(57)【要約】電界効果トランジスタは、少なくとも、基板（１０１）上にバッファ層（１０２）を介してエピタキシャル成長された、ＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦１）である下地層（１０３）と、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの何れかであるチャネル層（１０４）と、ノンドープ及びｎ型の何れかのＡｌYＧａ1-YＮである第１の電子供給層（１０５）と、ノンドープのＡｌZＧａ1-ZＮである閾値制御層（１０６）と、ノンドープ及びｎ型の何れかのＡｌWＧａ1-WＮである第２の電子供給層（１０７）と、をこの順に積層した窒化物系半導体多層構造と、ソース電極（１０８）と、ドレイン電極（１０９）と、保護膜（１１０）と、エッチング除去して形成されたリセス構造内に直接又はゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極（１１２）と、を有する。そして、窒化物系半導体多層構造の各層のＡｌ組成が、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、および、０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たす。
2010092768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系半導体多層構造と、ソース電極と、ドレイン電極と、保護膜と、ゲート電極と、を有し、
前記窒化物系半導体多層構造は、少なくとも、基板上にバッファ層を介してエピタキシャル成長された、ＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦１）である下地層と、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの何れかであるチャネル層と、ノンドープ及びｎ型の何れかのＡｌYＧａ1-YＮである第１の電子供給層と、ノンドープのＡｌZＧａ1-ZＮである閾値制御層と、ノンドープ及びｎ型の何れかのＡｌWＧａ1-WＮである第２の電子供給層と、をこの順に積層したものであり、
前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記保護膜と、は前記窒化物系半導体多層構造の表面に設けられ、
前記ゲート電極は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の一部で、前記保護膜及び前記第２の電子供給層の全部と、前記閾値制御層の一部までをエッチング除去して形成されたリセス構造内に直接あるいはゲート絶縁膜を介して設けられ、
前記窒化物系半導体多層構造の各層のＡｌ組成が、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、および、０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たすことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記窒化物系半導体多層構造の各層のＡｌ組成が、さらに、Ｙ−Ｘ≦０．１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記窒化物系半導体多層構造の各層のＡｌ組成が、さらに、Ｙ−Ｚ≦０．１を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記窒化物系半導体多層構造の各層のＡｌ組成が、さらに、Ｚ−Ｘ≦０．１を満たすことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記第１の電子供給層は、厚さが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、
前記閾値制御層は、厚さが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記閾値制御層のＡｌ組成Ｚと前記下地層のＡｌ組成Ｘとの差が、Ｚ−Ｘ≦０．０３を満たし、かつ前記第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙと前記閾値制御層のＡｌ組成Ｚとの差が、Ｙ−Ｚ≦０．０３を満たすことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記閾値制御層のＡｌ組成Ｚと前記下地層のＡｌ組成Ｘとが同じであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙと前記閾値制御層のＡｌ組成Ｗとが同じであることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙと前記第２の電子供給層のＡｌ組成Ｚとが、Ｙ≦Ｗ≦１を満たすことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
前記窒化物系半導体多層構造は、前記第２の電子供給層の上に窒化物系半導体からなるキャップ層を含むことを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化物系半導体は、高い絶縁破壊強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度を有している。そのため、窒化物系半導体は、高周波デバイスあるいはスイッチング素子等の電力制御用パワーデバイスの作製に適用する半導体材料として有望であり、近年、窒化物系半導体材料を用いた電界効果トランジスタの実用化開発が盛んに行われている。【０００３】
窒化物系半導体を半導体材料として適用する電界効果トランジスタは、電界効果トランジスタのゲート電極への負の直流バイアス電源を必要としないノーマリオフ（エンハンスメント）型であることが好ましい。例えば、図１２に示すような、窒化物系半導体材料を用いたノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタが開示されている（例えば、特許文献１）。【０００４】
図１２は、特許文献１記載の窒化物系半導体材料を用いたノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタの構造を示している。以下に、図１２を用いて、特許文献１記載の窒化物系半導体を用いたノーマリオフ型電界効果トランジスタについて説明する。【０００５】
図１２に示す電界効果トランジスタは、ノンドープの窒化物半導体であるＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ＜１）からなるキャリア走行層１と、キャリア走行層１よりも格子定数が小さいノンドープ又はｎ型の窒化物系半導体であるＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）からなる障壁層２と、キャリア走行層１と等しい格子定数を有するノンドープ又はｎ型の半導体からなる閾値制御層３と、ＩｎWＡｌZＧａ1-W-ZＮ（０＜Ｗ≦１、０＜Ｚ＜１）からなるキャリア誘起層４とが、順に積層された構成を有する。また、ゲート電極５を形成する位置では、キャリア誘起層４の全部と閾値制御層３の一部が除去されたリセス構造３０を形成している。そして、このリセス構造３０を覆うようにゲート電極５を形成し、このゲート電極５を挟んでほぼ対称的なキャリア誘起層４上の位置にソース電極６とドレイン電極７を形成する。【０００６】
特許文献１には、図１２に示した電界効果トランジスタにおいて、障壁層２の膜厚ｄ1を以下の式（１）に示す厚さにすることにより、ノーマリオフ型を実現できることを記載している。ただし、Ｙ−Ｘ＜１／１．２７である。【０００７】
ｄ1≦１６．４×（１−１．２７×（Ｙ−Ｘ））／（Ｙ−Ｘ）  ［Å］・・・式（１）【０００８】
