半导体基板及半导体元件的制作方法

本发明涉及一种半导体基板及半导体元件，所述半导体元件是使用所述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，已被用在以高频且高输出运作的功率元件等。尤其，作为适用于以微波、亚毫米波、毫米波等高频带进行放大的功率元件，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，已知一种半导体基板，是在Si(硅)基板上将缓冲层、GaN(氮化镓)层、由AlGaN(氮化铝镓)所构成的阻障层，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，能够通过提升晶体管的关闭特性，且利用抑制纵向泄漏，来达成高耐压化。因此，将碳掺杂至GaN层中，因而在GaN晶体中形成深能阶，来抑制n型传导。

另一方面，如果GaN层中的上部的层作为通道层来发挥性能，且形成捕捉载子的能阶，则可能会由于杂质散射而导致迁移率下降或电流坍塌(输出电流特性的再现性劣化的现象)，因此需要使碳等的浓度充分下降(参照专利文献1～3)。

此外，在专利文献4已揭示一种通过添加Fe(铁)至GaN层中来谋求高电阻化的技术(参照图6)，也已揭示一种进一步添加碳以使Fe的能阶稳定化的技术(参照图7)。

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：日本特开第2006-332367号公报；

专利文献3：日本特开第2013-070053号公报；

专利文献4：日本特开第2012-033646号公报；

专利文献5：日本特许第5064824号公报。

技术实现要素：

发明所要解决的问题

但是，如专利文献5所揭示，如果添加Fe至GaN层中，所述上层的GaN层会以拖尾的方式包含Fe(意指Fe浓度呈现拖尾分布，且尾部在所述上层的GaN层中)，因此，为了使Fe的能阶稳定化，也需要添加碳至上层的GaN层中。

但是，图6所示的GaN层116的电子供给层118侧的区域119是作为通道层来发挥性能，因此以如上所述的方式来添加碳至作为主动层的GaN层中，则是不理想的。

于是，也可以考虑如图8所示，在第2GaN层122中，在与Fe相同时间点，使碳浓度朝向作为通道层来发挥性能的第3GaN层124侧逐渐减少，但是此时会有下述问题：第2GaN层122的第3GaN层124侧的区域中含有的Fe和碳并不多，且厚度方向和横向的电阻下降，因而使所述区域不能够充分发挥作为高电阻层的性能。

本发明是有鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种半导体基板及使用所述半导体基板制作而成的半导体元件，所述半导体基板能够一面降低通道层内的碳浓度和过渡金属浓度，一面实现更高电阻的高电阻层。

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；所述基板上的缓冲层；高电阻层，由所述缓冲层上的氮化物系半导体构成，包含过渡金属和碳；以及，通道层，由所述高电阻层上的氮化物系半导体构成；所述半导体基板的特征在于，所述高电阻层具有减少层，所述减少层邻接于所述通道层，并且所述过渡金属浓度是自所述缓冲层侧朝向所述通道层侧减少；碳浓度朝向所述通道层减少的减少率，比所述过渡金属浓度朝向所述通道层减少的减少率更大。

如此一来，将减少层设置于高电阻层内，所述减少层邻接于通道层并且其过渡金属浓度是自缓冲层侧朝向通道层侧减少，且使碳浓度朝向通道层减少的减少率，比过渡金属浓度朝向通道层减少的减少率更大，由此，能够使至减少层的较靠近通道层侧的区域为止的碳浓度变高，另一方面能够降低通道层内的碳浓度，因此，能够一面维持高电阻层的通道层侧的高电阻，一面降低通道层内的碳浓度和过渡金属浓度。

此时，优选为，所述通道层的平均碳浓度比所述减少层的平均碳浓度更低。

可以通过此种构成，一面抑制通道层内的电流坍塌发生或载子的迁移率下降，一面谋求高电阻层中的厚度方向的更高的高电阻化。

此时，优选为，至所述缓冲层侧的所述减少层的碳浓度减少的部分为止的碳浓度自所述缓冲层侧朝向所述通道层侧增加，或为固定值。

可以通过此种构成，利用碳来补偿过渡金属浓度的减少，因此，更确实地抑制由于减少层中的过渡金属浓度减少所引起的电阻减少。

此时，优选为，所述减少层中，碳浓度与过渡金属浓度的合计值为1×10¹⁸原子/cm³以上且1×10²⁰原子/cm³以下。

如果碳浓度与过渡金属浓度的合计值在上述范围内，可以适当地维持减少层的高电阻。

此时，优选为，所述减少层的厚度为500nm以上且3μm以下，且所述减少层中所述过渡金属是自1×10¹⁹原子/cm³以上且1×10²⁰原子/cm³以下的浓度減少至1×10¹⁶原子/cm³以下。

