(57)【要約】【課題】電力損失を低減した窒化物半導体トランジスタを実現できるようにする。【解決手段】窒化物半導体トランジスタは、分極が互いに異なる複数の窒化物半導体層が積層されたヘテロ接合層１２４と、ヘテロ接合層１２４の上に形成されたゲート電極１１３とを備えている。ヘテロ接合層とゲート電極との間には、ｐ型の導電性を有し、正孔電流を流し且つ電子電流を抑制する電子電流抑制層１２５が形成されている。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極が互いに異なる２以上の窒化物半導体層が積層されたヘテロ接合層と、
前記ヘテロ接合層の上に形成されたゲート電極と、
前記ヘテロ接合層と前記ゲート電極との間に形成され、ｐ型の導電性を有し、正孔電流を流し且つ電子電流を抑制する電子電流抑制層とを備えていることを特徴とする窒化物半導体トランジスタ。
【請求項２】
前記電子電流抑制層は、分極が互いに異なる複数の層を含む積層体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トランジスタ。
【請求項３】
前記複数の層のそれぞれは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及びインジウムの少なくとも１つを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体トランジスタ。
【請求項４】
前記複数の層は、それぞれの厚さが周期的に変化していないことを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体トランジスタ。
【請求項５】
前記電子電流抑制層とゲート電極との間に形成され、他の層に比べて高濃度のｐ型不純物を含むコンタクト層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体トランジスタ。
【請求項６】
前記ゲート電極の両側方にそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体トランジスタ。
【請求項７】
前記ヘテロ接合層は、基板の上に形成され、
前記基板は、シリコン基板、サファイア基板又は炭化珪素基板であ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、窒化物半導体トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるIII族窒化物半導体（以下窒化物半導体と略す）は、広いバンドギャップ及び高い絶縁破壊電界というシリコン（Ｓｉ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を凌ぐ優れた物性値を有しており、高出力トランジスタに用いる新材料として有望視されている。窒化物半導体は、その混晶比率を変えることによって、自由にバンドギャップを変えることができる。例えば、ＡｌＧａＮとＧａＮというバンドギャップが互いに異なる窒化物半導体層を接合させたＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造においては、結晶方位の（０００１）面上において自発分極及びピエゾ分極によりヘテロ界面に電荷が生じ、アンドープ時においても、１×１０13ｃｍ-2以上のシートキャリア濃度を得られる。このため、このヘテロ界面に生じた電荷をチャネルとして利用するヘテロ接合電界効果トランジスタ（Hetero-junction Field Effect Transistor：ＨＦＥＴ）は、高い電流密度を実現できるため高出力化が可能となり、特に研究開発が盛んである。
【０００３】
本願発明者らはこれまで、ゲート電極からチャネルへ正孔を注入し、さらにドレイン電流を駆動できるようにした、ゲート注入型トランジスタ（ＧＩＴ）を提案し、開発を進めている（例えば、特許文献１を参照。）。ＧＩＴは通常のＨＦＥＴ構造のゲート部に正孔を注入するためのｐ型層を設けた構造となっている。ＧＩＴの動作を説明すると、まず第１段階としてゲート電流を伴わないゲート電圧の印加によってドレイン電流が流れはじめる。さらにゲート電圧を高くすると正孔がゲート電極直下のｐ型層からチャネルへ流れ込む。これにより、チャネルの電子と注入された正孔との再結合が生じ、第２段階としてさらにドレイン電流が流れる。これら２つの段階を経ることによって、ＧＩＴは高いドレイン電流の駆動特性を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３９５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＧＩＴはその動作原理上ゲート電流が流入するため、その電流成分による損失が必ず含まれてしまうという問題がある。ゲート電極を介する電流成分には、正孔電流と電子電流とがある。ＧＩＴはゲート電極から正孔電流を流すことによって、ドレイン電極へ向かう電子電流を制御している。しかし、電子の高い移動度によって電子電流の一部はゲート電極へ流入し、いわゆるオーバーフローが発生する。オーバーフローはそのまま電力損失につながる。このため、電子電流を極力抑えつつ、正孔電流を流れやすくする必要がある。
