(57)【要約】【課題】従来に比べて高い電子移動度を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を含む半導体デバイスを提供する。【解決手段】半導体デバイス２は、支持基板１０と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と、を含む半導体層付基板１を含み、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つについて、２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下である。【選択図】図１
2015191925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に配置されかつ前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体層付基板を含む半導体デバイスであって、
前記半導体層付基板および前記半導体デバイスの少なくとも一つについて、２０Ｋ以下の温度で測定される前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下である半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度が９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上である請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のｎ型キャリア濃度が２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下である請求項１または請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のｎ型キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記強度比ＩA／ＩFが０．００７５以下、かつ、前記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記支持基板は、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含む請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
支持基板を準備する工程と、
前記支持基板の一主面側に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に、前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することにより半導体層付基板を形成する工程と、前記半導体層付基板を含む半導体デバイスを形成する工程と、を含み、
前記半導体層付基板および前記半導体デバイスの少なくとも一つを用いて２０Ｋ以下の温度で測定される前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際の原料について、ＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIが５０００以上になるように前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項７に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際の層形成速度が３μｍ／ｈ以下となるように前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項７または請求項８に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際に、前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度が９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上となるように、前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際に、前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のｎ型キャリア濃度が２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下となるように、前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際に、前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のｎ型キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下となるように、前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際に、前記強度比ＩA／ＩFが０．００７５以下、かつ、前記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下となるように、前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記支持基板は、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含む請求項７から請求項１３のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際に、原料ガスを３層流とし、前記３層流の内、前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の主面に対して、最も近くの領域を流れる第１の層流は窒素原料ガスとしてアンモニアガスを含み、前記第１の層流に比べて遠くの領域を流れる第２の層流はＩＩＩ族元素原料ガスを含み、前記第２の層流に比べて遠くの領域を流れる第３の層流はサブフローガスとしてアンモニアガスを含む請求項７から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
支持基板と、前記支持基板の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に配置されかつ前記第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体層付基板を含む半導体デバイスの評価方法であって、
前記半導体層付基板および前記半導体デバイスの少なくとも一つを用いて、２０Ｋ以下の温度で前記第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルを測定して、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下を良品の基準とする半導体デバイスの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を含む半導体デバイス、その製造方法およびその評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体は、Ｓｉに比べて約３倍の大きなバンドギャップエネルギーを有し、Ｓｉに比べて約１０倍の大きな絶縁破壊強度を有しているため、電力の変換や制御を行うパワーデバイスとしての利用が期待されている。
【０００３】
たとえば、Yu Saitoh et. al., "Extremely Low On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on Low-Dislocation GaN Substrate", Applied Physics Express 3 (2010) 081001（非特許文献１）では、ＧａＮ基板上にＧａＮドリフト層を形成することにより、ＧａＮドリフト層の電子移動度が９３０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であるＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が得られたことが報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Yu Saitoh et. al., "Extremely Low On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on Low-Dislocation GaN Substrate", Applied Physics Express 3 (2010) 081001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧａＮ基板およびＧａＮドリフト層により形成されたＧａＮ系ＳＢＤにおいては、ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度が低いため、オン抵抗値が高くなるという問題点がある。Yu Saitoh et. al., "Extremely Low On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on Low-Dislocation GaN Substrate", Applied Physics Express 3 (2010) 081001（非特許文献１）に開示されているように、従来のＧａＮ系ＳＢＤにおいては、ＧａＮドリフト層のＳｉ濃度が８×１０15ｃｍ-3のとき、ＧａＮドリフト層の電子移動度は９３０ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1程度までが上限であった。
【０００６】
そこで、本発明のある目的は、半導体デバイス特性のさらなる向上のため、従来に比べて高い電子移動度を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を含む半導体デバイスおよびその製造方法を提供することである。
【０００７】
また、半導体デバイスのＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度の測定には通常ホール測定が用いられる。しかしながら、ＳＢＤなどの半導体デバイスのホール測定においては、対象とするＩＩＩ族窒化物半導体層のみの電子移動度を算出することが困難であった。また、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）測定では、ＩＩＩ族窒化物半導体層の不純物濃度を測定できるが、不純物濃度と電子移動度との相関が低いという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の別の目的は、半導体層付基板または半導体デバイスにおいて、対象とするＩＩＩ族窒化物半導体層のみの電子移動度を評価して、半導体デバイスの良否を判断することができる半導体デバイスの評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ある局面に従えば、支持基板と、支持基板の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に配置されかつ第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体層付基板を含む半導体デバイスであって、半導体層付基板および半導体デバイスの少なくとも一つについて、２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下である半導体デバイスである。
【００１０】
