半導体装置、及び半導体装置の製造方法
【課題】電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能な半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣからなる基板１０と、基板１０上に設けられ、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、バッファ層１２上に設けられ、ＧａＮからなるチャネル層１４と、チャネル層１４上に設けられ、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６と、電子供給層１６上に設けられたソース電極２０、ドレイン電極２２及びゲート電極２４と、を具備し、チャネル層１４の電子供給層１６側の領域１４ｂにおけるＣの濃度は、チャネル層１４のバッファ層１２側の領域１４ａにおけるＣの濃度より高いＨＥＭＴ１００、及びその製造方法。
【解決手段】ＳｉＣからなる基板１０と、基板１０上に設けられ、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、バッファ層１２上に設けられ、ＧａＮからなるチャネル層１４と、チャネル層１４上に設けられ、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６と、電子供給層１６上に設けられたソース電極２０、ドレイン電極２２及びゲート電極２４と、を具備し、チャネル層１４の電子供給層１６側の領域１４ｂにおけるＣの濃度は、チャネル層１４のバッファ層１２側の領域１４ａにおけるＣの濃度より高いＨＥＭＴ１００、及びその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。ＨＥＭＴでは、チャネル層と電子供給層との界面に生じる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとして利用する。電気的なストレス等が加わることにより、２ＤＥＧの電子が窒化物半導体層中のトラップに捕獲されることがある。電子の捕獲のため、例えばドレイン電流等、ＨＥＭＴに流れる電流が時間と共に変動することがある。特許文献１には、窒化ガリウム（ＧａＮ）層の品質を高めることで、電流の変動を抑制する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、電流の変動の抑制が十分でないことがある。また、電流変動の抑制と、ピンチオフ特性の確保との両立が難しいことがある。本願発明は、上記課題に鑑み、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能な半導体装置、及び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】
【０００５】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度より高い半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００６】
上記構成において、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００７】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値より小さい半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００８】
上記構成において、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００９】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記バッファ層の炭素の濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１０】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記バッファ層の酸素の濃度とシリコンの濃度との合計値は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１１】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも高い半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１２】
上記構成において、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも４０℃以上高い構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１３】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートより大きい半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１４】
上記構成において、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートの１．５倍以上である構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１５】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より高い半導体装置の成長方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１６】
上記構成において、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より１３．３３ｋＰａ以上高い構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１７】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、原料にアンモニアを含むＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比より大きい半導体装置の成長方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１８】
本発明は、シリコンを含む原料ガスを用いるＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１９】
本発明は、ＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記バッファ層の成長レートは０．５μｍ／ｈ以下である半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能な半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、比較例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。
【図２】図２（ａ）は、比較例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。図２（ｂ）は、比較例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図３（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）は、比較例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図４（ｂ）は、比較例２におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。
【図５】図５（ａ）は、比較例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図５（ｂ）は、比較例２におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。
【図６】図６（ａ）は、実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図６（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【図７】図７（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図７（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。
【図８】図８（ａ）は、実施例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図８（ｂ）は、実施例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。
【図９】図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例１に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、実施例２に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１１（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
まず比較例について説明する。図１は、比較例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。
【００２３】
図１に示すように、比較例１に係るＨＥＭＴ１００Ｒは、基板１１０、バッファ層１１２、チャネル層１１４、電子供給層１１６、ソース電極１２０、ドレイン電極１２２及びゲート電極１２４、並びに保護層１２６を備える。
【００２４】
基板１１０は炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる。バッファ層１１２は、例えば厚さ２５ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。バッファ層１１２は、基板１１０上に設けられている。チャネル層１１４は、例えば厚さ１２００ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。チャネル層１１４は、バッファ層１１２上に設けられている。電子供給層１１６は、例えば厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる。電子供給層１１６は、チャネル層１１４上に設けられている。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２は、例えば電子供給層１１６に近い方から順にチタン層とアルミニウム層（Ｔｉ／Ａｌ）、又はタンタル／アルミニウム（Ｔａ／Ａｌ）等の金属を積層して形成されるオーミック電極である。ゲート電極１２４は、例えば電子供給層１１６に近い方から順に、ニッケル／アルミニウム（Ｎｉ／Ａｌ）等の金属を積層してなる。ゲート電極１２４は、ソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に位置する。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２には、例えば金（Ａｕ）等の金属からなる配線が接続される。なお、配線は不図示である。電子供給層１１６上には例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁体からなる保護層１２６が設けられている。
【００２５】
例えばソース電極１２０を接地し、ドレイン電極１２２に正電位、ゲート電極１２４に負電位をそれぞれ印加すると、チャネル層１１４と電子供給層１１６との界面に２ＤＥＧが発生する。２ＤＥＧがキャリアとなり、ソース−ドレイン間に電流が流れる。電気的ストレスが加わることにより、２ＤＥＧを構成する電子がトラップに捕獲され、例えばドレイン電流が変動することがある。電気的ストレスとは、例えば直流信号、又は大電力の高周波信号等である。電流の変動については、図２（ａ）及び図２（ｂ）において後述する。
【００２６】
次に比較例２に係るＨＥＭＴについて説明する。比較例２では、チャネル層１１４を構成するＧａＮを高品質化している。すなわち、比較例２におけるＧａＮに含まれる炭素（Ｃ）等の不純物の濃度は、比較例１よりも低い。他の構成は、図１に示したものと同じである。不純物の濃度を低減するためには、例えばチャネル層１１４を成長させるためのＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長法）における成長温度を高くする等の方法がある。例えば、比較例１においては成長温度を１１００℃、比較例２においては成長温度を１２００℃とする。次にバンド構造について説明する。
【００２７】
