(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023146620
(43)【公開日】2023-10-12
(54)【発明の名称】窒化物半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/338 20060101AFI20231004BHJP
H01L 21/337 20060101ALI20231004BHJP
【ＦＩ】
H01L29/80 H
H01L29/80 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022053890
(22)【出願日】2022-03-29
(71)【出願人】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】舘 毅
【テーマコード（参考）】
5F102
【Ｆターム（参考）】
5F102FA04
5F102GB01
5F102GC01
5F102GD04
5F102GJ02
5F102GJ03
5F102GJ04
5F102GJ10
5F102GK04
5F102GK08
5F102GL04
5F102GL08
5F102GL15
5F102GM04
5F102GM08
5F102GQ01
5F102GR04
5F102GS01
5F102GT03
5F102GT06
5F102GV05
5F102GV07
5F102GV08
(57)【要約】
【課題】窒化物半導体ＨＥＭＴのオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗－温度特性を実現すること。
【解決手段】窒化物半導体装置１０は、基板１２と、基板１２の上に配置されたバッファ層１４と、バッファ層１４の上に配置された電子走行層１６と、電子走行層１６の上に配置された電子供給層２０とを備える。電子走行層１６は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子層１６Ａが繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。複数の超格子層１６Ａのうち最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２が、電子走行層１６の最上層として設けられている。電子供給層２０は、各超格子層１６Ａよりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている。
【選択図】図２
【解決手段】窒化物半導体装置１０は、基板１２と、基板１２の上に配置されたバッファ層１４と、バッファ層１４の上に配置された電子走行層１６と、電子走行層１６の上に配置された電子供給層２０とを備える。電子走行層１６は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子層１６Ａが繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。複数の超格子層１６Ａのうち最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２が、電子走行層１６の最上層として設けられている。電子供給層２０は、各超格子層１６Ａよりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層とＧａＮを含む第２窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含む電子走行層であって、前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられた前記電子走行層と、
前記最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層に二次元電子ガスを発生させるべく、各前記超格子層よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成された電子供給層と、
前記電子供給層の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層によって構成されたゲート層と、
前記ゲート層上に配置されたゲート電極と、
前記二次元電子ガスに電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
を備える窒化物半導体装置。
前記最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層に二次元電子ガスを発生させるべく、各前記超格子層よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成された電子供給層と、
前記電子供給層の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層によって構成されたゲート層と、
前記ゲート層上に配置されたゲート電極と、
前記二次元電子ガスに電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
を備える窒化物半導体装置。
【請求項2】
前記複数の超格子層の層数は１０以上１００以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項3】
前記第２窒化物半導体層の厚さは前記第１窒化物半導体層の厚さよりも大きい、請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項4】
前記第１窒化物半導体層の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、
前記第２窒化物半導体層の厚さは２ｎｍ以上６ｎｍ以下である、請求項３に記載の窒化物半導体装置。
前記第２窒化物半導体層の厚さは２ｎｍ以上６ｎｍ以下である、請求項３に記載の窒化物半導体装置。
【請求項5】
前記電子供給層と前記最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層との間に配置されたスペーサ層をさらに備え、
前記スペーサ層は、ＡｌＮを含む第５窒化物半導体層によって構成されている、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前記スペーサ層は、ＡｌＮを含む第５窒化物半導体層によって構成されている、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項6】
前記スペーサ層のＡｌ組成は、各前記超格子層のＡｌ組成以上である、請求項５に記載の窒化物半導体装置。
【請求項7】
前記スペーサ層の厚さは、前記第１窒化物半導体層の厚さ以下である、請求項５または６に記載の窒化物半導体装置。
【請求項8】
前記スペーサ層はＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層である、請求項５～７のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項9】
前記ソース電極は、前記電子供給層の第１開口部を介して前記スペーサ層に接しており、前記ドレイン電極は、前記電子供給層の第２開口部を介して前記スペーサ層に接している、請求項５～８のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項10】
前記ソース電極および前記ドレイン電極はＡｕを含む、請求項９に記載の窒化物半導体装置。
【請求項11】
前記電子供給層はＡｌＧａＮ層であり、
前記スペーサ層のＡｌ組成は、前記電子供給層のＡｌ組成よりも大きい、請求項５～１０のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前記スペーサ層のＡｌ組成は、前記電子供給層のＡｌ組成よりも大きい、請求項５～１０のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項12】
前記電子供給層のＡｌ組成は２５％以上５０％以下であり、
前記スペーサ層のＡｌ組成は８０％以上である、請求項１１に記載の窒化物半導体装置。
前記スペーサ層のＡｌ組成は８０％以上である、請求項１１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項13】
前記第２窒化物半導体層はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層である、請求項１～１２のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項14】
前記電子供給層はＡｌＧａＮ層であり、
前記ゲート層は、ＭｇおよびＺｎのうちの少なくとも一つを前記アクセプタ型不純物として含むＧａＮ層である、請求項１～１３のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前記ゲート層は、ＭｇおよびＺｎのうちの少なくとも一つを前記アクセプタ型不純物として含むＧａＮ層である、請求項１～１３のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項15】
前記電子走行層は、シリコン基板上にバッファ層を介して形成されている、請求項１～１４のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項16】
基板と、
前記基板の上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置された電子走行層と、
前記電子走行層の上に配置された電子供給層と、を備え、
