(57)【要約】      （修正有）【課題】ヘテロ接合を含む窒化物半導体であって、２ＤＥＧの濃度および移動度を高め得るものを提供する。【解決手段】基板１０１上に、少なくともバッファ層１０５，１０６と、ＧａＮからなるチャネル層１０８と、チャネル層１０８とヘテロ接合をなす障壁層１０９とがこの順に積層された積層構造を備える。障壁層１０９は、Ａｌ（α）Ｉｎ（β）Ｇａ（1−α−β）Ａｓ（γ）Ｐ（δ）Ｎ（１−γ−δ）（ただし、０≦α≦１、０≦β≦１、α＋β≦１、０≦γ＜１、０≦δ＜１、γ＋δ＜１である。）からなる。積層構造内で、障壁層１０９および積層の方向に関して障壁層１０９に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域１９０ａ，１９０ｂで、Ｃ濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともバッファ層と、ＧａＮからなるチャネル層と、このチャネル層とヘテロ接合をなす障壁層とがこの順に積層された積層構造を備え、
上記障壁層は、Ａｌ（α）Ｉｎ（β）Ｇａ（1−α−β）Ａｓ（γ）Ｐ（δ）Ｎ（１−γ−δ）（ただし、０≦α≦１、０≦β≦１、α＋β≦１、０≦γ＜１、０≦δ＜１、γ＋δ＜１である。）からなり、
上記積層構造内で、上記障壁層および上記積層の方向に関して上記障壁層に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域で、Ｃ濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする窒化物半導体。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体において、
上記ヘテロ接合の界面に沿って発生する２次元電子ガスの濃度を、１０１２ｃｍ−２を単位とする変数ｙで表し、また、上記障壁層のＡｌ組成を、％を単位とする変数ｘで表すとき、
ｙ＞０．５ｘ−４．７５
なる関係が満たされていることを特徴とする窒化物半導体。
【請求項３】
基板上に、少なくともバッファ層と、ＧａＮからなるチャネル層と、このチャネル層とヘテロ接合をなす障壁層とがこの順に積層された積層構造を備え、
上記障壁層は、Ａｌ（α）Ｉｎ（β）Ｇａ（1−α−β）Ａｓ（γ）Ｐ（δ）Ｎ（１−γ−δ）（ただし、０≦α≦１、０≦β≦１、α＋β≦１、０≦γ＜１、０≦δ＜１、γ＋δ＜１である。）からなり、
上記ヘテロ接合の界面に沿って発生する２次元電子ガスの濃度を、１０１２ｃｍ−２を単位とする変数ｙで表し、また、上記障壁層のＡｌ組成を、％を単位とする変数ｘで表すとき、
ｙ＞０．５ｘ−４．７５
なる関係が満たされていることを特徴とする窒化物半導体。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一つに記載の窒化物半導体において、
上記積層構造内で、上記障壁層および上記積層の方向に関して上記障壁層に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域を除いた領域に、Ｃ濃度が１．０×１０１９ｃｍ−３以上であるＣ添加層が含まれていることを特徴とする窒化物半導体。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一つに記載の窒化物半導体において、
上記積層構造内で、上記積層の方向に関して上記障壁層よりも上記基板に近い領域に関して、（０００２）面よるＸ線回折の半値全幅が８００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする窒化物半導体。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一つに記載の窒化物半導体を製造する窒化物半導体の製造方法であって、
上記基板上に、少なくとも上記バッファ層と、上記チャネル層と、上記障壁層とを順次結晶成長させて積層し、
上記チャネル層の結晶成長時に、上記基板の温度を９５０℃以上、１０７０℃以下の第１の温度に設定し、
上記障壁層の結晶成長時に、上記基板の温度を９８０℃以上、１０７０℃以下の第２の温度に設定することを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
請求項１から５までのいずれか一つに記載の窒化物半導体を備えたことを特徴とする電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は窒化物半導体に関し、より詳しくは、ヘテロ接合を含む窒化物半導体に関する。
【０００２】
また、この発明は、そのような窒化物半導体を製造する窒化物半導体の製造方法に関する。
【０００３】
また、この発明は、そのような窒化物半導体を備えた電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
