特許 7533056 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20240806BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20240806BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L29/80 F

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020155356

(22)【出願日】2020-09-16

(65)【公開番号】P2022049248

(43)【公開日】2022-03-29

【審査請求日】2023-03-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】吉田 成輝

【審査官】戸川 匠

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／２２９７０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５１２９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５２６９２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられ、前記基板側からＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮバリア層とが交互に積層された半導体層と、
前記ＧａＮチャネル層に電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、
を備え、
前記基板に最も近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さく、
前記ゲート電極は、前記半導体層の上面から前記基板に最も近いＧａＮチャネル層に達するように設けられている半導体装置。

【請求項2】

前記基板に最も近いＡｌＧａＮバリア層の厚さをＴ１とし、前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層の厚さをＴ２としたとき、｜Ｔ１－Ｔ２｜／（Ｔ１＋Ｔ２）＜０．２である請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板に３番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さい請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記基板から最も遠いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板から２番目に遠いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さい請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮバリア層は各々４層以上積層されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

基板上にＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮバリア層を交互に積層したマルチチャネルトランジスタが知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１）。このマルチチャネルトランジスタでは、ＧａＮチャネル層に二次元電子ガス（２ＤＥＧ：２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ）が生成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第１０３８８７４６号明細書

【文献】米国特許第１０２４９７１１号明細書

【非特許文献】

【0004】

【文献】2019 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium p. 1133-1135

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

マルチチャネルトランジスタでは、基板から放熱させるため、基板側のチャネル層で、より多くの電流を流すことが熱効率の観点から好ましいと考えられる。そのため、基板側のチャネル層の２ＤＥＧの電子濃度を高くすることが求められる。シングルチャネルトランジスタにおいては、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比を高くすると２ＤＥＧ濃度が高くなる。そこで、マルチチャネルトランジスタでは、基板側のＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比を高くすることが考えられる。しかしながら、基板に２番目に近い２ＤＥＧの電子濃度が小さくなりすぎてしまう。

【0006】

本開示は、上記課題に鑑みなされたものであり、チャネル層における電子濃度を適切にする半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一実施形態は、基板と、前記基板上に設けられ、前記基板側からＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮバリア層とが交互に積層された半導体層と、前記ＧａＮチャネル層に電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、を備え、前記基板に最も近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さい半導体装置である。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、チャネル層における電子濃度を適切にする半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施例１に係る半導体装置の平面図である。

【図2】図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。

【図3】図３は、図１のＢ－Ｂ断面図である。

【図4】図４は、シミュレーションに用いた構造の断面図である。

【図5】図５は、サンプルＡにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。

【図6】図６は、サンプルＡにおける電子濃度を示す図である。

【図7】図７は、サンプルＢにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。

【図8】図８は、サンプルＢにおける電子濃度を示す図である。

【図9】図９は、サンプルＣにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。

【図10】図１０は、サンプルＣにおける電子濃度を示す図である。

【図11】図１１は、サンプルＤにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。

【図12】図１２は、サンプルＤにおける電子濃度を示す図である。

【図13】図１３は、実施例２に係る半導体装置の平面図である。

【図14】図１４は、図１３のＡ－Ａ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本開示の一実施形態は、基板と、前記基板上に設けられ、前記基板側からＧａＮチャネル層とＡｌＧａＮバリア層とが交互に積層された半導体層と、前記ＧａＮチャネル層に電気的に接続されるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、前記半導体層の電位を制御するゲート電極と、を備え、前記基板に最も近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さい半導体装置である。これにより、チャネル層における電子濃度を適切にすることができる。
（２）前記基板に最も近いＡｌＧａＮバリア層の厚さをＴ１とし、前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層の厚さをＴ２としたとき、｜Ｔ１－Ｔ２｜／（Ｔ１＋Ｔ２）＜０．２であることが好ましい。
（３）前記基板に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板に３番目に近いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さいことが好ましい。
（４）前記基板から最も遠いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比は、前記基板から２番目に遠いＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成比より小さいことが好ましい。
（５）前記ゲート電極は、前記半導体層の上面から前記基板に最も近いＧａＮチャネル層に達するように設けられていることが好ましい。
（６）前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮバリア層は各々４層以上積層されていることが好ましい。

