JP2004311913A - 窒化物系半導体エピタキシャル基板、その製造方法、及びｈｅｍｔ用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイス層側とＧａＮ単結晶基板との電気絶縁性を確保でき、且つ、伝導性制御用のＭｇがデバイス層側に拡散することを抑制できる窒化物系半導体エピタキシャル基板、その製造方法、及びＨＥＭＴ用基板を提供すること。
【解決手段】本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板は、ＧａＮ単結晶基板１０と、ＧａＮ単結晶基板の一側にエピタキシャル成長させられた、ＭｇがドープされたＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第１層１３と、第１層の一側にエピタキシャル成長させられた、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第２層１４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体エピタキシャル基板、その製造方法、及びＨＥＭＴ用基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体を用いた発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスは、紫外光から青緑色の領域といった短波長の発光が得られるため、照明や表示装置、または次世代光記録用光源として近年注目されている。このような半導体デバイスに用いられるエピタキシャル基板としては、エピタキシャル成長させるＧａＮ層と格子定数の一致するＧａＮ単結晶基板を用いることが好ましい。しかしながら、従来、ＧａＮ単結晶基板の製造は困難であると考えられていたため、ＧａＮに格子定数が近似し、化学的にも安定なサファイア基板が用いられていた。
【０００３】
ところが、近年、窒化ガリウム系半導体層の形成に適したＧａＮ単結晶基板が開発された。例えば、下記特許文献１には、開口を有するマスクを利用したいわゆるラテラル成長によって、欠陥が極めて少ないＧａＮエピタキシャル成長層を形成する技術が述べられている。そして、ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させれば、サファイア基板を利用した場合と比較して、欠陥の数が格段に低減されたエピタキシャル成長層を得ることができる。
【０００４】
そして、ＧａＮ単結晶基板は、高電界下での飽和電子速度が高く、耐圧特性も良好なため、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）、ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）及びＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）といったハイパワーの高速半導体デバイスへの適用が期待されている。
【０００５】
また、ＧａＮ層は、故意に不純物をドープしなくても、強いｎ型伝導性を示すことが知られている。そのため、従前、ＧａＮは青色発光素子として期待されていたものの、ｐ型伝導性或いは高抵抗を実現することができず、発光効率や動作電圧等の諸特性の向上に限界が囁かれた時代があった。ところが、ＧａＮの更なる研究により、ビスシクロペンタンジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）をドーパントとしてＭｇを添加し、低エネルギ電子ビーム照射或いは水素フリー雰囲気中での熱処理を行うことで、ｐ型伝導性のＧａＮ層、或いは、高抵抗のＧａＮ層を実現する技術が開発された（例えば、非特許文献１参照）。このような伝導性制御に関する技術が見出されたことによって、ＧａＮを用いた実デバイスの実現性が著しく向上した。
【０００６】
【特許文献１】
国際公開第９９／２３６９３号パンフレット
【非特許文献１】
中村修二、 ”Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ” １９９１年、第３０号、Ｌ１７０５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の半導体デバイスにおいては、ＧａＮ単結晶基板上に形成したデバイス層側の電流がＧａＮ単結晶基板へリークすることに起因した素子特性の劣化を防止するために、ＧａＮ単結晶基板が導電性である場合は、該基板とその上に形成されるデバイス層との絶縁を図る必要がある。このような絶縁状態を確保するために、ＧａＮ本来のｎ型の伝導性を補償する程度にＭｇをドーピングすることで、比抵抗の高い窒化ガリウム系半導体層を得るという手法が考えられる。
【０００８】
しかしながら、本発明者らは、Ｍｇドープ技術を用いて比抵抗値の高いＧａＮ層を含んだ単結晶基板を作製すると、該基板上に形成するデバイス層側にＭｇが拡散し、ＨＥＭＴ等のデバイスの性能が劣化してしまうことを見出した。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、デバイス層側とＧａＮ単結晶基板との電気絶縁性を確保でき、且つ、伝導性制御用のＭｇがデバイス層側に拡散することを抑制できる窒化物系半導体エピタキシャル基板、その製造方法、及びＨＥＭＴ用基板を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）上記課題を達成するために、本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板は、ＧａＮ単結晶基板と、前記ＧａＮ単結晶基板の一側にエピタキシャル成長させられた、ＭｇがドープされたＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第１層と、前記第１層の一側にエピタキシャル成長させられた、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第２層と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