前記電子走行層は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層とＧａＮを含む第２窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含み、
前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられており、
前記電子供給層は、前記複数の超格子層の各々よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている、窒化物半導体装置。
前記基板の上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置された電子走行層と、
前記電子走行層の上に配置された電子供給層と、を備え、
前記電子走行層は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層とＧａＮを含む第２窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含み、
前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられており、
前記電子供給層は、前記複数の超格子層の各々よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている、窒化物半導体装置。
【請求項17】
前記電子供給層と前記最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層との間に配置されたスペーサ層をさらに備え、
前記スペーサ層は、ＡｌＮを含む窒化物半導体層によって構成されている、請求項１６に記載の窒化物半導体装置。
前記スペーサ層は、ＡｌＮを含む窒化物半導体層によって構成されている、請求項１６に記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物半導体（以下、単に「窒化物半導体」と言う場合がある）を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の製品化が進んでいる。ＨＥＭＴは、半導体ヘテロ接合の界面付近に形成された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を導電経路（チャネル）として使用する。ＨＥＭＴを利用したパワーデバイスは、典型的なシリコン（Ｓｉ）パワーデバイスと比較して低オン抵抗および高速・高周波動作を可能にしたデバイスとして認知されている。
【0003】
例えば、窒化物半導体ＨＥＭＴは、窒化ガリウム（ＧａＮ）層によって構成された電子走行層と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層によって構成された電子供給層とを含む。これら電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合の界面付近において電子走行層中に２ＤＥＧが形成される。また、ノーマリーオフ型ＨＥＭＴの場合、例えば、アクセプタ型不純物を含む半導体層（例えばｐ型ＧａＮ層）がゲート電極の直下において電子走行層上に設けられる。この構成では、ｐ型ＧａＮ層から下方に広がる空乏層によりｐ型ＧａＮ層の直下のチャネルが消失することで、ノーマリーオフが実現される。特許文献１は、このようなノーマリーオフ型の窒化物半導体ＨＥＭＴを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１７－７３５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般的に、電子走行層をＧａＮ層で構成しつつ、電子供給層をＡｌＧａＮ層で構成した窒化物半導体ＨＥＭＴは、オン抵抗の温度依存性が大きく、温度の上昇に伴ってオン抵抗が増加する。これは、電子走行層のＧａＮ結晶中において熱エネルギーによる格子散乱が増加することで、チャネルとして使用する２ＤＥＧの移動度が低下することに起因する。例えば、いくつかのＨＥＭＴ製品では、室温時と比べて、１５０℃の温度下ではオン抵抗が約２倍程度に増加する。特に、比較的高い耐圧（例えば、６５０Ｖ耐圧）が求められるＨＥＭＴ構造ではオン抵抗も高くなることから、ＨＥＭＴの動作時に導通損失および発熱も大きくなる。
【0006】
また、窒化物半導体ＨＥＭＴでは、チップコストを抑える等の観点からチップサイズをより小さくすることが求められる。このため、十分な放熱面積を得るためにチップ面積を大きくすることが難しく、その結果、小チップに大電流が流れることで発生したジュール熱を十分に逃がすことが困難となり得る。したがって、オン抵抗が温度に応じて正の相関関係で増加しかつオン抵抗の温度依存性が大きい窒化物半導体ＨＥＭＴでは、チップ温度の上昇に伴いオン抵抗が大きく増加し、それによりチップ温度がさらに上昇するといったことが起こり得る。したがって、窒化物半導体ＨＥＭＴのオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗－温度特性を実現する上で未だ改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様による窒化物半導体装置は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層とＧａＮを含む第２窒化物半導体層との超格子層が繰り返し積層された複数の超格子層を含む電子走行層であって、前記複数の超格子層のうち最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層が前記電子走行層の最上層として設けられた前記電子走行層と、前記最上層の超格子層の前記第２窒化物半導体層に二次元電子ガスを発生させるべく、前記複数の超格子層の各々よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成された電子供給層と、前記電子供給層の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層によって構成されたゲート層と、前記ゲート層上に配置されたゲート電極と、前記二次元電子ガスに電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極とを備える。
【発明の効果】
【0008】
本開示の一態様による窒化物半導体装置は、窒化物半導体ＨＥＭＴにおけるオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗－温度特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付図面を参照して本開示による半導体装置のいくつかの実施形態を説明する。なお、図面に示される構成要素は、分かり易さおよび明瞭化のために部分的に拡大されている場合があり、必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチング線が省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。
【0011】
以下の詳細な記載は、本開示の例示的な実施形態を具体化する装置、システム、および方法を含む。この詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本開示の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図しない。
【0012】
【0013】
［窒化物半導体装置の全体構造］
まず、図１および図２を参照して、窒化物半導体装置１０の全体構造について説明する。窒化物半導体装置１０は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として構成され得る。窒化物半導体装置１０は、基板１２と、基板１２上に形成されたバッファ層１４と、バッファ層１４上に形成された電子走行層１６と、電子走行層１６上に形成された電子供給層２０とを含む。
まず、図１および図２を参照して、窒化物半導体装置１０の全体構造について説明する。窒化物半導体装置１０は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として構成され得る。窒化物半導体装置１０は、基板１２と、基板１２上に形成されたバッファ層１４と、バッファ層１４上に形成された電子走行層１６と、電子走行層１６上に形成された電子供給層２０とを含む。
【0014】
なお、図示を簡略化するために図１には示されていないが、窒化物半導体装置１０は、基板１２とバッファ層１４との間に核生成層１３（図２参照）を含み得る。また、図１には示されていないが、窒化物半導体装置１０は、電子走行層１６と電子供給層２０との間にスペーサ層１８（図２参照）を含み得る。
【0015】
基板１２は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ＧａＮ、サファイア、または他の基板材料で形成され得る。例えば、基板１２は、Ｓｉ基板である。基板１２の厚さは、例えば２００μｍ以上１５００μｍ以下であってよい。なお、図面（例えば、図１）に示される互いに直交するＸＹＺ軸のＺ方向は、基板１２の主面と直交する方向である。本明細書において使用される「平面視」という用語は、明示的に別段の記載がない限り、Ｚ方向に沿って上方から窒化物半導体装置１０を視ることをいう。
【0016】
