JP2006066834A - 窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高抵抗なバッファ層を含む窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】トランジスタ２１は、低温核形成層２３と、窒化ガリウムバッファ層２５と、III族窒化物層２７とを備える。低温核形成層２３は例えば４００℃から９００℃程度の範囲の低温で基板２９上に形成され、これ故に、成長中に取り込まれた酸素を含む。窒化ガリウムバッファ層２５は、低温核形成層２３上に設けられている。III族窒化物層２７は、低温核形成層２３と窒化ガリウムバッファ層２５との間に設けられており、アルミニウムを含む窒化物から成る。低温核形成層２３の酸素濃度は窒化ガリウムバッファ層２５の酸素濃度より大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタおよびその製造方法に関する。

特許文献１には、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ）を成長する方法が記載されている。この方法では、窒化ガリウム系化合物半導体薄膜は、有機金属化合物ガスおよび水素化物ガス等を用いてサファイア基板上に気相成長される。より詳細には、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ膜の成膜に先立って、無定形結晶中に微結晶又は多結晶の混在したウルツァイト構造を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層がサファイア基板上に直接に成長される。次いで、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ膜が、４００℃以上６００℃未満の成長温度でサファイア基板上に成長され、この膜の厚さは１０ｎｍ以上５０ｎｍ未満である。

特許文献２には、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶を成長する方法が記載されている。この方法では、バッファ層の上に、有機金属化合物気相成長法の反応容器に反応ガスを供給してバッファ層と窒化ガリウム系化合物半導体とを成長する。窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる反応容器内において、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる前に、ＧａＮまたはＡｌＧａＮとするバッファ層をサファイア基板上に直接に成長する。バッファ層の厚さが０．００２μｍ以上、０．５μｍ以下である。
特開平２−２２９４７６号公報（特許第３０２６０８７号） 特開平４−２９７０２３公報（特公平８−８２１７号公報）

移動体電話基地局等に用いられるパワーアンプ用デバイスとして、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ）といった窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタがある。このトランジスタではピンチオフ特性および素子間絶縁のために、高抵抗ＧａＮバッファ層の特性が重要である。しかしながら、上記の特許文献によるバッファ層形成方法では、窒化ガリウムバッファ層の抵抗率は、成長条件の変動の影響を受けやすく、安定して高抵抗な窒化ガリウム膜が得られない。この結果、十分な上記トランジスタ特性を得ることができない。

図９は、窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタの一例としてヘテロ接合電界効果型トランジスタ１の構造を示す。この図面では、ＡｌＧａＮ電子供給層はドーピングを施した層を含む複数層で形成されることができるが、単純化のため単一のアンドープＡｌＧａＮ層１１で形成される。また、トランジスタの絶縁保護膜等は描かれていない。

このヘテロ接合電界効果型トランジスタ１の作製では、ｃ面サファイア基板３上に４００℃から９００℃程度の範囲の低温で核形成層５を成長する。次いで、１０００℃にまで昇温した後に、ＧａＮからなる高抵抗バッファ層７およびチャネル層９と、さらに、電子供給層であるＡｌＧａＮ層１１を成長する。相互コンダクタンス（ｇｍ）や最大飽和ドレイン電流（Ｉｄ＿ｍａｘ）は、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ１のデバイス特性で重要である。良好な相互コンダクタンス（ｇｍ）および最大飽和ドレイン電流（Ｉｄ＿ｍａｘ）を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタ１を得るためには、ＧａＮチャネル層９、ＡｌＧａＮ電子供給層１１およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面が高品質であることが求められる。これ故に、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層に合わせて成長装置およびその成長条件の最適化を図っている。

ＧａＮにおいてn型不純物として知られる酸素（O）は低温領域で取り込まれやすく、このため低温核形成層を成長する時およびその後の昇温過程において膜中に酸素（O）が取り込まれやすい。また、成長装置および成長条件の最適化は、上述のように、高温領域に合わせて実施されているので、低温領域での反応炉内の細かな条件を制御することは困難であり、このため、反応炉内での温度分布が生じやすい。低い温度のウェハ部分に酸素（Ｏ）が取り込まれやすい。

この酸素（O）がその上のＧａＮバッファ層に拡散するとn型ドーパントとして作用するので、所望の高抵抗値を有するＧａＮバッファ層が得られず、結果的に、ピンチオフ特性や素子間絶縁性といったデバイス特性が悪化することが考えられる。

