特許 7179706 窒化物半導体基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-18

(45)【発行日】2022-11-29

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20221121BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20221121BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20221121BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20221121BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L21/20

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019170218

(22)【出願日】2019-09-19

(65)【公開番号】P2021007142

(43)【公開日】2021-01-21

【審査請求日】2021-11-30

(31)【優先権主張番号】P 2018232148

(32)【優先日】2018-12-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019126583

(32)【優先日】2019-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】507182807

【氏名又は名称】クアーズテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101878

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100187506

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 優子

(72)【発明者】

【氏名】阿部 芳久

(72)【発明者】

【氏名】江里口 健一

(72)【発明者】

【氏名】小宮山 純

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０８０７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１５３８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１９６９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０８２４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７５６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０１５３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９３２３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｓｉ単結晶基板上に、いずれも窒化物半導体からなるバッファー層および動作層が順次積層された窒化物半導体基板であって、
前記バッファー層は、前記Ｓｉ単結晶基板に接して形成された単層の第一初期層と、前記第一初期層上に形成された単層の第二初期層とを含み、
前記第一初期層はＡｌＮで形成され、
前記第二初期層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０．１２≦ｚ≦０．６５）で形成され、かつ、Ｘ軸をｚ×１００とし、Ｙ軸を前記第二初期層中の炭素濃度としたＸ－Ｙグラフにおいて、Ｘが１２以上６５以下であり、Ｙが、Ｙ＝１Ｅ＋１７×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）と、Ｙ＝１Ｅ＋２１×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）の間の範囲内であり、
前記バッファー層が、さらに、第二初期層に接して形成された層を含み、
前記第二初期層に接して形成された層がＡｌ _ｃ１ Ｇａ _１－ｃ１ Ｎで形成され、かつ、Ｘ軸をｃ１×１００とし、Ｙ軸を前記第二初期層に接して形成された層中の炭素濃度としたＸ－Ｙグラフにおいて、Ｘが０以上２０以下、Ｙが、Ｙ＝８Ｅ＋１８×ｅｘｐ（－０．０３×Ｘ）と、Ｙ＝４Ｅ＋２０×ｅｘｐ（－０．０３×Ｘ）の間の範囲内であり、
前記第二初期層に接して形成された層の炭素濃度が、前記第二初期層の炭素濃度より低いことを特徴とする窒化物半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高速および高耐圧素子等に用いられる窒化物半導体基板に関し、詳しくは、シリコン（Ｓｉ）からなる異種基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を積層させて構成された窒化物半導体基板に関する。

【背景技術】

【0002】

ＧａＮをＳｉ単結晶基板上に積層させた窒化物半導体基板は、通常は有機気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で製造される。その際、Ｓｉ単結晶上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層からなる初期層を形成する技術が公知である。

【0003】

特許文献１には、化合物半導体の結晶性を良好に保ち、電流コラプスの発生を抑制するも、オフリーク電流を抑えて高い耐圧を実現する、信頼性の高い化合物半導体装置として、Ｓｉ基板上に、ＡｌＮを材料とする第１のバッファー層と、第１のバッファー層の上方に形成されたＡｌＧａＮを材料とする第２のバッファー層とを有する化合物半導体積層構造を含み、第２のバッファー層が、その下面から上面に向かうほど高濃度に炭素を含有する化合物半導体装置の開示がある。

【0004】

特許文献２には、１３族窒化物半導体基板の作製例として、まず、下地基板１として直径６インチ、主面の面方位が（１１１）、ホウ素ドープで比抵抗０．００４Ωｃｍのシリコン単結晶基板をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、炭素濃度１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ単結晶層を１０００℃で気相成長させ、以降の１３族窒化物半導体層の形成は全て、成長温度の基準を１０００℃とし、これに１～１５℃の範囲で微調整を加えることで、前記ＡｌＮ単結晶層上に、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡ、ＮＨ₃を用い、炭素濃度５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、厚さ３００ｎｍのＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ単結晶層（ｘ＝０．１）を気相成長させ、初期核形成層２を形成した、との記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－１７４２２号公報

