(57)【要約】  窒化物系化合物半導体が、基板（１）と、基板（１）上に設けられた窒化物系化合物半導体積層体（１１）とを有している。窒化物系化合物半導体積層体（１１）が、多層バッファ層（４）と、この多層バッファ層（４）上に積層されたチャネル層（５）と、このチャネル層（５）上に積層された電子供給層（６）とを含んでいる。電子供給層（６）の表面から、チャネル層（５）および多層バッファ層（４）を貫通する凹部（１１０）を設け、この凹部（１１０）内に、多層バッファ層（４）およびチャネル層（５）に隣接すると共に、多層バッファ層（４）よりも熱伝導率が高い放熱層（２１０）を設けた。
2015182283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）と、
上記基板（１）上に設けられた窒化物系化合物半導体積層体（１１，１２，１３，１４，１５，１６）と
を備え、
上記窒化物系化合物半導体積層体（１１，１２，１３，１４，１５，１６）が、多層バッファ層（４，１０４）と、この多層バッファ層（４，１０４）上に設けられたチャネル層（５）と、このチャネル層（５）上に積層された電子供給層（６，１０６）とを含んでいる窒化物系化合物半導体において、
上記電子供給層（６，１０６）の表面から、上記チャネル層（５）および上記多層バッファ層（４，１０４）を貫通する凹部（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）を有し、
上記凹部（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０）内に、上記多層バッファ層（４，１０４）、および、この多層バッファ層（４，１０４）上に積層された層に隣接し、かつ、上記多層バッファ層（４，１０４）よりも熱伝導率の高い放熱層（２１０，２２０，２６０，２７０，２８０）が設けられていることを特徴とする窒化物系化合物半導体。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物系化合物半導体において、
上記多層バッファ層（４，１０４）が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）の組成を有する第１の層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＡｓｃＰｄＮ１−ｃ−ｄ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０≦ｄ＜１、ｃ＋ｄ＜１）の組成を有する第２の層とを含んでいることを特徴とする窒化物系化合物半導体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体において、
上記多層バッファ層（４，１０４）が、Ａｌ組成が段階的に順次低減されるように積層されている複数のＡｌＧａＮ層で構成された組成傾斜バッファ層（３，１０３）上に積層されていることを特徴とする窒化物系化合物半導体。
【請求項４】
請求項３に記載の窒化物系化合物半導体において、
上記組成傾斜バッファ層（３，１０３）が、２層から４層のＡｌＧａＮ層で構成されていることを特徴とする窒化物系化合物半導体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の窒化物系化合物半導体において、
上記放熱層（２１０，２２０，２６０，２７０，２８０）が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）の組成を有していることを特徴とする窒化物系化合物半導体。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載の窒化物系化合物半導体において、
上記基板（１）が、Ｓｉ基板であることを特徴とする窒化物系化合物半導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体電子デバイスに用いられる窒化物系化合物半導体としては、一般的に、ＡｌＧａＮとＧａＮからなるヘテロ接合を有する窒化物系化合物半導体がある。この窒化物系化合物半導体装置は、例えば、サファイアあるいはＳｉなどで構成された基板と、バッファ層、一般的にＧａＮからなるチャネル層およびＡｌＧａＮからなる障壁層で構成され、上記基板上に積層された窒化物系化合物半導体積層体と、障壁層とチャネル層との界面に形成された２次元電子ガスとオーミック接触を形成するソース電極およびドレイン電極と、ソース電極およびドレイン電極の間に形成されたゲート電極とからなっている。【０００３】
ところで、上記従来の窒化物系化合物半導体を形成する場合、サファイア基板またはＳｉＣ基板上に窒化物系化合物半導体積層体を形成する場合には、あまり大きな問題とならないが、熱膨張係数が窒化物系化合物半導体積層体よりも小さいＳｉ基板を用いた場合、窒化物系化合物半導体積層体の成長後に、Ｓｉ基板が下凸の形状に反ってしまうだけでなく、結晶そのものに応力によってＳｉ基板にクラックが形成されてしまう場合があった。【０００４】
この問題を解決するため、例えば、特許文献１、２に示されているように、異なる組成を有する２つの層、すなわち、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）から成る第１の層と、組成式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＡｓｃＰｄＮ１−ｃ−ｄ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０≦ｄ＜１、ｃ＋ｄ＜１）から成る第２の層とを交互に成長させた構造を有する多層バッファ層を用いて、Ｓｉ基板と窒化物系化合物半導体積層体との間の熱膨張係数の差を緩和する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５９９４８号公報