【0011】

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態にかかる半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0012】

［実施例１］
図１は、実施例１に係る半導体装置の平面図、図２および図３は、図１のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。図１では、空乏層３６を破線で図示し絶縁膜２０の図示を省略している。基板１０および半導体層１２の積層方向をＺ方向、基板１０および半導体層の上面（主面）に平行な方向であって、ソース電極２２からドレイン電極２４にキャリアが伝導する方向をＸ方向、Ｘ方向に直交しゲート電極２６が配列される方向をＹ方向とする。

【0013】

図１から図３に示すように、基板１０上に半導体層１２が設けられている。半導体層１２として、基板１０側から核生成層１１、バッファ層１３、半導体層１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよびキャップ層１８が積層されている。半導体層１２ａは、チャネル層１４ａとチャネル層１４ａ上に設けられたバリア層１６ａを有し、半導体層１２ｂは、チャネル層１４ｂとチャネル層１４ｂ上に設けられたバリア層１６ｂを有し、半導体層１２ｃは、チャネル層１４ｃとチャネル層１４ｃ上に設けられたバリア層１６ｃを有し、半導体層１２ｄは、チャネル層１４ｄとチャネル層１４ｄ上に設けられたバリア層１６ｄを有する。チャネル層１４ａ～１４ｄには２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄが生成される。

【0014】

半導体層１２に上面からバッファ層１３に達するソース電極２２およびドレイン電極２４が設けられている。ソース電極２２およびドレイン電極２４はチャネル層１４ａ～１４ｄの２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄに電気的に接続されている。ソース電極２２とドレイン電極２４との間の半導体層１２上に絶縁膜２０が設けられている。複数のゲート電極２６はソース電極２２とドレイン電極２４の間に設けられ、Ｙ方向に配列されている。ゲート電極２６の平面形状は円形状である。ゲート電極２６の平面形状は矩形または楕円形等でもよい。ゲート電極２６は、半導体層１２の電位を制御する。

【0015】

基板１０は、例えばＳｉＣ基板、サファイア基板またはＧａＮ基板である。基板１０の上面は例えば（０００１）面である。半導体層１２は窒化物半導体層である。核生成層１１は例えばＡｌＮ層である。バッファ層１３およびチャネル層１４ａ～１４ｄはＧａＮ層である。バリア層１６ａ～１６ｄはＡｌＧａＮ層である。キャップ層１８は例えばＧａＮ層である。バッファ層１３とチャネル層１４ａは同じＧａＮ層であるが、ＧａＮ層の下部はバッファ層１３として機能し、上部はチャネル層１４ａとして機能する。このため、便宜上バッファ層１３およびチャネル層１４ａとして説明する。バッファ層１３、チャネル層１４ａ～１４ｄ、バリア層１６ａ～１６ｄおよびキャップ層１８には意図的なドーパントは添加されておらず、ドーパント濃度は例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。バリア層１６ａ～１６ｄは意図的にドーパントを含まなくてもよいが意図的にドーパントが添加されていてもよい。バリア層１６ａ～１６ｄにおけるドーパント濃度は例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以上でもよい。

【0016】

ソース電極２２およびドレイン電極２４は例えば半導体層１２側からチタン膜およびアルミニウム膜である。半導体層１２内にチャネル層１４ａ～１４ｄに接続されドーパント濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上のソース領域およびドレイン領域が設けられ、ソース電極２２およびドレイン電極２４はソース領域およびドレイン領域上にそれぞれ設けられていてもよい。ゲート電極２６は例えば半導体層１２側からニッケル膜および金膜である。絶縁膜２０は例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜または窒化酸化シリコン膜である。

