JPWO2017077806A1 - 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および、半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および、半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

電流コラプスの発生が抑制されてなる半導体素子用のエピタキシャル基板を提供する。半導体素子用エピタキシャル基板が、ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板と、前記自立基板に隣接してなるバッファ層と、前記バッファ層に隣接してなるチャネル層と、前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側に設けられてなる障壁層と、を備え、前記バッファ層が、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層である、ようにした。

Description

本発明は、半導体素子に関し、特に、半絶縁性のＧａＮからなる自立基板を用いて構成される半導体素子に関する。
窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として利用されている。
窒化物電子デバイスの代表的な構造として、ＡｌＧａＮを「障壁層」、ＧａＮを「チャネル層」として積層形成した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造がある。これは、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ＡｌＧａＮ／ＧａＮ積層界面に高濃度の２次元電子ガスが生成するという特徴を活かしたものである。
窒化物電子デバイスは、一般的に、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉといった、商業的に入手の容易な異種材料下地基板を用いて作製されている。しかしながら、これら異種材料基板上にヘテロエピタキシャル成長させたＧａＮ膜中には、ＧａＮと異種材料基板との間の格子定数や熱膨張係数の差異に起因して、多数の欠陥が発生してしまうという問題がある。
一方、ＧａＮ基板上にＧａＮ膜をホモエピタキシャル成長させた場合、上述の格子定数や熱膨張係数の差異に起因する欠陥は発生せず、ＧａＮ膜は良好な結晶性を示す。
それゆえ、ＧａＮ基板上に窒化物ＨＥＭＴ構造を作製した場合、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ積層界面に存在する２次元電子ガスの移動度が向上するので、当該構造を用いて作製するＨＥＭＴ素子（半導体素子）の特性向上が期待できる。
ただし、商業的に入手が可能である、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）にて作製されたＧａＮ基板は、一般的には、結晶内に取り込んだ酸素不純物のためｎ型の伝導型を呈する。導電性のＧａＮ基板は、ＨＥＭＴ素子を高電圧駆動した際に、ソース−ドレイン電極間のリーク電流経路となる。そのため、ＨＥＭＴ素子を作製するには、半絶縁性のＧａＮ基板の利用が望ましい。
半絶縁性ＧａＮ基板を実現するためには、遷移金属元素（例えばＦｅ）や２族元素（例えばＭｇ）のような深いアクセプター準位を形成する元素をＧａＮ結晶中にドーピングすることが有効と知られている。
２族元素のうち、亜鉛元素（Ｚｎ）を選択することで、高品質な半絶縁性ＧａＮ単結晶基板を実現できることが、すでに公知である（例えば、特許文献１参照）。ＧａＮ結晶中のＺｎ元素の拡散についてはすでに調査がなされており、高温雰囲気にて拡散は生じ、かつ、拡散のしやすさはＧａＮ結晶の結晶性に依存する（例えば、非特許文献４参照）。また、基板上に遷移金属元素である鉄（Ｆｅ）がドープされた高抵抗層を形成し、さらに、該高抵抗層と電子走行層との間にＦｅの取り込み効果の高い中間層を形成することにより、電子走行層へのＦｅの入り込みを防ぐ態様もすでに公知である（例えば、特許文献２参照）。
半絶縁性ＧａＮ基板上に、または、半絶縁性ＧａＮ膜付き基板上に、ＨＥＭＴ構造を作製し、諸特性を評価することはすでになされている（例えば、非特許文献１ないし非特許文献３参照）。
遷移金属元素や２族元素をドーピングしてなる半絶縁性ＧａＮ単結晶基板の上にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させて半導体素子用のエピタキシャル基板を形成する場合、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎなどのアクセプター元素がＧａＮ膜中に拡散し、膜中において電子トラップ（electron-trap）として作用するために、電流コラプス（current collapse）現象が発生してしまうという問題がある。
特許第５０３９８１３号公報 特開２０１３−７４２１１号公報
Yoshinori Oshimura, Takayuki Sugiyama, Kenichiro Takeda, Motoaki Iwaya, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Isamu Akasaki, and Hiroshi Amano, "AlGaN/GaN Heterostructure Field-Effect Transistors on Fe-Doped GaN Substrates with High Breakdown Voltage", Japanese Journal of Applied Physics, vol.50 (2011), p.084102-1-p.084102-5. V. Desmaris, M. Rudzinski, N. Rorsman, P.R. Hageman, P.K. Larsen, H. Zirath, T.C. Rodle, and H.F.F. Jos, "Comparison of the DC and Microwave Performance of AlGaN/GaN HEMTs Grown on SiC by MOCVD With Fe-Doped or Unintentionally Doped GaN Buffer Layers", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.53, No.9, pp.2413-2417, September 2006. M. Azize, Z. Bougrioua, and P. Gibart, "Inhibition of interface pollution in AlGaN/GaN HEMT structures regrown on semi-insulating GaN templates", Journal of Crystal Growth, vol.299 (2007), p.103-p.108. T. Suzuki, J. Jun, M. Leszczynski, H. Teisseyre, S. Strite, A. Rockett, A. Pelzmann, M. Camp, and K. J. Ebeling, "Optical actvation and diffusivity of ion-implanted Zn acceptors in GaN under high-pressure, high-temperature annealing", Journal of Applied Physics, Vol.84 (1998), No.2, pp.1155-1157.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電流コラプスの発生が抑制されてなる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、本発明の第１の態様は、半導体素子用エピタキシャル基板が、ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板と、前記自立基板に隣接してなるバッファ層と、前記バッファ層に隣接してなるチャネル層と、前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側に設けられてなる障壁層と、を備え、前記バッファ層が、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層である、ようにした。
