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JP5286613B2 - 窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents
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JP5286613B2 - 窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物系化合物半導体および窒化物系化合物半導体素子に関するものである。
窒化物系化合物半導体、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、シリコン系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きく絶縁破壊電圧が大きいため、これを用いて高温環境下においても動作する高耐圧の半導体素子を作製することが可能である。このため、ＧａＮ系半導体はシリコン系材料に代わるインバーターやコンバーター等のパワーデバイスの材料として期待されている。
パワーデバイスにとって、高いオフ耐圧は、トランジスタの最大出力を決める重要なパラメータである。高いオフ耐圧を得るためには、高いバッファ耐圧の実現、すなわち漏れ電流（リーク電流）の低減が必要になる。
ＧａＮ系半導体は、通常はＧａＮ系半導体とは異なる材料から成る基板上にヘテロエピタキシャル成長するため、窒素空孔などの点欠陥や転位をはじめとする格子欠陥を多数含むという課題がある。特に、シリコン基板を成長基板に用いた場合、ＧａＮとシリコンの格子定数差（〜１７％）、熱膨張係数差（〜５６％）が大きいため、１０１０ｃｍ−２を超える高密度の転位が導入される場合がある。このように高密度の転位が導入されたＧａＮ系半導体素子はリーク電流が大きくなり、耐圧性が低くなる。
高耐圧化のためには、基板直上に形成するバッファ層を高抵抗化する方法がある。バッファ層の高抵抗化には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いる場合に、原料である有機金属に含まれる炭素を添加剤とするオートドーピング法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−２５１１４４号公報
J.E.Northrup, Appl. Phys. Lett., vol.78, p.2200(2001). J.W.P.Hsu, M.J.Manfra, R.J.Molnar, B.Heying, and J.S.Spec, Appl. Phys. Lett., vol.81， p.79（2002）
ところで、素子の信頼性の観点から、リーク電流は素子の使用開始時だけでなく、１０００時間を越えるような長期に亘る通電後においても、増加しない必要がある。しかしながら、特許文献１に開示させるような、炭素をドーピングし、バッファ層の高抵抗化を行った素子においては、素子の通電開始後のリーク電流（リーク電流の初期値）は所望の値以下であったとしても、長期通電後にはリーク電流が増加するという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、長期信頼性が高い窒化物系化合物半導体および窒化物系化合物半導体素子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、アルミニウム原子、ガリウム原子、インジウム原子およびボロン原子から選択される１以上のＩＩＩ族原子と、窒素原子とを含む窒化物系化合物半導体であって、添加物としてドープした金属原子とガリウム格子間原子とが複合体を形成していることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、上記の発明において、前記添加物は鉄またはニッケルであることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、上記の発明において、前記添加物のドープ濃度は、前記ガリウム格子間原子の濃度と同程度であることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、上記の発明において、前記添加物のドープ濃度は、５×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、上記の発明において、前記添加物のドープ濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、上記の発明において、窒化ガリウムであることを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記の発明において、上記の発明のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる基板と、前記基板上にエピタキシャル成長した、前記窒化物系化合物半導体からなる半導体層とを有することを特徴とする。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、上記の発明において、前記基板はシリコン、サファイア、炭化珪素または酸化亜鉛からなることを特徴とする。
