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JP7721464B2 - 窒化物半導体及び半導体装置 - Google Patents
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JP7721464B2 - 窒化物半導体及び半導体装置 - Google Patents

窒化物半導体及び半導体装置

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Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体及び半導体装置に関する。
例えば、窒化物半導体に基づく半導体装置において、特性の向上が望まれる。
特開２０２０－９８９３９号公報
本発明の実施形態は、特性の向上が可能な窒化物半導体及び半導体装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、窒化物半導体は、窒化物部材を含む。前記窒化物部材は、Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）を含む第１窒化物領域と、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜１、ｘ２＜ｘ１）を含む第２窒化物領域と、Ａｌｘ３Ｇａ１－ｘ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｘ３＜ｘ１）を含む第３窒化物領域と、を含む。前記第２窒化物領域は、前記第１窒化物領域から前記第２窒化物領域への第１方向において前記第１窒化物領域と前記第３窒化物領域との間に設けられる。前記第２窒化物領域は、炭素及び酸素を含む。前記第１窒化物領域は、炭素を含まない。または、前記第２窒化物領域における第２炭素濃度は、前記第１窒化物領域における第１炭素濃度よりも高い。前記第２炭素濃度は、前記第３窒化物領域における第３炭素濃度よりも高い。前記第２炭素濃度に対する、前記第２窒化物領域における第２酸素濃度の比は、１．０×１０－４以上１．４×１０－３以下である。
図１は、第１実施形態に係る窒化物半導体を例示する模式的断面図である。 図２は、第１実施形態に係る窒化物半導体を例示するグラフである。 図３は、窒化物半導体の特性を例示するグラフである。 図４は、窒化物半導体の特性を例示するグラフである。 図５は、窒化物半導体の特性を例示するグラフである。 図６は、第１実施形態に係る窒化物半導体を例示するグラフである。 図７は、第２実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。 図８は、第２実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
以下に、本発明の各実施の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、各部分の厚さと幅との関係、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。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や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、既出の図に関して前述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。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る窒化物半導体を例示する模式的断面図である。
図１に示すように、実施形態に係る窒化物半導体１１０は、窒化物部材１０Ｍを含む。
窒化物部材１０Ｍは、第１窒化物領域１１、第２窒化物領域１２及び第３窒化物領域１３を含む。第２窒化物領域１２は、第１窒化物領域１１と第３窒化物領域１３との間に設けられる。
第１窒化物領域１１は、Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）を含む。第１窒化物領域１１は、例えば、ＡｌＧａＮを含む。例えば、第１窒化物領域１１におけるＡｌの組成比は、例えば、０．０５以上０．６以下である。図１に示すように、第１窒化物領域１１は、積層構造を有して良い。この場合、第１窒化物領域１１における実効的（例えば平均的）なＡｌの組成比は、例えば、０．１５以上０．５５以下である。積層構造の例については後述する。
第２窒化物領域１２は、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜１、ｘ２＜ｘ１）を含む。第２窒化物領域１２におけるＡｌの組成比は、例えば、０以上０．２５以下である。第２窒化物領域１２は、例えばＧａＮを含む。第２窒化物領域１２は、炭素及び酸素を含む。
第３窒化物領域１３は、Ａｌｘ３Ｇａ１－ｘ３Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｘ３＜ｘ１）を含む。第３窒化物領域１３におけるＡｌの組成比は、例えば、０以上０．２５以下である。第３窒化物領域１３は、例えばＧａＮを含む。第３窒化物領域１３は、実質的に炭素を含まない。または、第３窒化物領域１３における炭素濃度は、第２窒化物領域１２における炭素濃度よりも低い。
