JP5462261B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents
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Description
本発明は、電界効果トランジスタに関する。
ＩＩＩ族窒化物半導体を主材料として含む電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）としては、例えば、図１２に示すようなものがある。図１２は、電界効果トランジスタの断面構造を示す概略図である。このような構造を有する電界効果トランジスタは、例えば、非特許文献１に報告されている。
図１２に示す電界効果トランジスタは、ＳｉＣ（炭化ケイ素）基板１００の上に、バッファ層１０１と、アンドープＧａＮ（窒化ガリウム）からなるチャネル層１０３と、ｎ形ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）からなる電子供給層１０５と、が積層されている。基板面に対する結晶成長方向は、[０００１]に平行である。そして、チャネル層１０３内の電子供給層１０５との界面近傍には、二次元電子ガス（以下、「２ＤＥＧ」という）からなるｎ形伝導領域１０４が形成されている。
また、電子供給層１０５上には、ソース電極１０７１とドレイン電極１０７２が形成され、ｎ形伝導領域１０４とのオーミック接触がとられている。さらに、電子供給層１０５上には、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなる絶縁膜１０６を介して、ゲート電極１０８が形成されている。
その他、特許文献１、２には、リサーフ構造を採用したＧａＮ系電界効果トランジスタが開示されている。
プロスィーディングズ・オブ・インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・テクニカル・ダイジェスト（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ）、５７２頁、２００５年
図１４は、図１２に示す電界効果トランジスタにおいてチャネルをピンチオフさせてドレインに破壊耐圧（Ｖｄ＝ＢＶ）を印加した時の電荷密度、電界強度、電位の分布の模式図である。図１４（ａ）は電荷密度分布、図１４（ｂ）は電界強度分布、図１４（ｃ）は電位分布を示す。
ここで、図１２に示す電界効果トランジスタにおいてチャネルをピンチオフさせてドレインに破壊耐圧（Ｖｄ＝ＢＶ）を印加した時、図１３に示すように電子供給層（ＡｌＧａＮ層）１０５には空乏層２００（斜線領域）が発生する。そして、ゲート電極１０８端（ｘ＝０）から空乏層端（ｘ＝Ｌ）の間には、ｎ形不純物のイオン化に起因した固定電荷が発生する。ゲート幅をＷｇ、電子供給層（ＡｌＧａＮ層）１０５へのドーピング濃度をＮｄ、ドーピング領域の厚さ（深さ）をｔとすると、この固定電荷密度はｑ×Ｎｄ×Ｗｇ×ｔで表わされる（ｑ＝１．６×１０−１９Ｃ：素電荷）（図１４（ａ））。
空乏層内の電界強度は空乏層端（ｘ＝Ｌ）からゲート端（ｘ＝０）に向かってほぼ線形に増加し、ゲート端（ｘ＝０）で最大値をとる（図１４（ｂ））。図１２に示す電界効果トランジスタの場合、このようにゲート端（ｘ＝０）付近で電界集中が発生する。なお、ガウスの法則によれば、この最大電界強度は（ｑＮｄＬ）／εとなる（ε：ＡｌＧａＮの誘電率）。よって、破壊電界強度Ｆｃは下式（１）のように表わされる。
電界を距離で積分したものが電位となることから、オフ耐圧ＢＶは下式（２）のように表わされ、電位分布は図１４（ｃ）のようになる。
オン抵抗全体におけるドレイン空乏層抵抗の割合が十分大きいと仮定すると、オン抵抗Ｒｏｎと空乏層の断面積Ａの積は下式（３）のように表わされる。
なお、μｎは電子移動度である。次に、式（１）、（２）、（３）からＬとＮｄを消去すると、下式（４）が得られる。
ここで、図１５に、式（４）にてε／ε０＝１０（ε０：真空誘電率）、μｎ＝２０００ｃｍ２／Ｖｓ、Ｆｃ＝３ＭＶ／ｃｍとした時のオフ耐圧ＢＶとオン抵抗Ｒｏｎの関係の計算結果を示す。図１５から、オフ耐圧ＢＶの２乗に比例してオン抵抗Ｒｏｎが増加することがわかる。
電界効果トランジスタは、オフ耐圧ＢＶが高く、オン抵抗Ｒｏｎが低い特性が求められる。しかし、図１２に示す電界効果トランジスタの場合、オフ耐圧ＢＶを増加させると、その２乗に比例してオン抵抗Ｒｏｎが増加してしまい、オフ耐圧ＢＶとオン抵抗Ｒｏｎの両方の要求特性を同時に満たすのは困難である。
また、特許文献１、２に開示されているようなリサーフ構造の場合、ｐ形チャネル層上にｎ形リサーフ層を積層することにより、電界集中を緩和することができる。しかし、特許文献１、２に開示されているリサーフ構造の場合、表面ポテンシャルの影響によるｎ形リサーフ層の空乏化の影響が避けられないため、この効果を考慮してリサーフ層の不純物濃度、膜厚を設計しなければならない。また、表面ポテンシャルは保護膜の形成条件に依存するため、電界集中緩和効果がプロセス要因で変動するという課題があった。
また、電界集中を緩和するためには、いわゆるスーパージャンクション構造が知られている。スーパージャンクション構造は、Ｓｉ（ケイ素）系縦型のパワーデバイスに広く採用される構造であり、ｎ形ピラー層とｐ形ピラー層を横方向に交互に形成したものである。なお、少なくとも数μｍの深さのｎ形ピラー層、ｐ形ピラー層を形成するため、数ＭｅＶの加速エネルギーで不純物イオンをドーピングすることとなる。しかしながら、このプロセスを窒化物半導体材料に適用する場合、窒化物半導体は融点が非常に高く格子欠陥の回復が困難なため、結晶成長温度を超える２０００℃程度でのアニール処理が必要になる。すなわち、上述したような縦型のスーパージャンクション構造を窒化物半導体デバイスに適用することは現実的でない。
本発明は、上述した問題点を解消し、オン抵抗とオフ耐圧のトレードオフ性を改善した窒化物半導体からなる電界効果トランジスタを提供することを課題とする。
本発明によれば、第一の窒化物半導体からなる第一窒化物半導体層、および、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい第二の窒化物半導体からなる第二窒化物半導体層、を積層した積層体と、前記積層体の上に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極と対向するよう設けられるドレイン電極と、前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極の反対側に設けられるソース電極と、を備え、前記第二窒化物半導体層の前記ゲート電極と前記ドレイン電極で挟まれた領域には、ｎ形不純物をドーピングされたｎ形不純物ドープ領域と、ｐ形不純物をドーピングされたｐ形不純物ドープ領域と、を前記ゲート電極がのびる方向に沿って交互に配列した縞模様が形成されている電界効果トランジスタが提供される。
本発明で実現される電界効果トランジスタは、第二窒化物半導体層に形成したｎ形不純物ドープ領域およびｐ形不純物ドープ領域、および／または、第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層とを積層したことにより発生する分極効果、に起因して、第一窒化物半導体層の第二窒化物半導体層との界面近傍には、２ＤＥＧを内包するｎ形伝導領域および二次元正孔ガス（以下、「２ＤＨＧ」という）を内包するｐ形伝導領域が形成されることとなる。具体的には、第二窒化物半導体層のｎ形不純物ドープ領域との界面近傍にはｎ形伝導領域が形成され、ｐ形不純物ドープ領域との界面近傍にはｐ形伝導領域が形成される。
そして、ゲート電極を０（ゼロ）電位にしてドレイン電極に高電圧を印加したオフ状態では、ｎ形伝導領域とｐ形伝導領域の全体が空乏化し、ｎ形不純物とｐ形不純物のイオン化に起因して固定電荷が発生するが、本実施形態の場合、ゲート電極とドレイン電極で挟まれた領域には、ｎ形伝導領域とｐ形伝導領域が縞模様に形成されるため、空間電荷が打ち消しあうこととなる。このため、ゲート電極とドレイン電極で挟まれた領域は、電界強度がほぼ一定となり、電界集中が緩和される。
本発明によれば、オフ耐圧が高く、オン抵抗の低い窒化物半導体からなる電界効果トランジスタが得られ、窒素系パワー半導体の高耐圧化、低損失化を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
＜＜実施形態１＞＞
＜実施形態１の電界効果トランジスタの構成＞
＜＜実施形態１＞＞
＜実施形態１の電界効果トランジスタの構成＞
図１に、本実施形態の電界効果トランジスタの構成を示す。図１（ａ）は平面概略図、図１（ｂ）は図１（ａ）の（Ｘ１−Ｙ１）面における断面概略図、図１（ｃ）は図１（ａ）の（Ｘ２−Ｙ２）面における断面概略図である。
本実施形態の電界効果トランジスタは、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、基板１０の上に、第一の窒化物半導体からなる第一窒化物半導体層１３、および、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい第二の窒化物半導体からなる第二窒化物半導体層１５を積層した積層体１３、１５を備える。
なお、本実施形態においては、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５との上下関係は特段制限されないが、例えば、図示するように、第一窒化物半導体層１３の上に第二窒化物半導体層１５が設けられてもよい。また、積層体１３、１５はエピタキシャル層であって、結晶成長は[０００１]方向に平行としてもよい。さらに、積層体１３、１５と基板１０との間に、最表面にて第一窒化物半導体と格子整合する（０００１）面成長のバッファ層１１を備えてもよい。
基板１０は、シリコン（Ｓｉ）基板、ＳｉＣ基板、Ａｌ２Ｏ３（サファイア）基板、ＧａＮ基板などを用いることができる。第一の窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ（窒化インジウムアルミニウム）、ＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルミニウムガリウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）などの中のいずれか一を選択することができる。第二の窒化物半導体としては、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの中から、第一の窒化物半導体として選択された窒化物半導体よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体を選択することができる。例えば、第一の窒化物半導体としてＧａＮを選択し、第二の窒化物半導体としてＡｌＧａＮを選択することができる。
また、本実施形態の電界効果トランジスタは、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、積層体１３、１５の上に、ゲート絶縁膜１６およびゲート電極１８と、第一窒化物半導体層１３と電気的に接続しゲート電極１８と対向するドレイン電極１７２と、第一窒化物半導体層１３と電気的に接続しゲート電極１８を挟んでドレイン電極１７２と反対側に設けられるソース電極１７１と、を備える。第一窒化物半導体層１３とドレイン電極１７２との電気的結合、および、第一窒化物半導体層１３とソース電極１７３との電気的結合、はオーミック接触とするのが望ましい。
