(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行となるようにIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用のエピタキシャル基板であって、
第１の積層単位と第２の積層単位とを交互に積層してなり、かつ、最上部と最下部がいずれも前記第１の積層単位にて構成されてなるバッファ層と、
前記バッファ層の直上に形成されたチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成されたバリア層と、
を備え、
前記第１の積層単位が、
組成の相異なるIII族窒化物からなる第１単位層と第２単位層とを前記下地基板の側からこの順に繰り返し交互に積層してなる組成変調層と、
前記組成変調層の上に形成され、Ａｌを含むIII族窒化物からなる第１中間層と、
を含み、
前記第１単位層を構成する第１のIII族窒化物よりも前記第２単位層を構成する第２のIII族窒化物の方が無歪状態における面内格子定数が大きく、
それぞれの前記第２単位層は前記第１単位層に対してコヒーレントな状態に形成されてなり、
前記バッファ層に含まれる複数の前記第１中間層のうちの少なくとも１つがＡｌを含むIII族窒化物からなる第１の層であり、
前記第１の層のみにｐ型不純物が意図的に導入されてなり、前記バッファ層に含まれる層および前記チャネル層のうち、前記第１の層に隣接する層である第２の層に前記第１の層から拡散したｐ型不純物が存在する、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項２】
請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、
前記複数の前記第１中間層のうち、少なくとも前記チャネル層に隣接する前記第１中間層が前記第１の層である、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項３】
請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、
前記複数の前記第１中間層の全てが前記第１の層である、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１中間層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物からなり、
前記チャネル層がＧａＮからなる、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１の層における前記ｐ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３である、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１中間層が、前記組成変調層に対してコヒーレントな状態に形成されてなることを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１単位層がＡｌＮからなり、前記第２単位層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物からなることを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記組成変調層の最上部に前記第１単位層と同じ組成を有する終端層が設けられてなることを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記第２の積層単位が、前記第１中間層を構成するIII族窒化物よりも無歪状態における面内格子定数が小さいIII族窒化物からなる第２中間層である、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項１０】
請求項９に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第２中間層がＡｌＮにて１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚みに形成されてなることを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載のエピタキシャル基板であって、
前記第１単位層の組成と前記第２中間層の組成が実質的に同じであることを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記下地基板の上に形成された、ＡｌＮからなる第１の下地層と、
前記第１の下地層の上に形成され、ＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１）からなる第２の下地層と、
をさらに備え、
前記第１の下地層が、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成される多結晶欠陥含有性層であり、
前記第１の下地層と前記第２の下地層との界面が３次元的凹凸面であり、
前記第２の下地層の直上に前記バッファ層が形成されてなる、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、
前記ｐ型不純物がＭｇである、
ことを特徴とする半導体素子用のエピタキシャル基板。
【請求項１４】
（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行なIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
第１の積層単位と第２の積層単位とを最上部と最下部がいずれも前記第１の積層単位となるように交互に積層することによってバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層の直上にチャネル層をエピタキシャル形成するチャネル層形成工程と、
前記チャネル層の上にバリア層をエピタキシャル形成するバリア層形成工程と、
を備え、
前記バッファ層形成工程が、前記第１の積層単位を形成する工程として、
組成の相異なるIII族窒化物からなる第１単位層と第２単位層とを前記下地基板の側からこの順に繰り返し交互に積層することにより組成変調層をエピタキシャル形成する組成変調層形成工程と、
前記組成変調層の上に第１中間層をエピタキシャル形成する第１中間層形成工程と、
を含み、
前記組成変調層形成工程においては、前記第１単位層を構成するIII族窒化物よりも前記第２単位層を構成するIII族窒化物の方が無歪状態における面内格子定数が大きくなるように、かつ、それぞれの前記第２単位層は前記第１単位層に対してコヒーレントな状態になるように、前記組成変調層を形成し、
前記バッファ層に含まれる複数の前記第１中間層のうちの少なくとも１つをエピタキシャル形成する際にのみ、ｐ型不純物を導入する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記複数の前記第１中間層のうち、少なくとも前記チャネル層に隣接する前記第１中間層に、前記ｐ型不純物を導入する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記複数の前記第１中間層の全てに前記ｐ型不純物を導入する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１７】
請求項１４ないし請求項１６のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第１中間層をＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて形成し、
前記チャネル層をＧａＮにて形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１８】
請求項１４ないし請求項１７のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記ｐ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３となるように前記ｐ型不純物を導入する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１９】
請求項１４ないし請求項１８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第１中間層形成工程においては、前記組成変調層に対してコヒーレントな状態になるように前記第１中間層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２０】
請求項１４ないし請求項１９のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記組成変調層形成工程においては、前記第１単位層をＡｌＮにて形成し、前記第２単位層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２１】
請求項１４ないし請求項２０のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記組成変調層の最上部に前記第１単位層と同じ組成を有する終端層を設ける終端層形成工程、
をさらに備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２２】
請求項１４ないし請求項２１のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第２の積層単位を形成する工程として、
前記第１中間層を構成するIII族窒化物よりも無歪状態における面内格子定数が小さいIII族窒化物からなる第２中間層を形成する第２中間層形成工程、
を備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記第２中間層をＡｌＮにて１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚みに形成することを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２４】
請求項１４ないし請求項２３のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記下地基板の上に、ＡｌＮからなる第１の下地層を形成する第１下地層形成工程と、
前記第１の下地層の上に、ＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１）からなる第２の下地層を形成する第２下地層形成工程と、
をさらに備え、
前記第１下地層形成工程においては、前記第１の下地層を、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成され、表面が三次元的凹凸面である多結晶欠陥含有性層として形成し、
前記バッファ層形成工程においては、前記第２の下地層の直上に前記バッファ層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２５】
請求項１４ないし請求項２４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、
前記ｐ型不純物がＭｇである、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子用のエピタキシャル基板に関し、特にIII族窒化物を用いて構成されるエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界および高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、ＨＥＭＴなど高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板に用いる下地基板として、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）のような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶（異種単結晶）を用いる場合がある（例えば、特許文献１参照）。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたＨＥＭＴ素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、二次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進することを目的として、厚さ１ｎｍ前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばＡｌＮなどで構成される。さらには、ＨＥＭＴ素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばｎ型ＧａＮ層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。
【０００４】
ＨＥＭＴ素子およびＨＥＭＴ素子用の基板に対しては、電力密度の増大、高効率化などの性能向上に関する課題、ノーマリーオフ動作化などの機能性向上に関する課題、高信頼性や低コスト化などの基本的な課題など、様々な課題があり、各々について活発な取り組みが行われている。
【０００５】
一方、エピタキシャル基板の低コスト化、さらにはシリコン系回路デバイスとの集積化などを目的として、上記のような窒化物デバイスを作製するにあたって単結晶シリコン（Ｓｉ）を下地基板として用いる研究・開発が行われている（例えば、非特許文献２参照）。ＨＥＭＴ素子用エピタキシャル基板の下地基板にシリコンのような導電性の材料を選んだ場合には、下地基板の裏面からフィールドプレート効果が付与されるので、高耐電圧や高速スイッチングが可能なＨＥＭＴ素子の設計が可能となる。
【０００６】
また、緩衝層の抵抗が低くなると、素子の耐電圧性の向上や高速動作性の向上を阻害する場合があることが知られている。緩衝層にＭｇなどのｐ型不純物を導入することで素子の耐電圧を向上させる手法がすでに公知である（例えば特許文献２および特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５２０８８０号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３４７５号公報
【特許文献３】特開２０１０−１７１０３２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Highly Reliable 250W GaN High Electron Mobility Transistor Power Amplifier" Toshihide Kikkawa, Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005), 4896.
