(57)【要約】【課題】電子移動度の向上とトランジスタの直列抵抗成分の低減とが両立する窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】第１の１３族元素の窒化物半導体からなる電子走行層と、前記第１の１３族元素および第２の１３族元素の窒化物半導体からなる中間層と、前記第１の１３族元素および前記第２の１３族元素の窒化物半導体からなる電子供給層とがこの順で積層されており、前記第１の１３族元素と前記第２の１３族元素との合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率が、前記電子走行層と前記中間層との界面から前記中間層の厚さ方向に向かって増加し、前記中間層内で最大（ピーク）値を取った後、減少するプロファイルを有することを特徴とする窒化物半導体基板。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の１３族元素の窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記第１の１３族元素および第２の１３族元素の窒化物半導体からなる中間層と、
前記第１の１３族元素および前記第２の１３族元素の窒化物半導体からなる電子供給層
とがこの順で積層されており、
前記第１の１３族元素と前記第２の１３族元素との合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率が、前記電子走行層と前記中間層との界面から前記中間層の厚さ方向に向かって増加し、前記中間層内で最大（ピーク）値を取った後、減少するプロファイルを有することを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記最大（ピーク）値における、前記第１の１３族元素と前記第２の１３族元素との合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率が、５０％以上１００％未満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】
前記中間層の厚さが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記第１の１３族元素がＧａ、前記第２の１３族元素がＡｌ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半導体基板。
【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た窒化物半導体ＨＥＭＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波化、高出力化が可能なパワーデバイス用途の窒化物半導体基板における、同デバイス特性を向上するための基板構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体、特に窒化ガリウム系化合物半導体基板を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、電子走行層と電子供給層との間に、いわゆるスペーサ層を介在させることで電気特性を向上させる技術が知られている。
【０００３】
特許文献１には、ヘテロ構造を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体装置において、チャネル層を構成する第１の二元化合物半導体層と、バリア層を構成し、ＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮからなる三元混晶半導体層と、前記第１の二元化合物半導体層と前記三元混晶半導体層との間に介在される第２の二元化合物半導体層とを含み、前記第１の二元化合物半導体層は、ＧａＮからなり、前記第２の二元化合物半導体層は、ＡｌＮからなり、層厚が１分子層以上４分子層以下である、という技術の開示がある。
【０００４】
特許文献２には、各々Ｇａを必須とするIII族元素の窒化物からなる電子供給層と、スペーサ層と、チャネル層とがこの順序にて格子整合形態で接合された構造を有し、前記スペーサ層がＡｌＧａＮ層からなるとともに、当該スペーサ層の前記チャネル層と接する領域のＡｌＮ混晶比を残余の領域よりも高くした化合物半導体素子、の開示がある。
【０００５】
特許文献３には、ＧａＮチャネル層の上に形成されるＡｌxＧａl-xＮ障壁層（バリア層）のＡｌ組成比を、層の厚さ方向に対して増減させることで電気特性を向上させる各種層構造の開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２００７１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９４３９号公報