本発明は、別の局面に従えば、支持基板を準備する工程と、支持基板の一主面側に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することにより半導体層付基板を形成する工程と、半導体層付基板を含む半導体デバイスを形成する工程と、を含み、半導体層付基板および半導体デバイスの少なくとも一つを用いて２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件を調整する半導体デバイスの製造方法である。
【００１１】
本発明は、さらに別の局面に従えば、支持基板と、支持基板の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に配置されかつ第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体層付基板を含む半導体デバイスの評価方法であって、半導体層付基板および半導体デバイスの少なくとも一つを用いて、２０Ｋ以下の温度で第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルを測定して、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下を良品の基準とする半導体デバイスの評価方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来に比べて高い電子移動度を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を含む半導体デバイスおよびその製造方法を提供できる。また、対象とするＩＩＩ族窒化物半導体層のみの電子移動度を評価して、半導体デバイスの良否を判断することができる半導体デバイスの評価方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明にかかる半導体デバイスの一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明にかかる半導体デバイスの別の例を示す概略断面図である。
【図３】本発明にかかる半導体デバイスのさらに別の例を示す概略断面図である。
【図４】本発明にかかる半導体デバイスの製造方法の一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明にかかる半導体デバイスの第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルの一例を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜本発明の実施形態の説明＞
本発明のある実施形態である半導体デバイス２は、支持基板１０と、支持基板１０の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に配置されかつ第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と、を含む半導体層付基板１を含む。ここで、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つについて、２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下である。
【００１５】
本実施形態の半導体デバイス２は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下であることから、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がよく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が高い。
【００１６】
本実施形態の半導体デバイス２において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上とすることができる。これにより、従来よりも高い電子移動度を有する半導体デバイスが得られる。
【００１７】
本実施形態の半導体デバイス２において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度を２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下とすることができる。これにより、高い電子移動度および低いオン抵抗を有する半導体デバイスが得られる。
【００１８】
本実施形態の半導体デバイス２において、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下とすることができる。これにより、高い結晶性および低いオン抵抗を有する半導体デバイスが得られる。
【００１９】
本実施形態の半導体デバイス２において、上記強度比ＩA／ＩFを０．００７５以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDを０．２５以下とすることができる。これにより、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がさらによく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度がさらに高い半導体デバイスが得られる。
【００２０】
本実施形態の半導体デバイスにおいて、支持基板は、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含むことができる。これにより、品質の高い第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型族窒化物半導体層２２を有する半導体デバイスが得られる。
【００２１】
本発明の別の実施形態である半導体デバイス２の製造方法は、支持基板１０を準備する工程と、支持基板１０の一主面側に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する工程と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成することにより半導体層付基板１を形成する工程と、半導体層付基板１を含む半導体デバイス２を形成する工程と、を含む。ここで、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つを用いて２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のフォトルミネッセンススペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整する。
【００２２】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整することにより、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がよく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が高い半導体デバイスが得られる。
【００２３】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際の原料について、ＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIを５０００以上とすることができる。これにより、品質の高い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２が形成され、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度がより高い半導体デバイスが得られる。
【００２４】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する際の層形成速度を２μｍ／ｈ以下とすることができる。これにより、品質の高い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層が形成され、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度がより高い半導体デバイスが得られる。
【００２５】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整することができる。これにより、従来よりも高い電子移動度を有する半導体デバイスが得られる。
【００２６】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度が２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整することができる。これにより、高い電子移動度および低いオン抵抗を有する半導体デバイスが得られる。
【００２７】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する際に、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下となるように、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１の形成条件を調整することができる。これにより、高い結晶性および低いオン抵抗を有する半導体デバイスが得られる。
【００２８】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、上記強度比ＩA／ＩFが０．００７５以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整することができる。これにより、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がさらによく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度がさらに高い半導体デバイスが得られる。
【００２９】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、支持基板１０は、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含むことができる。これにより、品質の高い第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層および第２のｎ型族窒化物半導体層を有する半導体デバイスが得られる。
【００３０】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、原料ガスを３層流Ｆとし、３層流Ｆの内、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の主面に対して、最も近くの領域を流れる第１の層流Ｆ１は窒素原料ガスとしてアンモニアガスを含み、第１の層流Ｆ１に比べて遠くの領域を流れる第２の層流Ｆ２はＩＩＩ族元素原料ガスを含み、第２の層流Ｆ２比べて遠くの領域を流れる第３の層流Ｆ３はサブフローガスとしてアンモニアガスを含むことができる。これにより、原料ガスの全体のフローバランスを崩すことなく、アンモニアガスの供給量を増大させることにより、原料ガス中のＶ／ＩＩＩ比（原料ガス中のＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIII）を高められるため、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度が高い半導体デバイスが得られる。
【００３１】