また、特許文献１によれば、図１２に示したトランジスタでは、閾値制御層３内に底面を有するリセス構造３０内にゲート電極５を形成しているが、閾値制御層３をキャリア走行層１と同じ格子定数を有する半導体材料で構成することにより、トランジスタの閾値電圧（Ｖｔ）は、閾値制御層３の厚さに対して変動しない。すなわち、リセス構造３０を形成するときのエッチング深さがばらついたとしても、閾値電圧が変動しないため、トランジスタの閾値電圧のばらつきを小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１０３６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記特許文献１記載のノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタには、以下に示すような課題があった。【００１１】
図１２に示す構成のノーマリオフ型電界効果トランジスタでは、ゲート電極５を形成する領域以外の領域において、キャリア走行層１内と閾値制御層３内の両方にキャリアとなる２次元電子ガスを蓄積する。しかし、キャリア走行層１及び閾値制御層３それぞれに蓄積した２次元電子ガス同士の接続抵抗が高いため、上記特許文献１記載の電界効果トランジスタでは、電界効果トランジスタのオン抵抗を低減することが困難である。【００１２】
以下、上記特許文献１記載の電界効果トランジスタでは電界効果トランジスタのオン抵抗を低減することが困難である理由について、図１３を参照して説明する。図１３は、特許文献１に開示されているもので、図１２のソース電極６／ドレイン電極７を形成した位置での深さ方向における伝導帯のエネルギー状態を模式的に示す図である。【００１３】
ゲート電極５を形成した領域以外の領域においては、表面にＩｎWＡｌZＧａ1-W-ZＮ（０＜Ｗ≦１、０＜Ｚ＜１）からなるキャリア誘起層４を形成したことにより、図１３に示すようにキャリア走行層１の一部だけでなく、閾値制御層３の一部においても、伝導帯のエネルギーがフェルミ準位を下回る。伝導帯のエネルギーがフェルミ準位を下回る位置には、２次元電子ガスが蓄積することから、この領域では、キャリア走行層１と閾値制御層３との両方にキャリアとなる２次元電子ガスが蓄積していることがわかる。【００１４】
ここで、図１２に示した電界効果トランジスタのゲート電極５に、閾値電圧（Ｖｔ）よりも大きい正のバイアス電圧を印加して、トランジスタをオン状態としたときに、ソース電極６とドレイン電極７との間で電流を担うキャリアとなる電子が流れる経路を考える。まず、キャリアとなる電子をソース電極６から閾値制御層３内の２次元電子ガスへと注入する。ここで、ゲート電極５を形成した領域では、キャリア走行層１にしか２次元電子ガスを形成しないので、閾値制御層３内の２次元電子ガスに注入された電子は、次いで、閾値制御層３内の２次元電子ガスからキャリア走行層１内の２次元電子ガスへと注入される必要がある。その後、キャリア走行層１内の２次元電子ガスによりゲート電極５の下を移動した電子を、キャリア走行層１、閾値制御層３、ドレイン電極７の順で注入する。これにより、電子は電流を担う機能を果たす。【００１５】
このように電子の流れる経路を考えると、図１２に示した電界効果トランジスタにおいて、低いオン抵抗を実現するためには、ソース電極６及びドレイン電極７の接触抵抗、すなわち閾値制御層３内の２次元電子ガスへの接続抵抗を低減することが必要となる。また、閾値制御層３内の２次元電子ガスとキャリア走行層１内の２次元電子ガスとの接続抵抗を低減することも必要となる。【００１６】
閾値制御層３内の２次元電子ガスへの接続抵抗を低減することについては、ソース電極６及びドレイン電極７をＴｉＡｌで形成し、６００℃程度の熱処理を行うことにより、１０-5Ωｃｍ2程度の比較的低い接触抵抗が得られることが知られている。【００１７】
一方、閾値制御層３内の２次元電子ガスとキャリア走行層１内の２次元電子ガスとの接続抵抗を低減することについて、計算機シミュレーションを用いて接続抵抗の見積もりを行った。接続抵抗のシミュレーションの方法について以下に示す。【００１８】
まず、図１２に示した電界効果トランジスタの、ソース電極６（又はドレイン電極７）とゲート電極５との間の領域において、ウェハ表面から垂直方向の断面に対する伝導帯エネルギー分布と電子濃度分布を、量子効果を考慮に入れて計算する。次に、その結果を用い、閾値制御層３とキャリア走行層１との間で、量子力学的トンネル電流及び熱電子放出電流を考慮に入れて、接続抵抗の計算を行った。その結果、例えば、ＡｌXＧａ1-XＮ（０≦Ｘ＜１）からなるキャリア走行層１及び閾値制御層３のＡｌ組成Ｘ＝０、ＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）からなる障壁層２のＡｌ組成Ｙ＝０．１５、すなわちＹ−Ｘ＝０．１５の場合について計算すると、閾値制御層３内の２次元電子ガスとキャリア走行層１内の２次元電子ガスとの間の接続抵抗は、１０0Ωｃｍ2と極めて大きくなってしまうことが明らかとなった。【００１９】
以上、上述したように、特許文献１記載の電界効果トランジスタでは、閾値制御層３内に形成される２次元電子ガスと、キャリア走行層１内に形成される２次元電子ガスとの間の接続抵抗が、ソース電極６及びドレイン電極７の接触抵抗と比べて５桁も大きくなってしまう。そのため、特許文献１記載の電界効果トランジスタでは、オン抵抗の低い電界効果トランジスタを実現することが困難となる。【００２０】
尚、特許文献１には、キャリア誘起層４をＡｌＧａＮからＩｎＡｌＮにすることにより、閾値制御層３内及びキャリア走行層１内に蓄積できる２次元電子ガスを増加させることができ、これにより、電界効果トランジスタのオン抵抗を低減できることが記載されている。しかしながら、図１３に示すように、閾値制御層３内の２次元電子ガスとキャリア走行層１内の２次元電子ガスとの間の接続抵抗は、閾値制御層３と障壁層２の界面に生じるエネルギー障壁で決まる。すなわち、特許文献１に開示されている構成で接続抵抗が大きくなるのは、閾値制御層３と障壁層２の界面に生じる負の分極電荷が大きいこと、並びにこの界面の伝導帯バンド不連続量（ΔＥｃ）が大きいことで、界面のエネルギー障壁が大きいことが原因である。つまり、キャリア誘起層４の材料をＡｌＧａＮからＩｎＡｌＮに変えても、閾値制御層３と障壁層２の界面に生じるエネルギー障壁を小さくすることはできず、従って、閾値制御層３内の２次元電子ガスとキャリア走行層１内の２次元電子ガスとの接続抵抗を低減することもできない。そのため、特許文献１記載のキャリア誘起層４をＩｎＡｌＮにする方法では、電界効果トランジスタのオン抵抗を効果的に低減することは困難である。【００２１】
本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、上述した課題を解決し、窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ、例えばノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタのオン抵抗を低減する技術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】
【００２２】
