(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ単結晶基板と、該Ｓｉ単結晶基板上のバッファ層と、を有するIII族窒化物半導体デバイス用基板において、
前記バッファ層は、前記Ｓｉ単結晶基板上の初期バッファ層と、該初期バッファ層上の、超格子層および中間層を交互に繰り返し積層した複合層とを有し、
前記複合層は、炭素濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であり、
前記超格子層は、ＡｌＮよりなる第１層と、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５＜ｘ＜０．２０）よりなる第２層とを交互に繰り返し積層した積層体からなり、前記超格子層の厚さは前記中間層の厚さよりも大きく、
前記中間層は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなり、厚さ１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下であることを特徴とする、III族窒化物半導体デバイス用基板。
【請求項２】
前記中間層がＧａＮからなる、請求項１に記載のIII族窒化物半導体デバイス用基板。
【請求項３】
前記バッファ層上にIII族窒化物半導体からなる機能積層体を有し、
前記機能積層体は、電子走行層と、電子供給層と、キャップ層とをこの順に含む積層体であり、前記電子走行層の厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体デバイス用基板。
【請求項４】
前記バッファ層と前記機能積層体との間に、炭素濃度を傾斜させた炭素濃度傾斜層を有する、請求項３に記載のIII族窒化物半導体デバイス用基板。
【請求項５】
Ｓｉ単結晶基板上に初期バッファ層を形成する工程と、
前記初期バッファ層上に、超格子層および中間層を交互に繰り返し積層した複合層を形成する複合層形成工程と、
前記複合層上に、III族窒化物半導体からなる機能積層体を形成する機能積層体形成工程と、を含み、
前記超格子層は、ＡｌＮよりなる第１層とＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５＜ｘ＜０．２０）よりなる第２層とを交互に繰り返し積層した積層体からなり、
前記複合層は、炭素濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であり、
前記中間層は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなり、
前記複合層形成工程において、前記超格子層を前記中間層よりも厚く形成し、且つ、前記中間層を厚さ１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下とすることを特徴とする、III族窒化物半導体デバイス用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体デバイス用基板およびその製造方法に関し、特に、Ｓｉ単結晶基板上にIII族窒化物半導体からなる複数の半導体層をエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体デバイス用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン単結晶基板上に、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどのIII族元素と窒素との化合物であるIII族窒化物（BaAlbGacIndN, a+b+c+d=1, 0≦a, b, c, d≦1）からなる半導体（以下、III族窒化物半導体）をエピタキシャル成長させた、III族窒化物半導体デバイス用基板が知られている。III族窒化物半導体デバイスは、このIII族窒化物半導体デバイス用基板を用いて形成される。ここで、III族窒化物半導体デバイス用基板のベース基板としては、シリコン単結晶基板およびサファイア基板が一般的であるが、シリコン単結晶基板はサファイア基板に比べて安価であることに加えて、大口径化が容易である点で有利である。そのため、シリコン単結晶基板は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）およびＬＥＤ（発光ダイオード；Light Emitting Diode）などの種々のIII族窒化物半導体デバイスの量産に適している。
【０００３】
しかしながら、シリコンとIII族窒化物とでは、両者の格子定数差が大きいため、格子定数差や熱膨張係数差に起因する歪や転位、ウェーハの反りなどの問題が生じやすい。これらの問題を解決するため、シリコン基板と、III族窒化物半導体デバイスとして機能する機能積層体との間に位置する領域に、III族窒化物からなるバッファ層を設けられる技術の研究が盛んに行われている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、Ｓｉ単結晶基板を用いたる窒化ガリウム系化合物半導体基板において、ＡｌＮおよびＧａＮを交互に積層した超格子構造と、２００ｎｍ以上の厚いＧａＮ層との繰り返し構造をバッファ層として用いることで、転位発生を防止し、基板の反りを低減することが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、バッファ層として、ＡｌＮおよびＧａＮを交互に積層した超格子構造と、２０〜４００ｎｍの厚いＧａＮ層との繰り返し構造をバッファ層として用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−７９９５２
