JP2007095858A - 化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】破壊電圧が高く、かつ、エネルギー損失が少なく、高電子移動度トランジスタ等に好適に用いられる化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイスを提供する。
【解決手段】結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、ｎ型のＳｉ単結晶基板２上に、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３と、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）４と、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）５と、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、０．２≦ｙ−ｚ≦１）６とを順次積層し、前記基板２の裏面に裏面電極７、前記キャリア供給層６の表面に表面電極８を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波および高効率半導体デバイス等に用いられる３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶炭化ケイ素）と、ＧａＮ（六方晶窒化ガリウム）およびＡｌＮ（六方晶窒化アルミニウム）に代表される窒化物等の化合物半導体単結晶膜とからなる化合物半導体デバイスに関する。

化合物半導体は、シリコンよりも電子移動速度がはるかに速いため、高速信号処理に優れ、低電圧で動作したり、光に反応したり、マイクロ波を出したりと優れた特性を備えている。このような優れた物性から、化合物半導体を用いたデバイスは、現在主流である半導体シリコンによるデバイスの物性限界を凌駕するものとして期待されている。

しかしながら、この種の化合物半導体は、高価であり、その低コスト化が求められている。
化合物半導体において、低コスト化が可能なものとしては、例えば、Ｓｉ単結晶基板上に、化合物半導体単結晶バッファー層と、化合物半導体単結晶膜を積層したものに、ＧａＮ等を用いて高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）デバイス構造を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−５９９４８号公報

しかしながら、上記のような化合物半導体を用いて製造された従来のデバイスは、ＨＥＭＴデバイスの動作時に発生するホールを引き抜く工夫はなされておらず、デバイスが低電圧で破壊してしまうという課題を有していた。
これは、デバイス活性層のＧａＮ（バンドギャップ：３．４ｅＶ）よりもバンドギャップが大きいＡｌＮ（バンドギャップ：６．２ｅＶ）が複数層積層された結果、ＧａＮで発生したホールが乗り越えられないほど、ＡｌＮのバンドギャップが高く、かつ、ＧａＮで発生したホールが透過できないほどＡｌＮが厚いため、ＡｌＮがホールの障壁となり、発生したホールが蓄積して、デバイスが破壊に至るためである。

しかも、従来の化合物半導体単結晶バッファー層上に形成したＧａＮを用いたＨＥＭＴは、デバイス活性層に発生する二次元電子ガスの濃度が低いものであった。
これは、Ｓｉ単結晶基板（熱膨張係数４．２×１０^-6／Ｋ）と化合物半導体単結晶バッファー層（熱膨張係数５．３×１０^-6〜５．６×１０^-6／Ｋ）との熱膨張係数の差が１８〜３３％にも達し、この差に起因した応力が、二次元電子ガス発生濃度を低下させるためである。
二次元電子ガスの濃度が低いと、デバイス作動時における抵抗が高くなり、エネルギー損失を招くという課題を有していた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、破壊電圧が高く、かつ、エネルギー損失が少なく、高電子移動度トランジスタ等に好適に用いられる化合物半導体デバイス用基板およびそれを用いた化合物半導体デバイスを提供することを目的とするものである。

本発明に係る化合物半導体デバイス用基板は、Ｓｉ単結晶基板上に、少なくとも、厚さ１００ｎｍ以上の３Ｃ−ＳｉＣ層と、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造とが形成されていることを特徴とする。

具体的には、本発明に係る第１の態様の化合物半導体デバイス用基板としては、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されていることを特徴とする。
上記のような構成とすることにより、破壊電圧を高くすることができ、かつ、エネルギー損失を低減させることができるため、この化合物半導体デバイス用基板は、パワーデバイス用ＨＥＭＴに好適に用いることができる。

前記第１の態様に係る化合物半導体デバイス用基板においては、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されていることが好ましい。
このｃ−ＢＰ単結晶バッファー層により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層におけるミスフィット転位を低減させることができ、二次元電子ガスの濃度向上を図ることができる。

また、本発明に係る第２の態様の化合物半導体デバイス用基板としては、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されていることを特徴とする。
このように、化合物半導体デバイス用基板の下層部をｐ型とすることにより、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層と伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層との間に、エネルギー傾斜が形成され、発生したホールを効率よく引き抜くことができるため、この基板も、パワーデバイス用ＨＥＭＴに好適に用いることができる。