【０００６】
電子電流を抑えるためには、ｐ型層の伝導帯不連続量をできるだけ高くすればよい。通常はｐ型層としてＧａＮが用いるが、ｐ型層をＡｌＧａＮ又はＡｌＮ等とすることにより、電子電流を大幅に低減できる。しかし、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮは正孔の活性化率が非常に低い。このため、ｐ型層のＡｌ組成を高くすると、活性化率が急激に低下し、ゲート駆動電圧が大きく増大する。従って、ｐ型層をＡｌＧａＮ等に置き換えることは容易ではない。
【０００７】
本発明は、前記の問題を解決し、電力損失を低減した窒化物半導体トランジスタを実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本発明は窒化物半導体トランジスタを、多重量子障壁構造からなる電子電流抑制層を備えている構成とする。
【０００９】
具体的に、本発明に係る窒化物半導体トランジスタは、分極が互いに異なる複数の窒化物半導体層が積層されたヘテロ接合層と、ヘテロ接合層の上に形成されたゲート電極と、ヘテロ接合層とゲート電極との間に形成され、ｐ型の導電性を有し、正孔電流を流し且つ電子電流を抑制する電子電流抑制層とを備えている。
【００１０】
本発明の窒化物半導体トランジスタは、ヘテロ接合層とゲート電極との間に形成され、ｐ型の導電性を有し、正孔電流を流し且つ電子電流を抑制する電子電流抑制層を備えている。このため、ヘテロ接合層に形成されるチャネルに正孔を注入することができ且つオーバーフローによる電子電流を抑制することができる。このため、ゲート電流を抑制することができ、窒化物半導体トランジスタの電力損失を大きく低減することが可能となる。
【００１１】
本発明の窒化物半導体トランジスタにおいて、電子電流抑制層は、分極が互いに異なる複数の層を含む積層体とすればよい。この場合において、複数の層のそれぞれは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及びインジウムの少なくとも１つを含む窒化物半導体とすればよい。また、複数の層は、それぞれの厚さが周期的に変化していないことが好ましい。
【００１２】
本発明の窒化物半導体トランジスタは、電子電流抑制層とゲート電極との間に形成され、他の層に比べて高濃度のｐ型不純物を含むコンタクト層をさらに備えていてもよい。
【００１３】
本発明の窒化物半導体トランジスタは、ゲート電極の両側方にそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極をさらに備えていてもよい。
【００１４】
本発明の窒化物半導体トランジスタにおいて、ヘテロ接合層は、基板の上に形成され、基板は、シリコン基板、サファイア基板又は炭化珪素基板とすればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体トランジスタによれば、電力損失を低減した窒化物半導体トランジスタを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ゲート電圧とゲート電流及びドレイン電流との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【図２】ゲート電流とドレイン電流との関係を説明するためのトランジスタの構造を示す断面図である。
【図３】ＭＱＢ構造のポテンシャルを示す図である。
【図４】ＭＱＢ構造による電子波の反射を計算により求めた結果を示す図である。
【図５】膜厚を変化させた場合の電子電流抑制層のポテンシャルを示す図である。
【図６】組成を変化させた場合の電子電流抑制層のポテンシャルを示す図である。
【図７】膜厚を変化させた場合の電子電流抑制層による電子波の反射を計算により求めた結果を示す図である。
【図８】組成を変化させた場合の電子電流抑制層による電子波の反射を計算により求めた結果を示す図である。
【図９】ｐ型ＧａＮ層を用いた場合のゲート部のポテンシャル図である。
【図１０】電流抑制層を備えている場合のゲート部のポテンシャル図である。