本発明の電界効果トランジスタは、窒化物系半導体多層構造と、ソース電極と、ドレイン電極と、保護膜と、ゲート電極と、を有し、前記窒化物系半導体多層構造は、少なくとも、基板上にバッファ層を介してエピタキシャル成長された、ＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦１）である下地層と、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの何れかであるチャネル層と、ノンドープ及びｎ型の何れかのＡｌYＧａ1-YＮである第１の電子供給層と、ノンドープのＡｌZＧａ1-ZＮである閾値制御層と、ノンドープ及びｎ型の何れかのＡｌWＧａ1-WＮである第２の電子供給層と、をこの順に積層され、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記保護膜と、は前記窒化物系半導体多層構造の表面に設けられ、前記ゲート電極は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の一部で、前記保護膜及び前記第２の電子供給層の全部と、前記閾値制御層の一部までをエッチング除去して形成されたリセス構造内に直接あるいはゲート絶縁膜を介して設けられ、前記窒化物系半導体多層構造の各層のＡｌ組成が、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、および、０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、窒化物系半導体材料を用いた電界効果トランジスタのオン抵抗を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係る電界効果トランジスタの概略構成例を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造工程中における、エピタキシャル成長工程例を模式的に説明するための断面図である。
【図３】本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造工程中における、ソース電極及びドレイン電極の形成工程例を模式的に説明するための断面図である。
【図４】本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造工程中における、リセス構造の形成工程例を模式的に説明するための断面図である。
【図５】本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造工程中における、ゲート絶縁膜及びゲート電極形成工程例を模式的に説明するための断面図である。
【図６】本実施形態に係る電界効果トランジスタの、オフ状態及びオン状態での、ゲート電極下における伝導帯エネルギーと電子濃度の分布を示す分布図である。
【図７】本実施形態に係る電界効果トランジスタの、閾値制御層厚の変化に対する閾値電圧の変化を示す特性図である。
【図８】本実施形態に係る電界効果トランジスタの、ソース電極とゲート電極の間の領域における伝導帯エネルギーと電子濃度の分布例を模式的に示す分布図である。
【図９】本実施形態に係る電界効果トランジスタの、第１電子供給層のＡｌ組成と、閾値制御層のＡｌ組成との差を変化させた際の、閾値制御層内の２次元電子ガスとチャネル層内の２次元電子ガスとの接続抵抗の変化を示す特性図である。
【図１０】本実施形態に係る電界効果トランジスタの閾値制御層厚の変化に対する閾値電圧の変化を示す特性図である。
【図１１】本実施形態に係る電界効果トランジスタの閾値制御層のＡｌ組成と下地層のＡｌ組成との差を変化させた際の、Ｖｔ変化率を示す特性図である。
【図１２】特許文献１に係るノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図１３】特許文献１に係る電界効果トランジスタにおいて、ソース電極及びドレイン電極を形成した領域における伝導帯エネルギーの分布を示す分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の実施形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。尚、下記の具体例は、本発明の良好な実施形態の例であるが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
【００２６】
まず、本実施形態に係る電界効果トランジスタを、図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電界効果トランジスタの構造例を模式的に示す。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係る電界効果トランジスタに適用される窒化物半導体は、基板１０１、バッファ層１０２、下地層１０３、チャネル層１０４、第１の電子供給層１０５、閾値制御層１０６、第２の電子供給層１０７、を有する。
【００２８】
下地層１０３は、ＡｌXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ≦１）であり、チャネル層１０４は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮである。第１の電子供給層１０５は、ノンドープ又はｎ型で、厚さが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＡｌYＧａ1-YＮである。閾値制御層１０６は、ノンドープで厚さが２ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＡｌZＧａ1-ZＮである。第２の電子供給層１０７は、ノンドープ又はｎ型のＡｌWＧａ1-WＮである。基板１０１上に形成されたバッファ層上に上述した層を記載した順でエピタキシャル成長することで、窒化物半導体は積層構造を構成している。尚、各層のＡｌ組成は、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、および、０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たしている。なお、さらに、Ｙ−Ｘ≦０．１、Ｙ−Ｚ≦０．１、Ｚ−Ｘ≦０．１、および、Ｙ≦Ｗ≦１のいずれか１つ以上を満たしてもよい。
【００２９】
電界効果トランジスタは、ソース電極１０８、ドレイン電極１０９、保護膜１１０を、窒化物半導体の第２の電子供給層１０７表面に有している。また、電界効果トランジスタは、ソース電極１０８とドレイン電極１０９の間の一部で、保護膜１１０及び第２の電子供給層１０７の全部と、閾値制御層１０６の一部までをエッチング除去したリセス構造も有している。さらに、電界効果トランジスタは、このリセス構造内に直接又はゲート絶縁膜１１１を介してゲート電極１１２を有している。
【００３０】
ここで、第１の電子供給層１０５の厚さを２ｎｍ以上１５ｎｍ以下、閾値制御層１０６の厚さを２ｎｍ以上１５ｎｍ以下とし、各層のＡｌ組成を、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、かつ、０＜Ｚ≦Ｙ≦１としたのは、後述する図９及び図１１に示す、各層のＡｌ組成の変化による閾値制御層１０６内の２次元電子ガスとチャネル層１０４内の２次元電子ガスとの接続抵抗の変化及びＶｔ変化率に基づいている。つまり、各層のＡｌ組成が、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、かつ、０＜Ｚ≦Ｙ≦１であれば、上述した本発明の効果を奏し、本発明の課題を解決することが可能である。また、第１の電子供給層１０５の膜厚が厚くなるほど閾値電圧が負にシフトし、結果、ノーマリオンとなってしまうが、第１の電子供給層１０５の厚さを２ｎｍ以上１５ｎｍ以下に制限し、また、各層のＡｌ組成が、０＜Ｘ≦Ｙ≦１かつＹ−Ｘ≦０．１を満たせば、ノーマリオフ型を実現することができる。尚、Ｖｔ変化率とは、本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて、閾値制御層１０６の厚さが１ｎｍ変化した際の閾値電圧（Ｖｔ）の変化量を示している。
【００３１】
なお、後で図８を用いて説明するように、第２の電子供給層１０７のある領域では２次元電子ガス１１４と１１３がキャリアとなって電流が流れる。このときＷが大きいほど２次元電子ガスの量が増えるため、抵抗を小さくすることができる。すなわち、各層のＡｌ組成が、Ｙ≦Ｗ≦１を満たすことにより、抵抗を小さくすることが実現される。
【００３２】
（実施形態１）
