JP6527667B2 - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体基板、窒化物半導体デバイス、窒化物半導体基板の製造方法、及び、窒化物半導体デバイスの製造方法に関する。

特許文献１には、窒化物半導体からなる自立基板の上に、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法で、Ｃ原子を不純物として含む窒化物半導体の半絶縁層を生成する窒化物半導体基板の製造方法が開示されている。具体的には、窒化物半導体を成長させるための原料ガス（ＨＣｌ、ＮＨ_３）、及び、キャリアガス（Ｈ_２）に加えて、Ｃ原子のドーピングガス（ＣＨ_４）を供給しながら、ＨＶＰＥ法で窒化物半導体を成長させることで、Ｃ原子を不純物として含む窒化物半導体の半絶縁層を生成する方法が開示されている。

特開２０１２−１９９３９８号公報

本発明者らは、ＨＶＰＥ法でＣ原子のドーピングガスを供給しながら窒化物半導体を成長させる手段の場合、Ｃ原子を不純物として含む窒化物半導体層（半絶縁層）の結晶性が良好でないことを見出した。

当該自立基板の上には、電子デバイスや光デバイス等の窒化物半導体デバイスが生成される場合があるが、半絶縁層の結晶性が良好でない場合、リーク電流、耐圧（オフ耐圧）性能の不良、半絶縁層の上に生成される層の品質（結晶性、転位・欠陥の数等）の不良等の問題が発生する。

本発明は、窒化物半導体からなる下地基板の上にＣ原子を不純物として含む窒化物半導体の層（半絶縁層）を生成し、その上に、他の層やデバイスを生成する際に、当該他の層やデバイスの品質が不十分となる不都合を解消する手段を提供することを課題とする。

本発明によれば、
下地基板と、
前記下地基板上に形成され、炭素を不純物として含み、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層と、
を有する窒化物半導体基板が提供される。

また、本発明によれば、前記窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の上に形成された窒化物半導体層と、を有する窒化物半導体デバイスが提供される。

また、本発明によれば、
ＧａＮ基板を準備する準備工程と、
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で、前記ＧａＮ基板上に、炭素を不純物として含み、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層を形成する炭素含有窒化物層形成工程と、
を有し、
前記炭素含有窒化物層形成工程では、温度９００℃以上１１５０℃以下、真空度３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、Ｖ／ＩＩＩ比５０以上２００以下、成膜速度１５μｍ／ｈ以上の成長条件で窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体の原料となる有機金属中に含まれる炭素が含有した窒化物半導体の層を形成する窒化物半導体基板の製造方法が提供される。

また、本発明によれば、前記窒化物半導体基板を準備する第１の工程と、前記窒化物半導体基板の上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、を有する窒化物半導体デバイスの製造方法が提供される。

本発明によれば、窒化物半導体からなる自立基板の上に生成されるＣ原子を不純物として含む窒化物半導体の層（半絶縁層）は、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下と、結晶性が良好である。このため、この窒化物半導体の層（半絶縁層）の上に形成される層やデバイスの品質を良好にすることができる。

本発明によれば、窒化物半導体からなる下地基板の上にＣ原子を不純物として含む窒化物半導体の層（半絶縁層）を生成し、その上に、他の層やデバイスを生成する際に、当該他の層やデバイスの品質が不十分となる不都合を解消することが可能となる。

本実施形態の窒化物半導体基板の断面模式図の一例である。 本実施形態の窒化物半導体基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本実施形態の窒化物半導体基板の断面模式図の一例である。 本実施形態の窒化物半導体基板の断面模式図の一例である。 本実施形態の窒化物半導体デバイスの断面模式図の一例である。 本実施形態の窒化物半導体基板デバイスの製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 実施例の結果を示す図である。 実施例の結果を示す図である。 実施例の結果を示す図である。 実施例の結果を示す図である。 実施例の結果を示す図である。 実施例の結果を示す図である。 実施例の結果を示す図である。

以下、本発明の自立基板の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材の大きさの比率などは図示するものに限定されない。

＜第１の実施形態＞
まず、本実施形態の窒化物半導体基板の構成について説明する。図１に、本実施形態の窒化物半導体基板の側面模式図の一例を示す。図示するように、本実施形態の窒化物半導体基板１は、下地基板１０と、炭素含有窒化物半導体層２０とを有する。

下地基板１０は、例えば、窒化物半導体からなる基板である。下地基板１０は、例えばＧａＮ基板であり、Ｓｉが含有したＧａＮ基板、アンドープのＧａＮ基板等が考えられる。なお、下地基板１０は、その他、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等の結晶基板であってもよい。下地基板１０の厚さは、例えば、１００μｍ以上１５００μｍ以下である。

