(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体と、
前記III族窒化物半導体上に形成されるIV族窒化物とを含み、
前記III族窒化物半導体は、窒化ガリウムで形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、窒化ガリウムに比べて禁制帯幅が広いIII族窒化物半導体から形成される第２層とを含み、
前記IV族窒化物は、前記第２層上に形成されており、
前記第１層と前記第２層はヘテロ接合しており、
前記III族窒化物半導体と前記IV族窒化物との界面において、以下の４つの条件のうちのいずれかを満たしている
ことを特徴とする窒化物半導体材料。
条件１：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（０００１）面のβ相結晶構造であり、
前記III族窒化物半導体の（０００１）面ウルツ鉱構造の＜１１−２０＞方位、または、（１１１）面閃亜鉛構造の＜１１−２＞方位は、前記IV族窒化物の（０００１）面のβ相結晶構造の＜１１−２０＞方位と一致し、
前記IV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ２倍である。
条件２：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（１１１）面のγ相結晶構造であり、
前記III族窒化物半導体の（０００１）面ウルツ鉱構造の＜１１−２０＞方位、または、（１１１）面閃亜鉛構造の＜１１−２＞方位は、前記IV族窒化物の（１１１）面のγ相結晶構造の＜１１−２＞方位と一致し、
前記IV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ４倍である。
条件３：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（００１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（００１）面γ相の結晶構造である。
条件４：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（１−１００）面のβ相結晶構造であり、
前記界面における前記IV族窒化物の＜０００１＞方位は、前記界面に対して平行である。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体は、前記界面において面内方向に沿って溝が形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体材料。
【請求項３】
前記IV族窒化物は、上表面に、面内方向に沿って溝が形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体材料。
【請求項４】
前記III族窒化物半導体は、電気伝導がｎ型であり、
前記IV族窒化物の格子定数は、前記III族窒化物半導体との格子整合条件に比べて大きく、
前記IV族窒化物は、前記界面に至る穴が形成され、
前記窒化物半導体材料は、さらに、
前記穴を介して前記界面と接続される導電性材料を含む
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料。
【請求項５】
前記III族窒化物半導体は、電気伝導がｐ型であり、
前記IV族窒化物の格子定数は、前記III族窒化物半導体との格子整合条件に比べて小さく、
前記IV族窒化物は、前記界面に至る穴が形成され、
前記窒化物半導体材料は、さらに、
前記穴を介して前記界面と接続される導電性材料を含む
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料。
【請求項６】
前記窒化物半導体材料は、さらに、
前記IV族窒化物上に形成される前記IV族窒化物と組成の異なる第２のIV族窒化物を含む
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料。
【請求項７】
前記IV族窒化物は、IV族元素および窒素が３対４で含まれ、IV族元素および窒素の組成の誤差は１０％以内である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料。
【請求項８】
前記IV族窒化物は、水素を含有している
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料。
【請求項９】
前記IV族窒化物に含まれるIV族元素は、珪素、ゲルマニウム、スズ、鉛のうち、いずれか一つ以上である
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体材料と、
前記III族窒化物半導体上に形成されるソース電極と、
前記III族窒化物半導体上に、前記ソース電極と対向して形成されるドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間であり、前記IV族窒化物上に形成されるゲート電極とを備える
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項１１】
窒化物半導体材料の製造方法であって、
炉の中で半導体基板上にIII族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる第１ステップと、
前記半導体基板を前記炉から取り出さず、前記III族窒化物半導体上にIV族窒化物を形成する第２ステップとを含み、
前記III族窒化物半導体は、窒化ガリウムで形成される第１層と、
前記第１層上に形成され、窒化ガリウムに比べて禁制帯幅が広いIII族窒化物半導体から形成される第２層とを含み、
前記IV族窒化物は、前記第２層上に形成されており、
前記第１層と前記第２層はヘテロ接合しており、
前記III族窒化物半導体と前記IV族窒化物との界面において、以下の４つの条件のうちのいずれかを満たしている
ことを特徴とする製造方法。
条件１：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（０００１）面のβ相結晶構造であり、
前記III族窒化物半導体の（０００１）面ウルツ鉱構造の＜１１−２０＞方位、または、（１１１）面閃亜鉛構造の＜１１−２＞方位は、前記IV族窒化物の（０００１）面のβ相結晶構造の＜１１−２０＞方位と一致し、
前記IV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ２倍である。
条件２：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（１１１）面のγ相結晶構造であり、
前記III族窒化物半導体の（０００１）面ウルツ鉱構造の＜１１−２０＞方位、または、（１１１）面閃亜鉛構造の＜１１−２＞方位は、前記IV族窒化物の（１１１）面のγ相結晶構造の＜１１−２＞方位と一致し、
前記IV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ４倍である。
条件３：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（００１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（００１）面γ相の結晶構造である。
条件４：
前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、
前記IV族窒化物は、前記界面において（１−１００）面のβ相結晶構造であり、
前記界面における前記IV族窒化物の＜０００１＞方位は、前記界面に対して平行である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体材料、半導体素子およびその製造方法に関し、特に、III族窒化物半導体およびIV族窒化物により構成される窒化物半導体材料、半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体により構成されるトランジスタ等の電子デバイスの研究開発が盛んに行われている。ＧａＮは禁制帯幅が大きく、かつ、電子の飽和ドリフト速度が大きいため、高出力高周波電子デバイスとして有望である。例えば、ＧａＮを用いた半導体装置が特許文献１に記載されている。また、ＧａＮを用いた高出力高周波電子デバイスにおいて遮断周波数ｆTが１５２ＧＨｚという大きな値を得られることが報告されている（非特許文献１および２参照）。
【０００３】
非特許文献１および２によれば、１０ｎｍ厚Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ／１．３ｎｍ厚ＡｌＮ／１．５μｍ厚のヘテロ接合上にｃａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＳｉＮ膜を堆積することで、ＳｉＮ膜がない場合のヘテロ接合に比べ、シートキャリア濃度が３倍近い２．５×１０13ｃｍ-2まで増加することができる。その結果、ソース・ドレイン電極間のシート抵抗が大幅に低減し、ゲート長を１００ｎｍ程度かそれ以下に短くすることで、トランジスタの利得に相当する相互コンダクタンスを４００ｍＳ／ｍｍ以上に増大することができる。
【０００４】
以上のように、ＧａＮ系ヘテロ接合トランジスタ上に薄膜ＳｉＮをパッシベーションし、その上にゲート電極を形成する、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型トランジスタとすることで、高周波特性に優れたＧａＮ系トランジスタが実現できる。
【特許文献１】特開２００４−２２８４８１号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｈｉｇａｓｈｉｗａｋｉ，Ｎ．Ｈｉｒｏｓｅ  ａｎｄ  Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，“Ｃａｔ−ＣＶＤ  ＳｉＮ−Ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ  ＡｌＧａＮ−ＧａＮ  ＨＦＥＴｓ  ｗｉｔｈ  Ｔｈｉｎ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ａｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｌａｙｅｒｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２６，  １３９  （２００５）．
