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特許7550557化合物半導体基板および化合物半導体基板の製造方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(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】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】化合物半導体基板および化合物半導体基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

H01L 21/338 20060101AFI20240906BHJP

H01L 29/778 20060101ALI20240906BHJP

H01L 29/812 20060101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020121743

(22)【出願日】2020-07-15

(65)【公開番号】P2022018560

(43)【公開日】2022-01-27

【審査請求日】2023-04-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000126115

【氏名又は名称】エア・ウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110788

【弁理士】

【氏名又は名称】椿豊

(74)【代理人】

【識別番号】100124589

【弁理士】

【氏名又は名称】石川竜郎

(72)【発明者】

【氏名】大内澄人

(72)【発明者】

【氏名】川村啓介

【審査官】市川武宜

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２０７７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７４２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０８２１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０２７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１９０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００７７２４２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ２９／８１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の窒化物半導体よりなる電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、前記第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体よりなる障壁層と、
前記障壁層と接触して前記障壁層上に形成された窒化物半導体よりなるキャップ層とを含み、
前記キャップ層は、５×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下のＣ濃度を有し、
前記キャップ層の上面における中心を含む領域であって５μｍの辺を有する正方形の領域を規定した場合に、前記領域内の二乗平均平方根高さＲｑは０より大きく１．０ｎｍ以下であり、
前記障壁層は、Ａｌ _e Ｇａ _1-e Ｎ（０．１７≦ｅ≦０．２７）よりなり、
前記キャップ層は、Ａｌ _g Ｇａ _1-g Ｎ（０≦ｇ≦０．１５）よりなる、化合物半導体基板。

【請求項2】

基板と、
前記基板上に形成されたＡｌＮを含むバッファー層と、
前記バッファー層上に形成された窒化物半導体層とをさらに備え、
前記電子走行層は、ＧａＮよりなり、前記窒化物半導体層上に形成され、
前記障壁層は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる、請求項１に記載の化合物半導体基板。

【請求項3】

前記基板はＳｉよりなり、
前記基板と前記バッファー層との間に形成されたＳｉＣ層をさらに備え、
前記窒化物半導体層は、
前記バッファー層上に形成されたＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）で表される材料よりなるＡｌ窒化物半導体層と、
前記Ａｌ窒化物半導体層上に形成された複合層とを含み、
前記複合層は、
積層された複数のＧａＮ層と、
前記複数のＧａＮ層の各々の間に形成された１層以上のＡｌＮ層とを含み、
前記複数のＧａＮ層のうち最上部のＧａＮ層は、前記電子走行層のＣ濃度よりも高いＣ濃度を有する、請求項２に記載の化合物半導体基板。

【請求項4】

第１の窒化物半導体よりなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に、前記第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体よりなる障壁層を形成する工程と、
前記障壁層と接触して前記障壁層上に、有機金属気相成長法を用いてキャップ層を形成する工程とを備え、
前記キャップ層は、５×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下のＣ濃度を有し、窒化物半導体よりなり、
前記キャップ層を形成する工程において、前記キャップ層を構成する窒化物半導体の原料ガスと、炭化水素ガスとを前記障壁層の上面に導入する、化合物半導体基板の製造方法。

【請求項5】

前記電子走行層を形成する工程において、基板上に前記電子走行層を形成し、
前記障壁層を形成する工程における前記基板の温度は第１の温度であり、
前記キャップ層を形成する工程における前記基板の温度は第２の温度であり、
前記第１の温度よりも２５℃低い温度を第３の温度とした場合、前記第２の温度は前記第３の温度よりも高い、請求項４に記載の化合物半導体基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、化合物半導体基板および化合物半導体基板の製造方法に関し、より特定的には、電子走行層と障壁層とを備えた化合物半導体基板および化合物半導体基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＧａＮ（窒化ガリウム）は、Ｓｉ（ケイ素）に比べてバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いワイドバンドギャップ半導体材料として知られている。ＧａＮは、他のワイドバンドギャップ半導体材料と比べても高い耐絶縁破壊性を有するので、次世代の低損失なパワーデバイスへの適用が期待されている。

【0003】

次世代の低損失なパワーデバイスの鍵となる技術として、ＧａＮやＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）などの窒化物半導体よりなるＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、高電子移動度トランジスタ）が注目されている。窒化物半導体よりなるＨＥＭＴの技術は、近年、急速に開発されている。

【0004】

窒化物半導体よりなるＨＥＭＴは、第１の窒化物半導体よりなる電子走行層と、電子走行層上に形成された第２の窒化物半導体よりなる障壁層とを含んでいる。第２の窒化物半導体は、第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有している。窒化物半導体よりなるＨＥＭＴでは、電子走行層における障壁層との界面付近に２次元電子ガスが形成される。この２次元電子ガスがＨＥＭＴの動作に用いられる。窒化物半導体よりなるＨＥＭＴは、ＧａＡｓ系の半導体材料よりなる電界効果トランジスタと比較して、約１０倍の２次元電子ガスを生み出すことができ、電流密度が大きい。したがって、窒化物半導体よりなるＨＥＭＴには、高出力および高効率での動作が期待されており、次世代の高出力増幅器として期待されている。また、ＧａＡｓの絶縁破壊電圧は０．４ＭＶ／ｃｍであるのに対し、ＧａＮの絶縁破壊電圧は３．０ＭＶ／ｃｍである。ＧａＮは、ＧａＡｓの絶縁破壊電圧の約７．５倍という高い絶縁破壊電圧を有している。この事実も、窒化物半導体よりなるＨＥＭＴが次世代の高出力増幅器として期待されることの要因となっている。

【0005】

図２２は、従来の窒化物半導体よりなるＨＥＭＴ１０１０の構成を模式的に示す断面図である。

【0006】

図２２を参照して、従来のＨＥＭＴ１０１０は、基板１００１と、バッファー層１００２と、電子走行層１００３と、障壁層１００４と、ソース電極１００５と、ドレイン電極１００６と、ゲート電極１００７と、パッシベーション層１００８とを備えている。基板１００１上には、バッファー層１００２、電子走行層１００３、障壁層１００４がこの順序で積層されている。障壁層１００４上には、ソース電極１００５、ドレイン電極１００６、およびゲート電極１００７の各々が互いに間隔をおいて設けられている。ゲート電極１００７は、ソース電極１００５とドレイン電極１００６との間に設けられている。障壁層１００４上におけるソース電極１００５、ドレイン電極１００６、およびゲート電極１００７が形成されていない位置には、パッシベーション層１００８が設けられている。ソース電極１００５、ドレイン電極１００６、ゲート電極１００７、およびパッシベーション層１００８は、障壁層１００４と接触している。

【0007】

基板１００１はたとえばＳｉＣ（炭化ケイ素）などよりなっている。バッファー層１００２はたとえばＡｌＧａＮなどよりなっている。電子走行層１００３はたとえばアンドープのＧａＮなどよりなっている。障壁層１００４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮなどよりなっている。パッシベーション層１００８はたとえばＳｉＯ₂（酸化ケイ素）やＳｉＮ（窒化ケイ素）よりなっている。

【0008】

ＨＥＭＴ１０１０では、ソース電極１００５とドレイン電極１００６との間に電圧を印加することにより、２次元電子ガス１００３ａを経由してソース電極１００５とドレイン電極１００６との間を電子が移動する。ゲート電極１００７に印加する電圧により２次元電子ガス１００３ａの濃度が変化する。このため、ゲート電極１００７に印加する電圧により、ソース電極１００５とドレイン電極１００６との間に流れる電流のスイッチング動作を実現することができる。

【0009】

従来のＨＥＭＴ１０１０を高電圧の下で使用した場合、障壁層１００４の表面荒れ（障壁層１００４の上面１００４ａの凹凸）に起因する問題が生じていた。具体的には、ゲートリークの問題（図２２中点線Ｘ１で囲んだ部分）があった。この問題は、上面１００４ａの凹凸の部分に電界が集中し、ゲート電極１００７と、ソース電極１００５またはドレイン電極１００６との間にリーク電流が流れるという問題である。リーク電流は本来流れるはずのない電流である。また、電流コラプスが悪化するという問題（図２２中点線Ｘ２で囲んだ部分）があった。この問題は、ＨＥＭＴ１０１０内を走行する電子がＨＥＭＴ１０１０内の結晶欠陥にトラップされ、ＨＥＭＴ１０１０のオン抵抗が増加するという問題である。さらに、信頼性が低いという問題があった。すなわち、ＨＥＭＴ１０１０に長期的に通電した場合に、ＨＥＭＴが突然破壊することがあった。

【0010】

図２３は、従来の窒化物半導体よりなるＨＥＭＴ１０２０の構成を模式的に示す断面図である。

【0011】

図２３を参照して、障壁層の表面荒れに起因する問題の解決策として、従来のＨＥＭＴ１０２０では、障壁層１００４上に、障壁層１００４と接触するようにキャップ層１０１１が設けられている。キャップ層１０１１は、１ｎｍ～１０ｎｍの程度の厚さを有している。キャップ層１０１１の上面１０１１ａの平坦性は、障壁層１００４の上面１００４ａの平坦性よりも高い。このため、ＨＥＭＴ１０２０によれば、障壁層１００４の表面荒れに起因する問題（特にゲートリークの問題）をある程度改善することができる。しかし、ＨＥＭＴ１０２０を高電圧の下で使用した場合、ゲートリークを一層抑止する必要があった。

【0012】

そこで、キャップ層中にＣ（炭素）を意図的にドープする技術が、たとえば下記特許文献１において提案されている。下記特許文献１には、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、有機金属気相成長法）にて電子供給層を形成する際に、電子供給層のうち表面側の領域（キャップ層）中にＣを意図的にドープし、電子供給層のうち表面側の領域中におけるＣの濃度を高める技術が開示されている。下記特許文献１では、ＡｌＧａＮよりなる電子供給層のうち表面側の領域を形成する際の成長温度が、電子供給層のうち電子走行層側の領域を形成する際の成長温度よりも低くされている。下記特許文献１の技術によれば、Ｃのドープにより電子供給層の表面側の領域が高抵抗化されるため、ゲートリークを一層抑止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【文献】特開２０１８－２００９３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

