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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-08
(45)【発行日】2023-05-16
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/338 20060101AFI20230509BHJP
H01L 29/778 20060101ALI20230509BHJP
H01L 29/812 20060101ALI20230509BHJP
H01L 21/337 20060101ALI20230509BHJP
H01L 29/808 20060101ALI20230509BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20230509BHJP
H01L 29/417 20060101ALI20230509BHJP
H01L 29/41 20060101ALI20230509BHJP
H01L 29/861 20060101ALI20230509BHJP
H01L 29/868 20060101ALI20230509BHJP
【ＦＩ】
H01L29/80 H
H01L29/80 C
H01L21/28 301B
H01L29/50 J
H01L29/44 S
H01L29/91 C
H01L29/91 F
【請求項の数】
22
(21)【出願番号】P 2021577787
(86)(22)【出願日】2020-02-13
(86)【国際出願番号】 JP2020005553
(87)【国際公開番号】W WO2021161448
(87)【国際公開日】2021-08-19
【審査請求日】2022-01-26
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】592032636
【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】櫛田 知義
(72)【発明者】
【氏名】長里 喜隆
(72)【発明者】
【氏名】岩田 直高
(72)【発明者】
【氏名】榊 裕之
【審査官】石塚 健太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１４９３５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１１７９１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平５－１３６４３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－５７５８９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／３３８
Ｈ０１Ｌ ２１／３３７
Ｈ０１Ｌ ２１／２８
Ｈ０１Ｌ ２９／４１７
Ｈ０１Ｌ ２９／４１
Ｈ０１Ｌ ２９／８６１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板と、前記半導体基板に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、を備え、
前記半導体基板は、
第１の半導体材料で構成された上層、中層及び下層と、
前記上層と前記中層との間に位置する第１チャネル形成層と、
前記中層と前記下層との間に位置する第２チャネル形成層と、を備え、
前記第１チャネル形成層と前記第２チャネル形成層との各々は、前記第１の半導体材料とバンドギャップが異なる第２の半導体材料で構成された一又は複数の異種材料層を有し、
前記一又は複数の異種材料層の各々の厚みは、前記中層の厚みよりも小さく、
前記第１チャネル形成層では、前記一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第１極性の二次元キャリアガスが生成され、
前記第２チャネル形成層では、前記一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第２極性の二次元キャリアガスが生成され、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第１チャネル形成層と前記第２チャネル形成層との一方に接触しており、
前記ゲート電極は、前記第１チャネル形成層と前記第２チャネル形成層との他方に接触又は隣接している、
半導体装置。
【請求項2】
前記第１チャネル形成層では、前記ヘテロ界面に沿って第１導電型の不純物が導入されており、前記第２チャネル形成層では、前記ヘテロ界面に沿って第２導電型の不純物が導入されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第１の半導体材料のバンドギャップは、前記第２の半導体材料のバンドギャップよりも狭く、前記第１チャネル形成層では、前記異種材料層内に前記第１導電型の不純物が導入されているとともに、前記異種材料層外に前記第１極性の二次元キャリアガスが生成され、
前記第２チャネル形成層では、前記異種材料層内に前記第２導電型の不純物が導入されているとともに、前記異種材料層外に前記第２極性の二次元キャリアガスが生成される、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第１の半導体材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、前記第２の半導体材料は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）である、又は、前記第１の半導体材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、前記第２の半導体材料は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第１の半導体材料のバンドギャップは、前記第２の半導体材料のバンドギャップよりも広く、前記第１チャネル形成層では、前記異種材料層外に前記第１導電型の不純物が導入されているとともに、前記異種材料層内に前記第１極性の二次元キャリアガスが生成され、
前記第２チャネル形成層では、前記異種材料層外に前記第２導電型の不純物が導入されているとともに、前記異種材料層内に前記第２極性の二次元キャリアガスが生成される、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第１の半導体材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、前記第２の半導体材料は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）である、又は、前記第１の半導体材料は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であり、前記第２の半導体材料は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）である、又は、
前記第１の半導体材料は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＡｓ（０＜ｘ＜０．３，０＜ｙ＜０．５）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであり、前記第２の半導体材料は、ＩｎａＡｌｂＧａ１－ａ－ｂＡｓ（ａ＞ｘ，ｙ＞ｂ）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムである、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第１チャネル形成層及び前記第２チャネル形成層の各々には、前記複数の異種材料層が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置。【請求項8】
前記第１チャネル形成層及び前記第２チャネル形成層の各々では、互いに隣接する二つのヘテロ界面の距離が３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置。【請求項9】
前記第１チャネル形成層では、前記第１極性の二次元キャリアガスが複数生成されるとともに、その複数の二次元キャリアガスでは、前記第２チャネル形成層までの距離が短い二次元キャリアガスほど大きなキャリア濃度を有し、前記第２チャネル形成層では、前記第２極性の二次元キャリアガスが複数生成され、その複数の二次元キャリアガスでは、前記第１チャネル形成層までの距離が短い二次元キャリアガスほど大きなキャリア濃度を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第２チャネル形成層に接触しており、前記ゲート電極は、前記第１チャネル形成層に接触している、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第２チャネル形成層に接触しており、前記ゲート電極は、前記上層内に設けられており、前記上層の一部を介して前記第１チャネル形成層から隔離されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項12】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第２チャネル形成層に接触しており、前記ゲート電極は、前記上層から前記第１チャネル形成層を通過して前記中層まで延びており、
前記ゲート電極から前記第２チャネル形成層までの距離は、前記第１チャネル形成層から前記第２チャネル形成層までの距離よりも短い、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項13】
前記第２チャネル形成層では、前記第２極性の二次元キャリアガスが複数生成されるとともに、その複数の二次元キャリアガスでは、前記ゲート電極までの距離が短い二次元キャリアガスほど大きなキャリア濃度を有する、請求項１２に記載の半導体装置。【請求項14】
前記第２チャネル形成層に生成される前記一又は複数の二次元キャリアガスは、一又は複数の二次元電子ガスであり、前記ゲート電極は、第１導電型の不純物が導入された半導体材料で構成されている、請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項15】
前記半導体基板の上面には、前記上層を通過して前記中層に達する二つのリセスが設けられており、前記ソース電極は、前記二つのリセスの一方の底面から、前記第２チャネル形成層まで延びており、
前記ドレイン電極は、前記二つのリセスの他方の底面から、前記第２チャネル形成層まで延びている、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項16】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第１チャネル形成層に接触しており、前記ゲート電極は、前記上層から前記第１チャネル形成層及び前記中層を通過して前記第２チャネル形成層まで延びているとともに、前記上層内で前記第１チャネル形成層と対向している、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項17】
前記第１チャネル形成層では、前記第１極性の二次元キャリアガスが複数生成されるとともに、その複数の二次元キャリアガスでは、上下の両側に位置する各二次元キャリアガスが、それらの間に位置する少なくとも一つの二次元キャリアガスよりも、大きなキャリア濃度を有する、請求項１６に記載の半導体装置。【請求項18】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第１チャネル形成層に接触しており、前記半導体基板の上面には、前記上層を通過して前記中層に達するリセスが設けられており、
前記ゲート電極は、前記リセスの底面から前記第２チャネル形成層に向けて延びている、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項19】
前記半導体基板は、前記上層の上に位置するとともに絶縁性を有する上部バッファ層と、
前記上部バッファ層と前記上層との間に位置するとともに、１×１０１２／ｃｍ２以上の界面準位濃度を有する上部電位固定層をさらに備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項20】
前記上部電位固定層は、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）又は鉄（Ｆｅ）が導入されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成されている、請求項１９に記載の半導体装置。【請求項21】
前記半導体基板は、前記下層の下に位置するとともに絶縁性を有する下部バッファ層と、
前記下部バッファ層と前記下層との間に位置するとともに、１×１０１２／ｃｍ２以上の界面準位濃度を有する下部電位固定層をさらに備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項22】
半導体基板と、前記半導体基板に設けられた第１電極及び第２電極と、を備え、
前記半導体基板は、
第１の半導体で構成された上層、中層及び下層と、
前記上層と前記中層との間に位置する第１チャネル形成層と、
前記中層と前記下層との間に位置する第２チャネル形成層と、を備え、
前記第１チャネル形成層と前記第２チャネル形成層との各々は、第１の半導体材料とバンドギャップが異なる第２の半導体材料で構成された一又は複数の異種材料層を有し、
前記一又は複数の異種材料層の各々の厚みは、前記中層の厚みよりも小さく、
前記第１チャネル形成層では、前記一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第１極性の二次元キャリアガスが生成され、
前記第２チャネル形成層では、前記一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第２極性の二次元キャリアガスが生成され、
前記第１電極は、前記第１チャネル形成層に接触しており、
