(57)【要約】【課題】窒化物半導体装置の電気特性を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】基板と、組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで表される窒化物半導体により形成され、基板のいずれかの主面上に設けられるバックバリア層と、窒化ガリウムにより形成され、バックバリア層の格子定数と一致するようにバックバリア層上に設けられるチャネル層と、組成式ＩｎｙＡｌ（１−ｙ）Ｎで表される窒化物半導体により形成され、チャネル層との格子不整合率が０．５％以下となるようにチャネル層上に設けられるバリア層と、を備えて構成する。【選択図】図１
2018082208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで表される窒化物半導体により形成され、前記基板のいずれかの主面上に設けられるバックバリア層と、
窒化ガリウムにより形成され、前記バックバリア層の格子定数と一致するように前記バックバリア層上に設けられるチャネル層と、
組成式ＩｎｙＡｌ（１−ｙ）Ｎで表される窒化物半導体により形成され、前記チャネル層の格子定数以上の大きさの格子定数を有し、かつ、それらの不整合率が０．５％以下となるように前記チャネル層上に設けられるバリア層と、を備える
窒化物半導体積層物。
【請求項２】
前記チャネル層の上面の格子定数は、前記バックバリア層の上面の格子定数との不整合率が０．５％以下となるように形成されている
請求項１に記載の窒化物半導体積層物。
【請求項３】
前記チャネル層は、厚さが臨界膜厚以下となるように形成されている請求項１又は２に記載の窒化物半導体積層物。
【請求項４】
前記バックバリア層は、Ａｌ組成ｘが０．０２≦ｘ≦０．３０となるように形成されている
請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体積層物。
【請求項５】
前記バックバリア層のＡｌ組成ｘ及び前記バリア層のＩｎ組成ｙがｙ＝−０．１８３ｘ＋ｂ（０．１４≦ｂ≦０．２３）の関係を満足する
請求項４に記載の窒化物半導体積層物。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の窒化物半導体積層物と、
前記窒化物半導体積層物の前記バリア層上に設けられる電極と、を備える
窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体積層物及び窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電界効果型トランジスタ等の窒化物半導体装置には、基板と、基板のいずれかの主面上に設けられるチャネル層（電子走行層）と、チャネル層上に設けられるバリア層（電子供給層、障壁層）と、を備える窒化物半導体積層物が用いられている。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の窒化物半導体層でチャネル層を形成し、組成式ＩｎｙＡｌ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）で表される窒化物半導体（以下ではＩｎＡｌＮとも言う。）でバリア層を形成する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。このとき、チャネル層は、上面（バリア層と接する面）が結晶歪みの無い状態となる、つまり無歪みとなるように十分に厚い厚さで形成されている。これにより、バリア層と、無歪みのＧａＮで形成されるチャネル層と、を格子整合させることができる。従って、例えば窒化物半導体積層物が電界効果型トランジスタ（以下では、トランジスタとも言う。）等の窒化物半導体装置に用いられる場合、バリア層とチャネル層との間の界面に発生する二次元電子ガスの濃度を高くできるとともに、トランジスタを作動させた際にチャネル層を走行する電子の移動度（電子移動度）の低下を抑制できる。つまり、トランジスタの電気特性を向上させることができる。
【０００３】
