(57)【要約】  第２窒化物半導体から構成された第２半導体層（１０４）と電極（１１０）との間に、第３窒化物半導体から構成された第３半導体層（１０５）を設け、第２窒化物半導体のバンドギャップを、第２半導体層（１０４）を介した第１半導体層（１０３）と第３半導体層（１０５）との間のキャリア移動が拡散過程により律速される状態とし、第２半導体層（１０４）の厚さを、第２半導体層（１０４）を介した第１半導体層（１０３）と第３半導体層（１０５）との間のキャリア移動が拡散過程により律速される状態とし、第２半導体層（１０４）を介した第１半導体層（１０３）と第３半導体層（１０５）との間のキャリア移動を、電界放出過程により律速されるようにする。
2016175024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１窒化物半導体から構成された第１半導体層と、
前記第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成されて前記第１半導体層の上に接して形成された第２半導体層と、
前記第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有して導電型を有する第３窒化物半導体から構成されて前記第２半導体層の上に接して形成された第３半導体層と、
金属窒化物から構成されて前記第３半導体層の上に接して形成された電極と
を備え、
前記第２窒化物半導体は、前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされ、
前記第２半導体層は、前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされ、
前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動は、電界放出過程により律速される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第３窒化物半導体は、窒素空孔を導電性不純物として有する状態により導電型を有する状態とされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記金属窒化物は、ＴｉＮであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層における貫通転位密度は、１×１０7ｃｍ-2以下とされている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
基板の上に第１窒化物半導体から構成された第１半導体層を形成する第１工程と、
前記第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成された第２半導体層を、前記第１半導体層の上に接して形成する第２工程と、
金属から構成された電極を前記第２半導体層の上に接して形成する第３工程と、
加熱によるシンター処理により前記電極を構成する前記金属と前記第２半導体層を構成する前記第２窒化物半導体とを反応させ、前記第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有して導電型を有する第３窒化物半導体から構成された第３半導体層を、前記第２半導体層の上に接して形成すると共に、前記金属の窒化物から構成された前記電極を前記第３半導体層の上に接して形成する第４工程と
を備え、
前記第４工程では、
前記第２半導体層を構成する前記第２窒化物半導体が、前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされ、
前記第２半導体層が、前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされる
まで、前記シンター処理を行い、
前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が、電界放出過程により律速される状態とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
基板の上に第１窒化物半導体から構成された第１半導体層を形成する第１工程と、
前記第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成された第２半導体層を、前記第１半導体層の上に接して形成する第２工程と、
前記第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有して導電型を有する第３窒化物半導体から構成された第３半導体層を、前記第２半導体層の上に接して形成する第３工程と、
金属の窒化物から構成された電極を前記第３半導体層の上に接して形成する第４工程と
を備え、
前記第２窒化物半導体は、前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとし、
前記第２半導体層は、前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとし、
前記第２半導体層を介した前記第１半導体層と前記第３半導体層との間のキャリア移動が、電界放出過程により律速される状態とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１窒化物半導体との格子不整合が２％以内の材料から構成された前記基板を用いることで、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層における貫通転位密度を、１×１０7ｃｍ-2以下とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項６記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１窒化物半導体との格子不整合が２％以内の材料から構成された前記基板を用いることで、前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記第３半導体層における貫通転位密度を、１×１０7ｃｍ-2以下とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属は、Ｔｉから構成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項６記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属は、Ｔｉから構成することを特徴とする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、窒化物半導体から構成された半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンよりも高い電子移動度を備えるなどのことにより、窒化物半導体を用いたトランジスタの研究開発が盛んに行われ、また、実際に使用されている。