(57)【要約】【課題】高抵抗層を有する化合物半導体基板を提供する。【解決手段】化合物半導体基板ＣＳ１は、Ｓｉ（ケイ素）基板１と、Ｓｉ基板１の表面１ａに形成されたＳｉＣ（炭化ケイ素）層２とを備える。ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面１ａに形成されたＳｉＣ層２１と、ＳｉＣ層２１よりもＳｉ基板１から離れた側に形成されたＳｉＣ層２２とを含み、ＳｉＣ層２１内のＢ（ホウ素）原子の平均濃度は、ＳｉＣ層２１内のＶ（バナジウム）原子の平均濃度よりも高く、ＳｉＣ層２２内のＶ原子の平均濃度は、ＳｉＣ層２２内のＢ原子の平均濃度よりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の主面に形成されたＳｉＣ層とを備え、
前記ＳｉＣ層は、
前記Ｓｉ基板の主面に形成された第１のＳｉＣ層と、
前記第１のＳｉＣ層よりも前記Ｓｉ基板から離れた側に形成された第２のＳｉＣ層とを含み、
前記第１のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度は、前記第１のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度よりも高く、
前記第２のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度は、前記第２のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度よりも高い、化合物半導体基板。
【請求項２】
前記第１のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度は、前記第２のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度よりも高く、
前記第２のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度は、前記第１のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度よりも高い、請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
前記第１のＳｉＣ層は、前記Ｓｉ基板の主面に対して垂直な断面と、前記Ｓｉ基板の主面に対して平行な前記ＳｉＣ層中の面とがなす交線を横切る積層欠陥密度が１×１０5本／ｃｍより大きい前記ＳｉＣ層の領域であり、
前記第２のＳｉＣ層は、前記Ｓｉ基板の主面に対して垂直な断面と、前記Ｓｉ基板の主面に対して平行な前記ＳｉＣ層中の面とがなす交線を横切る積層欠陥密度が０以上１×１０5本／ｃｍ未満である前記ＳｉＣ層の領域である、請求項１または２に記載の化合物半導体基板。
【請求項４】
前記第１のＳｉＣ層と前記第２のＳｉＣ層との界面近傍の上下０．２μｍの領域を除き、前記第１のＳｉＣ層内にわたってＶ原子の濃度は５×１０16個／ｃｍ3未満であり、
前記第１のＳｉＣ層との界面近傍の上下０．２μｍの領域を除き、前記第２のＳｉＣ層内にわたってＢ原子の濃度は５×１０17個／ｃｍ3未満である、請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【請求項５】
前記ＳｉＣ層上に形成されたＧａＮよりなる電子走行層と、
前記電子走行層上に形成された電位障壁層とをさらに備えた、請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体基板に関し、より特定的には、ＳｉＣ（炭化ケイ素）層を備えた化合物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの急速な発展により、次世代無線インフラとして、高周波、高出力の無線送受信機（衛星通信機器や基地局など）が必要とされている。ＧａＮ（窒化ガリウム）はＳｉ（ケイ素）と比較して絶縁破壊電界値が高く、電子の移動度が高く、飽和電子速度が大きい。このため、ＧａＮを用いたデバイスは、従来のＳｉを用いた電子デバイスと比較して高耐圧化が可能であり高出力用途に適している。また、ＧａＮはＳｉＣと比較して電子の移動度が高く、飽和電子速度が大きい。このため、ＧａＮは、高周波数の信号によって動作し、大きな電力を取り扱うパワートランジスタなどの高周波デバイスとしての適用が進められている。
【０００３】
特に携帯電話の基地局として使用される高周波デバイスは、空冷化が可能であるという利点や電源電圧を下げる必要が無いなどの利点により、従来のＳｉを用いたデバイスからＧａＮを用いたデバイスへ置き換わっている。
【０００４】
現在、高周波デバイスとして用いられるＧａＮ層を成長する際の下地基板としては、高抵抗のＳｉＣバルク基板または高抵抗のＳｉ基板が用いられている。基板を高抵抗化することには次のメリットがある。
【０００５】
