(57)【要約】【課題】電子走行層における２次元電子ガスにおいて高いキャリア密度を維持しつつ、電子の移動度を増加させて素子抵抗を低減すること。【解決手段】基体１１と、ＧａＮからなる電子走行層１２、およびＡｌを含む窒化物半導体層１３−１〜１３−ｎを少なくとも２層積層した構造を有するとともに電子走行層１２よりも平均的にバンドギャップが広く平均Ａｌ組成比Ｘの電子供給層１３を有する半導体積層体と、半導体積層体を構成する層の少なくとも一部の層上に設けられる第１電極、および第２電極とを備え、電子供給層１３が、平均Ａｌ組成比Ｘよりも高い極大Ａｌ組成比ｘ１の第１窒化物層と平均Ａｌ組成比Ｘよりも低い極小Ａｌ組成比ｘ２の第２窒化物層とを交互に少なくとも１回積層し、極大Ａｌ組成比ｘ１が平均Ａｌ組成比Ｘに対して０．０３以上０．３未満の範囲内で高い。【選択図】図１
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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、および前記第１半導体層の上層に設けられアルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも１層積層した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く平均Ａｌ組成比Ｘの第２半導体層を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第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る第２電極と、を備え、
前記第２半導体層が、前記平均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窒化物半導体層とが交互に少なくとも１回積層されて構成され、
前記第１窒化物半導体層の極大Ａｌ組成比が、前記平均Ａｌ組成比Ｘに対して、０．０３以上０．３未満の範囲内で高い
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第２半導体層におけるＡｌ組成比が、前記基体の主面から前記第２半導体層の表面に向かう積層方向に沿って、前記第１窒化物半導体層内において極大Ａｌ組成比の前後で順に増加減少し、前記第２窒化物半導体層内において極小Ａｌ組成比の前後で順に減少増加するように、連続的に増減している
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】
前記第１窒化物半導体層の極大Ａｌ組成比が、０．２以上０．６未満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】
前記第２窒化物半導体層の極小Ａｌ組成比が、前記第２半導体層の平均Ａｌ組成比に対して、０．０３以上０．２未満の範囲内で低い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２窒化物半導体層の極小Ａｌ組成比が、０より大きく０．２未満であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記第２半導体層の平均Ａｌ組成比Ｘが、０．１以上０．４以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記第２半導体層の膜厚が２ｎｍ以上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】
前記第２半導体層の膜厚が３０ｎｍ以下であ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】
前記第２半導体層が、前記第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも高い少なくとも１通りの極大Ａｌ組成比の窒化物半導体を含む第１窒化物半導体層と、前記第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも低い少なくとも１通りの極小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５回以上１０回以下積層して構成されてい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】
前記半導体積層体が、前記第２半導体層を構成する複数の窒化物半導体層のうちの最大のＡｌ組成比よりも低くかつ最小のＡｌ組成比よりも高い平均Ａｌ組成比ＹのＡｌYＧａ1-YＮからなるエッチング犠牲層を前記第２半導体層上に有して構成されてい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】
前記エッチング犠牲層の膜厚が１ｎｍ以上１２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体積層体は、前記第２半導体層の上層に選択的に設けられ前記第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系半導体からなる第３半導体層をさらに有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１３】
前記第３半導体層が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚の窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１４】
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１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の窒化物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１６】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の窒化物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１７】
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、および少なくとも２つの異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層して複数層の窒化物半導体層からなる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、前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第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る第２電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第２半導体層における前記複数層の窒化物半導体層を、有機金属化学気相成長法による成長工程によって形成する際に、前記複数層の窒化物半導体層における各窒化物半導体層のそれぞれの成長工程の間において、所定時間、前記窒化物半導体層の成長を中断させる
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記半導体積層体が、前記第２半導体層を構成する前記複数層の窒化物半導体層のうちの最大のＡｌ組成比よりも低くかつ最小のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮからなるエッチング犠牲層を有する場合に、前記エッチング犠牲層を成長させる前に、前記複数層の窒化物半導体層のうちの最上層の上層に成長された窒化物半導体層をエッチング除去することを特徴とする請求項１７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、電子供給層を有する窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタに関する。
【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（2  Dimensional  Electron  Gas：２ＤＥＧ）が発生している。この２ＤＥＧ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。
【０００３】
また、ショットキーバリアダイオード（Schottky  Barrier  Diode：ＳＢＤ）やヘテロ接合電界効果トランジスタ（Heterojunction  Field  Effect  Transistor：ＨＦＥＴ）に、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子バリア層を設けた構成を採用することによって、半導体装置のオン抵抗を低減させる方法が知られている。具体的に特許文献１および非特許文献１には、分子線エピタキシー（Molecular  Beam  Epitaxy：ＭＢＥ）法により形成したＡｌＮ／ＧａＮ擬似混晶をバリア層（電子供給層）に用いることにより、ＡｌＧａＮ混晶からなるバリア層に比してキャリア濃度およびキャリア移動度を増加した、窒化物半導体材料を用いたＨＥＭＴが記載されている。また、特許文献２には、ヘテロ構造を有する窒化物半導体装置において、チャネル層（電子走行層）を構成するＧａＮ層とバリア層を構成するＡｌＧａＮ層との間にＡｌＮからなるスペーサ層を備えた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５１７０７７号公報
【特許文献２】特許第４０７２８５８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ９０、２４２１１２  （２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、本発明者は、従来の半導体装置における特性の課題である、低オン抵抗化や素子面積の低減のために、バリア層（電子供給層）として超格子構造のＡｌＮ／ＧａＮ擬似混晶を採用した。従来、窒化物半導体装置においてはチャネルとして２ＤＥＧを利用しており、電子供給層にＡｌＮ／ＧａＮ擬似混晶を採用すると２ＤＥＧ層における電子の移動度を増加させることができる。しかしながら、素子抵抗においてさらなる低減が求められていた。
