JP6376257B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を利用し、高耐圧及び高出力の半導体デバイスへの適用が検討されている。例えば、窒化物半導体であるＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、Ｓｉのバンドギャップ（１．１ｅＶ）及びＧａＡｓのバンドギャップ（１．４ｅＶ）よりも大きく、高い破壊電界強度を有する。そのため、ＧａＮ等の窒化物半導体は、高電圧動作かつ高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。

窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）についての報告が数多くなされている。例えば、ＧａＮ系のＨＥＭＴ（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）では、ＧａＮを電子走行層として、ＡｌＧａＮを電子供給層として用いたＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるＨＥＭＴが注目されている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるＨＥＭＴでは、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子定数差に起因した歪みがＡｌＧａＮに生じる。これにより発生したピエゾ分極及びＡｌＧａＮの自発分極差により、高濃度の２ＤＥＧ（Two-Dimensional Electron Gas：２次元電子ガス）が得られる。そのため、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイスとして期待されている。また、回路設計と安全性の観点からは、ノーマリーオフ型の特性を有する窒化物半導体トランジスタの実現が求められている。

特開２０１２−１５１４２２号公報 特開２０１２−９６３０号公報 特開２００８−１２４３７３号公報

ところで、安価で高品質の窒化物半導体トランジスタを得るためには、安価で大口径基板であるＳｉ（シリコン）基板において、窒化物半導体を高品質でエピタキシャル成長させることが必須となる。しかしながら、シリコンとＧａＮ等の窒化物半導体とは格子定数が異なるのみならず、熱膨張係数も大きく異なる。よって、シリコン基板の上に高品質のＧａＮ膜を成長させるためには、シリコン基板の上に、適切に設計された超格子バッファ層を形成し、超格子バッファ層の上にＧａＮ膜等が形成されている。超格子バッファ層は、例えば、ＡｌＮ膜とＡｌＧａＮ膜とを交互に複数層積層されており、周期構造を有するものであり、このような超格子バッファ層の上に、電子走行層及び電子供給層が積層されている。

このような構造の窒化物半導体トランジスタでは、トランジスタ動作時等において、ドレイン電極に高電圧が印加されるが、超格子バッファ層の絶縁性が低いと、電子供給層からバッファ層を介しシリコン基板に向かって、縦方向にリーク電流が流れる場合がある。

よって、シリコン基板の上に窒化物半導体を形成した半導体装置において、絶縁性の高い超格子バッファ層が形成されており、縦方向に流れるリーク電流の少ない半導体装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、基板の上に、形成された超格子バッファ層と、前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記超格子バッファ層は、第１の超格子形成層と第２の超格子形成層とを交互に周期的に積層することにより形成されており、第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、前記第２の超格子形成層の一部または全部にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板の上に、形成された超格子バッファ層と、前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記超格子バッファ層は、前記基板側より、第３の超格子形成層、第２の超格子形成層、第１の超格子形成層の順で周期的に積層を繰り返すことにより形成されており、第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、第３の超格子形成層はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮにより形成されており、ｘ＞ｙ＞ｚとなるものであって、前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板の上に、形成された超格子バッファ層と、前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記超格子バッファ層は、前記基板側より、第２の超格子形成層、第１の超格子形成層、第３の超格子形成層の順で周期的に積層を繰り返すことにより形成されており、第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、前記第３の超格子形成層は、ＩｎＧａＮを含む材料により形成されており、前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板の上に、形成された超格子バッファ層と、前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記超格子バッファ層は、第１の超格子形成層と第２の超格子形成層とを含むものを周期的に積層することにより形成されており、第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であり、前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＣがドープされており、前記第１の超格子形成層にドープされているＣの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、基板の上に、形成された超格子バッファ層と、前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、を有し、前記超格子バッファ層は、第１の超格子形成層と第２の超格子形成層とを含むものを周期的に積層することにより形成されており、第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であり、前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＦｅがドープされており、前記第１の超格子形成層にドープされているＦｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

開示の半導体装置によれば、シリコン基板の上に窒化物半導体を形成した半導体装置において、縦方向に流れるリーク電流を減少させることができる。

超格子バッファ層が形成されている半導体装置の構造図 超格子バッファ層の説明図 第１の実施の形態における半導体装置の構造図 第１の実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層の説明図 超格子バッファ層のエネルギーバンドの説明図 第１の実施の形態における半導体装置の他の超格子バッファ層の説明図 半導体装置におけるドレイン電圧とリーク電流との相関図 超格子バッファ層におけるＡｌＮ層のＣの濃度とシリコン基板の反りとの相関図 図２に示す構造の超格子バッファ層内における電子密度の分布の説明図 超格子バッファ層内における電子密度とリーク電流との相関図 本実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層内における電子密度の分布の説明図 他の構造の超格子バッファ層内における電子密度の分布の説明図 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（２） 第２の実施の形態における半導体装置の構造図 第２の実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層の説明図 第３の実施の形態における半導体装置の構造図 第３の実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層の説明図 第３の実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層のエネルギーバンドの説明図 第４の実施の形態を説明するための超格子バッファ層の構造図 超格子バッファ層のＡｌＮ層の膜厚とシリコン基板の反りとの相関図 超格子バッファ層のＡｌＮ層の膜厚と耐圧との相関図 ＡｌＮ層の膜厚が異なる超格子バッファ層のエネルギーバンドの説明図（１） ＡｌＮ層の膜厚が異なる超格子バッファ層のエネルギーバンドの説明図（２） 超格子バッファ層におけるＡｌＮ層のＣの濃度とシリコン基板の反りとの相関図 超格子バッファ層におけるＡｌＮ層のＦｅの濃度とシリコン基板の反りとの相関図 第４の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（１） 第４の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（２） 第５の実施の形態におけるディスクリートパッケージされた半導体デバイスの説明図 第５の実施の形態における電源装置の回路図 第５の実施の形態における高出力増幅器の構造図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
最初に、シリコン基板の上に超格子バッファ層を形成し、超格子バッファ層の上に窒化物半導体層を形成した半導体装置において、縦方向に流れるリーク電流について、図１に基づき説明する。尚、図２は、形成される超格子バッファ層９２０の一部を拡大した拡大図である。

