JP2018172284A - 半導体基板および半導体基板の製造方法 - Google Patents

半導体基板および半導体基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】窒化物半導体結晶層の下地層に不純物原子が導入された場合であっても、反り量の制御効果が失われない層構造を提供する。【解決手段】第１超格子層が、第１層および第２層からなる第１単位層を複数有し、第２超格子層が、第３層および第４層からなる第２単位層を複数有し、第１層が、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）からなり、第２層が、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１、ｘ１＞ｙ１）からなり、第３層が、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）からなり、第４層が、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜１、ｘ２＞ｙ２）からなり、第１超格子層の平均格子定数と第２超格子層の平均格子定数とが異なり、第１超格子層および第２超格子層から選択された１以上の層に、耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれる半導体基板を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板および半導体基板の製造方法に関する。
高耐圧素子への応用を目的として、シリコン基板上に、高品質な窒化物半導体結晶層を形成する技術が望まれている。非特許文献１には、シリコン（１１１）面上に、バッファ層、超格子構造および窒化ガリウム層を順に積層した構造が開示されている。窒化ガリウム層は、トランジスタの活性層となる。当該構造では、超格子構造により基板の反りが抑えられるため、比較的厚い窒化ガリウム層が容易に形成でき、高い耐圧の窒化物半導体結晶層が得易いという利点がある。しかし、より高い耐圧を求めて窒化物半導体結晶層を厚膜化すると、基板の反りが大きくなり、デバイス作製工程において許容される反りの範囲を逸脱してしまう問題がある。基板の反り量を制御する技術として、特許文献１および特許文献２の技術が知られている。
特許文献１の技術では、基板上に、ＧａＮ層およびＡｌＮ層が交互に積層されるように、ＧａＮ層およびＡｌＮ層の対を複数積層した第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を形成する。また、ＧａＮ層およびＡｌＮ層が交互に積層されるように、ＧａＮ層およびＡｌＮ層の対を複数積層した第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層に接するように形成する。そして第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層上に、ＧａＮ電子走行層およびＡｌＧａＮ電子供給層からなる素子動作層を形成する。ここで、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層のｃ軸平均格子定数ＬＣ１と、第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層のｃ軸平均格子定数ＬＣ２と、ＧａＮ電子走行層のｃ軸平均格子定数ＬＣ３とが、ＬＣ１＜ＬＣ２＜ＬＣ３を満たすようにすることが開示されている。
特許文献２には、（１１１）単結晶Ｓｉ基板の上に、基板面に対し（０００１）結晶面が略平行となるようにＩＩＩ族窒化物層群が形成されたエピタキシャル基板が開示されている。当該エピタキシャル基板は、第１の積層単位と第２の積層単位とが交互に積層され、かつ、最上部と最下部がいずれも第１の積層単位で構成されたバッファ層と、バッファ層の上に形成された結晶層と、を備えている。第１の積層単位は、組成が相異なる第１単位層と第２単位層とが繰り返し交互に積層されることで圧縮歪が内在された組成変調層と、組成変調層に内在された圧縮歪を強める第１中間層と、を含んでいる。第２の積層単位は、実質的に無歪の第２中間層であるように形成される。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献１]特開２０１１−２３８６８５号公報
[特許文献２]国際公開ＷＯ２０１１／１０２０４５号
[非特許文献]
[非特許文献１]”High quality GaN grown on Si(111) by gas source molecular beam epitaxy with ammonia”, S. A. Nikishin et. al., Applied Physics letter, Vol.75, 2073(1999)