従来の技術では、キャップ層中に必要な量のＣを取り込むためには、キャップ層の成長温度を低くする必要があった。具体的には、下層である障壁層（引用文献１の電子供給層）の成長温度や、Ｃを意図的にドープしない場合のキャップ層の成長温度よりも、キャップ層の成長温度を３００℃程度低い成長温度に設定する必要があった。

【0015】

しかし、キャップ層の成膜を開始する際に成長温度を大きく低下させると、障壁層の表面荒れが生じていた。また、キャップ層の品質も低下していた。その結果、従来の技術では、キャップ層中にＣを意図的にドープすると障壁層の表面荒れに起因する問題が再び生じていた。

【0016】

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、ゲートリークを抑止しつつ障壁層の表面荒れを抑止することのできる化合物半導体基板および化合物半導体基板の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明の一の局面に従う化合物半導体基板は、第１の窒化物半導体よりなる電子走行層と、電子走行層上に形成され、第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体よりなる障壁層と、障壁層と接触して障壁層上に形成された窒化物半導体よりなるキャップ層とを含み、キャップ層は、５×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下のＣ濃度を有し、キャップ層の上面における中心を含む領域であって５μｍの辺を有する正方形の領域を規定した場合に、領域内の二乗平均平方根高さＲｑは０より大きく１．０ｎｍ以下であり、障壁層は、Ａｌ _e Ｇａ _1-e Ｎ（０．１７≦ｅ≦０．２７）よりなり、キャップ層は、Ａｌ _g Ｇａ _1-g Ｎ（０≦ｇ≦０．１５）よりなる。

【0019】

上記化合物半導体基板において好ましくは、障壁層は、Ａｌ_eＧａ_1-eＮ（０．１９≦ｅ≦０．２２）よりなり、キャップ層は、Ａｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦０．０８）よりなる。

【0020】

上記化合物半導体基板において好ましくは、キャップ層は、ＧａＮよりなる。

【0021】

上記化合物半導体基板において好ましくは、基板と、基板上に形成されたＡｌＮ（窒化アルミニウム）を含むバッファー層と、バッファー層上に形成された窒化物半導体層とをさらに備え、電子走行層は、ＧａＮよりなり、窒化物半導体層上に形成され、障壁層は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる。

【0022】

上記化合物半導体基板において好ましくは、基板はＳｉ（ケイ素）よりなり、基板とバッファー層との間に形成されたＳｉＣ層をさらに備え、窒化物半導体層は、バッファー層上に形成されたＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）で表される材料よりなるＡｌ窒化物半導体層と、Ａｌ窒化物半導体層上に形成された複合層とを含み、複合層は、積層された複数のＧａＮ層と、複数のＧａＮ層の各々の間に形成された１層以上のＡｌＮ層とを含み、複数のＧａＮ層のうち最上部のＧａＮ層は、電子走行層のＣ濃度よりも高いＣ濃度を有する。

【0023】

本発明の他の局面に従う化合物半導体基板の製造方法は、第１の窒化物半導体よりなる電子走行層を形成する工程と、電子走行層上に、第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体よりなる障壁層を形成する工程と、障壁層と接触して障壁層上に、有機金属気相成長法を用いてキャップ層を形成する工程とを備え、キャップ層は、５×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下のＣ濃度を有し、窒化物半導体よりなり、キャップ層を形成する工程において、キャップ層を構成する窒化物半導体の原料ガスと、炭化水素ガスとを障壁層の上面に導入する。

【0024】

上記製造方法において好ましくは、電子走行層を形成する工程において、基板上に電子走行層を形成し、障壁層を形成する工程における基板の温度は第１の温度であり、キャップ層を形成する工程における基板の温度は第２の温度であり、第１の温度よりも２５℃低い温度を第３の温度とした場合、第２の温度は第３の温度よりも高い。

【0025】

上記製造方法において好ましくは、第２の温度は第１の温度と等しい。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、ゲートリークを抑止しつつ障壁層の表面荒れを抑止することのできる化合物半導体基板および化合物半導体基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。

【図2】本発明の第１の実施の形態におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【図3】ＧａＮ層を構成するＧａＮの二次元成長を模式的に示す図である。

【図4】本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す平面図である。

【図5】本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。

【図6】本発明の第１および第２の実施の形態の第１の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【図7】本発明の第１および第２の実施の形態の第２の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【図8】本発明の第１および第２の実施の形態の第３の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【図9】本発明の第３の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ３の構成を示す断面図である。

【図10】本発明の第４の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ４の構成を示す断面図である。

【図11】本発明の第５の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ５の構成を示す断面図である。

【図12】本発明の第６の実施の形態における半導体装置ＳＤの一部の構成を示す断面図である。

【図13】本発明の第１の実施例におけるゲートリーク電流Ｉｇの測定方法を示す図である。

【図14】本発明の第１の実施例における試料１～３の各々の測定結果を示す表である。

【図15】試料１および２の各々の領域ＲＧ内をＡＦＭで撮影した画像を示す図である。

【図16】本発明の第２の実施例における化合物半導体基板ＣＳ１０の構成を示す断面図である。

【図17】本発明の第２の実施例における縦耐電圧の計測方法を示す断面図である。

【図18】本発明の第３の実施例における化合物半導体基板ＣＳ６の構成を示す断面図である。

【図19】本発明の第３の実施例において算出された濃度誤差ΔＣの値を示す図である。

【図20】本発明の第３の実施例において算出された膜厚誤差ΔＷの値を示す図である。

【図21】本発明の第３の実施例において計測された欠陥密度の値を示す図である。

【図22】従来の窒化物半導体よりなるＨＥＭＴ１０１０の構成を模式的に示す断面図である。

【図23】従来の窒化物半導体よりなるＨＥＭＴ１０２０の構成を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

【0029】

［第１の実施の形態］

【0030】

図１は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す断面図である。

【0031】

図１を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１（化合物半導体基板の一例）は、ＨＥＭＴを含んでいる。化合物半導体基板ＣＳ１は、基板１（基板の一例）と、ＳｉＣ層２（ＳｉＣ層の一例）と、ＡｌＮバッファー層３（バッファー層の一例）と、窒化物半導体層６（窒化物半導体層の一例）と、電子走行層７（電子走行層の一例）と、障壁層８（障壁層の一例）と、キャップ層９（キャップ層の一例）とを備えている。

【0032】

基板１は、たとえばｐ⁺型のＳｉよりなっている。基板１の上面には（１１１）面が露出している。なお、基板１は、ｎ型の導電型を有していてもよいし、半絶縁性であってもよい。基板１は、ＳｉＣやサファイヤなどのＳｉ以外の材料よりなっていてもよい。基板１の表面には（１００）面や（１１０）面が露出していてもよい。基板１は、たとえば６インチの直径を有しており、１０００μｍの厚さを有している。

【0033】

ＳｉＣ層２は、基板１に接触しており、基板１上に形成されている。ＳｉＣ層２は、３Ｃ－ＳｉＣ、４Ｈ－ＳｉＣ、または６Ｈ－ＳｉＣなどよりなっている。特に、ＳｉＣ層２がＳｉよりなる基板１上にエピタキシャル成長されたものである場合、一般的に、ＳｉＣ層２は３Ｃ－ＳｉＣよりなっている。

【0034】

ＳｉＣ層２は、Ｓｉよりなる基板１の表面を炭化することで得られたＳｉＣよりなる下地層上に、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＬＰＥ（ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法などを用いて、ＳｉＣを成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層２は、Ｓｉよりなる基板１の表面を炭化することのみによって形成されてもよい。さらに、ＳｉＣ層２は、Ｓｉよりなる基板１の表面に（またはバッファー層を挟んで）ヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層２は、たとえばＮ（窒素）などがドープされており、ｎ型の導電型を有している。ＳｉＣ層２は、たとえば０．１μｍ以上３．５μｍ以下の厚さを有している。なお、ＳｉＣ層２はｐ型の導電型を有していてもよいし、半絶縁性であってもよい。

【0035】

Ｓｉよりなる基板１上にＳｉＣ層２を形成した場合には、バルクのＳｉＣよりなる基板１を用いる場合に比べて、大面積のＳｉＣ層２を容易に形成することができる。また、基板１を構成するＳｉと、ＳｉＣ層２上に形成された層に含まれるＧａとをＳｉＣ層２によって隔てることができる。これにより、基板１を構成するＳｉと、ＳｉＣ層２上に形成された層に含まれるＧａ（ガリウム）とによるメルトバックエッチングを抑止することができる。ＳｉＣよりなる基板１を用いる場合には、ＳｉＣ層２が省略されてもよい。

【0036】

ＡｌＮバッファー層３は、ＡｌＮを含む層である。ＡｌＮバッファー層３は、ＳｉＣ層２に接触しており、ＳｉＣ層２上に形成されている。ＡｌＮバッファー層３は、ＳｉＣ層２とＡｌ窒化物半導体層４との格子定数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。ＡｌＮバッファー層３は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。ＡｌＮバッファー層３の成長温度（成長温度は、その層の形成する際の基板の温度に相当する）は、たとえば１０００℃以上１３００℃以下とされる。このとき、Ａｌ（アルミニウム）源ガスとしては、たとえばＴＭＡ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＡｌｕｍｉｎｉｕｍ）や、ＴＥＡ（ＴｒｉＥｔｈｙｌＡｌｕｍｉｎｉｕｍ）などが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ₃（アンモニア）が用いられる。ＡｌＮバッファー層３は、たとえば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有している。

