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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025156914
(43)【公開日】2025-10-15
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H10D 30/47 20250101AFI20251007BHJP
H10D 30/60 20250101ALI20251007BHJP
H10D 30/83 20250101ALI20251007BHJP
【ＦＩ】
H01L29/80 H
H01L29/78 301B
H01L29/80 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024059666
(22)【出願日】2024-04-02
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004026
【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 秀樹
【テーマコード（参考）】
5F102
5F140
【Ｆターム（参考）】
5F102FA01
5F102GB01
5F102GC01
5F102GD01
5F102GD04
5F102GD10
5F102GJ03
5F102GL04
5F102GM04
5F102GM08
5F102GQ01
5F102GR04
5F102GR07
5F102GR12
5F102GS04
5F102GT01
5F102HC01
5F102HC16
5F140BA06
5F140BA09
5F140BA17
5F140BB18
5F140BC12
5F140BC15
5F140BE10
5F140BH21
5F140BH30
5F140BH35
(57)【要約】
【課題】電流コラプスの発生を抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１半導体層と、第２半導体層と、第１電極と、第２電極と、ゲート電極と、第３半導体層と、を備える。第１半導体層は、Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する。第２半導体層は、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する。第２半導体層は、第１部分と、第１半導体層から第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において第１部分から離れた第２部分と、を含む。第１電極は、第１部分の上に設けられている。第２電極は、第２部分の上に設けられている。ゲート電極は、第１電極と第２電極との間に設けられている。第３半導体層は、ゲート電極と第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有する。第３半導体層は、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１半導体層と、第２半導体層と、第１電極と、第２電極と、ゲート電極と、第３半導体層と、を備える。第１半導体層は、Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する。第２半導体層は、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する。第２半導体層は、第１部分と、第１半導体層から第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において第１部分から離れた第２部分と、を含む。第１電極は、第１部分の上に設けられている。第２電極は、第２部分の上に設けられている。ゲート電極は、第１電極と第２電極との間に設けられている。第３半導体層は、ゲート電極と第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有する。第３半導体層は、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する第２半導体層であって、第１部分と、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において前記第１部分から離れた第２部分と、を含む前記第２半導体層と、
前記第１部分の上に設けられた第１電極と、
前記第２部分の上に設けられた第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有し、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する第３半導体層と、
を備えた半導体装置。
前記第１半導体層の上に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する第２半導体層であって、第１部分と、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において前記第１部分から離れた第２部分と、を含む前記第２半導体層と、
前記第１部分の上に設けられた第１電極と、
前記第２部分の上に設けられた第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有し、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する第３半導体層と、
を備えた半導体装置。
【請求項2】
