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JP2024106734A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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JP2024106734A JP2023011149A JP2023011149A JP2024106734A JP 2024106734 A JP2024106734 A JP 2024106734A JP 2023011149 A JP2023011149 A JP 2023011149A JP 2023011149 A JP2023011149 A JP 2023011149A JP 2024106734 A JP2024106734 A JP 2024106734A
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Abstract

【課題】2次元金属がインターカレーションされた半導体装置を提供する。【解決手段】六方晶ウルツ鉱構造のGaNを備えた半導体装置である。GaNの少なくとも一部に、特定領域を備えている。特定領域には、GaNのc面に平行なMgシートが、複数配置されている。複数のMgシートは、GaNのc軸方向に互いに離間して配置されている。互いに隣接するMgシートの間には、1層以上のGaNの原子層が配置されている。【選択図】図1[Problem] To provide a semiconductor device intercalated with a two-dimensional metal. [Solution] The semiconductor device includes GaN with a hexagonal wurtzite structure. At least a part of the GaN includes a specific region. In the specific region, a plurality of Mg sheets parallel to the c-plane of the GaN are arranged. The plurality of Mg sheets are arranged apart from each other in the c-axis direction of the GaN. One or more atomic layers of GaN are arranged between adjacent Mg sheets. [Selected Figure] FIG.

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

インターカレーション技術は、人工層状構造を作製するための重要な技術である。なお、関連する技術が非特許文献1に開示されている。 Intercalation technology is an important technique for creating artificial layered structures. Related technology is disclosed in Non-Patent Document 1.

M. Rajapakse, B. Karki, U. O. Abu et al. Intercalation as a versatile tool for fabrication, property tuning, and phase transitions in 2D materials. npj 2D Mater Appl 5, 30 (2021).M. Rajapakse, B. Karki, U. O. Abu et al. Intercalation as a versatile tool for fabrication, property tuning, and phase transitions in 2D materials. npj 2D Mater Appl 5, 30 (2021).

本明細書では、半導体への2次元金属のインターカレーションを用いた、半導体装置および半導体装置の製造方法を提案する。 This specification proposes a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device using two-dimensional metal intercalation into the semiconductor.

本明細書に開示する半導体装置の一態様は、六方晶ウルツ鉱構造のGaNを備えた半導体装置である。GaNの少なくとも一部に、特定領域を備えている。特定領域には、GaNのc面に平行なMgシートが、複数配置されている。複数のMgシートは、GaNのc軸方向に互いに離間して配置されている。互いに隣接するMgシートの間には、1層以上のGaNの原子層が配置されている。 One aspect of the semiconductor device disclosed in this specification is a semiconductor device comprising GaN with a hexagonal wurtzite structure. At least a portion of the GaN comprises a specific region. In the specific region, multiple Mg sheets parallel to the c-plane of the GaN are arranged. The multiple Mg sheets are arranged spaced apart from each other in the c-axis direction of the GaN. One or more atomic layers of GaN are arranged between adjacent Mg sheets.

上記の半導体装置は、MgシートがGaN原子層の数層ごとにインターカレーションされた、ナノ構造を備えている。この新規なナノ構造により、半導体の各種の特性を向上させることや、2次元材料の剥離、エネルギー貯蔵、超伝導、熱伝導度制御など、幅広い応用可能性を得ることができる。 The above semiconductor device has a nanostructure in which Mg sheets are intercalated every few GaN atomic layers. This novel nanostructure can improve various semiconductor properties and has a wide range of potential applications, including exfoliation of two-dimensional materials, energy storage, superconductivity, and thermal conductivity control.

GaNは、c軸方向にABABで表される周期積層構造を有している。Mgシートは、隣接するAB構造の間の格子間サイトにインターカレーションされていてもよい。 GaN has a periodic stacking structure represented by ABAB in the c-axis direction. Mg sheets may be intercalated in the interstitial sites between adjacent AB structures.

c軸方向に隣接するMgシートの間には、c軸方向の一軸圧縮歪みが発生していてもよい。 Uniaxial compressive strain in the c-axis direction may occur between adjacent Mg sheets in the c-axis direction.

隣接するMgシートに挟まれているGaNの領域内部には、c面内の二軸引張歪みが発生していてもよい。 Within the region of GaN sandwiched between adjacent Mg sheets, biaxial tensile strain in the c-plane may occur.

特定領域において、Mgシートを挟んで互いに逆側に位置するとともにMgシートに最も近い層である少なくとも2つのGaN原子層は、逆極性を有していてもよい。逆極性は、+c(金属極性)型と-c(窒素極性)型を備えていてもよい。 In the specific region, at least two GaN atomic layers that are located on opposite sides of the Mg sheet and are closest to the Mg sheet may have opposite polarities. The opposite polarities may be +c (metal polarity) and -c (nitrogen polarity).

特定領域は、GaNの一方面近傍に配置されていてもよい。Mgシートのc面と平行な方向の幅はc面に垂直な方向に進むにつれて小さくなっていてもよい。 The specific region may be located near one surface of the GaN. The width of the Mg sheet in a direction parallel to the c-plane may decrease in a direction perpendicular to the c-plane.

GaNは、p型化しているp型領域を備えていてもよい。半導体装置は、p型領域に接触している電極を備えていてもよい。p型領域における電極との界面には、Mgシートが存在していてもよい。 The GaN may have a p-type region that has been converted to p-type. The semiconductor device may have an electrode in contact with the p-type region. A Mg sheet may be present at the interface between the p-type region and the electrode.

GaNによって構成されている第1半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の下面に接触して配置されており、GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の上方に設けられている第1ソース電極を備えていてもよい。第1半導体層の上方に設けられており、第1ソース電極から離れて配置されている第1ドレイン電極を備えていてもよい。第1ソース電極と第1ドレイン電極との間であって第1半導体層の上方に設けられている、または、第2半導体層の上面に接触して配置されている第1ゲート電極を備えていてもよい。第1半導体層の全体が特定領域を備えていてもよい。 The semiconductor device may include a first semiconductor layer made of GaN. The semiconductor device may include a second semiconductor layer that is disposed in contact with the lower surface of the first semiconductor layer and has a band gap different from that of GaN. The semiconductor device may include a first source electrode disposed above the first semiconductor layer. The semiconductor device may include a first drain electrode disposed above the first semiconductor layer and spaced apart from the first source electrode. The semiconductor device may include a first gate electrode disposed between the first source electrode and the first drain electrode and above the first semiconductor layer, or disposed in contact with the upper surface of the second semiconductor layer. The entire first semiconductor layer may include a specific region.

GaNによって構成されている第1半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の下面に接触して配置されており、GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層を備えていてもよい。第2半導体層の下面に接触して配置されており、GaNで構成されている第3半導体層を備えていてもよい。第2半導体層の上面に配置されている第2ソース電極を備えていてもよい。第2半導体層の上面に配置されており、第2ソース電極から離れて配置されている第2ドレイン電極を備えていてもよい。第1半導体層の上方に設けられており、第2ソース電極と第2ドレイン電極との間に設けられている第2ゲート電極を備えていてもよい。第1半導体層の全体が特定領域を備えていてもよい。 The semiconductor device may include a first semiconductor layer made of GaN. The semiconductor device may include a second semiconductor layer arranged in contact with the lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of GaN. The semiconductor device may include a third semiconductor layer arranged in contact with the lower surface of the second semiconductor layer and made of GaN. The semiconductor device may include a second source electrode arranged on the upper surface of the second semiconductor layer. The semiconductor device may include a second drain electrode arranged on the upper surface of the second semiconductor layer and spaced apart from the second source electrode. The semiconductor device may include a second gate electrode provided above the first semiconductor layer and between the second source electrode and the second drain electrode. The entire first semiconductor layer may include a specific region.

GaNによって構成されている第1半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の下面に接触して配置されており、GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層を備えていてもよい。第2半導体層の下面に接触して配置されており、GaNで構成されている第3半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の上方に設けられている第1ソース電極を備えていてもよい。第1半導体層の上方に設けられており、第1ソース電極から離れて配置されている第1ドレイン電極を備えていてもよい。第1ソース電極と第1ドレイン電極との間であって第1半導体層の上方に設けられている、または、第2半導体層の上面に接触して配置されている第1ゲート電極を備えていてもよい。第2半導体層の上面に配置されている第2ソース電極を備えていてもよい。第2半導体層の上面に配置されており、第2ソース電極から離れて配置されている第2ドレイン電極を備えていてもよい。第1半導体層の上方に設けられており、第2ソース電極と第2ドレイン電極との間に設けられている第2ゲート電極を備えていてもよい。第1半導体層の全体が特定領域を備えていてもよい。 The semiconductor device may include a first semiconductor layer made of GaN. The semiconductor device may include a second semiconductor layer that is disposed in contact with the lower surface of the first semiconductor layer and has a band gap different from that of GaN. The semiconductor device may include a third semiconductor layer that is disposed in contact with the lower surface of the second semiconductor layer and is made of GaN. The semiconductor device may include a first source electrode that is disposed above the first semiconductor layer. The semiconductor device may include a first drain electrode that is disposed above the first semiconductor layer and spaced apart from the first source electrode. The semiconductor device may include a first gate electrode that is disposed between the first source electrode and the first drain electrode and above the first semiconductor layer, or that is disposed in contact with the upper surface of the second semiconductor layer. The semiconductor device may include a second source electrode that is disposed on the upper surface of the second semiconductor layer. The semiconductor device may include a second drain electrode that is disposed on the upper surface of the second semiconductor layer and spaced apart from the second source electrode. The semiconductor device may include a second gate electrode that is disposed above the first semiconductor layer and between the second source electrode and the second drain electrode. The entire first semiconductor layer may include a specific region.

GaNによって構成されている第1半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の上面に接触して配置されており、InGaNで構成されている第4半導体層を備えていてもよい。第1半導体層の全体が特定領域を備えていてもよい。 The semiconductor device may include a first semiconductor layer made of GaN. The semiconductor device may include a fourth semiconductor layer made of InGaN, which is disposed in contact with an upper surface of the first semiconductor layer. The entire first semiconductor layer may include the specific region.

本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一態様は、六方晶ウルツ鉱構造のGaN層を準備する第1工程を備える。製造方法は、GaN層の一方面にMg薄膜を成膜する第2工程を備える。第2工程の期間中または第2工程の後に、500℃よりも高く1050℃よりも低い温度でGaN層を加熱する。 One aspect of the method for manufacturing a semiconductor device disclosed herein includes a first step of preparing a GaN layer having a hexagonal wurtzite structure. The method includes a second step of depositing a thin Mg film on one side of the GaN layer. During or after the second step, the GaN layer is heated at a temperature greater than 500°C and less than 1050°C.

第1工程は、GaN層をエピタキシャル成長により成膜する工程を含んでいてもよい。第1工程と第2工程とが交互に行われてもよい。第2工程の後に行われる第1工程では、Mg薄膜の一方面にGaN層が成膜されてもよい。第2工程で成膜されるMg薄膜の厚さは、第1工程で成膜されるGaN層の厚さよりも小さくてもよい。 The first step may include a step of forming a GaN layer by epitaxial growth. The first step and the second step may be performed alternately. In the first step performed after the second step, a GaN layer may be formed on one side of the Mg thin film. The thickness of the Mg thin film formed in the second step may be smaller than the thickness of the GaN layer formed in the first step.