本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、高抵抗なバッファ層を含む窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ、およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の一側面に係る窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタは、（ａ）III族窒化物から成る低温核形成層と、（ｂ）前記低温核形成層上に設けられた窒化ガリウムバッファ層と、（ｃ）前記低温核形成層と前記窒化ガリウムバッファ層との間に設けられておりアルミニウムを含むIII族窒化物層とを備え、前記低温核形成層の酸素濃度は窒化ガリウムバッファ層の酸素濃度より大きい。

このトランジスタによれば、アルミニウムを含むIII族窒化物層を低温核形成層とその上に形成された窒化ガリウムバッファ層との間に設けることにより、相対的に低い温度で成長された領域または相対的に低い温度に晒された領域に取り込まれた酸素が、III族窒化物層中のアルミニウムと反応するので、その後の窒化ガリウムバッファ層以降への酸素の影響が抑制される。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタでは、前記III族窒化物層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層（Ｘは０より大きく１以下）であることが好ましい。
この窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタによれば、アルミニウムを含むIII族窒化物として、ＡｌＮ層およびＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層だけでなく、組成傾斜Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を使用できる。

好適な窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタでは、前記Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層はＡｌＮ層であることができる。ＡｌＮ層を用いると、アルミニウムの組成比が大きいので、酸素のゲッタリング能力が大きい。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタでは、前記Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることができる。１ｎｍ程度のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さでも、酸素ゲッタリング能力を提供できる。また、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さが１０００ｎｍ以下であれば、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層とその上の成長される窒化物半導体層との格子不整が、該窒化物半導体層の結晶性へ実質的に影響しない。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタでは、前記低温核形成層は窒化ガリウム層を含むことができる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタでは、（ｄ）低温核形成層を搭載するサファイア基板をさらに備えることができる。サファイア基板上にIII族窒化物半導体トランジスタを作製する場合、該トランジスタのためのIII族窒化物半導体層とサファイア基板との間に核形成層を設けることが好適である。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタは、（ｅ）前記窒化ガリウムバッファ層上に設けられた電子供給層をさらに備え、当該窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタは、ヘテロ接合電界効果トランジスタである。この窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタによれば、ピンチオフ特性および素子間絶縁性の良好なＧａＮ系化合物半導体素子、特にヘテロ接合電界効果型トランジスタが提供される。

本発明の別の側面は、窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタを作製する方法に係る。この方法は、（ａ）III族窒化物から成る核形成膜を基板上に第１の温度で形成する工程と、（ｂ）前記第１の温度以上の第２の温度で前記核形成膜上に、アルミニウムを含むIII族窒化物膜を形成する工程と、（ｃ）前記III族窒化物膜上に、第３の温度で窒化ガリウムバッファ膜を形成する工程とを備え、前記第１の温度は前記第３の温度より低い温度である。

この方法によれば、核形成膜の形成の後に窒化ガリウムバッファ膜の形成に先だって、アルミニウムを含むIII族窒化物膜を形成することにより、反応容器内の温度が相対的に低温であるときに取り込まれた酸素が、III族窒化物膜中のアルミニウムと反応するので、取り込まれた酸素がその後に成長される窒化ガリウムバッファ膜へ影響することを抑制できる。

本発明の方法では、前記III族窒化物膜は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ膜（Ｘは０より大きく１以下である）であることができる。この方法によれば、アルミニウムを含むIII族窒化物として、ＡｌＮ層およびＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層だけでなく、組成傾斜Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層を使用できる。

本発明の方法では、前記III族窒化物膜の形成は以下の例のように作製されることができる。
一形態では、前記III族窒化物膜の少なくとも一部は、前記窒化ガリウムバッファ膜が形成される第３の温度へ前記第１の温度から温度上昇中に形成されることができる。別の形態では、前記III族窒化物膜の少なくとも一部は前記第１の温度で形成されることができる。更なる別の形態では、前記III族窒化物膜の少なくとも一部は前記第３の温度で形成されることができる。