高周波デバイスにおいては、基板と表面電極との間に意図しない寄生容量が形成され、この寄生容量を介した高周波信号電流が基板側に流れることにより、電力損失が生じるおそれがある。基板を高抵抗化することで、寄生容量を介した高周波信号電流を低減することができ、電力損失を抑止することができる。
【０００６】
加えて、半絶縁性基板上に複数の高周波素子を形成した場合には、素子同士を電気的に分離することで素子同士の間を流れるリーク電流を低減する必要がある。基板を高抵抗化することで、素子同士が電気的に分離されるため、リーク電流を低減することができる。
【０００７】
ＳｉＣには、ＳｉＣ結晶中にＶ（バナジウム）原子をドープすることにより高抵抗化できるという利点がある。Ｖ原子は、ＳｉＣ結晶中の過剰なキャリアを補償する働きをするためである。しかし、大口径のＳｉＣ基板を作製することは困難であるため、ＳｉＣバルク基板には、ＧａＮ層を大口径化することが困難であるという欠点や、コストが高いという欠点がある。
【０００８】
一方、高抵抗のＳｉ基板には、ＧａＮ層を大きなサイズで作製することができるという利点や、コストを低減することができるという利点がある。しかし、高抵抗のＳｉ基板を用いる場合には、ＧａＮ層の成長の際に、Ｇａ原子がＳｉ基板に拡散することにより、Ｓｉ基板が低抵抗化するおそれがある。さらにＧａ原子とＳｉ基板とが共晶反応を起こして、メルトダウンエッチングと呼ばれるキラー欠陥を生じるおそれがある。また、高抵抗のＳｉ基板を用いる場合には、一般的に、Ｓｉ基板とＧａＮ層との間にＡｌＮ（窒化アルミニウム）系の材料よりなるバッファー層が形成される。このバッファー層内のＡｌ（アルミニウム）原子がＳｉ基板に拡散することによりＳｉ基板が低抵抗化するおそれがある。このため、高抵抗のＳｉ基板を用いる場合、Ｓｉ基板とＧａＮ層との間に、Ｇａ原子やＡｌ原子のＳｉ基板への拡散を防止するための適切な拡散障壁層を挿入しないと、作製されるＧａＮ高周波デバイスが十分な高周波特性を発揮しないという欠点がある。
【０００９】
上記のような背景から、Ｇａ原子やＡｌ原子などの拡散による悪影響を抑止しつつ、大口径のＧａＮ層を低コストで作製することのできる下地基板が要求されている。この要求に関して、下記特許文献１などには、ＧａＮ層を成長する際の下地基板として、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＣ層と、ＳｉＣ層上に形成されたＡｌＮ層とを備えたものを用いる技術が開示されている。
【００１０】
下記特許文献１の技術によれば、Ｓｉ基板上にＳｉＣ層を形成することで、Ｓｉ基板と同じ口径を有するＳｉＣ層を形成することができるため、ＳｉＣバルク基板を用いた場合と比較して大口径のＧａＮ層を低コストで作製することができる。また、Ｇａ原子やＡｌ原子などの拡散がＳｉＣ層によって抑止されるため、Ｇａ原子やＡｌ原子などの拡散による悪影響を抑止することができる。
【００１１】
なお、ＳｉＣ結晶にＶ原子をドープすることによりＳｉＣ基板を高抵抗化する技術は、下記特許文献２〜４などに開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１３−１７９１２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６２１６８号公報
【特許文献３】特表２００１−５０９７６８号公報
【特許文献４】特開２０１７−０８５０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１の技術には、下地基板を高抵抗化することができないという問題があった。Ｓｉ基板上にＳｉＣ層を形成する際に、ＳｉＣ層の成長雰囲気中に存在するＮ（窒素）原子がＳｉＣ層内へ意図せずドープされるオートドープ現象が発生する。このＮ原子がＳｉＣ層内にｎ型キャリアをもたらし、ＳｉＣ層の高抵抗化を阻害する要因となっていた。Ｓｉ基板上に形成され、Ｎ原子がドープされたＳｉＣ層に対してＶ原子をドープしても、ＳｉＣ層を十分に高抵抗化することはできなかった。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、高抵抗層を有する化合物半導体基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一の局面に従う化合物半導体基板は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の主面に形成されたＳｉＣ層とを備え、ＳｉＣ層は、Ｓｉ基板の主面に形成された第１のＳｉＣ層と、第１のＳｉＣ層よりもＳｉ基板から離れた側に形成された第２のＳｉＣ層とを含み、第１のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度は、第１のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度よりも高く、第２のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度は、第２のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度よりも高い。
