JP5596652B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体を用いた縦型の窒化物半導体装置およびその製造方法に関するものである。

ＧａＮ系半導体は、高耐圧で高移動度を有する半導体であることから、高耐圧で高速に動作可能な半導体装置が実現できる材料として注目されている。例えば、高電力が印加されても絶縁破壊しない高耐圧が要求される電力制御用トランジスタとして、ＧａＮ系半導体を用いた窒化物半導体装置である縦型電界効果トランジスタがある。縦型とすることで、素子面積を大きくすることなく、ソース・ドレイン間の距離を大きくしてオン抵抗を下げることが可能となる。例えば、２つのｎ型ＧａＮ層に挟まれたｐ型ＧａＮ層に開口部を形成することで、縦方向（層厚方向）にチャネルを形成した縦型電界効果トランジスタがある（非特許文献１参照）。

上述した縦型電界効果トランジスタの製造について簡単に説明すると、まず、図９Ａに示すように、ｎ型のＧａＮもしくはｎ型のＳｉＣの基板９０１上に、ｎ型のＧａＮからなる第１チャネル層９０２，ｐ型のＧａＮからなる第１半導体層９０３，ＡｌＮからなる第２半導体層９０４，ノンドープのＧａＮからなる第３半導体層９０５を、順に結晶成長して形成する。

次に、図９Ｂに示すように、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第１半導体層９０３，第２半導体層９０４，第３半導体層９０５に開口部９０６を形成する。開口部９０６において、第１チャネル層９０２の表面を露出させる。

次に、図９Ｃに示すように、第３半導体層９０５の上に、ｎ型のＧａＮからなる第２チャネル層９０７およびＡｌＧａＮからなる障壁層９０８を順に結晶成長する。第２チャネル層９０７は、開口部９０６に露出する第１チャネル層９０２の表面より再成長させることで結晶成長させる。

次に、図９Ｄに示すように、開口部９０６の位置に合わせて障壁層９０８の上にショットキー接続するゲート電極９１０を形成する。また、ゲート電極９１０の周囲に離間してソース電極９１１を形成する。ソース電極９１１は、オーミック接続させて形成する。また、基板９０１の裏面にドレイン電極９１２を形成する。

この縦型電界効果トランジスタは、ソース電極９１１とドレイン電極９１２とが、第１チャネル層９０２，第２チャネル層９０７を介して電気的に接続している。ソース電極９１１を接地電位とし、ドレイン電極９１２に正のバイアス電圧（ドレイン電圧）を印加した状態で、ゲート電極９１０に印加するゲート電極で、上記バイアス電圧を制御することにより、ソース・ドレイン間の電気伝導を制御する。

この縦型電界効果トランジスタでは、しきい値電圧以上のゲート電圧の印加により、ソース電極９１１−開口部９０６−ドレイン電極９１２というパスで電子が移動することでドレイン電流が流れる。アルミニウムを含む第２半導体層９０４が存在している領域では、二次元電子ガスの発生が抑制されるため、電子が流れるパスは、開口部９０６の箇所に制限されるようになる。なお、ゲート電圧がしきい値電圧以下である場合、ゲート電極９１０直下の第２チャネル層９０７より電子が出払うので、ソース・ドレイン間に電流は流れない。

この縦型電界効果トランジスタでは、導電性の基板９０１の上に形成しているため、ドレイン電圧が素子全域に印加される構成となっているが、開口部９０６を有する第２半導体層９０４を備えているため、ドレイン電流の流れる経路が制限でき、ゲート電圧による制御を可能としている。

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しかしながら、上述した縦型電界効果トランジスタでは、まず、第１チャネル層９０２と第２チャネル層９０７との再成長界面を介してソース・ドレイン間電流が流れるので、界面の結晶性の影響を受けるという問題がある。