また、窒化物半導体積層物の厚さ方向（深さ方向）における二次元電子ガスの分布を制御するために、基板と上面が無歪みであるチャネル層との間であって、チャネル層の直下に、バックバリア層が設けられた窒化物半導体積層物が開示されている（例えば特許文献２参照）。これにより、二次元電子ガスをバリア層とチャネル層との間の界面近傍に閉じ込めることができる。つまり、二次元電子ガス閉じ込め効果を得ることができる。その結果、トランジスタの高周波特性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６８４９３号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０９２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、厚さが厚く、上面が無歪みであるＧａＮでチャネル層を形成し、ＩｎＡｌＮでバリア層を形成し、チャネル層の直下にバックバリア層を設けた窒化物半導体積層物が考えられる。しかしながら、このような窒化物半導体積層物では、チャネル層の厚さが厚いため、バックバリア層を設けることによる二次元電子ガス閉じ込め効果を十分に得ることができなかった。そこで、チャネル層の厚さを薄くすることが考えられる。しかしながら、この場合、チャネル層の上面を無歪みとすることが難しくなるため、バリア層をＩｎＡｌＮで形成しても、バリア層とチャネル層とが格子整合しないことがあった。
【０００６】
本発明の目的は、窒化物半導体装置の電気特性を向上させることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様によれば、基板と、組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで表される窒化物半導体により形成され、前記基板のいずれかの主面上に設けられるバックバリア層と、窒化ガリウムにより形成され、前記バックバリア層の格子定数と一致するように前記バックバリア層上に設けられるチャネル層と、組成式ＩｎｙＡｌ（１−ｙ）Ｎで表される窒化物半導体により形成され、前記チャネル層との格子不整合率が０．５％以下となるように前記チャネル層上に設けられるバリア層と、を備える窒化物半導体積層物が提供される。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、前記チャネル層の上面の格子定数は、前記バックバリア層の上面の格子定数との不整合率が０．５％以下となるように形成されている第１の態様の窒化物半導体積層物が提供される。
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、前記チャネル層は、厚さが臨界膜厚以下となるように形成されている第１又は第２の態様の窒化物半導体積層物が提供される。
【００１０】
本発明の第４の態様によれば、前記バックバリア層は、Ａｌ組成ｘが０．０２≦ｘ≦０．３０となるように形成されている第１ないし第３の態様の窒化物半導体積層物が提供される。
【００１１】
本発明の第５の態様によれば、前記バックバリア層のＡｌ組成ｘ及び前記バリア層のＩｎ組成ｙがｙ＝−０．１８３ｘ＋ｂ（０．１４≦ｂ≦０．２３）の関係を満足する第４の態様の窒化物半導体積層物が提供される。
【００１２】
本発明の第６の態様によれば、第１ないし第５の態様のいずれかの窒化物半導体積層物と、前記窒化物半導体積層物の前記バリア層上に設けられる電極と、を備える窒化物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、窒化物半導体装置の電気特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる窒化物半導体積層物を備える窒化物半導体装置の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるバックバリア層のＡｌ組成ｘ及びバリア層のＩｎ組成ｙの比と、バリア層及びチャネル層の格子定数不整合率との関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明の一実施例にかかるバックバリア層のＡｌ組成ｘとチャネル層の臨界膜厚との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明に一実施例にかかるチャネル層の厚さと窒化物半導体装置の電気特性との関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜本発明の一実施形態＞
