(57)【要約】      （修正有）【課題】電流コラプスの抑制が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は窒化物半導体層１６と、窒化物半導体層１６の上の絶縁層２２と、窒化物半導体層１６内に位置する第１の領域１６ａと、窒化物半導体層内１６の第１の領域１６ａと絶縁層２２との間に位置し、第１の領域１６ａよりも電気抵抗率が大きく、炭素（Ｃ）を含む第２の領域１６ｂと、を備える。【選択図】図１
2018014457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上の絶縁層と、
前記窒化物半導体層内に位置する第１の領域と、
前記窒化物半導体層内の前記第１の領域と前記絶縁層との間に位置し、前記第１の領域よりも電気抵抗率が大きく、炭素（Ｃ）を含む第２の領域と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記第２の領域中の炭素の濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上である請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記窒化物半導体層が、第１の半導体領域と前記第１の半導体領域よりもバンドギャップの大きい第２の半導体領域を有し、
前記第１の領域及び前記第２の領域が前記２の半導体領域内に位置する請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の半導体領域が窒化ガリウムであり、前記第２の半導体領域が窒化アルミニウムガリウムである請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の領域に、窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子を有する請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記窒化物半導体層がガリウム（Ｇａ）を含む請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第２の領域に、酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素を有する請求項１乃至請求項６いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つの元素の原子が、窒素原子の格子位置に存在する請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第２の領域に、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）から成る群の少なくとも一つの元素を有する請求項１乃至請求項６いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの元素の原子が、前記窒化物半導体層の結晶構造を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとした場合に、原子Ｘの格子位置に存在する請求項９記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１の領域に接する第１の電極と、
前記第１の領域に接する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置するゲート電極と、を更に備える請求項１乃至請求項１０いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項１２】
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上の絶縁層と、
前記窒化物半導体層の結晶構造を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとした場合に、前記窒化物半導体層内の前記絶縁層の側に位置し、炭素原子と結合するボンドとダングリングボンドとを有する原子Ｘ、炭素原子と結合するボンドと酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第１の原子と結合するボンドを有する原子Ｘ、又は、炭素原子と結合するシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）から成る群の一つの元素の第２の原子、を有する領域と、
を備える半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の原子が、窒素原子の格子位置に存在する請求項１２記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第２の原子が、原子Ｘの格子位置に存在する請求項１２記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子又はアルミニウム（Ａｌ）原子である請求項１２乃至請求項１４いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項１６】
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上の絶縁層と、
ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、カドミウム（Ｃｄ）から成る群の少なくとも一つの元素の原子を原子Ｙとした場合に、前記窒化物半導体層内の前記絶縁層の側に位置し、ダングリングボンドを有する原子Ｙ、酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第１の原子と結合するボンドを有する原子Ｙ、又は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第２の原子と結合するボンドを有する原子Ｙ、を有する領域と、
を備える半導体装置。
【請求項１７】
前記窒化物半導体層の結晶構造を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとした場合に、前記原子Ｙが、原子Ｘの格子位置に存在する請求項１６記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子又はアルミニウム（Ａｌ）原子である請求項１７記載の半導体装置。
【請求項１９】
請求項１乃至請求項１８いずれか一項記載の半導体装置を備える電源回路。
【請求項２０】
請求項１乃至請求項１８いずれか一項記載の半導体装置を備えるコンピュータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置、電源回路、及び、コンピュータに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源やインバータなどの回路には、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が用いられる。これらの半導体素子には高耐圧・低オン抵抗が求められる。そして、耐圧とオン抵抗の関係は、素子材料で決まるトレードオフ関係がある。
【０００３】
これまでの技術開発の進歩により、半導体素子は、主な素子材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。耐圧を更に向上させたり、オン抵抗を更に低減させたりするには、素子材料の変更が必要である。
【０００４】
窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などのＧａＮ系半導体は、シリコンよりもバンドギャップが大きい。ＧａＮ系半導体をスイッチング素子材料として用いることで、材料で決まるトレードオフ関係を改善でき、飛躍的な高耐圧化や低オン抵抗化が可能である。
【０００５】
しかし、例えば、ＧａＮ系半導体を用いたスイッチング素子では、高いドレイン電圧を印加した際に、オン抵抗が増大する「電流コラプス」という問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１７２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、電流コラプスの抑制が可能な半導体装置、電源回路、及び、コンピュータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様の半導体装置は、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上の絶縁層と、前記窒化物半導体層内に位置する第１の領域と、前記窒化物半導体層内の前記第１の領域と前記絶縁層との間に位置し、前記第１の領域よりも電気抵抗率が大きく、炭素（Ｃ）を含む第２の領域と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図３】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図４】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図５】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図６】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図７】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図８】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。
【図９】第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果の説明図。
【図１０】第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果の説明図。
【図１１】第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果の説明図。
【図１２】第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果の説明図。
【図１３】第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果の説明図。