ゲート電極１８は、Ｔｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ、または、Ｐｄ（パラジウム）／Ａｕ、などの材料を用いて形成することができる。ドレイン電極１７２、ソース電極１７１は、Ｔｉ／Ａｌ（アルミニウム）／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ（モリブデン）／Ａｕ、または、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｂ（ニオビウム）／Ａｕ、などの材料を用いて形成することができる。ゲート絶縁膜１６は、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、または、ＳｉＯ２（酸化ケイ素）、などの材料を用いて形成することができる。
なお、ゲート電極１８はリセス上に形成されるのが望ましい。このように形成した場合、ノーマリオフ動作が可能となる。しかし、リセスを形成しないプレーナ構造とすることも可能である。プレーナ構造においてノーマリオフ動作を可能にするためには、第一窒化物半導体層１３の活性化不純物の濃度を１×１０１７ｃｍ−３のｐ形にすればよい。もしくは、第二窒化物半導体層１５のゲート電極１８と接触する部位をｐ形不純物ドープ領域１５２とすればよい。
本実施形態の電界効果トランジスタは、さらに、図１（ａ）に示すように、第二窒化物半導体層１５のゲート電極１８とドレイン電極１７２で挟まれた領域には、ｎ形不純物をドーピングされたｎ形不純物ドープ領域１５１と、ｐ形不純物をドーピングされたｐ形不純物ドープ領域１５２と、をゲート電極１８がのびる方向に沿って交互に配列した縞模様が形成されている。
また、第二窒化物半導体層１５には、ソース電極１７１直下からドレイン電極１７２直下までのびるｎ形不純物ドープ領域１５１、および／または、ｐ形不純物ドープ領域１５２が形成される。図１では、一例として、ソース電極１７１直下からドレイン電極１７２直下まで延びるｎ形不純物ドープ領域１５１を示している（図１（ｂ）参照）。
ｎ形不純物としては、例えば、Ｓｉを選択することができる。ｐ形不純物としては、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｈ（水素）、などを選択することができる。
ここで、上述したような構成の本実施形態の電界効果トランジスタの場合、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１と、の界面近傍には、２ＤＥＧを内包するｎ形伝導領域１４１がコラム状に形成される。一方、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２と、の界面近傍には、２ＤＨＧを内包するｐ形伝導領域１４２がコラム状に形成される。以下、図３を用いて、この原理について説明する。
図３は、本実施形態の電界効果トランジスタにおいて、ドレイン電極１７２とソース電極１７１とを等電圧（Ｖｄｓ＝０）とした時の、ゲート―ドレイン間のチャネル近傍のポテンシャルプロファイルを示す。図３（ａ）は、（Ｘ１−Ｙ１）面のプロファイル、図３（ｂ）は、（Ｘ２−Ｙ２）面のプロファイルである。
（０００１）面第一窒化物半導体層（例：ＧａＮ層）１３上に、第二窒化物半導体層（例：ＡｌＧａＮ層）１５を結晶成長した場合、第二窒化物半導体層１５には引張歪が働いて、ピエゾ分極が発生する。更に、自発性分極も発生するため、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５の界面には、面密度（σｐ）の正電荷が発生する。ここで、σｐは、第二窒化物半導体層１５のＡｌ組成ｘの関数であり、下式（５）により近似できる。
第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物の濃度Ｎｄ、活性化率ηｄ、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ、ｐ形不純物の濃度Ｎａ、活性化率ηａ、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ、が下式（６）をみたす場合、第二窒化物半導体層１５の固定電荷の総和が正となる。
この時の正の固定電荷の面密度Ｎｎは下式（７）で表わされる。
本実施形態の場合、（Ｘ１−Ｙ１）面のゲート―ドレイン間では、式（６）をみたすよう構成しているので、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１は電子供給層として機能し、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１と、の界面近傍には、２ＤＥＧを内包するｎ形伝導領域１４１が形成される（図３（ａ））。
一方、濃度Ｎｄ、活性化率ηｄ、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ、ｐ形不純物の濃度Ｎａ、活性化率ηａ、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ、が下式（８）をみたす場合、第二窒化物半導体層１５の固定電荷の総和は負となる。
この時の負の固定電荷の面密度Ｎｐは下式（９）で表わされる。
本実施形態の場合、（Ｘ２−Ｙ２）面のゲート―ドレイン間では、式（８）をみたすよう構成しているので、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２は正孔供給層として機能し、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２と、の界面近傍には、２ＤＨＧを内包するｐ形伝導領域１４２が形成される（図３（ｂ））。
上述したような原理により、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１と、の界面近傍には２ＤＥＧを内包するｎ形伝導領域１４１がコラム状に形成され、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２と、の界面近傍には２ＤＨＧを内包するｐ形伝導領域１４２がコラム状に形成される。
なお、図１に示すような構成の場合、ｎ形伝導領域１４１により形成される電子走行層は、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１と空間的に隔離されるため、イオン化不純物散乱が抑制されて、２ＤＥＧの移動度が向上する。また、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５とのヘテロ界面が原子レベルで平坦になるよう構成した場合、界面散乱が抑制され、さらに２ＤＥＧの移動度が向上する。かかる場合、電子移動度として、１５００〜２０００ｃｍ２／Ｖｓ程度を実現することができる。
次に、図１（ａ）に示すように、ゲート電極１８およびドレイン電極１７２の直下を除くゲート電極１８とドレイン電極１７２で挟まれた領域に、ｎ形不純物ドープ領域１５１と、ｐ形不純物ドープ領域１５２と、を交互に配列した縞模様を形成することによる効果を、図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態の電界効果トランジスタにおいてチャネルをピンチオフさせてドレイン電極１７２に破壊電圧（Ｖｄ＝ＢＶ）を印加したときのｎ形伝導領域１４１の中央線（図１中、Ｘ１−Ｙ１方向）に沿った電荷密度、電界強度、電位の分布の模式図である。図５（ａ）は電荷密度分布、図５（ｂ）は電界分布、図５（ｃ）は電位分布を示す。
本実施形態の電界効果トランジスタにおいてチャネルをピンチオフさせてドレイン電極１７２に破壊電圧（Ｖｄ＝ＢＶ）を印加した場合、図２に示すように第二窒化物半導体層１５には空乏層２０（斜線領域）が発生する。そして、ｎ形不純物とｐ形不純物のイオン化に起因した固定電荷が発生する。
ここで、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１の幅をＷｎ、固定電荷の面密度をｑＮnとすると、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１における単位長さあたりの固定電荷密度は、ｑ×Ｎｎ×Ｗｎで表わされる（図５（ａ））。
また、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２の幅をＷｐ、固定電荷の面密度を−ｑＮpとすると、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２における単位長さあたりの固定電荷密度は、−ｑ×Ｎｐ×Ｗｐで表わされる（図５（ａ））。
そして、本実施形態の電界効果トランジスタは、下式（１０）をみたすようにＮｎ、Ｎｐ、Ｗｎ、Ｗｐを設定する。
すなわち、ｎ形不純物ドープ領域１５１のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ１と、ｎ形不純物ドープ領域１５１のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ１と、ｎ形不純物ドープ領域１５１の幅Ｗnと、ｐ形不純物ドープ領域１５２のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ２と、ｐ形不純物ドープ領域１５２のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ２と、ｐ形不純物ドープ領域１５２の幅Ｗpと、第一の窒化物半導体層１３と第二の窒化物半導体層１５との界面に形成される分極電荷の面密度σｐと、素電荷ｑ（＝１．６×１０−１９Ｃ）とが、｜ｎｄ１−ｎａ１＋σｐ／ｑ｜×Ｗｎ＝｜−ｎｄ２＋ｎａ２−σｐ／ｑ｜×Ｗｐの関係式をみたすように設定する。
このように構成した場合、第二窒化物半導体層１５内の平均電荷は０（ゼロ）となるため、図５（ｂ）に示すように、空乏層のゲート電極側端（ｘ＝０）での電界集中は緩和され、空乏層のゲート電極側端（ｘ＝０）から空乏層端（ｘ＝Ｌ）の間の電界強度はほぼ一定（Ｆ＝Ｆｃ）となる。その結果、オフ耐圧は改善される。
なお、本実施形態の電界効果トランジスタは、式（１０）をみたすのが望ましいが、下式（１１）をみたす範囲に構成することも可能である。
すなわち、ｎ形不純物ドープ領域１５１のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ１と、ｎ形不純物ドープ領域１５１のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ１と、ｎ形不純物ドープ領域１５１の幅Ｗnと、ｐ形不純物ドープ領域１５２のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ２と、ｐ形不純物ドープ領域１５２のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ２と、ｐ形不純物ドープ領域１５２の幅Ｗpと、第一の窒化物半導体層１３と第二の窒化物半導体層１５との界面に形成される分極電荷の面密度σｐと、素電荷ｑ（＝１．６×１０−１９Ｃ）とが、０．１＜（｜ｎｄ１−ｎａ１＋σｐ／ｑ｜×Ｗｎ）／（｜−ｎｄ２＋ｎａ２−σｐ／ｑ｜×Ｗｐ）＜１０の関係式をみたすように設定することも可能である。
