JP2020072216A - 化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的強度を向上することができ、製造時の歩留まりを向上することができ、または大面積のデバイスを実現することができる化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】化合物半導体装置１００は、平面的に見た場合に穴２１を取り囲む形状を有するＳｉ基板１と、Ｓｉ基板１の上面１ａに形成され、かつ穴２１を覆うＳｉＣ層３と、ＳｉＣ層３の上面側に形成されたＧａを含む窒化物層１０と、窒化物層１０の上面側に形成されたソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７とを備える。ソース電極１３とドレイン電極１５との間に流れる電流は、ゲート電極１７に印加される電圧によって制御可能である。Ｓｉ基板１の上面１ａに対して直交する方向から見てソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７と重なる領域ＲＧには、Ｓｉ基板は存在しない。【選択図】図１
Description
本発明は、化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法に関し、より特定的には、機械的強度を向上し得る化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法に関する。
携帯電話などの急速な発展により、次世代無線インフラとして、高周波、高出力の無線送受信機（衛星通信機器や基地局など）が必要とされている。ＧａＮ（窒化ガリウム）はＳｉ（ケイ素）と比較して絶縁破壊電界値が高く、飽和電子速度が大きく、またデバイス構造としてＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）を用いた場合には、電子移動度も高い。このため、ＧａＮを用いたデバイスは、従来のＳｉを用いた電子デバイスと比較して高耐圧化が可能であり高出力用途に適している。また、ＧａＮはＳｉＣ（炭化ケイ素）と比較して飽和電子速度が大きく、またデバイス構造としてＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）を用いた場合には、電子移動度も高い。このため、ＧａＮは、高周波数の信号によって動作し、大きな電力を取り扱うパワートランジスタなどの高周波デバイスとしての適用が進められている。
特に携帯電話の基地局として使用される高周波デバイスは、通信機械の高出力化、高周波数化が進んでおり、従来のＳｉやＧａＡｓ（ガリウムヒ素）を用いたデバイスでは物理的な限界性能に近づいていることから、ＧａＮを用いたデバイスへ置き換わっている。
現在、高周波デバイスとして用いられるＧａＮ層を成長する際の下地基板としては、ＳｉＣバルク基板またはＳｉ基板が用いられている。高周波デバイスにおいては、下地基板と表面電極との間に意図しない寄生容量や寄生抵抗が形成され、これにより高周波特性が損なわれ、電力損失が生じるおそれがある。この高周波特性の劣化および電力損失は、下地基板が十分に高抵抗または十分に低抵抗である場合は、小さいが、その中間の抵抗範囲では大きくなる傾向にある。一般的なＳｉ基板や導電性のＳｉＣ基板を下地基板として用いた場合には、下地基板の比抵抗が高周波特性の劣化を生じさせる範囲内となり、電力損失が大きくなっていた。
下地基板の比抵抗を電力損失の少ない範囲にするために、半絶縁性のＳｉＣ基板や高抵抗のＦｚ−Ｓｉ基板（浮遊帯溶融（ＦＺ）法によって単結晶育成したＳｉ基板）を下地基板として用いることも可能である。しかし、半絶縁性のＳｉＣ基板には、他の基板と比較して製造が困難であり製造コストが高いという問題があった。高抵抗のＦｚ−Ｓｉ基板を用いた場合には、半絶縁のＳｉＣと比べて、特に高温動作の際の高周波特性が劣るという問題があった。
下記特許文献１および２などには、高周波デバイスの寄生容量および寄生抵抗を低減し良好な高周波特性を実現し得る技術が開示されている。下記特許文献１には、バッファー層、電子走行層、および電子供給層などを含む化合物半導体領域が導電性ＳｉＣ基板上に形成され、化合物半導体領域の活性領域と整合する開口部が導電性ＳｉＣ基板に形成された半導体装置が開示されている。
下記特許文献２には、Ｓｉ基板上にＳｉＣ層を形成した基板を用い、この基板上に素子を形成する半導体装置の製造方法が開示されている。この製造方法では、続いてＳｉ基板を除去し、その後ＳｉＣ層と、Ｓｉ基板とは別の基板とを貼り合わせる。
なお、非特許文献１には、デバイス直下の導電性基板の部分を除去して得られる従来のデバイスが、数百μｍスクエア程度のサイズを有するという事実が開示されている。また特許文献３は、環状の平面形状を有するＳｉ基板と、Ｓｉ基板の一方の主面に形成され、２０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚さを有するＳｉＣ膜とを備えた化合物半導体基板が開示されている。
P.Strivastava et al., "Record Breakdown Voltage (2200 V) of GaN DHFETs on Si With 2-μm Buffer Thickness by Local Substrate Removal", IEEE Electron Device Lett., vol.32, No.1, pp.30-32, Jan.2011.