従来、この種の電子デバイスとしては、例えば特許文献１（ＵＳ  ６８４９８８２  Ｂ２）に開示されているように、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層からなるヘテロ接合を含む窒化物半導体を備えた高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：以下「ＨＥＭＴ」という。）が知られている。
【０００５】
一般的なＨＥＭＴは、サファイアやＳｉなどの基板の上に形成されたバッファ層と、ＧａＮチャネル層と、このＧａＮチャネル層の上に形成され、このＧａＮチャネル層とヘテロ接合をなすＡｌＧａＮ障壁層と、ＡｌＧａＮ障壁層の上方に形成されたゲート電極と、このゲート電極の両側に形成され、上記ヘテロ接合の界面に形成された２次元電子ガス（２ Dimensional Electron Gas：以下、適宜「２ＤＥＧ」と略称する。）とオーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備えている。
【０００６】
このように、電子デバイス用の窒化物半導体の場合、一般に、チャネル層の材料としてはＧａＮ、障壁層の材料としてはＡｌＧａＮが用いられる。ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層からなるヘテロ接合では、ＧａＮ結晶内部にｃ軸方向に沿って自発分極が生じる。さらに、ｃ軸方向にＧａＮよりも格子定数の小さいＡｌＧａＮ層を成長させると、ＡｌＧａＮ層に引っ張り応力が生じ、ＡｌＧａＮ層内にピエゾ分極が発生する。これら２つの分極効果により、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面には正の固定電荷が生じる。この固定電荷により、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面のＧａＮ側には高濃度の２ＤＥＧが形成される。ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮチャネル層との間には、２ＤＥＧの移動度を向上させるため、ＡｌＮスペーサ層が挿入されたり、障壁層の表面に障壁層の酸化防止のためのキャップＧａＮが形成されたりする場合もある。また、特許文献２（特許第５５８３６１０号明細書）には、障壁層にＧａをドープすることで、オーミックコンタクト特性を改善する工夫が提示されている。
【０００７】
また、窒化物半導体の結晶成長には、分子線エピタキシ（以下「ＭＢＥ」という。）法、有機金属気相成長法（以下「ＭＯＣＶＤ」という。）等があるが、窒化物半導体を備えたデバイスを量産する場合、温度制御、ウエハ面内均一性、メンテナンス性に優れたＭＯＣＶＤを使用することが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６８４９８８２号明細書（ＵＳ  ６８４９８８２  Ｂ２）
【特許文献２】特許第５５８３６１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＨＥＭＴのような電子デバイスでは、性能向上のために、２ＤＥＧの濃度および移動度を高めることが求められている。
【００１０】
ここで、特許文献１には、ＡｌＧａＮ障壁層の下にＡｌＮスペーサ層を挿入したり、ＡｌＧａＮ障壁層のうち基板に近い部分のＡｌ組成が基板から遠い部分のＡｌ組成より高くなるように層を設計して、キャリアの散乱を抑制し、２ＤＥＧの移動度を改善する仕方が提示されている。
【００１１】
しかしながら、ＡｌＧａＮ障壁層の下にＡｌＮスペーサ層を挿入すると、ＡｌＮスペーサ層とその上に成長する障壁層との間の格子定数の差異から、ＡｌＧａＮ障壁層が３次元的に成長する場合がある。その場合、ＡｌＧａＮ障壁層とＧａＮチャネル層との間の歪が緩和されて、充分な２ＤＥＧ濃度が発生しないという問題が生ずる。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、ヘテロ接合を含む窒化物半導体であって、２ＤＥＧの濃度および移動度を高め得るものを提供することにある。
【００１３】
また、この発明の課題は、そのような窒化物半導体を製造する窒化物半導体の製造方法であって、２ＤＥＧ濃度を高め、２ＤＥＧ濃度のウエハ面内分布を改善できるものを提供することにある。
【００１４】
また、この発明は、そのような窒化物半導体を備えた電子デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体は、
基板上に、少なくともバッファ層と、ＧａＮからなるチャネル層と、このチャネル層とヘテロ接合をなす障壁層とがこの順に積層された積層構造を備え、
上記障壁層は、Ａｌ（α）Ｉｎ（β）Ｇａ（1−α−β）Ａｓ（γ）Ｐ（δ）Ｎ（１−γ−δ）（ただし、０≦α≦１、０≦β≦１、α＋β≦１、０≦γ＜１、０≦δ＜１、γ＋δ＜１である。）からなり、
