特許 7271101 窒化物半導体エピ基板

(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】2023-04-28

(45)【発行日】2023-05-11

(54)【発明の名称】窒化物半導体エピ基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20230501BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20230501BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20230501BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230501BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L21/205

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018138174

(22)【出願日】2018-07-24

(65)【公開番号】P2019047113

(43)【公開日】2019-03-22

【審査請求日】2021-06-07

【審判番号】

【審判請求日】2022-07-19

(31)【優先権主張番号】P 2017171226

(32)【優先日】2017-09-06

(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

(72)【発明者】

【氏名】大石 浩司

(72)【発明者】

【氏名】大森 典子

(72)【発明者】

【氏名】阿部 芳久

【合議体】

【審判長】瀧内 健夫

【審判官】河本 充雄

【審判官】棚田 一也

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００６／０２２４５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３５７４５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０７２４３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H01L29/778

H01L29/812

H01L21/338

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャネル層、スペーサー層、及び電子供給層がこの順に積層された窒化物半導体エピ基板において、
前記チャネル層がＧａＮ、前記スペーサー層がＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）、前記電子供給層がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１かつｘが０．１～０．３）であり、
かつ、前記スペーサー層の層厚は２分子層以下の層構造を備え、前記aは前記ｘより大きいことを特徴とする窒化物半導体エピ基板。

【請求項2】

請求項１に記載の窒化物半導体エピ基板を用いた窒化物半導体ＨＥＭＴ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波化、高出力化が可能なパワーデバイス用途の窒化物半導体エピ基板における、同デバイス特性を向上するための基板構造に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化物半導体、特に窒化ガリウム系化合物半導体基板を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、電子走行層と電子供給層との間に、いわゆるスペーサー層を介在させることで電気特性を向上させる技術が知られている。

【0003】

特許文献１には、ヘテロ構造を有する窒化物系III－Ｖ族化合物半導体装置において、チャネル層を構成する第１の二元化合物半導体層と、バリア層を構成し、ＡｌおよびＧａの組成比が一定であるＡｌＧａＮからなる三元混晶半導体層と、前記第１の二元化合物半導体層と前記三元混晶半導体層との間に介在される第２の二元化合物半導体層とを含み、前記第１の二元化合物半導体層は、ＧａＮであり、前記第２の二元化合物半導体層は、層厚が１分子層以上４分子層以下のＡｌＮである、という技術の開示がある。

【0004】

特許文献２には、各々Ｇａを必須とするIII族元素の窒化物からなる電子供給層と、スペーサー層と、チャネル層とがこの順序にて格子整合形態で接合された構造を有し、前記スペーサー層がＡｌＧａＮ層からなるとともに、当該スペーサー層の前記チャネル層と接する領域のＡｌＮ混晶比を、残余の領域よりも高くした化合物半導体素子の開示がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－２００７１１号公報

【文献】特開２００３－２２９４３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の発明では、スペーサー層、すなわち、前述の第２の二元化合物半導体層にＡｌＮを用いた場合、ＡｌＮが６．２ｅＶという極めて大きなバンドギャップを有するので、その層厚が厚くなり過ぎるとバリア層からチャネル層への電流注入が阻害されヘテロ構造として機能しなくなることを考慮して、膜厚を１分子層以上４分子層以下とすることで、接合界面の急峻性を維持しつつ、トンネル効果によって充分なキャリア輸送を行えるようにしている。

【0007】

特許文献２の発明では、ＡｌＧａＮスペーサー層全体ではなく、２ＤＥＧ層に対するピエゾ電界効果が最も顕著に期待できる、チャネル層との境界領域のＡｌＮ混晶比を、残余の領域に対し選択的に高くすることで、この問題の解決を図っている。すなわち、スペーサー層の全体ではなく、境界領域についてのみＡｌＮ混晶比を高めること、具体的には、スペーサー層の厚さを格子緩和が生じない程度に留めつつ、ＡｌＮ混晶比を高めることにより、チャネル層に対するピエゾ電界印加効果を大幅に増加させている。また、境界領域のＡｌＮ混晶比を高くすることで、スペーサー層側の伝導帯底エネルギーレベルＥｃが上昇し、伝導帯不連続値をより大きくすることができ、自発分極効果も高められる。これらのことにより、スペーサー層を一様な組成で構成する構造と比較して、チャネル層側に三角ポテンシャルをより深くかつ狭く形成することができ、２ＤＥＧ層中の電子濃度の増大ひいては素子の高出力化を図っている。

