特許 7201571 窒化物半導体基板および窒化物半導体装置

(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】2022-12-26

(45)【発行日】2023-01-10

(54)【発明の名称】窒化物半導体基板および窒化物半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20221227BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20221227BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20221227BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20221227BHJP

   H01L 29/808 20060101ALI20221227BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L29/80 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019211925

(22)【出願日】2019-11-25

(65)【公開番号】P2021061385

(43)【公開日】2021-04-15

【審査請求日】2021-11-30

(31)【優先権主張番号】P 2018232147

(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 2019183837

(32)【優先日】2019-10-04

(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】江里口 健一

(72)【発明者】

【氏名】阿部 芳久

(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２０１４－０２７１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２３７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２３５８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１８５０３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１２５４７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２５８３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７９５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４７１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６５７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７７１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３７

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備えた窒化物半導体基板であって、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、層厚 が０．２５ｎｍ以上２ｎｍ以下で前記第二層よりバンドギャップの大きい第三層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む第四層と、がこの順で積層されており、前記第二層と前記第三層との界面における前記ｐ型導電性不純物濃度が、前記第四層と前記第三層との界面における前記ｐ型導電性不純物濃度の１／１００以下であること、さらに前記第四層の表面にピットが存在し、前記ピットの形状は、前記表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状であり、前記ピットの密度は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ ² 以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。

【請求項2】

前記第一層と前記第二層との間に、層厚が０．２５ｎｍ以上５ｎｍ以下で前記第二層よりバンドギャップの大きい窒化物半導体からなる第五層がさらに備わることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。

【請求項3】

前記第一層がＧａＮ、前記第二層がＡｌＧａＮ、前記第三層がＡｌＮ、ならびに前記第四層がＧａＮで形成され、前記ｐ型導電性不純物がＭｇであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体基板。

【請求項4】

前記第一層がＧａＮ、前記第二層がＡｌＧａＮ、前記第三層および前記第五層がＡｌＮ、ならびに前記第四層がＧａＮで形成され、前記ｐ型導電性不純物がＭｇであることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体基板。

【請求項5】

下地基板上に窒化物半導体からなるバッファー層を介して前記積層構造体が形成されて いることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の窒化物半導体基板。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の窒化物半導体基板を用いて製造された窒化物半導 体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に、ノーマリオフ型の半導体装置に好適な窒化物半導体基板、およびこれを用いた窒化物半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）等では、いわゆるノーマリオフ型の積層構造として、電子供給層の上にｐ型半導体からなるノーマリオフ支援層なるものを形成する技術が知られている。

【0003】

しかし、一般的なＨＥＭＴの製造方法である有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で、各相を順次積層する場合、ノーマリオフ支援層を形成する過程で導入されるｐ型導電性不純物が電子供給層内に拡散してしまい、トランジスタの動作に支障が生じる。

【0004】

これを解決する方法として、特許文献１には、Ｉｎ_pＡｌ_qＧａ_1-p-qＮ（０≦ｐ＋ｑ≦１、０≦ｐ、０≦ｑ）からなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成され、前記第１の半導体層よりバンドギャップの大きなＩｎ_rＡｌ_sＧａ_1-r-sＮ（０≦ｒ＋ｓ≦１、０≦ｒ）からなる第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に拡散抑制層として選択的に形成され、Ｉｎ_tＡｌ_uＧａ_1-t-uＮ（０≦ｔ＋ｕ≦１、０≦ｔ、ｓ＞ｕ）からなる第３の半導体層と、前記第３の半導体層の上に形成され、ｐ型の導電性を有するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、０≦ｙ）からなる第４の半導体層と、前記第４の半導体層の上に形成されたゲート電極とを備えることで、半導体装置のバリア層である第２の半導体層とｐ型の導電性を有する第４の半導体層との間に第３の半導体層が存在するため、第４の半導体層の成長中にｐ型ドーパントが拡散しても、第２の半導体層へ拡散するｐ型ドーパントの量を低減することができ、第２の半導体層のｐ型化を抑制することができコンタクト抵抗及びシート抵抗の悪化を抑制することができる、と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１４／１８８７１５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１記載の技術では、例えば、バッファー層の膜厚は１００ｎｍ、チャネル層の膜厚は２μｍ、バリア層の膜厚は３０ｎｍ、拡散抑制層の膜厚は２５ｎｍ、ｐ型導電層の膜厚は２００ｎｍである、としている。

