(57)【要約】【課題】貫通転位及びリーク電流が低減され、高周波用の窒化物半導体トランジスタの製造に適した窒化物半導体エピタキシャルウエハを提供する。【解決手段】本発明に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、窒化物半導体を成長させる成長基板１０と、成長基板１０の上方にて形成される第１の構造層１２と、第１の構造層１２上で成長することにより転位の伝搬方向を変化させる転位伝搬方向転換層１４と、転位伝搬方向転換層１４上に形成される第２の構造層１６と、第２の構造層１６上に形成され、第２の構造層１６を伝搬した転位の伝搬方向を変化させるバッファ層２０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】
窒化物半導体を成長させる成長基板と、
前記成長基板の上方にて形成される第１の構造層と、
前記第１の構造層上に形成され前記第１の構造層を伝搬した転位を横方向に変化させる転位伝搬方向転換層と、
前記転位伝搬方向転換層上に形成される第２の構造層と、
前記第２の構造層上に形成され、前記第２の構造層を伝搬した転位の伝搬方向を変化させるバッファ層と
を備える窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記第１の構造層及び前記第２の構造層は、三次元構造体を含んで形成され、
前記転位伝搬方向転換層及び前記バッファ層は、前記三次元構造体の表面において前記転位の伝搬方向を変化させる
請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記第１の構造層及び前記第２の構造層は、５ｎｍを超える厚さ、かつ５０ｎｍ以下の厚さで形成される、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記転位伝搬方向転換層は、１００ｎｍ以下の厚さで形成される
請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記転位伝搬方向転換層は、横方向成長により形成される
請求項１から４のいずれかに１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
【請求項６】
前記第１の構造層は、ＡｌＮから形成され、
前記転位伝搬方向転換層は、ＧａＮを含んで形成され、
前記第２の構造層は、Ａｌを含む窒化物半導体から形成され、
前記バッファ層は、ＧａＮから形成される
請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記第２の構造層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）から形成され、
前記転位伝搬方向転換層は、ＧａＮから形成される
請求項６に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項８】
前記成長基板は、ＳｉＣ又はＧａＮの単結晶からなる
請求項１から７のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項９】
前記第２の構造層は、前記転位伝搬方向転換層から前記バッファ層に向かってＡｌ組成
比が減少するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）組成変化層から形成される
請求項１から８のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
前記転位伝搬方向転換層と前記第２の構造層とが積層した積層構造が、前記第１の構造
層と前記バッファ層との間に２つ形成される
請求項１から９のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項１１】
前記転位伝搬方向転換層は、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮから形成される
請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
窒化物半導体を成長させるＳｉＣ又はＧａＮの単結晶からなる成長基板と、
前記成長基板の上方にてＡｌＮから形成され三次元構造体を含む第１の構造層と、
ＧａＮから形成され、前記第１の構造層上で成長することにより結晶成長中の転位を横方向に伝搬させる転位伝搬方向転換層と、
前記転位伝搬方向転換層上にＡｌＮから形成され三次元構造体を含む第２の構造層と、
前記第２の構造層上にＧａＮから形成され、前記第２の構造層を伝搬した転位の伝搬方向を変化させるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成される供給層と
を備える窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハから製造される窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体エピタキシャルウエハ及び窒化物半導体素子に関する。