前記第３半導体層は、前記第２方向において前記ゲート電極から離れている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記ゲート電極と前記第３半導体層との間の前記第２方向における距離は、前記ゲート電極と前記第２電極との間の前記第２方向における距離の０．５倍以上である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第３半導体層はｐ形である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第３半導体層は、前記第２電極と接する、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第２電極の一部は、前記第３半導体層の上に設けられた、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第２半導体層は、前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第３部分を含み、
前記ゲート電極は、前記第３部分の上に位置し、且つ前記第３部分と接し、
前記第３部分におけるフッ素濃度は、前記第１部分におけるフッ素濃度よりも高く、前記第２部分におけるフッ素濃度よりも高い、請求項１又は２に記載の半導体装置。
前記ゲート電極は、前記第３部分の上に位置し、且つ前記第３部分と接し、
前記第３部分におけるフッ素濃度は、前記第１部分におけるフッ素濃度よりも高く、前記第２部分におけるフッ素濃度よりも高い、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化ガリウムを含有する半導体装置がある。この半導体装置について、電流コラプスの発生を抑制できる技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１６－２０７７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、電流コラプスの発生を抑制できる半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態に係る半導体装置は、第１半導体層と、第２半導体層と、第１電極と、第２電極と、ゲート電極と、第３半導体層と、を備える。前記第１半導体層は、Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する。前記第２半導体層は、前記第１半導体層の上に設けられている。前記第２半導体層は、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する。前記第２半導体層は、第１部分と、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において前記第１部分から離れた第２部分と、を含む。前記第１電極は、前記第１部分の上に設けられている。前記第２電極は、前記第２部分の上に設けられている。前記ゲート電極は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられている。前記第３半導体層は、前記ゲート電極と前記第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有する。前記第３半導体層は、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法又は比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0008】
図１は、実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１００は、半導体基板１０、第１半導体層１１、第２半導体層１２、第３半導体層１３、ソース電極２１（第１電極）、ドレイン電極２２（第２電極）、及びゲート電極２３を備える。
図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１００は、半導体基板１０、第１半導体層１１、第２半導体層１２、第３半導体層１３、ソース電極２１（第１電極）、ドレイン電極２２（第２電極）、及びゲート電極２３を備える。
【0009】
実施形態の説明では、ＸＹＺ直交座標系を用いる。第１半導体層１１から第２半導体層１２に向かう方向をＺ方向（第１方向）とする。Ｚ方向に対して垂直であり、相互に直交する二方向をＸ方向（第２方向）及びＹ方向とする。また、説明のために、第１半導体層１１から第２半導体層１２に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、第１半導体層１１と第２半導体層１２との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。
【0010】
第１半導体層１１は、半導体基板１０の上に設けられ、Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する。半導体基板１０は、例えばＳｉ基板である。半導体基板１０と第１半導体層１１との間に、不図示のバッファ層が設けられても良い。第２半導体層１２は、第１半導体層１１の上に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する。一例として、第１半導体層１１はＡｌを実質的に含まないＧａＮ層であり、第２半導体層１２はＡｌＧａＮ層である。
【0011】
第２半導体層１２は、第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂを含む。第１部分１２ａと第２部分１２ｂは、Ｘ方向において互いに離れている。ソース電極２１は、第１部分１２ａの上に設けられている。ドレイン電極２２は、第２部分１２ｂの上に設けられている。ソース電極２１及びドレイン電極２２は、第２半導体層１２と電気的に接続されている。ソース電極２１とドレイン電極２２は、Ｘ方向において互いに離れている。
