JP5712721B2 - Semiconductor device - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体により、反転型のＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）が構成された半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device in which an inverted HEMT (High Electron Mobility Transistor) is formed of a nitride semiconductor.

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のなかでも、Ｖ族として窒素を用いた窒化物半導体は、高い絶縁破壊電圧（絶縁破壊電界）と高い飽和電子速度（最大電子速度）を有している。そして、この窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）は、高速・高耐圧のデバイスとして注目されている。   Among group III-V compound semiconductors, nitride semiconductors using nitrogen as group V have a high breakdown voltage (breakdown electric field) and a high saturation electron velocity (maximum electron velocity). A HEMT (High Electron Mobility Transistor) using this nitride semiconductor has been attracting attention as a high-speed and high breakdown voltage device.

通常型のＨＥＭＴは、電子走行層上に電子供給層が積層され、電子供給層上にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極が設けられている。そして、電子走行層の電子供給層側に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成される。このように、ソース電極及びドレイン電極と２ＤＥＧとの間に電子供給層が存在するため、オーミック接触抵抗が大きいという問題がある。   In a normal type HEMT, an electron supply layer is stacked on an electron transit layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are provided on the electron supply layer. Then, a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed on the electron supply layer side of the electron transit layer. As described above, since the electron supply layer exists between the source electrode and the drain electrode and 2DEG, there is a problem that the ohmic contact resistance is large.

一方、例えば特許文献１，２に示されるように、反転型のＨＥＭＴは、電子供給層上に電子走行層が積層され、電子走行層上にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極が設けられている。そして、電子走行層の電子供給層側に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成される。このように、電子走行層上にソース電極及びドレイン電極を設けるため、オーミック接触抵抗を低減することができる。   On the other hand, as shown in Patent Documents 1 and 2, for example, the inverted HEMT has an electron transit layer stacked on an electron supply layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are provided on the electron transit layer. Yes. Then, a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed on the electron supply layer side of the electron transit layer. Thus, since the source electrode and the drain electrode are provided on the electron transit layer, the ohmic contact resistance can be reduced.

特開２００６−２６９５３４号公報JP 2006-269534 A 国際公開第２００８／１０５３７８号International Publication No. 2008/105378

しかしながら、特許文献１では、基板の（０００−１）面上に、基板面に対する厚さ方向が［０００−１］となるようにＡｌＧａＮ電子供給層が設けられ、電子供給層上にＧａＮ電子走行層が設けられる。このように、基板の（０００−１）面、換言すればＮ極性面上に、ＭＯＣＶＤ法などによって窒化物半導体を結晶成長させるのは困難である。特に、窒化物半導体以外の材料からなる基板を用いる場合には困難である。   However, in Patent Document 1, an AlGaN electron supply layer is provided on the (000-1) plane of the substrate so that the thickness direction with respect to the substrate surface is [000-1], and the GaN electron travels on the electron supply layer. A layer is provided. Thus, it is difficult to grow a nitride semiconductor crystal on the (000-1) plane of the substrate, in other words, on the N-polar plane by MOCVD or the like. In particular, it is difficult to use a substrate made of a material other than a nitride semiconductor.

一方、特許文献２では、電子供給層（下地層）の格子定数を電子走行層（キャリア走行層）の格子定数よりも大きいものとすることで、電子走行層の格子歪を、電子供給層に対して引張歪としている。このように電子走行層を引張歪とするのは、ピエゾ効果により誘起される電荷が電子走行層の電子供給層側で負の電荷となり、これにより、２ＤＥＧの電子濃度の減少を抑制するためである。また、基板と電子供給層との間に、基板との電子供給層との格子不整合を緩和するバッファ層を設けることで、電子供給層に格子歪、ひいてはピエゾ分極が生じないようにしている。   On the other hand, in Patent Document 2, by making the lattice constant of the electron supply layer (underlying layer) larger than the lattice constant of the electron transit layer (carrier transit layer), the lattice strain of the electron transit layer is reduced in the electron supply layer. On the other hand, it is set as tensile strain. The reason why the electron transit layer is made to have tensile strain in this way is that the charge induced by the piezo effect becomes a negative charge on the electron supply layer side of the electron transit layer, thereby suppressing the decrease in the electron concentration of 2DEG. is there. In addition, by providing a buffer layer between the substrate and the electron supply layer that relaxes the lattice mismatch between the substrate and the electron supply layer, lattice distortion and thus piezo polarization does not occur in the electron supply layer. .

しかしながら、半導体層に作用する分極としては、上記格子歪に基づくピエゾ分極だけでなく、結晶構造（結晶種類と結晶方位）に基づく自発分極もある。このため、特許文献２に示される構成では、２ＤＥＧを効果的に形成することができない。この点は本発明者によって確認されている。   However, the polarization acting on the semiconductor layer includes not only piezoelectric polarization based on the lattice strain but also spontaneous polarization based on the crystal structure (crystal type and crystal orientation). For this reason, 2DEG cannot be formed effectively in the configuration disclosed in Patent Document 2. This point has been confirmed by the present inventors.

本発明は上記問題点に鑑み、窒化物半導体により、反転型のＨＥＭＴが構成された半導体装置において、半導体装置の形成を容易としつつ２ＤＥＧを効果的に形成することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to effectively form a 2DEG while facilitating the formation of a semiconductor device in a semiconductor device in which an inverted HEMT is formed of a nitride semiconductor.

上記目的を達成する為に請求項１に記載の半導体装置は、
窒化物半導体からなる下地層の（０００１）面上に、窒化物半導体からなる電子供給層、窒化物半導体からなる電子走行層の順に積層され、
電子走行層における電子供給層と反対の面上に、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極が設けられるものである。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to claim 1,
On the (0001) surface of the underlying layer made of a nitride semiconductor, an electron supply layer made of a nitride semiconductor and an electron transit layer made of a nitride semiconductor are stacked in this order.
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are provided on the surface of the electron transit layer opposite to the electron supply layer.

そして、電子供給層は、下地層よりも格子定数が大きく、格子歪が下地層に対して圧縮歪とされるており、［０００１］方向を分極の正方向とした場合、電子供給層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、電子走行層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１よりも大きいことを特徴とする。 The electron supply layer has a lattice constant larger than that of the base layer, and the lattice strain is a compressive strain with respect to the base layer. When the [0001] direction is the positive direction of polarization, the electron supply layer is spontaneous The sum P2 of polarization and piezoelectric polarization is characterized by being larger than the sum P1 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the electron transit layer.

このように本発明では、下地層の（０００１）面、すなわちＧａ極性面に対して、電子供給層、電子走行層の順に積層される。このため、（０００−１）面上に、電子供給層、電子走行層を設ける構成に較べて、電子供給層、電子走行層を構成する窒化物半導体を結晶成長させやすい。すなわち、反転型のＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）が構成された半導体装置を容易に形成することができる。   Thus, in the present invention, the electron supply layer and the electron transit layer are laminated in this order on the (0001) plane of the underlayer, that is, the Ga polar plane. For this reason, compared with the structure which provides an electron supply layer and an electron transit layer on (000-1) plane, it is easy to carry out crystal growth of the nitride semiconductor which constitutes an electron supply layer and an electron transit layer. That is, a semiconductor device in which an inversion HEMT (high electron mobility transistor) is configured can be easily formed.

ここで、下地層の（０００１）面に対する電子供給層及び電子走行層の積層方向を基準として、上層である電子走行層の分極の和Ｐ１と下層である電子供給層の分極の和Ｐ２の差（Ｐ１−Ｐ２）を電荷素量（１．６×１０^−１９Ｃ）で除算した値が、電子走行層と電子供給層とのヘテロ界面に分極によって生じる電荷量を示す。［０００１］方向を分極の正方向とした場合、この電荷量が負の値を示すと、ヘテロ界面に電子、すなわち２ＤＥＧを生じ、正の値を示すと電子が生じない。本発明では、［０００１］方向を分極の正方向として、電子供給層の分極の和Ｐ２が電子走行層の分極の和Ｐ１よりも大きく（Ｐ２＞Ｐ１）、上記分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）、ひいては電荷量が負の値を示す。このため、２ＤＥＧを電子走行層と電子供給層とのヘテロ界面に生じさせることができる。また、２ＤＥＧは、電子走行層における電子供給層側に形成される。したがって、本発明によれば、電子走行層の電子供給層側に２ＤＥＧを効果的に形成することができる。なお、分極の値は、下地層の（０００１）面に対して、電子供給層、電子走行層が積層された方向、すなわち［０００１］方向を正として示される。 Here, with reference to the stacking direction of the electron supply layer and the electron transit layer with respect to the (0001) plane of the base layer, the difference between the sum P1 of polarization of the electron transit layer as the upper layer and the sum P2 of polarization of the electron feed layer as the lower layer The value obtained by dividing (P1-P2) by the elementary charge (1.6 × 10 ⁻¹⁹ C) indicates the amount of charge generated by polarization at the heterointerface between the electron transit layer and the electron supply layer. When the [0001] direction is the positive direction of polarization, if this charge amount shows a negative value, an electron, that is, 2DEG is generated at the heterointerface, and if it shows a positive value, no electron is generated. In the present invention, with the [0001] direction as the positive direction of polarization, the sum P2 of the polarization of the electron supply layer is larger than the sum P1 of the polarization of the electron transit layer (P2> P1), and the difference between the sums of the polarizations (P1- P2), and consequently, the charge amount shows a negative value. For this reason, 2DEG can be generated at the heterointerface between the electron transit layer and the electron supply layer. The 2DEG is formed on the electron supply layer side in the electron transit layer. Therefore, according to the present invention, 2DEG can be effectively formed on the electron supply layer side of the electron transit layer. The polarization value is indicated with respect to the (0001) plane of the underlayer as positive in the direction in which the electron supply layer and the electron transit layer are stacked, that is, the [0001] direction.

