(57)【要約】【課題】  リーク電流の増加を抑制しつつ、基板上のIII族窒化物半導体の超格子構造の周期数を増やした場合でもクラックの発生を抑制できる窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】  基板２上に、ＧａＮ層１０およびＡｌＮ層１１が複数対交互に積層された第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８を形成し、この第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８に接するように、ＧａＮ層１２およびＡｌＮ層１３が複数対交互に積層された第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９を形成する。第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９上には、ＧａＮ電子走行層６およびＡｌＧａＮ電子供給層７からなる素子動作層を形成する。これにより、ＨＥＭＴ１を構成する。このＨＥＭＴ１において、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８のｃ軸平均格子定数ＬＣ１と、第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９のｃ軸平均格子定数ＬＣ２と、ＧａＮ電子走行層６のｃ軸平均格子定数ＬＣ３とが、式（１）ＬＣ１＜ＬＣ２＜ＬＣ３を満たすようにする。【選択図】図１
2011238685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、互いに組成が異なる２種のIII族窒化物半導体層が複数対交互に積層された超格子構造からなる第１バッファ層と、
前記第１バッファ層上に、当該第１バッファ層に接して積層され、互いに組成が異なる２種のIII族窒化物半導体層が複数対交互に積層された超格子構造からなる第２バッファ層と、
前記第２バッファ層上に形成され、III族窒化物半導体からなる素子動作層とを含み、
前記第１バッファ層の平均格子定数ＬＣ１と、前記第２バッファ層の平均格子定数ＬＣ２と、前記素子動作層の平均格子定数ＬＣ３とが、下記式（１）を満たす、窒化物半導体素子。
式（１）：ＬＣ１＜ＬＣ２＜ＬＣ３
【請求項２】
前記第１バッファ層が、Ａｌｘ１ＧａＮ層およびＡｌｙ１ＧａＮ層を複数対交互に積層したＡｌｘ１ＧａＮ／Ａｌｙ１ＧａＮ超格子構造（０≦ｘ１＜１、０＜ｙ１≦１、ｘ１＜ｙ１）を含み、
前記第２バッファ層が、Ａｌｘ２ＧａＮ層およびＡｌｙ２ＧａＮ層を複数対交互に積層したＡｌｘ２ＧａＮ／Ａｌｙ２ＧａＮ超格子構造（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２≦１、ｘ２＜ｙ２）を含む、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第２バッファ層の前記Ａｌｘ２ＧａＮ層が、前記第１バッファ層の前記Ａｌｘ１ＧａＮ層よりも厚い、請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記Ａｌｘ１ＧａＮ層のＡｌ組成ｘ１が、前記Ａｌｘ２ＧａＮ層のＡｌ組成ｘ２よりも大きい、請求項２または３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１バッファ層の平均Ａｌ組成が、前記第２バッファ層の平均Ａｌ組成よりも大きい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記第１バッファ層の超格子周期数が、前記第２バッファ層の超格子周期数よりも多い、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記基板が、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板またはサファイア基板である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記素子動作層が、ＧａＮ層を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記基板と前記第１バッファ層との間にＡｌＮ層が介在されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーアンプ回路、モータ駆動回路などに用いられるパワーデバイスとして、III族窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）やＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＩＳ型電界効果トランジスタ）などの窒化物半導体デバイスが公知である。
窒化物半導体デバイスは、たとえば、基板と、基板上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成されたエピタキシャル層とを有するエピタキシャルウエハを用いて製造される。用いられる基板は、基板とエピタキシャル層との線膨張係数の差の低減を考慮して、同種基板、つまりIII族窒化物半導体基板であることが好ましい。
【０００３】
しかしながら、III族窒化物半導体基板は高価であるため、近年では、III族窒化物半導体基板に代えて、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板などの異種基板が用いられつつある。その場合、異種基板とエピタキシャル層との間には、バッファ層が設けられる。バッファ層は、エピタキシャル層よりも平均格子定数が小さい組成物からなり、エピタキシャル成長後の冷却中に異種基板とエピタキシャル層との線膨張係数の差によって生じる内部応力に起因するエピタキシャルウエハの反りを緩和する。