本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて適用される窒化物半導体は、下記の層状構造を有している。すなわち、基板１０１上に、バッファ層１０２、下地層１０３、チャネル層１０４、第１の電子供給層１０５、閾値制御層１０６、第２の電子供給層１０７をこの順にエピタキシャル成長させて、窒化物半導体を形成している。電界効果トランジスタは、ソース電極１０８、ドレイン電極１０９、保護膜１１０を、窒化物半導体の第２の電子供給層１０７表面に有している。また、電界効果トランジスタは、ソース電極１０８とドレイン電極１０９の間の一部で、保護膜１１０及び第２の電子供給層１０７の全部と、閾値制御層１０６の一部までをエッチング除去したリセス構造も有している。さらに、電界効果トランジスタは、このリセス構造内に直接又はゲート絶縁膜１１１を介してゲート電極１１２を有している。
【００３３】
本実施形態に係る電界効果トランジスタでは、チャネル層１０４は、ノンドープで厚さ１５ｎｍのＧａＮである。第１の電子供給層１０５は、ノンドープで厚さが１０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎである。閾値制御層１０６は、ノンドープで厚さが１０ｎｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎである。第２の電子供給層１０７は、ノンドープで厚さが２５ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75である。
【００３４】
つまり、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、ＡｌXＧａ1-XＮよりなる下地層１０３のＡｌ組成がＸ＝０．０７、ＡｌYＧａ1-YＮよりなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成がＹ＝０．１５、ＡｌZＧａ1-ZＮよりなる閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．０７、ＡｌWＧａ1-WＮよりなる第２の電子供給層１０７のＡｌ組成がＷ＝０．２５である。尚、上記各層のＡｌ組成は、上述した０＜Ｘ≦Ｙ≦１および０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たしている。また、Ｙ−Ｘ≦０．１、Ｙ−Ｚ≦０．１、Ｚ−Ｘ≦０．１、および、Ｙ≦Ｗ≦１をも満たしている。特に、本実施形態ではＸ＝Ｚ、すなわち下地層１０３と閾値制御層１０６のＡｌ組成を同じにしている。
【００３５】
図２〜５は、本実施系形態に係る電界効果トランジスタの製造工程例を模式的に示す断面図である。次に、本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法の例を、図２〜５を参照して説明する。
【００３６】
始めに、図２に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、Ｓｉからなる基板１０１上にバッファ層１０２、ノンドープで厚さ１μｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなる下地層１０３、ノンドープで厚さ１５ｎｍのＧａＮよりなるチャネル層１０４、ノンドープで厚さが１０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる第１の電子供給層１０５、ノンドープで厚さが１０ｎｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎよりなる閾値制御層１０６、ノンドープで厚さが２５ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎよりなる第２の電子供給層１０７を、この順にエピタキシャル成長し、作製に適用される窒化物半導体の積層構造を得る。
【００３７】
次に、図３に示すように、ソース電極１０８及びドレイン電極１０９が形成される領域に開口パターンを形成したフォトレジスト・マスクを利用し、蒸着・リフトオフ法を用いて、Ｔｉ／Ａｌ（３０／１８０ｎｍ）電極を、第２の電子供給層１０７表面の所定位置に形成する。その後、形成されたＴｉ／Ａｌ（３０／１８０ｎｍ）電極に７００℃、６０秒のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）を行って、ソース電極１０８及びドレイン電極１０９を得る。
【００３８】
さらに、図４に示すように、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、厚さ１００ｎｍのＳｉＮからなる保護膜１１０を成膜する。その後、ソース電極１０８とドレイン電極１０９の間の所定位置に開口パターンを形成したフォトレジスト・マスクを利用し、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、保護膜１１０をエッチングする。フォトレジスト・マスクを除去した後、保護膜１１０をエッチングマスクとして、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチ法を用い、ソース電極１０８とドレイン電極１０９の間の一部において、第２の電子供給層１０７の全部と、閾値制御層１０６の一部とをエッチング除去する。
【００３９】
続いて、図５に示すように、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、厚さ３０ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなるゲート絶縁膜１１１を成膜する。その後、ゲート電極１１２が形成される領域に開口パターンを形成したフォトレジスト・マスクを利用し、蒸着・リフトオフ法を用いて、所定の場所にＮｉ／Ａｕ（３０／３００ｎｍ）を形成することにより、ゲート電極１１２を得る。最後に、ソース電極１０８及びドレイン電極１０９が形成されている領域に開口パターンを形成したフォトレジスト・マスクを利用し、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、ゲート絶縁膜１１１及び保護膜１１０をエッチング除去することで、電界効果トランジスタが完成する。
【００４０】
次に、本実施形態に係る電界効果トランジスタの動作例について、図６〜９を用いて説明する。図６は、図１に示すゲート電極１１２が形成されている領域の中央付近における、ウェハ表面に対して垂直方向に沿った断面の伝導帯エネルギー分布と電子濃度分布とを示す。図６中の実線は、ゲート電極１１２にバイアス電圧を印加しない（Ｖｇ＝０Ｖ）ときの分布を、破線は、ゲート電極１１２に所定の閾値電圧（Ｖｔ）より大きい正のバイアス電圧を印加した（Ｖｇ＝＋１．６Ｖ）ときの分布を示している。
【００４１】
図６に示すように、ゲート電極１１２にバイアス電圧を印加していない場合（Ｖｇ＝０Ｖ）には、伝導帯エネルギー分布において、表面のゲート絶縁膜１１１から下地層１０３に至るまで、伝導帯エネルギーがフェルミ準位を下回ることはない。すなわち、何れの層にもキャリアとなる電子は蓄積されない状態である。つまり、図１に示す電界効果トランジスタおいて、Ｖｇ＝０Ｖでは、ソース電極１０８が形成されている領域と、ドレイン電極１０９が形成されている領域が、ゲート電極１１２の下で電気的に断絶されていることになる。これにより、電界効果トランジスタは、ソース電極１０８とドレイン電極１０９の間に電流が流れないオフ状態となる。
【００４２】
一方、ゲート電極１１２に所定の閾値電圧（Ｖｔ）以上の正のバイアス電圧を印加（Ｖｇ＞Ｖｔ＞０Ｖ）した場合には、図６に示すように伝導帯エネルギーが引下げられ、チャネル層１０４と第１の電子供給層１０５との界面付近で、伝導帯エネルギーはフェルミ準位を下回る。この界面のチャネル層１０４側にはキャリアとなる電子が２次元電子ガスとして蓄積している。すなわち、図１に示す電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極１１２に所定の閾値電圧（Ｖｔ）以上の正のバイアス電圧を印加（Ｖｇ＞Ｖｔ＞０Ｖ）した場合には、チャネル層１０４内に発生した２次元電子ガスが、ソース電極１０８が形成されている領域と、ドレイン電極１０９が形成されている領域を電気的に接続する。これにより、電界効果トランジスタは、ソース電極１０８とドレイン電極１０９との間に電流が流れるオン状態となる。
