(57)【要約】【課題】電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備えた化合物半導体基板の提供。【解決手段】表面の結晶面方位が｛１１１｝面であるＳｉ単結晶基板１００と、前記Ｓｉ単結晶基板１００の表面に形成され、ＡｌＮで構成された第１層１１０ａと、ＭｇＯで構成された第２層１１０ｂとが、この順で互いに交互に複数積層された中間層１１０と、前記中間層１１０上に形成され、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）又はＩｎＮ（０００１）のいずれか１種で構成された窒化物半導体単結晶層１２０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の結晶面方位が｛１１１｝面であるＳｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の表面に形成され、ＡｌＮで構成された第１層と、ＭｇＯで構成された第２層とが、この順で互いに交互に複数積層された中間層と、
前記中間層上に形成され、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）又はＩｎＮ（０００１）のいずれか１種で構成された窒化物半導体単結晶層と、
を備えることを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板の表面の直上にはＡｌＮで構成された第１層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
前記第１層及び前記第２層の各単層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記中間層全体の膜厚は、１０μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波デバイス等に好適に用いられる化合物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表される窒化物半導体は、広いバンドギャップを有しており、高い電子移動度、高い耐熱性に優れた特性を有する化合物半導体として、発光ダイオード、レーザ発光素子、高速高温動作可能電子素子等への応用が期待されている材料である。
【０００３】
このような窒化物半導体は、融点が高く、窒素の平衡蒸気圧が非常に高いため、融液からのバルク結晶成長は困難である。そのため、実用化レベルにある窒化物半導体は、サファイア（０００１）、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）、Ｓｉ（１１１）等の異種基板上に、中間層を介して、ヘテロエピタキシャル成長等により形成するのが一般的である（例えば、特許文献１）。
【０００４】
なお、これらの異種基板の中でも、Ｓｉ基板は、他の基板に比べて、結晶性に優れ、大面積で得られ、低価格であることから、窒化物半導体の製造コストを低減することができる。
【０００５】
更に、近年において成熟したＳｉ基板製造技術は、高品質結晶の安定供給を可能にしている。また、Ｓｉ基板上へ形成することで、その後のデバイス工程においても現存のシリコンテクノロジーを継承することができるため、産業技術の開発コストにおける優位性からも、Ｓｉ基板を用いた実用化が望まれている。
【０００６】
しかしながら、Ｓｉ基板と窒化物半導体との熱膨張係数を比較すると、窒化物半導体の方が２倍近く高い値を有している。そのため、Ｓｉ基板上へ窒化物半導体層を成膜した際に、窒化物半導体層に引張応力が生じ、これによって窒化物半導体層に割れが発生するため、厚さ１μｍ以上の窒化物半導体層をＳｉ基板上に形成することは困難であった。一方で、窒化物半導体層の厚膜化は、窒化物半導体層の結晶性の向上につながるため、厚さ１μｍ以上の窒化物半導体層の形成が望まれている。
【０００７】
ところで、窒化物半導体層上に、ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ：High Electron Mobility Transistor）等の高周波デバイスを形成して動作させると、活性層（窒化物半導体層）には前記動作に伴う熱が発生し、更に、その動作により発生した高周波磁場により、基板にもジュール熱が発生する。この基板によるジュール熱の発生は、ＨＥＭＴ等の高周波デバイスを動作させる際の大きなエネルギー損失をもたらす。したがって、活性層を除く基板部分は電気的に絶縁体であることが好ましい。しかしながら、Ｓｉ基板の絶縁化は困難であり、例えば、ＦＺ（フローティングゾーン）法を用いた結晶であっても１０４〜１０５Ωｃｍオーダーの高抵抗化が限界である。
【０００８】
一方、前記動作により発生する高周波磁場の強度は、距離の二乗に比例して減衰するため、活性層と基板との間に中間層として、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）等の絶縁層を設け、活性層と基板との距離を大きくし、かつ、電気的にも絶縁させることにより、基板に到達する高周波磁場を低下させることが可能である。
【０００９】
しかしながら、シリコン酸化膜は熱的にも絶縁体であるため、前記シリコン酸化膜の使用により、前記基板でのジュール熱の発生は抑制されるものの、前記活性層で発生した熱を前記基板側に逃がすことが出来なくなる。このため、活性層の温度上昇を招き、デバイス性能の劣化をもたらす。
【００１０】
以上のことから、基板と活性層との間の中間層は、電気的に絶縁性を有し、かつ、熱的に良導体であることが必要である。
【００１１】
