專利名稱：場效應(yīng)晶體管用外延基板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用了氮化物ni—v族半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管(以下稱作
FET)用外延基板。
背景技術(shù)：
使用了氮化物III—V族半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管(以下稱作GaN—FET) 為按照將GaN層作為溝道層驅(qū)動的方式構(gòu)成的場效應(yīng)晶體管，與以現(xiàn)有 的GaAs、 AlGaAs、 InGaAs、 InGaP、 AlInGaP等外延半導(dǎo)體結(jié)晶層為溝道 層的結(jié)構(gòu)的FET相比，具有高的耐壓、耐壓性高、構(gòu)成材料的環(huán)境負荷小 等，因此，近年來成為備受關(guān)注的元件。
GaN—FET從工作層的結(jié)構(gòu)來看有各種形式，但特別是將在晶格常數(shù) 不同的氮化物半導(dǎo)體材料的邊界附近感應(yīng)的二維電子氣體(以下稱作 2DEG)作為溝道驅(qū)動的形式被稱作GaN—HEMT，在上述特征的基礎(chǔ)上，
兼?zhèn)涓哳l特性優(yōu)良的具有高的電力密度等特性，強烈期待其實用化。
GaN—HEMT如下制作，通過電子線外延成長法(以下稱作MBE法)、 有機金屬氣相成長法(以下稱作MOVPE法)等在襯底基板上層疊外延結(jié) 晶，通過光刻法將其加工成所希望的器件形狀。作為這種GaN—HEMT的 結(jié)構(gòu)例，.例如可參考文獻。
作為用于這樣的GaN—HEMT用的外延基板的制作的半導(dǎo)體結(jié)晶的 層疊方法例如使用MOVPE法的情況下，將單晶藍寶石、單晶硅碳化物(以 下稱作SiC)、單晶硅等襯底基板在反應(yīng)爐中加熱，且向其中依次供給原料 氣體即三甲基鎵、鎵鋁、氨、摻雜劑氣體，通過使其在基板上熱分解，依 次堆積A1N緩沖層、摻雜GaN層(以下稱作ud—GaN)、摻雜AlGaN(以下 稱作ud—AlGaN)、 n性AlGaN(以下稱作n—AlGaN)，由此可得到規(guī)定層 結(jié)構(gòu)的外延基板。在上述示例的層結(jié)構(gòu)的情況下，2DEG在ud—AlGaN層和ud—GaN 層的界面形成，其成為溝道，作為FET而作用。A1N緩沖層及ud—GaN 層的不含有溝道的下層側(cè)(以下成為ud—GaN緩沖層)是為緩和所使用的襯 底基板和溝道形成層的晶格常數(shù)差、熱膨脹系數(shù)差帶來的外延成長時的錯 誤匹配且形成缺陷少的溝道層而導(dǎo)入的。上述的單晶藍寶石、SiC、單晶 硅等襯底基板都在與GaN結(jié)晶之間具有大的晶格常數(shù)差和熱膨脹率差， 因此，在使用有這些基板的FET的制作中，ud—GaN緩沖層首先具有充 分的緩沖效果，因此，其通常厚地(通常為l^irn以上)成長。對于這樣的緩 沖層，例如可參照"III族氮化物半導(dǎo)體"、"赤崎勇編著、倍風(fēng)銜1999)p157。
以下，由于通常的理論，而將"m族氮化物半導(dǎo)體"、"赤崎勇編著、 倍風(fēng)館(1999)p157、 p291中的擔(dān)任A1N緩沖層作用的層稱作第一緩沖層， 將擔(dān)任ud—GaN緩沖層作用的層稱作第二緩沖層。GaN—HEMT的工作 中，從源電極注入的電流只通過溝道部流入漏電極是理想的，不優(yōu)選電流 流過第一緩沖層、第二緩沖層。如果相反，電流流過第一緩沖層、第二緩 沖層，則即使因?qū)烹姌O施加電流而使溝道電耗盡，源電極和漏電極間流 過的電流也不會被完全阻斷。由此，會引起夾斷特性惡化、漏極漏泄電流 增加等問題。另外，該不需要的電流成分具有與2DEG不同的低的移動度， 因此，在以高頻電壓驅(qū)動?xùn)烹姌O時，會引起頻率分散等不良影響。進而， 這些不優(yōu)選的不需要的電流也流入相鄰的其他元件，引起使鄰接元件的閾 值電壓變動等干擾。
為避免FET中產(chǎn)生的上述各種問題，高電阻化至下述程度是有效的， 將第一緩沖層、第二緩沖層或其局部絕緣，即只有與溝道電流的大小相比 可忽視影響的程度的電流流過。當(dāng)在該部分形成高電阻的層時，從源電極 流入的電子被該層阻斷，在其下部不能溢出，因此，F(xiàn)ET容易夾斷。另外， 通常氮化物m—v族單晶的化學(xué)、物理穩(wěn)定性極高，進行到達基板的程度 的深的元件分離加工極其困難，但這樣導(dǎo)入了高電阻層的情況下，若只是 對到達高電阻層的深度實施元件分離加工，則也能夠容易地防止對鄰接元 件的干擾。
但是，使高電阻的氮化物III一V族單晶外延成長是不容易的。以通常