図２（ａ）は、比較例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。図２（ｂ）は、比較例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。破線で示したＥｆはフェルミエネルギーを表す。実線で示したＥｃはコンダクションバンドの底のエネルギーを表す。点線で示したＥｔは、コンダクションバンドより下の深い準位（トラップ）のエネルギーを表す。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、ＨＥＭＴの各部位に対応する領域は、図１と同じ符号で示した。また格子斜線の領域は２ＤＥＧを示す。既述したように、２ＤＥＧがキャリアとなりドレイン電流が流れる。しかし電気的ストレスが印加されることにより、時間と共に、ドレイン電流が変動することがある。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、チャネル層１１４におけるＥｃは高い。例えばチャネル層１１４とバッファ層１１２との界面付近におけるエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆは１．５ｅＶ程度である。またチャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域において、トラップのエネルギーＥｔが、フェルミエネルギーＥｆより高くなる。トラップはイオン化されているため、電気的ストレス等により高エネルギーとなった電子を捕獲することができる。つまり、２ＤＥＧの電子がトラップに捕獲されることがある。電子の捕獲により、２ＤＥＧの濃度は低下する。２ＤＥＧの濃度の低下により、ＨＥＭＴのドレイン電流は減少する。また、捕獲された電子が放出されることがある。このように、時間と共にドレイン電流の変動が生じることがある。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、比較例２においては、チャネル層１１４のコンダクションバンドのエネルギーＥｃが、比較例１におけるＥｃより低い。これは、チャネル層１１４を形成するＧａＮを高品質化しているため、Ｃ等のようなアクセプタとなる不純物の寄与が低減したことによる。これにより、チャネル層１１４は低抵抗化する。チャネル層１１４とバッファ層１１２との界面付近におけるエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆは例えば０．４〜０．６ｅＶ程度である。トラップのエネルギーＥｔは、フェルミエネルギーＥｆより低くなる。トラップは電子に占有されるため、２ＤＥＧの電子のトラップへの捕獲は抑制される。この結果、ドレイン電流の変動は抑制される。
【００３０】
しかしながら、図２（ｂ）においては、エネルギーＥｃが、チャネル層１１４の全体にわたって低下する。このため、２ＤＥＧ付近においてもエネルギーＥｃは低下し、エネルギー差Ｅｃ−Ｅｆが小さくなる。この結果、チャネル層１１４からバッファ層１１２にかけて、エネルギーＥｃの傾きが緩やかになる。言い換えれば、２ＤＥＧ付近における障壁が低くなる。従って、ソース−ドレイン間に電圧が印加されると、２ＤＥＧの電子が障壁を乗り越え易くなる。この結果、比較例２においては、リーク電流が増大し、ピンチオフ特性の劣化が生じる可能性がある。
【００３１】
上記のようなバンド構造の違いにより、Ｉ−Ｖ特性に違いが生じる。バンド構造が、Ｉ−Ｖ特性に及ぼす影響について説明する。Ｉ−Ｖ特性の評価として、バッファリーク及びピンチオフリークの評価を行った。
【００３２】
バッファリークの評価は、チャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域を流れる電流（以下、「バッファリーク電流」とする）の電界強度依存性を評価するものである。チャネル層１１４の電子供給層１１６に近い領域における電子の挙動は、バッファリークに影響する。ピンチオフリークの評価は、チャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域を流れる電流（「ピンチオフリーク電流」とする）の電界強度依存性を評価するものである。チャネル層１１４のバッファ層１１２に近い領域における電子の挙動は、ピンチオフリークに影響する。
【００３３】
サンプルについて説明する。図３（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。矢印は、電子の流れを表す。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、バッファリーク評価のためのサンプル１００Ａは、基板１１０、バッファ層１１２、チャネル層１１４、電子供給層１１６、ソース電極１２０及びドレイン電極１２２を備える。ゲート電極１２４は設けられていない。基板１１０、及び各層の材質及び寸法は、図１において例示したものと同じである。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２は、電子供給層１１６に近い方から、Ｔｉ／Ａｌを積層してなる。チャネル層１１４及び電子供給層１１６の一部は、例えばエッチングにより除去されている。エッチングは例えば塩素系のエッチャントを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）とする。エッチングにより、チャネル層１１４の上面に、電子供給層１１６を貫通するような凹部１１４ｃが形成される。凹部１１４ｃはソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に位置し、幅Ｗは２０００ｎｍ、深さＤは１００ｎｍである。幅方向は、図３（ａ）の左右方向である。深さ方向は、図３（ａ）の上下方向である。
【００３５】
上記のサンプル１００Ａのソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に電圧を印加することで、ソース−ドレイン間にバッファリーク電流が流れる。なお、図３（ａ）に矢印で示すように、電子は主にチャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域を流れる。
【００３６】
高品質化していないＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ａを用いて、比較例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を評価した。高品質化したＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ａを用いて、比較例２におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を評価した。
【００３７】
図３（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図３（ｂ）の格子斜線は空乏層を表す。
【００３８】
図３（ｂ）に示すように、ピンチオフリーク評価のサンプル１００Ｂとして、ＨＥＭＴ１００Ｒを用いた。材質及び寸法は、図１において例示したものと同じである。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２は、電子供給層１１６に近い方から、Ｔｉ／Ａｌを積層してなる。ゲート電極１２４は、電子供給層１１６に近い方から、Ｎｉ／Ａｕを積層してなる。ゲート電極１２４の長さＬは１μｍである。長さ方向は、図３（ｂ）の左右方向である。ゲート電極１２４に−３Ｖの電圧を印加することにより、空乏層１１８をチャネル層１１４の深い位置まで形成する。サンプル１００Ｂのソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に電圧を印加することで、ドレイン電流が流れる。図３（ｂ）に矢印で示すように、電子は主にチャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域を流れる。図３（ｂ）のように、空乏層１１８を形成した状態においてＩ−Ｖ特性を評価することにより、ピンチオフリークを評価する。
【００３９】
高品質化していないＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ｂを用いて、比較例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を評価した。高品質化したＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ｂを用いて、比較例２におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を評価した。
【００４０】
まずバッファリークについて説明する。図４（ａ）は、比較例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図４（ｂ）は、比較例２におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。横軸は電界強度、縦軸はバッファリーク電流を表す。電界強度はソース−ドレイン間の電界の強さであり、ソース−ドレイン間電圧に依存する。
【００４１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、電界強度の増大に伴い、バッファリーク電流は大きくなる。比較例１よりも比較例２の方が、バッファリーク電流の増大が大きい。例えば比較例１において、電界強度がＥ１の場合、バッファリーク電流はＩ１となる。比較例２において、電界強度がＥ１の場合、バッファリーク電流はＩ１より大きいＩ２となる。
【００４２】
図２（ａ）に示したように、比較例１では、電子が、ソース−ドレイン間のチャネル層１４における障壁を乗り越え難い。このため図４（ａ）に示すように、比較例１においては比較例２よりも、バッファリーク電流は小さくなる。図２（ｂ）に示したように、比較例２における２ＤＥＧ付近におけるエネルギーの差Ｅｃ−Ｅｆは、比較例１よりも小さい。従って、２ＤＥＧの電子が、ソース−ドレイン間のチャネル層１４における障壁を乗り越えやすい。言い換えれば、チャネル層１１４にバッファリーク電流が流れやすい。この結果、図４（ｂ）に示すように、比較例２においてはバッファリーク電流が大きくなる。
【００４３】
次にピンチオフリークについて説明する。図５（ａ）は、比較例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図５（ｂ）は、比較例２におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。縦軸はピンチオフリーク電流を表す。
【００４４】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ソース−ドレイン間の電界強度の増大に伴い、ピンチオフリーク電流は大きくなる。ピンチオフリーク電流の増大は、比較例２の方が、比較例１よりも大きい。例えば比較例１において、電界強度がＥ２の場合、ピンチオフリーク電流はＩ３となる。比較例２において、電界強度がＥ２の場合、ピンチオフリーク電流はＩ３より大きいＩ４となる。
【００４５】
図２（ａ）に示したように、比較例１におけるチャネル層１１４のバッファ層１１２付近の領域では、Ｅｃが高い。このため、ピンチオフリーク電流が抑制される。図２（ｂ）に示したように、比較例２では、Ｅｃ−Ｅｆが小さいため、ピンチオフリーク電流が増大する。
【００４６】
以上のように、比較例１においては、チャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域のエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆが高いため、バッファリーク電流及びピンチオフリーク電流は小さい。しかし、チャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域には、電子が捕獲されていないトラップが形成される。高エネルギーを有する電子がトラップに捕獲されるため、ドレイン電流が変動する。
【００４７】
比較例２においては、チャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域において、トラップのエネルギーＥｔが低下する。従って、電子の捕獲によるドレイン電流の変動は抑制される。しかし、チャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域のエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆが低い。ソース−ドレイン間電圧により、高エネルギーとなった電子が、チャネル層１１４における障壁を乗り越える。これにより、ピンチオフ特性が劣化する。このように、ＨＥＭＴにおいて、電流の変動の抑制と、ピンチオフ特性の確保との両立することは困難であった。
【００４８】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００４９】
図６（ａ）は、実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１において既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、実施例１に係るＨＥＭＴ１００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、ソース電極２０、ドレイン電極２２、ゲート電極２４及び保護層２６を備える。バッファ層１２は、例えば基板１０の上面に接触している。チャネル層１４は、例えばバッファ層１２の上面に接触している。電子供給層１６は、例えばチャネル層１４の上面に接触している。ソース電極２０、ドレイン電極２２及びゲート電極２４は、例えば電子供給層１６の上面に接触している。
【００５１】
図６（ａ）に破線で示すように、チャネル層１４は２つの領域１４ａ及び１４ｂを含む。チャネル層１４のバッファ層１２側の領域を領域１４ａ、電子供給層１６側の領域を領域１４ｂとする。領域１４ｂにおけるＣの濃度は例えば４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。領域１４ａにおけるＣの濃度は例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。このように、領域１４ｂにおけるＣの濃度は、領域１４ａにおけるＣの濃度より高い。領域１４ｂにおけるシリコン（Ｓｉ）の濃度と酸素（Ｏ）の濃度との合計値は、例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。このように、領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値より小さい。領域１４ａ及び領域１４ｂ各々の厚さは、例えば６００ｎｍである。次にバンド構造について説明する。
【００５２】
