(57)【要約】      （修正有）【課題】リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できるIII族窒化物半導体基板を提供する。【解決手段】基板２１と、基板２１上に形成されたバッファ層２２と、該バッファ層２２上に形成された窒化物積層体２３とを備え、窒化物積層体２３は、バッファ層２２上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる第１の窒化物層２３ａと、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第２の窒化物層２３ｂと、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる第３の窒化物層２３ｃとを含む積層構造を有し、第１の窒化物層２３ａの炭素濃度は第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度よりも高く、第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度は第３の窒化物層２３ｃの炭素濃度よりも高く、第３の窒化物層２３ｃの炭素濃度は９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、各窒化物層間の炭素濃度の差が適切な範囲に調整されている。【選択図】図２
2015070091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成されたバッファ層と、
該バッファ層上に形成された窒化物積層体と、
を備え、
前記窒化物積層体は、前記バッファ層上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる第１の窒化物層と、該第１の窒化物層上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第２の窒化物層と、該第２の窒化物層上に形成された、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる第３の窒化物層とを含む積層構造を有し、
前記第１、第２および第３の窒化物層のそれぞれが炭素を含むとともに、前記第１の窒化物層の炭素濃度は前記第２の窒化物層の炭素濃度よりも高く、前記第２の窒化物層の炭素濃度は前記第３の窒化物層の炭素濃度よりも高く、
前記第３の窒化物層の炭素濃度は９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
前記第３の窒化物層の炭素濃度と前記第２の窒化物層の炭素濃度との差は４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
前記第２の窒化物層の炭素濃度と前記第１の窒化物層の炭素濃度との差は１．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記第３の窒化物層の炭素濃度と前記第２の窒化物層の炭素濃度との差は４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．７×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
前記第２の窒化物層の炭素濃度と前記第１の窒化物層の炭素濃度との差は１．３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板。
【請求項３】
前記第１の窒化物層、第２の窒化物層および第３の窒化物層におけるＡｌの組成は０．０３以上０．１０以下である、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記第１の窒化物層、第２の窒化物層および第３の窒化物層が等しいＡｌの組成を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板。
【請求項５】
前記バッファ層が炭素を含み、該炭素の濃度は１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板。
【請求項６】
前記バッファ層がＡｌ１−αＧａαＮ（０≦α＜０．５）とＡｌＮが交互に積層された超格子構造を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体基板に関し、特に、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できるノーマリオフ型の半導体デバイスに適したIII族窒化物半導体基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）に比べて、高いキャリア移動度や広いバンドギャップを有していることから、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＨＥＭＴ）やヘテロ接合電界効果トランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＨＪＦＥＴ）等に利用されている。
