JP2007221001A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】所定値以上の格子定数の差を有する複数の窒化物系化合物半導体層を結晶性の良い状態で多層形成することができ、エピタキシャル成長方向への貫通転位の伝播を抑制できること。
【解決手段】この発明にかかる半導体素子１００は、ＧａＮ等の窒化物系化合物半導体によって形成される化合物半導体層１１と、この化合物半導体層１１に対する格子定数差が０．７％以上であるＡｌＮ等の窒化物系化合物半導体によって形成される化合物半導体層１３と、層領域内の微小部分での格子定数差が０．７％以下である中間層１２と含む多層構造を備える。この場合、中間層１２は、化合物半導体層１１，１３の積層界面に介在し、両端の化合物半導体層１１，１３の接合界面での格子定数差を０．７％以下にする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、窒化物系化合物半導体によって形成される複数の層を基板上に積層した多層構造を有する半導体素子に関するものである。

窒化物系化合物半導体を用いて形成された半導体素子は、直接遷移性等、化合物半導体材料が本質的に有する特性から、高耐圧素子、高速素子として有望な電子素子である。特に、ＧａＮ系化合物半導体を用いて形成された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）は、高い絶縁耐圧特性を有し、４００℃近い高温環境下においても動作する固体素子として注目されている。このようなＧａＮ系化合物半導体を用いて形成されたＦＥＴ（ＧａＮ系ＦＥＴ）において、半導体動作を担う層である半導体動作層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体からなる層を適宜積層して形成される。また、ＧａＮ系化合物半導体では、ＳｉまたはＧａＡｓ等の大口径な単結晶基板を作製することが困難であるため、ＧａＮ系ＦＥＴは、一般に、サファイアまたはＳｉ等の基板を用いて作製される。

すなわち、ＧａＮ系ＦＥＴを作製する場合、サファイアまたはＳｉ等の基板上にＧａＮからなるバッファ層が形成され、このバッファ層上にＧａＮ系化合物半導体からなる半導体動作層が形成され、この半導体動作層の表面にソース電極とゲート電極とドレイン電極とが形成される。この場合、半導体動作層は、ＧａＮ系ＦＥＴの半導体動作を担う層であり、例えば、非ドープＧａＮからなる電子走行層、非ドープＡｌＧａＮからなる電子供給層、およびコンタクト層を順次積層して形成される。

なお、ＧａＮからなるバッファ層は、サファイアまたはＳｉとＧａＮとの格子定数の差が大きいため、サファイアまたはＳｉ等の基板上に高温でエピタキシャル成長させることは困難である。したがって、サファイアまたはＳｉ等の基板上に、先ず、５００〜６００℃程度の比較的低温の基板温度で第１のＧａＮ層またはＡｌＮ層を形成し、つぎに、この第１のＧａＮ層上に高温で第２のＧａＮ層を形成する。このようにして、サファイアまたはＳｉ等の基板上に、かかる第１および第２のＧａＮ層からなるバッファ層、すなわちＧａＮからなるバッファ層をエピタキシャル成長させることができる。

このように作製されるＧａＮ系ＦＥＴの一種として、ピエゾ効果によって半導体動作層の電子走行層と電子供給層との積層界面に２次元電子ガス層を形成し、かかる２次元電子ガス層の高電子移動度を利用した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が、開発されている（特許文献１を参照）。

一方、このようなＧａＮ系ＦＥＴには、サファイアまたはＳｉ等の基板とＧａＮ系化合物半導体からなる半導体動作層との間に、組成が異なる第１の層と第２の層とを交互に積層して形成される多層構造のバッファ層を介在させ、この基板と半導体動作層との格子定数の差によって発生する応力を低減したものもある（特許文献２を参照）。

この多層構造のバッファ層は、例えばＧａＮからなる第１の層とＡｌＮからなる第２の層とを交互に積層して形成され、かかる第１の層と第２の層との積層界面に、これら両者の格子定数の差に起因する歪みを有する面が形成される。このような多層構造のバッファ層は、この歪みを有する面が多層形成されているため、基板側から発生した貫通転位の伝播方向を曲げることができ、この貫通転位のエピタキシャル成長方向への伝播を抑制することができる。これによって、この多層構造のバッファ層は、上層に形成された電子走行層の２次元電子ガス層への貫通転位の伝播を抑制できる。なお、貫通転位は、電子走行層に形成される２次元電子ガス層に伝播した場合、この２次元電子ガス層内の２次元電子ガスの濃度および移動度を低下させるという事態を招来する。

特開２００５−８５８５２号公報 特開２００３−５９９４８号公報

しかしながら、上述した従来の半導体素子では、多層構造を形成する窒化物系化合物半導体層（例えば、上述した多層構造のバッファ層を形成する第１の層および第２の層）の結晶界面に発生する歪みに起因して、この窒化物系化合物半導体層の結晶性を劣化させる場合が多く、良好な結晶性の窒化物系化合物半導体層を多層形成することが困難であるという問題点があった。例えば、上述した多層構造のバッファ層は、ＧａＮからなる第１の層とＡｌＮからなる第２の層との結晶界面の歪み、すなわちＧａＮとＡｌＮとの結晶界面における格子定数の差（２．５％程度）に起因して、第１の層または第２の層とを結晶性の良い状態で交互に多層形成することは困難である。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、所定値以上の格子定数の差を有する複数の窒化物系化合物半導体層を結晶性の良い状態で多層形成することができ、エピタキシャル成長方向への貫通転位の伝播を抑制できる半導体素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる半導体素子は、窒化物系化合物半導体によって形成される第１の層と、前記第１の層に対する格子定数差が０．７％以上である窒化物系化合物半導体によって形成される第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との積層界面に介在し、前記第１の層の接合界面での格子定数差と前記第２の層の接合界面での格子定数差と両端の前記接合界面に挟まれた領域内の微小部分での格子定数差とがいずれも０．７％以下である中間層と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記中間層は、前記領域内の微小部分での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を変化させることを特徴とする。

また、請求項３にかかる半導体素子は、窒化物系化合物半導体によって形成される化合物半導体層と、多層に形成された複数の前記化合物半導体層の積層界面に介在し、両端の前記化合物半導体層の各接合界面での格子定数差がいずれも０．７％以下であり、且つ、両端の前記接合界面に挟まれた領域内の微小部分での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を変化させ、前記領域内に、前記窒化物系化合物半導体に対する格子定数差が０．７％以上になる微小部分を有する中間層と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項４にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記中間層の組成は、前記層厚方向に対して連続的に変化し、前記領域内の微小部分での前記組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項５にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記第１の層および前記第２の層は、それぞれ複数であって交互に形成され、前記中間層は、交互に形成された前記第１の層と前記第２の層との各積層界面に介在することを特徴とする。

また、請求項６にかかる半導体素子は、上記の発明において、複数の前記第１の層のうちの第１の層の下端から次の第１の層の下端までの層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項７にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記第１の層と前記第２の層と前記中間層とを含む複合層は、バッファ層を形成することを特徴とする。

また、請求項８にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記化合物半導体層および前記中間層は、それぞれ複数であって交互に形成されることを特徴とする。

また、請求項９にかかる半導体素子は、上記の発明において、複数の前記化合物半導体層のうちの化合物半導体層の下端から次の化合物半導体層の下端までの層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項１０にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記化合物半導体層と前記中間層とを含む複合層は、バッファ層を形成することを特徴とする。

また、請求項１１にかかる半導体素子は、上記の発明において、前記窒化物系化合物半導体は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にすることを特徴とする。

この発明によれば、０．７％以上の格子定数差を有する複数の窒化物系化合物半導体層を結晶性の良い状態で多層形成することができ、エピタキシャル成長方向への貫通転位の伝播を抑制できる半導体素子を実現することができるという効果を奏する。

以下、添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる半導体素子の一構成例を示す断面模式図である。図１に示すように、この半導体素子１００は、シリコン（Ｓｉ）等の基板１上に、ＡｌＮからなるＡｌＮ介在層２と、中間層３と、窒化物系化合物半導体によって形成されるバッファ層４と、半導体動作を担う半導体動作層５とを順次積層して形成される多層構造を有する。また、半導体素子１００は、半導体動作層５上に、例えばソース電極６、ゲート電極７、およびドレイン電極８等の複数の電極を有する。

ＡｌＮ介在層２は、ＳｉとＧａＮとの間の格子定数を有するＡｌＮによって形成され、基板１とバッファ層４との間に介在する。このようなＡｌＮ介在層２は、基板１とＧａＮ等の窒化物系化合物半導体層との格子定数差を緩和し、基板１上にバッファ層４および半導体動作層５等を積層可能にする。

