JP2016029741A - トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値を安定化させ、利得の変動を抑えた窒化物半導体電界効果トランジスタ用の窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法を提供する。【解決手段】トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法は、基板の表面を清浄化する工程と、表面が清浄化された基板をアンモニアガス雰囲気中に第１の温度で加熱しながら３０秒以下の時間配置する工程と、基板上に第２の温度で加熱しながらスキューネスＲｓｋが正となる表面の形状を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、窒化物半導体層が形成されたエピタキシャルウェハをＨ２／ＮＨ３比≦４のガス混合雰囲気を保ったままで第２の温度よりも低い第３の温度まで冷却する工程と、前記窒化物半導体層上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる工程とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法に関する。

従来の技術として、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒素（Ｎ）等を含む窒化物半導体は、それらのIII族元素の組成比を制御することにより、紫外光から可視光の大部分の領域をカバーする革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。

また、窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有するため、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する夢の電子デバイス用材料としての応用も期待されている。

特許文献１には、窒化物半導体の内部電場を非破壊・非接触に求めるため、窒化物半導体に音波を照射してピエゾ分極を発生させ、プローブ光を窒化物半導体に照射し、窒化物半導体で反射又は透過したブローブ光の変調スペクトルを測定し、変調スペクトルに現れるフランツ・ケルディッシュ振動の周期に基づいて窒化物半導体の内部電場を求める窒化物半導体の評価方法が開示されている。

特許文献２には、ＡｌＧａＮバリア層中のトラップを中性化するため、ＡｌＧａＮバリア層上に高い割合のドナー電子を有する誘電層を形成したIII族窒化物ベースの電界効果トランジスタが開示されている。

特開２００９−４７０６号公報 特表２００４−５１７４６１号公報

窒化物半導体電界効果トランジスタは、窒化物半導体エピタキシャルウエハにソース電極、ドレイン電極、ゲート電極を設けた構造であり、トランジスタに高周波信号を送り、ドレイン電極に電圧を印加すると、ソース電極から供給された電子が窒化物半導体エピタキシャルウエハ内のチャネル層を通りドレイン電極に流れることで、高出力駆動する。また、ゲート電極に電圧を印加することで、該ウエハのソース・ドレイン間に流れる電流（以下、「Ｉｄｓ」ともいう。）が制御される。

電界効果トランジスタは、高周波信号を送ることで、ドレイン電極に電流を流し高出力駆動するものであるが、信号を停止して、高出力駆動していない状態（アイドル状態）であっても、多少のドレイン電流は流れた状態となっている。各種トランジスタの仕様によっても異なるが、アイドル状態でも、おおよそ５０ｍＡ／ｍｍ程度のドレイン電流は常に流れている。

従来の窒化物半導体電界効果トランジスタでは、高出力状態からアイドル状態に切り替えた直後（つまり高周波信号を発信した状態から信号を停止した直後）のＩｄｓ値が、高出力前のアイドル状態のＩｄｓ値（つまり規定のアイドル状態のＩｄｓ値）よりも低下してしまうという問題があった。この高出力直後のアイドル状態のＩｄｓ値の変動は、トランジスタの利得にも影響するため、高出力直後のアイドル状態のＩｄｓ値の減少率を小さくし、アイドル状態のＩｄｓ値を安定化する必要がある。

したがって、本発明の目的は、高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値を安定化させ、利得の変動を抑えた窒化物半導体電界効果トランジスタ用の窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法を提供する。

［１］基板の表面を清浄化する工程と、表面が清浄化された前記基板をアンモニアガス雰囲気中に第１の温度で加熱しながら３０秒以下の時間配置する工程と、前記基板上に第２の温度で加熱しながらスキューネスＲｓｋが正となる表面の形状を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記窒化物半導体層が形成されたエピタキシャルウェハをＨ_２／ＮＨ_３比≦４のガス混合雰囲気を保ったままで前記第２の温度よりも低い第３の温度まで冷却する工程と、前記窒化物半導体層上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる工程とを有するトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法。

