JP6783063B2 - 窒化物半導体テンプレートおよび窒化物半導体積層物 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体テンプレートおよび窒化物半導体積層物に関する。

例えば高周波デバイスのような発熱密度が高い半導体デバイスについては、放熱用途として、熱伝導度が高い多結晶ダイヤモンドを利用することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−１６６１６０号公報

しかしながら、半導体デバイスを構成する窒化物半導体層（ＧａＮ層）等を多結晶ダイヤモンド上に形成することは、それぞれの熱膨張率差が大きいため、必ずしも高品質に行うことが容易ではない。

本発明は、多結晶ダイヤモンドを放熱用途に利用する半導体デバイスを製造する場合に、その半導体デバイスを高品質に製造することを可能にする（すなわち、高品質のデバイス製造に用いて好適な）窒化物半導体テンプレートおよび窒化物半導体積層物を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
金属酸化物を主成分とする基板と、
前記基板上に形成され、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体の薄膜からなる成長下地膜と、
を備える窒化物半導体テンプレートが提供される。

本発明によれば、高品質なデバイス製造が行えるようになる。

本発明に係る窒化物半導体テンプレートの製造方法の一例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る窒化物半導体テンプレートの概略構成例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る窒化物半導体積層物の概略構成例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る窒化物半導体積層物を用いて半導体デバイスを製造する場合の製造方法の一例を模式的に示す説明図（その１）である。 本発明に係る窒化物半導体積層物を用いて半導体デバイスを製造する場合の製造方法の一例を模式的に示す説明図（その２）である。 本発明に係る窒化物半導体積層物を用いて半導体デバイスを製造する場合の製造方法の一例を模式的に示す説明図（その３）である。

＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

（１）窒化物半導体テンプレートの製造方法
先ず、本発明に係る窒化物半導体テンプレートの製造方法の一例を説明する。
窒化物半導体テンプレートは、後述する窒化物半導体積層物を製造する際に基体として用いられる基板状の構造体である。
本実施形態では、以下に示すステップ１〜３を実施することで、窒化物半導体テンプレートを製造する場合を例に挙げて説明する。

（ステップ１：イオン注入）
窒化物半導体テンプレートの製造にあたっては、図１（ａ）に示すように、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体からなる基板として、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶からなる結晶基板（以下「ＧａＮ基板」ともいう。）１１を用意する。このＧａＮ基板１１は、後述する成長下地膜１３の基になるものである。そして、ＧａＮ基板１１を用意したら、そのＧａＮ基板１１に対して、公知のイオン注入法により、水素（Ｈ）イオンの注入を行う。イオン注入は、ＧａＮ基板１１におけるＧａ極性面とＮ極性面とのうち、Ｎ極性面の側から行う。これにより、ＧａＮ基板１１には、Ｎ極性面の側の表面から注入エネルギーに応じた所定の深さ（例えば１０μｍ以下、好ましくは１μｍ程度）にＨイオンが高濃度で存在することになる。

（ステップ２：基板接合）
ＧａＮ基板１１へのイオン注入を行ったら、次いで、ステップ２を行う。ステップ２では、図１（ｂ）に示すように、イオン注入後のＧａＮ基板１１への基板１２の接合を行う。この基板１２は、後述する成長下地膜１３の支持基板として機能するものである。基板１２としては、金属酸化物を主成分として構成されたものを用いる。金属酸化物は、単結晶のものであってもよいし多結晶のものであってもよいが、多結晶のものであれば窒化物半導体テンプレートの低価格化や大口径化等への対応が容易となる。多結晶の金属酸化物としては、例えば酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）が挙げられる。このようなＧａ_２Ｏ_３を主成分とする基板（以下「Ｇａ_２Ｏ_３基板」ともいう。）１２のＧａＮ基板１１への接合は、そのＧａＮ基板１１におけるＮ極性面の側の表面（すなわち、イオン注入を行った側の表面）に対して行う。接合の手法は、特に限定されるものではなく、例えば接合面を活性化処理した後に低温雰囲気で接合する表面活性化接合法のような公知技術を利用して行うことが考えられる。

（ステップ３：イオン注入面での剥離）
ＧａＮ基板１１とＧａ_２Ｏ_３基板１２とを接合したら、次いで、ステップ３を行う。ステップ３では、図１（ｃ）に示すように、ＧａＮ基板１１について、イオン注入面での剥離を行う。具体的には、ＧａＮ基板１１とＧａ_２Ｏ_３基板１２との接合体に対して熱処理を行って、ＧａＮ基板１１におけるＧａＮ結晶の接合をイオン注入箇所で切断し、イオン注入された所定の深さの部分１３を残して、他のＧａＮ基板１１の部分１４を接合体から剥離する。これにより、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２との接合面上には、イオン注入深さに対応する所定の厚さ（例えば１０μｍ以下、好ましくは１μｍ程度）のＧａＮ結晶の薄膜が、成長下地膜１３として形成されることになる。