特に、本発明は、貫通転位が低減された窒化物半導体エピタキシャルウエハ及びこの窒化物半導体エピタキシャルウエハから製造される窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の窒化物半導体エピタキシャルウエハとして、サファイア基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる第一バッファ層と、ＡｌＮからなる第二バッファ層と、ＧａＮからなる第三バッファ層と、ＧａＮからなるチャネル層と、ＡｌＧａＮからなる供給層とがこの順に積層されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハは、サファイア基板と第二バッファ層との間にＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる第一バッファ層を設けたので、窒化物半導体エピタキシャルウエハの反りを低減することができると共に、低オーミック抵抗のデバイスを提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５１８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハは、異種基板とエピタキシャル成長層との格子定数及び熱膨張係数の相違に起因してエピタキシャル成長層に発生する転位を低減させるため、異種基板上にバッファ層を導入しているものの、高周波用途に用いる窒化物半導体トランジスタの製造に用いるには、リーク電流の発生原因となる貫通転位を十分に低減できない場合がある。したがって、特許文献１に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハでは、高周波用窒化物半導体トランジスタに要求される低リーク電流の実現が困難である場合があり、貫通転位を更に低減することが要求される。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、貫通転位及びリーク電流が低減され、高周波用の窒化物半導体トランジスタの製造に適した窒化物半導体エピタキシャルウエハを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、窒化物半導体を成長させる成長基板と、成長基板の上方にて形成される第１の構造層と、第１の構造層上に形成され前記第１の構造層を伝搬した転位の伝搬方向を横方向に変化させる転位伝搬方向転換層と、転位伝搬方向転換層上に形成される第２の構造層と、第２の構造層上に形成され、第２の構造層を伝搬した転位の伝搬方向を変化させるバッファ層とを備える窒化物半導体エピタキシャルウエハが提供される。
【０００８】
また、上記窒化物半導体エピタキシャルウエハは、第１の構造層及び第２の構造層は、三次元構造体を含んで形成され、転位伝搬方向転換層及びバッファ層は、三次元構造体の表面において転位の伝搬方向を変化させてもよい。また、第１の構造層及び第２の構造層は、５ｎｍから５０ｎｍの厚さで形成されてもよく、転位伝搬方向転換層は、１００ｎｍ以下の厚さに形成されてもよい。また、転位伝搬方向転換層は横方向成長により形成されてもよい。
【０００９】
また、上記窒化物半導体エピタキシャルウエハは、第１の構造層は、ＡｌＮから形成され、転位伝搬方向転換層は、ＧａＮを含んで形成され、第２の構造層は、Ａｌを含む窒化物半導体から形成され、バッファ層は、ＧａＮから形成されてもよい。また、第２の構造層は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）から形成され、転位伝搬方向転換層は、ＧａＮから形成されてもよい。更に、成長基板は、ＳｉＣ又はＧａＮの単結晶から構成されてもよい。
【００１０】
また、上記窒化物半導体エピタキシャルウエハは、第２の構造層は、転位伝搬方向転換層からバッファ層に向かってＡｌ組成比が減少するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）組成変化層から形成されてもよい。
【００１１】
また、上記窒化物半導体エピタキシャルウエハは、転位伝搬方向転換層と第２の構造層とが積層した積層構造が、第１の構造層とバッファ層との間に２つ形成されてもよい。更に、転位伝搬方向転換層は、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮから形成することもできる。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、窒化物半導体を成長させるＳｉＣ又はＧａＮの単結晶からなる成長基板と、成長基板の上方にてＡｌＮから形成され三次元構造体を含む第１の構造層と、ＧａＮから形成され、第１の構造層上で成長することにより結晶成長中の転位を横方向に伝搬させる転位伝搬方向転換層と、転位伝搬方向転換層上にＡｌＮから形成され三次元構造体を含む第２の構造層と、第２の構造層上にＧａＮから形成され、第２の構造層を伝搬した転位の伝搬方向を変化させるバッファ層と、バッファ層上に形成されるチャネル層と、チャネル層上に形成される供給層とを備える窒化物半導体エピタキシャルウエハを提供する。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するため、上記に記載の窒化物半導体エピタキシャルウエハから製造される窒化物半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の窒化物半導体エピタキシャルウエハによれば、貫通転位及びリーク電流が低減され、高周波用の窒化物半導体トランジスタの製造に適した窒化物半導体エピタキシャルウエハを提供することができ、更には、この窒化物半導体エピタキシャルウエハから製造された窒化物半導体素子を提供することができる。
を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの断面の概要図    である。
【図２】第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの転位伝搬方向    転換層の成長の概要図である。
【図３】第２の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの断面の概要図    である。