以下に、本発明の一実施形態について、図１〜図２を参照しながら説明する。
【００１６】
（１）窒化物半導体積層物の構成
図１は、本実施形態にかかる窒化物半導体積層物１を備える窒化物半導体装置１０の概略断面図である。図２は、本実施形態にかかる窒化物半導体積層物１が備えるバックバリア層５のＡｌ組成ｘ及びバリア層７のＩｎ組成ｙの比と、バリア層７及びチャネル層６の格子定数不整合率との関係を示すグラフ図である。
【００１７】
（基板）
図１に示すように、窒化物半導体積層物１は、基板２を備えている。基板２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等で形成されている。基板２として、例えばポリタイプ４Ｈあるいはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板等が用いられる。
【００１８】
（バッファ層）
基板２のいずれかの主面上には、バッファ層（緩衝層）３としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が設けられている。バッファ層３の上面（基板２と接する側とは反対側の面）には、所定形状の核（凸部）４が形成されているとよい。
【００１９】
（バックバリア層）
バッファ層３上（バッファ層３の上面）には、バックバリア層５が設けられている。バックバリア層５は、組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで表される窒化物半導体（以下ではＡｌＧａＮとも言う）により形成されている。バックバリア層５におけるＡｌ組成ｘは０．０２≦ｘ≦０．３０、好ましくは０．０３≦ｘ≦０．２８、より好ましくは０．０４≦ｘ≦０．２５であるとよい。バックバリア層５は、結晶歪みが緩和されるように形成されている。
【００２０】
（チャネル層）
バックバリア層５上（バッファ層３と接する側とは反対側の面上、つまりバックバリア層５の上面）には、チャネル層（電子走行層）６が設けられている。チャネル層６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成されている。チャネル層６は、バックバリア層５と横方向の格子定数（以下では、横方向の格子定数を単に格子定数ともいう。）が一致するように形成されており、そのため、結晶中に歪みを有している。チャネル層６の格子定数がバックバリア層５の格子定数と一致するとは、チャネル層６の格子定数とバックバリア層５の格子定数とが完全に一致する場合の他、チャネル層６の格子定数とバックバリア層５の格子定数との不整合率（格子不整合率）が所定値以下のものも含まれるものとする。
【００２１】
チャネル層６は、厚さが臨界膜厚以下となるように形成されている。チャネル層６の臨界膜厚とは、チャネル層６がバックバリア層５の結晶性を引き継ぐことができる最大膜厚である。つまり、チャネル層６の臨界膜厚とは、チャネル層６の上面の格子定数とバックバリア層５の上面の格子定数とを一致させることができる最大膜厚である。具体的には、チャネル層６の臨界膜厚とは、チャネル層６において結晶歪みの緩和が発生しない最大膜厚である。なお、臨界膜厚とは、チャネル層６の臨界平均膜厚である。チャネル層６の上面とは、バックバリア層５と接する側とは反対側の面である。
【００２２】
チャネル層６の臨界膜厚は、組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで表される窒化物半導体により形成されるバックバリア層５のＡｌ組成ｘに応じて変化する。具体的には、バックバリア層５のＡｌ組成ｘが小さくなるほど、チャネル層６を形成する際にチャネル層６の結晶中に生じる結晶歪みを緩和させる力（以下では緩和力ともいう。）が小さいため、チャネル層６の臨界膜厚が厚くなる。バックバリア層５のＡｌ組成ｘが大きくなるほど、緩和力が大きくなるため、チャネル層６の臨界膜厚が薄くなる。例えば、バックバリア層５のＡｌ組成ｘが０．０２のとき、チャネル層６の臨界膜厚は２．５μｍとなり、バックバリア層５のＡｌ組成ｘが０．３０のとき、チャネル層６の臨界膜厚は０．０５μｍとなる。