【非特許文献２】Ｍ．Ｈｉｇａｓｈｉｗａｋｉ  ａｎｄ  Ｔ．Ｍａｔｓｕｉ，“ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｇａｉｎ  Ｃｕｔ−ｏｆｆ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  １５２ＧＨｚ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，”  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４４，  Ｌ４７５  （２００５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＧａＮ系ＭＩＳ型トランジスタ等の半導体素子は、優れた高周波特性が実現できているものの、キャリア濃度増加のメカニズムについては明らかになっていない。これにより、さらにキャリア濃度を増加させシート抵抗を低減する等のデバイスの高周波特性を向上させることが困難であった。すなわち、従来の半導体素子は、素子の動作特性に対して最適なバンド構造を設計することが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、素子の動作特性に対して最適なバンド構造を設計することのできる窒化物半導体材料、半導体素子およびそ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】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体材料は、III族窒化物半導体と、前記III族窒化物半導体上に形成されるIV族窒化物とを含み、前記III族窒化物半導体と前記IV族窒化物との界面は規則的な原子配列を有する。
【０００８】
この構成によれば、界面においてIII族窒化物半導体とIV族窒化物が化学結合によって接合しているため、III族窒化物半導体からの余分な未結合手を効率よく終端することができる。よって、素子特性の劣化要因となる表面準位を効率的に低減することができる。さらに、III族窒化物半導体とIV族窒化物が化学結合によって強固に接合されているため、IV族窒化物からの歪応力を効率的にIII族窒化物半導体へ伝えることができる。これにより、応力によって窒化物半導体デバイスのバンド構造を効率よく変調することが可能となる。すなわち、本発明に係る窒化物半導体材料を用いることで、素子の動作特性に対する最適なバンド構造を設計することが可能となる。
【０００９】
また、前記界面における前記IV族窒化物の窒素原子の配列と、前記界面における前記III族窒化物半導体のIII族原子の配列とが実質的に等しくてもよい。
【００１０】
この構成によれば、界面においてIII族窒化物半導体とIV族窒化物の原子配置が揃うため、界面における未結合手を減少させることができ、デバイス特性の向上と特性ばらつきの低減とを実現させることができる。また、界面においてIII族窒化物半導体とIV族窒化物が化学結合によって強固に結合しているため、IV族窒化物の持つ歪応力によって、効率よくIII族窒化物半導体のバンド構造を変調することができる。よって、本発明に係る窒化物半導体材料を用いることでデバイス設計の自由度を向上することができる。
【００１１】
また、前記IV族窒化物半導体は、前記界面においてβ相またはγ相の結晶構造であってもよい。
【００１２】
この構成によれば、界面に高密度かつ高硬度であるβ相構造またはγ相構造を有するIV族窒化物が形成されるため、界面を通じてIII族窒化物半導体へ歪による応力を効率よく伝達することができ、デバイス特性を制御性よく変調することができる。
【００１３】
また、前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、前記IV族窒化物は、前記界面において（０００１）面のβ相結晶構造であり、前記III族窒化物半導体の（０００１）面ウルツ鉱構造の＜１１−２０＞方位、または、（１１１）面閃亜鉛構造の＜１１−２＞方位は、前記IV族窒化物の（０００１）面のβ相結晶構造の＜１１−２０＞方位と一致し、前記IV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ２倍であってもよい。
【００１４】
この構成によれば、β相結晶であるIV族窒化物の（０００１）面における原子配列は、（０００１）面ウルツ鉱構造であるIII族窒化物半導体の表面における原子配列と対称性が等しく、ともに３回対称性を有する。さらに、界面において、III族窒化物半導体の＜１１−２０＞方位とIV族窒化物の＜１１−２０＞方位が一致する場合、ともに同じ方位に対して原子配置が最短周期にて揃うため、界面における未結合手を激減させることができ、デバイス特性の向上と特性ばらつきの低減とを実現させることができる。また、界面は強固に結合させることができるため、IV族窒化物の持つ歪応力によって、効率よくIII族窒化物半導体のバンド構造を変調することができ、結果的にデバイス設計の自由度を向上することができる。
【００１５】
また、前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、前記IV族窒化物は、前記界面において（１１１）面のγ相結晶構造であり、前記III族窒化物半導体の（０００１）面ウルツ鉱構造の＜１１−２０＞方位、または、（１１１）面閃亜鉛構造の＜１１−２＞方位は、前記IV族窒化物の（１１１）面のγ相結晶構造の＜１１−２＞方位と一致し、前記IV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ４倍であってもよい。
【００１６】
この構成によれば、γ相結晶であるIV族窒化物の（１１１）面における原子配列は、（０００１）面ウルツ鉱構造または（１１１）面閃亜鉛構造であるIII族窒化物半導体の表面における原子配列と対称性が等しく、ともに３回対称性を有する。さらに、界面において、III族窒化物半導体の＜１１−２０＞方位（（１１１）面閃亜鉛構造の場合は、＜１１−２＞方位）とIV族窒化物の＜１１−２０＞方位が一致する場合、ともに同じ方位に対して原子配置が最短周期にて揃うため、界面における未結合手を激減させることができ、デバイス特性の向上と特性ばらつきの低減とを実現させることができる。また、界面は強固に結合させることができるため、IV族窒化物の持つ歪応力によって、効率よくIII族窒化物半導体のバンド構造を変調することができ、結果的にデバイス設計の自由度を向上することができる。
【００１７】
また、前記III族窒化物半導体は、前記界面において（００１）面閃亜鉛構造であり、前記IV族窒化物は、前記界面において（００１）面γ相の結晶構造であってもよい。
【００１８】
この構成によれば、（１００）面γ相構造を有するIV族窒化物の界面構造は、（１００）面閃亜鉛構造を有するIII族窒化物半導体と非常に似通った格子点を有するため、界面における未結合手を激減させることが可能となる。そのため、界面準位を減らせることが可能となり、デバイス特性の向上および特性ばらつきの低減を実現することができる。さらに、III族窒化物半導体は閃亜鉛構造を有するため圧電効果が小さいことから、IV族窒化物の歪によるデバイス特性への影響は少なくなる。そのため、IV族窒化物の設計自由度を増すことが可能である。
【００１９】
また、前記III族窒化物半導体は、前記界面において（０００１）面ウルツ鉱構造、または、（１１１）面閃亜鉛構造であり、前記IV族窒化物は、前記界面において（１−１００）面のβ相結晶構造であり、前記界面における前記IV族窒化物の＜０００１＞方位は、前記界面に対して平行であってもよい。
【００２０】
この構成によれば、β相構造を有するIV族窒化物半導体において＜０００１＞方位に直交する面は、（１１１）面閃亜鉛構造または（０００１）面ウルツ鉱構造であるIII族窒化物半導体の表面に類似する原子配列を有する。そのため、界面における未結合手の面内密度を低減することができるため、デバイス特性の向上とデバイス特性のばらつき低減を実現することができる。さらに、界面においてβ相構造をとるIV族窒化物は六方晶構造を有しており、＜０００１＞方位とそれに鉛直な方位において機械的な特性が大幅に異なる。また、界面におけるIII族窒化物半導体は、β相構造をとるIV族窒化物における＜０００１＞方位に対して平行な面内方向と垂直な面内方向では、応力のかかり方が異なる。そのため、所望の面内方位においてのみ応力によるデバイス特性の変調を起こすことが可能となり、デバイス特性の向上と設計自由度の向上を実現することが可能となる。
【００２１】
また、前記III族窒化物半導体は、窒化ガリウムで形成される第１層と、前記第１層上に形成され、窒化ガリウムに比べて禁制帯幅が広いIII族窒化物半導体から形成される第２層とを含み、前記IV族窒化物は、前記第２層上に形成されてもよい。
【００２２】
この構成によれば、III族窒化物半導体の層構造による自発分極および圧電効果によって２次元電子ガスが効率的に生成される。さらに、IV族窒化物絶縁膜による歪応力を、原子が規則的に配列した界面を通じて効率的にIII族窒化物半導体へ加えることができる。これによりIII族窒化物半導体のバンド構造を変調することができるので、さらに２次元電子ガスが効率よく得ることができる。よって、表面準位によるデバイスへの影響を相対的に低減することが可能となる。特に、前記第２層がIII族元素としてアルミニウムを含む場合、アルミニウムを含まない場合に比べて前記IV族窒化物とのなじみが大幅に改善さ
れ、原子オーダにて揃った高品質な界面が得られるため、界面準位を大幅に低減することができる。
【００２３】
また、前記III族窒化物半導体は、前記界面において面内方向に沿って溝が形成されてもよい。
【００２４】
この構成によれば、III族窒化物半導体は、溝のない平坦な部分においてIV族窒化物と良好な界面を形成する。そのため、III族窒化物半導体の平坦な部分において、未結合手によるトラップ準位を低減させることができる。さらに、III族窒化物半導体に形成された溝により、平坦な部分に対して歪応力を加えることができ、III族窒化物半導体のバンド変調を有効に働かせることができる。それゆえ、デバイスの設計自由度を増大させ、かつ、特性ばらつきを低減することが可能となる。
【００２５】
また、前記IV族窒化物は、上表面に、面内方向に沿って溝が形成されてもよい。
この構成によれば、III族窒化物半導体に与えられる歪応力の分布は、IV族窒化物に加工されたパターンによって変調を受ける。例えば、IV族窒化物は、III族窒化物半導体に対して引っ張り歪を与えるような材料組成であるとすると、平坦な領域におけるIV族窒化物は、III族窒化物半導体に対して、界面を通じて大きな歪応力を伝達することができ、バンドを下方へ変調することができる。これにより、シートキャリア濃度を増大させ、かつ、歪の面内異方性により、移動度を向上させることができる。一方、溝のある領域では歪応力がないか、もしくは小さい。そのため、平坦な領域におけるIII族窒化物半導体による面内における歪応力のためにバンドは持ち上げられるため、結果として溝のある領域のIII族窒化物半導体は空乏化して電流は流れない。以上のように、溝の設置による面内のバンド変調によって、シートキャリア濃度の増大と移動度の向上を実現でき、その結果、デバイス特性の向上を実現することが可能となる。
【００２６】
また、前記III族窒化物半導体は、電気伝導がｎ型であり、前記IV族窒化物の格子定数は、前記III族窒化物半導体との格子整合条件に比べて大きく、前記IV族窒化物は、前記界面に至る穴が形成され、前記窒化物半導体材料は、さらに、前記穴を介して前記界面と接続される導電性材料を含んでもよい。
【００２７】
