JP2011103380A - 化合物半導体基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板の反りの低減とデバイスの高速性を高いレベルで実現することのできる化合物半導体基板を提供する。
【解決手段】
Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなり、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗値が１０００Ωｃｍ以上であり、前記中間層と前記化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下であることを特徴とする化合物半導体基板。
【選択図】図１
【解決手段】
Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなり、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗値が１０００Ωｃｍ以上であり、前記中間層と前記化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下であることを特徴とする化合物半導体基板。
【選択図】図１
Description
本発明は、化合物半導体基板に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に代表される窒化物の化合物半導体を用いたデバイスは、その優れた物性により、現在主流である半導体シリコン（Ｓｉ）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デバイスの作製に用いられる化合物半導体基板は、その低コスト化が課題であった。その対応の一例として、単結晶Ｓｉ基板上にマルチレイヤー（ＭＬ）バッファ層及び窒化物半導体層を順次積層した構造が知られている。
一方この構造では、下地となる基板のＳｉと、ＭＬバッファ層や窒化物半導体との物性の違いによる、化合物半導体基板全体の反りや高速動作性への影響が問題になる。そこで、これを解決する方法がいくつか提案されている。
例えば特許文献１には、ウェハの反りを抑制しつつ、リーク電流を一層低減させることができる半導体デバイスとして、基板上にバッファ層を介して積層された半導体動作層を備える電界効果トランジスタにおいて、バッファ層はＡｌ組成が０．２以下の窒化物系化合物半導体を用いて形成された第１の層上に、Ａｌ組成が０．８以上の窒化物系化合物半導体を用いて形成された第２の層が積層された複合層を有する、という技術が記載されている。
また特許文献２には、半導体デバイスを形成するためにエピタキシャル成長された半導体層による湾曲を抑制したシリコン基板として、窒化物系化合物半導体層のエピタキシャル成長によって凹状に反る方向に加わる圧縮応力と拮抗する応力が、シリコン基板の窒素不純物濃度分布に対応した密度またはサイズの分布を有する酸素析出物の膨張力によって与えられることを特徴とするシリコン基板を用いることが記載されている。
特許文献１に記載されているような方法は、バッファ層の組成と厚さ、層構造により基板の反りや電気特性を制御することを特徴としている。しかし、実際の基板の反りは、Ｓｉ基板の厚さと、面積すなわちウェハ径の双方が大きくなることでさらに増大する。近年の厚膜化、大口径化に伴う反り量の増大を抑制することは、バッファ層の組成や構造のみで十分対処できているとはいえない。
特許文献２には、下地となるＳｉ基板の酸素析出物や窒素不純物濃度の分布を調節して強度を確保して基板の反りを抑制できるとして、下地の基板の特性が反りに寄与することが言及されている。しかし、単にＳｉ基板の酸素析出物や窒素不純物濃度の分布を調節するだけでは、近年の大口径化、厚膜化に伴う反り量の増大を抑制することが、十分達成できるとはいえない。
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、基板の反りの低減とデバイスの高速化を高いレベルで実現することのできる化合物半導体基板を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物の中間層と、中間層の主面上に形成された化合物半導体層からなり、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗値が１０００Ωｃｍ以上であり、中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下であることを特徴とする。このような構成をとることにより、化合物半導体基板全体の反りを、従来と比較して大幅に抑制することができる。さらに、この基板を用いたデバイスの高耐圧化・高速化も図れる。
本発明の別の態様に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物の中間層と、中間層の主面上に形成された化合物半導体層からなり、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ドーパントがボロンであり、抵抗値が０．００１Ωｃｍ以上０．１Ωｃｍ以下であり、中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が５０００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下であることを特徴とする。このような構成をとることにより、化合物半導体基板全体の反りを、従来と比較して大幅に抑制することができる。さらに、この基板を用いたデバイスの高耐圧化・高速化も図れる。
本発明によれば、基板の反りの低減とデバイスの高速化を高いレベルで実現することのできる化合物半導体基板を提供することが可能となる。
以下、本実施の形態を、図面を参照してより詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなる。そして、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、抵抗値が１０００Ωｃｍ以上である。さらに、中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下である。
