JP2014041965A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体を用いた半導体装置の性能を向上させる。
【解決手段】窒化物半導体からなるチャネル層ＣＨと、チャネル層ＣＨ上に形成されたＡｌを含有する窒化物半導体からなるバリア層ＢＲと、バリア層ＢＲ上に形成されたソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥおよびゲート電極ＧＥとを有している。バリア層ＢＲにおいて、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域およびその近傍領域は、他の領域に比べて、アルミニウムの組成比が低く、それによって、格子定数が大きくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば、窒化物半導体を用いた半導体装置に好適に利用できるものである。

ＧａＮ系窒化物半導体は、ＳｉやＧａＡｓに比べてワイドバンドギャップで、高電子速度であるため、高耐圧、高出力、高周波用途でのトランジスタへの応用が期待されており、近年、盛んに開発が進められている。

特開２０１０−０５６１３７号公報（特許文献１）および特開２００２−０１６２４５号公報（特許文献２）には、ＧａＮ系窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）に関する技術が記載されている。

また、トランジスタの耐圧向上を目的とした技術として、例えば特開平７−６６３９８号公報（特許文献３）がある。

特開２０１０−０５６１３７号公報 特開２００２−０１６２４５号公報 特開平７−６６３９８号公報

窒化物半導体を用いた半導体装置についても、できるだけ性能を向上させることが望まれる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によれば、半導体装置は、第１窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成されたアルミニウムを含有する第２窒化物半導体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とを有している。前記バリア層において、前記ゲート電極のドレイン電極側端部の直下の領域およびその近傍領域のアルミニウムの組成比は、他の領域のアルミニウムの組成比よりも低い。

また、一実施の形態によれば、半導体装置は、第１窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成された第２窒化物半導体からなるバリア層と、前記バリア層上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とを有し、前記バリア層において、前記ゲート電極のドレイン電極側端部の直下の領域およびその近傍領域の格子定数は、他の領域の格子定数よりも大きい。

一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。

一実施の形態の半導体装置の要部断面図である。 ＨＥＭＴのオフ動作を説明するためのバンド図である。 ＨＥＭＴのオン動作を説明するためのバンド図である。 一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図５に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図６に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図７に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図８に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図９に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１０に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１１に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１２に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１３に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 比較例の半導体装置の要部断面図である。 バリア層における電界強度をシミュレーションした結果を示すグラフである。 ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の積層構造における伝導帯のエネルギーとキャリア密度とを示すグラフである。 ＡｌＧａＮ層のシート抵抗のＡｌ組成比依存性を示すグラフである。 窒化アルミニウムガリウムにおけるＡｌの組成比と歪の関係を示すグラフである。 一実施の形態の半導体装置の説明図である。 バリア層におけるアルミニウムの組成比を示すグラフである。 バリア層における格子定数を示すグラフである。 他の実施の形態の半導体装置の要部断面図である。 一実施の形態および他の実施の形態の半導体装置の説明図である。 厚み方向におけるアルミニウム組成比の分布を示すグラフである。 厚み方向におけるアルミニウム組成比の分布を示すグラフである。 バリア層における電界強度をシミュレーションした結果を示すグラフである。 ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の積層構造における伝導帯のエネルギーとキャリア密度とを示すグラフである。 厚み方向におけるアルミニウム組成比の分布を示すグラフである。 厚み方向におけるアルミニウム組成比の分布を示すグラフである。 他の実施の形態の半導体装置の要部断面図である。 バリア層における格子定数を示すグラフである。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

（実施の形態１）
＜半導体装置の構造について＞
図１は、本実施の形態の半導体装置の要部断面図である。

本実施の形態の半導体装置は、基板ＳＵＢ上に、バッファ層ＢＵＦが形成され、バッファ層ＢＵＦ上に、窒化物半導体からなるチャネル層ＣＨが形成され、チャネル層ＣＨ上に、窒化物半導体からなるバリア層（電子供給層）ＢＲが形成されている。すなわち、基板ＳＵＢの主面（上面）上に、バッファ層ＢＵＦとチャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとが、下から順に形成（積層）されている。バリア層ＢＲ上には、ソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥおよびゲート電極ＧＥが形成されている。

基板ＳＵＢは、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板（単結晶シリコン基板）である。他の形態として、サファイア基板、あるいは炭化シリコン（ＳｉＣ）基板などを、基板ＳＵＢに用いることもできる。

バッファ層ＢＵＦは、基板ＳＵＢとチャネル層ＣＨとの格子定数差を緩和するために形成される。例えば、基板ＳＵＢを構成するシリコン（Ｓｉ）とチャネル層ＣＨを構成する窒化ガリウム（ＧａＮ）との格子定数差を、バッファ層ＢＵＦにより緩和することができる。すなわち、シリコン（Ｓｉ）からなる基板ＳＵＢ上に直接、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層ＣＨを形成した場合には、チャネル層ＣＨに多くのクラックが発生し、良好なエピタキシャル成長層が得られず、高電子移動度トランジスタの作製が困難となる。このため、基板ＳＵＢとチャネル層ＣＨとの間に、格子緩和を目的としたバッファ層ＢＵＦを挿入する。バッファ層ＢＵＦを形成したことにより、バッファ層ＢＵＦ上に形成されるチャネル層ＣＨに良好なエピタキシャル成長層が得られ、高電子移動度トランジスタの作製が可能となる。

バッファ層ＢＵＦは、窒化ガリウム（ＧａＮ）層、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、あるいはこれらの積層膜とすることができる。

チャネル層ＣＨは、窒化物半導体からなり、好ましくは、窒化ガリウム（ＧａＮ、ガリウムナイトライド）からなる窒化ガリウム層である。他の形態として、チャネル層ＣＨを、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ、インジウムガリウムナイトライド）層とすることもできる。

また、本実施の形態では、基板ＳＵＢ上にバッファ層ＢＵＦを介してチャネル層ＣＨを形成している。他の形態として、基板ＳＵＢに、窒化ガリウム（ＧａＮ、ガリウムナイトライド）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ、アルミニウムガリウムナイトライド）などからなる窒化物半導体基板を用いることもでき、その場合、バッファ層ＢＵＦを薄く、あるいは無くして、チャネル層ＣＨを形成することも可能である。これは、基板ＳＵＢとして、窒化ガリウム（ＧａＮ、ガリウムナイトライド）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ、アルミニウムガリウムナイトライド）などからなる窒化物半導体基板を用いた場合には、窒化物半導体基板上に、窒化ガリウムなどからなるバッファ層ＢＵＦ、あるいはチャネル層ＣＨを、格子整合して形成できるためである。

バリア層（電子供給層）ＢＲは、チャネル層ＣＨ用の窒化物半導体とは異なる窒化物半導体からなり、アルミニウム（Ａｌ）を含有する窒化物半導体により形成されている。バリア層（電子供給層）ＢＲは、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ、アルミニウムガリウムナイトライド）からなる窒化アルミニウムガリウム層である。

半導体層であるチャネル層ＣＨ上に、チャネル層ＣＨとは異なる組成の半導体層（従ってチャネル層ＣＨのバンドギャップとは異なるバンドギャップを有する半導体層）であるバリア層ＢＲが直接的に形成されている。すなわち、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとが接している。このため、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの間には、ヘテロ接合が形成されている。バリア層ＢＲは、電子供給層であり、キャリア発生領域として機能することができる。

ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥとは、それぞれ、バリア層ＢＲの上面（表面）上に形成されているが、互いに離間している。ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥとは、いずれも導電体からなり、例えば金属膜（金属の単体膜または積層膜）により形成されている。ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとは、バリア層ＢＲとオーミック接続されている。ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥとは、図１の紙面に略垂直な方向に延在している。

ゲート電極ＧＥは、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの間に位置している。すなわち、平面視で、ゲート電極ＧＥは、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの間に挟まれている。つまり、互いに離間したソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとがバリア層ＢＲ上に形成されており、平面視でソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの間に挟まれるバリア層ＢＲ上にゲート電極ＧＥが形成されている。

なお、「平面視」または「平面的に」あるいは「平面的に見て」と言うときは、基板ＳＵＢの主面（上面）に平行な平面（従ってチャネル層ＣＨやバリア層ＢＲの上面に平行な平面）で見た場合を言うものとする。また、平面方向とは、基板ＳＵＢの主面（上面）に平行な方向（従ってチャネル層ＣＨやバリア層ＢＲの上面に平行な方向）に対応する。

このようにして、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が形成されている。このような高電子移動度トランジスタにおいては、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの界面近傍に、２次元電子ガス（２次元電子ガス層）ＤＥＧが生成（形成）される。すなわち、チャネル層ＣＨ（を構成する窒化ガリウム(ＧａＮ)または窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ））のバンドギャップと、バリア層ＢＲ（を構成する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ））のバンドギャップとは、相違している。このため、バンドギャップの相違に基づく伝導帯オフセットと、バリア層ＢＲに存在するピエゾ分極と自発分極の影響により、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの界面近傍に、フェルミ準位よりも低いポテンシャル井戸が生成される。この結果、このポテンシャル井戸内に電子が蓄積されることになり、それによってチャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの界面近傍に２次元電子ガス（２次元電子ガス層）ＤＥＧが生成されるのである。

ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとは、それぞれ、２次元電子ガス（２次元電子ガス層）ＤＥＧに電気的に接続されている。

なお、図１において、２次元電子ガス（２次元電子ガス層）ＤＥＧは、点線で模式的に示してある。

本実施の形態では、バリア層ＢＲは、組成が全領域で均一なわけではない。すなわち、バリア層ＢＲは、一定の組成比を有する領域（高Ａｌ組成領域）ＢＲ１と、領域ＢＲ１とは異なる組成比を有する領域（低Ａｌ組成領域）ＢＲ２とを有している。ここで、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２以外の領域が、領域ＢＲ１に対応している。

バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２は、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１よりも、Ａｌ（アルミニウム）の組成比が低い（小さい）。すなわち、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２と、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１とは、いずれも窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるが、領域ＢＲ２におけるＡｌの組成比は、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１におけるＡｌの組成比よりも低い。従って、領域ＢＲ２の組成をＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮと表し、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１の組成をＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮと表すと、０≦ｙ＜ｚ≦１となる。換言すれば、領域ＢＲ２を構成するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮのｙは、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１を構成するＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのｚよりも小さい（ｙ＜ｚ）。

なお、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）におけるＡｌの組成比（Ａｌ組成比）とは、窒化アルミニウムガリウムの組成をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮと表したときのｘの値に対応している。ここで、組成比とは、原子数の比である。

ゲート電極ＧＥは、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの間に配置されている。ここで、ゲート電極ＧＥの端部（側面）のうち、ドレイン電極ＤＥに対向する側の端部（側面）をドレイン電極側端部ＥＧＤと称し、ソース電極ＳＥに対向する側の端部（側面）をソース電極側端部ＥＧＳと称することとする。すなわち、ゲート電極ＧＥにおいて、ドレイン電極側端部ＥＧＤとソース電極側端部ＥＧＳとは、互いに反対側（ゲート長方向に反対側）の端部（側面）であり、ドレイン電極ＤＥに近い側の端部（側面）がドレイン電極側端部ＥＧＤであり、ソース電極ＳＥに近い側の端部（側面）がソース電極側端部ＥＧＳである。

また、ソース電極ＳＥの端部（側面）のうち、ゲート電極ＧＥに対向する側の端部（側面）をゲート電極側端部ＳＥ１と称することとする。すなわち、ゲート電極側端部ＳＥ１は、ソース電極ＳＥにおけるゲート電極ＧＥ側（ゲート電極ＧＥに対向する側）の端部である。また、ドレイン電極ＤＥの端部（側面）のうち、ゲート電極ＧＥに対向する側の端部（側面）をゲート電極側端部ＤＥ１と称することとする。すなわち、ゲート電極側端部ＤＥ１は、ドレイン電極ＤＥにおけるゲート電極ＧＥ側（ゲート電極ＧＥに対向する側）の端部である。