【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、電子走行層における２次元電子ガスにおいて高いキャリア密度を維持しつつ、電子の移動度を増加させて素子抵抗を低減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、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタ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、および第１半導体層の上層に設けられアルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも１層積層した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く平均Ａｌ組成比Ｘの第２半導体層を有する半導体積層体と、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設けられる第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る第２電極と、を備え、第２半導体層が、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窒化物半導体層とが交互に少なくとも１回積層されて構成され、第１窒化物半導体層の極大Ａｌ組成比が、平均Ａｌ組成比Ｘに対して、０．０３以上０．３未満の範囲内で高いことを特徴とする。
【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半導体層におけるＡｌ組成比が、基体の主面から第２半導体層の表面に向かう積層方向に沿って、第１窒化物半導体層内において極大Ａｌ組成比の前後で順に増加減少し、第２窒化物半導体層内において極小Ａｌ組成比の前後で順に減少増加するように、連続的に増減し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、第１窒化物半導体層の極大Ａｌ組成比が、０．２以上０．６未満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、第２窒化物半導体層の極小Ａｌ組成比が、第２半導体層の平均Ａｌ組成比に対して、０．０３以上０．２未満の範囲内で低いことを特徴とする。
【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２窒化物半導体層の極小Ａｌ組成比が、０より大きく０．２未満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、第２半導体層の平均Ａｌ組成比が、０．１以上０．４以下であ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、第２半導体層の膜厚が２ｎｍ以上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、第２半導体層の膜厚が３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
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組成比よりも高い少なくとも１通りの極大Ａｌ組成比の窒化物半導体を含む第１窒化物半導体層と、第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも低い少なくとも１通りの極小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５回以上１０回以下積層して構成されていることを特徴とする。
【００１７】
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２半導体層を構成する複数の窒化物半導体層のうちの最大のＡｌ組成比よりも低くかつ最小のＡｌ組成比よりも高い平均Ａｌ組成比ＹのＡｌYＧａ1-YＮからなるエッチング犠牲層を第２半導体層上に有して構成されていることを特徴とする。本発明に係る窒化物半導体装置は、この構成において、エッチング犠牲層の膜厚が１ｎｍ以上１２ｎｍ以下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は、上記の発明において、半導体積層体は、第２半導体層の上層に選択的に設けられ第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系半導体からなる第３半導体層をさらに有することを特徴とする。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半導体層が２０ｎｍ以上の膜厚の窒化ガリウムからなることを特徴とする。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、および少なくとも２つの異なるＡｌ組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層して複数層の窒化物半導体層からなる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、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第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る第２電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、第２半導体層における複数層の窒化物半導体層を、有機金属化学気相成長法による成長工程によって形成する際に、複数層の窒化物半導体層における各窒化物半導体層のそれぞれの成長工程の間において、所定時間、窒化物半導体層の成長を中断させることを特徴とする。
【００２３】
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、半導体積層体が、第２半導体層を構成する複数層の窒化物半導体層のうちの最大のＡｌ組成比よりも低くかつ最小のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比のＡｌＧａＮからなるエッチング犠牲層を有する場合に、エッチング犠牲層を成長させる前に、複数層の窒化物半導体層のうちの最上層の上層に成長された窒化物半導体層をエッチング除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタによれば、電子走行層における２次元電子ガスにおいて高いキャリア密度を維持しつつ、電子の移動度を増加させて素子抵抗を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、実施の形態によるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層を有する半導体積層基板の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、実施の形態および従来の技術による擬似混晶の電子供給層内の各層構造を説明するための略線図である。
【図３】図３は、実施の形態１における半導体積層基板の製造方法を説明するためのシーケンスチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１における半導体積層基板の深さ方向に沿った、Ａｌ、Ｇａ、およびＮの組成比の測定値を示すグラフである。
【図５】図５は、実施の形態１における半導体積層基板の深さ方向に沿ったＩＩＩ族中のＡｌ組成比の測定値を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１によるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層とフィールドプレート構造とを有するＳＢＤの構造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ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層とフィールドプレート構造とを有するＨＥＭＴの構造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３によるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層を有するＳＢＤの構造を示す模式的な断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態４によるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層を有するＨＥＭＴの構造を示す模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態５によるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層を有するＭＯＳＦＥＴの構造を示す模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態６によるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層を有するＭＩＳＦＥＴの構造を示す模式的な断面図である。
【図１２】図１２は、従来の技術の問題点を説明するためのＳＢＤの構造を示す模式的な断面図である。
【図１３】図１３は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮからなる電子供給層における接触比抵抗のＡｌＮ層の設計膜厚依存性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、ＡｌＮを０．５ｎｍとした場合における、ＡｌＮ／ＧａＮ擬似混晶からなる電子供給層における接触比抵抗のＡｌ組成比依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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」、「上方」または「上部」、ならびに「下」、「下方」または「下部」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。
【００２７】
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の窒化物半導体装置について説明する。図１２は、従来の窒化物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。
【００２８】
すなわち、図１２に示すように、従来のＳＢＤ１００は、基板１０１上に順次積層された、バッファ層１０２、電子走行層１０３、および電子供給層１０４上に、選択的にアノード電極１０５Ａおよびカソード電極１０５Ｃ、ならびに絶縁膜１０６を備える。
【００２９】
このように構成されたＳＢＤ１００などの窒化物半導体装置において、その素子抵抗は、主にアクセス抵抗とコンタクト抵抗とによって決定される。ここで、コンタクト抵抗は、オーミック電極であるカソード電極１０５Ｃと、電子供給層１０４を介してカソード電極１０５Ｃとオーミック接触する２ＤＥＧ層Ａとの間のコンタクト部Ｃｏｎにおける抵抗である。また、アクセス抵抗は、２ＤＥＧ層Ａにおける、ショットキー電極であるアノード電極１０５Ａとコンタクト部Ｃｏｎとの間のアクセス部Ａｃにおける抵抗である。