このような窒化物系半導体エピタキシャル基板の上にデバイス層を形成することで、ＨＥＭＴ等の半導体デバイスが得られる。本発明では、Ｍｇがドープされた第１層は比抵抗が高くなるか或いはｐ型伝導性になるため、窒化物系半導体エピタキシャル基板上に形成するデバイス層側からの電流がＧａＮ単結晶基板にリークすることを抑制できる。また、第１層とデバイス層との間にアンドープの第２層が設けられているため、第１層のＭｇがデバイス層側に拡散する事態を抑制できる。しかも、この第２層は絶縁性であるため、デバイス層からＧａＮ単結晶基板への電流リークを更に抑制することができる。
【００１２】
また、本発明において、上記第２層は、比抵抗が９００Ωｃｍ以上であることを特徴としてもよい。第２層の比抵抗がこの程度あれば、デバイス層からＧａＮ単結晶基板への電流リークを充分に抑制することができる。また、本発明者らは、Ｇａを含むＩＩＩ族原料ガスのモル濃度に対するアンモニアガスのモル濃度の比（以下、「Ｖ／ＩＩＩ比」ともいう）の値を１８７５以上に保ちながらエピタキシャル成長させることで、伝導性を補償するドーパントを導入しなくても、比抵抗の高い窒化ガリウム系半導体層が得られることを見出した。このようにＶ／ＩＩＩ比を高い値にする技術を利用することで、アンドープで絶縁性の上記第２層を形成することができる。そして、実験により、Ｖ／ＩＩＩ比を１８７５として第２層を形成した場合に、該層の比抵抗が９００Ωｃｍとなることが判明した。
【００１３】
また、本発明において、上記第２層は、厚みが２．５μｍ以上あることが好ましい。本発明者らは、第１層にドーピングされたＭｇは、基板の厚さ方向に約２．５μｍ拡散することを見出した。従って、第２層の厚さを２．５μｍ以上にすることで、デバイス層側へＭｇが拡散する事態をより効果的に抑制することができる。
【００１４】
本発明において、前記第１層は、ｐ型の伝導性を有してもよい。Ｍｇドープされた第１層がｐ型伝導性の場合は、デバイス層側の電子にとっては障壁となるため、ＧａＮ単結晶基板側への電流リークを抑制することができる。
【００１５】
本発明において、前記ＧａＮ単結晶基板と前記第１層との間に、アンドープのＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる下地層を更に備えることが好適である。
【００１６】
このような下地層を設けることで、第１層以降のモフォロジーを平坦にすることができる。その結果、本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いた半導体デバイスの特性を良好にすることができる。
【００１７】
（２）本発明のＨＥＭＴ用基板は、上記本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板と、前記窒化物系半導体エピタキシャル基板上に形成された、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成された、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる電子供給層と、を備えることを特徴としている。
【００１８】
本発明のＨＥＭＴ用基板によれば、上記の如く窒化物系半導体エピタキシャル基板のＭｇがチャネル層に拡散することを抑制できるため、ＨＥＭＴの電子移動速度を向上させることができる。尚、本発明のＨＥＭＴ用基板に、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極を形成すれば、ＨＥＭＴが得られる。
【００１９】
（３）本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法は、成長炉内で、ＧａＮ単結晶基板の一側に、ＭｇがドープされたＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第１層をエピタキシャル成長させるステップと、前記第１層の一側に、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第２層をエピタキシャル成長させるステップと、を含むことを特徴としている。
【００２０】
このようにして得られた窒化物系半導体エピタキシャル基板は、上記のように、Ｍｇがドープされた第１層は比抵抗が高くなるか或いはｐ型伝導性になるため、窒化物系半導体エピタキシャル基板上に形成するデバイス層側からの電流がＧａＮ単結晶基板にリークすることを抑制できる。また、第１層とデバイス層との間にアンドープの第２層が設けられているため、第１層のＭｇがデバイス層側に拡散する事態を抑制できる。しかも、この第２層は絶縁性であるため、デバイス層からＧａＮ単結晶基板への電流リークを更に抑制することができる。
【００２１】
また、この製造方法において、Ｇａを含むＩＩＩ族原料ガスのモル濃度に対する、アンモニアガスのモル濃度の比の値を１８７５以上に保ちながら、前記ＩＩＩ族原料ガス及び前記アンモニアガスを前記成長炉内に供給することで、絶縁性の前記第２層をエピタキシャル成長させることが好適である。上記のように、Ｖ／ＩＩＩ比を１８７５として第２層を形成した場合に該層の比抵抗が９００Ωｃｍとなり、デバイス層からＧａＮ単結晶基板への電流リークを効果的に抑制することができる。