本発明によれば、高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値を安定化させ、利得の変動を抑えた窒化物半導体電界効果トランジスタ用の窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体電界効果トランジスタの概略の構成例を示す断面図である。 図２は、本発明の実施例１〜３、及び比較例１〜３に係る窒化物半導体電界効果トランジスタの信号停止後の経過時間と、高出力後(信号停止後)のアイドル状態のＩｄｓ(ソース・ドレイン間電流)値率との関係を示すグラフである。 図３は、本発明の実施例１〜３、及び比較例１〜３に係る窒化物半導体電界効果トランジスタのＧａＮ層における光応答特性（１．９８ｅＶ光照射状態のＩｄｓ値／光未照射状態のＩｄｓ値）と窒化物半導体電界効果トランジスタの高出力直後(信号停止後ゼロ秒時点)のＩｄｓ(ソース・ドレイン間電流)値減少率との関係を示すグラフである。 図４は、本発明の実施例１の窒化物半導体電界効果トランジスタのソース・ドレイン間電流（Ｉｄｓ）測定結果を示すグラフである。 図５は、比較例１の窒化物半導体電界効果トランジスタのソース・ドレイン間電流(Ｉｄｓ)測定結果を示すグラフである。 図６は、比較例２の窒化物半導体電界効果トランジスタのソース・ドレイン間電流（Ｉｄｓ）測定結果を示すグラフである。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係るトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハは、基板上に、窒化物半導体層及び電子走行層となるＧａＮ層をこの順序でエピタキシャル成長させたトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハであって、前記ＧａＮ層の光応答特性が０．１以上である。

但し、この場合の光応答特性とは、ＧａＮ層の横方向電流値の測定雰囲気を、光未照射状態（以下、「ダーク状態」ともいう）から光子エネルギー１．９８ｅＶの光照射状態に変えた際の、光未照射状態の横方向電流値に対する光照射状態（１．９８ｅＶ）の横方向電流値の比で表わされる。

トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハのＧａＮ層の横方向電流を測定する場合は、ＡｌＧａＮ層を形成していない状態で測定を行うものとする。この状態での測定であると、ＡｌＧａＮ層のピエゾ効果によって誘起される二次元電子ガスが発生していないため、ＧａＮ層のリーク成分のみを測定することが可能である。

トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハについて検討を重ねたところ、ＧａＮ層の光応答特性と、このトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハを用いて作製された電界効果トランジスタの高出力直後（信号停止後ゼロ秒時点）のＩｄｓ値減少率との間に相関があり、電子走行層となるＧａＮ層の光応答特性が０．１以上のＧａＮ層を有するトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハから構成される電界効果トランジスタは、高出力直後のＩｄｓ値減少率が小さく、高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値が安定化され、利得の変動を抑えた電界効果トランジスタとなる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体電界効果トランジスタは、基板上に、窒化物半導体層、電子走行層として機能するＧａＮ層、及び電子供給層として機能するＡｌＧａＮ層をこの順序でエピタキシャル成長させ、前記ＡｌＧａＮ層上にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成した電界効果トランジスタにおいて、当該トランジスタがパッケージングされていないオンウェハ状態であって、前記ゲート電極が負にバイアスされて当該トランジスタがオフ状態である場合の前記ＧａＮ層の光応答特性が０．１以上である。
但し、この場合の光応答特性とは、前記ソース電極・前記ドレイン電極間電流値の測定雰囲気を、光未照射状態から光子エネルギー１．９８ｅＶの光照射状態に変えた際の、光未照射状態の前記ソース電極・前記ドレイン電極間電流値に対する光照射状態（１．９８ｅＶ）の前記ソース電極・前記ドレイン電極間電流値の比で表わされる。

電界効果トランジスタのソース・ドレイン間電流を測定する場合は、トランジスタがパッケージングされていないオンウェハ状態であって、トランジスタがオフの状態で測定を行うものとする。この状態の測定であると、ゲート電圧が負に印加されることにより、二次元電子ガス領域が空乏化して、この部分の電子がなくなるので、ＧａＮ層のリーク成分のみを測定することが可能である。

窒化物半導体電界効果トランジスタについて検討を重ねたところ、電子走行層として機能するＧａＮ層の光応答特性と、窒化物半導体電界効果トランジスタの高出力直後（信号停止後ゼロ秒時点）のＩｄｓ値減少率との間に相関があり、ＧａＮ層の光応答特性が０．１以上であると、高出力直後のＩｄｓ値減少率が小さく、高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値が安定化され、利得の変動を抑えることができる。