【文献】特開２０１６－２１９６９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

Ｓｉ単結晶基板上に最初に形成されるＡｌＮ層は、高温で成膜するほど、良質な結晶品質（高い結晶性、良好な表面の平坦性）が得られる反面、Ｓｉのエッチング速度も高くなる。そのため、通常、ＡｌＮの成膜温度は制限されることから、ＡｌＮ層表面の平坦性が十分確保されているとは言い難い。この平坦性が悪いと、応力制御で適用される（Ａｌ）ＧａＮとＡｌＮの超格子構造が乱れて、応力制御が効かなくなるという問題が生じる。

【0007】

そこで、ＡｌＮ層の荒れた表面を平坦化するために、その上にＡｌＧａＮ層を形成するのが一般的である。このＡｌＧａＮ層には、膜の平坦化のみならず、横型電子デバイスで使用されることを鑑みると、高抵抗であることも要求される。

【0008】

ＡｌＮは、その禁制帯幅がＧａＮに比べて大きく非常に高抵抗である。しかし、ＡｌＧａＮ層にはＧａＮ成分が混入しているため、ＡｌＮと比べると幾分その禁制帯幅は小さくなり、抵抗は低下する。また、このＡｌＧａＮ層は、Ｓｉ単結晶基板に近い層でもあるため、その結晶中に転位が多く、その転位が抵抗を下げている。

【0009】

上記のような問題に対して、炭素などの電子を補償できる不純物をドーピングして抵抗を上げる方法が適用される。しかしながら、高濃度の炭素をドーピングすると結晶品質の低下を招く。そこで、ＡｌＧａＮ層は適度なＡｌ組成にして、禁制帯幅を大きくし、高濃度の炭素をドーピングする必要がない状態にする必要がある。

【0010】

しかしながら、このＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と炭素濃度の関係については、技術的に確立されていたとは言い難い。例えば、特許文献１では、Ａｌ_xＧａ_1-xＮは、２００ｎｍ程度の厚みで、０．８≦ｘ≦０．９程度（例えば、ｘ＝０．９程度）で、Ｃ濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³～３×１０¹⁸／ｃｍ³程度（例えば、１×１０¹⁸／ｃｍ³程度）である。しかしながら、このＡｌＧａＮ層では、Ｓｉ単結晶基板へのリーク電流を十分低減できていない。

【0011】

また、特許文献２では、炭素濃度５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、厚さ３００ｎｍのＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（ｘ＝０．１）を用いているが、この場合は、逆に、炭素濃度が高すぎて、ＡｌＧａＮ層の結晶性が十分確保されているとは言い難い。

【0012】

本発明は、上記に鑑み、特に、ＧａＮをＳｉ単結晶基板上に積層させた窒化物半導体基板において、初期ＡｌＧａＮ層の成膜条件を適宜調整し、Ａｌ組成および不純物炭素濃度をある一定範囲内にすることで、横型デバイスとして利用した時に縦方向のリークが抑制された結晶性の高い窒化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】

【0013】

本発明の窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板上に、いずれも窒化物半導体からなるバッファー層および動作層が順次積層された窒化物半導体基板であって、前記バッファー層は、前記Ｓｉ単結晶基板に接して形成された単層の第一初期層と、前記第一初期層上に形成された単層の第二初期層とを含み、前記第一初期層はＡｌＮで形成され、前記第二初期層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０．１２≦ ｚ≦０．６５）で形成され、かつ、Ｘ軸をｚ×１００とし、Ｙ軸を前記第二初期層中の炭素濃度としたＸ－Ｙグラフにおいて、Ｘが１２以上６５以下であり、Ｙが、Ｙ＝１Ｅ＋１７×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）と、Ｙ＝１Ｅ＋２１×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）の間の範囲内であり、前記バッファー層が、さらに、第二初期層に接して形成された層を含み、前記第二初期層に接して形成された層がＡｌ _ｃ１ Ｇａ _１－ｃ１ Ｎで形成され、かつ、Ｘ軸をｃ１×１００とし、Ｙ軸を前記第二初期層に接して形成された層中の炭素濃度としたＸ－Ｙグラフにおいて、Ｘが０以上２０以下、Ｙが、Ｙ＝８Ｅ＋１８×ｅｘｐ（－０．０３×Ｘ）と、Ｙ＝４Ｅ＋２０×ｅｘｐ（－０．０３×Ｘ）の間の範囲内であり、前記第二初期層に接して形成された層の炭素濃度が、前記第二初期層の炭素濃度より低いことを特徴とする。