しかし、特許文献１の技術では、導電性ＳｉＣ基板に開口部を形成する際に、ＳｉＣの硬度が硬いことから穴開け加工が困難であり、歩留まりが低く、穴開け加工に長時間を要するという問題があった。
特許文献２の技術には、化合物半導体装置の製造時の歩留まりが低いという問題があった。特許文献２の技術には、Ｓｉ基板を除去する工程に先立って、素子を支持する部分の強度を確保するために、素子の形成面側にキャリー基板を貼り合せ、その後、素子の形成面と逆の面に支持基板を貼り合せる製造方法が第一の実施形態として開示されている。この第一の実施形態によれば、上記２回の貼り合せ工程に加え、キャリー基板を剥離させる工程が必要となり、工程が複雑になるという問題があった。
さらに特許文献２の技術には、Ｓｉ基板を除去する工程に先立って、素子の形成面側にキャリー基板を貼り合せることなく、素子の形成面と逆の面に支持基板を貼り合せる製造方法が第二の実施形態として開示されている。この第二の実施形態では、支持基板を貼り合せる際、素子を支持する部分が一時的にＳｉＣ層のみとなる。このため、上記貼り合せの工程において、素子の機械的強度が低下し、デバイス層が破損しやすかった。
なお、得られる化合物半導体装置の機械的強度が低いという問題、および製造時の歩留まりが低いという問題は、ＧａＮを備えた高周波用途の化合物半導体装置に特有の問題ではなく、Ｇａ（ガリウム）を含むワイドギャップ半導体層（Ｇａ2Ｏ3（酸化ガリウム）など）を備えた化合物半導体装置全般で生じ得る問題である。なおここでは、ワイドギャップ半導体層は、２．２ｅＶ以上のバンドギャップを有する半導体層と定義する。
さらに、従来の技術には、上述のように化合物半導体装置の機械的強度が低いという問題、および製造時の歩留まりが低いという問題があるため、従来のデバイスのサイズは数百μｍスクエア程度であった（非特許文献１）。従来の技術では、大面積のデバイスを実現することは困難であった。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その一の目的は、機械的強度を向上し得る化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、製造時の歩留まりを向上することのできる化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、大面積のデバイスを実現し得る化合物半導体装置、化合物半導体基板、および化合物半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の一の局面に従う化合物半導体装置は、平面的に見た場合に穴を取り囲む形状を有するＳｉ基板と、Ｓｉ基板の上面に形成され、かつ穴を覆う、共有結合性の結晶層と、結晶層の上面側に形成されたＧａを含むワイドギャップ半導体層と、ワイドギャップ半導体層の上面側に形成された第１、第２、および第３の電極とを備え、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流は、第３の電極に印加される電圧によって制御可能であり、Ｓｉ基板の上面に対して直交する方向から見て第１、第２、および第３の電極と重なる領域には、Ｓｉ基板は存在しない。
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層は、ダイヤモンド構造、２Ｈ六方晶、３Ｃ立方晶、４Ｈ六方晶、６Ｈ六方晶、および１５Ｒ菱面体晶のうち少なくともいずれかの結晶構造を有する。
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層は、Ｃを含む結晶層またはＢＮ（窒化ボロン）よりなる。
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層は、３Ｃ−ＳｉＣよりなる。
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層の上面は（１１１）面である。
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層は、Ｎ型のドーパントである窒素およびリン、Ｐ型のドーパントであるＡｌ（アルミニウム）およびＢ（ボロン）、ならびに半絶縁性を発現させるドーパントである遷移金属のうち少なくともいずれか１種類を不純物として含むＳｉＣよりなり、かつＮ型のドーパントの濃度を濃度Ｎ（個／ｃｍ3）、Ｐ型のドーパントの濃度を濃度Ｐ（個／ｃｍ3）、半絶縁性を発現させるドーパントの濃度を濃度Ｉ（個／ｃｍ3）とした場合に、濃度Ｎ、Ｐ、およびＩの間に下記式（１）〜（３）のいずれかの関係が成り立つ。
｜Ｎ−Ｐ｜≦１×１０16 ・・・（１）
Ｎ＋Ｐ＜Ｉ＜１×１０21 ・・・（２）
１×１０18≦｜Ｎ−Ｐ｜≦１×１０21 かつ Ｉ＜Ｎ＋Ｐ ・・・（３）
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層は、１００Ω・ｃｍ以上または１００ｍΩ・ｃｍ以下の比抵抗を有する。
上記化合物半導体装置において好ましくは、穴の底部に形成された金属層をさらに備える。
上記化合物半導体装置において好ましくは、金属層と第１の電極とは電気的に接続される。
上記化合物半導体装置において好ましくは、結晶層とワイドギャップ半導体層との間に形成された、Ｇａを含まない窒化物層をさらに備える。
本発明の他の局面に従う化合物半導体基板は、平面的に見た場合に複数の穴を取り囲む形状を有するＳｉ基板と、Ｓｉ基板の上面に形成され、かつ複数の穴を覆う、共有結合性の結晶層とを備え、複数の穴の各々の底部に露出した結晶層は破損していない。
上記化合物半導体基板において好ましくは、結晶層の上面側に形成されたＧａを含むワイドギャップ半導体層をさらに備える。
上記化合物半導体基板において好ましくは、複数の穴の各々に対応してワイドギャップ半導体層の上面側に形成された第１、第２、および第３の電極をさらに備え、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流は、第３の電極に印加される電圧によって制御可能であり、Ｓｉ基板の上面に対して直交する方向から見て第１、第２、および第３の電極と重なる領域には、Ｓｉ基板は存在しない。
本発明の他の局面に従う化合物半導体装置の製造方法は、Ｓｉ基板の上面に共有結合性の結晶層を形成する工程と、結晶層の上面側にＧａを含むワイドギャップ半導体層を形成する工程と、Ｓｉ基板の下面に穴を形成し、穴の底部に結晶層を露出させる工程と、ワイドギャップ半導体層の上面側に第１、第２、および第３の電極を形成する工程とを備え、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流は、第３の電極に印加される電圧によって制御可能である。
