(57)【要約】【課題】ヘテロ接合構造のＨＦＥＴ素子の製造時に発生するリーク電流の増加と降伏電圧の減少を最小限に抑えるために、積層方向に従ってＡｌ組成が変化するＡｌＧａＮ多重層及びＳｉｘＮｙ層を備える窒化物半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態による半導体素子は、バッファ層１１０と、バッファ層１１０上に形成されたＡｌＧａＮ多重層１２０と、ＡｌＧａＮ多重層１２０上に形成されたＧａＮチャネル層１３０と、ＧａＮチャネル層１３０上に形成されたＡｌＧａＮ障壁層１４０とを含み、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って変化する。【選択図】図１
2015135946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ多重層と、
前記ＡｌＧａＮ多重層上に形成されたＧａＮチャネル層と、
前記ＧａＮチャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ障壁層とを含み、
前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って変化することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＮ多重層は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含み、
前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、１％〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加又は減少することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加し、特定のＡｌ組成から前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って減少することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記ＡｌＧａＮ多重層の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記ＡｌＧａＮ障壁層上に形成されたＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記ＳｉｘＮｙ層のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記ＳｉｘＮｙ層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記ＳｉｘＮｙ層は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にインサイチュ（In-Situ）で成長したものであることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記ＧａＮチャネル層には、Ｍｇ、Ｃ及びＦｅの少なくとも１つのドーパントがドーピングされ、
前記少なくとも１つのドーパントの濃度は、３×１０１７／ｃｍ3〜１×１０２０／ｃｍ3であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記ＡｌＧａＮ障壁層の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍであり、
前記ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成は、１０％〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記バッファ層は、基板上に形成され、
前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア及びＧａＮの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項１４】
基板上にバッファ層を形成する段階と、
前記バッファ層上にＡｌＧａＮ多重層を形成する段階と、
前記ＡｌＧａＮ多重層上にＧａＮチャネル層を形成する段階と、
前記ＧａＮチャネル層上にＡｌＧａＮ障壁層を形成する段階とを含み、
前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加することを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ＡｌＧａＮ多重層は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含み、
前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って１％〜７０％増加し、
前記ＡｌＧａＮ多重層の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記ＡｌＧａＮ障壁層上にＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
前記ＳｉｘＮｙ層のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であり、
前記ＳｉｘＮｙ層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
前記ＳｉｘＮｙ層は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にインサイチュ（In-Situ）で成長したものであることを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
前記バッファ層、前記ＡｌＧａＮ多重層、前記ＧａＮチャネル層及び前記ＡｌＧａＮ障壁層の少なくとも１つは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング及び原子層堆積法（ＡＬＤ）の少なくとも１つにより形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然エネルギーが推奨されることにより電力半導体の重要性がさらに高まっている。現在、電気自動車、エアコン、冷蔵庫などのインバータに用いられる電力半導体はシリコンで作製されているが、次世代電力半導体素子の材料として、シリコンに比べて高い臨界電界、低いオン抵抗、高温、高周波動作特性が注目されている窒化物半導体の先端的研究が行われている。
【０００３】
近年、高出力電力素子には、主流としてＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）とＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）があり、ＧａＮ系においてはＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）、ＨＦＥＴ（Hetero-structure Field-Effect Transistor）やＭＯＳＦＥＴなどの素子が研究されている。
【０００４】
ＨＥＭＴは、高い電子移動度を利用して、電力用半導体や高周波特性の通信素子などに用いられている。近年、ハイブリッド／燃料電池自動車の開発が行われており、世界各国の様々な企業がハイブリッド自動車を市場に投入している。ハイブリッド自動車内でモータと発電機（ジェネレータ）を連結する昇圧型コンバータ（voltage boost converter）及びインバータ内の半導体スイッチは、エンジンから発生する熱により、信頼性のある高温動作が要求される。ＧａＮは、ワイドバンドギャップにより信頼性のある高温動作が可能であり、ハイブリッド自動車内の次世代半導体スイッチに適している。
