(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のフッ化カルシウム（化学式：ＣａＦ2）からなる単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された少なくとも硼素（元素記号：Ｂ）とリン（元素記号：Ｐ）とを構成元素として含む緩衝（バッファ）層と、前記単結晶基板上に前記緩衝層を介して形成された、立方晶の一般式ＡｌαＧａβＩｎ1-α-βＮ1-γＭγ（０≦α，β≦１、０≦α＋β≦１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦Y＜１）で表記される窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム結晶層からなる活性層とを具備し、緩衝層は、硼素原子とリン原子とからなるリン化硼素多量体結晶（ＢXＰY、但しＸ≧６及びＹ＝１または２）の含有量を１／２０以下とするリン化硼素・インジウム結晶（ＢaＩｎ1-aＰ、但し０＜ａ＜０．６２）から構成されるIII族窒化物半導体ＦＥＴ。
【請求項２】
緩衝層と活性層との間に、更に、窒化リン化硼素（ＢＰ１−δＮδ：０≦δ≦１）混晶層を有することを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体ＦＥＴ。
【請求項３】
前記緩衝層が、前記単結晶基板との接合面から少なくとも数原子層の領域に単結晶からなる層が配置され、その上方の領域に非晶質体を主体とする層が配置されたものからなることを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体ＦＥＴ。
【請求項４】
絶縁性のフッ化カルシウム（化学式：ＣａＦ2）からなる単結晶基板上に、少なくとも硼素（元素記号：Ｂ）とリン（元素記号：Ｐ）とを構成元素として含む緩衝（バッファ）層を形成し、その上に立方晶の一般式ＡｌαＧａβＩｎ1-α-βＮ1-γＭγ（０≦α，β≦１、０≦α＋β≦１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦Y＜１）で表記される窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム結晶層からなる活性層を形成し、緩衝層を、硼素原子とリン原子とからなるリン化硼素多量体結晶（ＢXＰY、但しＸ≧６及びＹ＝１または２）の含有量を１／２０以下とするリン化硼素・インジウム結晶（ＢaＩｎ1-aＰ、但し０＜ａ＜０．６２）から形成することを特徴とするIII族窒化物半導体ＦＥＴの製造方法。
【請求項５】
前記緩衝層の成膜温度を、３００℃以上５００℃以下とすることを特徴とする請求項４に記載のIII族窒化物半導体ＦＥＴの製造方法。
【請求項６】
前記緩衝層の厚さを、５００Å以下とすることを特徴とする請求項４または５に記載のIII族窒化物半導体ＦＥＴの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立方晶の結晶構造を有する絶縁性の単結晶基板上に、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶からなる活性層を形成したIII 族窒化物半導体素子に係わる。
本発明は、特にIII 族窒化物半導体結晶からなる活性層を具備する電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を構成するために好適に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
一般式ＡｌαＧａβＩｎ1-α- βＮ1-γＭγ（０≦α，β≦１、０≦α＋β≦１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦γ＜１）で表記される窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム結晶からなるIII 族窒化物半導体は、室温に於いて比較的高い（大きな）禁止帯幅を有しており、一般にワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅ  ｂａｎｄ−ｇａｐ）半導体と呼称されている（例えば、赤崎  勇編著、「III −Ｖ族化合物半導体」（１９９４年５月２０日初版、（株）培風館発行）、３２９頁参照）。
【０００３】
III 族窒化物半導体は、近紫外光ないし短波長の可視光を発するに適する禁止帯幅を有しているため（末松  安晴著、「光デバイス」（平成９年５月１５日初版第８刷、（株）コロナ社発行）、２８〜２９頁参照）、近紫外光ないし青色発光の発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）あるいはレーザダイオード（英略称：ＬＤ）といった発光素子の活性層（発光層）として利用されている（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、Ｖｏｌ．４４９（１９９７）、５０９〜５１８頁照）。
また、上記のような発光素子の他に、III 族窒化物半導体は、室温での大きな禁止帯幅（ｂａｎｄ−ｇａｐ）を有する優位性を基に、高温でも正常な動作が可能な耐環境電子デバイスを構成するに利用されている。
【０００４】
III 族窒化物半導体から構成した活性層を用いる電子デバイスの従来例として、例えば、電界効果型トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：略称ＦＥＴ）を構成した例がある。特に、２次元電子ガス（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ）の高速走行特性を利用した変調ドープＦＥＴ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｏｐｅｄ  ＦＥＴ：ＭＯＤＦＥＴ）が知られている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（１４）（１９９７）、１２３０〜１２３１頁）。
【０００５】
従来のＭＯＤＦＥＴの断面構造の構成例を図１に掲示する。
図１で、基板１０１には、絶縁性で六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）のα−アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）単結晶（サファイア）が一般に使用される。サファイアが基板として常用されるのは、III 族窒化物半導体結晶層の成膜温度のような比較的高温に対して、熱的耐久性を保持しているからである。
サファイア基板１０１上には、基板１０１と活性層１０３を構成するIII 族窒化物半導体との格子ミスマッチ（ｍｉｓ−ｍａｔｃｈ）の緩和を意図して、緩衝層１０２が敷設される。緩衝層１０２は、通常約４００℃から約６００℃の比較的低温で成膜されるため、低温緩衝層と呼ばれる（赤崎  勇編著、「III −Ｖ族化合物半導体」（１９９４年５月２０日初版、（株）培風館発行）、３３５頁参照）。
この低温緩衝層１０２は、従来より窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌA ＧａB Ｎ、但し０≦Ａ，Ｂ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）から構成されるのが一般的である（▲１▼特開平２−２２９４７６号及び▲２▼特開平４−２９７０２３号公報明細書参照）。
【０００６】
低温緩衝層１０２上には、ＦＥＴにあってはチャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層とも呼ばれる活性層１０３が積層される。活性層１０３は、ｎ形或いはｐ形の導電性の半導体結晶層から構成される。特に電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を主たる電荷担体（ｍａｊｏｒｉｔｙ  ｃａｒｒｉｅｒ）とするＦＥＴにあっては、ｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）などのｎ形III 族窒化物半導体結晶から活性層１０３を構成するのが通例である。