【特許文献３】特開平１１−２６１０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の発明では、スペーサ層、すなわち、前述の第２の二元化合物半導体層にＡｌＮを用いた場合、ＡｌＮが６．２ｅＶという極めて大きなバンドギャップを有するので、その層厚が厚くなり過ぎるとバリア層からチャネル層への電流注入が阻害されヘテロ構造として機能しなくなることを考慮して、膜厚を１分子層以上４分子層以下とすることで、接合界面の急峻性を維持しつつ、トンネル効果によって充分なキャリア輸送を行えるようにする、としている。
【０００８】
特許文献２に記載の発明は、スペーサ層の全体ではなく、チャネル層との境界領域についてのみＡｌＮ混晶比を高める、すなわち格子緩和が生じない程度の厚さに留めつつＡｌＮ混晶比を高めることにより、チャネル層に対するピエゾ電界印加効果を大幅に増加させること、また、境界領域のＡｌＮ混晶比が高くなることでスペーサ層側の伝導帯底エネルギーレベル（Ｅｃ）が上昇し、伝導帯不連続値をより大きくすることができるので自発分極効果も高められること、これらのことにより、スペーサ層を一様な組成で構成する場合と比較して、チャネル層側に三角ポテンシャルをより深くかつ狭く形成することができ、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層中の電子濃度の増大ひいては素子の高出力化を図ることができる、としている。
【０００９】
特許文献３では、ＡｌxＧａl-xＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴにおいてチャネルに誘起可能な二次元電子濃度を増大させることを意図して行うＡｌxＧａl-xＮ障壁層のＡｌ組成Ｘの増大に際して、発現する電子移動度の著しい低下を阻止あるいは大幅に低減することができ、電子濃度と電子移動度との積を増大させることによってデバイスの高性能化・高出力化を図る効果がある、としている。
【００１０】
このように、上記いずれの発明も、ＨＥＭＴ構造において有用な技術といえるが、このような薄いＡｌを含む窒化物からなるスペーサ層の利点を維持しつつも、さらなる特性の改善が求められている。
【００１１】
本発明は、かかる課題に鑑み、スペーサ層を有する構造で、さらに高性能な窒化物半導体装置に適した窒化物半導体基板の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の窒化物半導体基板は、第１の１３族元素の窒化物半導体からなる電子走行層と、前記第１の１３族元素および第２の１３族元素の窒化物半導体からなる中間層と、前記第１の１３族元素および前記第２の１３族元素の窒化物半導体からなる電子供給層とがこの順で積層されており、前記第１の１３族元素と前記第２の１３族元素との合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率が、前記電子走行層と前記中間層との界面から前記中間層の厚さ方向に向かって増加し、前記中間層内で最大（ピーク）値を取った後、減少するプロファイルを有することを特徴とする。
【００１３】
かかる構成を有することで、本発明の窒化物半導体基板では、電子移動度が向上し、且つ、スペーサ層としての機能を有する中間層中で、第２の１３族元素、例えばＡｌの原子比率の最大値が厚さ方向に一定の領域を持たず、その最大値がピーク状の形態となることで、絶縁性の高いＡｌＮ層の割合が下がり、従来技術よりも電極−チャネル間の直列抵抗を下げることができ、結果として、トランジスタの直列抵抗成分を減らすことができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体基板は、前記最大（ピーク）値における、前記第１の１３族元素と前記第２の１３族元素の合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率は、５０％以上１００％未満であると、好ましい。また、前記第１の１３族元素はＧａ、前記第２の１３族元素はＡｌであることが好ましい。
【００１５】
本発明の窒化物半導体ＨＥＭＴは、前記窒化物半導体基板を用いたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高い電子移動度をキープしたまま、従来のスペーサ層構造よりも、電極−チャネル間の直列抵抗を下げることができ、結果として、トランジスタの直列抵抗成分を減らすことができる窒化物半導体基板の提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】図２は、本発明の窒化物半導体基板の好適な一態様における、中間層のＡｌ原子比率プロファイルを模式的に示す模式図である。
