(57)【要約】【課題】オン抵抗特性及びバッファリーク特性に優れるデバイスの製造に用いることができる、ヘテロ接合を含むバッファ層を有する窒化物半導体ウェハを提供する。【解決手段】本発明の一態様において、基板１１と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ（０≦ｘ≦０．０５）と、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂ（０＜ｙ≦１、かつｘ＜ｙ）との交互層を含む、基板１１上のバッファ層１３と、を有し、交互層において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのみがアクセプタを含む、窒化物半導体ウェハ１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦０．０５）と、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ≦１、かつｘ＜ｙ）との交互層を含む、前記基板上のバッファ層と、
を有し、
前記交互層において、前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のみがアクセプタを含む、
窒化物半導体ウェハ。
【請求項２】
前記交互層の前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のうちの最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層の前記アクセプタのシート濃度Ｎｓが２×１０１３（ｃｍ−２）以下である、
請求項１に記載の窒化物半導体ウェハ。
【請求項３】
前記最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＡｌ組成ｙは、０＜ｙ≦０．４であり、
前記シート濃度Ｎｓは、５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）である、
請求項２に記載の窒化物半導体ウェハ。
【請求項４】
前記アクセプタは、鉄（Ｆｅ）、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１種類からなる、
請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
【請求項５】
前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘは、ｘ＝０である、
請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
【請求項６】
前記交互層のすべての前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＡｌ組成ｙ及び一層あたりの前記アクセプタのシート濃度Ｎｓが等しい、
請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体ウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体ウェハに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等からなる導電性あるいは半絶縁性の半導体基板の（１１１）面上、あるいはＣ面〔（０００１）面〕上に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などのヘテロ接合を有するデバイス構造を形成する場合、バッファ層に高い絶縁特性が求められる。しかし、単層のバッファ層を用いた場合は、バッファ層内にエネルギー障壁が無く、バッファ層に注入された自由電子が動きやすいため、必ずしも十分な絶縁特性が得られない。
【０００３】
絶縁特性を向上させるためには、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と窒化ガリウム（ＧａＮ）層とのヘテロ接合を含むバッファ層を用いることが有効であるが、窒化物半導体特有の分極効果のために生じる誘起電荷が、絶縁特性向上の障害となる。ｃ軸方向に積層したＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ接合構造は、窒化物系半導体結晶に固有の自発分極及びピエゾ分極によって、界面に反対符号の自由キャリアが誘起されやすい。
【０００４】
上記のようなヘテロ接合を含むバッファ層においては、分極モーメントがＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘに依存するため、分極電荷密度はＡｌ組成ｘに依存する（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１によれば、ＡｌＧａＮ層中に固有に存在する自発分極とＧａＮ層の中に固有に存在する自発分極との差分に相当する電荷σＰｓｐ／ｅがＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面に誘起される。さらに、外力に応じて発生するＡｌＧａＮ層中の弾性応力によるＡｌＧａＮ層中のピエゾ分極と外力に応じて発生するＧａＮ層中の弾性応力によるＧａＮ層中のピエゾ分極との差分に相当する電荷σＰｐｅ／ｅがＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面に誘起される。このため、上記のσＰｓｐ／ｅとσＰｐｅ／ｅとの合計σ／ｅ（Ｐｓｐ＋Ｐｐｅ）がＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面に誘起される全分極電荷に相当する。
