JP5583610B2 - 半導体素子用エピタキシャル基板および半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物半導体により構成される、多層構造を有するエピタキシャル基板、特に、半導体素子用の多層構造エピタキシャル基板に関する。

窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度を有することから次世代の高周波／ハイパワーデバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮとＧａＮからなる層を積層することにより形成した多層構造体には、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴があることから、係る多層構造体を基板として利用した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の開発が活発に行われている。

一方で、チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＩｎＡｌＮにて形成する構成など、ピエゾ分極効果への依存が小さくほぼ自発分極のみにより高い２ＤＥＧ濃度を生成できる歪の少ない積層構造も注目されている（例えば、非特許文献１参照）。

"High-quality AlInN for High index contrast Bragg mirrors lattice matched to GaN", J.-F. Carlin and M.Ilegems, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.83, No. 4, pp.668-670.

非特許文献１に開示されているようなＩｎＡｌＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いてＦＥＴを構成する場合と、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いてＦＥＴを構成する場合とを比較すると、前者のＦＥＴの方が、２次元電子ガス濃度が高く、より大きな電流を流すことができる点で優れている。しかしながら、障壁層であるＩｎＡｌＮ層の障壁高さが高いことから、良好なオーミックコンタクトを得ることが難しいという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮヘテロ構造を有し、かつオーミックコンタクト特性の優れた半導体素子用のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、半導体素子用エピタキシャル基板であって、下地基板と、ＧａＮからなるチャネル層と、ＡｌＮからなるスペーサ層と、III族元素としてＩｎとＡｌとＧａとを含む障壁層と、を備え、前記障壁層が実質的に、Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）からなるマトリックス層にＧａ原子がドープされることで構成されてなり、前記障壁層におけるＧａ原子の濃度が１．２×１０^２０ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記障壁層におけるＧａ原子の濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記障壁層において０．１≦ｘ≦０．３５である、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記障壁層におけるＧａ原子の濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、半導体素子であって、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の前記障壁層の上に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極が設けられてなるものである。

請求項１ないし請求項５の発明によれば、オーミックコンタクト特性の優れた半導体素子用のエピタキシャル基板、および該エピタキシャル基板を用いた半導体素子が、実現される。

本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０Ａを用いて作製されたＨＥＭＴ素子１０の構成を概略的に示す断面模式図である。 Ｇａノンドープのエピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗を１としたときの、Ｇａがドープされたエピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗の比を、Ｇａドーピング濃度に対してプロットした図である。 エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗を、Ｇａドーピング濃度に対してプロットした図である。

＜エピタキシャル基板の構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係るエピタキシャル基板１０Ａを用いて作製されたＨＥＭＴ素子１０の構成を概略的に示す断面模式図である。エピタキシャル基板１０Ａは、下地基板１の上に、バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５とが積層形成された構成を有する。バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５とはいずれも、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）を用いてエピタキシャル形成される（詳細は後述）のが好適な一例である。なお、図１における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。

以降においては、各層の形成にＭＯＣＶＤ法を用いる場合を対象に説明を行うが、良好な結晶性を有するように各層を形成できる手法であれば、他のエピタキシャル成長手法、例えば、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、ＬＰＥなど、種々の気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法を用いてもよいし、異なる成長法を組み合わせて用いる態様であってもよい。

下地基板１は、その上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成できるものであれば、特段の制限なく用いることができる。サファイア基板を用いるのが好適な一例であるが、単結晶６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライトなどからなる基板を用いる態様であってもよい。

また、バッファ層２は、その上に形成されるチャネル層３とスペーサ層４と障壁層５との結晶品質を良好なものとするべく、ＧａＮにて数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる層である。２０ｎｍ程度の厚みに形成するのが好適な一例である。

チャネル層３は、ＧａＮにて、数μｍ程度の厚みに形成されてなる層である。２μｍの厚みに形成するのが好適な一例である。

スペーサ層４は、二次元電子ガスの閉じ込め効果を高める目的で形成されてなる層である。スペーサ層４は、ＡｌＮにて、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲の厚みで形成される。１ｎｍの厚みに形成するのが好適な一例である。なお、０．５ｎｍよりも小さい厚みでスペーサ層４を形成しようとする場合、層の形成が不十分となって二次元電子ガスの閉じ込め効果が十分に得られず、３ｎｍよりも大きい厚みでスペーサ層４を形成する場合には、内部応力に伴いスペーサ層４自体の膜質が劣化する。