【図１４】第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果の説明図。
【図１５】第１の実施形態の半導体装置の製造方法の作用を示す図。
【図１６】第２の実施形態の半導体装置の作用の説明図。
【図１７】第３の実施形態の半導体装置の作用の説明図。
【図１８】第４の実施形態の半導体装置の説明図。
【図１９】第５の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２０】第６の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２１】第７の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２２】第８の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２３】第９の実施形態のコンピュータの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【００１１】
本明細書中、「ＧａＮ系半導体」とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及びそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
【００１２】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【００１３】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上の絶縁層と、窒化物半導体層内に位置する第１の領域と、窒化物半導体層内の第１の領域と絶縁層との間に位置し、第１の領域よりも電気抵抗率が大きく、炭素（Ｃ）を含む第２の領域と、を備える
【００１４】
また、本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上の絶縁層と、窒化物半導体層の結晶構造を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとした場合に、窒化物半導体層内の絶縁層の側に位置し、炭素原子と結合するボンドとダングリングボンドとを有する原子Ｘを有する領域と、を備える。
【００１５】
本実施形態の半導体装置は、上記構成により、窒化物半導体層と絶縁層との界面の近傍に存在し、電子トラップとなる準位を低減できる。したがって、電子トラップに起因する電流コラプスの抑制が可能となる。
【００１６】
以下、窒化物半導体層の結晶構造を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとした場合に、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）又は、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）である場合を例に説明する。すなわち、窒化物半導体層が窒化ガリウム、又は、窒化アルミニウムガリウムである場合を例に説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。
【００１８】
図１に示すように、ＨＥＭＴ（半導体装置）１００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層（第１の半導体領域）１４、バリア層（第２の半導体領域）１６、ソース電極（第１の電極）１８、ドレイン電極（第２の電極）２０、絶縁層２２、ｐ型層２４、ゲート電極２８を備える。
【００１９】
チャネル層（第１の半導体領域）１４と、バリア層（第２の半導体領域）１６とが、窒化物半導体層である。バリア層１６は、低抵抗領域（第１の領域）１６ａ、高抵抗領域（第２の領域、領域）１６ｂを備える。
【００２０】
基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）で形成される。基板１０には、シリコン以外にも、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化珪素（ＳｉＣ）を適用することも可能である。
【００２１】
基板１０上に、バッファ層１２が設けられる。バッファ層１２は、基板１０とチャネル層１４との間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層１２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１））の多層構造で形成される。
【００２２】
バッファ層１２上に、チャネル層１４が設けられる。チャネル層１４は電子走行層とも称される。チャネル層１４は、例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）である。より具体的には、例えば、ＧａＮである。チャネル層１４の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００２３】
チャネル層１４上に、バリア層１６が設けられる。バリア層１６は電子供給層とも称される。バリア層１６のバンドギャップは、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きい。バリア層１６は、例えば、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）である。より具体的には、例えば、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎである。バリア層１６の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２４】
チャネル層１４とバリア層１６との間は、ヘテロ接合界面となる。ＨＥＭＴ１００のヘテロ接合界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されキャリアとなる。
【００２５】
バリア層１６は、低抵抗領域１６ａと高抵抗領域１６ｂを備える。高抵抗領域１６ｂは、バリア層１６の絶縁層２２側に位置する。高抵抗領域１６ｂは、例えば、バリア層１６に接する。
【００２６】
高抵抗領域１６ｂの電気抵抗率は、低抵抗領域１６ａの電気抵抗率よりも大きい。電気抵抗率の大小関係は、例えば、拡がり抵抗測定（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＳＲＡ）、又は、走査型拡がり抵抗顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＳＲＭ）により判定することが可能である。
【００２７】
低抵抗領域１６ａの電気抵抗率の低下は、キャリア濃度が高抵抗領域１６ｂよりも高いことに起因する。したがって、電気抵抗率の大小関係は、例えば、キャリア濃度の大小を判定できる走査型キャパシタンス顕微鏡（Ｓｃａｎｎｎｉｎｇ  Ｃａｐａｃｉｔａｍｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＣＭ）により判定することが可能である。
【００２８】
低抵抗領域１６ａには、例えば、窒化アルミニウムガリウム中の窒素欠陥（以下ＶＮとも表記）が存在する。窒素欠陥はドナーとして機能する。したがって、窒素欠陥の存在により、窒化アルミニウムガリウムがｎ型化する。よって、低抵抗領域１６ａの電気抵抗率が小さくなる。
【００２９】
高抵抗領域１６ｂは、窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子を有する。例えば、窒化アルミニウムガリウム中の窒素原子の格子位置に１個の炭素原子が入っている。窒素原子の格子位置に入った１個の炭素原子はアクセプタとして機能する。
【００３０】
高抵抗領域１６ｂでは、ドナーとして機能するＶＮと、アクセプタとして機能する炭素原子の相互作用により、低抵抗領域１６ａよりもキャリア濃度が低下する。したがって、高抵抗領域１６ｂの電気抵抗率が、低抵抗領域１６ａよりも大きくなる。
【００３１】
高抵抗領域１６ｂでは、ＶＮと炭素原子とが近接して存在する。高抵抗領域１６ｂでは、ＶＮと炭素原子が、電気的に相互作用が生じる程度に近接する。
【００３２】
高抵抗領域１６ｂでは、炭素原子の量とＶＮの量とが略同一であることが望ましい。ここで、炭素原子の量とＶＮの量とが略同一とは、例えば、ＶＮの量が炭素原子の量の０．８倍以上１．２倍以下であることを意味する。
【００３３】
バリア層１６を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとする。この場合、ＨＥＭＴ１００では、高抵抗領域１６ｂ中に、炭素原子と結合するボンドと、ダングリングボンドとを有する上記原子Ｘが存在する。原子Ｘが、炭素原子と結合するボンドとダングリングボンドとを有することにより、炭素原子とＶＮが最も近接した構造となる。言い換えれば、炭素原子、原子Ｘ、及び、ＶＮが複合体を形成している。
【００３４】
高抵抗領域１６ｂ中の原子Ｘと炭素原子との結合の存在、原子Ｘのダングリングボンドの存在、炭素原子、原子Ｘ、及び、ＶＮの複合体の存在は、例えば、Ｘ線電子分光（Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）、赤外分光法（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、又は、ラマン分光法により測定することが可能である。
【００３５】
また、炭素原子とＶＮが複合体を形成している場合、炭素原子とＶＮとは空間分布が一致する。
【００３６】
高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上である。高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）により測定することが可能である。
【００３７】
例えば、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子である場合、１個のガリウム原子が１個の炭素原子と結合し、且つ、１個のガリウム原子がダングリングボンドを有する。また、原子Ｘがアルミニウム（Ａｌ）原子である場合、１個のアルミニウム原子が１個の炭素原子と結合し、且つ、１個のアルミニウム原子がダングリングボンドを有する。
【００３８】
高抵抗領域１６ｂの厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００３９】
高抵抗領域１６ｂ上に絶縁層２２が設けられる。絶縁層２２は、ＨＥＭＴ１００のゲート絶縁層として機能する。
