(57)【要約】【課題】高い耐圧を有し、縦方向リーク電流を低減することが可能な窒化物半導体積層体および電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】電界効果トランジスタは、基板（１）上に、バッファ層（２）と、第一の窒化物半導体層（３）と、第二の窒化物半導体層（４）と、バリア層（５）とがこの順に積層された窒化物半導体積層体を備え、バッファ層（２）の表面側のＣ濃度は１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上である。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた窒化物半導体層からなるバッファ層と、
上記バッファ層上に積層された窒化物半導体層からなる第一の窒化物半導体層と、
上記第一の窒化物半導体層上に積層された窒化物半導体層からなる第二の窒化物半導体層と、
上記第二の窒化物半導体層上に積層された窒化物半導体層からなるバリア層と
を備え、
上記バッファ層の表面側のＣ濃度が１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上であることを特徴とする窒化物半導体積層体。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体積層体において、
上記第一の窒化物半導体層のＣ濃度が、深さ方向全域にわたり４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上であることを特徴とする窒化物半導体積層体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物半導体積層体において、
上記第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層側のＣ濃度が１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上であることを特徴とする窒化物半導体積層体。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１つに記載の窒化物半導体積層体において、
上記第一の窒化物半導体層のＣ濃度が、バッファ層側から第二の窒化物半導体層側に向かって増加することを特徴とする窒化物半導体積層体。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１つに記載の窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上に互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間、かつ、上記窒化物半導体積層体上に形成されたゲート電極と
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体積層体および電界効果トランジスタに関し、特に高電圧印加時のリーク電流の低減および耐圧を改善できる窒化物半導体積層体および電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体積層体は、高い破壊電圧を有しかつ高いキャリア移動度を有するという特徴を備えているので、パワーデバイスなどの用途での利用が期待されている。
【０００３】
パワーデバイスなどの用途に使用される窒化物半導体積層体から形成された電界効果トランジスタは、特に高電圧印加時のオフ状態において、高い耐圧を有し、リーク電流が小さいことが望まれている。
【０００４】
ソース・ドレイン間に流れる面内方向、すなわち、横方向リーク電流の低減と、横方向耐圧特性とを良好に両立させ、深さ方向、すなわち、縦方向耐圧を向上させる窒化物半導体積層体の構造が特開２０１０−２４５５０４号公報（特許文献１）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２４５５０４
【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、特許文献１に記載されている窒化物半導体積層体の構造でも、３００Ｖを超える高電圧印加時のオフ状態において、ドレインから基板裏面に縦方向リーク電流が流れる現象が生じ、その縦方向リーク電流が増大することで耐圧が低下するといった課題を十分に解決できていないことを、本発明者は見出した。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、上記の基板裏面に流れる縦方向リーク電流を低減して、耐圧低下が改善された窒化物半導体積層体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】
上記課題を解決するため、本発明の窒化物半導体積層体は、
基板上に設けられた窒化物半導体層からなるバッファ層と、
上記バッファ層上に積層された第一の窒化物半導体層と、
上記第一の窒化物半導体層上に積層された第二の窒化物半導体層と、
