13族氮化物复合基板、半导体元件及13族氮化物复合基板的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半导体元件，特别涉及能够得到适合高频用途的半导体元件的13 族氮化物复合基板。
【背景技术】
[0002] 氮化物半导体因为具有高击穿电场、高饱和电子速度，所以作为下一代高频/大 功率器件用半导体材料备受关注。特别是通过层叠由AlGaN构成的层和由GaN构成的层而 形成的多层结构体具有通过氮化物材料特有的大的极化效应（自发极化效应和压电极化 效应）而在层叠界面（异质界面）生成高浓度的二维电子气（2DEG)的特征，所以正积极开 发将该多层结构体用作基板的高电子迀移率晶体管（HEMT)(例如参见非专利文献1)。
[0003] 手机基站等在大功率和高频（100W以上、2GHz以上）条件下动作的HEMT的情况 下，为了抑制发热导致的器件温度上升，希望使用热阻尽量低的材料进行制作。另一方面， 进行高频动作的HEMT的情况下，考虑到必须尽量抑制寄生电容，希望使用绝缘性高的材料 进行制作。使用氮化物半导体制作满足这些要件的器件的情况下，将有时可以生长良好的 氮化物膜、具有1 X 10s Ω cm以上的高电阻率的半绝缘性SiC基板用作基底基板。
[0004] 另一方面，还提出通过HVPE法（氢化物气相生长法）、M0CVD法等在导电性SiC基 板上沉积绝缘性的A1N膜，将其用作基底基板（例如参见非专利文献2)。
[0005] 但是，非专利文献2公开的方法中，形成在基底基板上的氮化物外延膜的结晶品 质取决于通过HVPE法形成的A1N膜的品质，所以为了提高氮化物外延膜的品质，必须提高 A1N膜的品质。然而，存在如下问题：在通过HVPE法生长A1N膜时，很难对其生长进行控制， 以使其结晶品质（例如位错密度等）在整个晶片上都是均匀的，结果出现外延膜甚至器件 的晶片面内的特性不一致的问题。
[0006] 另一方面，通过使用在导电性SiC基板上形成了掺杂钒的半绝缘性SiC膜的基底 基板，获得与使用半绝缘性SiC基板时相同的效果的方案也已为公众所知（例如参见专利 文献1)。
[0007] 另外，近些年，作为HEMT元件用基底基板，可期待更高性能以及可靠性的氮化镓 (GaN)基板被实用化。通过气相法、液相法制造 GaN基板的方案已为公众所知（例如参见专 利文献2以及专利文献3)。
[0008] 进而，如上所述，将氮化物半导体用于高频用途的情况下，希望基板没有寄生电 容。因此，即使在使用GaN基板的情况下，也希望使用半绝缘性的基板，但现状是半绝缘性 GaN基板价格昂贵，不容易购入。另一方面，导电性氮化镓基板的现状是价格较为低廉，容易 购入。原因在于，纵型LD用途正在进行量产。
[0009] 鉴于此，通过在导电性的GaN基板上形成掺杂碳（C)的GaN层来获得能够用于高 频用途的GaN基板的方案也已为公众所知（例如参见专利文献4)。但是，专利文献4公开 的方法中，电子渡越层的C浓度升高，难以提高器件性能。
[0010] 另外，通过掺杂锌（Zn)来获得高电阻的氮化物单晶的技术也已为公众所知（例如 参见专利文献5)。
[0011] 现有技术文献
[0012] 专利文献
[0013] 专利文献1:日本特开2010 - 062168号公报
[0014] 专利文献2:日本专利3631724号公报
[0015] 专利文献3:国际公开第2010/084675号
[0016] 专利文献4:日本特开2012 - 199398号公报
[0017] 专利文献5:日本专利5039813号公报
[0018] 非专利文献
[0019] 非专利文献 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] 非专利文献 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.