図６（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。図６（ｂ）と図２（ａ）とを比較すると、領域１４ａにおいてＥｃは低下している。これに対し、領域１４ｂにおいてＥｃはほとんど低下していない。言い換えれば、領域１４ｂにおいて、Ｅｃ−Ｅｆは高く維持される。バッファ層１２のチャネル層１４側におけるコンダクションバンドのエネルギーをＥｂ１とする。バッファ層１２のエネルギーについては、実施例２において後述する。
【００５３】
領域１４ｂにおけるＣの濃度が高い。言い換えれば、アクセプタとなる不純物の濃度（アクセプタ濃度）が高い。また、Ｓｉの濃度とＯの濃度の合計値が小さい。言い換えれば、ドナーとなる不純物の濃度（ドナー濃度）が低い。抵抗率は、アクセプタ濃度とドナー濃度との差であるアクセプタ濃度−ドナー濃度、に依存する。領域１４ｂにおいては、アクセプタ濃度−ドナー濃度が大きい。この結果、領域１４ｂは高抵抗化する。言い換えれば、Ｅｃが高くなる。このため、２ＤＥＧ付近において、急峻な障壁が形成される。従って、２ＤＥＧの電子が障壁を越え難くなる。
【００５４】
領域１４ａにおいてＥｃ−Ｅｆは小さい。チャネル層１４とバッファ層１２との界面付近における、Ｅｃ−Ｅｆは例えば０．４〜０．６ｅＶ程度である。領域１４ａにおけるＣの濃度は低い。言い換えれば、アクセプタとなる不純物の濃度が低い。また領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度の合計値は大きい。言い換えれば、ドナーとなる不純物の濃度が高い。この結果、領域１４ａは低抵抗化する。このようにＥｃ−Ｅｆは小さくなる。Ｅｃ−Ｅｆが小さくなることにより、トラップのエネルギーＥｔはフェルミエネルギーＥｆより小さくなる。トラップは電子に占有される。その結果、高エネルギーを有する電子のトラップへの捕獲は抑制される。
【００５５】
実施例１におけるバッファリーク及びピンチオフリークについて説明する。まずサンプルについて説明する。図７（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図７（ａ）に示すように、チャネル層１４に凹部１４ｃが形成されている。図７（ａ）に矢印で示すように、サンプル１００Ｃにおいて、電子は主にチャネル層１４の領域１４ｂを流れる。
【００５６】
図７（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図３（ｂ）及び図６（ａ）において既述した構成については説明を省略する。図６（ｂ）に示すように、空乏層１８が形成されている。矢印で示すように、サンプル１００Ｄにおいて、電子は主にチャネル層１４の領域１４ａを流れる。
【００５７】
図８（ａ）は、実施例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図８（ａ）に示すように、電界強度がＥ１の場合、バッファリーク電流はＩ５である。Ｉ５は、図４（ｂ）に示したＩ２より小さく、例えば図４（ａ）に示したＩ１と同程度の大きさである。図６（ｂ）に示したように、領域１４ｂに高い障壁が形成され、電子がソース−ドレイン間において障壁を乗り越え難いためである。
【００５８】
図８（ｂ）は、実施例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図８（ｂ）に示すように、電界強度がＥ２の場合、ピンチオフリーク電流はＩ６である。Ｉ６は、図５（ａ）に示したＩ３より大きく、例えば図５（ｂ）に示したＩ４と同程度の大きさである。
【００５９】
次に実施例１に係るＨＥＭＴ１００の製造方法について説明する。図９（ａ）から図１０（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【００６０】
図９（ａ）に示すように、まずＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣからなる基板１０上に、例えば厚さ２５ｎｍの、ＡｌＮからなるバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。バッファ層１２の成長条件を以下に示す。なお、成長温度とは、成長時の基板の温度である。成長圧力とは、ＭＯＣＶＤ法に用いる炉内の圧力である。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
原料：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri Methyl Aluminum）、アンモニア（ＮＨ３）
【００６１】
図９（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層１２上に、例えば厚さ６００ｎｍの、ＧａＮからなるチャネル層１４の領域１４ａをエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１２００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
成長レート：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
原料：トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri Methyl Gallium）、ＮＨ３
ＴＭＧの流量：９０μｍｏｌ／ｍｉｎ
ＮＨ３の流量：０．９ｍｏｌ／ｍｉｎ
【００６２】
図９（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、領域１４ａ上に、例えば厚さ６００ｎｍの、ＧａＮからなる領域１４ｂをエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
他の成長条件は領域１４ａの成長条件と同じである。このように、領域１４ａの成長温度は、領域１４ｂの成長温度より高い。領域１４ａと領域１４ｂとは、チャネル層１４を形成する。チャネル層１４を設ける工程は、領域１４ａを設ける工程と、領域１４ｂを設ける工程とを含む。
【００６３】
図１０（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層１４上に、例えば厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子供給層１６をエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
【００６４】
図１０（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor Deposition）を用いて、電子供給層１６上に、第１ＳｉＮ層を設ける。第１ＳｉＮ層をパターニングして、電子供給層１６を露出させる。露出した電子供給層１６に、例えば蒸着法等により、Ｔｉ／Ａｌ等の金属からなるオーミック電極を形成する。オーミック電極は、ソース電極２０及びドレイン電極２２として機能する。さらに第１ＳｉＮ層をパターニングして、電子供給層１６を露出させる。例えば蒸着法等により、電子供給層１６上に、例えばＮｉ／Ａｕ等の金属からなるゲート電極２４を形成する。第１ＳｉＮ層上に第２ＳｉＮ層を設ける。第１ＳｉＮ層と第２ＳｉＮ層とにより、保護層２６が形成される。以上の工程により、実施例１に係るＨＥＭＴ１００が形成される。
【００６５】
実施例１に係るＨＥＭＴ１００は、ＳｉＣからなる基板１０と、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、ＧａＮからなるチャネル層１４と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６と、ソース電極２０と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２４と、を備える。チャネル層１４の電子供給層１６側の領域１４ｂにおけるＣの濃度は、チャネル層１４のバッファ層１２側の領域１４ａにおけるＣの濃度よりも高い。従って、２ＤＥＧ付近に高い障壁が形成される。また、領域１４ａにおいてＥｃ−Ｅｆが低下し、トラップのエネルギーＥｔがフェルミエネルギーＥｆより低くなる。言い換えれば、領域１４ａは低抵抗化し、領域１４ｂは高抵抗化するこのため実施例１によれば、ドレイン電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することができる。
【００６６】
また、領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値よりも小さい。このため、領域１４ａは低抵抗化し、領域１４ｂは高抵抗化する。従って、実施例１によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することができる。
【００６７】
領域１４ａにおけるＣの濃度は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としたが、例えば１．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下等としてもよい。領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としたが、例えば２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としてもよい。このように領域１４ａにおいては、アクセプタとなるＣ等の不純物の濃度を低くし、ドナーとなるＳｉ及びＯ等の不純物の濃度を高くすることが好ましい。
【００６８】
領域１４ｂにおけるＣの濃度は４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としたが、例えば４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としてもよい。領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としたが、例えば０．８×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は０．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としてもよい。このように領域１４ｂにおいては、アクセプタとなるＣ等の不純物の濃度を高くし、ドナーとなるＳｉ及びＯ等の不純物の濃度を低くすることが好ましい。領域１４ｂ中のアクセプタ濃度とドナー濃度との差は、領域１４ａ中のアクセプタ濃度とドナー濃度との差より大きいことが好ましい。
【００６９】
領域１４ａにおけるＣの濃度は、例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、１．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満でもよい。領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、又は３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のそれぞれより大きくてもよい。領域１４ｂにおけるＣの濃度は、例えば４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、又は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のそれぞれより大きくてもよい。領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、０．８×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、又は０．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満としてもよい。
【００７０】
上記のような不純物濃度を有するチャネル層１４を製造するためには、成長条件を調整すればよい。例えば図９（ａ）及び図９（ｂ）において説明したように、領域１４ａの成長温度は、領域１４ｂの成長温度より高いことが好ましい。成長温度を高めることにより、ＣのＧａＮへの取り込みを抑制することができる。またＳｉ及びＯのＧａＮへの取り込みが促進される。領域１４ａの成長温度を１２００℃、領域１４ｂの成長温度を１１００℃としたが、成長温度は変更可能である。領域１４ａの成長温度が、領域１４ｂの成長温度より４０℃以上高いことが好ましい。成長温度の差は、例えば５０℃以上、１００℃以上、又は１２０℃以上としてもよい。
【００７１】
領域１４ａと領域１４ｂとを所望の組成とするためには、成長温度以外に、例えば成長レート、成長圧力、又は原料の量等を変更してもよい。成長レートの例を示す。
領域１４ａの成長レート：１．０μｍ／ｈ
領域１４ｂの成長レート：２．０μｍ／ｈ
このように、領域１４ｂの成長レートは領域１４ａの成長レートより大きい。これにより、領域１４ｂにおけるＣの濃度を、領域１４ａにおけるＣの濃度より高くすることができる。また、領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値を、領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値よりも低くすることができる。特に、領域１４ｂの成長レートが、領域１４ａの成長レートの１．５倍以上であることが好ましい。成長レートの比は、例えば１．８倍以上又は２倍以上でもよい。
【００７２】
成長圧力の例を示す。
領域１４ａの成長圧力：３００ｔｏｒｒ（３９．９９ｋＰａ）
領域１４ｂの成長圧力：１５０ｔｏｒｒ（１９．９９ｋＰａ）
このように、領域１４ａの成長圧力は、領域１４ｂの成長圧力より高い。これにより、領域１４ｂにおけるＣの濃度を、領域１４ａにおけるＣの濃度より高くすることができる。特に、領域１４ａの成長圧力が、領域１４ｂの成長圧力より、１３．３３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）以上高いことが好ましい。成長圧力の差は、例えば１５０ｔｏｒｒ以上、又は２００ｔｏｒｒ以上でもよい。
