(57)【要約】【課題】  二次元電子ガスを高効率に生成させることができ、かつコンタクト抵抗の抵抗値が小さな電界効果トランジスタを提供することである。【解決手段】  電界効果トランジスタ１０においてスペーサ層１３は、チャネル層１２のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する。第１電子供給層１４は、厚み方向一方Ｚ１に向かうにつれて、アルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定される。第２電子供給層１５は、第１電子供給層１４におけるアルミニウム存在比の最大値以上のアルミニウム存在比に設定される。【選択図】      図１
2011138807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を用いたヘテロ構造を有する電界効果トランジスタであって、
基板と、
前記基板よりも厚み方向一方に配置され、予め定める電荷の移動経路の一部を成すチャネル層と、
前記チャネル層よりも厚み方向一方に、前記チャネル層に隣接して配置され、アルミニウムを含み、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するスペーサ層と、
前記スペーサ層よりも厚み方向一方に、前記スペーサ層に隣接して配置される第１電子供給層であって、
アルミニウムを含み、
スペーサ層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、
前記スペーサ層におけるアルミニウム存在比よりも小さいアルミニウム存在比に設定され、
厚み方向一方に向かうにつれてアルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定される第１電子供給層と、
前記第１電子供給層よりも厚み方向一方に、前記第１電子供給層に隣接して配置される第２電子供給層であって、
アルミニウムを含み、
前記第１電子供給層におけるアルミニウム存在比の最大値以上のアルミニウム存在比に設定される第２電子供給層とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記第１電子供給層のうちの前記スペーサ層に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比は、略零に設定される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】
前記第１電子供給層の各部位の位置の、スペーサ層からの距離の増大に伴って、第１電子供給層の前記各部位におけるアルミニウム存在比が増大する割合は、前記スペーサ層から前記各部位までの距離が増大するにつれて大きくなることを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記チャネル層は、ガリウムおよび窒素を含み、
前記スペーサ層は、アルミニウムおよび窒素を含み、
前記第１および第２電子供給層は、アルミニウム、ガリウムおよび窒素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記スペーサ層の膜厚は、４．９８２オングストローム以上９．９６４オングストローム以下に設定されることを特徴とする請求項４に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記第１電子供給層の膜厚は、２０オングストローム以上１２４オングストローム以下に設定されることを特徴とする請求項４または５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、ヘテロ構造を有する電界効果トランジスタに関し、特に窒化物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】
図１２は、従来技術に係る電界効果トランジスタ１の断面図である。従来技術に係る電界効果トランジスタとして、サファイア基板２上に、ＡｌＮのバッファ層３、ＧａＮのチャネル層４、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎのスペーサ層５、ＳｉドナーがドープされたＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの電子供給層６、およびＧａＮのショットキー層７が順次エピタキシャル成長された電界効果トランジスタが知られる（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
従来技術に係る電界効果トランジスタでは、チャネル層４とスペーサ層５および電子供給層６との格子定数の違いによって、スペーサ層５および電子供給層６中に応力が発生する。これによって、スペーサ層５およびチャネル層４の界面に正の電荷が誘起され、チャネル層４中のスペーサ層５との界面近傍に二次元電子ガスが生成する。スペーサ層５は、ＡｌＮで形成されることもあり、一般にスペーサ層は、二次元電子ガスを高効率に生成させるために、バンドギャップの大きな層として形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２４８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電子供給層が、バンドギャップの大きなスペーサ層と接触すると、電子供給層とスペーサ層との界面においてコンタクト抵抗の抵抗値が大きくなるという問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、二次元電子ガスを高効率に生成させることができ、かつコンタクト抵抗の抵抗値が小さな電界効果トランジスタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、窒化物半導体を用いたヘテロ構造を有する電界効果トランジスタであって、
基板と、
前記基板よりも厚み方向一方に配置され、予め定める電荷の移動経路の一部を成すチャネル層と、
前記チャネル層よりも厚み方向一方に、前記チャネル層に隣接して配置され、アルミニウムを含み、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するスペーサ層と、
前記スペーサ層よりも厚み方向一方に、前記スペーサ層に隣接して配置される第１電子供給層であって、
アルミニウムを含み、
スペーサ層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、
前記スペーサ層におけるアルミニウム存在比よりも小さいアルミニウム存在比に設定され、
厚み方向一方に向かうにつれてアルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定される第１電子供給層と、
前記第１電子供給層よりも厚み方向一方に、前記第１電子供給層に隣接して配置される第２電子供給層であって、
アルミニウムを含み、
前記第１電子供給層におけるアルミニウム存在比の最大値以上のアルミニウム存在比に設定される第２電子供給層とを含むことを特徴とする電界効果トランジスタである。
【０００８】
また本発明は、前記第１電子供給層のうちの前記スペーサ層に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比は、略零に設定されることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前記第１電子供給層の各部位の位置の、スペーサ層からの距離の増大に伴って、第１電子供給層の前記各部位におけるアルミニウム存在比が増大する割合は、前記スペーサ層から前記各部位までの距離が増大するにつれて大きくなることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、前記チャネル層は、ガリウムおよび窒素を含み、
前記スペーサ層は、アルミニウムおよび窒素を含み、