條件進行外延成長的氮化物ni—v族單晶例如即使不故意地添加雜質(zhì)，也容易顯示n型這樣高的傳導(dǎo)性。作為其理由有下述解釋由于氮化物III 一V族單晶以較高溫度成長，故而分離壓高的氮原子容易從結(jié)晶中脫離， 而其空穴發(fā)生自由電子；在氣相成長法中，通過容易從大氣中混入的雜質(zhì)
即氧的混入而在氮化物III—v族單晶中擁有淺的施主能級，容易發(fā)生自由
電子，且給予2n型的傳導(dǎo)性。對于GaN結(jié)晶顯示的n型傳導(dǎo)性的原因， 例如可參照Chris G. Van de Walle， Catherine Stampfl, J. Crystal Growth 189/190(1998)505-510。
另外，也有結(jié)晶的層疊結(jié)構(gòu)引起的原因。即，如上所述，氮化物III 一V族單晶在與襯底基板上之間具有大的晶格常數(shù)差，因此，結(jié)晶中大量 存在各種結(jié)晶缺陷。該缺陷在缺陷種中具有固有的能級，其中的某個容易 離子化，給結(jié)晶帶來導(dǎo)電性。
作為將外延結(jié)晶半導(dǎo)體高電阻化的對策之一，有向結(jié)晶中導(dǎo)入電荷補 償型雜質(zhì)的方法。電荷補償型雜質(zhì)是指在禁帶(forbiddenband)中收容電 子的深的能級的雜質(zhì)。流過含有該雜質(zhì)的電子迅速地被該能級捕獲并束 縛。因此，大量摻雜有該雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料作為電阻極高的層而起作用。 這種對策帶來的高電阻層的實現(xiàn)和適用于FET時的效果是眾所周知的，例 如砷化鎵系半導(dǎo)體裝，在外延成長后的AlGaAs半導(dǎo)體結(jié)晶中摻雜氧而形 成深的受主能級，且實現(xiàn)高電阻的外延層的例子可在Sasajima Y.， FukuharaN., Hata M., Maeda T" Okushi,H.， Power Semiconductor Materials and Devices Symposium, 425-430(1997)中參考。另外，得到將該外延層適 用于FET的緩沖層的良好的夾斷特性的例子在可在專利第2560562號公報 中參照。
這種對策可期待為在氮化鎵系半導(dǎo)體中也有效，且進行并報告了所有 的各種探討。例如在D.S. Katzer, D.R Storm, S.C. Binari, J.A. Roussos,B.V. Shanabrook， J. Crystal Growth 251 (2003)481-486.中報告有使用了通過 MBE法在GaN結(jié)晶中摻雜了鈹(Be)的緩沖層的GaN—HEMT。據(jù)此，報 告有，GaN層通過摻雜鈹，橫方向的漏泄電流也降低三行，在緩沖層使用 該層的FET中，夾斷特性顯著提高。
另夕卜，J.B. Webb， H. Tang,S. Rolfe， J.A. Bardwell, Appl. Phys. Lett,，75(1999)953.中報告有在通過MBE將碳(C)摻雜于GaN結(jié)晶中的緩沖層上外延成長AlGaN/GaN的異質(zhì)結(jié)的例子。據(jù)此，報告有，通過摻雜碳， 得到電阻率106Qc m和電阻極高的GaN緩沖層，且層疊于其上的 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)所感應(yīng)的2DEG得到移動度1200cm2/VS這樣良好的特 性。
根據(jù)這樣的報告，將這些雜質(zhì)摻雜到GaN層中，在適用于FET時， 可對FET的特性改善期待一定的效果。
但是，在上述的現(xiàn)有技術(shù)中，存在以下這樣制造上的問題。已知鈹具 有極強的毒性，安全性及對環(huán)境的負荷極大，對制造的適用未必現(xiàn)實。而 且，對于碳而言，其原子半徑比構(gòu)成氮化鎵結(jié)晶的鎵原子(以下為Ga)、氮 原子(以下為N)更顯著地大(Ga; 0.76A， N; 1.57人、C; 2.46人)，當(dāng)高濃度 地向結(jié)晶中摻雜時，使結(jié)晶晶格間紊亂，使結(jié)晶性惡化。
另外，MOVPE法中，作為碳的原料氣體，通常使用四溴化碳及四氯 化碳等，但由于它們在分子內(nèi)具有溴及氯，故而當(dāng)導(dǎo)入反應(yīng)爐時會產(chǎn)生溴 氣及氯氣，該氣體對外延層進行腐蝕而使結(jié)晶性降低。另外，GaN結(jié)晶成 長中，作為鎵原料氣體通常使用四甲基鎵及四乙基鎵，但已知在它們作為 Ga進行結(jié)晶化的反應(yīng)中，同時會放出C，其被混入外延層中。該混入量根 據(jù)氣層成長的參數(shù)即成長速度、成長壓力等而敏銳地變化。即，MOVPE 法中，C濃度如其他摻雜材料那樣只通過C前體向反應(yīng)爐的流入量控制是 難以高精度地控制的。