【０００３】
図１は、従来技術によるＨＥＭＴの一例の模式断面図である。この図に示すＨＥＭＴ１００は、基板１１上に、ＧａＮからなるバッファ層１２と、ＧａＮからなるチャネル層１３と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１４が順次積層された構造を有し、電子供給層１４の表面にソース電極１５、ゲート電極１６およびドレイン電極１７が配設されている。
【０００４】
このＨＥＭＴ１００においては、チャネル層１３と電子供給層１４との間の界面直下に２次元電子ガス層１３ａが形成され、２次元電子ガスをキャリアとして利用する。デバイスを動作させるために、ソース電極１５とドレイン電極１７との間に電圧を印加すると、チャネル層１３に供給された電子が２次元電子ガス層１３ａ中を高速に移動してドレイン電極１７まで移動する。このとき、ゲート電極１６に印加する電圧を制御してゲート電極１６直下の空乏層の厚さを変化させることにより、ソース電極１５とドレイン電極１７との間を流れるドレイン電流を制御することができる。
【０００５】
さて、近年、上記ＨＥＭＴの大電流・高電圧動作が要求される電源用省電力素子への応用が期待されている。そのためには、デバイスが、低損失・高耐圧であることのみならず、安全性の観点から、ゲート電圧がオフの時に電流が流れない、いわゆるノーマリオフ型であることが不可欠である。そこで、バッファ層に不純物を添加して高抵抗化することにより、バッファ層に発生するリーク電流を低減する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、バッファ層にＩＩＢ族元素、特に亜鉛（Ｚｎ）を高濃度に添加してバッファ層を高抵抗化する技術が記載されている。
【０００６】
ところが、不純物を添加して高抵抗化したバッファ層を有するＨＥＭＴでは、高いストレス電界を印加すると、高抵抗化不純物により形成される欠陥に電子がトラップされてドレイン電流が減少し、オン抵抗が急激に増加する現象である電流コラプスの発生が顕著になる問題がある。この電流コラプスを抑制するためには、電子をトラップする欠陥を形成する高抵抗化不純物の濃度を低減する必要があるが、そうすると今度はリーク電流が増加してしまう。
【０００７】
このように、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制はトレードオフの関係にあり、これまでに、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立する様々な技術が提案されている。例えば、特許文献２には、バッファ層上に、２００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の厚さを有し、炭素濃度が５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．２５）からなる窒化物積層体を設け、この窒化物積層体上に５ｎｍ以上２００ｎｍ以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．０４）からなるチャネル層を形成することにより、高いしきい値電圧と電流コラプスの抑制を両立する技術について記載されている。
【０００８】
また、特許文献３には、バッファ層がＧａＮでありノーマリオフ型ではないが、基板上に、炭素濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２１／ｃｍ３以下である化合物半導体の第１の半導体層と、炭素濃度が５×１０１７／ｃｍ３以下であり、第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きい、化合物半導体からなる障壁層とを設け、この障壁層上に炭素濃度を５×１０１７／ｃｍ３以下であり、障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい化合物半導体のチャネル層と、このチャネル層上に、電子供給層よりもバンドギャップエネルギーの大きい化合物半導体の電子供給層とを形成することにより、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立を図る技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−５７１５８号公報
【特許文献２】特開２０１３−８９３８号公報
【特許文献３】特開２０１３−３８１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献２および３に記載された技術を以てしても、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立は、依然として不十分であることが判明した。