【０００５】
一例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴディスクリートが古河電気工業株式会社により発表されており、これは、７５０Ｖの高い降伏電圧（ブレークダウン電圧）と６．３ｍΩ・ｃｍ2の低いオン抵抗を有し、既存のＳｉ ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ ＭＥＳＦＥＴよりも優れた特性を有することが証明された。また、発表されたＧａＮディスクリートは、２２５℃の高温でも安定したスイッチング動作を示した。
【０００６】
図７は一般的なＨＦＥＴの構造の一例を示す図である。
【０００７】
一般的なＨＦＥＴにおいては、ドレイン電極からソース電極に流れる２ＤＥＧ電流をショットキーゲート電極によりスイッチングすることができる。
【０００８】
図７に示すように、一般的なＨＦＥＴ１０は、基板（図示せず）と、前記基板上に形成される第１ＧａＮ層１１と、第１ＧａＮ層１１上に形成されるＡｌＧａＮ層１２と、ＡｌＧａＮ層１２上に形成される第２ＧａＮ層１３と、第２ＧａＮ層１３上に形成されるゲート電極１４、ソース電極１５及びドレイン電極１６とを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような高電力半導体素子を小さい面積のチップに実現する場合、リーク電流レベル（leakage current level）が非常に重要である。
【００１０】
しかし、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴを製造する際に、欠陥を有するＧａＮ（defective GaN）の特性によりリーク電流が増加し、高電力窒化物系半導体素子の製造が困難になることがあった。
【００１１】
また、リーク電流特性を改善するために、ＧａＮバッファ層の成長条件を用いてリーク電流を低減した場合、エピ層の歪み（strain）及び品質（quality）に直接的な影響を及ぼすことがあった。
【００１２】
そこで、本発明は、ヘテロ接合構造のＨＦＥＴ素子の製造時に発生するリーク電流の増加と降伏電圧の減少を最小限に抑えるために、積層方向に従ってＡｌ組成が変化するＡｌＧａＮ多重層及びＳｉｘＮｙ層を備える窒化物半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明による半導体素子は、バッファ層と、前記バッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ多重層と、前記ＡｌＧａＮ多重層上に形成されたＧａＮチャネル層と、前記ＧａＮチャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ障壁層とを含み、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って変化するようにしてもよい。
【００１４】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。
【００１５】
本発明の一態様において、前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であってもよい。
【００１６】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、１％〜７０％であってもよい。
【００１７】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加するようにしてもよい。
【００１８】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【００１９】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加し、特定のＡｌ組成から前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【００２０】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【００２１】
本発明の一態様において、前記半導体素子は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上に形成されたＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層をさらに含んでもよい。
【００２２】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であってもよい。
【００２３】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。
【００２４】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層は、ＳｉＨ4及びＮＨ3により形成されたものであってもよい。
【００２５】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にインサイチュ（In-Situ）で成長したものであってもよい。
【００２６】
本発明の一態様において、前記バッファ層の厚さは、２μｍ〜７μｍであってもよい。
【００２７】
本発明の一態様において、前記バッファ層は、ＧａＮからなるものであってもよい。
【００２８】
本発明の一態様において、前記ＧａＮチャネル層の厚さは、５０ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【００２９】
本発明の一態様において、前記ＧａＮチャネル層には、Ｍｇ、Ｃ及びＦｅの少なくとも１つのドーパントがドーピングされてもよい。
【００３０】
本発明の一態様において、前記少なくとも１つのドーパントの濃度は、３×１０１７／ｃｍ3〜１×１０２０／ｃｍ3であってもよい。
【００３１】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ障壁層の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍであってもよい。
【００３２】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成は、１０％〜３０％であってもよい。
【００３３】
本発明の一態様において、前記バッファ層は、基板上に形成されたものであってもよい。
【００３４】
本発明の一態様において、前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア及びＧａＮの少なくとも１つからなるものであってもよい。
【００３５】
本発明の一態様において、前記半導体素子は、前記ＡｌＧａＮ障壁層の一部の領域上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極をさらに含んでもよい。
【００３６】
上記目的を達成するために、本発明による半導体素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成する段階と、前記バッファ層上にＡｌＧａＮ多重層を形成する段階と、前記ＡｌＧａＮ多重層上にＧａＮチャネル層を形成する段階と、前記ＧａＮチャネル層上にＡｌＧａＮ障壁層を形成する段階とを含み、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加する。
【００３７】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。
【００３８】