活性層１０３上には、一般に電子供給層１０４と称されるｎ形伝導層が積層される。２次元電子を活性層１０３内の電子供給層１０４との接合界面近傍の極く薄い領域に蓄積できるバンド（ｂａｎｄ）構造を実現するために、電子供給層１０４は活性層１０３よりも禁止帯幅を大とするIII 族窒化物半導体から構成される。電子供給層１０４は、例えばｎ形不純物の変調ドーピング（上記の「III −Ｖ族化合物半導体」、１０８〜１１０頁参照）を施したｎ形の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌA ＧａB Ｎ、但し０≦Ａ，Ｂ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）から構成するのが一般的である。
【０００７】
活性層１０３と電子供給層１０４との中間には、スペーサ（ｓｐａｃｅｒ）層１０５と称される、活性層１０３を構成する材料よりも禁止帯幅を大とする材料からなる高純度の結晶層が挿入されるのが通例となっている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（１６）（１９９７）、１４１３〜１４１５頁参照）。通常スペーサ層１０５は、不純物を故意に添加しないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）のｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（ＡｌA ＧａB Ｎ、但し０≦Ａ，Ｂ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）から構成される。
電子供給層１０４上には、低接触抵抗のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極であるソース（ｓｏｕｒｃｅ）電極１０７及びドレイン（ｄｒａｉｎ）電極１０８の形成に供される低抵抗のｎ形III 族窒化物半導体からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層１０６が積層される。コンタクト層１０６は、一般に電子供給層１０４より小さい禁止帯幅を有するｎ形III 族窒化物半導体から構成される。コンタクト層１０６をｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成する例がある（Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  ２ｎｄ．Ｉｎｔ．Ｎａｔ．Ｃｏｎｆ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ（Ｏｃｔ．２７〜３１、１９９７、Ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ｓｏｃ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、４８０〜４８１頁参照）。
また、ゲート（ｇａｔｅ）電極１０９は、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８の間のコンタクト層１０６を除去してリセス（ｒｅｃｅｓｓ）部１１６を形成し、該リセス部の電子供給層１０４表面上に敷設してＦＥＴを構成する。
【０００８】
従来のIII 族窒化物半導体素子は、上記の様な構成からなる積層構造体を母体材料として作製されている。先ず、基板として常用されるサファイアは六方晶系に属する単結晶である。また、低温緩衝層として適する結晶層は、六方晶ウルツ鉱（ｗｕｒｚｉｔｅ）結晶構造型の微結晶が混在した窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌA ＧａB Ｎ、但し０≦Ａ，Ｂ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）からなるアモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）結晶層であるとされている（特開平２−２２９４７６号公報明細書参照）。
従って、これらの六方晶結晶を下地層としてその上部に堆積した活性層等からなる積層構造体の各構成層は、六方晶結晶となっている。結晶系から観た従来の積層構造体の特徴は、各構成層がウルツ鉱型の六方晶の結晶層から構成されていることにある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ショットキ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型のＦＥＴ（ＭＥＳＦＥＴ）、特に低雑音（ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ）ＭＥＳＦＥＴやＭＯＤＦＥＴでは、雑音指数（ｎｏｉｓｅ−ｆｉｇｕｒｅ）或いは高速応答性などの主要な特性は、活性層の電子移動度を用いて一般に表される電子の走行特性に大きく左右されることが知られている。
【００１０】
III 族窒化物半導体素子用途の従来の積層構造体を構成する各構成層は、上記の如くウルツ鉱型の六方晶結晶である。ウルツ鉱型のIII 族窒化物半導体結晶の多くは、圧電（ピエゾ：ｐｉｅｚｏ）効果を呈する（上記の文献Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３３（１９９７）参照）。
従って、例えばIII 族窒化物半導体結晶層をヘテロ（異種）接合させた場合には、接合界面近傍の領域でピエゾ効果に因る不必要な容量が発生する。この寄生容量の発生により、ＦＥＴの高速応答性は削がれるものとなる。
【００１１】
ピエゾ効果が発揮される度合いは、立方晶（ｃｕｂｉｃ）のIII 族窒化物半導体結晶では、六方晶系のIII 族窒化物半導体結晶に比較して弱小となる。従って、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層から構築された積層構造体からは、高速応答性に優れるＦＥＴ等のIII 族窒化物半導体素子が提供され得る。
立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層から積層構造体を構築するには、立方晶の単結晶を基板とするのが先ず肝要である。最近では、ダイヤモンド構造型立方晶で導電性の珪素単結晶基板（シリコン）を基板として、III 族窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）を構成する技術が開示されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．２３（１９９７）、１９８６〜１９８７頁参照）。
しかし、ＬＥＤなどの発光素子とは異なり、ＦＥＴの構成には、活性層との電気的絶縁を確保するために、絶縁性の立方晶単結晶を基板とする必要がある。
【００１２】
立方晶で絶縁性を有する単結晶材料は、酸化マグネシウム（化学式：ＭｇＯ）などが挙げられるが、これらの立方晶基板材料とIII 族窒化物半導体結晶とは、通常は格子のミスマッチ（ｍｉｓ−ｍａｔｃｈ）が存在する。
例えば、立方晶の絶縁性単結晶であるフッ化カルシウム（化学式：ＣａＦ2 ）の格子定数は、シリコン（５．４３１Å）に近い５．４３６Åである（「岩波理化学辞典  第３版」（１９７６年４月５日、（株）岩波書店発行）、１１５１頁参照）。従って、格子定数を約４．５１Åとする立方晶ＧａＮとのミスマッチ度は、ＧａＮを基準として約２１％の大きさに達する。
このため、立方晶単結晶を基板とする場合にあっても、III 族窒化物半導体結晶層との格子のミスマッチを緩和するための緩衝層を敷設するのが得策となる。最新の技術に依れば（上記のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７２（４）（１９９８）、４１５〜４１７頁参照）、シリコン基板上に六方晶のＡｌＮからなる緩衝層を配置して、発光素子用途の積層構造体を構築する方法が開示されている。
しかし、六方晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる緩衝層上には、六方晶のIII 族窒化物半導体結晶層が成育される。即ち、立方晶のシリコンを基板としたところで、その表面に堆積する緩衝層が六方晶であれば、上層の積層構造体構成層もこれまた六方晶となる。従って、立方晶の結晶層からなる積層構造体を構築するには、立方晶からなる基板に立方晶からなる緩衝層を堆積する必要がある。
【００１３】
シリコン（Ｓｉ）を基板とするIII 族窒化物半導体発光素子の他の開示例では、ＡｌX ＧａY Ｉｎz Ｂ1-X-Y-Z Ｐ（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）結晶層特に立方晶である閃亜鉛鉱結晶型のリン化硼素（ＢＰ）層をシリコン基板についての緩衝層として利用する例が述べられている（特開平２−２７５６８２号公報明細書参照）。