如果减少层的厚度为500nm以上，能够使过渡金属浓度减少至足够低的浓度为止，如果减少层的厚度为3μm以下，能够防止在基板周围部容易产生开裂。

此外，可以适当使用上述浓度梯度，作为减少层中的过渡金属的浓度梯度。

此时，优选为，所述高电阻层进一步具有所述过渡金属浓度为固定值的层。

可以通过此种构成，使高电阻层更厚，因此能够使纵向(厚度方向)的漏电流更小。

此时，可以将所述过渡金属设为Fe。

如此一来，可以适当使用Fe作为过渡金属。

此外，本发明提供一种半导体元件，其特征在于，使用上述半导体基板制作而成，在所述通道层上设置有电极。

如此一来，如果是使用本发明的半导体基板所制作而成的半导体元件，能够使至减少层的较靠近通道层侧的区域为止的碳浓度变高，另一方面能够降低通道层内的碳浓度，因此，能够一面维持高电阻层的通道层侧的高电阻，一面降低通道层内的碳浓度和过渡金属浓度，且一面抑制通道层内的载子的迁移率下降一面提高纵向的电阻，由此，可以利用抑制晶体管的纵向泄漏来高耐压化。

发明效果

如上所述，根据本发明，能够使至减少层的较靠近通道层侧的区域为止的碳浓度变高，另一方面能够降低通道层内的碳浓度，因此，能够一面降低通道层内的碳浓度和过渡金属浓度，一面谋求高电阻层的通道层侧的高电阻化，并且，一面抑制通道层内的载子的迁移率下降，一面提高纵向的电阻，由此，可以利用提升晶体管的关闭特性且抑制纵向泄漏，来高耐压化。因此，可以通过本发明的半导体基板，制作高质量的HEMT等功率元件。

附图说明

图1是表示半导体基板的深度方向的浓度分布的图，所述半导体基板表示本发明的实施方式的一个示例。

图2是表示本发明的实施方式的一个示例的半导体基板的剖面图。

图3是表示本发明的实施方式的一个示例的半导体基板的剖面图。

图4是表示实施例和比较例1的电流坍塌的Vds相依性的图。

图5是表示实施例和比较例2的纵向漏电流与纵向电压的关系的图。

图6是表示在以往的GaN层中添加有Fe而成的半导体基板的深度方向的浓度分布的图。

图7是表示在以往的GaN层中添加有Fe和碳而成的半导体基板的深度方向的浓度分布的图。

图8是表示在以往的GaN层中添加有Fe和碳且使碳浓度具有梯度的半导体基板的深度方向的浓度分布的图。

图9是表示比较例1的半导体基板的深度方向的浓度分布的图。

图10是表示比较例2的半导体基板的深度方向的浓度分布的图。

具体实施方式

如前所述，如果添加Fe至GaN层中，所述上层的GaN层也会以拖尾的方式包含Fe，因此，为了使Fe的能阶稳定化，也需要添加碳至上层的GaN层中，但是图6所示的GaN层116的电子供给层118侧的区域119是作为通道层来发挥性能，因此以如上所述的方式来添加碳至作为主动层的GaN层中，则是不理想的。

于是，也可以考虑如图8所示，在第2GaN层122中，在与Fe相同时间点，使碳浓度朝向作为通道层来发挥性能的第3GaN层124侧逐渐减少，但是此时会有下述问题：第2GaN层122的第3GaN层124侧的区域中含有的Fe和碳并不多，且厚度方向和横向的电阻下降，因而不能够充分发挥作为高电阻层的性能。

于是，本发明人反复专心研究一种半导体基板，其能够一面降低通道层内的碳浓度和过渡金属浓度，一面实现更高电阻的高电阻层。其结果发现，在高电阻层内设置减少层，所述减少层邻接于通道层，并且其过渡金属浓度是自缓冲层侧朝向通道层侧减少，且使碳浓度朝向通道层减少的减少率，比过渡金属浓度朝向通道层减少的减少率更大，由此，能够使至减少层的较靠近通道层侧为止的区域的碳浓度变高，另一方面能够降低通道层内的碳浓度，因此，能够一面降低通道层内的碳浓度和过渡金属浓度，一面实现更高电阻的高电阻层，因而完成本发明。

