氮化物半导体装置的制作方法

1.本公开涉及一种氮化物半导体装置。


背景技术：

2.近年来，提出了将氮化物半导体用于有源区域的主材料的高电子迁移率晶体管(以下，称为hemt)，并正在开展对功率器件的应用。氮化物半导体是在iii-v族半导体中对v族元素使用了氮的半导体。与典型的碳化硅(sic)功率器件相比，使用了氮化物半导体的功率器件除了与sic功率器件同样地具有低导通电阻的特征以外，还被认为是能够比sic功率器件高速、高频动作的器件。
3.在hemt等功率晶体管中，从失效保护(fail safe)的观点出发，要求在未施加栅极电压的零偏置时切断源极-漏极间的电流路径(沟道)的常关(normally-off)动作。专利文献1记载了实现常关型功率晶体管的hemt。
4.在专利文献1所记载的hemt中，也被称为电子渡越层的氮化镓(gan)层与层叠在电子渡越层之上且也被称为电子供给层的氮化铝镓(algan)层异质接合。在该电子渡越层与电子供给层之间的异质结界面附近的位置，在gan层形成有二维电子气(2deg)作为沟道。在电子供给层之上，掺杂有受主型杂质的gan层(p型gan层)设置在栅极电极正下方的区域。因该p型gan层所包含的受主型杂质的存在，栅极电极正下方的区域中的电子渡越层的沟道消失而实现常关动作。并且，通过对栅极电极施加适当的导通电压，在栅极电极正下方的区域中的电子渡越层中感应出沟道，源极-漏极间导通。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2017-73506号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的课题
9.在专利文献1所记载的那样的hemt中，为了实现可靠的常关动作，优选具有足够大小的阈值电压。通常，提高hemt的阈值电压与导通电阻的降低处于折衷关系，因此，要求在抑制导通电阻上升的同时实现高的阈值电压。
10.用于解决课题的手段
11.本公开的一方式的氮化物半导体装置具有：电子渡越层，其由氮化物半导体构成；电子供给层，其形成在所述电子渡越层上，并由具有比所述电子渡越层大的带隙的氮化物半导体构成；栅极层，其形成在所述电子供给层上，并具有比所述电子供给层小的带隙，并且所述栅极层由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；栅极电极，其形成在所述栅极层上；以及源极电极和漏极电极，其与所述电子供给层相接。所述受主型杂质包含锌和镁，沿着所述栅极层的厚度方向的所述锌的浓度分布与沿着所述栅极层的厚度方向的所述镁的浓度分布不同。
12.根据该结构，与在栅极层中包含的受主型杂质仅为镁的情况相比，促进了栅极层正下方的区域中的2deg的耗尽化，结果，能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置的阈值电压。
13.发明效果
14.根据本公开的氮化物半导体装置，能够在抑制导通电阻上升的同时提高阈值电压。
附图说明
15.图1是第一实施方式的例示性的氮化物半导体装置的概略剖视图。
16.图2是表示在氮化镓层的一部分掺杂的锌和镁的浓度分布的曲线图。
17.图3是表示实施例及2个比较例的氮化物半导体装置的漏极电流i
d-栅极电压vg特性的曲线图。
18.图4是表示实施例及2个比较例的氮化物半导体装置的漏极电流i
d-栅极电压vg特性的曲线图。
19.图5是第一实施方式的变更例的例示性的氮化物半导体装置的概略剖视图。
20.图6是表示在与变更例的氮化物半导体装置的栅极层对应的氮化镓层共掺杂的锌和镁的浓度分布的曲线图。
21.图7是第二实施方式的例示性的氮化物半导体装置的概略剖视图。
22.图8是第三实施方式的例示性的氮化物半导体装置的概略剖视图。
具体实施方式
23.以下，参照附图对本公开中的氮化物半导体装置的几个实施方式进行说明。
24.此外，为了使说明简单且明确，附图所示的构成要素未必以固定比例尺进行描绘。另外，为了容易理解，在剖视图中有时省略阴影线。附图不过例示了本公开的实施方式，而不应视为限制本公开。
25.以下的详细记载包含将本公开的例示性的实施方式具体化的装置、系统以及方法。该详细记载不过是用于说明，并非要限定本公开的实施方式或者这样的实施方式的应用以及使用。
26.[第一实施方式]
[0027]
图1是第一实施方式的例示性的氮化物半导体装置10的概略剖视图。此外，在本公开中使用的“俯视图”这一用语是指在图1所示的相互正交的xyz轴的z轴方向上观察氮化物半导体装置10。另外，在图1所示的氮化物半导体装置10中，将+z方向定义为上，将-z方向定义为下，将+x方向定义为右，将-x方向定义为左。在没有特别说明的情况下，“俯视图”是指沿着z轴从上方观察氮化物半导体装置10。
[0028]
氮化物半导体装置10是使用了氮化物半导体的高电子迁移率晶体管(hemt)。另外，氮化物半导体装置10为常关型晶体管。
[0029]
氮化物半导体装置10包含：基板12、形成在基板12上的缓冲层14、形成在缓冲层14上的电子渡越层16、以及形成在电子渡越层16上的电子供给层18。
[0030]
作为基板12例如可以使用硅(si)基板。或者，也可以使用碳化硅(sic)基板、氮化
镓(gan)基板或蓝宝石基板来代替si基板。基板12的厚度例如可以设为200μm以上且1500μm以下。
[0031]
缓冲层14位于基板12与电子渡越层16之间，可以由能够缓和基板12与电子渡越层16之间的晶格不匹配的任意材料形成。另外，缓冲层14可以包含1个或多个氮化物半导体层，例如，可以包含氮化铝(aln)层、氮化铝镓(algan)层、以及具有不同的铝(al)组成的渐变algan层中的至少1个。例如，缓冲层14可以由aln的单膜、algan的单膜、具有algan/gan超晶格构造的膜、具有aln/algan超晶格构造的膜、或者具有aln/gan超晶格构造的膜等构成。
[0032]
在一例中，缓冲层14可以包含形成于基板12上的aln层即第一缓冲层和形成于aln层上的algan层即第二缓冲层。第一缓冲层例如可以是具有约200nm厚度的aln层，第二缓冲层例如可以是具有约100nm厚度的algan层。此外，为了抑制缓冲层14中的漏电流，可以向缓冲层14的一部分导入杂质而使缓冲层14的表层区域以外为半绝缘性。该情况下，杂质例如为碳(c)或铁(fe)，杂质浓度例如可以设为4
×
10
16
cm-3
以上。
[0033]
电子渡越层16由氮化物半导体构成，例如可以是gan层。电子渡越层16的厚度例如可以设为0.5μm以上且2μm以下。此外，为了抑制电子渡越层16中的漏电流，可以向电子渡越层16的一部分导入杂质而使电子渡越层16的表层区域以外为半绝缘性。该情况下，杂质例如为c，杂质浓度例如可以设为4
×
10
16
cm-3
以上。即，电子渡越层16可以包含杂质浓度不同的多个gan层，在一例中，可以包含c掺杂gan层和非掺杂gan层。该情况下，c掺杂gan层形成在缓冲层14上，可以具有0.5μm以上且2μm以下的厚度。c掺杂gan层中的c浓度可以设为5
×
10
17
cm-3
以上且5
×
10
19
cm-3
以下。非掺杂gan层形成在c掺杂gan层上，可以具有0.05μm以上且0.3μm以下的厚度。非掺杂gan层与电子供给层18相接。在一例中，电子渡越层16包含厚度约0.1μm的非掺杂gan层和厚度约0.9μm的c掺杂gan层，c掺杂gan层中的c浓度为约1
×
10
18
cm-3
。
[0034]
电子供给层18由具有比电子渡越层16大的带隙(band gap)的氮化物半导体构成，例如可以是algan层。在氮化物半导体中，al组成越高，带隙越大。因此，algan层即电子供给层18具有比gan层即电子渡越层16大的带隙。在一例中，电子供给层18由al
x
ga
1-x
n构成，x为0＜x＜0.4，更优选为0.1＜x＜0.3。电子供给层18可以具有例如5nm以上且20nm以下的厚度。
[0035]
电子渡越层16和电子供给层18在块体区域(bulk area)中具有不同的晶格常数。因此，在电子渡越层16与电子供给层18之间产生晶格不匹配。通过电子渡越层16和电子供给层18的自发极化、由电子供给层18的异质结部受到的压缩应力引起的压电极化，电子渡越层16与电子供给层18之间的异质结界面附近的电子渡越层16的导带能级(energy level)比费米能级低。由此，在靠近电子渡越层16与电子供给层18的异质结界面的位置(例如，距界面数nm左右的距离)，二维电子气(2deg)20在电子渡越层16内扩散。
[0036]
氮化物半导体装置10还包含：形成于电子供给层18上的栅极层22、形成于栅极层22上的栅极电极24、钝化层26、以及贯通钝化层26而与电子供给层18相接的源极电极28以及漏极电极30。
[0037]
栅极层22形成于电子供给层18上，并具有比电子供给层18小的带隙，并且栅极层22由包含受主型杂质的氮化物半导体构成。栅极层22例如可以由具有比algan层即电子供给层18小的带隙的任意材料形成。在一例中，栅极层22是掺杂了受主型杂质的gan层(p型