【００２３】
チャネル層６の厚さが臨界膜厚以下であっても、チャネル層６の厚さが薄すぎると、チャネル層６として機能させることが難しくなる場合がある。従って、チャネル層６は、厚さ（平均膜厚）が臨界膜厚以下であって例えば０．０２μｍ以上となるように形成されているとよい。
【００２４】
（バリア層）
チャネル層６上（チャネル層６の上面）には、バリア層（電子供給層、障壁層）７が設けられている。バリア層７は、組成式ＩｎｙＡｌ（１−ｙ）Ｎで表される窒化物半導体（以下ではＩｎＡｌＮとも言う。）により形成されている。バリア層７は、厚さ（平均膜厚）が例えば１ｎｍ以上となるように形成されているとよい。
【００２５】
バリア層７は、結晶中に歪みを有さない、つまり無歪みとなるように形成されている。バリア層７は、チャネル層６と格子整合するように形成されている。つまり、バリア層７の格子定数が、チャネル層６の格子定数と一致するように形成されている。例えば、バリア層７の下面とチャネル層６の上面との格子定数が一致するように形成されている。バリア層７の下面とは、チャネル層６と接する側の面である。具体的には、バリア層７は、チャネル層６との格子不整合率が０．５％以下、好ましくは０．４％以下となるように形成されている。
【００２６】
組成式ＩｎｙＡｌ（１−ｙ）Ｎで表される窒化物半導体により形成されるバリア層７は、チャネル層６と格子整合するように、Ｉｎ組成ｙを制御して形成されている。上述したように、チャネル層６は、ＡｌＧａＮで形成されるバックバリア層５の格子定数と一致するように構成されている。つまり、バリア層７とチャネル層６とが格子整合するとは、バリア層７とバックバリア層５とが格子整合することを意味する。従って、バリア層７の格子定数がバックバリア層５の格子定数と一致するように、バリア層７のＩｎ組成ｙとバックバリア層５のＡｌ組成ｘとを制御するとよい。
【００２７】
具体的には、バックバリア層５のＡｌ組成ｘ及びバリア層７のＩｎ組成ｙが下記式（１）を満足するとよい。好ましくは、下記式（１）中のｙ切片、つまりｂの値が０．１６≦ｂ≦０．２１、より好ましくはｂが０．１８３であるとよい。
ｙ＝−０．１８３ｘ＋ｂ（０．１４≦ｂ≦０．２３）  ・・・（式１）
例えば、バックバリア層５のＡｌ組成ｘ及びバリア層７のＩｎ組成ｙが、図２に示すグラフ図の太枠で囲った領域内を満たすように、バックバリア層５及びバリア層７が形成されているとよい。
【００２８】
（２）窒化物半導体積層物の製造方法
次に、本実施形態にかかる窒化物半導体積層物１の製造方法の一実施形態について説明する。ここでは、有機金属気相成長装置、別名ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用い、バッファ層３、バックバリア層５、チャネル層６及びバリア層７をエピタキシャル成長法により形成させる場合を例に説明する。
【００２９】
（基板搬入・前処理工程）
まず、基板２として例えばポリタイプ４Ｈあるいはポリタイプ６Ｈの半絶縁性ＳｉＣ基板を用意する。ＭＯＣＶＤ装置が備える処理室内に基板２を搬入する。その後、前処理工程として、基板２の表面の清浄を行う熱処理を行うとよい。これにより、基板２上に形成することとなるバッファ層３の結晶性を向上させることができ、その結果、バックバリア層５、チャネル層６、バリア層７の結晶性を向上させることができる。
【００３０】
（バッファ層形成工程）
続いて、基板２が所定温度（例えば１１７５℃）となるように、ＭＯＣＶＤ装置が備える例えばヒータ等の加熱部により加熱する。また、キャリアガスの処理室内への供給を開始する。キャリアガスとしては、例えば水素（Ｈ２）ガスと窒素（Ｎ２）ガスとの混合ガスを用いることができる。キャリアガスの処理室内への供給を、少なくとも後述するバリア層形成工程が終了するまでは、継続するとよい。
【００３１】
基板２が所定温度に達したら、バッファ層３を形成する原料ガスの処理室内への供給を開始する。バッファ層３を形成する原料ガスとしては、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスとＴＭＡ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）ガスとの混合ガスを用いることができる。そして、基板２のいずれかの主面上にバッファ層３として、所定厚さ（例えば平均膜厚が３０ｎｍ）のＡｌＮ層を形成する。