【００１６】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度は、第２のＳｉＣ層内のＢ原子の平均濃度よりも高く、第２のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度は、第１のＳｉＣ層内のＶ原子の平均濃度よりも高い。
【００１７】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１のＳｉＣ層は、Ｓｉ基板の主面に対して垂直な断面と、Ｓｉ基板の主面に対して平行なＳｉＣ層中の面とがなす交線を横切る積層欠陥密度が１×１０5本／ｃｍより大きいＳｉＣ層の領域であり、第２のＳｉＣ層は、Ｓｉ基板の主面に対して垂直な断面と、Ｓｉ基板の主面に対して平行なＳｉＣ層中の面とがなす交線を横切る積層欠陥密度が０以上１×１０5本／ｃｍ未満であるＳｉＣ層の領域である。
【００１８】
上記化合物半導体基板において好ましくは、第１のＳｉＣ層と第２のＳｉＣ層との界面近傍の上下０．２μｍの領域を除き、第１のＳｉＣ層内にわたってＶ原子の濃度は５×１０16個／ｃｍ3未満であり、第１のＳｉＣ層との界面近傍の上下０．２μｍの領域を除き、第２のＳｉＣ層内にわたってＢ原子の濃度は５×１０17個／ｃｍ3未満である。
【００１９】
上記化合物半導体基板において好ましくは、ＳｉＣ層上に形成されたＧａＮよりなる電子走行層と、電子走行層上に形成された電位障壁層とをさらに備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高抵抗層を有する化合物半導体基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第１の例を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第２の例を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第３の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第４の例を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態において、実際に作製した化合物半導体基板ＣＳ１のＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の分析結果であって、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による分析結果を示す図である。
【図７】Ｓｉ基板上に形成したＳｉＣ層の断面を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態におけるＢ原子およびＶ原子のドープの効果を説明する図である。
【図９】本発明の一実施の形態の変形例における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施例における比較例１のＳＣＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の計測結果を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例における比較例２のＳＣＭの計測結果を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例における本発明例１のＳＣＭの計測結果を示す図である。
【図１３】本発明の一実施例における比較例１、比較例２、および本発明例１の各々のＳｉＣ層の抵抗率の計測結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。
【００２４】
図１を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１は、Ｓｉ基板１と、ＳｉＣ層２（ＳｉＣ層の一例）とを備えている。
【００２５】
Ｓｉ基板１は、たとえばＦｚ−Ｓｉの高抵抗結晶よりなっている。Ｓｉ基板１の表面１ａ（Ｓｉ基板の主面の一例）には（１１１）面が露出している。なお、Ｓｉ基板１は、ｐ型あるいはｎ型の導電型を有していてもよい。Ｓｉ基板１の表面１ａには、最終的に形成したいＧａＮ結晶の方位に応じて、（１００）面や（１１０）面が露出していてもよい。Ｓｉ基板１は、たとえば６インチの直径を有しており、１０００μｍの厚さを有している。
【００２６】
ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１の表面１ａに形成されている。ＳｉＣ層２は、たとえば３Ｃ−ＳｉＣよりなっている。特に、ＳｉＣ層２がＳｉ基板１の表面１ａにエピタキシャル成長されたものである場合、一般的に、ＳｉＣ層２は３Ｃ−ＳｉＣよりなっている。
【００２７】
