13族氮化物復(fù)合基板、半導(dǎo)體元件及13族氮化物復(fù)合基板的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件，特別涉及能夠得到適合高頻用途的半導(dǎo)體元件的13 族氮化物復(fù)合基板。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮化物半導(dǎo)體因?yàn)榫哂懈邠舸╇妶?chǎng)、高飽和電子速度，所以作為下一代高頻/大 功率器件用半導(dǎo)體材料備受關(guān)注。特別是通過(guò)層疊由AlGaN構(gòu)成的層和由GaN構(gòu)成的層而 形成的多層結(jié)構(gòu)體具有通過(guò)氮化物材料特有的大的極化效應(yīng)（自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化 效應(yīng)）而在層疊界面（異質(zhì)界面）生成高濃度的二維電子氣（2DEG)的特征，所以正積極開(kāi) 發(fā)將該多層結(jié)構(gòu)體用作基板的高電子迀移率晶體管（HEMT)(例如參見(jiàn)非專利文獻(xiàn)1)。
[0003] 手機(jī)基站等在大功率和高頻（100W以上、2GHz以上）條件下動(dòng)作的HEMT的情況 下，為了抑制發(fā)熱導(dǎo)致的器件溫度上升，希望使用熱阻盡量低的材料進(jìn)行制作。另一方面， 進(jìn)行高頻動(dòng)作的HEMT的情況下，考慮到必須盡量抑制寄生電容，希望使用絕緣性高的材料 進(jìn)行制作。使用氮化物半導(dǎo)體制作滿足這些要件的器件的情況下，將有時(shí)可以生長(zhǎng)良好的 氮化物膜、具有1 X 10s Ω cm以上的高電阻率的半絕緣性SiC基板用作基底基板。
[0004] 另一方面，還提出通過(guò)HVPE法（氫化物氣相生長(zhǎng)法）、M0CVD法等在導(dǎo)電性SiC基 板上沉積絕緣性的A1N膜，將其用作基底基板（例如參見(jiàn)非專利文獻(xiàn)2)。
[0005] 但是，非專利文獻(xiàn)2公開(kāi)的方法中，形成在基底基板上的氮化物外延膜的結(jié)晶品 質(zhì)取決于通過(guò)HVPE法形成的A1N膜的品質(zhì)，所以為了提高氮化物外延膜的品質(zhì)，必須提高 A1N膜的品質(zhì)。然而，存在如下問(wèn)題：在通過(guò)HVPE法生長(zhǎng)A1N膜時(shí)，很難對(duì)其生長(zhǎng)進(jìn)行控制， 以使其結(jié)晶品質(zhì)（例如位錯(cuò)密度等）在整個(gè)晶片上都是均勻的，結(jié)果出現(xiàn)外延膜甚至器件 的晶片面內(nèi)的特性不一致的問(wèn)題。
[0006] 另一方面，通過(guò)使用在導(dǎo)電性SiC基板上形成了摻雜釩的半絕緣性SiC膜的基底 基板，獲得與使用半絕緣性SiC基板時(shí)相同的效果的方案也已為公眾所知（例如參見(jiàn)專利 文獻(xiàn)1)。
[0007] 另外，近些年，作為HEMT元件用基底基板，可期待更高性能以及可靠性的氮化鎵 (GaN)基板被實(shí)用化。通過(guò)氣相法、液相法制造 GaN基板的方案已為公眾所知（例如參見(jiàn)專 利文獻(xiàn)2以及專利文獻(xiàn)3)。
[0008] 進(jìn)而，如上所述，將氮化物半導(dǎo)體用于高頻用途的情況下，希望基板沒(méi)有寄生電 容。因此，即使在使用GaN基板的情況下，也希望使用半絕緣性的基板，但現(xiàn)狀是半絕緣性 GaN基板價(jià)格昂貴，不容易購(gòu)入。另一方面，導(dǎo)電性氮化鎵基板的現(xiàn)狀是價(jià)格較為低廉，容易 購(gòu)入。原因在于，縱型LD用途正在進(jìn)行量產(chǎn)。
[0009] 鑒于此，通過(guò)在導(dǎo)電性的GaN基板上形成摻雜碳（C)的GaN層來(lái)獲得能夠用于高 頻用途的GaN基板的方案也已為公眾所知（例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)4)。但是，專利文獻(xiàn)4公開(kāi) 的方法中，電子渡越層的C濃度升高，難以提高器件性能。
[0010] 另外，通過(guò)摻雜鋅（Zn)來(lái)獲得高電阻的氮化物單晶的技術(shù)也已為公眾所知（例如 參見(jiàn)專利文獻(xiàn)5)。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2010 - 062168號(hào)公報(bào)
[0014] 專利文獻(xiàn)2:日本專利3631724號(hào)公報(bào)
[0015] 專利文獻(xiàn)3:國(guó)際公開(kāi)第2010/084675號(hào)
[0016] 專利文獻(xiàn)4:日本特開(kāi)2012 - 199398號(hào)公報(bào)
[0017] 專利文獻(xiàn)5:日本專利5039813號(hào)公報(bào)
[0018] 非專利文獻(xiàn)
[0019] 非專利文獻(xiàn) 1 :"Highly Reliable 250W GaN High Electron Mobility Transistor Power Amplifier'，，T. Kikkawa, Japanese Journal of Applied Physics, Vol ? 44, No. 7A，2005, pp. 4896-4901.