【０００５】
そして、ＡｌＧａＮ層の組成式ＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌ組成ｘとσ／ｅ（Ｐｓｐ＋Ｐｐｅ）との関係を実験により求めると、この関係を表す曲線は、関係式σ／ｅ（Ｐｓｐ＋Ｐｐｅ）＝５×１０１３・ｘ（ｘ≦０．６）、σ／ｅ（Ｐｓｐ＋Ｐｐｅ）＝１×１０１４・ｘ−３×１０１３（ｘ＞０．６）で表される。
【０００６】
すなわち、非特許文献１によれば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ接合構造を有するバッファ層において、ＡｌＧａＮ層の組成式をＡｌｘＧａ１−ｘＮ、バッファ層中の各々のＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面の分極電荷密度をＮｐとすると、ｘ≦０．６のときは、概ねＮｐ＝５×１０１３・ｘ（ｃｍ−２）で表され、ｘ＞０．６のときは、概ねＮｐ＝１×１０１４・ｘ−３×１０１３（ｃｍ−２）で表される。例えば、Ａｌ組成ｘが０．１である場合は、分極電荷密度Ｎｐは概ね５ｘ１０１２（ｃｍ−２）である。
【０００７】
分極電荷は層の両端に反対符号の電荷を誘起するが、ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ接合構造が独立系である場合は、電気的には中性であって問題はない。しかし、その上層にＨＥＭＴ構造などのアクティブ層が形成されると、それによってバンドダイアグラムが変化して、部分的に中性条件から外れる。自由電子をキャリアとするモノポーラデバイスであるＨＥＭＴエピ構造では、バッファ層のＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面にも電子が優勢的に誘起されやすくなる。これを抑えるためには、バッファ層へのアクセプタの導入が有効であると考えられる。
【０００８】
従来、組成の異なる２種の窒化アルミニウムガリウム層の交互層からなる多層バッファ層に、炭素を含有させた化合物半導体基板が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、多層バッファ層が炭素を含有することにより、デバイスの耐電圧性能が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−８２４９４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】O. Ambacherら，Journal of Applied Physics，Vol.87，334頁，2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１に記載された化合物半導体基板のように、多層バッファ層全体に炭素をドーピングすると、アクセプタとして機能する炭素がチャネル層の自由電子も捕獲してしまうおそれが高く、デバイスのオン抵抗が上昇し、デバイス特性が悪化してしまうという問題がある。
【００１２】
したがって、本発明の目的の一つは、オン抵抗特性及びバッファリーク特性に優れるデバイスの製造に用いることができる、ヘテロ接合を含むバッファ層を有する窒化物半導体ウェハを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、基板と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦０．０５）と、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ≦１、かつｘ＜ｙ）との交互層を含む、前記基板上のバッファ層と、を有し、前記交互層において、前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のみがアクセプタを含む、窒化物半導体ウェハが提供される。
【００１４】
（２）上記窒化物半導体ウェハにおいて、前記交互層の前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のうちの最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層の前記アクセプタのシート濃度Ｎｓが２×１０１３（ｃｍ−２）以下であることが好ましい。
【００１５】
（３）上記窒化物半導体ウェハにおいて、前記最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＡｌ組成ｙは、０＜ｙ≦０．４であり、前記シート濃度Ｎｓは、５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）であることが好ましい。
【００１６】
（４）上記窒化物半導体ウェハにおいて、前記アクセプタは、鉄（Ｆｅ）、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１種類からなることが好ましい。
【００１７】
（５）上記窒化物半導体ウェハにおいて、前記ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘは、ｘ＝０であることが好ましい。
【００１８】
