JP6126906B2 - 窒化物半導体エピタキシャルウェハ - Google Patents

Description

この発明は、基板上に窒化物半導体を用いた電子デバイスがエピタキシャル形成された窒化物半導体エピタキシャルウェハに関する。

窒化物半導体を用いた電子デバイスとしては、一般的に、ＡlＧaＮとＧaＮとからなるヘテロ接合を用いた構造が用いられている。近年、電子デバイスの低コスト化を実現するために、安価なＳi基板上に窒化物半導体を成長することが盛んに行われている。

上記窒化物半導体をＳi基板上に成長する際の問題点として、窒化物半導体とＳiとの熱膨張係数の違いによるウェハの反りが挙げられる。窒化物半導体の熱膨張係数はＳiの熱膨張係数よりも大きいことから、Ｓi基板上に窒化物半導体を高温で成長させた後に室温まで冷却する過程において、下に凸の形状に反ることになる。

このような熱膨張係数の差による反りを抑える方法として、特表２００４‐５２４２５０号公報(特許文献１)に開示された窒化ガリウム材料や、特開２００８‐２０５１１７号公報(特許文献２)に開示された半導体ウェハがある。

上記特許文献１に開示された窒化ガリウム材料においては、シリコン基板と窒化ガリウム材料との間に、組成的に勾配をつけたＡlＩnＧaＮ,ＡlＧaＮ,ＩnＧaＮ等の窒化ガリウムの合金で構成された転移層を形成している。また、上記特許文献２に開示された半導体ウェハにおいては、高Ａl含有層からなるＡlＧaＮ層等と低Ａl含有層からなるＡlＧaＮ層等とを交互に複数層積層してなる超格子バッファ層を単層構造バッファ層で隔てた構造を有している。

上述のような構造によって、窒化物半導体とＳiとの熱膨張係数の違いによるウェハの反りを抑制している。しかしながら、上記特許文献１および上記特許文献２には、反りに関する効果が記載されてはいるが、結晶性改善については記載されていない。

特表２００４‐５２４２５０号公報 特開２００８‐２０５１１７号公報

そこで、この発明の課題は、ウェハの反りを抑えるだけではなく、結晶性を改善することが可能な窒化物半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、
基板と、
上記基板上に形成された初期成長層と、
上記初期成長層上に形成されると共に、Ａl組成が上方に向かって連続的あるいは段階的に減少するＡl組成傾斜層と、
上記Ａl組成傾斜層上に形成されると共に、組成がＡl_aＧa_1-aＮ(０＜ａ≦０.３)である低Ａl含有層と組成がＡl_bＧa_1-bＮ(０.５≦ｂ≦１.０)である高Ａl含有層とが交互に積層された超格子層で、Ａl_cＧa_1-cＮ層(０＜ｃ＜１)を挟んでなる三層構造体と、
上記三層構造体を構成する上記超格子層上に形成された窒化物半導体と
を備え、
上記Ａl組成傾斜層と上記窒化物半導体との間には、上記三層構造体が複数形成されており、
上記複数の三層構造体は、上記超格子層と上記Ａl_cＧa_1-cＮ層との格子定数の違いに起因する応力によって、上記基板と上記初期成長層との界面に発生して上方に向かって伸びる転位を低減して、上記窒化物半導体の結晶性を改善する結晶性改善層を構成しており、
上記三層構造体を構成する上記Ａl _c Ｇa _1-c Ｎ層におけるＡl組成ｃは、
上記超格子層における上記Ａl _a Ｇa _1-a Ｎの膜厚がｄ１であり、上記Ａl _b Ｇa _1-b Ｎの膜厚がｄ２である場合に、
０＜ｃ＜(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)
なる関係を有している
ことを特徴としている。

また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記三層構造体を構成する上記Ａl_cＧa_1-cＮ層の膜厚は、１０nm以上且つ３００nm以下である。