【特許文献２】特開２００５−８５８５２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、上記多層バッファ層は、界面数が多い層構造の方向（基板の垂直方向）の熱伝導率が、第１，第２の層単体の熱伝導率に比べ大幅に低く、１／１０以下であることも珍しくない（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  ２９８（２００７）の２５１−２５３項参照）。このため、上記特許文献に記載の半導体装置では、多層バッファ層を含むことにより放熱性が低下するため、半導体電子デバイスの動作に伴って、多層バッファ層上に積層されたチャネル層の温度が上昇し、チャネル抵抗が増加すると共に、半導体電子デバイスの信頼性が著しく低下する場合があった。【０００７】
そこで、本発明の課題は、多層バッファ層を含むことによる放熱性の低下を防いで、半導体電子デバイスに用いた場合に、高い信頼性を有する半導体電子デバイスを得られる窒化物系化合物半導体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、本発明の窒化物系化合物半導体は、
基板と、
上記基板上に設けられた窒化物系化合物半導体積層体と
を備え、
上記窒化物系化合物半導体積層体が、多層バッファ層と、この多層バッファ層上に設けられたチャネル層と、このチャネル層上に積層された電子供給層とを含んでいる窒化物系化合物半導体において、
上記電子供給層の表面から、上記チャネル層および上記多層バッファ層を貫通する凹部を有し、
上記凹部内に、上記多層バッファ層、および、この多層バッファ層上に積層された層に隣接し、かつ、上記多層バッファ層よりも熱伝導率の高い放熱層が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子供給層の表面から、電子供給層、チャネル層および多層バッファ層を貫通する凹部を有し、この凹部内に、多層バッファ層、および、この多層バッファ層上に積層された層に隣接し、かつ、多層バッファ層よりも熱伝導率の高い放熱層が設けられている。これにより、電子供給層の表面から多層バッファ層に向かって伝導した熱を、放熱層を介して窒化物系化合物半導体の外部に放出できるので、基板の垂直方向の熱伝導率の低い多層バッファ層を含む窒化物系化合物半導体の放熱性を向上させることができる。よって、半導体電子デバイスに用いることで、信頼性の高い半導体電子デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図２】図１の窒化物系化合物半導体の製造工程を説明するための断面模式図である。
【図３】図２に続く図１の窒化物系化合物半導体の製造工程を説明するための断面模式図である。
【図４】本発明の第２実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図６】本発明の第４実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図７】本発明の第５実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図８】本発明の第６実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図９】本発明の第７実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【図１０】本発明の第８実施形態の窒化物系化合物半導体を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の窒化物系化合物半導体は、図１に示すように、基板１と、この基板１上に積層された窒化物系化合物半導体積層体１１とを備えている。なお、窒化物系化合物半導体は、例えばエピタキシャルウェハでもよい。
【００１２】
基板１は、例えば０．０１Ω・ｃｍのボロンドープＣＺＳｉ基板である。なお、基板１は、窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長に使用可能な基板であればよく、例えば、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、およびサファイア基板を用いることができる。
【００１３】
窒化物系化合物半導体積層体１１は、初期成長層２と、組成傾斜バッファ層３と、多層バッファ層４と、ＧａＮチャネル層５と、電子供給層６とからなり、初期成長層２、組成傾斜バッファ層３、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５および電子供給層６を順に積層した構成を有している。
【００１４】
初期成長層２は、例えば厚さ１００ｎｍのＡｌＮからなっている。
【００１５】