【0007】

上記の拡散抑制層は、電子供給層側にｐ型導電性元素が拡散することを防止する効果があるものの、同時に、格子定数差に起因する歪みや転位の増大を招き、やはりトランジスタの動作に支障が生じる。

【0008】

本発明は、上記に鑑み、電子供給層側にｐ型導電性元素が拡散することを防止する効果を持ちつつも、拡散抑制層の挿入による各種の悪影響を低減することのできる窒化物半導体構造の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の窒化物半導体基板は、１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備えた窒化物半導体基板であって、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、層厚 が０．２５ｎｍ以上２ｎｍ以下で前記第二層よりバンドギャップの大きい第三層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む第四層と、がこの順で積層されており、前記第二層と前記第三層との界面における前記ｐ型導電性不純物濃度が、前記第四層と前記第三層との界面における前記ｐ型導電性不純物濃度の１／１００以下であること、さらに前記第四層の表面にピットが存在し、前記ピットの形状は、前記表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状であり、前記ピットの密度は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ ² 以下であることを特徴とする。
かかる構成を有することで、挿入された層の悪影響を極力抑えつつ、電子供給層へのｐ型導電性元素の拡散を効果的に低減することができる。

【0010】

また、本発明では、前記第一層と前記第二層との間に、層厚が０．２５ｎｍ以上５ｎｍ以下で前記第二層よりバンドギャップの大きい窒化物半導体からなる第五層がさらに備わると、より好ましいといえる。

【0011】

本発明の好適な具体的態様としては、前記第一層がＧａＮ、前記第二層がＡｌＧａＮ、前記第三層および前記第五層がＡｌＮ、前記第四層がＧａＮ、前記ｐ型導電性不純物がＭｇである。あるいは、下地基板Ｓ上に窒化物半導体からなるバッファー層を介して前記積層構造体が形成されている窒化物半導体基板も挙げられる。

【0012】

本発明のさらに好適な具体的態様として、前記第四層の表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状のピットが存在していてもよい。そのピットの密度の好適な範囲は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ²以下である。
本発明の窒化物半導体装置は、前記窒化物半導体基板を用いて製造されたものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、挿入された層の悪影響を極力抑えつつ、電子供給層へのｐ型導電性元素の拡散を効果的に低減できる窒化物半導体基板を提供することができる。つまり、本発明によれば、ノーマリーオンとなるＧａＮ系ＨＥＭＴにおいて、移動度低下の抑制とノーマリーオフ動作とを両立する窒化物半導体基板を提供することができる。そして、本発明の窒化物半導体基板を用いて製造された窒化物半導体装置は、高性能な半導体デバイスとして活用できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る一態様を示す断面概略図

【図2】本発明に係るｐ型導電性不純物の濃度プロファイルを説明する模式図

【図3】本発明に係る他の一態様を示す断面概略図

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。本発明の窒化物半導体基板は、１３族窒化物半導体からなる積層構造体を少なくとも備えた窒化物半導体基板であって、前記積層構造体は、第一層と、前記第一層よりバンドギャップの大きい第二層と、層厚が０．２５ｎｍ以上２ｎｍ以下で前記第二層よりバンドギャップの大きい第三層と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む第四層と、がこの順で積層されており、前記第二層と前記第三層との界面における前記ｐ型導電性不純物濃度が、前記第四層と前記第三層との界面における前記ｐ型導電性不純物濃度の１／１００以下である。

【0016】

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、異種基板上にバッファー層を介してＨＥＭＴ構造を備える窒化物半導体基板を用いて説明する。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、積層構造体Ｇが形成されている。積層構造体Ｇは、第一層１、第二層２、第三層３、および第四層４からなる。なお、図１では、半導体装置として具備される電極（Ｅ１がドレイン電極、Ｅ２がゲート電極、Ｅ３がソース電極）も図示している。

【0017】

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、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。

【0018】

下地基板Ｓは、Ｓｉの他に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＧａＮ等が挙げられる。すなわち、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板などの単結晶基板に限らず、焼結ＡｌＮ基板などのセラミックス基板や金属基板などでも構わない。また、単一材料で構成されたもの、異種材料で構成されたもの、のいずれでもよく、面方位やドーパント濃度、オフ角等の構成も任意に設定できる。

