JP2010040828A - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低抵抗チャネル（高移動度、高２ＤＥＧ濃度）を有するヘテロ構造を有し、従来技術よりも容易に作製できる窒化物半導体装置を提供すること。
【解決手段】基板であるＧａＮ１上に、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ＡｌＧａＮ２）およびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（ＡｌＩｎＮ３）をこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、前記ｘ、ｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ 1 ｎｍ以上であり、両者の和は 50 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体装置に関し、特に、窒化物半導体積層構造を有する窒化物半導体装置に関するものである。

窒化物半導体は、ワイドギャップ、高い絶縁破壊電界、高い飽和電子速度、熱的安定性を有し、耐高温・高出力・高周波トランジスタ等の電子デバイスへの応用が期待され開発が進められている。

特に、ＡｌＧａＮ/ＧａＮヘテロ構造は、高いシート電子濃度( ＞８×１０^１２ｃｍ^−２ )の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を誘起し、1000 ｃｍ^２/Ｖｓ以上の高い電子移動度を有することから、高周波、高出力動作する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として有望である。

ＡｌＧａＮ/ＧａＮ ＦＥＴにおいては、通常ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成は 0.25 である。現在、この構造で、遮断周波数（ｆ_Ｔ）100 ＧＨｚ以上、最高発振周波数（ｆ_ｍａｘ）150 ＧＨｚ以上、出力 10 Ｗ/ｍｍと高い特性が得られている。今後、これらの周波数特性や出力特性を向上するためには、ＡｌＧａＮ/ＧａＮの２ＤＥＧ濃度を向上させ、抵抗を低減することがひとつの手段となる。

ＡｌＧａＮ/ＧａＮにおいて、２ＤＥＧ濃度を向上させるためには、ＡｌＧａＮ障壁層のＡｌ組成を高くする必要がある。Ａｌ組成の増加に伴い、伝導帯バンド不連続（△Ｅｃ）や分極電荷が増大することにより２ＤＥＧ濃度が向上する。

しかし、Ａｌ組成を高めると、ＧａＮとの格子不整が大きくなるため、ＡｌＧａＮの膜厚が制限される。また、ＡｌＧａＮ中に歪による応力が内在する。ＡｌＧａＮの臨界膜厚はＡｌ組成 0.5 で約 10 ｎｍ、Ａｌ組成１で約 3 ｎｍである。膜厚の薄層化により耐圧の低下やリーク電流の増加が懸念される。また、歪の応力の増加によりＦＥＴプロセス中の特性劣化等が懸念される。このように高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ障壁層を有したＡｌＧａＮ/ＧａＮ ＦＥＴは結晶成長や作製が困難である。

ＡｌＧａＮ障壁層に替わり、ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ）障壁層を用いたＡｌＩｎＮ/ＧａＮヘテロ構造のＦＥＴ応用が提案されている（下記非特許文献１参照）。ＡｌＩｎＮはＡｌ組成約 0.83 でＧａＮと格子整合する。この格子整合 Ａｌ_０．８３Ｉｎ_０．１７Ｎは、バンドギャップが 4.8 ｅＶ、ＧａＮとの△Ｅｃが 1.1 ｅＶ、ＧａＮ界面で自発分極電荷が 460 Ｃ/ｃｍ^２と予測されている。従来用いられているＡｌＧａＮは、バンドギャップが 4.1 ｅＶ、△Ｅｃが 0.55 ｅＶ、分極電荷（自発とピエゾの総和）が 460 Ｃ/ｃｍ^２と比べはるかに高く、無歪で高い電子濃度を得ることが可能である。以上のことから現在、ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ)/ＧａＮヘテロ構造のＦＥＴ応用への研究開発が盛んに行なわれ始めている。

しかし、ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ)/ＧａＮヘテロ構造では、電子移動度は 100 ｃｍ^２/ＶｓとＡｌＧａＮ/ＧａＮに比較して非常に低い。ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ）の合金散乱が非常に大きいことと、結晶成長が困難であり急峻な界面が得られにくいことがその要因である。

このことから界面にＡｌＮを 1 ｎｍ程度挿入したＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ)/ＡｌＮ/ＧａＮヘテロ構造が提案されており、この構造により電子移動度 1200 ｃｍ^２/Ｖｓ、２ＤＥＧ濃度 2.6×10^１３ｃｍ^−２という低抵抗な２ＤＥＧの形成が報告されている（下記非特許文献２参照）。これは、ＡｌＮ中間層が、２ＤＥＧのＡｌＩｎＮへの染み出し、およびＡｌＩｎＮの合金散乱を抑制するためである。

