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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】2025-05-15
(45)【発行日】2025-05-23
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
H10D 30/47 20250101AFI20250516BHJP
【ＦＩ】
H10D30/47 201
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2024530113
(86)(22)【出願日】2022-06-28
(86)【国際出願番号】 JP2022025689
(87)【国際公開番号】W WO2024004016
(87)【国際公開日】2024-01-04
【審査請求日】2024-06-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】小林 裕美子
(72)【発明者】
【氏名】綿引 達郎
【審査官】杉山 芳弘
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－２０７６２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４６２０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０３５０６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／０６６７０１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－２５１１４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０３３６４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０７９３０４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｄ ３０／４７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる第１のチャネル層と、
不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる第２のチャネル層と、
不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる第３のチャネル層と、
前記第３のチャネル層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなるバリア層と、
を厚み方向において順に備え、
前記第１のチャネル層と、前記第２のチャネル層と、前記第３のチャネル層と、を含む半導体チャネル層は、Ｆｅ濃度およびＣ濃度についての前記厚み方向に依存した濃度プロファイルを有しており、前記濃度プロファイルは、下記の条件
ａ）前記第２のチャネル層および前記第３のチャネル層における前記Ｆｅ濃度が、前記バリア層に向かって漸減していることと、
ｂ）前記第３のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値が、前記第２のチャネル層における前記Ｃ濃度の平均値よりも高いことと、
ｃ）前記第３のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値が、前記第１のチャネル層における前記Ｆｅ濃度と前記Ｃ濃度との和の最大値よりも低いことと、
を満たしており、
前記第３のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値は、５×１０ １６ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以上、５×１０ １７ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ３ 以下である、
半導体装置。
【請求項2】
前記第１のチャネル層における前記Ｆｅ濃度の最大値は、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第３のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値は、前記第１のチャネル層における前記Ｆｅ濃度と前記Ｃ濃度との和の最大値の半分以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第２のチャネル層における前記Ｆｅ濃度の最大値は、前記第２のチャネル層における前記Ｃ濃度の平均値よりも高い、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第１のチャネル層における前記Ｆｅ濃度の最大値は、前記第１のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値よりも高い、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第２のチャネル層と前記第３のチャネル層との界面において、前記Ｃ濃度はステップ状の変化を有している、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第３のチャネル層は、１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の厚みを有している、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第３のチャネル層と、前記第３のチャネル層上において前記バリア層を含む層と、の界面における前記Ｃ濃度は、前記第３のチャネル層と前記第２のチャネル層との界面における前記Ｃ濃度よりも低く、かつ、３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体装置に関し、特に、ＩＩＩ－Ｖ族半導体を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ＧａＮ（窒化ガリウム）などのＩＩＩ－Ｖ族半導体は、高周波用途のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）などの半導体装置に用いられることがある。ＨＥＭＴには、良好なピンチオフ特性、すなわち、ゲートオフ状態におけるソースとドレインとの間での低いリーク電流（以下、単に「リーク電流」とも称する）、が求められる。リーク電流を抑制するためには、オフ状態においてリーク電流が流れ得る部分の電気抵抗を高める必要がある。