【0017】

図１のように、ゲート電極２６の周囲にはゲート電極２６に印加されるゲート電圧に応じた空乏層３６が形成される。空乏層３６内のチャネル層１４ａ～１４ｄには２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄはほとんど形成されない。空乏層３６以外の領域のチャネル層１４ａ～１４ｄには２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄが形成される。ゲート電極２６に印加される電位によりソース電極２２とドレイン電極２４との間を流れる電流を制御できる。

【0018】

［シミュレーション］
各チャネル層１４ａ～１４ｄに生成される２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄの電子濃度をシミュレーションした。図４は、シミュレーションに用いた構造の断面図である。半導体層１２ａ～１２ｄにおいて、チャネル層１４ａ～１４ｄとバリア層１６ａ～１６ｄの間にそれぞれスペーサ層１５ａ～１５ｄが設けられている。バリア層１６ａ～１６ｄの厚さはそれぞれＴ１６ａ～Ｔ１６ｄであり、バリア層１６ａ～１６ｄのＡｌ組成比はそれぞれＡｌａ～Ａｌｄである。なお、Ａｌ組成比はＡｌとＧａに対するＡｌの組成比であり、バリア層１６ａ～１６ｄの組成をＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮと表したときのｘに相当する。

【0019】

シミュレーション条件は以下である。
各層の厚さおよび材料は以下である。
基板１０： 厚さは１０μｍ、材料はＳｉＣ
核生成層１１：厚さは２０ｎｍ、材料はＡｌＮ
バッファ層１３＋チャネル層１４ａ： 厚さは６００ｎｍ、材料はＧａＮ
チャネル層１４ｂ～１４ｄ： 厚さは１５ｎｍ、材料はＧａＮ
スペーサ層１５ａ～１５ｄ： 厚さは１ｎｍ、材料はＡｌＮ
バリア層１６ａ～１６ｄ： 厚さはＴ１６ａ～Ｔ１６ｄ、材料はＡｌＧａＮ
キャップ層１８： 厚さは３ｎｍ、材料はＧａＮ
絶縁膜２０: 厚さは２０ｎｍ、材料はＳｉＮ

【0020】

各材料の物性は以下とした。Ｅｇはエネルギーバンドギャップ、ＥＡは電子親和力である。
ＧａＮ：Ｅｇ＝３．４２ｅＶ、ＥＡ＝４．３ｅＶ
ＡｌＮ：Ｅｇ＝５．７６ｅＶ、ＥＡ＝２．５４５ｅＶ
ＡｌＧａＮ：Ｅｇ＝５．７６ｘ＋３．４２（１－ｘ）－１．１５ｘ（１－ｘ）ｅＶ、ＥＡ＝４．３－０．７５（２．３４ｘ－１．１５ｘ（１－ｘ））ｅＶ
なお、ｘはＡｌ組成比であり、ＡｌＧａＮの組成をＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮとしたときのｘである。
ＳｉＮ：Ｅｇ＝５ｅＶ、ＥＡ＝３．５１ｅＶ
ＳｉＣ：Ｅｇ＝２．９ｅＶ、ＥＡ＝３．５ｅＶ

【0021】

基板１０および核生成層１１のドーピング濃度は、半絶縁性を想定し１×１０^１０ｃｍ^－３とした。核生成層１１以外の半導体層１２のドーピング濃度は、意図的にドーパントを添加していないことを想定し７×１０^１５ｃｍ^－３とした。ソース電極２２およびドレイン電極２４の仕事関数は４．２ｅＶとした。キャップ層１８と絶縁膜２０との界面に、界面準位として５×１０^１２ｃｍ^－２の正の固定電荷を仮定した。ソース電極２２およびドレイン電極２４の半導体層１２の上面からの深さを１２２ｎｍとした。

