(57)【要約】【課題】しきい値電圧を増大させることなくバッファ層を高抵抗化して素子を高耐圧化できること。【解決手段】電界効果トランジスタ１００は、基板１上にバッファ層２，３、半導体動作層４、ゲート絶縁膜５Ｇａおよびゲート電極５Ｇｂを順次積層して備え、バッファ層３内にあってこのバッファ層３の積層面に平行な所定面内の転位密度は、この転位密度に対するバッファ層３の体積抵抗率が極大値近傍となる密度値とされ、具体敵意は２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下とされている。【選択図】        図１
2008205221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にバッファ層、半導体動作層、絶縁層および電極層を順次積層して備える半導体素子において、
前記バッファ層内にあって該バッファ層の積層面に平行な所定面内の転位密度は、該転位密度に対する前記バッファ層の体積抵抗率が極大値近傍となる密度値であることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記転位密度は、２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
基板上にバッファ層、半導体動作層および絶縁ゲートを順次積層して備える半導体素子において、
前記バッファ層の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅は、該半値幅に対する前記バッファ層の体積抵抗率が極大値近傍となる幅値であることを特徴とする半導体素子。
【請求項４】
前記半値幅は、３００秒以上、２７００秒以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記バッファ層の（００２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅を基準とした、前記バッファ層の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅比は、１．２以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体素子。
【請求項６】
前記転位密度を基準とした前記バッファ層のらせん転位密度比は、０．１２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記バッファ層は、窒化物系化合物半導体を用いて形成された第１の層と、該第１の層よりもＡｌ組成が高い窒化物形化合物半導体を用いて形成された第２の層とが積層された複合層を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体素子。
【請求項８】
前記半導体動作層は、窒化物系化合物半導体を用いて形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にバッファ層、半導体動作層、絶縁層および電極層を順次積層して備える半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮ系化合物半導体等の窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子としての電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）は、４００℃近い高温環境下においても動作する固体素子として注目されている。一般に、電界効果トランジスタでは、素子の耐圧を向上させるとともにリーク電流を低減させるため、バッファ層を高抵抗化する必要がある。これに対し、バッファ層を高抵抗化する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。特許文献１および２では、ＧａＮ系化合物半導体からなるバッファ層にＺｎ、Ｍｇ等のｐ型不純物（アクセプタ）を添加（ドーピング）して高抵抗化する方法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−５７１５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体にＺｎ、Ｍｇ等のｐ型不純物を添加した場合、その不純物濃度に応じてバッファ層を高抵抗化し、素子を高耐圧化できるものの、高抵抗化にともなってしきい値電圧を増大させることとなり、電界効果トランジスタの制御性を低下させるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、しきい値電圧を増大させることなくバッファ層を高抵抗化して素子を高耐圧化することができる半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体素子は、基板上にバッファ層、半導体動作層、絶縁