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、Ｓｉよりも大きなバンドギャップを有する半導体であるため、Ｓｉに比べて低温から高温にかけて安定に動作し、かつ、高電圧・高電流駆動する素子を作製することが可能である。このため、ＧａＮをチャネルとしたトランジスタが、家電や車などに搭載するスイッチング素子への利用が期待されている。【０００３】
例えば、主表面をｃ面として結晶成長させたＡｌＧａＮの層とＧａＮの層との界面には、高濃度かつ高移動度を有するいわゆる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されるが、この２ＤＥＧをチャネルとした高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）がある。このトランジスタは、低オン抵抗かつ高耐圧性を示すスイッチング素子として活用できる。例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮによるＨＥＭＴは、約−１５０℃から約２５０℃という激しい温度変化がある環境で機能する通信衛星のトランジスタとして採用されている。【０００４】
このような、環境の温度変化に関わらず安定的に動作する高性能なトランジスタを実現するためには、例えばソース電極およびドレイン電極の接触抵抗が、低く、かつ、温度変化しないことが重要である。しかしながら、ＳｉＣ基板、サファイア基板、Ｓｉ基板などの異種基板上にエピタキシャル成長した窒化物半導体など、貫通転位が存在する窒化物半導体によりトランジスタを形成すると、ＡｌＧａＮ／ＧａＮによるＨＥＭＴでは、ソース電極およびドレイン電極の接触抵抗が測定温度によって変化する。例えばＳｉ基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮによるＨＥＭＴでは、室温から２００℃に測定温度を変えることで、接触抵抗が約５×１０-5Ωｃｍ2から約１×１０-5Ωｃｍ2へ、およそ１／５に変化することが報告されている（非特許文献１参照）。【０００５】
サファイア基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮによるＨＥＭＴでも接触抵抗の温度変化が報告されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。接触抵抗がこのように温度変化することは、温度変化が激しい環境で機能するトランジスタの安定動作を阻害する要因となる。【０００６】
一般的にＡｌＧａＮ／ＧａＮによるＨＥＭＴのソース電極およびドレイン電極のオーミック接合は、非特許文献１のようにＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの順に金属を堆積し、窒素雰囲気で８５０℃程度の温度で加熱（シンター処理）することで得られている。半導体と金属の界面の伝導機構として、主に電界放出（field emission），熱電界放出（thermionic field emission），熱電子放出（thermionic emission）の３つが考えられる。これらのなかで、熱電界放出と熱電子放出による伝導機構では、温度上昇と共に半導体と金属界面のキャリア移動が促進され、温度上昇と共に接触抵抗が低下する。一方、電界放出は、トンネル伝導によるキャリア移動のため、接触抵抗の温度変化が無い。【０００７】
非特許文献１を含む一般的なオーミック電極は、金属と窒化物半導体（ＡｌＧａＮ）との反応によって、図７のバンド図に示すように、窒素が欠損したＡｌＧａＮ（窒素空孔がドナーとなるため、ＡｌＧａＮは電子ドープされた状態になっている）が生成するとしている。この窒素が欠損した領域を領域Ｉとすると、領域Ｉのエネルギー障壁は薄いため、電子はトンネル過程によって金属との間で移動する。すなわち、電界放出による電子移動が生じる。【０００８】
一方、金属と未反応のＡｌＧａＮのエネルギー障壁（領域ＩＩ）を電子が移動するためには、エネルギー障壁を超えるための熱エネルギーが必要となる。したがって、温度が高くなると、領域ＩＩのエネルギー障壁を電子が移動しやすくなる。このため、温度上昇と共に接触抵抗は低下する。以上のことは、熱電界放出の伝導機構そのものであり、非特許文献１では、貫通転位密度が一般的に１０9ｃｍ-2台であるＳｉ基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮにおいて、領域ＩＩを介した熱電界放出による伝導機構が支配的であるため、接触抵抗の温度依存性が生じていると報告している。【０００９】
また、非特許文献２のように、貫通転位密度が一般的に１０9ｃｍ-2台であるサファイア基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮにおいては、シンター処理によって金属の一部が貫通転位を介してＧａＮと接する構造を生成し、貫通転位を介してＧａＮと接した金属とＧａＮの界面がショットキー接合となり、ショットキー接合におけるキャリア伝導が熱電界放出によって支配されているため、接触抵抗の温度依存性が生じると考えられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Z. H. Liu et al., "Temperature dependence of Ohmic contact characteristics in AlGaN/GaN high electron mobility transistors from 50 to 200 ℃", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.94, no.14, 142105, 2009.