【0022】

サンプルＡ～Ｄの４つのサンプルについてシミュレーションした。サンプルＡ～Ｄのバリア層１６ａ～１６ｄの条件を表１に示す。

【表1】

【0023】

表１に示すように、サンプルＡでは、バリア層１６ａ～１６ｄのＡｌ組成比Ａｌａ～Ａｌｄは全て３０％であり、厚さＴ１６ａ～Ｔ１６ｄは全て１５ｎｍである。サンプルＢでは、バリア層１６ａ～１６ｄのＡｌ組成比Ａｌａ～Ａｌｄはそれぞれ３０％、２５％、２０％および１５％であり、基板１０から遠ざかるにしたがいＡｌ組成比が小さくなる。厚さＴ１６ａ～Ｔ１６ｄは全て１５ｎｍである。サンプルＣでは、バリア層１６ａ～１６ｄのＡｌ組成比Ａｌａ～Ａｌｄはそれぞれ１５％、２２％、２４％および１５％であり、基板１０に最も近いバリア層１６ａのＡｌ組成比Ａｌａが小さく、基板１０から遠ざかるとＡｌ組成比は大きくなり、最も遠いバリア層１６ｄのＡｌ組成比Ａｌｄは小さくなる。厚さＴ１６ａ～Ｔ１６ｄは全て１５ｎｍである。サンプルＤでは、Ａｌ組成比Ａｌａ～ＡｌｄはサンプルＣと同じであり、厚さＴ１６ａ、Ｔ１６ｃおよびＴ１６ｄは１５ｎｍであり、厚さＴ１６ｂは３０ｎｍである。サンプルＡおよびＢは比較例に相当する。

【0024】

図５は、サンプルＡにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。Ｅｃは伝導帯の底のエネルギー、Ｅｖは価電子帯の頂のエネルギー、Ｅｆはフェルミレベルを示す。横軸は図４の半導体層１２と絶縁膜２０との界面を０ｎｍとしときの－Ｚ方向の位置を示し、縦軸はフェルミレベルＥｆを０ｅＶとしたエネルギーを示す。

【0025】

チャネル層１４ａ～１４ｄおよびバリア層１６ａ～１６ｄには自発分極が発生する。またチャネル層１４ａ～１４ｄとバリア層１６ａ～１６ｄとの格子定数の差による応力に起因しバリア層１６ａ～１６ｄ内にピエゾ分極が発生する。チャネル層１４ａおよび１４ｄがＧａＮ層であり、バリア層１６ａ～１６ｄがＡｌＧａＮ層のとき、バリア層１６ａ～１６ｄ内の自発分極はチャネル層１４ａ～１４ｄ内の自発分極より大きくなる。また、基板１０の上面を例えば（０００１）面としたとき、バリア層１６ａ～１６ｄ内のピエゾ分極と自発分極の方向は同じである。

【0026】

以上により、バリア層１６ａ～１６ｄの基板１０側の、それぞれスペーサ層１５ａ～１５ｄを介しての、チャネル層１４ａ～１４ｄとのそれぞれのチャネル層１４ａ～１４ｄ側での界面３０ａ～３０ｄには負の電荷が生じる。その結果、界面３０ａ～３０ｄのＥｃは低くなる。一方、バリア層１６ａ～１６ｄの基板１０と反対側のチャネル層１４ｂ～１４ｄおよびキャップ層１８とのそれぞれの界面３２ａ～３２ｄには正の電荷が生じる。その結果、バリア層１６ａ～１６ｄの基板１０と反対側の界面３２ａ～３２ｄのＥｃは高くなる。なお、スペーサ層１５ａ～１５ｄはバリア層１６ａ～１６ｄに比べ厚さが１／１０以下のため、スペーサ層１５ａ～１５ｄにおける分極はほとんど無視できる。チャネル層１４ａ～１４ｄ内のバリア層１６ａ～１６ｄ側との界面３０ａ～３０ｄ付近のＥｃがフェルミレベルＥｆ以下となり、２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄが形成される。

【0027】

図６は、サンプルＡにおける電子濃度を示す図である。横軸は図５と同じであり、縦軸は電子濃度である。図６に示すように、チャネル層１４ａ～１４ｄの界面３０ａ～３０ｄ付近に２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄが形成される。２ＤＥＧ１７ａの電子濃度に比べ２ＤＥＧ１７ｂおよび１７ｃの電子濃度は低い。２ＤＥＧ１７ｄの電子濃度は２ＤＥＧ１７ｂおよび１７ｃの電子濃度より高くなる。