本発明者は、耐電圧の高い窒化物半導体結晶層を得ることを目的に、窒化物半導体結晶層の下地層（超格子層）に炭素原子等の不純物原子を導入する実験検討を行ってきた。しかし、単に不純物原子を導入するだけでは、基板の反り量を制御するために設けた超格子層内の応力が緩和され、基板の反り量を制御する効果が低減する問題があることを認識した。すなわち、上記した特許文献１および特許文献２に記載の基板の反り量を制御するための技術は、耐電圧向上のための不純物原子が導入されていない状態、または、不純物原子の導入量が少ない状態においてのみ使用できる技術であり、耐電圧向上の効果が十分に得られる程度に不純物原子が導入されると、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、基板の反り量を制御することができない課題があることを認識するに至った。
本発明の目的は、窒化物半導体結晶層の下地層である超格子層に、耐電圧向上の効果が十分に得られる程度の量の不純物原子が導入された場合であっても、反り量の制御効果が失われない層構造を有する半導体基板あるいはその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、下地基板と、第１超格子層と、接続層と、第２超格子層と、窒化物半導体結晶層とを有し、下地基板、第１超格子層、接続層、第２超格子層および窒化物半導体結晶層が、下地基板、第１超格子層、接続層、第２超格子層、窒化物半導体結晶層の順に位置し、第１超格子層が、第１層および第２層からなる第１単位層を複数有し、第２超格子層が、第３層および第４層からなる第２単位層を複数有し、第１層が、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）からなり、第２層が、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１、ｘ１＞ｙ１）からなり、第３層が、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）からなり、第４層が、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜１、ｘ２＞ｙ２）からなり、第１超格子層の平均格子定数と第２超格子層の平均格子定数とが異なり、第１超格子層および第２超格子層から選択された１以上の層に、耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれる半導体基板を提供する。
不純物原子として、Ｃ原子、Ｆｅ原子、Ｍｎ原子、Ｍｇ原子、Ｖ原子、Ｃｒ原子、Ｂｅ原子およびＢ原子からなる群から選択された１種以上の原子を挙げることができる。不純物原子として、Ｃ原子またはＦｅ原子が好ましい。接続層は、第１超格子層および第２超格子層に接する結晶層であることが好ましい。接続層の組成は、接続層の厚さ方向において第１超格子層から第２超格子層へ向かって連続的に変化するものであってもよい。あるいは、接続層の組成は、接続層の厚さ方向において第１超格子層から第２超格子層に向かって段階的に変化するものであってもよい。接続層として、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）からなるものを挙げることができる。接続層の厚さは、第１層、第２層、第３層および第４層の何れの層の厚さより大きいことが好ましい。接続層の平均格子定数は、第１超格子層および第２超格子層のいずれの平均格子定数より小さいことが好ましい。
本発明の第２の態様においては、第１の態様における半導体基板の製造方法であって、第１層および第２層を第１単位層とし、第１単位層の形成をｎ回繰り返して第１超格子層を形成するステップと、接続層を形成するステップと、第３層および第４層を第２単位層とし、第２単位層の形成をｍ回繰り返して第２超格子層を形成するステップと、窒化物半導体結晶層を形成するステップと、を有し、第１超格子層を形成するステップおよび第２超格子層を形成するステップから選択された１以上のステップにおいて、形成される層の耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれるよう当該層を形成する半導体基板の製造方法を提供する。
窒化物半導体結晶層の組成および厚さに応じ、半導体基板の窒化物半導体結晶層の表面における反りが５０μｍ以下となるよう、第１層〜第４層の各組成、第１層〜第４層の各厚さ、第１超格子層における単位層の繰り返し数ｎおよび第２超格子層における単位層の繰り返し数ｍ、から選択された１以上のパラメータを調整することができる。窒化物半導体結晶層の組成および厚さに応じ、半導体基板の窒化物半導体結晶層の表面における反りが５０μｍ以下となるよう、第１超格子層における単位層の繰り返し数ｎおよび第２超格子層における単位層の繰り返し数ｍを調整することが好ましい。