【図４】第３の実施の形態に係る窒化物半導体素子の断面の概要図である。
【図５】実施例に係る第１の構造層の表面のＡＦＭの測定結果を示す図である。
【図６】（ａ）は、実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す図であり、（ｂ）は、比較例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す図である。
【図７】実施例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの断面の概要を示す図である。
【図８】実施例２及び比較例３に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハのリーク電流の比較を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの断面の概要を示す。
【００１７】
第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、窒化物半導体を成長させる表面を有する単結晶からなる成長基板１０と、成長基板１０の上方に形成される第１の構造層１２と、第１の構造層１２の上に形成され転位の伝搬方向を転換させる転位伝搬方向転換層１４と、転位伝搬方向転換層１４の上に形成される第２の構造層１６と、第２の構造層１６の上に形成されるバッファ層２０と、バッファ層２０の上に形成されるチャネル層３０と、チャネル層３０の上に形成される供給層４０とを備える。
【００１８】
なお、転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６とで積層構造１５が構成される。また、成長基板１０上にエピタキシャル成長により形成される第１の構造層１２と、積層構造１５と、バッファ層２０と、チャネル層３０と、供給層４０とは、一例として、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により形成される。
【００１９】
成長基板１０は、所定の格子定数及び所定の熱膨張係数を有した材料から形成され、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体をエピタキシャル成長させる表面を有する。成長基板１０は、表面上にエピタキシャル成長させる窒化物半導体の格子定数との格子定数差、及び窒化物半導体の熱膨張係数との熱膨張係数差が所定の範囲内の材料から形成される。成長基板１０は、一例として、サファイア基板、半絶縁性ＳｉＣ基板、ｎ型ＳｉＣ基板、又はＧａＮ基板を用いることができる。
【００２０】
第１の構造層１２は、成長基板１０の上方にて三次元構造体を含んで形成される。具体的に、第１の構造層１２は、成長基板１０上に所定の窒化物半導体を三次元成長させることより、三次元構造体としてのファセット（又は量子ドット）を含んで形成される。三次元構造体を含んだ第１の構造層１２を成長基板１０上に形成することにより、第１の構造層１２の上に形成される窒化物半導体層は、主として成長基板１０の表面の水平方向に沿った方向への成長（横方向成長）が促進される。第１の構造層１２は、三次元構造体を含んだ状態を維持できる厚さ（すなわち、第１の構造層１２の平坦化が発生しない厚さ）として、好ましくは５０ｎｍ以下の厚さで形成される。また、高抵抗層としての機能を発揮させることを目的として、第１の構造層１２は、一例として、高抵抗層を構成する材料としてのｉ−ＡｌＮから形成することができる。
【００２１】
なお、成長基板１０としてサファイア基板を用いる場合、第１の構造層を厚膜化（３５０ｎｍ以上１μｍ以下の厚さ）するか、あるいは、サファイア基板上に所定のバッファ層を成長した後に、当該バッファ層上に本実施の形態に係る第１の構造層１２を形成する。一方、三次元構造体を含んだ第１の構造層１２を成長基板１０の上に直接に形成する場合、成長基板１０としては、半絶縁性ＳｉＣ基板、ｎ型ＳｉＣ基板、又はＧａＮ基板を用いることができる。
【００２２】
転位伝搬方向転換層１４は、所定の窒化物半導体が、第１の構造層１２上において横方向成長することにより形成される。転位伝搬方向転換層１４は、三次元構造体を含む第１の構造層１２の表面において、エピタキシャル成長において発生する転位の伝搬方向を変化させる。例えば、転位伝搬方向転換層１４は、結晶成長中に発生する転位の伝搬方向を、成長方向（横方向）に転換させる。三次元構造体上では、転位伝搬方向変換層は主として横方向に成長するので、転位伝搬変換層中を伝搬する転位も成長方向に沿って横方向に伝搬する。これにより、例えば、近接する三次元構造体上に成長する転位伝搬方向変換層を伝搬する転位同士がぶつかり合い、転位の伝搬が抑制される。また、転位の伝搬方向を主として横方向に転換することができるので、転位のエピタキシャル層表面方向（基板表面の法線方向）への伝搬を抑制できる。
【００２３】
半絶縁性の単結晶基板を成長基板１０として用いて、第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を構成すると共に、この窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を高周波用途の窒化物半導体トランジスタ等の製造に用いる場合、転位伝搬方向転換層１４の厚さは以下のように設定される。すなわち、第１の構造層１２と転位伝搬方向転換層１４との界面、及び転位伝搬方向転換層１４と転位伝搬方向転換層１４の上に形成される第２の構造層１６との界面において二次元電子ガスが発生しない厚さで形成される。
【００２４】