【図３】図３は、従来技術の一態様に係るＡｌ原子比率プロファイルを模式的に示す模式図である。
【図４】図４は、実施例１に係る電子供給層／中間層／電子走行層付近の断面ＳＴＥＭ観察結果である。図４（ａ）はＳＴＥＭ明視野像、図４（ｂ）はＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を表す。
【図５】図５は、実施例１に係る電子供給層／中間層／電子走行層付近をＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析して得た結果を表す図である。
【図６】図６は、実施例２に係る電子供給層／中間層／電子走行層付近をＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析して得た結果を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を、図面も参照して詳細に説明する。
本発明の窒化物半導体基板は、第１の１３族元素の窒化物半導体からなる電子走行層と、前記第１の１３族元素および第２の１３族元素の窒化物半導体からなる中間層と、前記第１の１３族元素および前記第２の１３族元素の窒化物半導体からなる電子供給層とがこの順で積層されており、前記第１の１３族元素と前記第２の１３族元素との合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率が、前記電子走行層と前記中間層との界面から前記中間層の厚さ方向に向かって増加し、前記中間層内で最大（ピーク）値を取った後、減少するプロファイルを有する。
【００１９】
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。なお、本発明で示す図はすべて、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。
【００２０】
図１に示す窒化物半導体基板Ｚは、下地基板１上に、バッファ層２、電子走行層３、中間層Ｓ、電子供給層４が順次形成されたものである。なお、図示しないが、さらにキャップ層や電極を付与することで、ＨＥＭＴとすることができる。
【００２１】
本発明は、ヘテロ界面を有し、その界面近傍に発生する二次元電子ガスを電流経路として用いるＨＥＭＴにおいて、特に好適な特性を発揮するものである。従って、下地基板１とバッファ層２は、その素材や物性、構造、製造方法に格別の制限はなく、広く公知の手法が適用できる。
【００２２】
下地基板１としては、シリコン単結晶、炭化ケイ素、サファイア、およびＧａＮ等が挙げられる。ところで、これらの材料において、絶縁性がより高い炭化ケイ素、サファイア等と比べて、シリコン単結晶は、縦方向の耐圧の点で不利になりがちであるが、本発明では、下地基板１にシリコン単結晶を用いた場合でも、その効果が顕著に発揮されるので、特に好適といえる。
【００２３】
バッファ層２としては、例えば、特許第５１５９８５８号公報または特許第５１８８５４５号公報に開示のあるバッファ層構造が適用できる。具体的には、第一層が厚さ５０〜２００ｎｍのＡｌＮ、第二層が厚さ１００〜３００ｎｍのＡｌＧａＮで構成される層や、ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）およびＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）が基板側からこの順に交互に繰り返し積層され、該ＡｌxＧａ1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）には、炭素が１×１０18〜１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3含まれ、該ＡｌyＧａ1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）には、炭素が１×１０17〜１×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3含まれる多層バッファ層が適用できる。さらには、電子走行層３に接するように、高抵抗のバッファ層、一例として、炭素濃度１×１０18〜３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、厚さ１００〜２００ｎｍ程度のＧａＮ層があると、このＧａＮ層による縦方向の耐圧向上効果が発揮され、特に好ましい。