図１に示される構造の半導体装置は、シリコン基板９１０の上に、窒化物半導体層が積層されている構造のものである。具体的には、シリコン基板９１０の上に、超格子バッファ層９２０が形成されており、超格子バッファ層９２０の上に、電子走行層９３１、電子供給層９３２が積層して形成されている。電子供給層９３２の上には、ゲート電極９４１、ソース電極９４２、ドレイン電極９４３が形成されている。電子走行層９３１は、ｉ−ＧａＮにより形成されており、電子供給層９３２は、ＡｌＧａＮにより形成されており、これにより、電子走行層９３１において、電子走行層９３１と電子供給層９３２との界面近傍には、２ＤＥＧ９３１ａが生成される。

超格子バッファ層９２０は、図２（ａ）に示されるように、ＡｌＮ層９２１とＡｌＧａＮ層９２２とを交互に周期的に積層することにより形成されている。一般的には、超格子バッファ層は、ＳＬＳ（Strained-Layer Super lattice）層と記載される場合がある。ＡｌＧａＮ層９２２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されている。また、電子走行層９３１はＧａＮにより形成されており、電子供給層９３２はＡｌＧａＮにより形成されている。尚、シリコン基板９１０には、不純物元素がドープされているシリコン基板が用いられる場合や、窒化物半導体層を成長する際に、シリコン基板９１０内にＧａ等が不純物元素として混入するため、シリコン基板９１０の抵抗は低くなっている。

このような構造の半導体装置においては、超格子バッファ層９２０における抵抗が低いと、シリコン基板９１０に対し略垂直方向となる縦方向に流れるリーク電流が発生する。このため、シリコン基板９１０に対し縦方向に流れるリーク電流を減らすための方法としては、超格子バッファ層９２０内にアクセプタとなる不純物元素であるＣ、Ｆｅ等をドープする方法がある。一般的には、Ｃ、Ｆｅ等のアクセプタとなる不純物元素は、超格子バッファ層９２０内において均一な濃度となるようにドープされており、例えば、不純物濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３となるようにドープされている。

Ｃ、Ｆｅ等のアクセプタとなる不純物元素は、超格子バッファ層９２０内における不純物元素の濃度を高めれば高めるほど、絶縁性を高くすることができる。よって、超格子バッファ層９２０内における不純物元素の濃度を高めることにより、シリコン基板９１０の上に窒化物半導体層を形成した半導体装置におけるリーク電流を減らすことができる。

しかしながら、超格子バッファ層９２０内におけるＣ、Ｆｅ等の不純物元素の濃度が高くなると、成膜される窒化物半導体層にクラック等が発生し、また、膜の応力による影響により、シリコン基板９１０における反りが大きくなってしまう。このように、シリコン基板９１０における反りが大きくなると、露光の際に、所望のパターンの露光を行なうことができなくなる場合がある。また、シリコン基板９１０における反りが大きくなると、半導体装置の製造工程において、シリコン基板を搬送する際にシリコン基板を吸着することができないため、半導体装置を製造することができなくなる場合がある。

このため、絶縁性が高く、シリコン基板９１０の反りが大きくならない構造の超格子バッファ層を有する半導体装置が求められている。

（半導体装置）
次に、第１の実施の形態における半導体装置について説明する。本実施の形態における半導体装置は、図３に示されるように、シリコン基板１０の上に、窒化物半導体層が積層されている構造のものである。具体的には、シリコン基板１０の上に、超格子バッファ層２０が形成されており、超格子バッファ層２０の上に、電子走行層３１、電子供給層３２が積層して形成されている。尚、超格子バッファ層２０は、シリコン基板１０の上に形成された不図示の核形成層、バッファ層の上に形成されていてもよい。

電子供給層３２の上には、ゲート電極４１、ソース電極４２、ドレイン電極４３が形成されている。本実施の形態においては、第１の半導体層となる電子走行層３１は、ｉ−ＧａＮにより形成されており、第２の半導体層となる電子供給層３２は、ＡｌＧａＮにより形成されている。これにより、電子走行層３１において、電子走行層３１と電子供給層３２との界面近傍には、２ＤＥＧ３１ａが生成される。尚、第２の半導体層となる電子供給層３２は、ＩｎＡｌＧａＮにより形成してもよい。

超格子バッファ層２０は、図４（ａ）に示されるように、第１の超格子形成層となるＡｌＮ層２１と第２の超格子形成層となるＡｌＧａＮ層２２とを交互に積層することにより形成されており、Ｃ、Ｆｅ等のアクセプタとなる不純物元素がドープされている。本実施の形態においては、ＡｌＧａＮ層２２は、電子走行層３１が形成されている側の上層２２ａと、基板１０側の下層２２ｂとにより形成されており、アクセプタとなる不純物元素の濃度は、下層２２ｂよりも上層２２ａの方が高くなっている。尚、本実施の形態においては、ＡｌＧａＮ層２２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されている。また、ＡｌＮ層２１における不純物元素の濃度は、ＡｌＧａＮ層２２の下層２２ｂにおける不純物元素の濃度と略同じである。

即ち、本実施の形態においては、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物元素の濃度は、ＡｌＮ層２１及びＡｌＧａＮ層２２の下層２２ｂにおける不純物元素の濃度よりも高くなるように形成されている。具体的には、図４（ｂ）に示されるように、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物元素の濃度は約１×１０^１９／ｃｍ^３となり、ＡｌＮ層２１及びＡｌＧａＮ層２２の下層２２ｂにおける不純物元素の濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３となっている。

本実施の形態においては、ＡｌＮ層２１となる第１の超格子形成層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、ｘの値が０．５以上、１以下であってもよい。また、ＡｌＧａＮ層２２となる第２の超格子形成層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｙの値が０以上、０．５未満であってもよい。従って、超格子バッファ層２０においては、ｘ＞ｙとなるように形成されている。尚、超格子バッファ層２０にドープされるアクセプタとなる不純物元素としては、Ｃ、Ｆｅの他、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｌｉ等であってもよい。

本実施の形態における半導体装置においては、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物元素の濃度を他の領域よりも高くすることにより、ＡｌＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａとの間において電子等のキャリアが溜まることを抑制することができる。このことを図５に示すエネルギーバンド図に基づき説明する。

図５（ａ）は、図２に示す構造の超格子バッファ層９２０におけるエネルギーバンド図であり、図５（ｂ）は、図４に示す構造の本実施の形態における半導体装置のバッファ層２０のエネルギーバンド図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物元素の濃度を他の領域よりも高くすることにより、この領域におけるバンドを上に持ち上げることができる。これにより、図２に示す構造の超格子バッファ層９２０においては、ＡｌＮ層９２１とＡｌＧａＮ層９２２との界面において電子等のキャリアが溜まっているが、本実施の形態においては、このような電子等のキャリアが溜ることを防ぐことができる。