【非特許文献２】M. W. Fay et al., "Structural and electrical characterization of AuPdAlTi ohmic contacts to AlGaN/GaN with varying Ti content", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.96, no.10, pp.5588-5595, 2004.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上に説明したように、従来の窒化物半導体から構成された半導体装置では、ソース電極およびドレイン電極などの接触抵抗が温度変化するため、温度変化が激しい環境では、安定して動作させることができないという問題があった。【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、温度変化が激しい環境においても、窒化物半導体から構成された半導体装置を安定して動作させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成された第１窒化物半導体から構成された第１半導体層と、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成されて第１半導体層の上に接して形成された第２半導体層と、第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有して導電型を有する第３窒化物半導体から構成されて第２半導体層の上に接して形成された第３半導体層と、金属窒化物から構成されて第３半導体層の上に接して形成された電極とを備え、第２窒化物半導体は、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされ、第２半導体層は、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされ、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動は、電界放出過程により律速される状態とする。【００１４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に第１窒化物半導体から構成された第１半導体層を形成する第１工程と、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成された第２半導体層を、第１半導体層の上に接して形成する第２工程と、金属から構成された電極を第２半導体層の上に接して形成する第３工程と、加熱によるシンター処理により電極を構成する金属と第２半導体層を構成する第２窒化物半導体とを反応させ、第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有して導電型を有する第３窒化物半導体から構成された第３半導体層を、第２半導体層の上に接して形成すると共に、金属の窒化物から構成された電極を第３半導体層の上に接して形成する第４工程とを備え、第４工程では、第２半導体層を構成する第２窒化物半導体が、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされ、第２半導体層が、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされるまで、シンター処理を行い、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が、電界放出過程により律速される状態とする。【００１５】
また、本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、基板の上に第１窒化物半導体から構成された第１半導体層を形成する第１工程と、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成された第２半導体層を、第１半導体層の上に接して形成する第２工程と、第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有して導電型を有する第３窒化物半導体から構成された第３半導体層を、第２半導体層の上に接して形成する第３工程と、金属の窒化物から構成された電極を第３半導体層の上に接して形成する第４工程とを備え、第２窒化物半導体は、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとし、第２半導体層は、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとし、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が、電界放出過程により律速される状態とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことにより、本発明によれば、温度変化が激しい環境においても、窒化物半導体から構成された半導体装置を安定して動作させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における半導体装置のバンド状態を示すバンド図である。