そこで、本発明の目的は、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できる、ノーマリオフ型の半導体デバイスに適したIII族窒化物半導体基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、バッファ層上に、３層の窒化物層からなる積層構造を有する窒化物積層体を設け、チャネル側の窒化物層の炭素濃度を９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とした上で、各窒化物層間の炭素濃度差を適切な範囲に調整することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）基板と、該基板上に形成された、III族窒化物からなるバッファ層と、該バッファ層上に形成された窒化物積層体とを備え、前記窒化物積層体は、前記バッファ層上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる第１の窒化物層と、該第１の窒化物層上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第２の窒化物層と、該第２の窒化物層上に形成された、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる第３の窒化物層とを含む積層構造を有し、前記第１、第２および第３の窒化物層のそれぞれが炭素を含むとともに、前記第１の窒化物層の炭素濃度は前記第２の窒化物層の炭素濃度よりも高く、前記第２の窒化物層の炭素濃度は前記第３の窒化物層の炭素濃度よりも高く、前記第３の窒化物層の炭素濃度は９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記第３の窒化物層の炭素濃度と前記第２の窒化物層の炭素濃度との差は４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記第２の窒化物層の炭素濃度と前記第１の窒化物層の炭素濃度との差は１．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
【００１３】
（２）前記第３の窒化物層の炭素濃度と前記第２の窒化物層の炭素濃度との差は４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．７×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記第２の窒化物層の炭素濃度と前記第１の窒化物層の炭素濃度との差は１．３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、前記（１）に記載のIII族窒化物半導体基板。
【００１４】
（３）前記第１の窒化物層、第２の窒化物層および第３の窒化物層におけるＡｌの組成は０．０３以上０．１０以下である、前記（１）または（２）に記載のIII族窒化物半導体基板。
【００１５】
（４）前記第１の窒化物層、第２の窒化物層および第３の窒化物層が等しいＡｌの組成を有する、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板。
【００１６】
（５）前記バッファ層が炭素を含み、該炭素の濃度は１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板。
【００１７】
（６）前記バッファ層がＡｌ１−αＧａαＮ（０≦α＜０．５）とＡｌＮが交互に積層された超格子構造を有する、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、バッファ層上に３層の窒化物層からなる窒化物積層体を設け、チャネル層側の窒化物層の炭素濃度を９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、各窒化物層間の炭素濃度の差を適切な範囲に調整したため、電流コラプスおよびリーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できるノーマリオフ型の半導体デバイスに適したIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術によるＨＥＭＴの一例の模式断面図である。
【図２】本発明に従う窒化物半導体基板の模式断面図である。
【図３】実験例１に対する炭素およびアルミニウムのＳＩＭＳプロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明に係るIII族窒化物半導体基板は、基板と、該基板上に形成された、III族窒化物からなるバッファ層と、該バッファ層上に形成された窒化物積層体とを備える。