【0012】
ゲート電極２３は、第２半導体層１２の上にゲート絶縁層２３ａを介して設けられ、Ｘ方向においてソース電極２１とドレイン電極２２との間に位置する。ゲート電極２３は、ソース電極２１及びドレイン電極２２から離れている。例えば、ドレイン電極２２とゲート電極２３との間の距離は、ソース電極２１とゲート電極２３との間の距離よりも長い。ソース電極２１、ドレイン電極２２、及びゲート電極２３は、チタン、銅、又はアルミニウムなどの金属材料を含む。
【0013】
第３半導体層１３は、第２半導体層１２の上に設けられ、Ｘ方向においてドレイン電極２２とゲート電極２３との間に位置する。第３半導体層１３は、炭素及び窒化ガリウムを含有する。例えば、第３半導体層１３は、ゲート電極２３から離れ、ドレイン電極２２と接している。ドレイン電極２２の一部は、第３半導体層１３の上に設けられている。
【0014】
半導体装置１００の動作を説明する。半導体装置１００は、ノーマリーオン型の装置である。第１半導体層１１と第２半導体層１２との界面には、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が発生する。ソース電極２１に対してドレイン電極２２に正の電圧が印加されると、２次元電子ガスに含まれる電子が、ソース電極２１からドレイン電極２２へ移動する。これにより、ソース電極２１とドレイン電極２２との間に電流が流れる。ゲート電極２３に負の電圧が印加されると、ゲート電極２３直下の領域の電子が排斥され、当該領域が空乏化する。これにより、半導体装置１００がオフ状態となる。
【0015】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）、及び図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、半導体基板１０を用意する。図２（ａ）に示すように、半導体基板１０の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、第１半導体層１１、第２半導体層１２、及び第３半導体層１３を順次形成する。第３半導体層１３を形成する際、炭素が添加される。第３半導体層１３の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去する。これにより、図２（ｂ）に示すように、第２半導体層１２の上面の一部が露出する。
まず、半導体基板１０を用意する。図２（ａ）に示すように、半導体基板１０の上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、第１半導体層１１、第２半導体層１２、及び第３半導体層１３を順次形成する。第３半導体層１３を形成する際、炭素が添加される。第３半導体層１３の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去する。これにより、図２（ｂ）に示すように、第２半導体層１２の上面の一部が露出する。
【0016】
露出した第２半導体層１２の上面に、化学気相成長法（ＣＶＤ）により、ゲート絶縁層２３ａを形成する。図３（ａ）に示すように、ＲＩＥにより、ゲート絶縁層２３ａの一部を除去する。図３（ｂ）に示すように、第３半導体層１３から離れた位置にゲート電極２３を形成するとともに、露出した第２半導体層１２の上面にソース電極２１及びドレイン電極２２を形成する。ドレイン電極２２の一部は、第３半導体層１３の上にも形成される。以上の工程により、実施形態に係る半導体装置１００が製造される。
【0017】
実施形態の利点を説明する。
半導体装置における電流コラプスは、半導体層中の結晶欠陥、半導体層の界面における電子のトラップなどに起因する。本発明の実施形態では、電流コラプスの発生を抑制するために、半導体装置１００が第３半導体層１３を備える。第３半導体層１３は炭素及び窒化ガリウムを含有し、その炭素濃度は５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い。
半導体装置における電流コラプスは、半導体層中の結晶欠陥、半導体層の界面における電子のトラップなどに起因する。本発明の実施形態では、電流コラプスの発生を抑制するために、半導体装置１００が第３半導体層１３を備える。第３半導体層１３は炭素及び窒化ガリウムを含有し、その炭素濃度は５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い。
【0018】
図４は、第３半導体層の構造を示す模式図である。
図４に示すように、第３半導体層１３の大部分は、ガリウムと窒素の結晶構造を有する。そして、一部の窒素が、炭素に置換されている。窒素はＶ族の元素であり、炭素はIV族の元素である。窒素が炭素に置換されると、第３半導体層１３において炭素はアクセプタとして機能する。すなわち、第３半導体層１３は、ｐ形の半導体層として機能する。第３半導体層１３からは、第２半導体層１２と第３半導体層１３との界面へ、ホールが供給される。ホールの供給により、第２半導体層１２と第３半導体層１３との界面にトラップされた電子が中性化される。この結果、半導体装置１００における電流コラプスが抑制される。特に、炭素濃度を５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高めることで、第３半導体層１３から、第２半導体層１２と第３半導体層１３との界面へ十分な量のホールが供給され、電流コラプスを好適に抑制できる。