【００４３】
このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、ゲート電極１１２にバイアス電圧を印加しない時（Ｖｇ＝０Ｖ）には、ソース電極１０８とドレイン電極１０９の間に電流の流れないオフ状態になる。他方、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、所定の閾値電圧（Ｖｔ）以上の正バイアス電圧を印加した時（Ｖｇ＞Ｖｔ＞０Ｖ）のみオン状態となるので、ソース電極１０８とドレイン電極１０９との間に電流が流れるノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタとして機能する。
【００４４】
図７は、本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて、閾値制御層１０６の厚さが変化した際の閾値電圧（Ｖｔ）の変化を示す。図７に示すように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、閾値制御層１０６の厚さが変化しても、閾値電圧（Ｖｔ）がほとんど変化しない。すなわち、ゲート電極１１２が形成される領域にリセス構造を形成する際、エッチングの深さばらつきが生じ、リセス構造内に残る閾値制御層１０６の厚さがばらついたとしても、電界効果トランジスタの閾値電圧（Ｖｔ）には影響を与えない。これは、下地層１０３と閾値制御層１０６とのＡｌ組成を同じにした（Ｘ＝Ｚ）ことによって得られる効果であり、キャリアとなる電子が発生するキャリア走行層と閾値制御層とを同じ材料とする上記特許文献１の発明とは、この点で異なっている。
【００４５】
尚、上述した効果を得るためには、リセス構造の底面が閾値制御層１０６内に形成される必要があるが、ドライエッチングによるエッチング深さばらつきは多くとも３〜４ｎｍ程度である。つまり、本実施形態のように閾値制御層１０６の厚さが１０ｎｍあれば、確実にリセス構造の底面を閾値制御層１０６内に形成することが可能である。
【００４６】
上述したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、下地層１０３と閾値制御層１０６とのＡｌ組成を同じにした（Ｘ＝Ｚ）ことにより、極めて閾値制御性を高くすることが可能となる。
【００４７】
図８は、図１に示すソース電極１０８とゲート電極１１２の間の領域における、ウェハ表面に対して垂直方向に沿った断面の伝導帯エネルギー分布と電子濃度分布との関係を示す。図８に示すように、第２の電子供給層１０７と閾値制御層１０６との界面付近、並びに第１の電子供給層１０５とチャネル層１０４との界面付近において、伝導帯エネルギーがフェルミ準位を下回る。
【００４８】
上記第２の電子供給層１０７と閾値制御層１０６との界面の閾値制御層１０６側にはキャリアとなる電子が２次元電子ガス１１４として蓄積している。また、上記第１の電子供給層１０５とチャネル層１０４との界面のチャネル層１０４側にはキャリアとなる電子が２次元電子ガス１１３として蓄積している。このように、閾値制御層１０６とチャネル層１０４の２つの異なる層にキャリアとなる２次元電子ガスが蓄積されていることから、低いオン抵抗の電界効果トランジスタを実現するためには、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４と、チャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗を低減する必要がある。
【００４９】
図９は、本実施形態に係る電界効果トランジスタの構成において、ＡｌYＧａ1-YＮからなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと、ＡｌZＧａ1-ZＮからなる閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとの差（Ｙ−Ｚ）を変化させたときの、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗の変化を示す。本実施形態においては、Ｙ＝０．１５、Ｚ＝０．０７であることから、Ｙ−Ｚ＝０．０８であり、図９によれば、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗は１０-4Ωｃｍ2（図９中の符号２０１参照）となる。
【００５０】
ここで、閾値制御層１０６のＡｌ組成をＺ＝０、さらに下地層１０３のＡｌ組成をＸ＝０とすれば、これは閾値制御層１０６及び下地層１０３をＧａＮ、すなわちチャネル層１０４と同じ材料で構成したことになり、特許文献１に開示された構成に相当する。この場合、Ｙ−Ｚ＝０．１５であり、図９によれば、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗は１０0Ωｃｍ2となる（図９中の符号２００参照）。すなわち、特許文献１記載の電界効果トランジスタは、本実施形態に係る電界効果トランジスタと比較すると、４桁も大きな接続抵抗である。
【００５１】
このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚに着目し、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとの差を小さくした。これにより、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗を低減することができ、結果として、より低いオン抵抗のノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することができる。
【００５２】
以上述べてきたように、本実施形態により、極めて高い閾値制御性があり、且つオン抵抗を低減させたノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
【００５３】
（実施形態２）
上記実施形態１では、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗は１０-4Ωｃｍ2であり、ソース電極１０８およびドレイン電極１０９と、２次元電子ガス１１４との接続抵抗１０-5Ωｃｍ2に対して１桁程度大きい。本実施形態では、オン抵抗をより低減する構成について具体的に例を挙げて説明する。
【００５４】
本実施形態に係る電界効果トランジスタは、例えば、上記実施形態１において、閾値制御層１０６をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎで構成する。本実施形態に係る電界効果トランジスタでは、ＡｌXＧａ1-XＮよりなる下地層１０３のＡｌ組成がＸ＝０．０７、ＡｌYＧａ1-YＮよりなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成がＹ＝０．１５、ＡｌZＧａ1-ZＮよりなる閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．１５、ＡｌWＧａ1-WＮよりなる第２の電子供給層１０７のＡｌ組成がＷ＝０．２５である。尚、上記各層のＡｌ組成は、上述した０＜Ｘ≦Ｙ≦１および０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たしている。また、Ｙ−Ｘ≦０．１、Ｙ−Ｚ≦０．１、Ｚ−Ｘ≦０．１、および、Ｙ≦Ｗ≦１をも満たしている。特に、本実施形態ではＹ＝Ｚ、すなわち第１の電子供給層１０５と閾値制御層１０６のＡｌ組成を同じにしている。
