(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上に設けられたＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に設けられ、不純物を含む第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１のＡｌＧａＮ層上に直接設けられたＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層上に設けられた第２のＡｌＧａＮ層と、
を備え、
前記ＧａＮ層の厚さは、前記第１のＡｌＧａＮ層の厚さの１０倍以上であり、
前記不純物の濃度は、前記第１のＡｌＧａＮ層の格子定数を、前記第１のＡｌＧａＮ層と同じＡｌ組成であるバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする大きさであり、
前記第１のＡｌＧａＮ層は、前記バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数よりもバルクＧａＮ結晶に近い格子定数を有する、
窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記不純物は、ｎ型不純物及びｐ型不純物の双方を含み、
前記ｎ型不純物の濃度と前記ｐ型不純物の濃度との総和が、前記第１のＡｌＧａＮ層の格子定数を前記バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数とは異なるものとする大きさである、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記ｎ型不純物はＳｉであり、
前記ｐ型不純物はＣである、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記不純物は、前記第１のＡｌＧａＮ層を半絶縁性に維持する物質を含む、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記ＧａＮ層と前記第１のＡｌＧａＮ層との界面における前記ＧａＮ層の格子定数と、前記ＧａＮ層と前記第２のＡｌＧａＮ層との界面における前記ＧａＮ層の格子定数とは、実質的に等しい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、１０％以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記格子定数はａ軸についてのものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
ＳｉＣ基板上にＡｌＮ層を成長する工程と、
前記ＡｌＮ層上に第１のＡｌＧａＮ層を成長する工程と、
前記第１のＡｌＧａＮ層の直上に、前記第１のＡｌＧａＮ層の厚さの１０倍以上の厚さを有するＧａＮ層を成長する工程と、
前記ＧａＮ層上に第２のＡｌＧａＮ層を成長する工程と、
を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層を成長する工程は、前記第２のＡｌＧａＮ層を成長する工程よりも低圧力に設定されており、前記第１のＡｌＧａＮ層をｎ型にするｎ型不純物を供給し、不純物を含む前記第１のＡｌＧａＮ層を成長し、
前記第１のＡｌＧａＮ層には、前記第１のＡｌＧａＮ層の格子定数を前記第１のＡｌＧａＮ層と同じＡｌ組成であるバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする濃度の前記不純物が含まれ、
前記第１のＡｌＧａＮ層は、前記バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数よりもバルクＧａＮ結晶に近い格子定数を有する、
窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ｎ型不純物の原料は、ＳｉＨ４である、請求項９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記格子定数は、ａ軸についてのものである、請求項９又は１０に記載の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、窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた窒化物半導体装置として、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が知られている。このＨＥＭＴは、例えば結晶成長用基板上に順にエピタキシャル成長した、バッファ層、電子走行層及び障壁層を有している。例えば、下記特許文献１には、ＳｉＣ基板上に順番に積層されるＡｌＮ層、厚さ方向に沿ってＡｌの組成が変化するグレーテッドＡｌＧａＮ層、及びＧａＮ層を備えるＨＥＭＴが記載されている。このようなＨＥＭＴでは、ＧａＮ層内の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を利用することによって、高電子移動度を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０１４２号公報
【特許文献２】特開２００８−２５８４１９号公報
