(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化物半導体ＨＥＭＴにおける歪み特性を改善する。【解決手段】基板１０上に形成されたＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなるバリア層１４と、バリア層１４上に形成されたＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるチャネル層１６と、チャネル層１６上に形成されたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮおよびＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる電子供給層１８と、電子供給層１８上に形成されたゲート電極２２およびオーミック電極２４、２６と、を具備し、バリア層１４のｘおよびｙの関係式は、ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ+ｙ≦１、かつ０．５３３ｘ＜ｙ＜４．２０ｘである半導体装置。【選択図】図６
2015095605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなるバリア層と、
前記バリア層上に形成されたＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮおよびＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる電子供給層と、
前記電子供給層上に形成されたゲート電極およびオーミック電極と、
を具備し、
前記バリア層の前記ｘおよびｙの関係式は、ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ+ｙ≦１、かつ０．５３３ｘ＜ｙ＜４．２０ｘであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バリア層のバンドギャップは、３．６ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
２．１０ｘ＜ｙであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記チャネル層の膜厚は、２０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電子供給層がＩｎＡｌＮのとき、Ｉｎ組成比は１８％より小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記バリア層は、組成が一様な単層であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記バリア層は、それぞれ組成が一様な複数の層を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項８】
前記電子供給層がＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は１５〜３０％、前記電子供給層がＩｎＡｌＮのときＡｌ組成比は８３〜８５％、前記電子供給層がＩｎＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は６５〜８５％およびＧａ組成比は０〜２０％であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項９】
基板上に形成されたＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなるバリア層と、
前記バリア層上に形成されたＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮおよびＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる電子供給層と、
を具備し、
前記バリア層の前記ｘおよびｙの関係式は、ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ+ｙ≦１、かつ０．５３３ｘ＜ｙ＜４．２０ｘであることを特徴とする半導体基板。
【請求項１０】
前記バリア層のバンドギャップは、３．６ｅＶ以上であることを特徴とする請求項９記載の半導体基板。
【請求項１１】
２．１０ｘ＜ｙであることを特徴とする請求項９記載の半導体基板。
【請求項１２】
前記チャネル層の膜厚は、２０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項記載の半導体基板。
【請求項１３】
前記電子供給層がＩｎＡｌＮのとき、Ｉｎ組成比は１８％より小さいことを特徴とする請求項９から１２のいずれか一項記載の半導体基板。
【請求項１４】