前記第２の態様に係る化合物半導体デバイス用基板についても、上記第１の態様の場合と同様に、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されていることが好ましい。

さらに、本発明に係る第３の態様の化合物半導体デバイス用基板としては、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されていることを特徴とする。
このように、化合物半導体デバイス用基板の下層部のキャリア濃度を低くすることにより、デバイスの高周波動作の際に生じる基板の寄生抵抗が低くなり、このような構成からなる基板は、高周波用ＨＥＭＴに好適に用いることができる。

前記第３の態様に係る化合物半導体デバイス用基板についても、上記第１および第２の態様の場合と同様に、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されていることが好ましい。

また、前記化合物半導体デバイス用基板においては、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層が六方晶ＡｌＮ（ｘ＝０）、かつ、前記六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層が六方晶ＧａＮ（ｙ＝１）であることが好ましい。
このような構成とすることにより、ミスフィット転位を低減させることができ、二次元電子ガスの濃度が向上し、デバイス作動時における抵抗が低くなり、エネルギー損失を低減させることができる。

さらに、前記化合物半導体デバイス用基板においては、六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層と六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層との間に、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型の二次元電子ガスが発生していることが好ましい。
このような二次元電子ガスの発生により、デバイス作動時における抵抗が低くなり、エネルギー損失を低減させることができる。

また、本発明に係る化合物半導体デバイスは、上記化合物半導体デバイス用基板を用いた化合物半導体デバイスであって、Ｓｉ単結晶基板の裏面に裏面電極が形成され、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア層の表面、または、露出させた六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層の電極形成部分に表面電極が形成され、前記裏面電極および表面電極が、各々Ａｌ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗのうちの少なくともいずれか１つを含む金属で形成され、かつ、少なくとも、オーミック電極が１または２個、ショットキー電極または制御電極が１個形成されていることを特徴とする。
上記のような本発明に係る化合物半導体デバイス用基板を用いて、上記のような電極を形成することにより、作動時における抵抗が低く、エネルギー損失が１／１００程度に低減されたデバイスが得られる。

上述したとおり、本発明によれば、破壊電圧が高く、かつ、エネルギー損失が少ない半導体化合物デバイス用基板および化合物半導体デバイスが得られる。
したがって、本発明に係る半導体化合物デバイス用基板は、パワーデバイスや高周波デバイス用ＨＥＭＴ等に好適に用いることができる。

以下、本発明についてより詳細に説明する。
本発明に係る化合物半導体デバイス用基板は、Ｓｉ単結晶基板上に、少なくとも、厚さ１００ｎｍ以上の３Ｃ−ＳｉＣ層と、ＨＥＭＴ構造とが形成されているものである。

具体的には、本発明に係る第１の態様の化合物半導体デバイス用基板は、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されているものである。

このように構成された化合物半導体用基板においては、ＧａＮのバンドキャップは３．４ｅＶであるのに対して、３Ｃ−ＳｉＣのバンドギャップは２．２ｅＶであり、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層は、デバイス活性層のＧａＮよりもバンドギャップが小さいため、デバイスの動作時に、ＧａＮで発生したホールは、３Ｃ−ＳｉＣを通過するため、ホールは蓄積されない。
また、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層は、厚さ０．０１〜０．５μｍと薄いため、前記ホールは、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層も通過することができるため、ホールは蓄積されず、デバイスの破壊電圧は、従来よりも２倍程度に向上する。

さらに、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の熱膨張係数は、４．５×１０^-6／Ｋであり、Ｓｉ単結晶基板（熱膨張係数：４．２×１０^-6／Ｋ）と六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（熱膨張係数：５．３×１０^-6〜５．６×１０^-6／Ｋ）の中間の値である。Ｓｉ単結晶基板および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層および３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層における熱膨張の係数の差が７〜１８％であり、従来の化合物半導体単結晶バッファー層ににおける熱膨張係数の差（１８〜３３％）に比べて低減させることができる。
このため、熱膨張係数の差に起因する応力が低減し、これに対応して、二次元電子ガスの発生濃度が向上し、デバイス作動時における抵抗が低くなり、従来に比べて、エネルギー損失を１／２程度に低減させることができる。
したがって、上記のような構成からなる化合物半導体用基板は、パワーデバイス用ＨＥＭＴに好適に用いることができる。

