JP2023122607A - Semiconductor element and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

To provide a semiconductor element including a group III nitride semiconductor and operating in a normally-off manner and a method for manufacturing the same.SOLUTION: A third semiconductor layer 130A includes a third semiconductor layer p-type region 132A. A second region R2 surrounds a projection region in which a p-type region in a higher layer than a first semiconductor layer 110 is projected on a first surface Sub1a of a substrate Sub1 by a surface perpendicular to the projection region. A gate electrode G1 is a higher layer than the third semiconductor layer p-type region 132A, and located in a second region R2. A second semiconductor layer 120A includes a first non-dope region 121 in the first region R1, a second non-dope region 122 on the first semiconductor layer 110 side of the second region R2, and a second semiconductor layer p-type region 123A on the third semiconductor layer 130 side of the second region R2. The third semiconductor layer p-type region 132A and the second semiconductor layer p-type region 123A are continuous.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本明細書の技術分野は、III族窒化物半導体を有する半導体素子とその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The technical field of the present specification relates to a semiconductor device having a Group III nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.

III族窒化物半導体は、大きなバンドギャップをもつため、高耐圧、高周波の半導体デバイスとして応用するために活発に研究開発されてきている。 Group III nitride semiconductors have a large bandgap and have been actively researched and developed for application as high-voltage, high-frequency semiconductor devices.

例えば、特許文献1には、分極超接合を有する電界効果トランジスタが開示されている(特許文献1の段落[0044]および図3)。この電界効果トランジスタはノーマリオンで動作する(特許文献1の段落[0091]および図3)。一方、特許文献2には、高圧高温アニールにより、Mgを窒化物半導体基板に拡散させる技術が開示されている(特許文献2の段落[0029])。 For example, Patent Document 1 discloses a field effect transistor having a polarized superjunction (paragraph [0044] and FIG. 3 of Patent Document 1). This field effect transistor operates normally (paragraph [0091] and FIG. 3 of Patent Document 1). On the other hand, Patent Document 2 discloses a technique of diffusing Mg into a nitride semiconductor substrate by high-pressure, high-temperature annealing (paragraph [0029] of Patent Document 2).

特開2016-146369号公報JP 2016-146369 A 特開2020-155468号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-155468

特許文献1には、ノーマリオンの半導体素子をノーマリオフで動作させるためにカスコード回路を導入する旨が記載されている(特許文献1の段落[0091])。しかし、半導体素子をノーマリオフで動作させるために他の回路等を導入すると、半導体素子を搭載するデバイスが大型化もしくは複雑化する。ノーマリオフで動作するIII族窒化物半導体素子を実現することは必ずしも容易ではない。 Patent Document 1 describes that a cascode circuit is introduced to operate a normally-on semiconductor device in a normally-off state (paragraph [0091] of Patent Document 1). However, if another circuit or the like is introduced to operate the semiconductor element normally off, the device mounted with the semiconductor element becomes large or complicated. It is not necessarily easy to realize a group III nitride semiconductor device that operates normally off.

本明細書の技術が解決しようとする課題は、III族窒化物半導体を有するとともにノーマリオフで動作する半導体素子とその製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the technique of the present specification is to provide a semiconductor device having a Group III nitride semiconductor and operating normally off, and a method for manufacturing the same.

第1の態様における半導体素子は、第1面を有する基板と、基板より上層の第1半導体層と、第1半導体層の上の第2半導体層と、第2半導体層の上の第3半導体層と、ゲート電極と、第1領域および第2領域と、を有する。第1半導体層と第2半導体層と第3半導体層とは、III 族窒化物半導体層である。第2半導体層のバンドギャップは、第1半導体層のバンドギャップよりも大きい。第3半導体層は、第3半導体層p型領域を有する。第2半導体層は、第1領域に第1ノンドープ領域を有し、第2領域の第1半導体層の側に第2ノンドープ領域を有し、第2領域の第3半導体層の側に第2半導体層p型領域を有する。第2領域は、第1半導体層より上層のp型領域を基板の第1面に射影した射影領域を射影領域に垂直な面で含む領域である。第1領域は、第2領域以外の領域である。ゲート電極は、第3半導体層p型領域より上層であって第2領域に位置している。第3半導体層p型領域と第2半導体層p型領域とは第3半導体層と第2半導体層との界面で連続している。 A semiconductor element in a first aspect includes a substrate having a first surface, a first semiconductor layer above the substrate, a second semiconductor layer above the first semiconductor layer, and a third semiconductor above the second semiconductor layer. It has a layer, a gate electrode, and first and second regions. The first semiconductor layer, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are Group III nitride semiconductor layers. The bandgap of the second semiconductor layer is larger than the bandgap of the first semiconductor layer. The third semiconductor layer has a third semiconductor layer p-type region. The second semiconductor layer has a first non-doped region in the first region, a second non-doped region in the second region on the first semiconductor layer side, and a second semiconductor layer in the second region on the third semiconductor layer side. The semiconductor layer has a p-type region. The second region is a region including a projection region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer onto the first surface of the substrate on a plane perpendicular to the projection region. The first area is an area other than the second area. The gate electrode is located in the second region above the p-type region of the third semiconductor layer. The third semiconductor layer p-type region and the second semiconductor layer p-type region are continuous at the interface between the third semiconductor layer and the second semiconductor layer.

この半導体素子においては、第2領域における第2ノンドープ領域の膜厚が十分に薄く、第2ノンドープ領域に第2半導体層p型領域が隣接している。したがって、この半導体素子は、ノーマリオフで動作する。 In this semiconductor element, the film thickness of the second non-doped region in the second region is sufficiently thin, and the second semiconductor layer p-type region is adjacent to the second non-doped region. Therefore, this semiconductor device operates normally off.

本明細書では、III族窒化物半導体を有するとともにノーマリオフで動作する半導体素子とその製造方法が提供されている。 The present specification provides a semiconductor device having a group III nitride semiconductor and operating normally off, and a method of manufacturing the same.

第1の実施形態の半導体素子100の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 100 according to a first embodiment; FIG. 第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その1)である。FIG. 4 is a diagram (part 1) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment; 第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その2)である。FIG. 2 is a diagram (part 2) for explaining the manufacturing method of the semiconductor device 100 of the first embodiment; 第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その3)である。3 is a diagram (part 3) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment; FIG. 第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その4)である。4 is a diagram (part 4) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment; FIG. 第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その5)である。FIG. 5 is a diagram (No. 5) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment; 第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その6)である。FIG. 6 is a diagram (No. 6) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment; 第1の実施形態の変形例における半導体素子200の概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a semiconductor element 200 in a modified example of the first embodiment; 第2の実施形態の半導体素子100Aの概略構成図である。It is a schematic block diagram of 100 A of semiconductor elements of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その1)である。FIG. 11 is a diagram (part 1) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100A of the second embodiment; 第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その2)である。FIG. 11 is a diagram (part 2) for explaining the manufacturing method of the semiconductor device 100A of the second embodiment; 第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その3)である。FIG. 13 is a diagram (part 3) for explaining the manufacturing method of the semiconductor device 100A of the second embodiment; 第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その4)である。FIG. 14 is a diagram (part 4) for explaining the manufacturing method of the semiconductor device 100A of the second embodiment; 第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その5)である。FIG. 15 is a diagram (No. 5) for explaining the manufacturing method of the semiconductor device 100A of the second embodiment; 第2の実施形態の変形例における半導体素子300の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the semiconductor element 300 in the modification of 2nd Embodiment. シミュレーションに用いた第1モデルの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 1st model used for simulation. シミュレーションに用いた第2モデルの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 2nd model used for simulation. 第1モデルにおけるゲート-ソース間電圧(Vgs)とドレイン電流Idとの間の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the gate-source voltage (Vgs) and the drain current Id in the first model; 第2モデルにおけるゲート-ソース間電圧(Vgs)とドレイン電流Idとの間の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the gate-source voltage (Vgs) and the drain current Id in the second model; 第1モデルにおけるp型AlGaN層423の膜厚と閾値電圧Vthとの間の関係を示す表である。4 is a table showing the relationship between the film thickness of the p-type AlGaN layer 423 and the threshold voltage Vth in the first model; 第1モデルにおけるp型AlGaN層423の膜厚と閾値電圧Vthとの間の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type AlGaN layer 423 and the threshold voltage Vth in the first model; 第1モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その1)である。FIG. 11 is a graph (part 1) showing the Id-Vd characteristics in the first model; FIG. 第1モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その2)である。7 is a graph (part 2) showing Id-Vd characteristics in the first model; 第2モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その1)である。FIG. 11 is a graph (Part 1) showing Id-Vd characteristics in the second model; FIG. 第2モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その2)である。FIG. 11 is a graph (part 2) showing Id-Vd characteristics in the second model; FIG. 第1モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その3)である。3 is a graph (part 3) showing Id-Vd characteristics in the first model; GaN半導体の位置とSi濃度との間の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the position of the GaN semiconductor and the Si concentration; 半導体の位置とMg濃度との間の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between semiconductor position and Mg concentration. 図28のMg濃度の値を示す表である。FIG. 29 is a table showing Mg concentration values in FIG. 28. FIG.

以下、具体的な実施形態について、半導体素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。各層の幅および厚みは実際の大きさの比を表しているわけではない。本明細書において、ノンドープ領域とは、p型ドーパントまたはn型ドーパントが意図的にドープされていない領域である。 Hereinafter, specific embodiments will be described with reference to the drawings, taking a semiconductor device and its manufacturing method as an example. However, the technology herein is not limited to these embodiments. The width and thickness of each layer do not represent actual size ratios. As used herein, a non-doped region is a region that is not intentionally doped with a p-type dopant or an n-type dopant.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の半導体素子100の概略構成図である。半導体素子100は分極超接合を有する電界効果トランジスタ(FET)である。半導体素子100は、III族窒化物半導体を有する。半導体素子100は、基板Sub1と、第1半導体層110と、第2半導体層120と、第3半導体層130と、第4半導体層140と、ソース電極S1と、ドレイン電極D1と、ゲート電極G1と、を有する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 100 of the first embodiment. Semiconductor device 100 is a field effect transistor (FET) having a polarized superjunction. The semiconductor device 100 has a Group III nitride semiconductor. The semiconductor element 100 includes a substrate Sub1, a first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120, a third semiconductor layer 130, a fourth semiconductor layer 140, a source electrode S1, a drain electrode D1, and a gate electrode G1. and have

基板Sub1は、サファイア基板、Si基板、SiC基板、その他の基板である。基板Sub1は第1面Sub1aを有する。第1面Sub1aは半導体形成面である。 The substrate Sub1 is a sapphire substrate, Si substrate, SiC substrate, or other substrates. The substrate Sub1 has a first surface Sub1a. The first surface Sub1a is a semiconductor formation surface.

第1半導体層110は、ノンドープのIII族窒化物半導体層である。第1半導体層110は、例えば、GaN層である。第1半導体層110は基板Sub1の上に形成されている。第1半導体層110の膜厚は、例えば、1μm以上5μm以下である。上記以外の膜厚であってもよい。 The first semiconductor layer 110 is a non-doped Group III nitride semiconductor layer. The first semiconductor layer 110 is, for example, a GaN layer. The first semiconductor layer 110 is formed on the substrate Sub1. The film thickness of the first semiconductor layer 110 is, for example, 1 μm or more and 5 μm or less. Film thicknesses other than those described above may be used.