なお、上述したステップ１〜３では、イオン注入を利用しつつ、そのイオン注入箇所でＧａＮ基板１１を切断することによって、成長下地膜１３を得る場合を例に挙げたが、成長下地膜１３を得るためのＧａＮ基板１１の切断手法は、特に限定されるものではなく、ワイヤソー、ブレード、レーザ、放電加工、ウォータージェット等によるものであってもよい。

（２）窒化物半導体テンプレートの構成
本実施形態では、上述したステップ１〜３を実施することで、以下に説明する構成の窒化物半導体テンプレートを得ることができる。

図２に示すように、本実施形態で説明する窒化物半導体テンプレート１０は、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２と、そのＧａ_２Ｏ_３基板１２上に形成された成長下地膜１３と、を備えて構成されている。Ｇａ_２Ｏ_３基板１２は、多結晶の金属酸化物であるＧａ_２Ｏ_３を主成分として形成されたものである。また、成長下地膜１３は、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体であるＧａＮの薄膜からなるものである。

このような構成の窒化物半導体テンプレート（以下「ＧａＮテンプレート」ともいう。）１０において、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物と成長下地膜１３を構成する窒化物半導体のａ軸方向との線膨張係数の差は、±３．５０×１０^-6／℃以内であることが好ましい。この点については、金属酸化物がＧａ_２Ｏ_３であれば［００１］軸方向の線膨張係数が８．２０×１０^-6／Ｋであり、窒化物半導体がＧａＮであればａ軸方向との線膨張係数が５．５９×１０^-6／Ｋであるから、これらの差が±３．５０×１０^-6／℃以内に収まることになる。線膨張係数の差が±３．５０×１０^-6／℃以内であれば、後述する窒化物半導体積層物を製造すべくＧａＮテンプレート１０を結晶成長温度に加熱した場合であっても、そのＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制することができる。また、成長終了後に降温させた場合であっても、ＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制することができる。

また、ＧａＮテンプレート１０においては、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物の線膨張係数のほうが成長下地膜１３を構成する窒化物半導体のａ軸方向との線膨張係数よりも大きいことが好ましい。この点については、金属酸化物がＧａ_２Ｏ_３であれば［００１］軸方向の線膨張係数が８．２０×１０^-6／Ｋであり、窒化物半導体がＧａＮであればａ軸方向との線膨張係数が５．５９×１０^-6／Ｋであるから、Ｇａ_２Ｏ_３の線膨張係数のほうが大きいことになる。Ｇａ_２Ｏ_３の線膨張係数のほうが大きければ、仮に加熱によってＧａＮテンプレート１０に反りが発生した場合であっても、成長下地膜１３を構成するＧａＮ結晶が圧縮応力を受けることになるので、必ずしもそのＧａＮ結晶が劣化するとは限らない。ＧａＮ結晶は、引っ張りに弱いが、圧縮には強い、という特徴を有するからである。つまり、ＧａＮ結晶が圧縮応力を受けるようにすれば、ＧａＮテンプレート１０の反りに起因するＧａＮ結晶の劣化を抑制できるようになる。

また、ＧａＮテンプレート１０において、成長下地膜１３は、表面の平均転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２未満であることが好ましい。成長下地膜１３の平均転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２未満であれば、例えば青色半導体レーザ用ＧａＮ基板に用いられる一般的な下地膜の平均転位密度（例えば１×１０^８個／ｃｍ^２以上）に比べて低いものとなる。そのため、後述するように成長下地膜１３上に積層体（ＧａＮ積層体）を成長させて窒化物半導体積層物を製造するのにあたり、一般的な下地膜の場合に比べて、成長させる積層体（ＧａＮ積層体）の結晶性を高めることができる。なお、１×１０^７個／ｃｍ^２未満となる平均転位密度の実現は、成長下地膜１３の基となるＧａＮ基板１１を形成する成長手法や成長条件（例えば、成長温度、成長圧力、Ｖ／III比、成長速度、ガス流量）等を適宜調整することで達成できるが、具体的な成長手法や成長条件等については公知技術を利用したものであればよく、ここではその詳細な説明を省略する。