【００２２】
本発明の製造方法において、前記第１層を成長させた後に、前記成長炉から成長途中の基板を取り出した状態で前記成長炉をベーキングし、その後、前記第２層をエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００２３】
第１層を形成するにあたり、ＣＰ_２Ｍｇをドーパント源として使用することができるが、ＣＰ_２Ｍｇは成長炉内の壁面や基板トレイ等の各種部材に堆積しやすい傾向がある。また、成長炉壁面や各種部材に堆積したＣＰ_２ＭｇとＧａＮ成長時に供給されるＮＨ_３との中間生成物が高温に加熱されると、Ｍｇが放出しやすい。本発明のように、アンドープの第２層を形成する前に成長炉をベーキングするという過程を経ることで、Ｍｇの放出源が除去されて、その後にエピタキシャル成長する層の純度を高くすることができる。
【００２４】
また、本発明の製造方法において、前記第２層を成長させた後に、前記成長炉から基板を取り出した状態で前記成長炉をベーキングするステップと、前記第２層上に、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第３層をエピタキシャル成長させるステップと、を更に含むことが好ましい。
【００２５】
第２層には、第１層からＭｇが不純物として拡散するが、第２層の表面では、Ｍｇ濃度は第１層と第２層の境界領域よりも確実に低くなっている。そして、成長炉をベーキングしてＭｇの放出源を除去した後に第３層を形成すると、第２層から第３層へ拡散するＭｇの濃度は、第１層から第２層に拡散したＭｇの濃度よりも低くなる。従って、このようにして得られた窒化物系半導体エピタキシャル基板は、その表面におけるＭｇ濃度が極めて低くなっている。
【００２６】
このように第３層を形成する製造方法において、上記第２層の厚みを０．５μｍ以上にすることを特徴としてもよい。また、上記第３層の厚みを０．５μｍ以上にすることを特徴としてもよい。第２層及び第３層それぞれの形成前にベーキングによる残留Ｍｇの除去処理を行うと共に、第２層及び第３層の２段階でＭｇの拡散防止を図るため、各層の厚みがこの程度あれば、デバイス層側へのＭｇ拡散を充分に抑えることができる。つまり、窒化物系半導体エピタキシャル基板及びこの上に半導体層をエピタキシャル成長させたデバイスを薄厚化することができる。
【００２７】
また、本発明の製造方法において、前記第１層をエピタキシャル成長させる前に、前記ＧａＮ単結晶基板上に、アンドープのＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる下地層をエピタキシャル成長させ、当該下地層上に前記第１層を形成することが好適である。このような下地層を設けることで、第１層目以降のモフォロジーを平坦にすることができる。その結果、本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板を用いた半導体デバイスの特性を良好にすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００２９】
図１は、本実施形態の窒化物系半導体エピタキシャル基板１０を模式的に示す側面図である。このエピタキシャル基板１０は、ＧａＮ単結晶基板１１と、この基板１１上にエピタキシャル成長されたアンドープのｕ−ＧａＮ層（下地層）１２と、このｕ−ＧａＮ層１２上（つまり、ＧａＮ単結晶基板１１の一側）にエピタキシャル成長されたＭｇドープの高抵抗ＧａＮ層（第１層）１３と、高抵抗ＧａＮ層１３の一側にエピタキシャル成長されたアンドープの高抵抗ｕ−ＧａＮ層（第２層）１４と、を備えている。このエピタキシャル基板１０の上に、複数の半導体層からなるデバイス層を形成することで、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）、ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）及びＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等といった各種半導体デバイスが得られる。
【００３０】
ＧａＮ単結晶基板１１として、本実施形態ではその伝導性がｎ型のものを使用している。ｎ型のＧａＮ単結晶基板１１は、例えば、該基板１１をハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）で形成することで得られる。その際、いわゆるラテラル成長技術を利用することで、結晶性の良好なＧａＮ単結晶基板を作製できる。ＧａＮ単結晶基板１１は必要に応じて適切な方法で研磨され、その厚さは、例えば４００μｍ〜５００μｍ程度にされる。
【００３１】
ｕ−ＧａＮ層（下地層）１２は、厚さ０．１μｍ〜１．０μｍ程度に形成される。ｕ−ＧａＮ層１２を設けることで、その後に成長させる層のモフォロジーを平坦にすることができる。尚、ｕ−ＧａＮ層１２は必ずしも設ける必要は無いが、高抵抗ＧａＮ層１３以降の各層及びデバイス層の結晶性や平坦性を良好にするという観点から言えば、設けることが好ましい。
【００３２】
高抵抗ＧａＮ層（第１層）１３は、ＧａＮ本来のｎ型という伝導性を補償するＭｇがドーピングされており、高抵抗すなわち絶縁性になっている。高抵抗ＧａＮ層１３の厚さは、０．１μｍ〜１．０μｍ程度である。
【００３３】
高抵抗ＧａＮ層（第２層）１４は、高抵抗ＧａＮ層１３上に厚さ０．５μｍ〜５μｍ程度にエピタキシャル成長させられており、伝導性を補償する不純物が故意にドーピングされていないにもかかわらず、その比抵抗が高くなっている。具体的には、高抵抗ＧａＮ層１４の比抵抗値は例えば９００Ωｃｍ以上とされ、この程度の絶縁性を有すれば、デバイス層側のＧａＮ単結晶基板１１への電流リークを充分抑制できる。このような層を形成する方法は、後述する。