本発明によれば、長期通電後においてもリーク電流の増加を抑制できるので、長期信頼性が高い窒化物系化合物半導体および窒化物系化合物半導体素子を実現できるという効果を奏する。
図１は、螺旋転位のＧａリッチな転位芯構造を示す模式図である。 図２は、図１の転位芯構造を原子モデルとして用いて計算した電子の状態密度を示す図である。 図３は、螺旋転位のオープンコアな転位芯構造を示す模式図である。 図４は、図３の転位芯構造を原子モデルとして用いて計算した電子の状態密度を示す図である。 図５は、転位芯近傍におけるＧａ原子の挙動を説明する模式図である。 図６は、転位芯近傍におけるＧａ原子の挙動を説明する模式図である。 図７は、図５（ｂ）の転位芯構造を原子モデルとして用いて計算した電子の状態密度を示す図である。 図８は、ＧａＮ結晶中のＧａ格子間原子と不純物原子との結合エネルギーの計算結果を示す図である。 図９は、ＧａＮ結晶に不純物原子をドープしたときの原子数当たりの凝集エネルギーを示す図である。 図１０は、実施の形態１に係る窒化物系化合物半導体素子であるＨＦＥＴの模式的な断面図である。 図１１は、実施例１および比較例１のＨＦＥＴのリーク電流の経時変化を示す図である。 図１２は、実施例１、２および比較例１のＨＦＥＴのリーク電流の初期値および１０００時間通電後のリーク電流を示す図である。 図１３は、実施例１のＨＦＥＴ中の５７Ｆｅのメスバウアースペクトルを示す図である。 図１４は、実施の形態３に係るＨＦＥＴの模式的な断面図である。 図１５は、図１４に示すＨＦＥＴの製造工程の一例を示す図である。
本発明は、本発明者が、窒化物系化合物半導体素子に長期通電を行なった際に生じるリーク電流の増加のメカニズムを再考し、これによって得た知見によって、リーク電流の増加を抑制する方法に想到し、完成したものである。
以下では、はじめに、本発明者が行なったリーク電流の増加のメカニズムの考察について説明する。次いで、これによって得た知見によって完成した本発明について、その実施の形態により説明する。
＜第一原理電子状態計算による特性予測＞
（リーク電流の初期値に関する知見）
窒化物系化合物半導体におけるリーク電流の発生は、窒化物系化合物半導体の結晶中に存在する「螺旋転位」の転位線に沿った電流経路（リークパス）の形成に起因するものであると考えられる。その理由は、第一原理電子状態計算結果から予測されるように（非特許文献１参照）、Ｇａリッチな螺旋転位芯は、バンドギャップ間に多数の準位を持つため、高い電圧を印加したときに電流が流れるためである。
また、電流ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の観察において、螺旋転位上で逆方向バイアスをかけた場合のリーク電流の増加が観察されており（非特許文献２参照）、非特許文献１の予測を裏付けている。
しかしながら、これら２つの文献では、特定の窒化物系化合物半導体におけるリーク電流の初期値の大小関係については説明できるものの、長期通電によるリーク電流増加に関する知見は何ら与えられない。
（螺旋転位の電子状態計算）
そこで、本発明者は、リーク電流増加のメカニズムを解明するため、ＧａＮの結晶について、以下のような計算を行った。
計算１：Ｇａリッチな螺旋転位の電子状態とオープンコアな螺旋転位の電子状態との比較
以下、計算１について説明する。
ＧａＮ中の螺旋転位の転位芯構造は、大きく分けて、Ｇａリッチな（転位芯におけるＧａ原子の含有量が５０質量％以上）構造と、オープンコアと呼ばれる転位芯の原子が欠損している構造とがある。本計算１では、それぞれの構造について、局所密度近似に基づいた第一原理電子状態計算（シミュレーション）を行った。
なお、このシミュレーションには、アドバンスソフト株式会社製のＡｄｖａｎｃｅ／ＰＨＡＳＥを用いた。また、計算には、Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ型のウルトラソフト擬ポテンシャルを用いた。また、交換相互作用は、一般化勾配近似の範囲で計算した。計算では、スピンを考慮した。さらに、計算条件は、以下の条件で行った。
