JP5188545B2 - 化合物半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、高速または高耐圧の半導体デバイス等に好適に用いられる化合物半導体基板に関する。

六方晶窒化ガリウム（ＧａＮ）や六方晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等に代表される窒化物半導体を用いた半導体デバイスは、高耐圧化および高周波化が可能であり、現在主流であるシリコン半導体デバイスの物性を凌駕するものとして、パワーデバイス等での使用が期待されている。

この種の半導体デバイスおよびその作製のために用いられる化合物半導体基板を、低コストで作製する方法としては、シリコン（Ｓｉ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）の単結晶基板上に、ＡｌＧａＮ系の窒化物半導体層であって組成の異なる複数層からなるバッファ領域を形成し、その上に窒化物半導体活性層を形成する方法が知られている。

例えば、特許文献１には、前記バッファ領域として、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）からなる第１のバッファ層と、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０．０１≦ｙ≦０．２）からなる第２のバッファ層を交互に複数層積層させることが記載されている。

また、特許文献２には、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バッファ層を形成することが記載されている。

特開２００７−６７０７７号公報 特開２００８−１７１８４３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているような構成のバッファ層によれば、平滑で、クラックのない窒化物半導体を形成する上では有効であるが、単位膜厚当たりの耐電圧が低く、高耐圧デバイスに適した化合物半導体基板は得られず、さらに、ノーマリオフ化にも適していない。

一方、上記特許文献２には、前記バッファ層の第１の層の炭素濃度を１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下とすることにより、高耐圧化を図ることができることが記載されているが、このような構成からなるバッファ層を備えたデバイスであっても、近年の高耐圧化とノーマリオフ化の要求に十分に応えるものとは言えなかった。

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、クラックや反りの発生が抑制され、かつ、ノーマリオフ型の高耐圧デバイスに好適な化合物半導体基板を低コストで提供することを目的とするものである。

本発明に係る化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板上に、炭素を１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含むＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）と、炭素を１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含むＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）とが順に交互に繰り返し積層された多層バッファ層と、炭素含有濃度が５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である電子走行層と電子供給層からなる窒化物活性層とが順次堆積された構成を備え、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層の炭素含有濃度分布は、前記基板側のＡｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ単結晶層よりも前記活性層側のＡｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ単結晶層の方が炭素含有濃度が低く、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の炭素含有濃度分布は、前記基板側のＡｌ _y Ｇａ _1-y Ｎ単結晶層よりも前記活性層側のＡｌ _y Ｇａ _1-y Ｎ単結晶層の方が炭素含有濃度が低いことを特徴とする。
このような多層バッファ層を設けることにより、窒化物活性層でのクラックの発生および基板の反りを抑制することができ、かつ、この基板を用いたデバイスのノーマリオフ化と高耐圧化を図ることができる。

前記化合物半導体基板においては、高耐圧化およびノーマリオフ化の観点から、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層が０．１≦ｙ≦０．５であることが好ましい。

また、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層の炭素含有濃度が、その直上のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の炭素含有濃度よりも高いことが好ましい。
炭素含有濃度が高いＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層は、その直上のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の結晶との格子定数差が大きくなり、強い圧縮応力を生じ得る。

さらに、前記多層バッファ層が、ホウ素を５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含んでいることが好ましい。
上記濃度範囲のホウ素を含むことにより、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層および前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の炭素含有濃度が増加し、耐圧をより向上させることができる。

さらにまた、前記電子走行層は、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ≦０．０１）であることが好ましい。
デバイスの高速性向上の観点からは、前記電子走行層中のＡｌ濃度はできるだけ低いことが好ましい。

また、前記化合物半導体基板は、前記電子走行層の厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、ノーマリオフ型スイッチングデバイスに好適に用いることができる。

本発明によれば、窒化物活性層でのクラック発生が抑制され、かつ、窒化物半導体の厚膜化に伴う反りも抑制された化合物半導体基板を低コストで提供することができる。
さらに、本発明に係る化合物半導体基板は、これを用いてデバイス作製することにより、耐電圧の向上を図ることができるため、高耐圧デバイス、特に、ノーマリオフ型スイッチングデバイスに好適に適用することができる。

本発明に係る化合物半導体基板の層構造を示す概略断面図である。 試料２８〜３２に係る化合物半導体基板の多層バッファ層および窒化物活性層のＳｉ単結晶基板表面からの膜厚に対する炭素含有濃度プロファイルを示すグラフである。