組成傾斜バッファ層３は、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１と、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層３２と、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３とからなり、初期成長層２上に、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層３２およびＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３をＡｌ組成比が段階的に順次減少するように積層した構成を有している。Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１は、例えば厚さ２００ｎｍであり、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層３２は、例えば厚さ４００ｎｍであり、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３は、例えば厚さ４００ｎｍである。
【００１６】
多層バッファ層４は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）の組成を有する第１の層としてのＡｌＮ層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＡｓｃＰｄＮ１−ｃ−ｄ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０≦ｄ＜１、ｃ＋ｄ＜１）の組成を有する第２の層としてのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とからなり、第１，第２の層を交互に複数回積層した構成を有している。ＡｌＮ層は、例えば厚さ３ｎｍであり、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層は、例えば厚さ３０ｎｍである。
【００１７】
なお、本明細書で、多層バッファ層とは、組成の異なる複数の層を繰り返し積層した構成を有し、多層バッファ層を構成する各層が、組成式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）を満たすものをいい、例えば超格子バッファ層であってもよい。
【００１８】
すなわち、多層バッファ層４は、第１，第２の層を交互に繰り返し積層した構成を有する場合に限らず、例えば、第１，第２の層をランダムに積層した構成であってもよいし、第１，第２の層を交互に繰り返し積層された領域と、第１，第２の層をランダムに積層した領域とを含む構成であってもよい。
【００１９】
ＧａＮチャネル層５は、例えば厚さ１μｍのＧａＮからなっている。
【００２０】
電子供給層６は、ＡｌＮ特性改善層６１と、ＡｌＧａＮ障壁層６２と、ＧａＮキャップ層６３とからなり、ＧａＮチャネル層５上に、ＡｌＮ特性改善層６１、ＡｌＧａＮ障壁層６２およびＧａＮキャップ層６３を順に積層した構成を有している。ＡｌＮ特性改善層６１は、例えば厚さ１ｎｍであり、ＡｌＧａＮ障壁層６２は、例えば厚さ２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、ＧａＮキャップ層６３は、例えば厚さ１ｎｍである。
【００２１】
また、窒化物系化合物半導体積層体１１には、電子供給層６の表面から、電子供給層６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４を貫通して、組成傾斜バッファ層３まで達する凹部１１０を設けている。そして、この凹部１１０内には、多層バッファ層４とＧａＮチャネル層５とに隣接する放熱層２１０を設けている。この放熱層２１０は、多層バッファ層４よりも熱伝導率が高く、放熱性に優れたＧａＮからなり、多層バッファ層４およびＧａＮチャネル層５が凹部１１０内に露出しないよう形成されている。
【００２２】
なお、凹部１１０は、窒化物系化合物半導体装置としたときに、この装置の動作に寄与しない部分、例えばアイソレート部に形成されている。
【００２３】
続いて、上記窒化物系化合物半導体の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、フッ酸系のエッチャントで基板１の表面酸化膜を除去する。その後、この基板１を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置にセットし、基板１の温度を１１００℃に設定して、チャンバー圧力１３．３ｋＰａにて基板１の表面のクリーニングを行なう。
【００２５】
そして、基板１の温度およびチャンバー圧力を一定とし、アンモニアＮＨ３（１２．５ｓｌｍ）を流すことで基板１の表面の窒化を行なう。
【００２６】
続いて、ＴＭＡ流量＝１１７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとして、基板１上に、厚さ１００ｎｍの初期成長層２を形成する。
【００２７】
その後、基板１の温度を１１５０℃に設定して、
・ＴＭＧ流量＝５７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝９７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとして、初期成長層２上に、厚さ２００ｎｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１を成長させ、
・ＴＭＧ流量＝９９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝５５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとして、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１上に、厚さ４００ｎｍのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層３２を成長させ、
