JP2011228442A - 窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】高い絶縁性を有する窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハを安定的に提供する。
【解決手段】絶縁性基板上に、抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下である半絶縁性窒化物系半導体層を有する。
【選択図】図１
【解決手段】絶縁性基板上に、抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下である半絶縁性窒化物系半導体層を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスに係り、高抵抗率を要求される半絶縁性窒化物系半導体層を有するものに関する。
シリコン（Ｓｉ）やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの半導体材料と比較してバンドギャップの広い窒化ガリウム（ＧａＮ）は、その耐熱性や降伏電圧の高さを利用して、高出力のアプリケーションに使用されつつある。
窒化物系半導体で高出力のアプリケーションを作製する場合には、絶縁性もしくは導電性の基板上に成長制御層（バッファ層）を一層もしくは複数層成膜したのちに、半絶縁性の第一の窒化物系半導体層を成膜し、さらにその上に導電性もしくは半絶縁性の第二の窒化物系半導体を含む層を一層もしくは複数積層成膜する。そののち、所望の高出力デバイスを作製するためのプロセス加工をする。
所望の高出力デバイスとして、例えばパワーＨＦＥＴ（Hetero-Field Effect Transistor）がある。特に近年のパワーＨＦＥＴでは、耐圧性向上のために、第一の半絶縁性窒化物系半導体層には数十ｋΩｃｍをはるかに超える１００ＭΩｃｍオーダーの高い絶縁特性が要求されるようになってきた。
パワーＨＦＥＴに使用された抵抗率またはシート抵抗の高い半絶縁性窒化物系半導体層としては、例えば下記の特許文献１に記載されているノンドープのＧａＮ層などが知られている。ここで用いられたノンドープのＧａＮ層は、１１４０℃の結晶成長温度で２μｍの膜厚に積層されたもので、このＧａＮ層では１×１０８Ωｃｍもの非常に高い抵抗率を示したとされている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の技術によれば、実験的には、要求性能を満たす高抵抗率の半絶縁性窒化物系半導体層が基板上に成膜できるが、製造技術としての安定性は十分でない。例えば生産量の変動にともなう成膜装置の状態の変化などにより、成膜された層の絶縁特性が大きく異なる場合がある。これは、同じ装置を繰り返し使用する結果、成膜装置内部に不要な反応副生成物が付着していき、装置内部の温度分布が変化したり、付着物にともなうガス流の変化が発生したりするためである。
さらに、絶縁特性は、デバイス加工プロセス中での活性化アニールなどの熱処理によっても変動する場合もある。たとえば半絶縁性窒化物系半導体層の中に、ある種の不純物や固有結晶欠陥などによる深い準位が存在した場合に、熱処理によってその活性状態が変化したり、深い準位自体が実質的に減少してしまったりすれば、半絶縁性が不安定になる原因ともなり得る。このような不安定性は、製造上、好ましくない。上述した従来技術を見ても分かるように現状は、数十ｋΩｃｍ程度の抵抗率より著しく高い抵抗率、例えば１００ＭΩｃｍを超える抵抗率を安定して得られる状況にはない。
本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解消して、実質的に高い絶縁性を有する窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを安定的に提供することにある。
本発明の一実施の態様によれば、絶縁性基板上に、抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下である半絶縁性窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハが提供される。
また、本発明の他の実施の形態によれば、導電性基板上に、抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．５μｍ以上１．５μｍ以下である半絶縁性窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハが提供される。