另外，即使能夠避免上述那樣制造上的問題點來制造，當(dāng)補償雜質(zhì)存 在于層中時，有時對FET特性帶來其他不良情況。即，由于補償雜質(zhì)在本 來的正常狀態(tài)下將電子捕獲使其不動，因此，通過補償雜質(zhì)在溝道層附近 擴散，也對與FET作用相關(guān)的溝道電子的行進本身帶來影響。該影響成為 1 一5特性下的彎折400的發(fā)生等對FET不優(yōu)選的波形的紊亂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題點的場效應(yīng) 晶體管用外延基板。
本發(fā)明者為了解決上述課題而進行了探討，最終完成了本發(fā)明。 本發(fā)明提供如下(1) (12)。(I) 一種場效應(yīng)晶體管用外延基板，
其在襯底基板和工作層之間設(shè)有含Ga的氮化物系III一V族半導(dǎo)體外 延結(jié)晶，其中，氮化物系m—V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶含有(i)、 (ii)及(iii):
(1) 第一緩沖層，其含有Ga或Al、并且包括添加了元素周期表中處 于與Ga同一周期且原子序號小的補償雜質(zhì)元素的高電阻結(jié)晶層；
(ii) 第二緩沖層，其層疊于第一緩沖層的工作層側(cè)，并含有Ga或AI;
(iii) 高純度外延結(jié)晶層，其設(shè)于高電阻結(jié)晶層和工作層之間，并不含 有或含有能夠維持耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質(zhì)。
(2) 如(1)所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜質(zhì)選自由V、 Cr、 Mn及Fe構(gòu)成的組。
(3) 如(2)所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜質(zhì)為Mn。
(4) 如(1) (3)中任一項所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜 質(zhì)濃度為lE10cnT3~lE20cm_3。
(5) 如(1) (4)中任一項所述的基板，其中，第一緩沖層包含A1N或GaN。
(6) 如(5)所述的基板，其中，第一緩沖層包含A1N。
(7) 如(1) (6)中任一項所述的基板，其中，第二緩沖層包含AlxGai-xN(05x幼.2)。
(8) 如(1) (7)中任一項所述的基板，其中，第二緩沖層的厚度為5000人 以上。
(9) 如(1) (8)中任一項所述的基板，其中，高純度外延結(jié)晶層中包含的 受主雜質(zhì)選自由Mg、 Mn及Zn構(gòu)成的組。
(10) 如(1) (9)中任一項所述的基板，其中，高純度外延結(jié)晶層的厚度 為200人以上。
(II) 如(1) (10)中任一項所述的基板，其中，高純度外延結(jié)晶層的基于 (0004)面的XRD擺動曲線的半寬值為3000秒以下。
(12)—種場效應(yīng)晶體管，其是使用(1) (11)所述的基板而得到的。


圖1是表示本發(fā)明實施方式的示意結(jié)構(gòu)圖； 圖2是MOVPE用成長直至的概略圖；圖3表示實施例2中得到的GaN
圖4表示實施例2中得到的GaN-電流一電壓特性；
圖5表示實施例2中得到的GaN-電流一電壓特性；
圖6表示實施例2中得到的GaN-電流一電壓特性。
符號說明
1 襯底基板
2 A1N第一緩沖層
3 AlGaN第二緩沖層
4 ud—GaN高純度外延結(jié)晶層
5 ud—AlGaN層
10FET用外延基板
100、101、 106質(zhì)流控制器
102恒溫層
103容器
104、118 高壓氣缸
105、119減壓閥
107反應(yīng)爐
108電阻加熱器
110基板支架
112排氣口
301源電極
302柵電極
303漏電極
304元件分離槽 彎折
具體實施例方式
-HEMT的示意結(jié)構(gòu)； HEMT樣品(d)的施加DC電壓時的
HEMT樣品(e)的施加DC電壓時的
HEMT樣品(f)的施加DC電壓時的
9FET用外延基板
參照

本發(fā)明。圖1是用于說明本發(fā)明實施方式的GaN — HEMT用外延基板的示意層結(jié)構(gòu)圖。