本発明の一態様において、前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であってもよい。
【００３９】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って１％〜７０％増加するものであってもよい。
【００４０】
本発明の一態様において、前記ＡｌＧａＮ多重層の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【００４１】
本発明の一態様において、前記半導体素子の製造方法は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層を形成する段階をさらに含んでもよい。
【００４２】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であってもよい。
【００４３】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。
【００４４】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層は、ＳｉＨ4及びＮＨ3により形成されたものであってもよい。
【００４５】
本発明の一態様において、前記ＳｉｘＮｙ層は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にインサイチュで成長したものであってもよい。
【００４６】
本発明の一態様において、前記バッファ層、前記ＡｌＧａＮ多重層、前記ＧａＮチャネル層及び前記ＡｌＧａＮ障壁層の少なくとも１つは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング及び原子層堆積法（ＡＬＤ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。
【発明の効果】
【００４７】
本発明による半導体素子においては、ＡｌＧａＮ多重層及びＳｉｘＮｙ層により上下リークパス及び表面リークパスを低減し、全体として半導体素子の降伏電圧を増加させることにより、高出力・高効率の半導体素子を実現できるという利点がある。
【００４８】
また、追加される層（例えば、ＡｌＧａＮ多重層）による２ＤＥＧの減少をＳｉｘＮｙ層で補償することにより、２ＤＥＧ特性が低下することなく、所望のリーク電流低減結果が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態による半導体素子の構造の一例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＡｌ組成変化の一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＡｌ組成変化の他の例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるＡｌ組成変化のさらに他の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａに続く工程を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｂに続く工程を示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｃに続く工程を示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｄに続く工程を示す図である。
【図７】一般的なＨＦＥＴの構造の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
本発明は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）及びその製造方法に適用することができる。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の技術思想を適用できる全ての窒化物半導体素子及びその製造方法に適用することができる。
【００５１】
近年、窒化物半導体成長技術により、紫外線から赤色波長帯までを包括する発光ダイオードや青紫色レーザダイオードが開発されており、信号灯、電光掲示板、携帯電話などに広く用いられている。
【００５２】
窒化物半導体を用いた電力素子は、Ｓｉをベースとする素子に比べて、スイッチング速度が速く、電子飽和速度が高く、耐電圧特性に優れており、高出力・高電圧用として多くの利点を有する。
【００５３】
すなわち、窒化物半導体を代表するＧａＮは、バンドギャップエネルギーが大きく、ヘテロ接合により２次元の２ＤＥＧチャネルを形成することができるので、臨界電圧が大きく、高速動作を行うことができる。
【００５４】
このような高出力・高速特性は高い動作電圧及びスイッチングにおける少ないエネルギー損失が求められる電力半導体に非常に適しているので、ＧａＮが次世代電力半導体の材料として注目されている。
【００５５】
このような窒化物をベースとするＨＦＥＴを製造するためには、２ＤＥＧ構造を有するエピ層を成長させなければならないが、このとき用いられる通常の基板は主にサファイア、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮなどである。
【００５６】
ここで、Ｓｉ基板は、大量化が可能であり、安価であるので、窒化物電力半導体の基板として多くの利点を有するが、ＳｉはＧａＮに比べて熱膨張係数が小さいので、成長後の冷却時にＧａＮ層に引張応力がかかってクラックが発生する確率が高くなる。
【００５７】
すなわち、化合物半導体は、一般的に異種基板上に用いられるので格子定数の違いによるストレス及び欠陥が発生することがあり、化合物の不完全な結合による結晶欠陥などにより高品質のエピ層を成長させることが困難であり、様々なリークパス（リーク電流パス）が存在するという欠点があり得る。
【００５８】
具体的には、電力半導体において、窒化物半導体、例えばＧａＮは、高い降伏電圧と低いオン抵抗を有する素子であって脚光を浴びている。
【００５９】
しかし、ＧａＮを欠陥がなく格子不整合（lattice mismatch）が小さくなるように成長させるには、その基板のコストが高く、製作が難しいので、素子の成長に困難があり得る。
【００６０】
また、サファイアやＳｉＣを成長させて工程を行う場合は、従来の半導体工程を適用することができず、新たな工程プロセスを開発しなければならない。この理由により、コストが低く、既に半導体工程方法が確立されている基板であるシリコンが用いられている。しかし、シリコンは、窒化物半導体であるＧａＮとの格子不整合が大きいので、その直上に成長させた場合は、エピ層が欠陥を含んで成長することになり、素子を製造した場合は、欠陥がリークパスとして作用して素子のリーク電流を増加させる。
【００６１】
これを解決する方法としては、ＧａＮバッファ層に炭素やＭｇなどのドーパントを高濃度にドーピング（highly doping）して深いアクセプタレベル（deep acceptor level）にすることによりリーク電流を低減したり、ＧａＮバッファ層自体のエピ品質（epi quality）を向上させて欠陥密度（defect density）を低減することによりリークパスを遮断する方法がある。
【００６２】
あるいは、厚いＧａＮバッファ層を用いてエピ特性を向上させる素子製造方法もある。
【００６３】
ただし、前述した方法は、ＧａＮバッファ層の成長条件を変えて行わなければならない方法であり、素子全体の歪み、それに関連する反り（bow）及びエピ品質への影響をもたらすことがある。
【００６４】