層および電極層を順次積層して備える半導体素子において、前記バッファ層内にあって該バッファ層の積層面に平行な所定面内の転位密度は、該転位密度に対する前記バッファ層の体積抵抗率が極大値近傍となる密度値であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記転位密度は、２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる半導体素子は、基板上にバッファ層、半導体動作層および絶縁ゲートを順次積層して備える半導体素子において、前記バッファ層の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅は、該半値幅に対する前記バッファ層の体積抵抗率が極大値近傍となる幅値であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記半値幅は、３００秒以上、２７００秒以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記バッファ層の（００２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅を基準とした、前記バッファ層の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅比は、１．２以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記転位密度を基準とした前記バッファ層のらせん転位密度比は、０．１２以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記バッファ層は、窒化物系化合物半導体を用いて形成された第１の層と、該第１の層よりもＡｌ組成が高い窒化物形化合物半導体を用いて形成された第２の層とが積層された複合層を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記半導体動作層は、窒化物系化合物半導体を用いて形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる半導体素子によれば、しきい値電圧を増大させることなくバッファ層を高抵抗化して素子を高耐圧化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる半導体素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体素子としての電界効果トランジスタ１００の構成を示す断面図である。この図に示すように、電界効果トランジスタ１００は、例えばＳｉ、サファイア、ＳｉＣまたはＺｎＯからなる基板１上に、窒化物系化合物半導体を用いて形成されたバッファ層２，３および半導体動作層４が順次積層され、その上にソース電極５Ｓ、ドレイン電極５Ｄ、絶縁ゲート５Ｇが形成されている。
【００１７】
バッファ層２は、ＡｌＮによって形成され、層厚が４０ｎｍとされている。バッファ層３は、窒化物系化合物半導体を用いて形成された第１の層１１と、この第１の層１１よりもＡｌ組成が高い窒化物形化合物半導体を用いて形成された第２の層１２とが積層された複合層１０を複数積層して形成されている。具体的には、第１の層１１は、ＧａＮによって形成され、第２の層１２は、ＡｌＮによって形成されている。第１の層１１および第２の層１２の層厚は、それぞれ２００ｎｍ、２０ｎｍとされている。複合層１０は８層積層されている。
【００１８】
なお、バッファ層２、第１の層１１および第２の層１２を形成する半導体材料は、ＡｌＮまたはＧａＮに限定されるものではなく、他の元素を含んだ半導体材料とすることもできる。また、複合層１０の積層数は、８層に限定されるものではなく、１層以上であれば任意の層数でよい。ただし、４層以上積層させることが好ましい。
【００１９】
半導体動作層４は、ｐ型半導体としてのｐ−ＧａＮからなるｐ型半導体層４ａと、ｎ型半導体としてのｎ-−ＧａＮからなるリサーフ（resurf）層４ｂと、ｎ+−ＧａＮからなるコンタクト層４ｃ，４ｄとを備える。ｐ型半導体層４ａは、ｐ型不純物として例えばＭｇが添加され、その不純物濃度としてのＭｇ濃度は５×１０16ｃｍ-3とされている。リサーフ層４ｂとコンタクト層４ｃ，４ｄとは、ｎ型不純物として例えばＳｉが添加され、その不純物濃度としてのＳｉ濃度は、それぞれ５×１０17ｃｍ-3および５×１０20ｃｍ-3とされている。
【００２０】