【００５５】
本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法としては、図２〜図５を用いて説明した上記実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法において、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、窒化物半導体の積層構造を得る際、閾値制御層１０６をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとすればよい。尚、その他の工程は、上記実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法と同様の工程を適用することができる。
【００５６】
本実施形態に係る電界効果トランジスタの動作例について、図９〜１１を用いて説明する。図９は、上述したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて、ＡｌYＧａ1-YＮからなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと、ＡｌZＧａ1-ZＮからなる閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとの差（Ｙ−Ｚ）を変化させたときの、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗の変化を示す。
【００５７】
本実施形態においては、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚが同じ、すなわちＹ−Ｚ＝０である。図９によれば、本実施形態では、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗は１０-8Ωｃｍ2となる（図９中の符号２０２参照）。この値はソース電極１０８及びドレイン電極１０９と、２次元電子ガス１１４との接続抵抗１０-5Ωｃｍ2に対して３桁小さく、電界効果トランジスタのオン抵抗への寄与は、無視できるほど小さいと言える。この接続抵抗を極めて小さくできる効果は、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとを同じ、すなわちＹ−Ｚ＝０とすることにより得られる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗を極めて小さくできることにより、結果として、極めてオン抵抗の低いノーマリオフ型電界効果トランジスタとなる。
【００５９】
図１０は、本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて、閾値制御層１０６の厚さが変化した際の閾値電圧（Ｖｔ）の変化を示す。図１０に示すように、本実施形態に係る電界効果トランジスタでは、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘとが異なっている（Ｚ−Ｘ＝０．０８）ために、閾値制御層１０６の厚さが変化したときの閾値電圧（Ｖｔ）の変化が、上記実施形態１の電界効果トランジスタ（図１０中の２０３参照）に比べて大きくなっている。
【００６０】
図１１は、本実施形態に係る電界効果トランジスタについて、閾値制御層１０６の厚さが１ｎｍ変化したときの閾値電圧（Ｖｔ）の変化量をＶｔ変化率と定義し、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘとの差（Ｚ−Ｘ）を変化させたときの、Ｖｔ変化率をプロットした特性図である。
【００６１】
本実施形態においては、閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．１５、下地層１０３のＡｌ組成がＸ＝０．０７である。つまり、本実施形態ではＺ−Ｘ＝０．０８であり、図８によれば、Ｖｔ変化率は５８ｍＶ／ｎｍ程度である。上記実施形態１ではＺ−Ｘ＝０であることにより、Ｖｔ変化率がほぼ０ｍＶ／ｎｍであるため、本実施形態に係る電界効果トランジスタの閾値制御性は、実施形態１に係る電界効果トランジスタには劣る。しかしながら、特許文献１に記載されているように、例えばリセス構造の底面が第１の電子供給層内に形成されるような構成の電界効果トランジスタでは、Ｖｔ変化率が数百ｍＶ／ｎｍとなることを考えると、本実施形態に係る電界効果トランジスタも比較的優れた閾値制御性を有することがわかる。
【００６２】
以上述べてきたように、本実形態により、第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙと閾値制御層のＡｌ組成Ｚに着目し、第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙと閾値制御層のＡｌ組成Ｚの差（Ｙ−Ｚ）を小さくすることで、極めて低いオン抵抗で、かつ比較的閾値制御性の高いノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
【００６３】
（実施形態３）
上記実施形態１及び実施形態２では、閾値制御性を高めるとオン抵抗が大きくなり、オン抵抗を低減すると閾値制御性を損なうというトレードオフの関係にあった。本実施形態は、これらを両立し得る構成について具体的に例を挙げて説明する。
【００６４】
本実施形態に係る電界効果トランジスタは、例えば、上記実施系形態１において、下地層１０３をＡｌ0.09Ｇａ0.91Ｎ、かつ閾値制御層１０６をＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎで構成する。本実施形態に係る電界効果トランジスタでは、ＡｌXＧａ1-XＮよりなる下地層１０３のＡｌ組成がＸ＝０．０９、ＡｌYＧａ1-YＮよりなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成がＹ＝０．１５、ＡｌZＧａ1-ZＮよりなる閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．１２、ＡｌWＧａ1-WＮよりなる第２の電子供給層１０７のＡｌ組成がＷ＝０．２５である。尚、上記各層のＡｌ組成は、上述した０＜Ｘ≦Ｙ≦１および０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たしている。また、Ｙ−Ｘ≦０．１、Ｙ−Ｚ≦０．１、Ｚ−Ｘ≦０．１、および、Ｙ≦Ｗ≦１をも満たしている。特に、本実施形態ではＹ−Ｚ≦０．０３とし、かつＺ−Ｘ≦０．０３となるようにしている。ここで、上記Ｙ−Ｚ≦０．０３、Ｚ−Ｘ≦０．０３との範囲は、上記図９及び図１１の記載に基づいたものである。
【００６５】
本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法としては、図２〜図５を用いて説明した上記実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法において、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、窒化物半導体の積層構造を得る際、下地層１０３をＡｌ0.09Ｇａ0.91Ｎ、閾値制御層１０６をＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎとすればよい。尚、その他の工程は、上記実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法と同様の工程を適用することができる。
【００６６】