以下、本発明を、図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係る化合物半導体基板の層構造の概略を示す。図１に示す化合物半導体基板は、Ｓｉ単結晶基板１上に、多層バッファ層２、電子走行層３１と電子供給層３２からなる窒化物活性層３が、順次積層された構成を備えているものである。
前記多層バッファ層２は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）２２が、この順にＳｉ基板１側から交互に繰り返し積層された多層構造からなる。
そして、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）２１には、炭素が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含まれており、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）２２には、炭素が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含まれている。
このような多層バッファ層２を設けることにより、窒化物活性層３でのクラックの発生および基板全体の反りを抑制することができる。しかも、この基板を用いたデバイスの高耐圧化を図ることができるという効果が得られる。

従来のような組成の異なるＡｌＧａＮ系単結晶を交互に複数層積層した多層バッファ層を形成した場合、Ｓｉ単結晶基板と各半導体膜の物性の相違により発生したキャリアが、多層バッファ層中に残留し、これにより、デバイスの高耐圧化が阻害される。
このようなキャリアを抑制するためには、多層バッファ層中に炭素を含有していることが効果的である。
本発明においては、炭素を意図的に上記のような濃度範囲となるように添加することにより、デバイスの耐電圧を向上させることができる。

前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１においては、Ａｌ組成ｘを０．６≦ｘ≦１．０とし、また、前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２においては、Ａｌ組成ｙを０≦ｙ≦０．５、好ましくは、０．１≦ｙ≦０．５とする。
ｘ＜０．６、また、ｙ＞０．５の場合は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層とＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の結晶格子定数の差が小さいため、圧縮応力が発生しにくくなる。
一方、ｙ＜０．１の場合は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ層のＡｌ組成が低すぎて、従来並みの低耐圧デバイスまたは従来のノーマリオン型デバイスしか得られない。

本発明に係る化合物半導体基板においては、上記のように、多層バッファ層２に所定濃度で炭素を含有させるが、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の炭素含有濃度およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度のいずれもが、それぞれ、前記基板１側から前記活性層３側に向かって減少するように、炭素含有濃度が傾斜していることが好ましい。
基板１側は、高い炭素含有濃度のため、残留キャリアが低減して高耐圧となる。物理的には、フェルミ準位が伝導帯から離れる。
そして、活性層３側を低い炭素含有濃度とすることにより、ゲート電圧が印加されない場合、キャリアが誘起されない状態となる。物理的には、フェルミ準位が伝導帯に近づくが、デバイスにおけるオフ・オン制御が、ゲートにおける数Ｖ程度の正電圧で可能となる、すなわち、ノーマリオフとなる。

このように、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２における上記のような炭素含有濃度の傾斜によって、高耐圧化に加えて、ノーマリオフ化が達成される。
したがって、単に、基板１側から活性層３側に向かって、全体的に一定割合で炭素含有濃度が減少するような構成では、ノーマリオフ化は達成されない。上記のような本発明に係る炭素含有濃度の変化および層構成が、良好なノーマリオフの高耐圧デバイスを実現する上で重要である。

また、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１とその直上のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２とを１組とした場合、下側層となるＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の方が、上側層となるＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２よりも、炭素含有濃度が高いことが好ましい。
炭素含有濃度が高いＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１は、結晶が柔らかいため、転位が発生しやすくなり、結晶が緩和する。緩和した結晶は、その直上のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の結晶との格子定数差が大きいため、強い圧縮応力が発生する。

さらに、前記多層バッファ層２が、ホウ素を５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含んでいることが好ましい。
上記濃度範囲のホウ素を含むことにより、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度を、より増加させることができ、耐圧の向上が図られる。
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の結晶格子において、Ｇａの格子位置にホウ素が入ることにより、格子間の隙間が増大し、格子への炭素の取込みが増したためと考えられる。

前記ホウ素濃度が５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満である場合、多層バッファ層の炭素含有濃度が低下し、デバイス耐圧が従来並みの低耐圧になる。
一方、前記ホウ素濃度が１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超える場合、炭素含有濃度が上記において規定した上限値を超えて、結晶性が悪化する。

