(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成されたＧａＮ電子走行層と、
前記ＧａＮ電子走行層上に形成されたＡｌＧａＮ障壁層と、
を備え、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層に含まれるドナーの濃度は、０．５×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは、４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下である、
高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
前記ＡｌＮ層の厚さは、１３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記ＧａＮ電子走行層の厚さは、９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である、請求項１に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項３】
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌの含有量は、０％より大きく５％以下であり、
前記ＧａＮ電子走行層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項１に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項４】
ＳｉＣ基板上にＡｌＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ電子走行層、及びＡｌＧａＮ障壁層を連続して成長する工程を備える高電子移動度トランジスタの製造方法であって、
前記ＡｌＮ層の成長後であって前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の成長前に、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の成長温度において、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層にドーピングされるドナーを含む原料ガスを供給し、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層に含まれるドナーの濃度は、０．５×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚さは、４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下である、
高電子移動度トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記ＡｌＮ層の成長温度と、前記ｎ型ＡｌＧａＮ層の成長温度と、前記ＧａＮ電子走行層の成長温度と、前記ＡｌＧａＮ障壁層の成長温度とは、互いに同一である、請求項４に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタ及び高電子移動度トランジスタ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、Ｓｉ基板上にＡｌＮバッファ層、ＡｌＧａＮバッファ層、及びＧａＮ電子走行層を備えるＨＥＭＴが記載されている。下記特許文献１では、Ｓｉ基板の代わりにＳｉＣ基板が用いられ得ることが記載されている。
【０００３】
また、下記特許文献２には、Ｓｉ基板上に２つのＡｌＮバッファ層及び２つのＡｌＧａＮバッファ層が設けられた半導体装置が記載されている。下記特許文献２における２つのＡｌＧａＮバッファ層Ａｌの含有量は、互いに異なっている。また下記特許文献２では、Ｓｉ基板の代わりにＳｉＣ基板又はサファイア基板が用いられ得ることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−７４２０９号公報
【特許文献２】特開２０１５−８２５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１，２に記載されるようなＨＥＭＴにおいては、オン／オフ動作が連続して繰り返されると、ドレイン電圧が次第に減少する現象（電流コラプス）が発生する。この電流コラプスは、障壁層中のトラップ準位に電子が捕獲された場合、当該電子が解放されるまでの時間が長いために生ずる。ＧａＮ系材料を用いたＨＥＭＴにおいては、さらなる高速動作の実現のため、電流コラプスの発生の抑制が望まれている。
【０００６】
本発明は、電流コラプスを抑制可能な高電子移動度トランジスタ及び高電子移動度トランジスタ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】
【０００７】
本発明の一形態に係る高電子移動度トランジスタは、ＳｉＣ基板と、ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮ層と、ＡｌＮ層上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層と、ｎ型ＡｌＧａＮ層上に形成されたＧａＮ電子走行層と、ＧａＮ電子走行層上に形成されたＡｌＧａＮ障壁層と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電流コラプスの抑制可能な高電子移動度トランジスタ及び高電子移動度トランジスタの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係る高電子移動度トランジスタを示す断面図である。
【図２】図２は、図１の一部を拡大した図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る高電子移動度トランジスタの製造方法を説明するための図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、実施形態に係る高電子移動度トランジスタの製造方法を説明するための図である。
