JP6373015B2 - 半導体エピタキシャルウエハおよび半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体エピタキシャルウエハおよび半導体装置に関する。

一般に、電界効果型トランジスタ等の半導体装置は、半導体エピタキシャルウエハを用いて形成される。半導体エピタキシャルウエハは、基板上にバッファ層（緩衝層）を介してチャネル層（電子走行層）が積層され、さらにその上にバリア層（電子供給層、障壁層)が積層されてなるものである。
このような半導体エピタキシャルウエハにおいて、バッファ層には、高い絶縁性が求められる。バッファ層部分にリーク電流が生じてしまうと、イオン注入法による素子間の分離が困難になる、または電界効果型トランジスタを形成した場合にピンチオフしない等の障害が発生し得るからである。
このことから、電界効果型トランジスタ用の半導体エピタキシャルウエハについては、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の窒化物半導体でチャネル層を形成するのに対して、組成式Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で表される窒化物半導体（以下「ＩｎＡｌＮ」ともいう。）を用いてバッファ層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。これは、ＩｎＡｌＮが、特にＩｎ組成比が少ない場合においてＧａＮよりもバンドギャップが大きく高抵抗化し易く、またＧａＮとの格子整合にも適しているからである。具体的には、その一例として、基板上に形成されたバッファ層がＩｎＡｌＮバッファ層とＡｌＮバッファ層の積層構造からなり、さらにその上にＧａＮからなるチャネル層を形成した半導体エピタキシャルウエハがある（例えば、特許文献１参照）。また、他の例として、基板上に形成されたバッファ層がＩｎＡｌＮバッファ層とＧａＮバッファ層の積層構造からなり、さらにその上にＧａＮからなるチャネル層を形成した半導体エピタキシャルウエハがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１１４６５３号公報 特開２００６−１１４６５４号公報

しかしながら、上述した構成の半導体エピタキシャルウエハは、基板の直上にＩｎＡｌＮ層を形成するため、電界効果型トランジスタ等の半導体装置を形成した場合に、必ずしも良好なデバイス特性（例えばピンチオフ特性）が得られるとは限らない。それは、高品質のＩｎＡｌＮ層を基板上に直接形成することが困難だからである。
さらに詳しく説明すると、ＩｎＡｌＮ層は、例えば１１００〜１２００℃程度の比較的高温で形成すると、Ｉｎ組成が優先的に昇華してしまい、Ｉｎ組成が欠損した結晶となるため、適切な組成比が得られなくなる。そのため、ＩｎＡｌＮ層は、例えば６００〜８００℃程度の比較的低温で形成することが一般的である。ところが、比較的低温で形成すると、比較的高温で形成する場合のようなサーマルクリーニング効果等が期待できず、ＩｎＡｌＮ層に導電性不純物が混入してしまうおそれがある。ＩｎＡｌＮ層に導電性不純物が混入すると、バッファ層の絶縁性が損なわれることになるから、結果として良好なデバイス特性（例えばピンチオフ特性）を有する半導体装置を得ることが難しくなる。

そこで、本発明の目的は、高い絶縁性を確保しつつチャネル層との格子整合を確実に行えるバッファ層を有した半導体エピタキシャルウエハを提供するとともに、その半導体エピタキシャルウエハを用いて形成することで良好なデバイス特性を得ることが可能な半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、
基板上にバッファ層とチャネル層とを積層した半導体エピタキシャルウエハにおいて、
前記バッファ層は、
ＡｌＮを主成分として形成され前記基板に面して設けられた絶縁性層と、
Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮを主成分として形成され前記チャネル層に面して設けられた格子整合層と、を備える
ことを特徴とする半導体エピタキシャルウエハである。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の半導体エピタキシャルウエハにおいて、
前記バッファ層は、前記絶縁性層と前記格子整合層との間に、ＧａＮからなる中間層を備える
ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の半導体エピタキシャルウエハにおいて、
前記中間層は、鉄または炭素がドーピングされている
ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれか１態様に記載の半導体エピタキシャルウエハにおいて、
前記格子整合層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮのＩｎ組成ｘが０．１２≦ｘ≦０．２５である
ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１から第４のいずれか１態様に記載の半導体エピタキシャルウエハにおいて、
前記チャネル層の層厚が９０ｎｍ以下である
ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１から第７のいずれか１態様に記載の半導体エピタキシャルウエハを用いて形成されたことを特徴とする半導体装置である。

