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

提供一种外延基板，所述外延基板能够实现肖特基接触特性优良、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组成比要小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及由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。 
技术介绍
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1nm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n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 IEDM2006，673--> 
技术实现思路
专利技术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栅电极与势垒层的肖特基接触特性。 本专利技术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肖特基接触特性优良、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的专利技术是一种外延基板，具有：基底基板；由至少含有Al和Ga、组成为Inx1Aly1Gaz1N(x1+y1+z1＝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组成比要小。 权利要求2的专利技术是权利要求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Inx2αAly2αGaz2αN(x2α+y2α+z2α＝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Inx2βAly2βGaz2βN(x2β+y2β+z2β＝1)的情况下，0.9≤x2β/x2α≤0.95。 权利要求3的专利技术是权利要求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x1＝0、0≤y1≤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】： x2=y2-(0.36+0.5y1)1.78=-z2-(0.64-0.5y1)2.78]]>【数2】： x2=y2-(0.45+y1)4.5=-z2-(0.55-y1)5.5]]>【数3】： x2=-y2-(0.9-0.7y1)4.5=z2-(0.1+0.7y1)3.5]]>【数4】： z 2＝0 【数5】：--> 权利要求4的专利技术是权利要求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、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6】： x2=y2-(0.5+0.5y1)1.78=-z2-(0.5-0.5y1)2.78]]>【数7】： x2=y2-(0.45+y1)4.5=-z2-(0.55-y1)5.5]]>【数8】： x2=-y2-(0.9-0.7y1)4.5=z2-(0.1+0.7y1)3.5]]>【数9】： z 2＝0 【数10】： 权利要求5的专利技术是权利要求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。 权利要求6的专利技术是权利要求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Al、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。 权利要求7的专利技术是权利要求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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体元件用外延基板，具有：基底基板；由至少含有Ａｌ和Ｇａ、组成为Ｉｎ↓［ｘ１］Ａｌ↓［ｙ１］Ｇａ↓［ｚ１］Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝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Ｉｎ↓［ｘ２］Ａｌ↓［ｙ２］Ｇａ↓［ｚ２］Ｎ（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组成比要小。

【技术特征摘要】
JP 2009-8-28 2009-1982661.一种半导体元件用外延基板，具有：基底基板；由至少含有Al和Ga、组成为Inx1Aly1Gaz1N(x1+y1+z1＝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组成比要小。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Inx2αAly2αGaz2αN(x2α+y2α+z2α＝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Inx2βAly2βGaz2βN(x2β+y2β+z2β＝1)的情况下，0.9≤x2β/x2α≤0.95。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x1＝0、0≤y1≤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】：x2=y2-(0.36+0.5y1)1.78=-z2-(0.64-0.5y1)2.78]]>【数2】：x2=y2-(0.45+y1)4.5=-z2-(0.55-y1)5.5]]>【数3】：x2=-y2-(0.9-0.7y1)4.5=z2-(0.1+0.7y1)3.5]]>【数4】：z 2＝0【数5】：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、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6】：x2=y2-(0.5+0.5y1)1.78=-z2-(0.5-0.5y1)2.78]]>【数7】：x2=y2-(0.45+y1)4.5=-z2-(0.55-y1)5.5]]>【数8】：x2=-y2-(0.9-0.7y1)4.5=z2-(0.1+0.7y1)3.5]]>【数9】：z 2＝0【数10】：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：三好実人，仓冈义孝，角谷茂明，市村干也，杉山智彦，田中光浩，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]