第2半導体層120は、Alを含有するIII族窒化物半導体層である。第2半導体層120は、例えば、AlGaN層である。第2半導体層120は第1半導体層110の上に形成されている。第2半導体層120のバンドギャップは、第1半導体層110のバンドギャップよりも大きい。第2半導体層120の膜厚は、例えば、20nm以上150nm以下である。上記以外の膜厚であってもよい。 The second semiconductor layer 120 is a Group III nitride semiconductor layer containing Al. The second semiconductor layer 120 is, for example, an AlGaN layer. A second semiconductor layer 120 is formed on the first semiconductor layer 110 . The bandgap of the second semiconductor layer 120 is larger than the bandgap of the first semiconductor layer 110 . The film thickness of the second semiconductor layer 120 is, for example, 20 nm or more and 150 nm or less. Film thicknesses other than those described above may be used.

第3半導体層130は、III族窒化物半導体層である。第3半導体層130は、例えば、GaN層である。第3半導体層130は第2半導体層120の一部の上に形成されている。図1に示すように、第3半導体層130の横方向の幅は、第2半導体層120の横方向の幅よりも小さい。すなわち、ソース電極S1およびドレイン電極D1およびゲート電極G1を通る断面において、第3半導体層130の基板Sub1の第1面Sub1aに平行な方向の長さは、第2半導体層120の基板Sub1の第1面Sub1aに平行な方向の長さよりも短い。第3半導体層130の膜厚は、例えば、20nm以上150nm以下である。上記以外の膜厚であってもよい。 The third semiconductor layer 130 is a Group III nitride semiconductor layer. The third semiconductor layer 130 is, for example, a GaN layer. The third semiconductor layer 130 is formed on part of the second semiconductor layer 120 . As shown in FIG. 1 , the lateral width of the third semiconductor layer 130 is smaller than the lateral width of the second semiconductor layer 120 . That is, in a cross section passing through the source electrode S1, the drain electrode D1, and the gate electrode G1, the length of the third semiconductor layer 130 in the direction parallel to the first surface Sub1a of the substrate Sub1 is equal to the length of the substrate Sub1 of the second semiconductor layer 120. It is shorter than the length in the direction parallel to one surface Sub1a. The film thickness of the third semiconductor layer 130 is, for example, 20 nm or more and 150 nm or less. Film thicknesses other than those described above may be used.

第4半導体層140は、p型のIII族窒化物半導体層である。第4半導体層140は、例えば、p型GaN層である。第4半導体層140は第3半導体層130の上に形成されている。第4半導体層140は、pGaN層141と、pGaN層142と、を有する。pGaN層141は、第3半導体層130の上にあり、pGaN層142はpGaN層141の上にある。pGaN層141は第3半導体層130に接触している。pGaN層142はゲート電極G1に接触している。pGaN層141におけるMgの濃度は、例えば、1×1018cm-3以上8×1019cm-3以下である。pGaN層142におけるMgの濃度は、例えば、8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。このようにpGaN層142におけるMgの濃度はpGaN層141におけるMgの濃度よりも高い。第4半導体層140の膜厚は、例えば、20nm以上200nm以下である。上記以外の膜厚であってもよい。 The fourth semiconductor layer 140 is a p-type Group III nitride semiconductor layer. The fourth semiconductor layer 140 is, for example, a p-type GaN layer. A fourth semiconductor layer 140 is formed on the third semiconductor layer 130 . The fourth semiconductor layer 140 has a p GaN layer 141 and a p + GaN layer 142 . A p GaN layer 141 overlies the third semiconductor layer 130 and a p + GaN layer 142 overlies the p GaN layer 141 . The p GaN layer 141 is in contact with the third semiconductor layer 130 . The p + GaN layer 142 is in contact with the gate electrode G1. The concentration of Mg in the p GaN layer 141 is, for example, 1×10 18 cm −3 or more and 8×10 19 cm −3 or less. The concentration of Mg in the p + GaN layer 142 is, for example, 8×10 19 cm −3 or more and 1×10 21 cm −3 or less. Thus, the Mg concentration in the p + GaN layer 142 is higher than the Mg concentration in the p GaN layer 141 . The film thickness of the fourth semiconductor layer 140 is, for example, 20 nm or more and 200 nm or less. Film thicknesses other than those described above may be used.

ソース電極S1およびドレイン電極D1は、第2半導体層120に接触した状態で形成されている。第2半導体層120の同一面上にソース電極S1およびドレイン電極D1および第3半導体層130が形成されている。ソース電極S1およびドレイン電極D1は、第2半導体層120の第1ノンドープ領域121に接触している。 The source electrode S<b>1 and the drain electrode D<b>1 are formed in contact with the second semiconductor layer 120 . A source electrode S<b>1 , a drain electrode D<b>1 and a third semiconductor layer 130 are formed on the same surface of the second semiconductor layer 120 . The source electrode S<b>1 and the drain electrode D<b>1 are in contact with the first non-doped region 121 of the second semiconductor layer 120 .

ゲート電極G1は第4半導体層140の上に形成されている。ゲート電極G1はpGaN層142に接触している。 A gate electrode G1 is formed on the fourth semiconductor layer 140 . Gate electrode G1 is in contact with p + GaN layer 142 .

第2半導体層120のバンドギャップは、第1半導体層110および第3半導体層130のバンドギャップよりも大きい。このため、半導体素子100は、第1半導体層110における第2半導体層120の側に2次元電子ガス(2DEG)を発生させることができるとともに、第3半導体層130における第2半導体層120側に2次元ホールガス(2DHG)を発生させることができる。 The bandgap of the second semiconductor layer 120 is larger than the bandgaps of the first semiconductor layer 110 and the third semiconductor layer 130 . Therefore, the semiconductor element 100 can generate a two-dimensional electron gas (2DEG) on the second semiconductor layer 120 side of the first semiconductor layer 110, and can generate a two-dimensional electron gas (2DEG) on the second semiconductor layer 120 side of the third semiconductor layer 130. A two-dimensional hole gas (2DHG) can be generated.

2.第1領域および第2領域
図1に示すように、半導体素子100は、第1領域R1および第2領域R2を有する。第2半導体層120は、第1ノンドープ領域121と、第2ノンドープ領域122と、第2半導体層p型領域123と、を有する。第3半導体層130は、第3半導体層ノンドープ領域131と、第3半導体層p型領域132と、を有する。
2. First Region and Second Region As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 has a first region R1 and a second region R2. The second semiconductor layer 120 has a first non-doped region 121 , a second non-doped region 122 and a second semiconductor layer p-type region 123 . The third semiconductor layer 130 has a third semiconductor layer non-doped region 131 and a third semiconductor layer p-type region 132 .

第2領域R2は、第1半導体層110より上層のp型領域を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域を射影領域に垂直な面で含む領域である。第2領域R2は、上記の射影領域を囲んでいる。第1半導体層110より上層のp型領域を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域の外縁は、第3半導体層p型領域132と、第2半導体層p型領域123と、第4半導体層140とのうち、p型ドーパントが第1面Sub1aに平行な方向(横方向)に最も拡散している領域の外縁である。 The second region R2 is a region including a projection region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer 110 onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1 on a plane perpendicular to the projection region. A second region R2 surrounds the projection region. The outer edge of the projected region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer 110 onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1 consists of the third semiconductor layer p-type region 132, the second semiconductor layer p-type region 123, and the fourth semiconductor layer p-type region 123. In the semiconductor layer 140, it is the outer edge of the region where the p-type dopant is most diffused in the direction (lateral direction) parallel to the first surface Sub1a.

第3半導体層p型領域132を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域は、第2半導体層p型領域123を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域および第4半導体層140を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域に沿う形状をしている。 A projection area obtained by projecting the third semiconductor layer p-type region 132 onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1 is a projection area obtained by projecting the second semiconductor layer p-type region 123 onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1, and a projection area obtained by projecting the fourth semiconductor layer 140 onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1. onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1.

p型領域は、第3半導体層p型領域132と、第2半導体層p型領域123と、第4半導体層140と、を含む。図1のドットでハッチングされた領域は、p型領域を示している。p型領域を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域の面積は、第2半導体層120を基板Sub1の第1面Sub1aに射影した射影領域の面積よりも狭い。 The p-type region includes the third semiconductor layer p-type region 132 , the second semiconductor layer p-type region 123 and the fourth semiconductor layer 140 . The dotted regions in FIG. 1 indicate p-type regions. The area of the projection region of the p-type region projected onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1 is smaller than the area of the projection region of the second semiconductor layer 120 projected onto the first surface Sub1a of the substrate Sub1.

第2領域R2は、p型半導体を有する領域である。第1領域R1は、第2領域R2以外の領域である。このため、第1領域R1は、p型半導体を有していない領域である。 The second region R2 is a region having a p-type semiconductor. The first region R1 is a region other than the second region R2. Therefore, the first region R1 is a region that does not have a p-type semiconductor.

第1半導体層110は、第1領域R1および第2領域R2にわたって不純物を意図的にドープされていないノンドープ領域である。 The first semiconductor layer 110 is a non-doped region that is intentionally not doped with impurities over the first region R1 and the second region R2.

第2半導体層120は、第1領域R1に第1ノンドープ領域121を有し、第2領域R2の第1半導体層110の側に第2ノンドープ領域122を有し、第2領域R2の第3半導体層130の側に第2半導体層p型領域123を有する。なお、第1領域R1の第2半導体層120は、p型領域を有していない。 The second semiconductor layer 120 has a first non-doped region 121 in the first region R1, a second non-doped region 122 in the first semiconductor layer 110 side of the second region R2, and a third region 122 in the second region R2. It has a second semiconductor layer p-type region 123 on the semiconductor layer 130 side. Note that the second semiconductor layer 120 in the first region R1 does not have a p-type region.

第1領域R1の第1ノンドープ領域121は、例えば、AlGaN層である。第1ノンドープ領域121は不純物が意図的にドープされていない領域である。 The first non-doped region 121 of the first region R1 is, for example, an AlGaN layer. The first non-doped region 121 is a region not intentionally doped with impurities.

第2領域R2の第2ノンドープ領域122は、例えば、AlGaN層である。第2ノンドープ領域122は不純物が意図的にドープされていない領域である。 The second non-doped region 122 of the second region R2 is, for example, an AlGaN layer. The second non-doped region 122 is a region not intentionally doped with impurities.

第2領域R2の第2半導体層p型領域123は、例えば、p型AlGaN層である。第2半導体層p型領域123のp型ドーパントは、第4半導体層140から熱拡散により拡散されたものである。p型ドーパントは、例えば、Mgである。第2領域R2において、第2半導体層p型領域123は、第1ノンドープ領域121の側にノンドープ領域を有する。このノンドープ領域は、後述するMgの拡散により、Mgがほとんど到達していない領域である。 The second semiconductor layer p-type region 123 of the second region R2 is, for example, a p-type AlGaN layer. The p-type dopant of the second semiconductor layer p-type region 123 is diffused from the fourth semiconductor layer 140 by thermal diffusion. A p-type dopant is, for example, Mg. In the second region R2, the second semiconductor layer p-type region 123 has a non-doped region on the first non-doped region 121 side. This non-doped region is a region in which Mg hardly reaches due to diffusion of Mg, which will be described later.

