JP2013211363A - 窒化物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的にリーク電流を抑制することのできるＦｅ含有窒化物半導体層を有する窒化物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、基板１１と、基板１１上に形成されたＡｌＮ層１２と、ＡｌＮ層１２上に形成された第１の窒化物半導体層１３と、を含み、ＡｌＮ層１２は、第１の窒化物半導体層１３側の一部にＦｅ含有領域である第１の領域１２ａを有し、第１の窒化物半導体層１３は、少なくともＡｌＮ層１２側の一部に第１の領域１３ａを含むＦｅ含有領域を有する、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法に関する。

インジウム、ガリウム、アルミニウムのIII族元素及び窒素からなる窒化物化合物半導体は、III族元素の組成比を制御することにより、紫外領域から可視光領域の大部分の波長領域の光を発することのできる革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。また窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有するため、高周波領域での高効率・高出力を実現する電子デバイス用材料としても実用化されている。

従来の窒化物半導体電界効果トランジスタとして、単結晶基板上にＡｌＮ層とＧａＮ層を積層したエピタキシャルウェハを用いて製造されたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

ＡｌＮ層の上にＧａＮ層を形成する場合、ＡｌＮ結晶とＧａＮ結晶の格子不整合によって成長初期に島状結晶成長が起こるが、この島状結晶成長の際には不純物を取り込み易いファセット面が形成される。ＧａＮ結晶のバンドギャップは３．５ｅＶ程度であり、シリコンなどの不純物混入によって容易に導電性となるため、ＧａＮ層の成長初期に不純物、特に有機金属気相成長炉のジグから放出されるシリコン、が取り込まれる事により、ＧａＮ層の成長初期部分すなわちＡｌＮ層との境界に近い領域が導電性となる。このため、単結晶基板上にＡｌＮ層とＧａＮ層を積層したエピタキシャルウェハを用いて製造されたトランジスタにおいては、ＧａＮ層のＡｌＮ層との境界に近い領域でリーク電流が発生するおそれがある。

そこで、特許文献１、２に開示されるようなトランジスタにおいては、ＧａＮ層のＡｌＮ層側の一部の領域にＦｅをドーピングして電気抵抗を増加させ、リーク電流を防止している。この方法によれば、シリコン混入によってＧａＮ層の成長初期部分に発生していた自由電子を、意図的にドーピングしたＦｅで補償、あるいは相殺し、リーク電流発生箇所として考えられるＧａＮ層の成長初期部分は高抵抗化される。

特開２００８−２５１９６６号公報 特開２０１０−１８２８７２号公報

特許文献１、２には、Ｆｅのドーピングにフェロセン（Ｃｐ_２Ｆｅ：ビスシクロペンタジエニル鉄）を用いることが開示されている。フェロセンをＦｅ原料として用いることにより、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長条件とは独立してＦｅのドーピング濃度を制御することができるため、フェロセンはリーク電流の抑制を目的としたＦｅのドーピングに広く用いられている。

しかし、フェロセンは、原料シリンダーから有機金属気相成長用反応炉に供給する際、途中の配管や反応炉の壁面に付着しやすい性質を持つ。そのため、ＧａＮ層の成長開始と同時にフェロセンの供給を開始すると、フェロセンは、先に壁面に付着し始めて、基板表面に到達するまでに消費されるので、基板表面への到達が遅れ、ＧａＮ層の成長開始直後は目的の濃度でＦｅがドーピングされない。このため、リーク電流の主な発生箇所であり、Ｆｅをドーピングすることにより高抵抗化したいＧａＮ層のＡｌＮ層側の領域に、十分な濃度のＦｅをドーピングすることができず、低抵抗なＧａＮ層となってしまう。そのため、トランジスタにおける素子間リーク電流、あるいはピンチオフ時におけるドレインリーク電流が発生するおそれがある。

したがって、本発明の目的の一つは、効果的にリーク電流を抑制することのできるＦｅ含有窒化物半導体層を有する窒化物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することにある。