【特許文献３】特開２００８−２０５１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載されるようなＨＥＭＴにおいては、ＧａＮ層の結晶欠陥に起因した高周波特性の低下を抑制するために、ＡｌＮ層とＧａＮ層との間にＡｌＧａＮ層が設けられている。しかしながら、ＡｌＧａＮ層が設けられることによって、当該ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面に格子不連続が生じにくいことがある。この場合、ＧａＮ層は、ＡｌＧａＮ層の格子定数を維持したまま成長し、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との格子定数との差に起因した圧縮応力歪を内在した状態となる。これにより例えばＨＥＭＴにおいては、ＧａＮ層内の電荷分布が変化して、二次元電子の濃度が低下してしまうことがあった。
【０００５】
本発明は、高周波特性の低下と、内在する圧縮応力歪との両方を抑制可能である窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法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】
本発明の一形態に係る窒化物半導体装置は、ＳｉＣ基板と、ＳｉＣ基板上に設けられたＡｌＮ層と、ＡｌＮ層上に設けられ、不純物を含む第１のＡｌＧａＮ層と、第１のＡｌＧａＮ層上に設けられたＧａＮ層と、ＧａＮ層上に設けられた第２のＡｌＧａＮ層と、を備え、不純物の濃度は、第１のＡｌＧａＮ層の格子定数をバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする大きさであり、第１のＡｌＧａＮ層は、バルクＡｌＧａＮ結晶よりもバルクＧａＮ結晶に近い格子定数を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高周波特性の低下と、内在する圧縮応力歪との両方を抑制可能である窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図４】図４は、理想的なＨＥＭＴを構成する半導体層の電子状態及びバンド図を示す図である。
【図５】図５は、比較例に係るＨＥＭＴを構成する半導体層の電子状態及びバンド図を示す図である。
【図６】図６は、ゲートリーク電流の測定結果を示す図である。
【図７】図７は、過入力試験のために用いられる逆Ｆ級増幅器の等価回路を示す図である。
【図８】図８は、逆Ｆ級増幅器において、理想的なトランジスタ特性と、逆Ｆ級増幅器の最大出力電力が実現される場合のドレイン電流Ｉｄ及びドレイン電圧Ｖｄの波形とを示す図である。
【図９】図９は、過入力試験にて逆Ｆ級増幅器を動作させたときのドレイン電圧波形を示す図である。
【図１０】図１０は、過入力試験におけるドレイン電流の変化率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る窒化物半導体装置の一例である高電子移動度トランジスタ（以下、「ＨＥＭＴ」とする）を示す断面図である。図１に示すように、ＨＥＭＴ１は、ＳｉＣ基板２、ＡｌＮ層３、第１のＡｌＧａＮ層４、ＧａＮ層５、第２のＡｌＧａＮ層６、ソース７、ドレイン８、ゲート９、及び保護膜１０を備えている。ＨＥＭＴ１は、ＳｉＣ基板２上にＡｌＮ層３、第１のＡｌＧａＮ層４、ＧａＮ層５、及び第２のＡｌＧａＮ層６をこの順に有している。
【００１１】
ＳｉＣ基板２は、半絶縁性である。ＡｌＮ層３は、ＧａＮ層５に対するバッファ層及びシード層として機能し、ＳｉＣ基板２の表面２ａからエピタキシャル成長した層である。ＡｌＮ層３の厚さは、例えば１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。本実施形態におけるＡｌＮ層３の厚さは２０ｎｍ以下に設定されているので、ＳｉＣ基板２上に設けるＡｌＮ層３は、連続した層ではなく、複数の島状になる場合がある。ここで「連続した層」とはその厚さ方向に一様に分布した状態を言う。
【００１２】
第１のＡｌＧａＮ層４は、ＧａＮ層５に対するバッファ層及びシード層として機能する層である。第１のＡｌＧａＮ層４は、ＡｌＮ層３上にエピタキシャル成長した層である。第１のＡｌＧａＮ層４の厚さは、例えば２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、ＡｌＮ層３を埋め込み連続した層を有している。また、第１のＡｌＧａＮ層４のＡｌ（アルミニウム）の組成（原子％）は、例えば０％より大きく１０％以下である。第１のＡｌＧａＮ層４のＡｌ組成は、５％以下でもよい。これらの場合、第１のＡｌＧａＮ層４とＡｌＮ層３との界面で格子不連続（格子不整合）が生じ、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数は、ＡｌＮ層３の格子定数と異なる。
【００１３】
第１のＡｌＧａＮ層４は、高抵抗層であるが、不純物を含んでいる。具体的には、第１のＡｌＧａＮ層４には、ｎ型不純物（ドナー）と、ｐ型不純物（アクセプタ）との両方が含まれている。この場合、ｎ型不純物とｐ型不純物とが互いにキャリアを相殺することによって、第１のＡｌＧａＮ層４は、高抵抗層となる。これにより、ＨＥＭＴ１のピンチオフ特性の低下、及び高周波特性の低下を抑制できる。ｎ型不純物は、例えばＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ホウ素）、又はＯ（酸素）等である。ｐ型不純物は、例えばＣ（炭素）、Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）、Ｍｇ（マグネシウム）、又はＺｎ（亜鉛）である。
【００１４】
