(57)【要約】  窒化物半導体は、基板(１)上に形成された初期成長層(２)と、上記初期成長層(２)上に形成されたバッファ層(３)と、上記バッファ層(３)上に形成され超格子バッファ層(４)と、上記超格子バッファ層(４)上に形成された複数の層からなるチャネル層(５)と、上記チャネル層(５)上に形成された障壁層(８)とを備え、上記超格子バッファ層(４)は、ＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の組成からなる厚さａの高Ａl含有層と、ＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の組成からなる厚さｂの低Ａl含有層とを交互に積層して形成されており、上記チャネル層(５)は、上記超格子バッファ層(４)と接合すると共に、超格子バッファ層(４)の側から順に、ＡlｚＧa１−ｚＮ層(６)とＧaＮ層(７)とが積層されて形成されており、上記ＡlｚＧa１−ｚ層(６)のＡl組成は上記超格子バッファ層(４)の平均Ａl組成と同じである。
2015068448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板(１,２１)と、
上記基板(１,２１)上に形成された初期成長層(２,２２)と、
上記初期成長層(２,２２)上に形成されたバッファ層(３,２３)と、
上記バッファ層(３,２３)上に形成され超格子バッファ層(４,２４)と、
上記超格子バッファ層(４,２４)上に形成された複数の層からなるチャネル層(５,２５)と、
上記チャネル層(５,２５)上に形成された障壁層(８,２９)と
を備え、
上記超格子バッファ層(４,２４)は、ＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の組成からなる厚さａの高Ａl含有層と、ＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の組成からなる厚さｂの低Ａl含有層とが交互に積層されて形成されており、
上記チャネル層(５,２５)は、上記超格子バッファ層(４,２４)と接合すると共に、上記超格子バッファ層(４,２４)の側から順に、少なくともＡlｚＧa１−ｚＮ層(６,２６)とＧaＮ層(７,２８)とが積層されて形成されており、
上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層(６,２６)のＡl組成は、上記超格子バッファ層(４,２４)の平均Ａl組成と同じである
ことを特徴とする窒化物半導体。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体において、
上記チャネル層(５,２５)の上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層(６,２６)におけるＡl組成ｚは、以下の式
ｚ＝(ａ×ｘ＋ｂ×ｙ)/(ａ＋ｂ)
で与えられる
ことを特徴とする窒化物半導体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体において、
上記障壁層(８)はＡlｗＧa１−ｗＮ層を含んでおり、
上記ＡlｗＧa１−ｗＮ層(８)におけるＡl組成ｗは、上記チャネル層(５)の上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層(６)におけるＡl組成ｚよりも大きい値である
ことを特徴とする窒化物半導体。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の窒化物半導体において、
上記超格子バッファ層(４,２４)における上記高Ａl含有層の厚さａの範囲は１ｎｍ≦ａ≦５ｎｍであり、上記低Ａl含有層の厚さｂの範囲は２２ｎｍ≦ｂ≦３０ｎｍである
ことを特徴とする窒化物半導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体に関する。詳しくは、窒化物半導体デバイスの寿命を改善するためのチャネル層の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた電子デバイスとしては、一般的にＡlＧaＮとＧaＮとからなるヘテロ接合を用いた構造が使用されている。【０００３】