また、ＧａＮテンプレート１０において、成長下地膜１３は、電気抵抗率（比抵抗）が１０^５Ω・ｃｍ以上、より具体的には１０^５Ω・ｃｍ以上１０¹²Ω・ｃｍ以下程度であることが好ましい。成長下地膜１３の比抵抗が１０^５Ω・ｃｍ以上であれば、例えば青色半導体レーザ用ＧａＮ基板に用いられる一般的な下地膜の比抵抗（例えば１０^-2〜１０^-3Ω・ｃｍ程度）に比べて高抵抗となる。そのため、後述するように成長下地膜１３上に積層体（ＧａＮ積層体）を成長させて窒化物半導体積層物を製造し、その窒化物半導体積層物を用いて半導体デバイスを構成した際に、その成長下地膜１３の上に成長させるＧａＮ積層体から成長下地膜１３への自由電子の拡散（逃げ、ドレインリーク電流増大等の不具合）等を抑制することができる。なお、１０^５Ω・ｃｍ以上となる比抵抗の実現は、成長下地膜１３の基となるＧａＮ基板１１を形成する際に遷移金属をドープすることによって達成できるが、遷移金属の具体的な種類やドープ量等については公知技術を利用して適宜調整したものであればよく、ここではその詳細な説明を省略する。

また、ＧａＮテンプレート１０において、成長下地膜１３は、膜厚が１０μｍ未満、より好適には１μｍ程度であることが好ましい。成長下地膜１３の膜厚が１０μｍ未満であれば、形成材料の削減による低コスト化が図れ、さらには薄膜化により成長下地膜１３を伝わる熱の伝熱性（放熱性）の向上も図れるようになる。成長下地膜１３の膜厚が１０μｍ未満であっても、少なくとも１μｍ程度の膜厚であれば、当該成長下地膜１３として機能する上では（すなわち詳細を後述する作用効果を奏する上では）必要十分な膜厚となる。なお、１０μｍ未満となる膜厚は、上述したステップ３により容易に実現することが可能である。

（３）窒化物半導体積層物の製造方法
次に、本発明に係る窒化物半導体積層物の製造方法の一例を説明する。
窒化物半導体積層物は、後述する半導体デバイスを製造する際に基体として用いられる基板状の構造体である。半導体デバイスの基体として用いられることから、以下、窒化物半導体積層物のことを「中間前駆体」ともいう。
本実施形態では、以下に示すステップ４を実施することで、中間前駆体を製造する場合を例に挙げて説明する。

（ステップ４：積層体形成）
中間前駆体の製造は、図３に示すように、上述した構成のＧａＮテンプレート１０を基体として用い、そのＧａＮテンプレート１０における成長下地膜１３上に窒化物半導体の積層体２０を形成することで行う。

積層体２０の形成にあたっては、先ず、ＧａＮの薄膜からなる成長下地膜１３の表面上に、ＧａＮ結晶からなる薄膜である第一のＧａＮ層２１をエピタキシャル成長により形成するとともに、その第一のＧａＮ層２１の上に、同じくＧａＮ結晶からなる薄膜である第二のＧａＮ層２２をエピタキシャル成長により形成する。第一のＧａＮ層（以下、単に「ＧａＮ層」ともいう。）２１は、後述する半導体デバイスを構成した際に、その半導体デバイスにおけるバッファ層として機能するものである。また、第二のＧａＮ層（以下、「ＧａＮ電子走行層」ともいう。）２２は、後述する半導体デバイスを構成した際に、その半導体デバイスにおける電子走行層（チャネル層）として機能するものである。

ＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２の形成は、例えば、以下のようにして行うことが考えられる。具体的な一例としては、気相成長装置であるＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）装置を用い、そのＭＯＶＰＥ装置の処理室内にＧａＮテンプレート１０を搬入し、その処理室内を所定の結晶成長温度（例えば１０００〜１１００℃程度）に加熱した状態で、処理室内にトリメチルガリウム（Ｔｒｉ ｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ：ＴＭＧ）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとを供給する。これにより、ＧａＮテンプレート１０の成長下地膜１３上にＧａＮ層２１が形成され、さらにその上にＧａＮ電子走行層２２が形成されることになる。なお、ＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２の膜厚は、特に限定されるものではなく、適宜設定したものでよい。

このとき、ＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２は、単結晶であるＧａＮ結晶からなる成長下地膜１３の上に形成される。したがって、その形成を、成長下地膜１３上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させることで行うことができる。つまり、成長下地膜１３の上に高品質のＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２を形成することができる。特に、成長下地膜１３の平均転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２未満である場合には、そのことが顕著となる。