gan层)。栅极层22例如具有80nm以上且150nm以下的厚度，可以具有矩形状、梯形状、或者脊状的截面。
[0038]
栅极层22具有与栅极电极24相接的上表面22a(第一面)和在栅极层22的厚度方向上与上表面22a相反侧的底面22b(第二面)。在本实施方式中，底面22b与电子供给层18相接。上表面22a以及底面22b是与栅极层22的厚度方向(图1的z方向)交叉的面，在本实施方式中与栅极层22的厚度方向正交。
[0039]
栅极层22可以包含至少2个受主型杂质。在一例中，受主型杂质包含锌(zn)和镁(mg)。沿着栅极层22的厚度方向的zn的浓度分布与沿着栅极层22的厚度方向的mg的浓度分布不同。
[0040]
掺杂了mg的gan中的受主能级距价带的深度e
t-ev约为0.2ev。另外，掺杂了zn的gan中的受主能级距价带的深度e
t-ev约为0.3ev。因此，无论使用mg和zn中的哪一种作为掺杂剂，都能够得到p型gan层。
[0041]
栅极层22中的zn的最大浓度在一例中为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下。另外，栅极层22中的mg的最大浓度在一例中为1
×
10
19
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下。
[0042]
如上所述，通过在栅极层22中包含受主型杂质，电子渡越层16和电子供给层18的能级提高。因此，在栅极层22正下方的区域中，电子渡越层16与电子供给层18之间的异质结界面附近的电子渡越层16的导带能级与费米能级大致相同或比费米能级大。因此，在没有向栅极电极24施加电压的零偏置时，在栅极层22正下方的区域中的电子渡越层16中不形成2deg20。另一方面，在栅极层22正下方的区域之外的区域中的电子渡越层16中形成2deg20。
[0043]
这样，因掺杂了受主型杂质的栅极层22的存在，在栅极层22正下方的区域2deg20被耗尽化，结果，实现氮化物半导体装置10的常关动作。当向栅极电极24施加适当的导通电压时，在栅极电极24正下方的区域中的电子渡越层16中形成基于2deg20的沟道，而使源极-漏极间导通。
[0044]
栅极电极24形成在栅极层22上。在图1中，栅极电极24形成在栅极层22的上表面22a的一部分。不限于此，栅极电极24也可以形成于栅极层22的整个上表面22a，或者也可以从栅极层22的上表面22a向侧面的一部分延伸。栅极电极24由1个或多个金属层构成，在一例中为氮化钛(tin)层。或者，栅极电极24也可以通过由ti构成的第一金属层、和设置在第一金属层上且由tin构成的第二金属层构成。栅极电极24的厚度例如可以为50nm以上且200nm以下。栅极电极24可以与栅极层22形成肖特基结。
[0045]
钝化层26覆盖电子供给层18、栅极层22和栅极电极24。钝化层26例如能够由氮化硅(sin)层、二氧化硅(sio2)层、氮氧化硅(sion)层、氧化铝(al2o3)层、aln层、以及氮氧化铝(alon)层中的任1个或它们中的2个以上的任意组合构成。在一例中，钝化层26可以是sin层。钝化层26可以直接覆盖电子供给层18的上表面的一部分、栅极层22的侧面以及上表面22a、栅极电极24的侧面以及上表面。
[0046]
钝化层26包含源极接触孔26a和漏极接触孔26b，源极电极28和漏极电极30分别经由源极接触孔26a和漏极接触孔26b与电子供给层18欧姆接触。源极接触孔26a和漏极接触孔26b分别与栅极层22隔开。
[0047]
源极电极28及漏极电极30由1个或多个金属层(例如ti、al、tin等)构成。源极电极28包含源极电极部28a和与源极电极部28a连续的源极场板部28b。
[0048]
源极电极部28a包含填充于源极接触孔26a的填充区域、和与填充区域一体地形成的上部区域，该上部区域在俯视图中位于源极接触孔26a的周边区域以及栅极电极24的上方区域。源极场板部28b与源极电极部28a的上部区域一体地形成，在俯视图中，以从栅极层22的端部朝向漏极电极30延伸的方式设置在钝化层26上。源极场板部28b在未对栅极电极24施加栅极电压的零偏置时，在源极场板部28b正下方的区域伸展耗尽层，起到缓和栅极电极24的端部附近的电场集中的作用。
[0049]
接下来，参照图1和图2，对本实施方式的栅极层22中的受主型杂质的浓度分布进行详细说明。
[0050]
如图1所示，栅极层22可以包含第一区域22r1和第二区域22r2。但是，在第一区域22r1与第二区域22r2之间没有物理边界。第一区域22r1和第二区域22r2彼此相邻，沿栅极层22的厚度方向排列。详细而言，栅极层22沿着厚度方向从下起依次包含第一区域22r1和第二区域22r2。因此，第一区域22r1也可以说是栅极层22中最下部的区域。
[0051]
第一区域22r1是包含底面22b的区域，并与电子供给层18相接。第一区域22r1是zn的浓度比mg的浓度高的区域。
[0052]
第二区域22r2是在栅极层22的厚度方向上与第一区域22r1相邻的区域。本实施方式的栅极层22具有在第一区域22r1上层叠了第二区域22r2的双层构造。因此，在本实施方式中，第二区域22r2包含上表面22a。
[0053]
第二区域22r2是mg的浓度为zn的浓度以上的区域。即，本实施方式的栅极层22具有zn的浓度相对高的第一区域22r1和mg的浓度相对高的第二区域22r2的双层构造。
[0054]
第一区域22r1可以比第二区域22r2厚。但是，不限于此，第一区域22r1和第二区域22r2的厚度可以相同，第一区域22r1也可以比第二区域22r2薄。
[0055]
上述那样的栅极层22的第一区域22r1及第二区域22r2是因在栅极层22的底面22b附近，zn的浓度分布具有比mg的浓度分布陡峭的上升而形成的。参照图2对zn和mg的浓度分布进行说明。
[0056]
图2表示在gan层的一部分中掺杂的zn和mg的浓度分布。zn和mg的浓度可以使用二次离子质谱法进行测定。图2所示的曲线图的横轴表示gan层的深度，横轴的从右向左前进的方向为gan层的生长方向。曲线图的纵轴表示zn及mg的浓度。曲线图中，zn的浓度用实线表示，mg的浓度用虚线表示。
[0057]
掺杂区域d1(图2所示的曲线图中，附带点阴影的区域)表示在gan层的连续生长中供给了zn或mg的掺杂气体的区域。这意味着在gan层的生长中，各掺杂气体的供给在图2所示的掺杂区域d1的右端开始，在掺杂区域d1的左端停止。图2所示的曲线图是将对在gan层的一部分中仅掺杂了zn的样品进行测定的结果与对在gan层的一部分中仅掺杂了mg的样品进行测定的结果叠加而得到的。
[0058]
此外，在图2中示出了测定结果的样品中，在掺杂气体的供给停止后也继续进行gan层的生长，但在氮化物半导体装置10的栅极层22的形成中，掺杂气体的供给和构成栅极层22的gan层的原料气体的供给可以大致同时停止。
[0059]
若将zn及mg浓度分布进行比较，则zn的浓度具有比mg的浓度陡峭的上升及下降。这可能是由延迟现象以及记忆效应引起的，延迟现象是即使向生长腔导入mg掺杂气体，mg也不会立即被取入到生长中的层内的现象，记忆效应是即使停止气体导入也会因残留在腔
内的mg而无意地掺杂mg的效应。在zn的掺杂中，mg那样的延迟现象以及记忆效应的影响少，因此，可以得到与mg相比具有陡峭的上升以及下降的浓度分布。
[0060]
在此，即使在栅极层22中共掺杂了(co-doped)zn以及mg的情况下，沿着栅极层22的厚度方向的zn以及mg的浓度分布也具有图2所示那样的上升。即，因上述那样的zn与mg的浓度分布不同，在本实施方式的栅极层22中，在与电子供给层18相接的第一区域22r1中，zn的浓度比mg的浓度高，在第二区域22r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。
[0061]
如zn和mg的浓度分布所示，zn和mg的浓度根据栅极层22的厚度方向而变动。因此，zn和mg的最大浓度是指在栅极层22的厚度方向上浓度最高的位置处的浓度。
[0062]
接着，对氮化物半导体装置10的制造方法的一例进行概略说明。
[0063]
例如，在si基板即基板12上，使用金属有机化学气相沉积法(以下，称为mocvd法)使aln层和algan层(对应于缓冲层14)、gan层(对应于电子渡越层16)、algan层(对应于电子供给层18)以及p型gan层(对应于栅极层22)外延生长。这些层由晶格常数比较近的氮化物半导体形成，因此，能够连续地外延生长。
[0064]
在期望层的外延生长中，通过向生长腔内导入掺杂气体，能够在该层中掺杂杂质。掺杂气体的例子包含用于掺杂mg的双环戊二烯基镁(cp2mg)、用于掺杂zn的二甲基锌(dmzn)等。
[0065]
在氮化物半导体装置10的制造方法中，在与栅极层22对应的gan层中掺杂受主型杂质，在一例中，受主型杂质包含zn和mg。因此，在与栅极层22对应的gan层的生长中，将dmzn及cp2mg导入腔内，可以形成掺杂了zn及mg的p型gan层。
[0066]