本実施形態に係る電界効果トランジスタの動作例について、図９及び図１１を用いて説明する。図９は、上述したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて、ＡｌYＧａ1-YＮからなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと、ＡｌZＧａ1-ZＮからなる閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとの差（Ｙ−Ｚ）を変化させたときの、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗の変化を示す。
【００６７】
本実施形態においては、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成がＹ＝０．１５、閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．１２、すなわちＹ−Ｚ＝０．０３である。図９によれば、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗は１０-7Ωｃｍ2となる。この値はソース電極１０８及びドレイン電極１０９と、２次元電子ガス１１４との接続抵抗１０-5Ωｃｍ2に対して２桁小さく、電界効果トランジスタのオン抵抗への寄与は、無視できるほど小さいと言える。この接続抵抗が低減できる効果は、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとの差（Ｙ−Ｚ）を小さく、具体的にはＹ−Ｚ≦０．０３とすることにより得られる。
【００６８】
このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗を低減できることにより、結果として、非常にオン抵抗の低いノーマリオフ型電界効果トランジスタとなる。
【００６９】
図１１は、上述したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタについて、閾値制御層１０６の厚さが１ｎｍ変化したときの閾値電圧（Ｖｔ）の変化量をＶｔ変化率と定義し、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘとの差（Ｚ−Ｘ）を変化させたときの、Ｖｔ変化率をプロットした特性図である。
【００７０】
本実施形態においては、閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．１２、下地層１０３のＡｌ組成がＸ＝０．０９である。つまり本実施形態では、Ｚ−Ｘ＝０．０３であり、図１１によれば、Ｖｔ変化率は２１ｍＶ／ｎｍ程度である。すなわち本実施形態では、上記実施形態２のＶｔ変化率５８ｍＶ／ｎｍに比べ、閾値電圧のばらつきを１／３程度に抑制することが可能となる。このＶｔ変化率を低減できる効果は、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘとの差（Ｚ−Ｘ）を小さく、具体的にはＺ−Ｘ≦０．０３とすることにより得られる。このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、非常に優れた閾値制御性を有するノーマリオフ型電界効果トランジスタとなる。
【００７１】
以上述べてきたように、本実施形態により、下地層のＡｌ組成Ｘ、第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙ、閾値制御層のＡｌ組成Ｚに着目し、（Ｙ−Ｚ）及び（Ｚ−Ｘ）をＹ−Ｚ≦０．０３、Ｚ−Ｘ≦０．０３と小さくすることで、非常に低いオン抵抗と非常に高い閾値制御性とを両立したノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
【００７２】
（実施形態４）
上記実施形態３では、低いオン抵抗と高い閾値制御性を両立できたが、これらをさらに改善することも可能である。本実施形態では、その構成について具体的に例を挙げて説明する。
【００７３】
本実施形態に係る電界効果トランジスタは、例えば、上記実施形態１において、下地層１０３をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ、かつ閾値制御層１０６をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎで構成する。本実施形態に係る電界効果トランジスタでは、ＡｌXＧａ1-XＮよりなる下地層１０３のＡｌ組成がＸ＝０．１５、ＡｌYＧａ1-YＮよりなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成がＹ＝０．１５、ＡｌZＧａ1-ZＮよりなる閾値制御層１０６のＡｌ組成がＺ＝０．１５、ＡｌWＧａ1-WＮよりなる第２の電子供給層１０７のＡｌ組成がＷ＝０．２５である。尚、上記各層のＡｌ組成は、上述した０＜Ｘ≦Ｙ≦１および０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たしている。また、Ｙ−Ｘ≦０．１、Ｙ−Ｚ≦０．１、Ｚ−Ｘ≦０．１、および、Ｙ≦Ｗ≦１をも満たしている。特に、本実施形態ではＸ＝Ｙ＝Ｚとしている。
【００７４】
本実施形態に係る効果トランジスタの製造方法としては、図２〜図５を用いて説明した上記実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法において、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて、窒化物半導体の積層構造を得る際、下地層１０３をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ、閾値制御層１０６をＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとすればよい。尚、その他の工程は、上記実施形態１に係る電界効果トランジスタの製造方法と同様の工程を適用することができる。
【００７５】
本実施形態に係る電界効果トランジスタの動作例について、図９及び図１１を用いて説明する。図９は、上述したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタにおいて、ＡｌYＧａ1-YＮからなる第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと、ＡｌZＧａ1-ZＮからなる閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとの差（Ｙ−Ｚ）を変化させたときの、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗の変化を示す。
【００７６】
本実施形態においては、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚが同じである。すなわち本実施形態では、Ｙ−Ｚ＝０であり、図９によれば、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗は１０-8Ωｃｍ2となる。この値はソース電極１０８及びドレイン電極１０９と、２次元電子ガス１１４との接続抵抗１０-5Ωｃｍ2に対して３桁小さく、電界効果トランジスタのオン抵抗への寄与は、無視できるほど小さいと言える。この接続抵抗を極めて小さくできる効果は、第１の電子供給層１０５のＡｌ組成Ｙと閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚとを同じ、すなわちＹ−Ｚ＝０としたことにより得られる。
【００７７】
このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、閾値制御層１０６内の２次元電子ガス１１４とチャネル層１０４内の２次元電子ガス１１３との接続抵抗を極めて小さくできることにより、結果として、極めてオン抵抗の低いノーマリオフ型電界効果トランジスタとなる。
【００７８】
