(57)【要約】【課題】リーク電流を抑制し、破壊耐量を向上した窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体素子１は、基板１０と、基板上に配置された第１バッファ層１２と、第１バッファ層上に配置された第２バッファ層１４と、第２バッファ層上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなる第３バッファ層２８と、第３バッファ層上に配置されたＧａＮ系窒化物半導体からなる第４バッファ層１６と、第４バッファ層上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなるバリア層１８と、バリア層上に配置されたソース電極２０、ドレイン電極２２およびソース電極およびドレイン電極の間に配置されたゲート電極２６とを備え、第３バッファ層は格子緩和されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された第１バッファ層と、
前記第１バッファ層上に配置された第２バッファ層と、
前記第２バッファ層上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなる第３バッファ層と、
前記第３バッファ層上に配置されたＧａＮ系窒化物半導体からなる第４バッファ層と、
前記第４バッファ層上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなるバリア層と、
前記バリア層上に配置されたソース電極、ドレイン電極および前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置されたゲート電極と
を備え、前記第３バッファ層は格子緩和されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第３バッファ層に加わる歪みはゼロもしくは引張り歪みであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第４バッファ層に加わる歪みはゼロもしくは圧縮歪みであることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記第３バッファ層と前記第４バッファ層に炭素がドーピングされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第３バッファ層と前記第４バッファ層との界面に炭素がドーピングされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記炭素のドーピングレベルは、１×１０17以上１×１０21（ｃｍ-3）以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記第１バッファ層は、ＡｌＮからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記第２バッファ層は、超格子からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記超格子は、ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層のペアからなることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記第３バッファ層は、Ａｌ組成をｘとするＡｌxＧａ1-xＮからなり、前記超格子の平均Ａｌ組成をｙとすると、ｘは、ｙよりも１０％以上小さいことを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記第２バッファ層は、ＡｌＧａＮ層単膜からなり、前記第３バッファ層は、Ａｌ組成をｘとするＡｌxＧａ1-xＮからなり、互いにＡｌ組成が異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記第４バッファ層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
前記第３バッファ層の膜厚は、１００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１４】
前記基板は、（１１１）面の面方位を有するｐ型Ｓｉからなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子に関し、特にリーク電流を抑制し、破壊耐量を向上した窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）構造を有する窒化物半導体素子において、炭素（Ｃ）などの不純物ドーピングを実施してリーク電流を抑制する技術は、各種提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【０００３】
ＧａＮ電子走行層の厚さを広い範囲で選択することができ、デバイス設計の自由度を高めることができる窒化物半導体素子、および耐圧および信頼性に優れる窒化物半導体素子パッケージについても開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２１６５７８号公報