上記製造方法において好ましくは、結晶層を露出させる工程は、Ｓｉ基板の一部をエッチングする工程を含み、結晶層を露出させる工程は、ワイドギャップ半導体層を形成する工程よりも後に行われる。
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体装置１００の各部材の平面レイアウトであって、Ｓｉ基板１の上面１ａに対して直交する方向から見た場合の平面レイアウトを示す図である。図２は、本発明の第１の実施の形態における化合物半導体装置１００の構成を示す断面図であって、図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
図１および図２を参照して、本実施の形態における化合物半導体装置１００（化合物半導体装置の一例）は、半導体デバイスとしてＧａＮ−ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいる。このＨＥＭＴは、高周波用途のもの（数ギガヘルツ程度の高い周波数の電圧がゲート電極に印加されるもの）であることが好ましい。ただし本発明は、高周波用途以外の半導体デバイスにも適用できることは言うまでもない。
化合物半導体装置１００は、Ｓｉ基板１（Ｓｉ基板の一例）と、ＳｉＣ層３（結晶層の一例）と、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファー層５（Ｇａを含まない窒化物層の一例）と、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）バッファー層７と、ＧａＮ層９と、ＡｌＧａＮ層１１と、ソース電極１３（第１の電極の一例）と、ドレイン電極１５（第２の電極の一例）と、ゲート電極１７（第３の電極の一例）と、絶縁層１９とを備えている。ＧａＮ層９およびＡｌＧａＮ層１１は、Ｇａを含む窒化物層であるＧａ窒化物層１０（ワイドギャップ半導体層の一例）を構成している。Ｇａ窒化物層１０にはＨＥＭＴが形成されている。
Ｓｉ基板１は、平面的に（Ｓｉ基板の上面１ａに対して直交する方向から）見た場合に、穴（貫通穴）２１（穴の一例）を取り囲む環状の平面形状を有している。Ｓｉ基板１の上面１ａには（１１１）面が露出している。Ｓｉ基板１の上面１ａには（１００）面や（１１０）面が露出していてもよい。穴２１は、任意の平面形状を有していればよく、矩形の平面形状であってもよいし、円形の平面形状を有していてもよい。穴２１の底部の面積と同一の面積を有する円を想定した場合、この円は１ｍｍ以上５０ｍｍ以下の直径を有しており、好ましくは１０ｍｍ以下の直径を有している。穴２１の大きさは、化合物半導体装置１００に要求される機械的強度などに応じて決定されてもよい。Ｓｉ基板１は、２００μｍ以上１．５ｍｍ以下の厚さ（Ｓｉ基板の上面１ａに対して直交する方向の長さ）を有している。
ＳｉＣ層３は、Ｓｉ基板１に接触しており、Ｓｉ基板１の上面１ａに形成されている。ＳｉＣ層３は穴２１を覆っており、ＳｉＣ層３の下面３ｂは穴２１の底部に露出している。ＳｉＣ層３は、Ｓｉ基板１の穴２１の側面には形成されていない。
ＳｉＣ層３は、たとえば２Ｈ（六方晶）−ＳｉＣ、３Ｃ（立方晶）−ＳｉＣ、４Ｈ（六方晶）−ＳｉＣ、６Ｈ（六方晶）−ＳｉＣまたは１５Ｒ（菱面体晶）−ＳｉＣのうち少なくともいずれかの結晶構造を有していることが好ましい。特に、ＳｉＣ層３がＳｉ基板１の上面１ａにエピタキシャル成長されたものである場合、一般的に、ＳｉＣ層３は３Ｃ−ＳｉＣよりなっており、ＳｉＣ層３の上面は（１１１）面である。なお、ＳｉＣ層３の上面は、（１１０）面や（−１−１−１）面など、（１１１）面以外であってもよい。ＳｉＣ層３は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下の厚さを有している。ＳｉＣ層３の厚さは、好ましくは１００ｎｍ以上３．５μｍ以下である。ＳｉＣ層３の厚さは、より好ましくは５００ｎｍ以上２μｍ以下である。ＳｉＣ層３は、単結晶３Ｃ−ＳｉＣよりなっているが、一部の領域で多結晶ＳｉＣやアモルファスＳｉＣを含んでいてもよい。
ＳｉＣ層３は、結晶層の一例である。この結晶層は、共有結合性の結晶層であればよく、ＳｉＣ層の他、ダイヤモンドやＢＮなどであってもよい。ＳｉＣおよびダイヤモンドはＣを含む結晶層として分類される。ＢＮは、六方晶層状構造、立方晶閃亜鉛鉱構造、または六方晶ウルツ鉱構造などの結晶構造を有している。高周波特性を改善する観点から、この結晶層は１００Ω・ｃｍ以上または１００ｍΩ・ｃｍ以下の比抵抗を有することが好ましい。この結晶層は１０００Ω・ｃｍ以上または１０ｍΩ・ｃｍ以下の比抵抗を有することがより好ましく、１００００Ω・ｃｍ以上または１ｍΩ・ｃｍ以下の比抵抗を有することがさらに好ましく、１００００Ω・ｃｍ以上または１００μΩ・ｃｍ以下の比抵抗を有することがさらに好ましい。結晶層が上記範囲の比抵抗を有する場合には、化合物半導体装置１００内の寄生容量や寄生抵抗を低減することができ、化合物半導体装置１００の高周波特性が特に良好になる。
また、結晶層は、Ｎ型のドーパントである窒素およびリン、Ｐ型のドーパントであるＡｌおよびＢ、ならびに半絶縁性を発現させるドーパントである遷移金属のうち少なくともいずれか１種類を不純物として含むＳｉＣよりなり、かつＮ型のドーパントの濃度Ｎ（個／ｃｍ3）、Ｐ型のドーパントの濃度Ｐ（個／ｃｍ3）、および半絶縁性を発現させるドーパントの濃度Ｉ（個／ｃｍ3）の間に下記式（１）〜（３）のいずれかの関係が成り立つものであってもよい。この遷移金属としては、Ｓｃ（スカンジウム）およびＴｉ（チタン）やＶ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）などのドーパントが挙げられる。なお、ＳｉＣに意図的なドーピングをしない場合でも、ＳｉＣ中には環境物質である窒素が通常微量に含まれている。この環境物質である窒素も、上述のドーパントに含まれる。
｜Ｎ−Ｐ｜≦１×１０16 ・・・（１）
Ｎ＋Ｐ＜Ｉ＜１×１０21 ・・・（２）
１×１０18≦｜Ｎ−Ｐ｜≦１×１０21 かつ Ｉ＜Ｎ＋Ｐ ・・・（３）
上記式（１）および（２）はＳｉＣ層を高抵抗化する場合に満たすべき条件であり、上記式（３）はＳｉＣ層を低抵抗化する場合に満たすべき条件である。
ＡｌＮバッファー層５は、ＳｉＣ層３に接触しており、ＳｉＣ層３の上面に形成されている。ＡｌＮバッファー層５およびＡｌＧａＮバッファー層７は、ＳｉＣ層３と、ＧａＮ層９との格子定数の差ならびに熱膨張係数の差を緩和するバッファー層としての機能を果たす。ＡｌＮバッファー層５は、たとえば５ｎｍ以上２μｍ以下の厚さを有しており、より好ましくは１００ｎｍ以上１μｍ以下の厚さを有している。