【非特許文献２】"High power AlGaN/GaN HFET with a high breakdown voltage of over 1.8kV on 4 inch Si substrates and the suppresion of current collapse", Nariaki Ikeda, Syuusuke Kaya, Jiang Li, Yoshihiro Sato, Sadahiro Kato, Seikoh Yoshida, Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semicoductor Devices & IC's May 18-22,2008 Oralando, FL", pp.287-290
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２に開示されているのは、下地基板上にＭｇなどのｐ型不純物を導入しつつ低温成長のＧａＮからなる緩衝層を形成した後、その直上にＧａＮからなる半導体層（チャネル層）を形成する際に緩衝層から該ｐ型不純物を拡散させるようにすることで、半導体層にｐ型不純物が適度な濃度で分布する状態を実現し、これによって素子におけるリーク電流の低減と耐電圧の向上とを図る手法である。
【００１０】
係る手法の場合、下地基板の上に形成された結晶性の良くない緩衝層へのｐ型不純物の導入を前提としているので、構造上の制約が大きいという問題がある。特に、半導体層の厚みが大きくなるほど、効果を得るのが難しくなる。すなわち、半導体層の上方にまでｐ型不純物を拡散させようとすると、緩衝層に多量のｐ型不純物を導入する必要が生じるが、これは緩衝層の近傍における半導体層の結晶性の劣化を引き起こし、結果として耐電圧を向上させることが難しくなる。
【００１１】
一方、特許文献３に開示されているのは、多層膜緩衝層にＭｇなどのｐ型不純物を導入することで該緩衝層中のＡｌＮ／ＧａＮ界面における二次元電子ガスの発生を抑制して、素子の耐電圧を向上させる手法である。
【００１２】
しかしながら特許文献３に開示された手法を用いた場合、緩衝層中におけるＭｇ濃度が高くなり過ぎることによって緩衝層の結晶性が悪化し、リーク電流が増加してしまうという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高耐電圧性を有するとともにｐ型不純物の拡散による結晶品質の劣化が好適に抑制された、半導体素子用のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行となるようにIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用のエピタキシャル基板であって、第１の積層単位と第２の積層単位とを交互に積層してなり、かつ、最上部と最下部がいずれも前記第１の積層単位にて構成されてなるバッファ層と、前記バッファ層の直上に形成されたチャネル層と、前記チャネル層の上に形成されたバリア層と、を備え、前記第１の積層単位が、組成の相異なるIII族窒化物からなる第１単位層と第２単位層とを前記下地基板の側からこの順に繰り返し交互に積層してなる組成変調層と、前記組成変調層の上に形成され、Ａｌを含むIII族窒化物からなる第１中間層と、を含み、前記第１単位層を構成する第１のIII族窒化物よりも前記第２単位層を構成する第２のIII族窒化物の方が無歪状態における面内格子定数が大きく、それぞれの前記第２単位層は前記第１単位層に対してコヒーレントな状態に形成されてなり、前記バッファ層に含まれる複数の前記第１中間層のうちの少なくとも１つがＡｌを含むIII族窒化物からなる第１の層であり、前記第１の層のみにｐ型不純物が意図的に導入されてなり、前記バッファ層に含まれる層および前記チャネル層のうち、前記第１の層に隣接する層である第２の層に前記第１の層から拡散したｐ型不純物が存在する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、前記複数の前記第１中間層のうち、少なくとも前記チャネル層に隣接する前記第１中間層が前記第１の層である、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル基板であって、前記複数の前記第１中間層の全てが前記第１の層である、ことを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記第１中間層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物からなり、前記チャネル層がＧａＮからなる、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記第１の層における前記ｐ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３である、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記第１中間層が、前記組成変調層に対してコヒーレントな状態に形成されてなることを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記第１単位層がＡｌＮからなり、前記第２単位層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物からなることを特徴とする。
【００２３】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記組成変調層の最上部に前記第１単位層と同じ組成を有する終端層が設けられてなることを特徴とする。
【００２４】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記第２の積層単位が、前記第１中間層を構成するIII族窒化物よりも無歪状態における面内格子定数が小さいIII族窒化物からなる第２中間層である、ことを特徴とする。
【００２５】
請求項１０の発明は、請求項９に記載のエピタキシャル基板であって、前記第２中間層がＡｌＮにて１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚みに形成されてなることを特徴とする。
【００２６】
請求項１１の発明は、請求項９または請求項１０に記載のエピタキシャル基板であって、前記第１単位層の組成と前記第２中間層の組成が実質的に同じであることを特徴とする。
【００２７】
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記下地基板の上に形成された、ＡｌＮからなる第１の下地層と、前記第１の下地層の上に形成され、ＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１）からなる第２の下地層と、をさらに備え、前記第１の下地層が、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成される多結晶欠陥含有性層であり、前記第１の下地層と前記第２の下地層との界面が３次元的凹凸面であり、前記第２の下地層の直上に前記バッファ層が形成されてなる、ことを特徴とする。
【００２８】
請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のエピタキシャル基板であって、前記ｐ型不純物がＭｇである、ことを特徴とする。
【００２９】
請求項１４の発明は、（１１１）方位の単結晶シリコンである下地基板の上に、前記下地基板の基板面に対し（０００１）結晶面が略平行なIII族窒化物層群を形成してなる半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、第１の積層単位と第２の積層単位とを最上部と最下部がいずれも前記第１の積層単位となるように交互に積層することによってバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層の直上にチャネル層をエピタキシャル形成するチャネル層形成工程と、前記チャネル層の上にバリア層をエピタキシャル形成するバリア層形成工程と、を備え、前記バッファ層形成工程が、前記第１の積層単位を形成する工程として、組成の相異なるIII族窒化物からなる第１単位層と第２単位層とを前記下地基板の側からこの順に繰り返し交互に積層することにより組成変調層をエピタキシャル形成する組成変調層形成工程と、前記組成変調層の上に第１中間層をエピタキシャル形成する第１中間層形成工程と、を含み、前記組成変調層形成工程においては、前記第１単位層を構成するIII族窒化物よりも前記第２単位層を構成するIII族窒化物の方が無歪状態における面内格子定数が大きくなるように、かつ、それぞれの前記第２単位層は前記第１単位層に対してコヒーレントな状態になるように、前記組成変調層を形成し、前記バッファ層に含まれる複数の前記第１中間層のうちの少なくとも１つをエピタキシャル形成する際にのみ、ｐ型不純物を導入する、ことを特徴とする。
【００３０】
請求項１５の発明は、請求項１４に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記複数の前記第１中間層のうち、少なくとも前記チャネル層に隣接する前記第１中間層に、前記ｐ型不純物を導入する、ことを特徴とする。
【００３１】