ここで、窒化物積層体は、バッファ層上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる第１の窒化物層と、該第１の窒化物層上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第２の窒化物層と、該第１の窒化物層上に形成された、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる第３の窒化物層とを含む積層構造を有し、第１、第２および第３の窒化物層のそれぞれが炭素を含むとともに、第１の窒化物層の炭素濃度は第２の窒化物層の炭素濃度よりも高く、第２の窒化物層の炭素濃度は第３の窒化物層の炭素濃度よりも高く、第３の窒化物層の炭素濃度は９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、第３の窒化物層の炭素濃度と第２の窒化物層の炭素濃度との差は４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、第２の窒化物層の炭素濃度と前記第１の窒化物層の炭素濃度との差は１．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが肝要である。
【００２１】
まず、このような本発明を完成させるに到った知見について説明する。本発明者らは、特許文献２および３に記載された技術により、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立が不十分である原因について詳細に調査した。上述のように、リーク電流の低減には、バッファ層に不純物を添加して高抵抗化することが有効である。これに対して、電流コラプスの抑制には、バッファ層の炭素濃度を低減して、キャリアをトラップする欠陥を低減することが有効である。
【００２２】
この点について、特許文献２のように、炭素が添加された１層構造のバッファ層を設け、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できるようにバッファ層の炭素濃度を調整することは明らかに困難である。
【００２３】
ノーマリオフ型では電界ストレスを印加した後にリーク電流を測定する。すなわち、ノーマリオフ型ではないものに比べて、要求される破壊耐性が高い。本発明者らが詳細に評価した結果、特許文献３に記載された技術では、ノーマリオフ型としてはリーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立は依然として不十分であることが判明したのである。
【００２４】
本発明者らは、特許文献３に記載された技術によりリーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できない原因について詳細に調査した結果、２つの半導体層間の炭素濃度の差が、リーク電流および電流コラプスに大きな影響を与えることが判明した。すなわち、２つの半導体層間の炭素濃度の差が大きい場合には、電流コラプスが悪化し、炭素濃度の差が小さい場合には、リーク電流が増加することが判明した。
【００２５】
この理由は必ずしも明らかではないが、以下の通りと推察される。すなわち、窒化物層間の炭素濃度差を大きくすると電流コラプスが悪化するのは、窒化物層中および層間の界面において、電子トラップとして働く炭素を起因とした深い準位が増加するためと思われる。これに対して、炭素濃度差が小さい場合にリーク電流が増加するのは、窒化物層内の残留キャリアを補償できないためと思われる。
【００２６】
このように、本発明者らは、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立させるためには、半導体層間の炭素濃度の差を適切な範囲とすることが肝要であることを見出した。さらに、本発明者らは、半導体層が２層構造の場合には、チャネル層側の半導体層の炭素濃度を低減し、また基板側の半導体層の炭素濃度を高め、さらに半導体層間の炭素濃度の差を適切な濃度範囲として、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立を図ることは困難であると判断した。
【００２７】
そこで、本発明者らは、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立を図る方途について鋭意検討した結果、バッファ層上に、３層の窒化物層が積層された積層構造を有する半導体層を設け、チャネル層側の窒化物層の炭素濃度を９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とした上で、各窒化物層間の炭素濃度の差を、リーク電流の低減および電流コラプスの抑制を両立できるように適切な範囲に調整することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到ったのである。以下、本発明に係るIII族窒化物半導体基板について説明する。
【００２８】
図２は、本発明に従うIII族窒化物半導体の模式図を示している。この図に示したIII族窒化物半導体基板１は、基板２１と、該基板２１上に形成されたバッファ層２２と、該バッファ層２２上に形成された窒化物積層体２３とを備える。以下、各層について説明する。
【００２９】
基板２１は、半導体デバイスを形成するための下地の基板であり、その材料としては、シリコンやサファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ等の単結晶材料を用いることができる。また、ウェーハの育成方法や面方位、酸素濃度、不純物濃度、導電型、抵抗率、厚さ等の仕様は、設計される窒化物半導体基板の要求に応じて、適切に設定できる。