【００３２】
（バックバリア層形成工程）
バッファ層形成工程が終了した後、バッファ層３を形成する原料ガスの処理室内への供給を停止する。そして、処理室内の基板２を所定温度（例えば１１００℃）まで降温させる。基板２が所定温度まで降温したら、加熱部により基板２の温度を所定温度に維持しつつ、バックバリア層５を形成する原料ガスの処理室内への供給を開始する。バックバリア層５を形成する原料ガスとしては、例えば、アンモニアガスとＴＭＡガスとＴＭＧ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ）ガスとの混合ガスを用いることができる。そして、バッファ層３の上面に、バックバリア層５として、例えば、所定の厚さ（例えば平均膜厚が２０００ｎｍ）のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層を形成する。ＡｌＧａＮの組成比は、ＴＭＡガスとＴＭＧガスとの流量を調整することで制御する。
【００３３】
（チャネル層形成工程）
バッファ層形成工程が終了した後、ＴＭＡガスの処理室内への供給を停止する。このとき、アンモニアガス及びＴＭＧガスの処理室内への供給は継続したままとする。これにより、チャネル層６としてのＧａＮ層の形成が開始される。そして、バックバリア層５の上面に、チャネル層６として、所定厚さ（例えば平均膜厚が５０ｎｍ）のＧａＮ層を形成する。
【００３４】
（バリア層形成工程）
チャネル層形成工程が終了した後、チャネル層６を形成する原料ガス、つまりアンモニアガス及びＴＭＧガスの処理室内への供給を停止する。また、処理室内の基板２を所定温度（例えば７００℃前後）まで降温させる。このとき、処理室内に供給するキャリアガスを、Ｈ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスから、Ｎ２ガスへと移行させる。つまり、キャリアガスとしてのＨ２ガスの処理室内への供給を停止する。基板２が所定温度まで降温したら、加熱部により基板２の温度を所定温度に維持しつつ、バリア層７を形成する原料ガスの処理室内への供給を開始する。バリア層７を形成する原料ガスとしては、例えば、アンモニアガスとＴＭＡガスとＴＭＩ（Ｔｒｉ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ｉｎｄｉｕｍ）ガスとの混合ガスを用いることができる。そして、バッファ層３の上面に、バリア層７として、例えば、所定の厚さ（例えば平均膜厚が８ｎｍ）のＩｎ０．１６Ａｌ０．８４Ｎ層を形成する。ＩｎＡｌＮの組成比はＴＭＡガスとＴＭＩガスとの流量を調整することで制御する。
【００３５】
（基板搬出工程）
バリア層形成工程が終了したら、基板２を処理室内から搬出し、本実施形態にかかる窒化物半導体積層物１の製造工程を終了する。
【００３６】
（３）窒化物半導体装置の構成
続いて、上述した窒化物半導体積層物１を用いて形成される窒化物半導体装置１０について説明する。図１に示すように、窒化物半導体装置１０は、窒化物半導体積層物１の上面、つまりバリア層７の上面に設けられる電極１１を備えている。窒化物半導体装置１０が例えば電界効果型トランジスタである場合、電極１１として、ゲート電極１１ａと、ソース電極１１ｂと、ドレイン電極１１ｃとが設けられている。また、バリア層７の上面と
電極１１との間には、中間層１２として例えばＧａＮ層が設けられていてもよい。
【００３７】
（４）本実施形態の効果
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【００３８】
（ａ）本実施形態によれば、バリア層７が、チャネル層６との格子不整合率が０．５％以下となるようにチャネル層６上に設けらている。つまり、バリア層７とチャネル層６との格子定数が一致するように設けられている。これにより、窒化物半導体積層物１が例えば電界効果型トランジスタ等の窒化物半導体装置１０に用いられた際、バリア層７とチャネル層６との間の界面を移動する二次元電子ガス中の電子が散乱することを抑制できる。つまり、バリア層７とチャネル層６との間の界面を移動する二次元電子ガス中の電子の移動度（電子移動度）の低下が抑制される。従って、窒化物半導体装置１０の電気特性を向上させることができる。例えば、窒化物半導体装置１０を高出力で作動させることができる。