【図５】図５は、比較例に係るＨＥＭＴを示す断面図である。
【図６】図６は、図５の一部を拡大した図である。
【図７】図７は、図２の一部を拡大した図である。
【図８】図８は、ｎ型ＡｌＧａＮ層に含まれるドナーの濃度と、ｎ型ＡｌＧａＮ層を流れる電流との関係性を示すグラフである。
【図９】図９は、ｎ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌの含有量と、ＧａＮ電子走行層の表面の平坦化に必要な厚さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、本実施形態に係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２は、図１の一部を拡大した図である。図１及び図２に示されるように、ＨＥＭＴ１は、ＳｉＣ基板２、ＡｌＮ層３、ｎ型ＡｌＧａＮ層４、ＧａＮ電子走行層５、ＡｌＧａＮ障壁層６、キャップ層７、ソース８、ドレイン９、ゲート１０、及び保護膜１１を備えている。ＨＥＭＴ１では、ＳｉＣ基板２上にＡｌＮ層３、ｎ型ＡｌＧａＮ層４、ＧａＮ電子走行層５、ＡｌＧａＮ障壁層６及びキャップ層７が順に設けられている。
【００１２】
ＳｉＣ基板２は、ＡｌＮ層３等を結晶成長させるための基板である。ＳｉＣ基板２は、半絶縁性を有している。ＳｉＣ基板２においてＡｌＮ層３が設けられる表面２ａの格子面は、ＡｌＮ層３の結晶格子と揃っていてもよいし、揃っていなくてもよい。
【００１３】
ＡｌＮ層３は、ＧａＮ電子走行層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１３ｎｍ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以下となっているので、図２に示されるように、ＳｉＣ基板２上に設けられるＡｌＮ層３は、連続した層形状を有しておらず、複数の島状結晶３ｂから構成されている。
【００１４】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４は、ＧａＮ電子走行層５に対するバッファ層及びシード層として機能し、ＡｌＮ層３におけるＳｉＣ基板２と反対側の表面３ａからエピタキシャル成長した層である。ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さは、例えば４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下である。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４におけるＡｌ（アルミニウム）の含有量（原子％）は、例えば０％より大きく５％以下である。この場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層４がＡｌＮ層３同士の隙間を埋め込むことにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層４におけるＡｌＮ層３と反対側の表面４ａが平坦化しやすくなる。加えて、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に格子欠陥が形成されにくくなる。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層４におけるＡｌの含有量の上限値は、２．５％でもよい。
【００１５】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４には、ＡｌＧａＮ層にｎ型を付与する不純物（ドナー）が含まれている。このドナーとして、例えばケイ素（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）等が挙げられる。ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度は、例えば０．５×１０１８ｃｍ−３以上１．２×１０１８ｃｍ−３未満である。この場合、ＨＥＭＴ１の動作時におけるｎ型ＡｌＧａＮ層４のリーク電流を、１．０×１０−７Ａ／ｍｍ以上にすることができる。加えて、上記リーク電流を１．０×１０−４Ａ／ｍｍ未満にすることができるので、当該リーク電流が大きくなりすぎてＨＥＭＴ１がノーマリーオンになることを防止可能である。ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度の上限値は、１．０×１０１８ｃｍ−３でもよく、０．６×１０１８ｃｍ−３でもよい。この場合、ＨＥＭＴ１がノーマリーオンになることを好適に防止可能である。
【００１６】
ＧａＮ電子走行層５は、チャネル層として機能し、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の表面４ａからエピタキシャル成長した層である。ＧａＮ電子走行層５は、濡れ性の影響からＳｉＣ基板２の直上に成長できない。このため、ＧａＮ電子走行層５は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の表面４ａからエピタキシャル成長している。ＧａＮ電子走行層５の厚さは、ＡｌＮ層３の厚さが１３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さが４５ｎｍ以上５５ｎｍである場合、例えば９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下である。この場合、ＧａＮ電子走行層５におけるｎ型ＡｌＧａＮ層４と反対側の表面５ａの平坦性が良好になる。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さが４５ｎｍ以上５５ｎｍであり、且つｎ型ＡｌＧａＮ層４におけるＡｌの含有量が０％より大きく５％以下である場合、ＧａＮ電子走行層５の厚さは、例えば２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下でもよい。この場合であっても、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａにおける平坦性を良好にできる。