また、ＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２の形成にあたり、ＭＯＶＰＥ装置の処理室内を結晶成長温度とした場合であっても、ＧａＮテンプレート１０のＧａ_２Ｏ_３基板１２と成長下地膜１３とで線膨張係数の差が±３．５０×１０^-6／℃以内であれば、そのＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制することができる。また、成長終了後に降温させた場合であっても、ＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制することができる。特に、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２の線膨張係数のほうが成長下地膜１３の線膨張係数よりも大きければ、例えＧａＮテンプレート１０に反りが発生した場合であっても、その反りに起因するＧａＮ結晶の劣化を抑制できるようになる。

なお、ＧａＮ層２１は、炭素（Ｃ）をドープする、または鉄（Ｆｅ）をドープすることにより、高抵抗化させることが、より好ましい。これにより、ＧａＮ電子走行層２２から漏れるリーク電流を抑制することができる。炭素ドープは、ＧａＮ層２１の成長条件を適宜調整することで、ＴＭＧから分解して生じるメチル基中の炭素をエピ層中に導入することで、実現できる。鉄ドープは、ＴＭＧおよびＮＨ_３と同時に、Ｃｐ_２Ｆｅ（ジシクロペンタジエニル鉄）を供給することで実現できる。

ＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２を形成したら、次いで、ＧａＮ電子走行層２２の上に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の薄膜であるＡｌＧａＮ層２３をエピタキシャル成長により形成する。ＡｌＧａＮ層（以下、「ＡｌＧａＮ電子供給層」ともいう。）２３は、後述する半導体デバイスを構成した際に、その半導体デバイスにおける電子供給層（バリア層）として機能するものである。

ＡｌＧａＮ電子供給層２３の形成は、例えば、以下のようにして行うことが考えられる。具体的な一例としては、気相成長装置であるＭＯＶＰＥ装置を用い、そのＭＯＶＰＥ装置の処理室内にＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２を形成した後のＧａＮテンプレート１０を搬入し、その処理室内を所定の結晶成長温度（例えば１０００〜１１００℃程度）に加熱した状態で、処理室内にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）ガスとＴＭＧガスとＮＨ_３ガスとを供給する。これにより、ＧａＮ電子走行層２２の上にＡｌＧａＮ電子供給層２３が形成されることになる。なお、ＡｌＧａＮ電子供給層２３の膜厚は、特に限定されるものではなく、適宜設定したものでよい。

なお、ＡｌＧａＮ電子供給層２３を形成する場合においても、高品質の層形成を行うことができ、また反りの発生等を抑制し得ることについては、上述したＧａＮ層２１およびＧａＮ電子走行層２２の場合と同様である。

（４）窒化物半導体積層物（中間前駆体）の構成
本実施形態では、上述したステップ４を実施することで、以下に説明する構成の中間前駆体を得ることができる。

図３に示すように、本実施形態で説明する中間前駆体３０は、上述したＧａＮテンプレート１０を基体として用いて構成されており、さらにそのＧａＮテンプレート１０の成長下地膜１３の上に少なくともＧａＮ電子走行層２２とＡｌＧａＮ電子供給層２３とを有する窒化物半導体の積層体２０が形成されたものである。

このような構成の中間前駆体３０は、後述するように、半導体デバイスを製造する際の基体として用いて非常に好適なものである。

（５）半導体デバイスの製造方法
次に、本発明に係る窒化物半導体積層物（中間前駆体）を基体として用いて半導体デバイスを製造する場合の製造方法の一例を説明する。
本実施形態では、半導体デバイスとして、電界効果型トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）の一つである高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）を例に挙げる。
また、本実施形態では、以下に示すステップ５〜９を実施することで、ＨＥＭＴを製造する場合を例に挙げて説明する。

（ステップ５：電極形成）
ＨＥＭＴの製造にあたっては、図４（ａ）に示すように、上述した構成の中間前駆体３０を基体として用いる。そして、その中間前駆体３０におけるＡｌＧａＮ電子供給層２３上に、ゲート電極４１と、ソース電極４２と、ドレイン電極４３とを形成する。ゲート電極４１は、例えばニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との複層構造からなる。ソース電極４２は、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との複層構造からなる。ドレイン電極４３は、例えばＴｉとＡｌとの複層構造からなる。各電極４１，４２，４３を形成する具体的な手法等については、公知技術を利用したものであればよく、ここではその詳細な説明を省略する。

（ステップ６：キャリア基板貼り付け）
各電極４１，４２，４３の形成を行ったら、次いで、ステップ６を行う。ステップ６では、図４（ｂ）に示すように、各電極４１，４２，４３が形成された後のＡｌＧａＮ電子供給層２３の上に、接合剤４４を介して、キャリア基板４５を接合する。キャリア基板４５は、積層体２０等の支持基板として機能するものである。キャリア基板４５としては、例えばサファイア基板を用いることが考えられるが、積層体２０等を支持し得るものであれば、これに限定されるものではない。キャリア基板４５の厚さについても、特に限定されるものではない。また、接合剤４４については、キャリア基板４５の接合が可能であり、かつ、後述するステップ９で除去することが可能であれば、特に限定されるものではなく、公知のものを用いればよい。