【0003】
上記目的で、ＧａＮなどの半導体の残留ドナーを補償するためのアクセプタとしてＦｅ（鉄）およびＣ（炭素）をドープする技術が知られている。一方で、このドーパントに起因したトラップに、チャネルを走行する電子が捕獲されると、ドレイン電流が経時的に変動する現象が生じることがあり、これは電流コラプスと呼ばれる。よって、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとは、簡単には両立させにくい。これを勘案して、半導体層の厚み方向におけるＦｅおよびＣの濃度プロファイルを工夫することが検討されている。
【0004】
例えば、特表２０１６－５１１５４５号公報（特許文献１）は、ＦｅおよびＣがドープされた半絶縁性ＧａＮ層を形成するためのＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の技術を開示している。当該技術は、ＭＯＣＶＤにおいて、Ｆｅドーピングは急な停止が難しいことと、Ｃドーピングは急な停止が可能であるものの結晶欠陥を発生させやすいこととを考慮している。具体的には、ＭＯＣＶＤにおいて、約５×１０１８／ｃｍ３の濃度でのＦｅドーピングをともなう成長が行われる。その後、積極的なＦｅドーピングが停止されてＣドーピングが開始され、これによりＣドーピングをともなう成長が開始される。ここで、ＭＯＣＶＤにおいては、積極的なＦｅドーピングが停止された後の成長においても、Ｆｅ濃度は、急には減少せずに、成長にともなって徐々に低減していく。Ｃドーピングは、約５×１０１６／ｃｍ３の濃度で開始され、そして約５×１０１９／ｃｍ３まで増大し、そして停止するよう制御される。Ｃドーピングは、Ｆｅドーピングとは異なり、急な停止が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特表２０１６－５１１５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記公報で例示された技術によれば、ＭＯＣＶＤにおいて、まず、Ｃドーピングなしに濃度５×１０１８／ｃｍ３のＦｅドーピングをともなう成長が行われる。当該成長時にはドーパントとしてＦｅのみが添加されるので、総ドーパント濃度は５×１０１８／ｃｍ３である。その後、積極的なＦｅドーピングが停止されて、Ｃドーピングをともなう成長が行われる。このＣドーピングの停止時のＣ濃度は、５×１０１９／ｃｍ３である。この最終的なＣドーピングの濃度５×１０１９／ｃｍ３は、上述した初期の総ドーパント濃度５×１０１８／ｃｍ３に比して高い。
【0007】
本発明者らは、上記のようにＣドーピングの濃度が高くされると、Ｃドーピングによって形成された準位に電子がトラップされた状態から回復するのに要する時間の指標である回復時定数が大きくなってしまうことに着目した。上記のような濃度プロファイルが用いられると、電子がトラップされることによって電流コラプスが発生した場合に、電子がトラップから抜けることによって半導体装置が本来の電流特性を回復するまでの時間が、上述した大きな回復時定数に起因して長くなってしまう、という問題がある。
【0008】
本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することが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】
【0009】
本開示にかかる半導体装置は、基板と、不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる第１のチャネル層と、不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる第２のチャネル層と、不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる第３のチャネル層と、前記第３のチャネル層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなるバリア層と、を厚み方向において順に含む。前記第１のチャネル層と、前記第２のチャネル層と、前記第３のチャネル層と、を含む半導体チャネル層は、Ｆｅ濃度およびＣ濃度についての前記厚み方向に依存した濃度プロファイルを有している。前記濃度プロファイルは、下記の条件、ａ）前記第２のチャネル層および前記第３のチャネル層における前記Ｆｅ濃度が前記バリア層に向かって漸減していることと、ｂ）前記第３のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値が前記第２のチャネル層における前記Ｃ濃度の平均値よりも高いことと、ｃ）前記第３のチャネル層における前記Ｃ濃度の最大値が前記第１のチャネル層における前記Ｆｅ濃度と前記Ｃ濃度との和の最大値よりも低いことと、を満たしている。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することができる。
【0011】
本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施の形態１から３の各々にかかる半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図2】実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体チャネル層におけるＦｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。
【図3】実施の形態１にかかる半導体装置についての、第３のチャネル層におけるＣ濃度と、ピンチオフ電圧変動率と、の関係の計算結果を例示するグラフ図である。
【図4】実施の形態１にかかる半導体装置についての、第３のチャネル層の厚みとストレス電圧印加後の電流低下率との関係、および、第３のチャネル層の厚みとピンチオフ電圧変動率との関係の計算結果を例示するグラフ図である。