【００１７】
ＡｌＧａＮ障壁層６は、電子供給層として機能し、ＧａＮ電子走行層５におけるｎ型ＡｌＧａＮ層４と反対側の表面５ａからエピタキシャル成長した層である。ＡｌＧａＮ障壁層６の厚さは、例えば１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。ＡｌＧａＮ障壁層６は、ｎ型化していてもよい。ＡｌＧａＮ障壁層６は、インジウム（Ｉｎ）を含んでもよい。
【００１８】
キャップ層７は、ＡｌＧａＮ障壁層６におけるＧａＮ電子走行層５と反対側の表面６ａからエピタキシャル成長した層である。キャップ層７の厚さは、例えば３ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。キャップ層７は、例えばＧａＮ層である。このＧａＮ層は、ｎ型化していてもよい。
【００１９】
ソース８及びドレイン９は、キャップ層７の一部が除去された部分に設けられている。つまり、ソース８及びドレイン９のそれぞれは、ＡｌＧａＮ障壁層６の表面６ａに接するように設けられている。ソース８及びドレイン９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、ＡｌＧａＮ障壁層６とチタン層とが接触する。
【００２０】
ゲート１０は、キャップ層７上であって、平面視にてソース８とドレイン９との間に設けられている。ゲート１０は、例えばニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層との積層構造を有する。ゲート１０は、ＡｌＧａＮ障壁層６の表面６ａに接するように設けられてもよい。
【００２１】
保護膜１１は、キャップ層７等を保護する膜であり、キャップ層７を覆うように設けられている。保護膜１１は、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜である。
【００２２】
このようなＨＥＭＴ１においては、ＧａＮ電子走行層５とＡｌＧａＮ障壁層６との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じることにより、チャネル領域１２がＧａＮ電子走行層５の表面５ａ付近に形成される。また、ＨＥＭＴ１におけるＧａＮ電子走行層５の直下には、ＧａＮ電子走行層５よりも大きいバンドギャップを有するｎ型ＡｌＧａＮ層４が設けられている。これにより、ＡｌＮ層３及びｎ型ＡｌＧａＮ層４のバンドが押し上げられ、短チャネル効果が抑制される。したがって、ＨＥＭＴ１においては、ゲート長を短く設計することができ、高周波特性が向上されている。
【００２３】
次に、図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ），（ｂ）を用いながら、本実施形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）、及び図４の（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法を説明する図である。
【００２４】
まず、図３（ａ）に示されるように、第１ステップとして、ＳｉＣ基板２の表面２ａ上に、例えば有機金属気相成長法（以下、ＯＭＶＰＥ（Organometallic  Vapor  Phase  Epitaxy）法とする）によってＡｌＮ層３を成長する。第１ステップにおいては、厚さ２０ｎｍのＡｌＮ層３を構成する複数の島状結晶３ｂを形成する。ＡｌＮ層３の原料は、例えばトリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）及びアンモニアガス（ＮＨ３ガス）である。ＡｌＮ層３の成長時の温度（成長温度）は例えば１０８０℃に設定され、ＡｌＮ層３の成長時の圧力（成長圧力）は例えば１３．３ｋＰａに設定される。なお、成長温度及び成長圧力とは、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。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示されるように、第２ステップとして、例えばＯＭＶＰＥ法によって、ＡｌＮ層３の表面３ａ上にｎ型ＡｌＧａＮ層４を成長する。第２ステップにおいては、厚さ５０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層４を形成する。ｎ型ＡｌＧａＮ層４の原料は、例えばＴＭＡガス、ＮＨ３ガス、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）、及びシランガス（ＳｉＨ４ガス）である。ＴＭＡガスの流量は例えば１００μｍｏｌ／ｍｉｎであり、ＮＨ３ガスの流量は例えば０．５ｍｏｌ／ｍｉｎであり、ＴＭＧガスの流量は例えば１２０μｍｏｌ／ｍｉｎであり、ＳｉＨ４ガスの流量は例えば０．０１μｍｏｌ／ｍｉｎである。ｎ型ＡｌＧａＮ層４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。ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長速度は、例えば０．４ｎｍ／ｓｅｃである。
【００２６】
第２ステップにおいて、ＡｌＮ層３の成長後であってｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長前に、ｎ型ＡｌＧａＮ層４にドーピングされるドナー（Ｓｉ）を含む原料ガスであるＳｉＨ４ガスをまず供給する。すなわち、ＡｌＮ層３の成長後であってｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長前に、ＳｉＨ４ガスを先流しする。そして、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の原料ガスとなるＴＭＡガス、ＮＨ３ガス、及びＴＭＧガスを供給する。なお、ＳｉＨ４ガスの供給時における温度は、ＡｌＮ層３の成長温度と同じ温度（すなわち、１０８０℃）に維持される。