中間層３は、格子定数差が０．７％以上になるＡｌＮ介在層２とバッファ層４の下端部との積層界面に介在し、ＡｌＮ介在層２上にバッファ層４の下端部（例えばＧａＮからなる窒化物系化合物半導体層）を結晶性の良い状態で積層可能にするとともに、ＡｌＮ介在層２とバッファ層４の下端部との格子定数差を緩和する。具体的には、中間層３は、窒化物系化合物半導体層の一種であり、ＡｌＮ介在層２を形成する窒化物系化合物半導体（ＡｌＮ）とバッファ層４の下端部を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＧａＮ）との間の組成を有する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＧａＮ）によって形成される。このような中間層３は、ＡｌＮ介在層２の接合界面での格子定数差とバッファ層４の接合界面での格子定数差がいずれも０．７％以下である。また、中間層３は、これら両端の接合界面に挟まれた層領域内における任意の微小部分（例えば結晶界面）での格子定数差を０．７％以下に維持しつつエピタキシャル成長方向（すなわち層厚方向）に対して組成を連続的に変化させる。すなわち、かかる組成変化に伴って中間層３の層領域内に形成される結晶界面での格子定数差は０．７％以下である。このような中間層３の組成は、例えば、ＡｌＮ介在層２の接合界面近傍においてＡｌＮに近いものであり、バッファ層４の接合界面近傍においてＧａＮに近いものであり、層領域内においてＡｌＮからＧａＮに近づくように層厚方向に対して徐々に変化する。

バッファ層４は、基板１と窒化物系化合物半導体からなる半導体動作層５との格子定数差を緩和するとともに、半導体動作層５への貫通転位の伝播を抑制する。具体的には、バッファ層４は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体を用いて実現され、格子定数差が０．７％以上になる複数の層を交互に形成した多層構造を有する。より具体的には、バッファ層４は、格子定数差が０．７％以上になる化合物半導体層１１と化合物半導体層１３との積層界面に中間層１２を介在させた多層構造を有する。さらに、バッファ層４は、化合物半導体層１３の上部（すなわち化合物半導体層１３と半導体動作層５との界面）に中間層１４を有する。

化合物半導体層１１は、例えば非ドープＧａＮからなる層であり、上述した中間層３を介してＡｌＮ介在層２上に形成される。この場合、ＡｌＮ介在層２と化合物半導体層１１との積層界面に中間層３が介在するので、化合物半導体層１１は、結晶性の良い状態（例えば略平坦な状態）でＡｌＮ介在層２上に形成される。一方、化合物半導体層１３は、化合物半導体層１１に対して０．７％以上の格子定数差を有する窒化物系化合物半導体、例えば非ドープＡｌＮからなる層であり、中間層１２を介して化合物半導体層１１上に形成される。この場合、化合物半導体層１１，１３の積層界面に中間層１２が介在するので、化合物半導体層１３は、結晶性の良い状態（例えば略平坦な状態）で化合物半導体層１１上に形成される。

中間層１２は、格子定数差が０．７％以上になる化合物半導体層１１，１３の積層界面に介在し、化合物半導体層１１上に化合物半導体層１３を結晶性の良い状態で積層可能にするとともに、化合物半導体層１１，１３の格子定数差を緩和する。具体的には、中間層１２は、窒化物系化合物半導体層の一種であり、化合物半導体層１１を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＧａＮ）と化合物半導体層１３を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＮ）との間の組成を有する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＧａＮ）によって形成される。このような中間層１２は、両端の化合物半導体層１１，１３の各接合界面での格子定数差がいずれも０．７％以下である。また、中間層１２は、これら両端の各接合界面に挟まれた層領域内における任意の微小部分（例えば結晶界面）での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を連続的に変化させる。すなわち、かかる組成変化に伴って中間層１２の層領域内に形成される結晶界面での格子定数差は０．７％以下である。このような中間層１２の組成は、例えば、化合物半導体層１１の接合界面近傍においてＧａＮに近いものであり、化合物半導体層１３の接合界面近傍においてＡｌＮに近いものであり、層領域内においてＧａＮからＡｌＮに近づくように層厚方向に対して徐々に変化する。

中間層１４は、格子定数差が０．７％以上になる化合物半導体層１３と半導体動作層５の下端部との積層界面に介在し、化合物半導体層１３上に半導体動作層５の下端部（例えば非ドープＧａＮからなる電子走行層）を結晶性の良い状態で積層可能にするとともに、化合物半導体層１３と半導体動作層５の下端部との格子定数差を緩和する。具体的には、中間層１４は、窒化物系化合物半導体層の一種であり、化合物半導体層１３を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＮ）と半導体動作層５の下端部を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＧａＮ）との間の組成を有する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＧａＮ）によって形成される。このような中間層１４は、化合物半導体層１３の接合界面での格子定数差と半導体動作層５の接合界面での格子定数差がいずれも０．７％以下である。また、中間層１４は、これら両端の接合界面に挟まれた層領域内における任意の微小部分（例えば結晶界面）での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を連続的に変化させる。すなわち、かかる組成変化に伴って中間層１４の層領域内に形成される結晶界面での格子定数差は０．７％以下である。このような中間層１４の組成は、例えば、化合物半導体層１３の接合界面近傍においてＡｌＮに近いものであり、半導体動作層５の接合界面近傍においてＧａＮに近いものであり、層領域内においてＡｌＮからＧａＮに近づくように層厚方向に対して徐々に変化する。

半導体動作層５は、半導体素子１００の半導体動作を担う層であり、窒化物系化合物半導体を用いて実現され、バッファ層４上に積層される。具体的には、半導体動作層５は、例えば非ドープＧａＮからなる電子走行層１５を下端部（すなわちバッファ層４の上部）に有し、この電子走行層５上にＡｌＧａＮからなる電子供給層１６を有し、この電子供給層１６上に高濃度ドープＧａＮからなるコンタクト層１７を有する。また、半導体動作層５の上部には、ソース電極６、ゲート電極７、およびドレイン電極等の複数の電極が形成される。

電子走行層１５は、例えば非ドープＧａＮを用いて実現され、電子供給層１６から供給された電子を高速走行させる。具体的には、電子走行層１５は、上述したバッファ層４の中間層１４上に形成され、上端部すなわち電子供給層１６とのへテロ接合界面の直下に、２次元電子ガス層１５ａを有する。２次元電子ガス層１５ａは、このヘテロ接合界面における結晶歪みに基づくピエゾ圧電効果によって発生するピエゾ電界に応じて形成され、電子供給層１６によって供給された電子を高速走行させる。ここで、化合物半導体層１３と電子走行層１５との積層界面に中間層１４が介在するので、電子走行層１５は、結晶性の良い状態（例えば略平坦な状態）でバッファ層４上に形成される。

電子供給層１６は、電子走行層１５に比してバンドギャップエネルギーが大きい化合物半導体、例えばＡｌＧａＮを用いて実現され、電子走行層１５上に積層される。この場合、電子供給層１６は、電子走行層１５に比して薄い層厚を有し、電子走行層１５に対してヘテロ接合される。このような電子供給層１６は、電子走行層１５に対して電子を供給する。かかる電子供給層１６によって供給された電子は、電子走行層１５の２次元電子ガス層１５ａを高速走行し、例えばソース電極６からドレイン電極８に移動する。

コンタクト層１７は、ｎ型不純物が高濃度にドーピングされた窒化物系化合物半導体、例えば高濃度ドープＧａＮを用いて実現され、電子供給層１６上に形成される。コンタクト層１７は、上部にソース電極６とドレイン電極とが形成され、かかるソース電極６またはドレイン電極８と電子供給層１６とのコンタクト抵抗を低減する。

ソース電極６およびドレイン電極８は、半導体動作層５上に形成されるオーミック電極として機能し、ゲート電極７は、半導体動作層５上に形成されるショットキー電極として機能する。具体的には、ソース電極６およびドレイン電極８は、例えばＡｌ／Ｔｉ／Ａｕの金属層によって実現され、コンタクト層１７上にそれぞれ形成される。この場合、ソース電極６およびドレイン電極８は、コンタクト層１７に対してオーミック接合される。一方、ゲート電極７は、例えばＰｔ／Ａｕの金属層によって実現され、電子供給層１６上に形成される。この場合、ゲート電極７は、電子供給層１６に対してショットキー接合される。

このような半導体素子１００では、ソース電極６とドレイン電極８とを作動させた場合、電子走行層１５のヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスがキャリアとして利用され、電子走行層１５に供給された電子が２次元電子ガス層１５ａ中を高速走行してドレイン電極８まで移動する。このとき、ゲート電極７に印加する電圧を制御してゲート電極７直下の空乏層の厚さを変化させることによって、ソース電極６からドレイン電極８へ移動する電子、すなわちドレイン電流を制御することができる。

つぎに、上述した化合物半導体層１１，１３と中間層１２，１４とを有する多層構造のバッファ層４の組成変化について説明する。図２は、層厚方向に対して組成変化するバッファ層４の組成プロファイルの一例を示す模式図である。バッファ層４は、上述したように、化合物半導体層１１と中間層１２と化合物半導体層１３と中間層１４とをこの順にエピタキシャル成長させて形成される。このようなバッファ層４は、例えば図２に示すように、このエピタキシャル成長方向（すなわち層厚方向Ａ）に対して組成を変化させる。