本発明の方法では、前記核形成膜、前記III族窒化物膜、および前記窒化ガリウムバッファ膜は有機金属気相成長法を用いて形成されることが好ましい。
本発明の方法では、前記III族窒化物膜を形成する工程において、アルミニウムを含む原料をパルス状に供給することが好ましい。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層といったIII族窒化物層の形成にあたり、III族原料についてはアルミニウム原料のみをパルス状に流すことによって、反応炉室内の残留酸素（O）をゲッタリングし、かつ所望のIII族窒化物層を短時間で形成できる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、高抵抗なバッファ層を含む窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタが提供される。また、高抵抗なバッファ層を含む窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタを製造する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタおよび窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタの製造方法に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタを示す図面である。トランジスタ２１は、低温核形成層２３と、窒化ガリウムバッファ層２５と、III族窒化物層２７とを備える。低温核形成層２３は、III族窒化物から成り、また例えば４００℃から９００℃程度の範囲の低温で基板２９上に形成され、これ故に、成長中に取り込まれた酸素を含む。窒化ガリウムバッファ層２５は、低温核形成層２３上に設けられている。III族窒化物層２７は、低温核形成層２３と窒化ガリウムバッファ層２５との間に設けられており、アルミニウムを含む窒化物から成る。低温核形成層２３の酸素濃度は窒化ガリウムバッファ層２５の酸素濃度より大きい。

このトランジスタ２１によれば、アルミニウムを含むIII族窒化物層２７を低温核形成層２３とその上に形成された窒化ガリウムバッファ層２５との間に設けることにより、相対的に低い温度で成長された領域または相対的に低い温度に晒された領域に取り込まれた酸素が、III族窒化物層２７中のアルミニウムと反応するので、その後の窒化ガリウムバッファ層２５以降への酸素の影響が抑制される。

トランジスタ２１では、低温核形成層２３は窒化ガリウム層を含むことができる。また、基板２９は低温核形成層２３を搭載しており、サファイアから成ることができる。サファイアは、窒化ガリウムの格子定数と異なる格子定数を有するので、窒化ガリウム層といった低温核形成層２３が必要とされる。

トランジスタ２１では、III族窒化物層２７の材料としては、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（Ｘは０より大きく１以下である）を用いることができる。III族窒化物２７は、ＡｌＮ層およびＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層だけでなく、組成傾斜Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層も使用できる。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さは１ｎｍ以上であることが好ましい。１ｎｍ程度のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さでも、酸素のゲッタリング能力を提供できる。また、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層の厚さが１０００ｎｍ以下であれば、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層とその上の成長される窒化物半導体層との格子不整は、該窒化物半導体層の結晶性へ実質的に影響しない。ＡｌＮのアルミニウムの組成比は、ＡｌＧａＮに比べてが大きいので、酸素のゲッタリング能力が大きい。

トランジスタ２１は、チャネル層３１を備える。本実施例では、チャネル層３１は、バッファ層２５と同じ窒化ガリウムから成る。トランジスタ２１は、窒化ガリウムバッファ層２５およびチャネル層３１上に設けられた電子供給層３３をさらに備える。トランジスタ２１は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの構造を含み、チャネル層３１には、電子供給層３３に沿って二次元電子領域３５が形成される。このトランジスタ２１によれば、バッファ層２５に含まれる酸素に起因するリーク電流が低減されているので、ピンチオフ特性および素子間絶縁性の良好なヘテロ接合電界効果型トランジスタが提供される。
ヘテロ接合電界効果型トランジスタは、ゲート電極３７、ソース電極３９およびドレイン電極４１を含む。ゲート電極３７に印加される電圧に応じて、ソース電極３９とドレイン電極４１との間に流れる電流が変化する。

トランジスタ２１の一例としては、
低温核形成層２３：アンドープＧａＮ、２０ｎｍ〜５０ｎｍ
バッファ層２５：アンドープＧａＮ、
III族窒化物層２７：窒化アルミニウム
基板２９：絶縁性基板、サファイア
チャネル層３１：アンドープＧａＮ、３μｍ（バッファ層２５及びチャネル層３１の合計膜厚）
電子供給層３３：アンドープＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ、３０ｎｍ
ゲート電極３７：Ｎｉ／Ａｕ、ゲート長1μｍ、ゲート幅５０μｍ
ソース電極３９およびドレイン電極４１：Ｔｉ／Ａｌ
がある。