上記分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）を負の値とするには、電子走行層及び電子供給層の少なくとも一方において、自発分極及びピエゾ分極の少なくとも一方を調整すれば良い。本発明では、従来の構成とは異なり、電子供給層を下地層に対して圧縮歪とする。圧縮歪の場合、下地層に対する電子走行層及び電子供給層の積層方向に分極、すなわち［０００１］方向に分極しているということである。このため、電子供給層の分極の和Ｐ２が大きくなり、ひいては分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）がより小さく（負の値であって絶対値としてより大きく）なる。したがって、電子走行層の電子供給層側に２ＤＥＧをより効果的に形成することができる。   In order to make the difference (P1−P2) in the sum of polarizations a negative value, at least one of spontaneous polarization and piezoelectric polarization may be adjusted in at least one of the electron transit layer and the electron supply layer. In the present invention, unlike the conventional configuration, the electron supply layer has a compressive strain with respect to the underlayer. In the case of compressive strain, it is polarized in the stacking direction of the electron transit layer and the electron supply layer with respect to the underlayer, that is, polarized in the [0001] direction. For this reason, the sum P2 of the polarization of the electron supply layer is increased, and as a result, the difference (P1−P2) in the sum of polarization is smaller (a negative value and larger as an absolute value). Therefore, 2DEG can be more effectively formed on the electron supply layer side of the electron transit layer.

請求項２に記載のように、電子供給層のバンドギャップは、電子走行層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。これによれば、電子走行層の電子供給層側に２ＤＥＧを形成することができる。 As described in claim 2, the band gap of the electron supply layer is preferably larger than the band gap of the electron transit layer. According to this, 2DEG can be formed on the electron supply layer side of the electron transit layer.

具体的には、請求項３に記載のように、電子供給層はＡｌＩｎＮからなり、電子走行層はＡｌＧａＮからなる構成を採用することができる。また、請求項４に記載のように、電子供給層はＡｌＩｎＮからなり、電子走行層はＩｎＧａＮからなる構成を採用することもできる。 Specifically, as described in claim 3 , it is possible to adopt a configuration in which the electron supply layer is made of AlInN and the electron transit layer is made of AlGaN. Further, as described in claim 4 , the electron supply layer may be made of AlInN, and the electron transit layer may be made of InGaN.

なお、ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＮについては、ＡｌＮ混晶比が高くなるほど、格子定数が小さくなるとともにバンドギャップエネルギーが大きくなる。一方、ＩｎＧａＮについては、ＧａＮ混晶比が高くなるほど、格子定数が小さくなるとともにバンドギャップエネルギーが大きくなる。このため、組成比については、分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）が負の値を示し、且つ、電子供給層のバンドギャップが電子走行層のバンドギャップよりも大きい範囲内で決定される。   For AlInN and AlGaN, the higher the AlN mixed crystal ratio, the smaller the lattice constant and the larger the band gap energy. On the other hand, for InGaN, the higher the GaN mixed crystal ratio, the smaller the lattice constant and the larger the band gap energy. Therefore, the composition ratio is determined within a range in which the difference in the sum of polarization (P1−P2) shows a negative value and the band gap of the electron supply layer is larger than the band gap of the electron transit layer.

請求項５に記載のように、電子供給層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、下地層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ３よりも大きいことが好ましい。 As claimed in claim 5, the sum P2 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the electron supply layer is preferably greater than the sum P3 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the underlying layer.

下地層の（０００１）面に対する電子供給層及び電子走行層の積層方向を基準として、上層である電子供給層の分極の和Ｐ２と下層である下地層の分極の和Ｐ３の差（Ｐ２−Ｐ３）を電荷素量（１．６×１０^−１９Ｃ）で除算した値が、電子供給層と下地層とのヘテロ界面に分極によって生じる電荷量を示す。この電荷量が負の値の場合、ヘテロ界面に電子、すなわち２ＤＥＧを生じ、正の値の場合に電子が生じない。本発明では、電子供給層の分極の和Ｐ２が下地層の分極の和Ｐ３よりも大きく（Ｐ２＞Ｐ３）、上記分極の和の差（Ｐ２−Ｐ３）、ひいては電荷量が正の値を示す。このため、電子供給層と下地層とのヘテロ界面に２ＤＥＧが生じるのを抑制することができる。 The difference between the sum P2 of the polarization of the electron supply layer as the upper layer and the sum P3 of the polarization of the underlying layer as the lower layer (P2−P3) with reference to the stacking direction of the electron supply layer and the electron transit layer with respect to the (0001) plane of the base layer ) Divided by the elementary charge (1.6 × 10 ⁻¹⁹ C) indicates the amount of charge generated by polarization at the heterointerface between the electron supply layer and the underlayer. When this charge amount is a negative value, an electron, that is, 2DEG is generated at the heterointerface, and when it is a positive value, no electron is generated. In the present invention, the sum P2 of the polarization of the electron supply layer is larger than the sum P3 of the polarization of the underlayer (P2> P3), the difference of the sum of the polarizations (P2-P3), and thus the amount of charge shows a positive value. . For this reason, 2DEG can be suppressed from occurring at the heterointerface between the electron supply layer and the base layer.

具体的には、請求項６に記載のように、ＡｌＧａＮからなる下地層、請求項７に記載のように、ＡｌＩｎＮからなる下地層を採用することができる。なお、組成比については、分極の和の差（Ｐ２−Ｐ３）が正の値を示す範囲内で決定される。 Specifically, an underlayer made of AlGaN as described in claim 6 and an underlayer made of AlInN as described in claim 7 can be adopted. The composition ratio is determined within a range in which the difference in the sum of polarization (P2−P3) shows a positive value.

請求項８に記載のように、下地層は、基板上に積層されるともに（０００１）面が基板と反対の面とされ、基板に対して下地層の格子歪が緩和された構成としても良い。この場合、下地層の格子歪は緩和され、ピエゾ分極が発生していない。したがって、基板と電子供給層との格子定数の差による分極（ピエゾ分極）の影響を抑制することができる。なお、請求項９に記載のように、下地層として、窒化物半導体からなる基板を採用しても良い。 As described in claim 8 , the underlayer may be laminated on the substrate and the (0001) plane may be opposite to the substrate so that the lattice strain of the underlayer is relaxed with respect to the substrate. . In this case, the lattice strain of the underlayer is relaxed and piezo polarization is not generated. Therefore, the influence of polarization (piezo polarization) due to the difference in lattice constant between the substrate and the electron supply layer can be suppressed. In addition, as described in claim 9 , a substrate made of a nitride semiconductor may be employed as the underlayer.

請求項１０に記載のように、電子走行層における電子供給層と反対の面上に、電子走行層よりも格子定数が大きく、且つ、電子走行層よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体からなるコンタクト層を介して、ソース電極及びドレイン電極が設けられても良い。 The contact made of a nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the electron transit layer and having a band gap smaller than that of the electron transit layer on the surface opposite to the electron supply layer in the electron transit layer. A source electrode and a drain electrode may be provided through the layer.

これによれば、オーミック接触抵抗をより低減することができる。また、コンタクト層に２ＤＥＧが形成されるのを抑制することができる。   According to this, the ohmic contact resistance can be further reduced. Further, 2DEG can be suppressed from being formed in the contact layer.

本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. 窒化物半導体において、自発分極の組成依存性を示す図である。It is a figure which shows the composition dependence of spontaneous polarization in a nitride semiconductor. 窒化物半導体において、ピエゾ分極の組成依存性を示す図である。It is a figure which shows the composition dependence of piezoelectric polarization in a nitride semiconductor. 窒化物半導体において、格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す図である。In a nitride semiconductor, it is a figure which shows the relationship between a lattice constant and band gap energy. ＡｌＩｎＮ電子供給層が歪緩和している場合の、電子供給層とＡｌＧａＮ電子走行層の組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the composition of an electron supply layer and an AlGaN electron transit layer when an AlInN electron supply layer is strain-relaxed. 歪緩和したＡｌＧａＮ下地層、ＡｌＩｎＮ電子供給層、ＡｌＧａＮ電子走行層の構成において、電子供給層と電子走行層の界面に２ＤＥＧが形成される組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the composition in which 2DEG is formed in the interface of an electron supply layer and an electron transit layer in the structure of the AlGaN base layer, AlInN electron supply layer, and AlGaN electron transit layer which carried out strain relaxation. 歪緩和したＡｌＧａＮ下地層、ＡｌＩｎＮ電子供給層、ＡｌＧａＮ電子走行層の構成において、下地層と電子供給層の界面に２ＤＥＧが形成される組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the composition in which 2DEG is formed in the interface of a base layer and an electron supply layer in the structure of the AlGaN base layer, AlInN electron supply layer, and AlGaN electron transit layer which carried out strain relaxation. ＡｌＩｎＮ電子供給層が歪緩和している場合の、電子供給層とＩｎＧａＮ電子走行層の組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the composition of an electron supply layer and an InGaN electron transit layer, when the AlInN electron supply layer is strain-relaxed. 歪緩和したＡｌＧａＮ下地層、ＡｌＩｎＮ電子供給層、ＩｎＧａＮ電子走行層の構成において、電子供給層と電子走行層の界面に２ＤＥＧが形成される組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the composition in which 2DEG is formed in the interface of an electron supply layer and an electron transit layer in the structure of the AlGaN base layer, AlInN electron supply layer, and InGaN electron transit layer which carried out strain relaxation. 歪緩和したＡｌＩｎＮ下地層、ＡｌＩｎＮ電子供給層、ＩｎＧａＮ電子走行層の構成において、電子供給層と電子走行層の界面に２ＤＥＧが形成される組成の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the composition in which 2DEG is formed in the interface of an electron supply layer and an electron transit layer in the structure of the AlInN base layer, AlInN electron supply layer, and InGaN electron transit layer which carried out strain relaxation. その他変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another modification. その他変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another modification. その他変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another modification.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、窒化物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体において、Ｖ族をＮ（窒素）とするものを指す。なお、以下において、ＡｌＧａＮとは、特に組成の明記の無い限り、表記の３元窒化物半導体（ＡｌＧａＮ）のみならず、その概念として、２元窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＮ）も含むものとする。ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮについても同様である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, common or related elements are given the same reference numerals. The nitride semiconductor refers to a group III-V compound semiconductor in which the group V is N (nitrogen). In the following, “AlGaN” includes not only the indicated ternary nitride semiconductor (AlGaN) but also a binary nitride semiconductor (GaN, AlN) as a concept, unless otherwise specified. The same applies to AlInN and InGaN.