ＳｉＣ層２は、ＳｉＣ層２１（第１のＳｉＣ層の一例）と、ＳｉＣ層２２（第２のＳｉＣ層の一例）とを含んでいる。ＳｉＣ層２１は、Ｓｉ基板１の表面１ａに形成されている。ＳｉＣ層２２は、ＳｉＣ層２１よりもＳｉ基板１から離れた側（図１中の上側）に形成されている。ＳｉＣ層２２は、ＳｉＣ層２１と接触して、ＳｉＣ層２１上に形成されていることが好ましいが、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２の間に、さらに他のＳｉＣ層を挟んでもよい。
【００２８】
ＳｉＣ層２１は、たとえば０．３μｍ以上１．２μｍ以下の厚さを有している。ＳｉＣ層２１内の積層欠陥密度は、たとえば１×１０5本／ｃｍより大きい。
【００２９】
ＳｉＣ層２２は、たとえば０．２μｍ以上２．７μｍ以下の厚さを有している。ＳｉＣ層２２内の積層欠陥密度は、たとえば１×１０5本／ｃｍ未満である。
【００３０】
積層欠陥密度とは、Ｓｉ基板１の表面１ａに対して垂直な断面（図１に相当する断面）と、Ｓｉ基板１の表面１ａに対して平行なＳｉＣ層中の面方向（図１中の横方向）とがなす交線を横切る積層欠陥が単位長さあたりに存在する本数である。
【００３１】
ＳｉＣ層２１内のＢ原子の平均濃度は、ＳｉＣ層２１内のＶ原子の平均濃度よりも高く、ＳｉＣ層２２内のＶ原子の平均濃度は、ＳｉＣ層２２内のＢ原子の平均濃度よりも高い。
【００３２】
また、ＳｉＣ層２１内のＢ原子の平均濃度は、ＳｉＣ層２２内のＢ原子の平均濃度よりも高く、ＳｉＣ層２２内のＶ原子の平均濃度は、ＳｉＣ層２１内のＶ原子の平均濃度よりも高いことが好ましい。
【００３３】
ＳｉＣ層２は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成される。この場合、ＳｉＣ層２は、たとえば１μｍ以上３．５μｍ以下の厚さを有している。Ｓｉ源としては、たとえばＳｉＨ4（モノシラン）、ＳｉＨ3Ｃｌ（モノクロロシラン）、ＳｉＨ2Ｃｌ2（ジクロロシラン）、ＳｉＨＣｌ3（トリクロロシラン）、ＳｉＣｌ4（四塩化ケイ素）、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）、Ｓｉ3Ｈ8（トリシラン）、ＳｉＨ3（ＣＨ3）（モノメチルシラン）、ＳｉＣｌ3（ＣＨ3）（メチルトリクロロシラン）などの原料ガスが用いられる。Ｃ源としては、たとえばＣＨ4（メタン）、Ｃ3Ｈ8（プロパン）などの原料ガスが用いられる。Ｂ源としては、たとえばＢ（Ｃ2Ｈ5）3（トリエチルボロン）、Ｂ（ＣＨ3）3（トリメチルボロン）、Ｂ2Ｈ6（ジボラン）などの原料ガスが用いられる。Ｖ源としては、たとえばＶＣｌ4（塩化バナジウム）やＶ［Ｎ（ＣＨ3）2］4（テトラキスジメチルアミノバナジウム）などの原料ガスが用いられる。
【００３４】
ＳｉＣ層２内のＢ原子の濃度は、ＳｉＣ層２の成長中にＢ源の原料ガスの流量を調整することにより制御される。ＳｉＣ層２内のＶ原子の濃度は、ＳｉＣ層２の成長中にＶ源の原料ガスの流量を調整することにより制御される。
【００３５】
図２は、本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第１の例を示す図である。図２〜図４では、ＳｉＣ層２の表面２ａを起点とした深さ方向（厚さ方向（図１中の縦方向））の濃度分布が示されている。
【００３６】
図２を参照して、本例におけるＢ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では略一定の値Ｎ１Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となっている。Ｂ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲで急激に低下し、ＳｉＣ層２２内では下限値Ｎ２Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下の値となっている。値Ｎ１Ｂは、たとえば５×１０17（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以上１×１０19（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下である。値Ｎ２Ｂは、たとえば５×１０17（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下である。
【００３７】
また本例におけるＶ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では下限値Ｎ１Ｖ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下の値となっている。Ｖ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲで急激に増加し、ＳｉＣ層２２内では略一定の値Ｎ２Ｖ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となっている。値Ｎ１Ｖは、たとえば５×１０16（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下である。値Ｎ２Ｖは、たとえば５×１０17（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以上１×１０19（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下である。