本発明によれば、高い絶縁性を確保しつつチャネル層との格子整合を確実に行えるバッファ層を有した半導体エピタキシャルウエハを提供することができる。また、その半導体エピタキシャルウエハを用いて形成することで、良好なデバイス特性を得ることが可能な半導体装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態における半導体エピタキシャルウエハの概略構成例を示す側断面図である。 本発明の第１の実施の形態における半導体装置の概略構成例を示す側断面図である。 本発明の第２の実施の形態における半導体エピタキシャルウエハの概略構成例を示す側断面図である。 本発明の一実施例および比較例について、チャネル層における電子移動度の具体例を示すグラフ図である。

以下、図面に基づき本発明に係る半導体エピタキシャルウエハおよび半導体装置について説明する。

＜第１の実施の形態＞
先ず、本発明の第1の実施の形態について、窒化物半導体エピタキシャルウエハおよび電界効果型トランジスタを例に挙げて説明する。

（１）窒化物半導体エピタキシャルウエハの構成
図１は、本発明の第1の実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウエハの概略構成例を示す側断面図である。
図例のように、第１の実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、基板２上にバッファ層３を介してチャネル層４が積層され、さらにその上にバリア層５が積層されてなる。

（基板）
基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等で形成されている。さらに具体的には、基板２として、例えばポリタイプ４Ｈあるいはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板等が用いられる。

（バッファ層）
バッファ層３は、基板２のいずれかの主面上に形成され、基板２とチャネル層４との格子定数差を緩衝する緩衝層として機能するものである。ただし、本実施形態において、バッファ層３は、ＡｌＮ層３ａとＩｎＡｌＮ層３ｂとが積層された二層構造となっている。

ＡｌＮ層３ａは、ＡｌＮを主成分として形成された層であり、基板２に面して位置するように設けられている。このＡｌＮ層３ａは、詳細を後述するように、主としてバッファ層３の高絶縁性を確保するための絶縁性層として機能するものである。なお、ＡｌＮ層３ａは、必ずしも基板２上に一様の膜厚で形成されている必要はなく、例えば上面側（基板２と接する側とは反対側）に所定形状の核（凸部）が形成されていてもよいし、また基板２上に島状に形成されていてもよい。核（凸部）が形成され、または島状に形成されている場合には、その上にＩｎＡｌＮ層３ｂを形成する際、結晶中の転位同士を会合させて、消滅させることができる。つまり、ＩｎＡｌＮ層３ｂの歪みを緩和することができ、その結果としてＩｎＡｌＮ層３ｂの膜厚を薄くすることができる。

ＩｎＡｌＮ層３ｂは、組成式Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）で表される窒化物半導体を主成分として形成された層であり、チャネル層４に面して位置するように設けられている。このＩｎＡｌＮ層３ｂは、詳細を後述するように、バッファ層３の絶縁性を確保しつつ、主としてチャネル層４との格子整合を確実に行うための格子整合層として機能するものである。このことから、ＩｎＡｌＮ層３ｂは、チャネル層４と格子整合するように、Ｉｎ組成ｘを制御して構成されている。ここで、格子整合するとは、ＩｎＡｌＮ層３ｂの上面とチャネル層４の下面との格子定数が略一致すること、さらに詳しくは格子不整合率が０．５％以下、好ましくは０．４％以下となるように形成されていることをいう。具体的には、ＩｎＡｌＮ層３ｂにおけるＩｎ組成ｘは、０．１２≦ｘ≦０．２５、好ましくは０．１５≦ｘ≦０．２１、より好ましくはｘ＝０．１８程度であるとよい。

（チャネル層）
チャネル層４は、バッファ層３上に窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成され、電子が走行する電子走行層として機能するものである。このチャネル層４は、ＩｎＡｌＮ層３ｂと格子整合することから、結晶中に歪みを有さず、無歪みとなるように形成されている。したがって、チャネル層４は、従来構成（例えば特許文献１，２参照）に比べて薄膜化が可能であり、層厚（平均膜厚）が例えば９０ｎｍ以下となるように形成されている。