つまり、第１の構造層１２と転位伝搬方向転換層１４との間、及び転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６との間のバンドオフセット、自発分極、及びピエゾ電気分極の効果から発生する二次元電子ガスの発生の防止を目的として、転位伝搬方向転換層１４を薄膜化する。これにより、転位伝搬方向転換層１４と第１の構造層１２及び第２の構造層１６との両界面近傍付近に対応する転位伝搬方向転換層１４の部分が、第１の構造層１２及び第２の構造層１６の性質を付帯することとなる。転位伝搬方向転換層１４は、好ましくは１ｎｍ以上（さらに好ましくは１０ｎｍ以上）１００ｎｍ以下の厚さで形成される。転位伝搬方向転換層１４の厚さを二次元電子ガスが発生しない厚さで形成することにより、高周波用途向けの窒化物半導体トランジスタの製造時における寄生容量を低減できる。
【００２５】
なお、成長基板１０にｎ型の単結晶基板を用いる場合、転位伝搬方向転換層１４を、転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６との界面において二次元電子ガスが発生する厚さ以上にして形成することもできる。また、転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６との間にｐ型ドーパント層を形成する場合も、転位伝搬方向転換層を１００ｎｍを超える厚さ（好ましくは１００ｎｍを超える厚さかつ２５０ｎｍ未満）とすることができる。また、手に伝搬方向転換層と第２構造層との間に所定の濃度を有するｐ型ドーパント層を形成しても、転位伝搬方向転換層を厚く形成することができる。転位伝搬方向転換層１４は、一例として、ＧａＮを含む窒化物半導体から形成され、具体的には、ｉ−ＧａＮから形成される。
【００２６】
第２の構造層１６は、転位伝搬方向転換層１４の上に三次元構造体を含んで形成される。具体的に、第２の構造層１６は、転位伝搬方向転換層１４の上に所定の窒化物半導体を三次元成長させることより、三次元構造体としてのファセット（又は量子ドット）を含んで形成される。三次元構造体を含んだ第２の構造層１６を転位伝搬方向転換層１４上に形成することにより、第２の構造層１６の上に形成される窒化物半導体層は、成長基板１０の表面の水平方向に沿った方向への成長（横方向成長）が促進される。第２の構造層１６は、三次元構造体を含んだ状態を維持できる厚さとして、好ましくは５０ｎｍ以下の厚さで形成される。また、第２の構造層１６は、Ａｌを含む窒化物半導体から形成され、一例として、高抵抗層としての機能を発揮するｉ−ＡｌＮから形成される。
【００２７】
また、第２の構造層１６は、転位伝搬方向転換層１４からバッファ層２０側に向かってＡｌ組成比が変化するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）組成変化層から形成することもできる。例えば、第２の構造層１６は、転位伝搬方向転換層１４からバッファ層２０側に向かってＡｌ組成比が徐々に変化するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）傾斜層、又は、転位伝搬方向転換層１４からバッファ層２０側に向かってＡｌ組成比が段階的に変化するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）ステップ層として形成することができる。
【００２８】
具体的に、第２の構造層１６は、第２の構造層１６とバッファ層２０との界面における歪み及び貫通転位の発生を抑制することを目的として、転位伝搬方向転換層１４からバッファ層２０側に向かってＡｌ組成比が減少するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）組成変化層から形成することができる。すなわち、第２の構造層１６は、転位伝搬方向転換層１４近傍ではＡｌＧａＮの組成を有すると共に、バッファ層２０の側に進むにつれてＡｌ組成が徐々に又は段階的に減少する構造から形成できる。
【００２９】
バッファ層２０は、第２の構造層１６上に形成され、第２の構造層１６を伝搬した転位の伝搬方向を成長方向に沿って変化させる。バッファ層２０は、一例として、窒化物半導体としてのｉ−ＧａＮから形成される。バッファ層２０は、転位伝搬方向転換層１４と同様に、第２の構造層１６が含む三次元構造体の表面において転位の伝搬方向を変化させる。つまり転位伝搬方向転換層において伝搬方向が転換されず、第２の構造層１６中を基板の法線方向に伝搬した転位が、バッファ層２０に引き継がれ伝搬したとしても、三次元構造体上においてバッファ層が横方向成長することにより、転位の伝搬方向が横方向へ転換される。これにより基板の法線方向への伝搬を抑制することができる。
【００３０】
チャネル層３０は、バッファ層２０上にエピタキシャル成長により形成される。チャネル層３０は、一例として、ｉ−ＧａＮから形成される。供給層４０は、チャネル層よりも高い抵抗率を有する材料から形成され、チャネル層３０上に成長される。供給層４０は、一例として、ｉ−ＡｌＧａＮから形成される。
【００３１】
また、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、第１の構造層１２とバッファ層２０との間に、第１の構造層１２の上に成長する転位伝搬方向転換層１４としてのＧａＮ層に代えて、ＩｎＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層を成長することもできる。すなわち、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、ＧａＮを含んで成長される転位伝搬方向転換層１４の代替として、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮからなる転位伝搬方向転換層１４を備えることもできる。