従って、本実施の形態における半導体装置における超格子バッファ層２０は、図２に示す構造の超格子バッファ層９２０よりも絶縁性が高くなり、抵抗が高くなるため、シリコン基板に対し縦方向に流れるリーク電流の発生を抑制することができる。

また、図４に示される構造の超格子バッファ層２０においては、アクセプタとなる不純物元素のドープは必要最小限の領域に限定されているため、シリコン基板１０の反りが大きくなることはない。即ち、ＡｌＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２とでは、アクセプタとなる不純物元素をドープすることによりシリコン基板に生じる反りの大きさは、ＡｌＮ層２１に不純物元素をドープした場合の方が大きい。よって、シリコン基板１０に発生する反りが少ないＡｌＧａＮ層２２においてのみアクセプタとなる不純物元素の濃度を高くすることにより、シリコン基板１０における反りが大きくなることを防ぐことができる。

従って、本実施の形態は、図６に示されるように、シリコン基板１０の反りの影響の小さいＡｌＧａＮ層２２の全体（全部）において、アクセプタとなる不純物元素がドープされる濃度を高くしてもよい。しかしながら、図４に示されるように、ＡｌＧａＮ層２２の一部である上層２２ａにおいてのみに、アクセプタとなる不純物元素がドープされる濃度を高くすることにより、シリコン基板１０における反りの発生をより小さく抑えることができるため、より好ましい。

次に、図７に基づき図４に示される構造の本実施の形態における半導体装置におけるリーク電流と、図２に示される構造の半導体装置におけるリーク電流について説明する。図７において、特性７Ａは、図４に示される構造の本実施の形態における半導体装置におけるドレイン電圧とリーク電流との関係を示すものであり、特性７Ｂは、図２に示される構造の半導体装置におけるドレイン電圧とリーク電流との関係を示すものである。

特性７Ａに示される本実施の形態における半導体装置は、印加されるドレイン電圧が２００Ｖの場合では、流れるリーク電流は約１×１０^−５／ｃｍ^２であり、８００Ｖの場合では、流れるリーク電流は１×１０^−５／ｃｍ^２〜１×１０^−４／ｃｍ^２である。これに対し、特性７Ｂに示される図２に示す構造の半導体装置は、印加されるドレイン電圧が２００Ｖの場合では、流れるリーク電流は約１×１０^−３／ｃｍ^２であり、８００Ｖの場合では、流れるリーク電流は１×１０^−３／ｃｍ^２〜１×１０^−３／ｃｍ^２である。よって、本実施の形態における半導体装置は、図２に示す構造の半導体装置よりも、縦方向に流れるリーク電流を２桁程度低くすることができる。

次に、図８に基づきＡｌＮ層にドープされたアクセプタとなる不純物元素であるＣの濃度とシリコン基板の反りとの関係について説明する。図８に示されるように、ＡｌＮ層にドープされるＣの濃度が高くなると、シリコン基板の反りが大きくなる傾向にある。ここで、シリコン基板の反りは、６０μｍ以下であることが好ましいため、ＡｌＮ層にドープされるＣの濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

次に、超格子バッファ層におけるキャリア濃度について、一次元計算によるシミュレーションを行なった結果について説明する。図９は、図２に示す構造の超格子バッファ層９２０において、一次元計算によるシミュレーションを行なった結果である。尚、超格子バッファ層９２０には、不純物元素としてＣが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度で均一にドープされている。また、ＡｌＮ層９２１とＡｌＧａＮ層９２２との界面には、ホールと電子が溜っているが、図９においては電子について記載している。

図９に示されるように、ＡｌＮ層９２１とＡｌＧａＮ層９２２との界面における電子濃度は、約１×１０^１９／ｃｍ^３である。図１０は、ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層との界面における電子濃度とリーク電流との関係を示す。電子濃度が高くなるとリーク電流が増加するため耐圧が低下する。電子濃度が約１×１０^１９／ｃｍ^３の場合では、リーク電流は１×１０^−１Ａ／ｃｍ^２と高いため、耐圧も低い。

次に、本実施の形態における半導体装置における超格子バッファ層２０におけるキャリア濃度について、一次元計算によるシミュレーションを行なった結果について説明する。図１１は、図４に示す構造の超格子バッファ層２０において、一次元計算によるシミュレーションを行なった結果である。尚、超格子バッファ層２０においては、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物元素の濃度は１×１０^１９／ｃｍ^３となり、ＡｌＮ層２１及びＡｌＧａＮ層２２の下層２２ｂにおける不純物元素の濃度は１×１０^１８／ｃｍ^３となるようにドープされている。図１１に示されるように、ＡｌＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２との界面においては、電子濃度が１×１０^１３／ｃｍ^３以下であり、電子が殆ど消失しており、リーク電流が低くなるため、耐圧が高くなる。

図１２は、超格子バッファ層において、ＡｌＧａＮ層２２の下層における不純物元素の濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３となり、ＡｌＮ層２１及びＡｌＧａＮ層２２の上層における不純物元素の濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３となるようにドープされている場合の結果である。図１２に示されるように、この場合におけるＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層との界面における電子濃度のピークは、約１×１０^１６／ｃｍ^３となり、図２に示される構造の超格子バッファ層よりもリーク電流を低くすることができる。しかしながら、図１１及び図１２に基づくならば、ＡｌＧａＮ層の下層よりも上層におけるＣの濃度を高くすることにより、より一層キャリア濃度を低くすることができる。この場合、リーク電流を低くすることができ、耐圧を向上させることができるため好ましい。

（半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図１３及び図１４に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置の製造方法は、基板となるシリコン基板１０の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成する。窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法としては、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）がある。

尚、本実施の形態における説明では、窒化物半導体層は、ＭＯＣＶＤにより形成する場合について説明する。窒化物半導体層をＭＯＣＶＤにより成膜する際には、Ａｌの原料ガスにはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）が用いられ、Ｇａの原料ガスにはＴＭＧ（トリメチルガリウム）が用いられ、Ｎの原料ガスにはＮＨ_３（アンモニア）が用いられる。

最初に、図１３（ａ）に示されるように、シリコン基板１０の上に、窒化物半導体により核形成層１１及びバッファ層１２を順次形成する。本実施の形態においては、シリコン基板１０として、シリコン（１１１）基板を用いているが、シリコン基板１０に代えて、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ等により形成された基板を用いてもよい。核形成層１１は、膜厚が２００ｎｍのＡｌＮ膜により形成されており、バッファ層１２は、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎにより形成されている。