（バリア層）
バリア層５は、チャネル層４上に当該チャネル層４の形成材料より電子親和力の小さい窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）で形成され、チャネル層４に電子を供給する電子供給層として機能するとともに、二次元電子ガス（Two Dimentional Electorn Gas）を空間的に閉じ込める障壁層として機能するものである。このバリア層５によって、チャネル層４におけるバリア層５との界面近傍には、バリア層５のピエゾ効果によって誘起される二次元電子ガスが存在することになる。なお、バリア層５は、その形成材料が必ずしもＡｌＧａＮに限られることはなく、ＡｌＮの単層またはＡｌＮとＡｌＧａＮとを組み合わせた複合層であってもよく、その場合であってもピエゾ効果によって二次元電子ガスが誘起される。また、バリア層５は、ＩｎＡｌＮの単層であってもよく、その場合にはバリア層５の自発分極によって二次元電子ガスが誘起されることになる。

（２）窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法
次に、上述した構成の窒化物半導体エピタキシャルウエハ１の製造方法の一例について説明する。ここでは、有機金属気相成長装置、別名ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置を用い、バッファ層３、チャネル層４およびバリア層５をエピタキシャル成長法により形成させる場合を例に挙げて説明する。

（基板搬入・前処理工程）
窒化物半導体エピタキシャルウエハ１の製造にあたっては、先ず、基板２として、例えばポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用意して、ＭＯＣＶＤ装置が備える処理室内に搬入する。そして、前処理工程として、基板２を搬入した処理室内を、アンモニア（ＮＨ_３）を含まないＨ_２／Ｎ_２混合ガスフロー雰囲気とし、所定設定温度（例えば１１７５℃）で所定時間（例えば５分間）加熱処理をする。この加熱処理により、処理室内の基板２は、その表面が清浄化される。このとき、加熱処理は、基板２に対して直接的に（何らかの層が成膜されていない状態で）行うため、後述するＡｌＮ層３ａの形成に適した１１００〜１２００℃程度の比較的高温（例えば上述した所定設定温度である１１７５℃）で行うことができ、サーマルクリーニング効果等により基板２の表面に対する清浄化を確実なものとすることができる。

（バッファ層形成工程）
前処理工程の終了後は、ＭＯＣＶＤ装置の処理室内にアンモニア（ＮＨ_３）ガスを例えばＨ_２／ＮＨ_３比≦４となる条件で所定時間（例えば２５秒間）導入する。このＮＨ_３ガスフローにより、バッファ層形成工程でＡｌＮ層３ａを形成する際の窒素原子の脱離を防ぎ、ＡｌＮ層３ａの高品質化を図ることができる。

その後は、処理室内が所定設定温度（例えば１１７５℃）の状態で、ＡｌＮ層３ａを形成する原料ガスの処理室内への供給を開始する。ＡｌＮ層３ａを形成する原料ガスとしては、例えばＮＨ_３ガスとＴＭＡ（Tri Methyl Aluminium）ガスとの混合ガスを用いることができる。そして、基板２のいずれかの主面上にバッファ層３の一部として、所定厚さ（例えば平均膜厚３０ｎｍ）のＡｌＮ層３ａを形成する。このようにして形成するＡｌＮ層３ａは、基板２の表面が確実に清浄化されており不純物混入を未然に回避することができ、またＡｌＮ層３ａを形成する際の窒素原子の脱離が防止されるので、高品質なものとなる。

ＡｌＮ層３ａを形成したら、次いで、ＭＯＣＶＤ装置の処理室内を上述した所定設定温度より低温の所定設定温度となるまで冷却する。冷却後の所定設定温度は、後述するＩｎＡｌＮ層３ｂの形成に適した６００〜８００℃程度の比較的低温（例えば７００℃）であればよい。また、冷却と同時に、処理室内の炉内キャリアガス雰囲気をＨ_２／Ｎ_２混合のものからＮ_２がメインのものへと移行させる。そして、処理室内が低温の所定設定温度（例えば７００℃）の状態で、ＩｎＡｌＮ層３ｂを形成する原料ガスの処理室内への供給を開始する。ＩｎＡｌＮ層３ｂを形成する原料ガスとしては、例えばＮＨ_３ガスとＴＭＡガスとＴＭＩ（Tri Methyl Indium）ガスとの混合ガスを用いることができる。これにより、ＡｌＮ層３ａ上に、バッファ層３の一部として、所定厚さ（例えば平均膜厚５００ｎｍ）のＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ層３ｂを形成する。ＩｎＡｌＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＩガスとの流量を調整することで制御する。