【００２４】
本発明では、第１の１３族元素からなる電子走行層３と、第１の１３族元素および第２の１３族元素からなる電子供給層４とする。１３族元素は、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびインジウム（Ｉｎ）等である。本発明において、第１の１３族元素は、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎのいずれか一つの元素であり、第２の１３族元素は、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎのいずれか一つの元素であって、第１の１３族元素以外の元素である。第１の１３族元素がＧａ、第２の１３族元素がＡｌである組み合わせが、基板設計の自由度の高さの点で好適である。
【００２５】
電子走行層３、および電子供給層４は、その層厚について格別の制限はなく、概ね電子走行層３については０．３〜３．０μｍ、電子供給層４については１０〜１００ｎｍである。また、電子供給層４には、各種の元素がドープされていてもよい。各種の元素として、例えば、炭素、リン、マグネシウム、ケイ素、鉄、酸素、および水素等が挙げられる。
【００２６】
そして本発明では、電子走行層３と電子供給層４の間に、中間層Ｓを有している。この中間層Ｓは、従来技術にあるスペーサ層としての機能を有しており、ＨＥＭＴにおける二次元電子ガス濃度の増大による高出力化と電子移動度の向上との両立を目的としている。
【００２７】
特に、本発明では、中間層Ｓ中における第１の１３族元素と第２の１３族元素との合計に対する前記第２の１３族元素の原子比率は、前記電子走行層と前記中間層との界面から前記中間層の厚さ方向に向かって増加し、前記中間層内で最大（ピーク）値を取った後、減少する、というプロファイル形状を有することに特徴がある。
【００２８】
図２は、本発明の窒化物半導体基板Ｚの好適な一態様における、中間層ＳのＡｌ原子比率プロファイルを示す模式図である。図２の曲線は模式的なものであり、この形に限定されるものではない。
【００２９】
このような形態は、窒化物半導体基板Ｚの断面を走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）により観察し、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）で元素分析することで特定される。図４に、電子供給層／中間層／電子走行層付近の断面ＳＴＥＭ観察結果を、図５に、本発明の窒化物半導体基板Ｚの好適な一態様における、電子供給層／中間層／電子走行層付近をＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析して得た結果を示す。なお、ＥＤＳはＳＴＥＭ装置に付帯しているＥＤＳ測定装置により測定される。
【００３０】
なお、ＥＤＳで得られた数値は、その測定原理上、あくまで参考値であるが、標準試料を用いて補正をすることで、異なる元素同士の存在比率は正確に反映されており、本発明においても、対象とするＡｌがどのような分布をしているかを正確に知ることができる。
【００３１】
図２に示すように、本発明に係る中間層Ｓは、Ａｌ原子比率の「ピーク」を有することに第一の特徴があるといえる。なお、ここでいうピークは、原子比率の極大値を有する箇所を図５から特定することで得られる。
【００３２】
図５では、電子走行層３と中間層Ｓとの界面は、電子走行層３中のＡｌ原子比率が急激に増加し始めたところから最大値となるピークの間において、厚さ方向における１／２の位置とする（図５中、点線で表示）。なお、図５では、Ａｌ、ＧａおよびＮの３元素の合計を１００％としたときのそれぞれの原子の原子比率が示されているが、ＡｌおよびＧａの合計を１００％として換算すると、図５における中間層ＳのＡｌ原子比率のピーク位置では、Ａｌの原子比率は６２％ほどになる（図５中、矢印でピーク位置を表示）。
【００３３】
ＡｌＮ、すなわち、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦x≦１）におけるｘ＝１の層が、中間層Ｓ内で厚く存在していると、電子移動度が低下することから、従来は、スペーサ層の厚さを、例えば１〜４分子層という極めて薄いものとする、あるいは、スペーサ層の一部のみＡｌＮとする手法がとられてきた。
【００３４】
一方、特許文献１〜３に記載されているような、非常に薄いＡｌＮ層、または薄い層厚では、ＡｌＮが局所的に存在する形態でないと、近年のＨＥＭＴに求められる高い電子移動度を達成することは困難であるといえる。
【００３５】