・ＴＭＧ流量＝１３７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ流量＝１８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとして、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層３２上に、厚さ４００ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３を成長させて、組成傾斜バッファ層３を形成する。
【００２８】
続いて、ＡｌＮ層（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（厚さ３０ｎｍ）を繰り返し成長させることにより、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ３３上に多層バッファ層４を形成する。
【００２９】
そして、ＴＭＧ流量＝５０μｍｏｌ、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとして、多層バッファ層４上に、厚さ１μｍのＧａＮチャネル層５を形成する。
【００３０】
さらに、ＧａＮチャネル層５上に、ＡｌＮ特性改善層６１（厚さ１ｎｍ）、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ障壁層６２（厚さ２０ｎｍ）、および、ＧａＮキャップ層６３（厚さ１ｎｍ）を順次積層するように成長させて、電子供給層６を形成する。
【００３１】
次に、図３に示すように、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５、および、電子供給層６をエッチングして、凹部１１０を形成し、この凹部１１０にＧａＮからなる放熱層２１０を形成する。凹部１１０は、例えば、電子供給層６上にＳｉＯ２をスパッタ装置で堆積させ、放熱層２１０形成する領域のＳｉＯ２を除去すると共に、放熱層２１０を形成しない領域がＳｉＯ２で覆われるようにパターニングし、フッ素ガスを用いたＲＩＥでドライエッチングすることにより形成される。堆積させたＳｉＯ２は、放熱層２１０を形成した後に除去する。
【００３２】
第１実施形態の窒化物系化合物半導体では、電子供給層６の表面から、電子供給層６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４を貫通して、組成傾斜バッファ層３まで達する凹部１１０を有し、この凹部１１０内に、多層バッファ層４、および、この多層バッファ層４上に積層されたＧａＮチャネル層５に隣接し、かつ、多層バッファ層４よりも基板１の垂直方向の熱伝導率の高い放熱層２１０が設けられている。これにより、電子供給層６の表面から多層バッファ層４に向かって伝導した熱が、放熱層２１０を介して窒化物系化合物半導体の外部に放出され、ＧａＮチャネル層５の温度上昇を抑制できるので、熱伝導率の低い多層バッファ層４を含むことによる放熱性の低下を防ぐことができる。よって、上記窒化物系化合物半導体を半導体電子デバイスに用いることで、信頼性の高い半導体電子デバイスを得ることができる。
【００３３】
（第２実施形態）
第２実施形態の窒化物系化合物半導体は、図４に示すように、第１実施形態の窒化物系化合物半導体積層体１１に、電子供給層６の表面から、電子供給層６、ＧａＮチャネル層５、多層バッファ層４および組成傾斜バッファ層３を貫通して、初期成長層２まで達する凹部１２０を設け、この凹部１２０内にＧａＮからなる放熱層２２０を設けたものである。なお、上記第１実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１実施形態の説明を援用する。
【００３４】
放熱層２２０は、ＧａＮチャネル層５、多層バッファ層４および組成傾斜バッファ層３に隣接すると共に、ＧａＮチャネル層５、多層バッファ層４および組成傾斜バッファ層３が、凹部１２０内に露出しないよう形成されている。この凹部１２０は、窒化物系化合物半導体装置としたときに、この装置の動作に寄与しない部分（アイソレート部など）に形成されている。
【００３５】
第２実施形態の窒化物系化合物半導体は、例えば、第１実施形態の窒化物系化合物半導体と同じ方法で製造できる。
【００３６】
第２実施形態の窒化物系化合物半導体では、電子供給層６の表面から、電子供給層６、ＧａＮチャネル層５、多層バッファ層４および組成傾斜バッファ層３を貫通して、初期成長層２まで達する凹部１２０を設け、この凹部１２０内に放熱層２２０を設けている。このため、ＡｌＮからなる初期成長層２がエッチストップ層になり、再現性のある安定的なエッチングが可能になる。
【００３７】
（第３実施形態）
第３実施形態の窒化物系化合物半導体は、図５に示すように、基板１と、この基板１上に積層された窒化物系化合物半導体積層体１３とを備えている。窒化物系化合物半導体積層体１３は、初期成長層２と、多層バッファ層４と、ＧａＮチャネル層５と、電子供給層１０６とからなり、初期成長層２、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５および電子供給層１０６を順に積層した構成を有している。なお、上記第１，第２実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１，第２実施形態の説明を援用する。
【００３８】
