(57)【要約】【課題】電流リークが抑制された窒化物系化合物半導体素子およびその製造方法を提供すること。【解決手段】基板と、前記基板上に形成され、窒化物系化合物半導体からなる第１層と、前記第１層よりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２層とが積層された複合層を複数層含むバッファ層と、前記バッファ層上に形成された半導体動作層と、前記半導体動作層上に形成された複数の電極と、を備え、前記第２層の少なくとも一つは酸素が添加されている窒化物系化合物半導体素子。【選択図】図１
2014067807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、窒化物系化合物半導体からなる第１層と、前記第１層よりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２層とが積層された複合層を複数層含むバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された半導体動作層と、
前記半導体動作層上に形成された複数の電極と、
を備え、前記第２層の少なくとも一つは酸素が添加されていることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。
【請求項２】
前記第１層はＧａＮからなり、前記第２層はＡｌＮからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項３】
前記第２層の酸素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項４】
前記第２層の酸素濃度は１×１０２０ｃｍ−３より小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項５】
少なくとも前記電極間に電圧を印加したときに最も高い電圧が掛かる前記複合層の第２層には酸素が添加されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項６】
前記複合層のうち少なくとも１つにおける前記第１層の前記第２層との界面には２次元電子ガスが発生していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項７】
前記２次元電子ガスが発生している複合層のうち最も前記半導体動作層に近い位置にある前記複合層の第２層には酸素が添加されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項８】
電界効果トランジスタまたはショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
【請求項９】
基板上に、窒化物系化合物半導体からなる第１層と前記第１層よりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２層とが積層された複合層を複数層含むバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に半導体動作層を形成する工程と、
前記半導体動作層上に複数の電極を形成する工程と、を含み、
前記バッファ層を形成する工程は、前記第２層の少なくとも１層に酸素を添加する工程を含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記バッファ層を形成する工程は、ＭＯＣＶＤ法により前記第１層と前記第２層を形成し、該ＭＯＣＶＤ法にてエピタキシャル成長させる際に用いる原料ガスに、酸素ガスおよび酸素を含むガスの少なくとも一方を混合することによって、前記第２層の少なくとも１層に酸素を添加する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物（化学式：ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＡｓuＰvＮ1-u-v（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１））に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。また、たとえばＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を有する電界効果トランジスタ（Field  Effect  Transistor：ＦＥＴ）は、ピエゾ効果によって、界面に２次元電子ガスが発生している。この２次元電子ガスは、高い電子移動度とキャリア密度を有しており、多くの注目を集めている。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を用いたヘテロ接合（Heterojunction）ＦＥＴ（ＨＦＥＴ）は、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を持ち、高温動作が可能である。