すなわち、化合物半導体層１１は、層厚方向Ａに対してＧａＮの均一な組成を有する。中間層１２は、化合物半導体層１１，１３の間の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを有し、層厚方向Ａに対してＧａＮからＡｌＮに連続的且つ直線的にこの組成を変化させる。この場合、中間層１２の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)ＮのＡｌ組成比ｘは、層厚方向Ａに対して０から１に連続的に変化する。また、化合物半導体層１３は、層厚方向Ａに対してＡｌＮの均一な組成を有する。中間層１４は、化合物半導体層１１と電子走行層１５との間の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを有し、層厚方向Ａに対してＡｌＮからＧａＮに連続的且つ直線的にこの組成を変化させる。この場合、中間層１４の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)ＮのＡｌ組成比ｘは、層厚方向Ａに対して１から０に連続的に変化する。

ここで、中間層１２の組成は、両端の接合界面において化合物半導体層１１，１３の各組成にそれぞれ連続し、これら両端の接合界面に挟まれた層領域内（すなわち中間層１２の層領域内）における任意の微小部分での格子定数差Δｄ１は、０．７％以下である。また、中間層１２の組成が層厚方向Ａに対して連続的に変化する場合、かかる中間層１２の微小部分における組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０％／ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、中間層１２は、化合物半導体層１１から化合物半導体層１３に向けて、任意の微小部分での格子定数差Δｄ１を確実に０．７％以下に維持しつつ組成を変化できる。一方、中間層１４の組成は、両端の接合界面において化合物半導体層１１と電子走行層１５の各組成にそれぞれ連続し、これら両端の接合界面に挟まれた層領域内（すなわち中間層１４の層領域内）における任意の微小部分での格子定数差Δｄ２は、０．７％以下である。また、中間層１４の組成が層厚方向Ａに対して連続的に変化する場合、かかる中間層１４の微小部分における組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、０％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、中間層１４は、化合物半導体層１３から電子走行層１５に向けて、任意の微小部分での格子定数差Δｄ２を確実に０．７％以下に維持しつつ組成を変化できる。

また、化合物半導体層１１の下端から電子走行層１５の下端までの層厚、すなわち中間層１２，１４と化合物半導体層１１，１３とを一組とする複合層の層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることが望ましい。さらには、化合物半導体層１１，１３の層厚は、５ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることが望ましく、中間層１２，１４の層厚は、０．１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、上述した中間層１２，１４の組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下に設定し易くなる。

なお、ここでいう格子定数差は、結晶界面を境に接合する両側の窒化物系化合物半導体の格子定数ａ１，ａ２を用い、次式（１）に基づいて算出される。
格子定数差（％）＝｜１−ａ２／ａ１｜×１００ ・・・（１）
例えば、ＧａＮからなる化合物半導体層１１とＡｌＮからなる化合物半導体層１３との格子定数差Ｄ１は、ＧａＮの格子定数ａ１（＝３．１８９Å）とＡｌＮの格子定数ａ２（＝３．１１２Å）とを式（１）に代入して算出され、約２．５％になる。また、非ドープＧａＮからなる電子走行層１５とＡｌＮからなる化合物半導体層１３との格子定数差は、この格子定数差Ｄ１と同値である。

このような中間層１２を化合物半導体層１１，１３の積層界面に介在させることによって、例えば格子定数差が２．５％である化合物半導体層１１，１３に挟まれた層領域内の微小部分（例えば結晶界面等）での格子定数差は、全て０．７％以下になる。このため、化合物半導体層１３は、中間層１２を介して化合物半導体層１１上に、結晶性の良い状態でエピタキシャル成長できる。この場合、化合物半導体層１３は、中間層１２上に略平坦な状態で積層される。これと同様に、化合物半導体層１３と電子走行層１５との積層界面に中間層１４を介在させることによって、例えば格子定数差が２．５％である化合物半導体層１３と電子走行層１５に挟まれた層領域内の微小部分（例えば結晶界面等）での格子定数差は、全て０．７％以下になる。このため、電子走行層１５は、中間層１４を介して化合物半導体層１３上に、結晶性の良い状態でエピタキシャル成長できる。この場合、電子走行層１５は、中間層１４上に略平坦な状態で積層される。

このことは、以下に述べる窒化物系化合物半導体層の結晶性と格子定数差との関係に基づいている。本願発明者等は、ＧａＮからなる窒化物系化合物半導体層（実験層Ｅ１）の上部にＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる窒化物系化合物半導体層（実験層Ｅ２）をエピタキシャル成長させ、この実験層Ｅ２の結晶性と実験層Ｅ１，Ｅ２の格子定数差との関係を実験的に見出した。この実験では、実験層Ｅ２のＡｌ組成比ｘをパラメータとして変化させ、層厚５００ｎｍの実験層Ｅ１上に層厚２５ｎｍの実験層Ｅ２をエピタキシャル成長させ、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）としてDigital Instruments社製のNanoscopeIIIを用いてこの実験層Ｅ２の表面粗さＲ_MSを測定し、その後、この実験層Ｅ２と実験層Ｅ１との格子定数差を導出した。図３は、実験層Ｅ２のＡｌ組成比ｘと表面粗さＲ_MSとの関係を例示する模式図である。

図３に示すように、実験層Ｅ２の表面粗さＲ_MSは、Ａｌ組成比ｘが０以上、約０．３以下の値である場合、略一定値（０．７５ｎｍ程度）である。一方、実験層Ｅ２の表面粗さＲ_MSは、Ａｌ組成比ｘが約０．３である場合を境に急激に増加し、Ａｌ組成比ｘが約０．３から１．０に近づくとともに単純増加した。例えば、実験層Ｅ２の表面粗さＲ_MSは、Ａｌ組成比ｘが０．４１である場合に約２．１ｎｍであり、Ａｌ組成比ｘが０．５９である場合に約４．５ｎｍであった。すなわち、実験層Ｅ２のＡｌ組成比ｘが約０．３である場合を境に、実験層Ｅ２の表面は、凹凸が激しく乱れた状態になった。これは、Ａｌ組成比ｘが約０．３である場合を境に実験層Ｅ２が臨界膜厚を超え、結晶が崩れたためと推定される。

ここで、Ａｌ組成比ｘを約０．３に設定した実験層Ｅ２と実験層Ｅ１との格子定数差（歪み量）は０．７３％であり、Ａｌ組成比ｘを約０．５９に設定した実験層Ｅ２と実験層Ｅ１との格子定数差（歪み量）は、１．４７％であった。また、Ａｌ組成比ｘを１．０に設定した実験層Ｅ２（すなわちＡｌＮ層）と実験層Ｅ１との格子定数差（歪み量）は、約２．５％である。したがって、実験層Ｅ２は、実験層Ｅ１に対する格子定数差が０．７％以下である場合に良好な結晶性を得ることができる。一方、実験層Ｅ２は、実験層Ｅ１に対する格子定数差が０．７３％以上である場合に結晶表面の凹凸が激しくなり、その結晶性が劣化する。このことは、実験層Ｅ１（すなわちＧａＮ層）上に、ＧａＮ層に対して０．７３％以上の格子定数差を有するＡｌＧａＮ層を層厚１．０ｎｍ以上にエピタキシャル成長させた場合に顕著である。

以上の実験結果から判るように、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体層は、エピタキシャル成長方向の微小部分（例えば結晶界面）における格子定数差を０．７％以下にすることによって、結晶性の良い状態で多層形成できる。すなわち、格子定数差が０．７％以上になる化合物半導体層１１，１３および電子走行層１５は、上述したように中間層１２，１４を各接合界面に介在させることによって、結晶を崩すことなく結晶性の良い状態でエピタキシャル成長することができる。

かかる化合物半導体層１１，１３と中間層１２，１４とを有する多層構造のバッファ層４は、エピタキシャル成長方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下であるとともに、化合物半導体層１１，１３によって生じる０．７％以上（具体的には約２．５％）の格子定数差、すなわち歪みを有する。このようなバッファ層４は、基板１と半導体動作層５との格子定数差を緩和するとともに、半導体動作層５への貫通転位の伝播を抑制できる。具体的には、例えばＡｌＮ介在層２は、基板１に対する大きな格子定数差に起因して貫通転位を発生させる。この貫通転位は、エピタキシャル成長方向に伝播する場合が多く、仮に、電子走行層１５の２次元電子ガス層１５ａに伝播した場合、この２次元電子ガス層１５ａ内の２次元電子ガスの濃度および移動度を低下させる。しかし、バッファ層４は、上述したように層内に０．７％以上の歪みを有するので、この貫通転位の伝播方向を曲げることができ、かかる貫通転位のエピタキシャル成長方向への伝播を抑制するとともに、半導体動作層５への貫通転位の伝播を抑制できる。これと同時に、バッファ層４は、エピタキシャル成長方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下であるので、多層構造内での新たな貫通転位の発生を防止するとともに、多層構造内の各結晶界面におけるクラックの発生を防止できる。