【図３Ａ】図３Ａは、シンター温度７００℃のシンター処理と、シンター温度９００℃でシンター処理を施した電極の接触抵抗の温度依存性を伝送線路モデル法による測定によって評価した結果を示す特性図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、シンター温度７００℃のシンター処理と、シンター温度９００℃でシンター処理を施した電極の接触抵抗の温度依存性を伝送線路モデル法による測定によって評価した結果を示す特性図である。
【図４】図４は、シンター温度７００℃のシンター処理後の電極構造の断面透過型電子線顕微鏡像を示す写真である。
【図５】図５は、シンター温度９００℃のシンター処理後の電極構造の断面透過型電子線顕微鏡像を示す写真である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態２における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の実施の形態２における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。
【図７】図７は、一般的なオーミック電極による窒化物半導体を用いた半導体装置のバンド状態を示すバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１９】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１Ａ〜図１Ｃを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。図１Ａ〜図１Ｃでは、断面を模式的に示している。
【００２０】
まず、図１Ａに示すように、基板１０１の上に、バッファ層１０２、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４を形成する（第１工程、第２工程）。第１半導体層１０３の上には、第２半導体層１０４を接して形成する。よく知られた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、順次にエピタキシャル成長させれば良い。
【００２１】
基板１０１は、例えば、貫通転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下のＧａＮから構成された結晶基板である。また、基板１０１の主表面は、面方位が（０００１）面とされ、また、ＩＩＩ族極性面とされている。バッファ層１０２は、例えば、Ｃ，Ｍｇ，ＦｅなどがドープされたＧａＮから構成されていれば良い。バッファ層１０２を備えることで、基板１０１が導電性を有する場合、基板１０１に流れる電流を防ぐことができる。
【００２２】
また、第１半導体層１０３は、第１窒化物半導体から構成され、第２半導体層１０４は、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成されていれば良い。このような構成の組み合わせとして、第１半導体層１０３は、アンドープＧａＮから構成され、第２半導体層１０４は、ＡｌＧａＮから構成されていれば良い。この場合、第１半導体層１０３は、層厚３００ｎｍ程度形成すれば良い。また、第２半導体層１０４は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を２３％とし、また、層厚２１．８ｎｍとすれば良い。
【００２３】
実施の形態１では、基板１０１をＧａＮから構成しているので、第１半導体層１０３と基板１０１との間に格子不整合が無くなるため、格子不整合に起因する貫通転位の発生を抑制することが可能となる。この結果、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４における貫通転位密度は、基板１０１の貫通転位密度と等しくなり、１×１０7ｃｍ-2以下とすることができる。
【００２４】
ところで、一般的に基板上に半導体層を堆積する際、いわゆる臨界膜厚以内であれば転位の発生を抑制することが可能である。このため、基板１０１がＧａＮから構成されていなくても、比較的格子不整合の小さい材料から構成されていれば、実用上必要な厚さの窒化物半導体層を堆積しても転位の発生を抑制できる。例えば、ＧａＮとの格子不整合が１．８％のＺｎＯ基板やＳｃＡｌＭｇＯ4基板を用いた場合、臨界膜厚は１００ｎｍ程度であるから、実用上必要な厚さの窒化物半導体層を堆積した構造で本発明の効果を得られる。