【図5】実施の形態２にかかる半導体装置が有する半導体チャネル層におけるＦｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。
【図6】実施の形態２の変形例にかかる半導体装置が有する半導体チャネル層におけるＦｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。
【図7】実施の形態３にかかる半導体装置が有する半導体チャネル層におけるＦｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面に基づいて実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【0014】
本明細書において、ＩＩＩ－Ｖ族半導体とは、少なくとも１種類のＩＩＩ族元素と、少なくとも１種類のＶ族元素と、を用いた半導体である。なお本技術分野において、ＩＩＩ族は第１３族とも称され、またＶ族は第１５族とも称される。ＩＩＩ族元素は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）である。Ｖ族元素は、例えば、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）およびアンチモン（Ｓｂ）である。
【0015】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１（および後述する実施の形態２および３）にかかる半導体装置９０の構成を概略的に示す断面図である。なお、詳しくは後述するように、実施の形態１～３の間で不純物濃度プロファイルが異なっている。半導体装置９０は、２次元電子ガス（２ＤＥＧ：Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ）を利用した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。
図１は、本実施の形態１（および後述する実施の形態２および３）にかかる半導体装置９０の構成を概略的に示す断面図である。なお、詳しくは後述するように、実施の形態１～３の間で不純物濃度プロファイルが異なっている。半導体装置９０は、２次元電子ガス（２ＤＥＧ：Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ）を利用した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。
【0016】
半導体装置９０は、基板１０と、核形成層１１と、半導体チャネル層４０と、バリア層５０と、を厚み方向において、（図中、上へ向かって）順に含む。半導体チャネル層４０は、第１のチャネル層４１と、第２のチャネル層４２と、第３のチャネル層４３と、を厚み方向において、（図中、上へ向かって）順に含む。半導体装置９０はさらに、ソース電極６１と、ドレイン電極６２と、ゲート電極６５と、保護層７０とを含む。ソース電極６１と、ドレイン電極６２と、ゲート電極６５とは、バリア層５０および半導体チャネル層４０を含む半導体層上に配置されており、図示されているようにバリア層５０の表面（上面）に接触していてよい。半導体層のうち、ソース電極６１およびドレイン電極６２に接触する部分（図中、これら電極の直下の部分）は、これら電極とのコンタクト抵抗を低減するために局所的に高不純物濃度を有するようドーピングされた領域とされていてよい。
【0017】
基板１０は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイア、またはＧａＮからなる単結晶基板であってよく、例えばＳｉＣ単結晶基板である。核形成層１１は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体からなっていてよく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）層である。核形成層１１の厚みは、例えば１０ｎｍである。
【0018】
半導体チャネル層４０（具体的には、第１のチャネル層４１、第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３の各々）は、不純物としてＦｅおよびＣを含有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなり、このＩＩＩ－Ｖ族半導体は、例えばＧａＮである。ＦｅおよびＣは、アクセプタとしての機能を有している。半導体チャネル層４０の厚みは、例えば３００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。第３のチャネル層４３の厚みは、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが望ましく、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがより望ましい。バリア層５０は、第３のチャネル層４３のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなり、このＩＩＩ－Ｖ族半導体は、例えば、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）である。バリア層５０の厚みは、例えば２０ｎｍである。半導体チャネル層４０およびバリア層５０はヘテロ接合を形成している。ヘテロ接合界面には、分極効果により電子が蓄積しており、これにより、高濃度かつ高移動度を有する２ＤＥＧが形成されている。
【0019】
半導体装置９０は、半導体チャネル層４０とバリア層５０との間にスペーサ層（図示せず）を有していてよい。スペーサ層は、バリア層５０のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有するＩＩＩ－Ｖ族半導体からなり、このＩＩＩ－Ｖ族半導体は、例えばＡｌＮである。スペーサ層の厚みは、例えば０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下である。スペーサ層が設けられる場合、合金散乱を減少させることができ、よって２ＤＥＧ移動度を改善することができる。また、伝導帯バンドオフセットが大きくなるので、２ＤＥＧ密度を増加させることができるとともに、順方向のゲートリークを低減することができる。