また、前記多層バッファ層２においては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の厚さを１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の厚さを１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
多層バッファ層２を構成する２種のＡｌＧａＮ系単結晶層について、上記のように膜厚に差をつけて形成することにより、基板と窒化物半導体による多層バッファ層との間で生じる応力の制御性が向上し、例えば、４インチ径の基板において、反りを３０μｍ以下に抑制することができる。

前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の厚さが１ｎｍ未満である場合、あるいはまた、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の厚さが１０ｎｍ未満である場合、バッファとして必要な結晶性が得られない。
一方、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の厚さが５０ｎｍを超える場合、あるいはまた、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の厚さが５００ｎｍ未満である場合、製造コストが高くなり、また、それに見合った効果が得られない。

また、前記多層バッファ層２は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１とその直上のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２とを１組とした場合、この組が５〜１００組繰り返し積層されることが好ましい。
積層組数が少なすぎると、膜成長過程において、多層バッファ層による応力緩和が十分でなく、クラックや反りの抑制効果が十分に得られない。
一方、積層組数が多すぎる場合、コスト高となり、製造効率の点でも劣り、好ましくない。

また、前記多層バッファ層２上に形成される電子走行層３１の炭素含有濃度は、５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であることが好ましい。
電子走行層３１中に炭素が存在すると、電子が散乱されて移動度が低下するため、デバイスの高速性が低下することから、炭素含有濃度は低い方が好ましいが、前記炭素含有濃度が５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であれば、デバイスの高速性の差が小さい。
なお、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法による測定では、現在の技術水準では、炭素濃度の検出下限は５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えた場合に、デバイスの高速性の著しい低下が確認された。

前記電子走行層３１は、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ≦０．０１）であることが好ましい。
電子走行層３１中にアルミニウム（Ａｌ）が存在すると、電子が散乱されて移動度が低下するため、この場合も、デバイスの高速性が低下する。このため、Ａｌ濃度は低いほどよいが、電子走行層３１の形成時において、炉内の残留Ａｌの混入を考慮すると、ｚ＝０とすることは実際上困難であるため、意図的に含有させる濃度以下として、ｚ≦０．０１であることが好ましい。
より好ましくは、ｚ＝０、すなわち、前記電子走行層３１はＧａＮ層がよい。このように、電子走行層３１をＧａＮ層とし、前記多層バッファ層２とＡｌ濃度の差をつけることは、物理的には、フェルミ準位が伝導帯から離れることなり、ノーマリオフ化の観点からも好ましい。

また、前記電子走行層３１は、クラックの発生を回避するため、厚さ１〜５０００ｎｍ程度で形成されることが好ましい。

上記のような本発明に係る化合物半導体基板は、前記電子走行層３１の厚さを１ｎｍ以上５００ｎｍ以下で形成することにより、ノーマリオフ型スイッチングデバイスに好適に用いることができる。
ノーマリオフ型とは、ゲート電極と呼ばれる制電電極に電圧を印加しない場合（電圧ゼロ）、停止（オフ）状態となり、プラス電圧を印加すると、動作（オン）状態となるものである。
これに対して、ノーマリオン型とは、ゲート電極（制電電極）に電圧を印加しなくても（電圧ゼロ）、動作（オン）状態となり、マイナス電圧を印加すると、停止（オフ）状態となるものである。
回路の安全性等の観点から、スイッチングデバイスとしては、ノーマリオン型よりもノーマリオフ型の方が望まれており、本発明に係る化合物半導体基板は、デバイス形成に、非常に有用である。

前記Ｓｉ単結晶基板１は、その製造方法は、特に限定されない。チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものであっても、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたものであってもよく、また、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長法によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）であってもよい。
窒化物半導体をＳｉ単結晶基板上にエピタキシャル成長させることにより、従来のＳｉ半導体製造プロセスにおいて用いられている装置および技術を利用することができ、大口径かつ低コストでの製造が可能となる。

なお、前記Ｓｉ単結晶基板１上に、多層バッファ層２を形成する前に、Ｓｉ単結晶基板１とＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１との親和性をより良好なものとするために、初期バッファとしてＡｌＮ単結晶層等を形成しておいてもよい。
ＳｉとＧａは非常に反応性が高く、成長初期においてＳｉ基板表面にＧａが付着した場合、メルトバックエッチング反応により、Ｓｉ単結晶基板表面に荒れが生じる。
このため、前記初期バッファは、多層バッファ層を形成する前のＳｉ単結晶基板表面の保護および下地として有効である。