このようにして、バッファ層形成工程では、ＡｌＮ層３ａ上にＩｎＡｌＮ層３ｂが積層されてなる二層構造のバッファ層３を形成する。したがって、ＡｌＮ層３ａの形成後にＩｎＡｌＮ層３ｂを形成することになるので、ＩｎＡｌＮ層３ｂの形成後に比較的高温での処理を行う必要がない。つまり、ＩｎＡｌＮ層３ｂについては、Ｉｎ組成が昇華して欠損した結晶となってしまうことがなく、適切な組成比が得られるので、後述するチャネル層４との格子整合を確実なものとすることができる。

（チャネル層形成工程）
バッファ層形成工程の終了後は、ＴＭＡガスおよびＴＭＩガスの処理室内への供給を停止するとともに、例えばＴＭＧ（Tri Methyl Gallium）ガスの処理室内への供給を開始する。このとき、ＮＨ_３ガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＧガスの供給開始により、チャネル層４としてのＧａＮ層の形成が開始される。そして、バッファ層３の上面に、チャネル層４として、所定厚さ（例えば平均膜厚が３０ｎｍ）のＧａＮ層を形成する。

（バリア層形成工程）
チャネル層形成工程の終了後は、ＴＭＡガスの処理室内への供給を再開する。このとき、ＮＨ_３ガスおよびＴＭＧガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＡガスの処理室内への供給再開により、バリア層５としてのＡｌＧａＮ層の形成が開始される。そして、チャネル層４の上面に、バリア層５として、所定厚さ（例えば平均膜厚が２０ｎｍ）のＡｌ_0.29Ｇａ_0.71Ｎ層を形成する。ＡｌＧａＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＧガスとの流量を調整することで制御する。

（基板搬出工程）
バリア層形成工程の終了後は、基板２を処理室内から搬出し、本実施形態にかかる窒化物半導体エピタキシャルウエハ１の製造工程を終了する。

（３）電界効果型トランジスタの構成
次に、上述した構成の窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を用いて構成される電界効果型トランジスタについて説明する。
電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）は、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を用いて構成される半導体装置の一例であり、ゲート電極から生じる電界によって電流の流れを制御する方式のトランジスタ構造を有したものである。この電界効果型トランジスタには、半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとした高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）が含まれる。

図２は、本発明の第1の実施の形態における電界効果型トランジスタの概略構成例を示す側断面図である。
図例のように、第1の実施の形態における電界効果型トランジスタ１０は、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１の上面、すなわちつまりバリア層５の上面に設けられる電極１１を備えている。電極１１としては、ゲート電極１１ａと、ソース電極１１ｂと、ドレイン電極１１ｃとが設けられている。また、バリア層５の上面と電極１１との間には、中間層１２として例えばＧａＮ層が設けられていてもよい。

（４）本実施形態の効果
本実施形態によれば、以下に述べる１つまたは複数の効果を奏する。

（ａ）本実施形態によれば、バッファ層３が、基板２に面して設けられたＡｌＮ層３ａと、チャネル層４に面して設けられたＩｎＡｌＮ層３ｂとの二層構造となっている。そのため、バッファ層３の形成にあたり、ＡｌＮ層３ａを比較的高温で形成した後にＩｎＡｌＮ層３ｂを比較的低温で形成することになるので、ＡｌＮ層３ａとＩｎＡｌＮ層３ｂのそれぞれがいずれも高品質なものとなる。つまり、ＡｌＮ層３ａについては、基板２の表面が確実に清浄化されており不純物混入を未然に回避できるので、高品質なものとなる。また、ＩｎＡｌＮ層３ｂについては、Ｉｎ組成が昇華して欠損した結晶となってしまうことがなく、適切な組成比が得られるので、高品質なものとなる。
ＡｌＮ層３ａとＩｎＡｌＮ層３ｂのそれぞれがいずれも高品質なものであれば、これらが積層されて構成されるバッファ層３は、高い絶縁性を確保しつつチャネル層４との格子整合を確実に行えるものとなる。つまり、高品質のＡｌＮ層３ａは、不純物の混入等がなく、高い絶縁性が得られるため、高絶縁性を確保するための絶縁性層として機能することになり、電界効果型トランジスタ１０等の半導体装置を構成した場合に良好なデバイス特性（例えばピンチオフ特性）を得ることを可能にする。また、高品質のＩｎＡｌＮ層３ｂは、チャネル層４を構成するＧａＮよりもバンドギャップが大きく高抵抗化し易いため、バッファ層３の高絶縁性確保に寄与する。さらに、高品質のＩｎＡｌＮ層３ｂは、適切な組成比が確実に得られるようになるので、チャネル層４と確実に格子整合することを可能にする。
このように、本実施形態におけるバッファ層３は、高い絶縁性の確保と、チャネル層との確実な格子整合とについて、これらを両立させることを実現可能にする。