具体的には、窒化物半導体材料を用いたＦＥＴ用の半導体構造として、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ(厚さ 5〜40 ｎｍ、0.1≦ｙ≦0.4)/ＧａＮヘテロ構造、もしくはＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ(厚さ 5〜40 ｎｍ、0.1≦ｙ≦0.4)/ＡｌＮ/ＧａＮヘテロ構造が従来用いられている。

また、上記のＡｌＧａＮ系障壁層を用いた場合より低歪かつ低抵抗のチャネルを得るため、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ(厚さ 5〜40 ｎｍ、0.7≦ｘ≦0.9)/ＡｌＮ/ＧａＮヘテロ構造が従来用いられている。
J. Kuzmik, IEEE Electron Device Lett. 22, 510 (2001) M. Gonschorek, J.-F. Carlin, E. Feltin, M. A. Py, and N. Grandjean, Appl. Phys. Lett. 89, 062106 (2006)

上述のように、低抵抗チャネルを有するＧａＮ系ＦＥＴを作製するために、高Ａｌ組成ＡｌＧａＮ/ＧａＮ、もしくは格子不整合の少ないＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ)/ＡｌＮ/ＧａＮヘテロ構造の活用が有効である。しかし、この構造には以下のような問題点がある。

問題点１：ＡｌＮ中間層の成長が困難であり、表面平坦な中間層を得る最適な成長条件、膜厚の領域が非常に狭い。また、ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ）は成長温度がＧａＮ系より低いため、成長中の原子の表面マイグレーション長が非常に小さいため、ＡｌＮの成長表面の影響をＡｌＧａＮと比較して非常に大きく受ける。そのため、表面平坦かつ高電子移動度であるＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ)/ＡｌＮ/ＧａＮを作製できる成長条件および構造の領域が非常に狭い。

問題点２：ＡｌＮは 6.2 ｅＶとバンドギャップが非常に大きいため、電気的導電性が非常に低い。そのため、ＡｌＮ中間層が障壁となるため、高性能ＦＥＴを得るために必須である接触抵抗の低減が困難である。

問題点３：ＡｌＧａＮと比較し、ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ）もバンドギャップが大きいため、低接触抵抗を得ることが困難である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が発明が解決しようとする課題は、低抵抗チャネル（高移動度、高２ＤＥＧ濃度）を有するヘテロ構造を有し、従来技術よりも容易に作製できる窒化物半導体装置を提供することである。

本発明においては、請求項１に記載のように、
基板上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、前記ｘおよびｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上であり、両者の和は 50 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
基板上にＡｌＮ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、前記ｘおよびｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記ＡｌＮの厚さは 0.1 ｎｍ以上 3 ｎｍ以下であり、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
基板上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、前記ｘ、ｙおよびｚは不等式０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｚ＜１ および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
基板上にＡｌＮ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、前記ｘ、ｙおよびｚは不等式０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｚ＜１ および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記ＡｌＮの厚さは 0.1 ｎｍ以上 3 ｎｍ以下であり、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の窒化物半導体装置において、前記積層構造上にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有し、電界効果トランジスタとして動作することを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項１ないし４のいずれかに記載の窒化物半導体装置において、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮに接するソース電極およびドレイン電極を有し、前記積層構造上にゲート電極を有し、電界効果トランジスタとして動作することを特徴とする窒化物半導体装置を構成する。

ＡｌＩｎＮ（もしくは高Ａｌ組成のＡｌＧａＩｎＮ）の下にＡｌＧａＮを挿入した構造を用いることによって、低抵抗チャネル（高移動度、高２ＤＥＧ濃度）を有するヘテロ構造を有し、従来技術よりも容易に作製できる窒化物半導体装置を提供することが可能となる。なお、請求項２、４に記載の窒化物半導体装置における積層構造は問題点１の解決に有効であり、請求項１、３に記載の窒化物半導体装置における積層構造は問題点１、２の解決に有効である。

また、本発明は、従来構造のＦＥＴよりも高い相互コンダクタンス、周波数特性、出力特性を有するＦＥＴの作製が可能であるという効果を有する。

以下に、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、請求項１に係る発明の実施の形態における積層構造断面の模式図である。図に示すように、ＧａＮ１上にＡｌＧａＮ２、ＡｌＩｎＮ３を順次積層した積層構造となっている。さらに詳しくは、この積層構造は、基板であるＧａＮ上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮをこの順に堆積してなり、前記ｘおよびｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上であり、両者の和は 50 ｎｍ以下であることを特徴とする。