この構成によれば、IV族窒化物は界面を通じて直下にあるｎ型III族窒化物半導体の部分に対して面内方向に引っ張り歪を与える。一方、IV族窒化物が表面に存在しない領域のｎ型III族窒化物半導体は、その引っ張り歪に引きずられる形で面内方向に圧縮歪を受けるため、面内において不均一な歪分布に変調することができる。これは、IV族窒化物が存在しない場合ｎ型III族窒化物半導体の表面における歪は均一であり、一部分に引っ張り歪が加わると、その他の領域は相対的に圧縮歪を受けるためである。よって、面内方向に圧縮歪を受けている領域のｎ型III族窒化物半導体は、より低エネルギー側へ伝導帯がシフトする。そのため、表面におけるキャリア濃度の増大および電気抵抗の低減を実現することができる。また、ｎ型III族窒化物半導体と導電性材料との低抵抗なオーミック接触を実現することができる。
【００２８】
また、前記III族窒化物半導体は、電気伝導がｐ型であり、前記IV族窒化物の格子定数は、前記III族窒化物半導体との格子整合条件に比べて小さく、前記IV族窒化物は、前記界面に至る穴が形成され、前記窒化物半導体材料は、さらに、前記穴を介して前記界面と接続される導電性材料を含んでもよい。
【００２９】
この構成によれば、IV族窒化物は界面を通じて直下にあるｐ型III族窒化物半導体の部分に対して面内方向に圧縮歪を与える。一方、IV族窒化物が表面に存在しない領域のｐ型III族窒化物半導体は、その圧縮歪に引きずられる形で面内方向に引っ張り歪を受けるため、面内において不均一な歪分布に変調することができる。これは、IV族窒化物が存在しない場合、III族窒化物半導体の表面における歪は均一であり、一部分に圧縮歪を与えると、その他の領域は相対的に引っ張り歪を受けるためである。よって、面内方向に引っ張り歪を受けている領域のｐ型III族窒化物半導体は、より高エネルギー側へと価電子帯がシフトする。そのため、表面における正孔キャリア濃度の増大や電気抵抗の低減を実現することができる。また、ｐ型III族窒化物半導体と導電性材料との低抵抗なオーミック接触を実現することができる。
【００３０】
また、前記窒化物半導体材料は、さらに、前記IV族窒化物上に形成される前記IV族窒化物と組成の異なる第２のIV族窒化物を含んでもよい。
【００３１】
この構成によれば、界面では原子が規則的に配列した構造となっているため、その後に形成される第２のIV族窒化物もまた、規則性を有する優れた膜を形成することができる。また、第２のIV族窒化物からの歪応力をIII族窒化物半導体に与え、III族窒化物半導体のバンド構造を制御することができる。よって、界面における未結合手を極限まで減らしつつ、III族窒化物半導体のバンド構造を効率よく変調させるための歪応力をIV族窒化物半導体に付与させることができるため、デバイスの信頼性を向上させるとともに、設計自由度を向上させることが可能である。
【００３２】
また、前記IV族窒化物は、前記界面において前記III族窒化物半導体へ歪応力を与えないようなIV族元素の組成によって形成され、前記第２のIV族窒化物は、前記界面に垂直方向に歪応力を与えるように組成が変調されていてもよい。
【００３３】
この構成によれば、界面におけるIV族窒化物は、歪応力に起因する内部エネルギーの増大をまねくことなく、III族窒化物半導体の表面構造に最も適した、原子が規則的に配列した界面を実現することができる。すなわち、原子が規則的に配列した界面を得やすくなる。また、本発明に係る窒化物半導体材料は、界面に対して垂直方向に第２のIV族窒化物の組成を変調することで、III族窒化物半導体に歪応力を与える。これにより、III族窒化物半導体のバンド構造を変調させることができる。
【００３４】
また、前記IV族窒化物は、IV族元素および窒素が３対４で含まれ、IV族元素および窒素の組成の誤差は１０％以内であってもよい。
【００３５】
この構成によれば、IV族窒化物に含まれるIV族元素と窒素が強固な共有結合によって結合するため、硬い結晶構造を実現することができる。よって、界面を通じてIV族窒化物における歪応力を効率よくIII族窒化物半導体へ伝達することができる。これにより、本発明に係る窒化物半導体材料を導入したデバイスの特性を向上することができる。また、IV族窒化物は共有結合で構成されるため、III族窒化物半導体との相性がよく、密着性の向上および界面準位の低減を実現することができる。
【００３６】
また、前記IV族窒化物は、水素を含有していてもよい。
この構成によれば、IV族窒化物に含まれる未結合手が水素によって終端されるため、IV族窒化物の化学的安定性および絶縁性を安定化させることが可能である。これにより、本発明に係る窒化物半導体材料を用いたデバイスの特性を安定化かつ高信頼化することができる。
【００３７】
また、前記IV族窒化物半導体は、前記IV族窒化物半導体の全域において規則的な原子配列を有してもよい。
【００３８】
この構成によれば、IV族窒化物の機械的強度は飛躍的に高まるため、界面を通してIII族窒化物半導体へ効率よく応力を伝達することが可能となる。また、IV族窒化物が全て結晶構造である場合、その電子構造は一義に定まるため、デバイス設計が容易であるという利点がある。
【００３９】
また、前記窒化物半導体材料は、さらに、前記IV族窒化物上に形成される第２のIII族窒化物半導体を含み、前記第２のIII族窒化物半導体と前記IV族窒化物との界面は規則的な原子配列を有してもよい。
【００４０】
この構成によれば、IV族窒化物をIII族窒化物半導体によってサンドイッチ構造にしたIII族窒化物材料を実現することができる。IV族窒化物のバンド構造は、III族窒化物材料に比べて全体的にエネルギーの高い側にあるため、界面においてタイプIIのヘテロ接合となる。そして、サンドイッチ構造にすると、電子はIII族窒化物半導体に、正孔はIV族窒化物に、それぞれ空間的に分離して蓄積される。また、IV族窒化物の持つ高い機械的強度による歪応力のため、サンドイッチ構造のバンド構造は圧電効果によって大きく傾けられる。また、界面においてタイプIIのヘテロ接合であるため、蓄積された電子と正孔のエネルギーギャップを、材料が個別にある場合に比べて非常に小さくすることができる。このエネルギーギャップは外部電界に対して鋭敏に変化するため、本発明に係る窒化物半導体材料を用いることで、低電圧にて駆動でき、なおかつ寄生容量の小さなアクティブ波長フィルタ素子あるいは光変調素子を実現することができる。
【００４１】
また、本発明に係る半導体素子は、前記窒化物半導体材料と、前記III族窒化物半導体上に形成されるソース電極と、前記III族窒化物半導体上に、前記第１電極と対向して形成されるドレイン電極と、前記第１電極と前記第２電極との間であり、前記IV族窒化物上に形成されるゲート電極とを備える。
【００４２】
この構成によれば、界面においてIII族窒化物半導体とIV族窒化物が化学結合によって接合しているため、III族窒化物半導体からの余分な未結合手を効率よく終端することができる。よって、素子特性の劣化要因となる表面準位を効率的に低減することができる。さらに、III族窒化物半導体とIV族窒化物が化学結合によって強固に接合されているため、IV族窒化物からの歪応力を効率的にIII族窒化物半導体へ伝えることができる。これにより、応力によって窒化物半導体デバイスのバンド構造を効率よく変調することが可能となる。すなわち、本発明に係る半導体素子は、動作特性に対する最適なバンド構造を設計することが可能となる。
【００４３】
また、本発明に係る製造方法は、窒化物半導体材料の製造方法であって、炉の中で半導体基板上にIII族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる第１ステップと、前記半導体基板を前記炉から取り出さず、前記III族窒化物半導体上に熱分解反応により、前記III族窒化物半導体との界面が規則的な原子配列となるIV族窒化物を形成する第２ステップとを含む。
【００４４】
これによれば、炉から取り出すことなくIV族窒化物を成膜することで、IV族窒化物とIII族窒化物半導体との界面における酸素等の不純物の混入を最小限にすることができ、かつ、不純物が引き起こす界面における不規則性を抑制することができる。また、熱分解反応によりIV族窒化物を成膜することで、界面における原子マイグレーションを促進させることができる。これにより、IV族窒化物の３次元性長を抑制しつつ、IV族窒化物の２次元成長を促すことができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明は、素子の動作特性に対して最適なバンド構造を設計することのできる窒化物半導体材料、半導体素子およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００４７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１では、III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面が規則的な原子配列となる窒化物半導体材料を用いた半導体素子の製造方法を説明する。
【００４８】
本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体材料を用いた半導体素子は、結晶成長技術を用いて形成される。実施の形態１に係る窒化物半導体材料を用いた半導体素子は、III族窒化物半導体のIII族原料には、ガリウム原料として例えばトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、アルミニウム原料として例えばトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、インジウム原料として例えばトリメチルインジウム（以下ＴＭＩ）を用いる。また、V族原料としては窒素原料として例えばアンモニア（以下ＮＨ3）を用いる。不純物原料としてｎ型半導体層には例えばシラン（以下ＳｉＨ4）を用いてＳｉを添加する有機金属化学気相成長方法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：以下ＭＯＣＶＤ法）によって結晶成長を行う。また、ｐ型半導体層には例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（以下ＣＰ2Ｍｇ）を用いてＭｇを添加するＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行う。
【００４９】
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体材料を用いた半導体素子であるヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造過程を示す断面図である。
【００５０】
まず、III族窒化物半導体である（０００１）面ＧａＮ基板１０１上に、III族窒化物半導体である１．５μｍ厚アンドープ型ＧａＮ層１０２を結晶成長させる。さらに、ＧａＮ層１０２上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）に比べて禁制帯幅が広いIII族窒化物半導体である８ｎｍ厚ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３を結晶成長させる。そして、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３上に、IV族窒化物とのなじみを改善するために、III族窒化物半導体である１ｎｍ厚ＡｌＮ層１０４を結晶成長させる（図１（ａ））。
【００５１】