上記第二の窒化物半導体層上に積層された窒化物半導体層からなるバリア層と
を備え、
上記バッファ層の表面側のＣ濃度が１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上であることを特徴としている。
【０００９】
なお、本明細書では、１０ｘを「１０＾Ｘ」と表現する。ここで、Ｘは任意の数字である。
【００１０】
また、１実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層のＣ濃度が、深さ方向全域にわたり４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上である。
【００１１】
また、１実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層側のＣ濃度が１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上である。
【００１２】
また、１実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層のＣ濃度が、バッファ層側から第二の窒化物半導体層側に向かって増加する。
【００１３】
また、本発明の電界効果トランジスタは、
上記窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上に互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間、かつ、上記窒化物半導体積層体上に形成されたゲート電極と
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、高電圧印加時のオフ状態において、高い耐圧を有し、基板裏面リーク電流を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の窒化物半導体積層体の第１実施形態の模式的断面図である。
【図２】上記第１実施形態の窒化物半導体積層体の縦方向リーク電流、耐圧を測定するパターンの模式図である。
【図３】上記実施形態の窒化物半導体積層体の縦方向リーク電流測定結果である。
【図４】本発明の第２実施形態の電界効果トランジスタの模式的断面図である。
【図５】比較例の窒化物半導体積層体において、オフ状態でドレイン電圧Ｖｄを変化させたときのドレインリーク電流Ｉｄ、ゲートリーク電流Ｉｇ、基板裏面リーク電流Isubのリーク特性ＩＶカーブである。
【図６】本発明の電界効果トランジスタにおいて、基板裏面リーク電流をドレインリーク電流の２０分の１以下に抑えた構造において、オフ状態でドレイン電圧Ｖｄを変化させたときのドレインリーク電流Ｉｄ、ゲートリーク電流Ｉｇ、基板裏面リーク電流Isubのリーク特性ＩＶカーブである。
【図７】図６よりも基板裏面リーク電流を抑え、ドレインリーク電流の１００分の１以下とした本発明の電界効果トランジスタにおいて、オフ状態でドレイン電圧Ｖｄを変化させたときのドレインリーク電流Ｉｄ、ゲートリーク電流Ｉｇ、基板裏面リーク電流Isubのリーク特性ＩＶカーブである。
【図８】図７よりもさらに基板裏面リーク電流を抑えた本発明の電界効果トランジスタにおいて、オフ状態でドレイン電圧Ｖｄを変化させたときのドレインリーク電流Ｉｄ、ゲートリーク電流Ｉｇ、基板裏面リーク電流Isubのリーク特性ＩＶカーブである。
【図９】基板裏面リーク電流Isubの極大値と、第一の窒化物半導体層のバッファ層側のＣ濃度との関係を示したグラフである。
【図１０】基板裏面リーク電流Isubの極大値と、第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層側のＣ濃度との関係を示したグラフである。
【図１１】基板裏面リーク電流Isubの極大値と、バッファ層の表面側のＣ濃度との関係を示したグラフである。
【図１２】条件Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤにおけるＣ濃度を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である窒化物半導体積層体の一例を示す模式的断面図である。
【００１７】
この第１実施形態の窒化物半導体積層体は、図１に示すように、基板１上に、バッファ層２、第一の窒化物半導体層３、第二の窒化物半導体層４およびバリア層５がこの順で積層されてなる。上記バッファ層２、第一の窒化物半導体層３、第二の窒化物半導体層４およびバリア層５は、窒化物半導体からなる。
【００１８】
上記基板１としては、本第１実施形態ではシリコン基板を用いた。上記基板１は、窒化物半導体層を積層可能であれば可であり、例えばサファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板等を用いてもよい。
【００１９】