第1工程および第2工程では、分子線エピタキシー法によって成膜が行われてもよい。 In the first and second steps, deposition may be performed by molecular beam epitaxy.

分子線エピタキシー法における成膜温度が、600-700℃の範囲であってもよい。 The deposition temperature in the molecular beam epitaxy method may be in the range of 600-700°C.

GaNによって構成されている第1半導体層を形成する工程を備えていてもよい。第1半導体層の上面に接触して配置されており、GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層を形成する工程を備えていてもよい。第1工程と第2工程とを交互に繰り返すことで、第2半導体層の上面に接触して配置されている第3半導体層を形成する工程を備えていてもよい。第3半導体層の上方にソース電極およびドレイン電極を形成する工程を備えていてもよい。ソース電極とドレイン電極との間であって第3半導体層の上方の位置に、または、第2半導体層の上面の位置に、ゲート電極を形成する工程を備えていてもよい。 The method may include a step of forming a first semiconductor layer made of GaN. The method may include a step of forming a second semiconductor layer that is disposed in contact with an upper surface of the first semiconductor layer and has a band gap different from that of GaN. The method may include a step of forming a third semiconductor layer that is disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer by alternately repeating the first and second steps. The method may include a step of forming a source electrode and a drain electrode above the third semiconductor layer. The method may include a step of forming a gate electrode between the source electrode and the drain electrode and above the third semiconductor layer or at a position on the upper surface of the second semiconductor layer.

MiGsナノ構造のSTEM像である。1 is a STEM image of a MiGs nanostructure. MiGsナノ構造のEDSスペクトルである。1 is an EDS spectrum of the MiGs nanostructure. MiGsナノ構造のEDSマップである。13 is an EDS map of the MiGs nanostructure. c面にMiGsナノ構造を形成する過程を説明する断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating the process of forming a MiGs nanostructure on a c-plane. c面に形成されたMiGsナノ構造のSTEM像である。1 is a STEM image of a MiGs nanostructure formed on the c-plane. m面にMiGsナノ構造を形成する過程を説明する断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a process of forming an MiGs nanostructure on an m-plane. m面に形成されたMiGsナノ構造のSTEM像である。1 is a STEM image of a MiGs nanostructure formed on an m-plane. トップダウン法で作成したMiGsナノ構造の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a MiGs nanostructure fabricated by a top-down method. ボトムアップ法で作成したMiGsナノ構造の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a MiGs nanostructure fabricated by a bottom-up method. GaNとMgの基本的な材料構成を示す表である。1 is a table showing the basic material composition of GaN and Mg. MiGsナノ構造の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of the MiGs nanostructure. STEM像に対して行った弾性ひずみマッピングである。Elastic strain mapping performed on the STEM image. MiGsナノ構造の端部領域の画像である。13 is an image of the edge region of the MiGs nanostructure. GaNの原子配列の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an atomic arrangement of GaN. MiGsナノ構造を備えたpn接合ダイオード1の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a pn junction diode 1 with MiGs nanostructures. pn接合ダイオード1のI-V特性グラフである。2 is a graph showing the IV characteristics of the pn junction diode 1. pn接合ダイオード1における、電流密度-電圧(J-V)特性およびオン抵抗を示すグラフである。1 is a graph showing the current density-voltage (JV) characteristics and on-resistance of a pn junction diode 1. 実施例4に係る半導体装置2の断面概略図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 2 according to a fourth embodiment. 実施例5に係る基板40の概略断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a substrate 40 according to a fifth embodiment.

(MiGsナノ構造の概要)
図1-図3を用いて、MgインターカレーションGaN超格子ナノ構造の概要を説明する。以下、「MgインターカレーションGaN超格子」を、MiGs(Mg intercalated GaN superlattices)と略記する場合がある。図1(a)-図1(e)において、紙面上方向が、六方晶ウルツ鉱構造のGaNのc軸方向である。図1(a)-図1(c)は、高角度環状暗視野走査透過電子顕微鏡(HAADF-STEM)による、異なる倍率での像である。図1(a)-図1(c)において、c面に平行な方向(紙面左右方向)に延びている暗い線が、Mgシートである。またMgシートの間に存在している、6原子程度の厚さの明るい帯状の部分が、GaNである。図1(d)は、原子分解能統合微分位相コントラスト(iDPC)STEM像であり、N、Ga、Mg原子の相対位置を示している。図1(e)は、MiGsナノ構造の繰返し単位の模式図である。
(Overview of MiGs nanostructure)
The outline of the Mg intercalated GaN superlattice nanostructure will be described with reference to Figs. 1 to 3. Hereinafter, "Mg intercalated GaN superlattice" may be abbreviated as MiGs (Mg intercalated GaN superlattices). In Figs. 1(a) to 1(e), the upward direction of the paper is the c-axis direction of GaN with a hexagonal wurtzite structure. Figs. 1(a) to 1(c) are images at different magnifications taken with a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). In Figs. 1(a) to 1(c), the dark lines extending in a direction parallel to the c-plane (left-right direction of the paper) are Mg sheets. The bright bands with a thickness of about 6 atoms existing between the Mg sheets are GaN. Fig. 1(d) is an atomic resolution integrated differential phase contrast (iDPC) STEM image showing the relative positions of N, Ga, and Mg atoms. FIG. 1( e ) is a schematic diagram of the repeating unit of the MiGs nanostructure.

また図2(a)に、Mgシートの間に7単層のGaNが配置されている超格子の拡大像を示す。紙面右側が[0001]方向(c軸方向)である。またスケールバーは500pmである。図2(b)に、図2(a)の矢印部分における原子分解EDSスペクトルを示す。強度ピークの位置は、Ga、N、Mgの各元素の原子面の相対位置を示している。図3(a)-図3(c)は、図2と同一領域における原子分解能のEDSマップである。図3(a)はGa、図3(b)はN、図3(c)はMgの分布を示している。 Figure 2(a) shows a magnified image of a superlattice in which seven monolayers of GaN are arranged between Mg sheets. The right side of the page is the [0001] direction (c-axis direction). The scale bar is 500 pm. Figure 2(b) shows an atomically resolved EDS spectrum in the area indicated by the arrow in Figure 2(a). The positions of the intensity peaks indicate the relative positions of the atomic planes of the elements Ga, N, and Mg. Figures 3(a) to 3(c) are atomic resolution EDS maps of the same region as Figure 2. Figure 3(a) shows the distribution of Ga, Figure 3(b) shows the distribution of N, and Figure 3(c) shows the distribution of Mg.

図1-図3から分かるように、MiGsナノ構造は、六方晶ウルツ鉱構造のGaNの少なくとも一部の特定領域に形成することができる。特定領域には、GaNのc面に平行なMgシートが、複数配置されている。複数のMgシートは、GaNのc軸方向に互いに離間して配置されている。互いに隣接するMgシートの間には、1層以上のGaNの原子層が配置されている。 As can be seen from Figures 1 to 3, the MiGs nanostructure can be formed in at least a specific region of GaN with a hexagonal wurtzite structure. In the specific region, multiple Mg sheets parallel to the c-plane of GaN are arranged. The multiple Mg sheets are arranged spaced apart from each other in the c-axis direction of GaN. One or more atomic layers of GaN are arranged between adjacent Mg sheets.

Mgシートについて説明する。図1(e)に示すように、GaNは、c軸方向にABABで表される周期積層構造を有している。Mgシートは、隣接するAB構造の間のCの位置(格子間サイト)にインターカレーションされている。また図1-図3より、Mgシートは、厚さが原子1層分であることが分かる。すなわちMgシートは、2次元形状を有している。Mgシートは、格子間に侵入しているため、Ga原子と置換していない。従って、Mgシートを構成するMgは、アクセプタとしては機能しない。またMiGsナノ構造では、MgシートよりもGaN層が支配的に振舞う。従ってMiGsナノ構造は、半導体として機能する。 Now, let us explain about the Mg sheet. As shown in FIG. 1(e), GaN has a periodic stacking structure represented by ABAB in the c-axis direction. The Mg sheet is intercalated at the C position (interstitial site) between adjacent AB structures. Also, from FIG. 1 to FIG. 3, it can be seen that the Mg sheet has a thickness of one atomic layer. In other words, the Mg sheet has a two-dimensional shape. Since the Mg sheet penetrates between the lattices, it does not replace Ga atoms. Therefore, the Mg that constitutes the Mg sheet does not function as an acceptor. Also, in the MiGs nanostructure, the GaN layer behaves more dominantly than the Mg sheet. Therefore, the MiGs nanostructure functions as a semiconductor.

(MiGsナノ構造の製造方法(トップダウン法))
トップダウン法によるMiGsナノ構造の形成方法を説明する。トップダウン法は、GaN結晶の表面からMgを熱拡散させる方法である。まず、六方晶ウルツ鉱構造のGaN層を準備する。そして、GaN層の一方面に、アモルファスのMg薄膜を成膜する。その後、500℃よりも高く1050℃よりも低い温度で、GaN層を加熱する。これにより、高温・大気圧下において、GaNへのMgの自発的な相互拡散を発生させることができる。その結果、2次元金属の半導体へのインターカレーションを発生させることができる。
(Method for manufacturing MiGs nanostructures (top-down method))
A method for forming a MiGs nanostructure by the top-down method will be described. The top-down method is a method for thermally diffusing Mg from the surface of a GaN crystal. First, a GaN layer with a hexagonal wurtzite structure is prepared. Then, an amorphous Mg thin film is formed on one side of the GaN layer. Then, the GaN layer is heated at a temperature higher than 500° C. and lower than 1050° C. This allows spontaneous interdiffusion of Mg into GaN at high temperature and atmospheric pressure. As a result, intercalation of a two-dimensional metal into a semiconductor can be generated.

図4の断面模式図を用いて、c面にMiGsナノ構造を形成する過程を説明する。GaN層31のc面上に、Mgソース32を配置する。この状態でアニールを開始すると、初期の段階では、MgがGaN層31の表面から内部へ拡散する(図4(a)参照)。図4(a)では、Mg原子を点で示している。GaN層31の表面から内部側に行くほど、Mg濃度は低くなる。 The process of forming a MiGs nanostructure on the c-plane will be explained using the schematic cross-sectional view of Figure 4. An Mg source 32 is placed on the c-plane of the GaN layer 31. When annealing is started in this state, in the initial stage, Mg diffuses from the surface to the inside of the GaN layer 31 (see Figure 4(a)). In Figure 4(a), Mg atoms are shown as dots. The Mg concentration decreases as you move from the surface of the GaN layer 31 toward the inside.

