JP5116977B2 - Semiconductor element - Google Patents

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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。   The present invention relates to a semiconductor device having a multilayer structure in which a plurality of layers formed of a nitride compound semiconductor are stacked on a substrate.

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。   A semiconductor element formed using a nitride-based compound semiconductor is a promising electronic element as a high-voltage element and a high-speed element because of the inherent characteristics of compound semiconductor materials such as direct transition. In particular, a field effect transistor (FET) formed using a GaN-based compound semiconductor has been attracting attention as a solid-state device having high withstand voltage characteristics and operating even in a high temperature environment close to 400 ° C. In an FET (GaN-based FET) formed using such a GaN-based compound semiconductor, a semiconductor operation layer that is a layer responsible for semiconductor operation is appropriately laminated with a layer made of a GaN-based compound semiconductor such as GaN, AlGaN, or AlInGaN. Formed. In addition, since it is difficult for a GaN-based compound semiconductor to produce a large-diameter single crystal substrate such as Si or GaAs, a GaN-based FET is generally fabricated using a substrate such as sapphire or Si.

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。   That is, when producing a GaN-based FET, a buffer layer made of GaN is formed on a substrate such as sapphire or Si, and a semiconductor operation layer made of a GaN-based compound semiconductor is formed on the buffer layer. A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode are formed on the surface. In this case, the semiconductor operation layer is a layer responsible for the semiconductor operation of the GaN-based FET, and is formed, for example, by sequentially laminating an electron transit layer made of undoped GaN, an electron supply layer made of undoped AlGaN, and a contact layer. The

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。   In addition, since the buffer layer made of GaN has a large difference in lattice constant between sapphire or Si and GaN, it is difficult to epitaxially grow on a sapphire or Si substrate at a high temperature. Accordingly, a first GaN layer or an AlN layer is first formed on a substrate such as sapphire or Si at a relatively low substrate temperature of about 500 to 600 ° C., and then a high temperature is formed on the first GaN layer. Then, the second GaN layer is formed. In this manner, a buffer layer made of the first and second GaN layers, that is, a buffer layer made of GaN, can be epitaxially grown on a substrate such as sapphire or Si.

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)。   As a kind of GaN-based FET manufactured in this way, a two-dimensional electron gas layer is formed at the stacked interface between the electron transit layer and the electron supply layer of the semiconductor operation layer by the piezoelectric effect, and the high electrons of the two-dimensional electron gas layer are formed. A high electron mobility transistor (HEMT) using mobility has been developed (see Patent Document 1).

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)。   On the other hand, in such a GaN-based FET, first and second layers having different compositions are alternately stacked between a substrate made of sapphire or Si and a semiconductor operation layer made of a GaN-based compound semiconductor. Some have reduced the stress generated by the difference in lattice constant between the substrate and the semiconductor operation layer by interposing a buffer layer having a multilayer structure formed in this way (see Patent Document 2).

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。   The multi-layered buffer layer is formed by alternately laminating, for example, first layers made of GaN and second layers made of AlN, and at the laminated interface between the first layer and the second layer, A surface having a distortion due to the difference between the lattice constants of the two is formed. In such a multi-layered buffer layer, the surface with this distortion is formed in multiple layers, so the propagation direction of threading dislocations generated from the substrate side can be bent, and the propagation of threading dislocations in the epitaxial growth direction is suppressed. can do. As a result, this multilayer buffer layer can suppress the propagation of threading dislocations from the electron transit layer formed in the upper layer to the two-dimensional electron gas layer. When threading dislocations propagate to the two-dimensional electron gas layer formed in the electron transit layer, a situation occurs in which the concentration and mobility of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron gas layer are lowered.

特開2005−85852号公報JP-A-2005-85852 特開2003−59948号公報JP 2003-59948 A

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。   However, in the above-described conventional semiconductor element, it occurs at the crystal interface of the nitride-based compound semiconductor layer forming the multilayer structure (for example, the first layer and the second layer forming the buffer layer having the multilayer structure described above). Due to distortion, the crystallinity of the nitride-based compound semiconductor layer is often deteriorated, and there is a problem that it is difficult to form a multi-layered nitride-based compound semiconductor layer having good crystallinity. For example, the buffer layer having the multilayer structure described above has a strain at the crystal interface between the first layer made of GaN and the second layer made of AlN, that is, a difference in lattice constant at the crystal interface between GaN and AlN (2.5 %), It is difficult to alternately form multiple layers of the first layer or the second layer with good crystallinity.

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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a plurality of nitride-based compound semiconductor layers having a difference in lattice constant of a predetermined value or more can be formed in a multi-layer with good crystallinity, and the epitaxial growth direction An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the propagation of threading dislocations.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明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。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor element according to the present invention has a first layer formed of a nitride-based compound semiconductor and a lattice constant difference with respect to the first layer of 0.7. % Of the second layer formed of the nitride-based compound semiconductor, and the lattice constant at the junction interface of the first layer, which is interposed in the stacked interface of the first layer and the second layer. An intermediate layer in which both the difference and the lattice constant difference at the bonding interface of the second layer and the lattice constant difference at a minute portion in the region sandwiched between the bonding interfaces at both ends are 0.7% or less; It is provided with.

また、本発明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。 Further, in the semiconductor element according to the present invention , in the above invention, the intermediate layer changes in composition with respect to the layer thickness direction while maintaining a lattice constant difference of 0.7% or less in a minute portion in the region. It is characterized by making it.

また、本発明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。 Further, the semiconductor element according to the present invention is interposed between the compound semiconductor layer formed of the nitride-based compound semiconductor and a plurality of compound semiconductor layers formed in multiple layers, and each of the compound semiconductor layers at both ends. The lattice constant difference at the bonding interface is 0.7% or less, and the lattice constant difference at a minute portion in the region sandwiched between the bonding interfaces at both ends is maintained at 0.7% or less. An intermediate layer having a minute portion in which a composition is changed in the thickness direction and a lattice constant difference with respect to the nitride compound semiconductor is 0.7% or more in the region is provided.

また、本発明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。 Further, in the semiconductor element according to the present invention , in the above invention, the composition of the intermediate layer continuously changes in the layer thickness direction, and corresponds to the gradient of the composition change in a minute portion in the region. The amount of change in the lattice constant difference is −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less.

また、本発明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。 In the semiconductor device according to the present invention , the first layer and the second layer are plural and alternately formed, and the intermediate layer is alternately formed in the first invention. It is characterized by interposing at each laminated interface between the first layer and the second layer.

また、本発明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。 In the semiconductor device according to the present invention , the thickness from the lower end of the first layer to the lower end of the next first layer among the plurality of first layers is 6 nm or more and 3000 nm. It is characterized by the following.

また、本発明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。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the composite layer including the first layer, the second layer, and the intermediate layer forms a buffer layer.

また、本発明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。 The semiconductor element according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the compound semiconductor layer and the intermediate layer are plural and formed alternately.

また、本発明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。 In the semiconductor device according to the present invention , in the above invention, the layer thickness from the lower end of the compound semiconductor layer to the lower end of the next compound semiconductor layer among the plurality of compound semiconductor layers is 6 nm or more and 3000 nm or less. It is characterized by that.

また、本発明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。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the composite layer including the compound semiconductor layer and the intermediate layer forms a buffer layer.

また、本発明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、AlxGa(1-x)N(0≦x≦1)を主成分にすることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the nitride compound semiconductor is mainly composed of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1).

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。   According to the present invention, a plurality of nitride compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more can be formed in a multilayer state with good crystallinity, and the propagation of threading dislocations in the epitaxial growth direction can be suppressed. There is an effect that a semiconductor element can be realized.

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。   Preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.

(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor element according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor element 100 includes an AlN intervening layer 2 made of AlN, an intermediate layer 3, and a buffer layer 4 formed of a nitride compound semiconductor on a substrate 1 such as silicon (Si). And a semiconductor operation layer 5 responsible for semiconductor operation are sequentially stacked. The semiconductor element 100 has a plurality of electrodes such as a source electrode 6, a gate electrode 7, and a drain electrode 8 on the semiconductor operation layer 5.

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。   The AlN intervening layer 2 is formed of AlN having a lattice constant between Si and GaN, and is interposed between the substrate 1 and the buffer layer 4. Such an AlN intervening layer 2 relaxes the lattice constant difference between the substrate 1 and a nitride compound semiconductor layer such as GaN, and allows the buffer layer 4 and the semiconductor operation layer 5 to be stacked on the substrate 1.

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。   The intermediate layer 3 is interposed at the stacking interface between the AlN intervening layer 2 and the lower end of the buffer layer 4 where the lattice constant difference is 0.7% or more, and the lower end of the buffer layer 4 (for example, GaN) on the AlN intervening layer 2. A nitride-based compound semiconductor layer) can be stacked with good crystallinity, and the lattice constant difference between the AlN intervening layer 2 and the lower end of the buffer layer 4 is reduced. Specifically, the intermediate layer 3 is a kind of nitride-based compound semiconductor layer, and a nitride-based compound semiconductor (AlN) that forms the AlN intervening layer 2 and a nitride-based compound that forms the lower end of the buffer layer 4. It is formed of a nitride compound semiconductor (for example, AlGaN) having a composition with a semiconductor (for example, GaN). In such an intermediate layer 3, both the lattice constant difference at the bonding interface of the AlN intervening layer 2 and the lattice constant difference at the bonding interface of the buffer layer 4 are 0.7% or less. Further, the intermediate layer 3 has an epitaxial growth direction (that is, a layer thickness) while maintaining a lattice constant difference at an arbitrary minute portion (for example, a crystal interface) within a layer region sandwiched between the junction interfaces at both ends while maintaining a lattice constant difference of 0.7% or less. The composition is continuously changed with respect to (direction). That is, the lattice constant difference at the crystal interface formed in the layer region of the intermediate layer 3 with such a composition change is 0.7% or less. Such a composition of the intermediate layer 3 is, for example, close to AlN in the vicinity of the bonding interface of the AlN intervening layer 2, close to GaN in the vicinity of the bonding interface of the buffer layer 4, and from AlN to GaN in the layer region. It gradually changes in the layer thickness direction so as to approach.