そこで、本発明の発明者らは、薄いスペーサ層についてさらに研究を重ねた結果、ＡｌとＧａの窒化物からなり、かつ、Ａｌの原子比率が一定となる領域を持たず、代わりにピークを有する、という特徴的な構造が、従来技術に係るスペーサ層と比べて、ほぼ同等の電子移動度を有し、かつ、従来技術よりも電極−チャネル間の直列抵抗を下げることができ、結果的にデバイスの直列抵抗を減らすことができるということを見出した。
【００３６】
Ａｌ原子比率が一定である層がスペーサ層内に存在すると、電子移動度の低下による影響が大きくなる。そこで、Ａｌ原子比率が一定ではなくピーク形状をとることで、電子移動度の低下による影響を抑えるとともに、絶縁性の高いＡｌＮ層の割合を下げることで電極−チャネル間の直列抵抗を下げる効果を得ることができる。
【００３７】
ここで、スペーサ層挿入による電子走行層への二次元電子ガス濃度向上効果を得ようとするならば、ピークにおけるＡｌの原子比率は５０％以上を必要とする。本発明では、Ａｌ原子比率が５０％以上のピーク形状を中間層Ｓ内に有することで、従来技術には明示的な開示の無い、電子移動度が向上し、かつ、電極−チャネル間の直列抵抗を下げるという顕著な効果を発揮する。
【００３８】
ただし、ピークにおけるＡｌの原子比率は、１００％、すなわちピークがＡｌＮのみで構成されたものでは、電子移動度の低下による影響の方が、前述した効果を相殺して顕在化するおそれがあるので、１００％未満、言い換えると、ピークはＡｌ原子比率が高いＡｌＧａＮで構成されることが好ましい。
【００３９】
なお、特許文献３の請求項６に記載の発明は、本発明に類似の形態であり、さらに具体的な一態様として、図３に示すような形態が、特許文献３の請求項７に例示されている。しかしながら、本発明では、Ａｌ原子比率が一定ではなく、５０％以上のピーク形状を中間層Ｓ内に有することで、従来技術には明示的な開示のない、電子移動度の向上と電極−チャネル間の直列抵抗を下げるという顕著な効果を発揮させることができる。
【００４０】
上記ピークにおけるＡｌ原子比率は、電子供給層４におけるＡｌ原子比率の２倍以上４倍以下であると、より好ましい。電子供給層４では、Ａｌ原子比率は厚さ方向に対して一定であるが、この比率と中間層Ｓにおける上記ピークにおける原子比率があまり乖離しすぎると、電子移動度の低下をもたらす懸念があるためである。
【００４１】
本発明においては、電子供給層４のＡｌ原子比率は１０％以上３０％以下の間、電子供給層４の厚さは１０ｎｍから６０ｎｍの間で、それぞれ適時設計される。
【００４２】
ここで、中間層Ｓと電子供給層４との界面は、図５に示すＥＤＳ測定結果からわかるように、厳密に決定できるものではないため、中間層Ｓの厚さは、厳密に特定されるものではない。なお、あえて定義するとすれば、前述の電子走行層３との界面から厚さ方向に対して、第２の１３族元素の原子比率が変動幅１０％以下となる領域までを中間層Ｓと定めれば、中間層Ｓの厚さは、０．５ｎｍから５ｎｍとなる。
【００４３】
好ましくは、中間層Ｓ中においては、Ａｌ原子比率のピークを含み、かつ、ＡｌとＧａとの合計に対するＡｌ原子比率が５０％を超える領域の幅が０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下、より好ましくは０．５ｎｍ以上０．８ｎｍ以下である。言い換えると、この領域が、厳密な意味でのスペーサ層といえる。Ａｌ原子比率の高い領域は、できるだけ急峻で幅の狭いピークであれば、電子移動度の向上と電極−チャネル間の直列抵抗の低減とがより良好に両立される。
【００４４】
あるいは、ピークの位置は、中間層Ｓの厚さ方向における中間点よりも電子走行層３側に存在すると好ましい。電子走行層３のＧａＮとＡｌＮとが隣接することで得られる高い自発分極効果が、ピークの位置が中間層Ｓの厚さ方向における中間点よりも電子供給層４側に存在する形態に比べて、より高くなるからである。
【００４５】
本発明に係る中間層ＳのＡｌ原子比率によるプロファイル形状は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により、電子走行層３を形成した直後からの各種原料ガス、キャリアガスの流量、反応炉内圧力の調整に加えて、Ａｌ原料ガスの供給タイミング等を最適化することで、適切に得ることができる。
【００４６】
以上の通り、本発明の窒化物半導体基板は、従来のスペーサ層を有するものと同様に、二次元電子ガスにおける電子移動度を向上させ、トランジスタを高速化できる効果と合わせて、電極−チャネル間の直列抵抗を下げることができ、結果として、トランジスタの直列抵抗成分を減らすことができる窒化物半導体デバイスの作製に好適である。
【実施例】
【００４７】