（ｂ）本実施形態によれば、ＩｎＡｌＮ層３ｂのＩｎ組成ｘが０．１２≦ｘ≦０．２５であるので、バッファ層３とチャネル層４を確実に格子整合することができ、具体的にはバッファ層３とチャネル層４との格子不整合率を０．５％以下にできる。特に、ＩｎＡｌＮ層３ｂのＩｎ組成ｘがｘ＝０．１８程度であると、バッファ層３とチャネル層４との格子不整合率を略０％にできる。

（ｃ）本実施形態によれば、上述したようにバッファ層３とチャネル層４を確実に格子整合することができるので、チャネル層４の薄膜化が実現可能となる。格子不整合が生じると結晶中に生じる結晶歪みを緩和させるためにチャネル層４の膜厚を厚くする必要があるが、確実に格子整合できればその必要がないからである。具体的には、従来構成（例えば特許文献１，２参照）であれば、少なくとも例えば２００ｎｍ以上の層厚（平均膜厚）が必要であるところ、本実施形態によれば、チャネル層４の層厚（平均膜厚）を例えば９０ｎｍ以下にすることができ、その場合であってもチャネル層４の電子移動度等につき良好な特性が得られる。

（ｄ）本実施形態によれば、チャネル層４の薄膜化が実現可能となるため、二次元電子ガスが走行するための領域が、従来構成（例えば特許文献１，２参照）の場合に比べると、極めて狭いものとなる。つまり、チャネル層４の薄膜化によって、二次元電子ガスの極めて狭い領域への閉じ込め効果を得ることができる。そのため、チャネル層４を移動する二次元電子ガス中の電子の移動度（電子移動度）の低下を抑制でき、電界効果型トランジスタ１０を構成した場合の電気特性を向上させることができる。具体的には、電界効果型トランジスタ１０を高出力で作動させることができる。また、チャネル層４の薄膜化によって、ショートチャネル効果を抑制してゲート電極長を短くでき、電界効果型トランジスタ１０を構成した場合の高周波特性を向上させることができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。ただし、ここでは、上述した第１の実施の形態との相違点のみを説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウエハの概略構成例を示す側断面図である。
図例のように、第２の実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウエハ１は、バッファ層３がＡｌＮ層３ａとＩｎＡｌＮ層３ｂとの間に中間層としてのＧａＮ層３ｃを備えた三層構造となっている点で、上述した第１の実施の形態の場合とは異なる。このＧａＮ層３ｃには、鉄（Ｆｅ）または炭素（Ｃ）がドーピングされていてもよい。

このような三層構造のバッファ層３は、第１の実施の形態の場合と同様にＡｌＮ層３ａの形成後、ＩｎＡｌＮ層３ｂの形成に先立ち、ＴＭＡガスに代えてＴＭＧガスを処理室内へ供給し、中間層としてのＧａＮ層３ｃを所定厚さ（例えば平均膜厚５００ｎｍ）で形成し、その後に第１の実施の形態の場合と同様にＩｎＡｌＮ層３ｂの形成することで、得ることが可能である。

本実施形態においても、バッファ層３は、基板２に面して設けられたＡｌＮ層３ａと、チャネル層４に面して設けられたＩｎＡｌＮ層３ｂとを備えている。そのため、本実施形態のバッファ層３においても、第１の実施の形態の場合と同様に、高い絶縁性の確保と、チャネル層との確実な格子整合とについて、これらを両立させることを実現可能にする。

しかも、本実施形態によれば、バッファ層３がＡｌＮ層３ａ、ＧａＮ層３ｃおよびＩｎＡｌＮ層３ｂの三層構造であることから、第１の実施の形態の場合と比べて、より低い転位密度のバッファ層３を得ることができる。このことは、特にＧａＮ層３ｃにＦｅまたはＣをドーピングした場合に顕著となる。