【特許文献２】特開２０１１−０８２４９４号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０９３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、リーク電流を抑制し、破壊耐量を向上した窒化物半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第１バッファ層と、記第１バッファ層上に配置された第２バッファ層と、前記第２バッファ層上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなる第３バッファ層と、前記第３バッファ層上に配置されたＧａＮ系窒化物半導体からなる第４バッファ層と、前記第４バッファ層上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなるバリア層と、前記バリア層上に配置されたソース電極、ドレイン電極および前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置されたゲート電極とを備え、前記第３バッファ層は格子緩和されている窒化物半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、リーク電流を抑制し、破壊耐量を向上した窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造図。
【図２】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨの説明図。
【図３】（ａ）実施の形態に係る窒化物半導体素子において、矢印Ｅ方向にエッチングを実施して、擬似的にトランジスタのオフ状態を形成した場合の全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨの説明図、（ｂ）ＡｌＧａＮ層単膜若しくは超格子バッファ層の厚さをパラメータとする全リーク電流ＩrＴとソース・ドレイン間の印加電圧Ｖrの関係を示す図。
【図４】（ａ）実施の形態に係る窒化物半導体素子において、ＡｌＧａＮ層単膜若しくは超格子バッファ層の厚さをパラメータとする縦方向リーク電流ＩrＶとソース・ドレイン間の印加電圧Ｖrの関係を示す図、（ｂ）ＡｌＧａＮ層単膜、超格子のペア数２０および超格子のペア数４０の場合のソース・ドレイン間の印加電圧Ｖr＝４００Ｖにおける垂直成分の割合を示す図。
【図５】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、総膜厚を一定にして、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚比を変え、矢印Ｅ方向にエッチングを実施して、擬似的にトランジスタのオフ状態を形成した場合の全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨの説明図、（ｂ）全リーク電流ＩrＴとソース・ドレイン間の印加電圧Ｖrの関係を示す図。
【図６】（ａ）実施の形態に係る窒化物半導体素子において、矢印Ｅ方向にエッチングを実施して、擬似的にトランジスタのオフ状態を形成した場合の全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨの説明図、（ｂ）印加電圧４００Ｖにおける縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨとＡｌＧａＮ層表面からのエッチング深さｔとの関係を示す図。
【図７】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、エネルギーバンド構造のシミュレーションに適用した窒化物半導体素子の模式的断面構造図。
【図８】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、標準状態におけるＡｌＧａＮバリア層１８・ＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成（％）・膜厚（ｎｍ）・ａ軸格子定数ａ（Å）・歪み（％）の数値例。
【図９】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、ＧａＮバッファ層１６における歪みをゼロとした状態におけるＡｌＧａＮバリア層１８・ＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成（％）・膜厚（ｎｍ）・ａ軸格子定数ａ（Å）・歪み（％）の数値例。
【図１０】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、ＡｌＧａＮバッファ層２８における歪みをゼロとした状態におけるＡｌＧａＮバリア層１８・ＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成（％）・膜厚（ｎｍ）・ａ軸格子定数ａ（Å）・歪み（％）の数値例。
【図１１】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、標準状態におけるＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造図。
【図１２】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、ＧａＮバッファ層１６における歪みをゼロとした状態におけるＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造図。
【図１３】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、ＡｌＧａＮバッファ層２８における歪みをゼロとした状態におけるＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造図。
【図１４】（ａ）比較例に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造図。