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。
【００４８】
［共通の実験条件］
直径６インチ、厚さ１０００μｍ、ｐ型で比抵抗０．０１Ωｃｍ、面方位（１１１）のシリコン単結晶基板を下地基板１として準備した。これ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、昇温およびガス置換後に、成長温度１０００℃で１５分間、水素１００％雰囲気、炉内圧力１３５ｈＰａの条件で熱処理を行い、下地基板１の表面の自然酸化膜を除去し、表面にシリコンの原子ステップを発現させた。
【００４９】
続けて、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、厚さ７０ｎｍのＡｌＮ単結晶を形成した。次に、成長温度１０００℃、炉内圧力を６０ｈＰａに調整して、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を用いて、厚さ３００ｎｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ単結晶層を形成した。次に、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を用いて、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層、および厚さ３０ｎｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ単結晶層を交互に各８層積層し、その上に、厚さ１５０ｎｍのＡｌＧａＮ単結晶層を形成したものを１セットとして、これをさらに５セット繰り返して、層厚約２１５０ｎｍの多層構造を形成した。以上のようにして、前記下地基板１の上にバッファ層２を形成した。
【００５０】
前記バッファ層２の上に、電子走行層３として、成長温度１０３０℃、炉内圧力２００ｈＰａに調整して、厚さ３０００ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層した。
【００５１】
前記電子走行層３の上に、実施例１および比較例１、２に記載の条件で中間層Ｓを形成した。
【００５２】
そして、中間層Ｓの上に、電子供給層４として、成長温度１０００℃、炉内圧力２００ｈＰａに調整して、厚さ２４ｎｍのＡｌ0.18Ｇａ0.82Ｎ単結晶層を中間層Ｓ上に形成し、さらに、キャップ層として４ｎｍのＧａＮ層を形成した。以上の通りの工程を経て、評価用の窒化物半導体基板を得た。なお、気相成長により形成した各層の厚さや炭素濃度の制御は、原料ガスの流量および供給時間、基板温度、その他公知の成長条件の調整により行った。
【００５３】
［実施例１］
成長温度１０３０℃、炉内圧力２００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を３０秒間導入して、前記電子走行層３の上に中間層Ｓを形成した。
【００５４】
［比較例１］
成長温度１０３０℃、炉内圧力５０ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を３０秒間導入して、前記電子走行層３の上に中間層Ｓを形成した。
この場合、中間層Ｓでは、Ａｌ含有量が実施例１よりも相当高くなり、最大（ピーク）値は確認されず、厚さ方向にＡｌ１００％で濃度一定の領域が形成された。
【００５５】
［参考例１］
成長温度１０３０℃、炉内圧力６００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を３０秒間導入して、前記電子走行層３の上に中間層Ｓを形成した。中間層Ｓでは、Ａｌ含有量が実施例１よりも相当低くなり、厚さ方向にＡｌ５０％を下回るピークが形成された。
【００５６】
得られた実施例１および比較例１、参考例１の窒化物半導体基板について、中間層Ｓ、およびこれに隣接する電子走行層３と電子供給層４の一部について、断面観察と元素分析を行った。その条件を以下に示す。
【００５７】
［評価１〜ＳＴＥＭ観察］
それぞれの窒化物半導体基板を劈開し、主面中央付近から破片をサンプリングし、ＦＩＢ（Focused Ion Beam；集束イオンビーム）法を用いて薄片化して、測定用の試料を得た。この試料をＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡；日本電子（株）製ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆ）を用いて、加速電圧２００ｋＶの条件下に観察した。また、元素分析は、前記ＳＴＥＭに付属のＥＤＳ測定器（エネルギー分散型Ｘ線分光器；日本電子（株）製ＪＥＤ−２３００Ｔ）を用いて行い、測定条件は、加速電圧２００ｋＶ、ビーム径０．１ｎｍφ、エネルギー分解能約１４０ｅＶとした。