【００３０】
ここで、アクセス抵抗は、２ＤＥＧ層Ａにおける電子のキャリア密度（２ＤＥＧ濃度Ｎｓ）と移動度（電子移動度）との積に反比例する。そこで、アクセス抵抗を低減するには、２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓを増加させるか、電子移動度を増加させる必要がある。ところが、本発明者の知見によれば、２ＤＥＧ濃度Ｎｓが高すぎると、ショットキー電極であるアノード電極１０５Ａの部分において電界強度が強くなりすぎるという問題が生じる。この問題を回避する観点から、２ＤＥＧ濃度Ｎｓにおいては、８×１０12〜１０×１０12ｃｍ-2程度が最適値となる上限が存在する。これにより、本発明者は、素子抵抗を低減するには、電子移動度を増加させる必要があることを想起した。これは、ＳＢＤ１００に限らず、アクセス部に２ＤＥＧを利用している、ＨＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＭＯＳＦＥＴ、およびＭＩＳＦＥＴなどの窒化物半導体装置においても同様である。
【００３１】
また、本発明者の知見によれば、電子走行層１０３は通常、アンドープの窒化ガリウム（ｕ−ＧａＮ）から構成されることから、電子移動度を増加させるために転位密度を低減する方法がある。ところが、窒化物半導体装置において通常用いられるシリコン（Ｓｉ）基板上にＧａＮを成長させる場合、Ｓｉ基板とＧａＮ層との格子定数の相違から転位密度には１０8ｃｍ-2程度の下限が存在するため、転位密度の低減にも限界がある。
【００３２】
そこで、電子移動度を増加させるために電子供給層１０４における電子の波動関数のしみ出しを抑制して合金散乱を減少させる方法が考えられる。従来、この合金散乱を減少させるために、電子供給層を構成するＡｌＧａＮ層と電子走行層を構成するＧａＮ層との間にＡｌＮからなるスペーサ層を設けたＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ積層構造が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、電子移動度を増加させ、アクセス抵抗を低減することができても、カソード電極１０５Ｃなどのオーミック電極において良好なオーミック接触が得られなくなると、コンタクト抵抗が増加してしまう。そこで、本発明者は、この特許文献１に記載された窒化物半導体装置におけるコンタクト抵抗を、オーミック電極にＴｉ/Ａｌ電極を用いてＴＬＭ（Transmission  Line  Model）法によって測定し、コンタクト部Ｃｏｎの接触比抵抗（Ω・ｃｍ2）における、ＡｌＮスペーサ層の膜厚依存性を測定した。この測定結果を図１３に示す。なお、ＡｌＮスペーサ層の膜厚はＸ線反射測定を用いて算出し、ＡｌＮの設計膜厚と概ね相違が無いことを確認した。また、図面に記載したグラフにおいて、αＥ±βはα×１０±βを示す。
【００３３】
図１３から、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ積層構造を採用した半導体装置においては、ＡｌＮスペーサ層の膜厚の増加に従って、コンタクト部の接触比抵抗が増加することが分かる。そして、半導体装置において良好なオーミック接触を得るための接触比抵抗である２．０×１０-5Ωｃｍ2以下の範囲（図１３中、点線から矢印方向）を考慮すると、ＡｌＮスペーサ層の膜厚を０．５ｎｍ未満に小さくする必要がある。他方、本発明者が同様の半導体装置における電子移動度のＡｌＮスペーサ層の膜厚依存性をホール効果（Ｈａｌｌ効果）測定により測定したところ、ＡｌＮスペーサ層の膜厚が０．５ｎｍの場合において、電子移動度が最大になることが確認された。すなわち、電子供給層の下層にＡｌＮスペーサ層を設けたＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ積層構造を採用した場合、２ＤＥＧの電子移動度を増加させて良好なオーミック接触を両立させるのは極めて困難であることが確認された。
【００３４】
そこで、本発明者は、電子供給層に、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てＡｌＮ／ＧａＮ超格子層とした擬似混晶構造を採用することにより、電子移動度を増加させる方法について検討を行った。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組成比を増加できるとともに、電子供給層１０４の膜厚を増加させることが容易になる。これにより、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子層を構成するＡｌＮ層およびＧａＮ層の層数、またはＡｌＮ層およびＧａＮ層を組とした場合においては組数と、平均Ａｌ組成比とを調整することによって、２ＤＥＧ層の２ＤＥＧ濃度Ｎｓを制御できる。さらに、２ＤＥＧ濃度Ｎｓを高濃度に維持できるとともに電子移動度を増加できるので、半導体装置におけるアクセス抵抗を低減できる。
【００３５】
そこで、本発明者は、上述した理由から、電子供給層１０４を擬似混晶構造とした半導体装置におけるコンタクト抵抗を測定し、コンタクト部Ｃｏｎの接触比抵抗（Ω・ｃｍ2）における、電子供給層の平均Ａｌ組成比依存性を測定した。なお、この電子供給層１０４としては、０．５ｎｍの膜厚のＡｌＮ層と２ｎｍの膜厚のＧａＮ層とを１組として、７〜８組積層させて構成した。また、ＡｌＮ層の膜厚を０．５ｎｍに固定しつつ擬似混晶内におけるＧａＮ層膜厚を変化させることで平均Ａｌ組成比を変化させた場合の測定結果を図１４に示す。なお、ＡｌＮ層およびＧａＮ層の膜厚はそれぞれ、Ｘ線反射測定（ＸＲＲ）法から見積もった。
【００３６】
図１４から、電子供給層をＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造とした場合、コンタクト部Ｃｏｎにおける接触比抵抗は、平均Ａｌ組成比を増加させてもほぼ一定であることが分かる。そして、半導体装置に適用可能な接触比抵抗である２．０×１０-5Ωｃｍ2以下の範囲（図１４中、点線から矢印方向）を考慮しても、ＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造の平均Ａｌ組成比が、電子供給層がＡｌＧａＮの単層から構成されているとみなして電子走行層に対する電子供給層の歪み量がＡｌＧａＮの単層の臨界膜厚以下となる平均Ａｌ組成比、具体的にはたとえば平均Ａｌ組成比が４０％以下であれば、良好なオーミック接触が確保できることが分かる。また、本発明者が電子供給層を擬似混晶構造とした場合の２ＤＥＧ層の電子移動度を計測したところ、電子供給層の下層にＡｌＮスペーサ層を設けた半導体装置において、ＡｌＮスペーサ層の膜厚を０．５ｎｍとした場合とほぼ同等の高い電子移動度が得られることが確認された。
【００３７】
また、本発明者は、素子抵抗をより一層低減させるために、コンタクト抵抗のさらなる低減について鋭意検討を行った。まず、本発明者が種々実験および検討を行ったところ、擬似混晶の電子供給層を構成するＡｌＮ／ＧａＮ超格子層におけるＡｌＮ層が１ｎｍ以上に厚いと、コンタクト抵抗が急激に悪化することが判明した。すなわち、本発明者は、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ったところ、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。
【００３８】
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、さらなる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組成比が、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構成を想起した。また、このＡｌ組成比の増減は、従来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。この場合、電子供給層を構成するＡｌＧａＮ超格子層は、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、いわゆるＡｌ組成変調超格子構造を有する。これにより、２ＤＥＧ層Ａを構成する電子の波動関数は、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、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。以上により、窒化物半導体装置において、コンタクト抵抗を低減できるとともに、電子走行層内に生じる２ＤＥＧ層のキャリア密度（２ＤＥＧ濃度）を高い水準に維持しつつ電子移動度を向上させてアクセス抵抗を低減することができる。以下に説明する実施の形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板の構成を示す断面図である。すなわち、この実施の形態１における半導体積層基板１０においては、基体１１上に、電子走行層１２、電子供給層１３、エッチング犠牲層１４、および半導体層１５が順次積層されて構成されている。
【００４０】
基体１１は、たとえば、基板およびバッファ層などから構成される。基板は、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。バッファ層は、たとえばＧａＮ層やＡｌＮ層などからなる。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、窒化物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、バッファ層、および必要に応じたその他の層により基体１１が構成されている。
【００４１】
第１半導体層としての電子走行層１２は、たとえば膜厚が７００ｎｍ（０．７μｍ）のアンドープの窒化ガリウム（ｕ−ＧａＮ）から構成される。なお、電子走行層１２を構成する材料としては、ＧａＮ以外の材料を用いても良く、ＡｌＧａＮを用いる場合、そのＡｌ組成比は５％以下とするのが好ましい。
【００４２】
