(57)【要約】【課題】破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性に応じて、最適な厚さの超格子バッファ層が形成できるようにする。【解決手段】ステップＳ１０８で、決定したＥ，ＩL0，νを用い、層厚決定式により、バッファ層の厚さｄSLSを決定する。層厚決定式において、ＶLは、作製する窒化物半導体装置の動作時認可される電圧である。また、ＩLは、所望とする（要求される）基板方向へのリーク電流である。なお、Ｅ，ＩL0，νは、素子（トランジスタ）を構成するチャネル層とバリア層とによるヘテロ構造を備える窒化物半導体層の積層構造に依存した定数である。【選択図】  図１
2016035949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる各々ｘの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造としたバッファ層を形成する第１製造工程と、
前記バッファ層の上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する第２製造工程と、
前記チャネル層の上に接して窒化物半導体からなるバリア層を形成する第３製造工程と
を備え、
前記第１製造工程では、以下の層厚決定式（Ａ）で決定される厚さに前記バッファ層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【数１】
2016035949.tif 000006
【請求項２】
請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記基板と同一材料から構成された試料基板の上にＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる各々ｘの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造とした試料バッファ層を形成する第１試料作製工程と、
前記試料バッファ層の上に前記チャネル層と同一の窒化物半導体からなる試料チャネル層を形成する第２試料作製工程と、
前記バリア層と同じ窒化物半導体からなる試料バリア層を前記試料チャネル層の上に接して形成する第３試料作製工程と、
前記試料バッファ層の側と前記試料バリア層との側との間におけるリーク電流特性を測定する第１特性測定工程と、
前記リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加し始める電圧Ｖcを決定し、決定した電圧Ｖcを前記試料バッファ層の層厚で除した値をＥとする第１定数決定工程と、
前記リーク電流特性における前記電圧Ｖcのリーク電流値をＩL0とする第２定数決定工程と、
前記リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加した後の前記リーク電流特性の電流の１桁増加に対応する電圧の増分をνとする第３定数決定工程と
を備え、
前記第１製造工程では、前記第１定数決定工程，前記第２定数決定工程，前記第３定数決定工程で決定したＥ，ＩL0，νを用いた層厚決定式（Ａ）で決定される厚さに前記バッファ層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第２試料作製工程では、主表面をＣ面として前記試料チャネル層を形成し、
前記第３試料作製工程では、主表面をＣ面として前記試料バリア層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第２製造工程では、主表面をＣ面として前記バッファ層を形成し、
前記第３製造工程では、主表面をＣ面として前記チャネル層を形成する
ことを特徴とする窒化物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、窒化物半導体によるヘテロ構造を有する窒化物半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有しており、高周波のハイパワーデバイス向けの材料として優れている。例えば、主表面をＣ面としたサファイア基板上に、主表面をＩＩＩ族極性面（Ｃ面）としたＧａＮバッファ層を介して形成された、ＡｌＧａＮバリア層を有するヘテロ接合構造は、分極効果によりヘテロ接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積され、いわゆる２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する。