【００７３】
ＮＨ３の流量比の例を示す。流量比とは、原料となる全ガスの流量に対する、ＮＨ３の流量の比である。
領域１４ａを設ける工程におけるＮＨ３の流量比：２０００
領域１４ｂを設ける工程におけるＮＨ３の流量比：４０００
このように、領域１４ａを設ける工程におけるＮＨ３の流量比は、領域１４ｂを設ける工程におけるＮＨ３の流量比よりも大きくする。これにより、領域１４ｂにおけるＣの濃度を、領域１４ａにおけるＣの濃度より高くすることができる。領域１４ａを設ける工程におけるＮＨ３の流量比は、領域１４ｂを設ける工程におけるＮＨ３の流量比の１．５倍以上とすることが好ましい。
【００７４】
実施例１では、領域１４ａと領域１４ｂとの間において、Ｃの濃度、及びＳｉの濃度とＯの濃度の合計値、の両方を異ならせた。構成はこれに限定されない。例えばチャネル層１４は、領域１４ｂにおけるＣの濃度が領域１４ａにおけるＣの濃度より高い、及び領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値が領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値よりも小さい、の少なくとも一方の構成を有してもよい。また実施例１では、成長温度、成長レート、成長圧力及びＮＨ３の流量比を、それぞれ独立して調整する例を説明した。成長温度、成長レート、成長圧力及びＮＨ３の流量比の全て、又は２つ以上の条件を変更して、チャネル層１４を成長させてもよい。電子供給層１６上に、例えばＧａＮ等の窒化物半導体からなるキャップ層を設け、キャップ層上に各電極を設けてもよい。
【００７５】
また、チャネル層１４の組成が、領域１４ａと領域１４ｂとの間で離散的に変化する例を説明したが、構成はこれに限定されない。例えばチャネル層１４の組成が連続的に変化してもよい。具体的には、チャネル層１４のバッファ層１２側から電子供給層１６側にかけて、Ｃの濃度が連続的に高くなり、Ｓｉの濃度とＯの濃度との合計値が連続的に小さくなるとしてもよい。領域１４ａと領域１４ｂとで組成が異なり、かつ領域１４ａと領域１４ｂの境界付近では組成が連続的に変化するとしてもよい。チャネル層１４は、異なる組成を有する３つ以上の領域を含むとしてもよい。チャネル層１４を設ける工程では、成長条件を連続的に変化させながらチャネル層１４を成長させてもよい。３つ以上の異なる成長条件を用いてチャネル層１４を成長させてもよい。
【実施例２】
【００７６】
実施例２は、バッファ層１２の不純物濃度を変更する例である。図１１（ａ）は、実施例２に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１（ａ）及び図６（ａ）において既述した構成については、説明を省略する。
【００７７】
図１１（ａ）に示すように、実施例２に係るＨＥＭＴ２００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、ソース電極２０、ドレイン電極２２、ゲート電極２４及び保護層２６を備える。
【００７８】
バッファ層１２は、ＡｌＮからなる。バッファ層１２のＣの濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。バッファ層１２のＳｉの濃度は、例えば５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。また、バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。このように、バッファ層１２においては、アクセプタとなる不純物の濃度が低く、ドナーとなる不純物の濃度が高い。従って、バッファ層１２は低抵抗化する。
【００７９】
バンド構造について説明する。図１１（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【００８０】
図１１（ｂ）に示すように、バッファ層１２のコンダクションバンドのエネルギーはＥｂ２である。Ｅｂ２は、実施例１におけるエネルギーＥｂ１より低い。バッファ層１２のエネルギーの低下により、チャネル層１４のバッファ層１２側の領域１４ａにおいて、コンダクションバンドは下げられる。言い換えれば領域１４ａにおいて、Ｅｃ−Ｅｆは小さくなる。このため、トラップのエネルギーＥｔはフェルミエネルギーＥｃより小さくなる。この結果、電子のトラップへの捕獲は抑制される。その一方、領域１４ｂにおいて、Ｅｃ−Ｅｆは高く維持される。このため、電子が障壁を乗り越えることは抑制される。
【００８１】
次に実施例２に係るＨＥＭＴ２００の製造方法について説明する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。実施例１において既述した構成については説明を省略する。
【００８２】
図１２（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、基板１０上に、厚さ２５ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
成長レート：０．５μｍ／ｈ以下
原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４（シラン）
原料に含まれるＳｉＨ４がドーパントとなり、ＳｉがドープされたＡｌＮからなるバッファ層１２が形成される。バッファ層１２のＳｉの濃度は、例えば５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
【００８３】
図１２（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層１２上に、厚さ１２００ｎｍのＧａＮからなるチャネル層１４をエピタキシャル成長させる。チャネル層１４を設ける工程は、領域によって異なる成長条件を用いるものではなく、チャネル層１４全体において同一の成長条件を用いる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
成長レート：０．３μｍ／ｓｅｃ
原料：ＴＭＧ、ＮＨ３
ＴＭＧの流量：９０μｍｏｌ／ｍｉｎ
ＮＨ３の流量：０．９ｍｏｌ／ｍｉｎ
【００８４】
実施例２に係るＨＥＭＴ２００は、ＳｉＣからなる基板１０と、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、ＧａＮからなるチャネル層１４と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６と、ソース電極２０と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２４と、を備える。バッファ層１２のＣの濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。バッファ層１２において、アクセプタ濃度−ドナー濃度は小さい。従って、バッファ層１２は低抵抗化する。このため、バッファ層１２のコンダクションバンドのエネルギーはＥｂ２に低下する。チャネル層１４の領域１４ａにおいてＥｃ−Ｅｆが低下する。このため、電子の捕獲が抑制される。また、領域１４ｂには高い障壁が形成される。このため、実施例２によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することができる。
【００８５】
バッファ層１２のＣの濃度は、例えば１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下でもよい。バッファ層１２のＣの濃度は、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満でもよい。また、バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上でもよい。バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、又は３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、のそれぞれより大きくてもよい。バッファ層１２は、例えばＣの濃度が２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、及びＳｉの濃度とＯの濃度との合計値が２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、の少なくとも一方の構成を有してもよい。
【００８６】
低抵抗化したバッファ層１２を形成するためには、バッファ層１２の成長条件を調整すればよい。成長温度が高い方が、ＡｌＮへのＣの取り込みは抑制される。また成長レートが小さいほど、ＡｌＮへのＣの取り込みは抑制される。成長温度を１１００℃、成長レートを０．５μｍ／ｈ以下、原料にＳｉＨ４を含めればよい。また、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等、ＳｉＨ４以外のＳｉを含む原料ガスを用いてもよい。成長温度は１０５０℃以上とすることができ、例えば１１５０℃以上、１２００℃以上としてもよい。また成長温度は１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、又は１２００℃より大きくてもよい。成長レートは０．５μｍ／ｈ以下としたが、０．４μｍ／ｈ以下、又は０．３μｍ／ｈ以下としてもよい。また成長レートは、０．５μｍ／ｈ未満、０．４μｍ／ｈ未満、又は０．３μｍ／ｈ未満としてもよい。
【００８７】
実施例１と実施例２とを組み合わせてもよい。つまり、チャネル層１４の領域１４ａを高抵抗化、領域１４ｂを低抵抗化し、かつバッファ層１２を低抵抗化してもよい。またＨＥＭＴの製造工程において、図１０（ａ）において説明した成長条件によりバッファ層１２を設け、かつ図９（ｂ）及び図９（ｃ）において説明した成長条件により領域１４ａと領域１４ｂとを設けてもよい。
【００８８】
電子供給層１６は、ＡｌＧａＮからなるとしたが、ＡｌＧａＮ以外の窒化物半導体からなるとしてもよい。窒化物半導体とは、窒素（Ｎ）を含む半導体であり、例えば窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等がある。電子供給層１６は、窒化物半導体のうち、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなるとしてもよい。
【００８９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ チャネル層
１４ａ、１４ｂ 領域
１６ 電子供給層
２０ ソース電極
２２ ドレイン電極
２４ ゲート電極
１００、２００ ＨＥＭＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。ＨＥＭＴでは、チャネル層と電子供給層との界面に生じる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとして利用する。電気的なストレス等が加わることにより、２ＤＥＧの電子が窒化物半導体層中のトラップに捕獲されることがある。電子の捕獲のため、例えばドレイン電流等、ＨＥＭＴに流れる電流が時間と共に変動することがある。特許文献１には、窒化ガリウム（ＧａＮ）層の品質を高めることで、電流の変動を抑制する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、電流の変動の抑制が十分でないことがある。また、電流変動の抑制と、ピンチオフ特性の確保との両立が難しいことがある。本願発明は、上記課題に鑑み、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能な半導体装置、及び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】
【０００５】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度より高い半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００６】
上記構成において、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００７】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値より小さい半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００８】
上記構成において、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【０００９】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記バッファ層の炭素の濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１０】
本発明は、炭化シリコンからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、前記バッファ層の酸素の濃度とシリコンの濃度との合計値は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である半導体装置である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１１】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも高い半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１２】