上記バッファ層２は、本第１実施形態では、窒化物半導体層の一例として、ＡｌＮ層２ａとＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）層２ｂとが交互に積層されてなる超格子構造の窒化物半導体層であり、厚さは２．３μｍである。バッファ層２の主な目的は、窒化物半導体積層体の上部から基板１までの耐圧を確保することにあり、窒化物半導体積層体の求められる耐圧を満たすものであれば可である。また、本発明においては、このバッファ層２の表面側（バッファ層２のうちで第一の窒化物半導体層３に最も近い領域）は、１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上、望ましくは１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上のＣ濃度である。また、バッファ層２の表面側は、１．０×１０＾２１／ｃｍ３以下のＣ濃度であるのが好ましい。このバッファ層２の表面側のＣ濃度が１．０×１０＾２１／ｃｍ３を超えると、窒化物半導体の結晶性が悪化して、耐圧低下、またはリークの増加が生じ始める場合があるからである。
【００２０】
なお、図示していないが、上記バッファ層２と基板１との間に結晶成長のための下地層として例えばＡｌＮ層を形成していてもよい。
【００２１】
上記第一の窒化物半導体層３は、本第１実施形態では、Ｃ濃度の高いＧａＮ層であり、厚さは８４０ｎｍである。第一の窒化物半導体層３の主な目的はソース―ドレイン間の第二の窒化物半導体層４より下を経由してのリークを低減させるためであり、電気抵抗が高く形成されている。第一の窒化物半導体層３は、全域にわたり４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上、望ましくは４．９×１０＾１８／ｃｍ３以上のＣ濃度である。また、第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側（第一の窒化物半導体層３のうちで第二の窒化物半導体層４に最も近い領域）のＣ濃度は１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上、望ましくは１．８×１０＾１９／ｃｍ３以上のＣ濃度を有している。また、第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側は、１．０×１０＾２１／ｃｍ３以下のＣ濃度であるのが好ましい。この第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側のＣ濃度が１．０×１０＾２１／ｃｍ３を超えると、窒化物半導体の結晶性が悪化して、耐圧低下、またはリークの増加が生じ始める場合があるからである。
【００２２】
また、上記第一の窒化物半導体層３の深さ方向のＣ濃度の分布は、バッファ層２側から第二の窒化物半導体層４側に向かってＣ濃度が増加している。つまり、上記第一の窒化物半導体層３のＣ濃度は、バッファ層２側から第二の窒化物半導体層４側に近づくにつれて、増大している。これにより、超格子構造のバッファ層２と、ＧａＮ層である第一の窒化物半導体層３との間の格子不整合によって生じるキャリアの補償に効果を有し、リーク電流の低減につながる。
【００２３】
上記第二の窒化物半導体層４は、本第１実施形態では、Ｃ濃度の小さいＧａＮ層であり、厚みは８００ｎｍである。この第二の窒化物半導体層４はチャネルとして機能する。第二の窒化物半導体層４のＣ濃度は、可能な限り低いほど良く、１×１０＾１７／ｃｍ３以下が望ましい。Ｃ濃度が高い場合、この窒化物半導体積層体で、電界効果トランジスタを作製した場合、高電圧動作時のオン抵抗が、低電圧動作時のオン抵抗よりも高くなってしまうコラプス現象が生じやすくなってしまうためである。
【００２４】
上記バリア層５は、本第１実施形態では、Ａｌ混晶比１７％程度のＡｌＧａＮ層であり、厚みは３４ｎｍである。上記第二の窒化物半導体層４とバリア層５との間でヘテロ接合を形成しており、界面の第二の窒化物半導体層４側に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）４１が形成されている。上記第二の窒化物半導体層４がオン状態のときは２ＤＥＧ４１を伝って電子が流れ、オフ状態のときはゲート電極下に空乏層が生じ、電子が流れない仕組みとなっている。なお、バリア層５のＡｌ混晶比は一例であり、第二の窒化物半導体層４とバリア層５との間に２ＤＥＧ４１が発生すれば可である。
【００２５】
なお、図示しないが、第二の窒化物半導体層４とバリア層５との間に２ＤＥＧ４１中の移動度向上のためのスペーサ層としてＡｌＮ層が形成されていても構わない。
【００２６】
また、図示しないが、上記バリア層５の上にキャップ層としてＧａＮ層が形成されていても構わない。上記キャップ層は、上記バリア層５のＡｌＧａＮ中のＡｌの酸化防止や、不純物の取り込み防止のためのものであり、また、ＡｌＧａＮからなるバリア層５を、キャップ層と第二の窒化物半導体層４とのＧａＮ層で挟み込むことによって格子定数の違いによるバリア層５の歪みを防ぐことが可能である。
【００２７】