【0037】

窒化物半導体層６は、ＡｌＮバッファー層３に接触しており、ＡｌＮバッファー層３上に形成されている。窒化物半導体層６は、窒化物半導体よりなる層である。本実施の形態において、窒化物半導体層６は、Ａｌ窒化物半導体層４（Ａｌ窒化物半導体層の一例）と、複合層５（複合層の一例）とを含んでいる。

【0038】

Ａｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＮバッファー層３に接触しており、ＡｌＮバッファー層３上に形成されている。Ａｌ窒化物半導体層４は、Ａｌを含む窒化物半導体よりなっており、たとえばＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）で表される材料よりなっている。またＡｌ窒化物半導体層４は、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０＜ａ≦１、０≦ｂ＜１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される材料よりなっていてもよい。Ａｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＮバッファー層３と複合層５中のＣ－ＧａＮ層５１ａとの格子定数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。Ａｌ窒化物半導体層４は、たとえば５００ｎｍ以上２μｍ以下、好ましくは９００ｎｍ以上２μｍ以下の厚さを有している。Ａｌ窒化物半導体層４は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。

【0039】

複合層５は、Ａｌ窒化物半導体層４に接触しており、Ａｌ窒化物半導体層４上に形成されている。複合層５は、上下方向（基板１、ＳｉＣ層２、ＡｌＮバッファー層３、およびＡｌ窒化物半導体層４の積層方向と同じ方向、図１中縦方向）に積層された複数のＣ－ＧａＮ層と、複数のＣ－ＧａＮ層の各々の間に形成されたＡｌＮ層とを含んでいる。言い換えれば、複合層５は、Ｃ－ＧａＮ層とＡｌＮ層とが１以上の回数だけ交互に積層された構成を有しており、複合層５の最上層および最下層は、いずれもＣ－ＧａＮ層である。Ｃ－ＧａＮ層とは、Ｃを含むＧａＮ層（意図的にＣがドープされたＧａＮ層）である。ＣはＧａＮ層の絶縁性を高める役割を果たす。

【0040】

複合層５を構成するＣ－ＧａＮ層の層数は２以上であればよく、複合層５を構成するＡｌＮ層の層数も任意である。本実施の形態の複合層５は、Ｃ－ＧａＮ層として、２層のＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂと、１層のＡｌＮ層５２ａとを含んでいる。Ｃ－ＧａＮ層５１ａは複合層５を構成する層のうち最下層となっており、Ａｌ窒化物半導体層４と接触している。Ｃ－ＧａＮ層５１ｂは複合層５を構成する層のうち最上層となっており、電子走行層７と接触している。ＡｌＮ層５２ａは、Ｃ－ＧａＮ層５１ａとＣ－ＧａＮ層５１ｂとの間に形成されている。

【0041】

複合層５を構成する複数のＣ－ＧａＮ層（本実施の形態ではＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ）の各々において、中心ＰＴ１（図４）における深さ方向の平均炭素濃度は、３×１０¹⁸個／ｃｍ³以上５×１０²⁰個／ｃｍ³以下であり、好ましくは３×１０¹⁸個／ｃｍ³以上２×１０¹⁹個／ｃｍ³以下である。複合層５を構成する複数のＧａＮ層の各々は、同一の平均炭素濃度を有していてもよいし、互いに異なる平均炭素濃度を有していてもよい。複数のＣ－ＧａＮ層のうち最上部のＣ－ＧａＮ層５１ｂは、電子走行層７のＣ濃度よりも高いＣ濃度を有している。

【0042】

また、複合層５を構成する複数のＣ－ＧａＮ層の各々は、たとえば５５０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは８００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の厚さを有している。複合層５を構成する複数のＣ－ＧａＮ層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。

【0043】

複合層５を構成するＡｌＮ層（本実施の形態ではＡｌＮ層５２ａ）は、たとえば３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有しており、好ましくは２０ｎｍ以下の厚さを有している。複合層５を構成するＡｌＮ層が複数である場合、複合層５を構成するＡｌＮ層の各々は、同一の厚さを有していてもよいし、互いに異なる厚さを有していてもよい。

【0044】

複合層５を構成するＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂは、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえば、ＴＭＧ（ＴｒｉＭｅｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）や、ＴＥＧ（ＴｒｉＥｔｈｙｌＧａｌｌｉｕｍ）などが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ₃などが用いられる。複合層５を構成するＡｌＮ層は、ＡｌＮバッファー層３と同様の方法で形成される。

【0045】

一般的に、Ｃ－ＧａＮ層を形成する際には、Ｃを取り込まない場合のＧａＮ層の成長温度よりも、ＧａＮ層の成長温度が低く設定（具体的には、意図的にＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約３００℃低い温度に設定）される。これにより、Ｇａ源ガスに含まれるＣがＧａＮ層に取り込まれ、ＧａＮ層がＣ－ＧａＮ層となる。一方で、ＧａＮ層の成長温度が低くなると、Ｃ－ＧａＮ層の品質が低下し、Ｃ－ＧａＮ層のＣ濃度の面内均一性が低下する。

【0046】

そこで本願発明者らは、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＮを含むバッファー層と、バッファー層の上面側に形成されたＡｌを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に形成されたＧａＮ層とを備えた構成において、ＧａＮ層（ここではＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々）を形成する際に、反応チャンバー内にＧａ源ガスおよびＮ源ガスとともにＣ源ガス（Ｃプリカーサ）として炭化水素を導入する方法を見出した。この方法によれば、ＣのＧａＮ層への取り込みが促進されるため、ＧａＮの成長温度を高温に設定（具体的には、意図的にＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約２００℃低い温度に設定）しつつ、Ｃ－ＧａＮ層を形成することができる。その結果、Ｃ－ＧａＮ層の品質が向上し、Ｃ－ＧａＮ層のＣ濃度の面内均一性が向上する。

【0047】

具体的に、Ｃ源ガスとしては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、ヘプテン、オクテン、アセチレン、プロピン、ブチン、ペンチン、ヘキシン、ヘプチン、またはオクチンなどの炭化水素が用いられる。特に二重結合や三重結合を含む炭化水素は、高い反応性を有するため好ましい。Ｃ源ガスとしては、１種類のみの炭化水素が用いられてもよいし、２種類以上の炭化水素が用いられてもよい。

【0048】

なお、Ａｌ窒化物半導体層４と複合層５との間には、アンドープのＧａＮ層などの他の層が介在していてもよい。本明細書において「アンドープの層」とは、層の形成時に意図的には不純物をドープしていない層を意味しており、層の形成時に意図せず不純物が取り込まれた層を含むものである。

【0049】

電子走行層７は、窒化物半導体層６に接触しており、窒化物半導体層６上に形成されている。電子走行層７は、任意の窒化物半導体（第１の窒化物半導体）よりなっている。電子走行層７は、たとえばアンドープのＧａＮ（第１の窒化物半導体の一例）よりなっており、半絶縁性である。電子走行層７は、たとえば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有している。電子走行層７は、たとえばＡｌ_cＧａ_1-cＮ（０＜ｃ≦１）で表される材料よりなっている。また電子走行層７は、Ａｌ_cＩｎ_dＧａ_1-c-dＮ（０＜ｃ≦１、０≦ｄ＜１、０≦ｃ＋ｄ≦１）で表される材料よりなっていてもよい。電子走行層７は、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。電子走行層７がＧａＮよりなる場合、Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧやＴＥＧなどが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ₃などが用いられる。

【0050】

障壁層８は、電子走行層７に接触しており、電子走行層７上に形成されている。障壁層８は、電子走行層７を構成する材料のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する窒化物半導体よりなっている。障壁層８は、たとえばＡｌを含む窒化物半導体（第２の窒化物半導体の一例）よりなっており、たとえばＡｌ_eＧａ_1-eＮ（０＜ｅ≦１）で表される材料よりなっている。また障壁層８は、Ａｌ_eＩｎ_fＧａ_1-e-fＮ（０＜ｅ≦１、０≦ｆ＜１、０≦ｅ＋ｆ≦１）で表される材料よりなっていてもよい。障壁層８は、Ａｌ_eＧａ_1-eＮ（０．１７≦ｅ≦０．２７）よりなっていることが好ましく、Ａｌ_eＧａ_1-eＮ（０．１９≦ｅ≦０．２２）よりなっていることがより好ましい。障壁層８は、たとえば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。障壁層８は、たとえば２５ｎｍ以上３４ｎｍ以下の厚さを有していることが好ましい。障壁層８がＡｌ_eＧａ_1-eＮ（０＜ｅ≦１）で表される材料よりなる場合、障壁層８を形成する際の成長温度（基板表面温度）は、たとえば１０００℃以上１１００℃以下である。障壁層８がＡｌ_eＧａ_1-eＮ（０＜ｅ≦１）で表される材料よりなる場合、障壁層８は、Ａｌ窒化物半導体層４と同様の方法で形成されてもよい。

【0051】

なお、電子走行層７と障壁層８との間には、スペーサ層などが介在していてもよい。

【0052】

キャップ層９は、障壁層８に接触しており、障壁層８上に形成されている。キャップ層９は窒化物半導体よりなっている。キャップ層９は、たとえばＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦１）で表される材料よりなっている。またキャップ層９は、Ａｌ_gＩｎ_hＧａ_1-g-fＮ（０≦ｇ≦１、０≦ｈ＜１、０≦ｇ＋ｈ≦１）で表される材料よりなっていてもよい。キャップ層９は、Ａｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦０．１５）よりなっていることが好ましく、Ａｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦０．０８）よりなっていることがより好ましい。キャップ層９は、典型的にはＧａＮよりなっている。キャップ層９は、たとえば１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有している。

【0053】

障壁層８がＡｌ_eＧａ_1-eＮ（０＜ｅ≦１）で表される材料よりなっており、キャップ層９がＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦１）で表される材料よりなっている場合、障壁層８およびキャップ層９の各々のＡｌ組成比は同一であってもよいが、キャップ層９のＡｌ組成比が障壁層８の組成比よりも低いことが好ましい。

