JP5712721B2 - 半導体装置 - 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。

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。

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。

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。

特開２００６−２６９５３４号公報 国際公開第２００８／１０５３７８号

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 その他変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

先ず、窒化物半導体に生じる分極について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。

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