JP5580009B2 - 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および、半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 - Google Patents
半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および、半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、III族窒化物半導体により構成される、多層構造を有するエピタキシャル基板、特に、電子デバイス用の多層構造エピタキシャル基板、およびその作製方法に関する。
窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度を有することから次世代の高周波／ハイパワーデバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである（例えば、非特許文献１参照）。
ＨＥＭＴ素子用基板の下地基板として、例えばシリコンやＳｉＣのような、III族窒化物とは異なる組成の単結晶（異種単結晶）を用いることがある。この場合、歪み超格子層や低温成長緩衝層などの緩衝層が、初期成長層として下地基板の上に形成されるのが一般的である。よって、下地基板の上に障壁層、チャネル層、および緩衝層をエピタキシャル形成してなるのが、異種単結晶からなる下地基板を用いたＨＥＭＴ素子用基板の最も基本的な構成態様となる。これに加えて、障壁層とチャネル層の間に、２次元電子ガスの空間的な閉じ込めを促進する目的として、厚さ１ｎｍ前後のスペーサ層が設けられることもある。スペーサ層は、例えばＡｌＮなどで構成される。さらには、ＨＥＭＴ素子用基板の最表面におけるエネルギー準位の制御や、電極とのコンタクト特性の改善を目的として、例えばｎ型ＧａＮ層や超格子層からなるキャップ層が、障壁層の上に形成される場合もある。
チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＡｌＧａＮにて形成するという、最も一般的な構成の窒化物ＨＥＭＴ素子の場合、ＨＥＭＴ素子用基板に内在する二次元電子ガスの濃度は、障壁層を形成するＡｌＧａＮのＡｌＮモル分率の増加に伴い増加することが知られている（例えば、非特許文献２参照）。二次元電子ガス濃度を大幅に増やすことができれば、ＨＥＭＴ素子の可制御電流密度、すなわち取り扱える電力密度を大幅に向上させることが可能と考えられる。
また、チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＩｎＡｌＮにて形成したＨＥＭＴ素子のように、ピエゾ分極効果への依存が小さくほぼ自発分極のみにより高い濃度で二次元電子ガスを生成できる歪の少ない構造を有するＨＥＭＴ素子も注目されている（例えば、非特許文献３参照）。
"Highly Reliable 250W High Electron Mobility Transistor Power Amplifier", TOSHIHIDE KIKKAWA, Jpn. J. Appl. Phys. 44,(2005),4896
"Gallium Nitride Based High Power Heterojuncion Field Effect Transistors: process Development and Present Status at USCB", Stacia Keller, Yi-Feng Wu, Giacinta Parish, Naiqian Ziang, Jane J. Xu, Bernd P. Keller, Steven P. DenBaars, and Umesh K. Mishra, IEEE Trans. Electron Devices 48, (2001), 552
"Can InAlN/GaN be an alternative to high power/high temperature AlGaN/GaN devices?", F. Medjdoub, J.-F. Carlin, M. Gonschorek, E. Feltin, M.A. Py, D. Ducatteau, C. Gaquiere, N. Grandjean, and E. Kohn, IEEE IEDM Tech. Digest in IEEE IEDM 2006, 673
このようなＨＥＭＴ素子あるいはその作製に用いる多層構造体であるＨＥＭＴ素子用基板を実用化するには、電力密度の増大、高効率化などといった性能向上に関連する課題、ノーマリオフ動作化など機能性向上に関連する課題、高信頼性や低価格化といった基本的な課題、など様々な課題を解決する必要がある。各々の課題につき、活発な取組みがなされている。
そうした課題の１つとして、ゲート電極と障壁層とのショットキーコンタクト特性の向上がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ショットキーコンタクト特性が優れており、かつ、良好なデバイス特性を有する半導体素子を実現することができる半導体素子用のエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、下地基板と、少なくともＧａを含む、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層と、少なくともＩｎとＡｌとをともに含む、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層と、を備えるエピタキシャル基板であって、前記障壁層においては、表面から前記障壁層の深さ方向において所定距離範囲内の部分を表面近傍部とし、前記表面から前記深さ方向において前記所定距離以上離れた部分をベース部とするとき、前記ベース部においてはＩｎ組成比が一様であり、前記表面におけるＩｎ組成比は前記ベース部におけるＩｎ組成比よりも小さく、かつ、前記表面と前記ベース部との間においてはＩｎ組成比が連続的に変化する、ことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記表面近傍部が前記障壁層の前記表面から前記深さ方向に６ｎｍ以上の範囲であり、前記ベース部における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２αＡｌｙ２αＧａｚ２αＮ（ｘ２α＋ｙ２α＋ｚ２α＝１）と表し、前記表面における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２βＡｌｙ２βＧａｚ２βＮ（ｘ２β＋ｙ２β＋ｚ２β＝１）と表す場合に、０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５である、ことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物の組成がｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３で定まる範囲内にあるとともに、前記障壁層のうち、少なくとも前記ベース部において、前記第２のIII族窒化物の組成が、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮを頂点とする三元状態図上において、前記第１のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内にある、ことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記障壁層のうち、少なくとも前記ベース部において、前記第２のIII族窒化物の組成が、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮを頂点とする三元状態図上において、前記第１のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内にある、ことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記第１のIII族窒化物がＧａＮである、ことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記チャネル層と前記障壁層との間に、少なくともＡｌを含み、前記障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する、Ｉｎx3Ａｌy3Ｇａz3Ｎ（ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）なる組成の第３のIII族窒化物からなるスペーサ層、をさらに備えることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記第３のIII族窒化物の組成がｘ３＝０、０≦ｚ３≦０．０５で定まる範囲内にあることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、前記第３のIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする。