・カットオフエネルギー：波動関数および電荷密度分布で、それぞれ２５Ｒｙおよび２３０Ｒｙ
・ｋ点サンプル：３×３×２
・計算したバンド数：２２８
図１は、螺旋転位のＧａリッチな転位芯構造を示す模式図である。図２は、図１の転位芯構造を原子モデルとして用いて計算した電子の状態密度（ＤＯＳ：ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｔａｔｅｓ）を示す図である。また、図３は、螺旋転位のオープンコアな転位芯構造を示す模式図である。図４は、図３の転位芯構造を原子モデルとして用いて計算した電子の状態密度（ＤＯＳ）を示す図である。なお、図２、４において、横軸は電子のエネルギーを示し、エネルギーが０の位置は、フェルミ準位を示している。また、ＤＯＳの符号が正のものはスピン上向きの状態密度を示し、負のものはスピン下向きの状態密度を示す。
図１、２に示すように、Ｇａリッチな螺旋転位は、横軸のおよそ−２〜＋１．６電子ボルト（ｅＶ）に存在するバンドギャップ内に離散的なエネルギー準位を持っている。すなわち、Ｇａリッチな螺旋転位は、これらのバンドギャップ内のエネルギー準位が存在するために、リークパスになる可能性があることを示している。この結果は、非特許文献１および非特許文献２に示された結果に一致する。
これに対して、図３、４に示すように、オープンコアな螺旋転位は、横軸のおよそ０〜＋３ｅＶにエネルギー準位を持たない。すなわち、オープンコアな螺旋転位は、リークパスとはならないことを示している。
これらの結果は、Ｇａリッチな螺旋転位は、リークパスになる可能性があり、オープンコアな螺旋転位は、リークパスとはならないことを示している。
本発明者は、これらの結果から、結晶に含まれるオープンコアな螺旋転位が、通電によって、Ｇａリッチな螺旋転位に変化し、リーク電流が増加すると推測した。そこで、次のような計算を行なった。
計算２：Ｇａ格子間原子の吸収によるオープンコアな螺旋転位の「Ｇａリッチ」化の確認
以下、計算２について説明する。
オープンコアな螺旋転位のＧａリッチ化（導電化）の原因として、Ｇａ格子間原子の螺旋転位芯への吸収が考えられる。このことを検証するため、転位芯近傍に配置されたＧａ原子の挙動を分子動力学計算で確認した。なお、安定な原子配置の計算はｑｕｅｎｃｈｅｄ ＭＤ法を用いて行い、１ステップを１．２フェムト秒として計算した。
図５、６は、上記の計算結果に基づき、転位芯近傍におけるＧａ原子の挙動を説明する模式図である。
まず、図５（ａ）に示すように、安定構造を持つオープンコアな螺旋転位芯の近傍（〜０．１５ｎｍ）に、Ｇａ原子（図中黒丸で示す）を配置する。すると、図５（ｂ）に示すように、このＧａ原子は、オープンコアな螺旋転位の転位芯に吸収される（図中斜線を付した丸で示す）。
つぎに、図６（ａ）に示すように、安定構造を持つＧａリッチな螺旋転位芯に在るＧａ原子（図中黒丸で示す）を僅か（〜０．１ｎｍ）に転位芯の外側へずらしたとき、このＧａ原子は転位芯に吸収される。更に、螺旋転位芯の近傍に存在するＧａ格子間原子は、同様に吸収され、図６（ｂ）に示すように転位芯に過剰にＧａ原子が存在するようになる（図中破線領域で示す）。
なお、図７は、図５（ｂ）の転位芯構造を原子モデルとして用いて計算した電子の状態密度を示す図である。図７に示すように、図５（ｂ）の転位芯構造、すなわち、オープンコアな螺旋転位の転位芯にＧａ原子が吸収された構造では、バンドギャップ間に複数のエネルギー準位を持つことが分かる。
これらの計算結果から、拡散（熱的なものだけでなく電界で促進される現象を含む）によって転位芯近傍に到達したＧａ格子間原子は、転位芯に吸収されると結論できる。すなわち、電気的に中性であるオープンコアな螺旋転位芯構造を持つ螺旋転位も、Ｇａ原子を吸収することで電気的に活性化することを意味している。また、Ｇａリッチな螺旋転位芯に吸収されたＧａ格子間原子は、その安定位置から０．１ｎｍ程度ずらしても、元の位置に戻ることも示された。
以上の結果は、螺旋転位の転位芯には電気的に活性な構造（Ｇａリッチ）と電気的に不活性な構造（オープンコア）があり、通電により、ＧａＮ結晶中に残留するＧａ格子間原子が拡散し、電気的に不活性なオープンコアな螺旋転位に吸収されて電気的に活性なＧａリッチな螺旋転位に変化し、リーク電流が増大することを示唆している。すなわち、通電によるリーク電流の増加は、ＧａＮ結晶中に残留するＧａ格子間原子が起源になっていると考えることができる。また、Ｇａ原子を吸収した螺旋転位はそのＧａ原子を吸収した状態が安定であるため、リーク電流の増加は不可逆な現象であると考えられる。