【００４０】
絶縁層２２は、例えば、酸化シリコンである。絶縁層２２は、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコンであっても構わない。また、絶縁層２２は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、及び、酸窒化シリコンから選ばれる材料の積層構造であっても構わない。
【００４１】
絶縁層２２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００４２】
バリア層１６上には、ソース電極１８とドレイン電極２０が形成される。ソース電極１８とドレイン電極２０は、低抵抗領域１６ａに接する。
【００４３】
ソース電極１８とドレイン電極２０は、例えば、金属電極である。金属電極は、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造である。
【００４４】
ソース電極１８及びドレイン電極２０と、バリア層１６との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。ソース電極１８とドレイン電極２０が、低抵抗領域１６ａに接することで、オーミックコンタクトが実現可能となる。
【００４５】
ソース電極１８とドレイン電極２０との距離は、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下である。
【００４６】
ソース電極１８とドレイン電極２０の間の絶縁層２２上に、ｐ型層２４が設けられる。ｐ型層２４は、ＨＥＭＴ１００の閾値を上昇させる機能を有する。ｐ型層２４を設けることにより、ＨＥＭＴ１００をノーマリーオフトランジスタとすることが可能となる。
【００４７】
ｐ型層２４は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）がｐ型不純物として添加されたｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）である。ｐ型層２４は、例えば、多結晶質である。
【００４８】
ｐ型層２４上には、ゲート電極２８が設けられる。ゲート電極２８は、例えば、金属電極である。ゲート電極２８は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）である。
【００４９】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。図２〜図８は、本実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【００５０】
まず、基板１０、例えば、Ｓｉ基板を準備する。次に、例えば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長により、バッファ層１２を成長させる。
【００５１】
バッファ層１２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１））の多層構造である。例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりバッファ層１２を成長させる。
【００５２】
次に、バッファ層１２上に、チャネル層１４となる窒化ガリウム、バリア層１６となる窒化アルミニウムガリウムをエピタキシャル成長により形成する（図２）。窒化アルミニウムガリウムは、例えば、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの組成を有する。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層１４、バリア層１６を成長させる。
【００５３】
次に、バリア層１６上に、絶縁層２１を形成する（図３）。絶縁層２１は、例えば、ＣＶＤ法により形成される酸化シリコン、酸窒化シリコン、又は、窒化シリコンである。絶縁層２１は、続く炭素のイオン注入に用いられるスルー膜である。
【００５４】
次に、バリア層１６中に絶縁層２１を通して炭素をイオン注入する（図４）。例えば、炭素イオンのプロジェクテッドレンジ（ＲＰ）が、バリア層１６と絶縁層２１との界面近傍の位置となるように加速エネルギーを設定する。絶縁層２１中にも、炭素が含有される。
【００５５】
次に、非酸化性の雰囲気中で、熱処理を行う。熱処理の温度は、例えば、９００℃以上１２００℃以下である。熱処理の雰囲気は、例えば、窒素雰囲気、又は、アルゴン雰囲気である。
【００５６】
熱処理により、バリア層１６の絶縁層２１側に、高抵抗領域１６ｂが形成される（図５）。高抵抗領域１６ｂの下のバリア層１６は、高抵抗領域１６ｂよりも電気抵抗率の小さい低抵抗領域１６ａとなる。
【００５７】
高抵抗領域１６ｂは、バリア層１６の窒素原子の格子位置に１個の炭素原子を導入することにより形成される。例えば、バリア層１６の窒素欠陥に１個の炭素原子を導入する。
【００５８】
絶縁層２１内には、例えば、バリア層１６中のガリウム又はアルミニウムが拡散する。また、熱処理中に、バリア層１６にＶＮが生成されるが、その際発生する窒素も絶縁層２１中に拡散する。
【００５９】
次に、絶縁層２１をウェットエッチングにより剥離する（図６）。絶縁層２１は、高抵抗領域１６ｂが残存する条件で剥離する。絶縁層２１中に含有される窒素、炭素、ガリウム、又は、アルミニウム等の不純物も絶縁層２１と共に除去される。
【００６０】
次に、バリア層１６上に、絶縁層２２を形成する（図７）。絶縁層２２は、例えば、ＣＶＤ法により形成される酸化シリコンである。
【００６１】
次に、絶縁層２２上に、ｐ型層２４及びゲート電極２８を形成する（図８）。
【００６２】
次に、バリア層１６上に、ソース電極１８及びドレイン電極２０を形成する。ソース電極１８及びドレイン電極２０を形成する際、高抵抗領域１６ｂをエッチングにより除去する。
【００６３】
ソース電極１８及びドレイン電極２０は、低抵抗領域１６ａに接するよう形成する。ソース電極１８及びドレイン電極２０は、ゲート電極２８を間に挟んで形成される。
【００６４】
以上の製造方法により、図１に示すＨＥＭＴ１００が形成される。
【００６５】
以下、本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法の作用及び効果について説明する。図９〜図１４は、本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法の作用の説明図である。以下、窒化物半導体として、窒化ガリウムを例に説明する。
【００６６】
図９、図１０は、窒素欠陥（ＶＮ）の説明図である。図９（ａ）は窒化ガリウム中のＶＮの模式図である。図９（ｂ）は、第１原理計算により求めたＶＮにより形成される準位の説明図である。図１０は、第１原理計算により求めたＶＮを含む窒化ガリウムのバンド図である。
【００６７】
窒化ガリウム中のＶＮは、図９（ａ）に示されるように、窒化ガリウムから窒素原子が離脱することにより形成される。ＶＮに隣接するガリウム原子はダングリングボンドを有することになる。ＶＮは窒化ガリウム中でドナーとして機能する。
【００６８】
第１原理計算によって、図９（ｂ）、図１０に示すようにＶＮは、窒化ガリウムのバンドギャップ中にドナー準位を形成することが明らかになった。図９（ｂ）中、黒丸は準位に電子が埋まった状態、白丸は準位に電子が埋まっていない状態を示す。
【００６９】
ＨＥＭＴにおいて電流コラプスが生じる一つの要因は、バンドギャップ中の準位に電子がトラップされることで、２ＤＥＧの密度が変化することにあると考えられる。一般に、窒化ガリウム内には、ＶＮが存在する。ＶＮの密度は、特に、バリア層１６と絶縁層２２の界面近傍で高いと考えられる。また、バリア層１６と絶縁層２２の界面には、ガリウム原子のダングリングボンドが存在する。
【００７０】
例えば、ＶＮで形成された準位に電子がトラップされると、ＶＮが負に帯電することになる。したがって、例えば、ＶＮ直下の２ＤＥＧ密度が減少する。したがって、電流コラプスが生じる。
【００７１】
また、ゲート電極２８の直下のＶＮに電子がトラップされると、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧が変動する。
【００７２】
なお、バリア層１６と絶縁層２２の界面に存在するガリウム原子のダングリングボンドはＶＮと同様の準位を形成する。したがって、バリア層１６と絶縁層２２の界面に存在するガリウム原子のダングリングボンドによっても、ＶＮと同様の作用が生ずる。
【００７３】
図１１、図１２は、窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子の説明図である。図１１（ａ）は、窒化ガリウム中の窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子の模式図である。図１１（ｂ）は、第１原理計算により求めた炭素原子により形成される準位の説明図である。図１２は、第１原理計算により求めた炭素原子を含む窒化ガリウムのバンド図である。
【００７４】
窒化ガリウム中の窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子は、図１１（ａ）に示されるように、窒化ガリウム中のＶＮに１個の炭素原子が導入されることにより形成される。炭素原子は窒化ガリウム中でアクセプタとして機能する。
【００７５】
第１原理計算によれば、図１１（ｂ）、図１２に示すようにＶＮに導入された炭素原子は、窒化ガリウムのバンドギャップ中にアクセプタ準位を形成することが明らかになった。図１２（ｂ）中、黒丸は準位が電子で埋まった状態、白丸は準位が電子で埋まっていない状態を示す。
【００７６】
図１３、図１４は、ＶＮと窒素原子位置の炭素原子が共存する場合の説明図である。図１３（ａ）は窒化ガリウム中のＶＮと窒素原子の模式図である。図１３（ｂ）は、第１原理計算により求めたＶＮと炭素原子が共存する場合の準位の説明図である。
【００７７】
図１３（ａ）は、窒化ガリウム中にＶＮと炭素原子が共存する場合の、ＶＮと炭素原子が最も近接した状態を示す。言い換えれば、１個のガリウム原子がダングリングボンドを有し、且つ、炭素原子と結合する状態を示す。炭素原子、原子Ｘ、及び、ＶＮが複合体を形成している。
【００７８】
第１原理計算によれば、図１３（ｂ）に示すように、ＶＮと炭素原子が共存する場合、ＶＮのドナー準位から電子が炭素原子のアクセプタ準位に移動した構造が安定となることが明らかとなった。この際、ＶＮにより形成されていた準位は伝導帯内に移動し、炭素原子により形成されていた準位は価電子帯内に移動する。したがって、図１３（ｂ）、図１４に示すように、窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位が消滅する。