上記不純物の濃度は、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数をバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする量である。第１のＡｌＧａＮ層４内の不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３以上である。上述したように、第１のＡｌＧａＮ層４とＡｌＮ層３の界面で格子不連続が生じ、且つ、第１のＡｌＧａＮ層４に上記不純物が添加されている。これにより、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数は、バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数よりも当該第１のＡｌＧａＮ層４上に設けるＧａＮ層５の格子定数に近いものとなる。特に、第１のＡｌＧａＮ層４のａ軸の格子定数が、バルクＡｌＧａＮ結晶のａ軸の格子定数よりもバルクＧａＮ結晶のａ軸の格子定数（０．３１８９ｎｍ）に近い値となる。なお、本明細書において、バルクＡｌＧａＮ結晶は、本質的にＡｌ、Ｇａ、及びＮのみからなる結晶と規定する。
【００１５】
第１のＡｌＧａＮ層４にｎ型不純物とｐ型不純物との両方が含まれる場合、第１のＡｌＧａＮ層４内において、ｎ型不純物の濃度とｐ型不純物の濃度とのそれぞれは、少なくとも２×１０１７ｃｍ−３以上である。加えて、ｎ型不純物の濃度とｐ型不純物の濃度との総和は、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数をＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする大きさ（５×１０１７ｃｍ−３以上）である。
【００１６】
ＧａＮ層５は、チャネル層として機能し、第１のＡｌＧａＮ層４上にエピタキシャル成長した層である。ＧａＮ層５は、濡れ性の問題があり、ＳｉＣ基板２上に直接成長できない。このため、ＧａＮ層５は、ＡｌＮ層３および第１のＡｌＧａＮ層４を介して成長している。ＧａＮ層５の厚さは、例えば５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。この場合、ＧａＮ層５の成長表面の平坦性が良好になる。ＧａＮ層５と第１のＡｌＧａＮ層４との界面では、格子不連続が生じていない。ＧａＮ層５の第１のＡｌＧａＮ層４の界面における格子定数は、バルクＧａＮ結晶の格子定数と実質的に等しい。通常、異種半導体層同士の界面（ヘテロ接合）では、接合にあずかる二つの層それぞれで格子定数の相違に起因する格子不整合が生じ、圧縮応力あるいは引っ張り応力が誘起され、厚い層を形成することが不可能である。しかしながら、本実施形態に係る接合では、下地となる第１のＡｌＧａＮ層４に不純物が添加されており、かつその総量が、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数をバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする量に及んでいる。このため、第１のＡｌＧａＮ層４とＧａＮ層５との異種接合界面（特に第１のＡｌＧａＮ層４の界面近傍）は、ＧａＮ層５を成長する時点において、その格子定数をＧａＮ層５の格子定数に近い値となる程度に歪んでいる。その結果、ＧａＮ層５の成長表面の格子定数は、第１のＡｌＧａＮ層４との界面における格子定数と実質的に等しい。換言すると、ＧａＮ層５全体の格子定数は、バルクＧａＮ結晶の格子定数と実質的に等しい。第１のＡｌＧａＮ層４は、ＡｌＮ層３の界面側でＡｌＮ層３の格子定数に近い値を有し、ＧａＮ層５の界面側でバルクＧａＮ結晶の格子定数に近い値となっている。なお、本明細書において、ＡとＢとが実質的に等しいことは、ＡとＢとの差が５％以下であることと定義する。
【００１７】
第２のＡｌＧａＮ層６は、バリア層として機能し、ＧａＮ層５上にエピタキシャル成長した層である。ＧａＮ層５と第２のＡｌＧａＮ層６との間にその格子定数の相違から歪が生じ、この歪が両者の界面にピエゾ電荷を誘起する。第２のＡｌＧａＮ層６の厚さは、例えば１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。第２のＡｌＧａＮ層６は、ｎ型化していてもよい。この場合、第２のＡｌＧａＮ層６に含まれるドナーに起因する電子が、上記ピエゾ電荷に重畳されて両者の界面に生じ、チャネルが形成される。第２のＡｌＧａＮ層６は、インジウム（Ｉｎ）を含んでもよい。
【００１８】
ソース７及びドレイン８のそれぞれは、第２のＡｌＧａＮ層６上に接している。ソース７及びドレイン８のそれぞれは、オーミック電極であり、例えばチタン（Ｔｉ）層とアルミニウム（Ａｌ）層との積層構造を有する。この場合、チタン層が、第２のＡｌＧａＮ層６に接触する。
【００１９】
ゲート９は、第２のＡｌＧａＮ層６に接しており、ソース７とドレイン８との間に設けられている。ゲート９は、例えばニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層との積層構造を有する。
【００２０】
保護膜１０は、第２のＡｌＧａＮ層６等を保護する膜であり、第２のＡｌＧａＮ層６を覆っている。保護膜１０は、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜である。
【００２１】
このようなＨＥＭＴ１においては、ＧａＮ層５と第２のＡｌＧａＮ層６との界面であってＧａＮ層５側に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じ、チャネル領域１１が形成される。
【００２２】
