半導体装置
【課題】バッファ層からキャリア層への不純物拡散による悪影響を排除することができる。
【解決手段】このバッファ層２０における最下部には超格子層（第１の領域）２１が配され、その上には拡散防止下部層２２、拡散防止層（第２の領域）２３、拡散防止上部層２４が順次形成されている。基板１１上に形成されたバッファ層２０、キャリア層３０中においては、バッファ層２０中の超格子層２１のみに意図的に不純物がドーピングされ、他の層はノンドープである。そのｃ軸方向が膜厚方向であり、ａ軸は成長層の面内方向（膜厚方向と垂直な方向）となる。ａ軸格子定数は膜厚方向にわたりほぼ一定となるのに対し、ｃ軸格子定数は拡散防止層２３で極大値をとる。
【解決手段】このバッファ層２０における最下部には超格子層（第１の領域）２１が配され、その上には拡散防止下部層２２、拡散防止層（第２の領域）２３、拡散防止上部層２４が順次形成されている。基板１１上に形成されたバッファ層２０、キャリア層３０中においては、バッファ層２０中の超格子層２１のみに意図的に不純物がドーピングされ、他の層はノンドープである。そのｃ軸方向が膜厚方向であり、ａ軸は成長層の面内方向（膜厚方向と垂直な方向）となる。ａ軸格子定数は膜厚方向にわたりほぼ一定となるのに対し、ｃ軸格子定数は拡散防止層２３で極大値をとる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロエピタキシャル成長によって基板上に得られた窒化物半導体が用いられた半導体装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表される窒化物半導体は、シリコン（Ｓｉ）等と比べて禁制帯幅が広いという特徴をもつため、短波長の発光素子やパワー素子として使用される。ところが、窒化物半導体の結晶成長はシリコン等と比べて困難であり、一般にはＳｉ等のような大口径のバルク結晶（ウェハ）を得ることができない。このため、窒化物半導体のウェハは、ＭＯＣＶＤ等の方法によってこれと異なる基板上にヘテロエピタキシャル成長させることによって得られている。良好な結晶性の窒化物半導体を得ることができる基板材料としては、良好な結晶性の単結晶ウェハが得られる材料であるＳｉ、ＳｉＣ、サファイア等が用いられる。
【０００３】
しかしながら、一般にこうした基板を構成する材料の結晶型や格子定数は窒化物半導体とは異なるため、これらの界面においては格子不整合が存在し、成長した窒化物半導体中にはこれに起因した結晶欠陥が発生する。また、これらの間には熱膨張係数の差も存在するため、結晶成長後においてはウェハに反りも発生する。この影響を低減するために、この格子不整合を緩和するバッファ層を基板と窒化物半導体との間に設けた構成が用いられる。例えば、特許文献１には、シリコン基板上にＧａＮを成長させる場合において、バッファ層として、ＡｌＮとＧａＮが積層された超格子構造を用いることが記載されている。成長する窒化物半導体の結晶性を向上させ、反りを低減するために、こうしたバッファ層は有効である。
【０００４】
しかしながら、この構造を用いて作成される半導体装置の電気特性にこうしたバッファ層が影響を与えることがある。例えば、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においては、基板上にノンドープの窒化物半導体（電子走行層：キャリア層）層が形成され、更にこの上にバリア層が形成され、ＨＥＭＴの能動層となる。この構造においては、電子走行層とバリア層の界面の電子走行層側で２次元電子ガスからなるチャンネルが形成され、表面側にソース、ドレイン、ゲートが形成される。ゲートがオンとされた時にのみソースとドレインとの間でこのチャンネルによって電流が流れる。このように、電子走行層等のキャリア層中を横方向（結晶成長方向と垂直な方向）に電流が流れるデバイスの場合には、バッファ層中を電流が横方向に流れると、オフ時のリーク電流等の原因となる。このため、バッファ層には、格子不整合を緩和することだけでなく、充分な絶縁性も要求される。
【０００５】
半導体中の電気伝導（キャリア）は、意図的に添加された導電性の不純物（ドナー、アクセプタ）によって制御されるのが一般的である。しかしながら、特に窒化物半導体においては、特に超格子構造のようにヘテロ構造が用いられた場合には、ヘテロ接合界面におけるピエゾ効果によって、意図的に不純物添加を行わない場合でもキャリアが発生し、導電性が発現する。このため、上記のバッファ層に充分な絶縁性をもたせるためには、特許文献２の段落番号００２７に記載されるように、この意図的なドーピングなしに発生したキャリアを補償する逆伝導型の不純物を添加することが有効である。特許文献２に記載の技術においては、ノンドープのバッファ層がｎ型の伝導型を示すために、これを補償するアクセプタ（ｐ型）となる不純物（Ｍｇ）が超格子のバッファ層に添加されている。これにより、バッファ層の抵抗率を高めている。
【０００６】
このように、ヘテロエピタキシャル成長によって得られた窒化物半導体を用いて良好な特性のＨＥＭＴ等を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１８４７９号公報
【特許文献２】特開２００５−８５８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、例えばＨＥＭＴの場合には、電気伝導を補償するためにバッファ層に不純物が添加された場合、その上のキャリア層等の結晶成長時等に、今度はその不純物がキャリア層に拡散することがある。キャリア層は本来不純物が添加されない層であり、この不純物はＨＥＭＴの動作において悪影響を与える。例えば、２次元電子ガス層が形成される箇所にこの不純物が拡散した場合、これによって電子移動度が低下する。ＨＥＭＴ以外においても、キャリア層に拡散したこの不純物がそのデバイスの動作に影響を与えることは明らかである。
【０００９】
すなわち、窒化物半導体からなるバッファ層／キャリア層が基板上に形成された積層構造を有する半導体装置において、バッファ層からキャリア層への不純物拡散による悪影響を排除することは困難であった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、基板と、当該基板の上に形成され窒化物半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層の上に形成され窒化物半導体からなりかつ動作時にキャリアが流れるキャリア層と、を具備する半導体装置であって、前記バッファ層は、膜厚方向において、不純物を含む第１の領域と、当該第１の領域と前記キャリア層との間に形成され、ｃ軸格子定数が前記膜厚方向における前記第１の領域から前記キャリア層の間において極大値をとる第２の領域と、を少なくとも具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記第１の領域との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記キャリア層との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記バッファ層及び前記キャリア層を構成する材料は、いずれもＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される組成を