前記第２電極は、前記第２チャネル形成層に接触している、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、複数のヘテロ界面を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１に、複数のヘテロ界面を有する半導体装置が開示されている。この半導体装置では、二種類の半導体材料が交互に積層されることで、複数のヘテロ界面が形成されており、それらのヘテロ界面には、二次元電子ガスと二次元正孔ガスとが交互に生成される。このような構成によると、通電時における抵抗を低減しつつ、非通電時には優れた耐圧を発揮することができる。なお、本明細書では、二次元電子ガスと二次元正孔ガスとを総称して、二次元キャリアガスと表現することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－５７５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記した半導体装置では、ヘテロ界面の数、即ち、二次元電子ガスと二次元正孔ガスとの数を増加させることで、通電時における抵抗のさらなる低減を図ることができる。しかしながら、半導体基板のさらなる多層化が必要となることで、半導体基板の厚みが増大するという課題がある。特に、極性の異なる二次元正孔ガスと二次元電子ガスとの間には、ある程度の距離を与える必要がある。従って、二次元正孔ガスと二次元電子ガスとが交互に生成される構造であると、それぞれの層を比較的に厚く形成する必要があり、多層化によって半導体基板の厚みが比較的に大きく増大してしまう。
【0005】
上記を鑑み、本明細書は、複数のヘテロ界面を有する半導体装置において、半導体基板の厚みの増大を抑制しつつ、通電時の抵抗を低減し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本明細書が開示する技術は、次の半導体装置に具現化される。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを備える。半導体基板は、第１の半導体材料で構成された上層、中層及び下層と、上層と中層との間に位置する第１チャネル形成層と、中層と下層との間に位置する第２チャネル形成層とを備える。第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との各々は、第１の半導体材料とバンドギャップが異なる第２の半導体材料で構成された一又は複数の異種材料層を有し、その一又は複数の異種材料層の各々の厚みは、中層の厚みよりも小さい。第１チャネル形成層では、一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第１極性の二次元キャリアガス（即ち、二次元正孔ガスと二次元電子ガスの一方）が生成される。第２チャネル形成層では、一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第２極性の二次元キャリアガス（即ち、二次元正孔ガスと二次元電子ガスの他方）が生成される。ソース電極及びドレイン電極は、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との一方に接触している。そして、ゲート電極は、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との他方に接触又は隣接している。
【0007】
上記した半導体装置では、ゲート電極に与える電圧を調節することで、第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層を空乏化させたり、それらに二次元キャリアガス（即ち、二次元正孔ガス又は二次元電子ガス）を生成させたりすることができる。第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層に二次元キャリアガスが生成されると、ソース電極とドレイン電極との間が、第１チャネル形成層又は第２チャネル形成層を介して電気的に接続される。特に、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層とのそれぞれは、少なくとも一対（即ち、二以上の偶数）のヘテロ界面を有しており、それぞれのヘテロ界面に沿って二次元キャリアガスが生成される。これにより、ソース電極とドレイン電極との間は、比較的に低い抵抗で電気的に接続される。
【0008】
ここで、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層とのそれぞれでは、同一極性の二次元キャリアガスのみが生成されることから、隣り合う二次元キャリアガスの間に間隔を設ける必要がない。従って、半導体基板の厚みの増大を抑制しつつ、多くの二次元キャリアガスを生成させることによって、通電時の抵抗を小さくすることができる。その一方で、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との間には、比較的に厚い中層が存在することから、極性の異なる二次元キャリアガスの間には、十分な距離を与えることができる。これにより、半導体基板の厚みの増大を抑制しつつ、通電時の抵抗が低減された半導体装置を実現することができる。
【0009】
本明細書が開示する技術は、次の半導体装置にも具現化される。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板に設けられた第１電極及び第２電極とを備える。半導体基板は、第１の半導体材料で構成された上層、中層及び下層と、上層と中層との間に位置する第１チャネル形成層と、中層と下層との間に位置する第２チャネル形成層とを備える。第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との各々は、第１の半導体材料とバンドギャップが異なる第２の半導体材料で構成された一又は複数の異種材料層を有し、その一又は複数の異種材料層の各々の厚みは、中層の厚みよりも小さい。第１チャネル形成層では、一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第１極性の二次元キャリアガス（即ち、二次元正孔ガスと二次元電子ガスの一方）が生成される。第２チャネル形成層では、一又は複数の異種材料層の各々の両側に形成された一対のヘテロ界面に、第２極性の二次元キャリアガス（即ち、二次元正孔ガスと二次元電子ガスの他方）が生成される。第１電極は、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との一方に接触している。そして、第２電極は、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との他方に接触している。
【0010】
上記した半導体装置では、第１電極と第２電極との一方をアノードとし、第１電極と第２電極との他方をカソードとして、ダイオードとして機能することができる。例えば、第１チャネル形成層に二次元正孔ガスが生成され、第２チャネル形成層に二次元電子ガスが生成される構成であれば、第１電極はアノードとして機能し、第２電極はカソードとして機能する。一方、第１チャネル形成層に二次元電子ガスが生成され、第２チャネル形成層に二次元正孔ガスが生成される構成であれば、第１電極はカソードとして機能し、第２電極はアノードとして機能する。
【0011】
この半導体装置においても、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層とのそれぞれでは、同一極性の二次元キャリアガスのみが生成されることから、隣り合う二次元キャリアガスの間隔を比較的に小さくすることができる。従って、生成される二次元キャリアガスの数に対して、第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層の厚みを、比較的に小さくすることができる。その一方で、第１チャネル形成層と第２チャネル形成層との間には、比較的に厚い中層が存在することから、極性の異なる二次元キャリアガスの間には、十分な距離を与えることができる。これにより、半導体基板の厚みの増大を抑制しつつ、通電時の抵抗が低減された半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施例１の半導体装置１０Ａを模式的に示す平面図。
【図3】実施例２の半導体装置１０Ｂを模式的に示す平面図。
【図5】実施例３の半導体装置１０Ｃを模式的に示す平面図。
【図8】実施例４の半導体装置１０Ｄを模式的に示す平面図。
【図10】実施例５の半導体装置１０Ｅを模式的に示す平面図。
【図13】実施例６の半導体装置１０Ｆを模式的に示す平面図。
【図15】実施例７の半導体装置１０Ｇを模式的に示す平面図。
【図17】実施例８の半導体装置１０Ｈを模式的に示す平面図。
【図19】実施例９の半導体装置１０Ｉを模式的に示す平面図。
【図21】実施例１０の半導体装置１０Ｊを模式的に示す平面図。
【図23】実施例１１の半導体装置１０Ｋを模式的に示す平面図。
【図25】実施例１２の半導体装置１０Ｌを模式的に示す平面図。
【図28】実施例１３の半導体装置１０Ｍを模式的に示す平面図。
【図30】実施例１３において半導体基板１２の厚み方向におけるエネルギーバンドを示すバンド図。線Ｅｃは伝導帯の最低エネルギーを示し、線Ｅｖは価電子帯の最大エネルギーを示し、線Ｅｆはフェルミ準位のエネルギーを示す。
【図31】実施例１４の半導体装置１０Ｎを模式的に示す平面図。
【図33】実施例１５の半導体装置１０Ｐを模式的に示す平面図。
【図35】実施例１６の半導体装置１０Ｑを模式的に示す平面図。
【図38】実施例１７の半導体装置１０Ｒを模式的に示す平面図。
【図40】実施例１８の半導体装置１０Ｓを模式的に示す平面図。
【図42】実施例１９の半導体装置１０Ｔを模式的に示す平面図。
【図44】実施例２０の半導体装置１０Ｕを模式的に示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本技術の一実施形態において、第１チャネル形成層では、ヘテロ界面に沿って第１導電型（即ち、ｐ型又はｎ型の一方）の不純物が導入されていてもよい。加えて、第２チャネル形成層では、ヘテロ界面に沿って第２導電型（即ち、ｐ型又はｎ型の他方）の不純物が導入されていてもよい。これにより、第１チャネル形成層及び／第２チャネル形成層に対して、二次元キャリアガスを生成するためのキャリア（正孔又は電子）を供給することができる。
【0014】
本技術の一実施形態において、第１の半導体材料のバンドギャップは、第２の半導体材料のバンドギャップよりも狭くてもよい。この場合、第１チャネル形成層では、異種材料層外に第１極性の二次元キャリアガスが生成されるので、特に限定されないが、異種材料層内に第１導電型の不純物が導入されているとよい。同様に、第２チャネル形成層では、異種材料層外に第２極性の二次元キャリアガスが形成されるので、異種材料層内に第２導電型の不純物が導入されているとよい。このような構成によると、二次元キャリアガスにおけるキャリアの移動が、不純物によって阻害されることを避けることができる。
【0015】
上記した実施形態において、第１の半導体材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、第２の半導体材料は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であってもよい。ヒ化ガリウムの結晶成長は比較的に容易なので、上層、中層及び下層を構成する第１の半導体材料には、ヒ化ガリウムを好適に採用することができる。但し、他の実施形態として、第１の半導体材料は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、第２の半導体材料は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）であってもよい。
【0016】
本技術の一実施形態において、第１の半導体材料のバンドギャップは、第２の半導体材料のバンドギャップよりも広くてもよい。この場合、第１チャネル形成層では、異種材料層内に第１極性の二次元キャリアガスが生成されるので、特に限定されないが、異種材料層外に第１導電型の不純物が導入されているとよい。同様に、第２チャネル形成層では、異種材料層内に第２極性の二次元キャリアガスが形成されるので、特に限定されないが、異種材料層外に第２導電型の不純物が導入されているとよい。このような構成によると、二次元キャリアガスにおけるキャリアの移動が、不純物によって阻害されることを避けることができる。
【0017】
上記した実施形態において、第１の半導体材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、第２の半導体材料は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）であってもよい。あるいは、第１の半導体材料は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であり、第２の半導体材料は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）であってもよい。あるいは、第１の半導体材料は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＡｓ（０＜ｘ＜０．３，０＜ｙ＜０．５）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであり、第２の半導体材料は、ＩｎａＡｌｂＧａ１－ａ－ｂＡｓ（ａ＞ｘ，ｙ＞ｂ）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであってもよい。
【0018】
本技術の一実施形態において、第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層の各々には、複数の異種材料層が設けられていてもよい。この場合、複数の異種材料層の間には、第１の半導体材料で構成された層が介在してもよい。異種材料層の数が多くなるほど、多くの二次元キャリアガスが生成され、それによって通電時の抵抗はより低減される。
【0019】
本技術の一実施形態において、第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層の各々では、互いに隣接する二つのヘテロ界面の距離が３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であってもよい。このような構造によると、隣接する二次元キャリアガスを少なくとも部分的に重畳させて、二次元キャリアガスにおけるキャリア濃度を高めることができる。これにより、キャリアの総数を維持しながら、第１チャネル形成層や第２チャネル形成層の厚みを小さくすることができる。
