专利名称：半导体元件用外延基板、半导体元件及半导体元件用外延基板的制作方法
技术领域：
本发明涉及由III族氮化物半导体构成的、具有多层结构的外延基板，特别是电 子设备用的多层结构外延基板及其制作方法。
背景技术：
氮化物半导体由于具有高击穿电场、高饱和电子速度，所以作为下一代的高频率/ 高功率设备用半导体材料而获得关注。例如，由AlGaN构成的势垒层和由GaN构成的沟道 层积层形成的HEMT(高电子迁移率晶体管)元件是利用如下特征的元件，即通过氮化物材 料所特有的强极化作用(自发极化作用和压电极化作用)，在积层界面(异质界面)生成高 浓度的二维电子气(2DEG)(参见例如非专利文献1)。作为HEMT元件用基板的基底基板，有时使用例如像硅、SiC这样的组成与III族氮 化物不同的单晶(异种单晶)。此时，通常应变超晶格层、低温生长缓冲层等缓冲层作为初 期生长层在基底基板之上形成。因此，在基底基板上外延形成势垒层、沟道层以及缓冲层， 成为使用由异种单晶构成的基底基板的HEMT元件用基板的最基本的构成形式。此外，为了 促进二维电子气的空间封闭性，有时在势垒层和沟道层之间还设置厚度为Inm左右的隔离 层。隔离层由例如AlN等构成。此外，为了控制HEMT元件用基板的最表面的能级，改善与 电极的接触特性，有时还在势垒层之上形成例如由η型GaN层和超晶格层构成的帽层。已知在用GaN形成沟道层、用AlGaN形成势垒层的、所谓最一般结构的氮化物HEMT 元件的情况下，HEMT元件用基板内存在的二维电子气的浓度随着形成势垒层的AlGaN中的 AlN摩尔分数的增加而增加(参见例如非专利文献2)。认为如果能够大幅增加二维电子气 浓度，就能够大幅提高HEMT元件的可控电流密度、即可操控的功率密度。另外，像用GaN形成沟道层、用InAlN形成势垒层的HEMT元件之类的具有小应变 结构的HEMT元件也引起关注，所述小应变结构对压电极化作用的依存性较小，可以几乎只 通过自发极化来生成高浓度的二维电子气(参见例如非专利文献3)。现有技术文献非专利文献1 “ Highly Reliable 250W High Electron Mobility Transistor Power Amplifier"，TOSHIHIDE KIKKAWA,Jpn.J.Appl. Phys. 44, (2005),4896非专利文献 2: “ Gallium Nitride Based High Power Heterojuncion Field Effect Transistors :process Development and Present Status at USCB " , Stacia Keller, Yi-Feng Wu, Giacinta Parish, Naiqian Ziang, Jane J. Xu, Bernd P. Keller, Steven P. DenBaars,and Umesh K. Mishra,IEEE Trans. Electron Devices 48, (2001),552非专利文献 3: “ Can InAlN/GaN be an alternative to high power/high temperature AlGaN/GaN devices ？ " , F. Medjdoub, J. -F.Carlin, M. Gonschorek, E. Feltin,M. A. Py,D. Ducatteau,C. Gaquiere,N. Grandjean,and E. Kohn,IEEE IEDM Tech. Digest in IEEE IEDM 2006,67
发明内容
发明要解决的课题为使这样的HEMT元件或者其制作过程中使用的多层结构体——HEMT元件用基板 实用化，需要解决功率密度增大、高效化等与性能提高有关的课题、常闭动作化等与功能增 强有关的课题、高可靠性和低价格化这些基本课题等等各种课题。对于每一个课题都作了 不懈的努力。以上课题之一是提高源电极、漏电极与势垒层的欧姆接触特性。本发明是鉴于上述课题而做出的，其目的是提供一种半导体元件用的外延基板， 所述外延基板可实现欧姆接触特性优良、并且具有良好的设备特性的半导体元件。解决课题的手段为了解决上述课题，权利要求1的发明是一种外延基板，具有基底基板；由至少 含有Al和Ga、组成为InxlAlylGazlN(xl+yl+zl = 1)的第一 III族氮化物构成的沟道层；由 至少含有In和Al、组成为Inx2Aly2Gaz2N(x2+y2+z2 = 1)的第二 III族氮化物构成的势垒 层，其特征在于，上述势垒层包括表面、从所述表面起在深度方向规定距离范围以内的表面 附近部以及从所述表面起在深度方向的距离大于规定距离范围的基部，所述表面的In组 成比相对于所述基部的In组成比要大。权利要求2的发明是权利要求1所述的半导体元件用外延基板，其特征在于， 所述规定距离范围大于等于6nm，在将上述基部的上述第二 III族氮化物的组成表示为 Inx2αAly2aGaz2aN(x2 a +y2 a+z2 a = 1)、将上述表面附近部的上述第二 III族氮化物的组 成表示为 Inx2eAly20Gaz2eN(χ2 β+y2 β+ζ2 β =1)的情况下，1· 05 ≤ x2 β/x2 α ≤ 1· 1。权利要求3的发明是权利要求1或2所述的半导体元件用外延基板，其特征在于， 上述第一 III族氮化物的组成在由Xl = 0、0 ^ Yl^ 0.3所确定的范围内，并且，上述第二 III族氮化物的组成是在以InN、AlN和GaN为顶点的三元状态图上，根据上述第一 III族 氮化物的组成确定的以下各式所表示的直线围成的范围内数1:
