(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル層と、
前記チャネル層上に配置されるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置される電子供給層と、
前記電子供給層上に配置されるバリア層と、
前記バリア層上に配置されるゲート電極と、
を備え、
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも低く、
前記バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高く、
前記バリア層は、複数の層から形成されており、
前記バリア層を形成する各層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層側から前記ゲート電極側に向かって、段階的に増加しており、
前記スペーサ層は、複数の層から形成されており、
前記スペーサ層を形成する各層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記チャネル層側から前記電子供給層側に向かって、段階的に増加する半導体装置。
【請求項２】
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、不連続につながっており、
前記バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、不連続につながっている請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）が用いられている。
【０００３】
ＨＥＭＴは、例えばＩｎＰ材料等の化合物半導体を用いて形成される電界効果型の半導体装置であり、優れた高速特性及び優れた低雑音特性を有する。
【０００４】
高速特性を有するＨＥＭＴは、例えば光通信システムの信号処理回路、又はその他の高速デジタル回路に応用されている。また、低雑音特性を有するＨＥＭＴは、マイクロ波やミリ波帯での増幅器への応用も期待されている。
【０００５】
このように高速で回路を動作させるために、ＨＥＭＴの増幅率に関連するパラメータである相互インダクタンスｇmをより大きくすることが求められている。
【０００６】
また、相互インダクタンスｇmの値をより大きくすることにより、ＨＥＭＴの電流利得に関する増幅動作の周波数の上限である遮断周波数ｆTの値、及びＨＥＭＴの低雑音特性を向上させることもできる。
【０００７】
相互インダクタンスｇmの値は、一般にゲート電極とチャネル層との間の距離を短くすることにより大きくすることができる。ゲート電極とチャネル層との間には、例えばチャネル層側から、スペーサ層と電子供給層とバリア層とが順番に積層される。しかし、バリア層の厚さを薄くしてゲート電極とチャネル層との間の距離を短くすると、電子供給層からバリア層を超えて、ゲート電極へ移動する電子数が増加するので、チャネル層へ供給される電子数が低減する問題が生じる。また、バリア層を薄くすることは、ゲート耐圧を低減させる。また、スペーサ層の厚さの下限には、限度がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３２３７０４号公報
【特許文献２】特開２００９−６００４３号公報
【特許文献３】特開２００５−５６４６号公報
【特許文献４】特開平９−５５４９４号公報
【特許文献５】特開２００６−８０１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本明細書は、ゲート耐圧を確保しつつ、増幅率を増加する半導体装置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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本明細書で開示する半導体装置の一形態によれば、チャネル層と、チャネル層上に配置されるスペーサ層と、スペーサ層上に配置される電子供給層と、電子供給層上に配置されるバリア層と、バリア層上に配置されるゲート電極と、を備え、スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも低く、バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本明細書で開示する半導体装置の一形態によれば、ゲート耐圧を確保しつつ、増幅率を増加できる。
【００１２】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００１３】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、クレームされている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本明細書に開示する半導体装置の実施例１を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置のエネルギーバンド図である。
【図３】図１の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【図４】バリア層が配置されていない半導体装置のエネルギーバンド図である。
【図５】図１の半導体装置のＩ−Ｖ曲線を示す図である。
【図６】実施例１の半導体装置の変形例１のエネルギーバンド図である。
【図７】実施例１の半導体装置の変形例２のエネルギーバンド図である。
【図８】実施例１の半導体装置の変形例３のエネルギーバンド図である。
【図９】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。
【図１０】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。
【図１１】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。
【図１２】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。
【図１３】本明細書に開示する半導体装置の実施例２を示す断面図である。
【図１４】図１３の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する半導体装置の実施例３を示す断面図である。
【図１６】図１５の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【図１７】本明細書に開示する実施例１〜３の半導体装置の変形例を示す図である。
【図１８】本明細書に開示する実施例１〜３の半導体装置の他の変形例を示す図である。
【図１９】本明細書に開示する半導体装置の実施例４のエネルギーバンド図である。
【図２０】図１９の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【図２１】実施例４の半導体装置の変形例１のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【図２２】実施例４の半導体装置の変形例２のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【図２３】本明細書に開示する半導体装置の実施例５のエネルギーバンド図である。
【図２４】図２３の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本明細書で開示する半導体装置の好ましい実施例を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００１６】
図１は、本明細書に開示する半導体装置の実施例１を示す断面図である。
【００１７】
以下、半導体装置１０を、電界効果型トランジスタであるＩｎＰーＨＥＭＴに適用した場合を例として説明する。