図１に示すように、半導体装置１０は、基板１１と、基板１１の一面１１ａ上に配置された半導体層としてのバッファ層１３、下地層１５、電子供給層１７、及び電子走行層１９と、を有する。また、電子走行層１９上に設けられた電極として、ゲート電極２１、ソース電極２３、及びドレイン電極２５を有する。そしてこれらにより、反転型のＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）が構成されている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 includes a substrate 11, a buffer layer 13 as a semiconductor layer disposed on one surface 11 a of the substrate 11, an underlayer 15, an electron supply layer 17, and an electron transit layer 19. Have In addition, a gate electrode 21, a source electrode 23, and a drain electrode 25 are provided as electrodes provided on the electron transit layer 19. Thus, an inverted HEMT (High Electron Mobility Transistor) is configured.

基板１１は、例えばＳｉ、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる。本実施形態では、Ｓｉからなる基板１１を採用している。また、基板１１の一面１１ａが（１１１）面となっている。このように、Ｓｉからなる基板１１の一面１１ａを（１１１）面とするのは、この（１１１）面が窒化物半導体の（０００１）面に近いからである。すなわち、基板１１の一面１１ａに対する半導体層の積層方向、換言すれば一面１１ａの上方が［０００１］方向となるようにするためである。この基板１１の一面１１ａには、バッファ層１３が積層されている。   The substrate 11 is made of a nitride semiconductor such as Si, SiC, sapphire, or GaN. In the present embodiment, a substrate 11 made of Si is employed. Further, one surface 11a of the substrate 11 is a (111) surface. The reason why the one surface 11a of the substrate 11 made of Si is the (111) plane is that this (111) plane is close to the (0001) plane of the nitride semiconductor. In other words, the stacking direction of the semiconductor layers with respect to the one surface 11a of the substrate 11, that is, the upper side of the one surface 11a is the [0001] direction. A buffer layer 13 is laminated on one surface 11 a of the substrate 11.

バッファ層１３は、基板１１と下地層１５との格子定数の差により、下地層１５に歪（格子歪）が生じるのを抑制するための層、すなわち下地層１５の歪を緩和する（格子歪をほぼゼロとする）ための層である。本実施形態では、窒化物半導体であるＡｌＮとＧａＮが交互に積層された超格子構造のバッファ層１３を採用している。なお、積層方向において、バッファ層１３の両端は、ＡｌＮとなっている。このため、下地層１５が基板１１から受ける歪（格子歪）を緩和する、すなわち下地層１５の格子歪（ピエゾ分極）を無くすことができる。また、基板１１を構成するＳｉと下地層１５を構成する窒化物半導体との格子定数及び線膨張係数の相違により、下地層１５にクラックや欠陥が生じるのを抑制することもできる。このバッファ層１３における基板１１と反対の面には、下地層１５が積層されている。   The buffer layer 13 is a layer for suppressing the generation of strain (lattice strain) in the base layer 15 due to the difference in lattice constant between the substrate 11 and the base layer 15, that is, relaxes strain of the base layer 15 (lattice strain). Is set to be almost zero). In the present embodiment, a buffer layer 13 having a superlattice structure in which AlN and GaN, which are nitride semiconductors, are alternately stacked is employed. Note that both ends of the buffer layer 13 are AlN in the stacking direction. Therefore, the strain (lattice strain) received by the underlayer 15 from the substrate 11 can be relaxed, that is, the lattice strain (piezo polarization) of the underlayer 15 can be eliminated. In addition, it is possible to suppress the occurrence of cracks and defects in the underlayer 15 due to the difference in lattice constant and linear expansion coefficient between Si constituting the substrate 11 and the nitride semiconductor constituting the underlayer 15. A base layer 15 is laminated on the surface of the buffer layer 13 opposite to the substrate 11.

下地層１５は、歪（格子歪）が緩和されており、該下地層１５上に積層される電子供給層１７、電子走行層１９の歪（格子歪）の基準となる層である。下地層１５は、窒化物半導体からなり、本実施形態では、下地層１５として、窒化物半導体の中でも格子定数が小さく且つバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮを採用している。この組成（ＡｌＮの混晶比）は、下地層１５と電子供給層１７の界面に、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されない範囲で設定される。具体的には、下地層１５の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ３が、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２よりも小さくなるように設定される。この点については後述する。   The underlayer 15 has a relaxed strain (lattice strain), and serves as a reference for strain (lattice strain) of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 stacked on the underlayer 15. The underlayer 15 is made of a nitride semiconductor. In the present embodiment, AlGaN having a small lattice constant and a large band gap energy is used as the underlayer 15 among the nitride semiconductors. This composition (AlN mixed crystal ratio) is set within a range in which the two-dimensional electron gas (2DEG) is not formed at the interface between the underlayer 15 and the electron supply layer 17. Specifically, the sum P3 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the underlayer 15 is set to be smaller than the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17. This point will be described later.

下地層１５は、歪が緩和されているため、５μｍ以上の膜厚とすることができる。このように厚膜とすると、ＨＥＭＴの耐圧を向上（数百Ｖ）することができる。また、下地層１５として２元系の例えばＧａＮ（ＡｌＮなし）を採用すると、厚膜形成しても組成の不均一が生じず、安定した厚膜結晶を得ることができる。本実施形態では、下地層１５として５μｍ以上の膜厚を有するＧａＮを採用している。   The underlayer 15 has a thickness of 5 μm or more because the strain is relaxed. With such a thick film, the breakdown voltage of the HEMT can be improved (several hundred volts). Further, when a binary system such as GaN (without AlN) is employed as the underlayer 15, even if a thick film is formed, the composition does not become non-uniform, and a stable thick film crystal can be obtained. In the present embodiment, GaN having a film thickness of 5 μm or more is employed as the underlayer 15.

また、下地層１５におけるバッファ層１３と反対の面１５ａ（以下、一面１５ａと示す）は、（０００１）面、すなわちＧａ極性面となっている。そして、これにより、一面１５ａ上に積層される電子供給層１７、電子走行層１９の、一面１５ａを基準とする積層方向が［０００１］方向となっている。このような下地層１５の一面１５ａには、電子供給層１７が積層されている。   Further, a surface 15a (hereinafter referred to as one surface 15a) opposite to the buffer layer 13 in the underlayer 15 is a (0001) surface, that is, a Ga polar surface. Thus, the stacking direction of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 stacked on the one surface 15a with respect to the one surface 15a is the [0001] direction. An electron supply layer 17 is laminated on one surface 15 a of the underlayer 15.

電子供給層１７も、窒化物半導体からなる。電子供給層１７は、電子走行層１９とのヘテロ界面であって電子走行層１９側に２ＤＥＧ２７を効果的に形成するように、窒化物半導体の種類と組成が設定されている。具体的には、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、電子走行層１９の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１よりも大きくなるように設定されている。本実施形態では、電子供給層１７として下地層１５よりも格子定数の大きい窒化物半導体を採用し、これにより電子供給層１７の歪（格子歪）を下地層１５に対して圧縮歪とすることで、分極の和Ｐ２が分極の和Ｐ１よりも大きくなるようにしている。また、電子供給層１７として、電子走行層１９よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体を採用している。この点については後述する。   The electron supply layer 17 is also made of a nitride semiconductor. The type and composition of the nitride semiconductor are set so that the electron supply layer 17 effectively forms 2DEG 27 on the electron transit layer 19 side, which is a hetero interface with the electron transit layer 19. Specifically, the sum P2 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 is set to be larger than the sum P1 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the electron transit layer 19. In the present embodiment, a nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the base layer 15 is adopted as the electron supply layer 17, thereby making the strain (lattice strain) of the electron supply layer 17 a compressive strain with respect to the base layer 15. Therefore, the sum P2 of polarization is made larger than the sum P1 of polarization. Further, a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer 19 is adopted as the electron supply layer 17. This point will be described later.

具体的には、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮを採用している。このＡｌＩｎＮは、組成（ＡｌＮ混晶比）によるバンドギャップエネルギーの幅が広く、ＡｌＮ混晶比が高くなるほど、格子定数が小さくなるとともにバンドギャップエネルギーが大きくなる。ＡｌＩｎＮの組成は、分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）が負の値を示し、且つ、電子供給層１７のバンドギャップが電子走行層１９のバンドギャップよりも大きい範囲内で設定される。より具体的には、下地層１５を構成するＧａＮの格子定数に対してエピタキシャル成長し、これにより圧縮歪を有する厚さ２０ｎｍのＡｌ_０．７５Ｉｎ_０．２５Ｎを採用している。この電子供給層１７における下地層１５と反対の面には、電子走行層１９が積層されている。 Specifically, AlInN is adopted as the electron supply layer 17. The AlInN has a wide band gap energy width depending on the composition (AlN mixed crystal ratio), and the higher the AlN mixed crystal ratio, the smaller the lattice constant and the larger the band gap energy. The composition of AlInN is set within a range where the difference in sum of polarization (P1−P2) shows a negative value and the band gap of the electron supply layer 17 is larger than the band gap of the electron transit layer 19. More specifically, Al _0.75 In _0.25 N having a thickness of 20 nm having a compressive strain by epitaxial growth with respect to the lattice constant of GaN constituting the underlayer 15 is employed. An electron transit layer 19 is laminated on the surface of the electron supply layer 17 opposite to the base layer 15.