【特許文献２】特開２００８−２０５１１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、特許文献１に開示される活性層の厚さは１０００〜３５００ｎｍとされている。また、特許文献２に開示される電子走行層（チャネル層）の厚さは１８００ｎｍとされている。特許文献１，２のいずれも、機能積層体の厚さが比較的大きい。特許文献１，２では、機能積層体が厚く形成されることによって基板全体の平坦性がある程度担保されるため、バッファ層に起因する平坦性への悪影響を受けにくいと考えられる。
【０００８】
ところで、本発明者らの検討によると、ノーマリーオフ型のＨＥＭＴにおいて、電子走行層を１００ｎｍ以下の厚さで比較的薄く設けると、空乏層が狭くてもチャネルを遮断でき、その結果、しきい値電圧を正側へシフトできる点で好ましいことが判明しつつある。しかしながら、機能積層体の厚さが特許文献１，２に比べて小さい場合、機能積層体より下方に設けられるバッファ層によりIII族窒化物半導体デバイス用基板の平坦性が大きく影響を受けると共に、縦方向のリーク特性も悪化することが本発明者らにより分かった。機能積層体の厚さが小さい場合、バッファ層における耐圧が大きくなければ、必要な耐圧は得られない。
【０００９】
そこで、本発明は、特に電子走行層の薄いＨＥＭＴに供して好適な、良好な平坦性および十分な耐圧性を兼ね備えるIII族窒化物半導体デバイス用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】
【００１０】
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、所定の厚さの関係性を満足する超格子層および中間層を交互に繰り返し積層した複合層をバッファ層に設けることで、良好な平坦性および十分な耐圧性を兼ね備えるIII族窒化物半導体デバイス用基板を得ることができることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）Ｓｉ単結晶基板と、該Ｓｉ単結晶基板上のバッファ層と、を有するIII族窒化物半導体デバイス用基板において、
前記バッファ層は、前記Ｓｉ単結晶基板上の初期バッファ層と、該初期バッファ層上の、超格子層および中間層を交互に繰り返し積層した複合層とを有し、
前記複合層は、炭素濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であり、
前記超格子層は、ＡｌＮよりなる第１層と、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５＜ｘ＜０．２０）よりなる第２層とを交互に繰り返し積層した積層体からなり、前記超格子層の厚さは前記中間層の厚さよりも大きく、
前記中間層は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなり、厚さ１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下であることを特徴とする、III族窒化物半導体デバイス用基板。
【００１２】
（２）前記中間層がＧａＮ層からなる、前記（１）に記載のIII族窒化物半導体デバイス用基板。
【００１３】
（３）前記バッファ層上にIII族窒化物半導体からなる機能積層体を有し、
前記機能積層体は、電子走行層と、電子供給層と、キャップ層とをこの順に含む積層体であり、前記電子走行層の厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、前記（１）または（２）に記載のIII族窒化物半導体デバイス用基板。
【００１４】
（４）前記バッファ層と前記機能積層体との間に、炭素濃度を傾斜させた炭素濃度傾斜層を有する、前記（３）に記載のIII族窒化物半導体デバイス用基板。
【００１５】
（５）Ｓｉ単結晶基板上に初期バッファ層を形成する工程と、
前記初期バッファ層上に、超格子層および中間層を交互に繰り返し積層した複合層を形成する複合層形成工程と、
前記複合層上に、III族窒化物半導体からなる機能積層体を形成する機能積層体形成工程と、を含み、
前記超格子層は、ＡｌＮよりなる第１層とＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５＜ｘ＜０．２０）よりなる第２層とを交互に繰り返し積層した積層体からなり、
前記中間層は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなり、
前記複合層は、炭素濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であり、