次に、図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）を用いながら、本実施形態に係る窒化半導体装置の一例であるＨＥＭＴ１の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法を説明する図である。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、第１ステップとして、ＳｉＣ基板２上に、例えば有機金属気相成長法（以下、ＯＭＶＰＥ（Organo-Metallic  Vapor  Phase  Epitaxy）法とする）によってＡｌＮ層３を成長する。ＡｌＮ層３の原料は、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ３）である。ＡｌＮ層３の成長温度は例えば１０８０℃に設定され、成長圧力は例えば１５．０ｋＰａである。なお、成長温度及び成長圧力は、ＳｉＣ基板２が収容されているチャンバ内の温度及び圧力である。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、第２ステップとして、例えばＯＭＶＰＥ法によって、ＡｌＮ層３上に第１のＡｌＧａＮ層４を成長する。Ａｌ組成、厚さはそれぞれ５％、５０ｎｍである。第１のＡｌＧａＮ層４の原料は、例えばＴＭＡ、ＮＨ３、及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）である。第１のＡｌＧａＮ層４の成長温度は、ＡｌＮ層３の成長温度と同一である。一方、第１のＡｌＧａＮ層４の成長圧力は、ＡｌＮ層３の成長圧力よりも低く設定され、例えば１０．０ｋＰａである。これにより、第１のＡｌＧａＮ層４の成長時にＴＭＧの取り込みを加速させ、ＡｌＧａＮ中でｐ型ドーパントとして機能する炭素（Ｃ）を第１のＡｌＧａＮ層４に添加する。第２ステップでは、第１のＡｌＧａＮ層４中のＣ濃度［Ｃ］を、例えば３×１０１７ｃｍ−３以上とする条件で第１のＡｌＧａＮ層４を成長する。
【００２５】
第２ステップにおいては、第１のＡｌＧａＮ層４の原料に加えて、ｎ型ドーパントであるシラン（ＳｉＨ４）を用いる。これにより、ｎ型ドーパントのシリコン（Ｓｉ）を第１のＡｌＧａＮ層４に添加する。Ｓｉ濃度［Ｓｉ］を、例えば２×１０１７ｃｍ−３以上とする条件で第１のＡｌＧａＮ層４を成長する。これにより、第１のＡｌＧａＮ層４には、当該第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数を、バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数とは異なるものとする５×１０１７ｃｍ−３以上の不純物（Ｃ及びＳｉ）が含まれる。なお、Ｓｉをドーピングした第１のＡｌＧａＮ層４は、高抵抗層になっている。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、第３ステップとして、例えばＯＭＶＰＥ法によって、第１のＡｌＧａＮ層４上にＧａＮ層５を成長する。第３ステップにおいては、厚さ５００ｎｍのＧａＮ層５を形成する。ＧａＮ層５の原料は、例えばＴＭＧ及びＮＨ３である。ＧａＮ層５の成長温度及び成長圧力は、ＡｌＮ層３の成長温度及び成長圧力と同一である。ＧａＮ層５の成長速度は、例えば０．４ｎｍ／ｓｅｃであり、ＧａＮ層５と第１のＡｌＧａＮ層４との間に格子不連続が生じない速度である。したがって、ＧａＮ層５の格子定数は第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数と実質的に等しくなる。
【００２７】
次に、図３（ａ）に示すように、第４ステップとして、ＯＭＶＰＥ法によって、ＧａＮ層５上に第２のＡｌＧａＮ層６を成長する。Ａｌ組成２５％、厚さ２０ｎｍの第２のＡｌＧａＮ層６を形成する。第２のＡｌＧａＮ層６の原料は、例えばＴＭＡ、ＴＭＧ、及びＮＨ３である。第２のＡｌＧａＮ層６の成長温度は、１０５０℃に、第２のＡｌＧａＮ層６の成長圧力は、１３．３ｋＰａに、それぞれ設定する。したがって、第２のＡｌＧａＮ層６の成長圧力（１３．３ｋＰａ）は、第１のＡｌＧａＮ層４の成長圧力（１０．０ｋＰａ）よりも高い。第２のＡｌＧａＮ層６を成長することにより、ＧａＮ層との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じ、チャネル領域１１が形成される。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、第５ステップとして、第２のＡｌＧａＮ層６上に、ソース７及びドレイン８をレジストパターニング、金属成膜、及びリフトオフ等により形成する。本実施形態では、ソース７及びドレイン８として、Ｔｉ層／Ａｌ層からなるオーミック電極を形成する。
【００２９】
そして、図３（ｃ）に示すように、第６ステップとして、第２のＡｌＧａＮ層６上にゲート９を形成する。その後、保護膜１０を形成することによって、図１に示すＨＥＭＴ１を製造する。なお、本実施形態では、ゲート９としてＮｉ層／Ａｕ層の多層金属を採用し、保護膜１０として窒化ケイ素膜（ＳｉＮ膜）を採用する。
【００３０】
以下では、図４に示す理想的なＨＥＭＴを構成する半導体層の電子状態及びバンド図と、図５に示す比較例に係るＨＥＭＴを構成する半導体層の電子状態及びバンド図を参照して、本実施形態に係るＨＥＭＴ１の作用効果を説明する。図４は、理想的なＨＥＭＴを構成する半導体層の電子状態及びバンド図を示す。図５は、比較例に係るＨＥＭＴを構成する半導体層の電子状態及びバンド図を示す。
【００３１】
図４に示す各層は、第１のＡｌＧａＮ層２１、ＧａＮ層２２、第２のＡｌＧａＮ層２３である。第１のＡｌＧａＮ層２１、ＧａＮ層２２、及び第２のＡｌＧａＮ層２３のそれぞれは、不純物を含まずかつそれぞれバルクの格子定数を有する半導体層である。一般に、ＧａＮ層２２と第２のＡｌＧａＮ層２３とによって形成される２ＤＥＧを利用したＨＥＭＴは、大きなピエゾ電荷を有するため、ＧａＡｓを用いたＨＥＭＴよりも大電流を流すことができる。ピエゾ電荷の量は、ＧａＮ系半導体層に誘起される応力に依存している。
【００３２】