このため、ソース電極ＳＥのゲート電極側端部ＳＥ１とゲート電極ＧＥのソース電極側端部ＥＧＳとが互いに対向し、ドレイン電極ＤＥのゲート電極側端部ＤＥ１とゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤとが互いに対向することになる。また、ゲート長方向とは、ゲート電極ＧＥのゲート長方向のことであり、チャネル長方向と同じであり、ソース（ソース電極ＳＥ）とドレイン（ドレイン電極ＤＧ）とを結ぶ方向にも対応している。

ゲート電極ＧＥはバリア層ＢＲ上に形成されているが、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤは、バリア層ＢＲの領域ＢＲ２上に位置している。すなわち、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下には、バリア層ＢＲの領域ＢＲ１ではなく、バリア層ＢＲの領域ＢＲ２が存在している。一方、ゲート電極ＧＥのソース電極側端部ＥＧＳは、バリア層ＢＲの領域ＢＲ１上に位置している。すなわち、ゲート電極ＧＥのソース電極側端部ＥＧＳの直下には、バリア層ＢＲの領域ＢＲ２ではなく、バリア層ＢＲの領域ＢＲ１が存在している。つまり、ゲート長方向に見ると、ゲート電極ＧＥは、ソース電極側端部ＥＧＳがバリア層ＢＲの領域ＢＲ１上に位置し、かつ、ドレイン電極側端部ＥＧＤがバリア層ＢＲの領域ＢＲ２上に位置するように、領域ＢＲ１上から領域ＢＲ２上にかけて形成されている。

このため、ゲート電極ＧＥは、領域ＢＲ２上に位置する部分と、領域ＢＲ１上に位置する部分とを有しており、領域ＢＲ２上に位置する部分は、領域ＢＲ１上に位置する部分よりも、ドレイン電極ＤＥ側にある。つまり、ゲート電極ＧＥのうち、ドレイン電極ＤＥ側の部分（ドレイン電極側端部ＥＧＤを含む）がバリア層ＢＲの領域ＢＲ２上に存在し、ゲート電極ＧＥのうち、ソース電極ＳＥ側の部分（ソース電極側端部ＥＧＳを含む）がバリア層ＢＲの領域ＢＲ１上に存在している。

一方、ソース電極ＳＥは、バリア層ＢＲの領域ＢＲ１上に形成され、また、ドレイン電極ＤＥは、バリア層ＢＲの領域ＢＲ１上に形成されている。このため、ソース電極ＳＥおよびドレイン電極ＤＥの直下には、バリア層ＢＲの領域ＢＲ２ではなく、バリア層ＢＲの領域ＢＲ１が存在している。

窒化ガリウム（ＧａＮ）と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）とは、結晶構造は基本的には同じであり、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の結晶構造のＧａサイトにＡｌ（アルミニウム）原子が配置された結晶構造を有している。ベガード則より、Ｇａ（ガリウム）とＡｌ（アルミニウム）との原子半径の違いを反映して、窒化ガリウム（ＧａＮ）に比べて、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の格子定数は小さく、バンドギャップは広い。つまり、Ａｌ（アルミニウム）の組成比が高くなるほど、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の格子定数は小さく、バンドギャップは広くなる。

このため、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２は、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１よりも、Ａｌの組成比が低いため、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２の格子定数ＬＴ_ＢＲ２は、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１の格子定数ＬＴ_ＢＲ１よりも大きくなる（すなわちＬＴ_ＢＲ２＞ＬＴ_ＢＲ１）。換言すれば、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１の格子定数ＬＴ_ＢＲ１は、領域ＢＲ２の格子定数ＬＴ_ＢＲ２よりも小さくなる（すなわちＬＴ_ＢＲ１＜ＬＴ_ＢＲ２）。従って、チャネル層ＣＨの格子定数ＬＴ_ＣＨと領域ＢＲ２の格子定数ＬＴ_ＢＲ２との差は、チャネル層ＣＨの格子定数ＬＴ_ＣＨと領域ＢＲ１の格子定数ＬＴ_ＢＲ１との差よりも、小さくなる（すなわちＬＴ_ＣＨ−ＬＴ_ＢＲ２＜ＬＴ_ＣＨ−ＬＴ_ＢＲ１）。

ここで、チャネル層ＣＨの格子定数を、格子定数ＬＴ_ＣＨと称し、領域ＢＲ２の格子定数を、格子定数ＬＴ_ＢＲ２と称し、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１の格子定数を、格子定数ＬＴ_ＢＲ１と称することとする。

バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ１と領域ＢＲ２とでＡｌの組成比が相違しているが、領域ＢＲ１内においては、Ａｌ（アルミニウム）の組成比は、ほぼ一定（均一）である。また、領域ＢＲ２内においては、Ａｌ（アルミニウム）の組成比は、ほぼ一定（均一）である。このため、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ１と領域ＢＲ２とで格子定数は相違しているが、領域ＢＲ１内においては、格子定数はほぼ一定である。また、領域ＢＲ２内においては、格子定数はほぼ一定である。

＜高電子移動度トランジスタの動作例＞
ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）の動作例について説明する。ここでは、ノーマリオン型のＨＥＭＴを例に挙げて、その動作について説明する。

図２は、ゲート電極にしきい値電圧以下の負電圧が印加されてＨＥＭＴがオフしている場合のバンド構造を示す図である。図２の左側にゲート電極を構成する金属のバンド構造が示されており、図２の中央部にＡｌＧａＮ層のバンド構造が示されている。そして、図２の右側にＧａＮ層のバンド構造が示されている。ＡｌＧａＮ層は上記バリア層ＢＲに相当するものであり、ＧａＮ層は上記チャネル層ＣＨに相当するものである。

ここで、ゲート電極には、ＧａＮ層に対して負電圧が印加されているため、ゲート電極（金属）のフェルミ準位ε_ＦＭは、ＧａＮ層のフェルミ準位ε_ＦＳ２よりも印加した電圧分だけ高くなる。ゲート電極との界面でのＡｌＧａＮ層の伝導帯は所定のショットキー障壁高さΦ_Ｂだけ高くなり、また、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面では所定の伝導帯不連続ΔＥ_ｃがあるため、ゲート電極のフェルミ準位ε_ＦＭが高くなったのに伴い、伝導帯が引きずられて上昇する。その結果、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面には２次元電子ガスが形成されないため、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥを電気的に接続するチャネルが形成されない。この結果、ＨＥＭＴは、ゲート電極にしきい値電圧以下の負電圧が印加されている場合、オフする。オフした状態で、ソース電極とドレイン電極との間に電位差を生じさせても、チャネルに電流は流れない、すなわちソース電極とドレイン電極との間に電流は流れない（但しリーク電流は除く）。なお、ＡｌＧａＮ層の伝導帯とＧａＮ層の伝導帯のエネルギー差から、ＡｌＧａＮ層の伝導帯とＧａＮ層の伝導帯との間には所定の伝導帯不連続ΔＥ_ｃが形成されている。

図３は、ゲート電極に０Ｖの電圧が印加されてＨＥＭＴがオンしている場合のバンド構造を示す図である。図３の左側にゲート電極を構成する金属のバンド構造が示されており、図３の中央部にＡｌＧａＮ層のバンド構造が示されている。そして、図３の右側にＧａＮ層のバンド構造が示されている。ＡｌＧａＮ層は上記バリア層ＢＲに相当するものであり、ＧａＮ層は上記チャネル層ＣＨに相当するものである。

ここで、ゲート電極には０Ｖが印加されていることから、ゲート電極を構成する金属のフェルミ準位ε_ＦＭと、ＧａＮ層のフェルミ準位ε_ＦＳ２は等しくなる。このとき、ＡｌＧａＮ層の伝導帯とＧａＮ層の伝導帯との間に形成されている伝導帯不連続ΔＥ_ｃに起因して、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面にフェルミ準位よりも低い位置にポテンシャル井戸が形成される。この結果、このポテンシャル井戸に電子が蓄積され、２次元電子ガスが形成される。これにより、ゲート電極に０Ｖの電圧が印加されている場合、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面に２次元電子ガスが形成され、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとを電気的に接続するチャネルが形成されることになる。この結果、ＨＥＭＴは、ゲート電極に０Ｖの電圧が印加されている場合、オンする。オンした状態で、ソース電極とドレイン電極との間に電位差を生じさせると、チャネルに電流が流れる（すなわちチャネルを介してソース電極とドレイン電極との間に電流が流れる）。

以上のようにして、ゲート電極に印加する電圧を制御することにより、ＨＥＭＴのオン／オフ動作を実現できることがわかる。

また、ノーマリオン型のＨＥＭＴを例に挙げて、その動作について説明したが、他の形態として、ノーマリオフ型のＨＥＭＴとすることもできる。ノーマリオフ型の場合は、ゲート電極に正電圧を印加しない場合はオフする。ノーマリオフ型の場合、上記バリア層ＢＲ上に、ｐ型キャップ層（ｐ型半導体層）を介して上記ゲート電極ＧＥを形成すればよく、このｐ型キャップ層は、ｐ型不純物を導入した窒化ガリウム（ＧａＮ）層またはｐ型不純物を導入した窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層などにより形成することができる。

＜半導体装置の製造工程について＞
上記図１の半導体装置の製造工程の一例について、図４〜図１５を参照して説明する。図４〜図１５は、本実施の形態の半導体装置の製造工程の一例を示す要部断面図であり、上記図１に相当する領域の断面図が示されている。

上記図１の半導体装置を製造するには、まず、図４に示されるように、基板ＳＵＢを用意する。

基板ＳＵＢは、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板（単結晶シリコン基板）であるが、他の形態として、サファイア基板、あるいは炭化シリコン（ＳｉＣ）基板などを用いることもできる。また、基板ＳＵＢとして、窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などからなる窒化物半導体基板を用いることも可能であり、この場合、基板ＳＵＢと、後で形成するチャネル層ＣＨとが格子整合できるため、バッファ層ＢＵＦを薄く、または、無くすこともできる。

次に、図５に示されるように、基板ＳＵＢ上に、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長法）法を用いることにより、エピタキシャル層であるバッファ層ＢＵＦを形成する。バッファ層ＢＵＦは、例えば、基板ＳＵＢと、バッファ層ＢＵＦ上に形成されるチャネル層ＣＨとの格子定数差を緩和する目的で形成される。

次に、バッファ層ＢＵＦ上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いることにより、アンドープ（ノンドープ）の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるエピタキシャル層であるチャネル層ＣＨを形成する。チャネル層ＣＨの厚みは、例えば１〜２μｍ程度とすることができる。

次に、図６に示されるように、チャネル層ＣＨ上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いることにより、アンドープ（ノンドープ）の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるエピタキシャル層であるバリア層ＢＲ１１を形成する。バリア層ＢＲ１１の厚みは、例えば５〜３０ｎｍ程度とすることができる。

次に、図７に示されるように、バリア層ＢＲ１１上に、例えば、ＣＶＤ法などを用いることにより、絶縁膜として酸化シリコン膜ＳＯＸを形成する。

次に、酸化シリコン膜ＳＯＸ上に、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジストパターンＰＲ１を形成する。

次に、フォトレジストパターンＰＲ１をエッチングマスクとして用いて酸化シリコン膜ＳＯＸをエッチングする。これにより、酸化シリコン膜ＳＯＸに開口部ＯＰ１が形成され、開口部ＯＰ１の底部でバリア層ＢＲ１１が露出される。その後、フォトレジストパターンＰＲ１が除去されて、図８の構造が得られる。

次に、図９に示されるように、酸化シリコン膜ＳＯＸをエッチングマスク（ハードマスク）として用いてバリア層ＢＲ１１をエッチングする。これにより、酸化シリコン膜ＳＯＸの開口部ＯＰ１から露出していた部分のバリア層ＢＲ１１が除去されて、バリア層ＢＲ１１にも開口部ＯＰ１が形成され、開口部ＯＰ１の底部でチャネル層ＣＨが露出される。バリア層ＢＲ１１の開口部ＯＰ１は、酸化シリコン膜ＳＯＸの開口部ＯＰ１とほぼ整合しているため、バリア層ＢＲ１１と酸化シリコン膜ＳＯＸとの積層膜に開口部ＯＰ１が形成された状態となる。