（実施例１）
図２（Ａ）は、本発明の一例に係るヘテロ接合型電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ１として参照する）の構造を示す図面である。このＨＦＥＴ１はサファイア基板を用い、厚さ２０〜５０ｎｍの低温核形成層、１０ｎｍのＡｌＮ層、厚さ３μｍのＧａＮ層（バッファ層およびチャネル層として）、３０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ電子供給層６を含む。図２（Ｂ）は、別の例に係るヘテロ接合型電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ２として参照する）の構造を示す図面である。ＨＦＥＴ２は、低温核形成層とＧａＮ層との間に設けられる窒化アルミニウム層を含まない。図３は、ＨＦＥＴ１およびＨＦＥＴ２のドレイン電流−ゲート電圧特性を示す。ＨＦＥＴ１は、明確なピンチオフ特性を示す。一方、ＨＦＥＴ２は、ピンチオフを示さない。また、素子間絶縁性を表す指標としてバッファリーク電流の測定では、２０μｍ×３μｍのディメンジョンの半導体メサに２０Ｖの電圧を加えたとき、バッファ層を介して繋がる２つのメサ間に流れる電流を測定している。ＨＦＥＴ１と同じエピタキシャル膜構造では、リーク電流測定値は１×１０^−９Ａ未満である。一方、ＨＦＥＴ２と同じエピタキシャル膜構造では、リーク電流測定値は１×１０^−４Ａ未満である。低温核形成層とＧａＮ層との間に設けられる窒化アルミニウム層を含むＨＦＥＴ１では、ＧａＮバッファ層中への酸素（O）が拡散しないので、ＧａＮバッファ層のシート抵抗Rは１×１０^６オーム／□より大きい高抵抗な層になる。

１２００ｎｍの窒化アルミニウムを含むヘテロ接合型電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ３として参照する）では、ＨＦＥＴ１と同様に、優れたピンチオフ特性および素子間絶縁性を示す。ＨＦＥＴ１の相互コンダクタンス（ｇｍ）および最大ドレイン電流（Ｉｄ＿ｍａｘ）は、それぞれ１６０ｍＳ／ｍｍおよび８３０ｍＡ／ｍｍである一方で、ＨＦＥＴ３の相互コンダクタンスおよび最大ドレイン電流は、それぞれ１３０ｍＳ／ｍｍおよび５５０ｍＡ／ｍｍである。ＨＦＥＴ１の相互コンダクタンスおよび最大ドレイン電流は、ＨＦＥＴ３の相互コンダクタンスおよび最大ドレイン電流に比べて大きい。なぜなら、窒化アルミニウム層があまり厚くない場合にはＧａＮバッファ層やチャネル層に対して格子不整合による影響が小さいためと考えられる。

また、１０００ｎｍの窒化アルミニウムを含むヘテロ接合型電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ５として参照する）では、相互コンダクタンスおよび最大ドレイン電流は、それぞれ１５０ｍＳ／ｍｍおよび７５０ｍＡ／ｍｍであり、ＨＦＥＴ１と同様に実用的な値を示す。
さらに、１ｎｍの窒化アルミニウムを含むヘテロ接合型電界効果型トランジスタ（ＨＦＥＴ６として参照する）では、ＨＦＥＴ１と同様にリーク電流測定値が１×１０^−９Ａ未満、シート抵抗Rが１×１０^６Ω／□以上の実用的な値を示す。

（実施例２）
ガリウム（Ｇａ）原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アルミニウム（Ａｌ）原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、窒素（Ｎ）原料としてアンモニア（ＮＨ_３）、キャリアガスとして水素（Ｈ_２）を用いて、c面サファイア基板上に、ＨＦＥＴ構造を有機金属気相成長法で作製する。まず、反応炉室内に基板を置く。１２００℃でクリーニングを約１０分間行う。図４（Ａ）に示されるように、温度Ｔ１、例えば５００℃まで下げた後に、ＴＭＧａガスおよびＮＨ_３ガスを時刻ｔ１〜ｔ２で供給してＧａＮ低温核形成膜をサファイア基板上に形成する。この低温核形成膜の厚さは約２５ｎｍである。その後、ＮＨ_３ガスを供給しながら時刻ｔ３〜ｔ４において５００℃から温度Ｔ２、例えば９００℃に昇温する。温度安定後に時刻ｔ９〜ｔ１０においてさらにＴＭＡｌガスを供給して、低温核形成膜上に窒化アルミニウム膜を形成する。窒化アルミニウム膜の厚さは、ＴＭＡｌガスの供給する期間に応じて調整される。本実施例では、窒化アルミニウム膜の厚さは１００ｎｍである。その後、さらに時刻ｔ５〜ｔ６において温度Ｔ３、例えば１０００℃に昇温し、温度安定後に時刻ｔ７〜ｔ８においてＧａＮバッファ層およびＧａＮチャネル層を成長して、サンプルＡを作製する。本実施例では、ＧａＮバッファ層およびＧａＮチャネル層の合計膜厚は３μｍである。また、低温核形成膜とＧａＮバッファ層およびＧａＮチャネル層との間に窒化アルミニウム膜を成長しないサンプルＢも作製する。