前記第１および第２電子供給層は、アルミニウム、ガリウムおよび窒素を含むことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、前記スペーサ層の膜厚は、４．９８２オングストローム以上９．９６４オングストローム以下に設定されることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記第１電子供給層の膜厚は、２０オングストローム以上１２４オングストローム以下に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電界効果トランジスタは、窒化物半導体を用いたヘテロ構造を有するので、二次元電子ガスを高効率に生成させることができる。電界効果トランジスタにおいて第１電子供給層は、厚み方向一方に向かうにつれて、アルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定される。これによって、第１電子供給層のうち、スペーサ層に近接した部位におけるアルミニウムの存在量を少なくすることができる。したがって、この部位におけるバンドギャップを小さくすることができる。これによって、第１電子供給層のこの部位における、単位体積当たりの電子の存在確率を高くすることができる。スペーサ層よりも厚み方向他方のチャネル層における、単位体積辺りの電子の存在確率は高いので、スペーサ層の厚み方向両側における電子の存在確率を高く設定することによって、スペーサ層における、単位体積当たりの電子の存在確率も高くすることができる。
【００１４】
これによって、第１電子供給層の電子が、スペーサ層を厚み方向他方に越えることを、容易にすることができる。したがって、スペーサ層におけるコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。これによって、電界効果トランジスタ全体での抵抗値を低減することができる。したがって、電界効果トランジスタに電圧が印加され、電界効果トランジスタが稼動したときの発熱量を抑制することができる。これによって、電界効果トランジスタの消費電力を抑制することができる。
【００１５】
また本発明によれば、第１電子供給層のうちのスペーサ層に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比は、略零に設定される。これによって、第１電子供給層のうちスペーサ層に最も近接した部位におけるバンドギャップを、可及的に小さく設定することができる。したがって、この部位における単位体積当たりの電子の存在確率を高く設定することができる。これによって、スペーサ層の厚み方向両側の直近における電子の存在確率を高く設定することができ、これによって、スペーサ層における、単位体積当たりの電子の存在確率をも高くすることができる。したがって、スペーサ層のコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００１６】
また本発明によれば、第１電子供給層の各部位の位置の、スペーサ層からの距離の増大に伴って、第１電子供給層の各部位におけるアルミニウム存在比が増大する割合は、スペーサ層から前記各部位までの距離が増大するにつれて大きくなる。これによって、第１供給層のうち、スペーサ層に近く、スペーサ層における電子の存在確率に大きく影響する範囲でのアルミニウムの存在量を、少なくすることができる。以下、第１電子供給層の各部位の位置の、スペーサ層からの距離が増大するにつれて、前記各部位におけるアルミニウム存在比が増大する割合を「アルミニウム増大率」と称する。第１電子供給層のうち、スペーサ層に近い範囲でかつスペーサ層における電子の存在確率に大きく影響する範囲でのアルミニウムの存在量を「スペーサ近傍アルミニウム量」と称する。
【００１７】
アルミニウム増大率が、スペーサ層からの距離の増大に伴って大きくなる設定とすることによって、小さく設定される場合に比べてスペーサ近傍アルミニウム量を少なくすることができる。これによって、スペーサ層における単位体積当たりの電子の存在確率を高くすることができ、スペーサ層におけるコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００１８】
また本発明によれば、チャネル層は、ガリウムおよび窒素を含み、スペーサ層は、アルミニウムおよび窒素を含み、第１および第２電子供給層は、アルミニウム、ガリウムおよび窒素を含む。これによって、高温条件下においても耐久性を有し、高周波、大電流および高出力でも動作可能な電界効果トランジスタを実現することができる。たとえばシリコン系半導体およびガリウムヒ素系半導体は、バンドギャップが小さく、大きな降伏電圧を必要とする用途には適さない。これに対し電界効果トランジスタは、前述の成分を含むので、シリコン系半導体およびガリウムヒ素系半導体に比べ、バンドギャップを大きくすることができる。したがって、耐久強度の大きな電界効果トランジスタを実現することができる。
【００１９】
また本発明によれば、スペーサ層の膜厚は、４．９８２オングストローム以上９．９６４オングストローム以下に設定される。これによって、スペーサ層の膜厚を、アルミニウム原子および窒素原子が厚み方向に１原子ずつ配列したときの膜厚以上とすることができる。スペーサ層が形成されることによってチャネル層での二次元電子ガスの生成効率を高くすることができるので、スペーサ層を４．９８２オングストローム以上とすることによって、スペーサ層の形成によるチャネル層での高効率な二次元電子ガスの生成を、確実にすることができる。
【００２０】
またスペーサ層の膜厚を、アルミニウム原子および窒素原子が厚み方向に２原子ずつ配列したときの膜厚以下とすることができる。スペーサ層の膜厚は、厚いほどコンタクト抵抗の抵抗値が大きくなるので、スペーサ層の膜厚を、９．９６４オングストローム以下とすることによって、スペーサ層が形成されることによるコンタクト抵抗の抵抗値の増大を、抑制することができる。
【００２１】
また本発明によれば、第１電子供給層の膜厚は、２０オングストローム以上１２４オングストローム以下に設定される。これによって、スペーサ層のコンタクト抵抗の抵抗値の低減と、二次元電子ガスの効率的な生成とを両立することができる。第１電子供給層の膜厚を２０オングストローム以上とすることによって、スペーサ層に近接した部位における、単位体積当たりの電子の存在確率を高くすることができ、スペーサ層におけるコンタクト抵抗を低減することができる。
【００２２】
また第１電子供給層の膜厚を１２４オングストローム以下とすることによって、第１電子供給層以上にアルミニウム存在比の高い第２電子供給層とスペーサ層との距離を１２４オングストローム以下とすることができる。チャネル層における二次元電子ガスの生成には、第１および第２電子供給層の組成とチャネル層の組成との差異が必要である。第２電子供給層とスペーサ層との距離を１２４オングストローム以下とすることによって、アルミニウム存在比の高い第２電子供給層からチャネル層への電子供給の効率を高くすることができる。したがって、チャネル層での二次元電子ガスの生成効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０のヘテロ構造を表す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０の各部位におけるバンドギャップＥ１と、電子の存在確率Ｄ１とを表す図である。
【図３】本発明の第１実施形態において、スペーサ層１３の膜厚を変化させたときの、トンネル効果を表す図である。
【図４】本発明の第１実施形態において、第１電子供給層１４の膜厚を変化させたときの、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面部における電子の存在確率の変化を表す。
【図５】本発明の第１比較例における、電界効果トランジスタ１０Ａのヘテロ構造を表す図である。
【図６】本発明の第１比較例における電界効果トランジスタ１０Ａの各部位におけるバンドギャップＥ２と、電子の存在確率Ｄ２とを表す図である。
【図７】本発明の第１実施形態および複数の比較例において、第１電子供給層の表面部におけるアルミニウム存在比を変化させたときの結果を表す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る電界効果トランジスタ１０のヘテロ構造を表す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る電界効果トランジスタ１０の各部位におけるバンドギャップＥ３と、電子の存在確率Ｄ３とを表す図である。
【図１０】本発明の第２および第３比較例における結果を表す図である。