此外，在图2所示的浓度分布中，zn的最大浓度低于mg的最大浓度，但根据工艺条件，也可以提高zn的浓度。zn的浓度例如可以通过控制zn掺杂气体的流量、gan层的生长温度等来改变。然而，dmzn的蒸气压高，掺杂气体的供给量的增加存在装置上的极限，通过使生长温度变化，有时例如碳(c)等其他不希望的杂质增加，因此，zn的高浓度化存在极限。另一方面，mg虽然有延迟现象和记忆效应的影响，但与zn相比，容易高浓度化。因此，将可以得到具有陡峭的上升和下降的浓度分布的zn与可以高浓度化的mg组合，由此可以形成层整体掺杂了期望的浓度分布的杂质的gan层(p型gan层)。
[0067]
在形成掺杂了zn和mg的p型gan层之后，在p型gan层上形成金属层。p型gan层及金属层通过光刻及蚀刻而图案化，形成栅极层22及栅极电极24。接着，钝化层26形成为覆盖电子供给层18、栅极层22、栅极电极24露出的整个表面。在钝化层26形成贯穿钝化层26的源极接触孔26a和漏极接触孔26b。接着，形成填充源极接触孔26a和漏极接触孔26b且覆盖钝化层26暴露的整个表面的金属层。通过光刻以及蚀刻对该金属层进行图案化，由此，形成源极电极28以及漏极电极30。这样，得到图1所示那样的氮化物半导体装置10。
[0068]
以下，对本实施方式的作用进行说明。
[0069]
在栅极层22中掺杂的受主型杂质包含zn及mg，沿着栅极层22的厚度方向的zn的浓度分布与沿着栅极层22的厚度方向的mg的浓度分布不同。在图1的例子中，在包含栅极层22的底面22b的第一区域22r1中，zn的浓度比mg的浓度高。因此，与仅掺杂mg作为受主型杂质的情况相比，栅极层22可以在底面22b附近包含更高浓度的受主型杂质。
[0070]
另外，在与第一区域22r1相邻的栅极层22的第二区域22r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。因此，与仅掺杂zn作为受主型杂质的情况相比，栅极层22作为整体可以包含更多的
受主型杂质。
[0071]
这样，通过将zn以及mg作为受主型杂质包含在栅极层22中，在栅极层22正下方的区域中促进2deg20的耗尽化，结果，能够提高氮化物半导体装置10的阈值电压。特别是，在位于比较靠近2deg20位置的栅极层22的第一区域22r1中，栅极层22包含更高浓度的受主杂质对于提高阈值电压是有效的。
[0072]
接着，对氮化物半导体装置10的动作特性进行说明。
[0073]
图3及图4表示实施例及2个比较例的氮化物半导体装置的漏极电流i
d-栅极电压vg特性(以下，称为i
d-vg特性)。
[0074]
实施例的氮化物半导体装置可以对应于包含掺杂了zn及mg作为受主型杂质的栅极层22的图1的氮化物半导体装置10。另一方面，在比较例1中，在栅极层中仅掺杂了mg。另外，在比较例2中，在栅极层中仅掺杂了zn。实施例、比较例1以及比较例2的氮化物半导体装置除了在栅极层中掺杂的受主型杂质的种类以外是同等的。在图3和图4中，实施例、比较例1和比较例2的氮化物半导体装置的i
d-vg特性分别用实线、虚线和单点划线表示。
[0075]
图3以线性标尺表示实施例、比较例1及比较例2的氮化物半导体装置的i
d-vg特性。如图3所示，在栅极电压vg为0v的情况下，在实施例、比较例1以及比较例2中，漏极电流id均大致为零。因此，实施例、比较例1及比较例2的氮化物半导体装置均作为常关型晶体管动作。
[0076]
图4以对数标度表示实施例、比较例1及比较例2的氮化物半导体装置的i
d-vg特性。在图4中，将水平的虚线所示的规定的漏极电流id下的栅极电压vg定义为阈值电压。如图4所示，与在栅极层中掺杂了mg的比较例1的氮化物半导体装置相比，在栅极层中掺杂了zn的比较例2的氮化物半导体装置具有更高的阈值电压。因此，使用可以在栅极层的底面附近得到比较陡峭的上升的浓度分布的zn作为栅极层的掺杂剂，来代替延迟现象以及记忆效应的影响比较大的mg，由此能够提高阈值电压。另外，与在栅极层中掺杂了zn的比较例2的氮化物半导体装置相比，在栅极层中掺杂了zn和mg的实施例的氮化物半导体装置具有更高的阈值电压。因此，通过将在栅极层的底面附近能够得到比较陡峭的上升的浓度分布的zn与能够高浓度化的mg组合来掺杂于栅极层，能够进一步提高阈值电压。
[0077]
第一实施方式获得以下的效果。
[0078]
(1-1)氮化物半导体装置10具有栅极层22，栅极层22形成于电子供给层18上，并具有比电子供给层18小的带隙，并且栅极层22由包含受主型杂质的氮化物半导体构成，受主型杂质包含zn和mg，沿着栅极层22的厚度方向的zn的浓度分布与沿着栅极层22的厚度方向的mg的浓度分布不同。
[0079]
根据该结构，与在栅极层22中包含的受主型杂质仅为mg的情况相比，促进了栅极层22正下方的区域中的2deg20的耗尽化，结果，能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置10的阈值电压。
[0080]
(1-2)栅极层22中的zn的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下，栅极层22中的mg的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下。
[0081]
根据该结构，在栅极层22中包含的zn以及mg两者的浓度较高，因此，促进了栅极层22正下方的区域中的2deg20的耗尽化，结果，能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置10的阈值电压。
[0082]
(1-3)在包含栅极层22的底面22b的第一区域22r1中，zn的浓度高于mg的浓度。
[0083]
根据该结构，栅极层22在第一区域22r1中包含具有陡峭上升的浓度分布的zn，因此，栅极层22可以在底面22b附近包含更高浓度的受主型杂质。因此，促进了栅极层22正下方的区域中的2deg20的耗尽化，结果，能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置10的阈值电压。
[0084]
(1-4)在栅极层22的厚度方向上与第一区域22r1相邻的第二区域22r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。
[0085]
根据该结构，栅极层22在第二区域22r2中包含能够高浓度化的mg，因此，栅极层22作为整体可以包含更多的受主型杂质。因此，促进了栅极层22正下方的区域中的2deg20的耗尽化，结果，能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置10的阈值电压。
[0086]
(1-5)栅极层22的第一区域22r1比第二区域22r2厚。
[0087]
根据该结构，能够在栅极层22中包含更多的、在栅极层22的底面22b附近具有比较陡峭上升的浓度分布的zn。因此，促进了栅极层22正下方的区域中的2deg20的耗尽化，结果，能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置10的阈值电压。
[0088]
[第一实施方式的变更例]
[0089]
第一实施方式可以如以下那样变更来实施。
[0090]
图5是第一实施方式的变更例的例示性的氮化物半导体装置50的概略剖视图。氮化物半导体装置50与第一实施方式的氮化物半导体装置10的不同点在于，栅极层52仅由mg的浓度比zn的浓度高的区域52r1构成。在第一实施方式的氮化物半导体装置10中，栅极层22具有zn的浓度相对高的第一区域22r1和mg的浓度相对高的第二区域22r2的双层构造。另一方面，在变更例的氮化物半导体装置50中，栅极层52具有mg的浓度相对高的区域52r1的单层构造。即，在氮化物半导体装置50的栅极层52的整个区域中，mg的浓度比zn的浓度高。该情况下，区域52r1包含上表面52a(第一面)以及底面52b(第二面)。栅极层52中的mg的最大浓度可以设为zn的最大浓度的至少2倍。
[0091]
图6表示依次层叠了与电子渡越层16对应的gan层、与电子供给层18对应的algan层、以及与栅极层52对应的gan层的样品中zn及mg的浓度分布。在该样品中，在与栅极层52对应的gan层中共掺杂了zn和mg。在图6所示的曲线图中，al的二次离子强度局部高的区域大致相当于电子供给层18即algan层。
[0092]
zn和mg的浓度可以使用二次离子质谱法进行测定。图6的曲线图的横轴表示测定样品的深度，横轴的左端相当于gan层的上表面(与栅极层52的上表面52a对应)的位置。曲线图的左侧的纵轴以对数标度表示zn及mg的浓度，曲线图的右侧的纵轴以对数标度表示n、al及ga的二次离子强度。曲线图中，zn的浓度用实线表示，mg的浓度用虚线表示。此外，zn和mg的浓度的值通过gan标准样品进行定量，仅在gan层内有效。另外，需要注意的是，样品的表面、界面附近的浓度可能因样品的表面粗糙度的影响而与实际的浓度不同。
[0093]