これらの場合、前記半絶縁性窒化物系半導体層の膜厚は、１μｍよりも小さくするのが好ましい。
また、前記半絶縁性窒化物系半導体層に、ガリウム窒化物またはアルミニウム窒化物、あるいはガリウムとアルミニウムの窒化物混晶を用いることができが、ガリウムとインジウムの窒化物混晶、またはアルミニウムとインジウムの窒化物混晶、あるいはガリウムとアルミニウムとインジウムの窒化物混晶を用いてもよい。
また、前記絶縁性基板に炭化珪素、窒化ガリウム、サファイアのいずれかを用いることができ、前記導電性基板にはシリコンを用いることができる。
また、本発明の別の実施の態様によれば、上述した窒化物系半導体ウエハ上に、さらに窒化物系半導体層を備えた窒化物系半導体デバイスが提供される。
本発明によれば、高い絶縁性を有する窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを安定的に提供することができる。
既に述べた通り、生産量の変動にともなう成膜装置の状態の変化などにより、基板上に形成される半絶縁性窒化物系半導体層の絶縁特性が大きく異なる場合がある結果、超高抵抗率の半絶縁性窒化物系半導体層を得ようとすると、抵抗率を安定して得られなくなる。基板上に成膜する高抵抗率の半絶縁性窒化物系半導体層は、例えば、１００ＭΩｃｍ以下の抵抗率であれば、現状の技術でも安定して得ることができる。しかし、１００ＭΩｃｍを超える高い抵抗率をもつ半絶縁性窒化物系半導体層は、安定して得ることは難しい。本発明の実施の態様によれば、実際のデバイス構造に即したドレインリーク電流と抵抗率との関係から、抵抗率だけでなく、半絶縁性窒化物系半導体層の膜厚も重要な要素であることを見出して、抵抗率をいたずらに高めることなく、抵抗率の達成目標を明確に示すと共に、その膜厚を規定した。膜厚を規定することにより、これまで不十分であると考えられ
ていた１００ＭΩｃｍ以下の抵抗率であっても、１００ＭΩｃｍを超える高い抵抗率と等価な効果を得ることができることがわかった。このように、抵抗率のみならず膜厚を規定することで、絶縁特性の良好な半絶縁性窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを安定的に供給することが可能となる。
ていた１００ＭΩｃｍ以下の抵抗率であっても、１００ＭΩｃｍを超える高い抵抗率と等価な効果を得ることができることがわかった。このように、抵抗率のみならず膜厚を規定することで、絶縁特性の良好な半絶縁性窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを安定的に供給することが可能となる。
以下に、本発明の一実施の形態について述べる。
図１に、本発明の一実施の形態の窒化物系半導体ウエハ１０を示す。窒化物半導体ウエハ１０は、実施態様によっては、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やその変形例であるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）、さらには半導体発光素子や半導体受光素子であることもある。図示例では、ヘテロＨＥＭＴの場合を示している。
窒化物系半導体ウエハ１０は、複数のエピタキシャル層からなる積層構造を有している。窒化物系半導体ウエハ１０は、基板１と、基板１の表面に形成されたバッファ層２と、バッファ層２の上に形成された高抵抗の半絶縁性窒化物系半導体層３と、半絶縁性窒化物系半導体層３の上に形成されたチャンネル層４と、チャンネル層４の上に形成された電子供給層５とを有する。
窒化物系半導体ウエハ１０は、複数のエピタキシャル層からなる積層構造を有している。窒化物系半導体ウエハ１０は、基板１と、基板１の表面に形成されたバッファ層２と、バッファ層２の上に形成された高抵抗の半絶縁性窒化物系半導体層３と、半絶縁性窒化物系半導体層３の上に形成されたチャンネル層４と、チャンネル層４の上に形成された電子供給層５とを有する。