図４に示すように、第３半導体層１３の大部分は、ガリウムと窒素の結晶構造を有する。そして、一部の窒素が、炭素に置換されている。窒素はＶ族の元素であり、炭素はIV族の元素である。窒素が炭素に置換されると、第３半導体層１３において炭素はアクセプタとして機能する。すなわち、第３半導体層１３は、ｐ形の半導体層として機能する。第３半導体層１３からは、第２半導体層１２と第３半導体層１３との界面へ、ホールが供給される。ホールの供給により、第２半導体層１２と第３半導体層１３との界面にトラップされた電子が中性化される。この結果、半導体装置１００における電流コラプスが抑制される。特に、炭素濃度を５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高めることで、第３半導体層１３から、第２半導体層１２と第３半導体層１３との界面へ十分な量のホールが供給され、電流コラプスを好適に抑制できる。
【0019】
なお、窒化ガリウムに対するアクセプタとして、炭素以外に、カルシウム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウムなどがありうる。しかし、カルシウム、亜鉛、及びベリリウムは、炭素に比べて、ｐ形不純物としての活性化が難しいとされている。また、マグネシウムを用いる場合、マグネシウムとともに多量の水素が半導体層に取り込まれる。このため、半導体層から水素を脱離させるための処理が必要となる。水素が多量に取り込まれることで、半導体装置の信頼性にも影響しうる。したがって、炭素は、カルシウム、亜鉛、ベリリウム、マグネシウムなどの元素に比べて、より好ましい。
【0020】
炭素をアクセプタとして第３半導体層１３に取り込ませる場合、第３半導体層１３の形成において、窒化ガリウム結晶成長の際にオートドープ法又は外部ドープ法によって炭素を膜中に添加する方法がある。オートドープ法は原料となる有機金属ガス由来の炭素を利用し、成長温度及び成長速度によって炭素添加量をコントロールする必要性が生じるため成長条件に制約される技術課題がある。一方で、ドーパントガスとしてアセチレン(C2H2)ガスなどを用いた外部ドープによって炭素添加することで、成長温度又は成長速度のエピプロセスパラメータの自由度が上がるため、外部ドープによる炭素添加がより好ましい。より詳細な方法については、例えば、Xun Liら、“Precursors for carbon doping of GaN in chemical vapor deposition”、Journal of Vacuum Science & Technology B、２０１５年、３３巻、２号で論じられている。又は、Yoshio Hondaら、“DAP emission band in a carbon doped (1-101)GaN grown on (001)Si substrate”、physica status solidi c、２００９年、Ｓ２巻、ｐ．Ｓ７７２～Ｓ７７５が参照されても良い。
【0021】
第３半導体層１３における炭素濃度の上限は特に限定されないが、１．０×１０２０ｃｍ－３未満であることが好ましい。炭素濃度が１．０×１０２０ｃｍ－３以上であると、窒化ガリウム層中の炭素濃度の固溶限界以上となり、転位発生又は表面ピット等の結晶欠陥が現れて電流リークなどのデバイスの特性劣化を引き起こす。したがって、結晶品質及びデバイス特性の確保の観点から、第３半導体層１３における炭素濃度は、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高く、１．０×１０２０ｃｍ－３未満であることが好ましい。より好ましくは、第３半導体層１３における炭素濃度は、１．０×１０１８ｃｍ－３以上、１．０×１０２０ｃｍ－３未満である。
【0022】
第１半導体層１１における炭素濃度及び第２半導体層１２における炭素濃度は、第３半導体層１３に比べて低いことが好ましい。例えば、第１半導体層１１における炭素濃度及び第２半導体層１２における炭素濃度は、５．０×１０１７ｃｍ－３以下であることが好ましい。より好ましくは、第１半導体層１１における炭素濃度は、１．０×１０１６ｃｍ－３以上、３．０×１０１６ｃｍ－３以下であり、第２半導体層１２における炭素濃度は、１．０×１０１５ｃｍ－３以上、１．０×１０１７ｃｍ－３以下である。
【0023】
第３半導体層１３は、ゲート電極２３から離れていることが好ましい。第３半導体層１３がゲート電極２３と接していると、第３半導体層１３内に発生するキャリアによって、ゲート電極２３とドレイン電極２２の間が電気的に導通してしまう。そのため、電気的な分離が必要となる。例えば、ゲート電極２３と第３半導体層１３との間の距離Ｄ１は、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の距離Ｄ２の０．５倍以上である。より好ましくは、距離Ｄ１は距離Ｄ２の０．６倍以上であり、最も好ましくは、距離Ｄ１は距離Ｄ２の０．８倍以上である。
【0024】
（第１変形例）
図５は、実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図５に示す半導体装置１１０は、ゲート電極２３が第２半導体層１２と接している点で、半導体装置１００とは異なる。ゲート電極２３は、仕事関数の高い金属を含み、第２半導体層１２とゲート電極２３との間には、ショットキー接合が形成されている。例えば、ゲート電極２３は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｖ、及びＰｔからなる群より選択される１つ以上を含む。半導体装置１１０によれば、第２半導体層１２がゲート電極２３へショットキー接触しているため、ゲート電極２３直下の第１半導体層１１及び第２半導体層１２の領域に形成される空乏層幅をゲート電圧によって制御することで、ゲート機能を実現する。