前記電子供給層がＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は１５〜３０％、前記電子供給層がＩｎＡｌＮのときＡｌ組成比は８３〜８５％、前記電子供給層がＩｎＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は６５〜８５％およびＧａ組成比は０〜２０％であることを特徴とする請求項９から１３のいずれか一項記載の半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体基板に関し、例えばＧａＮまたはＩｎＧａＮをチャネル層とする半導体装置および半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体装置として、バッファ層、ＧａＮ（窒化ガリウム）チャネル層、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）電子走行層を積層したＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）が知られている。ＨＥＭＴは、チャネル層と電子供給層との界面に生じる高濃度キャリアを使用して動作する。
【０００３】
窒化物半導体は、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）系半導体に比べ破壊電圧が高く、高電圧での動作が可能である。例えば、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、ＧａＡｓ系半導体を用いたＨＥＭＴに比べ一桁高い出力密度を有する。このため、窒化物半導体ＨＥＭＴは高出力高周波素子に用いられている。
【０００４】
特許文献１には、ＨＥＭＴの歪み特性を改善させるため、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（砒化アルミニウムガリウム）バリア層／ｎ型ＩｎＧａＡｓ（砒化インジウムガリウム）チャネル層／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層のダブルヘテロ構造を用いることが記載されている。これにより、Ｇｍの平坦性を向上させることができる。よって、ＨＥＭＴの歪み特性を改善できる。特許文献２には、窒化物半導体ＨＥＭＴにダブルヘテロ構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−９７２０４号公報
【特許文献２】特開２００８−２８８４７４号公報
【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、窒化物半導体ＨＥＭＴにおいては、特許文献２のように、ダブルヘテロ構造を採用しても歪み特性の改善が難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、窒化物半導体ＨＥＭＴにおける歪み特性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、基板上に形成されたＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなるバリア層と、前記バリア層上に形成されたＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮおよびＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる電子供給層と、前記電子供給層上に形成されたゲート電極およびオーミック電極と、を具備し、前記バリア層の前記ｘおよびｙの関係式は、ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ+ｙ≦１、かつ０．５３３ｘ＜ｙ＜４．２０ｘであることを特徴とする半導体装置である。
【０００９】
上記構成において、前記バリア層のバンドギャップは、３．６ｅＶ以上である構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、２．１０ｘ＜ｙである構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記チャネル層の膜厚は、２０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記電子供給層がＩｎＡｌＮのとき、Ｉｎ組成比は１８％より小さい構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記バリア層は、組成が一様な単層である構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記バリア層は、それぞれ組成が一様な複数の層を含む構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記電子供給層がＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は１５〜３０％、前記電子供給層がＩｎＡｌＮのときＡｌ組成比は８３〜８５％、前記電子供給層がＩｎＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は６５〜８５％およびＧａ組成比は０〜２０％である構成とすることができる。