前記複合層形成工程において、前記超格子層を前記中間層よりも厚く形成し、且つ、前記中間層を厚さ１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下とすることを特徴とする、III族窒化物半導体デバイス用基板の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、所定の厚さの関係性を満足する超格子層および中間層を交互に繰り返し積層した複合層をバッファ層に設けたので、良好な平坦性および十分な耐圧性を兼ね備えるIII族窒化物半導体デバイス用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板１００を説明する模式断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板２００を説明する模式断面図である。
【図３】実施例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のＴＥＭ断面写真である。
【図４】（Ａ）は、実施例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のＯＭ暗視野像であり、（Ｂ）は、比較例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のＯＭ暗視野像である。
【図５】（Ａ）は、実施例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のＡＦＭ像であり、（Ｂ）は、比較例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のＡＦＭ像である。
【図６】（Ａ）は、実施例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板の縦方向の電流電圧特性を示すグラフであり、（Ｂ）は、比較例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板の縦方向の電流電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。なお、各層のBaAlbGacIndN材料における各組成比（a, b, c, d）の値は、例えばエネルギー分散型X線分析（EDS）を用いて測定することができる。十分な厚さの単層構造には、SEM-EDSを用いることができ、超格子構造のように各層の厚さが薄い場合にはTEM-EDSを用いて同定することができる。
【００１９】
（III族窒化物半導体デバイス用基板）
図１に示すように、本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板１００は、Ｓｉ単結晶基板１０と、Ｓｉ単結晶基板１０上のバッファ層５０と、を有する。ここで、バッファ層５０は、Ｓｉ単結晶基板１０上の初期バッファ層２０と、初期バッファ層２０上の、超格子層３１および中間層３２を交互に繰り返し積層した複合層３０とを有する。さらに、超格子層３１は、ＡｌＮよりなる第１層３１ＡとＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５＜ｘ＜０．２０）よりなる第２層３１Ｂとを交互に繰り返し積層した積層体からなり、超格子層３１の厚さは中間層３２の厚さよりも大きい。そして、中間層３２は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなり、その厚さは１２０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下である。以下、各構成の詳細を順次説明する。
【００２０】
＜Ｓｉ単結晶基板＞
Ｓｉ単結晶基板１０は、シリコン単結晶からなる基板である。Ｓｉ単結晶基板１０の導電性は、１００００Ω・ｃｍ以上の絶縁性の高い高比抵抗基板から、０．００１Ω・ｃｍ程度までの低比抵抗基板まで、用途に応じて適宜使用することができ、公知のシリコン基板を適宜用いることができる。ｐ型、ｎ型いずれの伝導型としてもよい。Ｓｉ単結晶基板１０の面方位は特に指定されず、（１１１），（１００），（１１０）面等の任意の面方位を使用することができる。III族窒化物の（０００１）面を表面平坦性よく成長させるためには、面方位が（１１１）の基板を用いることが好ましい。Ｓｉ単結晶基板１０の厚さおよび幅等のその他の仕様は、III族窒化物半導体デバイス用基板１００の用途に応じて、適宜設計すればよい。
【００２１】
次に、Ｓｉ単結晶基板１０上には、既述のとおりバッファ層５０が設けられる。そして、バッファ層５０は、初期バッファ層２０と、初期バッファ層２０上の、超格子層３１および中間層３２を交互に繰り返し積層した複合層３０とを有する。
【００２２】
＜初期バッファ層＞
初期バッファ層２０は、シリコンとIII族窒化物との間の格子定数差を緩和するために設けられる。この目的のため、初期バッファ層２０をＡｌＮ単結晶からなる層とすることが好ましい。また、Ｓｉ単結晶基板１０上と、初期バッファ層２０との間に、ＳｉＮからなる層が設けられていてもよい。
【００２３】
また、図２に示すように、初期バッファ層２０が第１初期バッファ層２１および第２初期バッファ層２２をこの順に有することも好ましい。初期バッファ層２０がＡｌＮ単結晶からなる層を含む場合、転位を多く含みやすいため、第１初期バッファ層２１としてＡｌＮ単結晶からなる層を用い、その上に第２初期バッファ層２２としてＡｌＧａＮや、ＡｌＧａＮ中のＡｌ組成比を傾斜させた組成傾斜層を用いることも好ましい。なお、組成傾斜層のＡｌ組成比は、Ｓｉ単結晶基板１０から離れる方向に減少する。