【００３０】
この基板２１としては、Ｓｉ単結晶基板とすることが好ましい。その際、Ｓｉ単結晶基板の面方位は特に指定されず、（１１０）、（１００）、（１１１）面等を使用することができるが、III族窒化物の（０００１）面を成長させるためには（１１０）あるいは（１１１）面が好ましく、さらに、表面平坦性よく成長させるためには、（１１１）面を使用することが望ましい。オフ角度については、５°以下で適宜設定されるが、単結晶成長を損なわないように、１°以下が好ましい。
【００３１】
また、ｐ型、ｎ型いずれの導電型としてもよく、０．００１〜１０００００Ω・ｃｍまでの各種抵抗率に適用可能である。また、必ずしも抵抗率はＳｉ単結晶基板全体で均一である必要はない。さらに、酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）等の、Ｓｉ基板内に導電性を制御する以外の目的の不純物を含むこともできる。基板の厚みは、単結晶成長後の反り量等を勘案して、適宜設定される。
【００３２】
バッファ層２２は、III族窒化物からなり、基板２１とバッファ層２２上に形成される窒化物積層体との格子不整合に起因する格子歪みを緩和して転位の形成を抑制し、窒化物半導体基板の反りを低減する。
【００３３】
このバッファ層２２は、低温バッファ層や単結晶からなるバッファ層、超格子構造を有するバッファ層とすることができ、特に、ド・ブロイ波長程度の膜厚を有する第１の層と、この第１の層とは異なる組成であって、ド・ブロイ波長程度の膜厚を有する第２の層とを交互に複数層積層した超格子構造とすることが好ましい。例えば、ＡｌＮ層とＡｌ１−αＧａαＮ（０≦α＜０．５）層とを交互に複数層（例えば、１００ペア）積層して超格子構造を有するバッファ層２２を形成することができる。なお、歪みの緩衝効果が最大となるため、α＝０（すなわち、ＧａＮ）とすることが最も好ましい。
【００３４】
バッファ層２２は炭素を含むことが好ましく、その際、炭素濃度は、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることが好ましい。これにより、ノーマリオフ型のデバイスに必要な縦方向の耐圧を得ることができる。なお、炭素濃度の調整は、バッファ層２２の原料ガス流量と基板温度を調整することにより行うことができる。
【００３５】
本明細書においては、炭素濃度は、２次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＳＩＭＳ）により測定した値とする。ＳＩＭＳでは、表面からエッチングしながら深さ方向の各元素の定量分析ができる。その際、測定対象の層の炭素濃度として採用する炭素濃度の測定位置は、測定対象の層と該測定対象の層の表面側（デバイスを作製する側）に隣接する層との界面（測定対象の層がデバイス作製側最表面の層である場合には、測定対象の層のデバイス作製側表面）から、５０ｎｍの深さ位置とする。ここで、測定対象の層と隣接する層との界面の位置は、エッチング深さに対する各元素の濃度を示すＳＩＭＳ分析プロファイルにおける炭素濃度プロファイルとアルミニウム濃度プロファイルより判別し、炭素およびアルミニウムのいずれか一方または両方の濃度プロファイルが急峻に変動する領域の深さ方向の中央位置を界面が存在する位置と判断することができる。例えば、第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度は、第２の窒化物層２３ｂと第３の窒化物層２３ａとの界面から５０ｎｍの深さ位置で測定された値である。
【００３６】
窒化物積層体２３は、バッファ層２２上に形成された、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる第１の窒化物層２３ａと、該第１の窒化物層２３ａ上に形成された、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第２の窒化物層２３ｂと、該第１の窒化物層２３ｂ上に形成された、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ≦１）からなる第３の窒化物層２３ｃとを含む積層構造を有している。ここで、第１、第２および第３の窒化物層にＡｌを含有させることによりバンドギャップが大きくなり、ノーマリオフ型に適した耐圧を得ることができる。
【００３７】
これら窒化物層２３ａ〜２３ｃのそれぞれが炭素を含んでおり、第３の窒化物層２３ｃから第１の窒化物層２３ａに向かうにつれて炭素濃度を高くする。つまり第１の窒化物層２３ａの炭素濃度は第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度よりも高く、かつ第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度は第３の窒化物層２３ｃの炭素濃度よりも高くする。これにより、基板２１側の窒化物層２３ａの炭素濃度を高めてリーク電流を低減し、キャリアのトラップの原因となる、チャネル層の直下の層である窒化物層２３ｃの炭素濃度を低減して電流コラプスの改善を図ることができる。