本発明におけるＳｉ単結晶基板には、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されたものに限られず、フローティングゾーン（ＦＺ）法により製造されたもの、および、これらのＳｉ単結晶基板に気相成長によりＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させたもの（Ｓｉエピ基板）も用いることができる。
なお、エピタキシャル成長は、結晶性に優れた単結晶層（エピ層）を得ることができ、基板の結晶面方位をエピ層に引き継ぐことができるという利点を有している。

前記Ｓｉ単結晶基板には、結晶面方位｛１１１｝のものが用いられるが、ここでいう面方位｛１１１｝には、結晶面方位｛１１１｝の微傾斜（約十数度）、あるいは、｛２１１｝等の高次面指数の結晶面方位も含まれる。

また、前記Ｓｉ単結晶基板には、キャリア濃度が１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³のものを用いる。
前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³未満の場合、高抵抗であるため、Ｓｉ単結晶基板に通電した際、エネルギー損失が大きくなる。一方、キャリア濃度は、エネルギー損失の観点からは、高いほどよいが、１０²¹／ｃｍ³を超えることは、Ｓｉ単結晶においては物理的に困難である。
Ｓｉ単結晶基板のキャリア濃度の下限は、１０¹⁷／ｃｍ³であることが好ましい。

前記Ｓｉ単結晶基板の厚さは、１００〜１０００μｍであることが好ましく、２００〜８００μｍであることがより好ましい。
Ｓｉ単結晶基板の厚さが１００μｍ未満の場合、機械的強度不足となる。一方、前記厚さが１０００μｍを超えると、原料コストが高くなり、また、それに見合う効果が得られるとは言えない。

前記Ｓｉ単結晶基板上には、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層が形成される。
伝導型が異なると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層とＳｉ単結晶基板の界面近傍にｐｎ接合が形成され、通電した際、抵抗が高く、エネルギー損失を生じる。

前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度は、１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³とする。
前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³未満の場合、高抵抗であるため、通電した際、エネルギー損失となる。一方、前記キャリア濃度は、エネルギー損失の観点からは、高いほどよいが、１０²¹／ｃｍ³を超えることは、物理的に困難である。
３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度の下限は、１０¹⁷／ｃｍ³であることが好ましい。

また、前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、０．０５〜２μｍとする。
前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さが０．０５μｍ未満の場合、緩衝効果が不十分となる。一方、前記厚さが２μｍを超えた場合は、原料コスト高となるだけである。
前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の厚さは、０．１〜１μｍであることがより好ましい。

前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層上には、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）が形成される。
この層は、その上部に六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層を積層させるための緩衝層としての役割を果たすものである。

前記六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層の厚さは、０．０１〜０．５μｍとする。
前記厚さが０．０１μｍ未満であると、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層の緩衝効果が不十分となる。一方、前記厚さが０．５μｍを超えると、高抵抗であるため、通電した際、エネルギー損失となる。
前記六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層の厚さは、０．０２〜０．１μｍであることがより好ましい。

さらに、前記六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層上には、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）が形成される。
伝導型が異なると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層および六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層の界面近傍にｐｎ接合が形成され、通電した際、抵抗が高く、エネルギー損失を生じる。

前記六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層のキャリア濃度は、１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³とする。
前記キャリア濃度は、化合物半導体性能の観点からは、低いほどよいが、１０¹¹／ｃｍ³未満とすることは、物理的に困難である。一方、前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³を超えると、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶層が、低電圧で破壊する不具合が生じる。

また、前記六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層の厚さは、０．１〜５μｍとする。
前記厚さが０．１μｍ未満の場合、目的とする破壊電圧の高いデバイスは得られない。一方、前記厚さが５μｍを超えると、原料コスト高となるだけである。
前記六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-y-zＮ単結晶層の厚さは、０．５〜４μｍであることがより好ましい。

さらにまた、前記Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層上には、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）が形成される。
伝導型が異なると、六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層および六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層の界面近傍にｐｎ接合が形成され、通電した際、抵抗が高く、エネルギー損失を生じる。