【００３９】
（ｂ）本実施形態によれば、バックバリア層５が、基板２とチャネル層６との間に設けられている。具体的には、窒化物半導体積層物１が例えば電界効果型トランジスタに用いられた際に二次元電子ガスが発生するチャネル層６の直下に、バックバリア層５が設けられている。これにより、二次元電子ガスをバリア層７とチャネル層６との間の界面近傍に閉じ込めることができる、つまり二次元電子ガス閉じ込め効果を得ることができる。従って、窒化物半導体装置１０の高周波特性を向上させることができる。
【００４０】
ここで、バックバリア層５を設けることの効果について詳細に説明する。例えば電界効果型トランジスタの高周波での動作性能を向上させるため、ゲート電極の横方向の長さ（ゲート電極長）は極力短くすることが望ましい。しかしながら、ゲート電極長と、チャネル層６内に存在する二次元電子ガス中の電子の深さとのアスペクト比が所定値以上になると、ショートチャネル効果が生じてしまう。つまり、チャネル層６内に存在する二次元電子ガスの深さに対してゲート電極長が短くなりすぎると、ゲート電極がゲートとしての機能を十分に発揮することができなくなる。具体的には、ゲート電極が、電流のＯＮ／ＯＦＦを制御することができなくなる。その結果、ドレインリークが増大してしまう等の不都合が生じてしまう。そこで、ゲート電極長を短くする際には、ショートチャネル効果を抑制することが重要となる。このとき、バックバリア層５が設けられていると、二次元電子ガスをバリア層７とチャネル層６との間の界面近傍に閉じ込めることができる。つまり、バックバリア層５が設けられることで、チャネル層６の厚さ方向（つまり深さ方向）における二次元電子ガスの分布を制御できる。具体的には、二次元電子ガスが発生するチャネル層６の直下にバックバリア層５が設けられることで、チャネル層６の裏面側（バックバリア層５側）の電子親和力を小さくできる。これにより、二次元電子ガスがチャネル層６の表面側（バリア層７側）に押し上げられる。その結果、チャネル層６を走行する二次元電子ガスを極めて狭い領域、つまりバリア層７とチャネル層６との間の界面近傍に閉じ込めることができる。これにより、ショートチャネル効果を抑制できる。このように、バックバリア層５が設けられることで、ショートチャネル効果を抑制しつつ、ゲート電極長を短くでき、その結果、電界効果型トランジスタの高周波特性を向上させることができる。
【００４１】
（ｃ）本実施形態によれば、チャネル層６は、厚さが臨界膜厚以下となるように形成されている。これにより、上述の二次元電子ガス閉じ込め効果をより得ることができる。また、チャネル層６の上面の格子定数とバックバリア層５の上面の格子定数とを一致させることができる。なお、チャネル層６の厚さが臨界膜厚を超えると、チャネル層６中で、極めて高密度の転位状の欠陥が発生するようになる。その結果、二次元電子ガス濃度や電子移動度が低下し、窒化物半導体装置１０の電気特性が著しく低下してしまう。
【００４２】
（ｄ）本実施形態によれば、チャネル層６は、厚さが臨界膜厚以下であって０．０２μｍ以上となるように形成されている。これにより、チャネル層６とバックバリア層５との格子定数を一致させつつ、チャネル層６としての機能を維持させることができる。なお、チャネル層６の厚さが０．０２μｍ未満であると、チャネル層６が薄くなりすぎるため、チャネル層６としての機能を維持することが難しい場合がある。
【００４３】
（ｅ）本実施形態によれば、バックバリア層５におけるＡｌ組成ｘが０．０２≦ｘ≦０．３０となるように形成されている。これにより、バックバリア層５としての機能を維持しつつ、チャネル層６の臨界膜厚が小さくなりすぎないようにできる。つまり、バックバリア層５におけるＡｌ組成ｘが０．０２未満であると、ほぼ窒化ガリウムＧａＮと同様の組成となってしまい、バックバリア層５としての機能を維持させることが難しくなることがある。バックバリア層５におけるＡｌ組成ｘが０．３０を超えると、チャネル層６の臨界膜厚が小さくなりすぎてしまう。つまり、チャネル層６が薄くなりすぎるため、チャネル層６としての機能を維持させることが難しくなる。
【００４４】