請求項１６の発明は、請求項１４に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記複数の前記第１中間層の全てに前記ｐ型不純物を導入する、ことを特徴とする。
【００３２】
請求項１７の発明は、請求項１４ないし請求項１６のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記第１中間層をＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて形成し、前記チャネル層をＧａＮにて形成する、ことを特徴とする。
【００３３】
請求項１８の発明は、請求項１４ないし請求項１７のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記ｐ型不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３となるように前記ｐ型不純物を導入する、ことを特徴とする。
【００３５】
請求項１９の発明は、請求項１４ないし請求項１８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記第１中間層形成工程においては、前記組成変調層に対してコヒーレントな状態になるように前記第１中間層を形成する、ことを特徴とする。
【００３６】
請求項２０の発明は、請求項１４ないし請求項１９のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記組成変調層形成工程においては、前記第１単位層をＡｌＮにて形成し、前記第２単位層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて形成する、ことを特徴とする。
【００３７】
請求項２１の発明は、請求項１４ないし請求項２０のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記組成変調層の最上部に前記第１単位層と同じ組成を有する終端層を設ける終端層形成工程、をさらに備えることを特徴とする。
【００３８】
請求項２２の発明は、請求項１４ないし請求項２１のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記第２の積層単位を形成する工程として、前記第１中間層を構成するIII族窒化物よりも無歪状態における面内格子定数が小さいIII族窒化物からなる第２中間層を形成する第２中間層形成工程、を備えることを特徴とする。
【００３９】
請求項２３の発明は、請求項２２に記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記第２中間層をＡｌＮにて１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚みに形成することを特徴とする。
【００４０】
請求項２４の発明は、請求項１４ないし請求項２３のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記下地基板の上に、ＡｌＮからなる第１の下地層を形成する第１下地層形成工程と、前記第１の下地層の上に、ＡｌｐＧａ１−ｐＮ（０≦ｐ＜１）からなる第２の下地層を形成する第２下地層形成工程と、をさらに備え、前記第１下地層形成工程においては、前記第１の下地層を、柱状あるいは粒状の結晶もしくはドメインの少なくとも一種から構成され、表面が三次元的凹凸面である多結晶欠陥含有性層として形成し、前記バッファ層形成工程においては、前記第２の下地層の直上に前記バッファ層を形成する、ことを特徴とする。
【００４１】
請求項２５の発明は、請求項１４ないし請求項２４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法であって、前記ｐ型不純物がＭｇである、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
請求項１ないし請求項２５の発明によれば、安価で大口径のものを入手容易なシリコン基板を下地基板とし、かつ、クラックフリーで結晶品質が優れ、しかも耐電圧の高いエピタキシャル基板を、得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す模式断面図である。
【図２】組成変調層３において第１単位層３１の上に第２単位層３２が形成されるときの結晶格子の様子を示すモデル図である。
【図３】第１中間層５の形成までを行ったエピタキシャル基板の反り量と、第１中間層５の厚みとの関係を示す図である。
【図４】チャネル隣接中間層とチャネル層９ａとにおけるｐ型不純物の濃度プロファイルをＳＩＭＳにより測定した結果を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
＜エピタキシャル基板の概略構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す模式断面図である。
【００４５】
エピタキシャル基板１０は、下地基板１と、下地層２と、それぞれ複数の組成変調層３と、終端層４と、第１中間層５と、第２中間層７とを備えるバッファ層８と、機能層９とを主として備える。なお、以降においては、下地基板１の上に形成した各層を、エピタキシャル膜と総称することがある。また、III族元素中のＡｌの存在比率のことを、便宜上、Ａｌモル分率とも称する場合がある。
【００４６】
下地基板１は、（１１１）面の単結晶シリコンウェハーである。下地基板１の厚みに特段の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍから数ｍｍの厚みを有する下地基板１を用いるのが好ましい。また下地基板１の導電型に関しても特に制限はなく、ｐ型及びｎ型等を適宜選択が可能である。
【００４７】
下地層２と、組成変調層３と、終端層４と、第１中間層５と、第２中間層７と、機能層９とは、それぞれ、ウルツ鉱型のIII族窒化物を（０００１）結晶面が下地基板１の基板面に対し略平行となるように、エピタキシャル成長手法によって形成した層である。これらの層の形成は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により行うのが好適な一例である。
【００４８】
下地層２は、その上に上述の各層を良好な結晶品質で形成することを可能とするべく設けられる層である。具体的には、下地層２は、少なくともその表面近傍において（組成変調層３との界面近傍において）、転位密度が好適に低減されてなるとともに良好な結晶品質を有するように設けられる。これにより、組成変調層３さらにはその上に形成される各層においても、良好な結晶品質が得られる。
【００４９】
本実施の形態においては、係る目的をみたすべく、以下に示すように、下地層２が、第１下地層２ａと第２下地層２ｂとからなるものとする。
【００５０】
第１下地層２ａは、ＡｌＮからなる層である。第１下地層２ａは、下地基板１の基板面に略垂直な方向（成膜方向）に成長した多数の微細な柱状結晶等（柱状結晶、粒状結晶、柱状ドメインあるいは粒状ドメインの少なくとも一種）から構成される層である。換言すれば、第１下地層２ａは、エピタキシャル基板１０の積層方向への一軸配向はしてなるものの、積層方向に沿った多数の結晶粒界もしくは転位を含有する、結晶性の劣った多欠陥含有性層である。なお、本実施の形態においては、便宜上、ドメイン粒界あるいは転位も含めて、結晶粒界と称することがある。第１下地層２ａにおける結晶粒界の間隔は大きくても数十ｎｍ程度である。
【００５１】
係る構成を有する第１下地層２ａは、ｃ軸傾き成分についてのモザイク性の大小もしくはらせん転位の多少の指標となる（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が、０．５度以上１．１度以下となるように、かつ、ｃ軸を回転軸とした結晶の回転成分についてのモザイク性の大小もしくは刃状転位の多少の指標となる（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が０．８度以上１．１度以下となるように、形成される。
【００５２】
一方、第２下地層２ｂは、第１下地層２ａの上に形成された、ＡｌpＧａ1-pＮ（０≦ｐ＜１）なる組成のIII族窒化物からなる層である。
【００５３】
また、第１下地層２ａと第２下地層２ｂとの界面Ｉ１（第１下地層２ａの表面）は、第１下地層２ａを構成する柱状結晶等の外形形状を反映した三次元的凹凸面となっている。界面Ｉ１がこのような形状を有することは、例えば、エピタキシャル基板１０のＨＡＡＤＦ（高角散乱電子）像において、明瞭に確認される。なお、ＨＡＡＤＦ像とは、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）によって得られる、高角度に非弾性散乱された電子の積分強度のマッピング像である。ＨＡＡＤＦ像においては、像強度は原子番号の二乗に比例し、原子番号が大きい原子が存在する箇所ほど明るく（白く）観察されるので、Ｇａを含む第２下地層２ｂが相対的に明るく、Ｇａを含まない第１下地層２ａが相対的に暗く観察される。これにより、両者の界面Ｉ１が、三次元的凹凸面となっていることが容易に認識される。
【００５４】
