JP2015053340A - 窒化物系化合物半導体素子、および、窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた窒化物系化合物半導体素子、および、窒化物系化合物半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】ＩＩＩ族原子と窒素原子とを組成原子として含む半導体層１５、１６と、半導体層１６に接するように形成されたソース電極１Ｓ、ゲート電極１Ｇ、ドレイン電極１Ｄと、を備え、半導体層１５、１６の少なくとも一部の重水素、または、三重水素の濃度が１０１８ｃｍ−３以上である窒化物系化合物半導体素子１０。【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体素子、および、窒化物系化合物半導体素子の製造方法に関するものである。

ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどのＧａＮ系半導体は、組成を選択することでバンドギャップを広範囲に変化させることが出来、さらに、他の組成系で実現が困難である青系統の短波長発光を得ることが出来ることから、半導体発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子への応用が検討されている。

また、ＧａＮ系半導体は、高温においても組成安定性に優れており、高温で動作可能なトランジスタやショットキーバリアダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＳＢＤ）等の半導体材料として、さらに、シリコン系材料に代わるインバーターやコンバーター等のパワーデバイスの材料として期待されている。

ＧａＮ系半導体デバイスは、異種基板上にヘテロエピタクシャル成長して製造されることから、基板とＧａＮとの格子定数差や熱膨張係数差に起因するそりやクラックを抑制するため、基板と活性層との間にバッファ層が形成される。しかしながら、バッファ層による歪・応力の緩和は十分ではなく、高密度のガリウム（Ｇａ）空孔等のＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位等の格子欠陥を含むことになる。

ここで、これら格子欠陥や半導体の表面には、原子の未結合手であるダングリングボンドが形成される。このダングリングボンドは、キャリアを捕獲あるいは放出することがあり、電流コラプス現象の原因となる。また、ダングリングボンドは、リーク特性に影響を及ぼす。これらダングリングボンドの一部は結晶成長時の原料ガスやキャリアガスに含まれる水素で終端されていることが知られており（非特許文献１）、水素終端されたダングリングボンド（すなわち、格子欠陥等と水素との複合欠陥）は、電気特性に悪影響を及ぼすことがない不活性な状態になると考えられている。

Ｔ．Ｒｏｙ，Ｙ．Ｓ．Ｐｕｚｙｒｅｖ，Ｂ．Ｒ．Ｔｕｔｔｌｅ，Ｄ．Ｍ．Ｆｌｅｅｔｗｏｏｄ，Ｒ．Ｄ．Ｓｃｈｒｉｍｐｆ，Ｄ．Ｆ．Ｂｒｏｗｎ，Ｕ．Ｋ．Ｍｉｓｈｒａ ａｎｄ Ｓ．Ｔ．Ｐａｎｔｅｌｉｄｅｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ２０１０年 ９６巻，１３３５０３頁 Ｙ．Ｓ．Ｐｕｚｙｒｅｖ，Ｂ．Ｒ．Ｔｕｔｔｌｅ，Ｒ．Ｄ．Ｓｃｈｒｉｍｐｆ，Ｄ．Ｍ．Ｆｌｅｅｔｗｏｏｄ ａｎｄ Ｓ．Ｔ．Ｐａｎｔｅｌｉｄｅｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ２０１０年 ９６巻，０５３５０５頁