本第１実施形態では、図１２に示すように、第一の窒化物半導体層３の厚さ方向の全域、第一の窒化物半導体層の第二の窒化物半導体層４側およびバッファ層２の表面側のＣ濃度を設定した。図１２のうち、本発明は条件Ｂ、条件Ｃおよび条件Ｄであり、条件Ａは比較例である。
【００２８】
上記窒化物半導体積層体の縦方向リーク電流を測定するため、図２のようなパターンを用いて測定した。
【００２９】
本第１実施形態の窒化物半導体積層体に対して、２ＤＥＧ４１とコンタクトを取れるようにオーミック電極１０，１０を形成している。上記オーミック電極１０，１０は、バリア層５および第二の窒化物半導体層４に１ｍｍ×１ｍｍの正方形枠をエッチングにより形成して、その正方形枠の外側で２ＤＥＧ４１を切断し、その正方形枠内に設けている。また、上記オーミック電極１０，１０の無いバリア層５の箇所、第一の窒化物半導体層３の上等には、絶縁膜２１を形成することによって、それらを電気的に絶縁している。
【００３０】
図２のパターンの窒化物半導体積層体に対して、基板１の裏面を０Ｖに設定し、オーミック電極１０，１０に電圧を印加することにより、２ＤＥＧ４１と基板１とのリーク電流、耐圧を測定した。
【００３１】
その結果を図３に示す。図３の縦軸は２ＤＥＧ４１と基板１裏面間の縦方向リーク電流、横軸はオーミック電極１０，１０に印加した電圧である。図３に示すように、条件Ａ（図１２参照）では、２５０Ｖあたりから縦方向リーク電流が急増しているのに対し、条件Ｂ、条件Ｃ、条件Ｄでは、８００Ｖ程度までは破壊することなく、一定の縦方向リーク電流に収まっていることが分かる。
【００３２】
この２ＤＥＧ４１―基板１の裏面間に流れる縦方向リーク電流のリーク経路について解析したところ、２ＤＥＧ４１から、第二の窒化物半導体層４を通過し、その後、第一の窒化物半導体層３を通過し、その後、第一の窒化物半導体層３とバッファ層２との界面へ流れた後、第一の窒化物半導体層３とバッファ層２との界面にて面内方向に流れ、その後は測定パターンより外側にある縦方向破壊箇所、または、チップ側面、または、ウエハ側面等の絶縁的に弱い箇所を通じて基板１の裏面に流れていることを、発明者らによって初めて解明された。
【００３３】
上記縦方向リーク電流が生じる現象は、基板耐圧を確保するためのバッファ層２があるにも関わらず、リーク経路はバッファ層２を直接通過せず、上述の絶縁的に弱い箇所に回りこむことを意味している。そのため、上記現象が生じる場合は、縦方向耐圧はバッファ層２ではなく、第一の窒化物半導体層３で支えていることを意味しており、この現象が縦方向の耐圧低下、縦方向リーク電流の増大の原因となっていると考えられる。
【００３４】
本発明では、半導体の縦方向の耐圧向上、縦方向リーク電流の低減方法として、バッファ層２の表面および第一の窒化物半導体層３のＣ濃度を制御した。
【００３５】
本第１実施形態では、バッファ層２の表面側（バッファ層２のうちで第一の窒化物半導体層３に最も近い領域）のＣ濃度を、１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上（条件Ｂに対応）、望ましくは１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上（条件Ｃに対応）とし、バッファ層２の表面側の低抵抗部分を無くすことで、縦方向リーク電流、つまり、基板裏面リーク電流を低減している。
【００３６】
これは、バッファ層２の表面側のＣ濃度を高くすることで、バッファ層２の表面付近のリーク電流を低減することが可能となり、また、バッファ層２の表面側の低抵抗部分を無くすことができることから、高い電界が第一の窒化物半導体層３にかかるのを防ぐことができるため、耐圧を向上させることが可能となったと考えられる。
【００３７】
また、本発明の第１実施形態においては、第一の窒化物半導体層３の厚さ方向の全域にわたるＣ濃度を４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上（条件Ｂに対応）、望ましくは４．９×１０＾１８／ｃｍ３以上（条件Ｃに対応）とした。
【００３８】
これにより、オーミック電極１０，１０からの縦方向リーク電流を第一の窒化物半導体層３で遮ることにより、縦方向リーク電流、つまり、基板裏面リーク電流を低減している。これは、Ｃ濃度の高い第一の窒化物半導体層３、特に、よりＣ濃度の高い第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側で縦方向リーク電流を防ぐことができ、縦方向リーク電流を低減させることが可能となったと考えられる。
【００３９】
また、本発明の第１実施形態においては、第一の窒化物半導体層３の表面側におけるＣ濃度を１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上（条件Ｂに対応）、望ましくは１．８×１０＾１９／ｃｍ３以上（条件Ｃ、条件Ｄに対応）としている。
【００４０】
これにより、第一の窒化物半導体層３、および、第一の窒化物半導体層３よりも基板１側の部位に高い電界強度がかからないようにできる上、縦方向リーク電流を第一の窒化物半導体層３の表面で遮ることで、基板裏面リーク電流を低減している。