【００１８】
本実施例の半導体装置１０は、図１に示すように、基板１１上に、バッファ層１２が配置され、バッファ層１２上にチャネル層１３が配置される。また、チャネル層１３上にスペーサ層１４が配置され、スペーサ層１４上に電子供給層１５が配置され、電子供給層１５上にバリア層１６が配置される。
【００１９】
バリア層１６上には、キャップ層１７ａ、１７ｂが離間して配置されると共に、キャップ層１７ａ及びキャップ層１７ｂの間にリセス２１が形成される。
【００２０】
キャップ層１７ａ上には、ドレイン電極２０が配置され、キャップ層１７ｂ上にはソース電極１９が配置される。また、リセス２１には、ゲート電極１８がバリア層１６上に配置される。
【００２１】
基板１１は、半絶縁性の化合物半導体基板であり、半導体装置１０では、Ｓ．Ｉ．−ＩｎＰ（ＳｅｍｉＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ−ＩｎＰ）を用いる。
【００２２】
バッファ層１２は、基板１１とチャネル層１３との間の格子不整合を緩和する機能を有する。半導体装置１０では、バッファ層１２の形成材料として、ｉ−ＩｎＡｌＡｓを用いる。
【００２３】
チャネル層１３は、電子供給層１５から電子が供給され、スペーサ層１４との界面近傍に２次元電子ガス層が形成され、電子走行層として働く。半導体装置１０では、チャネル層１３の形成材料として、ｉ−ＩｎＧａＡｓを用いる。
【００２４】
スペーサ層１４は、電子供給層１５内に添加されたドーパントがチャネル層１３へ拡散することを防止する。半導体装置１０では、スペーサ層１４の形成材料として、ｉ−ＩｎＡｌＡｓを用いる。
【００２５】
電子供給層１５は、ｎ型のドーパントが均一に添加されており、スペーサ層１４を介して、電子をチャネル層１３に供給する。ｎ型のドーパントとしては、例えばＳｉを用いることができる。半導体装置１０では、電子供給層１５の形成材料として、ｉ−ＩｎＡｌxＰを用いる。ｉ−ＩｎＡｌＰは、Ａｌ組成ｘが大きくなる程、エネルギーギャップが増大するが、ｉ−ＩｎＡｌＰの格子定数は、基板を形成するｉ−ＩｎＰの格子定数から離れていく。そこで、ｉ−ＩｎＡｌＰの厚さには、基板に対する格子整合の観点から、Ａｌ組成ｘに上限が設けられることが好ましい。具体的には、半導体装置１０では、電子供給層１５の形成材料として、ｉ−ＩｎＡｌ0.3Ｐを用いる。
【００２６】
バリア層１６は、ゲート電極１８とショットキー接合している。バリア層１６は、電子供給層１５の電子が、ゲート電極１８へ移動することを防止する。
【００２７】
キャップ層１７ａ、１７ｂは、ソース電極１９又はドレイン電極２０とバリア層１６との間の電気抵抗を低減する。半導体装置１０では、キャップ層１７ａ、１７ｂの形成材料として、ｎ−ＩｎＧａＡｓを用いる。キャップ層１７ａ、１７ｂは、ソース電極１９又はドレイン電極２０とオーミック接触している。
【００２８】
図２は、図１の半導体装置の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。図２では、バッファ層１２の一部と、チャネル層１３と、スペーサ層１４と、電子供給層１５と、バリア層１６と、ゲート電極１９の一部分が示されている。ＥFはフェルミ準位である。
【００２９】
また、図３は、図１の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。図３では、チャネル層１３と、スペーサ層１４と、電子供給層１５と、バリア層１６とが示されている。ここで、図３は、各層における電子等のキャリアが他の層に移動する前の状態における価電子帯の上端及び伝導帯の下端のエネルギー準位を示しており、伝導帯の下端のエネルギー準位の差を示すために、各層のバンドのエネルギー準位を相対的に並べたものである。図３に示す各層のエネルギー準位は、いわば、各層が空間的に離間している状態のものに相当する。図３中のＥｉは、価電子帯の上端及び伝導帯の下端の間のエネルギーギャップの中間の準位を示す。
【００３０】
図２及び図３に示すように、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１は、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２よりも低く、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ３は、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２よりも高い。また、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１は、チャネル層１３の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ４よりも高い。
【００３１】
スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１と、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２とは、不連続につながっている。具体的には、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２とスペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１との差ΔＥｃ１２は０．０６ｅＶである。
【００３２】
また、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ３と、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２とは、不連続につながっている。具体的には、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ３と電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２との差ΔＥｃ２３は０．１１ｅＶである。
【００３３】
更に、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１と、チャネル層１３の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ４とは、不連続につながっている。具体的には、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１とチャネル層１３の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ４との差ΔＥｃ１４は０．５２ｅＶである。
【００３４】
即ち、図２及び図３に示すように、各層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、チャネル層１３側からバリア層１６側に向かって段階的に増加する。
【００３５】
また、スペーサ層１４の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ１は、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ２よりも高く、バリア層１６の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ３は、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ２よりも低い。また、スペーサ層１４の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ１は、チャネル層１３の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ４よりも低い。
【００３６】
