(57)【要約】【課題】ヘテロ接合電界効果型トランジスタに用いられ得る窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハの反りと結晶性を改善する。【解決手段】ヘテロ接合電界効果型トランジスタに用いられ得る窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板上においてＡｌＮまたはＡｌＯＮの第１バッファ層、Ａｌ組成比を段階的に減少させたＡｌＧａＮの第２バッファ層、第２バッファ層の上に配置されていてＡｌａＧａ１−ａＮ層／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の繰返し多層からなる第３バッファ層、ＧａＮチャネル層、および電子供給層をこの順に含み、第２バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０≦ｘ≦０．３の範囲内にある。【選択図】図１
2013026321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘテロ接合電界効果型トランジスタに使用され得る窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハであって、Ｓｉ基板上においてＡｌＮまたはＡｌＯＮの第１バッファ層、Ａｌ組成比を段階的に減少させたＡｌＧａＮの第２バッファ層、第２バッファ層の上に配置されていてＡｌａＧａ１−ａＮ層／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の繰返し多層からなる第３バッファ層、ＧａＮチャネル層、および電子供給層をこの順に含み、第２バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０≦ｘ≦０．３の範囲内にあることを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記第３バッファにおいて、Ａｌ組成比がａ≧ｂ＋０．７の関係にあり、かつ各ＡｌａＧａ１−ａＮ層の厚さが各ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記ＧａＮチャネル層は、５×１０１６ｃｍ−３以下の濃度でカーボンを含むことを特徴とする請求項１または２記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記ＧａＮチャネル層は、１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度にカーボンドープされた第１チャネル層と、その上において５×１０１６ｃｍ−３以下のカーボン濃度を有するアンドープの第２チャネル層とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記電子供給層は、Ａｌ原子層とＮ原子層との対を４対以下で含むＡｌＮ特性改善層、ＡｌＧａＮ障壁層およびＧａＮキャップ層をこの順に含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体に属する窒化物系半導体の複数層を含むエピタキシャルウエハに関し、特にヘテロ接合電界効果型トランジスタに用いられ得るエピタキシャルウエハの反りと結晶性の改善に関する。なお、このような窒化物系半導体エピタキシャルウエハのヘテロ接合界面には、２次元電子ガスが生じ得ることが知られている。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタに利用され得るＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮ障壁層とからなるヘテロ接合を含むエピタキシャルウエハを作製する場合、ＧａＮ基板が高価であることから、サファイアやＳｉなどの異種材料の基板上にそれらの窒化物半導体層を結晶成長させることが従来から行なわれている。
【０００３】
Ｓｉ基板上に窒化物系半導体層を成長させる場合、基板と半導体層との間における結晶構造の相違、格子不整合、熱膨張係数差などに基づく歪を緩和するために、さまざまなバッファ層構造が用いられている。それらのバッファ層構造の中でも、異なる組成の２層が繰返し積層されたバッファ層構造（以下、多層バッファ層構造と称する）が、特許文献１から３などの多くの特許文献に開示されている。
【０００４】
また、多層バッファ層構造以外のバッファ層構造として、Ａｌ組成比を段階的または連続的に変化させたバッファ層構造（以下、組成傾斜バッファ層構造と称する）が、特許文献４や５などに開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２２５７０３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４５５０４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５１７３８号公報
【特許文献４】特開２０００−２７７４４１号公報
【特許文献５】特表２００４−５２４２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