【図１１】一実施形態に係る窒化物半導体トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】従来の窒化物半導体トランジスタの動作特性を示す図である。
【図１３】一実施形態に係る窒化物半導体トランジスタの動作特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（原理）
まず、窒化物半導体トランジスタであるＧＩＴの電力損失を低減するための原理について説明する。図１は、ゲート電圧Ｖｇｓを正方向に変化させた際のゲート電流Ｉｇｓ及びドレイン電流Ｉｄｓをデバイスシミュレータを用いて計算した結果を示している。計算に用いたデバイスは、厚さが２μｍのＧａＮ層、厚さが２５ｎｍのＡｌＧａＮ層及び厚さが２００ｎｍのｐ−ＧａＮ層が順次形成され、その上にソース電極、ゲート電極及びドレイン電極が形成された構造とした。なお、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は２５％であり、ｐ−ＧａＮ層の正孔濃度は１×１８ｃｍ-3であると仮定した。ソース電極とゲート電極との間隔は４μｍとし、ドレイン電極とゲート電極との間隔は１０μｍとした。ソース電極及びドレイン電極はＡｌＧａＮ層の直下に誘起されている２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層とオーミック接触している。計算ではドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓを１Ｖとし、ｐ−ＧａＮ層内の電子移動度及び正孔移動度をそれぞれ、１０００ｃｍ2／Ｖｓ及び１０ｃｍ2／Ｖｓとした。
【００１８】
図１に示すように、ゲート電圧Ｖｇｓが０Ｖの場合にはゲート電流Ｉｇｓ及びドレイン電流Ｉｄｓはともに流れない。ゲート電圧Ｖｇｓが１Ｖを越えると、ドレイン電流Ｉｄｓが流れはじめる。これは、ゲート電圧Ｖｇｓの印加によってゲート直下のバンドが押し下げられ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に電子が生じるためである。このとき、ゲート電流Ｉｇｓは流れていない。その後、ゲート電圧Ｖｇｓの増大に伴いドレイン電流Ｉｄｓは次第に増加する。ゲート電圧Ｖｇｓが３Ｖ程度よりも高くなると、ドレイン電流Ｉｄｓは大きく上昇し、ゲート電流Ｉｇｓも流れはじめる。これは、ゲート電極Ｖｇｓから２ＤＥＧ層へ正孔が注入され、正孔と電子とが再結合し、これが呼び水のような役割をすることにより、ドレイン電流Ｉｄｓがさらに増大するためである。このように、ゲート電圧Ｖｇｓの注入効果によりドレイン電流Ｉｄｓが大きく増加することがＧＩＴ構造の特徴である。
【００１９】
ゲート電流は正孔電流と電子電流とにより構成されている。図１に示すように、電子電流は正孔電流と比べて圧倒的に多く、ゲート電流の大半を占めている。図２に示すように電子電流は本来、ソース電極Ｓからドレイン電極Ｄへ流れるべき電流の一部がゲート電極Ｇへ流れる、いわゆるオーバーフローによって生じる。従って、電子電流が流れるということは、電力のロスが生じているということを示している。例えば、ゲート電圧Ｖｇｓが６Ｖの場合におけるドレイン電流Ｉｄｓは、ゲート電流Ｉｇｓの約７倍である。これは、バイポーラトランジスタに置き換えて考えると、電流増幅率ｈＦＥが７であることを意味しており、効率があまりよくないトランジスタである。また別の見方をすると、本来のドレイン電流Ｉｄｓのうちの約１３％がゲート電流となり電力の損失が生じていることを意味する。
【００２０】
このようにゲート部にｐ型ＧａＮ層を用いる従来のＧＩＴは、電子電流の抑制が課題となっており、特にＧＩＴを大電流駆動する際に特に大きな問題となる。電子電流を抑制する構造を実現するために、本願発明者らは多重量子障壁（ＭＱＢ）構造に着目した。ＭＱＢ構造はバンド不連続を有する２種類以上の材料をヘテロ接合させた周期構造である。エネルギー不連続を有する部分を電子が通過する際には、必ずその一部が反射される。この現象は、電子が２層の障壁よりも高い運動エネルギーを有している場合にも生じる。多層周期構造とすることにより電子波の反射を積極的に活用して、電子波が透過しないようにした構造がＭＱＢ構造である。
【００２１】