第3半導体層130は、第1領域R1に位置する第3半導体層ノンドープ領域131と、第2領域R2に位置する第3半導体層p型領域132と、を有する。第2領域R2において、第3半導体層p型領域132は、第2半導体層120の側であって第3半導体層ノンドープ領域131の側に、ノンドープ領域を有する。このノンドープ領域は、後述するMgの拡散により、Mgがほとんど到達していない領域である。このため、図1に示すように、基板Sub1の第1面Sub1aに垂直な断面においては、第3半導体層p型領域132はT字形状である。 The third semiconductor layer 130 has a third semiconductor layer non-doped region 131 located in the first region R1 and a third semiconductor layer p-type region 132 located in the second region R2. In the second region R2, the third semiconductor layer p-type region 132 has a non-doped region on the second semiconductor layer 120 side and the third semiconductor layer non-doped region 131 side. This non-doped region is a region in which Mg hardly reaches due to diffusion of Mg, which will be described later. Therefore, as shown in FIG. 1, the third semiconductor layer p-type region 132 is T-shaped in a cross section perpendicular to the first surface Sub1a of the substrate Sub1.

第4半導体層140は、p型半導体のみを有する。このp型半導体は第4半導体層p型領域である。 The fourth semiconductor layer 140 has only p-type semiconductors. This p-type semiconductor is the fourth semiconductor layer p-type region.

第1領域R1は、p型領域を有していない。第2領域R2は、ノンドープ領域とp型領域とを有する。第2領域R2においては、基板Sub1の側にノンドープ領域があり、ゲート電極G1の側にp型領域がある。 The first region R1 does not have a p-type region. The second region R2 has a non-doped region and a p-type region. In the second region R2, there is a non-doped region on the substrate Sub1 side and a p-type region on the gate electrode G1 side.

第1領域R1においては、第1半導体層110と、第2半導体層120の第1ノンドープ領域121と、第3半導体層130の第3半導体層ノンドープ領域131とは、ノンドープ領域である。 In the first region R1, the first semiconductor layer 110, the first non-doped region 121 of the second semiconductor layer 120, and the third semiconductor layer non-doped region 131 of the third semiconductor layer 130 are non-doped regions.

第2領域R2においては、第1半導体層110と、第2半導体層120の第2ノンドープ領域122とは、ノンドープ領域である。 In the second region R2, the first semiconductor layer 110 and the second non-doped region 122 of the second semiconductor layer 120 are non-doped regions.

第2領域R2においては、第2半導体層120の第2半導体層p型領域123と、第3半導体層130の第3半導体層p型領域132と、第4半導体層140とは、ひとつながりの連続しているp型領域である。第3半導体層130の第3半導体層p型領域132は、第2半導体層p型領域123と、第4半導体層140とに接触している。第3半導体層p型領域132と第2半導体層p型領域123とは第3半導体層130と第2半導体層120との界面で連続している。第3半導体層p型領域132と第4半導体層140とは第3半導体層130と第4半導体層140との界面で連続している。 In the second region R2, the second semiconductor layer p-type region 123 of the second semiconductor layer 120, the third semiconductor layer p-type region 132 of the third semiconductor layer 130, and the fourth semiconductor layer 140 are connected to each other. It is a continuous p-type region. The third semiconductor layer p-type region 132 of the third semiconductor layer 130 is in contact with the second semiconductor layer p-type region 123 and the fourth semiconductor layer 140 . The third semiconductor layer p-type region 132 and the second semiconductor layer p-type region 123 are continuous at the interface between the third semiconductor layer 130 and the second semiconductor layer 120 . The third semiconductor layer p-type region 132 and the fourth semiconductor layer 140 are continuous at the interface between the third semiconductor layer 130 and the fourth semiconductor layer 140 .

ソース電極S1およびドレイン電極D1は、第1領域R1の第1ノンドープ領域121に接触して形成されている。このように、ソース電極S1およびドレイン電極D1は、第1領域R1の範囲内に位置している。 The source electrode S1 and the drain electrode D1 are formed in contact with the first non-doped region 121 of the first region R1. Thus, the source electrode S1 and the drain electrode D1 are positioned within the range of the first region R1.

ゲート電極G1は、第2領域R2のpGaN層142の上に形成されている。すなわち、ゲート電極G1は、第3半導体層p型領域132より上層であって第2領域R2に位置している。このように、ゲート電極G1は、第2領域R2の範囲内に位置している。 The gate electrode G1 is formed on the p + GaN layer 142 in the second region R2. That is, the gate electrode G1 is positioned above the third semiconductor layer p-type region 132 and in the second region R2. Thus, the gate electrode G1 is positioned within the range of the second region R2.

p型の第4半導体層140および第3半導体層p型領域132のMgが拡散することにより第2半導体層p型領域123は形成される。第3半導体層p型領域132が含有するMgは、もともと存在しているMgに加えて、第4半導体層140から拡散してきたMgを含んでいる。第4半導体層140のMg濃度は、第3半導体層p型領域132のMg濃度より高い傾向にあり、第3半導体層p型領域132のMg濃度は、第2半導体層p型領域123のMg濃度より高い傾向にある。 The second semiconductor layer p-type region 123 is formed by diffusing Mg in the p-type fourth semiconductor layer 140 and the third semiconductor layer p-type region 132 . The Mg contained in the third semiconductor layer p-type region 132 includes Mg diffused from the fourth semiconductor layer 140 in addition to Mg originally present. The Mg concentration of the fourth semiconductor layer 140 tends to be higher than the Mg concentration of the third semiconductor layer p-type region 132 , and the Mg concentration of the third semiconductor layer p-type region 132 is higher than that of the second semiconductor layer p-type region 123 . concentration tends to be higher.

また、測定装置の測定誤差の範囲内で、基板Sub1の第1面Sub1aに垂直な方向に対するMg濃度は、第4半導体層140と第3半導体層p型領域132との境界で連続であり、第3半導体層p型領域132と第2半導体層p型領域123との境界で連続である。 Further, the Mg concentration in the direction perpendicular to the first surface Sub1a of the substrate Sub1 is continuous at the boundary between the fourth semiconductor layer 140 and the third semiconductor layer p-type region 132 within the measurement error of the measuring device, It is continuous at the boundary between the third semiconductor layer p-type region 132 and the second semiconductor layer p-type region 123 .

また、第2半導体層120におけるAl組成は、測定装置の測定誤差の範囲内で、均一である。すなわち、第1領域R1の第1ノンドープ領域121と第2領域R2の第2ノンドープ領域122と第2領域R2の第2半導体層p型領域123とにおけるAl組成は、均一である。 Also, the Al composition in the second semiconductor layer 120 is uniform within the measurement error of the measuring device. That is, the Al composition in the first non-doped region 121 of the first region R1, the second non-doped region 122 of the second region R2, and the second semiconductor layer p-type region 123 of the second region R2 is uniform.

第1領域R1の第1ノンドープ領域121と第2領域R2の第2ノンドープ領域122とは、連続している。これらの組成は、測定装置の測定誤差の範囲内で、同じである。 The first non-doped region 121 of the first region R1 and the second non-doped region 122 of the second region R2 are continuous. These compositions are the same within the measurement error of the measurement equipment.

第2領域R2の第2ノンドープ領域122の膜厚は、例えば、0.5nm以上10.5nm以下である。好ましくは、1nm以上10nm以下である。 The film thickness of the second non-doped region 122 of the second region R2 is, for example, 0.5 nm or more and 10.5 nm or less. Preferably, it is 1 nm or more and 10 nm or less.

第2領域R2におけるMgの濃度は、第2半導体層p型領域123および第3半導体層p型領域132の内部において、基板Sub1の第1面Sub1aに向かうにつれて減少する。第2領域R2の第2半導体層p型領域123は、基板Sub1の第1面Sub1aに垂直な方向に対して、Mgの濃度勾配が緩やかな第1濃度勾配領域と、Mgの濃度勾配が急峻な第2濃度勾配領域と、を有する。第1濃度勾配領域は第3半導体層130の側に位置しており、第2濃度勾配領域は第1半導体層110の側に位置している。 The concentration of Mg in the second region R2 decreases toward the first surface Sub1a of the substrate Sub1 inside the second semiconductor layer p-type region 123 and the third semiconductor layer p-type region 132 . The second semiconductor layer p-type region 123 of the second region R2 includes a first concentration gradient region with a gentle Mg concentration gradient and a steep Mg concentration gradient with respect to the direction perpendicular to the first surface Sub1a of the substrate Sub1. and a second concentration gradient region. The first concentration gradient region is located on the third semiconductor layer 130 side, and the second concentration gradient region is located on the first semiconductor layer 110 side.

第1濃度勾配領域では、基板Sub1の第1面Sub1aに垂直な方向におけるMgの濃度勾配が、例えば、1×1012cm-3/nm以上2×1016cm-3/nm以下である。 In the first concentration gradient region, the Mg concentration gradient in the direction perpendicular to the first surface Sub1a of the substrate Sub1 is, for example, 1×10 12 cm −3 to 2×10 16 cm −3 /nm.

第2濃度勾配領域のMgの濃度は、基板Sub1の第1面Sub1aに向かうにつれて、第1濃度勾配領域のMgの濃度よりも急峻に減少する。 The Mg concentration in the second concentration gradient region decreases more steeply than the Mg concentration in the first concentration gradient region toward the first surface Sub1a of the substrate Sub1.

第3半導体層p型領域132のMg濃度と第2半導体層p型領域123のMg濃度との差は比較的小さい。 The difference between the Mg concentration of the third semiconductor layer p-type region 132 and the Mg concentration of the second semiconductor layer p-type region 123 is relatively small.

このように、第2半導体層120は、第2半導体層p型領域123および第2ノンドープ領域122と、第1ノンドープ領域121と、を基板Sub1の第1面Sub1aに平行な方向に並べて配置している。 In this manner, the second semiconductor layer 120 has the second semiconductor layer p-type region 123, the second non-doped region 122, and the first non-doped region 121 arranged side by side in a direction parallel to the first surface Sub1a of the substrate Sub1. ing.

なお、第2半導体層p型領域123と、第2ノンドープ領域122との間の境界は、Mg濃度により区別することができる。Mg濃度は、基板Sub1の第1面Sub1aに垂直な方向に、第2半導体層p型領域123から第2ノンドープ領域122にかけて急峻に低下している。境界とは、例えば、SIMS分析における半導体層の厚み方向のMgプロファイルにおけるMg濃度の変曲点である。 Note that the boundary between the second semiconductor layer p-type region 123 and the second non-doped region 122 can be distinguished by the Mg concentration. The Mg concentration sharply decreases from the second semiconductor layer p-type region 123 to the second non-doped region 122 in the direction perpendicular to the first surface Sub1a of the substrate Sub1. The boundary is, for example, an inflection point of Mg concentration in the Mg profile in the thickness direction of the semiconductor layer in SIMS analysis.