以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、基板上に初期成長層を介してＡl組成傾斜層を形成し、超格子層でＡlＧaＮ層を挟んでなる三層構造体を複数形成し、上記三層構造体上に窒化物半導体を形成している。したがって、基板上に初期成長層を形成することによるウェハの下に凸の反りを、Ａl組成傾斜層を形成することによって上に凸の反りに転じさせ、複数の上記三層構造体を形成することによって上に凸の反り量を増加させることができる。

その結果、上記三層構造体上に上記窒化物半導体を形成することによってウェハが大きく下に凸の形状に反るのに先立って、上記ウェハを上に凸の形状に大きく反らすことができ、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを低減することができる。

さらに、上記複数の三層構造体が結晶性改善層として機能することによって、上記基板と上記初期成長層との界面に発生して上方に向かって伸びる転位を低減し、上記窒化物半導体の結晶性を改善することができる。

したがって、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを抑えるだけではなく、結晶性を改善することが可能になる。

この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける断面図である。 基板上に形成された窒化物半導体の膜厚と反り量との関係を示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハとしてのトランジスタにおける断面図である。

図１において、Ｓi基板１上に、厚さが１００nmのＡlＮ層２、および、厚さ２００nmのＡl_0.7Ｇa_0.3Ｎ３と厚さ４００nmのＡl_0.4Ｇa_0.6Ｎ４と厚さ４００nmのＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ５とからなる組成傾斜バッファ層６が形成されている。ここで、組成傾斜バッファ層６の層数,組成および膜厚は、本実施の形態に限定されるものではなく、反りを上に凸の形状にできる構造であれば差し支えない。

さらに、Ａl_ａＧa_１-ａＮ(０＜ａ≦０.３)の低Ａl含有層とＡl_ｂＧa_１-ｂＮ(０.５≦ｂ≦１.０)の高Ａl含有層とを交互に積層した超格子層７で、Ａl_ｃＧa_１-ｃＮ層８を挟んでなる三層構造を１つのセットとして、このセットが数セット形成されている。ここで、Ａl_ｃＧa_１−ｃＮ層８のＡl組成「ｃ」は、超格子層７の上記Ａl_ａＧa_１-ａＮの膜厚がｄ１であり、上記Ａl_ｂＧa_１-ｂＮの膜厚がｄ２である場合に、
ｃ＜(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)
の関係を有している。

図１に示す例では、Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ(２３nm)/ＡlＮ(２nm)を２５周期成長してなる超格子層７でＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８(１００nm)を挟んでなる上記セットを、２セット形成している。

尚、上記超格子層７を構成する各層の膜厚ｄ１,ｄ２は、３nm以上且つ２５nm以下の範囲内にあれば、ウェハの反り低減と縦方向リーク電流の低減とに、効果を奏することができる。

さらに、最上層の超格子層７’’上に、膜厚が１.５μｍのＧaＮチャネル層９、ＡlＮ中間層１０、ＡlＧaＮ障壁層１１、ＧaＮキャップ層１２が順次形成されている。尚、ＡlＮ中間層１０およびＧaＮキャップ層１２は、必要に応じて無くすことも可能である。

各層の成長は、一例であるが、以下のような成長方法で行われる。

上記ＡlＮ層２の成長に先立って、Ｓi基板１表面の酸化膜をフッ酸系のエッチャントで除去した後、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)装置にＳi基板１をセットする。そして、Ｓi基板１の温度を１１００℃に設定し、チャンバー圧力１３.３kＰaで基板表面のクリーニングを行なう。

次に、基板温度およびチャンバー圧力を一定とし、アンモニアＮＨ₃(１２.５slm)を流すことでＳi基板１表面の窒化を行なう。引き続き、ＡlＮを、１００nm(ＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)流量＝１１７μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)成長してＡlＮ層２を形成する。次に、基板温度１１５０℃で、Ａl_0.7Ｇa_0.3Ｎ３を、２００nm(ＴＭＧ(トリメチルガリウム)流量＝５７μmol/min,ＴＭＡ流量＝９７μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)成長する。次に、Ａl_0.4Ｇa_0.6Ｎ４を、４００nm(ＴＭＧ流量＝９９μmol/min，ＴＭＡ流量＝５５μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)成長する。次に、Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ５を、４００nm(ＴＭＧ流量＝１３７μmol/min,ＴＭＡ流量＝１８μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)成長する。こうして、Ａl_0.7Ｇa_0.3Ｎ３とＡl_0.4Ｇa_0.6Ｎ４とＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ５とで成る組成傾斜バッファ層６を形成する。