上記積層構造内で、上記障壁層および上記積層の方向に関して上記障壁層に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域で、Ｃ濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【００１６】
この発明の窒化物半導体では、上記積層構造内で、上記障壁層および上記積層の方向に関して上記障壁層に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域で、Ｃ（炭素）濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以下である。つまり、２ＤＥＧ発生領域において、ドナートラップとして機能する可能性が高いＣ等の不純物が少ない状態が生まれる（この事実は、後述するように、本発明者が実験により発見した。）。この結果、２ＤＥＧ濃度の低下をより確実に避けることができる。これにより、この窒化物半導体を備えた電子デバイスの特性を向上させることができる。
【００１７】
一実施形態の窒化物半導体では、上記ヘテロ接合の界面に沿って発生する２次元電子ガスの濃度を、１０１２ｃｍ−２を単位とする変数ｙで表し、また、上記障壁層のＡｌ組成を、％を単位とする変数ｘで表すとき、
ｙ＞０．５ｘ−４．７５
なる関係が満たされていることを特徴とする。
【００１８】
本明細書で、「１０１２ｃｍ−３を単位とする変数ｙ」とは、２次元電子ガス濃度の有効数字を意味する。つまり、２次元電子ガスの濃度は、ｙ×１０１２ｃｍ−２と表される。また、障壁層のＡｌ組成はｘ％と表される。つまり、ｘ＝１００αに相当する。
【００１９】
一般に、障壁層および積層の方向に関して障壁層に隣接した隣接領域においてＣ等の不純物が多い場合、電子を捕獲するドナートラップが多く、障壁層とチャネル層との格子歪に起因した本来の２ＤＥＧ濃度が低下する。その場合、たとえ障壁層のＡｌ組成が一定であっても、２ＤＥＧ濃度が低下する。ここで、この一実施形態の窒化物半導体では、上記変数ｙと上記変数ｘとの間に、
ｙ＞０．５ｘ−４．７５
なる関係が満たされている。この関係が満たされていることは、障壁層および積層の方向に関して障壁層に隣接した隣接領域においてＣ等の不純物が少ないことを示している（この事実は、後述するように、本発明者が実験により発見した。）。したがって、上記関係が満たされていることにより、上記障壁層および上記隣接領域において、電子を捕獲するドナートラップが少なく、障壁層とチャネル層との格子歪に起因した本来の２ＤＥＧ濃度が低下しにくいことになる。この結果、同一Ａｌ組成における２ＤＥＧ濃度を高めることができる。したがって、この窒化物半導体を備えた電子デバイスは、安定して歩留良く製造され得る。
【００２０】
一実施形態の窒化物半導体では、
基板上に、少なくともバッファ層と、ＧａＮからなるチャネル層と、このチャネル層とヘテロ接合をなす障壁層とがこの順に積層された積層構造を備え、
上記障壁層は、Ａｌ（α）Ｉｎ（β）Ｇａ（1−α−β）Ａｓ（γ）Ｐ（δ）Ｎ（１−γ−δ）（ただし、０≦α≦１、０≦β≦１、α＋β≦１、０≦γ＜１、０≦δ＜１、γ＋δ＜１である。）からなり、
上記ヘテロ接合の界面に沿って発生する２次元電子ガスの濃度を、１０１２ｃｍ−２を単位とする変数ｙで表し、また、上記障壁層のＡｌ組成を、％を単位とする変数ｘで表すとき、
ｙ＞０．５ｘ−４．７５
なる関係が満たされていることを特徴とする。
【００２１】
この一実施形態の窒化物半導体では、上記関係が満たされていることにより、上述のように、上記障壁層および上記隣接領域において、電子を捕獲するドナートラップが少なく、障壁層とチャネル層との格子歪に起因した本来の２ＤＥＧ濃度が低下しにくいことになる。この結果、同一Ａｌ組成における２ＤＥＧ濃度を高めることができる。したがって、この窒化物半導体を備えた電子デバイスは、安定して歩留良く製造され得る。
【００２２】
一実施形態の窒化物半導体では、上記積層構造内で、上記障壁層および上記積層の方向に関して上記障壁層に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域を除いた領域に、Ｃ濃度が１．０×１０１９ｃｍ−３以上であるＣ添加層が含まれていることを特徴とする。
【００２３】
この一実施形態の窒化物半導体では、上記積層構造内に、Ｃ濃度が１．０×１０１９ｃｍ−３以上であるＣ添加層が含まれている。このＣ添加層が存在するのは、上記障壁層および上記積層の方向に関して上記障壁層に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域を除いた領域である。これにより、この窒化物半導体を備えた電子デバイスの特性を向上させることができる。特に、電子デバイスの縦方向（上記積層の方向）の耐圧を向上させることができる。