従って、電子供給層１５の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップＥｇ２は、スペーサ層１４の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップＥｇ１よりも大きい。また、電子供給層１５の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップＥｇ２は、バリア層１６の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップＥｇ３よりも小さい。即ち、Ｅｇ３＞Ｅｇ２＞Ｅｇ１の関係にある。また、スペーサ層１４の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップＥｇ１は、チャネル層１３の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップＥｇ４よりも大きい。
【００３７】
また、スペーサ層１４の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ１と、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ２とは、不連続につながっており、バリア層１６の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ３と、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ２とは、不連続につながっている。また、スペーサ層１４の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ１と、チャネル層１３の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ４とは不連続につながっている。
【００３８】
即ち、図２及び図３に示すように、各層の価電子帯の上端のエネルギー準位は、バリア層１６側からチャネル層１３側に向かって段階的に増加する。
【００３９】
図２では、電子供給層１５及びバリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位が、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位と同じであった場合の準位が、鎖線で示されている。同様に、電子供給層１５及びバリア層１６の価電子帯の上端のエネルギー準位が、スペーサ層１４の価電子帯の上端のエネルギー準位と同じであった場合の準位が、鎖線で示されている。後述する他のバンドエネルギーの図面についても、同様に鎖線が示されている。
【００４０】
このようなバンドエネルギー構造を有する半導体装置１０は、図２に示すように、電子供給層１５で発生した電子ｅは、スペーサ層１４の伝導帯へ容易に移動することができる。そして、スペーサ層１４へ移動した電子ｅは、更に、チャネル層１３に容易に移動し、スペーサ層１４との界面近傍に２次元電子ガス層を形成する。
【００４１】
また、半導体装置１０では、電子供給層１５のエネルギーギャップＥｇ２を、スペーサ層１４のエネルギーギャップＥｇ１よりも大きくすることにより、電子供給層１５で発生した電子が容易にゲート電極１９の方向へ移動することを低減している。
【００４２】
また、電子供給層１５で発生した電子ｅは、バリア層１６のエネルギー障壁を容易に乗り越えることができないので、バリア層１５を超えてゲート電極１９へ移動することは困難である。
【００４３】
従って、半導体装置１０では、電子供給層１５で発生した電子ｅは、チャネル層１３の方向へのみ容易に移動できるので、チャネル層１３内の２次元電子ガス層におけるシート電子濃度ＮSが向上する。また、半導体装置１０は、高いゲート耐圧を有する。
【００４４】
スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１と、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２との差は、室温での熱エネルギーよりも大きいことが、電子が、スペーサ層１４の伝導帯から電子供給層１５へ移動することを防止する上で好ましい。例えば、室温が３００ケルビン（２７℃）である場合には、室温での熱エネルギーは、ｋＴ＝４．１４Ｅ−２１Ｊ＝０．０２６ｅＶとなる。一方、図３に示すように、半導体装置１０では、ΔＥｃ１２＝０．０６ｅＶであり、ΔＥｃ１２は室温での熱エネルギーよりも大きい。
【００４５】
また、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１と、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２との差は、半導体装置１０の動作温度での熱エネルギーよりも大きいことが、同様の観点から好ましい。
【００４６】
次に、半導体装置１０は、ゲート耐圧を低減することなく、チャネル層１３とゲート電極１９との間の距離を短くすることによって、増幅率に関連するパラメータである相互インダクタンスｇmを増加できることについて、以下に説明する。
【００４７】
まず、半導体装置１０の内部から観測される真性相互インダクタンスｇmintは、式（１）で表される。
【００４８】
ｇmint＝εSＷgνS／ｄ      （１）
【００４９】
ここで、εSはゲート電極１９とチャネル層１３との間の部分の誘電率であり、Ｗgはゲート幅であり、νSは電子の飽和速度であり、ｄはゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離である。従って、式（１）より、距離ｄを小さくすることにより、ｇmintを増加できることが分かる。
【００５０】
また、半導体装置１０の外部から観測される外部相互インダクタンスｇmextは、式（２）で表される。
【００５１】
ｇmext＝ｇmint／（１＋ＲS・ｇmint）      （２）
【００５２】
ここで、ＲSはソース抵抗である。このソース抵抗ＲSは、シート電子濃度ＮSの逆数に比例する。
【００５３】
半導体装置１０では、図２に示すように、ゲート電極１９とチャネル層１３との間に、厚さｔ１のスペーサ層１４と、厚さｔ２の電子供給層１５と、厚さｔ３のバリア層１６とが配置される。従って、ゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離ｄを低減するためには、各層の厚さを小さくすれば良いことが分かる。
【００５４】
ここで、スペーサ層１４の厚さｔ１は、電子供給層１５内のドーパントがチャネル層１３へ拡散することを防止する厚さ以上であることが好ましい。また、スペーサ層１４の厚さｔ１は、電子供給層１５内の電子が、トンネル効果によって、スペーサ層１４を介してチャネル層１３へ移動し得る厚さでもあることが好ましい。このような観点から、スペーサ層１４の厚さｔ１は、その下限値が決定され得る。そして、半導体装置１０では、スペーサ層１４の厚さｔ１は、この下限値に設定されている。
【００５５】
一方、バリア層１６の厚さｔ３は、電子供給層１５内の電子が、トンネル効果によって、バリア層１６を介してゲート電極１９へ移動することを防止する厚さ以上であることが、ゲート耐圧を確保する上で好ましい。このような観点から、厚さｔ３は、通常、少なくとも厚さｔ１程度になる。
【００５６】
上述した観点から、スペーサ層１４の厚さｔ１と、電子供給層１５の厚さｔ２と、バリア層１６の厚さｔ３とが、式（３）の関係を満たすことが、ゲート耐圧を確保すると共にゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離ｄを小さくする上で好ましい。
【００５７】
ｔ１≦ｔ２＋ｔ３≦２×ｔ１      （３）
【００５８】
半導体装置１０では、各層の厚さが、式（３）の関係を満たすことにより、距離ｄを小さくして、真性相互インダクタンスｇmintを増加させることができる。
【００５９】