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、AlxGa(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。 The buffer layer 4 relaxes the lattice constant difference between the substrate 1 and the semiconductor operation layer 5 made of a nitride compound semiconductor, and suppresses the propagation of threading dislocations to the semiconductor operation layer 5. Specifically, the buffer layer 4 is realized by using a nitride-based compound semiconductor whose main component is Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1), and has a lattice constant difference of 0.7%. It has a multilayer structure in which a plurality of layers as described above are alternately formed. More specifically, the buffer layer 4 has a multilayer structure in which the intermediate layer 12 is interposed at the interface between the compound semiconductor layer 11 and the compound semiconductor layer 13 where the difference in lattice constant is 0.7% or more. Furthermore, the buffer layer 4 has an intermediate layer 14 on the upper part of the compound semiconductor layer 13 (that is, the interface between the compound semiconductor layer 13 and the semiconductor operation layer 5).

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。   The compound semiconductor layer 11 is a layer made of, for example, undoped GaN, and is formed on the AlN intervening layer 2 via the intermediate layer 3 described above. In this case, since the intermediate layer 3 is interposed at the stacked interface between the AlN intervening layer 2 and the compound semiconductor layer 11, the compound semiconductor layer 11 is placed on the AlN intervening layer 2 in a state of good crystallinity (for example, a substantially flat state). It is formed. On the other hand, the compound semiconductor layer 13 is a nitride compound semiconductor having a lattice constant difference of 0.7% or more with respect to the compound semiconductor layer 11, for example, a layer made of undoped AlN, and the compound semiconductor is interposed through the intermediate layer 12. Formed on layer 11. In this case, since the intermediate layer 12 is present at the interface between the compound semiconductor layers 11 and 13, the compound semiconductor layer 13 is formed on the compound semiconductor layer 11 with good crystallinity (for example, a substantially flat state).

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。   The intermediate layer 12 is interposed at the stack interface between the compound semiconductor layers 11 and 13 having a lattice constant difference of 0.7% or more, and allows the compound semiconductor layer 13 to be stacked on the compound semiconductor layer 11 in a state with good crystallinity. At the same time, the lattice constant difference between the compound semiconductor layers 11 and 13 is relaxed. Specifically, the intermediate layer 12 is a kind of nitride compound semiconductor layer, and a nitride compound semiconductor (for example, GaN) that forms the compound semiconductor layer 11 and a nitride compound semiconductor that forms the compound semiconductor layer 13. It is formed of a nitride compound semiconductor (for example, AlGaN) having a composition between (for example, AlN). Such an intermediate layer 12 has a lattice constant difference of 0.7% or less at each junction interface between the compound semiconductor layers 11 and 13 at both ends. In addition, the intermediate layer 12 maintains a lattice constant difference at an arbitrary minute portion (for example, a crystal interface) in the layer region sandwiched between the bonding interfaces at both ends with respect to the layer thickness direction while maintaining 0.7% or less. The composition is continuously changed. That is, the lattice constant difference at the crystal interface formed in the layer region of the intermediate layer 12 with such a composition change is 0.7% or less. Such a composition of the intermediate layer 12 is, for example, close to GaN in the vicinity of the bonding interface of the compound semiconductor layer 11, close to AlN in the vicinity of the bonding interface of the compound semiconductor layer 13, and from GaN in the layer region. It gradually changes in the layer thickness direction so as to approach AlN.

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。   The intermediate layer 14 is interposed at the stacking interface between the compound semiconductor layer 13 having a lattice constant difference of 0.7% or more and the lower end portion of the semiconductor operation layer 5, and the lower end portion of the semiconductor operation layer 5 on the compound semiconductor layer 13 ( For example, an electron transit layer made of undoped GaN) can be stacked with good crystallinity, and the difference in lattice constant between the compound semiconductor layer 13 and the lower end of the semiconductor operation layer 5 is reduced. Specifically, the intermediate layer 14 is a kind of nitride-based compound semiconductor layer, and a nitride-based compound semiconductor (for example, AlN) that forms the compound semiconductor layer 13 and a nitride that forms the lower end portion of the semiconductor operation layer 5. It is formed of a nitride compound semiconductor (for example, AlGaN) having a composition with the compound compound semiconductor (for example, GaN). In such an intermediate layer 14, the lattice constant difference at the bonding interface of the compound semiconductor layer 13 and the lattice constant difference at the bonding interface of the semiconductor operation layer 5 are both 0.7% or less. Further, the intermediate layer 14 maintains a lattice constant difference at an arbitrary minute portion (for example, a crystal interface) in a layer region sandwiched between the junction interfaces at both ends with respect to the layer thickness direction while maintaining 0.7% or less. The composition is continuously changed. That is, the lattice constant difference at the crystal interface formed in the layer region of the intermediate layer 14 with such a composition change is 0.7% or less. Such a composition of the intermediate layer 14 is, for example, close to AlN in the vicinity of the junction interface of the compound semiconductor layer 13, close to GaN in the vicinity of the junction interface of the semiconductor operation layer 5, and from AlN in the layer region. It gradually changes in the layer thickness direction so as to approach GaN.

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。   The semiconductor operation layer 5 is a layer responsible for the semiconductor operation of the semiconductor element 100, is realized using a nitride compound semiconductor, and is stacked on the buffer layer 4. Specifically, the semiconductor operation layer 5 has an electron transit layer 15 made of, for example, undoped GaN at the lower end (that is, the upper portion of the buffer layer 4), and an electron supply layer 16 made of AlGaN on the electron transit layer 5. And a contact layer 17 made of highly doped GaN on the electron supply layer 16. A plurality of electrodes such as a source electrode 6, a gate electrode 7, and a drain electrode are formed on the semiconductor operation layer 5.

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。   The electron transit layer 15 is realized using, for example, undoped GaN, and causes the electrons supplied from the electron supply layer 16 to travel at a high speed. Specifically, the electron transit layer 15 is formed on the intermediate layer 14 of the buffer layer 4 described above, and has a two-dimensional electron gas layer 15 a immediately below the upper end portion, that is, the heterojunction interface with the electron supply layer 16. . The two-dimensional electron gas layer 15a is formed according to the piezoelectric field generated by the piezoelectric effect based on crystal distortion at the heterojunction interface, and causes the electrons supplied by the electron supply layer 16 to travel at high speed. Here, since the intermediate layer 14 is present at the interface between the compound semiconductor layer 13 and the electron transit layer 15, the electron transit layer 15 is formed on the buffer layer 4 in a state with good crystallinity (for example, a substantially flat state). Is done.

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。   The electron supply layer 16 is realized by using a compound semiconductor having a larger band gap energy than the electron transit layer 15, such as AlGaN, and is stacked on the electron transit layer 15. In this case, the electron supply layer 16 has a thinner layer thickness than the electron transit layer 15 and is heterojunction with the electron transit layer 15. Such an electron supply layer 16 supplies electrons to the electron transit layer 15. The electrons supplied by the electron supply layer 16 travel at a high speed in the two-dimensional electron gas layer 15 a of the electron transit layer 15 and move, for example, from the source electrode 6 to the drain electrode 8.

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。   The contact layer 17 is realized by using a nitride-based compound semiconductor doped with a high concentration of n-type impurities, for example, a highly doped GaN, and is formed on the electron supply layer 16. The contact layer 17 has a source electrode 6 and a drain electrode formed thereon, and reduces the contact resistance between the source electrode 6 or the drain electrode 8 and the electron supply layer 16.

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。   The source electrode 6 and the drain electrode 8 function as ohmic electrodes formed on the semiconductor operation layer 5, and the gate electrode 7 functions as a Schottky electrode formed on the semiconductor operation layer 5. Specifically, the source electrode 6 and the drain electrode 8 are realized by, for example, an Al / Ti / Au metal layer, and are formed on the contact layer 17, respectively. In this case, the source electrode 6 and the drain electrode 8 are in ohmic contact with the contact layer 17. On the other hand, the gate electrode 7 is realized by a Pt / Au metal layer, for example, and is formed on the electron supply layer 16. In this case, the gate electrode 7 is Schottky bonded to the electron supply layer 16.

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。   In such a semiconductor element 100, when the source electrode 6 and the drain electrode 8 are operated, the two-dimensional electron gas formed at the heterojunction interface of the electron transit layer 15 is used as a carrier and supplied to the electron transit layer 15. The generated electrons travel at high speed in the two-dimensional electron gas layer 15 a and move to the drain electrode 8. At this time, by controlling the voltage applied to the gate electrode 7 and changing the thickness of the depletion layer immediately below the gate electrode 7, the electrons moving from the source electrode 6 to the drain electrode 8, that is, the drain current can be controlled. it can.

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。   Next, a change in the composition of the buffer layer 4 having a multilayer structure including the compound semiconductor layers 11 and 13 and the intermediate layers 12 and 14 described above will be described. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the composition profile of the buffer layer 4 whose composition changes in the layer thickness direction. As described above, the buffer layer 4 is formed by epitaxially growing the compound semiconductor layer 11, the intermediate layer 12, the compound semiconductor layer 13, and the intermediate layer 14 in this order. For example, as shown in FIG. 2, the buffer layer 4 changes its composition in the epitaxial growth direction (that is, the layer thickness direction A).

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AlxGa(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AlxGa(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AlxGa(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AlxGa(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。 That is, the compound semiconductor layer 11 has a uniform composition of GaN in the layer thickness direction A. The intermediate layer 12 has a composition Al x Ga (1-x) N between the compound semiconductor layers 11 and 13, and changes the composition continuously and linearly from GaN to AlN in the layer thickness direction A. . In this case, the Al composition ratio x of the composition Al x Ga (1-x) N of the intermediate layer 12 continuously changes from 0 to 1 with respect to the layer thickness direction A. The compound semiconductor layer 13 has a uniform composition of AlN in the layer thickness direction A. The intermediate layer 14 has a composition Al x Ga (1-x) N between the compound semiconductor layer 11 and the electron transit layer 15, and continuously and linearly from AlN to GaN with respect to the layer thickness direction A. Change the composition. In this case, the Al composition ratio x of the composition Al x Ga (1-x) N of the intermediate layer 14 continuously changes from 1 to 0 in the layer thickness direction A.