上記構成において、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも４０℃以上高い構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１３】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートより大きい半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１４】
上記構成において、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートの１．５倍以上である構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１５】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より高い半導体装置の成長方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１６】
上記構成において、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より１３．３３ｋＰａ以上高い構成とすることができる。この構成によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１７】
本発明は、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、原料にアンモニアを含むＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比より大きい半導体装置の成長方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１８】
本発明は、シリコンを含む原料ガスを用いるＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【００１９】
本発明は、ＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、前記バッファ層の成長レートは０．５μｍ／ｈ以下である半導体装置の製造方法である。本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することが可能な半導体装置、及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、比較例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。
【図２】図２（ａ）は、比較例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。図２（ｂ）は、比較例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図３（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）は、比較例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図４（ｂ）は、比較例２におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。
【図５】図５（ａ）は、比較例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図５（ｂ）は、比較例２におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。
【図６】図６（ａ）は、実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図６（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【図７】図７（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図７（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。
【図８】図８（ａ）は、実施例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図８（ｂ）は、実施例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。
【図９】図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例１に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、実施例２に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１１（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
まず比較例について説明する。図１は、比較例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。
【００２３】
図１に示すように、比較例１に係るＨＥＭＴ１００Ｒは、基板１１０、バッファ層１１２、チャネル層１１４、電子供給層１１６、ソース電極１２０、ドレイン電極１２２及びゲート電極１２４、並びに保護層１２６を備える。
【００２４】
基板１１０は炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる。バッファ層１１２は、例えば厚さ２５ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。バッファ層１１２は、基板１１０上に設けられている。チャネル層１１４は、例えば厚さ１２００ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。チャネル層１１４は、バッファ層１１２上に設けられている。電子供給層１１６は、例えば厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる。電子供給層１１６は、チャネル層１１４上に設けられている。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２は、例えば電子供給層１１６に近い方から順にチタン層とアルミニウム層（Ｔｉ／Ａｌ）、又はタンタル／アルミニウム（Ｔａ／Ａｌ）等の金属を積層して形成されるオーミック電極である。ゲート電極１２４は、例えば電子供給層１１６に近い方から順に、ニッケル／アルミニウム（Ｎｉ／Ａｌ）等の金属を積層してなる。ゲート電極１２４は、ソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に位置する。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２には、例えば金（Ａｕ）等の金属からなる配線が接続される。なお、配線は不図示である。電子供給層１１６上には例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁体からなる保護層１２６が設けられている。
【００２５】
例えばソース電極１２０を接地し、ドレイン電極１２２に正電位、ゲート電極１２４に負電位をそれぞれ印加すると、チャネル層１１４と電子供給層１１６との界面に２ＤＥＧが発生する。２ＤＥＧがキャリアとなり、ソース−ドレイン間に電流が流れる。電気的ストレスが加わることにより、２ＤＥＧを構成する電子がトラップに捕獲され、例えばドレイン電流が変動することがある。電気的ストレスとは、例えば直流信号、又は大電力の高周波信号等である。電流の変動については、図２（ａ）及び図２（ｂ）において後述する。
【００２６】
次に比較例２に係るＨＥＭＴについて説明する。比較例２では、チャネル層１１４を構成するＧａＮを高品質化している。すなわち、比較例２におけるＧａＮに含まれる炭素（Ｃ）等の不純物の濃度は、比較例１よりも低い。他の構成は、図１に示したものと同じである。不純物の濃度を低減するためには、例えばチャネル層１１４を成長させるためのＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長法）における成長温度を高くする等の方法がある。例えば、比較例１においては成長温度を１１００℃、比較例２においては成長温度を１２００℃とする。次にバンド構造について説明する。
【００２７】
図２（ａ）は、比較例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。図２（ｂ）は、比較例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。破線で示したＥｆはフェルミエネルギーを表す。実線で示したＥｃはコンダクションバンドの底のエネルギーを表す。点線で示したＥｔは、コンダクションバンドより下の深い準位（トラップ）のエネルギーを表す。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、ＨＥＭＴの各部位に対応する領域は、図１と同じ符号で示した。また格子斜線の領域は２ＤＥＧを示す。既述したように、２ＤＥＧがキャリアとなりドレイン電流が流れる。しかし電気的ストレスが印加されることにより、時間と共に、ドレイン電流が変動することがある。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、チャネル層１１４におけるＥｃは高い。例えばチャネル層１１４とバッファ層１１２との界面付近におけるエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆは１．５ｅＶ程度である。またチャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域において、トラップのエネルギーＥｔが、フェルミエネルギーＥｆより高くなる。トラップはイオン化されているため、電気的ストレス等により高エネルギーとなった電子を捕獲することができる。つまり、２ＤＥＧの電子がトラップに捕獲されることがある。電子の捕獲により、２ＤＥＧの濃度は低下する。２ＤＥＧの濃度の低下により、ＨＥＭＴのドレイン電流は減少する。また、捕獲された電子が放出されることがある。このように、時間と共にドレイン電流の変動が生じることがある。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、比較例２においては、チャネル層１１４のコンダクションバンドのエネルギーＥｃが、比較例１におけるＥｃより低い。これは、チャネル層１１４を形成するＧａＮを高品質化しているため、Ｃ等のようなアクセプタとなる不純物の寄与が低減したことによる。これにより、チャネル層１１４は低抵抗化する。チャネル層１１４とバッファ層１１２との界面付近におけるエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆは例えば０．４〜０．６ｅＶ程度である。トラップのエネルギーＥｔは、フェルミエネルギーＥｆより低くなる。トラップは電子に占有されるため、２ＤＥＧの電子のトラップへの捕獲は抑制される。この結果、ドレイン電流の変動は抑制される。
【００３０】
しかしながら、図２（ｂ）においては、エネルギーＥｃが、チャネル層１１４の全体にわたって低下する。このため、２ＤＥＧ付近においてもエネルギーＥｃは低下し、エネルギー差Ｅｃ−Ｅｆが小さくなる。この結果、チャネル層１１４からバッファ層１１２にかけて、エネルギーＥｃの傾きが緩やかになる。言い換えれば、２ＤＥＧ付近における障壁が低くなる。従って、ソース−ドレイン間に電圧が印加されると、２ＤＥＧの電子が障壁を乗り越え易くなる。この結果、比較例２においては、リーク電流が増大し、ピンチオフ特性の劣化が生じる可能性がある。
【００３１】
上記のようなバンド構造の違いにより、Ｉ−Ｖ特性に違いが生じる。バンド構造が、Ｉ−Ｖ特性に及ぼす影響について説明する。Ｉ−Ｖ特性の評価として、バッファリーク及びピンチオフリークの評価を行った。
【００３２】
バッファリークの評価は、チャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域を流れる電流（以下、「バッファリーク電流」とする）の電界強度依存性を評価するものである。チャネル層１１４の電子供給層１１６に近い領域における電子の挙動は、バッファリークに影響する。ピンチオフリークの評価は、チャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域を流れる電流（「ピンチオフリーク電流」とする）の電界強度依存性を評価するものである。チャネル層１１４のバッファ層１１２に近い領域における電子の挙動は、ピンチオフリークに影響する。
【００３３】
サンプルについて説明する。図３（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。矢印は、電子の流れを表す。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、バッファリーク評価のためのサンプル１００Ａは、基板１１０、バッファ層１１２、チャネル層１１４、電子供給層１１６、ソース電極１２０及びドレイン電極１２２を備える。ゲート電極１２４は設けられていない。基板１１０、及び各層の材質及び寸法は、図１において例示したものと同じである。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２は、電子供給層１１６に近い方から、Ｔｉ／Ａｌを積層してなる。チャネル層１１４及び電子供給層１１６の一部は、例えばエッチングにより除去されている。エッチングは例えば塩素系のエッチャントを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）とする。エッチングにより、チャネル層１１４の上面に、電子供給層１１６を貫通するような凹部１１４ｃが形成される。凹部１１４ｃはソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に位置し、幅Ｗは２０００ｎｍ、深さＤは１００ｎｍである。幅方向は、図３（ａ）の左右方向である。深さ方向は、図３（ａ）の上下方向である。