在与电子渡越层16对应的gan层中，均未掺杂zn或mg，因此，zn及mg的浓度处于背景水平。另一方面，在与栅极层52对应的gan层中，共掺杂了zn和mg，zn和mg的浓度高于背景水平。mg的浓度在沿着与栅极层52对应的gan层的厚度方向的任何位置都比zn的浓度高。
[0094]
沿着与栅极层52对应的gan层的厚度方向的zn的浓度分布与沿着与栅极层52对应的gan层的厚度方向的mg的浓度分布不同。例如，在与栅极层52对应的gan层的上表面与底
面的大致中间的位置(相当于栅极层52的上表面52a与底面52b的大致中间的位置)，mg的浓度为zn的浓度的5倍左右。另一方面，在与栅极层52对应的gan层中，在靠近与algan层的界面的位置(相当于栅极层52的底面52b附近)，mg的浓度为zn的浓度的2～3倍左右。换言之，与栅极层52对应的gan层中的mg的浓度和zn的浓度之间的差，随着接近与电子供给层18对应的algan层的界面而变小。
[0095]
这样，与栅极层52对应的gan层中包含的受主型杂质中的zn所占的比例沿着gan层的厚度方向变化，具体而言，越是接近与algan层的界面(相当于栅极层52的底面52b)的位置越大。与图2相关联地，如上所述，这被认为是因为在zn掺杂中，难以引起在mg掺杂时引起的延迟现象。
[0096]
如图2所示，在zn的最大浓度比较接近mg的最大浓度时，在gan层中产生上升相对快的zn的浓度与上升相对慢的mg的浓度的逆转。结果，第一实施方式的氮化物半导体装置10的栅极层22包含zn的浓度相对高的第一区域22r1和mg的浓度相对高的第二区域22r2。另一方面，在mg的最大浓度比zn的最大浓度充分(例如，至少2倍)大时，有时在gan层中不发生zn的浓度与mg的浓度的逆转。如图6所示，在mg的最大浓度为zn的最大浓度的5倍左右时，zn的浓度不会超过mg的浓度。在变更例的氮化物半导体装置50的栅极层52中共掺杂的zn以及mg可以具有与图6所示的浓度分布一样的浓度分布，因此，栅极层52仅由mg的浓度相对高的区域52r1构成。
[0097]
变更例的氮化物半导体装置50的制造方法与第一实施方式大致一样，但选择包含cp2mg的流量、生长温度等的栅极层52的生长条件，使得栅极层52中的mg的浓度高于zn的浓度。
[0098]
如上所述，在本变更例中，在栅极层52的整个区域中，mg的浓度比zn的浓度高。另外，栅极层52中，mg的最大浓度为zn的最大浓度的至少2倍。
[0099]
根据该结构，栅极层52可以包含相对高浓度的mg。另外，虽然zn的浓度不超过mg的浓度，但也可以通过zn至少部分地补偿栅极层52的底面52b附近的mg的低浓度。因此，栅极层52与受主型杂质仅由mg构成的情况相比，特别是在栅极层52的底面52b附近，可以包含更高浓度的受主型杂质。结果，在栅极层52正下方的区域中促进了2deg20的耗尽化，从而能够在抑制导通电阻上升的同时提高氮化物半导体装置50的阈值电压。氮化物半导体装置50与氮化物半导体装置10一样，能够具有比图3及图4所示的比较例1(掺杂mg)及比较例2(掺杂zn)的氮化物半导体装置高的阈值电压。
[0100]
[第二实施方式]
[0101]
接下来，对第二实施方式的氮化物半导体装置100进行说明。第一实施方式的氮化物半导体装置10是hemt，但第二实施方式的氮化物半导体装置100是发光元件。
[0102]
在使用了氮化物半导体的发光元件中，已知通过在有源层之上设置电子阻挡层来抑制电子流出，从而提高电子和空穴的再结合效率的技术。作为电子阻挡层，可以使用掺杂了mg的p型algan层。
[0103]
为了实现这样的发光元件的进一步的高亮度化，要求提高电子阻挡层的、自有源层的电子流出抑制性能来改善发光效率的技术。
[0104]
图7是第二实施方式的例示性的氮化物半导体装置100的概略剖视图。
[0105]
氮化物半导体装置100是使用了氮化物半导体的发光二极管(led)，包含：基板
102；缓冲层104，其形成在基板102上；第一接触层106，其形成在缓冲层104上；有源层108，其形成在第一接触层106上，具有量子阱构造；电子阻挡层110，其形成在有源层108上，由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；第二接触层112，其形成在电子阻挡层110上。氮化物半导体装置100还包含：第一电极114，其形成于第一接触层106的露出的面上；第二电极116，其形成于第二接触层112上。此外，也将第二实施方式的第一接触层106以及第二接触层112分别称为第一氮化物半导体层以及第二氮化物半导体层。
[0106]
在一例中，基板102是蓝宝石基板，但并不限定于此，也可以是gan基板。缓冲层104位于基板102与第一接触层106之间，可以由能够缓和基板102与第一接触层106之间的晶格不匹配的任意材料形成。在一例中，缓冲层104可以是aln层。在其他例中，缓冲层104也可以是以500℃以上且600℃以下的比较低的温度生长的gan层。缓冲层104可以具有100nm以上且500nm以下的厚度。
[0107]
第一接触层106由氮化物半导体构成，在一例中可以是n型gan层。第一接触层106能够具有1μm以上且5μm以下的厚度。
[0108]
虽然省略了图示，但有源层108可以具有量子阱构造，该量子阱构造包含阱层和具有比阱层大的带隙并夹持阱层的势垒层。有源层108可以具有多量子阱(mqw)构造，该情况下，有源层108包含多个量子阱构造。在一例中，有源层108包含组成不同的多个albingan层，势垒层的in组成比率比阱层小，使得势垒层具有比阱层大的带隙。
[0109]
电子阻挡层110形成在有源层108上，由包含受主型杂质的氮化物半导体构成。电子阻挡层110具有抑制自有源层108的电子流出，提高电子和空穴的再结合效率的功能。在一例中，电子阻挡层110是掺杂了受主型杂质的algan层(p型algan层)。通过在电子阻挡层110中掺杂受主型杂质，可以提高电子阻挡层110对电子的势垒。电子阻挡层110例如可以具有10nm以上且150nm以下的厚度。
[0110]
电子阻挡层110具有与第二接触层112相接的上表面110a(第一面)和在电子阻挡层110的厚度方向上与上表面110a相反侧的底面110b(第二面)。在本实施方式中，底面110b与有源层108相接。上表面110a和底面110b是与电子阻挡层110的厚度方向交叉的面，在本实施方式中，与电子阻挡层110的厚度方向正交。
[0111]
电子阻挡层110可以包含至少2个受主型杂质。在一例中，受主型杂质包含zn和mg。沿着电子阻挡层110的厚度方向的zn的浓度分布与沿着电子阻挡层110的厚度方向的mg的浓度分布不同。
[0112]
在一例中，电子阻挡层110中的zn的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下。另外，在一例中，电子阻挡层110中的mg的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且1
×
10
20
cm-3
以下。
[0113]
如上所述，电子阻挡层110包含受主型杂质，由此，能够抑制自有源层108的电子流出，提高电子和空穴的再结合效率。
[0114]
第二接触层112由氮化物半导体构成，在一例中可以是p型gan层。第二接触层112可以具有0.2μm以上且1μm以下的厚度。
[0115]
第一电极114和第二电极116可以由al、ti、au或pd等金属、或由它们的任意组合构成的合金形成。第一电极114与第一接触层106欧姆接触，第二电极116与第二接触层112欧姆接触。
[0116]
接着，对本实施方式的电子阻挡层110中的受主型杂质的浓度分布进行详细说明。
[0117]
如图7所示，电子阻挡层110可以包含第一区域110r1和第二区域110r2。但是，在第一区域110r1与第二区域110r2之间没有物理边界。第一区域110r1和第二区域110r2彼此相邻，沿电子阻挡层110的厚度方向排列。详细而言，电子阻挡层110沿着厚度方向从下起依次包含第一区域110r1和第二区域110r2。因此，第一区域110r1也可以说是电子阻挡层110中的最下部的区域。
[0118]
第一区域110r1是包含底面110b的区域，与有源层108相接。第一区域110r1是zn的浓度比mg的浓度高的区域。
[0119]
第二区域110r2是在电子阻挡层110的厚度方向上与第一区域110r1相邻的区域。本实施方式的电子阻挡层110具有在第一区域110r1上层叠了第二区域110r2的双层构造。因此，在本实施方式中，第二区域110r2包含上表面110a。
[0120]
第二区域110r2是mg的浓度为zn的浓度以上的区域。即，本实施方式的电子阻挡层110具有zn的浓度相对高的第一区域110r1和mg的浓度相对高的第二区域110r2的双层构造。
[0121]
第一区域110r1可以比第二区域110r2厚。但不限于此，第一区域110r1和第二区域110r2的厚度可以相同，第一区域110r1也可以比第二区域110r2薄。
[0122]
上述那样的电子阻挡层110的第一区域110r1以及第二区域110r2是因在电子阻挡层110的底面110b附近，zn的浓度分布具有比mg的浓度分布陡峭的上升而形成的。