具体的な構造としては、サファイアやＳi等の基板の上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層、上記バッファ層上に形成された一般的にはＧaＮからなるチャネル層、上記ＧaＮチャネル層上に形成されたＡlＧaＮからなる障壁層、上記ＡlＧaＮ障壁層と上記ＧaＮチャネル層との界面に形成された２次元電子ガス領域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、上記ソース電極と上記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極からなっている。【０００４】
サファイア基板やＳiＣ基板上に窒化物半導体を形成する場合には、あまり大きな問題とはならないが、熱膨張係数が窒化物半導体よりも小さいＳi基板を用いた場合には、窒化物半導体層の成長後に下に凸の形状に反ってしまい、更には結晶そのものに応力によりクラックが形成される。そのために、電子デバイスの形成に適さない。【０００５】
Ｓi基板と窒化物半導体との熱膨張係数差を緩和する方法として、特開２００５‐８５８５２号公報(特許文献１)に開示された「半導体電子デバイス」がある。この半導体電子デバイスでは、シリコン基板上に形成されたＧaＮ介在層の上に、バッファ層,ＧaＮ電子走行層(５００ｎｍ),ＡlＧaＮ電子供給層(２０ｎｍ)およびＧaＮコンタクト層が順次積層されている。ここで、上記バッファ層は、ＧaＮから成る単一または複数の第１の層と、ＡlＧaＮから成る単一または複数の第２の層とが、この順で交互に積層されて構成されている。このように、上記バッファ層として材質が異なる第１の層と第２の層とを挿入することによって、下側から伝播する転位欠陥の方向を曲げて成長方向への伝播を抑止するようにしている。【０００６】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示された半導体電子デバイスにおいては、以下のような問題がある。【０００７】
ここで、窒化物半導体における２次元電子ガス生成のメカニズムを図６に示す。図６において、応力が緩和されて略バルクの格子定数を有するＧaＮ層(上記特許文献１におけるＧaＮ電子走行層)の上に、応力緩和が起こらない薄さの格子定数が小さいＡlＧaＮ層(上記特許文献１におけるＡlＧaＮ電子供給層)が形成されている。この場合には、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層との自発分極Ｐspの差と、ＧaＮ層上のＡlＧaＮ層が面内で応力＋σにより歪むこととによって、ピエゾ分極Ｐpeが発生する。その結果、界面に２次元電子ガス(２ＤＥＧ：２‐dimensional electron gas)が形成される。【０００８】
同じ原理によって、図７に示すように、異なるＡl組成を有するＡlＧaＮ層を交互に成長したバッファ層(上記特許文献１におけるＧaＮ(Ａl組成＝０)/ＡlＧaＮ(１≧Ａl組成＞０)バッファ層)を１つの平均的な塊として考えた場合に、応力が緩和したＡlＧaＮ層と等価と考えることが可能である。したがって、この応力が緩和したＡlＧaＮ層の上に形成されたＧaＮ層(上記特許文献１におけるＧaＮ電子走行層)は、ＡlＧaＮ層よりも格子定数が大きいことから、図６の場合とは逆に応力−σにより歪み、界面に２次元正孔ガス(２ＤＨＧ：２‐dimensional hole gas)が形成されることになる。【０００９】
このようにして電子デバイス中に発生した２次元正孔ガスはリーク電流の原因となり、デバイス特性の低下を引き起こすと言う問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】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】
【００１１】
そこで、この発明の課題は、異なる組成のＡlＧaＮ層を交互に繰り返し積層してなる超格子バッファ層を用いた場合における２次元正孔ガスの発生を抑制できる窒化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】
【００１２】
上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体は、
基板と、
上記基板上に形成された初期成長層と、
上記初期成長層上に形成されたバッファ層と、
上記バッファ層上に形成され超格子バッファ層と、
上記超格子バッファ層上に形成された複数の層からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に形成された障壁層と
を備え、
