JP2006179802A - 化合物半導体 - Google Patents

Abstract

【課題】 デバイスの基本構造であるダイオードにおける漏れ電流を低減し、かつ、エネルギー損失を低減し得る化合物半導体を提供する。
【解決手段】 結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³（≒抵抗率１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板２上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^11〜16／ｃｍ³（≒抵抗率１〜１０００００Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜５を順に積層させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、短波長半導体発光素子、高周波及び高効率半導体素子等に用いられる３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）やＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の単結晶膜からなる化合物半導体に関する。

化合物半導体は、その優れた物性により、現在主流である半導体Ｓｉ（シリコン、ケイ素）によるデバイスの物性限界を凌駕するものとして期待されている。

従来、この種の化合物半導体及びその製造方法としては、Ｓｉ単結晶基板を水素等の非酸化性雰囲気又は真空中においてＳｉ単結晶の融点以下の温度で熱処理してその表面の自然酸化膜を除去してから、炭素雰囲気において熱処理してＳｉ単結晶基板の表面に薄いＳｉＣ（炭化ケイ素）単結晶層を形成した後、その上に気相成長により厚いＳｉＣ単結晶層を積層して化合物半導体成長用基板とし、この基板のＳｉＣ単結晶上に気相成長により化合物半導体単結晶膜を積層して製造する方法及びその方法によって製造されたものが知られている（非特許文献１参照）。
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．１０，１５ Ｍａｙ １９８７ Ｐ．４８８９〜４８９３

しかしながら、従来の化合物半導体を用いて製造したデバイスでは、その基本構造であるダイオードにおいて、漏れ電流が多く実用に耐え得ない不具合がある。漏れ電流が多いことは、エネルギー損失を招くことから、漏れ電流が少ないデバイスの実現が望まれている。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、デバイスの基本構造であるダイオードにおける漏れ電流を低減し、かつ、エネルギー損失を低減し得る化合物半導体を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の化合物半導体は、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³（≒抵抗率１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^11〜16／ｃｍ³（≒抵抗率１〜１０００００Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜が順に形成されていることを特徴とする。

また、第２の化合物半導体は、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下（≒抵抗率１Ωｃｍ以上）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板の上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜が順に形成されていることを特徴とする。

また、前記化合物半導体においては、化合物半導体単結晶膜が六方晶ＡｌＮまたは六方晶ＧａＮであることが好ましい。

また、前記化合物半導体は、化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶がｐ型であることが好ましい。

さらに、前記化合物半導体は、化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、前記化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層が挿入形成されていることが好ましい。

さらにまた、前記化合物半導体は、化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層が挿入形成され、かつ、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶がｐ型であることが好ましい。

本発明の第１、第２の化合物半導体によれば、アンチフェーズバウンダリは、結晶面方位｛１１１｝と約６０°の角度の関係にある結晶面方位｛１００｝に垂直に形成され、結晶表面には達し難い一方、結晶学的に等価な６つの結晶面方位｛１００｝が存在する。このため、アンチフェーズバウンダリ同士が衝突した際、対消滅が起こり、アンチフェーズバウンダリの発生が低減するため、アンチフェーズバウンダリに沿って流れる漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。

また、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有するＳｉ単結晶基板の表面上に３Ｃ−ＳｉＣを成長させることによって、アンチフェーズバウンダリの発生が低減するため、アンチフェーズバウンダリに沿って流れる漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。
ちなみに、奇数個の原子段差を有する表面には、アンチフェーズバウンダリが発生することが知られている。

さらに、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層を介在させることにより、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層との格子定数差や熱膨張係数差が緩和され、ミスフィット転位の発生が低減するため、ミスフィット転位を流れる電流を１／１０程度に低減することができる。

さらにまた、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と化合物半導体単結晶膜の間に３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層を介在させることにより、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層中でのミスフィット転位の対消滅によりミスフィット転位が低減するため、ミスフィット転位を流れる電流を１／１０程度に低減することができる。

したがって、上記のような本発明に係る化合物半導体を用いて作製されるデバイスは、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の物性を利用しつつ、ｐｎ接合あるいは空乏層がＳｉ単結晶基板及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の界面に及ばないように電気的な設計上の工夫がなされ、同界面近傍に発生するアンチフェーズバウンダリ及びミスフィット転位とｐｎ接合および空乏層が電気的に分離されるため、各々の欠陥を流れる漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。

