窒化物半導体であって、例えば、
化学式  ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも1種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される３−５族化合物半導体から成る。即ち、第１の層Ｌ１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）から選択された材料から成ることが望ましく、この内のＡｌＮが最も望ましい。第１の層Ｌ１の厚さは好ましくは０．２〜２０ｎｍ、より好ましくは１〜７ｎｍ、最も好ましくは量子力学的トンネル効果を得ることができる例えば１〜５ｎｍである。
【００１６】
複数の第２の層Ｌ2 のそれぞれは、Ａｌを含まないか又はＡｌを第１の層Ｌ1 よりも小さい割合で含む窒化物半導体であって、例えば、
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される３−５族化合物半導体から成る。即ち、第２の層Ｌ２は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）から選択された材料から成ることが望ましく、この内のＧａＮが最も望ましい。
第２の層Ｌ２の好ましい厚さは０．２〜３０ｎｍであり、より好ましい厚さは２〜２０ｎｍであり、最も好ましい厚さは３〜１０ｎｍである。
【００１７】
単層構造バッファ領域としての第２のバッファ領域１０は、Ａｌを含まないか又はＡｌを第１の層Ｌ1 よりも小さい割合で含む窒化物半導体であって、例えば
化学式  ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される３−５族化合物半導体から成る。即ち、第２のバッファ領域１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）から選択された材料から成ることが望ましく、この内のＧａＮが最も望ましい。
第２のバッファ領域１０の厚さは、第１のバッファ領域９の第２の層Ｌ2 の厚みの５〜５０倍であることが望ましく、１０〜４０倍であることがより望ましい。
【００１８】
図２及び図3に概略的即ち説明的に示すように、第２のバッファ領域１０は断面形状において本発明に従う複数の空隙１５を含む。この空隙１５は、ボイドあるいは空所と呼ぶこともできる領域であり、第２のバッファ領域１０において半導体基体１の上面に平行な仮想平面におけるＸ軸方向とこれに直交するＹ軸方向との両方に繰り返して配置されている。即ち、図２では第２のバッファ領域１０の一方の主面から他方の主面に貫通する多数の空隙１５が第２のバッファ領域１０の一方の主面に格子状に配置されている。換言すれば、平面的に見て、第２のバッファ領域１０の多数の島状部分が均一又はほぼ均一に分布し、各島状部分が空隙１５で囲まれている。勿論、平面的に見て、多数の空隙１５を均一又はほぼ均一に分布させ、第２のバッファ領域１０を格子状に配置することもできる。
【００１９】
図２では図示を容易にするために断面形状において全ての空隙１５がほぼ同一形状に示され、且つ規則的に分散配置されている。しかし、複数の空隙１５を互いに異なる形状とすること、及び不規則的に分散配置することができる。例えば、空隙１５を第２のバッファ領域１０の一方の主面から他方の主面に貫通しないように形成することができる。
また、図２及び図３では、第２のバッファ領域１０の空隙１５の壁面が垂直に切り立って示されているが、空隙１５の壁面は傾斜していても良い。例えば、第２のバッファ領域１０が多数の角錐形状部分から成り、多数の角錐形状部分の間に多数の傾斜壁面を有する例えば格子状の空隙１５が配置された構造であってもよい。また、断面形状において、多数の漏斗状空隙１５を配置することもできる。空隙１５の壁面がシリコン基板２から主半導体領域４に向って末広がりとなる断面形状を有するように第２のバッファ領域１０を角錐形状に形成する場合には、第２のバッファ領域１０の下の第１のバッファ層９内の転位が第２のバッファ領域１０に延伸した時に空隙１５の壁面で屈曲し、転位を良好に終端することができる。これにより、バッファ領域３の上面に形成される主半導体領域４の転位密度をより減少させることができる。
また、図２及び図３では空隙１５の底面が同一平面上に配置されているが、複数の空隙１５の深さがステップ状に徐々に変化するように複数の空隙１５を形成し、複数の空隙１５の底面を互いに異なる平面上に位置させることができる。
【００２０】
図２及び図３の断面形状において、空隙１５の幅が一定に示されている。しかし、空隙１５の幅は、必ずしも全ての部分で一定である必要はなく、任意の値を有することができる。但し、空隙１５の幅は第２のバッファ領域１０の上に第１のバッファ層９を形成することを許す範囲の値でなければならない。空隙１５の好ましい幅は１〜５０００ｎｍであり、空隙１５の好ましい深さは第２のバッファ領域１０の厚み以下である。
【００２１】