【００２４】
一実施形態の窒化物半導体では、上記積層構造内で、上記積層の方向に関して上記障壁層よりも上記基板に近い領域に関して、（０００２）面よるＸ線回折の半値全幅が８００ａｒｃｓｅｃ以下であることを特徴とする。
【００２５】
この一実施形態の窒化物半導体では、上記積層構造内で、上記積層の方向に関して上記障壁層よりも上記基板に近い領域に関して、（０００２）面よるＸ線回折の半値全幅が８００ａｒｃｓｅｃ以下である。つまり、ＧａＮからなるチャネル層等の結晶性が良好であり、転位が少ない。この結果、障壁層の転位も抑えられて、転位が起源となる電子のトラップサイト等が少なくなる。これにより、この窒化物半導体を備えた電子デバイスの特性を向上させることができる。
【００２６】
この発明の窒化物半導体の製造方法は、上記窒化物半導体を製造する窒化物半導体の製造方法であって、
上記基板上に、少なくとも上記バッファ層と、上記チャネル層と、上記障壁層とを順次結晶成長させて積層し、
上記チャネル層の結晶成長時に、上記基板の温度を９５０℃以上、１０７０℃以下の第１の温度に設定し、
上記障壁層の結晶成長時に、上記基板の温度を９８０℃以上、１０７０℃以下の第２の温度に設定することを特徴とする。
【００２７】
この発明の窒化物半導体の製造方法では、上記チャネル層の結晶成長時に、上記基板の温度を９５０℃以上、１０７０℃以下の第１の温度に設定し、また、上記障壁層の結晶成長時に、上記基板の温度を９８０℃以上、１０７０℃以下の第２の温度に設定している。つまり、上記チャネル層、上記障壁層の成長温度を比較的高温に設定している。これにより、結晶成長中の結晶表面の原子、前駆体の吸着、離脱、及び成長表面の原子の移動（マイグレーション）のバランスが良好となり、成長表面の凹凸が抑制される。この結果、製造された窒化物半導体において、２ＤＥＧ濃度を高め、さらに２ＤＥＧ濃度のウエハ面内分布を改善することができる。
【００２８】
この発明の電子デバイスは、上記窒化物半導体を備えたことを特徴とする。
【００２９】
上述の窒化物半導体では、障壁層とチャネル層との間の歪を維持して、障壁層の下部、つまりチャネル層の上部での島状成長を抑制できる。したがって、２ＤＥＧ濃度を高めることができる。また、障壁層とチャネル層との間の界面の平坦化を保って、２ＤＥＧ移動度を高めることができる。したがって、この発明の電子デバイスでは、特性を向上させることができる。また、この電子デバイスは、安定して歩留良く製造され得る。
【発明の効果】
【００３０】
以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体によれば、２ＤＥＧの濃度および移動度を高めることができる。
【００３１】
また、この発明の窒化物半導体の製造方法によれば、製造された窒化物半導体の２ＤＥＧ濃度を高め、さらに２ＤＥＧ濃度のウエハ面内分布を改善することができる。
【００３２】
また、この発明の電子デバイスによれば、特性を向上させることができる。また、この電子デバイスは、安定して歩留良く製造され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の一実施形態の窒化物半導体の断面構造を示す図である。
【図２】図１の窒化物半導体を備えた電子デバイスとしてのＨＥＭＴの断面構造を示す図である。
【図３】図１の窒化物半導体における障壁層のＡｌ組成と２ＤＥＧ濃度との間の関係を示す散布図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、この発明の一実施形態の窒化物半導体の断面構造を示している。
【００３５】
この窒化物半導体は、Ｂ（ボロン）ドープされたＳｉ基板１０１上に、ＡｌＮからなる厚さ１００ｎｍのＡｌＮ初期成長層１０２と、ＡｌＧａＮバッファ層１０５と、多層膜バッファ層１０６と、Ｃ（炭素）が添加された厚さ６００ｎｍの耐圧ＧａＮ層１０７と、厚さ１０００ｎｍのＧａＮチャネル層１０８と、厚さ２０ｎｍの障壁層１０９と、厚さ１ｎｍのＧａＮキャップ層１１０とが、この順に積層された積層構造を備えている。ＡｌＧａＮバッファ層１０５では、厚さ２００ｎｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１０３と、厚さ４００ｎｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１０４とが、この順に積層されている。多層膜バッファ層１０６では、ＡｌＮ（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ（厚さ５ｎｍ）／ＡｌＮ（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（厚さ２５ｎｍ）が、６０回繰り返し積層されている。
【００３６】