電子走行層１９も、窒化物半導体からなる。この電子走行層１９は、電子供給層１７で述べたように、電子走行層１９における電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７を効果的に形成するように、窒化物半導体の種類と組成が設定されている。本実施形態では、電子走行層１９として下地層１５よりも格子定数の小さい窒化物半導体を採用し、これにより電子走行層１９の歪（格子歪）を下地層１５に対して引張歪としている。また、電子走行層１９として、電子供給層１７よりもバンドギャップの小さい窒化物半導体を採用している。この点については後述する。   The electron transit layer 19 is also made of a nitride semiconductor. As described in the electron supply layer 17, the type and composition of the nitride semiconductor are set in the electron transit layer 19 so as to effectively form 2DEG 27 on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19. . In the present embodiment, a nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the base layer 15 is adopted as the electron transit layer 19, thereby setting the strain (lattice strain) of the electron transit layer 19 as a tensile strain with respect to the base layer 15. Further, a nitride semiconductor having a band gap smaller than that of the electron supply layer 17 is adopted as the electron transit layer 19. This point will be described later.

具体的には、電子走行層１９としてＡｌＧａＮを採用している。このＡｌＧａＮは、窒化物半導体の中で、格子定数が小さい。また、ＡｌＮ混晶比が高くなるほど、格子定数が小さくなるとともにバンドギャップエネルギーが大きくなる。ＡｌＧａＮの組成は、分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）が負の値を示し、且つ、電子走行層１９のバンドギャップが電子供給層１７のバンドギャップよりも小さい範囲内で設定される。より具体的には、厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを採用している。したがって、電子走行層１９における電子供給層１７側に、２ＤＥＧ１７が形成される。 Specifically, AlGaN is adopted as the electron transit layer 19. This AlGaN has a small lattice constant among nitride semiconductors. Further, as the AlN mixed crystal ratio increases, the lattice constant decreases and the band gap energy increases. The composition of AlGaN is set so that the difference in the sum of polarization (P1−P2) shows a negative value and the band gap of the electron transit layer 19 is smaller than the band gap of the electron supply layer 17. More specifically, Al _0.2 Ga _0.8 N having a thickness of 30 nm is employed. Therefore, 2DEG 17 is formed on the electron supply layer 17 side in the electron transit layer 19.

これら窒化物半導体層１３，１５，１７，１９は、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、基板１の一面１１ａ上に形成されている。   These nitride semiconductor layers 13, 15, 17, and 19 are formed on one surface 11a of the substrate 1 using MOCVD or the like.

電子走行層１９における電子供給層１７と反対の面には、ゲート電極２１、ソース電極２３、ドレイン電極２５が形成されている。ゲート電極２１としては、電子走行層１９とショットキー接触する金属（単層又は複層）を採用することができる。一方、ソース電極２３及びドレイン電極２５としては、電子走行層１９とオーミック接触する金属（単層又は複層）を採用することができる。   A gate electrode 21, a source electrode 23, and a drain electrode 25 are formed on the surface of the electron transit layer 19 opposite to the electron supply layer 17. As the gate electrode 21, a metal (single layer or multiple layers) in Schottky contact with the electron transit layer 19 can be employed. On the other hand, as the source electrode 23 and the drain electrode 25, a metal (single layer or multiple layers) in ohmic contact with the electron transit layer 19 can be employed.

次に、このような半導体装置１０において、下地層１５、電子供給層１７、電子走行層１９を上記構成とする理由について説明する。   Next, the reason why the base layer 15, the electron supply layer 17, and the electron transit layer 19 are configured as described above in the semiconductor device 10 will be described.

先ず、窒化物半導体に生じる分極について説明する。   First, polarization occurring in a nitride semiconductor will be described.

窒化物半導体では、結晶構造による自発分極と格子歪によるピエゾ分極が生じる。窒化物半導体の分極については、Ｏ・Ａｍｂａｃｈｅｒらにより、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ，Ｖｏｌ１４，ｐｐ３３９９−３４３４，２００２にて報告されている。   In a nitride semiconductor, spontaneous polarization due to a crystal structure and piezo polarization due to lattice distortion occur. The polarization of nitride semiconductors is reported by O. Ambacher et al. In Journal of Physics, Condensed Matter, Vol 14, pp 3399-3434, 2002.

３元窒化物半導体Ａ_ｘＢ_１−ｘＮの自発分極Ｐ_{ＳＰ＿ＡＢＮ}（ｘ）は、２元窒化物半導体ＡＮ、ＢＮの自発分極Ｐ_{ＳＰ＿ＡＮ}、Ｐ_{ＳＰ＿ＢＮ}と、ボーイングパラメータｂ_ＡＢＮを用いて次式示される。
（数１）
Ｐ_{ＳＰ＿ＡＢＮ}（ｘ）＝ｘ・Ｐ_{ＳＰ＿ＡＮ}＋（１−ｘ）・Ｐ_{ＳＰ＿ＢＮ}＋ｘ・（１−ｘ）・ｂ_ＡＢＮ
ここで、２元窒化物半導体の自発分極は、
Ｐ_{ＳＰ＿ＡｌＮ}＝−０．０９０（Ｃ／ｍ^２）、
Ｐ_{ＳＰ＿ＧａＮ}＝−０．０３４（Ｃ／ｍ^２）、
Ｐ_{ＳＰ＿ＩｎＮ}＝−０．０４２（Ｃ／ｍ^２）である。 The spontaneous polarization P _{SP_ABN} (x) of the ternary nitride semiconductor A _x B _1-x N is expressed by the following equation using the spontaneous polarizations P _{SP_AN} and P _{SP_BN of the binary} nitride semiconductor AN and BN and the bowing parameter b _ABN. It is.
(Equation 1)
P _{SP_ABN} (x) = x · P _{SP_AN} + (1-x) · P _{SP_BN} + x · (1-x) · b _ABN
Here, the spontaneous polarization of the binary nitride semiconductor is
P _{SP_AlN} = −0.090 (C / m ² ),
P _{SP_GaN} = −0.034 (C / m ² ),
P _{SP_InN} = −0.042 (C / m ² ).

また、３元窒化物半導体のボーイングパラメータは、
ｂ_{ＡｌＧａＮ}＝０．０２１（Ｃ／ｍ^２）、
ｂ_{ＩｎＧａＮ}＝０．０３７（Ｃ／ｍ^２）、
ｂ_{ＡｌＩｎＮ}＝０．０７０（Ｃ／ｍ^２）である。 Also, the bowing parameter of ternary nitride semiconductor is
b _AlGaN = 0.021 (C / m ² ),
b _InGaN = 0.037 (C / m ² ),
b _AlInN = 0.070 (C / m ² ).

数式１、２元窒化物半導体の自発分極、３元窒化物半導体のボーイングパラメータから求めた３元窒化物半導体Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの自発分極を図２に示す。図２では、［０００１］方向を正としている。図２に示すように、いずれの３元窒化物半導体も、組成ｘによらず負の値を示している。このように負の値を示すということは、［０００−１］方向に分極しているということである。なお、正の値を示す場合には、［０００１］方向に分極している。 Formula 1, Spontaneous polarization of ternary nitride semiconductor, ternary nitride semiconductor Al _x Ga _1-x N, Al _x In _1-x N, In _x Ga _1-x obtained from bowing parameters of ternary nitride semiconductor The spontaneous polarization of N is shown in FIG. In FIG. 2, the [0001] direction is positive. As shown in FIG. 2, any ternary nitride semiconductor shows a negative value regardless of the composition x. Thus, showing a negative value means that it is polarized in the [000-1] direction. In addition, when showing a positive value, it is polarized in the [0001] direction.

一方、格子歪により生じるピエゾ分極Ｐ_{ＰＺ＿ＡＢＮ}（ｘ）はピエゾ定数ｅ３１，ｅ３３，ｃ１３，ｃ３３と、下地層１５との格子歪εを用いて次式で示される。
（数２）
Ｐ_{ＰＺ＿ＡＢＮ}（ｘ）＝２・ε・{ｅ３１−ｅ３３・（ｃ１３／ｃ３３）}
格子歪εは、下地層１５の格子定数ａ０と、下地層１５にエピタキシャル成長した窒化物半導体層（本実施形態において、電子供給層１７及び電子走行層１９）の格子定数ａ１により、次式で示される
（数３）
ε＝（ａ０−ａ１）／ａ１
数式２に示すように、ピエゾ分極Ｐ_{ＰＺ＿ＡＢＮ}（ｘ）は格子歪εに比例しており、数式３に示す格子歪εが引張歪となる場合には、［０００−１］方向に分極しているということである。一方、格子歪εが圧縮歪となる場合には、［０００１］方向に分極しているということである。 On the other hand, the piezoelectric polarization P _{PZ_ABN} (x) generated by the lattice strain is expressed by the following equation using the lattice strain ε of the piezoelectric constants e31, e33, c13, c33 and the underlayer 15.
(Equation 2)
P _{PZ_ABN} (x) = 2 · ε · {e31−e33 · (c13 / c33)}
The lattice strain ε is represented by the following equation using the lattice constant a0 of the underlayer 15 and the lattice constant a1 of the nitride semiconductor layer (in the present embodiment, the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19) epitaxially grown on the underlayer 15. (Equation 3)
ε = (a0−a1) / a1
As shown in Equation 2, the _{piezopolarization} P _{PZ_ABN} (x) is proportional to the lattice strain ε, and when the lattice strain ε shown in Equation 3 becomes a tensile strain, it is polarized in the [000-1] direction. That is. On the other hand, when the lattice strain ε becomes a compressive strain, it means that it is polarized in the [0001] direction.