図５は、実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図５に示す半導体装置１１０は、ゲート電極２３が第２半導体層１２と接している点で、半導体装置１００とは異なる。ゲート電極２３は、仕事関数の高い金属を含み、第２半導体層１２とゲート電極２３との間には、ショットキー接合が形成されている。例えば、ゲート電極２３は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｖ、及びＰｔからなる群より選択される１つ以上を含む。半導体装置１１０によれば、第２半導体層１２がゲート電極２３へショットキー接触しているため、ゲート電極２３直下の第１半導体層１１及び第２半導体層１２の領域に形成される空乏層幅をゲート電圧によって制御することで、ゲート機能を実現する。
【0025】
（第２変形例）
図６は、実施形態の第２変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図６に示す半導体装置１２０では、第２半導体層１２が、第１部分１２ａと第２部分１２ｂとの間に位置する第３部分１２ｃを含む。第３部分１２ｃにおけるフッ素濃度は、第１部分１２ａにおけるフッ素濃度よりも高く、第２部分１２ｂにおけるフッ素濃度よりも高い。ゲート電極２３は、第３部分１２ｃの上に設けられ、第３部分１２ｃと接している。
図６は、実施形態の第２変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図６に示す半導体装置１２０では、第２半導体層１２が、第１部分１２ａと第２部分１２ｂとの間に位置する第３部分１２ｃを含む。第３部分１２ｃにおけるフッ素濃度は、第１部分１２ａにおけるフッ素濃度よりも高く、第２部分１２ｂにおけるフッ素濃度よりも高い。ゲート電極２３は、第３部分１２ｃの上に設けられ、第３部分１２ｃと接している。
【0026】
第３部分１２ｃは、第１半導体層１１、第２半導体層１２、及び第３半導体層１３を形成した後、第３半導体層の一部をエッチング除去し、第２半導体層１２の一部（第３部分１２ｃ）へフッ素イオンを注入すること、又はフッ素プラズマを照射することで形成される。
【0027】
第３部分１２ｃにおけるフッ素濃度は、１．０×１０１９（ａｔｍ／ｃｍ３）以上であることが好ましい。第３部分１２ｃにおけるフッ素濃度は、第１部分１２ａ又は第２部分１２ｂにおけるフッ素濃度（ａｔｍ／ｃｍ３）の４０倍以上２０００倍以下であることが好ましい。
【0028】
半導体装置１２０によれば、よりフッ素濃度の高い第３部分１２ｃが第２半導体層１２に設けられることで、ゲート電流値が低く抑えられ、またしきい電圧値の制御性がよくなる。
【0029】
（第３変形例）
図７は、実施形態の第３変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図７に示す半導体装置１３０は、第２半導体層１２とゲート電極２３との間に第４半導体層１４が設けられている点で、半導体装置１００とは異なる。第４半導体層１４は、ｐ形の半導体層であり、第２半導体層１２及びゲート電極２３と接している。第４半導体層１４は、Ｘ方向において、第３半導体層１３及びソース電極２１から離れている。第４半導体層１４は、ｐ形不純物として炭素及びマグネシウムからなる群より選択される１つ以上を含む。
図７は、実施形態の第３変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図７に示す半導体装置１３０は、第２半導体層１２とゲート電極２３との間に第４半導体層１４が設けられている点で、半導体装置１００とは異なる。第４半導体層１４は、ｐ形の半導体層であり、第２半導体層１２及びゲート電極２３と接している。第４半導体層１４は、Ｘ方向において、第３半導体層１３及びソース電極２１から離れている。第４半導体層１４は、ｐ形不純物として炭素及びマグネシウムからなる群より選択される１つ以上を含む。
【0030】
第４半導体層１４が設けられることで、ゲート電極２３に電圧が印加されていない状態では、第２半導体層１２におけるゲート電極２３直下の領域が空乏化する。ゲート電極２３に閾値以上の電圧が印加されると、ゲート電極２３から直下の領域にホールが注入され、半導体装置１３０がオン状態となる。すなわち、半導体装置１３０は、ノーマリーオフ型の装置である。
【0031】
（第４変形例）
図８は、実施形態の第４変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図８に示す半導体装置１４０は、第１部分１２ａと第２部分１２ｂとの間にゲート電極２３が位置する点で、半導体装置１００とは異なる。ゲート電極２３は、Ｚ方向において、ゲート絶縁層２３ａを介して第１半導体層１１と対面している。ゲート電極２３は、Ｘ方向において、ゲート絶縁層２３ａを介して第２半導体層１２と対面している。半導体装置１４０は、リセスゲート構造を有する。
図８は、実施形態の第４変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
図８に示す半導体装置１４０は、第１部分１２ａと第２部分１２ｂとの間にゲート電極２３が位置する点で、半導体装置１００とは異なる。ゲート電極２３は、Ｚ方向において、ゲート絶縁層２３ａを介して第１半導体層１１と対面している。ゲート電極２３は、Ｘ方向において、ゲート絶縁層２３ａを介して第２半導体層１２と対面している。半導体装置１４０は、リセスゲート構造を有する。
【0032】
半導体装置１４０では、ソース電極２１の直下に発生する２ＤＥＧと、ドレイン電極２２の直下に発生する２ＤＥＧと、がゲート絶縁層２３ａによって分断されている。このため、半導体装置１４０は、ノーマリーオフ型の装置である。ゲート電極２３に閾値以上の電圧が印加されると、第１半導体層１１において、ゲート絶縁層２３ａ近傍の領域にチャネルが形成される。これにより、ソース電極２１とドレイン電極２２との間に電流が流れる。
【0033】
半導体装置１４０の製造方法では、図２（ｂ）に示す工程を実行して第３半導体層１３を形成した後、第２半導体層１２の一部及び第１半導体層１１の一部が除去され、トレンチが形成される。このトレンチの内部に、ゲート絶縁層２３ａ及びゲート電極２３を形成することで、半導体装置１４０が製造される。