【００２５】
次に、図１Ｂに示すように、第２半導体層１０４の上に、レジストパターン１２１を形成する。レジストパターン１２１は、電極形成領域に第２半導体層１０４に到達する開口部１２２を備える。よく知られたフォトリソグラフィー技術により、レジストパターン１２１を形成すれば良い。レジストパターン１２１は、以下に示すように、リフトオフマスクとして用いる。
【００２６】
次に、例えば、電子ビーム蒸着法などにより、電極材料を堆積し、レジストパターン１２１をリフトオフすることで、図１Ｃに示すように、第１金属層１１１，第２金属層１１２，第３金属層１１３，第４金属層１１４から構成された電極１１０を形成する（第３工程）。例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ａｕをこの順に蒸着することで、第１金属層１１１，第２金属層１１２，第３金属層１１３，第４金属層１１４を形成すれば良い。
【００２７】
次に、Ｎ2中でシンター処理を施し、第１金属層１１１を構成するＴｉと第２半導体層１０４を構成するＡｌＧａＮとを反応させてオーミック電極とし、加えて、第１金属層１１１の下に第３半導体層１０５を形成する（第４工程）。第３半導体層１０５は、第２半導体層１０４に接して形成された状態となる。また、電極１１０を構成する第１金属層１１１は、第３半導体層１０５に接して形成された状態となる。電極１１０の第１金属層１１１は、金属の窒化物から構成された電極である。
【００２８】
形成された第３半導体層１０５においては、窒素が欠損した（窒素空孔を備える）状態となり、これが導電性不純物となって十分に高いキャリア（電子）濃度を有する状態となり、導電型（ｎ型）を有する状態となる。また、第３半導体層１０５は、第２半導体層１０４より高いＡｌ組成を有するものとなる。第３半導体層１０５を構成する第３窒化物半導体は、第２半導体層１０４を構成する第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有しているものとなる。
【００２９】
なお、Ｍｏから構成されている第３金属層１１３は、シンター処理中に第２金属層１１２を構成しているＡｌが、Ａｕから構成されている第４金属層１１４に拡散するのを防ぎ、Ａｌを効率的にＡｌＧａＮから構成されている第２半導体層１０４の側により拡散させる役割を担う。Ｍｏ以外にも、ＮｉやＷなどシンター処理温度より融点が高い金属であれば同様の効果が得られる。また、上述したシンター処理により、第１金属層１１１は、金属窒化物（ＴｉＮ）から構成されたものとなる。
【００３０】
以上のことにより、第２窒化物半導体から構成された第２半導体層１０４と電極１１０との間に、第３窒化物半導体から構成された第３半導体層１０５が設けられ、第２窒化物半導体のバンドギャップは、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が拡散過程により律速される状態とされ、第２半導体層１０４の厚さは、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が拡散過程により律速される状態とされ、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が、電界放出過程により律速されるものとなる。この構成において、前述したように、第３窒化物半導体１０５は、窒素空孔を導電性不純物として有する状態により導電型を有する状態とされていればよい。
【００３１】
言い換えると、上述したシンター処理（第４工程）では、
・第２半導体層１０４を構成する第２窒化物半導体が、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされ、
・第２半導体層１０４が、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされる
までシンター処理を行い、
・第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が、電界放出過程により律速される状態とする。
【００３２】
次に、本発明に至った経緯について説明する。発明者らの鋭意の検討により、上述したＮ2中のシンター処理において、シンター条件により、図７を用いて説明した熱電界放出が支配的なオーミック電極になる場合と、図２に示すバンド状態となる電界放出および拡散伝導が支配的なオーミック電極になる場合とが存在することを見出した。
【００３３】
図２は、本発明による電極構造における典型的なバンド状態を示すバンド図である。図２において、金属は、電極１１０の第１金属層１１１に対応し、ＡｌＧａＮの領域Ｉ’は、第３半導体層１０５に対応し、ＡｌＧａＮの領域ＩＩ’は、第２半導体層１０４に対応し、ＧａＮは、第１半導体層１０３に対応している。
【００３４】