通常、ＧａＮ系半導体を気相成長すると、その成長表面はＧａ原子（ＩＩＩ族原子）が析出する。Ｎ原子（Ｖ族原子）は一般に蒸気圧が高く容易に活性化し、成長表面では安定化されないためである。また、バルクＧａＮ結晶とバルクＡｌＧａＮ結晶とでは前者の格子定数が大きく、したがって、ＧａＮ層２２と第２のＡｌＧａＮ層２３との界面近傍では、ＧａＮ層２２の格子定数がバルクＧａＮ結晶のそれよりも小さく、第２のＡｌＧａＮ層２３側ではバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数よりも大きくなる。その結果、上記界面近傍の第２のＡｌＧａＮ層２３側、ＧａＮ層２２側には大きな内部応力が誘起する。また、ピエゾ分極係数はＡｌＧａＮの方が大きいため、ＧａＮ層２２よりも多くのピエゾ電荷が第２のＡｌＧａＮ層２３に生じている。ＧａＮ層２２及び第２のＡｌＧａＮ層２３のそれぞれにおいて、図４に示すように電荷が誘起する。ＧａＮ層２２に発生する電荷の数と、第２のＡｌＧａＮ層２３に発生する電荷の数との違いに起因して、ＧａＮ層２２と第２のＡｌＧａＮ層２３との界面には強い正の電荷が生じ、その結果、ＧａＮ層２２の当該界面近傍に高濃度の二次元電子が発生する。このような理想的なＨＥＭＴを構成する半導体層のバンド図は、図４に示すものとなる。
【００３３】
図５に示す比較例も、第１のＡｌＧａＮ層３１、ＧａＮ層３２、第２のＡｌＧａＮ層３３を含む。第１のＡｌＧａＮ層３１、ＧａＮ層３２、及び第２のＡｌＧａＮ層３３のそれぞれは、不純物を含んでいない。また、第１のＡｌＧａＮ層３１の格子定数は、バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と略同一であり、ＧａＮ層３２は、第１のＡｌＧａＮ層３１に対して実質的に格子不連続を生じることなく成長している。このため、ＧａＮ層３２の格子定数は、バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と略同一である。
【００３４】
ＧａＮ層３２の格子定数がバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と略同一ということは、すなわち、ＧａＮ層３２の格子定数は、バルクＧａＮ結晶の格子定数とは異なることを意味する。バルクＧａＮ結晶の格子定数はａ軸に平行（ｃ軸に垂直）な方向で０．３１８９（ｎｍ）であり、バルクＡｌｘＧａ１−ｘＮ結晶のそれは０．３１８９−０．００７９×ｘ（ｎｍ）である。すなわち、バルクＧａＮ結晶とバルクＡｌＮ結晶を比較してもその差は２．５％程度しかない。バルクＧａＮ結晶とバルクＡｌＧａＮ結晶との差はさらに小さくなる。その様な格子定数の差しかない材料は、格子定数の偏差を維持したまま容易に異種物質上にエピタキシャル成長可能である。すなわち、第１のＡｌＧａＮ層３１の格子定数に実質整合した状態で、第１のＡｌＧａＮ層３１上にＧａＮ層３２を成長することは可能である。このＧａＮ層３２上に第２のＡｌＧａＮ層３３を成長し、ＧａＮ層３２と第２のＡｌＧａＮ層３３との界面にピエゾ電荷を誘起する場合、ＧａＮ層３２の格子定数が第１のＡｌＧａＮ層３１のそれに近いため、ＧａＮ層３２と第２のＡｌＧａＮ層３３との間の格子不整合が緩和されてしまう。すなわち、ＧａＮ層３２と第２のＡｌＧａＮ層３３との界面に誘起されるピエゾ電荷の数は、図５に示すように、図４に示すものより少なくなる。このため、比較例における半導体層のバンド図３４と、破線で示されるバンド図２４との違いからも推察されるように、二次元電子濃度が低下してしまう。
【００３５】
これに対して、本実施形態に係る製造方法によるＨＥＭＴ１では、第１のＡｌＧａＮ層４は、当該第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数をバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数とは異なるものとする量の不純物を含んでおり、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数は、バルクＡｌＧａＮ結晶よりもバルクＧａＮ結晶に近い値とされている。これにより、ＧａＮ層５と第１のＡｌＧａＮ層４との界面に格子不連続が実質的に生じず、ＧａＮ層５の格子定数とバルクＧａＮ結晶の格子定数との差が小さくなっている。このため、ＧａＮ層５と第２のＡｌＧａＮ層６との間の格子不整合が大きくなり、比較例よりもピエゾ電荷の誘起量が多く、十分な二次元電子濃度を得ることができる。
【００３６】
第１のＡｌＧａＮ層４に上記量の不純物が含まれていることにより、第１のＡｌＧａＮ層４が歪みやすくなっている。このため、ＧａＮ層５には不純物が殆ど含まれない場合、ＧａＮ層５の格子定数は、バルクＧａＮ結晶の格子定数を保つ一方で、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数は、バルクＡｌＧａＮ結晶よりもＧａＮ層５に近くなるように歪む。これにより、第１のＡｌＧａＮ層４とＧａＮ層５との格子定数差に起因する応力が緩和される。ＧａＮ層５の厚さが第１のＡｌＧａＮ層４の厚さよりも十分に大きい場合（例えば、ＧａＮ層５の厚さが第１のＡｌＧａＮ層４の厚さの１０倍以上である場合）、ＧａＮ層５の格子定数が変化しにくく、第１のＡｌＧａＮ層４の上記歪みが発生しやすくなる。
【００３７】
加えて、ＡｌＮ層３とＧａＮ層５との間には、第１のＡｌＧａＮ層４が設けられている。第１のＡｌＧａＮ層４は連続した層形状を有しているので、ＳｉＣとＡｌＧａＮとの格子定数の差に起因したＧａＮ層５の結晶欠陥の発生が低減する。このため、当該結晶欠陥に起因した電子トラップが減少するので、ＨＥＭＴ１の高周波特性の低下を抑制できる。
【００３８】