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。   Here, the composition of the intermediate layer 12 is continuous with the respective compositions of the compound semiconductor layers 11 and 13 at the joint interfaces at both ends, and is within the layer region sandwiched between the joint interfaces at both ends (that is, within the layer region of the intermediate layer 12). The lattice constant difference Δd1 at an arbitrary minute portion in () is 0.7% or less. When the composition of the intermediate layer 12 continuously changes in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change in the minute portion of the intermediate layer 12 is −0.7%. / Nm or more and 0% / nm or less are desirable. Thus, the composition of the intermediate layer 12 can be changed from the compound semiconductor layer 11 toward the compound semiconductor layer 13 while reliably maintaining the lattice constant difference Δd1 at an arbitrary minute portion at 0.7% or less. On the other hand, the composition of the intermediate layer 14 is continuous with the respective compositions of the compound semiconductor layer 11 and the electron transit layer 15 at the junction interfaces at both ends, and within the layer region sandwiched between the junction interfaces at both ends (that is, the layers of the intermediate layer 14). The lattice constant difference Δd2 at an arbitrary minute portion in the region) is 0.7% or less. Further, when the composition of the intermediate layer 14 continuously changes in the layer thickness direction A, the amount of change in the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change in the minute portion of the intermediate layer 14 is 0% / nm or more. , 0.7% / nm or less is desirable. Thus, the composition of the intermediate layer 14 can be changed from the compound semiconductor layer 13 toward the electron transit layer 15 while reliably maintaining the lattice constant difference Δd2 at an arbitrary minute portion at 0.7% or less.

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。   The layer thickness from the lower end of the compound semiconductor layer 11 to the lower end of the electron transit layer 15, that is, the layer thickness of the composite layer composed of the intermediate layers 12 and 14 and the compound semiconductor layers 11 and 13 is 6 nm or more and 3000 nm. The following is desirable. Furthermore, the layer thickness of the compound semiconductor layers 11 and 13 is desirably 5 nm or more and 3000 nm or less, and the layer thickness of the intermediate layers 12 and 14 is desirably 0.1 nm or more and 20 nm or less. As a result, the amount of change in the lattice constant difference corresponding to the slope of the composition change of the intermediate layers 12 and 14 can be easily set to -0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less.

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。
Note that the difference in lattice constant here is calculated based on the following formula (1) using the lattice constants a1 and a2 of the nitride-based compound semiconductors bonded on both sides of the crystal interface.
Lattice constant difference (%) = | 1−a2 / a1 | × 100 (1)
For example, the lattice constant difference D1 between the compound semiconductor layer 11 made of GaN and the compound semiconductor layer 13 made of AlN is expressed by the lattice constant a1 (= 3.189Å) of GaN and the lattice constant a2 (= 3.112Å) of AlN. It is calculated by substituting into the formula (1) and becomes about 2.5%. Further, the difference in lattice constant between the electron transit layer 15 made of undoped GaN and the compound semiconductor layer 13 made of AlN is equal to the lattice constant difference D1.

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。   By interposing such an intermediate layer 12 at the interface between the compound semiconductor layers 11 and 13, for example, a minute portion (in a layer region sandwiched between the compound semiconductor layers 11 and 13 having a lattice constant difference of 2.5%) ( For example, all the lattice constant differences at the crystal interface or the like are 0.7% or less. Therefore, the compound semiconductor layer 13 can be epitaxially grown on the compound semiconductor layer 11 through the intermediate layer 12 in a state with good crystallinity. In this case, the compound semiconductor layer 13 is stacked on the intermediate layer 12 in a substantially flat state. Similarly, by interposing the intermediate layer 14 at the stacking interface between the compound semiconductor layer 13 and the electron transit layer 15, the intermediate layer 14 is sandwiched between the compound semiconductor layer 13 and the electron transit layer 15 having a lattice constant difference of 2.5%, for example. All the lattice constant differences in the minute portions (for example, crystal interfaces, etc.) in the layer region are 0.7% or less. For this reason, the electron transit layer 15 can be epitaxially grown on the compound semiconductor layer 13 through the intermediate layer 14 with good crystallinity. In this case, the electron transit layer 15 is laminated on the intermediate layer 14 in a substantially flat state.

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AlxGa(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RMS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RMSとの関係を例示する模式図である。 This is based on the relationship between the crystallinity of the nitride compound semiconductor layer and the lattice constant difference described below. The inventors of the present application have developed a nitride compound semiconductor layer (experimental layer) made of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) on top of a nitride compound semiconductor layer (experimental layer E1) made of GaN. E2) was epitaxially grown, and the relationship between the crystallinity of the experimental layer E2 and the difference in lattice constant between the experimental layers E1 and E2 was found experimentally. In this experiment, the Al composition ratio x of the experimental layer E2 is changed as a parameter, an experimental layer E2 having a layer thickness of 25 nm is epitaxially grown on the experimental layer E1 having a layer thickness of 500 nm, and an atomic force microscope (AFM) is manufactured by Digital Instruments. using the NanoscopeIII measuring the surface roughness R MS of this experiment layer E2, then we derive the lattice constant difference between the experimental layer E2 and experiment layer E1. Figure 3 is a schematic view illustrating the relationship between the Al composition ratio x and the surface roughness R MS experiments layer E2.

図3に示すように、実験層E2の表面粗さRMS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RMS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RMS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。 As shown in FIG. 3, the surface roughness R MS experiments layer E2 is, Al composition ratio x is 0 or more, if it is about 0.3 or less of the value is substantially constant value (about 0.75 nm). On the other hand, the surface roughness R MS experiments layer E2 is simple with the Al composition ratio x is rapidly increased boundary case is about 0.3, the Al composition ratio x approaches about 0.3 to 1.0 Increased. For example, the surface roughness R MS experiments layer E2 is about 2.1nm when the Al composition ratio x is 0.41, about 4.5nm met when the Al composition ratio x is 0.59 It was. That is, when the Al composition ratio x of the experimental layer E2 is about 0.3, the surface of the experimental layer E2 is in a state where the unevenness is severely disturbed. This is presumably because the experimental layer E2 exceeded the critical film thickness and the crystal collapsed when the Al composition ratio x was about 0.3.

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。   Here, the lattice constant difference (strain amount) between the experimental layer E2 and the experimental layer E1 in which the Al composition ratio x is set to about 0.3 is 0.73%, and the Al composition ratio x is set to about 0.59. The difference in lattice constant (strain amount) between the experimental layer E2 and the experimental layer E1 was 1.47%. The difference in lattice constant (strain amount) between the experimental layer E2 (ie, the AlN layer) in which the Al composition ratio x is set to 1.0 and the experimental layer E1 is about 2.5%. Therefore, the experimental layer E2 can obtain good crystallinity when the lattice constant difference with respect to the experimental layer E1 is 0.7% or less. On the other hand, in the experimental layer E2, when the lattice constant difference with respect to the experimental layer E1 is 0.73% or more, the crystal surface becomes uneven and its crystallinity deteriorates. This is remarkable when an AlGaN layer having a lattice constant difference of 0.73% or more with respect to the GaN layer is epitaxially grown on the experimental layer E1 (ie, GaN layer) to a layer thickness of 1.0 nm or more.

以上の実験結果から判るように、AlxGa(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。 As can be seen from the above experimental results, the nitride-based compound semiconductor layer mainly composed of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) has a lattice at a minute portion (for example, crystal interface) in the epitaxial growth direction. By setting the constant difference to be 0.7% or less, multilayer formation can be performed with good crystallinity. That is, the compound semiconductor layers 11 and 13 and the electron transit layer 15 having a lattice constant difference of 0.7% or more have the crystals not broken by interposing the intermediate layers 12 and 14 at each junction interface as described above. Epitaxial growth can be performed with good crystallinity.

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。   The buffer layer 4 having a multilayer structure including the compound semiconductor layers 11 and 13 and the intermediate layers 12 and 14 has a lattice constant difference of 0.7% or less at an arbitrary minute portion in the epitaxial growth direction. 13 or more (specifically, about 2.5%) of lattice constant difference, that is, distortion generated by 13. Such a buffer layer 4 can alleviate the lattice constant difference between the substrate 1 and the semiconductor operation layer 5 and suppress the propagation of threading dislocations to the semiconductor operation layer 5. Specifically, for example, the AlN intervening layer 2 generates threading dislocations due to a large lattice constant difference with respect to the substrate 1. This threading dislocation often propagates in the epitaxial growth direction. If it propagates to the two-dimensional electron gas layer 15a of the electron transit layer 15, the concentration and mobility of the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron gas layer 15a. Reduce. However, as described above, since the buffer layer 4 has a strain of 0.7% or more in the layer, the propagation direction of the threading dislocation can be bent, and the propagation of the threading dislocation in the epitaxial growth direction can be suppressed. The propagation of threading dislocations to the semiconductor operation layer 5 can be suppressed. At the same time, since the buffer layer 4 has a lattice constant difference of 0.7% or less in an arbitrary minute portion in the epitaxial growth direction, it is possible to prevent the occurrence of new threading dislocations in the multilayer structure and Generation of cracks at each crystal interface can be prevented.

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。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element 100 according to the first embodiment of the present invention will be described. When manufacturing the semiconductor element 100, an AlN intervening layer 2, an intermediate layer 3, a buffer layer 4, and a semiconductor operation layer 5 are sequentially formed on a substrate 1 such as sapphire or silicon by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. On the semiconductor operation layer 5, a plurality of electrodes, for example, a source electrode 6, a gate electrode 7, and a drain electrode 8 are formed.

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。 Specifically, first, the Si substrate 1 chemically etched with hydrofluoric acid or the like was introduced into the MOCVD apparatus, and the degree of vacuum in the MOCVD apparatus was reduced to 100 [hPa] or less using a turbo pump. Thereafter, the temperature of the substrate 1 in the MOCVD apparatus is raised to 800 [° C.], and when the temperature in the MOCVD apparatus is stabilized, the substrate 1 is rotated at 900 [rpm] to become a material for the nitride-based compound semiconductor. Trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ) were introduced into the surface of the substrate 1 at flow rates of 58 [μmol / min] and 12 [l / min], respectively, and the growth time was set to 4 [min] and the layer thickness was 50 An AlN intervening layer 2 made of AlN of [nm] was laminated on the substrate 1.

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。   The substrate 1 may be a sapphire substrate instead of the Si substrate. In this case, if the sapphire substrate 1 chemically etched with hydrofluoric acid or the like is introduced into the MOCVD apparatus and the AlN intervening layer 2 is formed on the sapphire substrate 1 as in the case of Si described above. Good.