前述したように、領域Ｉ’のＡｌＧａＮは、窒素空孔を含有することにより、十分に高いキャリア濃度を有する。このため、領域Ｉ’のＡｌＧａＮは、金属とのキャリア伝導機構が主に電界放出となる。
【００３５】
また、前述したように、領域ＩＩ’を構成するＡｌＧａＮよりも高いＡｌ組成を有することで生じる高い自発分極およびピエゾ分極効果により、領域Ｉ’と領域Ｉ’ＩＩ’との界面に分極電荷が形成され、伝導帯のエネルギーを押し下げる。この結果、ＧａＮと接している側のＡｌＧａＮ（領域ＩＩ’）のエネルギー障壁が下がる。これは、領域Ｉ’とＩＩ’の界面に存在するエネルギー障壁高さを押し下げ、領域ＩＩ’中のキャリア伝導を容易にする。さらに、領域ＩＩ’の厚さ適切に選択することにより、領域ＩＩ’の内部電界がほぼ存在しない状況を作り出すことができる。この状態においては、領域ＩＩ’中のキャリアは熱電界放出ではなく、拡散伝導により支配されることとなる。
【００３６】
上述した図２に示すバンド構造となる実施の形態１における構成により、電極１１０と第１半導体層１０３との間のキャリア伝導が、電界放出と拡散伝導に支配される電極構造を構成することができ、電極１１０における接触抵抗の温度依存性を抑制することが可能となる。
【００３７】
言い換えると、次の３つの点が満足されていれば、領域ＩＩ’中のキャリアは、拡散伝導により支配され、電極１１０における接触抵抗の温度依存性を抑制できるようになる。
【００３８】
第１に、第２半導体層１０４を構成する第２窒化物半導体が、第２半導体層を介した第２半導体層と、第３半導体層１０５を構成する第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされている。
【００３９】
第２に、第２半導体層１０４が、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０４と第３半導体層１０５との間のキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされている。
【００４０】
第３に、第２半導体層１０４を介した第１半導体層１０３と第３半導体層１０５との間のキャリア移動は、電界放出過程により律速される。
【００４１】
また、上記作用を効果的に発現させるためには、非特許文献２で報告されているような貫通転位を介した金属と窒化物半導体との直接の接触を避けることが重要となる。この貫通転位を介した金属と窒化物半導体との直接接触を回避するためには、第１半導体層を構成する第１窒化物半導体との格子不整合が２％以下の基板を使用すればよい。
【００４２】
一例として、シンター温度７００℃のシンター処理と、シンター温度９００℃でシンター処理を施した電極の接触抵抗の温度依存性を伝送線路モデル（ＴＬＭ）法による測定によって評価した結果を示す。試料について説明する。まず、第２半導体層としてのＡｌＧａＮ層の上に、ＴｉＮ層、Ａｌ層、Ｍｏ層、Ａｕ層の順に積層して電極構造とする。ＴｉＮ層が金属の窒化物から構成された電極となる。シンター処理の処理時間は、いずれも３０秒である。
【００４３】
７００℃で処理した電極では室温で、図３Ａ，図３Ｂの黒四角に示すように、８．７×１０-4Ωｃｍ2であった接触抵抗が、測定温度の上昇とともに低下し、２００℃では９．０×１０-5Ωｃｍ2と約１桁低減する傾向が得られた。これはキャリア伝導が熱電界放出に支配されていることを強く示唆する結果である。
【００４４】
これに対し、シンター温度９００℃で処理した場合は、図３Ａの黒丸に示すように、室温で５．６×１０-6Ωｃｍ2であった接触抵抗は測定温度が変化してもほとんど変わらず、２００℃において４．５×１０-6Ωｃｍ2の接触抵抗となった。また、シンター温度９００℃で処理した場合は、図３Ｂの黒丸に示すように、５０Ｋ近くの極めて低い温度まで測定温度が変化しても、接触抵抗の上昇は見られない。
【００４５】
これらの電極構造の断面透過型電子線顕微鏡（ＴＥＭ）像を図４および図５に示す。図４は、７００℃でシンター処理した場合を示し、図５は、９００℃でシンター処理した場合を示す。図４に示すように、７００℃でシンター処理した場合は、ＡｌＧａＮの上にＴｉとＡｌＧａＮが反応して生成したＴｉＮが形成されているものの、ＡｌＧａＮそのものは一層しか存在していない。このように、７００℃の処理では、ＡｌＧａＮの最表面領域のみ反応してＴｉＮを形成したのみであることが推測される。この状態では、図７に示した領域ＩＩのＡｌＧａＮに高いエネルギー障壁が存在し、ＡｌＧａＮとＴｉＮとの間の電子移動は、熱電界放出に支配されていると推測される。
【００４６】
一方、図５に示すように、９００℃でシンター処理した場合は、ＴｉとＡｌＧａＮが反応して生成したＴｉＮと、第２半導体層１０４に対応するＡｌＧａＮ（領域ＩＩ’）とに挟まれた領域に、もう一層のＡｌＧａＮ（領域Ｉ’）が形成されていた。組成分析を行ったところ、新たに生成したＡｌＧａＮ（領域Ｉ’）ではＡｌ組成が高くなっていることと、窒素が欠損していることが判明した。この結果は、新たに生成したＡｌＧａＮ（領域Ｉ’）が、第３半導体層に対応するものと考えられる。領域Ｉ’のＡｌＧａＮとＧａＮに挟まれた当初堆積したＡｌＧａＮは、厚さを減じており、減じた分と領域Ｉ’のＡｌＧａＮの厚さはほぼ等しくなっていた。