【0008】

このように、上記いずれの発明も、ＨＥＭＴ構造において有用な技術といえるが、特に、スペーサー層をより薄くすることに関しては、十分に検討が尽くされてきたとは言い難く、さらなる改良の余地があると考えられる。

【0009】

本発明は、かかる課題に鑑み、薄いスペーサー層を有する構造でありながら、さらに高性能な窒化物半導体装置に適した窒化物半導体エピ基板の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の窒化物半導体エピ基板は、チャネル層、スペーサー層、電子供給層がこの順に積層され、前記チャネル層がＧａＮ、前記スペーサー層がＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）、前記電子供給層がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１）、前記スペーサー層の層厚は２分子層以下、の層構造を備えることを特徴とする。

【0011】

かかる構成を有することで、従来は、スペーサー層が存在することにより電流コラプス抑制効果が十分得られなかったという問題点があったが、これが有意に改善された窒化物半導体エピ基板とすることができる。

【0012】

また、このような窒化物半導体エピ基板を用いた窒化物半導体ＨＥＭＴは、より優れた電気特性を有するものとなり、好適である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、スペーサー層が存在するために電流コラプス抑制効果が十分得られなかったという問題点が有意に改善された窒化物半導体エピ基板を提供することができ、これを用いた窒化物半導体ＨＥＭＴは、優れた電気特性を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の窒化物半導体エピ基板の一態様を示す断面概略図。

【図2】比較例１および実施例１に係る、電子供給層４／スペーサー層Ｓ／チャネル層３付近をＳＴＥＭ観察した断面図とＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析して得た元素比の結果を表す図。

【図3】実施例１に係る、電子供給層４／スペーサー層Ｓ／チャネル層３付近を、図２より低倍率で断面ＳＴＥＭ観察した場合における明視野ＳＴＥＭ像（左）、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像（右）。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を図面も参照して詳細に説明する。本発明の窒化物半導体エピ基板は、チャネル層３、スペーサー層Ｓ、電子供給層４がこの順に積層され、前記チャネル層３がＧａＮ、前記スペーサー層がＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）、前記電子供給層４がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１）、前記スペーサー層Ｓの層厚は２分子層以下、の層構造を備える。

【0016】

図１は、本発明の窒化物半導体エピ基板の一態様を示す断面概略図である。なお、本発明で示す図はすべて、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。

【0017】

図１に示す窒化物半導体基板Ｚは、下地基板１上に、バッファ層２、チャネル層３、スペーサー層Ｓ、電子供給層４が順次形成されたものである。なお、図示しないが、さらに電極、必要に応じてキャップ層を付与することで、ＨＥＭＴとすることができる。

【0018】

本発明は、ヘテロ界面を有し、その界面近傍に発生する二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を電流経路として用いるＨＥＭＴにおいて、特に好適な特性を発揮するものである。従って、下地基板１とバッファ層２は、その素材や、物性、構造、製造方法に格別の制限はなく、広く公知の手法が適用できる。

【0019】

下地基板１としては、シリコン単結晶、炭化ケイ素、サファイア、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等が挙げられる。ところで、これらの材料において、絶縁性がより高い炭化ケイ素、サファイア等と比べて、シリコン単結晶は、縦方向の耐圧の点で不利になりがちであるが、大口径化が容易で低コスト化できる点では好適といえるので、本発明では、シリコン単結晶を用いた窒化物半導体基板を例示する。

【0020】

バッファ層２としては、例えば、特許第５１５９８５８号公報または特許第５１８８５４５号公報に開示のあるバッファ層構造が適用できる。具体的には、第一層が厚さ５０～２００ｎｍのＡｌＮ、第二層が厚さ１００～３００ｎｍのＡｌＧａＮで構成される層や、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）及びＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）が基板側からこの順に交互に繰り返し積層され、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）には、炭素が１×１０¹⁸～１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³含まれ、該Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）には、炭素が１×１０¹⁷～１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³含まれる多層バッファ層が適用できる。さらには、チャネル層３に接するように、高抵抗のバッファ層、一例として、炭素濃度１×１０¹⁸～３×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、厚さ１００～２００ｎｍ程度のＧａＮ層があると、このＧａＮ層による縦方向の耐圧向上効果が発揮され、特に好ましい。