本発明の第２の態様は、第１の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記バッファ層が厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣをドープしてなる１３族窒化物層である、ようにした。
本発明の第３の態様は、第２の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記１３族窒化物層がＧａＮ層である、ようにした。
本発明の第４の態様は、第２の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記１３族窒化物層が、相異なる組成の２以上の１３族窒化物層が積層されてなりかつ前記２以上の１３族窒化物層の少なくとも一つの層にＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなる多層バッファ層、もしくは、２またはそれ以上の１３族元素を含む１３族窒化物からなりかつ１３族元素の存在比率が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層である、ようにした。
本発明の第５の態様は、第２ないし第４の態様のいずれかに係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記チャネル層におけるＺｎの濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である、ようにした。
本発明の第６の態様は、第２ないし第５の態様のいずれかに係る半導体素子用エピタキシャル基板において、前記チャネル層はＧａＮからなり、前記障壁層はＡｌＧａＮからなる、ようにした。
本発明の第７の態様は、半導体素子が、ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板と、前記自立基板に隣接してなるバッファ層と、前記バッファ層に隣接してなるチャネル層と、前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側に設けられてなる障壁層と、前記障壁層の上に設けられてなるゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極と、を備え、前記バッファ層が、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層である、ようにした。
本発明の第８の態様は、第７の態様に係る半導体素子において、前記バッファ層が厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣをドープしてなる１３族窒化物層である、ようにした。
本発明の第９の態様は、第８の態様に係る半導体素子において、前記１３族窒化物層がＧａＮ層である、ようにした。
本発明の第１０の態様は、第８の態様に係る半導体素子において、前記１３族窒化物層が、相異なる組成の２以上の１３族窒化物層が積層されてなりかつ前記２以上の１３族窒化物層の少なくとも一つの層にＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなる多層バッファ層、もしくは、２またはそれ以上の１３族元素を含む１３族窒化物からなりかつ１３族元素の存在比率が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層である、ようにした。
本発明の第１１の態様は、第８ないし第１０の態様のいずれかに係る半導体素子において、前記チャネル層におけるＺｎの濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である、ようにした。
本発明の第１２の態様は、第８ないし第１１の態様のいずれかに係る半導体素子において、前記チャネル層はＧａＮからなり、前記障壁層はＡｌＧａＮからなる、ようにした。
本発明の第１３の態様は、半導体素子用のエピタキシャル基板を製造する方法が、a)ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板を用意する準備工程と、b)前記自立基板に隣接させてバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、c)前記バッファ層に隣接させてチャネル層を形成するチャネル層工程と、d)前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側の位置に障壁層を形成する障壁層形成工程と、を備え、バッファ層形成工程においては、前記バッファ層を、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層として形成する、ようにした。
本発明の第１４の態様は、第１３の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、バッファ層形成工程においては、前記バッファ層を厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣをドープしてなる１３族窒化物層にて形成することで、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する、ようにした。
本発明の第１５の態様は、第１４の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記１３族窒化物層はＧａＮにて形成される、ようにした。
本発明の第１６の態様は、第１４の態様に係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記１３族窒化物層を、少なくとも一つの層にＣを１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープしつつ相異なる組成の２以上の１３族窒化物層を積層することによって多層バッファ層として形成するか、もしくは、２またはそれ以上の１３族元素を含む１３族窒化物からなりかつ１３族元素の存在比率が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層として形成する、ようにした。
本発明の第１７の態様は、第１４ないし第１６の態様のいずれかに係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記バッファ層形成工程においては、前記チャネル層におけるＺｎの濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となるように、前記１３族窒化物層にて前記バッファ層を形成する、ようにした。
本発明の第１８の態様は、第１４ないし第１７の態様のいずれかに係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記チャネル層はＧａＮにて形成され、前記障壁層はＡｌＧａＮにて形成される、ようにした。
本発明の第１９の態様は、第１３ないし第１８の態様のいずれかに係る半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記自立基板はフラックス法で作製される、ようにした。
本発明の第１ないし第１９の態様によれば、半絶縁性のＧａＮ自立基板を用いつつ、電流コラプスが低減された半導体素子が実現できる。
ＨＥＭＴ素子２０の断面構造を、模式的に示す図である。 実施例１に係るエピタキシャル基板におけるＺｎ元素、Ｃ元素の濃度プロファイルを示す図である。 図２のうち、ＧａＮバッファ層とＧａＮ基板の界面近傍における拡大図である。 比較例１に係るエピタキシャル基板におけるＺｎ元素、Ｃ元素の濃度プロファイルを示す図である。 図４のうち、ＣドープＧａＮバッファ層とＧａＮ基板の界面近傍における拡大図である。 実施例７における、障壁層４の表面から深さ方向におけるＺｎ元素とＣ元素の濃度プロファイルを示す図である。 実施例８における、障壁層４の表面から深さ方向におけるＺｎ元素とＣ元素の濃度プロファイル、および、Ａｌ元素の二次イオン信号プロファイルを示す図である。
本明細書中に示す周期表の族番号は、１９８９年国際純正応用化学連合会（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ：ＩＵＰＡＣ）による無機化学命名法改訂版による１〜１８の族番号表示によるものであり、１３族とはアルミニウム（Ａｌ）・ガリウム（Ｇａ）・インジウム（Ｉｎ）等を指し、１４族とは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等を指し、１５族とは窒素（Ｎ）・リン（Ｐ）・ヒ素（Ａｓ）・アンチモン（Ｓｂ）等を指す。