核形成層１１は、基板温度が約１０００℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１０００〜２０００、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内の圧力が約５０ｍｂａｒ（５ｋＰａ）の条件において成長させることにより形成する。バッファ層１２は、基板温度が約１０００℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１００〜３００、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内の圧力が約５０ｍｂａｒ（５ｋＰａ）の条件において成長させることにより形成する。本実施の形態においては、上述したように、核形成層１１については、膜中へのＣの取り込み量が少ない条件により成長させることが好ましく、バッファ層については、平坦性を高くするため、Ｖ／ＩＩＩ比を低下させた条件により成長させることが好ましい。

次に、図１３（ｂ）に示すように、バッファ層１２の上に超格子バッファ層２０を形成する。具体的には、図４に示されるように、ＡｌＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２とを交互に周期的に積層することにより超格子バッファ層２０を形成する。この際形成されるＡｌＮ層２１の膜厚は約１．５ｎｍであり、ＡｌＧａＮ層２２の膜厚は約２０ｎｍである。尚、ＡｌＮ層２１の膜厚は、残留電子発生による耐圧の低下を避けるため、２ｎｍ以下であることが好ましい。また、ＡｌＧａＮ層２２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されている。超格子バッファ層２０を形成する際の基板温度は、約１０２０℃であり、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内の圧力が約５０ｍｂａｒ（５ｋＰａ）の条件において成長させることにより形成する。

本実施の形態においては、ＡｌＧａＮ層２２は、下層２２ｂよりも上層２２ａの方がアクセプタとなる不純物元素の濃度が高くなるように、成長条件を変化させながら形成する。具体的には、アクセプタとなる不純物元素としてＣが用いられており、Ｖ／ＩＩＩ比を変化させることによりＣの混入量を調整している。例えば、ＡｌＧａＮ層２２の下層２２ｂを形成する際には、Ｖ／ＩＩＩ比が約１０００の条件で成長させ、上層２２ａを形成する際には、Ｖ／ＩＩＩ比が約１００の条件で成長させる。また、ＡｌＮ層２１を形成する際には、Ｃの濃度を更に低くするため、Ｖ／ＩＩＩ比が１５００〜２０００の条件で成長させる。これにより、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物濃度が、ＡｌＮ層２１及びＡｌＧａＮ層２２の下層２１ｂにおける不純物濃度よりも高くなるように超格子バッファ層２０を形成することができる。

本実施の形態においては、ＡｌＧａＮ層２２の上層２２ａにおける不純物濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であることが好ましい。また、ＡｌＮ層２１及びＡｌＧａＮ層２２の下層２２ｂにおける不純物濃度は、５×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

次に、図１３（ｃ）に示すように、超格子バッファ層２０の上に、電子走行層３１及び電子供給層３２を積層して形成する。具体的には、電子走行層３１は、成長温度が約１０００℃、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内における圧力が約１００〜３００ｍｂａｒ（１０〜３０ｋＰａ）の条件で、超格子バッファ層２０の上に、膜厚が約１μｍのＧａＮを成長させることにより形成する。電子供給層３２は、成長温度が約１０００℃、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内における圧力が約１００〜２００ｍｂａｒ（１０〜２０ｋＰａ）の条件で、電子走行層３１の上に、膜厚が約２０ｎｍのＡｌＧａＮを成長させることにより形成する。本実施の形態においては、電子供給層３２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されている。

次に、図１４に示すように、電子供給層３２の上に、ソース電極４２及びドレイン電極４３を形成し、更に、電子供給層３２の上に、ゲート電極４１を形成する。具体的には、電子供給層３２の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ソース電極４２及びドレイン電極４３が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｔｉ／Ａｌ膜からなる金属積層膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されている金属積層膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、残存する金属積層膜によりソース電極４２及びドレイン電極４３が形成される。この後、ＲＴＡ（ラピッドサーマルアニール）を行なうことにより、ソース電極４２及びドレイン電極４３をオーミックコンタクトさせる。尚、Ｔｉ／Ａｌ膜からなる金属積層膜において、Ｔｉ膜の膜厚は約１００ｎｍであり、Ａｌ膜の膜厚は約３００ｎｍである。

この後、再び電子供給層３２の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ゲート電極４１が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｎｉ／Ａｕ膜からなる金属積層膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されている金属積層膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、残存する金属積層膜によりゲート電極４１が形成される。尚、Ｎｉ／Ａｕ膜からなる金属積層膜において、Ｎｉ膜の膜厚は約５０ｎｍであり、Ａｕ膜の膜厚は約３００ｎｍである。

以上の工程の製造方法により、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層とは異なる構造の超格子バッファ層を有する半導体装置である。本実施の形態における半導体装置は、図１５に示されるように、シリコン基板１０の上に、超格子バッファ層１２０、電子走行層３１、電子供給層３２が形成されている。また、電子供給層３２の上には、ゲート電極４１、ソース電極４２及びドレイン電極４３が形成されている。尚、超格子バッファ層１２０は、シリコン基板１０の上に形成された不図示の核形成層、バッファ層の上に形成されていてもよい。

図１６（ａ）は、超格子バッファ層１２０の一部を拡大した拡大図である。図１６（ｂ）に示されるように、超格子バッファ層１２０は、ＡｌＮ層１２１、第１のＡｌＧａＮ層１２２、第２のＡｌＧａＮ層１２３が順次積層されている周期的な構造のものである。尚、本実施の形態においては、ＡｌＮ層１２１を第１の超格子形成層と記載し、第１のＡｌＧａＮ層１２２を第２の超格子形成層と記載し、第２のＡｌＧａＮ層１２３を第３の超格子形成層と記載する場合がある。

本実施の形態では、ＡｌＮ層１２１となる第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されていてもよい。また、第１のＡｌＧａＮ層１２２となる第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、第２のＡｌＧａＮ層１２３となる第３の超格子形成層はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮにより形成されていてもよい。本実施の形態においては、ｘ＞ｙ＞ｚの関係にある。即ち、第１のＡｌＧａＮ層１２２となる第２の超格子形成層の方が、第２のＡｌＧａＮ層１２３となる第３の超格子形成層よりもバンドギャップが広くなるように形成されている。尚、第３の超格子形成層であるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮは、ｚの値が０以上、０．５未満となるように形成してもよい。また、本実施の形態においては、ＡｌＮ層１２１の膜厚は約１．５ｎｍ、第１のＡｌＧａＮ層１２２の膜厚は約１０ｎｍ、第２のＡｌＧａＮ層１２３の膜厚は約１０ｎｍとなるように形成されている。