図３に、ＧａＮにエピタキシャル成長した３元窒化物半導体Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮのピエゾ分極を示す。図３に示すように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮは組成によらず負の値を示している。一方、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮは、組成によらず正の値を示すとともに、ＩｎＮの混晶比が高くなるほど値が大きくなっている。また、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮは、ｘ＝０．８程度まで正の値を示し、ＡｌＮの混晶比が小さいほど値が大きくなっている。 FIG. 3 shows piezoelectric polarization of ternary nitride semiconductors Al _x Ga _1-x N, Al _x In _1-x N, and In _x Ga _1-x N epitaxially grown on GaN. As shown in FIG. 3, Al _x Ga _1-x N shows a negative value regardless of the composition. On the other hand, In _x Ga _1-x N shows a positive value regardless of the composition, and the value increases as the mixed crystal ratio of InN increases. Further, Al _x In _1-x N shows a positive value up to about x = 0.8, and the value increases as the mixed crystal ratio of AlN decreases.

ところで、窒化物半導体からなる各層の分極は、数式１に示す自発分極Ｐ_{ＳＰ＿ＡＢＮ}（ｘ）と、数式２に示すピエゾ分極Ｐ_{ＰＺ＿ＡＢＮ}（ｘ）の和で示される。 By the way, the polarization of each layer made of a nitride semiconductor is represented by the sum of the spontaneous polarization P _{SP_ABN} (x) shown in Formula 1 and the piezo polarization P _{PZ_ABN} (x) shown in Formula 2.

ヘテロ界面に分極によって発生する電荷量は、基板１１の一面１１ａ又は下地層１５の一面１５ａ、すなわち（０００１）面に対する窒化物半導体層の積層方向を基準として、上層の分極から下層の分極を差し引いた値を電荷素量(１．６×１０^−１９Ｃ)で除算することにより求めることができる。例えば、下地層１５の一面１５ａ、すなわち（０００１）面に対する電子供給層１７及び電子走行層１９の積層方向を基準として、上層である電子走行層１９の分極の和Ｐ１と、下層である電子供給層１７の分極の和Ｐ２の差（Ｐ１−Ｐ２）を電荷素量で除算した値が、電子走行層と電子供給層とのヘテロ界面に分極によって生じる電荷量を示すこととなる。 The amount of charge generated by polarization at the heterointerface is obtained by subtracting the polarization of the lower layer from the polarization of the upper layer with reference to the stacking direction of the nitride semiconductor layer with respect to one surface 11a of the substrate 11 or one surface 15a of the underlying layer 15, that is, the (0001) plane. This value can be obtained by dividing the value by the elementary charge (1.6 × 10 ⁻¹⁹ C). For example, with reference to the stacking direction of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 with respect to one surface 15a of the underlayer 15, that is, the (0001) plane, the sum P1 of the polarization of the electron transit layer 19 as the upper layer and the electron supply as the lower layer A value obtained by dividing the difference (P1−P2) in the sum of polarization P2 of the layer 17 by the elementary charge amount indicates the amount of charge generated by polarization at the heterointerface between the electron transit layer and the electron supply layer.

この分極の和の差（例えばＰ１−Ｐ２）が負の場合、ヘテロ界面に電子が発生する。すなわち、２ＤＥＧ２７が形成される。一方、分極の和の差が正の場合、ヘテロ界面には電子は発生しない。すなわち２ＤＥＧ２７は形成されない。   When this difference in the sum of polarization (for example, P1-P2) is negative, electrons are generated at the heterointerface. That is, 2DEG 27 is formed. On the other hand, when the difference in the sum of polarization is positive, no electrons are generated at the heterointerface. That is, 2DEG 27 is not formed.

このため、電子供給層１７上に電子走行層１９を積層した反転型のＨＥＭＴでは、分極の差（Ｐ１−Ｐ２）が負の値をとるべく、電子供給層１７の分極の和の値を大きくするために、電子供給層１７を圧縮歪とし、［０００１］方向にピエゾ分極を発生するようにさせることが好ましい。さらには、電子走行層１９については引張歪とし、［０００−１］方向にピエゾ分極を発生させることが好ましい。   Therefore, in the inverted HEMT in which the electron transit layer 19 is stacked on the electron supply layer 17, the sum of the polarizations of the electron supply layer 17 is increased so that the polarization difference (P1−P2) takes a negative value. Therefore, it is preferable that the electron supply layer 17 has a compressive strain so that piezo polarization is generated in the [0001] direction. Furthermore, it is preferable that the electron transit layer 19 has a tensile strain and generates piezo polarization in the [000-1] direction.

また、電子供給層１７と電子走行層１９との界面であって電子走行層１９側に２ＤＥＧ２７を形成するためには、電子供給層１７のバンドギャップを電子走行層１９のバンドギャップをより大きくする必要がある。   Further, in order to form 2DEG 27 at the interface between the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 and on the electron transit layer 19 side, the band gap of the electron transit layer 19 is made larger than that of the electron transit layer 19. There is a need.

図４に窒化物半導体の、格子定数とバンドギャップ（エネルギー）との関係を示す。格子定数が大きいほど格子歪は圧縮となりやすく、小さいほど引張となりやすい。このため、図４に示すように、Ｉｎ組成が大きいほど圧縮歪となりやすく、Ａｌ組成が大きいほど引張歪となりやすい。また、電子供給層１７は、下地層１５に対して圧縮歪とし、且つ、２ＤＥＧ２７を電子走行層１９側に形成すべくワイドギャップにする必要がある。このため、電子供給層１７としては、ＡｌＩｎＮを採用するのが好ましい。一方、電子走行層１９は、少なくとも電子供給層１７よりナローギャップにする必要があり、好ましくは下地層１５に対して引張歪とする、すなわち電子供給層１７よりも格子定数を小さくすると良い。このため、電子走行層１９としては、ＡｌＧａＮ、又は、ＩｎＧａＮを採用するのが好ましい。   FIG. 4 shows the relationship between the lattice constant and the band gap (energy) of the nitride semiconductor. The larger the lattice constant, the easier the lattice strain to be compressed, and the smaller the lattice constant, the more likely to be tensile. For this reason, as shown in FIG. 4, the larger the In composition, the more likely to become compressive strain, and the larger the Al composition, the more likely to become tensile strain. Further, the electron supply layer 17 needs to have a compressive strain with respect to the base layer 15 and have a wide gap so that the 2DEG 27 is formed on the electron transit layer 19 side. For this reason, it is preferable to employ AlInN as the electron supply layer 17. On the other hand, the electron transit layer 19 needs to have a narrow gap at least as compared with the electron supply layer 17, and preferably has a tensile strain with respect to the base layer 15, that is, has a smaller lattice constant than the electron supply layer 17. For this reason, it is preferable to employ AlGaN or InGaN as the electron transit layer 19.

上記に基づき、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＡｌＧａＮを採用するものとし、電子供給層１７の歪（格子歪）が緩和しているものとする。この構成において、電子供給層１７と電子走行層１９のバンドギャップが等しくなる組成を図５に実線で示し、界面に２ＤＥＧ２７が形成される組成を破線で示す。図５に示す破線は、換言すれば、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２と、電子走行層１９の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１が等しい条件を示す。なお、図５において、実線に対して実線矢印方向が、電子走行層１９より電子供給層１７のバンドギャップが大きい範囲である。また、破線に対して破線矢印方向が、２ＤＥＧ２７が形成される範囲（Ｐ２＞Ｐ１）を示す。   Based on the above, it is assumed that AlInN is adopted as the electron supply layer 17 and AlGaN is adopted as the electron transit layer 19, and the strain (lattice strain) of the electron supply layer 17 is relaxed. In this configuration, the composition in which the band gaps of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are equal is indicated by a solid line in FIG. 5, and the composition in which 2DEG 27 is formed at the interface is indicated by a broken line. In other words, the broken line shown in FIG. 5 indicates a condition where the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 and the sum P1 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron transit layer 19 are equal. In FIG. 5, the direction of the solid arrow with respect to the solid line is a range in which the band gap of the electron supply layer 17 is larger than that of the electron transit layer 19. The direction of the broken line arrow with respect to the broken line indicates the range (P2> P1) in which 2DEG 27 is formed.

すなわち、図５において、実線と破線の間の領域が、電子走行層１９に２ＤＥＧ２７を形成できる組成範囲となる。このように、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＡｌＧａＮを採用したとしても、電子供給層１７の歪が緩和していると、２ＤＥＧ２７が形成される組み合わせがほとんど無い。すなわち、十分な２ＤＥＧ２７が得られない。   That is, in FIG. 5, the region between the solid line and the broken line is a composition range in which 2DEG 27 can be formed in the electron transit layer 19. Thus, even if AlInN is adopted as the electron supply layer 17 and AlGaN is adopted as the electron transit layer 19, there are almost no combinations in which the 2DEG 27 is formed if the strain of the electron supply layer 17 is relaxed. That is, sufficient 2DEG27 cannot be obtained.