本実施の形態の化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなる。そして、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、抵抗値が１０００Ωｃｍ以上である。さらに、中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下である。
図１は、本実施の形態に係る化合物半導体基板の構造を示す概略断面図である。Ｓｉ単結晶の基板１上に、窒化物半導体の中間層２と、中間層２の主面上に形成された例えばＧａＮの化合物半導体層３で構成されている。中間層２は、例えば、２層の窒化物半導体層２１、２２を１対以上積層した多層構造を有する。
Ｓｉ単結晶基板は、化合物半導体基板の反りを低減する目的で、基板の強度が高いことが要求される。一般にＳｉ単結晶基板中の固溶酸素濃度（以下、単に酸素濃度という）が高いほうが基板の強度が向上することが知られている。このことから、基板の酸素濃度は、０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、１．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がさらに好ましい。
０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では、十分な基板強度を得られず好ましいとはいえない。また、１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、各種の熱処理による酸素析出物が多発して化合物半導体基板の特性に悪影響を与える可能性があり、これも好ましくない。酸素析出物の影響を最小化する観点からは、１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
また、Ｓｉ単結晶基板の抵抗値は、１０００Ωｃｍ以上であることが好ましい。Ｓｉ単結晶基板の抵抗値が１０００Ωｃｍ以上では、基板の強度が向上することが本願発明者らによって見出されている。これは、後述のボロン以外のドーパントは添加により強度が低下するためであると考えられる。ドーパントの添加により抵抗値は下がることが知られている。ボロン以外のドーパントを添加した抵抗値が低い基板は強度が下がる。言い換えると、ボロン以外のドーパントは可能な限り低濃度が望ましいと考えられる。抵抗値が１０００Ωｃｍ以上では、基板強度の向上が顕著であった。このような高抵抗のＳｉ単結晶基板をＣＺ法で製造する場合には、特に高純度の石英ルツボを用いる必要がある。
また、本実施の形態のように、Ｓｉ単結晶基板の抵抗値が高いと、Ｓｉ単結晶による寄生容量が低下するため、化合物半導体層上にデバイス回路を形成したときのデバイス高速性が確保できるという利点がある。
本実施の形態において、中間層は、気相成長中における主面と平行方向の圧縮応力が０．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下であり、０．８ＧＰａ以上１．２ＧＰａ以下がさらに好ましい。
化合物半導体層と、中間層との熱膨張係数の差と釣り合いがとれ、化合物半導体基板全体の反りを小さくするには、中間層での残留応力が適正な範囲にあることが必要である。主面と平行方向の圧縮応力が、０．５ＧＰａ未満または１．５ＧＰａをこえる範囲では、後述する化合物半導体層の膜厚範囲でも十分応力差を吸収しきれず、化合物半導体基板全体の反りを小さくすることが困難になり好ましくない。
中間層は、Ｓｉ単結晶基板と化合物半導体層の熱膨張係数の違いによる反りと、格子定数の違いによるミスフィット転位発生を抑える目的で形成される。一般には、２層または３層の窒化物半導体層を１対以上積層した多層構造が用いられる。本実施の形態においては、特に中間層の構造を限定するものではない。しかし、多層構造の中間層を用いることが製造上の容易さや制御性の点で好ましい。
中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下であることが好ましい。４５０ｎｍ未満では、反り自体がＳｉ単結晶基板の特性にほとんど影響されないこと、４５００ｎｍを越えると本実施の形態の手法のみでの反り低減は十分でないおそれがあり好ましくない。
以上のように、本実施の形態によれば、化合物半導体基板全体の反りを、従来と比較して大幅に抑制することができる。また、この基板を用いたデバイスの高耐圧化・高速化を図ることが可能となる。
（第２の実施の形態）
本実施の形態の化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなる。そして、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ドーパントがボロンであり、抵抗値が０．００１Ωｃｍ以上０．１Ωｃｍ以下であり、中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が５０００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下である。
本実施の形態の化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶の基板と、基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなる。そして、基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ドーパントがボロンであり、抵抗値が０．００１Ωｃｍ以上０．１Ωｃｍ以下であり、中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が５０００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下である。
Ｓｉ単結晶基板は、化合物半導体基板の反りを低減する目的で、基板の強度が高いことが要求される。一般にＳｉ単結晶基板中の固溶酸素濃度（以下、単に酸素濃度という）が高いほうが基板の強度が向上することが知られている。このため、基板の酸素濃度が、０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が好ましく、１．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下がさらに好ましい。