【0028】

チャネル層１４ａ～１４ｄにおいて発生した熱は基板１０を介し外部に放出される。このため、基板１０から遠いチャネル層ほど発生した熱が外部に放出させにくい。チャネル層の温度が上昇するとチャネル層における抵抗が高くなり、特性が劣化する。基板１０から遠いチャネル層において発生した熱による温度上昇を抑制するため、基板１０から遠いチャネル層における２ＤＥＧの電子濃度を低くすることが好ましい。

【0029】

個々のバリア層１６ａ～１６ｄにおいては、Ａｌ組成比を大きくすると、個々のバリア層１６ａ～１６ｄにおける自発分極およびピエゾ分極が大きくなることが予想される。よって、２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄの電子濃度が高くなると考えられる。そこで、サンプルＢでは、基板１０から遠いバリア層１６ｄほど、基板１０から近いバリア層１６ａに比べて、Ａｌ組成比が小さくなるようにした。

【0030】

図７は、サンプルＢにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。図７に示すように、界面３０ｂおよび３０ｃ付近のＥｃが高くなり、チャネル層１４ｂおよび１４ｃのＥｃがフェルミレベルＥｆより高くなっている。

【0031】

図８は、サンプルＢにおける電子濃度を示す図である。図８に示すように、２ＤＥＧ１７ｂおよび１７ｃが生成されない。また、２ＤＥＧ１７ｄの電子濃度が２ＤＥＧ１７ａの電子濃度に近くなっている。さらに、キャップ層１８の電子濃度が高くなっている。

【0032】

このように、サンプルＢでは、２ＤＥＧ１７ｄの電子濃度が高くなってしまう。さらに、２ＤＥＧ１７ｂおよび１７ｃが生成されない。サンプルＢのように、基板１０から遠いチャネル層ほどＡｌ組成比を大きくしても、２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄの電子濃度は予想通りとはならない。

【0033】

特に、サンプルＢでは、基板１０から近いバリア層１６ａにおいてＡｌ組成比を３０％とすることにより、界面３０ａのＥｃは低くなり、界面３２ａのＥｃは高くなる。一方で、サンプルＢでは、バリア層１６ｂにおいてＡｌ組成比をサンプルＡでの値３０％に比べて低い値２５％としている。その結果、サンプルＢでは、バリア層１６ｂにおける分極がサンプルＡに比べて小さくなると考えられ、界面３０ａのＥｃはサンプルＡに比べ高くなると考えられる。よって、図８に示されるように、２ＤＥＧ１７ｂが生成されないと考えられる。

【0034】

上記考察を踏まえ、サンプルＣでは、基板１０に最も近いバリア層１６ａにおいてはＡｌ組成比を小さくする一方で、基板１０に２番目に近いバリア層１６ｂでは、より分極を大きくするためＡｌ組成比をより大きくしている。また、基板１０からさらに遠いバリア層１６ｃではさらに分極を大きくするため、さらにＡｌ組成比を大きくしている。サンプルＣでは、バリア層１６ｃのＡｌ組成比を最も大きくした。

【0035】

図９は、サンプルＣにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。図９に示すように、界面３０ａ～３０ｄ付近においてチャネル層１４ａ～１４ｄのＥｃがフェルミレベルＥｆより低くなっている。

【0036】

図１０は、サンプルＣにおける電子濃度を示す図である。図１０に示すように、２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄが生成されている。基板１０に最も近い２ＤＥＧ１７ａの電子濃度が最も高く、基板１０から遠い２ＤＥＧほど電子濃度が小さくなる。このように、理想に近い２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄの電子濃度を実現できた。