【００３２】
なお、ＧａＮはＳｉ又はＧａＡｓに比してバンドギャップが広いので、絶縁破壊電界がＳｉ又はＧａＡｓに比して高い。したがって、ＧａＮをはじめとする窒化物半導体から構成される窒化物半導体トランジスタは高電界下でも絶縁破壊が起こりにくく、高電圧動作に適している。また、ＧａＮは高電界領域においても飽和電子速度がＳｉ等より大きいので、トランジスタ等のデバイスの高速動作に有利であると共に、ゲート電極付近に高電界が印加される短チャンネル化した高周波デバイスへの応用においてＳｉ等より有利である。したがって、本実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、高い絶縁破壊電圧への応用、高電圧動作への応用、及び高周波デバイスへの応用を目的とする場合、ＧａＮを含む窒化物半導体から構成することが好ましい。
【００３３】
また、成長基板１０としてサファイア基板を用いる場合であって、第１の構造層を厚膜化する場合、形成される第１の構造層（例えば、３５０ｎｍ以上程度のＡｌＮ層）の表面は平坦化している。この場合、第１の構造層としてのＡｌＮ層の格子定数と、第１の構造層上に形成される転位伝搬方向転換層１４としてのＧａＮ層の格子定数との相違（及び格子定数の相違に基づいて発生する表面張力等の応力の相違）により、転位伝搬方向転換層１４としてのＧａＮ層は三次元構造体を含んで形成される。すなわち、このＧａＮ層は、三次元化されて形成される。そして、この三次元化されて形成されたＧａＮ層の上に形成される第２の構造層１６としてのＡｌＮ層は、ＡｌＮ層の下層であるＧａＮ層が三次元化されているので、三次元化されたＧａＮ層の影響を引き継いでＧａＮ層と同様に三次元化されて形成される。よって、成長基板１０にサファイア基板を用いた場合であっても、第１の実施の形態と同様の特性を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハを得ることができる。
【００３４】
なお、成長基板１０としてサファイア基板を用いる場合の変形例として、サファイア基板上に３０ｎｍ程度の厚さの第１の構造層１２としてのＡｌＮ薄膜層と、転位伝搬方向転換層１４としてのＧａＮ層と、３００ｎｍ以上１μｍ以下の厚さの第２の構造層１６としてのＡｌＮ層と、ＧａＮバッファ層とをこの順で順次成長して、第１の実施の形態と同様の特性を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハを製造することもできる。
【００３５】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの転位伝搬方向転換層の成長の概要を示す。
【００３６】
第１の構造層１２は、少なくともその表面に三次元構造体１２ａを露出して形成される。三次元構造体１２ａは、例えば、ファセットであり、成長基板１０の表面に対して所定の角度を有して形成される面１２ｂを有する。三次元構造体１２ａを有する第１の構造層１２の上に転位伝搬方向転換層１４を成長させると、転位伝搬方向転換層１４を構成する窒化物半導体は、三次元構造体１２ａから主として横方向に成長する。
【００３７】
そして、転位伝搬方向転換層１４が横方向成長することに伴い、成長基板１０と第１の構造層１２との格子定数差に起因する貫通転位の伝搬方向も、横方向、例えば、図２に示す転位伝搬方向１２ｃに変化する。つまり、面１２ｂに対して垂直な方向へと優先的に変化すると考えられる。なお、第２の構造層１６とバッファ層２０との界面においても、図２において説明した現象と同様の現象が発生する。
【００３８】
（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１によれば、第１
の構造層１２上に形成された転位伝搬方向転換層１４において窒化物半導体の横方向成長
が促進されるので、成長基板１０と第１の構造層１２との格子定数の相違に起因して発生
した転位が、転位伝搬方向転換層１４において横方向に伝搬する。これにより、窒化物半
導体エピタキシャルウエハ１の表面方向に伝搬する貫通転位を低減することができる。
【００３９】
また、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１によれば、転位伝搬方向転換層１４上に第２の構造層１６及びバッファ層２０を形成するので、転位伝搬方向転換層１４において横方向に転換しきれなかった貫通転位を、横方向に伝搬させることができる。これにより、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１の表面方向に伝搬する貫通転位を大幅に低減することができ、平坦で貫通転位が低減された窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を提供することができる。
【００４０】
更に、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１によれば、第１の構造層１２及び第２の構造層１６に高抵抗層としての材料であるＡｌＮを用いることができるので、成長基板１０とバッファ層２０との間に高抵抗化された層を設けることができる。これにより、リーク電流を大幅に低減することができる。
【００４１】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの断面の概要を示す。
【００４２】