[0123]
图2表示在gan层的一部分中掺杂的zn和mg的浓度分布，但即使在algan层的一部分中掺杂了zn和mg的情况下，也可以得到具有与图2一样特征的浓度分布。因此，即使在如本实施方式那样电子阻挡层110由algan形成的情况下，在电子阻挡层110中掺杂的zn的浓度分布也在底面110b附近具有陡峭的上升。另外，mg与zn相比，虽然浓度分布的上升慢，但可以以比较高的浓度掺杂在电子阻挡层110中。
[0124]
接着，对氮化物半导体装置100的制造方法的一例进行概略说明。
[0125]
例如，在蓝宝石基板即基板102上，使用mocvd法，使aln层即缓冲层104、n型gan层即第一接触层106、具有mqw构造的有源层108、p型algan层即电子阻挡层110、以及p型gan层即第二接触层112外延生长。这些层由晶格常数比较近的氮化物半导体形成，因此，可以连续地外延生长。此外，在其他例中，缓冲层104也可以是以500℃以上且600℃以下的比较低的温度生长的gan层。
[0126]
在期望层的外延生长中，通过向生长腔内导入掺杂气体，可以在该层掺杂杂质。掺杂气体的例子包含用于掺杂si的硅烷(sih4)、用于掺杂mg的cp2mg、用于掺杂zn的dmzn等。
[0127]
例如，在与第一接触层106对应的gan层的生长中，向腔内导入sih4，可以形成掺杂了si的n型gan层。另外，在与电子阻挡层110对应的algan层的生长中，向腔内导入dmzn和cp2mg，可以形成掺杂了zn和mg的p型algan层。并且，在与第二接触层112对应的gan层的生长中，向腔内导入cp2mg，可以形成掺杂了mg的p型gan层。
[0128]
在形成第二接触层112之后，从第二接触层112到第一接触层106的中途，例如通过反应性离子蚀刻进行台面蚀刻而除去，第一接触层106的表面露出。之后，可以通过例如蒸镀在露出的第一接触层106的表面形成第一电极114，在第二接触层112上形成第二电极116。
[0129]
以下，对第二实施方式的氮化物半导体装置100的作用进行说明。
[0130]
在电子阻挡层110中掺杂的受主型杂质包含zn和mg，沿着电子阻挡层110的厚度方向的zn的浓度分布与沿着电子阻挡层110的厚度方向的mg的浓度分布不同。在图7的例中，在包含电子阻挡层110的底面110b的第一区域110r1中，zn的浓度比mg的浓度高。因此，与仅掺杂mg作为受主型杂质的情况相比，电子阻挡层110可以在底面110b附近包含更高浓度的受主型杂质。
[0131]
另外，在与第一区域110r1相邻的电子阻挡层110的第二区域110r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。因此，与仅掺杂zn作为受主型杂质的情况相比，电子阻挡层110作为整体可以包含更多的受主型杂质。
[0132]
这样，通过将zn和mg作为受主型杂质包含在电子阻挡层110中，电子阻挡层110的、自有源层108的电子流出抑制性能提高，结果，能够抑制氮化物半导体装置100的发光效率的降低，实现高亮度化。
[0133]
第二实施方式获得以下的效果。
[0134]
(2-1)氮化物半导体装置100具有形成于有源层108上的电子阻挡层110，电子阻挡层110由包含受主型杂质的氮化物半导体构成。受主型杂质包含zn和mg，沿着电子阻挡层110的厚度方向的zn的浓度分布与沿着电子阻挡层110的厚度方向的mg的浓度分布不同。
[0135]
根据该结构，与在电子阻挡层110中包含的受主型杂质仅为mg的情况相比，能够提高电子阻挡层110的、自有源层108的电子流出抑制性能。因此，能够抑制氮化物半导体装置100的发光效率的降低，实现高亮度化。
[0136]
(2-2)电子阻挡层110中的zn的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下，电子阻挡层110中的mg的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且1
×
10
20
cm-3
以下。
[0137]
根据该结构，在电子阻挡层110中包含的zn以及mg双方的浓度比较高，因此，能够提高电子阻挡层110的、自有源层108的电子流出抑制性能。因此，能够抑制氮化物半导体装置100的发光效率的降低，实现高亮度化。
[0138]
(2-3)在包含电子阻挡层110的底面110b的第一区域110r1中，zn的浓度比mg的浓度高。
[0139]
根据该结构，电子阻挡层110在第一区域110r1中包含具有陡峭上升的浓度分布的zn，因此，电子阻挡层110可以在底面110b附近包含更高浓度的受主型杂质。因此，能够提高电子阻挡层110的、自有源层108的电子流出抑制性能。结果，能够抑制氮化物半导体装置100的发光效率的降低，实现高亮度化。
[0140]
(2-4)在电子阻挡层110的厚度方向上与第一区域110r1相邻的第二区域110r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。
[0141]
根据该结构，电子阻挡层110在第二区域110r2中包含能够高浓度化的mg，因此，电子阻挡层110作为整体能够包含更多的受主型杂质。因此，能够提高电子阻挡层110的、自有源层108的电子流出抑制性能。结果，能够抑制氮化物半导体装置100的发光效率的降低，实现高亮度化。
[0142]
(2-5)电子阻挡层110的第一区域110r1比第二区域110r2厚。
[0143]
根据该结构，能够在电子阻挡层110中包含更多的在电子阻挡层110的底面110b附近具有比较陡峭上升的浓度分布的zn。因此，能够提高电子阻挡层110的、自有源层108的电
子流出抑制性能。结果，能够抑制氮化物半导体装置100的发光效率的降低，实现高亮度化。
[0144]
[第三实施方式]
[0145]
接着，对第三实施方式的氮化物半导体装置200进行说明。第一实施方式的氮化物半导体装置10是hemt，但第三实施方式的氮化物半导体装置200是发光元件。
[0146]
图8是第三实施方式的例示性的氮化物半导体装置200的概略剖视图。
[0147]
氮化物半导体装置200是使用了氮化物半导体的激光二极管(ld)，包含：基板202；第一氮化物半导体层204，其形成在基板202上；有源层206，其形成在第一氮化物半导体层204上，并具有量子阱构造；电子阻挡层208，其形成在有源层206上，并由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；第二氮化物半导体层210，其形成在电子阻挡层208上。第一氮化物半导体层204包含：第一接触层212；第一包覆层214，其形成在第一接触层212上；第一引导层216，其形成在第一包覆层214上。第二氮化物半导体层210包含：第二引导层218；第二包覆层220，其形成在第二引导层218上；第二接触层222，其形成在第二包覆层220上。氮化物半导体装置200还包含：第一电极224，其形成在第一接触层212的露出的面上；第二电极226，其形成在第二接触层222上。
[0148]
在一例中，基板202是gan基板，但不限于此，也可以是蓝宝石基板。第一接触层212由氮化物半导体构成，在一例中可以是n型gan层。
[0149]
第一包覆层214由氮化物半导体形成，例如可以包含n型gan层、n型algan层和n型ingan层中的至少1个。在一例中，第一包覆层214是n型algan层。第一包覆层214具有封止从有源层206发出的光的功能，并具有比第一引导层216的带隙能量大的带隙能量。
[0150]
第一引导层216由氮化物半导体形成，例如可以包含n型gan层、n型algan层以及n型ingan层中的至少1个。在一例中，第一引导层216是n型ingan层。第一引导层216具有调整有源层206内的光密度的功能，并具有比有源层206的带隙能量大的带隙能量。
[0151]
虽然省略了图示，但有源层206可以具有量子阱构造，该量子阱构造包含阱层和具有比阱层大的带隙且夹持阱层的势垒层。有源层206可以具有mqw构造，该情况下，有源层206包含多个量子阱构造。在一例中，以势垒层具有比阱层大的带隙的方式，阱层由ingan等氮化物半导体形成，势垒层由ingan或gan等氮化物半导体形成。也可以在量子阱构造间设置由具有比势垒层大的带隙能量的algan层构成的势垒层。
[0152]
电子阻挡层208形成在有源层206上，并由包含受主型杂质的氮化物半导体构成。电子阻挡层208具有抑制自有源层206的电子流出，并提高电子和空穴的再结合效率的功能。在一例中，电子阻挡层208是掺杂了受主型杂质的algan层(p型algan层)。通过在电子阻挡层208中掺杂受主型杂质，能够提高电子阻挡层208对电子的势垒。电子阻挡层208例如可以具有10nm以上且150nm以下的厚度。
[0153]
电子阻挡层208具有与第二引导层218相接的上表面208a(第一面)和在电子阻挡层208的厚度方向上与上表面208a相反侧的底面208b(第二面)。在本实施方式中，底面208b与有源层206相接。上表面208a和底面208b是与电子阻挡层208的厚度方向交叉的面，在本实施方式中与电子阻挡层208的厚度方向正交。