第２半導体層としての電子供給層１３は、Ａｌ組成比が異なりバンドギャップが異なる少なくとも２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。この実施の形態１において電子供給層１３は、たとえば平均Ａｌ組成比ＸのＡｌXＧａ1-XＮの擬似混晶構造を有し、少なくとも２種類の互いに異なる極大Ａｌ組成比ｘ１または極小Ａｌ組成比ｘ２の種々の値をとるＡｌ組成比ｘのＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎ（ｎ：自然数）が複数積層されたＡｌＧａＮ超格子層から構成される。そして、電子供給層１３は、窒化物半導体装置の設計に応じて、少なくとも２層、好適には４層以上のＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎから構成される。すなわち、電子供給層１３の平均Ａｌ組成比Ｘと、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎの層数または２層を１組とした場合の組数とによって、２ＤＥＧ濃度Ｎｓを設計に基づく所望の濃度に制御する。なお、組数は０．５組単位である。そして、この実施の形態１においては、２ＤＥＧ濃度Ｎｓがたとえば１×１０13ｃｍ未満になるように、平均Ａｌ組成比Ｘと各ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎの層数（ｎ）または組数（ｎ／２）とが調整される。ここで、この実施の形態１におけるＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−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。なお、電子供給層１３を構成するそれぞれのＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎのＡｌ組成比ｘは、ＡｌおよびＧａを含むことから、少なくとも０＜ｘ＜１を満たす。
【００４３】
また、各ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎはいずれも、それらの内部に２ＤＥＧが発生しないように膜厚やＡｌ組成比を調整して構成するのが好ましい。また、電子供給層１３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ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎの膜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１３は、その平均バンドギャップが、電子走行層１２のバンドギャップよりも大きくなるように構成されている。これにより、電子走行層１２と電子供給層１３との界面に、２ＤＥＧ層Ａが発生する。
【００４４】
そして、具体的に電子供給層１３を構成するＡｌＧａＮ超格子層は、極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と、極小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層とが交互に配置されるように積層されている。なお、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層は極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌＧａＮ層を指し、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層は最小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌＧａＮ層を指す。
【００４５】
また、ＡｌＧａＮ超格子層のＡｌ組成比は、深さ方向（積層方向）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している。図２は、電子供給層１３を構成する各ＡｌxＧａ1-xＮ層における、Ａｌ組成比ｘ（縦軸）と深さ方向に沿った膜厚ｄ（横軸）との関係を示すグラフである。なお、グラフの左側がエッチング犠牲層１４または半導体層１５側、右側が電子走行層１２側である。また、図２中、実線がこの実施の形態１による各擬似混晶構造の電子供給層１３におけるＡｌ組成比のグラフを示し、下部の数字は図１中の対応する符号を示す。また、図２中、点線が電子供給層１３を従来技術によるＡｌＮ／ＧａＮ超格子層とした場合におけるＡｌ組成比のグラフを示し、下部の数字は図１中の対応する符号を示す。そして、これらの実施の形態１および従来の電子供給層１３において、いずれも平均Ａｌ組成比Ｘは同じである。
【００４６】
図２に示すように、この実施の形態１による電子供給層１３のＡｌ組成比は、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１３−１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１３−２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１３−１からＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１３−ｎに連続的に増減するように積層されている。
【００４７】
また、これらのＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−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１３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１３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。
【００４８】
また、図２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１３−１,１３−３，…，１３−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１３−１,１３−３，…，１３−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１３−２，１３−４，…，１３−（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１３−２，１３−４，…，１３−（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２においては、電子供給層の深さ方向に沿ったＡｌ組成比の増減形状を、増減が急峻な矩形状（図２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することも可能である。
【００４９】
ここで、第１窒化物半導体層としてのＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１３−３，…，１３−ｎは、電子供給層１３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１３−２，１３−４，…，１３−（ｎ−１）は、電子供給層１３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１２側に位置する、第１窒化物半導体層の１つであるＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１３−１は、下層の電子走行層１２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。
【００５０】
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１２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１３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）
【００５１】
また、極大Ａｌ組成比ｘ１が、各Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層１３−１,１３−３，…，１３−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１３−１，Ａｌx13Ｇａ1-x13Ｎ層１３−３，…，Ａｌx1nＧａ1-x1nＮ層１３−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）
【００５２】
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１３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）
【００５３】
また、極小Ａｌ組成比ｘ２が、各Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１３−２，１３−４，…，１３−（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１３−２，Ａｌx24Ｇａ1-x24Ｎ層１３−４，…，Ａｌx2(n-1)Ｇａ1-x2(n-1)Ｎ層１３−（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）
【００５４】
以上のように、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、電子走行層１２側からエッチング犠牲層１４や半導体層１５の側に向かって２ＤＥＧの波動関数を電子供給層１３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。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１３における２ＤＥＧの波動関数のしみ出しやすさを考慮すると、最大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。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。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層を例えば有機金属気相成長（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。
【００５５】
また、この実施の形態１において電子供給層１３の平均Ａｌ組成比Ｘは、０＜Ｘ＜１を前提として、電子走行層１２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１３の平均Ａｌ組成比Ｘは上述した範囲が好ましい。
【００５６】
また、電子供給層１３を構成するＡｌＧａＮ層のうち、極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層および極小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層１３−ｉの膜厚ｄｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）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１３−ｉの膜厚ｄｉ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１３−１〜１３−ｎの膜厚、ならびに層数（ｎ）および組数（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。
【００５７】