【図１５】実施の形態に係る窒化物半導体素子において、標準状態におけるＧａＮバッファ層・ＡｌＧａＮバッファ層近傍におけるエネルギーバンド構造（ＳＴＤ）と、ＡｌＧａＮバッファ層における歪みをゼロとした状態におけるＧａＮバッファ層・ＡｌＧａＮバッファ層近傍におけるエネルギーバンド構造（Ａ）の比較図。
【図１６】（ａ）ＧａＮバッファ層に引っ張り応力を導入してＡｌＧａＮバッファ層の歪みを緩和した実施の形態に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造図、（ｂ）図１６（ａ）の各層に対応する膜厚（ｎｍ）・Ａｌ組成（％）・歪みを説明する図。
【図１７】ＡｌＧａＮバッファ層の歪みを緩和して、さらにＧａＮバッファ層に圧縮応力を導入した実施の形態に係る窒化物半導体素子のエネルギーバンド構造図。
【図１８】実施の形態に係る窒化物半導体素子のＡｌxＧａ1-xＮのＡｌ組成ｘとａ軸格子定数ａの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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ことはもちろんである。
【００１０】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１は、図１に示すように、基板１０と、基板１０上に配置された第１バッファ層１２と、第１バッファ層１２上に配置された第２バッファ層１４と、第２バッファ層１４上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなる第３バッファ層２８と、第３バッファ層２８上に配置されたＧａＮ系窒化物半導体からなる第４バッファ層１６と、第４バッファ層１６上に配置されたＡｌＧａＮ系窒化物半導体からなるバリア層１８と、バリア層１８上に配置されたソース電極２０、ドレイン電極２２およびソース電極２０およびドレイン電極２２の間に配置されたゲート電極２６とを備える。ここで、第３バッファ層２８は格子緩和されている。
【００１２】
また、基板１０の第１バッファ層１２が配置される表面側とは反対側の裏面側には、裏面電極２４が配置される。
【００１３】
基板１０は、例えば、面方位（１１１）のｐ型シリコン（Ｓｉ）から構成される。
【００１４】
また、実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、第３バッファ層２８に加わる歪みはゼロもしくは引張り歪みであっても良い。
【００１５】
また、実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、第４バッファ層１６に加わる歪みはゼロもしくは圧縮歪みであっても良い。
【００１６】
また、実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、第３バッファ層２８と第４バッファ層１６に炭素がドーピングされていても良い。
【００１７】
また、特に、第３バッファ層２８と第４バッファ層１６との界面に炭素がドーピングされていても良い。
【００１８】
また、炭素のドーピングレベルは、例えば、約１×１０17以上約１×１０21（ｃｍ-3）以下であっても良い。
【００１９】
第１バッファ層１２は、ＡｌＮから構成されていても良い。
【００２０】
第２バッファ層１４は、超格子から構成されていても良い。ここで、超格子は、ＡｌＧａＮ層を量子井戸層、ＡｌＮ層をバリア層とするペアから構成される。ＡｌＧａＮ層／ＡｌＮ層の厚さは、例えば、約２０ｎｍ／約３ｎｍである。
【００２１】
また、第３バッファ層２８は、Ａｌ組成をｘとするＡｌxＧａ1-xＮからなり、第２バッファ層１４の超格子の平均Ａｌ組成をｙとすると、ｘは、ｙよりも１０％以上小さいことが望ましい。
【００２２】
また、第２バッファ層１４は、ＡｌＧａＮ層単膜からなり、第３バッファ層２８は、Ａｌ組成をｘとするＡｌxＧａ1-xＮからなり、互いにＡｌ組成が異なるように構成されていても良い。
【００２３】
また、第４バッファ層１６は、ＧａＮから構成されていても良い。
【００２４】
また、バリア層１８は、ＡｌＧａＮから構成されていても良い。
【００２５】
また、第３バッファ層の膜厚は、１００ｎｍ以上であることが望ましい。
【００２６】
第４バッファ層１６のバリア層１８との界面には、２次元電子ガス（２ＤＥＧ：Two Dimensional Electron Gas）が形成される。ＡｌＧａＮからなるバリア層１８は、この２ＤＥＧに対する電子供給層としての役割を有し、ＧａＮからなる第４バッファ層１６は、電子走行層としての役割を有する。結果として、実施の形態に係る窒化物半導体素子１は、ＨＥＭＴ構造のトランジスタ構成を有する。
【００２７】
以下の説明においては、第１バッファ層１２をＡｌＮバッファ層１２、第２バッファ層１４をＡｌＧａＮ層単膜１４若しくは超格子バッファ層１４、第３バッファ層２８をＡｌＧａＮバッファ層２８、第４バッファ層１６をＧａＮバッファ層１６、バリア層１８をＡｌＧａＮバリア層１８と記載し、各部の対応関係を明瞭化する。
【００２８】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨは、図２に示すように模式的に表される。図２において、ＡｌＧａＮバッファ層２８は説明の都合上、図示を省略している。実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ドレイン電極２２・ソース電極２０間にバイアス電圧を印加し、ソース電極２０と接地電位間・ドレイン電極２２と接地電位間・裏面電極２４と接地電位間に導通する電流をそれぞれ、全リーク電流ＩrＴ・横方向リーク電流ＩrＨ・縦方向リーク電流ＩrＶとして検出する。