【００７９】
本実施形態では、窒化ガリウム中に窒素原子位置の炭素原子を設ける。窒素原子位置の炭素原子とＶＮとの相互作用、窒素原子位置の炭素原子とバリア層１６と絶縁層２２の界面のダングリングボンドとの相互作用により、窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位が消滅する。したがって、電子のトラップが抑制される。よって、電流コラプスの抑制が可能となる。
【００８０】
窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位の消滅は、例えば、ＤＬＴＳ（Ｄｅｅｐ  Ｌｅｖｅｌ  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により判断することが可能である。
【００８１】
また、ＶＮと窒素原子位置の炭素原子が共存する場合、ドナー準位とアクセプタ準位が消滅することで、キャリアが相殺され、キャリア濃度が低下する。したがって、窒化ガリウムの電気抵抗率が大きくなる。
【００８２】
また、ゲート電極２８直下での電子のトラップが抑制されることにより、閾値電圧の変動が抑制される。
【００８３】
図１５は、本実施形態の半導体装置の製造方法の作用を示す図である。
【００８４】
窒化ガリウム中に、図１５（ａ）に示すようなＶＮが存在すると仮定する。図１５（ｂ）に示すように、炭素のイオン注入により窒化ガリウムに１個の炭素原子を導入する。
【００８５】
図１５（ｃ）に示すように、炭素原子はＶＮに導入され、窒素原子の格子位置に入る。
【００８６】
第１原理計算によれば、炭素原子とＶＮとが近接することで系のエネルギーが小さくなり、安定な構造となる。したがって、図１５（ｄ）に示すように、熱処理により窒素原子とＶＮが近接した構造が形成される。具体的には、例えば、１個のガリウム原子がダングリングボンドを有し、且つ、１個のガリウム原子が炭素原子と結合するボンドを有する構造が形成される。言い換えれば、炭素原子、ガリウム原子、及び、ＶＮの複合体が形成される。
【００８７】
炭素原子、ガリウム原子、及び、ＶＮの複合体を形成するには、炭素のイオン注入後、高温の熱処理を行うことが望ましい。熱処理は９００℃以上１２００℃以下であることが望ましく、１０００℃以上であることがより望ましい。
【００８８】
窒化ガリウム中のＶＮは、エントロピーを増大させるために形成されている。例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、多い炭素を導入するとする。この場合、理論上、導入された炭素の量と同量のＶＮが複合体を形成するため単独で存在するＶＮはなくなる。更に、熱処理を長時間行うと、残った炭素と同量のＶＮが、複合体を形成するために、新たに生成される。新たなＶＮは、複合体の形成により系を安定化するために生成される。したがって、窒化ガリウム中に、複合体を形成せず、単独で残存する炭素原子又はＶＮは僅少になる。
【００８９】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、少ない炭素を導入するとする。この場合、理論上、導入された炭素の量と同量のＶＮが複合体を形成する。余剰のＶＮは、窒化ガリウム中に残存する。残存したＶＮによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【００９０】
十分な量の炭素を導入した後に、十分な時間の高温の熱処理を加えることにより、高抵抗領域１６ｂの形成が可能となる。言い換えれば、十分な量の炭素を導入した後に、十分なサーマルバジェットを加えれば、高抵抗領域１６ｂの形成が可能となる。導入する炭素の量が十分でない場合、或いは、熱処理によって加えられる熱量が十分でない場合は、高抵抗領域１６ｂの形成が困難である。
【００９１】
本実施形態の製造方法では、熱処理の後に、炭素イオン注入のスルー膜として用いた絶縁層２１を剥離している。絶縁層２１が酸化シリコンの場合、熱処理で窒素が絶縁層２１中に拡散し、酸化シリコンが酸窒化シリコンとなる。
【００９２】
絶縁層２１を剥離した後に、熱処理を行っても構わない。この場合、バリア層１６から窒素が効率的に放出され、ＶＮの形成が容易となる。
【００９３】
スルー膜である絶縁層２１には、酸化シリコンの他にも、酸窒化シリコンや窒化シリコンを用いることも可能である。特に、密度の高い窒化シリコンを用いた場合、イオン注入時の炭素イオンの阻止能力が高くなる。このため、炭素イオンのプロジェクテッドレンジ（ＲＰ）を、バリア層１６と絶縁層２１との界面近傍の位置となるように加速エネルギーを設定することが容易となる。
【００９４】
窒化ガリウム中のＶＮの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下程度であると考えられる。余剰のＶＮが生じないようにする観点から、高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることが望ましく、１×１０２０ｃｍ−３以上であることがより望ましく、１×１０２１ｃｍ−３以上であることが更に望ましい。
【００９５】
上記したように、初期段階で窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも多い炭素が存在することで、バンドギャップ中の準位の量を抑制できる。十分な量の炭素を導入した後に、十分な時間の高温の熱処理を経れば、炭素量とＶＮ量とが、その分布も含めて一致することになり、高抵抗領域１６ｂが形成されやすくなる。
【００９６】
本実施形態の製造方法の以下の（１）〜（３）の特徴を備える。（１）炭素の量を多くすることで、ＶＮは熱処理により追加形成される。その際、十分な熱処理の時間と温度、言い換えれば熱量が加えられることが望ましい。（２）スルー膜として用いる絶縁層２１を、高抵抗領域１６ｂ形成の熱処理の後、又は、熱処理の前に剥離する。前者の場合、バリア層１６から放出され絶縁層２１に取り込まれた窒素が除去される。後者の場合、バリア層１６からの窒素の放出の効率が向上する。（３）絶縁層２１を炭素のイオン注入時のスルー膜として用いることで、炭素イオンのプロジェクテッドレンジ（ＲＰ）を、バリア層１６と絶縁層２１との界面近傍の位置となるように加速エネルギーを設定することが容易となる。スルー膜が無い場合は、バリア層１６の表面近傍、例えば、表面から数ｎｍ程度の領域に炭素を導入することは困難である。例えば、スルー膜中にＲＰを位置させることで、バリア層１６の表面近傍にのみ炭素を導入することが可能である。例えば、密度の高い窒化シリコンを絶縁層２１に用いた場合、バリア層１６の表面近傍だけに急峻なプロファイルで炭素をイオン注入で導入することが可能となる。スルー膜は剥離されるので、イオン注入により導入された余分な炭素は、完成時には残らない。
【００９７】
また、本実施形態の製造方法では、炭素のイオン注入後に絶縁層２１をウェットエッチングにより剥離する。したがって、絶縁層２１中に含有される炭素、ガリウム、又は、アルミニウム等の不純物も絶縁層２１と共に除去される。よって、絶縁層２１中に含有される窒素、炭素、ガリウム、又は、アルミニウム等の不純物によって形成される準位への電荷のトラップが抑制される。よって、絶縁層２１中への電荷のトラップに起因する電流コラプス、閾値電圧の変動、リーク電流の増大等の抑制が可能となる。
【００９８】
以上、図９〜図１５では、窒化物半導体層を構成する窒素原子以外の原子である原子Ｘがガリウムである場合を例に説明した。すなわち、窒化物半導体層が窒化ガリウムである場合を例に説明した。しかし、窒化ガリウムのガリウム原子の一部或いは全部がアルミニウム又はインジウムで置換されたその他のＧａＮ系半導体であっても、窒化ガリウムと同様の作用が生じる。すなわち、原子Ｘがアルミニウム又はインジウムであっても原子Ｘがガリウムである場合と同様の作用が生じる。
【００９９】
本実施形態において、窒素原子位置の炭素原子を形成する際の、熱処理は、９００℃以上、より望ましくは１０００℃以上で行われることが望ましい。高温で熱処理を行うことで、ＶＮと炭素原子との間に相互作用が生じる距離まで近接させることが可能となる、
【０１００】
本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、バンドギャップ中の準位を低減することにより、電流コラプスの抑制が可能となる。また、バンドギャップ中の準位を低減することにより、閾値電圧の変動の抑制が可能となる。よって、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。
【０１０１】
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第２の領域に、酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素を有する点で、第１の実施形態と異なっている。
【０１０２】
また、本実施形態の半導体装置は、炭素原子と結合するボンドと酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第１の原子と結合するボンドを有する原子Ｘを有する点で、第１の実施形態と異なっている。
【０１０３】
本実施形態の半導体装置は、第１の実施形態のＶＮに代えて、窒素位置の第１の原子を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【０１０４】
図１に示す高抵抗領域１６ｂには、窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子を有する。例えば、窒化アルミニウムガリウム中の窒素原子の格子位置に１個の炭素原子が入っている。窒素原子の格子位置に入った１個の炭素原子はアクセプタとして機能する。
【０１０５】
また、高抵抗領域１６ｂは、窒素原子の格子位置に存在する酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成の群の少なくとも一つの元素の第１の原子を有する。第１の原子はドナーとして機能する。
【０１０６】
高抵抗領域１６ｂは、ドナーとして機能する第１の原子と、アクセプタとして機能する炭素原子の相互作用により、低抵抗領域１６ａよりもキャリア濃度が低下する。したがって、高抵抗領域１６ｂの電気抵抗率が、低抵抗領域１６ａよりも大きくなる。
【０１０７】
高抵抗領域１６ｂでは、第１の原子と炭素原子とが近接して存在する。高抵抗領域１６ｂでは、第１の原子と炭素原子が、電気的に相互作用が生じる程度に近接する。