０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では、十分な基板強度を得られず好ましいとはいえない。また、１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、各種の熱処理による酸素析出物が多発して化合物半導体基板の特性に悪影響を与える可能性があり、これも好ましくない。酸素析出物の影響を最小化する観点からは、１．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
また、Ｓｉ単結晶基板の抵抗値は、０．００１Ωｃｍ以上０．１Ωｃｍ以下であることが好ましく、０．００５Ωｃｍ以上０．０５Ωｃｍ以下であることがさらに好ましい。
Ｓｉ単結晶の抵抗値を決めるドーパントの濃度が高いほうが、高い固溶酸素と同様にＳｉ単結晶基板の強度を高める効果がある。このため、化合物半導体基板全体の反りを低減するという点では、ドーパント濃度は高い、すなわち抵抗値は低いほうが好ましい。もっとも、ドーパントはボロンである必要がある。その他のドーパント、例えば、アンチモンや砒素では、Ｓｉ単結晶基板の強度を高める効果が得られない。
Ｓｉ単結晶の抵抗値が０．００１Ωｃｍ未満または０．１Ωｃｍを越えるものは、その製造が困難であり、かつ高コスト化するので好ましくない。反り低減の観点からは、０．００５Ωｃｍ以上０．０５Ωｃｍ以下がさらに好ましい。
本実施の形態の中間層は、気相成長中における主表面と平行方向の圧縮応力が０．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下であり、０．８ＧＰａ以上１．２ＧＰａ以下がさらに好ましい。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度とボロンのドーパント濃度を高くすることで、基板強度を向上させている。このため、化合物半導体層と中間層との熱膨張係数の差と釣り合いをとり、化合物半導体基板全体の反りを小さくするには、中間層での残留応力が適正な範囲にあることが必要である。主面と平行方向の圧縮応力が、０．５ＧＰａ未満または１．５ＧＰａをこえる範囲では、後述する化合物半導体層の膜厚範囲でも十分応力差を吸収しきれず、化合物半導体基板全体の反りを小さくすることが困難になり好ましくない。
窒化物半導体の中間層は、Ｓｉ単結晶基板と化合物半導体層の熱膨張係数の違いによる反りと、格子定数の違いによるミスフィット転位発生を抑える目的で形成される。一般には、２層または３層の窒化物半導体体層を１対以上積層した多層構造が用いられる。本実施の形態においては、特に中間層の構造を限定するものではない。しかし、多層構造の中間層を用いることが製造上の容易さや制御性の点で好ましい。
中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が５０００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下であることが好ましい。５０００ｎｍ未満では、反り自体がＳｉ単結晶基板の特性にほとんど影響されないこと、５００００ｎｍを越えると本実施の形態の手法のみでは反りの低減は十分でないおそれがあり好ましくない。
以上のように、本実施の形態によれば、基板の酸素濃度とドーパントであるボロンを適切な範囲で高濃度化することにより、化合物半導体基板全体の反りを従来に比較して大幅に抑制することができる。
また、本実施の形態において、基板の主面から深さ方向に向かって２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲における酸素濃度が０．０１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上０．６×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、抵抗値が０．０１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下であり、引き続き主面から深さ方向に向かって１０．０μｍ以上２０．０μｍ以下の範囲における酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、抵抗値が０．００１Ωｃｍ以上０．１Ωｃｍ以下であることが好ましい。
主面から深さ方向に向かって２．０μｍ以上１０．０μｍ未満に、これより深い領域と比べて酸素とドーパント濃度が低い領域があることで、強度の異なる緩衝層としての役割を果たすことになり、より反りを低減する効果が付加される。また、この領域のドーパント濃度が低く抵抗値が高いことで、デバイス高速性も併せて確保できる。このようにして、化合物半導体基板の反りとデバイス高速性を高い次元で両立させることが可能となる。
主面から深さ方向に向かって２．０μｍ未満では、そり低減効果が不足して好ましくなく、１０．０μｍを超えると強度の弱い領域が多すぎて、かえって化合物半導体基板全体の強度に影響を及ぼすおそれがあり、これも好ましくない。
酸素濃度が０．０１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では、著しく基板の強度が低下するので好ましくなく、０．６×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、これより深い領域との酸素濃度の差が小さくなり、反り低減効果が十分発揮できなくなるので好ましくない。
抵抗値が０．０１Ωｃｍ未満では、デバイス高速性の低下が顕著になり好ましくない。また、１０Ωｃｍを超えると、ドーパント濃度が制御しにくくなり製造コストの点で不利になるので好ましくない。
引き続き主面から深さ方向に向かって１０．０μｍ以上２０．０μｍ以下の範囲における酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であれば、化合物半導体基板全体のそり低減に必要な基板強度を確保できる。０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満では強度不足となり、１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、転位の発生が顕著になり電気特性等に悪影響を及ぼすおそれがあり好ましくない。
また、引き続き主面から深さ方向に向かって１０．０μｍ以上２０．０μｍ以下の範囲における抵抗値が０．００１Ωｃｍ未満では、製造が困難でコスト高になり、抵抗値が０．１Ωｃｍを超えると、基板の強度がやや不足する恐れがあり、好ましくない。