【０００４】
たとえば、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の主面全体を被覆するように形成され、複数のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）層と複数のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）層とが交互に積層された複合層からなるバッファ層と、バッファ層上に形成されたＧａＮ電子走行層６を含むＨＥＭＴ素子用半導体領域とを備えるＨＥＭＴが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５９９４８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０５１１７号公報
【特許文献３】特開２００８−２１８４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
バッファ層は、ある一定の厚さ（臨界膜厚）以下であれば、Ｓｉ基板とＧａＮ電子走行層６との線膨張係数の差を緩衝できるが、臨界膜厚を超えると、歪みエネルギーを緩和するためにミスフィット転位が生じて格子緩和が起こり、バッファ層の本来の格子定数の値に近づく。その結果、バッファ層が本来の役割（緩衝作用）を果たせなくなり、ＧａＮ電子走行層６に大きな引張り応力が作用してクラックが発生する場合がある。
【０００７】
そのため、従来はバッファ層の厚さ（バッファ層の周期数）を制限する必要があり、このことが、バッファ層を厚くしてデバイスの耐圧を向上させるうえでの障害となっていた。このような障害は、リーク電流値などの素子特性に悪影響を与えない範囲で改善することが望ましい。
本発明の目的は、リーク電流の増加を抑制しつつ、基板上のIII族窒化物半導体の超格子構造の周期数を増やした場合でもクラックの発生を抑制できる窒化物半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成され、互いに組成が異なる２種のIII族窒化物半導体層が複数対交互に積層された超格子構造からなる第１バッファ層と、前記第１バッファ層上に、当該第１バッファ層に接して積層され、互いに組成が異なる２種のIII族窒化物半導体層が複数対交互に積層された超格子構造からなる第２バッファ層と、前記第２バッファ層上に形成され、III族窒化物半導体からなる素子動作層とを含み、前記第１バッファ層の平均格子定数ＬＣ１と、前記第２バッファ層の平均格子定数ＬＣ２と、前記素子動作層の平均格子定数ＬＣ３とが、下記式（１）を満たす、窒化物半導体素子である。
【０００９】
式（１）：ＬＣ１＜ＬＣ２＜ＬＣ３
第１バッファ層と素子動作層との間に介在される第２バッファ層は、これらの平均格子定数ＬＣ１とＬＣ３との中間値である平均格子定数ＬＣ２を有するので、平均格子定数ＬＣ１（＜ＬＣ２）を有する第１バッファ層と、平均格子定数ＬＣ３（＞ＬＣ２）を有する素子動作層との線膨張係数の差を緩衝する役割を果たすことができる。したがって、第１バッファ層と素子動作層との間に第２バッファ層を介在させることにより、基板と素子動作層との線膨張係数の差を緩衝する機能を維持しつつ、バッファ層全体の超格子周期数を増加させても第１および第２バッファ層それぞれの厚さを臨界膜厚以下に抑えることができるので、格子緩和を抑制することができる。その結果、第１および第２バッファ層を、それぞれの臨界膜厚以下の範囲で厚くすることにより、素子の耐圧を向上させることができる。
【００１０】
また、第１バッファ層と第２バッファ層との間にこれらとは別のIII族窒化物半導体層が介在されておらず、第２バッファ層が、第１バッファ層上に、当該第１バッファ層に接して積層されているので、リーク電流の増加を抑制することもできる。
また、請求項２に記載のように、前記第１バッファ層は、Ａｌｘ１ＧａＮ層およびＡｌｙ１ＧａＮ層を複数対交互に積層したＡｌｘ１ＧａＮ／Ａｌｙ１ＧａＮ超格子構造（０≦ｘ１＜１、０＜ｙ１≦１、ｘ１＜ｙ１）を含み、前記第２バッファ層は、Ａｌｘ２ＧａＮ層およびＡｌｙ２ＧａＮ層を複数対交互に積層したＡｌｘ２ＧａＮ／Ａｌｙ２ＧａＮ超格子構造（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２≦１、ｘ２＜ｙ２）を含んでいてもよい。
【００１１】
その場合、前記第２バッファ層の前記Ａｌｘ２ＧａＮ層は、請求項３に記載のように、前記第１バッファ層の前記Ａｌｘ１ＧａＮ層よりも厚いことが好ましく、前記Ａｌｘ１ＧａＮ層のＡｌ組成ｘ１は、請求項４に記載のように、前記Ａｌｘ２ＧａＮ層のＡｌ組成ｘ２よりも大きいことが好ましい。
また、前記第１バッファ層の平均Ａｌ組成は、請求項５に記載のように、前記第２バッファ層の平均Ａｌ組成よりも大きいことが好ましく、前記第１バッファ層の超格子周期数は、請求項６に記載のように、前記第２バッファ層の超格子周期数よりも多いことが好ましい。
【００１２】
また、前記基板は、請求項７に記載のように、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板またはサファイア基板であってもよい。
また、前記素子動作層は、請求項８に記載のように、ＧａＮ層を含んでいてもよい。ＧａＮ層はリーク電流を生じやすいので、本発明を適用した場合の効果が大きい。
また、前記基板と前記第１バッファ層との間には、請求項９に記載のように、ＡｌＮ層が介在されていることが好ましい。たとえば、基板がＳｉ基板であり、第１バッファ層がＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造からなる場合、ＧａＮ層とＳｉ基板とが接していると、ＧａとＳｉとが反応してＳｉ基板に結晶欠損が生じるおそれがある。しかし、第１バッファ層と基板との間にＡｌＮ層を介在させることにより、そのような結晶欠損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るＨＥＭＴの構成を説明するための模式断面図である。