次に、２３nmのＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ(ＴＭＧ流量＝７２０μmol/min，ＴＭＡ流量＝８０μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)と、２nmのＡlＮ(ＴＭＡ流量＝１０２μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)とを、交互に２５周期成長して超格子層７を形成する。さらに、上記Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８を１００nm形成する。この場合におけるＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の成長条件は、上記Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ５と同じである。そして、二つの超格子層７でＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８を挟んでなるセットを２セット形成する。

その後、１.５μmの厚さでＧaＮチャネル層９(ＴＭＧ流量＝５０μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)を成長する。さらに、ＡlＮ中間層１０(ＴＭＡ流量＝５１μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)を成長する。引き続き、ＡlＧaＮ障壁層１１(ＴＭＧ流量＝４６μmol/min,ＴＭＡ流量＝７μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)を成長する。さらに、ＧaＮキャップ層１２(ＴＭＧ流量＝５８μmol/min,ＮＨ₃流量＝１２.５slm)を成長する。

以下、詳細な説明は省略するが、上述のようにしてＳi基板１上に形成された窒化物半導体層に対して、求める電子デバイスに応じた加工を施して上記電子デバイスが形成される。

例えば、上記電子デバイスとしてトランジスタを形成する場合には、上記ＡlＮ中間層１０とＧaＮチャネル層９との界面に形成される２次元電子ガスの層とオーミック接触を形成するソース電極(図示せず)およびドレイン電極(図示せず)が形成され、上記ソース電極と上記ドレイン電極との間にゲート電極(図示せず)が形成される。

本実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウェハの構造は、Ｓi基板１上に、Ａl組成傾斜ＡlＧaＮ層からなる組成傾斜バッファ層６と、超格子層７でＡlＧaＮの単層８を挟んでなるバッファ層との組み合わせで構成されている。この構造によって、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りが抑えられる。その理由は、以下の通りである。

図２は、上記Ｓi基板１上に形成された窒化物半導体の膜厚と反り量との関係を示す。図２に示すように、Ｓi基板１上にＡlＮ層２を成長すると、破線(Ａ)で示すように、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りは膜厚の２乗に比例して増加する。更にその上に、組成傾斜バッファ層６を構成する第１のＡlＧaＮ層(Ａl_0.7Ｇa_0.3Ｎ３)を成長すると、破線(Ｂ)で示すように、反りの増加は膜厚の２乗に比例するが、増加の割合が減少する。さらに、第２のＡlＧaＮ層(Ａl_0.4Ｇa_0.6Ｎ４)を成長すると、破線(Ｃ)で示すように膜厚に対して反り量の極小値が現れ、さらに第３のＡlＧaＮ層(Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ５)を成長すると、破線(Ｄ)で示すように反りの方向が「下に凸」から「上に凸」に変化するようになる。

本実施の形態においては、上記組成傾斜バッファ層６を３層のＡlＧaＮ層３〜５で構成した場合で説明したが、組成傾斜バッファ層６を構成するＡlＧaＮ層のＡlの組成や膜厚を選択することによって、４層あるいは５層等のごとく層数を変化させることができる。

その後、適切な膜厚および適切な組成を組み合わせて構成した超格子層７を成長することによって、直線(Ｅ)で示すように、ウェハの反りは膜厚増加に対して線形に増加する。そして、超格子層７上に形成されて超格子層７と上記セットを形成するＡlＧaＮ層８は、破線(Ｆ)で示すように極小値を有する２次曲線の形状で反りを変化させる。したがって、ＡlＧaＮ層８の膜厚を適切に選択することによって、上に凸の反り量を増加させることができる。さらに、超格子層７でＡlＧaＮ層８を挟んでなるセットを複数セット形成することによって、上に凸の反り量をさらに増加させることができる。