また、ＡｌＮ層１２１、第１のＡｌＧａＮ層１２２、第２のＡｌＧａＮ層１２３には、Ｃ、Ｆｅ等のアクセプタとなる不純物元素がドープされている。第１のＡｌＧａＮ層１２２における不純物元素の濃度は、第２のＡｌＧａＮ層１２３及びＡｌＮ層１２１における不純物元素の濃度よりも高くなるように形成されている。具体的には、図１６（ｂ）に示されるように、第１のＡｌＧａＮ層１２２における不純物元素の濃度は約１×１０^１９／ｃｍ^３となり、第２のＡｌＧａＮ層１２３及びＡｌＮ層１２１における不純物元素の濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３となるように形成されている。

本実施の形態においては、例えば、第１のＡｌＧａＮ層１２２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されており、第２のＡｌＧａＮ層１２３は、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎにより形成されている。このように、第１の実施の形態において上層に相当する第１のＡｌＧａＮ層１２２のバンドギャップを下層に相当する第２のＡｌＧａＮ層１２３のバンドギャップよりも広くすることにより、より一層電子が溜ることを抑制することができる。

第１のＡｌＧａＮ層１２２と第２のＡｌＧａＮ層１２３とにおいて、組成比が異なるように形成する方法としては、ＭＯＣＶＤにおいて成長させる際のＶ／ＩＩＩ比を調整することにより形成可能である。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１及び第２の実施の形態における半導体装置の超格子バッファ層とは異なる構造の超格子バッファ層を有する半導体装置である。本実施の形態における半導体装置は、図１７に示されるように、シリコン基板１０の上に、超格子バッファ層２２０、電子走行層３１、電子供給層３２が形成されている。また、電子供給層３２の上には、ゲート電極４１、ソース電極４２及びドレイン電極４３が形成されている。尚、超格子バッファ層２２０は、シリコン基板１０の上に形成された不図示の核形成層、バッファ層の上に形成されていてもよい。

図１８（ａ）は、超格子バッファ層２２０の一部を拡大した拡大図である。図１８（ｂ）に示されるように、超格子バッファ層２２０は、ＡｌＮ層２２１、ＡｌＧａＮ層２２２、ＩｎＧａＮ層２２３が順次積層されている周期的な構造のものである。ＡｌＧａＮ層２２２は、電子走行層３１が形成されている側であって、ＡｌＮ層２２１と接している上層２２２ａと基板１０側の下層２２２ｂとを有している。尚、本実施の形態においては、ＡｌＮ層２２１を第１の超格子形成層と記載し、ＡｌＧａＮ層２２２を第２の超格子形成層と記載し、ＩｎＧａＮ層２２３を第３の超格子形成層と記載する場合がある。

本実施の形態においては、ＡｌＮ層２２１となる第１の超格子形成層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、ｘの値が０．５以上、１以下であってもよい。また、ＡｌＧａＮ層２２２となる第２の超格子形成層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｙの値が０以上、０．５未満であってもよい。従って、超格子バッファ層２２０においては、ｘ＞ｙとなるように形成されている。尚、超格子バッファ層２２０にドープされるアクセプタとなる不純物元素としては、Ｃ、Ｆｅの他、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｌｉ等であってもよい。

ＡｌＮ層２２１、ＡｌＧａＮ層２２２、ＩｎＧａＮ層２２３には、Ｃ、Ｆｅ等のアクセプタとなる不純物元素がドープされている。本実施の形態においては、ＡｌＧａＮ層２２２における上層２２２ａの不純物元素の濃度は、ＡｌＧａＮ層２２２における下層２２２ｂ、ＡｌＮ層２２１、ＩｎＧａＮ層２２３の不純物元素の濃度よりも多くなるようにドープされている。

具体的には、図１８（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮ層２２２の上層２２２ａにおける不純物元素の濃度は約１×１０^１９／ｃｍ^３となっている。また、、ＡｌＧａＮ層２２２の下層２２２ｂ、ＡｌＮ層２２１、ＩｎＧａＮ層２２３における不純物元素の濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３となっている。本実施の形態においては、例えば、ＡｌＧａＮ層２２２は、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎにより形成されており、ＩｎＧａＮ層２２３は、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎにより形成されている。また、ＡｌＮ層２２１の膜厚は約１．５ｎｍ、ＡｌＧａＮ層２２２の膜厚は約２０ｎｍ、ＩｎＧａＮ層２２３の膜厚は約２ｎｍとなるように形成されている。尚、図１９は、超格子バッファ層２２０におけるエネルギーバンド図である。

ところで、超格子バッファ層に不純物元素としてＦｅをドープした場合、Ｆｅは電子走行層３１等に拡散しやすい元素であり、熱処理や膜成長の際に、電子走行層３１等にＦｅが拡散してしまうと、半導体装置における特性が低下してしまう。本実施の形態における半導体装置は、超格子バッファ層２２０においてＩｎＧａＮ層２２３を形成することにより、Ｆｅの拡散を抑制したものである。即ち、ＩｎＧａＮ層２２３は、格子定数が大きいため、不純物元素としてドープされているＦｅの拡散を抑制したものである。即ち、ＩｎＧａＮ層２２３はバリア層として機能している。これにより、超格子バッファ層２２０において不純物元素としてＦｅをドープした場合においても、Ｆｅは電子走行層３１等に拡散することを抑制することができる。よって、本実施の形態においては、半導体装置としての特性の低下を招くことなく、シリコン基板１０の反り及びリーク電流の発生を抑制することができる。

尚、本実施の形態においては、ＩｎＧａＮ層２２３に代えて、ＩｎＡｌＧａＮを用いてもよい。ＩｎＧａＮ層２２３を形成する際には、供給される原料ガスとして、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）が用いられる。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。ところで、上述したシリコン基板において縦方向に流れるリーク電流は、超格子バッファ層を厚くすることにより、抑制することができる。しかしながら、超格子バッファ層が厚いとシリコン基板の反りも大きくなってしまう。ここで、図２０に示されるように、超格子バッファ層２０が第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１と第２の超格子形成層であるＡｌＧａＮ層２２とを交互に積層することにより形成した場合について検討を行なった結果について説明する。具体的には、超格子バッファ層において、第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚を変化させた場合について検討を行なった結果について説明する。

図２１は、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚と、シリコン基板１０の反りのwarp値との関係を示す。図２１に示されるように、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚を厚くすることにより、シリコン基板１０における反りを低減させることができる。ＡｌＮ層２１の膜厚が０．８ｎｍ未満である場合には、シリコン基板１０の反りのwarp値が１２０μｍ以上となり、超格子バッファ層２０や超格子バッファ層２０の上に成膜される窒化物半導体層にクラック等が発生し好ましくない。よって、超格子バッファ層における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚は、０．８ｎｍ以上であることが好ましい。