基板１は、所定の格子定数及び所定の熱膨張係数を有した材料から形成され、絶縁性基板である。絶縁性基板には半絶縁性基板または絶縁基板がある。半絶縁性基板は例えばＳｉＣ（炭化珪素）基板、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板であり、絶縁基板は例えばサファイア基板である。なお、安価な基板を用いる場合には、基板１は導電性基板であることもある。導電性基板は、例えば導電性のドーパントを供給されたＳｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板である。
バッファ層２は、基板１上に結晶性に優れた半絶縁性窒化物系半導体層３を成長させるための格子整合層、ないしは基板１からの不純物の拡散を阻止する緩衝層である。バッファ層２は、例えば、窒化物半導体であるｉ型ＧａＮから形成される。
半絶縁性窒化物系半導体層３は、その上層にエピタキシャル成長させる半導体膜の結晶性を向上させるための高抵抗の窒化物系半導体層である。半絶縁性窒化物系半導体層３は、例えば、ガリウム窒化物（ＧａＮ）またはアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、あるいはガリウムとアルミニウムの窒化物混晶（ＡｌＧａＮ）で形成することができる。また、半絶縁性窒化物系半導体層３は、ガリウムとインジウムの窒化物混晶（ＩｎＧａ）、またはアルミニウムとインジウムの窒化物混晶（ＩｎＡｌＮ）、あるいはガリウムとアルミニウムとインジウムの窒化物混晶（ＡｌＧａＮＩｎＮ）で形成することもできる。図示例では半絶縁性ＧａＮ層の場合を示している。
チャンネル層４は、半絶縁性窒化物系半導体層３上にエピタキシャル成長により形成される。チャンネル層４は、窒化物系半導体層から構成される。図示例では、ｉ型ＧａＮチャンネルの場合を示している。電子供給層５は、チャンネル層４よりも高い抵抗率を有する材料から構成される。図示例ではｉ型ＡｌＧａＮ層の場合を示しており、より具体的にはＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層である。
このようにして半絶縁性窒化物系半導体層３を有する窒化物系半導体ウエハ１０を作成することができる。
さらに、上述した窒化物系半導体ウエハ１０の電子供給層５の表面に絶縁膜を形成し、その一部をエッチングして、オーミックソース電極６、オーミックドレイン電極７、およびショットキゲート電極８を形成することにより、図２に示す窒化物系半導体デバイスとしてのＦＥＴ１３を作製することができる。
ここで、本実施の形態で、窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスの良好な特性を得るために必要となる高抵抗の半絶縁性窒化物系半導体層３について詳しく説明する。
本実施の形態では、半絶縁性窒化物系半導体層３の抵抗率を規定するとともに、その膜厚を規定することによって、安定した半絶縁性を有する窒化物系半導体層３を実現している。なお、半絶縁性窒化物系半導体層の「半絶縁性」という用語は、一般的に絶対的な抵抗率範囲を示すものではない。多くの場合、デバイスにおける他の部分との相対的な抵抗率の違いを表す意味で用いられることが多く、「高抵抗」と言う場合もまた同様である。本実施の形態では、室温でおよそ１０ｋΩｃｍ以上の抵抗率を有するものを「半絶縁性」と称するものとして扱う。
本実施の形態では、半絶縁性窒化物系半導体層３の抵抗率を規定するとともに、その膜厚を規定することによって、安定した半絶縁性を有する窒化物系半導体層３を実現している。なお、半絶縁性窒化物系半導体層の「半絶縁性」という用語は、一般的に絶対的な抵抗率範囲を示すものではない。多くの場合、デバイスにおける他の部分との相対的な抵抗率の違いを表す意味で用いられることが多く、「高抵抗」と言う場合もまた同様である。本実施の形態では、室温でおよそ１０ｋΩｃｍ以上の抵抗率を有するものを「半絶縁性」と称するものとして扱う。
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）やその変形例である高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）では、ピンチオフ時のドレインリーク電流の低減が強く求められる。ドレインリーク電流とは、ゲート電極にピンチオフ電圧を加えてデバイスをオフ状態にした時に流れるドレイン電流のことで、このドレインリーク電流が多いと厳密にはオフ状態とはいえない。オフ状態とはえいないためデバイスの動作不良をもたらす。