次に、図１（ａ）に示すＡｌＮ層１０４上に、界面１０５を介してIV族窒化物である窒化珪素膜１０６を形成する（図１（ｂ））。窒化珪素膜１０６の成膜にはIII族窒化物半導体（ＧａＮ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３およびＡｌＮ層１０４）の成膜に用いたＭＯＣＶＤ装置を用いる。また、シリコンおよび窒素の原料ガスとしてそれぞれ、ＳｉＨ4ガスおよびＮＨ3ガスを用いる。そのため、III族窒化物半導体の成膜後、炉から基板を取り出すことなく、引き続き窒化珪素膜１０６を成膜することができる。これにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３と窒化珪素膜１０６との界面１０５に酸素等の不純物が混在せず、界面１０５は良好に制御される。界面１０４には酸素が存在しないか、または、面内密度を１０の１４乗毎平方センチメートル以下にすることで、III族窒化物半導体のバンドを
ピンニングする界面準位を界面からなくすことができる。これにより、本発明に係る窒化物半導体材料を用いたデバイスの特性を安定させ、信頼性を向上させることができる。
【００５２】
本実施の形態１では、プラズマによる原料の分解および低い成膜温度といった一般的な気相成膜条件を用いず、成長温度を８００℃以上に上げて表面における熱分解反応によって窒化珪素膜１０６の成膜を行う。プラズマを用いず、なおかつ従来に比べて成長温度を飛躍的に増大させることで、ＮＨ3を熱分解して活性化窒素原子を得るとともに、界面における原子マイグレーションを促進させる。これにより、窒化珪素の３次元性長を抑制しつつ、窒化珪素の２次元成長を促すことができる。さらに、本実施の形態１では、厳密な界面制御のために、成膜速度を従来よりも２桁近くも遅い毎時１ｎｍ程度にまで大幅に下げて窒化珪素膜１０６の成膜を行う。上記成膜条件で窒化珪素膜１０６を成膜することで、均質なβ相構造の窒化珪素膜１０６を成膜することができる。この成長法を用いることで、界面１０５における窒化珪素膜１０６を構成する原子は、酸素および炭素等の不純物が混入しておらず、界面１０５は、規則的な原子配列を有する。また、界面１０５における窒化珪素膜１０６を構成する原子は、未結合手が極力低減するようにＡｌＮ層１０４と化学的に結合する。例えば、界面１０５には酸素が存在しないか、または、面内密度を１０の１４乗毎平方センチメートル以下にすることで、III族窒化物半導体のバンドをピンニングする界面準位を界面からなくすことができる。これにより、本発明に係る窒化物半導体材料を用いたデバイスの特性を安定させ、信頼性を向上させることができる。
【００５３】
IV族窒化物である窒化珪素膜１０６を成膜した後、ＣＦ4ガスを用いた誘電体反応性イオンエッチングによって窒化珪素膜１０６にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極のための穴を形成する。ゲート電極のための穴を窒化珪素膜１０６に形成する理由は、寄生容量の低減および相互コンダクタンスを増大させるためである。さらに、塩素系ドライエッチングによってＡｌＮ層１０４、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３およびアンドープ型ＧａＮ層１０２をエッチングすることで、ソース電極およびドレイン電極を介して電気伝導させるための領域を形成する（図１（ｃ））。
【００５４】
次に、図１（ｃ）に示されている構造に、チタン／アルミニウム／チタン／金の電極をリフトオフ法によって蒸着することで、ソース電極１０７ａ、ゲート電極１０７ｂおよびドレイン電極１０７ｃを形成する（図１（ｄ））。以上により、ヘテロ接合型電界効果トランジスタが形成される。
【００５５】
図１（ｄ）に示すヘテロ接合型電界効果トランジスタは、界面１０５において原子オーダで規則的に配列し、かつ、ＡｌＮ層１０４および窒化珪素膜１０５が化学結合によってつながっている。これにより、界面１０５における界面準位を低減させることができる。さらに、窒化珪素膜１０６が歪によって引き起こされる応力を、界面１０５における化学結合を通じてＡｌＮ層１０４へ伝えることができる。その結果として、ＧａＮ層１０２において生成されている２次元電子ガス１０８のシートキャリア濃度を変調することができる。これにより、ソース電極１０７ａとドレイン電極１０７ｃとの間のシート抵抗を減少させることができる。このように、少なくとも界面において原子が規則配列したIV族窒化物を用いることで、ヘテロ接合型電界効果トランジスタの特性および信頼性を向上させることが可能である。
【００５６】
また、図１（ｄ）に示すヘテロ接合型電界効果トランジスタは、ＧａＮ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３およびＡｌＮ層１０４の３層構造となっている。これにより、自発分極および圧電効果によって２次元電子ガスが効率的に生成することができる。
【００５７】
なお、本実施の形態１では、III族窒化物半導体の層構造をアンドープ型ＧａＮ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３およびＡｌＮ層１０４のヘテロ接合としているが、これ以外のIII族窒化物半導体の組み合わせであってもよい。また、III族窒化物半導体は単層構造であってもよい。
【００５８】
また、ＧａＮ基板１０１の結晶性および平坦性が優れている場合、アンドープ型ＧａＮ層１０２とＧａＮ基板１０１とは同一でもよく、ｎ型ＧａＮ基板１０１に直接ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３を形成してもよい。この場合、結晶成長を１層分だけ減らせるため、窒化物半導体材料をさらに低コストにて実現することができる。また、ＧａＮ基板１０１、アンドープ型ＧａＮ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０３およびＡｌＮ層１０４の結晶構造は、ウルツ鉱構造であっても閃亜鉛構造であっても本発明の効力は発揮される。
【００５９】
また、上記説明では、窒化珪素膜１０５の形成方法としてＭＯＣＶＤ法を用いているが、界面１０４において原子が規則的に配列されるならば、どのような成膜方法でもよい。ＭＯＣＶＤ法以外の成膜方法として、分子線エピタキシー技術を用いて窒化珪素膜１０６を作製する方法がある。この場合、窒素ガスをプラズマ化して原子状窒素が存在する雰囲気に、電子ビーム照射によって固体シリコンを原子状ビームにして供給することで、III族窒化物半導体上に窒化珪素膜１０６を成膜できる。具体的な成膜条件としては、シリコンのビームフラックス圧力を約１×１０-5Ｔｏｒｒ、窒素流量１ｓｃｃｍ、窒素プラズマ化のための入射高周波電力２９０Ｗとし、基板温度７００℃において分子線エピタキシー技術を用いて窒化珪素膜１０６を作製することで、良好な界面１０５を有する窒化珪素膜１０５を得ることができる。また、界面１０５へのダメージを起こしてしまう原子状窒素のイオン成分を除去するために、逆バイアスとして＋２００Ｖ印加しており、飛来する原子状窒素を電気的に中性であるラジカル成分のみにしている。また、分子線エピタキシー技術によって成膜する場合、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像を用いたその場観察によって成膜することができるため、界面１０５を精度よく制御することができる。また、窒化珪素膜１０６の成膜前に、低パワー（１５０Ｗ程度）の窒素プラズマを基板温度７００℃において３０分間照射すると、表面の不純物（酸素や炭素など）を除去できるため、不純物のない原子が規則的に配列した界面１０５を有するIV族窒化物を実現することが可能である。
【００６０】
また、上記説明では、成膜温度８００℃にて窒化珪素膜１０６を成膜することで、結晶構造としてβ相構造が得られているが、成長温度を１０００℃以上に設定することで、より硬く高密度なγ相構造を均質に成膜することが可能である。
【００６１】
ここで、窒化珪素膜１０６は、珪素と窒素の原子組成比が３：４になっている。このとき、窒化珪素膜１０６はIV族窒化物を構成するお互いの原子が共有結合によって結合される。特に、組成の誤差が１０％以内である場合、強固かつ化学的に安定な膜を実現することができる。これにより、界面１０５を通じて窒化珪素膜１０６における歪応力を効率よくＡｌＮ層１０４へ伝達することができる。また、窒化珪素膜１０６は共有結合で構成されるため、ＡｌＮ層１０４等のIII族窒化物半導体との相性がよく、密着性の向上および界面準位の低減を実現することができる。特にＡｌＮ層１０４を窒化珪素膜１０６の直下に導入することは、ＡｌＮはＧａＮに比べて窒化珪素となじみが良く、ＡｌＮ層１０４の表面を覆い尽くすように窒化珪素薄膜が形成されることが、我々が行なった第一原理計算による解析の結果から分かっており、ＡｌＮ層１０４を成膜することは、窒化珪素膜１０６との界面１０５を高品質なものにすることができる。
【００６２】
また、珪素と窒素の原子組成比が３：４からずれていたとしても、未結合手が水素によって終端されている場合、本発明の効果が発揮される。すなわち、IV族窒化物である窒化珪素膜１０６が水素を含有し、未結合手を水素により終端することで、珪素と窒素の原子組成比が３：４の場合と同様の効果を得ることができる。未結合手を水素によって終端させる具体的かつ効果的な方法としては、窒素原料としてＮＨ結合を１つ有する化合物を用いることによって達成できる。例えば、ＮＨ3の２つの水素をメチル基に置換した窒素原料（（ＣＨ3）2Ｎ）を用いることが有効である。（（ＣＨ3）2Ｎ）を用いた場合、７００℃に加熱された基板表面において、まず２つのメチル基が熱によって遊離し、ＮＨが生成される。ＮＨは化学的に不安定であるため、ＮＨ結合を保ったままIV族窒化物の成長表面とすばやく結合する。そして、IV族元素がＮＨ結合の周囲に来ると、窒素は水素原子を手放して、IV族元素と化学結合する。ここで、IV族元素と窒素の原子組成比が３：４からずれている条件でIV族窒化物を形成した場合、水素原子はＮＨ結合を保ったままIV族窒化物の内部に残留し、未結合手をふさぐ。IV族窒化物を形成後、高温にてアニール処理を行うと水素は脱離し、より結晶性の高い構造へ変化する。また、構造の変化において未結合手が発生する場合であっても、他のサイトより脱離した水素が再び結合するため、自動的に未結合手を低減してくれるように働く。このように、（（ＣＨ3）2Ｎ）を用いることで、珪素と窒素の原子組成比が３：４からずれている場合に、未結合手を水素によって終端することができる。
【００６３】
また、図１（ｃ）において、ゲート電極のための穴を窒化珪素膜１０６に形成しているが、形成しなくとも本発明の効力は発揮される。この場合、エッチング工程を省けるため、プロセスを簡略化することができる。
【００６４】
また、窒化珪素膜１０６の結晶構造は界面１０５近傍において原子が規則的に配列されているときに本発明の効力は発揮されるが、界面１０５のみならず、窒化珪素膜１０６の全域において規則的な原子配列を有していても、本発明の効力が発揮されることは言うまでもない。窒化珪素膜１０６の全域において規則的な原子配列を形成した場合には、窒化珪素膜１０５の機械的強度は飛躍的に高まるため、界面１０５を通してＡｌＮ層１０４へ効率よく応力を伝達することが可能となる。また、窒化珪素膜１０６の電子構造は一義に定まるため、デバイス設計が容易であるという利点がある。