ところが、ＢＰの格子定数は４．５３８Åであるのに対し、Ｓｉのそれは５．４３１Åと大きく異なる（寺本  巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日初版、（株）培風館発行）、２８頁参照）。従って、Ｓｉ基板の表面上に、緩衝層としてであれ他の機能層としてであれ、連続性のあるＢＰ結晶層の成膜を意図しても、成長した層はＢＰ（ｂｏｒｏｎ  ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）或いはＢ13Ｐ2 からなる角錐状の成長島が散在するのみの状況となる（澁澤  直哉、寺嶋  一高、第２８回結晶成長国内会議予稿集（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．２（１９９７））、１５０頁参照）。この様な連続性の無い緩衝層上には、連続性を有する結晶層を積層できることは極めて希有である。
【００１４】
ＢＰ系III −Ｖ族化合物半導体結晶（ＡｌX ＧａY Ｉｎz Ｂ1-X-Y-Z Ｐ、但し０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ＜１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）は閃亜鉛鉱型の立方晶結晶である（末松安晴著、「光デバイス」（平成９年５月１５日初版第８刷、（株）コロナ社発行）、２８〜２９頁参照）。これより、ＢＰ系結晶層は、その上に立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層を積層させるに優位に働くと思量される。さらに、閃亜鉛鉱型のＢＰ（格子定数＝４．５３８Å）は、立方晶のＧａＮ（格子定数＝４．５１０Å）に略一致する格子定数を有するという元来の優位性がある（前出の「III −Ｖ族化合物半導体」、３３０頁参照）。
しかし、従来の成膜技術では、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層の成長を促すに足る閃亜鉛鉱型を主体とするＢＰ系結晶層を、緩衝層として定常的に立方晶の単結晶基板上に成長するのは困難であった。立方晶を主体としてなるIII 族窒化物半導体結晶層の成長を誘発するＢＰ系結晶からなる緩衝層を成長するための要件が不明瞭であったからである。
立方晶の結晶基板上に連続性を有するＢＰ系結晶層を与える成膜技術は、現在までのところ提示されておらず、また連続性のあるＢＰ系結晶層を成膜するに必要とされる要件も明確とはなっていない。
【００１５】
上述の内容を本発明が解決すべき課題として纏めるに、本発明の第１の課題は、ＦＥＴなどのIII 族窒化物半導体素子の構築に適する絶縁性の立方晶単結晶基板材料を選択して、それを提示することにある。
また第２の課題は、その立方晶の絶縁性単結晶基板上に、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層からなる積層構造体を構築するに都合の良い緩衝層の構成要件を提示することにある。さらに本発明は、緩衝層が有するべき、立方晶の絶縁性基板との格子の不整合性をより良く緩和するための要件と、緩衝層表面上に堆積する積層体構成層に連続性をもたらすための要件とを結晶構造の観点から明確にすることを目的とする。
そして、本発明の最終的な課題は、これらの課題の解決を通じて、立方晶のIII 族窒化物半導体からなる活性層を具備するIII 族窒化物半導体素子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題を克服するためになされたもので、第１の課題を解決するために、本発明ではフッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）を絶縁性の立方晶の基板材料として好適であるとして提示する。さらに本発明のIII 族窒化物半導体素子は、表面を平滑とする立方晶のIII 族窒化物半導体結晶からなる連続膜を定常的にもたらすための要件を備えたリン化硼素（ＢＰ）系材料からなる緩衝層を具備するものである。
【００１７】
即ち、本願の請求項１に記載の発明は、絶縁性のフッ化カルシウム（化学式：ＣａＦ2 ）からなる単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された少なくとも硼素（元素記号：Ｂ）とリン（元素記号：Ｐ）とを構成元素として含む緩衝（バッファ）層と、前記単結晶基板上に前記緩衝層を介して形成された、一般式ＡｌαＧａβＩｎ1-α- βＮ1-γＭγ（０≦α，β≦１、０≦α＋β≦１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦γ＜１）で表記される窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム結晶層からなる活性層とを具備するIII 族窒化物半導体素子である。
【００１８】
また、本願の請求項２に記載の発明は、緩衝層上に立方晶で且つ連続性を有するIII 族窒化物半導体結晶層の成育を定常的にもたらすために、緩衝層が備えるべき要件を提示するものである。
即ち、本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の緩衝層が、硼素（Ｂ）原子とリン（Ｐ）原子とからなるリン化硼素多量体結晶（ＢX ＰY 、但しＸ≧６及びＹ＝１または２）の含有量を１／２０以下とするＢＰ系III −Ｖ族化合物半導体結晶から構成されることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本願の請求項３に記載の発明は、請求項１、２の発明に加えて、基板を構成するＣａＦ2 により良く格子整合を果たすＢＰ系結晶からなる緩衝層を提供するものである。
即ち本願の請求項３の発明は、前記緩衝層が、リン化硼素・インジウム結晶（Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ、但し０＜ａ＜０．６２）からなることを特徴としている。特に緩衝層は、硼素組成比（＝ａ）の平均をａ＝０．３１とするＢ0.31Ｉｎ0.69Ｐ混晶から構成することが好ましい。
【００２０】
また、本願の請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の緩衝層が、前記単結晶基板との界面近傍の領域に単結晶からなる層が配置され、その上方の領域に非晶質体を主体とする層が配置されたものからなることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
立方晶の結晶材料には、リン化ガリウム（化学式：ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）などの閃亜鉛鉱型のIII −Ｖ族化合物半導体がある。また、ダイヤモンド構造型の珪素（Ｓｉ）やゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）などの元素（単体）半導体がある。また、岩塩構造型の酸化マグネシウム（化学式：ＭｇＯ）、酸化マンガン（化学式：ＭｎＯ）や酸化ニッケル（化学式：ＮｉＯ）がある。更に、スピネル（ｓｐｉｎｅｌ）構造型のＭｇＡｌ2 Ｏ4 等がある（Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｂｌｕｅ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ（１９９６、Ｏｈｍｓｈａ，Ｌｔｄ．）、８０〜８５頁参照）。
【００２２】
III 族窒化物半導体結晶層の成膜は、概ね１０００℃或いはそれを越える高温で実施される（赤崎  勇、天野  浩、「光学」、第２２巻、第１１号（１９９３）、６７０頁参照）。基板はこの様な高温に耐熱性を有する単結晶材料から構成する必要に迫られる。
III −Ｖ族化合物半導体結晶であるＧａＡｓの融点は、１２３８℃であり、ＩｎＰのそれは１０７０℃である（上記の「III −Ｖ族化合物半導体」、１４８頁の表７．１参照）。従って、これらのIII −Ｖ族化合物半導体結晶は、比抵抗（抵抗率）にして約１０6 オーム・センチメートル（Ω・ｃｍ）を越える半絶縁性の単結晶が工業的に生産されるに至っているが、耐熱性の観点からして難がある。またＧａＰは、１４６７℃と比較的高い融点を持つが（上記の「III −Ｖ族化合物半導体」、１４８頁の表７．１参照）、絶縁性の単結晶基板が安定して供給されるには至っていない。
従って、これらのIII −Ｖ族化合物半導体結晶からは、耐熱性と絶縁性の双方を充分に満足する基板材料を選択するには難がある。