ドレインリーク電流は、電流がチャンネル層４ではなく、その下の半絶縁性窒化物系半導体層（高抵抗層）３を漏れ流れてしまうもので、一般的には高抵抗層の抵抗率が不足している場合に生じる。ただし、必要な抵抗率はあいまいで、高ければ高いほど良いとも考えられるが、実際は前述した生産上の不安定性もあって、実現できる高い抵抗率には限界がある。結果的に数十ｋΩｃｍ以上の抵抗率のものを一旦、良品と認め、最終的には実際にＦＥＴデバイスを作って判定することが一般におこなわれる。そのため、デバイスの不良率が高く、デバイスの歩留まりが悪いなどの問題が生じる。
本実施の形態では実際のデバイス構造に即したドレインリーク電流と抵抗率との関係から、抵抗率だけでなく、高抵抗層の膜厚も重要な要素であることを明らかにして、抵抗率をいたずらに高めることなく、明確に抵抗率の達成目標を示すと共に、その膜厚を規定した。
ＦＥＴ構造は基板と平行に電流の流れるいわゆる横型デバイスであるため、抵抗率と共に膜厚が重要な要素を成す。ここで、膜厚を抵抗率に繰り込んだシート抵抗と言う概念があるが、ＦＥＴ構造で重要なのは膜厚が薄いほど基板や表面側チャンネル層からの影響を強く受ける点であり、シート抵抗にはその概念がない点が異なる。つまりシート抵抗においては、膜厚が２倍であっても体積抵抗率が２倍であればほぼ同じシート抵抗であるが、実際には基板と表面側チャンネル層からの影響のために薄い膜厚のものの方が、ドレインリーク電流抑止の観点では、より好ましい。この点は後述する実施例からも明らかである。従って、ドレインリーク電流抑止のためには、シート抵抗ではなく、膜厚と抵抗率を独立に決める必要がある。
このような観点からの検討の結果、本実施の携帯では、基板がサファイアや半絶縁性ＳｉＣなど絶縁性の場合、膜厚は０．１μｍ〜１．５μｍ程度が適当で、このときの抵抗率は１０ＭΩｃｍ以上ある必要がある。１．５μｍより厚くすると、さらに下限の抵抗率を大幅に増す必要があるが、たとえば１００ＭΩｃｍを大きく越えるような抵抗率を有する半絶縁性窒化物系半導体層は安定的に生産することは極めて困難であってエピウエハの製作歩留まりの低下を招く（実施例Ａ）。
また、基板としてｐ型Ｓｉなど導電性の基板を用いた場合、基板からの何らかの影響のために最低膜厚を０．５μｍ以上としなければ安定しなかったが、膜厚の上限は前述と同
じ理由で１．５μｍが上限となる（実施例Ｂ）。
じ理由で１．５μｍが上限となる（実施例Ｂ）。
従って、本実施の形態では、１０ＭΩｃｍ以上の抵抗率を有する半絶縁性窒化物系半導体層を安定的に生産するためには、半絶縁性窒化物系半導体層３が絶縁性基板上に形成される場合、抵抗率は１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚は０．１μｍ以上１．５μｍ以下とするのがよい。また、半絶縁性窒化物系半導体層３が導電性基板上に形成される場合、抵抗率は１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚は０．５μｍ以上１．５μｍ以下とするのがよい。さらには、１０ＭΩｃｍ以上の抵抗率を有する半絶縁性窒化物系半導体層をより安定的に生産するためには、絶縁性基板であるか導電性基板であるかにかかわらず、半絶縁性窒化物系半導体層３の膜厚は１μｍよりも小さいことが好ましい。
次に、図１及び図２に示す本実施の形態の窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスの製造方法について説明する。半導体層を成長する成膜装置としては、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）装置、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）装置、またはＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置などが用いられる。ここでは、より一般的なＭＯＶＰＥ装置を用いる場合を説明する。
半絶縁性基板１を、ＭＯＶＰＥ装置に搬入する。半絶縁性基板１面上に、有機金属気相成長法を用いてバッファ層２を成長する。その後、バッファ層２上に半絶縁性ＧａＮ層を成長する。さらに半絶縁性ＧａＮ層の上にＧａＮチャンネル層４を成長後、ＧａＮチャンネル層４の上にＡｌＧａＮ電子供給層５を成長して、図１に示す積層構造の窒化物系半導体ウエハを製造する。さらに、蒸着法またはフォトリソグラフィー法などにより、オーミック電極、ショットキー電極を形成して、図２に示すＨＦＥＴデバイスを製造する。