請求項９の発明は、半導体素子であって、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の前記障壁層の上に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極が設けられてなる。
請求項１０の発明は、下地基板の上に、少なくともＧａを含む、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、前記チャネル層の上に、少なくともＩｎとＡｌとをともに含む、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層を形成する障壁層形成工程と、を備える半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、前記障壁層形成工程においては、表面から前記障壁層の深さ方向において所定距離範囲内の部分を表面近傍部とし、前記表面から前記深さ方向において前記所定距離以上離れた部分をベース部とするとき、前記ベース部においてはＩｎ組成比が一様であり、前記表面におけるＩｎ組成比は前記ベース部におけるＩｎ組成比よりも小さく、かつ、前記表面と前記ベース部との間においてはＩｎ組成比が連続的に変化するように、前記障壁層を形成する、ことを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、前記障壁層形成工程においては、前記障壁層の前記表面から前記深さ方向に６ｎｍ以上の範囲を前記表面近傍部とし、前記ベース部における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２αＡｌｙ２αＧａｚ２αＮ（ｘ２α＋ｙ２α＋ｚ２α＝１）と表し、前記表面における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２βＡｌｙ２βＧａｚ２βＮ（ｘ２β＋ｙ２β＋ｚ２β＝１）と表す場合に、０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５をみたすように前記障壁層を形成する、ことを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１０または請求項１１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、前記第１のIII族窒化物の組成をｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３で定まる範囲内から選択するとともに、前記障壁層のうち、少なくとも前記ベース部について、前記第２のIII族窒化物の組成を、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮを頂点とする三元状態図上において、前記第１のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内から選択する、ことを特徴とする。
請求項１ないし請求項１２の発明によれば、障壁層とショットキー性接触する電極との間のショットキーコンタクト特性が従来よりも改善された半導体素子が実現できる。
特に、請求項３、請求項４、および請求項１２の発明によれば、優れたショットキーコンタクト特性を有するとともに、歪による内部応力が少なく、かつ、２×１０13／ｃｍ2以上という従来に比して高い濃度で二次元電子ガスが生成する半導体素子を作製可能なエピタキシャル基板、および当該半導体素子が実現される。
特に、請求項４の発明によれば、優れたショットキーコンタクト特性を有するとともに、歪による内部応力が少なく、かつ、３×１０13／ｃｍ2以上というより高い濃度で二次元電子ガスが生成する半導体素子を作製可能なエピタキシャル基板、および当該半導体素子が実現される。
＜第１の実施の形態＞
＜ＨＥＭＴ素子の構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０の構成を概略的に示す断面模式図である。ＨＥＭＴ素子１０は、基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とが積層形成された構成を有する。バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とはいずれも、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）を用いてエピタキシャル形成される（詳細は後述）のが好適な一例である。以降においては、基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とが積層形成された積層構造体を、エピタキシャル基板１０Ａとも称することとする。なお、図１における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
＜ＨＥＭＴ素子の構成＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０の構成を概略的に示す断面模式図である。ＨＥＭＴ素子１０は、基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とが積層形成された構成を有する。バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とはいずれも、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）を用いてエピタキシャル形成される（詳細は後述）のが好適な一例である。以降においては、基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とが積層形成された積層構造体を、エピタキシャル基板１０Ａとも称することとする。なお、図１における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
以降においては、各層の形成にＭＯＣＶＤ法を用いる場合を対象に説明を行うが、良好な結晶性を有するように各層を形成できる手法であれば、他のエピタキシャル成長手法、例えば、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、ＬＰＥなど、種々の気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法を用いてもよいし、異なる成長法を組み合わせて用いる態様であってもよい。
基板１は、その上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成できるものであれば、特段の制限なく用いることができる。単結晶６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いるのが好適な一例であるが、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライトなどからなる基板を用いる態様であってもよい。