耐圧ＧａＮ層１０７のＣ濃度は、１．０×１０１９ｃｍ−３以上、この例では２．０×１０１９ｃｍ−３に設定されている。
【００３７】
障壁層１０９は、この例ではＡｌ（α）Ｇａ（1−α）Ｎからなる。特に、この例では、Ｓｉ基板１０１に近い側の部分１０９ａから遠い側の部分１０９ｂまで、α＝０．２０（一定）になっている。
【００３８】
Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる障壁層１０９とＧａＮからなるチャネル層１０８とは、ヘテロ接合を構成している。障壁層１０９とチャネル層１０８とが構成するヘテロ接合のチャネル層１０８側の領域（後述の隣接領域１９０ａ）に、図示しない２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されている。
【００３９】
なお、上記積層構造をなす各層の膜厚、組成は、上に記載された数値に限定されるわけではなく、ウエハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。
【００４０】
図１の窒化物半導体は、例えば次の製造方法によって製造される。
【００４１】
先ず、Ｓｉ基板１０１の表面酸化膜（自然酸化膜）を、フッ酸系のエッチャントで除去する。続いて、そのＳｉ基板１０１を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置にセットする。Ｓｉ基板１０１の温度（以下「基板温度」という。）を１１００℃に設定し、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ圧力を１３．３ｋＰａに設定して、Ｓｉ基板１０１の表面のクリーニングを行う。次に、基板温度・チャンバ圧力を一定とし、チャンバ内にアンモニアＮＨ３を流すことによって、Ｓｉ基板１０１の表面を窒化する。続いて、ＡｌＮ初期成長層１０２を２００ｎｍを成長させる。続いて、基板温度を１１５０℃に設定して、厚さ２００ｎｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層１０３と、厚さ４００ｎｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層１０４とを成長させて、ＡｌＧａＮバッファ層１０５を形成する。続いて、ＡｌＮ（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ（厚さ５ｎｍ）／ＡｌＮ（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（厚さ２５ｎｍ）を６０回繰り返し成長させて、多層膜バッファ層１０６を形成する。
【００４２】
続いて、基板温度を９１２℃に設定して、Ｃ（炭素）が１．０×１０１９ｃｍ−３以上の濃度、この例では２．０×１０１９ｃｍ−３の濃度で添加されたＣ添加層としての厚さ６００ｎｍの耐圧ＧａＮ層１０７を成長させる。
【００４３】
続いて、基板温度を９５０℃以上、１０７０℃以下の第１の温度（この例では、９８８℃）に設定して、厚さ１０００ｎｍのＧａＮチャネル層１０８を成長させる。
【００４４】
続いて、この例では、基板温度を９８０℃以上、１０７０℃以下の第２の温度（この例では、１０１３℃）に設定して、Ａｌ（α）Ｇａ（1−α）Ｎからなる障壁層１０９を成長させる。ここで、ＭＯＣＶＤの原料ガスであるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）の流量を調整することによって、障壁層１０９のＡｌ組成をα＝０．２０（一定）とした。
【００４５】
この後、Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層１０９の上に、厚さ１ｎｍのＧａＮキャップ層１１０を成長させる。
【００４６】
（第２実施形態）
図２は、図１の窒化物半導体を備えたこの発明の一実施形態の電子デバイスとしての高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の断面構造を示している。なお、図２において、図１中の構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００４７】
この電界効果トランジスタは、図１の窒化物半導体（構成要素１０１〜１１０を含む。）上に、追加の構成要素２３５〜２４１、および、２１２〜２１４を備えている。すなわち、図１の窒化物半導体上に、略全域に堆積された第１窒化膜２３５と、ゲート電極形成のために第１窒化膜２３５に形成された開口部２３６と、第１窒化膜２３５上に堆積されゲート絶縁膜としてパターン加工された第２窒化膜２３７と、この第２窒化膜２３７上に形成されたゲート電極２３８と、ゲート電極２３８の両側に離間した箇所に第１窒化膜２３５を貫通して形成されたオーミックコンタクト部２３９，２３９と、それらのオーミックコンタクト部２３９，２３９にそれぞれ形成されたソースオーミック電極２４０、ドレインオーミック電極２４１とを備えている。さらに、それらの上に、略全域に堆積された第１酸化膜２１２と、第１酸化膜２１２を貫通してソースオーミック電極２４０、ドレインオーミック電極２４１にそれぞれ導通するように形成されたソース配線電極２１３、ドレイン配線電極２１４を備えている。