なお、図１の模式断面においては、第１下地層２ａの凸部２ｃが略等間隔に位置するように示されているが、これは図示の都合にすぎず、実際には必ずしも等間隔に凸部２ｃが位置するわけではない。好ましくは、第１下地層２ａは、凸部２ｃの密度が５×１０9／ｃｍ2以上５×１０10／ｃｍ2以下であり、凸部２ｃの平均間隔が４５ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であるように形成される。これらの範囲をみたす場合、特に結晶品質の優れた機能層９の形成が可能となる。なお、本実施の形態において、第１下地層２ａの凸部２ｃとは、表面（界面Ｉ１）において上に凸の箇所の略頂点位置のことを指し示すものとする。なお、本発明の発明者の実験および観察の結果、凸部２ｃの側壁を形成しているのは、ＡｌＮの（１０−１１）面もしくは（１０−１２）面であることが確認されている。
【００５５】
第１下地層２ａの表面に上記の密度および平均間隔を満たす凸部２ｃが形成されるには、平均膜厚が４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下となるように第１下地層２ａを形成することが好ましい。平均膜厚が４０ｎｍより小さい場合には、上述のような凸部２ｃを形成しつつＡｌＮが基板表面を覆い尽くす状態を実現することが難しくなる。一方、平均膜厚を２００ｎｍより大きくしようとすると、ＡｌＮ表面の平坦化が進行し始めるために上述のような凸部２ｃを形成することが難しくなる。
【００５６】
なお、第１下地層２ａの形成は、所定のエピタキシャル成長条件のもとで実現されるが、第１下地層２ａをＡｌＮにて形成することは、シリコンと液相化合物を形成するＧａを含まないという点、および、横方向成長が比較的進みにくいので界面Ｉ１が三次元的凹凸面として形成されやすいという点において好適である。
【００５７】
エピタキシャル基板１０においては、下地基板１と第２下地層２ｂとの間に、上述のような態様にて結晶粒界を内在する多欠陥含有性層である第１下地層２ａを介在させることにより、下地基板１と第２下地層２ｂとの間の格子ミスフィットが緩和され、係る格子ミスフィットに起因する歪みエネルギーの蓄積が抑制されている。上述した第１下地層２ａについての（０００２）面および（１０−１０）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅の範囲は、この結晶粒界による歪みエネルギーの蓄積が好適に抑制される範囲として定まるものである。
【００５８】
ただし、係る第１下地層２ａが介在することで、第２下地層２ｂには、第１下地層２ａの柱状結晶等の結晶粒界が起点となった非常に多数の転位が伝播する。本実施の形態においては、第１下地層２ａと第２下地層２ｂとの界面Ｉ１を上述のように三次元的凹凸面とすることで、係る転位を効果的に低減させてなる。
【００５９】
第１下地層２ａと第２下地層２ｂとの界面Ｉ１が三次元的凹凸面として形成されていることにより、第１下地層２ａで発生した転位のほとんどは、第１下地層２ａから第２下地層２ｂへと伝播する（貫通する）際に、界面Ｉ１で屈曲され、第２下地層２ｂの内部において合体消失する。結果として、第１下地層２ａを起点とする転位のうち、第２下地層２ｂを貫通する転位はごく一部となる。
【００６０】
また、第２下地層２ｂは、好ましくは、その成長初期こそ第１下地層２ａの表面形状（界面Ｉ１の形状）に沿って形成されるものの、成長が進むにつれて徐々にその表面が平坦化されていき、最終的には、１０ｎｍ以下の表面粗さを有するように形成される。なお、本実施の形態において、表面粗さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により計測した５μｍ×５μｍ領域についての平均粗さｒａで表すものとする。ちなみに、第２下地層２ｂが、横方向成長が比較的進みやすい、少なくともＧａを含む組成のIII族窒化物にて形成されることは、第２下地層２ｂの表面平坦性を良好なものとするうえで好適である。
【００６１】
また、第２下地層２ｂの平均厚みは、４０ｎｍ以上とするのが好適である。これは、４０ｎｍより薄く形成した場合には、第１下地層２ａに由来する凹凸が十分に平坦化しきれないことや、第２下地層２ｂに伝播した転位の相互合体による消失が十分に起こらない、などの問題が生じるからである。尚、平均厚みが４０ｎｍ以上となるように形成した場合には、転位密度の低減や表面の平坦化が効果的になされるので、第２下地層２ｂの厚みの上限については特に技術上の制限はないが、生産性の観点からは数μｍ以下程度の厚みに形成するのが好ましい。
【００６２】
以上のように、第２下地層２ｂの表面は、低転位でかつ優れた平坦性を有するものとなっているので、その上に形成される各層は、良好な結晶品質を有するものとなる。
【００６３】
バッファ層８は、それぞれが組成変調層３と終端層４と第１中間層５をこの順に積層してなる複数の単位構造体６の間に、第２中間層７を介在させた構成を有する。換言すれば、第２中間層７は個々の単位構造体６の間に境界層として設けられているともいえる。あるいはまた、バッファ層８は、最下部と最上部を単位構造体６とする態様にて、第１の積層単位である単位構造体６と第２の積層単位である第２中間層７とが繰り返し交互に積層された構成を有するともいえる。図１においては、４つの単位構造体６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）と３つの第２中間層７（７ａ、７ｂ、７ｃ）を備える場合を例示しているが、単位構造体６と第２中間層７の数はこれに限られない。
【００６４】
組成変調層３は、それぞれが相異なる組成の２種類のIII族窒化物層である第１単位層３１と第２単位層３２とを繰り返し交互に積層することにより形成されてなる、超格子構造を有する部位である。なお、１つの第１単位層３１と１つの第２単位層３２との組をペア層と称する。
【００６５】
第１単位層３１と第２単位層３２とは、前者を構成するIII族窒化物よりも後者を構成するIII族窒化物の方が無歪の状態（バルク状態）における面内格子定数（格子長）が大きい、という関係をみたすように形成されてなる。
【００６６】
また、組成変調層３においては、第２単位層３２が、第１単位層３１に対してコヒーレントな状態に形成されてなる。また、第１単位層３１の厚みよりも第２単位層３２の厚みの方が大きくなっている。
【００６７】
第１単位層３１は、３ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好ましい。典型的には５ｎｍ〜１０ｎｍの厚みに形成される。一方、第２単位層３２は、１０ｎｍ〜２５ｎｍ程度であるのが好適である。また、ペア層の繰り返し数は、５〜数十程度である。
【００６８】
好ましくは、第１単位層３１はＡｌＮにて構成され、第２単位層３２はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて構成される。
【００６９】
終端層４は、組成変調層３の最上部に（終端部に）、第１単位層３１と同じ組成及び厚みでIII族窒化物にて形成される層である。ペア層こそ構成はしないが、終端層４は、実質的には超格子層３の一部であるともいえる。以降においては、特に断らない限り、組成変調層３は終端層４を含むものとする。
【００７０】
第１中間層５はIII族窒化物からなる層である。第１中間層５は、第１単位層３１を構成するIII族窒化物よりも無歪の状態における面内格子定数が大きいIII族窒化物にて構成される。例えば、第１中間層５は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて構成される。第１中間層５は、終端層４に対してコヒーレントな状態に形成されてなる。第１中間層５は、概ね１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みを有するのが好適である。なお、それぞれの単位構造体６に備わる第１中間層５の組成は同じである必要はない。
【００７１】
なお、バッファ層８に備わる複数の第１中間層５のうちの少なくとも１つには、ｐ型不純物が意図的に導入されてなる。これは、エピタキシャル基板１０の耐電圧性を高める目的で行われている。このように第１中間層５がｐ型不純物を含むことの詳細については後述する。
【００７２】
第２中間層７は、第１中間層５を構成するIII族窒化物よりも無歪の状態における面内格子定数が小さいIII族窒化物にて構成される層である。第２中間層７は、概ね１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚みに形成されるのが好適である。好ましくは、第２中間層７は、組成変調層３の第１単位層３１と同じ組成を有するIII族窒化物にて構成される。より好ましくは、第２中間層７は、ＡｌＮからなる。
【００７３】
単位構造体６を構成する組成変調層３におけるペア層の数や、第１中間層５の実際の組成および厚みなどは、バッファ層８全体の形成態様に応じて定められる。
【００７４】
機能層９は、バッファ層８の上に形成された、III族窒化物により形成される層であり、エピタキシャル基板１０の上にさらに所定の半導体層や電極などを形成することで半導体素子を構成する場合において、所定の機能を発現する層である。それゆえ、機能層９は、当該機能に応じた組成および厚みを有する１または複数の層にて形成される。図１においては、機能層９がチャネル層９ａとバリア層９ｂからなる場合を例示しているが、機能層９の構成はこれに限られるものではない。
【００７５】