しかしながら、ＧａＮ系半導体を用いたパワーデバイスは、オフ状態で活性層やバッファ層に数百Ｖ、場合によっては１０００Ｖを超える逆方向電圧がかかるため、この強電界によって、格子欠陥と水素との結合が切断され（非特許文献２）、デバイスの特性に悪影響を及ぼすダングリングボンドが再度形成される。この結果、長期通電によるデバイスの特性変動が生じるという課題がある。特性変動として、たとえば、オン抵抗の増大や、リーク電流の一時的な低下が観測される。また、ダングリングボンドによって捕獲されたキャリアは、光照射によって放出される場合がある。このため、光照射による抵抗やリーク電流の変動、いわゆる光応答が生じるという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた窒化物系化合物半導体素子、および、窒化物系化合物半導体素子の製造方法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、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、ＩＩＩ族原子と窒素原子とを組成原子として含む半導体層と、前記半導体層に接するように形成された少なくとも２つの電極と、を備え、前記半導体層の少なくとも一部の重水素、または、三重水素の濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記半導体層は、基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１窒化物系化合物半導体層と、前記第１窒化物系化合物半導体層上に形成された、該第１窒化物系化合物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２窒化物系化合物半導体層と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記第２窒化物系化合物半導体層の少なくとも一部の前記重水素、または、三重水素の濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記第１窒化物系化合物半導体層中であって、前記第１窒化物系化合物半導体層と、前記バッファ層との界面から５００ｎｍ以内の領域の少なくとも一部において、前記重水素、または、三重水素の濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記半導体層中のアクセプタ準位を形成する格子欠陥が有するダングリングボンドが、前記重水素、または、三重水素で終端されていることを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記発明において、前記格子欠陥は、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法は、基板上にＩＩＩ族原子と窒素原子とを組成原子として含む半導体層を形成する形成工程と、素子構造形成前に、前記半導体層中のアクセプタ準位を形成する格子欠陥が有するダングリングボンドを重水素、または、三重水素で終端する終端工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法は、上記発明において、前記素子構造形成前に、前記半導体層中の格子欠陥と軽水素との複合体を分解する分解工程をさらに含み、前記分解工程後に前記終端工程を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子の製造方法は、上記発明において、前記格子欠陥は、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする。

本発明によれば、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた窒化物系化合物半導体素子、および、窒化物系化合物半導体素子の製造方法を実現することができる。

図１は、実施の形態１に係るＨＦＥＴの模式的な断面図である。 図２は、実施の形態２に係るＨＦＥＴにおけるＴＲＩＭコードを用いたモンテカルロ・シミュレーション法による重水素のプロファイルの計算結果を示す図である。 図３は、実施の形態３に係るＳＢＤの模式的な断面図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る窒化物系化合物半導体素子、および、窒化物系化合物半導体素子の製造方法の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態により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、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る窒化物系化合物半導体素子である異種接合電界効果トランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＦＥＴ）について説明する。図１は、実施の形態１に係るＨＦＥＴの模式的な断面図である。図１に示すように、ＨＦＥＴ１０は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる基板である主表面が（１１１）面のシリコン基板１１と、シリコン基板１１上にエピタクシャル成長により順次形成された、ＡｌＮからなるＡｌＮシード層１２、ＧａＮ層とＡｌＮ層とを交互に積層させた第１バッファ層１３、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＮからなる高抵抗な第２バッファ層１４、ＧａＮからなる第１窒化物系化合物半導体層としての電子走行層１５、および２次元電子ガス供給層となるＡｌＧａＮからなる第２窒化物系化合物半導体層としての電子供給層１６を含む半導体層と、半導体層上に形成されたゲート電極１Ｇと、ソース電極１Ｓと、ドレイン電極１Ｄとを備えている。すなわち、このＨＦＥＴ１０は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴである。電子走行層１５には電子供給層１６との界面近傍に、電流経路となる２次元電子ガス（Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ：２ＤＥＧ）が発生している。

このＨＦＥＴ１０は、ＧａＮ層とＡｌＮ層とを交互に積層した第１バッファ層１３を備えることにとって、エピタクシャル基板にクラックが発生することを抑制し、かつエピタクシャル基板の反り量が小さくなるように制御することができる。

このＨＦＥＴ１０は、第２バッファ層１４にＣをドープすることによって、リーク電流を低減して第２バッファ層１４を高抵抗化しており、リーク電流を低減して耐圧を高めている。また、電子走行層１５はＣ濃度を十分に低く設定することによって、高い電子移動度を維持している。

さらに、ＨＦＥＴ１０の表面から２ＤＥＧを含む電子走行層１５の一部には、重水素濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上となるように重水素が導入されている。これにより、深いアクセプタ準位を形成するＩＩＩ族空孔、すなわち、Ｇａ空孔、もしくは、Ａｌ空孔、格子間原子、または、刃状転位等の格子欠陥の有するダングリングボンドを重水素で終端している。これにより、電荷を持つ格子欠陥を不活性化（中性化）し、特性変動および光応答が抑制されている。

ここで、ダングリングボンドの終端が知られている水素（軽水素）は、熱振動等により容易に分解する。これにより、格子欠陥と水素との結合が切断され、ダングリングボンドが再形成されると、デバイスの特性に悪影響を与える。これに対して、重水素の結合状態は、軽水素の結合状態より安定であり、格子欠陥と重水素との複合欠陥は分解しにくい。したがって、ダングリングボンドの再結成によるデバイス特性の劣化が抑制される。