【００３４】
以上のような構成の窒化物系半導体エピタキシャル基板１０によれば、次のような効果が得られる。すなわち、本実施形態では、Ｍｇがドープされた高抵抗ＧａＮ層１３が設けられているため、エピタキシャル基板１０上に形成するデバイス層側からの電流がＧａＮ単結晶基板１１にリークすることを抑制できる。また、高抵抗ＧａＮ層１３の上に形成されたアンドープの高抵抗ＧａＮ層１４が障壁となって、高抵抗ＧａＮ層１３のＭｇがデバイス層側に拡散する事態を抑制できる。しかも、この高抵抗ＧａＮ層１４は絶縁性（上記のように比抵抗値は例えば９００Ωｃｍ以上）であるため、デバイス層からＧａＮ単結晶基板１１への電流リークを更に抑制することができる。
【００３５】
また、本実施形態において、高抵抗ＧａＮ層１４は、厚みが２．５μｍ以上あることが好ましい。本発明者らの実験により、高抵抗ＧａＮ層１３にドーピングされたＭｇは、基板の厚さ方向（図中上方）に約２．５μｍ拡散することが判明した（実験結果は後述の実施例を参照）。従って、高抵抗ＧａＮ層１４の厚さを２．５μｍ以上にすることで、デバイス層側へＭｇが拡散する事態をより効果的に抑制することができる。
【００３６】
尚、ｕ−ＧａＮ層（下地層）１２、高抵抗ＧａＮ層（第１層）１３、及び高抵抗ＧａＮ層（第２層）１４は、ＧａＮに限らず、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）で特定されるＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等にすることができる。
【００３７】
図２は、図１に示したエピタキシャル基板１０を用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３０を模式的に示す側面図である。
【００３８】
ＨＥＭＴ３０は、エピタキシャル基板１０及びデバイス層５０で構成された本実施形態のＨＥＭＴ用基板６０に、ゲート電極５５、ソース電極５６、及びドレイン電極５７を設けることで構成されている。デバイス層５０は、エピタキシャル基板１０上に形成されたｕ−ＧａＮからなるチャネル層５１と、このチャネル層５１上に形成された電子供給層５２と、から構成されている。ゲート電極５５は例えばＡｕで形成され、ソース電極５６及びドレイン電極５７は例えばＴｉ／Ａｌで形成することができる。ＨＥＭＴ７０を作動させると、高純度のチャネル層５１の上層部に２次元電子ガス層が形成され、電子の高速移動が実現する。
【００３９】
このようなＨＥＭＴ用基板６０及びＨＥＭＴ７０では、上記の如きエピタキシャル基板１０を利用しているため、該基板１０のＭｇがチャネル層５１に拡散する事態を抑制することができる。これにより、チャネル層５１の純度を高い値に保持でき、ＨＥＭＴ３０において高い電子移動速度を実現することができる。
【００４０】
次に、図３のフローチャートを参照して、図１に示した窒化物系半導体エピタキシャル基板１０の製造方法を説明する。
【００４１】
本実施形態の製造方法は、概略、以下の工程（Ａ）〜（Ｆ）を経る。
（Ａ）まず、ＧａＮ単結晶基板１１を準備する（Ｓ１０１）。
（Ｂ）ＧａＮ単結晶基板１１をＯＭＶＰＥ装置内に設置する。そして、ＧａＮ単結晶基板１１に熱処理を施し、基板表面を平坦化する（Ｓ１０２）。
（Ｃ）ＧａＮ単結晶基板１１上にｕ−ＧａＮ層１２をエピタキシャル層させる（Ｓ１０３）。
（Ｄ）ｕ−ＧａＮ層１２上に、Ｍｇドープされた高抵抗ＧａＮ層１３を形成する（Ｓ１０４）。
（Ｅ）成長途中の基板を成長炉から一旦取り出し、成長炉をベーキングする（Ｓ１０５）。
（Ｆ）高抵抗ＧａＮ層１３上に、アンドープで絶縁性の高抵抗ＧａＮ層１４を形成する（Ｓ１０６）。
【００４２】
以下、各工程を説明する。
【００４３】
まず、（Ａ）のＧａＮ単結晶基板１１を準備する工程（Ｓ１０１）を説明する。ＧａＮ単結晶基板１１は、公知の様々な手法で形成することができる。例えば、国際公開第９９／２３６９３号パンフレット等に示すように、開口が形成されたＳｉＯ_２マスクを利用したいわゆるラテラル成長によってＧａＮ単結晶基板１１を形成すれば、該基板１１は、欠陥が極めて少ないものとなる。そして、成長させたＧａＮ単結晶基板１１を研磨剤によって表面研磨し、純水などを用いて液体洗浄する。
【００４４】
次に、（Ｂ）の熱処理工程（Ｓ１０２）を説明する。まず、上記のようにして準備したＧａＮ単結晶基板１１を、図４に模式的に示すＯＭＶＰＥ装置２０にセットする。ＯＭＶＰＥ装置２０は、ＯＭＶＰＥ法によって窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させるものであるが、該エピタキシャル成長に先立って、この装置内において基板１１に熱処理を施す。
【００４５】
ＯＭＶＰＥ装置２０は、基板１１の表面に対して垂直方向から原料ガスを噴射するように構成された縦型の成長炉２２を備えている。この成長炉２２は、原料ガスやキャリアガスが供給される原料供給管２１ａ〜２１ｅと、成長後の残余ガスを排気する排気管２３ｏと、複数個の基板１１が設置される試料台３２と、下方から試料台３２を加熱するヒータ３３とから主として構成されている。また、成長炉２２の内部上方には水冷ジャケット３４が設けられており、このジャケットにより、原料ガスが加熱されて基板１１に到達する前に反応してしまうのを防ぐことができる。
【００４６】