核生成層１３（図２参照）は、窒化物半導体層によって基板１２上に構成されている。核生成層１３は、例えば、１００ｎｍ以上５００ｍｍ以下の厚さを有するＡｌＮ層であってよい。バッファ層１４は、核生成層１３上に設けられており、基板１２と電子走行層１６との間の格子不整合を緩和することができる任意の材料によって形成され得る。例えば、バッファ層１４は、１つまたは複数の窒化物半導体層を含む。例えば、バッファ層１４は、ＡｌＮ層、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層、および異なるアルミニウム（Ａｌ）組成を有するグレーテッドＡｌＧａＮ層のうちの少なくとも１つを含み得る。例えば、バッファ層１４は、単一のＡｌＮ層、単一のＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を有する層、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造を有する層、またはＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造を有する層によって形成され得る。
【0017】
一例では、図２に示されるように、バッファ層１４は、基板１２上に順に積層された第１バッファ層１４Ａ、第２バッファ層１４Ｂ、および第３バッファ層１４Ｃを含む。第１バッファ層１４Ａは、例えば２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有するＡｌＮ層であってよい。第２バッファ層１４Ｂは、例えば５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有するＧａＮ層であってよい。第３バッファ層１４Ｃは、例えば４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有するグレーテッドＡｌＧａＮ層であってよい。この場合、グレーテッドＡｌＧａＮ層は、第２バッファ層１４Ｂに近い位置から順にＡｌ組成が２５％、５０％、７５％に段階的に増加する３層のＡｌＧａＮで構成されてよい。なお、バッファ層１４におけるリーク電流を抑制するために、バッファ層１４の一部に不純物を導入して半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は例えば炭素（Ｃ）または鉄（Ｆｅ）であり、不純物の濃度は例えば４×１０１６ｃｍ－３以上であってよい。
【0018】
電子走行層１６は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子層１６Ａが繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。また、必ずしも限定されないが、電子走行層１６は、バッファ層１４上に設けられるとともに窒化物半導体層によって構成されたベース層１６Ｂを含み得る。ベース層１６Ｂは、電子走行層１６を十分な厚さで形成して電子走行層１６の結晶品質を向上させるために設けられている。ベース層１６Ｂは、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有するＧａＮ層であってよい。電子走行層１６がベース層１６Ｂを含む場合、複数の超格子層１６Ａは、ベース層１６Ｂ上に設けられている。複数の超格子層１６Ａのうち最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２は、電子走行層１６の最上層として設けられている。
【0019】
第１実施形態では、第１窒化物半導体層１６Ａ１はＡｌＮ層であり、第２窒化物半導体層１６Ａ２は例えばＧａＮ層である。超格子層１６Ａの層数は、例えば、電子走行層１６の厚さ（複数の超格子層１６Ａの合計厚さ）と窒化物半導体ＨＥＭＴの耐圧との関係等を考慮して決定され得る。超格子層１６Ａの層数を増やすことで、窒化物半導体ＨＥＭＴの耐圧を向上させることができる。一例では、超格子層１６Ａの層数は１０以上１００以下であり、好ましくは１０以上４０以下であり、第１実施形態では例えば３０程度である。第１実施形態では、窒化物半導体ＨＥＭＴは、例えば６００Ｖ以上、好ましくは６５０Ｖ以上の耐圧を有するように構成されている。
【0020】
各超格子層１６Ａにおいて、第２窒化物半導体層１６Ａ２は、第１窒化物半導体層１６Ａ１の厚さよりも大きな厚さを有し得る。例えば第１実施形態では、第２窒化物半導体層１６Ａ２（ＧａＮ層）の厚さは、第１窒化物半導体層１６Ａ１（ＡｌＮ層）の厚さの２倍以上であってよい。第１窒化物半導体層１６Ａ１の厚さは、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下であってよく、第２窒化物半導体層１６Ａ２の厚さは、例えば２ｎｍ以上６ｎｍ以下であってよい。複数の超格子層１６Ａの合計厚さは、例えば３０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であってよい。電子走行層１６が複数の超格子層１６Ａとともにベース層１６Ｂを含む場合、電子走行層１６は例えば０．５μｍ２μｍ以下の厚さを有し得る。
【0021】
第１実施形態では、ＧａＮ層である第２窒化物半導体層１６Ａ２が、ＡｌＮ層である第１窒化物半導体層１６Ａ１よりも大きな厚さで形成されているため、各超格子層１６Ａは、Ａｌを含みつつＧａＮを主体とした層として構成されている。その結果、ＧａＮの特性を活かした複数の超格子層１６Ａを構成することができる。この点については後で説明する。
【0022】
なお、電子走行層１６におけるリーク電流を抑制するために、電子走行層１６の一部に不純物を導入して電子走行層１６の表層領域以外を半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は例えばＣであり、不純物の濃度は、例えばピーク濃度で１×１０１９ｃｍ－３以上であってよい。
【0023】
電子供給層２０は、電子走行層１６の各超格子層１６Ａよりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている。例えば、電子供給層２０は、ＡｌＧａＮ層であってよい。Ａｌを含む窒化物半導体層では、Ａｌ組成が大きくなるほどバンドギャップが大きくなる。例えば、第１実施形態では、電子供給層２０がＡｌＧａＮ層であり、電子走行層１６の各超格子層１６Ａが、ＡｌＮ層（第１窒化物半導体層１６Ａ１）とＧａＮ層（第２窒化物半導体層１６Ａ２）との超格子構造を有している。この場合には、電子供給層２０（ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成が各超格子層１６Ａ（ＡｌＮ層とＧａＮ層との超格子構造）のＡｌ組成よりも大きくなるように、電子供給層２０および各超格子層１６Ａが構成されている。電子供給層２０のＡｌ組成は、必ずしもこの範囲に限定されないが、例えば２５％以上５０％以下であり、好ましくは４０％以上５０％以下である。電子走行層１６の各超格子層１６ＡのＡｌ組成は、電子供給層２０のＡｌ組成に基づいて設定されてよい。電子供給層２０は、例えば１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚さを有し得る。
【0024】
電子走行層１６の最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２と電子供給層２０とは、互いに異なる格子定数を有する窒化物半導体によって構成されている。したがって、電子走行層１６の最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２を構成する窒化物半導体（例えば、ＧａＮ）と電子供給層２０を構成する窒化物半導体（例えば、ＡｌＧａＮ）との接合は、スペーサ層１８（図２参照）を介した格子不整合系の接合である。第２窒化物半導体層１６Ａ２（電子走行層１６）および電子供給層２０の自発分極と、電子供給層２０のヘテロ接合部が受ける応力に起因するピエゾ分極とによって、スペーサ層１８を介した最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２と電子供給層２０とのヘテロ接合界面付近における最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２の伝導帯のエネルギーレベルは、フェルミ準位よりも低くなる。これにより、スペーサ層１８を介した最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２と電子供給層２０とのヘテロ接合界面に近い位置（例えば、最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２の上面から数ｎｍ程度の距離）において、電子走行層１６（最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２）内には二次元電子ガス（２ＤＥＧ）２２（図１参照）が広がっている。
【0025】
図２に示されるように、スペーサ層１８は、電子走行層１６の最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２と電子供給層２０との間に配置されている。スペーサ層１８は、ＡｌＮを含む窒化物半導体層（第５窒化物半導体層に対応する）によって構成されている。第１実施形態では、スペーサ層１８は例えばＡｌＮ層である。最上層の第２窒化物半導体層１６Ａ２（第１実施形態ではＧａＮ層）と電子供給層２０（第１実施形態ではＡｌＧａＮ層）とのヘテロ接合界面にスペーサ層１８を挿入することで、２ＤＥＧ２２の移動度を向上させることができる。
【0026】
ＡｌＮを含むスペーサ層１８は、各超格子層１６Ａ（第１窒化物半導体層１６Ａ１と第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子構造）のＡｌ組成以上のＡｌ組成を有している。また、スペーサ層１８のＡｌ組成は、電子供給層２０のＡｌ組成よりも大きい。スペーサ層１８のＡｌ組成は、必ずしもこの範囲に限定されないが、例えば８０％以上である。スペーサ層１８は、各超格子層１６Ａの第１窒化物半導体層１６Ａ１の厚さ以下の厚さを有し得る。スペーサ層１８の厚さは、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下であってよい。