【0021】

本発明において、チャネル層３は第１の１３族元素の窒化物半導体からなり、電子供給層４は第１の１３族元素及び第２の１３族元素の窒化物半導体からなる。１３族元素は、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）等である。本発明において、第１の１３族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎのいずれか一つの元素であり、第２の１３族元素は、Ｇａ、Ａｌ及びＩｎのいずれか一つの元素であって、第１の１３族元素以外の元素である。第１の１３族元素がＧａ、第２の１３族元素がＡｌである組み合わせが、基板設計の自由度の高さの点で好適である。

【0022】

チャネル層３及び電子供給層４は、その層厚について格別の制限はなく、概ねチャネル層３については０．３～３．０μｍ、電子供給層４については１０～１００ｎｍである。また、電子供給層４には、各種の元素がドープされていてもよい。各種の元素として、例えば、炭素、リン、マグネシウム、ケイ素、鉄、酸素、及び水素等が挙げられる。

【0023】

そして本発明では、チャネル層３と電子供給層４との間に、スペーサー層Ｓを有している。このスペーサー層Ｓも、基本的には、従来技術におけるスペーサー層と同じ機能を得るためのものであり、ＨＥＭＴにおける二次元電子ガス濃度の増大による高出力化と電子移動度の向上との両立を目的としている。

【0024】

本発明では、スペーサー層ＳがＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）、電子供給層４がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１）、スペーサー層Ｓの層厚は２分子層以下、特にスペーサー層Ｓの層厚は２分子層以下、という形態に特徴がある。

【0025】

このような形態は、窒化物半導体基板Ｚの断面を走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）により観察し、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）で元素分析することで特定される。図２に、比較例１及び実施例１に係る、電子供給層４／スペーサー層Ｓ／チャネル層３付近をＳＴＥＭ観察した断面図、電子供給層４／スペーサー層Ｓ／チャネル層３付近をＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析して得た結果を示す。なお、ＥＤＳはＳＴＥＭ装置に付属するＥＤＳ測定装置により測定される。

【0026】

なお、ＥＤＳで得られた値は、その測定原理上、数値はあくまで参考値であるが、異なる元素同士の存在比率は正確に反映されており、本発明においても、対象とする元素のＡｌがどのような分布をしているかを、概ね正確に知ることができる。

【0027】

スペーサー層Ｓは、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）の組成を有する。スペーサー層として機能させること、すなわち、移動度を向上させるには、Ａｌがある程度存在している必要がある。本発明のように、チャネル層３がＧａＮであれば、Ａｌ組成ａは０．１程度から移動度向上効果が発現され、ａが大きいほどその効果は高くなる。

【0028】

ところで、スペーサー層Ｓは、ＧａＮからなるチャネル層３に直接接しているため、ａに比例して大きくなるＧａＮとの格子定数の差により、その界面に発生する歪に起因して転位密度が増加する。この増加した転位密度が、電流コラプス悪化の一因と考えられる。

【0029】

また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で層形成する場合、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）の組成を有するスペーサー層Ｓは、ＧａＮに比べて炭素をより多く含み、電流コラプスを悪化させているといえる。

【0030】

さらに、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）の組成を有するスペーサー層Ｓの厚さが薄い方が、チャネル層３のＧａＮとより格子整合するため、欠陥が入りにくく、電流コラプスの抑制に効果がある。しかし、同じ厚さであれば、ａが大きいと、ＧａＮとの格子定数差が拡大するので、ＧａＮからなるチャネル層３中に発生する欠陥量は多くなる。

【0031】

以上まとめると、スペーサー層ＳがＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜０．５）からなる場合、電流コラプス抑制効果の観点からは、厚さは薄いほど、ａは小さいほど好ましいが、ａは所定の値以上でないと、移動度向上が図れない、といえる。

【0032】

上記の観点に基づいて、以下、従来技術との相違について、詳しく説明する。

【0033】

特許文献１では、層厚が１分子層以上４分子層以下のＡｌＮであるスペーサー層を例示している。すなわち、ＡｌＮであることによる欠点である、バリア層からチャネル層への電流注入阻害を、層厚を薄くすることで対応しようとするものである。しかし、ＡｌＮとＧａＮが直接接すると、界面での転位発生、ＡｌＮ層の高炭素濃度は、スペーサー層がＡｌＧａＮの場合と比較すると、どうしても特性が劣る方向に進むことは否めない。