成長炉２２の下方には、試料台３２を回転させる駆動機構４０が設けられており、駆動機構４０は、モータ４１と、モータ４１の回転がベルト４２を通じて伝達される回転軸４３と、を備える。回転軸４３は、磁性流体シール４４を通して成長炉２２内に導入されており、その上端は試料台３２の底面に接続されている。回転軸４３の周囲に磁性流体シール４４を設けることで、回転軸４３が挿通された成長炉２２の貫通孔が密閉されている。試料台３２は、カーボンにＳｉＣコートしたものを使用することができ、駆動機構４０によって例えば約１０００ｒｐｍで高速回転させられる。
【００４７】
そして、このようなＯＭＶＰＥ装置２０内でＧａＮ単結晶基板１１に熱処理を施すにあたっては、例えばＮＨ_３を１１ｓｌｍ、Ｈ_２あるいはＮ_２を５ｓｌｍ供給しながら、基板温度を約１０２０℃とし、成長炉内の圧力を約２６．７ｋＰａとして１５分間程度保持する。このような熱処理工程を経ることで、基板１１の表面に残存している研磨傷等が除去され、表面が平坦化される。
【００４８】
次に、上記（Ｃ）のＧａＮ単結晶基板１１上にｕ−ＧａＮ層１２をエピタキシャル成長させる過程（Ｓ１０３）を説明する。（Ｂ）の熱処理工程を終えた後、基板１１表面の汚染を防ぐために、基板１１を成長炉２２から取り出さずにそのままエピタキシャル成長を開始することが好ましい。
【００４９】
ｕ−ＧａＮ層１２をエピタキシャル成長させるにあたっては、上記の熱処理後に基板温度を約１０００℃まで低下させ、成長炉内の圧力を約２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）とし、Ｇａを含むＩＩＩ族原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、このトリメチルガリウムを基板１１に向けて輸送する水素ガス（Ｈ_２）、及びアンモニアガス（ＮＨ_３）を成長炉２２内に供給する。
【００５０】
次に、上記（Ｄ）のＭｇドープされた高抵抗ＧａＮ層１３を形成する過程（Ｓ１０４）を説明する。基板温度を約１０２０℃、成長炉内の圧力を約２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）とし、アンモニアガスを１１ｓｌｍ、トリメチルガリウムを１７５μｍｏｌ／ｍｉｎ、伝導性補償ドーピングとしてのビスシクロペンタンジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を４．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、成長炉２２内に供給する。尚、伝導性補償用のドーピングガスとしては、ＣＰ_２Ｍｇの代わりに、メチルシクロペンタジエニルマグネシウムや、エチルシクロペンタジエニルマグネシウム等のアルキル化シクロペンタジエニルマグネシウムを用いてもよい。
【００５１】
尚、ｕ−ＧａＮ層１２上に形成する第１層としての高抵抗ＧａＮ層１３は、ｐ型の伝導性を有するようにしてもよい。この場合は、成長後にＮ_２雰囲気中や空気中等の水素フリー雰囲気中で、６００〜８００℃での熱処理を行えばよい。Ｍｇドープされた第１層がｐ型伝導性の場合は、デバイス層５０側の電子にとっては障壁となるため、ＧａＮ単結晶基板１１側への電流リークを抑制することができる。
【００５２】
次に、上記（Ｅ）の成長炉をベーキングする過程（Ｓ１０５）を説明する。高抵抗ＧａＮ層１３を形成するにあたり、ＣＰ_２Ｍｇ等をドーパント源として使用するが、ＣＰ_２Ｍｇは成長炉２２内の壁面や試料台３２等の各種部材に吸着もしくは堆積しやすい傾向がある。また、成長炉壁面や各種部材に吸着もしくは堆積したＣＰ_２ＭｇとＧａＮ成長時に供給されるＮＨ_３との中間生成物が高温に加熱されると、Ｍｇが放出しやすい。そこで、高抵抗ＧａＮ層１３を形成した後、製造途中の基板を成長炉２２から取り出した状態で成長炉２２をベーキングすることで、Ｍｇの放出源が除去されて、その後にエピタキシャル成長する層の純度を高くすることができる。
【００５３】
次に、上記（Ｆ）の高抵抗ＧａＮ層１４を形成する過程（Ｓ１０６）を説明する。高抵抗ＧａＮ層１４をエピタキシャル成長させるにあたっては、例えば基板温度を約１０２０℃、成長炉内の圧力を約２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）とし、Ｇａを含むＩＩＩ族原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、このトリメチルガリウムを基板１１に向けて輸送する水素ガス（Ｈ_２）、及びアンモニアガス（ＮＨ_３）を成長炉２２内に供給する。
【００５４】
この際、本実施形態では、トリメチルガリウムのモル濃度に対するアンモニアガスのモル濃度の比（すなわち、「Ｖ／ＩＩＩ比」）の値が１８７５以上になるように、ガス流量を調節する。例えば、アンモニアガスの流量を１１ｓｌｍとし、トリメチルガリウムの流量を２６２μｍｏｌ／ｍｉｎとすれば、Ｖ／ＩＩＩ比は１８７５となる。Ｖ／ＩＩＩ比を１８７５以上にすることで、伝導性を補償する故意のドーピングをすることなく、比抵抗値が９００Ωｃｍ以上という絶縁性のＧａＮ層を得ることができる。
【００５５】
また、第２層としての高抵抗ＧａＮ層をＩｎＧａＮ層とする場合は、例えば、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を成長炉２２に供給し、トリメチルガリウム及びトリメチルインジウムのモル濃度の総量に対するアンモニアガスのモル濃度の比の値を１８７５以上にすれば、伝導性補償ドーピングをすることなく、絶縁性のＩｎＧａＮ層を得られる。
【００５６】