【０１０８】
バリア層１６を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとする。この場合、高抵抗領域１６ｂ中に、炭素原子と結合するボンドと、第１の原子と結合するボンドとを有する上記原子Ｘが存在する。原子Ｘが、炭素原子と結合するボンドと第１の原子と結合するボンドとを有することにより、炭素原子と第１の原子が最も近接した構造となる。言い換えれば、炭素原子、原子Ｘ、及び、第１の原子が複合体を形成している。
【０１０９】
高抵抗領域１６ｂ中の原子Ｘと炭素原子との結合の存在、原子Ｘと第１の原子との結合の存在、炭素原子、原子Ｘ、及び、第１の原子の複合体の存在は、例えば、Ｘ線電子分光、赤外分光法、又は、ラマン分光法により測定することが可能である。
【０１１０】
高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上である。高抵抗領域１６ｂ中の第１の原子の濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上である。高抵抗領域１６ｂ中の炭素及び第１の原子の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法により測定することが可能である。
【０１１１】
本実施形態の半導体装置は、第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、例えば、バリア層１６中に炭素をイオン注入する際に、同時に、バリア層１６中に第１の原子をイオン注入することで製造することが可能である。
【０１１２】
例えば、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子、第１の原子が酸素（Ｏ）原子である場合、１個のガリウム原子が１個の炭素原子と結合し、且つ、同じガリウム原子が１個の酸素原子と結合する。また、原子Ｘがアルミニウム（Ａｌ）原子である場合、１個のアルミニウム原子が１個の炭素原子と結合し、且つ、同じアルミニウム原子が１個の酸素原子と結合する。
【０１１３】
図１６は、本実施形態の半導体装置の作用の説明図である。図１６（ａ）は、窒化ガリウム中の酸素原子と炭素原子の模式図である。図１６（ｂ）は、第１原理計算により求めた酸素原子と炭素原子が共存する場合の準位の説明図である。
【０１１４】
図１６（ａ）に示すように、窒化ガリウム中の酸素原子は、窒化ガリウムの窒素原子の格子位置に存在する。窒化ガリウム中の炭素原子は、窒化ガリウムの窒素原子の格子位置に存在する。図１６（ａ）は、窒化ガリウム中に酸素原子と炭素原子が共存する場合の、酸素原子と炭素原子が最も近接した状態を示す。言い換えれば、１個のガリウム原子が酸素原子と結合し、且つ、同じガリウム原子が炭素原子と結合する状態を示す。炭素原子、原子Ｘ、及び、酸素原子が複合体を形成している。
【０１１５】
第１原理計算によれば、図１６（ｂ）に示すように、酸素原子と炭素原子が共存する場合、酸素原子のドナー準位から電子が炭素原子のアクセプタ準位に移動した構造が安定となることが明らかとなった。この際、酸素原子により形成されていた準位は伝導帯内に移動し、炭素原子により形成されていた準位は価電子帯内に移動する。したがって、図１６（ｂ）に示すように、窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位が消滅する。
【０１１６】
本実施形態では、窒化ガリウム中に窒素原子位置の酸素原子と窒素原子位置の炭素原子を設ける。炭素原子と酸素原子との相互作用により、窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位が消滅する。したがって、電子のトラップが抑制される。よって、電流コラプスの抑制が可能となる。
【０１１７】
窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位の消滅は、例えば、ＤＬＴＳにより判断することが可能である。
【０１１８】
また、酸素原子と炭素原子が共存する場合、ドナー準位とアクセプタ準位が消滅することで、キャリアが相殺され、キャリア濃度が低下する。したがって、窒化ガリウムの電気抵抗率が大きくなる。
【０１１９】
また、ゲート電極２８直下での電子のトラップが抑制されることにより、閾値電圧の変動が抑制される。
【０１２０】
窒化ガリウム中には、エントロピーを増大させるためにＶＮが形成されている。炭素及び酸素のイオン注入と十分な熱処理により、炭素原子、ガリウム原子、及び、酸素原子の複合体が形成されるとエントロピーが増大する。このため、理論上、複合体の量が十分にあればＶＮが消滅する。ＶＮが残存すると、残存したＶＮによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１２１】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、多い炭素を導入するとする。この際、炭素の量より多い酸素をイオン注入により導入するとする。この場合、理論上、ＶＮは消滅する。しかし、余剰の酸素が残存する。残存した酸素によるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１２２】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、多い炭素を導入するとする。この際、炭素の量より少ない酸素をイオン注入により導入するとする。打ち込む炭素量が窒化ガリウム中に存在するＶＮ量と打ち込む酸素量の和より多くなるように、十分な量の炭素を導入する。
【０１２３】
この場合、酸素の量がＶＮより多ければ、ＶＮは、酸素により埋められ、消滅する。そして、酸素との複合体を形成せず残存する炭素の量と同量のＶＮが、炭素との複合体を形成するため生成される。言い換えれば、余剰の炭素を補償するＶＮが新たに形成される。したがって、窒化ガリウム中に、単独で残存する炭素原子、酸素原子又はＶＮは僅少になる。
【０１２４】
また、この場合、酸素の量がＶＮより少なければ、十分に多くの炭素が導入されているので、余剰のＶＮは炭素原子と複合体を形成し、単独で存在するＶＮは消滅する。そして、酸素との複合体を形成せず残存する炭素の量と同量のＶＮが、炭素との複合体を形成するため生成される。したがって、窒化ガリウム中に、単独で残存する炭素原子、酸素原子又はＶＮは僅少になる。
【０１２５】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、少ない炭素を導入するとする。この際、炭素の量より多い酸素をイオン注入により導入するとする。この場合、理論上、炭素の不足分だけ、ＶＮは単独で残存する。また、余剰の酸素も単独で残存する。単独で残存したＶＮ及び酸素によるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１２６】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、少ない炭素を導入するとする。この際、炭素の量より少ない酸素をイオン注入により導入するとする。この場合、単独で存在する酸素は残存しないように出来るが、炭素の不足分だけ、ＶＮは単独で残存する。単独で残存したＶＮによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１２７】
したがって、電流コラプス及び閾値電圧の変動を抑制する観点から、窒化ガリウム中の炭素の濃度は、炭素又は酸素の導入前のＶＮの濃度よりも高いことが望ましい。また、窒化ガリウム中の炭素の濃度は、窒化ガリウム中の酸素の濃度より高いことが望ましい。
【０１２８】
窒化ガリウム中のＶＮの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下程度であると考えられる。余剰のＶＮが生じないようにする観点から、高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることが望ましく、１×１０２０ｃｍ−３以上であることがより望ましく、１×１０２１ｃｍ−３以上であることが更に望ましい。窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも多い炭素が存在することで、バンドギャップ中の準位の量を抑制できる。
【０１２９】
なお、本実施形態において、第１の原子として、酸素原子に代えて、同じ第１６族元素で２価の、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、又は、テルル（Ｔｅ）の原子を用いても、酸素原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１３０】
炭素原子とＶＮが近接することによるエネルギー利得に比べ、炭素原子と第１の原子（Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）が接近することによるエネルギー利得の方が大きく、安定性に優れる。これは、原子同士の方が電荷の局在性が確保でき、クーロン相互作用が明確に効くようになるためである。
【０１３１】
更に、第１の原子の量や分布は、イオン注入時の打ち込み条件によって制御することが可能である。したがって、炭素の量と第１の原子の量とをおよそ等量とする制御や、炭素と第１の原子の分布を同等の分布となるようにする制御が容易である。第１の実施形態と同様、第１の原子に対して、炭素を大目に入れておき、第１の原子の足りない分は、高温の熱処理によって生じさせたＶＮにて補うことが可能である。
【０１３２】
本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、第１の実施形態同様、電流コラプスの抑制が可能となる。また、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。更に、第１の実施形態に比べ、安定性の高い半導体装置が実現できる。また、第１の実施形態に比べ、製造時の制御性が向上する。
【０１３３】
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第２の領域に、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）、から成る群の少なくとも一つの元素を有する点で、第１の実施形態と異なっている。
【０１３４】