【００１６】
本発明は、基板上に形成されたＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなるバリア層と、前記バリア層上に形成されたＧａＮまたはＩｎＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成されたＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮおよびＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる電子供給層と、を具備し、前記バリア層の前記ｘおよびｙの関係式は、ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ+ｙ≦１、かつ０．５３３ｘ＜ｙ＜４．２０ｘであることを特徴とする半導体基板である。
【００１７】
上記構成において、前記バリア層のバンドギャップは、３．６ｅＶ以上である構成とすることができる。
【００１８】
上記構成において、２．１０ｘ＜ｙである構成とすることができる。
【００１９】
上記構成において、前記チャネル層の膜厚は、２０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下である構成とすることができる。
【００２０】
上記構成において、前記電子供給層がＩｎＡｌＮのとき、Ｉｎ組成比は１８％より小さい構成とすることができる。
【００２１】
上記構成において、前記電子供給層がＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は１５〜３０％、前記電子供給層がＩｎＡｌＮのときＡｌ組成比は８３〜８５％、前記電子供給層がＩｎＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は６５〜８５％およびＧａ組成比は０〜２０％である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、窒化物半導体ＨＥＭＴにおける歪み特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、比較例１に係る半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、比較例１に係る半導体装置のゲート電極下における深さに対するエネルギーを示す図である。
【図３】図３（ａ）は、比較例１におけるゲート電圧Ｖｇに対する相互コンダクタンスｇｍを示す模式図、図３（ｂ）は、比較例１を高出力増幅器として用いた場合の入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔおよび相互変調歪ＩＭ３を示す模式図である。
【図４】図４は、比較例２に係る半導体装置の断面図である。
【図５】図５は、比較例２に係る半導体装置のゲート電極下における深さに対するエネルギーを示す図である。
【図６】図６は、実施例１に係る半導体装置の断面図である。
【図７】図７は、実施例１に係る半導体装置のゲート電極下における深さに対するエネルギーを示す図である。
【図８】図８は、ＩｎＡｌＧａＮにおけるａ軸長に対するバンドギャップエネルギーを示す図である。
【図９】図９は、図８の領域５１における深さに対するエネルギーを示す図である。
【図１０】図１０は、ＩｎＡｌＧａＮにおけるａ軸長に対するバンドギャップエネルギーを示す図である。
【図１１】図１１は、図１０の領域５３における深さに対するエネルギーを示す図である。
【図１２】図１２は、ＩｎＡｌＧａＮにおけるａ軸長に対するバンドギャップエネルギーを示す図である。
【図１３】図１３は、図１２の領域５４における深さに対するエネルギーを示す図である。
【図１４】図１４（ａ）は、実施例１におけるゲート電圧Ｖｇに対する相互コンダクタンスｇｍを示す模式図、図１４（ｂ）は、実施例１を高出力増幅器として用いた場合の入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔおよび相互変調歪ＩＭ３を示す模式図である。
【図１５】図１５は、実施例１の変形例に係る半導体装置の断面図である。
【図１６】図１６は、実施例１の変形例おける深さに対するエネルギーを示す図である。
【図１７】図１７は、半導体基板の断面図である。
【図１８】図１８は、チャネル層の膜厚に対するＰｏｕｔおよびＯＩＰ３を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、比較例１に係る半導体装置の断面図である。図１に示すように、半導体装置１１０は、基板１０上にＡｌＮバッファ層１２、ＧａＮチャネル層３０、ＡｌＧａＮ電子供給層１８が形成されている。ＡｌＧａＮ電子供給層１８上に絶縁膜２０、ゲート電極２２、ソース電極２４およびドレイン電極２６が形成されている。
