(57)【要約】【課題】アクセプタ準位を形成する不純物の拡散を抑制して、電流コラプスの悪化を抑制しつつ低オン抵抗にすること。【解決手段】基板１１およびバッファ層１２と、バッファ層１２上に設けた電子走行層１３、異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層した超格子構造を有するとともに電子走行層１３よりも平均的にバンドギャップが広い電子供給層１４、およびエッチング犠牲層１５を有する半導体積層体と、半導体積層体上に設けた、電子供給層１４よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなり、アクセプタ準位を形成するｐ型不純物を含むスペーサ層１６および半導体層１７と、を有し、スペーサ層１６の不純物の濃度が、膜厚方向に沿った半導体層１７との界面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって減少している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第１半導体層と、互いに異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層した超格子構造を有するとともに、前記第１半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第２半導体層と、を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体上に設けられた、前記第２半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなり、アクセプタ準位を形成する不純物を含む第３半導体層と、
少なくとも一部が前記第３半導体層上に設けられた第１電極と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第１電極と離間して設けられた第２電極と、を備え、
前記第３半導体層における前記不純物の濃度が、膜厚方向に沿った前記第３半導体層の上面側から前記第２半導体層側に向かって減少している
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第２半導体層が、前記第２半導体層の平均Ａｌ組成比Ｘよりも高い極大Ａｌ組成比の窒化物半導体を含む第１窒化物半導体層と、前記平均Ａｌ組成比Ｘよりも低い極小Ａｌ組成比の窒化物半導体を含む第２窒化物半導体層とを交互に少なくとも１回積層して構成され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装置。
【請求項３】
前記不純物の濃度が５×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
少なくとも前記第３半導体層上に、前記不純物を含む窒化物半導体からなる第４半導体層をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第３半導体層の膜厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記第３半導体層中における前記不純物の濃度が５×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記第１半導体層中における前記不純物の濃度が１×１０17ｃｍ-3以下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装置。
【請求項８】
前記半導体積層体が、前記第３半導体層との界面に、前記第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有するとともに、１ｎｍ以上１２ｎｍ以下の膜厚のＡｌＧａＮ層を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項９】
前記不純物がマグネシウム、ベリリウム、亜鉛、カドミウム、およびルテニウムからなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第１電極および前記第２電極と離間して設けられた第３電極をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の構成を有し、
前記第１電極がゲート電極、前記第２電極がドレイン電極、および前記第３電極がソース電極である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置の構成を有し、
前記第１電極がアノード電極、および前記第２電極がカソード電極である
ことを特徴とするダイオード。
【請求項１３】
基体と、前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第１半導体層、および、異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層した超格子構造を有するとともに前記第１半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第２半導体層、を有する半導体積層体と、前記半導体積層体上に設けられ、前記第２半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなり、アクセプタ準位を形成する不純物を含む第３半導体層と、を有する窒化物半導体装置の製造方法において、
有機金属化学気相成長装置を用いて前記第３半導体層を形成する際に、前記有機金属化学気相成長装置内における前記基体の設置位置での前記不純物の原料ガスの流量を、前記第３半導体層の成長に伴って増加させる
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第３半導体層を形成する際に、前記原料ガスを前記基体の設置位置まで供給するための配管の壁面に前記原料ガス中の不純物原料が付着することによるドーピング遅延によって、前記第３半導体層の成長に伴って前記原料ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクセプタ準位を形成する不純物を添加した半導体層を有する窒化物半導体装置およびその製造方法、並びに電界効果トランジスタおよびダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温環境用、大パワー用、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。代表的なワイドバンドギャップ半導体として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮまたはこれらのうち２以上の混晶である窒化物半導体がある。また、たとえばＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ（Field  Effect  Transistor：ＦＥＴ）は、ピエゾ分極および自発分極によって、ヘテロ接合界面に２次元電子ガスが発生している。この２次元電子ガスは、高い電子移動度とキャリア密度を有している。そのため、このようなＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を用いたヘテロ接合ＦＥＴ（ＨＦＥＴ）は、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を持ち、高温動作が可能であり、パワースイッチング応用に非常に好適である（特許文献１）。
【０００３】
通常のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＦＥＴは、ゲートにバイアスが印加されていないときに電流が流れ、ゲートに負電位を印加することによって電流が遮断されるノーマリオン型デバイスである。一方、パワースイッチング応用においては、ユーザがデバイスを使用する際の容易性の観点から、ゲートにバイアスが印加されていないときには電流が流れず、ゲートに正電位を印加することで電流が流れる、ノーマリオフ型デバイスが好ましい。そこで、ゲート電極の下層に、マグネシウム（Ｍｇ）をｐ型不純物としてドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層を設けることによって、デバイスをノーマリオフ化した構成の電界効果トランジスタが提案されている（特許文献２、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０４１０７５号公報
【特許文献２】特許第４７５５９６１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y.Uemoto  et.  al.,  IEDM  Tech.  Dig.,  2006,  p.  907
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者が種々実験を行ったところ、ゲートやアノードの一部として用いるＧａＮ層内のアクセプタ準位を形成する不純物であるＭｇが、電子供給層やさらには電子走行層にまで拡散する場合がある。この不純物の拡散により、電子走行層の電子供給層との界面に生成される２次元電子ガスのキャリア密度（２ＤＥＧ濃度）が減少し、オン抵抗が増大したり、電流コラプスが悪化したりするという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、アクセプタ準位を形成する不純物の拡散を抑制して、電流コラプスの悪化を抑制しつつ低オン抵抗にすることができる窒化物半導体装置およびその製造方法、並びに電界効果トランジスタおよびダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第１半導体層と、互いに異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層した超格子構造を有するとともに、第１半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第２半導体層と、を有する半導体積層体と、半導体積層体上に設けられた、第２半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなり、アクセプタ準位を形成する不純物を含む第３半導体層と、少なくとも一部が第３半導体層上に設けられた第１電極と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第１電極と離間して設けられた第２電極と、を備え、第３半導体層における不純物の濃度が、膜厚方向に沿った第３半導体層の上面側から第２半導体層側に向かって減少していることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第２半導体層が、第２半導体層の平均Ａｌ組成比Ｘよりも高い極大Ａｌ組成比の窒化物半導体を含む第１窒化物半導体層と、平均Ａｌ組成比Ｘよりも低い極小Ａｌ組成比の窒化物半導体を含む第２窒化物半導体層とを交互に少なくとも１回積層して構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、不純物の濃度が５×１０19ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、少なくとも第３半導体層上に、不純物を含む窒化物半導体からなる第４半導体層をさらに有することを特徴とする。