また、半導体装置１０では、距離ｄを小さくしても、上述したように、電子供給層１５の電子がバリア層１６を介してゲート電極１９へ移動することが防止されるので、ゲート耐圧が確保されるのと共にシート電子濃度ＮSが低下しない。そのため、シート電子濃度ＮSの逆数に比例するソース抵抗ＲSが増加しないので、外部相互インダクタンスｇmextも、ｇmintの増加と共に増加する。
【００６０】
また、半導体装置１０は、真性相互インダクタンスｇmintが増加するので、式（４）で表される遮断周波数ｆTも増加する。
【００６１】
ｆT＝ｇmint／２π（Ｃgs＋Ｃgd）      （４）
【００６２】
ここで、Ｃgsはゲート電極・ソース電極間の静電容量であり、Ｃgdはゲート電極・ドレイン電極間の静電容量である。
【００６３】
更に、半導体装置１０は、真性相互インダクタンスｇmint及び遮断周波数ｆTが増加するので、式（５）で表されるノイズＦ0が低減する。
【００６４】
Ｆ0＝１＋Ｋf・（ｆ／ｆT）・（ｇmint・（ＲS＋Ｒg））1/2      （５）
【００６５】
ここで、Ｋfはフィッティングパラメータであり、Ｒgはゲート抵抗である。
【００６６】
次に、図２に示す半導体装置１０において、バリア層が配置されていない場合を、図面を参照して以下に述べることにより、本実施例の半導体装置１０のバリア層１６の役割について更に説明する。
【００６７】
図４は、バリア層が配置されていない半導体装置の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。
【００６８】
図４に示す半導体装置１００は、バリア層が配置されていない点を除いては、図２に示す半導体装置と同様の構造を有している。半導体装置１００は、電子供給層１５が、ゲート電極１９とショットキー接合している。
【００６９】
半導体装置１００では、ゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離ｄを低減して増幅率を向上させるために、スペーサ層１４の厚さｔ１と電子供給層１５の厚さｔ２とを同じにしている。
【００７０】
半導体装置１００では、電子供給層１５のエネルギーギャップＥｇ２を、スペーサ層１４のエネルギーギャップＥｇ１よりも大きくすることにより、電子供給層１５で発生した電子がゲート電極１９へ容易に移動することを低減している。しかし、電子供給層１５のエネルギーギャップＥｇ２を大きくすると、電子供給層１５に添加し得るドーパント濃度の上限値が低下する。このため、電子供給層１５のエネルギーギャップＥｇ２を大きくすると、添加し得るドーパント濃度が減少するので、チャネル層１３のシート電子濃度ＮSが低減する。
【００７１】
また、半導体装置１００では、電子供給層１５の厚さｔ２が薄いので、障壁の高さが低いため、電子供給層１５で発生した電子が、ゲート電極１９へ移動することを十分に防止することはできない。
【００７２】
更に、半導体装置１００では、バリア層が配置されていないので、電子供給層１５で発生した電子が、ゲート電極１９へ移動することを十分に防止することはできない。
【００７３】
従って、半導体装置１００では、ゲート耐圧が低下する。また、電子供給層１５で発生した電子がゲート電極１９へ容易に移動することにより、チャネル層１３のシート電子濃度ＮSが低減する。
【００７４】
このように、バリア層が配置されていない半導体装置１００は、シート電子濃度Ｎｓが低下すると、ソース抵抗ＲSが増加するので、式（２）に示す外部相互インダクタンスｇmextが低下することになる。即ち、半導体装置１００では、ゲート耐圧を確保しつつ、ゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離ｄを低減して増幅率を向上させることが困難である。
【００７５】
一方、図２に示す本実施例の半導体装置１０は、電子供給層１５よりもエネルギーギャップが大きいバリア層１６が配置されるので、電子供給層１５のエネルギーギャップＥｇ２の大きさを半導体装置１００程には大きくしなくても良い。そのため、半導体装置１０では、十分なドーパント濃度を電子供給層１５に添加することができるので、シート電子濃度Ｎｓの低減を防止できる。また、半導体装置１０は、バリア層１６が配置されるので、電子供給層１５で発生した電子が、ゲート電極１９へ移動することを十分に防止することできる。
【００７６】
即ち、半導体装置１０では、ゲート耐圧を確保しつつ、ゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離ｄを低減して増幅率を向上させることができる。
【００７７】
図５は、図１の半導体装置のＩ−Ｖ曲線を示す図である。
【００７８】
図５では、本実施例の半導体装置１０のＩ−Ｖ曲線が実線で示されており、図４に示す半導体装置１００のＩ−Ｖ曲線が鎖線で示されている。半導体装置１０は、半導体装置１００と比べて、ゲート耐圧が上昇するのと共に、順方向電圧Ｖｆも上昇する。また、半導体装置１０は、半導体装置１００と比べて、増幅率も増加する。
【００７９】
次に、上述した実施例１の変形例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００８０】
図６は、実施例１の半導体装置の変形例１の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。
【００８１】
変形例１の半導体装置１０ａは、電子供給層１５へのｎ型ドーパントの添加が、δドープ（プレーナドープともいう）されている。電子供給層１５は、ｎ型ドーパントが、厚さ方向の中央部分のみに面状に添加されている。
【００８２】
図６に示すように、半導体装置１０ａの電子供給層１５は、エネルギーバンド構造において、δドープされている部分を中心に下側に湾曲する。
【００８３】
図７は、実施例１の半導体装置の変形例２の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。
【００８４】
変形例２の半導体装置１０ｂでは、バリア層１６が、２つの層１６ａ、１６ｂから形成されており、バリア層１６を形成する各層１６ａ、１６ｂの伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層１５側からゲート電極１９側に向かって、段階的に増加する。
【００８５】
このようにして、半導体装置１０ｂは、ゲート耐圧をより高めている。
【００８６】
図８は、実施例１の半導体装置の変形例３の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。
【００８７】
変形例３の半導体装置１０ｃでは、スペーサ層１４が、２つの層１４ａ、１４ｂから形成されており、スペーサ層１４を形成する各層１４ａ、１４ｂの伝導帯の下端のエネルギー準位は、チャネル層１３側から電子供給層１５側に向かって、段階的に増加する。半導体装置１０ｃのその他の構造は、上述した変形例２と同様である。
【００８８】
次に、上述した実施例１の半導体装置１０の好ましい製造方法の一実施例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００８９】
まず、図９に示すように、半絶縁性の基板（Ｓ．Ｉ．−ＩｎＰ）１１上に、バッファ層（ｉ−ＩｎＡｌＡｓ）１２が形成される。また、バッファ層１２上に、チャネル層（ｉ−ＩｎＧａＡｓ）１３が形成される。チャネル層１３上には、スペーサ層（ｉ−ＩｎＡｌＡｓ）１４が形成される。スペーサ層１４上には、電子供給層（ｎ−ＩｎＡｌ0.3Ｐ）１５が形成される。電子供給層１５上には、バリア層（ｉ−ＩｎＡｌ0.4Ｐ）１６が形成される。バリア層１６上には、キャップ膜（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）１７が形成される。各層の形成方法としては、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いることができる。電子供給層１５には、ｎ型ドーパントが例えば濃度１×１０19ｃｍ-3で添加される。キャップ膜１７には、ｎ型ドーパントが例えば濃度１×１０19ｃｍ-3で添加される。