一方、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルガリウム及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を成長炉２２に供給し、トリメチルガリウム及びトリメチルアルミニウムのモル濃度の総量に対するアンモニアガスのモル濃度の比の値を１８７５以上にすれば、伝導性補償ドーピングをすることなく、比抵抗の高いＡｌＧａＮ層を得られる。
【００５７】
以上の過程を経ることにより、デバイス層５０側とＧａＮ単結晶基板１１との電気絶縁性を確保でき、且つ、伝導性制御用のＭｇがデバイス層５０側に拡散することを抑制できるエピタキシャル基板１０が得られる。
【００５８】
次に、図５を参照して、本発明の他の実施形態を説明する。本実施形態では、高抵抗ＧａＮ層１４を形成した後に、基板を取り出した状態で成長炉２２を再びベーキングする。これにより、成長炉２２内における残留Ｍｇを再度除去する。その後、高抵抗ＧａＮ層１４と同様の方法により、高抵抗ＧａＮ層（第３層）１５をエピタキシャル成長する。このような手法を採った場合、高抵抗ＧａＮ層１４から高抵抗ＧａＮ層１５へ拡散するＭｇの濃度は、高抵抗ＧａＮ層１３から高抵抗ＧａＮ層１４に拡散したＭｇの濃度よりも低くなる。従って、このようにして得られた窒化物系半導体エピタキシャル基板１０は、その表面におけるＭｇ濃度が極めて低くなっている。
【００５９】
また、このような製造過程を経る場合は、高抵抗ＧａＮ層１４及び高抵抗ＧａＮ層１５を薄厚にすることができる。すなわち、高抵抗ＧａＮ層１４及び高抵抗ＧａＮ層１５それぞれの形成前にベーキングによる残留Ｍｇの除去処理を行うと共に、これら２層が障壁となってＭｇの拡散防止を図るため、各層の薄厚化を実現することができる。具体的には、高抵抗ＧａＮ層１４及び高抵抗ＧａＮ層１５がそれぞれ０．５μｍ以上あれば、デバイス層へのＭｇの拡散を充分に抑制することができる。また、高抵抗ＧａＮ層１４及び高抵抗ＧａＮ層１５を薄くすることで、ＨＥＭＴ７０等のデバイス全体を薄厚化することができる。
【００６０】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明の効果を具体的に説明する。
【００６１】
［アンドープの高抵抗ＧａＮ層］
ドーピングをすることなく絶縁性の高抵抗ＧａＮ層が得られる実験を行った。これについて、比較例と対比しつつ説明する。
【００６２】
実施例では、Ｖ／ＩＩＩ比と基板１１上にエピタキシャル成長させたＧａＮ層の比抵抗値との関係を求める実験を行った。また、高抵抗ＧａＮ層の比抵抗を求めるにあたっては、図６に示す試験ウエハ８０を作製した。この試験ウエハ８０は、ｎ型伝導性のＧａＮ単結晶基板１１の上に、まず、Ｍｇドーピングによって抵抗値が高められた第１エピタキシャル成長層７２を形成し、その後、第２エピタキシャル成長層（図１でいう高抵抗ＧａＮ層１４）をエピタキシャル成長させたものである。第１エピタキシャル成長層７２は、ＧａＮ単結晶基板１１と第２エピタキシャル成長層７４（高抵抗ＧａＮ層）との絶縁性を確保し、第２エピタキシャル成長層７４の比抵抗を測定可能にするために設けたものである。以下、詳説する。
【００６３】
まず、ｎ型伝導性のＧａＮ単結晶基板１１を図４に示したＯＭＶＰＥ装置２０にセットし、表１に示す条件で、前処理として熱処理を行った。
【表１】

【００６４】
次に、基板温度を１０００℃、成長炉内の圧力を約２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）とし、アンモニアガスを１１ｓｌｍ、トリメチルガリウムを１７５μｍｏｌ／ｍｉｎ、伝導性補償ドーピングとしてのビスシクロペンタンジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を４．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、成長炉２２内に供給した。これにより、ＧａＮ単結晶基板１１上に厚さ０．４μｍの第１エピタキシャル成長層７２を形成した。この第１エピタキシャル成長層７２の形成までは、後述の各実施例及び比較例において同様である。
【００６５】
次いで、成長炉内に付着したドーパントとしてのＭｇが第２エピタキシャル成長層７４に混入するのを防止するために、一旦、ウエハを成長炉２２から取り出し、炉内を高温にして残留Ｍｇを除去した。
【００６６】
次に、基板温度を１０００℃、成長炉内の圧力を約２６．７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）とし、伝導性補償ドーピングを供給せずに、第２エピタキシャル成長層（高抵抗ＧａＮ層）７４を形成した。表１に示すように、第２エピタキシャル成長層は、アンモニアガスの供給量を１１ｓｌｍとして一定にする一方、トリメチルガリウムの流量を１７５〜４９１μｍｏｌ／ｍｉｎの範囲で変えて、合計５パターンのＶ／ＩＩＩ比で実験を行った。
【００６７】
そして、形成した第２エピタキシャル成長層７４の比抵抗は、いわゆる４端針法で測定した。測定した比抵抗値を、表２及び図７に示す。
【００６８】
比較例１では、トリメチルガリウムの流量を４９１μｍｏｌ／ｍｉｎとし、Ｖ／ＩＩＩ比を１０００とした。尚、比較例１のＶ／ＩＩＩ比は、アンモニアガスの流量の単位を「ｓｌｍ」としていることを考慮し、１１／２２．４／（４９１×１０^−６）という演算により求まる。また、比較例２では、トリメチルガリウムの流量を３９３μｍｏｌ／ｍｉｎとし、Ｖ／ＩＩＩ比を１２５０としている。これらの比較例１，２においては、表２及び図７に示すように、比抵抗はそれぞれ１．１，１．３Ωｃｍと小さいことが判明した。このような比抵抗値では、デバイス層とＧａＮ単結晶基板との絶縁性を確保することはできない。
【００６９】