つぎに、この発明の実施の形態１にかかる半導体素子１００の製造方法について説明する。半導体素子１００を製造する場合、サファイアまたはシリコン等の基板１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によってＡｌＮ介在層２と中間層３とバッファ層４と半導体動作層５とが順次形成され、この半導体動作層５上に、複数の電極、例えばソース電極６とゲート電極７とドレイン電極８とが形成される。

具体的には、まず、フッ化水素酸等によって化学エッチングを加えたＳｉの基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ターボポンプを用いてＭＯＣＶＤ装置内の真空度を１００［ｈＰａ］以下にした。その後、このＭＯＣＶＤ装置内の基板１を８００［℃］に昇温し、このＭＯＣＶＤ装置内の温度が安定した場合、基板１を９００［ｒｐｍ］で回転させ、窒化物系化合物半導体の原料となるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とアンモニア（ＮＨ₃）とをそれぞれ５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］、１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量で基板１の表面に導入し、成長時間を４［ｍｉｎ］にして層厚５０［ｎｍ］のＡｌＮからなるＡｌＮ介在層２を基板１上に積層した。

なお、基板１は、Ｓｉの基板に代えてサファイアの基板であってもよい。この場合、フッ化水素酸等によって化学エッチングを加えたサファイアの基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、上述したＳｉの場合と同様に、このサファイアの基板１上にＡｌＮ介在層２を形成すればよい。

つぎに、基板１の温度を１０３０［℃］に昇温し、その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらをＡｌＮ介在層２の上部に導入し、成長時間を４０［ｓｅｃ］にして層厚２０［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる中間層３をＡｌＮ介在層２上に積層した。この場合、Ｍｇの添加量は、１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。

続いて、中間層３の上部にバッファ層４を形成する。具体的には、ＴＭＧａとＮＨ₃とをそれぞれ５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］、１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量で中間層３の上部に導入し、成長時間を６００［ｓｅｃ］にして層厚３００［ｎｍ］のＧａＮからなる化合物半導体層１１を中間層３上に積層した。つぎに、ＴＭＧａを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、成長時間を４０［ｓｅｃ］にして層厚２０［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる中間層１２を化合物半導体層１１上に積層した。続いて、ＴＭＡとＮＨ₃とをそれぞれ５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］、１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量で中間層１２の上部に導入し、成長時間を４０［ｓｅｃ］にして層厚２０［ｎｍ］のＡｌＮからなる化合物半導体層１３を中間層１２上に積層した。その後、ＴＭＧａを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＣＰ₂Ｍｇを０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを化合物半導体層１２の上部に導入し、成長時間を４０［ｓｅｃ］にして層厚２０［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる中間層１４を化合物半導体層１２上に積層した。このようにして、化合物半導体層１１，１３および中間層１２，１４からなる多層構造のバッファ層４が形成された。

つぎに、バッファ層４の上部に半導体動作層５を形成する。具体的には、ＴＭＧａとＮＨ₃とをそれぞれ５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］、１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量で中間層１４の上部に導入し、成長時間を１０００［ｓｅｃ］にして層厚５００［ｎｍ］の非ドープＧａＮからなる電子走行層１５を中間層１４上に積層した。続いて、ＴＭＧａを４１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを１７［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを電子走行層１５の上部に導入し、成長時間を４０［ｓｅｃ］にして層厚２０［ｎｍ］のＡｌＧａＮからなる電子供給層１６を電子走行層１５上に積層した。さらに、ＴＭＧａを５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＳｉＨ₄を０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを電子供給層１６の上部に導入し、成長時間を４０［ｓｅｃ］にして層厚２０［ｎｍ］の高濃度ドープＧａＮからなるコンタクト層１７を電子供給層１６に形成した。

その後、フォトリソグラフィを利用したパターンニングによって、半導体動作層５上にＳｉＯ₂膜からなるマスクを形成するとともに、ソース電極６およびドレイン電極８を形成すべきコンタクト層１７の上部に各電極形状に対応した開口部を形成する。そして、この開口部にＡｕ、Ｔｉ、およびＡｌをそれぞれ膜厚１００［ｎｍ］、５０［ｎｍ］、および５０［ｎｍ］として順次蒸着して、Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕの金属層からなるソース電極６およびドレイン電極８をコンタクト層１７上に形成する。

続いて、この半導体動作層５上のマスクを除去し、これまでに形成した半導体動作層５、ソース電極６、およびドレイン電極８の各上部にフォトレジストからなるマスクを新たに形成する。そして、ゲート電極７を形成すべき電子供給層１６の上部に電極形状に対応した開口部をこのマスクに形成する。つぎに、このマスクの開口部にＡｕおよびＰｔをそれぞれ膜厚２００［ｎｍ］および１００［ｎｍ］として順次蒸着し、Ｐｔ／Ａｕの金属層からなるゲート電極７を電子供給層１６上に形成した。その後、このマスクを除去し、図１に例示した半導体素子１００が製造された。

なお、この発明の実施の形態１では、窒化物系化合物半導体からなる化合物系半導体層１１，１３と中間層１２，１４とによって形成される複合層を１組有していたが、これに限らず、このような複合層を複数組有していてもよい。このような１組以上の複合層を用いてバッファ層を形成してもよいし、半導体動作層を形成してもよい。

また、この発明の実施の形態１では、バッファ層４は層厚方向Ａに対して連続的且つ直線的に組成変化していたが、これに限らず、バッファ層４は層厚方向Ａに対して連続的且つ曲線的に組成変化してもよい。具体的には、図４に例示するように、中間層１２，１４は、組成変化の傾きを変化させつつ層厚方向Ａに対して連続的に組成変化してもよい。この場合、層厚方向Ａの任意の微小部分での格子定数差Δｄ１，Δｄ２は、いずれも０．７％以下であればよい。且つ、かかる組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であればよい。

さらに、中間層１２，１４の各隣接層との接合界面における組成は、かかる接合界面における格子定数差が０．７％以下であれば、これら各隣接層の組成に連続していなくてもよい。また、中間層１２，１４の組成変化は、上述したような直線的なものと曲線的なものとを組み合わせた連続的変化であってもよい。

また、この発明の実施の形態１では、バッファ層４は層厚方向Ａに対して連続的に組成変化していたが、これに限らず、バッファ層４は、層厚方向Ａに対して段階的に組成変化してもよい。具体的には、図５に例示するように、層厚方向Ａの任意の微小部分での格子定数差Δｄ１，Δｄ２がいずれも０．７％以下であれば、中間層１２，１４は、層厚方向Ａに対して段階的に組成変化してもよい。この場合、中間層１２，１４の組成変化は、かかる格子定数差Δｄ１，Δｄ２の条件を満足する範囲において、層厚方向Ａに対して単純な変化（図５を参照）であってもよいし、複雑な変化（例えばＡｌＧａＮ中のＡｌ組成が増減する変化）であってもよい。さらに、かかる段階的な組成変化と上述した連続的な組成変化とを組み合わせたものであってもよい。

さらに、この発明の実施の形態１では、層厚方向Ａに対して中間層１２，１４の組成を変化させていたが、これに限らず、中間層１２，１４の各隣接層との格子定数差がいずれも０．７％以下である場合、層厚方向Ａに対して中間層１２，１４の組成を略均一にしてもよい。具体的には、図６に例示するように、中間層１２は、両端の化合物半導体層１１，１３に対する各格子定数差Δｄ３，Δｄ４がいずれも０．７％以下になる略均一な組成を有してもよい。これと同様に、中間層１４は、化合物半導体層１３に対する格子定数差Δｄ５と電子走行層１５に対する格子定数差Δｄ６とがいずれも０．７％以下になる略均一な組成を有してもよい。この場合、化合物半導体層１１，１３の格子定数差Ｄ１は０．７％以上、１．４％以下であり、化合物半導体層１３と電子走行層１５との格子定数差Ｄ２は０．７％以上、１．４％以下である。

以上、説明したように、この発明の実施の形態１では、０．７％以上の格子定数差を有する複数の窒化物系化合物半導体層の積層界面に中間層を介在させ、かかる複数の窒化物系化合物半導体層と中間層との各接合界面での格子定数差を０．７％以下にし、且つ、かかる中間層におけるエピタキシャル成長方向の任意の微小部分での格子定数差を０．７％以下にするよう構成した。このため、かかる中間層を介して窒化物系化合物半導体層の上部に、この窒化物系化合物半導体層に対して０．７％以上の格子定数差を有する窒化物系化合物半導体層を良好な状態でエピタキシャル成長させることができる。この結果、０．７％以上の格子定数差を有する複数の窒化物系化合物半導体層を結晶性の良い状態で多層形成することができ、エピタキシャル成長方向への貫通転位の伝播を抑制できる半導体素子を実現することができる。