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AlxGa(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。 Next, the temperature of the substrate 1 is raised to 1030 [° C.], then, trimethylgallium (TMGa) is set to a flow rate of 29 [μmol / min], TMA is set to a flow rate of 29 [μmol / min], and NH 3 is The flow rate was set to 12 [l / min], biscyclopentadienyl magnesium (CP 2 Mg) was set to a flow rate of 0.01 [μmol / min], and these were introduced into the upper part of the AlN intervening layer 2 to increase the growth time. The intermediate layer 3 made of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) having a layer thickness of 20 [nm] was stacked on the AlN intervening layer 2 at 40 [sec]. In this case, the amount of Mg added is 1 × 10 18 [cm −3 ].

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AlxGa(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AlxGa(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。 Subsequently, the buffer layer 4 is formed on the intermediate layer 3. Specifically, TMGa and NH 3 are introduced into the upper portion of the intermediate layer 3 at flow rates of 58 [μmol / min] and 12 [l / min], respectively, and the growth time is set to 600 [sec] and the layer thickness of 300 [ nm] of the compound semiconductor layer 11 made of GaN was stacked on the intermediate layer 3. Next, the flow rate of TMGa is 29 [μmol / min], the flow rate of TMA is 29 [μmol / min], the flow rate of NH 3 is 12 [l / min], and the growth time is 40 [sec]. An intermediate layer 12 made of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) having a thickness of 20 [nm] was stacked on the compound semiconductor layer 11. Subsequently, TMA and NH 3 are introduced into the upper portion of the intermediate layer 12 at flow rates of 58 [μmol / min] and 12 [l / min], respectively, the growth time is 40 [sec], and the layer thickness is 20 [nm]. A compound semiconductor layer 13 made of AlN was laminated on the intermediate layer 12. Thereafter, the flow rate of TMGa is 29 [μmol / min], the flow rate of TMA is 29 [μmol / min], the flow rate of NH 3 is 12 [l / min], and the flow rate of CP 2 Mg is 0.01 [μmol / min]. These are introduced into the upper part of the compound semiconductor layer 12, and the growth time is 40 [sec], and the layer thickness is 20 [nm] Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1). The intermediate layer 14 made of is laminated on the compound semiconductor layer 12. In this way, the buffer layer 4 having a multilayer structure composed of the compound semiconductor layers 11 and 13 and the intermediate layers 12 and 14 was formed.

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。 Next, the semiconductor operation layer 5 is formed on the buffer layer 4. Specifically, TMGa and NH 3 are introduced into the upper portion of the intermediate layer 14 at a flow rate of 58 [μmol / min] and 12 [l / min], respectively, and the growth time is set to 1000 [sec] to obtain a layer thickness of 500 [ nm] an electron transit layer 15 made of undoped GaN was laminated on the intermediate layer 14. Subsequently, TMGa is set to a flow rate of 41 [μmol / min], TMA is set to a flow rate of 17 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], and these are placed above the electron transit layer 15. Then, an electron supply layer 16 made of AlGaN with a layer thickness of 20 nm was stacked on the electron transit layer 15 with a growth time of 40 [sec]. Further, TMGa is set to a flow rate of 58 [μmol / min], SiH 4 is set to a flow rate of 0.01 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], and these are supplied to the electron supply layer 16. The contact layer 17 made of highly doped GaN having a layer thickness of 20 [nm] was formed on the electron supply layer 16 by introducing it into the upper portion and setting the growth time to 40 [sec].

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。 Thereafter, a mask made of a SiO 2 film is formed on the semiconductor operation layer 5 by patterning using photolithography, and each electrode shape is formed on the contact layer 17 where the source electrode 6 and the drain electrode 8 are to be formed. Opened portions are formed. Then, Au, Ti, and Al are sequentially deposited in this opening with film thicknesses of 100 [nm], 50 [nm], and 50 [nm], respectively, and the source electrode 6 made of an Al / Ti / Au metal layer is formed. The drain electrode 8 is formed on the contact layer 17.

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。   Subsequently, the mask on the semiconductor operation layer 5 is removed, and a photoresist mask is newly formed on each of the semiconductor operation layer 5, the source electrode 6, and the drain electrode 8 formed so far. Then, an opening corresponding to the electrode shape is formed in the mask above the electron supply layer 16 where the gate electrode 7 is to be formed. Next, Au and Pt were sequentially deposited in thicknesses of 200 [nm] and 100 [nm] in the openings of the mask, respectively, and the gate electrode 7 made of a metal layer of Pt / Au was formed on the electron supply layer 16. . Thereafter, the mask was removed, and the semiconductor device 100 illustrated in FIG. 1 was manufactured.

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。   In the first embodiment of the present invention, one set of composite layers formed by the compound semiconductor layers 11 and 13 and the intermediate layers 12 and 14 made of a nitride compound semiconductor is provided. Instead, a plurality of such composite layers may be provided. The buffer layer may be formed using one or more such composite layers, or the semiconductor operation layer may be formed.

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。   In the first embodiment of the present invention, the composition of the buffer layer 4 is changed continuously and linearly in the layer thickness direction A. However, the present invention is not limited to this, and the buffer layer 4 is in the layer thickness direction A. The composition may change continuously and in a curved manner. Specifically, as illustrated in FIG. 4, the intermediate layers 12 and 14 may continuously change in composition in the layer thickness direction A while changing the gradient of composition change. In this case, the lattice constant differences Δd1 and Δd2 at any minute portion in the layer thickness direction A may be 0.7% or less. In addition, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change may be −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less.

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。   Furthermore, the composition of the intermediate layers 12 and 14 at the bonding interface with each adjacent layer may not be continuous with the composition of each adjacent layer as long as the lattice constant difference at the bonding interface is 0.7% or less. . Further, the composition change of the intermediate layers 12 and 14 may be a continuous change in which the linear and curvilinear ones as described above are combined.

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。   In the first embodiment of the present invention, the composition of the buffer layer 4 is continuously changed in the layer thickness direction A. However, the present invention is not limited to this, and the buffer layer 4 is stepped in the layer thickness direction A. The composition may be changed. Specifically, as illustrated in FIG. 5, if the lattice constant differences Δd1 and Δd2 in any minute portion in the layer thickness direction A are 0.7% or less, the intermediate layers 12 and 14 are layered. The composition may change stepwise with respect to the thickness direction A. In this case, the composition change of the intermediate layers 12 and 14 may be a simple change (see FIG. 5) with respect to the layer thickness direction A within a range satisfying the conditions of the lattice constant differences Δd1 and Δd2. Further, it may be a complicated change (for example, a change in which the Al composition in AlGaN increases or decreases). Furthermore, the stepwise composition change and the above-described continuous composition change may be combined.

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。   Furthermore, in the first embodiment of the present invention, the composition of the intermediate layers 12 and 14 is changed in the layer thickness direction A. However, the present invention is not limited to this, and the lattice constant with each adjacent layer of the intermediate layers 12 and 14 is changed. When the difference is 0.7% or less, the composition of the intermediate layers 12 and 14 in the layer thickness direction A may be substantially uniform. Specifically, as illustrated in FIG. 6, the intermediate layer 12 has a substantially uniform composition in which each of the lattice constant differences Δd3 and Δd4 with respect to the compound semiconductor layers 11 and 13 at both ends is 0.7% or less. May be. Similarly, the intermediate layer 14 may have a substantially uniform composition in which both the lattice constant difference Δd5 with respect to the compound semiconductor layer 13 and the lattice constant difference Δd6 with respect to the electron transit layer 15 are 0.7% or less. . In this case, the lattice constant difference D1 between the compound semiconductor layers 11 and 13 is 0.7% or more and 1.4% or less, and the lattice constant difference D2 between the compound semiconductor layer 13 and the electron transit layer 15 is 0.7% or more. 1.4% or less.

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。   As described above, in the first embodiment of the present invention, an intermediate layer is interposed at the stack interface of a plurality of nitride-based compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more, and the plurality of nitrides The lattice constant difference at each junction interface between the compound-based compound semiconductor layer and the intermediate layer is 0.7% or less, and the lattice constant difference at any minute portion in the epitaxial growth direction in the intermediate layer is 0.7% or less. Configured to do. Therefore, a nitride compound semiconductor layer having a lattice constant difference of 0.7% or more with respect to the nitride compound semiconductor layer is placed in a good state on the nitride compound semiconductor layer via the intermediate layer. Can be epitaxially grown. As a result, it is possible to form a plurality of nitride compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more in a multi-layered state with good crystallinity and to suppress the propagation of threading dislocations in the epitaxial growth direction. Can be realized.

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。   By forming a plurality of nitride-based compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more in this way, an arbitrary minute portion in the layer thickness direction has a strain of 0.7% or more in the layer. A buffer layer having a multilayer structure with a lattice constant difference of 0.7% or less can be formed with good crystallinity. Since the buffer layer having such a multilayer structure has a strain of 0.7% or more in the layer, the propagation direction of threading dislocations can be bent, and propagation of the threading dislocations in the epitaxial growth direction can be suppressed. For example, propagation of threading dislocations to the semiconductor operation layer can be suppressed. At the same time, the buffer layer has a lattice constant difference of 0.7% or less in an arbitrary minute part in the epitaxial growth direction, so that it is possible to prevent the occurrence of new threading dislocations in the multilayer structure. Generation of cracks at each crystal interface can be prevented.

(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。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, an intermediate in which the lattice constant difference in an arbitrary minute portion in the layer thickness direction is 0.7% or less between the nitride-based compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more. In the second embodiment, the nitride compound semiconductor layers at both ends of the nitride compound semiconductor layers are disposed between the plurality of nitride compound semiconductor layers mainly composed of the same nitride compound semiconductor. An intermediate layer having a lattice constant difference of 0.7% or more and a lattice constant difference in an arbitrary minute portion in the layer thickness direction and a lattice constant difference at the joint interface at both ends of 0.7% or less is interposed. I am letting.

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。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor element 200 according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the semiconductor element 200 includes a buffer layer 21 instead of the buffer layer 4 of the semiconductor element 100 according to the first embodiment described above. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same components.