また、本発明に係る窒化物半導体装置は、この構成において、第３半導体層の膜厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする。また、本発明に係る窒化物半導体装置は、この構成において、第３半導体層中における不純物の濃度が５×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第１半導体層中における不純物の濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体が、第３半導体層との界面に、第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有するとともに、１ｎｍ以上１２ｎｍ以下の膜厚のＡｌＧａＮ層を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、不純物がマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、およびルテニウム（Ｒｕ）からなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第１電極および第２電極と離間して設けられた第３電極をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る電界効果トランジスタは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第１電極がゲート電極、第２電極がドレイン電極、および第３電極がソース電極であることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るダイオードは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第１電極がアノード電極、および第２電極がカソード電極であることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第１半導体層、および、異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層した超格子構造を有するとともに第１半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第２半導体層、を有する半導体積層体と、半導体積層体上に設けられ、第２半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなり、アクセプタ準位を形成する不純物を含む第３半導体層と、を有する窒化物半導体装置の製造方法において、有機金属化学気相成長装置を用いて第３半導体層を形成する際に、有機金属化学気相成長装置内における基体の設置位置での不純物の原料ガスの流量を、第３半導体層の成長に伴って増加させることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第３半導体層を形成する際に、原料ガスを基体の設置位置まで供給するための配管の壁面に原料ガス中の不純物原料が付着することによるドーピング遅延によって、第３半導体層の成長に伴って原料ガスの流量を増加させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る窒化物半導体装置およびその製造方法、並びに電界効果トランジスタおよびダイオードによれば、アクセプタ準位を形成する不純物の拡散を抑制して、電流コラプスの悪化を抑制しつつ低オン抵抗にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１によるＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタを示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１による半導体積層基板を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造に用いられるＭＯＣＶＤ装置を示すブロック図である。
【図４】図４は、半導体層の成長直後および活性化アニール後における、半導体積層基板の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度、並びにＡｌ、Ｇａ、およびＮの二次イオン強度の計測値を示すグラフである。
【図５】図５は、半導体層の成長直後および活性化アニール後における、スペーサ層が設けられていない半導体積層基板の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度、並びにＡｌ、Ｇａ、およびＮの二次イオン強度の計測値を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２によるＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタを示す模式的な断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２による半導体積層基板を示す模式的な断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２による半導体装置の製造に用いられるＭＯＣＶＤ装置を示すブロック図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態３によるＳＢＤを示す模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、従来の半導体装置を構成する半導体積層基板を示す模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、半導体層を成長させた直後における半導体積層基板の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度、並びにＡｌ、Ｇａ、およびＮの二次イオン強度の実測値を示すグラフである。
【図１２】図１２は、活性化アニールを行った後における半導体積層基板の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度、並びにＡｌ、Ｇａ、およびＮの二次イオン強度の実測値を示すグラフである。
【図１３】図１３は、超格子構造を有する電子供給層を備えた半導体装置を構成する半導体積層基板を示す模式的な断面図である。
【図１４】図１４は、擬似混晶の電子供給層において、本発明者が想起したＡｌ組成変調超格子構造と、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層の各層構造とを説明するための電子供給層の深さ方向に沿ったＡｌ組成比のグラフである。
【図１５】図１５は、半導体層を成長させた直後および活性化アニールを行った後における半導体積層基板の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度、並びにＡｌ、Ｇａ、およびＮの二次イオン強度の実測値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、以下の実施の形態の説明に用いる「上」、「上部」または「上方」、ならびに「下」、「下部」または「下方」はそれぞれ、半導体装置の基板の主面に対して直角に遠ざかる向き並びに基板の主面に近づく向きを示し、半導体装置の実装状態における上下方向とは必ずしも一致しない点にも留意する必要がある。
【００２３】
まず、本発明の実施の形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。まず、本発明者が鋭意検討を行う対象となった従来および本発明者が新たに想起した窒化物半導体装置とそれらが有する問題点について説明する。図１０は、従来の半導体装置を構成するための、基板上に積層された複数の半導体層を備えた半導体積層基板を示す模式的な断面図である。
【００２４】
すなわち、図１０に示すように、従来の半導体装置を構成する半導体積層基板１００は、基板１０１上に、バッファ層１０２、電子走行層１０３、電子供給層１０４、および半導体層１０５が順次積層されて構成されている。電子走行層１０３は、アンドープの窒化ガリウム（ｕ−ＧａＮ）から構成される。電子供給層１０４は、窒化物半導体であるＡｌＧａＮから構成される。また、半導体層１０５は、半導体積層基板１００から電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を製造する場合に、ゲート電極（図示せず）の一部を構成する。そして、このＦＥＴをノーマリオフ型にするために、半導体層１０５は、アクセプタ準位を形成するｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドープされた窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成される。なお、半導体層１０５の膜厚は１００ｎｍであり、Ｍｇのドープ量は１．５×１０20ｃｍ-3程度である。
【００２５】
ここで、本発明者は、Ｃｓをイオンビームに利用した二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary  Ion  Mass  Spectrometry）を用いて半導体積層基板１００の最表面からの深さごとに、各半導体層を構成するガリウム（Ｇａ）、窒素（Ｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、およびＭｇの二次イオン強度を計測し、Ｍｇ元素に対してはＧａＮ中にＭｇをイオン注入した標準試料に対する測定結果を用いて二次イオン強度を元素濃度に換算した。図１１は、半導体積層基板１００において、基板１０１上に各半導体層を成長させた直後における、半導体積層基板１００の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度の計測値と、Ａｌ、ＧａおよびＮの二次イオン強度とを示すグラフである。なお、以下の図中のＭｇの元素濃度における１Ｅ＋αは、１．０×１０αを示し、横軸における界面は、電子供給層１０４と電子走行層１０３との界面の位置を示す。
【００２６】