ここで、本実施の形態で重要となる上述した半絶縁性ＧａＮ層の高抵抗率の実現にあたっては、不純物が膜中に混入しないように高純度の窒素含有ガス及びＧａ含有の有機金属原料を選ぶ。また成膜装置の炉はもちろんのこと、炉内に使用する冶具についても洗浄および空焼きを実施したものを使用する。なお、高抵抗化のメカニズムについては、残留不純物や固有欠陥、あるいはそれらの複合欠陥が形成に関与すると推定されるが、現時点において明確ではない。しかし、洗浄や空焼きを実施した成膜装置の初回使用では、最も高い抵抗率が得られ、装置使用回数が増えるにしたがって抵抗率が低くなる傾向があることから、装置使用回数に応じて成膜を実施することで、１０ＭΩｃｍ〜１００ＭΩｃｍの抵抗率のレベルであれば、目標の高抵抗率を段階的に達成する。
［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態によれば、以下に挙げる一つ又はそれ以上の効果を有する。
本発明の実施の形態によれば、以下に挙げる一つ又はそれ以上の効果を有する。
（１）半絶縁性窒化物系半導体層の抵抗率の達成目標を明確に示すと共に、その膜厚を規定したので、高い絶縁性を有する窒化物系半導体層を安定的に提供でき、もって良好な特性を有する窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを提供することができる。
（２）十分に高い絶縁性を有する半絶縁性窒化物系半導体層を安定的に供給し得る抵抗率と膜厚の関係を見出したので、特性の良好な窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを実現できる。
（３）半絶縁性窒化物系半導体層の抵抗率に加えてその膜厚を検討し、半絶縁性窒化物系半導体層の膜厚を０．１μｍ以上１．５μｍ以下に規定したので、１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下の抵抗率でも高い絶縁性を有する窒化物系半導体層を安定して得られる。
（４）電界効果トランジスタ特性に影響する窒化物系半導体層の半絶縁性、特にドレイン
リーク電流の低減に重要となる抵抗率許容範囲を、膜厚の面から規定するようにしたので、成膜装置の状態の変化などによらず、低ドレインリーク電流の優れた高い絶縁性の窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハまたは窒化物系半導体デバイスが安定して製造可能になる。
リーク電流の低減に重要となる抵抗率許容範囲を、膜厚の面から規定するようにしたので、成膜装置の状態の変化などによらず、低ドレインリーク電流の優れた高い絶縁性の窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハまたは窒化物系半導体デバイスが安定して製造可能になる。
このほかにも、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々様々変形実施可能なことは勿論である。例えば、上述した窒化物系半導体ウエハ上に、さらに機能性半導体層としての窒化物系半導体層を備えた窒化物系半導体デバイスを作成することも可能である。また、基板に導電性基板を用いる場合では、その導電性基板上に形成された十分に高い絶縁性を有する半絶縁性窒化物系半導体層により、基板へのリーク電流が抑止されるため、安価でありながら特性の良好な窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイスを実現できる。さらに、本発明の実施の形態では、ＦＥＴやＨＥＭＴなどの電界効果トランジスタについて説明したが、これに限らず、半導体レーザ（ＬＤ）やＬＥＤなどの半導体発光素子や半導体受光素子などにも利用することができる。
以下、本発明を具体的な実施例Ａ〜Ｃに基づいて説明する。実施例のウエハの半導体層はいずれも有機金属気相成長法を用いて形成した。ここで用いられたガスは、キャリアガス（Ｈ２）、アンモニアガス（ＮＨ３）などである。また、有機金属原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、フォスフィン（ＰＨ３）等である。
（実施例Ａ）
３種類の絶縁性基板について次のようにデバイスを作製した。６インチ径半絶縁性ＳｉＣ基板ｃ面上、または２インチ径半絶縁性ＧａＮ基板ｃ面上、あるいは６インチサファイア基板ｃ面上に、核発生層およびＡｌＮ層からなるバッファ層を約０．１μｍ〜０．３μｍ成長した。このバッファ層の成長法は、まず基板上に密度の高い結晶核（核発生層）を形成し、つぎにこれを成長の核としてＡｌＮ層を成長させた。