図１の半導体基体１を形成する時には、まず、シリコン基板２を用意し、次に、周知の気相成長方法の１種であるＭＯＶＰＥ（Metal  Organic Vapor Phase Epitaxy）法によって多層構造バッファ領域としての第１のバッファ領域９の第１及び第２の層Ｌ1 、Ｌ2 を繰返して形成する。第１の層Ｌ1 としてＡｌＮ層を形成する場合には、反応室にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアとを所望の割合で流して、例えば厚さ５ｎｍのＡｌＮ層を得る。第２の層Ｌ2 としてＧａＮ層を形成する場合には、反応室にＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアとを所望の割合で流して、例えば厚さ５ｎｍのＧａＮ層を得る。
【００２２】
第１及び第２の層Ｌ1 、Ｌ2 が交互に積層された第１のバッファ領域９の形成が終了した後に、第２の層Ｌ2 と同一の材料をエピタキシャル成長させることによって多層構造バッファ領域としての第２のバッファ領域１０を形成する。なお、第２のバッファ領域１０を第１のバッファ領域９の第２の層Ｌ２と異なる材料、一例としてＩｎＧａＮで形成しても良い。
第２のバッファ領域１０の形成が終了したら、その上に再び第１及び第２の層Ｌ１、Ｌ２が交互に積層された第１のバッファ領域９を形成する。この時、第２のバッファ領域１０に隣接する第１の層Ｌ１は、反応室へのＴＭＡの供給量を相対的に少なくしてエピタキシャル成長されることによって得る。これにより、第２のバッファ領域１０に隣接する第１の層Ｌ１の成長レートは低くなる。ＡｌＮから成る第１の層Ｌ１の成長レートを低くすると、第１の層Ｌ１の形成初期にＧａＮから成る第２のバッファ領域１０の表面上に均一にＡｌＮの結晶が形成されず、分散して形成される。このため、ＧａＮから成る第２のバッファ領域１０の表面にＡｌＮで被覆されていない部分が生じ、この部分が反応室内のガスによってエッチングされ、第２のバッファ領域１０内に空隙１５が形成される。第１の層Ｌ１を形成するためのＡｌＮがその形成初期に第２のバッファ領域１０の表面上に島状の分散配置された場合には、平面的に見て空隙１５が格子状に生じ、第２のバッファ領域１０として多数の島状部分が生じる。
この第１の層Ｌ１の上には上述した条件で第２のバッファ層Ｌ２と第１のバッファ層Ｌ１を繰り返しエピタキシャル成長して空隙の無い第１のバッファ領域９を形成する。
【００２３】
バッファ領域３の形成が終了したら、次に、バッファ領域３の上に例えば不純物非ドープのＡｌＧａＮをＭＯＶＰＥ法で成長させて第１の半導体層５を得る。しかる後、第２の半導体層６も第１の半導体層５と同様にＭＯＶＰＥ法によって順次に形成し、主半導体領域４を得る。
【００２４】
図１の半導体基体１を使用して図４のトランジスタ４０を形成する時には、基体１の一方の主面１１側に第１の主電極としてのソース電極４１、第２の主電極としてのドレイン電極４２、制御電極としてのゲート電極４３を設け、また基体１の他方の主面１２側に背面電極４４を設ける。次に、複数のトランジスタ４０を含む図１の基体１を分割して独立した複数のトランジスタ４０を得る。なお、図４と図１との対応関係を明確にするために、図４において図１と実質的に同一の部分には同一の参照符号が付されている。なお、図４において概略的に示されているバッファ領域３は更に詳細には図２及び図３に示すように構成されている。
【００２５】
本実施例によれば次の効果が得られる。
（１）バッファ領域３が多層構造バッファのみで構成されずに、複数の多層構造の第１のバッファ領域９の相互間に単層構造の第２のバッファ領域１０が配置されているので、バッファ機能が向上し、基体１の反りが良好に低減される。この理由は次のように考えられる。即ち、一般的に基体１の格子定数がバッファ層の格子定数よりも大きいと鎖線１３で示す正方向の反りが生じる可能性がある。また、基板１の格子定数がバッファ層の格子定数よりも小さいと鎖線１４で示す負方向の反りが生じる可能性がある。本実施例によれば、第１のバッファ領域９の相互間に単層構造の第２のバッファ領域１０が形成されており、この第２のバッファ領域１０の格子定数が第１のバッファ領域９を構成する第１の層Ｌ１の格子定数よりも主半導体領域４（特に下側に配置された電子走行層５ａ）の格子定数に近いものとなっている。このため、第２のバッファ領域１０は主半導体領域４に対して、第１のバッファ領域９が主半導体領域４に与える歪応力と反対方向の歪応力を付与する。特に本実施例では、第１のバッファ領域９の相互間に複数の第２のバッファ領域１０が配置されているので、歪応力のカウンターバランス効果が良好に発揮される。また、第２のバッファ領域１０が空隙１５を含んでいるため、歪応力が第２のバッファ領域１０内で分散される。この結果、基板１の反りが良好に緩和される。