【0037】

図１１は、サンプルＤにおけるバンドダイヤグラムを示す図である。図１１に示すように、サンプルＣとバリア層１６ａ～１６ｄのＡｌ組成比を同じとしてもバリア層１６ｂを厚くすると、界面３２ｂのＥｃが高くなり、界面３０ｃのＥｃが低くならない。

【0038】

図１２は、サンプルＤにおける電子濃度を示す図である。図１２に示すように、２ＤＥＧ１７ｃおよび１７ｄが生成されない。

【0039】

バリア層１６ａ～１６ｄ内の分極が大きくなることにより、界面３０ａ～３０ｄのＥｃは低くなるものの界面３２ａ～３２ｄのＥｃが高くなる。サンプルＢでは、バリア層１６ａのＡｌ組成比が大きいため界面３２ａのＥｃが高くなり、チャネル層１４ｂのＥｃが高くなる。このため界面３０ｂに２ＤＥＧ１７ｂが生成されないと考えられる。同様に、サンプルＢでは、バリア層１６ｂのＡｌ組成比が大きいため界面３２ｂのＥｃが高くなり、チャネル層１４ｃのＥｃが高くなるため２ＤＥＧ１７ｃが生成されないと考えられる。一方、絶縁膜２０とキャップ層１８との間の界面の固定電荷により、バリア層１６ｄのＥｃは低くなる。これにより、２ＤＥＧ１７ｄの電子濃度が高くなる。

【0040】

図１１のサンプルＤのように、バリア層１６ｂが厚くなると、サンプルＣより界面３２ｂのＥｃが高くなる。このように、界面３２ａ～３２ｃのＥｃはバリア層１６ａ～１６ｃのＡｌ組成比と厚さの積にほぼ比例して高くなる。

【0041】

実施例１によれば、半導体層１２において、基板１０側からＧａＮチャネル層１４ａ～１４ｄとバリア層１６ａ～１６ｄとが交互に積層されている。基板１０に最も近いＡｌＧａＮバリア層１６ａのＡｌ組成比Ａｌａは、基板１０に２番目に近いＡｌＧａＮバリア層１６ｂのＡｌ組成比Ａｌｂより小さい。これにより、界面３２ａのＥｃが高くなりすぎることが抑制され、チャネル層１４ｂに２ＤＥＧ１７ｂが形成される。

【0042】

サンプルＤのように、バリア層１６ｂの厚さＴ１６ｂがバリア層１６ａの厚さＴ１６ａより厚すぎると、チャネル層１４ｃに２ＤＥＧ１７ｃが形成されない。よって、バリア層１６ａの厚さＴ１６ａとバリア層１６ｂの厚さＴ１６ｂは略等しいことが好ましい。このように、バリア層１６ａ～１６ｄの厚さＴ１６ａ～Ｔ１６ｄは略等しいことが好ましい。なお、略等しいとは２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄが形成される程度に等しいことを意味し、±２０％の差を許容する。すなわち、｜Ｔ１６ａ－Ｔ１６ｂ｜／（Ｔ１６ａ＋Ｔ１６ｂ）≦０．２である。｜Ｔ１６ａ－Ｔ１６ｂ｜／（Ｔ１６ａ＋Ｔ１６ｂ）≦０．１がより好ましい。なお、｜Ｔ１６ａ－Ｔ１６ｂ｜は（Ｔ１６ａ－Ｔ１６ｂ）の絶対値を示す。また、厚さＴ１６ａ～Ｔ１６ｄのうち最も大きい厚さをＴ１６ｍａｘ、最も小さい厚さをＴ１６ｍｉｎとすると、（Ｔ１６ｍａｘ－Ｔ１６ｍｉｎ）／（Ｔ１６ｍａｘ＋Ｔ１６ｍｉｎ）≦０．２である。また、（Ｔ１６ｍａｘ－Ｔ１６ｍｉｎ）／（Ｔ１６ｍａｘ＋Ｔ１６ｍｉｎ）≦０．１が好ましい。