なお、ＨＥＭＴにおいてＡｌＮ層とＧａＮ層との間にＡｌＧａＮ層が設けられる場合、このＡｌＧａＮ層を介するゲートリーク電流が増加する傾向にある。これに対して、本実施形態の第１のＡｌＧａＮ層４は、不純物が添加されていたとしても高抵抗化されている。このため、第１のＡｌＧａＮ層４は、ｎ型又はｐ型のＡｌＧａＮ層と比較して導電性が低く、ｎ型又はｐ型のＡｌＧａＮ層が用いられる場合と比較して、ＨＥＭＴ１のゲートリーク電流を抑制できる。
【００３９】
また、第１のＡｌＧａＮ層４は、ｎ型不純物及びｐ型不純物を含み、ｎ型不純物の濃度とｐ型不純物の濃度との総和が、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数をバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとする大きさである。この場合、第１のＡｌＧａＮ層４の格子定数をバルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数と異なるものとし、第１のＡｌＧａＮ層４を高抵抗にすることができる。これにより、第１のＡｌＧａＮ層４を介するゲートリーク電流の増加をより良好に抑制できる。
【００４０】
また、ｎ型不純物はＳｉであり、ｐ型不純物はＣであってもよい。この場合、第１のＡｌＧａＮ層４に容易に不純物を添加（ドープ）することができる。
【００４１】
また、ＧａＮ層５と第１のＡｌＧａＮ層４との界面におけるＧａＮ層５の格子定数と、ＧａＮ層５と第２のＡｌＧａＮ層６との界面におけるＧａＮ層５の格子定数とは、実質的に等しくてもよい。ＧａＮ層が十分な厚さを有する場合、第１のＡｌＧａＮ層から離間するにつれてＧａＮ層の格子定数がバルクＧａＮ結晶の格子定数に近づく傾向にある。この場合、ＧａＮ層に内在する残留歪が低減する。これに対して、ＧａＮ層が十分な厚さを有さない場合、換言すると上記のＧａＮ層５を備えるＨＥＭＴ１においては、ＧａＮ層５の格子定数はバルクＧａＮ結晶の格子定数に実質等しいため、残留歪は本来的に存在せず、第１のＡｌＧａＮ層４を適用することによる上記作用効果を期待することができる。
【００４２】
また、第１のＡｌＧａＮ層４のＡｌ組成は、１０％以下であってよい。この場合、第１のＡｌＧａＮ層４とＡｌＮ層３との間に格子不連続が生じやすくなり、且つ、第１のＡｌＧａＮ層４とＧａＮ層５との間に格子不連続が生じにくくなる。
【００４３】
また、ＨＥＭＴ１の製造方法において、第１のＡｌＧａＮ層４を成長する工程では、第２のＡｌＧａＮ層６を成長する工程よりも低い成長圧力に設定し、ｎ型不純物の原料を供給することによって、不純物が含まれる高抵抗の第１のＡｌＧａＮ層４を成長してもよい。この場合、不純物の原料に含まれるｎ型ドーパントと、ｐ型ドーパントとして機能する炭素（Ｃ）との両方を不純物として第１のＡｌＧａＮ層４に添加することができ、高抵抗の第１のＡｌＧａＮ層４を容易に成長できる。
【００４４】
また、ｎ型不純物の原料は、ＳｉＨ４であってもよい。この場合、ｎ型不純物となるＳｉを第１のＡｌＧａＮ層４に添加することができる。
【００４５】
本発明による窒化物半導体装置及びその製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば上記実施形態においては、第１のＡｌＧａＮ層４には、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとの両方が含まれているが、本発明はこれに限定されない。例えば、不純物は、ｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントのいずれでもなく、第１のＡｌＧａＮ層４を半絶縁性に維持する物質でもよい。この場合、第１のＡｌＧａＮ層４の導電率増加が好適に抑えられる。
【００４６】
上記実施形態において、ＨＥＭＴ１は、キャップ層を有してもよい。キャップ層は、例えば、第２のＡｌＧａＮ層６の表面上にエピタキシャル成長する。キャップ層の厚さは、例えば３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。キャップ層は、例えばＧａＮ層である。このＧａＮ層は、ｎ型化していてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態において、第１のＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量は一定でなくてもよい。例えば、第１のＡｌＧａＮ層４は、ＡｌＮ層３側でのＡｌの含有量は、ＧａＮ層５側の含有量よりも大きくてもよい。また、第１のＡｌＧａＮ層４は、インジウム（Ｉｎ）を含んでもよい。また、ｐ型不純物の原料を供給することによって、第１のＡｌＧａＮ層４にｐ型ドーパントを含ませてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では窒化物半導体装置としてＨＥＭＴが説明されているが、本発明はＨＥＭＴ以外の窒化物半導体装置にも適用できる。
【実施例】
【００４９】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。なお、下記実施例の説明においては、上記実施形態と重複する記載は省略する。
【００５０】
（実施例１）
実施例１として、図１に示されるＨＥＭＴ１を、上記実施形態にて説明した製造方法に沿って形成した。すなわち、実施例１では、ＳｉＣ基板上に、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層と、Ａｌ組成５％、厚さ５０ｎｍの第１のＡｌＧａＮ層と、厚さ５００ｎｍのＧａＮ層と、Ａｌ組成２５％、厚さ２０ｎｍの第２のＡｌＧａＮ層と、Ｔｉ層／Ａｌ層からなるオーミック電極であるソース及びドレインと、Ｎｉ層／Ａｕ層からなるゲート電極と、表面保護膜であるＳｉＮ膜とを有するＨＥＭＴを形成した。第１のＡｌＧａＮ層には、５×１０１６ｃｍ−３の不純物（Ｓｉ及びＣ）が含まれており、ＧａＮ層の格子定数は、第１のＡｌＧａＮ層の格子定数と実質的に同一であり、バルクＡｌＧａＮ結晶の格子定数よりも、バルクＧａＮ結晶の格子定数に近いものとなっている。また、第１のＡｌＧａＮ層の成長圧力を、第２のＡｌＧａＮ層の成長圧力よりも低く設定した。なお、ＨＥＭＴにおけるゲート長を０．３μｍに設定し、ソースとドレインとの間隔を３．０μｍに設定した。