【００２３】
一方、珪素（Ｓｉ）、所謂、シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ）は、融点を１４２０℃（上記の「III −Ｖ族化合物半導体」、１４８頁の表７．１参照）とする耐熱性のある材料である。しかし、他の元素半導体であるＧｅと同様に、高純度の結晶でも抵抗率は数十から数百Ω・ｃｍ程度であり、絶縁性の単結晶が得られがたい難点がある。
マイクロ波或いはミリ波帯域で動作する高周波ＦＥＴには、抵抗率にして大凡１０6 Ω・ｃｍを越える絶縁性の単結晶から基板を構成する必要がある。
【００２４】
ＭｇＯ、ＭｎＯやＮｉＯは、耐熱性がある酸化物半導体材料である。しかし、III 族窒化物半導体を成膜する際の代表的な窒素（元素記号：Ｎ）源であるアンモニア（化学式：ＮＨ3 ）により、表面の状態が劣化する欠点がある（上記のＩｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ｂｌｕｅ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ、８１頁参照）。また、ＭｎＯ、ＮｉＯ或いは酸化コバルト（化学式：ＣｏＯ）は、明瞭な劈開性を示さない欠点がある（応用物理学会主催、「ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会第５回予稿集」（１９９６年１０月３１日〜１１月１日）、講演番号IV−３、２０〜２１頁参照）。
スピネル（ｓｐｉｎｅｌ）構造型のＭｇＡｌ2 Ｏ4 基板上には、多結晶のIII 族窒化物半導体（ＧａＮ）膜が成長する（上記の「ＳｉＣ及び関連ワイドギャップ半導体研究会予稿集」、２１頁参照）。しかし、スピネル構造型の結晶も明瞭な劈開性を示さないため、個別の素子に裁断するに難点がある。
レーザダイオードに於ける光共振面を形成するために、基板の劈開を利用すれば都合が良い様に、ＦＥＴにあっても明瞭な劈開性を呈する単結晶材料から基板を構成するのが得策である。ＭＯＤＦＥＴの如く、ヘテロ（ｈｅｔｅｒｏ）接合界面の急峻性をもって発現させた低次元の電子ガスを利用するＦＥＴにあって、劈開性単結晶材料から基板を構成すれば、ダイヤモンド刃（カッタ）によるダイシング（ｄｉｃｉｎｇ）手段による場合とは異なり、ヘテロ接合界面に損傷を与えることなく劈開によりチップ（ｃｈｉｐ）化が果たせ便利である。
【００２５】
フッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）は、融点を１３７３℃とする高融点の結晶材料である（「岩波理化学辞典  第３版」（１９７６年４月５日、（株）岩波書店発行）、１１５１頁参照）。即ち、III 族窒化物半導体結晶の成膜温度で耐熱性を有する螢石結晶型に属する立方晶の結晶である（上記の「岩波理化学辞典  第３版」、１２７８頁参照）。また、正八面体の面方向に明瞭な劈開を呈する（Ｃ．Ｗ．Ｂａｎ著、「化学結晶学」（昭和４５年６月１５日初版、（株）培風館発行）、５０頁参照）。また、禁止帯幅が１５．７エレクトロンボルト（ｅＶ）と大きな電気的な絶縁材料である（▲１▼泉谷  徹郎監修、「新しいガラスとその物性」（昭和５９年８月２０日初版第１刷、（株）経営システム研究所発行）、６２９頁、及び▲２▼日本物理学会編、「表面新物質とエピタクシー」（１９９２年１２月１０日初版、（株）培風館発行）、１６７頁参照）。
従って、ＣａＦ2 の表面上にはＦＥＴと共に、例えばツェナ（Ｚｅｎｅｒ）ダイオードなどの整流性素子を相互に良好な絶縁を保って形成できる。纏めれば、本発明の云う基板材料として備えるべき要件を備えている結晶である。
更に、ＣａＦ2 は、光学的に透明な材料である。従って、例えばＦＥＴと発光素子とを組み合わせた複合素子を構成する上でも優位な基板として利用できる。光学的な透明な単結晶材料から基板を構成すれば、基板に因る発光の吸収を回避できる。このため、素子から外部への発光の取り出し効率に優れた発光素子を、例えばＦＥＴと共に集積できる利点がある。
この様な優位性から、本発明ではＣａＦ2 を好適な基板材料として利用する。
【００２６】
ＣａＦ2 からなる単結晶基板上には、ＢＰ系のIII −Ｖ族化合物半導体結晶からなる緩衝層を堆積する。本発明のＢＰ系III −Ｖ族化合物半導体とは、硼素（元素記号：Ｂ）とリン（元素記号：Ｐ）とを少なくとも構成元素として含むIII −Ｖ族化合物半導体である。ＢＰ系III −Ｖ族化合物半導体の端的な一例には、リン化硼素（ＢＰ）がある。
ＢＰからなる緩衝層は、従来の気相成長技術を利用して成膜出来る。例えば、三塩化硼素（化学式：ＢＣｌ3 ）を硼素（Ｂ）源とし、三塩化リン（ＰＣｌ3 ）をリン（Ｐ）源とするハライド（ｈａｌｉｄｅ）気相成長（ＶＰＥ）法により成膜出来る。また、ボラン（化学式：ＢＨ3 ）或いはジボラン（化学式：Ｂ2 Ｈ6 ）を硼素（Ｂ）源とし、ホスフィン（化学式：ＰＨ3 ）などをリン（Ｐ）源とする有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により成膜できる。また、三塩化硼素等のハロゲン化合物とホスフィン等のリンの水素化物を原料とするハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）気相成長法により成膜できる。
【００２７】
従来のＢＰからなる緩衝層（▲１▼特開平２−２７５６８２号、▲２▼特開平２−２８８３７１号、及び▲３▼特開平２−２８８３８８号各公報明細書参照）とは異なり、本発明のＢＰ緩衝層は、上層として表面を平滑で平坦とする連続性のあるIII 族窒化物半導体結晶層を帰結するための構成を備えたものとする。
本発明の緩衝層の構成を図２の断面模式図を基に説明する。図２の断面模式図は、透過型電子顕微鏡（英略称：ＴＥＭ）により撮像した本発明に係わるＢＰ緩衝層断面ＴＥＭ像の模写図である。本発明に係わるＢＰ緩衝層１１０は、ＣａＦ2 基板１０１との接合界面１１１近傍の領域１１２に、ストランスキー・クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ・Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モードによる成長様式（上記の「薄膜作製ハンドブック」、５９頁参照）を伺わせる、ＢＰの単結晶からなる層が配置された構成となっている。単結晶層からなる領域１１２の上方の領域１１３は、非晶質体を主体とした層が配置されている。
【００２８】
上述のような構成からなるＢＰ緩衝層は、前述の各成長方法に於いて、成膜温度を比較的低温に設定することにより安定して獲得できる。例えば、ＢＣｌ3 ／ＰＣｌ3 ／Ｈ2 系ハライドＶＰＥ法による気相成長法では、成膜温度を約３００℃以上約５００℃以下とすることをもって成膜出来る。ジボラン／ホスフィン／水素系ＭＯＣＶＤ成長法では、上記の結晶構成からなるＢＰ緩衝層が得られるのは、概ね２５０℃から６００℃の範囲の温度で成膜する場合である。同一の成長方法にあっても、成長反応容器の形状或いは流量条件などに依存して適正な成膜温度範囲は微妙に変化するため、成長環境及び条件に応じて適宣、温度範囲は選択すべきである。
【００２９】
その際の成膜温度の適正範囲の上限値及び下限値は、ＢＰ緩衝層の内部の結晶組織構成をもって決定できる。
上限の温度とは、ＣａＦ2 との接合界面近傍の領域のみならず、緩衝層の全体が単結晶から構成されるＢＰ緩衝層が得られる温度である。ＢＰ（格子定数＝４．５３８Å）と立方晶ＧａＮ（格子定数＝４．５１０Å）との格子ミスマッチ度は僅か０．６％であり、ＢＰ単結晶から構成される緩衝層は、上層として高品質な立方晶ＧａＮ結晶層を積層するに優位であると思量される。しかし、この僅かなミスマッチをも緩和する非晶質体からなる層が存在しない場合、上層のIII 族窒化物半導体結晶層の表面には、時として直線的な縞模様が格子状に発生するため（所謂、クロスハッチパターン）、平滑で平坦なIII 族窒化物半導体結晶層を安定して獲得するためには不都合となる。
一方下限温度は、ＢＰ緩衝層が部分的にも結晶化に至らず、緩衝層の全体が非晶質体から構成される温度である。緩衝層の全体を非晶質体から構成する場合の不具合は、上層としてIII 族窒化物半導体結晶層を成膜するために基板を高温に昇温する際に、構成原子相互の結合力を弱小とする非晶質体からなる緩衝層は揮散して、基板表面が露呈することに起因している。即ちこの場合、ＧａＮを成膜する場合を例にすれば、格子のミスマッチ度を約２１％と大とするＣａＦ2 の表面上に、直接ＧａＮを堆積せざるをえない事態を招く。この様な状況下で帰結されるＧａＮ膜は、連続性に欠如したものとなる。