電子供給層１０６は、例えば厚さ２５ｎｍのＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ障壁層からなっている。また、第３実施形態では、例えば、初期成長層２の厚さを１２０ｎｍとし、ＡｌＮ層（厚さ５ｎｍ）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（厚さ３０ｎｍ）を繰り返し成長させて多層バッファ層４を形成し、さらに、ＧａＮチャネル層５の厚さを１．５ｎｍとしている。
【００３９】
窒化物系化合物半導体積層体１３には、電子供給層１０６の表面から、電子供給層１０６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４を貫通して、初期成長層２まで達する凹部１３０を設けている。そして、この凹部１３０内には、多層バッファ層４とＧａＮチャネル層５とに隣接するＧａＮからなる放熱層２１０を設けている。凹部１３０は、窒化物系化合物半導体装置としたときに、この装置の動作に寄与しない部分（アイソレート部など）に形成されている。
【００４０】
続いて、上記窒化物系化合物半導体の製造方法について説明する。
【００４１】
まず、フッ酸系のエッチャントで基板１の表面酸化膜を除去する。その後、この基板１を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置にセットし、基板１の温度を１１００℃に設定して、チャンバー圧力１３．３ｋＰａにて基板１の表面のクリーニングを行なう。
【００４２】
そして、基板１の温度およびチャンバー圧力を一定とし、アンモニアＮＨ３（１２．５ｓｌｍ）を流すことで基板１の表面の窒化を行なう。
【００４３】
続いて、ＴＭＡ流量＝１１７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３流量＝１２．５ｓｌｍとして、基板１上に、厚さ１２０ｎｍのＡｌＮからなる初期成長層２を形成する。
【００４４】
次に、初期成長層２上に、例えば、ＳｉＯ２をスパッタ装置で堆積させて、放熱層２１０を成長させる領域のＳｉＯ２を除去すると共に、多層バッファ層４を成長させる領域がＳｉＯ２で覆われるようにパターニングし、放熱層２１０を形成する。放熱層２１０を形成させた後、ＳｉＯ２を除去する。
【００４５】
続いて、放熱層２１０上に、ＳｉＯ２をスパッタ装置で堆積させて、放熱層２１０の表面のみがＳｉＯ２で覆われるように、パターニングした後、ＡｌＮ層（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（厚さ３０ｎｍ）を繰り返し成長させることにより、初期成長層２上に多層バッファ層４を形成する。そして、多層バッファ層４上に、厚さ１．５μｍのＧａＮチャネル層５と、厚さ２５ｎｍＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ障壁層からなる電子供給層１０６とを順次成長させ、その後、放熱層２１０の表面を覆うＳｉＯ２を除去する。
【００４６】
第３実施形態の窒化物系化合物半導体では、初期成長層２上に、多層バッファ層４を積層させ、電子供給層１０６をＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ障壁層で構成している。このため、単純な構造でＧａＮチャネル層５の温度上昇を抑制でき、コストダウンを図ることができる。
【００４７】
（第４実施形態）
第４実施形態の窒化物系化合物半導体は、図６に示すように、基板１と、この基板１上に積層された窒化物系化合物半導体積層体１４とを備えている。窒化物系化合物半導体積層体１４は、初期成長層１０２と、多層バッファ層４と、ＧａＮチャネル層５と、電子供給層６とからなり、初期成長層１０２、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５および電子供給層６を順に積層した構成を有している。なお、上記第１〜第３実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１〜第３実施形態の説明を援用する。
【００４８】
初期成長層１０２は、低温で成長させたＧａＮからなり、例えば厚さ５０ｎｍの層厚を有している。また、第４実施形態では、例えば、ＡｌＮ層（厚さ３ｎｍ）／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層（厚さ２５ｎｍ）を繰り返し成長させて多層バッファ層４を形成し、ＧａＮチャネル層５の厚さを１．５ｎｍとしている。
【００４９】
窒化物系化合物半導体積層体１４には、電子供給層６の表面から、電子供給層６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４を貫通して、初期成長層１０２まで達する凹部１４０を設けている。この凹部１４０は、窒化物系化合物半導体装置としたときに、この装置の動作に寄与しない部分（アイソレート部など）に形成されている。そして、凹部１４０内には、多層バッファ層４とＧａＮチャネル層５とに隣接するＧａＮからなる放熱層２１０を設けている。
【００５０】
第４実施形態の窒化物系化合物半導体は、例えば、第３実施形態の窒化物系化合物半導体と同じ方法で製造できる。
【００５１】
第４実施形態の窒化物系化合物半導体では、初期成長層１０２をＧａＮで構成できるので、このＧａＮからなる初期成長層１０２に適した基板および構造を用いることができる。
【００５２】
（第５実施形態）