【００５１】
（実施例２）
第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度の総量を１×１０１７ｃｍ−３と設定したこと以外は、実施例１と同様にして実施例２のＨＥＭＴを形成した。
【００５２】
（実施例３）
第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度の総量を５×１０１７ｃｍ−３と設定したこと以外は、実施例１と同様にして実施例３のＨＥＭＴを形成した。
【００５３】
（実施例４）
第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度の総量を１×１０１８ｃｍ−３と設定したこと以外は、実施例１と同様にして実施例４のＨＥＭＴを形成した。
【００５４】
（実施例５）
第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度の総量を５×１０１８ｃｍ−３と設定したこと以外は、実施例１と同様にして実施例５のＨＥＭＴを形成した。
【００５５】
（実施例６）
第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度の総量を１×１０１９ｃｍ−３と設定したこと以外は、実施例１と同様にして実施例６のＨＥＭＴを形成した。
【００５６】
（比較例１）
比較例１では、実施例１と異なり、第１のＡｌＧａＮ層が設けられていないＨＥＭＴを形成した。比較例１では、まず、実施例１と同様の成長条件にてＳｉＣ基板上に、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層を成長した。次に、ＯＭＶＰＥ法によって、ＡｌＮ層上に厚さ５００ｎｍのＧａＮ層を成長した。ＧａＮ層の成長温度及び成長圧力は、ＡｌＮ層の成長温度及び成長圧力と同一とした。次に、ＯＭＶＰＥ法によって、ＧａＮ層上に、Ａｌ組成２５％、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ層を成長した。ＡｌＧａＮ層の成長温度は１０５０℃に設定し、ＡｌＧａＮ層の成長圧力は１３．３ｋＰａに設定した。次に、レジストパターニング、金属成膜、及びリフトオフ技術を用いて、ＡｌＧａＮ層上にＴｉ層／Ａｌ層からなるオーミック電極であるソース及びドレインを形成すると共に、Ｎｉ層／Ａｕ層からなるゲート電極を形成した。そして、表面保護膜としてＳｉＮ膜を形成することによって、比較例１のＨＥＭＴを形成した。
【００５７】
（比較例２）
比較例２では、実施例１と異なり、不純物が含まれていない第１のＡｌＧａＮ層を有するＨＥＭＴを形成した。比較例２では、まず、実施例１と同様の成長条件にてＳｉＣ基板上に、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層を成長した。次に、ＯＭＶＰＥ法によって、ＡｌＮ層上にＡｌ組成５％、厚さ２０ｎｍの第１のＡｌＧａＮ層を成長した。第１のＡｌＧａＮ層の成長温度及び成長圧力は、ＡｌＮ層の成長温度及び成長圧力と同一とした。すなわち、第１のＡｌＧａＮ層の成長温度は、１５．０ｋＰａとした。次に、実施例１と同様の条件にて、第１のＡｌＧａＮ層上に厚さ５００ｎｍのＧａＮ層を成長し、このＧａＮ層上に、Ａｌ組成２５％、厚さ２０ｎｍの第２のＡｌＧａＮ層を成長した。次に、レジストパターニング、金属成膜、及びリフトオフ技術を用いて、ＡｌＧａＮ層上にＴｉ層／Ａｌ層からなるオーミック電極であるソース及びドレインを形成し、さらに、Ｎｉ層／Ａｕ層からなるゲート電極を形成した。そして、表面保護膜としてＳｉＮ膜を形成することによって、比較例２のＨＥＭＴを形成した。なお、比較例２におけるＧａＮ層の成長速度は０．４ｎｍ／ｓｅｃであり、ＧａＮ層と第１のＡｌＧａＮ層との間に格子不連続が生じない速度とした。したがって、比較例２においては、ＧａＮ層の格子定数が第１のＡｌＧａＮ層の格子定数と実質的に等しい。
【００５８】
（ゲートリーク電流測定）
実施例１〜６と、比較例１，２とのそれぞれのＨＥＭＴにおけるゲート・ドレイン間に５０Ｖの電圧を印加し、ゲートリーク電流を測定した。図６は、ゲートリーク電流の測定結果を示す。図６において、縦軸はゲートリーク電流値を示し、横軸は第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度の総量を示している。また、図６において、丸で表記されるプロット４１〜４６は実施例１〜６の測定結果をそれぞれ示し、菱形で表記されるプロット４７は比較例１の測定結果を示し、四角で表記されるプロット４８は比較例２の測定結果を示している。
【００５９】
図６に示すように、第１のＡｌＧａＮ層を備えない比較例１のゲートリーク電流は、１×１０−６Ａ／ｍｍ（１μＡ／ｍｍ）であった。また、不純物を含んでいない第１のＡｌＧａＮ層を備える比較例２のゲートリーク電流は、５×１０−５Ａ／ｍｍ（５０μＡ／ｍｍ）であった。これらの結果より、第１のＡｌＧａＮ層を有する比較例２のゲートリーク電流は、第１のＡｌＧａＮ層を有しない比較例１のゲートリーク電流よりも大きい傾向にあることが示された。
【００６０】