次に、図１０に示されるように、バリア層ＢＲ１１の開口部ＯＰ１の底部で露出するチャネル層ＣＨ上と、バリア層ＢＲ１１の開口部ＯＰ１の側壁上とに、アンドープ（ノンドープ）の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるエピタキシャル層であるバリア層ＢＲ１２を選択的に成長（エピタキシャル成長）させる。この際、バリア層ＢＲ１１の開口部ＯＰ１内がバリア層ＢＲ１２で埋まって、バリア層ＢＲ１２の上面がバリア層ＢＲ１１の上面とほぼ同じ高さになるように、バリア層１２を形成すれば、より好ましい。開口部ＯＰ１から露出する部分以外のバリア層ＢＲ１１の上面上には、酸化シリコン膜ＳＯＸが形成されており、酸化シリコン膜ＳＯＸ上にはバリア層ＢＲ１２は成長しない。このため、バリア層ＢＲ１２は、バリア層ＢＲ１１の開口部ＯＰ１内を埋めるように形成されることになる。

バリア層ＢＲ１１とバリア層ＢＲ１２とは、どちらも窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるが、成膜ガスを調整することなどにより、バリア層ＢＲ１２は、バリア層ＢＲ１１よりも、Ａｌの組成比が低くなるように、形成される。

次に、図１１に示されるように、酸化シリコン膜ＳＯＸをエッチングなどにより除去する。これにより、バリア層ＢＲ１１，ＢＲ１２の上面が露出される。

バリア層ＢＲ１１と、バリア層ＢＲ１１の開口部ＯＰ１内を埋めるバリア層ＢＲ１２とにより、上記バリア層ＢＲが形成される。すなわち、バリア層ＢＲ１１とバリア層ＢＲ１２とを合わせたものが、上記バリア層ＢＲであり、バリア層ＢＲ１１が上記領域ＢＲ１となり、バリア層ＢＲ１２が上記領域ＢＲ２となる。

次に、バリア層ＢＲ上に、ソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥおよびゲート電極ＧＥを形成する。ゲート電極ＧＥは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層との積層膜により形成することができる。また、ソース電極ＳＥおよびドレイン電極ＤＥは、例えば、チタン（Ｔｉ）層とチタン層上のアルミニウム（Ａｌ）層との積層膜により形成することができるが、チタン（Ｔｉ）層とアルミニウム（Ａｌ）層とが反応して合金化する場合もあり得る。また、ソース電極ＳＥおよびドレイン電極ＤＥは、アルミニウム（Ａｌ）とモリブデン（Ｍｏ）と金（Ａｕ）との合金により形成されていてもよい。

ソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥおよびゲート電極ＧＥは、例えば、導電膜をパターニングする手法や、あるいはリフトオフ法などを用いて、形成することができる。一例を挙げると、次のように行うことができる。

すなわち、まず、図１２に示されるように、ソース電極ＳＥ形成予定領域およびドレイン電極ＤＥ形成予定領域に開口部ＯＰ２を有するフォトレジストパターンＰＲ２を、フォトリソグラフィ法を用いてバリア層ＢＲ上に形成してから、フォトレジストパターンＰＲ２上とフォトレジストパターンＰＲ２から露出するバリア層ＢＲ上とに金属膜ＭＥ１を形成する。金属膜ＭＥ１は、例えばチタン（Ｔｉ）膜と該チタン膜上のアルミニウム（Ａｌ）膜との積層膜からなる。それから、図１３に示されるように、フォトレジストパターンＰＲ２を除去することにより、フォトレジストパターンＰＲ２と一緒にフォトレジストパターンＰＲ２上の金属膜ＭＥ１も除去（リフトオフ）する。これにより、バリア層ＢＲ上のソース電極ＳＥ形成予定領域およびドレイン電極ＤＥの形成予定領域に金属膜ＭＥ１が選択的に残存することで、ソース電極ＳＥおよびドレイン電極ＤＥが形成される。それから、熱処理を行うことにより、ソース電極ＳＥとバリア層ＢＲとの間と、ドレイン電極ＤＥとバリア層ＢＲとの間の、オーミック接触を取る。

次に、図１４に示されるように、ゲート電極ＧＥ形成予定領域に開口部ＯＰ３を有するフォトレジストパターンＰＲ３を、フォトリソグラフィ法を用いてバリア層ＢＲ上に形成してから、フォトレジストパターンＰＲ３上とフォトレジストパターンＰＲ３から露出するバリア層ＢＲ上とに金属膜ＭＥ２を形成する。金属膜ＭＥ２は、例えばニッケル（Ｎｉ）膜と該ニッケル膜上の金（Ａｕ）膜との積層膜からなる。それから、図１５に示されるように、フォトレジストパターンＰＲ３を除去することにより、フォトレジストパターンＰＲ３と一緒にフォトレジストパターンＰＲ３上の金属膜ＭＥ２も除去（リフトオフ）する。これにより、バリア層ＢＲ上のゲート電極ＧＥ形成予定領域に金属膜ＭＥ２が選択的に残存することで、ゲート電極ＧＥが形成される。ゲート電極ＧＥとバリア層ＢＲとの接触はショットキー接触となっている。

このようにして、ソース電極ＳＥ、ドレイン電極ＤＥおよびゲート電極ＧＥを形成することができる。寸法の一例をあげれば、ゲート電極ＧＥのゲート長方向の寸法は、例えば５００〜６００ｎｍ程度とすることができ、ソース電極ＳＥとゲート電極ＧＥとの間隔は、例えば１０００ｎｍ程度とすることができ、ドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥとの間隔は、例えば３０００〜４０００ｎｍ程度とすることができる。耐圧の関係で、ドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥとの間隔は、ソース電極ＳＥとゲート電極ＧＥとの間隔よりも大きいことが好ましい。

以上のようにして、図１５に対応する上記図１の半導体装置を製造することができる。

また、ここでは、上記図１の半導体装置を製造する手法の一例を示したが、他の手法（製造工程）を用いて上記図１の半導体装置を製造することもできる。

＜比較例について＞
窒化物半導体は、ＳｉやＧａＡｓに比べてワイドバンドギャップで、高電子速度であるため、高耐圧、高出力、高周波用途でのトランジスタへの応用が期待されており、近年、盛んに開発が進められている。その中で、従来性能を上回る高耐圧、高出力、高効率特性が得られている一方、信頼性などに課題が生じている。

窒化物半導体は圧電性が強く、電界が印加されると、逆ピエゾ効果により歪（応力）が発生する。そのため、電界が集中する箇所（ゲート電極のドレイン電極側端部の下方）において窒化物半導体中に大きい歪（応力）が発生して、結晶欠陥が生じやすくなる。この結晶欠陥により、ドレイン電流の劣化やゲートリーク電流の増大などが引き起こされ、半導体装置の性能や信頼性の低下を招く虞がある。このため、窒化物半導体において電界が集中する箇所（ゲート電極のドレイン電極側端部の下方）での結晶欠陥の発生を抑制することが望まれる。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／ＧａＮのヘテロ接合を有する電界効果トランジスタにおいては、Ａｌの組成比ｘが大きいほどＧａＮよりＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの格子定数が小さくなり、発生する歪が大きくなるので、逆ピエゾ効果による結晶欠陥が発生しやすくなる。

以下、図１６の比較例の半導体装置を参照して具体的に説明する。

図１６は、比較例の半導体装置の要部断面図であり、上記図１に相当するものである。図１７は、図１６の比較例の半導体装置のバリア層ＢＲ１０１における電界強度をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１７は、図１６のバリア層ＢＲ１０１における一点鎖線ＬＮ１の位置での電界強度分布が示されており、図１７のグラフの縦軸は電界強度（基板ＳＵＢの主面に垂直な方向の電界の強度）に対応し、図１７のグラフの横軸は、バリア層ＢＲ１０１における位置に対応しているが、ソース電極ＳＥ１０１のゲート電極側端部ＳＥ１０１ａからの距離（ゲート長方向に沿った距離）として表されている。なお、図１７には、ドレイン電極（ＤＥ１０１）とソース電極（ＳＥ１０１）との間に与えた電位差Ｖｄｓが、１０Ｖの場合（「Ｖｄｓ＝１０Ｖ」の場合に対応）と、５０Ｖの場合（「Ｖｄｓ＝５０Ｖ」の場合に対応）と、１００Ｖの場合（「Ｖｄｓ＝１００Ｖ」の場合に対応）と、２００Ｖの場合（「Ｖｄｓ＝２００Ｖ」の場合に対応）とが、それぞれ示されている。

図１８は、ＡｌＧａＮ層（バリア層ＢＲ１０１）とＧａＮ層（チャネル層ＣＨ１０１）の積層構造における伝導帯のエネルギーとキャリア密度とを示すグラフである。図１８のグラフの横軸は、ＡｌＧａＮ層（バリア層ＢＲ１０１）とＧａＮ層（チャネル層ＣＨ１０１）との積層構造における深さ位置（ＡｌＧａＮ層の上面からＧａＮ層に向かう方向の深さ位置）に対応している。図１８のグラフの縦軸は、伝導帯端のエネルギー、あるいはキャリア密度に対応している。すなわち、図１８のグラフには、深さ方向における伝導帯端のエネルギーを示すグラフと、深さ方向におけるキャリア密度の分布を示すグラフとが一緒に記載されている。また、図１８には、ＡｌＧａＮ層（バリア層ＢＲ１０１）におけるＡｌの組成比ｘ（ＡｌＧａＮをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮと表記したときのｘの値）が０．２５の場合と、０．２の場合と、０．１５の場合とが、それぞれ示されている。

図１９は、シート抵抗のＡｌ組成比依存性を示すグラフである。図１９の縦軸は、チャネルのシート抵抗に対応している。シート抵抗は、ＴＬＭ（Transmission Line Model）法による測定で求めた値である。図１９のグラフの横軸は、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比であり、ＡｌＧａＮをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮと表記したときのｘの値に対応している。

図１６の比較例の半導体装置では、基板ＳＵＢ１０１上に、バッファ層ＢＵＦ１０１を介して、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層ＣＨ１０１が形成され、チャネル層ＣＨ１０１上に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層（電子供給層）ＢＲ１０１が形成されている。バリア層ＢＲ１０１上には、ソース電極ＳＥ１０１、ドレイン電極ＤＥ１０１およびゲート電極ＧＥ１０１が、互いに離間して形成されており、ゲート電極ＧＥ１０１は、ソース電極ＳＥ１０１とドレイン電極ＤＥ１０１との間に配置されている。

なお、ソース電極ＳＥ１０１の端部（側面）のうち、ゲート電極ＧＥ１０１に対向する側の端部（側面）をゲート電極側端部ＳＥ１０１ａと称し、ドレイン電極ＤＥ１０１の端部（側面）のうち、ゲート電極ＧＥ１０１に対向する側の端部（側面）をゲート電極側端部ＤＥ１０１ａと称する。また、ゲート電極ＧＥの端部（側面）のうち、ドレイン電極ＤＥに対向する側の端部（側面）をドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１と称し、ソース電極ＳＥに対向する側の端部（側面）をソース電極側端部ＥＧＳ１０１と称する。ドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１は、上記ドレイン電極側端部ＥＧＤに対応するものであり、ソース電極側端部ＥＧＳ１０１は、上記ソース電極側端部ＥＧＳに対応するものである。また、ゲート電極側端部ＳＥ１０１ａは、上記ゲート電極側端部ＳＥ１に対応するものであり、ゲート電極側端部ＤＥ１０１ａは、上記ゲート電極側端部ＤＥ１に対応するものである。

図１６の比較例の半導体装置では、バリア層ＢＲ１０１は、Ａｌの組成比が、バリア層ＢＲ１０１内で一定（均一）である。このため、バリア層ＢＲ１０１の格子定数は、バリア層ＢＲ１０１内でほぼ一定である。