絶縁ゲート５Ｇは、ｐ型半導体層４ａ上にゲート絶縁膜５Ｇａとゲート電極５Ｇｂとをこの順に積層して形成されている。ゲート絶縁膜５Ｇａは、ＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3等、十分な絶縁破壊電界強度を有する酸化膜が用いられ、その層厚は、例えばＳｉＯ2の場合、５０〜１００ｎｍ程度とされる。また、ゲート絶縁膜５Ｇａは、ドレイン電流が流れる方向（図１における左右方向）において、両端部がそれぞれコンタクト層４ｃおよびリサーフ層４ｂ上に張り出して形成されている。ゲート電極５Ｇｂは、ポリシリコン、もしくはＮｉ／ＡｕやＷＳｉ等の金属膜を用いて形成される。ソース電極５Ｓおよびドレイン電極５Ｄは、それぞれコンタクト層４ｃ，４ｄ上に積層され、Ｔｉ／ＡｌやＴｉ／ＡｌＳｉ／Ｍｏ等、コンタクト層４ｃ，４ｄに対してオーミック接触が可能な金属膜を用いて形成される。
【００２１】
このように構成された電界効果トランジスタ１００では、ゲート電極５Ｇｂに所定電位以上の正電圧を加えることで、ｐ型半導体層４ａの上端部におけるゲート絶縁膜５Ｇａとの境界近傍に反転層４ｅが生成される。そして、この反転層４ｅがチャネルとなり、コンタクト層４ｃと、リサーフ層４ｂおよびコンタクト層４ｄとが電気的に接続され、ソース電極５Ｓおよびドレイン電極５Ｄ間にドレイン電流が導通される。このとき、ゲート電極５Ｇｂに加える電圧によって、ゲート絶縁膜５Ｇａの直下に形成される図示しない空乏層の厚さを変化させることで、ドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ制御すなわち電界効果トランジスタ１００のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことができる。
【００２２】
つづいて、バッファ層３について詳細に説明する。バッファ層３は、内部に発生するリーク電流を低減するように高抵抗化して形成されている。このバッファ層３の形成にあたって、本発明者らは、まずバッファ層３内の、積層面に垂直な積層面垂直方向の結晶性を維持したまま、積層面に平行な積層面平行方向の結晶性を悪くすることによって、少なくとも積層面に沿った方向にバッファ層３を高抵抗化することが可能であるものと考察した。そして具体的に、バッファ層３を積層方向に貫通する貫通転位の量を制御することによって、かかる結晶性を得ることが可能であるという推測のもと、バッファ層３の貫通転位量と体積抵抗率との対応関係の導出を行った。
【００２３】
そこで第１に、本発明者らは、バッファ層３の貫通転位量を示す指標値として、バッファ層３内にあってバッファ層３の積層面に平行な所定面内の転位密度を用い、この転位密度と体積抵抗率との対応関係を実測して導出した。図２は、この導出結果を示すグラフである。
【００２４】
図２に示す結果から、本発明者らは、バッファ層３の体積抵抗率が転位密度の変化に対して極大値を有するとともに、この転位密度を体積抵抗率の極大値近傍に対応する密度値とすることによって、バッファ層３を高抵抗化できることを見出した。また、具体的には、バッファ層３の転位密度が、２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下であることが望ましいことを見出した。バッファ層３の転位密度がこの範囲内である場合、体積抵抗率は約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗となる。
【００２５】
バッファ層３の転位密度は、例えば、バッファ層３をPlan-View法によってＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察した際に黒点として示される転位を計数して求めることができる。この場合、バッファ層３は、イオンミリング装置等によって厚さ０．１μｍ程度以下に薄厚化加工して成形される。この成形された厚さは、バッファ層３のもとの層厚に比して十分に薄く、ＴＥＭ観察により得られる転位密度は、バッファ層３の所定面内における転位密度を示すものと考えて差し支えない。なお、この所定面は、バッファ層３と半導体動作層４との境界面近傍にあることが好ましく、したがって、ＴＥＭ観察に用いる試料は、バッファ層３と半導体動作層４との境界面近傍部分を加工して成形したものであることが好ましい。
【００２６】
そして第２に、本発明者らは、バッファ層３の貫通転位量を示す指標値として、バッファ層３の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅を用い、この半値幅としての半値全幅と体積抵抗率との対応関係を実測して導出した。図３は、この導出結果を示すグラフである。
【００２７】
図３に示す結果から、本発明者らは、バッファ層３の体積抵抗率が、（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値全幅（以下、（１０２）半値全幅と称す。）の変化に対して極大値を有するとともに、この（１０２）半値全幅を体積抵抗率の極大値近傍に対応する幅値とすることによって、バッファ層３を高抵抗化できることを見出した。また、具体的には、バッファ層３の（１０２）半値全幅が、３００秒（arcsec）以上、２７００秒以下であることが望ましいことを見出した。バッファ層３の（１０２）半値全幅がこの範囲内である場合、体積抵抗率は約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗となる。
【００２８】
ここでバッファ層３の（１０２）面とは、バッファ層３を形成するＧａＮの単位格子である六方晶におけるミラー指数（１０２）の結晶面であって、図４−１に示す六方晶ＨＸにおける結晶面Ｍ１０２に相当する。また、（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブとは、（１０２）面に対するＸ線回折によって得られるロッキングカーブを意味する。図３に示した（１０２）半値全幅の値は、ＣｕのＫα線（波長λ＝１．５４Å）を用いたＸ線回折によるロッキングカーブの半値全幅を示している。なお、ロッキングカーブを取得する際に使用するＸ線は、ＣｕのＫα線に限定して解釈する必要はなく、ＭｏのＫα線等、他のＸ線であってもよい。
【００２９】
ところで、バッファ層３に形成される貫通転位は、大きく２種類に分類され、すなわち積層面垂直方向に形成される垂直貫通転位（もしくは、刃状転位と称す。）と、積層面垂直方向から傾斜して形成される傾斜貫通転位（もしくは、らせん転位と称す。）とに分類される。図５−１〜５−３は、これらの貫通転位の構造を説明する模式図である。図５−１は、ＧａＮからなるバッファ層３の結晶構造の一部を示す斜視図であり、図５−２は、図５−１に示す結晶構造の正面図であり、図５−３は、図５−１に示す結晶構造の平面図である。なお、図５−１〜５−３では、実際には厚さ方向（図中ｚ方向）に積層構造を有する六方晶系のうち１層のみを示している。
【００３０】
ＧａＮからなるバッファ層３では、理想的には、単位格子としての各六方晶が互いに密接し規則的に配列されたハニカム構造が形成される。しかし一般には、結晶内の応力等によって歪みが発生して格子配列にずれが生じる。格子配列のずれは、六方晶の中軸であるｃ軸のタオレによるずれと、ｃ軸まわりの回転によるずれの２種類に大別さる。ｃ軸のタオレによるずれが生じた場合、積層面垂直方向に対して傾斜して結晶方位がずれ、ｃ軸まわりの回転によるずれが生じた場合、積層面垂直方向を軸とした回転方向の結晶のずれが形成される。そして、これらのずれが六方晶系の積層方向、すなわちバッファ層３の層厚方向に引き継がれた形として、それぞれ傾斜貫通転位、垂直貫通転位が形成される。
【００３１】
具体的には、例えば図５−１〜５−３に示すように、ｃ軸Ｃ２のｃ軸Ｃ３に対する−ｙ方向へのタオレによって、六方晶Ｈ２と六方晶Ｈ１，Ｈ３との間には、積層面垂直方向であるｚ方向に対して傾斜したずれＤｔが形成される。また、ｃ軸Ｃ４まわりの回転によって六方晶Ｈ４と六方晶Ｈ１，Ｈ３との間には、ｚ方向に沿ったずれＤｒが形成される。そして、ずれＤｔが六方晶系の積層方向に引き継がれた形として傾斜貫通転位が形成され、ずれＤｒが積層方向に引き継がれた形として垂直貫通転位が形成される。
【００３２】
本発明者らは、かかる垂直貫通転位と傾斜貫通転位とに着目し、垂直貫通転位量を傾斜貫通転位量に比して大きくし、好ましくはバッファ層３における貫通転位の多くを垂直貫通転位で構成することによって、バッファ層３を積層面平行方向に、より高抵抗化することができるという推測のもと、垂直貫通転位量と体積抵抗率との対応関係を導出した。
【００３３】
まず、図６および図７は、バッファ層４の垂直貫通転位量を示す指標値として、バッファ層３の（００２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅を基準とした、バッファ層３の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅比（以下、（１０２）／（００２）半値幅比と称す。）を用い、この（１０２）／（００２）半値幅比と体積抵抗率との対応関係を実測して導出した結果を示すグラフおよびその数値データを示す表である。これらの図に示す結果から、本発明者らは、（１０２）／（００２）半値幅比を１．２以上とすることによって、バッファ層３の体積抵抗率を約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗にすることが可能であることを見出した。
【００３４】
ここでバッファ層３の（００２）面とは、（１０２）面と同様に、ＧａＮの六方晶におけるミラー指数（００２）の結晶面であって、図４−２に示す六方晶ＨＸにおける結晶面Ｍ００２に相当する。そして、（００２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅（以下、（００２）半値幅と称す。）は、積層面に平行な（００２）面に対するＸ線回折によって得られるロッキングカーブであって、積層面から傾斜した結晶面の量、すなわち傾斜貫通転位量を反映した指標値である。
【００３５】