FET用外延基板10具有在襯底基板1上設(shè)有含有Ga的氮化物系III 一V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶、且在其上設(shè)有工作層的層結(jié)構(gòu)。詳細而言，在襯 底基板1上按順序?qū)盈B有摻雜有Mn的A1N第一緩沖層2、摻雜有Mn的 AlGaN第二緩沖層3及ud—GaN的高純度外延結(jié)晶層4。含有Ga的氮化 物系III一V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶含有A1N第一緩沖層2、第二緩沖層3、高 純度外延結(jié)晶層4。另外，在高純度外延結(jié)晶層4上層疊有ud—AlGaN層 5作為工作層。下面，對各層進行說明。
襯底基板
襯底基板例如包含藍寶石單晶、SiC、單晶硅。襯底基板通常為半絕 緣性、導(dǎo)電性，優(yōu)選半絕緣性。由于對于結(jié)晶成長產(chǎn)生的缺陷少的基板市 場有售，故而只要使用該基板即可。
第一緩沖層
第一緩沖層含有Ga或Al，優(yōu)選含有A1N、 GaN，更優(yōu)選含有A1N。 另外，第一緩沖層含有高電阻結(jié)晶層。
圖1中，AlN第一緩沖層2中摻雜有Mn。因此A1N第一緩沖層2成 為高電阻結(jié)晶層。Mn是為使緩沖層成為高電阻結(jié)晶層而摻雜的補償雜質(zhì) 元素之一例，補償雜質(zhì)元素不限于Mn。補償雜質(zhì)元素只要是在元素周期 表中處于同一周期且原子序號小的元素即可。例如，代替Mn也可以是V、 Cr、 Fe。補償雜質(zhì)摻雜濃度通常為1E10cm—3以上、優(yōu)選為1E13cm—3以上、 更優(yōu)選為1E15cnT3以上且通常在5 E20cm—3以下、優(yōu)選為1E20cm—3以下， 更優(yōu)選為1E19cm—3以下。本實施方式中，在A1N第一緩沖層2、 AlGaN 緩沖層3這兩者中摻雜Mn而將兩層制成高電阻結(jié)晶層，但只要將A1N第 一緩沖層2制成高電阻結(jié)晶層即可。
第一緩沖層的厚度通常為50人 2000人，從生產(chǎn)性和效果的平衡的觀 點來看，優(yōu)選為100人以上，更優(yōu)選為200人以上，且優(yōu)選為100人以下。
這樣，通過將A1N第一緩沖層2制成高電阻結(jié)晶層，能夠有效地阻止 用于FET工作的電流流到工作層之外。第二緩沖層
第二緩沖層含有Ga或Al，優(yōu)選含有AlxGai—x。 x通常滿足0^^0.2， 優(yōu)選0^x^).1，更優(yōu)選0^x^0.2。
圖1中，與A1N第一緩沖層2同樣，AlGaN第二緩沖層3中摻雜有 Mn。由此，AlGaN第二緩沖層3成為高電阻結(jié)晶層。第二緩沖層的補償 雜質(zhì)元素只要在元素周期表中處于與Ga同一周期且原子序號小的元素即 可，例如為V、 Cr、 Mn、 Fe，優(yōu)選為Mn。補償雜質(zhì)摻雜濃度通常為1E10cm _3以上，優(yōu)選為1E13cm—3以上，更優(yōu)選為1E15cm—s以上且通常為5E20cm _3以下，優(yōu)選為1E20cm—3以下，更優(yōu)選為1E19cm—3以下。AlGaN第二緩 沖層3的厚度優(yōu)選為5000人以上，更優(yōu)選為IOOOO人以上，特別優(yōu)選為 15000人以上，且通常為50000A以下。
如本實施方式那樣，通過將A1N第一緩沖層2、 AlGaN第二緩沖層3 制成高電阻結(jié)晶層，能夠有效地阻止用于FET工作的電流流到工作層之 外。
高純度外延結(jié)晶層
高純度外延結(jié)晶層設(shè)于高電阻結(jié)晶層和工作層之間。另外，高純度外 延結(jié)晶層不含有或含有耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質(zhì)。
圖1中，滿足上述的ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4是為了使在ud— AlGaN層5中產(chǎn)生的2DEG順利地流過源一漏極間而設(shè)置的。
高純度外延結(jié)晶層的厚度優(yōu)選為200人以上，更優(yōu)選為500人以上， 特別優(yōu)選為2000人以上，且通常為30000人以下。
另外，高純度外延結(jié)晶層的基于(0004)面的XRD搖擺曲線的半寬值通 常為3000秒以下。
工作層
工作層例如含有ud—AlGaN。工作層的厚度只要設(shè)定為獲得所希望的 夾斷電壓深度、gm特性即可。若太厚，則對高純度外延結(jié)晶層的晶格失 諧的影響增大，結(jié)晶劣化，若薄，則有柵極耐壓劣化的弊端，因此，優(yōu)選 為50A以上，更優(yōu)選為IOO人以上，特別優(yōu)選為200人以上，且優(yōu)選為800人 以下，更優(yōu)選為600A以下，特別優(yōu)選為400人以下。