以下，作为实施方式的一个示例，一边参照附图一边详细地说明本发明，但是本发明并不受限于此例。

首先，一边参照图1～2一边说明本发明的一个示例的半导体基板。

图1是表示本发明的一个示例的半导体基板的深度方向的浓度分布的图，图2是本发明的一个示例的半导体基板的剖面图。

图2所示的半导体基板10具有：基板12、缓冲层14，其设置于基板12上；高电阻层15，其是由设置于缓冲层14上的氮化物系半导体(例如GaN)所构成，且包含作为杂质的过渡金属和碳；以及，主动层22，其设置于高电阻层15上。

此处，基板12，例如是由Si或SiC(碳化硅)所构成的基板。此外，缓冲层14，例如是由积层体所构成而成的层，所述积层体是下述各层所重复积层而成：第一层，其由氮化物系半导体所构成；以及，第二层，其由与第一层组成不同的氮化物系半导体所构成。

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

具体而言，第一层可以设为AlN，第二层可以设为GaN。

主动层22具有：通道层18，其由氮化物系半导体所构成；以及，阻障层20，其由设置于通道层18上的氮化物系半导体所构成。通道层18，例如是由GaN所构成；阻障层20，例如是由AlGaN所构成。

高电阻层15包含：固定层16，其过渡金属(种类和含量)为固定；以及，减少层17，其邻接于通道层18，并且过渡金属是自缓冲层14侧朝向通道层18减少。

另外，在图1～2中，是表示高电阻层15包含固定层16的情况，但是高电阻层15也可以不包含固定层16。

此外，缓冲层14可以包含Fe、碳。

在高电阻层15中，碳浓度减少的部分，比过渡金属浓度减少的部分，更靠近通道层18侧，因而碳与过渡金属的浓度减少的位置，在厚度方向上不同。此外，碳浓度朝向通道层18减少的减少率，比过渡金属浓度朝向通道层18减少的减少率更大。

如上所述，在高电阻层15内设置减少层17，所述减少层17邻接于通道层18，并且其过渡金属浓度是自缓冲层14侧朝向通道层18侧减少，且使碳浓度朝向通道层18减少的减少率，比过渡金属浓度朝向通道层18减少的减少率更大，由此，能够使至减少层17的较靠近通道层18侧的区域为止的碳浓度变高，另一方面能够降低通道层18内的碳浓度，因此，能够一面降低通道层18内的碳浓度和过渡金属浓度，一面谋求高电阻层15的通道层18侧的高电阻化。

优选为，在半导体基板10中，通道层18的平均碳浓度比减少层17的平均碳浓度更低。

可以通过此种构成，一面抑制通道层内的电流坍塌发生或载子的迁移率下降，一面维持减少层的高电阻。

优选为，在半导体基板10中，至减少层17的所述碳浓度减少的部分为止的碳浓度，是自缓冲层14侧朝向通道层18侧增加、或为固定值。

可以通过使碳浓度减少的区域，比过渡金属浓度减少的区域更靠近通道层侧，利用碳来补偿过渡金属浓度的减少，因此，能够抑制由于减少层中的过渡金属浓度减少所引起的电阻减少。

优选为，在减少层17中，碳浓度与过渡金属浓度的合计值为1×10¹⁸原子/cm³以上且1×10²⁰原子/cm³以下。

如果碳浓度与过渡金属浓度的合计值在上述范围内，能够适当地维持减少层的高电阻。

优选为，在半导体基板10中，减少层17的厚度为500nm且3μm以下；在减少层17中，过渡金属是自1×10¹⁹原子/cm³以上且1×10²⁰原子/cm³以下的浓度，减少至1×10¹⁶原子/cm³以下的浓度。

如果减少层的厚度为500nm以上，能够使过渡金属浓度减少至足够低的浓度为止，如果减少层的厚度为3μm以下，能够防止基板过厚。

此外，可以适当使用上述浓度梯度，作为减少层中的过渡金属的浓度梯度。

可以用Fe作为过渡金属，其比碳更容易高电阻化。另外，作为过渡金属，也可以使用Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn等。

另外，Fe浓度的控制，除了表面偏析(surface segregation)等所导致的自掺杂(autodoping)效应以外，还可以通过Cp2Fe(双(环戊二烯)铁)的流量控制来实行。

因为Fe是如上所述通过偏析等进行自掺杂，所以较难使Fe浓度急剧地减少。

另外，碳的添加可以通过下述方式进行：在以有机金属气相外延法(metal organic vapor phase epitaxy，MOVPE)使氮化物系半导体层成长时，将原料气体(TMG(三甲基镓)等)所含的碳掺入膜中；也可以通过丙烷等掺杂气体来实行。