以上の結果より、本発明者は、Ｇａ格子間原子の螺旋転位芯への移動を抑制すれば、長期通電によるリーク電流の増加を抑制することができることを見出した。そして、たとえばＧａＮ結晶中のＧａ格子間原子の拡散を抑制するためには、Ｇａ格子間原子の自己拡散エネルギーよりも大きな結合エネルギーを持つ元素をＧａＮ結晶中にドープすればよいことに想到した。
（Ｇａ格子間原子の拡散を抑制する元素）
以下では、Ｇａ格子間原子の拡散を抑制する元素を「Ｇａ格子間原子アンカー」と名付け、Ｇａ格子間原子アンカーとなり得る元素を第一原理電子状態計算から確認した。ここで、Ｇａ格子間原子アンカーの条件は、上に述べたようにＧａ格子間原子との結合エネルギーが大きいことである。さらに、Ｇａ格子間原子アンカーは、溶質原子としてＧａＮ結晶中に安定的に存在することが重要であり、不純物原子を含まない系の凝集エネルギーより低い凝集エネルギーを持たなければならない。
なお、この計算は、螺旋転位の電子状態計算と同様に、アドバンスソフト株式会社製のＡｄｖａｎｃｅ／ＰＨＡＳＥを用いた。また、主な計算条件は、以下の通りである。
・原子モデル：３３原子（Ｇａ１６個、窒素１６個、不純物原子１個）からなるスーパーセル
・カットオフエネルギー：波動函数および電荷密度分布で、それぞれ２５Ｒｙおよび２３０Ｒｙ
・ｋ点サンプル：３×３×４
・計算したバンド数：１００
図８は、ＧａＮ結晶中のＧａ格子間原子と不純物原子との結合エネルギーの計算結果を示す図である。なお、図中太い破線は、第一原理電子状態計算により計算した、Ｇａ格子間原子の拡散の活性化エネルギーである。ここで、太い破線よりも高い結合エネルギーを持つ不純物原子が、Ｇａ格子間原子アンカーとして働き得る。すなわち、太い破線よりも高い結合エネルギーを持つ不純物原子は、Ｇａ格子間原子と結合した複合体を形成し安定化する。その結果、Ｇａ格子間原子の拡散は抑制される。
図９は、ＧａＮ結晶に不純物原子をドープしたときの原子数当たりの凝集エネルギーを示す図である。なお、図中太い破線は、不純物原子を含まない系（ＧａＮ結晶）の凝集エネルギーを示す。ここで、太い破線と同程度か低い凝集エネルギーを持つ不純物原子が、ＧａＮ結晶に安定的に固溶し、存在することができる。
図８および図９の計算結果は、リチウム（Ｌｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）および金（Ａｕ）がＧａ格子間原子アンカーとして有効に機能することを示している。本発明者は、以上の結果より、窒化物系化合物半導体の結晶中にこれらのＧａ格子間原子アンカーをドープすることによって、長期通電によるリーク電流の増加を抑制することができることに想到したのである。
＜実施の形態＞
以下に、図面を参照して本発明に係る窒化物系化合物半導体および窒化物系化合物半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面においては、同一または対応する要素には適宜同一符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
（実施の形態１）
図１０は、本発明の実施の形態１に係る窒化物系化合物半導体素子である異種接合電界効果トランジスタ（Heterojunction field effect transistor：ＨＦＥＴ）の模式的な断面図である。このＨＦＥＴ１０は、窒化物系化合物半導体とは異なる材料からなる基板である主表面が（１１１）面のシリコン基板１１と、シリコン基板１１上に順次形成された、ＧａＮからなるバッファ層１２、ＦｅをドープしたＧａＮからなる電子走行層１３、およびＡｌＧａＮからなる電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成されたゲート電極１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７とを備えている。すなわち、このＨＦＥＴ１０は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴである。なお、電子走行層１３および電子供給層１４は、ｐ型またはｎ型不純物を意図的にドープしていないが、適宜ドープしてもよい。
このＨＦＥＴ１０は、電子走行層１３にＦｅをドープしている。したがって、このＨＦＥＴ１０に通電を行なった際には、このＦｅがＧａ格子間原子と結合した複合体を形成してＧａ格子間原子アンカーとして機能する。これによって長期通電を行っても、ソース電極１６またはドレイン電極１７からシリコン基板１１側へリークパスが形成されることが抑制される。その結果、このＨＦＥＴ１０は、長期通電によるリーク電流の増加が抑制されたものとなる。