【００２５】
図２は、比較例１に係る半導体装置のゲート電極下における深さに対するエネルギーを示す図である。図２に示すように、Ｅｃは伝導帯の底（以下単に伝導帯ともいう）、Ｅｆはフェルミ準位を示している。チャネル層３０と電子供給層１８との界面には、チャネル層３０と電子供給層１８との格子定数差に起因した正のピエゾ電荷が生成される。このため伝導帯Ｅｃは、矢印４１のように低くなる。このため、フェルミ準位Ｅｆより低くなった伝導帯Ｅｃに二次元電子ガス４０が形成される。
【００２６】
図３（ａ）は、比較例１におけるゲート電圧Ｖｇに対する相互コンダクタンスｇｍを示す模式図、図３（ｂ）は、比較例１を高出力増幅器として用いた場合の入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔおよび相互変調歪ＩＭ３を示す模式図である。測定条件は後述する。図３（ａ）に示すように、ｇｍはピークを有し、Ｖｇに対し平坦な領域が存在しない。ｇｍの平坦な領域が少ないと、歪み特性が悪化する。図３（ｂ）に示すように、入力電力Ｐｉｎが大きくなると出力電力Ｐｏｕｔも大きくなる。入力電力Ｐｉｎがさらに大きくなると、出力電力Ｐｏｕｔは飽和する。一方３次相互変調歪ＩＭ３は、入力電力Ｐｉｎが大きくなるに従い大きくなる。このように、比較例１においては、相互変調歪ＩＭ３が大きく歪み特性が悪い。
【００２７】
図４は、比較例２に係る半導体装置の断面図である。図４に示すように、半導体装置１１２は、基板１０上にＡｌＮバッファ層１２、ＡｌＧａＮバリア層３２、ＧａＮチャネル層３４およびＡｌＧａＮ電子供給層１８が形成されている。ＡｌＧａＮ電子供給層１８上に絶縁膜２０、ゲート電極２２、ソース電極２４およびドレイン電極２６が形成されている。比較例２は、ＡｌＧａＮバリア層３２／ＧａＮチャネル層３４／ＡｌＧａＮ電子供給層１８のダブルヘテロ構造を有している。
【００２８】
図５は、比較例２に係る半導体装置のゲート電極下における深さに対するエネルギーを示す図である。図５に示すように、チャネル層３４と電子供給層１８との界面には、比較例１と同様に、正のピエゾ電荷が生成される。バリア層３２とチャネル層３４との界面には負のピエゾ電荷が生成される。これは、チャネル層３４からバリア層３２の結晶方位がチャネル層３４から電子供給層１８の結晶方位と逆方向のためである。このため、バリア層３２とチャネル層３４との界面の伝導帯Ｅｃは、矢印４２のように高くなる。このため、チャネル層３４における伝導帯Ｅｃは逆Ｕ字型（例えば特許文献１の図２におけるチャネル層の伝導層の形状）とはならない。したがって、比較例２では、歪み特性は改善されない。
【実施例１】
【００２９】
図６は、実施例１に係る半導体装置の断面図である。図６に示すように、半導体装置１００において、基板１０上に窒化物半導体層が形成されている。基板１０上にバッファ層１２が形成されている。基板１０は、例えばＳｉＣ（炭化シリコン）基板、Ｓｉ（シリコン）基板、ＧａＮ基板またはサファイア基板であり、（０００１）面を主面とする。バッファ層１２は、基板１０上に高品質な窒化物半導体層を形成するための層であり、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮからなる。バッファ層１２上にバリア層１４が形成されている。バリア層１４は、ＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルミニウムガリウム）またはＩｎＡｌＮ（窒化インジウムアルミニウム）からなる。バリア層１４上にチャネル層１６が形成されている。バリア層１４とチャネル層１６とは接している。チャネル層１６はＧａＮまたはＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる。チャネル層１６上に電子供給層１８が形成されている。電子供給層１８は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮおよびＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる。チャネル層１６と電子供給層１８とは接している。なお、チャネル層１６とバリア層１４との間にスペーサ層が形成されていてもよい。電子供給層１８上に窒化物半導体からなるキャップ層が形成されていてもよい（図示なし）。
【００３０】
電子供給層１８上に、絶縁膜２０が形成されている。絶縁膜２０は、例えば窒化シリコン膜である。絶縁膜２０に開口が形成されている。電子供給層１８上の開口内にゲート電極２２が形成されている。ゲート電極２２は、例えば基板１０側からＮｉ（ニッケル）膜およびＡｕ（金）膜である。電子供給層１８とゲート電極２２とは接していてもよい。電子供給層１８とゲート電極２２との間には、ゲート絶縁膜または窒化物半導体キャップ層が形成されていてもよい。電子供給層１８上の開口内にゲート電極２２を挟むようにソース電極２４およびドレイン電極２６が形成されている。ソース電極２４およびドレイン電極２６はオーミック電極である。ソース電極２４およびドレイン電極２６は、例えば基板１０側からＴｉ（チタン）膜およびＡｌ（アルミニウム）膜である。Ｔｉ膜はＴａ（タンタル）膜でもよい。電子供給層１８とソース電極２４およびドレイン電極２６とは接していてもよい。電子供給層１８とソース電極２４およびドレイン電極２６との間には、窒化物半導体キャップ層が形成されていてもよい。