（１）本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、基板と、前記基板上に形成されたＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上に形成された第１の窒化物半導体層と、を含み、前記ＡｌＮ層は、前記第１の窒化物半導体層側の一部にＦｅ含有領域を有し、前記第１の窒化物半導体層は、少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部にＦｅ含有領域を有する、窒化物半導体エピタキシャルウェハが提供される。

（２）上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記第１の窒化物半導体層の前記Ｆｅ含有領域の少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部のＦｅ濃度が、１×１０^１７ｃｍ^３以上、１×１０^１９ｃｍ^３以下であることが好ましい。

（３）上記窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記第１の窒化物半導体層上に、前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層を含み、前記第１の窒化物半導体層内の前記第２の窒化物半導体層側の領域に二次元電子ガスが存在し、前記第１の窒化物半導体層内の前記二次元電子ガスが存在する領域のＦｅ濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であってもよい。

（４）また、本発明の他の態様によれば、基板上にＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させてＡｌＮ層を形成する工程と、前記ＡｌＮ層上に第１の窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させて第１の窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、前記ＡｌＮ結晶の成長開始後、且つ前記ＡｌＮ結晶の成長終了前に、前記基板上へのフェロセンの供給を開始し、前記第１の窒化物半導体結晶の成長開始後、且つ前記第１の窒化物半導体結晶の成長終了前に、前記フェロセンの供給を終了することにより、前記ＡｌＮ層の少なくとも前記第１の窒化物半導体層側の一部の領域、及び前記第１の窒化物半導体層の少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部の領域にＦｅをドーピングする、窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法が提供される。

（５）上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記第１の窒化物半導体層の少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部へのＦｅのドーピング濃度が、１×１０^１７ｃｍ^３以上、１×１０^１９ｃｍ^３以下であることが好ましい。

（６）上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ＡｌＮ結晶の成長を終了してから３０秒以内に前記第１の窒化物半導体結晶の成長を開始することが好ましい。

（７）上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ＡｌＮ層のＦｅドーピング領域の成長時の前記基板の基板温度及び環境圧力と、前記第１の窒化物半導体結晶の成長時の前記基板の基板温度及び環境圧力が等しいことが好ましい。

（８）上記窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記第１の窒化物半導体層上に、前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層を形成する工程を含み、前記第１の窒化物半導体層内の前記第２の窒化物半導体層側の領域に二次元電子ガスが存在し、前記第１の窒化物半導体層内の前記二次元電子ガスが存在する領域のＦｅ濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下であってもよい。

本発明の一態様によれば、効果的にリーク電流を抑制することのできるＦｅ含有窒化物半導体層を有する窒化物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハの垂直断面図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造工程を表す断面図である。 図３は、ＡｌＮ結晶の成長を終了してから第１の窒化物半導体結晶の成長を開始するまでの結晶成長の中断時間と窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける素子間リーク電流との関係の一例を示すグラフである。 図４（ａ）は、本実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける素子電極間電圧と素子間リーク電流の関係の一例を表すグラフである。図４（ｂ）は、比較例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける素子電極間電圧と素子間リーク電流の関係の一例を表すグラフである。

〔実施の形態〕
（窒化物半導体エピタキシャルウェハの構造）
図１は、実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハの垂直断面図である。窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０は、基板１１、基板１１上のＡｌＮ層１２、ＡｌＮ層１２上の第１の窒化物半導体層１３、第１の窒化物半導体層１３上の第２の窒化物半導体層１４を含む。

単結晶基板１１は、例えば、ポリタイプが４Ｈ又は６Ｈの半絶縁ＳｉＣ基板である。第１の窒化物半導体層１３は、例えば、ＧａＮ層である。第２の窒化物半導体層１４は、第１の窒化物半導体層１３よりも電子親和力の小さい窒化物半導体層である。例えば、第１の窒化物半導体層１３がＧａＮ層である場合は、第２の窒化物半導体層１４としてＡｌＧａＮ層を用いることができる。

窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を用いて窒化物半導体電界効果トランジスタを製造する場合は、ＡｌＮ層１２は緩衝層、第１の窒化物半導体層１３はバッファ層及び電子走行層、第２の窒化物半導体層１４はバリア層として、それぞれ機能する。

ＡｌＮ層１２の第１の窒化物半導体層１３側の一部の領域は、意図的にドーピングされたＦｅを含む、ＡｌＮ層１２のＦｅ含有領域としての第１の領域１２ａである。ＡｌＮ層１２のＦｅがドーピングされていない領域は第２の領域１２ｂとする。

第１の窒化物半導体層１３のＡｌＮ層１２側の一部の領域は、意図的にドーピングされたＦｅを含む第１の領域１３ａである。第１の領域１３ａのＦｅ濃度は、１×１０^１７ｃｍ^３以上、１×１０^１９ｃｍ^３以下である。このため、第１の領域１３ａは、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を用いて製造された窒化物半導体トランジスタにおいてリーク電流の発生を抑えるために十分な電気抵抗を有する。第１の領域１３ａのＦｅ濃度が１×１０^１７ｃｍ^３未満であると、リーク電流を効果的に抑えることができず、また、１×１０^１９ｃｍ^３を超えると、第１の窒化物半導体層１３のモフォロジ劣化が起こるおそれがある。

第１の窒化物半導体層１３の意図的にＦｅがドーピングされていない領域は第２の領域１３ｂとする。第２の領域１３ｂが意図せずにドーピングされたＦｅを含む場合は、第１の領域１３ａと、第２の領域１３ｂのＦｅを含む領域とを合わせた領域が、第１の窒化物半導体層１３のＦｅ含有領域となる。すなわち、第１の領域１３ａは、第１の窒化物半導体層１３のＦｅ含有領域のＡｌＮ層１２側の一部となる。

第１の窒化物半導体層１３（第２の領域１３ｂ）の第２の窒化物半導体層１４との界面に近い領域には、第１の窒化物半導体層１３と第２の窒化物半導体層１４の格子定数の差に起因する第２の窒化物半導体層１４内のピエゾ効果によって発生した二次元電子ガスが存在する。第１の窒化物半導体層１３の二次元電子ガスが存在する領域を二次元電子ガス領域１３ｅとする。

第１の領域１３ａを形成するためのＦｅ原料としてフェロセンを用いる場合は、フェロセンが配管や反応炉の壁面に付着し、水素ガスや窒素ガスのパージによって、しばらくすると壁面から徐々に脱離する。このフェロセンの挙動のような壁面への付着、脱離は、メモリー効果と呼ばれる。このため、フェロセンの供給を止めるために原料シリンダーを閉じた後に、脱離したフェロセンが基板１１の表面に到達し、意図しないＦｅのドーピングが行われてしまうおそれがある。このメモリー効果により、第１の窒化物半導体層１３の二次元電子ガス領域１３ｅにＦｅが意図せずにドーピングされてしまう場合があるが、この二次元電子ガス領域１３ｅにおけるＦｅ濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以下である。このため、二次元電子ガスの電子がＦｅにより相殺され、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を用いて製造されるトランジスタの出力が低下することはほとんどない。

（窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造工程）
図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造工程を表す断面図である。

まず、図２（ａ）に示されるように、基板１１上にＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させ、ＡｌＮ層１２の第２の領域１２ｂを形成する。

次に、図２（ｂ）に示されるように、ＡｌＮ結晶を成長させながら、基板１１上へフェロセン等のＦｅ原料の供給を開始し、ＡｌＮ結晶へＦｅをドーピングする。これによって、ＡｌＮ層１２の第１の領域１２ａが形成される。