炭素含有窒化物半導体層２０は、下地基板１０上に生成され、炭素を不純物として含む。炭素含有窒化物半導体層２０は、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下（基板表面にｘｙ平面座標を設定し、基板中心を原点（（ｘ,ｙ）＝（０,０））としたとき、（ｘ,ｙ）＝（０,２０）、（ｘ,ｙ）＝（０,１０）、（ｘ,ｙ）＝（０,０）、（ｘ,ｙ）＝（０,−１０）、（ｘ,ｙ）＝（０,−２０）、（ｘ,ｙ）＝（２０,０）、（ｘ,ｙ）＝（１０,０）、（ｘ,ｙ）＝（−１０,０）、（ｘ,ｙ）＝（−２０,０）の測定９点での面内平均。なお、（ｘ,ｙ）＝（Ａ,Ｂ）は、原点からｘ軸方向にＡｍｍ移動し、かつ、ｙ軸方向にＢｍｍ移動した点を示す。以下同様。）である。なお、製造条件の調整により、当該半値幅（ＦＷＨＭ）を４５ａｒｃｓｅｃ以下、さらには３５ａｒｃｓｅｃ以下にすることもできる。

炭素含有窒化物半導体層２０は、比抵抗が１．０Ｅ＋１１Ωｃｍ以上である。なお、製造条件の調整により、当該比抵抗を１．０Ｅ＋１２Ωｃｍ以上、さらには１．０Ｅ＋１３Ωｃｍ以上にすることもできる。比抵抗の調整は、炭素の濃度の調整で実現される。

炭素含有窒化物半導体層２０の表面２５近傍の炭素の濃度は、１．０Ｅ＋１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１．０Ｅ＋２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。表面２５は、炭素含有窒化物半導体層２０の主面のうち、下地基板１０と反対側に位置する面である。なお、製造条件の調整により、表面２５近傍の炭素の濃度を、１．０Ｅ＋１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、５．０Ｅ＋２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下さらには１．０Ｅ＋１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１．０Ｅ＋２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることができる。

炭素含有窒化物半導体層２０は、Ｓｉ及びＯの濃度が小さい。具体的には、Ｓｉの濃度は１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｏの濃度は１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。なお、製造条件の調整により、Ｓｉの濃度は１．０Ｅ＋１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｏの濃度は１．０Ｅ＋１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にすることもできる。

炭素含有窒化物半導体層２０は、ＧａＮ、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の窒化物で構成される。炭素含有窒化物半導体層２０の厚さは、例えば０．１μｍ以上５０μｍ以下である。

次に、本実施形態の窒化物半導体基板１の効果について説明する。

上述の通り、本実施形態の窒化物半導体基板１は、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ)が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層２０を備える。そして、当該炭素含有窒化物半導体層２０の比抵抗は、１．０Ｅ＋１１Ωｃｍ以上である。このように、本実施形態の窒化物半導体基板１は、高結晶品質、高抵抗である炭素含有窒化物半導体層２０を備える。

また、本実施形態の窒化物半導体基板１は、炭素含有窒化物半導体層２０のＳｉ濃度が１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下、Ｏの濃度は１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。このため、本実施形態の窒化物半導体基板１は、半絶縁性及び、高抵抗等の効果が得られる。

ところで、従来、このような特徴を有する窒化物半導体基板１を製造する手段が存在しなかった。特許文献１に開示のように、ＨＶＰＥ法でＣ原子のドーピングガスを供給しながら窒化物半導体を成長させる手段の場合、炭素含有窒化物半導体層２０の比抵抗値を所望の値（例えば、１×１０^１４Ωｃｍ以上）に調整できるが、炭素含有率が上がるにつれて、炭素含有窒化物半導体層２０の結晶性が悪くなるという問題があった。すなわち、従来の製造方法の場合、高結晶品質及び高抵抗を両立させた炭素含有窒化物半導体層２０を有する窒化物半導体基板１を実現できなかった。

本実施形態では、従来と異なる特徴的な製造方法により、上述のような特徴的な構成の窒化物半導体基板１を実現した。

ここで、図２のフローチャートを用いて、本実施形態の窒化物半導体基板１を製造する方法を説明する。図２に示すように、本実施形態の窒化物半導体基板１の製造方法は、準備工程Ｓ１０と、炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０とを有する。