【0020】
本技術の一実施形態において、第１チャネル形成層では、第１極性の二次元キャリアガスが複数生成されてもよい。この場合、その複数の二次元キャリアガスでは、第２チャネル形成層までの距離が短い二次元キャリアガスほど、大きなキャリア濃度を有してもよい。同様に、第２チャネル形成層では、第２極性の二次元キャリアガスが複数生成されてもよい。この場合、その複数の二次元キャリアガスでは、第１チャネル形成層までの距離が短い二次元キャリアガスほど、大きなキャリア濃度を有してもよい。このような構成によると、第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層の各々において、複数の二次元キャリアガスが空乏化されるときの時間差を抑制又は排除することができる。従って、半導体装置のスイッチング速度（スイッチングに要する時間）を向上することができる。
【0021】
本技術の一実施形態において、ソース電極及びドレイン電極は、第２チャネル形成層に接触していてもよい。この場合、ゲート電極は、第１チャネル形成層に接触していてもよい。あるいは、ゲート電極は、上層内に設けられており、上層の一部を介して第１チャネル形成層から隔離されていてもよい。後者の構成によると、ゲート電極を比較的に小型化することができ、その形成を容易に行うことができる。
【0022】
本技術の一実施形態において、ソース電極及びドレイン電極が、第２チャネル形成層に接触している場合、ゲート電極は、上層から第１チャネル形成層を通過して中層まで延びていてもよい。そして、ゲート電極から第２チャネル形成層までの距離が、第１チャネル形成層から第２チャネル形成層までの距離よりも短くてもよい。このような構成によると、例えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）におけるリセスゲート構造のように、ゲート電極に近接する位置では、二次元キャリアガスにおけるキャリア濃度を低下させることができる。これにより、しきい値電圧（電流を遮断するために必要なゲート電圧）を高くすることができ、ノーマリオフ型又はそれに近い半導体装置を実現することができる。
【0023】
上記した実施形態において、第２チャネル形成層では、第２極性の二次元キャリアガスが複数生成されてもよい。この場合、その複数の二次元キャリアガスでは、ゲート電極までの距離が短い二次元キャリアガスほど、大きなキャリア濃度を有してもよい。このような構成によると、ゲート電極に近接する位置において、複数の二次元キャリアガスの各キャリア濃度を均等に低下させることができ、しきい値電圧をより高くすることができる。
【0024】
上記した実施形態において、第２チャネル形成層に生成される一又は複数の二次元キャリアガスは、一又は複数の二次元電子ガスであってもよい。この場合、特に限定されないが、ゲート電極は、第１導電型の不純物が導入された半導体材料で構成されていてもよい。このような構成によると、ｐ型であるゲート電極とｎ型である第２チャネル形成層との間で内蔵電界が形成され、その内蔵電界によってしきい値電圧をより高くすることができる。
【0025】
上記したいくつかの実施形態、特に、ソース電極及びドレイン電極が第２チャネル形成層に接触する実施形態では、半導体基板の上面に、上層を通過して中層に達する二つのリセスが設けられていてもよい。この場合、ソース電極は、二つのリセスの一方の底面から、第２チャネル形成層まで延びていてもよい。また、ドレイン電極は、二つのリセスの他方の底面から、第２チャネル形成層まで延びていてもよい。このような構成によると、比較的に簡素な構造によって、ソース電極及びドレイン電極のそれぞれを、第１チャネル形成層から電気的に絶縁しながら、第２チャネル形成層に電気的に接続させることができる。
【0026】
本技術の一実施形態において、ソース電極及びドレイン電極は、第１チャネル形成層に接触していてもよい。この場合、ゲート電極は、上層から第１チャネル形成層及び中層を通過して第２チャネル形成層まで延びているとともに、上層内で第１チャネル形成層と対向していてもよい。このような構成によると、ソース電極とドレイン電極との間を接続する第１チャネル形成層は、リセスゲート構造を有するゲート電極と、そのゲート電極に接続された第２チャネル形成層との間を通過する。これにより、第１チャネル形成層のキャリア濃度は、その通過する位置において有意に低下するので、しきい値電圧を高くすることによって、ノーマリオフ型又はそれに近い動作を実現することができる。
【0027】
上記した実施形態において、第１チャネル形成層では、第１極性の二次元キャリアガスが複数生成されてもよい。この場合、その複数の二次元キャリアガスでは、上下の両側に位置する各二次元キャリアガスが、それらの間に位置する少なくとも一つの二次元キャリアガスよりも、大きなキャリア濃度を有してもよい。このような構成によると、複数の二次元キャリアガスの各キャリア濃度を均等に低下させることができ、しきい値電圧をより高くすることができる。
【0028】
上記したいくつかの実施形態、特に、ソース電極及びドレイン電極が第１チャネル形成層に接触する実施形態では、半導体基板の上面に、上層を通過して中層に達するリセスが設けられていてもよい。この場合、ゲート電極は、リセスの底面から第２チャネル形成層に向けて延びていてもよい。このような構成によると、比較的に簡素な構造によって、ゲート電極を、第１チャネル形成層から電気的に絶縁しながら、第２チャネル形成層に接触又は近接させることができる。
【0029】
本技術の一実施形態において、半導体基板は、上層の上に位置するとともに絶縁性を有する上部バッファ層と、上部バッファ層と上層との間に位置するとともに、１×１０１２／ｃｍ２以上の界面準位濃度を有する上部電位固定層をさらに備えてもよい。半導体基板が上部電位固定層を有していると、上部電位固定層よりも上方の構造にかかわらず、上層における電位（電界強度）を固定することができ、第１チャネル形成層のチャネル濃度（あるいは電位）が安定する。従って、上部電位固定層よりも上方には、例えば保護膜といった付加的な構造を自由に設けることができ、その際に第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層への影響を考慮する必要がない。
【0030】
上記した実施形態において、上部電位固定層は、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）又は鉄（Ｆｅ）が導入されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成されていてもよい。この場合、特に限定されないが、上部電位固定層は、１ｎｍ～１０μｍの厚みを有してもよい。但し、他の実施形態として、上部電位固定層の厚みは、例えば数原子層以下の厚みであってもよく、そこに任意の結晶欠陥が設けられてものであってもよい。
【0031】
上記した上部電位固定層に加えて、又は代えて、半導体基板は、下層の下に位置するとともに絶縁性を有する下部バッファ層と、下部バッファ層と下層との間に位置するとともに、１×１０１２／ｃｍ２以上の界面準位濃度を有する下部電位固定層をさらに備えてもよい。このような構成によると、下部電位固定層よりも下方の構造にかかわらず、上層における電位（電界強度）を固定することができ、第２チャネル形成層のチャネル濃度（あるいは電位）が安定させることができる。従って、下部電位固定層よりも下方には、例えば支持基板といった付加的な構造を自由に設けることができ、その際に第１チャネル形成層及び第２チャネル形成層への影響を考慮する必要がない。
【0032】
下部電位固定層もまた、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）又は鉄（Ｆｅ）が導入されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成されていてもよい。この場合、特に限定されないが、下部電位固定層は、１ｎｍ～１０μｍの厚みを有してもよい。但し、他の実施形態として、上部電位固定層の厚みは、例えば一原子層以下の厚みであってもよく、そこに任意の結晶欠陥が設けられたものであってもよい。
【実施例】
【0033】
（実施例１）図１、図２を参照して、実施例１の半導体装置１０Ａについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ａは、半導体基板１２と、半導体基板１２に設けられたソース電極１４、ドレイン電極１６及びゲート電極１８とを備える。ソース電極１４、ドレイン電極１６及びゲート電極１８は、特に限定されないが、半導体基板１２の上面１２ａに形成されたトレンチ内に設けられている。ソース電極１４、ドレイン電極１６及びゲート電極１８は、導電性を有する材料で形成されている。一例ではあるが、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、ｎ型半導体（例えばｎ－ＧａＡｓ）で構成されてもよく、ゲート電極１８は、ｐ型半導体（例えばｐ－ＧａＡｓ）で構成されてもよい。
【0034】
半導体基板１２は、ｉ型の半導体層である上層２０、中層２２及び下層２４と、上層２０と中層２２との間に位置する第１チャネル形成層３０と、中層２２と下層２４との間に位置する第２チャネル形成層４０とを備える。上層２０、中層２２及び下層２４は、第１の半導体材料で構成されている。上層２０、中層２２及び下層２４の各厚みは、特に限定されないが、数１０ｎｍ～１μｍであってよい。また、第１の半導体材料は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体又はその他の半導体材料であってよい。上層２０の上方には、半導体基板１２の上面１２ａを覆う保護膜２が設けられており、下層２４の下方には、半絶縁性基板で構成された支持基板４が設けられている。
【0035】
第１チャネル形成層３０は、一つの異種材料層３２を有する。異種材料層３２は、第１の半導体材料とバンドギャップが異なる第２の半導体材料で構成されている。異種材料層３２の厚みは、例えば３ｎｍ～５０ｎｍであって、上層２０、中層２２及び下層２４の各厚みよりも十分に小さい。異種材料層３２は、上層２０及び中層２２のそれぞれに接しており、異種材料層３２の両側に一対のヘテロ界面３４が形成されている。そして、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成されている。ここで、第１チャネル形成層３０の異種材料層３２には、ｐ型の不純物が導入されており、異種材料層３２から二次元正孔ガス２ＤＨＧへ正孔が供給される。第２の半導体材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体又はその他の半導体材料であってよい。
【0036】
第２チャネル形成層４０は、一つの異種材料層４２を有する。異種材料層４２は、前述した第１チャネル形成層３０と同じく、第２の半導体材料で構成されている。異種材料層４２の厚みは、例えば３ｎｍ～５０ｎｍであって、上層２０、中層２２及び下層２４の各厚みよりも小さい。異種材料層４２は、中層２２及び下層２４のそれぞれに接しており、異種材料層４２の両側に一対のヘテロ界面４４が形成されている。そして、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成されている。ここで、第２チャネル形成層４０の異種材料層４２にはｎ型の不純物が導入されており、異種材料層４２から二次元電子ガス２ＤＥＧへ電子が供給される。
【0037】
一例ではあるが、本実施例の半導体装置１０Ａでは、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料に、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）が採用されており、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料に、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）が採用されている。従って、本実施例の半導体装置１０Ａでは、第１の半導体材料（ＧａＡｓ）のバンドギャップは、第２の半導体材料（ＡｌＧａＡｓ）のバンドギャップよりも狭くなっている。なお、第１の半導体材料及び第２の半導体材料は、これらの半導体材料に限定されない。例えば、第１の半導体材料が窒化ガリウム（ＧａＮ）であって、第２の半導体材料が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）であってもよい。この場合でも、第１の半導体材料のバンドギャップは、第２の半導体材料のバンドギャップよりも狭くなる。
【0038】
上記したバンドギャップの大小関係により、第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の外側に、二次元正孔ガス２ＤＨＧが形成される。そのことから、第１チャネル形成層３０では、不純物の存在によって正孔の移動が阻害されないように、異種材料層３２の内側にｐ型の不純物が導入されている。同様に、第２チャネル形成層４０でも、異種材料層４２の外側に、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。そのことから、第２チャネル形成層４０では、不純物の存在によって電子の移動が阻害されないように、異種材料層４２の内側にｎ型の不純物が導入されている。但し、第１チャネル形成層３０では、各々のヘテロ界面３４に沿ってｐ型の不純物が導入されていればよく、異種材料層３２の外側にｐ型の不純物が導入されていてもよい。第２チャネル形成層４０でも、各々のヘテロ界面４４に沿ってｎ型の不純物が導入されていればよく、異種材料層４２の外側にｎ型の不純物が導入されていてもよい。
【0039】
ソース電極１４及びドレイン電極１６の各々は、半導体基板１２の上面１２ａから第２チャネル形成層４０まで延びており、第２チャネル形成層４０に接している。これにより、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、第２チャネル形成層４０の二次元電子ガス２ＤＥＧを介して、互いに電気的に接続される。一方、ゲート電極１８は、半導体基板１２の上面１２ａから第１チャネル形成層３０まで延びており、第１チャネル形成層３０に接している。これにより、ゲート電極１８は、第１チャネル形成層３０の二次元正孔ガス２ＤＨＧと電気的に接続される。