ＡｌＧａＮ２は、２ＤＥＧが誘起されるＡｌ組成(ｙ) 0.1 以上、格子不整が １ ％以下(絶対値で)となるＡｌ組成(ｙ) 0.4 以下が好ましい。膜厚は全面を被覆する 1 ｎｍ以上、臨界膜厚以下が好ましい。臨界膜厚はＡｌ組成(ｙ)に依存し、例えば、Ａｌ組成(ｙ) 0.3 で 30 ｎｍ程度、Ａｌ組成(ｙ) 0.4 で 15 ｎｍ程度である。

ＡｌＩｎＮ３は、格子不整が ±0.1 ％以内となるＡｌ組成(ｘ) 0.75 から 0.9 の範囲が好ましい。また、膜厚は全面を被覆する 1 ｎｍ以上が好ましい。

ＡｌＩｎＮ３とＡｌＧａＮ２の任意の膜厚比において、本発明の効果が得られるが、ＡｌＩｎＮ３とＡｌＧａＮ２の膜厚の和はＦＥＴ障壁層として 50 ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、ＡｌＩｎＮのａ軸の格子常数がＡｌＧａＮ層より大きいとき、ＡｌＩｎＮ/ＡｌＧａＮ２層では、ＡｌＧａＮ単層よりその応力を軽減できるため、本発明では格子不整 1 ％以上(絶対値で)となるＡｌ組成(ｙ) 0.4 以上のＡｌＧａＮ２を用いることが可能となる。

この構造では、電子移動度 1000 ｃｍ^２/Ｖｓ以上、２ＤＥＧ濃度 2×10^１３ ｃｍ^−２以上の低抵抗の２ＤＥＧ特性を得ることが可能である。

また、オーミック接合の接触抵抗は従来のＡｌＩｎＮ/ＡｌＮ/ＧａＮ構造では 1 Ωｍｍ以上であるのに対し、この構造では 0.5 Ωｍｍ以下に低減することが可能である。

図２は、請求項２に係る発明の実施の形態における積層構造断面の模式図である。図に示すように、ＧａＮ１上にＡｌＮ４、ＡｌＧａＮ２、ＡｌＩｎＮ３を順次積層した積層構造となっている。さらに詳しくは、この積層構造は、基板であるＧａＮ上にＡｌＮ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮをこの順に堆積してなり、前記ｘおよびｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記ＡｌＮの厚さは 0.1 ｎｍ以上 3 ｎｍ以下であり、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする。

ＡｌＮ４の厚さは、0.1 ｎｍ以上、3 ｎｍ以下としているが、１原子層の厚さ 0.3 ｎｍ以上、臨界膜厚 3 ｎｍ以下がより好ましい。

ＡｌＧａＮ２とＡｌＩｎＮ３の層構造は図１と同様である。ただし、各層が全面を被覆するように、各層の膜厚を 1 ｎｍ以上とし、両層の膜厚の和がＦＥＴ障壁層の厚さとして 50 ｎｍ以下であることが好ましいので、各層の膜厚を 20 ｎｍ以下としている。

なお、ＡｌＩｎＮのａ軸の格子常数がＡｌＧａＮ層より大きいとき、ＡｌＩｎＮ/ＡｌＧａＮ２層では、ＡｌＧａＮ単層よりその応力を軽減できるため、本発明では格子不整 1 ％以上(絶対値で)となるＡｌ組成(ｙ) 0.4 以上のＡｌＧａＮ２を用いることが可能となる。

図２に示した積層構造では、電子移動度 1300 ｃｍ^２/Ｖｓ以上、２ＤＥＧ濃度 2×10^１３ ｃｍ^−２以上の低抵抗の２ＤＥＧ特性を得ることが可能である。この積層構造における電子移動度および２ＤＥＧ濃度の測定結果を、それぞれ、従来の積層構造における電子移動度および２ＤＥＧ濃度の測定結果と比較して図３および図４に示す。両図において、横軸はＩｎＡｌＮ３のＩｎ組成であり、図２に示した積層構造はＩｎＡｌＮ/ＡｌＧａＮ/ＡｌＮ/ＧａＮで示され、従来の積層構造はＩｎＡｌＮ/ＡｌＮ/ＧａＮで示されている。図３において、本発明に係る窒化物半導体装置の積層構造における電子移動度(黒丸)が、従来の積層構造における電子移動度(白丸)よりも著しく高くなることが示され、本発明に係る窒化物半導体装置の有用性が明らかとなっている。

図５は、請求項３に係る発明の実施の形態における積層構造断面の模式図である。図に示すように、ＧａＮ１上にＡｌＧａＮ２、ＡｌＧａＩｎＮ５を順次堆積した積層構造となっている。さらに詳しくは、この積層構造は、基板であるＧａＮ上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎをこの順に堆積してなり、前記ｘ、ｙおよびｚは不等式０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｚ＜１ および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする。