【0014】

かかる構成を有することで、特に、ＧａＮをＳｉ単結晶基板上に積層させた窒化物半導体基板において、横型デバイスとして利用した時に縦方向のリークが抑制される。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体膜を横型デバイス用に適応する場合、第二初期層の成膜条件を適宜調整して、Ａｌ組成および不純物炭素濃度をある一定範囲内にすることで、横型デバイスとして利用した時に縦方向のリークが抑制でき、より耐圧特性に優れたものとなる。そして、第二初期層の結晶性が高いので、その上に形成される窒化物半導体層も高品質なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の窒化物半導体基板の一態様を示す断面概略図である。

【図2】図２は、本発明の窒化物半導体基板において、第二初期層中のＡｌ組成および不純物炭素濃度の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面も用いながら、本発明の窒化物半導体基板について詳細に説明する。前記窒化物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板上に、いずれも窒化物半導体からなるバッファー層および動作層が順次積層された基板であって、前記バッファー層は、前記Ｓｉ単結晶基板に接して形成された単層の第一初期層と、前記第一初期層上に形成された単層の第二初期層を含み、前記第一初期層はＡｌＮで形成され、前記第二初期層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０．１２≦ｚ≦０．６５）で形成され、かつ、Ｘ軸をｚ×１００とし、Ｙ軸を前記第二初期層中の炭素濃度としたＸ－Ｙグラフにおいて、Ｘが１２以上６５以下であり、Ｙが、Ｙ＝１Ｅ＋１７×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）と、Ｙ＝１Ｅ＋２１×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）の間の範囲内である。

【0020】

図１は、本発明の窒化物半導体基板の一態様を示す断面概略図である。ここでは、ＨＥＭＴ構造を用いて説明する。すなわち、窒化物半導体基板Ｗとして、下地基板Ｓの一主面上に、バッファー層Ｂが積層され、その上に、動作層Ｇが形成されている。

【0021】

ここで、本発明で示す概略図は、説明のために形状を模式的に簡素化かつ強調したものであり、細部の形状、寸法、および比率は実際と異なる。また、同一の構成については符号を省略し、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。

【0022】

本発明においては、下地基板Ｓは、Ｓｉ単結晶である。異種基板上に最初に形成される層は、当然、異種基板の素性を十分考慮して選択、設計されるので、下地基板Ｓのその他の物性値は、特に限定されるものではない。

【0023】

例えば、Ｓｉ単結晶に含まれる不純物の種類やその濃度、炭素濃度、窒素濃度、酸素濃度、欠陥密度、およびＳｉ単結晶の製造方法は、要求される仕様に応じて任意に選択できる。また、窒化物半導体層が形成される面には、－４°～４°の範囲でオフ角を有していてもよい。

【0024】

バッファー層Ｂは、窒化物半導体層が複数積層された構造であり、用途や目的に応じて、その構造は公知の手法により形成することができる。例えば、特許文献２に記載されるような、最初に適切な初期層を形成した後、組成や不純物濃度が互いに異なる窒化物半導体層を一層以上積層するものが好適といえる。

【0025】

ここで、窒化物半導体としては、Ｇａ、Ａｌ、インジウム（Ｉｎ）等の１３族元素と、窒素等の１５族元素との組み合わせが例示される。

【0026】

動作層Ｇは、デバイスとして機能する層、およびこの層の上に付帯する各種の層を総称したものである。図１に示すＨＥＭＴでは、電子走行層１０１および電子供給層１０２が動作層Ｇに相当する。さらに、その上にＧａＮ等からなるキャップ層を備えてもよい。