【図２】図２は、III族窒化物半導体積層構造を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施形態に係るＭＩＳＦＥＴの構成を説明するための模式断面図である。
【図４】図４は、実施例１および比較例１のＨＥＭＴの構成を示す模式断面図である。
【図５】図５は、格子緩和の抑制効果を証明するためのグラフであって、ｃ軸歪量と超格子周期数との関係を表している。
【図６】図６は、耐圧の向上効果を証明するためのグラフであって、破壊電圧と超格子周期数との関係を表している。
【図７】図７は、実施例２および比較例２〜３のＨＥＭＴの構成を示す模式断面図である。
【図８】図８は、リーク電流の抑制効果を証明するためのグラフであって、リーク電流値と印加電圧との関係を表している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＨＥＭＴの構成を説明するための模式断面図である。
このＨＥＭＴ１は、基板２と、基板２上にエピタキシャル成長（結晶成長）によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造３とを備えている。
【００１５】
基板２は、この実施形態では、Ｓｉ単結晶基板（線膨張係数α１：２．５５×１０−６（２９３Ｋ）程度）で構成されている。この基板２は、（１１１）面を主面２１としたものであり、この主面２１に沿う方向（後述するａ軸方向）の窒化物半導体を構成する原子と結合するＳｉ原子の格子間距離ＬＣ０は、たとえば、０．３８４０ｎｍ程度である。そして、この主面２１上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造３が形成されている。III族窒化物半導体積層構造３は、たとえば、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
【００１６】
III族窒化物半導体積層構造３を形成する各層は、基板２に対してコヒーレントに成長されている。コヒーレントな成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪みによって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。たとえば、ＧａＮ層のｍ面からＩｎＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層をそれぞれ成長させる場合、無歪みの状態でのＩｎＧａＮのａ軸方向の平均格子定数（ａ軸平均格子定数）はＧａＮのａ軸平均格子定数よりも大きいので、ＩｎＧａＮ層にはａ軸方向への圧縮応力（圧縮歪み）が生じる。これに対して、無歪みの状態でのＡｌＧａＮのａ軸平均格子定数はＧａＮのａ軸平均格子定数よりも小さいので、ＡｌＧａＮ層にはａ軸方向への引張り応力（引張り歪み）が生じる。
【００１７】
III族窒化物半導体積層構造３は、基板２側から順に、ＡｌＮ層４（５ｎｍ〜５００ｎｍ厚。たとえば、１００ｎｍ厚）と、バッファ層５（０．１μｍ〜５．０μｍ厚。たとえば、１．６μｍ厚）と、素子動作層としてのＧａＮ電子走行層６（１００ｎｍ〜５０００ｎｍ厚。たとえば、２．５μｍ厚）およびＡｌＧａＮ電子供給層７（５ｎｍ〜１００ｎｍ厚。たとえば、２５ｎｍ厚）とを積層して構成されている。
【００１８】
ＡｌＮ層４は、Ｓｉ単結晶基板２と第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の最下層のＧａＮ層１０（後述）との接触を阻止するための層である。ＡｌＮのａ軸平均格子定数ＬＣ０´は、たとえば、０．３１１２ｎｍ程度であり、線膨張係数α２は、たとえば、４．１５×１０−６（２９３Ｋ）程度である。
バッファ層５は、ＡｌＮ層４上に、ＡｌＮ層４に接して形成された第１バッファ層としての第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８と、この第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８上に、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８に接して形成された第２バッファ層としての第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９とを含んでいる。
【００１９】
第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８は、ＧａＮ層１０（４ｎｍ〜４０ｎｍ厚。たとえば、２０ｎｍ厚）とＡｌＮ層１１（２ｎｍ〜１０ｎｍ厚。たとえば、５ｎｍ厚）とが交互に複数回積層（１０〜２００周期。たとえば、５０周期）された超格子構造からなる。つまり、この実施形態では、相対的に厚いＧａＮ層１０と、相対的に薄いＡｌＮ層１１とを、基板２の側からこの順に複数対交互に積層して第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８が構成されている。ＡｌＮ層１１が含まれる第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の平均Ａｌ組成は、１５〜７５％（たとえば、２０％）である。また、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８のａ軸平均格子定数ＬＣ１は、たとえば、３．１７７ｎｍ〜３．１３１ｎｍであり、線膨張係数α３は、たとえば、５．３７４×１０−６〜４．５１０×１０−６（２９３Ｋ）である。