なお、ＧａＮ層の光応答特性を評価するために、第１の実施形態であるトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの場合は、ＧａＮ層の横方向電流を測定し、第２の実施形態である電界効果トランジスタの場合は、ソース・ドレイン間電流の測定するが、どちらも二次元電子ガスが発生していない状態での、ＧａＮ層のリーク成分のみを測定しており、同様の指標となる。

図１は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体電界効果トランジスタの概略の構成例を示す。

この窒化物半導体電界効果トランジスタ１００は、ＧａＮ系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）であり、基板１０１として例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板を有し、このＳｉＣからなる基板１０１上に、窒化物半導体層１０２としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、電子走行層として機能する窒化ガリウム（ＧａＮ）層１０３及び、電子供給層として機能する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層１０４を、この順序でエピタキシャル成長させ、ＡｌＧａＮ層１０４上にソース電極１０６、ドレイン電極１０７及びゲート電極１０８を形成したものである。

ＳｉＣ基板としては、ポリタイプ４Ｈ又はポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用いる。ここで、４Ｈ、６Ｈの数字はｃ軸方向の繰返し周期を示し、Ｈは六方晶を示す。なお、基板１０１として、寄生容量を低減し、良好な高周波特性を得るためには、半絶縁性ＳｉＣ基板が好ましいが、導電性ＳｉＣ基板、サファイア基板、シリコン基板、ＧａＮ基板等でもよい。

窒化物半導体層１０２は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成され、スキューネスＲｓｋが正となる表面１０２ａの形状を有し、核生成層として機能する。スキューネスＲｓｋは、表面粗さ曲線を示すものであり、基準長さにおける高さ偏差Ｚ(ｘ)の三乗平均を二乗平均平方根の３乗で割った物理量（無名数）である。スキューネスＲｓｋが正である表面１０２ａの形状は、上に鋭く隆起した凸部が存在することを示し、スキューネスＲｓｋが負である表面１０２ａの形状は、下に鋭く陥没する凹部が存在することを示している。窒化物半導体電界効果トランジスタの高出力直後のＩｄｓ値減少率を小さくするためには、窒化物半導体層１０２の表面１０２ａのスキューネスＲｓｋは、正が好ましく、０．５以上がより好ましい。

ＧａＮ層１０３は、電子走行層として機能する。ＧａＮ層１０３のＡｌＧａＮ層１０４側には、ＧａＮ層１０３とＡｌＧａＮ層１０４の格子定数差に起因したＡｌＧａＮ層１０４内のピエゾ効果（結晶が歪むことで電界が生じる効果）によって発生した二次元電子ガス１０５が存在する。

ＡｌＧａＮ層１０４は、電子供給層として機能し、ＧａＮ層１０３内にピエゾ効果を誘起する。

ソース電極１０６は、例えば、チタンとアルミニウムの複層構造からなる。ドレイン電極１０７は、例えばチタンとアルミニウムの複層構造からなる。ゲート電極１０８は、例えばニッケルと金の複層構造からなる。

（窒化物半導体層表面のスキューネスの制御）
窒化物半導体層１０２の表面１０２ａのスキューネスの制御には窒化物半導体層１０２の成長時のＶ族原料とIII族原料の供給量モル比（Ｖ／III比）が関係すると考えられる。スキューネスＲｓｋを正とするためには、Ｖ／III比は１０００〜８０００が好ましい。

例えば窒化物半導体層１０２を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成した場合について説明する。成長面又は基板表面（以下「成長面」という。）に供給されたトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）から分解したＡｌ原子は、成長面においてＮ原子と反応しＡｌＮを形成する。また、ＡｌＮ層の成長初期段階には、基板１０１の表面にＡｌＮ結晶が成長する。Ｖ／III比が１０００〜８０００の範囲であれば、成長面に供給されたＴＭＡから分解したＡｌ原子は、成長面の表面において移動しやすい状態にある。成長面を移動しやすいということは、成長の起点となるＡｌＮ結晶にたどり着き、成長が進みやすい状態であると考えられる。この場合、成長初期に形成されたＡｌＮ結晶を起点として、その起点から凸状にＡｌＮ結晶が大きくなるよう成長が進むため、形成されるＡｌＮ層のスキューネスが正となる。