また、軽水素は質量数が１と小さいため、分解された場合、拡散し、ダングリングボンドが残されてしまう。一方、重水素の質量数は２であり、２倍重いことから、軽水素よりも拡散しにくく、分解されたとしても再びエネルギーを失ってダングリングボンドと結合する。この結果、熱・電気・光等のストレスによる複合欠陥の分解が抑制され、素子の信頼性が向上する。なお、この効果は、よりダングリングボンドとの結合が強く、質量数が３と大きい三重水素（トリチウム）で顕著である。そのため、ＨＦＥＴ１０は、重水素の代わりにトリチウムが導入されていてもよい。

また、ＨＦＥＴ１０は、表面付近に重水素が導入されているため、表面準位の起源となる表面のダングリングボンドが不活性化されている。これにより、ＨＦＥＴ１０のオフ状態におけるゲート電極１Ｇ・ドレイン電極１Ｄ間の電子供給層１６表面近傍の電界集中に起因する電流コラプス現象を抑制する効果がある。

このように、本実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０は、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた窒化物系化合物半導体素子である。

（製造方法）
つぎに、本実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０の製造方法の一例について図１を参照して説明する。なお、原材料の流量、各層の厚さ、または成長温度等は例示であり、特に限定はされない。

はじめに、半導体層を積層させる工程について説明する。ＣＺ（チョコラルスキー）法で成長された厚さが１ｍｍのシリコン基板１１を設置した有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）装置内に、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ_３）とを、それぞれ１７５μｍｏｌ／ｍｉｎ、３５Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、成長温度１０００℃で、シリコン基板１１上に層厚４０ｎｍのＡｌＮからなるＡｌＮシード層１２をエピタクシャル成長させる。

続いて、ＡｌＮシード層１２上に第１バッファ層１３を形成する。第１バッファ層１３は、たとえば、ＡｌＮが７ｎｍ、ＧａＮが２１ｎｍを一対として、８０対繰り返し成長させる。ＡｌＮ層およびＧａＮ層は、成長温度１０５０℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒの条件で、成長時のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、ＴＭＧａおよびＮＨ_３の流量は、それぞれ、１９５μｍｏｌ／ｍｉｎ、５８μｍｏｌ／ｍｉｎおよび１２Ｌ／ｍｉｎである。第１バッファ層１３を積層することで、エピタクシャル膜に発生するクラックを抑制し、そり量も制御可能となる。

つぎに、第１バッファ層１３上にＧａＮからなる第２バッファ層１４を１００ｎｍ積層させる。第２バッファ層１４は、成長温度１０５０℃、成長圧力５０Ｔｏｒｒの条件で、ＴＭＧａとＮＨ_３とを、それぞれ５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入することにより成長させる。このとき、第２バッファ層１４中の炭素濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上とすることができ、高抵抗化してリーク電流を低減することができる。

続いて、第２バッファ層１４上にＧａＮからなる電子走行層１５を６００ｎｍ積層させる。電子走行層１５は、成長温度１０５０℃、成長圧力２００Ｔｏｒｒの条件で、ＴＭＧａとＮＨ_３とを、それぞれ１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入することにより成長させる。

さらに、電子走行層１５上に２次元電子ガス供給層となるＡｌＧａＮ層からなる電子供給層１６を２５ｎｍ積層させる。電子供給層１６は、成長温度１０５０℃で、ＴＭＡｌとＴＭＧａとＮＨ_３とを、それぞれ１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入することにより成長させる。電子供給層１６のアルミニウム組成は０．２３である。アルミニウム組成は、たとえば、Ｘ線回折から評価できる。以上の製造工程にて、半導体層が製造される。

つぎに、製造した半導体層中に重水素を導入する工程について説明する。はじめに、基板上に形成した半導体層を重水素チャージ用のチャンバー内に導入し、１０^−６Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排気する。そして、基板温度を４００〜１０００℃の範囲内で加熱する。なお、６００〜８００℃の間が最も好適である。続いて、チャンバー内に重水素を所定の圧力になるまで導入する。所定の圧力とは、１〜７６０Ｔｏｒｒの範囲内、より好適には２００〜５００Ｔｏｒｒの間である。