半導体素子のフォトリソグラフィ−工程等を良好に進めるためには直径１２．７ｃｍ（５インチ）の基体１の反り量を極力小さく、例えば４０μｍ以内に収めることが望ましい。本実施例によれば直径１２．７ｃｍ（５インチ）の基体１において主半導体領域４を１．２〜２μｍの厚みに形成した時の反りが−１４μｍであった。比較のために、バッファ領域３を５ｎｍのＡｌＮ層と２０ｎｍのＧａＮ層との対を４０個積層した従来の多層構造バッファに置き換えた半導体基体（以下、従来基体と言う）を作り、この反り量を測定したところ、＋１００μｍであった。
（２）  第２のバッファ領域１０が空隙１５を含んでおり、第１のバッファ領域９内に発生した転位を空隙１５によって終端させることができる。このため、バッファ領域３の上面に形成された主半導体領域４の転位密度が減少する。具体的には、主半導体領域４の一方の主面１１における転位密度が５×１０8 ｃｍ-2であり、従来基体の２×１０10ｃｍ-2よりも大幅に小さくなった。
（３）表面の粗さδｒｍｓが０．２ｎｍ以下であり、従来基体の０．４８ｎｍ以下よりも大幅に改善された。
（４）  主半導体領域４の電子走行層６ａにおける電子移動度が１６００ｃｍ2／Ｖs であり、従来基体の１２００ｃｍ2 ／Ｖs よりも大幅に向上した。
（５）  主半導体領域４の厚みTmを１．２μｍ以上にすることによってトランジスタ４０等の半導体素子の耐圧を例えば６００Ｖ以上のように高くすることができる。
（６）  主半導体領域４の厚みTmを１．２μｍ以上のように厚くすることによって半導体素子のリーク電流を低減することができる。
【実施例２】
【００２６】
次に、図５を参照して実施例２に従う半導体発光素子５０を説明する。但し、図５において図１〜図４と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。実施例２に従う半導体発光素子５０の半導体基体１ａは、シリコン基板２ａとこの上に順次にエピタキシャル成長されたバッファ領域３´及び主半導体領域４ｂとから成る。実施例２に従う半導体発光素子５０では、バッファ領域３´にｎ型の不純物が導入されており、ｎ型のバッファ領域になっている。図５のバッファ領域３´は不純物が導入されている点を除いて図１〜図４のバッファ領域３と同一に構成されている。
【００２７】
シリコン基板２ａは、不純物濃度及び抵抗率を除いて図４の基板２と同一に構成されている。図５の基板２ａの不純物濃度は５×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3であり、抵抗率は０．０００１〜０．０１Ω・ｃｍである。従って、基板２ａは導電性基板であり、アノード電極５４とカソード電極５５との間の電流通路として機能する。基板２ａは、バッファ領域３及び主半導体領域４ｂを支持すために比較的厚い約３００〜１０００μｍの厚みを有する。
図５ではｐ型シリコン基板２ａに対してｎ型バッファ領域３´が接触している。しかし、基板２ａとバッファ領域３´とはヘテロ接合であり且つ両者間に合金化領域（図示せず）が生じているので、アノード電極５４とカソード電極５５との間に順方向バイアス電圧が印加された時のｐ型シリコン基板２ａとｎ型バッファ領域３´との間の電圧降下は小さい。なお、シリコン基板２ａをｎ型シリコン基板に変更し、この上にｎ型のバッファ領域３´を形成することも勿論可能である。
【００２８】
主半導体領域４ｂはダブルヘテロ接合構造の発光ダイオードの主要部分を構成するためのｎ型窒化物半導体層５１と活性層５２とｐ型窒化物半導体層５３とから成る。
【００２９】
バッファ領域３´の上にエピタキシャル成長されたｎ型窒化物半導体層５１は、例えば
化学式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｎ型不純物をドーピングしたものであることが望ましく、ｎ型ＧａＮであることがより望ましい。このｎ型窒化物半導体層５１をｎ型クラッド層と呼ぶこともできる。
【００３０】
活性層５２は、例えば
化学式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される不純物非ドープの窒化物半導体であることが望ましく、ＩｎＧａＮであることがより望ましい。なお、図５では活性層５２が１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層５２を１つの層で構成することもできる。また、活性層５２を省くこともできる。また、この実施例では活性層５２に導電型決定不純物がドーピングされていないが、ｐ型又はｎ型不純物をドーピングすることができる。
【００３１】
活性層５２の上に配置されたｐ型窒化物半導体層５３は、例えば、
化学式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｐ型不純物をドーピングしたものであることが望ましく、ｐ型ＧａＮであることがより望ましい。このｐ型窒化物半導体層５３をｐ型クラッド層と呼ぶこともできる。
ｎ型窒化物半導体層５１、活性層５２及びｐ型窒化物半導体層５３からなる主半導体領域４ｂは、バッファ領域３´を介してシリコン基板２ａの上に形成されているので、その結晶性及び平坦性は比較的良好である。
【００３２】