本発明のさらに別の実施形態である半導体デバイス２の評価方法は、支持基板１０と、支持基板１０の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に配置されかつ第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と、を含む半導体層付基板１を含む半導体デバイス２の評価方法である。ここで、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つを用いて、２０Ｋ以下の温度で第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のフォトルミネッセンススペクトルを測定して、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下を良品の基準とする。
【００３２】
本実施形態の半導体デバイス２の評価方法は、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のフォトルミネッセンススペクトルを測定することにより、電子移動度との相関が強い上記強度比ＩA／ＩFおよび上記強度比ＩA／ＩDの値を評価するものであることから、対象となる実際の半導体デバイスの電子移動度を比較的簡便に評価できる。
【００３３】
＜本発明の実施形態の詳細＞
［実施形態１：半導体デバイス］
図１〜図３を参照して、本発明のある実施形態である半導体デバイス２は、支持基板１０と、支持基板１０の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に配置されかつ第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と、を含む半導体層付基板１を含む半導体デバイス２である。ここで、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つについて、２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下である。
【００３４】
本実施形態の半導体デバイス２は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下であることから、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がよく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が高い。
【００３５】
（支持基板）
図１〜図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２における支持基板１０は、特に制限はないが、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型族窒化物半導体層２２の品質を高くするために、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型族窒化物半導体層２２との結晶構造および／または格子定数の整合性が高い観点から、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含むことが好ましく、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の一つであることがより好ましく、ＧａＮ基板であることがさらに好ましい。
【００３６】
（第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層）
図１〜図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２における第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１は、支持基板１０の一主面側に配置されていればよく、図１に示すように支持基板１０と直接的に接合していてもよく、図２および図３に示すように後述するＩＩＩ族窒化物バッファ層２０を介在して間接的に接合していてもよい。
【００３７】
第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１は、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのＩＩＩ族元素と窒素とを主たる構成元素とする半導体層であれば特に制限はないが、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１の品質を高くするために、支持基板１０との結晶構造および格子定数の整合性が高いことが好ましく、支持基板１０がＧａＮ基板の場合は、ｎ型ＧａＮ層であることが好ましい。
【００３８】
第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度は、特に制限はないが、半導体デバイス２のオン抵抗を低くする観点から、１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下が好ましい。ここで、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度は、ホール測定法、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）測定法などにより測定できる。
【００３９】
（第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層）
図１〜図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２における第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に配置されている。
【００４０】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２は、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのＩＩＩ族元素と窒素とを主たる構成元素とする半導体層であれば特に制限はないが、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質を高くするために、支持基板１０との結晶構造および格子定数の整合性が高いことが好ましく、支持基板１０がＧａＮ基板の場合は、ｎ型ＧａＮ層であることが好ましい。
【００４１】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べて、ｎ型キャリア濃度が低い。このため、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２がドリフト層として機能する半導体デバイスが得られる。
【００４２】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は、半導体デバイスの特性を高くする観点から、９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上が好ましく、１０００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上がより好ましく、１０５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上がさらに好ましく、１１００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上が特に好ましい。
【００４３】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は、特に制限はないが、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を高くし半導体デバイス２のオン抵抗を低くする観点から、２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０15ｃｍ-3以上２×１０16ｃｍ-3以下がより好ましい。ここで、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のキャリア濃度は、ホール測定法、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）測定法などにより測定できる。
【００４４】
（第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトル）
本実施形態の半導体デバイス２は、２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンススペクトル）において、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下である。
【００４５】
本実施形態の半導体デバイス２は、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がよく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が高い観点から、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下かつ上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下であり、上記強度比ＩA／ＩFが０．００７５以下かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下が好ましい。
【００４６】
半導体デバイス２の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を評価する従来の方法の方法として、以下の３つの方法が挙げられる。第１の方法は、半導体デバイス２の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の厚さを変えて測定した電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性から電子移動度を算出する方法である。第２の方法は、半導体デバイス２の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のホール効果測定により電子移動度を算出する方法である。第３の方法は、半導体デバイス２の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により測定したドナー不純物を補償し電子移動度を低下させる不純物（以下、補償不純物という）の濃度から電子移動度を算出する方法である。
【００４７】
第１の方法では、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の厚さが互いに異なる複数の半導体デバイスを準備する必要があり、コスト、時間および労力が大きいという問題があった。また、対象とする半導体デバイスでの評価ができないという問題もあった。
【００４８】