また、電子供給層１３の膜厚の下限としては、電子供給層１３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１３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。
【００５８】
また、図１に示すエッチング犠牲層１４は、平均Ａｌ組成比Ｙが電子供給層１３の平均Ａｌ組成比Ｘより大きい（Ｘ＜Ｙ）、ＡｌYＧａ1-YＮ層（０＜Ｙ＜１）からなる。これは、ＡｌyＧａ1-yＮ層上に設けられた半導体層１５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ストップとして極めて有効に作用するためである。また、詳細は後述するが、エッチング犠牲層１４を構成するＡｌＧａＮの局所的なＡｌ組成比ｙは、電子供給層１３を構成するＡｌＧａＮ層における極大Ａｌ組成比ｘ１以下、極小Ａｌ組成比ｘ２以上になるように構成される。その上で、局所的なＡｌ組成比ｙは、エッチング犠牲層１４の電子供給層１３側から半導体層１５側に向かう積層方向に沿って、谷状のプロファイルを描くように順次減少増加するように構成されている。
【００５９】
また、エッチング犠牲層１４は、その局所的なＡｌ組成比ｙがエッチング犠牲層１４の表面近傍から半導体層１５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１４からＧａＮ層からなる半導体層１５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、半導体層１５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１４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、半導体層１５のエッチングにおいて、エッチング犠牲層１４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１３にまで到達することなく、エッチング犠牲層１４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１４を設けることによって、エッチング時に電子供給層１３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。
【００６０】
ここで、エッチング犠牲層１４の膜厚は、その上層に形成される半導体層１５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にするのが好ましく、具体的には、たとえば１ｎｍ以上が好ましい。また、エッチング犠牲層１４の膜厚は、内部に発生する２ＤＥＧの２ＤＥＧ濃度Ｎｓを、窒化物半導体装置に対する影響が無視できる程度に低くするために、１２ｎｍ以下にするのが好ましい。従って、エッチング犠牲層１４の膜厚は、１ｎｍ以上１２ｎｍ以下、この実施の形態１においては、たとえば４ｎｍ程度とする。
【００６１】
また、半導体積層基板１０から製造する窒化物半導体装置の構造に応じて、エッチング犠牲層１４または電子供給層１３の上層には、第３半導体層としての半導体層１５が設けられる。半導体層１５は、電子走行層１２に生じる２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓを少なくとも２水準で変調させるために、電子供給層１３の平均バンドギャップより狭いＩＩＩ族窒化物系化合物半導体、具体的にはＡｌ組成比ｚのＡｌzＧａ1-zＮ層（０≦ｚ≦１）からなる。また、この半導体層１５の膜厚は、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好適には、成長とエッチングを用いた膜厚制御により２ＤＥＧ濃度の制御が容易になる２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好適には、膜厚のばらつきによる２ＤＥＧ濃度のばらつきを受けにくくなる２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。この実施の形態１において半導体層１５は、たとえば膜厚が３０ｎｍのＧａＮ層からなる。
【００６２】
そして、上述した電子走行層１２、電子供給層１３、エッチング犠牲層１４、および半導体層１５により、この実施の形態１における半導体積層体が構成される。なお、半導体積層基板１０から製造される窒化物半導体装置の構成によって、半導体積層体を電子走行層１２および電子供給層１３から構成しても良い。また、電子供給層１３の最上層をエッチング犠牲層として用いてエッチング犠牲層１４を設けない場合には、電子走行層１２、電子供給層１３、および半導体層１５により半導体積層体を構成しても良い。以上により、この実施の形態１による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板１０が構成されている。
【００６３】
（半導体積層基板の製造方法）
次に、この実施の形態１における半導体積層基板１０の製造方法について説明する。図３は、この実施の形態１における半導体積層基板１０の基体１１上に、有機金属化学気相成長（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により各層を成長させる際の供給ガスのシーケンスチャートである。なお、図３において、「ＲＵＮ」および「ＶＥＮＴ」はそれぞれ、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉（ＭＯＣＶＤ反応炉）へのガスの供給状態および供給停止状態（排気状態）を示す。
【００６４】
図１および図３に示すように、この実施の形態１における半導体積層基板１０の製造方法においては、まず、基体１１を設置したＭＯＣＶＤ反応炉（図示せず）内に、たとえばＩＩＩ族ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、Ｖ族ガスとしてのアンモニア（ＮＨ3）と、キャリアガスとしての水素（Ｈ2）および窒素（Ｎ2）とをそれぞれ供給する。これにより、基体１１上にＧａＮを成長させてｕ−ＧａＮ層からなる電子走行層１２を形成する。ここで、ｕ−ＧａＮからなる電子走行層１２の成長条件の一例を挙げると、不純物濃度を低下させる点を考慮して、雰囲気圧力を比較的高圧の２００Ｔｏｒｒ（２６．７ｋＰａ）とし、ＩＩＩ族元素（Ｇａ）に対するＶ族元素（Ｎ）のモル比（Ｖ／ＩＩＩモル比）を１００００程度、キャリアガスのＨ2ガスの流量をたとえば８５Ｌ／ｍｉｎ程度にする。
【００６５】
続けて、ＭＯＣＶＤ反応炉への、ＮＨ3、Ｈ2およびＮ2の供給を継続しつつＴＭＧａの供給を停止する。なお、ＮＨ3、Ｈ2、およびＮ2は、ＭＯＣＶＤ反応炉内に基体１１を設置している間、中断することなく常時供給される。そして、所定時間Ｔ0の間に、ＭＯＣＶＤ装置における所定の操作によって成長条件を変更し、続けてＭＯＣＶＤ反応炉内を安定化させる。ここで、この実施の形態１においては、成長条件の変更をたとえば１２０秒間、安定化をたとえば６０秒間行った後、さらにたとえば６秒間程度の中断時間を設ける。すなわち、この実施の形態１において所定時間Ｔ0は、たとえば１８６秒間程度（約３分間）である。
【００６６】
その後、ＴＭＧａのＭＯＣＶＤ反応炉への供給を停止した状態で、ＭＯＣＶＤ反応炉に、たとえばＩＩＩ族ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給する。これにより、電子走行層１２上にＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１を成長させる。ここで、上述した所定時間Ｔ0の間においては、ＭＯＣＶＤ反応炉にＮ2およびＮＨ3に加えてＨ2が供給されている。そのため、成長させた電子走行層１２を構成するｕ−ＧａＮ層の表面は、所定時間Ｔ0の間エッチングされる。このとき、ｕ−ＧａＮ層のエッチング表面においては、窒素（Ｎ）が脱離する一方でＧａが残留する。他方、ＡｌＮの共有結合エネルギーはＧａＮの共有結合エネルギーより大きい。これにより、ＭＯＣＶＤ反応炉にＴＭＡｌを供給すると、ＧａがＡｌと置換して、電子走行層１２上にＡｌＮ優位の結晶成長が行われ、Ａｌ組成比ｘが比較的高いＡｌＧａＮ変成層からなるＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１が成長される。
【００６７】
続けて、ＭＯＣＶＤ反応炉への、ＮＨ3、Ｈ2、およびＮ2の供給を継続しつつ、ＴＭＡｌの供給を停止する。そして、中断時間ｔとしてたとえば６秒間、成長ガスのＭＯＣＶＤ反応炉への供給を中断することで結晶成長を中断させる。この中断の間、ＭＯＣＶＤ反応炉内においては、Ｎ2およびＮＨ3に加えてＨ2が供給されている。そのため、成長させたＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１の表面は、中断時間ｔの間エッチングされる。このとき、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１のエッチング表面においては、Ｎが脱離する一方でＡｌおよびＧａが残留する。
【００６８】
続けて、ＭＯＣＶＤ反応炉へのＴＭＡｌの供給を停止した状態でＴＭＧａを供給する。ここで、同じ温度条件下においてはＧａの蒸気圧に比してＡｌの蒸気圧が低いため、Ａｌ原子に比してＧａ原子が脱離しやすい。そのため、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１のエッチング表面には主にＡｌが残留している。そして、この残留したＡｌは、ＴＭＧａおよびＮによって成長されるＧａＮと結合する。また、上述と同様の理由からＧａがＡｌと置換する。これによって、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１上にＧａＮ優位の結晶成長が行われ、Ａｌ組成比ｘが比較的低いＡｌＧａＮ変成層からなるＡｌxＧａ1-xＮ層１３−２が成長される。
【００６９】
その後、ＭＯＣＶＤ反応炉への、ＮＨ3、Ｈ2、およびＮ2の供給を継続しつつ、ＴＭＧａの供給を停止し、たとえば６秒間程度の中断時間ｔ、成長ガスの供給を中断して、結晶成長を中断する。この結晶成長の中断の間、ＭＯＣＶＤ反応炉内においては、Ｎ2およびＮＨ3に加えてＨ2が供給されている。そのため、成長されたＡｌxＧａ1-xＮ層１３−２の表面は、中断時間ｔの間エッチングされる。このとき、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−２のエッチング表面においては、Ｎが脱離する一方でＡｌおよびＧａが残留する。
【００７０】
そして、中断時間ｔが経過した後、ＭＯＣＶＤ反応炉への、ＴＭＧａの供給を停止した状態でＴＭＡｌを供給する。これにより、Ａｌ組成比ｘが比較的低いＡｌxＧａ1-xＮ層１３−２上にＡｌＮ優位の結晶成長が行われ、上述したＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１の成長と同様にして、Ａｌ組成比ｘが比較的高いＡｌＧａＮ変成層からなるＡｌxＧａ1-xＮ層１３−３を成長させる。その後、ＭＯＣＶＤ反応炉内へのＴＭＡｌの供給を停止する。