【0054】

キャップ層９にはＣが意図的にドープされている。このため、キャップ層をアンドープとした場合と比較して高いＣの濃度を有している。具体的には、キャップ層９は、５×１０¹⁷個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下のＣ濃度を有している。Ｃはキャップ層９の絶縁性を高める役割を果たす。

【0055】

障壁層８およびキャップ層９は、同一の材料（たとえばＡｌＧａＮ）よりなっていてもよい。障壁層８およびキャップ層９が同一の材料よりなる場合、キャップ層９のＣ濃度が障壁層８のＣ濃度よりも高いことで、障壁層８およびキャップ層は互いに区別される。

【0056】

キャップ層９の上面９ａにおける中心を含む領域であって５μｍの辺を有する正方形の領域ＲＧ（図４）を規定した場合に、領域ＲＧ内の二乗平均平方根高さＲｑ（以降、表面粗さＲｑと記すことがある）は０より大きく１．０ｎｍ以下である。

【0057】

キャップ層９は、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。このとき、Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡやＴＥＡなどが用いられる（キャップ層９がＧａＮよりなる場合（Ａｌ_gＧａ_1-gＮにおいてｇ＝１の場合）、Ａｌ源ガスは省略される）。Ｇａ源ガスとしては、たとえば、ＴＭＧやＴＥＧなどが用いられる。Ｎ源ガスとしては、たとえばＮＨ₃などが用いられる。

【0058】

一般的に、層のＣ濃度を高くするためには、アンドープの層とする場合の成長温度よりも、層の成長温度を低く設定する必要がある。具体的には、キャップ層がＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦１）で表される材料よりなる場合、一般的に、キャップ層のＣ濃度を高くするためには、Ｃをドープしない場合の成長温度よりも約３００℃低い温度に設定する必要がある。これにより、Ｇａ源ガスなどに含まれるＣがキャップ層９に取り込まれ、キャップ層９のＣ濃度が高くなる。一方で、キャップ層の成長温度を低くした場合には、キャップ層の成膜を開始する際の基板温度の低下中に障壁層の表面荒れが生じる。また、キャップ層９の品質も低下する。

【0059】

そこで本願発明者らは、キャップ層９を形成する際に、反応チャンバー内における障壁層８の上面８ａに、Ｇａ源ガスおよびＮ源ガスなどのキャップ層９を構成する窒化物半導体の原料ガスとともに、Ｃ源ガス（Ｃプリカーサ）としての炭化水素を導入する方法を見出した。この方法によれば、キャップ層９の成長温度を低くしなくてもＣのキャップ層９への取り込みが促進される。その結果、キャップ層９の成長温度を高く設定しつつキャップ層９のＣ濃度を高くすることができるため、障壁層８の表面荒れおよびキャップ層９の品質の低下を抑止することができる。

【0060】

障壁層８を形成する際の成長温度を温度Ｔ１（たとえば１０３０℃）とし、温度Ｔ１よりも２５℃低い温度を温度Ｔ３（たとえば１００５℃）とした場合、キャップ層９を形成する際の成長温度である温度Ｔ２は、温度Ｔ３よりも高いことが好ましい。温度Ｔ２は温度Ｔ１と等しいことがより好ましい。キャップ層９がＡｌ_gＧａ_1-gＮ（０≦ｇ≦１）で表される材料よりなる場合、温度Ｔ３は、たとえば１０００℃以上１１００℃以下である。

【0061】

【0062】

複合層５、電子走行層７、障壁層８、およびキャップ層９の合計の厚さは、５μｍ以上７μｍ以下であることが好ましい。

【0063】

図２は、本発明の第１の実施の形態におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【0064】

図２を参照して、Ａｌ窒化物半導体層４の内部におけるＡｌの組成比は、下部から上部に向かうに従って減少している。Ａｌ窒化物半導体層４は、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）とを含んでいる。Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１は、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２は、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１に接触してＡｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１上に形成されている。Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３は、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２に接触してＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２上に形成されている。なお、上記のＡｌ組成比は一例であり、Ａｌ組成比が、下部から上部に向かうに従って減少していれば、他の組成とすることもできる。

【0065】

本実施の形態によれば、複合層５において、Ｃ－ＧａＮ層５１ａとＣ－ＧａＮ層５１ｂとの間にＡｌＮ層５２ａを形成することにより、基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７へのクラックの発生を抑止することができる。これについて以下に説明する。

【0066】

ＡｌＮ層５２ａを構成するＡｌＮは、Ｃ－ＧａＮ層５１ａを構成するＧａＮの結晶に対して不整合な状態（滑りが生じた状態）で、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ上にエピタキシャル成長する。一方、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７を構成するＧａＮは、下地であるＡｌＮ層５２ａを構成するＡｌＮの結晶の影響を受ける。すなわち、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７を構成するＧａＮは、ＡｌＮ層５２ａを構成するＡｌＮの結晶構造を引き継ぐように、ＡｌＮ層５２ａ上にエピタキシャル成長する。ＧａＮの格子定数は、ＡｌＮの格子定数よりも大きいため、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂを構成するＧａＮの図１中横方向の格子定数は、一般的な（圧縮歪みを含まない）ＧａＮの格子定数よりも小さくなる。言い換えれば、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７は、その内部に圧縮歪みを含んでいる。

【0067】

Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７形成後の降温時には、ＧａＮとＳｉとの熱膨張係数の差に起因して、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７はＡｌＮ層５２ａから応力を受ける。この応力が基板１の反りの発生の原因となり、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７へのクラックの発生の原因となる。しかしこの応力は、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７形成時にＣ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７内部に導入された圧縮歪みによって緩和される。その結果、基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７へのクラックの発生を抑止することができる。

【0068】

また、化合物半導体基板ＣＳ１は、ＧａＮの絶縁破壊電圧よりも高い絶縁破壊電圧を有するＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ＡｌＮ層５２ａ、ならびにＡｌ窒化物半導体層４を含んでいる。その結果、化合物半導体基板の縦方向の耐電圧を向上することができる。

【0069】

また、本実施の形態によれば、化合物半導体基板ＣＳ１が、ＡｌＮバッファー層３と複合層５中のＣ－ＧａＮ層５１ａとの間にＡｌ窒化物半導体層４を含んでいるので、Ｓｉの格子定数とＧａＮの格子定数との差を緩和することができる。Ａｌ窒化物半導体層４の格子定数は、Ｓｉの格子定数とＧａＮの格子定数との間の値を有しているためである。その結果、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの結晶品質を向上することができる。また、基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂへのクラックの発生を抑止することができる。

【0070】

また、本実施の形態によれば、上述のように基板１の反りの発生、ならびにＣ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７へのクラックの発生が抑止されるので、電子走行層７を厚膜化することができる。

【0071】

さらに、化合物半導体基板ＣＳ１は、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびに電子走行層７の下地層としてＳｉＣ層２を含んでいる。ＳｉＣの格子定数は、Ｓｉの格子定数と比較してＧａＮとの格子定数に近い。電子走行層７がＧａＮよりなる場合には、ＳｉＣ層２上に、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびに電子走行層７が形成されることにより、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびに電子走行層７の結晶品質を向上することができる。

【0072】

上述のように本実施の形態によれば、Ａｌ窒化物半導体層４、複合層５、およびＳｉＣ層２の各々の機能を分けることで、基板１の反りの発生を抑止する効果、Ｃ－ＧａＮ層５１ｂおよび電子走行層７へのクラックの発生を抑止する効果、化合物半導体基板ＣＳ１の耐電圧を向上する効果、ならびにＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびに電子走行層７の結晶品質を向上する効果の各々を増大させることができる。特に、本実施の形態では、ＳｉＣ層２を下地層とすることで、電子走行層７の結晶品質を改善できる点の寄与が大きい。

【0073】

本実施の形態によれば、ＳｉＣ層２があり、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびに電子走行層７の結晶品質が向上することにより、複合層５中のＡｌＮ層の厚さを薄くすることができ、より効率的に反りの発生およびクラックの発生を抑えることができる。また、ＳｉＣ層２があり、Ｃ－ＧａＮ層５１ａの結晶品質が向上することにより、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂ、ならびに電子走行層７を厚くすることができるため、より耐電圧を改善することができる。ＨＥＭＴの性能も向上することができる。

【0074】

また、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々を形成する際に、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入することにより、ＧａＮの成長温度を高温に設定しつつ、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂを形成することができる。ＧａＮの成長温度が高温になるため、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの品質が向上する。

【0075】

図３は、ＧａＮ層を構成するＧａＮの二次元成長を模式的に示す図である。図３（ａ）はＧａＮの成長温度が低温である場合の成長を示しており、図３（ｂ）はＧａＮの成長温度が高温である場合の成長を示している。

【0076】

図３（ａ）を参照して、ＧａＮの成長温度が低温である場合には、ＧａＮ層の二次元成長（図３中横方向）が遅いため、Ｃ－ＧａＮ層５１ａまたは５１ｂの各々の下層に存在していたピットなどの欠陥ＤＦがＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂによって覆われず、欠陥ＤＦがＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の内部にも広がりやすい。

【0077】

図３（ｂ）を参照して、本実施の形態ではＧａＮの成長温度が高温になるため、ＧａＮの二次元成長が促進され、Ｃ－ＧａＮ層５１ａまたは５１ｂの各々の下層に存在していたピットなどの欠陥ＤＦがＣ－ＧａＮ層５１ａまたは５１ｂによって覆われる。その結果、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の欠陥密度を低減することができ、欠陥ＤＦが化合物半導体基板を縦方向に貫通し、化合物半導体基板の耐圧が著しく低下する事態を回避することができる。

【0078】

図４は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成を示す平面図である。図４（ａ）は化合物半導体基板ＣＳ１全体の構成を示す図である。図４（ｂ）は化合物半導体基板ＣＳ１の中心ＰＴ１付近を拡大した図である。