そして、上述した作用効果は、相乗効果があり、全体として漏れ電流を１／５０程度と格段に低減することができる。

特に、化合物半導体単結晶膜を六方晶ＡｌＮとすると、３Ｃ−ＳｉＣと格子不整合率および熱膨張係数差が各々１％程度および２％程度と格段に小さいため、化合物半導体単結晶膜および３Ｃ−ＳｉＣ界面近傍の欠陥発生を低減でき、漏れ電流を１／５０程度と格段に低減することができる。

あるいはまた、化合物半導体単結晶膜を六方晶ＧａＮとすると、３Ｃ−ＳｉＣと格子不整合率および熱膨張係数差が各々３％程度および５０％程度と比較的小さいため、化合物半導体単結晶膜および３Ｃ−ＳｉＣ界面近傍の欠陥発生を低減でき、漏れ電流を１／１０程度に低減することができる。

さらにまた、化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶がｐ型とすることにより、エネルギーバンド的な配置により発生したホールが、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層およびＳｉ単結晶基板の側に吸い込まれるため、化合物半導体単結晶膜の漏れ電流を１／１００程度に低減することができる。
なお、高い電圧を化合物半導体単結晶膜に印加した際に起きる雪崩（アバランシェ）降伏現象において、電子およびホールが発生することが知られている。この電子およびホールは、印加された電圧によって加速され、漏れ電流として検出されるため、低減が望まれている。

また、化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層が挿入形成されていると、六方晶ＧａＮと六方晶ＡｌＮの格子不整合率および熱膨張係数差が各々２％程度および４７％程度と比較的小さく、かつ、六方晶ＡｌＮと３Ｃ−ＳｉＣの格子不整合率および熱膨張係数差が各々１％程度および２％程度と格段に小さいため、全体としての格子不整合率および熱膨張係数差の値が最小となり、化合物半導体単結晶膜および３Ｃ−ＳｉＣ界面近傍の欠陥発生を低減できるため、漏れ電流を１／１００程度と格段に低減することができる。

さらに、化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層が挿入形成され、かつ、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶がｐ型であると、全体としての格子不整合率および熱膨張係数差の値が最も小さくなることによる効果に加えて、エネルギーバンド的な配置により発生した電子およびホールの内、ホールは３Ｃ−ＳｉＣ単結晶、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層およびＳｉ単結晶基板の側に吸い込まれるので化合物半導体単結晶膜の漏れ電流を１／２００程度に低減することができる。

Ｓｉ単結晶基板には、ＣＺ（チョクラルスキー）法によるものの他、ＦＺ（フローティングゾーン）法によるもの及びこれらのＳｉ単結晶基板に気相成長によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長をさせたもの（Ｓｉエピ基板）も含まれる。
ちなみに、エピタキシャル成長は、結晶性の良い単結晶層（エピ層）を得る方法として知られており、その本質は基板の結晶面方位をエピ層に引き継ぐことである。

Ｓｉ単結晶基板の結晶面方位｛１１１｝には、結晶面方位｛１１１｝の微傾斜（約十数度）、あるいは｛２１１｝等の高次面指数の結晶面方位も含まれる。
なお、アンチフェーズバウンダリは、結晶面方位｛１１１｝と約６０°の角度の関係にある結晶面方位｛１００｝に垂直に形成され、結晶表面に達し難いが、｛１１１｝と｛１００｝が十分に角度を成していることが肝要である。

第１の化合物半導体において、Ｓｉ単結晶基板には、キャリア濃度が１０^16〜21／ｃｍ³のものを用いる。
前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³未満であると、高抵抗であるため、Ｓｉ単結晶基板に通電した際、エネルギー損失が大きくなる。一方、キャリア濃度は、エネルギー損失の観点からは、高いほどよいが、１０²¹／ｃｍ³を超えることは、Ｓｉ単結晶においては物性的に困難である。
Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度の下限は、１０¹⁷／ｃｍ³であることが好ましい。

一方、第２の化合物半導体においては、キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³以下のＳｉ単結晶基板を用いる。
前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³を超えると、該化合物半導体に高周波にて通電した際、Ｓｉ単結晶基板に渦電流が発生し、化合物半導体の性能が低下する。
第２の化合物半導体におけるＳｉ単結晶基板のキャリア濃度の上限は、１０¹⁵／ｃｍ³であることが好ましい。