【００７１】
以上のＴＭＡｌの供給および中断、ならびにＴＭＧａの供給および中断を、所望とするＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎを形成するまで順次交互に繰り返し行う。そして、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−ｎを成長させてから中断時間ｔだけ結晶成長を中断した後、ＭＯＣＶＤ反応炉へのＴＭＡｌの供給を停止させた状態でＴＭＧａを供給する。これにより、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−ｎ上にＡｌ組成比ｘが比較的低いＡｌxＧａ1-xＮ層（図示せず）が成長される。以上のように、中断時間ｔを挟んで結晶成長を交互に繰り返すことによって、電子走行層１２上に擬似混晶構造のＡｌＧａＮ超格子層からなる電子供給層１３が形成される。
【００７２】
ここで、これらのＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎの成長条件の一例を挙げると、ＴＭＡｌの流量をたとえば２００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧａの流量をたとえば１６０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3の流量をたとえば３５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2ガスの流量をたとえば５０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ2ガスの流量をたとえば１５Ｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡｌの供給時におけるＶ／ＩＩＩモル比をたとえば８０００、ＴＭＧａの供給時におけるＶ／ＩＩＩモル比をたとえば１００００とする。また、ＭＯＣＶＤ反応炉内の雰囲気条件の一例を挙げると、成長温度を９６０℃以上１０６０℃以下のたとえば１０２０℃とし、ＴＭＡｌとＮＨ3との気相反応を抑制するために、雰囲気圧力を低めに設定して３０Ｔｏｒｒ（４．０ｋＰａ）以上２００Ｔｏｒｒ（２６．７ｋＰａ）以下のたとえば５０Ｔｏｒｒ（６．６７ｋＰａ）とする。この条件において、ＴＭＡｌを供給して成長させる場合における成長速度は７ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、ＴＭＧａを供給して成長させる場合における成長速度は３ｎｍ／ｍｉｎ程度である。そして、これらの成長速度と各ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎにおけるそれぞれの所望の膜厚から、ＴＭＡｌやＴＭＧａの供給時間が算出されて適用される。なお、Ａｌ組成比を変化させる場合には、ＮＨ3流量を固定してＴＭＡｌまたはＴＭＧａの流量を変化させる。これによって、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−１〜１３−ｎにおけるそれぞれのＡｌ組成比が、所望の比率に制御される。
【００７３】
次に、ＭＯＣＶＤ反応炉への、ＮＨ3、Ｈ2およびＮ2の供給を継続しつつ、ＴＭＧａの供給を中断する。そして、所定時間Ｔ1の間に、ＴＭＧａの供給の中断、ＭＯＣＶＤ装置におけるエッチング犠牲層１４の成長条件への変更、およびＭＯＣＶＤ装置の安定化を順次行う。ここで、この実施の形態１においては、中断をたとえば６秒間、成長条件の変更をたとえば１２０秒間、安定化をたとえば６０秒間行う。すなわち、この実施の形態１において所定時間Ｔ1は、たとえば１８６秒間程度である。この所定時間Ｔ1の間においても、ＭＯＣＶＤ反応炉にはＮＨ3、Ｈ2、およびＮ2が供給されている。そのため、この所定時間Ｔ1の間に、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３−ｎ上に形成された最上層のＡｌxＧａ1-xＮ層はエッチング除去される。
【００７４】
そして、所定時間Ｔ1の経過後、ＭＯＣＶＤ反応炉内にＴＭＧａおよびＴＭＡｌを供給する。これにより、電子供給層１３上にエッチング犠牲層１４を形成する。ここで、エッチング犠牲層１４の成長条件の一例を挙げると、成長温度を９６０〜１０６０℃のたとえば１０２０℃とし、圧力を３０〜２００Ｔｏｒｒのたとえば６０Ｔｏｒｒとし、Ｖ／ＩＩＩモル比を、ＴＭＡｌにおいて８０００程度、ＴＭＧａにおいて１００００程度とする。また、それぞれのガスの流量の一例を挙げると、ＴＭＧａの流量をたとえば１６０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡｌの流量をたとえば２００μｍｏｌ／ｍｉｎとし、ＮＨ3の流量をたとえば３５Ｌ／ｍｉｎ、キャリアガスとしてのＨ2の流量をたとえば５０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ2の流量をたとえば１５Ｌ／ｍｉｎとする。そして、エッチング犠牲層１４が所望の膜厚に形成された後、ＭＯＣＶＤ反応炉内へのＴＭＧａおよびＴＭＡｌの供給を停止する。
【００７５】
次に、ＭＯＣＶＤ反応炉への、ＮＨ3、Ｈ2およびＮ2の供給を継続しつつ、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌの供給を中断する。そして、所定時間Ｔ2の間に、ＭＯＣＶＤ装置における半導体層１５の成長条件への変更、およびＭＯＣＶＤ反応炉内の安定化を順次行う。ここで、この実施の形態１においては、成長条件の変更をたとえば１２０秒間、安定化をたとえば６０秒間とする。すなわち、この実施の形態１において所定時間Ｔ2は、たとえば１８０秒間程度である。このとき、エッチング犠牲層１４におけるＡｌＧａＮ層の表面がエッチングされてＧａが脱離し、表面にＡｌが残留した状態を作ることができる。
【００７６】
そして、所定時間Ｔ2の経過後、ＭＯＣＶＤ反応炉内にＴＭＧａを供給することによって、エッチング犠牲層１４上に半導体層１５を形成する。これにより、そのエッチング犠牲層１４における局所的なＡｌ組成比ｙを、エッチング犠牲層１４の表面近傍から半導体層１５に向かって、なだらかに減少させることができる。ここで、半導体層１５の成長条件の一例を挙げると、Ｖ／ＩＩＩモル比についてはやや高い２００００程度にする点以外は、上述した電子走行層１２の成長条件とほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００７７】
以上により、図１に示す半導体積層基板１０が形成される。そして、以上のようにして製造された半導体積層基板１０に対して、３次元アトムプローブ（３ＤＡＰ）法を用いて積層構造を分析した結果を図４および図５に示す。図４は、図１に示す半導体積層基板１０において、Ａｌ、Ｇａ、およびＮの合計の組成比率を１００％とし、Ｎの含有率を５０％として、Ａｌ、Ｇａ、およびＮの組成比を、深さ方向に沿って分析したグラフである。図５は、ＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ）とＶ族元素（Ｎ）とを同じ比率にした場合における図１に示す半導体積層基板１０の深さ方向に沿ったＡｌ組成比ｘ（％）（図５中、ＩＩＩ族Ａｌ組成比（％））の分析結果であり、グラフの上部の数値は図１中で示す符号に対応している。
【００７８】
図４および図５から、電子供給層１３における各ＡｌＧａＮ層が、極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌＧａＮ層と極小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌＧａＮ層とで交互に積層されていることが分かる。また、平均Ａｌ組成比Ｘが２４％（Ｘ＝０．２４）程度であるのに対して、極大Ａｌ組成比ｘ１が２７％から３５％程度（０．２７≦ｘ１≦０．３５）であり、極小Ａｌ組成比ｘ２が１５％から１８％程度（０．１５≦ｘ２≦０．１８）であることが分かる。また、本発明者が、この半導体積層基板１０を用いてＳＢＤ製造工程を実施し、ＴＬＭ法によってオーミック電極の部分におけるオーミック接触の特性を測定したところ、接触抵抗値が５×１０-6Ω・ｃｍ2程度になることが確認され、コンタクト抵抗が極めて低い良好なオーミック接触を得られることが確認された。また、本発明者が、上述した半導体積層基板１０の製造方法に基づいての種々の半導体積層基板１０を製造し、３ＤＡＰ法により分析したところ、最大の極大Ａｌ組成比ｘ１が２０％以上６０％未満（０．２≦ｘ１＜０．６）で、最小の極小Ａｌ組成比ｘ２が０％より大きく２０％未満の（０＜ｘ２＜０．２）の、Ａｌ組成変調超格子構造の電子供給層を有する半導体積層基板を製造できることが確認された。
【００７９】
また、図５から、エッチング犠牲層１４を構成するＡｌyＧａ1-yＮ層の局所的なＡｌ組成比ｙが、電子供給層１３を構成するＡｌＧａＮ層における極大Ａｌ組成比ｘ１以下、極小Ａｌ組成比ｘ２以上になっていることが分かる。その上で、局所的なＡｌ組成比ｙは、エッチング犠牲層１４の電子供給層１３側から半導体層１５側に向かう積層方向に沿って、谷状のプロファイルを描くように順次減少増加し、エッチング犠牲層１４の表面近傍において最大となった位置から半導体層１５側に向かって、なだらかに減少していることが分かる。このエッチング犠牲層１４の表面近傍におけるＡｌ組成比ｙが局所的に最大ピークとなっている部分は、上述した製造方法において、エッチング犠牲層１４の成長後に所定時間Ｔ2の中断期間を設けたことによって生じたものと考えられる。このようにエッチング犠牲層１４から半導体層１５に向かってＡｌ組成比ｙが連続的または段階的に変化していることにより、半導体層１５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１４の上面まで到達した時点から、エッチング速度がＡｌ組成比ｙに応じて連続的または段階的に変化する。これにより、エッチング犠牲層１４の表面をエッチングすることでエッチング速度が制御でき、エッチング犠牲層１４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。
【００８０】
次に、以上のように構成された本発明の実施の形態１による電子供給層を有する窒化物半導体装置について説明する。
【００８１】
まず、実施の形態１による窒化物半導体装置としてのＳＢＤについて説明する。図６は、実施の形態１による窒化物半導体装置としてのＳＢＤの模式的な断面図である。
【００８２】