図２２は、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚と耐圧との関係を示す。尚、本実施の形態においては、耐圧とは、リーク電流が１×１０^−３Ａ／ｃｍ^２となる電圧であるものとする。図２２に示されるように、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚を厚くすることにより耐圧が低下し、特に、ＡｌＮ層２１の膜厚が２．０ｎｍ前後においては、ＡｌＮ層２１の膜厚が厚くなると、耐圧は急激に低下する。ＡｌＮ層２１の膜厚が２．０ｎｍを超えると耐圧は、２００Ｖ未満となり好ましくない。よって、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚は、２．０ｎｍ以下であることが好ましい。

ここで、超格子バッファ層２０におけるＡｌＮ層２１の膜厚により耐圧が変化することをＡｌＮ層２１の膜厚が１．５ｎｍの場合と膜厚が２．３ｎｍの場合におけるエネルギーバンド図に基づき説明する。図２３は、膜厚が１．５ｎｍのＡｌＮ層２１と膜厚が２０ｎｍのＡｌＧａＮ層２２とを交互に積層することにより形成した超格子バッファ層２０におけるエネルギーバンド図である。また、図２４は、膜厚が２．３ｎｍのＡｌＮ層２１と膜厚が２０ｎｍのＡｌＧａＮ層２２とを交互に積層することにより形成した超格子バッファ層２０におけるエネルギーバンド図である。図２３に示す場合に比べて、図２４に示す場合の方が、伝導帯の下端が下に位置しており、この部分において電子が溜りやすい。このため、超格子バッファ層２０は、図２３に示す場合に比べて、図２４に示す場合の方が、耐圧が低くなる。

以上より、ＡｌＮ層２１の膜厚を変化させた場合にシリコン基板１０の反りと耐圧とはトレードオフの関係にある。上記におけるシリコン基板１０の反りと耐圧との関係に基づくならば、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であることが好ましい。

次に、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＣの濃度と、シリコン基板１０の反りとの関係について説明する。図２５は、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＣの濃度と、シリコン基板１０の反りのwarp値との関係を示す。尚、ＡｌＮ層２１の膜厚は２ｎｍである。

図２５に示されるように、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１におけるＣの濃度を高くすることにより、シリコン基板１０における反りが大きくなる。ＡｌＮ層２１におけるＣの濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３を超えると、シリコン基板１０の反りのwarp値が１２０μｍ以上となり、膜にクラック等が発生するため好ましくない。よって、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＣの濃度は、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることが好ましい。尚、ＡｌＮ層２１にはＣはある程度ドープしないと所望の耐圧を得ることができないため、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＣの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

以上より、シリコン基板１０の反りと耐圧との関係に基づくならば、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＣの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

次に、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＦｅの濃度と、シリコン基板１０の反りとの関係について説明する。図２６は、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＦｅの濃度と、シリコン基板１０の反りのwarp値との関係を示す。尚、第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１の膜厚は２ｎｍであり、ＡｌＮ層２１には、不純物元素としてＣが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされている。

図２６に示されるように、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１におけるＦｅの濃度を高くすることにより、シリコン基板１０における反りが大きくなる。ＡｌＮ層２１におけるＦｅの濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３を超えると、シリコン基板１０の反りのwarp値が１２０μｍ以上となり、膜にクラック等が発生するため好ましくない。よって、超格子バッファ層２０における第１の超格子形成層であるＡｌＮ層２１にドープされる不純物元素であるＦｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

よって、本実施の形態は、超格子バッファ層２０におけるＡｌＮ層２１の膜厚が０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であり、ＡｌＮ層２１にドープされている不純物元素がＣである場合には、Ｃの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。
また、超格子バッファ層２０におけるＡｌＮ層２１の膜厚が０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であり、超格子バッファ層２０におけるＡｌＮ層にドープされている不純物元素がＦｅである場合には、Ｆｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下である。本実施の形態における半導体装置は、上記のようなＡｌＮ層２１を有する超格子バッファ層２０が形成されている半導体装置である。
尚、本実施の形態においては、ＡｌＮ層２１となる第１の超格子形成層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮとした場合に、ｘの値が０．５以上、１以下となるものにより形成してもよい。また、ＡｌＧａＮ層２２となる第２の超格子形成層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮとした場合に、ｙの値が０以上、０．５未満となるものにより形成してもよい。従って、ｘ＞ｙとなるように形成されている。また、より好ましくは、第１の超格子形成層は、ＡｌＮにより形成してもよい。また、超格子バッファ層２０にドープされるアクセプタとなる不純物元素としては、Ｃ、Ｆｅの他、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｌｉ等であってもよい。

（半導体装置の製造方法）
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図２７及び図２８に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置の製造方法は、シリコン基板１０の上に、窒化物半導体層をＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによりエピタキシャル成長させることにより形成する。本実施の形態における説明では、窒化物半導体層は、ＭＯＣＶＤにより形成する場合について説明する。尚、窒化物半導体層をＭＯＣＶＤにより成膜する際には、Ａｌの原料ガスにはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）が用いられ、Ｇａの原料ガスにはＴＭＧ（トリメチルガリウム）が用いられ、Ｎの原料ガスにはＮＨ_３（アンモニア）が用いられる。

最初に、図２７（ａ）に示されるように、シリコン基板１０の上に、窒化物半導体により核形成層１１及びバッファ層１２を順次形成する。本実施の形態においては、シリコン基板１０として、シリコン（１１１）基板を用いているが、シリコン基板１０に代えて、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＮ等により形成された基板を用いてもよい。核形成層１１は、膜厚が２００ｎｍのＡｌＮ膜により形成されており、バッファ層１２は、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎにより形成されている。

核形成層１１は、基板温度が約１０００℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１０００〜２０００、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内の圧力が約５０ｍｂａｒ（５ｋＰａ）の条件において成長させることにより形成する。バッファ層１２は、基板温度が約１０００℃、Ｖ／ＩＩＩ比が１００〜３００、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内の圧力が約５０ｍｂａｒ（５ｋＰａ）の条件において成長させることにより形成する。本実施の形態においては、上述したように、核形成層１１については、膜中へのＣの取り込み量が少ない条件により成長させることが好ましく、バッファ層については、平坦性を高くするため、Ｖ／ＩＩＩ比を低下させた条件により成長させることが好ましい。