【００２９】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、矢印Ｅ方向にエッチングを実施して、擬似的にトランジスタのオフ状態を形成した場合の全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨは、図３（ａ）に示すように表され、ＡｌＧａＮ層単膜１４若しくは超格子バッファ層１４の厚さをパラメータとする全リーク電流ＩrＴとソース・ドレイン間の印加電圧Ｖrの関係は、図３（ｂ）に示すように表される。
【００３０】
ここで、ＡｌＧａＮ層単膜１４若しくは超格子バッファ層１４の厚さをパラメータとすると、図３（ｂ）に示すように、全リーク電流ＩrＴは、第２バッファ層１４の厚さを厚くすると、破壊耐量が増大する傾向が見られる。
【００３１】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、トランジスタがオフのときに流れるリーク電流は、少ない方が望ましい。
【００３２】
超格子バッファ層１４の超格子のペア数を増やす（総膜厚を増やす）と全リーク電流ＩrＴ（縦方向リーク電流ＩrＶ）は減少し、破壊電圧も改善する。
【００３３】
ここで、ＡｌＮバッファ層１２の厚さは約２００ｎｍである。ＡｌＧａＮ層単膜１４の厚さは、約２００ｎｍであり、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ＝２０ｎｍ／３ｎｍからなる超格子バッファ層１４の厚さは、ペア数２０の場合、４６０ｎｍ、ペア数４０の場合、９２０ｎｍである。ＧａＮバッファ層１６の厚さは約１０００ｎｍである。ＡｌＧａＮバリア層１８の厚さは約２５ｎｍである。また、ソース電極２０とドレイン電極２２の間隔は、約１０μｍである。
【００３４】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ＡｌＧａＮ層単膜１４若しくは超格子バッファ層１４の厚さをパラメータとする縦方向リーク電流ＩrＶとソース・ドレイン間の印加電圧Ｖrの関係は、図４（ａ）に示すように表される。
【００３５】
また、実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ソース・ドレイン間の印加電圧Ｖr＝４００Ｖにおける垂直成分の割合は、図４（ｂ）に示すように表される。すなわち、ＡｌＧａＮ層単膜１４では、全リーク電流ＩrＴ＝９．２（Ａ／ｃｍ2）、縦方向リーク電流ＩrＶ＝７．９（Ａ／ｃｍ2）であり、垂直成分の割合は、８６．１％である。超格子バッファ層１４でペア数２０の場合では、全リーク電流ＩrＴ＝５．６×１０-1（Ａ／ｃｍ2）、縦方向リーク電流ＩrＶ＝３．９×１０-1（Ａ／ｃｍ2）であり、垂直成分の割合は、６９．４％である。さらに、超格子バッファ層１４でペア数４０の場合では、全リーク電流ＩrＴ＝２．２×１０-1（Ａ／ｃｍ2）、縦方向リーク電流ＩrＶ＝６．１×１０-2（Ａ／ｃｍ2）であり、垂直成分の割合は、２８．２４％である。
【００３６】
図４（ａ）および図４（ｂ）から明らかなように、ＡｌＧａＮ層単膜１４・超格子バッファ層１４の厚さを増やすと、縦方向リーク電流ＩrＶは減少し、破壊電圧も改善している。
【００３７】
一方、横方向リーク電流ＩrＨ（＝ＩrＴ−ＩrＶ）の割合は、ＡｌＧａＮ層単膜では、１３．９％、超格子のペア数２０の場合では、３０．６％、さらに、超格子のペア数４０の場合では、７１．８％である。図４（ａ）および図４（ｂ）から明らかなように、超格子バッファ層１４のペア数を増やすと、縦方向リーク電流ＩrＶは減少し、横方向リーク電流ＩrＨの割合が増加している。
【００３８】
すなわち、ＡｌＧａＮ層単膜１４若しくは超格子バッファ層１４の膜厚を増やすことで縦方向の電気抵抗が大きくなり、全リーク電流ＩrＴの内、ＧａＮバッファ層１６を横方向に経由する横方向リーク電流ＩrＨの割合が増加している。
【００３９】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、総膜厚を一定にして、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚比を変え、矢印Ｅ方向にエッチングを実施して、擬似的にトランジスタのオフ状態を形成した場合の全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨの説明図は、図５（ａ）に示すように表される。図５（ａ）においては、ＧａＮバッファ層１６の厚さを、厚さＤ１＝１０００ｎｍと厚さＤ２＝２００ｎｍの２通りに変化させており、第３バッファ層２８の厚さを、厚さＤ３＝２００ｎｍと厚さＤ４＝１０００ｎｍの２通りに変化させている。
【００４０】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、総膜厚を一定にして、ＡｌＧａＮバッファ層２８の厚さを、厚さＤ３＝２００ｎｍと厚さＤ４＝１０００ｎｍの２通りに変化させた場合の全リーク電流ＩrＴとソース・ドレイン間の印加電圧Ｖrの関係は、図５（ｂ）に示すように表される。ＡｌＧａＮ層単膜：２００ｎｍの曲線は、ＡｌＧａＮバッファ層２８の厚さＤ３＝２００ｎｍ、ＧａＮバッファ層１６の厚さＤ１＝１０００ｎｍに対応し、ＡｌＧａＮ層単膜：１０００ｎｍの曲線は、ＡｌＧａＮバッファ層２８の厚さＤ３＝１０００ｎｍ、ＧａＮバッファ層１６の厚さＤ２＝２００ｎｍに対応する。
【００４１】
図５（ａ）および図５（ｂ）から明らかなように、総膜厚を一定にして、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚比を変えたとき、ＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚の厚い方が、リーク電流が少なくなる。すなわち、全リーク電流ＩrＴは、ＧａＮバッファ層１６を経由している可能性が高い。全リーク電流ＩrＴの内、ＧａＮバッファ層１６を横方向に経由する横方向リーク電流ＩrＨの割合が増加している。