また、本実施形態の半導体装置は、炭素原子と結合するボンドと、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）及び、鉄（Ｆｅ）、から成る群の一つの元素の第２の原子と結合するボンドを有する原子Ｘを有する点で、第１の実施形態と異なっている。
【０１３５】
第１の実施形態のＶＮに代えて、原子Ｘの位置の第２の原子を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【０１３６】
図１に示す高抵抗領域１６ｂには、窒素原子の格子位置に存在する１個の炭素原子を有する。例えば、窒化アルミニウムガリウム中の窒素原子の格子位置に１個の炭素原子が入っている。窒素原子の格子位置に入った１個の炭素原子はアクセプタとして機能する。
【０１３７】
また、高抵抗領域１６ｂでは、バリア層１６を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとした場合に、原子Ｘの格子位置に存在するハフニウム（Ｈｆ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及び、鉄（Ｆｅ）、から成る群の少なくとも一つの元素の第２の原子を有する。第２の原子はドナーとして機能する。
【０１３８】
高抵抗領域１６ｂは、ドナーとして機能する第２の原子と、アクセプタとして機能する炭素原子の相互作用により、低抵抗領域１６ａよりもキャリア濃度が低下する。したがって、高抵抗領域１６ｂの電気抵抗率が、低抵抗領域１６ａよりも大きくなる。
【０１３９】
高抵抗領域１６ｂでは、第２の原子と炭素原子とが近接して存在する。高抵抗領域１６ｂでは、第２の原子と炭素原子が、電気的に相互作用が生じる程度に近接する。
【０１４０】
バリア層１６を構成する窒素原子以外の原子を原子Ｘとする。第２の原子は原子Ｘを置換し、炭素は同じ原子Ｘに隣接する窒素を置換する。言い換えれば、炭素原子、及び第２に原子はペア構造の複合体を形成する。バックボンドとして、炭素原子は原子Ｘと３つのボンドを組む。また、バックボンドとして、第２の原子は窒素原子と３つのボンドを組む。
【０１４１】
高抵抗領域１６ｂ中の原子Ｘと炭素原子との結合の存在、窒素と第２の原子との結合の存在、炭素原子と第２の原子とが形成するペア構造の複合体の存在は、例えば、Ｘ線電子分光、赤外分光法、又は、ラマン分光法により測定することが可能である。
【０１４２】
高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上である。高抵抗領域１６ｂ中の第２の原子の濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上である。高抵抗領域１６ｂ中の炭素及び第２の原子の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法により測定することが可能である。
【０１４３】
本実施形態の半導体装置は、例えば、第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、例えば、バリア層１６中に炭素をイオン注入する際に、同時に、バリア層１６中に第２の原子をイオン注入することで製造することが可能である。
【０１４４】
例えば、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子、第２の原子がシリコン（Ｓｉ）原子である場合、３個のガリウム原子が１個の炭素原子と結合し、且つ、３個の窒素原子が１個のシリコン原子と結合する。そして、炭素原子とシリコン原子がペア構造の複合体を形成する。また、原子Ｘがアルミニウム（Ａｌ）原子である場合、３個のアルミニウム原子が１個の炭素原子と結合し、且つ、３個の窒素が１個のシリコン原子と結合する。そして、炭素原子とシリコン原子がペア構造の複合体を形成する。
【０１４５】
図１７は、本実施形態の半導体装置の作用の説明図である。図１７（ａ）は、窒化ガリウム中のシリコン原子と炭素原子の模式図である。図１７（ｂ）は、第１原理計算により求めたシリコン原子と炭素原子が共存する場合の準位の説明図である。
【０１４６】
図１７（ａ）に示すように、窒化ガリウム中のシリコン原子は、窒化ガリウムのガリウム原子の格子位置に存在する。窒化ガリウム中の炭素原子は、窒化ガリウムの窒素原子の格子位置に存在する。図１７（ａ）は、窒化ガリウム中にシリコン原子と炭素原子が共存する場合の、シリコン原子と炭素原子が最も近接した状態を示す。言い換えれば、シリコン原子と炭素原子とがペア構造の複合体を形成している。
【０１４７】
第１原理計算によれば、図１７（ｂ）に示すように、シリコン原子と炭素原子が共存する場合、シリコン原子のドナー準位から電子が炭素原子のアクセプタ準位に移動した構造が安定となることが明らかとなった。この際、シリコン原子により形成されていた準位は伝導帯内に移動し、炭素原子により形成されていた準位は価電子帯内に移動する。したがって、図１７（ｂ）に示すように、窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位が消滅する。
【０１４８】
本実施形態では、窒化ガリウム中にガリウム原子位置のシリコン原子と窒素原子位置の炭素原子を設ける。炭素原子とシリコン原子との相互作用により、窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位が消滅する。したがって、電子のトラップが抑制される。よって、電流コラプスの抑制が可能となる。
【０１４９】
窒化ガリウムのバンドギャップ内の準位の消滅は、例えば、ＤＬＴＳにより判断することが可能である。
【０１５０】
また、シリコン原子と炭素原子が共存する場合、ドナー準位とアクセプタ準位が消滅することで、キャリアが相殺され、キャリア濃度が低下する。したがって、窒化ガリウムの電気抵抗率が大きくなる。
【０１５１】
また、ゲート電極２８直下での電子のトラップが抑制されることにより、閾値電圧の変動が抑制される。
【０１５２】
窒化ガリウム中には、エントロピーを増大させるためにＶＮが形成されている。炭素及びシリコンのイオン注入と十分な熱処理により、炭素原子、及び、シリコン原子のペア構造の複合体が形成されるとエントロピーが増大する。このため、理論上、ペア構造の量が十分にあればＶＮが消滅する。ＶＮが残存すると、残存したＶＮによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１５３】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、多い炭素を導入するとする。この際、炭素の量より多いシリコンをイオン注入により導入するとする。この場合、理論上、ＶＮは消滅する。しかし、余剰のシリコンが残存する。残存したシリコンによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１５４】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、多い炭素を導入するとする。この際、炭素の量より少ないシリコンをイオン注入により導入するとする。
【０１５５】
この場合、炭素の量がＶＮより多いので一旦はＶＮは消滅すると想定される。そして、シリコンとのペア構造を形成せず残存する炭素の量と同量のＶＮが、炭素との複合体を形成するため生成される。言い換えれば、シリコンとペア構造を形成していない余剰の炭素を補償するＶＮが新たに形成される。したがって、窒化ガリウム中に、単独で残存する炭素原子、シリコン原子又はＶＮは僅少になる。
【０１５６】
また、この場合、シリコンの量がＶＮより少なければ、十分に多くの炭素が導入されているので、余剰のＶＮは炭素原子と複合体を形成し単独で存在するＶＮは消滅する。そして、シリコンとの複合体を形成せず残存する炭素の量と同量のＶＮが、炭素との複合体を形成するため新たに生成される。したがって、窒化ガリウム中に、単独で残存する炭素原子、シリコン原子又はＶＮは僅少になる。
【０１５７】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、少ない炭素を導入するとする。この際、炭素の量より多いシリコンをイオン注入により導入するとする。この場合、理論上、炭素の不足分だけ、ＶＮは単独で残存する。また、余剰のシリコンも単独で残存する。単独で残存したＶＮ及びシリコンによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１５８】
例えば、炭素のイオン注入により、窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも、少ない炭素を導入するとする。この際、炭素の量より少ないシリコンをイオン注入により導入するとする。この場合、単独で存在するシリコンは残存しないが、炭素の不足分だけ、ＶＮは単独で残存する。単独で残存したＶＮによるバンドギャップ中のドナー準位により、電流コラプス、閾値電圧の変動が生じる恐れがある。
【０１５９】
したがって、電流コラプス及び閾値電圧の変動を抑制する観点から、窒化ガリウム中の炭素の濃度は、炭素又はシリコンの導入前のＶＮの濃度よりも高いことが望ましい。また、窒化ガリウム中の炭素の濃度は、窒化ガリウム中のシリコンの濃度より高いことが望ましい。
【０１６０】
窒化ガリウム中のＶＮの濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下程度であると考えられる。余剰のＶＮが生じないようにする観点から、高抵抗領域１６ｂ中の炭素の濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上であることが望ましく、１×１０２０ｃｍ−３以上であることがより望ましく、１×１０２１ｃｍ−３以上であることが更に望ましい。窒化ガリウム中に存在するＶＮの量よりも多い炭素が存在することで、バンドギャップ中の準位の量を抑制できる。
【０１６１】
なお、本実施形態において、第２の原子として、シリコン原子に代えて、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又は、鉄（Ｆｅ）、の原子を用いても、シリコン原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１６２】
炭素原子とＶＮが近接することによるエネルギー利得に比べ、炭素原子と第２の原子（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｆｅ）が接近することによるエネルギー利得の方が大きく、安定性に優れる。これは原子同士の方が電荷の局在性が確保でき、クーロン相互作用が明確に効くようになるためである。また、第２の原子は、炭素原子と直接ボンドを組む位置に来ることが出来、ＶＮや第１の原子に比べて、非常に近い位置に存在するため、余計にクーロン力による利得が大きくなる。