このように０．７％以上の格子定数差を有する複数の窒化物系化合物半導体層を多層形成することによって、層内に０．７％以上の歪みを有するとともに層厚方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下である多層構造のバッファ層を結晶性の良い状態で形成できる。このような多層構造のバッファ層は、層内に０．７％以上の歪みを有するので貫通転位の伝播方向を曲げることができ、この貫通転位のエピタキシャル成長方向への伝播を抑制でき、これによって、例えば半導体動作層への貫通転位の伝播を抑制できる。これと同時に、かかるバッファ層は、エピタキシャル成長方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下であるので、多層構造内での新たな貫通転位の発生を防止するとともに、多層構造内の各結晶界面におけるクラックの発生を防止できる。

（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、０．７％以上の格子定数差を有する窒化物系化合物半導体層の間に、層厚方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下である中間層を介在させていたが、この実施の形態２では、同じ窒化物系化合物半導体を主成分にする複数の窒化物系化合物半導体層の間に、これら両端の窒化物系化合物半導体層に対して０．７％以上の格子定数差を有し且つ層厚方向の任意の微小部分における格子定数差と両端の接合界面での格子定数差とがいずれも０．７％以下である中間層を介在させている。

図７は、この発明の実施の形態２にかかる半導体素子２００の一構成例を示す断面模式図である。図７に示すように、この半導体素子２００は、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００のバッファ層４に代えてバッファ層２１を有する。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

バッファ層２１は、上述した基板１と半導体動作層５との格子定数差を緩和するとともに、半導体動作層５への貫通転位の伝播を抑制する。具体的には、バッファ層２１は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体を用いて形成される多層構造を有し、この多層構造内に０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する。この場合、バッファ層２１は、多層形成される複数の化合物半導体層２２の各積層界面に中間層２３を介在させた多層構造を有する。すなわち、バッファ層２１の多層構造は、化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層を所望数繰り返し形成して実現される。

化合物半導体層２２は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体、例えば非ドープＧａＮからなる層である。この場合、化合物半導体層２２は、上述した中間層３および多層構造内の中間層２３の各接合界面において０．７％以下の格子定数差を有する。このような化合物半導体層２２は、上述した中間層３の上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長することができ、且つ、多層構造内の中間層２３の上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長することができる。

中間層２３は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体からなる層（すなわち窒化物系化合物半導体層の一種）であり、上述したように、複数の化合物半導体層２２の各積層界面に介在する。この場合、中間層２３は、両端の化合物半導体層２２の各接合界面での格子定数差とエピタキシャル成長方向（すなわち層厚方向）の任意の微小部分での格子定数差とがいずれも０．７％以下であり、且つ、かかる接合界面以外の層領域内において両端の化合物半導体層２２に対して０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する。このような中間層２３は、例えば組成変化層２３ａ，２３ｂによって形成される。

組成変化層２３ａは、層厚方向に対して組成を変化させる層であり、化合物半導体層２２の上部に形成される。この場合、組成変化層２３ａは、層厚方向の一端が化合物半導体層２２に接合され、且つ、他端に組成変化層２３ｂが接合される。このような組成変化層２３ａは、一端に接合された化合物半導体層２２に対する接合界面での格子定数差と層厚方向の任意の微小部分での格子定数差とがいずれも０．７％以下であり、且つ、この他端すなわち組成変化層２３ｂに対する接合界面の近傍において、化合物半導体層２２に対して０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する。

組成変化層２３ｂは、層厚方向に対して組成を変化させる層であり、組成変化層２３ａの上部に形成される。この場合、組成変化層２３ｂは、層厚方向の一端が組成変化層２３ａに接合され、且つ、他端に化合物半導体層２２が接合される。このような組成変化層２３ｂは、一端に接合された組成変化層２３ａに対する接合界面での格子定数差と、層厚方向の任意の微小部分での格子定数差と、他端に接合された化合物半導体層２２の接合界面での格子定数差とがいずれも０．７％以下である。さらに、組成変化層２３ｂは、この他端すなわち組成変化層２３ｂに対する接合界面の近傍において、化合物半導体層２２に対して０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する。

なお、バッファ層２１の最上部に形成される組成変化層２３ｂは、上部に例えば半導体動作層５（具体的には電子走行層１５）が形成される。この場合、最上部の組成変化層２３ｂは、この電子走行層１５に対する接合界面での格子定数差が０．７％以下であり、且つ、組成変化層２２ａに対する接合界面の近傍において、この電子走行層１５に対して０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する。

つぎに、上述した多層構造のバッファ層２１の組成変化について説明する。図８は、層厚方向に対して組成変化する多層構造のバッファ層２１の組成プロファイルの一例を示す模式図である。バッファ層２１は、上述したように、化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層を繰り返し形成した多層構造を有する。このような多層構造のバッファ層２１は、例えば図８に示すように、エピタキシャル成長方向（すなわち層厚方向Ａ）に対して組成を変化させる。なお、図８には、バッファ層２１の多層構造を形成する複数組の複合層のうちの２組分の複合層の組成プロファイルを例示している。すなわち、バッファ層２１は、かかる１組の複合層の組成プロファイルを複数回繰り返した組成プロファイルを有する。

図８に示すように、化合物半導体層２２は、層厚方向Ａに対して例えばＧａＮの均一な組成を有する。中間層２３は、例えば層厚方向Ａに対して連続的に変化する組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを有する。具体的には、組成変化層２３ａは、層厚方向Ａの一端の化合物半導体層２２に対する接合界面において化合物半導体層２２の組成ＧａＮに連続し、層領域内において層厚方向Ａに対して連続的且つ直線的に組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを変化させ、他端の組成変化層２３ｂに対する接合界面の近傍において、化合物半導体層２２に対する格子定数差Ｄ３を０．７％以上にする組成（例えばＡｌリッチなＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ）を有する。この場合、組成変化層２３ａの組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)ＮのＡｌ組成比ｘは、化合物半導体層２２の接合界面において略０であり、層厚方向Ａに対して０から１に近づくように連続的に変化する。

ここで、組成変化層２３ａの両端の接合界面に挟まれた層領域内（すなわち組成変化層２３ａの層領域内）における任意の微小部分での格子定数差Δｄ７は、０．７％以下である。また、組成変化層２３ａの組成が層厚方向Ａに対して連続的に変化する場合、かかる組成変化層２３ａの微小部分における組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０％／ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、組成変化層２３ａは、一端の化合物半導体層２２から他端の組成変化層２３ｂに向けて、任意の微小部分での格子定数差Δｄ７を確実に０．７％以下に維持しつつ組成を変化できる。このような格子定数差Δｄ７を有する組成変化層２３ａは、化合物半導体層２２の上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長できる。この場合、組成変化層２３ａは、化合物半導体層２２上に略平坦な状態で積層される。

一方、組成変化層２３ｂは、層厚方向Ａの一端の組成変化層２３ａに対する接合界面において組成変化層２３ａの組成（例えばＡｌリッチなＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ）に連続し、層領域内において層厚方向Ａに対して連続的且つ直線的に組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを変化させ、他端の化合物半導体層２２に対する接合界面において化合物半導体層２２の組成ＧａＮに連続する。この場合、組成変化層２３ｂの組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)ＮのＡｌ組成比ｘは、組成変化層２３ａの接合界面において組成変化層２３ａと略同じ値であり、層厚方向Ａに対してこの値から０に近づくように連続的に変化する。

ここで、組成変化層２３ｂの両端の接合界面に挟まれた層領域内（すなわち組成変化層２３ｂの層領域内）における任意の微小部分での格子定数差Δｄ８は、０．７％以下である。また、組成変化層２３ｂの組成が層厚方向Ａに対して連続的に変化する場合、かかる組成変化層２３ｂの微小部分における組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、０％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、組成変化層２３ｂは、一端の組成変化層２３ａから他端の化合物半導体層２２に向けて、任意の微小部分での格子定数差Δｄ８を確実に０．７％以下に維持しつつ組成を変化できる。このような格子定数差Δｄ８を有する組成変化層２３ｂは、組成変化層２３ａの上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長できる。この場合、組成変化層２３ｂは、組成変化層２３ａ上に略平坦な状態で積層される。

なお、バッファ層２１の多層構造において化合物半導体層２２の下端から次の化合物半導体層２２の下端までの層厚、すなわち化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層の層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることが望ましい。さらには、化合物半導体層２２の層厚は、５ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることが望ましく、組成変化層２３ａ，２３ｂの層厚は、０．１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、上述した中間層２３の組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下に設定し易くなる。

上述したような組成変化層２３ａ，２３ｂによって形成される中間層２３は、接合界面での格子定数差が０．７％以下である状態で両端に化合物半導体層２２を接合し、且つ、これら両端の化合物半導体層２２によって挟まれる層領域内において、層厚方向Ａの任意の微小部分（例えば結晶界面）での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ、この化合物半導体層２２に対して０．７％以上の格子定数差（歪み）を形成する。このような中間層２３を複数の化合物半導体層２２の各積層界面に介在させることによって、かかる化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層を複数回繰り返し形成した多層構造のバッファ層２１（図７を参照）を結晶性の良い状態で実現できる。