準備工程Ｓ１０では、以下で説明する炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０で利用される下地基板１０を準備する。例えば、準備工程Ｓ１０は、所定の場所に保管されている下地基板１０を取り出してくることで、下地基板１０を準備する工程であってもよい。または、準備工程Ｓ１０は、下地基板１０を新たに製造する工程であってもよい。また、準備工程Ｓ１０は、得られた下地基板１０に対する洗浄等の処理を含む工程であってもよい。準備工程Ｓ１０は、従来技術に準じて実現できるので、ここでの説明は省略する。

炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０では、下地基板１０上に、炭素を不純物として含み、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層２０を生成する。

なお、炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０では、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で、炭素含有窒化物半導体層２０を生成する。特許文献１に開示されている技術では、ＨＶＰＥ法で、炭素含有窒化物半導体層を生成していた。これは、特許文献１に開示されている技術との相違点である。

また、本実施形態の炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０では、最適化された成長条件で窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体の原料となる有機金属中に含まれる炭素が含有した窒化物半導体の層（炭素含有窒化物半導体層２０）を生成する。特許文献１に開示されている技術では、原料ガス（ＨＣｌ、ＮＨ_３）、及び、キャリアガス（Ｈ_２）に加えて、Ｃ原子のドーピングガス（ＣＨ_４）を供給しながら窒化物半導体を成長させることで、ドーピングガスに含まれる炭素が含有した窒化物半導体の層を生成していた。これも、特許文献１に開示されている技術との相違点である。

成長条件を、低温、減圧、低Ｖ／ＩＩＩ比の方向で最適に調整すれば、炭素含有窒化物半導体層２０に含有される炭素の濃度は高くなる。最適化された成長条件は、例えば、温度９００℃以上１１５０℃以下、真空度３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、Ｖ／ＩＩＩ比５０以上２００以下である。これら３つの条件（成長温度、真空度、Ｖ／ＩＩＩ比）の少なくとも１つを変化させることで、炭素濃度を変化させることができる。

以下の実施例で示す通り、このような特徴的な製造方法（炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０）で生成される炭素含有窒化物半導体層２０は、上述した特徴を備えることができる。以下、炭素含有窒化物層生成工程Ｓ２０の具体例を説明する。

まず、下地基板１０をＭＯＣＶＤ装置内に取り付ける。そして、以下のＩＩＩ族原料ガスおよび窒素原料ガスをキャリアガスと共に下地基板１０の表面へ供給することで、下地基板１０上へ窒化物半導体の層をエピタキシャル成長させる。ＧａＮからなる炭素含有窒化物半導体層２０を生成する場合の成長条件は、例えば以下の通りである。なお、規定していない条件は、従来技術に準じたものとできる。

ＩＩＩ族原料ガス：トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＴＭＧ）、又は、トリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３、ＴＥＧ）
ＩＩＩ族原料ガス供給量：３００ｃｃｍ 以上１０００ｃｃｍ以下
ＩＩＩ族原料ガス恒温槽温度：０℃以上４０℃以下
窒素原料ガス：アンモニア（ＮＨ_３）ガス
窒素原料ガス供給量：１ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下
キャリアガス：窒素（Ｎ_２）ガス、及び／又は、水素（Ｈ_２）ガス
キャリアガス供給量：５ｓｌｍ以上３５ｓｌｍ以下
キャリアガス供給量（ｓｌｍ）比率：Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｎ_２）＝０．８０以上、好ましくは０．９以上
成長温度：９００℃以上１１５０℃以下、好ましくは９５０℃以上１１００℃以下
真空度（減圧条件）：３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、好ましくは５０ｔｏｒｒ以上１２５ｔｏｒｒ以下
Ｖ／ＩＩＩ比：５０以上２００以下、好ましくは７５以上１７５以下

このように最適化された成長条件で炭素含有窒化物半導体層２０を生成すると、ＩＩＩ族原料ガスから分解したメチル基もしくはエチル基と、キャリアガスとしての水素（Ｈ_２）もしくはアンモニアから分解した水素（Ｈ_２）とから、メタン（ＣＨ_４）やエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が生成される。このように生成されたメタンやエタンに含まれる炭素が、炭素含有窒化物半導体層２０に不純物として導入される。炭素含有窒化物半導体層２０を生成する際に、下地基板１０の温度およびＩＩＩ族原料ガスの供給量等を調整することで、炭素含有窒化物半導体層２０に含有させる炭素の濃度をコントロールすることができる。

