半导体基板和半导体元件的制作方法

本发明有关一种半导体基板和半导体元件，该半导体元件是使用该半导体基板制作而成。

背景技术：

使用氮化物半导体而成的半导体基板，已被用在以高频率且高输出运作的功率元件等。尤其，作为适用于在微波、次毫米波、毫米波等高频带域中进行放大功率元件，已知有例如高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor：HEMT)等。

作为使用氮化物半导体而成的半导体基板，已知半导体基板，是在Si(硅)基板上将缓冲层、GaN(氮化镓)层、由AlGaN(氮化铝镓)构成的阻挡层，依序积层而成。

GaN层中的下部的层(高电阻层)，通过提高纵向和横向的电阻，能够从而提升晶体管的关闭特性且抑制纵向漏泄，来达成高耐压化。因此，将碳掺杂至GaN层中，因而在GaN结晶中形成较深的位准(能阶)，来抑制n型传导。

另一方面，若GaN层中的上部的层作为沟道层来发挥功能，并且形成捕捉载子的位准，则可能会成为电流坍塌(输出电流特性的再现性劣化的现象)的主要原因，因此必须使碳等的浓度充分下降(参照专利文献1-3)。

另外，在专利文献4公开一种通过添加Fe(铁)至GaN层中来寻求高电阻化，并且公开一种为了使铁的能量位准稳定化，进一步添加碳的技术。

另外，在专利文献5中公开一种为了降低寄生电容且高耐压化，将铁添加于GaN层中的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5064824号公报；

专利文献2：日本特开2006-332367号公报；

专利文献3：日本特开2013-070053号公报；

专利文献4：日本特开2012-033646号公报；

专利文献5：日本特开2010-123725号公报。

技术实现要素：

发明所要解决的问题

如上述，高电阻层，利用提高碳浓度，来抑制器件纵向(厚度方向)的漏泄电流，是为了提升晶体管的关闭特性而使用，然而，针对碳浓度高的高电阻层的结晶性，本发明人进行了研究。

在图9中显示高电阻层的结晶性的成长温度相依性，在图10中显示高电阻层的碳浓度的成长温度相依性。

由图9至图10可知，若成长温度下降，虽然能够增加高电阻层的碳浓度，但相反地，高电阻层的结晶性会变低。

若高电阻层的结晶性变低，则漏泄电流会增加，并且被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性也会变低，于是会有所谓的引起沟道层中的电子迁移率降低和电流坍塌等的问题。

本发明是鉴于上述问题点而完成，其目的在于，提供一种半导体基板和半导体元件，该半导体基板和半导体元件一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。

解决问题的技术方案

为了达成上述目的，本发明提供一种半导体基板，具有：基板；缓冲层，由所述基板上的含碳的氮化物类半导体构成；高电阻层，由所述缓冲层上的含碳的氮化物类半导体构成；以及，沟道层，由所述高电阻层上的氮化物类半导体构成；该半导体基板的特征在于，所述高电阻层，具有：第一区域，所述第一区域的碳浓度比所述缓冲层低；以及，第二区域，设置于所述第一区域与所述沟道层之间，并且所述第二区域的碳浓度比所述第一区域高。

以此方式，利用高电阻层具有碳浓度比缓冲层低的第一区域以及位于第一区域与沟道层之间且碳浓度比第一区域高的第二区域，而能够一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在所述高电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。

此时，优选是，所述第一区域包含过渡金属，所述第一区域的过渡金属浓度比第二区域的过渡金属浓度高。

利用第一区域包含浓度比第二区域的过渡金属浓度高的过渡金属，而能够抑制碳浓度低的第一区域中的纵向漏泄电流的增加，并且能够进一步提高第一区域的结晶性，从而能够进一步改善被形成在第一区域更上方的氮化物类半导体的结晶性。

此时，所述第一区域的过渡金属浓度优选是1×10¹⁷原子/立方厘米以上且1×10²⁰原子/立方厘米以下，特别优选是1×10¹⁸原子/立方厘米以上且1×10¹⁹原子/立方厘米以下。