Ｖ／III比を８０００よりも高く、例えば１００００としてＡｌＮ層の成長を行った場合、成長初期段階に成長面にＡｌＮ結晶が形成されるまでは、上記と同様に進むものと考えられるが、Ｖ／III比を１００００と高くしているため、Ａｌ原子の成長面での動きが抑制される。その結果、成長面の表面においてＡｌＮ結晶が均一に形成され成長が進むと、成長面にはＡｌＮ結晶からなる複数の山が形成されることになる。そしてＡｌＮ層の成長途中に発生する粒界（boundary：ＡｌＮからなる複数の平坦な山が結合されるときに発生）や欠陥部分（結晶の成長が阻害された部分）が残り、その結果、ＡｌＮ層のスキューネスが負になるものと考えられる。

（ＧａＮ層の品質）
また、ＧａＮ層１０３は、エピタキシャルウェハの場合は、ＡｌＧａＮ層１０４が積層されていない状態で、もしくはトランジスタの場合は、パッケージングされていないオンウェハ状態かつ、トランジスタがオフの状態での光応答特性が０．１以上である。光応答特性が１に近い程、特性が良好ということになる。ＧａＮ層１０３がそのような光応答特性を有するためには、後述するＧａＮ層１０３の成長条件の制御が必要となる。

（実施の形態の製造方法）
次に、窒化物半導体電界効果トランジスタ１００の製造方法の一例を説明する。

（１）基板表面の清浄化
基板１０１をアンモニア（ＮＨ_３）を含まない水素（Ｈ_２）雰囲気中で所定の温度、例えば１１００〜１２００℃で加熱して所定の時間（例えば５〜１０分）放置する。この加熱処理により基板１０１の表面が清浄化される。なお、雰囲気は、水素（Ｈ_２）と窒素（Ｎ_２）の混合ガス（Ｈ_２／Ｎ_２）でもよい。

（２）ＮＨ_３ガス処理工程
次に、基板１０１をＮＨ_３ガス雰囲気に上記所定の温度(第１の温度)、例えば１１００〜１２００℃を保ったまま３０秒以下の時間配置するＮＨ_３ガス処理工程を行う。ＮＨ_３ガス処理工程は、後に続く窒化物半導体層１０２の形成ステップにおいて脱離しやすい窒素原子を先行供給することにより窒化物半導体層１０２の高品質化を行うものである。ＮＨ_３ガス処理工程の処理時間が３０秒を超えると、例えば基板１０１をＳｉＣで形成した場合、その表面にＳｉＮｘ層が顕著に形成され、窒化物半導体層１０２の形成を阻害し始めるので注意が必要である。

（３）窒化物半導体層の形成工程
次に、窒化物半導体層１０２は、スキューネスＲｓｋが正となる表面形状を形成するために、成長時のＶ／III比は１０００〜８０００とする。窒化物半導体層１０２の成長温度は、ＧａＮ層１０３の成長温度、例えば、１０００℃〜１１００℃よりも高い温度（第２の温度）、例えば、１１００℃〜１２００℃とする。

（４）エピタキシャルウェハの冷却工程
次に、Ｈ_２／ＮＨ_３比≦４のＨ_２／ＮＨ_３ガス雰囲気中で第２の温度より低い所定の温度(第３の温度)、例えば１０００℃〜１１００℃までエピタキシャルウェハを冷却する。エピタキシャルウェハの冷却条件は、Ｈ_２ガス分率が８０％を超えると（すなわちＨ_２／ＮＨ_３比＞４となると）、窒化物半導体層１０２が徐々にエッチバックされ、スキューネスＲｓｋの値を維持できなくなるため、注意が必要である。

（５）ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層の形成
次に、窒化物半導体層１０２上にＧａＮ層１０３を形成し、ＧａＮ層１０３上にＡｌＧａＮ層１０４を形成する。以上の工程を経てＧａＮ系ＨＥＭＴ用の窒化物半導体エピタキシャルウエハが形成される。ＧａＮ層１０３及びＡｌＧａＮ層１０４の成長温度（第３の温度）は、例えば、１０００℃〜１１００℃とする。