【０１６３】
更に、第２の原子の量や分布は、イオン注入時の打ち込み条件によって制御することが可能である。したがって、炭素の量と第２の原子の量とをおよそ等量とする制御や、炭素と第１の原子の分布を同等の分布となるようにする制御が容易である。第１の実施形態と同様、第２の原子に対して、炭素を大目に入れておき、第２の原子の足りない分は、高温の熱処理によって生じさせたＶＮにて補うことが可能である。
【０１６４】
本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、第１の実施形態同様、電流コラプスの抑制が可能となる。また、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。更に、第１及び第２の実施形態に比べ、安定性の高い半導体装置が実現できる。また、第１の実施形態に比べ、製造時の制御性が向上する。
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上の絶縁層と、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、カドミウム（Ｃｄ）から成る群の少なくとも一つの元素の原子を原子Ｙとした場合に、窒化物半導体層内の絶縁層の側に位置し、ダングリングボンドを有する原子Ｙ、酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第１の原子と結合するボンドを有する原子Ｙ、又は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第２の原子と結合するボンドを有する原子Ｙ、を有する領域を備える点で、第１乃至第３の実施形態と異なっている。
【０１６５】
原子ＹとＶＮ（窒素欠陥）とがペア構造の複合体を形成している領域を備える点で、同じようにＶＮを用いている第１の実施形態と異なっている。
【０１６６】
又は、本実施形態の半導体装置は、上記原子Ｙと酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第１の原子とがペア構造の複合体を形成している領域を備える点で、同じように第１の原子を用いている第２の実施形態と異なっている。
【０１６７】
又は、本実施形態の半導体装置は、上記原子Ｙとシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）から成る群の少なくとも一つの元素の第２の原子とがペア構造の複合体を形成している領域を備える点で、同じように第２の原子を用いている第３の実施形態と異なっている。
【０１６８】
第１乃至第３の実施形態では、炭素原子は窒素原子と置換してアクセプタとなる。しかし、本実施形態の原子Ｙは、例えばガリウム原子と置換してアクセプタとなる。この点で、第１乃至第３の実施形態とは異なる。つまりアクセプタの形成機構が異なる。
【０１６９】
本実施形態の半導体装置は、第１乃至第３の実施形態の炭素原子に代えて、窒化物半導体層の結晶構造を構成する窒素原子以外の原子である原子Ｘの位置の原子Ｙを有する点で、第１乃至第３の実施形態と異なっている。以下、第１乃至第３の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
【０１７０】
本実施形態においても、第１乃至第３の実施形態と同様の作用・効果が得られる。すなわち、ドナーとして機能するＶＮ、第１の原子、又は、第２の原子と、アクセプタとして機能する原子Ｙとがペア構造の複合体を形成する。これにより、炭化珪素層のバンドギャップ内の準位が消滅する。言い換えれば、ドナーとして機能するＶＮ、第１の原子、又は、第２の原子と、アクセプタとして機能する原子Ｙとの相互作用により、炭化珪素層のバンドギャップ内の準位が消滅する。
【０１７１】
図１８は、本実施形態の半導体装置の説明図である。図１８（ａ）は、第１の例の説明図、図１８（ｂ）は、第２の例の説明図、図１８（ｃ）は、第３の例の説明図である。
【０１７２】
以下、第１の例について説明する。
【０１７３】
図１に示す高抵抗領域（領域）１６ｂには、原子Ｘの格子位置に存在するベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、カドミウム（Ｃｄ）から成る群の少なくとも一つの元素の原子である原子Ｙを有する。例えば、窒化アルミニウムガリウム中のガリウム原子の格子位置に１個の原子Ｙが入っている。ガリウム原子の格子位置に入った１個の原子Ｙはアクセプタとして機能する。
【０１７４】
また、高抵抗領域１６ｂには、窒素欠陥（ＶＮ）が存在する。窒素欠陥（ＶＮ）はドナーとして機能する。
【０１７５】
図１８（ａ）に示すように、例えば、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子、原子Ｙがマグネシウム（Ｍｇ）原子とする。マグネシウム原子はガリウム原子を置換し、ＶＮとマグネシウム原子とが隣り合ってペア構造の複合体を形成している。言い換えれば、マグネシウム原子がダングリングボンドを有する。
【０１７６】
第１の例によれば、第１の実施形態と同様の作用により、窒化物半導体のバンドギャップ中の準位が消滅する。したがって、電子のトラップが抑制される。よって、電流コラプスの抑制、閾値変動の抑制が可能となる。
【０１７７】
なお、第１の例において、原子Ｙとして、マグネシウム原子に代えて、同じ第２族元素で２価の、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、又は、カドミウム（Ｃｄ）の原子を用いても、マグネシウム原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１７８】
以下、第２の例について説明する。
【０１７９】
図１に示す高抵抗領域（領域）１６ｂには、原子Ｘの格子位置に存在するベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、カドミウム（Ｃｄ）から成る群の少なくとも一つの元素の原子である原子Ｙを有する。例えば、窒化アルミニウムガリウム中のガリウム原子の格子位置に１個の原子Ｙが入っている。ガリウム原子の格子位置に入った１個の原子Ｙはアクセプタとして機能する。
【０１８０】
また、高抵抗領域１６ｂは、窒素原子の格子位置に存在する酸素（Ｏ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、及び、テルル（Ｔｅ）から成の群の少なくとも一つの元素の第１の原子を有する。第１の原子はドナーとして機能する。
【０１８１】
図１８（ｂ）に示すように、例えば、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子、原子Ｙがマグネシウム（Ｍｇ）原子、第１の原子が酸素（Ｏ）原子とする。マグネシウム原子はガリウム原子を置換し、隣接する窒素原子を酸素原子が置換している。こうして、マグネシウム原子と酸素原子とが結合しペア構造の複合体を形成している。
【０１８２】
第２の例によれば、第２の実施形態と同様の作用により、窒化物半導体のバンドギャップ中の準位が消滅する。したがって、電子のトラップが抑制される。よって、電流コラプスの抑制、閾値変動の抑制が可能となる。
【０１８３】
なお、第２の例において、原子Ｙとして、マグネシウム原子に代えて、同じ第２族元素で２価の、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、又は、カドミウム（Ｃｄ）の原子を用いても、マグネシウム原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１８４】
また、第２の例において、第１の原子として、酸素原子に代えて、同じ第１６族元素で２価の、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、又は、テルル（Ｔｅ）の原子を用いても、酸素原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１８５】
以下、第３の例について説明する。
【０１８６】
図１に示す高抵抗領域（領域）１６ｂには、原子Ｘの格子位置に存在するベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、及び、カドミウム（Ｃｄ）から成る群の少なくとも一つの元素の原子である原子Ｙを有する。例えば、窒化アルミニウムガリウム中のガリウム原子の格子位置に１個の原子Ｙが入っている。ガリウム原子の格子位置に入った１個の原子Ｙはアクセプタとして機能する。
【０１８７】
また、高抵抗領域１６ｂは、原子Ｘの格子位置に存在するシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及び、鉄（Ｆｅ）、から成る群の少なくとも一つの元素の第２の原子を有する。第２の原子はドナーとして機能する。
【０１８８】
図１８（ｃ）に示すように、例えば、原子Ｘがガリウム（Ｇａ）原子、原子Ｙがマグネシウム（Ｍｇ）原子、第２の原子がシリコン（Ｓｉ）原子とする。マグネシウム原子とシリコン原子は、共にガリウム原子を置換している。マグネシウム原子とシリコン原子が結合しペア構造の複合体を形成している。
【０１８９】
第３の例によれば、第３の実施形態と同様の作用により、窒化物半導体のバンドギャップ中の準位が消滅する。したがって、電子のトラップが抑制される。よって、電流コラプスの抑制、閾値変動の抑制が可能となる。
【０１９０】
なお、第３の例において、原子Ｙとして、マグネシウム原子に代えて、同じ第２族元素で２価の、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、亜鉛（Ｚｎ）、又は、カドミウム（Ｃｄ）の原子を用いても、マグネシウム原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１９１】
また、第３の例において、第２の原子として、シリコン原子に代えて、ゲルマニウム（Ｇｅ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）又は、鉄（Ｆｅ）、の原子を用いても、シリコン原子の場合と同様の効果が得られる。
【０１９２】
本実施形態の半導体装置によれば、第１乃至第３の実施形態同様、電流コラプスの抑制が可能となる。また、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。
