(57)【要約】【課題】ノーマリオフ動作を実現することができるとともに、所望のゲート閾値電圧を実現することができる、窒化物半導体素子（ＨＥＭＴ）を提供すること。【解決手段】このＨＥＭＴは、真性ＧａＮ層３およびｎ型ＡｌＧａＮ層４が積層された窒化物半導体積層構造部２を備えている。窒化物半導体積層構造部２は、ストライプ状の線状部１０と、島状の合流部１１とを備えている。複数本の線状部１０は、隣接する線状部１０との間に形成されたストライプ状のトレンチ６によって、互いに分離されている。線状部１０においてトレンチ６内に露出した積層境界７には、ゲート絶縁膜１２を介してゲート電極１３が対向している。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４には、ソース側合流部１１Ｓおよびドレイン側合流部１１Ｄにおいて、ソース電極１４およびドレイン電極１５がそれぞれ接触形成されている。【選択図】図１
2008311355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体からなる第１層、および前記第１層に積層され、前記第１層とは組成の異なるＡｌ含有III族窒化物半導体からなる第２層を備え、前記第１層と前記第２層との積層境界を露出させるストライプ状のトレンチを有する窒化物半導体積層構造部と、
前記積層境界に対向するように形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟む位置において、前記第２層とそれぞれ電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、を含む、窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記トレンチは、前記窒化物半導体積層構造部に複数形成されており、互いに隣接する前記トレンチの間隔は、５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ゲート電極と前記窒化物半導体積層構造部との間には、絶縁膜が介在されている、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記絶縁膜は、ＳｉＮ膜である、請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ストライプ方向における前記トレンチの幅は、前記ストライプ方向における前記ゲート電極の幅より狭い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、III族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、衛星放送の受信用アンテナ、カーナビゲーションシステムなどに搭載される低雑音増幅素子として、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）が知られている。
ＨＥＭＴは、たとえば、Ｓｉ（シリコン）基板と、このＳｉ基板に積層された電子走行層としてのアンドープＧａＮ（窒化ガリウム）層と、このアンドープＧａＮ層に積層された電子供給層としてのｎ型ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層とを備えている。アンドープＧａＮ層およびｎ型ＡｌＧａＮ層の界面近傍では、アンドープＧａＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合により生じるピエゾ分極によって、アンドープＧａＮ層内に二次元電子ガスが生じている。ｎ型ＡｌＧａＮ層上には、ｎ型ＡｌＧａＮ層とショットキー接合を形成するように、ゲート電極が形成されている。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層上には、ｎ型ＡｌＧａＮ層との間でオーミック接触が得られるように、ソース電極およびドレイン電極がゲート電極を挟んで対向するように形成されている。ソース電極およびドレイン電極は、ｎ型ＡｌＧａＮ層を介して二次元電子ガスに電気的に接続されることになる。
【０００３】
このような構造を有するＨＥＭＴは、ゲート電極に電圧が印加されていない状態でも、ソース−ドレイン間に電位差が生じていると、ソース電極とドレイン電極とが二次元電子ガスを介して導通する、いわゆるノーマリオン特性を有する。そのため、ＨＥＭＴをオフ状態にするには、ゲート電極に負電圧を印加することにより、二次元電子ガスをピンチオフする必要がある。それゆえ、ゲート電極に電圧が印加されていない状態においてもソース−ドレイン間が遮断状態となる、いわゆるノーマリオフ特性を有するＨＥＭＴが注目されている。
【０００４】
ノーマリオフ特性を有するＨＥＭＴとしては、たとえば、電子供給層におけるゲート電極が形成される部分がリセスエッチングにより薄く（たとえば、当該箇所における層厚が２０ｎｍ）形成されたＨＥＭＴが提案されている。このＨＥＭＴは、ゲート電極に電圧が印加されていない状態においても、ゲート電極下方の空乏層（ショットキー接合から広がる空乏層）により、二次元電子ガスがピンチオフされる。すなわち、ソース−ドレイン間が遮断状態となるノーマリオフ動作が達成される。