しかし、層の挿入によるリーク電流の低減は、特定のリークパスを低減する方法であって、エピ自体には大きな変化がないながらも最も大きい２つのリークパスである上下リークパス（vertical leakage path）及び表面リークパス（surface leakage path）を低減できるという利点を有する。
【００６５】
本発明は、窒化物半導体ＨＦＥＴ素子の製造方法に関し、高電力デバイス（high power device）を作製するための素子の製造方法及び構造に関する。
【００６６】
具体的には、本発明においては、ＧａＮバルク中に１〜７０％のＡｌＧａＮ層（又はＡｌＧａＮ多重層）を挿入することにより、伝導帯レベル（conduction band level）を高め、電子（エレクトロン）がＧａＮバルク側に突き抜け（penetrate）ないようにし、これによりＨＥＭＴエピ構造（epi structure）のリークパスの１つである上下リーク電流を低減することにより、素子の降伏電圧特性を向上させることができる。
【００６７】
また、本発明においては、表面にＡｌＧａＮ層（又はＡｌＧａＮ多重層）上にインサイチュでＳｉｘＮｙ層を成長させることにより、ＨＦＥＴのエピ構造における主なリークパスである表面パスを低減することができる。
【００６８】
前記ＡｌＧａＮ多重層は、リーク電流を遮断する機能を有するので、ＡｌＧａＮバックバリア層（AlGaN Back Barrier Layer）ともいう。
【００６９】
さらに、前記ＡｌＧａＮ多重層及びインサイチュの前記ＳｉｘＮｙ層が適用された窒化物系半導体素子は、表面リーク電流及び上下リーク電流が低減され、半導体素子全体のリーク電流レベルが低くなり、ＡｌＧａＮバックバリア層により減少し得る２ＤＥＧをＳｉｘＮｙ層で補償できるという利点を有する。
【００７０】
つまり、本発明は、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ構造において、ＳｉｘＮｙ層とＡｌＧａＮ多重層（又はＡｌＧａＮバックバリア層）の２つの層を追加することにより、リーク電流レベルを低くすることを目的とする。
【００７１】
さらに、本発明は、ＡｌＧａＮ多重層により減少し得る２ＤＥＧをＳｉｘＮｙ層により補償することにより、素子のリーク電流特性のみを低減できるという効果がある。
【００７２】
本明細書で使用される技術用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されるものであり、本発明を限定するものではない。また、本明細書で使用される技術用語は、本明細書において特に断らない限り、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に一般的に理解される意味で解釈されるべきであり、非常に包括的な意味で解釈されたり、非常に狭い意味で解釈されるべきではない。さらに、本明細書で使用される技術用語が本発明の思想を正確に表現できない間違った技術用語である場合は、当業者が正しく理解できる技術用語で代替して理解すべきである。さらに、本明細書で使用される一般的な用語は、辞書の定義に従って、又は前後の文脈によって解釈されるべきであり、非常に狭い意味で解釈されるべきではない。
【００７３】
そして、本明細書で使用される単数の表現は、特に断らない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「構成される」や「含む」などの用語は、明細書に記載された様々な構成要素又は段階の全てを必ず含むものと解釈されるべきではなく、そのうち一部の構成要素又は段階を含まないこともあり、追加の構成要素又は段階をさらに含むこともあるものと解釈されるべきである。
【００７４】
さらに、本明細書で使用される第１、第２などのように序数を含む用語は様々な構成要素を説明するために使用されるが、前記構成要素は前記用語により限定されるものではない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素と区別する目的でのみ使用される。例えば、本発明の権利範囲から外れない限り、第１構成要素は第２構成要素と命名してもよく、同様に、第２構成要素は第１構成要素と命名してもよい。
【００７５】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明するが、図面番号に関係なく同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００７６】
また、本発明を説明するにあたって、関連する公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。なお、添付図面は本発明の思想を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本発明の思想が制限されるように解釈されるべきではない。
【００７７】
以下、図１〜図４を参照して本発明の一実施形態による半導体素子の構造及びその製造方法について説明する。
【００７８】
本発明の一実施形態による半導体素子
【００７９】
本発明の一実施形態による半導体素子は、バッファ層と、前記バッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ多重層と、前記ＡｌＧａＮ多重層上に形成されたＧａＮチャネル層と、前記ＧａＮチャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ障壁層とを含む。
【００８０】
ここで、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って変化するようにしてもよい。
【００８１】
一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。
【００８２】
また、一実施形態によれば、前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であってもよい。
【００８３】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、１％〜７０％であってもよい。
【００８４】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加するようにしてもよい。
【００８５】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【００８６】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加し、特定のＡｌ組成から前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【００８７】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【００８８】
さらに、一実施形態による半導体素子は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上に形成されたＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層を含んでもよい。
【００８９】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であってもよい。
【００９０】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。
【００９１】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層は、ＳｉＨ4及びＮＨ3により形成されたものであってもよい。
【００９２】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にインサイチュで成長したものであってもよい。
【００９３】