Ｆｅ原料としてフェロセンを用いる場合は、フェロセンが配管や反応炉の壁面に付着し、基板１１表面への到達が遅れるため、供給開始直後は、基板１１の表面への供給量が安定していない。しかし、第１の窒化物半導体層１３の第１の窒化物半導体結晶の成長開始時において基板１１の表面への供給量が安定するように、ＡｌＮ結晶の成長終了時には基板１１の表面への供給量がほぼ安定していることが好ましい。このためには、ＡｌＮ層１２の第１の領域１２ａの膜厚や成長速度を適宜設定し、フェロセンの供給量が安定するまでに必要な時間を稼ぐようにすればよい。

なお、ＡｌＮ結晶の成長開始後にＦｅ原料の供給を開始する理由は、以下の通りである。ＡｌＮ結晶の成長開始前にＦｅ原料の供給が開始されると、Ｆｅ原料のみが基板１１の表面に付着して分解し、Ｆｅの薄膜が基板１１上に形成されてしまう。Ｆｅの薄膜は非常に導電性が高いため、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を用いて製造するトランジスタにおいて、リーク電流の発生箇所となる。

本実施の形態においては、ＡｌＮ結晶の成長開始後にＦｅ原料の供給を開始するため、ＦｅはＡｌＮ層１２中にドーパントとして取り込まれる。取り込まれたＦｅはＡｌＮ層１２中で深い準位を形成し、その領域の絶縁性には影響を与えない。また、ＦｅのドーピングによりＡｌＮ層１２の格子定数および表面形状には大幅な変化は生じないため、ＡｌＮ層１２の緩衝部としての機能にも影響はない。

次に、図２（ｃ）に示されるように、Ｆｅ原料の供給を続けながら、ＡｌＮ層１２上へＧａＮ結晶等の第１の窒化物半導体結晶の成長を開始する。第１の窒化物半導体結晶はＦｅをドーピングされながら成長し、第１の窒化物半導体層１３の第１の領域１３ａが形成される。ここで、第１の窒化物半導体結晶の成長時の基板１１の基板温度及び環境圧力（リアクター内の圧力）を、ＦｅドープＡｌＮ結晶の成長時の基板温度及び環境圧力と等しくすることが好ましい。なぜなら、基板温度や環境圧力を変更すると、変更後に基板温度や環境圧力が安定するまでの、３０秒超の安定待ち時間（第１の窒化物半導体結晶を成長しない時間）が必要になり、この安定待ち時間中にメモリー効果によって供給され続けているＦｅ原料がＡｌＮ層１２の表面に付着して分解し、Ｆｅの薄膜がＡｌＮ層１２上に形成されてしまうからである。Ｆｅの薄膜は非常に導電性が高いため、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を用いて製造するトランジスタにおいて、リーク電流の発生箇所となる。なお、ＡｌＮ層１２の第２の領域１２ｂの成長時と第１の領域１２ａの成長時では、安定待ち時間を設けても壁面にＦｅ原料は付着していないので、上述のリーク電流発生箇所は形成される心配は無い。

Ｆｅ原料としてフェロセンを用いる場合であっても、第１の窒化物半導体結晶の成長開始前からＦｅ原料が供給されているため、第１の窒化物半導体結晶の成長開始時においてＦｅ原料の基板１１上への供給量は安定し、目的の濃度（１×１０^１７ｃｍ^３以上、１×１０^１９ｃｍ^３以下）のＦｅが第１の窒化物半導体結晶にドーピングされる。

また、ＡｌＮ結晶の成長を終了してから、すなわちＡｌＮ層１２の第１の領域１２ａの形成が終了してから、なるべく早く第１の窒化物半導体結晶の成長を開始することが好ましい。第１の窒化物半導体結晶の成長開始が遅れると、ＡｌＮ結晶の成長を終了してから第１の窒化物半導体結晶の成長を開始するまでの間もメモリー効果によって供給され続けているＦｅ原料がＡｌＮ層１２の表面に付着して分解し、Ｆｅの薄膜がＡｌＮ層１２上に形成されて、リーク電流発生箇所になってしまうからである。