【００６５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、III族窒化物半導体と様々なIV族窒化物との組み合わせによる材料設計の自由度向上、および、歪応力を効率的に伝達するために未結合手を精密制御するための界面構造について説明する。
【００６６】
IV族元素として炭素、珪素、ゲルマニウム、スズ、鉛を１種類以上含めることで、IV族窒化物は格子定数および禁制帯幅を自由に設計することが可能である。さまざまなIV族元素をIV族窒化物に用いた場合の格子定数と禁制帯幅の関係を、我々は第一原理計算によって求めた。その結果を図２に示す。図２は、IV族窒化物が取る３つの結晶構造（α相、β相およびγ相構造）における格子定数と禁制帯幅との関係を示す図である。IV族元素の組成を調整することで、IV族窒化物の物性を、図２において網掛けで示した範囲において自由に設計することができる。例えば、IV族窒化物材料として窒化炭素から窒化鉛を用いつつ、適切な結晶構造を選ぶことで、窒化珪素の格子定数に対して格子定数を−１６％から＋２１％まで変化させることができる。また禁制帯幅を金属（負の禁制帯幅）から約６．４ｅＶまで変化させることが可能となる。これにより、材料の設計自由度を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００６７】
図２において実線にて描かれた縦線は、ＧａＮの格子定数に対して半整数倍となる格子定数を示している。ここで、ＧａＮの＜１１−２０＞方位とIV族窒化物の＜１１−２０＞方位（γ相については＜１１−２＞方位）とは界面の面内において一致している。図２に示すこれらの縦線に合うIV族窒化物は、上段横軸に示す比でＧａＮに対して周期的な配列をなす。図２に示すように、α相窒化炭素（α−Ｃ3Ｎ4）およびβ相窒化炭素（β−Ｃ3Ｎ4）は、ＧａＮの格子定数の２倍にほぼ一致する。また、β相窒化ゲルマニウム（β−Ｇｅ3Ｎ4）は、ＧａＮの格子定数の２．５倍にほぼ一致する。γ相窒化炭素（γ−Ｃ3Ｎ4）は、ＧａＮの格子定数の３倍にほぼ一致する。γ相窒化スズ（γ−Ｓｎ3Ｎ4）は、ＧａＮの格子定数の４倍にほぼ一致する。
【００６８】
また、図２において点線にて描かれた縦線は、ＧａＮ格子定数のｓｉｎ（６０°）に対して整数倍となる格子定数を示す。このとき、ＧａＮの＜１１−２０＞方位とIV族窒化物の＜１１−２０＞方位（γ相については＜１１−２＞方位）とは界面の面内において直交した配置となっている。図２に示す点線の縦線に合うIV族窒化物は、ＧａＮの表面と整合性がよく規則的な化学結合をなす。図２に示すように、α相窒化ゲルマニウム（α−Ｇｅ3Ｎ4）およびβ相窒化ゲルマニウム（β−Ｇｅ3Ｎ4）は、ＧａＮ格子定数の１．５√３倍にほぼ一致する。また、γ相窒化珪素（γ−Ｓｉ3Ｎ4）は、ＧａＮ格子定数の２√３倍にほぼ一致する。
【００６９】
III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面における規則的な原子配列および化学結合は、III族窒化物半導体およびIV族窒化物の組成および結晶相の選択によって、様々な組み合わせが生じる。III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面におけるIV族窒化物の窒素原子の配列と、界面におけるIII族窒化物半導体のIII族原子の配列とが実質的に等しくなるIII族窒化物半導体およびIV族窒化物の組成および結晶相を選択することで、界面における未結合手の数を減少させることができる。特に、IV族窒化物が取り得る３つの結晶相のうち、β相およびγ相は、界面における未結合手をさらに低減させることが可能である。(０００１)面β相では特に、格子定数が(０００１)面III族窒化物半導体の２倍となるとき、最も未結合手の数を減らすことができ、未結合手の数をほぼゼロとすることが可能である。一方、(１１１)面γ相に関しては、界面の面内における方位＜１１−２＞と、(０００１)面III族窒化物半導体の面方位＜１１−２０＞が平行である場合は、III族窒化物半導体の格子定数に対して４倍の場合に最も未結合手の数を減らすことが可能である。
【００７０】
以下に、ＧａＮとIV族窒化物との具体的な界面構造の４つの例を説明する。
まず、ＧａＮとIV族窒化物との界面構造の第１の例を説明する。
【００７１】
図３（ａ）は、ウルツ鉱III族窒化物半導体の（０００１）面（閃亜鉛構造では（１１１）面に相当）の原始配列を示す図である。図３（ｂ）は、β相構造をとるIV族窒化物の（０００１）面の原子配列を示す図である。図３において、IV族窒化物の格子定数はIII族窒化物半導体の２倍として描いている。図３（ａ）において、大きい黒い丸は、III族原子を表し、小さい白い丸は、窒素原子を表す。特に、大きい黒い丸は、最表面（III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面）に存在しているIII族原子を表す。一方、図３（ｂ）において、大きい丸は、IV族原子を表し、小さい丸は、窒素原子を表す。特に、小さい黒い丸は最下層（III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面付近）にある窒素原子を表す。図３において、実線の菱形はユニットセルを表す。ここでは図３（ａ）におけるIII族窒化物半導体のユニットセルの２倍になるように、図３（ｂ）におけるβ相構造のIV族窒化物のユニットセルをあわせている。また、図３（ａ）および（ｂ）において上方向をIII族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向としており、III族窒化物半導体の＜１１−２０＞方向とβ相IV族窒化物の＜１１−２０＞方向とは一致している。図３（ａ）において、最表面にあるIII族原子を結んだものを破線にて示しており、破線の交点にIII族原子が存在する。また、比較のために図３（ａ）と同じ間隔の破線を図３（ｂ）に示す。
【００７２】
以下に、図３（ａ）に示すようなIII族窒化物半導体の上に図３（ｂ）にて示すβ相構造のIV族窒化物を結晶成長した場合を考える。このとき、図３（ｂ）に示すように、破線の交点にて示されたIII族窒化物半導体の最表面III族原子の位置に、若干歪を有しながらも１対１の対応関係を持ってβ相構造IV族窒化物構造の最下層に位置する窒素原子が存在する。III族原子と窒素原子は１対１で化学結合を起こすため、界面において未結合手が全く存在しない。そのため、界面準位の発生を極限にまで低減させることが可能である。このように、（１）β相構造であるIV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ２倍であり、（２）III族窒化物半導体が（０００１）面ウルツ鉱構造または（１１１）面閃亜鉛構造であり、かつ、IV族窒化物の面方位が（０００１）面であり、（３）III族窒化物半導体の界面における面内方位が、＜１１−２０＞であり、かつ、β相構造のIV族窒化物の面方位が＜１１−２０＞である場合、未結合手がなく、かつ、整合性の取れた界面を実現することが可能である。
【００７３】
ここで、β相構造を有するIV族窒化物は、８００℃程度の比較的低温において得ることが可能であり、最下層の窒素原子を土台にして自発的にβ相構造とすることができる。これは、β相構造の最下層における窒素原子の電子は、ほぼ下側に向かって軌道が伸びているためである。一方、（０００１）面III族窒化物半導体の最表面であるIII族原子に窒素が吸着した場合、窒素原子が垂直方向に吸着されるため、界面における整合性が保たれる。また、β相構造のIV族窒化物の成膜が進み、完全なβ相結晶構造が構築されると、界面の窒素原子は歪を有しながらも構造緩和する。これは、図３（ｂ）に示すように、β相構造における最下層窒素原子の位置が図３（ａ）にて示されるIII族元素の位置よりもずれているためである。この原子オーダの歪は界面準位を増やすことなくIII族窒化物半導体の表面におけるバンド構造の変調に寄与し、さらにIV族窒化物の結晶による歪が加わるために、さらなるバンド構造の変調を促進させることができる。よって、（０００１）面III族窒化物半導体の上に＜１１−２０＞方位の揃った（０００１）面β相IV族窒化物を形成することで、原子が規則的に配列した界面を効率的に得ることができ、なおかつ原子オーダにおける歪効果が加味されることにより、さらなるバンド構造の変調、デバイス設計自由度の向上およびデバイスばらつきの低減を実現できる。
【００７４】
次に、ＧａＮとIV族窒化物との界面構造の第２の例を説明する。
図４（ａ）は、ウルツ鉱III族窒化物半導体の（０００１）面の原子配列を示す図である。図４（ｂ）は、γ相構造をとるIV族窒化物の（１１１）面の原子配列を示す図である。図４において、IV族窒化物の格子定数はIII族窒化物半導体の４倍として描いている。また、図４（ａ）において、大きい黒い丸は、III族原子を表し、小さい白い丸は、窒素原子を表す。特に、大きい黒い丸は、最表面に存在するIII族原子を表す。図４（ｂ）において、大きい丸は、IV族原子を表し、小さい丸は、窒素原子を表す。特に、黒い丸は最下層にある窒素原子を表す。また、図４において、菱形はユニットセルを表す。図４（ａ）におけるIII族窒化物半導体のユニットセルの４倍になるように、図４（ｂ）におけるγ相構造のIV族窒化物のユニットセルをあわせている。また、図４（ａ）において上方向を、＜１１−２０＞方向とし、図４（ｂ）において上方向を＜１１−２＞方向とする。図４（ａ）において、最表面にあるIII族原子を結んだものを破線にて示しており、破線の交点にIII族原子が存在する。また、比較のために図４（ａ）と同じ間隔の破線を図４（ｂ）に示す。
【００７５】
図４（ｂ）に示すように、破線の交点（III族窒化物半導体の最表面III族原子の位置に対応）にIV族窒化物の最下層窒素原子が１対１にて存在していることがわかる。すなわち、図４（ａ）に示すIII族窒化物半導体上に図４（ｂ）に示すIV族窒化物を結晶成長させた場合、III族窒化物半導体上とIV族窒化物との界面において未結合手のない安定した化学結合を得ることができる。このように、（１）γ相構造であるIV族窒化物の格子定数が、III族窒化物半導体の格子定数のおおよそ４倍であり、（２）III族窒化物半導体が（０００１）面ウルツ鉱構造または（１１１）面閃亜鉛構造であり、かつ、IV族窒化物の面方位も（１１１）面であり、（３）III族窒化物半導体の界面における面内方位が、ウルツ鉱構造の場合は＜１１−２０＞、閃亜鉛構造の場合は＜１１−２＞であり、かつ、γ相構造のIV族窒化物の面方位も＜１１−２＞である場合、未結合手がなく、かつ、整合性の取れた界面を実現することが可能である。なお、図４（ａ）ではウルツ鉱構造であるが、閃亜鉛構造の（１１１）面最表面の原子配列は（０００１）面ウルツ鉱構造と全く同じであるため、閃亜鉛構造であっても本発明の効力は十分発揮される。また、γ相構造は別名スピネル構造とも言われ、IV族元素に遷移金属元素などの不純物を導入することによって、強磁性あるいは反強磁性を実現することができるため、さらなる高機能化を実現することも可能である。
【００７６】
次に、ＧａＮとIV族窒化物との界面構造の第３の例を説明する。
図５（ａ）は、閃亜鉛構造III族窒化物半導体の（００１）面の原子配列を示す図である。図５（ｂ）は、γ相構造をとるIV族窒化物の（００１）面の原子配列を示す図である。図５において、IV族窒化物の格子定数はIII族窒化物半導体の格子定数の√２倍に等しいものとして描いている。また、図５（ａ）および（ｂ）は、面内の軸方向をお互いに４５度傾けて示している。