半導体基板１００の断面図を示す。 実施例１の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。 比較例１の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。 比較例２の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。 比較例３の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。 実施例２の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。 実施例１および２並びに比較例１から３の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量を示したグラフである。 実施例３の半導体基板の第１超格子層および第２超格子層の層数を変化させた場合の反り量と耐電圧を示したグラフである。 実施例４の半導体基板の第１超格子層および第２超格子層の層数を変化させた場合の反り量を示したグラフである。 実施例５の半導体基板の平均格子定数差に対する反り量を示したグラフである。
図１は、本発明の実施の形態である半導体基板１００の断面図を示す。半導体基板１００は、下地基板１０２と、緩衝層１０４と、第１超格子層１１０と、接続層１２０と、第２超格子層１３０と、窒化物半導体結晶層１４０とを有する。下地基板１０２、第１超格子層１１０、接続層１２０、第２超格子層１３０および窒化物半導体結晶層１４０は、下地基板１０２、第１超格子層１１０、接続層１２０、第２超格子層１３０、窒化物半導体結晶層１４０の順に位置する。
下地基板１０２は、以下に説明する緩衝層１０４より上の各層を支持する基板である。各層を支持するに必要な機械的強度を有し、各層をエピタキシャル成長法等により形成する際の熱的安定性を有する限り、下地基板１０２の材質は任意である。下地基板１０２として、Ｓｉ基板、サファイア基板、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、または、ＺｎＯ基板を例示することができる。
緩衝層１０４は、下地基板１０２と第１超格子層１１０との間の格子定数の違いを緩衝する層である。緩衝層１０４は、反応温度（基板温度）が５００℃〜１０００℃のエピタキシャル成長法により形成することができる。下地基板１０２としてＳｉ（１１１）基板を用い、かつ、第１超格子層１１０としてＡｌＧａＮ系の材料を用いる場合、緩衝層１０４としてＡｌＮ層を例示することができる。緩衝層１０４の厚さは、１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲が好ましく、５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲がより好ましい。
第１超格子層１１０、接続層１２０および第２超格子層１３０は、耐電圧向上のための不純物原子が十分な量導入された場合であっても、半導体基板１００の反り量を制御することが可能な層構造である。第１超格子層１１０は、複数の第１単位層１１６を有し、第２超格子層１３０は、複数の第２単位層１３６を有する。
第１単位層１１６は、第１層１１２および第２層１１４からなり、第２単位層１３６は、第３層１３２および第４層１３４からなる。第１層１１２は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）からなり、第２層１１４は、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１、ｘ１＞ｙ１）からなる。第３層１３２は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）からなり、第４層１３４は、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜１、ｘ２＞ｙ２）からなる。
第１層１１２、第２層１１４、第３層１３２および第４層１３４は、エピタキシャル成長法を用いて形成することができる。第１層１１２および第３層１３２として、ｘ１およびｘ２が１の場合、すなわちＡｌＮ層を例示することができる。第１層１１２および第３層１３２の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲が好ましく、３ｎｍ〜７ｎｍの範囲がより好ましい。第２層１１４および第４層１３４として、ｙ１およびｙ２が０．０５から０．２５の範囲、すなわちＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層からＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層の範囲を例示することができる。第２層１１４および第４層１３４の厚さは、１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲が好ましく、１５ｎｍ〜２５ｎｍの範囲がより好ましい。
第１層１１２および第２層１１４からなる第１単位層１１６が複数層形成されて、第１超格子層１１０が構成される。第１層１１２および第２層１１４の組成（Ａｌ組成比）および厚さを変化することで第１超格子層１１０の平均格子定数ａ１を変化することができる。第１超格子層１１０の平均格子定数ａ１は、第１層１１２の格子定数×第１層１１２の割合＋第２層１１４の格子定数×第２層１１４の割合、と定義することができる。第１超格子層１１０に含まれる第１単位層１１６の層数ｎは、１層〜２００層の範囲が好ましく、１層〜１５０層の範囲がより好ましい。