なお、Ｆｅのドープ濃度は、電子走行層１３を構成するＧａＮ結晶中のＧａ格子間原子濃度と同程度であることが望ましい。ここで、後述するように、所定の条件にてＦｅをドープしないＧａＮ結晶をエピタキシャル成長し、ＧａＮ結晶中のＧａ空孔密度を陽電子消滅法により測定したところ、１０１７〜１０１８ｃｍ−３であった。この場合、Ｆｅのドープ濃度は、５×１０１６〜５×１０１８ｃｍ−３であることが望ましい。さらに、Ｆｅのドープ濃度は、Ｇａ格子間原子と確実に結合するという観点からは、１×１０１７ｃｍ−３以上が良く、不純物ドープによる深い準位形成を抑制する観点からは、１×１０１８ｃｍ−３以下が良い。
（製造方法）
本実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０の製造方法の一例について説明する。なお、原材料の流量、各層の厚さ、または成長温度等は例示であり、特に限定はされない。
はじめに、シリコン基板１１を設置した有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置内に、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ３）とを、それぞれ１４μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、成長温度５５０℃で、シリコン基板１１上に層厚３０ｎｍのＧａＮからなるバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。
つぎに、Ｆｅ原料として、有機金属であるビスシクロペンタジエニル鉄（Ｃｐ２Ｆｅ）を用いて、ＴＭＧａとＮＨ３とを、それぞれ５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入しながら、同時にＣｐ２Ｆｅを流量１０ｓｃｃｍで流して、成長温度１０５０℃にて、バッファ層１２上に層厚７００ｎｍのＧａＮからなる電子走行層１３をエピタキシャル成長させる。これによって、電子走行層１３に２×１０１７ｃｍ−３の濃度のＦｅがドープされる。
なお、Ｆｅの有機金属原料として、Ｃｐ２Ｆｅの他、ビスエチルシクロペンタジエニル鉄（ＥｔＣｐ２Ｆｅ）等の有機金属を用いても良い。
つぎに、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）とＴＭＧａとＮＨ３とを、それぞれ１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、１９μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入し、成長温度１０５０℃にて、電子走行層１３上に層厚３０ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子供給層１４をエピタキシャル成長させる。
つぎに、電子供給層１４上に、チタン（Ｔｉ）およびＡｌをこの順に蒸着して、オーミック電極としてのソース電極１６およびドレイン電極１７を形成する。つぎに、ソース電極１６とドレイン電極１７との間にＮｉおよびＡｕをこの順に蒸着して、ショットキー電極としてのゲート電極１５を形成する。以上の製造方法によって、本実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０を製造することができる。
以上説明したように、本実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０は、長期通電によるリーク電流の増加が抑制されたものとなる。
（実施例１、比較例１）
本発明の実施例１として、上述した製造方法にて実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０の構造を有するＨＦＥＴを製造した。なお、ＡｌＧａＮからなる電子供給層のＡｌ組成は、Ｘ線回折法による評価によれば０．２３であった。また、ＨＦＥＴのサイズについては、ゲート長を２μｍ、ゲート幅を０．２ｍｍ、ソース・ドレイン間距離を１５μｍとした。また、比較例１として、電子走行層にＦｅをドープしない以外は、実施例１のＨＦＥＴと同様の構造のＨＥＦＴを製造した。なお、比較例１のＨＥＦＴの製造工程においては、ＴＭＧａとＮＨ３とを、それぞれ５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎの流量で導入して、成長温度１０５０℃にて、バッファ層上に層厚７００ｎｍのＧａＮからなる電子走行層をエピタキシャル成長させた。このようにして形成した電子走行層のＧａ空孔密度を陽電子消滅法により測定したところ、およそ１０１７〜１０１８ｃｍ−３程度であった。