【００４７】
以上のように、上述したシンター温度９００℃のシンター処理により、本発明の半導体装置における電極構造を形成することができる。なお、実施の形態１では、ＧａＮ基板を用いて貫通転位密度を１×１０7ｃｍ-2以下としたことにより、非特許文献２で報告されているような貫通転位を介してＴｉが直接ＧａＮに触れるような構造はできていないことは、図４および図５より明らかである。
【００４８】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図６Ａ〜図６Ｃを用いて説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施の形態２における半導体装置およびその製造方法を説明するための各工程の状態を示す構成図である。図６Ａ〜図６Ｃでは、断面を模式的に示している。
【００４９】
まず、図６Ａに示すように、基板２０１の上に、バッファ層２０２、第１半導体層２０３、第２半導体層２０４、第３半導体層２０５を形成する（第１工程、第２工程、第３工程）。第２半導体層２０４は、第１半導体層２０３の上に接して形成し、第３半導体層２０５は、第２半導体層２０４の上に接して形成する。よく知られた分子線エピタキシー法や有機金属化学気相成長法により、順次にエピタキシャル成長させれば良い。
【００５０】
基板２０１は、例えば、貫通転位密度が１×１０7ｃｍ-2以下のＧａＮから構成された結晶基板である。また、基板２０１の主表面は、面方位が（０００１）面とされ、また、ＩＩＩ族極性面とされている。バッファ層２０２は、例えば、Ｃ，Ｍｇ，ＦｅなどがドープされたＧａＮから構成されていれば良い。バッファ層２０２を備えることで、基板２０１が導電性を有する場合、基板２０１に流れる電流を防ぐことができる。
【００５１】
また、第１半導体層２０３は、第１窒化物半導体から構成され、第２半導体層２０４は、第１窒化物半導体より大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体から構成されていれば良い。このような構成の組み合わせとして、第１半導体層２０３は、アンドープＧａＮから構成され、第２半導体層２０４は、ＡｌＧａＮから構成されていれば良い。また、第３半導体層２０５も、ＡｌＧａＮから構成されていれば良い。この場合、第１半導体層２０３は、層厚３００ｎｍ程度形成すれば良い。また、第２半導体層２０４は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を２３％とし、また、層厚１７．４ｎｍとすれば良い。
【００５２】
また、第３半導体層２０５は、ＡｌＧａＮをエピタキシャル成長した後で、水素雰囲気中で１０分ほど加熱することでＡｌＧａＮから窒素を脱離させ、窒素空孔を有し、Ａｌ組成を５０％とし、また、層厚を４．３ｎｍとすれば良い。窒素空孔（導電性不純物）を有する第３半導体層２０５を構成する第３窒化物半導体は、十分に高いキャリア濃度を有し、導電型を有し、第２半導体層２０４を構成する第２窒化物半導体以上のバンドギャップを有しているものとなる。
【００５３】
実施の形態２においても、基板２０１をＧａＮから構成しているので、第１半導体層２０３と基板２０１との間に格子不整合が無くなるため、格子不整合に起因する貫通転位の発生を抑制することが可能となる。この結果、第１半導体層２０３、第２半導体層２０４、第３半導体層２０５における貫通転位密度は、基板２０１の貫通転位密度と等しくなり、１×１０7ｃｍ-2以下とすることができる。
【００５４】
ところで、一般的に基板上に半導体層を堆積する際、いわゆる臨界膜厚以内であれば転位の発生を抑制することが可能である。このため、基板２０１がＧａＮから構成されていなくても、比較的格子不整合の小さい材料から構成されていれば、実用上必要な厚さの窒化物半導体層を堆積しても転位の発生を抑制できる。例えば、ＧａＮとの格子不整合が１．８％のＺｎＯ基板やＳｃＡｌＭｇＯ4基板を用いた場合、臨界膜厚は１００ｎｍ程度であるから、実用上必要な厚さの窒化物半導体層を堆積した構造で本発明の効果を得られる。
【００５５】
次に、図６Ｂに示すように、第３半導体層２０５の上に、レジストパターン２２１を形成する。レジストパターン２２１は、電極形成領域に第２半導体層２０４に到達する開口部２２２を備える。よく知られたフォトリソグラフィー技術により、レジストパターン２２１を形成すれば良い。レジストパターン２２１は、以下に示すように、リフトオフマスクとして用いる。
【００５６】