（ｆ）本実施形態によれば、バックバリア層５のＡｌ組成ｘが０．０２≦ｘ≦０．３０の範囲内であって、バックバリア層５のＡｌ組成ｘ及びバリア層７のＩｎ組成ｙが上記式（１）を満足している。これにより、バリア層７とチャネル層６との格子不整合率を０．５％以下にできる。従って、上記（ａ）と同様の効果を得ることができる。また、組成式ＩｎｙＡｌ１−ｙＮで表されるバリア層７におけるＩｎ組成ｙの割合を少なくできる。つまり、バリア層７におけるＡｌ組成ｘの割合を多くできる。これによりバリア層７の分極効果を高めることができる。従って、窒化物半導体積層物１が例えば電界効果型トランジスタに用いられた場合、バリア層７とチャネル層６との間に発生する二次元電子ガスを高濃度にでき、電界効果型トランジスタの電気特性をより向上させることができる。例えば、窒化物半導体装置１０をより高出力で作動させることができる。なお、上記式（１）中のｙ切片であるｂの値が０．１６≦ｂ≦０．２１であると、バリア層７とチャネル層６との格子不整合率を０．４％以下にできる。上記式（１）中のｙ切片であるｂの値が０．１８であると、バリア層７とチャネル層６との格子不整合率を０％乃至ほぼ０％にできる。
【００４５】
（ｇ）本実施形態によれば、バッファ層３の上面には核（凸部）４が設けられている。これにより、バックバリア層５を形成する際、結晶中の転位同士を会合させて、消滅させることができる。つまり、バックバリア層５の歪みを緩和することができる。従って、バックバリア層５の膜厚を薄くすることができる。
【００４６】
（ｈ）本実施形態によれば、バックバリア層５は、組成式ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎで表される窒化物半導体（ＡｌＧａＮともいう。）で形成されている。これにより、バックバリア層５が例えばＩｎＧａＮ等で形成される場合と比べて、窒化物半導体積層物１の絶縁性を高くできる、つまりより高い耐圧性能を有する。つまり、アルミニウム（Ａｌ）元素は、インジウム（Ｉｎ）元素よりもバンドギャップが大きい。具体的には、ＡｌＧａＮは、ＩｎＧａＮよりもバンドギャップが大きい。このため、バックバリア層５をＡｌＧａＮで形成すると、窒化物半導体積層物の絶縁性をより高くできる。
【００４７】
（ｉ）本実施形態によれば、バリア層７は組成式ＩｎｙＡｌ（１−ｙ）Ｎで表される窒化物半導体で形成されている。つまり、バリア層７は、チャネル層６を形成するＧａＮよりも電子親和力が小さいＩｎＡｌＮにより形成されている。また、ＩｎＡｌＮが有する自発分極により、窒化物半導体積層物１が例えば電界効果型トランジスタに用いられた場合、さらに高濃度の（電子密度が高い）二次元電子ガスを誘起することができる。
【００４８】
ここで、参考までに、チャネル層がバリア層と格子不整合である場合に発生する不具合について説明する。チャネル層とバリア層とが格子整合していないと、つまりバリア層がチャネル層と格子不整合であると、このような窒化物半導体積層物を用いて形成された例えば電界効果型トランジスタを作動させた際、トランジスタを高出力で作動させることが難しくなったり、トランジスタの信頼性が低下したり、トランジスタの素子寿命が低下することがあった。
【００４９】
具体的には、例えば、バリア層（ＩｎＡｌＮで形成されたバリア層）とチャネル層（ＧａＮで形成されたチャネル層）との格子不整合に起因して、バリア層やチャネル層の結晶中に、クラックや転位等の欠陥、結晶歪み等が生じることがあった。このような欠陥や結晶歪みがバリア層とチャネル層との間の界面に存在すると、この窒化物半導体積層物を用いて構成されたトランジスタを作動させた際、バリア層とチャネル層との間の界面を走行する二次元電子ガス中の電子が散乱してしまい、二次元電子ガス中の電子の移動度（電子移動度）が低下してしまうことがあった。特に、バリア層とチャネル層との格子不整合率が高い（例えばバリア層とチャネル層との格子不整合率が０．５％を超える）場合、つまり、バリア層とチャネル層との間の界面に大きな結晶歪みの緩和（つまり高濃度の転位）が発生してしまう場合、電子移動度がさらに低下してしまうとともに、バリア層とチャネル層との間の界面に発生する二次元電子ガスの濃度（つまり二次元電子ガスの電子密度）が極端に低下してしまう。このため、このような窒化物半導体積層物が用いられたトランジスタを作動させた際に、十分な量の電流を通電させることが困難となる場合があった。