【0040】
ここで、半導体基板１２の上面１２ａには、二つのリセス１２ｂが設けられている。各々のリセス１２ｂは、上層２０を通過して中層２２に達している。ソース電極１４は、二つのリセス１２ｂの一方の底面から、第２チャネル形成層４０まで延びている。ドレイン電極１６は、二つのリセス１２ｂの他方の底面から、第２チャネル形成層４０まで延びている。このような構成によると、比較的に簡素な構造によって、ソース電極１４及びドレイン電極１６のそれぞれを、第１チャネル形成層３０から電気的に絶縁しながら、第２チャネル形成層４０に電気的に接続させることができる。
【0041】
以上の構成により、本実施例の半導体装置１０Ａでは、ゲート電極１８に与える電圧を調節することで、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０を空乏化させたり、それらに二次元正孔ガス２ＤＨＧ及び二次元電子ガス２ＤＥＧを生成させたりすることができる。第２チャネル形成層４０に二次元電子ガス２ＤＥＧが生成されると、ソース電極１４とドレイン電極１６との間が、第２チャネル形成層４０を介して電気的に接続される。特に、第２チャネル形成層４０は、一対（即ち、二つ）のヘテロ界面４４を有しており、それぞれのヘテロ界面４４に沿って二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これにより、ソース電極１４とドレイン電極１６との間は、比較的に低い抵抗で電気的に接続される。
【0042】
一方、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０が空乏化されると、ソース電極１４とドレイン電極１６との間が電気的に絶縁される。ここで、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０とが対向する方向（図２における上下方向）は、ソース電極１４とドレイン電極１６とを結ぶ方向（図２における左右方向）に対して直交している。従って、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０が空乏化されたときに、それに起因する電界も、ソース電極１４とドレイン電極１６とが並ぶ方向に対して直交する方向に発生する。この場合、いわゆるスーパージャンクション構造と同様に、ソース電極１４とドレイン電極１６との間で電界強度が一様となることから、この半導体装置１０Ａは、高いオフ耐圧を実現することができる。
【0043】
ここで、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０とのそれぞれでは、同一極性の二次元キャリアガス（即ち、二次元正孔ガス２ＤＨＧ又は二次元電子ガス２ＤＥＧ）のみが生成される。従って、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０とのそれぞれでは、隣り合う二次元キャリアガスの間に間隔を設ける必要がない。そのことから、異種材料層３２、４２の厚みは、十分に小さくすることができる。これにより、半導体基板１２の厚みを抑制しつつ、多くの二次元キャリアガス（２ＤＨＧ又は２ＤＥＧ）を生成させることによって、通電時の抵抗を低減することができる。
【0044】
本実施例の半導体装置１０Ａでは、上層２０、中層２２及び下層２４がヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）で構成されており、異種材料層３２、４２がヒ化アルミニウムガリウム（ＧａＡｌＡｓ）で構成されている。ここで、ヒ化アルミニウムガリウムは、ヒ化ガリウムと比較して、結晶成長させたときの不純物濃度が比較的に高いという問題がある。しかしながら、ヒ化アルミニウムガリウムで構成された異種材料層３２、４２が、ヒ化ガリウムで構成された上層２０、中層２２及び下層２４よりも十分に薄いので、そのような不純物による影響を抑制することができる。これにより、例えば第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０におけるキャリア濃度の変動が抑制される。
【0045】
本実施例の半導体装置１０Ａでは、上述したように、ヒ化アルミニウムガリウムで構成された異種材料層３２、４２が、ヒ化ガリウムで構成された上層２０、中層２２及び下層２４よりも十分に薄い。このような構成によると、二種類の半導体材料を交互に結晶成長させた場合でも、格子定数の違いに起因する歪の蓄積が抑制されるので、多層構造を有する半導体基板１２を比較的に容易に製造することができる。
【0046】
（実施例２）図３、図４を参照して、実施例２の半導体装置１０Ｂについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｂは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の構成が変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0047】
第１チャネル形成層３０は、二つの異種材料層３２を有する。各々の異種材料層３２は、実施例１の半導体装置１０Ａと同じく、ヒ化アルミニウムガリウムで構成されており、かつ、ｐ型の不純物が導入されている。二つの異種材料層３２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。即ち、第１チャネル形成層３０は、第１の半導体材料と第２の半導体材料とが交互に積層された構造を有する。二つの異種材料層３２の間隔は、異種材料層３２の厚さと同程度であってよく、例えば３ｎｍ～５０ｎｍであってよい。各々の異種材料層３２では、その両側に一対のヘテロ界面３４が形成されている。従って、第１チャネル形成層３０には、四つのヘテロ界面３４が存在する。そして、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。ここで、二つの異種材料層３２の間（即ち、隣接する二つのヘテロ界面３４の間）では、二つの二次元正孔ガス２ＤＨＧが少なくとも部分的に重畳することで、見かけ上、一つの二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成されてもよい。
【0048】
同様に、第２チャネル形成層４０は、二つの異種材料層４２を有する。各々の異種材料層４２は、実施例１の半導体装置１０Ａと同じく、ヒ化アルミニウムガリウムで構成されており、かつ、ｎ型の不純物が導入されている。二つの異種材料層４２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。即ち、第２チャネル形成層４０についても、第１の半導体材料と第２の半導体材料とが交互に積層された構造を有する二つの異種材料層３２の間隔は、異種材料層４２の厚さと同程度であってよく、例えば３ｎｍ～５０ｎｍであってよい。各々の異種材料層４２では、その両側に一対のヘテロ界面４４が形成されている。従って、第２チャネル形成層４０にも、四つのヘテロ界面４４が存在する。そして、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。ここで、二つの異種材料層４２の間（即ち、隣接する二つのヘテロ界面４４）の間では、二つの二次元電子ガス２ＤＥＧが少なくとも部分的に重畳することで、見かけ上、一つの二次元電子ガス２ＤＥＧが生成されてもよい。
【0049】
以上のように、本実施例の半導体装置１０Ｂでは、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０との各々が、二つの異種材料層３２、４２を有しており、それによって多くの二次元正孔ガス２ＤＨＧ又は二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。このような構成によると、ソース電極１４とドレイン電極１６との間が、多数の二次元電子ガス２ＤＥＧを介して接続されるので、通電時の抵抗がより低減される。なお、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０との各々は、三以上の異種材料層３２、４２を有してもよい。
【0050】
（実施例３）図５－図７を参照して、実施例３の半導体装置１０Ｃについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｃは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、二次元正孔ガス２ＤＨＧ及び二次元電子ガス２ＤＥＧの生成される位置が相違する。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0051】
第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２にｎ型不純物が導入されており、この点において実施例１と相違する。従って、第１チャネル形成層３０では、各々のヘテロ界面３４に沿って二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。一方、第２チャネル形成層４０では、異種材料層４２にｐ型不純物が導入されている。従って、第２チャネル形成層４０では、各々のヘテロ界面４４に沿って二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。
【0052】
ソース電極１４及びドレイン電極１６の各々は、半導体基板１２の上面１２ａから第１チャネル形成層３０まで延びており、第１チャネル形成層３０に接している。これにより、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、第１チャネル形成層３０の二次元電子ガス２ＤＥＧを介して、互いに電気的に接続される。一方、ゲート電極１８は、半導体基板１２の上面１２ａから第１チャネル形成層３０を通過して第２チャネル形成層４０まで延びており、第２チャネル形成層４０に接している。これにより、ゲート電極１８は、第２チャネル形成層４０の二次元正孔ガス２ＤＨＧと電気的に接続される。なお、ゲート電極１８は、例えば絶縁領域１９によって、第１チャネル形成層３０から電気的に絶縁されている。
【0053】
特に限定されないが、図６、図７に示すように、本実施例におけるゲート電極１８は、リセスゲート部１８Ａと、ピラー部１８Ｂとを有する。リセスゲート部１８Ａは、上層２０内に設けられており、第１チャネル形成層３０に対して平行に延びている。ピラー部１８Ｂは、リセスゲート部１８Ａから第２チャネル形成層４０まで延びており、第２チャネル形成層４０と接している。即ち、ゲート電極１８は、上層２０から第１チャネル形成層３０及び中層２２を通過して第２チャネル形成層４０まで延びており、かつ、上層２０内で第１チャネル形成層３０と対向している。このような構成によると、ソース電極１４とドレイン電極１６との間を接続する第１チャネル形成層３０が、ゲート電極１８のリセスゲート部１８Ａと、ゲート電極１８に接続された第２チャネル形成層４０との間を通過する。第１チャネル形成層３０のキャリア濃度は、その通過する位置において有意に低下するので、半導体装置１０Ｃのしきい値電圧が高くなる。これにより、半導体装置１０Ｃは、ノーマリオフ型又はそれに近い動作を実現することができる。
【0054】
（実施例４）図８、図９を参照して、実施例４の半導体装置１０Ｄについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｄは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料が変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0055】
本実施例の半導体装置１０Ｄでは、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料に、ｉ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）が採用されている。一方、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料については、実施例１と同じく、ｉ型のヒ化ガリウム（ｉ－ＧａＡｓ）が採用されている。従って、本実施例の半導体装置１０Ｄでは、第１の半導体材料（ＧａＡｓ）のバンドギャップが、第２の半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）のバンドギャップよりも広くなっている。
【0056】
上記したバンドギャップの大小関係によると、第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の内側に、二次元正孔ガス２ＤＨＧが形成される。そのことから、第１チャネル形成層３０では、不純物の存在によって正孔の移動が阻害されないように、異種材料層３２の外側にｐ型の不純物が導入されている。従って、異種材料層３２の両側には、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）で構成された正孔供給層３６が形成されている。同様に、第２チャネル形成層４０でも、異種材料層４２の内側に、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。そのことから、第２チャネル形成層４０では、不純物の存在によって電子の移動が阻害されないように、異種材料層４２の外側にｎ型の不純物が導入されている。従って、異種材料層４２の両側には、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）で構成された電子供給層４６が形成されている。
【0057】
なお、第１の半導体材料及び第２の半導体材料は、上記の組み合わせに限定されない。例えば、第１の半導体材料は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であり、第２の半導体材料は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）であってもよい。あるいは、第１の半導体材料は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＡｓ（０＜ｘ＜０．３，０＜ｙ＜０．５）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであり、第２の半導体材料は、ＩｎａＡｌｂＧａ１－ａ－ｂＡｓ（ａ＞ｘ，ｙ＞ｂ）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであってもよい。これらの組み合わせでも、第１の半導体材料のバンドギャップは、第２の半導体材料のバンドギャップよりも広くなる。