（６）電極の形成
次に、ＡｌＧａＮ層１０４上にソース電極１０６、ドレイン電極１０７及びゲート電極１０８を形成する。ドライエッチングでＨＥＭＴ素子周辺に素子分離溝を形成する。なお、イオン注入で絶縁領域を設けて素子分離を行ってもよい。以上の工程を経て窒化物半導体電界効果トランジスタ（ＧａＮ系ＨＥＭＴ）１００が形成される。

ＧａＮ層１０３の品質を管理する上で、上記の工程のうち、（２）ＮＨ_３ガス処理工程、（３）窒化物半導体層の形成工程及び（４）エピタキシャルウェハの冷却工程の制御が特に重要である。

（実施例１の製造方法）
次に、本発明の実施例１に係る窒化物半導体電界効果トランジスタの製造方法の一例を説明する。まず、基板１０１としてポリタイプ４Ｈ又はポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用意する。

次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置に上記ＳｉＣ基板を導入し、ＮＨ_３を含まないＨ_２／Ｎ_２混合ガスフロー雰囲気中で１１７５℃の設定温度により５分間加熱処理する。この加熱によりＳｉＣ基板の表面が清浄化される。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉であるリアクターにアンモニアガスを、温度を１１７５℃に保ったままＨ_２／ＮＨ_３比１となる条件で１５秒間導入する（ＮＨ_３ガス処理工程）。

次に、温度を１１７５℃（第２の温度）に保ったまま窒化物半導体層１０２の原料としてアンモニアガスとトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri Methyl Aluminum）を用いて、Ｖ／III比を５０００となるように設定して、スキューネスＲｓｋが正の表面形状を有する膜厚３０ｎｍのＡｌＮ層を形成する（窒化物半導体層の形成工程）。

次に、ＭＯＣＶＤ装置のリアクターを、Ｈ_２／ＮＨ_３比３に設定し、Ｈ_２／ＮＨ_３ガス混合雰囲気で１０５０℃（第３の温度）の設定温度まで冷却する（エピタキシャルウェハの冷却工程）。

次に、原料としてアンモニアガスとトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri Methyl Gallium）を用いて、温度１０５０℃（第３の温度）の下、膜厚１２００ｎｍのＧａＮ層１０３を形成する。

次に、ＧａＮ層１０３上に、引き続いて同一のＭＯＣＶＤ装置を使用し、アンモニアガスとＴＭＡ、およびＴＭＧを用いて温度１０５０℃の下、例えば膜厚３０ｎｍ、Ａｌ組成１８％のＡｌＧａＮ層１０４を形成する。以上の工程を経てＧａＮ系ＨＥＭＴ用の窒化物半導体エピタキシャルウエハが形成される。

フォトリソグラフィー技術を用いてソース電極１０６、ドレイン電極１０７及びゲート電極１０８を、それぞれＡｌＧａＮ層１０４上に形成する。以上の工程を経て窒化物半導体電界効果トランジスタ（ＧａＮ系ＨＥＭＴ）１００が形成される。

次に、上記のように形成された窒化物半導体電界効果トランジスタの特性評価について、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、本発明の実施例１〜３、及び比較例１〜３に係る窒化物半導体電界効果トランジスタ（なお、実施例２、３及び比較例１〜３の詳細は後述する。）の信号停止後の経過時間と高出力後（信号停止後）のＩｄｓ値率の関係を示すグラフである。同図は、ｙ軸が窒化物半導体電界効果トランジスタの高出力後（信号停止後）のアイドル状態のＩｄｓ値を、規定したアイドル状態のＩｄｓ値（高出力前のアイドル状態のＩｄｓ値）で割った値、つまり高出力後（信号停止後）のＩｄｓ値率を示しており、ｘ軸が信号停止後の経過時間、すなわち高出力状態からアイドル状態に切り替えてからの経過時間を示す。この図から、トランジスタを高出力状態からアイドル状態に切り替えた際、特に高出力直後（信号停止後ゼロ秒時点）においてＩｄｓ値率が減少していることが分かる。