多層バッファ層構造に関しては、その構成層の繰返し周期数が増大してその上のＧａＮチャネル層の上面から基板の上面までのトータル厚さが増大した場合に、図２のグラフに示されているように、ウエハの反りが単純な放物線ではなくてＭ字型の反りになり、ウエハの反りのコントロールが困難となるという課題がある。すなわち、図２のグラフの横軸はウエハ主面上の中心から半径方向の距離（ｍｍ）を表し、縦軸はウエハ主面に直交する方向の反り量（μｍ）を表している。
【０００７】
他方、図３のグラフに示すように、多層バッファ層構造の厚さが増大するにしたがってそのバッファ層構造上のＧａＮチャネル層に含まれる刃状転位密度が低減する。ここで、グラフの横軸は基板の上面からＧａＮチャネル層の上面までのトータル厚さ（μｍ）（以下、これを単に「トータル厚さ」と称す）を表しており、ＧａＮチャネル層の厚さは一定である。そして、グラフの横軸は、ＧａＮチャネル層に含まれる刃状転位密度（ｃｍ−２）を表している。
【０００８】
図３から分かるように、多層バッファ層構造の厚さが増大するにしたがってそのバッファ層構造上のＧａＮチャネル層に含まれる刃状転位密度が減少するが、約５μｍのトータル厚さにおいても依然として約１×１０１０ｃｍ−２より大きな刃状転位密度を有しているという課題がある。
【０００９】
なお、ＧａＮチャネル層内の螺旋転位の密度は、バッファ層構造を含むトータル厚さに影響されなくて、ほぼ一定である。また、本願の開示において、ＧａＮチャネル層中の刃状転位密度は、Ｘ線回折測定における（１−１００）面回折のロッキングカーブのピーク半値幅（ＦＷＨＭ）を用いて、下記の式（１）を用いて評価されている。（１−１００）面によるＸ線回折におけるＦＷＨＭはもっぱら刃状転位密度に影響され、螺旋転位密度にはほとんど影響されない。
【００１０】
刃状転位密度＝（ＦＷＨＭ２／９．０）／３．１８９Å２          （１）
ここで、ＦＷＨＭと刃状転位密度とは、カソードルミネッセンス（ＣＬ）による観察によって関係付けられた。式（１）中の数値「９．０」は、ＦＷＨＭと刃状転位密度とをＣＬ観察に基づいて関係付けるフィティングパラメータであり、３．１８９ÅはＧａＮ結晶中の刃状転位のバーガスベクトルの長さである。
【００１１】
他方、組成傾斜バッファ層構造の場合には、トータル厚さが増大したときに、多層バッファ層構造の場合に比べてＧａＮチャネル層中の低い刃状転位密度を達成し得るが、図３に類似の図４のグラフに示されているように、約４μｍのトータル厚さにおいて依然として１０９〜１０１０ｃｍ−２程度の高い密度で刃状転位を含んでいる。
【００１２】
また、組成傾斜バッファ層構造に関しては、図４から予想されるように、トータル厚さが増大するにつれてＧａＮチャネル層中の刃状転位密度がさらに低減される可能性があるものの、組成傾斜バッファ層構造の厚さの増大によってウエハの反りが増加してクラックが発生するという課題がある。
【００１３】
さらに、多層バッファと組成傾斜バッファ層を組合せた構造においても、多層バッファを組成傾斜バッファ層とどのように組合せるかに依存して結晶性改善の効果が全く現れない場合もあるという課題がある。
【００１４】
上述のような課題に鑑み、本願発明は、ヘテロ接合電界効果型トランジスタに用いられ得るエピタキシャルウエハの反りと結晶性を改善することを主要な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者達は、鋭意検討を重ねた結果、従来の多層バッファ層構造または組成傾斜バッファ層構造を含むウエハに比べて同程度のトータル厚さで刃状転位密度を大幅に減少させることが可能な新規なバッファ層構造を見出すに至った。
【００１６】
本発明によれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタに使用され得る窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板上においてＡｌＮまたはＡｌＯＮの第１バッファ層、Ａｌ組成比を段階的に減少させたＡｌｘＧａ１−ｘＮの第２バッファ層、第２バッファ層上に配置されていてＡｌａＧａ１−ａＮ層／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の繰返し多層からなる第３バッファ層、ＧａＮチャネル層、および電子供給層をこの順に含み、第２バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０≦ｘ≦０．３の範囲内にあることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明において見出されたバッファ層構造を用いることによって、従来の多層バッファ層構造や組成傾斜バッファ層構造を用いた場合に比べて、刃状転位密度が大幅に減少された窒化物系半導体エピタキシャルウエハを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１による窒化物系半導体エピタキシャルウエハの構造を示す模式的断面図である。
【図２】窒化物系半導体エピタキシャルウエハが多層バッファ層構造を含んで大きなトータル厚さを有する場合におけるＭ字状の反りを表すグラフである。
【図３】基板上面から多層バッファ層構造上のＧａＮチャネル層の上面までのトータル厚さとそのＧａＮチャネル層内に含まれる刃状転位密度との関係を示すグラフである。
【図４】基板上面から組成傾斜バッファ層構造上のＧａＮチャネル層の上面までのトータル厚さとそのＧａＮチャネル層内に含まれる刃状転位密度との関係を示すグラフである。