ＡｌＧａＮバッファー層７は、ＡｌＮバッファー層５に接触しており、ＡｌＮバッファー層５の上面に形成されている。ＡｌＧａＮバッファー層７は、たとえば５００ｎｍ以上２μｍ以下の厚さを有しており、より好ましくは９００ｎｍ以上２μｍ以下の厚さを有している。なお、ＡｌＧａＮバッファー層７は省略されてもよい。また、ＡｌＧａＮバッファー層７は、超格子構造などの別のバッファー構造に置き換えられてもよい。
ＧａＮ層９は、ＡｌＧａＮバッファー層７に接触しており、ＡｌＧａＮバッファー層７の上面に形成されている。ＧａＮ層９はメサ構造を有しており、凸部９ａを含んでいる。ＧａＮ層９のＡｌＧａＮ層１１との界面付近には不純物が意図的には導入されていないことが好ましく、ＧａＮ層９とＡｌＧａＮ層１１との界面はＨＥＭＴの電子走行層となる。ＧａＮ層９は、たとえば２００ｎｍ以上９μｍ以下の厚さを有している。ＧａＮ層９は、より好ましくは５５０ｎｍ以上３μｍ以下の厚さを有している。なお、ＧａＮ層９の中にＡｌＮやＡｌＧａＮの薄膜層が適宜挿入されてもよい。挿入される層の総数は９層以下であることが好ましく、５層以下であることがより好ましく、３層以下であることがさらに好ましい。
ＡｌＧａＮ層１１は、ＧａＮ層９の凸部９ａの上面に接触しており、凸部９ａによって区画された領域（第２の素子分離領域）ＲＧ２に形成されている。ＡｌＧａＮ層１１は、ＨＥＭＴの障壁層となる。ＡｌＧａＮ層１１は、たとえば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有しており、より好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さを有している。
ＳｉＣとＧａを含む窒化物は格子定数が近似している。このためＳｉＣ層３は、Ｇａ窒化物層１０の下地層としての役割を果たす。なお、Ｇａ窒化物層１０は、ＳｉＣ層３の上面側に形成されればよい。本実施の形態では、ＳｉＣ層３とＧａ窒化物層１０との間に、ＡｌＮバッファー層５およびＡｌＧａＮバッファー層７が形成されており、ＳｉＣ層３を構成するＳｉＣとＧａＮ層９を構成するＧａＮとの格子定数、ならびに熱膨張係数の違いが、ＡｌＮバッファー層５およびＡｌＧａＮバッファー層７によって緩和されている。なお、ＡｌＮバッファー層５およびＡｌＧａＮバッファー層７が省略され、ＳｉＣ層３の上面にＧａ窒化物層１０が直接形成されてもよい。
ソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７の各々は、Ｇａ窒化物層１０の上面側に形成されている。ソース電極１３およびドレイン電極１５の各々は、ＡｌＧａＮ層１１の上面に互いに間隔を空けて形成されている。ゲート電極１７は、ＡｌＧａＮ層１１の上面において、ソース電極１３とドレイン電極１５との間に形成されている。ソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７の各々は、ＧａＮ層９の上面にまで伸びている。ソース電極１３およびドレイン電極１５の各々は、ＡｌＧａＮ層１１にオーミック接触している。ゲート電極１７は、たとえばＡｌＧａＮ層１１にショットキー接触している。ソース電極１３およびドレイン電極１５の各々は、たとえば、ＡｌＧａＮ層１１側から順にＴｉ（チタン）層およびＡｌ層を積層した構造を有している。ゲート電極１７は、たとえば、ＡｌＧａＮ層１１側から順にＮｉ（ニッケル）層およびＡｕ（金）層を積層した構造を有している。
化合物半導体装置１００と、隣接する他の化合物半導体装置との間には分離溝２２が形成されている。化合物半導体装置１００は、分離溝２２によって隣接する化合物半導体装置との間が電気的に分離されている。複数の化合物半導体装置１００の各々は、分離溝２２によって区画された領域（第１の素子分離領域）ＲＧ１に形成されている。分離溝２２は、絶縁層１９の上面からＳｉ基板１の上面１ａに達する深さまで形成されている。なお、化合物半導体層１００を区画する分離溝は、ＡｌＧａＮ層１１とＧａＮ層９との境界に達する深さまで形成されていることが好ましく、ＡｌＧａＮバッファー層７に達する深さであることがさらに好ましく、ＡｌＮバッファー層５に達する深さであることがさらに好ましく、ＳｉＣ層３に達する深さであることがさらに好ましく、Ｓｉ基板１の上面１ａに達する深さまで形成されていることがさらに好ましい。分離溝２２は、必ずしも形成されなくても良い。さらに絶縁層１９も必ずしも形成されなくても良い。また、分離溝２２を形成する代わりに、当該領域の窒化物層にイオン注入を行い、これにより当該領域を高抵抗化させてこれを分離層としてもよい。
絶縁層１９は、分離溝２２内を埋めるようにＧａＮ層９およびＡｌＧａＮ層１１上に形成されている。絶縁層１９の必要な個所には開口部１９ａが形成されており、開口部１９ａの底部にはソース電極１３およびドレイン電極１５が露出している。絶縁層１９は、たとえばＳｉＮ（窒化ケイ素）やＳｉＯ2（酸化ケイ素）などよりなっている。
化合物半導体装置１００を構成する各層の厚さは、たとえば分光エリプソメーターを用いて測定される。分光エリプソメーターは、偏光である入射光を測定対象に照射し、測定対象からの反射光を受光する。Ｓ偏光とＰ偏光とでは位相のズレや反射率の違いがあるため、反射光の偏光状態は、入射光の偏光状態とは異なるものになっている。この偏光状態の変化は、入射光の波長、入射角度、膜の光学定数、および膜厚などに依存する。分光エリプソメーターは、得られた反射光から、入射光の波長や入射角に基づいて膜の光学定数や膜厚を算出する。なお、分光反射法、断面ＳＥＭ観察、または断面ＴＥＭ観察などでも各層の厚さを測定できることはいうまでもない。
本実施の形態のＨＥＭＴの動作は次の通りである。ソース電極１３は常に接地電位（基準となる電位）に保たれる。ゲート電極１７に電圧が印加されていない状態では、ＧａＮ層９とＡｌＧａＮ層１１とのバンドギャップの差、およびＡｌＧａＮ層１１の分極や応力に起因して、ＧａＮ層９とＡｌＧａＮ層１１とのヘテロ接合界面に、二次元電子ガスが形成される。一方、ゲート電極１７に十分な負の電圧をかけると、上述の二次元電子ガスがＧａＮ層９とＡｌＧａＮ層１１とのヘテロ接合界面から排除され、これにより、ドレイン電極１５からソース電極１３への電流は流れない。一方、ゲート電極１７に正の電圧が印加されると、電界効果により二次元電子ガスの濃度が高くなる。これにより、ドレイン電極１５からソース電極１３へ流れる電流が増加する。したがって、ソース電極１３とドレイン電極１５との間に流れる電流は、ゲート電極１７に印加される電圧によって制御可能である。