【0043】

また、チャネル層１４ｂ～１４ｄの厚さは略等しいことが好ましい。例えばチャネル層１４ｂ～１４ｄのうち最も大きい厚さをＴ１４ｍａｘ、最も小さい厚さをＴ１４ｍｉｎとすると、（Ｔ１４ｍａｘ－Ｔ１４ｍｉｎ）／（Ｔ１４ｍａｘ＋Ｔ１４ｍｉｎ）≦０．２である。また、（Ｔ１４ｍａｘ－Ｔ１４ｍｉｎ）／（Ｔ１４ｍａｘ＋Ｔ１４ｍｉｎ）≦０．１が好ましい。

【0044】

基板１０に２番目に近いバリア層１６ｂのＡｌ組成比Ａｌｂは、基板１０に３番目に近いバリア層１６ｃのＡｌ組成比Ａｌｃより小さい。これにより、界面３２ｂのＥｃが高くなりすぎることが抑制され、チャネル層１４ｃに２ＤＥＧ１７ｃが形成される。

【0045】

基板１０から最も遠いＡｌＧａＮバリア層１６ｄのＡｌ組成比Ａｌｄは、基板１０から２番目および３番目に近いバリア層１６ｂおよび１６ｃのＡｌ組成比ＡｌｂおよびＡｌｃより小さい。これにより、チャネル層１４ｄに形成される２ＤＥＧ１７ｄの電子濃度を２ＤＥＧ１７ｂおよび１７ｃの電子濃度より小さくできる。

【0046】

２ＤＥＧ１７ａ～１７ｄを形成するためには、バリア層１６ａ～１６ｄのＡｌ組成比Ａｌａ～Ａｌｄが０．１以上かつ０．４以下が好ましく、０．１５以上かつ０．３以下がより好ましい。ＡｌｂとＡｌａとの差は０．０５以上が好ましい。ＡｌｃとＡｌｂとの差はＡｌｂとＡｌａとの差より大きいことが好ましい。ＡｌａとＡｌｄとは略等しいことが好ましい。

【0047】

バリア層１６ａ～１６ｄの各々内のＡｌ組成比は製造誤差程度に略均一であり、例えば１つのバリア層内のＡｌ組成比の最大値と最小値との差はＡｌ組成比の平均値の１０％以下である。

【0048】

ＧａＮチャネル層１４ａ～１４ｄおよびＡｌＧａＮバリア層１６ａ～１６ｄは、それぞれＧａＮおよびＡｌＧａＮ以外に意図的または意図しない不純物を含んでもよい。例えばドーパントとしてシリコン等を含んでもよい。

【0049】

チャネル層１４ａ～１４ｄとバリア層１６ａ～１６ｄは３層以上積層されていることが好ましく、４層以上積層されていることがより好ましく、５層以上積層されていてもよい。これにより、ドレイン電流が大きくなり、パワー密度を大きくできる。

【0050】

[実施例２]
図１３は、実施例２に係る半導体装置の平面図、図１４は、図１３のＡ－Ａ断面図である。図１３および図１４に示すように、ゲート電極２６は半導体層１２上に設けられている。ゲート電極２６はＹ方向に延伸している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

【0051】

実施例２のように、ゲート電極２６が半導体層１２上に設けられている場合、ゲート電極２６が全てのチャネル層１４ａ～１４ｄを制御することが難しい。よって、実施例１のように、ゲート電極２６は、半導体層１２の上面から基板１０に最も近いチャネル層１４ａに達するように設けられていることが好ましい。

【0052】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0053】

１０ 基板
１１ 核生成層
１２、１２ａ～１２ｄ 半導体層
１３ バッファ層
１４ａ～１４ｄ チャネル層
１５ａ～１５ｄ スペーサ層
１６ａ～１６ｄ バリア層
１７ａ～１７ｄ ２ＤＥＧ
１８ キャップ層
２０ 絶縁膜
２２ ソース電極
２４ ドレイン電極
２６ ゲート電極
３０ａ～３０ｄ、３２ａ～３２ｄ 界面
３６ 空乏層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】