【００３１】
このように、実施例１は、バリア層１４／チャネル層１６／電子供給層１８のダブルヘテロ構造を有している。
【００３２】
図７は、実施例１に係る半導体装置のゲート電極下における深さに対するエネルギーを示す図である。図７に示すように、チャネル層１６と電子供給層１８との界面には、比較例１と同様に、正のピエゾ電荷が生成される。これにより、矢印４１のように、伝導帯Ｅｃのエネルギーが低くなる。さらに、バリア層１４とチャネル層１６との界面にも正のピエゾ電荷が生成される。これは、バリア層１４のａ軸長がチャネル層１６のａ軸長より小さいためである。このため、バリア層１４とチャネル層１６との界面の伝導帯Ｅｃは、矢印４３のように低くなる。これにより、チャネル層１６における伝導帯Ｅｃは逆Ｕ字型となる。したがって、歪み特性が改善される。
【００３３】
次に、バリア層１４の組成について説明する。図８は、ＩｎＡｌＧａＮにおけるａ軸長（ａ軸方向の格子定数）に対するバンドギャップエネルギーを示す図である。図８に示すように、ＡｌＮは、ＧａＮよりａ軸長が小さく、バンドギャップエネルギーが大きい。ＩｎＮは、ＧａＮよりａ軸長が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。よって、チャネル層１６としてＧａＮ、電子供給層１８としてＡｌＧａＮを用いると、電子供給層１８のバンドギャップエネルギーはチャネル層１６より大きくなる。白丸６０は、一般的に電子供給層１８として用いられるＡｌ組成比が３０％のＡｌＧａＮを示している。電子供給層１８のａ軸長はチャネル層１６より小さくなる。よって、図７のように、チャネル層１６と電子供給層１８との界面に正のピエゾ電荷が生成される。また、電子供給層１８として、ＩｎＡｌＮを用いることができる。白丸６４は、一般的に電子供給層１８として用いられるＩｎ組成比が１６％のＩｎＡｌＮを示している。この場合もチャネル層１６と電子供給層１８との界面に正のピエゾ電荷が生成される。
【００３４】
ＩｎＡｌＧａＮは、組成比により、ａ軸長をＧａＮより大きくできる。例えばＩｎＡｌＮにおいては、白丸６２のとき、ＧａＮと同じａ軸長となる。このときのＩｎ組成比は１８％である。つまり、Ｉｎ組成比が１８％未満では、バリア層１４とチャネル層１６との界面に負のピエゾ電荷が生成される。しかし、Ｉｎ組成比を１８％より大きくすることにより、バリア層１４とチャネル層１６との界面に正のピエゾ電荷を生成できる。より詳細にはバリア層１４とチャネル層１６との界面には自発分極が生じる。よって、ピエゾ分極が自発分極を上回り、バリア層１４とチャネル層１６との界面に正のピエゾ電荷を生成させるためのＩｎ組成比は約２０％以上となる。
【００３５】
バリア層１４がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮの場合を考える。ここで、バリア層１４のｘおよびｙの関係式は、ｘ＞０、ｙ＞０、かつｘ+ｙ≦１である。ｘ＋ｙ＝１のときはＩｎＡｌＮである。ピエゾ分極が自発分極を上回り、バリア層１４とチャネル層１６との界面に正のピエゾ電荷を生成させるためには、ｙ＜４．２０ｘである。ｙ＜３．０ｘがより好ましい。
【００３６】
さらに、バリア層１４のバンドギャップをチャネル層１６より大きくするためには、ｙ＞０．５３３ｘとなる。ｙ＞０．７５ｘがより好ましい。図８におけるクロスで表示した領域５０が０．５３３ｘ＜ｙ＜４．２０ｘの領域である。
【００３７】
図９は、図８の領域５１における深さに対するエネルギーを示す図である。図９に示すように、領域５１においては、バリア層１４とチャネル層１６とのバンドギャップエネルギーの差が大きくない。このため、バリア層１４とチャネル層１６との界面における伝導帯Ｅｃの不連続エネルギーが小さくなる。これにより、チャネル層１６のキャリアがバリア層１４に流れ込んでしまう。
【００３８】
図１０は、ａ軸長に対するバンドギャップエネルギーを示す図である。図１０に示すように、半導体装置の温度が２００℃程度となってもチャネル層１６のキャリアがバリア層１４に流れ込むことによるリーク電流を抑制するためには、バリア層１４のバンドギャップエネルギーはチャネル層１６のバンドギャップエネルギーより０．２ｅＶ以上高いことが好ましい。ＧａＮのバンドギャップエネルギーは３．４ｅＶである。よって、バリア層１４のバンドギャップエネルギーは３．６ｅＶ以上であることが好ましい。これにより、チャネル層１６のキャリアがバリア層１４に流れ込んでしまうことによるリーク電流を抑制できる。バリア層１４のバンドギャップエネルギーは３．７ｅＶ以上であることがより好ましい。図１０におけるクロスで表示した領域５２が、領域５０であり、かつバリア層１４のバンドギャップエネルギーが３．６ｅＶ以上の領域である。