＜エピタキシャル基板およびＨＥＭＴ素子の概要＞
図１は、本発明に係る半導体素子用エピタキシャル基板の一実施形態としてのエピタキシャル基板１０を含んで構成される、本発明に係る半導体素子の一実施形態としてのＨＥＭＴ素子２０の断面構造を、模式的に示す図である。
エピタキシャル基板１０は、自立基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層４とを備える。また、ＨＥＭＴ素子２０は、エピタキシャル基板１０の上に（障壁層４の上に）ソース電極５とドレイン電極６とゲート電極７とを設けたものである。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。
自立基板１は、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以上ドープされた（０００１）面方位のＧａＮ基板であり、室温における比抵抗が１×１０２Ωｃｍ以上であって半絶縁性を呈する。自立基板１のサイズに特に制限はないが、ハンドリング（把持、移動など）の容易さなどを考慮すると、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚みを有するのが好適である。係る自立基板１は、例えば、フラックス（Ｆｌｕｘ）法によって作製することができる。
フラックス法による自立基板１の形成は、概略、耐圧容器内に水平回転自在に配置した育成容器（アルミナるつぼ）内で金属Ｇａ、金属Ｎａ、金属Ｚｎ、Ｃ（炭素）を含む融液に種基板を浸漬し、育成容器を水平回転させた状態で、窒素ガスを導入しながら育成容器内を所定温度および所定圧力を保つことによって種基板に形成されるＧａＮ単結晶を、種基板から分離することによって得られる。種基板としては、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ薄膜を形成してなるいわゆるテンプレート基板などを好適に用いることができる。
バッファ層２は、自立基板１の一方主面上に（隣接）形成されてなる、５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚みを有する層である。本実施の形態において、バッファ層２は、いわゆる８００℃未満の低温で形成されるいわゆる低温バッファ層とは異なり、チャネル層３や障壁層４の形成温度と同程度の温度で形成されるものである。
本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０において、バッファ層２は、自立基板１にドープされてなるＺｎがエピタキシャル基板１０の作製時にチャネル層３さらにはその上方の障壁層４へと拡散することを抑制する、拡散抑制層として設けられてなる。バッファ層２は、厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣがドープされた１３族窒化物からなる層にて構成するのが好適な一例である。
係る場合、バッファ層２は、全体が一の１３族窒化物からなる単一層にＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなるものであってもよいし、組成の相異なる２以上の１３族窒化物層からなる多層バッファ層の少なくとも一つの層にＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなるものであってもよい。単一層としては、全体がＧａＮからなるＧａＮバッファ層（ＣドープＧａＮ層）などが例示される。多層バッファ層としては例えば、ＡｌａＧａ１−ａＮ層（０＜ａ≦１）の上にＣドープＧａＮ層が積層された構成などが例示される。あるいは、バッファ層２は、２またはそれ以上の１３族元素（例えばＧａとＡｌ）を含む１３族窒化物からなり、かつ各元素の存在比率（モル分率）が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層の、厚み方向の少なくとも一部の範囲において、Ｃが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなることにより、設けられていてもよい。バッファ層２のもたらす効果については後述する。
あるいは、ＡｌがドープされたＧａＮからなる層（ＡｌドープＧａＮ層）や、ＡｌＮからなる層にてバッファ層２を構成する態様であってもよい。これらの層についても、ＣドープＧａＮ層と同様、拡散抑制層として機能する。
チャネル層３は、バッファ層２の上に（隣接）形成されてなる層である。チャネル層３は、５０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度の厚みに形成される。また、障壁層４は、チャネル層３を挟んでバッファ層２とは反対側に設けられてなる層である。障壁層４は、２ｎｍ〜４０ｎｍ程度の厚みに形成される。
障壁層４は図１に示すようにチャネル層３に隣接して形成されてもよく、この場合、両層の界面はヘテロ接合界面となる。あるいは、チャネル層３と障壁層４の間に図示しないスペーサ層が設けられてもよく、この場合、チャネル層３とスペーサ層との界面から障壁層４とスペーサ層との界面にいたる領域がヘテロ接合界面領域となる。
いずれの場合も、チャネル層３がＧａＮにて形成され、障壁層４がＡｌＧａＮ（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、０＜ｘ＜１）ないしＩｎＡｌＮ（ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ、０＜ｙ＜１）にて形成されるのが好適な一例である。ただし、チャネル層３と障壁層４の組み合わせはこれに限られるものではない。
バッファ層２、チャネル層３、および、障壁層４の形成は、例えばＭＯＣＶＤ法によって実現される。ＭＯＣＶＤ法による層形成は、例えばバッファ層２およびチャネル層３がＧａＮにて形成され、障壁層４がＡｌＧａＮにて形成される場合であれば、Ｇａ、Ａｌについての有機金属（ＭＯ）原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ）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公知のＭＯＣＶＤ炉を用い、リアクタ内に載置した自立基板１を所定温度に加熱しつつ、各層に対応した有機金属原料ガスとアンモニアガスとの気相反応によって生成するＧａＮ結晶やＡｌＧａＮ結晶を自立基板１上に順次に堆積させることによって行える。
ソース電極５とドレイン電極６とは、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有する金属電極である。ソース電極５とドレイン電極６とは、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層電極として形成されるのが好適である。ソース電極５およびドレイン電極６は、障壁層４との間にオーミック性接触を有してなる。ソース電極５およびドレイン電極６は、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとにより形成されるのが好適な一例である。なお、両電極のオーミック性接触を向上させるために、電極形成後、６５０℃〜１０００℃の間の所定温度の窒素ガス雰囲気中において数十秒間の熱処理を施すのが好ましい。
ゲート電極７は、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有する金属電極である。ゲート電極７は、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなる多層電極として構成されるのが好適である。ゲート電極７は、障壁層４との間にショットキー性接触を有してなる。ゲート電極７は、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとにより形成されるのが好適な一例である。
＜エピタキシャル基板およびＨＥＭＴ素子の作製方法＞
（自立基板の作製）
まず、フラックス法による自立基板１の作製手順について説明する。
初めに、作製したい自立基板１の直径と同程度の直径を有するｃ面サファイア基板を用意し、その表面に、４５０℃〜７５０℃の温度にてＧａＮ低温バッファ層を１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の厚みに成膜し、その後、厚さ１μｍ〜１０μｍ程度のＧａＮ薄膜を１０００℃〜１２００℃の温度にてＭＯＣＶＤ法により成膜し、種基板として利用可能なＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートを得る。