図１１におけるＭｇの元素濃度のグラフから、半導体層１０５の成長直後において、Ｍｇが半導体層１０５から電子供給層１０４中に拡散し、さらに電子走行層１０３にまで拡散していることが分かる。すなわち、半導体層１０５に対するＭｇのドープ量が１０20ｃｍ-3のオーダーであるのに対し、電子供給層１０４内においてはＭｇの元素濃度が１０20ｃｍ-3から１０17ｃｍ-3のオーダーになっていることが分かる。また、電子走行層１０３の、特に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層Ａが生成される電子供給層１０４とのヘテロ界面においては、Ｍｇが１０17ｃｍ-3以上の元素濃度で拡散していることが分かる。
【００２７】
また、本発明者は、半導体層１０５にＭｇをドープした後に活性化アニールを行って、上述と同様にＳＩＭＳ法を用いて、半導体積層基板１００の最表面からの深さごとに、Ｇａ、Ｎ、Ａｌの二次イオン強度、およびＭｇの元素濃度を計測した。なお、活性化アニールは、たとえば窒素雰囲気において７００℃の温度で３０分間行った。図１２は、この活性化アニール後の半導体積層基板１００の最表面からの深さに沿ったＭｇの元素濃度の計測値を示すグラフである。図１２と図１１とにおけるＭｇの元素濃度のグラフの比較から、半導体層１０５にドープされたＭｇの拡散状態は、活性化アニールの前後において大きく変化していないことが分かる。この結果から、本発明者は、Ｍｇなどの不純物の拡散が、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法により不純物をドープしながら半導体層１０５を成長させている間に発生していることを知見するに至った。
【００２８】
一方、本発明者は、電界効果トランジスタのさらなる高性能化を進めるために、電子供給層を、ＡｌＧａＮの単層から構成する代わりに超格子層などからなる擬似混晶とした、半導体装置を案出した。すなわち、本発明者は、電子供給層１０４を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層と窒化ガリウム（ＧａＮ）層とを交互に順次積層させた、いわゆるＡｌＮ／ＧａＮ超格子層とした構成を案出した。これにより、電子供給層１０４において擬似混晶構造を実現できる。この構成によれば、格子緩和させることなく擬似混晶の平均Ａｌ組成比の増加、および電子供給層１０４の膜厚の増加が容易になるため、２ＤＥＧ層Ａにおける２ＤＥＧ濃度を容易に増加できるとともに、電子移動度を増加させることができ、オン抵抗を低減できるという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明者が、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層からなる擬似混晶構造において、コンタクト抵抗の低減に関してさらなる検討を行ったところ、擬似混晶内のＡｌＮ層の存在がコンタクト抵抗の増減に大きな影響を及ぼすことを知見した。そこで、本発明者は、コンタクト抵抗を悪化させないような擬似混晶構造について種々検討を行い、擬似混晶構造をＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層とすることによって、コンタクト抵抗を悪化させることなく電子移動度を向上できることを想起した。図１３は、本発明者が案出した半導体装置を構成するための半導体積層基板１１０を示す模式的な断面図である。
【００３０】
すなわち本発明者は、電子供給層をＡｌＮ／ＧａＮ超格子層に代えて、平均Ａｌ組成比Ｘに対して大きいＡｌ組成比ｘ１（ｘ１＞Ｘ）と小さいＡｌ組成比ｘ２（Ｘ＞ｘ２）との少なくとも２種類の異なるＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層を交互に積層する構成を想起した。その上で、本発明者は、さらに実験および検討を行い、オーミック電極の部分において良好なオーミック接触を確保するために、ＡｌＧａＮ超格子層を構成する複数のＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比を、ＡｌＧａＮ超格子層の膜厚方向（深さ方向）に沿って連続的に、たとえば三角波状や正弦波状に増減変調させる、いわゆるＡｌ組成変調超格子構造を想起した。
【００３１】
以下に、本発明者が想起したＡｌ組成変調超格子構造の電子供給層について、その概略を説明する。図１４は、このＡｌ組成変調超格子構造の電子供給層１０６における、深さ方向に沿ったＡｌ組成比の一例のグラフを示す。なお、図１４において点線は、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層の積層構造を示す。
【００３２】
すなわち、図１４に示すように、本発明者が想起したＡｌ組成変調超格子構造の電子供給層１０６は、平均Ａｌ組成比Ｘよりも大きいＡｌ組成比ｘ１となる極大部分（以下、極大Ａｌ組成比ｘ１）と、平均Ａｌ組成比Ｘよりも小さいＡｌ組成比ｘ２となる極小部分（以下、極小Ａｌ組成比ｘ２）とが交互に並んだ構造を有する。このＡｌ組成比の増減は、図１４中点線で示すＡｌＮ／ＧａＮ超格子層の矩形状の増減よりも比較的緩やかにするのが好ましい。これにより、同じ膜厚のＡｌＮ層に対してＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層の方が伝導帯端のエネルギーが低いため、２ＤＥＧ層Ａを構成する電子の波動関数がＡｌＧａＮ超格子層の基体側から表面側に向かってしみ出しやすくなり、コンタクト抵抗を低減できる。
【００３３】
この電子供給層１０６は、窒化物半導体装置の設計に応じて、少なくとも２層（ｎ≧２）、好適には４層以上（ｎ≧４）のＡｌxＧａ1-xＮ層１０６−１〜１０６−ｎから構成される。この各ＡｌxＧａ1-xＮ層の膜厚としては、層状になる最低膜厚である２原子層以上、さらには、所望の平均Ａｌ組成比によって２ＤＥＧ層Ａにおける電子の波動関数をしみ出させる必要がある観点から、具体的には例えば０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下、好適には０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下、より好適には０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下が好ましく、例えばそれぞれ１．５ｎｍ程度にする。また、２ＤＥＧ濃度Ｎｓを設計に基づく所望の濃度に制御する観点から、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０６−１〜１０６−ｎの組数としては、４．５組以上の５〜１０組程度、層数としては９層以上の１０〜２０層程度が好ましい。
【００３４】
また、電子供給層１０６のＡｌ組成比ｘは、深さ方向に沿って連続的に増減を繰り返している。具体的には、第１窒化物半導体層としてのＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−１において深さ方向とは逆向きの方向である積層方向に沿って山状に増加して、平均Ａｌ組成比Ｘより高い極大Ａｌ組成比ｘ１の極大を経て減少する。また、その上層の第２窒化物半導体層としてのＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０６−２において、積層方向に沿って連続的に谷状に減少し、平均Ａｌ組成比Ｘより低い極小Ａｌ組成比ｘ２の極小を経て増加する。そして、これらが繰り返されて、Ａｌ組成比ｘが、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−１からＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−ｎまで連続的に増減するように積層されている。
【００３５】
また、これらのＡｌxＧａ1-xＮ層１０６−１〜１０６−ｎにおけるＡｌ組成比ｘは、平均Ａｌ組成比Ｘを挟んで極大のＡｌ組成比ｘ１と極小のＡｌ組成比ｘ２との間で交互に増減している。ここで、電子供給層１０６の深さ方向に沿って、Ａｌ組成比ｘが極大から極小になる平均の減少率の絶対値は、Ａｌ組成比ｘが極小から極大になる場合の平均の増加率の絶対値よりも小さくなるようにするのが好ましい。換言すると、電子供給層１０６の積層方向に沿って、Ａｌ組成比ｘが極小から極大になる場合の平均の増加率の絶対値は、極大から極小になる場合の平均の減少率の絶対値よりも小さくするのが好ましい。
【００３６】
また、図１４においては、極大Ａｌ組成比ｘ１を第１窒化物半導体層としての各Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−１，１０６−３，…，１０６−ｎにおいて同じＡｌ組成比にしているが、これらの極大Ａｌ組成比ｘ１は各Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−１，１０６−３，…，１０６−ｎにおける少なくとも一部、場合によっては各層ごとに相違するＡｌ組成比ｘ１１，ｘ１３，…，ｘ１ｎでも良い。同様に、極小Ａｌ組成比ｘ２を第２窒化物半導体層としての各Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０６−２，１０６−４，…，１０６−（ｎ−１）において同じＡｌ組成比にしているが、これらの極小Ａｌ組成比ｘ２においても各Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０６−２，１０６−４，…，１０６−（ｎ−１）における少なくとも一部、場合によっては各層ごとに相違するＡｌ組成比でも良い。さらに、図１４においては、電子供給層１０６の深さ方向に沿ったＡｌ組成比の増減形状を、点線で示すＡｌＮ／ＧａＮ超格子層などの増減が急峻な矩形状（図１４中点線）に比して、増減が緩やかな三角波形状としているが、同様に増減が緩やかな正弦波状や台形状としてもよい。
【００３７】
ここで、第１窒化物半導体層としてのＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−３，…，１０６−ｎは、電子供給層１０６の深さ方向とは逆向きの方向（積層の向き）に沿って、Ａｌ組成比ｘの極小から極大に至るまでの厚さ差分の中間値の位置から、極大を含み、極大から次の極小に至るまでの厚さ差分の中間値の位置までの領域を指す。また、第２窒化物半導体層としてのＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０６−２，１０６−４，…，１０６−（ｎ−１）は、電子供給層１０６の深さ方向とは逆向きの方向に沿って、Ａｌ組成比ｘの極大から極小に至るまでの厚さ差分の中間値の位置から、極小点を含み、極小点から次の極大点に至るまでの厚さ差分の中間値の位置までの領域を指す。ただし、もっとも電子走行層１０３側に位置する、第１窒化物半導体層の１つであるＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−１は、下層の電子走行層１０３との境界の位置から極大値を挟んで、次の中間値の位置までの領域を指すものとする。