図５（Ａ）は、サンプルＡのＳＩＭＳプロファイルを示す図面であり、図５（Ｂ）は、サンプルＢの二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）プロファイルを示す図面である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）において、横軸は、各サンプル表面からの深さをμｍ単位で示し、縦軸は、酸素（Ｏ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）の各元素のプロファイルを立方センチメートル当たりの原子数で示す。シリコンおよび炭素のプロファイルは、酸素のプロファイルと対比するために示されている。ＳＩＭＳでは、１０^１７ｃｍ^−３程度が分析の検出限界である。図５（Ａ）を参照すると、酸素濃度は、低温核形成層とサファイア基板とのエピタキシャル界面辺りに近づくにつれて急激に上昇しているが、図５（Ｂ）を参照すると、エピタキシャル界面辺りだけでなく、シンボルＤで示される深さまでＧａＮバッファ層内にも酸素（Ｏ）が分布している。

また、様々な酸素の分布を持つサンプルＢを作製しバッファリーク電流を測定している。図６は、窒化ガリウム膜中に拡散した距離とバッファリーク電流との関係を示す図面である。窒化ガリウム膜中への酸素の拡散がなければ、バッファリーク電流は１０^−９Ａ未満となることが示されている。故に、トランジスタは良好な素子間絶縁性を得ることができる。

図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）は、本実施例の変形例を示す。図４（Ｂ）に示されるように、窒化アルミニウム膜の少なくとも一部を昇温中に形成することができる。つまり、温度Ｔ１、例えば５００℃において低温核形成層を成長した後に、ＮＨ_３ガスを供給しながら時刻ｔ３〜ｔ４において５００℃から温度Ｔ３、例えば１０００℃に昇温する。この昇温過程の一部、時刻ｔ１１〜ｔ１２においてＴＭＡｌガスを供給して、窒化アルミニウム膜を形成する。また図４（Ｃ）に示されるように、窒化アルミニウム膜の少なくとも一部は温度Ｔ１で形成されることができる。つまり、温度Ｔ１、例えば５００℃において低温核形成層を成長した後に、ＮＨ_３ガスを供給しながら時刻ｔ１３においてＴＭＡｌガスの供給を開始する。時刻ｔ３において、温度の上昇を始める。時刻ｔ１４において、ＴＭＡｌガスの供給を停止する。また、窒化アルミニウム膜の全てを温度Ｔ１で形成してもよい。

図４（Ｄ）に示されるように、窒化アルミニウム膜の少なくとも一部は温度Ｔ３で形成されることができる。つまり、温度Ｔ１、例えば５００℃において低温核形成層を成長した後に、ＮＨ_３ガスを供給しながら時刻ｔ３において温度の上昇を始める。時刻ｔ１５においてＴＭＡｌガスの供給を開始する。時刻ｔ４において温度の上昇を停止する。時刻ｔ１６において、ＴＭＡｌガスの供給を停止する。また、窒化アルミニウム膜の全てを温度Ｔ３で形成してもよい。

さらに図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示される温度プロファイルにおいて、アルミニウム原料の供給を非常に単一のパルス状に、例えば、１秒程度で行うことができる。これにより、反応炉室内の残留酸素（Ｏ）をゲッタリングすると共に、所望の窒化アルミニウム膜を短時間で形成できる。

核形成膜は、４００℃から９００℃程度の範囲の低温で形成されるので、膜中の酸素濃度が高めになる。核形成膜の酸素濃度は、窒化ガリウムバッファ層の酸素濃度より大きく、例えば少なくとも1×１０^１７ｃｍ^−３以上である。