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第１の領域は、ＧａＮとＡｌＮとが交互に複数層積層された構造を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第２の領域は、前記キャリア層よりも高い不純物濃度を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は以上のように構成されているので、窒化物半導体からなるバッファ層／キャリア層が基板上に形成された積層構造を有する半導体装置において、バッファ層からキャリア層への不純物拡散による悪影響を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＢＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮのｃ軸方向とａ軸方向の格子定数の関係を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図（左）、及びそのバッファ層の構成（右）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の厚さ方向におけるａ軸格子定数の変遷（ａ）、ｃ軸格子定数の変遷（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置につき説明する。この半導体装置においては、基板上に能動層（窒化物半導体層）がヘテロエピタキシャル成長によって形成されている。能動層には、動作時においてキャリアが走行するキャリア層が含まれる。基板とキャリア層との間には、これらの間の格子不整合を緩和するバッファ層が挿入されている。バッファ層には、意図的にドーピングされた層と意図的にドーピングされない層が含まれる。
【００１５】
この半導体装置におけるバッファ層と能動層（キャリア層）は、いずれも窒化物半導体で構成され、どの層も六方晶系の結晶型をもち、そのｃ軸方向が結晶成長の方向となっている。これらの層を構成する半導体は、組成が一般式ＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される混晶材料である。この混晶材料の基本材料となるＢＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮのｃ軸方向とａ軸方向の格子定数の関係をグラフにして図１に示す。図１に示された関係において、ａ軸格子定数（ａ軸方向の格子定数：以下同様）とｃ軸格子定数には決まった相関関係はなく、例えばａ軸格子定数とｃ軸格子定数が比例関係にはないことが明らかである。また、周知のベガード則により、これらの材料の混晶であるＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮの格子定数は、図１の値からその組成比（ｘ、ｙ、ｚ）に応じた比例配分によって決まる値となる。この場合、ａ軸方向とｃ軸方向における結晶格子の格子定数はｘ、ｙ、ｚによって定まるが、ｃ軸方向の格子定数とａ軸方向の格子定数を、それぞれ独立に制御することが可能である。
【００１６】
本実施の形態に係る半導体装置１０の断面構造を図２左に示す。この半導体装置１０はＨＥＭＴであり、基板１１上にバッファ層２０、キャリア層３０が順次形成された構成を具備する。実際のＨＥＭＴにおいては、キャリア層３０の上にバリア層（電子供給層）やソース電極、ゲート電極、ドレイン電極等が形成されているが、これらの一般的な構成は従来より知られるものと同様であるため、その記載を省略している。また、バッファ層２０、キャリア層３０は、いずれも周知のＭＯＣＶＤ法等によって基板１１上に成長させることができる。バリア層についても同様である。周知のように、キャリア層３０とその上部のバリア層との界面のキャリア層側に２次元電子ガスが形成され、キャリアとなる電子がソース電極、ドレイン電極の間を流れる。２次元電子ガスを介して流れる電流のオン・オフがゲート電極に印加された電圧によって制御される。バリア層やこれらの電極は、通常知られるものと同様であるため、図２においてはこれらの記載は省略されている。
【００１７】
基板１１は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶基板である。基板１１の上にバッファ層２０を介して良質のキャリア層３０（窒化物半導体層）がその膜厚方向をｃ軸方向としてヘテロエピタキシャル成長できるように、基板１１の成長面の面方位は適宜設定される。
【００１８】
キャリア層３０は、例えばノンドープのＧａＮ層である。基板１１上におけるその膜厚方向はｃ軸方向となる。キャリア層３０は、半導体装置１０の動作に直接寄与する層であり、ＨＥＭＴにおいては電子走行層となる。なお、記載を省略しているが、例えばキャリア層３０（電子走行層）の上のバリア層（電子供給層）は、キャリア層よりもａ軸格子定数が小さくバンドギャップが大きな、例えばＡｌａＧａ１−ａＮ（０＜ａ≦１）とすることができる。
【００１９】
キャリア層３０（電子走行層）はノンドープであるため、ＨＥＭＴにおいては、バリア層とのヘテロ界面付近に形成された２次元電子ガス以外では電子又はホールによる電流は本来は流れにくい。キャリア層３０中の不純物は、２次元電子ガスの散乱源となりうるため、キャリア層３０には不純物は添加されないことが好ましい。また、キャリア層３０に他の層から不純物が拡散した場合、この不純物が拡散した箇所においては、この不純物に応じたキャリアが発生し、導電性を示すこともある。これは、ＨＥＭＴの動作においてはオフ時のリーク電流等として観測され、そのスイッチング動作上は好ましくない。
【００２０】
なお、要求されるＨＥＭＴの特性に応じ、キャリア層３０をＧａＮ以外の材料（前記のＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ）とすることができる。前記の理由により、いずれの材料を用いた場合においても、不純物は添加されないことが好ましい。
【００２１】
ダイヤモンド構造の結晶型をもつ基板１１（Ｓｉ）とキャリア層３０（ＧａＮ）では、結晶型、格子定数とも整合していないため、基板１１とキャリア層３０との間の格子不整合を緩和し、キャリア層３０の結晶性を高めるために、基板１１とキャリア層３０との間にバッファ層２０が設けられている。
【００２２】
バッファ層２０の構成を図２右側に示す。ここで、図２右側の構成の下側に基板１１が位置し、その上側にキャリア層３０が位置する。このバッファ層２０における最下部には超格子層（第１の領域）２１が配され、その上には拡散防止下部層２２、拡散防止層（第２の領域）２３、拡散防止上部層２４が順次形成されている。
【００２３】
ここで、超格子層２１は、特許文献１等に記載のものと同様である。すなわち、薄いＡｌＮ層２１１（上記の組成におけるｘ＝ｚ＝０、ｙ＝１）とＧａＮ層２１２（同じくｘ＝ｙ＝ｚ＝０）とが交互に複数層積層されており、超格子層２１によって、基板１１上にキャリア層３０まで形成されたウェハにおける反りやキャリア層３０における結晶欠陥が抑制される。ＡｌＮ層２１１、ＧａＮ層２１２のそれぞれの単層の厚さは１〜３０ｎｍ程度である。ＡｌＮ層２１１、ＧａＮ層２１２の層の積層数は例えばそれぞれ４〜５０層程度であるが、ＡｌＮ層２１１、ＧａＮ層２１２のそれぞれの厚さや積層数はキャリア層３０、あるいは能動層全体の組成や厚さによって適宜設定される。