また、積層面から傾斜した（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅（以下、（１０２）半値幅と称す。）は、積層面から傾斜した結晶面と積層面に垂直な結晶面との量、すなわち傾斜貫通転位と垂直貫通転位との両方の貫通転位量を反映した指標値であると考えられる。これより、（１０２）半値幅を（００２）半値幅で除算した（１０２）／（００２）半値幅比は、垂直貫通転位量を示す指標値となり得るものと考えられる。
【００３６】
なお、図６および図７に示す各データは、いずれもバッファ層３の転位密度が、図１に示した結果から見出した２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下の範囲にあるとともに、（１０２）半値全幅が、図２に示した結果から見出した３００秒以上、２７００秒以下の範囲にある。バッファ層３の転位密度および（１０２）半値全幅がかかる範囲に含まれていない場合には、（１０２）／（００２）半値幅比が１．２以上であっても、バッファ層３の体積抵抗率を約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗とすることは困難である。
【００３７】
また逆に、バッファ層３の転位密度が、２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下であり、（１０２）半値全幅が、３００秒以上、２７００秒以下の範囲にあっても、（１０２）／（００２）半値幅比が１．２以上でない場合には、バッファ層３の体積抵抗率を約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗とすることは困難である。例えば、本発明者らは、転位密度がともに１．０×１０9ｃｍ-2であって、（１０２）／（００２）半値幅比が２．３０４と１．０６７との場合に、それぞれ体積抵抗率が１．８１×１０10Ωｃｍと４．５３×１０2Ωｃｍとになる結果を得ている。
【００３８】
つぎに、バッファ層３の垂直貫通転位量を示す指標値として、全転位密度を基準とした、バッファ層３のらせん転位密度比を用い、らせん転位密度比と体積低効率との対応関係を実測して導出した。図８は、その導出結果を示すグラフである。これより、本発明者らは、らせん転位密度比を０．１２以下にすることによって、バッファ層３の体積低効率を約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗にすることが可能であることを見出した。
【００３９】
ここで、全転位密度は、上述したPlan-View法でＴＥＭ観察して計測される転位密度であり、垂直貫通転位と傾斜貫通転位、つまり刃状転位とらせん転位とを合わせた全転位の転位密度を示す。らせん転位密度は、［０００２］励起の暗視野法でＴＥＭ観察して計測される転位密度である。らせん転位密度比は、これら各転位密度の比を演算して求められるものであって、垂直貫通転位量を示す指標値となり得るものと考えられる。
【００４０】
刃状転位密度は、［１１−２０］励起の暗視野法でＴＥＭ観察して計測することができる。これにより、例えば、刃状転位密度と全転位密度との比を演算して得られる刃状転位密度比を、垂直貫通転位量を示す指標値として用いることもできる。また、らせん転位密度と刃状転位密度との比を演算して得られるらせん／刃状転位密度比を、同様に指標値として用いてもよい。本発明者らは、らせん／刃状転位密度比を０．２０以下にすることによって、バッファ層３を高抵抗化できることを見出している。
【００４１】
なお、図８に示す各データは、いずれもバッファ層３の転位密度が、図１に示した結果から見出した２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下の範囲にあるとともに、（１０２）半値全幅が、図２に示した結果から見出した３００秒以上、２７００秒以下の範囲にある。また、（１０２）／（００２）半値幅比が、図６および図７に示した結果から見出した１．２以上の範囲にある。
【００４２】
一方、図９は、バッファ層３の転位密度に対する電界効果トランジスタ１００のしきい値電圧を実測した結果を示すグラフである。このグラフに示す結果から、電界効果トランジスタ１００では、バッファ層３の転位密度を変化させても、しきい値電圧を一定に維持できることがわかる。また、上述のようにバッファ層３のＭｇ濃度を５×１０16ｃｍ-3としたことで、約３Ｖのしきい値電圧を得られることがわかる。
【００４３】