第２の方法では、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２は第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低いことから第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２よりも第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に多くの電流が流れるため、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を正確に算出するのが困難であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を正確に算出するために、対象とする半導体デバイスとは別の半導体デバイスとして、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１の替わりに第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２よりｎ型キャリア濃度の低い高抵抗のＩＩＩ族窒化物半導体層を配置した半導体デバイスまたは第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２よりｎ型キャリア濃度が低い高抵抗のＩＩＩ族窒化物の支持基板上に直接的に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を配置した半導体デバイスを準備する必要がある。すなわち、第２の方法では、対象とする半導体デバイスでの評価ができず、対象とする半導体デバイスとは別の半導体デバイスを準備する必要があり、コスト、時間および労力が大きいという問題があった。
【００４９】
第３の方法では、ＳＩＭＳで測定される不純物が補償不純物となるのかどうか、また、電子移動度にどの程度影響するのかの判別が困難であり、電子移動度との相関が低いという問題があった。また、ＳＩＭＳ測定においては、不純物の種類が多くなるほど、測定のためのコスト、時間および労力が大きいという問題があった。
【００５０】
本実施形態の半導体デバイス２においては、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を、２０Ｋ以下の温度雰囲気下で測定した第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルにより評価する。
【００５１】
図５を参照して、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２がキャリア濃度が５×１０15ｃｍ-3のｎ型ＧａＮ層である場合、４Ｋの温度雰囲気下で測定された半導体層付基板１の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の３．４４ｅＶから３．５ｅＶまでのエネルギー領域内のＰＬスペクトルには、高エネルギー側から、自由励起子に由来する発光ピークである自由励起子発光ピークＰF、ドナー束縛励起子に由来する発光ピークであるドナー束縛励起子発光ピークＰD、およびアクセプタ束縛励起子に由来する発光ピークであるアクセプタ束縛励起子発光ピークＰAが、順に現れる。ここで、自由励起子発光ピークＰFは、自由の重正孔励起子に由来する自由重正孔励起子発光ピークＰFHと、自由の軽正孔励起子に由来する自由軽正孔励起子発光ピークＰFLと、の２つの発光ピークを含む。自由励起子発光ピークＰFの上記２つのピークに対応して、ドナー束縛励起子発光ピークＰDおよびアクセプタ束縛励起子発光ピークＰAは、それぞれ２つのピークを含む。
【００５２】
また、自由励起子発光ピークＰFの強度である自由励起子発光ピーク強度ＩFは、結晶性の高さ、結晶の完全性の高さ、不純物濃度の低さなどの結晶品質の高さを反映し、ドナー束縛励起子発光ピークＰDの強度であるドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDは、ドナーとなる不純物であるドナー不純物の濃度を反映し、アクセプタ束縛励起子発光ピークＰAの強度であるアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAは、ドナー不純物を補償する補償不純物の濃度を反映する。ここで、自由励起子発光ピーク強度ＩFは２つのピークを含む自由励起子発光ピークＰFの積算強度であり、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDは２つのピークを含むドナー束縛励起子発光ピークＰDの積算強度であり、アクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAは２つのピークを含むアクセプタ束縛励起子発光ピークＰAの積算強度である。
【００５３】
ここで、ドナー束縛励起子発光ピークＰDおよびアクセプタ束縛励起子発光ピークＰAがそれぞれドナー不純物および補償不純物の状態を反映しているため、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDおよびアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAは、ＳＩＭＳで測定される不純物の濃度に比べて、電子移動度との相関が高い。また、ＰＬ（フォトルミネッセンス）は、対象とする半導体デバイスでの測定が可能であり、測定も比較的簡便である。
【００５４】
なお、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルは、自由励起子発光ピークＰF、ドナー束縛励起子発光ピークＰDおよびアクセプタ束縛励起子発光ピークＰAを明確に識別して観測して、自由励起子発光ピーク強度ＩF、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩD、アクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩA、強度比ＩA／ＩDおよび強度比ＩA／ＩDを正確に算出する観点から、２０Ｋ以下の温度で測定することが必要であり、１０Ｋ以下の温度で測定することが好ましい。
【００５５】
（ＩＩＩ族窒化物バッファ層）
図２および図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２は、支持基板１０が、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の少なくとも一つと化学組成が異なる異組成基板の場合、たとえば、シリコン基板またはサファイア基板である場合は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質を高くする観点から、支持基板１０と第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１との間にＩＩＩ族窒化物バッファ層２０が配置されていることが好ましい。
【００５６】
ここで、ＩＩＩ族窒化物バッファ層２０は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２に比べて低温で成長させることにより形成される層であり、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２に比べて結晶性が低いため、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と支持基板１０との結晶構造および／または格子定数の不整合を緩和する。
【００５７】
ＩＩＩ族窒化物バッファ層２０は、特に制限はないが、半導体デバイス２のオン抵抗を低減する観点から、ｎ型の導電型を有していることが好ましく、ｎ型キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下が好ましい。
【００５８】
（第１の電極）
図１〜図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２は、半導体デバイス２としての機能を発現する観点から、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２上に第１の電極３０が配置されていることが好ましい。
【００５９】
第１の電極３０は、半導体デバイス２としての機能を発現する観点から、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２とショットキー接触するショットキー電極であることが好ましい。さらに、第１の電極３０は、特に制限はないが、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２とショットキー接触する観点から、Ｎｉ電極、Ａｕ電極、Ｒｄ電極、Ｐｔ極、Ｎｉ／Ａｕ電極などが好ましい。
【００６０】
ここで、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２は、第１の電極３０とショットキー接触する観点から、そのｎ型キャリア濃度が２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０15ｃｍ-3以上２×１０16ｃｍ-3以下がより好ましい。
【００６１】
（第２の電極）
図１〜図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２は、半導体デバイス２としての機能を発現する観点から、支持基板１０上（図１および図２）または第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上（図３）に第２の電極４０が配置されていることが好ましい。
【００６２】
第２の電極４０は、半導体デバイス２としての機能を発現するとともにオン抵抗を低くする観点から、支持基板１０または第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１とオーミック接触するオーミック電極であることが好ましい。さらに、第２の電極４０は、特に制限はないが、支持基板１０または第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１とオーミック接触する観点から、Ｔｉ電極、Ａｌ電極、Ｔｉ／Ａｌ電極などが好ましい。
【００６３】
ここで、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および／または支持基板１０は、第２の電極４０とオーミック接触する観点から、そのｎ型キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下が好ましい。
【００６４】
（半導体デバイスの構造）
図１〜図３を参照して、本実施形態の半導体デバイス２は、その構造に特に制限はない。図１および図２に示すように、支持基板１０がＧａＮ基板やシリコン基板などの導電性を有する基板（導電性基板）およびＩＩＩ族窒化物バッファ層２０がｎ型ＧａＮ層やｎ型ＡｌＮ層などの導電性を有する層（導電性層）の場合、第１の電極３０と第２の電極４０とがそれぞれ半導体デバイス２の一方の主面側と他方の主面側に配置される両側電極構造であってもよい。また、図３に示すように、支持基板１０がサファイア基板などの導電性を有さない基板（絶縁性基板）またはＩＩＩ族窒化物バッファ層が低温成長ＧａＮ層や低温成長ＡｌＮ層などの導電性を有さない層（絶縁性層）の場合、第１の電極３０と第２の電極４０とがいずれも半導体デバイス２の一方の主面側に配置される片側電極構造であってもよい。
【００６５】
図３を参照して、片側電極構造の半導体デバイス２において、第１の電極３０は第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２上に配置され、第２の電極４０は第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の一部をメサエッチングすることにより一部が表面に露出した第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に配置することができる。
【００６６】
［実施形態２：半導体デバイスの製造方法］