【００２４】
このＨＥＭＴのリーク電流を抑制するためには、超格子層２１には絶縁性（高い抵抗率）が要求される。しかしながら、窒化物半導体のＨＥＭＴにおける電子走行層とバリア層の界面と同様に、ＡｌＮ層２１１とＧａＮ層２１２の界面においては導電性の不純物が存在しない場合においても、ピエゾ効果によってキャリア（電子）が発生する。すなわち、超格子層２１に導電性の不純物を意図的にドーピングしない場合でも、通常は超格子層２１はｎ型の導電性となる。このため、超格子層２１における絶縁性を確保するためには、こうした意図的なドーピングなしに発生したキャリアを補償するためのＭｇ等のｐ型の不純物（アクセプタ）やカーボン（Ｃ）等の不純物が添加される。その添加濃度は、最終的にＨＥＭＴが製造された時点において超格子層２１の絶縁性が確保できる程度となるように適宜設定される。すなわち、超格子層２１（第１の領域）の絶縁性を確保するためには、超格子層２１には、不純物が意図的にドーピングされる。
【００２５】
超格子層２１の上には、拡散防止下部層２２を挟んで拡散防止層（第２の領域）２３が形成されている。拡散防止層２３を構成する材料は、前記のＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮであるが、その組成（ｘ、ｙ、ｚ）は、ａ軸の格子定数がその下側の拡散防止下部層２２、その上側の拡散防止上部層２４と整合するように、かつｃ軸の格子定数が、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４よりも大きくなるような結晶構造をもつ材料とされる。すなわち、この構成により、バッファ層２０の膜厚方向において、ｃ軸格子定数が拡散防止層２３において極大値をとるように設定されている。拡散防止層２３、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４の組成の設定は、図１の特性より、ベガード則によって行うことができる。また、拡散防止下部層２２、拡散防止層２３、拡散防止上部層２４はノンドープとされることが好ましい。
【００２６】
超格子層２１の上に形成される拡散防止下部層２２は、ａ軸、ｃ軸の格子定数が共にキャリア層３０に近い結晶構造をもつ材料で構成される。また、キャリア層３０と同様に、拡散防止下部層２２もノンドープとされるため、その電気抵抗率は高い。拡散防止層２３の上に形成される拡散防止上部層２４は、前記の拡散防止下部層２２と同様の材料で構成される。すなわち、ａ軸、ｃ軸の格子定数が共にキャリア層３０に近いノンドープで電気抵抗率の高い材料で構成される。
【００２７】
以上の構成において、基板１１上に形成されたバッファ層２０、キャリア層３０中においては、バッファ層２０中の超格子層２１のみに意図的に不純物がドーピングされ、他の層はノンドープである。また、バッファ層２０、キャリア層３０を構成する材料はいずれもＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮであり、同一の結晶型をもち、格子定数のみが異なる。ここで、バッファ層２０、キャリア層３０中におけるＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮのｃ軸方向がそれぞれの層の膜厚方向であり、ａ軸は成長層の面内方向（膜厚方向と垂直な方向）となる。ａ軸格子定数は膜厚方向にわたりほぼ一定となるのに対し、ｃ軸格子定数は拡散防止層３０で極大値をとる。
【００２８】
上記の構造においては、前記の通り、いずれの層も絶縁性が高くされる（高抵抗率である）。ここで、例えばキャリア層３０の成長時において、その温度が１０００℃程度と高いために、その下側の超格子層２１に添加された不純物（Ｍｇ等）が拡散することがある。前記の通り、特にキャリア層３０においてはこの不純物の拡散はＨＥＭＴの動作に影響を与えるため、好ましくない。
【００２９】
上記の構成においては、この不純物の拡散が、拡散防止層２３によって抑制される。この不純物は、超格子層２１から拡散防止層２３までは拡散するが、拡散防止層２３から他の層には拡散しにくくなる。これは、ｃ軸格子定数（膜厚方向に沿った格子定数）が大きな層中においては、拡散した不純物が滞留しやすくなっているためである。上記の構造においては、ｃ軸格子定数の厚さ方向における極大値をもつ拡散防止層２３に不純物が滞留しやすくなっている。このため、拡散防止層２３の存在により、キャリア層３０への不純物の拡散が抑制される。あるいは、この構成により、拡散防止層２３（第２の領域）における不純物濃度をキャリア層３０よりも高くすることにより、キャリア層３０の不純物濃度を低減することができる。
【００３０】
一方、ヘテロエピタキシャル成長において、成長する層の格子不整合に大きな影響を与えるのは、その原理より、特に各層の面内方向（膜厚方向と垂直な方向）の格子定数であり、これはａ軸の格子定数である。上記の構成においては、ａ軸の格子定数は、拡散防止下部層２２、拡散防止層２３、キャリア層３０で略一定である。すなわち、これらの間で結晶成長時の格子不整合は発生しにくいため、結晶欠陥の少ないキャリア層３０を得ることができる。
【００３１】
上記のバッファ層２０においては、超格子層２１は、主にキャリア層３０と基板１１との間の格子不整合の影響（キャリア層３０中の結晶欠陥や反り）を低減する役割を果たす。拡散防止層２３は、超格子層２１中にドープされた不純物がキャリア層３０へ拡散することを抑制する役割を果たす。拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４は、そのｃ軸格子定数を拡散防止層２３よりも小さくすることにより、ｃ軸格子定数が拡散防止層２３で極大値をとるように形成される。また、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４は、ｃ軸方向の格子定数がキャリア層３０とは大きく異なる拡散防止層２３と、超格子層２１、キャリア層３０との間のバッファとしても機能する。更に、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４は、導電性の不純物が拡散防止層２３に拡散して拡散防止層２３の抵抗率が低下した際に、バッファ層２０全体の絶縁性を維持することにも寄与する。
【００３２】
このため、上記の構成においては、超格子層２１（バッファ層２０）の絶縁性を確保することができると同時に、良質のキャリア層３０を得ることができる。この際、バッファ層２０には不純物が添加されているものの、この不純物は、バッファ層２０内、特に拡散防止層２３中に滞留しやすく、キャリア層３０には拡散しにくい。すなわち、基板／バッファ層／窒化物半導体層の積層構造を有する半導体装置において、バッファ層からの窒化物半導体層への不純物拡散による悪影響を排除することができる。これにより、高性能のＨＥＭＴを得ることができる。
【００３３】
以下に、各層の具体的な組成について例示する。超格子層２１は前記の通りＡｌＮ層２１１とＧａＮ層２１２で構成されるものとし、その積層構成やドーピングについては、バリア層を含むキャリア層３０以上の膜厚構成等に依存する。このため、ここでは、特に本願発明における本質的な箇所である、超格子層２１よりも上側の層について例示する。また、キャリア層３０としては、ノンドープＧａＮ（ｘ＝ｙ＝ｚ＝０）が用いられているものとする