チャネル層９ａとバリア層９ｂとは、エピタキシャル基板１０をＨＥＭＴ素子用の基板とするべく設けられる機能層である。チャネル層９ａは、高抵抗のＧａＮからなり、数十ｎｍから数μｍ程度の厚みを有する。また、バリア層９ｂは、ＡｌＧａＮやＩｎＡｌＮなどからなり、数十ｎｍ程度の厚みを有する。バリア層９ｂの上に、図示を省略するゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極を形成することで、ＨＥＭＴ素子が得られる。これらの電極形成には、フォトリソグラフィープロセスなどの公知の技術を適用可能である。また、係る場合において、チャネル層９ａとバリア層９ｂとの間にＡｌＮからなる１ｎｍ程度の厚みのスペーサ層を設ける態様であってもよい。
【００７６】
＜エピタキシャル基板の製造方法＞
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合を例として、エピタキシャル基板１０を製造する方法について概説する。
【００７７】
まず、下地基板１として（１１１）面の単結晶シリコンウェハーを用意し、希フッ酸洗浄により自然酸化膜を除去し、さらにその後、ＳＰＭ洗浄を施してウェハー表面に厚さ数Å程度の酸化膜が形成された状態とする。これをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットする。
【００７８】
そして所定の加熱条件とガス雰囲気のもとで各層を形成する。まず、ＡｌＮからなる第１下地層２ａは、基板温度を８００℃以上、１２００℃以下の所定の初期層形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ〜３０ｋＰａ程度とした状態で、アルミニウム原料であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）バブリングガスとＮＨ3ガスとを適宜のモル流量比にてリアクタ内に導入し、成膜速度を２０ｎｍ／ｍｉｎ以上、目標膜厚を２００ｎｍ以下、とすることによって、形成させることができる。
【００７９】
第２下地層２ｂの形成は、第１下地層２ａの形成後、基板温度を８００℃以上１２００℃以下の所定の第２下地層形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ〜１００ｋＰａとした状態で、ガリウム原料であるＴＭＧ（トリメチルガリウム）バブリングガスとＴＭＡバブリングガスとＮＨ3ガスとを、作製しようとする第２下地層２ｂの組成に応じた所定の流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ3とＴＭＡおよびＴＭＧとを反応させることにより実現される。
【００８０】
バッファ層８を構成する各層、すなわち、組成変調層３を構成する第１単位層３１および第２単位層３２、終端層４、第１中間層５、第２中間層７の形成は、第２下地層２ｂの形成に続いて、基板温度を８００℃以上１２００℃以下の各層に応じた所定の形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ〜１００ｋＰａの各層に応じた所定の値に保った状態で、ＮＨ3ガスとIII族窒化物原料ガス（ＴＭＡ、ＴＭＧのバブリングガス）とを、各層において実現しようとする組成に応じた流量比でリアクタ内に導入することによって実現される。その際、設定膜厚に応じたタイミングで流量比を切り替えることで、それぞれの層が連続的にかつ所望の膜厚で形成される。また、第１中間層５を形成するに際してｐ型不純物を導入するには、上述の原料ガスに加えて、ｐ型不純物用の原料ガスを、第１中間層５において実現しようとするｐ型不純物濃度に応じた流量でリアクタに供給すればよい。例えばＭｇを第１中間層５に導入する場合であれば、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム；Ｍｇ（Ｃ5Ｈ5）2）を原料ガスとして用いればよい。
【００８１】
機能層９の形成は、バッファ層８の形成後、基板温度を８００℃以上１２００℃以下の所定の機能層形成温度に保ち、リアクタ内圧力を０．１ｋＰａ〜１００ｋＰａとした状態で、ＴＭＩバブリングガス、ＴＭＡバブリングガス、あるいはＴＭＧバブリングガスの少なくとも１つとＮＨ3ガスとを、作製しようとする機能層９の組成に応じた流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ3とＴＭＩ、ＴＭＡ、およびＴＭＧの少なくとも１つとを反応させることにより実現される。
【００８２】
機能層９が形成された後、エピタキシャル基板１０は、リアクタ内で常温まで降温される。その後、リアクタから取り出されたエピタキシャル基板１０は、適宜、後段の処理（電極層のパターニングなど）に供される。
【００８３】
＜バッファ層の作用効果＞
本実施の形態もそうであるように、一般に、単結晶シリコンウェハーの上にIII族窒化物からなる結晶層を所定の形成温度でエピタキシャル成長させてエピタキシャル基板を得ようとする場合、III族窒化物の方がシリコンよりも熱膨張係数が大きい（例えば、シリコン：３．４×１０-6／Ｋ、ＧａＮ：５．５×１０-6／Ｋ）ことから、結晶成長後、常温にまで降温される過程において、結晶層には面内方向に引張応力が生じる。この引張応力は、エピタキシャル基板におけるクラック発生や、反りの要因となる。本実施の形態においては、係る引張応力を低減させ、クラック発生や反りを抑制する目的で、エピタキシャル基板１０にバッファ層８が設けられている。より具体的には、バッファ層８を構成する各層がそれぞれに奏する作用効果によって、エピタキシャル基板１０におけるクラックの発生と反りとが抑制されてなる。以下、詳細に説明する。
【００８４】
（組成変調層）
図２は、組成変調層３において第１単位層３１の上に第２単位層３２が形成されるときの結晶格子の様子を示すモデル図である。いま、第２単位層３２を構成するIII族窒化物の無歪状態における面内方向の格子長をａ0、実際の格子長をａとする。本実施の形態においては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第２単位層３２は第１単位層３１の結晶格子に対して整合を保ちつつ結晶成長していく。このことは、結晶成長時に、第２単位層３２の面内方向にｓ＝ａ0−ａだけの圧縮歪が生じることを意味している。すなわち、第２単位層３２の結晶成長は歪みエネルギーを保持した状態で進行する。
【００８５】
ただし、成長が進むにつれて、エネルギー的な不安定さが増していくため、第２単位層３２には歪みエネルギーを解放するべく徐々にミスフィット転位が導入されていく。やがて、ある臨界状態に達すると、第２単位層３２に保持されていた歪みエネルギーは全て解放されてしまうことになる。このとき、図２（ｃ）に示すようにａ＝ａ0となる。
【００８６】
ところが、この図２（ｃ）に示す状態に達するまでの、図２（ｂ）に示すようなａ0＞ａの状態で第２単位層３２の形成を終了させてしまえば、第２単位層３２は歪みエネルギーを保持したまま（圧縮歪を含んだまま）となる。本実施の形態においては、このような歪みエネルギーを含んだままの結晶成長を、コヒーレントな状態での結晶成長と称する。換言すれば、歪みエネルギーが完全に解放されてしまう臨界膜厚よりも小さい厚みに第２単位層３２を形成する限りにおいては、第２単位層３２は第１単位層３１に対してコヒーレントな状態にあるといえる。あるいは、第２単位層３２の最上面（直上の第１単位層３１と接する面）の格子長ａについてａ0＞ａが成り立つ限りにおいては、第２単位層３２は第１単位層３１に対してコヒーレントな状態にあるということもできる。なお、第２単位層３２が上述した態様にて歪みエネルギーを含んでいる限りにおいては、第２単位層３２において部分的にａ0＝ａになっていたとしても、第２単位層３２は第１単位層３１に対してコヒーレントな状態にあるといえる。
【００８７】
第１単位層３１を構成するIII族窒化物の面内格子定数は第２単位層３２を構成するIII族窒化物の面内格子定数よりも小さいので、この歪みエネルギーを保持したままの第２単位層３２の上に第１単位層３１を形成させたとしても、コヒーレントな状態は保たれ、直下の第２単位層３２に保持された歪みエネルギーが解放されることもない。そして、この第１単位層３１の上に再び、第２単位層３２をコヒーレントな状態に成長させれば、係る第２単位層３２においても、上述と同様の圧縮歪が生じることとなる。
【００８８】
以降、同様に、コヒーレントな状態での成長を維持したままで第１単位層３１と第２単位層３２の形成（ペア層の形成）を繰り返すと、それぞれのペア層の第２単位層３２に歪みエネルギーが保持されるので、組成変調層３は全体として、圧縮歪を含んだ部位として形成されることになる。
【００８９】
組成変調層３に導入された圧縮歪は、熱膨張係数差に起因して生じる引張応力とは正反対の向きに作用するので、降温時において、該引張応力を相殺する作用がある。概略的にいえば、１つのペア層における圧縮歪の大きさと、組成変調層３におけるペア層の繰り返し数との積に比例する力で、引張応力が相殺されることになる。すなわち、組成変調層３は、エピタキシャル基板１０に圧縮歪を導入してなる部位であるともいえる。
【００９０】
なお、第１単位層３１は、２つの第２単位層３２の間に介在することになるが、その厚みが小さすぎる場合は、第２単位層３２に生じる圧縮歪が小さくなって逆に第１単位層３１自体に引張応力を内在しやすくなり好ましくない。一方、厚みが大きすぎる場合は、第２単位層３２自体が引張方向の力を受けやすくなってやはり好ましくない。上述した、３ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚みという要件は、このような不具合が生じないという点から好適なものである。