（６）上記窒化物半導体ウェハにおいて、前記交互層のすべての前記ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＡｌ組成ｙ及び一層あたりの前記アクセプタのシート濃度Ｎｓが等しいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一態様によれば、オン抵抗特性及びバッファリーク特性に優れるデバイスの製造に用いることができる、ヘテロ接合を含むバッファ層を有する窒化物半導体ウェハを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係る窒化物半導体ウェハの垂直断面図である。図１（ｂ）は、窒化物半導体ウェハを用いて形成されたＨＥＭＴの垂直断面図である。
【図２】図２は、本実施の形態のＨＥＭＴ及び比較例のＨＥＭＴにおける、ゲート電圧とバッファリーク電流の関係を表すグラフである。
【図３】図３は、本実施の形態のＨＥＭＴにおける、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＣのシート濃度Ｎｓとバッファリーク電流との関係を表すグラフである。
【図４】図４は、本実施の形態のＨＥＭＴにおける、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＣのシート濃度Ｎｓと飽和ドレイン電流との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態の要点）
本発明の一実施の形態は、基板と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦０．０５）と、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ≦１、かつｘ＜ｙ）との交互層を含む、基板上のバッファ層と、を有し、交互層において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のみがアクセプタを含む、窒化物半導体ウェハを提供する。
【００２２】
窒化物半導体ウェハを用いてＨＥＭＴ等のデバイスを製造した場合、交互層において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層がアクセプタを含まず、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のみがアクセプタを含むことにより、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とＡｌｙＧａ１−ｙＮ層とのヘテロ界面に生じる分極電荷に起因する誘起電荷を効果的に抑制することができる。さらに、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のアクセプタ濃度を適切な値に設定することにより、アクセプタによるチャネル層の自由電子の捕獲を最小限に抑えてキャリア伝導の低減を抑えつつ、バッファ層における自由キャリア発生を抑制して高い絶縁特性を確保することができる。
【００２３】
〔実施の形態〕
（窒化物半導体ウェハの構造）
図１（ａ）は、実施の形態に係る窒化物半導体ウェハの垂直断面図である。図１（ｂ）は、窒化物半導体ウェハを用いて形成されたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）の垂直断面図である。
【００２４】
窒化物半導体ウェハ１は、基板１１、基板１１上のＧａＮバッファ層１２、ＧａＮバッファ層１２上のバッファ層１３を有する。ＨＥＭＴ２は、窒化物半導体ウェハ１と、窒化物半導体ウェハ１のバッファ層１３上のチャネル層２１と、チャネル層２１上の障壁層２２と、障壁層２２上のソース電極２３、ドレイン電極２４、及びゲート電極２５を有する。
【００２５】
基板１１は、例えば、ノンドープのＧａＮ基板、又はＦｅドープＧａＮ基板である。また、基板１１とＧａＮバッファ層１２との間に核発生層と呼ばれるＡｌＮ又はＡｌＧａＮからなる層を挿入することにより、半絶縁性ＳｉＣ基板やＳｉ基板等を基板１１として使用することができる。
【００２６】
ＧａＮバッファ層１２は、例えば、ＧａＮ結晶からなる。チャネル層２１は、例えば、ＧａＮ結晶又はＩｎＧａＮ結晶からなり、２０ｎｍの厚さを有する。障壁層２２は、例えば、ＡｌＧａＮ結晶又はＩｎＡｌＮ結晶からなり、２５ｎｍの厚さを有する。ソース電極２３及びドレイン電極２４は、例えば、ＴｉとＡｌの積層体からなる。ゲート電極２５は、例えば、ＰｄとＡｕの積層体からなる。
【００２７】
バッファ層１３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦０．０５）１３ａと、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ≦１、かつｘ＜ｙ）１３ｂとの交互層、すなわちＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂとを交互に積層して形成される層からなる。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの各々の厚さは、例えば、５０ｎｍである。
【００２８】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶（０≦ｘ≦０．０５）からなり、アクセプタを実質的に含まない。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂは、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ結晶（０＜ｙ≦１、かつｘ＜ｙ）を母結晶とし、アクセプタを含む。
【００２９】