また、バッファ層２は、その上に形成されるチャネル層３と障壁層５との結晶品質を良好なものとするべく、ＡｌＮにて数百ｎｍ程度の厚みに形成される層である。例えば、２００ｎｍの厚みに形成するのが好適な一例である。
チャネル層３は、Ｉｎx1Ａｌy1Ｇａz1Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成のIII族窒化物にて、数μｍ程度の厚みに形成される層である。本実施の形態においては、チャネル層３は、ｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３なる組成範囲をみたすように形成される。０．３＜ｙ１≦１とした場合には、チャネル層３自身の結晶性の劣化が顕著となり、電気特性が良好なエピタキシャル基板１０ＡさらにはＨＥＭＴ素子１０を得ることが困難となる。
一方、障壁層５は、Ｉｎx2Ａｌy2Ｇａz2Ｎ（ただし、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）なる組成のIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成される層である。障壁層５については後で詳述する。
また、ＨＥＭＴ素子１０においては、障壁層５の上にさらに、ソース電極６と、ドレイン電極７と、ゲート電極８とが設けられてなる。ソース電極６とドレイン電極７とは、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属電極である。ソース電極６およびドレイン電極７は、障壁層５との間にオーミック性接触を有してなる。一方、ゲート電極８は、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有するＰｄ／Ａｕからなる多層金属電極である。ゲート電極８は、障壁層５との間にショットキー性接触を有してなる。なお、ソース電極６およびドレイン電極７に用いる金属は、本発明における半導体エピタキシャル基板に対し良好なオーミック性接触が得られる限り、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属に限定されるものでなく、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕあるいは、Ｔｉ／Ａｌなどを用いることができる。また、ゲート電極８に用いられる金属についても、本発明における半導体エピタキシャル基板に対し良好なショットキー性接触が得られる限り、Ｐｄ／Ａｕに限定されるものでなく、例えばＰｄ／Ｔｉ／ＡｕやＮｉ／Ａｕなども用いることができる。
このような層構成を有するＨＥＭＴ素子１０においては（エピタキシャル基板１０Ａにおいては）、チャネル層３と障壁層５の界面Ｉがヘテロ接合界面となるので、自発分極効果とピエゾ分極効果により、当該界面Ｉに（より詳細には、チャネル層３の当該界面近傍に）二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域３ｅが形成される。なお、係る二次元電子ガスを生成させるために、当該界面Ｉは、平均粗さが０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲にあり、これを形成するための障壁層５の表面の二乗平均粗さが０．１ｎｍ〜３ｎｍの範囲にあるように形成される。なお、係る範囲を超えて平坦な界面が形成される態様であってもよいが、コスト面や製造歩留まりなどを考えると現実的ではない。また、好ましくは、平均粗さが０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲にあり、障壁層５の表面の５μｍ×５μｍ視野における二乗平均粗さが０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲にあるように形成される。係る場合、ソース電極６およびドレイン電極７と障壁層５との間において、より良好なオーミック特性が得られるとともに、ゲート電極８と障壁層５との間において、より良好なショットキー特性が得られる。加えて、二次元電子ガスの閉じこめ効果がさらに高められ、より高濃度の二次元電子ガスが生成する。
＜障壁層＞
本実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０においては、障壁層５が、その表面５ａからの深さ方向（厚み方向）に一様な組成を有するのではなく、傾斜組成を有するように形成されてなる。
本実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０においては、障壁層５が、その表面５ａからの深さ方向（厚み方向）に一様な組成を有するのではなく、傾斜組成を有するように形成されてなる。
図２は、障壁層５における深さ方向についてのＩｎ組成比の分布を模式的に示す図である。図２に示すように、障壁層５においては、表面から深さ方向に距離ｄ１以上離れた部分（以下、ベース部とも称する）では界面Ｉの位置にいたるまで一様なＩｎ組成比ｘ２を有している。なお、距離ｄ１は、障壁層５の厚みに応じて適宜に定められてよいが、少なくとも６ｎｍ以上である。当該ベース部は、Ｉｎx2αＡｌy2αＧａz2αＮ（ただし、ｘ２α＋ｙ２α＋ｚ２α＝１）なる組成のIII族窒化物にて形成されてなるとする。これに対して、障壁層５の表面５ａは、ｘ２αより小さなｘ２βなるＩｎ組成比ｘ２を有する、Ｉｎx2βＡｌy2βＧａz2βＮ（ただし、ｘ２β＋ｙ２β＋ｚ２β＝１）なる組成のIII族窒化物にて形成されてなるとする。好ましくは、０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５である。そして、表面５ａから距離ｄ１の範囲（以下、表面近傍部とも称する）では、Ｉｎ組成比ｘ２は連続的に変化するものの、距離ｄに応じて異なる値を有している。
すなわち、障壁層５においては、表面近傍部におけるＩｎ組成比が前記表面近傍部以外の部分（つまりはベース部）におけるＩｎ組成比よりも小さくなっている。本実施の形態においては、表面近傍部内で表面でのＩｎ組成比ｘ２βよりも小さなＩｎ組成比を取り得る場合を含め、障壁層５が表面５ａから距離ｄ１の範囲で傾斜組成を有している、と称することとする。また、比ｘ２β／ｘ２αを傾斜率とも称する。
なお、表面近傍部で傾斜組成を有する障壁層５の形成は、障壁層５を形成する際のサセプタ温度や原料ガスの流量などを適宜に調整することによって実現可能である。
障壁層５がこのような傾斜組成を有する、本実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０においては、ゲート電極８と障壁層５との間のショットキーコンタクト特性が、従来よりも改善されてなる。例えば、理想因子（ｎ値）が１．１以下と１に近く、かつ、ショットキー電極の逆方向リーク電流が、傾斜組成を有しない従来のＨＥＭＴ素子の約１／１０程度にまで低減された、ＨＥＭＴ素子が実現される。
＜チャネル層と障壁層の組成と二次元電子ガス濃度との関係＞
チャネル層３と障壁層５を構成するIII族窒化物の組成が所定の要件を満たすようにすることで、従来よりも高い濃度で二次元電子ガスが存在する二次元電子ガス領域３ｅを備える一方で、歪みによる内部応力が抑制されたＨＥＭＴ素子１０が実現される。具体的には、２×１０13／ｃｍ2以上という二次元電子ガス濃度が実現される。なお、ＨＥＭＴ素子１０における二次元電子ガスの移動度は、概ね３００〜４００ｃｍ2／Ｖｓ程度である。
チャネル層３と障壁層５を構成するIII族窒化物の組成が所定の要件を満たすようにすることで、従来よりも高い濃度で二次元電子ガスが存在する二次元電子ガス領域３ｅを備える一方で、歪みによる内部応力が抑制されたＨＥＭＴ素子１０が実現される。具体的には、２×１０13／ｃｍ2以上という二次元電子ガス濃度が実現される。なお、ＨＥＭＴ素子１０における二次元電子ガスの移動度は、概ね３００〜４００ｃｍ2／Ｖｓ程度である。