【０００３】
この２次元電子ガスは、散乱要因となる導電性不純物が存在しないアンドープＧａＮ層内に形成されるために高い電子移動度を示す。従って、２次元電子ガスをチャネルとして用いることで、いわゆる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として動作させることが可能である。窒化物系ＨＥＭＴにおいては、上記分極効果によって発生する２次元電子ガス濃度が非常に高いことから高電流密度でのトランジスタ動作が可能となり、この点でもハイパワーデバイス向けとして有利である。
【０００４】
上に述べた例をはじめ、窒化物半導体から構成されるトランジスタでは、バリア層としてＡｌＧａＮ層が用いられることが多い。これは、ＡｌＧａＮ層の形成が比較的容易であること、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成・層厚を変化させることにより２次元電子ガスのシートキャリア濃度を制御できること、など、デバイス製造上・設計上のフレキシビリティがあるためである。
【０００５】
ところで、ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ構造を用いたトランジスタにおいては、上で述べたように２次元電子ガスをチャネルとして用いているため、電流は基板に対し水平方向に流れる。チャネルは、ＡｌＧａＮバリア層直下の数十〜数百ｎｍの領域に形成され、ソース電極・ドレイン電極およびゲート電極は、基板の同じ側に形成されるのが一般的である。また、トランジスタの耐圧は、ソースあるいはゲート電極とドレインとの電極間隔で決まり、特に電界が集中するゲート・ドレイン間の距離を大きくとることが、高耐圧化のためには必要とされる。
【０００６】
ところで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を利用した窒化物半導体系デバイスを構成する窒化物半導体の積層構造は、様々な基板の上に堆積されるが、コスト上の観点からＳｉ基板が広く用いられている。この構成は、特に高耐圧動作が必要となるパワーエレクトロニクス分野への応用が期待されており、各社で活発に開発が進められている（非特許文献１参照）。
【０００７】
パワーエレクトロニクス応用のＳｉ基板上ＡｌＧａＮ／ＧａＮトランジスタ構造の製造では、接地安定性の観点から抵抗率の小さいＳｉ基板を用いる。上述したように、ゲート・ドレイン電極間距離を大きく取ることで高耐圧性を確保するが、この際、各電極、特にソース電極やドレイン電極からＳｉ基板へ流れるリーク電流を抑制することも高耐圧性を確保するためには必要である。また、窒化物半導体層の総堆積厚を厚くすることによってＳｉ基板へのリーク電流を抑制し、破壊耐圧を確保する手法が一般的である。
【０００８】
例えば、非特許文献１においては、５μｍを超える総堆積厚により、１，７００Ｖ程度の破壊耐圧を得ている。基板へのリーク電流を抑制することは、良好なトランジスタ特性実現において重要であるオフ状態におけるリーク電流値を十分低い値に抑えることに対しても必要である。
【０００９】
上述したことにより、非動作時の電力消費を抑制することが可能となる。例えば、６００Ｖ級耐圧素子として使われるような素子の場合、６００Ｖ印加時のリーク電流値が１×１０-5Ａ／ｃｍ2以下であることが要求される。
【００１０】
以上に述べたように、破壊耐圧が高く、かつ基板側へ流れるリーク電流を抑制するために、組成の異なる２種類以上のＡｌＧａＮ層（ＡｌＮやＧａＮを含む）を繰り返し堆積する超格子構造のバッファ層（超格子バッファ層）を用いる技術がある（非特許文献２参照）。超格子バッファ層により、基板上に形成される窒化物半導体の総堆積厚を厚くし、破壊耐圧の向上と、基板側へ流れるリーク電流の抑制とを実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】池田  成明  他、「Ｓｉ基板上高出力ＧａＮ  ＨＦＥＴの開発」、古河電工時報、第１２２号、２２−２８頁、２００８年。