【００３８】
また、極大Ａｌ組成比ｘ１が大きいと極大となる部分で電子の波動関数がしみ出しにくくなって電子走行層１０３における２ＤＥＧ濃度Ｎｓを増加できる反面、コンタクト抵抗が増加する。そこで、２ＤＥＧ濃度Ｎｓの増加およびコンタクト抵抗の低減を考慮すると、極大Ａｌ組成比ｘ１は、電子供給層１０６の平均Ａｌ組成比Ｘに対して、０．０３以上０．３未満の範囲内、好適には０．０６以上０．２５未満の範囲内、より好適には０．１以上０．２未満の範囲内で高くするのが望ましい。すなわち、以下の（１）式が成立するのが望ましい。
Ｘ＋０．０３≦ｘ１＜Ｘ＋０．３……（１）
【００３９】
また、極大Ａｌ組成比ｘ１が、各Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１０６−１，１０６−３，…，１０６−ｎにおける少なくとも一部、場合によって各層ごとで相違する場合には、それぞれの層における極大Ａｌ組成比ｘ１１，ｘ１３，…，ｘ１ｎに対して、極大Ａｌ組成比ｘ１に代表された（１）式が成立するのが望ましい。すなわち、Ａｌx11Ｇａ1-x11Ｎ層１０６−１，Ａｌx13Ｇａ1-x13Ｎ層１０６−３，…，Ａｌx1nＧａ1-x1nＮ層１０６−ｎにおいて、以下の（１−１）式が成立するのが望ましい。
Ｘ＋０．０３≦ｘ１１，ｘ１３，…，ｘ１ｎ＜Ｘ＋０．３……（１−１）
【００４０】
さらに、極小Ａｌ組成比ｘ２が小さいと所望の２ＤＥＧ濃度Ｎｓを確保するために平均Ａｌ組成比Ｘを確保する観点から極大Ａｌ組成比ｘ１を大きくする必要が生じる。この点を考慮すると、極小Ａｌ組成比ｘ２は、電子供給層１０６の平均Ａｌ組成比Ｘに対して、０．０３以上０．２未満の範囲内、好適には０．０６以上０．１８未満の範囲内、より好適には０．１以上０．１５未満の範囲内で低くするのが望ましい。すなわち、以下の（２）式が成立するのが望ましい。
Ｘ−０．２＜ｘ２≦Ｘ−０．０３……（２）
【００４１】
また、極小Ａｌ組成比ｘ２が、各Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１０６−２，１０６−４，…，１０６−（ｎ−１）における少なくとも一部、場合によっては各層ごとで相違する場合には、それぞれの層における極小Ａｌ組成比ｘ２２，ｘ２４，…ｘ２（ｎ−１）に対して、極小Ａｌ組成比ｘ２に代表された（２）式が成立するのが望ましい。すなわち、Ａｌx22Ｇａ1-x22Ｎ層１０６−２，Ａｌx24Ｇａ1-x24Ｎ層１０６−４，…，Ａｌx2(n-1)Ｇａ1-x2(n-1)Ｎ層１０６−（ｎ−１）において、以下の（２−１）式が成立するのが望ましい。
Ｘ−０．２≦ｘ２２，ｘ２４，…，ｘ２（ｎ−１）＜Ｘ−０．０３……（２−１）
【００４２】
このように、Ａｌ組成比ｘが積層方向や深さ方向に沿って三角波状または正弦波状に連続的に増減するようにＡｌＧａＮ層を積層させることにより、２ＤＥＧの波動関数を電子走行層１０３側から電子供給層１０６の表面側にしみ出しやすくできるので、コンタクト抵抗を低減できて、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
【００４３】
さらに、Ａｌ組成比ｘ１（ｘ１１〜ｘ１ｎ），ｘ２（ｘ２２〜ｘ２（ｎ−１））は、０＜ｘ２＜Ｘ＜ｘ１≦１であり、電子供給層１０６における２ＤＥＧの波動関数のしみ出しやすさを考慮すると、極大Ａｌ組成比ｘ１（ｘ１１〜ｘ１ｎ）は、比較的低い範囲である２０％以上６０％未満（０．２≦ｘ１＜０．６）が好ましく、好適には２０％以上５０％以下（０．２≦ｘ１≦０．５）、より好適には２０％以上４０％以下（０．２≦ｘ１≦０．４）である。
【００４４】
また、所望の２ＤＥＧ濃度Ｎｓを確保するための平均Ａｌ組成比Ｘを確保する観点から、極小Ａｌ組成比ｘ２（ｘ２２〜ｘ２（ｎ−１））は、０％より大きく２０％未満（０＜ｘ２＜０．２）が好ましく、好適には５％より大きく２０％未満（０．０５＜ｘ２＜０．２０）、より好適には１０％以上２０％未満（０．１０≦ｘ１＜０．２０）である。
【００４５】
すなわち、所望の２ＤＥＧ濃度Ｎｓとなるように平均Ａｌ組成比Ｘを設定することを考慮すると、たとえば、極小Ａｌ組成比ｘ２を０にしてしまうと、擬似混晶構造を採用した場合に電子移動度が大きくなる平均Ａｌ組成比Ｘの１５％程度にするには、極大Ａｌ組成比ｘ１を増加させる必要がある。極大Ａｌ組成比ｘ１を増加させると、２ＤＥＧ層Ａの電子の波動関数がしみ出しにくくなってコンタクト抵抗が悪化するので好ましくない。さらに、これらのＡｌＧａＮ層、とりわけ、５０％を超える高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層を例えばＭＯＣＶＤ法によって結晶成長させる際に、良好な結晶品質を確保するのは困難である。このような観点からも、極大Ａｌ組成比ｘ１および極小Ａｌ組成比ｘ２は、上述した範囲に設定するのが好ましい。
【００４６】
さらに、本発明者は、ＡｌＧａＮ超格子層からなる電子供給層１０６の上層にＡｌＧａＮから構成される薄いエッチング犠牲層１０７を設ける構成も案出した。このように、電子供給層１０６を互いに異なる少なくとも２種類のＡｌ組成比のＡｌＧａＮ層を交互に順次積層した擬似混晶構造とした場合に、その上層にＡｌを含むＡｌＧａＮ層からなるエッチング犠牲層１０７を設けることにより、電子供給層１０６の上方に形成される半導体層１０５のエッチングを、半導体装置の特性を悪化させることなく制御することが可能になる。さらに、エッチング時に電子供給層１０６のＡｌＧａＮ層が最表面に露出することを防止できるので、表面酸化などによってオン電圧やコンタクト抵抗が増加したり電流コラプスが悪化したりすることを防止できる。
【００４７】
以上の構成を案出した本発明者は、エッチング犠牲層１０７上に、電界効果トランジスタのノーマリオフ化のための半導体層１０５を形成した。ここで、半導体層１０５におけるＭｇのドープ量は、２．９×１０19ｃｍ-3である。その上で、上述と同様にして、半導体層１０５の成長直後および活性化アニール後におけるＭｇの拡散状態について測定を行った。なお、活性化アニールは、窒素雰囲気において７００℃の温度で３０分間行った。図１５は、半導体層１０５の成長直後および活性化アニール後における、半導体積層基板１１０の最表面からの深さに沿ったＧａ、Ｎ、およびＡｌの二次イオン強度、およびＭｇの元素濃度の計測値を示すグラフである。なお、横軸の下方の数字は、それぞれ半導体層１０５、電子供給層１０６、エッチング犠牲層１０７、および電子走行層１０３の膜厚方向に沿った領域を示す。
【００４８】
図１５から、半導体層１０５の成長直後と活性アニール後とでは、元素濃度のプロファイルは大きく変化していないことが分かる。また、Ｍｇが半導体層１０５から電子供給層１０６に拡散していることが分かる。すなわち、半導体層１０５から電子供給層１０６に、５．０×１０17〜１．０×１０19ｃｍ-3の高濃度で、Ｍｇが拡散していることが分かる。さらに、Ｍｇは、電子供給層１０６を通過して電子走行層１０３にまで拡散しており、電子走行層１０３の電子供給層１０６との界面部分においては、５．０×１０17ｃｍ-3程度の高濃度で拡散していることが分かる。
【００４９】
また、図１５と図１１および図１２との比較から、半導体積層基板１１０において、電子走行層１０３内のＭｇの元素濃度は、電子走行層１０３の上面からバッファ層１０２側の下面に向かって緩やかに減少しつつも高濃度に拡散していることが分かる。これにより、本発明者は、電子供給層１０６をＡｌＧａＮ超格子層から構成される擬似混晶構造とすることによって、半導体層１０５にドープされた不純物が電子供給層１０６および電子走行層１０３に極めて高濃度に拡散しやすくなることを知見するに至った。さらに、電子供給層を上述したＡｌＧａＮ超格子層からなる擬似混晶構造（Ａｌ組成変調超格子構造）とした場合、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層の場合に比して、Ｍｇが極めて透過しやすくなることも判明した。そして、本発明者の知見によれば、このような不純物の拡散は、Ｍｇのみならず、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＲｕなどのアクセプタ準位を形成する他のｐ型不純物においても同様に生じる現象であると考えられる。
【００５０】
また、本発明者は、この半導体積層基板１１０からノーマリオフ型の電界効果トランジスタを製造して種々実験および鋭意検討を行った。その結果、Ｍｇのようにアクセプタ準位を形成する不純物が電子走行層１０３にまで拡散することで、２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度が減少することによって電子移動度が悪化した結果オン抵抗が増大し、不純物に起因した深い準位により電流コラプスが悪化するという問題が生じることを知見するに至った。したがって、擬似混晶構造の電子供給層を有するノーマリオフ型の電界効果トランジスタにおいて、オン抵抗を低減しつつ電流コラプスを抑制するには、アクセプタ準位を形成する不純物の電子走行層への拡散を抑制する必要がある。以下に説明する本発明の実施の形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。
【００５１】
（実施の形態１）
次に、本発明の実施の形態１による半導体装置について説明する。図１は、この実施の形態１による半導体装置としてのＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタを示す模式的な断面図である。
【００５２】
図１に示すように、この実施の形態１による半導体装置１は、基板１１上に、バッファ層１２、電子走行層１３、電子供給層１４、およびエッチング犠牲層１５が順次積層されている。さらに、エッチング犠牲層１５上に、選択的に、スペーサ層１６、アクセプタ準位を形成するｐ型不純物がドープされた半導体層１７、およびゲート電極１８Ｇが積層されて設けられている。エッチング犠牲層１５上に、ゲート電極１８Ｇと離間して、互いに離間したドレイン電極１８Ｄおよびソース電極１８Ｓが設けられている。
【００５３】
基板１１は、たとえばシリコン（Ｓｉ）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、ガリウムリン（ＧａＰ）基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、炭素（Ｃ）基板、またはサファイア基板などからなる。バッファ層１２は、たとえばＧａＮ層やＡｌＮ層などからなる。なお、なお、バッファ層にＣ、Ｆｅ、Ｍｇなどの不純物を添加することによって、バッファ層を半絶縁化させてもよい。また、必要に応じて、半導体装置の構成に必要な種々の層を設けても良い。そして、これらの基板１１、バッファ層１２、および必要に応じたその他の層により基体が構成されている。
【００５４】
第１半導体層としての電子走行層１３は、たとえばアンドープのＧａＮからなるが、ＧａＮ以外の材料を用いてもよい。