【0079】

図４（ａ）を参照して、化合物半導体基板ＣＳ１の平面形状は任意である。化合物半導体基板ＣＳ１が円の平面形状を有している場合、化合物半導体基板ＣＳ１の直径は６インチ以上である。平面的に見た場合に、化合物半導体基板ＣＳ１の中心を中心ＰＴ１とし、中心ＰＴ１から７１．２ｍｍ離れた位置（直径６インチの基板における外周端部から５ｍｍ離れた位置に相当）をエッジＰＴ２とする。

【0080】

Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの品質が向上した結果、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の膜厚の面内均一性が向上し、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々のＣ濃度の面内均一性が向上する。また、化合物半導体基板ＣＳ１の縦方向の真性破壊電圧値が向上し、Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の欠陥密度が減少する。その結果、縦方向の電流－電圧特性の面内均一性を向上することができる。

【0081】

具体的には、ＧａＮ層の中心ＰＴ１における深さ方向（図１中縦方向）の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ１とし、ＧａＮ層のエッジＰＴ２における深さ方向の中心位置における炭素濃度を濃度Ｃ２とした場合に、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１－Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣは、０以上５０％以下であり、好ましくは０以上３３％以下である。

【0082】

また、ＧａＮ層における中心ＰＴ１の膜厚を膜厚Ｗ１とし、ＧａＮ層におけるエッジＰＴ２の膜厚を膜厚Ｗ２とした場合に、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１－Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷは、０より大きく８％以下であり、好ましくは０より大きく４％以下である。

【0083】

また、化合物半導体基板ＣＳ１の縦方向の真性破壊電圧値は１２００Ｖ以上１６００Ｖ以下である。また、この真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こすＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの中心ＰＴ１の欠陥密度は、０より大きく１００個／ｃｍ²以下であり、好ましくは０より大きく２個／ｃｍ²以下である。また、この真性破壊電圧値の８０％以下の電圧値での絶縁破壊を引き起こすＣ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂのエッジＰＴ２の欠陥密度は、０より大きく７個／ｃｍ²以下であり、好ましくは０より大きく２個／ｃｍ²以下である。

【0084】

さらに、キャップ層９を形成する際に、キャップ層９を構成する窒化物半導体の原料ガスと、炭化水素ガスとを障壁層８の上面８ａに導入することにより、キャップ層９の成長温度を高温に設定しつつ、キャップ層９のＣ濃度を高めることができる。その結果、キャップ層９を高抵抗化することができ、ゲートリークを抑止することができる。また、障壁層８の表面荒れおよびキャップ層９の品質の低下を抑止することができる。

【0085】

図４（ｂ）を参照して、障壁層８の表面荒れが抑止される結果、キャップ層９における領域ＲＧ内の表面粗さＲｑが０より大きく１．０ｎｍ以下となる。領域ＲＧは、キャップ層９の上面９ａにおける中心ＰＴ１を含む領域であって５μｍの辺を有する正方形の領域に相当する。

【0086】

［第２の実施の形態］

【0087】

図５は、本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２の構成を示す断面図である。

【0088】

図５を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ２は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１と比較して、複合層５の内部の構成が異なっている。具体的には、本実施の形態における複合層５は、Ｃ－ＧａＮ層として、３層のＣ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃと、２層のＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂとを含んでいる。Ｃ－ＧａＮ層５１ａは複合層５を構成する層のうち最下層となっており、Ａｌ窒化物半導体層４と接触している。ＡｌＮ層５２ａはＣ－ＧａＮ層５１ａと接触してＣ－ＧａＮ層５１ａ上に形成されている。Ｃ－ＧａＮ層５１ｂはＡｌＮ層５２ａと接触してＡｌＮ層５２ａ上に形成されている。ＡｌＮ層５２ｂはＣ－ＧａＮ層５１ｂと接触してＣ－ＧａＮ層５１ｂ上に形成されている。Ｃ－ＧａＮ層５１ｃはＡｌＮ層５２ｂと接触してＡｌＮ層５２ｂ上に形成されている。Ｃ－ＧａＮ層５１ｃは複合層５を構成する層のうち最上層となっており、電子走行層７と接触している。

【0089】

なお、上述以外の化合物半導体基板ＣＳ２の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0090】

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、複合層５中に２層のＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂが存在しているので、上層のＣ－ＧａＮ層５１ｂおよび５１ｃ、ならびに電子走行層７に対して圧縮歪みを与える効果が大きくなる。その結果、基板１の反りの発生を抑止することができ、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃ、ならびに電子走行層７へのクラックの発生を抑止することができる。

【0091】

また、複合層５中に２層のＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂが存在しているので、化合物半導体基板の縦方向の耐電圧を向上することができる。

【0092】

［第１および第２の実施の形態の変形例］

【0093】

本変形例では、化合物半導体基板ＣＳ１およびＣＳ２の各々のＡｌ窒化物半導体層４の変形例の構成について説明する。

【0094】

図６は、本発明の第１および第２の実施の形態の第１の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【0095】

図６を参照して、本変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＧａＮ層４ａと、ＡｌＮ中間層４４と、ＡｌＧａＮ層４ｂとを含んでいる。

【0096】

ＡｌＧａＮ層４ａは、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ａは、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層４ａの内部におけるＡｌの組成比は一定である。

【0097】

ＡｌＮ中間層４４は、ＡｌＧａＮ層４ａ上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４の下面はＡｌＧａＮ層４ａの上面に接触しており、ＡｌＮ中間層４４の上面はＡｌＧａＮ層４ｂの下面に接触している。

【0098】

ＡｌＧａＮ層４ｂは、ＡｌＮ中間層４４上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ｂの内部におけるＡｌの組成比は、下部から上部に向かうに従って減少している。ＡｌＧａＮ層４ｂは、Ａｌ_0.5Ｇａ_{0. 5}Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２に接触してＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２上に形成されたＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）とにより構成されている。

【0099】

図７は、本発明の第１および第２の実施の形態の第２の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【0100】

図７を参照して、本変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＧａＮ層４ａと、ＡｌＮ中間層４４と、ＡｌＧａＮ層４ｂとを含んでいる。

【0101】

ＡｌＧａＮ層４ａは、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ａの内部におけるＡｌの組成比は、下部から上部に向かうに従って減少している。ＡｌＧａＮ層４ａは、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）と、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１に接触してＡｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１上に形成されたＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）とにより構成されている。

【0102】

【0103】

ＡｌＧａＮ層４ｂは、ＡｌＮ中間層４４上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ｂは、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層４ｂの内部におけるＡｌの組成比は一定である。

【0104】

図８は、本発明の第１および第２の実施の形態の第３の変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４内部のＡｌ組成比の分布を示す図である。

【0105】

図８を参照して、本変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４は、ＡｌＧａＮ層４ａと、ＡｌＮ中間層４４ａと、ＡｌＧａＮ層４ｂと、ＡｌＮ中間層４４ｂと、ＡｌＧａＮ層４ｃとを含んでいる。本変形例におけるＡｌ窒化物半導体層４では、複数のＡｌＧａＮ層４ａ、４ｂ、および４ｃがＡｌＮ中間層４４ａおよび４４ｂを挟んで積層されている。

【0106】

【0107】

ＡｌＮ中間層４４ａは、ＡｌＧａＮ層４ａ上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４ａの下面はＡｌＧａＮ層４ａの上面に接触しており、ＡｌＮ中間層４４ａの上面はＡｌＧａＮ層４ｂの下面に接触している。

【0108】

ＡｌＧａＮ層４ｂは、ＡｌＮ中間層４４ａ上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ｂは、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層４ｂの内部におけるＡｌの組成比は一定である。

【0109】

ＡｌＮ中間層４４ｂは、ＡｌＧａＮ層４ｂ上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４ｂの下面はＡｌＧａＮ層４ｂの上面に接触しており、ＡｌＮ中間層４４ｂの上面はＡｌＧａＮ層４ｃの下面に接触している。

【0110】

ＡｌＧａＮ層４ｃは、ＡｌＮ中間層４４ｂ上に形成されている。ＡｌＧａＮ層４ｃは、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層４ｃの内部におけるＡｌの組成比は一定である。

【0111】

第３の変形例において、ＡｌＧａＮ層４ｂの厚さはＡｌＧａＮ層４ａの厚さよりも大きく、ＡｌＧａＮ層４ｃの厚さはＡｌＧａＮ層４ｂの厚さよりも大きいことが好ましい。ＡｌＧａＮ層４ａ、４ｂ、および４ｃの各々は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚さを有していることが好ましい。ＡｌＮ中間層４４ａおよび４４ｂの各々は、同一の厚さを有していることが好ましい。ＡｌＮ中間層４４ａおよび４４ｂの各々は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の厚さを有していることが好ましい。

【0112】

なお、第１、第２、および第３の変形例の化合物半導体基板の各々における上述以外の構成は、上述の実施の形態の場合の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0113】

ＡｌＮ中間層は、ＡｌＧａＮ層に圧縮歪みを生じさせる機能を果たす。第１、第２、および第３の変形例のように、ＡｌＮ中間層を設けることで、反りやクラックをさらに抑制することができる。

【0114】

［第３の実施の形態］

【0115】

図９は、本発明の第３の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ３の構成を示す断面図である。

【0116】

図９を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ３は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１と比較して、主として窒化物半導体層６の内部の構成が異なっている。具体的には、本実施の形態における窒化物半導体層６は、ＡｌＧａＮ層６１、６２、および６３を含んでいる。ＡｌＧａＮ層６１は、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＧａＮ層６２は、ＡｌＧａＮ層６１に接触してＡｌＧａＮ層６１上に形成されている。ＡｌＧａＮ層６３は、ＡｌＧａＮ層６２に接触してＡｌＧａＮ層６２上に形成されている。