【特許文献１】特開平５−０４７７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、電子供給層においてゲート電極が形成される部分の層厚が薄い構成では、ゲート閾値電圧を所望の電圧値に制御することが困難になる。たとえば、ゲート閾値電圧を＋１Ｖ以上の電圧値に制御することができない場合がある。
そこで、この発明の目的は、ノーマリオフ動作を実現することができるとともに、所望のゲート閾値電圧を実現することができる、窒化物半導体素子（ＨＥＭＴ）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、III族窒化物半導体からなる第１層、および前記第１層に積層され、前記第１層とは組成の異なるＡｌ含有III族窒化物半導体からなる第２層を備え、前記第１層と前記第２層との積層境界を露出させるストライプ状のトレンチを有する窒化物半導体積層構造部と、前記積層境界に対向するように形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を挟む位置において、前記第２層とそれぞれ電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、を含む、窒化物半導体素子である。
【０００７】
この構成によれば、第１層および第２層を積層することによって、窒化物半導体積層構造部が形成されている。窒化物半導体積層構造部には、第１層と第２層との積層境界を露出させるストライプ状のトレンチが形成されている。ストライプ状のトレンチが形成されていることにより、窒化物半導体積層構造部には、前記積層境界を側面において露出させる線状部が形成されている。前記線状部において第１層と第２層との積層境界には、ゲート電極が対向している。第２層には、ゲート電極を挟む位置においてソース電極およびドレイン電極がそれぞれ電気的に接続されている。また、第１層および第２層は、互いに組成の異なるIII族窒化物半導体（第２層はＡｌを含有する）からなる。そのため、第１層において第１層と第２層との積層界面近傍には、第１層と第２層とのヘテロ接合によるピエゾ分極によって、二次元電子ガスなどのキャリアが生じている。こうして、III族窒化物半導体からなる窒化物半導体素子（高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor））が構成されている。
【０００８】
なお、第１層および第２層を構成するIII族窒化物半導体は、一般には、それぞれＡｌｗＩｎｘＧａ１−ｗ−ｘＮ（０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｗ＋ｘ≦１）およびＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮ（０＜ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０＜ｙ＋ｚ≦１）と表すことができる。第１層としては、たとえば、ＧａＮ（窒化ガリウム）を適用できる。一方、第２層としては、たとえば、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）を適用できる。また、第２層は、キャリアの移動度を向上させるため、不純物を含まない真性半導体であってもよい。
【０００９】
前記線状部において第１層と第２層との積層境界にゲート電極が対向しているため、このゲート電極から第１層と第２層との積層界面に空乏層を広げることができる。その結果、ソース−ドレイン間に電位差が生じており、ゲート電極に電圧が印加されていない状態であっても、この空乏層によって、ソース−ドレイン間の二次元電子ガス（キャリア）をピンチオフすることができる。すなわち、ゲート電極に電圧が印加されていない状態において、ソース−ドレイン間が遮断状態となるノーマリオフ動作が達成される。
【００１０】
また、このノーマリオフ動作は、第２層の層厚を制御することなく達成することができるので、ゲート閾値電圧の制御が制限されることがない。したがって、この窒化物半導体素子では、適宜の値に制御することによって所望のゲート閾値電圧を実現することができる。
また、前記トレンチは、請求項２に記載されているように、前記窒化物半導体積層構造部に複数形成されていてもよく、その場合には、互いに隣接する前記トレンチの間隔が５０ｎｍ以下であることが好ましい。隣接するトレンチの間隔、すなわち前記線状部の幅を５０ｎｍ以下にすることによって、ソース−ドレイン間の二次元電子ガス（キャリア）をゲート電極から広がる空乏層により容易にピンチオフすることができる。より具体的には、ゲート電極から広がる空乏層は、たとえば、前記線状部の側面から２５ｎｍの位置まで達する。そのため、請求項２の構成のように、隣接するトレンチの間隔、すなわち、隣接トレンチで挟まれる前記線状部の幅が５０ｎｍ以下であると、前記線状部の一方側面および他方側面それぞれから２５ｎｍの位置まで広がる空乏層により二次元電子ガス（キャリア）を容易にピンチオフすることができる。
【００１１】