【００４１】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態である電界効果トランジスタの一例を示す模式的断面図である。図４において、窒化物半導体積層体は、図１に示す窒化物半導体積層体と同じ構成を有するので、図１に示す構成要素と同一構成要素については、図１に示す構成要素と同一参照番号を付して、その説明は省略する。
【００４２】
この窒化物半導体積層体の上には、ソース電極１１とドレイン電極１２とが設けられ、そのソース電極１１とドレイン電極１２との間にはゲート電極１３が設けられ、各電極間は絶縁膜２１によって、電気的に絶縁されている。
【００４３】
上記ソース電極１１およびドレイン電極１２は、第二の窒化物半導体層４の２ＤＥＧ４１とオーミック接続されている。オーミック接続方法として、本第２実施形態ではリセスと呼ばれる溝を掘り、２ＤＥＧ４１に水平方向からコンタクトをとっている。これは、オーミック接続できていれば可であり、リセスを掘らなくても、イオン注入を行っても良いし、高温でアニールを行ってソースおよびドレイン電極１１，１２の金属を２ＤＥＧ４１まで浸透させて、ソースおよびドレイン電極１１，１２と２ＤＥＧ４１との間を導通させてもよい。
【００４４】
上記ゲート電極１３は、ソース電極１１とドレイン電極１２との間に形成されている。本第２実施形態では、ゲート電極１３の下に図示しない絶縁膜を形成している。ゲート電極１３については、トランジスタをオン、オフできればよく、ゲート電極１３はバリア層５表面にショットキー接合を形成しても可である。
【００４５】
また、本第２実施形態では、一例として、ゲート電極１３とドレイン電極１２との間の距離は１５μｍ、ゲート電極１３とソース電極１１との間の距離は２μｍ、ゲート長は２μｍ、ゲート幅は６００μｍとしている。
【００４６】
上記絶縁膜２１は、本第２実施形態ではストイキオメトリのＳｉＮを用いた。絶縁膜２１は、ソース電極１１、ドレイン電極１２、ゲート電極１３間を絶縁できるものであればよく、例えば、ＳｉＯ２等の他の絶縁膜を用いても良いし、上述のコラプスを抑制するためにＳｉリッチのＳｉＮを半導体表面に形成し、その上に他の絶縁膜を形成するといった複層構造であっても構わない。
【００４７】
以下では、図５〜８を参照しながら、電界効果トランジスタにおいて、基板裏面リーク電流Isubの特性と耐圧とについて述べる。
【００４８】
図５〜図８は、ソース電圧０Ｖ、基板裏面電圧０Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝−１０Ｖのオフ状態において、ドレイン電圧Ｖｄを変化させたときのドレインリーク電流Ｉｄ、ゲートリーク電流Ｉｇ、基板裏面リーク電流Isubのリーク特性ＩＶカーブである。
【００４９】
図５、図６、図７、図８は、それぞれ、図１２に示す条件Ａ、条件Ｂ、条件Ｃ、条件Ｄの窒化物半導体積層体を用いた電界効果トランジスタのリーク特性ＩＶカーブである。また、図５は、基板裏面リーク電流Isubが低減されていない比較例の電界効果トランジスタのリーク特性ＩＶカーブであり、図６〜図８が本発明のリーク特性ＩＶカーブである。
【００５０】
図５に示すように、ドレイン電圧Ｖｄが３５０Ｖで、基板裏面リーク電流Isubが、ドレインリーク電流Ｉｄのおよそ２０分の１を超えたところで、ドレイン―基板裏面間の基板裏面リーク電流Isubが急増している。完全な破壊までは至ってはいないが、基板裏面リーク電流Isubが急増していることから、３５０Ｖがこの電界効果トランジスタの実質的な耐圧と言える。
【００５１】
このドレイン―基板裏面間に流れる基板裏面リーク電流Isubのリーク経路について解析したところ、図４において、ドレイン電極１２から、第二の窒化物半導体層４を通過し、その後、第一の窒化物半導体層３を通過し、その後、第一の窒化物半導体層３とバッファ層２との界面へ流れた後、第一の窒化物半導体層３とバッファ層２との界面にて面内方向に流れ、その後は、電界効果トランジスタより外側にある縦方向破壊箇所や、チップ側面、ウエハ側面等の絶縁的に弱い箇所を通じて基板１裏面に流れていることを、発明者らによって初めて解明された。本発明は、この新たな解明に基づいてなされたものである。
【００５２】
上記基板裏面リーク電流Isubが生じる現象は、基板耐圧を確保するためのバッファ層２があるにも関わらず、リーク経路はバッファ層２を直接通過せず、上記絶縁的に弱い箇所に回りこむことを意味している。そのため上記現象が生じる場合は、縦方向耐圧はバッファ層２ではなく、第一の窒化物半導体層３で支えられていることを意味しており、これが縦方向の耐圧低下、縦方向リーク電流、つまり、基板裏面リーク電流Isubの増大の原因となっていると考えられる。
【００５３】
そこで、本発明の第２実施形態の図６の構造（図１２の条件Ｂに相当する）においては、ドレイン電圧Ｖｄが８００Ｖでも、基板裏面リーク電流Isubが、ドレインリーク電流Ｉｄの２０分の１以下に低減した。より詳しくは、図６に示すように、ドレイン電圧Ｖｄ＝５００Ｖまでに一度、基板裏面リーク電流Isubは増え、Ｖｄ＝５００Ｖ付近で極大値をとってはいるが、ドレイン―基板裏面間の基板裏面リーク電流Isubの問題となる増大には至っておらず、実質的な基板耐圧を向上できている。なお、Ｖｄ＝５００Ｖを超えると基板裏面リーク電流Isubが減っているのは、ゲート―ドレイン間の電界が強くなり、基板裏面に向かう電流がゲート電極１３に向かっているためと結論付けられた。