上記超格子バッファ層は、ＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の組成からなる厚さａの高Ａl含有層と、ＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の組成からなる厚さｂの低Ａl含有層とが交互に積層されて形成されており、
上記チャネル層は、上記超格子バッファ層と接合すると共に、上記超格子バッファ層の側から順に、少なくともＡlｚＧa１−ｚＮ層とＧaＮ層とが積層されて形成されており、
上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層のＡl組成は、上記超格子バッファ層の平均Ａl組成と同じである
ことを特徴としている。【００１３】
また、一実施の形態の窒化物半導体では、
上記チャネル層の上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層におけるＡl組成ｚは、以下の式
ｚ＝(ａ×ｘ＋ｂ×ｙ)/(ａ＋ｂ)
で与えられる。【００１４】
また、一実施の形態の窒化物半導体では、
上記障壁層はＡlｗＧa１−ｗＮ層を含んでおり、
上記ＡlｗＧa１−ｗＮ層におけるＡl組成ｗは、上記チャネル層の上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層におけるＡl組成ｚよりも大きい値である。【００１５】
また、一実施の形態の窒化物半導体では、
上記超格子バッファ層における上記高Ａl含有層の厚さａの範囲は１ｎｍ≦ａ≦５ｎｍであり、上記低Ａl含有層の厚さｂの範囲は２２ｎｍ≦ｂ≦３０ｎｍである。
【発明の効果】
【００１６】
以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体は、ＡlＧaＮ超格子バッファ層と接合するチャネル層を、上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層の側から順にＡlｚＧa１−ｚＮ層とＧaＮ層とを積層して形成すると共に、上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層のＡl組成を上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層の平均Ａl組成と同じにしている。したがって、上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層は、応力が緩和した一つのＡlＧaＮ層と等価である上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層と格子定数が略等しいと見なすことができる。そのため、上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層と上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層との界面に、−σの応力による歪みが生じて２次元正孔ガスが形成されることを抑制することができる。【００１７】
したがって、上記超格子バッファ層の上に形成されたＡlｚＧa１−ｚＮ層によって、上記超格子バッファ層とＧaＮ層との間に形成される２次元正孔ガスの補償を行って、リーク電流の低減を可能にすることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の窒化物半導体としての窒化物半導体エピタキシャルウエハにおける断面図である。
【図２】図１に示す窒化物半導体エピタキシャルウエハを用いたＨＥＭＴのＣ‐Ｖ測定結果を示す図である。
【図３】Ｃ‐Ｖ測定方法を示す図である。
【図４】図１とは異なる窒化物半導体エピタキシャルウエハにおける断面図である。
【図５】図４に示す窒化物半導体エピタキシャルウエハを用いたＨＥＭＴのＣ‐Ｖ測定結果を示す図である。
【図６】２次元電子ガス生成のメカニズムを示す図である。
【図７】２次元正孔ガス生成のメカニズムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２０】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の上記窒化物半導体としての窒化物半導体エピタキシャルウエハにおける断面図である。図１において、Ｓi基板１上に、ＡlＮからなる厚さ１００ｎｍのＡlＮ初期成長層２、厚さ２０ｎｍのＡl０.２Ｇa０.８Ｎバッファ層３が順次形成されている。引き続き、４ｎｍ厚さのＡlＮ層と２３ｎｍ厚さのＡl０.１Ｇa０.９Ｎ層とを交互に繰り返して積層する繰り返し周期が１００周期である超格子バッファ層４が形成されている。