なお、ゲート電極は、前記線状部において一方側面から露出する積層境界に対向するように形成されていてもよいし、他方側面から露出する積層境界に対向するように形成されていてもよい。また、一方側面から露出する積層境界および他方側面から露出する積層境界の両方に対向するように形成されていてもよい。また、一方側面から露出する積層境界および他方側面から露出する積層境界のいずれかと前記線状部の頂面とに対向するように形成されていてもよい。さらに、一方側面から露出する積層境界、他方側面から露出する積層境界および頂面全てに対向するように形成されていてもよい。このような構成にすることによって、線状部の３つの面（両側面および頂面）から空乏層を広げることができるので、二次元電子ガス（キャリア）を一層容易にピンチオフすることができる。また、前記線状部の側面（トレンチの側面）は、前記第１層と前記第２層との積層界面に対して、傾斜した面であってもよいし垂直な面であってもよい。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、前記ゲート電極と前記窒化物半導体積層構造部との間には、絶縁膜が介在されている、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子である。
この構成によれば、ゲート電極と窒化物半導体積層構造部との間に絶縁膜が介在されているので、窒化物半導体素子の構成は、いわゆる、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型である。窒化物半導体素子がＭＩＳ型である構成では、窒化物半導体積層構造部における絶縁膜との界面付近の表面電荷（界面電荷）を抑制することができるので、リーク電流の発生を抑制することができる。また、表面電荷（界面電荷）の抑制により、窒化物半導体積層構造部表面のトラップ準位を低減することもできるので、電流コラプスを抑制することができる。
【００１３】
前記絶縁膜は、たとえば、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜、ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）膜、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）膜などであってもよく、とくに、請求項４に記載されているように、ＳｉＮ膜であることが好ましい。絶縁膜がＳｉＮ膜であれば、リーク電流の発生および電流コラプスを一層抑制することができる。
また、請求項５記載の発明は、前記ストライプ方向における前記トレンチの幅は、前記ストライプ方向における前記ゲート電極の幅より狭い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子である。
【００１４】
この構成によれば、トレンチのストライプ方向におけるトレンチの幅が、トレンチのストライプ方向におけるゲート電極の幅（ゲート長）より狭い。すなわち、同じゲート長を有する窒化物半導体素子同士の比較においては、トレンチの幅がゲート電極の幅（ゲート長）より広い場合に比べて、窒化物半導体積層構造部においてトレンチが形成されていない部分の占める割合が大きい。また、前述したように、窒化物半導体積層構造部において第１層には、第１層と第２層との積層界面近傍に二次元電子ガス（キャリア）が生じている。したがって、窒化物半導体積層構造部においてトレンチが形成されていない部分の占める割合が大きい方が、二次元電子ガス（キャリア）の分布範囲が大きい。二次元電子ガス（キャリア）の分布範囲が大きい構成により、窒化物半導体素子のオン抵抗を低減することができるので、一層良好なＨＥＭＴを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴの構造を説明するための図解的な斜視図である。また、図２Ａは、図１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。また、図２Ｂは、図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。また、図２Ｃは、図１に示す切断線Ｃ−Ｃで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【００１６】
このＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）は、たとえば、衛星放送の受信用アンテナ、カーナビゲーションシステムなどに搭載される低雑音増幅素子として使用される半導体素子であって、基板１と、この基板１上に成長させられたＧａＮ化合物半導体層からなる窒化物半導体積層構造部２とを備えている。
基板１としては、たとえば、サファイア基板などの絶縁性基板や、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板およびＳｉＣ基板などの導電性基板またはこれらの絶縁性基板を適用することができる。窒化物半導体積層構造部２は、基板１に接触して形成された真性（undope：アンドープ）ＧａＮ層３（第１層）と、この真性ＧａＮ層３の上に積層されたｎ型ＡｌＧａＮ層４（第２層）とを備えている。ＧａＮ層３の層厚は、たとえば、１μｍ〜数μｍであり、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の層厚は、たとえば、１０ｎｍ〜１００ｎｍである。なお、各層の層厚とは、各層において最も層厚の大きい部分の層厚のことである。
【００１７】
窒化物半導体積層構造部２は、全体として矩形状に形成されており、その長手方向（ストライプ方向）に沿って延びる互いに平行な（ストライプ状の）複数本（図１では、５本）の線状部１０と、この線状部１０の両端において長手方向に直交する幅方向に沿って複数の線状部１０に跨る島状の合流部１１（ソース側合流部１１Ｓおよびドレイン側合流部１１Ｄ）とを備えている。