すなわち、このＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの交互層において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのみが実質的にアクセプタを含む。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａには意図的にアクセプタがドーピングされないため、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂから拡散移動したようなアクセプタがＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ中に存在したとしても、その濃度は極めて低く、電気的測定の検出下限以下（例えば、８×１０１６（ｃｍ−３）以下）である。
【００３０】
仮に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの両方がアクセプタを含むとすると、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ中のアクセプタ準位がフェルミ準位をピン止めして、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂにアクセプタをドーピングする効果が弱まる。このため、分極電荷に起因する誘起電荷の補償が不十分となり、バッファ層１３の絶縁特性が低減するおそれがある。また、逆に、バッファ層１３の絶縁特性が確保されるような濃度でアクセプタをドーピングすると、チャネル層の自由電子も捕獲してしまい、デバイスのオン抵抗が上昇するおそれが高い。
【００３１】
なお、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａの分極電荷密度は小さい方が好ましいので、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａのＡｌ組成ｘは、ｘ＝０であることが好ましい。
【００３２】
また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの層数は、図１（ａ）、（ｂ）に示されるものに限られない。また、バッファ層１３において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの層数は、同じであってもよいし、一方が他方より１つ多くてもよい。
【００３３】
ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂに含まれるアクセプタとして、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、又はカドミウム（Ｃｄ）等のII族金属、鉄（Ｆｅ）又はマンガン（Ｍｎ）等の遷移金属、炭素（Ｃ）等の両性不純物を用いることができる。中でも、本実施の形態においては、ドーピングの容易さの観点から、Ｆｅ、Ｚｎ、又はＣがアクセプタとして好ましく、Ｃが特に好ましい。
【００３４】
バッファ層１３におけるＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのうちの少なくとも最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙは、０＜ｙ≦０．４であり、かつアクセプタのシート濃度Ｎｓは、５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）であることが好ましい。
【００３５】
最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのアクセプタのシート濃度Ｎｓが５×１０１３・ｙ以下の場合、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂとのヘテロ界面に生じる分極電荷に起因する誘起電荷を十分に補償することができず、バッファリーク電流を十分に抑えることができないおそれがある。一方、アクセプタのシート濃度Ｎｓが２×１０１３（ｃｍ−２）より高い場合、アクセプタがチャネル層２１の自由電子を捕獲し、ＨＥＭＴ２のオン抵抗が上昇するおそれがある。
【００３６】
また、最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙが０．４よりも大きい場合、分極電荷に起因する誘起電荷の量が多くなりすぎ、これを補償するためにシート濃度Ｎｓが２×１０１３（ｃｍ−２）より高いアクセプタが必要になるおそれがある。
【００３７】
上から２層目以下のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙ及び一層あたりのアクセプタのシート濃度Ｎｓは、最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのものと異なっていてもよいが、チャネル層２１の自由電子濃度への影響を極力抑えつつバッファリーク電流を極力抑えるために、最上層と同様の条件「Ａｌ組成ｙが０＜ｙ≦０．４であり、かつアクセプタのシート濃度Ｎｓが５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）」を満たすことが好ましい。また、製造が容易になるため、全てのＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙ及び一層あたりのアクセプタのシート濃度Ｎｓが等しいことがより好ましい。
【００３８】