さらに、一実施形態によれば、前記バッファ層の厚さは、２μｍ〜７μｍであってもよい。
【００９４】
さらに、一実施形態によれば、前記バッファ層は、ＧａＮからなるものであってもよい。
【００９５】
さらに、一実施形態によれば、前記ＧａＮチャネル層の厚さは、５０ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【００９６】
さらに、一実施形態によれば、前記ＧａＮチャネル層には、Ｍｇ、Ｃ及びＦｅの少なくとも１つのドーパントがドーピングされてもよい。
【００９７】
さらに、一実施形態によれば、前記少なくとも１つのドーパントの濃度は、３×１０１７／ｃｍ3〜１×１０２０／ｃｍ3であってもよい。
【００９８】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ障壁層の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍであってもよい。
【００９９】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成は、１０％〜３０％であってもよい。
【０１００】
さらに、一実施形態によれば、前記バッファ層は、基板上に形成されたものであってもよい。
【０１０１】
さらに、一実施形態によれば、前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア及びＧａＮの少なくとも１つからなるものであってもよい。
【０１０２】
さらに、一実施形態による半導体素子は、前記ＡｌＧａＮ障壁層の一部の領域上に形成されたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極をさらに含んでもよい。
【０１０３】
図１は本発明の一実施形態による半導体素子の構造の一例を示す図である。
【０１０４】
図１に示すように、本発明の一実施形態による半導体素子１００は、バッファ層１１０と、ＡｌＧａＮ多重層１２０と、ＧａＮチャネル層１３０と、ＡｌＧａＮ障壁層１４０とを含む。
【０１０５】
さらに、半導体素子１００は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０上に形成されたＳｉｘＮｙ層１５０をさらに含んでもよい。
【０１０６】
さらに、半導体素子１００は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の一部の領域上に形成されたソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０をさらに含んでもよい。
【０１０７】
具体的には、図１を参照すると、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の一部の領域上には、ソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０が形成され、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の残りの領域上には、ＳｉｘＮｙ層１５０が形成される。
【０１０８】
本発明の一実施形態による半導体素子１００は、ドレイン電極１８０からソース電極１７０に流れる２ＤＥＧ（ＣＤＥＧ）電流をショットキーゲート電極１６０によりスイッチングすることができる。
【０１０９】
バッファ層１１０は、基板（図示せず）上に形成されたものであってもよい。
【０１１０】
一実施形態によれば、前記基板は、ｎ型であってもよく、ｐ型であってもよく、様々な種類の物質からなるようにしてもよい。例えば、前記基板は、絶縁性基板、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板及びＳｉ基板の少なくとも１つからなるものであってもよい。その他にも様々な種類の物質からなる基板を本発明による半導体素子に適用できることは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。
【０１１１】
また、前記基板は、半導体素子１００を製造した後に除去してもよい。つまり、最終の半導体素子１００の構造は、前記基板のない構造であり得る。
【０１１２】
バッファ層１１０は、ＧａＮからなるバッファ層（又はＧａＮバッファ層）であってもよい。
【０１１３】
バッファ層１１０の厚さは、２μｍ〜７μｍであってもよい。
【０１１４】
バッファ層１１０は、様々な方式（又は方法）で形成することができる。例えば、バッファ層１１０は、窒化物半導体結晶を選択的に成長させる方法により形成することができるが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）及びハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。ただし、バッファ層１１０の結晶性を考慮してデバイス作製にＭＯＣＶＤ法を用いるのが一般的である。
【０１１５】
ＡｌＧａＮ多重層１２０は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。
【０１１６】
図１はＡｌ組成が異なるｎ個のＡｌＧａＮ層１２０＿１〜１２０＿ｎを含むＡｌＧａＮ多重層１２０を示す。
【０１１７】
一実施形態によれば、前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であってもよい（すなわち、ｎ＝３０）。
【０１１８】
一実施形態によれば、ＡｌＧａＮ多重層１２０の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【０１１９】
ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、１％〜７０％（又は０．０１〜０．７）であってもよい。
【０１２０】
ＡｌＧａＮ多重層１２０は、様々な方式（又は方法）で形成することができる。例えば、ＡｌＧａＮ多重層１２０は、窒化物半導体結晶を選択的に成長させる方法により形成することができるが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）及びハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。ただし、ＡｌＧａＮ多重層１２０の結晶性を考慮してデバイス作製にＭＯＣＶＤ法を用いるのが一般的である。
【０１２１】
一実施形態によれば、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って変化するようにしてもよい。
【０１２２】
ここで、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従ったＡｌ組成変化は様々である。
【０１２３】
例えば、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って増加するようにしてもよい。
【０１２４】
また、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【０１２５】
さらに、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って増加し、特定のＡｌ組成（例えば、７０％）からＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【０１２６】
その他にもＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従った様々なＡｌ組成変化を本発明による半導体素子に適用できることは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。