（第５の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ｐ型層が窒化物半導体層に接すること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
【０１９３】
図１９は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴである。
【０１９４】
ＨＥＭＴ（半導体装置）２００は、ｐ型層２４がバリア層１６に接して設けられる。ｐ型層２４は、低抵抗領域１６ａに接する。ｐ型層２４は、例えば、単結晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）である。
【０１９５】
本実施形態の半導体装置によれば、第１の実施形態同様、バンドギャップ中の準位を低減することにより、電流コラプスの抑制が可能となる。また、バンドギャップ中の準位を低減することにより、閾値電圧の変動の抑制が可能となる。よって、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。
【０１９６】
（第６の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート電極が窒化物半導体層に接すること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
【０１９７】
図２０は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴである。
【０１９８】
ＨＥＭＴ（半導体装置）３００は、ゲート電極２８がバリア層１６に接して設けられる。ゲート電極２８は、低抵抗領域１６ａに接する。
【０１９９】
ゲート電極２８は、例えば、金属電極である。ゲート電極２８は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）である。
【０２００】
ゲート電極２８とバリア層１６との間の接合は、ショットキー接合である。ＨＥＭＴ３００はノーマリーオントランジスタである。
【０２０１】
本実施形態の半導体装置によれば、第１の実施形態同様、バンドギャップ中の準位を低減することにより、電流コラプスの抑制が可能となる。また、バンドギャップ中の準位を低減することにより、閾値電圧の変動の抑制が可能となる。よって、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。
【０２０２】
（第７の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、バリア層に形成された溝（リセス）内にゲート電極が埋め込まれる、いわゆるゲート・リセス構造を備えること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。  
【０２０３】
図２１は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【０２０４】
ＨＥＭＴ（半導体装置）４００は、ソース電極１８とドレイン電極２０の間のバリア層１６に設けられた溝（リセス）３０の内面に、高抵抗領域１４ｂ、及び、絶縁層２２とが形成される。また、高抵抗領域１６ｂが、設けられる。
【０２０５】
溝３０の底部はチャネル層１４内に位置する。溝３０の底部の高抵抗領域１４ｂはチャネル層１４内に形成される。低抵抗領域１４ａと高抵抗領域１４ｂがチャネル層１４を形成する。
【０２０６】
本実施形態の半導体装置によれば、第１の実施形態同様、バンドギャップ中の準位を低減することにより、電流コラプスの抑制が可能となる。また、バンドギャップ中の準位を低減することにより、閾値電圧の変動の抑制が可能となる。よって、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。更に、ゲート・リセス構造を備えることにより、ノーマリーオフトランジスタの実現が容易となる。
【０２０７】
（第８の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、溝（リセス）下にバリア層が存在する点で、第７の実施形態と異なっている。以下、第７の実施形態と重複する内容については記述を省略する。  
【０２０８】
図２２は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【０２０９】
ＨＥＭＴ（半導体装置）５００は、溝３０の底部にバリア層１６が設けられる。バリア層１６は、チャネル層１４上に設けられる。溝３０の両側には、窒化物半導体の保護層１７が設けられる。保護層１７は、例えば、バリア層１６上に選択エピタキシャル成長により形成される。
【０２１０】
チャネル層１４は、例えば、ＧａＮである。バリア層１６は、例えば、膜厚が１０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎである。保護層１７は、例えば、膜厚が２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである。
【０２１１】
ＨＥＭＴ５００は、溝（リセス）３０の内面に、高抵抗領域１６ｂ、及び、絶縁層２２が形成される。低抵抗領域１６ａと高抵抗領域１６ｂがバリア層１６を形成する。
【０２１２】
ソース電極１８とドレイン電極２０の間にも、絶縁層２２が形成される。また、バリア層１６と絶縁層２２との間に、低抵抗領域１７ａと高抵抗領域１７ｂが設けられる。
【０２１３】
ＨＥＭＴ５００は、ノーマリーオフトランジスタである。ＨＥＭＴ５００の閾値を上げるため、バッファ層１２とチャネル層１４との間の少なくとも一部に、チャネル層１４よりもバンドギャップが大きいＧａＮ系半導体のバックバリア層（図示せず）を設けることも可能である。バックバリア層は、例えば、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎである。バックバリア層はＭｇなどをドープすることで、ｐ型にしても良い。
【０２１４】
また、ＨＥＭＴ５００の閾値を上げるため、溝３０の底部にｐ型のＧａＮ系半導体のｐ型層（図示せず）を設けることも可能である。ｐ型層は、例えば、ｐ型のＧａＮである。
【０２１５】
本実施形態の半導体装置によれば、第１の実施形態同様、バンドギャップ中の準位を低減することにより、電流コラプスの抑制が可能となる。また、バンドギャップ中の準位を低減することにより、閾値電圧の変動の抑制が可能となる。よって、信頼性の向上した半導体装置が実現できる。
【０２１６】
（第９の実施形態）
本実施形態の電源回路及びコンピュータは、ＨＥＭＴを有する。
【０２１７】
図２３は、本実施形態のコンピュータの模式図である。本実施形態のコンピュータは、サーバ６００である。
【０２１８】
サーバ６００は筐体４０内に電源回路４２を有する。サーバ６００は、サーバソフトウェアを稼働させるコンピュータである。
【０２１９】
電源回路４２は、第１の実施形態のＨＥＭＴ１００を有する。ＨＥＭＴ１００に代えて、第５乃至第８の実施形態のＨＥＭＴ２００、ＨＥＭＴ３００、ＨＥＭＴ４００、ＨＥＭＴ５００を適用しても構わない。
【０２２０】
電源回路４２は、電流コラプスが抑制されたＨＥＭＴ１００を有することにより、高い信頼性を備える。また、サーバ６００は、電源回路４２を有することにより、高い信頼性を備える。
【０２２１】
本実施形態によれば、高い信頼性を備える電源回路及びコンピュータが実現できる。
【０２２２】
実施形態では、ＧａＮ系半導体層の材料としてＧａＮやＡｌＧａＮを例に説明したが、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含有するＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮを適用することも可能である。また、ＧａＮ系半導体層の材料としてＡｌＮを適用することも可能である。
【０２２３】
また、実施形態では、ＨＥＭＴへの適用を例に説明したが、本発明はＨＥＭＴに限らず、その他のトランジスタ又はダイオード等のデバイスに適用することも可能である。
【０２２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２２５】
１４      チャネル層（窒化物半導体層、第１の半導体領域）
１６      バリア層（窒化物半導体層、第２の半導体領域）
１６ａ    低抵抗領域（第１の領域）
１６ｂ    高抵抗領域（第２の領域、領域）
２２      絶縁層
４２      電源回路
１００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
２００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
３００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
４００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
５００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
６００    コンピュータ
【図１】
2018014457.tif 000003
【図２】
2018014457.tif 000004
【図３】
2018014457.tif 000005
【図４】
2018014457.tif 000006
【図５】
2018014457.tif 000007
【図６】
2018014457.tif 000008
【図７】
2018014457.tif 000009
【図８】
2018014457.tif 000010
【図９】
2018014457.tif 000011
【図１０】
2018014457.tif 000012
【図１１】
2018014457.tif 000013
【図１２】
2018014457.tif 000014
【図１３】
2018014457.tif 000015
【図１４】
2018014457.tif 000016
【図１５】
2018014457.tif 000017
【図１６】
2018014457.tif 000018
【図１７】
2018014457.tif 000019
【図１８】
2018014457.tif 000020
【図１９】
2018014457.tif 000021
【図２０】
2018014457.tif 000022
【図２１】
2018014457.tif 000023
【図２２】
2018014457.tif 000024
【図２３】
2018014457.tif 000025