実施例１では、トリメチルガリウムの流量を２６２μｍｏｌ／ｍｉｎとし、Ｖ／ＩＩＩ比を１８７５とした。実施例２では、トリメチルガリウムの流量を２１０μｍｏｌ／ｍｉｎとし、Ｖ／ＩＩＩ比を２３３７とした。実施例３では、トリメチルガリウムの流量を１７５μｍｏｌ／ｍｉｎとし、Ｖ／ＩＩＩ比を２８００とした。表２及び図７に示すように、これらの実施例１〜３において比抵抗はそれぞれ９００，１３００，２３００Ωｃｍとなっており、第２エピタキシャル成長層７４は、デバイス層とＧａＮ単結晶基板１１との絶縁性を確保するのに充分な比抵抗を有することが判明した。
【表２】

以上のように、本実施例より、Ｖ／ＩＩＩ比を１８７５以上にすることで、伝導性補償ドーピングをしなくても、比抵抗が９００Ωｃｍ以上の高抵抗ＧａＮ層を得られることが検証された。
【００７０】
［Ｍｇの拡散抑制］
次に、Ｍｇドープの高抵抗ＧａＮ層（第１層）上にアンドープで絶縁性の高抵抗ＧａＮ層（第２層）を設けることが、デバイス層側へのＭｇ拡散防止に有効である点を検証した。
【００７１】
まず、実施例４として、基板上に、アンドープの下地層としてのＧａＮ層、Ｍｇをドープした高抵抗ＧａＮ層、及びアンドープの高抵抗ＧａＮ層をこの順で積層して、エピタキシャル基板を得た。次いで、このエピタキシャル基板上に、ＨＥＭＴのチャネル層に相当するアンドープのＧａＮ層を形成した。
【００７２】
より詳しく説明すると、まず、基板としては、ＧａＮ単結晶基板ではなく、サファイア基板を用いた。サファイア基板を用いた場合、ＧａＮ単結晶基板を用いた場合と比較して成長層の結晶性は劣るものの、Ｍｇのデバイス層側への拡散の程度には影響を及ぼさない。この基板を水素雰囲気中１０００℃でベーキングした後、基板温度を５００℃まで下げてＧａＮバッファ層を成長させた。その後、基板温度を１０００℃まで昇温させ、厚さ約１．０μｍのアンドープのＧａＮ層を形成した。
【００７３】
更に、Ｍｇドープの高抵抗ＧａＮ層を厚さ約０．３μｍ成長させた後、基板を成長炉から一旦取り出し、成長炉を水素雰囲気中において１０５０℃で１時間ベーキングした。その後、Ｖ／ＩＩＩ比を２８００としてアンドープの高抵抗ＧａＮ層を厚さ約３．０μｍで形成し、エピタキシャル基板を得た。続いて、このエピタキシャル基板に、ＨＥＭＴのチャネル層に相当するアンドープＧａＮ層を厚さ約３．２μｍで形成した。
【００７４】
一方、比較例３として、ＧａＮ単結晶基板に、アンドープの下地層としてのＧａＮ層及びＭｇドープの高抵抗ＧａＮ層を形成してエピタキシャル基板を作製し、該エピタキシャル基板にチャネル層に相当するアンドープＧａＮ層を形成した。つまり、ＭｇドープＧａＮ層からのＭｇ拡散を防止するためのアンドープの高抵抗ＧａＮ層を設けることなく、デバイス層を積層した。
【００７５】
より詳しくは、ＧａＮ単結晶基板を、水素とＮＨ_３の混合雰囲気中において１０２０℃でアニールした後、アンドープＧａＮ層を約０．４５μｍ成長させた。更に、Ｍｇドープの高抵抗ＧａＮ層を約０．４５μｍ成長させ、エピタキシャル基板を得た。その後、基板を一旦取り出して、成長炉を水素雰囲気中１０５０℃で１時間ベーキングした。更に、エピタキシャル基板に、チャネル層に相当するアンドープのＧａＮ層を約２．７５μｍ成長させた。
【００７６】
そして、実施例４及び比較例３について、それぞれＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）によってＭｇの濃度分布を求めた。図８に、実施例４のプロファイルを示し、図９に、比較例３のプロファイルを示す。
【００７７】
図８から判るように、実施例４では、アンドープの高抵抗ＧａＮ層が障壁となり、Ｍｇドープされた高抵抗ＧａＮ層からチャネル層へのＭｇの拡散が充分に抑えられている。また、Ｍｇドープの高抵抗ＧａＮ層からＭｇは基板の厚さ方向に２．５μｍ程度拡散し、ＭｇドープＧａＮ層からそれ以上遠い領域においては、検出限界（１×１０^１４ｃｍ^−３）以下の濃度まで減少した。尚、Ｍｇが２．５μｍ程度拡散することを考慮すれば、上述したように、アンドープの高抵抗ＧａＮ層の厚さを２．５μｍ以上にすればチャネル層へのＭｇ拡散をより効果的に抑制し得ることが判る。
【００７８】
一方、図９から判るように、アンドープの高抵抗ＧａＮ層を設けない場合は、チャネル層におけるＭｇ濃度は高い値になっている。チャネル層の表面付近においても、Ｍｇ濃度は、７×１０^１５ｃｍ^−３程度に達していた。
【００７９】
本実験により、Ｍｇドープの高抵抗ＧａＮ層（第１層）上にアンドープで絶縁性の高抵抗ＧａＮ層（第２層）を設けることが、デバイス層側へのＭｇ拡散防止に有効なことが立証された。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物系半導体エピタキシャル基板及びＨＥＭＴ用基板によれば、デバイス層側とＧａＮ単結晶基板との電気絶縁性を確保できるとともに、伝導性制御用のＭｇがデバイス層側に拡散することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板を模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示すエピタキシャル基板を用いたＨＥＭＴを示す図である。
【図３】本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】窒化物系半導体エピタキシャル基板を作製するＯＭＶＰＥ装置を示す図である。
【図５】本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャル基板の他の形態を示す図である。
【図６】Ｖ／ＩＩＩ比とＧａＮ層の比抵抗との関係を求める実施例で用いた試験ウエハを示す図である。