その結果、目的とする上記電子デバイス用の厚膜(１.５μm)のＧaＮチャネル層９を成長した場合に、破線(Ｇ)で示すように、ウェハの反りが「下に凸」の方向(つまり、反り量「０」の方向)に戻っていくことになる。

このように、本実施の形態によれば、上記組成傾斜バッファ層６と、超格子層７でＡlＧaＮの単層８を挟んでなるバッファ層との２種類のバッファ層の組み合わせによって、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反り低減に、効果を奏することができるのである。

次に、本実施の形態における今一つの効果について説明する。

表１は、本実施の形態における上記Ｓi基板１上に窒化物半導体層が形成されてなる窒化物半導体エピタキシャルウェハ構造において、超格子層７でＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８を挟んでなるセット数と、ＧaＮチャネル層９のＸ線回折における半値全幅(ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum)との関係を示す。

表１から分かるように、上記セット数の増加に伴って、螺旋転位に関連する(００４)面の半値全幅と、刃状転位に関連する(１００)面の半値全幅とが減少しており、結晶性が改善されていることを示している。
表１

表１から、上記超格子層７でＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８を挟んでなるセット数の増加に伴って結晶性が改善されていることが分かる。ところが、超格子層７とＡlＧaＮ層８との繰り返しによる結晶性改善のメカニズムは、明確には解明されていない。しかしながら、その理由として、以下のような推測が可能である。

上記窒化物半導体の成長中において、Ｓi基板１とＡlＮ層２との界面で発生した転位が上方に伸びていく過程で、超格子層７でＡlＧaＮの単層８を挟んでなるバッファ層における超格子層７とＡlＧaＮ層８との界面での応力によって転位が減少する。そして、超格子層７でＡlＧaＮ層８を挟んでなるセットを複数セット形成して超格子層７とＡlＧaＮ層８との界面を複数形成することによって上記転位低減効果が重ねられる。こうして、Ｓi基板１とＡlＮ層２との界面で発生した転位が減少して、結晶性が改善されると推測されるのである。

上記推測に立脚すれば、転位低減の効果を得るためには、上記超格子層７が膜厚ｄ１のＡl_ａＧa_１-ａＮと膜厚ｄ２のＡl_ｂＧa_１-ｂＮとで構成される場合、ＡlＧaＮ層８であるＡl_ｃＧa_１−ｃＮ層のＡl組成「ｃ」が、以下の式で与えられる超格子層７の平均組成
(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)
よりも小さいことが望ましい。

その理由は、上記超格子層７と上記ＡlＧaＮ層８との格子定数の違いに起因する応力による転位低減の効果が現れるためである。

以上のごとく、本実施の形態においては、Ｓi基板１上に、初期成長層としてのＡlＮ層２を介して、Ａl組成が段階的に減少するＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層からなる組成傾斜バッファ層６を形成する。さらに、組成傾斜バッファ層６上に、Ａl_ａＧa_１-ａＮ(０＜ａ≦０.３)の低Ａl含有層とＡl_ｂＧa_１-ｂＮ(０.５≦ｂ≦１.０)の高Ａl含有層とを交互に積層してなる超格子層７で、Ａl_ｃＧa_１-ｃＮ層８を挟んでなる三層構造を１つのセットとして、このセットを数セット成長させる。さらに、最終セットにおける超格子層７の上に、窒化物半導体としてのＧaＮチャネル層９を形成している。

したがって、上記Ｓi基板１上にＡlＮ層２を成長することによって下に凸の形状に反った窒化物半導体エピタキシャルウェハを、Ａl組成が減少する組成傾斜バッファ層６を形成することによって、膜厚に対する反り量の増加の割合が減少すると共に、膜厚に対する反り量の変化に極小値が現れ、やがて反りの方向が「下に凸」から「上に凸」に転ずる。