【0027】
窒化物半導体装置１０はさらに、電子供給層２０の一部の上に配置されたゲート層２４と、ゲート層２４上に配置されたゲート電極２６とを含む。
ゲート層２４は、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体層（第４窒化物半導体層に対応する）によって構成されている。ゲート層２４は、電子供給層２０よりも小さなバンドギャップを有する任意の材料によって構成され得る。例えば、電子供給層２０がＡｌＧａＮ層である場合、ゲート層２４は、アクセプタ型不純物がドープされたＧａＮ層、すなわちｐ型ＧａＮ層であってよい。アクセプタ型不純物は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、および炭素（Ｃ）のうちの少なくとも１つを含み得る。アクセプタ型不純物は、例えば７×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下の最大濃度を有し得る。
ゲート層２４は、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体層（第４窒化物半導体層に対応する）によって構成されている。ゲート層２４は、電子供給層２０よりも小さなバンドギャップを有する任意の材料によって構成され得る。例えば、電子供給層２０がＡｌＧａＮ層である場合、ゲート層２４は、アクセプタ型不純物がドープされたＧａＮ層、すなわちｐ型ＧａＮ層であってよい。アクセプタ型不純物は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、および炭素（Ｃ）のうちの少なくとも１つを含み得る。アクセプタ型不純物は、例えば７×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下の最大濃度を有し得る。
【0028】
ゲート電極２６は、ゲート層２４の上面の一部または全部の上に配置されており、ゲート層２４とショットキー接合を形成している。ゲート電極２６は、１つまたは複数の金属層によって構成されており、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）層であってよい。あるいは、ゲート電極２６は、第１金属層（例えば、Ｔｉ層）と、第１金属層上に設けられた第２金属層（例えば、ＴｉＮ層）とによって構成されてもよい。ゲート電極２６は、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有し得る。ゲート電極２６の直下にアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体層がゲート層２４として設けられた構成では、ゲート層２４に含まれるアクセプタ型不純物の存在により電子走行層１６のチャネル（２ＤＥＧ２２）が消失することで、ノーマリーオフ型の窒化物半導体ＨＥＭＴが実現される。
【0029】
窒化物半導体装置１０はさらに、電子供給層２０、ゲート層２４、およびゲート電極２６を覆うパッシベーション層２８を含む。パッシベーション層２８は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜、ＡｌＮ膜、および酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）膜のうちのいずれか１つの単膜か、またはそれらの２つ以上の任意の組み合わせを含む複合膜によって構成されている。
【0030】
パッシベーション層２８は、電子供給層２０の上面をソース接続領域２０Ａとして露出させるソース側開口部２８Ａと、電子供給層２０の上面をドレイン接続領域２０Ｂとして露出させるドレイン側開口部２８Ｂとを含む。ゲート層２４は、ソース側開口部２８Ａとドレイン側開口部２８Ｂとの間に位置している。
【0031】
窒化物半導体装置１０はさらに、２ＤＥＧ２２に電気的に接続されたソース電極３２およびドレイン電極３４を含む。
ソース電極３２は、パッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａを介して電子供給層２０のソース接続領域２０Ａに接しており、電子供給層２０の直下の２ＤＥＧ２２にオーミック接触している。ドレイン電極３４は、パッシベーション層２８のドレイン側開口部２８Ｂを介して電子供給層２０のドレイン接続領域２０Ｂに接しており、電子供給層２０の直下の２ＤＥＧ２２にオーミック接触している。
ソース電極３２は、パッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａを介して電子供給層２０のソース接続領域２０Ａに接しており、電子供給層２０の直下の２ＤＥＧ２２にオーミック接触している。ドレイン電極３４は、パッシベーション層２８のドレイン側開口部２８Ｂを介して電子供給層２０のドレイン接続領域２０Ｂに接しており、電子供給層２０の直下の２ＤＥＧ２２にオーミック接触している。
【0032】
ソース電極３２およびドレイン電極３４は、例えば、Ｔｉ層、ＴｉＮ層、Ａｌ層、ＡｌＳｉＣｕ層、およびＡｌＣｕ層のうちの少なくとも１つを用いた１つまたは複数の金属層によって構成されている。例えば、ソース電極３２およびドレイン電極３４は、同じ材料で形成されている。
【0033】
ゲート層２４は、リッジ部２４Ａと、リッジ部２４Ａの両側から互いに反対方向に延在するソース側延在部２４Ｂおよびドレイン側延在部２４Ｃとを含み得る。第１実施形態では、ゲート層２４は、リッジ部２４Ａとソース側延在部２４Ｂとドレイン側延在部２４Ｃとによって形成されたステップ構造を有している。
【0034】
リッジ部２４Ａは、ゲート層２４の相対的に厚い部分に相当する。ゲート電極２６は、リッジ部２４Ａの上面に位置している。リッジ部２４Ａは、図１のＸＺ平面に沿った断面において矩形状または台形状を有し得る。リッジ部２４Ａは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有し得る。なお、リッジ部２４Ａの厚さとは、リッジ部２４Ａの上面から下面（電子供給層２０に接するゲート層２４の下面）までの距離のことである。このリッジ部２４Ａ（ゲート層２４）の厚さは、ゲート耐圧などの種々のパラメータを考慮して決定され得る。
【0035】
ソース側延在部２４Ｂは、リッジ部２４Ａからパッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａに向かって（図１において－Ｘ方向に）延在している。ドレイン側延在部２４Ｃは、リッジ部２４Ａからパッシベーション層２８のドレイン側開口部２８Ｂに向かって（図１において＋Ｘ方向に）延在している。図１の例では、ドレイン側延在部２４Ｃは、ソース側延在部２４Ｂよりもリッジ部２４Ａから長く延びている。ただし、ソース側延在部２４Ｂとドレイン側延在部２４Ｃは同じ長さであってもよい。ソース側延在部２４Ｂは、リッジ部２４Ａからソース側開口部２８Ａに向かう方向において、例えば０．２μｍ以上０．３μｍ以下の長さを有し得る。ドレイン側延在部２４Ｃは、リッジ部２４Ａからドレイン側開口部２８Ｂに向かう方向において、例えば０．２μｍ以上０．６μｍ以下の長さを有し得る。ソース側延在部２４Ｂおよびドレイン側延在部２４Ｃは、例えば５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さを有し得る。
【0036】
ソース電極３２の一部は、パッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａ内に充填されており、ドレイン電極３４の一部は、パッシベーション層２８のドレイン側開口部２８Ｂ内に充填されている。
【0037】
ソース電極３２は、必ずしもこの構成に限定されないが、ソース電極部３２Ａと、ソース電極部３２Ａに連続するソースフィールドプレート部３２Ｂとを含み得る。ソース電極部３２Ａは、ソース側開口部２８Ａに充填された充填領域と、充填領域と一体に形成されるとともに平面視においてソース側開口部２８Ａの周辺に位置する上部領域とを含む。ソースフィールドプレート部３２Ｂは、ソース電極部３２Ａの上部領域と一体に形成されており、平面視においてゲート層２４の全体（すなわち、リッジ部２４Ａ、ソース側延在部２４Ｂ、およびドレイン側延在部２４Ｃの全て）を覆うようにパッシベーション層２８上に設けられている。
【0038】
ソースフィールドプレート部３２Ｂは、ドレイン電極３４の近傍に端部３２Ｃを有している。この端部３２Ｃは、平面視においてドレイン電極３４とドレイン側延在部２４Ｃとの間に位置している。ソースフィールドプレート部３２Ｂは、ゲート－ソース間電圧が０Ｖの状態でソース－ドレイン間に高電圧が印加された際に、ソースフィールドプレート部３２Ｂの直下の２ＤＥＧ２２に向けて空乏層を伸ばすことで、ゲート電極２６の端部付近およびゲート層２４の端部近傍の電界集中を緩和する役割を果たす。
【0039】
［窒化物半導体ＨＥＭＴのオン抵抗とオン抵抗－温度特性との関係］
図２に示されるように、電子走行層１６は、第１窒化物半導体層１６Ａ１と第２窒化物半導体層Ａ２との超格子構造（超格子層１６Ａ）が繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。上記したように、第１窒化物半導体層１６Ａ１はＡｌＮ層であり、第２窒化物半導体層１６Ａ２は第１実施形態では例えばＧａＮ層である。したがって、各超格子層１６Ａは、Ａｌを含みＧａＮを主体とした層とみなすことができる。このような超格子層１６Ａを電子走行層１６に採用することによって、電子走行層１６をＡｌＧａＮ層で構成した場合の利点を得つつ、電子走行層１６をＧａＮ層で構成した場合の利点を得ることができる。以下、この点について説明する。なお、分かり易さのために、以下では、図１の構成と同様な構成については同じ参照符号を用いて説明する。