ＭＱＢ構造において電子波が効率よく反射されるようにするためには、電子がバリスティックに運動できる長さと比べてＭＱＢ構造が小さいことが必要である。すなわち、電子のコヒーレント長よりもＭＱＢ構造が小さいことが必要である。電子のコヒーレント長は電子移動度と電界及び電子・電子散乱の寿命との積によって、簡単に計算することができる。電子移動度を１０００ｃｍ2／Ｖｓとし、１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さに１Ｖの電界が印加され、電子・電子散乱の寿命が０．１ｐｓｅｃであるとすると、電子のコヒーレント長さは５０ｎｍ〜１００ｎｍとなる。従って、この厚さの中に多重量子障壁を作り込むことにより、電子波の反射装置として十分機能することが予想される。
【００２２】
従って、ＧＩＴのゲート部をｐ型ＧａＮ層に代えてＭＱＢ構造とすることにより、オーバーフローを抑えることができると期待される。ＭＱＢ構造をＧＩＴのゲート部に用いるためには、正孔に対しては障壁として機能せず、ｐ型ＧａＮ層と同様に電気伝導が生じることが必要である。電子コヒーレント長の見積もりと同様に正孔コヒーレント長を見積もると、標準的な正孔移動度である１０ｃｍ2／Ｖｓに対して１ｎｍとなる。このため、厚さが１ｎｍを越える障壁に対しては、正孔は古典論的に振る舞い、多重干渉はほとんど生じない。従って、ＭＱＢ構造の干渉効果による正孔伝導への影響は無視することができる。
【００２３】
伝導帯に比べて価電子帯の不連続量は小さい。しかし、正孔はいくらかの伝導阻害を受けることが懸念される。一方、２軸性歪がある場合、価電子帯の不連続量は無歪時に比べてかなり低減される。これは、価電子帯は棍棒状の空間的な拡がりを持つｐ軌道によって構成されているためである。窒化物半導体に歪が印加されると、３つの価電子帯はｐ軌道の向きと歪の方向の組み合わせによってそのエネルギーが上下する。特に（０００１）面を主面としてＧａＮ上に格子定数がより小さいＡｌＧａＮがある場合、面内方向には引っ張りの２軸性歪が印加される。このとき、３本の価電子帯のうち、重い正孔及び軽い正孔はエネルギーが上がる方向にシフトし、結晶場による正孔はエネルギーが下がる方向にシフトする。このため、重い正孔及び軽い正孔は無歪時と比べて価電子帯の不連続量を打ち消す方向にシフトする。一方、伝導帯は点対称なｓ軌道で主に構成されているため、２軸性歪であっても一様に伝導帯下端が変化する。しかし、大きな伝導帯不連続量を完全に打ち消すような大きな変化は生じない。
【００２４】
また、分極を有するＭＱＢ構造は正孔に対してさらに利点を有している。分極を有するＭＱＢ構造は、各層において内部電界によりバンドが傾いている。アクセプタに束縛されている正孔は、熱等のエネルギーが与えられない限り、アクセプタ元素の周りに局在している。ホスト材料に内部電界がある場合、アクセプタと正孔にも電界が印加される。このとき、アクセプタは正側に、正孔は負側に引き寄せられるため、通常に比べてより低い熱エネルギーによって解離させることができる。このため、分極によって正孔の活性化率を向上させることができる。従って、ＭＱＢ構造を用いることにより正孔の電気伝導をより向上させることが可能となる。
【００２５】
ＭＱＢ構造を窒化物半導体を用いたＧＩＴのゲート部に適用する場合には、ＭＱＢ構造もトランジスタの本体と同じく窒化物半導体により形成することが好ましい。この場合、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも一つをIII族元素として含む窒化物半導体が好ましい。窒化物半導体の場合、価電子帯と比べて伝導帯の不連続量が圧倒的に大きく、例えばＡｌＧａＮとＧａＮとの場合には、伝導帯不連続量は価電子帯と比べて３倍にも及ぶ。これは、価電子帯が局在性の強い窒素の軌道によって主に構成されているためである。そのため、少ない組成変調に対しても、価電子帯に比べて伝導帯不連続は大きく変化させることができる。
【００２６】
以上説明したように、窒化物半導体によるＭＱＢ構造は、次の２つの特徴を有する。まず、波の干渉効果によって効果的に電子波を反射させることが可能であり、電子電流の通過を防ぐことができる。特に、伝導帯不連続量が大きい系であるため、小さい組成変化に対してもＭＱＢ構造の効果は大きい。次に、正孔はＭＱＢ構造において干渉・反射されず、２軸性歪である場合には、価電子帯不連続量を減少させる効果がある。また、分極によって正孔活性化率を向上させることが可能となる。
【００２７】
ＭＱＢ構造によるゲート部の電子電流を抑制する効果を確認するために、ＭＱＢ構造による電子波の反射について計算を行った。計算では例として、Ａｌ組成が２０％で厚さが２ｎｍのＡｌＧａＮ層と、厚さが８ｎｍのＧａＮ層とによって構成されるＭＱＢ構造を仮定した。Ａｌ組成が２０％である場合、ＧａＮに対する伝導帯の不連続量は０．３ｅＶとなるが、価電子帯の不連続量は８０ｍｅＶにすぎない。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのペア数は８としており、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層のトータルの膜厚はそれぞれ、１６ｎｍ及び６４ｎｍである。ＭＱＢ構造が一様な組成のＡｌＧａＮ層であると仮定するとＡｌ組成は平均値である４％となる。Ａｌ組成が４％のＡｌＧａＮ層の場合には伝導帯の不連続量は６０ｍｅＶにしかならず、電子電流の障壁として全く機能しないと予想される。