第２の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ａは、第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１とは、転位伝搬方向転換層と第２の構造層とから構成される積層構造の数が異なる点を除き、略同一の構成を備えるので、相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【００４３】
第２の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ａは、第１の構造層１２とバッファ層２０との間に、転位伝搬方向転換層１４ａと第２の構造層１６ａとを含む積層構造１５ａと、転位伝搬方向転換層１４ｂと第２の構造層１６ｂとを含む積層構造１５ｂとを有する。すなわち、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ａは、第１の構造層１２の上に、転位伝搬方向転換層１４ａと、第２の構造層１６ａと、転位伝搬方向転換層１４ｂと、第２の構造層１６ｂとをこの順で積層した構成を備える。換言すれば、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ａは、第１の構造層１２の上に、転位伝搬方向転換層と第２の構造層とが交互に２周期、積層された構造を備える。
【００４４】
なお、第２の実施の形態の変形例に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハにおいては、第１の構造層１２とバッファ層２０との間に、２つ以上の積層構造を備えることもできる。すなわち、第２の実施の形態の変形例に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハにおいては、第１の構造層１２とバッファ層２０との間に、転位伝搬方向転換層と第２の構造層とが交互にｎ周期（ｎ：整数）、積層された構造を備えることもできる。
【００４５】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体素子の断面の概要を示す。
【００４６】
第３の実施の形態に係る窒化物半導体素子２は、第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を用いて製造される半導体素子であり、電極構造を除いて半導体積層構造は第１の実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【００４７】
窒化物半導体素子２は、一例として、高周波用の窒化物半導体トランジスタである。窒化物半導体素子２は、供給層４０の表面に、ソース電極５０と、ゲート電極５２と、ドレイン電極５４とを備える。ソース電極５０と、ゲート電極５２と、ドレイン電極５４とはそれぞれ、一例として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料から選択された少なくとも１種類の金属を含んで形成される。ソース電極５０と、ゲート電極５２と、ドレイン電極５４とはそれぞれ、例えば、電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いて形成することができる。
【実施例】
【００４８】
［実施例１］
図５は、本発明の実施例１に係る第１の構造層の表面のＡＦＭの測定結果を示す。
【００４９】
本発明の実施例１においては、成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２として５０ｎｍのＡｌＮ層を成長させた。その結果、図５に示すように、１μｍ×１μｍの範囲において、４，５ｎｍ程度の高さを有する複数の三次元構造体が形成されていることが確認された。なお、三次元構造体の高さとしては、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
【００５０】
更に、このＡｌＮ層の上に、転位伝搬方向転換層１４として１０ｎｍのＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍのＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍのｉ−ＧａＮ層とをこの順で成長した（実施例１）。また、このＡｌＮ層の上に、転位伝搬方向転換層１４として１０ｎｍのＧａＮ層と、５ｎｍのＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍのｉ−ＧａＮ層とをこの順で成長した（比較例１）。
【００５１】
図６（ａ）は、本発明の実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示し、（ｂ）は、比較例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。
【００５２】
図６（ａ）を参照すると、実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハでは、電圧が０Ｖから１００Ｖの範囲でキンクは発生しなかった。一方、図６（ｂ）を参照すると、比較例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハでは、電圧が４０Ｖ付近においてキンクが発生すると共に、電圧１００Ｖ付近でのリーク電流も多かった。したがって、第２の構造層１６としてのＡｌＮ層は、５ｎｍを超える厚さで形成する。同様にして、第１の構造層１２についても、５ｎｍを超える厚さで形成する。
【００５３】