【００２１】
引き続いて、上記超格子バッファ層４上に、複数の層から成るチャネル層５が形成されている。このチャネル層５は、ＡlｚＧa１−ｚＮ層６と上記ＧaＮ層であるＧaＮチャネル領域７とが、この順に積層されて構成されている。
【００２２】
ここで、上記チャネル層５のＡlｚＧa１−ｚＮ層６におけるＡl組成ｚは、超格子バッファ層４が、ＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の組成からなる厚さ「ａ(ｎｍ)」の高Ａl含有層と、ＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の組成からなる厚さ「ｂ(ｎｍ)」の低Ａl含有層とが、交互に積層されて形成されているとした場合に、次式(１)で与えられる。
ｚ＝(ａ×ｘ＋ｂ×ｙ)/(ａ＋ｂ)  …（１）
【００２３】
したがって、本実施の形態においては、ＡlｚＧa１−ｚＮ層６のＡl組成ｚは、
ｚ＝(４×１＋２３×０.１)/(４＋２３)＝０.２３
となり、Ａl０.２３Ｇa０.７７Ｎ層６が厚さ１μｍで成長されることになる。
【００２４】
その後、上記Ａl０.２３Ｇa０.７７Ｎ層６上に、厚さ２０ｎｍでＧaＮチャネル領域７を成長して、チャネル層５が形成されるのである。
【００２５】
ここで、上記超格子バッファ層４における上記高Ａl含有層であるＡlｘＧa１−ｘＮ層(０.５≦ｘ≦１.０)の厚さ「ａ」は１ｎｍ≦a≦５ｎｍであり、上記低Ａl含有層であるＡlｙＧa１−ｙＮ層(０≦ｙ≦０.３)の厚さ「ｂ」は２２ｎｍ≦ｂ≦３０ｎｍであることが望ましい。それは、以下の理由による。
【００２６】
すなわち、上記高Ａl含有層であるＡlｘＧa１−ｘＮ層と低Ａl含有層であるＡlｙＧa１−ｙＮ層とを繰り返し積層して超格子バッファ層４を形成する場合、得られる窒化物半導体エピタキシャルウエハの反りを効果的に抑制するためには、上記高Ａl含有層の厚さ「ａ」と上記低Ａl含有層の厚さ「ｂ」との差は、少なくとも１７ｎｍ以上が必要である。さらに、反り易い上記高Ａl含有層の厚さ「ａ」を、反り難い上記低Ａl含有層の厚さ「ｂ」よりも薄くする必要がある。その場合、上記高Ａl含有層の厚さ「ａ」が１ｎｍを下回ると、超格子バッファ層４は上記低Ａl含有層が単層膜である場合と同等の構成に近づき、反りを効果的に抑制することはできない。また、上記低Ａl含有層の厚さ「ｂ」が３０ｎｍを上回ると、超格子バッファ層４は上記低Ａl含有層の単層膜と同等の構成に近づき、反りを効果的に抑制することはできない。そこで、上記高Ａl含有層の厚さ「ａ」および上記低Ａl含有層の厚さ「ｂ」を、上述の範囲内から設定することが有効なのである。
【００２７】
そうした後に、上記チャネル層５のＧaＮチャネル領域７上に、引き続き厚さ１５ｎｍでＡl０.４Ｇa０.６ＮのＡlＧaＮ障壁層８が成長されている。ここで、ＡlｗＧa１−ｗＮ障壁層８のＡl組成「ｗ」は、チャネル層５におけるＡlｚＧa１−ｚＮ層６のＡl組成「ｚ」よりも大きいことが望ましい。それは、以下の理由による。
【００２８】
すなわち、本実施の形態により得られる窒化物半導体エピタキシャルウエハを用いて、ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタを形成する場合には、図６に示すように、ＡlｗＧa１−ｗＮ障壁層８とＧaＮチャネル領域７との界面に応力＋σによる歪みを発生させて上記界面に２次電子ガスを形成させる必要がある。その場合、ＡlｚＧa１−ｚＮ層６上にＧaＮチャネル領域７が積層されているため、図７に示すように、ＧaＮチャネル領域７とＡlｚＧa１−ｚＮ層６との界面に応力−σによる歪みが発生することになる。そのため、ＡlｗＧa１−ｗＮ障壁層８とＧaＮチャネル領域７との界面には、ＧaＮチャネル領域７とＡlｚＧa１−ｚＮ層６との界面よりも大きな歪みを発生させる必要がある。したがって、ＡlｗＧa１−ｗＮ障壁層８のＡl組成「ｗ」を、チャネル層５におけるＡlｚＧa１−ｚＮ層６のＡl組成「ｚ」よりも大きくする必要がある。
【００２９】
場合によっては、移動度改善のために、ＧaＮチャネル領域７とＡlＧaＮ障壁層８との間に、ＡlＮからなるＡlＮ中間層(図示せず)を成長させてもよい。また、ＡlＧaＮ障壁層８の上にＧaＮからなるＧaＮキャップ層(図示せず)を成長させても差し支えない。
【００３０】