したがって、これらの窒化物系化合物半導体を用いて形成したインバータ回路などの集積回路は、いままで使用できなかったような高温環境下、高電圧下でのアプリケーションが期待される（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２８９９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、窒化物系化合物半導体素子には、高電圧を印加する用途が期待されている。しかしながら、窒化物系化合物素子に高電圧を印加した場合に、素子が劣化して電流リークが発生し、かつリーク電流が経時的に増大してしまう場合があるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電流リークが抑制された窒化物系化合物半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、基板と、前記基板上に形成され、窒化物系化合物半導体からなる第１層と、前記第１層よりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２層とが積層された複合層を複数層含むバッファ層と、前記バッファ層上に形成された半導体動作層と、前記半導体動作層上に形成された複数の電極と、を備え、前記第２層の少なくとも一つは酸素が添加されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記第１層はＧａＮからなり、前記第２層はＡｌＮからなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記第２層の酸素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記第２層の酸素濃度は１×１０２０ｃｍ−３より小さいことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、少なくとも前記電極間に電圧を印加したときに最も高い電圧が掛かる前記複合層の第２層には酸素が添加されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記複合層のうち少なくとも１つにおける前記第１層の前記第２層との界面には２次元電子ガスが発生していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記２次元電子ガスが発生している複合層のうち最も前記半導体動作層に近い位置にある前記複合層の第２層には酸素が添加されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、電界効果トランジスタまたはショットキーバリアダイオードであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法は、基板上に、窒化物系化合物半導体からなる第１層と前記第１層よりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体からなる第２層とが積層された複合層を複数層含むバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に半導体動作層を形成する工程と、前記半導体動作層上に複数の電極を形成する工程と、を含み、前記バッファ層を形成する工程は、前記第２層の少なくとも１層に酸素を添加する工程を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法は、上記の発明において、前記バッファ層を形成する工程は、ＭＯＣＶＤ法により前記第１層と前記第２層を形成し、該ＭＯＣＶＤ法にてエピタキシャル成長させる際に用いる原料ガスに、酸素ガスおよび酸素を含むガスの少なくとも一方を混合することによって、前記第２層の少なくとも１層に酸素を添加する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電流リークが抑制された窒化物系化合物半導体素子を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る窒化物系化合物半導体素子であるＳＢＤの模式的な断面図である。
【図２】図２は、図１に示すＳＢＤの上面図である。
【図３】図３は、図１に示すＳＢＤのバッファ層の構成を説明する図である。
【図４】図４は、第２層の酸素濃度とリーク電流との関係を示す図である。
【図５】図５は、図４に示す第２層の酸素濃度とリーク電流との関係のグラフを示す図である。
【図６】図６は、電流コラプス量の測定を説明する図である。
【図７】図７は、第２層の酸素濃度とリーク増大比またはコラプス量との関係を示す図である。
【図８】図８は、図７に示す第２層の酸素濃度とリーク増大比との関係のグラフを示す図である。
【図９】図９は、図７に示す第２層の酸素濃度とコラプス量との関係のグラフを示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２に係るＳＢＤの模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すＳＢＤのバッファ層の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る窒化物系化合物半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物系化合物半導体素子であるショットキーバリアダイオード（Schottky  Barrier  Diode：ＳＢＤ）の模式的な断面図である。図２は、図１に示すＳＢＤの上面図である。