ＨＥＭＴが形成される場合のＧａ窒化物層１０は、第１の窒化物層と、第１の窒化物層の表面に形成され、第１の窒化物層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物層とを含んでいるものであればよく、ＧａＮとＡｌＧａＮとの組合せ以外の窒化物半導体材料の組合せ（たとえばＡｌ組成比の異なる２種類のＡｌＧａＮ層）により構成されていてもよい。
図１を参照して、Ｓｉ基板１の上面１ａに対して直交する方向から見てソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７と重なる領域（ＨＥＭＴの真下の領域）には、穴２１が設けられており、Ｓｉ基板１は存在していない。このように、化合物半導体装置１００においては、半導体装置の直下のＳｉ基板が除去されている。
Ｓｉ基板は、高々２００℃程度の温度で金属化するため、化合物半導体装置の直下に下地Ｓｉ基板が存在する場合には、化合物半導体装置の動作時に半導体装置が発熱すると、高抵抗の下地Ｓｉ基板の比抵抗は徐々に低下し、電力損失が大きくなる比抵抗の範囲を通過する。このため、化合物半導体装置の電力損失を抑制することが困難である。しかしながら、本実施の形態における化合物半導体装置１００においては、このようなＳｉ基板が、化合物半導体装置１００の直下に存在しないため、化合物半導体装置が発熱しても電力損失を抑制可能な構成とすることができる。これにより、良好な高周波特性を有するＨＥＭＴを実現することができる。
Ｓｉ基板が除去された領域（穴２１）の側壁の内側に複数の機能素子を作りこんでもよい。
続いて、本実施の形態における化合物半導体装置１００の製造方法について、図３〜図８を用いて説明する。
図３を参照して、たとえば円板状の（穴２１（図１）が形成されていない）Ｓｉ基板１を準備する。そして、Ｓｉ基板１の上面１ａに、ＳｉＣ層３、ＡｌＮバッファー層５、ＡｌＧａＮバッファー層７、ＧａＮ層９、およびＡｌＧａＮ層１１をこの順序で形成する。
ＳｉＣ層３は、Ｓｉ基板１の上面１ａを炭化することで得られたＳｉＣよりなる下地層上に、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、またはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いて、ＳｉＣをホモエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。ＳｉＣ層３は、Ｓｉ基板１の表面を炭化することのみによって形成されてもよい。さらに、ＳｉＣ層３は、Ｓｉ基板１の表面上にＳｉＣをヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。なお、上記ヘテロエピタキシャル成長に先立ち、バッファー層を形成してもよい。
ＡｌＮバッファー層５は、たとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される。ＡｌＮバッファー層５の成長温度は、たとえば１０００℃以上Ｓｉ融点未満である。このとき、Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡ（Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）や、ＴＥＡ（Ｔｒｉ Ｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）、ＤＭＡＨ（Ｄｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｉｄｅ）などが用いられる。窒素源ガスとしては、たとえばＮＨ3（アンモニア）が用いられる。
ＡｌＧａＮバッファー層７は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。ＡｌＧａＮバッファー層７の成長温度は、たとえば１０００℃以上Ｓｉ融点未満である。このとき、Ａｌ源ガスとしては、たとえばＴＭＡや、ＴＥＡなどが用いられる。Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧ（Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ｇａｌｌｉｕｍ）や、ＴＥＧ（Ｔｒｉ Ｅｔｈｙｌ Ｇａｌｌｉｕｍ）などが用いられる。窒素源ガスとしては、たとえばＮＨ3が用いられる。
ＧａＮ層９は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。ＧａＮ層９の成長温度は、たとえば９００℃以上１２００℃以下である。このとき、Ｇａ源ガスとしては、たとえばＴＭＧや、ＴＥＧなどが用いられる。窒素源ガスとしては、たとえばＮＨ3が用いられる。
ＡｌＧａＮ層１１は、たとえばＭＯＣＶＤ法、またはＭＢＥ法などにより形成される。
図４を参照して、次に、ＡｌＧａＮ層１１の上面側からエッチングを行うことにより、必要な領域のＡｌＧａＮ層１１およびＧａＮ層９を除去する。これにより、ＧａＮ層９内に凸部９ａが形成され、凸部９ａの上面以外に存在する余分なＡｌＧａＮ層１１が除去される。
図５を参照して、次に、ＧａＮ層９の上面からＳｉ基板１の上面１ａに達する分離溝２２を形成する。分離溝２２は、機械的研削やエッチングなどの方法により形成される。
図６を参照して、次に、通常の写真製版技術およびエッチング技術を用いて、ソース電極１３およびドレイン電極１５の各々をＡｌＧａＮ層１１およびＧａＮ層１０の各々の上面の必要な領域に形成する。次に、通常の写真製版技術およびエッチング技術を用いて、ゲート電極１７をＡｌＧａＮ層１１およびＧａＮ層１０の各々の上面の必要な領域に形成する。ソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７の各々は、たとえば蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、またはスパッタ法などにより形成される。
図７を参照して、次に、Ｓｉ基板１の下面１ｂの中央部のＳｉを除去することにより、穴２１を形成する。Ｓｉの除去は、Ｓｉ基板１のＳｉを機械的に研削することにより行われる。またＳｉの除去は、Ｓｉ基板１の下面１ｂに環状にフォトレジストを形成し、形成したフォトレジストをマスクとしてＳｉ基板１のＳｉをエッチングすることにより行われてもよい。さらにＳｉの除去は、機械的研削やウェットエッチングなどの複数の方法の組合せにより行われてもよい。Ｓｉが除去された結果、穴２１の底部にはＳｉＣ層３の下面３ｂが露出する。なお、ＳｉＣ層３の下面３ｂを露出させる最終工程は、ウェットエッチングまたはドライエッチングによる方法が好ましい。なお、上述のＳｉの除去工程に先立ち、電極形成面側の表面に保護層を形成または貼り付けることが望ましい。保護層としては、例えばフォトレジストやポリイミド製の塗布剤あるいはポリイミド製フィルム、ＰＶＣ製フィルムなどがある。上述の保護膜は、穴の形成後または、穴の形成途中（機械的研削後など）に剥離させる。剥離後は必要に応じて、有機洗浄など、電極形成面の洗浄を行う。