3.2次元電子ガスおよび2次元ホールガス
第2半導体層120のバンドギャップは、第1半導体層110および第3半導体層130のバンドギャップよりも大きい。このため、半導体素子100は、第1半導体層110の第2半導体層120の側に2次元電子ガス(2DEG)を発生させることが可能であり、第3半導体層130の第2半導体層120の側に2次元ホールガス(2DHG)を発生させることが可能である。
3. Two-Dimensional Electron Gas and Two-Dimensional Hole Gas The bandgap of the second semiconductor layer 120 is larger than the bandgaps of the first semiconductor layer 110 and the third semiconductor layer 130 . Therefore, the semiconductor element 100 can generate a two-dimensional electron gas (2DEG) on the side of the second semiconductor layer 120 of the first semiconductor layer 110, and the second semiconductor layer 120 of the third semiconductor layer 130 can generate a two-dimensional electron gas (2DEG). It is possible to generate a two-dimensional Hall gas (2DHG) on the side.

半導体素子100が第2の領域R2における第2半導体層120の第2半導体層p型領域123を有する。このため、第2領域R2の2次元電子ガスの状態と、第1領域R1の2次元電子ガスの状態とは異なっている。 The semiconductor device 100 has a second semiconductor layer p-type region 123 of the second semiconductor layer 120 in the second region R2. Therefore, the state of the two-dimensional electron gas in the second region R2 is different from the state of the two-dimensional electron gas in the first region R1.

第2領域R2の第2半導体層p型領域123および第3半導体層p型領域132が存在し、第2ノンドープ領域122が薄く存在する。第2半導体層120の途中までp型領域が形成されるため、半導体のバンド構造が変わる。このため、半導体素子100における第2領域R2の2次元電子ガスの濃度が、第2領域R2が存在しない従来の半導体素子における2次元電子ガスの濃度よりも低くなる。これにより、半導体素子100の閾値電圧は、従来の素子に比べて上昇する。第1の実施形態の半導体素子100はノーマリオフで動作する。 The second semiconductor layer p-type region 123 and the third semiconductor layer p-type region 132 of the second region R2 exist, and the second non-doped region 122 exists thinly. Since the p-type region is formed halfway through the second semiconductor layer 120, the band structure of the semiconductor changes. Therefore, the concentration of the two-dimensional electron gas in the second region R2 in the semiconductor device 100 becomes lower than the concentration of the two-dimensional electron gas in a conventional semiconductor device without the second region R2. As a result, the threshold voltage of the semiconductor device 100 is increased compared to conventional devices. The semiconductor device 100 of the first embodiment operates normally off.

4.半導体素子の製造方法
半導体素子100の製造方法について説明する。製造工程の途中の層について、最終的な素子の構造と同様の表記をする。例えば、p型領域が形成される前の第2半導体層であっても、第2半導体層120と表記する。
4. Method for Manufacturing Semiconductor Device A method for manufacturing the semiconductor device 100 will be described. Layers in the middle of the manufacturing process are denoted by the same notation as the final device structure. For example, even the second semiconductor layer before the formation of the p-type region is referred to as the second semiconductor layer 120 .

4-1.ノンドープ半導体層形成工程
図2は、第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その1)である。図2に示すように、基板Sub1の第1面Sub1a上に第1半導体層110と第2半導体層120と第3半導体層130とを成長させる。この段階では、第3半導体層130は、第2半導体層120の上面を一様に覆っている。
4-1. Non-Dope Semiconductor Layer Forming Step FIG. 2 is a diagram (1) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment. As shown in FIG. 2, a first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120, and a third semiconductor layer 130 are grown on the first surface Sub1a of the substrate Sub1. At this stage, the third semiconductor layer 130 evenly covers the upper surface of the second semiconductor layer 120 .

4-2.第1エッチング工程
図3は、第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その2)である。エッチングガスとしてCl等の塩素系ガスを用いて、半導体層をエッチングする。マスクを用いるエッチングにより、第3半導体層130の一部を除去し、第2半導体層120の一部を露出させる。エッチング雰囲気に酸素を微量に添加することで、表面のAlが酸化される。このため、AlGaNはほとんどエッチングされない。つまり、第2半導体層120はエッチングされずに残る。露出させた第2半導体層120および残留している第3半導体層130は凹部U1を構成する。
4-2. First Etching Step FIG. 3 is a diagram (2) for explaining the method for manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment. A chlorine-based gas such as Cl 2 is used as an etching gas to etch the semiconductor layer. A portion of the third semiconductor layer 130 is removed and a portion of the second semiconductor layer 120 is exposed by etching using a mask. By adding a small amount of oxygen to the etching atmosphere, Al on the surface is oxidized. Therefore, AlGaN is hardly etched. That is, the second semiconductor layer 120 remains without being etched. The exposed second semiconductor layer 120 and the remaining third semiconductor layer 130 constitute the recess U1.

4-3.p型半導体層形成工程
図4は、第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その3)である。図4に示すように、露出させた第2半導体層120および残留している第3半導体層130(凹部U1)の上にp型半導体層を成長させる。このp型半導体層は、第3半導体層130の第3半導体層p型領域132および第4半導体層140に相当する部分である。
4-3. P-Type Semiconductor Layer Forming Step FIG. 4 is a diagram (No. 3) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment. As shown in FIG. 4, a p-type semiconductor layer is grown on the exposed second semiconductor layer 120 and the remaining third semiconductor layer 130 (recess U1). This p-type semiconductor layer is a portion corresponding to the third semiconductor layer p-type region 132 and the fourth semiconductor layer 140 of the third semiconductor layer 130 .

4-4.第2エッチング工程
図5は、第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その4)である。次に、マスクを用いたエッチングにより、第3半導体層130および第4半導体層140の一部を除去し、残部を残留させる。この段階で、第3半導体層p型領域132および第4半導体層140領域がほぼ形成される。また、第2半導体層120におけるソース電極S1およびドレイン電極D1を形成するための領域が露出している状態にある。
4-4. Second Etching Step FIG. 5 is a diagram (No. 4) for explaining the method for manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment. Next, by etching using a mask, part of the third semiconductor layer 130 and the fourth semiconductor layer 140 is removed, leaving the remainder. At this stage, the third semiconductor layer p-type region 132 and the fourth semiconductor layer 140 region are almost formed. Also, the regions for forming the source electrode S1 and the drain electrode D1 in the second semiconductor layer 120 are exposed.

4-5.熱処理工程
図6は、第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その5)である。高圧下で熱処理を実施することにより、第3半導体層p型領域132および第4半導体層140のMgが拡散し、第2半導体層120に拡散する。これにより、第2半導体層120の第2領域R2に第2半導体層p型領域123を形成するとともに第2ノンドープ領域122を残す。このように、Mgを第2半導体層120の途中まで拡散させ、第1半導体層110まで拡散させない。この段階で、第2半導体層p型領域123と、第3半導体層p型領域132と、第2半導体層p型領域123に隣接するノンドープ領域と、第3半導体層p型領域132に隣接するノンドープ領域とが、形成される。
4-5. Heat Treatment Process FIG. 6 is a diagram (No. 5) for explaining the method for manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment. By performing heat treatment under high pressure, Mg in the third semiconductor layer p-type region 132 and the fourth semiconductor layer 140 diffuses into the second semiconductor layer 120 . As a result, the second semiconductor layer p-type region 123 is formed in the second region R2 of the second semiconductor layer 120 and the second non-doped region 122 is left. In this way, Mg is diffused halfway through the second semiconductor layer 120 and is not diffused into the first semiconductor layer 110 . At this stage, the second semiconductor layer p-type region 123, the third semiconductor layer p-type region 132, the non-doped region adjacent to the second semiconductor layer p-type region 123, and the third semiconductor layer p-type region 132 A non-doped region is formed.

熱処理工程の雰囲気ガスは、例えば、窒素である。熱処理工程の基板温度は、例えば、1100℃以上1400℃以下である。熱処理工程の圧力は、熱処理温度におけるIII族窒化物半導体の飽和蒸気圧以上の圧力である。熱処理工程の圧力は、例えば、100MPa以上2GPa以下である。熱処理工程の処理時間は、例えば、1分以上60分以下である。上記の数値範囲は、あくまで目安であり、上記以外であってもよい。 The atmosphere gas in the heat treatment process is, for example, nitrogen. The substrate temperature in the heat treatment process is, for example, 1100° C. or higher and 1400° C. or lower. The pressure in the heat treatment step is a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of the Group III nitride semiconductor at the heat treatment temperature. The pressure of the heat treatment process is, for example, 100 MPa or more and 2 GPa or less. The processing time of the heat treatment step is, for example, 1 minute or more and 60 minutes or less. The above numerical range is only a guide, and may be other than the above.

4-6.電極形成工程
図7は、第1の実施形態の半導体素子100の製造方法を説明するための図(その6)である。第2半導体層120の上であって第3半導体層130が形成されていない領域にソース電極S1およびドレイン電極D1を形成する。また、第4半導体層140の上にゲート電極G1を形成する。
4-6. Electrode Forming Step FIG. 7 is a diagram (No. 6) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100 of the first embodiment. A source electrode S1 and a drain electrode D1 are formed in a region above the second semiconductor layer 120 where the third semiconductor layer 130 is not formed. Also, a gate electrode G1 is formed on the fourth semiconductor layer 140 .

このように、基板Sub1より上層にノンドープの第1半導体層110を形成する。第1半導体層110の上にノンドープの第2半導体層120を形成する。第2半導体層120よりも上層にp型領域を形成する。熱処理温度におけるIII族窒化物半導体の飽和蒸気圧以上の圧力で熱処理することによりp型領域から第2半導体層120の途中までp型ドーパントを拡散させる。p型領域から第2半導体層120にp型ドーパントを拡散させない第1領域R1と、p型領域から第2半導体層120にp型ドーパントを拡散させる領域を含む第2領域R2と、を形成する。第2領域R2の範囲内にゲート電極G1を形成する。 Thus, the non-doped first semiconductor layer 110 is formed above the substrate Sub1. A non-doped second semiconductor layer 120 is formed on the first semiconductor layer 110 . A p-type region is formed above the second semiconductor layer 120 . The p-type dopant is diffused from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer 120 by performing heat treatment at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of the Group III nitride semiconductor at the heat treatment temperature. A first region R1 in which the p-type dopant is not diffused from the p-type region to the second semiconductor layer 120 and a second region R2 including a region in which the p-type dopant is diffused from the p-type region to the second semiconductor layer 120 are formed. . A gate electrode G1 is formed within the range of the second region R2.

5.第1の実施形態の効果
第1の実施形態の半導体素子100は、第1領域R1と第2領域R2とを有する。第1領域R1は、第1半導体層110と、第2半導体層120の第1ノンドープ領域121と、第3半導体層130の第3半導体層ノンドープ領域131と、を有する。第1領域R1は、ノンドープ層を有し、ドープ層を有さない。第2領域R2は、第1半導体層110と、第2半導体層120の第2ノンドープ領域122と第2半導体層p型領域123と、第3半導体層130の第3半導体層p型領域132と、第4半導体層140と、を有する。第2領域R2は、ゲート電極G1側にドープ層を有し、基板Sub1側にノンドープ層を有する。
5. Effect of First Embodiment The semiconductor device 100 of the first embodiment has a first region R1 and a second region R2. The first region R<b>1 has the first semiconductor layer 110 , the first non-doped region 121 of the second semiconductor layer 120 , and the third semiconductor layer non-doped region 131 of the third semiconductor layer 130 . The first region R1 has a non-doped layer and does not have a doped layer. The second region R2 includes the first semiconductor layer 110, the second non-doped region 122 and the second semiconductor layer p-type region 123 of the second semiconductor layer 120, and the third semiconductor layer p-type region 132 of the third semiconductor layer 130. , and a fourth semiconductor layer 140 . The second region R2 has a doped layer on the gate electrode G1 side and a non-doped layer on the substrate Sub1 side.