図１〜図３を参照して、本発明の別の実施形態である半導体デバイス２の製造方法は、支持基板１０を準備する工程と、支持基板１０の一主面側に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する工程と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成することにより半導体層付基板１を形成する工程と、半導体層付基板１を含む半導体デバイス２を形成する工程と、を含む。ここで、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つを用いて２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整する。
【００６７】
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整することにより、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がよく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が高い半導体デバイスが得られる。
【００６８】
（支持基板を準備する工程）
図１〜図３を参照して、支持基板１０を準備する工程において準備される支持基板１０は、特に制限はないが、品質の高い第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を有する半導体デバイス２を得るために、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型族窒化物半導体層２２との結晶構造および／または格子定数の整合性が高い観点から、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の少なくとも一つを含むことが好ましく、ＧａＮ基板、シリコン基板、およびサファイア基板の一つであることがより好ましく、ＧａＮ基板であることがさらに好ましい。支持基板１０は、反応炉１００の反応室１１０内のサセプタ１１２上に配置される。
【００６９】
（第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程）
図１〜図３を参照して、支持基板１０の一主面側に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する工程において、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する方法は、特に制限はないが、品質の高い第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する観点から、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法、昇華法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法、アモノサーマル法などの超臨界流体法などが好ましい。さらに、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度および厚さの調節が容易な観点から、ＭＯＣＶＤ法が特に好ましい。
【００７０】
第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する工程において、特に制限はないが、品質のよい第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する観点から、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する際の原料について、ＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、１０００以上が好ましく、２０００以上がより好ましい。また、品質のよい第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する観点から、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する際の層形成速度は、１０μｍ／ｈ以下が好ましく、５μｍ／ｈ以下がより好ましい。
【００７１】
第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する工程において、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上５×１０18ｃｍ-3以下となるように、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１の形成条件を調整することができる。これにより、高い結晶性および低いオン抵抗を有する半導体デバイス２が得られる。
【００７２】
図２および図３を参照して、支持基板１０が第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および／または第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と化学組成が異なる異組成基板（たとえば、シリコン基板、サファイア基板など）の場合、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質を高くする観点から、支持基板１０上にＩＩＩ族窒化物バッファ層２０を形成した後、ＩＩＩ族窒化物バッファ層２０上に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成することが好ましい。ここで、ＩＩＩ族窒化物バッファ層を形成する方法は、特に制限はなく、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法、昇華法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法、アモノサーマル法などの超臨界流体法などが挙げられる。
【００７３】
また、図４を参照して、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１を形成する際に、原料ガスを３層流Ｆとし、３層流Ｆの内、支持基板１０またはＩＩＩ族窒化物バッファ層２０の主面に対して、最も近くの領域を流れる第１の層流Ｆ１は窒素原料ガスとしてアンモニアガスを含み、第１の層流Ｆ１に比べて遠くの領域を流れる第２の層流Ｆ２はＩＩＩ族元素原料ガスを含み、第２の層流Ｆ２比べて遠くの領域を流れる第３の層流Ｆ３はサブフローガスとしてアンモニアガスを含むことができる。これにより、原料ガスの全体のフローバランスを崩すことなく、アンモニアガスの供給量を増大させることにより、原料ガス中のＶ／ＩＩＩ比（原料ガス中のＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIII）を高めるため、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の品質が高い半導体デバイスが得られる。
【００７４】
（第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成することにより半導体層付基板を形成する工程）
図１〜図３を参照して、半導体層付基板１を形成する工程において、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する。
【００７５】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２は、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べて、ｎ型キャリア濃度が低い。このため、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２がドリフト層として機能する半導体層付基板１を含む半導体デバイス２が得られる。
【００７６】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する方法は、特に制限はないが、品質の高い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する観点から、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法、昇華法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法、アモノサーマル法などの超臨界流体法などが好ましい。さらに、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度および厚さの調節が容易な観点から、ＭＯＣＶＤ法が特に好ましい。
【００７７】
また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際の原料について、ＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、品質の高い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２が形成され、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度がより高い半導体デバイスが得られる観点から、５０００以上が好ましく、１００００以上がより好ましい。
【００７８】
また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際の層形成速度は、品質の高い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層が形成され、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度がより高い半導体デバイスが得られる観点から、３μｍ／ｈ以下が好ましく、２μｍ／ｈ以下がより好ましい。
【００７９】
また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は、従来よりも高い電子移動度を有する半導体デバイス２が得られる観点から、９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上が好ましく、１０００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上がより好ましく、１０５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上がさらに好ましく、１１００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上が特に好ましい。
【００８０】
また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は、高い電子移動度および低いオン抵抗を有する半導体デバイスが得られる観点から、２×１０15ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、５×１０15ｃｍ-3以上２×１０16ｃｍ-3以下がより好ましい。
【００８１】
（第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルによる第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件の調整）
本実施形態の半導体デバイス２の製造方法においては、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも１つを用いて２０Ｋ以下の温度で測定される第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整する。かかる形成条件の調整により、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質がよく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度が高い半導体デバイス２が得られる。