さらに、極小値を有する２次曲線の形状で反りを変化させるＡl_ｃＧa_１-ｃＮ層８を、低Ａl含有層と高Ａl含有層とを交互に積層してなると共に、ウェハの反りを膜厚の増加に対して線形に増加させる超格子層７で挟んで形成することによって、Ａl_ｃＧa_１-ｃＮ層８による反り量変化の極小値よりも厚膜側の反り量の減少部分を超格子層７による線形増加に置き換えて、上に凸の反り量を増加させる。そして、超格子層７でＡl_ｃＧa_１-ｃＮ層８を挟んでなるセットを複数セット形成することによって、上に凸の反り量をさらに増加させる。

したがって、最終セットにおける超格子層７の上に厚膜のＧaＮチャネル層９を形成した場合に、厚膜のＧaＮチャネル層９が下に凸の形状に大きく反ることを、予めウェハを上に凸の形状に大きく反らせておくことによって抑制することができ、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを低減できるのである。

また、本実施の形態においては、上記Ａl_ｃＧa_１-ｃＮ層８におけるＡl組成「ｃ」を、膜厚ｄ１のＡl_ａＧa_１-ａＮと膜厚ｄ２のＡl_ｂＧa_１-ｂＮとで構成される超格子層７における以下の式で与えられる平均組成
(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)
よりも小さく設定している。

したがって、上記超格子層７とＡl_ｃＧa_１-ｃＮ層８との格子定数の違いに起因する応力によって、Ｓi基板１と窒化物半導体との界面で発生して上方に伸びていく転位が低減される。そして、超格子層７とＡl_ｃＧa_１-ｃＮ層８との界面を複数形成することによって、転位の低減が重ねられて、結晶性を改善することができるのである。

すなわち、本実施の形態においては、上記超格子層７でＡl_ｃＧa_１-ｃＮ層８を挟んでなる三層構造体が複数積層されて、ＧaＮチャネル層９,ＡlＮ中間層１０,ＡlＧaＮ障壁層１１およびＧaＮキャップ層１２でなる窒化物半導体の結晶性を改善する結晶性改善層を構成しているのである。

以上のことより、本実施の形態によれば、Ｓi基板１に窒化物半導体を成長した窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、ウェハの反りを抑えるだけでなく、結晶性を改善することが可能になるのである。

・第２実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態において、上記超格子層７で挟まれて上記セットを形成するＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の膜厚がウェハの反りに及ぼす影響に関するものである。

上記実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウェハの構造は、上記第１実施の形態の場合と基本的には同じ構造である。但し、上記超格子層７でＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８を挟んでなる三層構造のセット数を「２」に固定した状態で、Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の膜厚を１００nm(上記第１実施の形態の場合と同じ),３００nmおよび５００nmの３段階に変更させ、その場合における窒化物半導体エピタキシャルウェハの反り量を測定している。

表２に、その測定結果を示す。ここで、上記反り量は、６インチの窒化物半導体エピタキシャルウェハにおける最大反り位置における反り量(μｍ)で表している。さらに、マイナスは上に凸の反りを表し、プラスは下に凸の反りを表す。
表２

表２に示すように、上記Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の膜厚が３００nmまでは、上記ウェハの反りを抑制することができる。ところが、上記膜厚が５００nmになると、ウェハの反りが急に増加する。

この理由は、上記Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の膜厚が３００nmを超えて厚くなることにより、図２に示す膜厚と反り量との関係において、破線(Ｆ)で示すように２次曲線の変化形状を呈するＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８と、その上に形成される超格子層７’との境界位置が、破線(Ｆ)で示す２次曲線の極小値を越えた破線(Ｈ)上の例えば黒丸(Ｉ)の位置となる。

その結果、上記ウェハの反りが、上記境界位置が破線(Ｆ)の極小値である場合よりも、「下に凸」側に移動する。したがって、このことが超格子層７でＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８を挟んでなるセットの数だけ繰り返されると、さらに反り位置が「下に凸」側に移動し、最終的に厚膜のＧaＮチャネル層９が形成された際に、ウェハの反り量が「０」を超えて、「下に凸」側に大きく変位するためである。