このような多層構造のバッファ層２１は、エピタキシャル成長方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下であるとともに、化合物半導体層２２と中間層２３とによって生じる０．７％以上の格子定数差、すなわち歪みを有する。このようなバッファ層２１は、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００のバッファ層４と同様に、基板１と半導体動作層５との格子定数差を緩和するとともに、半導体動作層５への貫通転位の伝播を抑制でき、且つ、多層構造内での新たな貫通転位の発生を防止するとともに、多層構造内の各結晶界面におけるクラックの発生を防止できる。さらに、バッファ層２１は、ＡｌＮ介在層２と半導体動作層５との間に多層構造を形成するので、基板１と窒化物系化合物半導体との熱膨張係数差に起因して電子走行層１５と電子供給層１６とのヘテロ接合におけるピエゾ分極電界が減少することを防止できるとともに、ＡｌＮ介在層２と最下部の化合物半導体層２２との格子定数差に起因するピエゾ分極の電子が電子走行層１５に対して悪影響を及ぼすことを防止できる。

つぎに、この発明の実施の形態２にかかる半導体素子２００の製造方法について説明する。半導体素子２００を製造する場合、まず、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００の製造方法と同様に、サファイアまたはシリコン等の基板１上にＡｌＮ介在層２と中間層３とを順次積層する。

中間層３を形成後、中間層３の上部にバッファ層２１を形成する。具体的には、ＴＭＧａを５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＣＰ₂Ｍｇを０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを中間層３の上部に導入し、成長時間を１８［ｓｅｃ］にして層厚９［ｎｍ］のＧａＮからなる化合物半導体層２２を中間層３上に積層した。この場合、Ｍｇの添加量は、１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。

つぎに、ＴＭＧａを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＣＰ₂Ｍｇを０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを化合物半導体層２２の上部に導入し、成長時間を１５［ｓｅｃ］にして層厚７．５［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる組成変化層２３ａを化合物半導体層２２上に積層した。この場合、Ｍｇの添加量は、１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。続いて、ＴＭＧａを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、成長時間を７［ｓｅｃ］にして層厚３．５［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる組成変化層２３ｂを組成変化層２３ａに積層した。このようにして、化合物半導体層２２の上部に中間層２３が形成された。

その後、かかる化合物半導体層２２と中間層２３とを交互に積層するエピタキシャル成長を所望回数（例えば９回）繰り返し、化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層を所望組数（例えば１０組）形成する。このようにして、化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層を例えば１０組有する多層構造のバッファ層２１が中間層３の上部に形成された。

かかる多層構造のバッファ層２１を形成後、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００の製造方法と同様に、このバッファ層２１の上部に電子走行層１５と電子供給層１６とコンタクト層１７とを順次積層して半導体動作層５を形成し、この半導体動作層５の上部にソース電極６とゲート電極７とドレイン電極８とを形成する。以上の製造方法によって、図７に例示した半導体素子２００が製造された。

ここで、上述した製造方法によって半導体素子２００のサンプルを作製し、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて多層構造内の化合物半導体層２２および中間層２３のエピタキシャル成長方向に対する組成変化を解析した。図９は、半導体素子２００の多層構造を形成する化合物半導体層２２および中間層２３のエピタキシャル成長方向に対する組成変化の解析結果を示す図である。なお、図９は、かかる解析結果の一例として、半導体素子２００の多層構造の一部分を撮像した暗視野ＳＴＥＭ像と、かかる多層構造内の一部の領域Ｂ１での組成変化を解析した輝度プロファイルとを示している。

図９に示す解析結果から判るように、上述した化合物半導体層２２および中間層２３は、結晶性の良い状態で複数回交互に積層され、バッファ層２１の多層構造を形成していた。また、領域Ｂ１に例示されるように、化合物半導体層２２は、Ｇａリッチな均一組成を有し、中間層２３は、エピタキシャル成長方向に対してＧａリッチな組成またはＡｌリッチな組成に連続的に組成変化していた。この場合、エピタキシャル成長方向に対して組成変化する中間層２３の任意の微小部分での格子定数差は０．７％以下に維持されていることが確認された。

なお、この発明の実施の形態２では、化合物半導体層２２と中間層２３とを１組とする複合層を１０組形成した多層構造の半導体素子を例示したが、これに限らず、かかる複合層を１組以上有する多層構造の半導体素子であってもよい。この場合、かかる１組以上の複合層を用いてバッファ層を形成してもよいし、半導体動作層を形成してもよい。また、中間層２３は、組成変化層２３ａ，２３ｂの２層によって形成されていたが、これに限らず、３層以上の組成変化層によって中間層２３が形成されてもよい。

また、この発明の実施の形態２では、組成変化層２３ａ，２３ｂの両端の接合界面において組成を連続させていたが、これに限らず、かかる接合界面での格子定数差が０．７％以下であれば、化合物半導体層２２と組成変化層２３ａ，２３ｂとの各接合界面または組成変化層２３ａ，２３ｂの接合界面において組成は連続してもよいし、不連続であってもよい。

さらに、この発明の実施の形態２では、中間層２３は層厚方向Ａに対して連続的且つ直線的に組成変化していたが、これに限らず、中間層２３は、層厚方向Ａの任意の微小部分での格子定数差が０．７％以下であれば、図４に例示したように層厚方向Ａに対して連続的且つ曲線的に組成変化してもよいし、図５に例示したように層厚方向Ａに対して段階的に組成変化してもよいし、これらの組み合わせであってもよい。なお、層厚方向Ａに対して連続的に組成変化する場合、かかる組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であればよい。また、中間層２３の組成変化は、かかる微小部分での格子定数差の条件を満足する範囲において、層厚方向Ａに対して単純な変化であってもよいし、複雑な変化（例えばＡｌＧａＮ中のＡｌ組成が増減する変化）であってもよい。

以上、説明したように、この発明の実施の形態２では、同じ窒化物系化合物半導体を主成分とする複数の化合物半導体層の積層界面に中間層を介在させ、かかる複数の化合物半導体層と中間層との各接合界面での格子定数差と、かかる中間層におけるエピタキシャル成長方向の任意の微小部分での格子定数差とをいずれも０．７％以下にし、且つ、接合界面を除く中間層内の一部領域と化合物半導体層との格子定数差を０．７％以上にするよう構成した。このため、かかる化合物半導体層と中間層とを結晶性の良い状態で交互にエピタキシャル成長させることができる。この結果、０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する多層構造を結晶性の良い状態で形成することができ、上述した実施の形態１と同様の作用効果を享受できる半導体素子を実現することができる。

さらに、０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する多層構造を結晶性の良い状態で形成することができるので、基板と窒化物系化合物半導体との熱膨張係数差に起因して電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極電界が減少することを防止できるとともに、ＡｌＮ介在層と化合物半導体層との格子定数差に起因するピエゾ分極の電子が電子走行層に対して悪影響を及ぼすことを防止できる。

（実施の形態２の変形例）
つぎに、この発明の実施の形態２の変形例について説明する。上述した実施の形態２では、化合物半導体層２２に対して０．７％以上の格子定数差を有する中間層２３と化合物半導体層２２とを交互に積層して多層構造を形成していたが、この実施の形態２の変形例では、０．７％以上の格子定数差を有する複数の窒化物系化合物半導体層の間に、層厚方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下である中間層を介在させ、これら両端の窒化物系化合物半導体層と中間層とを１組とする複合層によって多層構造を形成している。

図１０は、この発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体素子３００の一構成例を示す断面模式図である。図１０に示すように、この半導体素子３００は、上述した実施の形態２にかかる半導体素子２００のバッファ層２１に代えてバッファ層３１を有する。その他の構成は実施の形態２と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

バッファ層３１は、上述した基板１と半導体動作層５との格子定数差を緩和するとともに、半導体動作層５への貫通転位の伝播を抑制する。具体的には、バッファ層３１は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体を用いて形成される多層構造を有し、この多層構造内に０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する。この場合、バッファ層３１は、０．７％以上の格子定数差を有する化合物半導体層３２，３４の積層界面に中間層３３または中間層３５を介在させ、かかる化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とによって形成される複合層を１組以上含む多層構造を有する。すなわち、バッファ層３１の多層構造は、かかる化合物半導体層３２と中間層３３と化合物半導体層３４と中間層３５とをこの順に順次積層して実現される複合層を所望数繰り返し形成して実現される。

化合物半導体層３２，３４は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体からなる層であって、０．７％以上の格子定数差を有する。具体的には、化合物半導体層３２は、例えば非ドープＧａＮからなる層であり、化合物半導体層３４は、例えば非ドープＡｌＮからなる層である。この場合、化合物半導体層３２，３４は、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００の化合物半導体層１１，１３の場合と同様に約２．５％の格子定数差を有する。