【００８２】
また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件の調整は、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の品質をさらによく、特に第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度をさらに高くする観点から、上記強度比ＩA／ＩFが０．００７５以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下となるようにすることが好ましい。
【００８３】
また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルの測定は、半導体層付基板１を用いて行うことから、対象とする半導体デバイス２について、コスト、時間および労力を低減して評価することができる。
【００８４】
ここで、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整する方法は、特に制限はなく、たとえば、ある形成条件で形成した第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を含む半導体層付基板１および半導体層付基板１を含む半導体デバイス２の少なくとも１つを用いて測定したその第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルから、上記強度比ＩA／ＩFおよび上記強度比ＩA／ＩDを算出し、これらの値がそれぞれ０．０１以下および０．３５以下でない場合は、それぞれ０．０１以下および０．３５以下になるように第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を変更する。次に、変更後の形成条件で形成した第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を含む半導体層付基板を用いて測定したその第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルから、上記強度比ＩA／ＩFおよび上記強度比ＩA／ＩDを算出し、これらの値がそれぞれ０．０１以下および０．３５以下でない場合は、それぞれ０．０１以下および０．３５以下になるように第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件をさらに変更する。このように、トライアル・アンド・エラーを繰り返して、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるように、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件を調整することができる。
【００８５】
ここで、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルにおいて、上記強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．３５以下となるようにするのに有効な第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件は、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際の原料について、ＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIを、好ましくは５０００以上とし、より好ましくは１００００以上とすることであり、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際の層形成速度を、好ましくは３μｍ／ｈ以下とし、より好ましくは２μｍ／ｈ以下とすることである。
【００８６】
また、図４を参照して、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を形成する際に、原料ガスを３層流Ｆとし、３層流Ｆの内、支持基板１０またはＩＩＩ族窒化物バッファ層２０の主面に対して、最も近くの領域を流れる第１の層流Ｆ１は窒素原料ガスとしてアンモニアガスを含み、第１の層流Ｆ１に比べて遠くの領域を流れる第２の層流Ｆ２はＩＩＩ族元素原料ガスを含み、第２の層流Ｆ２比べて遠くの領域を流れる第３の層流Ｆ３はサブフローガスとしてアンモニアガスを含むことができる。これにより、原料ガスの全体のフローバランスを崩すことなく、アンモニアガスの供給量を増大させることにより、原料ガス中のＶ／ＩＩＩ比（原料ガス中のＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIII）を高めるため、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の品質が高い半導体デバイスが得られる。
【００８７】
［実施形態３：半導体デバイスの評価方法］
図１〜図３を参照して、本発明のさらに別の実施形態である半導体デバイス２の評価方法は、支持基板１０と、支持基板１０の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に配置されかつ第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２と、を含む半導体層付基板１を含む半導体デバイス２の評価方法である。ここで、半導体層付基板１および半導体デバイス２の少なくとも一つを用いて、２０Ｋ以下の温度で第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルを測定して、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下、かつ、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下を良品の基準とする。
【００８８】
本実施形態の半導体デバイス２の評価方法は、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルを測定することにより、電子移動度との相関が強い上記強度比ＩA／ＩFおよび上記強度比ＩA／ＩDの値を評価するものであることから、対象となる実際の半導体デバイスの電子移動度を比較的簡便に評価できる。
【００８９】
本実施形態の半導体デバイス２の評価方法において、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度を高くして半導体デバイス２の特性を向上させる観点から、上記強度比ＩA／ＩFが０．０７５以下、かつ、上記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下を良品の基準とすることが好ましい。
【００９０】
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルの測定は、半導体デバイス２の半導体層付基板１を用いる。また、半導体デバイス２の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の主面が第１の電極で完全に覆われていなければ、半導体デバイス２を用いることができる。また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の主面が透明な絶縁膜に覆われていても、半導体デバイス２を用いることができる。
【実施例】
【００９１】
（実施例１）
１．支持基板の準備
図１を参照して、支持基板１０として、ＨＶＰＥ法により形成した直径が１０ｃｍで厚さが４００μｍでｎ型キャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3のｎ+型ＧａＮ基板を準備した。
【００９２】
２．第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成
図１を参照して、次に、準備した支持基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法により、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１として、厚さが１μｍでｎ型キャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3のｎ+型ＧａＮ層を形成した。ここで、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１のｎ型キャリア濃度は、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）測定法により測定した。かかる第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１の形成条件としては、図４を参照して、３層流Ｆの原料ガスの内、支持基板１０の主面に対して、最も近くの領域を流れる第１の層流Ｆ１は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量が１２．０ｓｌｍ（ここで、１ｓｌｍは標準状態のガスが１分間に１リットル流れる量をいう。以下同じ。）であり、キャリアガスであるＨ2ガスの流量が７．４ｓｌｍであった。第１の層流Ｆ１に比べて遠くの領域を流れる第２の層流Ｆ２は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスの流量が３６．０ｓｃｃｍ（ここで、１ｓｃｃｍは標準状態のガスが１分間に１ｃｍ3流れる量をいう。以下同じ。）であり、不純物原料ガスであるＳｉＨ4（シラン）ガスの流量が３４．４ｓｃｃｍであり、キャリアガスであるＨ2ガスの流量が２９．０ｓｌｍであった。第２の層流Ｆ２比べて遠くの領域を流れる第３の層流Ｆ３は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量が１．５ｓｌｍであり、ＮＨ3ガスの流量が４８ｓｌｍであった。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、６００であった。また、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１の成長は、成長温度が１１３０℃であり、成長圧力が１０１ｋＰａであり、成長速度は３．４μｍ／ｈであった。
【００９３】
３．第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成による半導体層付基板の形成