若第一区域的过渡金属浓度在此浓度范围内，则能够确实地抑制第一区域中的纵向漏泄电流的增加，并能够确实地改善被形成在第一区域更上方的氮化物类半导体的结晶性。

此时，优选是所述第一区域包含过渡金属，所述第一区域的厚度为3nm以上且3000nm以下。

在第一区域包含过渡金属的情况，若第一区域的厚度在这样的范围内，则能够一边维持第一区域的高电阻一边改善被形成在第一区域更上方的氮化物类半导体的结晶性。

此时，优选是所述第一区域不包含过渡金属，所述第一区域的厚度为3nm以上且500nm以下。

在第一区域不包含过渡金属的情况，若第一区域的厚度在这样的范围内，则能够一边维持纵向漏泄电流的抑制一边改善被形成在第一区域更上方的氮化物类半导体的结晶性。

此时，优选是所述第一区域与所述缓冲层相连接。

通过以此方式将结晶性高的第一区域设置在更靠缓冲层侧(也就是，更靠基板侧)，能够更有效地改善被形成在第一区域更上方的氮化物类半导体的结晶性。

此时，优选是，所述第一区域的碳浓度为小于1×10¹⁸原子/立方厘米，所述第二区域的碳浓度为1×10¹⁸原子/立方厘米以上且1×10¹⁹原子/立方厘米以下。

就第一区域与第二区域的碳浓度而言，能合适地使用此种浓度范围。

另外，本发明提供一种半导体元件，其特征在于，是使用上述半导体基板制作而成的半导体元件，并且在所述沟道层上设置有电极。

若是使用此种本发明的半导体基板制作而成的半导体元件，则能够一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。

发明效果

如上所述，若根据本发明，能够一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。

附图说明

图1是显示半导体基板的深度方向的浓度分布的图，显示本发明的实施方面的一个例子。

图2是显示本发明的实施方面的一个例子的半导体基板的剖面图。

图3是显示本发明的实施方面的一个例子的半导体元件的剖面图。

图4是显示实施例2的半导体基板的深度方向的杂质浓度分布的图。

图5是显示实施例5的半导体基板的深度方向的杂质浓度分布的图。

图6是实施例5的半导体基板的剖面图。

图7是实施例5的半导体元件的剖面图。

图8是显示低碳层上的GaN层的结晶性相对于低碳层的膜厚相依性的图。

图9是显示高电阻层的结晶性的成长温度相依性的图。

图10是显示高电阻层的碳浓度的成长温度相依性的图。

具体实施方式

如前文所述，高电阻层，利用提高碳浓度来抑制器件的纵向漏泄电流，是为了提升晶体管的关闭特性而使用，但是若提高碳浓度则会使高电阻层的结晶性变低。若高电阻层的结晶性变低，则漏泄电流会增加且被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性也会变低，从而会有引起沟道层中的电子迁移率降低和电流坍塌等的问题。

因此，本发明人反复针对半导体基板进行深入研究，该半导体基板能够一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。结果，本发明人发现，利用在高电阻层中设置碳浓度比缓冲层更低的第一区域以及碳浓度比第一区域高的第二区域，该第二区域设在该第一区域与沟道层之间，能够一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在该该电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等，而完成本发明。

以下，针对本发明，作为实施方面的一个例子，一边参照附图一边详细地说明，但是本发明并不限于此实施方面。

首先，关于显示本发明的实施方面的一个例子的半导体基板，一边参照图1至图2一边进行说明。

图1是显示半导体基板的深度方向的浓度分布的图，该半导体基板显示本发明的实施方面的一个例子)；图2是本发明的半导体基板的剖面图。

图2所示的显示本发明的实施方面的一个例子的半导体基板10，具有：基板12；设置在基板12上的缓冲层14；高电阻层15，由设置在缓冲层14上的氮化物类半导体(例如GaN)构成，并且包含作为杂质的过渡金属和碳；以及，有源层22，设置在高电阻层15上。

此处，基板12例如是由Si或SiC(碳化硅)构成的基板。另外，缓冲层14例如是由积层体构成的缓冲层，该积层体是由下述各层所重复积层而成：第一层，由氮化物类半导体构成，以及，第二层，由与第一层组成不同的氮化物类半导体构成。

第一层例如是由Al_yGa_1-yN构成，第二层例如是由Al_xGa_1-xN(0≤x＜y≤1)构成。

具体而言，第一层能够设为AlN，第二层能够设为GaN。

有源层22，具有：沟道层18，由氮化物类半导体构成；以及，阻挡层20，由设置于沟道层18上的由氮化物类半导体构成。沟道层18例如是由GaN构成，阻挡层20例如是由AlGaN构成。