【００２０】
このＳＢＤ１００は、主表面が（１１１）面のシリコンからなる基板１０と、基板１０上に順次形成された、ＡｌＮからなる介在層２０、バッファ層３０、ＧａＮからなる電子走行層４０、およびＡｌＧａＮからなる電子供給層５０と、電子供給層５０上に形成されたショットキー電極であるアノード電極６０およびオーミック電極であるカソード電極７０と、を備えている。アノード電極６０はたとえば直径１６０μｍの丸型電極であり、カソード電極７０はアノード電極６０を囲むように形成されている。アノード電極６０とカソード電極７０との間隔はたとえば１０μｍである。
【００２１】
電子走行層４０と電子供給層５０とは半導体動作層を構成している。電子走行層４０と電子供給層５０で構成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造の界面近傍の電子走行層４０には２次元電子ガスが発生している。この２次元電子ガスはアノード電極６０とカソード電極７０との間の電流経路となる。
【００２２】
図３は、図１に示すＳＢＤ１００のバッファ層３０の構成を説明する図である。図３に示すように、バッファ層３０は、複数の複合層３１、３２、３３、３４、３５、３６を含んでいる。複合層３１は、窒化物系化合物半導体であるＧａＮからなる第１層３１ａと、ＧａＮよりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体であるＡｌＮからなる第２層３１ｂとが積層して構成されている。同様に、他の複合層３１〜３６も、それぞれ、ＧａＮからなる第１層３１ａ〜３６ａと、ＡｌＮからなる第２層３１ｂ〜３６ｂとが積層して構成されている。
【００２３】
なお、基板１０を構成するシリコンは、格子定数が０．３８４ｎｍであり、熱膨張係数が３．５９×１０−６／Ｋである。一方、第１層３１ａ〜３６ａを構成するＧａＮは、格子定数が０．３１８９ｎｍであってシリコンよりも小さく、膨張係数が５．５９×１０−６／Ｋであってシリコンよりも大きい。一方、第２層３１ｂ〜３６ｂを構成するＡｌＮは、格子定数が０．３１１２ｎｍであり、熱膨張係数が４．２×１０−６／Ｋである。
【００２４】
ここで、バッファ層３０のＡｌＮからなる第２層３１ｂ〜３６ｂには、それぞれ酸素が添加されている。これによって以下の効果が得られ、その結果として電流リークが低減される。さらに、ＳＢＤ１００に長時間通電を行った場合の素子の経時的劣化（リーク電流の経時的な増大）が抑制される。また、これとともに、電流コラプスの発生およびその経時的な増大も抑制される。
【００２５】
まず、ＡｌＮからなる第２層３１ｂ〜３６ｂに酸素が添加されることによって、第２層３１ｂ〜３６ｂ中に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）が形成される。アルミニウムについては、酸化物（Ａｌ２Ｏ３）のバンドギャップは８．７ｅＶであり、窒化物（ＡｌＮ）のバンドギャップである６．３ｅＶよりも高い。したがって、ＡｌＯＮの形成によって第２層３１ｂ〜３６ｂが高抵抗化される。ここでＡｌＮ結晶は、ＧａＮ結晶と比べて表面が平滑に成長せず、表面にＶピットが形成される場合があり、リークパスが形成されやすい。これに対して、第２層３１ｂ〜３６ｂにＡｌＯＮが形成された高抵抗化された場合は、リークが低減される。これによって、ＳＢＤ１００に高電圧を印加した場合に、バッファ層３０において、酸素を添加しない場合よりも第２層３１ｂ〜３６ｂへの電圧分担を大きくできるので、第１層３１ａ〜３６ａへの電圧分担を軽減できる。
【００２６】
また、バッファ層３０中の第１層３１ａ〜３６ａと第２層３１ｂ〜３６ｂとによって形成されるＡｌＮ／ＧａＮ構造の界面にも２次元電子ガスが発生している。このため、ＳＢＤ１００の電極間に高電圧を印加した場合に、半導体動作層に近い位置にある２次元電子ガスが等電位面を形成し、この等電位面で電界が終端し、それ以上は下方（基板側）には電界が伸びない場合がある。このとき半導体動作層に設計以上の高電圧が掛かって素子の劣化の原因となり得る。これに対して、第２層３１ｂ〜３６ｂに酸素が添加された場合は、アルミニウムサイトに酸素が置換したＯＡｌのアクセプタ準位が発生してＡｌＮ／ＧａＮ界面に発生する２次元電子ガスが補償される。これによってバッファ層３０中の２次元電子ガスの濃度が低減する。その結果、電界がバッファ層３０中に十分に伸びることとなり、半導体動作層への電圧負担が軽減される。
【００２７】
つぎに、図１に示す構成を有し、第２層３１ｂ〜３６ｂに様々な濃度で酸素を添加したＳＢＤを有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて作製し、その電気的特性を測定した。酸素の添加は、第２層３１ｂ〜３６ｂをＭＯＣＶＤ法にてエピタキシャル成長させる際に用いる原料ガス（アンモニア（ＮＨ３）とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）のガス）に酸素ガスを混合することによって行った。また、作製したＳＢＤの構成は以下の通りである。
【００２８】