【００３４】
実施例１〜３は、それぞれ拡散防止層としてＧａＮ（ｘ＝ｙ＝ｚ＝０）、Ｂ０．１７２Ｉｎ０．３２８Ｇａ０．５Ｎ（ｘ＝０．１７２、ｙ＝０、ｚ＝０．３２８）、Ｂ０．０８６Ａｌ０．４１Ｉｎ０．２５４Ｇａ０．２５Ｎ（ｘ＝０．０８６、ｙ＝０．４１、ｚ＝０．２５４）を用いた場合の、拡散防止下部層、拡散防止上部層の組成例である。表１は、この場合におけるａ軸方向の格子定数、ｃ軸方向の格子定数も示しており、キャリア層となるＧａＮについても示している。これらの値は、図１の特性からベガード則によって算出された量である。図３（ａ）は、キャリア層を含めた各層毎のａ軸格子定数を、図３（ｂ）は、ｃ軸格子定数を示している。この例から明らかなように、各層の格子不整合に大きく関連するａ軸の格子定数をほぼ一致させることができ、同時に拡散防止層のｃ軸格子定数を厚さ方向において局所的に大きくすることができる。これにより、良質のキャリア層を得ることができ、かつ拡散防止層によってキャリア層への不純物の拡散を抑制することができる。
【００３５】
【表１】
【００３６】
実施例２、３の場合には拡散防止下部層、拡散防止上部層をＧａＮとしたが、実施例１の場合にはこれらをＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎとしている。すなわち、上記の拡散防止層を設定した場合に、これらの拡散防止下部層、拡散防止上部層を設定することにより、図３（ｂ）に示されるように、厚さ方向において局所的にｃ軸格子定数を大きくすることができる。また、実施例２、３における拡散防止層はキャリア層よりも大きなｃ軸格子定数をもつが、実施例１における拡散防止層はキャリア層よりもｃ軸格子定数が小さい。こうした場合においても、拡散防止層よりも更にｃ軸格子定数が小さな拡散防止下部層、拡散防止上部層を用いることによって、拡散防止層におけるｃ軸格子定数を局所的に大きくすることができる。これによって、拡散防止層中に不純物を滞留させることができる。こうした構成は、混晶系であるＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮにおいては、ｘ、ｙ、ｚの設定によって適宜作成することができる。
【００３７】
なお、上記の例では、拡散防止下部層と拡散防止上部層を設けていたが、拡散防止層におけるｃ軸格子定数を厚さ方向において局所的に大きくでき、バッファ層の絶縁性が確保でき、かつバッファ層の上に結晶性の良好なキャリア層を成長できる限りにおいて、拡散防止下部層と拡散防止上部層は必ずしも必要ではない。例えば、キャリア層のｃ軸格子定数が拡散防止層よりも小さな場合には、拡散防止上部層を用いないことも可能である。
【００３８】
また、前記の超格子層（第１の領域）と同様に、第２の領域と第１の領域を含むバッファ層において、キャリア層の結晶欠陥や反りを抑制できる層であれば、超格子構造ではない通常のＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ混晶を第１の領域として用いることができる。この場合において、第１の領域のｃ軸格子定数が拡散防止層（第２の領域）よりも小さければ、拡散防止下部層を用いなくとも、ｃ軸格子定数を拡散防止層において局所的に大きくすることができ、同様の効果を奏する。
【００３９】
すなわち、不純物がドーピングされた第１の領域の上に設けられた拡散防止層（第２の領域）においてｃ軸格子定数を局所的に大きくできる構成とすることができれば、拡散防止下部層、拡散防止上部層は必ずしも必要ではない。また、拡散防止上部層とキャリア層との間に、よりキャリア層に近いａ軸格子定数、ｃ軸格子定数をもつ層を形成してもよい。あるいは、格子不整合に起因する各層（特にキャリア層（能動層））の結晶欠陥が問題にならない限りにおいて、各層のａ軸格子定数を厳密に一致させる必要はない。
【００４０】
また、上記の例における拡散防止下部層、拡散防止層（第２の領域）、拡散防止上部層は、それぞれの層内で一定組成をもち、これらの各層がヘテロ接合された構成をもつものとした。しかしながら、不純物がドープされた第１の領域からキャリア層までの間を構成する材料が、例えば膜厚方向で組成が一定となる領域が存在しない傾斜組成をもつような構成とすることもできる。こうした場合でも、ｃ軸格子定数がこの傾斜組成中で極大値をもつ構成であれば、同様の効果を奏することは明らかである。すなわち、膜厚方向においてｃ軸格子定数が第１の領域とキャリア層との間で極大値をとるような組成構成であれば同様の効果を奏し、第２の領域が必ずしも一定組成をもつ一定の厚さの層である必要はない。
【００４１】
また、上記の例では、ＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ混晶を用いた場合について記載したが、同様にｃ軸格子定数とａ軸格子定数の制御が可能であり、かつ基板上にヘテロエピタキシャル成長できる材料であれば、同様に用いることができることは明らかである。また、上記の例では基板をＳｉで構成するとしたが、窒化物半導体をヘテロエピタキシャル成長させることができる他の単結晶材料、例えばサファイアやＳｉＣ等を基板の材料として用いることもできる。
【００４２】
また、上記の例では、この半導体装置がＨＥＭＴである場合について記載したが、これ以外においても、能動層中におけるキャリア層をノンドープとし、キャリア層よりも下側の層に高い絶縁性が要求される半導体装置であれば、上記の構成によって同様の効果を奏することは明らかである。一般に、キャリア層の面内方向に電流を流して駆動する半導体装置（例えばＭＥＳＦＥＴ等）であれば、こうした特性が要求されるため、上記の構成は有効である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 半導体装置
１１ 基板
２０ バッファ層
２１ 超格子層（第１の領域）
２２ 拡散防止下部層
２３ 拡散防止層（第２の領域）
２４ 拡散防止上部層
３０ キャリア層（電子走行層）
２１１ ＡｌＮ層
２１２ ＧａＮ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロエピタキシャル成長によって基板上に得られた窒化物半導体が用いられた半導体装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表される窒化物半導体は、シリコン（Ｓｉ）等と比べて禁制帯幅が広いという特徴をもつため、短波長の発光素子やパワー素子として使用される。ところが、窒化物半導体の結晶成長はシリコン等と比べて困難であり、一般にはＳｉ等のような大口径のバルク結晶（ウェハ）を得ることができない。このため、窒化物半導体のウェハは、ＭＯＣＶＤ等の方法によってこれと異なる基板上にヘテロエピタキシャル成長させることによって得られている。良好な結晶性の窒化物半導体を得ることができる基板材料としては、良好な結晶性の単結晶ウェハが得られる材料であるＳｉ、ＳｉＣ、サファイア等が用いられる。
【０００３】
しかしながら、一般にこうした基板を構成する材料の結晶型や格子定数は窒化物半導体とは異なるため、これらの界面においては格子不整合が存在し、成長した窒化物半導体中にはこれに起因した結晶欠陥が発生する。また、これらの間には熱膨張係数の差も存在するため、結晶成長後においてはウェハに反りも発生する。この影響を低減するために、この格子不整合を緩和するバッファ層を基板と窒化物半導体との間に設けた構成が用いられる。例えば、特許文献１には、シリコン基板上にＧａＮを成長させる場合において、バッファ層として、ＡｌＮとＧａＮが積層された超格子構造を用いることが記載されている。成長する窒化物半導体の結晶性を向上させ、反りを低減するために、こうしたバッファ層は有効である。