図３は、本発明の実施例１〜３、及び比較例１〜３に係る窒化物半導体電界効果トランジスタの光応答特性と高出力直後（信号停止後ゼロ秒時点）のＩｄｓ値減少率との関係を示すグラフである。同図のｙ軸は、高出力直後（信号停止後ゼロ秒時点）のＩｄｓ値減少率（＝１−Ｉｄｓ値率）を、ｘ軸はＧａＮ層の光応答特性を表し、電界効果トランジスタの高出力直後のＩｄｓ値減少率とＧａＮ層の光応答特性との相関を示している。

また、図４〜図６は実施例及び比較例のＧａＮ層のＩｄｓ値測定結果であり、ＧａＮ層へ光未照射状態での印加電圧１Ｖ〜１００ＶにおけるＩｄｓ値と、光子エネルギー１．９８ｅＶの光照射状態に変えたときの印加電圧１Ｖ〜１００ＶにおけるＩｄｓ値のグラフである。このダーク状態のＩｄｓ値に対する光照射状態のＩｄｓ値の比がすなわち光応答特性であり、図３のｘ軸は、印加電圧２０Ｖにおける光応答特性を示す。なお、光応答特性は、前述しているように各印加電圧における（１．９８ｅＶ光照射状態のＩｄｓ値）／（光未照射状態のＩｄｓ値）で表わされる。

図３のｙ軸で示されるＩｄｓ値減少率は、その値が小さいほど、高出力前後のアイドル状態のＩｄｓ値が安定しており、利得の変動を抑制した良好な電界効果トランジスタであると言える。

本発明に至る実験では、図３に示すように、ＧａＮ層を流れるオフ電流の光子エネルギー１．９８ｅＶの光照射による光応答が、電界効果トランジスタの高出力直後のＩｄｓ値減少率に相関があることを発見した。すなわち、図３から分かるように、ＧａＮ層の光応答特性が０．１以上と良好であれば、電界効果トランジスタの高出力直後のＩｄｓ値減少率を低減し、高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値を安定化できることを発見した。

この現象は、ＧａＮのバンドギャップ３．３９ｅＶに対して十分に低いエネルギーを有する光を照射すると、バレンスバンドから電子が励起されて直ちに深い準位の電子トラップをチャージし、これによりＧａＮ層中を流れる微少な電流のフローが阻害されるという作用に起因すると考えられる。この電子トラップと電界効果トランジスタの高出力直後のＩｄｓ値減少率に何らかの因果関係があることから、上記のような相関が得られたものと理解される。

本実施例においては、規定したアイドル状態のＩｄｓ値に対する高出力直後のＩｄｓ値減少率が０．３以下であると、高出力前後のアイドル状態のＩｄｓ値が安定しており、電界効果トランジスタの利得の変動を抑制できていると判断する。

実施例１で作製された電界効果トランジスタの特性について説明する。図４は、本実施例１のＧａＮ層のＩｄｓ値測定結果を示す。すなわち、図４は、窒化物半導体電界効果トランジスタ１００がパッケージングされていないオンウエハ状態であって、ゲート電極１０８が負にバイアスされトランジスタがオフ状態である場合におけるソース・ドレイン間電流値であり、測定雰囲気をダーク状態から光照射状態（１．９８ｅＶ）へと変えたものである。

ダーク状態のＩｄｓ値に対する光照射状態（１．９８ｅＶ）のＩｄｓ値の比である光応答特性は、ソース・ドレイン間電圧１Ｖ〜１００Ｖの間全てで０．１以上であり、ソース・ドレイン間電圧（以下、「Ｖｄｓ」ともいう。）が２０Ｖのときは０．５２であった。

図２、図３に示すように、実施例１で作製したトランジスタは、信号停止後ゼロ秒時点における高出力後のＩｄｓ値率が０．９２、つまり高出力直後のＩｄｓ値減少率が０．０８であり、高出力直後から、規定したアイドル状態のＩｄｓ量(高出力前のアイドル状態のＩｄｓ量)とさほど変わらない量の電流が流れていることが分かる。

実施例２は、ＡｌＮ層形成後のエピタキシャルウェハの冷却工程において、Ｈ_２／ＮＨ_３混合ガスのＨ_２／ＮＨ_３比を４としたことを除き、実施例１と同様の方法で窒化物半導体電界効果トランジスタ（ＧａＮ系ＨＥＭＴ）１００を製造した。実施例１と同様にＡｌＮ層の表面のスキューネスＲｓｋは正に制御されている。