図３は、ＡｌＮ結晶の成長（ＡｌＮ層１２の第１の領域１２ａ）を終了してから第１の窒化物半導体結晶の成長を開始するまでの結晶成長の中断時間と窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０における素子間リーク電流との関係の一例を示すグラフである。図３の横軸は結晶成長の中断時間を表し、縦軸は素子間リーク電流の大きさを表す。ここで、図３の例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０においては、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、Ｆｅ原料、及び素子電極間電圧は、それぞれＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、フェロセン、及び２０Ｖである。この場合、結晶成長の中断時間が３０秒以下である場合には素子間リーク電流が１×１０^−８Ａ／ｍｍ前後であり、ほぼ発生しないことがわかる。

次に、図２（ｄ）に示されるように、Ｆｅ原料の供給を止めて窒化物半導体結晶の成長を続け、第１の窒化物半導体層１３の第２の領域１３ｂを形成する。これにより、下側に第１の領域１３ａを有する第１の窒化物半導体層１３が形成される。なお、Ｆｅの薄膜が、第１の領域１３ａと第２の領域１３ｂとの間にメモリー効果によって形成されないように、基板温度や環境圧力の成長条件を同一条件とすることにより、３０秒超の結晶成長の中断時間（安定化待ち時間）を設ける必要は無くなる。

Ｆｅ原料としてフェロセンを用いる場合は、配管や反応炉の壁面に付着したフェロセンが徐々に脱離し、この脱離したフェロセンが、フェロセンの供給を止めるために原料シリンダーを閉じた後でも基板１１の表面に到達し、意図しないＦｅのドーピングが行われてしまう場合がある。このため、第１の窒化物半導体層１３の第２の領域１３ｂに意図しないＦｅのドーピングが行われる場合がある。しかし、本実施の形態においては、第１の領域１３ａへ効率的にＦｅドーピングを行えるので、フェロセンの供給を止めた後に形成される第２の領域１３ｂの膜厚を過剰に大きくすること無く、第２の領域１３ｂの上側部分（二次元電子ガス領域１３ｅとなる部分）のＦｅ濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以下に抑えることができる。このため、第２の領域１３ｂの厚膜化によるコストアップという問題を回避することができる。

その後、第１の窒化物半導体層１３上にＡｌＧａＮ結晶等の第２の窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させて第２の窒化物半導体層１４を形成し、図１に示される窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を得る。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ＡｌＮ結晶の成長中、すなわち第１の窒化物半導体結晶の成長前にＦｅ原料の供給を開始することにより、Ｆｅ原料の種類によらず、第１の窒化物半導体結晶の成長開始時における基板表面へのＦｅ原料の供給量が安定し、第１の窒化物半導体層１３のＡｌＮ層１２側に目的のＦｅ濃度の第１の領域１３ａを形成することができる。これにより、本実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を用いて製造する窒化物半導体電界効果トランジスタにおける素子間リーク電流、あるいはピンチオフ時におけるドレインリーク電流を抑制することができる。

また、第１の窒化物半導体結晶の成長開始時における基板表面へのＦｅ原料の供給量が安定しているため、フェロセンのような配管や反応炉の壁面に付着し易いＦｅ原料を用いる場合であっても、目的のＦｅ濃度の第１の領域１３ａを形成するために過剰な量のＦｅ原料を供給する必要がなく（第１の窒化物半導体結晶（ＧａＮ層）の成長開始直後から目的の濃度でＦｅをドーピングするために、壁面への付着による消費分を考慮してＦｅ原料の供給量を増加させる必要が無く）、よって壁面への付着量も抑えると共に、壁面からの脱離量も抑えることができる。このため、Ｆｅ原料供給停止後に第１の窒化物半導体層１３の第２の領域１３ｂを厚く成長する必要が無く（第２の領域１３ｂの上側部分（二次元電子ガス領域１３ｅとなる部分）のＦｅ濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下になるまでに必要な第２の領域１３ｂの膜厚を小さくでき）、窒化物半導体エピタキシャルウェハから得られる高出力トランジスタの歩留り向上及び第１の窒化物半導体層１３の薄膜化に伴うコストダウンという優れた効果が得られる。