【０００４】
しかしながら、この構造を用いて作成される半導体装置の電気特性にこうしたバッファ層が影響を与えることがある。例えば、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においては、基板上にノンドープの窒化物半導体（電子走行層：キャリア層）層が形成され、更にこの上にバリア層が形成され、ＨＥＭＴの能動層となる。この構造においては、電子走行層とバリア層の界面の電子走行層側で２次元電子ガスからなるチャンネルが形成され、表面側にソース、ドレイン、ゲートが形成される。ゲートがオンとされた時にのみソースとドレインとの間でこのチャンネルによって電流が流れる。このように、電子走行層等のキャリア層中を横方向（結晶成長方向と垂直な方向）に電流が流れるデバイスの場合には、バッファ層中を電流が横方向に流れると、オフ時のリーク電流等の原因となる。このため、バッファ層には、格子不整合を緩和することだけでなく、充分な絶縁性も要求される。
【０００５】
半導体中の電気伝導（キャリア）は、意図的に添加された導電性の不純物（ドナー、アクセプタ）によって制御されるのが一般的である。しかしながら、特に窒化物半導体においては、特に超格子構造のようにヘテロ構造が用いられた場合には、ヘテロ接合界面におけるピエゾ効果によって、意図的に不純物添加を行わない場合でもキャリアが発生し、導電性が発現する。このため、上記のバッファ層に充分な絶縁性をもたせるためには、特許文献２の段落番号００２７に記載されるように、この意図的なドーピングなしに発生したキャリアを補償する逆伝導型の不純物を添加することが有効である。特許文献２に記載の技術においては、ノンドープのバッファ層がｎ型の伝導型を示すために、これを補償するアクセプタ（ｐ型）となる不純物（Ｍｇ）が超格子のバッファ層に添加されている。これにより、バッファ層の抵抗率を高めている。
【０００６】
このように、ヘテロエピタキシャル成長によって得られた窒化物半導体を用いて良好な特性のＨＥＭＴ等を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１８４７９号公報
【特許文献２】特開２００５−８５８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、例えばＨＥＭＴの場合には、電気伝導を補償するためにバッファ層に不純物が添加された場合、その上のキャリア層等の結晶成長時等に、今度はその不純物がキャリア層に拡散することがある。キャリア層は本来不純物が添加されない層であり、この不純物はＨＥＭＴの動作において悪影響を与える。例えば、２次元電子ガス層が形成される箇所にこの不純物が拡散した場合、これによって電子移動度が低下する。ＨＥＭＴ以外においても、キャリア層に拡散したこの不純物がそのデバイスの動作に影響を与えることは明らかである。
【０００９】
すなわち、窒化物半導体からなるバッファ層／キャリア層が基板上に形成された積層構造を有する半導体装置において、バッファ層からキャリア層への不純物拡散による悪影響を排除することは困難であった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、基板と、当該基板の上に形成され窒化物半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層の上に形成され窒化物半導体からなりかつ動作時にキャリアが流れるキャリア層と、を具備する半導体装置であって、前記バッファ層は、膜厚方向において、不純物を含む第１の領域と、当該第１の領域と前記キャリア層との間に形成され、ｃ軸格子定数が前記膜厚方向における前記第１の領域から前記キャリア層の間において極大値をとる第２の領域と、を少なくとも具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記第１の領域との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記キャリア層との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記バッファ層及び前記キャリア層を構成する材料は、いずれもＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される組成を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第１の領域は、ＧａＮとＡｌＮとが交互に複数層積層された構造を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第２の領域は、前記キャリア層よりも高い不純物濃度を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は以上のように構成されているので、窒化物半導体からなるバッファ層／キャリア層が基板上に形成された積層構造を有する半導体装置において、バッファ層からキャリア層への不純物拡散による悪影響を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＢＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮのｃ軸方向とａ軸方向の格子定数の関係を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図（左）、及びそのバッファ層の構成（右）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の厚さ方向におけるａ軸格子定数の変遷（ａ）、ｃ軸格子定数の変遷（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置につき説明する。この半導体装置においては、基板上に能動層（窒化物半導体層）がヘテロエピタキシャル成長によって形成されている。能動層には、動作時においてキャリアが走行するキャリア層が含まれる。基板とキャリア層との間には、これらの間の格子不整合を緩和するバッファ層が挿入されている。バッファ層には、意図的にドーピングされた層と意図的にドーピングされない層が含まれる。
【００１５】
この半導体装置におけるバッファ層と能動層（キャリア層）は、いずれも窒化物半導体で構成され、どの層も六方晶系の結晶型をもち、そのｃ軸方向が結晶成長の方向となっている。これらの層を構成する半導体は、組成が一般式ＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される混晶材料である。この混晶材料の基本材料となるＢＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮのｃ軸方向とａ軸方向の格子定数の関係をグラフにして図１に示す。図１に示された関係において、ａ軸格子定数（ａ軸方向の格子定数：以下同様）とｃ軸格子定数には決まった相関関係はなく、例えばａ軸格子定数とｃ軸格子定数が比例関係にはないことが明らかである。また、周知のベガード則により、これらの材料の混晶であるＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮの格子定数は、図１の値からその組成比（ｘ、ｙ、ｚ）に応じた比例配分によって決まる値となる。この場合、ａ軸方向とｃ軸方向における結晶格子の格子定数はｘ、ｙ、ｚによって定まるが、ｃ軸方向の格子定数とａ軸方向の格子定数を、それぞれ独立に制御することが可能である。