此外，可以利用控制氮化物系半导体层的成长温度、炉内压力等，来使碳浓度急剧地减少。

因此，相较于Fe等过渡金属的浓度，能够较容易地使碳浓度急剧地减少。

接着，一边参照图3一边说明本发明的一个示例的半导体元件。

图3是本发明的一个示例的半导体元件的剖面图。

半导体元件11是使用本发明的一个示例的半导体基板10制作而成，其具有第一电极26、第二电极28、控制电极30，该等电极设置于主动层22上。

在半导体元件11中，第一电极26和第二电极28是以下述方式配置：电流可以自第一电极26，经由形成于通道层18内的二维电子气体层24，而流向第二电极28。

在第一电极26与第二电极28之间流动的电流，可以通过被施加在控制电极30上的电位来进行控制。

半导体元件11是使用本发明的一个示例的半导体基板10所制作而成，能够使至减少层17的较靠近通道层18侧的区域为止的碳浓度变高，另一方面能够降低通道层18内的碳浓度，因此，能够一面维持高电阻层15的通道层侧的高电阻，一面降低通道层18内的碳浓度和过渡金属浓度，且一面抑制通道层18内的载子的迁移率下降，一面提高纵向和横向的电阻，由此，能够通过提升晶体管的关闭特性且抑制纵向泄漏，来达成高耐压化。

[实施例]

以下，示出实施例及比较例来更具体地说明本发明，但是本发明并不受限于这些例子。

(实施例)

在图2的半导体基板10中，使用硅基板作为基板12，且作为缓冲层14，使用在积层体中添加Fe而成者，所述积层体是由AlN层与GaN层重复积层而成，并使用GaN层作为高电阻层15，且在高电阻层15中设置有Fe浓度减少的减少层17。

此外，在距离半导体基板10表面1μm左右的区域中，使Fe浓度减少至1×10¹⁶原子/cm³程度以下。另外，Fe浓度的控制，除了通过偏析等所导致的自掺杂效应以外，还可以通过Cp₂Fe(双(环戊二烯)铁)的流量控制来进行。

进一步，在减少层17中，以碳浓度朝向表面增加的方式来添加碳，来补偿Fe浓度减少。

此外，在距离半导体基板10表面1μm左右的区域中，使碳浓度能够急剧减少至1×10¹⁶原子/cm³程度。

在本实施例中，因为在高电阻层15中添加有Fe，所以能够有效地高电阻化。

以上述方式制作的半导体基板，是通过二次离子质谱法(secondary ion mass spectroscopy，SIMS)分析来测量浓度曲线。其结果确认，碳浓度、Fe浓度具有如图1所示的浓度分布。

使用上述半导体基板来制作如图3所示的半导体元件。

对所制作的半导体元件，测量其电流坍塌的Vds(电极26与电极28的电位差)相依性及纵向漏电流与纵向电压的关系。其结果如图4～5所示。另外，图4的纵轴是R_ON比，其是以非坍塌状态(一般状态)的导通电阻(on-resistance)R_ON与坍塌状态的导通电阻R_ON’的比值R_ON’/R_ON来定义，且以R_ON比来表示由于坍塌而导致导通电阻上升多少程度。

(比较例1)

以与实施例相同方式进行来制作半导体基板。但是不形成减少层，而使所述半导体基板成为具有如图9所示的深度方向的浓度分布。在比较例1的半导体基板中，在通道层18中，Fe呈现拖尾分布。

使用上述半导体基板来制作如图3所示的半导体元件(但是未形成减少层17)。

对所制作的半导体元件，测量其电流坍塌的Vds(电极26与电极28的电位差)相依性。其结果如图4所示。

(比较例2)

以与实施例相同方式进行来制作半导体基板。但是不添加Fe至高电阻层16中而仅添加碳，使所述半导体基板成为具有如图10所示的深度方向的浓度分布。

使用上述半导体基板来制作如图3所示的半导体元件(但是未形成减少层17)。

对所制作的半导体元件，测量其纵向漏电流与纵向电压的关系。其结果如图5所示。

由图4可知，在实施例的半导体元件中，相较于比较例1的半导体元件，电流坍塌受到抑制。此被认为原因在于，在通道层中Fe和碳浓度足够低。

此外，由图5可知，在实施例的半导体元件中，相较于比较例2的半导体元件，纵向漏电流较低。此被认为原因在于，通过以碳来填补减少层中的Fe浓度所减少的部分，而在减少层中实现了更高电阻。

另外，本发明并不受限于上述实施方式。上述实施方式为示例，具有与本发明的权利要求书所述的技术思想实质相同的构成并发挥相同作用效果的技术方案，均包含在本发明的技术范围内。