こうして、厚さがａのＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)高Ａl含有層と、厚さがｂのＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)低Ａl含有層とが、交互に積層されて形成されたＡlＧaＮ超格子バッファ層４上に、Ａl組成が上記式(１)で与えられるＡlｚＧa１−ｚＮ層６とＧaＮチャネル領域７とがこの順序で成長されて成るチャネル層５が形成された、換言すれば、ＡlＧaＮ超格子バッファ層４上に上記超格子の平均Ａl組成と同じＡl組成を有するＡlＧaＮ層６が形成された、窒化物半導体エピタキシャルウエハが得られるのである。
【００３１】
尚、本実施の形態においては、上記チャネル層５としてＡlＧaＮ層６とＧaＮチャネル領域７との組み合わせを用いているが、この組み合わせに限定されるものではない。
【００３２】
図２は、得られた窒化物半導体エピタキシャルウエハを用いて形成された上記ＨＥＭＴでのＣ‐Ｖ測定(容量測定)結果を示す。但し、図２(a)は、チャネル層５として、ＧaＮチャネル領域７とＡlＧaＮ層６との組み合わせを用いた本実施の形態の場合である。また、図２(b)は、チャネル層として、ＧaＮ層のみを用いた比較例の場合である。尚、図中の横軸「au」は、上記ウエハの表面を基準とした基板方向への相対的な距離を表す。
【００３３】
ここで、上記Ｃ‐Ｖ測定では、図３に示すように、ＨＥＭＴ１０のゲート電極Ｇとステージ１１との間に、ＬＣＲメータ１２によってバイアス電圧を印加している。
【００３４】
図２(b)から明らかなように、上記チャネル層としてＧaＮのみを用いた場合には、上記ＧaＮ層と超格子層の間にキャリア濃度のピーク１３が見られ、２次元正孔ガスの存在を示唆している。これに対して、超格子バッファ層４上に上記超格子の平均Ａl組成と同じＡl組成を有するＡlＧaＮ層６が形成された図２(a)の場合には、２次元正孔ガスによるキャリアのピークは見られず、２次元正孔ガスの発生が抑制されていることを示している。
【００３５】
以上のように、本実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウエハによれば、上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層４とＧaＮチャネル領域７との間に、上記超格子の平均Ａl組成と同じＡl組成を有するＡlＧaＮ層６を形成している。
【００３６】
この場合、異なるＡl組成を有するＡlＧaＮ層を交互に成長した上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層４を、応力が緩和した１つのＡlＧaＮ層と等価と考えることができる。そして、この応力が緩和した１つのＡlＧaＮ層の上に形成されたＡlＧaＮ層６は、上記応力が緩和した一つのＡlＧaＮ層と等価である超格子バッファ層４の平均Ａl組成と同じＡl組成を有しているため、超格子バッファ層４と格子定数が略等しいと見なすことができる。したがって、超格子バッファ層４とＡlＧaＮ層６との界面に、応力−σによる歪みが生じて２次元正孔ガスが形成されることを抑制することができるのである。
【００３７】
したがって、上記超格子バッファ層４の上に形成されたＡlＧaＮ層６によって、超格子バッファ層４とＧaＮ層との間に形成される２次元正孔ガスの補償を行って、リーク電流の低減を可能にすることができるのである。
【００３８】
・第２実施の形態
図４は、本実施の形態の上記窒化物半導体としての窒化物半導体エピタキシャルウエハにおける断面図である。図４において、Ｓi基板２１上に、ＡlＮからなる厚さ１００ｎｍのＡlＮ初期成長層２２、厚さ２０ｎｍのＡl０.２Ｇa０.８Ｎバッファ層２３が順次形成されている。続いて、３ｎｍ厚さのＡlＮ層と２５ｎｍ厚さのＡl０.１Ｇa０.９Ｎ層とを交互に繰り返して積層する繰り返し周期が１００周期である超格子バッファ層２４が形成されている。
【００３９】
引き続いて、上記超格子バッファ層２４上に、複数の層から成るチャネル層２５が形成されている。このチャネル層２５は、ＡlｚＧa１−ｚＮ層２６とＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７と上記ＧaＮ層としてのＧaＮチャネル領域２８とが、この順に積層されて構成されている。
【００４０】
ここで、上記チャネル層２５のＡlｚＧa１−ｚＮ層２６におけるＡl組成ｚは、超格子バッファ層２４が、ＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の組成からなる厚さ「ａ(ｎｍ)」の高Ａl含有層と、ＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の組成からなる厚さが「ｂ(ｎｍ)」の低Ａl含有層とが、交互に積層されて形成されているとした場合に、上記式(１)で与えられる。