【００３５】
上記のサンプル１００Ａのソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に電圧を印加することで、ソース−ドレイン間にバッファリーク電流が流れる。なお、図３（ａ）に矢印で示すように、電子は主にチャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域を流れる。
【００３６】
高品質化していないＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ａを用いて、比較例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を評価した。高品質化したＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ａを用いて、比較例２におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を評価した。
【００３７】
図３（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図３（ｂ）の格子斜線は空乏層を表す。
【００３８】
図３（ｂ）に示すように、ピンチオフリーク評価のサンプル１００Ｂとして、ＨＥＭＴ１００Ｒを用いた。材質及び寸法は、図１において例示したものと同じである。ソース電極１２０及びドレイン電極１２２は、電子供給層１１６に近い方から、Ｔｉ／Ａｌを積層してなる。ゲート電極１２４は、電子供給層１１６に近い方から、Ｎｉ／Ａｕを積層してなる。ゲート電極１２４の長さＬは１μｍである。長さ方向は、図３（ｂ）の左右方向である。ゲート電極１２４に−３Ｖの電圧を印加することにより、空乏層１１８をチャネル層１１４の深い位置まで形成する。サンプル１００Ｂのソース電極１２０とドレイン電極１２２との間に電圧を印加することで、ドレイン電流が流れる。図３（ｂ）に矢印で示すように、電子は主にチャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域を流れる。図３（ｂ）のように、空乏層１１８を形成した状態においてＩ−Ｖ特性を評価することにより、ピンチオフリークを評価する。
【００３９】
高品質化していないＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ｂを用いて、比較例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を評価した。高品質化したＧａＮにより形成されたチャネル層１１４を有するサンプル１００Ｂを用いて、比較例２におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を評価した。
【００４０】
まずバッファリークについて説明する。図４（ａ）は、比較例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図４（ｂ）は、比較例２におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。横軸は電界強度、縦軸はバッファリーク電流を表す。電界強度はソース−ドレイン間の電界の強さであり、ソース−ドレイン間電圧に依存する。
【００４１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、電界強度の増大に伴い、バッファリーク電流は大きくなる。比較例１よりも比較例２の方が、バッファリーク電流の増大が大きい。例えば比較例１において、電界強度がＥ１の場合、バッファリーク電流はＩ１となる。比較例２において、電界強度がＥ１の場合、バッファリーク電流はＩ１より大きいＩ２となる。
【００４２】
図２（ａ）に示したように、比較例１では、電子が、ソース−ドレイン間のチャネル層１４における障壁を乗り越え難い。このため図４（ａ）に示すように、比較例１においては比較例２よりも、バッファリーク電流は小さくなる。図２（ｂ）に示したように、比較例２における２ＤＥＧ付近におけるエネルギーの差Ｅｃ−Ｅｆは、比較例１よりも小さい。従って、２ＤＥＧの電子が、ソース−ドレイン間のチャネル層１４における障壁を乗り越えやすい。言い換えれば、チャネル層１１４にバッファリーク電流が流れやすい。この結果、図４（ｂ）に示すように、比較例２においてはバッファリーク電流が大きくなる。
【００４３】
次にピンチオフリークについて説明する。図５（ａ）は、比較例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図５（ｂ）は、比較例２におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。縦軸はピンチオフリーク電流を表す。
【００４４】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ソース−ドレイン間の電界強度の増大に伴い、ピンチオフリーク電流は大きくなる。ピンチオフリーク電流の増大は、比較例２の方が、比較例１よりも大きい。例えば比較例１において、電界強度がＥ２の場合、ピンチオフリーク電流はＩ３となる。比較例２において、電界強度がＥ２の場合、ピンチオフリーク電流はＩ３より大きいＩ４となる。
【００４５】
図２（ａ）に示したように、比較例１におけるチャネル層１１４のバッファ層１１２付近の領域では、Ｅｃが高い。このため、ピンチオフリーク電流が抑制される。図２（ｂ）に示したように、比較例２では、Ｅｃ−Ｅｆが小さいため、ピンチオフリーク電流が増大する。
【００４６】
以上のように、比較例１においては、チャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域のエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆが高いため、バッファリーク電流及びピンチオフリーク電流は小さい。しかし、チャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域には、電子が捕獲されていないトラップが形成される。高エネルギーを有する電子がトラップに捕獲されるため、ドレイン電流が変動する。
【００４７】
比較例２においては、チャネル層１１４のバッファ層１１２側の領域において、トラップのエネルギーＥｔが低下する。従って、電子の捕獲によるドレイン電流の変動は抑制される。しかし、チャネル層１１４の電子供給層１１６側の領域のエネルギー差Ｅｃ−Ｅｆが低い。ソース−ドレイン間電圧により、高エネルギーとなった電子が、チャネル層１１４における障壁を乗り越える。これにより、ピンチオフ特性が劣化する。このように、ＨＥＭＴにおいて、電流の変動の抑制と、ピンチオフ特性の確保との両立することは困難であった。
【００４８】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００４９】
図６（ａ）は、実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１において既述した構成と同じ構成については、説明を省略する。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、実施例１に係るＨＥＭＴ１００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、ソース電極２０、ドレイン電極２２、ゲート電極２４及び保護層２６を備える。バッファ層１２は、例えば基板１０の上面に接触している。チャネル層１４は、例えばバッファ層１２の上面に接触している。電子供給層１６は、例えばチャネル層１４の上面に接触している。ソース電極２０、ドレイン電極２２及びゲート電極２４は、例えば電子供給層１６の上面に接触している。
【００５１】
図６（ａ）に破線で示すように、チャネル層１４は２つの領域１４ａ及び１４ｂを含む。チャネル層１４のバッファ層１２側の領域を領域１４ａ、電子供給層１６側の領域を領域１４ｂとする。領域１４ｂにおけるＣの濃度は例えば４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。領域１４ａにおけるＣの濃度は例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。このように、領域１４ｂにおけるＣの濃度は、領域１４ａにおけるＣの濃度より高い。領域１４ｂにおけるシリコン（Ｓｉ）の濃度と酸素（Ｏ）の濃度との合計値は、例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。このように、領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値より小さい。領域１４ａ及び領域１４ｂ各々の厚さは、例えば６００ｎｍである。次にバンド構造について説明する。
【００５２】
図６（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。図６（ｂ）と図２（ａ）とを比較すると、領域１４ａにおいてＥｃは低下している。これに対し、領域１４ｂにおいてＥｃはほとんど低下していない。言い換えれば、領域１４ｂにおいて、Ｅｃ−Ｅｆは高く維持される。バッファ層１２のチャネル層１４側におけるコンダクションバンドのエネルギーをＥｂ１とする。バッファ層１２のエネルギーについては、実施例２において後述する。
【００５３】
領域１４ｂにおけるＣの濃度が高い。言い換えれば、アクセプタとなる不純物の濃度（アクセプタ濃度）が高い。また、Ｓｉの濃度とＯの濃度の合計値が小さい。言い換えれば、ドナーとなる不純物の濃度（ドナー濃度）が低い。抵抗率は、アクセプタ濃度とドナー濃度との差であるアクセプタ濃度−ドナー濃度、に依存する。領域１４ｂにおいては、アクセプタ濃度−ドナー濃度が大きい。この結果、領域１４ｂは高抵抗化する。言い換えれば、Ｅｃが高くなる。このため、２ＤＥＧ付近において、急峻な障壁が形成される。従って、２ＤＥＧの電子が障壁を越え難くなる。
【００５４】
領域１４ａにおいてＥｃ−Ｅｆは小さい。チャネル層１４とバッファ層１２との界面付近における、Ｅｃ−Ｅｆは例えば０．４〜０．６ｅＶ程度である。領域１４ａにおけるＣの濃度は低い。言い換えれば、アクセプタとなる不純物の濃度が低い。また領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度の合計値は大きい。言い換えれば、ドナーとなる不純物の濃度が高い。この結果、領域１４ａは低抵抗化する。このようにＥｃ−Ｅｆは小さくなる。Ｅｃ−Ｅｆが小さくなることにより、トラップのエネルギーＥｔはフェルミエネルギーＥｆより小さくなる。トラップは電子に占有される。その結果、高エネルギーを有する電子のトラップへの捕獲は抑制される。
【００５５】
実施例１におけるバッファリーク及びピンチオフリークについて説明する。まずサンプルについて説明する。図７（ａ）は、バッファリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図７（ａ）に示すように、チャネル層１４に凹部１４ｃが形成されている。図７（ａ）に矢印で示すように、サンプル１００Ｃにおいて、電子は主にチャネル層１４の領域１４ｂを流れる。
【００５６】
図７（ｂ）は、ピンチオフリーク評価のためのサンプルを例示する模式図である。図３（ｂ）及び図６（ａ）において既述した構成については説明を省略する。図６（ｂ）に示すように、空乏層１８が形成されている。矢印で示すように、サンプル１００Ｄにおいて、電子は主にチャネル層１４の領域１４ａを流れる。
【００５７】
図８（ａ）は、実施例１におけるバッファリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図８（ａ）に示すように、電界強度がＥ１の場合、バッファリーク電流はＩ５である。Ｉ５は、図４（ｂ）に示したＩ２より小さく、例えば図４（ａ）に示したＩ１と同程度の大きさである。図６（ｂ）に示したように、領域１４ｂに高い障壁が形成され、電子がソース−ドレイン間において障壁を乗り越え難いためである。
【００５８】
図８（ｂ）は、実施例１におけるピンチオフリーク電流の電界強度依存性を例示する模式図である。図８（ｂ）に示すように、電界強度がＥ２の場合、ピンチオフリーク電流はＩ６である。Ｉ６は、図５（ａ）に示したＩ３より大きく、例えば図５（ｂ）に示したＩ４と同程度の大きさである。
【００５９】
次に実施例１に係るＨＥＭＴ１００の製造方法について説明する。図９（ａ）から図１０（ｂ）は、実施例１に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。
【００６０】
図９（ａ）に示すように、まずＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣからなる基板１０上に、例えば厚さ２５ｎｍの、ＡｌＮからなるバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。バッファ層１２の成長条件を以下に示す。なお、成長温度とは、成長時の基板の温度である。成長圧力とは、ＭＯＣＶＤ法に用いる炉内の圧力である。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
原料：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri Methyl Aluminum）、アンモニア（ＮＨ３）
【００６１】
図９（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層１２上に、例えば厚さ６００ｎｍの、ＧａＮからなるチャネル層１４の領域１４ａをエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１２００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