ここで、重水素導入口近傍には、加熱された合金フィラメントが設置されており、触媒作用により、活性化した重水素が生成され、半導体層の表面から内部へと導入される。フィラメントは、たとえば、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン等の高融点金属を主成分とする合金を用いればよい。フィラメント温度は１０００〜１８００℃とする。

以上の条件下において、１時間程度の熱処理を行うことにより、半導体層の表面から０．２μｍの範囲に重水素を導入することができ、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１６中の重水素濃度は１０^１８ｃｍ^−３以上となる。重水素濃度はＩＩＩ族空孔、すなわち、Ｇａ空孔、またはＡｌ空孔濃度と同程度である１０^１７〜１０^１８ｃｍ^−３以上導入することで効果があり、重水素濃度が高い程効果がある。これは、ＩＩＩ族空孔のみならず刃状転位の持つダングリングボンドも不活性化することが好ましいからである。重水素濃度の上限は特に制限されないが、１０^２１ｃｍ^−３以下であれば、重水素の導入による重水素クラスターの形成が抑制され、重水素クラスターによる窒化物系化合物半導体素子の機械的強度の低下が抑制されるので好ましい。

つぎに、ＨＦＥＴ１０の素子を製造する工程について説明する。素子は公知の工程に従って、フォトリソグラフィ工程を用いてパターンニングを行い製造できる。

なお、電極形成については、電子供給層１６上に、Ｔｉ（膜厚２５ｎｍ）及びＡｌ（膜厚３００ｎｍ）をこの順に蒸着して、オーミック電極としてソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄとを形成する。また、当該電極間にＮｉ（膜厚１００ｎｍ）およびＡｕ（膜厚２００ｎｍ）を、この順に蒸着して、ショットキー電極としてゲート電極１Ｇを形成する。ソース電極１Ｓ及びドレイン電極１Ｄの蒸着後、７００℃で３０分の熱処理を行うことで、良好なオーミック特性が得られる。

ＨＦＥＴ１０の形状については、たとえば、ゲート長２μｍ、ゲート幅０．２ｍｍ、ソース・ドレイン間距離１５μｍの形状で作製すればよい。

以上の製造方法によって、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた本実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０を製造することができる。この工程で製造したＨＦＥＴ１０は、１２００Ｖ以上の耐圧を有することができる。ＨＦＥＴ１０のオフ状態では、ゲート電極１Ｇ・ドレイン電極１Ｄ間の電子供給層１６表面近傍に電界集中が生じるため、重水素を導入していない素子では、格子欠陥と軽水素との複合欠陥が分解されダングリングボンドが発生し、特性変動が生じた。すなわち、オン抵抗が１０％程度上昇した。一方、重水素を導入した素子では、格子欠陥のつくるアクセプタ準位が終端されているため、長期通電による特性変動は起きなかった。また、表面のダングリングボンドに起因する電流コラプス現象も抑制された。

なお、ここでは、熱触媒を用いて、重水素を窒化物半導体中に導入したが、単に重水素雰囲気中で熱処理を行っても同様の効果が得られる。たとえば、６００〜９００℃の温度範囲の重水素雰囲気中で３０〜６０分の熱処理を行っても同様の効果が得られる。

また、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置を用いて、重水素を導入してもよい。たとえば、５×１０^−６Ｔｏｒｒの真空度で２０ｓｃｃｍの流量で重水素を導入し、マイクロ波出力を２００Ｗとする。基板温度は２５０〜４００℃として、３０〜６０分の処理を行えばよい。この方法を分子線エピタクシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）装置で半導体層を積層させる場合に用いると、製造工程を一貫して真空中で行うプロセスとすることができるため、表面の酸化を抑制できるという利点がある。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る窒化物系化合物半導体素子であるＨＦＥＴについて説明する。本実施の形態２に係るＨＦＥＴの構造は実施の形態１と同一であり、シリコン基板上に順次形成された、ＡｌＮシード層、第１バッファ層、第２バッファ層、第１窒化物系化合物半導体層としての電子走行層、第２窒化物系化合物半導体層としての電子供給層とを含む半導体層と、半導体層上に形成されたゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極とを備えている。ただし、本実施の形態２に係るＨＦＥＴは、電子走行層中であって、電子走行層と、第２バッファ層との界面から５００ｎｍ以内の領域において、重水素濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上とされている。これにより、電子走行層下部（第２バッファ層近傍）にある欠陥濃度が高い領域のダングリングボンドを効率的に終端できる効果があり、特性変動および光応答の抑制に特に有効である。