なお、このような材料としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられ、例えば、活性層と導電性基板との間に、中間層として１０μｍ以上の厚みで窒化アルミニウムを成膜すれば、活性層の寄生容量成分を十分に低減できることが知られている（例えば、非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−５３３７３号
【非特許文献１】株式会社富士通研究所、“プレスリリース”、［online］、2004年12月21日、インターネット、<http://pr.fujitsu.com/jp/news/2004/12/21.html>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献１に記載されているように、１０μｍ以上の窒化アルミニウムを単層でＳｉ基板上に成膜すると、ＳｉとＡｌＮとの熱膨張係数差により、窒化アルミニウム層に亀裂（クラック）が発生するという問題がある。  
なお、窒化アルミニウム層の亀裂を抑制するためには、窒化アルミニウム層（ＡｌＮ）と窒化ガリウム層（ＧａＮ）との積層構造を構成することにより達成することが可能である。しかしながら、窒化ガリウム層に発生する結晶欠陥は、電気的に活性であり、ｎタイプの半導体特性を有すると言われている。従って、ＡｌＮとＧａＮとの積層構造では、中間層として電気的な絶縁性を得ることが困難であった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備えた化合物半導体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】
本発明に係る化合物半導体基板は、表面の結晶面方位が｛１１１｝面であるＳｉ基板と、前記Ｓｉ基板の表面に形成され、ＡｌＮで構成された第１層と、ＭｇＯで構成された第２層とが、この順で互いに交互に複数積層された中間層と、前記中間層上に形成され、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）又はＩｎＮ（０００１）のいずれか１種で構成された窒化物半導体単結晶層と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の化合物半導体基板は、電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備えている。
【００１６】
前記Ｓｉ基板の表面の直上にはＡｌＮで構成された第１層が形成されていることが好ましい。
【００１７】
このような構成とすることで、Ｓｉ単結晶基板の表面の酸化、すなわち、シリコン酸化膜の形成を防止することができ、良好な熱伝導性を有する中間層を備えた化合物半導体基板を得ることができる。
【００１８】
前記第１層及び前記第２層の各単層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記中間層全体の膜厚は、１０μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
このような構成の化合物半導体基板は、電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備えており、更に、前記中間層及び前記中間層上に形成される窒化物半導体単結晶層の亀裂の発生や、結晶欠陥の発生を減少させることができる。加えて、厚さ１μｍ以上の窒化物半導体単結晶層も形成することが可能となる。従って、このような構成とすることで、窒化物半導体単結晶層の結晶性の向上も図ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備えた化合物半導体基板が提供される。
【００２１】
したがって、本発明に係る化合物半導体基板は、ＨＥＭＴ等の高周波デバイスに好適に用いることができ、前記高周波デバイスの動作時におけるエネルギー損失やデバイス性能の劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明について、図面を参照して、詳細に説明する。
【００２３】
図１、図２は、本発明の実施形態に係る化合物半導体基板を示す断面図である。
【００２４】
本実施形態に関る化合物半導体基板は、図１に示すように、Ｓｉ単結晶基板１００上に、中間層１１０及び窒化物半導体単結晶層１２０が順次積層された構成を備えている。
【００２５】
Ｓｉ単結晶基板１００は、表面の結晶面方位が｛１１１｝面のものが用いられる。
【００２６】
ここでいう面方位｛１１１｝には、結晶面方位｛１１１｝の微傾斜（約十数度）、あるいは、｛２１１｝等の高次面指数の結晶面方位が含まれる。このようにＳｉ単結晶基板１００の表面の結晶面方位を｛１１１｝とすることにより、アンチフェーズバンダリー欠陥の発生が低減され、欠陥への電界集中を緩和することができる。
【００２７】
また、Ｓｉ単結晶基板１００は、ＣＺ（チョクラルスキー）法により製造されたものが好適に用いられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＦＺ（フローティングゾーン）法により製造されたもの、又は、これらの方法を用いて製造されたＳｉ単結晶基板上にＳｉ単結晶を気相成長により成膜させたものを用いることができる。
【００２８】
Ｓｉ単結晶基板１００は、例えば、キャリア濃度１０１６〜１０２１／ｃｍ３（抵抗率約１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型のものが用いられる。
【００２９】
Ｓｉ単結晶基板１００上には、中間層１１０が設けられている。
【００３０】
中間層１１０は、ＡｌＮで構成された第１層１１０ａ（ｎ）（ｎ＝１、２・・・）と、ＭｇＯで構成された第２層１１０ｂ（ｍ）（ｍ＝１、２・・・）とがこの順で互いに交互に複数積層された多層積層構造で構成されている。
【００３１】