【００１６】
本実施の形態に係る半導体装置１０の断面構造を図２左に示す。この半導体装置１０はＨＥＭＴであり、基板１１上にバッファ層２０、キャリア層３０が順次形成された構成を具備する。実際のＨＥＭＴにおいては、キャリア層３０の上にバリア層（電子供給層）やソース電極、ゲート電極、ドレイン電極等が形成されているが、これらの一般的な構成は従来より知られるものと同様であるため、その記載を省略している。また、バッファ層２０、キャリア層３０は、いずれも周知のＭＯＣＶＤ法等によって基板１１上に成長させることができる。バリア層についても同様である。周知のように、キャリア層３０とその上部のバリア層との界面のキャリア層側に２次元電子ガスが形成され、キャリアとなる電子がソース電極、ドレイン電極の間を流れる。２次元電子ガスを介して流れる電流のオン・オフがゲート電極に印加された電圧によって制御される。バリア層やこれらの電極は、通常知られるものと同様であるため、図２においてはこれらの記載は省略されている。
【００１７】
基板１１は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶基板である。基板１１の上にバッファ層２０を介して良質のキャリア層３０（窒化物半導体層）がその膜厚方向をｃ軸方向としてヘテロエピタキシャル成長できるように、基板１１の成長面の面方位は適宜設定される。
【００１８】
キャリア層３０は、例えばノンドープのＧａＮ層である。基板１１上におけるその膜厚方向はｃ軸方向となる。キャリア層３０は、半導体装置１０の動作に直接寄与する層であり、ＨＥＭＴにおいては電子走行層となる。なお、記載を省略しているが、例えばキャリア層３０（電子走行層）の上のバリア層（電子供給層）は、キャリア層よりもａ軸格子定数が小さくバンドギャップが大きな、例えばＡｌａＧａ１−ａＮ（０＜ａ≦１）とすることができる。
【００１９】
キャリア層３０（電子走行層）はノンドープであるため、ＨＥＭＴにおいては、バリア層とのヘテロ界面付近に形成された２次元電子ガス以外では電子又はホールによる電流は本来は流れにくい。キャリア層３０中の不純物は、２次元電子ガスの散乱源となりうるため、キャリア層３０には不純物は添加されないことが好ましい。また、キャリア層３０に他の層から不純物が拡散した場合、この不純物が拡散した箇所においては、この不純物に応じたキャリアが発生し、導電性を示すこともある。これは、ＨＥＭＴの動作においてはオフ時のリーク電流等として観測され、そのスイッチング動作上は好ましくない。
【００２０】
なお、要求されるＨＥＭＴの特性に応じ、キャリア層３０をＧａＮ以外の材料（前記のＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ）とすることができる。前記の理由により、いずれの材料を用いた場合においても、不純物は添加されないことが好ましい。
【００２１】
ダイヤモンド構造の結晶型をもつ基板１１（Ｓｉ）とキャリア層３０（ＧａＮ）では、結晶型、格子定数とも整合していないため、基板１１とキャリア層３０との間の格子不整合を緩和し、キャリア層３０の結晶性を高めるために、基板１１とキャリア層３０との間にバッファ層２０が設けられている。
【００２２】
バッファ層２０の構成を図２右側に示す。ここで、図２右側の構成の下側に基板１１が位置し、その上側にキャリア層３０が位置する。このバッファ層２０における最下部には超格子層（第１の領域）２１が配され、その上には拡散防止下部層２２、拡散防止層（第２の領域）２３、拡散防止上部層２４が順次形成されている。
【００２３】
ここで、超格子層２１は、特許文献１等に記載のものと同様である。すなわち、薄いＡｌＮ層２１１（上記の組成におけるｘ＝ｚ＝０、ｙ＝１）とＧａＮ層２１２（同じくｘ＝ｙ＝ｚ＝０）とが交互に複数層積層されており、超格子層２１によって、基板１１上にキャリア層３０まで形成されたウェハにおける反りやキャリア層３０における結晶欠陥が抑制される。ＡｌＮ層２１１、ＧａＮ層２１２のそれぞれの単層の厚さは１〜３０ｎｍ程度である。ＡｌＮ層２１１、ＧａＮ層２１２の層の積層数は例えばそれぞれ４〜５０層程度であるが、ＡｌＮ層２１１、ＧａＮ層２１２のそれぞれの厚さや積層数はキャリア層３０、あるいは能動層全体の組成や厚さによって適宜設定される。
【００２４】
このＨＥＭＴのリーク電流を抑制するためには、超格子層２１には絶縁性（高い抵抗率）が要求される。しかしながら、窒化物半導体のＨＥＭＴにおける電子走行層とバリア層の界面と同様に、ＡｌＮ層２１１とＧａＮ層２１２の界面においては導電性の不純物が存在しない場合においても、ピエゾ効果によってキャリア（電子）が発生する。すなわち、超格子層２１に導電性の不純物を意図的にドーピングしない場合でも、通常は超格子層２１はｎ型の導電性となる。このため、超格子層２１における絶縁性を確保するためには、こうした意図的なドーピングなしに発生したキャリアを補償するためのＭｇ等のｐ型の不純物（アクセプタ）やカーボン（Ｃ）等の不純物が添加される。その添加濃度は、最終的にＨＥＭＴが製造された時点において超格子層２１の絶縁性が確保できる程度となるように適宜設定される。すなわち、超格子層２１（第１の領域）の絶縁性を確保するためには、超格子層２１には、不純物が意図的にドーピングされる。
【００２５】
超格子層２１の上には、拡散防止下部層２２を挟んで拡散防止層（第２の領域）２３が形成されている。拡散防止層２３を構成する材料は、前記のＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮであるが、その組成（ｘ、ｙ、ｚ）は、ａ軸の格子定数がその下側の拡散防止下部層２２、その上側の拡散防止上部層２４と整合するように、かつｃ軸の格子定数が、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４よりも大きくなるような結晶構造をもつ材料とされる。すなわち、この構成により、バッファ層２０の膜厚方向において、ｃ軸格子定数が拡散防止層２３において極大値をとるように設定されている。拡散防止層２３、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４の組成の設定は、図１の特性より、ベガード則によって行うことができる。また、拡散防止下部層２２、拡散防止層２３、拡散防止上部層２４はノンドープとされることが好ましい。
【００２６】
超格子層２１の上に形成される拡散防止下部層２２は、ａ軸、ｃ軸の格子定数が共にキャリア層３０に近い結晶構造をもつ材料で構成される。また、キャリア層３０と同様に、拡散防止下部層２２もノンドープとされるため、その電気抵抗率は高い。拡散防止層２３の上に形成される拡散防止上部層２４は、前記の拡散防止下部層２２と同様の材料で構成される。すなわち、ａ軸、ｃ軸の格子定数が共にキャリア層３０に近いノンドープで電気抵抗率の高い材料で構成される。