【００５５】
第２半導体層としての電子供給層１４は、Ａｌ組成比が異なってバンドギャップが異なる複数種類のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を複数積層した超格子層から構成される。この場合、電子供給層１４内に２ＤＥＧが発生しないように膜厚やＡｌ組成比を調整して形成するのが好ましい。この実施の形態１において、電子供給層１４は、上述した本発明者が想起した電子供給層１０６と同様の、Ａｌ組成変調超格子構造を有する。すなわち、電子供給層１４はたとえば、Ａｌ組成比が異なる複数のＡｌＧａＮ層が交互に順次複数積層されたＡｌＧａＮ超格子層からなり、平均Ａｌ組成比ＸのＡｌXＧａ1-XＮの擬似混晶構造を有する。ここで、電子供給層１４のバンドギャップは、平均のバンドギャップであり、具体的には積層構造を構成する各半導体層の層厚比によって重み付け（積分）をしたバンドギャップの値である。そして、電子供給層１４は、その平均バンドギャップが、電子走行層１３のバンドギャップよりも広くなるように構成されている。
【００５６】
具体的に、この実施の形態１において電子供給層１４の平均Ａｌ組成比Ｘは、０＜Ｘ＜１を前提として、電子走行層１３との界面での２ＤＥＧ層Ａにおいて所望の２ＤＥＧ濃度を得ることを考慮すると、１０％以上４０％以下（０．１≦Ｘ≦０．４）が好ましく、好適には１５％以上３５％以下（０．１５≦Ｘ≦０．３５）、より好適には２０％以上３０％以下（０．２≦Ｘ≦０．３）である。また、ＡｌxＧａ1-xＮ超格子層におけるシート抵抗の観点、さらにひずみに対して自由に積層できる格子緩和の観点からも、電子供給層１４の平均Ａｌ組成比Ｘはこれらの範囲が好ましい。
【００５７】
また、電子供給層１４を構成する第１窒化物半導体層としての極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層、および第２窒化物半導体層としての極小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層の膜厚としては、層状になる最低膜厚である２原子層以上、さらには、所望の平均Ａｌ組成比によって２ＤＥＧ層Ａの電子の波動関数をしみ出させる必要がある観点から、具体的には例えば０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下、好適には０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下、より好適には０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とし、この実施の形態１においては、たとえばそれぞれ１．５ｎｍ程度にする。また、各ＡｌxＧａ1-xＮ層の膜厚は、ミスフィット転位を生じさせないために臨界膜厚以下にするのが好ましい。ＡｌxＧａ1-xＮ層の臨界膜厚は、具体的には、ＧａＮ層の格子定数に対してＡｌ組成比ｘが０．６の場合に５ｎｍ程度、Ａｌ組成比ｘが０．１の場合に１００ｎｍ程度である。なお、臨界膜厚は、積層構造において隣接する層に応じて異なる膜厚になることから、必ずしもこれらの膜厚に限定されない。そして、上述の条件に基づいて、各ＡｌxＧａ1-xＮ層の膜厚、ならびに層数（ｎ）、および０．５組単位の組数（ｎ／２）は、２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓの設定濃度や窒化物半導体装置の設計に応じて適宜最適な値が選択される。
【００５８】
そして、電子供給層１４の膜厚の下限としては、電子供給層１４を極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と極小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層とが１組積層されたＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ／Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ超格子層から構成することを考慮すると、２ｎｍ以上にするのが好ましく、２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓを増加させることを考慮すると、好適には５ｎｍ以上、より好適には１０ｎｍ以上が好ましい。また、電子供給層１４の膜厚の上限としては、ミスフィット転位が生じない臨界膜厚以下が好ましく、オーミック接触の限界を考慮すると、１００ｎｍ以下、好適には５０ｎｍ以下、より好適には３０ｎｍ以下が好ましい。
【００５９】
また、エッチング犠牲層１５は、平均Ａｌ組成比Ｙが平均Ａｌ組成比Ｘより大きい（Ｘ＜Ｙ）、ＡｌYＧａ1-YＮ層（０＜Ｙ＜１）からなる。ここで、エッチング犠牲層１５の膜厚は、その上層に形成されるスペーサ層１６や半導体層１７のエッチングをオーバーエッチング時におけるエッチング速度の制御によって精密に制御できる膜厚以上とするのが好ましく、具体的には、たとえば１ｎｍ以上が好ましい。これは、ＡｌyＧａ1-yＮ層上に設けられたスペーサ層１６がたとえばＧａＮ層などのＡｌ組成比が０または極めて小さい材料からなる場合、ＧａＮ層とのエッチングレートがＡｌＧａＮ層の約１００倍程度と極めて大きく、ＡｌＧａＮ層がＧａＮ層に対するエッチング犠牲層１５として極めて有効に作用するためである。また、エッチング犠牲層１５に発生する２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度を、半導体装置１への影響が無視できる程度にするためには、その膜厚は、１２ｎｍ以下にするのが好ましい。したがって、エッチング犠牲層１５の膜厚は、１ｎｍ以上１２ｎｍ以下が好ましい。
【００６０】
また、エッチング犠牲層１５は、その局所的なＡｌ組成比ｙが、エッチング犠牲層１５の表面内側から上層のスペーサ層１６に向かって、なだらかに減少するように構成されている。このようにＡｌＧａＮ層からなるエッチング犠牲層１５から上層のスペーサ層１６に向かって、局所的なＡｌ組成比ｙを連続的または段階的に変化させることにより、上層のスペーサ層１６のエッチング時において、エッチングがエッチング犠牲層１５に到達した時点からエッチング速度が連続的または段階的に変化する。これにより、スペーサ層１６のエッチングにおいて、エッチング犠牲層１５へのオーバーエッチング時におけるエッチング速度が制御できる。そのため、エッチングが電子供給層１４にまで到達することなく、エッチング犠牲層１５においてエッチングを制御性良く止めることが可能になる。また、エッチング犠牲層１５を設けることによって、エッチング時に電子供給層１４における比較的高いＡｌ組成比ｘ１のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層が最表面に露出することを防止できるので、表面酸化などによってオン電圧やコンタクト抵抗が増加したり電流コラプスが悪化したりすることを防止できる。
【００６１】
また、エッチング犠牲層１５上には、第２電極としてのドレイン電極１８Ｄおよび第３電極としてのソース電極１８Ｓが選択的に設けられている。ドレイン電極１８Ｄおよびソース電極１８Ｓは、たとえば下部電極層がＴｉ層で上部電極層がＡｌ層（以下、Ｔｉ／Ａｌ）からなる積層構造を有し、エッチング犠牲層１５の上に形成されるオーミック電極として機能する。また、ソース電極１８Ｓとドレイン電極１８Ｄとの間におけるゲートの形成領域には、スペーサ層１６、半導体層１７、およびＮｉ／Ａｕの積層構造を有する第１電極としてのゲート電極１８Ｇからなる積層膜が設けられている。このスペーサ層１６、半導体層１７、およびゲート電極１８Ｇの積層膜から、電界効果トランジスタからなる半導体装置１のゲートが構成されている。
【００６２】
また、第３半導体層としてのスペーサ層１６は、たとえばＡｌ組成比ｚ（０≦ｚ＜１）のＡｌzＧａ1-zＮ層からなり、その下層のエッチング犠牲層１５に対してエッチング選択比が高い材料が好ましく、具体的には、アンドープのＧａＮ層からなる。ここで、スペーサ層１６においては、後述する半導体層１７から不純物が拡散されており、膜厚方向に沿って不純物の所定の濃度分布が形成されているが、その詳細については後述する。
【００６３】
また、第４半導体層としての半導体層１７には、たとえばＡｌ組成比ｕ（０≦ｕ＜１）のＡｌuＧａ1-uＮ層からなり、具体的には、アクセプタ準位を形成するｐ型不純物がドープされたＧａＮ層からなる。アクセプタ準位を形成するｐ型不純物としては、たとえばマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、およびルテニウム（Ｒｕ）からなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素が用いられ、それらは例えばＣなどの他のドーパントと同時にドーピングされていても良い。ここで、この実施の形態１においては、半導体層１７にはたとえばＭｇがドープされており、その不純物濃度は、半導体層１７における不純物のクラスター欠陥の発生を抑制する点を考慮すると、５×１０19ｃｍ-3以下が好ましい。
【００６４】
また、スペーサ層１６においては、半導体層１７からＭｇが拡散されて、膜厚方向に沿ってスペーサ層１６における半導体層１７との界面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって、不純物濃度が減少するように構成されている。ここで、スペーサ層１６の最大不純物濃度は、５×１０18ｃｍ-3以下が好ましく、３×１０18ｃｍ-3以下がより好ましく、この実施の形態１においては、２×１０18ｃｍ-3とする。また、スペーサ層１６の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下がより好ましく、この実施の形態１においては、たとえば３０ｎｍとする。さらに、半導体層１７の膜厚は、たとえば２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、成長とエッチングを用いた膜厚制御により２ＤＥＧ濃度の制御が容易な２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましく、膜厚ばらつきによる２ＤＥＧ濃度のばらつきを受けにくい２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下がさらに好ましく、この実施の形態１においてはたとえば５０ｎｍとする。
【００６５】
（半導体装置の製造方法）
次に、以上のように構成された半導体装置１の製造方法について説明する。図２は、この実施の形態１による製造方法によって製造される半導体積層基板１０を示す模式的な断面図である。また、図３は、この半導体装置１における半導体層１７などの成長に用いられるＭＯＣＶＤ装置を示すブロック図である。
【００６６】