また、上述のように最適化（特に、キャリアガス供給量、キャリアガス供給量（ｓｌｍ）比率）された成長条件で炭素含有窒化物半導体層２０を生成すると、１５μｍ／ｈ以上、さらには１８μｍ／ｈ以上、さらには２０μｍ以上という成膜速度で、炭素含有窒化物半導体層２０を生成することができる。本発明者らは、さらに、ＩＩＩ族原料ガスの恒温槽温度を調整する（高くする）ことで成膜速度を、３０μｍ／ｈ以上、さらには４０μｍ以上に高めることができることを確認している。そして、ＩＩＩ族原料ガスの恒温槽温度を室温（２５℃）程度に調整することで、５０μｍ／ｈ程度にできることを確認している。本発明者らは、このような成膜速度で炭素含有窒化物半導体層２０を生成することにより、炭素含有窒化物半導体層２０のＳｉ及びＯの低濃度が実現されていると考えている。

＜第２の実施形態＞
図３に、本実施形態の窒化物半導体基板の側面模式図の一例を示す。図示するように、本実施形態の窒化物半導体基板１は、下地基板１０と、炭素含有窒化物半導体層２０とを有する。下地基板１０の構成は第１の実施形態と同様である。

炭素含有窒化物半導体層２０は、下地基板１０に近い側から順に第１の層２１、第２の層２２、第３の層２３及び第４の層２４がこの順に積層した構造となっている。第１乃至第４の層２１乃至２４はいずれも、窒化物半導体からなり、炭素を不純物として含有する。

第１乃至第４の層２１乃至２４は、炭素濃度が互いに異なる。第１乃至第４の層２１乃至２４の炭素濃度は、第４の層２４＞第３の層２３＞第２の層２２＞第１の層２１の関係を満たす。すなわち、炭素含有窒化物半導体層２０は、下地基板１０から遠ざかるにつれて炭素濃度が高くなる。

第４の層２４の表面２５近傍の炭素の濃度は、例えば、1．０Ｅ＋１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．０Ｅ＋２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。

第１乃至第３の層２１乃至２３の厚さは、例えば、各々１μｍ以上５μｍ以下である。第４の層２４の厚さは、例えば、１μｍ以上５０μｍ以下である。

なお、図３に示す例では、第１乃至第３の層２１乃至２３を介在させたのち、炭素を所望の濃度で含有した第４の層２４を生成しているが、炭素を所望の濃度で含有した層と下地基板１０との間に介在させる層の数及び厚さなどは、その他の態様とすることもできる。

炭素含有窒化物半導体層２０のその他の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態の窒化物半導体基板１の製造方法は、第１の実施形態と同様、準備工程Ｓ１０と、炭素含有窒化物層生成工程Ｓ１１とを有する。準備工程Ｓ１０は、第１の実施形態と同様である。

炭素含有窒化物層生成工程Ｓ１１では、成長温度、真空度、Ｖ／ＩＩＩ比の中の少なくとも１つを変化させた互いに異なる成長条件で第１乃至第４の層２１乃至２４を作り分ける。例えば、ＭＯＣＶＤ装置内に下地基板１０を設置後、炭素の含有濃度が所望の状態となるように成長条件を変化させながら連続的に窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで、第１乃至第４の層２１乃至２４を連続的に生成してもよい。炭素含有窒化物層生成工程Ｓ１１のその他の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態の窒化物半導体基板１によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を実現することができる。

また、下地基板１０の上にいきなり炭素を所望の濃度で含有した窒化物半導体層を生成するのでなく、最初は比較的少ない濃度の炭素を含有した窒化物半導体層を下地基板１０の上に生成し、そして、下地基板１０から遠ざかるにつれて徐々に高い濃度の炭素を含有した窒化物半導体層を生成し、最終的に所望の濃度の炭素を含有した窒化物半導体層を生成することで、下地基板１０と炭素含有窒化物半導体層２０との界面における結晶の格子定数や熱膨張率の変化を小さくすることができる。結果、クラックや欠陥の発生を低減することができる。

＜第３の実施形態＞
図４に、本実施形態の窒化物半導体基板の側面模式図の一例を示す。図示するように、本実施形態の窒化物半導体基板１は、下地基板１０と、炭素含有窒化物半導体層２０と、中間層（バッファ層）３０とを有する。下地基板１０の構成は第１の実施形態と同様である。炭素含有窒化物半導体層２０の構成は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様である。

中間層３０は、下地基板１０と炭素含有窒化物半導体層２０との間に位置する。中間層３０は、窒化物半導体からなり、例えば、ＧａＮ、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ、Ｉｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の窒化物で構成される。中間層３０の厚さは、例えば例えば０．１μｍ以上５０μｍ以下である。中間層３０は、互いに異なる条件で生成された複数の層の積層体であってもよい。