図３、図４、図５、および図６は、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮの３成分を頂点とする三元状態図上に、二次元電子ガス濃度と障壁層５の組成との関係をマッピングした図である。なお、図示の簡略のため、図３〜図６においては、組成範囲の特定に影響しないデータのマッピングを省略している。各図に対応するチャネル層３の組成は以下の通りである。
図３：ＧａＮ（ｘ１＝ｙ１＝０、ｚ＝１）；
図４：Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ｘ１＝０、ｙ１＝０．１、ｚ１＝０．９）；
図５：Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ（ｘ１＝０、ｙ１＝０．２、ｚ１＝０．８）；
図６：Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ（ｘ１＝０、ｙ１＝０．３、ｚ１＝０．７）。
図４：Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ｘ１＝０、ｙ１＝０．１、ｚ１＝０．９）；
図５：Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ（ｘ１＝０、ｙ１＝０．２、ｚ１＝０．８）；
図６：Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ（ｘ１＝０、ｙ１＝０．３、ｚ１＝０．７）。
図３〜図６に示したマッピング結果からは、障壁層５が、三元状態図において次に示す各式で表される５つの直線にて囲まれる範囲内の組成を選択すれば、二次元電子ガス領域３ｅにおける二次元電子ガス濃度が２×１０13／ｃｍ2以上となることが導かれる。より詳細には、少なくともベース部の組成が下記の直線で表される組成範囲をみたせばよく、さらに、表面近傍部がこれらの組成範囲をみたす態様であってもよい。
式（１）、（２）、（３）は、チャネル層３の組成（具体的にはｘ１＝０としたときのｙ１の値）を変数として含んでいるが、これは、２×１０13／ｃｍ2以上という高い二次元電子ガス濃度が実現される障壁層５の組成が、チャネル層３の組成に応じて定まることを意味している。なお、ｙ１＜９／３４のときには、式（１）〜（４）で表される直線で閉領域が形成されるので、式（５）で表される直線は、組成範囲の画定には無関係となる。
一方、係る組成範囲をみたすように作製したエピタキシャル基板１０Ａについては、Ｘ線回折測定の結果から、障壁層５の面内方向の歪みが１％以内であることが確認されている。
以上のことは、上述の組成範囲をみたす組成にてチャネル層３と障壁層５とが形成されたＨＥＭＴ素子１０においては、内部応力に伴う歪みが抑制されているとともに、両層の界面Ｉに、２×１０13／ｃｍ2以上という従来よりも高い濃度の二次元電子ガス領域３ｅが形成されることを指し示している。
さらに、図３〜図６に示したマッピング結果からは、障壁層５が、三元状態図において次に示す各式で表される５つの直線にて囲まれる範囲内の組成をとるときに、二次元電子ガス領域３ｅにおける二次元電子ガス濃度が３×１０13／ｃｍ2以上となることが導かれる。
なお、ｙ１＜９／３４のときには、式（６）〜（９）で表される直線で閉領域が形成されるので、式（１０）で表される直線は、組成範囲の画定には無関係となる。
このことは、上述の組成範囲をみたす組成にてチャネル層３と障壁層５とが形成されたＨＥＭＴ素子１０においては、両層の界面Ｉに、３×１０13／ｃｍ2以上という従来よりも高い濃度の二次元電子ガス領域３ｅが形成されることを指し示している。
なお、上述の組成範囲についての議論は、チャネル層３および障壁層５が不純物を含有することを除外するものではない。例えば、チャネル層３と障壁層５は、０．０００５ａｔ％（１×１０17／ｃｍ3）以上０．０５ａｔ％（１×１０19／ｃｍ3）以下という濃度範囲で酸素原子を含んでいてもよいし、０．００１０ａｔ％（２×１０17／ｃｍ3）以上０．０５ａｔ％（１×１０19／ｃｍ3）以下という濃度範囲で炭素原子を含んでいてもよい。なお、酸素原子および炭素原子の濃度は、上述した範囲におけるそれぞれの下限値よりも小さくてもよいが、コスト面や製造歩留まりなどを考えると現実的ではない。一方、酸素原子および炭素原子の濃度が、上述した範囲におけるそれぞれの上限値よりも大きくなることは、デバイス特性の劣化を招く程度にまでそれぞれの層の結晶性が劣化することになり好ましくない。
＜チャネル層組成とデバイス特性との関係＞
上述のように、チャネル層３は、ｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３なる組成範囲をみたすように形成されるが、チャネル層３がＡｌをわずかでも含むようにした場合（ｙ１＞０の場合）、その比抵抗は急激に増大するとともに、オフ時のドレインリーク電流は急激に減少する。例えば、ｙ１＝０の場合（チャネル層３がＧａＮ）に比べて、ｙ１＝０．０１の場合（チャネル層３がＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ）は比抵抗が２オーダー程度大きくなり、ドレインリーク電流は２オーダー程度小さくなる。さらに、ｙ１＝０．１の場合（チャネル層３がＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ）にはｙ１＝０のときに比べて比抵抗は４オーダー程度大きくなり、ドレインリーク電流は３オーダー程度小さくなる。
上述のように、チャネル層３は、ｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３なる組成範囲をみたすように形成されるが、チャネル層３がＡｌをわずかでも含むようにした場合（ｙ１＞０の場合）、その比抵抗は急激に増大するとともに、オフ時のドレインリーク電流は急激に減少する。例えば、ｙ１＝０の場合（チャネル層３がＧａＮ）に比べて、ｙ１＝０．０１の場合（チャネル層３がＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ）は比抵抗が２オーダー程度大きくなり、ドレインリーク電流は２オーダー程度小さくなる。さらに、ｙ１＝０．１の場合（チャネル層３がＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ）にはｙ１＝０のときに比べて比抵抗は４オーダー程度大きくなり、ドレインリーク電流は３オーダー程度小さくなる。
その一方で、二次元電子ガスの移動度は、０≦ｙ１≦０．１の範囲ではほとんど変化しない。これは、ＡｌＮモル分率の増加に伴うチャネル層の結晶性劣化が顕著でないこと、および、ＡｌＮモル分率が比較的少ないことにより（混晶材料の場合に生じる）合金散乱に伴う移動度劣化が顕著に起こっていないためであると考えられる。
これにより、チャネル層３を、ｘ１＝０、０．０１≦ｙ１≦０．１なる組成範囲をみたすように形成した場合、二次元電子ガスの移動度が高く、かつ、オフ時のドレインリーク電流が小さいＨＥＭＴ素子が実現される。
また、二次元電子ガスの移動度は、ｙ１＞０．１の範囲で減少し始めるが、比抵抗やドレインリーク電流に比して、その変化は緩やかである。一方、ｙ１の値が大きいほど、オフ耐圧は大きくなり、ｙ１＞０．１の範囲ではｙ１＝０のときの２倍以上のオフ耐圧が得られる。これは、チャネル層３のバンドギャップの増大に伴い、絶縁破壊電界が増大したことによるものである。
これにより、チャネル層３を、ｘ１＝０、０．１≦ｙ１≦０．３なる組成範囲をみたすように形成した場合には、オフ時のドレインリーク電流が小さく、かつ高耐圧のＨＥＭＴ素子が実現される。
＜エピタキシャル基板およびＨＥＭＴ素子の作製方法＞
次に、上述のようなチャネル層３および障壁層５が上述のような組成範囲を有するエピタキシャル基板１０Ａを作製し、さらに係るエピタキシャル基板１０Ａを用いてＨＥＭＴ素子１０を作製する方法を説明する。