さらにアニールを続けることによって、複数のMgシート33が、c軸方向に互いに離間して自己組織化される(図4(b)参照)。これにより、MiGsナノ構造が完成する。このとき、MiGsナノ構造が形成される領域は、典型的にはピラミッド形状となる。ピラミッド形状は、GaN層31の表面に垂直かつ内部に向かう方向(すなわちc面に垂直な方向)に進むにつれてMgシート33のc面と平行な方向の幅が狭くなる形状である。またピラミッド形状は、複数のMgシート33が、中心軸CAに対して略対称に配置されている形状である。 By continuing the annealing, the multiple Mg sheets 33 are self-organized, spaced apart from each other in the c-axis direction (see FIG. 4(b)). This completes the MiGs nanostructure. At this time, the region in which the MiGs nanostructure is formed is typically pyramidal. The pyramidal shape is such that the width of the Mg sheet 33 in the direction parallel to the c-plane narrows as it progresses in a direction perpendicular to the surface of the GaN layer 31 and toward the inside (i.e., in a direction perpendicular to the c-plane). The pyramidal shape is also such that the multiple Mg sheets 33 are arranged approximately symmetrically with respect to the central axis CA.

ピラミッド形状が自己組織化されるメカニズムを説明する。Mgシートは、正電荷の有限な平面として扱うことができる。Mgシートによって誘発されるクーロン場は、有限なMgシートのエッジ周辺で弱く、中心に行くほど強くなる。またMg濃度は、GaN層31の表面から内部側へ行くほど低くなるため、内部側へ行くほどMgシートの幅が狭くなる。その結果、トータルエネルギーを減少させるように、ピラミッド形状が自己組織化される。 The mechanism by which the pyramidal shapes self-organize will be explained. The Mg sheet can be treated as a finite plane of positive charge. The Coulomb field induced by the Mg sheet is weak around the edges of the finite Mg sheet and becomes stronger toward the center. In addition, the Mg concentration decreases from the surface of the GaN layer 31 toward the inside, so the width of the Mg sheet becomes narrower toward the inside. As a result, the pyramidal shapes self-organize to reduce the total energy.

図5に、c面に形成されたMiGsナノ構造のSTEM像を示す。紙面上側がc軸方向である。図5(a)は、ADF-STEM像である。図5(a)の左側の四角は、図4(b)に示す典型的なピラミッド構造を示している。図5(b)は、図5(a)の右側の四角部分を拡大した、HAADF-STEM像である。図5(b)では、複数のMgシートが、暗い線として観察されている。これにより、MiGsナノ構造が形成されていることが確認できた。 Figure 5 shows an STEM image of the MiGs nanostructure formed on the c-plane. The top of the page is the c-axis direction. Figure 5(a) is an ADF-STEM image. The square on the left side of Figure 5(a) shows the typical pyramid structure shown in Figure 4(b). Figure 5(b) is an HAADF-STEM image that is an enlarged view of the square part on the right side of Figure 5(a). In Figure 5(b), multiple Mg sheets are observed as dark lines. This confirmed that a MiGs nanostructure had been formed.

また図6の断面模式図を用いて、m面にMiGsナノ構造を形成する過程を説明する。GaN層31のm面上に、Mgソース32を配置する。この状態でアニールを開始すると、初期の段階では、MgがGaN層31の表面から内部へ拡散する(図6(a)参照)。さらにアニールを続けることによって、複数のMgシート33が、c軸方向に互いに離間して自己組織化される(図6(b)参照)。図6(b)においても、c面に垂直な方向に進むにつれて、Mgシート33のc面と平行な方向の幅が狭くなっている部分がある。 The process of forming a MiGs nanostructure on the m-plane will be explained using the schematic cross-sectional view of Figure 6. An Mg source 32 is placed on the m-plane of the GaN layer 31. When annealing is started in this state, in the initial stage, Mg diffuses from the surface to the inside of the GaN layer 31 (see Figure 6(a)). By continuing the annealing further, multiple Mg sheets 33 are self-organized, spaced apart from each other in the c-axis direction (see Figure 6(b)). In Figure 6(b), there are also parts where the width of the Mg sheet 33 in the direction parallel to the c-plane narrows as it progresses in the direction perpendicular to the c-plane.

図7に、m面に形成されたMiGsナノ構造のSTEM像を示す。紙面上側がm軸方向であり、紙面左側がc軸方向である。図7(a)は、ADF-STEM像である。図7(b)は、図7(a)の右側の四角部分を拡大した、HAADF-STEM像である。図7(b)では、複数のMgシートが、暗い線として観察されている。これにより、MiGsナノ構造が形成されていることが確認できた。 Figure 7 shows an STEM image of the MiGs nanostructure formed on the m-plane. The top of the page is the m-axis direction, and the left side of the page is the c-axis direction. Figure 7(a) is an ADF-STEM image. Figure 7(b) is an HAADF-STEM image that is an enlarged view of the square area on the right side of Figure 7(a). In Figure 7(b), multiple Mg sheets are observed as dark lines. This confirmed that a MiGs nanostructure had been formed.

以上より、c面およびm面の何れからMgを拡散させた場合においても、複数のMgシートが、GaNのc面((0001)面)に平行に形成されることが分かる。理由を説明する。(0001)面は、GaNおよびMgの両方にとって、原子密度が最も高い面である。そして最密面は、より高い結合エネルギーを有しているため、より低い表面エネルギーを有している。これにより、GaNの(0001)面に沿ってMg原子がインターカレーションされる強力な傾向が生じていると考えられる。 From the above, it can be seen that whether Mg is diffused from the c-plane or the m-plane, multiple Mg sheets are formed parallel to the GaN c-plane ((0001) plane). Here is the reason why. The (0001) plane is the plane with the highest atomic density for both GaN and Mg. And close-packed planes have higher binding energy and therefore lower surface energy. This is thought to create a strong tendency for Mg atoms to intercalate along the GaN (0001) plane.

(MiGsナノ構造の製造方法(ボトムアップ法))
ボトムアップ法によるMiGsナノ構造の形成方法を説明する。ボトムアップ法は、GaN層とMg層とを交互に積層させる方法である。ボトムアップ法では、分子線エピタキシー法(MBE)によって、第1工程と第2工程とが交互に行われる。
(Method for manufacturing MiGs nanostructures (bottom-up method))
A method for forming a MiGs nanostructure by the bottom-up method will be described. The bottom-up method is a method for alternately stacking a GaN layer and an Mg layer. In the bottom-up method, a first step and a second step are alternately performed by molecular beam epitaxy (MBE).

第1工程は、GaN層をエピタキシャル成長により成膜する工程である。具体的には、Gaシャッターおよび窒素シャッターを開くとともに、Mgシャッターを閉じる。GaNの1原子層の積層数は、成膜時間によって制御することができる。すなわち、Mgシート間に配置されているGaNの1原子層の平均数を、時間で制御可能である。 The first step is to form a GaN layer by epitaxial growth. Specifically, the Ga shutter and the nitrogen shutter are opened, and the Mg shutter is closed. The number of layers of one atomic layer of GaN can be controlled by the deposition time. In other words, the average number of one atomic layers of GaN arranged between the Mg sheets can be controlled by time.

第2工程は、Mg層を成膜する工程である。具体的には、Gaシャッターおよび窒素シャッターを閉じるとともに、Mgシャッターを開く。これにより、Mgの1原子層を成膜することができる。すなわち、第2工程で成膜されるMg層の厚さは、第1工程で成膜されるGaN層の厚さよりも小さい。 The second step is a step of depositing an Mg layer. Specifically, the Ga shutter and the nitrogen shutter are closed, and the Mg shutter is opened. This allows a monoatomic layer of Mg to be deposited. In other words, the thickness of the Mg layer deposited in the second step is smaller than the thickness of the GaN layer deposited in the first step.

第2工程の後に行われる第1工程では、Mg薄膜の表面にGaN層が成膜される。以後、第1工程と第2工程とを交互に繰り返すことによって、数原子層のGaNに対して1原子層のMgを堆積させることができる。そして、分子線エピタキシー法の成膜温度(500-900℃)により、GaNへのMgの自発的な相互拡散を発生させることができる。従って、GaN層およびMg層の成膜と、MiGsナノ構造の自己組織化とを、同時に進行させることが可能となる。またMiGsナノ構造のトータル厚さは、第1工程および第2工程の繰り返し数によって制御することができる。 In the first step, which is performed after the second step, a GaN layer is formed on the surface of the Mg thin film. Thereafter, by alternately repeating the first and second steps, it is possible to deposit one atomic layer of Mg on several atomic layers of GaN. Then, the film formation temperature (500-900°C) of the molecular beam epitaxy method can cause spontaneous interdiffusion of Mg into GaN. Therefore, it is possible to simultaneously proceed with the formation of the GaN layer and Mg layer and the self-organization of the MiGs nanostructure. The total thickness of the MiGs nanostructure can also be controlled by the number of times the first and second steps are repeated.

分子線エピタキシー法で成膜する理由を説明する。1050℃よりも高い温度でアニールすると、Mg原子がGaN格子内に置換拡散し始めるため、MiGsナノ構造が分解してしまう。例えばMOVPEで成膜する場合には、成膜温度(1000-1100℃)が高すぎるため、MiGsナノ構造が分解してしまう。そこで分子線エピタキシー法を用いることにより、MiGsナノ構造の形成に熱力学的に好ましい範囲(500-900℃)で成膜することができる。よって、MiGsナノ構造の分解を防止できるとともに、MiGsナノ構造を自己組織化するためのアニールを成膜中に行うことが可能となる。 The reason for forming the film by molecular beam epitaxy is explained below. If annealing is performed at a temperature higher than 1050°C, Mg atoms will begin to diffuse into the GaN lattice, causing the MiGs nanostructure to decompose. For example, if film formation is performed by MOVPE, the film formation temperature (1000-1100°C) is too high, causing the MiGs nanostructure to decompose. Therefore, by using molecular beam epitaxy, the film can be formed within a thermodynamically favorable range (500-900°C) for the formation of the MiGs nanostructure. This prevents the decomposition of the MiGs nanostructure, and allows annealing to be performed during film formation to self-organize the MiGs nanostructure.

図8および図9の各々に、トップダウン法およびボトムアップ法で作成したMiGsナノ構造の概略断面図を示す。図8および図9では、Mgシートを黒線で示している。トップダウン法で形成されたMiGsナノ構造(図8)は、GaN層表面の近傍にのみ形成される。またMiGsナノ構造の深さ方向の分布が不均一になるとともに、表面粗さが大きくなる特徴がある。これは、MiGsナノ構造の形成時に、アモルファスMg薄膜とバルクGaNとがランダムかつ初歩的な反応を起こすことが一因と考えられる。一方、ボトムアップ法で作成されたMiGsナノ構造(図9)は、深さ方向の分布を均一にすることができるとともに、表面粗さを小さくすることができる。またMiGsナノ構造の厚さを、成膜の繰り返し数により任意に設定できるため、深さ方向に大規模なMiGsナノ構造を形成することが可能である。 8 and 9 show schematic cross-sectional views of the MiGs nanostructures created by the top-down method and the bottom-up method, respectively. In Figs. 8 and 9, the Mg sheet is indicated by a black line. The MiGs nanostructures formed by the top-down method (Fig. 8) are formed only near the surface of the GaN layer. The MiGs nanostructures are characterized by uneven distribution in the depth direction and large surface roughness. This is thought to be due in part to the random and elementary reaction between the amorphous Mg thin film and bulk GaN during the formation of the MiGs nanostructures. On the other hand, the MiGs nanostructures created by the bottom-up method (Fig. 9) can have a uniform distribution in the depth direction and small surface roughness. In addition, the thickness of the MiGs nanostructure can be set arbitrarily by the number of times the film is formed, so it is possible to form a large-scale MiGs nanostructure in the depth direction.