【0020】
半導体装置９０は、バリア層５０と、ソース電極６１、ゲート電極６５およびドレイン電極６２の各々と、の間に、キャップ層（図示せず）を有していてよい。キャップ層は、例えば、ＧａＮなどのＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる。キャップ層の厚みは、例えば２ｎｍである。保護層７０は、最表面（図中、最も上方）に位置する半導体層の表面欠陥を低減するために設けられる絶縁層であり、例えばＳｉＮ（窒化珪素）からなる。
【0021】
半導体チャネル層４０は、Ｆｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルを有している。図２は、本実施の形態１における濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。グラフの横軸の「深さ」は、厚み方向に沿って半導体チャネル層４０の上面ＦＢ（バリア層５０に面する表面）から下面ＦＳ（基板１０に面する表面）に向かう矢印Ｄ（図１）に対応している。
【0022】
濃度プロファイル（図２）は、下記の条件、
ａ）第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３におけるＦｅ濃度が、バリア層５０に向かって漸減していることと、
ｂ）第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値が、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりも高いことと、
ｃ）第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値が、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値よりも低いことと、
を満たしている。なお、上記の「第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値」は、第１のチャネル層４１におけるＦｅおよびＣの総濃度のプロファイルにおける最大値を意味する。
ａ）第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３におけるＦｅ濃度が、バリア層５０に向かって漸減していることと、
ｂ）第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値が、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりも高いことと、
ｃ）第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値が、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値よりも低いことと、
を満たしている。なお、上記の「第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値」は、第１のチャネル層４１におけるＦｅおよびＣの総濃度のプロファイルにおける最大値を意味する。
【0023】
以下、本実施の形態１における濃度プロファイルの詳細について説明する。
【0024】
第１のチャネル層４１のアクセプタ濃度が十分に高いことによって伝導帯エネルギーが増加し、これにより２ＤＥＧの閉じ込め効果が向上する。よって、リーク電流を抑制し、かつ、ピンチオフ特性を改善することができる。
【0025】
前述したように、本技術分野における成膜技術（典型的にはＭＯＣＶＤ）の制約上、Ｆｅのドーピングは急に停止することが不可能である。第１のチャネル層４１の成膜中にＦｅが意図的にドーピングされて、そして第１のチャネル層４１の成膜が完了して第２のチャネル層４２の成膜が開始される時点でＦｅの積極的なドーピングが停止されたとしても、Ｆｅの上方拡散に起因して、実際にドーピングされるＦｅの濃度は急には減少せず、第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３の成膜中に徐々に低下していく。よって第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３内にもＦｅが残留している。具体的には、第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３におけるＦｅ濃度は、第１のチャネル層４１からバリア層５０に向かって（言い換えれば、半導体チャネル層４０の上面ＦＢへ向かって）漸減している。
【0026】
一方、Ｃ（炭素）は、製造過程において雰囲気中から混入することによって、ある程度の量は意図せずドーピングされる。よって、第１のチャネル層４１、第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３のいずれもが、少なくとも若干のＣ濃度を有している。この意図しないドーピングによるＣ濃度は、比較的低く、概ね３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。この低い濃度を無視すれば、Ｆｅのドーピングと異なりＣのドーピングは急に停止することができると言える。よって、図２における深さ方向において、意図的に急峻に濃度を変化させることができる。ここで、Ｃドーピングによって形成される主要な準位は、Ｃ濃度が高いと深くなり、これは回復時定数の増大につながる。よって、第１のチャネル層４１においては、主に、ＣではなくＦｅを高濃度にドーピングすることによってリーク電流を抑制することが望ましい。
【0027】
上記の観点で、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度の最大値は、第１のチャネル層４１におけるＣ濃度の最大値よりも高いことが望ましい。第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度の最大値は、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが望ましい。Ｆｅ濃度がこの範囲よりも低いと、リーク電流を防ぐ効果が低くなる。また、Ｆｅ濃度がこの範囲よりも高いと、前述した理由により、第２のチャネル層４２のＦｅ濃度も意図せず不必要に高くなってしまい、その結果、電流コラプスが悪化することがある。なお図２に例示された濃度プロファイルにおいては、第１のチャネル層４１におけるいずれの深さ位置（言い換えれば厚さ位置）においても、Ｆｅ濃度はＣ濃度よりも高い。