図２に示されるように、電子走行層１６は、第１窒化物半導体層１６Ａ１と第２窒化物半導体層Ａ２との超格子構造（超格子層１６Ａ）が繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。上記したように、第１窒化物半導体層１６Ａ１はＡｌＮ層であり、第２窒化物半導体層１６Ａ２は第１実施形態では例えばＧａＮ層である。したがって、各超格子層１６Ａは、Ａｌを含みＧａＮを主体とした層とみなすことができる。このような超格子層１６Ａを電子走行層１６に採用することによって、電子走行層１６をＡｌＧａＮ層で構成した場合の利点を得つつ、電子走行層１６をＧａＮ層で構成した場合の利点を得ることができる。以下、この点について説明する。なお、分かり易さのために、以下では、図１の構成と同様な構成については同じ参照符号を用いて説明する。
【0040】
一般的に、電子走行層１６をＧａＮ層で構成しつつ、電子供給層２０をＡｌＧａＮ層で構成した窒化物半導体ＨＥＭＴは、オン抵抗の温度依存性が大きく、温度の上昇に伴ってオン抵抗が増加する。これは、電子走行層１６をＧａＮ層のみで構成した場合には、電子走行層１６のＧａＮ結晶中で熱エネルギーによる格子散乱が増加することで、チャネルとして使用する２ＤＥＧ２２の移動度が低下することに起因する。
【0041】
このようなオン抵抗の温度依存性は、電子供給層２０に使用されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成よりも小さなＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層、すなわち、低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を電子走行層１６に使用することによって改善され得る。電子走行層１６を低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層で構成しつつ、電子供給層２０を高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層で構成した場合には、電子走行層１６をＧａＮ層で構成しつつ、電子供給層２０をＡｌＧａＮ層で構成した場合に比べて、オン抵抗の温度依存性を低減することができる。これは、電子走行層１６に低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を用いた場合には、高温下での動作時に、電子走行層１６のＡｌＧａＮ結晶中において熱エネルギーによる格子散乱が（電子走行層１６にＧａＮ層を用いた場合に比べて）減少するためである。したがって、電子走行層１６にＡｌＧａＮ層を用いることで、窒化物半導体ＨＥＭＴのオン抵抗－温度特性を向上させることができる。
【0042】
一方、ＧａＮ層はＡｌＧａＮ層よりも結晶品質の点で優れる。このため、電子走行層１６にＧａＮ層を用いた窒化物半導体ＨＥＭＴでは、電子走行層１６にＡｌＧａＮ層を用いたものに比べて、より小さな規格化オン抵抗が得られる。これは、結晶品質に優れるＧａＮ層では、ＡｌＧａＮ層に比べて散乱要因が小さくなる（格子散乱が少なくなる）ことにより２ＤＥＧ２２の移動度の低下が抑制されるためである。なお、規格化オン抵抗とは、単位面積あたりのオン抵抗のことを言う。このため、電子走行層１６にＧａＮ層を用いた窒化物半導体ＨＥＭＴでは、電子走行層１６にＡｌＧａＮ層を用いたものに比べて規格化オン抵抗を小さくして電流密度を高くすることができる。
【0043】
以上を考慮して、第１実施形態では、ＡｌＮ層である第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮ層である第２窒化物半導体層Ａ２との超格子層１６Ａが繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａが電子走行層１６に適用されている。このような電子走行層１６を用いた窒化物半導体ＨＥＭＴでは、電子走行層１６にＡｌＧａＮ層を用いた場合に得られるオン抵抗の温度依存性の低減効果に加えて、電子走行層１６にＧａＮ層を用いた場合に得られる規格化オン抵抗の低減効果を得ることができる。
【0044】
［窒化物半導体装置の作用］
次に、窒化物半導体装置１０の作用について説明する。
電子走行層１６は、複数の超格子層１６Ａを含む。各超格子層１６Ａは、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子構造を有し、第１実施形態ではＡｌＮ層とＧａＮ層との超格子構造を有している。最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２は電子走行層１６の最上層として設けられており、最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２に２ＤＥＧ２２が発生する。
次に、窒化物半導体装置１０の作用について説明する。
電子走行層１６は、複数の超格子層１６Ａを含む。各超格子層１６Ａは、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子構造を有し、第１実施形態ではＡｌＮ層とＧａＮ層との超格子構造を有している。最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２は電子走行層１６の最上層として設けられており、最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２に２ＤＥＧ２２が発生する。
【0045】
この構成では、高温時における各超格子層１６Ａでの格子散乱が（電子走行層１６がＡｌＧａＮ層で構成される場合と同様に）減少することで、２ＤＥＧ２２の移動度の低下が抑制される。これにより、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合に比べて、窒化物半導体ＨＥＭＴ（窒化物半導体装置１０）のオン抵抗の温度依存性が低減することでオン抵抗－温度特性を向上させることができる。
【0046】
また、ＡｌＮ層とＧａＮ層との超格子層１６Ａを用いた電子走行層１６では、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合と同様な結晶品質が、２ＤＥＧ２２の発生箇所において維持される。したがって、超格子層１６Ａを用いた電子走行層１６では、電子走行層１６がＡｌＧａＮ層で構成される場合に比べて散乱要因が低減することで規格化オン抵抗が低減される。
【0047】
その結果、電子走行層１６に超格子層１６Ａを使用することで、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合と同様に規格化オン抵抗を低減しつつ、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合に比べてオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗－温度特性を実現することができる。
【0048】
第１実施形態の窒化物半導体装置１０は、以下の利点を有する。
（１－１）窒化物半導体装置１０の電子走行層１６は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子層１６Ａが繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。このような超格子層１６Ａで電子走行層１６が構成された窒化物半導体ＨＥＭＴでは、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合に比べてオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗－温度特性を実現することができる。また、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合と同様に規格化オン抵抗を低減することができる。
（１－１）窒化物半導体装置１０の電子走行層１６は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層１６Ａ１とＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子層１６Ａが繰り返し積層された複数の超格子層１６Ａを含む。このような超格子層１６Ａで電子走行層１６が構成された窒化物半導体ＨＥＭＴでは、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合に比べてオン抵抗の温度依存性を低減して良好なオン抵抗－温度特性を実現することができる。また、電子走行層１６がＧａＮ層で構成される場合と同様に規格化オン抵抗を低減することができる。
【0049】
（１－２）超格子層１６Ａの層数は１０以上１００以下である。超格子層１６Ａの層数を増やすことで、窒化物半導体ＨＥＭＴの耐圧を向上させることができる。したがって、上記（１－１）の利点を得ながら、超格子層１６Ａの層数を増やすことで窒化物半導体ＨＥＭＴに要求される所望の耐圧（例えば、６５０Ｖ耐圧）を実現することができる。
【0050】
（１－３）第２窒化物半導体層１６Ａ２の厚さは、第１窒化物半導体層１６Ａ１の厚さよりも大きい。この構成によれば、超格子層１６Ａは、ＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２の特性をより活かした層として構成され得る。例えば、第２窒化物半導体層１６Ａ２はＧａＮ層であってよい。この場合には、超格子層１６Ａは、Ａｌを含みつつＧａＮを主体として構成される。これにより、電子走行層１６をＧａＮの特性を活かした超格子層１６Ａによって構成することができる。
【0051】
（１－４）電子走行層１６は、ＧａＮ層によって構成されたベース層１６Ｂを含み得る。この構成では、複数の超格子層１６Ａを含む電子走行層１６を十分な厚さで形成することができるため電子走行層１６の結晶品質を向上させることができる。