＜変形例等＞
以上に、本発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態を説明したが、上記の開示内容は、本発明の例示的な実施形態を示すものである。すなわち、本発明の技術的範囲は、上記の例示的な実施形態に限定されるものではない。

例えば、第１の実施の形態では、本発明に係る半導体装置の一例として、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を例に挙げて説明したが、本発明がこれに限定されることはなく、半導体レーザ等の他の半導体装置についても本発明を適用することが可能である。

次に、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。ただし、本発明が、以下の実施例に限定されないことは勿論である。

（実施例）
本発明の実施例では、第１の実施の形態で説明した製造方法の手順に従い、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板からなる基板２上に、平均膜厚３０ｎｍのＡｌＮ層３ａと平均膜厚５００ｎｍのＩｎＡｌＮ層３ｂとがその順で積層されてなるバッファ層３を形成し、その上にチャネル層４としてのＧａＮ層を平均膜厚３０ｎｍで形成し、さらにその上にバリア層５としてのＡｌＧａＮ層を平均膜厚が２０ｎｍで形成して、窒化物半導体エピタキシャルウエハ１を構成した。

（比較例１）
続いて、上述した実施例との比較のために構成した比較例１について説明する。比較例１における窒化物半導体エピタキシャルウエハは、例えば特許文献１に開示された積層構造のものである。

比較例１では、基板として例えばポリタイプ４Ｈあるいはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用意して、ＭＯＣＶＤ装置が備える処理室内に搬入する。そして、処理室内を、ＮＨ_３を含まないＨ_２／Ｎ_２混合ガスフロー雰囲気とし、例えば１１７５℃で例えば５分間加熱処理をする。
その後は、ＭＯＣＶＤ装置の処理室内を例えば７００℃まで冷却する。また、冷却と同時に、処理室内の炉内キャリアガス雰囲気をＨ_２／Ｎ_２混合のものからＮ_２がメインのものへと移行させる。そして、処理室内に対して、ＮＨ_３ガスとＴＭＡガスとＴＭＩガスとの混合ガスを供給する。これにより、ＳｉＣ基板上に、バッファ層として、例えば平均膜厚５００ｎｍのＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ層を形成する。ＩｎＡｌＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＩガスとの流量を調整することで制御する。
バッファ層を形成したら、その後は、ＴＭＡガスおよびＴＭＩガスの処理室内への供給を停止するとともに、ＴＭＧガスの処理室内への供給を開始する。このとき、ＮＨ_３ガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＧガスの供給開始によりＧａＮ層の形成が開始される。そして、バッファ層の上面に、チャネル層として、例えば平均膜厚が６０ｎｍのＧａＮ層を形成する。
チャネル層を形成したら、その後は、ＴＭＡガスの処理室内への供給を再開する。このとき、ＮＨ_３ガスおよびＴＭＧガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＡガスの処理室内への供給再開によりＡｌＧａＮ層の形成が開始される。そして、チャネル層の上面に、バリア層として、例えば平均膜厚が２０ｎｍのＡｌ_0.29Ｇａ_0.71Ｎ層を形成する。ＡｌＧａＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＧガスとの流量を調整することで制御する。

以上の手順を経ることで、比較例１における窒化物半導体エピタキシャルウエハを構成した。

（比較例２）
続いて、上述した実施例との比較のために構成した比較例２について説明する。比較例２における窒化物半導体エピタキシャルウエハは、例えば特許文献２に開示された積層構造のものである。