なお、キンクの発生の抑制、及びリーク電流の増加の抑制を実現することを目的として、第１の構造層１２及び第２の構造層１６のそれぞれの厚さの過度の薄膜化（５ｎｍ以下の厚さ）は避ける。そして、第１の構造層１２及び第２の構造層１６のそれぞれが三次元構造体を含んで形成させるべく、第１の構造層１２及び第２の構造層１６のそれぞれは５０ｎｍ以下の厚さで形成する。また、三次元構造体の形成、及びキンクの発生の抑制、並びにリーク電流の増加の抑制を実現させて貫通転位量を低減させることを目的として、第１の構造層１２及び第２の構造層１６のそれぞれは、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲の厚さで形成することができる。
【００５４】
表１は、本発明の実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの貫通転位数と、比較例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの貫通転位数とを示す。
【００５５】
【表１】
2009260296.tif 000003
【００５６】
ここで、比較例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハは、実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハから転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６とを取り除いた構造を備えるウエハである。
【００５７】
表１を参照すると、実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの貫通転位数は３．６×１０８個／ｃｍ２であったところ、比較例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの貫通転位数は１．６×１０９個／ｃｍ２であった。実施例１に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハでは、貫通転位数が大幅に低減したことが示された。
【００５８】
［実施例２］
図７は、本発明の実施例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハの断面の概要を示す。
【００５９】
実施例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ｂは、リーク電流を測定することを目的として、供給層を除いた構造とした。すなわち、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ｂは、成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板１００と、半絶縁性ＳｉＣ基板１００の上に形成される第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層１２０と、ＡｌＮ層１２０上に形成される転位伝搬方向転換層１４としての１０ｎｍ厚のＧａＮ層１４０と、ＧａＮ層１４０上に形成される第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層１６０と、ＡｌＮ層１６０上に形成されるバッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層２００と、ｉ−ＧａＮ層の表面の所定の領域に蒸着して形成されるＴｉ／Ａｌ電極５６とで構成した。
【００６０】
また、比較例３に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハとして、実施例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハからＧａＮ層１４０とＡｌＮ層１６０とを取り除いた構造のウエハを形成した。このような構成を備える実施例２及び比較例３に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ｂのリーク電流を、電圧が０Ｖから１００Ｖの範囲で測定した。
【００６１】
図８は、本発明の実施例２及び比較例３に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハのリーク電流の比較を示す。
【００６２】
図８を参照すると分かるように、比較例３に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハのリーク電流は、５×１０−９Ａから１×１０−７Ａ程度であった。一方、実施例２に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハ１ｂにおいては、１．０×１０−１１Ａオーダーから１．０×１０−１０Ａオーダーと、比較例３に比して約２桁リーク電流値が低減した。
【００６３】
［変形例］
本発明の実施例の変形例としては、以下のような構造を備える窒化物半導体エピタキシャルウエハが挙げられる。
【００６４】
（変形例１）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１００ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌ（０→１）Ｇａ（１→０）Ｎ層（転位伝搬方向転換層１４側からバッファ層２０側に向けて、Ａｌ組成が０から１．０まで徐々に増加する）と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００６５】
（変形例２）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１００ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌ（１→０）Ｇａ（０→１）Ｎ層（転位伝搬方向転換層１４側からバッファ層２０側に向けて、Ａｌ組成が１．０から０まで徐々に減少する）と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００６６】