高电阻层15，包括：低碳层(第一区域)16，该低碳层的碳浓度比缓冲层14低且过渡金属的浓度为恒定；以及，高碳层(第二区域)17，设置于该低碳层16与沟道层18之间，碳浓度比低碳层16高，并且过渡金属从低碳层16侧朝沟道层18侧减少。

另外，在图1中，虽然显示高电阻层15包含过渡金属的情况，但是高电阻层15也可不包含过渡金属。

高电阻层15，利用具有碳浓度比缓冲层14低的低碳层16、以及设置于低碳层16与沟道层18之间且碳浓度高于低碳层16的高碳层17，而能够一边维持高电阻层15的高电阻一边提高结晶性，从而来降低漏泄电流，并且也提高被形成在该高电阻层上的沟道层18的结晶性，因而能够抑制沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。

在半导体基板10中，能够将过渡金属设为铁。

以此方式，能够合适地将铁用作过渡金属。另外，作为过渡金属，能够使用Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn等。

碳的添加是在使氮化物类半导体层通过MOVPE(有机金属气相成长)法成长时，通过将原料气体(TMG(三甲基镓))中所含的碳掺入膜中而实行，但也可通过丙烷等掺杂气体而实行。

关于半导体基板10，在低碳层16包含过渡金属的情况，优选是低碳层16的过渡金属浓度高于高碳层17的过渡金属浓度。

利用使低碳层16所包含的过渡金属的浓度高于高碳层17，而能够抑制在碳浓度较低的低碳层16中的纵向漏泄电流的增加，并且能够进一步提高低碳层16的结晶性，从而，能够进一步改善被形成在第一区域更上方的氮化物类半导体的结晶性。

低碳层16的过渡金属浓度，优选是1×10¹⁷原子/立方厘米(原子/立方公分)以上且1×10²⁰原子/立方厘米以下，特别是1×10¹⁸原子/立方厘米以上且1×10¹⁹原子/立方厘米以下。

若低碳层16的过渡金属浓度在此浓度范围，则能够确实地抑制低碳层16中的纵向漏泄电流的增加，并能够确实地改善被形成在低碳层16更上方的氮化物类半导体的结晶性。

关于半导体基板10，在低碳层16包含过渡金属的情况，低碳层16的厚度优选是3nm以上且3000nm以下，特别优选是5nm以上且2000nm以下。

在低碳层16包含过渡金属的情况，若低碳层16的厚度在这样的范围内，则能够一边维持低碳层16的高电阻，一边改善被形成在低碳层16更上方的氮化物类半导体的结晶性。

关于半导体基板10，在低碳层16不包含过渡金属的情况，低碳层16的厚度优选是3nm以上且500nm以下，特别优选是5nm以上且200nm以下。

在低碳层16不包含过渡金属的情况，若低碳层16的厚度在这样的薄的范围内，则能够一边维持纵向漏泄电流的抑制，一边改善被形成在低碳层16更上方的氮化物类半导体的结晶性。

关于半导体基板10，优选是低碳层16与缓冲层14相连接。

通过以此方式将结晶性高的低碳层16设置在更靠缓冲层14侧(即，更靠基板12侧)，能够更有效地改善被形成在低碳层16更上方的氮化物类半导体的结晶性。

此处，优选是，低碳层16的碳浓度小于1×10¹⁸原子/立方厘米，所述第二区域的碳浓度为1×10¹⁸原子/立方厘米以上且1×10¹⁹原子/立方厘米以下。

就第一区域与第二区域的碳浓度而言，能够合适地使用此种浓度范围。

接着，针对显示本发明的实施方面的一个例子的半导体元件，一边参照图3一边进行说明。

图3是显示本发明的实施方面的半导体元件的剖面图。

半导体元件11是使用本发明的半导体基板10制作而成的半导体元件，具有设于有源层22上的第一电极26、第二电极28、控制电极30。

在半导体元件11中，第一电极26和第二电极28是以如下的方式配置：电流，从第一电极26，经由形成于沟道层18内的二维电子气体层24，流至第二电极28。

在第一电极26与第二电极28之间流动的电流，能够通过被施加在控制电极30上的电位来控制。

半导体元件11是使用本发明的半导体基板10制作而成，该半导体基板10显示本发明的实施例方面的一个例子，能够一边维持高电阻层的高电阻一边提高结晶性，从而，能够降低漏泄电流，并且也提高被形成在该高电阻层上的沟道层的结晶性，因而能够抑制沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等。

实施例

以下，示出实施例与比较例来更具体地说明本发明，但是本发明并未限定于这些例子。

(实施例1)