[0154]
电子阻挡层208可以包含至少2个受主型杂质。在一例中，受主型杂质包含zn和mg。沿着电子阻挡层208的厚度方向的zn的浓度分布与沿着电子阻挡层208的厚度方向的mg的浓度分布不同。
[0155]
在一例中，电子阻挡层208中的zn的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下。另外，在一例中，电子阻挡层208中的mg的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且1
×
10
20
cm-3
以下。
[0156]
如上所述，电子阻挡层208包含受主型杂质，由此，能够抑制自有源层206的电子流出，提高电子和空穴的再结合效率。
[0157]
第二引导层218由氮化物半导体形成，例如包含p型gan层及p型ingan层中的至少1个。在一例中，第二引导层218是p型gan层。第二引导层218具有调整有源层206内的光密度的功能，并具有比有源层206的带隙能量大的带隙能量。
[0158]
第二包覆层220由氮化物半导体形成，例如包含p型gan层及p型ingan层中的至少1个。在一例中，第二包覆层220是p型ingan层。第二包覆层220具有封止从有源层206发出的光的功能，并具有比第二引导层218的带隙能量大的带隙能量。
[0159]
第二接触层222由氮化物半导体形成，在一例中，可以是p型gan层。
[0160]
第一电极224和第二电极226可以由al、ti、au或pd等金属、或由它们的任意组合构成的合金形成。第一电极224与第一接触层212欧姆接触，第二电极226与第二接触层222欧姆接触。
[0161]
接下来，对本实施方式的电子阻挡层208中的受主型杂质的浓度分布进行详细说明。
[0162]
如图8所示，电子阻挡层208可以包含第一区域208r1和第二区域208r2。但是，在第一区域208r1与第二区域208r2之间没有物理边界。第一区域208r1和第二区域208r2彼此相邻，沿电子阻挡层208的厚度方向排列。详细而言，电子阻挡层208沿着厚度方向从下起依次包含第一区域208r1和第二区域208r2。因此，第一区域208r1也可以说是电子阻挡层208中的最下部的区域。
[0163]
第一区域208r1是包含底面208b的区域，并与有源层206相接。第一区域208r1是zn的浓度比mg的浓度高的区域。
[0164]
第二区域208r2是在电子阻挡层208的厚度方向上与第一区域208r1相邻的区域。本实施方式的电子阻挡层208具有在第一区域208r1上层叠有第二区域208r2的双层构造。因此，在本实施方式中，第二区域208r2包含上表面208a。
[0165]
第二区域208r2是mg的浓度为zn的浓度以上的区域。即，本实施方式的电子阻挡层208具有zn的浓度相对高的第一区域208r1和mg的浓度相对高的第二区域208r2的双层构造。
[0166]
第一区域208r1可以比第二区域208r2厚。但是不限于此，第一区域208r1和第二区域208r2的厚度可以相同，第一区域208r1也可以比第二区域208r2薄。
[0167]
上述那样的电子阻挡层208的第一区域208r1及第二区域208r2是因在电子阻挡层208的底面208b附近，zn的浓度分布具有比mg的浓度分布陡峭上升而形成的。
[0168]
图2表示在gan层的一部分中掺杂的zn和mg的浓度分布，但即使在algan层的一部分中掺杂了zn和mg的情况下，也能够得到具有与图2一样特征的浓度分布。因此，即使在如本实施方式那样电子阻挡层208由algan形成的情况下，在电子阻挡层208掺杂的zn的浓度分布在底面208b附近也具有陡峭的上升。另外，mg与zn相比浓度分布的上升慢，但能够以比较高的浓度掺杂在电子阻挡层208中。
[0169]
接着，对氮化物半导体装置200的制造方法的一例进行概略说明。
[0170]
例如，在gan基板即基板202上，使用mocvd法，使n型gan层即第一接触层212、n型algan层即第一包覆层214、n型ingan层即第一引导层216、具有mqw构造的有源层206、p型algan层即电子阻挡层208、p型gan层即第二引导层218、p型ingan层即第二包覆层220、以及p型gan层即第二接触层222外延生长。这些层由晶格常数比较接近的氮化物半导体形成，因此，能够连续地外延生长。
[0171]
在期望的层的外延生长中，通过向生长腔内导入掺杂气体，可以在该层中掺杂杂质。掺杂气体的例子包含用于掺杂si的sih4、用于掺杂mg的cp2mg、用于掺杂zn的dmzn等。
[0172]
例如，在与第一氮化物半导体层204(即，第一接触层212、第一包覆层214以及第一引导层216)对应的层的生长中，向腔内导入sih4，可以形成掺杂了si的n型氮化物半导体层。另外，在与电子阻挡层208对应的algan层的生长中，向腔内导入dmzn和cp2mg，可以形成掺杂了zn和mg的p型algan层。并且，在与第二氮化物半导体层210(即，第二引导层218、第二包覆层220以及第二接触层222)对应的层的生长中，向腔内导入cp2mg，可以形成掺杂了mg的p型氮化物半导体层。
[0173]
在形成第二接触层222之后，例如通过反应性离子蚀刻进行台面蚀刻来除去从第二接触层222到第一接触层212的中途，第一接触层212的表面露出。之后，可以通过例如蒸镀在露出的第一接触层212的表面形成第一电极224，在第二接触层222上形成第二电极226。
[0174]
以下，对第三实施方式的氮化物半导体装置200的作用进行说明。
[0175]
在电子阻挡层208中掺杂的受主型杂质包含zn和mg，沿着电子阻挡层208的厚度方向的zn的浓度分布与沿着电子阻挡层208的厚度方向的mg的浓度分布不同。在图8的例子中，在包含电子阻挡层208的底面208b的第一区域208r1中，zn的浓度比mg的浓度高。因此，与仅掺杂mg作为受主型杂质的情况相比，电子阻挡层208可以在底面208b附近包含更高浓度的受主型杂质。
[0176]
另外，在与第一区域208r1相邻的电子阻挡层208的第二区域208r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。因此，与仅掺杂zn作为受主型杂质的情况相比，电子阻挡层208作为整体能够包含更多的受主型杂质。
[0177]
这样，将zn和mg作为受主型杂质包含在电子阻挡层208中，由此，电子阻挡层208的、自有源层206的电子流出抑制性能提高，结果，能够抑制氮化物半导体装置200的发光效率降低，实现高亮度化。
[0178]
第三实施方式获得以下的效果。
[0179]
(3-1)氮化物半导体装置200具有形成于有源层206上的电子阻挡层208，电子阻挡层208由包含受主型杂质的氮化物半导体构成。受主型杂质包含zn和mg，沿着电子阻挡层208的厚度方向的zn的浓度分布与沿着电子阻挡层208的厚度方向的mg的浓度分布不同。
[0180]
根据该结构，与电子阻挡层208中包含的受主型杂质仅为mg的情况相比，能够提高电子阻挡层208的、自有源层206的电子流出抑制性能。因此，能够抑制氮化物半导体装置200的发光效率降低，实现高亮度化。
[0181]
(3-2)电子阻挡层208中的zn的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下，电子阻挡层208中的mg的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且1
×
10
20
cm-3
以下。
[0182]
根据该结构，电子阻挡层208中包含的zn以及mg两者的浓度比较高，因此，能够提高电子阻挡层208的、自有源层206的电子流出抑制性能。因此，能够抑制氮化物半导体装置200的发光效率降低，实现高亮度化。
[0183]
(3-3)在包含电子阻挡层208的底面208b的第一区域208r1中，zn的浓度比mg的浓度高。
[0184]
根据该结构，电子阻挡层208在第一区域208r1中包含具有陡峭上升的浓度分布的zn，因此，电子阻挡层208可以在底面208b附近包含更高浓度的受主型杂质。因此，能够提高电子阻挡层208的、自有源层206的电子流出抑制性能。结果，能够抑制氮化物半导体装置200的发光效率降低，实现高亮度化。
[0185]
(3-4)在电子阻挡层208的厚度方向上与第一区域208r1相邻的第二区域208r2中，mg的浓度为zn的浓度以上。
[0186]
根据该结构，电子阻挡层208在第二区域208r2中包含能够高浓度化的mg，因此，电子阻挡层208作为整体能够包含更多的受主型杂质。因此，能够提高电子阻挡层208的、自有源层206的电子流出抑制性能。结果，能够抑制氮化物半导体装置200的发光效率降低，实现高亮度化。
[0187]
(3-5)电子阻挡层208的第一区域208r1比第二区域208r2厚。
[0188]