次に、得られたＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートを種基板として、Ｎａフラックス法を用いてＺｎドープＧａＮ単結晶層を形成する。
具体的には、まず、アルミナるつぼ内にＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートを載置し、続いて、該アルミナるつぼ内に、金属Ｇａを１０ｇ〜６０ｇ、金属Ｎａを１５ｇ〜９０ｇ、金属Ｚｎを０．１ｇ〜５ｇ、Ｃを１０ｍｇ〜５００ｍｇ、それぞれ充填する。
係るアルミナるつぼを加熱炉に入れ、炉内温度を８００℃〜９５０℃とし、炉内圧力を３ＭＰａ〜５ＭＰａとして、２０時間〜４００時間程度加熱し、その後、室温まで冷却する。冷却終了後、アルミナるつぼを炉内から取り出す。以上の手順により、表面に、褐色のＧａＮの単結晶層が３００μｍ〜３０００μｍの厚さで堆積したＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートが得られる。
このようにして得られたＧａＮ単結晶層を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、その表面を平坦化させる。これにより、ＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートの上にＧａＮ単結晶層が形成されたＦｌｕｘ−ＧａＮテンプレートが得られる。ただし、研磨は、Ｆｌｕｘ−ＧａＮテンプレートにおける窒化物層の総厚が最終的に得たい自立基板１の狙いの厚みよりも十分に大きい値に保たれる範囲で行う。
次いで、レーザーリフトオフ法により、種基板の側からレーザー光を０．１ｍｍ／秒〜１００ｍｍ／秒の走査速度で走査しつつ照射することによって、Ｆｌｕｘ−ＧａＮテンプレートから種基板を分離する。レーザー光としては、例えば、波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧの３次高調波を用いるのが好適である。係る場合、パルス幅は１ｎｓ〜１０００ｎｓ、パルス周期は１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度であればよい。照射に際しては、レーザー光を適宜に集光して、光密度を調整するのが好ましい。また、レーザー光の照射は、Ｆｌｕｘ−ＧａＮテンプレートを種基板と反対側から３０℃〜６００℃程度の温度で加熱しつつ行うのが好ましい。
種基板を分離した後、得られた積層構造体の種基板から剥離された側の面を研磨処理する。これにより、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされたＧａＮからなる自立基板１が得られる。
（エピタキシャル基板の作製）
続いて、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル基板１０の作製について説明する。エピタキシャル基板１０は、自立基板１をＭＯＣＶＤ炉のリアクタ内に設けられたサセプタ上に載置した状態で、下記の条件にてバッファ層２、チャネル層３、および障壁層４をこの順にて積層形成することで得られる。ただし、バッファ層２については、単一のＧａＮバッファ層、または、１３族元素としてＧａおよびＡｌを含む多層バッファ層あるいは組成傾斜バッファ層を形成する場合について例示する。なお、形成温度とはサセプタ加熱温度を意味する。
なお、本実施の形態において、１５族／１３族ガス比とは、１３族（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）原料であるＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、およびＴＭＩ（トリメチルインジウム）の総供給量に対する１５族（Ｎ）原料であるアンモニアの供給量の比（モル比）である。また、障壁層４をＡｌＧａＮにて形成する場合のＡｌ原料ガス／１３族原料ガス比とは、Ａｌ原料の供給量に対する１３族（Ｇａ、Ａｌ）原料全体の供給量の比（モル比）であり、障壁層４をＩｎＡｌＮにて形成する場合のＡｌ原料ガス／１３族原料ガス比とは、Ｉｎ原料の供給量に対する１３族（Ｉｎ、Ａｌ）原料全体の供給量の比（モル比）である。ともに、所望する障壁層４の組成（Ａｌモル比ｘもしくはＩｎ組成比ｙ）に応じて定められる。
バッファ層２：
形成温度＝９００℃〜１１００℃；
リアクタ内圧力＝５ｋＰａ〜３０ｋＰａ；
キャリアガス＝水素；
１５族／１３族ガス比＝１００〜４０００；
Ａｌ原料ガス／１３族原料ガス比＝０（ＧａＮバッファ層の場合）；
Ａｌ原料ガス／１３族原料ガス比＝０〜１の範囲で厚み方向における位置に応じて（多層バッファ層または組成傾斜バッファ層の場合）。
チャネル層３：
形成温度＝１０００℃〜１２００℃；
リアクタ内圧力＝１５ｋＰａ〜１０５ｋＰａ；
キャリアガス＝水素；
１５族／１３族ガス比＝１０００〜１００００。
障壁層４（ＡｌＧａＮにて形成する場合）：
形成温度＝１０００℃〜１２００℃；
リアクタ内圧力＝１ｋＰａ〜３０ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝５０００〜２００００；
キャリアガス＝水素；
Ａｌ原料ガス／１３族原料ガス比＝０．１〜０．４。
障壁層４（ＩｎＡｌＮにて形成する場合）：
形成温度＝７００℃〜９００℃；
リアクタ内圧力＝１ｋＰａ〜３０ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝２０００〜２００００；
キャリアガス＝窒素；
Ｉｎ原料ガス／１３族原料ガス比＝０．１〜０．９。
（ＨＥＭＴ素子の作製）
エピタキシャル基板１０を用いたＨＥＭＴ素子２０の作製は、公知の技術を適用することで実現可能である。
例えば、フォトリソグラフィプロセスとＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて個々の素子の境界となる部位を５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度までエッチングで除去する素子分離処理を行った後、エピタキシャル基板１０の表面（障壁層４の表面）に厚さ５０ｎｍ〜５００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成し、続いてフォトリソグラフィを用いてソース電極５およびドレイン電極６の形成予定箇所のＳｉＯ２膜をエッチング除去することで、ＳｉＯ２パターン層を得る。
次いで、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとを用い、ソース電極５およびドレイン電極６の形成予定箇所にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属パターンを形成することで、ソース電極５およびドレイン電極６を形成する。それぞれの金属層の厚みは、順に５ｎｍ〜５０ｎｍ、４０ｎｍ〜４００ｎｍ、４ｎｍ〜４０ｎｍ、および、２０ｎｍ〜２００ｎｍとするのが好適である。
その後、ソース電極５およびドレイン電極６のオーミック性を良好なものにするために、６００℃〜１０００℃の窒素ガス雰囲気中にて１０秒間〜１０００秒間の熱処理を施す。
続いて、フォトリソグラフィプロセスを用いて、ＳｉＯ２パターン層から、ゲート電極７の形成予定箇所のＳｉＯ２膜を除去する。
さらに真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとを用いて、ゲート電極７の形成予定箇所に、Ｎｉ／Ａｕからなるショットキー性金属パターンを形成することで、ゲート電極７を形成する。それぞれの金属層の厚みは、４ｎｍ〜４０ｎｍ、および、２０ｎｍ〜２００ｎｍとするのが好適である。
以上のプロセスにより、ＨＥＭＴ素子２０が得られる。
（バッファ層の効果）
上述のように、本実施の形態に係るＨＥＭＴ素子２０においては、自立基板１が、１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＺｎがドープされたＧａＮからなるとともに、バッファ層２が、エピタキシャル基板１０の作製時にＺｎが自立基板１からチャネル層３へと拡散することを防止する拡散抑制層として機能するべく設けられてなる。そして、係るバッファ層２としては、厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣがドープされた１３族窒化物からなる層が、例示される。
仮に、上述のような濃度条件でＣがバッファ層２にドープされていない場合、Ｚｎがバッファ層２からチャネル層３さらには障壁層４に拡散する。この場合、アクセプター元素として機能するＺｎが電子トラップとして働くために、ＨＥＭＴ素子２０において電流コラプス現象が生じる。