図１を参照して、次に、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１上に、ＭＯＣＶＤ法により、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２として、厚さが７μｍでｎ型キャリア濃度が５×１０15ｃｍ-3のｎ-型ＧａＮ層を形成した。ここで、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は、Ｃ−Ｖ測定法により測定した。かかる第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の形成条件としては、図４を参照して、３層流Ｆの原料ガスの内、支持基板１０の主面に対して、最も近くの領域を流れる第１の層流Ｆ１は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量が１２．０ｓｌｍであり、キャリアガスであるＨ2ガスの流量が７．４ｓｌｍであった。第１の層流Ｆ１に比べて遠くの領域を流れる第２の層流Ｆ２は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスの流量が３６．０ｓｃｃｍ（ここで、１ｓｃｃｍは標準状態のガスが１分間に１ｃｍ3流れる量をいう。以下同じ。）であり、不純物原料ガスであるＳｉＨ4（シラン）ガスの流量が０．０８６ｓｃｃｍであり、キャリアガスであるＨ2ガスの流量が２９．０ｓｌｍであった。第２の層流Ｆ２比べて遠くの領域を流れる第３の層流Ｆ３は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量が１．５ｓｌｍであり、ＮＨ3ガスの流量が６８ｓｌｍであった。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、８０００であった。また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長は、成長温度が１１３０℃であり、成長圧力が１０１ｋＰａであり、成長速度は３．４μｍ／ｈであった。その後、支持基板１０の裏側の主面（第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２が形成されていない側の主面をいう。以下同じ。）を研磨し、支持基板１０の厚さを２００μｍとした。
【００９４】
このようにして、支持基板１０上に第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２１および第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２がこの順に形成された半導体層付基板１が得られた。
【００９５】
４．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
図１を参照して、次に、得られた半導体層付基板１の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のＰＬスペクトルを４Ｋの温度雰囲気下で測定した。得られたＰＬスペクトルから、自由励起子発光ピーク強度ＩF、ドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩD、アクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩA、強度比ＩA／ＩFおよび強度比ＩA／ＩDを算出した。強度比ＩA／ＩFは０．０１０であり、強度比ＩA／ＩDは０．３５０であった。
【００９６】
５．第１の電極および第２の電極の形成により半導体デバイスの形成
図１を参照して、次に、得られた半導体層付基板１の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の主面上に、電子ビーム蒸着法により、第１の電極３０として、厚さが５０ｎｍのＮｉ層と厚さが３００ｎｍのＡｕ層とがこの順に積層された直径が２００μｍの円板状のＮｉ／Ａｕ電極を形成した。第１の電極３０は、ＴＬＭ（伝送線路モデル）法により評価したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２とショットキー接触をしていた。
【００９７】
次いで、得られた半導体層付基板１の支持基板１０の主面に、電子ビーム蒸着法により、第２の電極４０として、厚さが２０ｎｍのＴｉ層と厚さが２００ｎｍのＡｌ層とがこの順に積層された支持基板の裏側の主面の全面にＴｉ／Ａｌ電極を形成した。第２の電極４０は、ＴＬＭ法により評価したところ、支持基板１０とオーミック接触をしていた。
【００９８】
次いで、第１の電極３０および第２の電極４０が配置された半導体層付基板１を、主面の大きさが２００μｍ×２００μｍの正方形状になるようにチップ化した。このようにして、半導体デバイス２としてＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）が得られた。
【００９９】
６．半導体デバイスの特性測定
図１を参照して、得られた半導体デバイス２について、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は、別途、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の膜厚のみを変更した試料を３つ以上用意し、そのオン抵抗の膜厚依存性から算出したところ、１０５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であった。順方向電圧は、Ｉ−Ｖ（電流−電圧）測定法により測定したところ、１．４３Ｖであった。オン抵抗は、Ｉ−Ｖ測定法により測定したところ、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、１．０６Ω・ｃｍ2であった。逆方向耐電圧は、Ｉ−Ｖ測定法により測定したところ、６５０Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１００】
（実施例２）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を１８．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．０４３ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を１．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を６８ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、１６０００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は１．７μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は５×１０15ｃｍ-3であった。
【０１０１】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．００７５であり、強度比ＩA／ＩDは０．２５０であった。
【０１０２】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１０３】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は１１００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．４０Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、１．００ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は６５０Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１０４】
（比較例１）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を３６．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．０８６ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を３４．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を０ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、１２００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は３．４μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は５×１０15ｃｍ-3であった。
【０１０５】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．０２５であり、強度比ＩA／ＩDは０．８３３であった。
【０１０６】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１０７】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は９３０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．５０Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、１．２０ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は６５０Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１０８】
（比較例２）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を１８．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．０４３ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を３４．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を０ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、２４００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は１．７μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は５×１０15ｃｍ-3であった。
【０１０９】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．０１２５であり、強度比ＩA／ＩDは０．４１６であった。
【０１１０】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１１１】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は１０００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．４６Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、１．１２ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は６５０Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１１２】
（実施例３）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を３６．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．３４ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を１．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を６８ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、８０００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は３．４μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は２×１０16ｃｍ-3であった。
【０１１３】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．０１０であり、強度比ＩA／ＩDは０．０８３であった。