障壁層５は、ＩｎとＡｌとＧａとを含むIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる層である。より詳細には、Ｇａは、原子濃度が１．２×１０²⁰ｃｍ^-3以下というごく小さい存在比率で障壁層５に含有されてなる。なお、以降において、Ｇａの濃度（ドーピング濃度）とは、Ｇａの原子濃度を意味する。障壁層５は、１５ｎｍ程度の厚みに形成するのが好適な一例である。

Ｇａ原子の存在比率がごく小さいために、障壁層５におけるＧａ原子の実際の存在形態を明確に特定することは必ずしも容易ではない。一方で、障壁層５についてＸＲＤ（Ｘ線回折法）による２θ−ωスキャンを行った場合、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＮの結晶面に相当する回折角２θの位置にピークが検出され、また、障壁層５の表面をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により分析した場合は、Ｉｎ、Ａｌ、Ｎのみが検出されることが、本発明の発明者によって確認されている。それゆえ、障壁層５は、実質的には、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）なる組成のIII族窒化物からなるマトリックス層に対してごく微量のＧａ原子がドープされることによって形成されてなるものとみなされる。そこで、以降においては、便宜上、障壁層５がそのような構成を有するものとして説明を行う。ただし、このことは必ずしも、Ｇａ原子が局所的に当該マトリックス層自体の結晶格子を構成することを除外するものではない。なお、ｘ＜０．１である場合は、障壁層５にクラックが発生してしまうため、結晶品質確保の観点からはｘ≧０．１とするのが好ましい。

Ｇａが障壁層５にドープされてなることの作用効果については、後述する。

以上のような層構成を有するエピタキシャル基板１０Ａにおいては、チャネル層３と障壁層５との界面（より詳細には、スペーサ層４を含む界面領域）がヘテロ接合界面となる。当該界面には、主に自発分極効果により、二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域３ｅが形成される。

なお、二次元電子ガスを好適に生成させるために、当該界面は、平均粗さが０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲にあり、二乗平均粗さが０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲にあるように形成される。なお、係る範囲を超えて平坦な界面が形成される態様であってもよいが、コスト面や製造歩留まりなどを考えると現実的ではない。また、好ましくは、当該界面は、平均粗さが０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲にあり、二乗平均粗さが０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲にあるように形成される。

また、図１に示すように、障壁層５の上にさらに、ソース電極６と、ドレイン電極７と、ゲート電極８とを設けることで、ＨＥＭＴ素子１０が構成される。係る場合、ソース電極６とドレイン電極７とは、それぞれに十数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属電極として形成するのが好適である。係るソース電極６およびドレイン電極７は、障壁層５との間にオーミック性接触を有する態様にて形成される。一方、ゲート電極８は、それぞれに十数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の厚みを有するＰｄ／Ａｕからなる多層金属電極として生成するのが好適である。ゲート電極８は、障壁層５との間にショットキー性接触を有する態様にて形成される。

＜障壁層へのＧａドープ＞
上述したように、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０Ａが備える障壁層５には、Ｇａがドープされてなる。このＧａドープは、エピタキシャル基板１０Ａの（より厳密には、その最表層である障壁層５の）オーミックコンタクト特性を向上させる効果がある。具体的には、障壁層５におけるＧａのドーピング濃度を１．２×１０²⁰ｃｍ^-3以下とした場合に、係る効果が得られる。

特に、障壁層５におけるＧａのドーピング濃度を、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１．２×１０²⁰ｃｍ^-3以下とした場合には、エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗が、障壁層５にＧａがドープされていないエピタキシャル基板におけるコンタクト抵抗の少なくとも１／１０以下にまで、最も好適な場合であれば１／１０００以下程度にまで、低減される（図２参照）。なお、本実施の形態において、コンタクト抵抗は、ＴＬＭ（Transmission Line Method）法にて測定するものとする。