【0058】
本実施例の半導体装置１０Ｄにおいても、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０との各々では、二以上の異種材料層３２、４２が、第１の半導体材料を介して積層されてもよい。また、実施例３の半導体装置１０Ｃのように、第１チャネル形成層３０に二次元電子ガス２ＤＥＧが生成され、第２チャネル形成層４０に二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成されるように構成されてもよい。また、上述した正孔供給層３６や電子供給層４６に加えて、又は代えて、異種材料層３２、４２にｐ型不純物又はｎ型不純物が導入されていてもよい。
【0059】
（実施例５）図１０－図１２を参照して、実施例５の半導体装置１０Ｅについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｅは、実施例１の半導体装置１０Ａにおける構造、特に、上層２０から下層２４までの積層構造が、半導体基板１２の厚み方向に沿って繰り返された構造を有する。このように、半導体装置１０Ｅは、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０との組み合わせを、複数備えてもよい。この場合、ソース電極１４及びドレイン電極１６のそれぞれは、各々の第２チャネル形成層４０に接するとともに、例えば絶縁領域１５、１７によって、各々の第１チャネル形成層３０からは電気的に絶縁されるとよい。また、ゲート電極１８は、各々の第１チャネル形成層３０に接するとともに、例えば絶縁領域１９によって、各々の第２チャネル形成層４０からは電気的に絶縁されるとよい。
【0060】
本実施例の半導体装置１０Ｅにおいて、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の具体的な構造は特に限定されない。第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０には、本明細書で開示される様々は構造を適宜に採用することができる。
【0061】
（実施例６）図１３、図１４を参照して、実施例６の半導体装置１０Ｆについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｆは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の構成が変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0062】
第１チャネル形成層３０は、一つの異種材料層３２を有する。異種材料層３２を構成する第２の半導体材料には、実施例１と同じく、ヒ化アルミニウムガリウムが採用されている。しかしながら、本実施例では、異種材料層３２の内側にｐ型不純物が導入されておらず、異種材料層３２の外側にｐ型不純物が導入されている。従って、異種材料層３２は、ｉ型のヒ化アルミニウムガリウム（ｉ－ＡｌＧａＡｓ）で構成されており、異種材料層３２の両側に、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）で構成された正孔供給層３６が形成されている。即ち、本実施例の第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の外側にｐ型不純物が導入されているとともに、異種材料層３２の外側に二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。なお、第１チャネル形成層３０は、二以上の異種材料層３２を有してもよい。
【0063】
同様に、第２チャネル形成層４０は、一つの異種材料層４２を有する。そして、異種材料層４２は、ｉ型のヒ化アルミニウムガリウム（ｉ－ＡｌＧａＡｓ）で構成されており、異種材料層４２の両側に、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）で構成された電子供給層４６が形成されている。即ち、第２チャネル形成層４０においても、異種材料層４２の外側にｎ型不純物が導入されているとともに、異種材料層３２の外側に二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。第２チャネル形成層４０についても、二以上の異種材料層４２を有してもよい。
【0064】
（実施例７）図１５、図１６を参照して、実施例７の半導体装置１０Ｇについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｇは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の構成が変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0065】
第１チャネル形成層３０は、二つの異種材料層３２を有する。各々の異種材料層３２は、実施例１の半導体装置１０Ａと同じく、ヒ化アルミニウムガリウムで構成されており、かつ、ｐ型の不純物が導入されている。隣接する二つの異種材料層３２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層３２では、その両側に一対のヘテロ界面３４が形成されており、第１チャネル形成層３０には、四つのヘテロ界面３４が存在する。そして、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。
【0066】
隣接する二つのヘテロ界面３４の間隔は、３ｎｍ～２０ｎｍとなっており、比較的に小さい。このような構成によると、二つの異種材料層３２の間（図中のＸ）では、二つの二次元正孔ガス２ＤＨＧが少なくとも部分的に重畳することで、キャリア濃度（即ち、正孔密度）の高い二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。これにより、第１チャネル形成層３０の優れた導電性（即ち、低抵抗）を維持しながら、第１チャネル形成層３０の厚みを小さくすることができる。加えて、二つの異種材料層３２の間（Ｘ）では、キャリア濃度の厚み方向における分布が均一化されるので、第１チャネル形成層３０内に生じ得る最大電界強度が低減される。なお、第１チャネル形成層３０は、三以上の異種材料層３２を有してもよい。
【0067】
同様に、第２チャネル形成層４０は、二つの異種材料層４２を有する。各々の異種材料層４２は、実施例１の半導体装置１０Ａと同じく、ヒ化アルミニウムガリウムで構成されており、かつ、ｎ型の不純物が導入されている。隣接する二つの異種材料層４２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層４２では、その両側に一対のヘテロ界面４４が形成されており、第２チャネル形成層４０には、四つのヘテロ界面４４が存在する。そして、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。
【0068】
隣接する二つのヘテロ界面４４の間隔は、３ｎｍ～２０ｎｍとなっており、比較的に小さい。このような構成によると、二つの異種材料層４２の間（図中のＹ）では、二つの二次元電子ガス２ＤＥＧが少なくとも部分的に重畳することで、キャリア濃度（即ち、電子密度）の高い二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これにより、第２チャネル形成層４０の優れた導電性（即ち、低抵抗）を維持しながら、第２チャネル形成層４０の厚みを小さくすることができる。また、二つの異種材料層４２の間（Ｙ）では、キャリア濃度の厚み方向における分布が均一化されるので、第２チャネル形成層４０内に生じ得る最大電界強度が低減される。第２チャネル形成層４０もまた、三以上の異種材料層３２を有してもよい。
【0069】
（実施例８）図１７、図１８を参照して、実施例８の半導体装置１０Ｈについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｈは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の構成が変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0070】
第１チャネル形成層３０は、二つの異種材料層３２を有する。各々の異種材料層３２は、ｉ型のヒ化インジウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）で構成されている。隣接する二つの異種材料層３２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層３２では、その両側に一対のヘテロ界面３４が形成されており、第１チャネル形成層３０には、四つのヘテロ界面３４が存在する。そして、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。ここで、異種材料層３２を構成するヒ化インジウムガリウムのバンドギャップは、上層２０、中層２２及び下層２４等を構成する第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）のバンドギャップよりも狭い。従って、二次元正孔ガス２ＤＨＧは、異種材料層３２の内側に生成される。なお、各々の異種材料層３２の両側には、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）で構成された正孔供給層３６が形成されている。なお、第１チャネル形成層３０は、三以上の異種材料層３２を有してもよい。
【0071】
各々の異種材料層３２の厚み、即ち、隣接する二つのヘテロ界面３４の間隔は、３ｎｍ～２０ｎｍとなっており、比較的に小さい。このような構成によると、異種材料層３２の内側では、二つの二次元正孔ガス２ＤＨＧが少なくとも部分的に重畳することで、キャリア濃度（即ち、正孔密度）の高い二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。これにより、第１チャネル形成層３０の優れた導電性（即ち、低抵抗）を維持しながら、第１チャネル形成層３０の厚みを小さくすることができる。また、全ての二次元正孔ガス２ＤＨＧにおいて、キャリア濃度が一様に高められることになるので、第１チャネル形成層３０内に生じ得る最大電界強度をより低減することができる。その結果、半導体装置１０Ｈの耐圧性が向上する。
【0072】
同様に、第２チャネル形成層４０は、二つの異種材料層４２を有する。各々の異種材料層４２は、ｉ型のヒ化インジウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）で構成されている。隣接する二つの異種材料層４２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層４２では、その両側に一対のヘテロ界面４４が形成されており、第２チャネル形成層４０には、四つのヘテロ界面４４が存在する。そして、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これらの二次元電子ガス２ＤＥＧは、異種材料層４２の内側に生成される。なお、各々の異種材料層４２の両側には、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）で構成された電子供給層４６が形成されている。
【0073】
第２チャネル形成層４０においても、各々の異種材料層３２の厚み、即ち、隣接する二つのヘテロ界面４４の間隔は、３ｎｍ～２０ｎｍとなっており、比較的に小さい。このような構成によると、異種材料層４２の内側では、二つの二次元電子ガス２ＤＥＧが少なくとも部分的に重畳することで、キャリア濃度（即ち、電子密度）の高い二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これにより、第２チャネル形成層４０の優れた導電性（即ち、低抵抗）を維持しながら、第２チャネル形成層４０の厚みを小さくすることができる。また、全ての二次元電子ガス２ＤＥＧにおいて、キャリア濃度が一様に高められることになるので、第２チャネル形成層４０内に生じ得る最大電界強度をより低減することができる。その結果、半導体装置１０Ｈの耐圧性が向上する。
【0074】
本実施例の半導体装置１０Ｈにおいて、第１の半導体材料及び第２の半導体材料は、上記の組み合わせに限定されない。例えば、第１の半導体材料は、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）の組成式で表されるヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）であり、第２の半導体材料は、ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓ（０＜ｙ＜０．５）の組成式で表されるヒ化インジウムガリウムであってもよい。あるいは、第１の半導体材料は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＡｓ（０＜ｘ＜０．３，０＜ｙ＜０．５）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであり、第２の半導体材料は、ＩｎａＡｌｂＧａ１－ａ－ｂＡｓ（ａ＞ｘ，ｙ＞ｂ）の組成式で表されるヒ化インジウムアルミニウムガリウムであってもよい。これらの組み合わせでも、第１の半導体材料のバンドギャップは、第２の半導体材料のバンドギャップよりも広くなる。
【0075】
（実施例９）図１９、図２０を参照して、実施例９の半導体装置１０Ｉについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｉは、実施例８の半導体装置１０Ｈと比較して、ゲート電極１８の構成が変更されている。以下では、実施例８との相違点を主に説明し、実施例８と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0076】