図１６の比較例の半導体装置では、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層ＢＲ１０１と、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層ＣＨ１０１との間にヘテロ接合が形成されている。このようなヘテロ接合（ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合）を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）において、基板ＳＵＢ１０１の主面に垂直な方向の電界がバリア層ＢＲ１０１（ＡｌＧａＮ層）に印加されると、逆ピエゾ効果により、電界強度に比例してバリア層ＢＲ１０１（ＡｌＧａＮ層）内に基板ＳＵＢ１０１の主面に平行な方向に歪(応力)が発生する。窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、圧電性が強く、電界がかかると逆ピエゾ効果により歪（応力）が発生するからである。歪が大きくなると結晶欠陥が発生し、トランジスタ素子の劣化につながるため、歪を抑制することが望まれる。

バリア層ＢＲ１０１（ＡｌＧａＮ層）に発生する歪は、バリア層ＢＲ１０１（ＡｌＧａＮ層）とチャネル層ＣＨ１０１（ＧａＮ層）との格子定数差によって発生する歪と、印加された電界により逆ピエゾ効果によって発生する歪との和になる。

バリア層ＢＲ１０１において、電界が集中しやすいのは、図１７からも分かるように、ゲート電極ＧＥ１０１のドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１の直下の領域とその近傍領域であり、図１６において、点線ＤＬで囲まれた領域にほぼ対応している。このため、バリア層ＢＲ１０１において、ゲート電極ＧＥ１０１のドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１の直下の領域とその近傍領域では、電界が集中することにより引っ張り歪(引っ張り応力)が生じて、結晶欠陥が発生しやすくなる。これは、ドレイン電流の劣化や、ゲートリーク電流が増大するなど、トランジスタ素子の特性の劣化につながる。

ここで、バリア層ＢＲ１０１における引っ張り歪(引っ張り応力)を減らすために、バリア層ＢＲ１０１におけるＡｌ組成比を減少させた場合、オン抵抗が高くなるという不具合が発生する。図１８から分かるように、ＡｌＧａＮ層（バリア層ＢＲ１０１）全体のＡｌ組成を低くすると、チャネル層ＣＨ１０１とバリア層ＢＲ１０１との間の伝導帯不連続が減少するのに加え、自発性分極やピエゾ分極により発生する分極電荷が小さくなるため、ＡｌＧａＮ層（バリア層ＢＲ１０１）中に発生する電界が小さくなり、ＧａＮ層（チャネル層ＣＨ１０１）に形成される２次元電子ガスの濃度（キャリア濃度）が下がる。この結果、チャネル抵抗が増加しオン抵抗が増加してしまう。この抵抗増加は、図１９のグラフからも実際に確認される。

＜本実施の形態の主要な特徴について＞
上述のように、バリア層ＢＲでは、基板ＳＵＢの主面に垂直な方向の電界が印加されることにより、逆ピエゾ効果が発生してバリア層ＢＲに引っ張り歪(引っ張り応力)が発生する。逆ピエゾ効果により発生する歪は電界に比例するため、電界が集中する箇所があると、その電界集中箇所で、逆ピエゾ効果は最も大きくなって、引っ張り歪(引っ張り応力)も大きくなる。すなわち、電界が小さい箇所に比べて電界が大きい箇所では、逆ピエゾ効果による歪が大きくなるため、電界が集中する箇所で歪が最も大きくなる。

本実施の形態では、バリア層ＢＲにおいて、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域とその近傍領域では、電界が集中して引っ張り歪(引っ張り応力)が大きくなるため、Ａｌの組成比を小さくし、電界が印加されていない状態での引っ張り歪(引っ張り応力)を小さくしている。Ａｌの組成比を調整するのは、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の格子定数は、Ａｌの組成比が大きいほど、小さくなるためである。バリア層ＢＲにおいて、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域とその近傍領域では、Ａｌの組成比を低くしたことにより、格子定数を大きくすることができる。

すなわち、本実施の形態では、上記図１に示されるように、バリア層ＢＲに、Ａｌの組成比が相対的に低い領域（従って格子定数が相対的に大きい領域）である領域ＢＲ２を局所的に設け、この領域ＢＲ２上に、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤが位置するようにしている。つまり、バリア層ＢＲにおいて、逆ピエゾ効果が生じやすい領域は、他の領域（逆ピエゾ効果があまり生じない領域）に比べて、Ａｌの組成比を低くして（従って格子定数を大きくして）引っ張り歪(引っ張り応力)をあらかじめ小さくしておく。バリア層ＢＲにおいて、逆ピエゾ効果が生じやすい領域とは、電界が集中しやすい領域であり、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域とその近傍領域である。この領域を、Ａｌの組成比が相対的に低い領域ＢＲ２にする。それ以外の領域は、領域ＢＲ２よりもＡｌの組成比が高い領域ＢＲ１にする。

ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下に電界が集中しやすい（従って逆ピエゾ効果による引っ張り歪（引っ張り応力）が発生しやすい）ため、予めゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域とその近傍領域（すなわち領域ＢＲ２）では、Ａｌの組成比を低くして格子定数を大きくしておくことで、チャネル層ＣＨとの格子定数差により発生する引っ張り歪(引っ張り応力)と電界集中による逆ピエゾ効果に起因した引っ張り歪(引っ張り応力)との和を小さくすることができる。そして、電界が集中しない領域ＢＲ１では、領域ＢＲ２よりもＡｌ組成比を高くしているため、領域ＢＲ１の直下のチャネル抵抗を低くすることができる。この結果、バリア層ＢＲ全体のＡｌ組成を下げる場合と比較し、オン抵抗が悪化するのを抑制することができる。

図２０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のＡｌの組成比と歪の関係を示すグラフである。

図２０のグラフの横軸は、窒化アルミニウムガリウムをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮと表記したときのｘの値に対応している。このｘの値が大きいほど、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）におけるＡｌの組成比が高いことになる。

図２０の縦軸は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を基準にしたときの、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ中に発生する歪であり、任意単位（a.u.：arbitrary unit）で表記してある。具体的には、図２０の縦軸の歪は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を基準にしたときの、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ中に発生する引っ張り歪に対応している。

また、図２０のグラフには、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮに電界を印加しなかった場合（「０Ｖ／ｃｍ」の場合に対応）と、１ＭＶ／ｃｍの電界を印加した場合と、３ＭＶ／ｃｍの電界を印加した場合とが、それぞれ示されている。

窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の格子定数は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）におけるＡｌの組成比に依存しており、Ａｌの組成比が高くなるほど、格子定数が小さくなる。すなわち、窒化アルミニウムガリウムをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮと表記すると、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにおけるｘが大きくなるほど、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの格子定数は小さくなる。このため、図２０のグラフに示されるように、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにおけるｘが大きくなるほど、図２０のグラフの縦軸の歪は大きくなる。

一方、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのｘが同じ場合に、そのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮに電界を印加すると、逆ピエゾ効果が起きて引っ張り歪が大きくなり、印加される電界が大きいほど、引っ張り歪は大きくなる。このため、図２０のグラフに示されるように、電界を印加しない場合（「０Ｖ／ｃｍ」の場合に対応）に比べて、電界を印加した場合（「１ＭＶ／ｃｍ」の場合と「３ＭＶ／ｃｍ」の場合に対応）は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ中に発生する引っ張り歪は大きくなり、図２０のグラフの縦軸の歪は大きくなる。また、印加する電界が小さい場合（「１ＭＶ／ｃｍ」の場合に対応）に比べて、印加する電界が大きい場合（「３ＭＶ／ｃｍ」の場合に対応）の方が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ中に発生する引っ張り歪はより大きくなり、図２０のグラフの縦軸の歪は、より大きくなる。

ＡｌＧａＮ層（より特定的にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層）に均一に電界が印加された場合には、逆ピエゾ効果により、ＡｌＧａＮ層全体でほぼ均一な歪が発生するが、ＡｌＧａＮ層において、電界が集中する箇所があると、そこだけ局所的に逆ピエゾ効果による歪が大きくなる。このため、均一なＡｌ組成のＡｌＧａＮバリア層においては、電界が集中した箇所で局所的に大きな歪が発生するので、その層において結晶欠陥が発生することにつながる。この結晶欠陥により、ＡｌＧａＮ層を用いた半導体装置の性能や信頼性を低下させてしまう虞がある。

それに対して、ＡｌＧａＮ層（より特定的にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層）において、電界集中が予想される箇所についてＡｌの組成比を局所的に低くしておけば、電界集中が予想される箇所の格子定数は、他の領域（電界集中が予想されない領域）の格子定数に比べて大きくなり、発生する引っ張り歪(引っ張り応力)を小さくしておくことができる。これにより、電界を印加したときのＡｌＧａＮ層において、電界が集中した箇所に発生するトータルの歪を小さくすることができる。これは、電界集中が予想される箇所でＡｌの組成比を低くして電界印加前の引っ張り歪(引っ張り応力)を小さくしていたためである。

つまり、ＡｌＧａＮ層内でＡｌの組成比が一定である場合に比べて、ＡｌＧａＮ層において電界集中が予想される箇所でＡｌの組成比を局所的に低くした場合の方が、ＡｌＧａＮ層に電界が印加されたときに、電界が集中した箇所と他の領域（電界が集中しない領域）とに発生する歪の差を小さくすることができる。別の見方をすると、ＡｌＧａＮ層内で格子定数が一定である場合に比べて、電界集中が予想される箇所で格子定数を局所的に大きくしていた場合の方が、ＡｌＧａＮ層に電界が印加されたときに、電界が集中した箇所と他の領域（電界が集中しない領域）との歪の差を小さくすることができる。これにより、電界集中する箇所における歪（トータルの歪）を抑制することができ、結晶欠陥が発生することを抑制または防止することができる。従って、半導体装置の性能や信頼性を向上させることができる。

これを受けて、本実施の形態の設計思想は、次の２つがある。

第１の観点として、バリア層ＢＲにおいて、電界印加時に電界集中が予想される箇所の格子定数を、他の領域（電界集中が予想されない領域）の格子定数よりも大きくしておくことである。

第２の観点として、アルミニウム（Ａｌ）を含有するバリア層ＢＲにおいて、電界印加時に電界集中が予想される箇所のＡｌの組成比を、他の領域（電界集中が予想されない領域）のＡｌの組成比よりも低くしておくことである。

アルミニウムを含有するバリア層ＢＲにおいて、Ａｌの組成比が低いことは、格子定数が大きいことにつながるため、上記第１の観点と上記第２の観点とは、設計思想は基本的に同じである。すなわち、バリア層ＢＲにおける格子定数の分布に着目したのが、上記第１の観点であり、バリア層ＢＲにおけるＡｌの組成比の分布に着目したのが、上記第２の観点である。すなわち、上記第２の観点を満たすようにバリア層ＢＲを形成すれば、上記第１の観点を達成することができる。

図２１は、本実施の形態の半導体装置の説明図であり、上記図１のうち、チャネル層ＣＨよりも上の構造（すなわちチャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥ）を示し、基板ＳＵＢとバッファ層ＢＵＦとの図示を省略したものである。なお、図２１は、断面図であるが、図面を見やすくするために、ハッチングは省略してある。また、図２２は、バリア層ＢＲにおけるＡｌの組成比を示すグラフであり、図２３は、バリア層ＢＲにおける格子定数を示すグラフである。図２２のグラフの縦軸は、バリア層ＢＲにおけるＡｌの組成比に対応し、図２３のグラフの縦軸は、バリア層ＢＲにおける格子定数に対応している。図２２および図２３の各グラフの横軸は、バリア層ＢＲにおける位置に対応しており、バリア層ＢＲをゲート長方向（ゲート電極ＧＥのゲート長方向）に沿って見たときの位置が示されている。

バリア層ＢＲにおいて、電界印加時に電界が集中する箇所は、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域とその近傍領域である。このため、上記第１の観点と第２の観点を満たすようにバリア層ＢＲを設計するには、次のようにすることが好ましい。

図２１に示されるように、バリア層ＢＲは、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２と第３領域ＲＧ３とを有している。上記第２の観点で言うと、第３領域ＲＧ３は、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりも、Ａｌ（アルミニウム）の組成比が低く（図２２参照）、また、上記第１の観点で言うと、第３領域ＲＧ３は、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりも、格子定数が大きい（図２３参照）。

つまり、第３領域ＲＧ３のＡｌ組成比は、第１領域ＲＧ１のＡｌ組成比および第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比よりも低く、従って、第３領域ＲＧ３の格子定数は、第１領域ＲＧ１の格子定数および第２領域ＲＧ２の格子定数よりも大きい。