【図１１】本発明の第４および第５比較例における結果を表す図である。
【図１２】従来技術に係る電界効果トランジスタ１の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための複数の形態について説明する。以下の説明においては、各形態に先行する形態ですでに説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略す場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。またそれぞれの実施形態は、本発明に係る技術を具体化するために例示するものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明に係る技術内容は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
【００２５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０のヘテロ構造を表す図である。図１（ａ）は、電界効果トランジスタ１０を通り厚み方向Ｚに延びる直線を含む仮想的な一平面で、電界効果トランジスタ１０を切断して見た断面図である。図１（ａ）にも示すように、電界効果トランジスタ１０は、複数の層が積層されて形成される積層体を含んで構成される。図１（ｂ）は、電界効果トランジスタ１０の各層のアルミニウム存在比を表す図である。図１（ｂ）において横軸は、アルミニウム存在比を表し、図１（ｂ）において右方に向かうにつれて大きなアルミニウム存在比を表す。図１（ｂ）の縦軸は、図１（ａ）に示す積層体の構造における位置を表している。図１（ａ）の下方の位置は、基板１１の位置に対応し、図１（ａ）の上方は、厚み方向一方Ｚ１に対応している。
【００２６】
第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０は、窒化物半導体を用いたヘテロ構造を有する電界効果トランジスタであり、特に窒化ガリウム系の電界効果トランジスタである。図１（ａ）に示すように、電界効果トランジスタ１０は、基板１１と、チャネル層１２と、スペーサ層１３と、第１電子供給層１４と、第２電子供給層１５とを含んで構成される。チャネル層１２は、基板１１よりも厚み方向一方Ｚ１に配置され、予め定める電荷の移動経路の一部を成す。スペーサ層１３は、チャネル層１２よりも厚み方向一方Ｚ１に、チャネル層１２に隣接して配置され、アルミニウムを含み、チャネル層１２のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する。
【００２７】
第１電子供給層１４は、スペーサ層１３よりも厚み方向一方Ｚ１に、スペーサ層１３に隣接して配置され、アルミニウムを含み、スペーサ層１３のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する。また第１電子供給層１４は、いずれの部位においても、スペーサ層１３におけるアルミニウム存在比よりも小さいアルミニウム存在比に設定され、厚み方向一方Ｚ１に向かうにつれて、アルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定される。第２電子供給層１５は、第１電子供給層１４よりも厚み方向一方Ｚ１に、第１電子供給層１４に隣接して配置され、アルミニウムを含む。また第２電子供給層１５は、いずれの部位においても、第１電子供給層１４におけるアルミニウム存在比の最大値以上のアルミニウム存在比に設定される。
【００２８】
第１実施形態では、基板１１よりも厚み方向一方Ｚ１に、基板１１に隣接して緩衝層１７が形成される。緩衝層１７は、膜厚が３０００ナノメートル（nanometers, 略号「ｎｍ」）に設定され、窒化ガリウムを含む。緩衝層１７よりも厚み方向一方Ｚ１には、緩衝層１７に隣接してチャネル層１２が形成される。チャネル層１２は、膜厚が１０００ｎｍに設定され、窒化ガリウムを含む。第１実施形態では特に、チャネル層１２は、アンドープとし、不純物のドーピングが行われていない窒化ガリウムとした。
【００２９】
チャネル層１２よりも厚み方向一方Ｚ１には、前述のように、チャネル層１２に隣接してスペーサ層１３が形成され、スペーサ層１３の膜厚は、５オングストローム（angstrom, 略号「Å」）に設定される。スペーサ層１３よりも厚み方向一方Ｚ１には、スペーサ層１３に隣接して第１電子供給層１４が形成され、第１電子供給層１４の膜厚は、第１実施形態では、５０Åとした。ただし第１電子供給層１４の膜厚は、この値に限定するものではない。第１電子供給層１４の膜厚は、２０Å以上１２４Å以下に設定されることが好ましく、さらに３０Å以上５０Å以下であると、さらに好ましい。
【００３０】
第１電子供給層１４よりも厚み方向一方Ｚ１には、第１電子供給層１４に隣接して第２電子供給層１５が形成され、第２電子供給層１４の膜厚は、１５０Åとした。ただし第２電子供給層１５の膜厚は、この値に限定するものではない。第１電子供給層１４の膜厚を前述の範囲とした上で、第１電子供給層１４の膜厚と、第２電子供給層１５の膜厚とを合計した厚み寸法は、２００Å以上２５０Å以下に設定されることが好ましい。第１実施形態では、第１電子供給層１４の膜厚と、第２電子供給層１５の膜厚とを合計した厚み寸法は、２００Åに設定した。
【００３１】
第１および第２電子供給層１４，１５の組成を、元素記号を用いて組成式で表すと、一般に「ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ」で表される。ｘは、零以上１未満の実数であり、零以上０．３５以下であることが好ましく、さらに第１実施形態では、零以上０．３以下の値として設定される。第１実施形態では、このｘの値を、「アルミニウム存在比」と称する。「アルミニウム存在比」は、各層のうち、微視的に見たときの各部位において成立する概念を表す。第１実施形態では、厚み方向Ｚに垂直な面方向には、各層のアルミニウム存在比は一様であるものとしたので、基板１１からの厚み方向Ｚの距離が同じ部位では、アルミニウム存在比は同じである。
【００３２】
第１および第２電子供給層１４，１５のうち、第１電子供給層１４は、厚み方向Ｚに異なる複数の位置の部位で、アルミニウム存在比に差異が設定される。換言すれば、第１電子供給層１４の各部位のアルミニウム存在比は、スペーサ層１３からの厚み方向Ｚの距離が異なれば、異なるものとして設定される。第２電子供給層１５は、厚み方向Ｚに垂直な面方向にも、かつ厚み方向Ｚにも、各部位におけるアルミニウム存在比は一様に設定される。具体的には、第２電子供給層１５のアルミニウム存在比は、いずれの部位であっても「ｘ＝０．３」として設定した。第１および第２電子供給層１４，１５は、いずれもチャネル層１２において二次元電子ガスを形成する電子を、スペーサ層１３を越えて供給するための層として機能する。
【００３３】
電界効果トランジスタ１０は、電極をさらに含み、電極は、第２電子供給層１５よりも厚み方向一方Ｚ１に配置される。電極は、ソース電極１８、ゲート電極１９、ドレイン電極２１の３種類の電極を含む。各電極は、第２電子供給層１５に隣接して形成されてもよく、また他の実施形態では、第２電子供給層１５と各電極との間にオーミック接触層を形成してもよい。オーミック接触層は、印加される電圧および発生する電流に関わらず、第２電子供給層１５と各電極との間の抵抗値を一定に保つ。第１実施形態では、各電極を後述する手法で形成し、オーミック接触層を特に設けることなく、第２電子供給層１５と各電極との間の接触をオーミック接触とした。
【００３４】
（各層の詳細）
各層の詳細は、以下のとおりである。基板１１は、半絶縁性材料と呼ばれるアンドープの材料から成り、高抵抗を示し、リーク電流や対地容量を抑えることが可能である。基板１１として用いることのできる半絶縁性材料としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、カーボランダム（ＳｉＣ）、または珪素（Ｓｉ）などを挙げることができる。基板１１の材質は、基板１１の上に形成される各層の組成や構造、形成方法に応じて選択されるならば、半絶縁性材料のいずれであってもよい。第１実施形態では、珪素から成る基板１１を用いた。
【００３５】