以上のことから、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタ１００が備えるバッファ層３は、転位密度と体積抵抗率との対応関係における体積抵抗率が極大値近傍となる転位密度を有するように形成され、具体的には、転位密度が２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下となるように形成されている。また、バッファ層３は、（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅と体積抵抗率との対応関係における体積抵抗率が極大値近傍となる該半値幅を有するように形成され、具体的には、（１０２）半値全幅が３００秒以上、２７００秒以下となるように形成されている。さらに、バッファ層３は、（１０２）／（００２）半値幅比が１．２以上となるように形成され、らせん転位密度比が０．１２以下となるように形成されている。また、バッファ層３のＭｇ濃度は５×１０16ｃｍ-3とされている。これによって、電界効果トランジスタ１００では、しきい値電圧を増大させることなくバッファ層を高抵抗化することができ、具体的には、バッファ層３の体積抵抗率は、約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗とされている。また、一般に電界効果トランジスタ等の半導体素子を制御する上で好適とされている約３Ｖのしきい値電圧が得られている。
【００４４】
従来技術にかかる電界効果トランジスタでは、例えば特許文献１に記載された電界効果トランジスタのように、高抵抗化のためにバッファ層にＺｎやＭｇを添加する場合、例えば図１０に示す実測結果のように、ＺｎやＭｇの不純物濃度の増加にともなってしきい値電圧が増大する。特許文献１では、この不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であることが望ましいとされているが、その場合、しきい値電圧は少なくとも１０Ｖ以上となり、好適値である３Ｖをはるかに上回ることが図１０の結果から判断できる。すなわち、従来技術にかかる電界効果トランジスタでは、バッファ層の高抵抗化としきい値電圧の適正化とを同時に実現することが困難であったのに対し、電界効果トランジスタ１００では、上述のようにバッファ層３に転位を設けることで、バッファ層の高抵抗化としきい値電圧の適正化とを両立できるという効果を奏する。
【００４５】
なお、電界効果トランジスタ１００におけるしきい値電圧の好適値は、３Ｖに限定されるものではなく、素子の用途等に応じて３±１Ｖ程度の範囲内で設定されることが好ましい。このため、電界効果トランジスタ１００では、図１０の結果をもとに、バッファ層３のＭｇ濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上、１×１０17ｃｍ-3以下の範囲内で設定されることが好ましい。
【００４６】
また、以上のように形成された電界効果トランジスタ１００では、バッファ層３の高抵抗化とともに高耐圧化が実現できるという効果を奏する。図１１および図１２は、それぞれバッファ層３の転位密度と耐圧との対応関係、およびバッファ層３の（１０２）半値全幅と耐圧との対応関係を実測して導出した結果を示すグラフである。また、図１３は、バッファ層３のらせん転位密度比と耐圧との対応関係を実測して導出した結果を示すグラフである。
【００４７】
図１１に示す結果から、バッファ層３の転位密度が上述した２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下である場合に、耐圧が約４００Ｖ以上となることがわかる。また、図１２に示す結果から、バッファ層３の（１０２）半値全幅が上述した３００秒以上、２７００秒以下である場合に、耐圧が約４００Ｖ以上となることがわかる。さらに、図１３に示す結果から、バッファ層３のらせん転位密度比が上述した０．１２以下である場合に、耐圧が４００Ｖ以上となることがわかる。なお、図１１〜図１３に示す耐圧は、ピンチオフ状態でソース電極５Ｓとドレイン電極５Ｄとの間に電圧を印加し、電界効果トランジスタ１００を破壊する電圧値として示している。
【００４８】
一般に、耐圧とは、電源電圧に応じて要求される値であって、例えば１００Ｖや１２０Ｖの交流電源では、電圧変動を１．１倍まで考慮して、それぞれ３１０Ｖ、３７５Ｖの耐圧が要求される。これに対して、４００Ｖ以上の耐圧を有するバッファ層３は、十分な耐圧特性を有するものといえる。
【００４９】
一方、例えば２３０Ｖの電源電圧に対して７５０Ｖの耐圧が要求される場合がある。このように、より高耐圧性が要求される場合には、バッファ層３をより高耐圧化できるように、転位密度と耐圧との対応関係における耐圧が極大値近傍となる転位密度を有するようにバッファ層３を形成することが好ましく、具体的には、転位密度を１．０×１０9ｃｍ-2以上、２．０×１０10ｃｍ-2以下とすることが好ましい。また、（１０２）半値全幅と耐圧との対応関係における耐圧が極大値近傍となる（１０２）半値全幅を有するようにバッファ層３を形成することが好ましく、具体的には、（１０２）半値全幅を８００秒以上、１８００秒以下とすることが好ましい。さらに、らせん転位密度比が０．０８以下となるようにバッファ層３を形成することが好ましい。このように形成することによって、バッファ層３は、約８００Ｖ以上の高耐圧を有することができる。
【００５０】