また、第2領域R2の第2ノンドープ領域122は十分に薄い。このため、半導体素子100の閾値電圧は正の電圧となり、半導体素子100はノーマリオフで動作する。 Also, the second non-doped region 122 of the second region R2 is sufficiently thin. Therefore, the threshold voltage of the semiconductor device 100 becomes a positive voltage, and the semiconductor device 100 operates normally off.

6.変形例
6-1.分極超接合を有していない半導体素子
図8は、第1の実施形態の変形例における半導体素子200の概略構成図である。半導体素子200は、分極超接合を有していないHEMTである。半導体素子200は、基板Sub1と第1半導体層110と第2半導体層120Aとp型半導体層240とソース電極S1とドレイン電極D1とゲート電極G1とを有する。また、半導体素子200は、第1領域R1および第2領域R2を有する。半導体素子200の第2領域R2は、第1半導体層110と第2半導体層120Aとp型半導体層240とを有する。p型半導体層240は第3半導体層p型領域である。第1半導体層110および第2ノンドープ領域122がノンドープ層であり、第2半導体層p型領域123Aおよびp型半導体層240がドープ層である。つまり、第2領域R2は、基板Sub1側にノンドープ層を有し、ゲート電極G1側にドープ層を有する。
6. Modification 6-1. Semiconductor Device Without Polarized Superjunction FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 200 in a modification of the first embodiment. Semiconductor device 200 is a HEMT that does not have a polarized superjunction. The semiconductor element 200 has a substrate Sub1, a first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120A, a p-type semiconductor layer 240, a source electrode S1, a drain electrode D1, and a gate electrode G1. The semiconductor element 200 also has a first region R1 and a second region R2. The second region R2 of the semiconductor element 200 has a first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120A and a p-type semiconductor layer 240. As shown in FIG. The p-type semiconductor layer 240 is the third semiconductor layer p-type region. First semiconductor layer 110 and second non-doped region 122 are non-doped layers, and second semiconductor layer p-type region 123A and p-type semiconductor layer 240 are doped layers. That is, the second region R2 has a non-doped layer on the substrate Sub1 side and a doped layer on the gate electrode G1 side.

この場合であっても半導体素子200はノーマリオフで動作する。 Even in this case, the semiconductor device 200 operates normally off.

6-2.第4半導体層の形状
第4半導体層140は、凹部U1の上にp型半導体を再成長させた層である。このため、第4半導体層140の箇所が周囲より凹んでいる場合がある。例えば、第4半導体層140の表面が、第3半導体層130の表面よりも基板Sub1の第1面Sub1aの側に位置していることがある。
6-2. Shape of Fourth Semiconductor Layer The fourth semiconductor layer 140 is a layer obtained by regrowing a p-type semiconductor on the concave portion U1. Therefore, the fourth semiconductor layer 140 may be recessed from its surroundings. For example, the surface of the fourth semiconductor layer 140 may be located closer to the first surface Sub1a of the substrate Sub1 than the surface of the third semiconductor layer 130 is.

6-3.p型ドーパント
Mg以外のp型ドーパントを用いてもよい。
6-3. p-type dopant p-type dopants other than Mg may be used.

6-4.積層構造
半導体層の積層構造は、第1の実施形態の半導体素子100と異なる積層構造であってもよい。例えば、基板Sub1と第1半導体層110との間にその他の層があってもよい。
6-4. Stacked Structure The stacked structure of the semiconductor layers may be a stacked structure different from that of the semiconductor element 100 of the first embodiment. For example, there may be other layers between the substrate Sub1 and the first semiconductor layer 110 .

6-5.組み合わせ
上記の変形例を組み合わせてもよい。
6-5. Combinations The above variations may be combined.

(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。第1の実施形態と異なる点について説明する。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described. Differences from the first embodiment will be described.

1.半導体素子
図9は、第2の実施形態の半導体素子100Aの概略構成図である。半導体素子100Aでは、第2半導体層120Aおよび第3半導体層130Aが第1の実施形態と異なる。第2半導体層120Aは、第1ノンドープ領域121と、第2ノンドープ領域122と、第2半導体層p型領域123Aと、を有する。第3半導体層130Aは、第3半導体層ノンドープ領域131と、第3半導体層p型領域132Aと、を有する。
1. Semiconductor Device FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 100A of the second embodiment. The semiconductor element 100A differs from the first embodiment in the second semiconductor layer 120A and the third semiconductor layer 130A. The second semiconductor layer 120A has a first non-doped region 121, a second non-doped region 122, and a second semiconductor layer p-type region 123A. The third semiconductor layer 130A has a third semiconductor layer non-doped region 131 and a third semiconductor layer p-type region 132A.

第2半導体層p型領域123Aおよび第3半導体層p型領域132Aは、第2領域R2の範囲内において、ノンドープ領域をほとんど有していない。第4半導体層140と、第2半導体層p型領域123Aと、第3半導体層p型領域132AとにおけるMgの拡散領域の横方向の幅は、ほぼ等しい。 The second semiconductor layer p-type region 123A and the third semiconductor layer p-type region 132A hardly have a non-doped region within the range of the second region R2. The lateral widths of the Mg diffusion regions in the fourth semiconductor layer 140, the second semiconductor layer p-type region 123A, and the third semiconductor layer p-type region 132A are substantially equal.

1.半導体素子の製造方法
1-1.半導体層形成工程
図10は、第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その1)である。基板Sub1の第1面Sub1aの上に第1半導体層110、第2半導体層120A、第3半導体層130A、第4半導体層140をこの順序で成長させる。ただし、この段階では、第2半導体層120Aおよび第3半導体層130Aはノンドープ層であり、第4半導体層140はp型半導体層である。
1. Manufacturing method of semiconductor element 1-1. Semiconductor Layer Forming Step FIG. 10 is a diagram (part 1) for explaining the method of manufacturing the semiconductor element 100A of the second embodiment. A first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120A, a third semiconductor layer 130A, and a fourth semiconductor layer 140 are grown in this order on the first surface Sub1a of the substrate Sub1. However, at this stage, the second semiconductor layer 120A and the third semiconductor layer 130A are non-doped layers, and the fourth semiconductor layer 140 is a p-type semiconductor layer.

1-2.第1エッチング工程
図11は、第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その2)である。マスクを用いたドライエッチングにより、第4半導体層140の一部を除去する。この際に、ゲート電極G1を形成する領域を残す。第1領域R1に該当する領域の第4半導体層140が除去され、第2領域R2に該当するp型領域の一部である第4半導体層140が残留することとなる。
1-2. First Etching Step FIG. 11 is a diagram (part 2) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100A of the second embodiment. A portion of the fourth semiconductor layer 140 is removed by dry etching using a mask. At this time, a region for forming the gate electrode G1 is left. The fourth semiconductor layer 140 in the region corresponding to the first region R1 is removed, and the fourth semiconductor layer 140 that is part of the p-type region corresponding to the second region R2 remains.

1-3.熱処理工程
図12は、第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その3)である。これにより、第4半導体層140のMgが第3半導体層130Aおよび第2半導体層120Aの途中まで拡散する。これにより、半導体素子100Aの第2領域R2のp型領域が形成される。熱処理の条件は、第1の実施形態と同様である。第2半導体層120Aの直上の半導体層がノンドープ層であるため、熱処理の時間を第1の実施形態よりも長くしてもよい。
1-3. Heat Treatment Process FIG. 12 is a diagram (part 3) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100A of the second embodiment. As a result, Mg in the fourth semiconductor layer 140 diffuses halfway through the third semiconductor layer 130A and the second semiconductor layer 120A. Thereby, the p-type region of the second region R2 of the semiconductor element 100A is formed. The heat treatment conditions are the same as in the first embodiment. Since the semiconductor layer directly above the second semiconductor layer 120A is a non-doped layer, the heat treatment time may be longer than in the first embodiment.

1-4.第2エッチング工程
図13は、第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その4)である。マスクを用いたドライエッチングにより、第3半導体層130Aの一部を除去する。これにより、ソース電極S1およびドレイン電極D1を形成する領域を露出させる。
1-4. Second Etching Step FIG. 13 is a diagram (No. 4) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100A of the second embodiment. A portion of the third semiconductor layer 130A is removed by dry etching using a mask. As a result, regions for forming the source electrode S1 and the drain electrode D1 are exposed.

1-5.電極形成工程
図14は、第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法を説明するための図(その5)である。第1領域R1の第2半導体層120Aに接触するようにソース電極S1およびドレイン電極D1を形成する。第2領域R2の第4半導体層140の上にゲート電極G1を形成する。
1-5. Electrode Forming Step FIG. 14 is a diagram (No. 5) for explaining the method of manufacturing the semiconductor device 100A of the second embodiment. A source electrode S1 and a drain electrode D1 are formed to contact the second semiconductor layer 120A in the first region R1. A gate electrode G1 is formed on the fourth semiconductor layer 140 in the second region R2.

2.第2の実施形態の効果
第2の実施形態の半導体素子100Aの製造方法では、第2領域R2を形成する際に、第3半導体層130Aと対面する第2半導体層120Aをエッチングガスにさらすことがない。このため、第3半導体層130Aと対面する第2半導体層120Aの表面が荒れるおそれがない。また、エッチング後の再成長を行う必要がないため、例えばSiなどの不純物による再成長界面の汚染がない。したがって、半導体素子のリーク電流が抑制される。
2. Effects of the Second Embodiment In the method for manufacturing a semiconductor device 100A of the second embodiment, when forming the second region R2, the second semiconductor layer 120A facing the third semiconductor layer 130A is exposed to an etching gas. There is no Therefore, there is no possibility that the surface of the second semiconductor layer 120A facing the third semiconductor layer 130A will be roughened. In addition, since there is no need to perform regrowth after etching, there is no contamination of the regrowth interface with impurities such as Si. Therefore, leakage current of the semiconductor element is suppressed.

3.変形例
3-1.半導体素子
図15は、第2の実施形態の変形例における半導体素子300の概略構成図である。半導体素子300は、第1半導体層110と、第2半導体層120Aと、第3半導体層130Aと、第4半導体層340と、ソース電極S1と、ドレイン電極D1と、ゲート電極G1と、を有する。
3. Modification 3-1. Semiconductor Device FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 300 in a modification of the second embodiment. The semiconductor element 300 has a first semiconductor layer 110, a second semiconductor layer 120A, a third semiconductor layer 130A, a fourth semiconductor layer 340, a source electrode S1, a drain electrode D1, and a gate electrode G1. .

第4半導体層340は、第3半導体層130の側らかpGaN層341と、pGaN層342と、pGaN層343と、を有する。pGaN層341におけるMgの濃度は、例えば、8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。pGaN層342におけるMgの濃度は、例えば、1×1018cm-3以上8×1019cm-3以下である。pGaN層343におけるMgの濃度は、例えば、8×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。 The fourth semiconductor layer 340 has a p + GaN layer 341 , a p GaN layer 342 and a p + GaN layer 343 from the side of the third semiconductor layer 130 . The concentration of Mg in the p + GaN layer 341 is, for example, 8×10 19 cm −3 or more and 1×10 21 cm −3 or less. The concentration of Mg in the p GaN layer 342 is, for example, 1×10 18 cm −3 or more and 8×10 19 cm −3 or less. The concentration of Mg in the p + GaN layer 343 is, for example, 8×10 19 cm −3 or more and 1×10 21 cm −3 or less.