【０１２７】
図２〜図４は本発明の一実施形態によるＡｌ組成変化の例を示す図である。
【０１２８】
図２に示すように、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って増加するようにしてもよい。
【０１２９】
例えば、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って連続的又は傾斜状に増加するようにしてもよい（図２の（ａ））。
【０１３０】
この場合、ＡｌＧａＮ多重層１２０に含まれるＡｌ組成が異なるｎ個のＡｌＧａＮ層（第１層〜第ｎ層）中でも、Ａｌ組成が連続的に変化（増加）する（図２の（ａ）参照）。
【０１３１】
また、例えば、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って不連続的又は階段状に増加するようにしてもよい（図２（ｂ））。
【０１３２】
この場合、ＡｌＧａＮ多重層１２０に含まれるＡｌ組成が異なるｎ個のＡｌＧａＮ層（第１層〜第ｎ層）中では、Ａｌ組成が維持される（図２（ｂ）参照）。
【０１３３】
図３に示すように、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【０１３４】
例えば、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って連続的又は傾斜状に減少するようにしてもよい（図３の（ａ））。
【０１３５】
この場合、ＡｌＧａＮ多重層１２０に含まれるＡｌ組成が異なるｎ個のＡｌＧａＮ層（第１層〜第ｎ層）中でも、Ａｌ組成が連続的に変化（減少）する（図３の（ａ）参照）。
【０１３６】
また、例えば、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って不連続的又は階段状に減少するようにしてもよい（図３の（ｂ））。
【０１３７】
この場合、ＡｌＧａＮ多重層１２０に含まれるＡｌ組成が異なるｎ個のＡｌＧａＮ層（第１層〜第ｎ層）中では、Ａｌ組成が維持される（図３の（ｂ）参照）。
【０１３８】
図４に示すように、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って増加し、特定のＡｌ組成から前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って減少するようにしてもよい。
【０１３９】
図４は前記特定のＡｌ組成が７０％の場合を例示する。
【０１４０】
ＡｌＧａＮ多重層１２０の組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従って特定の組成範囲内で様々に変更可能である。
【０１４１】
例えば、図４に示すように、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、下方のＡｌＧａＮ層（例えば、第１層）から上方のＡｌＧａＮ層に行くにつれて次第に増加し、特定のＡｌ組成（例えば、７０％）から減少するようにしてもよい。
【０１４２】
また、図４に示すように、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、下方のＡｌＧａＮ層（例えば、第１層）から上方のＡｌＧａＮ層に行くにつれて次第に増加し、特定のＡｌＧａＮ層（例えば、第Ｘ層）から減少するようにしてもよい。
【０１４３】
具体的には、図４に示すように、ＡｌＧａＮ多重層１２０のＡｌ組成は、ＡｌＧａＮ多重層１２０の積層方向に従ってＡｌＧａＮ多重層１２０の特定の位置まで増加し、その後減少するようにしてもよい。
【０１４４】
さらに図１を参照すると、ＧａＮチャネル層１３０は、ＡｌＧａＮ多重層１２０上に形成されたものであってもよい。
【０１４５】
ＧａＮチャネル層１３０の厚さは、５０ｎｍ〜１０００ｎｍであってもよい。特に、ＧａＮチャネル層１３０の厚さは、５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。
【０１４６】
ＧａＮチャネル層１３０は、様々な方式（又は方法）で形成することができる。例えば、ＧａＮチャネル層１３０は、窒化物半導体結晶を選択的に成長させる方法により形成することができるが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）及びハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。ただし、ＧａＮチャネル層１３０の結晶性を考慮してデバイス作製にＭＯＣＶＤ法を用いるのが一般的である。
【０１４７】
一実施形態によれば、ＧａＮチャネル層１３０には、Ｃ、Ｆｅ、Ｍｇ及びＭｎの少なくとも１つのドーパントがドーピングされてもよい。すなわち、半導体素子１００は、ＧａＮチャネル層１３０上にＣ、Ｆｅ、Ｍｇ及びＭｎの少なくとも１つのドーパントを注入して形成されたＧａＮチャネルの半絶縁特性を示すための高抵抗ＧａＮ層（図示せず）をさらに含んでもよい。
【０１４８】
ここで、前記少なくとも１つのドーパントの濃度は、１×１０１６／ｃｍ3〜５×１０２０／ｃｍ3であってもよい。特に、前記少なくとも１つのドーパントの濃度は、３×１０１７／ｃｍ3〜１×１０２０／ｃｍ3であることが好ましい。
【０１４９】
前記少なくとも１つのドーパントがＣの場合は、１×１０１８／ｃｍ3以上ドーピングされるのが一般的である。
【０１５０】
また、前述したように、電流が流れるチャネル層を形成するために、ＧａＮチャネル層１３０の端部は不純物のドーピングを最小限に抑えなければならず、特にＣのドーピング濃度は１×１０１７／ｃｍ3以下にしなければならない。
【０１５１】
一実施形態によれば、ＧａＮチャネル層１３０は、異なる温度で成長したＧａＮからなる複数の層を含んでもよい。
【０１５２】
また、一実施形態によれば、前記異なる温度で成長したＧａＮからなる複数の層の数は、２〜５であってもよい。
【０１５３】
ＧａＮチャネル層１３０上にＡｌＧａＮ障壁層１４０が形成されることにより、チャネル層に２ＤＥＧが形成される。
【０１５４】
すなわち、ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、ＧａＮチャネル層１３０上に形成され、活性層の役割を果たす。
【０１５５】
ＡｌＧａＮ障壁層１４０の厚さは、２ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。特に、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましい。
【０１５６】
ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、様々な組成からなるようにすることができる。例えば、ＡｌＧａＮ障壁層１４０のＡｌ組成は、１０％〜３０％であってもよい。その他にも様々な組成比でＡｌＧａＮ障壁層１４０を形成できることは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。
【０１５７】
特に、ＡｌＧａＮ障壁層１４０のＡｌ組成は２５％であり、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の厚さは２５ｎｍであることが好ましい。
【０１５８】
ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、様々な方式（又は方法）で形成することができる。例えば、ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、窒化物半導体結晶を選択的に成長させる方法により形成することができるが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）及びハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。ただし、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の結晶性を考慮してデバイス作製にＭＯＣＶＤ法を用いるのが一般的である。