【００４２】
実施の形態に係る窒化物半導体素子において、矢印Ｅ方向にエッチングを実施して、擬似的にトランジスタのオフ状態を形成した場合の全リーク電流ＩrＴに対する縦方向リーク電流ＩrＶ・横方向リーク電流ＩrＨの説明図は、図６（ａ）に示すように表される。図６（ａ）において、ＡｌＮバッファ層１２の厚さは、例えば、約２００ｎｍである。超格子（ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ＝２０ｎｍ／３ｎｍ）で形成される超格子バッファ層１４の厚さは、例えば、約１７００ｎｍである。ＡｌＧａＮバッファ層２８の厚さは、例えば、約４００ｎｍである。ＧａＮバッファ層１６の厚さは、例えば、約１０００ｎｍである。ＡｌＧａＮバリア層１８の厚さは、例えば、約２５ｎｍである。
【００４３】
図６（ａ）の構成において、印加電圧４００Ｖにおける縦方向リーク電流ＩrＶ（Ａ／ｃｍ2）・横方向リーク電流ＩrＨ（Ａ／ｃｍ2）とＡｌＧａＮバリア層１８の表面からのエッチング深さｔ（ｎｍ）との関係は、図６（ｂ）に示すように表される。
【００４４】
図６（ｂ）に示すように、ＧａＮバッファ層１６を全てエッチングすると急激に、横方向リーク電流ＩrＨ（Ａ／ｃｍ2）の値が低下する。このため、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面にリーク経路が存在していることがわかる。
【００４５】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、主なリーク電流経路はＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面である。
【００４６】
ここで、ＡｌＧａＮバッファ層２８には、圧縮応力が加わっている。このため、ＡｌＧａＮバッファ層２８にピエゾ電界が発生し、ＧａＮバッファ層１６との界面においてエネルギー準位が下がるため、リーク電流経路が形成される。
【００４７】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１においては、ＡｌＧａＮバッファ層２８およびＧａＮバッファ層１６の歪み状態を制御、若しくはＣドープを実施して、かつＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のＣ濃度が最大になるように制御することによって、全リーク電流ＩrＴ（Ａ／ｃｍ2）を低減化可能である。
【００４８】
（エネルギーバンド構造のシミュレーション）
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、エネルギーバンド構造のシミュレーションに適用する模式的断面構造は、図７に示すように表される。
【００４９】
図７において、ＡｌＮバッファ層１２の厚さは、例えば、約２００ｎｍである。超格子（ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ＝２０ｎｍ／３ｎｍ）で形成される超格子バッファ層１４の厚さは、例えば、約１７００ｎｍである。Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバッファ層２８の厚さは、例えば、約４００ｎｍである。ＧａＮバッファ層１６の厚さは、例えば、約１０００ｎｍである。Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバリア層１８の厚さは、例えば、約２５ｎｍである。ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバリア層１８との界面には、２ＤＥＧが形成される。
【００５０】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、Ｃドープによるリーク電流の低減効果をエネルギーバンド構造のシミュレーション結果を用いて説明する。
【００５１】
Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバリア層１８の最表面からＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバッファ層２８までのバンド構造において、特にＧａＮバッファ層（１６）／ＡｌＧａＮバッファ層（２８）界面に注目する。また、ＧａＮバッファ層１６の歪み状態、およびＡｌＧａＮバッファ層２８の歪み状態をパラメータとする。
【００５２】
超格子（ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ＝２０ｎｍ／３ｎｍ）で形成される超格子バッファ層１４・ＡｌＮバッファ層１２は、ここでは絶縁体として取り扱う。
【００５３】
（標準状態）
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、標準状態におけるＡｌＧａＮバリア層１８・ＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成（％）・膜厚（ｎｍ）・ａ軸格子定数ａ（Å）・歪み（％）の数値例は、図８に示すように表される。ここで、標準状態とは、ＡｌＧａＮバッファ層２８やＧａＮバッファ層１６に歪み制御を実施していない状態に対応する。
【００５４】