このように、本実施の形態２に係るＨＦＥＴは、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた窒化物系化合物半導体素子である。

（製造方法）
つぎに、本実施の形態２に係るＨＦＥＴの製造方法の一例について説明する。なお、原材料の流量、各層の厚さ、または成長温度等は例示であり、特に限定はされない。まず、半導体層を積層させる工程は、実施の形態１と同一である。これにより、シリコン基板上に順次形成された、ＡｌＮシード層、第１バッファ層、第２バッファ層、電子走行層、電子供給層とを含む半導体層が形成される。

つぎに、実施の形態１と異なり、ここでは、重水素導入の前に軽水素の複合欠陥を分解し、軽水素を半導体層中から除去する工程を行う。まず、半導体層上に、プラズマＣＶＤにより、表面保護膜となるＳｉ_３Ｎ_４を２００ｎｍ積層する。続いて、保護膜を形成された半導体層を原子炉の照射室に導入し、熱中性子線を毎秒１０^１２ｃｍ^−２の流束で１〜４時間照射し、軽水素とＩＩＩ族空孔、格子間原子、刃状転位等との複合欠陥を分解する。熱中性子線照射後、７００℃で３０分の熱処理を行うことで、ダングリングボンドから切り離された水素原子を半導体層外へと取り除くことが可能である。複合欠陥の分解は、熱中性子線の代わりに、シンクロトロン放射光を用いてもよい。なお、軽水素とＩＩＩ族空孔、格子間原子、刃状転位等との複合欠陥が分解されたことは、ＥＰＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やＯＤＭＲ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、ＯＤＥＰＲ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ ＥＰＲ）といった磁気共鳴の手法によりダングリングボンドの有無を検出することで確認することができる。

そして、イオン注入法により、第２バッファ層と電子走行層の下部（第２バッファ層に近い側）とに重水素を導入する。図２は、実施の形態２に係るＨＦＥＴにおけるＴＲＩＭコードを用いたモンテカルロ・シミュレーション法による重水素のプロファイルの計算結果を示す図である。図２において、横軸は半導体層の表面からの深さを示し、縦軸はその深さにおける重水素イオンの濃度を示している。図２に示すように、電子走行層の下部が重水素濃度のピークとなるように加速エネルギーを１００ｋｅＶとした。また、ピーク濃度は１０^１９ｃｍ^−３とした。

イオン注入後、９００〜１０００℃の範囲で１０〜３０分の熱処理を行うことで、重水素を拡散させ、ダングリングボンドを不活性化する。このとき、重水素濃度は、電子走行層中であって、電子走行層と第２バッファ層との界面から５００ｎｍの領域で１０^１８ｃｍ^−３以上となる。ダングリングボンドの不活性化は、前述した磁気共鳴法や、赤外分光やラマン分光等の振動分光法によって確認することができる。

その後、表面保護膜をドライエッチングにより除去し、さらに、実施の形態１と同一の工程によって、素子製造プロセスを行う。

以上の製造方法によって、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた本実施の形態２に係るＨＦＥＴを製造することができる。このようにして製造したＨＦＥＴは、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位等と重水素との結合が安定であるため、長期にわたる通電後も、オン抵抗の増大やリーク電流の一時的な低下等の特性変動がみられなかった。また、電子走行層下部から第２バッファ層にかけての、半導体層の表面から深い位置にあるダングリングボンドも終端されたことにより、光照射による抵抗値の変動も抑制された。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る窒化物系化合物半導体素子である縦型のＳＢＤについて説明する。図３は、実施の形態３に係るＳＢＤの模式的な断面図である。図３に示すように、このＳＢＤ３０は、ｎ^＋の導電性を持つ第１窒化物系化合物半導体層としてのｎ^＋−ＧａＮ基板３１と、ｎ^＋−ＧａＮ基板３１上に形成された、ｎ⁻−ＧａＮからなる第２窒化物系化合物半導体層としての電子走行層３２とを含む半導体層を備える。半導体層の電子走行層３２側の一部には、表面保護のためのＳｉＯ_２からなる保護膜３３が形成されている。保護膜３３は、ショットキー電極３Ｓを形成すべき位置に開口部を備える。そして、半導体層のｎ^＋−ＧａＮ基板３１側には、カソード電極としてのオーミック電極３Ｏが形成され、半導体層の電子走行層３２側には、アノード電極としてのショットキー電極３Ｓが形成されている。