【００２８】
図３は、計算に用いたＭＱＢ構造モデルのポテンシャルを模式的に示している。図３において、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ、２ｎｍ及び８ｎｍとしている。このようなＭＱＢ構造モデルに様々な運動エネルギーを持った電子波が入射した場合に、どれだけ反射されるかを伝達マトリクス法を用いて計算した。具体的には、各ポテンシャル境界において、電子波の振幅及び振幅微分がそれぞれ連続接続される条件を課して計算している。
【００２９】
図４は、計算結果を示している。図４において横軸は電子の運動エネルギーとしている。もしＭＱＢ構造がなく、バルクのＧａＮに電子波が入射した場合には、電子の運動エネルギーが０ｅＶ以上の場合に常に透過率は１００％となる。図４に示すように、ＭＱＢ構造とした場合には、電子波の透過がかなり抑えられている。これは、電子波がヘテロ界面のポテンシャル変化によって反射されているためである。しかし、図４において運動エネルギーが０．２ｅＶ及び０．４ｅＶ〜０．５ｅＶの範囲では、透過率が高くなっている。これは、共鳴トンネリング効果によるものである。各ＧａＮ層において量子化された準位が、隣接する準位と結合することにより、あるエネルギー値において透過率が高くなってしまう。
【００３０】
このように、ＭＱＢ構造では平均組成における障壁と比べ、非常に高いエネルギー範囲においても、高い電子波の反射を生じさせることが可能である。しかし、その周期性によって、特定の運動エネルギーを有する電子波に対しては透過率が高くなってしまう。
【００３１】
特定の運動エネルギーを有する電子波に対して透過率が高くなることを防ぐために、周期性を意図的に崩した電子電流抑制構造を検討する。電子電流抑制構造では、ポテンシャルの周期性を意図的に崩すことにより、ポテンシャルエネルギーの低い各層において形成されるエネルギー準位が、隣接する層のエネルギー準位と結合しないようになることが期待される。エネルギー準位を決定するパラメータは、各層の層厚、ポテンシャル及び有効質量である。伝導帯における電子の場合、構成元素の組成を変える以外に有効質量を大きく変調することは困難である。これは、伝導帯下端の電子波導関数が球対称であり、歪を印加しても波動関数があまり変化しないためである。また、ポテンシャルエネルギーも構成元素の組成によるところが大きい。従って、窒化物半導体において電子電流を抑制する構造を構成する場合、組成及び層厚が主に制御できるパラメータとなる。
【００３２】
ＭＱＢ構造の周期性を意図的に崩し、ランダム化した電子電流抑制構造の電子波透過率を計算した結果について説明する。図５及び図６は、それぞれ膜厚及びＡｌ組成を変化させた場合の電子電流抑制構造のポテンシャルを模式的に示している。膜厚を変化さえる場合には、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は２０％に固定し、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の層厚はランダムに変化させている。各層の層厚を±１ｎｍの範囲で変調し、トータルの厚さが８０ｎｍの範囲におけるＡｌの平均組成が４％で不変であるという制限を加えた。Ａｌ組成を変化させる場合には、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さを、それぞれ２ｎｍ及び８ｎｍに固定し、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を±６％の範囲で変調させている。この場合にも、トータルの厚さが８０ｎｍの範囲におけるＡｌの平均組成は４％とした。Ａｌの平均組成を不変とする理由は、電子波の反射効果をより明確に理解できるようにするためである。
【００３３】