次に、例えば、電子ビーム蒸着法などにより、電極材料を堆積し、レジストパターン２２１をリフトオフすることで、図６Ｃに示すように、第１金属層２１１，第２金属層２１２，第３金属層２１３，第４金属層２１４から構成された電極２１０を形成する（第４工程）。第１金属層２１１は、第３半導体層２０５の上に接して形成された状態とする。例えば、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｍｏ、Ａｕをこの順に蒸着することで、第１金属層２１１，第２金属層２１２，第３金属層２１３，第４金属層２１４を形成すれば良い。
【００５７】
実施の形態２では、シンター処理をすることなく、堆積と水素雰囲気中の加熱処理により窒素空孔を有し、第２半導体層２０４より高いＡｌ組成の第３半導体層２０５を形成している。また、ＴｉＮを堆積して第１金属層２１１を形成することで、第３半導体層２０５には、金属窒化物からなる電極２１０の部分（第１金属層２１１）が接して形成されることになる。第１金属層２１１は、金属の窒化物から構成された電極であり、第３半導体層２０５に接している。この工程では、第３半導体層２０５に接している部分（第１金属層２１１）は金属の窒化物から構成された電極を、第３半導体層２０５の上に接して形成している。
【００５８】
これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。第２半導体層２０４を構成する第２窒化物半導体は、第２半導体層２０４を介した第１半導体層２０３と第３半導体層２０５とのキャリア移動が拡散過程により律速されるバンドギャップとされていればよい。また、第２半導体層２０４は、第２半導体層２０４を介した第１半導体層２０３と第３半導体層２０５とのキャリア移動が拡散過程により律速される厚さとされていればよい。第２半導体層２０４は、第２半導体層２０４を介した第１半導体層２０３と第３半導体層２０５とのキャリア移動が拡散過程により律速される状態とすればよい。
【００５９】
以上に示したように、本発明では、第２窒化物半導体から構成された第２半導体層と電極との間に、第３窒化物半導体から構成された第３半導体層を設け、第２窒化物半導体のバンドギャップを、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される状態とし、第２半導体層の厚さを、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動が拡散過程により律速される状態とし、第２半導体層を介した第１半導体層と第３半導体層との間のキャリア移動を、電界放出過程により律速されるようにした。
【００６０】
この結果、本発明によれば、温度変化が激しい環境においても、窒化物半導体から構成された半導体装置を安定して動作させることができる。
【００６１】
なお、本発明は以上に説明した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内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、第１窒化物半導体をＧａＮから構成し、第２窒化物半導体および第３窒化物半導体をＡｌＧａＮから構成したが、これに限るものではない。第１窒化物半導体は、Ｉｎ1-x-yＡｌxＧａyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成すれば良い。また、第２窒化物半導体および第３窒化物半導体は、Ｉｎ1-x'-y'Ａｌx'Ｇａy'Ｎ（０≦ｘ’≦１、０≦ｙ’≦１、０≦ｘ’＋ｙ’≦１）から構成すれば良い。
【符号の説明】
【００６２】
１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…第３半導体層、１１０…電極、１１１…第１金属層、１１２…第２金属層、１１３…第３金属層、１１４…第４金属層、１２１…レジストパターン、１２２…開口部。
【図１Ａ】
2016175024.tif 000003
【図１Ｂ】
2016175024.tif 000004
【図１Ｃ】
2016175024.tif 000005
【図２】
2016175024.tif 000006
【図３Ａ】
2016175024.tif 000007
【図３Ｂ】
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【図４】
2016175024.tif 000009
【図５】
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【図６Ａ】
2016175024.tif 000011
【図６Ｂ】
2016175024.tif 000012
【図６Ｃ】
2016175024.tif 000013
【図７】
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【国際調査報告】
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