【非特許文献２】江川  孝志、「Ｓｉ基板上へのＧａＮ単結晶の成長とデバイス応用」、応用物理、第８１巻、第６号、４８５〜４８８頁、２０１２年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、破壊耐圧の向上と、基板側へ流れるリーク電流の抑制のためには、超格子バッファ層をより厚く形成すればよいが、実際の製造プロセスを考慮した場合、むだに厚くすることは、プロセス時間の増大を招き、また、材料・製造コストの上昇を招くなど、好ましくなく、問題が大きい。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性に応じて、最適な厚さの超格子バッファ層が形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる各々ｘの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造としたバッファ層を形成する第１製造工程と、バッファ層の上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する第２製造工程と、チャネル層の上に接して窒化物半導体からなるバリア層を形成する第３製造工程とを備え、第１製造工程では、以下の層厚決定式（Ａ）で決定される厚さにバッファ層を形成する。
【００１５】
【数１】
2016035949.tif 000003
【００１６】
上記窒化物半導体装置の製造方法において、基板と同一材料から構成された試料基板の上にＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる各々ｘの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造とした試料バッファ層を形成する第１試料作製工程と、試料バッファ層の上にチャネル層と同一の窒化物半導体からなる試料チャネル層を形成する第２試料作製工程と、バリア層と同じ窒化物半導体からなる試料バリア層を試料チャネル層の上に接して形成する第３試料作製工程と、試料バッファ層の側と試料バリア層との側との間におけるリーク電流特性を測定する第１特性測定工程と、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加し始める電圧Ｖcを決定し、決定した電圧Ｖcを試料バッファ層の層厚で除した値をＥとする第１定数決定工程と、リーク電流特性における電圧Ｖcのリーク電流値をＩL0とする第２定数決定工程と、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加した後のリーク電流特性の電流の１桁増加に対応する電圧の増分をνとする第３定数決定工程とを備え、第１製造工程では、第１定数決定工程，第２定数決定工程，第３定数決定工程で決定したＥ，ＩL0，νを用いた層厚決定式（Ａ）で決定される厚さにバッファ層を形成するようにすればよい。
【００１７】
上記窒化物半導体装置の製造方法において、第２試料作製工程では、主表面をＣ面として試料チャネル層を形成し、第３試料作製工程では、主表面をＣ面として試料バリア層を形成する。また、第２製造工程では、主表面をＣ面としてバッファ層を形成し、第３製造工程では、主表面をＣ面としてチャネル層を形成する。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したことにより、本発明によれば、破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性に応じて、最適な厚さの超格子バッファ層が形成できるとい優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の検討において作製した窒化物半導体装置の層構成を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の検討において作製した窒化物半導体装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の検討において作製した試料Ａ，試料Ｂ，試料Ｃ，試料Ｄの各々について電流・電圧特性を測定した結果を示す特性図である。
【図５】図５は、図４に示す電圧領域ＩＩ４０２において、あるリーク電流値を与える電圧値ＶLが、ｄSLSに対して線型の関係となることを示す特性図である。
【図６】図６は、超格子バッファ層２０４の層厚を２．７μｍとし、バックバリア層２０５の層厚を１．２μｍとした窒化物半導体装置における電流・電圧特性を評価した結果を示す特性図である。
【図７】図７は、超格子バッファ層２０４の層厚を３．５μｍおよび２．１μｍとした窒化物半導体装置における電流・電圧特性を評価した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００２１】