【図７】実施例におけるＶ／ＩＩＩ比と比抵抗との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施例によるＭｇ濃度分布を示すプロファイルである。
【図９】比較例によるＭｇ濃度分布を示すプロファイルである。
【符号の説明】
１０…窒化物系半導体エピタキシャル基板、１１…ＧａＮ単結晶基板、１２…ｕ−ＧａＮ層（下地層）、１３…高抵抗ＧａＮ層（第１層；Ｍｇドープ）、１４…高抵抗ＧａＮ層（第２層；アンドープ）、１５…高抵抗ＧａＮ層（第３層；アンドープ）、２０…ＯＭＶＰＥ装置、２２…成長炉、３２…試料台、５０…デバイス層、５１…チャネル層、５２…電子供給層、６０…ＨＥＭＴ用基板、８０…試験ウエハ。

Claims (13)

1. ＧａＮ単結晶基板と、
   前記ＧａＮ単結晶基板の一側にエピタキシャル成長させられた、ＭｇがドープされたＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第１層と、
   前記第１層の一側にエピタキシャル成長させられた、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第２層と、
   を備えることを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャル基板。
2. 前記第２層は、比抵抗が９００Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
3. 前記第２層は、厚みが２．５μｍ以上あることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
4. 前記第１層は、ｐ型の伝導性を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
5. 前記ＧａＮ単結晶基板と前記第１層との間に、アンドープのＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる下地層を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のうち何れか一項記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板。
6. 請求項１〜請求項５のうち何れか一項記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板と、
   前記窒化物系半導体エピタキシャル基板上に形成された、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなるチャネル層と、
   前記チャネル層上に形成された、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる電子供給層と、
   を備えることを特徴とするＨＥＭＴ用基板。
7. 成長炉内で、ＧａＮ単結晶基板の一側に、ＭｇがドープされたＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第１層をエピタキシャル成長させるステップと、
   前記第１層の一側に、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第２層をエピタキシャル成長させるステップと、
   を含むことを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。
8. Ｇａを含むＩＩＩ族原料ガスのモル濃度に対する、アンモニアガスのモル濃度の比の値を１８７５以上に保ちながら、前記ＩＩＩ族原料ガス及び前記アンモニアガスを前記成長炉内に供給することで、絶縁性の前記第２層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項７記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。
9. 前記第１層を成長させた後に、前記成長炉から成長途中の基板を取り出した状態で前記成長炉をベーキングし、その後、前記第２層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。
10. 前記第２層を成長させた後に、前記成長炉から基板を取り出した状態で前記成長炉をベーキングするステップと、
    前記第２層上に、アンドープの絶縁性のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる第３層をエピタキシャル成長させるステップと、
    を更に含むことを特徴とする請求項７〜請求項９のうち何れか一項記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。
11. 前記第２層の厚みを０．５μｍ以上にすることを特徴とする請求項１０記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。
12. 前記第３層の厚みを０．５μｍ以上にすることを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。
13. 前記第１層をエピタキシャル成長させる前に、前記ＧａＮ単結晶基板上に、アンドープのＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＞０）からなる下地層をエピタキシャル成長させ、当該下地層上に前記第１層を形成することを特徴とする請求項７〜請求項１２のうち何れか一項記載の窒化物系半導体エピタキシャル基板の製造方法。

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