図７及び図８にそれぞれ、膜厚及びＡｌ組成を変化させた電子電流抑制構造について電子波透過率を計算した結果を示している。図７及び図８に示すように、ランダム化した電子電流抑制構造モデルの場合には、周期構造を有するＭＱＢ構造モデルの場合と比べて０．２ｅＶ近傍における透過率が大きく減少している。これは、層厚又はＡｌ組成を変調することにより、各ＧａＮ層の準位がランダムに変化し、隣接するＧａＮ層の準位が結合できなくなったためである。その結果、ＡｌＧａＮの伝導帯不連続量である０．３ｅＶよりも高い０．４ｅＶ付近まで高い反射率を実現できている。これはランダム化した電子電流抑制構造がＡｌ組成が均一なＡｌＧａＮ層よりも電子電流の抑制に効果的であることを意味している。特に、Ａｌ組成を変調した電子電流抑制構造モデルの場合には、０．８ｅＶ程度まで効率よく電子波の透過を抑制できている。このことから、ＧａＮ層ではなく障壁となるＡｌＧａＮ層の組成を変えることが電子電流の抑制に大きく影響することが明らかである。
【００３４】
図９に示すように、ＧＩＴのゲート部にｐ型ＧａＮ層を用いた場合には、正孔電流だけでなく電子のオーバーフローによる電子電流が流れる。一方、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との間にＭＱＢ構造を形成した場合には、図１０に示すように正孔電流を流すことができ且つ電子のオーバーフローによる電子電流を抑制でき、窒化物半導体トランジスタの損失を低減できる。これは、ＭＱＢ構造が正孔電流を流し且つ電子電流を抑制する電子電流抑制層として機能するためである。また、電子電流抑制層として周期性を崩した電子電流抑制構造を用いることにより、さらに電子波反射の効果を向上させることができ、電子電流の抑制効果を向上させることができる。以下において、ＭＱＢ構造及び電子電流抑制構造からなる電子電流抑制層を用いたＧＩＴである窒化物半導体トランジスタの具体的な構成について説明する。
【００３５】
（一実施形態）
図１１は、例示の窒化物半導体トランジスタの製造方法を工程順に示している。まず、基板１０１の上に窒化物半導体層１０２を形成する。基板１０１は、例えば主面が（１１１）面であるシリコン（Ｓｉ）基板とすればよい。窒化物半導体層１０２は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により結晶成長すればよい。結晶成長におけるＡｌ原料にはトリメチルアルミニウム（(ＣＨ3)3Ａｌ）を用い、Ｇａ原料にはトリメチルガリウム（(ＣＨ3)3Ｇａ）を用い、Ｎ原料にはアンモニア（ＮＨ3）を用いればよい。またｐ型のドーパントにはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いればよい。
【００３６】
窒化物半導体層１０２の構成は、例えば基板１０１側から順次形成されたバッファ層１２２、超格子層１２３、ヘテロ接合層１２４、電子電流抑制層１２５、ｐ型層１２６及びコンタクト層１２７とすればよい。バッファ層１２２は、厚さが４００ｎｍのＡｌＮ層とすればよい。超格子層１２３は厚さが２０ｎｍのＧａＮ層と厚さが５ｎｍのＡｌＮ層とを交互に４０周期形成すればよい。超格子層のトータルの厚さは１μｍとすればよい。ヘテロ接合層１２４は、厚さが１μｍのアンドープのＧａＮ層１３１とＡｌ組成が２５％のＡｌＧａＮ層１３２との積層体とすればよい。電子電流抑制層１２５は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層体とすればよい。また、各層のＡｌ組成及び膜厚はランダムに変化させることが好ましい。例えば、表１に示すようにすればよい。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
電子電流抑制層１２５の厚さは、電子のコヒーレンス長とほぼ同じ１００ｎｍとすることが好ましい。また、電子電流抑制層１２５の各層にはｐ型不純物であるＭｇをドーピングすればよく、各層のＭｇドーピング濃度は２×１０19ｃｍ-3とすればよい。
【００３９】
ｐ型層１２６は、厚さが１００ｎｍのＧａＮ層とすればよく、１×１０19ｃｍ-3となるようにＭｇをドープすればよい。コンタクト層１２７は、厚さが６ｎｍのＧａＮ層とすればよく、１×１０20ｃｍ-3以上となるようにＭｇをドープすればよい。
【００４０】
次に、図１１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ及び塩素系のドライエッチングを用いて、ｐ型層構造であるコンタクト層１２７、ｐ型層１２６及び電子電流抑制層１２５を選択的に除去する。塩素系ドライエッチングの条件は、塩素ガスの流量を３０ｓｃｃｍとし、ＲＦ入射パワーを１００Ｗとし、背圧を１Ｐａとすればよい。この場合、エッチング速度は４０ｎｍ／ｍｉｎ程度となる。
【００４１】