前記Ｓｉ単結晶基板の厚さは、１００〜１０００μｍであることが好ましく、２００〜８００μｍであることがより好ましい。
Ｓｉ単結晶基板の厚さが１００μｍ未満であると、機械的強度不足となる。一方、前記厚さが１０００μｍを超えると、原料の経済的な損失となる。

また、前記Ｓｉ単結晶基板上に形成される３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、０．１〜１００ｎｍとする。
前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さが０．１ｎｍ未満であると、緩衝効果が不足となる。一方、前記厚さが１００ｎｍを超えると、原料の経済的な損失となる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、１〜８０ｎｍであることがより好ましい。

また、第１の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の伝導型は、Ｓｉ単結晶基板の伝導型と同じとする。
伝導型が異なると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層とＳｉ単結晶基板の界面近傍にｐｎ接合および空乏層が形成され、同界面近傍に発生するアンチフェーズバウンダリ及びミスフィット転位は、該ｐｎ接合および空乏層と電気的に分離されないため、漏れ電流が各々の欠陥を流れてしまい、エネルギー損失となる。

さらに、第１の化合物半導体においては、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の伝導型も、Ｓｉ単結晶基板の伝導型と同じとする。
伝導型が異なると、ｐｎ接合が形成され、付随して空乏層が３Ｃ−ＳｉＣ単結晶と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の界面近傍に形成され、界面近傍に存在する残留のアンチフェーズバウンダリ及びミスフィット転位は、前記ｐｎ接合および空乏層と電気的に分離されないため、漏れ電流が各々の欠陥を流れてしまい、エネルギー損失となる。

前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層上に形成される３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層は、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍの範囲とする。
前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さが０．１ｎｍ未満であると、該３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層中でのミスフィット転位の対消滅によりミスフィット転位が十分に低減することができず、ミスフィット転位を流れる漏れ電流が増大し、エネルギー損失となる。一方、前記厚さが１０μｍを超えると、原料の経済的な損失となる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶の厚さは、０．１〜５μｍであることがより好ましい。

第１の化合物半導体における前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度は、１０^16〜21／ｃｍ³の範囲とする。
前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³未満であると、高抵抗であるため、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層または３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層に通電した際、エネルギー損失となる。一方、前記キャリア濃度は、エネルギー損失の観点からは、高いほどよいが、１０²¹／ｃｍ³を超えることは、物性的に困難である。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の各キャリア濃度の下限は、１０¹⁷／ｃｍ³であることが好ましい。

一方、第２の化合物半導体においては、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度は、１０¹⁶／ｃｍ³以下とする。
前記キャリア濃度が、１０¹⁶／ｃｍ³を超えると、化合物半導体に高周波にて通電した際、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層または３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層に渦電流が発生し、化合物半導体の性能が低下する。
第２の化合物半導体における３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の各キャリア濃度の上限は、１０¹⁵／ｃｍ³であることが好ましい。

さらに、前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層上に形成される化合物半導体単結晶膜は、厚さ０．０１〜１００μｍの範囲とする。
前記厚さが０．０１μｍ未満であると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度が高いため、キャリアが濃度の低い化合物半導体単結晶膜に流れ込み、その影響を強く受けて化合物半導体の本来の物性が発現しないこととなる。一方、前記厚さが１００μｍを超えると、原料の経済的な損失となる。
化合物半導体単結晶の厚さは、０．１〜５０μｍであることがより好ましい。

第１の化合物半導体における化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度は、１０^11〜16／ｃｍ³の範囲とする。
前記キャリア濃度は、化合物半導体性能の観点からは、低いほどよいが、１０¹¹／ｃｍ³未満とすることは、物理的に困難である。一方、前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³を超えると、化合物半導体単結晶膜に作製したダイオードに電圧を印加した際、低電圧でダイオードが破壊する不具合が生じる。

一方、第２の化合物半導体においては、化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度は、１０¹⁶／ｃｍ³以下とする。
前記キャリア濃度が、１０¹⁶／ｃｍ³を超えると、上記と同様に、低電圧でデバイスあるいはダイオードが破壊する不具合を生じる。
化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度の下限は、１０¹⁵／ｃｍ³であることが好ましい。