この製造法は、まず、ステップＳ１０１で、製造しようとしている窒化物半導体装置で用いる基板と同一材料から構成された試料基板の上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる各々ｘの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造とした試料バッファ層を形成する（第１試料作製工程）。例えば、Ｓｉ基板の上に、ＡｌＧａＮの層とＡｌＮの層とを交互に重ねて堆積した試料バッファ層を形成する。試料バッファ層の材料や層構成も、製造しようとしている窒化物半導体装置と同様にする。交互に積層する各層は、１ｎｍ〜４０ｎｍ程度の範囲で設定されていればよい。
【００２２】
次に、ステップＳ１０２で、製造しようとしている窒化物半導体装置のチャネル層と同一の窒化物半導体からなる試料チャネル層を、試料バッファ層の上に形成する（第２試料作製工程）。次いで、製造しようとしている窒化物半導体装置のバリア層と同じ窒化物半導体からなる試料バリア層を、試料チャネル層の上に接して形成する（第３試料作製工程）。ここで、各層は、主表面をＣ面としてエピタキシャル成長する。このことにより、試料チャネル層と試料バリア層とのヘテロ接合構造においては、分極効果により接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積されて２次元電子ガスを形成する状態となる。
【００２３】
次に、ステップＳ１０４で、試料バッファ層の側と試料バリア層との側との間におけるリーク電流特性を測定する（第１特性測定工程）。例えば、基板の裏面側および試料チャネル層の上の各々に電極を形成し、２つの電極間に電圧を印加し、個の印加電圧を変化させた状態における電流の変化を測定する。
【００２４】
次に、ステップＳ１０５で、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加し始める電圧Ｖcを決定し、決定した電圧Ｖcを試料バッファ層の層厚で除した値をＥとする（第１定数決定工程）。また、ステップＳ１０６で、リーク電流特性における電圧Ｖcのリーク電流値をＩL0とする（第２定数決定工程）。また、ステップＳ１０７で、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加した後のリーク電流特性の電流の１桁増加に対応する電圧の増分をνとする（第３定数決定工程）。
【００２５】
次に、ステップＳ１０８で、決定したＥ，ＩL0，νを用い、以下に示す層厚決定式（１）により、バッファ層の厚さｄSLSを決定する。層厚決定式（１）において、ＶLは、作製する窒化物半導体装置の動作時認可される電圧である。また、ＩLは、所望とする（要求される）基板方向へのリーク電流である。なお、Ｅ，ＩL0，νは、素子（トランジスタ）を構成するチャネル層とバリア層とによるヘテロ構造を備える窒化物半導体層の積層構造に依存した定数である。
【００２６】
【数２】
2016035949.tif 000004
【００２７】
次に、ステップＳ１０９で、基板の上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる各々ｘの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造としたバッファ層を形成する（第１製造工程）。このとき、ステップＳ１０８で決定した厚さｄSLSとなるように、バッファ層を形成する。例えば、Ｓｉ基板の上に、ＡｌＧａＮの層とＡｌＮの層とを交互に重ねて堆積したバッファ層を、決定した厚さｄSLSに形成する。
【００２８】
次に、ステップＳ１１０で、バッファ層の上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する（第２製造工程）。次いで、ステップＳ１１１で、チャネル層の上に接して窒化物半導体からなるバリア層を形成する（第３製造工程）。この後、所望とする素子形状へのパターニングを実施し、また、ゲート電極、ソース電極，ドレイン電極などの必要な電極を形成すればよい。
【００２９】
以下、本発明に至った経緯について説明する。超格子構造のバッファ層を、破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性（要求）に応じて最適とするためには、要求される仕様に応じて必要最小限の層厚とすることが重要となる。要求仕様１つの破壊耐圧とは、それ以上の電圧を印加することによってバッファ領域の絶縁性が完全に失われてしまう電圧値のことであり、原理的には窒化物半導体の絶縁破壊電界強度と窒化物半導体層の総層厚の積で与えられる。