図２０に示すように、本実施例の半導体装置１０Ｉでは、ゲート電極１８が上層２０内に設けられており、上層２０の一部を介して第１チャネル形成層３０から隔離されている。このように、ゲート電極１８は、第１チャネル形成層３０（又は、第２チャネル形成層４０）に必ずしも接する必要はない。ゲート電極１８が第１チャネル形成層３０から離れていても、ゲート電極１８に電圧が印加されることでゲート電極１８と第１チャネル形成層３０とが電気的に結合され、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０を空乏化することができる。このようなゲート電極１８の構成は、本明細書に記載された全ての実施例において採用することができる。
【0077】
（実施例１０）図２１、図２２を参照して、実施例１０の半導体装置１０Ｊについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｊは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の構成が変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0078】
第１チャネル形成層３０は、四つの異種材料層３２を有する。各々の異種材料層３２は、ｉ型のヒ化インジウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）で構成されている。隣接する二つの異種材料層３２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層３２では、その両側に一対のヘテロ界面３４が形成されており、第１チャネル形成層３０には、八つのヘテロ界面３４が存在する。そして、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。ここで、異種材料層３２を構成するヒ化インジウムガリウムのバンドギャップは、上層２０、中層２２及び下層２４等を構成する第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）のバンドギャップよりも狭い。従って、二次元正孔ガス２ＤＨＧは、異種材料層３２の内側に生成される。なお、各々の異種材料層３２の両側には、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）で構成された正孔供給層３６が形成されている。
【0079】
第１チャネル形成層３０には、四つの二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。その四つの二次元正孔ガス２ＤＨＧでは、第２チャネル形成層４０までの距離が短い二次元正孔ガス２ＤＨＧほど、大きなキャリア濃度を有する。即ち、図２２に示された四つの二次元正孔ガス２ＤＨＧでは、下方に位置する二次元正孔ガス２ＤＨＧほど、大きなキャリア濃度を有する。このようなキャリア濃度の分布を形成するためには、複数の正孔供給層３６に対して不純物濃度に差を与えるとよい。二次元正孔ガス２ＤＨＧのキャリア濃度は、それに近接する正孔供給層３６の不純物濃度に依存するので、第２チャネル形成層４０までの距離が短い正孔供給層３６ほど、その不純物濃度を大きくするとよい。
【0080】
同様に、第２チャネル形成層４０は、四つの異種材料層４２を有する。各々の異種材料層４２は、ｉ型のヒ化インジウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）で構成されている。隣接する二つの異種材料層４２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層４２では、その両側に一対のヘテロ界面４４が形成されており、第２チャネル形成層４０には、八つのヘテロ界面４４が存在する。そして、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これらの二次元電子ガス２ＤＥＧは、異種材料層４２の内側に生成される。なお、各々の異種材料層４２の両側には、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）で構成された電子供給層４６が形成されている。
【0081】
第２チャネル形成層４０においても、四つの二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。その四つの二次元電子ガス２ＤＥＧでは、第１チャネル形成層３０までの距離が短い二次元電子ガス２ＤＥＧほど、大きなキャリア濃度を有する。即ち、図２２に示された四つの二次元電子ガス２ＤＥＧでは、上方に位置する二次元電子ガス２ＤＥＧほど、大きなキャリア濃度を有する。このようなキャリア濃度の分布を形成するためには、複数の電子供給層４６に対して不純物濃度に差を与えるとよい。二次元電子ガス２ＤＥＧのキャリア濃度のついては、それに近接する電子供給層４６の不純物濃度に依存するので、第１チャネル形成層３０までの距離が短い電子供給層４６ほど、その不純物濃度を大きくするとよい。
【0082】
以上のように、本実施例の半導体装置１０Ｊでは、複数の二次元正孔ガス２ＤＨＧと複数の二次元電子ガス２ＤＥＧとのそれぞれで、キャリア濃度に差が設けられている。このような構成によると、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の各々において、複数の二次元キャリアガスが空乏化されるときの時間差を抑制又は排除することができる。従って、半導体装置１０Ｊのスイッチング速度（スイッチングに要する時間）を向上することができる。
【0083】
（実施例１１）図２３、図２４を参照して、実施例１１の半導体装置１０Ｋについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｋは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、いくつかの点で変更されている。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0084】
本実施例の半導体装置１０Ｋでは、第１の半導体材料に、ｉ型のヒ化アルミニウムガリウム（ｉ－ＡｌＧａＡｓ）が採用されており、第２の半導体材料に、ｉ型のヒ化ガリウム（ｉ－ＧａＡｓ）が採用されている。即ち、上層２０、中層２２及び下層２４は、ｉ型のヒ化ガリウムで構成されており、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の異種材料層３２、４２は、ｉ型のヒ化アルミニウムガリウム（ｉ－ＧａＡｓ）で構成されている。第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の両側に沿って、一対の正孔供給層３６が形成されている。各々の正孔供給層３６は、ｐ型不純物が導入された第１の半導体材料（即ち、ｐ－ＡｌＧａＡｓ）で構成されている。
【0085】
第２チャネル形成層４０では、異種材料層４２の両側に沿って、一対の電子供給層４６が形成されている。各々の電子供給層４６は、ｎ型不純物が導入された第１の半導体材料（即ち、ｎ－ＡｌＧａＡｓ）で構成されている。ここで、一対の電子供給層４６では、ｎ型不純物の濃度が互いに相違する。詳しくは、ゲート電極１８に近い方（即ち、図２４において上側）の電子供給層４６の方が、ゲート電極１８に遠い方（即ち、図２４において下側）の電子供給層４６よりも、ｎ型不純物が高くなっている。
【0086】
本実施例では、第１の半導体材料がヒ化アルミニウムガリウムであり、第２の半導体材料がヒ化ガリウムであるので、第１の半導体材料のバンドギャップが、第２の半導体材料のバンドギャップよりも広くなっている。従って、第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の両側に形成されたヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが異種材料層３２の内側に形成される。同様に、第２チャネル形成層４０では、異種材料層４２の両側に形成されたヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが異種材料層４２の内側に形成される。なお、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の各々は、二以上の異種材料層３２、４２を有し、第１の半導体材料で構成された正孔供給層３６又は電子供給層４６と、第２の半導体材料で構成された異種材料層３２、４２とが交互に積層された構造を有してもよい。
【0087】
ゲート電極１８は、上層２０から第１チャネル形成層３０を通過して、中層２２まで延びている。これにより、ゲート電極１８から第２チャネル形成層４０までの距離が、第１チャネル形成層３０から第２チャネル形成層４０までの距離よりも短くなっている。このような構成によると、例えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）におけるリセスゲート構造のように、ゲート電極１８に近接する位置（図２４中のＺ）では、二次元電子ガス２ＤＥＧにおけるキャリア濃度を低下させることができる。これにより、しきい値電圧（電流を遮断するために必要なゲート電圧）が高くなるので、半導体装置１０Ｋは、ノーマリオフ型又はそれに近い動作を実現することができる。
【0088】
加えて、本実施例の第２チャネル形成層４０では、前述したように、一対の電子供給層４６においてｎ型不純物の濃度に差が設けられており、ゲート電極１８までの距離が近い電子供給層４６ほど、その不純物濃度が大きくなっている。このような構成によると、第２チャネル形成層４０では、ゲート電極１８までの距離が短い二次元電子ガス２ＤＥＧほど、大きなキャリア濃度を有するように、二つの二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これにより、ゲート電極に近接する位置Ｚにおいて、複数の二次元電子ガス２ＤＥＧの各キャリア濃度を均等に低下させることができ、しきい値電圧をより高くすることができる。
【0089】
（実施例１２）図２５－図２７を参照して、実施例１２の半導体装置１０Ｌについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｌは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、いくつかの点で相違する。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0090】
本実施例の半導体装置１０Ｌでは、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料に、ｉ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）が採用されている。一方、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料については、実施例１と同じく、ｉ型のヒ化ガリウム（ｉ－ＧａＡｓ）が採用されている。従って、本実施例の半導体装置１０Ｄでは、第１の半導体材料（ＧａＡｓ）のバンドギャップは、第２の半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）のバンドギャップよりも広くなっている。
【0091】
第１チャネル形成層３０は、複数の異種材料層３２を有する。隣接する二つの異種材料層３２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層３２の両側には、ｎ型不純物が導入された電子供給層３６が形成されている。即ち、電子供給層３６は、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）で構成されており、ｉ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）で構成された異種材料層３２に接している。従って、各々の異種材料層３２では、その両側に一対のヘテロ界面３４が形成され、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。前述したように、ヒ化インジウムガリウムのバンドギャップは、ヒ化ガリウムのバンドギャップよりも狭いので、二次元電子ガス２ＤＥＧは異種材料層３２の内側に生成される。
【0092】
同様に、第２チャネル形成層４０は、複数の異種材料層４２を有する。隣接する二つの異種材料層４２の間には、第１の半導体材料（即ち、ヒ化ガリウム）で構成された層が介在している。各々の異種材料層４２の両側には、ｐ型不純物が導入された正孔供給層４６が形成されている。即ち、正孔供給層４６は、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）で構成されており、ｉ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）で構成された異種材料層４２に接している。従って、各々の異種材料層４２では、その両側に一対のヘテロ界面４４が形成され、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。この二次元正孔ガス２ＤＨＧについても、異種材料層４２の内側に生成される。
【0093】
ソース電極１４及びドレイン電極１６の各々は、半導体基板１２の上面１２ａから第１チャネル形成層３０まで延びており、第１チャネル形成層３０に接している。これにより、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、第１チャネル形成層３０の二次元電子ガス２ＤＥＧを介して、互いに電気的に接続される。一方、ゲート電極１８は、半導体基板１２の上面１２ａから第２チャネル形成層４０まで延びており、第２チャネル形成層４０に接している。これにより、ゲート電極１８は、第２チャネル形成層４０の二次元正孔ガス２ＤＨＧと電気的に接続される。なお、ゲート電極１８は、例えば絶縁領域１９によって、第１チャネル形成層３０から電気的に絶縁されている。
【0094】