図１１は、上述したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタについて、閾値制御層１０６の厚さが１ｎｍ変化したときの閾値電圧（Ｖｔ）の変化量をＶｔ変化率と定義し、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘとの差（Ｚ−Ｘ）を変化させたときの、Ｖｔ変化率をプロットした特性図である。
【００７９】
本実施形態においては、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘが同じである。すなわち、本実施形態では、Ｚ−Ｘ＝０であり、図１１によれば、Ｖｔ変化率はほぼ０ｍＶ／ｎｍ程度となる。このＶｔ変化率を極めて小さくできる効果は、閾値制御層１０６のＡｌ組成Ｚと下地層１０３のＡｌ組成Ｘとを同じ、すなわちＺ−Ｘ＝０とすることにより得られる。このように、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、極めて高い閾値制御性を有するノーマリオフ型電界効果トランジスタとなる。
【００８０】
以上述べてきたように、本実施形態により、下地層のＡｌ組成Ｘ、第１の電子供給層のＡｌ組成Ｙ、閾値制御層のＡｌ組成Ｚに着目し、Ｘ、Ｙ、Ｚを全て同じとすることで、極めて低いオン抵抗と極めて高い閾値制御性とを両立したノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することが可能となる。
【００８１】
以上、本発明の実施形態に係る電界効果トランジスタを説明するために、具体的に４つの実施形態を挙げて説明してきたが、上述した実施形態に示した材料や製造工程は、一例を示したものであってこれに限定されるものではない。
【００８２】
例えば、基板１０１としては、ＳｉＣだけでなく、サファイア、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳＯＩ等、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる基板として用いられているものはいずれも適用することが可能である。また、ゲート絶縁膜１１１には、Ａｌ2Ｏ3だけでなく、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ｓｃ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、あるいはこれらの積層構造を用いることが可能であり、ゲート絶縁膜１１１を無くしてリセス構造内に直接ゲート電極１１２を形成するショットキー接合ゲートとすることも可能である。
【００８３】
さらに、エピタキシャル成長により得る窒化物半導体の積層構造については、少なくとも、０＜Ｘ≦Ｙ≦１、および、０＜Ｚ≦Ｙ≦１を満たす、下地層、チャネル層、第１の電子供給層、閾値制御層、第２の電子供給層がこの順に積層されていればよい。なお、この窒化物半導体の積層構造は、さらに、Ｙ−Ｘ≦０．１、Ｙ−Ｚ≦０．１、Ｚ−Ｘ≦０．１、および、Ｙ≦Ｗ≦１のいずれか１つ以上を満たしてもよい。
【００８４】
例えば、窒化物半導体の積層構造は、キャップ層等をさらに積層することも可能である。第２の電子供給層の上に窒化物系半導体からなるキャップ層を設けることで、表面の安定化、ゲートリークの低減、コンタクト抵抗の低減などを図ることができる。このように、本発明の効果を損なうことはなく、様々な層を組み合わせることができる。
【００８５】
さらに、上記実施形態において、チャネル層はＧａＮ、第１の電子供給層はＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ、第２の電子供給層はＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎとした例を示したが、これらの層は上記材料、Ａｌ組成に限定されるものではない。例えば、チャネル層をＩｎＧａＮとすることもできるし、第１の電子供給層及び第２の電子供給層のＡｌ組成を上記実施形態とは異なるものとすることももちろん可能である。また、窒化物半導体の積層構造全体において、各層の厚さは上記実施形態に挙げたものに限定されることはなく、適当な層、あるいは層の一部にｎ型又はｐ型の不純物を添加してもよい。
【００８６】
上記本実施形態により、ＡｌXＧａ1-XＮからなる下地層、ＡｌYＧａ1-YＮからなる第１の電子供給層及びＡｌZＧａ1-ZＮからなる閾値制御層のそれぞれのＡｌ組成が、Ｙ−Ｚ≦０．１を満たしていれば、（Ｙ−Ｚ）は十分に小さい値となる。すなわち、第１の電子供給層と閾値制御層とのＡｌ組成の差が０．１以下と小さいことから、この界面で、負の分極電荷と伝導帯バンド不連続によって生じるエネルギー障壁が小さくなり、閾値制御層内の２次元電子ガスとチャネル層内の２次元電子ガスとの間の接続抵抗を低減することが可能となる。そのため、ノーマリオフ型電界効果トランジスタのオン抵抗を低減することが可能となり、消費電力を低減することも可能となる。
【００８７】
また、本実施形態により、ＡｌXＧａ1-XＮからなる下地層、ＡｌYＧａ1-YＮからなる第１の電子供給層及びＡｌZＧａ1-ZＮからなる閾値制御層のそれぞれのＡｌ組成が、Ｚ−Ｘ≦０．１を満たしていれば、（Ｚ−Ｘ）の値は十分に小さい値となる。すなわち、下地層と閾値制御層とのＡｌ組成の差が０．１以下と小さいことにより、閾値制御層の厚さに対する閾値電圧（Ｖｔ）の変化率を数十ｍＶ／ｎｍ以下と小さくすることが可能となる。そのため、ノーマリオフ型電界効果トランジスタにおいて、リセスエッチングの深さばらつきによる閾値電圧（Ｖｔ）ばらつきを抑制し、閾値制御性を向上させることが可能となる。これにより、上記電界効果トランジスタを高歩留りで製造することが可能となる。
【００８８】
さらに、本実施形態により、下地層及び閾値制御層はＡｌＧａＮ、チャネル層はＧａＮ又はＩｎＧａＮというように、窒化物半導体の積層構造は異なる材料で構成されている。このため、上述のように、オン抵抗の低減と、閾値制御性の向上を両立させるため、Ｙ−ＺやＺ−Ｘを小さくする、すなわち下地層および閾値制御層のＡｌ組成を大きくして第１の電子供給層のＡｌ組成に近づけた場合でも、チャネル層には移動度の高いＧａＮ又はＩｎＧａＮを用いているため、チャネル抵抗の増加を避けることが可能となる。そのため、ノーマリオフ型電界効トランジスタにおいて、オン抵抗の低減及び閾値制御性の向上を両立することが可能となる。
【００８９】
尚、図６乃至１１に示す図はすべて、コンピュータによるシミュレーションの結果を示したものである。また、図６や９〜１１に示す○や△は、各図における上記実施形態１〜４又は特許文献１が該当する箇所等、つまり代表的な点を示すものであり、この点のみに限定されるものではないことは言うまでもない。
【００９０】
以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した電界効果トランジスタ及びその製造方法に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。
【００９１】
この出願は、２００９年２月１６日に出願された日本特許出願特願２００９−０３２７１５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明に係る窒化物半導体を用いたノーマリオフ（エンハンスメント）型電界効果トランジスタは、低オン抵抗であり、消費電力を小さくできる構造を有する利点がある。上記利点を活用して、携帯電話端末の基地局や衛星通信システム等で用いられる大出力マイクロ波増幅器を構成するトランジスタや、ＰＣ（Personal Computer）の電源や自動車のパワーステアリング等の電力制御装置に使用されるトランジスタへの応用が可能である。
【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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【国際調査報告】
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