【００３０】
バッファ領域の層厚のなかで、どのくらいの割合で超格子構造のバッファ層を形成すればよいかに関して、発明者らは注意深く検討を進めたところ、以下の関係を見いだした。所望のリーク電流の値として、印加電圧ＶL(Ｖ）においてリーク電流をＩL（Ａ／ｃｍ2）としたい場合、超格子構造のバッファ層の層厚ｄSLS（μｍ）が、上記層厚決定式（１）を満たすようにすればよいことを見いだした。層厚決定式（１）を用いることにより、所望のリーク電流値から超格子構造としたバッファ層の必要最低限の厚さを決定することができる。
【００３１】
ただし、ＩLの値の範囲は、下限はＩL0であり、上限は１００×ＩL0もしくは１０(VL/ν)×ＩL0のいずれか小さい値となる。ＩLの値が１００×ＩL0を超えると、後述するアバランシェ現象など、キャリア増倍効果が加速度的に強くなり、層厚決定式（１）を適用する前提が成り立たない領域となる。前提として、このような高い電流値をバッファリーク電流の仕様とするのは、実用上ふさわしい値とは言えない。また、１０(VL/ν)×ＩL0  を超えると、層厚決定式（１）の右辺が負の値となり、層厚決定式（１）を満たす超格子構造のバッファ層を実現することが不可能となる。また、ＩLの電流範囲の下限を下回る領域では、後述のホッピング伝導が支配的となり、やはり層厚決定式（１）を適用する前提が成り立たない領域となる。
【００３２】
以下、より詳細に説明する。まず、発明者らが検討に用いた窒化物半導体装置について説明する。この窒化物半導体装置は、Ｓｉ基板の上にＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合構造を備えるトランジスタである。
【００３３】
はじめに、トランジスタの作製について説明する。図２に示すように、Ｓｉ基板２０１の上に、ＡｌＮからなる核形成層２０２，炭素をドープしたＡｌwＧａ1-wＮからなるＡｌＧａＮバッファ層２０３，超格子バッファ層２０４，炭素を５×１０18ｃｍ-3ドープしたＡｌyＧａ1-yＮからなるバックバリア層２０５，アンドープのＧａＮからなるチャネル層２０６，アンドープのＡｌzＧａ1-zＮからなるバリア層２０７を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長した。各窒化物半導体層は、主表面をＣ面とした状態で形成している。核形成層２０２は層厚０．１μｍ，ＡｌＧａＮバッファ層２０３は層厚０．１μｍ，チャネル層２０６は層厚０．５μｍ，バリア層２０７は２５ｎｍに形成した。
【００３４】
また、超格子バッファ層２０４は、炭素を５×１０18ｃｍ-3ドープしたＡｌxＧａ1-xＮの層と、炭素を５×１０18ｃｍ-3ドープしたＡｌＮの層とを交互に積層して形成した。超格子バッファ層２０４の層厚は、ｄSLSμｍとする。また、バックバリア層２０５は、層厚ｄBBμｍとする。なお、上記層構成は、検討に用いた構成であり、ＡｌＧａＮバッファ層２０３およびバックバリア層２０５は、なくてもよい。
【００３５】
以上のように各窒化物半導体層を堆積した後、図３に示すように、バリア層２０７の上にオーミック接続する電極２０８を形成し、また、素子形状を形成した。ここでは、公知のフォトリソグラフィーにより電極２０８形成領域に開口部を備えるマスクパターンを形成し、このマスクパターンの上より電極材料を堆積し、この後、マスクパターンをリフトオフすることで、電極２０８を形成した。また、電極２０８をマスクとしてバリア層２０７，チャネル層２０６、および厚さ方向に一部のバックバリア層２０５をエッチング加工し、所定のメサ形状とした。
【００３６】
リーク電流特性（電流・電圧特性）の測定では、Ｓｉ基板２０１を金属製のステージ２１１上に接触させる状態に窒化物半導体装置を載置し、ステージ２１１と電極２０８との間に印加する電圧を変化させて電流を測定した。
【００３７】
この検討では、上記構成とした窒化物半導体装置による各々異なるｄSLSとした、試料Ａ，試料Ｂ，試料Ｃ，試料Ｄの４つの試料を作製した。各試料における超格子バッファ層２０４の層厚ｄSLS、バックバリア層２０５の層厚ｄBBを以下の表１に示す。
【００３８】
【表１】
2016035949.tif 000005
【００３９】