【００９０】
バッファ層１２の厚さは、例えば３００ｎｍとする。チャネル層１３の厚さは、例えば１５ｎｍとする。スペーサ層１４の厚さは、例えば３ｎｍとする。電子供給層１５の厚さは、例えば１ｎｍとする。バリア層１６の厚さは、例えば３ｎｍとする。キャップ膜１７の厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【００９１】
そして、キャップ膜１７上に第１マスク層３０が形成される。
【００９２】
次に、第１マスク層３０が、フォトリソグラフィ技術を用いて、素子動作領域を規定するようにパターニングされる。そして、パターニングされた第１マスク層３０をマスクとして、キャップ膜１７が、バリア層１６が露出するまで選択的にウエットエッチングされる。エッチング溶液としては、例えばリン酸と過酸化水素と水との混合溶液を用いることができる。
【００９３】
そして、パターニングされた第１マスク層３０及びキャップ膜１７をマスクとして、バリア層１６及び電子供給層１５が、スペーサ層１４が露出するまで選択的にウエットエッチングされる。エッチング溶液としては、例えば塩酸を用いることができる。
【００９４】
そして、パターニングされた第１マスク層３０から電子供給層１５をマスクとして、スペーサ層１４及びチャネル層１３及びバッファ層１２が、基板１１が露出するまで選択的にウエットエッチングされる。エッチング溶液としては、例えばリン酸と過酸化水素と水との混合溶液を用いることができる。その後、第１マスク層３０が除去されて、図１０に示すように、素子動作領域にメサ構造が形成される。
【００９５】
次に、図１１に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、キャップ膜１７上に、ソース電極１９及びドレイン電極２０が形成される。具体的には、まず、キャップ膜１７上に、ソース電極１９及びドレイン電極２０を規定するマスクパターンが形成される。次に、このマスクパターン上にＴｉ(厚さ１０ｎｍ)，Ｐｔ(厚さ３０ｎｍ)，Ａｕ(厚さ２００ｎｍ)が順に堆積される。次に、このマスクパターンと共にマスクパターン上に堆積したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが除去されることによって（即ち、リフトオフ法によって）、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造のソース電極１９及びドレイン電極２０が、キャップ膜１７上に形成される。
【００９６】
次に、図１２に示すように、リセス２１と共にキャップ層１７ａ、１７ｂが形成される。具体的には、フォトリソグラフィ技術又は電子ビーム露光法を用いて、リセス２１を規定する開口部を有する第２マスク層３１が、キャップ膜１７及びキャップ膜１７上のソース電極１９及びドレイン電極２０を埋め込むように形成される。そして、リセス２１を規定する開口部に露出したキャップ膜１７の部分が、バリア層１６が露出するまで選択的にウエットエッチングされて、リセス２１と共にキャップ層１７ａ、１７ｂが形成される。その後、第２マスク層３１が除去される。エッチング溶液としては、例えばクエン酸と、過酸化水素と、水との混合溶液を用いることができる。
【００９７】
次に、図１に示すように、フォトリソグラフィ技術又は電子ビーム露光法を用いて、バリア層１６のリセス２１に露出した部分の上に、ゲート電極１９が形成される。具体的には、まず、バリア層１６のリセス２１に露出した部分の上に、ゲート電極１９を規定するマスクパターンが形成される。次に、このマスクパターン上にＴｉ(厚さ１０ｎｍ)，Ｐｔ(厚さ３０ｎｍ)，Ａｕ(厚さ５００ｎｍ)が順に堆積される。次に、このマスクパターンと共にマスクパターン上に堆積したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが除去されることによって（即ち、リフトオフ法によって）、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造のゲート電極１９がバリア層１６のリセス２１に露出した部分の上に形成される。
【００９８】
上述した本実施例の半導体装置１０によれば、ゲート耐圧を確保しつつ、増幅率を増加できる。
【００９９】
具体的には、半導体装置１０は、ゲート耐圧を確保しつつ、チャネル層１３のシート電子濃度Ｎｓを保った状態で、ゲート電極１９とチャネル層１３との間の距離ｄを小さくできる。従って、半導体装置１０は、真性相互インダクタンスｇmint及び外部相互インダクタンスｇmextが向上する。
【０１００】
また、半導体装置１０は、増幅率が向上するのと共に、ノイズ特性も向上する。
【０１０１】
上述した本実施例の半導体装置１０は、例えば、モノリシックマイクロ波集積回路（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ＩＣ：ＭＭＩＣ）に応用することができる。
【０１０２】
次に、本明細書に開示する実施例２及び実施例３の半導体装置を、図面を参照しながら以下に説明する。実施例２及び実施例３について特に説明しない点については、上述の実施例１に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図１３〜図１６において、図１〜図３と同じ形成要素に同じ符号を付してある。
【０１０３】
図１３は、本明細書に開示する半導体装置の実施例２を示す断面図である。図１４は、図１３の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【０１０４】
実施例２の半導体装置４０は、バリア層１６の形成材料として、実施例１のバリア層を形成するｉ−ＩｎＡｌ0.4Ｐよりもエネルギーギャップが大きいｉ−ＧａＰを用いる点が、実施例１とは異なっている。
【０１０５】
図１４に示すように、バリア層１６を形成するｉ−ＧａＰのエネルギーギャップＥｇ３は、直接遷移の場合には２．７８ｅＶである。また、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ３と電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２との差ΔＥｃ２３は１．０８ｅＶである。なお、バリア層１６を形成するｉ−ＧａＰのエネルギーギャップＥｇ３は、間接遷移の場合には２．２４ｅＶとなる。
【０１０６】
ここで、図１４は、各層における電子等のキャリアが他の層に移動する前の状態における価電子帯の上端及び伝導帯の下端のエネルギー準位を示しており、伝導帯の下端のエネルギー準位の差を示すために、各層のバンドのエネルギー準位を相対的に並べたものである。図３に示す各層のエネルギー準位は、いわば、各層が空間的に離間している状態のものに相当する。
【０１０７】
バッファ層１２の厚さは、例えば３００ｎｍとする。チャネル層１３の厚さは、例えば１５ｎｍとする。スペーサ層１４の厚さは、例えば３ｎｍとする。電子供給層１５の厚さは、例えば１ｎｍとする。バリア層１６の厚さは、例えば２ｎｍとする。キャップ層１７ａ、１７ｂの厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【０１０８】
電子供給層１５には、ｎ型ドーパントが例えば濃度１×１０19ｃｍ-3で添加される。キャップ層１７ａ、１７ｂには、ｎ型ドーパントが例えば濃度１×１０19ｃｍ-3で添加される。
【０１０９】
実施例２の半導体装置４０では、バリア層１６の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ３は、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位Ｅｖ２よりも高くなっている。
【０１１０】