第３層１３２および第４層１３４からなる第２単位層１３６が複数層形成されて、第２超格子層１３０が構成される。第３層１３２および第４層１３４の組成（Ａｌ組成比）および厚さを変化することで第２超格子層１３０の平均格子定数ａ２を変化することができる。第２超格子層１３０の平均格子定数ａ２は、第３層１３２の格子定数×第３層１３２の割合＋第４層１３４の格子定数×第４層１３４の割合、と定義することができる。第２超格子層１３０に含まれる第２単位層１３６の層数ｍは、１層〜２００層の範囲が好ましく、１層〜１５０層の範囲がより好ましい。
半導体基板１００においては、第１超格子層１１０の平均格子定数ａ１と第２超格子層１３０の平均格子定数ａ２とが異なり、かつ、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０から選択された１以上の層に、耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれる。不純物原子として、Ｃ原子、Ｆｅ原子、Ｍｎ原子、Ｍｇ原子、Ｖ原子、Ｃｒ原子、Ｂｅ原子およびＢ原子からなる群から選択された１種以上の原子を挙げることができる。不純物原子として、Ｃ原子またはＦｅ原子が好ましく、特に、Ｃ原子が好ましい。
接続層１２０は、第１超格子層１１０と第２超格子層１３０とを接続する。接続層１２０は、エピタキシャル成長法により形成することができる。接続層１２０として、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）を例示することができる。接続層１２０は、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０に接する結晶層であってもよい。接続層１２０は、単層であってよく、多層であってもよい。また、接続層１２０は、厚さ方向で組成が変化してもよい。具体的には、接続層１２０の組成は、接続層１２０の厚さ方向において第１超格子層１１０から第２超格子層１３０へ向かって連続的に変化するものであってもよい。あるいは、接続層１２０の組成は、接続層１２０の厚さ方向において第１超格子層１１０から第２超格子層１３０に向かって段階的に変化するものであってもよい。接続層１２０の厚さは、第１層１１２、第２層１１４、第３層１３２および第４層１３４の何れの層の厚さより大きいものとすることができる。また、接続層１２０の平均格子定数は、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０のいずれの平均格子定数より小さいものとすることができる。接続層１２０の厚さは、２０〜３００ｎｍ、好ましくは２５〜２００ｎｍ、より好ましくは３０〜２００ｎｍ、さらに好ましくは３０〜１５０ｎｍとすることができる。
窒化物半導体結晶層１４０は、デバイス基層１４２および活性層１４４を有することができる。デバイス基層１４２を厚くすることでデバイスの耐電圧を大きくすることができる。活性層１４４にはトランジスタのチャネル等活性領域が形成される。
本実施形態の半導体基板１００によれば、不純物原子を７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で導入することにより、４５０Ｖ以上の高い耐電圧を実現しつつ、同時に、窒化物半導体結晶層１４０の表面における反り量を５０μｍ（絶対値）以下とすることができる。ここで、反り量とは、窒化物半導体結晶層１４０の側が凸になる方向を負、凹になる方向を正とし、辺縁を基準とした基板中央の標高をいうものとする。
４５０Ｖ以上の高い耐電圧が実現できる濃度（７×１０１８［atoms/cm3］）で不純物原子を導入する場合であっても、半導体基板１００の反り量を５０μｍ（絶対値）以下に制御できる理由として、以下のようなメカニズムを考えることができる。
Ｓｉ基板上にＧａＮ系の結晶層を積層する場合、ＧａＮ系の結晶の熱膨張率はＳｉの熱膨張率より大きいため、高温において格子整合して成長されたＳｉ基板上のＧａＮ系の結晶は、降温後に上側に凹に反ることになる。上側に凹とは、ＧａＮ系の結晶層の面のうち、Ｓｉ基板とは逆側の面が凹の状態を指す。ここで、Ｓｉ基板とＧａＮ層の間に、上層超格子層（ＵＳＬ層）と下層超格子層（ＬＳＬ層）とからなる積層を設ける。そして、ＵＳＬ層の平均格子定数ａＵとＬＳＬ層の平均格子定数ａＬとが、ａＵ＞ａＬの関係になるようにすると、ＵＳＬ層とＬＳＬ層の平均格子定数差による応力により、ＵＳＬ層には圧縮応力が働き、ＬＳＬ層には引張応力が働くようになる。ＵＳＬ層とＬＳＬ層とからなる積層構造（本明細書では「ＵＳＬ／ＬＳＬ構造」という場合がある）に働く応力は、上側に凸に反る力であり、上記した熱膨張係数差による反りとは反対方向の力である。したがって、ＵＳＬ／ＬＳＬ構造は基板の反りを低減する効果がある。