実施例として、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０の詳細な製造工程を以下に示す。

まず、基板１１としてポリタイプが４Ｈ又は６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用意する。

次に、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）装置に基板１１を導入し、ＮＨ_３を含まないＨ_２／Ｎ_２混合ガスフロー雰囲気中で１，１７５℃の基板温度下で５分間加熱処理する。この加熱処理により基板１１が清浄化される。

次に、ＭＯＶＰＥ装置のリアクターに、０．５≦Ｈ_２／ＮＨ_３比≦４となる条件でアンモニアガスを２５秒間導入する。このアンモニアガスフローにより、引き続くＡｌＮ層１２の形成工程において窒素原子の脱離を防ぎ、ＡｌＮ結晶の高品質化を行う。

次に、アンモニアガスとＴＭＡ（Tri Methyl Aluminum）を原料として用いて平均膜厚６ｎｍのＡｌＮ層１２の一部を形成する。この部分は、ＡｌＮ層１２のうちの第２の領域１２ｂとなる。この第２の領域１２ｂの成長条件は、Ｖ族原料ガスとIII族原料ガスとのモル比であるＶ／III比を３，０００、成長速度を０．１０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度を１，１７５℃となるようにした。

次に、ＭＯＶＰＥ装置内の基板１１を、１，０００℃の基板温度まで冷却する。なお、冷却と同時にリアクターの炉内圧力を第１の窒化物半導体層１３としてのＧａＮ層の形成に最適となる所望の圧力へと移行させてもよい。

次に、アンモニアガスとＴＭＡ、及びフェロセンを用いて平均膜厚４ｎｍのＡｌＮ層１２の一部を形成する。この部分は、ＡｌＮ層１２のうちの第１の領域１２ａとなる。この領域はメモリー効果によるフェロセン供給の遅延が起こっている間に形成されるため、Ｆｅのドーピング濃度は不安定である（第１の領域１２ａの成長初期部分においてＦｅ濃度がゼロとなる場合もあり得る）が、ＡｌＮ結晶はもともとバンドギャップが室温で６．０ｅＶを超えるほど広く、Ｆｅドープの有無に関わらず半絶縁性であることに変わりは無い。このため、ＡｌＮ層１２中のＦｅドープ量はトランジスタの電気特性に影響は無いので、次の第１の窒化物半導体層１３の第１の領域１３ａを成長する際に流すフェロセンと同流量のフェロセンを、ＡｌＮ層１２の第１の領域１２ａの成長中に流しておけば、第１の窒化物半導体層の第１の領域１３ａ中のＦｅドープ量がより安定するので好ましい。

この第１の領域１２ａの成長条件は、Ｖ／III比を１０，０００、成長速度を０．０２ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度を１，０００℃になるようにした。フェロセン供給量は、所定通りにドーピングされるとＦｅ濃度が２．０×１０^１８ｃｍ^−３になるような供給量とした。

次に、ＴＭＡのリアクターへの供給を打ち切り、打ち切ってから３０秒未満の間に、基板１１の基板温度及びリアクターの炉内圧力は同一条件のままで、ＴＭＧ（Tri Methyl Gallium）のリアクターへの供給を開始する。アンモニアガスの供給は続いているため、ＴＭＧのリアクターへの供給開始により、ＧａＮ結晶の成長が開始され、第１の窒化物半導体層１３としてのＧａＮ層の一部が形成される。このとき、フェロセンの供給も続いているため、この部分はＧａＮ層のうちの第１の領域１３ａとなる。この第１の領域１３ａは３００ｎｍの厚さに形成される。この第１の領域１３ａの成長条件は、Ｖ／III比を２，０００、成長速度を０．４０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度を１，０００℃、Ｆｅ濃度を１．０×１０^１８ｃｍ^−３になるようにした。