【図５】組成傾斜バッファ層構造中のＡｌＧａＮ層に形成された表面欠陥のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
前述のように、本発明によれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタに使用され得る窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハは、Ｓｉ基板上においてＡｌＮまたはＡｌＯＮの第１バッファ層、Ａｌ組成比を段階的に減少させたＡｌｘＧａ１−ｘＮの第２バッファ層、第２バッファ層の上に配置されていてＡｌａＧａ１−ａＮ層／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の繰返し多層からなる第３バッファ層、ＧａＮチャネル層、および電子供給層をこの順に含み、第２バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０≦ｘ≦０．３の範囲内にあることを特徴としている。
【００２０】
図３のグラフは、前述のように基板上面から多層バッファ層構造上のＧａＮチャネル層層の上面までのトータル厚さとそのＧａＮチャネル層内の刃状転位密度との関係を示している。このグラフから、多層バッファ層構造の場合、トータル厚さが４．４μｍのときに刃状転位密度は約１．８２×１０１０ｃｍ−２と見積もることができる。
【００２１】
また、前述のように図４のグラフは、基板上面から組成傾斜バッファ層構造上のＧａＮチャネル層の上面までのトータル厚さとそのＧａＮチャネル層内の刃状転位密度との関係を示している。このグラフから、組成傾斜バッファ層構造のトータル厚さが４．４μｍのときに刃状転位密度は約７．７４×１０９ｃｍ−２と見積もることができる。
【００２２】
他方、本発明におけるように組成傾斜バッファ層構造上に多層バッファ層構造を組合せること（以下、これを組合せバッファ層構造と称す）によって、後述の表１に示すように、組成傾斜バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０．１の場合に、ＧａＮチャネル層内の刃状転位密度が２．２７×１０９ｃｍ−２に減少され得る。
【００２３】
なお、ここでの検討において、基板上面からバッファ層構造上のＧａＮチャネル層の上面までのトータル厚さを４．４μｍに固定して比較されたのは、バッファ層構造の厚さの相違による影響を除くためである。
【００２４】
このような刃状転位の大幅な低減をもたらす改善効果は、ウエハの反りを抑えることを主目的とした多層バッファ層構造および組成傾斜バッファ層構造のそれぞれの教示からは予測され得ない効果である。
【００２５】
また、表１には、組成傾斜バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０．４の場合の結果をも合せて示しており、組成傾斜バッファ層の最上層のＡｌ組成比ｘが０．１の場合と０．４の場合で、その効果が大きく異なっている。この違いは、本発明によって初めて明らかになった結果である。
【００２６】
本発明のエピタキシャルウエハに含まれる多層バッファ層構造においては、ＡｌａＧａ１−ａＮ層の膜厚がＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の膜厚の１／２以下であり、かつＡｌ組成比の関係がａ≧ｂ＋０．７であることが好ましい。
【００２７】
刃状転位密度低減の改善を十分に得るためには、２種のＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比および厚さの相互関係も重要である。なぜならば、２種のＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比の組合せや厚さの組合せが適切でない場合、却って刃状転位の増加をもたらす場合があるからである。
【００２８】
そして、バッファ層構造上に堆積されるＧａＮチャネル層との関係から、Ａｌ濃度比の大きなＡｌａＧａ１−ａＮ層の厚さは、Ａｌ濃度比の小さなＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の厚さの１／２以下であることが好ましい。他方、多層バッファ層構造の歪緩和効果を高める観点からは、Ａｌ濃度比の差が大きいことが好ましく、ａ≧ｂ＋０．７の条件を満たすことが好ましい。
【００２９】
本発明のエピタキシャルウエハに含まれるＧａＮチャネル層においは、カーボン濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。換言すれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタに用いられ得るエピタキシャルウエハは、そのトランジスタの電流コラプスを抑制に寄与し得る特性を有することが好ましい。そのための特性として、ウエハに含まれるＧａＮチャネル層のカーボン濃度が５×１０１６ｃｍ−２以下であることが好ましい。
【００３０】
他方、ＧａＮチャネル層は、１×１０１８ｃｍ−３以上のカーボン濃度を有するカーボンドープＧａＮ層と５×１０１６ｃｍ−３以下のカーボン濃度を有するアンドープＧａＮ層の２層からなることも好ましい。
【００３１】