根据该结构，能够在电子阻挡层208中包含更多的、在电子阻挡层208的底面208b附近具有比较陡峭上升的浓度分布的zn。因此，能够提高电子阻挡层208的、自有源层206的电子流出抑制性能。结果，能够抑制氮化物半导体装置200的发光效率降低，实现高亮度化。
[0189]
[变更例]
[0190]
上述各实施方式能够如以下那样变更来实施。另外，上述各实施方式以及以下的各变更例能够在技术上不矛盾的范围内相互组合来实施。
[0191]
·
在第一实施方式中，栅极层22包含第一区域22r1以及第二区域22r2，但不限于此，栅极层22也可以还包含zn的浓度比mg的浓度高的第三区域22r3。第三区域22r3是在栅极层22的厚度方向上与第二区域22r2相邻的区域。第三区域22r3可以包含栅极层22的上表面22a。即，栅极层22也可以是3层以上的层叠构造。
[0192]
·
栅极层22中的mg的最大浓度可以比zn的最大浓度高。该情况下，若使第二区域22r2比第一区域22r1厚，则能够提高栅极层22的整体的杂质浓度。但是不限于此，zn的最大浓度也可以比mg的最大浓度高。
[0193]
·
在第一实施方式中，在栅极层22中与mg一起包含的受主型杂质是zn，但不限于此，在gan层中，可以与mg一起使用距价带的受主能级的深度e
t-ev为0.2ev以上且小于0.6ev的任意杂质。
[0194]
·
在第二实施方式中，电子阻挡层110包含第一区域110r1以及第二区域110r2，但不限于此，电子阻挡层110也可以还包含zn的浓度比mg的浓度高的第三区域110r3。第三区域110r3是在电子阻挡层110的厚度方向上与第二区域110r2相邻的区域。第三区域110r3可以包含电子阻挡层110的上表面110a。即，电子阻挡层110可以是3层以上的层叠构造。
[0195]
·
电子阻挡层110中的mg的最大浓度可以比zn的最大浓度高。该情况下，若使第二区域110r2比第一区域110r1厚，则能够提高电子阻挡层110的整体的杂质浓度。但是不限于此，zn的最大浓度也可以比mg的最大浓度高。
[0196]
·
在第二实施方式中，电子阻挡层110包含第一区域110r1以及第二区域110r2，但不限于此，在电子阻挡层110的整个区域中，mg的浓度也可以比zn的浓度高。该情况下，电子阻挡层110中，mg的最大浓度可以是zn的最大浓度的至少2倍。
[0197]
·
在第三实施方式中，电子阻挡层208包含第一区域208r1以及第二区域208r2，但不限于此，电子阻挡层208也可以还包含zn的浓度比mg的浓度高的第三区域208r3。第三区域208r3是在电子阻挡层208的厚度方向上与第二区域208r2相邻的区域。第三区域208r3可以包含电子阻挡层208的上表面208a。即，电子阻挡层208也可以是3层以上的层叠构造。
[0198]
·
电子阻挡层208中的mg的最大浓度可以比zn的最大浓度高。该情况下，若使第二区域208r2比第一区域208r1厚，则能够提高电子阻挡层208的整体的杂质浓度。但是不限于此，zn的最大浓度也可以比mg的最大浓度高。
[0199]
·
在第三实施方式中，电子阻挡层208包含第一区域208r1以及第二区域208r2，但不限于此，在电子阻挡层208的整个区域中，mg的浓度也可以比zn的浓度高。该情况下，电子阻挡层208中，mg的最大浓度可以是zn的最大浓度的至少2倍。
[0200]
·
在第三实施方式中，也可以在第二接触层222上设置用于封止电流的sio2等绝缘层。由此，能够在有源层206中使电流密度上升。
[0201]
·
本公开中使用的“～上”这样的用语只要根据上下文没有明确地表示并非如此，就包含“～上”和“～的上方”的意思。因此，“第一层形成在第二层上”这样的表述是指：在某个实施方式中，第一层能够与第二层接触而直接配置在第二层上，而在其他实施方式中，第一层能够不与第二层接触而配置在第二层的上方。即，“～上”这样的用语不排除在第一层与第二层之间形成其他层的构造。例如，电子供给层18形成在电子渡越层16上的上述实施方式还包含为了稳定地形成2deg20而中间层位于电子供给层18与电子渡越层16之间的构造。
[0202]
·
在本公开中使用的z轴方向不一定需要是铅垂方向，也不需要与铅垂方向完全一致。因此，本公开的各种构造(例如，图1所示的构造)并不限定于本说明书中说明的z轴方向的“上”以及“下”为铅垂方向的“上”以及“下”。例如，x轴方向可以是铅垂方向，或者y轴方向可以是铅垂方向。
[0203]
[附记]
[0204]
以下记载了可以根据上述各实施方式以及各变更例而掌握的技术思想。此外，并非意图限定而是为了帮助理解，对附记所记载的结构用括号表示实施方式中的对应的符号。符号是为了帮助理解而作为例子示出的，各附记所记载的构成要素不应限定于符号所示的构成要素。
[0205]
(附记a1)
[0206]
一种氮化物半导体装置(10)，具有：
[0207]
电子渡越层(16)，其由氮化物半导体构成；
[0208]
电子供给层(18)，其形成在所述电子渡越层(16)上，并由具有比所述电子渡越层(16)大的带隙的氮化物半导体构成；
[0209]
栅极层(22)，其形成在所述电子供给层(18)上，并具有比所述电子供给层(18)小的带隙，并且所述栅极层(22)由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；
[0210]
栅极电极(24)，其形成在所述栅极层(22)上；以及
[0211]
源极电极(28)和漏极电极(30)，其与所述电子供给层(18)相接，
[0212]
所述受主型杂质包含锌和镁，
[0213]
沿着所述栅极层(22)的厚度方向的所述锌的浓度分布与沿着所述栅极层(22)的厚度方向的所述镁的浓度分布不同。
[0214]
(附记a2)
[0215]
根据附记a1所述的氮化物半导体装置(10)，其中，
[0216]
所述栅极层(22)具有：第一面(22a)，其与所述栅极电极(24)相接；第二面(22b)，其在所述栅极层(22)的厚度方向上与所述第一面(22a)相反侧，
[0217]
所述栅极层(22)包含：
[0218]
第一区域(22r1)，其包含所述第二面(22b)；以及
[0219]
第二区域(22r2)，其在所述栅极层(22)的厚度方向上与所述第一区域(22r1)相邻，
[0220]
在所述第一区域(22r1)中，所述锌的浓度比所述镁的浓度高，
[0221]
在所述第二区域(22r2)中，所述镁的浓度为所述锌的浓度以上。
[0222]
(附记a3)
[0223]
根据附记a2所述的氮化物半导体装置，其中，
[0224]
所述栅极层(22)具有在所述第一区域(22r1)上层叠了所述第二区域(22r2)的双层构造，
[0225]
所述栅极层(22)的所述第二区域(22r2)包含所述栅极层(22)的所述第一面(22a)。
[0226]
(附记a4)
[0227]
根据附记a2或a3所述的氮化物半导体装置(10)，其中，
[0228]
所述栅极层(22)的所述第一区域(22r1)比所述第二区域(22r2)薄。
[0229]
(附记b1)
[0230]
一种氮化物半导体装置(100；200)，具有：
[0231]
第一氮化物半导体层(106；204)；
[0232]
有源层(108；206)，其形成在所述第一氮化物半导体层(106；204)上，并具有量子阱构造；
[0233]
电子阻挡层(110；208)，其形成在所述有源层(108；206)上，并由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；以及
[0234]
第二氮化物半导体层(112；210)，其形成在所述电子阻挡层(110；208)上，
[0235]
所述受主型杂质包含镁和锌，
[0236]
沿着所述电子阻挡层(110；208)的厚度方向的所述锌的浓度分布与沿着所述电子阻挡层(110；208)的厚度方向的所述镁的浓度分布不同。
[0237]
(附记b2)
[0238]
根据附记b1所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0239]
所述电子阻挡层(110；208)中的所述锌的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下，
[0240]
所述电子阻挡层(110；208)中的所述镁的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且1
×
10
20
cm-3
以下。
[0241]
(附记b3)
[0242]
根据附记b1或b2所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0243]
所述电子阻挡层(110；208)具有：第一面(110a；208a)，其与所述第二氮化物半导体层(112；210)相接；第二面(110b；208b)，其与所述有源层(108；206)相接，
[0244]
所述电子阻挡层(110；208)包含：第一区域(110r1；208r1)，其包含所述第二面(110b；208b)，
[0245]