次に、図２７（ｂ）に示すように、バッファ層１２の上に超格子バッファ層２０を形成する。具体的には、図２０に示されるように、ＡｌＮ層２１とＡｌＧａＮ層２２とを交互に周期的に積層することにより超格子バッファ層２０を形成する。この際形成されるＡｌＮ層２１の膜厚は約１．５ｎｍであり、ＡｌＧａＮ層２２の膜厚は約２０ｎｍである。尚、ＡｌＮ層２１の膜厚は、残留電子発生による耐圧の低下を避けるため、２ｎｍ以下であることが好ましく、シリコン基板１０の反りを低減するため、０．８ｎｍ以上であることが好ましい。また、ＡｌＧａＮ層２２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されている。超格子バッファ層２０を形成する際の基板温度は、約１０２０℃であり、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内の圧力が約５０ｍｂａｒ（５ｋＰａ）の条件において成長させることにより形成する。

本実施の形態においては、ＡｌＮ層２１にドープされるアクセプタとなる不純物元素としてＣが用いられており、Ｖ／ＩＩＩ比を変化させることによりＣの混入量を調整している。具体的には、ＡｌＮ層２１におけるＣの濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３とするため、ＡｌＮ層２１を形成する際には、Ｖ／ＩＩＩ比が約６００の条件で成長させている。尚、本実施の形態においては、ＡｌＮ層２１における不純物濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

次に、図２７（ｃ）に示すように、超格子バッファ層２０の上に、電子走行層３１及び電子供給層３２を積層して形成する。具体的には、電子走行層３１は、成長温度が約１０００℃、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内における圧力が約１００〜３００ｍｂａｒ（１０〜３０ｋＰａ）の条件で、超格子バッファ層２０の上に、膜厚が約１μｍのＧａＮを成長させることにより形成する。電子供給層３２は、成長温度が約１０００℃、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内における圧力が約１００〜２００ｍｂａｒ（１０〜２０ｋＰａ）の条件で、電子走行層３１の上に、膜厚が約２０ｎｍのＡｌＧａＮを成長させることにより形成する。本実施の形態においては、電子供給層３２は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎにより形成されている。

次に、図２８に示すように、電子供給層３２の上に、ソース電極４２及びドレイン電極４３を形成し、更に、電子供給層３２の上に、ゲート電極４１を形成する。具体的には、電子供給層３２の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ソース電極４２及びドレイン電極４３が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｔｉ／Ａｌ膜からなる金属積層膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されている金属積層膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、残存する金属積層膜によりソース電極４２及びドレイン電極４３が形成される。この後、ＲＴＡ（ラピッドサーマルアニール）を行なうことにより、ソース電極４２及びドレイン電極４３をオーミックコンタクトさせる。尚、Ｔｉ／Ａｌ膜からなる金属積層膜において、Ｔｉ膜の膜厚は約１００ｎｍであり、Ａｌ膜の膜厚は約３００ｎｍである。

この後、再び電子供給層３２の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、ゲート電極４１が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｎｉ／Ａｕ膜からなる金属積層膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されている金属積層膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、残存する金属積層膜によりゲート電極４１が形成される。尚、Ｎｉ／Ａｕ膜からなる金属積層膜において、Ｎｉ膜の膜厚は約５０ｎｍであり、Ａｕ膜の膜厚は約３００ｎｍである。

以上の工程の製造方法により、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。

尚、本実施の形態においては、超格子バッファ層２０におけるＡｌＮ層２１を形成する際に、アクセプタとなる不純物元素として、Ｆｅをドープしてもよい。この場合においてドープされるＦｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることが好ましく、例えば、１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされていることが好ましい。Ｆｅをドープする際の原料ガスとしては、例えば、フェロセン（Ｃｐ２Ｆｅ）が用いられる。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、半導体デバイス、電源装置及び高周波増幅器である。

本実施の形態における半導体デバイスは、第１から第４の実施の形態におけるいずれかの半導体装置をディスクリートパッケージしたものであり、このようにディスクリートパッケージされた半導体デバイスについて、図２９に基づき説明する。尚、図２９は、ディスクリートパッケージされた半導体装置の内部を模式的に示すものであり、電極の配置等については、第１から第４の実施の形態に示されているものとは、異なっている。

最初に、第１から第４の実施の形態において製造された半導体装置をダイシング等により切断することにより、ＧａＮ系の半導体材料のＨＥＭＴの半導体チップ４１０を形成する。この半導体チップ４１０をリードフレーム４２０上に、ハンダ等のダイアタッチ剤４３０により固定する。尚、この半導体チップ４１０は、第１から第４の実施の形態における半導体装置に相当するものである。

次に、ゲート電極４１１をゲートリード４２１にボンディングワイヤ４３１により接続し、ソース電極４１２をソースリード４２２にボンディングワイヤ４３２により接続し、ドレイン電極４１３をドレインリード４２３にボンディングワイヤ４３３により接続する。尚、ボンディングワイヤ４３１、４３２、４３３はＡｌ等の金属材料により形成されている。また、本実施の形態においては、ゲート電極４１１はゲート電極パッドであり、第１から第４の実施の形態における半導体装置のゲート電極４１と接続されている。また、ソース電極４１２はソース電極パッドであり、第１から第４の実施の形態における半導体装置のソース電極４２と接続されている。また、ドレイン電極４１３はドレイン電極パッドであり、第１から第４の実施の形態における半導体装置のドレイン電極４３と接続されている。

次に、トランスファーモールド法によりモールド樹脂４４０による樹脂封止を行なう。このようにして、ＧａＮ系の半導体材料を用いたＨＥＭＴのディスクリートパッケージされている半導体デバイスを作製することができる。

次に、本実施の形態における電源装置及び高周波増幅器について説明する。本実施の形態における電源装置及び高周波増幅器は、第１から第４の実施の形態におけるいずれかの半導体装置を用いた電源装置及び高周波増幅器である。

最初に、図３０に基づき、本実施の形態における電源装置について説明する。本実施の形態における電源装置４６０は、高圧の一次側回路４６１、低圧の二次側回路４６２及び一次側回路４６１と二次側回路４６２との間に配設されるトランス４６３を備えている。一次側回路４６１は、交流電源４６４、いわゆるブリッジ整流回路４６５、複数のスイッチング素子（図３０に示す例では４つ）４６６及び一つのスイッチング素子４６７等を備えている。二次側回路４６２は、複数のスイッチング素子（図３０に示す例では３つ）４６８を備えている。図３０に示す例では、第１から第４の実施の形態における半導体装置を一次側回路４６１のスイッチング素子４６６及び４６７として用いられている。尚、一次側回路４６１のスイッチング素子４６６及び４６７は、ノーマリーオフの半導体装置であることが好ましい。また、二次側回路４６２において用いられているスイッチング素子４６８はシリコンにより形成される通常のＭＩＳＦＥＴ（metal insulator semiconductor field effect transistor）を用いている。