この実施例１のＨＦＥＴの特性を測定したところ、２次元電子ガスの移動度は１１００ｃｍ２／Ｖｓ、シートキャリア濃度は８´１０１２ｃｍ−２であった。また、比較例１のＨＦＥＴの移動度およびシートキャリア濃度も実施例１のＨＦＥＴと同程度であり、Ｆｅドープの有無に依存しなかった。
つぎに、実施例１、比較例１のＨＦＥＴに長期通電を行いながらリーク電流を測定した。通電は、ソース・ゲート間に−５Ｖを印加し、ソース・ドレイン間に３００Ｖを印加した状態で行った。なお、通電温度は１７５℃とした。
図１１は、実施例１および比較例１のＨＦＥＴのリーク電流の経時変化を示す図である。なお、リーク電流の値において、「Ｅ」は１０のべき乗を表す記号であり、たとえば「１．０Ｅ−０６」は「１．０×１０−６」を意味する。図１１に示すように、比較例１のＨＦＥＴは、１０００時間の通電によってリーク電流が１桁程度増加するのに対して、実施例１のＨＦＥＴでは、１０００時間の通電後もリーク電流の増加はほとんど見られなかった。この理由は、電子走行層を構成するＧａＮ結晶中のＧａサイトに置換したＦｅ原子が、Ｇａ格子間原子と結合した安定な複合体を形成し、Ｇａ格子間原子が螺旋転位へ拡散することを抑制したからであると考えられる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係るＨＦＥＴは、実施の形態１に係るＨＦＥＴにおいて、電子走行層を、ＮｉをドープしたＧａＮからなるものに置き換えたＨＦＥＴである。
本実施の形態２に係るＨＦＥＴに通電を行なった際には、ＮｉがＧａ格子間原子アンカーとして機能する。その結果、本実施の形態２に係るＨＦＥＴは、長期通電によるリーク電流の増加が抑制されたものとなる。
本実施の形態２に係るＨＦＥＴを製造する場合は、上述した実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０の製造工程において、電子走行層をエピタキシャル成長する際に、ＴＭＧａおよびＮＨ３に加え、Ｎｉを含む有機金属原料ガスを流す。なお、ＴＭＧａおよびＮＨ３の流量等の成長条件はＨＦＥＴ１０の場合と同じである。これによって、ＮｉがドープされたＧａＮからなる電子走行層が形成される。
Ｎｉを含む有機金属原料ガスとしては、アリルシクロペンタジエニルニッケル（ＡｌｌｙｌＣｐＮｉ）を使用することができる。ＨＦＥＴ１０の場合と同じ流量のＴＭＧａおよびＮＨ３とともにＡｌｌｙｌＣｐＮｉを流量１０ｓｃｃｍで流すことによって、３×１０１７ｃｍ−３の濃度のＮｉを電子走行層にドープすることができる。なお、Ｎｉを含む有機金属原料ガスとしては、ＡｌｌｙｌＣｐＮｉの他にビスシクロペンタジエニルニッケル（Ｃｐ２Ｎｉ）やｔｅｔｒａｋｉｓ（ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｔｒｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）Ｎｉ（Ｎｉ（ＰＦ３）４）などを用いることもできる。
（実施例２）
本発明の実施例２として、実施の形態２に係るＨＦＥＴの構造を有するＨＦＥＴを製造した。なお、Ｎｉのドープ濃度は３×１０１７ｃｍ−３とした。そして、実施例２のＨＦＥＴに実施例１と同じ条件にて長期通電を行いながらリーク電流を測定した。
図１２は、実施例１、２および比較例１のＨＦＥＴのリーク電流の初期値（すなわち通電時間ゼロの状態のリーク電流）および１０００時間通電後のリーク電流を示す図である。図１２に示すように、Ｎｉをドープした実施例２のＨＦＥＴでは、実施例１のＨＦＥＴと同様に１０００時間の通電後もリーク電流の増加は見られなかった。これは、ドープしたＮｉ原子がＧａ格子間原子と複合体を形成し、Ｇａ格子間原子が螺旋転位へ拡散することを阻止するためである。
また、図１２に示すように、実施例１、２のＨＦＥＴのリーク電流の初期値は、比較例１のＨＦＥＴのリーク電流の初期値の約１／２になっている。その理由は、実施例１、２のＨＦＥＴでは、電子走行層において、ドープしたＦｅまたはＮｉの形成する深い準位が、ＧａＮ結晶中の残留キャリアを補償するため、ＦｅまたはＮｉをドープしない場合よりも残留キャリアに起因するリーク電流が減少するためである。
（ＦｅとＧａ格子間原子が複合体を形成したことの検証）
ここで、ＧａＮ結晶中でＦｅとＧａ格子間原子とが複合体を形成していることの実証を、以下のようにメスバウアー分光法を用いて行った。メスバウアー分光法とは、原子核の共鳴励起現象を使って、特定の原子核周辺の電子構造や磁性についての測定を行うものである。メスバウアー分光法によれば、原子核のエネルギー準位が原子核周辺の局所的な電子構造や磁性を反映してシフトした様子や、縮退が解けて分裂した様子が精密に測定できる。メスバウアー分光法では、照射させるガンマ線のエネルギーシフト量に対応するドップラー速度の関数として、測定対象の共鳴吸収あるいは共鳴散乱の強度を測定することになる。ここでは、原子核位置での全電子密度に依存するアイソマー・シフトに着目する。そして、実施例１のＨＦＥＴの通電前後のメスバウアースペクトルを測定した。