中間層３０は、例えばＭＯＣＶＤ法で生成することができる。ＧａＮからなる中間層３０を生成する場合の成長条件は、例えば以下の通りである。なお、規定していない条件は、従来技術に準じたものとできる。

ＩＩＩ族原料ガス：トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＴＭＧ）、又は、トリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３、ＴＥＧ）
ＩＩＩ族原料ガス供給量：３００ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下
ＩＩＩ族原料ガス恒温槽温度：０℃以上４０℃以下
窒素原料ガス：アンモニア（ＮＨ_３）ガス
窒素原料ガス供給量：１ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下
キャリアガス：窒素（Ｎ_２）ガス、及び／又は、水素（Ｈ_２）ガス
キャリアガス供給量：５ｓｌｍ以上３５ｓｌｍ以下
キャリアガス供給量（ｓｌｍ）比率：Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｎ_２）＝０．８０以上、好ましくは０．９以上
成長温度：９５０℃以上１２００℃以下、好ましくは１０００℃以上１１５０℃以下
真空度（減圧条件）：３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、好ましくは５０ｔｏｒｒ以上１２５ｔｏｒｒ以下
Ｖ／ＩＩＩ比：５０以上２００以下、好ましくは７５以上１７５以下
膜厚：０．１μｍ以上５μｍ以下

なお、上記条件で下地基板１０の上に第１の中間層をエピタキシャル成長させた後、第１の中間層の上に以下の条件で第２の中間層をエピタキシャル成長させることで、積層構造の中間層３０を生成してもよい。

ＩＩＩ族原料ガス：トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＴＭＧ）、又は、トリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３、ＴＥＧ）
ＩＩＩ族原料ガス供給量：３００ｃｃｍ以上１０００ｃｃｍ以下
ＩＩＩ族原料ガス恒温槽温度：０℃以上４０℃以下
窒素原料ガス：アンモニア（ＮＨ_３）ガス
窒素原料ガス供給量：１ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下
キャリアガス：窒素（Ｎ_２）ガス、及び／又は、水素（Ｈ_２）ガス
キャリアガス供給量：５ｓｌｍ以上３５ｓｌｍ以下
キャリアガス供給量（ｓｌｍ）比率：Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｎ_２）＝０．８０以上、好ましくは０．９以上
成長温度：９００℃以上１１５０℃以下、好ましくは９５０℃以上１１００℃以下
真空度（減圧条件）：３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、好ましくは５０ｔｏｒｒ以上１２５ｔｏｒｒ以下
Ｖ／ＩＩＩ比：５０以上２００以下、好ましくは７５以上１７５以下
膜厚：０．１μｍ以上５０μｍ以下

本実施形態の窒化物半導体基板１によれば、第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を実現することができる。

また、下地基板１０と炭素含有窒化物半導体層２０との間に結晶の格子定数や熱膨張率の差が存在する場合であっても、結晶の格子定数や熱膨張率が下地基板１０と炭素含有窒化物半導体層２０の間である中間層３０を介在させることで、窒化物半導体基板１を深さ方向に観察した際のこれらの変化の態様を緩やかにできる。結果、クラックや欠陥の発生を低減することができる。

＜第４の実施形態＞
本実施形態では、第１乃至第３の実施形態の窒化物半導体基板１の上に、電子デバイスや光デバイス等のデバイスを生成した窒化物半導体デバイスを提供する。

例えば、第１乃至第３の実施形態で得られた窒化物半導体基板１の上にIII族窒化物系素子構造を作製すれば、上下にアップダウン電極構造を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子を作ることが可能であり、高性能トランジスタ等の電子デバイスへの適用も可能である。第１乃至第３の実施形態で得られた窒化物半導体基板１は、鏡面に研摩し、ドライエッチングまたはケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）を施した後に発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子、さらにはトランジスタ等の電子デバイスを作製することができる。また、本実施形態で得られた窒化物半導体基板１を種結晶として、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法などにより高品質ＧａＮ結晶を成長させることが可能である。

窒化物半導体基板１は、高結晶品質及び高抵抗を両立させた炭素含有窒化物半導体層２０を備えるので、リーク電流の低減性能、耐圧（オフ耐圧）性能、半絶縁層の上に生成される層の品質（結晶性、転位・欠陥の数等）等において高品質となる。

図５に、本実施形態の窒化物半導体デバイスの断面模式図の一例を示す。図示する窒化物半導体デバイスは、ヘテロ接合電界トランジスタ（ＨＥＦＴ）である。

図示する窒化物半導体デバイスは、下地基板１０（例：Ｓｉ含有ＧａＮ、又は、アンドープＧａＮ）、及び、炭素含有窒化物半導体層２０（例：炭素含有ＧａＮ）を有する窒化物半導体基板１と、を有する。