特に、ウェットエッチングにより穴２１が形成された場合には、Ｓｉ基板１が等方的にエッチングされる。その結果、図７点線で示すようにＳｉ基板１における穴２１の内壁面は傾斜し、ＳｉＣ層３から遠ざかるにつれてＳｉ基板１の幅（図７中横方向の長さ）は狭くなる。
なお、穴２１は、ＳｉＣ層３形成後の任意のタイミングで形成されればよい。穴２１の形成を行った後に、ソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７の各々を形成してもよい。
図８を参照して、次に、分離溝２２の内部を埋め、ＧａＮ層９、ＡｌＧａＮ層１１、ソース電極１３、およびドレイン電極１５の各々を覆うように絶縁層１９を形成する。
図２を参照して、その後、通常の写真製版技術およびエッチング技術を用いて、絶縁層１９の必要な領域に開口部１９ａを形成し、図１および図２に示す化合物半導体装置１００が完成する。
なお、分離溝２２内は絶縁層で埋めなくてもよい。分離溝２２は、必ずしも形成されなくても良い。分離溝２２を形成する代わりに、当該領域の窒化物層にイオン注入を行い、これにより当該領域を高抵抗化させてこれを分離層としてもよい。
次に、本実施の形態の効果について説明する。
Ｇａ窒化物層１０は、イオン性結晶よりなっており、Ｇａ窒化物層１０内の各原子は電気的な引力により相互に結びついている。一般的にイオン性結晶は、硬い性質を有しているが、劈開性（脆くて壊れやすい性質）を有している。このため、Ｇａ窒化物層１０に外力が加わるとＧａ窒化物層１０にはクラックが発生しやすい。一方、ＳｉＣ層３は共有結合性結晶よりなっており、ＳｉＣ層３内の各原子は共有結合により相互に結びついている。一般的に共有結合性結晶は、劈開性が低く、共有結合性結晶のクラックの発生原理はイオン性結晶へのクラックの発生原理とは異なる。その結果、Ｇａ窒化物層１０へのクラックの発生がＳｉＣ層３によって抑止され、化合物半導体装置１００の機械的強度を向上することができる。
なお、ここでは、水素・ハロゲン族元素・希ガス元素を除く典型非金属元素のみで構成される結晶を、共有結合性結晶と定義する。すなわち、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｏ（酸素）、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）のみで構成される結晶を共有結合性結晶と定義する。
また、ＳｉＣ層３は、環状の平面形状を有するＳｉ基板１によって下方より支持されている。このため、ＳｉＣ層３の機械的強度をＳｉ基板１によって補強することができ、化合物半導体装置１００の機械的強度を向上することができる。
また、製造工程において、Ｓｉ基板１に穴２１を形成し、穴２１の底部にＳｉＣ層３を露出させる工程（図７の工程）の際には、ＳｉＣ層３は、環状の平面形状を有するＳｉ基板１によって支持されている。このため、ＳｉＣ層３の機械的強度をＳｉ基板１によって補強することができ、穴２１の形成時のＳｉＣ層３へのクラックの発生を抑止することができる。その結果、化合物半導体装置１００の製造時の歩留まりを向上することができる。
また、上述のように、化合物半導体装置１００の機械的強度を向上することができ、化合物半導体装置１００の製造時の歩留まりを向上することができるため、穴２１の大きさを拡大することができ、Ｓｉ基板の存在しない構造上に大面積のデバイスを実現することができる。Ｓｉ基板の存在しないデバイスは、高温動作の際の高周波特性の劣化が少なく、また、大面積のデバイスによれば、ゲート幅を長くすることができるので、デバイスが動作可能な電流値を増加させることができる。従って、高温動作の際の高周波特性の劣化が少なく、大電流で動作可能なデバイスを高歩留まりで製造可能となる。
なお、第１の実施の形態において、穴２１の上部領域では、Ｓｉ基板１が除去されていることから、Ｓｉ基板１の内部を介した横方向の電流経路のない構造が形成される。このため、第１の実施の形態において、ＡｌＮバッファー層５、ＡｌＧａＮバッファー層７、ＧａＮ層９にＣや遷移金属をドープすることにより、あるいはこれらの層に意図的なドーピングを行わないことにより、これらの層を十分に高抵抗な層とすれば、穴２１を形成しない場合と比べ、化合物半導体装置１００のソース電極１３とドレイン電極１５間の寄生電導を十分に抑制することができ、このためデバイスの耐圧も向上することができる。
［第１の実施の形態の変形例］
図９は、本発明の第１の実施の形態の第１の変形例における化合物半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。
図９を参照して、第１の変形例は、上述の実施の形態の化合物半導体装置１００の製造方法の変形例である。第１の変形例では、ＳｉＣ層３を形成した後であって、Ｇａ窒化物層１０などを形成する前に、Ｓｉ基板１の下面１ｂの中央部のＳｉを除去することにより、複数の穴２１を形成する。
上述のように、ＳｉＣ層３は、環状の平面形状を有するＳｉ基板１によって支持されており、ＳｉＣ層３の機械的強度はＳｉ基板１によって補強されている。Ｇａ窒化物層１０を形成する前であっても、Ｓｉ基板１およびＳｉＣ層３は十分な機械的強度を有しており、ＳｉＣ層３へのクラックの発生を抑止することができる。これにより、Ｓｉ基板の上面に複数の穴２１が形成され、かつ、前記複数の穴２１の各々の底部に露出したＳｉＣ層がいずれも破損していない構造を実現することができる。
なお、ＳｉＣ層３へのクラックの発生を可能な限り抑止するという観点では、上述の実施の形態のように、Ｇａ窒化物層１０などを形成した後で穴２１を形成することが好ましい。Ｓｉ基板１およびＧａ窒化物層１０などによってＳｉＣ層３の機械的強度が補強された状態で穴２１を形成することができるためである。
図１０は、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例における化合物半導体装置１００の構成を示す断面図である。
図１０を参照して、第２の変形例における化合物半導体装置１００は、金属層２３（金属層の一例）をさらに備えている点で、図１および図２に示す上述の実施の形態の化合物半導体装置とは異なっている。金属層２３は、少なくとも穴２１の底部に形成されており、ＳｉＣ層３の下面３ｂに接触している。金属層２３は、ソース電極１３と電気的に接続されている。金属層２３は接地されていることが好ましい。金属層２３は、たとえば蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、またはスパッタ法などにより形成される。