第1の実施形態の変形例と組み合わせてもよい。例えば、図8に示すような半導体素子200を製造する場合には、第2半導体層120の上にp型半導体を形成する。 You may combine with the modification of 1st Embodiment. For example, when manufacturing a semiconductor device 200 as shown in FIG. 8, a p-type semiconductor is formed on the second semiconductor layer 120 .

(シミュレーション)
1.シミュレーション方法
シミュレーションを実施するにあたって、シルバコ社製のAtlasを用いた。これにより、Id-Vd特性および閾値電圧等を評価した。
(simulation)
1. Simulation Method Atlas manufactured by Silvaco was used for the simulation. Based on this, the Id-Vd characteristics, the threshold voltage, and the like were evaluated.

図16は、シミュレーションに用いた第1モデルの構造を示す図である。図16には、第2の実施形態の半導体素子100Aに相当する素子構造が示されている。第2領域R2のAlGaN層422とp型AlGaN層423との膜厚の合計は、第1領域R1のAlGaN層421の膜厚と同じである。第1領域R1のAlGaN層421の膜厚を25nmで固定し、第2領域R2のp型AlGaN層423の膜厚を変化させた。 FIG. 16 is a diagram showing the structure of the first model used for the simulation. FIG. 16 shows an element structure corresponding to the semiconductor element 100A of the second embodiment. The total thickness of the AlGaN layer 422 and the p-type AlGaN layer 423 in the second region R2 is the same as the thickness of the AlGaN layer 421 in the first region R1. The thickness of the AlGaN layer 421 in the first region R1 was fixed at 25 nm, and the thickness of the p-type AlGaN layer 423 in the second region R2 was varied.

AlGaN層421の膜厚を25nmとした。AlGaN層422およびp型AlGaN層423の合計の膜厚を25nmとした。AlGaN層422およびp型AlGaN層423の横方向の長さを4μmとした。AlGaN層421のAl組成を0.25とした(モル分率)。AlGaN層422のAl組成およびp型AlGaN層423のAl組成を0.25とした。AlGaN層421およびAlGaN層422のドナー濃度を、1×1015cm-3とした。この値はノンドープGaNのドナー濃度と同程度である。p型AlGaN層423のアクセプタ濃度を3×1019cm-3とした。シミュレーションに際して、p型AlGaN層423の膜厚を変化させ、それに伴ってAlGaN層422の膜厚も変化させた。 The film thickness of the AlGaN layer 421 was set to 25 nm. The total thickness of the AlGaN layer 422 and the p-type AlGaN layer 423 was set to 25 nm. The horizontal length of the AlGaN layer 422 and the p-type AlGaN layer 423 was set to 4 μm. The Al composition of the AlGaN layer 421 was set to 0.25 (molar fraction). The Al composition of the AlGaN layer 422 and the Al composition of the p-type AlGaN layer 423 were set to 0.25. The donor concentration of the AlGaN layers 421 and 422 was set to 1×10 15 cm −3 . This value is comparable to the donor concentration of non-doped GaN. The acceptor concentration of the p-type AlGaN layer 423 was set to 3×10 19 cm −3 . In the simulation, the film thickness of the p-type AlGaN layer 423 was changed, and the film thickness of the AlGaN layer 422 was also changed accordingly.

GaN層410の膜厚を1.5μmとした。GaN層410のドナー濃度を1×1015cm-3とした。 The film thickness of the GaN layer 410 was set to 1.5 μm. The donor concentration of the GaN layer 410 was set to 1×10 15 cm −3 .

GaN層431の膜厚を10nmとした。GaN層431の横方向の長さを6μmとした。GaN層431のドナー濃度を1×1015cm-3とした。 The film thickness of the GaN layer 431 was set to 10 nm. The lateral length of the GaN layer 431 was set to 6 μm. The donor concentration of the GaN layer 431 was set to 1×10 15 cm −3 .

p型GaN層432の膜厚を10nmとした。p型GaN層432の横方向の長さを4μmとした。p型GaN層432のアクセプタ濃度を3×1019cm-3とした。 The film thickness of the p-type GaN layer 432 was set to 10 nm. The lateral length of the p-type GaN layer 432 was set to 4 μm. The acceptor concentration of the p-type GaN layer 432 was set to 3×10 19 cm −3 .

p型GaN層440の膜厚を30nmとした。p型GaN層440の横方向の長さを4μmとした。アクセプタ濃度を3×1019cm-3とした。 The film thickness of the p-type GaN layer 440 was set to 30 nm. The lateral length of the p-type GaN layer 440 was set to 4 μm. The acceptor concentration was set to 3×10 19 cm −3 .

分極超接合長(LPSJ)を6μmとした。ゲート電極G1の横方向の幅を3μmとした。 The polarization superjunction length (L PSJ ) was set to 6 μm. The lateral width of the gate electrode G1 is set to 3 μm.

図17は、シミュレーションに用いた第2モデルの構造を示す図である。図17には、従来のPSJ型の半導体素子に相当する素子構造が開示されている。図17に示す素子構造は、第1の実施形態の半導体素子100の製造工程において、熱処理工程を実施しなかった場合に相当する。すなわち、ゲート電極G1の直下のp型GaN層540からMgが、p型GaN層540に接触しているGaN層530およびAlGaN層520に拡散していない。つまり、第2モデルにおいては、第2半導体層および第3半導体層に相当する領域にp型半導体層が存在しない。 FIG. 17 is a diagram showing the structure of the second model used for the simulation. FIG. 17 discloses an element structure corresponding to a conventional PSJ type semiconductor element. The element structure shown in FIG. 17 corresponds to the case where the heat treatment process is not performed in the manufacturing process of the semiconductor element 100 of the first embodiment. That is, Mg does not diffuse from the p-type GaN layer 540 immediately below the gate electrode G1 into the GaN layer 530 and AlGaN layer 520 in contact with the p-type GaN layer 540 . That is, in the second model, no p-type semiconductor layer exists in the regions corresponding to the second semiconductor layer and the third semiconductor layer.

AlGaN層520の膜厚を25nmとした。AlGaN層520のAl組成を0.25とした(モル分率)。AlGaN層520のドナー濃度を1×1015cm-3とした。 The thickness of the AlGaN layer 520 was set to 25 nm. The Al composition of the AlGaN layer 520 was set to 0.25 (molar fraction). The AlGaN layer 520 has a donor concentration of 1×10 15 cm −3 .

GaN層530の膜厚を10nmとした。GaN層530の横方向の長さを10μmとした。GaN層530のドナー濃度を1×1015cm-3とした。 The film thickness of the GaN layer 530 was set to 10 nm. The lateral length of the GaN layer 530 was set to 10 μm. The donor concentration of the GaN layer 530 was set to 1×10 15 cm −3 .

p型GaN層540の膜厚を30nmとした。p型GaN層540の横方向の長さを4μmとした。p型GaN層540のアクセプタ濃度を3×1019cm-3とした。 The film thickness of the p-type GaN layer 540 was set to 30 nm. The lateral length of the p-type GaN layer 540 was set to 4 μm. The acceptor concentration of the p-type GaN layer 540 was set to 3×10 19 cm −3 .

分極超接合長(LPSJ)を6μmとした。ゲート電極G1の横方向の幅を3μmとした。 The polarization superjunction length (L PSJ ) was set to 6 μm. The lateral width of the gate electrode G1 is set to 3 μm.

2.シミュレーション結果
2-1.閾値電圧
図18は、第1モデルにおけるゲート-ソース間電圧(Vgs)とドレイン電流Idとの間の関係を示すグラフである。図18の横軸はゲート-ソース間電圧(Vgs)である。図18の縦軸はドレイン電流Idである。なお、p型AlGaN層423の膜厚を20nmとし、AlGaN層422の膜厚を5nmとした。ドレイン-ソース間電圧(Vds)は、20Vをとした。
2. Simulation result 2-1. Threshold Voltage FIG. 18 is a graph showing the relationship between the gate-source voltage (Vgs) and the drain current Id in the first model. The horizontal axis of FIG. 18 is the gate-source voltage (Vgs). The vertical axis in FIG. 18 is the drain current Id. The thickness of the p-type AlGaN layer 423 was set to 20 nm, and the thickness of the AlGaN layer 422 was set to 5 nm. A drain-source voltage (Vds) was set to 20V.

図18に示すように、ゲート-ソース間電圧(Vgs)が正の値のときに、ドレイン電流Idが立ち上がる。閾値電圧は、およそ2V程度である。このように、MgがAlGaN層の途中まで拡散することにより、閾値電圧は上昇する。このときの半導体素子はノーマリオフで動作する。 As shown in FIG. 18, the drain current Id rises when the gate-source voltage (Vgs) has a positive value. The threshold voltage is approximately 2V. In this way, Mg diffuses halfway through the AlGaN layer, thereby increasing the threshold voltage. The semiconductor device at this time operates normally off.

図19は、第2モデルにおけるゲート-ソース間電圧(Vgs)とドレイン電流Idとの間の関係を示すグラフである。図19の横軸はゲート-ソース間電圧(Vgs)である。図19の縦軸はドレイン電流Idである。ドレイン-ソース間電圧(Vds)を、20Vとした。 FIG. 19 is a graph showing the relationship between the gate-source voltage (Vgs) and the drain current Id in the second model. The horizontal axis of FIG. 19 is the gate-source voltage (Vgs). The vertical axis of FIG. 19 is the drain current Id. A drain-source voltage (Vds) was set to 20V.

図19に示すように、ゲート-ソース間電圧(Vgs)が負の値のときに、ドレイン電流Idが立ち上がる。閾値電圧は、およそ-4V程度である。このときの半導体素子はノーマリオンで動作する。 As shown in FIG. 19, the drain current Id rises when the gate-source voltage (Vgs) has a negative value. The threshold voltage is approximately -4V. The semiconductor element at this time operates normally on.

2-2.Mgの拡散領域と閾値電圧との間の関係
図20は、第1モデルにおけるp型AlGaN層423の膜厚と閾値電圧Vthとの間の関係を示す表である。p型AlGaN層423の膜厚を厚くするほど、閾値電圧Vthは大きくなる傾向がある。
2-2. Relationship Between Mg Diffusion Region and Threshold Voltage FIG. 20 is a table showing the relationship between the thickness of the p-type AlGaN layer 423 and the threshold voltage Vth in the first model. The threshold voltage Vth tends to increase as the thickness of the p-type AlGaN layer 423 increases.

図21は、第1モデルにおけるp型AlGaN層423の膜厚と閾値電圧Vthとの間の関係を示すグラフである。図21の横軸はp型AlGaN層423の膜厚である。図21の縦軸は閾値電圧Vthである。 FIG. 21 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type AlGaN layer 423 and the threshold voltage Vth in the first model. The horizontal axis of FIG. 21 is the film thickness of the p-type AlGaN layer 423 . The vertical axis of FIG. 21 is the threshold voltage Vth.