ところで、ＵＳＬ／ＬＳＬ構造における応力は、ＵＳＬ層とＬＳＬ層の界面付近を支点として作用する。実際の結晶中には転位や界面の凹凸などがあるため、支点は数ｎｍから数十ｎｍ程度の幅（成長方向の厚み）を有すると思われる。ＧａＮ結晶に炭素原子などの不純物原子を多く含むと、積層界面付近に欠陥が発生しやすくなる性質を有するため、ＵＳＬ／ＬＳＬ構造に不純物原子を多く含むと、ＵＳＬ層とＬＳＬ層との界面あるいはＵＳＬ層およびＬＳＬ層内の超格子界面には多くの欠陥が発生していると考えられる。このような多くの欠陥を有する状態で界面に力が作用すると、結晶界面付近での結晶緩和が引き起こされると考えられる。結晶緩和によりＵＳＬ／ＬＳＬ構造で発生する応力は吸収され、ＵＳＬ／ＬＳＬ構造の応力は、結晶を上凸に反らすことに寄与しなくなる。つまりＵＳＬ／ＬＳＬ構造によって基板の反り量を制御することができなくなる。したがって、炭素原子を多く含む半導体基板は、ＳｉとＧａＮの熱膨張差に応じた力だけが作用し、結果として下凸に大きく反る結果を来たしていると考えられる。
これに対し、本実施形態の半導体基板１００では、接続層１２０を、第１超格子層１１０（上記のＬＳＬ層に相当）と第２超格子層１３０（上記のＵＳＬ層に相当）との間に設けている。接続層１２０は、第１超格子層１１０と第２超格子層１３０との平均格子定数差によって発生する応力の支点として作用する。接続層１２０は、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０を構成する第１層１１２、第２層１１４、第３層１３２および第４層１３４に比べ厚く、成長方向（厚さ方向）における単位長さ当たりの界面密度が小さい。よって、界面の緩和の影響を受けにくい。このため、第１超格子層１１０または第２超格子層１３０に多くの炭素原子が含まれていても、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０に発生した応力を相互に伝達でき、つまり反り量を制御することが可能となり、結果として、半導体基板１００の反りを低減することが可能になると考えられる。
また、接続層１２０の厚さは、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０を構成する第１層１１２、第２層１１４、第３層１３２および第４層１３４の厚さより大きいため、界面で発生した転位等の欠陥を成長過程で低減する効果も有する。これは符号が逆のバーガースベクトルを有する転位が成長過程で合体することにより起こる。結果として、界面だけでなく、バルク結晶中の欠陥を抑制でき、より効率的に応力を伝達できると考えられる。これらの結果、第１超格子層１１０または第２超格子層１３０に高濃度の炭素原子を含む場合でも、基板の反りを低減できると考えられる。
上記した半導体基板１００は、以下のような製造方法によって製造することができる。すなわち、下地基板１０２に緩衝層１０４を形成した後、第１層１１２および第２層１１４を第１単位層１１６とし、第１単位層１１６の形成をｎ回繰り返して第１超格子層１１０を形成する。そして、接続層１２０を形成し、第３層１３２および第４層１３４を第２単位層１３６とし、第２単位層１３６の形成をｍ回繰り返して第２超格子層１３０を形成する。さらに窒化物半導体結晶層１４０を形成することができる。ここで、第１超格子層１１０を形成するステップおよび第２超格子層１３０を形成するステップから選択された１以上のステップにおいて、形成される層の耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれるよう当該層を形成する。
第１層１１２、第２層１１４、接続層１２０、第３層１３２、第４層１３４および窒化物半導体結晶層１４０は、エピタキシャル成長法を用いて形成することができる。エピタキシャル成長法としてＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を例示することができる。ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、原料ガスとして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、または、ＮＨ３（アンモニア）を挙げることができる。キャリアガスとして窒素ガスまたは水素ガスを用いてもよい。反応温度は４００℃〜１３００℃の範囲で選択できる。
不純物原子を炭素原子とする場合、炭素原子濃度は、ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスの比、反応温度、および、反応圧力の少なくともいずれかを変化させることで制御できる。他の条件が同じである場合、反応温度が高いほど炭素原子濃度は低下し、ＩＩＩ族原料ガスに対するＶ族原料ガスの比を小さくするほど炭素原子濃度は大きくなる。また、反応圧力を下げるほど炭素原子濃度は大きくなる。炭素原子濃度は、たとえばＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法により検出することができる。