【００１８】
複数本の線状部１０は、隣接する線状部１０との間に形成されたストライプ状のトレンチ６によって、互いに分離されている。合流部１１および複数本の線状部１０のうち両端の線状部１０は、窒化物半導体積層構造部２の周縁に沿って形成されたトレンチ５によって取り囲まれている。また、線状部１０の長手方向における長さ（トレンチ６の長手方向における長さ）は、たとえば、１０μｍ〜５００μｍであり、各合流部１１の長手方向における長さは、たとえば、１０μｍ〜１００μｍである。
【００１９】
トレンチ５およびトレンチ６は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４から真性ＧａＮ層３が露出する深さで形成されている。そのため、各線状部１０および各合流部１１には、それらの側壁において真性ＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４との境界が、積層境界７として露出している。また、トレンチ５およびトレンチ６は、互いに隣接するトレンチ５，６の幅方向の間隔Ｗ（線状部１０の幅）が、たとえば、５０ｎｍ以下、好ましくは、１０ｎｍ〜３０ｎｍになるように形成されている。また、この実施形態では、トレンチ５およびトレンチ６は、各線状部１０および各合流部１１の側面の角度が、窒化物半導体積層構造部２の積層界面に対して、たとえば、９０°になるように形成されている。なお、トレンチ５およびトレンチ６は、線状部１０および合流部１１の側面が窒化物半導体積層構造部２の積層界面に対して傾斜するように形成されていてもよい。
【００２０】
線状部１０、トレンチ５およびトレンチ６には、長手方向略中央部においてゲート絶縁膜１２が形成されている。ゲート絶縁膜１２は、トレンチ５，６の底面を覆う絶縁膜底部１２１と、線状部１０の側面を覆う絶縁膜側部１２２と、線状部１０の頂面を覆う絶縁膜頂部１２３とを備えており、この実施形態では、絶縁膜底部１２１、絶縁膜側部１２２および絶縁膜頂部１２３が、線状部１０の頂面および側面ならびにトレンチ５，６の底面を連続的に覆うように形成されている。また、ゲート絶縁膜１２は、その長手方向における長さが線状部１０の長手方向における長さ（トレンチ６の長手方向における長さ）よりも狭くなるように形成されており、その長手方向における長さは、たとえば、後述するゲート電極１３の長手方向における長さと同じ長さである。なお、ゲート絶縁膜１２は、線状部１０の頂面および側面ならびにトレンチ５，６の底面の全域を被覆するように形成されていてもよい。また、ゲート絶縁膜１２の膜厚は、たとえば、１ｎｍ〜数ｎｍである。また、ゲート絶縁膜１２は、たとえば、ＳｉＮ（窒化シリコン）膜、ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）膜、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）膜などで構成することができる。とくに、ＳｉＮ膜で構成すれば、ＨＥＭＴのリーク電流の発生および電流コラプスを抑制することができる。
【００２１】
ゲート絶縁膜１２の上には、ゲート電極１３が形成されている。ゲート電極１３は、その長手方向における長さが、たとえば、０．１μｍ〜１０μｍとなるように形成されている。また、ゲート電極１３は、絶縁膜底部１２１上に形成されてトレンチ５，６の底面に対向する電極底部１３１と、絶縁膜側部１２２上に形成されて線状部１０の側面に対向する電極側部１３２と、絶縁膜頂部１２３上に形成されて線状部１０の頂面に対向する電極頂部１３３とを備えている。すなわち、ゲート電極１３と線状部１０との間にゲート絶縁膜１２が介在されており、ゲート電極１３は、このゲート絶縁膜１２を介して線状部１０に対向している。したがって、ゲート電極１３は、ゲート絶縁膜１２を介して積層境界７に対向している。また、この実施形態では、電極底部１３１、電極側部１３２および電極頂部１３３は、ゲート絶縁膜１２の表面全域を連続的に覆うように形成されている。ゲート電極１３は、たとえば、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケル／金の合金）、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ（ニッケル／チタン／金の合金）、Ｐｄ／Ａｕ（パラジウム／金の合金）、Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｕ（パラジウム／チタン／金の合金）、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ（パラジウム／白金／金の合金）、ポリシリコンなどの導電性材料で構成することができる。
【００２２】
真性ＧａＮ層３内には、真性ＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４との半導体層界面８（第１層と第２層との積層界面）近傍において、二次元電子ガス９（Two Dimensional Electron Gas：２ＤＥＧ）が生じている。この二次元電子ガス９は、真性ＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４とのヘテロ接合によるピエゾ分極により生じており、線状部１０および合流部１１において真性ＧａＮ層３における半導体層界面８の近傍部分のほぼ全域に存在している。二次元電子ガス９の濃度は、たとえば、ｎ型ＡｌＧａＮ層４におけるＡｌの組成が２０％の場合は、１０１３ｃｍ−２程度である。