【０１１４】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１１５】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．１３Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、０．４６ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は５００Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１１６】
（実施例４）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を１８．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．１７ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を１．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を６８ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、１６０００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は１．７μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は２×１０16ｃｍ-3であった。
【０１１７】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．００７５であり、強度比ＩA／ＩDは０．０６３であった。
【０１１８】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１１９】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は１０００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．１０Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、０．４０ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は５００Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１２０】
（比較例３）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を３６．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．３４ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を３４．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を０ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、１２００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は３．４μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は２×１０16ｃｍ-3であった。
【０１２１】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．０２５であり、強度比ＩA／ＩDは０．２０８であった。
【０１２２】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１２３】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は８３０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．２０Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、０．６０ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は５００Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１２４】
（比較例４）
１．半導体層付基板の形成
第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成条件について、３層流の原料ガスの内、第１の層流は、窒素原料ガスであるＮＨ3ガスの流量を１２．０ｓｌｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を７．４ｓｌｍとし、第２の層流は、ＩＩＩ族元素原料ガスであるＴＭＧガスの流量を１８．０ｓｃｃｍとし、不純物原料ガスであるＳｉＨ4ガスの流量を０．１７ｓｃｃｍとし、キャリアガスであるＨ2ガスの流量を２９．０ｓｌｍとし、第３の層流は、サブフローガスであり、Ｎ2ガスの流量を３４．５ｓｌｍとし、ＮＨ3ガスの流量を０ｓｌｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、半導体層付基板を形成した。このとき、原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIは、２４００であった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の成長速度は１．７μｍ／ｈであった。第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２のｎ型キャリア濃度は２×１０16ｃｍ-3であった。
【０１２５】
２．半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルの測定
次に、得られた半導体層付基板の第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを、実施例１と同様にして測定した。得られたＰＬスペクトルから算出された強度比ＩA／ＩFは０．０１２５であり、強度比ＩA／ＩDは０．１０４であった。
【０１２６】
３．第１の電極および第２の電極の形成による半導体デバイスの形成
次に、実施例１と同様にして、得られた半導体層付基板１に第１の電極および第２の電極を形成することにより、半導体デバイスとしてＳＢＤを得た。
【０１２７】
４．半導体デバイスの特性測定
得られた半導体デバイスについて、その特性を実施例１と同様にして測定したところ、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の電子移動度は９００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1であり、順方向電圧は１．１６Ｖであり、オン抵抗は、電流密度が５００Ａ／ｃｍ2のとき、０．５２ｍΩ・ｃｍ2であり、逆方向耐電圧は５００Ｖであった。結果を表１にまとめた。
【０１２８】
【表１】
2015191925.tif 000003
【０１２９】
表１を参照して、実施例１〜実施例４に示すように、支持基板と、支持基板の一主面側に配置された第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層上に配置され第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に比べてｎ型キャリア濃度が低い第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、を含む半導体デバイスにおいて、２０Ｋ以下の温度で測定された第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のＰＬにおいて、自由励起子発光ピーク強度ＩFに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩFが０．０１以下かつドナー束縛励起子発光ピーク強度ＩDに対するアクセプタ束縛励起子発光ピーク強度ＩAの強度比ＩA／ＩDが０．３５以下のとき、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度が９５０ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上と大きくなり、上記強度比ＩA／ＩFが０．００７５以下かつ上記強度比ＩA／ＩDが０．２５以下のとき、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の電子移動度が１０００ｃｍ2・Ｖ-1・ｓ-1以上とさらに大きくなった。
【０１３０】
また、実施例１および実施例２と実施例３および実施例４との対比から、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のｎ型キャリア濃度が低いときは、電子移動度、順方向電圧、オン抵抗および逆方向耐電圧が高くなる傾向があり、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層のｎ型キャリア濃度が高いときは、電子移動度、順方向電圧、オン抵抗および逆方向耐電圧が低くなる傾向があることがわかった。
【０１３１】
また、比較例１および比較例２と実施例１および実施例２との対比、ならびに、比較例３および比較例４と実施例３および実施例４との対比から、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成の際に、第３の層流にＮＨ3ガスを流すことにより原料ガス中におけるＩＩＩ族元素原子モル数ＡIIIに対する窒素原子モル数ＡNのモル比ＡN／ＡIIIが著しく高くなり、逆方向耐電圧を維持するとともに、電子移動度、順方向電圧およびオン抵抗を大きく低減できることがわかった。また、第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の形成の際に、ＩＩＩ族窒化物原料ガスの流量を低減することにより、モル比比ＡN／ＡIIIが高く、成長速度が低くなり、逆方向耐電圧を維持するとともに、電子移動度、順方向電圧およびオン抵抗を低減できることがわかった。
【０１３２】
今回開示された実施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】
【０１３３】
１  半導体層付基板
２  半導体デバイス
１０  支持基板
２０  ＩＩＩ族窒化物バッファ層
２１  第１のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層
２２  第２のｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層
３０  第１の電極
４０  第２の電極
１００  反応炉
１１０  反応室
１１２  サセプタ
Ｆ  ３層流
Ｆ１  第１の層流
Ｆ２  第２の層流
Ｆ３  第３の層流
ＩA  アクセプタ束縛励起子発光ピーク強度
ＩD  ドナー束縛励起子発光ピーク強度
ＩF  自由励起子発光ピーク強度
ＰA  アクセプタ束縛励起子発光ピーク
ＰD  ドナー束縛励起子発光ピーク
ＰF  自由励起子発光ピーク
ＰFH  自由重正孔励起子発光ピーク
ＰFL  自由軽正孔励起子発光ピーク
【図１】
2015191925.tif 000004
【図２】
2015191925.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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