【0019】

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が、最初に適切な初期層を形成した後、一層以上で組成や不純物濃度が互いに異なる窒化物半導体層を積層するものがより好適といえる。なお、下地基板Ｓとバッファー層Ｂの間に必要に応じて核形成層や応力制御などを挿入してもよい。

【0020】

ここで、窒化物半導体は、Ｇａ、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）等の１３族元素と、窒素（Ｎ）との組み合わせからなる。必要に応じて、炭素、酸素、ケイ素、鉄等の各種元素がドープされていてもよい。

【0021】

積層構造体Ｇは、第一層１と、第一層１よりバンドギャップの大きい第二層２と、層厚が０．２５ｎｍ以上２ｎｍ以下で第二層２よりバンドギャップの大きい第三層３と、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む第四層４とがこの順で積層されている。

【0022】

本発明における積層構造体Ｇは、デバイスとして機能する層、および必要に応じて付加される各種の層、例えば、核形成層や応力制御などを総称したものである。図１に示すＨＥＭＴでは、第一層１が電子走行層、第二層２が電子供給層、第三層３が拡散抑制層、そして第四層４がノーマリオフ支援層である。

【0023】

図１では、ＨＥＭＴの例を示したが、窒化物半導体基板Ｗは、下地基板Ｓ上にバッファー層Ｂと積層構造体Ｇが形成されたものであれば、特にこれに限定されず、高周波化、高耐圧化が可能なその他のパワーデバイス用としても、好適に用いられる。

【0024】

なお、第一層１と、第一層１よりバンドギャップの大きい第二層２については、公知の構成（層厚、不純物）を広く適用でき、格別な限定を要しない。すなわち、例えば、第一層１は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等で形成され、第二層２は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等で形成される。また、第一層１の層厚は、概ね３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下、第二層の層厚は、概ね１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0025】

本発明の特徴は、層厚が０．２５ｎｍ以上２ｎｍ以下で第二層２よりバンドギャップの大きい第三層３を拡散抑制層（以下「第一の拡散抑制層」ともいう。）として設けた点にある。特に、特許文献１の半導体装置では、拡散抑制層が２５ｎｍであるのと比較すると、この拡散抑制層の層厚は極めて薄い。

【0026】

任意の二層の間に、何らかの層が介在した場合において、各層の格子定数や熱膨張係数、バンドギャップエネルギーに差があると、界面での応力の発生、転位の増大、抵抗値の変動などが生じる。拡散抑制層である第三層３は、第四層４からの不純物拡散を防止する作用のみ持つのが好ましく、他の層に新たな悪影響を及ぼすことは好ましくない。

【0027】

これらの悪影響を最小化する方法が、層厚をできるだけ薄くすることにある。０．２５ｎｍ以上２ｎｍ以下の層厚は、例えばＡｌＮであれば、１分子～８分子分の層厚に相当する。なお、このような第三層３は、通常ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＩｎＧａＮ等、好ましくはＡｌＮで形成される。ＡｌＮは比抵抗が非常に高く、拡散抑制層としてＡｌＮを用いることで、第一層や第二層へのＭｇの拡散を効果的に防止する。

【0028】

第三層３の上には、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む第四層４（ノーマリオフ支援層）が形成されている。ノーマリオフの作用効果を得るためには、ｐ型導電性不純物を５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃ以上含む必要がある。

【0029】

ｐ型導電性不純物は、窒化物半導体に添加されてｐ型を呈するものであれば、公知の物を広く適用できる。例えば、ｐ型導電性不純物にはマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）などが挙げられる。好適な一例は、窒化物半導体がＧａＮの場合、ｐ型導電性不純物がＭｇである。なお、Ｍｇの添加方法は、公知の技術を広く適用できる。

【0030】

第二層２と第三層３との界面におけるｐ型導電性不純物濃度は、第四層４と第三層３との界面におけるｐ型導電性不純物濃度の１／１００以下である。図２にｐ型導電性不純物の濃度プロファイルを示す模式図を示す。

【0031】

第二層２と第三層３との界面におけるｐ型導電性不純物濃度は、第二層２内でのｐ型導電性不純物濃度と相関があり、この値が大きいと、第二層２内でのｐ型導電性不純物濃度が高いといえる。