前記多層積層構造を構成する最初の層、すなわち、前記Ｓｉ単結晶基板１００の表面の直上の第１層１１０ａ１は、ＡｌＮで構成することが好ましい。
【００３２】
なお、前記Ｓｉ単結晶基板１００の表面の直上の層をＭｇＯで構成する場合は、ＭｇＯの成膜は酸素雰囲気中、ＣＶＤ法により行われるため、Ｓｉ単結晶基板１００の表面の直上には、ＭｇＯよりも先にＳｉＯ２が形成されてしまう。そのため、良好な熱伝導性を有する中間層を備えた化合物半導体基板を得ることができない。
【００３３】
すなわち、前記Ｓｉ単結晶基板１００の表面の直上の層をＡｌＮで構成された第１層１１０ａ１とすることで、Ｓｉ単結晶基板の表面の酸化、いわゆるシリコン酸化膜の形成を防止することができる。
【００３４】
前記中間層１１０の多層積層構造を構成する最上層、すなわち窒化物半導体単結晶層１２０の直下の層は、図１に示すようにＭｇＯで構成された第２層１１０ｂ（ｍ）であってもよく、図２に示すようにＡｌＮで構成された第２層１１０ａ（ｎ）であっても良い。
【００３５】
前記中間層１１０上には、窒化物半導体単結晶層１２０が設けられている。窒化物半導体単結晶層１２０は、ＧａＮ（０００１）、ＡｌＮ（０００１）又はＩｎＮ（０００１）のいずれか１種で構成されている。
【００３６】
このように、本実施形態に係る化合物半導体基板は、中間層が、ＡｌＮで構成された第１層と、ＭｇＯで構成された第２層とが、この順で互いに交互に複数積層された多層積層構造で構成されている。
【００３７】
ＭｇＯは、熱伝導率（単位：Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）が比較的大きい値を有し（５９、アモルファスＳｉＯ２は１．５、ＡｌＮは２５０）、かつ、高い絶縁性を備えた材料である。従って、このＭｇＯと、熱伝導性が高いＡｌＮとを用いて上述した多層積層構造を構成することで、窒化物半導体単結晶層１２０上にＨＥＭＴ等の高周波デバイスを形成し動作させた場合、活性層に発生した熱は、前記中間層１１０を容易に熱伝導してＳｉ単結晶基板１００側に逃がすことができる。更に、電気的絶縁体である前記中間層１１０のＡｌＮおよびＭｇＯを十数μｍ程度Ｓｉ単結晶基板１００に成膜することで、前記動作により発生した高周波磁場の影響を十分低減でき、Ｓｉ単結晶基板１００のジュール熱の発生を抑制することができる。
【００３８】
よって、本実施形態に係る化合物半導体基板は、電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備えている。したがって、本発明に係る化合物半導体基板は、ＨＥＭＴ等の高周波デバイスに好適に用いることができ、前記高周波デバイスの動作時におけるエネルギー損失やデバイス性能の劣化を防止することができる。
【００３９】
前記第１層及び前記第２層の各単層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記中間層全体の膜厚は、１０μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【００４０】
このような構成とすることで、電気的な絶縁性及び良好な熱伝導性を有する中間層を備え、更に、前記中間層及び前記中間層上に形成される窒化物半導体単結晶層の亀裂や結晶欠陥の発生を抑制することができる。加えて、厚さ１μｍ以上の窒化物半導体単結晶層も形成することが可能となる。従って、このような構成とすることで、窒化物半導体単結晶層の結晶性の向上も図ることができる。
【００４１】
前記ＡｌＮで構成された第１層の各単層の膜厚が１ｎｍ未満である場合には、中間層としての効果が得られず、前記膜厚が１０ｎｍを超える場合には、前記第１層を複数積層した場合に、ＳｉとＡｌＮとの熱膨張係数の違いにより前記第１層に亀裂が発生する可能性が高くなるため好ましくない。
【００４２】
また、前記ＭｇＯで構成された第２層の各単層の膜厚が１ｎｍ未満である場合には、中間層としての効果が得られず、前記膜厚が１０ｎｍを超える場合には、前記第２層を複数積層した場合に、ＳｉとＭｇＯとの熱膨張係数の違いにより前記第２層に亀裂が発生する可能性が高くなるため好ましくない。
【００４３】
さらに、前記中間層全体での膜厚が、１０μｍ未満である場合は、窒化物半導体単結晶層上にＨＥＭＴ等の高周波デバイスを形成して動作させた際に発生する高周波磁場を電気的に絶縁する、すなわち、活性層領域の寄生容量成分を十分に低減することが難しい。また、前記膜厚が１５μｍを超える場合には、中間層全体とＳｉ基板との熱膨張係数の違いの影響を大きく受け、中間層全体に亀裂が発生する可能性があるため好ましくない。
【００４４】
なお、前記第１層及び前記第２層の積層数は、前記第１層及び前記第２層の各単層の膜厚、前記中間層の全体の膜厚及び中間層の上層に形成する窒化物半導体単結晶層の膜厚等により適時、設計、変更される。
【００４５】
また、窒化物半導体単結晶層における膜厚は、前記第１層、第２層及び窒化物半導体単結晶層のそれぞれの膜厚の関係に依存するため一義的に定義できないが、本発明に係る化合物半導体基板は、最大で５μｍまで厚膜化が可能であることが後述する実施例により確認された。
【００４６】
なお、前記第１層１１０ａ、第２層１１０ｂ、窒化物半導体単結晶層１２０は、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）やＰＥＣＶＤ（plasma enhanced chemical vapor deposition）やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）を初めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタリング法等により形成することができる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明について、実施例を用いて更に具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。