【００９１】
また、上述した、第１単位層３１がＡｌＮにて構成され、第２単位層３２がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて構成されるという要件は、個々のペア層において十分な大きさの圧縮歪を得ることができるという点で好適なものである。
【００９２】
（終端層）
終端層４は、組成変調層３の最上部に、第１単位層３１と同じ組成のIII族窒化物にて、つまりは、第２単位層３２を形成するIII族窒化物よりも面内格子定数が小さいIII族窒化物にて、第１単位層３１と同じ厚みで形成されてなる。係る態様にて終端層４が存在することで、組成変調層３に導入された圧縮歪は、後述する態様にて第１中間層５を設ける場合においても好適に維持される。
【００９３】
（第１中間層）
図３は、第１中間層５の形成までを行ったエピタキシャル基板の反り量と、第１中間層５の厚みとの関係を示す図である。なお、図３は、エピタキシャル膜の総膜厚を横軸として表している。また、本実施の形態において、エピタキシャル基板の反り量は、レーザー変位計によって測定するものとする。
【００９４】
図３に示した５つの例において、第１中間層５の厚み以外の条件は全て同じである。下地基板１としては、ｐ型の導電型を有する直径４インチの（１１１）単結晶シリコンウェハー（５２５μｍ厚）を用いている。その上に、ＡｌＮからなり平均膜厚１００ｎｍの第１下地層２ａと、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなり平均膜厚４０ｎｍの第２下地層２ｂと、５ｎｍ厚のＡｌＮからなる第１単位層３１と１５ｎｍ厚のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる第２単位層３２とのペア層が２０回繰り返し積層された組成変調層３と図示しない終端層４と、ＧａＮからなる第１中間層５とが積層されてなる。
【００９５】
図３においては、第１中間層５の厚みが２００ｎｍのときに、エピタキシャル基板の反り量が極小となっている。上述のように、第１中間層５は、終端層４に対してコヒーレントな状態に形成されるので、図３に示す結果は、２００ｎｍ程度の厚みに形成された第１中間層５が、バッファ層８によってエピタキシャル基板１０に導入された圧縮歪をより強める作用効果を奏することを示唆している。係る結果を踏まえ、本実施形態においては、第１中間層５を１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度の厚みに設け、組成変調層３において導入された圧縮歪を強めるようにしている。これにより、エピタキシャル基板１０においては、引張応力がより効果的に相殺されるようになっている。すなわち、エピタキシャル基板１０において、第１中間層５は、歪強化層として機能する。
【００９６】
なお、図３に示すように、第１中間層５の厚みが大きくなりすぎると、エピタキシャル基板１０の反り量は増大する。これは、結晶が成長するにつれて歪みエネルギーの蓄積に限界が生じて圧縮歪が弱まってくとともに、格子がコヒーレントな状態を保って成長するのが困難となっていき、やがては臨界膜厚を越えて歪みエネルギーが開放されてしまうためである。係る反り量の増加はクラック発生の要因となる。ちなみに、図３においては第１中間層５の厚みが５００ｎｍのときの反り量は第１中間層５を設けない場合よりも大きいが、単位構造体６が複数積層される実際のエピタキシャル基板１０において、第１中間層５の厚みが５００ｎｍ以下の範囲であればバッファ層８における圧縮歪が好適に強められることは、本発明の発明者によって確認されている。
【００９７】
（第２中間層）
組成変調層３と第１中間層５とが上述した態様にて形成されることで、単位構造体６は全体として圧縮歪を内在することになる。それゆえ、複数の単位構造体６を積層すれば、クラック発生防止に十分な、大きな圧縮歪が得られることになるはずである。しかしながら、実際には、ある単位構造体６の直上に別の単位構造体６を形成したとしても、上側の単位構造体６においては十分な圧縮歪が得られない。これは、下側の単位構造体６の最上層である第１中間層５を構成するIII族窒化物の方が、上側の単位構造体６の最下層である第１単位層３１を構成するIII族窒化物よりも無歪の状態における面内格子定数が大きく、かつ、第１単位層３１がせいぜい３ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚みに形成されるに過ぎないために、第１中間層５の上に直接、第１単位層３１を形成すると、第１単位層３１が引張歪を内在してしまい、組成変調層３に十分な圧縮歪が導入されなくなるためである。
【００９８】
そこで、本実施の形態においては、単位構造体６の間に第２中間層７を設けることによって、上述のような引張歪の導入に伴う不具合を生じさせないようにするとともに、個々の単位構造体６に十分な圧縮歪が内在されるようにしている。
【００９９】
具体的には、単位構造体６の最上層である第１中間層５の上に、該第１中間層５を構成するIII族窒化物よりも無歪の状態における面内格子定数が小さいIII族窒化物にて、第２中間層７が形成されてなる。係る態様にて設けられる第２中間層７は、第１中間層５との界面近傍に第１中間層５との格子定数差に起因したミスフィット転位を内在するが、少なくともその表面近傍においては、格子緩和して、引張応力が作用することのない実質的に無歪状態が実現されてなる。ここで、実質的に無歪であるとは、少なくとも直下の第１中間層５との界面近傍以外のところにおいてはバルク状態における格子定数と実質的に同一の格子定数を有することを意味している。
【０１００】
このような実質的に無歪の第２中間層７の上に形成した単位構造体６においては、その最下層となる第１単位層３１に引張応力が作用することはないので、該単位構造体６も、第２中間層７の直下の単位構造体６と同様に、圧縮歪を好適に内在する態様にて形成されてなる。
【０１０１】
好ましくは、第１単位層３１と第２中間層７とがともにＡｌＮにて形成される。係る場合、第２中間層７と第１単位層３１とを連続的に形成することで、両者が実質的に１つの層を構成することになるので、第１単位層３１に引張応力が作用することがより確実に防止される。
【０１０２】
ただし、第２中間層７の厚みが小さすぎる場合、第１中間層５の上に直接に第１単位層３１を形成する場合と同様に、第２中間層７に引張応力が作用してしまい、その影響のもとで組成変調層３を形成することになるため、組成変調層３に好適に圧縮歪が内在されなくなり好ましくない。一方、第２中間層７の厚みが大きすぎる場合、第２中間層７自体の、下地基板１であるシリコンとの間の熱膨張係数差の影響を無視できなくなって、第２中間層７に係る熱膨張係数差に起因した引張応力が作用してしまうことになり、好ましくない。上述したように、第２中間層７が概ね１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の厚みに形成されることは、第２中間層７が実質的に無歪の状態で形成され、その直上の第１単位層３１に引張応力が作用しない要件として好適なものである。
【０１０３】
さらに多くの単位構造体６を設ける場合も、上述と同様の態様にてそれぞれの単位構造体６の間に第２中間層７を介在させることで、全ての単位構造体６に圧縮歪が好適に内在された状態が実現されてなる。なお、単位構造体６の構成が同じであれば、単位構造体６の繰り返し積層数が多いほど、バッファ層８に内在される圧縮歪は大きくなる。
【０１０４】
以上のような態様にて構成されたバッファ層８を備えるエピタキシャル基板１０においては、該バッファ層８が大きな圧縮歪を内在していることで、シリコンとIII族窒化物との熱膨張係数差に起因して生じる引張応力が、好適に相殺された状態が実現されている。これにより、エピタキシャル基板１０においては、クラックフリーが実現されてなる。また、このような態様にて引張応力が相殺されてなることで、エピタキシャル基板１０は、反りが１００μｍ以下にまで抑制されたものとなっている。
【０１０５】
すなわち、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０においては、歪導入層である組成変調層３の上に終端層４と歪強化層としての第１中間層５を形成した単位構造体６と、実質的に無歪の第２中間層７とを交互に積層する態様にてバッファ層８を設けることで、バッファ層８に大きな圧縮歪を内在させ、シリコンとIII族窒化物との熱膨張係数差に起因してエピタキシャル基板１０に生じる引張応力を、好適に低減させてなる。これにより、エピタキシャル基板１０においては、クラックフリーが実現され、反りも低減されてなる。
【０１０６】
なお、バッファ層８は、上述したように歪みエネルギーの蓄積が抑制された状態の第２下地層２ｂの上に形成されることから、引張応力の相殺効果が、第２下地層２ｂに蓄積された歪みエネルギーを原因として阻害されることはない。
【０１０７】
また、単位構造体６と第２中間層７とを繰り返し積層することは、エピタキシャル膜自体の総膜厚を増大させることになる。一般に、エピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴ素子を作製する場合、その総膜厚が大きいほど該ＨＥＭＴ素子の絶縁破壊電圧が大きくなるので、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の構成は、係る絶縁破壊電圧の増大にも資するものである。