式（１１）をみたす範囲に構成した場合についても、式（１０）をみたすよう構成した際に得られる上述した効果と同様の一定の効果を得ることができる。
ここで、実際には、表面ポテンシャルの影響で表面空乏層が形成されるが、表面空乏層部分の固定電荷は表面トラップの電荷により補償されるため、本来ならば、式（１０）、（１１）においてＮｎおよびＮｐから表面空乏層を差し引く必要がある。
しかし、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、ｎ形不純物ドープ領域１５１とｐ形不純物ドープ領域１５２とがゲート電極１８がのびる方向に沿って交互に配列されているため、表面空乏層の影響は、ｎ形不純物ドープ領域１５１とｐ形不純物ドープ領域１５２の両方に同等に作用する。このため、式（１０）において表面空乏層の影響を考慮する必要がなくなり、エピ設計が容易になるというメリットがある。これは、ｐ形層とｎ形層を縦方向に積層したリサーフ構造にはない特徴である。
次に、本実施形態の電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｏｎとオフ耐圧ＢＶの関係について説明する。
まず、電界を距離で積分したものが電位となることから、図５（ｂ）に示すように電界強度Ｆ＝Ｆｃの場合、オフ耐圧ＢＶは下式（１２）のように表わされる（図５（ｃ））。
オン抵抗全体における空乏層抵抗の割合が十分大きいと仮定すると、オン抵抗Ｒｏｎと空乏層の断面積Ａの積は、下式（１３）のように表わされる。なお、ｔはチャネル厚、μｎは電子移動度である。
そして、式（１２）と式（１３）より、下式（１４）が得られる。
ここで、図４に、式（１４）を用いて計算されたオン抵抗Ｒｏｎとオフ耐圧ＢＶの関係を実線で示す。Ｗｎ＝Ｗｐ、μｎ＝２０００ｃｍ２／Ｖｓ、Ｆｃ＝３ＭＶ／ｃｍ、Ｎｎ／ｔ＝５×１０１７ｃｍ−３と仮定した。なお、図４には、あわせて、図１２に示すような横型の電界効果トランジスタにおける計算結果（図中、点線）を示してある。これは図１５に示す抵抗Ｒｏｎとオフ耐圧ＢＶの関係と同じである。
図１２に示すような横型の電界効果トランジスタの場合、オン抵抗Ｒｏｎがオフ耐圧ＢＶの２乗に比例するのに対して、本実施形態の電界効果トランジスタの場合、オン抵抗Ｒｏｎはオフ耐圧ＢＶに比例する。すなわち、本実施形態の電界効果トランジスタの方が、オン抵抗Ｒｏｎのオフ耐圧ＢＶ依存性は緩やかになっている。その結果、本実施形態の電界効果トランジスタの方が、図１２に示すような横型の電界効果トランジスタに比べて、オフ耐圧ＢＶを増加させても、オン抵抗Ｒｏｎが増加するのを軽減することができる。換言すれば、本実施形態の電界効果トランジスタの方が、図１２に示すような横型の電界効果トランジスタに比べて、オン抵抗Ｒｏｎを減少させても、オフ耐圧ＢＶが減少するのを軽減することができる。また、図４より、オフ耐圧ＢＶを高く設定した場合に、本実施形態の電界効果トランジスタの方が、図１２に示すような横型の電界効果トランジスタに比べて、オン抵抗Ｒｏｎを低くすることができる。例えば、オフ耐圧ＢＶを１．０×１０４Ｖと設定した場合、本実施形態の電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｏｎは、図１２に示すような横型の電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｏｎの、約１／２００倍になる。
また、図４には、あわせて、スーパージャンクションを有する縦型デバイス構造をＧａＮ系半導体材料に適用した場合の計算結果（図中、破線）を示してある。これは、Ｗｎ＝Ｗｐ、μｎ＝２００ｃｍ２／Ｖｓ、Ｆｃ＝３ＭＶ／ｃｍ、Ｎｎ／ｔ＝５×１０１７ｃｍ−３と仮定した。ここで、スーパージャンクションを有する縦型デバイス構造の方が、本実施形態の電界効果トランジスタに比べて、電子移動度μｎが低いのは、スーパージャンクションを有する縦型デバイス構造の場合、電子がバルク半導体を走行するため、イオン化不純物散乱の影響を受けるためである。図４より、同じオフ耐圧ＢＶの場合、本実施形態の電界効果トランジスタのオン抵抗Ｒｏｎの方が、スーパージャンクションを有する縦型デバイス構造のオン抵抗Ｒｏｎよりも、約１／１０程度小さいことがわかる。
ここで、本実施形態の電界効果トランジスタは、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、積層体１３、１５の上であって、ソース電極１７１を挟んでゲート電極１８の反対側に、第四の電極１９を備えることができる。また、積層体１３、１５の下であって、積層体１３、１５と接する位置に、ｐ形またはｎ形である１形不純物をドーピングされた第三の窒化物半導体からなる第三窒化物半導体層１２を備えることができる。
そして、第二窒化物半導体層１５の縞領域を構成するｐ形またはｎ形である１形不純物ドープ領域は、ソース電極１７１の直下まで延伸せず、第四の電極１９の直下には、ｐ形またはｎ形である１形不純物をドーピングされた１形不純物ドープ領域が形成されてもよい。例えば、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、第二窒化物半導体層１５の縞領域を構成するｐ形不純物ドープ領域１５２は、ソース電極１７１の直下まで延伸せず、第四の電極１９の直下には、ｐ形不純物をドーピングされたｐ形不純物ドープ領域１５２が形成されてもよい。
図１（ｂ）（ｃ）に示すように構成した場合、第四の電極１９を、例えばソース電極１７１を介して電気的に接地すると、衝突イオン化で発生した正孔を、第三窒化物半導体層１２および第四の電極１９を介して、デバイス外部に引き抜くことができる。その結果、素子のアバランシェ耐量を改善することができる。なお、第四の電極１９は、Ｔｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）、または、Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ、または、Ｐｄ（パラジウム）／Ａｕ、などの材料を用いて形成することができる。
このように、本実施形態の電界効果トランジスタは、図１（ｂ）に示す状態からゲート電極１８に正電圧を印加してチャネルをオン状態にすると、ｎ形伝導領域１４１に、ドレイン電極１７２とソース電極１７１を結ぶ２ＤＥＧチャネルが形成され、電子が走行する。一方、ゲート電極１８を０（ゼロ）電位にしてドレイン電極１７２に高電圧を印加したオフ状態では、ｎ形伝導領域１４１とｐ形伝導領域１４２の全体が空乏化して、空間電荷が打ち消しあう。このため、ゲート電極１８とドレイン電極１７２で挟まれた領域は、電界強度がほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９を、例えばソース電極１７１と等電位に接地することで、衝突イオン化で発生した正孔をデバイス外部に引き抜くことができ、素子のアバランシェ耐量を改善することができる。
なお、本実施形態の電界効果トランジスタは、上述した説明におけるｎ形とｐ形を逆にした構成とすることもできる。
また、上述した説明では、第二窒化物半導体層１５内に不純物のドーピングを行い、縞模様を形成する構成としたが、本実施形態の電界効果トランジスタは、第一窒化物半導体層１３内に不純物のドーピングを行い、縞模様を形成する構成とすることもできる。かかる場合、キャリアは、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５のヘテロ界面でなく、第一窒化物半導体層１３内を走行することとなるが、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
これらの前提については、以下のすべての実施形態について同様である。
＜実施形態１の電界効果トランジスタの一例＞
＜実施形態１の電界効果トランジスタの一例＞
次に、本実施形態の電界効果トランジスタの一つの実現例について説明する。
最初に、製造方法について説明する。なお、以下の製造方法は、本実施形態の電界効果トランジスタの一例を製造するための製造方法の一例である。すなわち、本実施形態の電界効果トランジスタは、以下で説明する方法で製造されるものに限定されるものではない。当該前提は、以下のすべての実施形態において同様である。
まず、Ｓｉ基板１０上に、例えば、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、「ＭＯＣＶＤ」という）法により、下記（１）〜（５）に示す層を、下記に示す順で順次成長させる。
（１）アンドープＡｌＮ層（バッファ層１１）・・・２００ｎｍ
（２）アンドープＧａＮ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形ＧａＮ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（５）ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９
ｃｍ−３」（第二窒化物半導体層１５）・・・６０ｎｍ
（２）アンドープＧａＮ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形ＧａＮ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（５）ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９
ｃｍ−３」（第二窒化物半導体層１５）・・・６０ｎｍ
ここで、ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第二窒化物半導体層１５）は、転位発生の臨界膜厚より薄く、歪格子層となっている。良好な結晶品質を得る観点から、Ａｌ組成は、通常、０＜ｘ＜０．４とするのが望ましい。本例の場合ｘ＝０．０５とし、ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第二窒化物半導体層１５）の厚さを２００ｎｍ以下とすることで、転位発生の臨界膜厚以内としている。
次に、第二窒化物半導体層１５の上に、例えば、プラズマ励起気相成長（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、「ＰＥＣＶＤ」という）法を用いて、ＳｉＮなどの表面保護膜（図示せず）を堆積し、イオン注入による表面損傷を防止するための表面保護膜を形成する。
次に、二窒化物半導体層１５にイオン注入を行う。例えば、ｎ形不純物をドーピングする領域以外の領域をレジスト膜で覆った状態で、Ｓｉ（ｎ形不純物）をドーピングする。ドーピング条件としては、例えば、加速エネルギー６０ｋｅｖ、ドーズ量は６×１０１３ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度１×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔｄ）６０ｎｍのＳｉドープ領域（ｎ形不純物ドープ領域１５１）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、１０００〜１２００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｓｉの活性化率として約１０％を得ることができる。本例の場合、イオン注入の深さは１００ｎｍ程度以下と浅いため、活性化アニール温度を１２００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