図６に示すように、この実施の形態１によるＳＢＤ１は、上述した半導体積層基板１０の構造に加えて、エッチング犠牲層１４上に選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極１６Ａと、このアノード電極１６Ａと離間したオーミック電極としてのカソード電極１６Ｃとが設けられている。さらに、エッチング犠牲層１４上には、カソード電極１６Ｃと離間して、半導体層１５の一部からなるフィールドプレート層１５ａがアノード電極１６Ａ側に設けられている。そして、これらのエッチング犠牲層１４およびフィールドプレート層１５ａと、アノード電極１６Ａおよびカソード電極１６Ｃの少なくとも一部を覆うように、絶縁膜１７が設けられている。ここで、絶縁膜１７はたとえばＳｉＯ2から構成されるが、その他の材料、具体的には窒化シリコン（ＳｉＮ）や酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3：アルミナ）などを用いても良く、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。
【００８３】
このＳＢＤ１においては、フィールドプレート層１５ａが設けられていることによって、２ＤＥＧ層ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓが、２ＤＥＧ層ａ以外の２ＤＥＧ層Ａにおける２ＤＥＧ濃度Ｎｓより低濃度に変調される。これにより、フィールドプレート層１５ａが設けられた部分における電界強度を抑制できる。反面、図１に示す半導体積層基板１０のように、フィールドプレート層１５ａを構成する半導体層１５を設けた状態では、２ＤＥＧ濃度Ｎｓが低濃度になるため、電子走行層１２のアクセス部におけるアクセス抵抗は、半導体層１５が設けられていない場合に比して高くなる。そのため、２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓを制御しつつアクセス抵抗を低減するために、ＳＢＤ１の製造においては、図６に示すように、所望のフィールドプレート層１５ａの形成領域以外の半導体層１５はエッチング除去される。この際、上述したように、エッチング犠牲層１４の局所的なＡｌ組成比ｙを半導体層１５に向かってなだらかに減少させているので、フィールドプレート層１５ａの形成時に、エッチング犠牲層１４の表面の部分がオーバーエッチングされてエッチング速度が制御され、半導体層１５のエッチングを制御性良く行うことができる。また、電子走行層１２に生じる２ＤＥＧ濃度Ｎｓは、半導体層１５の一部からなるフィールドプレート層１５ａの膜厚が大きいほど低下するように変調される。そのため、この実施の形態１において、フィールドプレート層１５ａの膜厚、すなわち半導体層１５の膜厚は、たとえば２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、好適には成長とエッチングを用いた膜厚制御により２ＤＥＧ濃度Ｎｓの制御が容易な２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好適には膜厚ばらつきによる２ＤＥＧ濃度Ｎｓのばらつきを受けにくい２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。
【００８４】
また、第１電極としてのアノード電極１６Ａは、たとえば、下部電極層がＮｉ層で上部電極層がＡｕ層のＮｉ／Ａｕの積層構造を有する。これにより、アノード電極１６Ａは、エッチング犠牲層１４および電子供給層１３を介して電子走行層１２に発生した２ＤＥＧ層Ａとショットキー接触する。なお、アノード電極１６Ａは、電子供給層１３におけるアノード電極１６Ａの形成領域をリセスエッチングによって除去し、フィールドプレート層１５ａの下層に存在する２ＤＥＧに対して側面からショットキー接触させても良い。
【００８５】
また、アノード電極１６Ａは、フィールドプレート層１５ａ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、カソード電極１６Ｃ側に向かってせり出すように延伸している。この実施の形態１においてアノード電極１６Ａは、フィールドプレート層１５ａ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１６Ａとフィールドプレート層１５ａとの間に他の半導体膜や誘電体膜を介在させて互いに非接触としても良い。さらに、この実施の形態１においては、アノード電極１６Ａに多段の段差を有する形状、たとえば２段の階段状にフィールドプレート部を設ける。
【００８６】
第２電極としてのカソード電極１６Ｃは、たとえば、下部電極層がＴｉ層で上部電極層がＡｌ層のＴｉ／Ａｌの積層構造を有する。これにより、カソード電極１６Ｃは、エッチング犠牲層１４および電子供給層１３を介して電子走行層１２に発生した２ＤＥＧ層Ａオーミック接触する。
【００８７】
また、絶縁膜１７は、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ2）から構成される。絶縁膜１７は、主に、フィールドプレート層１５ａ、アノード電極１６Ａ、カソード電極１６Ｃ、およびエッチング犠牲層１４の表面を保護する。以上により、実施の形態１によるＳＢＤ１が構成されている。
【００８８】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２による窒化物半導体装置としてのＨＥＭＴ型電界効果トランジスタについて説明する。図７は、この実施の形態２による窒化物半導体装置としてのＨＥＭＴ２を示す模式的な断面図である。
【００８９】
図７に示すように、実施の形態２によるＨＥＭＴ２は、実施の形態１における半導体積層基板１０における構造に加えて、エッチング犠牲層１４上に選択的に、フィールドプレート層１５ｂと、互いに離間したソース電極２１Ｓ、ゲート電極２１Ｇおよびドレイン電極２１Ｄと、絶縁膜２２とを備える。
【００９０】
ここで、電子走行層１２に生じる２ＤＥＧ濃度Ｎｓは、半導体層１５の一部からなるフィールドプレート層１５ｂの膜厚が大きいほど低下するように変調される。そのため、この実施の形態２において、フィールドプレート層１５ｂの膜厚は、実施の形態１における理由と同様の理由から、たとえば２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、好適には２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好適には２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。また、このフィールドプレート層１５ｂは、実施の形態１と同様に、半導体積層基板１０における半導体層１５を、エッチング犠牲層１４をオーバーエッチングされるエッチングストップ層として用いてエッチングすることによって形成される。
【００９１】
また、この実施の形態２においては、電子走行層１２、電子供給層１３、エッチング犠牲層１４、およびフィールドプレート層１５ｂによって半導体積層体が構成される。そして、フィールドプレート層１５ｂにより半導体積層体の内部の２ＤＥＧ濃度Ｎｓが変調される。すなわち、フィールドプレート層１５ｂの下方領域に２ＤＥＧ濃度が低い２ＤＥＧ層ａが生成される。ここで、ＨＥＭＴ２の高耐圧化の観点からは、２ＤＥＧ層ａの２ＤＥＧ濃度Ｎｓは、７×１０12ｃｍ-2以下にするのが好ましい。また、ＨＥＭＴ２のオン抵抗を低減する観点から、２ＤＥＧ濃度が比較的高い２ＤＥＧ層Ａの２ＤＥＧ濃度は、７×１０12ｃｍ-2よりも高くするのが好ましい。なお、上述したように、電子供給層１３における平均Ａｌ組成比Ｘと積層層数を調整することにより、２ＤＥＧ濃度Ｎｓは１０．０×１０12ｃｍ-2よりも低くなるように設定される。
【００９２】
また、第２電極としてのドレイン電極２１Ｄおよび第３電極としてのソース電極２１Ｓは、エッチング犠牲層１４上に設けられ、たとえばＴｉ／Ａｌの積層構造から構成される。これにより、ドレイン電極２１Ｄおよびソース電極２１Ｓは、エッチング犠牲層１４および電子供給層１３を介して、２ＤＥＧ層Ａとオーミック接触する。
【００９３】
また、第１電極としてのゲート電極２１Ｇは、ドレイン電極２１Ｄとソース電極２１Ｓとの間に配置され、フィールドプレート層１５ｂ上、および絶縁膜２２にせり出して設けられている。このゲート電極２１Ｇは、たとえばＮｉ／Ａｕの積層構造から構成される。これによって、ゲート電極２１Ｇは、エッチング犠牲層１４および電子供給層１３を介して、電子走行層１２における２ＤＥＧ層Ａとショットキー接触する。また、ゲート電極２１Ｇは、多段の階段状、たとえばソース電極２１Ｓおよびドレイン電極２１Ｄの両側に向かって階段状にフィールドプレート部がせり出すように延伸して設けられている。なお、実施の形態２においては、ゲート電極２１Ｇの部分がエッチング犠牲層１４と接触するように形成されているが、エッチング犠牲層１４とゲート電極２１Ｇとの間にフィールドプレート層１５ｂを介するように構成することも可能である。
【００９４】
また、絶縁膜２２は、たとえばＳｉＯ2から構成される。絶縁膜２２は、主に、フィールドプレート層１５ａと、ゲート電極２１Ｇと、ドレイン電極２１Ｄと、ソース電極２１Ｓと、エッチング犠牲層１４の表面とを保護する。以上により、実施の形態２によるＨＥＭＴ２が構成されている。
【００９５】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３による窒化物半導体装置としてのＳＢＤについて説明する。図８は、この実施の形態３による窒化物半導体装置としてのＳＢＤ３を示す模式的な断面図である。
【００９６】
図８に示すように、この実施の形態３によるＳＢＤ３においては、実施の形態１における半導体積層基板１０の構造において、エッチング犠牲層１４および半導体層１５を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態１による電子供給層１３上に選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極３１Ａとオーミック電極としてのカソード電極３１Ｃとが互いに離間して設けられている。アノード電極３１Ａおよびカソード電極３１Ｃの構成は、実施の形態１と同様である。また、絶縁膜３２は、実施の形態１，２における絶縁膜と同様の構成を有する。このように、半導体層１５を設けない構成の場合、このＳＢＤ３の製造において半導体層１５をエッチングする工程がないことから、エッチング犠牲層１４を設けない場合がある。以上により、実施の形態３によるＳＢＤ３が構成されている。
【００９７】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４による窒化物半導体装置としてのＨＥＭＴについて説明する。図９は、この実施の形態４による窒化物半導体装置としてのＨＥＭＴ４を示す模式的な断面図である。
【００９８】
図９に示すように、この実施の形態４によるＨＥＭＴ４においては、実施の形態１における半導体積層基板１０の構造において、エッチング犠牲層１４および半導体層１５を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態による電子供給層１３上に選択的に、ソース電極４１Ｓ、ゲート電極４１Ｇ、およびドレイン電極４１Ｄが互いに離間して設けられている。ソース電極４１Ｓおよびドレイン電極４１Ｄは、電子供給層１３上に形成されるオーミック電極として機能し、ゲート電極４１Ｇは、電子供給層１３の上に形成されるショットキー電極として機能する。これらのソース電極４１Ｓ、ゲート電極４１Ｇ、およびドレイン電極４１Ｄの構成は、実施の形態２と同様の構成を有する。また、絶縁膜４２は、実施の形態１〜３と同様の構成を有する。以上により、実施の形態４によるＨＥＭＴ４が構成されている。