【００３８】
しかし、上述のように、リーク電流の低減および電流コラプスの抑制を両立させるためには、各窒化物層間の炭素濃度の差が、リーク電流および電流コラプスに大きな影響を与えるため、窒化物層間の炭素濃度の差を適切な濃度範囲とすることが肝要である。本発明者らは、特許文献３に記載された窒化物半導体基板のように、２層構造の窒化物積層体において、チャネル側の窒化物層の炭素濃度を低減するとともに基板側の窒化物層の炭素濃度を高め、さらに窒化物層間の炭素濃度の差を適切な濃度範囲とするように様々な調整を試みた。しかし、２層構造の窒化物積層体では困難であると判断し、本発明においては、窒化物積層体２３は３層構造とすることにしたのである。そして、３層構造の窒化物積層体２３における炭素濃度および各層間の炭素濃度の差を調整した結果、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できる条件を見つけることに成功した。
【００３９】
具体的には、第３の窒化物層の炭素濃度は９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とした上で、第３の窒化物層２３ｃの炭素濃度と第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度との差を４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度と第１の窒化物層２３ａの炭素濃度との差を１．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とする。
【００４０】
また、第１、第２および第３の窒化物層の厚みは、デバイスプロセスに支障がない程度のウェーハの反りと結晶性の点から適切な厚みを有していれば特に限定されない。例えば、それぞれの窒化物層の厚みを１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。また、全ての窒化物層が同じ厚みを有している必要はなく、各窒化物層の炭素濃度等に応じて適切に設定すればよい。なお、第２の窒化物層２３ｂを第１、第３の窒化物層より厚くする方が電流コラプスの低減とリークの抑制を両立しやすいため好ましい。
【００４１】
このような炭素濃度とすることにより、リーク電流を抑制することができる。具体的には、本発明に係るIII族窒化物半導体基板を用いてＨＥＭＴを形成し、ゲート電圧をオフにした状態でソース電極とドレイン電極間に１０００Ｖの電圧を印加した際に、ソース−ドレイン間に流れる電流を測定した時に、１×１０−６Ａ／ｃｍ以下の電流値となる。このように、バッファ層２２および窒化物積層体２３を介した横方向のリーク電流を十分に低減できる。
【００４２】
また、電流コラプスは、２００Ｖ以上の電界ストレスをソース電極とドレイン電極間に印加した後に、ソース−ドレイン間電流の、電界ストレスを与える前のソース−ドレイン間電流（この場合にソース電極とドレイン電極との間に印加される電圧は、出力電流特性が線形である領域（例えば１Ｖ）の電圧である）に対する比を意味しており、値が１に近いほど、ＨＥＭＴの出力電流特性の再現性が良好であることを意味している。本発明に係るIII族窒化物半導体基板を用いたＨＥＭＴにより、電流コプラスは０．７９以上となる。
【００４３】
また、第３の窒化物層２３ｃの炭素濃度と第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度との差を４．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、第２の窒化物層２３ｂの炭素濃度と第１の窒化物層２３ａの炭素濃度との差を１．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上３．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることにより、電流コラプスをさらに抑制することができる。具体的には、リーク電流を増加させることなく、上記電流コラプスの値を０．８５以上とすることができる。
【００４４】
窒化物積層体２３を構成する第１の窒化物層２３ａ、第２の窒化物層２３ｂおよび第３の窒化物層２３ｃにおけるＡｌの組成は、特に限定されないが、０．０３以上０．１０以下とすることが好ましい。これにより、結晶性を維持したまま横方向のリーク電流を低減することができる。
【００４５】
これら第１の窒化物層２３ａ、第２の窒化物層２３ｂおよび第３の窒化物層２３ｃにおけるＡｌの組成は、上で規定した範囲であればそれぞれ相違させることができるが、全ての層が等しいＡｌの組成を有することが好ましい。これにより、組成差を起因とする二次元電子ガスの発生を抑制し、リーク電流を低減できる。
【００４６】
こうして、本発明によるIII族窒化物半導体基板は、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制とを両立できるノーマリオフ型の半導体デバイスに適したものとなる。