第１窒化物領域１１から第２窒化物領域１２への第１方向Ｄ１をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。第１窒化物領域１１、第２窒化物領域１２及び第３窒化物領域１３は、Ｘ－Ｙ平面に沿う層状である。
図１に示すように、窒化物半導体１１０は、基体１８ｓをさらに含んでも良い。基体１８ｓと第２窒化物領域１２との間に、第１窒化物領域１１がある。基体１８ｓは、例えば、結晶基板である。基体１８ｓは、例えば、シリコン基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板またはＧａＮ基板の少なくともいずれかを含んで良い。
第１窒化物領域１１は、炭素を含まない。または、第２窒化物領域１２における炭素の濃度は、第１窒化物領域１１における炭素の濃度よりも高い。第２窒化物領域１２における炭素の濃度は、第３窒化物領域１３における炭素の濃度よりも高い。
実施形態において、第２炭素濃度に対する、第２窒化物領域１２における酸素の濃度（第２酸素濃度）の比は、１．０×１０－４以上１．４×１０－３以下である。このような窒化物半導体１１０を含む半導体装置において、半導体装置におけるパンチスルー電圧を高くすることができることが分かった。パンチスルー電圧は、基体１８ｓと第３窒化物領域１３との間に電圧を印加したときに、電流が急激に流れ始める電圧に対応する。パンチスルー電圧が高いと、窒化物半導体１１０を含む半導体装置において、半導体装置の耐圧が高い。実施形態によれば、特性の向上が可能な窒化物半導体及び半導体装置を提供できる。窒化物半導体１１０を含む半導体装置の例については、後述する。
以下、実験結果について説明する。
実験においては、窒化物部材１０Ｍが、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成される。実験において、第１窒化物領域１１の上に、第２窒化物領域１２が、約９４０℃で形成される。第２窒化物領域１２の形成において、水素雰囲気にて、ＴＭＧａ（Trimethyl Gallium）及びアンモニアを含む原料ガスが供給される。第２窒化物領域１２が、低温で形成されることで、炭素及び酸素を含む第２窒化物領域１２が得られる。
第２窒化物領域１２の上に、第３窒化物領域１３が約１０４０℃で形成される。第３窒化物領域１３の形成において、水素雰囲気において、ＴＭＧａ及びアンモニアが供給される。第３窒化物領域１３が高温で形成されることで、炭素及び酸素を実質的に含まない第３窒化物領域１３が得られる。
この後、半導体装置を形成するために、第４窒化物領域１４（図１参照）が形成される。第４窒化物領域１４は、ＡｌＧａＮを含む。さらに、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極が作製され、半導体装置が得られる。
図２は、第１実施形態に係る窒化物半導体を例示するグラフである。
図２は、窒化物部材１０ＭのＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）分析結果を例示している。図２の横軸は、Ｚ軸方向における位置ｐＺである。図２の左側の縦軸は、炭素の濃度ＣＣ、及び、酸素の濃度ＣＯである。図２の右側の縦軸は、Ａｌの二次イオンの検出強度Ｉｎｔ＿Ａｌ、及び、ガリウムの二次イオンの検出強度Ｉｎｔ＿Ｇａである。
図２に示すように、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣ（第２炭素濃度ＣＣ２）は、第１窒化物領域１１における炭素の濃度ＣＣ（第１炭素濃度ＣＣ１）よりも高い。第２炭素濃度ＣＣ２は、第３窒化物領域１３における炭素の濃度ＣＣ（第３炭素濃度ＣＣ３）よりも高い。この例では、第１炭素濃度ＣＣ１は、約１．７×１０１９／ｃｍ３である。第２炭素濃度ＣＣ２は、約５．０×１０１９／ｃｍ３である。第３炭素濃度ＣＣ３は、約４．０×１０１６／ｃｍ３である。
一方、第３窒化物領域１３における酸素の濃度ＣＯ（第３酸素濃度ＣＯ３）は、第１窒化物領域１１における酸素の濃度ＣＯ（第１酸素濃度ＣＯ１）よりも低い。第２窒化物領域１２における酸素の濃度ＣＯ（第２酸素濃度ＣＯ２）は、第１窒化物領域１１における酸素の濃度ＣＯ（第１酸素濃度ＣＯ１）よりも低い。第２窒化物領域１２における酸素の濃度ＣＯ（第２酸素濃度ＣＯ２）は、第３酸素濃度ＣＯ３と第１酸素濃度ＣＯ１との間である。この例では、第１酸素濃度ＣＯ１は、約３．５×１０１６／ｃｍ３である。第２酸素濃度ＣＯ２は、約１．５×１０１６／ｃｍ３である。第３酸素濃度ＣＯ３は、約５．０×１０１５／ｃｍ３である。
このように、第２窒化物領域１２は、酸素を含みつつ、高い炭素濃度を有する。第２窒化物領域１２が酸素を含むことで、炭素がアクセプタとして機能しやすくなると考えられる。例えば、第２窒化物領域１２が高抵抗化しやすくなる。例えば、第２窒化物領域１２において、正孔濃度が上昇する。これにより、窒化物半導体１１０のパンチスルー電圧が増大できると考えられる。
実施形態において、第１炭素濃度ＣＣ１は、例えば、第１窒化物領域１１における炭素の濃度ＣＣの平均値で良い。第２炭素濃度ＣＣ２は、例えば、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣの平均値で良い。第３炭素濃度ＣＣ３は、例えば、第３窒化物領域１３における炭素の濃度ＣＣの平均値で良い。