しかも、障壁層５におけるＩｎの存在比率（全III族元素に対するＩｎのモル分率）ｘが、０．１≦ｘ≦０．３５の範囲にある場合は、エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗は、約１×１０^-6Ω・ｃｍ²程度以下にまで低減される（図３参照）。これは、エピタキシャル基板１０Ａの上にオーミック性接触にて電極を形成するにあたって十分に低抵抗な状態が実現されていると判断される値である。

この場合において、Ｇａのドーピング濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とした場合には、エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗はさらに低減されて３×１０^-7Ω・ｃｍ²以下となる。すなわち、より低抵抗なエピタキシャル基板１０Ａが実現される。

障壁層５にＧａをドーピングしたエピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗が低減されるのは、障壁層５（あるいはそのマトリックス層）を構成するＩｎ_xＡｌ_1-xＮと、障壁層５にオーミック性接触させる金属との界面のポテンシャル差が、Ｇａドープによって低減されるためであると考えられる。

一方、Ｇａドーピング濃度が１．２×１０²⁰ｃｍ^-3より大きくなるとコンタクト抵抗低減の効果が良好に得られないのは、過剰なＧａドープのために障壁層５におけるシートキャリア濃度が低減されてしまい、その結果としてコンタクト抵抗が増大してしまうためと考えられる。

なお、障壁層５をｘ＞０．３５であるＩｎ_xＡｌ_1-xＮにて形成した場合は、障壁層５の障壁高さが小さいためにシートキャリア濃度が小さくなり、それゆえＧａをドープしたとしても、十分なコンタクト抵抗の低減効果が発現しないことが確認されている。

＜エピタキシャル基板の作製方法＞
次に、エピタキシャル基板１０Ａを作製する方法を説明する。

エピタキシャル基板１０Ａの作製は、公知のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。具体的には、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａについての有機金属（ＭＯ）原料ガス（ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＴＭＧ）と、アンモニアガスと、水素ガスと、窒素ガスとをリアクタ内に供給可能に構成されてなるＭＯＣＶＤ装置を用いる。

まず、例えば（０００１）面方位の２インチ径のサファイア基板などを下地基板１として用意し、該下地基板１を、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内に設けられたサセプタの上に設置する。リアクタ内を真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を５ｋＰａ〜５０ｋＰａの間の所定の値（例えば３０ｋＰａ）に保ちつつ、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した上で、サセプタ加熱によって基板を昇温する。

サセプタ温度がバッファ層形成温度である４００℃〜６００℃の間の所定温度（例えば５００℃）に達すると、Ｇａ原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、バッファ層２としてのＧａＮ層を形成する。あるいは、これに先立ち、１０００℃〜１２００℃（例えば１１５０℃）の高温保持によるサーマルクリーニングを行う態様であってもよい。

バッファ層２としてのＧａＮ層が形成されると、サセプタ温度を所定のチャネル層形成温度Ｔ１（℃）に保ち、Ｇａ原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、チャネル層３としてのＧａＮ層を形成する。ここで、チャネル層形成温度Ｔ１は、１０００℃≦Ｔ１≦１２００℃なる温度範囲から定められる値（例えば１１００℃）である。

チャネル層３としてのＧａＮ層が形成されると、引き続き、スペーサ層４としてのＡｌＮ層を形成する。ＡｌＮ層の形成は、サセプタ温度をチャネル層形成温度Ｔ１（℃）に保ったまま、リアクタ内を窒素ガス雰囲気に保ち、リアクタ圧力を１０ｋＰａとした後、Ａｌ原料ガスとアンモニアガスとをリアクタ内に導入することにより行う。

スペーサ層４としてのＡｌＮ層が形成されると、次いで、サセプタ温度を所定の障壁層形成温度Ｔ２（℃）に保ち、リアクタ内に窒素ガス雰囲気を形成する。障壁層形成温度Ｔ２は、障壁層５の組成（マトリックス層の組成）に応じて、６００℃≦Ｔ２≦９５０℃なる温度範囲から定められる値（例えば７００℃）である。その際、リアクタ内圧力は１ｋＰａ〜３０ｋＰａの間の所定の値（例えば１０ｋＰａ）に保たれるようにする。