【００２７】
次に、図３（ｃ）に示されるように、第３ステップとして、例えばＯＭＶＰＥ法によって、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の表面４ａ上にＧａＮ電子走行層５を成長する。第３ステップにおいては、厚さ１０００ｎｍのＧａＮ電子走行層５を形成する。ＧａＮ電子走行層５の原料は、例えばＴＭＧガス及びＮＨ３ガスである。ＴＭＧガスの流量は例えば１２０μｍｏｌ／ｍｉｎであり、ＮＨ３ガスの流量は例えば０．５ｍｏｌ／ｍｉｎである。ＧａＮ電子走行層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電子走行層５の成長速度は、例えば０．４ｎｍ／ｓｅｃである。
【００２８】
次に、図４（ａ）に示されるように、第４ステップとして、例えばＯＭＶＰＥ法によって、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａ上にＡｌＧａＮ障壁層６を成長する。第４ステップにおいては、厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ障壁層６を形成する。ＡｌＧａＮ障壁層６の原料は、例えばＴＭＡガス、ＴＭＧガス、及びＮＨ３ガスである。ＡｌＧａＮ障壁層６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。
【００２９】
次に、図４（ｂ）に示されるように、第５ステップとして、例えばＯＭＶＰＥ法によって、ＡｌＧａＮ障壁層６の表面６ａ上にキャップ層７を成長する。第４ステップにおいては、厚さ５ｎｍのＧａＮ層であるキャップ層７を形成する。キャップ層７の原料は、例えばＴＭＧガス及びＮＨ３ガスである。キャップ層７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。このため、本実施形態においては、ＡｌＮ層３の成長温度及び成長圧力と、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長温度及び成長圧力と、ＧａＮ電子走行層５の成長温度及び成長圧力と、ＡｌＧａＮ障壁層６の成長温度及び成長圧力と、キャップ層７の成長温度及び成長圧力とは、互いに同一である。
【００３０】
第５ステップにおけるキャップ層７の成長後、ソース８、ドレイン９、ゲート１０、及び保護膜１１をリソグラフィ等によってパターニング形成することにより、図１に示されるＨＥＭＴ１を製造する。
【００３１】
以下では、図５及び図６に示される比較例に係るＨＥＭＴを構成する半導体層を示しつつ、図７を用いながら本実施形態に係るＨＥＭＴ１の作用効果を説明する。図５は、比較例に係るＨＥＭＴを示す断面図である。図６は、図５の一部を拡大した図である。図７は、図２の一部を拡大した図である。
【００３２】
図５及び図６に示されるように、比較例のＨＥＭＴ１００においては、ＡｌＮ層１０３の直上にＧａＮ電子走行層１０５が設けられている。一般に、ＡｌＮ層１０３を１１００℃程度のＯＭＶＰＥ法で成長させると、ＡｌＮ層１０３内に転位２１（線状の結晶欠陥）及び不純物２２が多くなり、ＡｌＮ層１０３の結晶品質が低くなる傾向にある。よって、ＧａＮ電子走行層１０５の結晶品質を向上するために、ＡｌＮ層１０３の厚さは、例えば最大５０ｎｍ程度に設定される。この場合、ＡｌＮ層１０３は完全な層構造にならず、複数の島状結晶１０３ｂから構成される。このようなＡｌＮ層１０３上に、ＡｌＮと異なる格子定数を有するＧａＮ電子走行層１０５を成長させると、ＡｌＮ層１０３とＧａＮ電子走行層１０５との界面近傍には、格子欠陥２３が発生しやすくなる。また、ＡｌＮ層１０３内の転位２１に起因した転位２４がＧａＮ電子走行層１０５内に発生しやすくなると共に、ＧａＮ電子走行層１０５内に不純物２５が多くなる傾向にある。したがって、ＧａＮ電子走行層１０５にピット等が発生しやすくなり、当該ＧａＮ電子走行層１０５の結晶品質が低下してしまうことがある。
【００３３】
また、ＧａＮ電子走行層１０５に上記ピットが形成された場合、チャネル領域１２を流れる電子の一部が、ＡｌＮ層１０３とＧａＮ電子走行層１０５との界面近傍にて捕獲及び放出される過渡応答現象（電流ドリフト現象）が発生することがある。これは、ＧａＮ電子走行層１０５自体に転位２４等が発生すること、及びＧａＮのバンドギャップが比較的小さいことが主因と考えられる。このため、チャネル領域１２を流れる電子が、ＡｌＮ層１０３とＧａＮ電子走行層１０５の界面の格子欠陥２３等にまで到達しやすくなると考えられる。
【００３４】
これに対して、図７に示されるように、本実施形態に係る製造方法によって製造されたＨＥＭＴ１によれば、ＡｌＮ層３とＧａＮ電子走行層５との間に、ＧａＮよりもＡｌＮと格子定数が近く、ＧａＮよりも大きいバンドギャップを有するｎ型ＡｌＧａＮ層４が設けられている。これにより、ＡｌＮ層３を構成する複数の島状結晶３ｂの表面と、当該島状結晶３ｂ同士の隙間とは、ｎ型ＡｌＧａＮ層４によって良好に埋められる。したがって、ＡｌＮ層３に起因する格子欠陥２３及び転位２４等がＧａＮ電子走行層５に発生しにくくなり、当該ＧａＮ電子走行層５の結晶品質を向上できる。また、上述したようにＡｌＧａＮのバンドギャップはＧａＮよりも大きいため、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に伝導した電子は、ＡｌＮ層３とｎ型ＡｌＧａＮ層４との界面まで到達しにくい。このため、ＨＥＭＴ１においては電流ドリフト現象が発生しにくい。
【００３５】
加えて、ＨＥＭＴ１のＧａＮ電子走行層５は、導電性が向上されたｎ型ＡｌＧａＮ層４上に形成されている。これにより、例えばＧａＮ電子走行層５又はＡｌＧａＮ障壁層６にトラップされた電子がｎ型ＡｌＧａＮ層４に伝導しやすくなる。したがって、ＡｌＧａＮ障壁層６等に形成されるトラップ準位に電子が捕獲されにくくなるので、電流コラプスが抑制可能になる。