次に、アンモニアとＴＭＧの供給は継続したまま、フェロセンの供給を打ち切る。これによりＧａＮ層のうちの第２の領域１３ｂが形成される。第２の領域１３ｂにはＦｅの意図的なドーピングは実施されていないが、メモリー効果により壁面から脱離したフェロセンはしばらくの間、有機金属気相成長炉へ流れ込んでいるため、（特に下流側の部分に）意図せずにＦｅがドーピングされる。この部分は９００ｎｍの厚さに形成される。第２の領域１３ｂの上部、すなわち第２の窒化物半導体層１４としてのＡｌＧａＮ層との境界付近に位置する二次元電子ガス領域１３ｅが形成される頃には、メモリー効果で壁面に付着していたフェロセンの脱離がほぼ終了しているため、二次元電子ガス領域１３ｅにおいては意図しないドーピングによるＦｅ濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下にまで減少している。なお、第１の領域１３ａから二次元電子ガス領域１３ｅまでの膜厚（Ｔ）は、二次元電子ガス領域１３ｅ中のＦｅ濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下にまで減少するように、壁面に付着したフェロセンの脱離量を考慮して適宜決めればよく、第１の窒化物半導体層１３の第１の領域１３ａ中に所望のＦｅ濃度をドーピングするために過剰のフェロセンを流す必要は無い（つまり、フェロセン供給停止後のフェロセン脱離量を最小限にできる）ので、この膜厚（Ｔ）を最小限とすることができる。

この第２の領域１３ｂの成長条件は、Ｖ／III比を２，０００、成長速度を０．４０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度を１，０００℃になるようにした。

次に、アンモニアとＴＭＧの供給は継続したまま、ＴＭＡの供給を再開する。場合によってはアンモニアの供給は継続したまま、一旦ＴＭＧの供給を打ち切り、その後ＴＭＧとＴＭＡの供給を同時に再開する。これによりＡｌＧａＮ結晶が成長し、第２の窒化物半導体層１４としてのＡｌＧａＮ層が形成される。ＡｌＧａＮ層の厚さは、製作するトランジスタのアプリケーションによって適切に設計する必要があるが、ここでは例えば３０ｎｍの厚さに形成される。この第２の窒化物半導体層１４の成長条件は、Ｖ／III比を１，５００、成長速度を０．３０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度を１，０００℃になるようにした。

以上の工程により、実施例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０が得られる。

（比較例）
比較例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハは、実施例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０と、フェロセンの供給開始タイミング（ＡｌＮ層へのＦｅドーピングの有無）及びＡｌＮ層の一部（実施例に係るＡｌＮ層１２においてＦｅがドーピングされる部分）のＶ／III比及び成長速度で相違するが、エピタキシャル成長前の熱処理などについては同条件である。具体的には、ＳｉＣ基板上に、ｕｎ−ＡｌＮ層（膜厚１０ｎｍ、Ｖ／III比３，０００、成長速度０．１０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度１，１７５℃）、ＦｅドープＧａＮ層（膜厚３００ｎｍ、Ｖ／III比２，０００、成長速度０．４０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度１，０００℃）、ｕｎ−ＧａＮ層（膜厚９００ｎｍ、Ｖ／III比２，０００、成長速度０．４０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度１，０００℃）、及び、ｕｎ−ＡｌＧａＮ層（膜厚３０ｎｍ、Ｖ／III比１，５００、成長速度０．３０ｎｍ／ｓｅｃ、基板温度１，０００℃）を順次形成した。なお、ＦｅドープＧａＮ層形成時のフェロセン供給量は、実施例と同流量であり、所定通りにドーピングされるとＦｅ濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３になるような供給量とし、また、ｕｎ−ＧａＮ層中には、意図せずにＦｅがドーピングされている。フェロセンの供給とＧａＮ結晶の成長を同時に開始し、ＡｌＮ層にＦｅをドーピングしなかった。