[0020] 非專利文獻(xiàn) 2 :"A 100-W High-Gain AlGaN/GaN HEMT Power Amplifier on a Conductive N-SiC Substrate for Wireless Bass Station Applications"，M. Kanamura, T. Kikkawa, and K. Joshin,Tech. Dig. of2004IEEE International Electron Device Meeting(IEDM2008), pp. 799-802.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明是鑒于上述課題而提出的，目的在于提供一種13族氮化物復(fù)合基板以及 使用它制作的半導(dǎo)體元件，所述13族氮化物復(fù)合基板能夠?qū)崿F(xiàn)即使使用導(dǎo)電性的GaN基板 也適合高頻用途的半導(dǎo)體元件。
[0022] 為了解決上述課題，本發(fā)明的第一方案是一種13族氮化物復(fù)合基板，包括：基材， 所述基材由GaN形成、呈η型導(dǎo)電性，基底層，形成在所述基材上、是電阻率為1 X 106 Ω cm以 上的13族氮化物層，溝道層，形成在所述基底層上、是雜質(zhì)濃度的總和為lX1017/cm3以下 的GaN層，勢(shì)皇層，形成在所述溝道層上、由組成為AlxIriyGaiuP'KO彡X彡1，0彡y彡1) 的13族氮化物形成。
[0023] 本發(fā)明的第二方案根據(jù)第一方案所涉及的13族氮化物復(fù)合基板，其中，上述基底 層是摻雜Zn的GaN層，所述摻雜Zn的GaN層是以1 X 10ls/cm3~2 X 10 'em3的濃度摻雜有 Zn的GaN層。
[0024] 本發(fā)明的第三方案根據(jù)第一方案所涉及的13族氮化物復(fù)合基板，其中，上述基底 層是含C的GaN層，所述含C的GaN層是以8 X 1016/cm3~3 X 10 ls/cm3的濃度含有C的GaN 層。
[0025] 本發(fā)明的第四方案根據(jù)第一方案所涉及的13族氮化物復(fù)合基板，其中，上述基底 層是由AlpGai _ PN (0· 1彡p彡0· 98)形成的AlGaN層。
[0026] 本發(fā)明的第五方案是一種半導(dǎo)體元件，包括：第一至第四方案中的任一方案所涉 及的13族氮化物復(fù)合基板，形成在所述13族氮化物復(fù)合基板的所述勢(shì)皇層上、與所述勢(shì)皇 層之間具有歐姆性接觸的源電極以及漏電極，形成在所述13族氮化物復(fù)合基板的所述勢(shì) 皇層上、與所述勢(shì)皇層之間具有肖特基性接觸的柵電極。
[0027] 本發(fā)明的第六方案是一種13族氮化物復(fù)合基板的制造方法，包括：基底層形成 工序，在由GaN形成的、呈η型導(dǎo)電性的基材上形成電阻率在IX 106Ω cm以上的13族氮 化物層作為基底層，溝道層形成工序，在所述基底層上形成雜質(zhì)濃度的總和在1 X l〇17/Cm3以下的GaN層作為溝道層，勢(shì)皇層形成工序，在所述溝道層上形成由組成為AlxInyG ai _x _yN(0彡x彡1、0彡y彡1)的13族氮化物構(gòu)成的勢(shì)皇層。
[0028] 本發(fā)明的第七方案根據(jù)第六方案所涉及的13族氮化物復(fù)合基板的制造方法，其 中，上述基底層形成工序是摻雜Zn的GaN層形成工序，即，作為所述基底層，形成以1 X 1018/ cm3~2X 10 19/cm3的濃度摻雜有Zn的GaN層。
[0029] 本發(fā)明的第八方案根據(jù)第六方案所涉及的13族氮化物復(fù)合基板的制造方法，其 中，上述基底層形成工序是含C的GaN層形成工序，即，作為所述基底層，形成以8X1016/ cm3~3 X 10 18/cm3的濃度含有C的GaN層。