後の気相成長に有用な化学的に活性で、かつ、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面のＳｉ単結晶基板は、水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気における熱処理によって調製される。その際の熱処理温度は、８００〜１４００℃であることが好ましい。
前記熱処理温度が８００℃未満であると、化学的に不活性で、かつ、原子段差の有る又は奇数個の原子段差を有する表面のＳｉ単結晶基板に調製されて、後の気相成長に不具合を及ぼす。一方、前記熱処理温度が１４００℃を超えると、Ｓｉ単結晶基板が溶融してしまい、後の気相成長が困難となる。
水素雰囲気、不活性ガス又は減圧雰囲気における熱処理温度は、９００〜１３００℃であることがより好ましい。

次いで、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面を維持した状態での３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の形成は、炭素原料雰囲気における熱処理によって行われる。その際の熱処理温度は、８００〜１４００℃であることが好ましい。
前記熱処理温度が８００℃未満であると、原料が分解せず、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の形成が困難となる。一方、前記熱処理温度が１４００℃を超えると、Ｓｉ単結晶基板が溶融してしまい、後の気相成長が困難となる。
炭素原料雰囲気における熱処理温度は、９００〜１３００℃であることがより好ましい。

前記炭素原料としては、炭素を含んでいればよく、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料を用いることができる。前記ガス原料としては、ＣＨ₄（メタン）、Ｃ₂Ｈ₆（エタン）、Ｃ₄Ｈ₁₀（ブタン）、Ｃ₂Ｈ₂（アセチレン）等が挙げられる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、炭素原料流量、圧力、温度及び時間によって調整される。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度は、Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度の調整、あるいは熱処理中におけるドーパントの添加によって調整される。
ドーパント元素としては、ｎ型：Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）、Ａｓ（ヒ素）等が、ｐ型：Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）等が用いられる。これらの元素を含む原料としては、Ｎ₂（窒素ガス）、水素化物：ＮＨ₃（アンモニア）、ＰＨ₃（ホスフィン）、Ｂ₂Ｈ₆（ジボラン）、Ａｓ化物：ＡｓＨ₃、Ａｓ₂Ｈ₄（アルシン）、Ｓｂ化物、ＳｂＨ₃（スチビン）、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＢ（トリメチルボラン）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）が挙げられ、これらを水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料を用いることができる。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の気相成長温度も、前記ＳｉＣ単結晶バッファー層と同様の理由から、８００〜１４００℃であることが好ましく、９００〜１３００℃であることがより好ましい。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の気相成長用原料としては、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が用いられる。前記ガス原料としては、水素化物：ＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₄Ｈ₁₀、Ｃ₂Ｈ₂等、ハロゲン化物：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロロシラン）、ＳｉＨＣｌ₃（トリクロロシラン）等が挙げられる。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の厚さは、原料流量、圧力、温度及び時間によって調整される。

３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層のキャリア濃度は、気相成長中におけるドーパントの添加によって調整される。
ドーパント元素としては、ｎ型：Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ等が、ｐ型：Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ等が挙げられる。これらの元素を含む原料としては、Ｎ₂、水素化物：ＮＨ₃、ＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、Ａｓ化物：ＡｓＨ₃、Ａｓ₂Ｈ₄、Ｓｂ化物：ＳｂＨ₃、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＢ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＥＧが挙げられ、これらを水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料を用いることができる。

本発明に係る化合物半導体における化合物半導体単結晶膜としては、ＡｌＮ、ＩｎＮ（六方晶窒化インジウム）及びＧａＮ（六方晶窒化ガリウム）等の窒化物からなるもの、３Ｃ−ＳｉＣ、ｃ−ＢＰ（立方晶リン化ホウ素）からなるもの等が挙げられる。

化合物半導体単結晶膜の気相成長温度も、前記ＳｉＣ単結晶バッファー層と同様の理由から、８００〜１４００℃であることが好ましく、９００〜１３００℃であることがより好ましい。

化合物半導体の気相成長用原料としては、水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料が用いられる。
窒化物半導体のガス原料としては、Ｎ₂、水素化物：ＮＨ₃等、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＥＧ、ＴＭＨ（トリメチルヒドラジン）等が挙げられる。
また、ＳｉＣ半導体のガス原料としては、水素化物：水素化物：ＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₄Ｈ₁₀、Ｃ₂Ｈ₂等、ハロゲン化物：ＳｉＨ₂Ｃｌ₂（ジクロロシラン）、ＳｉＨＣｌ₃（トリクロロシラン）等が挙げられる。
化合物半導体単結晶膜の厚さは、原料流量、圧力、温度及び時間によって調整される。