【００５４】
また、本発明の図７（図１２の条件Ｃに相当する）、図８（図１２の条件Ｄに相当する）の構造においては、基板裏面リーク電流Isubが、ドレインリーク電流Ｉｄの１００分の１以下に低減した。そうすることで、ドレイン電圧Ｖｄ＝６００Ｖ以下において、基板裏面リーク電流Isubは増えることなく、安定した逆バイアスリーク特性となっている。
【００５５】
前述のように、基板裏面リーク電流Isubの低減方法として、バッファ層２の表面側および第一の窒化物半導体層３のＣ濃度を制御した。
【００５６】
なお、上記第一の窒化物半導体層３中のＣ濃度については、第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側（第一の窒化物半導体層３のうちで第二の窒化物半導体層４に最も近い領域）のＣ濃度が最も高く、バッファ層２側に近づくにつれてＣ濃度が低くなり、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側（第一の窒化物半導体層３のうちでバッファ層２に最も近い領域）のＣ濃度が最も低い。すなわち、図１２の表の２列目では、「第一の窒化物半導体層全域」と記載して、Ｃ濃度の下限値を記載しているが、その数字は第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度に等しいことになる。
【００５７】
本発明の第２実施形態においては、第一の窒化物半導体層３の厚さ方向の全域のＣ濃度を４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上にし（条件Ｂを充足し）、望ましくは４．９×１０＾１８／ｃｍ３以上（条件Ｃを充足）としている。これにより、ドレイン電極１２からの縦方向のリーク電流が第一の窒化物半導体層３で遮られて、基板裏面リーク電流Isubが低減している。
【００５８】
図９は、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度と、基板裏面リーク電流Isubの極大値（極大値をとらなければＶｄ＝６００Ｖ以下での最大値）との関係を示している。前述のように、第一の窒化物半導体層３は、表面側のＣ濃度が最も高く、深くなるにつれてＣ濃度が低くなって、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側が最も低いため、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度が第一の窒化物半導体層３の厚さ方向の全域にわたるＣ濃度の下限値となる。したがって、図９の横軸の第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度とは、第一の窒化物半導体層３の厚さ方向の全域にわたるＣ濃度の下限値を意味する。図９から分かるように、確かに、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度が第１の臨界値としての４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上になると（条件Ｂを充足すると）、基板裏面リーク電流Isubが急激に減少し、さらに、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度が第２の臨界値としての４．９×１０＾１８／ｃｍ３以上になると（条件Ｃを充足すると）、また、急激に、基板裏面リーク電流Isubが低減していることが分かる。この第１の臨界値（４．０×１０＾１８／ｃｍ３）と第２の臨界値（４．９×１０＾１８／ｃｍ３）が生じる理論的な根拠は、不明であるが、図９の実験データから、この４．０×１０＾１８／ｃｍ３のＣ濃度と４．９×１０＾１８／ｃｍ３のＣ濃度とが臨界的な意義があることは、明白である。上述の臨界的な意義のあるＣ濃度の数値４．０×１０＾１８／ｃｍ３、４．９×１０＾１８／ｃｍ３には、単に、バッファ層２側のＣ濃度よりも高いＣ濃度の第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側（第一の窒化物半導体層３のうちで第二の窒化物半導体層４に最も近い領域）によって基板裏面リーク電流Isubが低減するという理由以上の臨界的な挙動を説明する物理的な何らかの構造（現在のところ不明であるが）があると考えられる。本発明は、この新たに発見された第１および第２の臨界値で、第一の窒化物半導体層３のバッファ層２側のＣ濃度、つまり、第一の窒化物半導体層３の深さ方向の全域のＣ濃度の下限を数値限定したものである。
【００５９】