図１３は、ラジオアイソトープである５７Ｃｏからの１４．４ｋｅＶのガンマ線を利用して測定した、実施例１のＨＦＥＴ中の５７Ｆｅ（同位体存在率２．１％）のメスバウアースペクトルを示す図である。なお、図１３（ａ）は製造直後で通電前の素子のメスバウアースペクトルを示す。図１３（ｂ）は１００時間通電後の素子のメスバウアースペクトルを示す。なお、メスバウアー分光は高感度なため、同位体存在率が低くても信号を検出することが可能である。また、本測定では、ガンマ線の検出はＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーションカウンタとＧｅ検出器を用いた。
ここで、ドップラー速度が０ｍｍ／ｓ付近のピーク（図１３（ａ）中のピークＰ１）はＧａサイトに置換した単体のＦｅに起因するピークである。また、ドップラー速度が０．５ｍｍ／ｓ付近のピーク（図１３（ａ）中のピークＰ２）は、Ｇａサイトに置換したＦｅとＧａ格子間原子との複合体に起因するピークである。図１３（ａ）、（ｂ）を比較すると、通電前の素子では、単体のＦｅに起因するピークが支配的であるが、１００時間通電後の素子では、ＦｅとＧａ格子間原子の複合体に起因するピークが支配的となっている。このメスバウアースペクトルの変化は、通電前にはＦｅとＧａ格子間原子とが独立に存在しているが、通電後には、通電時の熱および電圧ストレスにより拡散を開始したＧａ格子間原子がＦｅに捕獲され、複合体を形成したことを示している。
なお、ここでは、ＦｅとＧａ格子間原子との複合体の検出法について述べたが、Ｎｉについては、６４Ｎｉに２２ＭｅＶのエネルギーを持つ陽子線を照射して作製した６１Ｃｏをガンマ線源（エネルギー６７．４ｋｅＶ）としたメスバウアー分光法から、ＧａＮ結晶中の６１Ｎｉ（同位体存在率０．９％）とＧａ格子間原子とが複合体を形成しているかどうかを検証できる。
ところで、図９に示すように、ＦｅおよびＮｉは比較的低い凝集エネルギーを持つため、ＧａＮ中への固溶が容易である。したがって、ＦｅおよびＮｉは、拡散によるドープが可能である。以下では、本発明の実施の形態３として、電子走行層に拡散によってＦｅをドープしたＨＦＥＴについて説明する。
（実施の形態３）
図１４は、実施の形態３に係るＨＦＥＴの模式的な断面図である。図１４に示すように、このＨＦＥＴ２０は、シリコン基板１１と、シリコン基板上に順次形成された、ＧａＮからなるバッファ層１２、拡散によりＦｅをドープしたＧａＮからなる電子走行層２３、およびＡｌＧａＮからなる電子供給層１４と、電子供給層１４上に形成されたゲート電極１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７とを備えている。すなわち、このＨＦＥＴ２０は、実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０において、電子走行層１３を、拡散によりＦｅをドープしたＧａＮからなる電子走行層２３に置き換えたＨＦＥＴである。
図１４において、プロファイルＰは電子走行層２３におけるＦｅの濃度分布を示している。プロファイルＰが示すように、Ｆｅは電子走行層２３の厚さ方向中央部付近に濃度のピークを有するように分布している。
このＨＦＥＴ２０に通電を行なった際には、ＦｅがＧａ格子間原子アンカーとして機能するので、長期通電によるリーク電流の増加が抑制されたものとなる。
つぎに、本実施の形態３に係るＨＦＥＴ２０の製造方法の一例について説明する。図１５は、図１４に示すＨＦＥＴ２０の製造工程の一例を示す図である。まず、実施の形態１に係るＨＦＥＴ１０の製造工程と同様にシリコン基板１１上にバッファ層１２をエピタキシャル成長させ、次いで電子走行層２３の一部となる層厚４００ｎｍのＧａＮ層２３ａをエピタキシャル成長させる（図１５（ａ））。
つぎに、ＧａＮ層２３ａを形成したエピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、スパッタ装置に導入する。そして、ターゲットとしてＦｅ（純度９９．９９％）を使用し、チャンバ圧力０．５〜２Ｐａ、パワー３０〜１００Ｗにて、ＧａＮ層２３ａ上にＦｅ膜Ｍ１を１００ｎｍの厚さで高周波スパッタにより形成する（図１５（ｂ））。
Ｆｅ膜Ｍ１の形成後、純度９９．９９９９％のアルゴン雰囲気中で５００〜７００℃の温度で１時間熱処理し、ＦｅをＧａＮ層２３ａに拡散させる。熱処理後、１．０規定の塩酸でＧａＮ層２３ａの表面に残留するＦｅ膜Ｍ１を取り除く（図１５（ｃ））。