前記六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層のキャリア濃度は、１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³とする。
前記キャリア濃度は、化合物半導体性能の観点からは、低いほどよいが、１０¹¹／ｃｍ³未満とすることは、物理的に困難である。一方、前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³を超えると、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層が、低電圧で破壊する不具合が生じる。

また、前記六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層の厚さは、０．０１〜０．１μｍとする。
前記厚さが０．０１μｍ未満の場合、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層のキャリア供給量が不足する。一方、前記厚さが０．１μｍを超えると、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層が割れるおそれがある。
前記六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層の厚さは、０．０２〜０．０５μｍであることがより好ましい。

前記六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）において、ｘ＝１の場合、ＧａＮとなり、ＧａとＳｉとの間で望まない化学反応が過度に起こり、もはや単結晶成長できないほどに表面が荒れる。
前記六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層におけるｘは、０．１〜０．９であることがより好ましい。
また、前記六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）は、これらの各層が異種の化合物半導体単結晶としてヘテロ結合することにより、ヘテロ結合近傍に二次元電子ガスを発生させてＨＥＭＴ性能の向上を図ることができることから、各層におけるガリウム、アルミニウム、窒素の濃度、すなわち、ｙ，ｚの値は、上記規定範囲とする。

また、前記化合物半導体デバイス用基板においては、前記Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、ｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されることが好ましい。
このｃ−ＢＰ単結晶バッファー層の挿入により、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層におけるミスフィット転位を低減させることができ、これにより、前記二次元電子ガスの濃度向上を図ることができる。
したがって、デバイス作動時における抵抗が低くなり、従来に比べて、エネルギー損失を１／２程度に低減させることができる。

前記ｃ−ＢＰ単結晶バッファー層は、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と同じ伝導型であるｎ型とする。
伝導型が異なると、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との界面近傍にｐｎ接合が形成され、通電した際、抵抗が高くなり、エネルギー損失を生じる。

また、前記ｃ−ＢＰ単結晶バッファー層のキャリア濃度は、１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³であることが好ましい。
前記キャリア濃度が１０¹⁶／ｃｍ³未満の場合、高抵抗であるため、通電した際、エネルギー損失となる。一方、前記キャリア濃度は、エネルギー損失の観点からは、高いほどよいが、１０²¹／ｃｍ³を超えることは、物理的に困難である。
前記ｃ−ＢＰ単結晶バッファー層のキャリア濃度の下限は、１０¹⁷／ｃｍ³であることが好ましい。

また、前記ｃ−ＢＰ単結晶バッファー層の厚さは、０．０１〜１μｍであることが好ましい。
前記厚さが０．０１μｍ未満の場合、ｃ−ＢＰ単結晶バッファー層の緩衝効果および抵抗低減効果が不十分となる。一方、前記厚さが０．５μｍを超えると、原料コスト高となるだけである。

また、本発明に係る第２の態様の化合物半導体デバイス用基板は、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されているものである。
すなわち、この基板は、前記第１の態様の化合物半導体デバイス用基板において、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層の伝導型をｐ型としたものである。
このように、化合物半導体デバイス用基板の下層部をｐ型として、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層と伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層との間に、エネルギー傾斜を形成することにより、発生したホールを効率よく引き抜くことができ、ホールは蓄積されず、従来に比べて、デバイスの破壊電圧を２倍程度に向上させることができる。
したがって、このような構成からなる化合物半導体デバイス用基板は、パワーデバイス用ＨＥＭＴに好適に用いることができる。

前記第２の態様の化合物半導体デバイス用基板においても、上記第１の態様の場合と同様に、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、これらの層の伝導型に併せて、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層を挿入形成しておくことが好ましい。

また、本発明に係る第３の態様の化合物半導体デバイス用基板は、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されているものである。
すなわち、この基板は、前記第１の態様の化合物半導体デバイス用基板において、Ｓｉ単結晶基板、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層のキャリア濃度を低くしたものである。高周波用途においては、十分にキャリア濃度を低くすることが肝要であり、ｐｎいずれの伝導型でもよい。
なお、十分にキャリア濃度を低くした場合、実用上における伝導型の判定は困難である。
このように、化合物半導体デバイス用基板の下層部のキャリア濃度を低くすることにより、デバイスの高周波動作の際に生じる基板の寄生抵抗が低くなり、従来に比べて、エネルギー抵抗を１／１００程度に低減させることができる。
したがって、このような構成からなる化合物半導体デバイス用基板は、高周波用ＨＥＭＴに好適に用いることができる。