【0027】

窒化物半導体基板Ｗは、用途に特段の制限はないが、高周波化、高耐圧化が可能なパワーデバイス用として特に好適といえる。

【0028】

本発明では、バッファー層Ｂは、Ｓｉ単結晶基板に接して形成された単層の第一初期層と、第一初期層上に形成された単層の第二初期層を含む。すなわち、下地基板Ｓの直上に、単層の第一初期層１１と単層の第二初期層１２がこの順で積層される。

【0029】

第一初期層１１はＡｌＮで形成される。本発明における第一初期層１１は、公知の技術にあるような役割、すなわち、ＳｉとＧａが直接反応するのを防ぐ役割を有する。なお、第一初期層１１は、Ｓｉ単結晶直上の層としての機能を最低限有していればよく、Ａｌ比１００％であるＡｌＮだけでなく、Ａｌ比１００％を２～３％下回るＡｌＧａＮで形成されていても構わない。

【0030】

上記同様の理由で、第一初期層１１は厳密な単一層であることまでは要求されず、多少の組成傾斜を含むことも許容される。また、本発明の効果を損なわない範囲内で、ＭＯＣＶＤ法で連続して層を形成するときに不可避的に混入する各種元素（Ｓｉ、Ｇａ、Ｃ等）が存在していてもよい。

【0031】

第一初期層１１の層厚は、特に限定されないが、概ね４０～１５０ｎｍ、好ましくは８０～１２０ｎｍの範囲である。

【0032】

そして、第二初期層１２はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０．１２≦ｚ≦０．６５）で形成される。この層の目的は、第一初期層１１の荒れた表面を平坦化することにある。第一初期層１１および第二初期層１２を形成することで、転位密度の低減等による結晶性の向上と、厚膜化に伴う反りを抑制するという効果が得られる。

【0033】

第二初期層１２のＡｌ比ｚが０．６５よりも大きいと、第二初期層１２の良好な表面平坦性が確保し難くなる。一方、ｚが０．１２を下回ると、第一初期層１１との格子定数差が拡大しすぎて、転位多発やクラック発生を引き起こす懸念がある。

【0034】

第二初期層１２の層厚も特に限定されないが、概ね５０～４５０ｎｍ、好ましくは２００～３５０ｎｍの範囲である。

【0035】

第二初期層１２も、第一初期層１１と同様に、厳密な単一層であることまでは要求されず、多少の組成傾斜を含むことは許容される。

【0036】

そして、第二初期層１２では、Ｘ軸をｚ×１００とし、Ｙ軸を前記第二初期層中の炭素濃度としたＸ－Ｙグラフにおいて、Ｘは１２以上６５以下であり、Ｙは、Ｙ＝１Ｅ＋１７×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）と、Ｙ＝１Ｅ＋２１×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）の間の範囲内となる。

【0037】

図２は、本発明の窒化物半導体基板Ｗにおいて、第二初期層１２中のＡｌ組成および不純物炭素濃度の関係を示すグラフである。第二初期層１２中のＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０．１２≦ｚ≦０．６５）におけるｚと、炭素濃度との関係が、Ｘ＝１２、Ｘ＝６５、Ｙ＝１Ｅ＋１７×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）、およびＹ＝１Ｅ+２１×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）で囲まれた領域内にあるときに、本発明の格別な効果が得られる。

【0038】

本発明では、第二初期層１２を適度なＡｌ組成にして禁制帯幅を大きくし、高濃度の炭素をドーピングしないのが最適であるという根拠のもと、Ａｌ比と炭素濃度との関係を明らかにしている。この関係が前記した範囲内であると、第二初期層１２は、結晶性と高抵抗とが両立したものとなる。

【0039】

このような炭素濃度は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）において、公知の技術である、成長温度または成長圧力の調整により、所望の値とすることができる。また、Ａｌ比ｚも、原料ガスの流量、供給時間で調整できる。

【0040】

以下、本発明における、さらに好ましい態様について説明する。さらに、第二初期層１２中のＡｌ比ｚと、炭素濃度との関係は、Ｘ－Ｙグラフにおいて、Ｘが２６以上４５以下で、Ｙが、Ｙ＝７Ｅ＋１７×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）と、Ｙ＝１Ｅ＋１９×ｅｘｐ（－０．０５×Ｘ）の間の範囲内にあることがより好ましい。前記範囲は、炭素濃度がより低く抑えられている領域であるので、結晶品質を重視する設計であるといえる。