緩衝層１７は、基板１１とチャネル層１２とに格子定数の差異があることを緩和するために設けるけれども、他の実施形態では、緩衝層１７を省略し、基板１１よりも厚み方向一方Ｚ１に、基板１１に接触してチャネル層１２を形成することもできるけれども、第１実施形態では、緩衝層１７を形成する。緩衝層１７は、窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）によって形成することができ、第１実施形態では、窒化ガリウム（ＧａＮ）とした。格子定数を調整するために、ＧａＮにさらに不純物をドープしてもよい。緩衝層１７の格子の構造は、高精度に制御して形成されることが好ましく、場合によっては人工超格子によって形成されることもある。
【００３６】
チャネル層１２は、ガリウムおよび窒素を含み、具体的には、ガリウムヒ素（ＧａＮ）から成る。またチャネル層１２は、予め定める電荷の移動経路の一部を成す。電荷は、電界効果トランジスタ１０を流れる電流に寄与する電子およびホールの少なくともいずれか一方である。電荷の移動経路は、ゲート電極１９およびソース電極１８間の電界の大きさに応じてドレイン電極２１およびソース電極１８間に発生する電流の生じる経路である。チャネル層１２のうち、スペーサ層１３に近接する領域には、電子の存在確率の高い領域が生じる。チャネル層１２の、スペーサ層１３近傍に高い存在確率で生じる電子を、「二次元電子ガス」と称する。第１実施形態において、電子の存在確率は、すなわち各部位における電子の密度であるので、これを「有効電子濃度」と称することがある。
【００３７】
二次元電子ガスは、厚み方向Ｚに垂直な平面状に拡がって形成され、ソース電極１８に近いチャネル層１２の一部からドレイン電極２１に近いチャネル層１２の一部にまで連続して形成される。二次元電子ガスが生じる領域を、「二次元電子ガス領域」（２２）と称する。ドレイン電極２１とソース電極１８との間に電流が生じる場合には、二次元電子ガス領域２２が、電荷の移動経路の一部を成す。二次元電子ガス領域２２に供給される電荷は、具体的には電子であり、この電子は第１および第２電子供給層１４，１５から供給される。この電子は、第１および第２電子供給層１４，１５からスペーサ層１３を越えてチャネル層１２の二次元電子ガス領域２２に供給されるので、電界効果トランジスタ１０の挙動は、二次元電子ガス領域２２およびスペーサ層１３における有効電子濃度によって大きな影響を受ける。以下、第１および第２電子供給層１４，１５全体を「電子供給層」（１６）と称することがある。
【００３８】
緩衝層１７およびチャネル層１２の形成においてＧａＮ膜は、たとえば原料としてアンモニア（ＮＨ３）およびトリメチルガリウム（trimethylgallium, 略称「ＴＭＧ」）を用い、有機金属化学気相成長（metal-organic chemical vapor deposition, 略称「ＭＯＣＶＤ」）法によって、ＧａＮの結晶をエピタキシャル成長させることで形成することができる。ただし他の実施形態において緩衝層１７およびチャネル層１２のＧａＮ膜は、分子線エピタキシー成長（molecular beam epitaxy, 略称「ＭＢＥ」）法であってもよい。基板１１、緩衝層１７およびチャネル層１２においてアルミニウム存在比は、部位によらず一様に零であるものとした。
【００３９】
スペーサ層１３は、電界効果トランジスタ１０の積層体を成す複数の層のうち、最も大きいバンドギャップを有し、最も絶縁性の高い材料によって形成される。またスペーサ層１３のバンドギャップは、積層体の一部である基板１１のバンドギャップと同程度のバンドギャップに設定される場合があってもよい。スペーサ層１３は、アルミニウムおよび窒素を含んで構成され、具体的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。ソース電極１８およびドレイン電極２１に近い領域を除き、スペーサ層１３は、ドープされていないＡｌＮによって形成される。アルミニウム（Ａｌ）および窒素（Ｎ）を１原子ずつ含む原子団を１つの「分子」と称すると、１分子の直径は、Ａｌのファンデアワールス半径とＮのファンデアワールス半径との合計の２倍の値で表される。スペーサ層１３は、１分子の直径以上、２分子の直径以下の厚みに設定される。
【００４０】
仮に、スペーサ層を配置せず、チャネル層よりも厚み方向一方Ｚ１に、チャネル層に隣接して第１および第２電子供給層を形成した場合にも、チャネル層と第１電子供給層との間に組成の差異があれば、二次元電子ガス領域は、チャネル層に形成される。この場合には、チャネル層のうち、第１電子供給層に近接する領域に、二次元電子ガス領域が形成される。
【００４１】
これに対し、第１実施形態では、スペーサ層１３を形成することによって、チャネル層１２の組成と、チャネル層１２に隣接するスペーサ層１３の組成との間に大きな差異を形成することができ、チャネル層１２における二次元電子ガスの生成効率を高くすることができる。二次元電子ガスとして電子供給層１６からチャネル層１２に供給される電子は、スペーサ層１３をトンネル効果によって越えて移動する。したがって、電子が電子供給層１６からチャネル層１２に移動するときの効率は、スペーサ層１３の厚みに大きく影響を受ける。
【００４２】
仮にスペーサ層の膜厚が１分子の直径未満に形成されるならば、スペーサ層を形成することによって二次元電子ガスの生成効率の向上を図ることは、難しくなる。逆にスペーサ層の膜厚が厚くなれば、スペーサ層の膜厚の増大に伴って、トンネル効果による電子の移動効率は、減少する。スペーサ層の膜厚は、ＡｌＮの１分子の直径以上とするために、４．９８２Å以上に設定される。また２分子の直径以下とするために、９．９６４Å以下に設定される。
【００４３】
スペーサ層１３の形成においてＡｌＮ膜は、たとえばアンモニア（ＮＨ３）およびＴＭＡを用いて、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮの結晶をエピタキシャル成長させることで形成することができる。ただし他の実施形態においてスペーサ層１３のＡｌＮ膜は、ＭＢＥ法によって形成してもよい。
【００４４】
スペーサ層１３を構成する材料としては、チャネル層１２であるＧａＮのバンドキャップよりも大きなバンドギャップを有する材料を用いる。ＡｌＮは、ＧａＮに比べてバンドギャップが大きく、かつその差異自体も大きい。これによって、チャネル層１２に生成する二次元電子ガス領域２２の有効電子濃度が大きくなるので、スペーサ層１３の材料として、ＡｌＮは、好ましい材料である。スペーサ層１３の材料としては、チャネル層１２のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する材料であれば、足りる。
【００４５】
第１および第２電子供給層１４，１５は、アルミニウム、ガリウムおよび窒素を含む。具体的には、第１および第２電子供給層１４，１５は、ソース電極１８に近い領域およびドレイン電極２１に近い領域を除いて、ドープのされていない「ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ」で表される半導体によって形成される。図１（ｂ）に示すように、第１電子供給層１４のうちのスペーサ層１３に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比は、略零に設定される。「略零」は零を含む。第１電子供給層１４の各部位の位置の、スペーサ層１３からの距離の増大に伴って、第１電子供給層１４の各部位におけるアルミニウム存在比が増大する割合は、スペーサ層１３から前記各部位までの距離が増大するにつれて大きくなる。
【００４６】
図１（ｂ）において、第１電子供給層１４におけるアルミニウム存在比を表す曲線は、図１（ｂ）の左上方に凸の形状を成す。第１電子供給層１４のうち、スペーサ層１３に近接した領域におけるアルミニウムの存在量は、図１（ｂ）においてアルミニウム存在比を表す曲線よりも左側の領域の面積に相当する。すなわち、アルミニウム存在比を、第１電子供給層１４の厚み方向Ｚの位置の変化で積分した値が、積分された範囲におけるアルミニウムの存在量となる。以下、第１電子供給層１４のうち、スペーサ層１３に近接した領域を「界面近傍領域」（２４）と称することがある。
【００４７】
スペーサ層１３に隣接する第１供給層の端面におけるアルミニウム存在比は零に設定され、スペーサ層１３から離れた位置の部位におけるアルミニウム存在比は、スペーサ層１３から離れるにつれて、連続的かつ滑らかに大きくなる。第１電子供給層１４の各部位において、スペーサ層１３からの距離が増大するにつれて、アルミニウム存在比が増大する割合を「アルミニウム増大率」と称すると、スペーサ層１３からの距離が増大するにつれて、アルミニウム増大率自体も大きくなる。