【００２７】
以上の構成において、基板１１上に形成されたバッファ層２０、キャリア層３０中においては、バッファ層２０中の超格子層２１のみに意図的に不純物がドーピングされ、他の層はノンドープである。また、バッファ層２０、キャリア層３０を構成する材料はいずれもＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮであり、同一の結晶型をもち、格子定数のみが異なる。ここで、バッファ層２０、キャリア層３０中におけるＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮのｃ軸方向がそれぞれの層の膜厚方向であり、ａ軸は成長層の面内方向（膜厚方向と垂直な方向）となる。ａ軸格子定数は膜厚方向にわたりほぼ一定となるのに対し、ｃ軸格子定数は拡散防止層３０で極大値をとる。
【００２８】
上記の構造においては、前記の通り、いずれの層も絶縁性が高くされる（高抵抗率である）。ここで、例えばキャリア層３０の成長時において、その温度が１０００℃程度と高いために、その下側の超格子層２１に添加された不純物（Ｍｇ等）が拡散することがある。前記の通り、特にキャリア層３０においてはこの不純物の拡散はＨＥＭＴの動作に影響を与えるため、好ましくない。
【００２９】
上記の構成においては、この不純物の拡散が、拡散防止層２３によって抑制される。この不純物は、超格子層２１から拡散防止層２３までは拡散するが、拡散防止層２３から他の層には拡散しにくくなる。これは、ｃ軸格子定数（膜厚方向に沿った格子定数）が大きな層中においては、拡散した不純物が滞留しやすくなっているためである。上記の構造においては、ｃ軸格子定数の厚さ方向における極大値をもつ拡散防止層２３に不純物が滞留しやすくなっている。このため、拡散防止層２３の存在により、キャリア層３０への不純物の拡散が抑制される。あるいは、この構成により、拡散防止層２３（第２の領域）における不純物濃度をキャリア層３０よりも高くすることにより、キャリア層３０の不純物濃度を低減することができる。
【００３０】
一方、ヘテロエピタキシャル成長において、成長する層の格子不整合に大きな影響を与えるのは、その原理より、特に各層の面内方向（膜厚方向と垂直な方向）の格子定数であり、これはａ軸の格子定数である。上記の構成においては、ａ軸の格子定数は、拡散防止下部層２２、拡散防止層２３、キャリア層３０で略一定である。すなわち、これらの間で結晶成長時の格子不整合は発生しにくいため、結晶欠陥の少ないキャリア層３０を得ることができる。
【００３１】
上記のバッファ層２０においては、超格子層２１は、主にキャリア層３０と基板１１との間の格子不整合の影響（キャリア層３０中の結晶欠陥や反り）を低減する役割を果たす。拡散防止層２３は、超格子層２１中にドープされた不純物がキャリア層３０へ拡散することを抑制する役割を果たす。拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４は、そのｃ軸格子定数を拡散防止層２３よりも小さくすることにより、ｃ軸格子定数が拡散防止層２３で極大値をとるように形成される。また、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４は、ｃ軸方向の格子定数がキャリア層３０とは大きく異なる拡散防止層２３と、超格子層２１、キャリア層３０との間のバッファとしても機能する。更に、拡散防止下部層２２、拡散防止上部層２４は、導電性の不純物が拡散防止層２３に拡散して拡散防止層２３の抵抗率が低下した際に、バッファ層２０全体の絶縁性を維持することにも寄与する。
【００３２】
このため、上記の構成においては、超格子層２１（バッファ層２０）の絶縁性を確保することができると同時に、良質のキャリア層３０を得ることができる。この際、バッファ層２０には不純物が添加されているものの、この不純物は、バッファ層２０内、特に拡散防止層２３中に滞留しやすく、キャリア層３０には拡散しにくい。すなわち、基板／バッファ層／窒化物半導体層の積層構造を有する半導体装置において、バッファ層からの窒化物半導体層への不純物拡散による悪影響を排除することができる。これにより、高性能のＨＥＭＴを得ることができる。
【００３３】
以下に、各層の具体的な組成について例示する。超格子層２１は前記の通りＡｌＮ層２１１とＧａＮ層２１２で構成されるものとし、その積層構成やドーピングについては、バリア層を含むキャリア層３０以上の膜厚構成等に依存する。このため、ここでは、特に本願発明における本質的な箇所である、超格子層２１よりも上側の層について例示する。また、キャリア層３０としては、ノンドープＧａＮ（ｘ＝ｙ＝ｚ＝０）が用いられているものとする
【００３４】
実施例１〜３は、それぞれ拡散防止層としてＧａＮ（ｘ＝ｙ＝ｚ＝０）、Ｂ０．１７２Ｉｎ０．３２８Ｇａ０．５Ｎ（ｘ＝０．１７２、ｙ＝０、ｚ＝０．３２８）、Ｂ０．０８６Ａｌ０．４１Ｉｎ０．２５４Ｇａ０．２５Ｎ（ｘ＝０．０８６、ｙ＝０．４１、ｚ＝０．２５４）を用いた場合の、拡散防止下部層、拡散防止上部層の組成例である。表１は、この場合におけるａ軸方向の格子定数、ｃ軸方向の格子定数も示しており、キャリア層となるＧａＮについても示している。これらの値は、図１の特性からベガード則によって算出された量である。図３（ａ）は、キャリア層を含めた各層毎のａ軸格子定数を、図３（ｂ）は、ｃ軸格子定数を示している。この例から明らかなように、各層の格子不整合に大きく関連するａ軸の格子定数をほぼ一致させることができ、同時に拡散防止層のｃ軸格子定数を厚さ方向において局所的に大きくすることができる。これにより、良質のキャリア層を得ることができ、かつ拡散防止層によってキャリア層への不純物の拡散を抑制することができる。
【００３５】
【表１】
【００３６】
実施例２、３の場合には拡散防止下部層、拡散防止上部層をＧａＮとしたが、実施例１の場合にはこれらをＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎとしている。すなわち、上記の拡散防止層を設定した場合に、これらの拡散防止下部層、拡散防止上部層を設定することにより、図３（ｂ）に示されるように、厚さ方向において局所的にｃ軸格子定数を大きくすることができる。また、実施例２、３における拡散防止層はキャリア層よりも大きなｃ軸格子定数をもつが、実施例１における拡散防止層はキャリア層よりもｃ軸格子定数が小さい。こうした場合においても、拡散防止層よりも更にｃ軸格子定数が小さな拡散防止下部層、拡散防止上部層を用いることによって、拡散防止層におけるｃ軸格子定数を局所的に大きくすることができる。これによって、拡散防止層中に不純物を滞留させることができる。こうした構成は、混晶系であるＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮにおいては、ｘ、ｙ、ｚの設定によって適宜作成することができる。
【００３７】
なお、上記の例では、拡散防止下部層と拡散防止上部層を設けていたが、拡散防止層におけるｃ軸格子定数を厚さ方向において局所的に大きくでき、バッファ層の絶縁性が確保でき、かつバッファ層の上に結晶性の良好なキャリア層を成長できる限りにおいて、拡散防止下部層と拡散防止上部層は必ずしも必要ではない。例えば、キャリア層のｃ軸格子定数が拡散防止層よりも小さな場合には、拡散防止上部層を用いないことも可能である。
【００３８】