また、上記Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の膜厚が１０nm未満で薄い場合には、Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８と超格子層７’との境界位置が、破線(Ｆ)における上記極小値よりも膜厚の薄い側となり、上記３００nmを超えた場合と同様に、上記ウェハの反りは「下に凸」側に移動して、厚膜のＧaＮチャネル層９が形成された際に、ウェハの反り量が「０」を超えて、「下に凸」側に大きく変位することになる。

以上のことより、上記超格子層７で挟まれるＡl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層８の膜厚は、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反り低減の効果を働かせるために、１０nm以上且つ３００nm以下であることが望ましいといえる。

尚、上記各実施の形態においては、上記組成傾斜バッファ層６を、Ａl組成が段階的に減少するＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層で構成している。しかしながら、この発明は段階的に限定されるものではなく、Ａl組成が連続的に減少するＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層で構成しても一向に構わない。

また、上記各実施の形態においては、上記組成傾斜バッファ層６をＡlＧaＮ層で構成している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、他の組成のＡl組成傾斜窒化物半導体層で構成しても良い。

以上のごとく、この発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハは、
基板(１)と、
上記基板(１)上に形成された初期成長層(２)と、
上記初期成長層(２)上に形成されると共に、Ａl組成が上方に向かって連続的あるいは段階的に減少するＡl組成傾斜層(６)と、
上記Ａl組成傾斜層(６)上に形成されると共に、組成がＡl_aＧa_1-aＮ(０＜ａ≦０.３)である低Ａl含有層と組成がＡl_bＧa_1-bＮ(０.５≦ｂ≦１.０)である高Ａl含有層とが交互に積層された超格子層(７,７’,７’’)で、Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)を挟んでなる三層構造体と、
上記三層構造体を構成する上記超格子層(７’’)上に形成された窒化物半導体(９〜１２)と
を備え、
上記Ａl組成傾斜層(６)と上記窒化物半導体(９〜１２)との間には、上記三層構造体が複数形成されており、
上記複数の三層構造体は、上記超格子層(７,７’,７’’)と上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)との格子定数の違いに起因する応力によって、上記基板(１)と上記初期成長層(２)との界面に発生して上方に向かって伸びる転位を低減して、上記窒化物半導体(９〜１２)の結晶性を改善する結晶性改善層を構成している
ことを特徴としている。

上記構成によれば、上記基板(１)上に初期成長層(２)を形成することによるウェハの下に凸の反りを、膜厚の増加と共にＡl組成が減少するＡl組成傾斜層(６)を形成することによって、膜厚に対する反り量の増加の割合を減少させ、やがて反りの方向を「下に凸」から「上に凸」に転じさせることができる。

さらに、ウェハの反りを膜厚の増加に対して極小値を有する形状に変化させる上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)を、上記反りを膜厚の増加に対して線形に増加させる上記超格子層(７,７’,７’’)で挟んでなる三層構造体を、複数形成することによって、上に凸の反り量を増加させることができる。こうして上記超格子層(７’’)上に厚膜の窒化物半導体(９〜１２)を形成してウェハが下に凸の形状に大きく反る際に、予め上に凸の形状に大きく反らせておくことによって、上記窒化物半導体(９〜１２)による反りを抑制することができ、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを低減することができる。

さらに、上記複数の三層構造体が結晶性改善層として機能することによって、上記超格子層(７,７’,７’’)と上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)との格子定数の違いに起因する応力によって、上記基板(１)と上記初期成長層(２)との界面に発生して上方に向かって伸びる転位を低減し、上記窒化物半導体(９〜１２)の結晶性を改善することができる。

したがって、窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを抑えるだけではなく、結晶性を改善することが可能になる。

また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記三層構造体を構成する上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)におけるＡl組成ｃは、
上記超格子層(７,７’,７’’)における上記Ａl_aＧa_1-aＮの膜厚がｄ１であり上記Ａl_bＧa_1-bＮの膜厚がｄ２である場合に、
ｃ＜(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)
なる関係を有している。