次に、図３１に基づき、本実施の形態における高周波増幅器について説明する。本実施の形態における高周波増幅器４７０は、例えば、携帯電話の基地局用パワーアンプに適用してもよい。この高周波増幅器４７０は、ディジタル・プレディストーション回路４７１、ミキサー４７２、パワーアンプ４７３及び方向性結合器４７４を備えている。ディジタル・プレディストーション回路４７１は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー４７２は、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ４７３は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。図３１に示す例では、パワーアンプ４７３は、第１から第４の実施の形態におけるいずれかの半導体装置を有している。方向性結合器４７４は、入力信号や出力信号のモニタリング等を行なう。図３１に示す回路では、例えば、スイッチの切り替えにより、ミキサー４７２により出力信号を交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路４７１に送出することが可能である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記超格子バッファ層は、第１の超格子形成層と第２の超格子形成層とを交互に周期的に積層することにより形成されており、
第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、
前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
（付記２）
前記第２の超格子形成層は、前記第１の半導体層側となる上層と前記基板側となる下層とを有しており、
前記第２の超格子形成層において、前記上層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記下層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記下層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度と略同じであることを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記４）
基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記超格子バッファ層は、前記基板側より、第３の超格子形成層、第２の超格子形成層、第１の超格子形成層の順で周期的に積層を繰り返すことにより形成されており、
第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、第３の超格子形成層はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮにより形成されており、ｘ＞ｙ＞ｚとなるものであって、
前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
（付記５）
前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度と略同じであることを特徴とする付記４に記載の半導体装置。
（付記６）
基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記超格子バッファ層は、前記基板側より、第２の超格子形成層、第１の超格子形成層、第３の超格子形成層の順で周期的に積層を繰り返すことにより形成されており、
第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、
前記第３の超格子形成層は、ＩｎＧａＮを含む材料により形成されており、
前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
（付記７）
前記第２の超格子形成層は、前記第１の半導体層側となる上層と前記基板側となる下層とを有しており、
前記第２の超格子形成層において、前記上層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記下層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする付記６に記載の半導体装置。
（付記８）
前記下層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度と略同じであることを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
（付記９）
前記第１の超格子形成層におけるｘの値は、０．５以上、１以下であり、
前記第２の超格子形成層におけるｙの値は、０以上、０．５以下であることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１０）
前記第１の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、５×１０^１６／ｃｍ^３以上、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１１）
前記第２の超格子形成層または、第２の超格子形成層の上層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１２）
前記アクセプタとなる不純物元素は、ＣまたはＦｅであることを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１３）
前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であることを特徴とする付記１、４、６のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１４）
前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＣがドープされており、
前記第１の超格子形成層にドープされているＣの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする付記１３に記載の半導体装置。
（付記１５）
前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＦｅがドープされており、
前記第１の超格子形成層にドープされているＦｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることを特徴とする付記１３または１４に記載の半導体装置。
（付記１６）
基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記超格子バッファ層は、第１の超格子形成層と第２の超格子形成層とを含むものを周期的に積層することにより形成されており、
第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、
前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であり、
前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＣがドープされており、
前記第１の超格子形成層にドープされているＣの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする半導体装置。
（付記１７）
基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記超格子バッファ層は、第１の超格子形成層と第２の超格子形成層とを含むものを周期的に積層することにより形成されており、
第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、
前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であり、
前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＦｅがドープされており、
前記第１の超格子形成層にドープされているＦｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることを特徴とする半導体装置。
（付記１８）
前記第１の超格子形成層は、ＡｌＮにより形成されていることを特徴とする付記１３から１７のいずれかに記載の半導体装置。
（付記１９）
前記基板は、シリコンを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から１８のいずれかに記載の半導体装置。
（付記２０）
前記第１の半導体層は、ＧａＮを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から１９のいずれかに記載の半導体装置。
（付記２１）
前記第２の半導体層は、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から２０のいずれかに記載の半導体装置。
（付記２２）
付記１から２１のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
（付記２３）
付記１から２１のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。

１０ シリコン基板
１１ 核形成層
１２ バッファ層
２０ 超格子バッファ層
２１ ＡｌＮ層（第１の超格子形成層）
２２ ＡｌＧａＮ層（第２の超格子形成層）
２２ａ 上層
２２ｂ 下層
３１ 電子走行層（第１の半導体層）
３２ 電子供給層（第２の半導体層）
４１ ゲート電極
４２ ソース電極
４３ ドレイン電極

Claims (6)

1. 基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
   前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
   を有し、
   前記超格子バッファ層は、前記基板側より、第２の超格子形成層、第１の超格子形成層、第３の超格子形成層の順で周期的に積層を繰り返すことにより形成されており、
   前記第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、前記第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、ｘ＞ｙとなるものであって、
   前記第３の超格子形成層は、ＩｎＧａＮを含む材料により形成されており、
   前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
2. 基板の上に、形成された超格子バッファ層と、
   前記超格子バッファ層の上に、窒化物半導体により形成された第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ソース電極及びドレイン電極と、
   を有し、
   前記超格子バッファ層は、前記基板側より、第３の超格子形成層、第２の超格子形成層、第１の超格子形成層の順で周期的に積層を繰り返すことにより形成されており、
   前記第１の超格子形成層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにより形成されており、前記第２の超格子形成層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮにより形成されており、前記第３の超格子形成層はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮにより形成されており、ｘ＞ｙ＞ｚとなるものであって、
   前記第２の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度は、前記第１の超格子形成層及び前記第３の超格子形成層にドープされているアクセプタとなる不純物元素の濃度よりも高く、
   前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
3. 前記第１の超格子形成層の膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＣがドープされており、
   前記第１の超格子形成層にドープされているＣの濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
5. 前記第１の超格子形成層には、アクセプタとなる不純物元素としてＦｅがドープされており、
   前記第１の超格子形成層にドープされているＦｅの濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記第１の超格子形成層におけるｘの値は、０．５以上、１以下であり、
   前記第２の超格子形成層におけるｙの値は、０以上、０．５以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。

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