【0117】

ＡｌＧａＮ層６１、６２、および６３の各々のＡｌ組成比は互いに異なっている。ＡｌＧａＮ層６１、６２、および６３の各々の内部のＡｌ組成比は一定である。一例として、ＡｌＧａＮ層６１は、Ａｌ_0.75ａ_0.25Ｎ層４１（Ａｌの組成比が０．７５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層６２は、Ａｌ_0.5ａ_0.5Ｎ層４２（Ａｌの組成比が０．５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層６３は、Ａｌ_0.25ａ_0.75Ｎ層４３（Ａｌの組成比が０．２５であるＡｌＧａＮ層）よりなっている。ＡｌＧａＮ層６２のＡｌの組成比は、ＡｌＧａＮ層６１のＡｌの組成比よりも低い。ＡｌＧａＮ層６３のＡｌの組成比は、ＡｌＧａＮ層６２のＡｌの組成比よりも低い。

【0118】

基板１は、ＳｉやＳｉＣなどよりなっている。基板１上には、基板１と接触してＡｌＮバッファー層３が形成されている。ＳｉＣ層は形成されていない。第１の実施の形態と同様に、基板１がＳｉよりなる場合、基板１とＡｌＮバッファー層３との間にＳｉＣ層２が形成されてもよい。

【0119】

なお、上述以外の化合物半導体基板ＣＳ３の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0120】

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、キャップ層９を形成する際に、キャップ層９を構成する窒化物半導体の原料ガスと、炭化水素ガスとが障壁層８の上面８ａに導入される。これにより、キャップ層９の成長温度を高温に設定しつつ、キャップ層９のＣ濃度を高めることができる。その結果、キャップ層９のＣ濃度を高めることでキャップ層９を高抵抗化することができ、ゲートリークを抑止することができる。また、キャップ層の成長温度を低くする必要が無いため、障壁層８の表面荒れおよびキャップ層９の品質の低下を抑止することができる。

【0121】

［第４の実施の形態］

【0122】

図１０は、本発明の第４の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ４の構成を示す断面図である。

【0123】

図１０を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ４は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１と比較して、主として窒化物半導体層６の内部の構成が異なっている。具体的には、本実施の形態における窒化物半導体層６は、ＡｌＧａＮ層６４と、超格子層６５とを含んでいる。

【0124】

ＡｌＧａＮ層６４は、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＧａＮ層６４は、任意のＡｌ組成比を有している。

【0125】

超格子層６５は、ＡｌＧａＮ層６４に接触してＡｌＧａＮ層６４上に形成されている。超格子層６５は、複数のＧａＮ層６５ａと、複数のＡｌＮ層６５ｂとを含んでいる。ＧａＮ層６５ａとＡｌＮ層６５ｂとは交互に形成されている。複数のＧａＮ層６５ａおよび複数のＡｌＮ層６５ｂの総数は、１００層以上である。複数のＧａＮ層６５ａおよび複数のＡｌＮ層６５ｂの各々は、超格子であり、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有している。

【0126】

【0127】

なお、上述以外の化合物半導体基板ＣＳ４の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ４の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0128】

【0129】

［第５の実施の形態］

【0130】

図１１は、本発明の第５の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ５の構成を示す断面図である。

【0131】

図１１を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ５は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１と比較して、主として窒化物半導体層６の内部の構成が異なっている。具体的には、本実施の形態における窒化物半導体層６は、ＧａＮ層６６ａ、６６ｂ、および６６ｃと、ＡｌＮ層６７ａ、６７ｂ、および６７ｃとを含んでいる。ＧａＮ層６６ａ、６６ｂ、および６６ｃの各々と、ＡｌＮ層６７ａ、６７ｂ、および６７ｃの各々とは、たとえば３層であり、交互に形成されている。具体的には、ＧａＮ層６６ａは、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＮ層６７ａは、ＧａＮ層６６ａに接触してＧａＮ層６６ａ上に形成されている。ＧａＮ層６６ｂは、ＡｌＮ層６７ａに接触してＡｌＮ層６７ａ上に形成されている。ＡｌＮ層６７ｂは、ＧａＮ層６６ｂに接触してＧａＮ層６６ｂ上に形成されている。ＧａＮ層６６ｃは、ＡｌＮ層６７ｂに接触してＡｌＮ層６７ｂ上に形成されている。ＡｌＮ層６７ｃは、ＧａＮ層６６ｃに接触してＧａＮ層６６ｃ上に形成されている。ＧａＮ層６６ａ、６６ｂ、および６６ｃの各々の厚さは同一である。ＡｌＮ層６７ａ、６７ｂ、および６７ｃの各々の厚さは同一である。ＧａＮ層６６ａ、６６ｂ、および６６ｃの各々の厚さはＡｌＮ層６７ａ、６７ｂ、および６７ｃの各々の厚さよりも大きい。

【0132】

【0133】

なお、上述以外の化合物半導体基板ＣＳ５の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１の構成と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

【0134】

【0135】

［第６の実施の形態］

【0136】

第１～第５の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１～ＣＳ５の各々を用いて、たとえば以下の構成を有する半導体装置ＳＤが作製されてもよい。

【0137】

図１２は、本発明の第６の実施の形態における半導体装置ＳＤの一部の構成を示す断面図である。

【0138】

図１２を参照して、本実施の形態における半導体装置ＳＤは、第１～第５の実施の形態における化合物半導体基板ＣＳ１～ＣＳ５のうちいずれかを用いて作製されたものである。半導体装置ＳＤは、化合物半導体基板ＣＳ１～ＣＳ５のいずれかの構成に加えて、ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、パッシベーション層１４とを備えている。障壁層８上には、ソース電極１１およびドレイン電極１２の各々が互いに間隔をおいて設けられている。障壁層８上におけるソース電極１１およびドレイン電極１２が設けられる部分のキャップ層９は、除去されている。キャップ層９上におけるソース電極１１とドレイン電極１２との間には、ゲート電極１３が設けられている。キャップ層９上におけるゲート電極１３が形成されていない位置には、パッシベーション層１４が設けられている。パッシベーション層１４はたとえばＳｉＯ₂やＳｉＮよりなっている。なお、キャップ層９が除去されず、ソース電極１１およびドレイン電極１２がキャップ層９上に設けられていてもよい。

【0139】

半導体装置ＳＤでは、ソース電極１１とドレイン電極１２との間に電圧を印加することにより、２次元電子ガス７ａを経由してソース電極１１とドレイン電極１２との間を電子が移動する。ゲート電極１３に印加する電圧により２次元電子ガス７ａの濃度が変化する。このため、ゲート電極１３に印加する電圧により、ソース電極１１とドレイン電極１２との間に流れる電流のスイッチング動作を実現することができる。

【0140】

化合物半導体基板ＣＳ１～ＣＳ５においては、障壁層８の上面８ａの荒れが抑止されている。これにより、半導体装置ＳＤにおけるゲートリークの問題を抑止することができ、電流コラプスが悪化するという問題を抑止することができ、信頼性を向上することができる。さらに、化合物半導体基板ＣＳ１～ＣＳ５においては、キャップ層９が高抵抗化されているため、半導体装置ＳＤにおけるゲートリークの問題を抑止することができる。

【0141】

［実施例］

【0142】

第１の実施例として、本願発明者らは、試料として以下に説明する構成を有する試料１～３の各々を製造した。

【0143】

試料１（本発明例）：図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１と同様の構造を製造した。キャップ層９を形成する際には、Ｃ源ガスとして５０ｓｃｃｍの流量の炭化水素ガスを導入することで、意図的にＣをドープしたＧａＮ層をキャップ層９として形成した。キャップ層９の成長温度を高温に設定した。キャップ層９の厚さを２．５ｎｍとした。電子走行層７をＧａＮで形成し、障壁層８をＡｌＧａＮで形成した。障壁層８およびキャップ層９の成長温度を１０３０℃とした。

【0144】

試料２（比較例）：図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１のキャップ層９に相当する層として、意図的にＣをドープしないＧａＮ層（ｕ－ＧａＮ層）を形成した。このキャップ層を形成する際には、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入せず、キャップ層の成長温度を高温に設定した。このキャップ層の厚さを２．５ｎｍとした。電子走行層７をＧａＮで形成し、障壁層８をＡｌＧａＮで形成した。障壁層８およびキャップ層の成長温度を１０３０℃とした。これ以外は、図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１と同様の構造を製造した。

【0145】

試料３（比較例）：図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１のキャップ層９に相当するキャップ層として、意図的にＣをドープしたＧａＮ層を形成した。このキャップ層を形成する際には、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入せず、キャップ層の成長温度を低下させた。このキャップ層の厚さを２．５ｎｍとした。電子走行層７をＧａＮで形成し、障壁層８をＡｌＧａＮで形成した。障壁層８の成長温度を１０３０℃とした。キャップ層のＣ濃度を高めるためにキャップ層の成長温度を８００℃未満とした。これ以外は、図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１と同様の構造を製造した。

【0146】

本願発明者らは、得られた各試料について、キャップ層のＣ濃度の測定と、キャップ層の表面粗さＲｑの測定と、ゲートリーク電流Ｉｇの測定とを行った。

【0147】

キャップ層のＣ濃度の測定は、ＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、二次イオン質量分析法）を用いて行った。ここで、ＳＩＭＳを用いた濃度測定を行うためには、原理上、測定対象となる層がある程度の厚さ（たとえば１００ｎｍより大きい厚さ）を有している必要がある。このため、キャップ層のＣ濃度の測定については、試料１～３の各々のキャップ層の厚さを２５０ｎｍに変更した代替の試料１～３を作製し、代替の試料１～３の各々のキャップ層のＣ濃度を測定することで行われた。

【0148】

キャップ層の表面粗さＲｑは、次の方法で行われた。キャップ層の上面における中心を含む領域であって５μｍの辺を有する正方形の領域ＲＧ（図４（ｂ））を規定した。領域ＲＧ内をＡＦＭ（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、原子力顕微鏡）で撮影し、撮影した画像に基づいて領域ＲＧ内の二乗平均平方根高さＲｑを計測した。ＩＳＯ２５１７８において規定されている方法で、二乗平均平方根高さＲｑを計測した。