【００３８】
図３は、本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第２の例を示す図である。
【００３９】
図３を参照して、本例におけるＢ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内におけるＳｉ基板１に近い領域では略一定の値Ｎ１Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となっている。Ｂ原子の濃度は、界面ＢＲ付近のＳｉＣ層２１内およびＳｉＣ層２２内において、Ｓｉ基板１から遠ざかるにつれて徐々に低下し、ＳｉＣ層２２内では下限値Ｎ２Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下の値となっている。
【００４０】
また本例におけるＶ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では下限値Ｎ１Ｖ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下の値となっている。Ｖ原子の濃度は、界面ＢＲ付近のＳｉＣ層２１内およびＳｉＣ層２２内において、Ｓｉ基板１から遠ざかるにつれて徐々に増加し、ＳｉＣ層２２内における表面２ａに近い領域では略一定の値Ｎ２Ｖ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となっている。
【００４１】
第１および第２の例のいずれにおいても、界面ＢＲ近傍上下の０．２μｍの領域を除き、ＳｉＣ層２１内にわたってのＶ原子の濃度は値Ｎ１Ｖ（＝５×１０16個／ｃｍ3）未満であり、ＳｉＣ層２２内にわたってのＢ原子の濃度は値Ｎ２Ｂ（＝５×１０17個／ｃｍ3）未満であることが好ましい。値Ｎ１ＶおよびＮ２Ｂは任意の値である。
【００４２】
図４は、本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第３の例を示す図である。
【００４３】
図４を参照して、本例におけるＢ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では低い値となっている。Ｂ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲで急激に増加し、ＳｉＣ層２２内では高い値（但し値Ｎ２Ｖよりも低い値）となっている。
【００４４】
また本例におけるＶ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では下限値Ｎ１Ｖ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下の値となっている。Ｖ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲで急激に増加し、ＳｉＣ層２２内では略一定の値Ｎ２Ｖ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となっている。
【００４５】
図５は、本発明の一実施の形態におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の第４の例を示す図である。
【００４６】
図５を参照して、本例におけるＢ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では略一定の値Ｎ１Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）となっている。Ｂ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲで急激に低下し、ＳｉＣ層２２内では下限値Ｎ２Ｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以下の値となっている。
【００４７】
Ｖ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１内では高い値（但し、値Ｎ１Ｂよりも低い値）となっている。Ｖ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲで急激に低下し、ＳｉＣ層２２内では低い値となっている。
【００４８】
図６は、本発明の一実施の形態において、実際に作製した化合物半導体基板ＣＳ１のＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の各々の濃度分布の分析結果であって、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による分析結果を示す図である。