また、導電性基板上に形成されているため、高いドレイン電圧（バイアス電圧）を印加した場合、ゲート電圧がしきい値電圧以下であっても、ソース電極−第２チャネル層９０７−第３半導体層９０５−第２半導体層９０４−第１半導体層９０３−第１チャネル層９０２−基板９０１のパスで、リーク電流が流れる。このように、上述した縦型電界効果トランジスタでは、ＧａＮを用いているにもかかわらず、オフ耐圧が不十分であるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＧａＮを用いた窒化物半導体装置において、電流が流れる経路に、再結晶成長などによる界面が存在することがない状態で、十分な耐圧が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を結晶成長する工程と、第１半導体層の上にＧａＮからなる第２半導体層を結晶成長する工程と、第２半導体層の上に窒化物半導体からなる第３半導体層を結晶成長する工程と、第１半導体層，第２半導体層，および第３半導体層の積層構造と基板とを分離層で分離する工程と、積層構造と基板とを分離した後で、第１半導体層の第１電極形成領域に残る分離層を除去して第１半導体層に第１電極を形成する工程と、第３半導体層の上に第２電極を形成する工程とを少なくとも備え、第１半導体層、第２半導体層、第３半導体層は、＋ｃ軸方向に結晶成長する。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、第２電極を形成した後で、第１電極を形成すればよい。また、第１電極を形成した後で、第２電極を形成してもよい。また、積層構造と基板とを分離する前に、第２電極を形成してもよい。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、第３半導体層の上の第１電極に対向する箇所にゲート電極を形成する工程を備え、分離層の上には、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第１障壁層としての第１半導体層を結晶成長し、第１障壁層の上には、チャネル層としての第２半導体層を形成し、チャネル層の上には、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第２障壁層としての第３半導体層を結晶成長し、第１障壁層の第１電極形成領域にはドレイン電極となる第１電極を形成し、第２障壁層の上には、ソース電極となる第２電極をドレイン電極に対向する箇所以外の領域に形成することで、縦型の電界効果トランジスタが形成できる。なお、積層構造と基板とを分離する前に、ゲート電極を形成してもよい。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、第１半導体層の上には、ｎ型のＧａＮからなる第２半導体層を形成し、第２半導体層の上には、ｐ型のＧａＮからなる第３半導体層を形成することで、縦型のダイオードが形成できる。

また、本発明に係る半導体装置は、アルミニウムを含む窒化物半導体から構成された第１半導体層と、第１半導体層のＩＩＩ族極性面に形成されたＧａＮからなる第２半導体層と、第２半導体層のＩＩＩ族極性面に形成された窒化物半導体からなる第３半導体層と、第１半導体層のＮ極性面に形成された第１電極と、第３半導体層のＩＩＩ族極性面に形成された第２電極と少なくとも備える。

上記窒化物半導体装置において、第３半導体層のＩＩＩ族極性面上の第１電極に対向する箇所に形成されたゲート電極を備え、第１半導体層は、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第１障壁層であり、第２半導体層は、チャネル層であり、第３半導体層は、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第２障壁層であり、第１障壁層のＮ極性面には、ドレイン電極となる第１電極が形成され、第２障壁層のＩＩＩ族極性面には、ドレイン電極に対向する箇所以外の領域にソース電極となる第２電極が形成されているようにし、縦型電界効果トランジスタとしてもよい。

また、上記窒化物半導体装置において、第２半導体層は、ｎ型のＧａＮから構成され、第３半導体層は、ｐ型のＧａＮから構成されているようにし、縦型のダイオードとしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ＧａＮを用いた窒化物半導体装置において、電流が流れる経路に、再結晶成長などによる界面が存在することがない状態で、十分な耐圧が得られるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの構成を示す構成図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｄは、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図２Ｅは、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置としての縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための途中工程における状態を示す断面図である。 図４は、サファイア基板の上に窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮの層の表面状態を金属顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図５は、サファイア基板の上に窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮのＸ線回折分析の結果を示す特性図である。 図６は、剥離基板の上に剥離・転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層のＸ線回折分析の結果を示す特性図である。 図７は、剥離基板の上に剥離・転写されたＧａＮ層のラマン散乱スペクトルを示す特性図である。 図８は、剥離基板の上に剥離・転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層のカソードルミネッセンススペクトルを示す特性図である。 図９Ａは、縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図９Ｂは、縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図９Ｃは、縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。 図９Ｄは、縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置の構成を示す構成図である。ここでは、縦型電界効果トランジスタを例に説明する。この縦型電界効果トランジスタは、ＧａＮからなるチャネル層（第２半導体層）１０１と、チャネル層１０１の一方の面であるＮ極性面に形成された第１障壁層（第１半導体層）１０２と、チャネル層１０１の他方の面であるＩＩＩ族極性面に形成された第２障壁層（第３半導体層）１０３とを備える。言い換えると、第１障壁層１０２のＩＩＩ族極性面にチャネル層１０１が形成され、チャネル層１０１のＩＩＩ族極性面に第２障壁層１０３が形成されている。なお、ＧａＮなどの窒化物半導体の（０００１）面である＋ｃ面がＩＩＩ族極性面であり、これに対向する−ｃ面がＮ極性面である。