なお、金属層２３とソース電極１３を電気的に接続する際には、金属層２３とソース電極１３を繋ぐためのビアホールを基板に形成し、そこに金属を埋め込んで接続する方法が好ましい。
なお、金属層２３はソース電極１３の代わりにドレイン電極１５と電気的に接続されていてもよい。
上述以外の第２の変形例の化合物半導体装置１００の構成は、図１に示す第１の実施の形態の化合物半導体装置の構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
第２の変形例によれば、半導体デバイスの直下に金属層２３が設けられており、この金属層を接地することにより、高周波電力の損失を防ぐことのできる接地面（電気的グラウンド）がデバイスの直下に形成される。ＳｉＣ層３、ＡｌＮバッファー層５、ＡｌＧａＮバッファー層７、ＧａＮ層９の比抵抗を、電力損失が大きくなる比抵抗の範囲から外れた値に設定し、金属層２３と組み合わせることにより、寄生容量および寄生抵抗を低減することができ、良好な高周波特性を有するＨＥＭＴを実現することができる。
［第２の実施の形態］
図１１は、本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板１０１の構成を示す平面図であって、Ｓｉ基板１の下面側から見た場合の平面図である。図１２は、本発明の第２の実施の形態における化合物半導体基板１０１の構成を示す断面図であって、図１１のＸＩＩ―ＸＩＩ線に沿った断面図である。
図１１および図１２を参照して、本実施の形態における化合物半導体基板１０１（化合物半導体基板の一例）は、第１の実施の形態における化合物半導体装置を製造する過程で現れる構造である中間体構造１０１ａを複数個含んでいる。化合物半導体基板１０１は、２インチから１２インチ程度、より好ましくは４インチから８インチの平面サイズ（直径）を有するＳｉ基板１と、ＳｉＣ層３と、ＡｌＮバッファー層５と、ＡｌＧａＮバッファー層７と、ＧａＮ層９とを備えている。Ｓｉ基板１は、平面的に（Ｓｉ基板の上面１ａに直交する方向から）見た場合に、穴（Ｓｉ基板に対する貫通穴）２１を取り囲む形状を有している。中間体構造１０１ａは複数の穴２１の各々に対応して設けられている。ＳｉＣ層３、ＡｌＮバッファー層５、ＡｌＧａＮバッファー層７、およびＧａＮ層９は、この順序でＳｉ基板１の上面１ａに形成されている。特にＳｉＣ層３は、Ｓｉ基板１の上面１ａに形成されており、複数の穴２１を覆っている。複数の穴２１の底部にはＳｉＣ層３の下面３ｂが露出している。複数の穴２１の各々の大きさおよび形状は、同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
本実施の形態の化合物半導体基板１０１において、必要な領域のＡｌＧａＮ層１１およびＧａＮ層９を除去し、ソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７の各々を形成し、絶縁層１１を形成し、必要な溝１１ａを形成することにより、複数の化合物半導体装置１００が得られる。
なお、化合物半導体基板１０１には分離溝２２が形成されていなくてもよい（つまり、分離溝２２は化合物半導体基板１０１の完成後に形成されてもよい）。また、化合物半導体基板１０１は、図１に示すソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７をさらに備えていてもよい。この場合、Ｓｉ基板１の上面１ａに対して直交する方向から見てソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７と重なる領域には、穴２１が存在しており、Ｓｉ基板１は存在しない。化合物半導体基板１０１は、少なくともＳｉ基板１と、ＳｉＣ層３とを備えていればよい。
なお、上述以外の化合物半導体基板１０１の構成は、第１の実施の形態における化合物半導体装置１００の構成と同様であるため、その説明は繰り返さない。
本実施の形態によれば、化合物半導体基板１０１は複数の中間体構造１０１ａを含んでいるため、第１の実施の形態における化合物半導体装置と同様の効果を得ることができる。特に、ＳｉＣ層３はＳｉ基板１により下方から支持されているため、製造時のＳｉＣ層３およびＧａ窒化物層１０へのクラックの発生が抑止され、複数の穴２１の各々の底部に露出したＳｉＣ層３は破損していない。このため、製造時の歩留まりを向上することができる。なお、ソース電極１３、ドレイン電極１５、およびゲート電極１７の形成工程や、分離溝２２の形成工程は、発塵を嫌うため、たとえばクリーンルームなどの清浄環境下で実施される。図１０および図１１に示す化合物半導体基板１０１において、仮に複数の穴２１の底部に露出したＳｉＣ層３の一つにでも破損があれば、破損部から発塵が生じ、クリーンルーム環境自体を汚染する。このため、上述の破損のある化合物半導体基板をクリーンルームに投入し、電極形成や分離溝２２の形成を行うことは、クリーンルームなどの清浄環境を維持する観点から、工業的には極めて困難である。従って、化合物半導体基板１０１において、複数の穴２１の各々の底部に露出したＳｉＣ層３がいずれも破損していないことは、図１および図２に示す化合物半導体装置１００を工業的に実現するために、本質的に必要不可欠な要件である。
［その他］
上述の実施の形態では、Ｇａを含むワイドギャップ半導体層（２．２ｅＶ以上のバンドギャップを有する半導体層）がＧａ窒化物層１０である場合について示したが、Ｇａを含むワイドギャップ半導体層はＧａＮのような窒化物の他、Ｇａ2Ｏ3のような酸化物であってもよい。Ｇａ2Ｏ3は、ＳｉＣやＧａＮよりも大きなバンドギャップエネルギーを有しており、次世代の化合物として期待されている。Ｇａ2Ｏ3は、ＧａＮよりも耐圧特性に優れているため、Ｇａを含むワイドギャップ半導体層としてＧａ2Ｏ3を採用した化合物半導体装置は、パワーデバイスに適している。一方、ＧａＮはＧａ2Ｏ3よりも移動度が高いため、Ｇａを含むワイドギャップ半導体層としてＧａＮを採用した化合物半導体装置は、高周波デバイスに適している。
上述の実施の形態では、化合物半導体装置が半導体デバイスとしてＨＥＭＴを含む場合について示したが、化合物半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体デバイスを含んでいてもよい。さらに、化合物半導体装置は、窒化物半導体層の厚み方向に電流を流すタイプの縦型の装置とすることも可能である。
上述の実施の形態および変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