次に、表面保護膜を除去した後、第二窒化物半導体層１５上に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの金属を蒸着、アロイ処理することにより、ソース電極１７１およびドレイン電極１７２を形成し、第二窒化物半導体層１５と第一窒化物半導体層１３の界面に形成される２ＤＥＧとのオーム性接触をとる。また、第二窒化物半導体層１５上に、例えば、ＰＥＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮなどの絶縁膜（図示せず）を、例えば５０ｎｍ堆積する。その後、前記絶縁膜を介して、例えば、Ｎ（窒素）などのイオン注入を実施することで素子間分離を行う。
また、ソース電極１７１とドレイン電極１７２で挟まれた領域に、例えば、ＳＦ６（フッ化硫黄）などの反応ガスを用いて開口部を形成した後、例えば、ＢＣｌ３（塩化ホウ素）などの反応ガスを用いて第二窒化物半導体層１５の一部をエッチング除去することによりリセス部を形成する。その後、前記リセス部を埋め込むように、例えば、減圧気相成長（Ｌｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、「ＬＰＣＶＤ」という）を用いてＡｌ２Ｏ３などの絶縁膜１６を５０ｎｍ程度堆積する。そして、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属を蒸着、リフトオフすることにより、絶縁膜１６上にゲート電極１８および第四の電極１９を形成する。
上述した製造方法により製造された本例の電界効果トランジスタの場合、ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のＡｌ組成はｘ＝０．０５であるので、式（５）よりσｐ／ｑ＝＋３×１０１２ｃｍ−２となる。
ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｎ形不純物をドーピングしていない領域１５２においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝１×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηａ＝０．１、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ＝６０ｎｍであるので、関係式（８）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｐ＝３×１０１２ｃｍ−２の負の固定電荷が形成される。このため、ｐ形伝導領域１４２が形成される。
また、ｐ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｎ形不純物をドーピングした領域１５１においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝１×１０１９ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝１×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηａ＝ηｄ＝０．１、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ＝６０ｎｍ、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ＝６０ｎｍであるので、関係式（６）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｎ＝３×１０１２ｃｍ−２の正の固定電荷が形成される。このため、ｎ形伝導領域１４１が形成される。
このように、上述した製造方法により製造された本例の電界効果トランジスタの場合、式（１０）が成り立つ。このため、上述した作用原理に基づいて、ゲート電極１８とドレイン電極１７２に挟まれた領域内の電界強度はほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９をソース電極１７１と結合すれば、アバランシェ耐量を改善することができる。
なお、上述した製造方法においては、結晶成長段階において、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）をｐ形にしておき（Ｍｇドーピング）、その後の工程で、ｎ形不純物をドーピングしてｎ形不純物ドープ領域１５１を形成したが、ｎ形とｐ形を形成する処理を逆にすることもできる。すなわち、結晶成長段階において、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）をｎ形にしておき（ｎ形不純物ドーピング）、その後の工程で、ｐ形不純物をドーピングしてｐ形不純物ドープ領域１５２を形成してもよい。
また、（４）ＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）はアンドープとしたが、活性化不純物濃度とした１×１０１７ｃｍ−３程度以下のｐ形もしくはｎ形としてもよい。
これらの前提については、以下のすべての実施形態の実現例において同様である。
＜＜実施形態２＞＞
＜実施形態２の電界効果トランジスタの構成＞
＜＜実施形態２＞＞
＜実施形態２の電界効果トランジスタの構成＞
図６に、本実施形態の電界効果トランジスタの構成を示す。図６（ａ）は平面概略図、図６（ｂ）は図６（ａ）の（Ｘ１−Ｙ１）面における断面概略図、図６（ｃ）は図６（ａ）の（Ｘ２−Ｙ２）面における断面概略図である。なお、図６（ａ）において、第一窒化物半導体層１３の下側に位置する第二窒化物半導体層１５を点線で示してある。すなわち、図６（ａ）に示されているｎ形不純物ドープ領域１５１と、ｐ形不純物ドープ領域１５２は、第二窒化物半導体層１５に形成されているものである。
本実施形態の電界効果トランジスタは、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、第一窒化物半導体層１３が、第二窒化物半導体層１５の上側に設けられている。このように構成しても、実施形態１の電界効果トランジスタと同様な効果を実現することができる。また、このように構成することにより、電子のチャネルとなるｎ形伝導領域１４１とドレイン電極１７２との間、および、ｎ形伝導領域１４１とソース電極１７１との間に、バンドギャップの大きい半導体層が存在しなくなる。その結果、コンタクト抵抗が低減し、オン抵抗Ｒｏｎをさらに改善することができる。
なお、積層体１３、１５はエピタキシャル層であって、結晶成長は[０００１]方向に平行としてもよい。また、積層体１３、１５と基板１０との間に、最表面にて第二窒化物半導体と格子整合する（０００１）面成長のバッファ層１１を備えてもよい。
なお、その他の構成については、実施形態１と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
＜実施形態２の電界効果トランジスタの一例＞
＜実施形態２の電界効果トランジスタの一例＞
次に、本実施形態の電界効果トランジスタの一つの実現例について説明する。本例の電界効果トランジスタは、例えば、以下のような製造方法により製造される。
まず、Ｓｉ基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、下記（１）〜（５）に示す層を、下記に示す順で順次成長させる。
（１）アンドープＡｌＮ層（バッファ層１１）・・・２００ｎｍ
（２）アンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９
ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・４０ｎｍ
（５）ｎ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層「Ｓｉドーピング：濃度１×１０１８
ｃｍ−３」（第二窒化物半導体層１５）・・・６０ｎｍ
（６）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（２）アンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９
ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・４０ｎｍ
（５）ｎ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層「Ｓｉドーピング：濃度１×１０１８
ｃｍ−３」（第二窒化物半導体層１５）・・・６０ｎｍ
（６）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
ここで、第一窒化物半導体層１３は、転位発生の膜厚より薄く、歪格子層となっている。良好な結晶品質を得る観点から、Ａｌ組成は、通常、０＜ｘ＜０．４とするのが望ましい。本例の場合ｘ＝０．０６とし、第一窒化物半導体層１３の厚さを２００ｎｍ以下とすることで、転移発生の臨界膜厚以内としている。
なお、本例の電界効果トランジスタの場合、例えば、ＰＥＣＶＤ法を用いてＳｉＮなどの表面保護膜（図示せず）を形成後、第二窒化物半導体層１５にて不純物イオンの密度が最大となるようにイオン注入を行う。
イオン注入は、例えば、ｐ形不純物をドーピングする領域以外の領域をレジスト膜で覆った状態で、Ｈ（ｐ形不純物）をドーピングする。ドーピング条件としては、例えば、加速エネルギー１５０ｋｅｖ、ドーズ量は６×１０１３ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度１×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔａ）６０ｎｍのＨドープ領域（ｐ形不純物ドープ領域１５２）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｐ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｎと、ｐ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、４００〜５００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｈの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を６００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
これ以降、実施形態１で説明した製造方法に準じて、第一窒化物半導体層１３の上に、ソース電極１７１、ドレイン電極１７２、第四の電極１９、および、絶縁膜１６を介してゲート電極１８を形成する。