第１酸素濃度ＣＯ１は、例えば、第１窒化物領域１１における酸素の濃度ＣＯの平均値で良い。第２酸素濃度ＣＯ２は、例えば、第２窒化物領域１２における酸素の濃度ＣＯの平均値で良い。第３酸素濃度ＣＯ３は、例えば、第３窒化物領域１３における酸素の濃度ＣＯの平均値で良い。
以下、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣ及び酸素の濃度ＣＯに関しての実験結果について説明する。
実験においては、第２窒化物領域１２の形成の際に、原料ガスの流量を変更することで、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣ及び酸素の濃度ＣＯが変化する。例えば、成長圧力を低くすると、炭素の濃度ＣＣが上昇し易い。例えば、成長速度を高くすると、炭素の濃度ＣＣが上昇し易い。例えば、アンモニア分圧を高くすると、酸素の濃度ＣＯが上昇し易い。例えば、成長温度を低くすると、酸素の濃度ＣＯが上昇し易い。
図３は、窒化物半導体の特性を例示するグラフである。
図３の横軸は、比Ｒ２である。比Ｒ２は、第２炭素濃度ＣＣ２に対する第２酸素濃度ＣＯ２の比（ＣＯ２／ＣＣ２）である。既に説明したように、第２炭素濃度ＣＣ２は、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣである。第２酸素濃度ＣＯ２は、第２窒化物領域１２における酸素の濃度ＣＯである。図３の縦軸は、パンチスルー電圧Ｖｐ１である。
パンチスルー電圧Ｖｐ１は、次のように評価される。第４窒化物領域１４の上に形成されたソース電極と基体１８ｓとの間の電圧を変化させ、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流が測定される。この例では、電圧－電流特性において、電流の値が１μＡとなる電圧が、パンチスルー電圧とされる。
図３に示すように、比Ｒ２が過度に低いと、パンチスルー電圧Ｖｐ１が低い。比Ｒ２が過度に高いと、パンチスルー電圧Ｖｐ１が低い。比Ｒ２が１．０×１０－４以上１．４×１０－３以下のときに、高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得られることが分かった。パンチスルー電圧Ｖｐ１は、比Ｒ２に対して臨界的に変化する。実施形態によれば、特性の向上が可能な窒化物半導体及び半導体装置を提供できる。
例えば、第２窒化物領域１２において、酸素の濃度ＣＯが過度に低いと、炭素がアクセプタとして機能し難いと考えられる。第２窒化物領域１２において、酸素の濃度ＣＯが過度に高いと、酸素がドナーとして機能し、電流のリークが生じやすくなると考えられる。第２窒化物領域１２において、適切な比Ｒ２のときに、高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得られる。
図４は、窒化物半導体の特性を例示するグラフである。
図４の横軸は、第２炭素濃度ＣＣ２である。既に説明したように、第２炭素濃度ＣＣ２は、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣである。図４の縦軸は、パンチスルー電圧Ｖｐ１である。
図４に示すように、第２炭素濃度ＣＣ２が８×１０１８／ｃｍ３未満のときは、パンチスルー電圧Ｖｐ１が低い。第２炭素濃度ＣＣ２は、８×１０１８／ｃｍ３以上になるとパンチスルー電圧Ｖｐ１は高くなる。第２炭素濃度ＣＣ２が８×１０１８／ｃｍ３以上のときに、第２炭素濃度ＣＣ２が上昇すると、パンチスルー電圧Ｖｐ１は上昇する。実施形態において、第２炭素濃度ＣＣ２は８×１０１８／ｃｍ３以上であることが好ましい。高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得られる。
第２炭素濃度ＣＣ２が過度に高いと、例えば、欠陥が発生し、第２窒化物領域１２の結晶品質が低下し易くなる。実施形態において、第２炭素濃度ＣＣ２は、５×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。第２炭素濃度ＣＣ２は、１×１０２０／ｃｍ３以下でもよい。これにより、電流のリークが抑制し易くなる。
図５は、窒化物半導体の特性を例示するグラフである。
図５の横軸は、第２酸素濃度ＣＯ２である。既に説明したように、第２酸素濃度ＣＯ２は、第２窒化物領域１２における酸素の濃度ＣＯである。図４の縦軸は、パンチスルー電圧Ｖｐ１である。
図５に示すように、第２酸素濃度ＣＯ２が過度に低いと、パンチスルー電圧Ｖｐ１が低い。第２酸素濃度ＣＯ２が過度に高いと、パンチスルー電圧Ｖｐ１が低い。第２酸素濃度ＣＯ２が７×１０１５／ｃｍ３以上４×１０１６／ｃｍ３以下のときに、高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得られる。パンチスルー電圧Ｖｐ１は、第２酸素濃度ＣＯ２に対して臨界的に変化する。
実施形態において、第２炭素濃度ＣＣ２は、第１炭素濃度ＣＣ１の２倍以上２００倍以下であることが好ましい。第２炭素濃度ＣＣ２が第１炭素濃度ＣＣ１の２倍以上であることで、例えば、第２窒化物領域１２の抵抗が高くなり易い。第２炭素濃度ＣＣ２が第１炭素濃度ＣＣ１の２００倍以下であることで、例えば、第２窒化物領域１２において欠陥が低減し易くなる。
実施形態において、第１炭素濃度ＣＣ１は、５．０×１０１８／ｃｍ３以上１．０×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。第１炭素濃度ＣＣ１が５．０×１０１８／ｃｍ３以上であることで、第１窒化物領域１１の抵抗が高くなり易い。第１炭素濃度ＣＣ１が１．０×１０２０／ｃｍ３以下であることで、第１窒化物領域１１の欠陥が低減し易い。