次に、上述のようなチャネル層３および障壁層５が上述のような組成範囲を有するエピタキシャル基板１０Ａを作製し、さらに係るエピタキシャル基板１０Ａを用いてＨＥＭＴ素子１０を作製する方法を説明する。
なお、以下においては、１つの基板１から、多数個のＨＥＭＴ素子１０を同時に作製する場合（多数個取りする場合）を対象に説明する。
エピタキシャル基板１０Ａの作製は、公知のＭＯＣＶＤ炉を用いて行うことができる。具体的には、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａについての有機金属（ＭＯ）原料ガス（ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＴＭＧ）と、アンモニアガスと、水素ガスと、窒素ガスとをリアクタ内に供給可能に構成されてなるＭＯＣＶＤ炉を用いる。
まず、例えば（０００１）面方位の２インチ径の６Ｈ−ＳｉＣ基板などを基板１として用意し、該基板１を、ＭＯＣＶＤ炉のリアクタ内に設けられたサセプタの上に設置する。リアクタ内を真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を５ｋＰａ〜５０ｋＰａの間の所定の値（例えば３０ｋＰａ）に保ちつつ、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した上で、サセプタ加熱によって基板を昇温する。
サセプタ温度がバッファ層形成温度である９５０℃〜１２５０℃の間の所定温度（例えば１０５０℃）に達すると、Ａｌ原料ガスとＮＨ3ガスをリアクタ内に導入し、バッファ層２としてのＡｌＮ層を形成する。
ＡｌＮ層が形成されると、サセプタ温度を所定のチャネル層形成温度Ｔ１（℃）に保ち、チャネル層３の組成に応じた有機金属原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、チャネル層３としてのＩｎx1Ａｌy1Ｇａz1Ｎ層（ただし、ｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３）を形成する。ここで、チャネル層形成温度Ｔ１は、９５０℃≦Ｔ１≦１２５０℃なる温度範囲から、チャネル層３のＡｌＮモル分率ｙ１の値に応じて定められる値である。なお、チャネル層３形成時のリアクタ圧力には特に限定はなく、１０ｋＰａから大気圧（１００ｋＰａ）の範囲から適宜選ぶことができる。
Ｉｎx1Ａｌy1Ｇａz1Ｎ層が形成されると、次いで、サセプタ温度を所定の障壁層形成温度Ｔ２（℃）に保ち、リアクタ内に窒素ガス雰囲気を形成する。ここで、障壁層形成温度Ｔ２は、６５０℃以上８００℃以下の範囲の中から、Ｉｎ組成比に応じて定められる。その際、リアクタ内圧力は１ｋＰａ〜３０ｋＰａの間の所定の値（例えば１０ｋＰａ）に保たれるようにする。なお、リアクタ内圧力は１ｋＰａ〜２０ｋＰａの間の所定の値とした場合には、ショットキー電極の逆方向リーク電流がより少なく（ショットキーコンタクト特性がより良好で）、かつオーミックコンタクト抵抗が低いＨＥＭＴ素子１０が実現される。これは、リアクタ圧力を低くすることにより、障壁層５の表面平坦性が高まることに由来する効果である。
続いて、アンモニアガスと、障壁層５の組成に応じた流量比の有機金属原料ガスとを、いわゆるＶ／III比が３０００以上２００００以下の間の所定の値となるようにリアクタ内に導入し、障壁層５としてのＩｎx2Ａｌy2Ｇａz2Ｎ層を所定の厚みに形成する。その際、Ｉｎx2Ａｌy2Ｇａz2Ｎ層は、（１）式〜（５）式を満たすＩｎx2αＡｌy2αＧａz2αＮなる組成を有するように、かつ、表面近傍部において傾斜組成を有し、表面５ａにおいてＩｎx2βＡｌy2βＧａz2βＮなる組成を有するように、形成される。なお、障壁層５の好ましい成長レートの範囲は０．０１〜０．１μｍ／ｈである。
なお、Ｖ／III比を３０００以上７５００以下の範囲の所定の値とした場合、チャネル層３と障壁層５との界面Ｉが、平均粗さが０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲にあり、障壁層５の表面の５μｍ×５μｍ視野における二乗平均粗さが０．１ｎｍ〜１ｎｍの範囲にあるように形成される。
なお、傾斜組成部分の形成は、障壁層形成温度Ｔ２を一定に保ったまま原料ガスの流量比を傾斜組成に応じて調整することによって実現される。あるいは、流量比を一定に保ったまま、障壁層形成温度Ｔ２を変動させることによっても実現可能である。
また、本実施の形態においては、障壁層５の作製に際して、有機金属原料のバブリング用ガス、キャリアガスに、全て窒素ガスを用いるものとする。すなわち、原料ガス以外の雰囲気ガスが窒素ガスのみであるようにする。これにより、リアクタ内の窒素分圧が大きくなるため、８００℃以下というアンモニア分子の分解速度が比較的低い温度域であっても、Ｉｎと窒素との反応を高活性状態で進行させることができる。結果として、障壁層５をＩｎを含有する窒化物にて構成する場合であっても、これを安定的に形成することができる。また、障壁層５の電子構造を理想的な状態で維持することができるので、二次元電子ガス領域３ｅにおける、高濃度での二次元電子ガスの生成が実現される。なお、障壁層５の作製に際し、雰囲気に水素ガスを意図的に混入させることは、二次元電子ガス濃度の低下を生じさせるために好ましくない。
障壁層５が形成されれば、エピタキシャル基板１０Ａが作製されたことになる。
エピタキシャル基板１０Ａが得られると、これを用いてＨＥＭＴ素子１０を作製する。なお、以降の各工程は、公知の手法で実現されるものである。
まず、フォトリソグラフィプロセスとＲＩＥ法を用いて個々の素子の境界となる部位を深さ４００ｎｍ程度までエッチング除去する素子分離工程を行う。係る素子分離工程は、１つのエピタキシャル基板１０Ａから多数個のＨＥＭＴ素子１０を得るために必要な工程であって、本発明にとって本質的に必要な工程ではない。
素子分離工程を行った後、エピタキシャル基板１０Ａの上にＳｉＯ2膜を所定の厚み（例えば１０ｎｍに形成し、続いてフォトリソグラフィプロセスによりソース電極６およびドレイン電極７の形成予定箇所のＳｉＯ2膜のみをエッチング除去してＳｉＯ2パターン層を形成する。
ＳｉＯ2パターン層を形成した後、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとにより、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるソース電極６とドレイン電極７とをそれぞれの形成予定箇所に形成する。次いで、ソース電極６およびドレイン電極７のオーミック性を良好なものにするため、６５０℃〜１０００℃の間の所定温度（例えば７００℃）の窒素ガス雰囲気中において数十秒間（例えば３０秒間）の熱処理を施す。
係る熱処理の後、フォトリソグラフィプロセスにより、ＳｉＯ2パターン層から、ゲート電極８の形成予定箇所のＳｉＯ2膜を除去したうえで、真空蒸着法とフォトリソグラフィプロセスとにより、該形成予定箇所に、Ｐｄ／Ａｕからなるゲート電極８を形成する。ゲート電極８は、ショットキー性金属パターンとして形成される。
以上のプロセスにより、ＨＥＭＴ素子１０が得られる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、エピタキシャル基板の障壁層が表面近傍部において傾斜組成を有するようにすることで、障壁層とショットキー接触する電極との間のショットキーコンタクト特性が従来よりも改善されたＨＥＭＴ素子が実現される。具体的には、傾斜率ｘ２β／ｘ２αを０．９以上０．９５以下とすることで、ショットキー電極の逆方向リーク電流が従来の約１／１０程度以下にまで低減される。
また、チャネル層を、Ｉｎx1Ａｌy1Ｇａz1Ｎ（ただしｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１、ｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３）なる組成範囲をみたすように形成するとともに、（１）式〜（５）式で定まる組成範囲をみたすように障壁層の組成を定めてエピタキシャル基板を作製すれば、係るエピタキシャル基板を用いることで、内部応力に伴う歪みが抑制されているとともに、２×１０13／ｃｍ2以上という、従来よりも高い濃度の二次元電子ガス領域が形成されるＨＥＭＴ素子が実現される。特に、（６）式〜（１０）式で定まる組成範囲をみたすように障壁層の組成を定めてエピタキシャル基板を作製した場合には、３×１０13／ｃｍ2以上という濃度の二次元電子ガス領域が形成されるＨＥＭＴ素子が実現される。