以上説明したように、低温核形成層から窒化ガリウム系化合物半導体層（例えば、ＧａＮバッファ層）への酸素（Ｏ）の混入を抑制することによって、安定して高抵抗な窒化ガリウム系化合物半導体層を得ることができる。これによって、良好なピンチオフ特性や素子間分離特性を持つトランジスタが提供される。具体的には、酸素（Ｏ）と反応性の高いアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層（例えば、ＡｌＧａＮ層）を低温核形成層とＧａＮバッファ層との間に設けることにより、アルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層の成長以後の成長層に酸素（Ｏ）の影響が及ぶことを抑制できる。

（第２の実施の形態）
図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタのための半導体膜を成長する工程を示す図面である。図７（Ａ）に示されるように、成膜装置５１内に基板５３を置く。基板５３としては、サファイア基板を用いることができるが、これに限定されること無く、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板等も用いることができる。例えば、１２００℃といった温度で基板５３の表面をクリーニングする。図７（Ｂ）に示されるように、５００℃でＴＭＧａガスおよびＮＨ_３ガスを供給してＧａＮ核形成膜５５を基板５３上に形成する。図７（Ｃ）に示されるように、ＴＭＧａガス、ＮＨ_３ガスおよびＴＭＡｌガスを供給して、アルミニウムを含むIII族窒化物膜、例えばアンドープのＡｌＧａＮ膜５７を核形成膜５５上に成長する。このＡｌＧａＮ膜５７の成長は、例えば図４（Ａ）〜図４（Ｄ）のいずれかの温度プロファイルを用いて行われることができる。図７（Ｄ）に示されるように、１０００℃でＴＭＧａガスおよびＮＨ_３ガスを供給して、ＡｌＧａＮ膜５７上にアンドープ窒化ガリウム膜５９を成長する。これらの工程によって、絶縁性基板５３とこの基板上に形成された高抵抗な窒化ガリウム系半導体膜（例えば、窒化ガリウム膜５９）とを含むエピタキシャル基板Ｅ１が提供される。

この方法によれば、核形成膜５５の形成の後に窒化ガリウム膜５９の形成に先だって、ＡｌＧａＮ膜５７を形成することにより、成膜装置５１内の温度が相対的に低温であるときに取り込まれた酸素が、ＡｌＧａＮ膜５７のアルミニウムと反応するので、取り込まれた酸素がその後に成長される窒化ガリウム膜５９へ影響することを抑制できる。これ故に、窒化ガリウム膜５９の酸素濃度は核形成膜５５の酸素濃度より小さい。

さらに、図７（Ｅ）に示されるように、１０００℃でＴＭＧａガス、ＴＭＡｌガスおよびＮＨ_３ガスを供給して、ＧａＮ膜５９上にＡｌＧａＮ膜６１を成長する。ＡｌＧａＮ膜６１は電子供給層として機能する。ＧａＮ膜５９の上層部分は、チャネル層として機能する。これらの工程によって、絶縁性基板５３と、チャネル層のための窒化ガリウム系半導体膜（例えば、ＧａＮ膜５９）と、電子供給層のために窒化ガリウム系半導体膜（例えば、ＡｌＧａＮ膜６１）とを含むエピタキシャル基板Ｅ２が提供される。なお、核形成膜５５の酸素濃度はＡｌＧａＮ膜６１の酸素濃度より大きい。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタの電極を形成する工程を示す図面である。これらの図面において、ＡｌＧａＮ膜６１の表層の一部分が示されている。図８（Ａ）に示されるように、ＡｌＧａＮ膜６１上にソース電極６３ａおよびドレイン電極６３ｂをリフトオフ法で形成することができる。これらの電極の材料としてＴｉ／Ａｌ等を用いることができる。図８（Ｂ）に示されるように、トランジスタ領域を互いに分離するためのアイソレーション領域６９を形成する。このために、トランジスタ領域を覆うマスク６５を形成する。このマスク６５を用いて、イオン注入６７を行ってアイソレーション領域６９を形成する。図８（Ｃ）に示されるように、ＡｌＧａＮ膜６１上にゲート電極７１を形成する。ゲート電極７１はソース電極６３ａとドレイン電極６３ｂとの間に位置しており、リフトオフ法で形成されることができる。この電極の材料としてＮｉ／Ａｕ等を用いることができる。これらの主要な工程の結果、ＨＦＥＴが作製される。