ここで、第３領域ＲＧ３は、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下およびその近傍の領域である。第１領域ＲＧ１は、ソース電極端ＳＥ１の直下から、第３領域ＲＧ３よりもソース電極ＳＥ側の領域である。第２領域ＲＧ２は、ドレイン電極端ＤＥ１の直下から、第３領域ＲＧ３よりもドレイン電極ＤＥ側の領域である。この第３領域ＲＧ３は、上記領域ＢＲ２であり、第１領域ＲＧ１は上記領域ＢＲ１の一部であり、第２領域ＲＧ２は上記領域ＢＲ１の他の一部である。

バリア層ＢＲの断面において、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２と第３領域ＲＧ３とは、具体的には、次のような範囲にある。ここで、「バリア層ＢＲの断面」とは、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥとをゲート長方向（ゲート電極ＧＥのゲート長方向）に横切るような断面に対応し、上記図１の断面や図２１の断面も、これに対応する。

すなわち、バリア層ＢＲの断面において、第１領域ＲＧ１は、ソース電極ＳＥのゲート電極側端部ＳＥ１の直下から、ゲート電極ＧＥにおけるゲート長方向の途中の第１位置Ｐ１の直下までの領域である。また、バリア層ＢＲの断面において、第２領域ＲＧ２は、ドレイン電極ＤＥのゲート電極側端部ＤＥ１の直下から、ゲート電極ＧＥとドレイン電極ＤＥとの間の第２位置Ｐ２の直下までの領域である。また、バリア層ＢＲの断面において、第３領域ＲＧ３は、第１位置Ｐ１の直下から、第２位置Ｐ２の直下までの領域である。

第１位置Ｐ１は、ゲート長方向に沿って見たときの第１領域ＲＧ１と第３領域ＲＧ３との境界の位置であり、ゲート電極ＧＥにおけるゲート長方向の途中に位置している。また、第２位置Ｐ２は、ゲート長方向に沿って見たときの第３領域ＲＧ３と第２領域ＲＧ２との境界の位置であり、ゲート電極ＧＥとドレイン電極ＤＥとの間に位置している。

このため、バリア層ＢＲの表面において、ゲート長方向に沿って見ると、第１位置Ｐ１（すなわち第１領域ＲＧ１と第３領域ＲＧ３との境界の位置）は、ゲート電極ＧＥのソース電極側端部ＥＧＳとドレイン電極側端部ＥＧＤとの間にある。また、バリア層ＢＲの表面において、ゲート長方向に沿って見ると、第２位置Ｐ２（すなわち第３領域ＲＧ３と第２領域ＲＧ２との境界の位置）は、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤとドレイン電極ＤＥのゲート電極側端部ＤＥ１との間にある。

また、バリア層ＢＲの断面において、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下には、第３領域ＲＧ３が存在しており、ゲート電極ＧＥのソース電極側端部ＥＧＳの直下には、第１領域ＲＧ１が存在している。

また、バリア層ＢＲの断面において、ゲート長方向に沿って見たときに、第３領域ＲＧ３は、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２との間にあり、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２との両方に隣接している。

本実施の形態では、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりも第３領域ＲＧ３を、低Ａｌ組成とし、それによって、第３領域ＲＧ３の格子定数を、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の格子定数よりも大きくする。

バリア層ＢＲにおいて、電界印加時に電界が集中する箇所は、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤの直下の領域とその近傍領域（すなわち第３領域ＲＧ３）である。従って、バリア層ＢＲにおいて、第３領域ＲＧ３に電界が集中し、他の領域（第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２）では、第３領域ＲＧ３に比べて電界が集中しない。このため、電界印加により発生する逆ピエゾ効果による歪は、第３領域ＲＧ３以外の領域（第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２を含む）に比べて、電界が集中する第３領域ＲＧ３において大きくなる。

本実施の形態とは異なり、電界が集中しやすい第３領域ＲＧ３について、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２と同じＡｌ組成比にした場合、第３領域ＲＧ３の電界印加前の歪が第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の電界印加前の歪と同じになり、電界が印加されたときに、電界が集中した第３領域ＲＧ３に発生するトータルの歪が、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２に比べ非常に大きくなる。

それに対して、本実施の形態では、電界が集中しやすい第３領域ＲＧ３について、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりもＡｌ組成を低くし（従って第３領域ＲＧ３の格子定数を第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の格子定数よりも大きくし）、それによって、第３領域ＲＧ３の電界印加前の歪を、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の電界印加前の歪よりも小さくする。これにより、電界を印加したときの第３領域ＲＧ３に発生するトータルの歪を抑制することができる。このため、電界が印加されたときに、バリア層ＢＲ内において結晶欠陥が発生することを抑制または防止することができる。従って、半導体装置の性能や信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、歪による結晶欠陥の発生を抑制または防止できることで、逆ピエゾ効果により結晶欠陥が発生する電界強度を高くすることができる。このため、バリア層ＢＲに対して、より高い電界を印加することが可能になり、高電圧動作が可能になる。すなわち、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの電位差Ｖｄｓを、より高く設定することが可能になる。

また、上記図１８および図１９からも分かるように、ＡｌＧａＮからなるバリア層全体のＡｌ組成比を低くすると、バリア層とチャネル層との間の伝導帯不連続の減少に加え、自発性分極やピエゾ分極により発生する分極電荷が小さくなることによりバリア層中に発生する電界が小さくなる。この結果、チャネル層に形成される２次元電子ガスの濃度（キャリア濃度）が下がり、チャネル抵抗が増加してしまう。

本実施の形態では、第３領域ＲＧ３のＡｌ組成比よりも、第１領域ＲＧ１のＡｌ組成比と第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比を高くしている。第１領域ＲＧ１のＡｌ組成比と第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比とが高くなっているため、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の直下に形成される２次元電子ガス濃度を高めることができる。その結果、バリア層全体のＡｌ組成比を低くする場合と比較し、チャネル抵抗を低くすることができる。チャネル抵抗の低減により、高周波特性を向上させることが可能となる。

ここで、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比をそれぞれ一定にした上で、第３領域ＲＧ３のＡｌの組成比を低下させることが好ましい。すなわち、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比がそれぞれ一定ではなく、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２内に、Ａｌ組成比が高い箇所と低い箇所とがあると、Ａｌ組成比が低い箇所に起因した２次元電子ガス濃度の低下を招き、抵抗の増加につながる虞がある。

それに対して、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比が一定であれば、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２内に相対的に低Ａｌ組成比の箇所が生じないため、２次元電子ガスの濃度（キャリア濃度）を高いレベルに維持することができ、抵抗低減（ソース抵抗の低減、ドレイン抵抗の低減、およびチャネル抵抗の低減）を図ることができる。このため、出力パワーまたは出力効率などを向上することができ、半導体装置の性能を更に向上することができる。

つまり、本実施の形態では、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比をそれぞれ一定（均一）にしながら、電界集中が予想される第３領域ＲＧ３だけを低Ａｌ組成比にすることが好ましい。換言すれば、バリア層ＢＲにおいて、電界集中が予想される第３領域ＲＧ３だけを低Ａｌ組成比にし、他の領域は、Ａｌの組成比を一定（均一）にすることが好ましい。これにより、２次元電子ガスの濃度を高いレベルに維持しながら、電界印加時の歪(応力)に起因した結晶欠陥の発生を抑制または防止することができ、半導体装置の性能を、より向上させることができるようになる。

このような観点から、バリア層ＢＲの第１領域ＲＧ１のＡｌ組成比は、一定（特にゲート長方向の組成分布が一定）であり、かつ、バリア層ＢＲの第２領域ＲＧ２のＡｌ組成比は、一定（特にゲート長方向の組成分布が一定）であることが好ましい。すなわち、バリア層ＢＲの第１領域ＲＧ１の格子定数は一定（特にゲート長方向の格子定数の分布が一定）であり、バリア層ＢＲの第２領域ＲＧ２の格子定数は一定（特にゲート長方向の格子定数の分布が一定）であることが好ましい。更に、バリア層ＢＲの第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とで、Ａｌ（アルミニウム）の組成比が同じであることが好ましい。これにより、２次元電子ガスの濃度を高いレベルに維持することができるため、半導体装置の性能を、より向上させることができる。なお、バリア層ＢＲの第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とで、Ａｌの組成比が同じであれば、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とで格子定数は同じになり、電界を印加していないときに第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とで発生する歪は同じになる。

また、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２でそれぞれＡｌ組成比を一定にし、かつ、第１領域ＲＧ１のＡｌの組成比と第２領域ＲＧ２のＡｌの組成比とを同じにすれば、バリア層ＢＲの形成が容易になる。例えば、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２とを、共通の半導体層により形成することができるようになる。

このように、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの間において、バリア層ＢＲにおけるＡｌ（アルミニウム）の組成比は、ソース電極ＳＥから位置Ｐ１までと、位置Ｐ２からドレイン電極ＤＥまでとは、一定の値であり、位置Ｐ１から位置Ｐ２までは、それよりも低いＡｌ組成比となっていることが好ましい。従って、ソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとの間において、バリア層ＢＲにおける格子定数は、ソース電極ＳＥから位置Ｐ１までと、位置Ｐ２からドレイン電極ＤＥまでとは、一定の値であり、位置Ｐ１から位置Ｐ２までは、それよりも大きな格子定数となっていることが好ましい。

また、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第１位置Ｐ１までの距離Ｌ１と、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第２位置Ｐ２までの距離Ｌ２とは、それぞれ５０ｎｍ以上であることが好ましい（すなわちＬ１≧５０ｎｍ、Ｌ２≧５０ｎｍ）。ここで、距離Ｌ１，Ｌ２は、バリア層ＢＲの表面（上面）に沿って、ゲート電極ＧＥのゲート長方向に測ったときの距離である。距離Ｌ１，Ｌ２が短すぎると、領域ＲＧ３よりも外側の領域（すなわち第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の一部）でも高電界が印加される領域が発生してしまい、電界印加時の逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)が増加する虞がある。上記図１７からも分かるように、電界が集中するのは、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤからのゲート長方向の距離が概ね５０ｎｍ以内の領域である。

このため、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第１位置Ｐ１までの距離Ｌ１と、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第２位置Ｐ２までの距離Ｌ２とを、それぞれ５０ｎｍ以上（すなわちＬ１≧５０ｎｍ、Ｌ２≧５０ｎｍ）に設定すれば、電界が集中する領域を領域ＲＧ３内に収めることができる。領域ＲＧ３よりも外側の領域（すなわち第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２）では、電界があまり集中しなくなるため、電界印加時の逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)に起因した結晶欠陥の発生を、的確に抑制または防止することができる。従って、半導体装置の性能を、的確に向上させることができる。

また、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第１位置Ｐ１までの距離Ｌ１と、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第２位置Ｐ２までの距離Ｌ２とは、それぞれ２５０ｎｍ以下であることが好ましい（すなわちＬ１≦２５０ｎｍ、Ｌ２≦２５０ｎｍ）。距離Ｌ１，Ｌ２が長すぎると、低Ａｌ組成比である領域ＲＧ３のゲート長方向の寸法が大きくなり、２次元電子ガスの濃度が低下する虞がある。

製造工程の変動などに起因して、バリア層ＢＲにおける領域ＲＧ３の形成位置がずれる場合があるが、そのずれの程度は２００ｎｍ以下に抑えることが可能である。このため、製造時の位置ずれを考慮したとしても、位置ずれのマージンは２００ｎｍよりも大きくしなくてよい（すなわち、位置ずれのマージンは２００ｎｍ以下とすることができる）。例えば、設計時に距離Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ２５０ｎｍ（Ｌ１＝２５０ｎｍ、Ｌ２＝２５０ｎｍ）に設定しておけば、たとえ最大２００ｎｍの位置ずれが生じても、電界集中が生じる領域（ドレイン電極側端部ＥＧＤからのゲート長方向の距離が５０ｎｍ以内の領域）を領域ＲＧ３内に収めることができる。従って、ゲート長方向に見て、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤからの距離が２５０ｎｍよりも大きい領域は、Ａｌ組成比が高い（従って格子定数が小さい）領域である第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２とすることが好ましく、これにより、２次元電子ガスの濃度の低下を防止できる。これを別の見方をすると、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第１位置Ｐ１までの距離Ｌ１と、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第２位置Ｐ２までの距離Ｌ２とは、それぞれ２５０ｎｍ以下であることが好ましい（すなわちＬ１≦２５０ｎｍ、Ｌ２≦２５０ｎｍ）ことになる。また、ゲート長方向における領域ＲＧ３の寸法（第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２までの距離であり、距離Ｌ１と距離Ｌ２との合計に対応）は、５００ｎｍ以下が好ましい（Ｌ１＋Ｌ２≦５００ｎｍ）。