【０１０８】
＜第１中間層へのｐ型不純物の導入＞
次に、第１中間層５にｐ型不純物を意図的に導入することに関する詳細を説明する。
【０１０９】
上述したように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０においては、積層された複数の単位構造体６のそれぞれに、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて構成される第１中間層５が設けられている。そして、エピタキシャル基板１０の耐電圧性を高める目的で、係る第１中間層５のうちの少なくとも１つにｐ型不純物が意図的に導入されてなる。なお、本実施の形態において、意図的に導入されているとは、人為的な導入を行っていないにも関わらずｐ型不純物が混入した場合を除外することの意である。ｐ型不純物は、例えばＭｇ、Ｚｎなどである。好ましくは、ｐ型不純物はＭｇである。なお、以降においては、チャネル層９ａに隣接する第１中間層５（以下、チャネル隣接中間層）のみにｐ型不純物が導入されてなる場合を（ｐ型不純物の導入の）第１の態様と称し、全ての第１中間層５にｐ型不純物が導入されてなる場合を（ｐ型不純物の導入の）第２の態様と称することとする。
【０１１０】
第１中間層５におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０17／ｃｍ3〜２×１０18／ｃｍ3程度であるのが好ましい。係る濃度範囲をみたすことで、エピタキシャル基板１０においては、ｐ型不純物を含まない以外は同じ組成からなるエピタキシャル基板に比して、高い耐電圧が実現される。例えば、ｐ型不純物が第１の態様にて導入されてなるエピタキシャル基板１０の場合で、耐電圧の値は２割〜３割程度大きくなる。なお、本実施の形態において、耐電圧とは、エピタキシャル基板１０に対し、０Ｖから値を増大させつつ電圧を印加したときに、１ｍＡ／ｃｍ2の漏れ電流が生じた電圧値であるとする。また、ｐ型不純物を導入する第１中間層５の数が多いほど、耐電圧の値も大きくなる。例えば、ｐ型不純物が第２の態様にて導入されてなるエピタキシャル基板１０の耐電圧の値は、ｐ型不純物が導入されていないエピタキシャル基板の耐電圧よりも５割程度大きくなる。
【０１１１】
なお、厳密にいえば、上述のようなプロセスによってエピタキシャル基板１０を作製する過程において、特に、作製途中のエピタキシャル基板１０が加熱を受ける際に、第１中間層５に導入されたｐ型不純物はその隣接層へと拡散する。従って、ｐ型不純物層は当該隣接層にも微量存在する。
【０１１２】
第１の態様の場合であれば、チャネル層９ａにも微量のｐ型不純物が存在することになるので、これによってチャネル層９ａが高抵抗化されることが、エピタキシャル基板１０の耐電圧の向上に寄与するものと考えられる。
【０１１３】
ただし、その一方で、チャネル層９ａへのｐ型不純物の拡散が過剰になると、チャネル層９ａの結晶性は劣化してしまい、結果として、十分な耐電圧は得られなくなる。よって、チャネル層９ａへのｐ型不純物の拡散は、耐電圧性を向上させるに十分な程度であればよいことになる。
【０１１４】
本実施の形態においては、係る点を鑑み、上述のように、ｐ型不純物を導入するマトリックス層をＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦０．２５）なる組成のＡｌを含むIII族窒化物からなる第１中間層５のみとすることによって、チャネル層９ａをはじめとする、第１中間層５の隣接層への拡散を好適に抑制しつつ、高い耐電圧が実現されてなる。
【０１１５】
図４は、第１の態様にて構成したエピタキシャル基板１０と、第１中間層５をＧａＮにて構成し、第１の態様と同様にチャネル隣接中間層のみにｐ型不純物を導入したエピタキシャル基板１０とについて、チャネル隣接中間層とチャネル層９ａとにおけるｐ型不純物の濃度プロファイルをＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定した結果を例示する図である（詳細は実施例参照）。図中、符号Ａを付しているのが前者のプロファイルであり、符号Ｂを付しているのが後者のプロファイルである。ｐ型不純物としてはＭｇを用い、第１中間層５におけるＭｇ元素の濃度を２×１０18／ｃｍ3と設定している。
【０１１６】
図４に示された２つのプロファイルを比較すると、第１中間層５においてはＡ、Ｂのプロファイルともに濃度は２×１０18／ｃｍ3で略一定となっている。しかしながら、チャネル層９ａにおいては、Ａのプロファイルではチャネル隣接中間層との界面からおよそ０．２μｍのところでＭｇ元素の濃度が検出限界以下である１×１０16／ｃｍ3以下にまで減少しているのに対して、Ｂのプロファイルでは、チャネル隣接中間層との界面からおよそ０．３μｍのところまでＭｇ元素の濃度が１×１０16／ｃｍ3以上となっている。係るプロファイルの差異は、本実施の形態のようにＡｌを含むIII族窒化物からなる第１中間層５をマトリックス層としてｐ型不純物を導入する方が、ｐ型不純物の拡散が起こりにくいことを示している。
【０１１７】
しかも、Ａのプロファイルを得たエピタキシャル基板の耐電圧が８００Ｖ弱程度であるのに対して、Ｂのプロファイルを得たエピタキシャル基板の耐電圧は５００Ｖ弱程度である。このことは、前者のエピタキシャル基板のように、ｐ型不純物の拡散を限定的なものとする方が、高い耐電圧が得られることを示している。さらにいえば、このことは、チャネル層９ａへのｐ型不純物の拡散を促進させるべく、第１中間層５に対しｐ型不純物を過剰に導入する必要がないことをも意味している。
【０１１８】
一方、第２の態様の場合、チャネル隣接中間層だけではなく、組成変調層３の間に位置する第１中間層５にもｐ型不純物が導入される。これにより、バッファ層８全体のエネルギーポテンシャルが高められ、個々の組成変調層３の第１単位層３１と第２単位層３２との界面における二次元電子ガスの発生が抑制されることで、エピタキシャル基板１０の耐電圧がさらに向上するものと考えられる。
【０１１９】
もちろん、この第２の態様の場合も、第１中間層５に対する必要以上のｐ型不純物の導入、および、第１中間層５から隣接層へのｐ型不純物層の過剰な拡散は、耐電圧の向上には寄与せず、エピタキシャル膜の結晶性の劣化を引き起こすため、必要がない。極端な例として、バッファ層８の全体に均一にｐ型不純物を導入したとした場合、エピタキシャル基板１０の耐電圧は、ｐ型不純物を導入しない場合よりもむしろ低下する。
【０１２０】
なお、バッファ層８にＡｌを含む層が多いほど、エピタキシャル基板１０の耐電圧は高くなる。特に、第２単位層３２をＡｌxＧａ1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて形成し、かつ第１中間層をＡｌyＧａ1-yＮ（０．１≦ｙ≦０．２５）なる組成のIII族窒化物にて形成することが好適である。本実施の形態のようにｐ型不純物を導入することは、係る耐電圧をより高める効果を有しているともいえる。
【０１２１】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、下地基板と機能層との間に、組成変調層と終端層と第１中間層とからなり圧縮歪を内在する単位構造体を複数積層してなるバッファ層を設けるようにし、かつ、第１中間層をＡｌを含むIII族窒化物にて構成するとともに該第１中間層の少なくとも１つにｐ型不純物を導入することで、安価で大口径のものを入手容易なシリコン基板を下地基板とし、かつ、クラックフリーで結晶品質が優れ、しかも耐電圧の高いたエピタキシャル基板を、得ることができる。
【０１２２】
特に、低結晶性層にｐ型不純物を導入せずとも、耐電圧が高く、かつ結晶品質が保たれたエピタキシャル基板を得ることができる。また、チャネル層に隣接する第１中間層にｐ型不純物を導入した場合であっても、耐電圧が高く、かつ結晶品質が保たれたエピタキシャル基板を得ることができる。
【０１２３】
また、エピタキシャル基板１０は、下地基板１と第１下地層２ａの間に図示しない界面層を備える態様であってもよい。界面層は、数ｎｍ程度の厚みを有し、アモルファスのＳｉＡｌuＯvＮwからなるのが好適な一例である。
【０１２４】
下地基板１と第１下地層２ａとの間に界面層を備える場合、下地基板１と第２下地層２ｂなどとの格子ミスフィットがより効果的に緩和され、その上に形成される各層の結晶品質がさらに向上する。すなわち、界面層を備える場合には、第１下地層２ａであるＡｌＮ層が、界面層を備えない場合と同様の凹凸形状を有しかつ界面層を備えない場合よりも内在する結晶粒界が少なくなるように形成される。特に（０００２）面でのＸ線ロッキングカーブ半値幅の値が改善された第１下地層２ａが得られる。これは、下地基板１の上に直接に第１下地層２ａを形成する場合に比して、界面層の上に第１下地層２ａを形成する場合の方が第１下地層２ａとなるＡｌＮの核形成が進みにくく、結果的に、界面層が無い場合に比べて横方向成長が促進されることによる。なお、界面層の膜厚は５ｎｍを超えない程度で形成される。このような界面層を備えた場合、第１下地層２ａを、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が、０．５度以上０．８度以下の範囲となるように形成することができる。この場合、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブ半値幅が８００ｓｅｃ以下であり、らせん転位密度が１×１０9／ｃｍ2以下であるという、さらに結晶品質の優れた機能層を形成することができる。