【００２４】
ここで、第１初期バッファ層２１にＡｌＮを用い、第２初期バッファ層２２にＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮの組成傾斜層を用いる場合、第１初期バッファ層２１の厚みを、５０〜３００ｎｍとし、第２初期バッファ層２２の厚みを、２００〜３００ｎｍとすることが好ましい。この場合、第２初期バッファ層２２のＡｌ組成比を例えば０．１〜０．３（組成傾斜の場合には、この範囲で組成傾斜させる）とすることができる。また、第２初期バッファ層２２の厚みを、第１初期バッファ層２１の厚みよりも大きくすることも好ましい。さらに、図示しないが、初期バッファ層２０を３層以上の積層構造としてもよい。
【００２５】
＜複合層＞
複合層３０は、超格子構造からなる超格子層３１と、中間層３２とを交互に繰り返し積層した積層構造を有する。すなわち、複合層３０は、超格子層３１および中間層３２の組み合わせを１組として、これを複数組積層した積層構造を有する。初期バッファ層２０直上に上記組み合わせをｎ組（ただし、ｎは２以上の整数である）設け、最後に超格子層３１を１層設けた積層構造とすることが好ましい。こうすることで、耐圧性をより向上させ、炭素濃度傾斜層以降の層の欠陥密度を低減させることができるためである。このような場合、複合層３０が超格子層３１および中間層３２の組み合わせを「ｎ．５組」有する、と称する。詳細を後述するが、超格子層３１の厚さを、中間層３２の厚さよりも大きくすることが本実施形態において肝要である。
【００２６】
超格子層３１はＡｌＮよりなる第１層３１ＡとＡｌxＧａ1-xＮよりなる第２層３１Ｂとを交互に積層した積層体とすることが好ましい。第１層３１Ａの厚さを４〜６ｎｍ、第２層３１Ｂの厚さを２０〜３０ｎｍとすることが好ましく、第１層３１Ａおよび第２層３１Ｂ両者の超格子ペア数を６〜１０ペアとすることが好ましい。また、超格子層３１の厚さは、１５０ｎｍ以上３６０ｎｍ以下であることが好ましく、耐圧性向上のために超格子層３１の厚さを１８０ｎｍ以上とすることがより好ましい。
【００２７】
ここで、超格子層３１におけるＡｌxＧａ1-xＮよりなる第２層３１ＢのＡｌ組成比ｘを、０．０５＜ｘ＜０．２０とする。Ａｌ組成比ｘを０．０６以上０．１２以下とすることがより好ましい。Ａｌ組成比ｘが０．０５未満の場合、超格子層３１による耐圧性向上の効果が不十分となる。一方、Ａｌ組成比ｘが０．２以上となると、超格子層３１による平坦性の悪化が大きくなる。
【００２８】
中間層３２は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなる。超格子層３１の第２層３１ＢのＡｌ組成比ｘとのＡｌ組成比の差を最大化するため、中間層３２をＧａＮ層（すなわち、ｙ＝０）とすることがより好ましい。ここで、本実施形態において、中間層３２の厚さを１２０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下とし、１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下とすることがより好ましく、１４０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。中間層３２の厚さが１８０ｎｍを超えると、縦方向の耐圧が悪化し、１２０ｎｍより薄いと、結晶性や平坦性の向上効果が不十分となるためである。
【００２９】
なお、中間層３２の厚さを大きくすることはバッファ層５０全体の厚さが増すことにもなるため、一般的には縦方向の耐圧向上に寄与すると考えられる。しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、中間層３２の厚さが特定の大きさを超えると、バッファ層５０内で中間層３２からキャリアが供給されてしまい、縦方向の耐圧が悪化する原因となることが判明した。
【００３０】
ここで、超格子層３１と中間層３２との組み合わせ構造では、超格子層３１の厚さを中間層３２の厚さより大きくすることが重要である。超格子層３１の厚さＴSが中間層３２の厚さＴMより小さい場合、超格子層３１による耐圧向上効果が低下して、縦方向の耐圧が悪化することが本発明者らにより実験的に確認された。なお、耐圧向上効果をより確実に得るためには、超格子層３１の厚さＴSは、中間層３２の厚さＴMよりも、１０ｎｍ以上大きいことがより好ましい。
【００３１】
また、複合層３０における、超格子層３１と中間層３２の組み合わせ数は、４〜５．５組であることが好ましく、複合層３０の総厚さを、１３８０〜２７００ｎｍとすることが好ましい。さらに、耐圧性を向上させるために、複合層３０における炭素濃度を１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。なお、この濃度範囲である限りは、複合層３０内で炭素濃度が一定である必要はない。例えば、超格子層３１の炭素濃度が中間層３２の炭素濃度より高くてもよいし、その反対でもよい。
【００３２】