＜第２の実施の形態＞
＜スペーサ層を備えるＨＥＭＴ素子＞
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子２０の構成を概略的に示す断面模式図である。ＨＥＭＴ素子２０は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０のチャネル層３と障壁層５の間に、スペーサ層４が介挿された構成を有する。スペーサ層４以外の構成要素については、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０と同じであるので、その詳細な説明は省略する。なお、以降においては、基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５とが積層形成された積層構造体を、エピタキシャル基板２０Ａとも称することとする。
＜スペーサ層を備えるＨＥＭＴ素子＞
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子２０の構成を概略的に示す断面模式図である。ＨＥＭＴ素子２０は、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０のチャネル層３と障壁層５の間に、スペーサ層４が介挿された構成を有する。スペーサ層４以外の構成要素については、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０と同じであるので、その詳細な説明は省略する。なお、以降においては、基板１と、バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５とが積層形成された積層構造体を、エピタキシャル基板２０Ａとも称することとする。
スペーサ層４は、Ｉｎx3Ａｌy3Ｇａz3Ｎ（ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）なる組成を有し、少なくともＡｌを含み、かつ、障壁層５のバンドギャップ以上のバンドギャップを有するIII族窒化物にて、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲の厚みで形成される層である。例えば、ｘ３＝０かつ０≦ｚ３≦０．２であるようにスペーサ層４を形成する場合、どのような障壁層５よりもバンドギャップが大きなスペーサ層４が形成される。好ましくは、スペーサ層４はｘ３＝０かつ０≦ｚ３≦０．０５であるように形成される。係る場合、合金散乱効果が抑制され、二次元電子ガスの濃度および移動度が向上する。より好ましくは、スペーサ層４はＡｌＮ（ｘ３＝０、ｙ３＝１、ｚ３＝０）にて形成される。係る場合、スペーサ層４がＡｌとＮの二元系化合物となるので、Ｇａを含む３元系化合物の場合よりもさらに合金散乱効果が抑制され、二次元電子ガスの濃度および移動度が向上することとなる。
なお、係る組成範囲についての議論は、スペーサ層４が不純物を含有することを除外するものではない。例えば、チャネル層３が上述したような濃度範囲で酸素原子あるいは窒素原子を含む場合には、スペーサ層４も同様の濃度範囲でこれらを含み得る。
このようにスペーサ層４を備えるＨＥＭＴ素子２０においては、チャネル層３とスペーサ層４の界面に（より詳細には、チャネル層３の当該界面近傍に）二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域３ｅが形成される。ＨＥＭＴ素子２０のチャネル層３および障壁層５の組成範囲を第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０と同じように定めれば、ＨＥＭＴ素子２０の二次元電子ガス領域３ｅにおいても、対応する組成のＨＥＭＴ素子１０と同程度の２次元電子ガスが生成する。
さらに、係るスペーサ層４を備えるＨＥＭＴ素子２０においては、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０よりも高い移動度が実現される。ＨＥＭＴ素子２０においては、おおよそ１０００〜１４００ｃｍ2／Ｖｓ程度という、ＨＥＭＴ素子１０の３倍以上の高い移動度が実現される。
なお、０．５ｎｍよりも小さい厚みでスペーサ層４を形成しようとする場合は、層の形成が不十分となって２次元電子ガスの閉じ込め効果が十分に得られず、１．５ｎｍよりも大きい厚みでスペーサ層４を形成する場合には、内部応力に伴いスペーサ層４自体の膜質が劣化するため、上述のような高い移動度は得られない。
以上のことから、チャネル層３を、ｘ１＝０、０．０１≦ｙ１≦０．１なる組成範囲をみたすように形成することで、二次元電子ガスの移動度が高く、かつ、オフ時のドレインリーク電流が小さいＨＥＭＴ素子２０が実現される。一方、チャネル層３を、ｘ１＝０、０．１＜ｙ１≦０．３なる組成範囲をみたすように形成することで、オフ時のドレインリーク電流が小さく、かつ高耐圧のＨＥＭＴ素子２０が実現される。なお、これらのことは、上述したように、スペーサ層４を備えないＨＥＭＴ素子１０においても同様に成り立つ。
このようなスペーサ層４を有するＨＥＭＴ素子２０においても、障壁層５の表面近傍部が０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５を満たす範囲で傾斜組成を有するようにすることで、第１の実施の形態と同様に、ゲート電極８と障壁層５との間のショットキーコンタクト特性を従来よりも良好なものとすることができる。
＜スペーサ層を備えるＨＥＭＴ素子の作製＞
上述のような構造を有するＨＥＭＴ素子２０は、スペーサ層４の形成に係るプロセスを除き、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０と同様の方法で作製される。
上述のような構造を有するＨＥＭＴ素子２０は、スペーサ層４の形成に係るプロセスを除き、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０と同様の方法で作製される。
具体的には、エピタキシャル基板２０Ａを作製するにあたって、チャネル層３までの形成を行った後、サセプタ温度をスペーサ層形成温度Ｔ３とし（ただし、Ｔ３はＴ１と略同一）、リアクタ内を窒素ガス雰囲気に保ち、リアクタ圧力を１０ｋＰａとした後、有機金属原料ガスとアンモニアガスとをリアクタ内に導入して、スペーサ層４としてのＩｎx3Ａｌy3Ｇａz3Ｎ層を所定の厚みに形成する。
そして、このようにしてスペーサ層４が形成された後、上述のエピタキシャル基板１０Ａを作製する場合の手順と同様に、障壁層５を作製する。
なお、上述したように、チャンネル層形成温度Ｔ１は９５０℃≦Ｔ１≦１２５０℃の範囲で設定される一方、障壁層形成温度Ｔ２は６５０℃≦Ｔ２≦８００℃の範囲内で障壁層５のＩｎＮモル分率に応じて設定される。また、スペーサ層形成温度Ｔ３（℃）もチャネル層形成温度Ｔ１（℃）と略同一に設定される。従って、障壁層５を形成するにはチャネル層３またはスペーサ層４の形成後、サセプタ温度を下げる必要が生じる。スペーサ層４を設けない第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子１０の作製過程においては、係る降温時にチャネル層３の表面が露出したままとなるため、雰囲気ガスにより該表面がエッチングされ得る。これに対して、本実施の形態のように、スペーサ層４をチャネル層形成温度Ｔ１と略同一のスペーサ層形成温度Ｔ３にて設ける場合には、スペーサ層４の形成後にサセプタ温度を下げることになるので、スペーサ層４がチャネル層３表面の保護層として作用することになる。このことも、二次元電子ガスの移動度の向上に資するものと考えられる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子のようにチャネル層と障壁層の組成を定めたＨＥＭＴ素子において、チャネル層と障壁層の間にスペーサ層を設けるようにすることで、第１の実施の形態に係るＨＥＭＴ素子と同様の高い二次元電子ガス濃度を有しつつ、かつ二次元電子ガスの移動度が向上してなるＨＥＭＴ素子が実現される。