また、前記の超格子層（第１の領域）と同様に、第２の領域と第１の領域を含むバッファ層において、キャリア層の結晶欠陥や反りを抑制できる層であれば、超格子構造ではない通常のＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ混晶を第１の領域として用いることができる。この場合において、第１の領域のｃ軸格子定数が拡散防止層（第２の領域）よりも小さければ、拡散防止下部層を用いなくとも、ｃ軸格子定数を拡散防止層において局所的に大きくすることができ、同様の効果を奏する。
【００３９】
すなわち、不純物がドーピングされた第１の領域の上に設けられた拡散防止層（第２の領域）においてｃ軸格子定数を局所的に大きくできる構成とすることができれば、拡散防止下部層、拡散防止上部層は必ずしも必要ではない。また、拡散防止上部層とキャリア層との間に、よりキャリア層に近いａ軸格子定数、ｃ軸格子定数をもつ層を形成してもよい。あるいは、格子不整合に起因する各層（特にキャリア層（能動層））の結晶欠陥が問題にならない限りにおいて、各層のａ軸格子定数を厳密に一致させる必要はない。
【００４０】
また、上記の例における拡散防止下部層、拡散防止層（第２の領域）、拡散防止上部層は、それぞれの層内で一定組成をもち、これらの各層がヘテロ接合された構成をもつものとした。しかしながら、不純物がドープされた第１の領域からキャリア層までの間を構成する材料が、例えば膜厚方向で組成が一定となる領域が存在しない傾斜組成をもつような構成とすることもできる。こうした場合でも、ｃ軸格子定数がこの傾斜組成中で極大値をもつ構成であれば、同様の効果を奏することは明らかである。すなわち、膜厚方向においてｃ軸格子定数が第１の領域とキャリア層との間で極大値をとるような組成構成であれば同様の効果を奏し、第２の領域が必ずしも一定組成をもつ一定の厚さの層である必要はない。
【００４１】
また、上記の例では、ＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ混晶を用いた場合について記載したが、同様にｃ軸格子定数とａ軸格子定数の制御が可能であり、かつ基板上にヘテロエピタキシャル成長できる材料であれば、同様に用いることができることは明らかである。また、上記の例では基板をＳｉで構成するとしたが、窒化物半導体をヘテロエピタキシャル成長させることができる他の単結晶材料、例えばサファイアやＳｉＣ等を基板の材料として用いることもできる。
【００４２】
また、上記の例では、この半導体装置がＨＥＭＴである場合について記載したが、これ以外においても、能動層中におけるキャリア層をノンドープとし、キャリア層よりも下側の層に高い絶縁性が要求される半導体装置であれば、上記の構成によって同様の効果を奏することは明らかである。一般に、キャリア層の面内方向に電流を流して駆動する半導体装置（例えばＭＥＳＦＥＴ等）であれば、こうした特性が要求されるため、上記の構成は有効である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 半導体装置
１１ 基板
２０ バッファ層
２１ 超格子層（第１の領域）
２２ 拡散防止下部層
２３ 拡散防止層（第２の領域）
２４ 拡散防止上部層
３０ キャリア層（電子走行層）
２１１ ＡｌＮ層
２１２ ＧａＮ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、当該基板の上に形成され窒化物半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層の上に形成され窒化物半導体からなりかつ動作時にキャリアが流れるキャリア層と、を具備する半導体装置であって、
前記バッファ層は、膜厚方向において、
不純物を含む第１の領域と、
当該第１の領域と前記キャリア層との間に形成され、ｃ軸格子定数が前記膜厚方向における前記第１の領域から前記キャリア層の間において極大値をとる第２の領域と、
を少なくとも具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記第１の領域との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記キャリア層との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記バッファ層及び前記キャリア層を構成する材料は、いずれもＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される組成を具備することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の領域は、ＧａＮとＡｌＮとが交互に複数層積層された構造を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２の領域は、前記キャリア層よりも高い不純物濃度を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１】
基板と、当該基板の上に形成され窒化物半導体からなるバッファ層と、当該バッファ層の上に形成され窒化物半導体からなりかつ動作時にキャリアが流れるキャリア層と、を具備する半導体装置であって、
前記バッファ層は、膜厚方向において、
不純物を含む第１の領域と、
当該第１の領域と前記キャリア層との間に形成され、ｃ軸格子定数が前記膜厚方向における前記第１の領域から前記キャリア層の間において極大値をとる第２の領域と、
を少なくとも具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記第１の領域との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記バッファ層は、膜厚方向において、前記第２の領域と前記キャリア層との間に、前記第２の領域よりもｃ軸格子定数が小さな領域を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記バッファ層及び前記キャリア層を構成する材料は、いずれもＢｘＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される組成を具備することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の領域は、ＧａＮとＡｌＮとが交互に複数層積層された構造を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２の領域は、前記キャリア層よりも高い不純物濃度を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置。
【図２】
【図３】
【図１】
【図３】
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１８２２８３（Ｐ２０１２−１８２２８３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３８１５（Ｐ２０１１−４３８１５）
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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