図２に示すように、この実施の形態１による半導体装置の製造方法においては、まず、基板１１上に、たとえばＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法を用いて、バッファ層１２、電子走行層１３、電子供給層１４、およびエッチング犠牲層１５を順次成長させる。
【００６７】
ここで、上述したエッチング犠牲層１５は、次のようにして成長させる。すなわち、まず、上述した構成の電子供給層１４を成長させた後、たとえばアンモニア（ＮＨ3）、水素（Ｈ2）、および窒素（Ｎ2）の供給を継続しつつ所定時間成長ガスの供給を中断する。このとき電子供給層１４の最上層のＡｌＧａＮ層がエッチングされて、その表面にＡｌが残留する。そして、反応炉内を安定化させた後、この反応炉内にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給して、Ａｌが残留した電子供給層１４のＡｌＧａＮ層表面に、Ａｌ組成比ｙのＡｌyＧａ1-yＮからなるエッチング犠牲層１５を成長させる。これにより、エッチング犠牲層１５の局所的なＡｌ組成比ｙが、エッチング犠牲層１５の表面内側から上層に向かって、なだらかに減少する。その後、エッチング犠牲層１５上に、スペーサ層１６および半導体層１７を順次成長させる。
【００６８】
スペーサ層１６の成長は、具体的に次のようにして行うことができる。すなわち、たとえばＭＯＣＶＤ法により、ＩＩＩ族原料としてのＴＭＧと、Ｖ族原料としてのＮＨ3とを、それぞれ所定の流量（それぞれたとえば５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎ）で導入して、スペーサ層１６をエピタキシャル成長させる。
【００６９】
また、半導体層１７の成長においては、図３に示す従来公知のＭＯＣＶＤ装置３０を用いることができる。このＭＯＣＶＤ装置３０は、図３に示すように、主として、基板上に材料をエピタキシャル成長させるための反応炉３１、Ｖ族ガス配管３２、およびＩＩＩ族キャリアガス配管３３を有して構成される。
【００７０】
Ｖ族ガス配管３２は、たとえばＮＨ3ガスなどの、Ｖ族元素の水素化物を反応炉３１に供給するための配管である。ＩＩＩ族キャリアガス配管３３は、キャリアガスを流すことによって有機金属原料を反応炉３１に供給するための配管である。また、ＩＩＩ族キャリアガス配管３３におけるＩＩＩ族キャリアガス導入部分から反応炉３１までの間には、半導体層１７の成長に必要な各種のＩＩＩ族原料をそれぞれＩＩＩ族キャリアガス配管３３に導入するための、導入部およびバルブが設けられている。
【００７１】
そして、各種のＩＩＩ族原料として、たとえばＧａの原料となるＴＭＧやＡｌの原料となるＴＭＡなどが、ＩＩＩ族キャリアガス配管３３に導入され、キャリアガスによって反応炉３１に供給される。これにより、反応炉３１内の所定位置に設置された基板１１上に、ＡｌuＧａ1-uＮ（０≦ｕ＜１）層、たとえばＧａＮ層からなる半導体層１７を成長させる。このとき、反応炉３１内における半導体層１７の成長中に、不純物としてＭｇをドープするために、たとえばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などの不純物原料をＩＩＩ族キャリアガス配管３３に導入し、反応炉３１に供給する。これにより、半導体層１７にアクセプタ準位を形成するｐ型不純物としてのＭｇがドープされる。ここで、Ｍｇのドープ量は５×１０19ｃｍ-3以下とする。なお、Ｖ族ガス、ＩＩＩ族キャリアガス、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ２Ｍｇなどの原料の導入流量は、たとえば流量制御手段としてのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）（図示せず）により制御される。
【００７２】
ここで、配管温度を室温近傍に保ったＩＩＩ族キャリアガス配管３３にＣｐ２Ｍｇなどの不純物原料を導入すると、この不純物原料は、常温で固体の蒸気圧の極めて低い有機金属であるなどの理由から、導入の開始当初はＩＩＩ族キャリアガス配管３３の内壁に堆積する。そして、この不純物原料の内壁への堆積が飽和するまでの間、反応炉３１に供給される不純物原料の流量は、導入した流量に比して大幅に減少する。これにより、不純物原料の導入した当初は成長中の膜へのドープ量が減少する、いわゆるドーピング遅延効果が生じる。
【００７３】
そこで、この実施の形態１においては、Ｍｇの原料であるＣｐ２ＭｇのＩＩＩ族キャリアガス配管３３への導入位置を、可能な限り反応炉３１に近い位置にする。すなわち、図３中の間隔ｌ0を、ＭＯＣＶＤ装置３０の設計上可能な限り小さくする。これによって、ドーピング遅延効果を抑制して、半導体層１７にＭｇを一様にドープする。
【００７４】
また、上述したように、半導体層１７の成長時においては、半導体層１７にドープされたＭｇが下層のスペーサ層１６に拡散する。これにより、スペーサ層１６中の膜厚方向に沿った不純物濃度は、半導体層１７との界面側からエッチング犠牲層１５との界面側に向かって、段階的または連続的に減少する。その後、たとえば窒素雰囲気中において７００℃の温度で３０分間の活性化アニールを行うことにより、スペーサ層１６および半導体層１７中のＭｇを活性化させる。以上により、図２に示す半導体積層基板１０が製造される。
【００７５】
その後、半導体積層基板１０に対して、塩素系ガスを用いたドライエッチング法により、ゲートの形成領域以外の半導体層１７およびスペーサ層１６を、エッチング犠牲層１５までエッチングする。その後、たとえばスパッタリング法およびリフトオフ法によって、エッチング犠牲層１５上にドレイン電極１８Ｄおよびソース電極１８Ｓを形成する。次に、電子線蒸着法およびリフトオフ法により、半導体層１７上にゲート電極１８Ｇを形成する。以上の工程により、この実施の形態１による半導体装置１が製造される。
【００７６】
本発明者は、上述した半導体装置１を構成する半導体積層基板１０に対して、その最表面からの深さごとに、各半導体層を構成するＧａ、Ｎ、およびＡｌの二次イオン強度、およびＭｇの元素濃度を計測した。また、比較のために、スペーサ層１６が設けられていない点以外は半導体積層基板１０と同様の構成の半導体積層基板に対しても、その最表面からの深さごとに各種元素の二次イオン強度およびＭｇの元素濃度を同様に計測した。なお、本発明者が実験により得た知見によれば、半導体層１７へのＭｇのドープ量を低減させるほど、その下層へのＭｇの拡散を抑制できる。そこで、この拡散の抑制のために、ここでのＭｇのドープ量は、半導体層１７に不純物のクラスターによる欠陥が生じない５×１０19ｃｍ-3以下で、さらに上述したＭｇの拡散実験（図１５参照）における２．９×１０19ｃｍ-3より低減させた、たとえば８．５×１０18ｃｍ-3とする。
【００７７】
図４および図５はそれぞれ、半導体積層基板１０における、最表面からの深さに沿ったＧａ、Ｎ、およびＡｌの二次イオン強度、並びにＭｇの元素濃度の、半導体層１７の成長直後および活性化アニール後での計測値を示すグラフである。ただし、図５は、図１における半導体積層基板１０においてスペーサ層１６を設けず、スペーサ層１６の厚さだけ半導体層１７の膜厚を厚くした構成での計測値であり、その他の各層の構成は図４と同様である。なお、横軸の下方の数字は、それぞれ半導体層１７、スペーサ層１６、エッチング犠牲層１５、電子供給層１４、および電子走行層１３の膜厚方向に沿った領域を示す。
【００７８】
図４から、半導体層１７およびスペーサ層１６の膜厚方向に沿って、半導体層１７の最表面からスペーサ層１６のエッチング犠牲層１５との界面に向かって、Ｍｇの元素濃度（不純物濃度）が連続的に減少していることが分かる。また、半導体層１７にドープしたＭｇのドープ量が８．５×１０18ｃｍ-3であるのに対し、電子供給層１４およびエッチング犠牲層１５におけるＭｇの元素濃度が１．０×１０17ｃｍ-3以下になっていることが分かる。
【００７９】
これに対し、図５においては、半導体層１７の膜厚方向に沿って、半導体層１７の最表面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって、Ｍｇの元素濃度があまり変化していないことが分かる。さらに、電子供給層１４およびエッチング犠牲層１５におけるＭｇの元素濃度が１．０×１０17〜３．０×１０18ｃｍ-3であり、Ｍｇが高濃度に拡散していることが分かる。
【００８０】
さらに、図４および図５と図１５とのＭｇの元素濃度のグラフの比較から、この実施の形態１においては、Ｍｇのドープ量を低減させていることによって、電子走行層１３内へのＭｇの拡散が抑制されていることが分かる。また、半導体層１７の下層にスペーサ層１６を設けることによって、Ｍｇの拡散濃度を、電子供給層１４および電子走行層１３において、１．０×１０17ｃｍ-3以下に抑制できることが分かる。
【００８１】
また、本発明者が上述した半導体積層基板１０により構成された半導体装置１として、ＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタを試作したところ、デバイスをオン状態にするためのゲートのしきい値電圧Ｖgが７Ｖ程度のノーマリオフ型ＨＥＭＴを製造できることを確認した。さらに、本発明者がスペーサ層１６の膜厚を種々変更して半導体装置１を試作したところ、スペーサ層１６の膜厚を調整することによって、しきい値電圧Ｖgを調整できることが確認された。したがって、ノーマリオフ型ＨＥＭＴにおいて、種々のしきい値電圧Ｖgのデバイスを製造可能となった。
【００８２】
以上説明した本発明の実施の形態１によれば、ＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタのノーマリオフ化のために設けられた、ゲートを構成する不純物がドープされた半導体層１７の下層にスペーサ層１６を設けることにより、半導体層１７からスペーサ層１６に多くの不純物が拡散して、電子供給層１４および電子走行層１３への不純物拡散を抑制することができるので、電子供給層１４を擬似混晶構造とした半導体装置１において、オン電圧やコンタクト抵抗が増加したり、電流コラプスが悪化したりするのを防止することができ、電子供給層１４を擬似混晶構造としたことによる２ＤＥＧ濃度の増加とキャリア移動度の増加によるオン抵抗の低減といった効果が確保された、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタを得ることができる。
【００８３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２による半導体装置について説明する。図６は、この実施の形態２による半導体装置としてのＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタを示す模式的な断面図である。
【００８４】