ここで、試料Ａ，試料Ｂ，試料Ｃは、超格子バッファ層２０４の層厚ｄSLSとバックバリア層２０５の層厚ｄBBの合計層厚は３．７μｍ共通とした状態で、超格子バッファ層２０４の層厚ｄSLSを変化させた。また、試料Ｄは、ｄSLSとｄBBとの比が、試料Ｂと同じ（２．７：１．０）となるように、ｄSLSを設定した。
【００４０】
試料Ａ，試料Ｂ，試料Ｃ，試料Ｄの各々について電流・電圧特性を測定した結果について図４に示す。図４において、（ａ）が試料Ａの結果を示し、（ｂ）が試料Ｂの結果を示し、（ｃ）が試料Ｃの結果を示し、（ｄ）が試料Ｄの結果を示している。
【００４１】
図４に示されているように、いずれの試料においても、３００〜５００Ｖ付近までは１０-8Ａ／ｃｍ2台の低いリーク電流値を示し、ある電圧ＶCを超えると電圧に対するリーク電流の依存性が変化し、リーク電流が電圧に対して急激に増える（変化率が大きくなる）振る舞いを示した。低いリーク電流値を示す電圧範囲を電圧領域Ｉ４０１とし、リーク電流が電圧に対して急激に増える電圧範囲を電圧領域ＩＩ４０２とする。電圧領域Ｉ４０１に比較して電圧領域ＩＩ４０２の方が、変化率が大きい。電圧領域Ｉ４０１を近似する直線と、電圧領域ＩＩ４０２を近似する直線との交点の電圧を、ＶCとすることができる。
【００４２】
電圧領域Ｉ４０１での電気伝導は、いわゆるホッピング伝導のメカニズムに支配され、電圧領域ＩＩ４０２では，アバランシェ現象等に起因した降伏電流によるものと推測される。これらの結果を注意深く解析すると、ＶCにおけるリーク電流値は、試料によらずおよそ１×１０-7Ａ／ｃｍ2であり、ｄSLSとｄBBとの合計層厚に関わらず、ｄSLSに対して比例の関係にあることがわかった。
【００４３】
さらに、電圧領域ＩＩ４０２において、あるリーク電流値を与える電圧値ＶLがｄSLSに対して線型の関係にあることがわかった。これらの関係を図５に示す。ＶCのｄSLSへの依存性は、ちょうど原点を通る直線で表され、この直線の傾きは１５０Ｖ／μｍである。また、ＩLのｄSLS依存性も同じ傾きで与えられており、かつ、ＩLが一桁変わるとＶLが１００Ｖ変わる関係にあることがわかった。以上の関係は、層厚決定式（１）により表現することができ、この検討においては、Ｅ＝１５０（Ｖ／μｍ）、ν＝１００（Ｖ）、ＩL0＝１×１０-7（Ａ／ｃｍ2）と与えられる。
【００４４】
上述した検討において、Ｅ、ν、およびＩL0の値は４つの試料の電流・電圧特性から導き出したが、実用上は１つの試料の電流・電圧特性から、Ｅ、ν、およびＩL0の値を決定することができたほうが効率的である。この決定方法について、以下に説明する。まず、Ｅについては、ＶCのｄSLS依存性から導き出せるが、上述したように、ＶCはｄSLSに対して比例することから、単純に電流・電圧特性で得られたＶCをｄSLSで除することにより得られる。  
【００４５】
また、ＩL0の値は、ＶCにおけるリーク電流値として得られる。またνは、電圧領域ＩＩ４０２におけるリーク電流の電圧依存性から、１桁リーク電流が増大するのに要する電圧の増分として与えられる。このように、ある構造を有する窒化物半導体積層構造に対して図３に示す構成によって電流・電圧特性を調べることにより、Ｅ、ν、およびＩL0の値を決定し、決定した各定数の値を基に層厚決定式（１）を用い、要求される仕様に応じて超格子バッファ層２０４の厚さを決定することが可能となる。
【００４６】
次に、超格子バッファ層２０４の層厚を２．７μｍとし、バックバリア層２０５の層厚を１．２μｍとした上記同様の構成で作製した窒化物半導体装置について、まず、層厚決定式（１）におけるＥ、νおよびＩL0を決定する。この窒化物半導体装置の電流・電圧特性を評価した結果を図６に示す。この電流・電圧特性から、リーク電流が急激に増加し始める電圧Ｖcは、４３０Ｖ程度となる。また、４３０Ｖにおけるリーク電流値から、ＩL0は１．４×１０-8Ａ／ｃｍ2となる。また、ＶCの値と超格子バッファ層２０４の層厚ｄSLSの値（２．７μｍ）から、Ｅ＝ＶC／ｄSLS＝１６０Ｖ／μｍと見積もられる。
【００４７】
次に、ＩLとＶLの関係を調べるため、１×１０-7〜１×１０-5Ａ／ｃｍ2の電流値を与えるＶLを調べると、１桁のＩLの変化に対し、前述した検討の場合と同様に、ＶLが１００Ｖ変化していることから、ν＝１００Ｖと見積もられる。
【００４８】