【００５８】
［評価２〜ＥＤＳ分析］
上記のＳＴＥＭ観察後、電子供給層４／中間層Ｓ／電子走行層３付近について、幅２０ｎｍの範囲を、ライン上に１００点ビーム照射することでＥＤＳ測定した。ビーム間隔は０．２ｎｍ、１点当たりの測定時間は１秒とした。
【００５９】
ここでは、中間層Ｓの形態を特定するのに、窒化物半導体基板の主面中央付近１点をサンプリングした。ＭＯＣＶＤ法による成膜は、成膜の精度が高いので、これでも充分といえるが、必要に応じて、さらにサンプリング数を増やしてもよく、例えば、外周から１０ｍｍ内側２点を追加して、合計３点をサンプリングしてもよい。
【００６０】
上記のように評価した結果、実施例１は、中間層Ｓの厚さが約１ｎｍ、スペーサ層Ｓ中にＡｌ原子比率が最大値となるピークがあり、ＥＤＳ定量分析結果より、ピーク部分のＡｌとＧａの原子比率は６２：３８という窒化物半導体であることが分かった。
【００６１】
［評価３〜電子移動度と電極−チャネル−電極間直列抵抗］
次に、ＳＴＥＭ観察およびＥＤＳ分析したのと同じ窒化物半導体基板について、ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法によるホール効果測定を行い、電子移動度と最隣接電極間の抵抗値を評価した。はじめに基板を７ｍｍ角のチップにダイシングし、個々のチップの電子供給層４上の四隅に、径０．２５ｍｍの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、ＡＣＣＥＮＴ製ＨＬ５５００ＰＣを用いて、ホール効果測定を行った。
【００６２】
その結果、実施例１では、電子移動度が１９９０ｃｍ2／Ｖｓ、最隣接電極間の抵抗値が３０００〜４０００Ωとなった。一方、比較例１では、電子移動度が２０６０ｃｍ2／Ｖｓ、最隣接電極間の抵抗値が５０００〜６０００Ωとなった。参考例１では、電子移動度が１５００ｃｍ2／Ｖｓ、最隣接電極間の抵抗値が２０００〜３０００Ωとなった。
【００６３】
上記結果より、実施例１では、電子移動度向上と直列抵抗低減とが効果的に得られているといえる。一方、比較例１では、電子移動度は実施例１と同等程度であるが、電極‐チャネル間の直列抵抗は上がり、参考例１では、電子移動度が大きく低下して中間層Ｓがスペーサ層としての機能を果たさなくなっており、いずれも実施例１より見劣りする。
【００６４】
このことから、本発明の窒化物半導体基板は、電子移動度の向上効果と、電極−チャネル−電極間の直列抵抗が下がりトランジスタの直列抵抗成分が低減されたという効果の、２つの点で優れた窒化物半導体基板であることがわかった。
【００６５】
［実施例２］
成長温度１０３０℃、炉内圧力２００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を１５秒間導入して、前記電子走行層３の上に、厚さ０．５ｎｍの中間層Ｓを形成した。
【００６６】
［実施例３］
成長温度１０３０℃、炉内圧力２００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を６０秒間導入して、前記電子走行層３の上に、厚さ２ｎｍの中間層Ｓを形成した。
【００６７】
上記実施例２，３について、実施例１と同様の評価を行った。なお、図６に、図５と同様、ＳＴＥＭ−ＥＤＳ分析して得た実施例２の結果を示す。
【００６８】
その結果、実施例１は、電子移動度が１９９０ｃｍ2／Ｖｓ、最隣接電極間の抵抗値が３０００〜４０００Ωであるのに対して、実施例２が、電子移動度が１８００ｃｍ2／Ｖｓ、最隣接電極間の抵抗値が２５００〜３５００Ω、実施例３が、電子移動度が２０２０ｃｍ2／Ｖｓ、最隣接電極間の抵抗値が３５００〜４５００Ω、であった。
【００６９】
上記結果より、中間層Ｓの厚さについては、実施例１より厚い実施例３は、電極−チャネル間の直列抵抗の点で見劣りする。また、実施例１より薄い実施例２は、同じく電極−チャネル間の直列抵抗の点で優位である一方で、移動度の面では劣るといえる。
【符号の説明】
【００７０】
Ｚ            窒化物半導体基板
１            下地基板
２            バッファ層
３            電子走行層
４            電子供給層
Ｓ            中間層
【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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