図６に示すように、この実施の形態２による半導体装置２は、実施の形態１と異なり、エッチング犠牲層１５の表面上に、アクセプタ準位を形成するｐ型不純物が膜厚方向に沿って所定の濃度分布でドープされた、第３半導体層としての半導体層２１が設けられている。半導体層２１は、たとえばＡｌ組成比ｖ（０≦ｖ＜１）のＡｌvＧａ1-vＮからなり、その下層のエッチング犠牲層１５に対してエッチング選択比が高い材料が好ましく、具体的には、ｐ型不純物がドープされたＧａＮからなる。なお、アクセプタ準位を形成するｐ型不純物としては、たとえばＭｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、およびＲｕからなる群より選ばれた少なくとも１種類の元素が用いられ、これらの元素は例えばＣなどの他のドーパントと同時にドーピングされていても良い。ここで、この実施の形態２においては、半導体層２１にはたとえばＭｇがドープされており、Ｍｇの不純物濃度は、半導体層２１における欠陥の発生を抑制する点を考慮すると、５×１０19ｃｍ-3以下が好ましい。
【００８５】
また、半導体層２１における膜厚方向に沿った不純物の濃度分布は、具体的には、半導体層２１の上面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって、不純物濃度が連続的または段階的に減少するような濃度分布である。そして、半導体層２１のエッチング犠牲層１５との界面から５０ｎｍ以下の膜厚の領域において、不純物濃度が５×１０18ｃｍ-3以下であるように形成するのが好ましい。ここで、半導体層２１の膜厚は、たとえば２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、成長とエッチングを用いた膜厚制御により２ＤＥＧ濃度の制御が容易な２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましく、膜厚ばらつきによる２ＤＥＧ濃度のばらつきを受けにくい２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下がさらに好ましい。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００８６】
（半導体装置の製造方法）
次に、以上のように構成された半導体装置２の製造方法について説明する。図７は、この実施の形態２による製造方法によって製造される半導体積層基板２０を示す模式的な断面図である。また、図８は、この半導体装置１における半導体層２１の製造に好適に用いられるＭＯＣＶＤ装置を示すブロック図である。
【００８７】
図７に示すように、この実施の形態２による半導体装置の製造方法においては、実施の形態１と同様にして、基板１１上に、バッファ層１２、電子走行層１３、電子供給層１４、エッチング犠牲層１５を順次成長させる。次に、エッチング犠牲層１５上に半導体層２１を成長させる。
【００８８】
ここで、半導体層２１の成長は、具体的には、図８に示すＭＯＣＶＤ装置４０を用いることができる。このＭＯＣＶＤ装置４０は、図８に示すように、実施の形態１と同様に、主に、反応炉４１、Ｖ族ガス配管４２、およびＩＩＩ族キャリアガス配管４３を有して構成される。そして、ＩＩＩ族キャリアガス配管４３におけるＩＩＩ族キャリアガス導入部分から反応炉４１までの間には、半導体層２１の成長に必要な各種のＩＩＩ族原料をＩＩＩ族キャリアガス配管４３に導入するための導入部が設けられている。ここで、Ｃｐ２Ｍｇなどの不純物原料をＩＩＩ族キャリアガス配管４３に導入すると、ドーピング遅延効果が発生する。
【００８９】
そこで、この実施の形態２においては、半導体層２１において、膜厚方向に沿って下層のエッチング犠牲層１５との界面から半導体層２１の上面に向かって、不純物濃度が増加するような濃度分布を形成するために、図８中の間隔ｌを、ＭＯＣＶＤ装置４０の設計上可能な限り大きくする。すなわち、Ｍｇの原料であるＣｐ２ＭｇのＩＩＩ族キャリアガス配管４３への導入位置を、可能な限り反応炉４１から遠い位置にし、配管温度を室温近傍に保つ。これによって、半導体層２１の成長の開始当初において、不純物原料がＩＩＩ族キャリアガス配管４３の内壁に堆積して、反応炉４１に供給されるＣｐ２Ｍｇの流量が大幅に減少する。そのため、半導体層２１のエッチング犠牲層１５との界面近傍においては不純物濃度が極めて低くなる。そして、半導体層２１の成長に従ってＩＩＩ族キャリアガス配管４３の内壁への堆積が徐々に進行するとともに、反応炉４１に供給されるＣｐ２Ｍｇの流量が増加する。これにより、半導体層２１は、その成長に伴って不純物濃度が増加するように形成される。このように、Ｃｐ２Ｍｇの導入位置と反応炉４１との間隔ｌを大きくして、反応炉４１内において意図的にドーピング遅延を生じさせることによって、半導体層２１を、その不純物濃度が上面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって減少するように形成することができる。なお、内壁に堆積した不純物は、半導体層２１の成長完了後にガス配管４３を加熱することにより除去することができる。ここで、間隔ｌは、ドーピング遅延を生じさせるために５０ｃｍ以上とするのが好ましく、１ｍ以上とするとより好ましい。
【００９０】
また、実施の形態１において用いた従来公知のＭＯＣＶＤ装置３０によって、この実施の形態２による半導体層２１を形成する場合には、次のように行う。すなわち、ＭＦＣによって、ＩＩＩ族キャリアガス配管４３に導入するＣｐ２Ｍｇの流量を、成長時間の経過に従って増加させるように制御する。これにより、半導体層２１の成長の開始当初において反応炉４１に供給されるＣｐ２Ｍｇの流量を減少させて、半導体層２１の下部の不純物濃度を大幅に低くする。そして、半導体層２１の成長に従って、反応炉４１に供給するＣｐ２Ｍｇの流量を連続的または段階的に増加させる。これにより、半導体層２１を、その不純物濃度が上面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって連続的または段階的に減少するように形成できる。
【００９１】
以上により、図７に示す半導体積層基板２０が製造される。その後、この半導体積層基板２０に対して、実施の形態１と同様にして、種々のエッチング工程や成膜工程を行うことにより、エッチング犠牲層１５上にドレイン電極１８Ｄおよびソース電極１８Ｓを形成し、半導体層２１上にゲート電極１８Ｇを形成する。以上の工程により、この実施の形態２による半導体装置２を製造する。
【００９２】
以上説明した実施の形態２においても、ゲートを構成する半導体層２１の不純物濃度を、膜厚方向に沿って、半導体層２１の上面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって減少させて、特に半導体層２１の下部の不純物濃度を極めて低くしていることにより、半導体層２１にドープした不純物の電子供給層１４および電子走行層１３への拡散を抑制することができるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００９３】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３による半導体装置について説明する。図９は、この実施の形態３による半導体装置としてのショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を示す模式的な断面図である。
【００９４】
図９に示すように、この実施の形態３による半導体装置３は、基板１１上に、バッファ層１２、電子走行層１３、電子供給層１４、およびエッチング犠牲層１５が順次積層されている。さらに、エッチング犠牲層１５上に、選択的に、スペーサ層５２およびアクセプタ準位を形成するｐ型不純物がドープされた半導体層５３が順次積層されて設けられている。スペーサ層５２および半導体層５３はそれぞれ、実施の形態１におけるスペーサ層１６および半導体層１７と同様の構成を有する。そして、スペーサ層５２および半導体層５３によって、フィールドプレート層が構成される、なお、フィールドプレート層としては、実施の形態２における半導体層２１と同様の構成としてもよい。また、エッチング犠牲層１５上に、フィールドプレート構造を有するアノード電極５１Ａ、およびアノード電極５１Ａと離間してカソード電極５１Ｃが設けられている。
【００９５】
第１電極としてのアノード電極５１Ａは、たとえばＮｉ／Ａｕからなる積層構造を有して設けられている。これにより、アノード電極５１Ａは、電子走行層１３の２ＤＥＧ層Ａに対してショットキー接触する。なお、エッチング犠牲層１５および電子供給層１４に、電子走行層１３まで達するリセス部を設けて、このリセス部上にアノード電極５１Ａを設けることにより、側面から２ＤＥＧとショットキー接触させても良い。
【００９６】
このアノード電極５１Ａは、フィールドプレート層を構成するスペーサ層５２および半導体層５３上に乗り上げて少なくとも１段の段差を形成しているとともに、絶縁膜５４から形成された少なくとも１段、ここでは２段の段差に乗り上げてカソード電極５１Ｃ側にせり出すように延伸している。この実施の形態３において、アノード電極５１Ａは、スペーサ層５２および半導体層５３の側面および上面の一部に接触して設けられている。なお、アノード電極５１Ａとスペーサ層５２および半導体層５３との間に他の半導体膜や誘電体膜を介して互いに非接触としても良い。
【００９７】
また、スペーサ層５２および半導体層５３とアノード電極５１Ａとの間の絶縁膜５４の膜厚は、アノード電極５１Ａ側からカソード電極５１Ｃに向かって連続的または段階的に増加している。これによって、アノード電極５１Ａのフィールドプレート構造による電界分散効果が得られる。その上で、フィールドプレート層のカソード電極５１Ｃ側端部にかかる電界の緩和を考慮すると、フィールドプレート層の上方領域における、フィールドプレート層とアノード電極５１Ａとの間の絶縁膜５４のうちの最も厚い部分の膜厚は、たとえば５００ｎｍ以上とするのが好ましい。また、さらなる電界分散の観点から、フィールドプレート層のカソード電極５１Ｃ側端部は、基板１１の主面に平行な面に沿ってアノード電極５１Ａの内側、さらにはアノード電極５１Ａのカソード電極５１Ｃ側端部から１μｍ以上内側とするのが好ましい。
【００９８】
また、スペーサ層５２においては、半導体層５３からＭｇなどのアクセプタ準位を形成するｐ型不純物が拡散されて、膜厚方向に沿ってスペーサ層５２の半導体層５３との界面からエッチング犠牲層１５との界面に向かって、不純物濃度が減少するように構成されている。ここで、スペーサ層５２の最大不純物濃度は、５×１０18ｃｍ-3以下が好ましく、３×１０18ｃｍ-3以下がより好ましく、この実施の形態３においては、２×１０18ｃｍ-3とする。個々でまた、スペーサ層５２の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下がより好ましく、この実施の形態３においては、たとえば３０ｎｍとする。さらに、半導体層５３の膜厚は、たとえば２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、成長とエッチングを用いた膜厚制御により２ＤＥＧ濃度の制御が容易な２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより好ましく、膜厚ばらつきによる２ＤＥＧ濃度のばらつきを受けにくい２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下がさらに好ましく、この実施の形態３においてはたとえば５０ｎｍとする。