図８に示すように、標準状態において、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバリア層１８は、ＧａＮバッファ層１６に対して完全に歪んでいる。また、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバッファ層２８は、ＡｌＮバッファ層１２に対して完全に歪んでいる。下地のＡｌＮバッファ層１２は格子緩和しており、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバッファ層２８のａ軸格子定数ａ（Å）は、ＡｌＮの理論値３．１１２０（Å）に等しい。また、ＧａＮバッファ層１６はクラックが発生する限界の引っ張り歪み状態にある。
【００５５】
（ＧａＮバッファ層における歪みゼロ）
また、実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ＧａＮバッファ層１６における歪みをゼロとした状態におけるＡｌＧａＮバリア層１８・ＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成（％）・膜厚（ｎｍ）・ａ軸格子定数ａ（Å）・歪み（％）の数値例は、図９に示すように表される。
【００５６】
図９に示すように、ＧａＮバッファ層１６における歪みをゼロとした状態において、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバリア層１８は、ＧａＮバッファ層１６に対して完全に歪んでいる。また、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバッファ層２８は、ＡｌＮバッファ層１２に対して完全に歪んでいる。下地のＡｌＮバッファ層１２は格子緩和しており、ＡｌＧａＮバッファ層２８のａ軸格子定数ａ（Å）は、ＡｌＮの理論値３．１１２０（Å）に等しい。一方、ＧａＮバッファ層１６は歪んでおらず、ＡｌＧａＮバッファ層２８のａ軸格子定数ａ（Å）は、ＧａＮの理論値３．１８９１（Å）に等しい。
【００５７】
（ＡｌＧａＮバッファ層における歪みゼロ）
また、実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ＡｌＧａＮバッファ層２８における歪みをゼロとした状態におけるＡｌＧａＮバリア層１８・ＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成（％）・膜厚（ｎｍ）・ａ軸格子定数ａ（Å）・歪み（％）の数値例は、図１０に示すように表される。
【００５８】
図１０に示すように、ＡｌＧａＮバッファ層２８における歪みをゼロとした状態において、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバリア層１８は、ＧａＮバッファ層１６に対して完全に歪んでいる。また、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層で形成されるＡｌＧａＮバッファ層２８は、歪んでおらず、ＡｌＧａＮバッファ層２８のａ軸格子定数ａ（Å）は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ層の理論値３．１７９８（Å）に等しい。一方、ＧａＮバッファ層１６はクラックが発生する限界の引っ張り歪み状態にある。
【００５９】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、標準状態（図８）に対応するＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造は、図１１に示すように表される。
【００６０】
標準状態においては、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面で、電子が走行しやすい領域が発生している。
【００６１】
また、ＧａＮバッファ層１６に引張り歪み、ＡｌＧａＮバッファ層２８に圧縮歪みが発生しているため、ピエゾ電界が発生してＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のエネルギー準位が下がっている。
【００６２】
ＧａＮバッファ層１６のＡｌＧａＮバリア層１８との界面の２ＤＥＧを導通する電流がオフされているとき、ＡｌＧａＮバリア層１８からＧａＮバッファ層１６に供給される電子は、本来、ＧａＮバッファ層１６の障壁を乗り越え難いが、ＧａＮバッファ層１６中にはリークパスとなり得る、例えば螺旋転位のような転位が分布しているため、この螺旋転位を経由してＧａＮバッファ層１６/ＡｌＧａＮバッファ層２８界面に到達した電子は、リーク電流に寄与する。
【００６３】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ＧａＮバッファ層１６の歪みをゼロとした状態（図９）におけるＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造は、図１２に示すように表される。
【００６４】
ＧａＮバッファ層１６における歪みをゼロとした状態においても、標準状態と同様に、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面で、電子が走行しやすい領域が発生している。
【００６５】
また、ＧａＮバッファ層１６の歪みをゼロとした状態においても、ＡｌＧａＮバッファ層２８に圧縮歪みが発生しているため、ピエゾ電界が発生してＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のエネルギー準位が下がっている。ＧａＮバッファ層１６の歪みをゼロとした状態におけるエネルギーバンド構造（図１２）と、標準状態におけるエネルギーバンド構造（図１１）とを比較すると、標準状態におけるＧａＮバッファ層１６の歪みが０．１１％と小さいため（ただしクラックは発生する）、分極の大きさに変化は見られない。