第１障壁層１０２は、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有してアルミニウムを含む窒化物半導体から構成されている。また、第２障壁層１０３は、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体から構成されている。例えば、第１障壁層１０２および第２障壁層１０３は、ＡｌＧａＮから構成すればよい。また、第１障壁層１０２は、ＡｌＧａＮから構成し、第２障壁層１０３は、ＩｎＡｌＮから構成してもよい。

また、ドレイン電極（第１電極）１０４が、第１障壁層１０２の上（Ｎ極性面）に形成され、ゲート電極１０５が、ドレイン電極１０４に対向して第２障壁層１０３の上（ＩＩＩ族極性面）に形成されている。ソース電極（第２電極）１０６は、ゲート電極１０５と離間して第２障壁層１０３の上（ＩＩＩ族極性面）に形成されている。例えば、ゲート電極１０５を挟んで２つのソース電極１０６が形成されている。また、例えば、ゲート電極１０５を中心に配置して、リング状にソース電極１０６が形成されている。

上述した本実施の形態における縦型電界効果トランジスタでは、まず、所望とする局所的な領域にドレイン電極１０４が形成できる。また、チャネル層１０１は第１障壁層１０２のＩＩＩ族極性面上に結晶成長されるため、チャネル層１０１と第１障壁層１０２の界面のドレイン電極１０４の形成領域以外の部分に、チャネル層１０１と第１障壁層１０２との分極差に起因する２次元ホールガスが発生し、電子が出払う状態となる（非特許文献２参照）。これらの結果、本実施の形態によれば、ドレイン電圧が印加される領域を、ドレイン電極１０４の形成領域に制限できるようになる。

このように、本実施の形態によれば、ドレイン電流の流れる経路を制限するための層を用いる必要がなく、ソース・ドレイン間電流が流れる経路に、再結晶成長などによる界面が存在しない状態とすることができる。また、ドレイン電流の流れる経路を制限するための層を用いる必要がなく、連続した一体のＧａＮ層で構成することが可能となり、十分なオフ耐圧が得られるようになる。

次に、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。ここでも、縦型電界効果トランジスタを例に説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態における縦型電界効果トランジスタの製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。

まず、図２Ａに示すように、基板２０１の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層２０２を形成する。例えば、サファイア（コランダム：Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板２０１の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させればよい。このとき、基板温度条件は１０８０℃とすればよい。なお、分離層２０２の形成前に、基板２０１の表面を、有機金属気相成長装置の反応炉内の圧力を３９９９９．６Ｐａ（３００Ｔｏｒｒ）とした水素ガス雰囲気で、基板温度を１０８０℃に加熱することによるサーマルクリーニングを行っておくとよい。

次に、図２Ｂに示すように、分離層２０２の上に、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有してアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１障壁層１０２、ＧａＮからなるチャネル層１０１、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第２障壁層１０３を、順次に結晶成長する。例えば、有機金属気相成長法により、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを結晶成長することで、第１障壁層１０２が形成できる。Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎは、バンドギャップエネルギーが３．８ｅＶであり、ＧａＮ（３．４２ｅＶ）より大きい（非特許文献２参照）。

また、トリメチルガリウムおよびアンモニアをソースガスとしてＧａＮを結晶成長することで、第１障壁層１０２の上にチャネル層１０１が形成できる。また、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびアンモニアをソースガスとしてＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを結晶成長することで、チャネル層１０１の上に第２障壁層１０３が形成できる。これらの結晶成長において、基板温度条件は１０５０℃とすればよい。

上述した有機金属気相成長法によれば、窒化物半導体の各層は、＋ｃ軸方向に結晶成長し、成長している表面がＩＩＩ族極性面となる。このため、第１障壁層１０２は、表面をＩＩＩ族極性面として結晶成長し、第１障壁層１０２のＩＩＩ族極性面上に、チャネル層１０１が結晶成長することになる。言い換えると、第１障壁層１０２は、チャネル層１０１のＮ極性面に形成された状態となる。同様に、チャネル層１０１のＩＩＩ族極性面上に第２障壁層１０３が結晶成長することとなり、言い換えると、チャネル層１０２は、第２障壁層１０３のＮ極性面に形成された状態となる。