【００４８】
上記ソースオーミック電極２４０およびドレインオーミック電極２４１は、Ｔｉ／Ａｌ合金からなるオーミック電極であり、障壁層１０９とチャネル層１０８とのヘテロ接合界面に沿って形成される２ＤＥＧ（図示せず）とそれぞれオーミック接触している。また、ゲート電極２３８は、Ｗ／ＷＮ積層構造からなる電極である。
【００４９】
この電界効果トランジスタは、図１の窒化物半導体（構成要素１０１〜１１０を含むウエハ）上に、フォトリソグラフィ工程を含む公知のプロセスを適用して製造され得る。
【００５０】
（比較例１）
図１の窒化物半導体に対する、比較例１としての窒化物半導体を次のようにして作製した。すなわち、Ｓｉ基板１０１上に、ＡｌＮ初期成長層１０２から耐圧ＧａＮ層１０７までを、図１の窒化物半導体におけるのと全く同様に積層した。
【００５１】
続いて、基板温度を９３０℃に設定して、厚さ１０００ｎｍのＧａＮチャネル層（区別のために、これを符号１０８′で表す。）を成長させた。この９３０℃という温度は、図１中のＧａＮチャネル層１０８を成長させたときの第１の温度の範囲（９５０℃以上、１０７０℃以下）よりも低く設定されている。
【００５２】
続いて、基板温度を９４１℃に設定して、厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層（区別のために、これを符号１０９′で表す。）を成長させた。この９４１℃という温度は、図１中のＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層１０９を成長させたときの第２の温度の範囲（９８０℃以上、１０７０℃以下）よりも低く設定されている。
【００５３】
この後、Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層１０９′の上に、厚さ１ｎｍのＧａＮキャップ層１１０を成長させる。
【００５４】
このように、比較例１の窒化物半導体を、ＧａＮチャネル層１０８′、Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層１０９′成長時の基板温度以外の点ついては、図１の窒化物半導体におけるのと同じに設定して作製した。
【００５５】
この比較例１の窒化物半導体に対して、図１の窒化物半導体を用いた場合と同様に、図２中に示した構成要素２３５〜２４１、および、２１２〜２１４を追加することによって、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を作製した。
【００５６】
図１の窒化物半導体を備えたＨＥＭＴ（これを「実施例１のＨＥＭＴ」と呼ぶ。）と比較例１の窒化物半導体を備えたＨＥＭＴ（これを「比較例１のＨＥＭＴ」と呼ぶ。）とに関して、負荷試験での歩留を比較した。ここで、負荷試験は、２ＤＥＧ濃度、移動度の低下により影響を受ける項目として、オン抵抗の変動（コラプス特性）と、電界上昇による素子破壊等の信頼性に関する項目を含んでいる。
【００５７】
オン抵抗の変動（コラプス特性）は、次のようにして測定する。
ｉ）  ゲート電圧Ｖｇ＝０Ｖの状態で、ソース・ドレイン間に一定電流（例えば、０．６Ａ）を流して、初期のオン抵抗を測定する（このときのオン抵抗をＲ１とする。）。
ii）  ゲート電圧Ｖｇ＝−１０Ｖ（オフ状態）で、ソース・ドレイン間電圧Ｖｓｄを４００Ｖに期間１００ｍｓｅｃだけ保つ。
iii）  ゲート電圧Ｖｇ、ソース・ドレイン間電圧Ｖｓｄをいずれもオフして、期間１００ｍｓｅｃだけ待機する。
iv）  ゲート電圧Ｖｇ＝０Ｖの状態で、ソース・ドレイン間に一定電流（この例では、０．６Ａ）を流して、後のオン抵抗を測定する（このときのオン抵抗をＲ２とする。）。
ｖ）  オン抵抗の変動（＝Ｒ２／Ｒ１）が１．２以下であるか否かを測定する。そして、オン抵抗の変動（＝Ｒ２／Ｒ１）が１．２以下であればＯＫ（合格）と判定する一方、１．２超であればＮＧ（不合格）と判定する。
【００５８】
電界上昇による素子破壊は、次のようにして測定する。すなわち、ゲート電圧Ｖｇ＝−１０Ｖ（オフ状態）で、ソース・ドレイン間電圧Ｖｓｄを０Ｖから１０００Ｖまで印加する。そして、素子（ＨＥＭＴ）が破壊されなければＯＫ（合格）と判定する一方、破壊されればＮＧ（不合格）と判定する。
【００５９】
実際に負荷試験を行ったところ、実施例１のＨＥＭＴの負荷試験での歩留は、９２．０％であった。これに対して、比較例１のＨＥＭＴの負荷試験での歩留は、６３．１％であった。このように、実施例１のＨＥＭＴによれば、比較例１のＨＥＭＴに比して、負荷試験での歩留を改善できた。