この実施の形態によれば、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)におけるＡl組成ｃが、「(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)」で表される上記超格子層(７,７’,７’’)の平均組成よりも小さく、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の格子定数と上記超格子層(７,７’,７’’)の格子定数とには違いが生ずる。したがって、この格子定数の違いに起因する応力によって、上記基板(１)と上記初期成長層(２)の界面に発生して上方に向かう転位を低減することができる。

また、一実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、
上記三層構造体を構成する上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の膜厚は、１０nm以上且つ３００nm以下である。

上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の膜厚が３００nmを超えて厚くなると、膜厚の増加に対して２次曲線の形状で変化する上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)と、その上に形成される上記超格子層(７,７’,７’’)との境界位置が、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の反り量の変化形状である２次曲線の極小値を越えて反り量「０」側になる。そして、このことが上記三層構造体の数だけ繰り返されると、さらに反り量「０」側に移動し、上記窒化物半導体(９〜１２)が形成された際に、ウェハの反り量が「０」を超えて、「下に凸」側に大きく変位してしまう。

さらに、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の膜厚が１０nm未満の場合には、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)と上記超格子層(７,７’,７’’)との境界位置が、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の反り量の変化形状の極小値を越えずに反り量「０」側になる。したがって、３００nmを超える場合と同様に、上記窒化物半導体(９〜１２)が形成された際のウェハの反り量が「０」を超えて、「下に凸」側に大きく変位してしまう。

この実施の形態によれば、上記Ａl_cＧa_1-cＮ層(８,８’)の膜厚は、１０nm以上且つ３００nm以下であるので、上記窒化物半導体(９〜１２)を形成した際における窒化物半導体エピタキシャルウェハの反りを低減することができる。

１…Ｓi基板、
２…ＡlＮ層、
３…Ａl_0.7Ｇa_0.3Ｎ、
４…Ａl_0.4Ｇa_0.6Ｎ、
５…Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ、
６…組成傾斜バッファ層、
７,７’,７’’…超格子層、
８,８’…Ａl_0.1Ｇa_0.9Ｎ層(Ａl_ｃＧa_１-ｃＮ層)、
９…ＧaＮチャネル層、
１０…ＡlＮ中間層、
１１…ＡlＧaＮ障壁層、
１２…ＧaＮキャップ層。

Claims (2)

1. 基板と、
   上記基板上に形成された初期成長層と、
   上記初期成長層上に形成されると共に、Ａl組成が上方に向かって連続的あるいは段階的に減少するＡl組成傾斜層と、
   上記Ａl組成傾斜層上に形成されると共に、組成がＡl_aＧa_1-aＮ(０＜ａ≦０.３)である低Ａl含有層と組成がＡl_bＧa_1-bＮ(０.５≦ｂ≦１.０)である高Ａl含有層とが交互に積層された超格子層で、Ａl_cＧa_1-cＮ層(０＜ｃ＜１)を挟んでなる三層構造体と、
   上記三層構造体を構成する上記超格子層上に形成された窒化物半導体と
   を備え、
   上記Ａl組成傾斜層と上記窒化物半導体との間には、上記三層構造体が複数形成されており、
   上記複数の三層構造体は、上記超格子層と上記Ａl_cＧa_1-cＮ層との格子定数の違いに起因する応力によって、上記基板と上記初期成長層との界面に発生して上方に向かって伸びる転位を低減して、上記窒化物半導体の結晶性を改善する結晶性改善層を構成しており、
   上記三層構造体を構成する上記Ａl _c Ｇa _1-c Ｎ層におけるＡl組成ｃは、
   上記超格子層における上記Ａl _a Ｇa _1-a Ｎの膜厚がｄ１であり、上記Ａl _b Ｇa _1-b Ｎの膜厚がｄ２である場合に、
   ０＜ｃ＜(ｄ１＊ａ＋ｄ２＊ｂ)/(ｄ１＋ｄ２)
   なる関係を有している
   ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハ。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
   上記三層構造体を構成する上記Ａl_cＧa_1-cＮ層の膜厚は、１０nm以上且つ３００nm以下である
   ことを特徴とする窒化物半導体エピタキシャルウェハ。

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