权利要求
1.一种半导体元件用外延基板，具有 基底基板；由至少含有A1和Ga、组成为InxlAlylGazlN(Xl+yl+Zl = 1)的第一 III族氮化物构成的 沟道层；由至少含有In和A1、组成为Inx2Aly2Gaz2N(X2+y2+Z2 = 1)的第二 III族氮化物构成的势垒层，其特征在于，上述势垒层包括表面、从所述表面起在深度方向规定距离范围以内的表 面附近部以及从所述表面起在深度方向的距离大于规定距离范围的基部，所述表面的In 组成比相对于所述基部的In组成比要大。
2.权利要求1所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，所述规定距 离范围大于等于6nm，在将上述基部的上述第二 III族氮化物的组成表示为 Inx2aAly2aGaz2aN(x2 a +y2 a+z2 a = 1)、将上述表面附近部的上述第二 III族氮化物的组 成表示为 Inx2eAly2eGaz2eN(x2 0+y2 0+z2 0 =1)的情况下，1. 05 彡 x2 0/x2 a 彡 1. 1。
3.权利要求1或2所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，上述第一III族氮化物 的组成在由xl = 0、0 ^yl ^0.3所确定的范围内，并且，上述第二 III族氮化物的组成是在以InN、A1N和GaN为顶点的三元状态图上，根据上 述第一 III族氮化物的组成确定的以下各式所表示的直线围成的范围内数1
4.权利要求3所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，上述第二 III族氮化物的组 成是在以InN、A1N和GaN为顶点的三元状态图上，根据上述第一 III族氮化物的组成确定 的以下各式所表示的直线围成的范围内数6
5.权利要求1至4中任一项所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，上述第一 III 族氮化物是GaN。
6.权利要求1至5中任一项所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，在 上述沟道层与上述势垒层之间还具有隔离层，所述隔离层由至少含有A1、组成为 Inx3Aly3GaZ3N(x3+y3+z3 = 1)的第三III族氮化物所构成，所述隔离层具有比上述势垒层大 的带隙能。
7.权利要求6所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，上述第三III族氮化物的组 成在由x3 = 0、0 ^ z3 ^ 0. 05确定的范围内。
8.权利要求7所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，上述第三III族氮化物是A1N。
9.一种半导体元件，是在权利要求1至8中任一项所述的半导体元件用外延基板的上 述势垒层之上设置源电极、漏电极和栅电极而形成的。
10.一种半导体元件用外延基板的制作方法，包括沟道层形成步骤，即在基底基板之上形成由第一 III族氮化物构成的沟道层，所述第 一 III族氮化物至少含有A1和Ga、具有InxlAlylGazlN(Xl+yl+Zl = 1)的组成；势垒层形成步骤，即在上述沟道层之上形成由第二 III族氮化物构成的势垒层，所述 第二 III族氮化物至少含有In和A1、具有Inx2Aly2Gaz2N(X2+y2+Z2 = 1)的组成，其特征在于，在上述势垒层形成步骤中，上述势垒层包括表面、从所述表面起在深度方 向规定距离范围以内的表面附近部以及从所述表面起在深度方向的距离大于规定距离范 围的基部，其形成方式为所述表面的In组成比相对于所述基部的In组成比要大。
11.权利要求10所述的半导体元件用外延基板的制作方法，其特征在于，在上述势垒 层形成步骤中，以下述方式形成上述势垒层所述规定距离范围大于等于6nm，在将上述基部的上述第二 III族氮化物的组成表 示为Inx2aAly2aGaz2aN(x2a+y2a+z2a = 1)、将上述表面附近部的上述第二 III族氮化 物的组成表示为Inx2eAly2eGaz2eN(X2 0+y2 0+Z2 0 = 1)的情况下，满足1.05≤x2x2a ≤ 1. 1。
12.权利要求10或11所述的半导体元件用外延基板的制作方法，其特征在于，上述第
全文摘要
提供一种外延基板，所述外延基板能够实现欧姆接触特性优良、并具有良好的设备特性的半导体元件。采用的解决手段为在基底基板之上形成由第一III族氮化物构成的沟道层，所述第一III族氮化物至少含有Al和Ga、具有Inx1Aly1Gaz1N(x1+y1+z1＝1)的组成；在上述沟道层之上形成由第二III族氮化物构成的势垒层，所述第二III族氮化物至少含有In和Al、具有Inx2Aly2Gaz2N(x2+y2+z2＝1)的组成，并且所述势垒层的形成方式为表面附近部的In组成比相对于表面附近部以外的部分的In组成比要大。
文档编号H01L29/778GK102005471SQ201010251920
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月28日
发明者三好実人, 仓冈义孝, 市村干也, 杉山智彦, 田中光浩, 角谷茂明 申请人:日本碍子株式会社