【００６０】
このように負荷試験での歩留を改善できた理由は、次のように考えられる。すなわち、実施例１のＨＥＭＴでは、チャネル層１０８の結晶成長時に、基板温度を９５０℃以上、１０７０℃以下の第１の温度に設定し、また、障壁層１０９の結晶成長時に、基板温度を９８０℃以上、１０７０℃以下の第２の温度に設定している。つまり、チャネル層１０８、障壁層１０９の成長温度を比較的高温に設定している。これにより、結晶成長中の結晶表面の原子、前駆体の吸着、離脱、及び成長表面の原子の移動（マイグレーション）のバランスが良好となり、成長表面の凹凸が抑制される。この結果、製造された窒化物半導体において、２ＤＥＧ濃度、２ＤＥＧ移動度を向上させ、さらに２ＤＥＧ濃度のウエハ面内分布を改善することができる。
【００６１】
この改善の理由として、具体的には次のことが考えられる。まず、成長温度（基板温度）を高温にすることで、結晶成長中にＣ等の不純物（２ＤＥＧ発生領域においてドナートラップとして機能する）が窒化物半導体に取込まれるのを抑制することができる。このことにより、同一Ａｌ組成における２ＤＥＧ濃度を増加させ、さらにウエハ面内での２ＤＥＧ濃度分布のばらつきを抑制して、ウエハ面内分布を改善できる。ひいては、デバイス特性の揃ったチップを製造できて、歩留向上に寄与することができる。
【００６２】
なお、成長温度が高すぎると、結晶構成元素の離脱が影響し、成長表面の凹凸が激しくなったり、結晶性が低下することが考えられる。
【００６３】
（第３実施形態）
（障壁層のＡｌ組成と２ＤＥＧ濃度との関係）
図１の窒化物半導体等について、本発明者は実験を行って、フォトルミネッセンス法によって「障壁層のＡｌ組成」を評価した。また、ウエハ面内に特性評価用の領域を組み込み、Ｈａｌｌ効果測定によって、障壁層１０９下の「２ＤＥＧ濃度」を評価した。
【００６４】
ここで、障壁層１０９下の「２ＤＥＧ濃度」は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ等の結晶成長膜である障壁層１０９（およびキャップ層１１０）の上方に膜が形成されていない状態で評価した。なお、評価に際して、障壁層１０９（およびキャップ層１１０）の上方に絶縁膜等が形成されている場合は、Ｈａｌｌ効果測定時とは歪が異なり、２ＤＥＧ濃度がシフトする場合があることに注意した。
【００６５】
図３は、図１の窒化物半導体等について、そのようにして評価された障壁層１０９のＡｌ組成と障壁層１０９下の２ＤＥＧ濃度との関係を示している。詳しくは、図３中の「○」印は、図１の窒化物半導体であって、特にチャネル層１０８、障壁層１０９の結晶成長時に基板温度が９８０℃〜１０５０℃の範囲内に設定されたサンプルのデータを示している。一方、「×」印は、比較例１の窒化物半導体であって、チャネル層１０８′、障壁層１０９′の結晶成長時に基板温度が９３０℃〜９６０℃の範囲内に設定されたサンプルのデータを示している。
【００６６】
図３から分かるように、○印のサンプル（図１の窒化物半導体）のデータは直線Ｌよりも上方に分布する一方、「×」印のサンプル（比較例１の窒化物半導体）のデータは直線Ｌよりも下方に分布している。ここで、直線Ｌは、障壁層１０９下の２ＤＥＧ濃度を、１０１２ｃｍ−２を単位とする変数ｙで表し、また、障壁層１０９のＡｌ組成を、％を単位とする変数ｘで表すとき、
ｙ＝０．５ｘ−４．７５
なる関係で表される。この図３の結果によって、図１の窒化物半導体は、比較例１の窒化物半導体に比して、同一Ａｌ組成における２ＤＥＧ濃度を高め得ることを検証できた。
【００６７】
このことは、
ｙ＞０．５ｘ−４．７５
なる関係が満たされていれば、障壁層１０９、および、積層方向に関して障壁層１０９に対してＳｉ基板１０１に近い側に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域１９０ａ（２ＤＥＧ発生領域）で、電子を捕獲するドナートラップが少なく、障壁層１０９とチャネル層１０８との格子歪に起因した本来の２ＤＥＧ濃度が低下しにくいことを示している。この結果、上述のように同一Ａｌ組成における２ＤＥＧ濃度を高め得るのである。したがって、この窒化物半導体を備えた電子デバイス（上の例では、ＨＥＭＴ）は、安定して歩留良く製造され得る。
【００６８】
（第４実施形態）
（Ｃ濃度について）
図３中の○印のサンプル（図１の窒化物半導体）、「×」印のサンプル（比較例１の窒化物半導体）のそれぞれについて、本発明者はＳＩＭＳ（2次イオン質量分析法:Secondary Ion Mass Spectrometry）による解析を行って、Ｃ濃度を評価した。
【００６９】