しかしながら、本実施の形態に係るＨＥＭＴ素子２０においては、上述の濃度条件をみたしてＣがドープされた１３族窒化物層にてバッファ層２が形成されてなることによって、自立基板１からのＺｎの拡散が好適に抑制された結果として、電流コラプスの発生が好適に抑制されたものとなっている。より具体的には、チャネル層におけるＺｎの濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であれば、ＨＥＭＴ素子２０における電流コラプスの発生は好適に抑制される。
なお、バッファ層２の厚み方向の少なくとも一部の範囲における１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でのＣのドープは、ＭＯＣＶＤ法によって１３族窒化物層を形成する場合に当該層の形成条件、例えば、成長温度、リアクタ内圧力、１５族ガスと１３族ガスのガス比、形成厚みなどを適宜に調整することにより、Ｃの濃度を変化させることができることに基づいている。なお、ＭＯＣＶＤ法において形成される結晶層にドープされるＣは主として１３族原料に由来するものであり、例えば、Ｃ供給量は１３族ガス供給量で変化し、また、１３族窒化物結晶中のＣ元素の安定性は温度および圧力の影響を受ける。
よって、本実施の形態に係るＨＥＭＴ素子２０を得るにあたっては、バッファ層２の形成に際しては厚み方向の少なくとも一部の範囲においてＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされる成長条件を用い、チャネル層３の形成に際しては、係るドープがなされない成長条件、例えばＣの濃度がバッファ層２よりも２オーダーないしは３オーダーあるいはそれ以上に小さくなる成長条件を、用いるようにすればよい。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、反絶縁性のＧａＮ自立基板を用いつつ、電流コラプスの発生が抑制されてなる半導体素子を、得ることができる。
（実施例１）
［フラックス法によるＺｎドープＧａＮ単結晶基板の作製］
直径２インチ、厚さ０．４３ｍｍのｃ面サファイア基板の表面に、５５０℃にてＧａＮ低温バッファ層を３０ｎｍ成膜し、その後、厚さ３μｍのＧａＮ薄膜を１０５０℃にてＭＯＣＶＤ法により成膜し、種基板として利用可能なＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートを得た。
得られたＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートを種基板として、Ｎａフラックス法を用いてＺｎドープＧａＮ単結晶層を形成した。
具体的には、まず、アルミナるつぼ内にＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートを載置し、続いて、該アルミナるつぼ内に、金属Ｇａを３０ｇ、金属Ｎａを４５ｇ、金属亜鉛を１ｇ、炭素を１００ｍｇ、それぞれ充填した。係るアルミナるつぼを加熱炉に入れ、炉内温度を８５０℃とし、炉内圧力を４．５ＭＰａとして、約１００時間加熱し、その後、室温まで冷却した。冷却終了後、アルミナるつぼを炉内から取り出すと、ＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートの表面には、褐色のＧａＮの単結晶層が約１０００μｍの厚さで堆積していた。
このようにして得られたＧａＮ単結晶層を、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、その表面を平坦化させるとともに、下地基板の上に形成された窒化物層の総厚が９００μｍとなるようにした。これにより、ＭＯＣＶＤ−ＧａＮテンプレートの上にＧａＮ単結晶層が形成されたＦｌｕｘ−ＧａＮテンプレートが得られた。なお、係るＦｌｕｘ−ＧａＮテンプレートを肉眼視したところ、クラックは確認されなかった。
次いで、レーザーリフトオフ法により、種基板の側からレーザー光を３０ｍｍ／秒の走査速度で走査しつつ照射することによって、Ｆｌｕｘ−ＧａＮテンプレートから種基板を分離した。レーザー光としては、波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧの３次高調波を用いた。パルス幅は約３０ｎｓ、パルス周期は約５０ｋＨｚとした。照射に際しては、レーザー光を集光して約２０μｍ径の円形状ビームとすることにより、光密度が１．０Ｊ／ｃｍ程度となるようにした。また、レーザー光の照射は、Ｆｌｕｘ−ＧａＮテンプレートを種基板と反対側から５０℃前後の温度で加熱しつつ行った。
種基板を分離した後、得られた積層構造体の種基板から剥離された側の面を研磨処理することで、総厚４３０μｍのＺｎドープＧａＮ自立基板を得た。
得られたＺｎドープＧａＮ基板の結晶性を、Ｘ線ロッキングカーブを用いて評価した。（０００２）面反射の半値幅は１２０秒、（１０−１２）面反射の半値幅は１５０秒と良好な結晶性を示した。
［ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル基板の作製］
続いて、ＭＯＣＶＤ法によって、エピタキシャル基板を作製した。具体的には、以下の条件に従って、バッファ層としてのＧａＮ層、チャネル層としてのＧａＮ層、障壁層としてのＡｌＧａＮ層を、上記ＺｎドープＧａＮ基板上にこの順に積層形成した。なお、本実施の形態において、１５族／１３族ガス比とは、１３族（Ｇａ、Ａｌ）原料の供給量に対する１５族（Ｎ）原料の供給量の比（モル比）である。また、ＧａＮバッファ層の形成条件は、Ｃが高濃度でドープされることがあらかじめ確認されている条件であり、ＧａＮチャネル層の形成条件は、Ｃがほとんどドープされないことがあらかじめ確認されている条件である。
ＧａＮバッファ層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧力＝１０ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝５００；
厚み＝１０００ｎｍ。
ＧａＮチャネル層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧力＝１００ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝２０００；
厚み＝１０００ｎｍ。
ＡｌＧａＮ障壁層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧力＝５ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝１２０００；
Ａｌ原料ガス／１３族ガス比＝０．２５；
厚み＝２５ｎｍ。
以上の層が形成された後、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、作製されたエピタキシャル基板を取り出した。
［ＨＥＭＴ素子の作製］
次に、このエピタキシャル基板１０を用いてＨＥＭＴ素子２０を作製した。なお、ＨＥＭＴ素子は、ゲート幅が１００μｍ、ソース−ゲート間隔が１μｍ、ゲート−ドレイン間隔が４μｍ、ゲート長が１μｍとなるように設計した。
まず、フォトリソグラフィプロセスとＲＩＥ法を用いて各素子の境界となる部位を深さ１００ｎｍ程度までエッチング除去した。
次に、エピタキシャル基板上に厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成し、続いてフォトリソグラフィを用いてソース電極、ドレイン電極の形成予定箇所のＳｉＯ２膜をエッチング除去することで、ＳｉＯ２パターン層を得た。
次いで、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとを用い、ソース電極、ドレイン電極の形成予定箇所にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／２００／２０／１００ｎｍ）からなる金属パターンを形成することで、ソース電極およびドレイン電極を形成した。次いで、ソース電極およびドレイン電極のオーミック性を良好なものにするために、８２５℃の窒素ガス雰囲気中にて３０秒間の熱処理を施した。
その後、フォトリソグラフィプロセスを用いて、ＳｉＯ２パターン層から、ゲート電極の形成予定箇所のＳｉＯ２膜を除去した。
さらに真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとを用いて、ゲート電極の形成予定箇所に、Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２０／１００ｎｍ）からなるショットキー性金属パターンを形成することで、ゲート電極を形成した。