このような構造を製造する方法の一例としては、Ｓｉ単結晶基板を１０００℃以上の温度、不活性ガスや還元性ガスの雰囲気下で１分から１２０分の間熱処理する方法がある。この方法は、特にＳｉ単結晶基板の表層付近の酸素濃度とドーパント濃度、主表面から深さ方向の分布を比較的制御しやすい点で好適である。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、化合物半導体基板、化合物半導体基板の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる化合物半導体基板、化合物半導体基板の製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての化合物半導体基板が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに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。
［実施例１］
直径４インチ、厚さ６２５μｍ、酸素濃度１．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、抵抗値５０００ΩｃｍのＳｉ単結晶基板の主面上に、厚さ２０ｎｍの単結晶ＡｌＮによる第一のバッファ層と、厚さ８０ｎｍの単結晶ＧａＮによる第二のバッファ層を交互に各々１０層、合計２０層を積層した単結晶窒化物のＭＬバッファ層からなる中間層と、この中間層の主面上に、厚さ１０００ｎｍの単結晶ＧａＮと厚さ３０ｎｍの単結晶ＡｌａＧａ１−ａＮ（ａ＝０．２５）の順に積層した単結晶窒化物活性層である化合物半導体層を形成して化合物半導体基板を作製した。中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚（以下、窒化物総膜厚と称する）が２０３０ｎｍである。
直径４インチ、厚さ６２５μｍ、酸素濃度１．０×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、抵抗値５０００ΩｃｍのＳｉ単結晶基板の主面上に、厚さ２０ｎｍの単結晶ＡｌＮによる第一のバッファ層と、厚さ８０ｎｍの単結晶ＧａＮによる第二のバッファ層を交互に各々１０層、合計２０層を積層した単結晶窒化物のＭＬバッファ層からなる中間層と、この中間層の主面上に、厚さ１０００ｎｍの単結晶ＧａＮと厚さ３０ｎｍの単結晶ＡｌａＧａ１−ａＮ（ａ＝０．２５）の順に積層した単結晶窒化物活性層である化合物半導体層を形成して化合物半導体基板を作製した。中間層と化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚（以下、窒化物総膜厚と称する）が２０３０ｎｍである。
単結晶窒化物バッファ層と単結晶窒化物活性層は、１０００℃の気相成長法によりＳｉ基板上に積層して作製した。原料は（ＣＨ３）３Ａｌ（トリメチルアルミニウム）、（ＣＨ３）３Ｇａ（トリメチルガリウム）とＮＨ３（アンモニア）が知られているが、これに限定されるものではない。原料の流量と流す時間を制御することにより各々の層を積層した。
Ｓｉ単結晶基板中の酸素濃度は、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光）法により基板中心と外周の面内２点を測定し平均値を求めた。また、Ｓｉ単結晶基板の抵抗値は、四探針法により基板中心と外周の面内２点を測定し平均値を求めた。深さ方向に酸素濃度および抵抗値が分布を有する実施例１４−１６のＳｉ単結晶基板については、主面から深さ方向に向かって２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の酸素濃度および抵抗値も評価した。深さ方向の酸素濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により求めた。また、抵抗値は、広がり抵抗（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）法により求めた。
気相成長中の応力を、パラレルビームを基板に照射して、反射してきたパラレルビームをＣＣＤエリアセンサーで検出して測定した。気相成長中の応力は１．０ＧＰａであった。
気相成長後、窒化物総膜厚は、光干渉法により面内全面を測定し平均値を求めた。
室温における化合物半導体基板の反りを、完成した化合物半導体基板をレーザー変位計にて、基板面内における高低差の値を比較することで評価した。
また、化合物半導体基板の表面にソース、ゲートおよびドレインの電極を形成して、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有する高周波信号の増幅器デバイスを作製した。そして、このデバイスの高速性を評価した。デバイスの高速性の評価は、ネットワーク・アナライザを用いてカットオフ周波数を測定することで評価した。
評価結果は表１に示す。
［実施例２］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［実施例３］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［実施例４］
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値が１０００Ωｃｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値が１０００Ωｃｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［実施例５］
窒化物総膜厚が４５０ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
窒化物総膜厚が４５０ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［実施例６］
窒化物総膜厚が４５００ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