（実施例１）
本実施例では、障壁層の表面近傍部のＩｎ組成分布を違えた６種（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．６）のエピタキシャル基板を作製し、それぞれについてのショットキーコンタクト特性を評価した。
本実施例では、障壁層の表面近傍部のＩｎ組成分布を違えた６種（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．６）のエピタキシャル基板を作製し、それぞれについてのショットキーコンタクト特性を評価した。
エピタキシャル基板の作製にあたっては、まず、基板として（０００１）面方位の３インチ径６Ｈ−ＳｉＣ基板を複数枚用意した。それぞれの基板について、ＭＯＣＶＤ炉リアクタ内に設置し、真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を３０ｋＰａとし、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した。次いで、サセプタ加熱によって基板を昇温した。
サセプタ温度が１０５０℃に達すると、Ａｌ原料ガスとアンモニアガスをリアクタ内に導入し、バッファ層として厚さ２００ｎｍのＡｌＮ層を形成した。
続いて、サセプタ温度を、チャネル層形成温度Ｔ１（℃）である１０８０℃に保ち、Ｇａ原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアガスとを所定の流量比でリアクタ内に導入し、チャネル層としてのＧａＮ層を２μｍの厚みに形成した。
チャネル層が得られると、サセプタ温度を保ったまま、リアクタ圧力を１０ｋＰａとした後、Ａｌ原料ガスとしてのＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアガスをリアクタ内に導入することにより、スペーサ層４としてのＡｌＮ層を１．２ｎｍの厚みに形成した。
スペーサ層が形成されると、サセプタ温度を障壁層形成温度Ｔ２（℃）である８００℃に保ち、リアクタ内に窒素雰囲気を形成した後、リアクタ圧力を１０ｋＰａとした。次いで、ＴＭＡとＩＮ原料ガスであるＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアンモニアガスとを所定の流量比でリアクタ内に導入し、Ｉｎ0.16Ａｌ0.84Ｎなる組成を有するように障壁層の形成を開始した。Ｎｏ．５以外のサンプルについては、障壁層の厚みが約８ｎｍに達した時点でＴＭＡとＴＭＩの流量比を変化させ、障壁層の表面近傍部が傾斜組成を有するようにした。それぞれのサンプルについて、１６ｎｍの厚みを有する障壁層を形成した。
なお、有機金属原料のバブリング用ガスおよびキャリアガスには、全て窒素ガスを用いた。また、Ｖ／III比は５０００とした。
障壁層が形成された後、サセプタ温度を室温付近まで降温し、リアクタ内を大気圧に復帰させた後、作製されたエピタキシャル基板を取り出した。
得られた６種のサンプルについて、断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）およびＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて、障壁層のＩｎ組成比の分布を評価した。図８は、係る評価により得られた、実施例１のそれぞれのサンプルについての障壁層におけるＩｎ組成比の分布図である。
次に、ショットキーコンタクト特性を調べるべく、６種のエピタキシャル基板を用いて同心円型ショットキーダイオードを作製した。
具体的には、まず、同心円電極パターンの外側に位置するカソードオーミック電極として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる多層金属電極を形成した。このオーミック電極については、コンタクト特性を良好なものにするために、７００℃の窒素ガス雰囲気中にて３０秒間の熱処理を施した。
その後、同心円パターンの内側に位置するアノードショットキー電極として、Ｐｔ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２０／２００ｎｍ）からなる多層金属電極を形成した。なお、ショットキー電極の直径は２００μｍとし、オーミック電極との電極間隔は２０μｍとした。
得られたそれぞれの同心円型ショットキーダイオードについて、ショットキーコンタクト特性を評価するべく、電流−電圧特性を測定した。図９は、それぞれのサンプルについてのショットキーコンタクト特性の評価結果を一覧にして示す図である。
図９に示すように、傾斜率ｘ２β／ｘ２αが０．９以上０．９５以下である場合には、これを満たさない場合に比して、理想因子（ｎ値）が１に近く、かつ、ショットキー電極の逆方向リーク電流（２０Ｖ印加時）も小さいことが確認された。すなわち、０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５を満たす場合には、良好なショットキーコンタクト特性が得られることが確認された。
（実施例２および比較例）
実施例２として、障壁層のベース部の組成を種々に違える一方、傾斜率を０．９５に固定した、計１７種のショットキーダイオードを作製した。また、比較例として、表面近傍部を傾斜組成とせず、ベース部と同じ組成を有するようにした１７種のショットキーダイオードを実施例２に対応させて作製した。それぞれの試料について、理想因子と２０Ｖ印加時のショットキー電極の逆方向リーク電流とを評価した。
実施例２として、障壁層のベース部の組成を種々に違える一方、傾斜率を０．９５に固定した、計１７種のショットキーダイオードを作製した。また、比較例として、表面近傍部を傾斜組成とせず、ベース部と同じ組成を有するようにした１７種のショットキーダイオードを実施例２に対応させて作製した。それぞれの試料について、理想因子と２０Ｖ印加時のショットキー電極の逆方向リーク電流とを評価した。
実施例２に係るサンプルについては、障壁層の表面から６ｎｍの範囲を傾斜組成範囲とし、表面に向けて単調にＩｎ組成比が減少するようにした。係る傾斜組成の実現は、原料ガスであるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩの流量比を調整することにより行った。
その他、ショットキーダイオードの作製および評価については、実施例１と同様に行った。
図１０は、実施例２に係るサンプルについての障壁層のベース部の組成（比較例に係るサンプルの障壁層全体の組成でもある）と、実施例２および対応する比較例に係るサンプルについての理想因子とショットキー電極の逆方向リーク電流の測定結果とを一覧にして示す図である。
図１０からは、実施例２に係る全てのサンプルにおいて、理想因子が１．１以下であるのに対し、比較例に係るサンプルの理想因子は、小さくても１．３６であること、および、実施例２に係るサンプルにおいては、比較例の約１／１０程度以下にまでショットキー電極の逆方向リーク電流が小さくなっていることが確認される。すなわち、実施例２に係るサンプルが、良好なショットキーダイオード特性を有していることが確認される。
１ 基板
２ バッファ層
３ チャネル層
３ｅ 二次元電子ガス領域
４ スペーサ層
５ 障壁層
５ａ （障壁層の）表面
６ ソース電極
７ ドレイン電極
８ ゲート電極
Ｉ （チャネル層と障壁層との）界面
１０、２０ ＨＥＭＴ素子
１０Ａ、２０Ａ エピタキシャル基板
２ バッファ層
３ チャネル層
３ｅ 二次元電子ガス領域
４ スペーサ層
５ 障壁層
５ａ （障壁層の）表面
６ ソース電極
７ ドレイン電極
８ ゲート電極
Ｉ （チャネル層と障壁層との）界面