外延基板的制造方法。本發(fā)明的FET用外延基板例如只要使用MOVPE法、MBE法、氰化
物氣相成長法等并利用層疊外延結(jié)晶的方法制造即可。
圖2是MOVPE用成長裝置的概略圖。圖2的裝置中，高壓氣缸118 內(nèi)的載氣通過減壓閥119由質(zhì)流控制器(MFC)101控制流量，被導(dǎo)入被恒 溫層102控制成所希望的溫度的容器103內(nèi)，在容器103內(nèi)的III族原料 中起泡。通過起泡，容器103的空隙被由恒溫層102的溫度決定蒸氣壓的 III族原料充滿，與蒸氣壓和載氣流量相對應(yīng)的量的III族原料氣體被導(dǎo)入 反應(yīng)爐107。
這樣控制的III族原料的流量通常在10E—3 10E—5mol/min的范圍 內(nèi)。作為m族原料，例如有三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)等垸基鎵、 三甲基鋁(TMG)、三乙基鋁(TEG)等烷基鋁。它們只要以所希望的組成單 獨或混合使用即可。作為原料，只要使用MOVPE用的市售產(chǎn)品即可。
V族原料被充填在高壓氣缸104中，由減壓閥105減壓，接著由 MFC106控制流量，導(dǎo)入反應(yīng)爐107內(nèi)。V族原料的導(dǎo)入量通常為III族原 料氣體的50倍 400倍。V族原料例如有氨。氨只要使用市場銷售的結(jié)晶
成長所需的高純度的氨即可。
接著，充填于高壓氣缸118內(nèi)的載氣由減壓閥119減壓，由MFCIOO 控制流量后，也被導(dǎo)入反應(yīng)爐107。載氣的流量通常在10SLM 200SLM 的范圍內(nèi)。
在反應(yīng)爐107內(nèi)設(shè)置有保持襯底基板1的石墨制的基板支架110?；?板支架no具有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。另外，背面靠近設(shè)置有電阻加熱器(未圖示)， 其可通過基板支架110從背面對襯底基板1進行加熱。在A1N緩沖層成長 時，加熱只要按照襯底基板1的表面溫度達到通常約650'C 約80(TC的 方式進行即可。另外，在GaN緩沖層下部及GaN溝道層、AlGaN肖特基 層成長時，加熱只要按照襯底基板1的表面溫度達到通常約95(TC 約 115(TC的方式進行即可。被導(dǎo)入反應(yīng)爐107的原料氣體蒸汽在襯底基板1 的表面附近被熱分解，在襯底基板l上作為結(jié)晶成長。殘留氣體及未分解 氣體從排氣口 112排出。通過向反應(yīng)爐107內(nèi)導(dǎo)入各種原料氣體，可成長 摻雜/不摻雜補償雜質(zhì)及Si的GaN結(jié)晶、AlGaN結(jié)晶、A1N結(jié)晶。
補償雜質(zhì)的原料例如為雙環(huán)戊二烯基錳(EtCp2Mn)之類的錳化合物。由于結(jié)晶成長所需的高純度的原料市場有售，故而使用該原料即可。補償 雜質(zhì)原料只要通過與III族原料相同的方法導(dǎo)入反應(yīng)爐107內(nèi)即可。
硅原料例如為乙硅烷、單硅垸。由于結(jié)晶成長所需的高純度的硅原料 市場有售，故而使用該原料即可。硅原料只要通過與V族原料相同的方法 導(dǎo)入反應(yīng)爐107內(nèi)即可。
載氣例如為氫氣、氮氣。它們可單獨或混合使用。由于結(jié)晶成長所需 的高純度的氫氣、氮氣市場有售，故而使用該原料即可。
其次，參照圖2對具有通過MOVPE法成長的FET用摻雜有Mn的氮 化物結(jié)晶的、圖1所示的層結(jié)構(gòu)的GaN—HEMT的制作例進行說明。
在洗凈的襯底基板l上成長了規(guī)定厚度的摻雜有Mn的AlN第一緩沖 層2后，將襯底基板1的溫度變更為規(guī)定的溫度，切換III族原料氣體， 使摻雜有Mn的AlGaN第二緩沖層3成長為規(guī)定的厚度。作為襯底基板1 ， 可使用藍寶石單晶硅基板、SiC基板、單晶硅基板等。這些基板優(yōu)選半絕 緣性的基板，但不能使用導(dǎo)電性的基板。這些基板中結(jié)晶成長必定產(chǎn)生的 缺陷少的基板市場有售，故而只要使用該基板即可。其次，停止錳原料氣 體的導(dǎo)入，使ud—GaN高純度外延結(jié)晶層成長為規(guī)定的厚度。接著，切 換原料氣體，以規(guī)定的厚度成長ud—GaN層5。這樣得到圖1所示的構(gòu)造 的FET用外延基板10。
A1N第一緩沖層2的厚度通常為50人 2000人，從生產(chǎn)性和效果的平 衡的觀點考慮，優(yōu)選為100人 2000人，更優(yōu)選為200人 1000人。也可以 使用具有同樣厚度的GaN緩沖層來代替A1N第一緩沖層2。該情況下， 按照成為所希望的組成的方式變更原料氣體，除此之外，只要以與A1N第 二緩沖層2相同的方法成長即可。