基板１０：厚さ１ｍｍ。ＡｌＮからなる介在層２０：厚さ４０ｎｍ。バッファ層３０のＧａＮからなる第１層３１ａ〜３６ａ：厚さがそれぞれ２８０ｎｍ、３２０ｎｍ、３７０ｎｍ、４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍ。ＡｌＮからなる第２層３１ｂ〜３６ｂ：厚さはいずれも４８ｎｍ。ＧａＮからなる電子走行層４０：厚さ１１００ｎｍ。電子供給層５０：組成Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ、厚さ２５ｎｍ。アノード電極６０：Ｔｉ／Ａｌ構造、直径１６０μｍ。カソード電極７０：Ｎｉ／Ａｕ構造。アノード電極６０とカソード電極７０との間隔：１０μｍ。
【００２９】
作製したＳＢＤは、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２のパッシベーション膜を全体に形成した。そして、電極および基板裏面のプロービング部に対応するパッシベーション膜のみをフッ酸で除去して開口部を形成し、そこに図１にプローブ針Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で示すようにプローブ針を接触させて測定を行った。
【００３０】
はじめに、作製したＳＢＤに対してリーク電流を測定した。測定は、室温、暗中にて２端子測定にて行った。ＳＢＤのアノード電極とカソード電極との間に、アノード電極側が負の電圧、カソード電極側が正の電圧となるように４００Ｖの電圧を印加して、素子の横方向のリーク電流を測定した。一方、ＳＢＤのアノード電極と基板との間に、アノード電極側が負の電圧、基板側が正の電圧となるように４００Ｖの電圧を印加して、素子の縦方向のリーク電流を測定した。
【００３１】
図４は、第２層の酸素濃度とリーク電流との関係を示す図である。図５は、図４に示す第２層の酸素濃度とリーク電流との関係のグラフを示す図である。図４、５に示すように、第２層の酸素濃度の増加にしたがって、リーク電流が減少した。特に縦方向においてリーク電流の減少が顕著であった。
【００３２】
続いて、ＳＢＤに長時間通電を行った後の横方向のリーク電流の増加量を測定した。測定は上記と同様に、暗中にて２端子測定にて行い、基板とアノードを接地し、カソードに４００Ｖ印加した。ただし、ＳＢＤを載置するステージの温度を１７５℃とした。また、通電時間は１０時間とした。通電前のリーク電流に対する通電後のリーク電流の比をリーク増大比と定義する。
【００３３】
一方、上記の長期通電実験を行ったものとは別のＳＢＤについて、電流コラプス量を測定した。測定は、室温、暗中にて、アノード電極と基板とを同電位に接続し、３端子測定にて行った。また、図６に示すように、まず順方向に時間Ｔ１だけ電圧を印加してオン抵抗（Ｒon,before）を測定し、次に時間Ｔ２（１０秒）だけ６００Ｖの逆方向電圧ストレスを印加して、その後再び順方向に時間Ｔ３だけ電圧を印加してオン抵抗（Ｒon,after）を測定した。なお、オン抵抗（Ｒon,beforeおよびＲon,after）の測定においては、順方向電流が流れ始める電圧（しきい値）後の電流値が電圧に対して線形である電流領域まで（１０ｍＡまで）の測定とした。そして、Ｒon,after/Ｒon,beforeで定義されるコラプス量を算出した。
【００３４】
図７は、第２層の酸素濃度とリーク増大比またはコラプス量との関係を示す図である。図８は、図７に示す第２層の酸素濃度とリーク増大比との関係のグラフを示す図である。図９は、図７に示す第２層の酸素濃度とコラプス量との関係のグラフを示す図である。
【００３５】
図７、８に示すように、第２層の酸素濃度の増加にしたがって、リーク増大比が減少し、長期通電によるリーク電流の増加が抑制された。特に、酸素濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上ではリーク増大比は１または１に近い値となり、長期通電によってリーク電流の増加が殆どなかった。
【００３６】
また、図７、９に示すように、第２層への酸素の添加によってコラプス量は殆ど１となり、逆方向電圧ストレスによる電流コラプスは殆ど発生しなかった。ただし、酸素濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上では、酸素濃度の増大にしたがってコラプス量が増大した。したがって、酸素濃度としては１×１０２０ｃｍ−３より小さいことが好ましい。
【００３７】
つぎに、上記の電流コラプスの測定時と同様に、アノード電極と基板とを同電位に接続し、６００Ｖの逆方向電圧ストレスを印加した場合のＳＢＤにおける電界強度を計算した。なお、計算に用いたＳＢＤの構成は以下の通りである。
【００３８】
基板１０：厚さ１ｍｍ。ＡｌＮからなる介在層２０：厚さ４０ｎｍ。バッファ層３０のＧａＮからなる第１層３１ａ〜３６ａ：厚さがそれぞれ２８０ｎｍ、３２０ｎｍ、３７０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍ、８００ｎｍ。ＡｌＮからなる第２層３１ｂ〜３６ｂ：厚さはいずれも４８ｎｍ。ＧａＮからなる電子走行層４０：厚さ２２００ｎｍ。電子供給層５０：組成Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ、厚さ２５ｎｍ。アノード電極６０：Ｔｉ／Ａｌ構造、直径１６０μｍ。カソード電極７０：Ｎｉ／Ａｕ構造。アノード電極６０とカソード電極７０との間隔：１０μｍ。このとき、バッファ層３０の厚さは約３．３μｍとなる。また、バッファ層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３程度となるように形成している。