【0034】

特許文献２では、チャネル層と接するスペーサー層のＡｌ原子比率を残余より高くする、さらには、合金散乱の抑制効果を高めるため、チャネル層と接する箇所はＡｌＮとすることが好ましく、そのＡｌＮの層厚は、数原子層が好ましい、としている。すなわち、特許文献２においても、チャネル層と接する箇所はＡｌＮが好ましく、ＡｌＮであることによるデメリットを、層厚を小さくすることで対処する技術思想があるといえる。

【0035】

これに対して、本発明は、チャネル層３と接する箇所のスペーサー層ＳのＡｌ原子比率、及び、スペーサー層Ｓの層厚、という２つのパラメータについて、さらに検討を行い、スペーサー層Ｓを薄くすることを基調としながら、スペーサー層ＳのＡｌ原子比率との関係が、ＨＥＭＴに対してどのような影響があるかを、新たな視点から検討したものである。

【0036】

すなわち、スペーサー層Ｓの存在が電流コラプスの悪化に寄与していることに重点を置き、特許文献１及び２に記載のスペーサー層に比べて、ＡｌＧａＮからなるスペーサー層ＳのＡｌ原子比率を低くし、かつ、厚さを薄くすることで、ＡｌＧａＮと、チャネル層３を構成するＧａＮとより格子整合するので欠陥が入りにくくコラプスの抑制に効果があること、前記効果を有しつつ、本来スペーサー層が有する移動度向上効果が大きく損なわれない最適値が存在する、という現象を見出し、本発明に至ったものである。

【0037】

本発明は、スペーサー層Ｓの層厚が２分子層以下、という構成により、上記の作用効果が得られることを見出したものである。スペーサー層Ｓは必ず存在しないといけないので、下限は１分子層である。一方、スペーサー層Ｓは、やはり厚いと電流コラプス悪化の点で不利であることがわかってきたので、層厚は２分子以下が好ましいといえる。

【0038】

本発明では、スペーサー層Ｓ中のＡｌ原子比率は、好適にはＳＴＥＭ－ＥＤＳで評価する。ただし、１～２分子の厚さでＡｌ原子比率を正確に評価することは、現状では極めて困難である。よって、ＳＴＥＭ－ＥＤＳを用いても、高精度な定量化は望めないものの、例えば、電子供給層４とスペーサー層Ｓとを区別することと、それぞれの層のおおよそのＡｌ原子比率を得ることは可能である。

【0039】

図２では、比較例１と実施例１を対比している。スペーサー層Ｓが厚い比較例１では、スペーサー層Ｓの存在が写真からはっきり確認できる。これに対して、層厚が薄く、また解像度の関係で明瞭ではないものの、実施例１でもなんとか識別できる程度の濃淡は確認できている。また、実施例１では、図２のＥＤＳグラフでは、スペーサー層Ｓと電子供給層４とのＡｌ原子比率に差がないように見えるが、数値データの解析結果からは、スペーサー層ＳのＡｌ原子比率は２０％、電子供給層４のＡｌ原子比率は１５％であった。

【0040】

図３は、図２に示した実施例１の断面図のスペーサー層Ｓと電子供給層４との界面付近の境界をより鮮明に見えるように、図２よりさらに低倍率で観察した際の明視野ＳＴＥＭ像（左）とＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像（右）である。ＨＡＡＤＦ像はＺコントラストとなるため、分析領域に軽い原子が多いほど（ここではＡｌＧａＮのＡｌ組成が高いほど）暗く映る。図３からは、下から順に最も明るい（ＧａＮ層）、最も暗い（スペーサー層）、前記２つの中間の明るさ（ＡｌＧａＮ電子供給層）のコントラストが異なる３つの層が確認できる。このように本発明のチャネル層３部分には、ＡｌＧａＮ電子供給層よりもＡｌ組成比の高いスペーサー層の存在を明確に確認できる。

【0041】

本発明では、スペーサー層ＳのＡｌ原子比率が電子供給層４のＡｌ原子比率より高いと、スペーサー層ＳのＡｌ原子比率と電子供給層４のＡｌ原子比率に差が無い場合との比較において、本来スペーサー層が持つ移動度向上効果をより保持できる、いう点で好ましいといえる。