その後、エピタキシャル基板をＭＯＣＶＤ装置に戻し、ＧａＮ層をさらに層厚３００ｎｍだけエピタキシャル成長させて電子走行層２３を形成し、さらに電子供給層１４を形成する（図１５（ｄ））。ここで、ＧａＮ層の成長時にエピタキシャル基板は１０５０℃まで加熱されるため、ＧａＮ層２３ａに拡散させたＦｅ原子は、ＧａＮ層の成長にしたがって表面側および裏面側に向かって拡散する。これによって電子走行層２３全体に亘ってＦｅをドープすることができる。エピタキシャル成長終了後は、実施の形態１と同様に各電極を形成する。以上の製造方法によって、本実施の形態３に係るＨＦＥＴ２０を製造することができる。なお、上記の製造方法によって本実施の形態３に係るＨＦＥＴの構造のＨＦＥＴを製造し、これに実施例１と同じ条件にて長期通電を行いながらリーク電流を測定したところ、リーク電流の増加は見られなかった。
上記本実施の形態３に係るＨＦＥＴでは拡散によりＦｅをドープしたが、Ｎｉも同様にしてドープが可能である。拡散によりＮｉをドープして製造したＨＦＥＴについても、長期通電によるリーク電流の増加はないものとなる。
なお、上記実施の形態は、異種基板であるシリコン基板上に形成したＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＦＥＴであるが、使用する異種基板としては特に限定されず、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を使用しても同様の効果が得られる。また、上記実施の形態では、ドープするＧａ格子間原子アンカーは、ＦｅまたはＮｉであるが、ＦｅとＮｉとを共にドープしてもよい。また、上記各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれるものである。
また、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、ＨＦＥＴに限定されず様々な素子とすることができ、たとえばショットキーバリアダイオードやＭＯＳＦＥＴでもよい。本発明に係る窒化物系化合物半導体素子においては、基板と素子動作領域との間に位置し、リークパスが形成される可能性がある窒化物系化合物半導体層に、Ｇａ格子間原子アンカーとして機能するＦｅ等を添加することが好ましい。また、本発明に係る窒化物系化合物半導体は、ＧａＮに限らず、Ａｌ原子、Ｇａ原子、インジウム（Ｉｎ）原子およびＢ原子から選択される１以上のＩＩＩ族原子と、窒素原子とを含む窒化物系化合物半導体であれば良い。
１０、２０ ＨＦＥＴ
１１ シリコン基板
１２ バッファ層
１３、２３ 電子走行層
１４ 電子供給層
１５ ゲート電極
１６ ソース電極
１７ ドレイン電極
２３ａ ＧａＮ層
Ｍ１ Ｆｅ膜
Ｐ プロファイル
Ｐ１、Ｐ２ ピーク

Claims (4)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成されたバッファ層と、
    前記バッファ層上に形成されたＧａＮからなる電子走行層と、
    を備え、
    前記電子走行層のＧａ空孔密度は１０ １７ ｃｍ −３ 〜１０ １８ ｃｍ −３ であり、
    前記電子走行層の全体には、添加物として、ＧａＮ結晶中でＧａ格子間原子の拡散の活性化エネルギーよりも高いＧａ格子間原子との結合エネルギーを有しかつ不純物原子を含まないＧａＮ結晶の凝集エネルギー以下の凝集エネルギーを有する金属原子がドープされており、前記ドープした金属原子とガリウム格子間原子とが複合体を形成しており、前記バッファ層は前記添加物を含まず、
    前記添加物は鉄であり、
    前記添加物のドープ濃度は、５×１０ １６ ｃｍ −３ 〜５×１０ １８ ｃｍ −３ である
    ことを特徴とする窒化物系化合物半導体素子。
  2. 前記添加物のドープ濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３であること
    を特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体素子。
  3. 前記基板はシリコン、サファイア、炭化珪素または酸化亜鉛からなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系化合物半導体素子。
  4. 前記電子走行層上に形成されたＡｌＧａＮからなる電子供給層と、
    前記電子供給層上に形成された電極と、
    を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の窒化物系化合物半導体素子。
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