【0032】

第二層２と第三層３との界面におけるｐ型導電性不純物濃度は、第四層４と第三層３との界面におけるｐ型導電性不純物濃度の１／１００以下であれば、動作層として機能する第二層２の特性を致命的に損なうことがない。なお、この割合は低いほど良いが、ＭＯＣＶＤ法で製造する限り、これを低くするのには限界がある。実用的な範囲でより好ましくは、１／２００以下である。

【0033】

本発明では、より好ましい一態様として、第一層１と第二層２との間に、層厚が０．２５ｎｍ以上５ｎｍ以下で第二層２よりバンドギャップの大きい窒化物半導体からなる第五層５（以下「第二の拡散抑制層」ともいう。）が備わるものが挙げられる。

【0034】

第五層５により、ＨＥＭＴ構造における、いわゆるスペーサー層として挿入されるものと同様な構成となり、同じく同様な作用効果が得られる。しかしながら、本発明では、この第五層５が存在することで、第三層３中に低濃度ながら存在するｐ型導電性不純物が、第一層１に拡散することを確実に防止でき、ＨＥＭＴの主電流経路が形成されている第一層１で二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の動作環境を良好に保持できる。

【0035】

第五層５は、第三層３の層厚と同様に、層厚０．２５ｎｍ以上５ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以上３ｎｍ以下とする。第五層５は、スペーサー層としての機能も併せ持つことから、層厚は第三層３よりは厚く形成してもよい。ただし、５ｎｍを超えると、界面での応力が問題となることがある。

【0036】

第五層５は、第二層２よりバンドギャップの大きい窒化物半導体である。これは、上記の通り、スペーサー層としての機能を持たせるためである。

【0037】

本発明の具体的な一実施態様は、第一層１がＧａＮ、第二層２がＡｌＧａＮ、第三層３および第五層５がＡｌＮ、ならびに第四層４がＧａＮで形成され、ｐ型導電性不純物がＭｇである。なお、上記ＡｌＧａＮは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）を指すものとする。

【0038】

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り堆積形成されるが、その方法は、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）、ＭＯＣＶＤとＭＢＥの複合である有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭＢＥ）等を用いることができる。また、各層をエピタキシャル成長させる際に用いられる原料も、実施例で用いられているものに限定されるものではない。

【0039】

以上の通り、本発明の窒化物半導体基板は、挿入された層の悪影響を極力抑えつつ、電子供給層へのｐ型導電性不純物の拡散を効果的に低減することができる。そして、本発明の窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体装置は、高性能な半導体デバイスとして活用できる。

【実施例】

【0040】

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。

【0041】

［実施例１］
下地基板Ｓとして、結晶面方位（１１１）、ｐタイプ、６インチＳｉ単結晶基板を公知の基板洗浄方法で清浄化した後、ＭＯＣＶＤ装置内にセットして、装置内をキャリアガスで置換後昇温し、１０００℃×１５分間、水素１００％雰囲気で保持する熱処理を行い、シリコン単結晶表面の自然酸化膜を除去した。

【0042】

次に、原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用いて、ＡｌＮ１００ｎｍ上にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ１５０ｎｍ積層した初期層、ＡｌＮ５ｎｍとＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ３０ｎｍの二層をそれぞれ８０回繰り返し積層した多層、ＧａＮ１５００ｎｍの単層をこの順で気相成長させて積層したものをバッファー層Ｂとした。なお、成長温度は１０００℃、成長圧力は６０ｈＰａをおよその基準として、各層形成時に適時制御して実施した。

【0043】

次に、積層構造体Ｇ（動作層）として、第一層１をＧａＮ１００ｎｍ、第二層２をＡｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎ２０ｎｍ、第三層３をＡｌＮ１ｎｍ、第四層４をＧａＮ６０ｎｍ、ｐ型導電性不純物をＭｇとして、各層をこの順で積層した。なお、成長温度と成長圧力はバッファー層Ｂの製造に準じ、Ｍｇ含有原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いた。以上の通りにして、実施例１の評価用サンプルを作製した。

【0044】

［比較例１］
第四層４を積層しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、比較例１の評価用サンプルを作製した。

【0045】

［評価１～層厚、Ｍｇ濃度］
層厚は、各評価用サンプルを直径方向に劈開し、主面中央付近から破片をサンプリングし、測定用の試料を得た。この試料を、厚さ方向に対してＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）を用いて測定し、Ｍｇ濃度プロファイルを得て、第二層２と第三層３との界面におけるＭｇ濃度の、第四層４と第三層３との界面におけるＭｇ濃度の割合（以下、Ｍｇ比率）を算出した。