【００２３】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４には、ソース側合流部１１Ｓおよびドレイン側合流部１１Ｄにおいて、ソース電極１４およびドレイン電極１５がそれぞれ接触形成されている。ソース電極１４およびドレイン電極１５は、平面視において各合流部１１と略同じ大きさで形成されている。また、ソース電極１４およびドレイン電極１５は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４との間でオーミック接触が得られるように形成されており、ｎ型ＡｌＧａＮ層４を介して二次元電子ガス９に電気的に接続されることになる。ソース電極１４およびドレイン電極１５は、たとえば、Ｔｉ／Ａｌ（下層／上層）からなる積層構造で構成することができる。ソース電極１４およびドレイン電極１５は、これらの下層がＮｉである構成であれば、たとえば、熱アロイ（アニール処理）などの処理により、ｎ型ＡｌＧａＮ層４と良好にオーミック接触することができる。
【００２４】
次に、このＨＥＭＴの動作について説明する。
このＨＥＭＴを動作させる際には、まず、ソース電極１４とドレイン電極１５との間にドレイン電極１５側が正となるバイアス電圧が与えられる。これにより、ソース側合流部１１Ｓにおいて、ｎ型ＡｌＧａＮ層４から二次元電子ガス９に電子が供給される。一方、このＨＥＭＴでは、ゲート電極１３の電極側部１３２が線状部１０の両側面に対向して形成され、また、電極頂部１３３が線状部１０の頂面に対向して形成されているので、これら３つの部分から半導体層界面８へと空乏層が広げられている。そして、この空乏層が広がった部分において二次元電子ガス９が消失し、ソース電極１４から供給された電子がドレイン電極１５へ移動できない状態となる。すなわち、二次元電子ガス９がピンチオフされ、ソース−ドレイン間が遮断状態となる。この状態から、ゲート電極１３に対してソース電極１４を基準電位として正となる所定の電圧値（ゲート閾値電圧）以上のバイアス電圧が印加されると、線状部１０において二次元電子ガス９が生じ、ソース−ドレイン間にチャネルが形成される。そして、この二次元電子ガス９（チャネル）を介して、ソース電極１４から供給された電子がドレイン電極１５へ移動し、ソース−ドレイン間が導通することになる。すなわち、ゲート電極１３に対してバイアス電圧を印加したときにソース−ドレイン間が導通し、ゲート電極１３に対してバイアス電圧を与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。このようにして、ノーマリオフ動作が可能となる。
【００２５】
図３Ａ〜Ｅは、図１のＨＥＭＴの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図１における破線切断線Ｂ−Ｃで切断したときの断面を示している。
このＨＥＭＴの製造に際しては、まず、図３Ａに示すように、基板１の上に、たとえば、ｃ面（０００１）を成長主面としたＭＯＣＶＤ成長によって、真性ＧａＮ層３およびｎ型ＡｌＧａＮ層４が成長させられる。こうして、基板１上に、ｃ面（０００１）を積層界面（半導体層界面８）とする窒化物半導体積層構造部２が形成される。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層４を成長させるときのｎ型不純物としては、たとえばＳｉを用いればよい。
【００２６】
次に、図３Ｂに示すように、トレンチ５およびトレンチ６が形成される。トレンチ５およびトレンチ６は、たとえば、ｃ面（０００１）に対して１５°〜９０°の範囲で傾斜した面方位を有する壁面が切り出されるように、窒化物半導体積層構造部２がエッチングされることにより形成される。このエッチングは、ｎ型ＡｌＧａＮ層４から真性ＧａＮ層３の途中に至る深さまで行なわれる。
【００２７】
より具体的には、たとえば、まず、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の上にフォトレジストが塗布される。次いで、公知のナノインプリント技術により、このフォトレジストに対して、形成されるトレンチ５およびトレンチ６の形状と同形状パターンの凸部を有する原版が押し付けられる。この原版は、凸部とトレンチ５およびトレンチ６を形成すべき領域とを位置合わせして押し付けられ、これにより、フォトレジストは、トレンチ５およびトレンチ６を形成すべき領域上の部分が凹むようにパターニングされる。その後は、このフォトレジストをマスクとしてドライエッチングが行なわれる。そして、フォトレジストにおける凹んだ部分とともにｎ型ＡｌＧａＮ層４および真性ＧａＮ層３がエッチングされて、トレンチ５およびトレンチ６が形成される。なお、このドライエッチングは、たとえば、塩素系ガス（たとえば、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４など）を用いて行なわれる。トレンチ５およびトレンチ６が形成されることにより、真性ＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４との境界が積層境界７として露出するとともに、窒化物半導体積層構造部２には、線状部１０および合流部１１（図３Ｂでは、ソース側合流部１１Ｓのみ示している。）が形成される。