【0028】
第２のチャネル層４２に含まれるＦｅおよびＣの濃度、言い換えればアクセプタ濃度は、できるだけ低いことが望ましい。これは、第２のチャネル層４２に含まれるアクセプタの濃度が高いとトラップ密度が増加し、それにより電流コラプスが悪化することがあるからである。一方で、第１のチャネル層４１のＦｅ濃度は上記のように比較的高く、その結果前述した理由により、第２のチャネル層４２のＦｅ濃度を小さくすることは難しくなる。よって、第２のチャネル層４２におけるＦｅ濃度の最大値は、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりも高い。また図２に例示された濃度プロファイルにおいては、第２のチャネル層４２におけるいずれの深さ位置においても、Ｆｅ濃度はＣ濃度よりも高い。また図２に例示された濃度プロファイルにおいては、第２のチャネル層４２におけるＦｅ濃度の最小値は、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の最大値よりも高い。第２のチャネル層において、望ましくはＣ濃度の平均値は３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、より望ましくはＣ濃度の最大値は３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【0029】
第３のチャネル層におけるＣ濃度の最大値は、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりも高い。これにより、２ＤＥＧの近傍領域において伝導帯エネルギーが増加するので、２ＤＥＧの閉じ込め効果が向上する。よって、リーク電流が低減され、高ドレイン電圧をかけたときのＤＩＢＬ（Ｄｒａｉｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｌｏｗｅｒｉｎｇ）効果も抑制され、ピンチオフ特性が向上する。さらには、伝導帯障壁が高くなることにより、２ＤＥＧ中の電子が第２のチャネル層４２側にトラップされることを抑制することができる。以上から、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することができる。よって、第２のチャネル層４２においてはＣ濃度を低く抑えつつも、第３のチャネル層４３においてはＣ濃度を高くすることが望ましく、そのためには、第２のチャネル層４２と第３のチャネル層４３との界面においてＣ濃度が、図２に示されているようにステップ状の変化を有していることが望ましい。
【0030】
ここで、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度が高くなると、トラップ密度も高くなる。一方で、電子走行領域近傍では、トラップ準位とフェルミ順位とが互いに近いので、ストレス電圧をかけなくても、トラップ準位の多くに電子が既にトラップされている。よって、ストレス前後のイオン化トラップ密度の変化は小さい。よって、Ｃ濃度の増大は、ある程度までであれば電流コラプスの悪化にはつながりにくい。よって、リーク電流を抑制するのに十分な程度にＣ濃度の最大値を高くすることが好ましい。しかしながら、過大なＣ濃度は、過度に深いトラップ準位を形成し、その結果、電流コラプスの実質的な悪化と、回復時定数の実質的な増大とにつながる。本発明者らの検討によれば、電流コラプスの実質的な悪化と回復時定数の実質的な増大とを避けるためには、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値は、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値よりも低いことが望ましく、当該和の半分以下であることがより望ましい。
【0031】
図３は、本実施の形態１にかかる半導体装置９０についての、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度と、ドレイン電圧を５Ｖから５０Ｖに変化させたときのピンチオフ電圧変動率と、の関係の計算結果を例示するグラフ図である。ドレイン電圧を高くすると、ＤＩＢＬ効果に起因してピンチオフ電圧が負方向にシフトする。このシフト量を、ドレイン電圧が低いときのピンチオフ電圧で割った値を、ピンチオフ電圧変動率と定義する。よって図３に示されたピンチオフ電圧変動率は、ドレイン電圧を５Ｖから５０Ｖに変化させたときのピンチオフ電圧のシフト量を、ドレイン電圧が５Ｖのときのピンチオフ電圧で割った値である。
【0032】
図３のグラフから、第３のチャネル層４３のＣ濃度を、ある程度以上高くすることが、ピンチオフ特性の改善につながることがわかる。半導体装置９０の通常の実用上、ピンチオフ電圧変動率は概ね８％（図３における破線を参照）以下であることが望ましく、そのためには、第３のチャネル層４３のＣ濃度の最大値は、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることが望ましく、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることがより望ましい。ただし、第３のチャネル層４３のＣ濃度が過大となると、前述したように、Ｃ由来の主要なトラップ準位が深くなることに起因して、回復時定数が過大になってしまう。その観点では、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値は、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることが望ましい。
【0033】
図４は、本実施の形態１にかかる半導体装置９０についての、第３のチャネル層４３の厚みとストレス電圧印加後の電流低下率との関係、および、第３のチャネル層４３の厚みとピンチオフ電圧変動率との関係の計算結果を例示するグラフ図である。なおピンチオフ電圧変動率の定義は、図３の場合と同じである。