【００４８】
図２は、本発明の第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０の各部位におけるバンドギャップＥ１と、電子の存在確率Ｄ１とを表す図である。図２において横軸は、第２電子供給層１５の厚み方向一方Ｚ１の端面からの距離を表す。第２電子供給層１５の厚み方向一方Ｚ１の端面を基準端面とし、図２において右方は、基準端面から厚み方向他方Ｚ２に離れる位置を表す。第１実施形態では第１および第２電子供給層１４，１５の合計の厚み寸法を２００ｎｍとするので、図２において横軸が２００ｎｍの位置は、第１供給層とスペーサとの境界面の位置を表す。
【００４９】
図２の２つの縦軸のうち、左方の縦軸は、バンドギャップの大きさを表し、上方ほどバンドギャップが大きいことを表す。バンドギャップの単位は、エレクトロンボルト（
electron volt, 略号「ｅＶ」）で表される。図２の２つの縦軸のうち右方の縦軸は、有効電子濃度を表し、上方ほど有効電子濃度が大きいことを表す。図２において、有効電子濃度は、１立方センチメートル当たりの個数で表され、単位は「ｃｍ−３」で表される。
【００５０】
各層の各部位におけるアルミニウム存在比は、各部位における電子の存在確率、すなわち有効電子濃度に関係する。各部位における有効電子濃度は、周囲の層におけるアルミニウムの存在確率にも影響されるけれども、各部位のアルミニウム存在比によって最も大きな影響を受ける。したがって、各部位のアルミニウム存在比が大きくなるほど、この部位での有効電子濃度は小さくなり、各部位のアルミニウム存在比が小さくなるほど、この部位での有効電子濃度は大きくなる。
【００５１】
第１電子供給層１４のうちスペーサ層１３近傍の部位におけるアルミニウム存在比は、スペーサ層１３における有効電子濃度に影響する。第１電子供給層１４のうち、スペーサ層１３に近ければ近いほど、この部位におけるアルミニウム存在比の影響は大きくなる。第１電子供給層１４のうち、スペーサ層１３に近い範囲でかつスペーサ層１３における電子の存在確率に大きく影響する範囲でのアルミニウムの存在量を「スペーサ近傍アルミニウム量」と称する。
【００５２】
アルミニウム増大率が、スペーサ層１３からの距離の増大に伴って大きくなる設定とすることによって、図１（ｂ）における第１電子供給層１４のアルミニウム存在比を表す曲線は、図１（ｂ）において左上に凸の形状となる。他の実施形態において、第１電子供給層１４のアルミニウム存在比を表す曲線は、直線状または右下に凸の形状に設定されてもよく、このような設定を否定しない。第１実施形態では、前記曲線は、図１（ｂ）において左上に凸の形状として設定される。
【００５３】
この設定によって、第１電子供給層１４のアルミニウム存在比を表す曲線が、直線状または右下に凸の形状に設定される場合に比べて、スペーサ近傍アルミニウム量は、少なくなる。したがって、第１電子供給層１４のスペーサ層１３近傍におけるバンドギャップを低減することができ、第１電子供給層１４におけるバンドギャップを低減することは、スペーサ層１３の両側における有効電子濃度の増大に寄与する。特にスペーサ近傍アルミニウム量を低減することによって、スペーサ層１３の直近の、スペーサ層１３よりも厚み方向一方Ｚ１の領域における有効電子濃度を高くすることができ、これによって、スペーサ層１３における有効電子濃度を増大させ、コンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００５４】
図１（ｂ）に示す第１電子供給層１４のアルミニウム存在比の変化は、第１実施形態では、双曲線に沿う形状として設定した。また単にスペーサ層１３のコンタクト抵抗およびその抵抗値に言及するときには、これらコンタクト抵抗およびその抵抗値は、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の境界面におけるコンタクト抵抗およびその抵抗値を意味するものとする。
【００５５】
前記アルミニウム増大率を、図１（ｂ）に示される第１電子供給層１４のアルミニウム存在比の曲線を参照して説明すると、この曲線上の各点における接線の傾きが、各点におけるアルミニウム増大率を表す。
【００５６】
第２電子供給層１５は、ソース電極１８に近い領域およびドレイン電極２１に近い領域を除いて、ドープのされていない「ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ」で表される半導体によって形成される。第１実施形態において第２電子供給層１５は、アルミニウム存在比が一定に設定される。第２電子供給層１５のアルミニウム存在比は、第１電子供給層１４の各部位のうち、アルミニウム存在比が最大の部位におけるアルミニウム存在比と同じ値として設定され、具体的には、アルミニウム存在比ｘはｘ＝０．３に設定される。
【００５７】
チャネル層１２に対して効率よく電子を供給することと、安定な結晶格子を形成することとを両立するためには、第２電子供給層１５におけるアルミニウム存在比は、他の値に設定されるよりも、ｘ＝０．３として設定されることが、最も好ましい。また第１実施形態において第２電子供給層１５におけるアルミニウム存在比は、第１電子供給層１５の厚み方向一方Ｚ１の端面部におけるアルミニウム存在比と同じに設定される。これによって、第１電子供給層１４と第２電子供給層１５とでアルミニウム存在比の変化が極端になることを避け、このアルミニウム存在比の変化をなだらかな変化とすることができる。したがって、第１電子供給層１４中に、有効電子濃度の局所的に大きい領域が形成されてしまうことを避けることができる。
【００５８】
第１および第２電子供給層１４，１５は、両方ともチャネル層１２に対して電子を供給し、二次元電子ガス領域２２での有効電子濃度の増大に寄与する。この有効電子濃度の増大に寄与するためには、電子供給層１６全体では、チャネル層１２の組成と差異の大きな組成であることが好ましい。したがって、電子供給層１６全体では、アルミニウムの存在量は少なければよいというものではない。チャネル層１２がＧａＮで構成されるのに対し、電子供給層１６全体である程度以上のアルミニウムの存在量を有することによって、電子供給層１６からチャネル層１２への電子供給は、高効率に維持される。
【００５９】
第１および第２電子供給層１４，１５の形成においてＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ膜は、たとえば原料としてアンモニア（ＮＨ３）、ＴＭＧおよびトリメチルアルミニウム（
trimethylalminium, 略称「ＴＭＡ」）を用い、ＭＯＣＶＤ法によってＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎの結晶をエピタキシャル成長させることで形成することができる。
【００６０】
特に第１電子供給層１４の形成においては、ＴＭＡなどのアルミニウム原料ガスの供給割合を、膜形成における時間経過に伴って増加させていくことによって、各部位におけるアルミニウム存在比を所望の値に制御することができる。第１電子供給層１４のアルミニウム存在比は、双曲線または放物線など、連続的かつ滑らかに変化させる設定とする方が、電界効果トランジスタ１０の設計、作製の段階において、設計および作製を容易にすることができる。
【００６１】
ソース電極１８およびドレイン電極２１は、リフトオフ法を用い電子ビーム（electron beam, 略称「ＥＢ」）蒸着によってチタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）をこの順序で積層して形成した。これによって、オーミック接合とすることができる。ゲート電極１９は、リフトオフ法を用い、ＥＢ蒸着によってパラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）をこの順序で積層して形成し、ショットキー接合として形成した。
【００６２】