窒化物半導体結晶層１４０の組成および厚さに応じ、半導体基板１００の窒化物半導体結晶層１４０の表面における反りが５０μｍ以下となるよう、第１層１１２〜第４層１３４の各組成、第１層１１２〜第４層１３４の各厚さ、第１超格子層１１０における単位層の繰り返し数ｎおよび第２超格子層１３０における単位層の繰り返し数ｍ、から選択された１以上のパラメータを調整することができる。窒化物半導体結晶層１４０の組成および厚さに応じ、半導体基板１００の窒化物半導体結晶層１４０の表面における反りが５０μｍ以下となるよう、第１超格子層１１０における単位層の繰り返し数ｎおよび第２超格子層１３０における単位層の繰り返し数ｍを調整することができる。
（実施例１）
下地基板１０２として面方位が（１１１）の４インチＳｉ基板（厚さ６２５μｍ、ｐ型ドープ）を用い、Ｓｉ基板上に緩衝層１０４としてＡｌＮ層を１５０ｎｍの厚さで形成した。当該ＡｌＮ層上に、第１層１１２としてＡｌＮ層を５ｎｍの厚さで形成し、第２層１１４としてＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層を１６ｎｍの厚さで形成し、第１単位層１１６とした。第１単位層１１６を７５層形成して第１超格子層１１０とした後、接続層１２０として、ＡｌＮ層を７０ｎｍの厚さで形成した。さらに、第３層１３２としてＡｌＮ層を５ｎｍの厚さで形成し、第４層１３４としてＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を１６ｎｍの厚さで形成し、第２単位層１３６とした。第２単位層１３６を７５層形成して第２超格子層１３０とした後、デバイス基層１４２として、ＧａＮ層を８００ｎｍの厚さで形成し、さらに活性層１４４として、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を２０ｎｍの厚さで形成した。なお、第１超格子層１１０を形成する際の反応温度を変えて複数種類の半導体基板１００を作成した。これにより、炭素原子濃度を、１×１０１８、５×１０１８、７×１０１８、１×１０１９、６×１０１９（単位はｃｍ−３）の５水準で変化させた複数の半導体基板１００を作成した。第１超格子層１１０の平均格子定数は、０．３１６１８７ｎｍであり、第２超格子層１３０の平均格子定数は、０．３１６４８０ｎｍである。接続層１２０の平均格子定数は０．３１１２００ｎｍである。
（比較例）
比較例として、以下の比較例１〜３を作成した。
［比較例１］：接続層１２０を設けず、第４層１３４のＡｌ組成を０．１５として第１超格子層１１０の平均格子定数と第２超格子層１３０の平均格子定数を同じとし、その他は実施例１と同じにしたもの
［比較例２］：第４層１３４のＡｌ組成を０．１５として第１超格子層１１０の平均格子定数と第２超格子層１３０の平均格子定数を同じとし、その他は実施例１と同じにしたもの
［比較例３］：接続層１２０を設けず、その他は実施例１と同じにしたもの
図２は、実施例１の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。図３は、比較例１の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。図４は、比較例２の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。図５は、比較例３の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。炭素原子濃度はＳＩＭＳ深さ分析における平均濃度とした。反り量は、基板中央部が周辺部より高い方向を正とし、レーザー光を用いた基板各部位の高さ測定により評価した。耐電圧は、活性層１４４上に形成した２５０μｍ×２００μｍのオーミック電極と下地基板１０２の裏面全面に形成したオーミック電極との間の電流電圧測定を行い、電流値が１μＡ／ｍｍ２を超えた印加電圧と定義した。
図２〜図５の結果から、炭素原子濃度が５×１０１８（ｃｍ−３）を超える高い領域では、耐電圧が７００Ｖ程度まで上昇することがわかる。しかし、炭素原子濃度が高い領域では、比較例１〜３において反り量が１００μｍを超えて大きくなる。これに対し、実施例１では炭素原子濃度が高くなっても反り量は４０μｍ程度以下であり、反り量を小さく維持できている。なお、炭素原子濃度が５×１０１８（ｃｍ−３）以下の低い領域では、実施例１と同程度に比較例２および比較例３においても反り量が小さく抑えられている。これは、接続層１２０の効果（比較例２）、第１超格子層１１０と第２超格子層１３０の平均格子定数差による効果（比較例３）が現れていると考えられる。しかし、当該比較例２および比較例３の効果は、炭素原子濃度が低い領域に限られる効果であり、炭素原子濃度が高い領域においては、これら効果は消失してしまっていることがわかる。
（実施例２）