第５実施形態の窒化物系化合物半導体は、図７に示すように、基板１と、この基板１上に積層された窒化物系化合物半導体積層体１５とを備えている。窒化物系化合物半導体積層体１５は、初期成長層２と、組成傾斜バッファ層１０３と、多層バッファ層４と、ＧａＮチャネル層５と、電子供給層１０６とからなり、初期成長層２、組成傾斜バッファ層１０３、多層バッファ層４、ＧａＮチャネル層５および電子供給層１０６を順に積層した構成を有している。なお、上記第１〜第４実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１〜第４実施形態の説明を援用する。
【００５３】
組成傾斜バッファ層１０３は、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１と、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層３４と、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層３５と、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３とからなり、初期成長層２上に、Ａｌ組成が段階的に順次低減するように積層した構成を有している。Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１は、例えば厚さ２００ｎｍであり、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層３４は、例えば厚さ２００ｎｍであり、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層３５は、例えば厚さ３００ｎｍであり、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３は、例えば厚さ４００ｎｍである。
【００５４】
窒化物系化合物半導体積層体１５には、電子供給層１０６の表面から、電子供給層１０６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４を貫通して、組成傾斜バッファ層１０３まで達する凹部１５０を設けている。そして、この凹部１５０内には、多層バッファ層４とＧａＮチャネル層５とに隣接するＧａＮからなる放熱層２１０を設けている。
【００５５】
第５実施形態の窒化物系化合物半導体は、例えば、第１実施形態の窒化物系化合物半導体と同じ方法で製造できる。
【００５６】
第５実施形態の窒化物系化合物半導体では、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層３１、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層３４、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層３５、および、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層３３を順に積層させた組成傾斜バッファ層１０３を有している。このため、窒化物系化合物半導体の反りを詳細に制御できる。
【００５７】
（第６実施形態）
第６実施形態の窒化物系化合物半導体は、図８に示すように、基板１と、この基板１上に積層された窒化物系化合物半導体積層体１６とを備えている。窒化物系化合物半導体積層体１６は、初期成長層２と、組成傾斜バッファ層３と、多層バッファ層１０４と、ＧａＮチャネル層５と、電子供給層６とからなり、初期成長層２、組成傾斜バッファ層３、多層バッファ層１０４、ＧａＮチャネル層５および電子供給層６を順に積層した構成を有している。なお、上記第１〜第５実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１〜第５実施形態の説明を援用する。
【００５８】
多層バッファ層１０４は、第１の層としてのＡｌＮ層と、第２の層としてのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層と、第３の層としてのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層とからなり、組成傾斜バッファ層３上に、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層／ＡｌＮ層／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を繰り返し積層した構成を有している。ＡｌＮ層は、例えば厚さ３ｎｍであり、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層は、例えば厚さ２５ｎｍであり、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層は、例えば厚さ５ｎｍである。
【００５９】
窒化物系化合物半導体積層体１６には、電子供給層６の表面から、電子供給層６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層１０４を貫通して、組成傾斜バッファ層３まで達する凹部１６０を設けている。そして、この凹部１６０内には、ＧａＮからなる放熱層２６０を設けている。
【００６０】
放熱層２６０は、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層１０４に隣接すると共に、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層１０４が凹部１６０内に露出しないよう形成されている。
【００６１】