以上、本実施形態に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板１００は、所定の厚さの関係性を満足する超格子層３１および中間層３２を交互に繰り返し積層した複合層３０をバッファ層５０に設けたので、良好な平坦性および十分な耐圧性を兼ね備えるIII族窒化物半導体デバイス用基板を提供することができる。本実施形態に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板１００は、電子走行層の薄いＨＥＭＴなどの、機能積層体の厚みが小さく、横方向に電子走行方向を有するIII族窒化物半導体デバイスに供して特に好適である。
【００３３】
また、図２に示すように、本発明の別の実施形態に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板２００では、既述のＳｉ単結晶基板１０およびバッファ層５０に加えて、バッファ層５０上にIII族窒化物半導体からなる機能積層体７０を有することが好ましい。ここで、III族窒化物半導体デバイス用基板２００において、機能積層体７０は、電子走行層７１と、電子供給層７２と、キャップ層７３とをこの順に含む積層体とすることができ、電子走行層７１の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】
＜機能積層体＞
ここで、機能積層体７０は、III族窒化物半導体デバイス用基板２００をIII族窒化物半導体デバイスに供した際に、半導体デバイスとして機能する領域である。ＨＥＭＴなど、横方向に電流が主に流すれる半導体デバイスでは、機能積層体７０は、例えば、電子走行層７１（チャネル層とも呼ばれる）と、電子供給層７２と、キャップ層７３とをこの順に含む積層体から構成される。
【００３５】
電子走行層７１には、不純物が意図的には添加されていないアンドープのＧａＮを用いることが好ましい。なお、本明細書において、「不純物が意図的には添加されていない」状態、すなわち「アンドープである」とは、理想的には、不純物を全く含まない半導体であることが好ましいが、電気的にｐ型またはｎ型のいずれとしても機能しない半導体であればよく、キャリア密度が小さいもの（例えば５×１０16／ｃｍ3未満のもの）はアンドープであり、製造工程中の不可避の不純物混入を排除するものではない。
【００３６】
電子供給層７２には、意図的には不純物が添加されていないアンドープの、またはｎ型不純物をドープしたｎ型のＡｌＧａＮを気相成長させた層とすることが好ましい。機能積層体７０において、電子走行層７１の、電子供給層７２との界面近傍において、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）が生じる。また、キャップ層７３は、III族窒化物半導体デバイスに電極を設ける際の、電極に対するオーミック抵抗を下げるための層であり、例えばＧａＮを用いることができる。
【００３７】
本発明に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板２００は、ノーマリーオフ型のＨＥＭＴに供して特に好適であり、電子走行層７１の厚さを１０〜１００ｎｍとする場合において顕著に効果が得られる。これは、電子走行層７１の厚さが１００ｎｍ以下の場合、電子走行層７１の厚さ自身による平坦性の向上効果が乏しくなるため、電子走行層７１を形成するための下地となるバッファ層５０による平坦性改善効果が必要となるためである。なお、電子走行層としての機能を確実に得るため、電子走行層７１の厚さを１０ｎｍ以上とする。機能積層体７０において、電子走行層７１以外の各層の厚さは、目的に応じて適宜設定することができる。
【００３８】
＜炭素濃度傾斜層＞
また、図２に示すように、III族窒化物半導体デバイス用基板２００は、バッファ層５０と機能積層体７０との間に、炭素濃度を傾斜させた炭素濃度傾斜層６０を有することも好ましい。炭素濃度傾斜層６０は、ＡｌＧａＮからなり、炭素濃度を成長方向に傾斜させた層とすることができる。ここで、炭素濃度を成長方向に傾斜させるとは、炭素濃度を連続的に変化させても断続的（階段状）に変化させても、いずれでもよいが、バッファ層５０側の炭素濃度を最も高くし、機能積層体７０側に向けて炭素濃度を順次低下するように傾斜させることが好ましい。図２に示すように、バッファ層５０から順に、高炭素濃度層６１、中炭素濃度層６２、低炭素濃度層６３を有する炭素濃度傾斜層６０を、このような炭素濃度傾斜層として例示できる。各層内での炭素濃度は連続的に変化しても、一定でもいずれでもよい。なお、図２に示す炭素濃度傾斜層６０の３層構造の炭素濃度傾斜は単なる一例に過ぎず、２層構造で炭素濃度を階段状に傾斜させてもよいし、４層以上の構造で炭素濃度を階段状に傾斜させてもよいことは勿論である。
【００３９】
上述のように炭素濃度が傾斜した構造を有する炭素濃度傾斜層６０は、機能積層体７０からＳｉ単結晶基板１０への縦方向の電流の流れを阻止して、III族窒化物半導体デバイス用基板２００の縦方向耐圧性を向上させると共に、機能積層体７０の結晶性を向上させることができる。なお、炭素濃度を変化させる方法としては、後述するが、ＡｌＮ、ＧａＮ、またはＡｌＧａＮからなるIII族窒化物半導体層を形成する条件の一つである温度、圧力、原料ガス流量等を変化させればよい。
【００４０】