緩衝層の内部の結晶組織は、Ｘ線回折法による回折ピークの出現状況から知ることが出来る。また、断面ＴＥＭ技法に依れば、深さ方向での結晶組織の変貌を解析することが出来る。
【００３０】
本発明のＢＰ系緩衝層とは、その成膜温度から観て、低温緩衝層と呼称されるべきものである（上記の「III −Ｖ族化合物半導体」、３３５〜３３７頁参照）。即ち、従来から知られているシリコン基板上のＢＰ緩衝層（▲１▼特開平２−２７５６８２号、▲２▼特開平２−２８８３７１号、及び▲３▼特開平２−２８８３８８号各公報明細書参照）とは、その内部結晶構成も、またその成膜条件も全く相違するものである。この様な構成を備えた低温緩衝層は、その上に堆積する上層を連続性のあるIII −Ｖ族化合物半導体結晶層から構成するに格別に効果を奏する。
【００３１】
上層を連続性のある結晶層とするには、上記のような要件を備えた緩衝層とすれば充分である。しかし、上層を構成するIII −Ｖ族化合物半導体結晶層を立方晶とするには、ＢＰ系緩衝層に更なる構成要件が加わる。立方晶からなる上層をもたらす緩衝層を構成するには、緩衝層内のリン化硼素多量体結晶の量を規制する必要がある。
硼素モノフォスファイド（ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）と称されるＢＰに対比されるリン化硼素多量体結晶を、一般式Ｂi Ｐj （ｉ≠０、ｊ≧１）で表記するとする。代表的なＢi Ｐj 結晶には、ｉ＝１３、ｊ＝２の化学式Ｂ13Ｐ2 で表記される結晶がある（▲１▼Ｖ．Ｉ．ＭＡＴＫＯＶＩＣＨ、Ａｃｔａ．Ｃｒｙｓｔ．、１４（１９６１）、９３頁及び▲２▼Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、４７（１９６４）、４４〜４６頁参照）。また、ｉを６とするＢ6 Ｐがある（Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、８２（１９６０）、１３３０〜１３３２頁参照）。リン化硼素多量体結晶の一分子を構成するリン原子の数を表すｊは通常は１または２である。
【００３２】
量的関係をもって、リン化硼素多量体結晶に規制を加える技術的論拠を次に述べる。Ｂ13Ｐ2 が緩衝層の構成材料として好ましくないのは、その結晶型が菱面体構造の六方晶であることにある（上記のＡｍｅｒ．Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、４７（１９６４）、４４〜４６頁及びＡ．Ｓ．Ｔ．Ｍ．（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）ｃａｒｄ１３−２０５参照）。
緩衝層を構成する結晶の晶系は、上層に受け継がれる傾向にある。従って、六方晶の緩衝層上に積層されるIII 族窒化物半導体結晶層は、六方晶の結晶形態となる。この事態を招聘することは、緩衝層上に立方晶を主体とするIII 族窒化物半導体結晶層からなる積層構造体を簡便に得ることを意図している本発明の目的にはそぐわず、また不都合である。これが、本発明に於いてＢ原子とＰ原子の集合体であるリン化硼素多量体結晶の量を少量に抑制する理由である。
本発明では、６個以上の硼素（元素記号：Ｂ）原子とリン（元素記号：Ｐ）原子とからなるリン化硼素多量体結晶（ＢX ＰY 、但しＸ≧６、Ｙ＝１または２）を量的に規制する対象とする。
【００３３】
具体的には、ＢＰ系緩衝層中のリン化硼素多量体結晶の含有量が約３０％未満となる様にするのが好ましい。リン化硼素多量体結晶の量は、１／２０以下であるのがさらに好ましい。この程度に少量のリン化硼素多量体結晶では、上層の結晶系に影響を及ぼすには至らない。
分子を構成する硼素（Ｂ）原子の数が増すと、自ずとその分子が占有する体積が巨大となり、例えば、ＢＰ結晶層内の歪みが増すなどこれまた不都合である。この観点からしても、リン化硼素多量体結晶は殆ど含有されていないのが特に好ましい。
【００３４】
例えばＢ13Ｐ2 は、ＢＰより次の反応式１に従って生ずることが知られている（上記のＡｍｅｒ．Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、４７（１９６４）、４４〜４６頁参照）。
５２  ＢＰ  →  ４  Ｂ13Ｐ2 ＋  １１  Ｐ4       （反応式１）
このＢＰの熱分解に因るＢ13Ｐ2 の生成は高温程、進行する（日本産業技術振興協会新材料技術委員会編、「化合物半導体デバイス」（１９７３年９月１５日、（株）工業調査会発行）、２４８頁参照）。従って、化学式Ｂ13Ｐ2 で代表されるリン化硼素多量体結晶の含有量を少量に抑制するには、緩衝層の成膜温度を前述の様に低温に設定するのが有利である。
成膜温度を出来るだけ低温とした上で、更にＢＰ系緩衝層の気相成長法による成膜時において、硼素（Ｂ）源の反応系への供給量を少量とし、且つ、硼素（Ｂ）源に対するリン（Ｐ）源の供給比、即ちＰ／Ｂ比を大とすると、Ｂ13Ｐ2 結晶体の生成を抑制するにより効果がある。例えば、ＢＣｌ3 ／ＰＣｌ3 ／Ｈ2 反応系を利用するハライドＶＰＥ法による３５０℃に於けるＢＰでの成長では、ＢＣｌ3 の供給量を約５×１０-6モル（ｍｏｌ）／分とし、ＰＣｌ3 ／ＢＣｌ3 供給比を３００程度に設定することにより、Ｂ13Ｐ2 を殆ど含まないＢＰ緩衝層を構成できる。
【００３５】
さらに本発明では、結晶欠陥の少ない活性層を獲得するために、基板を構成するＣａＦ2 に格子整合できる半導体材料からなる低温緩衝層を提供する。基板と格子整合を果たす結晶材料から低温緩衝層を構成することにより、格子のミスフィットに起因して基板と低温緩衝層との界面で発生するミスフィット転位の密度をそもそも低減できる。従って、結晶欠陥密度の小さい低温緩衝層が構成できる利点がある。結晶欠陥密度の少ない低温緩衝層上には、高移動度特性を発現するに有利な結晶性に優れる活性層が堆積され得る。
混晶から格子整合系の低温緩衝層を構成する場合、構成元素が出来るだけ少ない混晶であるのが望ましい。即ち、５元混晶よりも４元混晶、４元混晶よりも３元混晶から構成するのが望ましい。規定された仕様を備えた低温緩衝層を得るために制御すべき因子の数が、減ぜられるからである（永井  治男他著、「III −Ｖ族半導体混晶」（１９９３年７月３０日初版第２刷、（株）コロナ社発行）。格子定数を５．４３６ÅとするＣａＦ2 に格子整合する低温緩衝層は、リン化硼素・インジウム結晶（Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ）にあって、硼素組成比（＝ａ）を０．３１とするＢ0.31Ｉｎ0.69Ｐ混晶から構成できる。
【００３６】
上記の混晶材料から低温緩衝層を構成するにあっても、ＣａＦ2 単結晶基板との接合界面近傍の領域は、主に単結晶からなる層から構成するのが好ましい。またその上方の領域は、非晶質体を主体とする層から構成するのが好ましい。従って、ＢＰに代替するＢa Ｉｎ1-a Ｐ混晶から低温緩衝層を構成する場合にあっても、緩衝層が備えるべき結晶組織的な構成要件はＢＰの場合とは相違しない。また、立方晶からなる上層を堆積するために、Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ混晶からなる低温緩衝層はＢ13Ｐ2 に代表されるリン化硼素多量体結晶の含有量を１／２０以下、即ち、５％以下に抑制すべきことにも変化はない。
【００３７】
Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ混晶から本発明の低温緩衝層を構成する場合、必ずしも単一な組成の混晶層から構成する必要はない。歪超格子（ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ  ｓｕｐｅｒ−ｌａｔｔｉｃｅ）を構成するための手段として周知の格子定数を異にする結晶層を相互に重層させる方法によっても（日本物理学会編著、「半導体超格子の物理と応用」（昭和６１年９月３０日初版第４刷、（株）培風館発行）、８３〜８４頁参照）、Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ混晶からＣａＦ2 に良好な整合性を発揮する低温緩衝層を構成出来る。
例えば、ＣａＦ2 の格子定数（記号ｄ（＝５．４３６Å）で表す。）を中心として、Δａ（Å）だけ大きな格子定数の第１のＢa Ｉｎ1-a Ｐ混晶層（格子定数（Å）＝ｄ＋Δａ）と、格子定数をｄ−Δａ（Å）とする第２のＢa Ｉｎ1-a Ｐ混晶層とを交互に重層して構成した超格子構造の重層構造体は、全体としてＣａＦ2 に良好な格子整合を果たす低温緩衝層として利用出来る。ＣａＦ2 の格子定数（ｄ）より、＋Δａ或いは−Δａ（Å）だけ変化した格子定数を有するＢa Ｉｎ1-a Ｐ混晶は、硼素組成比（＝ａ）を相違させれば構成することが出来る。