比較例２では、基板として例えばポリタイプ４Ｈあるいはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用意して、ＭＯＣＶＤ装置が備える処理室内に搬入する。そして、処理室内を、ＮＨ_３を含まないＨ_２／Ｎ_２混合ガスフロー雰囲気とし、例えば１１７５℃で例えば５分間加熱処理をする。
その後は、ＭＯＣＶＤ装置の処理室内を例えば７００℃まで冷却する。また、冷却と同時に、処理室内の炉内キャリアガス雰囲気をＨ_２／Ｎ_２混合のものからＮ_２がメインのものへと移行させる。そして、処理室内に対して、ＮＨ_３ガスとＴＭＡガスとＴＭＩガスとの混合ガスを供給する。これにより、ＳｉＣ基板上に、バッファ層の一部として、例えば平均膜厚５００ｎｍのＩｎ_0.17Ａｌ_0.83Ｎ層を形成する。ＩｎＡｌＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＩガスとの流量を調整することで制御する。
ＩｎＡｌＮ層を形成したら、次いで、ＴＭＩガスの処理室内への供給を停止する。このとき、ＮＨ_３ガスおよびＴＭＡガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＩガスの供給停止によりＡｌＮ層の形成が開始される。そして、ＩｎＡｌＮ層の上面に、バッファ層の一部として、例えば平均膜厚が３００ｎｍのＡｌＮ層を形成する。
このようにして、ＩｎＡｌＮ層上にＡｌＮ層が積層されてなる二層構造のバッファ層を形成する。
バッファ層を形成したら、その後は、ＴＭＡガスの処理室内への供給を停止するとともに、ＴＭＧガスの処理室内への供給を開始する。このとき、ＮＨ_３ガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＧガスの供給開始によりＧａＮ層の形成が開始される。そして、バッファ層の上面に、チャネル層として、例えば平均膜厚が２００ｎｍのＧａＮ層を形成する。
チャネル層を形成したら、その後は、ＴＭＡガスの処理室内への供給を再開する。このとき、ＮＨ_３ガスおよびＴＭＧガスの処理室内への供給は続いているため、ＴＭＡガスの処理室内への供給再開によりＡｌＧａＮ層の形成が開始される。そして、チャネル層の上面に、バリア層として、例えば平均膜厚が２０ｎｍのＡｌ_0.29Ｇａ_0.71Ｎ層を形成する。ＡｌＧａＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＧガスとの流量を調整することで制御する。

以上の手順を経ることで、比較例２における窒化物半導体エピタキシャルウエハを構成した。

（電気的特性の評価）
以上のように構成した実施例および比較例１，２について、その電気的特性として、チャネル層における電子移動度の評価を行った。
図４は、実施例および比較例１，２について、チャネル層における電子移動度の具体例を示すグラフ図である。
図例によれば、実施例は、比較例１，２に比べて、有意に高い電子移動度が得られており、高品質な窒化物半導体エピタキシャルウエハ１となっていることがわかる。これは、比較例１，２の場合は不純物の混入等によりバッファ層の絶縁性が損なわれるおそれがあるのに対して、実施例の構成であればＡｌＮ層３ａの存在によりバッファ層３が高い絶縁性を確保できるからと考えられる。さらには、ＩｎＡｌＮ層３ｂの存在によりチャネル層４との格子整合を確実に行えるようになり、そのためにチャネル層４の層厚（平均膜厚）を例えば９０ｎｍ以下としても、結晶歪み等のない高品質のチャネル層４を形成でき、その結果として電子移動度等につき良好な特性が得られるからと考えられる。

１…窒化物半導体エピタキシャルウエハ、２…基板、３…バッファ層、３ａ…ＡｌＮ層、３ｂ…ＩｎＡｌＮ層、３ｃ…ＧａＮ層、４…チャネル層、５…バリア層、１０…電界効果型トランジスタ、１１…電極、１１ａ…ゲート電極、１１ｂ…ソース電極、１１ｃ…ドレイン電極、１２…中間層

Claims (4)

1. 基板上にバッファ層とＧａＮからなるチャネル層とを積層した半導体エピタキシャルウエハにおいて、
   前記バッファ層は、
   ＡｌＮを主成分として形成され前記基板に面して設けられた絶縁性層と、
   ＩｎｘＡｌ１−ｘＮを主成分として形成され前記チャネル層に面して設けられた格子整合層と、
   前記絶縁性層と前記格子整合層との間に形成されたＧａＮからなる中間層と、を備え、
   前記チャネル層の層厚が９０ｎｍ以下である
   ことを特徴とする半導体エピタキシャルウエハ。
2. 前記中間層は、鉄または炭素がドーピングされている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体エピタキシャルウエハ。
3. 前記格子整合層は、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮのＩｎ組成ｘが０．１２≦ｘ≦０．２５である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体エピタキシャルウエハ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体エピタキシャルウエハを用いて形成されたことを特徴とする半導体装置。

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