ここで、本実施例におけるゲート電極１８は、リセスゲート部１８Ａと、ピラー部１８Ｂとを有する。リセスゲート部１８Ａは、上層２０内に設けられており、第１チャネル形成層３０に対して平行に延びている。ピラー部１８Ｂは、リセスゲート部１８Ａから第２チャネル形成層４０まで延びており、第２チャネル形成層４０と接している。即ち、ゲート電極１８は、上層２０から第１チャネル形成層３０及び中層２２を通過して第２チャネル形成層４０まで延びており、かつ、上層２０内で第１チャネル形成層３０と対向している。このような構成によると、ソース電極１４とドレイン電極１６との間を接続する第１チャネル形成層３０が、ゲート電極１８のリセスゲート部１８Ａと、ゲート電極１８に接続された第２チャネル形成層４０との間を通過する。第１チャネル形成層３０のキャリア濃度は、その通過する位置において有意に低下するので、半導体装置１０Ｌのしきい値電圧が高くなる。これにより、半導体装置１０Ｌは、ノーマリオフ型又はそれに近い動作を実現することができる。
【0095】
加えて、第１チャネル形成層３０では、複数の二次元電子ガス２ＤＥＧにおいて、キャリア濃度に差を設けてもよい。詳しくは、上下の両側に位置する各二次元電子ガス２ＤＥＧが、それらの間に位置する少なくとも一つの二次元電子ガス２ＤＥＧよりも、大きなキャリア濃度を有してもよい。即ち、ゲート電極１８又は第２チャネル形成層４０までの距離が短い二次元電子ガス２ＤＥＧほど、大きなキャリア濃度を有してもよい。このような構成によると、複数の二次元電子ガス２ＤＥＧの各キャリア濃度を均等に低下させることができ、しきい値電圧をより高くすることができる。
【0096】
（実施例１３）図２８－図３０を参照して、実施例１３の半導体装置１０Ｍについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｍは、実施例１の半導体装置１０Ａと比較して、上部バッファ層５０、上部電位固定層５２、下部バッファ層６０及び下部電位固定層６２をさらに備える。以下では、実施例１との相違点を主に説明し、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0097】
上部バッファ層５０は、半導体基板１２において上層２０の上に位置しており、上層２０と保護膜２との間に介在している。上部バッファ層５０は、絶縁性又は半絶縁性を有する材料で構成されている。上部バッファ層５０を構成する材料は、特に限定されないが、例えばｉ型のヒ化ガリウム（即ち、第１の半導体材料）であってよい。上部電位固定層５２は、上部バッファ層５０と上層２０との間に位置するとともに、１×１０１２／ｃｍ２以上の界面準位濃度を有する。なお、上部電位固定層５２の厚みは、例えば１ｎｍ～１０ｕｍ程度の厚みであってもよく、あるいは、数原子層以下の厚みであってもよい。
【0098】
半導体基板１２が上部電位固定層５２を有していると、上部電位固定層５２よりも上方の構造にかかわらず、上層２０における電位（電界強度）を固定することができる。これにより、第１チャネル形成層３０におけるチャネル濃度を、所望の値で安定させることができる。従って、上部電位固定層５２よりも上方には、例えば保護膜２といった付加的な構造を自由に設けることができ、その際に第１チャネル形成層３０や第２チャネル形成層４０への影響を考慮する必要がない。
【0099】
下部バッファ層６０は、半導体基板１２において下層２４の下に位置しており、下層２４と支持基板４との間に介在している。下部バッファ層６０は、絶縁性又は半絶縁性を有する材料で構成されている。下部バッファ層６０を構成する材料は、特に限定されないが、例えばｉ型のヒ化ガリウム（即ち、第１の半導体材料）であってよい。下部電位固定層６２は、下部バッファ層６０と下層２４との間に位置するとともに、１×１０１２／ｃｍ２以上の界面準位濃度を有する。なお、下部電位固定層６２の厚みは、例えば１ｎｍ～１０ｕｍ程度の厚みであってもよく、あるいは、数原子層以下の厚みであってもよい。
【0100】
上述した上部電位固定層５２と同様に、半導体基板１２が下部電位固定層６２を有していると、下部電位固定層６２よりも下方の構造にかかわらず、下層２４における電位（電界強度）を固定することができる（図３０参照）。これにより、第２チャネル形成層４０におけるチャネル濃度を、所望の値で安定させることができる。また、上部電位固定層５２との組み合わせにより、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０との間でチャネル濃度をバランスさせることができる。従って、下部電位固定層６２よりも下には、例えば支持基板４といった付加的な構造を自由に設けることができ、その際に第１チャネル形成層３０や第２チャネル形成層４０への影響を考慮する必要がない。
【0101】
上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２の具体的な構成は、特に限定されない。例えば、上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２の各々は、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）又は鉄（Ｆｅ）等の不純物が導入されたＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成されていてもよい。この場合、そのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、又は窒化ガリウムと窒化アルミニウムガリウムとの超格子層であってもよい。この場合、上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２の厚みは、１ｎｍ～１０ｕｍ程度とすることができる。
【0102】
他の例として、上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２の各々は、炭素、酸素又は鉄といった不純物が、デルタドーピングされたものであってもよい。あるいは、界面の凹凸といった、数原子層以下の結晶格子の乱れであってもよい。上記した界面準位濃度の数値的要件が満たされる限り、上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２の構成は特に限定されず、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成された保護膜２との界面であってもよい。上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２の界面準位濃度は、半導体基板１２の製造が完成した後に、外部から調整することもできる。例えば、界面準位濃度を上昇させるためには、半導体基板１２に対して紫外線又はプラズマを照射するとよい。あるいは、界面準位濃度を低下させるためには、ランプアニールやレーザーアニールといった熱処理を行うとよい。
【0103】
（実施例１４）図３１、図３２を参照して、実施例１４の半導体装置１０Ｎについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｎは、実施例１３の半導体装置１０Ｍと比較して、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の構成が変更されている。以下では、実施例１３との相違点を主に説明し、実施例１３と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0104】
本実施例の半導体装置１０Ｎでは、本実施例の半導体装置１０Ｎでは、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料に、ヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）が採用されている。一方、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料については、実施例１３と同じく、ｉ型のヒ化ガリウム（ｉ－ＧａＡｓ）が採用されている。従って、本実施例の半導体装置１０Ｎでは、第１の半導体材料（ＧａＡｓ）のバンドギャップが、第２の半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）のバンドギャップよりも広くなっている。なお、第１チャネル形成層３０の異種材料層３２には、ｐ型不純物が導入されており、ｐ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｐ－ＩｎＧａＡｓ）は、正孔を供給する正孔供給層としても機能する。また、第２チャネル形成層４０の異種材料層４２には、ｎ型不純物が導入されており、ｎ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｎ－ＩｎＧａＡｓ）は、電子を供給する電子供給層としても機能する。
【0105】
上記した構成によると、第１チャネル形成層３０では、一対のヘテロ界面３４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが異種材料層３２の内側に生成される。このとき、異種材料層３２の厚みが３～２０ｎｍ程度であると、二つのヘテロ界面３４に沿って生成された二つの二次元正孔ガス２ＤＨＧが、少なくとも部分的に重畳することによって、見かけ上、一つの二次元正孔ガス２ＤＨＧを形成する。同様に、第２チャネル形成層４０では、一対のヘテロ界面４４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが異種材料層４２の内側に生成される。そして、異種材料層４２の厚みが３～２０ｎｍ程度であると、二つのヘテロ界面４４に沿って形成された二つの二次元電子ガス２ＤＥＧが、少なくとも部分的に重畳することによって、見かけ上、一つの二次元電子ガス２ＤＥＧを生成する。
【0106】
（実施例１５）図３３、図３４を参照して、実施例１５の半導体装置１０Ｐについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｐは、実施例１３の半導体装置１０Ｍと比較して、いくつかの点で相違する。以下では、実施例１３との相違点を主に説明し、実施例１３と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0107】
第１チャネル形成層３０は、一つの異種材料層３２を有する。異種材料層３２を構成する第２の半導体材料には、実施例１と同じく、ヒ化アルミニウムガリウムが採用されている。但し、本実施例の第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２にｎ型不純物が導入されており、各々のヘテロ界面３４に沿って、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成されるように構成されている。ゲート電極１８は、第１チャネル形成層３０に接しており、その二次元電子ガス２ＤＥＧと電気的に接続される。そのことから、ゲート電極１８は、特に限定されないが、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）といった、ｎ型半導体で構成されている。また、ゲート電極１８は、例えば絶縁領域１９によって、第１チャネル形成層３０から電気的に絶縁されている。なお、第１チャネル形成層３０は、二以上の異種材料層３２を有してもよい。
【0108】
同様に、第２チャネル形成層４０は、一つの異種材料層４２を有する。この異種材料層４２を構成する第２の半導体材料にも、ヒ化アルミニウムガリウムが採用されている。但し、本実施例の第２チャネル形成層４０では、異種材料層４２にｐ型不純物が導入されており、各々のヘテロ界面４４に沿って、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成されるように構成されている。ソース電極１４及びドレイン電極１６は、第１チャネル形成層３０に接しており、その二次元正孔ガス２ＤＨＧを介して互いに接続されている。そのことから、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、特に限定されないが、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）といった、ｐ型半導体で構成されている。なお、第２チャネル形成層４０についても、二以上の異種材料層４２を有してもよい。
【0109】
本実施例の半導体装置１０Ｐでは、ソース電極１４及びドレイン電極１６が、第１チャネル形成層３０の二次元電子ガス２ＤＥＧを介して、互いに電気的に接続される。一方、ゲート電極１８は、第２チャネル形成層４０の二次元正孔ガス２ＤＨＧと電気的に接続される。このような構成であっても、ゲート電極１８に与える電圧を調節することで、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０を空乏化させたり、それらに二次元電子ガス２ＤＥＧ及び二次元正孔ガス２ＤＨＧを生成させたりすることができる。これにより、ソース電極１４とドレイン電極１６との間を電気的に接続したり、遮断したりすることができる。なお、ソース電極１４とドレイン電極１６との間が、一又は複数の二次元正孔ガス２ＤＨＧを介して互いに接続される構成は、本明細書に開示された他の実施例においても同様に採用することができる。
【0110】
（実施例１６）図３５－図３７を参照して、実施例１６の半導体装置１０Ｑについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｑは、実施例１２の半導体装置１０Ｌと比較して、上部バッファ層５０、上部電位固定層５２、下部バッファ層６０及び下部電位固定層６２をさらに備える。このように、上部電位固定層５２及び下部電位固定層６２は、本明細書に開示されたいずれの実施例においても付加することができる。なお、本実施例の半導体装置１０Ｑでは、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の各々が、複数の異種材料層３２、４２を有している。しかしながら、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０の各々は、少なくとも一つの異種材料層３２、４２を有すればよい。
【0111】