【００３８】
上記した如く、ＣａＦ2 と格子整合が果せるＢa Ｉｎ1-a Ｐ混晶の硼素組成比は、０．３１換言すればインジウム組成比を０．６９とするＢ0.31Ｉｎ0.69Ｐである。従って、Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ混晶から超格子構造を構成する場合にあっては、ａ＝０．３１を中心として大小双方向に等量に硼素の組成比を変位させる。硼素（或いはインジウム）組成比の基準値からの大小方向へのずれを等量とするのは、Ｖｅｇａｒｄ則（永井  治男他著、「III −Ｖ族半導体混晶」（１９９３年７月３０日初版第２刷、（株）コロナ社発行）、２７頁参照）が教示する如く、組成を変化させたことによるＣａＦ2 の格子定数からの大小方向へのＢa Ｉｎ1-a Ｐ混晶の格子定数の変位量を等量とするためである。
Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ混晶の場合、大小両方向に変位させられる硼素組成比の最大の変位量は、硼素組成比ａ＞０の条件を考え合わせると、ＣａＦ2 に一致する格子定数を与える硼素組成比である０．３１を基準として±０．３１である。従って、Ｂa Ｉｎ1-a Ｐに於いて、硼素組成比（＝ａ）が取り得る範囲は、０＜ａ＜０．６２である。
【００３９】
本発明の低温緩衝層上には、直接III 族窒化物半導体結晶からなる活性層を堆積できる。例えば、Ｂ0.31Ｉｎ0.69Ｐ（格子定数＝５．４３６Å）からなる低温緩衝層上には、チャネル層を構成する窒化ガリウム結晶層を積層できる。立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）の格子定数は４．５１０Åであり、低温緩衝層を構成するＢ0.31Ｉｎ0.69Ｐとは、格子整合の関係にはない。しかしながら、本発明の構成になる低温緩衝層は、格子不整合の関係にある上層である窒化ガリウムからなる活性層についても連続性のある平滑な結晶層とすることができる。
【００４０】
また、低温緩衝層上に直接活性層を堆積するのではなく、介在層を挿入した上で、活性層を構成するIII 族窒化物半導体結晶層を積層する手法もある。
この場合、介在層を構成するに適する材料には、取り得る格子定数の範囲が３．６２Å以上４．５４Å以下である窒化リン化硼素（ＢＰ1-δＮδ：０≦δ≦１）混晶がある。これは窒素組成比（＝δ）如何に依って、活性層を構成するに好適な窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌA ＧａB Ｎ：０≦Ａ，Ｂ≦１、Ａ＋Ｂ＝１）に格子整合する介在層が供給できるからである。例えば、窒素組成比を０．０３とするＢＰ0.97Ｎ0.03混晶は、立方晶のＧａＮ（格子定数＝４．５１０Å）に格子整合できる。また、窒素組成比を０．１７とするＢＰ0.83Ｎ0.17混晶は、立方晶のＡｌＮ（格子定数＝４．３８０Å）に一致する格子定数を有する。
また、窒化砒化硼素（ＢＡｓ1-γＮγ：０≦γ≦１）混晶からも介在層を構成できる。砒化硼素（ＢＡｓ；格子定数＝４．７７７Å）と窒化硼素（ＢＮ；格子定数＝３．６１５Å）とからなる３元混晶であるＢＡｓ1-γＮγから介在層を構成することにより、介在層が格子整合を果たせるIII 族窒化物半導体結晶の種類を増すことができる。例えば、砒素組成比を０．８１とするＢＡｓ0.81Ｎ0.19混晶からなる介在層は、ＢＰ1-δＮδ混晶では達成出来ない、インジウム組成比を１０％とするＧａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ（格子定数＝４．５６０Å）と格子整合を果たすことが出来る。
【００４１】
ＦＥＴ用途の緩衝層にあって、緩衝層は、活性層との電気的絶縁を果たすために高抵抗であるのが好ましい。また、緩衝層上に設ける介在層も高抵抗であるのが好ましい。
介在層も低温緩衝層と同じく、有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、ハライド或いはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法や分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法の一種であるガスソース（ｇａｓ−ｓｏｒｃｅ）ＭＢＥ法などで成膜できる。これらの手法に於いて、例えば不純物をドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）しながら成膜すれば、高抵抗の低温緩衝層若しくは介在層が得られる。例えば、アンドープでｐ形のＢＰ系低温緩衝層は、元素周期律表の第IV族に属するＳｉや錫（元素記号：Ｓｎ）、第VI族のセレン（元素記号：Ｓｅ）や硫黄（元素記号：Ｓ）などのｎ形不純物のドーピングにより高抵抗層となすことができる。アンドープでｎ形のＢＰ系低温緩衝層に対しては、第II族の亜鉛（元素記号：Ｚｎ）、ベリリウム（元素記号：Ｂｅ）やマグネシウム（元素記号：Ｍｇ）、第IV族の炭素（元素記号：Ｃ）などのｐ形不純物のドーピングにより高抵抗層となすことができる。
【００４２】
低温緩衝層の厚さは、１０μｍ以下、望ましくは１μｍ以下とする。さらに好ましくは、５０００Å以下であり、特に５００Å以下であると好ましい。さらに低温緩衝層は数原子層程度の厚さがあれば、特に、ＣａＦ2 基板との接合界面近傍の領域に於ける単結晶層を含む領域の厚さが数原子層程度あれば、低温緩衝層としての機能は充分に発揮することができる。
【００４３】
本発明に係わる低温緩衝層の上に、少なくとも立方晶のIII 族窒化物半導体からなる活性層を具備する積層構造体に、オーミック性電極材料からなるソース（ｓｏｕｒｃｅ）及びドレイン（ｄｒａｉｎ）電極と、ショットキ性電極材料からなるゲート電極を設ければ、本発明に係わるＦＥＴ等のIII 族窒化物半導体素子を構成できる。
【００４４】
【作用】
本願の請求項１に記載した、螢石結晶型のフッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）からなる立方晶基板と、その上に設けた閃亜鉛鉱型結晶のリン化硼素（ＢＰ）系低温緩衝層とからなる下地積層系は、その上層として積層する活性層を立方晶のIII 族窒化物半導体結晶から構成するに優位に作用する。これにより、立方晶のIII 族窒化物半導体からなる活性層を備えた積層構造体を都合良く構築でき、III 族窒化物半導体素子を簡便に構成する作用をする。
【００４５】
また特に、菱面体構造の六方晶Ｂ13Ｐ2 に代表されるリン化硼素多量体結晶の含有量を１／２０以下とし、ＢＰ、所謂、硼素モノフォスファイドを主体として構成した低温緩衝層は、上層のIII 族窒化物半導体結晶層の結晶系を立方晶とするに優位に作用する。従って、立方晶のIII 族窒化物半導体結晶層からなる積層構造体を構築するに優位に作用する。
【００４６】
特に、単結晶基板との界面近傍の領域に単結晶からなる層が配置され、その上方の領域に非晶質体を主体とする層が配置された低温緩衝層は、上層を構成する結晶層の連続性を向上させる作用を有するため、連続性のあるIII 族窒化物半導体結晶層がもたらされる。
【００４７】
【実施例】
以下、本発明を実施例を元に説明する。
（第１の実施例）
不純物を故意に添加していないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の｛００１｝−フッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）単結晶を基板１０１として、図３に示すショットキ接合型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）用途の積層構造体１を構成した。
【００４８】
積層構造体１を構成するために、｛００１｝−ＣａＦ2 基板１０１上には、リン化硼素（ＢＰ）を主体として構成した緩衝層１１０を堆積した。
ＢＰ緩衝層１１０は、三塩化硼素（ＢＣｌ3 ）／三塩化リン（ＰＣｌ3 ）／水素（Ｈ2 ）反応系を用いた一般的なハロゲンＶＰＥ法により４５０℃で成長した。ＢＣｌ3 に対するＰＣｌ3 の供給量の比率（＝ＰＣｌ3 ／ＢＣｌ3 比率）は、１００倍に設定した。
層厚を２００ÅとするＢＰ緩衝層１１０の、ＣａＦ2 基板１０１との接合面１１１から緩衝層１１０の上側に至る約３０Åの領域は、ＢＰからなる単結晶層から構成し、更にその上方の領域はＢＰからなる主に非晶質からなる層から構成した。該ＢＰ緩衝層１１０中のリン化硼素多量体結晶の含有量は４．８重量％と定量された。
【００４９】