これに対し、本実施形態では、上記したように電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＡｌＧａＮを採用するとともに、下地層１５として歪が緩和されたＡｌＧａＮを採用する。そして、電子供給層１７を下地層１５に対して圧縮歪とする。この構成において、電子供給層１７と電子走行層１９のバンドギャップが等しくなる組成を図６に実線で示し、界面に２ＤＥＧ２７が形成される組成を破線で示す。図６に示す破線は、換言すれば、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２と、電子走行層１９の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１が等しい条件を示す。なお、図６において、実線に対して実線矢印方向が、電子走行層１９より電子供給層１７のバンドギャップが大きい範囲である。また、破線に対して破線矢印方向が、２ＤＥＧ２７が形成される範囲（Ｐ２＞Ｐ１）を示す。図６に示すように、下地層１５を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成が多くなるほど、バンドギャップが等しくなる組成条件を示す実線から離れている。特に電子走行層１９のＡｌ組成が０．５以下で顕著である。 In contrast, in the present embodiment, as described above, AlInN is used for the electron supply layer 17, AlGaN is used for the electron transit layer 19, and AlGaN with reduced strain is used for the underlayer 15. Then, the electron supply layer 17 is set to compressive strain with respect to the base layer 15. In this configuration, the composition in which the band gaps of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are equal is indicated by a solid line in FIG. 6, and the composition in which 2DEG 27 is formed at the interface is indicated by a broken line. In other words, the broken line shown in FIG. 6 indicates a condition in which the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 and the sum P1 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron transit layer 19 are equal. In FIG. 6, the direction of the solid arrow with respect to the solid line is a range in which the band gap of the electron supply layer 17 is larger than that of the electron transit layer 19. The direction of the broken line arrow with respect to the broken line indicates the range (P2> P1) in which 2DEG 27 is formed. As shown in FIG. 6, the larger the Al composition of Al _x Ga _1-x N that constitutes the underlayer 15, the farther from the solid line that shows the composition condition in which the band gap becomes equal. In particular, the Al composition of the electron transit layer 19 is remarkable at 0.5 or less.

図６において、実線と破線の間の領域が、電子走行層１９に２ＤＥＧ２７を形成できる組成範囲となる。図６から明らかなように、図５に示す結果に較べて、２ＤＥＧ２７を形成できる組成の範囲、すなわち組成の許容度が大きくなっている。このため、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７を効果的に形成することができる。   In FIG. 6, the region between the solid line and the broken line is a composition range in which 2DEG 27 can be formed in the electron transit layer 19. As is apparent from FIG. 6, the range of the composition in which 2DEG 27 can be formed, that is, the tolerance of the composition is larger than the result shown in FIG. For this reason, the 2DEG 27 can be effectively formed on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19.

また、本実施形態では、上記したように電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、下地層１５として歪が緩和されたＡｌＧａＮを採用するとともに、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、下地層１５の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ３よりも大きくなるように、各層１５，１７の組成が決定されている。図７に電子供給層１７と下地層１５の界面において、２ＤＥＧ２７が形成される組成を破線で示す。この破線は、換言すれば、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２と、下地層１５の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ３が等しい条件を示す。図７において、破線に対して矢印方向が、２ＤＥＧ２７が形成されない組成範囲（Ｐ２＞Ｐ３）を示す。図７に示すように、電子供給層１７の組成に対し、下地層１５のＡｌ組成を破線より大きくすることにより、電子供給層１７と下地層１５の界面に２ＤＥＧ２７が形成されるのを抑制することができる。   Further, in the present embodiment, as described above, AlInN is used as the electron supply layer 17 and AlGaN with relaxed strain is used as the underlayer 15, and the sum P2 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 is The compositions of the layers 15 and 17 are determined so as to be larger than the sum P3 of 15 spontaneous polarizations and piezoelectric polarizations. In FIG. 7, the composition in which 2DEG 27 is formed at the interface between the electron supply layer 17 and the base layer 15 is indicated by a broken line. In other words, this broken line indicates a condition in which the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 and the sum P3 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the underlayer 15 are equal. In FIG. 7, the arrow direction with respect to the broken line indicates the composition range (P2> P3) in which 2DEG27 is not formed. As shown in FIG. 7, by making the Al composition of the underlayer 15 larger than the broken line with respect to the composition of the electron supply layer 17, the formation of 2DEG 27 at the interface between the electron supply layer 17 and the underlayer 15 is suppressed. be able to.

次に、本実施形態に係る半導体装置１０の特徴部分の効果について説明する。   Next, the effect of the characteristic part of the semiconductor device 10 according to the present embodiment will be described.

本実施形態では、下地層１５の（０００１）面、すなわちＧａ極性面に対して、電子供給層１７、電子走行層１９の順に積層（エピタキシャル成長）されている。すなわち、下地層１５に対して、[０００１]方向に電子供給層１７、電子走行層１９が積層されている。このため、［０００−１］方向に電子供給層１７、電子走行層１９が積層された構成に較べて、電子供給層１７、電子走行層１９を構成する窒化物半導体を結晶成長させやすい。すなわち、反転型のＨＥＭＴが構成された半導体装置１０を容易に形成することができる。   In the present embodiment, the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are laminated (epitaxially grown) in this order on the (0001) plane of the underlayer 15, that is, the Ga polar plane. That is, the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are laminated in the [0001] direction with respect to the base layer 15. For this reason, it is easier to grow a crystal of the nitride semiconductor constituting the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 than the configuration in which the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are stacked in the [000-1] direction. In other words, it is possible to easily form the semiconductor device 10 in which the inverted HEMT is configured.

また、［０００１］方向を分極の正方向とした場合、電子供給層１７の分極の和Ｐ２が電子走行層１９の分極の和Ｐ１よりも大きく（Ｐ２＞Ｐ１）なるように、電子供給層１７及び電子走行層１９の窒化物半導体が設定されている。上記したように、電子供給層１７の分極の和Ｐ２が電子走行層１９の分極の和Ｐ１よりも大きいと、分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）が負の値を示すこととなり、２ＤＥＧ２７を電子供給層１７と電子走行層１９とのヘテロ界面に生じさせることができる。また、電子供給層１７のバンドギャップは、電子走行層１９のバンドギャップよりも大きいため、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７を形成することができる。   Further, when the [0001] direction is the positive direction of polarization, the electron supply layer 17 is such that the sum P2 of polarization of the electron supply layer 17 is larger than the sum P1 of polarization of the electron transit layer 19 (P2> P1). And the nitride semiconductor of the electron transit layer 19 is set. As described above, when the sum P2 of the polarization of the electron supply layer 17 is larger than the sum P1 of the polarization of the electron transit layer 19, the difference (P1−P2) in the sum of polarization shows a negative value. It can be generated at the heterointerface between the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19. Further, since the band gap of the electron supply layer 17 is larger than the band gap of the electron transit layer 19, the 2DEG 27 can be formed on the electron transit layer 19 side of the electron transit layer 19.

また、本実施形態では、電子供給層１７を構成する窒化物半導体として、下地層１５を構成する窒化物半導体よりも格子定数が大きいものを採用している。これにより、下地層１５に対して電子供給層１７に圧縮歪が生じる。このため、電子供給層１７の分極の和Ｐ２が大きくなり、ひいては分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）がより小さく（負の値であって絶対値としてより大きく）なる。したがって、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７をより効果的に形成することができる。   In the present embodiment, a nitride semiconductor that constitutes the electron supply layer 17 has a larger lattice constant than the nitride semiconductor that constitutes the foundation layer 15. Thereby, compressive strain is generated in the electron supply layer 17 with respect to the base layer 15. For this reason, the sum P2 of polarization of the electron supply layer 17 is increased, and as a result, the difference (P1−P2) in the sum of polarization is smaller (negative value and larger as an absolute value). Therefore, 2DEG 27 can be more effectively formed on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19.

また、本実施形態では、電子走行層１９を構成する窒化物半導体として、下地層１５を構成する窒化物半導体よりも格子定数が小さいものを採用している。これにより、下地層１５に対して電子走行層１９に引張歪が生じる。このため、電子走行層１９の分極の和Ｐ１が小さく、ひいては分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）がより小さく（負の値であって絶対値としてより大きく）なる。したがって、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７をより効果的に形成することができる。   In the present embodiment, a nitride semiconductor that constitutes the electron transit layer 19 has a smaller lattice constant than the nitride semiconductor that constitutes the underlayer 15. Thereby, tensile strain is generated in the electron transit layer 19 with respect to the underlayer 15. For this reason, the sum P1 of polarization of the electron transit layer 19 is small, and hence the difference (P1−P2) of the sum of polarization is smaller (a negative value and larger as an absolute value). Therefore, 2DEG 27 can be more effectively formed on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19.

なお、本実施形態では、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮを採用し、電子走行層１９としてＡｌＧａＮを採用している。そして、各層の組成が、１）電子供給層１７の分極の和Ｐ２が電子走行層１９の分極の和Ｐ１よりも大きい、２）電子供給層１７のバンドギャップが電子走行層１９のバンドギャップよりも大きい、を満たすように設定されている。なお、１）、２）を満たす組成の組み合わせについては、図６に示したとおりである。このため、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７を効果的に形成することができる。   In the present embodiment, AlInN is adopted as the electron supply layer 17, and AlGaN is adopted as the electron transit layer 19. The composition of each layer is 1) the sum P2 of polarization of the electron supply layer 17 is larger than the sum P1 of polarization of the electron transit layer 19 and 2) the band gap of the electron supply layer 17 is greater than the band gap of the electron transit layer 19 It is set to meet, too. In addition, about the combination of the composition which satisfy | fills 1) and 2), it is as having shown in FIG. For this reason, the 2DEG 27 can be effectively formed on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19.

また、本実施形態では、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、下地層１５の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ３よりも大きくなるように、電子供給層１７及び下地層１５の窒化物半導体が設定されている。このため、上層である電子供給層１７の分極の和Ｐ２と下層である下地層１５の分極の和Ｐ３の差（Ｐ２−Ｐ３）が正の値を示すこととなり、ヘテロ界面に電子を生じない。このように、電子供給層１７と下地層１５とのヘテロ界面に２ＤＥＧ２７が生じるのを抑制することができる。   In the present embodiment, the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezo polarization of the electron supply layer 17 is larger than the sum P3 of the spontaneous polarization and the piezo polarization of the base layer 15 so that the electron supply layer 17 and the base layer 15 have a sum P2. A nitride semiconductor is set. For this reason, the difference (P2−P3) between the sum P2 of polarization of the electron supply layer 17 as the upper layer and the sum P3 of polarization of the underlying layer 15 as the lower layer shows a positive value, and no electrons are generated at the heterointerface. . Thus, 2DEG27 can be prevented from occurring at the heterointerface between the electron supply layer 17 and the underlayer 15.