【0052】
（１－５）窒化物半導体装置１０は、電子供給層２０と最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２との間に配置されたスペーサ層１８を含む。スペーサ層１８は、ＡｌＮを含む窒化物半導体層によって構成されている。このようなスペーサ層１８を設けることで、２ＤＥＧ２２の移動度を向上させて窒化物半導体ＨＥＭＴのオン抵抗を低減することができる。
【0053】
（１－６）スペーサ層１８のＡｌ組成は、各超格子層１６ＡのＡｌ組成以上である。この構成では、最上層の超格子層１６Ａの第２窒化物半導体層１６Ａ２に、２ＤＥＧ２２をより安定的に発生させることができる。
【0054】
（１－７）スペーサ層１８の厚さは、各超格子層１６Ａの第１窒化物半導体層１６Ａ１の厚さ以下である。この構成では、２ＤＥＧ２２とソース電極３２との間および２ＤＥＧ２２とドレイン電極３４との間に存在するスペーサ層１８の厚さによってオーミック抵抗が増加することを抑制することができる。
【0055】
（１－８）電子供給層２０は、ＡｌＧａＮ層であってよい。この場合、スペーサ層１８のＡｌ組成は、電子供給層２０のＡｌ組成よりも大きい。この構成では、スペーサ層１８を用いる効果、すなわち２ＤＥＧ２２の移動度を向上させる効果をより高めることができる。
【0056】
（１－９）スペーサ層１８は、ＡｌＮ層であってよい。この場合、各超格子層１６Ａの第１窒化物半導体層１６Ａ１（すなわちＡｌＮ層）と同じ構成によってスペーサ層１８を構成することができる。この構成では、スペーサ層１８を備える窒化物半導体装置１０の製造プロセスを容易化することができる。
【0057】
（１－１０）核生成層１３、バッファ層１４、電子走行層１６（ベース層１６Ｂおよび複数の超格子層１６Ａ）、スペーサ層１８、電子供給層２０、およびゲート層２４は、基板１２上にエピタキシャル成長によって順次形成することができる。この場合、比較的安価なシリコン基板を基板１２に用いることで、窒化物半導体装置１０を安価に製造することができる。
【0058】
［第２実施形態］
図３は、第２実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置１０Ａの概略断面図である。図３において、第１実施形態に係る窒化物半導体装置１０と同様の構成要素には、同じ符号を付している。以下では、第１実施形態と同様な構成要素については説明を省略し、第１実施形態と異なる構成要素について説明する。
図３は、第２実施形態に係る例示的な窒化物半導体装置１０Ａの概略断面図である。図３において、第１実施形態に係る窒化物半導体装置１０と同様の構成要素には、同じ符号を付している。以下では、第１実施形態と同様な構成要素については説明を省略し、第１実施形態と異なる構成要素について説明する。
【0059】
図３に示されるように、第２実施形態に係る窒化物半導体装置１０Ａでは、電子供給層２０は、パッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａに連通する第１開口部２０Ｃと、パッシベーション層２８のドレイン側開口部２８Ｂに連通する第２開口部２０Ｄとを含む。なお、第１実施形態と同様、第２実施形態に係る窒化物半導体装置１０も、図２に示されるように電子走行層１６と電子供給層２０との間にスペーサ層１８を有しているが、図示を簡略化するために図３ではスペーサ層１８は示されていない。
【0060】
第２実施形態では、電子供給層２０の第１開口部２０Ｃは、スペーサ層１８（図２参照）の上面をソース接続領域１８Ａとして露出させる一方、電子供給層２０の第２開口部２０Ｄは、スペーサ層１８（図２参照）の上面をドレイン接続領域１８Ｂとして露出させる。したがって、ソース電極３２（図３の例ではソース電極部３２Ａ）は、電子供給層２０の第１開口部２０Ｃを介してスペーサ層１８（図２参照）に接しており、ドレイン電極３４は、電子供給層２０の第２開口部２０Ｄを介してスペーサ層１８（図２参照）に接している。ソース電極３２およびドレイン電極３４は、２ＤＥＧ２２とオーミック接触している。第２実施形態では、ソース電極３２およびドレイン電極３４は金（Ａｕ）を含む電極材料、例えば、Ｔｉ層とＡｌＣｕ層とＴｉ層とＡｕ層との４層で構成されてもよい。
【0061】
第２実施形態の窒化物半導体装置１０Ａは、第１実施形態の（１－１）～（１－１０）の利点に加えて、以下の利点を有する。
（２－１）第２実施形態では、パッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａおよびドレイン側開口部２８Ｂに露出した電子供給層２０が除去されている。このため、ソース電極３２が電子供給層２０およびスペーサ層１８を介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する第１実施形態に比べて、第２実施形態では、ソース電極３２はスペーサ層１８のみを介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する。同様に、ドレイン電極３４が電子供給層２０およびスペーサ層１８を介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する第１実施形態に比べて、第２実施形態では、ドレイン電極３４はスペーサ層１８のみを介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する。これにより、２ＤＥＧ２２とソース電極３２との間のオーミック抵抗および２ＤＥＧ２２とドレイン電極３４との間のオーミック抵抗を減らすことができる。
（２－１）第２実施形態では、パッシベーション層２８のソース側開口部２８Ａおよびドレイン側開口部２８Ｂに露出した電子供給層２０が除去されている。このため、ソース電極３２が電子供給層２０およびスペーサ層１８を介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する第１実施形態に比べて、第２実施形態では、ソース電極３２はスペーサ層１８のみを介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する。同様に、ドレイン電極３４が電子供給層２０およびスペーサ層１８を介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する第１実施形態に比べて、第２実施形態では、ドレイン電極３４はスペーサ層１８のみを介して２ＤＥＧ２２とオーミック接触する。これにより、２ＤＥＧ２２とソース電極３２との間のオーミック抵抗および２ＤＥＧ２２とドレイン電極３４との間のオーミック抵抗を減らすことができる。
【0062】
（２－２）ソース電極３２およびドレイン電極３４は、Ａｕを含む電極材料（例えば、Ｔｉ層とＡｌＣｕ層とＴｉ層とＡｕ層との４層）で構成されてよい。窒化物半導体ＨＥＭＴが例えばＲＦ（Radio Frequency）向けの通信デバイスとして実用化される場合、上記のようなオーミック抵抗を低減することが望まれる。この場合、ソース電極３２およびドレイン電極３４にＡｕを含む電極材料を用いることで、オーミック抵抗を低下させることができる。したがって、上記（２－１）の利点と併せて、第２実施形態の窒化物半導体ＨＥＭＴは、ＲＦ向けの通信デバイスに適した構成とすることができる。
【0063】
［変更例］
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記各実施形態および以下の各変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記各実施形態および以下の各変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【0064】
・上記各実施形態では、窒化物半導体装置１０は、窒化物半導体ＨＥＭＴとして構成されたが、窒化物半導体ＨＥＭＴに限定されず、窒化物半導体ダイオードとして構成されてもよい。例えば、基板１２上に、核生成層１３、バッファ層１４、電子走行層１６のベース層１６Ｂ（任意で省略可能）、電子走行層１６の複数の超格子層１６Ａ、スペーサ層１８（任意で省略可能）、および電子供給層２０をエピタキシャル成長によって順次形成した図２の窒化物半導体層構造を、窒化物半導体ダイオードに採用してもよい。本開示の構造による利点は、図２の窒化物半導体層構造における電子走行層１６に複数の超格子層１６Ａを採用することによって得られるものである。
【0065】
・上記各実施形態では、窒化物半導体装置１０は、ノーマリーオフ型の窒化物半導体ＨＥＭＴとして構成されたが、ノーマリーオン型の窒化物半導体ＨＥＭＴとして構成されてもよい。
【0066】
・超格子構造を有する電子走行層１６において、ＧａＮを含む第２窒化物半導体層１６Ａ２は、ＧａＮ層に限定されず、例えばＡｌＧａＮ層であってもよい。この場合も、電子供給層２０（例えばＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成は、各超格子層１６Ａ（この変形例では、ＡｌＮ層の第１窒化物半導体層１６Ａ１とＡｌＧａＮ層の第２窒化物半導体層１６Ａ２との超格子構造）のＡｌ組成よりも大きなバンドギャップを有するように設定される。なお、上記第１実施形態で説明したように、ＡｌＧａＮよりもＧａＮのほうが結晶品質の点では優れるため、良好なオン抵抗－温度特性を維持する観点からは第２窒化物半導体層１６Ａ２にＧａＮを使用するのがよい。
【0067】
・電子走行層１６は複数の超格子層１６Ａのみで構成されてもよい。すなわち、ベース層１６Ｂは必須ではなく電子走行層１６から省略されてもよい。
・スペーサ層１８すなわちＡｌＮを含む第５窒化物半導体層は、ＡｌＮ層に限定されず、例えばＡｌＧａＮ層であってもよい。この場合も、スペーサ層１８と各超格子層１６Ａとの間のＡｌ組成の関係、および、スペーサ層１８と電子供給層２０との間のＡｌ組成の関係は、上記第１実施形態で説明した関係が維持される。