ここで、図７に、本実施形態における電界効果トランジスタにおいて、ドレイン電極１７２とソース電極１７１とを等電圧（Ｖｄｓ＝０）とした時の、ゲート―ドレイン間のチャネル近傍のポテンシャルプロファイルを示す。図７（ａ）は、（Ｘ１−Ｙ１）面のプロファイル、図７（ｂ）は、（Ｘ２−Ｙ２）面のプロファイルである。
（０００１）面第二窒化物半導体層（例：ＡｌＧａＮ層）１５上に、第一窒化物半導体層（例：ＧａＮ層）１３を結晶成長した場合、第一窒化物半導体層１３には圧縮歪が働いて、ピエゾ分極が発生する。更に、自発性分極も発生するため、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５の界面には、面密度（σｐ）の負電荷が発生する。ここで、σｐは、第二窒化物半導体層１５のＡｌ組成ｘの関数であり、下式（１５）により近似できる。
ここで、係数の値が式（５）より小さいのは、第一窒化物半導体層１３の上に第二窒化物半導体層１５を形成した場合（実施形態１：図１）には自発性分極とピエゾ分極の向きが同じで強め合うのに対し、第二窒化物半導体層１５の上に第一窒化物半導体層１３を形成した場合（実施形態２：図６）には自発性分極とピエゾ分極の向きが逆で打ち消し合うためである。
本例では、ｎ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のＡｌ組成はｘ＝０．０６であるので、式（１５）よりσｐ／ｑ＝−３×１０１２ｃｍ−２となる。
ｎ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｐ形不純物をドーピングしていない領域１５１においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝１×１０１８ｃｍ−３、活性化率ηｄ＝１．０、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ＝６０ｎｍ、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３、であるので、関係式（６）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｎ＝３×１０１２ｃｍ−２の正の固定電荷が形成される。このため、ｎ形伝導領域１４１が形成される。
また、ｎ形Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｐ形不純物をドーピングした領域１５２においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝１×１０１８ｃｍ−３、活性化率ηｄ＝１．０、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ＝６０ｎｍ、ｐ形不純物の濃度がＮｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηａ＝１．０、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ＝６０ｎｍ、であるので、関係式（８）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｐ＝３×１０１２ｃｍ−２の負の固定電荷が形成される。このため、ｐ形伝導領域１４２が形成される。
このように、本例の電界効果トランジスタの場合、式（１０）が成り立つ。このため、実施形態１で説明した作用原理に基づいて、ゲート電極１８とドレイン電極１７２に挟まれた領域内の電界強度はほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９をソース電極１７１と結合すれば、アバランシェ耐量を改善することができる。
なお、上述した製造方法においては、結晶成長段階において、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）をｎ形にしておき（Ｓｉドーピング）、その後の工程で、ｐ形不純物をドーピングしてｐ形不純物ドープ領域１５２を形成したが、ｎ形とｐ形を形成する処理を逆にすることもできる。すなわち、結晶成長段階において、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）をｐ形にしておき（ｐ形不純物ドーピング）、その後の工程で、ｎ形不純物をドーピングしてｎ形不純物ドープ領域１５１を形成してもよい。
また、（５）ＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）はアンドープとしたが、活性化不純物濃度とした１×１０１７ｃｍ−３程度以下のｐ形もしくはｎ形としてもよい。
これらの前提については、以下のすべての実施形態の実現例において同様である。
＜＜実施形態３＞＞
＜実施形態３の電界効果トランジスタの構成＞
＜＜実施形態３＞＞
＜実施形態３の電界効果トランジスタの構成＞
図８に、本実施形態の電界効果トランジスタの構成を示す。図８（ａ）は平面概略図、図８（ｂ）は図８（ａ）の（Ｘ１−Ｙ１）面における断面概略図、図８（ｃ）は図８（ａ）の（Ｘ２−Ｙ２）面における断面概略図である。
本実施形態の電界効果トランジスタは、実施形態１の電界効果トランジスタを基本とし、図８（ａ）に示すように、第二窒化物半導体層１５のゲート電極１８とドレイン電極１７２で挟まれた領域には、ｐ形不純物をドーピングされたｐ形不純物ドープ領域１５２と、アンドープ領域１５１と、を交互に配列した縞模様が形成される点で異なる。ただし、実施形態１ではｎ形不純物ドーピングと分極効果により電子を発生させるのに対し、本実施形態では分極効果のみで電子を発生させる為、第二窒化物半導体層１５のＡｌ組成、ｐ形不純物濃度の設定を変えてある。バッファ層１１は、例えば、第一窒化物半導体層１３を構成する第一窒化物半導体をＧａＮとした場合、ＡｌＮ層とその上に形成したＧａＮ層からなる積層構造とすることができる。
本実施形態の電界効果トランジスタは、前記相違点以外は、実施形態１の電界効果トランジスタと同様の構成とすることができる。なお、積層体１３、１５は、第一窒化物半導体層１３の上に第二窒化物半導体層１５を積層した（０００１）面成長である。
このような本実施形態の電界効果トランジスタの場合、第二窒化物半導体層１５を構成する第二窒化物半導体は、バッファ層１１を構成する物質よりもａ軸長が短いため、第二窒化物半導体層１５には引張歪が内在している。ピエゾ分極効果と自発性分極効果に基づいて、第二窒化物半導体層１５と第一窒化物半導体層１３の界面には正の固定電荷が生成されるため、アンドープ領域１５１は電子供給領域として機能する。その結果、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のアンドープ領域１５１と、の界面近傍には、２ＤＥＧを内包するｎ形伝導領域１４１がコラム状に形成される。
一方、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｐ形不純物ドープ領域１５２と、の界面近傍には、２ＤＨＧを内包するｐ形伝導領域１４２がコラム状に形成される。
その結果、実施形態１で説明した電界効果トランジスタと同様な効果を実現することができる。
また、本実施形態の電界効果トランジスタは、（０００１）面第一窒化物半導体層１３上に形成した第二窒化物半導体層１５の分極効果を用いて、ｎ形伝導領域１４１の電子を供給するよう構成している。実施形態１のようにドーピングを用いて、ｎ形伝導領域１４１の電子を供給する構成の場合、不純物原子の活性化率がプロセス条件などに依存するが、本実施形態の場合には第二窒化物半導体層１５（例：ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成により自動的に電荷濃度が決定される。このため、関係式（１１）をみたすようにエピ構造を調整するのが容易で、デバイス特性の再現性が向上する。
＜実施形態３の電界効果トランジスタの一例＞
＜実施形態３の電界効果トランジスタの一例＞
次に、本実施形態の電界効果トランジスタの一つの実現例について説明する。本例の電界効果トランジスタは、例えば、以下のような製造方法により製造される。
まず、Ｓｉ基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、下記（１）〜（５）に示す層を、下記に示す順で順次成長させる。
（１）アンドープＡｌＮ層（バッファ層１１）・・・２００ｎｍ
（２）アンドープＧａＮ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形ＧａＮ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（５）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・４０ｎｍ
（２）アンドープＧａＮ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形ＧａＮ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（５）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・４０ｎｍ
ここで、第二窒化物半導体層１５は、転位発生の膜厚より薄く、歪格子層となっている。良好な結晶品質を得る観点から、Ａｌ組成は、通常、０＜ｘ＜０．４とするのが望ましい。本例の場合ｘ＝０．２とし、第二窒化物半導体層１５の厚さを６０ｎｍ以下とすることで、転移発生の臨界膜厚以内としている。
以降、実施形態１で説明した製造方法に準じて、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）へのイオン注入、および、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）の上にソース電極１７１、ドレイン電極１７２、第四の電極１９、および、絶縁膜１６を介してゲート電極１８の形成を行う。
なお、イオン注入のドーピング条件としては、例えば、ｐ形不純物としてＨを用い、加速エネルギー４０ｋｅｖ、ドーズ量は２．４×１０１４ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度６×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔａ）４０ｎｍのＨドープ領域（ｐ形不純物ドープ領域１５２）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、４００〜５００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｈの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を６００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