１０、２０ ＨＥＭＴ素子
１０Ａ、２０Ａ エピタキシャル基板
Claims (12)
- 下地基板と、
少なくともＧａを含む、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層と、
少なくともＩｎとＡｌとをともに含む、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層と、
を備えるエピタキシャル基板であって、
前記障壁層においては、表面から前記障壁層の深さ方向において所定距離範囲内の部分を表面近傍部とし、前記表面から前記深さ方向において前記所定距離以上離れた部分をベース部とするとき、前記ベース部においてはＩｎ組成比が一様であり、前記表面におけるＩｎ組成比は前記ベース部におけるＩｎ組成比よりも小さく、かつ、前記表面と前記ベース部との間においてはＩｎ組成比が連続的に変化する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記表面近傍部が前記障壁層の前記表面から前記深さ方向に６ｎｍ以上の範囲であり、
前記ベース部における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２αＡｌｙ２αＧａｚ２αＮ（ｘ２α＋ｙ２α＋ｚ２α＝１）と表し、前記表面における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２βＡｌｙ２βＧａｚ２βＮ（ｘ２β＋ｙ２β＋ｚ２β＝１）と表す場合に、
０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５である、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項１または請求項２に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物の組成がｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３で定まる範囲内にあるとともに、
前記障壁層のうち、少なくとも前記ベース部において、前記第２のIII族窒化物の組成が、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮを頂点とする三元状態図上において、前記第１のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内にある、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
- 請求項３に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記障壁層のうち、少なくとも前記ベース部において、前記第２のIII族窒化物の組成が、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮを頂点とする三元状態図上において、前記第１のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内にある、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。
- 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第１のIII族窒化物がＧａＮである、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記チャネル層と前記障壁層との間に、少なくともＡｌを含み、前記障壁層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａｚ３Ｎ（ｘ３＋ｙ３＋ｚ３＝１）なる組成の第３のIII族窒化物からなるスペーサ層、
をさらに備えることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項６に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第３のIII族窒化物の組成がｘ３＝０、０≦ｚ３≦０．０５で定まる範囲内にあることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項７に記載の半導体素子用エピタキシャル基板であって、
前記第３のIII族窒化物がＡｌＮであることを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板。 - 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の半導体素子用エピタキシャル基板の前記障壁層の上に、ソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極が設けられてなる半導体素子。
- 下地基板の上に、少なくともＧａを含む、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）なる組成の第１のIII族窒化物からなるチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
前記チャネル層の上に、少なくともＩｎとＡｌとをともに含む、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａｚ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）なる組成の第２のIII族窒化物からなる障壁層を形成する障壁層形成工程と、
を備える半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記障壁層形成工程においては、表面から前記障壁層の深さ方向において所定距離範囲内の部分を表面近傍部とし、前記表面から前記深さ方向において前記所定距離以上離れた部分をベース部とするとき、前記ベース部においてはＩｎ組成比が一様であり、前記表面におけるＩｎ組成比は前記ベース部におけるＩｎ組成比よりも小さく、かつ、前記表面と前記ベース部との間においてはＩｎ組成比が連続的に変化するように、前記障壁層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項１０に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記障壁層形成工程においては、
前記障壁層の前記表面から前記深さ方向に６ｎｍ以上の範囲を前記表面近傍部とし、
前記ベース部における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２αＡｌｙ２αＧａｚ２αＮ（ｘ２α＋ｙ２α＋ｚ２α＝１）と表し、前記表面における前記第２のIII族窒化物の組成をＩｎｘ２βＡｌｙ２βＧａｚ２βＮ（ｘ２β＋ｙ２β＋ｚ２β＝１）と表す場合に、
０．９≦ｘ２β／ｘ２α≦０．９５をみたすように前記障壁層を形成する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。 - 請求項１０または請求項１１に記載の半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法であって、
前記第１のIII族窒化物の組成をｘ１＝０、０≦ｙ１≦０．３で定まる範囲内から選択するとともに、
前記障壁層のうち、少なくとも前記ベース部について、前記第２のIII族窒化物の組成を、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮを頂点とする三元状態図上において、前記第１のIII族窒化物の組成に応じて定まる以下の各式で表される直線にて囲まれる範囲内から選択する、
ことを特徴とする半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法。
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