【００７７】
図５（ａ）において、大きい黒い丸は、III族原子を表し、小さい白い丸は、窒素原子を表す。特に、大きい黒丸は最表面に存在するIII族原子を表す。図５（ｂ）において、大きい丸は、IV族原子を表し、小さい丸は、窒素原子を表す。特に、黒い丸は最下層にある窒素原子を表す。図５（ａ）において、実線で示された矩形は各構造のユニットセルを表す。また、実線および破線は、III族窒化物半導体の最表面においてIII族原子を結んだ線である。また、比較のために図５（ａ）と同じ間隔の実線および破線を図５（ｂ）に示す。
【００７８】
図５（ｂ）に示すように、III族窒化物半導体の最表面III族原子に対応するように、最下層窒素原子が存在する。最下層窒素原子の面内密度は、最表面III族原子のものに比べて高くなっているが、水素終端させるなどで構造を安定化させることができる。また、図５（ｂ）において、格子定数を√２倍して４５°傾けた場合、図５（ａ）のIII族窒化物半導体の最表面III族原子と１対１にて対応することがわかる。同様に、格子定数を１／√２倍して４５°傾けても同じ効果が得られる。このように、III族窒化物半導体が閃亜鉛構造を取る場合、様々な格子定数の比においてIII族窒化物半導体とIV族窒化物は良好な界面を形成することが可能である。よって、図５（ａ）に示すIII族窒化物半導体上に図５（ｂ）に示すIV族窒化物を結晶成長させた場合、III族窒化物半導体上とIV族窒化物との界面において未結合手のない安定した化学結合を得ることができる。
【００７９】
次に、ＧａＮとIV族窒化物との界面構造の第４の例を説明する。
図６（ａ）は、ウルツ鉱III族窒化物半導体の（０００１）面（閃亜鉛構造では（１１１）面に相当）の原子配列を示す図である。図６（ｂ）は、β相構造をとるIV族窒化物の（１−１００）面の原子配列を示す図である。図６において、IV族窒化物の＜０００１＞方向に対する格子定数（図６（ｂ）において横方向）はIII族窒化物半導体の面内方向の格子定数と等しいものとして描いている。また、図６（ｂ）において縦方向の格子定数は、分かりやすいように構造が完全に緩和している場合に比べて７０％程度に縮尺している。図６（ａ）において、大きい黒い丸は、III族原子を表し、小さい白い丸は、窒素原子を表す。特に、大きい黒い丸は、最表面に存在するIII族原子を表す。図６（ｂ）において、大きい丸は、IV族原子を表し、小さい丸は、窒素原子を表す。特に、黒い丸は、最下層にある窒素原子を表す。図６において、実線で示された矩形は周期構造の単位を表しており、III族窒化物半導体ではユニットセル面積の２倍に相当している。また、図６（ａ）において上方向をそれぞれ、＜１１−２０＞方向とし、図６（ｂ）において上方向を＜１１−２０＞方向とする。すなわち、図６（ａ）に示すIII族窒化物半導体上に図６（ｂ）に示すIV族窒化物を形成した場合、IV族窒化物の＜０００１＞方位は、III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面に対して平行となる。図６（ａ）において、最表面にあるIII族原子を結んだものを破線にて示しており、破線の交点にIII族原子が存在する。また、比較のために図６（ａ）と同じ間隔の破線を図６（ｂ）に示す。
【００８０】
図６（ｂ）に示すように、一部の最下層窒素原子はIII族窒化物半導体における最表面III族原子に完全に一致することがわかる。また、破線の交点に最下層窒素原子が存在しない部分もあるが、この場合、周囲に３つの窒素原子が存在するため、最表面におけるIII族原子は周囲の窒素原子と八面体配位することで、未結合手のない安定した化学結合が得られる。図６（ｂ）では、説明のために縦軸を縮小して描いたが、これは、本界面構造が上下方向と左右方向に対して異なる歪を有することを意味するものであり、界面を通して異方的な面内応力をIII族窒化物半導体へ与えることが可能となる。
【００８１】
このように、IV族窒化物において下地のIII族窒化物半導体と格子整合条件が合う結晶相が存在する場合、結晶学的および熱力学的な理由から自動的に結晶構造を一意に選択させることが可能となる。また、この効果によって、III族窒化物半導体とIV族窒化物との界面において、均一性の優れた規則配列構造を自己組織的に形成することが可能であり、特にIII族窒化物半導体とIV族窒化物の原子結合手がお互いに１対１にて結合する場合、最も界面準位の形成が抑制される。さらに、IV族原子として炭素から鉛まで選択することで、高抵抗の絶縁体から半金属まで得ることができ、格子定数の違いによる歪応力を効率よくIII族窒化物半導体へ伝えることができる。
【００８２】
なお、図３、図４および図６において、III族窒化物半導体をウルツ鉱構造の（０００１）面最表面として説明していたが、閃亜鉛構造の（１１１）面最表面であっても、本発明の効力は十分に発揮される。なぜならば、ウルツ鉱構造の（０００１）面と閃亜鉛構造の（１１１）面は、最表面の原子配列は全く同一だからである。閃亜鉛構造の場合は面内の＜１１−２０＞方位を＜１１−２＞方位と読み直せば良い。
【００８３】
なお、図２において下地のIII族窒化物半導体をＧａＮとして説明したが、これはその他のIII族窒化物半導体であっても十分に本発明の効力は発揮される。ＧａＮ以外のIII族窒化物半導体を用いるとＧａＮから格子定数がずれるが、これに伴ってIV族元素の組成を変えてIV族窒化物の格子定数を再設計すればよい。
【００８４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、III族窒化物半導体の界面にIV族窒化物によって面内異方性を持たせることのできる半導体素子について説明する。以下に、III族窒化物半導体の界面にIV族窒化物によって面内異方性を持たせる２つの例を説明する。
【００８５】
まず、III族窒化物半導体に溝形状を形成し、IV族窒化物との界面に異方性を持たせる例について説明する。図７（ａ）は、III族窒化物半導体に溝形状を形成し、IV族窒化物との界面に異方性を持たせた電界効果トランジスタデバイスの構造を示す斜視図である。図７（ａ）に示す電界効果トランジスタデバイスは、(０００１)面ＧａＮ基板７０１と、アンドープ型ＧａＮ層７０２と、窒化珪素膜７０３と、ソース電極７０４ａと、ゲート電極７０４ｂと、ドレイン電極７０４ｃとを備える。
【００８６】
アンドープ型ＧａＮ層７０２は、ＧａＮ基板７０１上に成膜される。アンドープ型ＧａＮ層７０２は、塩素系ドライエッチングにより、窒化珪素膜７０３との界面において面内方向に沿って溝が形成される。
【００８７】
窒化珪素膜７０３は、アンドープ型ＧａＮ層７０２上に１１００℃にて気相成膜される。また、窒化珪素膜７０３とアンドープ型ＧａＮ層７０２との界面においてγ相結晶が形成される。窒化珪素膜７０３とアンドープ型ＧａＮ層７０２との界面は、図４（ａ）および（ｂ）に記されたような界面構造を形成する。
【００８８】
ソース電極７０４ａおよびドレイン電極７０４ｃはアンドープ型ＧａＮ層７０２と良好なコンタクトを形成するために、窒化珪素膜７０３をＣＨ4反応性イオンエッチングによって除去した領域に蒸着される。ソース電極７０４ａは、III族窒化物半導体であるアンドープ型ＧａＮ層７０２上に形成される。ドレイン電極７０４ｃは、アンドープ型ＧａＮ層７０２上に、ソース電極７０４ａと対向して形成される。ゲート電極７０４ｂは、ソース電極７０４ａとドレイン電極７０４ｃとの間であり、IV族窒化物である窒化珪素膜７０３上に形成される。
【００８９】
図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ０−Ａ１におけるアンドープ型ＧａＮ層７０２と窒化珪素膜７０３との断面構造を示す図である。
【００９０】
図７（ｂ）において、アンドープ型ＧａＮ層７０２と窒化珪素膜７０３との間に界面が形成されるが、アンドープ型ＧａＮ層７０２において溝部は高いインデックスの面方位によって形成されている。これにより、主面以外の面では原子が規則的に配列された界面を形成することはできない。一方、アンドープ型ＧａＮ層７０２と窒化珪素膜７０３との間に界面の溝部以外では、主面方向のみに原子が規則的に配列された界面７１０が形成される。ここで、窒化珪素膜７０３は圧縮歪を受けているため、界面７１０を通じて下地のアンドープ型ＧａＮ層７０２へ引っ張り方向の歪応力を与える。そして、アンドープ型ＧａＮ層７０２は溝が形成されているため、歪応力に応じて横方向へ延伸され、垂直方向に対しては圧縮歪を受ける。その結果、アンドープ型ＧａＮ層７０２は界面７１０近傍において伝導帯のバンド端が低エネルギー側に下げられるため、界面７１０の近傍に電子輸送が可能なチャネルが形成される。このチャネルは、ゲート電極７０４ｂへの電圧印加によってコンダクタンスを制御可能であるため、図７（ａ）に示すような電界効果トランジスタデバイスを実現することができる。
【００９１】
次に、III族窒化物半導体上のIV族窒化物に溝を形成することで、界面に異方性を持たせた例について説明する。
【００９２】
図７（ｃ）は、III族窒化物半導体上のIV族窒化物に溝を形成することで、界面に異方性を持たせた電界効果トランジスタデバイスの構成を示す斜視図である。図７（ｃ）に示す電界効果トランジスタデバイスは、(０００１)面ＧａＮ基板７０５と、アンドープ型ＧａＮ層７０６と、窒化珪素膜７０７と、ソース電極７０８ａと、ゲート電極７０８ｂと、ドレイン電極７０８ｃとを備える。
【００９３】
アンドープ型ＧａＮ層７０６は、ＧａＮ基板７０５上に成膜される。
窒化珪素膜７０７は、アンドープ型ＧａＮ層７０６上に１１００℃にて気相成膜される。その後、窒素珪素膜７０７は、ＣＦ4系反応性イオンエッチングによって、上表面に、面内方向に沿って溝が形成される。また、窒化珪素膜７０７とアンドープ型ＧａＮ層７０６との界面においてγ相結晶が形成される。窒化珪素膜７０７とアンドープ型ＧａＮ層７０６との界面は、図４（ａ）および（ｂ）に記されたような界面構造を形成する。
【００９４】
ソース電極７０８ａおよびドレイン電極７０８ｃはアンドープ型ＧａＮ層７０６と良好なコンタクトを形成するために、窒化珪素膜７０７をＣＨ4反応性イオンエッチングによって除去した領域に蒸着される。
【００９５】
図７（ｄ）は、図７（ｃ）のＢ０−Ｂ１におけるアンドープ型ＧａＮ層７０６と窒化珪素膜７０７との断面構造を示す図である。
【００９６】
図７（ｄ）に示すように、アンドープ型ＧａＮ層７０６と窒化珪素膜７０７の間に原子が規則的に配列した界面７１１が形成される。ここで、窒化珪素膜７０７は圧縮歪を受けているため、界面７１１を通じて下地のアンドープ型ＧａＮ層７０６へ引っ張り方向の歪応力を与える。特に窒化珪素膜７０７の凸部は大きな歪応力を有するため、界面７１１を介して凸部直下のアンドープ型ＧａＮ層７０６は面内方向に対して引っ張り方向の歪を受ける。一方、凹部直下のアンドープ型ＧａＮ層７０６は面内方向に対して圧縮方向の歪を受ける。そのため、アンドープ型ＧａＮ層７０６は凸部直下において伝導帯のバンド端が低エネルギー側に下げられる。これにより、界面７１１の近傍に電子輸送が可能なチャネルが形成される。一方、凹部直下ではバンドが高エネルギー側に持ち上げられるため、凹部直下のアンドープ型ＧａＮ層７１２が空乏化を起こす。これにより、図７（ｂ）における紙面の垂直方向に電子が動くことができるチャネルが形成される。このチャネルは、ゲート電極７０８ｂへの電圧印加によってコンダクタンスを制御可能であるため、図７（ｃ）に示すような電界効果トランジスタデバイスを実現することができる。