【００２０】
第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９は、ＧａＮ層１２（４ｎｍ〜４０ｎｍ厚。たとえば、３０ｎｍ厚）とＡｌＮ層１３（２ｎｍ〜１０ｎｍ厚。たとえば、５ｎｍ厚）とが交互に複数回積層（５〜６０周期。たとえば、１０周期）された超格子構造からなる。つまり、この実施形態では、相対的に厚いＧａＮ層１２と、相対的に薄いＡｌＮ層１３とを、基板２の側からこの順に複数対交互に積層して第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９が構成され、この第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９の超格子周期数は、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の超格子周期数よりも少ない。最下層のＧａＮ層１２は、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の最上層のＡｌＮ層１３に接している。ＡｌＮ層１３が含まれる第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９の平均Ａｌ組成は、４〜５０％（たとえば、１４％）である。また、第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９のａ軸平均格子定数ＬＣ２は、たとえば、３．１８６ｎｍ〜３．１５１ｎｍであり、線膨張係数α４は、たとえば、５．５３２×１０−６〜４．８７０×１０−６（２９３Ｋ）である。
【００２１】
ＧａＮ電子走行層６は、この実施形態では、不純物が意図的に添加されていないアンドープＧａＮ層（すなわち、微量の不純物が含有されることがある。）として構成されている。ＧａＮ電子走行層６のａ軸平均格子定数ＬＣ３は、たとえば、０．３１５７ｎｍ〜０．３２２１ｎｍであり、線膨張係数α５は、たとえば、５．５９×１０−６（２９３Ｋ）程度である。
【００２２】
ＡｌＧａＮ電子供給層７は、この実施形態では、アンドープＡｌＧａＮ層として構成されている。ＡｌＧａＮ電子供給層７のａ軸平均格子定数ＬＣ４は、たとえば、０．３１５７ｎｍ〜０．３２２１ｎｍである。また、ＡｌＧａＮ電子供給層７の平均Ａｌ組成は、１０〜４０％（たとえば、２５％）である。また、ＡｌＧａＮ電子供給層７の線膨張係数α６は、たとえば、４．２９４×１０−６〜４．７２６×１０−６（２９３Ｋ）である。
【００２３】
このように、互いに組成の異なるＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との接合がヘテロ接合となることから、ＧａＮ電子走行層６には、ＡｌＧａＮ電子供給層７との接合界面近傍において、２次元電子ガス（図示せず）が生じている。２次元電子ガスは、ＧａＮ電子走行層６におけるＡｌＧａＮ電子供給層７との接合界面近傍のほぼ全域に存在しており、その濃度は、たとえば、５×１０１２〜１×１０１４ｃｍ−２である。ＨＥＭＴ１では、この２次元電子ガスを利用してソース−ドレイン間に電流を流すことによって素子動作が実行される。
【００２４】
ＡｌＧａＮ電子供給層７上には、このＡｌＧａＮ電子供給層７に接するように、ゲート電極１４、ソース電極１５およびドレイン電極１６が互いに間隔を空けて設けられている。
ゲート電極１４は、ＡｌＧａＮ電子供給層７との間でショットキー接合を形成できる電極材料、たとえば、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金の合金）などで構成することができる。
【００２５】
ソース電極１５およびドレイン電極１６はいずれも、ＡｌＧａＮ電子供給層７に対してオーミック接触することができる電極材料、たとえば、Ｔｉ／Ａｌ（チタン／アルミニウムの合金）、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（チタン／アルミニウム／ニッケル／金の合金）、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｂ／Ａｕ（チタン／アルミニウム／ニオブ／金の合金）、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ（チタン／アルミニウム／モリブデン／金の合金）などで構成することができる。
【００２６】
なお、ＡｌＧａＮ電子供給層７の表面には、この表面を覆う表面保護膜（図示せず）が形成されていてもよい。表面保護膜は、たとえば、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などの絶縁材料で構成することができる。
図２は、III族窒化物半導体積層構造を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【００２７】
処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＳｉ単結晶基板２を構成するＳｉ単結晶ウエハである。
【００２８】
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ４）を供給するシリコン原料配管４６と、キャリヤガスを供給するキャリヤガス配管４７とが接続されている。これらの原料配管４１〜４７には、それぞれバルブ５１〜５７が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
【００２９】