ヘテロ接合電界効果型トランジスタ用のエピタキシャルウエハが満たすべき特性として、厚さ方向の良好な耐圧も望まれる。厚さ方向の耐圧改善方法として、ＧａＮチャネル層の下層部分に１×１０１８ｃｍ−２以上の濃度になるようにカーボンをドーピングすることによって厚さ方向の耐圧を改善し、ＧａＮチャネル層の上層部部にカーボン濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下のアンドープＧａＮ層を設けることによって電流コラプスの抑制に寄与することができる。
【００３２】
本発明のエピタキシャルウエハに含まれる電子供給層は、Ａｌ原子層とＮ原子層との対を４対以下で含むＡｌＮ特性改善層、ＡｌＧａＮ障壁層およびＧａＮキャップ層をこの順に含むことが好ましい。
【００３３】
ヘテロ接合構造の特性改善のためには、ＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮ障壁層との界面におけるキャリアの合金散乱を抑制することが望まれる。これに関して、ＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮ障壁層との界面にＡｌＮ特性改善層を挿入することによって、その界面における合金散乱が抑制されて２次元電子ガスの移動度が改善され得る。ただし、Ａｌ原子層とＮ原子層との対が４対よりも厚くなれば、結晶性の劣化によってキャリアの移動度の改善効果が低下する。
【００３４】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１によるヘテロ接合電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウエハを示す模式的断面図である。
【００３５】
このウエハの作製において、基板として４インチ径のＳｉ基板１が用いられる。窒化物系半導体層の結晶成長に先立って、フッ酸系のエッチャントでＳｉ基板１の表面酸化膜を除去した後に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置のチャンバ内にその基板がセットされる。
【００３６】
ＭＯＣＶＤ装置内では基板が１１００℃に加熱され、チャンバ内圧力１３．３ｋＰａの水素雰囲気にて基板表面のクリーニングが行なわれる。
【００３７】
その後、基板温度とチャンバ内圧力を維持しつつ、アンモニアＮＨ３（１２．５ｓｌｍ）を流すことによって、Ｓｉ基板表面の窒化が行なわれる。引き続いて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）流量＝１１７μｍｏｌ／ｍｉｎとＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、ＡｌＮ層２が２００ｎｍの厚さに堆積される。
【００３８】
その後、基板温度を１１５０℃に上昇させ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）流量＝５７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝９７μｍｏｌ／ｍｉｎ、およびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３が４００ｎｍの厚さに堆積される。続いて、ＴＭＧ流量＝９９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝５５μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層４が４００ｎｍの厚さに堆積され、さらにＴＭＧ流量＝１３７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝１８μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５が４００ｎｍの厚さに堆積される。これによって、組成傾斜バッファ層構造３−５が形成される。
【００３９】
Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５上には、同じ基板温度の下で、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２０ｎｍ厚）の５０周期の繰返しを含む多層バッファ層構造６が堆積される。こととき、ＡｌＮ層はＴＭＡ流量＝１０２μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層はＴＭＧ流量＝７２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積される。
【００４０】
その後に基板温度が１１００℃に下げられ、ＴＭＧ流量＝２２４μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で、ＧａＮ層７が１３．３ｋＰａの圧力下で１．０μｍの厚さに堆積され、ＧａＮ層８が９０ｋＰａの圧力下で０．５μｍの厚さに堆積される。ここで、堆積圧力が低い場合にＴＭＧに含まれるカーボンがＧａＮ層内にドープされやすく、堆積圧力が高い場合にＴＭＧからＧａＮ層内にカーボンがドープされにくい傾向にある。
【００４１】