次に、図２Ｃに示すように、第１障壁層１０２，チャネル層１０１，および第２障壁層１０３の積層構造と基板２０１とを、分離層２０２で分離する。六方晶系の窒化ホウ素は、グラファイトと同様に、六角形の頂点にホウ素と窒素とが交互に配置されて構成された六角網面の層が積層された構造を有し、各層間は、弱いファンデルワールス力で結合されている。このため、六方晶系の窒化ホウ素は、機械加工が容易であり、分離層２０２で分離が可能である。例えば、剥離用の基板を第２障壁層１０３に貼り付け、剥離用の基板を基板２０１側より引き離すことで、積層構造と基板２０１とが、分離層２０２で容易に分離する。

次に、上述したように積層構造と基板２０１とを分離した後で、図２Ｄに示すように、第１障壁層１０２の上のドレイン電極形成領域に残る分離層２０２を除去して第１障壁層１０２のＮ極性面にドレイン電極１０４を形成する。例えば、公知のフォトリソグラフィー技術により、ドレイン電極形成領域に開口部を備えるレジストパターンを形成する。次いで、形成したレジストパターンをマスクとし、分離後に残る分離層２０２のドレイン電極形成領域を選択的にエッチング除去し、第１障壁層１０２を露出させる。次に、レジストパターンを残した状態で、例えば、蒸着法などにより所定の電極材料を堆積する。この後、レジストパターンを除去（リフトオフ）することで、ドレイン電極形成領域に、ドレイン電極１０４が形成できる。なお、ドレイン電極１０４の周囲に分離層２０２を残しておくことで、この後で行われる熱処理における保護膜として作用させることができる。また、窒化ホウ素はバンドギャップエネルギーが、５．２ｅＶ程度と大きく、グラファイトと比較して著しく絶縁性が高いため、絶縁保護膜としても作用する（非特許文献３参照）。

次に、図２Ｅに示すように、まず、第２障壁層１０３のＩＩＩ族極性面にドレイン電極１０４に対向する箇所以外の領域にソース電極１０６を形成する。例えば、ソース電極形成領域に開口部を備えるレジストパターンを形成する。次に、蒸着法などにより所定の電極材料を堆積する。この後、レジストパターンを除去（リフトオフ）することで、ソース電極形成領域に、ソース電極１０６が形成できる。このようにしてソース電極１０６を形成した後、例えば、アニールすることで、既に形成してあるドレイン電極１０４を第１障壁層１０２にオーミック接続させるとともに、ソース電極１０６を第２障壁層１０３にオーミック接続させる。

以上のようにしてソース電極１０６を形成した後、第２障壁層１０３のＩＩＩ族極性面のドレイン電極１０４に対向する箇所にゲート電極１０５を形成する。例えば、ゲート電極形成領域に開口部を備えるレジストパターンを形成する。次に、蒸着法などにより所定の電極材料を堆積する。この後、レジストパターンを除去（リフトオフ）することで、ゲート電極形成領域に、ショットキー接続するゲート電極１０５が形成できる。

ここで、上述した剥離用の基板は、ソース電極１０６およびゲート電極１０５の形成においては取り除いておくことが必要となる。この剥離用の基板の除去や上述したソース電極１０６およびゲート電極１０５の形成は、図３に示すように、チャネル層１０１のドレイン電極１０４形成側（Ｎ極性面の側）を、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ₂）の結晶からなる支持基板３０１に貼り付けて支持された状態で行うとよい。ホウ化ジルコニウムは、ＧａＮとの間に格子定数で０．６％、膨張率で５％の違いしかなく、様々な熱処理工程において、熱膨張差によるチャネル層１０１の変形や、剥離などを招くことがない。また、ホウ化ジルコニウムは、Ｍｏなどの金属と同程度の熱伝導性を有し、放熱性に優れているため、この点においても、支持基板として有用である（非特許文献４参照）。

なお、ソース電極１０６を形成した後にドレイン電極１０４を形成してもよい。例えば、分離層２０２で分離する前に、ソース電極１０６を形成しておけばよい。また、耐熱金属によりゲート電極１０５を形成する場合、分離層２０２で分離する前に、ゲート電極１０５を形成しておくことも可能である。また、ゲート絶縁層を用いてもよく、この場合においても、分離層２０２で分離する前に、ゲート電極１０５を形成しておくことが可能である。