従って、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第１位置Ｐ１までの距離Ｌ１と、ゲート電極ＧＥのドレイン電極側端部ＥＧＤから第２位置Ｐ２までの距離Ｌ２とは、それぞれ５０ｎｍ以上で２５０ｎｍ以下であることが、最も好ましい（すなわち５０ｎｍ≦Ｌ１≦２５０ｎｍ、５０ｎｍ≦Ｌ２≦２５０ｎｍ）。

このように、低Ａｌ組成比の第３領域ＲＧ３のゲート長方向における寸法（距離Ｌ１と距離Ｌ２との合計に対応）を増やすことは、２次元電子ガスの濃度（キャリア濃度）を低くし、抵抗増加につながる。このため、ゲート長方向における第３領域ＲＧ３の寸法（第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２までの距離であり、距離Ｌ１と距離Ｌ２との合計に対応）は、逆ピエゾ効果による結晶欠陥の発生を抑制できる範囲で、可能な限り狭める（小さくする）ことが望ましく、具体的には、１００ｎｍ以上で５００ｎｍ以下とすることが好ましい（１００ｎｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦５００ｎｍ）。

また、バリア層ＢＲにおいて、第１領域ＲＧ１よりも外側（第３領域ＲＧ３側とは反対側）の領域ＲＧ４は、第１領域ＲＧ１と同じＡｌ組成比であることが好ましく、また、第２領域ＲＧ２よりも外側（第３領域ＲＧ３側とは反対側）の領域ＲＧ５は、第２領域ＲＧ２と同じＡｌ組成比であることが好ましい。領域ＲＧ４は、バリア層ＢＲにおけるソース電極ＳＥの直下の領域とみなすともでき、領域ＲＧ５は、バリア層ＢＲにおけるドレイン電極ＤＥの直下の領域とみなすこともできる。

つまり、バリア層ＢＲにおいて、第３領域ＲＧ３だけが低Ａｌ組成比であり、第３領域ＲＧ３以外の領域（第１領域ＲＧ１、第２領域ＲＧ２、領域ＲＧ４および領域ＲＧ５）は、第３領域ＲＧ３よりも高Ａｌ組成比でかつほぼ一定のＡｌ組成比を有していることが好ましい。別の見方をすると、バリア層ＢＲにおいて、第３領域ＲＧ３だけが相対的に大きな格子定数を有し、第３領域ＲＧ３以外の領域（第１領域ＲＧ１、第２領域ＲＧ２、領域ＲＧ４および領域ＲＧ５）は、第３領域ＲＧ３よりも小さな格子定数でほぼ一定の格子定数を有していることが好ましい。これにより、電界印加時の逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)に起因した結晶欠陥の発生を抑制または防止することができるとともに、２次元電子ガスの濃度を高いレベルに維持することができ、また、バリア層ＢＲの形成が容易になる。従って、半導体装置の性能を的確に向上させることができるとともに、半導体装置を製造しやすくなる。

また、バリア層ＢＲにおいて、領域ＢＲ２（第３領域ＲＧ３）の組成をＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮと表し、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１（第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２）の組成をＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮと表した場合、領域ＢＲ１におけるＡｌ組成比ｚと領域ＢＲ２におけるＡｌ組成比ｙとの差は、０．０２以上（すなわちｚ−ｙ≧０．０２）が好ましい。上記図２０のグラフからも分かるように、Ａｌ組成比ｘを０．０２だけ小さくすると、３ＭＶ／ｃｍの電界が印加されたときの逆ピエゾ効果を相殺することができる。

このため、領域ＢＲ２の組成をＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮと表し、領域ＢＲ１の組成をＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮと表した場合、領域ＢＲ１のＡｌ組成比ｚと領域ＢＲ２のＡｌ組成比ｙとの差を０．０２以上（ｚ−ｙ≧０．０２）とすることにより、３ＭＶ／ｃｍの電界が印加されたときの逆ピエゾ効果を相殺して、逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)が追加されたときのトータルの歪を的確に抑制できる。これにより、引っ張り歪(引っ張り応力)による結晶欠陥の発生を的確に抑制または防止することができ、半導体装置の性能や信頼性を的確に向上させることができる。

（実施の形態２）
図２４は、本実施の形態２の半導体装置の要部断面図であり、上記図１に対応するものである。図２５は、上記実施の形態１の図１と本実施の形態２の図２４とに対応する半導体装置の説明図であり、チャネル層ＣＨよりも上の構造（すなわちチャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとソース電極ＳＥとドレイン電極ＤＥとゲート電極ＧＥ）を示し、基板ＳＵＢとバッファ層ＢＵＦとの図示を省略してある。図２５は、断面図であるが、図面を見やすくするためにハッチングは省略してある。

図２６および図２７は、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの積層構造における厚み方向のＡｌの組成比の分布を示すグラフであり、図２６は上記実施の形態１の場合に対応し、図２７は本実施の形態２の場合に対応している。図２６および図２７の各グラフの縦軸は、Ａｌ組成比に対応している。図２６および図２７の各グラフの横軸は、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの積層構造における深さ位置（厚み方向の位置）に対応しており、バリア層ＢＲの表面からの深さが示されている。

なお、図２６には、上記実施の形態１の半導体装置において、図２５の二点鎖線ＬＮ３に沿った位置でのＡｌ組成比の分布が実線で示されている。すなわち、上記実施の形態１の半導体装置において、バリア層ＢＲの第３領域ＲＧ３からチャネル層ＣＨにかけてのＡｌ組成比の分布が、図２６のグラフに実線で示されている。また、図２６には、上記実施の形態１の半導体装置において、図２５の二点鎖線ＬＮ４，ＬＮ５，ＬＮ６，ＬＮ７に沿った位置でのＡｌ組成比の分布が点線で示されている。なお、二点鎖線ＬＮ３はバリア層ＢＲの第３領域ＲＧ３を通過し、二点鎖線ＬＮ４はバリア層ＢＲの第１領域ＲＧ１を通過し、二点鎖線ＬＮ５はバリア層ＢＲの第２領域ＲＧ２を通過し、二点鎖線ＬＮ６はバリア層ＢＲの領域ＲＧ４を通過し、二点鎖線ＬＮ７はバリア層ＢＲの領域ＲＧ５を通過している。上記実施の形態１の半導体装置において、二点鎖線ＬＮ４，ＬＮ５，ＬＮ６，ＬＮ７に沿ってみた場合、Ａｌ組成比の分布は共通である。また、図２６のグラフにおいて、チャネル層ＣＨの範囲内では、実線に重なって点線が存在している。

また、図２７には、本実施の形態２の半導体装置において、図２５の二点鎖線ＬＮ３に沿った位置でのＡｌ組成比の分布が実線で示されている。すなわち、本実施の形態２の半導体装置において、バリア層ＢＲの第３領域ＲＧ３からチャネル層ＣＨにかけてのＡｌ組成比の分布が、図２７のグラフに実線で示されている。また、図２７には、本実施の形態２の半導体装置において、図２５の二点鎖線ＬＮ４，ＬＮ５，ＬＮ６，ＬＮ７に沿った位置でのＡｌ組成比の分布が点線で示されている。本実施の形態２の半導体装置において、二点鎖線ＬＮ４，ＬＮ５，ＬＮ６，ＬＮ７に沿ってみた場合、Ａｌ組成比の分布は共通である。また、図２７のグラフにおいて、チャネル層ＣＨの範囲内では、実線に重なって点線が存在している。

図２４と上記図１とを比べると分かるように、本実施の形態２の半導体装置（図２４）が、上記実施の形態１の半導体装置（図１）と相違しているのは、バリア層ＢＲにおいて、上記実施の形態１の上記領域ＢＲ２を、本実施の形態２では、領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂに置き換えた点である。本実施の形態２の半導体装置の他の構成は、上記実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるので、ここではその説明は省略し、上記実施の形態１との相違点を中心に説明する。

本実施の形態では、バリア層ＢＲにおいて、上記領域ＢＲ２を２つの領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂに置き換えている。すなわち、本実施の形態では、バリア層ＢＲにおいて、上記第３領域ＲＧ３を、領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂにより形成している。

領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂのうち、領域ＢＲ２ａが上側（すなわち表面側）であり、領域ＢＲ２ｂが下側（すなわち裏面側）であり、領域ＢＲ２ａは領域ＢＲ２ｂ上に形成され、領域ＢＲ２ｂは領域ＢＲ２ａの下に形成されている。ここで、バリア層ＢＲにおいて、チャネル層ＣＨ側が下側（裏面側）であり、ゲート電極ＧＥ側が上側（表面側）である。従って、上記実施の形態１では、第３領域ＲＧ３は、領域ＢＲ２の一層により形成されていたが、本実施の形態２の場合は、第３領域ＲＧ３は、領域ＢＲ２ａと領域ＢＲ２ｂとの二層により形成される。

上記実施の形態１では、領域ＢＲ２におけるＡｌの組成比は一定であった。すなわち、上記実施の形態１では、第３領域ＲＧ３におけるＡｌの組成比は、一定であった（図２６参照）。

それに対して、本実施の形態２では、領域ＢＲ２ａと領域ＢＲ２ｂとは、Ａｌの組成比が同じではなく、領域ＢＲ２ａにおけるＡｌの組成比は、領域ＢＲ２ｂにおけるＡｌの組成比よりも低い（小さい）。換言すれば、領域ＢＲ２ｂにおけるＡｌの組成比は、領域ＢＲ２ａにおけるＡｌの組成比よりも高い（大きい）。従って、領域ＢＲ２ａの組成をＡｌ_αＧａ_１−αＮと表し、領域ＢＲ２ｂの組成をＡｌ_βＧａ_１−βＮと表すと、０≦α＜β≦１となる。換言すれば、領域ＢＲ２ａを構成するＡｌ_αＧａ_１−αＮのαは、領域ＢＲ２ｂを構成するＡｌ_βＧａ_１−βＮのβよりも小さい（α＜β）。

従って、本実施の形態２では、第３領域ＲＧ３におけるＡｌの組成比は、領域ＢＲ２ａに相当する上層部側で低く、領域ＢＲ２ｂに相当する下層部側で高くなっている（図２７参照）。つまり、上記実施の形態１における領域ＢＲ２（すなわち第３領域ＲＧ３）を、上層側の領域ＢＲ２ａと下層側の領域ＢＲ２ｂとの２層に分け、上層側の領域ＢＲ２ａを低Ａｌ組成とし、下層側の領域ＢＲ２ｂを領域ＢＲ２ａよりも高Ａｌ組成としたものが、本実施の形態２に相当する。

Ａｌの組成比が高いほど格子定数は小さくなるため、領域ＢＲ２ａの格子定数は、領域ＢＲ２ｂの格子定数よりも大きくなる。換言すれば、領域ＢＲ２ｂの格子定数は、領域ＢＲ２ａの格子定数よりも小さくなる。

下層側の領域ＢＲ２ｂのＡｌの組成比は、領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ以外の領域ＢＲ１のＡｌの組成比以下である。従って、領域ＢＲ２ａの組成をＡｌ_αＧａ_１−αＮと表し、領域ＢＲ２ｂの組成をＡｌ_βＧａ_１−βＮと表し、領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ以外の領域ＢＲ１の組成をＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮと表すと、０≦α＜β≦ｚ≦１となる。従って、領域ＢＲ２ｂのＡｌの組成比は、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２のＡｌの組成比以下になる。