ソース電極１８、ゲート電極１９およびドレイン電極２１を含む電極の形成に先立って、電界効果トランジスタ１０の積層体にはドーピングを行う。ドーピングは、ソース電極１８およびドレイン電極２１が配置される表面の、厚み方向他方Ｚ２の領域である。これらの領域に、不純物としてシリコン（Ｓｉ）またはマグネシウム（Ｍｇ）などをドープする。本実施形態では、ゲート電極に正の電圧を印加したときには、ソース電極およびドレイン電極間の電流の発生が阻止され、ゲート電極に正の電極が印加されないときには、ソース電極からドレイン電極への電流が許容される、いわゆる「ノーマリー・オン型」のトランジスタとした。
【００６３】
シリコン（Ｓｉ）またはマグネシウム（Ｍｇ）などがドープされる層は、第２電子供給層１５、第１電子供給層１４およおびスペーサ層１３である。チャネル層１２までドープされる構成とすることは、否定しないけれども、技術的に重要なのは、電子供給層１６およびスペーサ層１３に対するドープである。
【００６４】
図３は、本発明の第１実施形態において、スペーサ層１３の膜厚を変化させたときの、トンネル効果を表す図である。図３には、電界効果トランジスタ１０のモデルにおいて、スペーサ層１３に対応するモデルの膜厚を変化させたときの、二次元電子ガス領域２２における有効電子濃度の計算結果を表す。スペーサ層１３の膜厚の膜厚は、１分子の直径に相当する寸法以上に設定することが好ましいけれども、トンネル効果によって電子がスペーサ層１３を超えることによる、二次元電子ガス領域２２の有効電子濃度は、スペーサ層１３の膜厚に関して顕著に大きな変化を表す。したがって、スペーサ層１３は、２分子の直径に相当する膜厚以下に設定することによって、スペーサ層１３のコンタクト抵抗を抑制することができる。
【００６５】
図４は、本発明の第１実施形態において、第１電子供給層１４の膜厚を変化させたときの、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面部における電子の存在確率の変化を表す。図４に示す結果に対応する各電界効果トランジスタでは、第１および第２電子供給層１４，１５の各膜厚を合計した厚み寸法を、２００Åとし、この条件下で第１電子供給層１４の膜厚を変化させた。したがって、第１電子供給層１４の膜厚がそれぞれの値であるとき、この値に応じて第２電子供給層１５の膜厚も、変化させた。図４の横軸に関しては、右方ほど、第１電子供給層１４の膜厚が大きいことを表し、図４の縦軸に関しては、上方ほど、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面部における有効電子濃度が大きいことを表している。
【００６６】
図４に結果として表される曲線は、第１電子供給層１４の膜厚が３０Å〜５０Åの範囲内で最も有効電子濃度が高いことを表すピークが観測される。このピークよりも左方に向かうにつれて、結果として表される曲線が下降するのは、スペーサ近傍アルミニウム量が増大することによって、バンドギャップの上昇が見られるためである。これに対し、図４の前記ピークよりも右方に向かうにつれて、結果として表される曲線が下降するのは、チャネル層１２と第２電子供給層１５との間の距離が増大し、さらに第１および第２電子供給層１４，１５全体のアルミニウムの存在量が減少することによる。これによって、電子供給層１６からスペーサ層１３およびチャネル層１２への電子供給の効率を、高効率に維持することができなくなるので、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面部における有効電子濃度が低下する。これによって、二次元電子ガス領域２２において有効電子濃度も減少する。
【００６７】
図５は、本発明の第１比較例における、電界効果トランジスタ１０Ａのヘテロ構造を表す図である。図５では、図１と同様に、図５（ａ）には、電界効果トランジスタ１０Ａを切断して見た断面図を示し、図５（ｂ）には、電界効果トランジスタ１０Ａの各層のアルミニウム存在比を表す。図５に示す第１比較例において、第１および第２電子供給層１４Ａ，１５Ａのアルミニウム存在比は、各部位の厚み方向Ｚの位置に関わらず、ｘ＝０．３で一定とした。
【００６８】
図６は、本発明の第１比較例における電界効果トランジスタ１０Ａの各部位におけるバンドギャップＥ２と、電子の存在確率Ｄ２とを表す図である。図６における横軸および縦軸は、図２における横軸および縦軸と同様である。図５および図６は、同じ電界効果トランジスタ１０Ａについての図である。図５および図６に示す第１比較例では、第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０に比べて、界面近傍領域２４Ａにおけるバンドギャップが大きい。これによって、この界面近傍領域２４Ａにおける有効電子濃度が小さくなる。スペーサ層１３Ａよりも厚み方向他方Ｚ２、すなわち図６において右方の領域では、有効電子濃度は大きいけれども、スペーサ層１３Ａよりも厚み方向一方Ｚ１において、有効電子濃度が小さいことによって、スペーサ層１３Ａにおける有効電子濃度が小さくなっている。
【００６９】
これに対し図２に示すように、第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０では、界面近傍領域２４において有効電子濃度が大きく設定されることによって、スペーサ層１３の両側において有効電子濃度を大きく設定することができ、これによって、スペーサ層１３における有効電子濃度も大きくすることができる。これによってスペーサ層１３を厚み方向Ｚに越える電子の数を増大させ、結果としてスペーサ層１３のコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００７０】
図７は、本発明の第１実施形態および複数の比較例において、第１電子供給層の表面部におけるアルミニウム存在比を変化させたときの結果を表す図である。具体的には、図７には、第１電子供給層のうちのスペーサ層に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比を変化させたときの電界効果トランジスタの各部位におけるバンドギャップと、電子の存在確率とを示している。図７における横軸および縦軸は、図２における横軸および縦軸と同様である。
【００７１】
図７に結果を示す電界効果トランジスタにおいて、第１電子供給層のアルミニウム存在比の変化は双曲線に沿うものとして設定した。第１電子供給層の厚み方向他方Ｚ２の端面におけるアルミニウム存在比を「ｙ」とし、厚み方向一方Ｚ１の端面におけるアルミニウム存在比を０．３とした。したがって第１電子供給層において厚み方向Ｚの位置が変化すると、各部位におけるアルミニウム存在比は、ｙ≦ｘ≦０．３の範囲で変化する。図７には、ｙ＝０のとき、ｙ＝０．１０のとき、ｙ＝０．２０のとき、およびｙ＝０．３のときの結果を表している。ｙ＝０．３のときは、第１電子供給層におけるアルミニウム存在比は、第２電子供給層と同様に、厚み方向Ｚの位置に関わらずｘ＝０．３で一定となる。図７においてｙ＝０．３の電界効果トランジスタは、図５および図６に示した第１比較例に対応する。
【００７２】
第１電子供給層におけるアルミニウム存在比の曲線を、ｙが「０≦ｙ０．３」となる範囲で変化させると、図７に示すように、第１電子供給層のうちスペーサ層近傍の領域におけるバンドギャップが変化する。これによって、この領域における有効電子濃度が変化する。この領域におけるバンドギャップが小さいほど、この領域における有効電子濃度は大きくなり、これによってスペーサ層における有効電子濃度は大きくなる。したがって、スペーサ層を厚み方向Ｚに越える電子の数が多くなり、スペーサ層のコンタクト抵抗を低減することができる。したがって、第１電子供給層１４の厚み方向他方Ｚ２の端面におけるアルミニウム存在比は、小さい方が好ましく、つまり、ｙの値は小さければ小さいほど好ましい。
【００７３】
第１実施形態によれば、電界効果トランジスタ１０は、窒化物半導体を用いたヘテロ構造を有する電界効果トランジスタ１０である。第１実施形態の窒化物半導体は、シリコン（Ｓｉ）を用いた半導体に比べ、バンドキャップが大きく、高温条件下で動作が可能で、耐電圧が高い。特に、ＧａＮ膜とアルミニウムを含む膜とのヘテロ接合界面を有する構造であるので、ＧａＮ膜のヘテロ接合界面近傍に電子を高濃度に蓄積させることができ、二次元電子ガス領域２２を形成することができる。また、このＧａＮ膜を電界効果トランジスタ１０のチャネル層１２として利用するので、二次元電子ガスの持つ高い電子密度と高い電子移動度とを、トランジスタの動作に利用することができる。したがって、大電流動作を行うことのできるトランジスタを実現することができる。