続いて、アンモニアガスと、障壁層５の組成（マトリックス層の組成）に応じたモル比のＴＭＡおよびＴＭＩと、所望するドーピング濃度に対応したモル比のＴＭＧとをリアクタ内に導入する。これにより、障壁層５が形成される。

以上の手順により、エピタキシャル基板１０Ａが得られる。

なお、得られたエピタキシャル基板１０Ａの表面（障壁層５の表面）に、公知の薄膜形成手法やフォトリソグラフィプロセスを用いてソース電極６、ドレイン電極７、およびゲート電極８を形成すれば、ＨＥＭＴ素子１０が得られる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、チャネル層と障壁層とを有し、かつ障壁層をＩｎ_xＡｌ_1-xＮ層とする態様にてエピタキシャル基板を構成する場合において、障壁層に１．２×１０²⁰ｃｍ^-3以下の濃度でＧａをドープすることで、オーミックコンタクト特性の優れたエピタキシャル基板が実現される。係るエピタキシャル基板を用いてＨＥＭＴ素子を作製する場合には、ソース電極およびドレイン電極と障壁層との間に、良好なオーミックコンタクト特性が得られる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、スペーサ層４をＡｌＮにて形成しているが、これに代わり、Ａｌ_pＧａ_1-pＮ（０．１≦ｐ＜１）なる組成を有するIII族窒化物にて形成するようにしてもよい。なお、合金散乱効果の抑制による二次元電子ガスの濃度および移動度の向上という観点からは、ＡｌとＮの二元系化合物であるＡｌＮにてスペーサ層４を形成するのが最適であるが、０．９５≦ｐ＜１の場合も同程度の効果を得ることができる。

以下に示す実施例１および実施例２において、障壁層５（より具体的にはマトリックス層）におけるＩｎの存在比率ｘの値（目標値）およびＧａドーパント濃度が異なる種々のエピタキシャル基板１０Ａを作製し、種々の評価を行った。図２は、ｘの値が同じであるエピタキシャル基板１０Ａについて、Ｇａノンドープ（Ｇａドーパント濃度が０）のエピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗を１としたときの、Ｇａがドープされたエピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗の比を、Ｇａドーピング濃度に対してプロットした図である。図３は、Ｇａノンドープ以外のエピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗を、Ｇａドーピング濃度に対してプロットした図である。

（実施例１）
本実施例では、障壁層５（より具体的にはマトリックス層）におけるＩｎの存在比率ｘの値（目標値）を０．１８とし、Ｇａノンドープのものを含め、Ｇａドーパント濃度が異なる１８種のエピタキシャル基板１０Ａを作製した。

スペーサ層４の形成までは、全てのエピタキシャル基板１０Ａについて同様に行った。

まず、下地基板１として、（０００１）面方位の２インチ径サファイア基板を用意した。該サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内に設置し、真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を３０ｋＰａとし、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した。次いで、サセプタ加熱によって基板を昇温した。

サセプタ温度が１１５０℃に達した時点で、当該温度で１０分保持することにより、サファイア基板表面のサーマルクリーニングを行った。

次に、サセプタ温度を５００℃に降温させた後、Ｇａ原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、バッファ層２として厚さ２０ｎｍのＧａＮ層を形成した。

続いて、サセプタ温度を、チャネル層形成温度Ｔ１（℃）である１１００℃に保ち、Ｇａ原料ガスとアンモニアガスとをリアクタ内に導入し、リアクタ内圧力を１００ｋＰａとし、チャネル層３としてのＧａＮ層を２μｍの厚みに形成した。Ｇａ原料ガスのバブリング用ガスおよびキャリアガスには、全て水素／窒素混合ガスを用いた。

チャネル層３が得られると、サセプタ温度を１１００℃に保ったまま、リアクタ内圧力を１０ｋＰａとした後、Ａｌ原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入することにより、スペーサ層４として厚さ１ｎｍのＡｌＮ層を形成した。Ａｌ原料ガスのバブリング用ガスおよびキャリアガスには、全て水素／窒素混合ガスを用いた。

障壁層５の形成にあたっては、障壁層形成温度Ｔ２である７００℃にまでサセプタ温度を降温させるとともに、リアクタ内に窒素雰囲気を形成した後、リアクタ圧力を１０ｋＰａとした。