たとえば、（１１１）面を主面とするＳｉ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、キャリヤガスバルブ５７を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスが供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が９００℃〜１３００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくIII族窒化物半導体を成長させることができるようになる。
【００３０】
ウエハ温度が９００℃〜１３００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１およびアルミニウム原料バルブ５３が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、ＡｌＮ層４がエピタキシャル成長させられる。
次に、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８（第１バッファ層）の成長が行われる。第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の成長は、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することによりＧａＮ層１０を成長させる工程と、ガリウム原料バルブ５２を閉じ、窒素原料バルブ５１およびアルミニウム原料バルブ５３を開いてアンモニアおよびトリメチルアルミニウムをウエハ３５へと供給することにより、ＡｌＮ層１１を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。具体的には、ＧａＮ層１０を始めに形成し、その上にＡｌＮ層１１を形成する。これを、たとえば、５０回に渡って繰り返し行う。第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、９００℃〜１１００℃（たとえば９７０℃）とされることが好ましい。
【００３１】
第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の成長後、引き続いて第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９（第２バッファ層）の成長が行われる。第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９の成長は、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することによりＧａＮ層１２を成長させる工程と、ガリウム原料バルブ５２を閉じ、窒素原料バルブ５１およびアルミニウム原料バルブ５３を開いてアンモニアおよびトリメチルアルミニウムをウエハ３５へと供給することにより、ＡｌＮ層１３を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。具体的には、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の最上層のＡｌＮ層１１の形成後、アルミニウム原料バルブ５３を閉じるとともにガリウム原料バルブ５２を開いてＧａＮ層１２を始めに形成し、その上にＡｌＮ層１３を形成する。これを、たとえば、１０回に渡って繰り返し行う。第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、９００℃〜１１００℃（たとえば９７０℃）とされることが好ましい。
【００３２】
第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９の最上層のＡｌＮ層１３の形成後、アルミニウム原料バルブ５３を閉じるとともにガリウム原料バルブ５２が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルガリウムが供給される。その結果、第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９の最上層のＡｌＮ層１３上に、アンドープＧａＮ電子走行層６がエピタキシャル成長させられる。
【００３３】
次いで、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層７が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６が開かれ、他のバルブ５４，５５が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびシランが供給され、シリコンがドープされたＡｌＧａＮからなるｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層７が形成されることになる。このｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば９７０℃）とされることが好ましい。
【００３４】
この実施形態によれば、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８とＧａＮ電子走行層６との間に介在される第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９は、これらのａ軸平均格子定数ＬＣ１とＬＣ３との中間値であるａ軸平均格子定数ＬＣ２を有する。そのため、ａ軸平均格子定数ＬＣ１（＜ＬＣ２）を有する第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８と、ａ軸平均格子定数ＬＣ３（＞ＬＣ２）を有するＧａＮ電子走行層６との線膨張係数の差（α３−α５）を緩衝する役割を果たすことができる。
【００３５】