【0042】

なお、電子供給層４のＡｌ原子比率は、１０％以上３０％以下の間が好ましい。すなわち、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＋ｙ≦１）において、ｘが０．１～０．３、ｙが０～０．９でｘ＋ｙ≦１であることが好ましい。電子供給層４の厚さも、特に制限はないが、１０ｎｍから６０ｎｍの間で適時設計される。

【0043】

スペーサー層Ｓ中のＡｌ原子比率によるプロファイル形状は、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層３を形成した直後からの各種原料ガス、キャリアガスの流量、反応炉内圧力の調整に加えて、Ａｌ原料ガスの供給タイミング等を最適化することで、適切に得られる。

【0044】

本発明に係るスペーサー層Ｓ及び電子供給層４を、ＭＯＣＶＤ法で得るための好適な一態様は、気相成長装置の反応炉内で、Ｇａ原料ガス及びＮ原料ガスを用いてＧａＮからなるチャネル層３を形成した後、スペーサー層及び電子供給層を形成するにあたり、前記Ｇａ原料ガス、前記Ｎ原料ガス及びＡｌ原料ガスを用いて、炉内圧力２００～３００ｈＰａで５～１０秒間かけてスペーサー層Ｓを形成した後、前記スペーサー層形成時の成膜温度を保持したまま、速やかに原料ガスの供給比率を変えて前記電子供給層を形成する、というものである。

【0045】

このような方法によれば、分子蒸着のような手法でなくても、ＭＯＣＶＤ法で１～２分子厚の窒化物半導体層を形成することができる。

【0046】

以上の通り、本発明の窒化物半導体エピ基板は、従来のスペーサー層を有するものと同様に、二次元電子ガスの移動度を向上させ、トランジスタを高速化できる効果を備えると同時に、スペーサー層導入による電流コラプス特性の悪化を抑制しつつ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ－ＨＥＭＴ素子のオン抵抗低減を図れる構造である。

【実施例】

【0047】

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。

【0048】

［共通の実験条件］
直径６インチ、厚さ１０００μｍ、ｐ型で比抵抗０．０１Ωｃｍ、面方位（１１１）のシリコン単結晶基板を下地基板１として準備した。これ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、昇温及びガス置換後に、成長温度１０００℃で１５分間、水素１００％雰囲気、炉内圧力１３５ｈＰａの条件で熱処理を行い、下地基板１の表面の自然酸化膜を除去し、表面にシリコンの原子ステップを発現させた。

【0049】

続けて、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、厚さ７０ｎｍのＡｌＮ単結晶を形成した。次に、成長温度１０００℃、炉内圧力を６０ｈＰａに調整して、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃を用いて、厚さ３００ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ単結晶層を形成した。次に、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃を用いて、厚さ５ｎｍのＡｌＮ単結晶層、及び厚さ３０ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ単結晶層を交互に積層し、層厚約２４５０ｎｍの多層構造を形成した。以上のようにして、前記下地基板１の上にバッファ層２を形成した。

【0050】

前記バッファ層２の上に、チャネル層３として、成長温度１０３０℃、炉内圧力２００ｈＰａに調整して、厚さ３０００ｎｍのＧａＮ単結晶層を積層した。

【0051】

前記チャネル層３の上に、後述する実施例１及び比較例１に記載の条件で、それぞれスペーサー層Ｓ（Ａｌ_aＧａ_1-aＮ）を形成した。

【0052】

そして、スペーサー層Ｓの上に、電子供給層４として、成長温度１０００℃、炉内圧力２００ｈＰａに調整して、厚さ２４ｎｍのＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ単結晶層を形成し、さらに、キャップ層として４ｎｍのＧａＮ層を形成した。以上の通りの工程を経て、評価用の窒化物半導体エピ基板を得た。なお、気相成長により形成した各層の厚さや炭素濃度の制御は、原料ガスの流量及び供給時間、基板温度、その他公知の成長条件の調整により行った。

【0053】

［実施例１］
成長温度１０３０℃、炉内圧力２００ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃を１．５秒間導入して、前記チャネル層３の上にスペーサー層Ｓを形成し、実施例１とした。図２から評価した結果、その層厚は約０．２５ｎｍ（１分子層）であった。

【0054】

［比較例１］
成長温度１０３０℃、炉内圧力５０ｈＰａで、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＮＨ₃を１０秒間導入して、前記チャネル層３の上にスペーサー層Ｓを形成し、比較例１とした。この場合は、スペーサー層Ｓ中のＡｌ含有量が実施例１よりも相当高くなり、厚さ方向にＡｌ組成比が５０％を超える高Ａｌ濃度の領域が形成される。その層厚は約１ｎｍ（４分子層）であった。