また、化合物半導体層３２は、上述した中間層３および多層構造内の中間層３３，３５の各接合界面において０．７％以下の格子定数差を有する。このような化合物半導体層３２は、上述した中間層３の上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長することができ、且つ、多層構造内の中間層３５の上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長することができる。これと同様に、化合物半導体層３４は、多層構造内の中間層３３，３５の各接合界面において０．７％以下の格子定数差を有する。このような化合物半導体層３４は、多層構造内の中間層３３の上部に結晶性の良い状態でエピタキシャル成長することができる。

中間層３３は、格子定数差が０．７％以上になる化合物半導体層３２，３４の積層界面に介在し、化合物半導体層３２上に化合物半導体層３４を結晶性の良い状態で積層可能にするとともに、化合物半導体層３２，３４の格子定数差を緩和する。具体的には、中間層３３は、窒化物系化合物半導体層の一種であり、化合物半導体層３２を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＧａＮ）と化合物半導体層３４を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＮ）との間の組成を有する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＧａＮ）によって形成される。このような中間層３３は、両端の化合物半導体層３２，３４の各接合界面での格子定数差が０．７％以下である。また、中間層３３は、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００の中間層１２とほぼ同様に、層領域内における層厚方向の任意の微小部分（例えば結晶界面）での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を連続的に変化させる。

中間層３５は、格子定数差が０．７％以上になる化合物半導体層３２，３４の積層界面に介在し、化合物半導体層３４上に化合物半導体層３２を結晶性の良い状態で積層可能にするとともに、化合物半導体層３２，３４の格子定数差を緩和する。具体的には、中間層３５は、窒化物系化合物半導体層の一種であり、化合物半導体層３２を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＧａＮ）と化合物半導体層３４を形成する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＮ）との間の組成を有する窒化物系化合物半導体（例えばＡｌＧａＮ）によって形成される。このような中間層３５は、両端の化合物半導体層３２，３４の各接合界面での格子定数差が０．７％以下である。また、中間層３５は、上述した実施の形態１にかかる半導体素子１００の中間層１４とほぼ同様に、層領域内における層厚方向の任意の微小部分（例えば結晶界面）での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を連続的に変化させる。

なお、バッファ層３１の最上部に形成される中間層３５は、その上部に例えば半導体動作層５（具体的には電子走行層１５）が形成される。この場合、最上部の中間層３５は、この電子走行層１５に対する接合界面での格子定数差と化合物半導体層３４に対する接合面での格子定数差とがともに０．７％以下であり、多層構造内の他の中間層３５と同様に組成を変化させる。

つぎに、上述した多層構造のバッファ層３１の組成変化について説明する。図１１は、層厚方向に対して組成変化する多層構造のバッファ層３１の組成プロファイルの一例を示す模式図である。バッファ層３１は、上述したように、化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とを１組とする複合層を繰り返し形成した多層構造を有する。このような多層構造のバッファ層３１は、例えば図１１に示すように、エピタキシャル成長方向（すなわち層厚方向Ａ）に対して組成を変化させる。なお、図１１には、バッファ層３１の多層構造を形成する複数組の複合層のうちの２組分の複合層の組成プロファイルを例示している。すなわち、バッファ層３１は、かかる１組の複合層の組成プロファイルを複数回繰り返した組成プロファイルを有する。

図１１に示すように、化合物半導体層３２は、層厚方向Ａに対して例えばＧａＮの均一な組成を有する。中間層３３は、化合物半導体層３２，３４の間の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを有し、層厚方向Ａに対してＧａＮからＡｌＮに連続的且つ直線的にこの組成を変化させる。この場合、中間層３３の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)ＮのＡｌ組成比ｘは、層厚方向Ａに対して０から１に連続的に変化する。また、化合物半導体層３４は、層厚方向Ａに対してＡｌＮの均一な組成を有する。この場合、化合物半導体層３２，３４の格子定数差Ｄ４は、約２．５％（すなわち０．７％以上）である。中間層３５は、化合物半導体層３２，３４の間の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを有し、層厚方向Ａに対してＡｌＮからＧａＮに連続的且つ直線的にこの組成を変化させる。この場合、中間層３５の組成Ａｌ_xＧａ_(1-x)ＮのＡｌ組成比ｘは、層厚方向Ａに対して１から０に連続的に変化する。

ここで、中間層３３の組成は、両端の接合界面において化合物半導体層３２，３４の各組成にそれぞれ連続し、これら両端の接合界面に挟まれた層領域内（すなわち中間層３３の層領域内）における任意の微小部分での格子定数差Δｄ９は、０．７％以下である。また、中間層３３の組成が層厚方向Ａに対して連続的に変化する場合、かかる中間層３３の微小部分における組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０％／ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、中間層３３は、化合物半導体層３２から化合物半導体層３４に向けて、任意の微小部分での格子定数差Δｄ９を確実に０．７％以下に維持しつつ組成を変化できる。一方、中間層３５の組成は、両端の接合界面において化合物半導体層３２，３４（または電子走行層１５）の各組成にそれぞれ連続し、これら両端の接合界面に挟まれた層領域内（すなわち中間層３５の層領域内）における任意の微小部分での格子定数差Δｄ１０は、０．７％以下である。また、中間層３５の組成が層厚方向Ａに対して連続的に変化する場合、かかる中間層３５の微小部分における組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、０％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、中間層３５は、化合物半導体層３４から化合物半導体層３２（または電子走行層１５）に向けて、任意の微小部分での格子定数差Δｄ１０を確実に０．７％以下に維持しつつ組成を変化できる。

なお、バッファ層３１の多層構造において化合物半導体層３２の下端から次の化合物半導体層３２の下端までの層厚、すなわち化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とを１組とする複合層の層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることが望ましい。さらには、化合物半導体層３２，３４の層厚は、５ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることが望ましく、中間層３３，３５の層厚は、０．１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。これによって、上述した中間層３３，３５の組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下に設定し易くなる。

このような中間層３３または中間層３５を化合物半導体層３２，３４の積層界面に介在させることによって、かかる化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とを１組とする複合層を複数回繰り返し形成した多層構造のバッファ層３１（図１０を参照）を結晶性の良い状態で実現できる。このような多層構造のバッファ層３１は、エピタキシャル成長方向の任意の微小部分における格子定数差が０．７％以下であるとともに、化合物半導体層３２，３４によって生じる０．７％以上の格子定数差、すなわち歪みを有する。したがって、このような多層構造のバッファ層３１を有する半導体素子３００は、上述した実施の形態２にかかる半導体素子２００と同様の作用効果を享受する。

つぎに、この発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体素子３００の製造方法について説明する。半導体素子３００を製造する場合、まず、上述した実施の形態２にかかる半導体素子２００の製造方法と同様に、サファイアまたはシリコン等の基板１上にＡｌＮ介在層２と中間層３とを順次積層する。

中間層３を形成後、中間層３の上部にバッファ層３１を形成する。具体的には、ＴＭＧａを５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＣＰ₂Ｍｇを０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを中間層３の上部に導入し、成長時間を１２［ｓｅｃ］にして層厚６［ｎｍ］のＧａＮからなる化合物半導体層３２を中間層３上に積層した。この場合、Ｍｇの添加量は、１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。つぎに、ＴＭＧａを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＣＰ₂Ｍｇを０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを化合物半導体層３２の上部に導入し、成長時間を７［ｓｅｃ］にして層厚３．５［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる中間層３３を化合物半導体層３２上に積層した。この場合、Ｍｇの添加量は、１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。その後、ＴＭＡを５８［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、成長時間を１４［ｓｅｃ］にして層厚７［ｎｍ］のＡｌＮからなる化合物半導体層３４を中間層３３上に積層した。つぎに、ＴＭＧａを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＴＭＡを２９［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＮＨ₃を１２［ｌ／ｍｉｎ］の流量にし、ＣＰ₂Ｍｇを０．０１［μｍｏｌ／ｍｉｎ］の流量にして、これらを化合物半導体層３４の上部に導入し、成長時間を７［ｓｅｃ］にして層厚３．５［ｎｍ］のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる中間層３５を化合物半導体層３４上に積層した。この場合、Ｍｇの添加量は、１×１０¹⁸［ｃｍ^-3］である。

その後、かかる化合物半導体層３２と中間層３３と化合物半導体層３４と中間層３５とをこの順に順次積層するエピタキシャル成長を所望回数（例えば９回）繰り返し、これら化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とを１組とする複合層を所望組数（例えば１０組）形成する。このようにして、化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とを１組とする複合層を例えば１０組有する多層構造のバッファ層３１が中間層３の上部に形成された。

かかる多層構造のバッファ層３１を形成後、上述した実施の形態２にかかる半導体素子２００の製造方法と同様に、このバッファ層３１の上部に電子走行層１５と電子供給層１６とコンタクト層１７とを順次積層して半導体動作層５を形成し、この半導体動作層５の上部にソース電極６とゲート電極７とドレイン電極８とを形成する。以上の製造方法によって、図１０に例示した半導体素子３００が製造された。