したがって、図１に示すように、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８とＧａＮ電子走行層６との間に第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９を介在させることにより、基板２とＧａＮ電子走行層６との線膨張係数の差（α１−α５）を緩衝する機能を維持しつつ、バッファ層５全体の超格子周期数を増加させても第１および第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８，９それぞれの厚さを臨界膜厚以下に抑えることができるので、格子緩和を抑制することができる。その結果、第１および第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８，９を、それぞれの臨界膜厚以下の範囲で厚くすることにより、ＨＥＭＴ１の耐圧を向上させることができる。
【００３６】
また、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８と第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９との間にこれらとは別のIII族窒化物半導体層（たとえば、ＧａＮ層）が介在されておらず、第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層９が、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８上に、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８に接して積層されているので、リーク電流の増加を抑制することもできる。このリーク電流の増加抑制の効果は、比較的リーク電流の生じやすいＧａＮからなる電子走行層６を含むＨＥＭＴ１において効果が大きい。
【００３７】
また、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８の最下層のＧａＮ層１０とＳｉ単結晶基板２とが接していると、ＧａとＳｉとが反応してＳｉ単結晶基板２に結晶欠損が生じるおそれがあるが、このＨＥＭＴ１では、第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層８と基板２との間にＡｌＮ層４が介在されているので、そのような結晶欠損を防止することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
【００３８】
たとえば、前述の実施形態では、本発明の実施形態の一例としてＨＥＭＴ１を取り上げたが、他の実施形態として、図３に示すＭＩＳＦＥＴ２０が例示できる。
このＭＩＳＦＥＴ２０のIII族窒化物半導体積層構造２２は、基板２側から順に、ＡｌＮ層４と、バッファ層５と、素子動作層としてのｐ型ＧａＮチャネル層２３（３００〜３０００ｎｍ厚。たとえば、１．５μｍ厚）とを積層して構成されている。ｐ型ＧａＮチャネル層２３の表層部には、互いに間隔を隔ててｎ型ＧａＮソース領域２４およびｎ型ＧａＮドレイン領域２５が形成されている。これらの領域２４，２５には、ソース電極２６およびドレイン電極２７がそれぞれオーミック接触している。また、ｐ型ＧａＮチャネル層２３の表面におけるｎ型ＧａＮソース領域２４とｎ型ＧａＮドレイン領域２５との間には、ゲート絶縁膜２８を介してゲート電極２９が対向している。なお、図３において、図１に示す各部に対応する部分には、それらの各部と同一の参照符号を付している。
【００３９】
また、Ｓｉ単結晶基板に代えて、ＳｉＣ基板（たとえば、ｍ面を主面とするＳｉＣ基板）を、サファイア基板（たとえば、ｍ面を主面とするサファイア基板）で基板２を構成することもできる。
また、バッファ層５における基板２側の超格子層は、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造に限らず、Ａｌｘ１ＧａＮ層およびＡｌｙ１ＧａＮ層が複数対交互に積層されたＡｌｘ１ＧａＮ／Ａｌｙ１ＧａＮ超格子構造（０≦ｘ１＜１、０＜ｙ１≦１、ｘ１＜ｙ１）で表される組成物であればよく、具体的には、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層などが例示できる。また、バッファ層５における電子走行層６側の超格子層も同様に、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造に限らず、Ａｌｘ２ＧａＮ層およびＡｌｙ２ＧａＮ層が複数対交互に積層されたＡｌｘ２ＧａＮ／Ａｌｙ２ＧａＮ超格子構造（０≦ｘ２＜１、０＜ｙ２≦１、ｘ２＜ｙ２）で表される組成物であればよく、具体的には、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層などが例示できる。
【００４０】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、この発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
１．実施例１および比較例１
実施例１および比較例１は、本発明による格子緩和の抑制効果および耐圧の向上効果を証明するために行ったものである。
（１）実施例１
まず、（１１１）面を主面とするＳｉ基板の表面に、ＡｌＮ層（４０ｎｍ厚）をエピタキシャル成長させた。次いで、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＧａＮ層（２５ｎｍ厚）を形成する工程を６０回繰り返し行うことにより、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層（６０周期）を形成した。ＡｌＧａＮ層の形成時には、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が２０％となるように調整した。これにより得られたＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、３３．３％であった。