実施形態において、第２炭素濃度ＣＣ２は、第３炭素濃度ＣＣ３の１００倍以上２５０００倍以下であることが好ましい。第２炭素濃度ＣＣ２が第３炭素濃度ＣＣ３の１００倍以上であることで、例えば、第２窒化物領域１２における電流のリークが抑制し易くなる。第２炭素濃度ＣＣ２が第３炭素濃度ＣＣ３の２５０００倍以下であることで、例えば、第２窒化物領域１２の抵抗が高くなり易い。
実施形態において、例えば、第３炭素濃度ＣＣ３は、例えば、３．０×１０１６／ｃｍ３以下であることが好ましい。第３炭素濃度ＣＣ３が３．０×１０１６／ｃｍ３以下であることで、例えば、欠陥の少ない第３窒化物領域１３が得易い。
実施形態において、第１酸素濃度ＣＯ１は、第２酸素濃度ＣＯ２よりも高いことが好ましい。例えば、第１酸素濃度ＣＯ１は、第２酸素濃度ＣＯ２の２倍以上３０倍以下であることが好ましい。第１酸素濃度ＣＯ１が第２酸素濃度ＣＯ２の２倍以上であることで、例えば、第２窒化物領域１２の結晶性が高くなり易い。第１酸素濃度ＣＯ１が第２酸素濃度ＣＯ２の３０倍以下であることで、例えば、第１窒化物領域１１の抵抗が高くなり易い。
実施形態において、第２酸素濃度ＣＯ２は、第３酸素濃度ＣＯ３よりも高いことが好ましい。例えば、第２酸素濃度ＣＯ２は、第３酸素濃度ＣＯ３の３倍以上２０倍以下であることが好ましい。第２酸素濃度ＣＯ２が第３酸素濃度ＣＯ３の３倍以上であることで、例えば、第２窒化物領域１２におけるアクセプタが増大し易い。第２酸素濃度ＣＯ２が第３酸素濃度ＣＯ３の２０倍以下であることで、例えば、第３窒化物領域１３の結晶性が高くなり易い。
実施形態において、第１酸素濃度ＣＯ１は、例えば、１．０×１０１６／ｃｍ３以上５．０×１０１７／ｃｍ３以下であることが好ましい。第１酸素濃度ＣＯ１が１．０×１０１６／ｃｍ３以上であることで、第１窒化物領域１１における電流のリークが抑制し易い。第１酸素濃度ＣＯ１が５．０×１０１７／ｃｍ３以下であることで、第１窒化物領域１１の抵抗が高くなり易い。第１酸素濃度ＣＯ１は、１．０×１０１７／ｃｍ３以下でもよい。第１酸素濃度ＣＯ１が１．０×１０１７／ｃｍ３以下であることで、高い結晶性の第１窒化物領域１１が得易い。
実施形態において、第３酸素濃度ＣＯ３は、例えば、５．０×１０１５／ｃｍ３以下である。これにより、高い結晶性を有する第３窒化物領域１３が得易い。
実施形態において、組成比ｘ２は、０．０５未満であり、組成比ｘ３は、０．０５未満であることが好ましい。例えば、第２窒化物領域１２は、ＧａＮを含み、第３窒化物領域１３は、ＧａＮを含む。組成比ｘ２が低いことで、高い結晶性が維持でき、炭素がアクセプタとして機能する効果が適切に得やすくなる。組成比ｘ３が低いことで、高い結晶性が維持でき、リーク電流が抑制でき、高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得易い。
図１に示すように、第１窒化物領域１１は、複数の第１層１１ａと、複数の第２層１１ｂと、を含んでも良い。第１方向Ｄ１において、複数の第１層１１ａの１つは、複数の第２層１１ｂの１つと、複数の第２層１１ｂの別の１つと、の間にある。複数の第２層１１ｂの１つは、複数の第１層１１ａの１つと、複数の第１層１１ａの別の１つと、の間にある。
第１層１１ａは、Ａｌｙ１Ｇａ１－ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦１）を含む。第１層１１ａは、例えば、ＡｌＮを含む。第１層１１ａにおけるＡｌの組成比は、例えば、０．７５以上１以下であることが好ましい。
第２層１１ｂは、Ａｌｙ２Ｇａ１－ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜ｙ１）を含む。第２層１１ｂは、例えば、Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎを含む。第２層１１ｂにおけるＡｌの組成比は、例えば、０以上０．６以下であることが好ましい。第２層１１ｂにおけるＡｌの組成比は、例えば、０．０６以上０．３５以下でも良い。第２層１１ｂはＧａＮでも良い。
第１窒化物領域１１における実効的なＡｌの組成比（例えば平均的なＡｌの組成比）は、（ｙ１・ｔａ＋ｙ２・ｔｂ）／（ｔａ＋ｔｂ）に対応する。「ｔａ」は、第１層１１ａの厚さである。「ｔｂ」は、第２層１１ｂの厚さである。厚さは、第１方向Ｄ１に沿う長さである。第１窒化物領域１１における実効的なＡｌの組成比は、例えば、０．１５以上０．５５以下である。第１窒化物領域１１における実効的なＡｌの組成比は、例えば、０．１８以上０．２８以下でも良い。
図１に示すように、窒化物半導体１１０は、第５窒化物領域１５を含んで良い。第５窒化物領域１５は、Ａｌｘ５Ｇａ１－ｘ５Ｎ（０＜ｘ５≦１）を含む。第５窒化物領域１５は、例えば、ＡｌＮを含む。組成比ｘ５は、例えば、０．５以上１以下であることが好ましい。
図１に示すように、窒化物半導体１１０は、第６窒化物領域１６を含んで良い。第６窒化物領域１６は、Ａｌｘ６Ｇａ１－ｘ６Ｎ（０＜ｘ６＜１、ｘ６＜ｘ５）を含む。第６窒化物領域１６は、例えば、ＡｌＧａＮを含む。組成比ｘ６は、例えば、０．１以上０．８以下であることが好ましい。