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、バッファ層１３において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａがアクセプタを含まず、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのみがアクセプタを含むことにより、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂとのヘテロ界面に生じる分極電荷に起因する誘起電荷を効果的に抑制することができる。さらに、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのアクセプタ濃度を本実施の形態に係る適切な値に設定することにより、アクセプタによるチャネル層２１の自由電子の捕獲を最小限に抑えてキャリア伝導の低減を抑えつつ、バッファ層１３における自由キャリア発生を抑制して高い絶縁特性を確保することができる。
【００３９】
したがって、本実施の形態の窒化物半導体ウェハ１を用いて、オン抵抗特性及びバッファリーク特性に優れるＨＥＭＴ２等のデバイスを製造することができる。
【００４０】
〔他の実施の形態〕
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００４１】
例えば、バッファ層１３において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの代わりに、ＩｎＡｌＮ結晶からなる層を用いることも可能であるが、発生する分極電荷密度や、上記実施の形態と同様の効果を得るためのアクセプタ濃度はＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂと異なる可能性がある。
【実施例】
【００４２】
上記実施の形態に係るＨＥＭＴ２を製造し、各種評価を行った。以下に、評価の方法及び結果を述べる。
【００４３】
（バッファ層の製造）
本実施例において用いたバッファ層１３の製造方法について述べる。
【００４４】
有機金属気相成膜法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂを形成した。後述する各種の評価のために、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙ及びアクセプタ濃度の異なる複数のＨＥＭＴ２を形成した。なお、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａのＡｌ組成ｘは０に固定した。
【００４５】
Ｇａ原料としてトリメチルガリウム又はトリエチルガリウムを用いた。Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウムを用いた。窒素原料としてアンモニアを用い、一部、ヒドラジン系材料を用いた。また、アクセプタとしてのＣの原料として、III族原料又はＣＢｒ４を用いた。アクセプタとしてのＦｅの原料としてＦｅＣｌ３を用いた。アクセプタとしてのＺｎの原料としてジメチルＺｎを用いた。
【００４６】
Ｖ／III比（Ｖ族原料の濃度とIII族原料の濃度の比）、成膜温度（サセプタ温度）、成長圧力を適宜変えてＡｌＧａＮ結晶を成長させながら間欠的にＣをドーピングし、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａとＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂを形成した。そして、元素分析により所望のＣ濃度となったものを選別して後述する評価を行った。ここで、Ｖ／III比は概ね１０〜１００，０００の範囲で調整した。成膜温度は概ね８００〜１，２５０℃の範囲で調整した。成長圧力は概ね１０ｋ〜１００ｋＰａの範囲で調整した。キャリアガスとしては、水素、窒素、又はそれらの混合気体を用い、混合気体の混合割合は随時調整した。
【００４７】
なお、成膜条件を変えても、後述するＨＥＭＴ２についての評価結果に変化はなかった。ＨＥＭＴ２の特性はＡｌ組成やＣ等のアクセプタの濃度で一義的に決まっており、成膜条件にはあまり依存しないものと考えられる。
【００４８】
また、基板１１として、ノンドープのＧａＮ基板とＦｅドープＧａＮ基板を用いたが、いずれも評価結果に変化はなかった。また、チャネル層２１と障壁層２２に、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の組み合わせと、ＩｎＧａＮ層とＩｎＡｌＮ層の組み合わせを用いたが、いずれも評価結果に変化はなかった。
【００４９】
（バッファ層の絶縁特性の評価）
図２は、本実施の形態のＨＥＭＴ２及び比較例のＨＥＭＴにおける、ゲート電圧とバッファリーク電流の関係を表すグラフである。図２の横軸はゲート電圧（Ｖ）を表し、縦軸はバッファリーク電流であるドレイン電流（Ａ）を表す。線αは本実施の形態のＨＥＭＴ２の測定結果を表し、線βは比較例のＨＥＭＴの測定結果を表す。
【００５０】
本測定に用いたＨＥＭＴ２におけるバッファ層１３は、厚さ５０ｎｍの２層のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａと、厚さ５０ｎｍの３層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂから構成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙとアクセプタとしてのＣのシート濃度Ｎｓは、それぞれ０．１５と、２×１０１３（ｃｍ−２）である。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａには、Ｃを意図的にドーピングしておらず、Ｃの濃度は電気的測定の検出下限以下（８×１０１６（ｃｍ−３）以下）であると推測される。