【００６６】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、ＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みをゼロとした状態におけるＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造は、図１３に示すように表される。
【００６７】
ＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みをゼロとした状態においては、ＧａＮバッファ層１６に引張り歪みが発生しているが、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のエネルギー準位が下がる現象は緩和されている。ＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みをゼロにすることで、ピエゾ電界が小さくなり、界面のエネルギー準位が上昇している。
【００６８】
ＧａＮバッファ層１６の中央部と比べて、ＡｌＧａＮバッファ層２８との界面近傍のＧａＮバッファ層１６のエネルギー準位が低いのは、ＧａＮバッファ層１６中の引張り歪み約＋０．１１(％)と自発分極が原因である。
【００６９】
ＡｌＧａＮバッファ層２８の自発分極は表面側がマイナスなので、エネルギー準位は上がる方向であるが、ＧａＮバッファ層１６中の引張り歪みに起因する電界強度の方が大きい。
【００７０】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１においては、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のキャリア濃度を下げるために、ＧａＮバッファ層１６およびＡｌＧａＮバッファ層２８に炭素（Ｃ）がドーピングされる。特に、ピエゾ電界によってエネルギー準位がＧａＮバッファ層１６よりも下がっている領域（ＡｌＧａＮバッファ層２８との界面付近）に炭素（Ｃ）がドーピングされることが効果的である。尚、炭素（Ｃ）のドーピングレベルは、例えば、約１×１０17（ｃｍ-3）〜約１×１０21（ｃｍ-3）である。
【００７１】
比較例に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造は、図１４（ａ）に示すように表され、実施の形態に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造は、図１４（ｂ）に示すように表される。
【００７２】
比較例に係る窒化物半導体素子において、超格子バッファ層１４若しくはＡｌＧａＮ層単膜１４は、ＡｌＮバッファ層１２に対して格子が歪んでいる。図１４（ａ）に示すように、超格子バッファ層１４若しくはＡｌＧａＮ層単膜１４は、ａ軸格子定数ａがＡｌＮバッファ層１２より大きいため、面内に圧縮応力を受ける。この圧縮応力はＧａＮバッファ層１６と超格子バッファ層１４若しくはＡｌＧａＮ層単膜１４界面のエネルギー準位を下げるため（ピエゾ効果）、リーク電流の経路となる。
【００７３】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１においては、ＨＥＭＴ構造において、ＧａＮバッファ層１６を経由するリーク電流を低減するために、ＧａＮバッファ層１６と超格子バッファ層１４若しくはＡｌＧａＮ層単膜１４との間に、格子緩和したＡｌＧａＮバッファ層２８を配置している。
【００７４】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１において、標準状態におけるＧａＮバッファ層１６・ＡｌＧａＮバッファ層２８近傍におけるエネルギーバンド構造（ＳＴＤ）と、ＡｌＧａＮバッファ層２８における歪みをゼロとした状態におけるエネルギーバンド構造（曲線Ａ）の比較図は、図１５に示すように表される。図１５は、図１１と図１３を重ね合わせて表示したグラフに対応する。
【００７５】
標準状態においては、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面で、電子が走行しやすい領域が発生している。また、ＧａＮバッファ層１６に引張り歪み、ＡｌＧａＮバッファ層２８に圧縮歪みが発生しているため、ピエゾ電界が発生してＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のエネルギー準位が下がる。
【００７６】
ＡｌＧａＮバッファ層２８における歪みをゼロとした状態においては、曲線Ａに示すように、ＧａＮバッファ層１６に引張り歪みが発生しているが、ＧａＮバッファ層１６とＡｌＧａＮバッファ層２８の界面のエネルギー準位が下がる現象は緩和される。ＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みをゼロにすることで、ピエゾ電界が小さくなり、界面のエネルギー準位が上昇する。ＧａＮバッファ層１６中の引張り歪み約＋０．１１(％) が原因でＧａＮバッファ層１６の中央部と比べて、ＡｌＧａＮバッファ層２８との界面近傍のＧａＮバッファ層１６のエネルギー準位が低い。
【００７７】
ＧａＮバッファ層１６に引っ張り応力を導入してＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みを緩和した実施の形態に係る窒化物半導体素子の模式的断面構造は、図１６（ａ）に示すように表され、図１６（ａ）の各層に対応する膜厚（ｎｍ）・Ａｌ組成（％）・歪みの状態は、図１６（ｂ）に示すように表される。
【００７８】
ＡｌＧａＮバリア層１８の膜厚は、例えば、約２５ｎｍであり、Ａｌ組成ｘは２５％である。したがって、ＡｌＧａＮバリア層１８は、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎで表される。ＡｌＧａＮバリア層１８には、引っ張り応力が加わる。