半導体装置４０のその他の構造は、上述した実施例１と同様である。また、半導体装置４０は、上述した実施例１と同様に形成することができる。
【０１１１】
また、実施例２の半導体装置４０では、バリア層１６の形成材料として、ｉ−ＡｌＰを用いても良い。
【０１１２】
図１５は、本明細書に開示する半導体装置の実施例３を示す断面図である。図１６は、図１５の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【０１１３】
実施例３の半導体装置５０は、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６の形成材料が、上述した実施例１とは異なっている。
【０１１４】
半導体装置５０では、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６の形成材料すべてが、Ａｌ組成の割合が異なるものの、化合物半導体のＩｎＡｌＡｓによって形成される。具体的には、スペーサ層１４はｉ−ＩｎＡｌ0.48Ａｓにより形成され、電子供給層１５はｎ−ＩｎＡｌ0.6Ａｓにより形成され、バリア層１６はｉ−ＩｎＡｌ0.8Ａｓにより形成される。
【０１１５】
ＩｎＡｌＡｓは、Ａｌ組成が０．４８で、基板１１の形成材料であるＩｎＰと格子整合するので、スペーサ層のＡｌ組成を０．４８とした。
【０１１６】
図１６に示すように、ＩｎＡｌＡｓのエネルギーギャップは、Ａｌ組成の割合が増加するのと共に増加する。具体的には、スペーサ層１４のエネルギーギャップＥｇ１は、１．４６ｅＶであり、電子供給層１５のエネルギーギャップＥｇ２は、１．７８ｅＶであり、バリア層１６のエネルギーギャップＥｇ３は、２．３７ｅＶである。
【０１１７】
図１６では、チャネル層１３と、スペーサ層１４と、電子供給層１５と、バリア層１６とが示されている。ここで、図１６は、各層における電子等のキャリアが他の層に移動する前の状態における価電子帯の上端及び伝導帯の下端のエネルギー準位を示しており、伝導帯の下端のエネルギー準位の差を示すために、各層のバンドのエネルギー準位を相対的に並べたものである。図１６に示す各層のエネルギー準位は、いわば、各層が空間的に離間している状態のものに相当する。図１６中のＥｉは、価電子帯の上端及び伝導帯の下端の間のエネルギーギャップの中間の準位を示す。
【０１１８】
電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２とスペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ１との差ΔＥｃ１２は０．２３ｅＶである。バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ３と電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位Ｅｃ２との差ΔＥｃ２３は０．４２ｅＶである。
【０１１９】
このように、実施例３では、電子供給層１５とスペーサ層１４間の伝導帯の下端のエネルギー準位の差、及びバリア層１６と電子供給層１５間の伝導帯の下端のエネルギー準位の差が、実施例１よりも拡大している。
【０１２０】
バッファ層１２の厚さは、例えば３００ｎｍとする。チャネル層１３の厚さは、例えば１５ｎｍとする。スペーサ層１４の厚さは、例えば３ｎｍとする。電子供給層１５の厚さは、例えば２ｎｍとする。バリア層１６の厚さは、例えば２ｎｍとする。キャップ層１７ａ、１７ｂの厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【０１２１】
電子供給層１５には、ｎ型ドーパントが例えば濃度５×１０18ｃｍ-3で添加される。キャップ層１７ａ、１７ｂには、ｎ型ドーパントが例えば濃度１×１０19ｃｍ-3で添加される。
【０１２２】
半導体装置５０のその他の構造は、上述した実施例１と同様である。また、半導体装置５０は、上述した実施例１と同様に形成することができる。
【０１２３】
次に、上述した実施例１〜３の半導体装置の変形例を、図面を参照して、以下に説明する。
【０１２４】
図１７は、本明細書に開示する実施例１〜３の半導体装置の変形例を示す図である。
【０１２５】
図１７には、上述した実施例１〜３におけるバリア層及び電子供給層及びスペーサ層について、置換され得る形成材料の組み合わせが示されている。図１７に示す組み合わせを用いれば、スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも低く、バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高くなる。
【０１２６】
図１８は、本明細書に開示する実施例１〜３の半導体装置の他の変形例を示す図である。
【０１２７】
図１８に示す変形例の半導体装置１０ｄは、ゲート電極１９とバリア層１６との間にエッチング停止層２２を備えている。エッチング停止２２は、例えば、ＩｎＰを用いて形成される。エッチング停止層２２は、キャップ層１７ａ、１７ｂをエッチングにより形成する際に、エッチング停止の働きを有する。また、エッチング停止層２２は、ゲート電極１９におけるしきい値電圧を精度良く調整する働きを有する。更に、エッチング停止層２２は、表面保護層としても働く。
【０１２８】
図１９は、本明細書に開示する半導体装置の実施例４の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。
【０１２９】
図２０は、図１９の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。図２０では、スペーサ層１４と、電子供給層１５と、バリア層１６とが示されている。ここで、図２０は、各層における電子等のキャリアが他の層に移動する前の状態における伝導帯の下端のエネルギー準位を示している。図２０に示す各層のエネルギー準位は、いわば、各層が空間的に離間している状態のものに相当する。図２０中のＥｉは、価電子帯の上端及び伝導帯の下端の間のエネルギーギャップの中間の準位を示す。図２０に関する上述した説明は、後述する図２１、図２２及び図２４にも適用される。
【０１３０】
実施例４の半導体装置６０は、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６におけるエネルギーバンド構造が、上述した実施例１とは異なる。
【０１３１】
具体的には、半導体装置６０は、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位と、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、連続してつながっており、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位と、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、連続してつながっている。
【０１３２】
また、半導体装置６０では、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層１５側からチャネル層１３側に向かって、漸減している。
【０１３３】
また、半導体装置６０では、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位は、スペーサ層１４側からバリア層１６側に向かって漸増している。
【０１３４】
更に、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層１５側からゲート電極１９側に向かって、漸増している。
【０１３５】
具体的には、図２０に示すように、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位は、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、直線的に増加している。