このため、領域ＢＲ２ｂの格子定数は、領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ以外の領域ＢＲ１の格子定数以上になる。従って、領域ＢＲ２ｂの格子定数は、第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の格子定数以上になる。

なお、図２７のグラフでは、領域ＢＲ２ｂにおけるＡｌ組成比β（Ａｌ_βＧａ_１−βＮと表したときのβの値）が、領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ以外の領域ＢＲ１のＡｌ組成比ｚ（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮと表したときのｚの値）よりも小さい場合（すなわちβ＜ｚの場合）を示しているが、両者を同じにする（すなわちβ＝ｚにする）ことも可能である。

領域ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂは、例えば、上記バリア層ＢＲ１２を形成する際に、高Ａｌ組成の領域ＢＲ２ｂと低Ａｌ組成の領域ＢＲ２ａとを作り分ければよい。また、上記図９の工程でバリア層ＢＲ１１をエッチングしてバリア層ＢＲ１１に開口部ＯＰ１を形成する際に、開口部ＯＰ１がバリア層ＢＲ１１を貫通する前にエッチングを終了して開口部ＯＰ１の底部にバリア層ＢＲ１１の一部を層状に残し、これを領域ＢＲ２ｂとすることもできる。この場合は、領域ＢＲ２ｂと領域ＢＲ１とがバリア層ＢＲ１１により形成されることになるため、領域ＢＲ２ｂのＡｌの組成比は、領域ＢＲ１のＡｌの組成比と同じになる。

図２８は、上記図１６の比較例の半導体装置のバリア層ＢＲ１０１における電界強度をシミュレーションした結果を示すグラフである。図２８のグラフの縦軸は、上記図１７のグラフの縦軸と同様、電界強度（基板ＳＵＢの主面に垂直な方向の電界の強度）に対応している。図２８のグラフの横軸は、上記図１７のグラフの横軸と同様、バリア層ＢＲ１０１における位置に対応しており、ソース電極ＳＥ１０１におけるゲート電極側端部ＳＥ１０１ａからの距離（ゲート長方向に沿った距離）として表されている。但し、上記図１７は、上記図１６のバリア層ＢＲ１０１における一点鎖線ＬＮ１の位置での電界強度分布が示されていたが、図２８は、上記図１６のバリア層ＢＲ１０１における一点鎖線ＬＮ１の位置での電界強度分布を実線で示し、上記図１６のバリア層ＢＲ１０１における二点鎖線ＬＮ２の位置での電界強度分布を点線で示している。なお、図２８の分布は、ドレイン電極（ＤＥ１０１）とソース電極（ＳＥ１０１）との間に与えた電位差Ｖｄｓが、１００Ｖの場合（Ｖｄｓ＝１００Ｖの場合）が示されている。

上記図１６のバリア層ＢＲ１０１において、一点鎖線ＬＮ１の位置はバリア層ＢＲ１０１の表面に近い位置にあり、二点鎖線ＬＮ２の位置は一点鎖線ＬＮ１の位置よりも下側（チャネル層ＣＨ１０１に近い側）にある。このため、図２８のグラフにおいて実線で示された分布は、バリア層ＢＲ１０１の表層付近での分布に対応し、図２８のグラフにおいて点線で示された分布は、バリア層ＢＲ１０１の内部付近での分布に対応する。

上述のように、バリア層ＢＲにおいて、電界印加時に電界が集中する箇所は、ゲート電極ＧＥ１０１のドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１の直下の領域とその近傍領域である。しかしながら、図２８のグラフからも分かるように、バリア層ＢＲ１０１において、表面付近（一点鎖線ＬＮ１の位置）よりも内部（二点差線ＬＮ２の位置）の方が、ドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１の直下における電界強度が小さくなっている。すなわち、ゲート電極ＧＥ１０１のドレイン電極側端部ＥＧＤ１０１の直下の領域とその近傍領域に電界が集中するが、その電界強度は、表層付近で高く、内部では低くなっている。このことから、逆ピエゾ効果による結晶欠陥の発生は、バリア層ＢＲ１０１の表面側で主として起こると考えられる。つまり、バリア層の厚さによっては、高電界が集中する表面側のみＡｌ組成比を下げれば逆ピエゾ効果による結晶欠陥の発生を抑制することができる。

図２９は、ＡｌＧａＮ層（バリア層）とＧａＮ層（チャネル層）の積層構造における伝導帯のエネルギーとキャリア密度とを示すグラフである。図２９のグラフの横軸は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層構造における深さ位置（ＡｌＧａＮ層の上面からＧａＮ層に向かう方向の深さ位置）に対応している。図２９のグラフの縦軸は、伝導帯端のエネルギー、あるいはキャリア密度に対応している。すなわち、図２９のグラフには、深さ方向における伝導帯端のエネルギーを示すグラフと、深さ方向におけるキャリア密度の分布を示すグラフとが一緒に記載されている。

また、図２９には、ＡｌＧａＮ層（バリア層）におけるＡｌの組成比ｘ（ＡｌＧａＮをＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮと表記したときのｘの値）について、ＡｌＧａＮ層の深さ位置によらずｘ＝０．２０で一定の場合が、点線で示されている。また、図２９には、ＡｌＧａＮ層（バリア層）におけるＡｌの組成比ｘ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのｘの値）について、ＡｌＧａＮ層の表面からＡｌＧａＮ層の厚みの中央（図２９のグラフの一点鎖線の位置に対応）までｘ＝０．２０であり、かつ、ＡｌＧａＮ層の厚みの中央からＡｌＧａＮ層の裏面（ＧａＮ層に接する側の面）までがｘ＝０．２５である場合が、実線で示されている。

図２９のグラフの実線で示される分布からも分かるように、ＡｌＧａＮ層（バリア層）において、表面側のＡｌ組成比ｘを０．２０とし、裏面側（ＧａＮ層に近い側）のＡｌ組成比ｘを０．２５にした場合、Ａｌ組成比ｘが０．２０の領域とＡｌ組成比ｘが０．２５の領域との界面にはマイナスの分極電荷が発生し、バンドが持ち上がるが、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面に発生するプラスの分極電荷は、Ａｌ組成比ｘが高い方が大きくなり、ΔＥｃも大きくなる。このため、ＡｌＧａＮ層（バリア層）において、厚み方向にＡｌ組成比ｘが０．２０で一定の場合に比べて、ＡｌＧａＮ層（バリア層）において、表面側のＡｌ組成比ｘを０．２０とし、裏面側（ＧａＮ層に近い側）のＡｌ組成比ｘを０．２５にした場合の方が、ＧａＮ層に生成される２次元電子ガス層において、高いキャリア濃度を得ることができる。

すなわち、本実施の形態２と上記実施の形態１とを比べると、上記実施の形態１における領域ＢＲ２のＡｌの組成比と本実施の形態２における領域ＢＲ２ａのＡｌの組成比とが同じ場合には、本実施の形態２の方が、２次元電子ガスの濃度（キャリア濃度）を、より高くすることができる。

従って、本実施の形態２では、電界が集中しやすい領域ＢＲ２ａ（第３領域ＲＧ３の上層部分）について、領域ＢＲ１よりも（従って第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりも）、Ａｌの組成比を低くし、それによって、格子定数を大きくすることで、領域ＢＲ２ａの電界印加前の歪を、領域ＢＲ１の電界印加前の歪よりも小さくしておく。これにより、電界印加時に逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)が追加されたときに領域ＢＲ２ａに発生するトータルの歪を抑制することができ、その引っ張り歪(引っ張り応力)により結晶欠陥が発生することを抑制または防止することができる。従って、半導体装置の性能や信頼性を向上させることができる。

更に、本実施の形態２では、領域ＢＲ２ａ（第３領域ＲＧ３の上層部分）よりも領域ＲＧＢＲ２ｂ（第３領域ＲＧ３の下層部分）を、高Ａｌ組成としていることで、チャネル層ＣＨに生成される２次元電子ガス層において、高いキャリア濃度を得ることができる。従って、チャネル部とソース・ドレイン間の抵抗を、より低減することができる。これにより、半導体装置の性能を、更に向上させることができる。すなわち、本実施の形態２では、逆ピエゾ効果による結晶欠陥を抑制しつつ、チャネル部とソース・ドレイン間の抵抗の上昇を抑制することができる。

図３０および図３１は、本実施の形態２の変形例の場合での、チャネル層ＣＨとバリア層ＢＲとの積層構造における厚み方向のＡｌの組成の分布を示すグラフであり、上記図２７の変形例に対応している。図３０および図３１の各グラフの縦軸および横軸は、上記図２７のグラフの縦軸および横軸と同じである。なお、図３０および図３１には、上記図２５の二点鎖線ＬＮ３に沿った位置でのＡｌの組成比の分布が実線で示され、また、上記図２５の二点鎖線ＬＮ４，ＬＮ５，ＬＮ６，ＬＮ７に沿った位置でのＡｌの組成比の分布が点線で示されている。なお、図３０および図３１の各グラフにおいて、チャネル層ＣＨの範囲内では、実線に重なって点線が存在している。

本実施の形態２では、第３領域ＲＧ３を領域ＢＲ２ａと領域ＢＲ２ｂとの二層により形成する場合について説明したが、本実施の形態２の変形例として、図３０に示されるように、第３領域ＲＧ３を三層以上の領域により形成することもできる（図３０の場合は５層の例を示してある）。この場合、第３領域ＲＧ３を構成する複数層の領域について、バリア層ＢＲの表面側に近くなるほど、Ａｌの組成比を低くすればよい。換言すれば、第３領域ＲＧ３を構成する複数層の領域について、チャネル層ＣＨに近くなるほど、Ａｌの組成比を高くする。この場合、バリア層ＢＲの厚み方向に見たときの、第３領域ＲＧ３のＡｌの組成比の分布は、図３０に示されるように、表面側から裏面側（チャネル層ＣＨ側）に向かってＡｌの組成比が階段状に（段階的に）増加する分布となる。

また、本実施の形態２の更に他の変形例として、図３１に示されるように、バリア層ＢＲの厚み方向に見たときの、第３領域ＲＧ３のＡｌの組成比の分布を、表面側から裏面側（チャネル層ＣＨ側）に向かってＡｌの組成比が連続的に（なだらかに）増加する分布とすることもできる。

（実施の形態３）
図３２は、本実施の形態３の半導体装置の要部断面図であり、上記図１に対応するものである。図３３は、本実施の形態３の半導体装置のバリア層ＢＲにおける格子定数を示すグラフであり、上記図２３に対応するものである。図３３のグラフの縦軸は、上記図２３のグラフと同様、バリア層ＢＲにおける格子定数に対応している。図３３のグラフの横軸は、上記図２３のグラフと同様、バリア層ＢＲにおける位置に対応しており、バリア層ＢＲをゲート長方向（ゲート電極ＧＥのゲート長方向）に沿って見たときの位置が示されている。

上記実施の形態１では、バリア層ＢＲは、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層であった。それに対して、本実施の形態３では、バリア層ＢＲとして、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ、インジウムアルミニウムガリウムナイトライド）層を用いている。すなわち、本実施の形態３では、領域ＢＲ１，ＢＲ２は、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）により形成されている。

本実施の形態３においても、上記実施の形態１で説明したように、バリア層ＢＲにおいて、電界が集中しやすい領域ＢＲ２（すなわち第３領域ＲＧ３）の格子定数を、領域ＢＲ２以外の領域ＢＲ１（従って第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２）の格子定数よりも大きくしておく（図３３参照）。これは、領域ＢＲ２（すなわち第３領域ＲＧ３）の組成を、領域ＢＲ１の組成（従って第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２の組成）と異ならせることにより、実現できる。窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）の格子定数は、アルミニウム（Ａｌ）の組成比とインジウム（Ｉｎ）の組成比とに依存して変化する。このため、領域ＢＲ１および領域ＢＲ２を構成する窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）におけるインジウム（Ｉｎ）とアルミニウム（Ａｌ）の一方または両方の組成比を調整することにより、領域ＢＲ２の格子定数を、領域ＢＲ１の格子定数よりも大きくすることができる。従って、領域ＢＲ２と領域ＢＲ１とは、インジウム（Ｉｎ）とアルミニウム（Ａｌ）の一方または両方の組成比が相違している。領域ＢＲ２内では、組成はほぼ均一とし、また、領域ＢＲ１内では、組成はほぼ均一とされている。