前記第３の態様の化合物半導体デバイス用基板においても、上記第１および第２の態様の場合と同様に、Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、これらの層のキャリア濃度に併せて、前記厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層を挿入形成しておくことが好ましい。

また、上記のような第１〜第３のいずれの態様の化合物半導体デバイス用基板においても、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層が六方晶ＡｌＮ（ｘ＝０）、かつ、六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層が六方晶ＧａＮ（ｙ＝１）であることが好ましい。
この場合、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層、六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（六方晶ＡｌＮ（ｘ＝０））、六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（六方晶ＧａＮ（ｙ＝１））の各格子定数は、３．０８３Å（ａ軸換算）、３．１１２Å、３．１８Åであり、格子不整合の程度は小さく、段階的に変化しており、格子不整合によって発生するミスフィット転位が低減する。
ミスフィット転位は、二次元電子ガスを吸収し、濃度を低下させる。このため、ミスフィット転位を低減させることにより、二次元電子ガスの濃度が向上し、デバイス作動時における抵抗が低くなり、エネルギー損失が少なくなる。
したがって、デバイスのエネルギー損失を、従来に比べて、１／２程度に低減させることができる。

さらに、上記第１〜第３のいずれの態様の化合物半導体デバイス用基板においても、六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層と六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層との間に、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型の二次元電子ガスが発生しているものであることが好ましい。
これにより、デバイス作動時における抵抗が低くなり、従来に比べて、エネルギー損失を１／２〜１／１０００程度に低減させることができる。

上記のような本発明に係る化合物半導体デバイス用基板を用いて、Ｓｉ単結晶基板の裏面に裏面電極を形成し、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア層の表面、または、露出させた六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層の電極形成部分に表面電極を形成し、前記裏面電極および表面電極を、各々Ａｌ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗのうちの少なくともいずれか１つを含む金属で形成し、かつ、少なくとも、オーミック電極を１または２個、ショットキー電極または制御電極を１個形成することにより、本発明に係る化合物半導体デバイスを作製することができる。
このようなデバイスは、作動時における抵抗が低く、従来に比べて、エネルギー損失が１／１００程度に低減される。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は、下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
図１に、本実施例に係る化合物半導体デバイスの概念的な断面図を示す。
図１に示す化合物半導体デバイス１は、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、伝導型ｎ型の厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板２上に、厚さ１μｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３と、厚さ０．０２μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層４としての六方晶ＡｌＮ（ｘ＝０）と、厚さ４μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層５としての六方晶ＧａＮ（ｙ＝１）と、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（ｚ＝０．２）６とが順次積層され、かつ、Ｓｉ単結晶基板２の裏面に裏面電極７、六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（ｚ＝０．２）６の表面に表面電極８が形成されているものである。

以下、この化合物半導体デバイス１の製造工程を述べる。
まず、結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、伝導型ｎ型で、ＣＺ法により製造された厚さ４００μｍのＳｉ単結晶基板２を、水素雰囲気下、１０００℃で熱処理し、表面を清浄にした。
前記Ｓｉ単結晶基板２を、Ｃ₃Ｈ₈原料ガス雰囲気下、１０００℃で熱処理し、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３を形成した。
続いて、原料ガスとしてＳｉＨ₄ガスおよびＣ₃Ｈ₈ガスを用い、１０００℃での気相成長により、前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３上に、厚さ１μｍ、キャリア濃度１０¹⁷／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３をさらに積層させて、所望の厚さとした。
なお、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層３の厚さは、原料ガスの流量および時間により調整し、また、キャリア濃度は、気相成長中にドーパントとしてＮ₂を添加することにより調整した。

次に、原料ガスとしてＴＭＡガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、前記３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層バッファー層３上に、厚さ０．０２μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層４としての六方晶ＡｌＮ（ｘ＝０）を積層させた。
さらに、原料ガスとしてＴＭＧガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層４上に、厚さ４μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層５としての六方晶ＧａＮ（ｙ＝１）を積層させた。
さらにまた、原料ガスとしてＴＭＡガス、ＴＭＧガスおよびＮＨ₃ガスを用い、１０００℃での気相成長により、六方晶ＧａＮ単結晶層５上に、厚さ０．０２μｍ、キャリア濃度１０¹⁵／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶層（ｚ＝０．２）６を積層させた。
なお、六方晶ＡｌＮ単結晶バッファー層４、六方晶ＧａＮ単結晶層５および六方晶Ｇａ_0.2Ａｌ_0.8Ｎ単結晶層６の厚さは、原料流量および時間により調整し、また、キャリア濃度は、熱処理中にドーパントを添加しないことにより低く調整した。

最後に、Ａｌの真空蒸着により裏面電極７を形成し、Ｎｉの真空蒸着により表面電極８を形成した。オーミック電極、ショットキー電極および制御電極は、熱処理により調整した。

上記製造工程により得られた化合物半導体デバイス１について、抵抗および破壊電圧を測定したところ、抵抗は従来の１／１００程度に低減され、破壊電圧は従来の２倍程度に増加しており、十分に実用に耐え得るものとなった。

実施例１に係る化合物半導体デバイスを概念的に示す断面図である。

符号の説明

１ 化合物半導体デバイス
２ Ｓｉ単結晶基板
３ ３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層
４ 六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層
５ 六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層
６ 六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層
７ 裏面電極
８ 表面電極

Claims (10)

1. Ｓｉ単結晶基板上に、少なくとも、厚さ１００ｎｍ以上の３Ｃ−ＳｉＣ層と、高電子移動度トランジスタ構造とが形成されていることを特徴とする化合物半導体デバイス用基板。
2. 結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されていることを特徴とする化合物半導体デバイス用基板。
3. 前記Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されていることを特徴とする請求項２記載の化合物半導体デバイス用基板。
4. 結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されていることを特徴とする化合物半導体デバイス用基板。
5. 前記Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｐ型のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されていることを特徴とする請求項４記載の化合物半導体デバイス用基板。
6. 結晶面方位｛１１１｝、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³のＳｉ単結晶基板上に、厚さ０．０５〜２μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³の３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層と、厚さ０．０１〜０．５μｍの六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層（０≦ｘ＜１）と、厚さ０．５〜５μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層（０．２≦ｙ≦１）と、厚さ０．０１〜０．１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³、伝導型ｎ型の六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層（０≦ｚ≦０．８、かつ、０．２≦ｙ−ｚ≦１）とが順次積層されていることを特徴とする化合物半導体デバイス用基板。
7. 前記Ｓｉ単結晶基板と３Ｃ−ＳｉＣ単結晶バッファー層との間に、厚さ０．０１〜１μｍ、キャリア濃度１０¹¹〜１０¹⁶／ｃｍ³のｃ−ＢＰ単結晶バッファー層が挿入形成されていることを特徴とする請求項６記載の化合物半導体デバイス用基板。
8. 前記六方晶Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ単結晶バッファー層が六方晶ＡｌＮ（ｘ＝０）、かつ、前記六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層が六方晶ＧａＮ（ｙ＝１）であることを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板。
9. 前記六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層と六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア供給層との間に、キャリア濃度１０¹⁶〜１０²¹／ｃｍ³、伝導型ｎ型の二次元電子ガスが発生していることを特徴とする請求項２から請求項８までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板。
10. 請求項１から請求項９までのいずれかに記載の化合物半導体デバイス用基板を用いた化合物半導体デバイスであって、
    前記Ｓｉ単結晶基板の裏面に裏面電極が形成され、前記六方晶Ｇａ_zＡｌ_1-zＮ単結晶キャリア層の表面、または、露出させた六方晶Ｇａ_yＡｌ_1-yＮ単結晶層の電極形成部分に表面電極が形成され、
    前記裏面電極および表面電極が、各々Ａｌ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗのうちの少なくともいずれか１つを含む金属で形成され、かつ、少なくとも、オーミック電極が１または２個、ショットキー電極または制御電極が１個形成されていることを特徴とする化合物半導体デバイス。

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