【0055】

得られた実施例１及び比較例１の窒化物半導体エピ基板について、スペーサー層Ｓ、およびこれに隣接するチャネル層３と電子供給層４の一部について、断面観察と元素分析を行った。その条件を以下に示す。

【0056】

［評価１～ＳＴＥＭ観察］
それぞれの窒化物半導体エピ基板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、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ；集束イオンビーム）法により薄片化して、測定用の試料を得た。この試料を、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）により観察した。使用した装置は、日本電子（株）製ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆであり、加速電圧を２００ｋＶとした。また、元素分析は、用いたＳＴＥＭに付属のＥＤＳ測定器（エネルギー分散型Ｘ線分光器）（ＪＥＤ－２３００Ｔ）で行い、測定条件は、加速電圧２００ｋＶ、ビーム径０．１ｎｍφ、エネルギー分解能約１４０ｅＶとした。

【0057】

［評価２～ＥＤＳ分析］
上記のＳＴＥＭ観察後、電子供給層４／スペーサー層Ｓ／チャネル層３付近について、幅２０ｎｍの範囲を、ライン上に１００点ビーム照射することでＥＤＳ測定した。ビーム間隔は０．２ｎｍ、１点当たりの測定時間は１秒とした。

【0058】

ここでは、スペーサー層Ｓの形態を特定するのに、窒化物半導体エピ基板の主面中央付近１点をサンプリングした。ＭＯＣＶＤ法による成膜は、成膜の精度が高いので、これでも充分といえるが、必要に応じて、さらにサンプリング数を増やしてもよく、例えば、外周１０ｍｍ内側を２箇所追加して、計３点からサンプリングしてもよい。

【0059】

［評価３～電子移動度］
次に、ＳＴＥＭ観察およびＥＤＳ分析したのと同じ窒化物半導体エピ基板について、ｖａｎＤｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール効果測定を行い、電子移動度を評価した。はじめに基板を７ｍｍ角のチップにダイシングし、個々のチップの電子供給層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、ＡＣＣＥＮＴ製ＨＬ５５００ＰＣを用いて、ホール効果測定を行った。

【0060】

［評価４～電流コラプス］
電流コラプス特性の評価は、次のようにして行った。まず、上記において作製したそれぞれの評価用窒化物半導体エピ基板に対して、リセスゲート領域及び素子分離領域の溝をドライエッチングにより形成し、電子供給層４側にゲート電極としてＡｕ電極を、ソース電極及びドレイン電極としてＡｌ電極を、また、下地基板の裏面側に裏面電極としてＡｌ電極を、それぞれ真空蒸着により形成した。そして、ＨＥＭＴ素子を作製したオフ状態でソース－ドレイン電極間にある一定のストレス電圧を印加し、その印加前後のオン状態の導通電流量の比からコラプスファクターと呼ばれる定数を算出することにより評価した。コラプスファクターは、値が１．０に近いほど、素子の通電損失が小さいことを示す。コラプスファクターが０．７～１．０の場合：○、０．５～０．７未満の場合：△、０．５未満の場合：×とした。

【0061】

その結果、実施例１の電子移動度は、比較例１との比較で９０％前後の低下にとどまったが、これは、実用上大きな問題にならない程度の差といえるものである。一方、電流コラプスは、実施例１は〇、比較例１は△であった。

【0062】

上記結果より、実施例１では、電子移動度向上効果と電流コラプス抑制効果とが両立されて得られているといえる。一方、比較例１は、実施例１と比べて、電子移動度はおおむね同等以上であるが、電流コラプス抑制効果では劣るものであった。

【0063】

このことから、本発明の窒化物半導体エピ基板は、電子移動度を大幅に損なうことなく、電流コラプス抑制効果を有意に得ることができるので、特に、スペーサー層の挿入による悪影響は極力避けたいが、スペーサー層挿入効果はある程度ほしい、というような、個別の要求に合わせた最適な設計をも可能とするものといえる。

【符号の説明】

【0064】

Ｚ 窒化物半導体基板
１ 下地基板
２ バッファ層
３ チャネル層
Ｓ スペーサー層
４ 電子供給層

【図1】

【図2】

【図3】