ここで、炭素濃度傾斜層６０をＡｌzＧａ1-zＮから構成する場合、Ａｌ組成比ｚを、０．０６以上０．１２以下とすることが好ましい。Ａｌ組成比ｚが０．１２より大きいとIII族窒化物半導体デバイス用基板２００の反りが大きくなり、Ａｌ組成比ｚが０．０６より小さいと垂直方向への耐圧性が低下するためである。なお、炭素濃度傾斜層６０を複数層構造とする場合、Ａｌ組成比ｚが上記範囲であれば、各層のＡｌ組成比は異なっていてもよいが、同一とすることがより好ましい。各層のＡｌ組成比を同一とすることで、組成差を起因とする二次元電子ガスの発生を抑制し、リーク電流を低減することができる。
【００４１】
また、炭素濃度傾斜層６０の厚さを、合計で８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とすることが好ましい。炭素濃度傾斜層６０が高炭素濃度層６１、中炭素濃度層６２および低炭素濃度層６３を有する場合、各層の厚さは上記合計厚さを満足すれば特に制限されない。そして、炭素濃度傾斜層６０のＳｉ単結晶基板１０側の炭素濃度は、１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましく、炭素濃度傾斜層の機能積層体７０側の炭素濃度は、５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００４２】
（III族窒化物半導体デバイス用基板の製造方法）
次に、本発明に従うIII族窒化物半導体デバイス用基板２００の製造方法は、Ｓｉ単結晶基板１０上に初期バッファ層２０を形成する工程と、初期バッファ層２０上に、超格子層３１および中間層３２を交互に繰り返し積層した複合層３０を形成する複合層形成工程と、複合層３０上に、III族窒化物半導体からなる機能積層体７０を形成する機能積層体形成工程と、を含む。ここで、超格子層３１は、ＡｌＮよりなる第１層３１ＡとＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５＜ｘ＜０．２０）よりなる第２層３１Ｂとを交互に繰り返し積層した積層体からなり、中間層３２は、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜０．０３）からなる。そして、前記複合層形成工程において、超格子層３１を中間層３２よりも厚く形成し、且つ、中間層３２を厚さ１２０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下とする。既述の実施形態と重複する説明については省略する。
【００４３】
III族窒化物半導体からなる各層は、気相エピタキシャル成長により形成することができる。例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。他にも、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することもできる。ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、各層のＡｌ源としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができ、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いることができ、Ａｌ組成比に応じてIII族窒化物半導体層を形成すればよい。なお、Ｎ源としては、アンモニア（ＮＨ3）ガスを用いることができる。キャリアガスとしては水素ガスを用いることが一般的である。
【００４４】
また、ＮＨ3ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）についても一般的な範囲とすることができる。なお、成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましい。
【００４５】
本実施形態に従う製造方法は、複合層形成工程と、機能積層体形成工程との間に、炭素濃度を傾斜させた炭素濃度傾斜層６０を形成する炭素濃度傾斜層形成工程を含むことも好ましい。また、複合層３０および炭素濃度傾斜層６０のいずれか一方または両方にＣ（炭素）を添加する場合、CVD法を用いて成長する場合には、以下に示すいくつかの方法が上げられる。
【００４６】
第１の方法：Ｃを含む原料ガスを、ＩＩＩ族窒化物成長中に別途添加する。メタン・エタン・エチレン・アセチレン・ベンゼン・シクロペンタン等が例示される。
第２の方法：有機金属中のメチル基・エチル基等を、成長III族窒化物成長条件によりエピタキシャル成長層に混入させる。有機金属の分解を抑えるように、成長温度・成長圧力・成長速度・成長時のアンモニア流量・水素流量・窒素流量等を適宜設定することにより、エピタキシャル成長層に添加されるＣ濃度を調整することが可能である。
なお、本明細書において、複合層３０と炭素濃度傾斜層６０の各層におけるＣ濃度は、SIMSにより、各層の厚さの中央（例えば深さ方向に厚さの１／２を除去した箇所）の測定値を用いることとする。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００４８】
（実施例１）