【0149】

図１３は、本発明の第１の実施例におけるゲートリーク電流Ｉｇの測定方法を示す図である。なお図１３では、測定対象が化合物半導体基板ＣＳ１である場合が示されている。

【0150】

図１３を参照して、ソース電極１１、ドレイン電極１２、およびゲート電極１３の各々を、キャップ層９上に互いに間隔をおいて設けた。ソース電極１１および基板１の裏面を接地した。次に、図示しない加熱プレート上に基板１を配置することで、基板１を１５０℃まで加熱した。次に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間に６５０Ｖの電圧Ｖｄｓを印加し、ゲート電極１３にマイナスの電圧Ｖｇｓを印加した状態で、ゲート電極１３に流れる電流Ｉｇを電流計で測定した。

【0151】

この測定方法では、ゲート電極１３がオフの状態となっているため、電流Ｉｇは理想的にはゼロとなる。ソース電極１１を流れる電流を電流Ｉｓ、ドレイン電極１２を流れる電流を電流Ｉｄ、ゲート電極１３を流れる電流（つまりゲートリーク電流）を電流Ｉｇ、基板を流れる電流を電流Ｉｓｕｂとした場合、電流Ｉｓ、電流Ｉｄ、電流Ｉｇ、および電流Ｉｓｕｂは下記式（１）を満たす。

【0152】

Ｉｄ＝Ｉｓ＋Ｉｇ＋Ｉｓｕｂ・・・（１）

【0153】

図１４は、本発明の第１の実施例における試料１～３の各々の測定結果を示す表である。図１５は、試料１および２の各々の領域ＲＧ内をＡＦＭで撮影した画像を示す図である。図１５（ａ）は試料１の画像であり、図１５（ｂ）は試料２の画像である。

【0154】

図１４および図１５を参照して、試料１および試料３の各々のキャップ層のＣ濃度は、同程度であり、試料２のキャップ層のＣ濃度よりも大きい値であった。この結果から、炭化水素ガスを導入して形成したキャップ層９には、成長温度を低下させたキャップ層と同程度の濃度のＣが含まれていることが分かる。

【0155】

また、試料１および試料２の各々の表面粗さＲｑは、同程度であり、試料３の表面粗さＲｑよりも小さい値であった。この結果から、炭化水素ガスを導入して形成したキャップ層９の表面粗さＲｑが、意図的にＣをドープしないキャップ層の表面粗さＲｑと同程度にまで改善されることが分かる。また、試料１では、試料３と比較してキャップ層９の表面粗さＲｑが改善されている事実から、キャップ層９の下層である障壁層８の表面荒れさも改善されているものと推測される。

【0156】

さらに、試料１のゲートリーク電流Ｉｇは、試料２のゲートリーク電流Ｉｇよりも格段に小さい値であった。この結果から、炭化水素ガスを導入してキャップ層９を形成した場合には、ゲートリークが効果的に抑止されることが分かる。

【0157】

第２の実施例として、本願発明者らは、試料として以下に説明する構成を有する試料４～６の各々を製造した。

【0158】

試料４：図１に示す化合物半導体基板ＣＳ１を製造した。Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の厚さを約２μｍとし、ＡｌＮ層５２ａの厚さを１５ｎｍとした。Ｃ－ＧａＮ層５１ａおよび５１ｂの各々の平均炭素濃度を３×１０¹⁸個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下の範囲内の値とした。

【0159】

試料５：図５に示す化合物半導体基板ＣＳ２を製造した。Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の厚さを約１μｍとし、ＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとした。Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の平均炭素濃度を３×１０¹⁸個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下の範囲内の値とした。

【0160】

試料６：図１６に示す化合物半導体基板ＣＳ１０を製造した。化合物半導体基板ＣＳ１０は、複合層５の代わりにＣ－ＧａＮ層１０５が形成されている点において、化合物半導体基板ＣＳ１（試料４）と異なっており、これ以外の構成は化合物半導体基板ＣＳ１（試料４）と同じである。Ｃ－ＧａＮ層１０５の平均炭素濃度を３×１０¹⁸個／ｃｍ³以上１×１０²⁰個／ｃｍ³以下の範囲内の値とした。

【0161】

本願発明者らは、得られた各試料について、目視によるクラックの発生の有無の確認と、反り量の測定と、縦耐電圧（化合物半導体基板の厚さ方向の耐電圧）の測定とを行った。

【0162】

縦耐電圧として、試料６の縦耐電圧を基準（ゼロ）とした場合の値を測定した。また反り量として、化合物半導体基板におけるＳｉ基板を下側にした場合に凸形となるように反りが発生した場合には「凸」、化合物半導体基板におけるＳｉ基板を下側にした場合に凹形となるように反りが発生した場合には「凹」とした。

【0163】

その結果、試料６ではエッジＰＴ２よりも外周側の領域にクラックの発生が見られたのに対して、試料４および５では全面にわたってクラックの発生は見られなかった。また試料４～６のいずれも、中心ＰＴ１からエッジＰＴ２までの領域にはクラックの発生は見られなかった（クラックフリーであった）。また試料６では凹形に１４６μｍという大きい反り量となっていたのに対して、試料４では凹形に４３μｍという小さい反り量となっていた。さらに試料５では凸形に２７μｍという反り量となっていた。なお、試料５の凸形の反りは、化合物半導体基板内のＣ－ＧａＮ層の圧縮歪みが大きいことに起因するものであり、クラックの発生を抑止する効果が大きいことを示している。これらの結果から、試料４および５では、試料６に比べてクラックの発生が抑止され、基板の反りが改善されていることが分かる。

【0164】

図１７は、本発明の第２の実施例における縦耐電圧の計測方法を示す断面図である。

【0165】

図１７を参照して、ガラス板２１上に貼り付けられた銅板２２上に、計測対象となる試料の化合物半導体基板ＣＳを固定した。固定した化合物半導体基板ＣＳのキャップ層９上に、キャップ層９に接触するようにＡｌよりなる電極２３を設けた。カーブトレーサー２４の一方の端子を銅板２２に接続し、他方の端子を電極２３に接続した。カーブトレーサー２４を用いて銅板２２と電極２３との間に電圧を加え、銅板２２と電極２３との間を流れる電流（試料を縦方向に流れる電流）の密度を計測した。計測された電流の密度が１×１０^-1Ａ／ｍｍ²に達した時に試料が絶縁破壊したものとみなし、この時の銅板２２と電極２３との間の電圧を耐電圧として計測した。

【0166】

測定の結果、試料４では試料６に比べて縦耐電圧が６０Ｖだけ高くなった。試料５では試料６に比べて縦耐電圧が８５Ｖだけ高くなった。これらの結果から、試料４および５では、試料６に比べて縦耐電圧が向上していることが分かる。

【0167】

第３の実施例として、本願発明者らは、６インチの直径を有する化合物半導体基板ＣＳ６を２通りの製造条件で製造し、試料７および試料８の各々を得た。

【0168】

図１８は、本発明の第３の実施例における化合物半導体基板ＣＳ６の構成を示す断面図である。

【0169】

図１８を参照して、化合物半導体基板ＣＳ６の構成は、Ａｌ窒化物半導体層４以外は図５に示す化合物半導体基板ＣＳ２の構成と同じである。化合物半導体基板ＣＳ６のＡｌ窒化物半導体層４は、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１と、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２と、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３と、ＡｌＮ中間層４４ａおよび４４ｂとを含んでいる。Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１は、Ａｌ窒化物半導体層４の最下層であり、ＡｌＮバッファー層３に接触してＡｌＮバッファー層３上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４ａは、Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１に接触してＡｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層４１上に形成されている。Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２は、ＡｌＮ中間層４４ａに接触してＡｌＮ中間層４４ａ上に形成されている。ＡｌＮ中間層４４ｂは、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２に接触してＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４２上に形成されている。Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４３は、Ａｌ窒化物半導体層４の最上層であり、ＡｌＮ中間層４４ｂに接触してＡｌＮ中間層４４ｂ上に形成されている。

【0170】

化合物半導体基板ＣＳ６において、基板１の厚さを１０００μｍとし、ＳｉＣ層２の厚さを１μｍとし、ＡｌＮバッファー層３およびＡｌ窒化物半導体層４の合計厚さを１μｍとし、ＡｌＮ層５２ａおよび５２ｂの各々の厚さを１５ｎｍとし、電子走行層７の厚さを０．５μｍとし、障壁層８の厚さを２５ｎｍとした。Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の厚さを約２μｍに設定した。

【0171】

試料７：Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々を形成する際に、成膜温度を高温（ＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約２００℃低い温度）に設定し、Ｃ源ガスとして炭化水素を導入した。

【0172】

試料８：Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々を形成する際に、成膜温度を低温（ＣをドープしないＧａＮ層の成長温度より約３００℃低い温度）に設定し、Ｃ源ガスを導入しなかった。

【0173】

続いて本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ６へのクラックの発生の有無を目視にて確認した。その結果、試料７および試料８のいずれにおいてもクラックは発生していなかった。

【0174】

続いて本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ６の基板１へのメルトバックエッチング（ＳｉとＧａとの反応により結晶が変質する現象）の発生の有無を光学顕微鏡による観察にて確認した。その結果、試料７および試料８のいずれにおいてもメルトバックエッチングは発生していなかった（試料７および試料８のいずれも基板全面でメルトバックフリーを満たしていた）。

【0175】

次に本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ６のＣ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々について、中心ＰＴ１における深さ方向の炭素濃度分布と、エッジＰＴ２における深さ方向の炭素濃度分布とを計測した。この計測にはＳＩＭＳを用いた。次に計測した炭素濃度分布に基づいて、中心ＰＴ１における深さ方向の中心位置における炭素濃度である濃度Ｃ１と、エッジＰＴ２における深さ方向の中心位置における炭素濃度である濃度Ｃ２とを算出した。次に、算出した濃度Ｃ１およびＣ２に基づいて、ΔＣ（％）＝｜Ｃ１－Ｃ２｜×１００／Ｃ１で表される濃度誤差ΔＣを算出した。