【0041】

なお、第二初期層１２を形成するに当たり、形成初期はＡｌ比ｚを高く、層を成長させるに従い、Ａｌ比ｚを小さくすると、層の前半領域は結晶性を重視し、後半領域は耐圧を重視した設計になり、第二初期層１２の層厚をむやみに大きくしなくても、本発明の効果をより効率的に得ることができ、さらに好ましい。

【0042】

バッファー層Ｂは、第一初期層１１および第二初期層１２に加えて、多層バッファー層ｍを有していてもよい。多層バッファー層ｍの一例は、厚さ１５～５０ｎｍのＡｌ_cＧａ_1-cＮ（０≦ｃ≦０．８）単結晶層と、厚さ３～１０ｎｍのＡｌＮ層とが交互に繰り返し積層され、全体の層厚が５００～２０００ｎｍ程度である多層構造である。このような多層バッファー層ｍをさらに備えることで、バッファー層Ｂにおける応力緩和効果を効果的に発揮させることができる。

【0043】

動作層Ｇは、電子走行層１０１および電子供給層１０２からなる積層構造である。動作層Ｇの上には、デバイス作製時の目的や用途に応じて、キャップ層やパッシベーション層等の他の層を有してもよい。電子走行層１０１および電子供給層１０２の層厚は、公知の値である。

【0044】

本発明の窒化物半導体基板Ｗの各層は、通常、エピタキシャル成長による堆積で形成される。堆積方法は、一般的に用いられる方法でよく、例えば、ＭＯＣＶＤやプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）を始めとした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法、高真空における分子線を用いた分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、または、ＭＯＣＶＤおよびＭＢＥの複合である有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭＢＥ）等である。また、エピタキシャル成長用原料も、実施例で使用するものに限定されるものではなく、例えば、炭素を添加するための原料ガスは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の他に、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）であってもよい。

【0045】

以上の通り、本発明の窒化物半導体基板は、横型デバイスとして利用した時に縦方向のリークが抑制できるので、より耐圧特性に優れたものとなる。そして、第二初期層の結晶品質が高いので、その上に形成される窒化物半導体層も高品質となる。

【実施例】

【0046】

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。

【0047】

［実施例１］
６インチのＳｉ単結晶を下地基板ＳとしてＭＯＣＶＤ装置に投入し、圧力１３５ｈＰａの水素雰囲気にて、基板温度９５０℃でアニーリングすることでシリコン表面の自然酸化膜を除去し、シリコンの原子ステップを発現させた。続いて、基板温度を１０２０℃にして、ＴＭＡｌおよびアンモニア（ＮＨ₃）を供給し、第一初期層１１となるＡｌＮを１００ｎｍの厚さで形成した。その後、ＴＭＧａを加えて、第二初期層１２としてＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｚ＝０．３）を２００ｎｍ成膜した。次に、応力制御層としてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9ＮとＡｌＮとを交互に８０層積層した多層バッファー層ｍを形成した。さらに、動作層Ｇとして、電子走行層１０１となるノンドープＧａＮ層を１４００ｎｍ、電子供給層１０２となるＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を２０ｎｍの厚さでこの順に積層し、サンプルを作製した。

【0048】

［実施例２～５］
炭素濃度は主に成膜圧力を制御することで、また、Ａｌ比ｚはＴＭＡｌとＴＭＧａの流量を制御することで、それぞれ調整を行い、それ以外は、実施例１と同様にして、実施例２～５のサンプルを作製した。

【0049】

［比較例１］
実施例１において、基板温度を９２０℃にした以外は、実施例１と同様にして、サンプルを作製した。
得られたサンプル中の不純物炭素濃度は５Ｅ＋２０ｃｍ^-3であった。不純物炭素の量が多すぎるため、結晶品質が低下したと考えられる。