【００３９】
計算の結果、カソード電極７０と、半導体動作層に最も近い位置にある複合層３６中のＡｌＮ／ＧａＮ界面（２次元電子ガスが発生している界面）との間のカソード電極７０直下での電位差は３７５Ｖであり、電界は約１．７ＭＶ／ｃｍであった。複合層３６中のＡｌＮ／ＧａＮ界面と、基板１０との電位差は２２５Ｖであり、電界は約０．７ＭＶ／ｃｍであった。複合層３６中のＡｌＮ／ＧａＮ界面と、アノード電極６０とのアノード電極６０直下での電位差は２２５Ｖであり、電界は約１．０ＭＶ／ｃｍであった。
【００４０】
このように、半導体動作層に最も近い位置にある複合層３６の第１層３６ａと第２層３６ｂとの間のＡｌＮ／ＧａＮ界面（２次元電子ガスが発生している界面）に最も高電界が掛かる。したがって、少なくとも半導体動作層に最も近い位置にある第２層３６ｂに酸素を添加し、リークパスを低減して電圧分担を大きくすることが効果的である。
【００４１】
実施の形態１のＳＢＤ１００の構造では、横方向のリーク電流は、電子走行層４０の厚さに依存し、縦方向のリーク電流は、バッファ層３０内の電界に依存する。また、素子の構造によっては、半導体動作層に最も近い位置にある複合層以外の複合層に最も高電界が掛かる場合がある。その場合は、少なくとも最も高電界が掛かる複合層の第２層に酸素を添加し、リークパスを低減して電圧分担を大きくすることが好ましい。
【００４２】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る窒化物系化合物半導体素子であるＳＢＤの模式的な断面図である。図１１は、図１０に示すＳＢＤのバッファ層８０の構成を説明する図である。
【００４３】
このＳＢＤ２００は、図１に示す実施の形態１に係るＳＢＤ１００において、バッファ層３０をバッファ層８０に置き換えた構成を有する。バッファ層８０は、複数の複合層８１を含んでいる。複合層８１は、窒化物系化合物半導体であるＧａＮからなる第１層８１ａと、ＧａＮよりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体であるＡｌＮからなる第２層８１ｂとが積層して構成されている。複合層の数はたとえば８４である。
【００４４】
なお、第１層８１ａおよび第２層８１ｂの厚さは、第１層８１ａと第２層８１ｂとの間のＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２次元電子ガスが発生しない厚さに設定されている。たとえば、第１層８１ａおよび第２層８１ｂの厚さは、それぞれ２０ｎｍ、５ｎｍである。
【００４５】
バッファ層８０のＡｌＮからなる第２層８１ｂには、それぞれ酸素が添加されている。これによって、実施の形態１の場合と同様に、電流リークが低減される。さらに、ＳＢＤ２００に長時間通電を行った場合の素子の経時的劣化が抑制される。また、これとともに、電流コラプスの発生およびその経時的な増大も抑制される。
【００４６】
なお、実施の形態１の場合と同様に、第２層８１ｂの酸素濃度としては、１×１０１９ｃｍ−３以上が好ましく、１×１０２０ｃｍ−３より小さいことが好ましい。
【００４７】
つぎに、上記の実施の形態１に対する電流コラプスの測定時と同様に、アノード電極と基板とを同電位に接続し、６００Ｖの逆方向電圧ストレスを印加した場合のＳＢＤにおける電界強度を計算した。なお、計算に用いたＳＢＤの構成は以下の通りである。
【００４８】
基板１０：厚さ１ｍｍ。ＡｌＮからなる介在層２０：厚さ４０ｎｍ。バッファ層８０のＧａＮからなる第１層８１ａ：厚さ２０ｎｍ。ＡｌＮからなる第２層８１ｂ：厚さ５ｎｍ。複合層８１の数：８４。ＧａＮからなる電子走行層４０：厚さ２２００ｎｍ。電子供給層５０：組成Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ、厚さ２５ｎｍ。アノード電極６０：Ｔｉ／Ａｌ構造、直径１６０μｍ。カソード電極７０：Ｎｉ／Ａｕ構造。アノード電極６０とカソード電極７０との間隔：１０μｍ。このとき、バッファ層８０の厚さは約２．１μｍとなる。また、バッファ層の炭素濃度は１×１０１９ｃｍ−３程度となるように形成している。
【００４９】
計算の結果、カソード電極７０と、バッファ層８０の上端との間のカソード電極７０直下での電位差は３２０Ｖであり、電界は約１．５ＭＶ／ｃｍであった。カソード電極７０直下での、バッファ層８０の上端と厚さ方向中央部との間の電位差は１６０Ｖであり、電界は約１．５ＭＶ／ｃｍであった。カソード電極７０直下での、バッファ層８０の厚さ方向中央部と基板１０との間の電位差は１２０Ｖであり、電界は約１．１ＭＶ／ｃｍであった。アノード電極６０直下での、バッファ層８０の厚さ方向中央部と上端との間の電位差は４０Ｖであり、電界は約０．４ＭＶ／ｃｍであった。バッファ層８０の上端とアノード電極６０との間のアノード電極６０直下での電位差は８０Ｖであり、電界は約０．４ＭＶ／ｃｍであった。
【００５０】