次いで、ＴＭＩ、ＴＭＡとアンモニアガスとをｘ＝０．１８が実現されるモル比でリアクタ内に導入することにより、障壁層５を１５ｎｍの厚みに形成した。その際には、Ｇａノンドープとする場合を除き、ＴＭＧを適宜のモル比で同時に導入した。具体的には、ＮＨ₃：ＴＭＡ：ＴＭＩ：ＴＭＧ＝１．０×１０⁷：１．０×１０³：１．５×１０³：１を基準として、ＴＭＧの比率を種々に違えた。なお、有機金属原料のバブリング用ガスおよびキャリアガスには、全て窒素ガスを用いた。

障壁層５が形成された後、サセプタ温度を室温付近まで降温し、リアクタ内を大気圧に復帰させた後、リアクタを大気開放して、作製されたエピタキシャル基板１０Ａを取り出した。これにより、エピタキシャル基板１０Ａが得られた。このエピタキシャル基板１０Ａを目視したところ、クラックの発生は確認されなかった。

得られたエピタキシャル基板１０Ａについて、Ｃ−Ｖ測定を行った。その結果、表面からの深さ約１５ｎｍ付近のところ（スペーサ層４が形成されている領域のあたり）に二次元電子ガス領域３ｅが形成されていることが確認された。

また、得られたエピタキシャル基板１０Ａについて、ＸＰＳによる障壁層５の表面元素分析とＸＲＤによる障壁層５の２θ−ωスキャンとを行った。その結果、前者においてはＩｎ、Ａｌ、Ｎのみが検出され、後者においては、Ｉｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎに相当する回折ピークのみが検出された。係る結果は、障壁層５が実質的にＩｎ_0.18Ａｌ_0.82Ｎ層であることを指し示している。

さらに、Ｇａノンドープのものを除く１７種のエピタキシャル基板１０Ａについて、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）により障壁層５におけるＧａの原子濃度（Ｇａドーピング濃度）を評価した。その結果、作製時のＴＭＧのモル比が最小のものと最大のものについては、ＳＩＭＳの検出可能範囲（Ｇａ濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜３×１０²⁰ｃｍ^-3）内においてＧａドーピング濃度が特定されなかったものの、他の１５種のエピタキシャル基板１０Ａについては、当該検出可能範囲内の値が得られた。例えば、障壁層５を形成する際のモル比をＮＨ₃：ＴＭＡ：ＴＭＩ：ＴＭＧ＝１．０×１０⁷：１．０×１０³：１．５×１０³：１としたエピタキシャル基板１０Ａにおいては、１．２×１０²⁰ｃｍ^-3というＧａ濃度が得られた。また、障壁層５を形成する際のＴＭＧのモル比が大きいほど、障壁層５におけるＧａ濃度が大きい傾向があった。係る結果から、少なくとも後者の１５種のエピタキシャル基板１０Ａについては、Ｇａがドープされていることが確認された。なお、本実施例では、障壁層５を形成する際の原料ガスのモル比によりＧａの原子濃度を制御しているが、これに限定されるものではなく、例えば原料ガスの流量比によっても適宜制御可能である。

（実施例２）
本実施例では、障壁層５におけるＩｎの存在比率ｘの値（目標値）を０．０７、０．１０、０．３５、０．３９の４水準とし、それぞれについて、Ｇａノンドープのものを含め、Ｇａドーパント濃度が異なる複数種のエピタキシャル基板１０Ａを作製した。

具体的には、障壁層５を形成する際の原料ガスのモル比およびサセプタ温度をＩｎの存在比率ｘに応じて設定した他は、実施例１と同様の手順で行った。

得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０Ａについて、目視によりクラックの発生の有無を確認したところ、ｘ＝０．０７に設定した全てのエピタキシャル基板１０Ａにおいて、クラックが発生していた。そのため、ｘ＝０．０７のエピタキシャル基板１０Ａにおいては、以降の評価を行わなかった。