（実施例１７）図３８、図３９を参照して、実施例１７の半導体装置１０Ｒについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｒは、実施例１３の半導体装置１０Ｍと比較して、ソース電極１４、ドレイン電極１６及びゲート電極１８の位置が変更されている。また、第１チャネル形成層３０が、二次元電子ガス２ＤＥＧを生成し、第２チャネル形成層４０が、二次元正孔ガス２ＤＨＧを生成するように構成されており、この点においても実施例１３の半導体装置１０Ｍと相違する。以下では、実施例１３との相違点を主に説明し、実施例１３と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0112】
第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２にｎ型不純物が導入されており、この点において実施例１３と相違する。従って、第１チャネル形成層３０では、各々のヘテロ界面３４に沿って二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。一方、第２チャネル形成層４０では、異種材料層４２にｐ型不純物が導入されている。従って、第２チャネル形成層４０では、各々のヘテロ界面３４に沿って二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。なお、実施例１で説明したように、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）である。
【0113】
ソース電極１４及びドレイン電極１６の各々は、半導体基板１２の上面１２ａから第１チャネル形成層３０まで延びており、第１チャネル形成層３０に接している。これにより、ソース電極１４及びドレイン電極１６は、第１チャネル形成層３０の二次元電子ガス２ＤＥＧを介して、互いに電気的に接続される。一方、ゲート電極１８は、半導体基板１２の上面１２ａに設けられたリセス１２ｂに位置しており、当該リセス１２ｂの底面から第２チャネル形成層４０まで延びている。これにより、ゲート電極１８は、第２チャネル形成層４０の二次元正孔ガス２ＤＨＧと電気的に接続される。リセス１２ｂは、上層２０から中層２２まで延びており、中層２２を露出している。ゲート電極１８をリセス１２ｂに設けることで、ゲート電極１８を第１チャネル形成層３０から容易に絶縁することができる。
【0114】
なお、ゲート電極１８をリセス１２ｂに設ける構造は、本明細書に開示された他のいくつかの実施例においても、同様に採用することができる。また、リセス１２ｂ及びゲート電極１８の数は、一つに限られず、それらが複数設けられてもよい。また、本実施例の半導体装置１０Ｒにおいて、上部バッファ層５０、上部電位固定層５２、下部バッファ層６０及び下部電位固定層６２は必ずしも必要とされない。
【0115】
（実施例１８）図４０、図４１を参照して、実施例１８の半導体装置１０Ｓについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｓは、実施例１３の半導体装置１０Ｍと比較して、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料が変更されている。以下では、実施例１３との相違点を主に説明し、実施例１３と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0116】
本実施例の半導体装置１０Ｓでは、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料に、ｉ型のヒ化インジウムアルミニウムガリウム（ｉ－ＩｎＧａＡｓ）が採用されている。一方、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料については、実施例１３と同じく、ｉ型のヒ化ガリウム（ｉ－ＧａＡｓ）が採用されている。従って、本実施例の半導体装置１０Ｓでは、第１の半導体材料（ＧａＡｓ）のバンドギャップが、第２の半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）のバンドギャップよりも広くなっている。
【0117】
上記したバンドギャップの大小関係によると、第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の内側に、二次元正孔ガス２ＤＨＧが形成される。そのことから、第１チャネル形成層３０では、不純物の存在によって正孔の移動が阻害されないように、異種材料層３２の外側にｐ型の不純物が導入されている。従って、異種材料層３２の両側には、ｐ型のヒ化ガリウム（ｐ－ＧａＡｓ）で構成された正孔供給層３６が形成されている。同様に、第２チャネル形成層４０でも、異種材料層４２の内側に、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。そのことから、第２チャネル形成層４０では、不純物の存在によって電子の移動が阻害されないように、異種材料層４２の外側にｎ型の不純物が導入されている。従って、異種材料層４２の両側には、ｎ型のヒ化ガリウム（ｎ－ＧａＡｓ）で構成された電子供給層４６が形成されている。
【0118】
ここで、本実施例の半導体装置１０Ｓは、実施例４の半導体装置１０Ｄに対して、上部バッファ層５０、上部電位固定層５２、下部バッファ層６０及び下部電位固定層６２を付加したものでもある。実施例４で説明したように、本実施例の半導体装置１０Ｓにおいても、第１の半導体材料及び第２の半導体材料は、上記した組み合わせに限定されない。
【0119】
（実施例１９）図４２、図４３を参照して、実施例１９の半導体装置１０Ｔについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｔは、実施例１３の半導体装置１０Ｍと比較して、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料と、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料が、それぞれ変更されている。以下では、実施例１３との相違点を主に説明し、実施例１３と共通する構成については、同一の符号を付すことによって重複する説明を省略する。
【0120】
本実施例の半導体装置１０Ｔでは、上層２０、中層２２及び下層２４のそれぞれが、ｉ型の窒化ガリウム（ｉ－ＧａＮ）で構成されている。一方、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料には、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が採用されている。窒化ガリウムのバンドギャップは、窒化アルミニウムガリウムのバンドギャップよりも狭い。従って、第１チャネル形成層３０では、異種材料層３２の外側に二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成されるので、異種材料層３２の内部にｐ型の不純物が導入されている。同様に、第２チャネル形成層４０では、異種材料層４２の外側に二次元電子ガス２ＤＥＧが生成されるので、異種材料層４２の内部にｎ型の不純物が導入されている。また、支持基板４については、特に限定されないが、絶縁性を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）の基板が採用されている。但し、支持基板４は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の基板に限られず、シリコン（Ｓｉ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）の基板であってもよい。
【0121】
（実施例２０）図４４、図４５を参照して、実施例１９の半導体装置１０Ｔについて説明する。本実施例の半導体装置１０Ｔは、タイオードとして機能するものであり、この点において上述した実施例の半導体装置１０Ａ－１０Ｓと相違する。
【0122】
図４２、図４３に示すように、半導体装置１０Ｔは、半導体基板１２と、半導体基板１２に設けられたアノード電極１４’及びカソード電極１６’とを備える。アノード電極１４’及びカソード電極１６’は、特に限定されないが、半導体基板１２の上面１２ａに形成されたトレンチ内に設けられている。アノード電極１４’及びカソード電極１６’は、導電性を有する材料で形成されている。一例ではあるが、アノード電極１４’は、ｐ型半導体（例えばｐ－ＧａＡｓ）で構成されてもよく、カソード電極１６’は、ｎ型半導体（例えばｎ－ＧａＡｓ）で構成されてもよい。
【0123】
半導体基板１２は、第１の半導体材料で構成された上層２０、中層２２及び下層２４と、上層２０と中層２２との間に位置する第１チャネル形成層３０と、中層２２と下層２４との間に位置する第２チャネル形成層４０とを備える。上層２０、中層２２及び下層２４は、ｉ型の窒化ガリウム（ｉ－ＧａＮ）で構成されている。なお、上層２０、中層２２及び下層２４を構成する第１の半導体材料には、上述した様々な実施例から理解されるように、様々な半導体材料を採用することができる。
【0124】
第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０との各々は、一又は複数の異種材料層３２、４２を有してもよい。各々の異種材料層３２、４２は、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）で構成されている。なお、異種材料層３２、４２を構成する第２の半導体材料についても、上述した様々な実施例から理解されるように、様々な半導体材料を採用することができる。一又は複数の異種材料層３２、４２の各々の厚みは、上層２０、中層２２及び下層２４の厚みよりも十分に小さい。第１チャネル形成層３０では、一又は複数の異種材料層３２の各々の両側に、一対のヘテロ界面３４が形成されており、各々のヘテロ界面３４に沿って二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成される。第２チャネル形成層４０では、一又は複数の異種材料層４２の各々の両側に、一対のヘテロ界面４４が形成されており、各々のヘテロ界面４４に沿って二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。
【0125】
アノード電極１４’は、第１チャネル形成層３０に接触しており、第１チャネル形成層３０内の二次元正孔ガス２ＤＨＧと電気的に接続される。カソード電極１６’は、第２チャネル形成層４０に接触しており、第２チャネル形成層４０内の二次元電子ガス２ＤＥＧと電気的に接続される。ここで、カソード電極１６’は、半導体基板１２の上面１２ａに形成されたリセス１２ｂ内に位置しており、リセス１２ｂの底面から第２チャネル形成層４０まで延びている。
【0126】
以上の構成により、本実施例の半導体装置１０Ｔでは、アノード電極１４’とカソード電極１６’との間に、ＰＩＮダイオード（p-intrinsic-n diode）に類する構造が形成されている。従って、カソード電極１６’に対してアノード電極１４’に正電圧が印加されると、アノード電極１４’とカソード電極１６’との間が電気的に接続される。このとき、第１チャネル形成層３０では二次元正孔ガス２ＤＨＧを正孔が高速で移動し、第２チャネル形成層４０では二次元電子ガス２ＤＥＧを電子が高速で移動するので、通電時の抵抗が有意に抑制される。
【0127】
一方、カソード電極１６’に対してアノード電極１４’に負電圧が印加されると、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０が空乏化されることによって、カソード電極１６’とアノード電極１４’との間が電気的に絶縁される。ここで、第１チャネル形成層３０と第２チャネル形成層４０とが対向する方向（図４５における上下方向）は、アノード電極１４’とカソード電極１６’とを結ぶ方向（図４５における左右方向）に対して略直交している。従って、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０が空乏化されたときに、それに起因する電界も、アノード電極１４’とカソード電極１６’とが並ぶ方向に対して略直交する方向に発生する。この場合、いわゆるスーパージャンクション構造と同様に、アノード電極１４’とカソード電極１６’との間で電界強度が一様となることから、この半導体装置１０Ｕは、高い耐圧を実現することができる。
【0128】
半導体装置１０Ｕの構成は、様々に変更することができる。例えば、アノード電極１４’が第２チャネル形成層４０と接するとともに、カソード電極１６’が第１チャネル形成層３０と接するように構成されてもよい。この場合、第１チャネル形成層３０は、二次元電子ガス２ＤＥＧが生成されるように構成するとよく、第２チャネル形成層４０は、二次元正孔ガス２ＤＨＧが生成されるように構成するとよい。また、第１チャネル形成層３０及び第２チャネル形成層４０は、二以上の異種材料層３２、４２を有してもよい。本実施例における半導体基板１２には、上述した実施例１－１９における半導体基板１２の構成を単独で、又は様々な組み合わせで採用することができる。
【0129】
以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0130】
２：保護膜
４：支持基板
１０Ａ－１０Ｕ：半導体装置
１２：半導体基板
１４：ソース電極
１４’：アノード電極
１６：ドレイン電極
１６’：カソード電極
１８：ゲート電極
２０：上層
２２：中層
２４：下層
３０：第１チャネル形成層
３２：第１チャネル形成層の異種材料層
３４：第１チャネル形成層のヘテロ界面
３６：第１チャネル形成層の正孔供給層又は電子供給層
４０：第２チャネル形成層
４２：第２チャネル形成層の異種材料層
４４：第２チャネル形成層のヘテロ界面
４６：第２チャネル形成層の正孔供給層又は電子供給層
５０：上部バッファ層
５２：上部電位固定層
６０：下部バッファ層
６２：下部電位固定層
４：支持基板
１０Ａ－１０Ｕ：半導体装置
１２：半導体基板
１４：ソース電極
１４’：アノード電極
１６：ドレイン電極
１６’：カソード電極
１８：ゲート電極
２０：上層
２２：中層
２４：下層
３０：第１チャネル形成層
３２：第１チャネル形成層の異種材料層
３４：第１チャネル形成層のヘテロ界面
３６：第１チャネル形成層の正孔供給層又は電子供給層
４０：第２チャネル形成層
４２：第２チャネル形成層の異種材料層
４４：第２チャネル形成層のヘテロ界面
４６：第２チャネル形成層の正孔供給層又は電子供給層
５０：上部バッファ層
５２：上部電位固定層
６０：下部バッファ層
６２：下部電位固定層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】