【００９７】
以上より、実施の形態３に係る電界効果トランジスタデバイスは、III族窒化物半導体またはIV族窒化物の形状を面内方向に対して変調することによって、界面を通じてIII族窒化物半導体のバンドを変調させる。面内異方性を有する応力は隣接する原子間隔をある方位に沿って変調することから、伝導帯および価電子帯における電子波動関数の結合を異方的に変調する。これにより、電子移動度およびバンド構造を面内方向に対して変調することが可能であり、電子デバイスの周波数応答特性の向上などを実現することができる。
【００９８】
また、実施の形態３に係る電界効果トランジスタデバイスは、窒化物半導体を用いたトランジスタにおいて通常必要とされるヘテロ構造を一切必要とせずにトランジスタ構造を構築することができることが利点である。
【００９９】
なお、図７（ｄ）で示される窒化珪素膜７０７は凹部にも膜として残留しているが、下地のアンドープ型ＧａＮ層７０６まで貫通していても、本発明の効力は十分に発揮される。また、図７において窒化珪素膜７０３および７０７はγ相構造としているが、β相構造であっても本発明の効力は十分に発揮される。また、図７（ａ）および（ｃ）において、ゲート電極７０４ｂおよび７０８ｂは、それぞれの窒化珪素膜７０３および７０７の上に形成されているが、窒化珪素膜を除去してアンドープ型ＧａＮ層と直接接触していても本発明の効力は発揮される。この場合、ゲート電極７０４ｂおよび７０８ｂの材料は、アンドープ型ＧａＮ層とショットキー接触を形成するような金属材料が望ましい。
【０１００】
（実施の形態４）
実施の形態４では、表面の不均一な歪分布を利用することで、低抵抗な電極コンタクト層を形成する方法について説明する。
【０１０１】
図８（ａ）は、不均一な歪分布を利用した低抵抗なｐ型電極コンタクト層の構造を模式的に示す断面図である。図８（ａ）に示すｐ型電極コンタクト層は、電気伝導性がｐ型のIII族窒化物半導体であるｐ型ＧａＮ層８０１と、ｐ型ＧａＮ層８０１の上にパターン加工されたγ相窒化炭素膜８０２と、ｐ型ＧａＮ層８０１およびγ相窒化炭素膜８０２上に形成された電極材料８０３とを含む。ｐ型ＧａＮ層８０１は、IV族窒化物８０２と界面を持つ領域８０１ａと、領域８０１ａ以外で電極材料８０３と直接接触している領域８０１ｂとを含む。
【０１０２】
γ相窒化炭素膜８０２は、格子定数がｐ型ＧａＮ層８０１との格子整合条件に比べて
小さいため、下地のｐ型ＧａＮ層の領域８０１ａによって引っ張り方向に応力を受ける。また、γ相窒化炭素膜８０２は、ｐ型ＧａＮ層８０１の上に形成した後、パターン加工によりｐ型ＧａＮ層８０１との界面に至る穴を形成することで、図８（ａ）に示す構造が形成される。電極材料８０３は、γ相窒化炭素膜８０２に形成された穴を介してｐ型ＧａＮ層８０１との界面に接続される。
【０１０３】
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すｐ型電極コンタクト層におけるIV族窒化物（γ相窒化炭素膜）８０２とＧａＮ層８０１との界面近傍の構成を模式的に示す図である。なお、図８（ｂ）において図８（ａ）と同様の要素には同一の符号を付している。また、図８（ｂ）に示す矢印は、各材料および領域が受けている歪の方向を示す。
【０１０４】
窒化炭素８０２の格子定数は、窒化炭素８０２とｐ型ＧａＮ層の領域８０１ａとの格子整合条件に比べて小さいため、窒化炭素８０２は、下地のｐ型ＧａＮ層の領域８０１ａに対して面内方向へ圧縮歪を図中の矢印の方向へ与える。面内方向へ与えられた圧縮歪に対し、領域８０１ａは垂直方向に対して膨張することで、内部エネルギーを低減させる。また、領域８０１ａに与えられた圧縮歪は、窒化炭素８０２との界面を有さない領域８０１ｂに対して引っ張り歪を誘起させる。このとき、内部エネルギーの低減のために、領域８０１ｂは垂直方向に対して収縮する。一方、ＧａＮ層８０１がｎ型であり、IV族窒化物８０２として窒化ゲルマニウムを用いた場合は、窒化ゲルマニウム８０２によって領域８０１ａへ面内方向に対し引っ張り歪を与える。面内方向に対し与えられた引っ張り歪に引きずられるような形で、領域８０１ｂは、面内方向に対し圧縮性の２軸性歪を与えられる。このようにして、IV族窒化物８０２は領域８０１ｂへ２軸性歪を誘発させる。また、この２軸性歪は表面近傍において起こる。
【０１０５】
図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＣ０−Ｃ１におけるバンド構造を示す図である。なお、図８（ｃ）は、図８（ｂ）においてＧａＮ層８０１がｐ型であり、IV族窒化物８０２として窒化炭素を用いた場合のバンド構造を示す図である。また、図８（ｃ）において、向かって左側を導電性材料８０３としている。また、図８（ｃ）において、歪がない場合のバンド構造を破線によって示している。図８（ｃ）に示すように、面内方向に対して引っ張り歪となる２軸性歪によって、ｐ型ＧａＮ８０１ｂの伝導帯および価電子帯がエネルギーの高い側へ持ち上げられている。この歪による持ち上げ効果によって、価電子帯の上端を導電性材料８０３のフェルミ準位に近付けることができる。これにより、ｐ型窒化物半導体８０１ｂと導電性材料８０３との間の電気抵抗を低減し、かつ、ポテンシャルの障壁を低下させることができる。この機構により、パターン加工したIV族窒化物８０２を用いて、ｐ型窒化物半導体８０１ｂと導電性材料８０３とのコンタクト抵抗を低減させることが可能である。
【０１０６】
なお、本方法はｎ型窒化物半導体との電極とのコンタクト抵抗の低減にも有効な方法である。このとき、上記説明におけるｐ型ＧａＮ層８０１をｎ型ＧａＮ層、窒化炭素８０２をｎ型ＧａＮ層８０１との格子整合条件に比べて格子定数が大きい窒化ゲルマニウムと読み直せばよい。ｎ型ＧａＮ層８０１および窒化ゲルマニウム８０２を用いた場合、図８（ｂ）における面内方向の歪分布は向きが全て反転するため、図８（ｂ）中の矢印は全て反対方向を指すことになる。図８（ｄ）は、ｎ型ＧａＮ層８０１および窒化ゲルマニウム８０２を用いた場合の、図８（ｂ）のＣ０−Ｃ１におけるバンド構造を模式的に示す図である。ｎ型ＧａＮ層の領域８０１ｂの表面は面内方向に対して圧縮性の２軸性歪であるため、図８（ｄ）に示すように、破線で示された無歪である場合のバンド構造に対して、ｎ型ＧａＮ８０１ｂの伝導帯および価電子帯はエネルギー的に下側へシフトする。これにより、伝導帯の下端を導電性材料８０３のフェルミ準位の近傍に近付けることができる。これにより、ｎ型窒化物半導体８０１ｂと導電性材料８０３との間の電気抵抗を低減し、かつ、ポテンシャル障壁の低下を実現できる。
【０１０７】
なお、図８では８０１を単層として記しているが、ヘテロ構造であっても本発明の効力は発揮される。
【０１０８】
以上より、IV族窒化物をパターン加工し、なおかつ導電性材料を設置する本実施の形態の技術をデバイスへ導入することにより、低電気抵抗化が実現され、素子の低消費電力および発熱量の低減による信頼性の向上が実現できる。例えば、本実施の形態の技術を用いることで、図１（ｄ）および図７に示すに示す電界効果トランジスタのゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、窒化物半導体層との電気抵抗を低減することができる。
【０１０９】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る窒化物半導体材料は、上述した規則的な原子配列の界面を有する窒化物半導体材料のIV族窒化物上に、IV族元素の組成を変化させたIV族窒化物を形成する。これにより、窒化物半導体材料のIII族窒化物半導へ歪応力を制御することができる。
【０１１０】
図９（ａ）は、IV族窒化物のIV族元素の組成を連続的に変化させた場合の半導体素子の断面構造を模式的に示す図である。図９（ａ）に示す半導体素子は、（０００１）面ＧａＮ９０１と、原子が規則的に配列した界面９０２を介して（０００１）面ＧａＮ９０１上に形成されるγ相窒化スズ膜９０３と、γ相窒化スズ膜９０３上に形成されるIV族窒化物膜９０４とを含む。IV族窒化物膜９０４は、γ相窒化スズ膜９０３と組成が異なり、紙面に対して上方向に組成が変化している。また、γ相窒化スズ膜９０３は、界面９０２においてＧａＮ９０１へ歪応力を与えないようなIV族元素の組成によって形成される。また、
IV族窒化物膜９０４は、界面９０２に垂直方向に歪応力を与えるように組成が変調されている。
【０１１１】
図９（ｂ）は、IV族窒化物膜９０４の組成変化の分布を示す図である。図９（ｂ）に示すように、窒化スズ膜９０３とIV族窒化物膜９０４との界面からスズの含有率が１００％から減少していき、ある点Ａにおいて含有率は０％になる。一方、シリコンの含有率は窒化スズ膜９０３とIV族窒化物膜９０４との界面において０％であり、ある点Ａにおいて１００％となる。また、IV族窒化物膜９０４のIV族元素の合計含有率は常に１００％であり、このことはIV族窒化物のストイキオメトリ条件３：４を満たすものである。
【０１１２】
まず、図２に示すように、γ相窒化スズ（γ−Ｓｎ3Ｎ4）の格子定数（約１２．８Å）は、ＧａＮの格子定数（約３．２Å）のほぼ４倍に一致している。すなわち、ＧａＮ層９０１とγ相窒化スズ膜９０３との界面９０２は、先に図４（ａ）および（ｂ）にて示したように、III族窒化物半導体側のIII族原子とIV族窒化物側の窒素原子が理想的な１対１の関係で化学結合を形成することができる。よって、界面９０２は、界面準位を全く含まない理想的な界面となる。特に成膜の際、γ相窒化スズ膜９０３は格子定数を整合するために、ＧａＮ層９０１からの歪による擾乱を一切受けない。これにより、歪応力がある環境下に比べて、このような理想的な界面を容易に形成することが可能である。さらに、γ相窒化スズ膜９０３からその上のIV族窒化物膜９０４を成膜するとき、γ相窒化スズから組成を連続的に変化させていくことで、同じ結晶構造を維持しながらも、格子定数の異なるIV族窒化物を低欠陥にて成膜することが可能である。
【０１１３】
図９（ｃ）は、図９（ａ）のようにγ相窒化スズ膜９０３からγ相窒化シリコンへ組成が連続的に変化していく場合のＧａＮに対する格子定数の差を示す図である。図９（ｃ）に示すように、γ相窒化スズ膜９０３は、下地のＧａＮ層９０１とほぼ格子整合しながら成膜しているが、界面から離れるにしたがい、スズの含有量が減少し、シリコンの含有量が増大していくため、格子定数はγ相窒化スズに比べて徐々に減少していく。そして、全てのスズがシリコンに入れ替わるＡ点において、γ相窒化スズはγ相窒化シリコンとなる。この格子定数の縮小に起因する大きな歪応力は、γ相窒化スズ膜９０３および界面９０２を通じてＧａＮ層９０１へ伝えられる。
【０１１４】
本方法を図１（ｄ）に示すようなヘテロ接合型電界効果トランジスタの窒化珪素膜１０５に導入することにより、格子整合するγ相窒化スズ膜によって原子が規則的に配列した理想的な界面を実現しつつ、γ相窒化スズ膜上の組成変調されたIV族窒化物膜によって、効率よく歪応力をIII族窒化物半導体へ伝達できる。これにより、デバイスのキャリア濃度の増大および界面準位の低減による特性ばらつきの抑制や信頼性向上が実現できる。
【０１１５】