【０１３６】
また、図１９に示すように、スペーサ層１４の価電子帯の上端のエネルギー準位と、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位とは、連続してつながっており、バリア層１６の価電子帯の上端のエネルギー準位と、電子供給層１５の価電子帯の上端のエネルギー準位とは、連続してつながっている。
【０１３７】
次に、半導体装置６０におけるスペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６の形成材料について、以下に説明する。
【０１３８】
スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６は、すべて、化合物半導体のＩｎＡｌＡｓにより形成されており、Ａｌ組成が、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、連続的に増加している。ＩｎＡｌＡｓの伝導帯の下端のエネルギー準位は、Ａｌ組成の増加と共に増加する。同様に、ＩｎＡｌＡｓのエネルギーギャップも、Ａｌ組成の増加と共に増加する。
【０１３９】
図２０に示すように、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６におけるＡｌ組成は、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、直線的に増加している。図２０に示す例では、スペーサ層１４におけるチャネル層１３側の端部では、Ａｌ組成が０．４８であり、バリア層１６におけるゲート電極１９側の端部では、Ａｌ組成が０．８となっている。
【０１４０】
また、電子供給層１５は、ｎ型のドーパントが添加されている、即ちｎ−ＩｎＡｌＡｓである（図２０中のｎ層）。スペーサ層１４及びバリア層１６は、ドーパントは添加されていない、即ちｉ−ＩｎＡｌＡｓである（図２０中のｉ層）。
【０１４１】
実施例４の半導体装置６０は、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６におけるエネルギーバンド構造以外の点については、上述した実施例１と同様である。
【０１４２】
半導体装置６０は、上述した実施例１と同様に形成することができる。この場合、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６を形成する際には、Ａｌ濃度を連続的に増加させながら各層が堆積される。
【０１４３】
上述した本実施例の半導体装置６０によれば、実施例１と同様の効果が得られる。
【０１４４】
次に、上述した実施例４の半導体装置の変形例を、図面を参照して、以下に説明する。
【０１４５】
図２１は、実施例４の半導体装置の変形例１のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【０１４６】
図２１に示す変形例１の半導体装置は、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６の形成材料が実施例４とは異なっている。変形例１では、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６は、すべて、ＩｎＡｌＰにより形成されており、Ａｌ組成が、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、連続的に増加している。ＩｎＡｌＰの伝導帯の下端のエネルギー準位は、Ａｌ組成の増加と共に増加する。同様に、ＩｎＡｌＰのエネルギーギャップも、Ａｌ組成の増加と共に増加する。
【０１４７】
具体的には、スペーサ層１４におけるチャネル層１３側の端部では、Ａｌ組成が０．２であり、バリア層１６におけるゲート電極１９側の端部では。Ａｌ組成が０．４となっている。スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６におけるＡｌ組成は、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、直線的に増加している。変形例１のその他の構造は、実施例４と同様である。
【０１４８】
図２２は、実施例４の半導体装置の変形例２のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【０１４９】
図２２に示す変形例２の半導体装置は、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６の形成材料が実施例４とは異なっている。変形例２では、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６は、すべて、ＩｎＧａＰにより形成されており、Ｇａ組成が、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、連続的に増加している。ＩｎＧａＰの伝導帯の下端のエネルギー準位は、Ｇａ組成の増加と共に増加する。同様に、ＩｎＧａＰのエネルギーギャップは、Ｇａ組成の増加と共に増加する。
【０１５０】
具体的には、スペーサ層１４におけるチャネル層１３側の端部では、Ｇａ組成が０．２であり、バリア層１６におけるゲート電極１９側の端部では。Ｇａ組成が０．４となっている。スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６におけるＧａ組成は、チャネル層１３側からゲート電極１９側に向かって、直線的に増加している。変形例２のその他の構造は、実施例４と同様である。
【０１５１】
図２３は、本明細書に開示する半導体装置の実施例５の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図である。図２４は、図２３の半導体装置のエネルギーバンドの要部を示す図である。
【０１５２】
実施例５の半導体装置７０は、電子供給層１５の伝導帯の下端のエネルギー準位が、一定である点が、上述した実施例４とは異なっている。
【０１５３】
図２４に示すように、半導体装置７０では、スペーサ層１４の伝導帯の下端のエネルギー準位は、チャネル層１３側から電子供給層１５側に向かって、直線的に漸増している。そして、電子供給層１５では、伝導帯の下端のエネルギー準位が一定となる。そして、バリア層１６の伝導帯の下端のエネルギー準位は、電子供給層１５側からゲート電極１９側に向かって、直線的に漸増している。
【０１５４】
半導体装置７０では、スペーサ層１４及び電子供給層１５及びバリア層１６は、すべて、ＩｎＡｌＡｓにより形成されている点では、上述した実施例４と同様である。しかし、電子供給層１５におけるＡｌ組成が一定である点が、実施例４とは異なる。
【０１５５】
図２４に示すように、スペーサ層１４におけるチャネル層１３側の端部では、Ａｌ組成が０．４８であり、スペーサ層１４におけるＡｌ組成は、チャネル層１３側から電子供給層１５側に向かって直線的に漸増する。そして、電子供給層１５では、Ａｌ組成は一定となる。バリア層１６におけるＡｌ組成は、電子供給層１５側からゲート電極１９側に向かって直線的に漸増し、バリア層１６におけるゲート電極１９側の端部ではＡｌ組成が０．８となっている。
【０１５６】
半導体装置７０のその他の構造は、上述した実施例４と同様である。
【０１５７】
半導体装置７０は、上述した実施例４と同様に形成することができる。この場合、スペーサ層１４及びバリア層１６を形成する際には、Ａｌ濃度を連続的に増加させながら各層が堆積され、電子供給層１５を形成する際には、Ａｌ濃度が一定で層が堆積される。
【０１５８】
上述した本実施例の半導体装置７０によれば、実施例１と同様の効果が得られる。
【０１５９】
本発明では、上述した実施例の半導体装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また上述した一の実施例または変形例における要件は、適宜、実施例および変形例間で相互に置換可能である。