【００４１】
したがって、本実施の形態においては、ＡlｚＧa１−ｚＮ層２６のＡl組成ｚは、
ｚ＝(３×１＋２５×０.１)/(３＋２５)＝０.２０
となり、Ａl０.２Ｇa０.８Ｎ層２６が厚さ１μｍで成長されることになる。
【００４２】
その後、上記Ａl０.２Ｇa０.８Ｎ層２６上に、Ａl組成をＳi基板２１側から順次０.２から０まで傾斜させた、厚さ１００ｎｍのＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７を成長し、さらに厚さ２０ｎｍでＧaＮチャネル領域２８を成長して、チャネル層２５が形成されるのである。
【００４３】
ここで、本実施の形態においても、上記超格子バッファ層２４における上記高Ａl含有層であるＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の厚さ「ａ」は１ｎｍ≦a≦５ｎｍであり、上記低Ａl含有層であるＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の厚さ「ｂ」は２２ｎｍ≦ｂ≦３０ｎｍである。したがって、高Ａl含有層の厚さ「ａ」と低Ａl含有層の厚さ「ｂ」との差を、少なくとも１７ｎｍ以上にして、得られる窒化物半導体エピタキシャルウエハの反りを効果的に抑制することができる。
【００４４】
そうした後に、上記チャネル層２５のＧaＮチャネル領域２８上に、引き続き厚さ１５ｎｍでＡl０.４Ｇa０.６ＮのＡlＧaＮ障壁層２９が成長されている。
【００４５】
場合によっては、移動度改善のために、ＧaＮチャネル領域２８とＡlＧaＮ障壁層２９との間に、ＡlＮからなるＡlＮ中間層(図示せず)を成長させてもよい。また、ＡlＧaＮ障壁層２９の上にＧaＮからなるＧaＮキャップ層(図示せず)を成長させても差し支えない。
【００４６】
こうして、厚さがａのＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)高Ａl含有層と、厚さがｂのＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)低Ａl含有層とが、交互に積層されて形成されたＡlＧaＮ超格子バッファ層２４上に、Ａl組成が上記式(１)で与えられるＡlＧaＮ層２６とＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７とＧaＮチャネル領域２８とがこの順に成長されて成るチャネル層２５が形成された、換言すれば、ＡlＧaＮ超格子バッファ層２４上に上記超格子の平均Ａl組成と同じＡl組成を有するＡlＧaＮ層２６が形成された、窒化物半導体エピタキシャルウエハが得られるのである。
【００４７】
尚、本実施の形態においては、上記チャネル層２５としてＡlＧaＮ層２６とＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７とＧaＮチャネル領域２８との組み合わせを用いているが、この組み合わせに限定されるものではない。
【００４８】
図５は、得られた窒化物半導体エピタキシャルウエハを用いて形成された上記ＨＥＭＴでの上記Ｃ‐Ｖ測定結果を示す。但し、図５(a)は、チャネル層２５として、ＧaＮチャネル領域２８とＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７とＡlＧaＮ層２６との組み合わせを用いた本実施の形態の場合である。また、図５(b)は、チャネル層として、ＧaＮ層のみを用いた比較例の場合である。
【００４９】
ここで、上記Ｃ‐Ｖ測定方法は、上記第１実施の形態の場合(図３)と同様である。
【００５０】
図５(b)から明らかなように、上記チャネル層としてＧaＮのみを用いた場合には、上記ＧaＮ層と超格子層の間にキャリア濃度のピーク３０が見られ、２次元正孔ガスの存在を示唆している。これに対して、超格子バッファ層２４上に上記超格子の平均Ａl組成と同じＡl組成を有するＡlＧaＮ層２６が形成された図５(a)の場合には、２次元正孔ガスによるキャリアのピークは見られず、２次元正孔ガスの発生が抑制されていることを示している。
【００５１】