３種類の絶縁性基板について次のようにデバイスを作製した。６インチ径半絶縁性ＳｉＣ基板ｃ面上、または２インチ径半絶縁性ＧａＮ基板ｃ面上、あるいは６インチサファイア基板ｃ面上に、核発生層およびＡｌＮ層からなるバッファ層を約０．１μｍ〜０．３μｍ成長した。このバッファ層の成長法は、まず基板上に密度の高い結晶核（核発生層）を形成し、つぎにこれを成長の核としてＡｌＮ層を成長させた。
バッファ層を成長させた後、１，０５０℃で本実施例のＧａＮ高抵抗層（半絶縁性窒化物系半導体層）を成長した。このＧａＮ高抵抗層の結晶成長条件は、成長炉内全圧１０１３ｈＰａ、結晶成長速度８０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｖ／ＩＩＩ比１４７３とした。また、ＧａＮ抵抗層の膜厚は、０．０５μｍから１．８μｍと種々変えた。
ここで重要となるＧａＮ高抵抗層の高抵抗率の実現にあたっては、Ｓｉや酸素などドナー型不純物が膜中に混入しないように高純度の原料を選んだ。不純物は原料そのものの不純物分析では検出限界以下の濃度であるため、実際に成膜した結晶を評価して、高抵抗となる高純度原料を使用した。また炉内に使用する冶具についても成長温度でこれらの不純物を放出しなくなるまで洗浄、および真空中、水素中での空焼きを実施したものを使用した。これにより、ＧａＮ高抵抗層の高抵抗率は、８ＭΩｃｍから１１０ＭΩｃｍを実現できた。
また、１，１００℃でＧａＮチャンネル層を約０．１μｍ成長後、Ａｌ組成２０％のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を厚さ０．０３μｍ成長して、図１に示す積層構造の窒化物系半導体ウエハを作製した。
さらに、蒸着法、フォトリソグラフィー法などにより、前記窒化物系半導体ウエハの電子供給層５上に、オーミック電極、ショットキー電極、ゲート電極を形成して図２に示すＨＥＭＴデバイスを作製した。
表１に、このように形成したＨＦＥＴデバイスの抵抗率の膜厚に対するリーク電流及びデバイスの歩留まり率への影響を調べた結果を示す。実施例１〜９及び比較例１〜８は、それぞれ表１に示されるとおり、上述した３種類の絶縁性基板を用いて、所定の抵抗率と厚さの高抵抗ＧａＮ層を有するエピウエハを各１０枚成長したのちに、その各々についてデバイスを製作して評価している。
なお、ＧａＮ高抵抗層の抵抗率は、上記のデバイス構造では測定することができないので、デバイス作製と同時期に、図１におけるＧａＮチャンネル層以上の部分を成長しない
構造を作製して抵抗率を二端子法により測定した。また、リーク電流は、図２のデバイスを用いてＦＥＴ特性を測定し、高抵抗層の膜厚に対するドレインリーク電流の量として計測した。
構造を作製して抵抗率を二端子法により測定した。また、リーク電流は、図２のデバイスを用いてＦＥＴ特性を測定し、高抵抗層の膜厚に対するドレインリーク電流の量として計測した。
歩留まり率の算定に当たっては、デバイスのオン電流が最低０．１Ａ／ｍｍ以上あって、ゲートバイアス印加によって正常にドレイン電流が変調するもの、すなわちＦＥＴとして機能しているもののうち、ドレインリーク電流が１μＡ／ｍｍ以下のものを合格とした。そして取得されたデバイスのうちの合格デバイスの割合を歩留まり率とした。本実施例におけるデバイス構造では通常、０．３Ａ／ｍｍ〜１．０Ａ／ｍｍ程度のオン電流となるので、０．１Ａ／ｍｍに満たないデバイスは使用に耐えない。また、ドレインリーク電流が１μＡ／ｍｍを超えるとスイッチング動作時の損失が増大し、ＧａＮ系デバイスとしての特長が失われるため、そのようなデバイスも使用できない。
また、後述するように、高抵抗層の成長がその上の成長層、すなわちチャンネル層の成長に悪影響を及ぼすような成長であった場合には、例えば、オン電流が低下したり、動作中に電流が徐々に低下するような寿命上の問題が生じたりして、正常なＦＥＴとして動作しなくなるため、高抵抗層の特性の如何によらず不良となって、歩留まり率としては低下する。
表１中のデバイスの歩留まり率に着目して、膜厚及び抵抗率のデバイスの歩留まり率への影響をまとめた結果を表２に示す。基板種類によってリーク電流にあまり差が見られないことから、各実施例及び各比較例における３つの基板種類をひとくくりとし、デバイスの歩留まり率９０％以上を合格（○）とし、９０％未満を不合格（×）とした。