ＡｌＧａＮ２は、２ＤＥＧが誘起されるＡｌ組成(ｙ) 0.1 以上、格子不整が 1 ％以下(絶対値で)となるＡｌ組成(ｙ) 0.4 以下が好ましい。膜厚は全面を被覆する 1 ｎｍ以上、臨界膜厚以下が好ましい。

ＡｌＧａＩｎＮ５の組成は、ＧａＮとの格子不整が ±1 ％以内であり、かつＧａＮよりバンドギャップが広い領域となることが好ましい。その領域を図６の斜線部で示す。また、バンドギャップがＡｌ組成(ｘ) 0.4 より大きくなる領域で、本発明の効果がより有効となる。その領域を図６の交叉斜線部で示す。

ＡｌＧａＮ２とＡｌＧａＩｎＮ５の各層が全面を被覆するように、各層の膜厚を 1 ｎｍ以上とし、両層の膜厚の和がＦＥＴ障壁層の厚さとして 50 ｎｍ以下であることが好ましいので、各層の膜厚を 20 ｎｍ以下としている。

この積層構造では、電子移動度 1000 ｃｍ^２/Ｖｓ以上、２ＤＥＧ濃度 1.8×10^１３ ｃｍ^−２以上の低抵抗の２ＤＥＧ特性を得ることが可能である。

図７は、請求項４に係る発明の実施の形態における積層構造断面の模式図である。図に示すように、ＧａＮ１上にＡｌＮ４、ＡｌＧａＮ２、ＡｌＧａＩｎＮ５を順次堆積した積層構造となっている。さらに詳しくは、この積層構造は、基板であるＧａＮ上にＡｌＮ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎをこの順に堆積してなり、前記ｘ、ｙおよびｚは不等式０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｚ＜１ および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、前記ＡｌＮの厚さは 0.1 ｎｍ以上 3 ｎｍ以下であり、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする。

ＡｌＮ４の厚さは、0.1 ｎｍ以上、3 ｎｍ以下としているが、１原子層の厚さ 0.3 ｎｍ以上、臨界膜厚 3 ｎｍ以下がより好ましい。

ＡｌＧａＮ２は、２ＤＥＧが誘起されるＡｌ組成(ｙ) 0.1 以上、格子不整が 1 ％以下(絶対値で)となるＡｌ組成(ｙ) 0.4 以下が好ましい。膜厚は全面を被覆する 1 ｎｍ以上、臨界膜厚以下が好ましい。

ＡｌＧａＩｎＮ５の組成は、ＧａＮとの格子不整が ±1 ％以内であり、かつＧａＮよりバンドギャップが広い領域（図６の斜線部）となることが好ましい。また、バンドギャップがＡｌ組成(ｘ) 0.4 より大きくなる領域（図６の交叉斜線部）で、本発明の効果がより有効となる。

ＡｌＧａＮ２とＡｌＧａＩｎＮ５の各層が全面を被覆するように、各層の膜厚を 1 ｎｍ以上とし、両層の膜厚の和がＦＥＴ障壁層の厚さとして 50 ｎｍ以下であることが好ましいので、各層の膜厚を 20 ｎｍ以下としている。

図８は、請求項５に係る発明の実施の形態における窒化物半導体装置断面の模式図であり、図１、２、５、７に示した積層構造上に、ソース電極６、ドレイン電極７、ゲート電極８を有し、電界効果トランジスタとして動作する窒化物半導体装置を示している。なお、図１、５に示した積層構造を用いた場合には、ＡｌＮ４は形成されていない。ソース電極６、ドレイン電極７として、例えばＴｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕを熱処理したもの、ゲート電極８としては、例えばＮｉ/Ａｕを用いればよい。

図９は、請求項６に係る発明の実施の形態における窒化物半導体装置断面の模式図であり、図１、２、５、７に示した積層構造の、ソース電極６、ドレイン電極７を形成する領域のＡｌＩｎＮ３（もしくはＡｌＧａＩｎＮ５）をエッチングした部位に、ＡｌＧａＮ２に接するソース電極６、ドレイン電極７を有し、両電極間の積層構造上にゲート電極８を有し、電界効果トランジスタとして動作する窒化物半導体装置を示している。なお、図１、５に示した積層構造を用いた場合には、ＡｌＮ４は形成されていない。ソース電極６、ドレイン電極７としては、例えばＴｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕを熱処理したもの、ゲート電極８としては、例えばＮｉ/Ａｕを用いればよい。