【0050】

［比較例２］
実施例１において、基板温度を１０２０℃にした以外は、実施例１と同様にして、サンプルを作製した。
得られたサンプル中に含まれる不純物炭素濃度は１Ｅ＋１６ｃｍ^-3であった。比較例２のサンプルでは、不純物炭素の量が少なすぎたために、十分な高抵抗値が得られなかったものと考えられる。

【0051】

［比較例３］
実施例１において、Ａｌ_zＧａ_1-zＮのｚがｚ＝０．３ではなく、ｚ＝０．１１となるようにした以外は、実施例１と同様にして、サンプルを作製した。得られたサンプル中に含まれる不純物炭素濃度は５Ｅ＋１７ｃｍ^-3であった。Ａｌ組成が低いために、禁制帯幅が十分に確保できず、不純物炭素濃度も十分でなかったため、抵抗値が上がらなかったものと考えられる。

【0052】

［比較例４］
実施例１において、Ａｌ_zＧａ_1-zＮのｚをｚ＝０．３ではなく、ｚ＝０．７となるようにした以外は、実施例１と同様にして、サンプルを作製した。
得られたサンプル中の不純物炭素濃度は１Ｅ＋２０ｃｍ^-3であった。比較例４のサンプルは、Ａｌ組成が高く、大きな禁制帯幅を有しているが、不純物炭素濃度が高すぎて結晶品質が低下したものと考えられる。

【0053】

なお、Ａｌ組成が７０％よりも大きいとき、すなわちｚ＞０．７であるときは、第二初期層１２の表面平滑性が確保できなかった。

【0054】

［実施例６］
実施例６では、第二初期層１２を形成するに当たり、最初はＡｌ比ｚを０．３５になるようにして、層の形成に伴い徐々にその比を低下させて、最終的にＡｌ比ｚを０．２５になるようにした。層厚は５０ｎｍとした。それ以外は、実施例１と同様にした。

【0055】

［評価１～炭素濃度］
各サンプルの第二初期層１２中の炭素濃度を、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を用いて測定した。

【0056】

［評価２～縦方向のリーク電流］
各サンプルから、基板主面の中央部から基板端部にかけて幅２０ｍｍの短冊状の試験片をそれぞれ劈開して切り出した。次に、この試験片の電子供給層１０２および電子走行層１０１の一部を、ドライエッチングにより除去した。この状態で、ドライエッチングで露出した面に１０ｍｍ²のＡｕ電極を真空蒸着してショットキー電極として形成し、市販のカーブトレーサを用いて、Ｓｉ単結晶基板側と通電してＩ－Ｖ特性を測定して、６００Ｖでの電流値を比較した。そして、１Ｅ－８（Ａ）以下を合格とした。

【0057】

［評価３～結晶性］
各サンプルについて、第二初期層１２の（００２）面のＸ線回折におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。そして、２０００ａｒｃｓｅｃ以下を合格とした。

【0058】

以上、各サンプルの製造条件と評価結果をまとめて表１に示す。

【表1】

【0059】

表１の結果から、本発明の範囲内にあるものは、耐圧特性（縦方向のリーク電流）と結晶質（第二初期層１２の半値幅）のいずれも良好であった。また、実施例６のサンプルは、実施例１～５と比べて、さらに結晶性と耐圧が高次元で両立されたものであった。

【0060】

ここで、第二初期層に接して形成された層ｍ_０（Ａｌ_ｃ１Ｇａ_１－ｃ１Ｎ、図示せず）についても、より好ましい範囲がある。すなわち、Ｘ－Ｙグラフにおいて、Ｘ（ｃ×１００）が０以上２０以下、Ｙ（第二初期層に接して形成された層ｍ_０中の炭素濃度）が、Ｙ＝８Ｅ＋１８×ｅｘｐ（－０．０３×Ｘ）と、Ｙ＝４Ｅ＋２０×ｅｘｐ（－０．０３×Ｘ）の間の範囲内である。

【0061】

このようにすることで、本発明の窒化物半導体基板の結晶性と耐圧のバランスが、さらに高い次元で両立できることが見出された。以下、実施例７～９として、第二初期層に接して形成された層ｍ_０のｃ１、および、これに含まれる炭素濃度を調整したサンプルを作製した。そして、実施例１同様に、リーク電流と半値幅（結晶性）の評価を行った。