【０１６０】
例えば、上述した実施例では、多数キャリアが電子であるｎ型の半導体である電子供給層を用いて説明を行ったが、電子供給層は、多数キャリアがホールであるｐ型の半導体であっても良い。具体的には、実施例１又は実施例３又は実施例４又は実施例５において、スペーサ層の価電子帯の上端のエネルギー準位が、電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位よりも高く、バリア層の価電子帯の上端のエネルギー準位が、電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位よりも低いことが、ゲート耐圧且つ増幅率を向上させる上で好ましい。
【０１６１】
また、上述した各実施例では、バリア層は、ドーパントが添加されていない真性半導体であったが、バリア層は、ｎ型のドーパントが添加された半導体であっても良い。
【０１６２】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１６３】
以上の上述した各実施例に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１６４】
（付記１）
チャネル層と、
前記チャネル層上に配置されるスペーサ層と、
前記スペーサ層上に配置される電子供給層と、
前記電子供給層上に配置されるバリア層と、
前記バリア層上に配置されるゲート電極と、
を備え、
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも低く、
前記バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い、半導体装置。
【０１６５】
（付記２）
前記スペーサ層の厚さｔ１と、前記電子供給層の厚さｔ２と、前記バリア層の厚さｔ３とは、ｔ１≦ｔ２＋ｔ３≦２×ｔ１の関係を満たす付記１に記載の半導体装置。
【０１６６】
（付記３）
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、不連続につながっており、
前記バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、不連続につながっている付記１又は２に記載の半導体装置。
【０１６７】
（付記４）
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位との差は、室温での熱エネルギーよりも大きい付記３に記載の半導体装置。
【０１６８】
（付記５）
前記バリア層は、複数の層から形成されており、
前記バリア層を形成する各層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層側から前記ゲート電極側に向かって、段階的に増加する付記３又は４に記載の半導体装置。
【０１６９】
（付記６）
前記スペーサ層は、複数の層から形成されており、
前記スペーサ層を形成する各層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記チャネル層側から前記電子供給層側に向かって、段階的に増加する付記３から５の何れか一項に記載の半導体装置。
【０１７０】
（付記７）
前記スペーサ層の価電子帯の上端のエネルギー準位と、前記電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位とは、不連続につながっており、
前記バリア層の価電子帯の上端のエネルギー準位と、前記電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位とは、不連続につながっている付記３から６の何れか一項に記載の半導体装置。
【０１７１】
（付記８）
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、連続してつながっており、
前記バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位と、前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位とは、連続してつながっている付記１又は２に記載の半導体装置。
【０１７２】
（付記９）
前記スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層側から前記チャネル層側に向かって、漸減しており、
前記バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記電子供給層側から前記ゲート電極側に向かって、漸増している付記８に記載の半導体装置。
【０１７３】
（付記１０）
前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、前記スペーサ層側から前記バリア層側に向かって漸増している付記８又は９に記載の半導体装置。
【０１７４】
（付記１１）
前記電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位は、一定である付記８又は９に記載の半導体装置。
【０１７５】
（付記１２）
前記スペーサ層の価電子帯の上端のエネルギー準位と、前記電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位とは、連続してつながっており、
前記バリア層の価電子帯の上端のエネルギー準位と、前記電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位とは、連続してつながっている付記８から１１の何れか一項に記載の半導体装置。
【０１７６】
（付記１３）
前記スペーサ層の価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位よりも高く、
前記バリア層の価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位よりも低い付記１から１２の何れか一項に記載の半導体装置。
【０１７７】
（付記１４）
前記電子供給層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップは、前記スペーサ層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップよりも大きく、
前記電子供給層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップは、前記バリア層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップよりも小さい付記１から１３の何れか一項に記載の半導体装置。
【符号の説明】
【０１７８】
１０    半導体装置
１１    基板
１２    バッファ層
１３    チャネル層
１４、１４ａ、１４ｂ    スペーサ層
１５    電子供給層
１６、１６ａ、１６ｂ    バリア層
１７ａ、１７ｂ    キャップ層
１８    ゲート電極
１９    ソース電極
２０    ドレイン電極
２１    リセス
２２    エッチング停止層
３０    第１マスク層
３１    第２マスク層
Ｅｃ１    スペーサ層の伝導帯の下端のエネルギー準位
Ｅｃ２    電子供給層の伝導帯の下端のエネルギー準位
Ｅｃ３    バリア層の伝導帯の下端のエネルギー準位
Ｅｖ１    スペーサ層の価電子帯の上端のエネルギー準位
Ｅｖ２    電子供給層の価電子帯の上端のエネルギー準位
Ｅｖ３    バリア層の価電子帯の上端のエネルギー準位
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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