窒化物総膜厚が４５００ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［比較例１］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．０５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．０５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例２］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例３］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、酸素析出物の表層突き抜けにより気相成長不良を起こし、デバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、酸素析出物の表層突き抜けにより気相成長不良を起こし、デバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例４］
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値が５００Ωｃｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値が５００Ωｃｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［比較例５］
窒化物総膜厚が４００ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
窒化物総膜厚が４００ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。
［比較例６］
窒化物総膜厚が５０３０ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
窒化物総膜厚が５０３０ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表１に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
化合物半導体基板の反りは、２００μｍ以上であるとデバイス作製が不可能となる。２００μｍ未満でデバイス作製が可能となる。１００μｍ以下であればデバイス作製が容易となり望ましい。また、５０μｍ以下であれば、デバイス作製が特に容易となりより望ましい。
カットオフ周波数は、１ＧＨｚ以上であればデバイスの高速性の観点から良好な特性が得られる。そして、２ＧＨｚ以上であれば更に高速性があがるためより望ましい。
表１より明らかなように、実施例では、化合物半導体基板の反りが２００μｍ未満、かつ、カットオフ周波数が１ＧＨｚ以上となり、反りの抑制とデバイスの高速性の双方を両立させた化合物半導体基板が実現された。なお、実施例２において、ややカットオフ周波数が低下しているのは、反りのデバイスに対する影響が見え始めているためと考えられる。
［実施例７］
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、ボロンをドーパントとして０．００４Ωｃｍとし、窒化物総膜厚が８０３０ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、ボロンをドーパントとして０．００４Ωｃｍとし、窒化物総膜厚が８０３０ｎｍであること以外は、実施例１と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例８］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例９］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例１０］
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、０．００１Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、０．００１Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例１１］
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、０．１Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、０．１Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例１２］
窒化物総膜厚が５０００ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
窒化物総膜厚が５０００ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例１３］
窒化物総膜厚が５００００ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
窒化物総膜厚が５００００ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例１４］
Ｓｉ単結晶基板に還元性雰囲気下での熱処理を施すことで、主面から深さ２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の酸素濃度を０．０８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、抵抗値を５Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。
評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板に還元性雰囲気下での熱処理を施すことで、主面から深さ２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の酸素濃度を０．０８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、抵抗値を５Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。
評価結果は表２に示す。
［実施例１５］
Ｓｉ単結晶基板に還元性雰囲気下での熱処理を施すことで、主面から深さ２μｍの範囲の酸素濃度を０．８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、主面から深さ２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の抵抗値を５Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板に還元性雰囲気下での熱処理を施すことで、主面から深さ２μｍの範囲の酸素濃度を０．８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、主面から深さ２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の抵抗値を５Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［実施例１６］