【００５０】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。ただし、本発明は上述の実施形態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。
【００５１】
上述の実施形態では、バッファ層３の表面に凸部４を形成する、バックバリア層５の結晶歪みを緩和する構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、バッファ層３の表面を平坦にし、バックバリア層５の膜厚を０．２μｍ以上にすることで、バックバリア層５の結晶歪みを緩和してもよい。また、バッファ層３の表面に形成する凸部４の形状も図１に示す形状に限定されるものではない。例えば、頂点が丸い山型形状等としてもよい。
【００５２】
上述の実施形態では、バッファ層３が設けられた構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、バッファ層３は設けなくてもよい。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の実施例を図３〜図４を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５４】
［チャネル層の臨界膜厚の評価］
まず、図１に示す構成を有する窒化物半導体積層物を作製し、バックバリア層のＡｌ組成ｘとチャネル層の臨界膜厚との関係性についての評価を行った。具体的には、基板としてのＳｉＣ基板と、ＡｌＮで形成され、核（凸部）が形成されたバッファ層と、組成式ＡｌｘＧａ１−ｘＮで表される窒化物半導体で形成され、厚さが２０００ｎｍであるバックバリア層と、ＧａＮで形成されるチャネル層と、Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎで形成され、厚さが８ｎｍであるバリア層と、を備える窒化物半導体積層物を作製した。そして、バックバリア層のＡｌ組成ｘを変更したときのチャネル層の臨界膜厚の測定を行った。図３は、本実施例にかかる窒化物半導体積層物のバックバリア層のＡｌ組成ｘとチャネル層の臨界膜厚との関係を示すグラフ図である。図３から、チャネル層の臨界膜厚は、バックバリア層のＡｌ組成ｘに応じて変化することが確認できる。具体的には、バックバリア層のＡｌ組成ｘが大きくなるほど、チャネル層の臨界膜厚が薄くなることを確認した。
【００５５】
［窒化物半導体装置の電気特性の評価］
次に、図１に示す構成を有する窒化物半導体装置を作製し、チャネル層の臨界膜厚と窒化物半導体装置の電気特性との関係性についての評価を行った。具体的には、基板としてのＳｉＣ基板と、ＡｌＮで形成され、核（凸部）が形成されたバッファ層と、Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎで形成され、厚さが２０００ｎｍであるバックバリア層と、ＧａＮで形成されるチャネル層と、Ｉｎ０．１３Ａｌ０．８７Ｎで形成され、厚さが８ｎｍであるバリア層と、を備える窒化物半導体積層物を用いた窒化物半導体装置を作製した。そして、チャネル層の厚さを変更したときの、窒化物半導体製造装置の電気性能の評価として電子移動度の測定を行った。図４は、本実施例にかかるチャネル層の膜厚と窒化物半導体製造装置の電子移動度との関係を示すグラフ図である。本実施例では、バックバリア層のＡｌ組成ｘが０．３０であるので、チャネル層の臨界膜厚は０．０５μｍ（５０ｎｍ）である。図４から、チャネル層の厚さが臨界膜厚を超えると、電子移動度が著しく低下する、つまり窒化物半導体装置の電気特性が著しく低下することを確認した。
【符号の説明】
【００５６】
１        窒化物半導体積層物
２        基板
５        バックバリア層
６        チャネル層
７        バリア層
【図１】
2018082208.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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