(MiGsナノ構造を自発的に形成するための重要な要素)
図10の表に、GaNとMgの基本的な材料構成を示す。GaNとMgとは、同一の結晶構造(HCP)を有している。またほぼ同一の格子定数を有しており、格子不整合が0.2%と誤差の範囲にある。この格子不整合が小さいことにより、上述するように、欠陥の無い超格子構造を自発的に形成することが可能となる。
(Key elements for spontaneous formation of MiGs nanostructures)
The basic material composition of GaN and Mg is shown in the table in Figure 10. GaN and Mg have the same crystal structure (HCP). They also have almost the same lattice constant, with a lattice mismatch of 0.2%, which is within the margin of error. This small lattice mismatch makes it possible to spontaneously form a defect-free superlattice structure, as described above.

またMiGsナノ構造は、高温・大気圧下でのGaNへのMgの自発的な相互拡散によって形成されている。よってMiGsナノ構造は、広い条件下で熱力学的に安定である。 In addition, MiGs nanostructures are formed by spontaneous interdiffusion of Mg into GaN at high temperatures and atmospheric pressure. Therefore, MiGs nanostructures are thermodynamically stable under a wide range of conditions.

(MiGsナノ構造による歪み制御)
2次元Mgシート間のGaN単層の平均数を変化させることにより、MiGsナノ構造中にGaNへの歪み制御を適用することができる。図11に、MiGsナノ構造の模式図を示す。丸はGa原子を示し、三角はMg原子を示している。図11に示すように、一対の2次元MgシートをK原子層(Kは2以上の自然数)のGaNにインターカレーションし、c軸方向の原子層間の間隔を狭くすることが可能である。Kが小さいほど、反比例して、c軸方向の一軸圧縮歪みを大きくすることができる。Kが5または6になると、c軸方向の一軸圧縮歪みを-10%以上にすることができる。
(Strain control using MiGs nanostructures)
By changing the average number of GaN monolayers between the two-dimensional Mg sheets, strain control to GaN can be applied in the MiGs nanostructure. FIG. 11 shows a schematic diagram of the MiGs nanostructure. The circles indicate Ga atoms, and the triangles indicate Mg atoms. As shown in FIG. 11, a pair of two-dimensional Mg sheets can be intercalated into K atomic layers (K is a natural number of 2 or more) of GaN to narrow the spacing between the atomic layers in the c-axis direction. The smaller K is, the larger the uniaxial compressive strain in the c-axis direction can be inversely proportional to the K. When K is 5 or 6, the uniaxial compressive strain in the c-axis direction can be increased to -10% or more.

図12に、原子分解能HAADF-STEM像に対して行った弾性ひずみマッピングを示す。MiGsナノ構造の面外歪み(一軸性歪み)を示している。色の濃い1原子層がMgシートである。Mgシート間には、GaNの6原子層が配置されている。弾性ひずみマッピングは、色が濃いほど圧縮歪みが大きいことを示している。図12から確認できるように、c軸方向の一軸圧縮歪みを発生させることができることが分かる。 Figure 12 shows elastic strain mapping performed on an atomic resolution HAADF-STEM image. It shows the out-of-plane strain (uniaxial strain) of the MiGs nanostructure. The dark atomic layer is the Mg sheet. Six atomic layers of GaN are arranged between the Mg sheets. The elastic strain mapping indicates that the darker the color, the greater the compressive strain. As can be seen from Figure 12, it is possible to generate uniaxial compressive strain in the c-axis direction.

歪み制御によって解決可能な課題を説明する。GaNなどのIII族窒化物では、窒素原子の強い電子親和力と弱いスピン軌道相互作用により、正孔の有効質量が非常に大きい。そのため、デバイス内での正孔移動度と正孔輸送が制限される問題があった。一方、ウルツ鉱型GaN格子にc軸方向の一軸圧縮歪みを発生させると、価電子帯構造が反転し(結晶場分裂エネルギーが負になり)、軽い正孔有効質量を持つ分裂正孔帯が価電子帯最大(VBM)にまで持ち上げられるようになる。このスプリットオフ・ホールバンドに正孔が多く存在することで、正孔移動度が向上する。具体的には、ウルツ鉱型GaNのc軸方向に-4.3%の一軸圧縮歪みを与えると、室温で従来よりも一桁高い200cm/(V・s)程度の正孔移動度が得られることが、厳密な第一原理計算により理論的に計算されている。しかし、GaN格子に高い歪みを導入することが非常に困難であったため、結晶場分裂エネルギーの反転による正孔移動度の向上は、長い間実現が待ち望まれてきた。 Problems that can be solved by strain control are explained below. In III-nitrides such as GaN, the effective mass of holes is very large due to the strong electron affinity of nitrogen atoms and weak spin-orbit interaction. Therefore, there was a problem that the hole mobility and hole transport in the device were limited. On the other hand, when uniaxial compressive strain in the c-axis direction is generated in the wurtzite GaN lattice, the valence band structure is inverted (the crystal field splitting energy becomes negative), and the split hole band with a light hole effective mass is raised to the valence band maximum (VBM). The presence of many holes in this split-off hole band improves the hole mobility. Specifically, it has been theoretically calculated by rigorous first-principles calculation that when a uniaxial compressive strain of -4.3% is applied to the c-axis direction of wurtzite GaN, a hole mobility of about 200 cm 2 /(V·s), which is one order of magnitude higher than conventional methods, can be obtained at room temperature. However, because it has been very difficult to introduce high strain into the GaN lattice, the enhancement of hole mobility by inverting the crystal field splitting energy has long been awaited.

本明細書の技術では、MiGsナノ構造により、ウルツ鉱型GaN格子にc軸方向の一軸圧縮歪みを発生させることができる。高い正孔移動度と高い正孔濃度を同時に実現することが可能となる。また、前述したボトムアップ法を用いることにより、大規模で均一なMiGsナノ構造を形成できる。よって広範囲かつ均一に、正孔移動度の高いp型GaNを形成することが可能となる。 The technology described herein uses a MiGs nanostructure to generate uniaxial compressive strain in the c-axis direction in the wurtzite GaN lattice. This makes it possible to simultaneously achieve high hole mobility and high hole concentration. In addition, by using the bottom-up method described above, a large-scale, uniform MiGs nanostructure can be formed. This makes it possible to form p-type GaN with high hole mobility over a wide area and uniformly.

(MiGsナノ構造による極性反転)
MiGsナノ構造により、GaNを極性反転することができる。図13に、MiGsナノ構造の端部領域の画像を示す。図13(A)は、HAADF-STEM像である。図13(B)は、図13(A)と同一領域のiDPC-STEM像である。図13(C)は、iDPC-STEM像の部分拡大図および原子配列の模式図である。iDPCイメージングにより、通常では見えない窒素原子を分解することができる。従って図13(C)に示すようにGaとNの相対的な原子位置を直接明らかにすることができる。
(Polarity reversal by MiGs nanostructure)
The MiGs nanostructure allows the polarity of GaN to be inverted. Figure 13 shows images of the edge region of the MiGs nanostructure. Figure 13(A) is a HAADF-STEM image. Figure 13(B) is an iDPC-STEM image of the same region as Figure 13(A). Figure 13(C) is a partially enlarged view of the iDPC-STEM image and a schematic diagram of the atomic arrangement. iDPC imaging allows the resolution of nitrogen atoms, which are normally invisible. Thus, the relative atomic positions of Ga and N can be directly revealed, as shown in Figure 13(C).

GaNに挿入された2次元Mgシートは、正電荷の一様な平面として扱うことができる。その結果生じるクーロン場は、Mgシート近傍のGaNの極性を反転させることで周囲に影響を与える。図13(C)に示すように、2次元Mgシートの端から横方向(c面に平行な方向)に数原子分離れた領域A0を中心として、N極からGa極への極性反転が発生している。 The 2D Mg sheet inserted into the GaN can be treated as a uniform plane of positive charge. The resulting Coulomb field affects the surroundings by reversing the polarity of the GaN near the Mg sheet. As shown in Figure 13(C), a polarity reversal from N-pole to Ga-pole occurs around region A0, which is a few atoms away laterally (parallel to the c-plane) from the edge of the 2D Mg sheet.

また図14に、2次元Mgシートに挟まれたGaNの原子配列の模式図を示す。Mgシートに挟まれたGaNの中間領域IRにおいて、c面に垂直な方向で極性反転が発生している。この極性反転は、数原子程度の距離で発生させることができる。このような偏光場の空間的な変化によって、中間領域IRでは、正孔のバルクドーピングが余分に誘起される。これにより、正孔濃度をより高めることが可能となる。 Figure 14 shows a schematic diagram of the atomic arrangement of GaN sandwiched between two-dimensional Mg sheets. In the intermediate region IR of the GaN sandwiched between the Mg sheets, polarity inversion occurs in a direction perpendicular to the c-plane. This polarity inversion can be generated over a distance of about a few atoms. This spatial change in the polarization field induces extra bulk doping of holes in the intermediate region IR. This makes it possible to further increase the hole concentration.

ここで、Mgシートを挟んで互いに逆側に位置するとともにMgシートに最も近い層である、2つのGaN原子層AL1およびAL2に着目する。GaN原子層AL1は+c(金属極性)型であり、GaN原子層AL2は-c(窒素極性)型である。すなわちGaN原子層AL1とAL2とは、逆極性を有している。 Here, we focus on two GaN atomic layers AL1 and AL2, which are located on opposite sides of the Mg sheet and are the layers closest to the Mg sheet. The GaN atomic layer AL1 is of +c (metal polarity) type, and the GaN atomic layer AL2 is of -c (nitrogen polarity) type. In other words, the GaN atomic layers AL1 and AL2 have opposite polarities.

(MiGsナノ構造を備えたコンタクト構造)
MiGsナノ構造を、半導体と金属電極とのコンタクト構造に適用する例について説明する。まず、表面にp型領域を備える単結晶GaN層を準備した。次に、p型領域の表面(c面)にMg薄膜を形成した。そして、アニールすることにより、p型領域の表面にMiGsナノ構造を形成した(トップダウン法)。このとき、低温条件(500℃、600s)および高温条件(550℃、600s)の各々でアニールした、2サンプルを作成した。MiGsナノ構造の表面に残存したMgを除去した後、MiGsナノ構造の表面に、TLM(transfer length method)テスト構造用の電極を形成した。これにより、p型領域と電極との界面に、Mgシートを備えたMiGsナノ構造が存在している構造が完成した。そして、電流密度-電圧(J-V)特性を評価した。
(Contact Structure with MiGs Nanostructure)
An example of applying the MiGs nanostructure to a contact structure between a semiconductor and a metal electrode will be described. First, a single-crystal GaN layer with a p-type region on its surface was prepared. Next, a thin Mg film was formed on the surface (c-plane) of the p-type region. Then, the MiGs nanostructure was formed on the surface of the p-type region by annealing (top-down method). At this time, two samples were created, each annealed under low-temperature conditions (500°C, 600s) and high-temperature conditions (550°C, 600s). After removing the Mg remaining on the surface of the MiGs nanostructure, an electrode for a TLM (transfer length method) test structure was formed on the surface of the MiGs nanostructure. This completed a structure in which a MiGs nanostructure with an Mg sheet was present at the interface between the p-type region and the electrode. Then, the current density-voltage (J-V) characteristics were evaluated.