【００５１】
また、比較例のＨＥＭＴは、本測定に用いられるＨＥＭＴ２のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａの代わりに厚さ５０ｎｍのアクセプタを含まないＧａＮ層が形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの代わりに厚さ５０ｎｍのアクセプタとしてのＣを含むＧａＮ層が形成されたトランジスタである。このＣを含むＧａＮ層の１層あたりのＣのシート濃度Ｎｓは、２×１０１３（ｃｍ−２）である。
【００５２】
また、本実施の形態のＨＥＭＴ２及び比較例のＨＥＭＴのゲート長は２μｍであり、ゲート幅は２０μｍである。測定は、ドレイン電圧を１００Ｖとして行った。
【００５３】
図２によれば、比較例のＨＥＭＴのピンチオフ時のバッファリーク電流がおよそ１×１０−５（Ａ）であるのに対して、実施の形態のＨＥＭＴ２のピンチオフ時のバッファリーク電流は１×１０−５（Ａ）以下であり、比較例よりも２桁以上小さい。
【００５４】
２×１０１３（ｃｍ−２）という比較的低いシート濃度ＮｓのＣにより、リーク電流がこれほど抑えられる理由については物理的に明らかではないが、本実施の形態のバッファ層１３においては、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの一方の面において生じた分極電荷を、反対の面において生じた反対極性の分極電荷がある程度相殺するためであると考えられる。
【００５５】
（絶縁特性のアクセプタ濃度依存性の評価）
図３は、ＨＥＭＴ２に−８Ｖのゲート電圧（Ｖｇ）を印加してピンチオフさせた状態における、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのアクセプタとしてのＣのシート濃度Ｎｓとバッファリーク電流であるドレイン電流との関係を表すグラフである。図３の横軸はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＣのシート濃度Ｎｓ（ｃｍ−２）を表し、縦軸はドレイン電流（Ａ）を表す。図３は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙがそれぞれ０．１、０．２、０．３である３種のＨＥＭＴ２についての測定結果を示す。なお、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂ以外の部材の構成はすべてのＨＥＭＴ２において同じである。
【００５６】
図３は、Ｃのシート濃度Ｎｓがある境界値よりも高くなると、バッファリーク電流がさらに大きく低減し、１×１０−９（Ａ）程度になること示している。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙが大きいほど、この境界値は大きくなり、ｙ＝０．１、０．２、０．３のときの境界値は、それぞれおよそ５×１０１２（ｃｍ−２）、１×１０１３（ｃｍ−２）、１．５×１０１３（ｃｍ−２）である。
【００５７】
この境界値の値は、前述の“O. Ambacherら，Journal of Applied Physics，Vol.87，334頁，2000”に示される関係式「ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘがｘ≦０．６のときは、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面の分極電荷密度ＮｐはＮｐ＝５×１０１３・ｘ（ｃｍ−２）、ｘ＞０．６のときは、Ｎｐ＝１×１０１４・ｘ−３×１０１３（ｃｍ−２）」から算出されるＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂとＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ（ｘが０．０５以下と小さいため、近似的にＧａＮ層として扱うことができる）の界面の分極電荷密度Ｎｐにほぼ等しい。これは、分極電荷に起因する誘起電荷を補償するために、分極電荷密度Ｎｐと同等のシート濃度のアクセプタが必要になることによると考えられる。
【００５８】
したがって、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのアクセプタのシート濃度ＮｓがＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの分極電荷密度Ｎｐよりも高いとき、すなわちＡｌ組成ｙがｙ≦０．６のときは５×１０１３・ｙ（ｃｍ−２）よりも高く、ｙ＞０．６のときは１×１０１４・ｙ−３×１０１３（ｃｍ−２）よりも高いときに、高いバッファリーク電流の抑制効果が得られるといえる。
【００５９】
アクセプタのシート濃度Ｎｓが高いほどバッファリーク電流が小さくなるのは、アクセプタのシート濃度Ｎｓが高い方がバッファ層１３のフェルミ準位の位置が安定するためと考えられる。これはまた、導入したアクセプタが、単にバッファ層１３中の分極電荷による誘起電荷を補償するだけでなく、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３ａ中、あるいはＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂ中に含まれる残留ドナー型不純物も補償しているためと思われる。一般に、バッファ層の残留ドナー型不純物のシート濃度は、チャネル層の自由電子のシート濃度（およそ１〜２×１０１３（ｃｍ−２））に影響を及ぼさない程度に制御され、それはチャネル層のシート濃度の悪くても半分以下、つまりおよそ１×１０１３（ｃｍ−２）以下である。