・スペーサ層１８すなわちＡｌＮを含む第５窒化物半導体層は、ＡｌＮ層に限定されず、例えばＡｌＧａＮ層であってもよい。この場合も、スペーサ層１８と各超格子層１６Ａとの間のＡｌ組成の関係、および、スペーサ層１８と電子供給層２０との間のＡｌ組成の関係は、上記第１実施形態で説明した関係が維持される。
【0068】
・上記各実施形態において、スペーサ層１８は省略されてもよい。
・本開示で使用される「～上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「～上に」と「～の上方に」の意味を含む。したがって、「第１層が第２層上に形成される」という表現は、或る実施形態では第１層が第２層に接触して第２層上に直接配置され得るが、他の実施形態では第１層が第２層に接触することなく第２層の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「～上に」という用語は、第１層と第２層との間に他の層が形成される構造を排除しない。例えば、電子供給層２０が電子走行層１６上に形成される上記各実施形態は、２ＤＥＧ２２を安定して形成するために電子供給層２０と電子走行層１６との間に中間層（例えば上記各実施形態のようなスペーサ層１８）が位置する構造も含む。
・本開示で使用される「～上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「～上に」と「～の上方に」の意味を含む。したがって、「第１層が第２層上に形成される」という表現は、或る実施形態では第１層が第２層に接触して第２層上に直接配置され得るが、他の実施形態では第１層が第２層に接触することなく第２層の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「～上に」という用語は、第１層と第２層との間に他の層が形成される構造を排除しない。例えば、電子供給層２０が電子走行層１６上に形成される上記各実施形態は、２ＤＥＧ２２を安定して形成するために電子供給層２０と電子走行層１６との間に中間層（例えば上記各実施形態のようなスペーサ層１８）が位置する構造も含む。
【0069】
・本開示で使用されるＺ軸方向は必ずしも鉛直方向である必要はなく、鉛直方向に完全に一致している必要もない。したがって、本開示による種々の構造（例えば、図１に示される構造）は、本明細書で説明されるＺ軸方向の「上」および「下」が鉛直方向の「上」および「下」であることに限定されない。例えば、Ｘ軸方向が鉛直方向であってもよく、またはＹ軸方向が鉛直方向であってもよい。
【0070】
・本開示で使用される「垂直」、「水平」、「上方」、「下方」、「上」、「下」、「前方」、「後方」、「横」、「左」、「右」、「前」、「後」等の方向を示す用語は、説明および図示された装置の特定の向きに依存する。本開示においては、様々な代替的な向きを想定することができ、したがって、これらの方向を示す用語は、狭義に解釈されるべきではない。
【0071】
［付記］
上記各実施形態および各変更例から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、各付記に記載された構成要素に対応する実施形態の構成要素の符号を括弧書きで示す。符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
上記各実施形態および各変更例から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、各付記に記載された構成要素に対応する実施形態の構成要素の符号を括弧書きで示す。符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
【0072】
（付記Ａ１）
ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層（１６Ａ１）とＧａＮを含む第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との超格子層（１６Ａ）が繰り返し積層された複数の超格子層（１６Ａ）を含む電子走行層（１６）であって、前記複数の超格子層（１６Ａ）のうち最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）が前記電子走行層（１６）の最上層として設けられた前記電子走行層（１６）と、
前記最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）に二次元電子ガス（２２）を発生させるべく、各前記超格子層（１６Ａ）よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成された電子供給層（２０）と、
前記電子供給層（２０）の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層によって構成されたゲート層（２４）と、
前記ゲート層（２４）上に配置されたゲート電極（２６）と、
前記二次元電子ガス（２２）に電気的に接続されたソース電極（３２）およびドレイン電極（３４）と、
を備える窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層（１６Ａ１）とＧａＮを含む第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との超格子層（１６Ａ）が繰り返し積層された複数の超格子層（１６Ａ）を含む電子走行層（１６）であって、前記複数の超格子層（１６Ａ）のうち最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）が前記電子走行層（１６）の最上層として設けられた前記電子走行層（１６）と、
前記最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）に二次元電子ガス（２２）を発生させるべく、各前記超格子層（１６Ａ）よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成された電子供給層（２０）と、
前記電子供給層（２０）の一部の上に配置されるとともに、アクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層によって構成されたゲート層（２４）と、
前記ゲート層（２４）上に配置されたゲート電極（２６）と、
前記二次元電子ガス（２２）に電気的に接続されたソース電極（３２）およびドレイン電極（３４）と、
を備える窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0073】
（付記Ａ２）
前記複数の超格子層（１６Ａ）の層数は１０以上１００以下である、付記Ａ１に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記複数の超格子層（１６Ａ）の層数は１０以上１００以下である、付記Ａ１に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0074】
（付記Ａ３）
前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）の厚さは前記第１窒化物半導体層（１６Ａ１）の厚さよりも大きい、付記Ａ１またはＡ２に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）の厚さは前記第１窒化物半導体層（１６Ａ１）の厚さよりも大きい、付記Ａ１またはＡ２に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0075】
（付記Ａ４）
前記第１窒化物半導体層（１６Ａ１）の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、
前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）の厚さは２ｎｍ以上６ｎｍ以下である、付記Ａ３に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記第１窒化物半導体層（１６Ａ１）の厚さは１ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、
前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）の厚さは２ｎｍ以上６ｎｍ以下である、付記Ａ３に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0076】
（付記Ａ５）
前記電子供給層（２０）と前記最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との間に配置されたスペーサ層（１８）をさらに備え、
前記スペーサ層（１８）は、ＡｌＮを含む第５窒化物半導体層によって構成されている、付記Ａ１～Ａ４のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記電子供給層（２０）と前記最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との間に配置されたスペーサ層（１８）をさらに備え、
前記スペーサ層（１８）は、ＡｌＮを含む第５窒化物半導体層によって構成されている、付記Ａ１～Ａ４のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0077】
（付記Ａ６）