【００２８】
トレンチ５およびトレンチ６が形成された後には、公知のフォトリソグラフィ技術により、ソース電極１４およびドレイン電極１５（図１および図２Ａ参照）を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト（図示せず）が形成される。そして、このフォトレジスト上から、ソース電極１４およびドレイン電極１５の材料として用いられるメタル（たとえば、ＴｉおよびＡｌ）が、スパッタ法により、Ｔｉ／Ａｌの順にスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分（ソース電極１４およびドレイン電極１５以外の部分）がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの操作により、図３Ｃに示すように、ソース側合流部１１Ｓおよびドレイン側合流部１１Ｄにソース電極１４およびドレイン電極１５がそれぞれ接触形成される。ソース電極１４およびドレイン電極１５が形成された後には、熱アロイ（アニール処理）が行なわれることにより、ソース電極１４およびドレイン電極１５とｎ型ＡｌＧａＮ層４との接触が、オーミック接触となる。
【００２９】
続いて、図３Ｄに示すように、線状部１０の長手方向略中央部においてゲート絶縁膜１２が形成される。ゲート絶縁膜１２は、たとえば、ＥＣＲスパッタ（Electron Cyclotron Resonance Spattering：電子サイクロトロン共鳴スパッタ）により、線状部１０の側面および頂面ならびにトレンチ６の底面を連続的に覆い、さらに、トレンチ５の底面に至るように形成される。
【００３０】
その後は、公知のフォトリソグラフィ技術により、ゲート電極１３を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト（図示せず）が形成される。そして、このフォトレジスト上から、ゲート電極１３の材料として用いられるメタル（たとえば、前述した導電性材料）が、スパッタ法によりスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分（ゲート電極１３以外の部分）がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの操作により、図３Ｅに示すように、ゲート絶縁膜１２を介して積層境界７に対向するゲート電極１３が形成される。こうして図１に示す構造のＨＥＭＴを得ることができる。なお、二次元電子ガス９は、真性ＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４とのヘテロ接合によるピエゾ分極により生じるものであるので、図３Ａ〜Ｅに示す製造工程においては、その説明を省略している。  以上のように、この実施形態によれば、真性ＧａＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４との積層境界７にゲート電極１３の電極側部１３２が対向しているため、この電極側部１３２から半導体層界面８に空乏層を広げることができる。そのため、ソース−ドレイン間に電位差が生じており、ゲート電極１３に電圧が印加されていない状態であっても、この空乏層によって、二次元電子ガス９をピンチオフすることができる。その結果、ノーマリオフ動作が達成される。また、このノーマリオフ動作は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の層厚を制御することなく達成することができるので、ＨＥＭＴのゲート閾値電圧の制御が制限されることがない。したがって、このＨＥＭＴでは、適宜の値に制御することによって所望のゲート閾値電圧を実現することができる。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の層厚は、例示した層厚に限られず、ゲート閾値電圧の値に応じて、さらに薄くすることも可能である。
【００３１】
さらに、このＨＥＭＴでは、線状部１０の幅Ｗ（互いに隣接するトレンチ５，６の間隔）が、たとえば、５０ｎｍ以下、好ましくは、１０ｎｍ〜３０ｎｍになるように形成されているので、二次元電子ガス９をゲート電極１３（電極側部１３２）から広がる空乏層により容易にピンチオフすることができる。より具体的には、ゲート電極１３（電極側部１３２）から広がる空乏層は、たとえば、線状部１０の側面から２５ｎｍの位置まで達する。そのため、線状部１０の幅が５０ｎｍ以下であると、線状部１０の両側面から２５ｎｍの位置まで広がる空乏層により二次元電子ガス９を容易にピンチオフすることができる。とりわけ、このＨＥＭＴでは、電極側部１３２に加えて、線状部１０の頂面に電極頂部１３３が対向して形成されている。そのため、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の層厚を適宜の値（たとえば、２５ｎｍ以下）に定めることにより、この電極頂部１３３から二次元電子ガス９に達する空乏層を広げることができる。その結果、より一層容易に二次元電子ガス９をピンチオフすることができる。  