また、前記電子走行層３１と電子供給層３２の間には、変調ドープ層やスペーサ層等の他の層を形成してもよい。さらに、窒化物活性層３の上には、デバイス作製時の目的や用途に応じて、キャップ層やパッシベーション層等の他の層を形成してもよい。

なお、本発明に係る各化合物半導体層は、通常、エピタキシャル成長により堆積形成されるが、その方法は、特に限定されるものではなく、一般的に用いられる方法でよく、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）やＰＥＣＶＤ(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を始めとしたＣＶＤ法、レーザービームを用いた蒸着法、雰囲気ガスを用いたスパッタ法、高真空における分子線を用いたＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)、ＭＯＣＶＤとＭＢＥの複合であるＭＯＭＢＥ(Metal Organic Molecular Beam Epitaxy)等を用いることができる。
また、各層をエピタキシャル成長させる際に用いられる原料も、下記実施例で用いられているものに限定されるものではなく、例えば、炭素を含有させるための原料ガスは、メタン以外に、アセチレン、エタン、プロパン、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムであってもよい。

また、上記のような本発明に係る化合物半導体基板を用いて、化合物半導体デバイスを作製する際の電極の形成や加工は、特に、限定されるものではなく、一般的な方法で行うことができ、例えば、真空蒸着やリソグラフィにより、前記基板の表面および裏面に、公知の材料で電極形成を行うことができる。

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。
下記に示すような各条件にて化合物半導体基板の試料を作製し、以下のようにして、各基板およびそれを用いて作製したデバイスの評価を行った。

（基板の評価）
各化合物半導体基板試料について、電子走行層３１として用いられるＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層における転位密度を、透過型電子顕微鏡により評価した。また、反りおよびクラックの発生についても、レーザ変位計および光学顕微鏡により評価した。

（デバイスの評価）
各化合物半導体基板試料に、リセスゲート領域および素子分離領域の溝をドライエッチングにより形成し、活性層側にゲート電極としてＡｕ電極を、ソースおよびドレイン電極としてＡｌ電極を、また、Ｓｉ基板の裏面側に裏面電極としてＡｌ電極を、それぞれ真空蒸着により形成し、化合物半導体デバイスを作製した。

得られた化合物半導体デバイスについて、カーブトレーサーを用いてソース−ドレイン電極間に電圧を印加しつつ、ゲート電極に電圧を印加した際の電流−電圧特性を測定し、ピンチオフ電圧を求めて、ノーマリオフの度合いを評価した。
続いて、ゲート電極にピンチオフ電圧を印加しつつ、ソース−ドレイン電極間に電圧を印加した際の電流−電圧特性を測定し、耐電圧特性を求めた。
なお、デバイスの測定の際、ソース電極と裏面電極を電気的にショートさせた。

また、各化合物半導体基板試料に、オーミックコンタクトとしてＡｌ電極を真空蒸着により形成し、ホール効果測定を行うことにより、電子走行層における電子の移動度を求め、デバイスの高速性の評価を行った。

以下に、各化合物半導体基板試料の作製方法および条件を示す。
［試料１］（標準試料）
図１に示すような層構造を備えた化合物半導体基板を、以下の工程により作製した。
まず、直径４インチのＳｉ単結晶基板１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス、ＮＨ₃ガス、メタンガスおよびジボランガスを用い、１０００℃での気相成長により、炭素を１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³含む厚さ２０ｎｍのＡｌＮ単結晶層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（ｘ＝１））２１を形成し、さらにその上に、原料ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、ＴＭＡガス、ＮＨ₃ガス、メタンガスおよびジボランガスを用い、１０００℃での気相成長により、炭素を５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³含む厚さ８０ｎｍのＧａＮ単結晶層（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（ｙ＝０．２））２２を積層させ、これらを同様の工程にて、炭素含有濃度が、いずれも、それぞれ、前記基板側から前記活性層側に向かって減少するように、交互に繰り返し、各１０層、合計２０層積層させ、多層バッファ層２を形成した。
前記多層バッファ層２上に、原料ガスとして、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＮＨ_３ガスおよびメタンガスを用い、１０００℃での気相成長により、炭素を５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³含む厚さ１０００ｎｍのＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ単結晶層（Ａｌ_zＧａ_1-zＮ層（ｚ＝０．０２））を電子走行層３１として積層させ、さらに、厚さ３０ｎｍのＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ単結晶による電子供給層３２を積層させ、窒化物活性層３を形成して化合物半導体基板を得た。
なお、気相成長により形成した各層の厚さの調整は、ガス流量および供給時間の調整により行った。