本発明の実施の形態例として、図２に示した積層構造において、ＡｌＩｎＮ３が 12 ｎｍ厚のＡｌ_０．８１Ｉｎ_０．１９Ｎであり、ＡｌＧａＮ２が 5 ｎｍ厚のＡｌ_０．３８Ｇａ_０．６２Ｎであり、ＡｌＮ４の厚さが 1 ｎｍである積層構造を用いて電界効果トランジスタを作製し、従来例として、ＧａＮ基板上に、 1 ｎｍ厚のＡｌＮと 16.5 ｎｍ厚のＡｌ_０．８２Ｉｎ_０．１８Ｎとをこの順に堆積してなる積層構造を用いて電界効果トランジスタを作製し、両者の特性を比較した。両者の、トランジスタ特性、すなわち、ゲート−ソース間電圧Ｖ_ｇｓをパラメータとするソース−ドレイン間の電流(Ｉ_ｄｓ)−電圧(Ｖ_ｄｓ)特性を図１０に、ゲートリーク電流特性、すなわち、ゲートリーク電流Ｉ_ｇｄとゲート−ドレイン間電圧Ｖ_ｇｄとの関係を図１１に、それぞれ示す。両図において、本発明の実施の形態例の特性は実線で、従来例の特性は破線で、それぞれ表されている。図１１において、本発明の実施の形態例におけるゲートリーク電流(実線)が従来例におけるゲートリーク電流(破線)よりも１桁以上小さく、この点においても、本発明に係る窒化物半導体装置の有用性が示されている。

なお、上記の説明においては、基板としてＧａＮを用いているが、ＧａＮ以外にも、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉを用いることができ、その場合にも、上記と同様の効果が得られる。

請求項１記載の窒化物半導体装置における積層構造断面の模式図である。 請求項２記載の窒化物半導体装置における積層構造断面の模式図である。 請求項２記載の窒化物半導体装置の積層構造における電子移動度の測定結果を従来の積層構造における電子移動度の測定結果と比較する図である。 請求項２記載の窒化物半導体装置の積層構造における２ＤＥＧ濃度の測定結果を従来の積層構造における２ＤＥＧ濃度の測定結果と比較する図である。 請求項３記載の窒化物半導体装置における積層構造断面の模式図である。 ＡｌＧａＩｎＮの組成図において、ＧａＮとの格子不整が ±1 ％以内であり、かつＧａＮよりバンドギャップが広い組成領域を示す図である。 請求項４記載の窒化物半導体装置における積層構造断面の模式図である。 請求項５記載の窒化物半導体装置断面の模式図である。 請求項６記載の窒化物半導体装置断面の模式図である。 本発明に係る窒化物半導体装置のトランジスタ特性を、従来例の窒化物半導体装置のトランジスタ特性と比較する図である。 本発明に係る窒化物半導体装置のゲートリーク電流特性を、従来例の窒化物半導体装置のゲートリーク電流特性と比較する図である。

符号の説明

１：ＧａＮ、２：ＡｌＧａＮ、３：ＡｌＩｎＮ、４：ＡｌＮ、５：ＡｌＧａＩｎＮ、６：ソース電極、７：ドレイン電極、８：ゲート電極。

Claims (6)

1. 基板上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、
   前記ｘおよびｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、
   前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上であり、両者の和は 50 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
2. 基板上にＡｌＮ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、
   前記ｘおよびｙは不等式 0.75≦ｘ≦0.9 および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、
   前記ＡｌＮの厚さは 0.1 ｎｍ以上 3 ｎｍ以下であり、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
3. 基板上にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、
   前記ｘ、ｙおよびｚは不等式０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｚ＜１
   および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、
   前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
4. 基板上にＡｌＮ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮおよびＡｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎをこの順に堆積してなる積層構造を有する窒化物半導体装置であって、
   前記ｘ、ｙおよびｚは不等式０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｚ＜１
   および 0.1≦ｙ＜１ を満足し、
   前記ＡｌＮの厚さは 0.1 ｎｍ以上 3 ｎｍ以下であり、前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの厚さと前記Ａｌ_ｘＧａ_ｚＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎの厚さは、それぞれ、1 ｎｍ以上 20 ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の窒化物半導体装置において、
   前記積層構造上にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有し、電界効果トランジスタとして動作することを特徴とする窒化物半導体装置。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の窒化物半導体装置において、
   前記Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮに接するソース電極およびドレイン電極を有し、前記積層構造上にゲート電極を有し、電界効果トランジスタとして動作することを特徴とする窒化物半導体装置。

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