【００４７】
このような本発明に係るIII族窒化物半導体基板上に、チャネル層および電子供給層を成長させ、電子供給層上にソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を形成することにより、ＨＥＭＴを作製することができる。ここで、チャネル層は、例えばＢａ１Ａｌｂ１Ｇａｃ１Ｉｎｄ１Ｎ（０≦ａ１≦１，０≦ｂ１≦１，０≦ｃ１≦１，０≦ｄ１≦１，ａ１＋ｂ１＋ｃ１＋ｄ１＝１）材料で構成することができる。また、電子供給層は、例えばチャネル層よりバンドギャップの大きいＢａ２Ａｌｂ２Ｇａｃ２Ｉｎｄ２Ｎ（０≦ａ２≦１，０≦ｂ２≦１，０≦ｃ２≦１，０≦ｄ２≦１，ａ２＋ｂ２＋ｃ２＋ｄ２＝１）材料で構成することができる。その際、両層とも単一もしくは複数の組成から構成することができる。特に、合金散乱をさけ、電流導通部分の比抵抗を下げるためには、チャネル層の少なくとも電子供給層と接する部分はＧａＮ材料とすることが好ましい。
【００４８】
なお、図２に示したIII族窒化物半導体基板は、代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。たとえば、各層の間に本発明の効果に悪影響を与えない程度の中間層や他の超格子層を挿入したり、組成に傾斜をつけたりすることもできる。
【実施例】
【００４９】
（実験例１〜８）
６インチのｐ型Ｓｉ単結晶基板（面方位：（１１１）、ドーパント：ボロン（Ｂ）、比抵抗：０．００５Ω・ｃｍ、厚さ：６２５μｍ）上に、バッファ層として、ＡｌＮ（厚さ：５ｎｍ）とＧａＮ（厚さ：２５ｎｍ）を交互に１００組積層させた。ここで、バッファ層は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の炭素を含んでいる。次いで、窒化物積層体として、第１の窒化物層（Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ、厚さ：２００ｎｍ）、第２の窒化物層（Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ、厚さ：５５０ｎｍ）および第３の窒化物層（Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ、厚さ：２００ｎｍ）を順次積層させ、本発明に係るIII族窒化物半導体基板を得た。その際、第１の窒化物層、第２の窒化物層および第３の窒化物層を成長させる原料ガス流量と基板温度を変えることにより、第１の窒化物層、第２の窒化物層および第３の窒化物層が、ＳＩＭＳにより測定した結果である、表１に示す炭素濃度を含むようにした。ＳＩＭＳ分析結果の例として、図３に実験例１のＳＩＭＳプロファイルを示す。このＳＩＭＳプロファイルは、ＳＩＭＳ測定をウェーハの中央部にて行って得られたものである。
続いて、チャネル層（ＧａＮ、厚さ：５０ｎｍ）を成長させた後、電子供給層（ＡｌＧａＮ、厚さ：２０ｎｍ）を成長させた。実験例１の各層の成長条件（原料ガスの圧力および流量、ならびに基板温度）は表２に示すとおりである。各層の成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法を採用し、原料ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを使用した。また、キャリアガスとしては、窒素、水素を用いた。その後、基板中央部を２０ｍｍ×３０ｍｍで切り出し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕを電極材としたφ７６μｍパターン電極を作成してＨＥＭＴのサンプルを作製した。
なお、ＳＩＭＳ分析の結果、チャネル層の炭素濃度は、実験例１〜８のいずれも１．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
【００５０】
【表１】
2015070091.tif 000003
【００５１】
【表２】
2015070091.tif 000004
【００５２】
（実験例９）
実験例１〜８と同様に、ＨＥＭＴを作製した。ただし、第２の窒化物層は成長させずに第１の窒化物層の厚さを８００ｎｍとした。つまり、窒化物積層体を２層構造とした。それ以外の条件は実験例１〜８と同じである。各層の成長条件（原料ガスの圧力および流量、ならびに基板温度）は表３に示すとおりである。
【００５３】
【表３】
2015070091.tif 000005
【００５４】
（実験例１０）
実験例１〜８と同様に、ＨＥＭＴを作製した。ただし、第２および第３の窒化物層は成長させずに第１の窒化物層の厚さを１０００ｎｍとした。つまり、窒化物積層体を１層構造とした。それ以外の条件は実験例１〜８と同じである。各層の成長条件（原料ガスの圧力および流量、ならびに基板温度）は表４に示すとおりである。
【００５５】
【表４】
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【００５６】
（実験例１１）