以上のプロセスにより、ＨＥＭＴ素子が得られた。
［ＨＥＭＴ素子のＳＩＭＳ評価］
得られたＨＥＭＴ素子について、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）によりエピタキシャル基板における深さ方向の元素分析を行い、Ｚｎ元素とＣ元素の濃度を調べた。
図２は、本実施例に係るエピタキシャル基板におけるＺｎ元素、Ｃ元素の濃度プロファイルを示す図である。図３は、図２のうち、ＧａＮバッファ層とＧａＮ基板の界面近傍における拡大図である。図２および図３に示す結果からは、以下の事がわかる。
（１）ＧａＮ基板にはＺｎ元素が高濃度（３×１０１８ｃｍ−３）にドープされている。
（２）Ｃ元素の濃度は、ＧａＮバッファ層においては６×１０１８ｃｍ−３以上であることから１×１０１８ｃｍ−３以上となる範囲が存在し、チャネル層ではおよそ１×１０１６ｃｍ−３以下である。
（３）ＧａＮバッファ層とＧａＮ基板の界面から基板側では高濃度で存在しているＺｎ元素は、ＧａＮバッファ内で急峻に減少し、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）測定におけるＺｎの検出下限値である５×１０１４ｃｍ−３にまで達している。つまり、チャネル層、および障壁層内へのＺｎ元素の拡散は抑制されている。
（４）Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率（濃度の常用対数値の変化率）は、−７４．９である。
［ＨＥＭＴ素子の電気特性評価］
半導体パラメーターアナライザーを用いて、ＨＥＭＴ素子のドレイン電流ドレイン電圧特性（Ｉｄ−Ｖｄ特性）をＤＣモードおよびパルスモード（静止ドレインバイアスＶｄｑ＝３０Ｖ、静止ゲートバイアスＶｇｑ＝−５Ｖ）にて評価した。ピンチオフ（pinch-off）の閾値電圧はＶｇ＝−３Ｖであった。
電流コラプスを評価するための指標として、ドレイン電圧Ｖｄ＝５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝２Ｖ印加時のＤＣモードに於けるドレイン電流ＩｄＤＣ・Ｖｄ＝５Ｖ・Ｖｇ＝２Ｖと、パルスモードに於けるドレイン電流Ｉｄｐｕｌｓｅ・Ｖｄ＝５Ｖ・Ｖｇ＝２Ｖの比Ｒ（＝Ｉｄｐｕｌｓｅ・Ｖｄ＝５Ｖ・Ｖｇ＝２Ｖ／ＩｄＤＣ・Ｖｄ＝５Ｖ・Ｖｇ＝２Ｖ、０≦Ｒ≦１）を採用することとし、本実施例に係るＨＥＭＴ素子についてこれを求めたところ、０．９３であった。係るＲ値が０．７以上であれば電流コラプスは少ないと判定できることから、本実施例に係るＨＥＭＴ素子においては電流コラプスは少ないものと判定される。
（比較例１）
ＧａＮバッファ層の成長条件を実施例１とは異なる以下の条件としたほかは、実施例１と同様の条件で、ＨＥＭＴ素子の作製を行った。なお、ＧａＮバッファ層の形成条件は、実施例１に比してＣのドープ量が小さいことがあらかじめ確認されている条件である。
ＧａＮバッファ層：
形成温度=１０５０℃；
リアクタ内圧力=３０ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比=５００；
厚み=３００ｎｍ。
得られたＨＥＭＴ素子について、実施例１と同様にＳＩＭＳ測定を行い、エピタキシャル基板におけるＺｎ元素とＣ元素の濃度を調べた。
図４は、本比較例に係るエピタキシャル基板におけるＺｎ元素、Ｃ元素の濃度プロファイルを示す図である。図５は、図４のうち、ＣドープＧａＮバッファ層とＧａＮ基板の界面近傍における拡大図である。図４および図５に示す結果からは、以下の事がわかる。
（１）実施例１と同様、ＧａＮ基板にはＺｎ元素が高濃度にドープされている。
（２）Ｃ元素の濃度は、ＧａＮバッファ層においては最大で２×１０１７ｃｍ−３以上程度であって他の領域の濃度よりも高いが実施例１よりは低く、実施例１と同じ条件にて形成したＧａＮチャネル層におけるＣ元素の濃度が実施例１よりも高い４×１０１６ｃｍ−３程度となっている。
（３）ＧａＮバッファ層とＧａＮ基板の界面から基板側では高濃度で存在しているＺｎ元素は、ＧａＮバッファ内で減少してはいるが、その度合いは実施例１に比して緩やかであり、ＧａＮチャネル層においても実施例１の場合より２オーダーも大きい５×１０１６ｃｍ−３以上の濃度で存在する。つまり、Ｚｎ元素はチャネル層にまで拡散している。
（４）Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率（濃度の常用対数値の変化率）は、−７．３である。
係るＨＥＭＴ素子について、実施例１と同様の条件でＲ値を求めたところ、０．３１となり、本比較例に係るＨＥＭＴ素子においては電流コラプスの抑制は十分ではないものと判定された。
（実施例２〜６、比較例２〜５）
ＧａＮバッファ層の成長条件（成長温度、リアクタ内圧力、１５族／１３族ガス比、形成厚み）などを種々に違えた他は、実施例１と同様の条件でＨＥＭＴ素子の作製を行い、得られたＨＥＭＴ素子について、ＳＩＭＳ測定により深さ方向へのＺｎ濃度およびＣ濃度の分布を求めるとともに、Ｒ値を算出した。
得られた結果の一覧を、実施例１、比較例１の結果と併せて表１に示す。
Figure 2017077806
表１に示すように、ＧａＮバッファ層におけるＣの濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上となる条件で作製した実施例１〜実施例６の場合には、Ｒ値が０．８５以上となり、ＧａＮチャネル層におけるＺｎの濃度が１×１０１５ｃｍ−３以下となった。係る結果は、実施例１〜実施例６においてはいずれも、電流コラプスが抑制されたＨＥＭＴ素子が得られたことを示している。
また、Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率は、−２０．０以下という値になった。これは、実施例１〜実施例６においてはいずれも、Ｚｎの濃度減少が急激であることを示している。
一方、ＧａＮバッファ層におけるＣの濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満となる条件で作製した比較例１〜比較例５の場合には、Ｒ値は最大でも０．５１に留まり、ＧａＮチャネル層におけるＺｎの濃度は比較例２を除き１×１０１６ｃｍ−３を上回った。係る結果は、比較例１〜比較例５に係るＨＥＭＴ素子においては、電流コラプスが抑制されないことを示している。
また、Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率は、比較例１では−８．９、比較例２では−７．３という値が得られたが、比較例３〜比較例５では、Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３を下回らなかったため算出できなかった。係る結果は、比較例１〜比較例５においては、実施例１〜実施例６に比してＺｎの濃度減少が緩やかであることを示している。
（実施例７）
実施例１〜実施例６に係るＨＥＭＴ素子では、Ｚｎの濃度減少が急峻であり、それゆえチャネル層におけるＺｎの濃度が１×１０１６ｃｍ−３を下回って電流コラプスが抑制されていたが、チャネル層のうち障壁層とチャネル層との界面（ヘテロ界面）近傍においてＺｎの濃度が１×１０１６ｃｍ−３を十分に下回っていれば、Ｚｎ濃度の減少が緩やかであったとしても、電流コラプスは抑制される場合がある。
本実施例では、バッファ層２およびチャネル層３の成長条件を実施例１とは異なる以下の条件としたほかは、実施例１と同様の条件で、エピタキシャル基板１０の作製さらにはＨＥＭＴ素子２０の作製を行った。
ＧａＮバッファ層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝１０ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝５００；
厚み＝１００ｎｍ。
ＧａＮチャネル層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝１００ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝２０００；
厚み＝１０００ｎｍ。
図６は、得られたＨＥＭＴ素子について、実施例１と同様の条件でＳＩＭＳ測定により深さ方向への測定を行うことにより得た、障壁層４の表面（上面）から深さ方向におけるＺｎ元素およびＣ元素の濃度プロファイルを示す図である。図６に示す結果からは、以下の事がわかる。
（１）ＧａＮ基板にはＺｎ元素が高濃度にドープされている。