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、AlxGa(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。 The buffer layer 21 relaxes the lattice constant difference between the substrate 1 and the semiconductor operation layer 5 described above and suppresses the propagation of threading dislocations to the semiconductor operation layer 5. Specifically, the buffer layer 21 has a multilayer structure formed using a nitride-based compound semiconductor containing Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) as a main component. The structure has a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more. In this case, the buffer layer 21 has a multilayer structure in which an intermediate layer 23 is interposed at each stack interface of a plurality of compound semiconductor layers 22 formed in multiple layers. That is, the multilayer structure of the buffer layer 21 is realized by repeatedly forming a composite layer including the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 as one set.

化合物半導体層22は、AlxGa(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。 The compound semiconductor layer 22 is a layer made of a nitride-based compound semiconductor containing Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) as a main component, for example, undoped GaN. In this case, the compound semiconductor layer 22 has a lattice constant difference of 0.7% or less at each junction interface between the intermediate layer 3 and the intermediate layer 23 in the multilayer structure. Such a compound semiconductor layer 22 can be epitaxially grown with good crystallinity on the intermediate layer 3 described above, and can be epitaxially grown with good crystallinity on the upper part of the intermediate layer 23 in the multilayer structure. Can do.

中間層23は、AlxGa(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。 The intermediate layer 23 is a layer made of a nitride-based compound semiconductor containing Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) as a main component (that is, a kind of nitride-based compound semiconductor layer). As described above, each compound semiconductor layer 22 is interposed at each stack interface. In this case, the intermediate layer 23 has a lattice constant difference at each junction interface of the compound semiconductor layers 22 at both ends and a lattice constant difference at an arbitrary minute portion in the epitaxial growth direction (that is, the layer thickness direction) is 0.7%. The lattice constant difference (strain) is 0.7% or more with respect to the compound semiconductor layers 22 at both ends in the layer region other than the bonding interface. Such an intermediate layer 23 is formed by, for example, composition change layers 23a and 23b.

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。   The composition change layer 23 a is a layer whose composition is changed in the layer thickness direction, and is formed on the compound semiconductor layer 22. In this case, in the composition change layer 23a, one end in the layer thickness direction is joined to the compound semiconductor layer 22, and the composition change layer 23b is joined to the other end. In such a composition change layer 23a, the lattice constant difference at the bonding interface with respect to the compound semiconductor layer 22 bonded to one end and the lattice constant difference at an arbitrary minute portion in the layer thickness direction are both 0.7% or less. In addition, at the other end, that is, in the vicinity of the bonding interface with the composition change layer 23b, the compound semiconductor layer 22 has a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more.

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。   The composition change layer 23b is a layer that changes the composition in the layer thickness direction, and is formed on the composition change layer 23a. In this case, in the composition change layer 23b, one end in the layer thickness direction is joined to the composition change layer 23a, and the compound semiconductor layer 22 is joined to the other end. Such a composition change layer 23b includes a difference in lattice constant at a bonding interface with respect to the composition change layer 23a bonded to one end, a difference in lattice constant in an arbitrary minute portion in the layer thickness direction, and a compound bonded to the other end. The difference in lattice constant at the bonding interface of the semiconductor layer 22 is 0.7% or less. Furthermore, the composition change layer 23b has a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more with respect to the compound semiconductor layer 22 at the other end, that is, in the vicinity of the bonding interface with the composition change layer 23b.

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。   For example, the semiconductor operation layer 5 (specifically, the electron transit layer 15) is formed on the composition change layer 23b formed on the uppermost portion of the buffer layer 21. In this case, the uppermost composition change layer 23b has a lattice constant difference of 0.7% or less at the junction interface with the electron transit layer 15, and the electron transit is in the vicinity of the junction interface with the composition change layer 22a. It has a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more with respect to the layer 15.

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。   Next, changes in the composition of the buffer layer 21 having the multilayer structure described above will be described. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a composition profile of the buffer layer 21 having a multilayer structure whose composition changes in the layer thickness direction. As described above, the buffer layer 21 has a multilayer structure in which a composite layer including the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 is repeatedly formed. The buffer layer 21 having such a multilayer structure changes its composition with respect to the epitaxial growth direction (that is, the layer thickness direction A), for example, as shown in FIG. FIG. 8 illustrates the composition profile of two composite layers among a plurality of composite layers forming the multilayer structure of the buffer layer 21. That is, the buffer layer 21 has a composition profile obtained by repeating the composition profile of the set of composite layers a plurality of times.

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AlxGa(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AlxGa(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AlxGa(1-x)N)を有する。この場合、組成変化層23aの組成AlxGa(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。 As shown in FIG. 8, the compound semiconductor layer 22 has a uniform composition of GaN, for example, in the layer thickness direction A. The intermediate layer 23 has a composition Al x Ga (1-x) N that continuously changes in the layer thickness direction A, for example. Specifically, the composition change layer 23a is continuous with the composition GaN of the compound semiconductor layer 22 at the junction interface with the compound semiconductor layer 22 at one end in the layer thickness direction A, and continuous with respect to the layer thickness direction A in the layer region. In addition, the composition Al x Ga (1-x) N is linearly changed, and the lattice constant difference D3 with respect to the compound semiconductor layer 22 is set to 0.7% or more in the vicinity of the junction interface with the composition change layer 23b at the other end. (For example, Al-rich Al x Ga (1-x) N). In this case, the Al composition ratio x of the composition Al x Ga (1-x) N of the composition change layer 23a is substantially 0 at the junction interface of the compound semiconductor layer 22 and approaches 0 to 1 with respect to the layer thickness direction A. So that it changes continuously.

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。   Here, the lattice constant difference Δd7 in an arbitrary minute portion in the layer region sandwiched between the bonding interfaces at both ends of the composition change layer 23a (that is, in the layer region of the composition change layer 23a) is 0.7% or less. . Further, when the composition of the composition change layer 23a continuously changes in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the inclination of the composition change in the minute portion of the composition change layer 23a is −0. It is desirable that it is 7% / nm or more and 0% / nm or less. As a result, the composition change layer 23a has a composition in which the lattice constant difference Δd7 in an arbitrary minute portion is reliably maintained at 0.7% or less from the compound semiconductor layer 22 at one end toward the composition change layer 23b at the other end. Can change. The composition change layer 23a having such a lattice constant difference Δd7 can be epitaxially grown on the upper portion of the compound semiconductor layer 22 with good crystallinity. In this case, the composition change layer 23 a is stacked on the compound semiconductor layer 22 in a substantially flat state.

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AlxGa(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AlxGa(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AlxGa(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。 On the other hand, the composition change layer 23b is continuous with the composition of the composition change layer 23a (for example, Al-rich Al x Ga (1-x) N) at the joint interface with the composition change layer 23a at one end in the layer thickness direction A, and the layer region The composition Al x Ga (1-x) N is continuously and linearly changed with respect to the layer thickness direction A, and continues to the composition GaN of the compound semiconductor layer 22 at the junction interface with the compound semiconductor layer 22 at the other end. . In this case, the Al composition ratio x of the composition Al x Ga (1-x) N of the composition change layer 23b is substantially the same value as that of the composition change layer 23a at the bonding interface of the composition change layer 23a. It changes continuously so that it may approach 0 from this value.

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。   Here, the lattice constant difference Δd8 in an arbitrary minute portion in the layer region sandwiched between the bonding interfaces at both ends of the composition change layer 23b (that is, in the layer region of the composition change layer 23b) is 0.7% or less. . When the composition of the composition change layer 23b continuously changes in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change in the minute portion of the composition change layer 23b is 0% / It is desirable that it is not less than nm and not more than 0.7% / nm. Thus, the composition change layer 23b has a composition in which the lattice constant difference Δd8 at an arbitrary minute portion is reliably maintained at 0.7% or less from the composition change layer 23a at one end toward the compound semiconductor layer 22 at the other end. Can change. The composition change layer 23b having such a lattice constant difference Δd8 can be epitaxially grown on the top of the composition change layer 23a with good crystallinity. In this case, the composition change layer 23b is laminated on the composition change layer 23a in a substantially flat state.

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。   In the multilayer structure of the buffer layer 21, the layer thickness from the lower end of the compound semiconductor layer 22 to the lower end of the next compound semiconductor layer 22, that is, the layer thickness of the composite layer including the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 as one set is It is desirable that it is 6 nm or more and 3000 nm or less. Furthermore, the layer thickness of the compound semiconductor layer 22 is desirably 5 nm or more and 3000 nm or less, and the layer thicknesses of the composition change layers 23a and 23b are desirably 0.1 nm or more and 20 nm or less. Accordingly, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change of the intermediate layer 23 described above can be easily set to −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less.

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。   In the intermediate layer 23 formed by the composition change layers 23a and 23b as described above, the compound semiconductor layer 22 is bonded to both ends in a state where the lattice constant difference at the bonding interface is 0.7% or less, and the both ends In the layer region sandwiched between the compound semiconductor layers 22, the lattice constant difference at an arbitrary minute portion (for example, crystal interface) in the layer thickness direction A is maintained at 0.7% or less, and the compound semiconductor layer 22 is Thus, a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more is formed. By interposing such an intermediate layer 23 at each stack interface of the plurality of compound semiconductor layers 22, a buffer having a multilayer structure in which a composite layer composed of the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 is repeatedly formed a plurality of times. The layer 21 (see FIG. 7) can be realized with good crystallinity.

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。   The buffer layer 21 having such a multilayer structure has a lattice constant difference of 0.7% or less at an arbitrary minute portion in the epitaxial growth direction, and a lattice of 0.7% or more generated by the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23. There is a constant difference, ie distortion. Such a buffer layer 21 relaxes the lattice constant difference between the substrate 1 and the semiconductor operation layer 5 as well as the buffer layer 4 of the semiconductor element 100 according to the first embodiment described above, and the Propagation of threading dislocations can be suppressed, generation of new threading dislocations in the multilayer structure can be prevented, and generation of cracks at each crystal interface in the multilayer structure can be prevented. Furthermore, since the buffer layer 21 forms a multilayer structure between the AlN intervening layer 2 and the semiconductor operation layer 5, the electron transit layer 15 and the substrate 1 are caused by a difference in thermal expansion coefficient between the substrate 1 and the nitride-based compound semiconductor. It is possible to prevent a decrease in the piezoelectric polarization electric field at the heterojunction with the electron supply layer 16, and the piezopolarized electrons caused by the difference in lattice constant between the AlN intervening layer 2 and the lowermost compound semiconductor layer 22 are converted into the electron transit layer 15. Can be adversely affected.