在所述第一区域(110r1；208r1)中，所述锌的浓度比所述镁的浓度高。
[0246]
(附记b4)
[0247]
根据附记b3所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0248]
所述电子阻挡层(110；208)还包含：第二区域(110r2；208r2)，其在所述电子阻挡层(110；208)的厚度方向上与所述第一区域(110r1；208r1)相邻，
[0249]
在所述第二区域(110r2；208r2)中，所述镁的浓度为所述锌的浓度以上。
[0250]
(附记b5)
[0251]
根据附记b4所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0252]
所述电子阻挡层(110；208)具有在所述第一区域(110r1；208r1)上层叠了所述第二区域(110r2；208r2)的双层构造，
[0253]
所述电子阻挡层(110；208)的所述第二区域(110r2；208r2)包含所述电子阻挡层(110；208)的所述第一面(110a；208a)。
[0254]
(附记b6)
[0255]
根据附记b4或b5所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0256]
所述电子阻挡层(110；208)的所述第一区域(110r1；208r1)比所述第二区域(110r2；208r2)厚。
[0257]
(附记b7)
[0258]
根据附记b4或b5所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0259]
所述电子阻挡层(110；208)的所述第一区域(110r1；208r1)比所述第二区域(110r2；208r2)薄。
[0260]
(附记b8)
[0261]
根据附记b1或b2所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0262]
在所述电子阻挡层(110；208)的整个区域中，所述镁的浓度比所述锌的浓度高。
[0263]
(附记b9)
[0264]
根据附记b8所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0265]
所述电子阻挡层(110；208)中，所述镁的最大浓度为所述锌的最大浓度的至少2倍。
[0266]
(附记b10)
[0267]
根据附记b1～b9中任一项所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0268]
所述电子阻挡层(110；208)由包含所述受主型杂质的algan形成。
[0269]
(附记b11)
[0270]
根据附记b1～b10中任一项所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0271]
所述电子阻挡层(110；208)具有10nm以上且150nm以下的厚度。
[0272]
(附记b12)
[0273]
根据附记b1～b11中任一项所述的氮化物半导体装置(100)，其中，
[0274]
所述第一氮化物半导体层(106)包含第一接触层(106)，
[0275]
所述第二氮化物半导体层(112)包含第二接触层(112)。
[0276]
(附记b13)
[0277]
根据附记b1～b11中任一项所述的氮化物半导体装置(200)，其中，
[0278]
所述第一氮化物半导体层(204)包含：第一接触层(212)、形成于所述第一接触层(212)上的第一包覆层(214)、以及形成于所述第一包覆层(214)上的第一引导层(216)，
[0279]
所述第二氮化物半导体层(210)包含：第二引导层(218)、形成于所述第二引导层(218)上的第二包覆层(220)、以及形成于所述第二包覆层(220)上的第二接触层(222)。
[0280]
(附记b14)
[0281]
根据附记b1～b13中任一项所述的氮化物半导体装置(100；200)，其中，
[0282]
所述氮化物半导体装置(100；200)为发光元件。
[0283]
以上的说明仅为例示。本领域技术人员能够认识到，除为了说明本公开技术的目的而列举的构成要素和方法(制造工艺)以外，还能够进行更多考虑的组合和置换。本公开涵盖在包含权利要求书在内的本公开范围内所包括的所有代替、变形以及变更。
[0284]
符号说明
[0285]
10
…
氮化物半导体装置
[0286]
12
…
基板
[0287]
14
…
缓冲层
[0288]
16
…
电子渡越层
[0289]
18
…
电子供给层
[0290]
22
…
栅极层
[0291]
22a
…
上表面(第一面)
[0292]
22b
…
底面(第二面)
[0293]
22r1
…
第一区域
[0294]
22r2
…
第二区域
[0295]
24
…
栅极电极
[0296]
26
…
钝化层
[0297]
28
…
源极电极
[0298]
30
…
漏极电极。

技术特征：
1.一种氮化物半导体装置，其特征在于，具有：电子渡越层，其由氮化物半导体构成；电子供给层，其形成在所述电子渡越层上，并由具有比所述电子渡越层大的带隙的氮化物半导体构成；栅极层，其形成在所述电子供给层上，并具有比所述电子供给层小的带隙，并且所述栅极层由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；栅极电极，其形成在所述栅极层上；以及源极电极和漏极电极，其与所述电子供给层相接，所述受主型杂质包含锌和镁，沿着所述栅极层的厚度方向的所述锌的浓度分布与沿着所述栅极层的厚度方向的所述镁的浓度分布不同。2.根据权利要求1所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层中的所述锌的最大浓度为1
×
10
18
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下，所述栅极层中的所述镁的最大浓度为1
×
10
19
cm-3
以上且2
×
10
19
cm-3
以下。3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层具有：第一面，其与所述栅极电极相接；第二面，其在所述栅极层的厚度方向上与所述第一面相反侧，所述栅极层包含：第一区域，其包含所述第二面，在所述第一区域中，所述锌的浓度比所述镁的浓度高。4.根据权利要求3所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层还包含：第二区域，其在所述栅极层的厚度方向上与所述第一区域相邻，在所述第二区域中，所述镁的浓度为所述锌的浓度以上。5.根据权利要求4所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层具有在所述第一区域上层叠了所述第二区域的双层构造，所述栅极层的所述第二区域包含所述栅极层的所述第一面。6.根据权利要求4或5所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层的所述第一区域比所述第二区域厚。7.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体装置，其特征在于，在所述栅极层的整个区域中，所述镁的浓度比所述锌的浓度高。8.根据权利要求7所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层中，所述镁的最大浓度为所述锌的最大浓度的至少2倍。9.根据权利要求1～8中任一项所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述电子渡越层由gan形成，所述电子供给层由algan形成，所述栅极层由包含所述受主型杂质的gan形成。10.根据权利要求1～9中任一项所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述栅极层具有80nm以上且150nm以下的厚度。11.根据权利要求1～10中任一项所述的氮化物半导体装置，其特征在于，所述氮化物半导体装置为常关型晶体管。

技术总结
一种氮化物半导体装置(10)，具有：电子渡越层(16)，其由氮化物半导体构成；电子供给层(18)，其形成在电子渡越层(16)上，并由具有比电子渡越层(16)大的带隙的氮化物半导体构成；栅极层(22)，其形成在电子供给层(18)上，并具有比电子供给层(18)小的带隙，并且由包含受主型杂质的氮化物半导体构成；栅极电极(24)，其形成在栅极层(22)上；源极电极(28)和漏极电极(30)，其与电子供给层(18)相接。受主型杂质包含锌和镁，沿着栅极层(22)的厚度方向的锌的浓度分布与沿着栅极层(22)的厚度方向的镁的浓度分布不同。度分布不同。度分布不同。


技术研发人员：伊藤范和
受保护的技术使用者：罗姆股份有限公司
技术研发日：2021.10.26
技术公布日：2023/8/14