第６実施形態の窒化物系化合物半導体は、例えば、第１実施形態の窒化物系化合物半導体と同じ方法で製造できる。
【００６２】
第６実施形態の窒化物系化合物半導体では、多層バッファ層１０４を複数回繰り返し成長させたＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層／ＡｌＮ層／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層で構成している。このため、多層バッファ層１０４の結晶性の向上を図れる。
【００６３】
（第７実施形態）
第７実施形態の窒化物系化合物半導体は、図９に示すように、第３実施形態の窒化物系化合物半導体積層体１３に設けた凹部１３０内に、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４に隣接する放熱層２７０を設けたものである。なお、上記第１〜第６実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１〜第６実施形態の説明を援用する。
【００６４】
放熱層２７０は、ＧａＮよりも熱伝導率の高いＡｌＮからなり（ＡｌＮの熱伝導率は、２．９Ｗ／ｃｍ・Ｋ、ＧａＮの熱伝導率は、１．３Ｗ／ｃｍ・Ｋ）、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４が凹部１３０内に露出しないよう形成されている。
【００６５】
第７実施形態の窒化物系化合物半導体は、例えば、第３実施形態の窒化物系化合物半導体と同じ方法で製造できる。
【００６６】
第７実施形態の窒化物系化合物半導体では、放熱層２７０をＧａＮよりも熱伝導率の高いＡｌＮで構成しているので、ＧａＮチャネル層５の温度上昇を確実に抑制できる。
【００６７】
（第８実施形態）
第８実施形態の窒化物系化合物半導体は、図１０に示すように、第２実施形態の窒化物系化合物半導体積層体１１に設けた凹部１２０内に、ＧａＮからなる放熱層２８０を設けたものである。なお、上記第１〜第７実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１〜第７実施形態の説明を援用する。
【００６８】
放熱層２８０は、ＧａＮチャネル層５、多層バッファ層４および組成傾斜バッファ層３に隣接すると共に、ＧａＮチャネル層５の一部が凹部１２０内に露出するよう形成されている。
【００６９】
第８実施形態の窒化物系化合物半導体は、例えば、第１実施形態の窒化物系化合物半導体と同じ方法で製造できる。
【００７０】
第８実施形態の窒化物系化合物半導体では、ＧａＮチャネル層５の一部が凹部１２０内に露出するように放熱層２８０を設けているので、放熱層２８０とＧａＮチャネル層５との界面を流れるリーク電流を抑制できる。
【００７１】
上記第１〜第８実施形態では、多層バッファ層４，１０４上にＧａＮチャネル層５を積層させているが、これに限らない。例えば、多層バッファ層とＧａＮチャネル層との間にＡｌＮ層を設けてもよい。これにより、窒化物系化合物半導体の反りを制御できる。
【００７２】
また、放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０は、多層バッファ層４，１０４と、この多層バッファ層４，１０４上に積層された層の少なくとも一部とに隣接していればよい。例えば、ＧａＮチャネル層５のチャネル部が隣接しないように放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０を設けることで、放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０とＧａＮチャネル層５との界面を流れるリーク電流を低減できる。
【００７３】
本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
【００７４】
本発明の窒化物系化合物半導体は、
基板１と、
上記基板１上に設けられた窒化物系化合物半導体積層体１１，１２，１３，１４，１５，１６と
を有し、
上記窒化物系化合物半導体積層体１１，１２，１３，１４，１５，１６が、多層バッファ層４，１０４と、この多層バッファ層４，１０４上に設けられたチャネル層５と、このチャネル層５上に積層された電子供給層６，１０６と、を含んでいる窒化物系化合物半導体において、
上記電子供給層６，１０６の表面から、上記チャネル層５および上記多層バッファ層４，１０４を貫通する凹部１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０を有し、
上記凹部１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０内に、上記多層バッファ層４，１０４、および、この多層バッファ層４，１０４上に積層された層５に隣接し、かつ、上記多層バッファ層４，１０４よりも熱伝導率の高い放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０が設けられていることを特徴としている。
【００７５】