Ｓｉ単結晶基板に還元性雰囲気下での熱処理を施すことで、主面から深さ２μｍの範囲の酸素濃度を０．０８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、主面から深さ２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の抵抗値を０．００８Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
Ｓｉ単結晶基板に還元性雰囲気下での熱処理を施すことで、主面から深さ２μｍの範囲の酸素濃度を０．０８×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、主面から深さ２．０μｍ以上１０．０μｍ未満の範囲の抵抗値を０．００８Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［比較例７］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．０５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．０５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例８］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が０．１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例９］
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、酸素析出物の表層突き抜けにより気相成長不良を起こし、デバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の酸素濃度が１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、酸素析出物の表層突き抜けにより気相成長不良を起こし、デバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例１０］
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、５０Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
Ｓｉ単結晶基板の抵抗値を、５０Ωｃｍとすること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
［比較例１１］
窒化物総膜厚が２０３０ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
窒化物総膜厚が２０３０ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。
［比較例１２］
窒化物総膜厚が６００００ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
窒化物総膜厚が６００００ｎｍであること以外は、実施例７と同様に化合物半導体基板を作製し、評価した。評価結果は表２に示す。ただし、基板の反りが大きくデバイス作製が不可能であった。したがって、カットオフ周波数は測定不能であった。
表２より明らかなように、実施例では、化合物半導体基板の反りが２００μｍ未満、かつ、カットオフ周波数が１ＧＨｚ以上となり、反りの抑制とデバイスの高速性の双方を両立させた化合物半導体基板が実現された。また、実施例１４では、特にデバイスの高速性が向上する結果が得られた。なお、実施例８において、ややカットオフ周波数が低下しているのは、反りのデバイスに対する影響が見え始めているためと考えられる。
本発明は、高速スイッチングデバイス等の化合物半導体基板として好適に用いられる。
１ Ｓｉ単結晶基板
２ 中間層（多層構造のバッファ層）
３ 化合物半導体層
２１ ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層
２２ ＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶層
２ 中間層（多層構造のバッファ層）
３ 化合物半導体層
２１ ＡｌｘＧａ１−ｘＮ単結晶層
２２ ＡｌｙＧａ１−ｙＮ単結晶層
Claims (2)
- Ｓｉ単結晶の基板と、
前記基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、
前記中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなり、
前記基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗値が１０００Ωｃｍ以上であり、
前記中間層と前記化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が４５０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下であることを特徴とする化合物半導体基板。 - Ｓｉ単結晶の基板と、
前記基板の主面上に形成された窒化物半導体の中間層と、
前記中間層の主面上に形成された窒化物半導体の化合物半導体層からなり、
前記基板の酸素濃度が０．２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．４×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、ドーパントがボロンであり、抵抗値が０．００１Ωｃｍ以上０．１Ωｃｍ以下であり、
前記中間層と前記化合物半導体層を合計した、主面と垂直方向の膜厚が５０００ｎｍ以上５００００ｎｍ以下であることを特徴とする化合物半導体基板。
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