【0176】

図１９は、本発明の第３の実施例において算出された濃度誤差ΔＣの値を示す図である。

【0177】

図１９を参照して、試料７において、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の中心ＰＴ１における深さ方向の炭素濃度の範囲は、４×１０¹⁸個／ｃｍ²以上８×１０¹⁸個／ｃｍ²以下であり、エッジＰＴ２における深さ方向の炭素濃度の範囲は、４．３×１０¹⁸個／ｃｍ²以上７×１０¹⁸個／ｃｍ²以下であった。試料７では、中心ＰＴ１の炭素濃度とエッジＰＴ２の炭素濃度とがほぼ同じ値であり、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の濃度誤差ΔＣは、それぞれ３３％、２１％、および０％であった。本願発明者らは複数の試料７を製造し、得られた複数の試料７の各々の濃度誤差ΔＣを上述の方法で計測した。その結果、いずれの試料７も濃度誤差ΔＣは０以上５０％以下の範囲内の値となった。

【0178】

一方、試料８において、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の中心ＰＴ１における深さ方向の炭素濃度の範囲は、５×１０¹⁸個／ｃｍ²以上１．５×１０¹⁹個／ｃｍ²以下であり、エッジＰＴ２における深さ方向の炭素濃度の範囲は、２．３×１０¹⁹個／ｃｍ²以上４．２×１０¹⁹個／ｃｍ²以下であった。試料８では、エッジＰＴ２の炭素濃度が中心ＰＴ１の炭素濃度と比較して高く、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の濃度誤差ΔＣは、それぞれ４４８％、３１２％、および２５８％であった。

【0179】

以上の結果から、試料７では、試料８に比べてＣ－ＧａＮ層の炭素濃度の面内均一性が向上していることが分かる。

【0180】

次に本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ６のＣ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々について、中心ＰＴ１の膜厚である膜厚Ｗ１と、エッジＰＴ２の膜厚である膜厚Ｗ２との各々を計測した。この計測は、ＴＥＭ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて化合物半導体基板ＣＳ６の断面を観察することにより行った。次に計測した膜厚Ｗ１およびＷ２に基づいて、ΔＷ（％）＝｜Ｗ１－Ｗ２｜×１００／Ｗ１で表される膜厚誤差ΔＷを算出した。

【0181】

図２０は、本発明の第３の実施例において算出された膜厚誤差ΔＷの値を示す図である。

【0182】

図２０を参照して、試料７において、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の膜厚誤差ΔＷはそれぞれ３．９％、１．８％、および１．２％であり、いずれも小さい値であった。本願発明者らは試料７として複数の試料を製造し、得られた複数の試料７の各々の膜厚誤差ΔＷを上述の方法で計測した。その結果、いずれの試料７も膜厚誤差ΔＷは０より大きく８％以下の範囲内の値となった。

【0183】

一方、試料８において、Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃの各々の膜厚誤差ΔＷはそれぞれ９％、１１％、および１１％であり、いずれも大きい値であった。

【0184】

以上の結果から、試料７では、試料８に比べてＣ－ＧａＮ層の膜厚の面内均一性が向上していることが分かる。

【0185】

次に本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ６の真性破壊電圧を計測した。真性破壊電圧の計測は、基本的に図１７に示す方法と同様の方法で行われた。電極２３として十分に小さい面積を有する電極（具体的には直径０．１ｃｍの電極）を用い、化合物半導体基板ＣＳ６におけるキャップ層９の表面の４つの異なる位置に電極２３を順番に接触させ、それぞれの位置に電極２３を接触させた場合の銅板２２と電極２３との間を流れる電流（試料を縦方向に流れる電流）の密度を計測した。計測された電流の密度が１×１０^-1Ａ／ｍｍ²に達した時に試料が絶縁破壊したものとみなし、この時の銅板２２と電極２３との間の電圧を計測した。得られた４つの電圧のうち最も高い値と最も低い値とを除外し、残りの２つの値の平均値を真性破壊電圧とした。試料７として複数の試料を作製し、それぞれの試料についての真性破壊電圧を計測した。その結果、試料７の真性破壊電圧は、いずれも１２００Ｖ以上１６００Ｖ以下の値であった。

【0186】

さらに本願発明者らは、化合物半導体基板ＣＳ６のＣ－ＧａＮ層（Ｃ－ＧａＮ層５１ａ、５１ｂ、および５１ｃのうち任意のＣ－ＧａＮ層）の欠陥密度を次の方法による計測した。始めに、化合物半導体基板ＣＳ６におけるキャップ層９の表面の中心ＰＴ１付近の５つの異なる位置に電極２３を順番に接触させ、それぞれの位置に電極２３を接触させた場合の銅板２２と電極２３との間を流れる電流（試料を縦方向に流れる電流）の密度を計測した。計測された電流の密度が１×１０^-1Ａ／ｍｍ²に達した時に試料が絶縁破壊したものとみなし、この時の銅板２２と電極２３との間の電圧を中心ＰＴ１の絶縁破壊電圧とした。次に、計測した絶縁破壊電圧が真性絶縁破壊電圧の８０％以下である位置を欠陥が存在する位置と判断した。絶縁破壊電圧を計測した５つの位置に対する欠陥が存在する位置の個数の割合を、中心ＰＴ１の欠陥密度Ｄとして算出した。

【0187】

上述の中心ＰＴ１の欠陥密度Ｄの算出を、４種類の異なる面積Ｓ（０．２８３ｃｍ²、０．１２６ｃｍ²、０．０３１ｃｍ²、０．００２ｃｍ²）の電極の各々を用いてそれぞれ行った。その結果、電極の面積Ｓと中心ＰＴ１の欠陥密度Ｄとの組が４組得られた。

【0188】

次に、歩留りＹと、電極の面積Ｓと、欠陥密度Ｄとの関係を示す一般的なポアソン式である式（２）を用いて、４種類の異なる面積Ｓのそれぞれについての歩留りＹを算出した。

【0189】

Ｙ＝ｅｘｐ（－Ｓ×Ｄ）・・・（２）

【0190】

次に、算出した歩留りＹが５０％に最も近い面積Ｓの電極を、欠陥密度の算出に最適な電極と判断し、最適な電極の面積Ｓに対応する欠陥密度Ｄを、中心ＰＴ１の欠陥密度として採用した。

【0191】

また、電極２３を接触させる位置をキャップ層９の表面のエッジＰＴ２付近の５つの異なる位置に変更し、上述と同様の方法でエッジＰＴ２の欠陥密度を計測した。

【0192】

図２１は、本発明の第３の実施例において計測された欠陥密度の値を示す図である。

【0193】

図２１を参照して、試料７の中心ＰＴ１の欠陥密度は１．８個／ｃｍ²であり、試料７のエッジＰＴ２の欠陥密度は１．８個／ｃｍ²であった。本願発明者らは複数の試料７を製造し、得られた複数の試料７の各々の中心ＰＴ１およびエッジＰＴ２の欠陥密度を上述の方法で計測した。その結果、いずれの試料７も欠陥密度は０より大きく７個／ｃｍ²以下の範囲内の値となった。一方、試料８の中心ＰＴ１の欠陥密度は２０７個／ｃｍ²であり、試料８のエッジＰＴ２の欠陥密度は７．１個／ｃｍ²であった。

【0194】

以上の結果から、試料７では、試料８に比べてＧａＮ層の欠陥密度が低減されていることが分かる。

【0195】

［その他］

【0196】

上述の実施の形態、変形例、および実施例の構成および製造方法は、適宜組み合わせることが可能である。

【0197】

上述の実施の形態、変形例、および実施例の構成は、あくまでも一例である。本発明の化合物半導体基板は、第１の窒化物半導体よりなる電子走行層と、電子走行層上に形成され、第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体よりなる障壁層と、障壁層と接触して障壁層上に形成された窒化物半導体よりなるキャップ層とを備えたものであればよい。また、本発明の化合物半導体基板の製造方法は、第１の窒化物半導体よりなる電子走行層を形成する工程と、電子走行層上に、第１の窒化物半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体よりなる障壁層を形成する工程と、障壁層と接触して障壁層上に、有機金属気相成長法を用いてキャップ層を形成する工程とを備えたものであればよい。

【0198】

上述の実施の形態、変形例、および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0199】

１，１００１基板（基板の一例）
２ＳｉＣ（炭化ケイ素）層（ＳｉＣ層の一例）
３ＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファー層（バッファー層の一例）
４Ａｌ（アルミニウム）窒化物半導体層（Ａｌ窒化物半導体層の一例）
４ａ，４ｂ，４ｃ，６１，６２，６３，６４ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層
５複合層（複合層の一例）
６窒化物半導体層（窒化物半導体層の一例）
７，１００３電子走行層（電子走行層の一例）
７ａ，１００３ａ２次元電子ガス
８，１００４障壁層（障壁層の一例）
８ａ，１００４ａ障壁層の上面
９，１０１１キャップ層（キャップ層の一例）
９ａ，１０１１ａキャップ層の上面
１１，１００５ソース電極
１２，１００６ドレイン電極
１３，１００７ゲート電極
１４，１００８パッシベーション層
２１ガラス板
２２銅板
２３電極
２４カーブトレーサー
４１Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ｎ層
４２Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層
４３Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層
４４，４４ａ，４４ｂＡｌＮ中間層
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，１０５Ｃ－ＧａＮ層
５２ａ，５２ｂＡｌＮ層
６５超格子層
６５ａ，６６ａ，６６ｂ，６６ｃＧａＮ（窒化ガリウム）層
６５ｂ，６７ａ，６７ｂ，６７ｃＡｌＮ層
１００２バッファー層
１０１０，１０２０ＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４，ＣＳ５，ＣＳ６，ＣＳ１０化合物半導体基板
ＰＴ１中心
ＰＴ２エッジ
ＲＧ中心を含む領域
ＳＢ半導体装置

【図1】