また、第一の窒化物半導体層３の表面側、つまり、第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側（第一の窒化物半導体層３のうちで第二の窒化物半導体層４に最も近い領域）におけるＣ濃度を１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上にし（条件Ｂを充足し）、望ましくは１．８×１０＾１９／ｃｍ３以上（条件Ｃを充足）としている。これにより、第一の窒化物半導体層３、および、第一の窒化物半導体層３よりも基板側の部位に高い電界強度がかからないようにできる上、基板裏面リーク電流Isubが第一の窒化物半導体層３の表面で遮られるので、基板裏面リーク電流Isubが低減している。
【００６０】
図１０に、第一の窒化物半導体層３の表面側（第一の窒化物半導体層３のうちで第二の窒化物半導体層４に最も近い領域）におけるＣ濃度と、基板裏面リーク電流Isubの極大値（極大をとらなければＶｄ＝６００Ｖ以下での最大値）との関係を示している。図１０から分かるように、確かに、第一の窒化物半導体層３の表面側（第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側）におけるＣ濃度が第１の臨界値としての１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上になると（条件Ｂを充足すると）、基板裏面リーク電流Isubが急激に減少し、さらに、第一の窒化物半導体層３の表面側におけるＣ濃度が第２の臨界値としての１．８×１０＾１９／ｃｍ３以上になると（条件Ｃを充足すると）、また、急激に、基板裏面リーク電流Isubを低減していることが分かる。この第１の臨界値（１．５×１０＾１９／ｃｍ３）と第２の臨界値（１．８×１０＾１９／ｃｍ３）が生じる理論的な根拠は、不明であるが、図１０の実験データから、この１．５×１０＾１９／ｃｍ３のＣ濃度と１．８×１０＾１９／ｃｍ３のＣ濃度とが臨界的な意義があることは、明白である。上述の臨界的な意義のあるＣ濃度の数値１．５×１０＾１９／ｃｍ３、１．８×１０＾１９／ｃｍ３には、Ｃ濃度の高い第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側（第一の窒化物半導体層３のうちで第二の窒化物半導体層４に最も近い領域）によって基板裏面リーク電流Isubが低減するという理由以上の臨界的な挙動を説明する物理的な何らかの構造（現在のところ不明であるが）があると考えられる。本発明は、この新たに発見された第１および第２の臨界値で、第一の窒化物半導体層３の表面側のＣ濃度を数値限定したものである。
【００６１】
また、バッファ層２の表面側（バッファ層２のうちで第一の窒化物半導体層３に最も近い領域）におけるＣ濃度を１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上にし（条件Ｂを充足し）、望ましくは１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上とし（大略条件Ｃを充足し）バッファ層２の表面側に、低抵抗部分を無くすることで、基板裏面リーク電流Isubを低減している。
【００６２】
図１１に、バッファ層２の表面側におけるＣ濃度と、基板裏面リーク電流Isubの極大値（極大をとらなければＶｄ＝６００Ｖ以下での最大値）との関係を示している。図１１から分かるように、確かに、バッファ層２の表面側のＣ濃度が第１の臨界値としての１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上になると（条件Ｂを充足すると）、基板裏面リーク電流Isubが急激に減少し、さらに、バッファ層２の表面側のＣ濃度が第２の臨界値としての１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上になると（大略条件Ｃを充足すると）、また、急激に、基板裏面リーク電流Isubが低減していることが分かる。この第１の臨界値（１．０×１０＾１９／ｃｍ３）と第２の臨界値（１．５×１０＾１９／ｃｍ３）が生じる理論的な根拠は、不明であるが、図１１の実験データから、この１．０×１０＾１９／ｃｍ３のＣ濃度と１．５×１０＾１９／ｃｍ３のＣ濃度とに臨界的な意義があることは、明白である。上述の臨界的な意義のあるＣ濃度の数値１．０×１０＾１９／ｃｍ３、１．５×１０＾１９／ｃｍ３には、単に、Ｃ濃度の高いバッファ層２の表面側によって基板裏面リーク電流Isubが低減するという理由以上の臨界的な挙動を説明する物理的な何らかの構造（現在のところ不明であるが）があると考えられる。本発明は、この新たに発見された第１および第２の臨界値で、バッファ層２の表面側のＣ濃度の下限を数値限定したものである。
【００６３】
本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
【００６４】
本発明の窒化物半導体積層体は、
基板１上に設けられた窒化物半導体層からなるバッファ層２と、
上記バッファ層２上に積層された窒化物半導体層からなる第一の窒化物半導体層３と、