窒化物半導体１１０は、第４窒化物領域１４を含んで良い。第４窒化物領域１４は、Ａｌｘ４Ｇａ１－ｘ４Ｎ（０＜ｘ４≦１、ｘ３＜ｘ４）を含む。第１方向Ｄ１において第２窒化物領域１２と第４窒化物領域１４との間に、第３窒化物領域１３がある。第４窒化物領域１４は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを含む。組成比ｘ４は、例えば、０．０５以上０．３５以下であることが好ましい。
例えば、第３窒化物領域１３は第４窒化物領域１４に対向する部分を含む。例えば、この部分にキャリア領域が形成される。キャリア領域は、例えば、２次元電子ガスである。窒化物半導体１１０に基づく半導体装置において、キャリア領域が半導体装置の動作に用いられる。
第４窒化物領域１４は、酸素を実質的に含まない。または、第４窒化物領域１４における酸素の濃度は、第２窒化物領域１２における酸素の濃度ＣＯ（第２酸素濃度ＣＯ２）よりも低い。第４窒化物領域１４は炭素を実質的に含まない。または、第４窒化物領域１４における炭素の濃度は、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣ（第２炭素濃度ＣＣ２）よりも低い。第４窒化物領域１４は、導電形を付与する不純物を実質的に含まない。導電形を付与する不純物は、例えば、ＳｉまたはＭｇなどを含む。
第１窒化物領域１１の厚さｔ１１（図１参照）は、例えば、５００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。第１層１１ａの厚さｔａは、例えば、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましい。第２層１１ｂの厚さｔｂは、例えば、１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。
第２窒化物領域１２の厚さｔ１２（図１参照）は、例えば、５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。第３窒化物領域１３の厚さｔ１３（図１参照）は、例えば、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。第４窒化物領域１４の厚さｔ１４（図１参照）は、例えば、１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。
第５窒化物領域１５の厚さｔ１５（図１参照）は、例えば、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。第６窒化物領域１６の厚さｔ１６（図１参照）は、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。上記の厚さは、第１方向Ｄ１に沿う長さである。
以下、実施形態に係る窒化物半導体の別の例について説明する。
図６は、第１実施形態に係る窒化物半導体を例示するグラフである。
図６は、実施形態に係る窒化物半導体１１１における窒化物部材１０ＭのＳＩＭＳ分析結果を例示している。図２の横軸は、Ｚ軸方向における位置ｐＺである。図２の左側の縦軸は、炭素の濃度ＣＣ、及び、酸素の濃度ＣＯである。図６の右側の縦軸は、Ａｌの二次イオンの検出強度Ｉｎｔ＿Ａｌ、及び、ガリウムの二次イオンの検出強度Ｉｎｔ＿Ｇａである。
図６に示すように、Ｚ軸方向（すなわち、第１方向Ｄ１）に、窒化物部材１０Ｍにおける酸素の濃度ＣＯは、第１窒化物領域１１と第２窒化物領域１２との間の第１位置ｐ１においてピーク値ＶＯ１となる。例えば、第１窒化物領域１１と第２窒化物領域１２との間に、中間領域１１Ｍが設けられる。第１位置ｐ１は、中間領域１１Ｍに含まれる。第１窒化物領域１１と第２窒化物領域１２との間で、酸素の濃度ＣＯが局所的に高くなることで、例えば、中間領域１１Ｍにおいて、転位を曲げることができる。これにより、第２窒化物領域１２よりも上の領域における欠陥密度を低減できる。中間領域１１Ｍが設けられることで、第２窒化物領域１２（及びその上の第３窒化物領域１３）において欠陥が減少する。
ピーク値ＶＯ１は、例えば、１．８×１０１７／ｃｍ３以上５．０×１０１８／ｃｍ３以下であることが好ましい。欠陥密度を効果的に低減できる。ピーク値ＶＯ１は、例えば、第１酸素濃度ＣＯ１の約５倍以上であることが好ましい。これにより、第２窒化物領域１２における欠陥密度が効果的に低減し易い。ピーク値ＶＯ１は、例えば、第２酸素濃度ＣＯ２の１８倍以上であることが好ましい。これにより、第２窒化物領域１２における欠陥密度が効果的に低減し易い。
図６に示すように、第１位置ｐ１における炭素の濃度ＣＣは、第１窒化物領域１１における炭素の濃度ＣＣ（第１炭素濃度ＣＣ１）と、第２窒化物領域１２における炭素の濃度ＣＣ（第２炭素濃度ＣＣ２）と、の間である。この例では、第１位置ｐ１におけるＡｌの濃度（組成比）は、第１窒化物領域１１におけるＡｌの濃度（組成比）と、第２窒化物領域１２におけるＡｌの濃度（組成比）と、の間である。
中間領域１１Ｍは、第１窒化物領域１１と第２窒化物領域１２との間の遷移領域である。遷移領域において、酸素の濃度ＣＯがピークとなることで、遷移領域において、転位をより効果的に曲げることができると考えられる。この効果により、第２窒化物領域１２における欠陥が減少すると考えられる。
第１位置ｐ１における炭素の濃度ＣＣは、例えば、２．８×１０１９／ｃｍ３以上２．０×１０２０／ｃｍ３以下であることが好ましい。炭素の濃度ＣＣが、２．８×１０１９／ｃｍ３以上において、欠陥密度ＤＤが臨界的に低くなる。炭素の濃度ＣＣが２．０×１０２０／ｃｍ３よりも高くなると、中間領域１１Ｍと第２窒化物領域１２との界面で格子緩和が生じ易くなる。そのため、第２窒化物領域１２結晶性が低下し易くなる。