[0030] 本發(fā)明的第九方案根據(jù)第六方案所涉及的13族氮化物復(fù)合基板的制造方法，其 中，上述基底層形成工序是形成由AlpGai _ ΡΝ (0. 1彡p彡0. 98)構(gòu)成的AlGaN層作為所述基 底層的AlGaN層形成工序。
[0031] 根據(jù)第一至第九方案，能夠提供可實(shí)現(xiàn)即使以導(dǎo)電性的GaN基板為基材也具有高 迀移率、另一方面柵-源電極間的電容被抑制、適合高頻用途的半導(dǎo)體元件的13族氮化物 復(fù)合基板、以及該半導(dǎo)體元件。
[0032] 特別是根據(jù)第二至第四以及第七至第九方案，能夠提供可實(shí)現(xiàn)即使以導(dǎo)電性的 GaN基板為基材也具有1000cm2/V · s以上的高迀移率、另一方面柵-源電極間的電容被抑 制成低于〇. lpF、適合高頻用途的半導(dǎo)體元件的13族氮化物復(fù)合基板、以及該半導(dǎo)體元件。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1是示意性地表示含有13族氮化物復(fù)合基板10而構(gòu)成的HEMT元件20的截面 結(jié)構(gòu)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本說(shuō)明書(shū)中記載的周期表的族號(hào)是根據(jù)1989年國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì) (International Union of Pure Applied Chemistry :IUPAC)發(fā)布的無(wú)機(jī)化學(xué)命名法修訂 版中的1~18族標(biāo)法，13族是指鋁（Al)、鎵（Ga)、銦（In)等，15族是指氮（N)、磷（P)、砷 (As)、銻（Sb)等。
[0035] <復(fù)合基板以及HEMT元件的構(gòu)成>
[0036] 圖1是示意性地表示包含作為本發(fā)明所涉及的13族氮化物（III族氮化物）復(fù)合 基板的一個(gè)實(shí)施方式的13族氮化物復(fù)合基板10而構(gòu)成的、作為本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體元 件的一個(gè)實(shí)施方式的HEMT元件20的截面結(jié)構(gòu)的圖。
[0037] 13族氮化物復(fù)合基板10包括基材（種基板）1、基底層（高電阻層）2 (2A、2B或 2C)、溝道層（低雜質(zhì)層）3和勢(shì)皇層4。另外，HEMT元件20在13族氮化物復(fù)合基板10上 (勢(shì)皇層4上）設(shè)置有源電極5、漏電極6和柵電極7。應(yīng)予說(shuō)明，圖1中各層的厚度比率并 不反映實(shí)際情況。另外，以下，將13族氮化物復(fù)合基板10中配設(shè)的、在溝道層3上設(shè)置有 勢(shì)皇層4的構(gòu)成稱為HEMT結(jié)構(gòu)。
[0038] 基材1是電阻率在1 Ω cm以下、呈n型導(dǎo)電性、（0001)面方位的GaN基板。對(duì)基 材1的厚度沒(méi)有特別限定，如果考慮操作的容易性等，則優(yōu)選為幾百μπι~幾 mm程度。作 為基材1，例如可以使用通過(guò)HVPE法等公知方法制作的塊狀GaN。
[0039] 基底層2是電阻率在1 X ΙΟ6 Ω cm以上的高電阻（半絕緣性的）13族氮化物層。基 底層2優(yōu)選以8 μm以上的厚度進(jìn)行設(shè)置，更優(yōu)選以10 μm~200 μm的厚度進(jìn)行設(shè)置。
[0040] 優(yōu)選基底層2為摻雜Zn的GaN層2A、含C的GaN層2B或AlGaN層2C中的任一 者。各層的詳細(xì)情況如后所述。
[0041] 溝道層3是通過(guò)M0CVD法形成的、雜質(zhì)濃度的總和在1 X 1017/cm3以下的GaN層。 溝道層3是至少與基底層2相比雜質(zhì)濃度小的層。
[0042] 溝道層3中的代表性雜質(zhì)是C。因此，