【0062】

［実施例７］
実施例７では、ｃ１＝０、炭素濃度を７Ｅ＋１９ｃｍ^-3とした。
リーク電流は実施例２よりやや低くなり、この点では優れていた。一方、半値幅は１８６０ａｒｃｓｅｃであり、炭素濃度が相対的に高い分、実施例２の１８５０ａｒｃｓｅｃとの比較では、わずかに結晶性が劣るものであった。しかしながら、結晶性と耐圧の双方を考慮すると、実施例２よりは良好な特性といえる。

【0063】

［実施例８］
実施例８では、ｃ１＝０．１、炭素濃度を５Ｅ＋１９ｃｍ^-3とした。
リーク電流は実施例１よりやや低くなり、この点では優れていた。一方、半値幅は１４８０ａｒｃｓｅｃであり、実施例１の１５００ａｒｃｓｅｃより若干良好であった。結晶性と耐圧の双方ともに、実施例１よりは良好な特性といえる。

【0064】

［実施例９］
実施例９では、ｃ１＝０．２、炭素濃度を１Ｅ＋２０ｃｍ^-3とした。
リーク電流は実施例４よりやや低くなり、この点では優れていた。一方、半値幅は１４５０ａｒｃｓｅｃであり、実施例４の１６００ａｒｃｓｅｃはもとより、実施例８の１４８０ａｒｓｅｃよりも若干良好であった。結晶性と耐圧の双方ともに、実施例４より良好な特性といえる。

【0065】

以上の通り、本発明のより好ましい一態様は、結晶性と耐圧の双方をより高い次元で両立することを目指す場合に、相対的に優れた窒化物半導体基板であるといえる。

【0066】

ここで、第二初期層に接して形成された層ｍ₀の炭素濃度が第二初期層１２の炭素濃度より低いと、ことさら好ましい。窒化物半導体中の炭素は不純物として存在するので、その濃度が高くなると、窒化物半導体の結晶性は低下する傾向にある。第二初期層１２の炭素濃度は比較的高めの設定なので、これに続く第二初期層に接して形成された層ｍ₀の炭素濃度が同程度であると、多層バッファー層ｍ全体も結晶性があまり上がらないまま成長することになる。

【0067】

そこで、本発明では、上記したように、第二初期層に接して形成された層ｍ₀の炭素濃度を第二初期層１２の炭素濃度より低くすることで、本発明の特徴である第二初期層１２の構成と好適にフィットし、かつ、製造しやすい形態で、多層バッファー層ｍの結晶性を、更に向上させることが可能となる。

【0068】

［実施例１０］
実施例４のサンプルでは、第二初期層に接して形成された層ｍ₀と第二初期層１２の炭素濃度とは略等しく、１Ｅ＋１９ｃｍ^-3であった。これに対して、実施例１０のサンプルでは、製造条件の最適化により、第二初期層に接して形成された層ｍ₀の炭素濃度を９Ｅ＋１８ｃｍ^-3として、第二初期層１２の炭素濃度１Ｅ＋１９ｃｍ^-3より低くした。これ以外は実施例４と同様にサンプルを作製した。

【0069】

その結果、リーク電流については、実施例１０は実施例４と同等であった。さらに追加評価として、実施例４と実施例１０のサンプルの多層バッファー層ｍの結晶性を比較したところ、実施例１０では、実施例４よりも１０％ほど半値幅が低く、結晶性に優れたものであった。これは、不純物である炭素濃度を下げたことにより、第二初期層に接して形成された層ｍ₀の結晶性が相対的に高くなり、この上に積層される多層バッファー層ｍの結晶性も、同様に良化したことによるものと考えられる。

【符号の説明】

【0070】

Ｗ 窒化物半導体基板
Ｓ 下地基板
Ｂ バッファー層
１１ 第一初期層
１２ 第二初期層
ｍ 多層バッファー層
ｍ₀ 多層バッファー層のうち、第二初期層に接して形成された層
Ｇ 動作層
１０１ 電子走行層
１０２ 電子供給層

【図1】

【図2】