［試料２〜４］（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の組成）
試料１において、電子走行層３１であるＡｌ_zＧａ_1-zＮ層をＧａＮ層（ｚ＝０）、厚さ５００ｎｍとし、また、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２をＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層（ｙ＝０.２）とし、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１のｘの数値を変化させ、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ（ｘ＝０．５）（試料２）、Ａｌ_0.6Ｇａ _0.4 Ｎ（ｘ＝０．６）（試料３）、ＡｌＮ（ｘ＝１）（試料４）とした。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

［試料５〜８］（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の組成）
試料４において、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２のｙの数値を変化させ、ＧａＮ（ｙ＝０）（試料５）Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（ｙ＝０．１）（試料６）、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ（ｙ＝０．５）（試料７）、Ａｌ_0.6Ｇａ _0.4 Ｎ（ｙ＝０．６）（試料８）とした。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

試料１〜８の評価結果をまとめて表１に示す。
なお、試料１を他の試料と比較する際の標準試料とする。表１において、リーク電流は、試料１を１としたときの相対指数で表す。以下の評価結果においても、同様とする。

表１に示した評価結果から分かるように、ｘ＜０．６（試料２）、ｙ＞０．５（試料８）の場合は、基板の反りが大きく、クラックの発生も見られ、デバイスのリーク電流が大きかった。
試料２および８以外の試料については、ノーマリオフ特性に優れ、デバイスの高速性が向上することが認められた。

［試料９〜１１］（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の炭素含有濃度）
試料４において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の炭素含有濃度を下記表２の試料９〜１１に示すように変化させた。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

［試料１２〜１５］（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度）
試料４において、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度を下記表２の試料１２〜１５に示すように変化させた。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

［試料１６］（炭素含有濃度の傾斜）
Ｓｉ単結晶基板１上に、ＡｌＮ単結晶層２１とＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２を積層させた後、１０層目のＡｌＮ単結晶層２１の炭素含有濃度が３×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１０層目のＡｌＮ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２の炭素含有濃度が２×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となるように、いずれの炭素含有濃度も、前記基板側から前記活性層側に向かって一定の割合で増加するように、交互に繰り返し、各１０層、合計２０層積層させ、多層バッファ層２を形成した。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

試料９〜１６の評価結果をまとめて表２に示す。

表２に示した評価結果から分かるように、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の炭素含有濃度が１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満（試料９）、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満（試料１２）の場合は、耐電圧が６５０Ｖ以下であり、デバイスとしては好ましくないものであった。
また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１の炭素含有濃度が１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³超（試料１１）、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度が１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³超（試料１５）の場合は、基板の転位密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-2超以上であり、結晶性に劣り、デバイスとして好ましくなく、デバイスのリーク電流も大きかった。
また、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２の炭素含有濃度を増加するように傾斜させて積層した場合（試料１６）は、基板の転位密度が高く、反りも大きく、クラックが発生した。
試料１０，１３および１４は、応力の制御特性およびノーマリオフ特性に優れ、また、デバイスの高速性が向上することが認められた。

［試料１７〜２０］（ホウ素添加（１））
試料４において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２にホウ素を添加し、試料４を基準として、ホウ素含有濃度を下記表３の試料１７〜２０に示すように変化させた。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

試料１７〜２０の評価結果をまとめて表３に示す。

表３に示した評価結果から分かるように、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２へのホウ素含有濃度が５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下（試料１７〜１９）の場合は、ノーマリオフ特性に優れ、また、デバイスの高速性が向上することが認められた。

［試料２１〜２７］（ホウ素添加（２））
試料１８において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２および電子走行層３１であるＡｌ_zＧａ_1-zＮ層の各パラメータを下記表４の試料２１〜２７に示すように変化させた。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

試料２１〜２７の評価結果をまとめて表４に示す。

表４に示した評価結果から分かるように、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２にホウ素を添加した場合においても、各組成および炭素含有濃度が本発明で規定する範囲内であれば、応力の制御特性およびノーマリオフ特性に優れ、また、デバイスの高速性が向上することが認められた。