（ステップ７：ウエットエッチングによる基板除去）
キャリア基板４５の接合を行ったら、次いで、ステップ７を行う。ステップ７では、図５（ａ）に示すように、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２の除去を行う。Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物であるＧａ_２Ｏ_３は、成長下地膜１３を構成する窒化物半導体であるＧａＮや、その上に形成される積層体２０を構成する窒化物半導体であるＧａＮやＡｌＧａＮ等よりも、塩酸（ＨＣｌ）溶液等のエッチング液に対する耐性が低く、エッチング選択性を有する。そのため、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２の除去は、制御の複雑なドライエッチングを用いることなく、ＨＣｌ溶液等をエッチング液とするウエットエッチングを用いて容易に行うことができる。このように、ステップ７では、ウエットエッチングを行うことで、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を除去すること、すなわち成長下地膜１３上にＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２およびＡｌＧａＮ電子供給層２３の積層体２０が形成されたもの（ただし、キャリア基板４５によって支持された状態のもの）を得ることを、容易に（すなわち、歩留りよく）行うことができる。

（ステップ８：ダイヤモンド基板接合）
Ｇａ_２Ｏ_３基板１２の除去を行ったら、次いで、ステップ８を行う。ステップ８では、図５（ｂ）に示すように、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を除去した後の成長下地膜１３の面（すなわち、積層体２０が形成されていない側の面）に、放熱用途として、熱伝導度が高い多結晶ダイヤモンドからなる基板（以下「ダイヤモンド基板」という。）４６を接合する。ダイヤモンド基板４６を構成する多結晶ダイヤモンドについては、公知技術を利用したものであればよく、ここでは詳細な説明を省略する。ダイヤモンド基板４６の厚さについても、特に限定されるものではない。

ダイヤモンド基板４６の接合は、例えば、公知のプラズマ活性化低温接合技術を利用して行うことが考えられる。プラズマ活性化低温接合技術は、プラズマで表面を処理した面同士を接合させるもので、直接接合のように高温まで温度を上げなくても、十分に強い接合力を得ることができる。ただし、必ずしもこれに限定されることはなく、必要十分な接合力が得られれば、他の公知の接合技術を利用して行っても構わない。

ステップ８を行うと、ダイヤモンド基板４６の上に、成長下地膜１３、ＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２、ＡｌＧａＮ電子供給層２３、各電極４１，４２，４３、接合剤４４およびキャリア基板４５を順に積層した構造体が得られる。この構造体は、ダイヤモンド基板４６を接合することで得られるものである。つまり、かかる構造体を得るのにあたり、ダイヤモンド基板４６の面上へのエピタキシャル成長を行う必要がない。したがって、かかる構造体については、ダイヤモンド基板４６とその上の各層とで熱膨張率に差があっても、その差に起因する悪影響（例えば、形成品質の低下や反りの発生等）が及んでしまうことがない。

（ステップ９：キャリア基板除去）
ダイヤモンド基板４６の接合を行ったら、次いで、ステップ９を行う。ステップ９では、図６に示すように、接合剤４４およびキャリア基板４５の除去を行う。ダイヤモンド基板４６の接合後においては、積層体２０等の支持基板としてのキャリア基板４５が不要となるからである。除去の手法は、特に限定されるものではなく、例えば接合剤４４を溶融させる薬液を用いるといった公知技術を利用して行うことが考えられる。

（６）半導体デバイスの構成
本実施形態では、上述したステップ５〜９を実施することで、以下に説明する構成のＨＥＭＴを得ることができる。

図６に示すように、本実施形態で説明するＨＥＭＴは、ダイヤモンド基板４６の上に成長下地膜１３を介して形成されたＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２およびＡｌＧａＮ電子供給層２３の積層体２０を備えているとともに、その積層体２０の上に形成されたゲート電極４１、ソース電極４２およびドレイン電極４３の各電極を備えている。このような構成により、ＨＥＭＴは、例えば無線通信機器やこれに関連する機器等に用いられる高周波デバイスとして機能し得るものとなる。

高周波デバイスとして機能する場合、ＨＥＭＴに対しては、高出力化に伴って、放熱性の向上が求められる。この点につき、本実施形態で説明するＨＥＭＴは、ダイヤモンド基板４６を備えており、そのダイヤモンド基板４６の高い熱伝導度を十分に利用することができるので、放熱性に優れた高品質のデバイスとなる。