【0046】

［評価２～移動度］
次に、ＳＴＥＭ観察したのと同じ評価サンプルについて、Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール効果測定を行い、電子の移動度を評価した。はじめに、評価サンプルを７ｍｍ角のチップにダイシングし、個々のチップの第四層４上の四隅に、径０．２５ｍｍのＴｉ／Ａｌ電極を、真空蒸着により形成した。次にＮ_２雰囲気で６００℃、５分間の合金化熱処理を行った。そして、ナノメトリクス・ジャパン（株）製ＨＬ５５００ＰＣを用いて、ホール効果測定を行った。そして、比較例１との比で、移動度のレベルを表し、１以下を×、１．１以下を△、１．２以上を〇とし、△と〇を実施例とした。

【0047】

［評価３～しきい値電圧］
ノーマリオフ特性の指標として用いるしきい値電圧の測定は、それぞれ作製した評価サンプルの第四層４上に、リセスゲートのショットキー電極（Ｎｉ／Ａｕ）及びソース・ドレインとしてオーミック電極（Ｔｉ／Ａｌ）の電極形成及び素子分離を行い、電界効果型トランジスタのデバイスを形成後、室温にてカーブトレーサーによるＩ－Ｖ測定を行うことにより実施した。そして、しきい値電圧については、比較例１を０Ｖとした基準を設けて、この基準からどのくらいシフトしたかを電圧値として表した。

【0048】

その結果、実施例１は、Ｍｇ比率１／１２０、移動度〇、しきい値はプラスとなった。一方、比較例１は、移動度×であった。すなわち、本発明の実施範囲にあるものは、ノーマリオフの特性が十分に発現され、且つ、移動度も高いものであった。
なお、実施例１における第四層４のＭｇ濃度は１Ｅ＋１９ａｔｏｍｓ／ｃｃであった。

【0049】

［実施例２］
第四層４の成長温度を９５０℃とした以外は、実施例１と同様にして、実施例２の評価用サンプルを作製した。
その結果、Ｍｇ比率１／１００、移動度〇、しきい値はプラスとなった。なお、移動度は実施例１よりは劣っていたが、これは、実施例１と比べて、Ｍｇ比率が大（Ｍｇ濃度の減少率が小さい）であることに起因する。

【0050】

［実施例３］
第四層４のＭｇ濃度が５Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとなるように、Ｃｐ₂Ｍｇの流量を調整した以外は、実施例１と同様にして、実施例３の評価用サンプルを作製した。
その結果、Ｍｇ比率１／１０５、移動度〇、しきい値はプラスとなった。なお、しきい値は実施例１よりは劣っていたが、これは、実施例１よりは第四層４のＭｇ濃度が小さいことに起因する。

【0051】

［比較例２］
第四層４の成長温度を１０３０℃とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２の評価用サンプルを作製した。
その結果、第四層４のＭｇ濃度は１Ｅ＋１９ａｔｏｍｓ／ｃｃ、Ｍｇ比率１／８０、移動度×、しきい値はプラスとなった。移動度の悪化は、Ｍｇ濃度の減少率が１／１００より大きいためである。

【0052】

［比較例３］
第四層４のＭｇ濃度が３Ｅ＋１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとなるように、Ｃｐ₂Ｍｇの流量を調整した以外は、実施例１と同様にして、比較例３の評価用サンプルを作製した。
その結果、Ｍｇ比率１／１０５、移動度〇、しきい値はマイナスとなった。しきい値がマイナスになったのは、第四層４のＭｇ濃度が小さいことに起因する。

【0053】

ところで、ＭＯＣＶＤ法におけるＧａＮ層の形成には、本発明の実施例に例示される１０００℃のような、比較的高い成長温度が必要とされる。これは、成長温度が低いと、形成されたＧａＮ層の表面平坦性が悪化するためである。

【0054】

一方、第四層４を形成する際の成長温度を低くすることで、Ｍｇの拡散が相対的に抑制され、本発明の効果（動作層へのＭｇ拡散による悪影響の抑制）は高くなる。すなわち、成長温度については、相反する特性を両立する最適な範囲が存在するといえる。