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。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element 200 according to the second embodiment of the present invention will be described. When the semiconductor element 200 is manufactured, first, the AlN intervening layer 2 and the intermediate layer 3 are sequentially stacked on the substrate 1 such as sapphire or silicon as in the method for manufacturing the semiconductor element 100 according to the first embodiment. .

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。 After forming the intermediate layer 3, the buffer layer 21 is formed on the intermediate layer 3. Specifically, TMGa is set to a flow rate of 58 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], CP 2 Mg is set to a flow rate of 0.01 [μmol / min], and these are intermediate. The compound semiconductor layer 22 made of GaN having a layer thickness of 9 [nm] was stacked on the intermediate layer 3 by introducing it into the upper part of the layer 3 with a growth time of 18 [sec]. In this case, the amount of Mg added is 1 × 10 18 [cm −3 ].

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AlxGa(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AlxGa(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。 Next, TMGa is set to a flow rate of 29 [μmol / min], TMA is set to a flow rate of 29 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], and CP 2 Mg is set to 0.01 [μmol / min]. These are introduced into the upper part of the compound semiconductor layer 22 at a flow rate of min], the growth time is 15 [sec], and the layer thickness is 7.5 [nm] Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x A composition change layer 23 a composed of ≦ 1) was laminated on the compound semiconductor layer 22. In this case, the amount of Mg added is 1 × 10 18 [cm −3 ]. Subsequently, the flow rate of TMGa is 29 [μmol / min], the flow rate of TMA is 29 [μmol / min], the flow rate of NH 3 is 12 [l / min], and the growth time is 7 [sec]. A composition change layer 23b made of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) having a thickness of 3.5 [nm] was stacked on the composition change layer 23a. In this manner, the intermediate layer 23 was formed on the compound semiconductor layer 22.

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。   Thereafter, the epitaxial growth in which the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 are alternately stacked is repeated a desired number of times (for example, 9 times), and a desired number of composite layers (for example, the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 are formed) 10 sets). In this way, the buffer layer 21 having a multilayer structure having, for example, 10 composite layers each including the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 was formed on the intermediate layer 3.

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。   After the multilayer buffer layer 21 is formed, the electron transit layer 15, the electron supply layer 16, and the contact layer 17 are formed on the buffer layer 21 in the same manner as in the method for manufacturing the semiconductor element 100 according to the first embodiment. Are sequentially laminated to form a semiconductor operation layer 5, and a source electrode 6, a gate electrode 7, and a drain electrode 8 are formed on the semiconductor operation layer 5. The semiconductor element 200 illustrated in FIG. 7 was manufactured by the above manufacturing method.

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。   Here, a sample of the semiconductor element 200 was prepared by the above-described manufacturing method, and the composition change with respect to the epitaxial growth direction of the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 in the multilayer structure was analyzed using a scanning transmission electron microscope (STEM). FIG. 9 is a diagram showing an analysis result of a composition change with respect to the epitaxial growth direction of the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 that form the multilayer structure of the semiconductor element 200. FIG. 9 shows, as an example of the analysis result, a dark field STEM image obtained by imaging a part of the multilayer structure of the semiconductor element 200, and a luminance profile obtained by analyzing a composition change in a part of the region B1 in the multilayer structure. Is shown.

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。   As can be seen from the analysis result shown in FIG. 9, the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 described above are alternately stacked a plurality of times in a state of good crystallinity to form a multilayer structure of the buffer layer 21. Further, as illustrated in the region B1, the compound semiconductor layer 22 has a Ga-rich uniform composition, and the intermediate layer 23 is continuously composed of a Ga-rich composition or an Al-rich composition with respect to the epitaxial growth direction. It was changing. In this case, it was confirmed that the lattice constant difference in an arbitrary minute portion of the intermediate layer 23 whose composition changes in the epitaxial growth direction is maintained at 0.7% or less.

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。   In the second embodiment of the present invention, a semiconductor element having a multilayer structure in which 10 composite layers each including the compound semiconductor layer 22 and the intermediate layer 23 are formed is exemplified. It may be a semiconductor element having a multilayer structure having one or more pairs. In this case, the buffer layer may be formed by using one or more composite layers, or the semiconductor operation layer may be formed. In addition, the intermediate layer 23 is formed by the two layers of the composition change layers 23a and 23b. However, the present invention is not limited to this, and the intermediate layer 23 may be formed by three or more composition change layers.

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。   In the second embodiment of the present invention, the composition is continuous at the bonding interfaces at both ends of the composition change layers 23a and 23b. However, the present invention is not limited to this, and the lattice constant difference at the bonding interfaces is 0.7% or less. If so, the composition may be continuous or discontinuous at each junction interface between the compound semiconductor layer 22 and the composition change layers 23a and 23b or at the junction interface between the composition change layers 23a and 23b.

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。   Further, in the second embodiment of the present invention, the composition of the intermediate layer 23 is changed continuously and linearly with respect to the layer thickness direction A. However, the present invention is not limited to this. If the lattice constant difference at an arbitrary minute portion is 0.7% or less, the composition may change continuously and in a curve with respect to the layer thickness direction A as illustrated in FIG. As illustrated, the composition may change stepwise in the layer thickness direction A, or a combination thereof. When the composition changes continuously in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change is −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less. I just need it. Further, the composition change of the intermediate layer 23 may be a simple change in the layer thickness direction A within a range satisfying the condition of the lattice constant difference at such a minute portion, or a complicated change (for example, in AlGaN). Change in which the Al composition of the metal increases or decreases).

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。   As described above, in the second embodiment of the present invention, an intermediate layer is interposed at the stack interface of a plurality of compound semiconductor layers containing the same nitride-based compound semiconductor as a main component, and the plurality of compound semiconductor layers and the intermediate layers are interposed. The lattice constant difference at each junction interface with the layer and the lattice constant difference at any minute portion in the epitaxial growth direction in the intermediate layer are both 0.7% or less, and in the intermediate layer excluding the junction interface The lattice constant difference between the partial region and the compound semiconductor layer was set to 0.7% or more. For this reason, such a compound semiconductor layer and an intermediate layer can be alternately epitaxially grown with good crystallinity. As a result, it is possible to form a multilayer structure having a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more with good crystallinity and to realize a semiconductor element that can enjoy the same effects as those of the first embodiment described above. can do.

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。   Furthermore, since a multilayer structure having a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more can be formed with good crystallinity, electrons are caused by a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the nitride compound semiconductor. The piezo-polarized electric field at the heterojunction between the traveling layer and the electron supply layer can be prevented from decreasing, and the piezo-polarized electrons due to the difference in lattice constant between the AlN intervening layer and the compound semiconductor layer have an adverse effect on the electron traveling layer. Can be prevented.

(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。
(Modification of Embodiment 2)
Next, a modification of the second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment described above, the intermediate layer 23 and the compound semiconductor layer 22 having a lattice constant difference of 0.7% or more with respect to the compound semiconductor layer 22 are alternately stacked to form a multilayer structure. In the modification of the second embodiment, the lattice constant difference in an arbitrary minute portion in the layer thickness direction is 0.7% between the plurality of nitride-based compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more. A multilayer structure is formed by a composite layer in which the following intermediate layer is interposed and a nitride compound semiconductor layer and an intermediate layer at both ends are combined.

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。   FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor element 300 according to the modification of the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the semiconductor element 300 includes a buffer layer 31 instead of the buffer layer 21 of the semiconductor element 200 according to the second embodiment described above. Other configurations are the same as those of the second embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals.

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、AlxGa(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。 The buffer layer 31 reduces the lattice constant difference between the substrate 1 and the semiconductor operation layer 5 described above, and suppresses the propagation of threading dislocations to the semiconductor operation layer 5. Specifically, the buffer layer 31 has a multilayer structure formed using a nitride-based compound semiconductor containing Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) as a main component. The structure has a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more. In this case, the buffer layer 31 has the intermediate layer 33 or the intermediate layer 35 interposed between the stacked interfaces of the compound semiconductor layers 32 and 34 having a lattice constant difference of 0.7% or more, and the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layer And a multi-layered structure including one or more composite layers formed by 33 and 35. That is, the multilayer structure of the buffer layer 31 is realized by repeatedly forming a desired number of composite layers that are realized by sequentially stacking the compound semiconductor layer 32, the intermediate layer 33, the compound semiconductor layer 34, and the intermediate layer 35 in this order. The

化合物半導体層32,34は、AlxGa(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。 The compound semiconductor layers 32 and 34 are layers made of a nitride-based compound semiconductor mainly composed of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1), and have a lattice constant difference of 0.7% or more. Have Specifically, the compound semiconductor layer 32 is a layer made of, for example, undoped GaN, and the compound semiconductor layer 34 is a layer made of, for example, undoped AlN. In this case, the compound semiconductor layers 32 and 34 have a lattice constant difference of about 2.5% as in the case of the compound semiconductor layers 11 and 13 of the semiconductor element 100 according to the first embodiment.

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。   The compound semiconductor layer 32 has a lattice constant difference of 0.7% or less at each junction interface between the intermediate layer 3 and the intermediate layers 33 and 35 in the multilayer structure. Such a compound semiconductor layer 32 can be epitaxially grown in a good crystalline state on the intermediate layer 3 described above, and can be epitaxially grown in a good crystalline state on the intermediate layer 35 in the multilayer structure. Can do. Similarly, the compound semiconductor layer 34 has a lattice constant difference of 0.7% or less at each junction interface of the intermediate layers 33 and 35 in the multilayer structure. Such a compound semiconductor layer 34 can be epitaxially grown with good crystallinity on the intermediate layer 33 in the multilayer structure.

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。   The intermediate layer 33 is interposed at the interface between the compound semiconductor layers 32 and 34 having a lattice constant difference of 0.7% or more, and allows the compound semiconductor layer 34 to be stacked on the compound semiconductor layer 32 with good crystallinity. At the same time, the difference in lattice constant between the compound semiconductor layers 32 and 34 is relaxed. Specifically, the intermediate layer 33 is a kind of nitride-based compound semiconductor layer, and a nitride-based compound semiconductor (for example, GaN) that forms the compound semiconductor layer 32 and a nitride-based compound semiconductor that forms the compound semiconductor layer 34. It is formed of a nitride compound semiconductor (for example, AlGaN) having a composition between (for example, AlN). Such an intermediate layer 33 has a lattice constant difference of 0.7% or less at each junction interface between the compound semiconductor layers 32 and 34 at both ends. Further, the intermediate layer 33 has a lattice constant difference at an arbitrary minute portion (for example, a crystal interface) in the layer thickness direction in the layer region in substantially the same manner as the intermediate layer 12 of the semiconductor element 100 according to the first embodiment described above. While maintaining at 0.7% or less, the composition is continuously changed in the layer thickness direction.