そして、ＧａＮ層８上には、１３．３ｋＰａの圧力下で、ＡｌＮ特性改善層９（１ｎｍ厚）、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層１０（２０ｎｍ厚）およびＧａＮキャップ層１１（１ｎｍ厚）を含む電子供給層が堆積される。このとき、ＡｌＮ層９はＴＭＡ流量＝５１μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、ＡｌＧａＮ層１０はＴＭＧ流量＝４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝７μｍｏｌ／ｍｉｎおよび、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、そしてＧａＮ層１１はＴＭＧ流量＝５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積される。
【００４２】
【表１】
2013026321.tif 000003
【００４３】
表１は、以上の方法によって作製されたエピタキシャルウエハのＸ線による（１−１００）面回折の半値幅と刃状転位密度を示している。この表の左側の欄において、「組合せバッファ層構造」はエピタキシャルウエハが上述の実施例１による組合せバッファ層構造を含んでいることを表しており、「多層バッファ層構造」はウエハがバッファ層構造として多層バッファ層構造のみを含むことのみにおいて実施例１のウエハと異なることを表し、そして「組成傾斜バッファ層構造」はウエハが組成傾斜バッファ層構造のみを含むことのみにおいて実施例１のウエハと異なることを表している。表１の中央の欄は、Ｘ線回折における（１−１００）反射ピークの半値幅（ａｒｃｓｅｃ）を示している。表１の右側の欄は、刃状転位密度（ｃｍ−２）を示している。表１に示されているように、本実施例１による組合せバッファ層構造を含むウエハの刃状転位密度は２．２７×１０９ｃｍ−２であり、多層バッファ層構造のみを含むウエハの刃状転位密度である１．８２×１０１０ｃｍ−２および組成傾斜バッファ層構造のみを含むウエハの刃状転位密度である７．７４×１０９ｃｍ−２に比べて顕著に低減されていることが分かる。
【００４４】
なお、本実施例１ではＡｌＧａＮ層３、４および５のＡｌ組成比が０．７、０．４および０．１の順に変化させられたが、組成傾斜バッファ層構造に含まれるＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比組合せはこの組合せに限定されるものではない。また、組成傾斜バッファ層構造に含まれて異なるＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮ層の数も３層に限定されず、任意の数とすることができる。重要なことは、組成傾斜バッファ層構造の下面から上面に向かうにしたがってＡｌ組成比が徐々に減少していくことである。
【００４５】
本実施例１ではＳｉ基板１上の第１のバッファ層としてＡｌＮ層２がＭＯＣＶＤで堆積される場合が述べられているが、第１バッファ層をスパッタリングで堆積する場合にはＡｌＯＮ層として堆積することが望ましい。
【００４６】
また、本実施例１ではＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５とＧａＮ層７との間に多層バッファ層構造６が挿入されているが、多層バッファ層構造６下の層のＡｌ組成比ｘは０≦ｘ≦０．３の範囲内である必要がある。Ａｌ組成比ｘが０．３よりも大きくなれば、多層バッファ層構造の下地層の表面に図５のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真に示されているような表面欠陥（穴）が形成される。このような場合は、表１に示されているように、刃状転位密度低減の十分な改善効果が得られない。なお、図５のＳＥＭ写真の底部における白い線分のスケールは１μｍの長さを示している。一般に、ＡｌＧａＮ層におけるこのような表面欠陥はＡｌ組成比が高い場合に生じやすい傾向にあり、高い基板温度と遅い堆積速度は表面拡散によってそのような表面欠陥の発生を抑制する傾向にあるが、完全になくすためにはＡｌ組成比ｘを０．３以下にすることが望ましい。
【００４７】
一方、多層バッファ層構造に含まれる構成層間のＡｌ組成比と厚さの相互関係においても、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）とＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（２０ｎｍ厚）の組合せに限定されるわけではなく、Ａｌ組成比の関係がａ≧ｂ＋０．７であり、かつＡｌａＧａ１−ａＮ層の膜厚がＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の膜厚の１／２以下であれば任意の組合せでも効果が得られる。
【００４８】
さらに、ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成比も本実施例１の数値に限定されず、所望のシートキャリア濃度を得るように変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明によれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ用の窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハに含まれる刃状転位密度を顕著に低減させることができ、ひいては電流コラスプを生じにくいヘテロ接合電界効果型トランジスタを提供することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  