このようにして決定された定数により、例えば、８５０Ｖ印加時のリーク電流が１×１０-5Ａ／ｃｍ2となる、Ｓｉ基板２０１上のバリア層（ＡｌＧａＮ）／チャネル層（ＧａＮ）によるトランジスタを設計する。決定したＥ、ν、ＩL0を用い、層厚決定式（１）においてＶL＝８５０、ＩL＝１×１０-5を代入すると、ｄSLS＝３．５μｍという値が得られる。この値を基に、超格子バッファ層２０４を３．５μｍとしたトランジスタ（窒化物半導体装置）を製造し、このトランジスタの電流・電圧特性を評価した。評価した結果を図７の（ａ）に示す。図７の（ａ）に示すように、８５０Ｖ印加時のリーク電流密度はおよそ８．５×１０-6Ａ／ｃｍ2となった。
【００４９】
また、６００Ｖ印加時のリーク電流が１×１０-5Ａ／ｃｍ2となる、Ｓｉ基板２０１上のバリア層（ＡｌＧａＮ）／チャネル層（ＧａＮ）によるトランジスタを設計する。決定したＥ、ν、ＩL0を用い、層厚決定式（１）においてＶL＝６００、ＩL＝１×１０-5を代入すると、ｄSLS＝２．１μｍという値が得られる。この値を基に、超格子バッファ層２０４を２．１μｍとしたトランジスタ（窒化物半導体装置）を製造し、このトランジスタの電流・電圧特性を評価した。評価した結果を図７の（ｂ）に示す。図７の（ｂ）に示すように、６００Ｖ印加時のリーク電流密度はおよそ１×１０-5Ａ／ｃｍ2となった。なお、図７において、（ｃ）は、各定数を決定するために測定したｄSLS＝２．７μｍのトランジスタの特性である。
【００５０】
以上の結果より、層厚決定式（１）による超格子バッファ層の層厚設計手法は妥当であり、本発明を用いることにより、チャネル層とバリア層とによるヘテロ構造を備える窒化物半導体装置で用いる超格子バッファ層を、最適な厚さとすることができることが分かる。
【００５１】
ところで、上述したようにＳｉ基板を用いる場合、次に示す問題もある。Ｓｉ基板と窒化物半導体には、格子定数や熱膨張係数といった物性上の特性に相違がある。これに起因して、上述したような窒化物半導体装置を構成する窒化物半導体層をＳｉ基板上に積層していくと、製造の過程でそりが発生し、窒化物半導体層に亀裂（クラック）が入る等の欠点がある。
【００５２】
バッファ層は、上述したようなクラックの発生を回避するためにも用いられている。特に、超格子バッファ層は、クラックの発生回避には好適であり、例えば、非特許文献２にあるように、超格子バッファを採用することにより、クラックフリーの７μｍを超える総堆積厚の窒化物半導体層をＳｉ基板上に堆積することも可能となっている。しかしながら、超格子バッファ層を用いても、そりが完全には解消できず、また、リーク抑制のために超格子バッファ層の層厚を増加させることは、そりを増大させることになる。これに対し、本発明によれば、超格子バッファ層の層厚を最適化することで、リーク電流を抑制した上で、そりの発生が抑制できるようになる。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、Ｓｉ基板を用いた例を示しているが、これに限るものではなく、窒化物半導体積層構造を堆積するための基板として通常用いられるＳｉＣ基板やＧａＮ基板のうち、導電性を有する基板を用いる場合であっても本発明の手法が適用可能であることは言うまでもない。
【００５４】
また、導電性を有しない半絶縁性や絶縁性の基板を用いる場合、窒化物半導体の積層構造から基板へのリーク電流は存在しないが、基板と窒化物半導体層の界面を介して横方向に流れていくバッファリーク電流は存在する。この、バッファリーク電流を抑制するためにも超格子バッファ構造は有効である。この観点から、例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板やサファイア基板などの絶縁基板であっても、本発明の効果は有効である。さらに、近年窒化物半導体堆積用の基板として用いられるようになっている、酸化ガリウム基板や酸化亜鉛基板などなどの種々の酸化物基板であっても、本発明の効果が有効であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
２０１…Ｓｉ基板、２０２…核形成層、２０３…ＡｌＧａＮバッファ層、２０４…超格子バッファ層、２０５…バックバリア層、２０６…チャネル層、２０７…バリア層、２０８…電極、２１１…電極。
【図１】
2016035949.tif 000007
【図２】
2016035949.tif 000008
【図３】
2016035949.tif 000009
【図４】
2016035949.tif 000010
【図５】
2016035949.tif 000011
【図６】
2016035949.tif 000012
【図７】
2016035949.tif 000013