アノード電極としての第１の電極５４はｐ型窒化物半導体層５３に接続され、カソード電極としての第２の電極５５はシリコン基板２ａの下面に接続されている。なお、第１の電極５４を接続するためにｐ型窒化物半導体層５３の上にコンタクト用のｐ型窒化物半導体層を追加して設け、ここに第１の電極５４を接続することができる。また、第２の電極５５をバッファ領域３又はｎ型窒化物半導体層５１に接続することができる。
【００３３】
図５の実施例２に従う半導体発光素子５０は、図１〜図４と同一構成のバッファ領域３を有しているので、実施例１と同一の効果を有する。また、シリコン基板２ａの導電性が高いので、アノード電極５４とカソード電極５５との間の動作電圧を低減することができる。
【００３４】
本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次変形が可能なものである。
（１）図４のＨＥＭＴ構成のヘテロ接合電界効果トランジスタ４０、及び図５の半導体発光素子５０の代りに、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲ−ト電界効果トランジスタ、整流ダイオード、周知のメタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）等の半導体素子を形成することができる。
（２）各実施例のシリコン基板２、２ａの代りに、サファイア基板、Ｓｉ化合物基板、ＺｎＯ基板、ＮｄＧａＯ3基板、ＧａＡｓ基板等の窒化物半導体をエピタキシャル成長することが可能な基板を使用することができる。
（３）実施例１及び実施例２のバッファ領域３、３´の第１のバッファ領域９及び第２のバッファ領域１０の数を増減することができる。例えば、第１のバッファ領域９の数を２〜５０、第２のバッファ領域１０の数を１〜４９から選択することができる。
（４）第１のバッファ領域９における第１及び第２の層L1,Ｌ２の対の数を増減することができる。例えば、第１の層L1の数を２〜５０、第２の層L２の数を１〜４９とすることができる。
（５）実施例１及び実施例２においては、複数の第１のバッファ領域９が互いに同一に構成されているが、この代りに複数の第１のバッファ領域９の一部又は全部を互いに異なる構成にすることができる。例えば、第１のバッファ領域９の第２の層Ｌ２の厚みを主半導体領域４ａ，４ｂに近くなるに従って厚く又は薄くすることができる。また、１つの第１のバッファ領域９における第１及び第２の層L1,Ｌ２の対の数を主半導体領域４ａ，４ｂに近くなるに従って少なく又は多くすることができる。また、複数の第２のバッファ領域１０を互いに同一に構成する代りに、複数の第２のバッファ領域１０の一部又は全部を互いに異なる構成にすることができる。例えば、第２のバッファ領域１０の厚みを主半導体領域４ａ，４ｂに近くなるに従って厚く又は薄くすることができる。
（６）第２のバッファ領域１０の空隙１５を、第２のバッファ領域１０の表面にマスクを形成し、第２のバッファ領域１０を選択的にエッチングすることによって形成することもできる。
（７）本発明の板状基体を実施例に開示された製法以外の方法で形成することができる。例えば、基板としてその成長表面にステップ（階段構造）が現れるオフ基板を使用し、周知のステップフロー成長を用いることによって、第１の層L1と第２の層Ｌ２とが積層されてなる第１のバッファ領域９を分数超格子で形成しても良い。このようにすると、空隙１５のサイズを比較的均一化することができる。
（８）図１〜図４のバッファ領域３の一部又は全部に例えばｎ型不純物を添加することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は発光ダイオード、ＨＥＭＴ、トランジスタ、ＦＥＴ等の半導体素子に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１に従うＨＥＭＴ構成のヘテロ接合電界効果トランジスタのための板状半導体基体を示す断面図である。
【図２】図１の半導体基板とバッファ領域とを拡大して示す断面図である。
【図３】図２のバッファ領域の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】図１の板状半導体基体を使用して形成したＨＥＭＴ構成のヘテロ接合電界効果トランジスタを示す断面図である。
【図５】実施例２に従う半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１ａ  板状半導体基体
２、２ａ  シリコン基板
３  バッファ領域
４，４ａ，４ｂ  主半導体領域
９  第１のバッファ領域
１０  第２のバッファ領域
Ｌ１  第１の層
Ｌ２  第２の層
【図１】
2006100501.tif 000003
【図２】
2006100501.tif 000004
【図３】
2006100501.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006100501.tif 000007