前記スペーサ層（１８）のＡｌ組成は、各前記超格子層（１６Ａ）のＡｌ組成以上である、付記Ａ５に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記スペーサ層（１８）のＡｌ組成は、各前記超格子層（１６Ａ）のＡｌ組成以上である、付記Ａ５に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0078】
（付記Ａ７）
前記スペーサ層（１８）の厚さは、前記第１窒化物半導体層（１６Ａ１）の厚さ以下である、付記Ａ５またはＡ６に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記スペーサ層（１８）の厚さは、前記第１窒化物半導体層（１６Ａ１）の厚さ以下である、付記Ａ５またはＡ６に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0079】
（付記Ａ８）
前記スペーサ層（１８）はＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層である、付記Ａ５～Ａ７のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記スペーサ層（１８）はＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層である、付記Ａ５～Ａ７のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0080】
（付記Ａ９）
前記ソース電極（３２）は、前記電子供給層（２０）の第１開口部（２０Ｃ）を介して前記スペーサ層（１８）に接しており、前記ドレイン電極（３４）は、前記電子供給層（２０）の第２開口部（２０Ｄ）を介して前記スペーサ層（１８）に接している、付記Ａ５～Ａ８のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置（１０Ａ）。
前記ソース電極（３２）は、前記電子供給層（２０）の第１開口部（２０Ｃ）を介して前記スペーサ層（１８）に接しており、前記ドレイン電極（３４）は、前記電子供給層（２０）の第２開口部（２０Ｄ）を介して前記スペーサ層（１８）に接している、付記Ａ５～Ａ８のうちのいずれか一項に記載の窒化物半導体装置（１０Ａ）。
【0081】
（付記Ａ１０）
前記ソース電極（３２）および前記ドレイン電極（３４）はＡｕを含む、付記Ａ９に記載の窒化物半導体装置（１０Ａ）。
前記ソース電極（３２）および前記ドレイン電極（３４）はＡｕを含む、付記Ａ９に記載の窒化物半導体装置（１０Ａ）。
【0082】
（付記Ａ１１）
前記電子供給層（２０）は、複数の超格子層（１６Ａ）の下にＧａＮ層によって構成されたベース層（１６Ｂ）を含む、付記Ａ５～Ａ１０のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記電子供給層（２０）は、複数の超格子層（１６Ａ）の下にＧａＮ層によって構成されたベース層（１６Ｂ）を含む、付記Ａ５～Ａ１０のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0083】
（付記Ａ１２）
前記電子供給層（２０）はＡｌＧａＮ層であり、
前記スペーサ層（１８）のＡｌ組成は、前記電子供給層（２０）のＡｌ組成よりも大きい、付記Ａ５～Ａ１１のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記電子供給層（２０）はＡｌＧａＮ層であり、
前記スペーサ層（１８）のＡｌ組成は、前記電子供給層（２０）のＡｌ組成よりも大きい、付記Ａ５～Ａ１１のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0084】
（付記Ａ１３）
前記電子供給層（２０）のＡｌ組成は２５％以上５０％以下であり、
前記スペーサ層（１８）のＡｌ組成は８０％以上である、付記Ａ１２に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記電子供給層（２０）のＡｌ組成は２５％以上５０％以下であり、
前記スペーサ層（１８）のＡｌ組成は８０％以上である、付記Ａ１２に記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0085】
（付記Ａ１４）
前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層である、付記Ａ１～Ａ１３のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層である、付記Ａ１～Ａ１３のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0086】
（付記Ａ１５）
前記電子供給層（２０）はＡｌＧａＮ層であり、
前記ゲート層（２４）は、ＭｇおよびＺｎのうちの少なくとも一つを前記アクセプタ型不純物として含むＧａＮ層である、付記Ａ１～Ａ１４のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記電子供給層（２０）はＡｌＧａＮ層であり、
前記ゲート層（２４）は、ＭｇおよびＺｎのうちの少なくとも一つを前記アクセプタ型不純物として含むＧａＮ層である、付記Ａ１～Ａ１４のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0087】
（付記Ａ１６）
前記電子走行層（１６）は、シリコン基板（１２）上にバッファ層（１４）を介して形成されている、付記Ａ１～Ａ１５のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
前記電子走行層（１６）は、シリコン基板（１２）上にバッファ層（１４）を介して形成されている、付記Ａ１～Ａ１５のうちのいずれか一つに記載の窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0088】
（付記Ｂ１）
基板（１２）と、
前記基板の上に配置されたバッファ層（１４）と、
前記バッファ層の上に配置された電子走行層（１６）と、
前記電子走行層（１６）の上に配置された電子供給層（２０）と、を備え、
前記電子走行層（１６）は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層（１６Ａ１）とＧａＮを含む第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との超格子層（１６Ａ）が繰り返し積層された複数の超格子層（１６Ａ）を含み、
前記複数の超格子層（１６Ａ）のうち最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）が前記電子走行層（１６）の最上層として設けられており、
前記電子供給層（２０）は、前記複数の超格子層（１６Ａ）の各々よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている、窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
基板（１２）と、
前記基板の上に配置されたバッファ層（１４）と、
前記バッファ層の上に配置された電子走行層（１６）と、
前記電子走行層（１６）の上に配置された電子供給層（２０）と、を備え、
前記電子走行層（１６）は、ＡｌＮによって構成された第１窒化物半導体層（１６Ａ１）とＧａＮを含む第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との超格子層（１６Ａ）が繰り返し積層された複数の超格子層（１６Ａ）を含み、
前記複数の超格子層（１６Ａ）のうち最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）が前記電子走行層（１６）の最上層として設けられており、
前記電子供給層（２０）は、前記複数の超格子層（１６Ａ）の各々よりも大きなバンドギャップを有する第３窒化物半導体層によって構成されている、窒化物半導体装置（１０；１０Ａ）。
【0089】
（付記Ｂ２）
前記電子供給層（２０）と前記最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との間に配置されたスペーサ層（１８）をさらに備え、
前記スペーサ層（１８）は、ＡｌＮを含む窒化物半導体層によって構成されている、付記Ｂ１に記載の窒化物半導体装置（１０：１０Ａ）。
前記電子供給層（２０）と前記最上層の超格子層（１６Ａ）の前記第２窒化物半導体層（１６Ａ２）との間に配置されたスペーサ層（１８）をさらに備え、
前記スペーサ層（１８）は、ＡｌＮを含む窒化物半導体層によって構成されている、付記Ｂ１に記載の窒化物半導体装置（１０：１０Ａ）。
【0090】
以上の説明は単に例示である。本開示の技術を説明する目的のために列挙された構成要素および方法（製造プロセス）以外に、より多くの考えられる組み合わせおよび置換が可能であることを当業者は認識し得る。本開示は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲内に含まれるすべての代替、変形、および変更を包含することが意図される。
【符号の説明】
【0091】
１０，１０Ａ…窒化物半導体装置
１２…基板
１４…バッファ層
１６…電子走行層
１６Ａ…超格子層
１６Ａ１…第１窒化物半導体層
１６Ａ２…第２窒化物半導体層
１８…スペーサ層
２０…電子供給層
２０Ｃ…第１開口部
２０Ｄ…第２開口部
２２…二次元電子ガス（２ＤＥＧ）
２４…ゲート層
２６…ゲート電極
３２…ソース電極
３４…ドレイン電極
１２…基板
１４…バッファ層
１６…電子走行層
１６Ａ…超格子層
１６Ａ１…第１窒化物半導体層
１６Ａ２…第２窒化物半導体層
１８…スペーサ層
２０…電子供給層
２０Ｃ…第１開口部
２０Ｄ…第２開口部
２２…二次元電子ガス（２ＤＥＧ）
２４…ゲート層
２６…ゲート電極
３２…ソース電極
３４…ドレイン電極
【図1】
【図2】
【図3】