本例の電界効果トランジスタは、バッファ層１１がＧａＮ、第一窒化物半導体層１３がＧａＮ、第二窒化物半導体層１５がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの順のＨＥＭＴ構造であり、ｐ形不純物ドープ領域１５２にＨ（プロトン）がドーピングされた構成となっている。バッファ層１１がＧａＮということは、厚いＧａＮ層１１の成長過程で格子緩和しており、その上にＧａＮを幾ら厚く成長しても歪が発生しない。このため、第一窒化物半導体層１３に歪は発生しない。しかしながら、第一窒化物半導体層１３上に成長された第二窒化物半導体層１５には引張歪が発生し、自発性分極とピエゾ分極に起因して第二窒化物半導体層１５と第一窒化物半導体層１３との界面に正の分極電荷σｐが発生する。
そして、本例では、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のＡｌ組成はｘ＝０．２であるので、式（５）よりσｐ／ｑ＝＋１．２×１０１３ｃｍ−２となる。
アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｐ形不純物をドーピングしていない領域１５１においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３、であるので、関係式（６）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｎ＝１．２×１０１３ｃｍ−２の正の固定電荷が形成される。このため、ｎ形伝導領域１４１が形成される。
また、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｐ形不純物をドーピングした領域１５２においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝６×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηａ＝０．１、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ＝４０ｎｍ、であるので、関係式（８）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｐ＝１．２×１０１３ｃｍ−２の負の固定電荷が形成される。このため、ｐ形伝導領域１４２が形成される。
このように、本例の電界効果トランジスタの場合、式（１０）が成り立つ。このため、実施形態１で説明した作用原理に基づいて、ゲート電極１８とドレイン電極１７２に挟まれた領域内の電界強度はほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９をソース電極１７１と結合すれば、アバランシェ耐量を改善することができる。
＜＜実施形態４＞＞
＜実施形態４の電界効果トランジスタの構成＞
＜＜実施形態４＞＞
＜実施形態４の電界効果トランジスタの構成＞
図９に、本実施形態の電界効果トランジスタの構成を示す。図９（ａ）は平面概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）の（Ｘ１−Ｙ１）面における断面概略図、図９（ｃ）は図９（ａ）の（Ｘ２−Ｙ２）面における断面概略図である。なお、図９（ａ）において、第一窒化物半導体層１３の下側に位置する第二窒化物半導体層１５を点線で示してある。すなわち、図９（ａ）に示されているｎ形不純物ドープ領域１５１と、アンドープ領域１５２は、第二窒化物半導体層１５に形成されているものである。
本実施形態の電界効果トランジスタは、実施形態２の電界効果トランジスタを基本とし、図９（ａ）に示すように、第二窒化物半導体層１５のゲート電極１８とドレイン電極１７２で挟まれた領域には、ｎ形不純物をドーピングされたｎ形不純物ドープ領域１５１と、アンドープ領域１５２と、を交互に配列した縞模様が形成される点で異なる。ただし、実施形態２ではｐ形不純物ドーピングと分極効果により正孔を発生させるのに対し、本実施形態では分極効果のみで正孔を発生させる為、第二窒化物半導体層のＡｌ組成、ｎ形不純物濃度の設定を変えてある。バッファ層１１は、例えば、第二窒化物半導体層１５を構成する第二窒化物半導体をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとした場合、ＡｌＮ層とその上に形成したＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層からなる積層構造とすることができる。
本実施形態の電界効果トランジスタは、前記相違点以外は、実施形態２の電界効果トランジスタと同様の構成とすることができる。なお、積層体１３、１５は、第二窒化物半導体層１５の上に第一窒化物半導体層１３を積層した（０００１）面成長である。
このような本実施形態の電界効果トランジスタの場合、第一窒化物半導体層１３を構成する第一窒化物半導体は、バッファ層１１を構成する物質よりもａ軸長が長いため、第一窒化物半導体層１３には圧縮歪が内在している。ピエゾ分極効果と自発性分極効果に基づいて、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５の界面には負の固定電荷が生成されるため、アンドープ領域１５２は正孔供給領域として機能する。その結果、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のアンドープ領域１５２と、の界面近傍には、２ＤＨＧを内包するｐ形伝導領域１４２がコラム状に形成される。
一方、第一窒化物半導体層１３と、第二窒化物半導体層１５のｎ形不純物ドープ領域１５１と、の界面近傍には、２ＤＥＧを内包するｎ形伝導領域１４１がコラム状に形成される。
その結果、実施形態２で説明した電界効果トランジスタと同様な効果を実現することができる。
また、本実施形態の電界効果トランジスタは、（０００１）面第二窒化物半導体層１５上に形成した第一窒化物半導体層１３上の分極効果を用いて、ｐ形伝導領域１４２の正孔を供給するよう構成している。実施形態２のようにドーピングを用いて、ｐ形伝導領域１４２の正孔を供給する構成の場合、不純物原子の活性化率がプロセス条件などに依存するが、本実施形態の場合には第二窒化物半導体層１５（例：ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成により自動的に電荷濃度が決定される。このため、関係式（１１）をみたすようにエピ構造を調整するのが容易で、デバイス特性の再現性が向上する。
＜実施形態４の電界効果トランジスタの一例＞
＜実施形態４の電界効果トランジスタの一例＞
次に、本実施形態の電界効果トランジスタの一つの実現例について説明する。本例の電界効果トランジスタは、例えば、以下のような製造方法により製造される。
まず、Ｓｉ基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、下記（１）〜（５）に示す層を、下記に示す順で順次成長させる。
（１）アンドープＡｌＮ層（バッファ層１１）・・・２００ｎｍ
（２）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・１００ｎｍ
（５）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・４０ｎｍ
（２）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）ｐ形Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層「Ｍｇドーピング：濃度１×１０１９ｃｍ−３」（第三窒化物半導体層１２）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・１００ｎｍ
（５）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・４０ｎｍ
ここで、第一窒化物半導体層１３は、転位発生の膜厚より薄く、歪格子層となっている。良好な結晶品質を得る観点から、Ａｌ組成は、通常、０＜ｘ＜０．４とするのが望ましい。本例の場合ｘ＝０．２とし、第一窒化物半導体層１３の厚さを６０ｎｍ以下とすることで、転移発生の臨界膜厚以内としている。
以降、実施形態２で説明した製造方法に準じて、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）へのイオン注入、および、アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）の上にソース電極１７１、ドレイン電極１７２、第四の電極１９、および、絶縁膜１６を介してゲート電極１８の形成を行う。
なお、イオン注入のドーピング条件としては、例えば、ｎ形不純物としてＳｉを用い、加速エネルギー２００ｋｅｖ、ドーズ量は２．０×１０１４
ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度５×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔｄ）４０ｎｍのＳｉドープ領域（ｎ形不純物ドープ領域１５１）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、１０００〜１２００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｓｉの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を１２００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度５×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔｄ）４０ｎｍのＳｉドープ領域（ｎ形不純物ドープ領域１５１）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、１０００〜１２００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｓｉの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を１２００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
本例の電界効果トランジスタは、バッファ層１１がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、第二窒化物半導体層１５がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ、第一窒化物半導体層１３がＧａＮの逆ＨＥＭＴ構造であり、ｎ形不純物ドープ領域１５１にＳｉがドーピングされた構成となっている。バッファ層１１がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎということは、厚いＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１の成長過程で格子緩和しており、その上にＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを幾ら厚く成長しても歪が発生しない。このため、第二窒化物半導体層１５には歪は発生しない。しかしながら、第二窒化物半導体層１５上に成長された第一窒化物半導体層１３には圧縮歪が発生し、自発性分極とピエゾ分極に起因して第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５の界面に負の分極電荷σｐが発生する。