以上に説明したように、本実施の形態における製造方法によれば、六方晶系の窒化ホウ素層およびこの上に結晶成長させることが可能なＡｌを含む窒化物半導体層を用い、結晶成長させる基板より容易にＧａＮの層を分離できるようにした。このため、ドレイン電極（第１電極）とソース電極（第２電極）との間を、一体に形成したＧａＮの層で構成できるようになる。この結果、第１電極と第２電極との間に流れる電流経路に、再結晶成長などによる界面が存在しないので、界面の結晶性の影響を受けることがない。また、２つの電極間を、全てＧａＮで構成することが可能となり、十分なオフ耐圧が得られるようになる。

ところで、上述では、縦型電界効果トランジスタを例に本発明の窒化物半導体装置およびその製造方法について説明したが、これに限るものではない。本発明の窒化物半導体装置は、アルミニウムを含む窒化物半導体から構成された第１半導体層と、第１半導体層の上に形成されたＧａＮからなる第２半導体層と、第１半導体層の上に形成された窒化物半導体からなる第３半導体層と第１半導体層の上に形成された第１電極と第３半導体層の上に形成された第２電極とを少なくとも備えることが特徴である。

従って、例えば、第２半導体層を、ｎ型のＧａＮから構成し、第３半導体層を、ｐ型のＧａＮから構成すれば、第１電極をカソードとし、第２電極をアノードとする縦型のダイオードとなる。

また、本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、まず、基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成し、次に、分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を結晶成長し、次に、第１半導体層のＩＩＩ族極性面にＧａＮからなる第２半導体層を結晶成長し、次に、第２半導体層のＩＩＩ族極性面に窒化物半導体からなる第３半導体層を結晶成長し、第１半導体層，第２半導体層，および第３半導体層の積層構造と基板とを分離層で分離し、積層構造と基板とを分離した後で、第１半導体層の第１電極形成領域に残る分離層を除去して第１半導体層に第１電極を形成する。また、第３半導体層を形成した後で、第３半導体層のＩＩＩ族極性面に第２電極を形成するようにしたところに特徴がある。

従って、例えば、第１半導体層の上には、ｎ型のＧａＮからなる第２半導体層を形成し、第２半導体層の上には、ｐ型のＧａＮからなる第３半導体層を形成することで、第１電極をカソードとし、第２電極をアノードとする縦型のダイオードが製造できる。このダイオードによれば、第１電極と第２電極との間の電流経路に、再結晶成長などによる界面が存在しない状態とすることができる。また、連続した一体のＧａＮ層で構成することが可能となり、十分な耐圧が得られるようになる。

次に、分離層として用いた六方晶系の窒化ホウ素について説明する。六方晶系の窒化ホウ素は、よく知られているように、グラファイトと同様の結晶構造を有している。発明者らの鋭意研究の結果、六方晶系の窒化ホウ素の層の上には、ＧａＮは層として結晶成長させることができないが、Ａｌを含む窒化物半導体であれば、層（膜）として結晶成長させることができることを見いだした。

六方晶系の窒化ホウ素は、例えばサファイア基板の上に結晶成長させることができ、このように形成した窒化ホウ素層の上に、ＡｌＧａＮの層であれば形成できるので、窒化ホウ素層の上に、ＡｌＧａＮ層を形成すれば、この上にＧａＮ層が形成できる。このようにして、窒化ホウ素層の上にＡｌＧａＮ層を介して形成したＧａＮの層は、図４の写真に示すように、極めて平坦な表面状態で形成できる。なお、図４は、光学顕微鏡による観察結果である。

また、この状態をＸ線回折分析すると、図５に示すように、ＧａＮ層の（０００２）からの回折、およびＡｌＧａＮ層の（０００２）からの回折が、各々明瞭に観察された。ＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１８７ｎｍであり、無歪みのＧａＮのｃ軸格子定数０．５１８５５ｎｍに近く、形成されたＧａＮ層のｃ軸格子歪みは、＋０．０２８９％と求められた。また、ＡｌＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１５４ｎｍであり、Ａｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎの組成となっていることがわかった。なお、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＮも六方晶系の窒化ホウ素の上に結晶成長できることがわかっている。発明者らの検討により、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦１）であれば、六方晶系の窒化ホウ素の層の上に結晶成長できることが判明している。