図21に示すように、Mgを第2半導体層120の側に拡散させるほど、閾値電圧Vthは高くなる。p型AlGaN層423の膜厚がおよそ14.5nm以上、すなわち、p型AlGaN層423の直下のAlGaN層422の膜厚がおよそ10.5nm以下の場合に、閾値電圧Vthは正の値をとる。この条件の場合に、半導体素子はノーマリオフで動作する。 As shown in FIG. 21, the more Mg is diffused toward the second semiconductor layer 120, the higher the threshold voltage Vth. The threshold voltage Vth takes a positive value when the thickness of the p-type AlGaN layer 423 is approximately 14.5 nm or more, that is, when the thickness of the AlGaN layer 422 immediately below the p-type AlGaN layer 423 is approximately 10.5 nm or less. . Under this condition, the semiconductor device operates normally off.

2-3.Id-Vd特性
図22は、第1モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その1)である。図22の横軸はドレイン-ソース間電圧(Vds)である。図22の縦軸はドレイン電流Id(10-5A)である。
2-3. Id-Vd Characteristics FIG. 22 is a graph (part 1) showing the Id-Vd characteristics in the first model. The horizontal axis of FIG. 22 is the drain-source voltage (Vds). The vertical axis in FIG. 22 is the drain current Id (10 −5 A).

図22に示すように、正のドレイン-ソース間電圧(Vds)で、順方向の電流が流れる。 As shown in FIG. 22, forward current flows at positive drain-source voltage (Vds).

図23は、第1モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その2)である。図23の横軸はドレイン-ソース間電圧(Vds)である。図23の縦軸はドレイン電流Id(pA)である。 FIG. 23 is a graph (part 2) showing the Id-Vd characteristics in the first model. The horizontal axis of FIG. 23 is the drain-source voltage (Vds). The vertical axis in FIG. 23 is the drain current Id (pA).

図24は、第2モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その1)である。図24の横軸はドレイン-ソース間電圧(Vds)である。図24の縦軸はドレイン電流Id(10-5A)である。 FIG. 24 is a graph (Part 1) showing the Id-Vd characteristics in the second model. The horizontal axis of FIG. 24 is the drain-source voltage (Vds). The vertical axis in FIG. 24 is the drain current Id (10 −5 A).

図25は、第2モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その2)である。図25の横軸はドレイン-ソース間電圧(Vds)である。図25の縦軸はドレイン電流Id(pA)である。 FIG. 25 is a graph (part 2) showing the Id-Vd characteristics in the second model. The horizontal axis of FIG. 25 is the drain-source voltage (Vds). The vertical axis of FIG. 25 is the drain current Id (pA).

図26は、第1モデルにおけるId-Vd特性を示すグラフ(その3)である。図26の横軸はドレイン-ソース間電圧(Vds)である。図26の縦軸はドレイン電流Id(10-5A)である。p型AlGaN層423の膜厚を20nmとした。 FIG. 26 is a graph (part 3) showing the Id-Vd characteristics in the first model. The horizontal axis of FIG. 26 is the drain-source voltage (Vds). The vertical axis in FIG. 26 is the drain current Id (10 −5 A). The film thickness of the p-type AlGaN layer 423 was set to 20 nm.

(実験)
1.Siの偏析
1-1.実験方法
MOCVD炉の内部でサファイア基板の上にGaN層を成長させた後にMOCVD炉から基板を取り出し、MOCVD炉の内部に再度配置してGaN層を成長させた。そのGaN層についてSIMSによりSiの濃度を測定した。
(experiment)
1. Segregation of Si 1-1. Experimental Method After growing the GaN layer on the sapphire substrate inside the MOCVD furnace, the substrate was taken out from the MOCVD furnace and placed again inside the MOCVD furnace to grow the GaN layer. The Si concentration of the GaN layer was measured by SIMS.

1-2.実験結果
図27は、GaN半導体の位置とSi濃度との間の関係を示すグラフである。図27の横軸は表面からのGaN半導体の深さである。図27の縦軸はSi濃度である。
1-2. Experimental Results FIG. 27 is a graph showing the relationship between the position of the GaN semiconductor and the Si concentration. The horizontal axis of FIG. 27 is the depth of the GaN semiconductor from the surface. The vertical axis of FIG. 27 is the Si concentration.

図27に示すように、MOCVD炉の内部でGaNを成長させた領域ではSi濃度が1×1014cm-3程度から1×1015cm-3程度の範囲内である。そして、MOCVD炉から外に出した際に大気に触れたと考えられるGaNの領域ではSi濃度が1×1017cm-3程度と大きい。 As shown in FIG. 27, in the region where GaN is grown inside the MOCVD furnace, the Si concentration ranges from about 1×10 14 cm −3 to about 1×10 15 cm −3 . The Si concentration is as high as about 1×10 17 cm −3 in the GaN region that is thought to have come into contact with the atmosphere when taken out of the MOCVD furnace.

2.Mgの拡散
2-1.実験方法
サファイア基板の上にアンドープのGaN層を2μmの厚みで成長させ、その上にAl組成が0.25のアンドープのAlGaN層を25nmの厚みで成長させ、その上にMgドープのp型GaN層を120nmの厚みで成長させた。このp型GaN層のMg濃度は3×1018cm-3であった。さらに、その上に高Mgドープのp型GaN層を3nmの厚みで成長させた。このp型GaN層のMg濃度は8×1019cm-3であった。
2. Diffusion of Mg 2-1. Experimental Method An undoped GaN layer was grown to a thickness of 2 μm on a sapphire substrate, an undoped AlGaN layer having an Al composition of 0.25 was grown thereon to a thickness of 25 nm, and Mg-doped p-type GaN was grown thereon. The layer was grown with a thickness of 120 nm. The Mg concentration of this p-type GaN layer was 3×10 18 cm −3 . Further, a highly Mg-doped p-type GaN layer was grown thereon to a thickness of 3 nm. The Mg concentration of this p-type GaN layer was 8×10 19 cm −3 .

熱処理工程を実施した。熱処理温度は1300℃または1400℃であった。炉内の圧力は1GPaであった。処理時間は5分であった。雰囲気ガスは窒素ガスであった。 A heat treatment step was performed. The heat treatment temperature was 1300°C or 1400°C. The pressure in the furnace was 1 GPa. Processing time was 5 minutes. The atmospheric gas was nitrogen gas.

2-2.実験結果
図28は、半導体の位置とMg濃度との間の関係を示すグラフである。図28の横軸は表面からの半導体の深さである。図28の縦軸はMg濃度である。図28におけるUHPAは、熱処理工程(超高圧アニール)のことを指している。
2-2. Experimental Results FIG. 28 is a graph showing the relationship between the position of the semiconductor and the Mg concentration. The horizontal axis of FIG. 28 is the depth of the semiconductor from the surface. The vertical axis of FIG. 28 is the Mg concentration. UHPA in FIG. 28 indicates a heat treatment process (ultra-high pressure annealing).

図28には、熱処理を実施する前のMg濃度と熱処理を実施した後のMg濃度とが示されている。図28に示すように、高温高圧の熱処理を実施することにより、Mgが半導体の表面側から半導体の奥側に向かって拡散している。 FIG. 28 shows the Mg concentration before heat treatment and the Mg concentration after heat treatment. As shown in FIG. 28, by performing heat treatment at high temperature and high pressure, Mg diffuses from the surface side of the semiconductor toward the inner side of the semiconductor.

熱処理温度が高いと、Mgはより遠い位置まで拡散する。熱処理温度が高くなることにより、基板の板面に垂直な方向におけるMg濃度の変化率は緩やかになる。 When the heat treatment temperature is high, Mg diffuses to a farther position. As the heat treatment temperature rises, the change rate of the Mg concentration in the direction perpendicular to the plate surface of the substrate becomes gentle.

図29は、図28のMg濃度の値を示す表である。半導体の表面から30nm深い位置では、アニール前のMg濃度が5.1×1018cm-3であり、1300℃のアニール後のMg濃度が2.7×1018cm-3であった。半導体の表面から119nm深い位置では、アニール前のMg濃度が7.4×1017cm-3であり、1300℃のアニール後のMg濃度が2.0×1018cm-3であった。このように、アニールを実施することにより、Mg濃度が半導体の表面に近い領域で減少し、半導体の表面から遠い領域で増加する。 FIG. 29 is a table showing Mg concentration values in FIG. At a position 30 nm deep from the surface of the semiconductor, the Mg concentration before annealing was 5.1×10 18 cm −3 and after annealing at 1300° C. was 2.7×10 18 cm −3 . At a position 119 nm deep from the surface of the semiconductor, the Mg concentration before annealing was 7.4×10 17 cm −3 and after annealing at 1300° C. was 2.0×10 18 cm −3 . By performing annealing in this way, the Mg concentration decreases in the region near the surface of the semiconductor and increases in the region far from the surface of the semiconductor.

(付記)
第1の態様における半導体素子は、第1面を有する基板と、基板より上層の第1半導体層と、第1半導体層の上の第2半導体層と、第2半導体層の上の第3半導体層と、ゲート電極と、第1領域および第2領域と、を有する。第1半導体層と第2半導体層と第3半導体層とは、III 族窒化物半導体層である。第2半導体層のバンドギャップは、第1半導体層のバンドギャップよりも大きい。第3半導体層は、第3半導体層p型領域を有する。第2半導体層は、第1領域に第1ノンドープ領域を有し、第2領域の第1半導体層の側に第2ノンドープ領域を有し、第2領域の第3半導体層の側に第2半導体層p型領域を有する。第2領域は、第1半導体層より上層のp型領域を基板の第1面に射影した射影領域を射影領域に垂直な面で含む領域である。第1領域は、第2領域以外の領域である。ゲート電極は、第3半導体層p型領域より上層であって第2領域に位置している。第3半導体層p型領域と第2半導体層p型領域とは第3半導体層と第2半導体層との界面で連続している。
(Appendix)
A semiconductor element in a first aspect includes a substrate having a first surface, a first semiconductor layer above the substrate, a second semiconductor layer above the first semiconductor layer, and a third semiconductor above the second semiconductor layer. It has a layer, a gate electrode, and first and second regions. The first semiconductor layer, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are Group III nitride semiconductor layers. The bandgap of the second semiconductor layer is larger than the bandgap of the first semiconductor layer. The third semiconductor layer has a third semiconductor layer p-type region. The second semiconductor layer has a first non-doped region in the first region, a second non-doped region in the second region on the first semiconductor layer side, and a second semiconductor layer in the second region on the third semiconductor layer side. The semiconductor layer has a p-type region. The second region is a region including a projection region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer onto the first surface of the substrate on a plane perpendicular to the projection region. The first area is an area other than the second area. The gate electrode is located in the second region above the p-type region of the third semiconductor layer. The third semiconductor layer p-type region and the second semiconductor layer p-type region are continuous at the interface between the third semiconductor layer and the second semiconductor layer.

第2の態様における半導体素子は、第3半導体層の上の第4半導体層を有する。第4半導体層は、III 族窒化物半導体層であるとともに第4半導体層p型領域を有する。 The semiconductor device in the second aspect has a fourth semiconductor layer over the third semiconductor layer. The fourth semiconductor layer is a Group III nitride semiconductor layer and has a fourth semiconductor layer p-type region.

第3の態様における半導体素子においては、第1領域の第2半導体層は、p型領域を有していない。 In the semiconductor device according to the third aspect, the second semiconductor layer in the first region does not have a p-type region.