ＢＰ緩衝層１１０の表面上には、トリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）をガリウム（Ｇａ）源、アンモニア（ＮＨ3 ：１００％）を窒素（Ｎ）源、及びホスフィン（ＰＨ3 ：１０％ＰＨ3 −９０％Ｈ2 ）をリン（Ｐ）源とする一般的な常圧（大気圧）ＭＯＣＶＤ法により、９６０℃でアンドープの窒化リン化硼素（ＢＰ1-δＮδ）混晶層１１４を成膜した。ＢＰ1-δＮδ混晶層１１４の窒素組成比（＝δ）は、ＮＨ3 とＰＨ3 とのＭＯＣＶＤ反応系への供給比を調整してδ＝０．０３としてある。層厚は約１００ｎｍとした。
【００５０】
ＢＰ0.97Ｎ0.03混晶層１１４上には、上記のＭＯＣＶＤ法により９８０℃で立方晶を主体とする窒化ガリウム（ＧａＮ）層１１５を積層した。ＧａＮ層１１５中の六方晶系のＧａＮ結晶の含有率は、通常のＸ線回折法に依る検査に依れば約８〜９％であった。この層厚を約２００ｎｍとするＧａＮ層１１５には、成膜時にジシラン（５体積ｐｐｍ）−水素混合ガスを使用して珪素（Ｓｉ）をドーピングし、ＧａＮ層１１５をキャリア濃度を約２×１０17ｃｍ-3とするｎ形層となした。このｎ形ＧａＮ層１１５をＦＥＴの活性層、即ちチャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層として利用するためである。
【００５１】
ｎ形ＧａＮチャネル層１１５上には、９８０℃で再びＳｉドープｎ形ＧａＮ層（層厚＝２００ｎｍ、キャリア濃度＝２．２×１０18ｃｍ-3）をコンタククト層１０６として積層した。低接触抵抗のオーミック電極を形成するために、コンタクト層１０６のキャリア濃度は、チャネル層を構成するＧａＮ層１１５のそれを約１桁上回るものとした。キャリア濃度は、上記のＳｉドーピングガスのＭＯＣＶＤ反応系への流量を増加させることをもって達成した。
【００５２】
一般的なフォトリソグラフィー技術を利用してパターンニングを施した後、ゲート電極１０９を配置する予定の領域にあるコンタクト層１０６を、メタン（ＣＨ3 ）／水素（Ｈ2 ）／アルゴン（Ａｒ）混合ガスを用いたプラズマエッチングにより除去し、リセス（ｒｅｃｅｓｓ）部１１６を構成した。リセス部１１６に露出させたｎ形ＧａＮチャネル層１１５の略中央部にチタン（Ｔｉ）膜、白金（Ｐｔ）膜及び金（Ａｕ）膜を順次被着して、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層の重層構造からなるゲート長を約２μｍとするゲート電極１０９を構成した。ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、リセス部１１６を挟んで対向して残存させたｎ形ＧａＮコンタクト層１０６の表面上に設けて、ＭＥＳＦＥＴ２となした。ソース及びドレイン電極１０７及び１０８は何れもＡｕ・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金の真空蒸着薄膜から構成した。
【００５３】
（第２の実施例）
本第２の実施例では、基板１０１は第１の実施例と同様とし、緩衝層１１０を構成する半導体材料を第１の実施例の場合のリン化硼素（ＢＰ）からリン化硼素・インジウム混晶（Ｂa Ｉｎ1-a Ｐ）に変更して、図４に示すＭＯＤＦＥＴ用途の積層構造体３を構成した。
まず、硼素組成比（＝ａ）を０．３１とするＢa Ｉｎ1-a Ｐからなり、ＣａＦ2 基板１０１に格子整合する層厚を約１５ｎｍとする緩衝層１１０を、ＣａＦ2 基板１０１上に一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により構成した。
ＭＯＣＶＤ法による緩衝層１１０の形成には、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）とフォスフィン（ＰＨ3 ）を硼素（Ｂ）およびリン（Ｐ）の原料として用い、インジウム（Ｉｎ）源には、結合価を１価とするシクロペンタジエニルインジウム（Ｃ5 Ｈ5 Ｉｎ）を利用した（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、１０７（１９９１）、３６０〜３６４頁参照）。また、ＭＯＣＶＤ反応系へ供給したIII 族元素原料（Ｂ2 Ｈ6 及びＣ5 Ｈ5 Ｉｎ）の合計の濃度に対するＶ族元素原料（ＰＨ3 ）の供給濃度の比率、いわゆるＶ／ III比は１８０に設定した。キャリアガスとしては水素（Ｈ2 ）を利用した。さらに、緩衝層１１０を成膜する温度を４５０℃に設定したため、Ｂ6 Ｐ或いはＢ13Ｐ2 に代表される六方晶のリン化硼素多量体結晶の含有量が約１０％未満であるＢ0.31Ｉｎ0.69Ｐ混晶緩衝層１１０が帰結された。
【００５４】
ＣａＦ2 基板１０１との接合界面１１１近傍の領域が主にＢa Ｉｎ1-a Ｐ単結晶から構成され、その上方を非晶質体を主体とした層から構成したＢa Ｉｎ1-a Ｐ緩衝層１１０の上には、第１の実施例に記載されたものと同様のｎ形ＧａＮからなるチャネル層１１５を、ＭＯＣＶＤ法により積層した。
ｎ形ＧａＮチャネル層１１５上には、アンドープのｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ）からなる層厚が約７ｎｍのスペーサ層１０５、Ｓｉドープのｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ）からなる層厚を約２０ｎｍとする電子供給層１０４、及び第１の実施例に記載のものと同様のｎ形ＧａＮコンタクト層１０６を、ＭＯＣＶＤ法により順次積層させて、ＭＯＤＦＥＴ４の作製に供する積層構造体３を構成した。
【００５５】
尚、上記の各層は一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により成膜したが、ＳｉドープＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ電子供給層１０４を成膜する際には、特に水分と酸素含有量がｐｐｍ（ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）オーダー未満と少ない高純度のジシラン（５体積ｐｐｍ）−水素混合ガスを利用し、同層１０４のキャリア濃度が約１．８×１０18ｃｍ-3となる様にそのドーピング流量を制御した。また、電子供給層１０４は、酸素やメトキシ（ｍｅｔｈｏｘｙ：−ＯＣＨ3 ）基などの酸素含有官能基分子の含有量を低くすべく精製したトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）をアルミニウム（Ａｌ）源として用いて成膜した。何れも高純度の原料を利用することによって、ｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ）層内にアルミニウム原子と酸素不純物との結合体などに起源する深い準位を不用意に多量に発生させないための措置である。
【００５６】
その後、第１の実施例と同様の手法により、積層構造体３にリセス構造１１６を形成するための加工を施した後、リセス部１１６の底部に露出した電子供給層１０４の表面上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを重層したゲート電極１０９を配置した。また、ソース及びドレイン電極１０７、１０８は、コンタクト層１０６の表面に対向して配置し、図４に示すＭＯＤＦＥＴ４となした。
【００５７】
（第３の実施例）
本第３の実施例では、第１の実施例に記載のものと同様の積層構造体を製造する際に、リン化硼素（ＢＰ）からなる緩衝層１１０を、ＢＣｌ3 ／ＰＣｌ3 ／Ｈ2 ハロゲンＶＰＥ法により３５０℃で成膜し、他は第１の実施例と同様にして積層構造体を構成した。ＢＰ緩衝層の成膜温度をより低温とすることにより、Ｂ13Ｐ2 等のリン化硼素多量体結晶の含有量を約３％未満とするＢＰ緩衝層１１０を構成した。
【００５８】
本第３の実施例で作製した、第１の実施例と層厚並びに内部の結晶組織の構成を同様とするＢＰ緩衝層１１０層上には、第１の実施例に記載の手段に則り、ＢＰ1-δＮδ混晶層１１４、ｎ形ＧａＮチャネル層１１５、コンタククト層１０６を順次積層した。その後、同じく第１の実施例に記載の手法によりリセス構造１１６を形成してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるゲート電極１０９を形成し、また、コンタクト層１０６にはソース及びドレイン電極１０７、１０８を形成して、ＭＥＳＦＥＴを構成した。作製したＭＥＳＦＥＴは、図３に示した構成であった。
【００５９】