また、実施例１〜６においては、第１のＡｌＧａＮ層の不純物濃度の増加に伴って、ゲートリーク電流が減少している。実施例３のゲートリーク電流は、２×１０−６Ａ／ｍｍ（２μＡ／ｍｍ）であり、比較例１のゲートリーク電流とほぼ変わらなかった。また、実施例４〜６のゲートリーク電流は、実施例３とほぼ変わらなかった。これらの結果より、第１のＡｌＧａＮ層に対して、高抵抗特性が維持されるように不純物を添加することによって、ＨＥＭＴのゲートリーク電流が低減する傾向にあることが示された。
【００６１】
（過入力試験）
図７は、過入力試験のために用いられる逆Ｆ級増幅器の等価回路を示す図である。図７に示される逆Ｆ級増幅器５０の等価回路において、破線で示された部分は、増幅用トランジスタであるＨＥＭＴ５１に相当する。ＨＥＭＴ５１は、電流源５２と、容量値Ｃｏを有する出力容量５３とが並列に接続された等価回路で示される。ＨＥＭＴ５１は、基本波整合回路５４に電気的に接続されている。基本波整合回路５４は、基本波周波数ｆ０及びその近傍において、ＨＥＭＴ５１と５０Ωの負荷５５とのインピーダンス整合を実施する回路である。
【００６２】
ＨＥＭＴ５１のドレインには、伝送線路５６〜５８が接続されている。伝送線路５６は、ＨＥＭＴ５１のドレインと基本波整合回路５４との間に位置しており、長さｌ、特性インピーダンスＺ０を有している。伝送線路５６の長さｌは、下記数１に示される数式によって算出される。伝送線路５７は、ＨＥＭＴ５１のドレインと伝送線路５６との間に接続されており、基本波の波長λの１／１２の長さを有している。伝送線路５８の一端は、基本波整合回路５４と伝送線路５６との間に接続されており、波長λの１／４の長さを有している。伝送線路５８の他端は、電圧源５９に接続されている。電圧源５９の出力電圧は、ＶＤＤである。ω０は、角周波数である。
【００６３】
【数１】
0006708960.tif 000002
【００６４】
図８は、逆Ｆ級増幅器において、理想的なトランジスタ特性と、逆Ｆ級増幅器の最大出力電力が実現される場合のドレイン電流Ｉｄ及びドレイン電圧Ｖｄの波形とを示す図である。図８において、Ｉｍａｘは最大ドレイン電流であり、ＶＤＳはドレインバイアス電圧であり、Ｖｍａｘは最大ドレイン電圧であり、Ｖｍｉｎは最小ドレイン電圧である。ドレイン電流Ｉｄは、Ｉｍａｘと０とに交互に変化するデューティ比５０％の矩形波である。ドレイン電圧Ｖｄは、ドレイン電流Ｉｄに対してπ／２遅れ、π／２〜３π／２の間にて正弦的に変化する正弦波である。ドレインバイアス電流ＶＤＳは、Ｖｍｉｎ＋｛（Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ）／π｝に相当する。
【００６５】
本過入力試験では、ＨＥＭＴ５１として、実施例１〜６及び比較例１，２のそれぞれのＨＥＭＴを用いた。そして、周波数２．１ＧＨｚ、出力電圧ＶＤＤ５０Ｖ、出力電力Ｐ５ｄＢと設定し、逆Ｆ級増幅器５０を動作させた。図９は、過入力試験にて逆Ｆ級増幅器５０を動作させたときのドレイン電圧波形を示す図である。図９に示されるように、ＨＥＭＴ５１には過剰なドレイン電圧（最大約１６０Ｖ）が印加されるので、当該ＨＥＭＴ５１は電流コラプスの影響を受ける。したがって、上記過入力試験では、逆Ｆ級増幅器５０の動作における各ＨＥＭＴのドレイン電流の漸減量を測定した。
【００６６】
図１０は、過入力試験におけるドレイン電流の変化率を示す図である。図１０において、縦軸は、過入力試験におけるドレイン電流の変化率を示し、横軸は第１のＡｌＧａＮ層に含まれる不純物の濃度を示している。また、図１０において、丸で表記されるプロット６１〜６６は実施例１〜６の測定結果をそれぞれ示し、黒い四角で表記されるプロット６７は比較例１の測定結果を示し、白い四角で表記されるプロット６８は比較例２の測定結果を示している。
【００６７】
図１０に示すように、第１のＡｌＧａＮ層を備えない比較例１のＨＥＭＴのドレイン電流の変化率は、７０％であった。これに対して、不純物が含まれていない第１のＡｌＧａＮ層を備える比較例２のＨＥＭＴのドレイン電流の変化率は、２０％であった。これらの結果より、比較例１のドレイン電流の変化率は、比較例２のドレイン電流の変化率よりも大きい傾向にあることが示された。換言すると、比較例１は、比較例２よりも、高周波動作において安定性に欠けること（ドレイン電流コラプスが大きいこと、高周波特性が低下しやすいこと）が示された。
【００６８】
また、実施例１〜６におけるドレイン電流の変化率は、いずれも約２０％であり、比較例１のドレイン電流の変化率よりも小さいことが示された。これにより、実施例１〜６においては、比較例１よりも高周波動作安定性が改善されていること、及び比較例２と同等の高周波動作安定性を有することが示された。また、第１のＡｌＧａＮ層の不純物の濃度と、ドレイン電流の変化率との関連性は殆どないことが示された。
【００６９】
以上より、不純物を含み、且つ、高抵抗の第１のＡｌＧａＮ層を備える実施例１〜６においては、高周波特性が低下しにくく、且つ、ゲートリーク電流が小さくなる傾向にあることが示された。
【符号の説明】
【００７０】
１…ＨＥＭＴ、２…ＳｉＣ基板、３…ＡｌＮ層、４…第１のＡｌＧａＮ層、５…ＧａＮ層、６…第２のＡｌＧａＮ層、７…ソース、８…ドレイン、９…ゲート、１０…保護膜、１１…チャネル領域。
【図１】
0006708960.tif 000003
【図２】
0006708960.tif 000004
【図３】
0006708960.tif 000005
【図４】
0006708960.tif 000006
【図５】
0006708960.tif 000007
【図６】
0006708960.tif 000008
【図７】
0006708960.tif 000009
【図８】
0006708960.tif 000010
【図９】
0006708960.tif 000011
【図１０】
0006708960.tif 000012