ｘ＝０．１０、０．３５、０．３９のエピタキシャル基板１０Ａについて、実施例１と同様に、ＳＩＭＳによりＧａドーピング濃度を評価した。その結果、実施例１と同様に、作製時のＴＭＧのモル比が最小のものと最大のものを除くエピタキシャル基板１０Ａについて、ＳＩＭＳの検出可能範囲内の値が得られた。

また、実施例１および実施例２で作製した、ｘ＝０．１０、０．１８、０．３５、０．３９のエピタキシャル基板１０Ａについて、ＴＬＭ法によりコンタクト抵抗を測定した。これにより、図２および図３に示す結果が得られた。

なお、図２および図３においては、ＳＩＭＳの検出可能範囲においてＧａ濃度が特定されなかった２つのエピタキシャル基板１０Ａに係るデータもプロットしている。具体的には、Ｇａドーピング濃度が最小（５×１０¹⁵ｃｍ^-3）と最大（５×１０²⁰ｃｍ^-3）のデータがこれに対応する。これらのＧａドーピング濃度は、それぞれの場合のＴＭＧのモル比と、ＳＩＭＳによってＧａドーピング濃度が特定されたエピタキシャル基板１０ＡにおけるＴＭＧのモル比との関係に基づいて、外挿した推定値である。ただし、図２および図３における他のデータの傾向を踏まえると、係る推定値は概ね妥当と判断される。すなわち、ＳＩＭＳでＧａ濃度が特定されなかったエピタキシャル基板１０Ａにおいても、当該推定値が示す程度の濃度でＧａがドープされていると判断される。

特に、図２によれば、Ｇａドーピング濃度が最小の５×１０¹⁵ｃｍ^-3と推定されるエピタキシャル基板１０Ａにおいても、Ｇａノンドープのエピタキシャル基板１０Ａよりもコンタクト抵抗が減少していることから、ドーピング濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下という、ＳＩＭＳで検出されない程度にまで微量のＧａ原子が障壁層５にドープされる場合であっても、エピタキシャル基板１０Ａにおけるオーミックコンタクト特性の改善の効果があると判断される。

また、図２からは、障壁層５におけるＧａのドーピング濃度を１．２×１０²⁰ｃｍ^-3以下とした場合に、エピタキシャル基板１０Ａにおけるオーミックコンタクト特性の改善の効果が得られる（Ｇａノンドープの場合よりもコンタクト抵抗は小さくなる）ことがわかる。さらには、当該ドーピング濃度を５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１．２×１０²⁰ｃｍ^-3以下とした場合には、エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗が、Ｇａノンドープの場合の少なくとも１／１０以下にまで、最も好適な場合であれば１／１０００以下程度にまで、低減されることがわかる。

一方、図３からは、障壁層５におけるＩｎの存在比率ｘが、０．１≦ｘ≦０．３５の範囲にある場合は、エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗が、約１×１０^-6Ω・ｃｍ²程度以下にまで低減されることがわかる。また、これに加えて、Ｇａのドーピング濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とした場合には、エピタキシャル基板１０Ａのコンタクト抵抗がより低減されて３×１０^-7Ω・ｃｍ²以下となることがわかる。

１ 下地基板
２ バッファ層
３ チャネル層
３ｅ 二次元電子ガス領域
４ スペーサ層
５ 障壁層
６ ソース電極
７ ドレイン電極
８ ゲート電極
１０ ＨＥＭＴ素子
１０Ａ エピタキシャル基板

Claims (5)

1. 半導体素子用エピタキシャル基板であって、
   下地基板と、
   ＧａＮからなるチャネル層と、
   ＡｌＮからなるスペーサ層と、
   III族元素としてＩｎとＡｌとＧａとを含む障壁層と、
   を備え、
   前記障壁層が実質的に、Ｉｎ _ｘ Ａｌ _１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）からなるマトリックス層にＧａ原子がドープされることで構成されてなり、
   前記障壁層におけるＧａ原子の濃度が１．２×１０^２０ｃｍ^−３以下である、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
2. 請求項１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
   前記障壁層におけるＧａ原子の濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３以上である、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
   前記障壁層において０．１≦ｘ≦０．３５である、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
4. 請求項３に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
   前記障壁層におけるＧａ原子の濃度が１×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ 以上１×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以下である、
   ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の前記障壁層の上に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極が設けられてなる半導体素子。

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