【０１５９】
ＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層１５０は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０上に形成されたものであってもよい。
【０１６０】
図１を参照すると、前述したように、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の一部の領域上には、ソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０が形成され、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の残りの領域上には、ＳｉｘＮｙ層１５０が形成される。
【０１６１】
一実施形態によれば、ＳｉｘＮｙ層１５０のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であってもよい。すなわち、ＳｉｘＮｙ層１５０のＳｉ組成は、１％〜８０％であってもよい。
【０１６２】
ＳｉｘＮｙ層１５０の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。
【０１６３】
一実施形態によれば、ＳｉｘＮｙ層１５０は、ＳｉのソースであるＳｉＨ4及びＮのソースであるＮＨ3により形成されたものであってもよい。
【０１６４】
また、一実施形態によれば、ＳｉｘＮｙ層１５０は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０上にインサイチュで成長したものであってもよい。
【０１６５】
例えば、ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）に基づく蒸着装置により形成され、ＳｉｘＮｙ層１５０は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の形成後に前記蒸着装置内で直ちに成長させるインサイチュ方式で形成されるようにしてもよい。
【０１６６】
ＳｉｘＮｙ層１５０は、様々な方式（又は方法）で形成することができる。例えば、ＳｉｘＮｙ層１５０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング及び原子層堆積法（ＡＬＤ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。
【０１６７】
前述したように、ソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の一部の領域上に形成されたものであってもよい。
【０１６８】
前述したように、ドレイン電極１８０からソース電極１７０に流れる２ＤＥＧ（ＣＤＥＧ）電流がショットキーゲート電極１６０の制御により発生し得る。
【０１６９】
本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法
【０１７０】
本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、基板上にバッファ層を形成する段階と、前記バッファ層上にＡｌＧａＮ多重層を形成する段階と、前記ＡｌＧａＮ多重層上にＧａＮチャネル層を形成する段階と、前記ＧａＮチャネル層上にＡｌＧａＮ障壁層を形成する段階とを含む。
【０１７１】
ここで、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加するようにしてもよい。
【０１７２】
一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。
【０１７３】
また、一実施形態によれば、前記複数のＡｌＧａＮ層の数は、１〜３０であってもよい。
【０１７４】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って１％〜７０％増加するものであってもよい。
【０１７５】
さらに、一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ多重層の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。
【０１７６】
さらに、一実施形態による半導体素子の製造方法は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層を形成する段階を含んでもよい。
【０１７７】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層のＳｉ組成のｘは、０．０１〜０．８であってもよい。
【０１７８】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。
【０１７９】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層は、ＳｉＨ4及びＮＨ3により形成されたものであってもよい。
【０１８０】
さらに、一実施形態によれば、前記ＳｉｘＮｙ層は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にインサイチュで成長したものであってもよい。
【０１８１】
さらに、一実施形態によれば、前記バッファ層、前記ＡｌＧａＮ多重層、前記ＧａＮチャネル層及び前記ＡｌＧａＮ障壁層の少なくとも１つは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング及び原子層堆積法（ＡＬＤ）の少なくとも１つにより形成されたものであってもよい。
【０１８２】
図５は本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。
【０１８３】
図５に示すように、本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、次の段階からなる。
【０１８４】
まず、基板上にバッファ層を形成する（Ｓ１１０）。
【０１８５】
次に、前記バッファ層上にＡｌＧａＮ多重層を形成する（Ｓ１２０）。
【０１８６】
次に、前記ＡｌＧａＮ多重層上にＧａＮチャネル層を形成する（Ｓ１３０）。
【０１８７】
次に、前記ＧａＮチャネル層上にＡｌＧａＮ障壁層を形成する（Ｓ１４０）。
【０１８８】
ここで、前記ＡｌＧａＮ多重層のＡｌ組成は、前記ＡｌＧａＮ多重層の積層方向に従って増加するようにしてもよい。
【０１８９】
一実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層をさらに形成する。
【０１９０】
図６Ａ〜図６Ｅは本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法の一例を示す図である。
【０１９１】
図６Ａ〜図６Ｅに示すように、本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、基板（図示せず）上にバッファ層１１０、ＡｌＧａＮ多重層１２０、ＧａＮチャネル層１３０及びＡｌＧａＮ障壁層１４０を順次形成する段階からなる。
【０１９２】
前述したように、前記基板は、半導体素子１００を製造した後に除去してもよい。つまり、最終の半導体素子１００の構造は、前記基板のない構造であり得る。
【０１９３】