第１位置ｐ１における炭素の濃度ＶＣ１の、ピーク値ＶＯ１に対する比は、例えば、４０以上２００以下であることが好ましい。この範囲において、第２窒化物領域１２における欠陥密度を効果的に低減し易い。
第２窒化物領域１２における欠陥密度は、第１窒化物領域１１における欠陥密度よりも低い。第３窒化物領域１３における欠陥密度は、第１窒化物領域１１における欠陥密度よりも低い。欠陥密度に関する情報は、例えば、窒化物部材１０Ｍの断面ＴＥＭ像から得られて良い。中間領域１１Ｍが設けられることで、例えば、第２窒化物領域１２（及びその上の第３窒化物領域１３）中における転位が減少する。例えば、第２窒化物領域１２における転位密度は、第１窒化物領域１１における転位密度よりも低い。例えば、第３窒化物領域１３における転位密度は、第１窒化物領域１１における転位密度よりも低い。
中間領域１１Ｍは、例えば、アルミニウムを含む。第１位置ｐ１におけるアルミニウムの濃度は、第１窒化物領域１１におけるアルミニウムの濃度（第１アルミニウム濃度）よりも低い。例えば、第２窒化物領域１２は、アルミニウムを含まない。または、第２窒化物領域１２におけるアルミニウムの濃度（第２アルミニウム濃度）は、第１位置ｐ１におけるアルミニウムの濃度以下である。例えば、第１位置ｐ１におけるアルミニウムの濃度（組成比）は、第１窒化物領域１１におけるアルミニウムの濃度（組成比）と、第２窒化物領域１２におけるアルミニウムの濃度（組成比）と、の間である。このような中間領域１１Ｍにおいて、酸素の濃度ＣＯがピークとなることで、欠陥密度を低減できる。
中間領域１１Ｍの厚さは、例えば、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好ましい。
実施形態において、第１窒化物領域１１は、積層構造を有していなくても良い。第１窒化物領域１１は、Ａｌを実質的に含まない窒化物半導体層でも良い。この場合、第１窒化物領域１１は、ＧａＮを含む。この場合における組成比ｘ１は０である。この場合、第２窒化物領域１２は、Ａｌｘ２Ｇａ１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜１）を含む。第３窒化物領域１３は、Ａｌｘ３Ｇａ１－ｘ３Ｎ（０≦ｘ３＜１）を含む。この場合も、第２窒化物領域１２は、炭素及び酸素を含む。第１窒化物領域１１は、炭素を含まない、または、第２窒化物領域１２における第２炭素濃度ＣＣ２は、第１窒化物領域１１における第１炭素濃度ＣＣ１よりも高い。第２炭素濃度ＣＣ２は、第３窒化物領域１３における第３炭素濃度ＣＣ３よりも高い。第２炭素濃度ＣＣ２に対する、第２窒化物領域１２における第２酸素濃度ＣＯ２の比は、１．０×１０－４以上１．４×１０－３以下である。
（第２実施形態）
第２実施形態は、半導体装置に係る。実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態に係る窒化物半導体を含む。以下では、半導体装置が窒化物半導体１１０を含む場合の例について説明する。半導体装置が窒化物半導体１１１を含んでも良い。
図７は、第２実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図７に示すように、実施形態に係る半導体装置１２０は、第１実施形態に係る窒化物半導体１１０と、第１電極５１と、第２電極５２と、第３電極５３と、絶縁部材６１と、を含む。
第１電極５１から第２電極５２への方向は、第１方向Ｄ１と交差する第２方向Ｄ２に沿う。第２方向Ｄ２は、例えば、Ｘ軸方向である。第３電極５３の第２方向Ｄ２における位置は、第１電極５１の第２方向Ｄ２における位置と、第２電極５２の第２方向Ｄ２における位置と、の間にある。
窒化物部材１０Ｍは、第１窒化物領域１１、第２窒化物領域１２、中間領域１１Ｍ、第３窒化物領域１３及び第４窒化物領域１４を含む。第３窒化物領域１３は、第１部分領域１０ａ、第２部分領域１０ｂ、第３部分領域１０ｃ、第４部分領域１０ｄ、及び、第５部分領域１０ｅを含む。第１部分領域１０ａから第１電極５１への方向は、第１方向Ｄ１に沿う。第２部分領域１０ｂから第２電極５２への方向は、第１方向Ｄ１に沿う。第３部分領域１０ｃは、第２方向Ｄ２において第１部分領域１０ａと第２部分領域１０ｂとの間にある。第３部分領域１０ｃから第３電極５３への方向は、第１方向Ｄ１に沿う。第４部分領域１０ｄは、第２方向Ｄ２において第１部分領域１０ａと第３部分領域１０ｃとの間にある。第５部分領域１０ｅは、第２方向Ｄ２において第３部分領域１０ｃと第２部分領域１０ｂとの間にある。
第４窒化物領域１４は、第６部分領域１０ｆ及び第７部分領域１０ｇを含む。第４部分領域１０ｄから第６部分領域１０ｆへの方向は、第１方向Ｄ１に沿う。第５部分領域１０ｅから第７部分領域１０ｇへの方向は、第１方向Ｄ１に沿う。
絶縁部材６１は、窒化物部材１０Ｍと第３電極５３との間にある。例えば、絶縁部材６１は、第１絶縁領域６１ｐを含む。第１絶縁領域６１ｐは、第１方向（Ｚ軸方向）において、第３部分領域１０ｃと第３電極５３との間に設けられる。
第１電極５１は、第６部分領域１０ｆと電気的に接続される。第２電極５２は、第７部分領域１０ｇと電気的に接続される。