【００４９】
図６を参照して、なお、実際の化合物半導体基板では、ＳｉＣ層内のＢ原子およびＶ原子の濃度を正確に制御することは困難である。このため、実際の化合物半導体基板では、Ｂ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲ付近においてＳｉＣ層２１からＳｉＣ層２２に向かって緩やかに低下する傾向にある。Ｖ原子の濃度は、ＳｉＣ層２１とＳｉＣ層２２との界面ＢＲ付近においてＶ原子の濃度がＳｉＣ層２１からＳｉＣ層２２に向かって緩やかに増加する傾向にある。したがって、実際の化合物半導体基板ＣＳ１におけるＳｉＣ層２内のＢ原子およびＶ原子の濃度分布は、図３に示す第２の例の濃度分布に近いものとなっている。
【００５０】
続いて、本実施の形態の効果について説明する。
【００５１】
図７は、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＣ層の断面を示す図である。図７（ａ）はＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で撮影された画像である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の画像をイラスト化し、必要な説明を追加した図である。
【００５２】
図７を参照して、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＣ層内には積層欠陥が発生する。ＳｉＣ層に発生した積層欠陥は、ＳｉＣ層の断面において、Ｓｉ基板の表面の法線（ＳｉＣの成長方向）に対して傾斜した方向（斜め上方向）に伸びる直線として現れている。ＳｉＣ層内の積層欠陥はＳｉ基板から離れる方向に伝搬し、他の積層欠陥とぶつかると消滅する性質を有している。このため、ＳｉＣ層内の積層欠陥は、Ｓｉ基板との界面付近に集中し、Ｓｉ基板から離れるにしたがって徐々に減少する。
【００５３】
ＳｉＣ層の表面では、Ｓｉ基板との界面に比べて積層欠陥密度が約半分になっている。具体的には、図７においてはＳｉ基板との界面から約１．０μｍの位置までの領域ＲＧ１（図１におけるＳｉＣ層２１に相当する領域）は、積層欠陥密度が１×１０5本／ｃｍより大きい値となっている。一方で領域ＲＧ１よりもＳｉ基板から離れた領域（図１におけるＳｉＣ層２２に相当する領域）は、積層欠陥密度が０以上１×１０5本／ｃｍ未満の値となっている。
【００５４】
図８は、本発明の一実施の形態におけるＢ原子およびＶ原子のドープの効果を説明する図である。
【００５５】
図８（ａ）を参照して、一般的に、積層欠陥の部分にはドーパントが集中しやすく、局所的に周囲よりも高濃度にｎ型化またはｐ型化される傾向にある。本願発明者らは、ＳｉＣ層内の積層欠陥密度が高い領域ＲＧ１には、ＳｉＣ層を形成する際にＳｉＣ層内に意図せずドープされたＮ原子が積層欠陥の部分に集中し、当該部分のｎ型キャリアが高濃度化していると推測した。そして、従来においてＮ原子がドープされたＳｉＣ層に対してＶ原子をドープしてもＳｉＣ層を十分に高抵抗化することはできない理由は、積層欠陥の部分に集中したｎ型キャリアを補償する（消滅させる）Ｖ原子は積層欠陥の部分に集中しにくい性質があるため、キャリア補償の能力が低いためであると推測した。
【００５６】
図８（ｂ）を参照して、そこで本実施の形態では、ＳｉＣ層内の積層欠陥密度が高い領域ＲＧ１には主にＢ原子をドープし、ＳｉＣ層内の積層欠陥密度が低い領域ＲＧ２には主にＶ原子をドープする。その結果、主にＢ原子がドープされた領域ＲＧ１はＳｉＣ層２１となり、主にＶ原子がドープされた領域ＲＧ２はＳｉＣ層２２となる。
【００５７】
領域ＲＧ１にＢ原子をドープする理由は次の通りである。Ｂ原子は、Ａｌ原子と同様にＳｉＣ層をｐ型化する不純物である。本願発明者らは、Ｂ原子はＮ原子と同様に積層欠陥の部分に集中しやすい性質をもっており、Ｂ原子のドープにより発生したｐ型キャリアは、積層欠陥の部分に集中したｎ型キャリアと効果的に結合し、結合したｐ型キャリアおよびｎ型キャリアは消滅すると推測した。その結果、領域ＲＧ１内のキャリアの数が減少し、ＳｉＣ層２１を高抵抗化することができる。一方、ＳｉＣのバンドギャップにおいてＢ原子はＡｌ原子に比べて深いアクセプタ準位を形成する。このため、Ｂ原子はＡｌ原子に比べて、ＳｉＣ層にドープされた場合のＳｉＣ層のｐ型化への寄与が小さい。したがって、領域ＲＧ１へのドーパントとしてＢ原子を採用することにより、領域ＲＧ１が過度にｐ型化されて低抵抗化される事態を抑止することができる。
【００５８】
また、Ｖ原子は、ＳｉＣのバンドギャップのちょうど中央部に深い準位を形成する性質を有しており、キャリアを補償する性質を有する不純物である。ＳｉＣ層内の積層欠陥密度が低い領域ＲＧ２にＶ原子をドープすることで、領域ＲＧ２内にわずかに存在するｎ型キャリアがＶ原子によって補償され、ＳｉＣ層２２を高抵抗化することができる。