【００４２】
次いで、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＧａＮ層（２５ｎｍ厚）を形成する工程を２０回繰り返し行うことにより、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層（２０周期）を形成した。なお、ＡｌＧａＮ層の形成時には、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が８％となるように調整した。これにより得られたＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、２３．３％であった。
【００４３】
その後、上側のＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層上に、ＧａＮ層（１μｍ厚）およびＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成２５％、２５ｎｍ厚）を順に形成することにより、III族窒化物半導体積層構造を作製した。
（２）比較例１
まず、（１１１）面を主面とするＳｉ基板の表面に、ＡｌＮ層（４０ｎｍ厚）をエピタキシャル成長させた。次いで、ＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＧａＮ層（２５ｎｍ厚）を形成する工程を８０回繰り返し行うことにより、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層（８０周期）を形成した。なお、ＡｌＧａＮ層の形成時には、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が２１％となるように調整した。これにより得られたＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、３４．２％であった。
【００４４】
その後、このＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層上に、ＧａＮ層（１μｍ厚）およびＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成２５％、２５ｎｍ厚）を順に形成することにより、III族窒化物半導体積層構造を作製した。
（３）ｃ軸歪量の測定
（１）および（２）で得られたIII族窒化物半導体積層構造における超格子層上のＧａＮ層にｃ軸方向に沿って作用する歪量を、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製「Ｘ’ＰｅｒｔＭＲＤ」を用いて測定した。結果を図５に示す。
【００４５】
図５に示すように、実施例１ではｃ軸歪量が−０．０１％であった（ｃ軸方向に沿って−０．０１％歪む応力が生じており、ａ軸方向としては、引張り応力が生じている。）のに対し、比較例１ではｃ軸歪量が−０．０５％であり（ｃ軸方向に沿って−０．０５％歪む応力が生じており、ａ軸方向としては、引張り応力が生じている。）、ＧａＮ層にクラックが発生していることが確認された。
【００４６】
すなわち、比較例１では、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ単位を８０周期連続して積層することによって、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層が臨界膜厚を超えて格子緩和が起こったと考えられる。
これに対し、実施例１では、互いに平均Ａｌ組成の異なるＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層をそれぞれ６０周期および２０周期に分けて形成することによって、バッファ層全体の超格子周期数は比較例１と同等であるが、個々のＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層の厚さを臨界膜厚以下に抑えることができたため、格子緩和を抑制できたと考えられる。
（４）破壊電圧の測定
次いで、バッファ層全体の周期数を２０周期、６０周期および８０周期としたIII族窒化物半導体積層構造を作製した。なお、層構成は、実施例１と同じとした。
【００４７】
そして、得られたIII族窒化物半導体積層構造のＡｌＧａＮ層に電圧を印加し、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層が絶縁破壊するときの電圧値を調べた。結果を図６に示す。
図６に示すように、バッファ層（ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層）の周期数が多くなるほど、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子層への電界集中を抑制でき、その結果、III族窒化物半導体積層構造の耐圧を向上できることが確認された。
２．実施例２および比較例２〜３
実施例２および比較例２〜３は、本発明によるリーク電流の抑制効果を証明するために行ったものである。
（１）実施例２
まず、（１１１）面を主面とするＳｉ基板（３００μｍ厚）の表面に、ＡｌＮ層（１００ｎｍ厚）をエピタキシャル成長させた。次いで、ＧａＮ層（２０ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成する工程を５３回繰り返し行うことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（５３周期）を形成した。これにより得られたＧａＮ／ＡｌＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、２０％であった。