半導体装置１２０において、第１電極５１と第２電極５２との間に流れる電流は、第３電極５３の電位により制御できる。第３電極５３の電位は、例えば、第１電極５１の電位を基準にした電位である。第１電極５１は、例えば、ソース電極として機能する。第２電極５２は、例えば、ドレイン電極として機能する。第３電極５３は、例えば、ゲート電極として機能する。半導体装置１２０は、例えば、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）である。
実施形態によれば、高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得られる。実施形態によれば、特性の向上が可能な半導体装置を提供できる。
半導体装置１２０においては、第３電極５３の少なくとも一部は、第２方向Ｄ２において、第６部分領域１０ｆと第７部分領域１０ｇとの間にある。第３電極５３の少なくとも一部が、第２方向Ｄ２において、第４部分領域１０ｄと第５部分領域１０ｅとの間にあっても良い。第１絶縁領域６１ｐは、第４部分領域１０ｄと第５部分領域１０ｅとの間にあっても良い。半導体装置１２０は、例えば、ノーマリオフ型である。
図８は、第２実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図８に示すように、実施形態に係る半導体装置１２１は、第１実施形態に係る窒化物半導体１１０と、第１電極５１と、第２電極５２と、第３電極５３と、絶縁部材６１と、を含む。半導体装置１２１においては、第３電極５３は、第２方向Ｄ２において、第６部分領域１０ｆ及び第７部分領域１０ｇと重ならない。第３電極５３は、第２方向Ｄ２において、第４部分領域１０ｄ及び第５部分領域１０ｅと重ならない。半導体装置１２１は、例えば、ノーマリオン型である。半導体装置１２１においても、高いパンチスルー電圧Ｖｐ１が得られる。特性の向上が可能な半導体装置を提供できる。
実施形態において、窒化物領域の形状などに関する情報は、例えば、電子顕微鏡観察などにより得られる。窒化物領域における組成及び元素濃度に関する情報は、例えば、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）、または、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）などにより得られる。窒化物領域における組成に関する情報は、例えば、Ｘ線逆格子空間マッピングなどにより得られても良い。
実施形態によれば、特性の向上が可能な窒化物半導体及び半導体装置を提供できる。
本願明細書において、「電気的に接続される状態」は、複数の導電体が物理的に接してこれら複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。「電気的に接続される状態」は、複数の導電体の間に、別の導電体が挿入されて、これらの複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、窒化物半導体に含まれる、窒化物領域及び基板などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した窒化物半導体及び半導体装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての窒化物半導体及び半導体装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
１０Ｍ…窒化物部材、 １０ａ～１０ｇ…第１～第７部分領域、 １１～１６…第１～第６窒化物領域、 １１Ｍ…中間領域、 １１ａ、１１ｂ…第１、第２層、 １８ｓ…基体、 ５１～５３…第１～第３電極、 ６１…絶縁部材、 ６１ｐ…第１絶縁領域、 １１０、１１１…窒化物半導体、 １２０、１２１…半導体装置、 ＣＣ、ＣＯ…濃度、 ＣＣ１～ＣＣ３…第１～第３炭素濃度、 ＣＯ１～ＣＯ３…第１～第３酸素濃度、 Ｄ１、Ｄ２…第１、第２方向、 Ｉｎｔ＿Ａｌ、Ｉｎｔ＿Ｇａ…検出強度、 Ｒ２…比、 ＶＯ１…ピーク値、 Ｖｐ１…パンチスルー電圧、 ｐ１…第１位置、 ｐＺ…位置、 ｔ１１～ｔ１６、ｔａ、ｔｂ…厚さ

Claims (19)

  1. Ａｌｘ１Ｇａ１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）を含む第１窒化物領域と、
    ＧａＮを含む第２窒化物領域と、
    ＧａＮを含む第３窒化物領域と、
    を含む窒化物部材を備え、
    前記第２窒化物領域は、前記第１窒化物領域から前記第２窒化物領域への第１方向において前記第１窒化物領域と前記第３窒化物領域との間に設けられ、
    前記第２窒化物領域は、炭素及び酸素を含み、
    前記第１窒化物領域は、炭素を含まない、または、前記第２窒化物領域における第２炭素濃度は、前記第１窒化物領域における第１炭素濃度よりも高く、
    前記第２炭素濃度は、前記第３窒化物領域における第３炭素濃度よりも高く、
    前記第２炭素濃度に対する、前記第２窒化物領域における第２酸素濃度の比は、１．０×１０－４以上１．４×１０－３以下であり、
    前記第２窒化物領域における酸素の濃度は、前記第３窒化物領域における酸素の濃度と、前記第１窒化物領域における酸素の濃度と、の間である、窒化物半導体。
  2. 前記第２炭素濃度は、８×１０１８／ｃｍ３以上である、請求項１に記載の窒化物半導体。
  3. 前記第２炭素濃度は、５×１０２０／ｃｍ３以下である、請求項２に記載の窒化物半導体。
  4. 前記第２酸素濃度は、７×１０１５／ｃｍ３以上である、請求項１～３のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  5. 前記第２酸素濃度は、４×１０１６／ｃｍ３以下である、請求項４に記載の窒化物半導体。