以上のことより、サファイア基板の上に、六方晶系の窒化ホウ素の層を形成し、この上にＡｌＧａＮなどのＡｌを含む窒化物半導体の層を介することで、結晶性のよいＧａＮ層が結晶成長できることがわかる。

上述したように、窒化ホウ素層およびＡｌＧａＮ層を介してサファイア基板の上に形成したＧａＮ層は、窒化ホウ素層の部分で、サファイア基板より容易に分離できる。例えば、剥離用基板を用意し、この剥離用基板に導電性両面粘着テープを用いてＧａＮ層を貼り付ける。この状態では、サファイア基板、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、および剥離基板の順に積層された状態となっている。この状態より、サファイア基板の側より剥離基板を離間させると、ＡｌＧａＮ層，ＧａＮ層からなる積層構造が、窒化ホウ素層の部分でサファイア基板より分離する。

前述したように、六方晶系の窒化ホウ素は、積層されている六角網面の各層間は、弱いファンデルワールス力で結合されており、この層間の結合力は、粘着テープの粘着力より弱い。このため、上述したようにすることで、上記積層構造は、窒化ホウ素層の部分でサファイア基板より容易に分離させることができる。

このように分離して剥離基板の上に転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層をＸ線回折分析すると、図６に示すように、転写前のＸ線回折同様に、ＧａＮ層の（０００２）からの回折およびＡｌＧａＮ層の（０００２）からの回折が、各々明瞭に観測された。転写されたＧａＮ層のｃ軸格子定数は、０．５１８５５ｎｍであり、無歪みのＧａＮのｃ軸格子定数０．５１８５５ｎｍに近く、転写することにより、ＧａＮ層は無歪みとなっていることがわかった。

次に、剥離基板の上に転写されたＧａＮ層のラマン散乱スペクトルを図７に示す。ＧａＮ層のＥ₂モードが５６７ｃｍ^-1に明瞭に観測され、また、ＧａＮ層のＡ₁モードが７３３ｃｍ^-1に明瞭に観測された。この結果は、無歪みのＧａＮのＥ₂モード５６７ｃｍ^-1、Ａ₁モード７３３ｃｍ^-1とほぼ一致している。これらのことより、ＧａＮ層は、転写により無歪みとなることがわかった。

次に、分離して剥離基板の上に転写されたＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層のカソードルミネッセンススペクトルを図８に示す。カソードルミネッセンスの測定は、室温（２３℃程度）で、加速電圧は１０ｋＶである。ＡｌＧａＮ層からの発光が、３３２ｎｍに明瞭に観測され、またＧａＮ層からの発光も、３６３ｎｍ付近に観測される。

以上に説明したことから明らかなように、六方晶系の窒化ホウ素層およびこの上に結晶成長させることが可能なＡｌを含む窒化物半導体の層を利用することで形成したＧａＮ層は、高品質な結晶性を保持した状態で、成長基板より分離させることができることがわかる。

なお、分離のために用いた剥離基板は、サファイア基板を用いてもよく、また、ガラスなどの透明な絶縁性基板、シリコン、シリコンカーバイト、ＧａＮ、ＡｌＮなどの半導体基板、銅、銀などの高い熱伝導率を有する金属、プラスチック、紙などの折り曲げ可能な基板であってもよいことはいうまでもない。

また、上述では、導電性両面粘着テープにより剥離基板に貼り付けるようにしたが、これに限るものではなく、金属シート、低温はんだ、また、導電性接着材を用いて剥離基板に貼り付けるようにしてもよい。例えば、金属シートや低温はんだを用いる場合、これら材料の融点近傍まで加熱することで、剥離基板に融着させることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、ＧａＮを用いた窒化物半導体装置において、電流が流れる層厚方向の経路に再結晶成長などによる界面が存在することがない構造を実現し、十分な耐圧が得られるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、チャネル層１０１の上に第２障壁層１０３を結晶成長した後、第２障壁層１０３の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる表面保護層を形成してもよい。六方晶系の窒化ホウ素は、融点が３０００℃と高く、熱処理時に第２障壁層１０３の表面が保護できる。また、前述のとおり六方晶系の窒化ホウ素は高い絶縁性を有するので、第２障壁層１０３の絶縁保護膜としての機能も実現できる。