以上の工程により、比較例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハが得られる。

次に、上記の実施例及び比較例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハを用いて、素子間電極間電圧と素子間リーク電流の関係を調べた。具体的には、ウェハ上に多数のトランジスタを形成し、イオン注入によってトランジスタ間に位置する二次元電子ガス領域を高抵抗化して分離し、各トランジスタ素子間の、特にオーミック電極（つまり、ソース電極あるいはドレイン電極）の間のリーク電流（素子間リーク電流）の測定を行った。

図４（ａ）は、実施例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０における素子電極間電圧と素子間リーク電流の関係の一例を表すグラフである。図４（ｂ）は、比較例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける素子電極間電圧と素子間リーク電流の関係の一例を表すグラフである。図４（ａ）、（ｂ）の横軸は素子電極間電圧を表し、縦軸は素子間リーク電流の大きさを表す。

図４（ａ）、（ｂ）からわかるように、本実施の形態に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０の素子間リーク電流は、比較例に係る窒化物半導体エピタキシャルウェハの素子間リーク電流のおよそ１／５以下であり、効果的にリーク電流を抑制できていることを確認できた。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１０ 窒化物半導体エピタキシャルウェハ
１１ 基板
１２ ＡｌＮ層
１３ 第１の窒化物半導体層
１３ｅ 二次元電子ガス領域
１２ａ、１３ａ 第１の領域
１４ 第２の窒化物半導体層

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されたＡｌＮ層と、
   前記ＡｌＮ層上に形成された第１の窒化物半導体層と、
   を含み、
   前記ＡｌＮ層は、前記第１の窒化物半導体層側の一部にＦｅ含有領域を有し、
   前記第１の窒化物半導体層は、少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部にＦｅ含有領域を有する、
   窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
2. 前記第１の窒化物半導体層の前記Ｆｅ含有領域の少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部のＦｅ濃度が、１×１０^１７ｃｍ^３以上、１×１０^１９ｃｍ^３以下である、
   請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
3. 前記第１の窒化物半導体層上に、前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層を含み、
   前記第１の窒化物半導体層内の前記第２の窒化物半導体層側の領域に二次元電子ガスが存在し、
   前記第１の窒化物半導体層内の前記二次元電子ガスが存在する領域のＦｅ濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下である、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
4. 基板上にＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させてＡｌＮ層を形成する工程と、
   前記ＡｌＮ層上に第１の窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させて第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
   を含み、
   前記ＡｌＮ結晶の成長開始後、且つ前記ＡｌＮ結晶の成長終了前に、前記基板上へのフェロセンの供給を開始し、前記第１の窒化物半導体結晶の成長開始後、且つ前記第１の窒化物半導体結晶の成長終了前に、前記フェロセンの供給を終了することにより、前記ＡｌＮ層の少なくとも前記第１の窒化物半導体層側の一部の領域、及び前記第１の窒化物半導体層の少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部の領域にＦｅをドーピングする、
   窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
5. 前記第１の窒化物半導体層の少なくとも前記ＡｌＮ層側の一部へのＦｅのドーピング濃度が、１×１０^１７ｃｍ^３以上、１×１０^１９ｃｍ^３以下である、
   請求項４に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
6. 前記ＡｌＮ結晶の成長を終了してから３０秒以内に前記第１の窒化物半導体結晶の成長を開始する、
   請求項４又は５に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
7. 前記ＡｌＮ層のＦｅドーピング領域の成長時の前記基板の基板温度及び環境圧力と、前記第１の窒化物半導体結晶の成長時の前記基板の基板温度及び環境圧力が等しい、
   請求項４〜６のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
8. 前記第１の窒化物半導体層上に、前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層を形成する工程を含み、
   前記第１の窒化物半導体層内の前記第２の窒化物半導体層側の領域に二次元電子ガスが存在し、
   前記第１の窒化物半導体層内の前記二次元電子ガスが存在する領域のＦｅ濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以下である、
   請求項４〜７のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。

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