上記構成の窒化物系化合物半導体によれば、電子供給層６，１０６の表面から、電子供給層６，１０６、ＧａＮチャネル層５および多層バッファ層４，１０４を貫通する凹部１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０を有し、この凹部１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０内に、多層バッファ層４，１０４、および、この多層バッファ層４，１０４上に積層された５に隣接し、かつ、多層バッファ層４，１０４よりも熱伝導率の高い放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０が設けられている。これにより、電子供給層６，１０６の表面から多層バッファ層４，１０４に向かって伝導した熱が、放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０を介して窒化物系化合物半導体の外部に放出されるので、基板１の垂直方向の熱伝導率の低い多層バッファ層４，１０４を含む窒化物系化合物半導体の放熱性を向上させることができる。よって、上記窒化物系化合物半導体を半導体電子デバイスに用いることで、短絡耐量の向上をはじめとする信頼性の高い半導体電子デバイスを得ることができる。
【００７６】
一実施形態の窒化物系化合物半導体では、
上記多層バッファ層４，１０４が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）の組成を有する第１の層と、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＡｓｃＰｄＮ１−ｃ−ｄ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１、０≦ｃ＜１、０≦ｄ＜１、ｃ＋ｄ＜１）の組成を有する第２の層とを含んでいる。
【００７７】
上記実施形態によれば、電子供給層６，１０６の表面から多層バッファ層４，１０４に向かって伝導した熱が、放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０を介して窒化物系化合物半導体の外部に放出されるので、基板１の垂直方向の熱伝導率の低い多層バッファ層４，１０４を含む窒化物系化合物半導体の放熱性を向上させることができる。よって、上記窒化物系化合物半導体を半導体電子デバイスに用いることで、短絡耐量の向上をはじめとする信頼性の高い半導体電子デバイスを得ることができる。
【００７８】
一実施形態の窒化物系化合物半導体では、
上記多層バッファ層４，１０４が、Ａｌ組成が段階的に順次低減されるように積層されている複数のＡｌＧａＮ層で構成された組成傾斜バッファ層３，１０３上に積層されている。
【００７９】
上記実施形態によれば、多層バッファ層４，１０４の結晶性を高くできると共に、窒化物系化合物半導体の反りを制御できる。
できる。
【００８０】
一実施形態の窒化物系化合物半導体では、
上記放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０が、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｕＰｖＮ１−ｕ−ｖ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、ｕ＋ｖ＜１）の組成を有している。
【００８１】
上記実施形態によれば、放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０の組成が、多層バッファ層４，１０４の組成に近似しているので、エピタキシャル成長による放熱層２１０，２２０，２６０，２７０，２８０の成長が容易になる。
【００８２】
一実施形態の窒化物系化合物半導体では、
上記組成傾斜バッファ層３，１０３が、２層から４層のＡｌＧａＮ層で構成されている。
【００８３】
上記実施形態によれば、窒化物系化合物半導体の反りを詳細に制御できる。
【００８４】
一実施形態の窒化物系化合物半導体では、
上記基板１が、Ｓｉ基板である。
【００８５】
上記実施形態によれば、放熱性が高く、低コストで製造できる。
【００８６】
上記第１〜第８実施形態の窒化物系化合物半導体において、窒化物系化合物半導体積層体１１，１３，１４，１５，１６を構成する各層の厚さ、組成および形成プロセスは、窒化物系化合物半導体の設計、あるいは、ウェハの反り調整等に応じて、適宜変更できる。
【００８７】
上記第１〜第８実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいのは、勿論である。
【符号の説明】
【００８８】
１  基板
２，１０２  初期成長層
３，１０３  組成傾斜バッファ層
４，１０４  多層バッファ層
５  ＧａＮチャネル層
６，１０６  電子供給層
１１，１３，１４，１５，１６  窒化物系化合物半導体積層体
１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０  凹部
２１０，２２０，２６０，２７０，２８０  放熱層
【図１】
2015182283.tif 000003
【図２】
2015182283.tif 000004
【図３】
2015182283.tif 000005
【図４】
2015182283.tif 000006
【図５】
2015182283.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015182283.tif 000009
【図８】
2015182283.tif 000010
【図９】
2015182283.tif 000011
【図１０】
2015182283.tif 000012
【国際調査報告】
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2015182283.tif 000014
2015182283.tif 000015
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