Ｓｉ基板、２  ＡｌＮ層、３  Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層、４  Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、５  Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層、６  ＡｌＮ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ多層バッファ、７  カーボンドープＧａＮ層、８  アンドープＧａＮチャネル層、９  ＡｌＮ特性改善層、１０  Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層、１１  ＧａＮキャップ層。
【図１】
2013026321.tif 000004
【図２】
2013026321.tif 000005
【図３】
2013026321.tif 000006
【図４】
2013026321.tif 000007
【図５】
2013026321.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月13日(2012.6.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
他方、図３のグラフに示すように、多層バッファ層構造の厚さが増大するにしたがってそのバッファ層構造上のＧａＮチャネル層に含まれる刃状転位密度が低減する。ここで、グラフの横軸は基板の上面からＧａＮチャネル層の上面までのトータル厚さ（μｍ）（以下、これを単に「トータル厚さ」と称す）を表しており、ＧａＮチャネル層の厚さは一定である。そして、グラフの縦軸は、ＧａＮチャネル層に含まれる刃状転位密度（ｃｍ−２）を表している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
また、表１には、組成傾斜バッファ層構造の最上部のＡｌ組成比ｘが０．４の場合の結果をも合せて示しており、組成傾斜バッファ層の最上層のＡｌ組成比ｘが０．１の場合と０．４の場合で、その効果が大きく異なっている。この違いは、本発明によって初めて明らかになった結果である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本発明のエピタキシャルウエハに含まれるＧａＮチャネル層においは、カーボン濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。換言すれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタに用いられ得るエピタキシャルウエハは、そのトランジスタの電流コラプスを抑制に寄与し得る特性を有することが好ましい。そのための特性として、ウエハに含まれるＧａＮチャネル層のカーボン濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
ヘテロ接合電界効果型トランジスタ用のエピタキシャルウエハが満たすべき特性として、厚さ方向の良好な耐圧も望まれる。厚さ方向の耐圧改善方法として、ＧａＮチャネル層の下層部分に１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度になるようにカーボンをドーピングすることによって厚さ方向の耐圧を改善し、ＧａＮチャネル層の上層部分にカーボン濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下のアンドープＧａＮ層を設けることによって電流コラプスの抑制に寄与することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層５上には、同じ基板温度の下で、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（２０ｎｍ厚）の５０周期の繰返しを含む多層バッファ層構造６が堆積される。こととき、ＡｌＮ層はＴＭＡ流量＝１０２μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積され、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層はＴＭＧ流量＝７２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝８０μｍｏｌ／ｍｉｎおよびＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍの条件下で堆積される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ヘテロ接合電界効果型トランジスタに使用され得る窒化物系半導体層を含むエピタキシャルウエハであって、Ｓｉ基板上においてＡｌＮまたはＡｌＯＮの第１バッファ層、Ａｌ組成比を段階的に減少させたＡｌｘＧａ１−ｘＮの第２バッファ層、第２バッファ層の上に配置されていてＡｌａＧａ１−ａＮ層／ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層の繰返し多層からなる第３バッファ層、ＧａＮチャネル層、および電子供給層をこの順に含み、第２バッファ層の最上部のＡｌ組成比ｘが０≦ｘ≦０．３の範囲内にあることを特徴とするエピタキシャルウエハ。