その結果、○印のサンプル（図１の窒化物半導体）は全て、上記積層構造内で、障壁層１０９、および、積層方向に関して障壁層１０９に隣接した２００ｎｍ以内の隣接領域１９０ａ，１９０ｂでは、主たる不純物であるＣ濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以下、もしくはＳＩＭＳ装置の検出限界１．０×１０１７ｃｍ−３以下であった。一方、「×」印のサンプル（比較例１の窒化物半導体）は全て、同じ領域で、Ｃ濃度が２．５×１０１８ｃｍ−３以上であった。
【００７０】
この結果は、図１の窒化物半導体では、特に障壁層１０９からＳｉ基板１０１に近い側の隣接領域１９０ａでＣ濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以下であることにより、２ＤＥＧ発生領域において、ドナートラップとして機能する可能性が高いＣ等の不純物が少ない状態が生まれることを示している。この結果、２ＤＥＧ濃度の低下をより確実に避けることができる。これにより、この窒化物半導体を備えた電子デバイス（上の例では、ＨＥＭＴ）の特性を向上させることができる。
【００７１】
また、図１の窒化物半導体では、障壁層１０９および隣接領域１９０ａ，１９０ｂを除いた領域に、Ｃ濃度が１．０×１０１９ｃｍ−３以上であるＣ添加層としての耐圧ＧａＮ層１０７が含まれている。これにより、この窒化物半導体を備えた電子デバイスの特性を向上させることができる。特に、電子デバイスの縦方向（上記積層の方向）の耐圧を向上させることができる。また、２ＤＥＧの濃度および移動度を高めることができる。ひいては、デバイス特性の揃ったチップを製造できて、歩留向上に寄与することができる。
【００７２】
（第５実施形態）
（Ｘ線回折の半値全幅について）
図１の窒化物半導体の、積層方向に関して障壁層１０９よりもＳｉ基板１０１に近い領域、具体的には、ＧａＮチャネル層１０８からＳｉ基板１０１までの領域について、（０００２）面よるＸ線回折を観測したところ、Ｘ線回折の半値全幅が６２０ａｒｃｓｅｃであった。この観測結果は、ＧａＮチャネル層１０８等の結晶性が良好であり、転位が少ないことを示している。この結果、障壁層１０９の転位も抑えられて、転位が起源となる電子のトラップサイト等が少なくなる。
【００７３】
この観測結果から分かるように、積層方向に関して障壁層１０９よりもＳｉ基板１０１に近い領域について、（０００２）面よるＸ線回折の半値全幅が８００ａｒｃｓｅｃ以下であるのが望ましい。これにより、この窒化物半導体を備えた電子デバイスの特性を向上させることができる。ひいては、デバイス特性の揃ったチップを製造できて、歩留向上に寄与することができる。
【００７４】
（第６実施形態）
（障壁層の組成について）
図１の窒化物半導体では、障壁層１０９はＡｌ（α）Ｇａ（1−α）Ｎからなるものとしたが、これに限られるものではない。障壁層１０９はＡｌ（α）Ｉｎ（β）Ｇａ（1−α−β）Ａｓ（γ）Ｐ（δ）Ｎ（１−γ−δ）（ただし、０≦α≦１、０≦β≦１、α＋β≦１、０≦γ＜１、０≦δ＜１、γ＋δ＜１である。）からなっていてもよい。すなわち、障壁層１０９の組成に関して、ＡｌのサイトにＩｎを入れ、ＮのサイトにＡｓもしくはＰ等を入れることにより、格子定数が調整することが可能となる。知られているように、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの原子半径はそれぞれ１．１８Å、１．３６Å、１．５６Åであり、Ｎ、Ｐ、Ａｓの原子半径はそれぞれ０．５６Å、０．９８Å、１．１４Åである。したがって、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＮ、Ｐ、Ａｓの比率を調整することによって、格子定数を調整することが可能となる。これにより、上述の島状成長を抑制しつつ、さらに障壁層１０９とチャネル層１０８との間の歪を保った状態で、エピタキシャル成長することが可能となる。これにより、この発明の窒化物半導体を、エピタキシャル成長によって、安定して作製できる。
【００７５】
上述の実施形態は例示に過ぎず、この発明の範囲から逸脱することなく種々の変形が可能である。例えば、既述のように、図１の窒化物半導体の各層の膜厚、組成は、上に記載された数値に限定されるわけではなく、ウエハの反り調整等に応じて変化させることが可能である。各実施の形態の構成要素は、他の実施の形態と適合できる範囲で適宜組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０１  Ｓｉ基板
１０２  ＡｌＮ初期成長層
１０５  ＡｌＧａＮバッファ層
１０６  多層膜バッファ層１０６
１０７  耐圧ＧａＮ層
１０８  ＧａＮチャネル層
１０９  Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ障壁層１０９
１１０  ＧａＮキャップ層
【図１】
2019003963.tif 000003
【図２】
2019003963.tif 000004
【図３】
2019003963.tif 000005