そして、ＳＢＤ３０の電子走行層３２は、ショットキー電極３Ｓが形成された表面側の一部において重水素濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上とされている。これにより、本実施の形態３に係るＳＢＤ３０は、実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０と同様に、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位等の格子欠陥が有するダングリングボンドが重水素で終端され、特性変動および光応答が抑制され、長期信頼性に優れた窒化物系化合物半導体素子である。

（製造方法）
つぎに、本実施の形態３に係るＳＢＤ３０の製造方法の一例について図３を参照して説明する。なお、原材料の流量、各層の厚さ、または成長温度等は例示であり、特に限定はされない。

まず、ｎ^＋の導電性を持つ厚さが３００μｍのｎ^＋−ＧａＮ基板３１をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。なお、ｎ^＋−ＧａＮ基板３１のドーパントはＳｉであり、キャリア濃度は３〜４×１０^１８ｃｍ^−３である。

つぎに、ＴＭＧａとＮＨ_３とを、それぞれ１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、ｎ⁻−ＧａＮ層である電子走行層３２を１０μｍの厚さで成長する。電子走行層３２のドーパントはＳｉであり、濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３となるようにＳｉＨ_４の流量を調整する。このとき、成長温度は１０５０℃、成長圧力は５０Ｔｏｒｒである。

電子走行層３２を積層した半導体層を原子炉の照射室に導入し、熱中性子線を毎秒１０^１２ｃｍ^−２の流束で１〜４時間照射し、軽水素とＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位等との複合欠陥を分解する。熱中性子線照射後、７００℃で３０分の熱処理を行うことで、複合欠陥から切り離された水素原子を半導体層外へと取り除くことが可能である。

続いて、電子走行層３２上にプラズマＣＶＤにより、表面保護膜として働くＳｉＯ_２膜である保護膜３３を１００ｎｍ形成する。

つぎに、半導体層のｎ^＋−ＧａＮ基板３１側にスパッタにより、Ｔｉ（２５ｎｍ）／Ａｌ（３００ｎｍ）をこの順で積層し、オーミック（カソード）電極３Ｏを形成する。

続いて、ＳｉＯ_２膜である保護膜３３上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程を用いてパターンニングを行い、弗化水素酸系溶液を用いてショットキー（アノード）電極３Ｓを形成すべき位置に開口部を形成する。そして、ショットキー電極３Ｓとしてスパッタにより、Ｎｉ（１００ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）をこの順で積層する。

ここで、重水素雰囲気中で熱処理を行い、電子走行層３２のアクセプタ型欠陥を重水素で終端する。この熱処理はオーミック電極３Ｏの合金化も兼ねている。たとえば、７００℃で１〜２時間の処理を行えばよい。この工程により、電子走行層３２の表面から１μｍの範囲に１０^１８ｃｍ^−３の重水素を導入することができる。また、重水素は保護膜３３中のＳｉＯ_２のダングリングボンドも終端する効果がある。

以上の製造方法によって、本実施の形態３に係るＳＢＤ３０を製造することができる。製造されたＳＢＤ３０は良好な整流特性を示し、耐圧は１２００Ｖ程度であった。また、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位等と重水素との結合が安定であるため、長期にわたる通電後も特性変動が見られなかった。さらに、ＳｉＯ_２中のダングリングボンドが重水素で終端されているため、保護膜３３に起因する素子の劣化が抑制された。

なお、上記実施の形態において、半導体層をエピタクシャル成長で積層させた後、半導体層中に重水素を導入している。しかしながら、エピタクシャル成長時のキャリアガスを軽水素から重水素に変えることによって、ダングリングボンドを重水素で終端することが可能であり、これにより、本発明の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１は、基板として異種基板であるシリコン基板を使用したが、使用する異種基板としては特に限定されず、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＬｉＧａＯ_２、（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ_２Ｏ_４、β−Ｇａ_２Ｏ_３基板等を使用しても同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態において、第１窒化物系化合物半導体層である電子走行層は、ＧａＮ層に限られない。任意の組成の窒化物系化合物半導体であればよく、たとえばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）であってよい。さらに、電子走行層は、アンドープのＧａＮ、ｎ−ＧａＮ、または、ＣをドープしたＧａＮであってよい。