なお、本実施形態では、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮを採用し、下地層１５としてＡｌＧａＮを採用している。そして、各層の組成が、電子供給層１７の分極の和Ｐ２が下地層１５の分極の和Ｐ３よりも大きくなる条件を満たすように設定されている。なお、この条件を満たす組成の組み合わせについては、図７に示したとおりである。このため、下地層１５と電子供給層１７の界面に２ＤＥＧ２７が形成されるのを抑制することができる。   In this embodiment, AlInN is adopted as the electron supply layer 17 and AlGaN is adopted as the underlayer 15. The composition of each layer is set so as to satisfy the condition that the sum P2 of polarization of the electron supply layer 17 is larger than the sum P3 of polarization of the underlayer 15. Note that the combination of compositions that satisfy this condition is as shown in FIG. For this reason, it is possible to suppress the formation of 2DEG 27 at the interface between the base layer 15 and the electron supply layer 17.

また、本実施形態では、基板１１上にバッファ層１３を介して下地層１５が積層され、下地層１５は基板１１に対して格子歪が緩和されている。このように、下地層１５の格子歪は緩和され、下地層１５にピエゾ分極が発生していない。したがって、基板１１と電子供給層１７との格子定数の差による分極（ピエゾ分極）の影響を抑制することができる。   In the present embodiment, the base layer 15 is stacked on the substrate 11 via the buffer layer 13, and the base layer 15 has relaxed lattice strain relative to the substrate 11. Thus, the lattice distortion of the underlayer 15 is relaxed, and no piezo polarization occurs in the underlayer 15. Therefore, the influence of polarization (piezo polarization) due to the difference in lattice constant between the substrate 11 and the electron supply layer 17 can be suppressed.

（変形例１）
半導体装置１０の構成は、図１に示したものと同じであるため、その図示は省略する。本例では、電子走行層１９として、ＡｌＧａＮに代えて、ＩｎＧａＮを採用している。その他の構成については、上記例と同じである。 (Modification 1)
Since the configuration of the semiconductor device 10 is the same as that shown in FIG. 1, its illustration is omitted. In this example, InGaN is adopted as the electron transit layer 19 instead of AlGaN. About another structure, it is the same as the said example.

ここで、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＩｎＧａＮを採用し、電子供給層１７の歪（格子歪）が緩和しているものとする。この構成において、電子供給層１７と電子走行層１９のバンドギャップが等しくなる組成を図８に実線で示し、界面に２ＤＥＧ２７が形成される組成を破線で示す。図８に示す破線は、換言すれば、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２と、電子走行層１９の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１が等しい条件を示す。なお、図８において、実線に対して実線矢印方向が、電子走行層１９より電子供給層１７のバンドギャップが大きい範囲である。また、破線に対して破線矢印方向が、２ＤＥＧ２７が形成される範囲（Ｐ２＞Ｐ１）を示す。図８に示すように、この構成では、２ＤＥＧ２７が形成されることはない。   Here, it is assumed that AlInN is employed as the electron supply layer 17 and InGaN is employed as the electron transit layer 19, so that the strain (lattice strain) of the electron supply layer 17 is relaxed. In this configuration, the composition in which the band gaps of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are equal is indicated by a solid line in FIG. 8, and the composition in which 2DEG 27 is formed at the interface is indicated by a broken line. In other words, the broken line shown in FIG. 8 indicates a condition in which the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 and the sum P1 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron transit layer 19 are equal. In FIG. 8, the direction of the solid arrow with respect to the solid line is a range in which the band gap of the electron supply layer 17 is larger than that of the electron transit layer 19. The direction of the broken line arrow with respect to the broken line indicates the range (P2> P1) in which 2DEG 27 is formed. As shown in FIG. 8, in this configuration, the 2DEG 27 is not formed.

これに対し、本例では、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＩｎＧａＮを採用するとともに、下地層１５として、歪が緩和されたＡｌＧａＮを採用する。そして、電子供給層１７を下地層１５に対して圧縮歪とする。この構成において、電子供給層１７と電子走行層１９のバンドギャップが等しくなる組成を図９に実線で示し、界面に２ＤＥＧ２７が形成される組成を破線で示す。図９に示す破線は、換言すれば、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２と、電子走行層１９の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１が等しい条件を示す。なお、図９において、実線に対して実線矢印方向が、電子走行層１９より電子供給層１７のバンドギャップが大きい範囲である。また、破線に対して破線矢印方向が、２ＤＥＧ２７が形成される範囲（Ｐ２＞Ｐ１）を示す。図９に示すように、下地層１５を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成が大きいほど、バンドギャップが等しくなる組成条件を示す実線から離れている。 On the other hand, in this example, AlInN is adopted as the electron supply layer 17, InGaN is adopted as the electron transit layer 19, and AlGaN with relaxed strain is adopted as the underlayer 15. Then, the electron supply layer 17 is set to compressive strain with respect to the base layer 15. In this configuration, a composition in which the band gaps of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are equal is indicated by a solid line in FIG. 9, and a composition in which 2DEG 27 is formed at the interface is indicated by a broken line. In other words, the broken line shown in FIG. 9 indicates a condition where the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 and the sum P1 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron transit layer 19 are equal. In FIG. 9, the direction of the solid arrow with respect to the solid line is a range in which the band gap of the electron supply layer 17 is larger than that of the electron transit layer 19. The direction of the broken line arrow with respect to the broken line indicates the range (P2> P1) in which 2DEG 27 is formed. As shown in FIG. 9, the larger the Al composition of Al _x Ga _1-x N constituting the base layer 15, the farther from the solid line that shows the composition condition in which the band gap becomes equal.

図９において、実線と破線の間の領域が、電子走行層１９に２ＤＥＧ２７を形成できる組成範囲となる。図９から明らかなように、２ＤＥＧ２７を形成することができ、また、２ＤＥＧ２７を形成できる組成の許容度も大きい。特に、下地層１５のＡｌ組成が大きいほど、２ＤＥＧ２７形成の許容度が大きくなっている。   In FIG. 9, the region between the solid line and the broken line is a composition range in which 2DEG 27 can be formed in the electron transit layer 19. As is apparent from FIG. 9, 2DEG27 can be formed, and the tolerance of the composition that can form 2DEG27 is large. In particular, the greater the Al composition of the underlayer 15, the greater the tolerance for 2DEG27 formation.

このように、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＩｎＧａＮを採用しながらも、各層の組成を、１）［０００１］方向を分極の正方向として、電子供給層１７の分極の和Ｐ２が電子走行層１９の分極の和Ｐ１よりも大きい、２）電子供給層１７のバンドギャップが電子走行層１９のバンドギャップよりも大きい、を満たすように設定している。このため、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７を効果的に形成することができる。なお、それ以外の効果については、上記実施形態に示したとおりであるので、その記載を割愛する。   Thus, while AlInN is used as the electron supply layer 17 and InGaN is used as the electron transit layer 19, the composition of each layer is 1) the sum of polarization P2 of the electron supply layer 17 with the [0001] direction as the positive direction of polarization. Is larger than the sum P1 of the polarization of the electron transit layer 19 and 2) the band gap of the electron supply layer 17 is larger than the band gap of the electron transit layer 19. For this reason, the 2DEG 27 can be effectively formed on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19. Since other effects are as described in the above embodiment, the description thereof is omitted.

（変形例２）
半導体装置１０の構成は、図１に示したものと同じであるため、その図示は省略する。本例では、変形例１に示す構成に対し、下地層１５を、ＡｌＧａＮから、ＡｌＩｎＮに代えている。その他の構成については、変形例１と同じである。 (Modification 2)
Since the configuration of the semiconductor device 10 is the same as that shown in FIG. 1, its illustration is omitted. In this example, the underlying layer 15 is changed from AlGaN to AlInN in the configuration shown in the first modification. Other configurations are the same as those of the first modification.

本例では、電子供給層１７としてＡｌＩｎＮ、電子走行層１９としてＩｎＧａＮを採用するとともに、下地層１５として、歪が緩和されたＡｌＩｎＮを採用する。そして、電子供給層１７を下地層１５に対して圧縮歪とする。この構成において、電子供給層１７と電子走行層１９のバンドギャップが等しくなる組成を図１０に実線で示し、界面に２ＤＥＧ２７が形成される組成を破線で示す。図１０に示す破線は、換言すれば、電子供給層１７の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２と、電子走行層１９の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１が等しい条件を示す。なお、図１０において、実線に対して実線矢印方向が、電子走行層１９より電子供給層１７のバンドギャップが大きい範囲である。また、破線に対して破線矢印方向が、２ＤＥＧ２７が形成される範囲（Ｐ２＞Ｐ１）を示す。図１０に示すように、下地層１５を構成するＡｌ_１−ｘＩｎ_ｘＮのＩｎ組成ｘが小さいほど、バンドギャップが等しくなる組成条件を示す実線から離れている。図１０に示すように、好ましくは、ｘ≦０．３とすると良い。 In this example, AlInN is used as the electron supply layer 17, InGaN is used as the electron transit layer 19, and AlInN with relaxed strain is used as the underlayer 15. Then, the electron supply layer 17 is set to compressive strain with respect to the base layer 15. In this configuration, a composition in which the band gaps of the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are equal is indicated by a solid line in FIG. 10, and a composition in which 2DEG 27 is formed at the interface is indicated by a broken line. In other words, the broken line shown in FIG. 10 indicates a condition where the sum P2 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron supply layer 17 and the sum P1 of the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization of the electron transit layer 19 are equal. In FIG. 10, the direction of the solid arrow with respect to the solid line is a range in which the band gap of the electron supply layer 17 is larger than that of the electron transit layer 19. The direction of the broken line arrow with respect to the broken line indicates the range (P2> P1) in which 2DEG 27 is formed. As shown in FIG. 10, the smaller the In composition x of Al _1-x In _x N constituting the underlayer 15 is, the farther from the solid line that shows the composition condition that the band gap becomes equal. As shown in FIG. 10, it is preferable that x ≦ 0.3.