【００３６】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４は、例えばＡｌＧａＮ層にドナーを含有させることによって形成してもよい。この場合、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の電気伝導率を、ドナーの含有量によって自在に変化できる。本実施形態においては、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度は、０．５×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下であってもよい。これにより、ＨＥＭＴ１がノーマリーオンになることを防ぎつつ、電流コラプスを抑制可能になる。
【００３７】
ここで、図８を用いながらｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度の適正範囲について検討する。図８は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度と、ｎ型ＡｌＧａＮ層４を流れる電流（リーク電流）との関係性を示すグラフである。図８において、横軸はドナー濃度を示し、縦軸はリーク電流を示す。
【００３８】
図８に示されるように、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度が０．５×１０１８ｃｍ−３である場合、リーク電流は、ドナーが含まれていないＡｌＧａＮ層のリーク電流よりも大きくなっている。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３である場合、リーク電流は約４．０×１０−５Ａ／ｍｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度が１．２×１０１８ｃｍ−３である場合、リーク電流は１．０×１０−４Ａ／ｍｍよりも大きくなっていると推定される。以上より、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に含まれるドナーの濃度は、０．５×１０１８ｃｍ−３以上であり１．２×１０１８ｃｍ−３未満（好ましくは１．０×１０１８ｃｍ−３以下）であれば、ＨＥＭＴ１がノーマリーオンになることを防ぐことができると考えられる。加えて、チャネル領域１２を流れる電子は、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に流れやすくなるので、ＡｌＧａＮ障壁層６に捕獲されにくくなる。したがって、電流コラプスを抑制可能と考えられる。
【００３９】
また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さは、４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下であってもよい。この場合、ＡｌＮ層３をｎ型ＡｌＧａＮ層４によって十分に埋め込み、且つｎ型ＡｌＧａＮ層４の表面４ａを平坦化できる。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４に格子欠陥２３が形成されにくくなる。したがって、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の表面４ａ上に形成されるＧａＮ電子走行層５の表面５ａの平坦性を向上できる。
【００４０】
また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さが４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下である場合、ＡｌＮ層３の厚さは、１３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、ＧａＮ電子走行層５の厚さは、９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であってもよい。ＡｌＮ層３とＧａＮ電子走行層５との間にはｎ型ＡｌＧａＮ層４が設けられており、当該ｎ型ＡｌＧａＮ層４がＧａＮ電子走行層５のシード層となる。このため、ＡｌＮ層３、ｎ型ＡｌＧａＮ層４、及びＧａＮ電子走行層５の厚さをそれぞれ上記範囲にした場合、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａにおける平坦性が良好になる。
【００４１】
また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さが４５ｎｍ以上５５ｎｍ以下であり、ｎ型ＡｌＧａＮ層４中のＡｌの含有量が０％より大きく５％以下である場合、ＧａＮ電子走行層５の厚さは、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。このようにｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さと、ｎ型ＡｌＧａＮ層４中のＡｌの含有量とを調整することにより、ＧａＮ電子走行層５の厚さを２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下にする場合であっても、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａにおける平坦性が良好になる。
【００４２】
ここで、図９を用いながらｎ型ＡｌＧａＮ層４中のＡｌの含有量を変化させた際のＧａＮ電子走行層５の表面５ａの平坦化に必要な厚さについて検討する。図９は、ｎ型ＡｌＧａＮ層中のＡｌの含有量と、ＧａＮ電子走行層の表面の平坦化に必要な厚さとの関係を示す図である。図９において、横軸はｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量を示し、縦軸はＧａＮ電子走行層５の厚さを示す。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の厚さは５０ｎｍと設定している。
【００４３】