【００６０】
（キャリア伝導特性のアクセプタ濃度依存性の評価）
図４は、本実施の形態のＨＥＭＴ２における、アクセプタとしてのＣのシート濃度Ｎｓと飽和ドレイン電流との関係を表すグラフである。図４の横軸はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂに含まれる１層あたりのＣのシート濃度Ｎｓ（ｃｍ−２）を表し、縦軸は飽和ドレイン電流（Ａ／ｍｍ）を表す。図４は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙがそれぞれ０．１、０．２、０．３である３種のＨＥＭＴ２についての測定結果を示す。なお、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂ以外の部材の構成はすべてのＨＥＭＴ２において同じである。
【００６１】
図４は、アクセプタであるＣのシート濃度Ｎｓが２×１０１３（ｃｍ−２）を超えると、飽和ドレイン電流が急激に低下することを示している。これは、チャネル層２１の自由電子のシート濃度に対するＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのアクセプタのシート濃度Ｎｓが高過ぎるため、チャネル層の自由電子がアクセプタに捕獲され、急激にフェルミ準位の位置がシフトすることによると考えられる。このため、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの一層あたりのアクセプタのシート濃度Ｎｓは、２×１０１３（ｃｍ−２）以下であることが好ましい。
【００６２】
なお、ＨＥＭＴを含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）系デバイスでは、多くの場合、チャネル層の自由電子のシート濃度はいずれも１×１０１３〜２×１０１３（ｃｍ−２）程度と近い値であるから、窒化物半導体ウェハ１を用いてＨＥＭＴ２以外のＦＥＴ系デバイスを形成する場合においても、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂの一層あたりのアクセプタのシート濃度Ｎｓは、２×１０１３（ｃｍ−２）以下であることが好ましいといえる。
【００６３】
ここで、上述の高いバッファリーク電流の抑制効果を得るための条件「ｙ≦０．６のときはＮｓ＞５×１０１３・ｙ（ｃｍ−２）、ｙ＞０．６のときはＮｓ＞１×１０１４・ｙ−３×１０１３（ｃｍ−２）」に、チャネル層２１のキャリア伝導を妨げないための条件「Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）」を加えると、前の条件においてｙ＞０．４ではＮｓ＞２×１０１３（ｃｍ−２）となってしまうため、「０＜ｙ≦０．４、かつ５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）」となる。
【００６４】
したがって、チャネル層２１のキャリア伝導を妨げず、かつバッファリーク電流を効果的に抑えるためには、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂが「０＜ｙ≦０．４、かつ５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）」の条件を満たすことが好ましいといえる。
【００６５】
なお、Ｃの代わりにＦｅ、ＺｎをＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂにドーピングして同様の実験を行ったところ、同様の測定結果が得られ、同様の条件によりチャネル層２１のキャリア伝導を妨げず、かつバッファリーク電流を効果的に抑えることができることがわかった。さらに、Ｃ、Ｆｅ、Ｚｎのうちの２種類又は３種類を組み合わせてＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂにドーピングした場合も同様であった。
【００６６】
なお、本実施例においては、バッファ層１３中のすべてのＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂのＡｌ組成ｙ及びＣのシート濃度Ｎｓを等しくしたが、少なくともチャネル層２１に最も近い最上層のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層１３ｂが上記の条件「０＜ｙ≦０．４、かつ５×１０１３・ｙ＜Ｎｓ≦２×１０１３（ｃｍ−２）」を満たせば、同様の効果が得られる。
【００６７】
上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００６８】
１          窒化物半導体ウェハ
１１        基板
１２        ＧａＮバッファ層
１３        バッファ層
１３ａ      ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層
１３ｂ      ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層
【図１】
2014049674.tif 000003
【図２】
2014049674.tif 000004
【図３】
2014049674.tif 000005
【図４】
2014049674.tif 000006