【００３９】
図１１は、図１０の領域５３における深さに対するエネルギーを示す図である。図１１に示すように、領域５３においては、バリア層１４とチャネル層１６とのａ軸長差がチャネル層１６と電子供給層１８とのａ軸長差より大きくなる。このため、バリア層１４とチャネル層１６との界面４６の二次元電子濃度は、チャネル層１６と電子供給層１８との界面４５の二次元電子濃度より大きくなる。このように、界面４５と４６との電子濃度がアンバランスとなると、チャネル層１６における伝導帯Ｅｃの逆Ｕ字型が非対称となり、ｇｍの平坦性が損なわれる。よって、歪み特性の改善は限定的である。
【００４０】
図１２は、ａ軸長に対するバンドギャップエネルギーを示す図である。電子供給層１８がＡｌＧａＮ（通常はＡｌ組成が３０％以下が用いられる）またはＩｎＡｌＮの場合、チャネル層１６と電子供給層１８との界面に生成される二次元電子濃度は、５×１０１２から１×１０１３ｃｍ−３程度である。したがって、バリア層１４とチャネル層１６との界面の二次元電子濃度も５×１０１２から１×１０１３ｃｍ−３程度とすることが好ましい。二次元電子濃度の一般的な計算式を用いると、バリア層１４のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮの組成は２．１０ｘ＜ｙ＜４．２０ｘが好ましい。２．５ｘ＜ｙがより好ましい。図１２におけるクロスで表示した領域５４が２．１０ｘ＜ｙ＜４．２０ｘの領域である。
【００４１】
図１３は、図１２の領域５４における深さに対するエネルギーを示す図である。図１３に示すように、領域５４においては、界面４６に生成される二次元電子濃度と界面４５に生成される二次元電子濃度とが同程度となる。よってチャネル層１６における伝導帯Ｅｃの逆Ｕ字型が対称となり、ｇｍが平坦になる。よって、歪み特性がより改善される。
【００４２】
界面４６に生成される二次元電子ガスと界面４５に生成される二次元電子ガスが別々のチャネルとして機能すると、ｇｍは２つのピークを有し歪み特性の改善は限定的となる。界面４６と４５との二次元電子ガスを一体として機能させるため、チャネル層１６の膜厚は１００ｎｍ以下が好ましく、８０ｎｍ以下がより好ましい。チャネル層１６の膜厚が小さいと、二次元電子ガスがバリア層１４および電子供給層１８に染み出す。これにより、チャネル層１６の移動度が低下し、高周波特性が低下する。よって、チャネル層１６の膜厚は２０ｎｍ以上が好ましく、４０ｎｍ以上がより好ましい。
【００４３】
チャネル層１６と電子供給層１８との界面に生成される二次元電子濃度を向上させるため、電子供給層１８がＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は１５〜３０％が好ましい。電子供給層１８がＩｎＡｌＮのときＡｌ組成比は８３〜８５％が好ましい。電子供給層１８がＩｎＡｌＧａＮのときＡｌ組成比は６５〜８５％が好ましく、Ｇａ組成比は０〜２０％が好ましい。
【００４４】
図１４（ａ）は、実施例１におけるゲート電圧Ｖｇに対する相互コンダクタンスｇｍを示す模式図、図１４（ｂ）は、実施例１を高出力増幅器として用いた場合の入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔおよび相互変調歪ＩＭ３を示す模式図である。測定条件は後述する。図１４（ａ）に示すように、Ｖｇに対しｇｍが平坦な領域が広い。図１４（ｂ）に示すように、実施例１の入力電力Ｐｉｎ−出力電力Ｐｏｕｔ特性は比較例１と同程度である。一方、実施例１の３次相互変調歪ＩＭ３は、比較例１よりも小さい。このように、実施例１においては、相互変調歪ＩＭ３が小さく歪み特性が向上する。
【００４５】
図６で示した実施例１は、バリア層１４の組成が一様な単層である場合を示している。しかしながら、以上説明したピエゾ電荷に起因するバンド構造の変化は、主にバリア層１４とチャネル層１６との界面の組成によってもたらされる。よって、バリア層１４のチャネル層１６との界面付近の組成が図８の領域５０、図１０の領域５２または図１２の領域５４の組成であればよい。
【００４６】
図１５は、実施例１の変形例に係る半導体装置の断面図である。図１５に示すように、半導体装置１０２において、バリア層１４が、第１層１４ａと、第１層１４ａ上に形成された第２層１４ｂと、を備える。第１層１４ａおよび第２層１４ｂが共にＩｎＡｌＧａＮでもよい。また、第１層１４ａがＡｌＧａＮ、第２層１４ｂがＩｎＡｌＧａＮでもよい。一般に、ＩｎＡｌＧａＮの成長速度はＡｌＧａＮより遅い。よって、第１層１４ａをＡｌＧａＮとすることにより、量産性を向上できる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。
【００４７】