実施例１と同様に、オンウエハ状態で、ゲート電極１０８が負にバイアスされ、トランジスタがオフ状態である場合におけるソース・ドレイン間電流値を、ダーク状態から光照射状態（１．９８ｅＶ）へと測定雰囲気を変えて測定した。実施例２においても、ＧａＮ層の光応答特性は、Ｖｄｓ値が１Ｖ〜１００Ｖの間全てで０．１以上であり、Ｖｄｓ値が２０Ｖのときは０．３であった。

図２、図３に示すように、実施例２で作製したトランジスタは、信号停止後ゼロ秒時点における高出力後のＩｄｓ値率が０．８５、つまり高出力直後のＩｄｓ値減少率が０．１５であり、高出力直後から、規定したアイドル状態のＩｄｓ値とさほど変わらない量の電流が流れていることが分かる。

実施例３は、基板のＮＨ_３ガス処理工程において、ガス導入時間を２５秒間に変更した。ＡｌＮ層の形成工程は実施例１と同様であり、ＡｌＮ層の表面のスキューネスＲｓｋは正になった。その他の工程は実施例１と同様の方法で窒化物半導体電界効果トランジスタ（ＧａＮ系ＨＥＭＴ）１００を製造した。

実施例１と同様に、オンウエハ状態で、ゲート電極１０８が負にバイアスされ、トランジスタがオフ状態である場合におけるソース・ドレイン間電流値を、ダーク状態から光照射状態（１．９８ｅＶ）へと測定雰囲気を変えて測定した。実施例３においても、ＧａＮ層の光応答特性は、Ｖｄｓ値が１Ｖ〜１００Ｖの間全てで０．１以上であり、Ｖｄｓ値が２０Ｖのときは０．１４であった。

図２、図３に示すように、実施例３で作製したトランジスタは、信号停止後ゼロ秒時点における高出力後のＩｄｓ値率が０．８７、つまり高出力直後のＩｄｓ減少率が０．１３であり、高出力直後から、規定したアイドル状態のＩｄｓ値とさほど変わらない量の電流が流れていることが分かる。

（比較例）
図５及び図６は、それぞれ比較例１、２の光応答特性を示す。この比較例１、２は、本発明の実施例を適用しない状態で形成したトランジスタがパッケージングされていないオンウエハ状態であって、ゲート電極が負にバイアスされトランジスタがオフ状態である場合であって、測定雰囲気をダーク状態から光照射状態（１．９８ｅＶ）へと変えたものである。

（比較例１）
比較例１は、ＳｉＣ基板のＮＨ_３ガス処理工程を２５秒とし、さらにＡｌＮ層形成後のエピタキシャルウェハの冷却工程において、Ｈ_２／ＮＨ_３混合ガスのＨ_２／ＮＨ_３比を５としたものである。図５から明らかなように、エピタキシャルウェハの冷却工程におけるＨ_２／ＮＨ_３比＞４としたことで、窒化物半導体層１０２が徐々にエッチバックされ、スキューネスＲｓｋの値が維持できなくなったものと考えられ、その影響により、Ｖｄｓ値１Ｖ〜１００Ｖのほぼ全域に渡って、ＧａＮ層の光応答特性が０．１未満となっており、Ｖｄｓ値が２０Ｖのときは０．０９になることが分かる。

図２、図３に示すように、比較例１で作製したトランジスタは、信号停止後ゼロ秒時点における高出力後のＩｄｓ値率が０．６４、つまり高出力直後のＩｄｓ減少率が０．３６であり、基準となる０．３を越えた減少率となっていることから、トランジスタの利得が不安定になると考えられる。