また、ゲート電極１３と窒化物半導体積層構造部２との間にゲート絶縁膜１２が介在される構成を採用することにより、ＨＥＭＴの構成が、いわゆる、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型となる。そのため、窒化物半導体積層構造部２におけるゲート絶縁膜１２との界面付近の表面電荷（界面電荷）を抑制することができ、リーク電流の発生を抑制することができる。また、表面電荷（界面電荷）の抑制により、窒化物半導体積層構造部２表面のトラップ準位を低減することもできるので、電流コラプスを抑制することができる。
【００３２】
図４は、この発明の第２の実施形態に係るＨＥＭＴの構造を説明するための図解的な斜視図である。また、図５Ａは、図４に示す切断線Ｄ−Ｄで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。また、図５Ｂは、図４に示す切断線Ｅ−Ｅで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。また、図５Ｃは、図４に示す切断線Ｆ−Ｆで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。図４および図５Ａ〜Ｃにおいて、前述の図１および図２Ａ〜Ｃに示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
【００３３】
この実施形態では、窒化物半導体積層構造部２は、全体として矩形状に形成されており、その長手方向に沿って延びる互いに平行な複数本（図４では、５本）の線状部１７と、この線状部１７の両端において長手方向に直交する幅方向に沿って複数の線状部１７に跨る島状の合流部１８（ソース側合流部１８Ｓおよびドレイン側合流部１８Ｄ）とを備えている。
【００３４】
複数本の線状部１７は、隣接する線状部１７との間に形成されたストライプ状のトレンチ１６によって、互いに分離されている。合流部１８および複数本の線状部１７のうち両端の線状部１７は、窒化物半導体積層構造部２の周縁に沿って形成されたトレンチ５によって取り囲まれている。また、線状部１７の長手方向における長さ（トレンチ１６の長手方向における長さ）は、たとえば、０．１μｍ〜１０μｍであり、合流部１８の長手方向における長さは、たとえば、１０μｍ〜１００μｍである。したがって、合流部１８は、窒化物半導体積層構造部２全体に対する占有割合が、第１の実施形態における合流部１１の窒化物半導体積層構造部２全体に対する占有割合より大きい。
【００３５】
線状部１７、合流部１８、トレンチ５およびトレンチ１６には、長手方向略中央部においてゲート絶縁膜１２が形成されている。ゲート絶縁膜１２は、その長手方向における長さが線状部１７の長手方向における長さ（トレンチ１６の長手方向における長さ）よりも長くなるように形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜１２は、線状部１７およびトレンチ１６の表面を連続的に覆うとともに、合流部１８の表面における線状部１７およびトレンチ１６の周辺部を覆い、さらに、トレンチ５の底面に至るように形成されている。
【００３６】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４には、ソース側合流部１８Ｓおよびドレイン側合流部１８Ｄにおいて、ソース電極１４およびドレイン電極１５がそれぞれ接触形成されている。ソース電極１４およびドレイン電極１５は、平面視において各合流部１８より小さく形成されており、それぞれ各合流部１８の長手方向におけるトレンチ１６が形成されている側とは反対側の端部に配置されている。その他の構成は、前述の第１の実施形態の場合と同様である。
【００３７】
この第２の実施形態に係るＨＥＭＴは、図３を参照して説明した方法と類似の方法によって製造することができる。すなわち、図３Ｂを参照して説明した工程において、トレンチ６に代えて、トレンチ６より長手方向における長さの短いトレンチ１６を形成すればよい。
そして、この第２の実施形態に係るＨＥＭＴによっても第１の実施形態に係るＨＥＭＴと同様な動作が可能であり、第１の実施形態に係る電界効果トランジスタと同様な効果を得ることができる。とくにこの第２の実施形態では、合流部１８の窒化物半導体積層構造部２全体に対する占有割合が、第１の実施形態における合流部１１の窒化物半導体積層構造部２全体に対する占有割合より大きい構成が採用されている。また、各合流部１１，１８において真性ＧａＮ層３内には、半導体層界面８近傍略全域に渡って二次元電子ガス９が分布している。したがって、窒化物半導体積層構造部２全体に対する合流部の占有割合が大きい方が、二次元電子ガス９の分布範囲が大きい。すなわち、この第２の実施形態のように、二次元電子ガス９の分布範囲が大きい構成により、ＨＥＭＴのオン抵抗をさらに低減することができるので、一層良好なＨＥＭＴを実現することができる。
【００３８】