そして、本例では、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のＡｌ組成はｘ＝０．２であるので、式（１５）よりσｐ／ｑ＝−１．０×１０１３ｃｍ−２となる。
アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｎ形不純物をドーピングしていない領域１５２においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３、であるので、関係式（８）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｐ＝１．０×１０１３ｃｍ−２の負の固定電荷が形成される。このため、ｐ形伝導領域１４２が形成される。
また、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｎ形不純物をドーピングした領域１５１においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝５×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηｄ＝０．１、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ＝４０ｎｍ、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３であるので、関係式（６）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｎ＝１．０×１０１３ｃｍ−２の正の固定電荷が形成される。このため、ｎ形伝導領域１４１が形成される。
このように、本例の電界効果トランジスタの場合、式（１０）が成り立つ。このため、実施形態１で説明した作用原理に基づいて、ゲート電極１８とドレイン電極１７２に挟まれた領域内の電界強度はほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９をソース電極１７１と結合すれば、アバランシェ耐量を改善することができる。
＜＜実施形態５＞＞
＜実施形態５の電界効果トランジスタの構成＞
＜＜実施形態５＞＞
＜実施形態５の電界効果トランジスタの構成＞
図１０に、本実施形態の電界効果トランジスタの構成を示す。図１０（ａ）は平面概略図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の（Ｘ１−Ｙ１）面における断面概略図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）の（Ｘ２−Ｙ２）面における断面概略図である。
本実施形態の電界効果トランジスタは、実施形態１〜４のいずれか一の電界効果トランジスタの構成を基本とし、第四の電極１９を備えることを必須として、第二窒化物半導体層１５の縞模様を構成するｐ形またはｎ形である１形不純物ドープ領域は、ソース電極１７１の直下まで延伸し、第二窒化物半導体層１５の縞模様を構成するｎ形またはｐ形であって１形とは異なる形の２形不純物ドープ領域は、第四の電極１９の直下まで延伸している。
例えば、図１０（ｂ）（ｃ）に示すように、第二窒化物半導体層１５の縞模様を構成するｎ形不純物ドープ領域１５１は、ソース電極１７１の直下まで延伸し、第二窒化物半導体層１５の縞模様を構成するｐ形不純物ドープ領域１５２は、第四の電極１９の直下まで延伸している。
このような本実施形態の電界効果トランジスタは、実施形態１〜４に記載の電界効果トランジスタと同様な効果を実現することができる。
また、本実施形態の電界効果トランジスタは、第二窒化物半導体層１５の縞領域を構成するｐ形不純物ドープ領域１５２を第四の電極１９まで延長し、第四の電極１９と電気的に接続することにより、チャネルで発生した正孔を第四の電極１９を介して抜き取ることが可能な構成となっている。このような構成により、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５からなる積層体１３、１５の下部に、ｐ形チャネル層１２（図１など参照）を形成しない構成とすることができる。その結果、エピ構造を簡略化でき、寄生容量の増加が比較的小さいといったメリットがある。
なお、本実施形態の電界効果トランジスタは、図１１に示すように、第一窒化物半導体層１３と第二窒化物半導体層１５の上下位置を逆にした構成とすることも可能である。
＜実施形態５の電界効果トランジスタの一例＞
＜実施形態５の電界効果トランジスタの一例＞
次に、本実施形態の電界効果トランジスタの一つの実現例について説明する。
＜＜例１＞＞
＜＜例１＞＞
本例の電界効果トランジスタは、例えば、以下のような製造方法により製造される。
まず、Ｓｉ基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、下記（１）〜（４）に示す層を、下記に示す順で順次成長させる。
（１）アンドープＡｌＮ層（バッファ層１１）・・・２００ｎｍ
（２）アンドープＧａＮ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・４０ｎｍ
（２）アンドープＧａＮ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・４０ｎｍ
ここで、第二窒化物半導体層１５は、転位発生の膜厚より薄く、歪格子層となっている。良好な結晶品質を得る観点から、Ａｌ組成は、通常、０＜ｘ＜０．４とするのが望ましい。本例の場合ｘ＝０．２とし、第二窒化物半導体層１５の厚さを６０ｎｍ以下とすることで、転移発生の臨界膜厚以内としている。
以降、実施形態１で説明した製造方法に準じて、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）へのイオン注入、および、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）の上にソース電極１７１、ドレイン電極１７２、第四の電極１９、および、絶縁膜１６を介してゲート電極１８の形成を行う。
なお、イオン注入のドーピング条件としては、例えば、ｐ形不純物としてＨを用い、加速エネルギー４０ｋｅｖ、ドーズ量は２．４×１０１４ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度６×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔａ）４０ｎｍのＨドープ領域（ｐ形不純物ドープ領域１５２）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、４００〜５００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｈの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を６００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
本実施形態では、（０００１）面第一窒化物半導体層（例：ＧａＮ層）１３上に、第二窒化物半導体層（例：ＡｌＧａＮ層）１５を結晶成長するので、式（５）にしたがってヘテロ界面に正の分極電荷σｐが発生する。
そして、本例では、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のＡｌ組成はｘ＝０．２であるので、式（５）よりσｐ／ｑ＝＋１．２×１０１３ｃｍ−２となる。
アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｐ形不純物をドーピングしていない領域１５１においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３、であるので、関係式（６）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｎ＝１．２×１０１３ｃｍ−２の正の固定電荷が形成される。このため、ｎ形伝導領域１４１が形成される。
また、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｐ形不純物をドーピングした領域１５２においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝６×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηａ＝０．１、ｐ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔａ＝４０ｎｍ、であるので、関係式（８）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｐ＝１．２×１０１３ｃｍ−２の負の固定電荷が形成される。このため、ｐ形伝導領域１４２が形成される。
このように、本例の電界効果トランジスタの場合、式（１０）が成り立つ。このため、実施形態１で説明した作用原理に基づいて、ゲート電極１８とドレイン電極１７２に挟まれた領域内の電界強度はほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９をソース電極１７１と結合すれば、アバランシェ耐量を改善することができる。
＜＜例２＞＞
＜＜例２＞＞
本例の電界効果トランジスタは、例えば、以下のような製造方法により製造される。
まず、Ｓｉ基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、下記（１）〜（４）に示す層を、下記に示す順で順次成長させる。
（１）アンドープＡｌＮ層（バッファ層１１）・・・２００ｎｍ
（２）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・４０ｎｍ
（２）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（バッファ層１１）・・・１μｍ
（３）アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）・・・１００ｎｍ
（４）アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）・・・４０ｎｍ
ここで、第一窒化物半導体層１３は、転位発生の膜厚より薄く、歪格子層となっている。良好な結晶品質を得る観点から、Ａｌ組成は、通常、０＜ｘ＜０．４とするのが望ましい。本例の場合ｘ＝０．２とし、第一窒化物半導体層１３の厚さを６０ｎｍ以下とすることで、転移発生の臨界膜厚以内としている。
以降、実施形態２で説明した製造方法に準じて、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）へのイオン注入、および、アンドープＧａＮ層（第一窒化物半導体層１３）の上にソース電極１７１、ドレイン電極１７２、第四の電極１９、および、絶縁膜１６を介してゲート電極１８の形成を行う。
なお、イオン注入のドーピング条件としては、例えば、ｎ形不純物としてＳｉを用い、加速エネルギー２００ｋｅｖ、ドーズ量は２．０×１０１４
ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度５×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔｄ）４０ｎｍのＳｉドープ領域（ｎ形不純物ドープ領域１５１）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、１０００〜１２００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｓｉの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を１２００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
ｃｍ−２とすることで、平均原子濃度５×１０１９ｃｍ−３、深さ方向の拡がり（ｔｄ）４０ｎｍのＳｉドープ領域（ｎ形不純物ドープ領域１５１）を第二窒化物半導体層１５中に選択的に形成できる。なお、ｎ形不純物をドーピングする領域の幅Ｗｎと、ｎ形不純物をドーピングしない領域の幅Ｗｐは、Ｗｎ＝Ｗｐ＝１００ｎｍ（任意の設計事項）とした。イオン注入の後、Ｎ２雰囲気中、１０００〜１２００℃にて活性化アニールを行うことにより、Ｓｉの活性化率として約１０％を得ることができる。このように、活性化アニール温度を１２００℃以下と低くすることができ、従来のＧａＮプロセスとの適合性は良好である。
本実施形態では、（０００１）面第二窒化物半導体層（例：ＡｌＧａＮ層）１５上に、第一窒化物半導体層（例：ＧａＮ層）１３を結晶成長するので、式（１５）にしたがってヘテロ界面に負の分極電荷σｐが発生する。
そして、本例では、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のＡｌ組成はｘ＝０．２であるので、式（１５）よりσｐ／ｑ＝−１．０×１０１３ｃｍ−２となる。
アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｎ形不純物をドーピングしていない領域１５２においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝０ｃｍ−３、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３、であるので、関係式（８）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｐ＝１．０×１０１３ｃｍ−２の負の固定電荷が形成される。このため、ｐ形伝導領域１４２が形成される。
また、アンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第二窒化物半導体層１５）のｎ形不純物をドーピングした領域１５１においては、ｎ形不純物の濃度がＮｄ＝５×１０１９ｃｍ−３、活性化率ηｄ＝０．１、ｎ形不純物ドープ領域の厚さ（深さ）ｔｄ＝４０ｎｍ、ｐ形不純物の濃度がＮａ＝０ｃｍ−３であるので、関係式（６）が成り立ち、第二窒化物半導体層１５中に面密度Ｎｎ＝１．０×１０１３ｃｍ−２の正の固定電荷が形成される。このため、ｎ形伝導領域１４１が形成される。
このように、本例の電界効果トランジスタの場合、式（１０）が成り立つ。このため、実施形態１で説明した作用原理に基づいて、ゲート電極１８とドレイン電極１７２に挟まれた領域内の電界強度はほぼ一定となり、電界集中が緩和される。また、第四の電極１９をソース電極１７１と電気的に接続すれば、アバランシェ耐量を改善することができる。
この出願は、２００９年７月７日に出願された日本特許出願特願２００９−１６０６９８号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
Claims (10)
- 第一の窒化物半導体からなる第一窒化物半導体層、および、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい第二の窒化物半導体からなる第二窒化物半導体層、を積層した積層体と、
前記積層体の上に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、
前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極と対向するよう設けられるドレイン電極と、
前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極の反対側に設けられるソース電極と、
を備え、
前記第二窒化物半導体層の前記ゲート電極と前記ドレイン電極で挟まれた領域には、
ｎ形不純物をドーピングされたｎ形不純物ドープ領域と、ｐ形不純物をドーピングされたｐ形不純物ドープ領域と、を前記ゲート電極がのびる方向に沿って交互に配列した縞模様が形成され、
前記積層体の上であって、前記ソース電極を挟んで前記ゲート電極の反対側に、第四の電極を備え、
前記第二窒化物半導体層の前記縞模様を構成するｐ形またはｎ形である１形不純物ドープ領域は、前記ソース電極の直下まで延伸し、
前記第二窒化物半導体層の前記縞模様を構成するｎ形またはｐ形であって１形とは異なる形の２形不純物ドープ領域は、前記第四の電極の直下まで延伸している電界効果トランジスタ。 - 前記ｎ形不純物ドープ領域のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ１と、
前記ｎ形不純物ドープ領域のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ１と、
前記ｎ形不純物ドープ領域の幅Ｗnと、
前記ｐ形不純物ドープ領域のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ２と、
前記ｐ形不純物ドープ領域のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ２と、
前記ｐ形不純物ドープ領域の幅Ｗpと、
前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との界面に形成される分極電荷の面密度σｐと、
素電荷ｑ（＝１．６×１０−１９Ｃ）と、が０．１＜（｜ｎｄ１−ｎａ１＋σｐ／ｑ｜×Ｗｎ）／（｜−ｎｄ２＋ｎａ２−σｐ／ｑ｜×Ｗｐ）＜１０
の関係式をみたす請求項１に記載の電界効果トランジスタ。 - 前記ｎ形不純物ドープ領域のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ１と、
前記ｎ形不純物ドープ領域のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ１と、
前記ｎ形不純物ドープ領域の幅Ｗnと、
前記ｐ形不純物ドープ領域のｐ形活性化不純物の面密度ｎａ２と、
前記ｐ形不純物ドープ領域のｎ形活性化不純物の面密度ｎｄ２と、
前記ｐ形不純物ドープ領域の幅Ｗpと、
前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との界面に形成される分極電荷の面密度σｐと、
素電荷ｑ（＝１．６×１０−１９Ｃ）と、が
｜ｎｄ１−ｎａ１＋σｐ／ｑ｜×Ｗｎ＝｜−ｎｄ２＋ｎａ２−σｐ／ｑ｜×Ｗｐの関係式をみたす請求項２に記載の電界効果トランジスタ。 - 前記第一窒化物半導体層は、前記第二窒化物半導体層の上側または下側に設けられている請求項１から３のいずれか一に記載の電界効果トランジスタ。
- 第一の窒化物半導体からなる第一窒化物半導体層の上に、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい第二の窒化物半導体からなる第二窒化物半導体層を積層した（０００１）面成長の積層体と、
前記積層体の上に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、
前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極と対向するよう設けられるドレイン電極と、
前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極の反対側に設けられるソース電極と、
を基板上に備え、
前記第二窒化物半導体層の前記ゲート電極と前記ドレイン電極で挟まれた領域には、
ｐ形不純物をドーピングされたｐ形不純物ドープ領域と、アンドープ領域と、を交互に配列した縞模様が形成され、
前記積層体と前記基板との間には、前記第一窒化物半導体層との界面にて前記第一窒化物半導体と格子整合する（０００１）面成長のバッファ層をさらに備える電界効果トランジスタ。 - 第一の窒化物半導体からなる第一窒化物半導体層の下に、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップの大きい第二の窒化物半導体からなる第二窒化物半導体層を積層した（０００１）面成長の積層体と、
前記積層体の上に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、
前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極と対向するよう設けられるドレイン電極と、
前記積層体の上に、前記第一窒化物半導体層と電気的に接続し、前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極の反対側に設けられるソース電極と、
を基板上に備え、
前記第二窒化物半導体層の前記ゲート電極と前記ドレイン電極で挟まれた領域には、
ｎ形不純物をドーピングされたｎ形不純物ドープ領域と、アンドープ領域と、を交互に配列した縞模様が形成され、
前記積層体と前記基板との間には、前記第二窒化物半導体層との界面にて前記第二窒化物半導体と格子整合する（０００１）面成長のバッファ層をさらに備える電界効果トランジスタ。 - 前記積層体の上であって、前記ソース電極を挟んで前記ゲート電極の反対側に、第四の電極を備えるとともに、
前記積層体の下であって、前記積層体と接する位置に、ｐ形またはｎ形である１形不純物をドーピングされた第三の窒化物半導体からなる第三窒化物半導体層を備え、
前記第二窒化物半導体層の前記縞模様を構成するｐ形またはｎ形である１形不純物ドープ領域は、前記ソース電極の直下まで延伸せず、
前記第四の電極の直下には、前記１形不純物をドーピングされた前記１形不純物ドープ領域が形成されている請求項５または６に記載の電界効果トランジスタ。 - 前記積層体の上であって、前記ソース電極を挟んで前記ゲート電極の反対側に、第四の電極を備え、
前記第二窒化物半導体層の前記縞模様を構成するｐ形またはｎ形である１形不純物ドープ領域は、前記ソース電極の直下まで延伸し、
前記第二窒化物半導体層の前記縞模様を構成するｎ形またはｐ形であって１形とは異なる形の２形不純物ドープ領域は、前記第四の電極の直下まで延伸している請求項５または６に記載の電界効果トランジスタ。 - 前記第四の電極は、前記ソース電極を介して電気的に接地している請求項７または８に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記積層体はエピタキシャル層である請求項１から９のいずれか一に記載の電界効果トランジスタ。
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