実験例１〜８とは異なる、ノーマリオフ型ではない従来例のＨＥＭＴを作製した。ただし、第２の窒化物層は成長させない２層構造とし、第１および第３の窒化物層をＧａＮで構成した。また、第１の窒化物層の厚さを１４００ｎｍ、第２の窒化物層の厚さを２００ｎｍとして、表５に示す成長条件（原料ガスの圧力および流量、ならびに基板温度）で各層を形成した。それ以外の条件は実験例１〜８と同じである。
【００５７】
【表５】
2015070091.tif 000007
【００５８】
＜リーク電流の評価＞
実験例１〜１１について、リーク電流測定装置（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製、型番：８２３５７Ａ）を用いてリーク電流を測定して評価した。この評価は、ゲート電圧をオフにした状態でソース電極とドレイン電極間に１０００Ｖの電圧を印加し、ソース−ドレイン電極間を流れる電流を測定することにより行った。得られた結果を表１に示す。なお、リーク電流の評価基準は以下のとおりである。
◎：１×１０−８Ａ／ｃｍ以下
○：１×１０−６Ａ／ｃｍ以上１×１０−８Ａ／ｃｍ未満
△：１×１０−４Ａ／ｃｍ以上１×１０−６Ａ／ｃｍ未満
×：１×１０−４Ａ／ｃｍ未満あるいはＨＥＭＴの破壊
【００５９】
＜電流コラプスの評価＞
実験例１〜１１について、半導体パラメーターアナライザー（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製）を用いて電流コラプスの値を評価した。この評価は、まず、ソース電極とドレイン電極間電圧を０〜１０Ｖで掃引し、１０Ｖでのソース−ドレイン間電流Ｉ１を測定し、次いで、２００Ｖの電界ストレスをソース−ドレイン電極間に印加した後、電界ストレス印可前と同様にソース−ドレイン間電流Ｉ２を測定し、Ｉ２／Ｉ１を求めることにより行った。得られた結果を表１に示す。なお、Ｉ２／Ｉ１の値が１に近いほど、ＨＥＭＴの出力電流特性の再現性が良好であることを意味している。なお、電流コラプスの評価基準は以下のとおりである。
◎：０．８８以上
○：０．７８以上０．８８未満
△：０．６８以上０．７８未満
×：０．６８未満
【００６０】
＜総合評価＞
リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立が実現されているか否かを評価した。そのために、リーク電流の評価と電流コラプスの評価の両方で◎あるいは○の場合は○、いずれかにおいて△と評価されたものは△、いずれかにおいて×と評価されたものは×と評価した。表１から明らかなように、実験例３、５、７および８については、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立が実現されたＨＥＭＴが得られた。一方、実験例１、２、４、６、９〜１１については、リーク電流の低減と電流コラプスの抑制の両立は実現できなかった。このうち、実験例１、４および６については、窒化物層間の炭素濃度差が大きく、リーク電流は十分に低減されていたものの、電流コラプスの抑制が不十分であった。また、実験例２については、窒化物層間の炭素濃度差が小さく、電流コプラスは十分に抑制されていたものの、リーク電流の抑制が不十分であった。さらに、実験例９については、窒化物積層体が２層構造を有しており、層間の炭素濃度差が非常に大きく、リーク電流は十分に低減されていたが、電流コプラスの抑制が著しく不十分であった。さらにまた、実験例１０については、窒化物積層体が１層構造を有しており、実験例９と同様に、リーク電流は十分に低減されていたが、電流コプラスの抑制が著しく不十分であった。さらにまた、実験例１１は、窒化物積層体が２層構造を有しており、また、第１および第３の窒化物層がＧａＮからなるが、電流コプラスは非常に抑制されていたものの、リーク電流の抑制が著しく不十分であった。
このように、本発明のIII族窒化物半導体基板を用いて作製されたＨＥＭＴにおいては、リーク電流の低減と電流コプラスの両立が達成できていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、バッファ層上に３層の窒化物層からなる窒化物積層体を設け、チャネル層側の窒化物層の炭素濃度を９×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とし、各窒化物層間の炭素濃度の差を適切な範囲に調整したため、電流コラプスおよびリーク電流の低減と電流コラプスの抑制を両立できるノーマリオフ型の半導体デバイスに適したIII族窒化物半導体基板を得ることができるため、半導体製造業において有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１  III族窒化物半導体基板
１１，２１  基板
１２，２２  バッファ層
１３  チャネル層
１４  電子供給層
１５  ソース電極
１６  ゲート電極
１７  ドレイン電極
２３  窒化物積層体
２３ａ  第１の窒化物層
２３ｂ  第２の窒化物層
２３ｃ  第３の窒化物層
１００  ＨＥＭＴ
【図１】
2015070091.tif 000008
【図２】
2015070091.tif 000009
【図３】
2015070091.tif 000010