図５〜７は、上記の第１乃至第３の実施例で作製したＦＥＴのドレイン電流−電圧特性の一例であって、ソース／ドレイン電極１０７、１０８間のドレイン電流のゲート電圧依存性を示す静特性の一例である。
図５は第１の実施例で作製したＭＥＳＦＥＴのドレイン電流−電圧特性であって、正常なゲートアクション（ゲート作用）と共に良好なピンチオフ（ｐｉｎｃｈ−ｏｆｆ）特性が帰結されているのが示されている。
また、本発明に係わる低温緩衝層を設けることに依って、連続性に優れるものとなったチャネル層が室温で約５２０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと高い電子移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ）をもたらすことを反映して、第１の実施例のＭＥＳＦＥＴは、約１２ｍＳの高い相互コンダクタンス（ｔｒａｎｃｅ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ：ｇm ）が得られるものとなった。
【００６０】
図６は、第２の実施例で作製したＭＯＤＦＥＴのドレイン電流−電圧特性（直流静特性）の一例である。連続性に優れる膜をもたらすに優位に作用する低温緩衝層上に堆積されているために、ｎ形ＧａＮチャネル層が連続膜となっていること、及びチャネル層とスペーサ層との接合界面近傍の領域に於ける２次元電子ガスの発生を反映して、約２５ｍＳの高いｇm が付帯するＭＯＤＦＥＴが構成できた。加えて、ピンチオフ電圧は約−７．８Ｖと均一であった。
【００６１】
図７は、第３の実施例で作製したＭＥＳＦＥＴのドレイン電流−電圧特性（直流静特性）の一例である。第３の実施例では、図７に示す如く、第１の実施例に係わるＭＥＳＦＥＴよりも更に高いｇm を発現するＭＥＳＦＥＴが作製された。第３の実施例で作製したＭＥＳＦＥＴは、第１の実施例のそれとは低温緩衝層の内部の結晶組織構成を異にしている。特に第３の実施例のＭＥＳＦＥＴは、リン化硼素多量体結晶（Ｂ13Ｐ2 ）の含有量を低量とする低温緩衝層を有するが故に、その上のｎ形ＧａＮチャネル層は、立方晶の構成比率が約９５％以上という、第１の実施例のそれに比較して立方晶の構成比率がより大である連続膜から構成されていた。そのため上記の結果は、電子移動度により優れるチャネル層が形成できたことを反映していると考慮される。その結果、第３の実施例に記述した構成からなる積層構造体からは、図７に示すように高いｇm を有するＭＥＳＦＥＴがもたらされた。
【００６２】
（比較例）
本比較例では、前述のように緩衝層を形成するのに好ましいとする２５０℃から６００℃の範囲から外れた温度で｛００１｝ＣａＦ2 基板上に成膜したＢＰ緩衝層を備えた積層構造体からＭＯＤＦＥＴを構成した。
本比較例では、Ｂ2 Ｈ6 ／ＰＨ3 ／Ｈ2 系ＭＯＣＶＤ法により、ＣａＦ2 基板上に９００℃で、立方晶のＢＰ（硼素モノフォスファイド）と特に六方晶のＢ13Ｐ2 とが混在してなり、且つＢ13Ｐ2 の含有量を約３０％とする緩衝層を構成した。珪素（シリコン）単結晶基板に直接ＢＰ膜を成膜した場合（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．２（１９９７）、１５０頁参照）と同様に高温で緩衝層を成膜するため、本比較例の緩衝層は、ＣａＦ2 基板の表面に散在する角錐状の成長島から構成される、連続性に欠けるＢＰ／Ｂ13Ｐ2 混合膜から構成されるものとなった。
【００６３】
上記の緩衝層の不連続性を無視して、ＢＰと主にＢ13Ｐ2 との混合体からなる緩衝層上に、直接前記の第２の実施例と同様のｎ形ＧａＮチャネル層を始めとする上層部をＭＯＣＶＤ法により積層させ、ＭＯＤＦＥＴ用途の積層構造体を構成した。
続いて上記の積層構造体には、第２の実施例と同様にしてリセス部にゲート電極を、また最表層のｎ形ＧａＮコンタクト層上にソース及びドレイン電極を形成して、ＭＯＤＦＥＴをなした。作製したＭＯＤＦＥＴは、図４に示した構成であった。
【００６４】
本比較例で作製したＭＯＤＦＥＴは、角錐状の突起が散在してなる高温緩衝層の不連続性を反映した、不連続なｎ形ＧａＮ結晶層をチャネル層としている。このチャネル層の不連続性に起因して、良好なピンチオフをもたらす正常なゲートアクション（ｇａｔｅ  ａｃｔｉｏｎ）を呈する、即ちＦＥＴ特性を示す半導体素子は、本比較例の積層構造体からは得られ難かった。
図８は本比較例で作製したＭＯＤＦＥＴから僅かながらに獲得されたゲートアクションを示すＭＯＤＦＥＴのドレイン電流−電圧特性（直流静特性）の一例である。不連続で尚且亀裂が存在するチャネル層の結晶性の悪さを如実に反映してｇm は約３ｍＳと低く、また特に、高ゲートバイアス（ｂｉａｓ）下では、ｇm は更に小となりピンチオフももたらすに至らなかった。
本比較例のＭＯＤＦＥＴのｇm の低さは、チャネル層の不連続性並びに六方晶と立方晶の結晶形態が混在するチャネル層の結晶系の不統一性による電子移動度の低さが原因している。またピンチオフの不良は、高温で成膜したが故の緩衝層の絶縁性の欠如も関与している。
纏めれば、好ましい範囲外の温度で成膜した緩衝層上には、正常なＦＥＴ特性を優にもたらすチャネル層（活性層）を具備した積層構造体は構成し難く、従って、該積層構造体から良好な特性のＦＥＴを帰結するのは困難である。
【００６５】
【発明の効果】
本願の請求項１に記載の発明に依れば、電気的絶縁性に優れるＣａＦ2 単結晶基板上に、連続性に優れる立方晶の窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム結晶層から成る積層構造体が得られる。この積層構造体を用いれば、ピンチオフ特性に優れ、且つ高いコンダクタンス（ｇm ）を発現するＭＥＳＦＥＴなどのIII 族窒化物半導体素子が提供できる。
【００６６】
また、本願の請求項２に記載の低温緩衝層の内部構成に依れば、上層のIII 族窒化物半導体結晶層を画一的な立方晶の結晶形態から構成するに、特に効果がある。従って、ＦＥＴ特性の向上に寄与する高い電子移動度を発揮するIII 族窒化物半導体結晶層を具備する積層構造体が構成でき、より高いｇm を有するＦＥＴなど特性が向上したIII 族窒化物半導体素子を提供できる。
【００６７】
また、本願の請求項３に記載の発明に依れば、ＣａＦ2 基板との格子整合性に優れる低温緩衝層が構成でき、しいては、結晶性に優れたIII 族窒化物半導体結晶層を具備した積層構造体が構成できる。この積層構造体は、ＦＥＴのｇm をより向上させるなど、III 族窒化物半導体素子の特性の向上をもたらすに効果を奏する。これより、特性に優れるＭＥＳＦＥＴなどのIII 族窒化物半導体素子を提供できる効果がある。
【００６８】
また、本願の請求項４に記載の発明は、画一化された結晶形態からなり且つ連続性を有する積層構造体の構成層をもたらす効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】六方晶のサファイアを基板とする従来のＭＯＤＦＥＴの構成を示す断面模式図である。
【図２】フッ化カルシウム基板上に形成された本発明に係わるリン化硼素緩衝層の内部結晶構成を示す模式図である。
【図３】第１および第３の実施例に係わるＭＥＳＦＥＴの構成を示す断面模式図である。
【図４】第２の実施例および比較例に係わるＭ０ＤＦＥＴの構成を示す断面模式図である。
【図５】第１の実施例で作製したＭＥＳＦＥＴのドレイン電流−電圧特性を示す図である。
【図６】第２の実施例で作製したＭＯＤＦＥＴのドレイン電流−電圧特性を示す図である。
【図７】第３の実施例で作製したＭＥＳＦＥＴのドレイン電流−電圧特性を示す図である。
【図８】比較例で作製したＭＯＤＦＥＴのドレイン電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１  ＦＥＴ用途の積層構造体
２  III 族窒化物半導体素子としてのＦＥＴ
３  ＦＥＴ用途の積層構造体
４  III 族窒化物半導体素子としてのＦＥＴ
１０１    基板
１０２    低温緩衝層
１０３    活性層
１０４    電子供給層
１０５    スペーサ層
１０６    コンタクト層
１０７    ソース電極
１０８    ドレイン電極
１０９    ゲート電極
１１０    ＢＰ緩衝層
１１１    基板と緩衝層との接合界面
１１２    単結晶からなる接合界面近傍の領域
１１３    主に非晶質体からなる接合界面近傍より上方の領域
１１４    窒化リン化硼素混晶層
１１５    ｎ形ＧａＮチャネル層
１１６    リセス部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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