化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度は、気相成長中におけるドーパントの添加によって調整される。
窒化物半導体のドーパントとしては、ｎ型：Ｃ（炭素）、Ｓｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）等が、ｐ型：Ｍｇ（マグネシウム）等が挙げられる。これらの元素を含む原料としては、水素化物：ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈（プロパン）、Ｃ₄Ｈ₁₀、Ｃ₂Ｈ₄、ＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄（モノゲルマン）等、メチル基を有する原料として有機系：Ｃｐ₂Ｍｇ（Ｂｉｓ−（ｃｙｃｒｏ−ｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ）等が挙げられ、これらを水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料を用いることができる。
一方、ＳｉＣ半導体のドーパントとしては、前述したように、ｎ型：Ｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ等が、ｐ型：Ａｌ、Ｂ、Ｉｎ、Ｇａ等が挙げられる。これらを含む原料としては、Ｎ₂、水素化物：ＮＨ₃、ＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、Ａｓ化物：ＡｓＨ₃、Ａｓ₂Ｈ₄、Ｓｂ化物：ＳｂＨ₃、メチル基を有する原料として有機系：ＴＭＢ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＥＧが挙げられ、これらを水素等で希釈したガス原料、液体原料及び固体原料を用いることができる。
なお、化合物半導体単結晶膜のキャリア濃度を特に低くする場合、気相成長中におけるドーパントの添加を実施しないことにより、キャリア濃度を特に低く調整することができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
図１は、本発明に係る化合物半導体の実施例１を示す概念的な断面図である。
この化合物半導体１は、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面（図１においては上面）、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³（≒抵抗率０．１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型の厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板２上に、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、上記Ｓｉ単結晶板２の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、前記Ｓｉ単結晶基板２の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４、及び厚さ５μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³（≒抵抗率１０Ωｃｍ）、伝導型ｎ型の化合物半導体単結晶膜としての３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜５が順に形成されているものである。

上述した化合物半導体（ＳｉＣ半導体）１を製造するため、まず、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、伝導型ｎ型で、ＣＺ法によって製造された厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板２を用意した。

次に、Ｓｉ単結晶基板２を水素雰囲気下、１０００℃で熱処理し、この熱処理に際して、水素流量あるいは圧力及び時間を調整することにより、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面を調製した（図２（ａ）参照）。

次いで、Ｃ₃Ｈ₈原料ガス雰囲気下、１０００℃熱処理し（図２（ｂ）参照）、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、前記Ｓｉ単結晶基板１の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３（図２（ｃ）参照）を形成した。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３の厚さは、炭素原料としてのＣ₃Ｈ₈原料ガスの流量及び時間により調整し、また、キャリア濃度は、熱処理中にＮ₂をドーパントとして添加することにより調整した。

次に、原料ガスとしてＳｉＨ₄ガス及びＣ₃Ｈ₈ガスを用い（図２（ｃ）参照）、１０００℃での気相成長により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３上に、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、前記Ｓｉ単結晶基板１の伝導型と同じｎ型の伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４（図２（ｄ）参照）を積層させた。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４の厚さは、原料流量及び時間により調整し、また、キャリア濃度は、気相成長中にＮ₂をドーパントとして添加することにより調整した。

最後に、原料ガスとしてＳｉＨ₄ガス及びＣ₃Ｈ₈ガスを用い（図２（ｄ）参照）、１０００℃での気相成長により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層４上に、厚さ５μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の化合物半導体単結晶膜としての３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜５（図１参照）を積層させた。
なお、化合物半導体単結晶膜としての３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜５の厚さは、原料流量及び時間により調整し、また、キャリア濃度は、気相成長中にＮ₂をドーパントとして添加することにより調整した。

上記製造工程により得られた化合物半導体１を用いて、ダイオードを作製し、その漏れ電流を測定したところ、従来の１／１００程度に低減され、十分に実用に耐え得るものとなった。

［実施例２］
図３は、本発明に係る化合物半導体の実施例２を示す概念的な断面図である。
この化合物半導体６は、結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面（図３においては上面）、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³（≒抵抗率１０Ωｃｍ）、伝導型ｎ型の厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板７上に、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層バッファー層８、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９、及び厚さ５μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の化合物半導体としての六方晶ＧａＮ単結晶膜１０が順に形成されているものである。