本実施の形態において、単純化のため単一のアンドープＡｌＧａＮ層の例を示しており、ＡｌＧａＮ電子供給膜はドーピングを施した層を含む複数層と置き換えきる。また、トランジスタは、必要に応じて絶縁保護膜で覆われる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、本実施の形態では、ＨＦＥＴを説明しているが、本発明はこれに限定されることなく、高抵抗な窒化ガリウム系半導体膜を必要とするIII族窒化物半導体トランジスタに用いることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、第１の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタを示す図面である。 図２（Ａ）は、本発明の一例に係るヘテロ接合型電界効果型トランジスタＨＦＥＴ１の構造を示す図面である。図２（Ｂ）は、別の例に係るヘテロ接合型電界効果型トランジスタＨＦＥＴ２の構造を示す図面である。 図３は、ＨＦＥＴ１およびＨＦＥＴ２のドレイン電流−ゲート電圧特性を示す図面である。 図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、III族としてアルミニウムを含むIII族窒化物膜を形成するための温度プロファイルを示す図面である。 図５（Ａ）は、サンプルＡの二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）プロファイルを示す図面であり、図５（Ｂ）は、サンプルＢのＳＩＭＳプロファイルを示す図面である。 図６は、窒化ガリウム膜中に拡散した距離とバッファリーク電流との関係を示す図面である。 図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタのための半導体膜を成長する工程を示す図面である。 図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタの電極を形成する工程を示す図面である。 図９は、窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタの一例としてヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す図面である。

符号の説明

２１…トランジスタ、２３…低温核形成層、２５…バッファ層、２７…III族窒化物層、２９…基板、３１…チャネル層、３３…電子供給層、３７…ゲート電極、３９…ソース電極、４１…ドレイン電極、５１…成膜装置、５３…基板、５５…ＧａＮ核形成膜、５７…ＡｌＧａＮ膜、６１…ＡｌＧａＮ膜、６３ａ…ソース電極、６３ｂ…ドレイン電極、６５…マスク、６７…イオン注入、６９…アイソレーション領域、７１…ゲート電極

Claims (14)

1. III族窒化物から成る低温核形成層と、
   前記低温核形成層上に設けられた窒化ガリウムバッファ層と、
   前記低温核形成層と前記窒化ガリウムバッファ層との間に設けられておりアルミニウムを含むIII族窒化物層と
   を備え、
   前記低温核形成層の酸素濃度は窒化ガリウムバッファ層の酸素濃度より大きい、窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
2. 前記III族窒化物層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層（Ｘは０より大きく１以下である）である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
3. 前記Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ層はＡｌＮ層である、ことを特徴とする請求項２に記載された窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
4. 前記III族窒化物層の厚さは１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
5. 前記低温核形成層は窒化ガリウム層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
6. 前記低温核形成層を搭載するサファイア基板をさらに備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
7. 前記窒化ガリウムバッファ層上に設けられた電子供給層をさらに備え、
   当該窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタは、ヘテロ接合電界効果トランジスタである、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタ。
8. 窒化ガリウム系化合物半導体トランジスタを作製する方法であって、
   III族窒化物から成る核形成膜を基板上に第１の温度で形成する工程と、
   前記第１の温度以上の第２の温度で前記核形成膜上に、アルミニウムを含むIII族窒化物膜を形成する工程と、
   前記III族窒化物膜上に、第３の温度で窒化ガリウムバッファ膜を形成する工程と
   を備え、
   前記第１の温度は前記第３の温度より低い温度である、ことを特徴とする方法。
9. 前記III族窒化物膜は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ膜（Ｘは０より大きく１以下である）である、ことを特徴とする請求項８に記載された方法。
10. 前記III族窒化物膜の少なくとも一部は前記第１の温度から温度上昇中に形成される、ことを特徴する請求項８または請求項９に記載された方法。
11. 前記III族窒化物膜の少なくとも一部は前記第１の温度で形成される、ことを特徴する請求項８または請求項９に記載された方法。
12. 前記III族窒化物膜の少なくとも一部は前記第３の温度で形成される、ことを特徴する請求項８または請求項９に記載された方法。
13. 前記核形成膜、前記III族窒化物膜、および前記窒化ガリウムバッファ膜は有機金属気相成長法で形成される、ことを特徴する請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
14. 前記III族窒化物膜を形成する工程において、アルミニウムを含む原料をパルス状に供給する、ことを特徴する請求項８〜請求項１３のいずれか一項に記載された方法。

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