次に、図１１（ｃ）に示すように、表面保護膜１０９を形成し、ヘテロ接合層１２４に凹部を形成する。表面保護膜１０９を形成することにより表面準位を抑制し、デバイスの動作を安定させることができる。表面保護膜１０９は、膜厚が１００ｎｍのＳｉＮ膜とすればよく、熱ＣＶＤ法等により形成すればよい。ＳｉＮ膜の堆積条件は成膜温度が７００℃で、ＳｉＨ4及びＮＨ3の供給流量をそれぞれ、２ｓｃｃｍ（cc/min、1013hPa 、0 ℃）及び４ｓｌｍ（ｌ/min、1013hPa 、0 ℃）とすればよい。ヘテロ接合層１２４の掘り込みは、フォトリソグラフィと塩素系ドライエッチングにより行えばよい。エッチングの深さは、ＡｌＧａＮ層１３２とＧａＮ層１３１との界面よりも下側に達するように４０ｎｍ程度とすればよい。
【００４２】
次に、図１１（ｄ）に示すように電極を形成する。まず、フォトリソグラフィ及びフッ化水素酸を用いたウェットエッチングによって、表面保護膜１０９におけるコンタクト層１２７の上に形成された部分を除去する。続いて、コンタクト層１２７の上にゲート電極１１３を蒸着する。ゲート電極はｐ型ＧａＮに対して良好なオーミック接合が得られるＮｉ／Ｐｔ／Ａｕとすればよい。続いて、ヘテロ接合層１２４に形成した凹部にＴｉ／Ａｕからなるソース電極１１１及びドレイン電極１１２を蒸着法によって形成する。
【００４３】
図１２及び図１３は、それぞれ従来の窒化物半導体トランジスタ及び電子電流抑制層を備えた窒化物半導体トランジスタの動作特性を示している。図１２及び図１３は種々のゲート電圧Ｖｇｓにおける、ドレイン電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄｓとの関係を示している。図１２に示すように、電子電流抑制層がない場合には、ゲート電圧を５Ｖ以上とするとドレイン電流が飽和する傾向を示す。このような現象が生じる主な要因は、ゲートに流れ込む電子電流による損失である。一方、図１３に示すように、電子電流抑制層を備えた窒化物半導体トランジスタは、ゲート電圧を５Ｖ以上としても高いドレイン電流を維持できている。これは電子電流抑制層によってゲート電極に流れ込む電子電流が抑制され、ドレイン電極に到達する電流が増大したためである。
【００４４】
このように、電子電流抑制層を導入することで、ドレイン電流の増大を実現することができる。また、電子電流抑制層は、結晶成長の層構造を変更するだけで形成することができ、通常のデバイス形成プロセスへの変更を一切必要としないという利点を有している。
【００４５】
なお、実施形態において示した構成は、一例であり窒化物半導体層の構成及び電極の構成等は適宜変更してよい。また、窒化物半導体層を成長させる基板は、Ｓｉ基板に代えてサファイア基板又は炭化珪素基板等としてもよい。
【００４６】
電子電流抑制層は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層体としたが、分極が互いに異なり、それぞれがIII族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｂ及びＩｎの少なくとも一つを含む複数の層の組み合わせとすればよい。Ｂは他のIII族元素と比べて原子半径が非常に小さいが、ＢＮの禁制帯幅はＡｌＮと比べて小さいため、Ｂを含む化合物とすることにより材料物性の設計自由度を向上させることが可能である。また、Ｉｎを含む窒化物半導体は禁制帯幅を狭くすることができると共に、ｐ型不純物の活性化率を向上できるという利点がある。このため、よりポテンシャルが低いＧａＮ層にＩｎを含有させると、ｐ型活性化率を上昇させると共にポテンシャル障壁の設計自由度を向上できるという利点が得られる。Ｂ及びＩｎを含有させる場合には、その原料として、それぞれトリエチルボロン（（Ｃ2Ｈ5）3Ｂ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る窒化物半導体トランジスタによれば、電力損失を低減した窒化物半導体トランジスタを実現でき、特に大電流駆動する窒化物半導体トランジスタ等として有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１０１      基板
１０２      窒化物半導体層
１０９      表面保護膜
１１１      ソース電極
１１２      ドレイン電極
１１３      ゲート電極
１２２      バッファ層
１２３      超格子層
１２４      ヘテロ接合層
１２５      電子電流抑制層
１２６      ｐ型層
１２７      コンタクト層
１３１      ＧａＮ層
１３２      ＡｌＧａＮ層
【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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