【００５９】
その結果、ＳｉＣ層２全体にわたってキャリア濃度を低減することができ、ＳｉＣ層２を高抵抗化することができ、ＧａＮ高周波デバイスの形成に適した高抵抗層を有する化合物半導体基板を実現することができる。
【００６０】
［変形例］
【００６１】
図９は、本発明の一実施の形態の変形例における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。
【００６２】
図９を参照して、本変形例における化合物半導体基板ＣＳ２は、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいる。化合物半導体基板ＣＳ２は、化合物半導体基板ＣＳ１の構成に加えて、ＧａＮ層７（電子走行層の一例）と、Ａｌ窒化物半導体層１０（障壁層の一例）と、ソース電極１１と、ゲート電極１３と、ドレイン電極１５とを備えている。
【００６３】
ＧａＮ層７は、ＳｉＣ層２と接触してＳｉＣ層２上に形成されている。ＧａＮ層７には不純物が導入されておらず、ＧａＮ層７はＨＥＭＴの電子走行層となる。ＧａＮ層７は、たとえば１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の厚さを有している。
【００６４】
ＧａＮ層７は、たとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえば、ＴＭＧ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ）や、ＴＥＧ（Ｔｒｉ  Ｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ）などが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3（アンモニア）などが用いられる。
【００６５】
Ａｌ窒化物半導体層１０は、ＧａＮ層７に接触しており、ＧａＮ層７上に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層１０は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される材料よりなっている。またＡｌ窒化物半導体層１０は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される材料よりなっていてもよい。Ａｌ窒化物半導体層１０は、ＨＥＭＴの電位障壁層となる。Ａｌ窒化物半導体層１０は、たとえば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。
【００６６】
Ａｌ窒化物半導体層１０は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）や、ＴＥＡ（Ｔｒｉ  Ｅｔｈｙｌ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）などが用いられる。Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧやＴＥＧなどが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ3などが用いられる。
【００６７】
ソース電極１１、ゲート電極１３、およびドレイン電極１５の各々は、Ａｌ窒化物半導体層１０上に互いに間隔を空けて形成されている。ソース電極１１およびドレイン電極１５の各々は、Ａｌ窒化物半導体層１０にオーミック接触している。ゲート電極１３は、Ａｌ窒化物半導体層１０にショットキー接触している。ソース電極１１およびドレイン電極１５の各々は、たとえば、Ａｌ窒化物半導体層１０側から順にＴｉ（チタン）層およびＡｌ層を積層した構造を有している。ゲート電極１３は、たとえば、Ａｌ窒化物半導体層１０側から順にＮｉ（ニッケル）層およびＡｕ（金）層を積層した構造を有している。ソース電極１１、ゲート電極１３、およびドレイン電極１５の各々は、たとえば蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、またはスパッタ法などにより形成される。
【００６８】
なお、ＳｉＣ層２とＧａＮ層７との間にＡｌＮなどよりなるバッファー層が形成されていてもよい。
【００６９】
本変形例によれば、高抵抗の化合物半導体基板ＣＳ１上にＨＥＭＴが形成されるので、ＨＥＭＴの動作時の電力損失およびリーク電流を低く抑えることができる。
【００７０】
［実施例］
【００７１】
本願発明者らは、上述の実施の形態の化合物半導体基板の効果を確認すべく、以下の実験を行った。
【００７２】
比較例１、比較例２、および本発明例１の各々の化合物半導体基板を以下の条件で作製した。
【００７３】
比較例１：ＳｉＣ層全体にＢ原子がドープされるような条件で、Ｓｉ基板の表面にＳｉＣ層を形成した。
【００７４】
比較例２：ＳｉＣ層全体にＶ原子がドープされるような条件で、Ｓｉ基板の表面にＳｉＣ層を形成した。
【００７５】