上述した化合物半導体（ＧａＮ半導体）６を製造するため、まず、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型で、ＣＺ法によって製造された厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板７を用意した。

次に、Ｓｉ単結晶基板７を水素雰囲気下、１０００℃で熱処理し、この熱処理に際して、水素流量あるいは圧力及び時間を調整することにより、原子段差の無し又は偶数個の原子段差を有する表面を調製した（図４（ａ）参照）。

次いで、Ｃ₃Ｈ₈原料ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理し（図４（ｂ）参照）、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層８（図４（ｃ）参照）を形成した。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層８の厚さは、炭素原料としてのＣ₃Ｈ₈原料ガスの流量及び時間により調整し、また、熱処理中にドーパントを添加しないことにより、キャリア濃度を低く調整した。

次に、原料ガスとしてＳｉＨ₄ガス及びＣ₃Ｈ₈ガスを用い（図４（ｃ）参照）、１０００℃の温度での気相成長によって３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層８上に、厚さ１０μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９（図４（ｄ）参照）を積層させた。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９の厚さは、原料流量及び時間により調整し、また、キャリア濃度は、熱処理中にドーパントを添加しないことにより、キャリア濃度を低く調整した。

最後に、原料ガスとしてＴＭＧガス及びＮＨ₃ガスを用い（図４（ｄ）参照）し、１０００℃の温度での気相成長によって３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層９上に、厚さ５μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の化合物半導体結晶膜としての六方晶ＧａＮ単結晶膜１０（図３参照）を積層させた。
なお、化合物半導体単結晶膜としての六方晶ＧａＮ単結晶膜１０の厚さは、原料流量及び時間により調整し、また、キャリア濃度は、熱処理中にドーパントを添加しないことにより低く調整した。

上記製造工程により得られた化合物半導体６を用いて、ダイオードを作製し、その漏れ電流を測定したところ、従来の１／１００程度に低減され、十分に実用に耐え得るものとなった。

実施例１に係る化合物半導体を示す概念的な断面図である。 図１の化合物半導体の製造方法を示すものであり、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は第３工程説明図、（ｄ）は最終工程説明図である。 実施例２に係る化合物半導体を示す概念的な断面図である。 図３の化合物半導体の製造方法を示すものであり、（ａ）は第１工程説明図、（ｂ）は第２工程説明図、（ｃ）は第３工程説明図、（ｄ）は最終工程説明図である。

符号の説明

２ Ｓｉ単結晶基板
３ ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層
４ ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層
５ ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶膜（化合物半導体単結晶膜）
７ Ｓｉ単結晶基板
８ ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層
９ ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層
１０ 六方晶ＧａＮ単結晶膜（化合物半導体単結晶膜）

Claims (7)

1. 結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³（≒抵抗率１〜０．００００１Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³、上記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０^16〜21／ｃｍ³、前記Ｓｉ単結晶基板と同じ伝導型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０^11〜16／ｃｍ³（≒抵抗率１〜１０００００Ωｃｍ）、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体単結晶膜が順に形成されていることを特徴とする化合物半導体。
2. 結晶面方位｛１１１｝、原子段差の無い又は偶数個の原子段差を有する表面、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下（≒抵抗率１Ωｃｍ以上）、伝導型ｎ型又はｐ型のＳｉ単結晶基板の上に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層、及び厚さ０．０１〜１００μｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の化合物半導体結晶膜が順に形成されていることを特徴とする化合物半導体。
3. 前記化合物半導体単結晶膜が六方晶ＡｌＮであることを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体。
4. 前記化合物半導体単結晶膜が六方晶ＧａＮであることを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体。
5. 前記化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層がｐ型であることを特徴とする請求項４記載の化合物半導体。
6. 前記化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層が挿入形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の化合物半導体。
7. 前記化合物半導体単結晶膜が伝導型ｎ型の六方晶ＧａＮであり、かつ、化合物半導体単結晶膜及び３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層の間に、厚さ０．１〜１００ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁶／ｃｍ³以下、伝導型ｎ型又はｐ型の六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層が挿入形成され、かつ、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶がｐ型であることを特徴とする請求６記載の化合物半導体。

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