【００９９】
また、第２電極としてのカソード電極５１Ｃは、エッチング犠牲層１５上に、たとえばＴｉ／Ａｌからなる積層構造を有して設けられている。これにより、カソード電極５１Ｃは、エッチング犠牲層１５および電子供給層１４を介し、電子走行層１３に発生した２ＤＥＧ層Ａとオーミック接触する。
【０１００】
絶縁膜５４は、たとえばＳｉＯ2から構成される。絶縁膜５４は、主に、スペーサ層５２、半導体層５３、アノード電極５１Ａ、カソード電極５１Ｃ、および電子供給層１４の表面を保護する。なお、絶縁膜５４は、ＳｉＯ2以外の材料、具体的にはＳｉＮｘやＡｌ2Ｏ3などから構成しても良く、複数種類の材料を適宜組み合せたり、順次積層させたりして構成しても良い。
【０１０１】
以上のようにして、この実施の形態３による半導体装置３が構成されている。そして、この半導体装置３は、次のように製造することができる。
【０１０２】
すなわち、実施の形態１と同様にして、基板１１上に、バッファ層１２、電子走行層１３、電子供給層１４、およびエッチング犠牲層１５を順次成長させる。次に、エッチング犠牲層１５上に、実施の形態１と同様にしてスペーサ層５２および半導体層５３を順次成長させる。半導体層５３の成長においては、図３に示すＭＯＣＶＤ装置３０を用いることができる。また、半導体層５３の成長時においては、半導体層５３にドープされたＭｇが下層のスペーサ層５２に拡散する。これにより、スペーサ層５２中の膜厚方向に沿った不純物濃度は、半導体層５３との界面側からエッチング犠牲層１５との界面側に向かって、段階的または連続的に減少する。その後、活性化アニールを行ってスペーサ層５２および半導体層５３中のＭｇを活性化させる。
【０１０３】
次に、たとえばドライエッチング法により、フィールドプレート層の形成領域以外の半導体層５３およびスペーサ層５２を、エッチング犠牲層１５までエッチングする。続いて、たとえばスパッタリング法およびリフトオフ法により、エッチング犠牲層１５上に選択的にカソード電極５１Ｃを形成する。その後、たとえばＰＥＣＶＤ法、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術などの従来公知の技術を適宜用いることにより、絶縁膜５４の一部を形成する。
【０１０４】
次に、たとえばＰＥＣＶＤ法、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術を順次適宜用いることにより、階段状部分を有する絶縁膜５４の一部を形成した後、スパッタリング法およびリフトオフ法によりフィールドプレート構造を有するアノード電極５１Ａを形成する。続いて、全体を覆うようにして絶縁膜５４の残部を形成する。以上の工程により、この実施の形態３による半導体装置３が製造される。
【０１０５】
以上説明した本発明の実施の形態３によれば、フィールドプレート層を構成する、不純物がドープされた半導体層５３の下層にスペーサ層５２を設けることにより、半導体層５３からスペーサ層５２に多くの不純物が拡散して、電子供給層１４および電子走行層１３への不純物拡散を抑制することができるので、電子供給層１４を擬似混晶構造とした半導体装置３において、フィールドプレート層によりリーク電流を抑制し、オン電圧やコンタクト抵抗が増加したり、電流コラプスが悪化したりするのを防止することができ、電子供給層１４を擬似混晶構造としたことによる２ＤＥＧ濃度の増加とキャリア移動度の増加によるオン抵抗の低減といった効果が確保された、ＳＢＤなどのダイオードを得ることができる。
【０１０６】
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施の形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。また、上述の実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。
【０１０７】
また、上述の実施の形態１，２において、半導体装置における所望の特性に基づいた構造設計に応じて、電子供給層として上述した以外にも種々の擬似混晶構造を採用することが可能である。
【０１０８】
また、上述の実施の形態１，２において、電子走行層１３と電子供給層１４との間に、ＡｌＮ層などからなるスペーサ層を介在させる構成を採用することも可能である。
【０１０９】
また、上述の実施の形態においては、電子供給層１４がＡｌｘＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の超格子層から構成され、電子走行層１３およびスペーサ層１６がＧａＮから構成されている。しかしながら、これらの層の構成材料は上記のものに限定されない。すなわち、電子供給層１４は、電子走行層１３よりもバンドギャップが広いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体から構成されていれば良い。また、スペーサ層１６は、エッチング犠牲層１５や電子供給層１４よりもバンドギャップが狭いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体から構成されていれば良い。ここで、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、化学式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）で表されるものである。
【０１１０】
また、トランジスタのゲート電極１８Ｇの下部電極層は、上述したチタン（Ｔｉ）以外にも、たとえばニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）のうち少なくとも１つを含む金属膜、または、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌのうち少なくとも１つを含む合金よりなる金属膜、または、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａのうち少なくとも１つを含む窒化物合金よりなる金属膜などのうち、少なくとも１つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。また、トランジスタのゲート電極１８Ｇの上部電極層は、下部電極層より仕事関数の小さい金属からなり、この条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。
【０１１１】
また、トランジスタのソース電極１８Ｓおよびドレイン電極１８Ｄは、エッチング犠牲層１５とオーミック接触する、または接触抵抗が十分に小さい状態で接触する電極である。ただし、本発明においてはこれに限定されず、たとえばＴｉ、Ａｌ、シリコン（Ｓｉ）、鉛（Ｐｂ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、Ｔａのうち少なくとも１つを含む金属膜、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｔａのうち少なくとも１つを含む合金よりなる金属膜、または、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａのうち少なくとも１つを含むシリサイド合金よりなる金属膜、または、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａのうち少なくとも１つを含む窒化物合金よりなる金属膜などのうち、少なくとも１つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いても良い。
【０１１２】
また、上述の実施の形態においては、本発明による半導体装置として、ＨＥＭＴ型の電界効果トランジスタを例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、ＭＥＳＦＥＴ（Metal  Semiconductor  ＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  ＦＥＴ）、ＭＩＳＦＥＴ（Metal  Insulator  Semiconductor  ＦＥＴ）などの、種々の半導体装置に対して適用することができる。そして、本発明をこれらのＦＥＴに適用する場合、ゲート電極１８Ｇの下層に酸化膜などの絶縁膜を設けることも可能である。
【０１１３】
また、上述の実施の形態においては、エッチング犠牲層１５の表面に電極を形成しているが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、電子走行層１３、電子供給層１４、およびエッチング犠牲層１５を含み、必要に応じてその他の層を含む半導体積層体のうちの少なくとも１層の上に電極を設けることが可能である。すなわち、半導体積層体を構成するその他の層の上に電極を設けても良い。具体的には、エッチング犠牲層１５や電子供給層１４の表面に、絶縁層、フィールドプレート層などの窒化物半導体層、またはこれらの積層膜を介して、ドレイン電極１８Ｄやソース電極１８Ｓ、またはカソード電極５１Ｃを設けることも可能である。また、エッチング犠牲層１５や電子供給層１４の電極の形成領域の一部を電子走行層１３に達するまでエッチング除去してリセス部を形成し、このリセス部の表面、またはリセス部表面に所定の膜を介して、ドレイン電極１８Ｄやソース電極１８Ｓ、またはカソード電極５１Ｃを設けることも可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１，２，３  半導体装置
１０，２０  半導体積層基板
１１  基板
１２  バッファ層
１３  電子走行層
１４  電子供給層
１５  エッチング犠牲層
１６，５２  スペーサ層
１７，２１，５３  半導体層
１８Ｄ  ドレイン電極
１８Ｇ  ゲート電極
１８Ｓ  ソース電極
３０，４０  ＭＯＣＶＤ装置
３１，４１  反応炉
３２，４２  Ｖ族ガス配管
３３，４３  ＩＩＩ族キャリアガス配管
５１Ａ  アノード電極
５１Ｃ  カソード電極
５４  絶縁膜
【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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【図１４】
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【図１５】
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