図１６は、実施例１の変形例おける深さに対するエネルギーを示す図である。第１層１４ａのバンドギャップエネルギーは第２層１４ｂより大きい。実施例１の変形例のように、バリア層１４は、各々の層の組成が一様な複数の層であってもよい。バリア層１４のうちチャネル層１６に接する第２層１４ｂの組成が図８の領域５０、図１０の領域５２および図１２の領域５４の組成であればよい。また、バリア層１４は組成が傾斜する構造でもよい。
【００４８】
実施例１に係る半導体装置の製造方法を以下に示す。まず、半導体基板を形成する。図１７は、半導体基板の断面図である。半導体基板１０４の製造方法を説明する。基板１０としてＳｉＣ基板を用い、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用い、バッファ層１２、バリア層１４、チャネル層１６および電子供給層１８を成長する。
【００４９】
バッファ層１２として、ＡｌＮ層とＡｌＮ層上のＧａＮ層を成長する。
ＡｌＮ層の成長条件
組成：ＡｌＮ
膜厚：５０ｎｍ
成長温度：１０８０℃
圧力：１３．３ｋＰａ
原料：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ３（アンモニア）
【００５０】
ＧａＮ層の成長条件
組成：ＧａＮ
膜厚：７００ｎｍ
成長温度：１０８０℃
圧力：１３．３ｋＰａ
原料：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３
流量：１２０μモル／分（ＴＭＧ）、０．５モル／分（ＮＨ３）
成長レート：０．４ｎｍ／秒
【００５１】
バリア層１４の成長条件
組成：ＩｎＡｌＮ（Ｉｎ組成２０％）
膜厚：４００ｎｍ
成長温度：８２０℃
圧力：１３．３ｋＰａ
原料：ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ、ＮＨ３
流量：６０μモル／分（ＴＭＩ）、３０μモル／分（ＴＭＡ）、０．５モル／分（ＮＨ３）
成長レート：０．２ｎｍ／秒
【００５２】
チャネル層１６の成長条件
組成：ＧａＮ
膜厚：１００ｎｍ
成長温度：１０８０℃
圧力：１３．３ｋＰａ
原料：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３
流量：１２０μモル／分（ＴＭＧ）、０．５モル／分（ＮＨ３）
成長レート：０．４ｎｍ／秒
【００５３】
電子供給層１８の成長条件
組成：ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成２０％）
膜厚：２０ｎｍ
成長温度：１０８０℃
圧力：１３．３ｋＰａ
原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
【００５４】
以上により、半導体基板１０４が完成する。半導体基板１０４上に基板側からＴｉ膜およびＡｌ膜をソース電極２４およびドレイン電極２６として形成する。半導体基板１０４に基板側からＮｉ膜およびＡｕ膜をゲート電極として形成する。絶縁膜２０として窒化シリコン膜を形成する。以上により実施例２に係る半導体装置が完成する。
【００５５】
ゲート長が０．５μｍ、ソース電極とドレイン電極間隔が５μｍの実施例１に係る半導体装置を作製した。
【００５６】
比較例１としてチャネル層３０の膜厚が１２００ｎｍの半導体装置を作製した。その他の条件は実施例１と同じである。
【００５７】
実施例１および比較例１において、ドレイン電圧を１０Ｖとして、ゲート電圧を−５Ｖから２Ｖに変化させＶｇｓ−Ｉｄｓ特性を測定した。Ｖｇｓ−Ｉｄｓからｇｍ特性を導出した。比較例１のｇｍ特性の模式図が図３（ａ）、実施例１のｇｍ特性の模式図が図１４（ａ）である。また、実施例１および比較例１を高周波測定を行い、Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ特性およびＰｉｎ−ＩＭ３特性を取得した。比較例１の高周波特性の模式図が図３（ａ）、実施例１の高周波特性の模式図が図１４（ａ）である。
【００５８】
さらに、実施例１において、チャネル層１６の膜厚を１０ｎｍから１４０ｎｍに変化させ、ＰｏｕｔおよびＯＩＰ３を測定した。図１８は、チャネル層の膜厚に対するＰｏｕｔおよびＯＩＰ３を示す図である。ドットは測定点、線は近似線である。図１８に示すように、チャネル層１６の膜厚が２０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下において、ＰｏｕｔおよびＯＩＰ３が大きくなる。
【００５９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  基板
１２  バッファ層
１４  バリア層
１６  チャネル層
１８  電子供給層
２０  絶縁膜
２２  ゲート電極
２４  ソース電極
２６  ドレイン電極
【図１】
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【図２】
2015095605.tif 000004
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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