AlGaN第二緩沖層3的厚度只要通過如下方式來決定即可，即，AlGaN 第二緩沖層3的電阻非常高且對其上的ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4賦 予良好的結(jié)晶性。結(jié)晶性的判定可通過XRD的搖擺曲線測定進行。作為 作為測定對象的結(jié)晶面，例如可使用(0002)面。在測定該面時，作為得到 良好的特性的標(biāo)準(zhǔn)，峰的半寬值為300秒以下。AlGaN第二緩沖層3的厚
度主要依賴于成長條件，優(yōu)選為5000人以上，更優(yōu)選為iooooA以上，特
別優(yōu)選為15000人以上。上限優(yōu)選位50000A以下。ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4的厚度薄時，AlGaN第二緩沖層3的補 償雜質(zhì)所形成的深水平影響2DEG，使電流電壓特性產(chǎn)生彎折等，因此， 優(yōu)選為厚度厚，優(yōu)選為200人以上，更優(yōu)選為500人以上，特別優(yōu)選為2000人 以上。上限通常為30000人以下。
ud—AlGaN層5的厚度只要設(shè)定為可獲得所希望的夾斷電壓深度、gm 特性即可。若太厚則對與ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4的晶格失諧的影 響增大，結(jié)晶劣化，若薄則有柵極耐壓劣化的弊端，因此，優(yōu)選為50人 800人以上，更優(yōu)選為100人 600人，特別優(yōu)選為200人 400人。
ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4如上所述，即使為非摻雜的GaN結(jié)晶， 也具有n型的導(dǎo)電性。ud—AlGaN層5也同樣，該層的電子被供給于溝道， 形成2DEG。因此，為了調(diào)整溝道的電子濃度，也可以使用摻雜硅等成長 的n—AlGaN層來代替ud—AlGaN層5。但是，在使用n—AlGaN層時， 因雜質(zhì)散亂而可能使2DEG的移動度降低。為避免該情況，也可以采用ud —AlGaN/n—AlGaN的層疊結(jié)構(gòu)。該情況下，只要設(shè)定為ud—AlGaN層和 N—AlGaN層的總計達到上述厚度即可。
AlxGai-xN第二緩沖層3的Al組成x只要在不使un—GaN高純度外 延結(jié)晶層4的結(jié)晶性劣化的范圍內(nèi)選擇即可，通常為0$X^).2，優(yōu)選為 0^x￡0.1，更優(yōu)選為0^x^).05。
ud—AlGaN層5的Al組成比通過其厚度、所希望的2DEG濃度、柵 極耐壓等決定。即，若增大組成比，則理論上有更多的2DEG產(chǎn)生，因此， 可將晶體管工作大電流化，且柵極耐壓也提高。另一方面，由于與ud— GaN高純度外延結(jié)晶層4的晶格常數(shù)差增大，故而特別是在層的厚度厚時 容易發(fā)生結(jié)晶缺陷，相反可能會導(dǎo)致柵極耐壓的劣化。因此，優(yōu)選在10% 40°/。的范圍內(nèi)進行設(shè)定，更優(yōu)選為15% 35%，特別優(yōu)選20% 30%。
對于A1N第一緩沖層2及AlGaN第二緩沖層3中的各補償雜質(zhì)摻雜 濃度，在所希望的電阻值和自然摻雜有AlN結(jié)晶的基底n型雜質(zhì)濃度，即 自然摻雜的n型雜質(zhì)濃度高，且設(shè)計好的層的厚度薄的情況下，提高摻雜 濃度。相反，在自然摻雜的n型雜質(zhì)的濃度低，且加厚設(shè)計層的情況下， 摻雜濃度也可以低。從這些點和向補償雜質(zhì)的GaN外延結(jié)晶中固溶存在 限制以及若濃度太高則結(jié)晶性惡化等考慮，補償雜質(zhì)摻雜濃度優(yōu)選為lE10 5E20cm —3，更優(yōu)選為1E13 1E20cm —3 ，特別優(yōu)選為1E15 1E19cm-3。
ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4的受主的摻雜濃度為該層能夠耗盡的下 限的濃度。若過高，則剩余的受主也會捕捉溝道的電子，引起彎折的發(fā)生 等。該濃度依賴于ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4的基底濃度。若基底濃 度高，則提高摻雜濃度。即使基底濃度低且不摻雜受主，在ud—GaN高 純度外延結(jié)晶層4耗盡時也可以不進行摻雜。通常由Ocm—3 lE17Cm—3 的范圍決定。
以上對本發(fā)明的GaN—HEMT的例子的情況進行了說明，但通過改變 ud — GaN高純度外延結(jié)晶層4上部的構(gòu)造，可制作其他FET構(gòu)造的 MODFET—MESFET、 MISFET用外延基板等。