（比較例２）
比較例２は、ＳｉＣ基板のＮＨ_３ガス処理工程を３０秒よりも長い３５秒とし、ＡｌＮ層形成後のエピタキシャルウェハの冷却工程において、Ｈ_２／ＮＨ_３混合ガスのＨ_２／ＮＨ_３比を４としたものである。図６から明らかなように、ＳｉＣ基板のＮＨ_３ガス処理工程を３０秒より長く行ったことで、ＡｌＮ層の形成が阻害されたと考えられ、その影響により、Ｖｄｓ値１Ｖ〜１００Ｖのほぼ全域に渡って、ＧａＮ層の光応答特性が０．１未満となっており、Ｖｄｓ値が２０Ｖのときは０．０５になることが分かる。

図２、図３に示すように、比較例２で作製したトランジスタは、信号停止後ゼロ秒時点における高出力後のＩｄｓ値率が０．５２、つまり高出力直後のＩｄｓ減少率が０．４８であり、高出力直後のＩｄｓ値は、規定したアイドル状態のＩｄｓ値のおよそ半分程度まで減少しており、トランジスタの利得が不安定になると考えられる。

（比較例３）
比較例３は、ＳｉＣ基板のＮＨ_３ガス処理工程を３０秒よりも長い３５秒とし、ＡｌＮ層形成後のエピタキシャルウェハの冷却工程において、Ｈ_２／ＮＨ_３混合ガスのＨ_２／ＮＨ_３比を５としたものである。ＳｉＣ基板のＮＨ_３ガス処理工程を３０秒より長く行い、且つエピタキシャルウェハの冷却工程においてＨ_２／ＮＨ_３比＞４としたことで、ＡｌＮ層の形成が阻害されるとともに、冷却工程においてエッチバックされたためＡｌＮ層表面のスキューネスＲｓｋが負となり、ＧａＮ層が良好に形成されなかったものと考えられる。そのため、比較例３の電界効果トランジスタはＶｄｓ値１Ｖ〜１００Ｖのほぼ全域に渡って、ＧａＮ層の光応答特性が０．１未満となっており、Ｖｄｓ値が２０Ｖのときは０．０３となった。

図２、図３に示すように、比較例３で作製したトランジスタは、信号停止後ゼロ秒時点における高出力後のＩｄｓ値率が０．３２、つまり高出力直後のＩｄｓ値減少率が０．６８であり、基準である０．３を大幅に超え、高出力直後のＩｄｓ値は規定したアイドル状態のＩｄｓ値の半分以下にまで減少しており、トランジスタの利得が不安定になると考えられる。

これらの実施例１〜３及び比較例１〜３の結果からＧａＮ層の光応答特性と、電界効果トランジスタの高出力後、特に高出力直後（信号停止後ゼロ秒時点）のＩｄｓ値減少率には相関があり、ＧａＮ層の光応答特性が０．１以上である窒化物半導体エピタキシャルウエハから構成される電界効果トランジスタは、高出力駆動前後でのアイドル状態のＩｄｓ値を安定化し、電界効果トランジスタの利得の変動を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、種々の変更、改良、置換、組み合せが可能である。上記実施の形態及び上記実施例では、ＧａＮ系ＨＥＭＴについて説明したが、本発明は他の電界効果トランジスタにも適用可能である。また、上記実施の形態及び上記実施例では、基板材料として、ＳｉＣ基板を用い、基板とＧａＮ層との間に形成する窒化物半導体層としてＡｌＮ層を用いた場合について説明したが、本発明はＡｌＧａＮ等の他の窒化物半導体層を用いた場合にも適用可能である。

１００…窒化物半導体電界効果トランジスタ、１０１…基板、１０２…窒化物半導体層、
１０２ａ…窒化物半導体層の表面、１０３…ＧａＮ層、１０４…ＡｌＧａＮ層、
１０５…二次元電子ガス、１０６…ソース電極、１０７…ドレイン電極、
１０８…ゲート電極

Claims (1)

1. 基板の表面を清浄化する工程と、
   表面が清浄化された前記基板をアンモニアガス雰囲気中に第１の温度で加熱しながら３０秒以下の時間配置する工程と、
   前記基板上に第２の温度で加熱しながらスキューネスＲｓｋが正となる表面の形状を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
   前記窒化物半導体層が形成されたエピタキシャルウェハをＨ_２／ＮＨ_３比≦４のガス混合雰囲気を保ったままで前記第２の温度よりも低い第３の温度まで冷却する工程と、
   前記窒化物半導体層上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる工程とを有するトランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウエハの製造方法。

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