【0034】
図４のグラフから、第３のチャネル層４３の厚みを、ある程度以上に大きくすることが、ピンチオフ特性の改善につながることがわかる。一方で、第３のチャネル層４３の厚みを、ある程度以上に小さくすることが、ストレス電圧印加後の電流低下率の抑制、言い換えれば電流コラプスの抑制につながることがわかる。したがって、第３のチャネル層４３の厚みに関して、ピンチオフ特性の改善と電流コラプスの抑制との間にトレードオフ関係がある。ここで、前述したように、ピンチオフ電圧変動率は概ね８％以下（図４における下方の破線参照）であることが望ましい。また、ストレス電圧印加後の電流低下率は、半導体装置９０の通常の実用上、概ね４０％以下（図４における上方の破線参照）であることが望ましい。よって、ピンチオフ特性の改善と電流コラプスの抑制とを両立させるためには、第３のチャネル層４３の厚みは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが望ましい。なお、第３のチャネル層４３の厚みの最も適した値は、第３のチャネル層４３のＣ濃度と、第１のチャネル層４１のＦｅ濃度とに依存する。
【0035】
本実施の形態１（図２参照）によれば、第１に、第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３におけるＦｅ濃度が、バリア層５０に向かって漸減している。これにより、半導体チャネル層４０の上面ＦＢでのＦｅ濃度を抑制しつつ、第１のチャネル層４１のＦｅ濃度を高く確保することができる。よって、第１のチャネル層４１においては、良好なピンチオフ特性を確保するためのアクセプタとして主にＦｅを用いることができる。よって、第１のチャネル層４１においてＣ濃度を高くする必要がない。このことは、回復時定数が過大となることを避けることに寄与する。
【0036】
第２に、上述したＦｅ濃度の漸減によって第３のチャネル層４３におけるＦｅ濃度は低くされているところ、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値は、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりも高い。第３のチャネル層４３のＣ濃度が高くされることによって、バリア層５０の近傍において２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を狭く閉じ込める効果が向上する。この効果は、ピンチオフ特性の改善と、電流コラプスの低減との両方に寄与する。Ｃ濃度についての上記特徴を言い換えれば、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値は、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値よりも低い。これにより、第２のチャネル層４２のアクセプタ濃度を低くすることができる。よって、２ＤＥＧの電子が第２のチャネル層４２においてトラップされることに起因しての電流コラプスを抑制することができる。
【0037】
第３に、第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値は、上記のように第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりは高くされているものの、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値よりは低くされている。これにより、２ＤＥＧから第３のチャネル層４３へ拡がった電子がさらに第１のチャネル層４１まで拡がることが抑えられる。このことは、良好なピンチオフ特性に寄与する。
【0038】
以上から、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することができる。
【0039】
第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値は、５×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってよい。これにより、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを、より十分に両立することができる。
【0040】
第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度の最大値は、１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であってよい。これにより、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとが、より確実に可能となる。
【0041】
第３のチャネル層４３におけるＣ濃度の最大値は、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度とＣ濃度との和の最大値の半分以下であってよい。これにより、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することが、より確実に可能となる。
【0042】
第２のチャネル層４２におけるＦｅ濃度の最大値は、第２のチャネル層４２におけるＣ濃度の平均値よりも高くてよい。これにより、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することが、より確実に可能となる。
【0043】
第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度の最大値は、第１のチャネル層４１におけるＣ濃度の最大値よりも高くてよい。これにより、回復時定数が過大となることを避けることと、良好なピンチオフ特性を得ることとを、より十分に両立することができる。
【0044】
第２のチャネル層４２と第３のチャネル層４３との界面において、Ｃ濃度はステップ状の変化を有していてよい。これにより、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを、より十分に両立することができる。
【0045】