低温条件のサンプルでは、ノンオーミックコンタクト特性が得られた。一方、高温条件のサンプルでは、完全にリニアなI-V特性を有する、良好なオーミックコンタクト特性が得られた。また、コンタクト抵抗は、10-5Ω・cm-2のオーダーであり、非常に低かった。以上より、MiGsナノ構造を介して金属電極を配置することにより、オーミックコンタクトが実現できるとともに、コンタクト抵抗を非常に低くできることが分かる。また、オーミックコンタクトを可能にするためのアニール温度には、500℃と550℃の間にしきい値があることが分かる。すなわち、MiGsナノ構造を用いたオーミックコンタクトを実現するためには、500℃よりも高い温度でのアニールが必要である。 In the low-temperature sample, non-ohmic contact characteristics were obtained. On the other hand, in the high-temperature sample, good ohmic contact characteristics with completely linear IV characteristics were obtained. In addition, the contact resistance was very low, on the order of 10 −5 Ω·cm −2 . From the above, it can be seen that ohmic contact can be realized and the contact resistance can be made very low by disposing a metal electrode via a MiGs nanostructure. It can also be seen that the annealing temperature for enabling ohmic contact has a threshold value between 500° C. and 550° C. In other words, in order to realize ohmic contact using a MiGs nanostructure, annealing at a temperature higher than 500° C. is necessary.

(MiGsナノ構造を備えたダイオード)
MiGsナノ構造を備えたコンタクト構造を、ダイオードに適用する例について説明する。図15に、MiGsナノ構造を備えたpn接合ダイオード1の概略断面図を示す。pn接合ダイオード1は、裏面カソード電極10、n-GaN基板11、n-GaN層12、p-GaN層13、MiGsナノ構造層14、アノード電極15、がこの順に積層された構造を備えている。積層方向は、c軸方向である。n-GaN基板11は、厚さ400μmとし、電子密度が~1018cm-3とした。n-GaN層12は、厚さ2.5μmとし、Si濃度を7×1016cm-3とした。p-GaN層13は、厚さ280nmとし、Mg濃度を7×1018cm-3とした。p-GaN層13は、Mgをドープしたエピタキシャル成長によって成膜することができる。またp-GaN層13の成膜後に、1000℃以上の活性化アニールを行ってもよい。
(Diode with MiGs nanostructure)
An example of applying a contact structure having a MiGs nanostructure to a diode will be described. FIG. 15 shows a schematic cross-sectional view of a pn junction diode 1 having a MiGs nanostructure. The pn junction diode 1 has a structure in which a back cathode electrode 10, an n + -GaN substrate 11, an n - -GaN layer 12, a p-GaN layer 13, a MiGs nanostructure layer 14, and an anode electrode 15 are laminated in this order. The lamination direction is the c-axis direction. The n + -GaN substrate 11 has a thickness of 400 μm and an electron density of up to 10 18 cm -3 . The n - -GaN layer 12 has a thickness of 2.5 μm and a Si concentration of 7×10 16 cm -3 . The p-GaN layer 13 has a thickness of 280 nm and a Mg concentration of 7×10 18 cm -3 . The p-GaN layer 13 can be formed by epitaxial growth doped with Mg. After the p-GaN layer 13 is formed, activation annealing at 1000° C. or higher may be performed.

MiGsナノ構造層14は、前述したトップダウン法で作成した。具体的には、p-GaN層13の表面にMgを成膜した。そして500-1050℃の範囲内でアニールすることで、p-GaN層13の表面に、MiGsナノ構造層14を形成した。 The MiGs nanostructure layer 14 was created using the top-down method described above. Specifically, Mg was deposited on the surface of the p-GaN layer 13. The MiGs nanostructure layer 14 was then formed on the surface of the p-GaN layer 13 by annealing within the range of 500-1050°C.

図16に、pn接合ダイオード1のI-V特性を示す。カーブC0は、MiGsナノ構造層を備えない、比較例のダイオードのI-Vカーブである。カーブC1は、MiGsナノ構造層を備える、本実施例のpn接合ダイオード1のI-Vカーブである。また図16に挿入されたグラフは、本実施例のpn接合ダイオード1のターンオン電圧近傍における理想係数nを示している。理想係数は、pn接合の品質を評価する係数であり、理想では1となり、結晶性が悪い場合には2に近い数値となる。また図17に、本実施例のpn接合ダイオード1における、電流密度-電圧(J-V)特性およびオン抵抗を示す。図17に挿入されたグラフは、線形目盛りでプロットされた、ターンオン電圧近傍のI-V特性カーブである。 Figure 16 shows the I-V characteristics of the pn junction diode 1. Curve C0 is the I-V curve of a comparative example diode that does not have a MiGs nanostructure layer. Curve C1 is the I-V curve of the pn junction diode 1 of this embodiment that has a MiGs nanostructure layer. The graph inserted in Figure 16 shows the ideality factor n in the vicinity of the turn-on voltage of the pn junction diode 1 of this embodiment. The ideality factor is a coefficient that evaluates the quality of the pn junction, and is ideally 1, and when the crystallinity is poor, it is a value close to 2. Figure 17 shows the current density-voltage (J-V) characteristics and on-resistance of the pn junction diode 1 of this embodiment. The graph inserted in Figure 17 is the I-V characteristic curve in the vicinity of the turn-on voltage plotted on a linear scale.

図16から、MiGsナノ構造層を備えることによって、順方向電流が非常に良化することが分かる。また、理想係数nが1.3であり、1に近い良好な値を示している。また図17から、電流密度が3.5Vで約1kA/cm(領域A1参照)であり、良好な特性が得られることが分かる。オン抵抗についても、1.9mΩ・cmから0.3mΩ・cmまで減少しており、良好な特性が得られることが分かる(領域A2参照)。 It can be seen from Fig. 16 that the forward current is significantly improved by providing the MiGs nanostructure layer. The ideality factor n is 1.3, which is a good value close to 1. It can also be seen from Fig. 17 that the current density is about 1 kA/ cm2 at 3.5 V (see region A1), and good characteristics are obtained. The on-resistance also decreases from 1.9 mΩ· cm2 to 0.3 mΩ· cm2 , and good characteristics are obtained (see region A2).

これらの特性向上は、コンタクト抵抗の低減と正孔密度および正孔移動度の改善とのコンビネーションにより、正孔の縦方向(c軸方向)の輸送が強化されたためと考えられる。また、c軸方向(すなわち複数のMgシートに垂直な方向)の正孔輸送を強化できることから、Mgシートの存在が、GaNのキャリア輸送を阻害しないことが分かる。 These improvements in characteristics are believed to be due to enhanced transport of holes in the vertical direction (c-axis direction) through a combination of reduced contact resistance and improved hole density and hole mobility. In addition, the fact that hole transport in the c-axis direction (i.e., the direction perpendicular to the multiple Mg sheets) can be enhanced shows that the presence of the Mg sheets does not impede carrier transport in GaN.

(MiGsナノ構造によるMgドーピング)
MiGsナノ構造を形成するためのMgの拡散は、侵入型である。一方、GaNをp型化するためのMgの拡散は、置換型である。侵入型の拡散の方が、置換型の拡散よりも活性化エネルギーが低い。従って、MiGsナノ構造を形成するための最も有効な温度範囲(550-900℃)は、p型GaNを形成するための温度範囲(1000℃以上)よりも低い。
(Mg doping with MiGs nanostructure)
The diffusion of Mg to form the MiGs nanostructure is interstitial, whereas the diffusion of Mg to make GaN p-type is substitutional. Interstitial diffusion has a lower activation energy than substitutional diffusion. Therefore, the most effective temperature range for forming the MiGs nanostructure (550-900°C) is lower than the temperature range for forming p-type GaN (above 1000°C).

MiGsナノ構造を、十分に高い温度(1050℃以上)でアニールすると、整列していたMg原子がランダムに動き出す。よって、置換型拡散を促進することができる。Mg原子がGaサイトに置換し、Mgがアクセプタとして機能するため、GaNをp型化することができる。 When the MiGs nanostructure is annealed at a sufficiently high temperature (1050°C or higher), the aligned Mg atoms begin to move randomly. This promotes substitutional diffusion. The Mg atoms substitute for Ga sites, and the Mg functions as an acceptor, making the GaN p-type.

MiGsナノ構造では、複数のMgシートがc軸方向に互いに離間して配置されている。すなわち、非常に大量のMg原子が、均一かつ広範囲に存在している構造である。このMiGsナノ構造を用いてMgをドーピングすることができるため、高濃度かつ均一なドーピングが可能となる。MiGsナノ構造を、理想的なドープ源として機能させることができる。 In the MiGs nanostructure, multiple Mg sheets are arranged at a distance from each other in the c-axis direction. In other words, it is a structure in which a very large amount of Mg atoms are uniformly and widely distributed. This MiGs nanostructure can be used to dope Mg, making high-concentration and uniform doping possible. The MiGs nanostructure can function as an ideal doping source.

MiGsナノ構造によってMgをドープするGaNの導電型は、特に限定されない。i型GaNをp型化することや、n型GaNをp型化することも可能である。 The conductivity type of the GaN doped with Mg using the MiGs nanostructure is not particularly limited. It is also possible to convert i-type GaN to p-type, or n-type GaN to p-type.

(MiGsナノ構造を備えたCMOS構造)
MiGsナノ構造を、CMOS構造に適用する例について説明する。図18に、半導体装置2の断面概略図を示す。半導体装置2は、横型のCMOSであり、PMOS3およびNMOS4を備えている。PMOS3およびNMOS4は、共通の支持基板20上に形成されている。
(CMOS structure with MiGs nanostructure)
An example of applying the MiGs nanostructure to a CMOS structure will be described. Fig. 18 shows a schematic cross-sectional view of a semiconductor device 2. The semiconductor device 2 is a lateral CMOS, and includes a PMOS 3 and an NMOS 4. The PMOS 3 and the NMOS 4 are formed on a common support substrate 20.

第1半導体層21は、p型のGaNであり、その全体が均一なMiGsナノ構造で構成されている。第1半導体層21は、前述したボトムアップ法により形成することができる。第2半導体層22は、第1半導体層21の下面に接触して配置されている。第2半導体層22は、GaNとは異なるバンドギャップを有している。本実施例では、第2半導体層22はAlGaNである。第3半導体層23は、第2半導体層22の下面に接触して配置されている。第3半導体層23は、GaNである。 本実施例では、第3半導体層23は、n型とした。支持基板20は、第3半導体層23の下面に接触して配置されている。支持基板20の材料は様々であってよく、例えば、GaN、Si、サファイアなどが使用可能である。PMOS3とNMOS4との間は、分離領域24によって分離されている。分離領域24は絶縁体であり、例えば酸化シリコンを用いることができる。 The first semiconductor layer 21 is p-type GaN, and the entire layer is composed of a uniform MiGs nanostructure. The first semiconductor layer 21 can be formed by the bottom-up method described above. The second semiconductor layer 22 is disposed in contact with the lower surface of the first semiconductor layer 21. The second semiconductor layer 22 has a band gap different from that of GaN. In this embodiment, the second semiconductor layer 22 is AlGaN. The third semiconductor layer 23 is disposed in contact with the lower surface of the second semiconductor layer 22. The third semiconductor layer 23 is GaN. In this embodiment, the third semiconductor layer 23 is n-type. The support substrate 20 is disposed in contact with the lower surface of the third semiconductor layer 23. The material of the support substrate 20 may be various, and for example, GaN, Si, sapphire, etc. can be used. The PMOS 3 and the NMOS 4 are separated by a separation region 24. The separation region 24 is an insulator, and for example, silicon oxide can be used.