Ｓｉ単結晶基板（直径６インチ、厚さ６２５μｍ、ドーパント：ボロン（Ｂ）、比抵抗０．００６Ω・ｃｍ、面方位（１１１））を用意し、ＭＯＣＶＤ装置内にて、水素および窒素の混合雰囲気下で１０５０℃まで加熱後、アンモニアガスおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを流し、流量をV/III比が４７００となるように設定して、炉内圧力６０Ｔｏｒｒ（８ＫＰａ）にて、Ｓｉ単結晶基板上に中心膜厚２００ｎｍのＡｌＮからなる第１初期バッファ層を形成した。続いて第１初期バッファ層上に、アンモニアガスとＴＭＡガスおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスの流量比を変えることにより、Ａｌ0.23Ｇａ0.77Ｎからなる中心膜厚３００ｎｍのアンドープの第２初期バッファ層を形成し、初期バッファ層とした。
【００４９】
続いて、ＭＯＣＶＤ法を用いて初期バッファ層上に、超格子層および中間層の繰り返し構造からなる複合層を以下のように形成した。超格子層は、Ａｌ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる第１層（２４ｎｍ）と、ＡｌＮからなる第２層（６ｎｍ）とを１ペアとして、これを繰り返し積層し、計８ペア形成して１つの超格子層とした。第１層がＳｉ単結晶基板側の層であり、超格子層の合計の厚さは２４０ｎｍである。この超格子層の上にＧａＮからなる中間層（厚さ１５０ｎｍ）を形成した。超格子層と中間層の組み合わせを１組として繰り返し積層し、計５.５組形成（超格子層で始まり、超格子層で終わる）し、複合層（厚さの合計２１９０ｎｍ）とした。ここで、ＳＩＭＳ分析の結果、複合層における炭素濃度は１×１０19〜７×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の範囲内であり、複合層の中では超格子層において炭素濃度が高く、中間層において炭素濃度が低いことが確認された。
【００５０】
続いて、ＭＯＣＶＤ法により、複合層上にＡｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる炭素濃度傾斜層を形成した。成長温度が低いほど炭素濃度が高くなることと、成長圧力が低いほど炭素濃度が高くなることとを利用して、炭素濃度傾斜層を形成する際の成長温度を１０５０〜１１００℃の範囲で、成長圧力を１０〜３０ｋＰａの範囲で段階に変化させながら、厚さの合計１１００ｎｍの炭素濃度傾斜層を形成した。すなわち、Ｓｉ単結晶基板の側から順に、厚さ３００ｎｍの高炭素濃度層（厚さ方向の中央における炭素濃度：４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、炭素濃度５×１０18〜３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3で連続的に減少）、厚さ６００ｎｍの中炭素濃度層（厚さ方向の中央における炭素濃度：７．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、炭素濃度１×１０17〜５×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3で連続的に減少）、厚さ２００ｎｍの低炭素濃度層（厚さ方向の中央における炭素濃度：３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3、炭素濃度５×１０16〜１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3で連続的に減少）を連続成長させた。
【００５１】
続いて、ＭＯＣＶＤ法により、炭素濃度傾斜層上に電子走行層、電子供給層およびキャップ層を順次形成して機能積層体とした。すなわち、厚さ４０ｎｍアンドープのＧａＮからなる層を形成して電子走行層とし、厚さ１７ｎｍ、アンドープのＡｌ0.22Ｇａ0.78Ｎからなる層を形成して電子供給層とし、最後に厚さ３ｎｍのＧａＮからなる層を形成してキャップ層とした。
【００５２】
以上のようにして、実施例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板を作製した。各層の構成を表１にまとめた。
【００５３】
【表１】
0006654409.tif 000002
【００５４】
なお、実施例１に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板の、各層の厚さについては、ＳＥＭまたはＴＥＭを用いて断面により厚さを測定している。また、各層のＡｌ組成については、厚膜形成時のＰＬ測定によって得た情報をもとに調整しており、ＳＥＭ−ＥＤＳまたはＴＥＭ−ＥＤＳを用いて作製後の各層のＡｌ組成を確認した。実施例１のＴＥＭ断面写真を図３に示す。図３中、左側がＳｉ単結晶基板であり、右側が機能積層体側である。なお、複合層および炭素濃度傾斜層における炭素濃度については、ＳＩＭＳを用いて測定したものである。
【００５５】
（実施例２）
中間層の厚さを１５０ｎｍから１３０ｎｍに変えた以外は、実施例１と同様にして実施例２に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板を形成した。
【００５６】
（実施例３）