（２）Ｃ元素の濃度は、バッファ層においては最大で３×１０１８ｃｍ−３であることから１×１０１８ｃｍ−３以上となる範囲が存在し、チャネル層ではおよそ２×１０１６ｃｍ−３以下である。また、Ｃ元素の濃度変化は、バッファ層とチャネル層との界面においては急峻であるのに対し、バッファ層からＧａＮ基板にかけての濃度変化は緩やかである。なお、図６においては障壁層近傍から障壁層にかけてＣ元素の濃度の増大がみられるが、これは、サンプル表面に付着した元素のノックオンによるものである。
（３）バッファ層とＧａＮ基板の界面から基板側では高濃度で存在しているＺｎ元素は、バッファ層内で急峻に減少し、チャネル層内においてさらに減少し、障壁層とチャネル層との界面（ヘテロ界面）近傍を含む範囲においては、ＳＩＭＳ測定におけるＺｎの検出下限値である５×１０１４ｃｍ−３にまで達している。つまり、Ｚｎ元素の拡散は抑制されている。
（４）Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率（濃度の常用対数値の変化率）は、−１５．０である。
係るＨＥＭＴ素子についてＲ値を求めたところ、０．８８であった。すなわち、本実施例に係るＨＥＭＴ素子においても、電流コラプスは好適に抑制されているものと判定される。
（実施例８）
バッファ層２およびチャネル層３の成長条件を実施例１とは異なる以下の条件としたほかは、実施例１と同様の条件で、エピタキシャル基板１０の作製さらにはＨＥＭＴ素子２０の作製を行った。このうち、バッファ層２の形成に際しては、形成条件を第１条件と第２条件の２段階に設定し、形成途中で第１条件から第２条件へと切り替えるようにした。これは、バッファ層２が、ＡｌａＧａ１−ａＮ層（０＜ａ≦１）の上にＧａＮ層が積層された多層バッファ層、もしくは、ＡｌおよびＧａの厚み方向における存在比率が異なる組成傾斜バッファ層として形成されることを、意図したものである。ここで、第１条件はＣをバッファ層２内に積極的にはドープさせない条件であり、第２条件はＣがバッファ層２内にドープされることが確認されている条件である。なお、バッファ層２の総厚が１１０ｎｍとなるようにした。
バッファ層（第１条件）：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝５ｋＰａ；
１３族原料ガス＝Ａｌ原料およびＧａ原料；
１５族／１３族ガス比＝２０００；
Ａｌ原料ガス／１３族原料ガス比＝０．０３；
成長レート＝１ｎｍ／秒；
成長時間＝１０秒。
バッファ層（第２条件）：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝１０ｋＰａ；
１３族原料ガス＝Ｇａ原料；
１５族／１３族ガス比＝５００；
成長レート＝１ｎｍ／秒；
成長時間＝１００秒。
ＧａＮチャネル層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝１００ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝２０００；
厚み＝９００ｎｍ。
図７は、得られたＨＥＭＴ素子について、実施例１と同様の条件でＳＩＭＳ測定により深さ方向への測定を行うことにより得た、障壁層４の表面（上面）から深さ方向におけるＺｎ元素、Ｃ元素の濃度プロファイル、および、係る深さ方向におけるＡｌ元素の二次イオン信号プロファイル（Ａｌ元素の二次イオン計数レートの深さ方向分布）を示す図である。図７に示す結果からは、以下の事がわかる。
（１）ＧａＮ基板にはＺｎ元素が高濃度にドープされている。
（２）Ｃ元素の濃度は、バッファ層においては最大で６×１０１８ｃｍ−３と１×１０１８ｃｍ−３以上となる範囲が存在し、チャネル層ではおよそ１×１０１６ｃｍ−３以下である。また、Ｃ元素の濃度変化は、バッファ層とチャネル層との界面においては急峻であるのに対し、バッファ層からＧａＮ基板にかけての濃度変化は緩やかである。なお、図７においてはチャネル層の障壁層近傍から障壁層にかけてＣ元素の濃度の増大がみられるが、これは、サンプル表面に付着した元素のノックオンによるものである。
（３）バッファ層とＧａＮ基板の界面から基板側では高濃度で存在しているＺｎ元素は、バッファ層内で急峻に減少し、チャネル層内においてさらに減少し、障壁層とチャネル層との界面（ヘテロ界面）近傍を含む範囲においては、ＳＩＭＳ測定におけるＺｎの検出下限値である５×１０１４ｃｍ−３にまで達している。つまり、Ｚｎ元素の拡散は抑制されている。
（４）Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率（濃度の常用対数値の変化率）は、−１３．０である。
（５）Ａｌ元素は、バッファ層全体の狙い厚みである１１０ｎｍよりも広い範囲において存在しており、当該範囲にはＧａＮ基板の一部も含まれている。
（６）バッファ層においては、Ｃ元素の濃度が最大となる領域ではＡｌ元素はほとんど検出されていないことから、バッファ層にはＣが顕著にドープされたＧａＮ層と、わずかにＣがドープされたＡｌＧａＮ層とが存在しているといえる。
係るＨＥＭＴ素子についてＲ値を求めたところ、０．９０であった。すなわち、本実施例に係るＨＥＭＴ素子においても、電流コラプスは好適に抑制されているものと判定される。
（実施例９）
バッファ層２およびチャネル層３の成長条件を実施例８とは異なる以下の条件としたほかは、実施例８と同様の条件で、ＨＥＭＴ素子２０の作製を行った。すなわち、本実施例においても、バッファ層２の形成に際しては、形成条件を第１条件と第２条件の２段階に設定し、形成途中で第１条件から第２条件へと切り替えるようにした。また、バッファ層２の総厚が３５０ｎｍとなるようにした。
バッファ層（第１条件）：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝５ｋＰａ；
１３族原料ガス＝Ａｌ原料およびＧａ原料；
１５族／１３族ガス比＝２０００；
Ａｌ原料ガス／１３族原料ガス比＝０．０１；
成長レート＝１ｎｍ／秒；
成長時間＝５０秒。
バッファ層（第２条件）：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝１０ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝５００；
成長レート＝１ｎｍ／秒；
成長時間＝３００秒。
ＧａＮチャネル層：
形成温度＝１０５０℃；
リアクタ内圧＝１００ｋＰａ；
１５族／１３族ガス比＝２０００；
厚み＝１７００ｎｍ。
得られたＨＥＭＴ素子について、実施例１と同様の条件でＳＩＭＳ測定を行うことにより得た、障壁層４の表面（上面）から深さ方向におけるＺｎ元素、Ｃ元素の濃度プロファイル、および、係る深さ方向におけるＡｌ元素の二次イオン信号プロファイルから、以下の事がわかった。
（１）ＧａＮ基板にはＺｎ元素が高濃度（１×１０１９ｃｍ−３）にドープされている。
（２）Ｃ元素の濃度は、バッファ層においては最大で６×１０１８ｃｍ−３と１×１０１８ｃｍ−３以上となる範囲が存在し、チャネル層ではおよそ１×１０１６ｃｍ−３以下である。また、Ｃ元素の濃度変化は、バッファ層とチャネル層との界面においては急峻であるのに対し、バッファ層からＧａＮ基板にかけての濃度変化は緩やかである。
（３）バッファ層とＧａＮ基板の界面から基板側では高濃度で存在しているＺｎ元素は、バッファ内で急峻に減少し、さらには、チャネル層内でも減少し、チャネル層のうち障壁層とチャネル層との界面（ヘテロ界面）近傍において、ＳＩＭＳ測定におけるＺｎの検出下限値である５×１０１４ｃｍ−３にまで達している。つまり、Ｚｎ元素の拡散は抑制されている。
（４）Ｚｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３である箇所における、Ｚｎ濃度の１μｍあたりの対数変化率（濃度の常用対数値の変化率）は、−５８．３である。
（５）Ａｌ元素は、バッファ層全体の狙い厚みである３５０ｎｍよりも広い範囲において存在しており、当該範囲にはＧａＮ基板の一部も含まれている。
（６）バッファ層においては、Ｃ元素の濃度が最大となる領域ではＡｌ元素はほとんど検出されていないことから、バッファ層にはＣが顕著にドープされたＧａＮ層と、わずかにＣがドープされたＡｌＧａＮ層とが存在しているといえる。
係るＨＥＭＴ素子についてＲ値を求めたところ、０．９２であった。すなわち、本実施例に係るＨＥＭＴ素子においても、電流コラプスは好適に抑制されているものと判定される。

Claims (19)

  1. ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板と、
    前記自立基板に隣接してなるバッファ層と、
    前記バッファ層に隣接してなるチャネル層と、
    前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側に設けられてなる障壁層と、