【００７４】
またヘテロ接合界面に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の層を設けることによって、ヘテロ界面における組成変化を大きくし、より高い電子密度の二次元電子ガス領域２２を形成することができる。また、電界効果トランジスタ１０において第１電子供給層１４は、厚み方向一方Ｚ１に向かうにつれて、アルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定される。これによって、界面近傍領域２４におけるアルミニウムの存在量を少なくすることができる。したがって、界面近傍領域２４におけるバンドギャップを小さくすることができる。これによって、第１電子供給層１４の界面近傍領域２４における、単位体積当たりの電子の存在確率を高くすることができる。スペーサ層１３よりも厚み方向他方Ｚ２のチャネル層１２における、単位体積辺りの電子の存在確率は高いので、スペーサ層１３の厚み方向Ｚ両側における電子の存在確率を高く設定することによって、スペーサ層１３における、単位体積当たりの電子の存在確率も高くすることができる。
【００７５】
これによって、第１電子供給層１４の電子が、スペーサ層１３を厚み方向他方Ｚ２に越えることを、容易にすることができる。したがって、スペーサ層１３におけるコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。これによって、電界効果トランジスタ１０全体での抵抗値を低減することができる。したがって、電界効果トランジスタ１０に電圧が印加され、電界効果トランジスタ１０が稼動したときの発熱量を抑制することができる。これによって、電界効果トランジスタ１０の消費電力を抑制することができる。
【００７６】
また第１実施形態によれば、第１電子供給層１４のうちのスペーサ層１３に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比は、略零に設定される。これによって、第１電子供給層１４のうちスペーサ層１３に最も近接した部位におけるバンドギャップを、可及的に小さく設定することができる。したがって、この部位における単位体積当たりの電子の存在確率を高く設定することができる。これによって、スペーサ層１３の厚み方向Ｚ両側の直近における電子の存在確率を高く設定することができ、スペーサ層１３における、単位体積当たりの電子の存在確率をも高くすることができる。したがって、スペーサ層１３のコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００７７】
また第１実施形態によれば、第１電子供給層１４の各部位の位置の、スペーサ層１３からの距離の増大に伴って、第１電子供給層１４の各部位におけるアルミニウム存在比が増大する割合は、スペーサ層１３から前記各部位までの距離が増大するにつれて大きくなる。これによって、第１供給層のうち、スペーサ層１３に近く、スペーサ層１３における電子の存在確率に大きく影響する範囲でのアルミニウムの存在量を、少なくすることができる。
【００７８】
アルミニウム増大率が、スペーサ層１３からの距離の増大に伴って大きくなる設定とすることによって、小さく設定される場合に比べてスペーサ近傍アルミニウム量を少なくすることができる。これによって、スペーサ層１３における単位体積当たりの電子の存在確率を高くすることができ、スペーサ層１３におけるコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００７９】
また第１実施形態によれば、チャネル層１２は、ガリウムおよび窒素を含み、スペーサ層１３は、アルミニウムおよび窒素を含み、第１および第２電子供給層１４，１５は、アルミニウム、ガリウムおよび窒素を含む。これによって、高温条件下においても耐久性を有し、高周波、大電流および高出力でも動作可能な電界効果トランジスタ１０を実現することができる。たとえばシリコン系半導体およびガリウムヒ素系半導体は、バンドギャップが小さく、大きな降伏電圧を必要とする用途には適さない。これに対し電界効果トランジスタ１０は、前述の成分を含むので、シリコン系半導体およびガリウムヒ素系半導体に比べ、バンドギャップを大きくすることができる。したがって、耐久強度の大きな電界効果トランジスタ１０を実現することができる。
【００８０】
また第１実施形態によれば、スペーサ層１３の膜厚は、４．９８２Å以上９．９６４Å以下に設定される。これによって、スペーサ層１３の膜厚を、アルミニウム原子および窒素原子が厚み方向Ｚに１原子ずつ配列したときの膜厚以上とすることができる。スペーサ層１３が形成されることによってチャネル層１２での二次元電子ガスの生成効率を高くすることができるので、スペーサ層１３を４．９８２Å以上とすることによって、スペーサ層１３の形成によるチャネル層１２での高効率な二次元電子ガスの生成を、確実にすることができる。
【００８１】
またスペーサ層１３の膜厚を、アルミニウム原子および窒素原子が厚み方向Ｚに２原子ずつ配列したときの膜厚以下とすることができる。スペーサ層１３の膜厚は、厚いほどコンタクト抵抗の抵抗値が大きくなるので、スペーサ層１３の膜厚を、９．９６４Å以下とすることによって、スペーサ層１３が形成されることによるコンタクト抵抗の抵抗値の増大を、抑制することができる。
【００８２】
また第１実施形態によれば、第１電子供給層１４の膜厚は、２０Å以上１２４Å以下に設定される。これによって、スペーサ層１３のコンタクト抵抗の抵抗値の低減と、二次元電子ガスの効率的な生成とを両立することができる。第１電子供給層１４の膜厚を２０Å以上とすることによって、スペーサ層１３に近接した部位における、単位体積当たりの電子の存在確率を高くすることができ、スペーサ層１３におけるコンタクト抵抗を低減することができる。
【００８３】
また第１電子供給層１４の膜厚を１２４Å以下とすることによって、第１電子供給層１４以上にアルミニウム存在比の高い第２電子供給層１５とスペーサ層１３との距離を１２４Å以下とすることができる。チャネル層１２における二次元電子ガスの生成には、第１および第２電子供給層１４，１５の組成とチャネル層１２の組成との差異が必要である。第２電子供給層１５とスペーサ層１３との距離を１２４Å以下とすることによって、アルミニウム存在比の高い第２電子供給層１５からチャネル層１２への電子供給の効率を高くすることができる。したがって、チャネル層１２での二次元電子ガスの生成効率を高くすることができる。
【００８４】
またさらに、電界効果トランジスタ１０は、電極をさらに含み、電極は、第２電子供給層１５よりも厚み方向一方Ｚ１に配置される。第１電子供給層１４の膜厚と、第２電子供給層１５の膜厚とを合計した厚み寸法は、２００Å以上２５０Å以下に設定される。これによって、チャネル層１２における二次元電子ガスの効率的な発生と、コンタクト抵抗の抵抗値の抑制とを両立することができる。
【００８５】
第１および第２電子供給層１４，１５の各膜厚を合計した厚み寸法を、２００Å以上とすることによって、チャネル層１２への電子の供給に必要な第１および第２電子供給層１４，１５を、厚み方向Ｚに充分な大きさの領域として確保することができる。したがって、チャネル層１２に対する電子の効率的な供給を行うことができ、チャネル層１２における効率的な二次元電子ガスの発生を実現することができる。また第１および第２電子供給層１４，１５の各膜厚を合計した厚み寸法を、２５０Å以下とすることによって、電極およびチャネル層１２間の距離が、第１および第２電子供給層１４，１５の厚み寸法によって長くなりすぎることを抑制することができる。したがって、電極からのチャネル層１２への電子の移動に関する抵抗値を低減することができる。
【００８６】
第１実施形態では、チャネル層１２とスペーサ層１３とのヘテロ接合界面においても、またスペーサ層１３と第１電子供給層１４との境界面においても、アルミニウム存在比は、大きく異なる構成である。前述のように、チャネル層１２とスペーサ層１３とのヘテロ接合界面においてアルミニウム存在比が大きく異なることは、二次元電子ガス領域２２を形成するために重要なことである。またスペーサ層１３は、スペーサ層１３の組成を構成する各原子が１原子ずつまたは２原子ずつ並ぶ程度の厚み寸法に設定され、極めて薄い膜厚とした。これによって二次元電子ガスの生成に寄与する電子は、トンネル効果によって移動する。したがって、第１実施形態のように、スペーサ層１３と第１電子供給層１４との境界面においてアルミニウム存在比が大きく異なる構成としても、この境界面におけるコンタクト抵抗の抵抗値は、増大することなく、低減することが可能となる。