実施の形態２のＳＢＤ２００の構造では、バッファ層８０の厚さ方向中央から表面側の近傍にかけて最も高電界が掛かる。したがって、少なくともバッファ層８０の厚さ方向中央部近傍に位置する第２層８１ｂに酸素を添加し、リークパスを低減して電圧分担を大きくすることが効果的である。
【００５１】
また、横方向のリーク電流は、電子走行層４０の厚さとバッファ層８０の厚さの１／２との合計値に依存し、縦方向のリーク電流は、バッファ層８０の厚さ方向中央部よりも下側（基板側）の電界に依存する。なお、素子の構造によっては、バッファ層８０の厚さ方向中央部以外の位置に最も高電界が掛かる場合がある。その場合は、少なくとも最も高電界が掛かる複合層の第２層８１ｂに酸素を添加し、リークパスを低減して電圧分担を大きくすることが効果的である。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、複合層の第１層がＧａＮからなり、第２層がＡｌＮからなるが、第１層が窒化物系化合物半導体からなり、第２層が、第１層よりも格子定数が小さく、アルミニウムを含む窒化物系化合物半導体からなるものであれば、特に限定はされない。たとえば、第１層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）からなるものであり、第２層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｘ＜ｙ≦１）からなるものでもよい。バッファ層に含まれる複合層の数も特に限定はされない。また、電子走行層、電子供給層についても、電子走行層が窒化物系化合物半導体からなり、電子供給層が電子走行層よりも格子定数が小さい窒化物系化合物半導体からなり、界面に２次元電子ガスが発生するものであれば、その組成は特に限定されない。
【００５３】
また、上記実施の形態では、第２層をＭＯＣＶＤ法にてエピタキシャル成長させる際に用いる原料ガスに酸素ガスを混合することによって酸素の添加を行った。しかしながら、酸素を添加するためのガスは酸素ガスに限らず、Ｎ２Ｏや、ＮＯｘなど、酸素を含むガスや、酸素ガスと酸素を含むガスとの両方を用いても良い。その他に、イオン注入により酸素を添加する方法や、ＭＯＣＶＤ法において酸素濃度が高いＡｌ原料（例えばトリメチルアルミニウム）を用いる方法でも良い。ただし、原料ガスに酸素ガスおよび酸素を含むガスの少なくとも一方を混合することによって酸素の添加を行う方法の方が、イオン注入によるダメージを残すことなく、十分な酸素濃度で添加でき、また通常のＭＯＣＶＤによる結晶成長工程のみで酸素を添加することができるので、効果的にリーク電流を低減するためには最も好ましい。
【００５４】
また、上記実施の形態では、窒化物系化合物半導体素子がＳＢＤであるが、素子の種類は特に限定されず、電子供給層上に形成する電極がソース電極、ゲート電極、ドレイン電極である電界効果トランジスタでもよい。また、半導体動作層の構造もＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造に限定されず、単層構造でもよいし、ＭＯＳ構造、リサーフ構造、フィールドプレート構造等としてもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態では、第２層の厚さや酸素濃度は各複合層で同一であるが、異なる厚さまたは酸素濃度でもよい。また、酸素が添加されていない第２層があってもよい。
【００５６】
また、第１層と第２層との間に、第１層のＡｌ組成から第２層のＡｌ組成までＡｌ組成が徐々に変化する組成傾斜層を介挿させて、第１層と第２層との間で発生しうる転位を低減してもよい。このような組成傾斜層は半導体動作層の近傍で介挿することが好ましい。
【００５７】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  基板
２０  介在層
３０、８０  バッファ層
３１、３２、３３、３４、３５、３６、８１  複合層
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ、８１ａ  第１層
３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ、３５ｂ、３６ｂ、８１ｂ  第２層
４０  電子走行層
５０  電子供給層
６０  アノード電極
７０  カソード電極
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  プローブ針
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３  時間
【図１】
2014067807.tif 000003
【図２】
2014067807.tif 000004
【図３】
2014067807.tif 000005
【図４】
2014067807.tif 000006
【図５】
2014067807.tif 000007
【図６】
2014067807.tif 000008
【図７】
2014067807.tif 000009
【図８】
2014067807.tif 000010
【図９】
2014067807.tif 000011
【図１０】
2014067807.tif 000012
【図１１】
2014067807.tif 000013