つづいて、電界効果トランジスタ１００の製造工程について説明する。電界効果トランジスタ１００は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、基板１上に種々の窒化物系化合物半導体を順次積層して形成される。具体的には、まず、基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、化合物半導体の原料となるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）とアンモニア（ＮＨ3）とを、それぞれ１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２リットル／ｍｉｎの流量で基板１上に導入し、ＡｌＮからなるバッファ層２を基板１上で４０ｎｍの厚さに成長させる。
【００５１】
つぎに、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とＮＨ3とを、それぞれ５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層２上に導入し、ＧａＮからなる第１の層１１をバッファ層２上にエピタキシャル成長させる。つづけて、ＴＭＡｌとＮＨ3とを、それぞれ１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２リットル／ｍｉｎの流量で第１の層１１上に導入し、ＡｌＮからなる第２の層１２を第１の層１１上にエピタキシャル成長させる。そして、この第１の層１１および第２の層１２の成長を例えば８回繰り返すことで、８層の複合層１０からなるバッファ層３を形成する。ここで、第１の層１１および第２の層１２の層厚は、それぞれ２００ｎｍ、２０ｎｍとする。
【００５２】
このバッファ層３の形成工程では、転位密度と（１０２）半値全幅とがそれぞれ上述した所望の範囲内の値となるように、さらに成長時圧力が制御される。図１４および図１５は、それぞれ成長時圧力と転位密度との対応関係、および成長時圧力と（１０２）半値全幅との対応関係を実測して導出した結果を示すグラフである。これらの図に示す結果から、バッファ層３の成長時圧力を低減することによって、転位密度および（１０２）半値全幅が増加することがわかる。バッファ層３の形成工程では、この特性を利用し、成長時圧力を制御することによって、バッファ層３の転位密度と（１０２）半値全幅とを制御するようにしている。なお、バッファ層３の成長時圧力は、１００Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。
【００５３】
つぎに、ＴＭＧａとＮＨ3とを、それぞれ５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２リットル／ｍｉｎの流量でバッファ層３上に導入するとともに、Ｃｐ２Ｍｇ（bis-cyclopentadienyl Mg）を導入し、半導体動作層４となるｐ−ＧａＮ層をバッファ層３上にエピタキシャル成長させる。このとき、Ｃｐ２Ｍｇの流量を調整してＭｇ濃度を５×１０16ｃｍ-3とする。
【００５４】
なお、ここまでの各層の形成工程では、成長温度は１０５０℃とされる。また、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａおよびＮＨ3の導入に用いるキャリアガスには１００％の水素ガスが利用される。
【００５５】
つぎに、バッファ層３上に形成されたｐ−ＧａＮ層に対し、イオン注入（Ion Implantation）によってＳｉを添加する。その際、Ｓｉの打ち込み深さは、３００±１００ｎｍ程度とし、Ｓｉ濃度は、リサーフ層４ｂに対応する領域では１×１０17ｃｍ-3、コンタクト層４ｃ，４ｄに対応する領域では１×１０20ｃｍ-3とする。その後、温度１２００℃で活性化アニールを１分間行う。これによって、バッファ層３上に、ｐ型半導体層４ａ、リサーフ層４ｂおよびコンタクト層４ｃ，４ｄを備えた半導体動作層４が形成される。
【００５６】
つぎに、ＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法によって半導体動作層４上に、例えばＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3からなる酸化膜を５０〜１００ｎｍの厚さに成膜し、フォトリソグラフィと、緩衝弗酸によるエッチングとによってゲート絶縁膜５Ｇａを形成する。その後、リフトオフ法によってコンタクト層４ｃ，４ｄ上に、例えばＴｉ／ＡｌまたはＴｉ／ＡｌＳｉ／Ｍｏからなる金属膜を成膜し、６００℃の熱処理を１０分間行うことで、オーミック電極としてのソース電極５Ｓおよびドレイン電極５Ｄを形成する。さらに、リフトオフ法によってゲート絶縁膜５Ｇａ上に、例えばＮｉ／ＡｕまたはＷＳｉからなる金属膜を成膜してゲート電極５Ｇｂを形成する。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態にかかる電界効果トランジスタ１００では、バッファ層３の転位密度を、転位密度に対する体積抵抗率が極大値近傍となる密度値とし、具体的には２．