また、ドレイン電極形成領域の第１障壁層１０２を局所的にエッチングし、ここにドレイン電極１０４を形成してもよい。また、ドレイン電極１０４およびソース電極１０６の形成領域に、ｎ型不純物をイオン注入して不純物領域を形成しておき、コンタクト抵抗を下げるようにしてもよい。また、ゲート電極１０５を耐熱金属で形成することにより、ゲート電極を形成した後でソース電極形成領域にｎ型不純物をイオン注入し熱処理することで、ゲート電極と自己整合する位置にソース電極形成領域が形成でき、ソース抵抗を著しく低減することができる。

１０１…チャネル層（第２半導体層）、１０２…第１障壁層（第１半導体層）、１０３…第２障壁層（第３半導体層）、１０４…ドレイン電極（第１電極）、１０５…ゲート電極、１０６…ソース電極（第２電極）、２０１…基板、２０２…分離層。

Claims (12)

1. 基板の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層を形成する工程と、
   前記分離層の上にアルミニウムを含む窒化物半導体からなる第１半導体層を結晶成長する工程と、
   前記第１半導体層の上にＧａＮからなる第２半導体層を結晶成長する工程と、
   前記第２半導体層の上に窒化物半導体からなる第３半導体層を結晶成長する工程と、
   前記第１半導体層，前記第２半導体層，および前記第３半導体層の積層構造と前記基板とを前記分離層で分離する工程と、
   前記積層構造と前記基板とを分離した後で、前記第１半導体層の第１電極形成領域に残る前記分離層を除去して前記第１半導体層に第１電極を形成する工程と、
   前記第３半導体層の上に第２電極を形成する工程と
   を少なくとも備え、
   前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層は、＋ｃ軸方向に結晶成長することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記第２電極を形成した後で、前記第１電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記第１電極を形成した後で、前記第２電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
4. 請求項２記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記積層構造と前記基板とを分離する前に、前記第２電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記第３半導体層の上の前記第１電極に対向する箇所にゲート電極を形成する工程を備え、
   前記分離層の上には、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第１障壁層としての前記第１半導体層を結晶成長し、
   前記第１障壁層の上には、チャネル層としての前記第２半導体層を形成し、
   前記チャネル層の上には、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第２障壁層としての前記第３半導体層を結晶成長し、
   前記第１障壁層の第１電極形成領域にはドレイン電極となる前記第１電極を形成し、
   前記第２障壁層の上には、ソース電極となる前記第２電極を前記ドレイン電極に対向する箇所以外の領域に形成する
   ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
6. 請求項５記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記積層構造と前記基板とを分離する前に、前記ゲート電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記第１半導体層の上には、ｎ型のＧａＮからなる前記第２半導体層を形成し、
   前記第２半導体層の上には、ｐ型のＧａＮからなる前記第３半導体層を形成する
   ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
8. アルミニウムを含む窒化物半導体から構成された第１半導体層と、
   前記第１半導体層のＩＩＩ族極性面に形成されたＧａＮからなる第２半導体層と、
   前記第２半導体層のＩＩＩ族極性面に形成された窒化物半導体からなる第３半導体層と、
   前記第１半導体層のＮ極性面に形成された第１電極と、
   前記第３半導体層のＩＩＩ族極性面に形成された第２電極と
   を少なくとも備えることを特徴とする窒化物半導体装置。
9. 請求項８記載の窒化物半導体装置において、
   前記第３半導体層のＩＩＩ族極性面の前記第１電極に対向する箇所に形成されたゲート電極を備え、
   前記第１半導体層は、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第１障壁層であり、
   前記第２半導体層は、チャネル層であり、
   前記第３半導体層は、ＧａＮより大きなバンドギャップエネルギーを有する窒化物半導体からなる第２障壁層であり、
   前記第１障壁層のＮ極性面には、ドレイン電極となる前記第１電極が形成され、
   前記第２障壁層のＩＩＩ族極性面には、前記ドレイン電極に対向する箇所以外の領域にソース電極となる前記第２電極が形成されている
   ことを特徴とする窒化物半導体装置。
10. 請求項８記載の窒化物半導体装置において、
    前記第２半導体層は、ｎ型のＧａＮから構成され、
    前記第３半導体層は、ｐ型のＧａＮから構成されていることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
    前記第１半導体層は、Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０．１≦ｘ≦１）から構成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
12. 請求項８〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置において、
    前記第１半導体層は、Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０．１≦ｘ≦１）から構成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。