第4の態様における半導体素子においては、第2領域の第2半導体層p型領域は、第1面に垂直な方向におけるMgの濃度勾配が2×1016cm-3/nm以下である第1濃度勾配領域を有する。 In the semiconductor device according to the fourth aspect, the second semiconductor layer p-type region of the second region has a Mg concentration gradient of 2×10 16 cm −3 /nm or less in a direction perpendicular to the first surface. It has a concentration gradient region.

第5の態様における半導体素子は、ソース電極およびドレイン電極を有する。ソース電極およびドレイン電極は、第1領域の第2半導体層に接触している。 A semiconductor device in a fifth aspect has a source electrode and a drain electrode. A source electrode and a drain electrode are in contact with the second semiconductor layer in the first region.

第6の態様における半導体素子の製造方法においては、基板より上層にIII族窒化物半導体からなるノンドープの第1半導体層を形成する。第1半導体層の上にIII族窒化物半導体からなるとともに第1半導体層よりバンドギャップの大きいノンドープの第2半導体層を形成する。第2半導体層よりも上層にIII族窒化物半導体からなるp型領域を形成する。熱処理温度におけるIII族窒化物半導体の飽和蒸気圧以上の圧力で熱処理することによりp型領域から第2半導体層の途中までp型ドーパントを拡散させる。p型領域から第2半導体層にp型ドーパントを拡散させない第1領域と、p型領域から第2半導体層にp型ドーパントを拡散させる領域を含む第2領域と、を形成する。第2領域にゲート電極を形成する。第2領域は、第1半導体層より上層のp型領域を基板の第1面に射影した射影領域を射影領域に垂直な面で含む領域である。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect, a non-doped first semiconductor layer made of a Group III nitride semiconductor is formed above the substrate. A non-doped second semiconductor layer made of a Group III nitride semiconductor and having a bandgap larger than that of the first semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer. A p-type region made of a Group III nitride semiconductor is formed above the second semiconductor layer. The p-type dopant is diffused from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer by performing heat treatment at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of the group III nitride semiconductor at the heat treatment temperature. A first region that does not diffuse the p-type dopant from the p-type region into the second semiconductor layer and a second region that includes a region that diffuses the p-type dopant from the p-type region into the second semiconductor layer are formed. A gate electrode is formed in the second region. The second region is a region including a projection region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer onto the first surface of the substrate on a plane perpendicular to the projection region.

第7の態様における半導体素子の製造方法においては、第2半導体層の上にノンドープまたはp型の第3半導体層を形成する。第1エッチングにより第3半導体層の一部を除去して第2半導体層の一部を露出させる凹部を形成する。凹部の上にp型領域を形成する。熱処理によりp型領域から第2半導体層の途中までMgを拡散させる。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the seventh aspect, a non-doped or p-type third semiconductor layer is formed on the second semiconductor layer. The first etching removes a portion of the third semiconductor layer to form a recess exposing a portion of the second semiconductor layer. A p-type region is formed over the recess. Mg is diffused from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer by heat treatment.

第8の態様における半導体素子の製造方法においては、第2半導体層の上にノンドープまたはp型の第3半導体層を形成する。第3半導体層の上にp型半導体層を形成する。第1エッチングによりp型半導体層の一部を除去してp型領域の一部を残留させる。熱処理によりp型領域から第2半導体層の途中までMgを拡散させる。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the eighth aspect, a non-doped or p-type third semiconductor layer is formed on the second semiconductor layer. A p-type semiconductor layer is formed on the third semiconductor layer. A first etch removes a portion of the p-type semiconductor layer to leave a portion of the p-type region. Mg is diffused from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer by heat treatment.

100…半導体素子
110…第1半導体層
120…第2半導体層
121…第1ノンドープ領域
122…第2ノンドープ領域
123…第2半導体層p型領域
130…第3半導体層
131…第3半導体層ノンドープ領域
132…第3半導体層p型領域
140…第4半導体層
141…pGaN層
142…pGaN層
S1…ソース電極
D1…ドレイン電極
G1…ゲート電極
R1…第1領域
R2…第2領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100... Semiconductor element 110... First semiconductor layer 120... Second semiconductor layer 121... First non-doped region 122... Second non-doped region 123... Second semiconductor layer p-type region 130... Third semiconductor layer 131... Third semiconductor layer non-doped Region 132 Third semiconductor layer p-type region 140 Fourth semiconductor layer 141 p GaN layer 142 p + GaN layer S1 Source electrode D1 Drain electrode G1 Gate electrode R1 First region R2 Second region

Claims (8)

第1面を有する基板と、
前記基板より上層の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上の第2半導体層と、
前記第2半導体層の上の第3半導体層と、
ゲート電極と、
第1領域および第2領域と、
を有し、
前記第1半導体層と前記第2半導体層と前記第3半導体層とは、
III 族窒化物半導体層であり、
前記第2半導体層のバンドギャップは、
前記第1半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第3半導体層は、
第3半導体層p型領域を有し、
前記第2半導体層は、
前記第1領域に第1ノンドープ領域を有し、
前記第2領域の前記第1半導体層の側に第2ノンドープ領域を有し、
前記第2領域の前記第3半導体層の側に第2半導体層p型領域を有し、
前記第2領域は、
前記第1半導体層より上層のp型領域を前記基板の前記第1面に射影した射影領域を前記射影領域に垂直な面で含む領域であり、
前記第1領域は、
前記第2領域以外の領域であり、
前記ゲート電極は、
前記第3半導体層p型領域より上層であって前記第2領域に位置しており、
前記第3半導体層p型領域と前記第2半導体層p型領域とは前記第3半導体層と前記第2半導体層との界面で連続していること
を含む半導体素子。
a substrate having a first surface;
a first semiconductor layer above the substrate;
a second semiconductor layer above the first semiconductor layer;
a third semiconductor layer above the second semiconductor layer;
a gate electrode;
a first region and a second region;
has
The first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer are
A group III nitride semiconductor layer,
The bandgap of the second semiconductor layer is
larger than the bandgap of the first semiconductor layer,
The third semiconductor layer is
Having a third semiconductor layer p-type region,
The second semiconductor layer is
Having a first non-doped region in the first region,
having a second non-doped region on the first semiconductor layer side of the second region;
having a second semiconductor layer p-type region on the third semiconductor layer side of the second region;
The second region is
a region including a projection region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer onto the first surface of the substrate on a plane perpendicular to the projection region;
The first region is
A region other than the second region,
The gate electrode is
located in the second region above the third semiconductor layer p-type region,
The semiconductor element, wherein the third semiconductor layer p-type region and the second semiconductor layer p-type region are continuous at an interface between the third semiconductor layer and the second semiconductor layer.
請求項1に記載の半導体素子において、
前記第3半導体層の上の第4半導体層を有し、
前記第4半導体層は、
III 族窒化物半導体層であるとともに
第4半導体層p型領域を有すること
を含む半導体素子。
The semiconductor device according to claim 1,
a fourth semiconductor layer above the third semiconductor layer;
The fourth semiconductor layer is
A semiconductor device comprising a group III nitride semiconductor layer and having a fourth semiconductor layer p-type region.
請求項1または請求項2に記載の半導体素子において、
前記第1領域の前記第2半導体層は、
p型領域を有していないこと
を含む半導体素子。
In the semiconductor device according to claim 1 or claim 2,
The second semiconductor layer in the first region,
A semiconductor device, including not having a p-type region.
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体素子において、
前記第2領域の前記第2半導体層p型領域は、
前記第1面に垂直な方向におけるMgの濃度勾配が2×1016cm-3/nm以下である第1濃度勾配領域を有すること
を含む半導体素子。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The second semiconductor layer p-type region of the second region is
A semiconductor device comprising a first concentration gradient region having a Mg concentration gradient of 2×10 16 cm −3 /nm or less in a direction perpendicular to the first surface.
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体素子において、
ソース電極およびドレイン電極を有し、
前記ソース電極および前記ドレイン電極は、
前記第1領域の前記第2半導体層に接触していること
を含む半導体素子。
In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
having a source electrode and a drain electrode,
The source electrode and the drain electrode are
A semiconductor device, comprising contacting the second semiconductor layer of the first region.
基板より上層にIII族窒化物半導体からなるノンドープの第1半導体層を形成し、
前記第1半導体層の上にIII族窒化物半導体からなるとともに前記第1半導体層よりバンドギャップの大きいノンドープの第2半導体層を形成し、
前記第2半導体層よりも上層にIII族窒化物半導体からなるp型領域を形成し、
熱処理温度におけるIII族窒化物半導体の飽和蒸気圧以上の圧力で熱処理することにより前記p型領域から前記第2半導体層の途中までp型ドーパントを拡散させ、
前記p型領域から前記第2半導体層にp型ドーパントを拡散させない第1領域と、前記p型領域から前記第2半導体層にp型ドーパントを拡散させる領域を含む第2領域と、を形成し、
前記第2領域にゲート電極を形成し、
前記第2領域は、
前記第1半導体層より上層のp型領域を前記基板の前記第1面に射影した射影領域を前記射影領域に垂直な面で含む領域であること
を含む半導体素子の製造方法。
forming a non-doped first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor above the substrate;
forming a non-doped second semiconductor layer made of a Group III nitride semiconductor and having a bandgap larger than that of the first semiconductor layer on the first semiconductor layer;
forming a p-type region made of a group III nitride semiconductor above the second semiconductor layer;
The p-type dopant is diffused from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer by performing heat treatment at a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure of the group III nitride semiconductor at the heat treatment temperature,
forming a first region that does not diffuse the p-type dopant from the p-type region into the second semiconductor layer and a second region that includes a region that diffuses the p-type dopant from the p-type region into the second semiconductor layer; ,
forming a gate electrode in the second region;
The second region is
A method of manufacturing a semiconductor device, including a region including a projection region obtained by projecting the p-type region above the first semiconductor layer onto the first surface of the substrate in a plane perpendicular to the projection region.
請求項6に記載の半導体素子の製造方法において、
前記第2半導体層の上にノンドープまたはp型の第3半導体層を形成し、
第1エッチングにより前記第3半導体層の一部を除去して前記第2半導体層の一部を露出させる凹部を形成し、
前記凹部の上に前記p型領域を形成し、
前記熱処理により前記p型領域から前記第2半導体層の途中までMgを拡散させること
を含む半導体素子の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
forming a non-doped or p-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer;
removing a portion of the third semiconductor layer by a first etching to form a recess exposing a portion of the second semiconductor layer;
forming the p-type region on the recess;
A method of manufacturing a semiconductor device, including diffusing Mg from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer by the heat treatment.
請求項6に記載の半導体素子の製造方法において、
前記第2半導体層の上にノンドープまたはp型の第3半導体層を形成し、
前記第3半導体層の上にp型半導体層を形成し、
第1エッチングにより前記p型半導体層の一部を除去して前記p型領域の一部を残留させ、
前記熱処理により前記p型領域から前記第2半導体層の途中までMgを拡散させること
を含む半導体素子の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
forming a non-doped or p-type third semiconductor layer on the second semiconductor layer;
forming a p-type semiconductor layer on the third semiconductor layer;
removing a portion of the p-type semiconductor layer by a first etching to leave a portion of the p-type region;
A method of manufacturing a semiconductor device, including diffusing Mg from the p-type region to the middle of the second semiconductor layer by the heat treatment.
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