０×１０8ｃｍ-2以上、７．０×１０10ｃｍ-2以下としている。また、バッファ層３の（１０２）面に対するＸ線ロッキングカーブの半値幅を、この半値幅に対する体積抵抗率が極大値となる幅値とし、具体的には、（１０２）半値全幅を３００秒以上、２７００秒以下としている。さらに、バッファ層３の（１０２）／（００２）半値幅比を１．２以上とし、らせん転位密度比を０．１２以下としている。また、バッファ層３の不純物濃度としてのＭｇ濃度を１×１０16ｃｍ-3以上、１×１０17ｃｍ-3以下としている。これによって、電界効果トランジスタ１００では、しきい値電圧を増大させることなくバッファ層３を高抵抗化して素子を高耐圧化することができ、具体的には、バッファ層３の体積抵抗率を約１．０×１０5Ωｃｍ以上の高抵抗とすることができ、耐圧を４００Ｖ以上の高耐圧にすることができる。また、一般に電界効果トランジスタ等の半導体素子を制御する上で好適な３±１Ｖ程度のしきい値電圧を得ることができる。
【００５８】
ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態として説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。
【００５９】
例えば、上述した実施の形態では、バッファ層２，３および半導体動作層４は、窒化物系化合物半導体、特にＧａＮ系化合物半導体を用いて形成されるものとして説明したが、窒化物系およびＧａＮ系に限定して解釈する必要はなく、他の化合物半導体を用いて形成されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体素子の構成を示す断面図である。
【図２】バッファ層の転位密度と体積抵抗率との対応関係を示すグラフである。
【図３】バッファ層の（１０２）半値全幅と体積抵抗率との対応関係を示すグラフである。
【図４−１】六方晶におけるミラー指数（１０２）の結晶面を示す図である。
【図４−２】六方晶におけるミラー指数（００２）の結晶面を示す図である。
【図５−１】バッファ層に形成される貫通転位の構造を説明する斜視図である。
【図５−２】バッファ層に形成される貫通転位の構造を説明する正面図である。
【図５−３】バッファ層に形成される貫通転位の構造を説明する平面図である。
【図６】バッファ層の（１０２）／（００２）半値幅比と体積抵抗率との対応関係を示すグラフである。
【図７】図６に示した結果の数値データを示す図である。
【図８】バッファ層のらせん転位密度比と体積抵抗率との対応関係を示すグラフである。
【図９】バッファ層の転位密度に対するしきい値電圧の関係を示すグラフである。
【図１０】バッファ層のＭｇ濃度に対するしきい値電圧の関係を示すグラフである。
【図１１】バッファ層の転位密度と耐圧との対応関係を示すグラフである。
【図１２】バッファ層の（１０２）半値全幅と耐圧との対応関係を示すグラフである。
【図１３】バッファ層のらせん転位密度比と耐圧との対応関係を示すグラフである。
【図１４】バッファ層の成長時圧力と転位密度との対応関係を示すグラフである。
【図１５】バッファ層の成長時圧力と（１０２）半値全幅との対応関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１    基板
２，３    バッファ層
４    半導体動作層
４ａ    チャネル層
４ｂ    リサーフ層
４ｃ，４ｄ    コンタクト層
４ｅ    反転層
５Ｄ    ドレイン電極
５Ｇ    絶縁ゲート
５Ｇａ    ゲート絶縁膜
５Ｇｂ    ゲート電極
５Ｓ    ソース電極
１０    複合層
１１    第１の層
１２    第２の層
１００    電界効果トランジスタ
ＨＸ，Ｈ１〜Ｈ７    六方晶
【図１】
2008205221.tif 000003
【図２】
2008205221.tif 000004
【図３】
2008205221.tif 000005
【図４−１】
2008205221.tif 000006
【図４−２】
2008205221.tif 000007
【図５−１】
2008205221.tif 000008
【図５−２】
2008205221.tif 000009
【図５−３】
2008205221.tif 000010
【図６】
2008205221.tif 000011
【図７】
2008205221.tif 000012
【図８】
2008205221.tif 000013
【図９】
2008205221.tif 000014
【図１０】
2008205221.tif 000015
【図１１】
2008205221.tif 000016
【図１２】
2008205221.tif 000017
【図１３】
2008205221.tif 000018
【図１４】
2008205221.tif 000019
【図１５】
2008205221.tif 000020