PMOS3は、第1ソース電極S1、第1ドレイン電極D1、第1ゲート電極G1を備えている。第1ソース電極S1は、第1半導体層21の上面に設けられている。第1ドレイン電極D1は、第1半導体層21の上面に設けられており、第1ソース電極S1から離れて配置されている。第1ゲート電極G1は、第1ソース電極S1と第1ドレイン電極D1との間であって第1半導体層21の上方に設けられている。なお変形例として、第1ゲート電極G1に代えて、一点鎖線で示す第1ゲート電極G1aを用いてもよい。第1ゲート電極G1aは、第2半導体層22の上面に接触して配置されている。また第1ゲート電極G1aは、第1ソース電極S1と第1ドレイン電極D1との間に配置されていなくてもよい。 The PMOS3 includes a first source electrode S1, a first drain electrode D1, and a first gate electrode G1. The first source electrode S1 is provided on the upper surface of the first semiconductor layer 21. The first drain electrode D1 is provided on the upper surface of the first semiconductor layer 21 and is disposed away from the first source electrode S1. The first gate electrode G1 is provided between the first source electrode S1 and the first drain electrode D1 and above the first semiconductor layer 21. As a modified example, a first gate electrode G1a shown by a dashed line may be used instead of the first gate electrode G1. The first gate electrode G1a is disposed in contact with the upper surface of the second semiconductor layer 22. The first gate electrode G1a does not have to be disposed between the first source electrode S1 and the first drain electrode D1.

NMOS4は、第2ソース電極S2、第2ドレイン電極D2、第2ゲート電極G2を備えている。第2ソース電極S2は、第2半導体層22の上面に配置されている
第2ドレイン電極D2は、第2半導体層22の上面に配置されており、第2ソース電極S2から離れて配置されている。第2ゲート電極G2は、第1半導体層21の上面に設けられており、第2ソース電極S2と第2ドレイン電極D2との間に設けられている。
The NMOS 4 includes a second source electrode S2, a second drain electrode D2, and a second gate electrode G2. The second source electrode S2 is disposed on the upper surface of the second semiconductor layer 22. The second drain electrode D2 is disposed on the upper surface of the second semiconductor layer 22, and is disposed apart from the second source electrode S2. The second gate electrode G2 is provided on the upper surface of the first semiconductor layer 21, and is provided between the second source electrode S2 and the second drain electrode D2.

NMOS4の動作を説明する。第2半導体層22と第3半導体層23とのヘテロ接合に誘起されて、ヘテロ界面には、高移動度の二次元電子ガス(2DEG)層が形成される。この二次元電子ガス層をチャネルとして、第2ソース電極S2と第2ドレイン電極D2との間にオン電流を流すことができる。 The operation of NMOS4 will now be described. Induced by the heterojunction between the second semiconductor layer 22 and the third semiconductor layer 23, a high-mobility two-dimensional electron gas (2DEG) layer is formed at the heterointerface. This two-dimensional electron gas layer serves as a channel to allow an on-current to flow between the second source electrode S2 and the second drain electrode D2.

PMOS3の動作を説明する。第1半導体層21と第2半導体層22とのヘテロ接合に誘起されて、ヘテロ界面には、高移動度の二次元正孔ガス(2DHG)層が形成される。この二次元正孔ガス層をチャネルとして、第1ソース電極S1と第1ドレイン電極D1との間にオン電流を流すことができる。 The operation of PMOS3 will now be described. Induced by the heterojunction between the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 22, a high-mobility two-dimensional hole gas (2DHG) layer is formed at the heterointerface. This two-dimensional hole gas layer serves as a channel to allow an on-current to flow between the first source electrode S1 and the first drain electrode D1.

(半導体装置2の製造方法)
まず、支持基板20を準備する。支持基板20の表面に、n型GaNによって構成されている第3半導体層23をエピタキシャル成長させる。第3半導体層23の表面に、AlGaNの第2半導体層22をエピタキシャル成長させる。第2半導体層22の表面に、全体に均一にMiGsナノ構造が形成されている第1半導体層21を成長させる。第1半導体層21は、前述したボトムアップ法を用いて形成すればよいため、詳細な説明は省略する。これにより、基板が完成する。
(Method of Manufacturing Semiconductor Device 2)
First, a support substrate 20 is prepared. A third semiconductor layer 23 made of n-type GaN is epitaxially grown on the surface of the support substrate 20. A second semiconductor layer 22 made of AlGaN is epitaxially grown on the surface of the third semiconductor layer 23. A first semiconductor layer 21 having a MiGs nanostructure formed uniformly over the entire surface is grown on the surface of the second semiconductor layer 22. The first semiconductor layer 21 may be formed using the bottom-up method described above, and therefore a detailed description thereof will be omitted. This completes the substrate.

PMOS3とNMOS4との境界領域BRに、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いてトレンチを形成する。トレンチに絶縁膜を埋め込むことで、分離領域24を形成する。また、NMOS4のソース電極およびドレイン電極を形成する領域ERにおいて、第1半導体層21を除去する。そして、第1ソース電極S1、第1ゲート電極G1、第1ドレイン電極D1、第2ドレイン電極D2、第2ゲート電極G2、第2ソース電極S2を形成する。これにより、図18に示す半導体装置2が完成する。 A trench is formed in the boundary region BR between PMOS3 and NMOS4 using well-known lithography and dry etching techniques. An insulating film is filled into the trench to form an isolation region 24. The first semiconductor layer 21 is removed in the region ER where the source electrode and drain electrode of NMOS4 are to be formed. Then, the first source electrode S1, the first gate electrode G1, the first drain electrode D1, the second drain electrode D2, the second gate electrode G2, and the second source electrode S2 are formed. This completes the semiconductor device 2 shown in FIG. 18.

(効果)
ワイドバンドギャップ半導体であるGaNは、n型不純物とp型不純物とのイオン化エネルギー差が大きく、両導電型で同様の自由キャリア濃度を実現することが困難である。n型半導体とp型半導体の特性差が大きくなるため、相補型のCMOS回路の特性が劣化してしまう。そこで本実施例の技術では、MiGsナノ構造により第1半導体層21を作製することができる。MiGsナノ構造の歪み制御により、高い正孔移動度と高い正孔濃度を実現できるため、両導電型で同様の自由キャリア濃度や同様の移動度を実現することができる。特性のよいCMOS構造を実現することが可能となる。
(effect)
GaN, which is a wide band gap semiconductor, has a large difference in ionization energy between n-type impurities and p-type impurities, making it difficult to achieve the same free carrier concentration in both conductivity types. The characteristic difference between n-type and p-type semiconductors becomes large, which leads to deterioration of the characteristics of complementary CMOS circuits. Therefore, in the technology of this embodiment, the first semiconductor layer 21 can be fabricated using a MiGs nanostructure. By controlling the distortion of the MiGs nanostructure, high hole mobility and high hole concentration can be achieved, so that the same free carrier concentration and mobility can be achieved in both conductivity types. It becomes possible to realize a CMOS structure with good characteristics.

PMOS3では、MiGsナノ構造を備える第1半導体層21に、第1ソース電極S1および第1ドレイン電極D1が接触している構造が実現できる。コンタクト抵抗を非常に低減することができるため、PMOS3の特性を高めることが可能となる。 In PMOS3, a structure can be realized in which the first source electrode S1 and the first drain electrode D1 are in contact with the first semiconductor layer 21 having a MiGs nanostructure. Since the contact resistance can be significantly reduced, it is possible to improve the characteristics of PMOS3.

(MiGsナノ構造を備えたエピタキシャル成長用基板)
MiGsナノ構造を備えた基板を、InGaNをエピタキシャル成長させるための基板に適用する例について説明する。図19に、基板40の概略断面図を示す。基板40は、支持基板41、バッファ層42、MiGs層43、第1InGaN層44、第2InGaN層45、がこの順に積層された構造を備えている。積層方向は、c軸方向である。
(Substrate for epitaxial growth with MiGs nanostructure)
An example of applying a substrate having a MiGs nanostructure to a substrate for epitaxial growth of InGaN will be described. Fig. 19 shows a schematic cross-sectional view of a substrate 40. The substrate 40 has a structure in which a support substrate 41, a buffer layer 42, a MiGs layer 43, a first InGaN layer 44, and a second InGaN layer 45 are stacked in this order. The stacking direction is the c-axis direction.

支持基板41の材料は様々であってよく、例えば、GaN、Si、サファイアなどが使用可能である。バッファ層42は、格子不整合による歪みを緩和する層である。バッファ層42は、例えば、支持基板41にエピタキシャル成長させたGaNである。MiGs層43は、GaNであり、その全体が均一なMiGsナノ構造で構成されている。MiGs層43は、前述したボトムアップ法により形成することができる。第1InGaN層44は、MiGs層43にエピタキシャル成長させたIn0.2Ga0.8Nである。第2InGaN層45は、第1InGaN層44にエピタキシャル成長させたIn>0.2Ga<0.8Nである。第2InGaN層45は、上面側に行くほどIn組成比が段階的に高くなっていてもよい。 The material of the support substrate 41 may be various, for example, GaN, Si, sapphire, etc. can be used. The buffer layer 42 is a layer that relieves distortion due to lattice mismatch. The buffer layer 42 is, for example, GaN epitaxially grown on the support substrate 41. The MiGs layer 43 is GaN, and the entire layer is composed of a uniform MiGs nanostructure. The MiGs layer 43 can be formed by the bottom-up method described above. The first InGaN layer 44 is In 0.2 Ga 0.8 N epitaxially grown on the MiGs layer 43. The second InGaN layer 45 is In > 0.2 Ga < 0.8 N epitaxially grown on the first InGaN layer 44. The second InGaN layer 45 may have a stepwise higher In composition ratio toward the upper surface side.

MiGsナノ構造により、c軸方向の一軸圧縮歪みを発生させると、Mgシートに挟まれているGaNの領域内部に、c面内の二軸引張歪みが生じる。例えば、-12.12%の一軸歪みとともに、+2.21%の二軸歪みを発生させることができる。+2.2%の二軸歪みを持つMiGs層43は、完全に緩和されたIn0.2Ga0.8N(第1InGaN層44)に格子整合する。これにより、MiGs層43を、第1InGaN層44のエピタキシャル成長のための理想的な基板材料として用いることができる。よって、In組成の変動が少なく、高In組成の量子井戸を含む、LED用基板を生成することが可能となる。発光効率の向上など、LEDの性能を高めることが可能となる。 When the MiGs nanostructure generates a uniaxial compressive strain in the c-axis direction, a biaxial tensile strain in the c-plane is generated inside the GaN region sandwiched between the Mg sheets. For example, a biaxial strain of +2.21% can be generated along with a uniaxial strain of -12.12%. The MiGs layer 43 having a biaxial strain of +2.2% is lattice-matched to a fully relaxed In 0.2 Ga 0.8 N (first InGaN layer 44). This allows the MiGs layer 43 to be used as an ideal substrate material for epitaxial growth of the first InGaN layer 44. This makes it possible to generate an LED substrate with little variation in In composition and including a quantum well with a high In composition. It is possible to improve the performance of the LED, such as improving the light-emitting efficiency.