【００８７】
スペーサ層１３は、前述のように可及的に薄い膜厚に設定されるので、スペーサ層１３におけるアルミニウム存在比を、厚み方向Ｚに変化させることは、不可能である。仮に、第１電子供給層１４およびスペーサ層１３間の境界面におけるアルミニウム存在比の差異を低減するならば、第１電子供給層１４の界面近傍領域２４におけるアルミニウム存在比を大きく設定せざるを得ない。この場合には、第１電子供給層１４におけるバンドギャップが増大し、有効電子濃度が低下する。したがって、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面部においても有効電子濃度が低下する。これによってスペーサ層１３のコンタクト抵抗の抵抗値は増大する。したがって、第１実施形態のように、界面近傍領域２４におけるアルミニウム存在比を低減する構成とする方が、結果的にスペーサ層１３のコンタクト抵抗の抵抗値を低減することができる。
【００８８】
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る電界効果トランジスタ１０のヘテロ構造を表す図である。図８（ａ）は、図１（ａ）と同様に電界効果トランジスタ１０の断面図を表す。図８（ｂ）は、電界効果トランジスタ１０の各層におけるアルミニウム存在比を表す図である。図８（ｂ）における横軸および縦軸は、図１（ｂ）と同様である。第２実施形態に係る電界効果トランジスタ１０は、第１実施形態に係る電界効果トランジスタ１０に類似しており、以下、第１実施形態に対する第２実施形態の相違点を中心に説明する。
【００８９】
第２実施形態の第１電子供給層１４においてアルミニウム存在比は、厚み方向他方Ｚ２の端面部において零に設定され、厚み方向一方Ｚ１に向かうにつれて、直線的に増大する。換言すれば、第１電子供給層１４の各部位におけるアルミニウム存在比は、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面からの距離に比例して増大する。これによって、第１電子供給層１４を形成するときの条件設定は、第１電子供給層１４の各部位におけるアルミニウム存在比を曲線的に変化させる場合に比べて、容易にすることができる。
【００９０】
図９は、本発明の第２実施形態に係る電界効果トランジスタ１０の各部位におけるバンドギャップＥ３と、電子の存在確率Ｄ３とを表す図である。図９における横軸および縦軸は、図２における横軸および縦軸と同様である。第２実施形態におけるスペーサ層１３の有効電子濃度は、図２に示した第１実施形態に比べるとわずかに小さいけれども、図６に示した第１比較例に比べて、とても大きな値となることが分かる。
【００９１】
したがって、第１電子供給層１４のうちのスペーサ層１３に隣接する表面部におけるアルミニウム存在比を、略零に設定し、厚み方向一方Ｚ１に向かうにつれて、アルミニウム存在比が連続的に大きくなる組成に設定することによって、スペーサ層１３における有効電子濃度を大きな値とすることができ、スペーサ層１３のコンタクト抵抗を低減することができる。したがって、このような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００９２】
図２、図６および図９に示すように、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の端面部と厚み方向他方Ｚ２の端面部とを比較すると、厚み方向一方Ｚ１の端面部の方が、有効電子濃度が低い。したがって、スペーサ層１３の厚み方向Ｚ両側の境界面におけるコンタクト抵抗を比較すると、厚み方向一方Ｚ１の端面部でのコンタクト抵抗の抵抗値の方が大きい。したがって、単にスペーサ層１３のコンタクト抵抗およびその抵抗値に言及するときには、スペーサ層１３の厚み方向一方Ｚ１の境界面におけるコンタクト抵抗およびその抵抗値を意味するものとした。
【００９３】
（他の比較例）
図１０は、本発明の第２および第３比較例における結果を表す図である。図１１は、本発明の第４および第５比較例における結果を表す図である。図１０および図１１における横軸および縦軸は、図２と同様である。図１０（ａ）には、第２比較例の結果として、バンドギャップＥ４と有効電子濃度Ｄ４とを表し、図１０（ｂ）には、第３比較例の結果として、バンドギャップＥ５と有効電子濃度Ｄ５とを表した。図１１（ａ）には、第４比較例の結果として、バンドギャップＥ６と有効電子濃度Ｄ６とを表し、図１１（ｂ）には、第５比較例の結果として、バンドギャップＥ７と有効電子濃度Ｄ７とを表した。
【００９４】
第２比較例では、第１および第２電子供給層を、アルミニウムを含まない窒化ガリウム（ＧａＮ）によって形成した。電子供給層全体での厚み寸法は、２００Åとした。その結果、図１０（ａ）に示すように、スペーサ層およびチャネル層の両方において、第１および第２実施形態よりも有効電子濃度が小さい結果となった。これは、スペーサ層およびチャネル層に対して、電子供給層が充分に電子を供給するできないことによるものである。
【００９５】
第３比較例では、膜厚５０Åの第１電子供給層のうち、厚み方向他方Ｚ２の半分の領域において、アルミニウム存在比を零（ｘ＝０）に設定し、スペーサ層から５０Åの距離においてｘ＝３．０に設定し、スペーサ層からの距離が２５Å〜５０Åの範囲では、アルミニウム存在比が双曲線に沿って変化する構成とした。膜厚１５０Åの第２電子供給層におけるアルミニウム存在比は、０．３（ｘ＝０．３）で一定とした。
【００９６】
その結果、図１０（ｂ）に示すように、第２実施形態ほどではないけれども、スペーサ層の厚み方向一方Ｚ１の端面部において、有効電子濃度が比較的大きいという結果となった。しかし第３比較例では、第１電子供給層と第２電子供給層とにおいて、アルミニウム存在比の変化が大きく、これによって、第１電子供給層において有効電子濃度の局所的に大きい領域が形成された。この場合、電界効果トランジスタを動作させたときに、第１電子供給層に生成した有効電子濃度の大きい領域における電子が、制御に対してノイズとして影響する可能性がある。またスペーサ層のコンタクト抵抗の抵抗値についても、第２実施形態よりは低い結果となるので、好ましい実施形態とは言えない。
【００９７】
第４比較例では、膜厚５０Åの第１電子供給層におけるアルミニウム存在比を零（ｘ＝０）に設定し、膜厚１５０Åの第２電子供給層におけるアルミニウム存在比は０．３（ｘ＝０．３）で一定とした。その結果、図１１（ａ）に示すように、スペーサ層における有効電子濃度は低く、第１電子供給層には、局所的に有効電子濃度の大きい領域が形成された。第４比較例も、好ましい実施形態とは言えず、定性的には第３実施形態と同様の結果が見られた。
【００９８】
第５比較例では、第１電子供給層におけるアルミニウム存在比を零（ｘ＝０）に設定した。膜厚１５０Åの第２電子供給層において、厚み方向他方Ｚ２の端面部におけるアルミニウム存在比は零（ｘ＝０）とし、第２電子供給層の厚み方向一方Ｚ１の端面部におけるアルミニウム存在比は０．３（ｘ＝０．３）に設定した。第２電子供給層中では、図１（ｂ）に示される曲線に類似して、アルミニウム存在比が双曲線に沿って変化する構成とした。
【００９９】
その結果、図１１（ｂ）に示すように、第１電子供給層およびスペーサ層の両方において、第１および第２実施形態よりも有効電子濃度が小さい結果となった。これは、第１よび第２電子供給層からスペーサ層に対して、充分な電子を供給するできないことによるものである。
【符号の説明】
【０１００】
１０，１０Ａ  電界効果トランジスタ
１１，１１Ａ  基板
１２，１２Ａ  チャネル層
１３，１３Ａ  スペーサ層
１４，１４Ａ  第１電子供給層
１５，１５Ａ  第２電子供給層
１６，１６Ａ  電子供給層
１７，１７Ａ  緩衝層
１８，１８Ａ  ソース電極
１９，１９Ａ  ゲート電極
２１，２１Ａ  ドレイン電極
２２，２２Ａ  二次元電子ガス領域
２４，２４Ａ  界面近傍領域
Ｚ  厚み方向
Ｚ１  厚み方向一方
Ｚ２  厚み方向他方
【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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