本発明例１：Ｓｉ基板に近いＳｉＣ層の領域にＢ原子がドープされ、Ｓｉ基板から遠いＳｉＣ層の領域にＶ原子がドープされるような条件で、Ｓｉ基板の表面にＳｉＣ層を形成した。
【００７６】
続いて、比較例１、比較例２、および本発明例１の各々の物性を、ＳＣＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて計測した。
【００７７】
図１０は、本発明の一実施例における比較例１のＳＣＭの計測結果を示す図である。図１０（ａ）は、ＳＣＭで得られたＳｉＣ層のｄＣ／ｄＶ像である。図１０（ｂ）は、ＳＣＭで得られたキャリア濃度プロファイルである。
【００７８】
なお、図１０（ａ）、図１１（ａ）、および図１２（ａ）の実際の画像はカラー画像であり、実際の画像では、ｐ型の導電型の部分は赤色、ｎ型の導電型の部分は青色、非導電型の部分は黒色を呈している。図面では、ｐ型またはｎ型の導電型の場合には明るい色で表示されており、非導電型の場合には暗い色で表示されている。
【００７９】
図１０を参照して、比較例１では、Ｓｉ基板に近いＳｉＣ層の領域は非導電型である一方で、Ｓｉ基板から離れたＳｉＣ層の領域（特に領域Ｘ１）はｐ型の導電型であった。また、キャリア濃度プロファイルでは、主に領域Ｘ１に対応する領域で１×１０16／ｃｍ3〜１×１０17／ｃｍ3のキャリア濃度となった。このことから、ＳｉＣ層全体にＢ原子をドープした場合には、Ｓｉ基板に近いＳｉＣ層の領域のキャリアを減らすことができるものの、Ｓｉ基板から離れたＳｉＣ層の領域にはｐ型のキャリアが存在することが分かった。
【００８０】
図１１は、本発明の一実施例における比較例２のＳＣＭの計測結果を示す図である。図１１（ａ）は、ＳＣＭで得られたＳｉＣ層のｄＣ／ｄＶ像である。図１１（ｂ）は、ＳＣＭで得られたキャリア濃度プロファイルである。
【００８１】
図１１を参照して、比較例２では、Ｓｉ基板から離れたＳｉＣ層の領域は非導電型である一方で、Ｓｉ基板に近いＳｉＣ層の領域（特に領域Ｘ２）はｎ型の導電型であった。また、キャリア濃度プロファイルでは、主に領域Ｘ２に対応する領域で１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3のキャリア濃度となった。このことから、ＳｉＣ層全体にＶ原子をドープした場合には、Ｓｉ基板から離れたＳｉＣ層の領域のキャリアを減らすことができるものの、Ｓｉ基板に近いＳｉＣ層の領域にはｎ型のキャリアが存在することが分かった。
【００８２】
図１２は、本発明の一実施例における本発明例１のＳＣＭの計測結果を示す図である。図１２（ａ）は、ＳＣＭで得られたＳｉＣ層のｄＣ／ｄＶ像である。図１２（ｂ）は、ＳＣＭで得られたキャリア濃度プロファイルである。
【００８３】
図１２を参照して、本発明例１では、ＳｉＣ層の厚さ方向の中央部の狭い領域である領域Ｘ３がｐ型の導電型であった以外は、全体にわたって非導電型であった。また、キャリア濃度プロファイルでは、主に領域Ｘ３に対応する領域で１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3のキャリア濃度となったものの、全体的には１×１０16／ｃｍ3以下のキャリア濃度となった。このことから、Ｓｉ基板に近いＳｉＣ層の領域にＢ原子をドープし、Ｓｉ基板から遠いＳｉＣ層の領域にＶ原子をドープした場合には、中央部の狭い領域を除くＳｉＣ層全体にわたってキャリアを減らすことができることが分かった。
【００８４】
次に、比較例１、比較例２、および本発明例１の各々のＳｉＣ層の抵抗率を、渦電流法を用いて計測した。
【００８５】
図１３は、本発明の一実施例における比較例１、比較例２、および本発明例１の各々のＳｉＣ層の抵抗率の計測結果を示す図である。
【００８６】
図１３を参照して、比較例１の抵抗率は４．０Ωｃｍであり、比較例２の抵抗率は３．２Ωｃｍであった。一方、本発明例１の抵抗率は、測定限界となる上限値（６Ωｃｍ）以上の値であった。これらの結果から、本発明例１ではＳｉＣ層を高抵抗化できることが分かった。
【００８７】
［その他］
【００８８】
上述の実施の形態および実施例は、適宜組み合わせることが可能である。
【００８９】
上述の実施の形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９０】
１  Ｓｉ（ケイ素）基板
１ａ  Ｓｉ基板の表面（Ｓｉ基板の主面の一例）
２，２１，２２  ＳｉＣ（炭化ケイ素）層（ＳｉＣ層、第１のＳｉＣ層、および第２のＳｉＣ層の一例）
２ａ  ＳｉＣ層の表面
７  ＧａＮ（窒化ガリウム）層（電子走行層の一例）
１０  Ａｌ（アルミニウム）窒化物半導体層（障壁層の一例）
１１  ソース電極
１３  ゲート電極
１５  ドレイン電極
ＢＲ  界面
ＣＳ１，ＣＳ２  化合物半導体基板
ＲＧ１，ＲＧ２  ＳｉＣ層内の領域
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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