【００７９】
ＧａＮバッファ層１６の膜厚は、例えば、約１０００ｎｍである。ＧａＮバッファ層１６には、引っ張り応力が加わる。
【００８０】
ＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚は、例えば、約４００ｎｍであり、Ａｌ組成ｘは１２％である。したがって、ＡｌＧａＮバッファ層２８は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎで表される。ＡｌＧａＮバッファ層２８には、引っ張り応力・圧縮応力のいずれも加わっていないため、歪みゼロである。
【００８１】
超格子バッファ層１４は、ＡｌＮ障壁層とＡｌＧａＮウェル層の６８ペアで形成され、膜厚は、例えば、約１７００ｎｍであり、平均Ａｌ組成ｙは、約２４％である。超格子バッファ層１４は、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ／ＡｌＮで表される超格子ペア（膜厚２０ｎｍ／５ｎｍ）を有する。
【００８２】
ＡｌxＧａ1-xＮで表されるＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成ｘと超格子バッファ層１４の平均Ａｌ組成ｙの大小関係は、ｘ＜ｙである。ここで、ｘは、ｙよりも０．１（１０％）以上小さいことが望ましい。また、ＡｌxＧａ1-xＮで表されるＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚は、例えば、約１００ｎｍ以上であることが望ましい。超格子バッファ層１４の平均Ａｌ組成ｙとＡｌＧａＮバッファ層２８のＡｌ組成ｘに差があるほど、ＡｌＧａＮバッファ層２８は格子緩和しやすく、また、ＡｌＧａＮバッファ層２８の膜厚が厚いほど、ＡｌＧａＮバッファ層２８は格子緩和しやすいからである。
【００８３】
ＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みを緩和して、さらにＧａＮバッファ層１６に圧縮歪みを導入した（ピエゾ電界が発生してＡｌＧａＮバッファ層２８との界面エネルギー準位が上がる）、実施の形態に係る窒化物半導体素子１のエネルギーバンド構造は、図１７の太線に示すように表される。尚、図１７において、実線は、図１３のエネルギーバンド構造（図１５の曲線Ａのエネルギーバンド構造）に対応している。
【００８４】
ＡｌＧａＮバッファ層２８は歪みが緩和している。ここで、シリコン基板１０の熱膨張係数（ＣＴＥ：Coefficient of Thermal Expansion)をＣＴＥSi、ＡｌＧａＮバッファ層２８の熱膨張係数をＣＴＥAlGaNで表すと、ＣＴＥSi＜ＣＴＥAlGaNの関係が成立しており、ＡｌＧａＮバッファ層２８は引張り応力を受けやすくなっている。
【００８５】
ＡｌＧａＮバッファ層２８の歪みを緩和し、さらに引張り応力を導入することで、ＧａＮバッファ層１６）／ＡｌＧａＮバッファ層２８界面でのポテンシャルの落ち込みを無くしたポテンシャル構造を実現可能である。
【００８６】
実施の形態に係る窒化物半導体素子１のＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成ｘとａ軸格子定数ａの関係を示すは、図１８に示すように表される。例えば、ＡｌＮのａ軸格子定数ａは３．１１２０、ＧａＮのａ軸格子定数ａは３．１８９１、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎのａ軸格子定数ａは３．１７９８である。
【００８７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、リーク電流を抑制し、破壊耐量を向上した窒化物半導体素子を提供することができる。
【００８８】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００８９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の窒化物半導体素子は、高周波パワー半導体モジュール、高周波インテリジェントパワーモジュールなどパワーデバイス全般に利用可能であり、特に、高周波・小型・軽量化が求められている分野として、ワイヤレス受給電装置、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、タブレット端末、電気自動車、デスクトップコンピュータ、プリンタ、テレビ受像機、ノートブックコンピュータ、ドッキングステーション、ホームサーバなど、また太陽電池・産業機器向けのインバータ、コンバータなどに適用可能である。
【符号の説明】
【００９１】
１…窒化物半導体素子
１０…基板
１２…第１バッファ層（ＡｌＮバッファ層）
１４…第２バッファ層（ＡｌＧａＮ層単膜若しくは超格子バッファ層）
１６…第４バッファ層（ＧａＮバッファ層）
１８…バリア層（ＡｌＧａＮバリア層）
２０…ソース電極
２２…ドレイン電極
２４…裏面電極
２６…ゲート電極
２８…第３バッファ層（ＡｌＧａＮバッファ層）
２ＤＥＧ…２次元電子ガス
Ｉr…リーク電流
Ｖr…印加電圧
ＩrＴ…全リーク電流
ＩrＶ…縦方向リーク電流
ＩrＨ…横方向リーク電流
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４…厚さ
ｔ…表面からの深さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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