表１及び表２の結果より、膜厚が１．８μｍ以上では歩留まりが低下（ドレインリーク電流が増大）してしまうことが分かる。また、抵抗率としても膜厚０．１μｍ以上で１０ＭΩｃｍ以上は必要であることが分かる。なお、１１０ＭΩｃｍ以上の抵抗率を有するサンプルは安定して成長することができなかった。この場合、結晶成長での歩留まりが５０％以下となってしまい、デバイスの歩留まり率も著しく低下してしまう。より低い抵抗率１０ＭΩｃｍ〜１００ＭΩｃｍであれば通常９０％〜１００％のウエハ歩留まりで成長でき、デバイスの歩留まり率も高率となっている。
膜厚０．１μｍより薄い場合では、チャンネル層のＧａＮ結晶の質が低下し、利得その他のトランジスタ特性が不良となってしまったために歩留まりの著しい低下を招いた。従って、０．１μｍが膜厚の下限と考えられる。
表２からでは、高歩留まりでリーク電流がさらに起こりにくい最適な範囲を一律に規定することが把握しにくい。そこで、最適な範囲を規定できるように、さらにリーク電流に
着目して、抵抗率と膜厚とに加えてリーク電流の影響を、表２に重ねてまとめた結果を表３に示す。各欄リーク電流範囲は、基板種類を一括にしてまとめたものである。枠で囲った部分が高歩留まり率で低リーク電流の範囲である。ここでは、最適なリーク電流の上限を０．７６μＡ／ｍｍとした。
着目して、抵抗率と膜厚とに加えてリーク電流の影響を、表２に重ねてまとめた結果を表３に示す。各欄リーク電流範囲は、基板種類を一括にしてまとめたものである。枠で囲った部分が高歩留まり率で低リーク電流の範囲である。ここでは、最適なリーク電流の上限を０．７６μＡ／ｍｍとした。
これらの結果から、絶縁性基板上に有する半絶縁性窒化物系半導体層の抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下であると、ドレインリーク電流の小さい優れたデバイスが安定して製造できることが分かる。また、好ましくは膜厚が１μｍよりも小さいと、低ドレインリーク電流の優れたデバイスがより安定して製造できることが分かる。
（実施例Ｂ）
導電性基板としての６インチｐ型Ｓｉ基板（１１１）面上にアンモニアガスと有機金属原料を用いた有機金属気相成長法を用いて核発生層とＡｌＧａＮ層を成長し、その後、１０５０℃で本実施例のＧａＮ高抵抗層（半絶縁性窒化物系半導体層）を種々の厚さで成長した。それ以降の試料作成手順は実施例Ｂに示したものと同一である。結果を表４にまとめる。実施例１０〜１８及び比較例９〜１６は、それぞれ表４に示されるとおり、所定の抵抗率と厚さの高抵抗ＧａＮ層を有するエピウエハを各１０枚成長したのちに、その各々についてデバイスを製作して評価した結果である。
導電性基板としての６インチｐ型Ｓｉ基板（１１１）面上にアンモニアガスと有機金属原料を用いた有機金属気相成長法を用いて核発生層とＡｌＧａＮ層を成長し、その後、１０５０℃で本実施例のＧａＮ高抵抗層（半絶縁性窒化物系半導体層）を種々の厚さで成長した。それ以降の試料作成手順は実施例Ｂに示したものと同一である。結果を表４にまとめる。実施例１０〜１８及び比較例９〜１６は、それぞれ表４に示されるとおり、所定の抵抗率と厚さの高抵抗ＧａＮ層を有するエピウエハを各１０枚成長したのちに、その各々についてデバイスを製作して評価した結果である。
表４中のデバイスの歩留まり率に着目して、抵抗率と膜厚のデバイスの歩留まり率への影響をまとめた結果を表５に示す。各実施例及び各比較例における３つの基板種類をひとくくりとし、デバイスの歩留まり率９０％以上を合格（○）とし、９０％未満を不合格（×）とした。
実施例Ａでの結果と同様に、表４及び表５の結果より、膜厚が１．５μｍより厚い場合では十分な抵抗率が確保できず、歩留まりが低下（ドレインリーク電流が増大）してしまっていることが分かる。また同様に、抵抗率としても１０ＭΩｃｍ以上が必要であることが分かる。なお、膜厚０．５μｍより薄い場合では、結晶表面のモホロジーが明らかに劣
化し、利得その他のトランジスタ特性が不良となってしまったために歩留まりの著しい低下を招いている。従って、０．５μｍが膜厚の下限と考えられる。
化し、利得その他のトランジスタ特性が不良となってしまったために歩留まりの著しい低下を招いている。従って、０．５μｍが膜厚の下限と考えられる。
表４を基に、さらにリーク電流に着目して、抵抗率と膜厚とに加えてリーク電流の影響を表５に重ねてまとめた結果を表６に示す。枠で囲った部分が高歩留まり率でリーク電流が起こりにくい範囲である。ここでは、最適なリーク電流の上限を０．７６μＡ／ｍｍとした。