通過將FET用外延基板10制成以上那樣的層結(jié)構(gòu)，可提供具有良好 的夾斷特性、良好的元件間分離性、良好的頻率分散性的FET用氮化物系 外延成長半導(dǎo)體結(jié)晶。另外，可以以高的安全性和高的濃度穩(wěn)定性制造具 有上述那樣的優(yōu)良的特性的半導(dǎo)體結(jié)晶，其工業(yè)上的意義極大。
實施例
通過實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明不受實施例限制。 實施例1
使用圖2所示的裝置如下制作圖1所示的層結(jié)構(gòu)的FET用外延基板。 將藍寶石單晶基板加熱到60(TC，將作為載氣的氫氣設(shè)為60SLM、氨設(shè)為 40SLM，從恒溫槽溫度設(shè)定為30。C的容器流過40sccmTMA，且從恒溫槽 溫度設(shè)定為3(TC的容器流過雙環(huán)戊二烯基(英文tf7、乂夕口^y夕^工 二少)(樣品(a)為Osccm，樣品(b)為200sccm，樣品(c)為1000sccm)，成長 500人的A1N第一緩沖層。此時的成長速度為470A/min。
將基板溫度升溫至1040°C，將TMA流量設(shè)為Osccm后，從恒溫槽溫 度設(shè)定為3(TC的容器流過40sccmTMG，接著，從恒溫槽溫度設(shè)定為30°C 的容器流過雙環(huán)戊二烯基(樣品(a)為Osccm，樣品(b)為200sccm，樣品(c) 為1000sccm)，成長30000人的AlGaN第二緩沖層。此時的成長速度為 470A/min。接著，將基板降溫至室溫附近之后，從反應(yīng)爐取出。
樣品(c)的FET用外延基板的第二緩沖層中的Mn濃度通過SIMS分析求出，結(jié)果為2E19cm—3。分別測定樣品(a)、 (b)、 (c)的FET用外延基板的 片電阻。樣品(a)為4340/口，樣品(b)為80000/口，樣品(c)為46811Q/口。由 此得知Mn被混入結(jié)晶中，形成的深水平有效地補償和減少了自然摻雜 的n型載流子，得到了極高電阻率的外延半導(dǎo)體結(jié)晶。 實施例2
使用圖2所示的裝置制作圖3所示的層結(jié)構(gòu)的GaN—HEMT。圖3中， 與圖1中各部分對應(yīng)的部分標(biāo)注同一符號。首先，將作為襯底基板l的藍 寶石單晶基板加熱至600°C，將作為載氣的氫氣設(shè)為60SLM、氨設(shè)為 40SLM，從恒溫槽溫度設(shè)定為3(TC的容器流過40sccmTMA，且從恒溫槽 溫度設(shè)定為3(TC的容器流過雙環(huán)戊二烯基(樣品(d)為Osccm，樣品(e)、 (f) 為1000sccm)，成長500人的A1N第一緩沖層2。此時的成長速度為 470A/min。
將基板溫度升溫至1040°C，將TMA流量設(shè)為Osccm后，從恒溫槽溫 度設(shè)定為30'C的容器流過40sccmTMG，接著，從恒溫槽溫度設(shè)定為30°C 的容器流過雙環(huán)戊二烯基(樣品(d)為Osccm，樣品(e)、 (f)為1000sccm)，層 疊1050人的GaN第二緩沖層3。
將雙環(huán)戊二烯基流量設(shè)為Osccm，作為高純度外延結(jié)晶層，(樣品(e) 為100sccm，樣品(d)、(f)為1000sccm)成長ud—GaN高純度外延結(jié)晶層4。
將TMG的流量變更為100sccm，從高溫槽溫度30'C的容器流過 33sccmTMA，成長250°C的Al組成0.25的ud—AlGaN層5。此時的成長 速度為480A/min。
將基板溫度降溫至室溫附近，從反應(yīng)爐取出。對得到的試樣通過光刻 法形成保護層圖案之后，通過使用了氯氣的ECR等離子干式蝕刻形成達 到2000人深度的元件分離槽304。干式蝕刻的條件為，氯壓力1.5E—2Pa， 等離子電流400微瓦，施加電壓80V，此時的蝕刻速率為90A/min。
同樣，通過光刻法將保護層開口形成為源電極及漏電極形狀，并通過 蒸鍍法將Ti/Al/Ni/Au金屬膜層疊為200A/1500A/250A/500人的厚度。其 次，將試樣浸漬到丙酮中，由此，在提起抗蝕劑和金屬膜之后，在氮氣氛 內(nèi)800。C下實施30秒RTA處理，形成源電極301和漏電極303。
同樣，通過光刻法形成電極形狀的開口，并通過氧等離子體對開口部進行灰化處理?；一臈l件為氧壓力130Pa、等離子體電力IOOW、灰 化時間1分鐘。接著，通過蒸鍍法將Ni/Au金屬膜形成為200A/1000人的 厚度，并利用與源電極相同的方法提離(lift-off),形成柵電極302。通過 與柵電極相同的方法形成焊盤電極。