また、上記実施の形態において、第２窒化物系化合物半導体層である電子供給層は、バンドギャップが第１窒化物系化合物半導体層のバンドギャップよりも大きい組成の窒化物系化合物半導体であればよく、ＡｌＧａＮ層に限られない。また、電子供給層の組成は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）としてもよい。アルミニウム組成ｘは０．５以下が好ましく、たとえば０．２０〜０．２５の範囲である。また、ＡｌＧａＮ層の層厚は２０ｎｍ〜３０ｎｍとしてもよい。

また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、ＨＦＥＴやＳＢＤに限定されず様々な素子とすることができ、たとえばＭＯＳＦＥＴでもよい。また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、ＧａＮに限らず、ＩＩＩ族原子と窒素原子とを組成原子として含む窒化物系化合物半導体であれば良く、たとえば、Ａｌ原子、インジウム（Ｉｎ）原子およびホウ素（Ｂ）原子から選択される１以上のＩＩＩ族原子を含んでいてもよい。

また、１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度の重水素または三重水素を含む領域は、窒化物系化合物半導体からなる領域の一部でもよい。１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度の重水素または三重水素が含まれる領域では、当該領域に含まれるＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位等の格子欠陥が有するダングリングボンドが、重水素、または、三重水素で終端されるので、本発明の効果を得ることができる。この時、１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度の重水素または三重水素が含まれる領域には、必ずしもＧａ原子が含まれている必要はなく、少なくともＩＩＩ族原子と窒素原子とが組成原子として含まれていれば、本発明の効果を得ることができる。これは、当該領域に含まれるＩＩＩ族空孔等の格子欠陥が有するダングリングボンドが、重水素、または、三重水素で終端されるためである。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ ＨＦＥＴ
１１ シリコン基板
１２ ＡｌＮシード層
１３ 第１バッファ層
１４ 第２バッファ層
１５、３２ 電子走行層
１６ 電子供給層
１Ｓ ソース電極
１Ｄ ドレイン電極
１Ｇ ゲート電極
３０ ＳＢＤ
３１ ｎ^＋−ＧａＮ基板
３３ 保護膜
３Ｏ オーミック電極
３Ｓ ショットキー電極

Claims (9)

1. ＩＩＩ族原子と窒素原子とを組成原子として含む半導体層と、
   前記半導体層に接するように形成された少なくとも２つの電極と、
   を備え、前記半導体層の少なくとも一部の重水素、または、三重水素の濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。
2. 前記半導体層は、基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成された第１窒化物系化合物半導体層と、前記第１窒化物系化合物半導体層上に形成された、該第１窒化物系化合物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２窒化物系化合物半導体層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体素子。
3. 前記第２窒化物系化合物半導体層の少なくとも一部の前記重水素、または、三重水素の濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系化合物半導体素子。
4. 前記第１窒化物系化合物半導体層中であって、前記第１窒化物系化合物半導体層と、前記バッファ層との界面から５００ｎｍ以内の領域の少なくとも一部において、前記重水素、または、三重水素の濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の窒化物系化合物半導体素子。
5. 前記半導体層中のアクセプタ準位を形成する格子欠陥が有するダングリングボンドが、前記重水素、または、三重水素で終端されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
6. 前記格子欠陥は、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
7. 基板上にＩＩＩ族原子と窒素原子とを組成原子として含む半導体層を形成する形成工程と、
   素子構造形成前に、前記半導体層中のアクセプタ準位を形成する格子欠陥が有するダングリングボンドを重水素、または、三重水素で終端する終端工程と、
   を含むことを特徴とする窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
8. 前記素子構造形成前に、前記半導体層中の格子欠陥と軽水素との複合体を分解する分解工程をさらに含み、
   前記分解工程後に前記終端工程を行うことを特徴とする請求項７に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
9. 前記格子欠陥は、ＩＩＩ族空孔、格子間原子、または、刃状転位のうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７または８に記載の窒化物系化合物半導体素子の製造方法。

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