【００４８】
［実施例１］
表面の結晶面方位が｛１１１｝面であり、前記表面が鏡面研磨されたＳｉ基板を、ＭＢＥ（分子エピタキシー）の炉内の成長領域にセットして、真空中でＳｉ基板を８００℃に昇温し、基板表面のクリーニングを行った。
【００４９】
次に、窒素ラジカル及びアルミニウム電子線により、基板温度を８００〜１０００℃として、Ｓｉ基板表面にＡｌＮ層を１０ｎｍ成膜した。
【００５０】
次に、基板温度をＡｌＮ層の成膜時と同様として、酸素ラジカル及びマグネシウム電子線により、厚さ１０ｎｍのＭｇＯ層を、前記ＡｌＮ層上に成膜した。
【００５１】
以上の条件を繰り返し、ＡｌＮ層とＭｇＯ層を各々交互に計５００ペア積層させた（合計膜厚１０μｍ）。
【００５２】
次に、Ｓｉ基板をＭＯＣＶＤ装置にセットして、基板温度を１０００℃とし、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアを供給し、ＧａＮ単結晶層を１μｍ成膜し、化合物半導体基板を作製した。
【００５３】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には亀裂は認められなかった。
【００５４】
また、前記作製した化合物半導体基板のＧａＮ層上にＡｌＧａＮを主体とするＨＥＭＴを形成して、寄生容量を評価した。
【００５５】
その結果、寄生容量も後述する比較例１に比べて、５０％近く低減することができた。
【００５６】
［実施例２］
前記ＧａＮ単結晶を５μｍ成膜した以外は、実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００５７】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には実施例１と同様に亀裂は認められなかった。
【００５８】
［実施例３］
前記ＡｌＮ層とＭｇＯ層を各々交互に計７５０ペア（合計膜厚１５μｍ）積層させた以外は、実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００５９】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には実施例１と同様に亀裂は認められなかった。
【００６０】
［実施例４］
前記ＧａＮ単結晶層を５μｍ成膜した以外は、実施例３と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００６１】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には実施例１と同様に亀裂は認められなかった。
【００６２】
［比較例１］
前記ＭｇＯ層をまったく成膜しないで、その他は実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００６３】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には亀裂が認められた。
【００６４】
［比較例２］
前記ＡｌＮ層の成膜する膜厚を１００ｎｍとし、その他は実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００６５】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には亀裂が認められた。
【００６６】
［比較例３］
前記ＭｇＯ層の成膜する膜厚を１００ｎｍとし、その他は実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００６７】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には亀裂が認められた。
【００６８】
［比較例４］
ＡｌＮ層とＭｇＯ層を各々交互に計１０００ペア（合計膜厚２０μｍ）積層させた以外は、実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００６９】
得られた化合物半導体基板には大きな反りが発生した。
【００７０】
［比較例５］
ＡｌＮ層とＭｇＯ層を各々交互に計２５０ペア（合計膜厚５μｍ）積層させた以外は、実施例１と同様な方法で化合物半導体基板を作製した。
【００７１】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には実施例１と同様に亀裂は認められなかった。
【００７２】
また、前記作製した化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層上にＡｌＧａＮを主体とするＨＥＭＴを形成して寄生容量を評価したところ、実施例１に比べて１０％程度上昇してしまい、中間層として十分な厚みを有していないことが確認された。
【００７３】
［比較例６］
ＡｌＮ層とＭｇＯ層を各々単層のみで構成する以外は、実施例１と同様な方法で行った。
【００７４】
得られた化合物半導体基板のＧａＮ単結晶層には亀裂が認められた。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の実施形態に係る化合物半導体基板を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る化合物半導体基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１００  Ｓｉ単結晶基板
１１０  中間層
１２０  窒化物半導体単結晶層
【図１】
2009224722.tif 000003
【図２】
2009224722.tif 000004