中間層の厚さを１５０ｎｍから１７０ｎｍに変え、超格子層のペア数を８ペア（計２４０ｎｍ）から１１ペア（計３３０ｎｍ）に変えた以外は、実施例１と同様にして実施例３にかかるIII族窒化物半導体デバイス用基板を形成した。
【００５７】
（比較例１）
中間層の厚さを１５０ｎｍから２００ｎｍに変えた以外は、実施例１と同様にして比較例１にかかるIII族窒化物半導体デバイス用基板を形成した。
【００５８】
（比較例２）
超格子層のペア数を８ペア（計２４０ｎｍ）から５ペア（計１５０ｎｍ）に変えた以外は、実施例１と同様にして比較例１にかかるIII族窒化物半導体デバイス用基板を形成した。
【００５９】
＜結晶性の評価＞
実施例１〜３および比較例１，２に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板（キャップ層形成後であり、以下同様）のそれぞれに対して、ＸＲＤ回折装置(Ｂｕｌｋｅｒ社製)を用いて、基板の中心部の｛００２｝方位と｛１０２｝方位のＸ線回折ピークを取得し、ＦＷＨＭ（半値幅）の値を測定した。結果を表２に示す。
【００６０】
＜ＳＯＲＩの評価＞
実施例１〜３および比較例１，２に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のそれぞれに対して、斜入射干渉式フラットネステスター(ニデック社製)を用いて反り量（ＳＯＲＩ：SEMI M1−0302規格に準拠）を測定した。結果を表２に示す。
【００６１】
＜表面平坦性の評価＞
実施例１〜３および比較例１，２に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のそれぞれのキャップ層表面に対して、光学顕微鏡(オリンパス社製)を用いてＯＭ暗視野像（Optical Microscope Dark field）を観察した。代表例として、実施例１および比較例１の測定結果を図４（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示す。併せて、ＡＦＭ装置（Ｖｅｅｃｏ社製）を用いて表面の平坦性を評価した。代表例として、実施例１および比較例１の測定結果を図５（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示す。実施例１〜３、比較例１，２のそれぞれの表面平坦性を、以下の評価基準により分類した。結果を表２に示す。
○：ＯＭ暗視野像およびＡＦＭ像のいずれからも、直径１μｍ以上の凸部は観察されない。
×：ＯＭ暗視野像およびＡＦＭ像のいずれからも、直径１μｍ以上の凸部が観察される。
【００６２】
＜耐圧性の評価＞
実施例１〜３および比較例１，２に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板のそれぞれのキャップ層上に、Ｔｉ/Ａｌを蒸着させ、１０μｍの間隔を空けた電極を形成し、簡易的なＨＥＭＴデバイスを形成した。半導体パラメーターアラナイザーを用いて縦方向の電流電圧特性を測定した。代表例として、実施例１および比較例１の評価結果を図６（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示す。実施例１〜３、比較例１，２のそれぞれの耐圧性を、以下の評価基準により分類した。結果を表２に示す。
○：縦方向に電圧を印加した場合に、印加電圧６００Ｖにおいて縦方向の電流密度が１×１０-4Ａ／ｃｍ2以下である。
×：縦方向に電圧を印加した場合に、印加電圧６００Ｖにおいて縦方向の電流密度が１×１０-4Ａ／ｃｍ2を超える。
【００６３】
【表２】
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【００６４】
以上の結果から、厚さ１２０〜１８０ｎｍの中間層と、該中間層よりも厚い超格子層とを繰り返し積層した複合層を有する実施例１〜３に係るIII族窒化物半導体デバイス用基板は、良好な平坦性および十分な耐圧性を兼ね備えることが分かった。一方、中間層の厚さが２００ｎｍを超える比較例１では、表面平坦性および耐圧性のいずれも不十分であり、中間層の厚さが超格子層の厚さと等しい比較例２では、耐圧性が不十分であった。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明のIII族窒化物半導体デバイス用基板は、ＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴ、ＳＢＤなどのIII族窒化物半導体電子デバイスに供して好適である。
【符号の説明】
【００６６】
１０    Ｓｉ単結晶基板
２０    初期バッファ層
３０    複合層
３０    ｎ型半導体層
３１    超格子層
３１Ａ  第１層
３１Ｂ  第２層
３２    中間層
５０    バッファ
６０    炭素濃度傾斜層
７０    機能積層体
７１    電子走行層
７２    電子供給層
７３    キャップ層
１００，２００  III族窒化物半導体素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
0006654409.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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