成長レート：０．３ｎｍ／ｓｅｃ
原料：トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri Methyl Gallium）、ＮＨ３
ＴＭＧの流量：９０μｍｏｌ／ｍｉｎ
ＮＨ３の流量：０．９ｍｏｌ／ｍｉｎ
【００６２】
図９（ｃ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、領域１４ａ上に、例えば厚さ６００ｎｍの、ＧａＮからなる領域１４ｂをエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
他の成長条件は領域１４ａの成長条件と同じである。このように、領域１４ａの成長温度は、領域１４ｂの成長温度より高い。領域１４ａと領域１４ｂとは、チャネル層１４を形成する。チャネル層１４を設ける工程は、領域１４ａを設ける工程と、領域１４ｂを設ける工程とを含む。
【００６３】
図１０（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層１４上に、例えば厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子供給層１６をエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３
【００６４】
図１０（ｂ）に示すように、例えばプラズマＣＶＤ法（Plasma Chemical Vapor Deposition）を用いて、電子供給層１６上に、第１ＳｉＮ層を設ける。第１ＳｉＮ層をパターニングして、電子供給層１６を露出させる。露出した電子供給層１６に、例えば蒸着法等により、Ｔｉ／Ａｌ等の金属からなるオーミック電極を形成する。オーミック電極は、ソース電極２０及びドレイン電極２２として機能する。さらに第１ＳｉＮ層をパターニングして、電子供給層１６を露出させる。例えば蒸着法等により、電子供給層１６上に、例えばＮｉ／Ａｕ等の金属からなるゲート電極２４を形成する。第１ＳｉＮ層上に第２ＳｉＮ層を設ける。第１ＳｉＮ層と第２ＳｉＮ層とにより、保護層２６が形成される。以上の工程により、実施例１に係るＨＥＭＴ１００が形成される。
【００６５】
実施例１に係るＨＥＭＴ１００は、ＳｉＣからなる基板１０と、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、ＧａＮからなるチャネル層１４と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６と、ソース電極２０と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２４と、を備える。チャネル層１４の電子供給層１６側の領域１４ｂにおけるＣの濃度は、チャネル層１４のバッファ層１２側の領域１４ａにおけるＣの濃度よりも高い。従って、２ＤＥＧ付近に高い障壁が形成される。また、領域１４ａにおいてＥｃ−Ｅｆが低下し、トラップのエネルギーＥｔがフェルミエネルギーＥｆより低くなる。言い換えれば、領域１４ａは低抵抗化し、領域１４ｂは高抵抗化するこのため実施例１によれば、ドレイン電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することができる。
【００６６】
また、領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値よりも小さい。このため、領域１４ａは低抵抗化し、領域１４ｂは高抵抗化する。従って、実施例１によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することができる。
【００６７】
領域１４ａにおけるＣの濃度は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としたが、例えば１．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下等としてもよい。領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としたが、例えば２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としてもよい。このように領域１４ａにおいては、アクセプタとなるＣ等の不純物の濃度を低くし、ドナーとなるＳｉ及びＯ等の不純物の濃度を高くすることが好ましい。
【００６８】
領域１４ｂにおけるＣの濃度は４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としたが、例えば４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上としてもよい。領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としたが、例えば０．８×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は０．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としてもよい。このように領域１４ｂにおいては、アクセプタとなるＣ等の不純物の濃度を高くし、ドナーとなるＳｉ及びＯ等の不純物の濃度を低くすることが好ましい。領域１４ｂ中のアクセプタ濃度とドナー濃度との差は、領域１４ａ中のアクセプタ濃度とドナー濃度との差より大きいことが好ましい。
【００６９】
領域１４ａにおけるＣの濃度は、例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、１．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、又は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満でもよい。領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、又は３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のそれぞれより大きくてもよい。領域１４ｂにおけるＣの濃度は、例えば４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、４．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、又は５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のそれぞれより大きくてもよい。領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、０．８×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、又は０．５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満としてもよい。
【００７０】
上記のような不純物濃度を有するチャネル層１４を製造するためには、成長条件を調整すればよい。例えば図９（ａ）及び図９（ｂ）において説明したように、領域１４ａの成長温度は、領域１４ｂの成長温度より高いことが好ましい。成長温度を高めることにより、ＣのＧａＮへの取り込みを抑制することができる。またＳｉ及びＯのＧａＮへの取り込みが促進される。領域１４ａの成長温度を１２００℃、領域１４ｂの成長温度を１１００℃としたが、成長温度は変更可能である。領域１４ａの成長温度が、領域１４ｂの成長温度より４０℃以上高いことが好ましい。成長温度の差は、例えば５０℃以上、１００℃以上、又は１２０℃以上としてもよい。
【００７１】
領域１４ａと領域１４ｂとを所望の組成とするためには、成長温度以外に、例えば成長レート、成長圧力、又は原料の量等を変更してもよい。成長レートの例を示す。
領域１４ａの成長レート：１．０μｍ／ｈ
領域１４ｂの成長レート：２．０μｍ／ｈ
このように、領域１４ｂの成長レートは領域１４ａの成長レートより大きい。これにより、領域１４ｂにおけるＣの濃度を、領域１４ａにおけるＣの濃度より高くすることができる。また、領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値を、領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値よりも低くすることができる。特に、領域１４ｂの成長レートが、領域１４ａの成長レートの１．５倍以上であることが好ましい。成長レートの比は、例えば１．８倍以上又は２倍以上でもよい。
【００７２】
成長圧力の例を示す。
領域１４ａの成長圧力：３００ｔｏｒｒ（３９．９９ｋＰａ）
領域１４ｂの成長圧力：１５０ｔｏｒｒ（１９．９９ｋＰａ）
このように、領域１４ａの成長圧力は、領域１４ｂの成長圧力より高い。これにより、領域１４ｂにおけるＣの濃度を、領域１４ａにおけるＣの濃度より高くすることができる。特に、領域１４ａの成長圧力が、領域１４ｂの成長圧力より、１３．３３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）以上高いことが好ましい。成長圧力の差は、例えば１５０ｔｏｒｒ以上、又は２００ｔｏｒｒ以上でもよい。
【００７３】
ＮＨ３の流量比の例を示す。流量比とは、原料となる全ガスの流量に対する、ＮＨ３の流量の比である。
領域１４ａを設ける工程におけるＮＨ３の流量比：２０００
領域１４ｂを設ける工程におけるＮＨ３の流量比：４０００
このように、領域１４ａを設ける工程におけるＮＨ３の流量比は、領域１４ｂを設ける工程におけるＮＨ３の流量比よりも大きくする。これにより、領域１４ｂにおけるＣの濃度を、領域１４ａにおけるＣの濃度より高くすることができる。領域１４ａを設ける工程におけるＮＨ３の流量比は、領域１４ｂを設ける工程におけるＮＨ３の流量比の１．５倍以上とすることが好ましい。
【００７４】
実施例１では、領域１４ａと領域１４ｂとの間において、Ｃの濃度、及びＳｉの濃度とＯの濃度の合計値、の両方を異ならせた。構成はこれに限定されない。例えばチャネル層１４は、領域１４ｂにおけるＣの濃度が領域１４ａにおけるＣの濃度より高い、及び領域１４ｂにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値が領域１４ａにおけるＳｉの濃度とＯの濃度との合計値よりも小さい、の少なくとも一方の構成を有してもよい。また実施例１では、成長温度、成長レート、成長圧力及びＮＨ３の流量比を、それぞれ独立して調整する例を説明した。成長温度、成長レート、成長圧力及びＮＨ３の流量比の全て、又は２つ以上の条件を変更して、チャネル層１４を成長させてもよい。電子供給層１６上に、例えばＧａＮ等の窒化物半導体からなるキャップ層を設け、キャップ層上に各電極を設けてもよい。
【００７５】
また、チャネル層１４の組成が、領域１４ａと領域１４ｂとの間で離散的に変化する例を説明したが、構成はこれに限定されない。例えばチャネル層１４の組成が連続的に変化してもよい。具体的には、チャネル層１４のバッファ層１２側から電子供給層１６側にかけて、Ｃの濃度が連続的に高くなり、Ｓｉの濃度とＯの濃度との合計値が連続的に小さくなるとしてもよい。領域１４ａと領域１４ｂとで組成が異なり、かつ領域１４ａと領域１４ｂの境界付近では組成が連続的に変化するとしてもよい。チャネル層１４は、異なる組成を有する３つ以上の領域を含むとしてもよい。チャネル層１４を設ける工程では、成長条件を連続的に変化させながらチャネル層１４を成長させてもよい。３つ以上の異なる成長条件を用いてチャネル層１４を成長させてもよい。
【実施例２】
【００７６】
実施例２は、バッファ層１２の不純物濃度を変更する例である。図１１（ａ）は、実施例２に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１（ａ）及び図６（ａ）において既述した構成については、説明を省略する。
【００７７】
図１１（ａ）に示すように、実施例２に係るＨＥＭＴ２００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、ソース電極２０、ドレイン電極２２、ゲート電極２４及び保護層２６を備える。
【００７８】
バッファ層１２は、ＡｌＮからなる。バッファ層１２のＣの濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。バッファ層１２のＳｉの濃度は、例えば５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。また、バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。このように、バッファ層１２においては、アクセプタとなる不純物の濃度が低く、ドナーとなる不純物の濃度が高い。従って、バッファ層１２は低抵抗化する。
【００７９】
バンド構造について説明する。図１１（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴのバンド構造を例示する模式図である。
【００８０】
図１１（ｂ）に示すように、バッファ層１２のコンダクションバンドのエネルギーはＥｂ２である。Ｅｂ２は、実施例１におけるエネルギーＥｂ１より低い。バッファ層１２のエネルギーの低下により、チャネル層１４のバッファ層１２側の領域１４ａにおいて、コンダクションバンドは下げられる。言い換えれば領域１４ａにおいて、Ｅｃ−Ｅｆは小さくなる。このため、トラップのエネルギーＥｔはフェルミエネルギーＥｃより小さくなる。この結果、電子のトラップへの捕獲は抑制される。その一方、領域１４ｂにおいて、Ｅｃ−Ｅｆは高く維持される。このため、電子が障壁を乗り越えることは抑制される。
【００８１】
次に実施例２に係るＨＥＭＴ２００の製造方法について説明する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、実施例２に係るＨＥＭＴの製造方法を例示する断面図である。実施例１において既述した構成については説明を省略する。