しかも、ダイヤモンド基板４６は、成長下地膜１３やＧａＮ層２１等を構成する窒化物半導体であるＧａＮに直接接合されている。そのため、ＨＥＭＴにおいては、ダイヤモンド基板４６と成長下地膜１３等との間の熱伝導不良を抑制することができ、この点によっても放熱性に優れた高品質のデバイスとなる。
また、成長下地膜１３の膜厚が１０μｍ未満であれば、薄膜化により成長下地膜１３を伝わる熱の伝熱性（放熱性）の向上も図れるので、より一層優れた放熱性を実現し得るようになる。

さらに、ＨＥＭＴにおいては、成長下地膜１３を構成する窒化物半導体であるＧａＮが半絶縁性を有しているので、その成長下地膜１３が高抵抗なもの（具体的には、例えば比抵抗が１０^５Ω・ｃｍ以上）となる。そのため、成長下地膜１３の上の積層体２０から成長下地膜１３への自由電子の拡散（逃げ、ドレインリーク電流増大等の不具合）等を抑制することができ、これによりＨＥＭＴとしての品質（性能）の向上も図れるようになる。

（７）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

（ａ）ＧａＮテンプレート１０が単結晶であるＧａＮ結晶からなる成長下地膜１３を備えているので、その成長下地膜１３上にＧａＮ結晶を成長させて、高品質の積層体２０を形成することができる。
しかも、成長下地膜１３を構成するＧａＮが半絶縁性を有しているので、その成長下地膜１３が高抵抗なものとなり、成長下地膜１３上に形成される積層体２０から成長下地膜１３への自由電子の拡散（逃げ、ドレインリーク電流増大などの不具合）等を抑制することができ、その結果としてＧａＮテンプレート１０を用いて製造されるＨＥＭＴの品質（性能）を向上させることが可能となる。
また、ＧａＮテンプレート１０のＧａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物であるＧａ_２Ｏ_３は、成長下地膜１３を構成する窒化物半導体であるＧａＮや、その上に形成される積層体２０を構成する窒化物半導体であるＧａＮやＡｌＧａＮ等よりも、ＨＣｌ溶液等のエッチング液に対する耐性が低い（エッチング選択性を有する）。そのため、ウエットエッチングを用いて、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を除去すること（すなわち、成長下地膜１３上に積層体２０が形成されたものを得ること）を容易に（すなわち、歩留りよく）行うことができる。
そして、成長下地膜１３と積層体２０とを含む窒化物半導体積層物（中間前駆体）３０が得られれば、これに放熱用途のダイヤモンド基板４６を接合することが可能となる。つまり、ダイヤモンド基板４６上に積層体２０を構成するＧａＮ薄膜をエピタキシャル成長させる必要がないので、それぞれの熱膨張率差に起因する悪影響を排除しつつ、高品質なデバイス製造を行うことができる。その上、ダイヤモンド基板４６をＧａＮ薄膜に直接接合させることが実現可能となるので、これらの間の熱伝導不良を抑制でき、この点によっても高品質なデバイス製造が行えるようになる。
以上のように、本実施形態によれば、ダイヤモンド基板４６を放熱用途に利用するＨＥＭＴ（半導体デバイス）を製造する場合に、そのＨＥＭＴを高品質に製造することが可能になる。

（ｂ）ＧａＮテンプレート１０のＧａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物が多結晶であれば、当該金属酸化物が単結晶である場合に比べて、ＧａＮテンプレート１０の低価格化や大口径化等への対応が容易となる。したがって、高品質なデバイス製造を効率よく（すなわち低コストや高い生産性等を実現しつつ）行う上で非常に好適なものとなる。

（ｃ）ＧａＮテンプレート１０において、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物と成長下地膜１３を構成する窒化物半導体のａ軸方向との線膨張係数の差が±３．５０×１０^-6／℃以内であれば、窒化物半導体積層物（中間前駆体）３０を製造すべくＧａＮテンプレート１０を結晶成長温度に加熱した場合であっても、そのＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制することができる。また、成長終了後に降温させた場合であっても、ＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制することができる。ＧａＮテンプレート１０の反りの発生を抑制できれば、その上に成長させる各種結晶層（積層体２０を構成するＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２およびＡｌＧａＮ電子供給層２３等）を高品質なものとすることができる。