【０１２５】
なお、界面層の形成は、シリコンウェハーが第１下地層形成温度に達した後、第１下地層２ａの形成に先立って、ＴＭＡバブリングガスのみをリアクタ内に導入し、ウェハーをＴＭＡバブリングガス雰囲気に晒すようすることによって実現される。
【０１２６】
また、第１下地層２ａの形成時に、Ｓｉ原子とＯ原子の少なくとも一方が第１下地層２ａに拡散固溶してなる態様や、Ｎ原子とＯ原子の少なくとも一方が下地基板１に拡散固溶してなる態様であってもよい。
【実施例】
【０１２７】
実施例として、バッファ層８の層構成が異なる複数種のエピタキシャル基板１０を作製した。実施例に係るエピタキシャル基板１０の基本構成を、表１に示している。
【０１２８】
【表１】
0005662184.tif 000002
【０１２９】
以下の実施例においては、表１に示すように、３つの単位構造体６が積層された複数種類のエピタキシャル基板１０を作製した。ただし、チャネル層９ａに隣接する第１中間層５の組成と、ｐ型不純物としてのＭｇの導入態様（作製時の設定濃度）とを除いては、全てのエピタキシャル基板１０について同じとした。
【０１３０】
チャネル層９ａに隣接する第１中間層５の組成と、Ｍｇ濃度と、耐電圧とを、表２に示している。
【０１３１】
【表２】
0005662184.tif 000003
【０１３２】
なお、表１および表２においては、チャネル層９ａに隣接する第１中間層５におけるＭｇ濃度をα（／ｃｍ3）、それ以外の第１中間層５におけるＭｇ濃度をβ（／ｃｍ3）、単位構造体６の第１中間層５以外の層におけるＭｇ濃度をγと示している。
【０１３３】
（実施例１）
本実施例では、チャネル隣接中間層の組成（具体的には、ＡｌyＧａ1-yＮのｙの値）と、そのＭｇ濃度αとを種々に違える他は、同じ条件で、１１種のエピタキシャル基板１０（試料ａ−１〜ａ−１１）を作製し、耐電圧を測定した。なお、いずれの試料においても、β＝γ＝０とした。すなわち、Ｍｇを導入するのはチャネル隣接中間層のみとした。なお、試料ａ−５〜ａ−７、ａ−９〜ａ−１１が、上述の第１の態様に相当する。
【０１３４】
まず、下地基板１として基板厚みが５２５μｍのｐ型の導電型を有する４インチ（１１１）面単結晶シリコンウェハー（以下、シリコンウェハー）を用意した。用意したシリコンウェハーに、フッ化水素酸／純水＝１／１０（体積比）なる組成の希フッ酸による希フッ酸洗浄と硫酸／過酸化水素水＝１／１（体積比）なる組成の洗浄液によるＳＰＭ洗浄とを施して、ウェハー表面に厚さ数Åの酸化膜が形成された状態とし、これをＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内にセットした。次いで、リアクタ内を水素・窒素混合雰囲気とし、リアクタ内圧力を１５ｋＰａとして、基板温度が第１下地層形成温度である１１００℃となるまで加熱した。
【０１３５】
基板温度が１１００℃に達すると、リアクタ内にＮＨ3ガスを導入し、１分間、基板表面をＮＨ3ガス雰囲気に晒した。
【０１３６】
その後、ＴＭＡバブリングガスを所定の流量比にてリアクタ内に導入し、ＮＨ3とＴＭＡを反応させることによって表面が三次元的凹凸形状を有する第１下地層２ａを形成した。その際、第１下地層２ａの成長速度（成膜速度）は２０ｎｍ／ｍｉｎとし、第１下地層２ａの目標平均膜厚は１００ｎｍとした。
【０１３７】
第１下地層２ａが形成されると、続いて、基板温度を１１００℃とし、リアクタ内圧力を１５ｋＰａとして、ＴＭＧバブリングガスをリアクタ内にさらに導入し、ＮＨ3とＴＭＡならびにＴＭＧとの反応により、第１下地層２ｂとしてのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を平均膜厚が４０ｎｍ程度となるように形成した。
【０１３８】
第２下地層２ｂの形成に続いて、バッファ層８を形成した。本実施例では、表１に示したように、いずれの試料も、第１単位層３１と終端層４と第２中間層７とは全てＡｌＮにて形成した。また、第２単位層３２は全てＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎにて形成した。また、チャネル層９ａに隣接しない第１中間層５は、全て、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎにて形成した。そして、チャネル隣接中間層のみ、表１に示した組成にて形成するとともに、表２に示したＭｇ濃度でｐ型不純物としてのＭｇを導入した。具体的には、チャネル隣接中間層について、ｙの値を、０、０．１、０．１５、０．２の４水準に違えた。また、Ｍｇ濃度αは、１．０×１０17／ｃｍ3、５．０×１０17／ｃｍ3、２．０×１０18／ｃｍ3、２．０×１０19／ｃｍ3の４水準に違えた。なお、基板温度は１１００℃とし、リアクタ内圧力を１５ｋＰａとした。また、Ｍｇの導入に用いたＣｐ2Ｍｇ以外の原料ガスは、下地層２の形成に用いたものと同じである。
【０１３９】
いずれの試料においても、バッファ層８の形成後、ＧａＮからなるチャネル層９ａを７００ｎｍの厚みに形成し、続いて、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるバリア層９ｂを２５ｎｍの厚みに形成した。チャネル層９ａおよびバリア層９ｂの形成においては、基板温度を１１００℃とし、リアクタ内圧力を１５ｋＰａとした。いずれも、用いた原料ガスは下地層２の形成に用いたものと同じである。
【０１４０】
以上により、エピタキシャル基板１０が得られた。いずれのエピタキシャル基板１０においても、クラックは確認されなかった。得られたエピタキシャル基板１０について、０Ｖから値を増大させつつ電圧を印加し、１ｍＡ／ｃｍ2の漏れ電流が生じた電圧値を耐電圧として特定した。
【０１４１】
表２に示したように、まず、チャネル隣接中間層をＡｌを含まないＧａＮにて構成してなる試料ａ−１〜ａ−３の耐電圧はいずれも５００Ｖ以下であり、Ｍｇ濃度が高くなるほど耐電圧が低下する傾向があった。係る結果より、チャネル隣接中間層がＡｌを含まない場合、チャネル隣接中間層に対しＭｇを導入したとしても耐電圧向上の効果が得られないことが、確認される。
【０１４２】
一方、試料ａ−４、ａ−８の耐電圧はいずれも５８０Ｖ強であった。係る結果より、チャネル隣接中間層をＡｌを含むIII族窒化物にて構成することで、Ａｌを含まない上述のａ−１〜ａ−３の場合よりも耐電圧が高くなることが確認される。
【０１４３】
そして、ａ−５〜ａ−７、ａ−９〜ａ−１１の耐電圧は７６２Ｖ〜８０６Ｖの範囲となった。係る結果より、Ａｌを含むIII族窒化物から構成されるチャネル隣接中間層にｐ型不純物としてＭｇを導入することで、さらに耐電圧が高くなることが確認される。
【０１４４】
以上の結果は、Ａｌを含むIII族窒化物にて第１中間層５を形成し、かつ、上述した第１の態様にてエピタキシャル基板１０を構成することが、高耐電圧化にとって有効であることを示している。
【０１４５】
（実施例２）
本実施例では、全ての第１中間層５についてその組成（具体的にはｙの値）とＭｇ濃度とを同じとする一方、単位構造体６の第１中間層５以外の層におけるＭｇ濃度を違えた２種のエピタキシャル基板１０（試料ｂ−１〜ｂ−２）を実施例１と同様の手順で作製し、耐電圧の測定を行った。なお、いずれの試料においても、ｙ＝０．２、α＝２．０×１０18／ｃｍ3とした。そして、試料ｂ−１においては、β＝２．０×１０18／ｃｍ3（＝α）、γ＝０とした。また、試料ｂ−２においては、β＝γ＝２．０×１０18／ｃｍ3（＝α）とした。すなわち、試料ｂ−１は上述の第２の態様に相当する。また、試料ｂ−２においては、バッファ層８全体に均一にＭｇが導入されていることになる。
【０１４６】
得られたいずれのエピタキシャル基板１０においても、クラックは確認されなかった。
【０１４７】
表２に示した耐電圧の評価結果をみると、試料ｂ−１では、βの値のみが異なる試料ａ−１１の８０６Ｖという値に比してさらに高い、９０５Ｖという耐電圧が得られていることが確認される。係る結果は、ｐ型不純物を導入する第１中間層５が多いほど耐電圧が高くなることを示している。一方で、試料ｂ−２では、Ｍｇを導入していないａ−８よりも低い５５８Ｖという耐電圧しか得られていない。係る結果は、バッファ層８全体に均一にｐ型不純物を導入しても、耐電圧向上の効果が得られないことを示している。すなわち、試料ｂ−１、ｂ−２の結果を併せ考えると、第１中間層５にのみｐ型不純物を導入することによって隣接層にｐ型不純物が微量拡散した状態を実現することがエピタキシャル基板１０の耐電圧向上に有効であると判断される。なお、バッファ層８全体に均一にｐ型不純物を導入した場合に、ｐ型不純物を導入しない場合よりもさらに低い耐電圧しか得られないのは、ｐ型不純物が過剰に存在することで結晶性の劣化が生じたためであると考えられる。
【符号の説明】
【０１４８】
１  下地基板
２  下地層
２ａ  第１下地層
２ｂ  第２下地層
３  組成変調層
４  終端層
５  第１中間層
６  単位構造体
７  第２中間層
８  バッファ層
９ａ  チャネル層
９ｂ  バリア層
１０  エピタキシャル基板
３１  第１単位層
３２  第２単位層
【図１】
0005662184.tif 000004
【図２】
0005662184.tif 000005
【図３】
0005662184.tif 000006
【図４】
0005662184.tif 000007