上記第一の窒化物半導体層３上に積層された窒化物半導体層からなる第二の窒化物半導体層４と、
上記第二の窒化物半導体層４上に積層された窒化物半導体層からなるバリア層５と
を備え、
上記バッファ層２の表面側のＣ濃度が１．０×１０＾１９／ｃｍ３以上であることを特徴としている。
【００６５】
上記構成により、上記バッファ層２の表面側のリーク電流が低減され、かつ、バッファ層２の表面側の低抵抗部分を無くすことができるから、高い電界が第一の窒化物半導体層３にかかるのを防ぐことができて、耐圧を向上させることが可能となる。
【００６６】
また、１実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層３のＣ濃度が、深さ方向全域にわたり４．０×１０＾１８／ｃｍ３以上である。
【００６７】
これにより、高電圧が印加されたドレイン等からの縦方向のリーク電流が第一の窒化物半導体層３で遮られるから、基板裏面リーク電流Isubを低減することが可能となる。
【００６８】
また、１実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層３の第二の窒化物半導体層４側のＣ濃度が１．５×１０＾１９／ｃｍ３以上である。
【００６９】
これにより、第一の窒化物半導体層３、および、第一の窒化物半導体層３よりも基板１側の部位に高い電界強度がかからないようにできる上、高電圧が印加されたドレイン電極１２からの縦方向リーク電流が第一の窒化物半導体層３の表面で遮られるから、さらに基板裏面リーク電流Isubを低減することが可能となる。
【００７０】
また、１実施形態では、
上記第一の窒化物半導体層３のＣ濃度が、バッファ層２側から第二の窒化物半導体層４側に向かって増加する。
【００７１】
これにより、バッファ層２と第一の窒化物半導体層３との間の格子不整合によって生じるキャリアの補償に効果を有し、リーク電流の低減につながる。
【００７２】
また、本発明の電界効果トランジスタは、
上記窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上に互いに間隔をあけて配置されたソース電極１１およびドレイン電極１２と、
上記ソース電極１１と上記ドレイン電極１２との間、かつ、上記窒化物半導体積層体上に形成されたゲート電極１３と
を備えることを特徴としている。
【００７３】
上記構成の電界効果トランジスタによれば、上記窒化物半導体積層体によって、ドレイン電極１２と基板１裏面間のリーク経路に基板裏面リーク電流Isubが流れることによって誘発される絶縁破壊を防ぐことができるため、高い耐圧を得ることができる。
【００７４】
より具体的には、上記電界効果トランジスタによれば、ゲート電極１３にオフ状態動作となるゲート電圧を印加し、基板１裏面はソース電極１１と同電位にし、ドレイン電極１２に６００Ｖ以下のドレイン電圧を印加したときに、基板１裏面に流入する基板裏面リーク電流Isubを、ドレイン電極１２から流出するドレインリーク電流の２０分の１以下とすることが可能である。
【００７５】
さらに、著しい場合は、ゲート電極１３にオフ状態動作となるゲート電圧を印加し、基板１裏面をソース電極１１と同電位にして、ドレイン電極１２に６００Ｖ以下のドレイン電圧を印加したときに、基板１裏面に流入する基板裏面リーク電流Isubを、ドレイン電極１２から流出するドレインリーク電流の１００分の１以下とすることも可能である。
【００７６】
上記第１、第２実施形態では、第一の窒化物半導体層３のＣ濃度は、バッファ層２側から第二の窒化物半導体層４側に向けて、徐々に増大するものであったが、バッファ層側から第二の窒化物半導体層４側に向けて段階的に増大するものであってもよく、また、第一の窒化物半導体層のＣ濃度は厚さ方向に一様であってもよい。
【００７７】
また、上記第１、第２実施形態では、バッファ層２は超格子構造であったが、超格子構造でなくてもよい。
【００７８】
上記第１、第２実施形態では、窒化物半導体層として、ＧａＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層等を述べたが、ＢＡｌＧａＩｎＮ層であってもよい。
【００７９】
以上により、この発明の具体的な第１および第２実施形態について説明したが、この発明は上記第１および第２実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  基板
２  バッファ層
３  第一の窒化物半導体層
４  第二の窒化物半導体層
５  バリア層
１０  オーミック電極
１１  ソース電極
１２  ドレイン電極
１３  ゲート電極
２１  絶縁膜
【図１】
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【図２】
2015170776.tif 000004
【図３】
2015170776.tif 000005
【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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