これらの結果から、導電性基板上に有する半絶縁性窒化物系半導体層の抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．５μｍ以上１．５μｍ以下であると、ドレインリーク電流の優れたデバイスが安定して製造できることが分かる。また、好ましくは膜厚が１μｍよりも小さいと、低ドレインリーク電流の優れたデバイスがより安定して製造できることが分かる。
（実施例Ｃ）
６インチサファイア基板ｃ面上にアンモニアガスと有機金属原料を用いた有機金属気相成長法を用いて核発生層とＡｌＮ層を成長し、その後、１，０５０℃〜１，１００℃でＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかの高抵抗層（半絶縁性窒化物系半導体層）を成長した。それ以降の試料作成手順は実施例Ａに示したものと同一で図３に示す積層構造の窒化物系半導体ウエハを作製し、さらに図２と同様なＨＥＭＴデバイスを作製した。なお、図３には、高抵抗層を半絶縁性ＡｌＧａＩｎＮ層１３とした場合を示している。
６インチサファイア基板ｃ面上にアンモニアガスと有機金属原料を用いた有機金属気相成長法を用いて核発生層とＡｌＮ層を成長し、その後、１，０５０℃〜１，１００℃でＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＮのいずれかの高抵抗層（半絶縁性窒化物系半導体層）を成長した。それ以降の試料作成手順は実施例Ａに示したものと同一で図３に示す積層構造の窒化物系半導体ウエハを作製し、さらに図２と同様なＨＥＭＴデバイスを作製した。なお、図３には、高抵抗層を半絶縁性ＡｌＧａＩｎＮ層１３とした場合を示している。
各ＨＥＭＴデバイスについて、高抵抗層の種類と抵抗率、ドレインリーク電流の関係を調べた。いずれの材料もＧａＮよりバンドギャップが大きいことを反映して、実施例Ａに示したＧａＮの場合よりドレインリーク電流は低下した。従って、これまでの実施例Ａ、Ｂでの結果と同様に、膜厚が１．５μｍ以下であれば、十分な抵抗率が確保でき、ドレインリーク電流を抑制できるとわかった。また、抵抗率としても、１０ＭΩｃｍ以上あれば十分であった。なお、膜厚が０．１μｍより薄いと、成長面の平坦性が悪化し、トランジスタ特性が不良となっていた。従って、この点もほぼ高抵抗ＧａＮ層を設けた実施例Ａに示した場合と同等と考えられる。
１ 絶縁性基板
３ 半絶縁性Ｇａｎ層（高抵抗層／半絶縁性窒化物系半導体層）
１０、１１ 窒化物系半導体ウエハ
１３ 窒化物系半導体デバイス
３ 半絶縁性Ｇａｎ層（高抵抗層／半絶縁性窒化物系半導体層）
１０、１１ 窒化物系半導体ウエハ
１３ 窒化物系半導体デバイス
Claims (8)
- 絶縁性基板上に、抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下である半絶縁性窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハ。
- 導電性基板上に、抵抗率が１０ＭΩｃｍ以上１００ＭΩｃｍ以下、膜厚が０．５μｍ以上１．５μｍ以下である半絶縁性窒化物系半導体層を有する窒化物系半導体ウエハ。
- 前記半導体層の膜厚がより好ましくは１μｍよりも小さい請求項１または２に記載の窒化物系半導体ウエハ。
- 前記半導体層がガリウム窒化物またはアルミニウム窒化物、あるいはガリウムとアルミニウムの窒化物混晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体ウエハ。
- 前記半導体層がガリウムとインジウムの窒化物混晶、またはアルミニウムとインジウムの窒化物混晶、あるいはガリウムとアルミニウムとインジウムの窒化物混晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体ウエハ。
- 前記絶縁性基板が炭化珪素、窒化ガリウム、サファイアのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体ウエハ。
- 前記導電性基板がシリコンである請求項２に記載の窒化物系半導体ウエハ。
- 請求項１から７のいずれかに記載の窒化物系半導体ウエハ上に、さらに窒化物系半導体層を備えた窒化物系半導体デバイス。
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