図９に示されるように、ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が大きくなり、２．５％になるまでは、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａの平坦化に必要な厚さは小さくなる傾向にある。これは、ＡｌＮ層３の直上にＡｌを含むｎ型ＡｌＧａＮ層４が成長することにより、当該ｎ型ＡｌＧａＮ層４が自己組織化しやすくなるためと考えられる。ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が２．５％のとき、ＧａＮ電子走行層５の厚さは最も小さく、約２００ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が２．５％を超えると、ＧａＮ電子走行層５の必要な厚さは大きくなる傾向にある。これは、Ａｌは、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長温度においてマイグレーションしにくい性質を有するためと考えられる。これにより、Ａｌが多いとｎ型ＡｌＧａＮ層４の自己組織化が阻害され、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａの平坦化に悪影響を及ぼし、結果としてＧａＮ電子走行層５の厚さが大きくなると考えられる。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が４％を超えると、ＧａＮ電子走行層５の必要な厚さが急激に大きくなる傾向にある。例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が５％のとき、ＧａＮ電子走行層５の厚さは約５００ｎｍである。ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が７％のとき、ＧａＮ電子走行層５の厚さは約１０００ｎｍである。以上より、ｎ型ＡｌＧａＮ層４中のＡｌの含有量が０％より大きく５％以下であれば、ＧａＮ電子走行層５の厚さが２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲であっても、ＧａＮ電子走行層５の表面５ａにおける平坦性が良好になると考えられる。
【００４４】
また、本実施形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法においては、ＡｌＮ層３の成長後であってｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長前に、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長温度において、ｎ型ＡｌＧａＮ層４にドーピングされるドナーを含む原料ガス（ＳｉＨ４ガス）を供給していてもよい。このようにドナーを含む原料ガスを先流しすることによって、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の結晶性を高めることができる。
【００４５】
また、本実施形態に係るＨＥＭＴ１の製造方法においては、ＡｌＮ層３の成長温度と、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長温度と、ＧａＮ電子走行層５の成長温度と、ＡｌＧａＮ障壁層６の成長温度とは、互いに同一であってもよい。この場合、ＡｌＮ層３、ｎ型ＡｌＧａＮ層４、ＧａＮ電子走行層５、及びＡｌＧａＮ障壁層６を効率よく連続的に成長させることができる。
【００４６】
本発明によるＨＥＭＴ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、ＡｌＮ層３の成長温度と、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長温度と、ＧａＮ電子走行層５の成長温度と、ＡｌＧａＮ障壁層６の成長温度と、キャップ層７の成長温度との少なくとも何れかは、他と異なってもよい。
【００４７】
上記実施形態において、ｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量は一定でなくてもよい。例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層４において、ＡｌＮ層３側のＡｌの含有量は、ＧａＮ電子走行層５側よりも大きくてもよい。このようにＡｌＮ層３から離れるにしたがってｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量が少なくなることにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層４が平坦化しやすくなると共に、その格子欠陥数が低減する。ＡｌＮ層３から離れるにしたがってｎ型ＡｌＧａＮ層４のＡｌの含有量を少なくするために、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長中にＴＭＡガスの供給量を時間変化させてもよい。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の成長中におけるＴＭＡガスの供給量は、一定でなく、徐々に低下するように制御してもよい。
【００４８】
上記実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮ層４の形成時において、ＴＭＡガス、ＮＨ３ガス、ＴＭＧガス、及びＳｉＨ４ガスを同時に供給してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１，１００…ＨＥＭＴ、２…ＳｉＣ基板、３…ＡｌＮ層、４…ｎ型ＡｌＧａＮ層、５…ＧａＮ電子走行層、６…ＡｌＧａＮ障壁層、７…キャップ層、８…ソース、９…ドレイン、１０…ゲート、１１…保護膜、１２…チャネル領域。
【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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【図８】
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【図９】
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