  6. 前記第２炭素濃度は、前記第１炭素濃度の２倍以上２００倍以下である、請求項１～５のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  7. 前記第１炭素濃度は、５×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下である、請求項１～６のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  8. 前記第２炭素濃度は、前記第３炭素濃度の１００倍以上２５０００倍以下である、請求項１～７のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  9. 前記第３炭素濃度は、３×１０１６／ｃｍ３以下である、請求項１～８のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  10. 前記第１窒化物領域における第１酸素濃度は、前記第２酸素濃度の２倍以上３０倍以下である、請求項１～９のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  11. 前記第１酸素濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以上５×１０１７／ｃｍ３以下である、請求項１０に記載の窒化物半導体。
  12. 前記第２酸素濃度は、前記第３窒化物領域における第３酸素濃度の３倍以上２０倍以下である、請求項１～１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  13. 前記第２窒化物領域の厚さは、５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である、請求項１～１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  14. 前記第１窒化物領域は、複数の第１層と、複数の第２層と、含み、
    前記第１方向において、前記複数の第１層の１つは、前記複数の第２層の１つと前記複数の第２層の別の１つとの間にあり、前記複数の第２層の前記１つは、前記複数の第１層の前記１つと、前記複数の第１層の別の１つとの間にあり、
    前記第１層は、Ａｌｙ１Ｇａ１－ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦１）を含み、
    前記第２層は、Ａｌｙ２Ｇａ１－ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜ｙ１）を含む、請求項１～１３のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  15. 基体をさらに備え、
    前記基体と前記第２窒化物領域との間に前記第１窒化物領域がある、請求項１～１４のいずれか１つに記載の窒化物半導体。
  16. 前記窒化物部材は、Ａｌｘ５Ｇａ１－ｘ５Ｎ（０＜ｘ５≦１）を含む第５窒化物領域をさらに含み、
    前記第１方向において前記基体と前記第１窒化物領域との間に前記第５窒化物領域がある、請求項１５に記載の窒化物半導体。
  17. 前記窒化物部材は、Ａｌｘ４Ｇａ１－ｘ４Ｎ（０＜ｘ４≦１、ｘ３＜ｘ４）を含む第４窒化物領域をさらに含み、
    前記第１方向において前記第２窒化物領域と前記第４窒化物領域との間に前記第３窒化物領域がある、請求項１～１６いずれか１つに記載の窒化物半導体。
  18. 請求項１７に記載の窒化物半導体と、
    第１電極と、
    第２電極と、
    第３電極と、
    絶縁部材と、
    を備え、
    前記第１電極から前記第２電極への方向は、前記第１方向と交差する第２方向に沿い、
    前記第３電極の前記第２方向における位置は、前記第１電極の前記第２方向における位置と、前記第２電極の前記第２方向における位置と、の間にあり、
    前記第３窒化物領域は、第１部分領域、第２部分領域、第３部分領域、第４部分領域、及び、第５部分領域を含み、
    前記第１部分領域から前記第１電極への方向は、前記第１方向に沿い、
    前記第２部分領域から前記第２電極への方向は、前記第１方向に沿い、
    前記第３部分領域は、前記第２方向において前記第１部分領域と前記第２部分領域との間にあり、前記第３部分領域から前記第３電極への方向は、前記第１方向に沿い、
    前記第４部分領域は、前記第２方向において前記第１部分領域と前記第３部分領域との間にあり、
    前記第５部分領域は、前記第２方向において前記第３部分領域と前記第２部分領域との間にあり、
    前記第４窒化物領域は、第６部分領域及び第７部分領域を含み、
    前記第４部分領域から前記第６部分領域への方向は、前記第１方向に沿い、
    前記第５部分領域から前記第７部分領域への方向は、前記第１方向に沿い、
    前記絶縁部材は、前記窒化物部材と前記第３電極との間にある、半導体装置。
  19. 前記第３電極の少なくとも一部は、前記第２方向において、前記第６部分領域と前記第７部分領域との間にある、請求項１８に記載の半導体装置。
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