なお、上述した二軸歪みの値とIn組成比との組み合わせは、一例である。エピタキシャル成長させるInGaNのIn組成比に応じて、二軸歪みの値(すなわち、Mgシート間のGaN原子層の数)を適宜調整することが可能である。 The above-mentioned combination of biaxial strain value and In composition ratio is just one example. It is possible to adjust the biaxial strain value (i.e., the number of GaN atomic layers between Mg sheets) appropriately according to the In composition ratio of the InGaN to be epitaxially grown.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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。本明細書また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、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数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。 Although specific examples of the present invention have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples exemplified above. The technical elements described in this specification or drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology exemplified in this specification or drawings can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of those objectives is itself technically useful.

(変形例)
Mgシートは、厚さがMgの原子1層分に限らない。原子2層以上の厚さでもよい。
(Modification)
The thickness of the Mg sheet is not limited to one atomic layer of Mg, but may be two or more atomic layers.

トップダウン法によってMiGsナノ構造が形成される領域の形状は、ピラミッド形状に限られず、様々な形状であってよい。例えば、表面から内部に進むにつれて、Mgシートのc面方向の幅は変化せず、Mg原子数が減少する形状であってもよい。 The shape of the region in which the MiGs nanostructure is formed by the top-down method is not limited to a pyramid shape, and may be a variety of shapes. For example, the width of the Mg sheet in the c-plane direction may not change as it moves from the surface to the inside, and the number of Mg atoms may decrease.

実施例4ではMiGsナノ構造をHEMTに適用する例を説明したが、この形態に限られない。MiGsナノ構造は、例えば、MOS-FET、PSJ(Polarization Superjunction)-FETやPSJ-SBD(Schottky Barrier Diode)など、各種デバイス構造に適用することができる。 In Example 4, an example of applying the MiGs nanostructure to a HEMT was described, but this is not the only possible application. The MiGs nanostructure can be applied to various device structures, such as MOS-FETs, PSJ (Polarization Superjunction)-FETs, and PSJ-SBDs (Schottky Barrier Diodes).

以下に、本技術の態様を列挙する。
[態様1]
六方晶ウルツ鉱構造のGaNを備えた半導体装置であって、
前記GaNの少なくとも一部に、特定領域を備えており、
前記特定領域には、前記GaNのc面に平行なMgシートが、複数配置されており、
複数の前記Mgシートは、前記GaNのc軸方向に互いに離間して配置されており、
互いに隣接する前記Mgシートの間には、1層以上の前記GaNの原子層が配置されている、
半導体装置。
[態様2]
前記GaNは、c軸方向にABABで表される周期積層構造を有しており、
前記Mgシートは、隣接するAB構造の間の格子間サイトにインターカレーションされている、態様1に記載の半導体装置。
[態様3]
c軸方向に隣接する前記Mgシートの間には、c軸方向の一軸圧縮歪みが発生している、態様1または2に記載の半導体装置。
[態様4]
隣接する前記Mgシートに挟まれている前記GaNの領域内部には、c面内の二軸引張歪みが発生している、態様3に記載の半導体装置。
[態様5]
前記特定領域において、前記Mgシートを挟んで互いに逆側に位置するとともに前記Mgシートに最も近い層である少なくとも2つのGaN原子層は、逆極性を有しており、
前記逆極性は、+c(金属極性)型と-c(窒素極性)型を備えている、態様1-4の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様6]
前記特定領域は、前記GaNの一方面近傍に配置されており、
前記Mgシートのc面と平行な方向の幅は、c面に垂直な方向に進むにつれて小さくなっている、態様1-5の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様7]
前記GaNは、p型化しているp型領域を備えており、
前記半導体装置は、前記p型領域に接触している電極を備えており、
前記p型領域における前記電極との界面には、前記Mgシートが存在している、態様1-6の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様8]
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層と、
前記第1半導体層の上方に設けられている第1ソース電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第1ソース電極から離れて配置されている第1ドレイン電極と、
前記第1ソース電極と前記第1ドレイン電極との間であって前記第1半導体層の上方に設けられている、または、前記第2半導体層の上面に接触して配置されている第1ゲート電極と、
を備えており、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、態様1-7の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様9]
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層と、
前記第2半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNで構成されている第3半導体層と、
前記第2半導体層の上面に配置されている第2ソース電極と、
前記第2半導体層の上面に配置されており、前記第2ソース電極から離れて配置されている第2ドレイン電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第2ソース電極と前記第2ドレイン電極との間に設けられている第2ゲート電極と、
を備えており、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、態様1-8の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様10]
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層と、
前記第2半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNで構成されている第3半導体層と、
前記第1半導体層の上方に設けられている第1ソース電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第1ソース電極から離れて配置されている第1ドレイン電極と、
前記第1ソース電極と前記第1ドレイン電極との間であって前記第1半導体層の上方に設けられている、または、前記第2半導体層の上面に接触して配置されている第1ゲート電極と、
前記第2半導体層の上面に配置されている第2ソース電極と、
前記第2半導体層の上面に配置されており、前記第2ソース電極から離れて配置されている第2ドレイン電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第2ソース電極と前記第2ドレイン電極との間に設けられている第2ゲート電極と、
を備えており、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、態様1-7の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様11]
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の上面に接触して配置されており、InGaNで構成されている第4半導体層と、
を備え、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、態様1-7の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様12]
六方晶ウルツ鉱構造のGaN層を準備する第1工程と、
前記GaN層の一方面にMg薄膜を成膜する第2工程と、
を備え、
前記第2工程の期間中または前記第2工程の後に、500℃よりも高く1050℃よりも低い温度で前記GaN層を加熱する、
半導体装置の製造方法。
[態様13]
前記第1工程は、前記GaN層をエピタキシャル成長により成膜する工程を含んでおり、
前記第1工程と前記第2工程とが交互に行われ、
前記第2工程の後に行われる前記第1工程では、前記Mg薄膜の一方面に前記GaN層が成膜され、
前記第2工程で成膜される前記Mg薄膜の厚さは、前記第1工程で成膜される前記GaN層の厚さよりも小さい、
態様12に記載の製造方法。
[態様14]
前記第1工程および前記第2工程では、分子線エピタキシー法によって成膜が行われる、態様13に記載の製造方法。
[態様15]
前記分子線エピタキシー法における成膜温度が、600-700℃の範囲である、態様14に記載の製造方法。
[態様16]
GaNによって構成されている第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層の上面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層を形成する工程と、
前記第1工程と前記第2工程とを交互に繰り返すことで、前記第2半導体層の上面に接触して配置されている第3半導体層を形成する工程と、
前記第3半導体層の上方にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間であって前記第3半導体層の上方の位置に、または、前記第2半導体層の上面の位置に、ゲート電極を形成する工程と、
を備える、態様13-15の何れか1項に記載の製造方法。
Aspects of the present technology are listed below.
[Aspect 1]
A semiconductor device comprising GaN having a hexagonal wurtzite structure,
At least a portion of the GaN has a specific region,
A plurality of Mg sheets parallel to the c-plane of the GaN are arranged in the specific region,
The Mg sheets are arranged apart from each other in the c-axis direction of the GaN,
One or more atomic layers of the GaN are disposed between the adjacent Mg sheets.
Semiconductor device.
[Aspect 2]
The GaN has a periodic stacking structure represented by ABAB in the c-axis direction,
2. The semiconductor device of claim 1, wherein the Mg sheets are intercalated into interstitial sites between adjacent AB structures.
[Aspect 3]
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a uniaxial compressive strain in the c-axis direction is generated between the Mg sheets adjacent in the c-axis direction.
[Aspect 4]
4. The semiconductor device according to aspect 3, wherein a biaxial tensile strain in a c-plane is generated inside a region of the GaN sandwiched between adjacent Mg sheets.
[Aspect 5]
In the specific region, at least two GaN atomic layers located on opposite sides of the Mg sheet and closest to the Mg sheet have opposite polarities,
The semiconductor device according to any one of Aspects 1 to 4, wherein the opposite polarities include a +c (metal polarity) type and a −c (nitrogen polarity) type.
[Aspect 6]
the specific region is disposed near one surface of the GaN;
The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 5, wherein a width of the Mg sheet in a direction parallel to the c-plane decreases in a direction perpendicular to the c-plane.
[Aspect 7]
The GaN has a p-type region that is p-typed,
the semiconductor device includes an electrode in contact with the p-type region;
The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 6, wherein the Mg sheet is present at an interface between the p-type region and the electrode.
[Aspect 8]
A first semiconductor layer made of GaN;
a second semiconductor layer disposed in contact with a lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of the GaN;
a first source electrode provided above the first semiconductor layer;
a first drain electrode disposed above the first semiconductor layer and spaced apart from the first source electrode;
a first gate electrode provided between the first source electrode and the first drain electrode and above the first semiconductor layer, or disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer;
Equipped with
The semiconductor device according to any one of Aspects 1 to 7, wherein the entire first semiconductor layer includes the specific region.
[Aspect 9]
A first semiconductor layer made of GaN;
a second semiconductor layer disposed in contact with a lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of the GaN;
a third semiconductor layer made of GaN, the third semiconductor layer being disposed in contact with a lower surface of the second semiconductor layer;
a second source electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer;
a second drain electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer and spaced apart from the second source electrode;
a second gate electrode provided above the first semiconductor layer and between the second source electrode and the second drain electrode;
Equipped with
The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 8, wherein the entire first semiconductor layer includes the specific region.
[Aspect 10]
A first semiconductor layer made of GaN;
a second semiconductor layer disposed in contact with a lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of the GaN;
a third semiconductor layer made of GaN, the third semiconductor layer being disposed in contact with a lower surface of the second semiconductor layer;
a first source electrode provided above the first semiconductor layer;
a first drain electrode disposed above the first semiconductor layer and spaced apart from the first source electrode;
a first gate electrode provided between the first source electrode and the first drain electrode and above the first semiconductor layer, or disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer;
a second source electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer;
a second drain electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer and spaced apart from the second source electrode;
a second gate electrode provided above the first semiconductor layer and between the second source electrode and the second drain electrode;
It is equipped with
The semiconductor device according to any one of Aspects 1 to 7, wherein the entire first semiconductor layer includes the specific region.
[Aspect 11]
A first semiconductor layer made of GaN;
a fourth semiconductor layer made of InGaN and disposed in contact with an upper surface of the first semiconductor layer;
Equipped with
The semiconductor device according to any one of Aspects 1 to 7, wherein the entire first semiconductor layer includes the specific region.
[Aspect 12]
A first step of providing a GaN layer having a hexagonal wurtzite structure;
a second step of depositing a thin Mg film on one surface of the GaN layer;
Equipped with
heating the GaN layer at a temperature greater than 500° C. and less than 1050° C. during or after the second step;
A method for manufacturing a semiconductor device.
[Aspect 13]
The first step includes a step of epitaxially growing the GaN layer,
The first step and the second step are performed alternately,
In the first step, which is performed after the second step, the GaN layer is formed on one surface of the Mg thin film;
The thickness of the Mg thin film formed in the second step is smaller than the thickness of the GaN layer formed in the first step.
13. The method according to claim 12.
[Aspect 14]
14. The manufacturing method according to aspect 13, wherein in the first step and the second step, film formation is performed by a molecular beam epitaxy method.
[Aspect 15]
15. The method according to claim 14, wherein the film formation temperature in the molecular beam epitaxy is in the range of 600-700° C.
[Aspect 16]
forming a first semiconductor layer composed of GaN;
forming a second semiconductor layer disposed in contact with a top surface of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer having a bandgap different from that of the GaN;
forming a third semiconductor layer disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer by alternately repeating the first step and the second step;
forming a source electrode and a drain electrode above the third semiconductor layer;
forming a gate electrode between the source electrode and the drain electrode and above the third semiconductor layer or on an upper surface of the second semiconductor layer;
16. The method of any one of Aspects 13-15, comprising:

2:半導体装置 3:PMOS 4:NMOS 20:支持基板 21:第1半導体層 22:第2半導体層 23:第3半導体層 S1:第1ソース電極 S2:第2ソース電極 D1:第1ドレイン電極 D2:第2ドレイン電極 G1:第1ゲート電極 G2:第2ゲート電極 2: Semiconductor device 3: PMOS 4: NMOS 20: Support substrate 21: First semiconductor layer 22: Second semiconductor layer 23: Third semiconductor layer S1: First source electrode S2: Second source electrode D1: First drain electrode D2: Second drain electrode G1: First gate electrode G2: Second gate electrode

Claims (16)

六方晶ウルツ鉱構造のGaNを備えた半導体装置であって、
前記GaNの少なくとも一部に、特定領域を備えており、
前記特定領域には、前記GaNのc面に平行なMgシートが、複数配置されており、
複数の前記Mgシートは、前記GaNのc軸方向に互いに離間して配置されており、
互いに隣接する前記Mgシートの間には、1層以上の前記GaNの原子層が配置されている、
半導体装置。
A semiconductor device comprising GaN having a hexagonal wurtzite structure,
At least a portion of the GaN has a specific region,
A plurality of Mg sheets parallel to the c-plane of the GaN are arranged in the specific region,
The Mg sheets are arranged apart from each other in the c-axis direction of the GaN,
One or more atomic layers of the GaN are disposed between the adjacent Mg sheets.
Semiconductor device.
前記GaNは、c軸方向にABABで表される周期積層構造を有しており、
前記Mgシートは、隣接するAB構造の間の格子間サイトにインターカレーションされている、請求項1に記載の半導体装置。
The GaN has a periodic stacking structure represented by ABAB in the c-axis direction,
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the Mg sheets are intercalated into interstitial sites between adjacent AB structures.
c軸方向に隣接する前記Mgシートの間には、c軸方向の一軸圧縮歪みが発生している、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein uniaxial compressive strain in the c-axis direction occurs between the Mg sheets adjacent in the c-axis direction. 隣接する前記Mgシートに挟まれている前記GaNの領域内部には、c面内の二軸引張歪みが発生している、請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein biaxial tensile strain in the c-plane is generated within the region of the GaN sandwiched between the adjacent Mg sheets. 前記特定領域において、前記Mgシートを挟んで互いに逆側に位置するとともに前記Mgシートに最も近い層である少なくとも2つのGaN原子層は、逆極性を有しており、
前記逆極性は、+c(金属極性)型と-c(窒素極性)型を備えている、請求項1に記載の半導体装置。
In the specific region, at least two GaN atomic layers located on opposite sides of the Mg sheet and closest to the Mg sheet have opposite polarities;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the opposite polarities comprise a +c (metal polarity) type and a -c (nitrogen polarity) type.
前記特定領域は、前記GaNの一方面近傍に配置されており、
前記Mgシートのc面と平行な方向の幅は、c面に垂直な方向に進むにつれて小さくなっている、請求項1に記載の半導体装置。
the specific region is disposed near one surface of the GaN;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the width of said Mg sheet in a direction parallel to the c-plane decreases in a direction perpendicular to the c-plane.
前記GaNは、p型化しているp型領域を備えており、
前記半導体装置は、前記p型領域に接触している電極を備えており、
前記p型領域における前記電極との界面には、前記Mgシートが存在している、請求項1に記載の半導体装置。
The GaN has a p-type region that is p-typed,
the semiconductor device includes an electrode in contact with the p-type region;
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the Mg sheet is present at an interface between the p-type region and the electrode.
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層と、
前記第1半導体層の上方に設けられている第1ソース電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第1ソース電極から離れて配置されている第1ドレイン電極と、
前記第1ソース電極と前記第1ドレイン電極との間であって前記第1半導体層の上方に設けられている、または、前記第2半導体層の上面に接触して配置されている第1ゲート電極と、
を備えており、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、請求項1に記載の半導体装置。
A first semiconductor layer made of GaN;
a second semiconductor layer disposed in contact with a lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of the GaN;
a first source electrode provided above the first semiconductor layer;
a first drain electrode disposed above the first semiconductor layer and spaced apart from the first source electrode;
a first gate electrode provided between the first source electrode and the first drain electrode and above the first semiconductor layer, or disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer;
Equipped with
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the entirety of the first semiconductor layer comprises the specific region.
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層と、
前記第2半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNで構成されている第3半導体層と、
前記第2半導体層の上面に配置されている第2ソース電極と、
前記第2半導体層の上面に配置されており、前記第2ソース電極から離れて配置されている第2ドレイン電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第2ソース電極と前記第2ドレイン電極との間に設けられている第2ゲート電極と、
を備えており、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、請求項1に記載の半導体装置。
A first semiconductor layer made of GaN;
a second semiconductor layer disposed in contact with a lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of the GaN;
a third semiconductor layer made of GaN, the third semiconductor layer being disposed in contact with a lower surface of the second semiconductor layer;
a second source electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer;
a second drain electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer and spaced apart from the second source electrode;
a second gate electrode provided above the first semiconductor layer and between the second source electrode and the second drain electrode;
Equipped with
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the entirety of the first semiconductor layer comprises the specific region.
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層と、
前記第2半導体層の下面に接触して配置されており、前記GaNで構成されている第3半導体層と、
前記第1半導体層の上方に設けられている第1ソース電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第1ソース電極から離れて配置されている第1ドレイン電極と、
前記第1ソース電極と前記第1ドレイン電極との間であって前記第1半導体層の上方に設けられている、または、前記第2半導体層の上面に接触して配置されている第1ゲート電極と、
前記第2半導体層の上面に配置されている第2ソース電極と、
前記第2半導体層の上面に配置されており、前記第2ソース電極から離れて配置されている第2ドレイン電極と、
前記第1半導体層の上方に設けられており、前記第2ソース電極と前記第2ドレイン電極との間に設けられている第2ゲート電極と、
を備えており、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、請求項1に記載の半導体装置。
A first semiconductor layer made of GaN;
a second semiconductor layer disposed in contact with a lower surface of the first semiconductor layer and having a band gap different from that of the GaN;
a third semiconductor layer made of GaN, the third semiconductor layer being disposed in contact with a lower surface of the second semiconductor layer;
a first source electrode provided above the first semiconductor layer;
a first drain electrode disposed above the first semiconductor layer and spaced apart from the first source electrode;
a first gate electrode provided between the first source electrode and the first drain electrode and above the first semiconductor layer, or disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer;
a second source electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer;
a second drain electrode disposed on an upper surface of the second semiconductor layer and spaced apart from the second source electrode;
a second gate electrode provided above the first semiconductor layer and between the second source electrode and the second drain electrode;
Equipped with
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the entirety of the first semiconductor layer comprises the specific region.
前記GaNによって構成されている第1半導体層と、
前記第1半導体層の上面に接触して配置されており、InGaNで構成されている第4半導体層と、
を備え、
前記第1半導体層の全体が前記特定領域を備えている、請求項1に記載の半導体装置。
A first semiconductor layer made of GaN;
a fourth semiconductor layer made of InGaN and disposed in contact with an upper surface of the first semiconductor layer;
Equipped with
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the entirety of the first semiconductor layer comprises the specific region.
六方晶ウルツ鉱構造のGaN層を準備する第1工程と、
前記GaN層の一方面にMg薄膜を成膜する第2工程と、
を備え、
前記第2工程の期間中または前記第2工程の後に、500℃よりも高く1050℃よりも低い温度で前記GaN層を加熱する、
半導体装置の製造方法。
A first step of providing a GaN layer having a hexagonal wurtzite structure;
a second step of depositing a thin Mg film on one surface of the GaN layer;
Equipped with
heating the GaN layer at a temperature greater than 500° C. and less than 1050° C. during or after the second step;
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第1工程は、前記GaN層をエピタキシャル成長により成膜する工程を含んでおり、
前記第1工程と前記第2工程とが交互に行われ、
前記第2工程の後に行われる前記第1工程では、前記Mg薄膜の一方面に前記GaN層が成膜され、
前記第2工程で成膜される前記Mg薄膜の厚さは、前記第1工程で成膜される前記GaN層の厚さよりも小さい、
請求項12に記載の製造方法。
The first step includes a step of epitaxially growing the GaN layer,
The first step and the second step are performed alternately,
In the first step, which is performed after the second step, the GaN layer is formed on one surface of the Mg thin film;
The thickness of the Mg thin film formed in the second step is smaller than the thickness of the GaN layer formed in the first step.
The method of claim 12.
前記第1工程および前記第2工程では、分子線エピタキシー法によって成膜が行われる、請求項13に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 13, wherein the first and second steps are performed by molecular beam epitaxy. 前記分子線エピタキシー法における成膜温度が、600-700℃の範囲である、請求項14に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 14, wherein the film formation temperature in the molecular beam epitaxy method is in the range of 600-700°C. GaNによって構成されている第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層の上面に接触して配置されており、前記GaNとは異なるバンドギャップを有する第2半導体層を形成する工程と、
前記第1工程と前記第2工程とを交互に繰り返すことで、前記第2半導体層の上面に接触して配置されている第3半導体層を形成する工程と、
前記第3半導体層の上方にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間であって前記第3半導体層の上方の位置に、または、前記第2半導体層の上面の位置に、ゲート電極を形成する工程と、
を備える、請求項13に記載の製造方法。
forming a first semiconductor layer composed of GaN;
forming a second semiconductor layer disposed in contact with a top surface of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer having a bandgap different from that of the GaN;
forming a third semiconductor layer disposed in contact with an upper surface of the second semiconductor layer by alternately repeating the first step and the second step;
forming a source electrode and a drain electrode above the third semiconductor layer;
forming a gate electrode between the source electrode and the drain electrode and above the third semiconductor layer or on an upper surface of the second semiconductor layer;
The method of claim 13, comprising:
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