ここで、上述した製造方法によって半導体素子３００のサンプルを作製し、ＳＴＥＭを用いて多層構造内の化合物半導体層３２，３４および中間層３３，３５のエピタキシャル成長方向に対する組成変化を解析した。図１２は、半導体素子３００の多層構造を形成する化合物半導体層３２，３４および中間層３３，３５のエピタキシャル成長方向に対する組成変化の解析結果を示す図である。なお、図１２は、かかる解析結果の一例として、半導体素子３００の多層構造の一部分を撮像した暗視野ＳＴＥＭ像と、かかる多層構造内の一部の領域Ｂ２での組成変化を解析した輝度プロファイルとを示している。

図１２に示す解析結果から判るように、上述した化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とは、結晶性の良い状態で複数回交互に積層され、バッファ層３１の多層構造を形成していた。また、領域Ｂ２に例示されるように、化合物半導体層３２は、Ｇａリッチな略均一組成を有し、化合物半導体層３４は、Ａｌリッチな略均一組成を有していた。一方、中間層３３は、エピタキシャル成長方向に対してＧａリッチな組成からＡｌリッチな組成に連続的に組成変化し、中間層３５は、エピタキシャル成長方向に対してＡｌリッチな組成からＧａリッチな組成に連続的に組成変化していた。この場合、エピタキシャル成長方向に対して組成変化する中間層３３，３５の任意の微小部分での格子定数差は０．７％以下に維持されていることが確認された。

なお、この発明の実施の形態２の変形例では、化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５とを１組とする複合層を１０組形成した多層構造の半導体素子を例示したが、これに限らず、かかる複合層を１組以上有する多層構造の半導体素子であってもよい。この場合、かかる１組以上の複合層を用いてバッファ層を形成してもよいし、半導体動作層を形成してもよい。

また、この発明の実施の形態２の変形例では、中間層３３，３５の両端の接合界面において組成を連続させていたが、これに限らず、かかる接合界面での格子定数差が０．７％以下であれば、化合物半導体層３２，３４と中間層３３，３５との各接合界面において組成は連続してもよいし、不連続であってもよい。

さらに、この発明の実施の形態２の変形例では、中間層３３，３５は層厚方向Ａに対して連続的且つ直線的に組成変化していたが、これに限らず、中間層３３，３５は、層厚方向Ａの任意の微小部分での格子定数差が０．７％以下であれば、図４に例示したように層厚方向Ａに対して連続的且つ曲線的に組成変化してもよいし、図５に例示したように層厚方向Ａに対して段階的に組成変化してもよいし、これらの組み合わせであってもよい。なお、層厚方向Ａに対して連続的に組成変化する場合、かかる組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であればよい。また、中間層３３，３５の組成変化は、かかる微小部分での格子定数差の条件を満足する範囲において、層厚方向Ａに対して単純な変化であってもよいし、複雑な変化（例えばＡｌＧａＮ中のＡｌ組成が増減する変化）であってもよい。

また、この発明の実施の形態２の変形例では、中間層３３，３５は層厚方向Ａに対して連続的且つ直線的に組成変化していたが、これに限らず、化合物半導体層３２，３４の格子定数差が０．７％以上、１．４％以下である場合、図６に例示したように、中間層３３，３５は、かかる化合物半導体層３２，３４に対して０．７％以下の格子定数差になる均一な組成を有してもよい。

以上、説明したように、この発明の実施の形態２の変形例では、０．７％以上の格子定数差を有する複数の窒化物系化合物半導体層の積層界面に中間層を介在させ、かかる複数の窒化物系化合物半導体層と中間層との各接合界面での格子定数差を０．７％以下にし、且つ、かかる中間層におけるエピタキシャル成長方向の任意の微小部分での格子定数差を０．７％以下にするように構成した。また、かかる複数の窒化物系化合物半導体層と中間層とを１組とする複合層を１以上用いて多層構造を形成するように構成した。このため、上述した実施の形態２と同様に、０．７％以上の格子定数差（歪み）を有する多層構造を結晶性の良い状態で形成することができる。この結果、上述した実施の形態２の作用効果を享受できる半導体素子を実現することができる。

なお、上述した実施の形態１，２およびその変形例では、この発明にかかる半導体素子としてＨＥＭＴ等のＦＥＴを例示して説明したが、この発明は、ＨＥＭＴに限定して解釈する必要はなく、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor FET）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）等の種々なＦＥＴに対して適用可能である。

また、この発明は、ＦＥＴ以外にも、ショットキーダイオード等の各種ダイオードに対して適用可能である。例えば、半導体素子１００，２００，３００のソース電極６、ドレイン電極８、およびゲート電極７に代えてカソード電極およびアノード電極を有するダイオードが実現できる。

さらに、この発明の実施の形態１，２およびその変形例では、化合物半導体層の結晶材料をＧａＮまたはＡｌＮにし、中間層の結晶材料をＡｌＧａＮにした場合を例示していたが、これに限らず、かかる化合物半導体層または中間層を形成する結晶材料は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にする窒化物系化合物半導体であればよい。なお、かかるＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎを主成分にする窒化物系化合物半導体は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ以外の成分を含んでもよいものであり、例えばＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y) Ａｓ_uＰ_vＮ_(1-u-v)（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ＜１）でもよい。

この発明の実施の形態１にかかる半導体素子の一構成例を示す断面模式図である。 実施の形態１にかかる半導体素子が有するバッファ層の組成プロファイルの一例を示す模式図である。 ＧａＮ層上に形成したＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比と表面粗さとの関係を例示する模式図である。 層厚方向に対して連続的に組成変化するバッファ層の組成プロファイルの別態様を例示する模式図である。 層厚方向に対して段階的に組成変化するバッファ層の組成プロファイルの一例を示す模式図である。 層厚方向に対して各層の組成を略均一にしたバッファ層の組成プロファイルの一例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２にかかる半導体素子の一構成例を示す断面模式図である。 実施の形態２にかかる半導体素子が有するバッファ層の組成プロファイルの一例を示す模式図である。 実施の形態２にかかる半導体素子の多層構造の解析結果を示す図である。 この発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体素子の一構成例を示す断面模式図である。 実施の形態２の変形例にかかる半導体素子が有するバッファ層の組成プロファイルの一例を示す模式図である。 実施の形態２の変形例にかかる半導体素子の多層構造の解析結果を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ ＡｌＮ介在層
３ 中間層
４，２１，３１ バッファ層
５ 半導体動作層
６ ソース電極
７ ゲート電極
８ ドレイン電極
１１，１３，２２，３２，３４ 化合物半導体層
１２，１４，２３，３３，３５ 中間層
１５ 電子走行層
１５ａ ２次元電子ガス層
１６ 電子供給層
１７ コンタクト層
１５，１６ マスク
２３ａ，２３ｂ 組成変化層
１００，２００，３００ 半導体素子

Claims (11)

1. 窒化物系化合物半導体によって形成される第１の層と、
   前記第１の層に対する格子定数差が０．７％以上である窒化物系化合物半導体によって形成される第２の層と、
   前記第１の層と前記第２の層との積層界面に介在し、前記第１の層の接合界面での格子定数差と前記第２の層の接合界面での格子定数差と両端の前記接合界面に挟まれた領域内の微小部分での格子定数差とがいずれも０．７％以下である中間層と、
   を備えたことを特徴とする半導体素子。
2. 前記中間層は、前記領域内の微小部分での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を変化させることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 窒化物系化合物半導体によって形成される化合物半導体層と、
   多層に形成された複数の前記化合物半導体層の積層界面に介在し、両端の前記化合物半導体層の各接合界面での格子定数差がいずれも０．７％以下であり、且つ、両端の前記接合界面に挟まれた領域内の微小部分での格子定数差を０．７％以下に維持しつつ層厚方向に対して組成を変化させ、前記領域内に、前記窒化物系化合物半導体に対する格子定数差が０．７％以上になる微小部分を有する中間層と、
   を備えたことを特徴とする半導体素子。
4. 前記中間層の組成は、前記層厚方向に対して連続的に変化し、
   前記領域内の微小部分での前記組成変化の傾きに対応する格子定数差の変化量は、−０．７％／ｎｍ以上、０．７％／ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体素子。
5. 前記第１の層および前記第２の層は、それぞれ複数であって交互に形成され、
   前記中間層は、交互に形成された前記第１の層と前記第２の層との各積層界面に介在することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
6. 複数の前記第１の層のうちの第１の層の下端から次の第１の層の下端までの層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
7. 前記第１の層と前記第２の層と前記中間層とを含む複合層は、バッファ層を形成することを特徴とする請求項１，２，５，６のいずれか一つに記載の半導体素子。
8. 前記化合物半導体層および前記中間層は、それぞれ複数であって交互に形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
9. 複数の前記化合物半導体層のうちの化合物半導体層の下端から次の化合物半導体層の下端までの層厚は、６ｎｍ以上、３０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
10. 前記化合物半導体層と前記中間層とを含む複合層は、バッファ層を形成することを特徴とする請求項３，８，９のいずれか一つに記載の半導体素子。
11. 前記窒化物系化合物半導体は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）を主成分にすることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の半導体素子。