上述したように、本実施の形態の窒化物半導体エピタキシャルウエハにおいては、上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層２４上に、上記超格子の平均Ａl組成と同じＡl組成ｚを有するＡlｚＧa１−ｚＮ層２６を形成している。したがって、上述の第１実施の形態の場合と同様に、超格子バッファ層２４の上に形成されたＡlＧaＮ層２６によって、超格子バッファ層２４とＧaＮ層との間に形成される２次元正孔ガスの補償を行って、リーク電流の低減を可能にすることができるのである。
【００５２】
さらに、本実施の形態においては、上記チャネル層２５として、ＡlＧaＮ層２６およびＧaＮチャネル領域２８の間にＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７を形成している。チャネル層２５には、２次元電子ガスを生成するために、図６に示すように、応力緩和が起こらない薄さの格子定数が小さいＡlＧaＮ層(ＡlＧaＮ障壁層２９)とヘテロ接合を形成するバルクの格子定数を有するＧaＮ層(ＧaＮチャネル領域２８)が必要である。その場合には、ＡlＧaＮ層２６上にＧaＮチャネル領域２８が積層されることになり、図７に示すような２次元正孔ガスが形成される構造となる。
【００５３】
そこで、上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層２６とＧaＮチャネル領域２８との間に、Ａl組成をＳi基板２１側から順次ｚから０まで傾斜させたＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７を形成することによって、ＧaＮチャネル領域２８に生ずる歪みを緩和して、界面に２次元正孔ガスが発生するのを抑制するのである。
【００５４】
したがって、本実施の形態によれば、上記第１実施の形態の場合よりも更なるリーク電流の低減を可能にすることができるのである。
【００５５】
上述のように、本実施の形態においては、上記ＡlｚＧa１−ｚＮ層２６とＧaＮチャネル領域２８との間にＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７を形成することによって、ＧaＮチャネル領域２８に生ずる歪みを緩和するようにしている。したがって、ＡlｗＧa１−ｗＮ障壁層２９とＧaＮチャネル領域２８との界面には、ＧaＮチャネル領域２８とＡl組成傾斜ＡlＧaＮ層２７との界面よりも大きな歪みを発生させることができ、２次元電子ガスを発生させることができる。
【００５６】
但し、上記第１実施の形態の場合と同様に、上記ＡlｗＧa１−ｗＮ障壁層２９のＡl組成「ｗ」を、チャネル層２５におけるＡlｚＧa１−ｚＮ層２６のＡl組成「ｚ」よりも大きくすることが、２次元電子ガスを発生させる上では望ましい。
【００５７】
尚、上記各実施の形態における窒化物半導体エピタキシャルウェハをダイシングすることにより、上記窒化物半導体の他の例としての窒化物半導体チップを得ることができる。
【００５８】
以上のごとく、この発明の窒化物半導体は、
基板１,２１と、
上記基板１,２１上に形成された初期成長層２,２２と、
上記初期成長層２,２２上に形成されたバッファ層３,２３と、
上記バッファ層３,２３上に形成され超格子バッファ層４,２４と、
上記超格子バッファ層４,２４上に形成された複数の層からなるチャネル層５,２５と、
上記チャネル層５,２５上に形成された障壁層８,２９と
を備え、
上記超格子バッファ層４,２４は、ＡlｘＧa１−ｘＮ(０.５≦ｘ≦１.０)の組成からなる厚さａの高Ａl含有層と、ＡlｙＧa１−ｙＮ(０≦ｙ≦０.３)の組成からなる厚さｂの低Ａl含有層とが交互に積層されて形成されており、
上記チャネル層５,２５は、上記超格子バッファ層４,２４と接合すると共に、上記超格子バッファ層４,２４の側から順に、少なくともＡlｚＧa１−ｚＮ層６,２６とＧaＮ層７,２８とが積層されて形成されており、
上記ＡlｚＧa１−ｚ層６,２６のＡl組成は、上記超格子バッファ層４,２４の平均Ａl組成と同じである
ことを特徴としている。
【００５９】
ＡlＧaＮ超格子バッファ層４,２４は、応力が緩和したＡlＧaＮ層と等価と考えることが可能である。したがって、ＡlＧaＮ超格子バッファ層４,２４と接合するチャネル層５,２５をＧaＮ層のみで形成した場合には、上記応力が緩和したＡlＧaＮ層の上に形成されたＧaＮチャネル層は、ＡlＧaＮ層よりも格子定数が大きいことから応力−σにより引っ張り側に歪み、界面に２次元正孔ガス(２ＤＨＧ)が形成される。
【００６０】