【0034】
上述した半導体装置１１０、１２０、１３０、又は１４０のいずれにおいても、第３半導体層１３が設けられることで、電流コラプスの発生を抑制できる。
【0035】
本発明の実施形態は、以下の特徴を含む。
（特徴１）
Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する第２半導体層であって、第１部分と、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において前記第１部分から離れた第２部分と、を含む前記第２半導体層と、
前記第１部分の上に設けられた第１電極と、
前記第２部分の上に設けられた第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有し、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する第３半導体層と、
を備えた半導体装置。
（特徴２）
前記第３半導体層は、前記第２方向において前記ゲート電極から離れている、特徴１に記載の半導体装置。
（特徴３）
前記ゲート電極と前記第３半導体層との間の前記第２方向における距離は、前記ゲート電極と前記第２電極との間の前記第２方向における距離の０．５倍以上である、特徴１又は２に記載の半導体装置。
（特徴４）
前記第３半導体層はｐ形である、特徴１～３のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴５）
前記第３半導体層は、前記第２電極と接する、特徴１～４のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴６）
前記第２電極の一部は、前記第３半導体層の上に設けられた、特徴１～５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴７）
前記第２半導体層は、前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第３部分を含み、
前記ゲート電極は、前記第３部分の上に位置し、且つ前記第３部分と接し、
前記第３部分におけるフッ素濃度は、前記第１部分におけるフッ素濃度よりも高く、前記第２部分におけるフッ素濃度よりも高い、特徴１～６のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴１）
Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１、ｘ１＜ｘ２）を含有する第２半導体層であって、第１部分と、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第１方向に垂直な第２方向において前記第１部分から離れた第２部分と、を含む前記第２半導体層と、
前記第１部分の上に設けられた第１電極と、
前記第２部分の上に設けられた第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第２電極との間に位置し、炭素及び窒化ガリウムを含有し、５．０×１０１７ｃｍ－３よりも高い炭素濃度を有する第３半導体層と、
を備えた半導体装置。
（特徴２）
前記第３半導体層は、前記第２方向において前記ゲート電極から離れている、特徴１に記載の半導体装置。
（特徴３）
前記ゲート電極と前記第３半導体層との間の前記第２方向における距離は、前記ゲート電極と前記第２電極との間の前記第２方向における距離の０．５倍以上である、特徴１又は２に記載の半導体装置。
（特徴４）
前記第３半導体層はｐ形である、特徴１～３のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴５）
前記第３半導体層は、前記第２電極と接する、特徴１～４のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴６）
前記第２電極の一部は、前記第３半導体層の上に設けられた、特徴１～５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（特徴７）
前記第２半導体層は、前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第３部分を含み、
前記ゲート電極は、前記第３部分の上に位置し、且つ前記第３部分と接し、
前記第３部分におけるフッ素濃度は、前記第１部分におけるフッ素濃度よりも高く、前記第２部分におけるフッ素濃度よりも高い、特徴１～６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【0036】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、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、変更などを行うことができる。これら実施形態及びその変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、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。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【0037】
１０：半導体基板、 １１：第１半導体層、 １２：第２半導体層、 １２ａ：第１部分、 １２ｂ：第２部分、 １２ｃ：第３部分、 １３：第３半導体層、 １４：第４半導体層、 ２１：ソース電極、 ２２：ドレイン電極、 ２３：ゲート電極、 ２３ａ：ゲート絶縁層、 １００，１１０，１２０，１３０，１４０：半導体装置、 Ｄ１，Ｄ２：距離
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】