実施例２の半導体基板は、接続層１２０の厚さ方向における組成を、第１超格子層１１０から第２超格子層１３０に向かってＡｌＮからＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎまで連続的に変化させた以外は、実施例１と同様に形成した。なお、炭素原子濃度は、１×１０１９、６×１０１９（単位はｃｍ−３）の２水準とした。図６は、実施例２の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量と耐電圧を示したグラフである。実施例１との比較がわかりやすいよう、図７を示す。図７は、実施例１および２並びに比較例１から３の半導体基板の炭素原子濃度に対する反り量を示したグラフである。実施例２の半導体基板は、比較例１〜３は勿論、実施例１の半導体基板より反り量が低く抑えられていることがわかる。
（実施例３）
実施例３の半導体基板は、第１超格子層１１０における第１単位層１１６の層数ｎと第２超格子層１３０における第２単位層１３６の層数ｍを変えた例を示す。炭素原子濃度を１×１０１９（ｃｍ−３）に固定し、層数ｎと層数ｍを変化させたこと以外は、実施例１と同様に半導体基板を形成した。層数ｎおよび層数ｍは、ｎ／ｍ＝７５／７５、１００／５０、１／１４９の３水準とした。図８は、実施例３の半導体基板の反り量と耐電圧を示したグラフである。層数ｎと層数ｍとを変化させることで、反り量が制御できることがわかる。
（実施例４）
実施例４の半導体基板は、下地基板１０２としてサファイア基板を用いた場合を示す。下地基板１０２としてサファイア基板を用い、炭素原子濃度を１×１０１９（ｃｍ−３）に固定し、層数ｎと層数ｍを変化させたこと以外は、実施例１と同様に半導体基板を形成した。層数ｎおよび層数ｍは、ｎ／ｍ＝７５／７５、５０／１００の２水準とした。図９は、実施例４の半導体基板の反り量を示したグラフである。下地基板１０２がサファイア基板の場合であっても、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０における単位層の層数ｎおよび層数ｍを変化することで、反り量を制御できることがわかる。
（実施例５）
実施例５は、第４層１３４であるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を、０．１５から０．１０の範囲で変化させた半導体基板の例を示す。炭素原子濃度は、１×１０１９（ｃｍ−３）で固定し、その他は実施例１と同じとした。Ａｌ組成は、０．１５、０．１４、０．１３、０．１２、０．１１、０．１０の６水準とした。Ａｌ組成の水準が０．１０および０．１５の場合は、各々、実施例１および比較例２の炭素原子濃度が１×１０１９（ｃｍ−３）の場合に対応するので、Ａｌ組成の水準が０．１０および０．１５の場合の半導体基板として、各々、実施例１および比較例２の炭素原子濃度が１×１０１９（ｃｍ−３）の場合の半導体基板を用いた。Ａｌ組成が０．１５、０．１４、０．１３、０．１２、０．１１および０．１０の場合の第２超格子層１３０の平均格子定数は、各々、０．３１６１８７、０．３１６２４５、０．３１６３０４，０．３１６３６３，０．３１６４２１および０．３１６４８０（単位はｎｍ）である。第１超格子層１１０の平均格子定数が０．３１６１８７ｎｍであることから、Ａｌ組成が０．１５、０．１４、０．１３、０．１２、０．１１および０．１０の場合の平均格子定数差（第２超格子層１３０の平均格子定数−第１超格子層１１０の平均格子定数）は、各々、０．００００００、０．００００５９、０．０００１１７、０．０００１７６、０．０００２３５および０．０００２９３（単位はｎｍ）である。
図１０は、実施例５の半導体基板の平均格子定数差に対する反り量を示したグラフである。平均格子定数差が大きくなるほど反り量が小さくなっていることがわかる。そして、第１超格子層１１０の平均格子定数より少しでも第２超格子層１３０の平均格子定数が大きく（平均格子定数差が大きく）なると、反り量に変化が表れ、平均格子定数差に対応して反り量の値が敏感に変化していることがわかる。これは、先に説明した、高濃度に不純物原子を導入しても半導体基板の反り量を小さく制御できるメカニズムにおいて、第１超格子層１１０および第２超格子層１３０に発生した応力が相互に伝達できており、反り量が制御できていることを示している。
また、平均格子定数差が０．０００１７ｎｍを超える頃から、平均格子定数差の増加に対し反り量の低下に飽和傾向が見られる。これは、平均格子定数差の増大に伴って応力が増加し、結晶界面における格子緩和が増加しつつある傾向を示していると思われる。格子緩和の増加は、応力の吸収を来し、反り量の制御性を低下させる。よって、反り量の制御性が担保された、平均格子定数差の範囲には、上限が存在すると考えられる。なお、平均格子定数差によって反り量が精密に制御できる点、平均格子定数差が大きくなると反り量が飽和傾向になる点は、先に説明したメカニズムと合致し、当該メカニズムの正しさを推認させる事実の一つといえる。
１００…半導体基板、１０２…下地基板、１０４…緩衝層、１１０…第１超格子層、１１２…第１層、１１４…第２層、１１６…第１単位層、１２０…接続層、１３０…第２超格子層、１３２…第３層、１３４…第４層、１３６…第２単位層、１４０…窒化物半導体結晶層、１４２…デバイス基層、１４４…活性層