そして、窒化物半導体基板１の上に、電子走行層である窒化物半導体層４０と、電子供給層である第２の窒化物半導体層４１とがエピタキシャル成長により生成されている。窒化物半導体層４０と第２の窒化物半導体層４１とは異なる種類の窒化物半導体からなる。例えば、窒化物半導体層４０はアンドープＧａＮであり、第２の窒化物半導体層４１はＡｌＧａＮである。

第２の窒化物半導体層４１の上には、金属等で構成されたドレイン電極４３、ゲート電極４４及びソース電極４５が生成されている。また、第２の窒化物半導体層４１の上には、酸化膜や窒化膜等で構成されたパッシベーション層４２が生成されている。そして、その上に絶縁層４７、及び、金属等で構成されたフィールドプレート４６が生成されている。

窒化物半導体基板１の上にこのようなデバイスを生成する方法は、従来技術に準じて実現できる。

本実施形態の窒化物半導体デバイスの製造方法は、図６に示すように、第１乃至第３の実施形態で説明した窒化物半導体基板１を準備する第１の工程Ｓ２０と、窒化物半導体基板１の上に、デバイスを構成する窒化物半導体層（窒化物半導体層４０及び第２の窒化物半導体層４１等）を生成する第２の工程Ｓ２１と、を有する。

以上説明した本実施形態の窒化物半導体デバイスは、結晶品質が良好な炭素含有窒化物半導体層２０の上に、デバイスを構成する窒化物半導体層（窒化物半導体層４０及び第２の窒化物半導体層４１等）を生成することができる。このため、デバイスを構成する窒化物半導体層の結晶品質を良好にすることができ、結果、デバイスの品質を高めることができる。すなわち、リーク電流の低減性能、耐圧（オフ耐圧）性能、デバイスを構成する窒化物半導体層の品質（結晶性、転位・欠陥の数等）等において高品質となる。

＜実施例１＞
第１の実施形態の構造の窒化物半導体基板１を製造した。まず、下地基板１０として、Ｓｉが含有した厚さ４００μｍのＧａＮ基板を準備した。Ｓｉの濃度は１．０Ｅ＋１８ｃｍ^−３である。そして、下地基板１０の上に、以下の成長条件で炭素含有窒化物半導体層２０をエピタキシャル成長させた。

ＩＩＩ族原料ガス：トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＴＭＧ）
ＩＩＩ族原料ガス供給量：５００ｃｃｍ
ＩＩＩ族原料ガス恒温槽温度：５℃
窒素原料ガス：アンモニア（ＮＨ_３）ガス
窒素原料ガス供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：窒素（Ｎ_２）ガス、及び、水素（Ｈ_２）ガス
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
キャリアガス供給量（ｓｌｍ）比率：Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｎ_２）＝０．９
成長温度：１０７０℃
真空度（減圧条件）：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：１５０
膜厚：２０μｍ
成膜速度：１８μｍ/ｈ

＜実施例２＞
第１の実施形態の構造の窒化物半導体基板１を製造した。まず、下地基板１０として、Ｓｉが含有した厚さ４００μｍのＧａＮ基板を準備した。Ｓｉの濃度は１．０Ｅ＋１８ｃｍ^−３である。そして、下地基板１０の上に、以下の成長条件で炭素含有窒化物半導体層２０をエピタキシャル成長させた。

ＩＩＩ族原料ガス：トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＴＭＧ）
ＩＩＩ族原料ガス供給量：５００ｃｃｍ
ＩＩＩ族原料ガス恒温槽温度：５℃
窒素原料ガス：アンモニア（ＮＨ_３）ガス
窒素原料ガス供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：窒素（Ｎ_２）ガス、及び、水素（Ｈ_２）ガス
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
キャリアガス供給量（ｓｌｍ）比率：Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｎ_２）＝０．９
成長温度：１０９０℃
真空度（減圧条件）：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：１５０
膜厚：２０μｍ
成膜速度：１８μｍ/ｈ

＜比較例１＞
厚さ５００μｍのシリコン基板の上に、シリコン基板側から順にＡｌＮ（２０ｎｍ）、Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ（８０ｎｍ）、ＡｌＮ（５ｎｍ）、ＧａＮ（２０ｎｍ）を積層したマルチ層を１００セット繰り返し形成し、その上に厚さ２μmのアンドープＧａＮ層を形成した。