なお、本実施例ではIV族窒化物膜９０４のIV族元素組成を連続的に変化させているが、結晶構造を維持できるならば、急峻にIV族元素の組成を変化させてもよい。また、上記説明において、IV族元素としてスズとシリコンを用いて述べているが、IV族元素であればどのような組み合わせを用いてもよい。また、IV族元素として炭素から鉛までを用いることで、IV族窒化物の格子定数を広範囲に変化させることができるため、様々なIII族窒化物半導体の格子定数に対し、歪のない状態で成膜させることが可能である。
【０１１６】
（実施の形態６）
実施の形態６では、IV族窒化物をIII族窒化物半導体によってサンドイッチ構造にした窒化物半導体材料について説明する。
【０１１７】
図１０（ａ）は、IV族窒化物をIII族窒化物半導体によってサンドイッチ構造にした窒化物半導体材料の断面構造を模式的に示す図である。図１０（ａ）に示す窒化物半導体材料は、ＧａＮ層１００１と、ＧａＮ層１００１上に形成されるＡｌＮ層１００２と、界面１００３を介してＡｌＮ層１００２上に形成される厚さ５ｎｍのγ相窒化珪素薄膜１００４と、界面１００５を介してγ相窒化珪素薄膜１００４上に形成されるＡｌＮ層１００６と、ＡｌＮ層１００６上に形成されるＧａＮ層１００７とを含む。
【０１１８】
下側界面１００３および上側界面１００５は、図４（ａ）および（ｂ）に示したような規則的な原子配列によって形成されている。下側界面１００３は、（１１１）面γ相窒化珪素／（０００１）面ウルツ鉱ＡｌＮの界面であり、上側界面１００５は、（０００１）面ウルツ鉱ＡｌＮ／（１１１）面γ相窒化珪素の界面である。下側界面１００３および上側界面１００５は、原子が規則的に配列した１対１にて化学結合した界面構造となっている。すなわち、下側界面１００３および上側界面１００５は、界面準位が極力低減するように配慮されている。
【０１１９】
γ相窒化珪素１００４は、ＭＯＣＶＤ法によって成膜されており、成膜温度は１１００℃であり、プラズマによる原料のクラッキングはなされていない。
【０１２０】
γ相窒化珪素とＧａＮとの格子定数の関係は、図２の格子定数と禁制帯幅の関係のグラフに示すように、ＧａＮの格子定数の４倍に比べて大きくずれており、界面において約１５％の大きな引っ張り歪をγ相窒化珪素薄膜にもたらす。また、界面１００３および１００５の近傍におけるＡｌＮに対しても圧縮歪を与えられる。図１０（ａ）に示すようなサンドイッチ構造を実現する場合、ＭＯＣＶＤ装置による一貫成長によって、炉外に取り出すことなく成膜する方法が適している。炉外に取り出すことなく成膜する方法を用いることで、酸素などの不純物の混入を最小限にすることができ、かつ、不純物が引き起こす界面における不規則性を抑制することができる。
【０１２１】
図２の格子定数と禁制帯幅の関係に示すように、γ相窒化珪素（γ−Ｓｉ3Ｎ4）の禁制帯幅は約４．４ｅＶである。また、第一原理計算の結果、ＧａＮとγ相窒化珪素とはタイプIIにてヘテロ接合することが我々の研究によって明らかとなっている。計算の結果より、γ相窒化珪素の伝導帯は、ＧａＮの伝導帯に対しておよび価電子帯に対して、約２ｅＶ上方に位置する。また、γ相窒化珪素の価電子帯は、ＧａＮの伝導帯に対して約１ｅＶ上方に位置する。
【０１２２】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す窒化物半導体材料のγ相窒化珪素薄膜１００４をはさんで、ＧａＮ層１００１からＧａＮ層１００７までのバンド構造を示す図である。なお、図１０（ｂ）において、図１０（ａ）と同一の要素には同一の符号を付している。図１０（ｂ）に示すように、γ相窒化珪素薄膜１００４と界面近傍のＧａＮ層１００１および１００７とＡｌＮ層１００２および１００６とは、歪およびキャリアの偏りによってバンドが大きく傾斜するため、図１０（ｂ）にて実線で示されるようなバンド図となる。図１０に示す歪による圧電効果によって、γ相窒化珪素薄膜１００４の界面１００３および１００５に電荷が生成される。界面１００３の近傍では負電荷である電子が蓄積され、界面１００５の近傍では正電荷である正孔が蓄積される。また、ＧａＮおよびＡｌＮとγ相窒化珪素とはタイプIIにてヘテロ界面が形成されているため、下側界面１００３では最も伝導帯エネルギーが低くなっているＧａＮ層１００１側に電子が蓄積され、上側界面１００５ではγ相窒化珪素薄膜１００４側に正孔が蓄積される。図１０（ｂ）において、電子が蓄積される場所をＡ、正孔が蓄積される場所をＢとして記している。ここで、Ａ−Ｂ間のエネルギー差（図１０（ｂ）ではΔと記入）は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびγ相窒化珪素のいずれの禁制帯幅よりも小さい値が得られる。この場合、エネルギー差Δは約２ｅＶ程度になる。さらに、このエネルギー差Δは、電界の印加によって制御可能であることが、非常に重要な点である。また、図１０（ｂ）に示す破線は、図１０（ｂ）の左側が正となる電界を印加した場合のバンド図である。図１０（ｂ）に示す一点鎖線は、図１０（ｂ）の左側が負となる電界を印加した場合のバンド図である。図１０（ｂ）の破線および一点鎖線で示すように、電圧を印加することでＡ−Ｂ間のエネルギー差Δは変化する。正電圧を印加することでエネルギー差Δは減少し、負電圧を印加することでエネルギー差Δは増大する。このように、電圧印加によりエネルギー差Δを変化させることで、サンドイッチ構造の吸収係数および吸収波長端を大幅に変化させることができる。
【０１２３】
図１０（ｃ）は、各印加電圧に対する吸収係数スペクトルの変化を模式的に表した図である。図１０（ｃ）に示す実線は、電圧を印加していない場合の吸収係数スペクトルを示し、破線は、正電圧を印加した場合の吸収係数スペクトルを示し、一点鎖線は、負電圧を印加した場合の吸収係数スペクトルを示す。図１０（ｃ）に示すように、波長５００ｎｍ近傍に大きな吸収帯が存在する。これはＧａＮの伝導帯とγ相窒化珪素の価電子帯とによるバルク的な光吸収である。波長５００ｎｍよりも長波長側にあるサブピークは、電圧印加によって制御される吸収スペクトルであり、電圧を印加していない場合は、約６００ｎｍのあたりに吸収端を有する。正バイアス電圧の印加にともない、破線によって示されるように吸収端波長が長波長側へシフトする。一方、負バイアス電圧の印加では、一点鎖線にて示されるように吸収端波長は短波長側へシフトする。この原理を用いれば、電圧印加によって色を制御可能なアクティブ波長フィルタ素子を簡単に実現することができる。図１０（ｃ）にて示される実施の例では、電圧印加によってオレンジ色から赤色を経て黒色（非透過）まで発色を変化させることができる。
【０１２４】
以上より、本発明に係る窒化物半導体材料を用いることで、今までIII族窒化物半導体では実現し得なかった大きな不連続を持つタイプII型ヘテロ構造を実現することができる。よって、本発明に係る窒化物半導体材料を用いることで、新しい機能性デバイスを構築することが可能となり、安価かつ高性能なディスプレイ装置および光変調器等を実現することができる。
【０１２５】
なお、上記構造では０ｅＶから緑色に相当する２．４ｅＶまでが可変範囲であるが、ＧａＮ層１００１および１００７とγ相窒化珪素薄膜１００４との材料組成を、禁制帯幅が広くなるように選ぶことで、青紫色（約３ｅＶ）までの全可視波長域を電圧制御可能な、アクティブ波長フィルタ素子を実現できる。なお、ここでは窒化珪素をγ相構造として述べたが、界面準位を同じく少なくできる（０００１）面β相構造であってもよい。また、ＧａＮ層１００１および１００７の代わりに組成５０％以上のアルミニウムを含有するIII族窒化物半導体を用いる場合、窒化珪素膜１００４に接するＡｌＮ層１００２および１００６は必ずしも必要ではない。なぜならば、高アルミニウム組成III族窒化物半導体は、窒化珪素と高品質な界面を形成することが可能であるからである。なお、アルミニウムを含まないIII族窒化物半導体であっても、窒化珪素と良好な界面を形成することが可能であるならば、ＡｌＮ層１００２および１００６は必ずしも必要ではない。また、ＡｌＮ層１００２および１００６は、ガリウムまたはインジウムを含有していても本発明の効力は十分発揮される。
【０１２６】
また、上記説明では引っ張り歪を受けるγ相窒化珪素薄膜を用いて記述したが、IV族窒化物薄膜が圧縮歪を受けるような材料組成であっても、本発明の効力は発揮される。γ相窒化珪素薄膜１００４の厚さは、ここでは５ｎｍとして述べているが、厚さは１０ｎｍまでならば電子および正孔の波動関数の重なりは大きいため、アクティブ波長フィルタ素子として十分に機能する。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、窒化物半導体材料、半導体素子およびその製造方法に適用でき、特に、ＧａＮ系ヘテロ接合トランジスタ等の高出力高周波半導体デバイスに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体材料を用いた半導体素子の製造過程を示す断面図である。
【図２】IV族窒化物の各組成および結晶相における格子定数と禁制帯幅の関係を示す図である。
【図３】（０００１）面ウルツ鉱構造III族窒化物半導体および（０００１）面β相構造IV族窒化物の原子配列を模式的に示す図である。
【図４】（０００１）面ウルツ鉱構造III族窒化物半導体および（１１１）面γ相構造IV族窒化物の原子配列を模式的に示す図である。
【図５】（００１）面閃亜鉛構造III族窒化物半導体および（００１）面γ相構造IV族窒化物の原子配列を模式的に示す図である。
【図６】（０００１）面ウルツ鉱構造III族窒化物半導体および（１−１００）面β相構造IV族窒化物の原子配列を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る半導体素子の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係る電極コンタクト層の断面構造およびバンド構造を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係る窒化物半導体材料の断面構造およびIV族元素の組成分布を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態６に係る半導体素子の断面構造、バンド構造および光吸収スペクトルを模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０１、７０１、７０５  ＧａＮ基板
１０２、７０２、７０６、８０１、９０１、１００１、１００７  ＧａＮ層
１０３  ＡｌＧａＮ層
１０４、１００２、１００６  ＡｌＮ層
１０５、７１０、７１１、９０２、１００３、１００５  界面
１０６、７０３、７０７、８０２、１００４  IV族窒化物
１０７ａ、７０４ａ、７０８ａ  ソース電極
１０７ｂ、７０４ｂ、７０８ｂ  ゲート電極
１０７ｃ、７０４ｃ、７０８ｃ  ドレイン電極
１０８  ２次元電子ガス
８０３  電極材料
９０３  窒化スズ膜
９０４  IV族窒化物膜
【図１】
0005207598.tif 000002
【図２】
0005207598.tif 000003
【図３】
0005207598.tif 000004
【図４】
0005207598.tif 000005
【図５】
0005207598.tif 000006
【図６】
0005207598.tif 000007
【図７】
0005207598.tif 000008
【図８】
0005207598.tif 000009
【図９】
0005207598.tif 000010
【図１０】
0005207598.tif 000011