【００９９】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５による窒化物半導体装置としてのＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  FET）について説明する。図１０は、この実施の形態５による窒化物半導体装置としてのＭＯＳＦＥＴ５を示す模式的な断面図である。
【０１００】
図１０に示すように、この実施の形態５によるＭＯＳＦＥＴ５においては、実施の形態１における半導体積層基板１０の構造において、エッチング犠牲層１４および半導体層１５を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態による電子供給層１３上に選択的に、互いに離間したソース電極５１Ｓおよびドレイン電極５１Ｄが設けられている。また、ソース電極５１Ｓとドレイン電極５１Ｄとの間における、電子供給層１３および電子走行層１２の選択的にエッチング除去されたリセス部分に、ゲート酸化膜５２を介してゲート電極５１Ｇが形成されている。これらのソース電極５１Ｓ、ゲート電極５１Ｇ、およびドレイン電極５１Ｄの構成は、実施の形態２，４と同様の構成を有する。また、絶縁膜５３は、実施の形態１〜４における絶縁膜と同様の構成を有する。以上により、実施の形態５によるＭＯＳＦＥＴ５が構成されている。なお、このＭＯＳＦＥＴ５において、ゲート電極５１Ｇの下層の部分にフィールドプレート層を設けても良い。この場合、半導体層１５をエッチングしてフィールドプレート層を形成する必要が生じることから、実施の形態によるエッチング犠牲層１４および半導体層１５を備えた半導体積層基板１０を用いてＭＯＳＦＥＴ５が製造される。
【０１０１】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６によるＭＩＳＦＥＴ（Metal  Insulator  Semiconductor  FET）について説明する。図１１は、この実施の形態６によるＭＩＳＦＥＴを示す模式的な断面図である。
【０１０２】
図１１に示すように、この実施の形態６によるＭＩＳＦＥＴ６においては、実施の形態１における半導体積層基板１０の構造において、エッチング犠牲層１４および半導体層１５を設けない構成を有する。すなわち、実施の形態による電子供給層１３上に選択的にソース電極６１Ｓおよびドレイン電極６１Ｄが設けられている。また、ソース電極６１Ｓとドレイン電極６１Ｄとの間における電子供給層１３上に、ゲート絶縁膜６２を介してゲート電極６１Ｇが形成されている。これらのソース電極６１Ｓ、ゲート電極６１Ｇ、およびドレイン電極６１Ｄの構成は、実施の形態２，４，５と同様の構成を有する。また、絶縁膜６３は、実施の形態１〜５における絶縁膜と同様の構成を有する。以上により、実施の形態６によるＭＩＳＦＥＴ６が構成されている。なお、このＭＩＳＦＥＴ６において、ゲート電極６１Ｇの下層の部分にフィールドプレート層を設けても良い。この場合、半導体層１５をエッチングしてフィールドプレート層を形成する必要が生じることから、実施の形態によるエッチング犠牲層１４および半導体層１５を備えた半導体積層基板１０を用いてＭＯＳＦＥＴ５が製造される。
【０１０３】
以上説明した本発明の実施の形態によれば、窒化物半導体装置における電子供給層を、平均Ａｌ組成比よりも大きい極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌＧａＮ層と、平均Ａｌ組成比より小さい極小Ａｌ組成比ｘ２とのＡｌＧａＮ層との、少なくとも２種類の互いに異なるＡｌＧａＮ層を複数層積層させていることにより、電子供給層１３の下層に設けられる電子走行層１２の電子供給層１３との界面側に２ＤＥＧを高濃度で発生させつつ、電子移動度を増加させてアクセス抵抗を低減できるとともに、２ＤＥＧ層における電子の波動関数をオーミック電極側にしみ出しやすくしてコンタクト抵抗も低減できるので、窒化物半導体装置における素子抵抗を低減することができる。そのため、電子走行層１２における２次元電子ガスにおいて高いキャリア密度（２ＤＥＧ濃度Ｎｓ）を維持しつつ、電子移動度を増加させて素子抵抗を低減し、定格電流が同じパワースイッチング用途の窒化物半導体装置を実現しようとした場合に、窒化物半導体装置における素子面積を約２０％程度低減することができるので、窒化物半導体装置の小型化、微細化を図ることができ、同一直径の半導体基板を用いて製造する場合において、半導体基板当たりに製品として取ることができるチップ数を増加させることができるので、製造コストを削減することができる。
【０１０４】
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。例えば、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良い。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。
【０１０５】
たとえば、上述の実施の形態においては、電子供給層をＡｌＧａＮ超格子層としているが、ＡｌＧａＮ超格子層以外にも、複数のＩｎuＡｌvＧａ1-u-vＮ層（０≦ｕ＜１、０＜ｖ≦１、０＜ｕ＋ｖ＜１）を積層させて超格子層としたＩｎＡｌＧａＮ超格子層を採用することも可能である。
【０１０６】
たとえば、上述の実施の形態においては、電子供給層１３の上層にエッチング犠牲層１４を設ける構成について説明しているが、電子供給層１３の最上層を、Ａｌ組成比ｘが平均Ａｌ組成比Ｘより大きいＡｌxＧａ1-xＮ層からなるエッチング犠牲層として用いることが可能である。この最上層のＡｌxＧａ1-xＮ層は、さらに上層に形成されるフィールドプレート層などのエッチング時に、電子供給層１３がオーバーエッチングされないためのエッチング犠牲層として機能する。このように機能させるためは、電子供給層１３の最上層のＡｌxＧａ1-xＮ層の膜厚は１ｎｍ以上にするのが好ましい。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層をＡｌＧａＮ超格子層の電子供給層１３の一部とするには、その膜厚は１０ｎｍ以下にするのが好ましい。さらに、エッチング犠牲層としてエッチング時に最表層に露出した場合に酸化が問題にならないようするには、Ａｌ組成比ｘを０＜ｘ≦０．３５とするのが好ましい。
【０１０７】
また、上述の実施の形態において説明した以外にも、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、電子供給層に本発明の範囲に属する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、電子供給層１３は、互いに異なる２種類のＡｌxＧａ1-xＮ層を、膜厚ｄ１で極大Ａｌ組成比ｘ１のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ層と膜厚ｄ２で極小Ａｌ組成比ｘ２のＡｌx2Ｇａ1-x2Ｎ層とを一対の組とし、これらを複数回積層して構成することも可能である。
【０１０９】
また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の下部電極層は、電子供給層とショットキー接触する電極である。そのため、上述したニッケル（Ｎｉ）やチタン（Ｔｉ）以外にも、たとえば白金（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のうち、少なくとも１つを含む金属膜、または、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａのうち少なくとも１つを含む窒化物合金からなる金属膜など、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。
【０１１０】
また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の上部電極層は、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、ダイオードのカソード電極およびトランジスタのソース電極およびドレイン電極は、電子供給層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、本発明で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）、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、ＳＢＤ、ＨＥＭＴ、ＭＯＳＦＥＴ、およびＭＩＳＦＥＴ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）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、ゲート電極とフィールドプレート層との間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、電子供給層やエッチング犠牲層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、電子供給層、エッチング犠牲層、および半導体層やフィールドプレート層を含み、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、電子供給層の表面に、絶縁層、フィールドプレート層などの窒化物系半導体層、またはこれらの積層膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。また、電子供給層の電極の形成領域の一部を電子走行層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、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１，３  ＳＢＤ
２，４  ＨＥＭＴ
５  ＭＯＳＦＥＴ
６  ＭＩＳＦＥＴ
１０  半導体積層基板
１１  基体
１２  電子走行層
１３  電子供給層
１３−１〜１３−ｎ  ＡｌxＧａ1-xＮ層
１４  エッチング犠牲層
１５  半導体層
１５ａ，１５ｂ  フィールドプレート層
１６Ａ，３１Ａ  アノード電極
１６Ｃ，３１Ｃ  カソード電極
１７，２２，３２，４２，５３，６３  絶縁膜
２１Ｄ，４１Ｄ，５１Ｄ，６１Ｄ  ドレイン電極
２１Ｇ，４１Ｇ，５１Ｇ，６１Ｇ  ゲート電極
２１Ｓ，４１Ｓ，５１Ｓ，６１Ｓ  ソース電極
５２  ゲート酸化膜
６２  ゲート絶縁膜
Ａｃ  アクセス部
Ｃｏｎ  コンタクト部
【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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