本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、前記ＡｌＧａＮ障壁層上にＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層を形成する段階をさらに含んでもよい。
【０１９４】
また、本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の一部の領域上にソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０を形成する段階をさらに含んでもよい。
【０１９５】
以下、図６Ａ〜図６Ｅを参照して本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法についてより詳細に説明する。
【０１９６】
まず、ＭＯＣＶＤ薄膜成長装置を用いて、基板（図示せず）上にバッファ層１１０を形成する（又は成長させる）（図６Ａ）。
【０１９７】
例えば、バッファ層１１０がＧａＮからなるＧａＮバッファ層の場合、前記基板上に窒化ガリウム薄膜を成長させる。この場合、Ｇａの原料としてはＴＭＧａを用いることができ、Ｎの原料としてはＮＨ3を用いることができる。この２つの原料は高温環境で合成されてエピ成長し、バッファ層１１０（又はＧａＮバッファ層）の厚さは１μｍ〜１５μｍ、特に２μｍ〜７μｍであることが好ましい。
【０１９８】
前記基板は、ｎ型であってもよく、ｐ型であってもよく、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板（例えば、ＧａＮ自立基板）、ＡｌＮ基板など様々な種類の基板を用いることができる。
【０１９９】
次に、バッファ層１１０上に積層方向に従ってＡｌ組成が変化するＡｌＧａＮ多重層１２０を形成する（図６Ｂ）。
【０２００】
ＡｌＧａＮ多重層１２０は、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。
【０２０１】
図６Ａ〜図６Ｅによる半導体素子の製造方法は、ＡｌＧａＮ多重層１２０がｎ個のＡｌＧａＮ層１２０＿１〜１２０＿ｎを含む場合を示す。
【０２０２】
例えば、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層は、１〜３０個であってもよい（すなわち、ｎ＝１〜３０）。
【０２０３】
ＡｌＧａＮ多重層１２０は、上下リーク電流を防止する役割を果たすので、ＡｌＧａＮバックバリア層ともいう。
【０２０４】
具体的には、本発明においては、積層方向に段階的に変化するＡｌＧａＮ多重層１２０（ＡｌＧａＮバックバリア層）をバッファ層（例えば、ＧａＮバッファ層）上に成長させる。
【０２０５】
このとき、ＧａＮ成長を中止してＡｌＧａＮ多重層１２０（ＡｌＧａＮバックバリア層）を成長させる前に、約５〜２０秒の中断時間（interruption time）を入れてもよい。
【０２０６】
一実施形態によれば、Ａｌ組成の段階的変化は、第１〜第３０段階からなるようにしてもよい。つまり、Ａｌ組成が異なる複数のＡｌＧａＮ層は、１〜３０個であってもよい（すなわち、ｎ＝１〜３０）。
【０２０７】
各層のＡｌ組成は、１％〜７０％の範囲で変化するようにしてもよい。
【０２０８】
また、ＡｌＧａＮ多重層１２０（ＡｌＧａＮバックバリア層）は、超格子状に成長するようにしてもよい。
【０２０９】
ＡｌＧａＮ多重層１２０（ＡｌＧａＮバックバリア層）の厚さは、１ｎｍ〜１０００ｎｍであってもよい。特に、ＡｌＧａＮ多重層１２０（ＡｌＧａＮバックバリア層）の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。
【０２１０】
次に、ＡｌＧａＮ多重層１２０上にＧａＮチャネル層１３０を形成する（図６Ｃ）。
【０２１１】
ＧａＮチャネル層１３０を構成するＧａＮは、ＭＯＣＶＤ法と呼ばれる有機金属気相成長法で製造するのが一般的である。
【０２１２】
この場合、リアクター内でＧａの原料であるＴＭＧａとＮの原料であるＮＨ3を高温で合成することにより、ＧａＮチャネル層１３０をエピ成長で形成することができる。
【０２１３】
ＧａＮチャネル層１３０の厚さは、５０ｎｍ〜１０００ｎｍであってもよい。特に、ＧａＮチャネル層１３０の厚さは、５０ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましい。
【０２１４】
ここで、ＧａＮチャネル層１３０には、半絶縁特性を与えるために、Ｃ、Ｆｅ、Ｍｇ及びＭｎの少なくとも１つのドーパントをドーピングしてもよい。ＧａＮチャネル層１３０は、１つの温度で成長させてもよく、２〜５つの連続的又は不連続的な温度で成長させてもよい。
【０２１５】
次に、成長したＧａＮチャネル層１３０上に、ヘテロ接合部の２ＤＥＧ層を形成するための活性層であるＡｌＧａＮ障壁層１４０を成長させる（図６Ｄ）。
【０２１６】
一実施形態によれば、ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、１０％〜３０％のＡｌ組成比で成長させてもよい。
【０２１７】
ＡｌＧａＮ障壁層１４０の厚さは、５ｎｍ〜５０ｎｍであってもよい。
【０２１８】
ＡｌＧａＮ障壁層１４０は、ＧａＮチャネル層１３０との格子定数の違いによるピエゾ分極（piezo-polarization）などにより２ＤＥＧを形成する層であり、Ａｌの組成及び厚さによって２ＤＥＧ密度が決定される。
【０２１９】
次に、成長したＡｌＧａＮ障壁層１４０上にＳｉｘＮｙ（０≦ｘ，ｙ≦１）層１５０を成長させる（図６Ｅ）。
【０２２０】
ＳｉｘＮｙ層１５０の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。
【０２２１】
ＳｉｘＮｙ層１５０の原料としてはＳｉＨ4を用いることができ、Ｎの原料としてはＮＨ3を用いることができる。
【０２２２】
ＳｉｘＮｙ層１５０のＳｉ組成は、１％〜８０％の範囲であってもよい。
【０２２３】
次に、ＡｌＧａＮ障壁層１４０の一部の領域上にソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０を形成（又は蒸着）する（図６Ｅ）。
【０２２４】
ソース電極１７０、ドレイン電極１８０及びゲート電極１６０は、オーミック電極を電子ビーム蒸着して形成することができる。
【０２２５】
本発明の一実施形態によれば、ヘテロ接合構造のＨＦＥＴ素子の製造時に発生するリーク電流の増加と降伏電圧の減少を最小限に抑えるために、積層方向に従ってＡｌ組成が変化するＡｌＧａＮ多重層及びＳｉｘＮｙ層を備える窒化物半導体素子及びその製造方法が提供される。
【０２２６】
本発明の範囲は本明細書に開示された実施形態に限定されるものではなく、本発明は本発明の思想及び特許請求の範囲に記載された範疇内において様々な形態に修正、変更又は改善することができる。
【符号の説明】
【０２２７】
１１０    バッファ層
１２０    ＡｌＧａＮ多重層
１２０＿１〜１２０＿ｎ    ＡｌＧａＮ層
１３０    ＧａＮチャネル層
１４０    ＡｌＧａＮ障壁層
１５０    ＳｉｘＮｙ層
【図１】
2015135946.tif 000003
【図２】
2015135946.tif 000004
【図３】
2015135946.tif 000005
【図４】
2015135946.tif 000006
【図５】
2015135946.tif 000007
【図６Ａ】
2015135946.tif 000008
【図６Ｂ】
2015135946.tif 000009
【図６Ｃ】
2015135946.tif 000010
【図６Ｄ】
2015135946.tif 000011
【図６Ｅ】
2015135946.tif 000012
【図７】
2015135946.tif 000013