以上、この発明の複数の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の実施形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、ＨＥＭＴは、ゲート電極１３と窒化物半導体積層構造部２との間にゲート絶縁膜１２が介在されている構成であったが、たとえば、窒化物半導体積層構造部２の表面に、ゲート絶縁膜１２を介さずに直接ゲート電極１３が形成される構成であってもよい。この場合、ゲート電極１３は、Ｎｉ／Ａｕ（下層／上層）の積層構造で構成することが好ましい。ゲート電極１３の下層がＮｉであれば、ゲート電極１３は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４と良好にショットキー接合を形成することができる。
【００３９】
また、前述の実施形態では、窒化物半導体積層構造部２は、真性ＧａＮ層３およびｎ型ＡｌＧａＮ層４からなるIII族窒化物半導体積層構造であるとして説明したが、窒化物半導体積層構造部２は、他のIII族窒化物半導体を用いた積層構造で構成されてもよい。
また、窒化物半導体積層構造部２において二次元電子ガス９が形成される層には、不純物を含まない真性ＧａＮ層３が適用されたが、不純物を含む半導体層が適用されてもよい。ただし、この発明のＨＥＭＴでは、キャリア（二次元電子ガス）の形成される半導体層は、不純物を含まない真性半導体である方が好ましい。真性半導体であれば、キャリア（二次元電子ガス）の移動度を向上させることができる。
【００４０】
また、ゲート電極１３は、電極底部１３１と、電極側部１３２と、電極頂部１３３とを備えているとして説明したが、ノーマリオフ動作を達成することができる構成であれば他の構成でもよい。たとえば、ゲート電極１３は、電極側部１３２のみを備える構成でもよいし、電極側部１３２および電極頂部１３３を備える構成でもよい。ただし、この発明のＨＥＭＴでは、ゲート電極１３は、電極底部１３１、電極側部１３２および電極頂部１３３を備え、これらが連続的に形成される構成であることが好ましい。このような構成であれば、ゲート電極１３を容易に形成することができる。
【００４１】
また、前述の実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮ層４におけるＡｌの組成について、とくに詳説しなかったが、ｎ型ＡｌＧａＮ層４は、その内部においてＡｌの組成が一様であってもよいし、Ａｌの組成の異なる部分が分布していてもよい。また、この発明のＨＥＭＴは、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に代えて、Ａｌの組成の異なるｎ型ＡｌＧａＮ層が複数積層される構成でもよい。
【００４２】
さらに、前述の実施形態では、この発明の第１層として真性ＧａＮ層３が設けられていると説明したが、この発明のＨＥＭＴは、真性ＧａＮ層３に代えて、ＡｌＩｎＧａＮの混晶からなるIII族窒化物半導体層が設けられる構成でもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るＨＥＭＴの構造を説明するための図解的な斜視図である。
【図２Ａ】図１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【図２Ｂ】図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【図２Ｃ】図１に示す切断線Ｃ−Ｃで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【図３Ａ】図１のＨＥＭＴの製造方法を工程順に示す図解的な断面図であって、図１における破線切断線Ｂ−Ｃで切断したときの断面を示している。
【図３Ｂ】図３Ａの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｃの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｄの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図４】この発明の第２の実施形態に係るＨＥＭＴの構造を説明するための図解的な斜視図である。
【図５Ａ】図４に示す切断線Ｄ−Ｄで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【図５Ｂ】図４に示す切断線Ｅ−Ｅで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【図５Ｃ】図４に示す切断線Ｆ−Ｆで切断したときのＨＥＭＴの断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１      基板
２      窒化物半導体積層構造部
３      真性ＧａＮ層
４      ｎ型ＡｌＧａＮ層
５      トレンチ
６      トレンチ
７      積層境界
８      半導体層界面
９      二次元電子ガス
１０    線状部
１１Ｓ  ソース側合流部
１１Ｄ  ドレイン側合流部
１２    ゲート絶縁膜
１３    ゲート電極
１４    ソース電極
１５    ドレイン電極
１６    トレンチ
１７    線状部
１８Ｓ  ソース側合流部
１８Ｄ  ドレイン側合流部
１２１  絶縁膜底部
１２２  絶縁膜側部
１２３  絶縁膜頂部
１３１  電極底部
１３２  電極側部
１３３  電極頂部
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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