（ｄ）ＧａＮテンプレート１０において、Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物の線膨張係数のほうが成長下地膜１３を構成する窒化物半導体のａ軸方向との線膨張係数よりも大きければ、仮に加熱または降温によってＧａＮテンプレート１０に反りが発生した場合であっても、成長下地膜１３を構成するＧａＮ結晶が圧縮応力を受けることになるので、必ずしもそのＧａＮ結晶が劣化するとは限らない。ＧａＮ結晶は、引っ張りに弱いが、圧縮には強い、という特徴を有するからである。つまり、ＧａＮ結晶が圧縮応力を受けるようにすれば、ＧａＮテンプレート１０の反りに起因するＧａＮ結晶の劣化を抑制できるようになる。ＧａＮ結晶の劣化を抑制できれば、その上に成長させる各種結晶層（積層体２０を構成するＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２およびＡｌＧａＮ電子供給層２３等）を高品質なものとすることができる。

（ｅ）Ｇａ_２Ｏ_３基板１２を構成する金属酸化物がＧａ_２Ｏ_３であり、成長下地膜１３を構成する窒化物半導体がＧａＮであれば、上記（ｂ）〜（ｄ）の効果を確実に奏するようになる。

（ｆ）ＧａＮテンプレート１０において、成長下地膜１３の表面の平均転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２未満であれば、例えば青色半導体レーザ用ＧａＮ基板に用いられる一般的な下地膜の平均転位密度（例えば１×１０^８個／ｃｍ^２以上）に比べて低いため、成長下地膜１３の上に成長させる積層体２０（ＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２およびＡｌＧａＮ電子供給層２３等）の結晶性を高めることができる。したがって、積層体２０を高品質に形成する上で非常に有効なものとなる。

（ｇ）ＧａＮテンプレート１０において、成長下地膜１３の電気抵抗率（比抵抗）が１０^５Ω・ｃｍ以上であれば、例えば青色半導体レーザ用ＧａＮ基板に用いられる一般的な下地膜の比抵抗（例えば１０^-2〜１０^-3Ω・ｃｍ程度）に比べて高抵抗であるため、成長下地膜１３上に積層体２０を成長させて窒化物半導体積層物（中間前駆体）３０を製造し、その中間前駆体３０を用いてＨＥＭＴ（半導体デバイス）を構成した際に、その成長下地膜１３の上に成長させる積層体２０から成長下地膜１３への自由電子の拡散（逃げ、ドレインリーク電流増大等の不具合）等を抑制することができる。したがって、ＧａＮテンプレート１０を用いて製造される半導体デバイスの品質（性能）を向上させる上で非常に有効なものとなる。

（ｈ）ＧａＮテンプレート１０において、成長下地膜１３の膜厚が１０μｍ未満であれば、形成材料の削減による低コスト化が図れ、さらには薄膜化により成長下地膜１３を伝わる熱の伝熱性（放熱性）の向上も図れるようになる。また、成長下地膜１３の膜厚が１０μｍ未満であっても、その成長下地膜１３が単結晶および半絶縁性であることによる作用効果を発揮する上で必要十分な膜厚（例えば、少なくとも１μｍ程度）であれば、その作用効果が阻害されてしまうことはない。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

上述の実施形態では、ＧａＮテンプレート１０における成長下地膜１３がＧａＮ結晶からなる場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。成長下地膜１３は、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体からなるもので、その上に形成される積層体２０の各層をエピタキシャル成長させ得るものであればよい。具体的には、ＧａＮに限らず、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等の窒化物結晶、すなわち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式で表される窒化物結晶からなるものであってもよい。

また、上述の実施形態では、ＧａＮテンプレート１０がＧａ_２Ｏ_３基板１２を備える場合、すなわち当該基板１２を構成する金属酸化物がＧａ_２Ｏ_３である場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。金属酸化物は、成長下地膜１３や積層体２０とのエッチング選択性を確保し得るものであれば、Ｇａ_２Ｏ_３以外のもの（例えばＺｎＯ）であってもよい。

また、上述の実施形態では、窒化物半導体積層物（中間前駆体）３０を構成する積層体２０がＧａＮ層２１、ＧａＮ電子走行層２２およびＡｌＧａＮ電子供給層２３を有する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではない。積層体２０は、少なくともＧａＮ電子走行層２２とＡｌＧａＮ電子供給層２３とを有するものであれば、ＧａＮ層２１を有していなくてもよいし、上述の実施形態では説明しない他の層を有したものであってもよい。

また、上述の実施形態では、ＧａＮテンプレート１０や窒化物半導体積層物（中間前駆体）３０等を用いて製造される半導体デバイスとして、ＦＥＴの一つであるＨＥＭＴを例に挙げたが、本発明がこれに限定されることはなく、他の半導体デバイスについても全く同様に適用することが可能である。

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

（付記１）
金属酸化物を主成分とする基板と、
前記基板上に形成され、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体の薄膜からなる成長下地膜と、
を備える窒化物半導体テンプレート。