【００８２】
図１２（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、基板１０上に、厚さ２５ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
成長レート：０．５μｍ／ｈ以下
原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４（シラン）
原料に含まれるＳｉＨ４がドーパントとなり、ＳｉがドープされたＡｌＮからなるバッファ層１２が形成される。バッファ層１２のＳｉの濃度は、例えば５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
【００８３】
図１２（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層１２上に、厚さ１２００ｎｍのＧａＮからなるチャネル層１４をエピタキシャル成長させる。チャネル層１４を設ける工程は、領域によって異なる成長条件を用いるものではなく、チャネル層１４全体において同一の成長条件を用いる。成長条件を以下に示す。
成長温度：１１００℃
成長圧力：２０ｋＰａ
成長レート：０．３μｍ／ｓｅｃ
原料：ＴＭＧ、ＮＨ３
ＴＭＧの流量：９０μｍｏｌ／ｍｉｎ
ＮＨ３の流量：０．９ｍｏｌ／ｍｉｎ
【００８４】
実施例２に係るＨＥＭＴ２００は、ＳｉＣからなる基板１０と、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、ＧａＮからなるチャネル層１４と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６と、ソース電極２０と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２４と、を備える。バッファ層１２のＣの濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。また、バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。バッファ層１２において、アクセプタ濃度−ドナー濃度は小さい。従って、バッファ層１２は低抵抗化する。このため、バッファ層１２のコンダクションバンドのエネルギーはＥｂ２に低下する。チャネル層１４の領域１４ａにおいてＥｃ−Ｅｆが低下する。このため、電子の捕獲が抑制される。また、領域１４ｂには高い障壁が形成される。このため、実施例２によれば、電流の変動を抑制し、かつピンチオフ特性を確保することができる。
【００８５】
バッファ層１２のＣの濃度は、例えば１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下でもよい。バッファ層１２のＣの濃度は、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、１．５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満、又は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満でもよい。また、バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、例えば２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、又は３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上でもよい。バッファ層１２のＳｉの濃度とＯの濃度との合計値は、２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、２．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、又は３×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、のそれぞれより大きくてもよい。バッファ層１２は、例えばＣの濃度が２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、及びＳｉの濃度とＯの濃度との合計値が２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、の少なくとも一方の構成を有してもよい。
【００８６】
低抵抗化したバッファ層１２を形成するためには、バッファ層１２の成長条件を調整すればよい。成長温度が高い方が、ＡｌＮへのＣの取り込みは抑制される。また成長レートが小さいほど、ＡｌＮへのＣの取り込みは抑制される。成長温度を１１００℃、成長レートを０．５μｍ／ｈ以下、原料にＳｉＨ４を含めればよい。また、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等、ＳｉＨ４以外のＳｉを含む原料ガスを用いてもよい。成長温度は１０５０℃以上とすることができ、例えば１１５０℃以上、１２００℃以上としてもよい。また成長温度は１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、又は１２００℃より大きくてもよい。成長レートは０．５μｍ／ｈ以下としたが、０．４μｍ／ｈ以下、又は０．３μｍ／ｈ以下としてもよい。また成長レートは、０．５μｍ／ｈ未満、０．４μｍ／ｈ未満、又は０．３μｍ／ｈ未満としてもよい。
【００８７】
実施例１と実施例２とを組み合わせてもよい。つまり、チャネル層１４の領域１４ａを高抵抗化、領域１４ｂを低抵抗化し、かつバッファ層１２を低抵抗化してもよい。またＨＥＭＴの製造工程において、図１０（ａ）において説明した成長条件によりバッファ層１２を設け、かつ図９（ｂ）及び図９（ｃ）において説明した成長条件により領域１４ａと領域１４ｂとを設けてもよい。
【００８８】
電子供給層１６は、ＡｌＧａＮからなるとしたが、ＡｌＧａＮ以外の窒化物半導体からなるとしてもよい。窒化物半導体とは、窒素（Ｎ）を含む半導体であり、例えば窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等がある。電子供給層１６は、窒化物半導体のうち、ＩｎＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなるとしてもよい。
【００８９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 基板
１２ バッファ層
１４ チャネル層
１４ａ、１４ｂ 領域
１６ 電子供給層
２０ ソース電極
２２ ドレイン電極
２４ ゲート電極
１００、２００ ＨＥＭＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度より高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値より小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記バッファ層の炭素の濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記バッファ層の酸素の濃度とシリコンの濃度との合計値は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも４０℃以上高いことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートより大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートの１．５倍以上であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の成長方法。
【請求項１１】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より高いことを特徴とする半導体装置の成長方法。
【請求項１２】
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より１３．３３ｋＰａ以上高いことを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の成長方法。
【請求項１３】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
原料にアンモニアを含むＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比より大きいことを特徴とする半導体装置の成長方法。
【請求項１４】
シリコンを含む原料ガスを用いるＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
ＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記バッファ層の成長レートは０．５μｍ／ｈ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度より高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域における炭素の濃度は４×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域における炭素の濃度は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値より小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域におけるシリコンの濃度と酸素の濃度との合計値は２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記バッファ層の炭素の濃度は２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
炭化シリコンからなる基板と、
前記基板上に設けられ、窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられ、窒化ガリウムからなるチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられ、窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を具備し、
前記バッファ層の酸素の濃度とシリコンの濃度との合計値は２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長温度は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長温度よりも４０℃以上高いことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートより大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長レートは、前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長レートの１．５倍以上であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の成長方法。
【請求項１１】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
ＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より高いことを特徴とする半導体装置の成長方法。
【請求項１２】
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域の成長圧力は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域の成長圧力より１３．３３ｋＰａ以上高いことを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の成長方法。
【請求項１３】
窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
原料にアンモニアを含むＭＯＣＶＤ法により、前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記チャネル層の前記バッファ層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比は、前記チャネル層の前記電子供給層側の領域を設ける工程におけるアンモニアの流量比より大きいことを特徴とする半導体装置の成長方法。
【請求項１４】
シリコンを含む原料ガスを用いるＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
ＭＯＣＶＤ法により、窒化シリコンからなる基板上に、窒化アルミニウムからなるバッファ層を設ける工程と、
前記バッファ層上に、窒化ガリウムからなるチャネル層を設ける工程と、
前記チャネル層上に、窒化物半導体からなる電子供給層を設ける工程と、
前記電子供給層上に、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を設ける工程と、を有し、
前記バッファ層の成長レートは０．５μｍ／ｈ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６９７７２（Ｐ２０１３−６９７７２Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６１２０（Ｐ２０１１−２０６１２０）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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