第３のチャネル層４３は、１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の厚みを有している。これにより、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを、より十分に両立することができる。
【0046】
＜実施の形態２＞
図５は、本実施の形態２にかかる半導体装置９０（図１）が有する半導体チャネル層４０におけるＦｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。本実施の形態においては、第３のチャネル層４３と、第３のチャネル層４３上においてバリア層５０を含む層と、の界面におけるＣ濃度は、第３のチャネル層４３と第２のチャネル層４２との界面におけるＣ濃度よりも低く、かつ、３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。上記「第３のチャネル層４３上においてバリア層５０を含む層」は、図１に示されているように第３のチャネル層４３とバリア層５０とが直接的に接している場合はバリア層５０に対応し、第３のチャネル層４３とバリア層５０との間に前述のスペーサ層が設けられている場合はスペーサ層とバリア層５０との積層体に対応する。上記条件を別の言い方で表せば、半導体チャネル層４０の上面ＦＢにおけるＣ濃度は、第３のチャネル層４３と第２のチャネル層４２との界面におけるＣ濃度よりも低く、かつ、３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
図５は、本実施の形態２にかかる半導体装置９０（図１）が有する半導体チャネル層４０におけるＦｅ濃度およびＣ濃度についての厚み方向に依存した濃度プロファイルの一例を示すグラフ図である。本実施の形態においては、第３のチャネル層４３と、第３のチャネル層４３上においてバリア層５０を含む層と、の界面におけるＣ濃度は、第３のチャネル層４３と第２のチャネル層４２との界面におけるＣ濃度よりも低く、かつ、３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。上記「第３のチャネル層４３上においてバリア層５０を含む層」は、図１に示されているように第３のチャネル層４３とバリア層５０とが直接的に接している場合はバリア層５０に対応し、第３のチャネル層４３とバリア層５０との間に前述のスペーサ層が設けられている場合はスペーサ層とバリア層５０との積層体に対応する。上記条件を別の言い方で表せば、半導体チャネル層４０の上面ＦＢにおけるＣ濃度は、第３のチャネル層４３と第２のチャネル層４２との界面におけるＣ濃度よりも低く、かつ、３×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。
【0047】
上記のようなＣ濃度のプロファイルを得るためには、第３のチャネル層４３の少なくとも一部において、上面ＦＢへ（言い換えれば、第３のチャネル層４３上においてバリア層５０を含む層へ）近づくにつれてＣ濃度が減少することが必要である。この減少は、図５に示すようにステップ状の減少であってよく、図６に示す変形例のように漸減であってもよい。
【0048】
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じである。よって本実施の形態においても、回復時定数が過大となることを避けつつ、電流コラプスを抑制することと、良好なピンチオフ特性を得ることとを両立することができる。
【0049】
電子走行領域における不純物濃度が過度に高いと、イオン化不純物散乱に起因して移動度が過度に低下してしまう。特にアクセプタ濃度が過度に高いと、伝導帯エネルギーが上昇することに起因して、２ＤＥＧ密度も過度に低下してしまう。そこで、本実施の形態における上記のような濃度プロファイルを用いることによって、電子走行領域における移動度の低下を抑制するとともに、２ＤＥＧ密度の低下も抑制することができる。よって、半導体装置９０の、オン状態における電流特性を向上させることができる。
【0050】
【0051】
本実施の形態３においては、第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度の最大値は、第１のチャネル層４１におけるＣ濃度の最大値よりも低い。第１のチャネル層４１におけるＦｅ濃度の最大値があまり高くされないことによって、第２のチャネル層４２および第３のチャネル層４３において意図せずドーピングされるＦｅの濃度を下げることができる。これにより、電流コラプスを低減することができる。
【0052】
第１のチャネル層４１において、上記のようにＦｅ濃度の最大値が低くされつつも、そのことに起因して十分に良好なピンチオフ特性が得られなくなることを避けるためには、第１のチャネル層４１におけるＣ濃度の最大値を高めることによって第１のチャネル層４１におけるアクセプタ濃度が確保されればよい。ただしこのＣ濃度の最大値は、Ｃドーピングに起因して形成される主要なトラップの準位が過度に深くならないようにするために、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とされることが望ましい。
【0053】
なお図７に例示された濃度プロファイルにおいては、第１のチャネル層４１におけるいずれの深さ位置（言い換えれば厚さ位置）においても、Ｆｅ濃度はＣ濃度よりも低い。
【0054】
本実施の形態３における上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、その説明を繰り返さない。
【0055】
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。本開示は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、それに限定するものではない。例示されていない無数の変形例が、本開示から想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【0056】
１０ 基板、１１ 核形成層、４０ 半導体チャネル層、４１ 第１のチャネル層、４２ 第２のチャネル層、４３ 第３のチャネル層、５０ バリア層、６１ ソース電極、６２ ドレイン電極、６５ ゲート電極、７０ 保護層、９０ 半導体装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】