這樣，制作圖3所示的結(jié)構(gòu)的柵極長度2)om、柵極寬度30pm的GaN —HEMTo
測定GaN—HEMT的施加DC電壓時的電流一電壓特性。圖4、圖5、 圖6中分別表示樣品(d)、 (e)、 (f)的結(jié)果。在GaN層中摻雜有Mn的樣品 (e)、 (f)中，施加了一7V柵電壓的情況下，漏電流為零(即夾斷)，但未摻雜 的樣品(d)中不為零，即未夾斷。另外，同樣比較摻雜了Mn的(e)與(f)，結(jié) 果在高純度外延結(jié)晶層薄的樣品(e)中，在電流一電壓曲線上發(fā)生彎折。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管用外延基板適合用于具有良好特性的FET的 制造。若使用場效應(yīng)晶體管用外延基板，則可安全且濃度控制性良好地生 產(chǎn)FET。
權(quán)利要求
1、一種場效應(yīng)晶體管用外延基板，其在襯底基板和工作層之間設(shè)有含Ga的氮化物系III-V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶，其中，氮化物系III-V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶含有(i)、(ii)及(iii)(i)第一緩沖層，其含有Ga或Al、并且包括添加了元素周期表中處于與Ga同一周期且原子序號小的補償雜質(zhì)元素的高電阻結(jié)晶層；(ii)第二緩沖層，其層疊于第一緩沖層的工作層側(cè)，并含有Ga或Al；(iii)高純度外延結(jié)晶層，其設(shè)于高電阻結(jié)晶層和工作層之間，并不含有或含有能夠維持耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質(zhì)。
2、 如權(quán)利要求l所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜質(zhì)選自由V、 Cr、 Mn及Fe構(gòu)成的組。
3、 如權(quán)利要求2所述的基板，其中， 第一緩沖層中包含的補償雜質(zhì)為Mn。
4、 如權(quán)利要求1 3中任一項所述的基板，其中， 第一緩沖層中包含的補償雜質(zhì)濃度為1E10cm—3~lE20cm—3。
5、 如權(quán)利要求1~4中任一項所述的基板，其中， 第一緩沖層包含A1N或GaN。
6、 如權(quán)利要求5所述的基板，其中， 第一緩沖層包含A1N。
7、 如權(quán)利要求1~6中任一項所述的基板，其中， 第二緩沖層包含AlxGai—xN，式中0^x^).2。
8、 如權(quán)利要求1~7中任一項所述的基板，其中， 第二緩沖層的厚度為5000人以上。
9、 如權(quán)利要求1~8中任一項所述的基板，其中， 高純度外延結(jié)晶層中包含的受主雜質(zhì)選自由Mg、Mn及Zn構(gòu)成的組。
10、 如權(quán)利要求1~9中任一項所述的基板，其中， 高純度外延結(jié)晶層的厚度為200人以上。
11、 如權(quán)利要求1 10中任一項所述的基板，其中，高純度外延結(jié)晶層的基于(0004)面的XRD擺動曲線的半寬值為3000秒以下。
12、 一種場效應(yīng)晶體管，其是使用權(quán)利要求1 11所述的基板而得到的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種場效應(yīng)晶體管用外延基板，場效應(yīng)晶體管用外延基板在襯底基板和工作層之間設(shè)有含有Ga的氮化物系III-V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶，氮化物系III-V族半導(dǎo)體外延結(jié)晶含有(i)、(ii)及(iii)。(i)第一緩沖層，其含有Ga或Al，并且包括添加了元素周期表中處于與Ga同一周期且原子序號小的補償雜質(zhì)元素的高電阻結(jié)晶層；(ii)第二緩沖層，其層疊于第一緩沖層的工作層側(cè)，并含有Ga或Al；(iii)高純度外延結(jié)晶層，其設(shè)于高電阻結(jié)晶層和工作層之間，并不含有或含有能夠維持耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質(zhì)。
文檔編號H01L21/205GK101611471SQ20088000485
公開日2009年12月23日 申請日期2008年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者佐澤洋幸, 秦雅彥, 西川直宏 申請人:住友化學(xué)株式會社