＜比較例２＞
下地基板の上に、ＨＶＰＥ法で、炭素を含有した窒化物半導体層を形成した。まず、下地基板として、Ｓｉが含有した厚さ４００μｍのＧａＮ基板を準備した。Ｓｉの濃度は１．０Ｅ＋１８ｃｍ^−３である。そして、下地基板１０の上に、メタン（ＣＨ_４）をドーピングガスとして用いて、炭素を含有し、かつ、表面近傍の炭素濃度が１．０Ｅ＋２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である窒化物半導体層を生成した。具体的には、以下の成長条件で炭素含有窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた。

ＩＩＩ族原料：ガリウム （Ｇａ）
ＨＣｌガス供給量：５００ｃｃｍ
窒素原料ガス：アンモニア（ＮＨ_３）ガス
窒素原料ガス供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：水素（Ｈ_２）ガス
キャリアガス供給量：１０ｓｌｍ
ドーパントガス：メタン（ＣＨ_４）
ドーパントガス供給量：５００ｃｃｍ
成長温度：１０５０℃
成長圧力：常圧
Ｖ／ＩＩＩ比：１０
膜厚：２０μｍ
成長速度：２５０μｍ/ｈ

＜＜炭素含有窒化物半導体層２０の実現性＞＞
図７及び図８に、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）で測定した炭素含有窒化物半導体層２０の深さ方向に対するＨ、Ｃ、Ｏ、Ｓｉの原子濃度を示す。図７が実施例１の結果であり、図８が実施例２の結果である。深さの値「０」の位置が炭素含有窒化物半導体層２０の表面であり、深さの値が大きくなるに従い下地基板１０に近づくことを示す。

図７より、実施例１の成長条件で窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで、１．０Ｅ＋２０ｃｍ^−３の濃度で炭素を含有した炭素含有窒化物半導体層２０を形成できることが確認された。また、図８より、実施例２の成長条件で窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで、５．０Ｅ＋１９ｃｍ^−３の濃度で炭素を含有した炭素含有窒化物半導体層２０を形成できることが確認された。

以上より、本実施形態の製造方法により、炭素含有窒化物半導体層２０が生成できることが確認された。また、成長条件の調整により、炭素濃度を調整できることが確認できた。

また、図７及び図８より、本実施形態の製造方法によれば、Ｏ及びＳｉの濃度がきわめて小さい炭素含有窒化物半導体層２０を生成できることが確認された。なお、深さ「０」の位置でＯ及びＳｉの濃度が大きくなっているが、これは、炭素含有窒化物半導体層２０の表面に吸着等して存在する原子の影響による。

＜＜炭素含有窒化物半導体層２０の品質＞＞
図９に、ＸＲＤ（X-Ray Diffraction）によるωスキャンで（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を測定した結果の測定９点（基板中心を（ｘ,ｙ）＝（０,０）としたとき、（ｘ,ｙ）＝（０,２０）、（ｘ,ｙ）＝（０,１０）、（ｘ,ｙ）＝（０,０）、（ｘ,ｙ）＝（０,−１０）、（ｘ,ｙ）＝（０,−２０）、（ｘ,ｙ）＝（２０,０）、（ｘ,ｙ）＝（１０,０）、（ｘ,ｙ）＝（−１０,０）、（ｘ,ｙ）＝（−２０,０））での面内平均を示す。測定条件は、以下の通りである。

入射側：４結晶モノクロメータ，クロススリット（横，縦）＝（０．０５ｍｍ，１．０ｍｍ）
受光側：単結晶アナライザー（triple bonds）

実施例１のＦＷＨＭは４９．９ａｒｃｓｅｃ、実施例２のＦＷＨＭは３７．７ａｒｃｓｅｃであり、いずれも良好な結晶性が確認された。

図１０及び図１１に、光学顕微鏡で、炭素含有窒化物半導体層２０の微分干渉像を観察した様子を示す。図１０が実施例１の結果であり、図１１が実施例２の結果である。図示するように、実施例１及び２いずれも良好な表面モホロジーが確認された。

＜＜オフ耐圧性能＞＞
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の窒化物半導体基板の上に、図５に示す構造の窒化物半導体デバイスを生成した。そして、ゲート電極４４に−１５Ｖの電圧を印可したピンチオフ状態でソース電極４５の電圧を０（グランド）としてソース電極４５の電圧を増加させてソース電極４５側に流れる電流値（リーク電流値）と、デバイス素子が破壊した時のソース電極４５に印可した電圧を比較することで、実施例１、実施例２及び比較例１のオフ耐圧性能を調べた。