［試料２８］（ホウ素添加の場合の炭素含有濃度の傾斜）
試料１８において、Ｓｉ単結晶基板１上に、ＡｌＮ単結晶層２１とＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２を交互に繰り返し、それぞれ７層目まで、合計１４層積層させた。そして、８層目のＡｌＮ単結晶層２１の炭素含有濃度を９×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、８層目のＡｌＮ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２の炭素含有濃度を４×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³として、炭素含有濃度が、いずれも、前記基板側から前記活性層側に向かってわずかに減少するように、交互に繰り返し、それぞれ９層目まで積層した。さらに、１０層目のＡｌＮ単結晶層２１の炭素含有濃度を６×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１０層目のＡｌＮ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２の炭素含有濃度を２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³として、炭素含有濃度が減少する割合を変化させ、それぞれ１０層目まで、合計２０層積層させ、多層バッファ層２を形成した。それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

［試料２９〜３１］（ホウ素添加の場合の炭素含有濃度の傾斜）
試料２８において、１０層目のＡｌＮ単結晶層２１およびＡｌＮ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２の炭素含有濃度が、それぞれ、下記表５の試料２９〜３１に示すような数値となるように、いずれも、前記基板側から前記活性層側に向かって一定の割合で減少するように、交互に繰り返し、各１０層、合計２０層積層させ、多層バッファ層２を形成し、それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

［試料３２］（ホウ素添加の場合の炭素含有濃度の傾斜）
試料２８において、１０層目のＡｌＮ単結晶層２１の炭素含有濃度が３×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、１０層目のＡｌＮ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ単結晶層２２の炭素含有濃度が２×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³となるように、いずれの炭素含有濃度も、前記基板側から前記活性層側に向かって増加するように、交互に繰り返し、各１０層、合計２０層積層させ、多層バッファ層２を形成し、それ以外は、試料１と同様の工程にて、化合物半導体基板を作製した。

図２に、試料２８〜３２に係る化合物半導体基板の多層バッファ層および窒化物活性層のＳｉ単結晶基板表面からの膜厚に対する炭素含有濃度プロファイルをグラフにして示す。
また、試料２８〜３２の評価結果をまとめて表５に示す。

表５に示した評価結果から分かるように、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層２１およびＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層２２にホウ素を添加した場合においても、多層バッファ層を各炭素含有濃度が所定の範囲内で減少するように形成した場合（試料２８〜３０）は、応力の制御特性およびノーマリオフ特性に優れ、また、デバイスの高速性が向上することが認められた。

１ Ｓｉ単結晶基板
２ 多層バッファ層
２１ Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層
２２ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層
３ 窒化物活性層
３１ 電子走行層
３２ 電子供給層

Claims (6)

1. Ｓｉ単結晶基板上に、炭素を１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含むＡｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層（０．６≦ｘ≦１．０）と、炭素を１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含むＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層（０≦ｙ≦０．５）とが順に交互に繰り返し積層された多層バッファ層と、炭素含有濃度が５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である電子走行層と電子供給層からなる窒化物活性層とが順次堆積された構成を備え、
   前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層の炭素含有濃度分布は、前記基板側のＡｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ単結晶層よりも前記活性層側のＡｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ単結晶層の方が炭素含有濃度が低く、
   前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の炭素含有濃度分布は、前記基板側のＡｌ _y Ｇａ _1-y Ｎ単結晶層よりも前記活性層側のＡｌ _y Ｇａ _1-y Ｎ単結晶層の方が炭素含有濃度が低いことを特徴とする化合物半導体基板。
2. 前記Ａｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層が０．１≦ｙ≦０．５であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体基板。
3. 前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ単結晶層の炭素含有濃度が、その直上のＡｌ_yＧａ_1-yＮ単結晶層の炭素含有濃度よりも高いことを特徴とする請求項１または２記載の化合物半導体基板。
4. 前記多層バッファ層が、ホウ素を５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の化合物半導体基板。
5. 前記電子走行層がＡｌ_zＧａ_1-zＮ単結晶層（０≦ｚ≦０．０１）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体基板。
6. 前記電子走行層の厚さが１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、ノーマリオフ型スイッチングデバイスに用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の化合物半導体基板。

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