Claims (12)

  1. 下地基板と、単一の第１超格子層と、単一の接続層と、第２超格子層と、窒化物半導体結晶層とを有し、
    前記下地基板、前記第１超格子層、前記接続層、前記第２超格子層および前記窒化物半導体結晶層が、前記下地基板、前記第１超格子層、前記接続層、前記第２超格子層、前記窒化物半導体結晶層の順に位置し、
    前記第１超格子層が、第１層および第２層からなる第１単位層を複数有し、
    前記第２超格子層が、第３層および第４層からなる第２単位層を複数有し、
    前記第１層が、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）からなり、
    前記第２層が、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１、ｘ１＞ｙ１）からなり、
    前記第３層が、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）からなり、
    前記第４層が、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜１、ｘ２＞ｙ２）からなり、
    前記第１超格子層の平均格子定数と前記第２超格子層の平均格子定数とが異なり、
    前記第１超格子層および前記第２超格子層から選択された１以上の層に、耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれ、
    前記不純物原子が、炭素である
    半導体基板。
  2. 前記不純物原子が、Ｃ原子、Ｆｅ原子、Ｍｎ原子、Ｍｇ原子、Ｖ原子、Ｃｒ原子、Ｂｅ原子およびＢ原子からなる群から選択された１種以上の原子である
    請求項１に記載の半導体基板。
  3. 前記不純物原子が、Ｃ原子またはＦｅ原子である
    請求項２に記載の半導体基板。
  4. 前記接続層が、前記第１超格子層および前記第２超格子層に接する結晶層である
    請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体基板。
  5. 前記接続層が、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）からなる
    請求項１から請求項４の何れか一項に記載の半導体基板。
  6. 前記接続層の厚さが、前記第１層、前記第２層、前記第３層および前記第４層の何れの層の厚さより大きい
    請求項１から請求項５の何れか一項に記載の半導体基板。
  7. 前記接続層の平均格子定数が、前記第１超格子層および前記第２超格子層のいずれの平均格子定数より小さい
    請求項１から請求項６の何れか一項に記載の半導体基板。
  8. 前記第１超格子層が、前記第１層および前記第２層からなる前記第１単位層を１層〜２００層有する請求項１から請求項７の何れか一項に記載の半導体基板。
  9. 前記第２超格子層が、前記第３層および前記第４層からなる前記第２単位層を１層〜２００層有する請求項１から請求項８の何れか一項に記載の半導体基板。
  10. 請求項１から請求項９の何れか一項に記載の半導体基板の製造方法であって、
    前記第１層および前記第２層を第１単位層とし、前記第１単位層の形成をｎ回繰り返して前記第１超格子層を形成するステップと、
    前記接続層を形成するステップと、
    前記第３層および前記第４層を第２単位層とし、前記第２単位層の形成をｍ回繰り返して前記第２超格子層を形成するステップと、
    前記窒化物半導体結晶層を形成するステップと、を有し、
    前記第１超格子層を形成するステップおよび前記第２超格子層を形成するステップから選択された１以上のステップにおいて、形成される層の耐電圧を向上する不純物原子が、７×１０１８［atoms/cm3］を超える密度で含まれるよう当該層を形成する
    半導体基板の製造方法。
  11. 前記窒化物半導体結晶層の組成および厚さに応じ、前記半導体基板の前記窒化物半導体結晶層の表面における反りが５０μｍ以下となるよう、前記第１層〜第４層の各組成、前記第１層〜第４層の各厚さ、前記第１超格子層における単位層の繰り返し数ｎおよび前記第２超格子層における単位層の繰り返し数ｍから選択された１以上のパラメータを調整する
    請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
  12. 前記窒化物半導体結晶層の組成および厚さに応じ、前記半導体基板の前記窒化物半導体結晶層の表面における反りが５０μｍ以下となるよう、前記第１超格子層における単位層の繰り返し数ｎおよび前記第２超格子層における単位層の繰り返し数ｍを調整する
    請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。
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