図１０において、実線と破線の間の領域が、電子走行層１９に２ＤＥＧ２７を形成できる組成範囲となる。図１０から明らかなように、本例においても、２ＤＥＧ２７を形成することができる。特に、下地層１５のＩｎ組成が小さいほど、２ＤＥＧ２７形成の許容度が大きくなっている。   In FIG. 10, the region between the solid line and the broken line is a composition range in which 2DEG 27 can be formed in the electron transit layer 19. As is apparent from FIG. 10, 2DEG 27 can be formed also in this example. In particular, the smaller the In composition of the underlayer 15, the greater the tolerance for 2DEG 27 formation.

このように、電子供給層１７がＡｌＩｎＮ、電子走行層１９がＩｎＧａＮの構成において、下地層１５としてＡｌＩｎＮを採用しながらも、各層の組成を、１）［０００１］方向を分極の正方向として、電子供給層１７の分極の和Ｐ２が電子走行層１９の分極の和Ｐ１よりも大きい、２）電子供給層１７のバンドギャップが電子走行層１９のバンドギャップよりも大きい、を満たすように設定している。このため、電子走行層１９の電子供給層１７側に２ＤＥＧ２７を効果的に形成することができる。なお、それ以外の効果については、上記実施形態に示したとおりであるので、その記載を割愛する。   In this way, in the configuration in which the electron supply layer 17 is AlInN and the electron transit layer 19 is InGaN, the composition of each layer is 1) with the [0001] direction as the positive direction of polarization while adopting AlInN as the underlayer 15. The sum P2 of the polarization of the electron supply layer 17 is larger than the sum P1 of the polarization of the electron transit layer 19. 2) The band gap of the electron supply layer 17 is set to be larger than the band gap of the electron transit layer 19. ing. For this reason, the 2DEG 27 can be effectively formed on the electron supply layer 17 side of the electron transit layer 19. Since other effects are as described in the above embodiment, the description thereof is omitted.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本実施形態では、基板１１と下地層１５と間に、超格子構造のバッファ層１３が介在される例を示した。しかしながら、超格子構造に代えて、ＡｌＧａＮ中間組成層や、ＡｌＧａＮ組成傾斜層などをバッファ層１３として採用し、基板１１からの歪を緩和するようにしても良い。   In the present embodiment, an example in which the buffer layer 13 having a superlattice structure is interposed between the substrate 11 and the base layer 15 is shown. However, instead of the superlattice structure, an AlGaN intermediate composition layer, an AlGaN composition gradient layer, or the like may be employed as the buffer layer 13 to relieve strain from the substrate 11.

また、図１１に示すように、バッファ層１３を有さず、下地層１５の膜厚を厚くすることで、基板１１からの歪を緩和するようにしても良い。   In addition, as shown in FIG. 11, the strain from the substrate 11 may be alleviated by increasing the thickness of the base layer 15 without the buffer layer 13.

本実施形態では、基板１１の一面１１ａ上に下地層１５が積層され、下地層１５の一面１５ａ上に電子供給層１７及び電子走行層１９が積層される例を示した。しかしながら、図１２に示すように、下地層１５として窒化物半導体からなる基板（例えばＧａＮ基板）を採用することで、基板１１及びバッファ層１３を有さない構成とすることもできる。   In the present embodiment, the base layer 15 is stacked on the one surface 11 a of the substrate 11, and the electron supply layer 17 and the electron transit layer 19 are stacked on the one surface 15 a of the base layer 15. However, as shown in FIG. 12, by adopting a substrate made of a nitride semiconductor (for example, a GaN substrate) as the base layer 15, the substrate 11 and the buffer layer 13 can be omitted.

本実施形態では、電子走行層１９の分極の和Ｐ１と電子供給層１７の分極の和Ｐ２の差（Ｐ１−Ｐ２）を負の値とするために、電子供給層１７を下地層１５に対して圧縮歪とし、さらには電子走行層１９を下地層１５に対して引張歪とする例を示した。すなわち、分極のうち、ピエゾ分極を調整することで、分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）を負の値とする例を示した。しかしながら、窒化物半導体の種類、組成により、自発分極を調整することで、分極の和の差（Ｐ１−Ｐ２）を負の値とするようにしても良い。   In the present embodiment, in order to set the difference (P1−P2) between the sum P1 of polarization of the electron transit layer 19 and the sum P2 of polarization of the electron supply layer 17 to a negative value, the electron supply layer 17 is In this example, the compressive strain is set, and the electron transit layer 19 is tensile strained with respect to the base layer 15. That is, an example has been shown in which the difference (P1−P2) in the sum of polarizations is set to a negative value by adjusting the piezo polarization among the polarizations. However, the difference in the sum of the polarizations (P1−P2) may be set to a negative value by adjusting the spontaneous polarization according to the type and composition of the nitride semiconductor.

本実施形態では、電子走行層１９上にソース電極２３及びドレイン電極２５が形成される例を示した。しかしながら、図１３に示すように電子走行層１９よりも格子定数が大きく、且つ、電子走行層１９よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体からなるコンタクト層２９を介して、ソース電極２３及びドレイン電極２５が形成されても良い。これによれば、オーミック接触抵抗をより低減することができる。また、コンタクト層２９に２ＤＥＧ２７が形成されるのを抑制することができる。   In the present embodiment, an example in which the source electrode 23 and the drain electrode 25 are formed on the electron transit layer 19 is shown. However, as shown in FIG. 13, the source electrode 23 and the drain electrode 25 are connected via the contact layer 29 made of a nitride semiconductor having a lattice constant larger than that of the electron transit layer 19 and a band gap smaller than that of the electron transit layer 19. May be formed. According to this, the ohmic contact resistance can be further reduced. In addition, 2DEG 27 can be prevented from being formed in the contact layer 29.

また、図示しないが、電子走行層１９とゲート電極２１の間に、電子走行層１９よりもバンドギャップが大きい材料からなるショットキー層を設けても良い。   Although not shown, a Schottky layer made of a material having a larger band gap than the electron transit layer 19 may be provided between the electron transit layer 19 and the gate electrode 21.

１０・・・半導体装置
１１・・・基板
１５・・・下地層
１５ａ・・・一面
１７・・・電子供給層
１９・・・電子走行層
２７・・・二次元電子ガス（２ＤＥＧ） DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor device 11 ... Substrate 15 ... Underlayer 15a ... One side 17 ... Electron supply layer 19 ... Electron travel layer 27 ... Two-dimensional electron gas (2DEG)

Claims (10)

窒化物半導体からなる下地層の（０００１）面上に、窒化物半導体からなる電子供給層、窒化物半導体からなる電子走行層の順に積層され、
前記電子走行層における前記電子供給層と反対の面上に、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極が設けられ、
前記電子供給層は、前記下地層よりも格子定数が大きく、格子歪が前記下地層に対して圧縮歪とされており、
［０００１］方向を分極の正方向とした場合、前記電子供給層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、前記電子走行層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ１よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 On the (0001) surface of the underlying layer made of a nitride semiconductor, an electron supply layer made of a nitride semiconductor and an electron transit layer made of a nitride semiconductor are stacked in this order.
On the surface of the electron transit layer opposite to the electron supply layer, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are provided,
The electron supply layer has a larger lattice constant than the underlayer, and the lattice strain is a compressive strain with respect to the underlayer,
When the [0001] direction is the positive direction of polarization, the semiconductor has a sum P2 of spontaneous polarization and piezo polarization of the electron supply layer larger than a sum P1 of spontaneous polarization and piezo polarization of the electron transit layer. apparatus. 前記電子供給層のバンドギャップは、前記電子走行層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein a band gap of the electron supply layer is larger than a band gap of the electron transit layer. 前記電子供給層はＡｌＩｎＮからなり、
前記電子走行層はＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。 The electron supply layer is made of AlInN,
The semiconductor device according to claim 2 , wherein the electron transit layer is made of AlGaN. 前記電子供給層はＡｌＩｎＮからなり、
前記電子走行層はＩｎＧａＮからなることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。 The electron supply layer is made of AlInN,
The semiconductor device according to claim 2 , wherein the electron transit layer is made of InGaN. 前記電子供給層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ２が、前記下地層の自発分極とピエゾ分極の和Ｐ３よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1 , wherein a sum P <b> 2 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the electron supply layer is larger than a sum P <b> 3 of spontaneous polarization and piezoelectric polarization of the base layer. 前記下地層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5 , wherein the underlayer is made of AlGaN. 前記下地層は、ＡｌＩｎＮからなることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5 , wherein the underlayer is made of AlInN. 前記下地層は、基板上に積層されるともに（０００１）面が前記基板と反対の面とされ、
前記基板に対して前記下地層の格子歪が緩和されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の半導体装置。 The underlayer is laminated on the substrate and the (0001) surface is the surface opposite to the substrate,
The semiconductor device according to claim 1 , wherein a lattice strain of the base layer is relaxed with respect to the substrate. 前記下地層は、窒化物半導体からなる基板であることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the underlayer is a substrate made of a nitride semiconductor. 前記電子走行層における前記電子供給層と反対の面上に、前記電子走行層よりも格子定数が大きく、且つ、前記電子走行層よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体からなるコンタクト層を介して、前記ソース電極及び前記ドレイン電極が設けられていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の半導体装置。 On the surface of the electron transit layer opposite to the electron supply layer, via a contact layer made of a nitride semiconductor having a larger lattice constant than the electron transit layer and a band gap smaller than the electron transit layer, The semiconductor device according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are provided.

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