制作图2所示的半导体基板，该半导体基板具有图1所示的深度方向的浓度分布。但是，使用Fe作为过渡金属，低碳层16中的碳浓度设为5×10¹⁷原子/立方厘米，高碳层17中的碳浓度设为2×10¹⁸原子/立方厘米，低碳层16中的Fe的浓度设为3×10¹⁸原子/立方厘米。另外，低碳层16的厚度设为500nm，高碳层的厚度设为1600nm。

使用所制作的半导体基板来制作如图3所示的半导体元件。

(实施例2)

制作图2所示的半导体基板，该半导体基板具有图4所示的深度方向的浓度分布。但是，不将过渡金属添加至高电阻层15，低碳层16中的碳浓度设为3×10¹⁷原子/立方厘米，高碳层17中的碳浓度设为2×10¹⁸原子/立方厘米。另外，低碳层16的厚度设为100nm，高碳层的厚度设为1600nm。

使用所制作的半导体基板来制作如图3所示的半导体元件。

(实施例3)

以与实施例2同样的方式来制作半导体基板。但是，低碳层16的厚度设为200nm，高碳层17的厚度设为1500nm。

关于所制作的半导体基板，使用X射线衍射来测定低碳层16上的0002方向的GaN层(包括高碳层17)的结晶性。将结果显示在图8中。

使用所制作的半导体基板来制作如图3所示的半导体元件。

(实施例4)

以与实施例2同样的方式来制作半导体基板。但是，低碳层16的厚度设为400nm，高碳层17的厚度设为1300nm。

关于所制作的半导体基板，使用X射线衍射来测定低碳层16上的0002方向的GaN层(包括高碳层17)的结晶性。将结果显示在图8中。

使用所制作的半导体基板来制作如图3所示的半导体元件。

(比较例)

以与实施例2同样的方式来制作半导体基板。但是，不形成低碳层16，并且高碳层17的厚度设为1700nm。

关于所制作的半导体基板，使用X射线衍射来测定包括高碳层17的0002方向的GaN层的结晶性。将结果显示在图8中。

使用所制作的半导体基板来制作如图3所示的半导体元件(但是，不形成低碳层16)。

(实施例5)

制作图6所示的半导体基板，该半导体基板具有图5(a)所示的深度方向的浓度分布。

图5至图6所示的半导体基板10’的高电阻层15进一步在缓冲层14与低碳层16之间包括碳浓度比低碳层16更高的高碳层(第三区域)19，除此以外，该半导体基板10’的构成与图4、图2所示的半导体基板10相同。但是，不将过渡金属添加至高电阻层15，并且低碳层16中的碳浓度设为3×10¹⁷原子/立方厘米，高碳层17中的碳浓度设为2×10¹⁸原子/立方厘米，高碳层19中的碳浓度设为2×10¹⁸原子/立方厘米。另外，低碳层16的厚度设为100nm，高碳层17的厚度设为800nm，高碳层19的厚度设为800nm。

另外，如图5(b)所示，在低碳层16与高碳层17之间可设置碳浓度渐渐增加的过渡区域21。

使用所制作的半导体基板来制作如图7所示的半导体元件。

图7所示的半导体元件11’的高电阻层15进一步在缓冲层14与低碳层16之间包括碳浓度比低碳层16更高的高碳层(第三区域)19，除此以外，该半导体元件11’的构成与图3的半导体元件11相同。

由图8可知，随着低碳层16的膜厚增加，低碳层16上的GaN层的结晶性变高。即，与不形成低碳层16的比较例相比，形成有低碳层16的实施例3至4的半导体基板的低碳层16上的GaN层(包括高碳层17)的结晶性变高，在低碳层16的膜厚较厚的实施例4中，与低碳层16的膜厚较薄的实施例3相比，结晶性变得更高。

进一步，关于实施例1至5的半导体元件，与比较例的半导体元件相比，可确认纵向漏泄电流减少，沟道层中的电子迁移率的降低和电流坍塌的发生等受到抑制。

另外，本发明不限于上述实施方式。上述实施方式为示范，凡是具有与本发明的权利要求书中所记载的技术思想实质上相同的构成且达成同样作用效果的技术方案，都被包括于本发明的技术范围中。

例如，在各实施方式中，低碳层16、高碳层17、19的各层中的任一者的碳浓度可从半导体基板10、10’侧渐渐朝沟道18侧增加。