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。   The intermediate layer 35 is interposed at the stacking interface between the compound semiconductor layers 32 and 34 having a lattice constant difference of 0.7% or more, and allows the compound semiconductor layer 32 to be stacked on the compound semiconductor layer 34 with good crystallinity. At the same time, the difference in lattice constant between the compound semiconductor layers 32 and 34 is relaxed. Specifically, the intermediate layer 35 is a kind of a nitride compound semiconductor layer, and a nitride compound semiconductor (for example, GaN) that forms the compound semiconductor layer 32 and a nitride compound semiconductor that forms the compound semiconductor layer 34. It is formed of a nitride compound semiconductor (for example, AlGaN) having a composition between (for example, AlN). Such an intermediate layer 35 has a lattice constant difference of 0.7% or less at each junction interface between the compound semiconductor layers 32 and 34 at both ends. In addition, the intermediate layer 35 has a lattice constant difference at an arbitrary minute portion (for example, a crystal interface) in the layer thickness direction in the layer region in substantially the same manner as the intermediate layer 14 of the semiconductor element 100 according to the first embodiment described above. While maintaining at 0.7% or less, the composition is continuously changed in the layer thickness direction.

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。   For example, the semiconductor operation layer 5 (specifically, the electron transit layer 15) is formed on the intermediate layer 35 formed on the uppermost portion of the buffer layer 31. In this case, the uppermost intermediate layer 35 has both a lattice constant difference at the bonding interface with respect to the electron transit layer 15 and a lattice constant difference at the bonding surface with respect to the compound semiconductor layer 34 of 0.7% or less. The composition is changed in the same manner as the other intermediate layer 35 inside.

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。   Next, changes in the composition of the buffer layer 31 having the multilayer structure described above will be described. FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of a composition profile of the buffer layer 31 having a multilayer structure whose composition changes in the layer thickness direction. As described above, the buffer layer 31 has a multilayer structure in which a composite layer including the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 is repeatedly formed. The buffer layer 31 having such a multilayer structure changes its composition with respect to the epitaxial growth direction (that is, the layer thickness direction A), for example, as shown in FIG. FIG. 11 illustrates the composition profile of two composite layers of a plurality of composite layers forming the multilayer structure of the buffer layer 31. That is, the buffer layer 31 has a composition profile obtained by repeating the composition profile of the set of composite layers a plurality of times.

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AlxGa(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AlxGa(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AlxGa(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AlxGa(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。 As shown in FIG. 11, the compound semiconductor layer 32 has a uniform composition of GaN, for example, in the layer thickness direction A. The intermediate layer 33 has a composition Al x Ga (1-x) N between the compound semiconductor layers 32 and 34, and changes the composition continuously and linearly from GaN to AlN in the layer thickness direction A. . In this case, the Al composition ratio x of the composition Al x Ga (1-x) N of the intermediate layer 33 continuously changes from 0 to 1 with respect to the layer thickness direction A. The compound semiconductor layer 34 has a uniform composition of AlN in the layer thickness direction A. In this case, the lattice constant difference D4 between the compound semiconductor layers 32 and 34 is about 2.5% (that is, 0.7% or more). The intermediate layer 35 has a composition Al x Ga (1-x) N between the compound semiconductor layers 32 and 34, and changes the composition continuously and linearly from AlN to GaN in the layer thickness direction A. . In this case, the Al composition ratio x of the composition Al x Ga (1-x) N of the intermediate layer 35 continuously changes from 1 to 0 with respect to the layer thickness direction A.

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。   Here, the composition of the intermediate layer 33 is continuous with the respective compositions of the compound semiconductor layers 32 and 34 at the bonding interfaces at both ends, and is within the layer region sandwiched between the bonding interfaces at both ends (that is, within the layer region of the intermediate layer 33). The lattice constant difference Δd9 at an arbitrary minute portion in () is 0.7% or less. Further, when the composition of the intermediate layer 33 continuously changes in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the inclination of the composition change in the minute portion of the intermediate layer 33 is −0.7%. / Nm or more and 0% / nm or less are desirable. Thus, the composition of the intermediate layer 33 can be changed from the compound semiconductor layer 32 toward the compound semiconductor layer 34 while reliably maintaining the lattice constant difference Δd9 at an arbitrary minute portion at 0.7% or less. On the other hand, the composition of the intermediate layer 35 is continuous with the respective compositions of the compound semiconductor layers 32 and 34 (or the electron transit layer 15) at the bonding interfaces at both ends, and is within the layer region sandwiched between the bonding interfaces at both ends (that is, the intermediate layer 35). The lattice constant difference Δd10 at an arbitrary minute portion in the layer region of the layer 35 is 0.7% or less. When the composition of the intermediate layer 35 continuously changes in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change in the minute portion of the intermediate layer 35 is 0% / nm or more. , 0.7% / nm or less is desirable. Thus, the intermediate layer 35 reliably maintains the lattice constant difference Δd10 at an arbitrary minute portion from 0.7% or less toward the compound semiconductor layer 32 (or the electron transit layer 15) from the compound semiconductor layer 34. The composition can be changed.

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。   In the multilayer structure of the buffer layer 31, the layer thickness from the lower end of the compound semiconductor layer 32 to the lower end of the next compound semiconductor layer 32, that is, a composite layer including the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 as one set. The layer thickness is preferably 6 nm or more and 3000 nm or less. Furthermore, the layer thickness of the compound semiconductor layers 32 and 34 is desirably 5 nm or more and 3000 nm or less, and the layer thickness of the intermediate layers 33 and 35 is desirably 0.1 nm or more and 20 nm or less. Thus, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change of the intermediate layers 33 and 35 described above can be easily set to −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less.

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。   By interposing the intermediate layer 33 or the intermediate layer 35 at the stacked interface between the compound semiconductor layers 32 and 34, a composite layer including the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 as one set is formed a plurality of times. The buffer layer 31 (see FIG. 10) having a multilayer structure that is repeatedly formed can be realized with good crystallinity. The buffer layer 31 having such a multilayer structure has a lattice constant difference of 0.7% or less at an arbitrary minute portion in the epitaxial growth direction, and a lattice constant difference of 0.7% or more generated by the compound semiconductor layers 32 and 34. That is, it has distortion. Therefore, the semiconductor element 300 having such a multilayer buffer layer 31 enjoys the same effects as the semiconductor element 200 according to the second embodiment described above.

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。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element 300 according to the modification of the second embodiment of the present invention will be described. When the semiconductor element 300 is manufactured, first, the AlN intervening layer 2 and the intermediate layer 3 are sequentially stacked on the substrate 1 such as sapphire or silicon as in the method for manufacturing the semiconductor element 200 according to the second embodiment. .

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AlxGa(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AlxGa(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。 After forming the intermediate layer 3, a buffer layer 31 is formed on the intermediate layer 3. Specifically, TMGa is set to a flow rate of 58 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], CP 2 Mg is set to a flow rate of 0.01 [μmol / min], and these are intermediate. The compound semiconductor layer 32 made of GaN having a layer thickness of 6 [nm] was stacked on the intermediate layer 3 by introducing into the upper part of the layer 3 and setting the growth time to 12 [sec]. In this case, the amount of Mg added is 1 × 10 18 [cm −3 ]. Next, TMGa is set to a flow rate of 29 [μmol / min], TMA is set to a flow rate of 29 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], and CP 2 Mg is set to 0.01 [μmol / min]. These are introduced into the upper portion of the compound semiconductor layer 32, the growth time is 7 [sec], and the layer thickness is 3.5 [nm] Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x An intermediate layer 33 composed of ≦ 1) was laminated on the compound semiconductor layer 32. In this case, the amount of Mg added is 1 × 10 18 [cm −3 ]. Thereafter, TMA is set to a flow rate of 58 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], the growth time is set to 14 [sec], and the compound semiconductor layer 34 made of AlN having a layer thickness of 7 [nm]. Was laminated on the intermediate layer 33. Next, TMGa is set to a flow rate of 29 [μmol / min], TMA is set to a flow rate of 29 [μmol / min], NH 3 is set to a flow rate of 12 [l / min], and CP 2 Mg is set to 0.01 [μmol / min]. These are introduced into the upper portion of the compound semiconductor layer 34 at a flow rate of min], and the growth time is 7 [sec], and Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ) having a layer thickness of 3.5 [nm]. An intermediate layer 35 composed of ≦ 1) was laminated on the compound semiconductor layer 34. In this case, the amount of Mg added is 1 × 10 18 [cm −3 ].

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。   Thereafter, the epitaxial growth in which the compound semiconductor layer 32, the intermediate layer 33, the compound semiconductor layer 34, and the intermediate layer 35 are sequentially stacked in this order is repeated a desired number of times (for example, nine times), and the compound semiconductor layers 32, 34 and the intermediate layer 33, A desired number of composite layers (for example, 10 sets) are formed. In this way, the buffer layer 31 having a multilayer structure having, for example, 10 composite layers each including the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 is formed on the intermediate layer 3.

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。   After the multilayer buffer layer 31 is formed, the electron transit layer 15, the electron supply layer 16, and the contact layer 17 are formed on the buffer layer 31 in the same manner as in the method of manufacturing the semiconductor element 200 according to the second embodiment. Are sequentially laminated to form a semiconductor operation layer 5, and a source electrode 6, a gate electrode 7, and a drain electrode 8 are formed on the semiconductor operation layer 5. The semiconductor element 300 illustrated in FIG. 10 was manufactured by the above manufacturing method.

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。   Here, a sample of the semiconductor element 300 was manufactured by the above-described manufacturing method, and the composition change with respect to the epitaxial growth direction of the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 in the multilayer structure was analyzed using STEM. FIG. 12 is a diagram showing an analysis result of a composition change with respect to the epitaxial growth direction of the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 forming the multilayer structure of the semiconductor element 300. FIG. 12 shows, as an example of the analysis result, a dark field STEM image obtained by imaging a part of the multilayer structure of the semiconductor element 300, and a luminance profile obtained by analyzing the composition change in a part of the region B2 in the multilayer structure. Is shown.