（付記２）
前記金属酸化物が多結晶である
付記１に記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記３）
前記金属酸化物と前記窒化物半導体のａ軸方向との線膨張係数の差が±３．５０×１０^-6／℃以内である
付記１または２に記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記４）
前記金属酸化物の線膨張係数のほうが前記窒化物半導体のａ軸方向の線膨張係数よりも大きい
付記３に記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記５）
前記金属酸化物が酸化ガリウムであり、
前記窒化物半導体が窒化ガリウムである
付記１から４のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記６）
前記成長下地膜は、表面の平均転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２未満である
付記１から５のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記７）
前記成長下地膜は、電気抵抗率（比抵抗）が１０^５Ω・ｃｍ以上である
付記１から６のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記８）
前記成長下地膜は、膜厚が１０μｍ未満である
付記１から７のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレート。

（付記９）
付記１から８のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレートと、
前記窒化物半導体テンプレートにおける前記成長下地膜の上に形成され、少なくとも電子走行層と電子供給層とを有する窒化物半導体の積層体と、
を備える窒化物半導体積層物（中間前駆体）。

（付記１０）
金属酸化物を主成分とする基板上に、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体の薄膜からなる成長下地膜を形成する工程
を備える窒化物半導体テンプレートの製造方法。

（付記１１）
前記成長下地膜を形成する工程は、
半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体の基板を用意する工程と、
前記窒化物半導体の基板を切断して前記成長下地膜とする工程と、
を含む付記１０に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。

（付記１２）
前記窒化物半導体の基板を、イオン注入を利用しつつ、そのイオン注入箇所で切断する
付記１１に記載の窒化物半導体テンプレートの製造方法。

（付記１３）
付記１から８のいずれかに記載の窒化物半導体テンプレートにおける前記成長下地膜の上に、少なくとも電子走行層と電子供給層とを有する窒化物半導体の積層体を形成する工程
を備える窒化物半導体積層物（中間前駆体）の製造方法。

（付記１４）
付記９に記載の窒化物半導体積層物（中間前駆体）における前記電子供給層の上に、電極を形成する工程と、
前記電極が形成された後の前記電子供給層の上に、接合剤を介して、キャリア基板を接合する工程と、
前記金属酸化物を主成分とする基板をウエットエッチングにより除去する工程と、
エッチング除去後における前記成長下地膜の面（前記積層体が形成されていない側の面）に、多結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板を接合する工程と、
前記ダイヤモンド基板の接合後に前記接合剤および前記キャリア基板を除去する工程と、
を備える半導体デバイスの製造方法。

１０ ＧａＮテンプレート（窒化物半導体テンプレート）
１２ Ｇａ_２Ｏ_３基板
１３ 成長下地膜
２０ 積層体
２１ ＧａＮ層
２２ ＧａＮ電子走行層
２３ ＡｌＧａＮ電子供給層
３０ 窒化物半導体積層物（中間前駆体）
４６ ダイヤモンド基板

Claims (8)

1. 金属酸化物を主成分とする基板と、
   前記基板上に形成され、半絶縁性を有した単結晶の窒化物半導体の薄膜からなる成長下地膜と、
   を備え、
   前記基板と前記成長下地膜とが接合されてなり、
   前記金属酸化物と前記窒化物半導体のａ軸方向との線膨張係数の差が±３．５０×１０ ^−６ ／℃以内であり、
   前記基板と前記成長下地膜とはエッチング選択性を有し、
   前記基板をエッチング除去して得られる前記成長下地膜の面が、多結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド基板との接合面を構成する
   窒化物半導体テンプレート。
2. 前記金属酸化物が多結晶である
   請求項１に記載の窒化物半導体テンプレート。
3. 前記金属酸化物の線膨張係数のほうが前記窒化物半導体のａ軸方向の線膨張係数よりも大きい
   請求項１または２に記載の窒化物半導体テンプレート。
4. 前記金属酸化物が酸化ガリウムであり、
   前記窒化物半導体が窒化ガリウムである
   請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
5. 前記成長下地膜は、表面の平均転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２未満である
   請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
6. 前記成長下地膜は、電気抵抗率（比抵抗）が１０^５Ω・ｃｍ以上である
   請求項１から５のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
7. 前記成長下地膜は、膜厚が１０μｍ未満である
   請求項１から６のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレート。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の窒化物半導体テンプレートと、
   前記窒化物半導体テンプレートにおける前記成長下地膜の上に形成され、少なくとも電子走行層と電子供給層とを有する窒化物半導体の積層体と、
   を備える窒化物半導体積層物。