本実施の形態３の半導体装置の他の構成は、上記実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるので、ここではその説明は省略する。

上記実施の形態１と同様に、本実施の形態３においても、電界が集中しやすい領域ＢＲ２（すなわち第３領域ＲＧ３）について、領域ＢＲ１よりも（従って第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりも）、格子定数を大きくする。これにより、上記実施の形態１で説明したように、電界印加時の逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)が追加されたときに領域ＢＲ２に発生するトータルの歪を抑制することができ、その引っ張り歪(引っ張り応力)により結晶欠陥が発生することを抑制または防止することができる。従って、半導体装置の性能や信頼性を向上させることができる。

また、上記実施の形態２に、本実施の形態を適用することもできる。この場合、上記実施の形態２において、バリア層ＢＲ（従って領域ＢＲ１，ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ）は窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）により形成されることになる。この場合、領域ＢＲ１，ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂを構成する窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）におけるインジウム（Ｉｎ）とアルミニウム（Ａｌ）の一方または両方の組成比を調整することにより、上記実施の形態２で説明したような格子定数の関係を得ればよい。

なお、バリア層ＢＲに窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）を用いた場合においても、第３領域ＲＧ３の厚み方向におけるアルミニウム（Ａｌ）の組成比の分布は、上記図２７のグラフまたは上記図３０のグラフのように、表面側から裏面側（チャネル層ＣＨ側）に向かってアルミニウム（Ａｌ）の組成比が階段状に（段階的に）増加する分布とすることもできる。あるいは、上記図３１のグラフのように、表面側から裏面側（チャネル層ＣＨ側）に向かってアルミニウム（Ａｌ）の組成比が連続的に（なだらかに）増加する分布とすることもできる。

また、本実施の形態３では、バリア層ＢＲを窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）により形成した場合について説明した。更に他の形態として、バリア層ＢＲ（従って領域ＢＲ１，ＢＲ２）を窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ、アルミニウムインジウム）により形成することもできる。

バリア層ＢＲ（従って領域ＢＲ１，ＢＲ２）を窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）により形成した場合においても、上記実施の形態１または上記実施の形態２と同様に、電界が集中しやすい領域ＢＲ２，ＢＲ２ａ（第３領域ＲＧ３）について、領域ＢＲ１よりも（従って第１領域ＲＧ１および第２領域ＲＧ２よりも）、アルミニウムの組成比を低くし、それによって、格子定数を大きくする。これにより、上記実施の形態１で説明したように、電界印加時の逆ピエゾ効果による引っ張り歪(引っ張り応力)が追加されたときに領域ＢＲ２，ＢＲ２ａに発生するトータルの歪を抑制することができ、その引っ張り歪(引っ張り応力)により結晶欠陥が発生することを抑制または防止することができる。従って、半導体装置の性能や信頼性を向上させることができる。

バリア層ＢＲを窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）により形成した場合、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮはＡｌ組成比ｘが約０．８３のときにＧａＮと格子整合する。このとき、格子整合をしているためピエゾ分極は発生しないが、自発性分極が−０．０７Ｃ/ｍ^２と非常に大きい。この値は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成比ｘが０．４５のときのＡｌＧａＮ／ＧａＮ（ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層）で発生する自発性分極とピエゾ分極との和と、同等である。このため、チャネル部には、１０^１３ｃｍ^−２台の高いキャリア濃度が誘起される。Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ／ＧａＮ（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ層とＧａＮ層との積層）のＡｌ組成比ｘを０．８３より更に増やせば、自発性分極の増加と、ＡｌＩｎＮ層中に発生する引っ張り応力によるピエゾ分極の発生とにより、更に高いキャリア濃度を誘起することが可能となる。しかしながら、格子定数差による歪が発生するため、逆ピエゾ効果による結晶欠陥が発生しやすくなる。

このため、逆ピエゾ効果による結晶欠陥を抑制しつつ、低オン抵抗化を実現するためには、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮからなるバリア層ＢＲにおける領域ＢＲ１のＡｌ組成比ｘを０．８３以上で１以下（０．８３≦ｘ≦１）とし、高電界が集中する領域ＢＲ２（ドレイン電極側端部ＥＧＤの直下とその近傍領域）のＡｌ組成比ｘを、領域ＢＲ１のＡｌ組成比ｘよりも小さくすることが好ましい。すなわち、バリア層ＢＲに窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）を用いる場合は、領域ＢＲ２の組成をＡｌ_ｘ２Ｉｎ_１−ｘ２Ｎと表し、領域ＢＲ１の組成をＡｌ_ｘ１Ｉｎ_１−ｘ１Ｎと表したとき、ｘ１の値を０．８３以上で１以下（すなわち０．８３≦ｘ１≦１）にするとともに、ｘ２の値をｘ１の値よりも小さく（すなわちｘ２＜ｘ１）することが好ましい。Ａｌ組成比ｘ（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮのｘの値）を０．８３以下にするとＡｌＩｎＮ層に圧縮応力が働くが、これは逆ピエゾ効果により発生する引っ張り応力を打ち消す方向であるため、逆ピエゾ効果による結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。ただし、圧縮応力が働くようにＡｌ組成比ｘ（Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮのｘの値）を０．８３より低くすると、自発性分極を打ち消す方向にピエゾ分極が発生してしまうため、２次元電子ガス層に誘起されるキャリアが減少してしまう。バリア層ＢＲに窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）を用いる場合、第３領域ＲＧ３の厚み方向におけるアルミニウムの組成比の分布は、上記図２２のグラフのように、一定（均一）とするか、あるいは、上記図２７、図３０または図３１のグラフのように、表面側でＡｌ組成比を小さく、裏面側（チャネル層ＣＨ側）でＡｌ組成比を大きくすることができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

ＢＲ，ＢＲ１１，ＢＲ１２，ＢＲ１０１ バリア層
ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ 領域
ＢＵＦ，ＢＵＦ１０１ バッファ層
ＣＨ，ＣＨ１０１ チャネル層
ＤＥ，ＤＥ１０１ ドレイン電極
ＤＥ１，ＤＥ１０１ａ ゲート電極側端部
ＤＥＧ ２次元電子ガス
ＤＬ 点線
ＧＥ，ＧＥ１０１ ゲート電極
ＥＧＤ，ＥＧＤ１０１ ドレイン電極側端部
ＥＧＳ，ＥＧＳ１０１ ソース電極側端部
ＬＮ１ 一点鎖線
ＬＮ２，ＬＮ３，ＬＮ４，ＬＮ５，ＬＮ６，ＬＮ７ 二点鎖線
ＭＥ１，ＭＥ２ 金属膜
ＯＰ１ 開口部
Ｐ１，Ｐ２ 位置
ＲＧ１ 第１領域
ＲＧ２ 第２領域
ＲＧ３ 第３領域
ＲＧ４ 領域
ＲＧ５ 領域
ＰＲ１，ＰＲ２ フォトレジストパターン
ＳＥ，ＳＥ１０１ ソース電極
ＳＥ１，ＳＥ１０１ａ ゲート電極側端部
ＳＯＸ 酸化シリコン膜
ＳＵＢ，ＳＵＢ１０１ 基板

Claims (19)

1. 電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、
   前記電界効果トランジスタは、
   第１窒化物半導体からなるチャネル層と、
   前記チャネル層上に形成された、アルミニウムを含有する第２窒化物半導体からなるバリア層と、
   前記バリア層上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、
   を有し、
   前記ゲート電極は、互いに離間する前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されており、
   前記バリア層は、第１領域および第２領域と、前記第１および第２領域よりもアルミニウムの組成比が低い第３領域とを有し、
   前記ソース電極、前記ドレイン電極および前記ゲート電極をゲート長方向に横切る前記バリア層の断面において、
   前記第１領域は、前記ソース電極における前記ゲート電極側の第１端部の直下から、前記ゲート電極におけるゲート長方向の途中の第１位置の直下までの領域であり、
   前記第２領域は、前記ドレイン電極における前記ゲート電極側の第２端部の直下から、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の第２位置の直下までの領域であり、
   前記第３領域は、前記第１位置の直下から、前記第２位置の直下までの領域であり、
   前記ゲート電極の前記ドレイン電極側の第３端部の直下には、前記第３領域がある半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
   前記第１窒化物半導体は、窒化ガリウムまたは窒化インジウムガリウムであり、
   前記第２窒化物半導体は、窒化アルミニウムガリウムである半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置であって、
   前記バリア層の前記第１領域においてアルミニウムの組成比は一定であり、
   前記バリア層の前記第２領域においてアルミニウムの組成比は一定である半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置であって、
   前記バリア層の前記第１領域と前記第２領域とで、アルミニウムの組成比が同じである半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記第３端部から前記第１位置までの距離と、前記第３端部から前記第２位置までの距離とは、それぞれ５０ｎｍ以上である半導体装置。
6. 請求項５に記載の半導体装置であって、
   前記第１位置から前記第２位置までの距離は、５００ｎｍ以下である半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置であって、
   前記チャネル層は、基板上に直接またはバッファ層を介して形成されている半導体装置。
8. 請求項７に記載の半導体装置であって、
   前記電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタである半導体装置。
9. 請求項４に記載の半導体装置であって、
   前記第３領域においては、前記バリア層の表面側のアルミニウム組成比よりも、前記バリア層の裏面側のアルミニウム組成比が大きい半導体装置。
10. 請求項４に記載の半導体装置であって、
    前記第３領域の組成をＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮと表し、前記第１領域および前記第２領域の組成をＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮと表した場合、ｚ−ｙ≧０．０２である半導体装置。
11. 電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、
    前記電界効果トランジスタは、
    第１窒化物半導体からなるチャネル層と、
    前記チャネル層上に形成された第２窒化物半導体からなるバリア層と、
    前記バリア層上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、
    を有し、
    前記ゲート電極は、互いに離間する前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されており、
    前記バリア層は、第１領域および第２領域と、前記第１および第２領域よりも格子定数が大きい第３領域とを有し、
    前記ソース電極、前記ドレイン電極および前記ゲート電極をゲート長方向に横切る前記バリア層の断面において、
    前記第１領域は、前記ソース電極における前記ゲート電極側の第１端部の直下から、前記ゲート電極におけるゲート長方向の途中の第１位置の直下までの領域であり、
    前記第２領域は、前記ドレイン電極における前記ゲート電極側の第２端部の直下から、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の第２位置の直下までの領域であり、
    前記第３領域は、前記第１位置の直下から、前記第２位置の直下までの領域であり、
    前記ゲート電極の前記ドレイン電極側の第３端部の直下には、前記第３領域がある半導体装置。
12. 請求項１１に記載の半導体装置であって、
    前記第１窒化物半導体は、窒化ガリウムまたは窒化インジウムガリウムであり、
    前記第２窒化物半導体は、窒化アルミニウムガリウムまたは窒化インジウムアルミニウムガリウムである半導体装置。
13. 請求項１２に記載の半導体装置であって、
    前記バリア層の前記第１領域の格子定数は一定であり、
    前記バリア層の前記第２領域の格子定数は一定である半導体装置。
14. 請求項１３に記載の半導体装置であって、
    前記バリア層の前記第１領域と前記第２領域とで、格子定数が同じである半導体装置。
15. 請求項１４に記載の半導体装置であって、
    前記第３端部から前記第１位置までの距離と、前記第３端部から前記第２位置までの距離とは、それぞれ５０ｎｍ以上である半導体装置。
16. 請求項１５に記載の半導体装置であって、
    前記第１位置から前記第２位置までの距離は、５００ｎｍ以下である半導体装置。
17. 請求項１６に記載の半導体装置であって、
    前記チャネル層は、基板上に直接またはバッファ層を介して形成されている半導体装置。
18. 請求項１７に記載の半導体装置であって、
    前記電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタである半導体装置。
19. 請求項１４に記載の半導体装置であって、
    前記第３領域においては、前記バリア層の表面側の格子定数よりも、前記バリア層の裏面側の格子定数が小さい半導体装置。

Images