    を備え、
    前記バッファ層が、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層である、
    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、
    前記バッファ層が厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣをドープしてなる１３族窒化物層である、
    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１３族窒化物層がＧａＮ層である、
    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１３族窒化物層が、相異なる組成の２以上の１３族窒化物層が積層されてなりかつ前記２以上の１３族窒化物層の少なくとも一つの層にＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなる多層バッファ層、もしくは、２またはそれ以上の１３族元素を含む１３族窒化物からなりかつ１３族元素の存在比率が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層である、
    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２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であって、
    前記チャネル層におけるＺｎの濃度は１×１０１６ｃｍ−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。
  6. 請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
    前記チャネル層はＧａＮからなり、前記障壁層はＡｌＧａＮからなる、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
  7. ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板と、
    前記自立基板に隣接してなるバッファ層と、
    前記バッファ層に隣接してなるチャネル層と、
    前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側に設けられてなる障壁層と、
    前記障壁層の上に設けられてなるゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極と、
    を備え、
    前記バッファ層が、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層である、
    ことを特徴とする、半導体素子。
  8. 請求項７に記載の半導体素子であって、
    前記バッファ層が厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣをドープしてなる１３族窒化物層である、
    ことを特徴とする半導体素子。
  9. 請求項８に記載の半導体素子であって、
    前記１３族窒化物層がＧａＮ層である、
    ことを特徴とする半導体素子。
  10. 請求項８に記載の半導体素子であって、
    前記１３族窒化物層が、相異なる組成の２以上の１３族窒化物層が積層されてなりかつ前記２以上の１３族窒化物層の少なくとも一つの層にＣが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされてなる多層バッファ層、もしくは、２またはそれ以上の１３族元素を含む１３族窒化物からなりかつ１３族元素の存在比率が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層である、
    ことを特徴とする半導体素子。
  11. 請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の半導体素子であって、
    前記チャネル層におけるＺｎの濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である、
    ことを特徴とする半導体素子。
  12. 請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の半導体素子であって、
    前記チャネル層はＧａＮからなり、前記障壁層はＡｌＧａＮからなる、
    ことを特徴とする半導体素子。
  13. 半導体素子用のエピタキシャル基板を製造する方法であって、
    a)ＺｎがドープされたＧａＮからなる半絶縁性の自立基板を用意する準備工程と、
    b)前記自立基板に隣接させてバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
    c)前記バッファ層に隣接させてチャネル層を形成するチャネル層工程と、
    d)前記チャネル層を挟んで前記バッファ層とは反対側の位置に障壁層を形成する障壁層形成工程と、
    を備え、
    バッファ層形成工程においては、前記バッファ層を、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する拡散抑制層として形成する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  14. 請求項１３に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    バッファ層形成工程においては、前記バッファ層を厚み方向の少なくとも一部の範囲において１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でＣをドープしてなる１３族窒化物層にて形成することで、前記自立基板から前記チャネル層へのＺｎの拡散を抑制する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  15. 請求項１４に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記１３族窒化物層をＧａＮにて形成する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  16. 請求項１４に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
    前記１３族窒化物層を、少なくとも一つの層にＣを１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープしつつ相異なる組成の２以上の１３族窒化物層を積層することによって多層バッファ層として形成するか、もしくは、２またはそれ以上の１３族元素を含む１３族窒化物からなりかつ１３族元素の存在比率が厚み方向において変化する組成傾斜バッファ層として形成する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  17. 請求項１４ないし請求項１６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製造方法であって、
    前記バッファ層形成工程においては、前記チャネル層におけるＺｎの濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となるように、前記１３族窒化物層にて前記バッファ層を形成する、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  18. 請求項１４ないし請求項１７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製造方法であって、
    前記チャネル層はＧａＮにて形成され、前記障壁層はＡｌＧａＮにて形成される、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
  19. 請求項１３ないし請求項１８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製造方法であって、
    前記自立基板はフラックス法で作製される、
    ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の製造方法。
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