【００４８】
次いで、ＧａＮ層（３０ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成する工程を１１回繰り返し行うことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（１１周期）を形成した。これにより得られたＧａＮ／ＡｌＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、１４％であった。
その後、上側のＧａＮ／ＡｌＮ超格子層上に、ＧａＮ層（２．５μｍ厚）およびＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成２５％、２５ｎｍ厚）を順に形成することにより、III族窒化物半導体積層構造を作製した。
【００４９】
次いで、ＡｌＧａＮ層の表面に、それぞれＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるソース電極およびドレイン電極を形成した。
（２）比較例２
まず、（１１１）面を主面とするＳｉ基板（３００μｍ厚）の表面に、ＡｌＮ層（１００ｎｍ厚）をエピタキシャル成長させた。次いで、ＧａＮ層（２０ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成する工程を６４回繰り返し行うことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（６４周期）を形成した。これにより得られたＧａＮ／ＡｌＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、２０％であった。
【００５０】
その後、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層上に、ＧａＮ層（２．５μｍ厚）およびＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成２５％、２５ｎｍ厚）を順に形成することにより、III族窒化物半導体積層構造を作製した。
次いで、ＡｌＧａＮ層の表面に、それぞれＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるソース電極およびドレイン電極を形成した。
（３）比較例３
まず、（１１１）面を主面とするＳｉ基板（３００μｍ厚）の表面に、ＡｌＮ層（１００ｎｍ厚）をエピタキシャル成長させた。次いで、ＧａＮ層（２０ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成する工程を２０回繰り返し行うことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（２０周期）を形成した。これにより得られたＧａＮ／ＡｌＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、２０％であった。
【００５１】
次いで、ＧａＮ層単層（２００ｎｍ）を形成し、その上にＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（２０ｎｍ／５ｎｍ、平均Ａｌ組成２０％）を上記と同様に１０周期形成した。このＧａＮ層単層およびＧａＮ／ＡｌＮ超格子層からなるユニットを形成する工程を３回繰り返した。その後、さらにＧａＮ層単層（２００ｎｍ）を形成した。次いで、ＧａＮ層（３０ｎｍ厚）を形成し、その上にＡｌＮ層（５ｎｍ厚）を形成する工程を１０回繰り返し行うことにより、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（１０周期）を形成した。これにより得られたＧａＮ／ＡｌＮ超格子層全体の平均Ａｌ組成は、１４％であった。
【００５２】
その後、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層（３０ｎｍ／５ｎｍ、平均Ａｌ組成１４％）上に、ＧａＮ層（２．５μｍ厚）およびＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成２５％、２５ｎｍ厚）を順に形成することにより、III族窒化物半導体積層構造を作製した。
次いで、ＡｌＧａＮ層の表面に、それぞれＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるソース電極およびドレイン電極を形成した。
（４）リーク電流の測定
（１）〜（３）で得られたIII族窒化物半導体積層構造のソース−ドレイン間に電圧を印加し、印加電圧を徐々に上昇させた。上昇の過程で流れたリーク電流の変化を図８に示す。
【符号の説明】
【００５３】
１    ＨＥＭＴ
２    基板
４    ＡｌＮ層
６    ＧａＮ電子走行層
７    ＡｌＧａＮ電子供給層
８    第１ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層
９    第２ＧａＮ／ＡｌＮ超格子層
１０  ＧａＮ層
１１  ＡｌＮ層
１２  ＧａＮ層
１３  ＡｌＮ層
２０  ＭＩＳＦＥＴ
２３  ｐ型ＧａＮチャネル層
２４  ｎ型ＧａＮソース領域
２５  ｎ型ＧａＮドレイン領域
【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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