上述の実施の形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ Ｓｉ（ケイ素）基板（Ｓｉ基板の一例）
１ａ Ｓｉ基板の上面
１ｂ Ｓｉ基板の下面
３ ＳｉＣ（炭化ケイ素）層（結晶層の一例）
３ｂ ＳｉＣ層の下面
５ ＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファー層（Ｇａを含まない窒化物層の一例）
７ ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）バッファー層７
９ ＧａＮ（窒化ガリウム）層
９ａ ＧａＮ層の凸部
１０ Ｇａ（ガリウム）窒化物層（ワイドギャップ半導体層の一例）
１１ ＡｌＧａＮ層
１３ ソース電極（第１の電極の一例）
１５ ドレイン電極（第２の電極の一例）
１７ ゲート電極（第３の電極の一例）
１９ 絶縁層
１９ａ 絶縁層の開口部
２１ 穴（穴の一例）
２２ 分離溝
２３ 金属層（金属層の一例）
１００ 化合物半導体装置（化合物半導体装置の一例）
１０１ 化合物半導体基板（化合物半導体基板の一例）
１０１ａ 中間体構造
ＲＧ１，ＲＧ２ 素子分離領域
１ａ Ｓｉ基板の上面
１ｂ Ｓｉ基板の下面
３ ＳｉＣ（炭化ケイ素）層（結晶層の一例）
３ｂ ＳｉＣ層の下面
５ ＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファー層（Ｇａを含まない窒化物層の一例）
７ ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）バッファー層７
９ ＧａＮ（窒化ガリウム）層
９ａ ＧａＮ層の凸部
１０ Ｇａ（ガリウム）窒化物層（ワイドギャップ半導体層の一例）
１１ ＡｌＧａＮ層
１３ ソース電極（第１の電極の一例）
１５ ドレイン電極（第２の電極の一例）
１７ ゲート電極（第３の電極の一例）
１９ 絶縁層
１９ａ 絶縁層の開口部
２１ 穴（穴の一例）
２２ 分離溝
２３ 金属層（金属層の一例）
１００ 化合物半導体装置（化合物半導体装置の一例）
１０１ 化合物半導体基板（化合物半導体基板の一例）
１０１ａ 中間体構造
ＲＧ１，ＲＧ２ 素子分離領域
Claims (15)
- 平面的に見た場合に穴を取り囲む形状を有するＳｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の上面に形成され、かつ前記穴を覆う、共有結合性の結晶層と、
前記結晶層の上面側に形成されたＧａを含むワイドギャップ半導体層と、
前記ワイドギャップ半導体層の上面側に形成された第１、第２、および第３の電極とを備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流は、前記第３の電極に印加される電圧によって制御可能であり、
前記Ｓｉ基板の上面に対して直交する方向から見て前記第１、第２、および第３の電極と重なる領域には、前記Ｓｉ基板は存在しない、化合物半導体装置。 - 前記結晶層は、ダイヤモンド構造、２Ｈ六方晶、３Ｃ立方晶、４Ｈ六方晶、６Ｈ六方晶、および１５Ｒ菱面体晶のうち少なくともいずれかの結晶構造を有する、請求項１に記載の化合物半導体装置。
- 前記結晶層は、Ｃを含む結晶層またはＢＮよりなる、請求項１または２に記載の化合物半導体装置。
- 前記結晶層は、３Ｃ−ＳｉＣよりなる、請求項３に記載の化合物半導体装置。
- 前記結晶層の上面は（１１１）面である、請求項４に記載の化合物半導体装置。
- 前記結晶層は、Ｎ型のドーパントである窒素およびリン、Ｐ型のドーパントであるＡｌおよびＢ、ならびに半絶縁性を発現させるドーパントである遷移金属のうち少なくともいずれか１種類を不純物として含むＳｉＣよりなり、かつ前記Ｎ型のドーパントの濃度を濃度Ｎ（個／ｃｍ3）、前記Ｐ型のドーパントの濃度を濃度Ｐ（個／ｃｍ3）、前記半絶縁性を発現させるドーパントの濃度を濃度Ｉ（個／ｃｍ3）とした場合に、前記濃度Ｎ、Ｐ、およびＩの間に下記式（１）〜（３）のいずれかの関係が成り立つ、請求項４または５に記載の化合物半導体装置
｜Ｎ−Ｐ｜≦１×１０16 ・・・（１）
Ｎ＋Ｐ＜Ｉ＜１×１０21 ・・・（２）
１×１０18≦｜Ｎ−Ｐ｜≦１×１０21 かつ Ｉ＜Ｎ＋Ｐ ・・・（３） - 前記結晶層は、１００Ω・ｃｍ以上または１００ｍΩ・ｃｍ以下の比抵抗を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の化合物半導体装置。
- 前記穴の底部に形成された金属層をさらに備えた、請求項１〜７のいずれかに記載の化合物半導体装置。
- 前記金属層と前記第１の電極とは電気的に接続される、請求項８に記載の化合物半導体装置。
- 前記結晶層と前記ワイドギャップ半導体層との間に形成された、Ｇａを含まない窒化物層をさらに備えた、請求項１〜９のいずれかに記載の化合物半導体装置。
- 平面的に見た場合に複数の穴を取り囲む形状を有するＳｉ基板と、
前記Ｓｉ基板の上面に形成され、かつ前記複数の穴を覆う、共有結合性の結晶層とを備え、
前記複数の穴の各々の底部に露出した前記結晶層は破損していない、化合物半導体基板。 - 前記結晶層の上面側に形成されたＧａを含むワイドギャップ半導体層をさらに備えた、請求項１１に記載の化合物半導体基板。
- 前記複数の穴の各々に対応して前記ワイドギャップ半導体層の上面側に形成された第１、第２、および第３の電極をさらに備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流は、前記第３の電極に印加される電圧によって制御可能であり、
前記Ｓｉ基板の上面に対して直交する方向から見て前記第１、第２、および第３の電極と重なる領域には、前記Ｓｉ基板は存在しない、請求項１２に記載の化合物半導体基板。 - Ｓｉ基板の上面に共有結合性の結晶層を形成する工程と、
前記結晶層の上面側にＧａを含むワイドギャップ半導体層を形成する工程と、
前記Ｓｉ基板の下面に穴を形成し、前記穴の底部に前記結晶層を露出させる工程と、
前記ワイドギャップ半導体層の上面側に第１、第２、および第３の電極を形成する工程とを備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流は、前記第３の電極に印加される電圧によって制御可能である、化合物半導体装置の製造方法。 - 前記結晶層を露出させる工程は、前記Ｓｉ基板の一部をエッチングする工程を含み、
前記結晶層を露出させる工程は、前記ワイドギャップ半導体層を形成する工程よりも後に行われる、請求項１４に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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