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。   As can be seen from the analysis result shown in FIG. 12, the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 described above are alternately stacked a plurality of times with good crystallinity to form a multilayer structure of the buffer layer 31. It was. Further, as illustrated in the region B2, the compound semiconductor layer 32 has a Ga-rich substantially uniform composition, and the compound semiconductor layer 34 has an Al-rich substantially uniform composition. On the other hand, the intermediate layer 33 continuously changes in composition from a Ga-rich composition to an Al-rich composition in the epitaxial growth direction, and the intermediate layer 35 continuously changes from an Al-rich composition to a Ga-rich composition in the epitaxial growth direction. Compositionally changed. In this case, it was confirmed that the difference in lattice constant between arbitrary minute portions of the intermediate layers 33 and 35 whose composition changes with respect to the epitaxial growth direction is maintained at 0.7% or less.

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。   In the modification of the second embodiment of the present invention, a semiconductor element having a multilayer structure in which 10 composite layers each including the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35 are formed is illustrated. However, the semiconductor element may be a multi-layered semiconductor element having at least one set of such composite layers. In this case, the buffer layer may be formed by using one or more composite layers, or the semiconductor operation layer may be formed.

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。   Further, in the modification of the second embodiment of the present invention, the composition is continuous at the bonding interfaces at both ends of the intermediate layers 33 and 35. However, the present invention is not limited to this, and the lattice constant difference at the bonding interfaces is 0.7. % Or less, the composition may be continuous or discontinuous at each junction interface between the compound semiconductor layers 32 and 34 and the intermediate layers 33 and 35.

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。   Furthermore, in the modification of the second embodiment of the present invention, the composition of the intermediate layers 33 and 35 changes continuously and linearly with respect to the layer thickness direction A. However, the present invention is not limited thereto, and the intermediate layers 33 and 35 are not limited thereto. If the lattice constant difference at an arbitrary minute portion in the layer thickness direction A is 0.7% or less, the composition changes continuously and in a curve with respect to the layer thickness direction A as illustrated in FIG. Alternatively, as illustrated in FIG. 5, the composition may be changed stepwise in the layer thickness direction A, or a combination thereof may be used. When the composition changes continuously in the layer thickness direction A, the change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change is −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less. I just need it. Further, the composition change of the intermediate layers 33 and 35 may be a simple change in the layer thickness direction A within a range satisfying the condition of the difference in lattice constant at such a minute portion, or a complicated change (for example, It may be a change in which the Al composition in AlGaN increases or decreases.

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。   In the modification of the second embodiment of the present invention, the intermediate layers 33 and 35 have a composition change continuously and linearly with respect to the layer thickness direction A. However, the present invention is not limited to this. When the lattice constant difference of 34 is 0.7% or more and 1.4% or less, the intermediate layers 33 and 35 are 0.7% of the compound semiconductor layers 32 and 34 as illustrated in FIG. You may have the uniform composition used as the following lattice constant difference.

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。   As described above, in the modification of the second embodiment of the present invention, an intermediate layer is interposed at the stack interface of a plurality of nitride-based compound semiconductor layers having a lattice constant difference of 0.7% or more, and the plurality The lattice constant difference at each junction interface between the nitride compound semiconductor layer and the intermediate layer is 0.7% or less, and the lattice constant difference at an arbitrary minute portion in the epitaxial growth direction in the intermediate layer is 0.7%. % Or less. In addition, a multilayer structure is formed by using one or more composite layers each including a plurality of nitride-based compound semiconductor layers and intermediate layers. For this reason, similarly to Embodiment 2 described above, a multilayer structure having a lattice constant difference (strain) of 0.7% or more can be formed with good crystallinity. As a result, a semiconductor element that can enjoy the operational effects of the second embodiment described above can be realized.

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。   In the above-described first and second embodiments and the modifications thereof, the FET such as HEMT is exemplified as the semiconductor element according to the present invention. However, the present invention is not necessarily limited to the HEMT. The present invention can be applied to various FETs such as MISFET (Metal Insulator Semiconductor FET), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), MESFET (Metal Semiconductor FET) and the like.

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。   The present invention is applicable to various diodes such as Schottky diodes in addition to FETs. For example, a diode having a cathode electrode and an anode electrode in place of the source electrode 6, the drain electrode 8, and the gate electrode 7 of the semiconductor elements 100, 200, and 300 can be realized.

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、AlxGa(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AlxGa(1-x)Nを主成分にする窒化物系化合物半導体は、AlxGa(1-x)N以外の成分を含んでもよいものであり、例えばAlxInyGa(1-x-y) Asuv(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。 Furthermore, Embodiments 1 and 2 of the present invention and modifications thereof exemplify the case where the crystal material of the compound semiconductor layer is GaN or AlN and the crystal material of the intermediate layer is AlGaN. However, the present invention is not limited to this. The crystal material for forming the compound semiconductor layer or the intermediate layer may be a nitride compound semiconductor containing Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) as a main component. The nitride-based compound semiconductor containing Al x Ga (1-x) N as a main component may contain components other than Al x Ga (1-x) N. For example, Al x In y Ga (1-xy) As u P v N (1-uv) (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, u + v <1) .

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。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one structural example of the semiconductor element concerning Embodiment 1 of this invention. 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。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a composition profile of a buffer layer included in the semiconductor element according to the first embodiment. 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。It is a schematic diagram which illustrates the relationship between Al composition ratio of the AlGaN layer formed on the GaN layer, and surface roughness. 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。It is a schematic diagram which illustrates another aspect of the composition profile of the buffer layer which a composition changes continuously with respect to the layer thickness direction. 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。It is a schematic diagram which shows an example of the composition profile of the buffer layer which changes a composition in steps with respect to the layer thickness direction. 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。It is a schematic diagram which shows an example of the composition profile of the buffer layer which made the composition of each layer substantially uniform with respect to the layer thickness direction. 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。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one structural example of the semiconductor element concerning Embodiment 2 of this invention. 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。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a composition profile of a buffer layer included in a semiconductor element according to a second embodiment. 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。FIG. 6 is a diagram illustrating an analysis result of a multilayer structure of a semiconductor element according to a second embodiment. 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。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one structural example of the semiconductor element concerning the modification of Embodiment 2 of this invention. 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。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of a composition profile of a buffer layer included in a semiconductor element according to a modification of the second embodiment. 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。It is a figure which shows the analysis result of the multilayered structure of the semiconductor element concerning the modification of Embodiment 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 AlN intervening layer 3 Intermediate layer 4, 21, 31 Buffer layer 5 Semiconductor operation layer 6 Source electrode 7 Gate electrode 8 Drain electrode 11, 13, 22, 32, 34 Compound semiconductor layer 12, 14, 23, 33, 35 Intermediate layer 15 Electron traveling layer 15a Two-dimensional electron gas layer 16 Electron supply layer 17 Contact layer 15, 16 Mask 23a, 23b Composition change layer 100, 200, 300 Semiconductor element

Claims (10)

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%以下であり、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連続的または段階的に組成を変化させる中間層と、を備え、
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半導体素子。
A first layer formed of a nitride compound semiconductor;
A second layer formed of a nitride compound semiconductor having a lattice constant difference of 0.7% or more with respect to the first layer;
Interposed in the stacking interface between the first layer and the second layer, the lattice constant difference at the bonding interface of the first layer, the lattice constant difference at the bonding interface of the second layer, and the both ends both the lattice constant difference at a minute portion in the interposed bonding interface region also Ri der 0.7% or less, while maintaining the lattice constant difference at a small fraction of the area below 0.7% An intermediate layer whose composition is changed continuously or stepwise with respect to the layer thickness direction,
The semiconductor element, wherein a change amount of a lattice constant difference corresponding to a gradient of the composition change in a minute portion in the region is −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less .
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。
A compound semiconductor layer formed of a nitride compound semiconductor;
A plurality of compound semiconductor layers formed in multiple layers are interposed at the stacking interface, and the lattice constant difference at each bonding interface of the compound semiconductor layers at both ends is 0.7% or less, and the bonding at both ends The composition is changed in the layer thickness direction while maintaining a lattice constant difference at a small portion in the region sandwiched between the interfaces at 0.7% or less, and the lattice constant for the nitride-based compound semiconductor in the region is changed. An intermediate layer having a minute portion with a difference of 0.7% or more;
A semiconductor device comprising:
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に記載の半導体素子。
The composition of the intermediate layer continuously changes in the layer thickness direction,
3. The change amount of the lattice constant difference corresponding to the gradient of the composition change at a minute portion in the region is −0.7% / nm or more and 0.7% / nm or less. The semiconductor element as described in.
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に記載の半導体素子。
The first layer and the second layer are plural and formed alternately,
The semiconductor element according to claim 1 , wherein the intermediate layer is interposed at each stacked interface between the first layer and the second layer that are alternately formed.
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に記載の半導体素子。 5. The semiconductor according to claim 4 , wherein a layer thickness from a lower end of the first layer to a lower end of the next first layer among the plurality of first layers is 6 nm or more and 3000 nm or less. element. 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1,4,5のいずれか一つに記載の半導体素子。 The first layer and the second layer and the composite layer comprising said intermediate layer, according to claim 1, the semiconductor device according to any one of 4, 5, which comprises forming a buffer layer. 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に記載の半導体素子。 3. The semiconductor device according to claim 2 , wherein the compound semiconductor layer and the intermediate layer are plural and are alternately formed. 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に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 7 , wherein a layer thickness from a lower end of the compound semiconductor layer to a lower end of the next compound semiconductor layer among the plurality of compound semiconductor layers is 6 nm or more and 3000 nm or less. 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2,7,8のいずれか一つに記載の半導体素子。 The compound semiconductor layer and the composite layer comprising said intermediate layer is a semiconductor device according to any one of claims 2,7,8, characterized by forming the buffer layer. 前記窒化物系化合物半導体は、AlxGa(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〜のいずれか一つに記載の半導体素子。 The nitride-based compound semiconductor, Al x Ga (1-x ) N semiconductor device according to any one of claims 1-9 which (0 ≦ x ≦ 1), characterized in that the main component.
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