上記構成によれば、超格子バッファ層４,２４と接合するチャネル層５,２５を、上記超格子バッファ層４,２４の側から順にＡlｚＧa１−ｚ層６,２６とＧaＮ層７,２８とを積層して形成すると共に、上記ＡlｚＧa１−ｚ層６,２６のＡl組成をＡlＧaＮ超格子バッファ層４,２４の平均Ａl組成と同じにしている。したがって、上記ＡlｚＧa１−ｚ層６,２６は、応力が緩和した一つのＡlＧaＮ層と等価である上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層４,２４と格子定数が略等しいと見なすことができる。そのため、上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層４,２４とＡlｚＧa１−ｚ層６,２６との界面に、応力−σによって歪みが生じて２次元正孔ガスが形成されることを抑制することができる。
【００６１】
したがって、上記超格子バッファ層４,２４の上に形成されたＡlｚＧa１−ｚ層６,２６によって、上記超格子バッファ層４,２４とＧaＮ層７,２８との間に形成される２次元正孔ガスの補償を行って、リーク電流の低減を可能にすることができるのである。
【００６２】
また、一実施の形態の窒化物半導体では、
上記チャネル層５,２５の上記ＡlｚＧa１−ｚ層６,２６におけるＡl組成ｚは、以下の式
ｚ＝(ａ×ｘ＋ｂ×ｙ)/(ａ＋ｂ)
で与えられる。
【００６３】
この実施の形態によれば、上記チャネル層５,２５における上記ＡlｚＧa１−ｚ層６,２６のＡl組成ｚを、式「ｚ＝(ａ×ｘ＋ｂ×ｙ)/(ａ＋ｂ)」で与えるようにしている。したがって、上記ＡlｚＧa１−ｚ層６,２６のＡl組成を、上記超格子バッファ層４,２４の平均Ａl組成と同じにすることができる。
【００６４】
また、一実施の形態の窒化物半導体では、
上記障壁層８はＡlｗＧa１−ｗＮ層８を含んでおり、
上記ＡlｗＧa１−ｗＮ層８におけるＡl組成ｗは、上記チャネル層５の上記ＡlｚＧa１−ｚ層６におけるＡl組成ｚよりも大きい値である。
【００６５】
得られる窒化物半導体を用いてＨＥＭＴを形成する場合には、上記障壁層８のＡlｗＧa１−ｗＮ層８と上記チャネル層５のＧaＮ層７との界面に応力＋σによって歪みを発生させて上記界面に２次元電子ガスを形成させる必要がある。その場合、上記チャネル層５はＡlｚＧa１−ｚ層６上にＧaＮ層７が積層されて形成されているため、上記ＧaＮ層７とＡlｚＧa１−ｚ層６との界面に応力−σによって歪みが発生することになる。そのため、上記障壁層８のＡlｗＧa１−ｗＮ層８と上記チャネル層５のＧaＮ層７との界面には、上記ＧaＮ層７と上記ＡlｚＧa１−ｚ層６との界面よりも大きな歪みを発生させる必要がある。
【００６６】
この実施の形態によれば、上記ＡlｗＧa１−ｗＮ層８におけるＡl組成ｗは、上記チャネル層５の上記ＡlｚＧa１−ｚ層６におけるＡl組成ｚよりも大きい値に設定されている。したがって、上記障壁層８のＡlｗＧa１−ｗＮ層８と上記チャネル層５のＧaＮ層７との界面には、上記ＧaＮ層７と上記ＡlｚＧa１−ｚ層６との界面よりも大きな歪みを発生させることができ、上記界面に２次元電子ガスを形成させることができるのである。
【００６７】
また、一実施の形態の窒化物半導体では、
上記超格子バッファ層４,２４における上記高Ａl含有層の厚さａの範囲は１ｎｍ≦ａ≦５ｎｍであり、上記低Ａl含有層の厚さｂの範囲は２２ｎｍ≦ｂ≦３０ｎｍである。
【００６８】
この実施の形態によれば、上記ＡlＧaＮ超格子バッファ層４,２４における上記高Ａl含有層の厚さ「ａ」と上記低Ａl含有層の厚さ「ｂ」との差を、少なくとも１７ｎｍ以上にすると共に、反り易い上記高Ａl含有層の厚さ「ａ」を、反り難い上記低Ａl含有層の厚さ「ｂ」よりも薄くして、得られる窒化物半導体の反りを効果的に抑制することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１,２１…Ｓi基板、
２,２２…ＡlＮ初期成長層、
３,２３…ＡlＧaＮバッファ層、
４,２４…超格子バッファ層、
５,２５…チャネル層、
６,２６…ＡlｚＧa１−ｚＮ層、
７,２８…ＧaＮチャネル領域、
８,２９…ＡlＧaＮ障壁層、
１０…ＨＥＭＴ、
１１…ステージ、
１２…ＬＣＲメータ、
１３,３０…キャリア濃度ピーク、
２７…Ａl組成傾斜ＡlＧaＮ層。
【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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【国際調査報告】
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