【发明内容】
[0021] 本发明是鉴于上述课题而提出的，目的在于提供一种13族氮化物复合基板以及 使用它制作的半导体元件，所述13族氮化物复合基板能够实现即使使用导电性的GaN基板 也适合高频用途的半导体元件。
[0022] 为了解决上述课题，本发明的第一方案是一种13族氮化物复合基板，包括：基材， 所述基材由GaN形成、呈η型导电性，基底层，形成在所述基材上、是电阻率为1 X 106 Ω cm以 上的13族氮化物层，沟道层，形成在所述基底层上、是杂质浓度的总和为lX1017/cm3以下 的GaN层，势皇层，形成在所述沟道层上、由组成为AlxIriyGaiuP'KO彡X彡1，0彡y彡1) 的13族氮化物形成。
[0023] 本发明的第二方案根据第一方案所涉及的13族氮化物复合基板，其中，上述基底 层是掺杂Zn的GaN层，所述掺杂Zn的GaN层是以1 X 10ls/cm3~2 X 10 'em3的浓度掺杂有 Zn的GaN层。
[0024] 本发明的第三方案根据第一方案所涉及的13族氮化物复合基板，其中，上述基底 层是含C的GaN层，所述含C的GaN层是以8 X 1016/cm3~3 X 10 ls/cm3的浓度含有C的GaN 层。
[0025] 本发明的第四方案根据第一方案所涉及的13族氮化物复合基板，其中，上述基底 层是由AlpGai _ PN (0· 1彡p彡0· 98)形成的AlGaN层。
[0026] 本发明的第五方案是一种半导体元件，包括：第一至第四方案中的任一方案所涉 及的13族氮化物复合基板，形成在所述13族氮化物复合基板的所述势皇层上、与所述势皇 层之间具有欧姆性接触的源电极以及漏电极，形成在所述13族氮化物复合基板的所述势 皇层上、与所述势皇层之间具有肖特基性接触的栅电极。
[0027] 本发明的第六方案是一种13族氮化物复合基板的制造方法，包括：基底层形成 工序，在由GaN形成的、呈η型导电性的基材上形成电阻率在IX 106Ω cm以上的13族氮 化物层作为基底层，沟道层形成工序，在所述基底层上形成杂质浓度的总和在1 X l〇17/Cm3以下的GaN层作为沟道层，势皇层形成工序，在所述沟道层上形成由组成为AlxInyG ai _x _yN(0彡x彡1、0彡y彡1)的13族氮化物构成的势皇层。
[0028] 本发明的第七方案根据第六方案所涉及的13族氮化物复合基板的制造方法，其 中，上述基底层形成工序是掺杂Zn的GaN层形成工序，即，作为所述基底层，形成以1 X 1018/ cm3~2X 10 19/cm3的浓度掺杂有Zn的GaN层。
[0029] 本发明的第八方案根据第六方案所涉及的13族氮化物复合基板的制造方法，其 中，上述基底层形成工序是含C的GaN层形成工序，即，作为所述基底层，形成以8X1016/ cm3~3 X 10 18/cm3的浓度含有C的GaN层。
[0030] 本发明的第九方案根据第六方案所涉及的13族氮化物复合基板的制造方法，其 中，上述基底层形成工序是形成由AlpGai _ ΡΝ (0. 1彡p彡0. 98)构成的AlGaN层作为所述基 底层的AlGaN层形成工序。
[0031] 根据第一至第九方案，能够提供可实现即使以导电性的GaN基板为基材也具有高 迀移率、另一方面栅-源电极间的电容被抑制、适合高频用途的半导体元件的13族氮化物 复合基板、以及该半导体元件。
[0032] 特别是根据第二至第四以及第七至第九方案，能够提供可实现即使以导电性的 GaN基板为基材也具有1000cm2/V · s以上的高迀移率、另一方面栅-源电极间的电容被抑 制成低于〇. lpF、适合高频用途的半导体元件的13族氮化物复合基板、以及该半导体元件。
【附图说明】
[0033] 图1是示意性地表示含有13族氮化物复合基板10而构成的HEMT元件20的截面 结构的图。
【具体实施方式】
[0034] 本说明书中记载的周期表的族号是根据1989年国际纯粹与应用化学联合会 (International Union of Pure Applied Chemistry :IUPAC)发布的无机化学命名法修订 版中的1~18族标法，13族是指铝（Al)、镓（Ga)、铟（In)等，15族是指氮（N)、磷（P)、砷 (As)、锑（Sb)等。
[0035] <复合基板以及HEMT元件的构成>
[0036] 图1是示意性地表示包含作为本发明所涉及的13族氮化物（III族氮化物）复合 基板的一个实施方式的13族氮化物复合基板10而构成的、作为本发明所涉及的半导体元 件的一个实施方式的HEMT元件20的截面结构的图。
[0037] 13族氮化物复合基板10包括基材（种基板）1、基底层（高电阻层）2 (2A、2B或 2C)、沟道层（低杂质层）3和势皇层4。另外，HEMT元件20在13族氮化物复合基板10上 (势皇层4上）设置有源电极5、漏电极6和栅电极7。应予说明，图1中各层的厚度比率并 不反映实际情况。另外，以下，将13族氮化物复合基板10中配设的、在沟道层3上设置有 势皇层4的构成称为HEMT结构。
[0038] 基材1是电阻率在1 Ω cm以下、呈n型导电性、（0001)面方位的GaN基板。对基 材1的厚度没有特别限定，如果考虑操作的容易性等，则优选为几百μπι~几 mm程度。作 为基材1，例如可以使用通过HVPE法等公知方法制作的块状GaN。
[0039] 基底层2是电阻率在1 X ΙΟ6 Ω cm以上的高电阻（半绝缘性的）13族氮化物层。基 底层2优选以8 μm以上的厚度进行设置，更优选以10 μm~200 μm的厚度进行设置。
[0040] 优选基底层2为掺杂Zn的GaN层2A、含C的GaN层2B或AlGaN层2C中的任一 者。各层的详细情况如后所述。
[0041] 沟道层3是通过M0CVD法形成的、杂质浓度的总和在1 X 1017/cm3以下的GaN层。 沟道层3是至少与基底层2相比杂质浓度小的层。
[0042] 沟道层3中的代表性杂质是C。因此，