（変形例３）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての２００ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。ここで、変形例３においては、転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６との間に、二次元電子ガスの発生を抑制することを目的として、Ｍｇ等の所定のｐ型不純物を所定の濃度（１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下）含むｐ型ドーパント層を更に設ける。これにより、二次元電子ガスの発生を抑制できる。なお、変形例３の他の例に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハにおいては、成長基板１０としてｎ型ＳｉＣ基板を用いることができる。変形例３の他の例に係る窒化物半導体エピタキシャルウエハを、例えば、パワー用途等の電子デバイス用途に用いる場合、転位伝搬方向転換層１４と第２の構造層１６との間に二次元電子ガスが発生したとしてもデバイス特性に実質的に影響を与えないことがあり、この場合、ｐ型ドーパント層を設けなくてもよい。
【００６７】
（変形例４）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１００ｎｍ厚のＧａＮ層及び第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層をペアとした積層構造を３周期（３ペア）積層した構造と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００６８】
（変形例５）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１００ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００６９】
（変形例６）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１００ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての、１０ｎｍ厚のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、１０ｎｍ厚のＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層、１０ｎｍ厚のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層、１０ｎｍ厚のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層、１０ｎｍ厚のＡｌＮ層とＡｌ組成比が段階的に増加する層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００７０】
（変形例７）
成長基板１０としてのｎ型ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１００ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００７１】
（変形例８）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１０ｎｍ厚のＧａＮ層と、所定厚のＩｎＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００７２】
（変形例９）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、所定厚のＩｎＧａＮ層と、転位伝搬方向転換層１４としての１０ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００７３】
（変形例１０）
成長基板１０としての半絶縁性ＳｉＣ基板上に、第１の構造層１２としての５０ｎｍ厚のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦１）と、転位伝搬方向転換層１４としての１０ｎｍ厚のＧａＮ層と、第２の構造層１６としての５０ｎｍ厚のＡｌＮ層と、バッファ層２０としての２０００ｎｍ厚のｉ−ＧａＮ層とをこの順に積層した構造を有する窒化物半導体エピタキシャルウエハ。
【００７４】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００７５】
１、１ａ、１ｂ  窒化物半導体エピタキシャルウエハ
２  窒化物半導体素子
１０  成長基板
１２  第１の構造層
１２ａ  三次元構造体
１２ｂ  面
１２ｃ  転位伝搬方向
１４、１４ａ、１４ｂ  転位伝搬方向転換層
１５、１５ａ、１５ｂ  積層構造
１６、１６ａ、１６ｂ  第２の構造層
２０  バッファ層
３０  チャネル層
４０  供給層
５０  ソース電極
５２  ゲート電極
５４  ドレイン電極
５６  Ｔｉ／Ａｌ電極
１００  半絶縁性ＳｉＣ基板
１２０、１６０  ＡｌＮ層
１４０  ＧａＮ層
２００  ｉ−ＧａＮ層
【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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