図１２及び図１３に結果を示す。図１２より、実施例１及び実施例２は、比較例１に比べて高いオフ耐圧性能を有することが確認された。また、図１３により、比較例２のオフ耐圧性能は、比較例１と同等であることが確認された。以上より、実施例１及び実施例２は、比較例１及び比較例２に比べて高いオフ耐圧性能を有することが確認された。

以下、参考形態の例を付記する。
１． 下地基板と、
前記下地基板上に形成され、炭素を不純物として含み、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層と、
を有する窒化物半導体基板。
２． １に記載の窒化物半導体基板において、
前記炭素含有窒化物半導体層の比抵抗は、１．０Ｅ＋１１Ωｃｍ以上である窒化物半導体基板。
３． １又は２に記載の窒化物半導体基板において、
前記炭素含有窒化物半導体層中における炭素の濃度は、前記下地基板から遠ざかるにつれて高くなる窒化物半導体基板。
４． １から３のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、
前記炭素含有窒化物半導体層の表面近傍の炭素の濃度は、１．０Ｅ＋１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１．０Ｅ＋２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である窒化物半導体基板。
５． １から４のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、
前記炭素含有窒化物半導体層中におけるＳｉの濃度が、１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である窒化物半導体基板。
６． １から５のいずれかに記載の窒化物半導体基板において、
前記炭素含有窒化物半導体層中におけるＯの濃度が、１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である窒化物半導体基板。
７． １から６のいずれかに記載の窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の上に形成された窒化物半導体層と、
を有する窒化物半導体デバイス。
８． 下地基板を準備する準備工程と、
前記下地基板上に、炭素を不純物として含み、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層を形成する炭素含有窒化物層形成工程と、
を有する窒化物半導体基板の製造方法。
９． ８に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記炭素含有窒化物層形成工程では、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で、前記炭素含有窒化物半導体層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
１０． ９に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記炭素含有窒化物層形成工程では、最適化された成長条件で窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体の原料となる有機金属中に含まれる炭素が含有した窒化物半導体の層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
１１． １０に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記炭素含有窒化物層形成工程では、温度９００℃以上１１５０℃以下、真空度３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、Ｖ／ＩＩＩ比５０以上２００以下の成長条件で、窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の製造方法。
１２． ８から１１のいずれかに記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記炭素含有窒化物層形成工程では、１５μｍ／ｈ以上の成膜速度で、前記炭素含有窒化物半導体層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
１３． １から６のいずれかに記載の窒化物半導体基板を準備する第１の工程と、
前記窒化物半導体基板の上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、
を有する窒化物半導体デバイスの製造方法。

１ 窒化物半導体基板
１０ 下地基板
２０ 炭素含有窒化物半導体層
２１ 第１の層
２２ 第２の層
２３ 第３の層
２４ 第４の層
２５ 表面
３０ 中間層
４０ 窒化物半導体層
４１ 第２の窒化物半導体層
４２ パッシベーション層
４３ ドレイン電極
４４ ゲート電極
４５ ソース電極
４６ フィールドプレート
４７ 絶縁層

Claims (7)

1. ＧａＮ基板を準備する準備工程と、
   ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で、前記ＧａＮ基板上に、炭素を不純物として含み、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が５５ａｒｃｓｅｃ以下である炭素含有窒化物半導体層を形成する炭素含有窒化物層形成工程と、
   を有し、
   前記炭素含有窒化物層形成工程では、温度９００℃以上１１５０℃以下、真空度３０ｔｏｒｒ以上１５０ｔｏｒｒ以下、Ｖ／ＩＩＩ比５０以上２００以下、成膜速度１５μｍ／ｈ以上の成長条件で窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体の原料となる有機金属中に含まれる炭素が含有した窒化物半導体の層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記準備工程では、Ｓｉを含有したＧａＮ基板を準備する窒化物半導体基板の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記炭素含有窒化物層形成工程では、比抵抗が１．０Ｅ＋１１Ωｃｍ以上である前記炭素含有窒化物半導体層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記炭素含有窒化物層形成工程では、表面近傍の炭素の濃度が１．０Ｅ＋１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上、１．０Ｅ＋２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である前記炭素含有窒化物半導体層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記炭素含有窒化物層形成工程では、Ｓｉの濃度が１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である前記炭素含有窒化物半導体層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記炭素含有窒化物層形成工程では、Ｏの濃度が１．０Ｅ＋１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である前記炭素含有窒化物半導体層を形成する窒化物半導体基板の製造方法。
7. 請求項６に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
   前記炭素含有窒化物層形成工程における前記窒化物半導体の層の成膜速度は１５μｍ／ｈ以上５０μｍ／ｈ以下である窒化物半導体基板の製造方法。