【0055】

しかしながら、従来、この最適な成長温度は、窒化物半導体基板全体として要求される仕様や諸特性、使用する装置の性能、そのときの成長条件、その他もろもろの条件による制約を受けるため、必ずしも一義的に決定できるものではなかった。

【0056】

本発明は、Ｍｇの拡散抑制と相反するパラメータとして表面平坦性に着目し、表面平坦性を維持しつつ比較的低い成長温度で成膜できる状態を、第四層４の表面に発現するピットのサイズで判断できることを見出したものである。

【0057】

すなわち、本発明のさらに好ましい一態様は、第四層４の表面に存在するピットが、前記表面上に内径１０ｎｍ以下の開口部を有するすり鉢状であり、ピットの密度は１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ²以下である。

【0058】

本発明で言うピットは、いわゆるすり鉢状である。これは、第四層４の表面にほぼ円形の開口部が形成されており、表面に対して略垂直方向に穴が径を縮小しながら進展している形態で、円錐を逆さにした形状ともいえる。ただし、厳密な円錐形状でなくてもよく、多少の歪みの存在、底部に若干の平坦部が存在しても構わない。

【0059】

内径１０ｎｍを超えるピットの開口部は、単独で層全体の平坦性を悪化させる懸念があり、好ましくない。なお、この内径は小さいほど好ましいが、特にＭＯＣＶＤ法で製造する限りは、ある程度の大きさになることは避けらず、本発明では、ピットの開口部の内径が０．３～５ｎｍであればよい。

【0060】

また、開口部の内径が１０ｎｍ以下のピットは、第四層４の表面に１Ｅ＋１０ヶ／ｃｍ²以下の密度で存在する限りにおいては、本発明の効果と平坦性は好適に両立される。こちらも、当該密度は低いほどよいが、実用上は５Ｅ＋８ヶ／ｃｍ²以上８Ｅ＋９ヶ／ｃｍ²以下であればよい。

【0061】

本発明におけるピットの深さは、特に限定されないが、内径が１０ｎｍ以下のピットとして発現される場合は、おおむね１０～８０ｎｍ程度であり、このレベルであればよい。

【0062】

このような内径及び密度を有するピットとするには、成長温度のほかに、圧力や原料ガスまたはキャリアガスの流量を適時制御することで達成することができる。

【0063】

本発明において、ピットは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって第四層４の表面から観察することができる。ただし、これ以外の方法、例えば、窒化物半導体基板を劈開して、その断面方向から透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）等で観測し、ピットの開口部の内径は実側、密度は単位長さ当たりの個数から換算、という方法を適用してもよい。

【0064】

上記の通り観察したところ、実施例１では、第四層４の表面には、内径１０ｎｍ以下の開口部を有するピットは確認されなかった。

【0065】

［比較例５］
ここでは、本発明の効果を顕在化させるため、実施例１における第四層４の成長温度を８００℃とした比較例５の評価用サンプルを作製した。ＡＦＭで観察した結果、内径１０ｎｍを超える開口部を有するピットが密度６Ｅ＋９／ｃｍ²で観察された。

【0066】

なお、併せて実施したＴＥＭによる断面観察によると、実施例１では第三層３に転位は観察されたが、比較例５では第三層３の下面から上面にわたり徐々に拡大するすり鉢状のピットが認められ、その密度から、ＴＥＭでは、ＡＦＭにて観察された１０ｎｍよりも大きな開口径のピットの断面を観察しているとみられる。

【0067】

このことから、比較例５では、成長温度が実施例１に比べて低いため、エピタキシャル成長に必要な熱エネルギーが十分でなかったと考えられる。さらに、電極を形成して、素子として特性を比較したところ、比較例５では大きな漏れ電流が発生しており、サンプル最表層に発生したピットが悪影響を及ぼしているといえるものであった。

【符号の説明】

【0068】

Ｗ 窒化物半導体基板
Ｓ 下地基板（Ｓｉ単結晶）
Ｂ バッファー層
Ｇ 積層構造体
１ 第一層（電子走行層）
２ 第二層（電子供給層）
３ 第三層（第一の拡散抑制層）
４ 第四層（ノーマリオフ支援層）
５ 第五層（第二の拡散抑制層）
Ｅ１ ドレイン電極
Ｅ２ ゲート電極
Ｅ３ ソース電極

【図1】

【図2】

【図3】