本发明专利技术提供一种通态电阻低且常闭动作型的半导体元件。半导体元件用外延基板具备：基底基板；沟道层，其至少含有Al和Ga，且由Inx1Aly1Gaz1N（x1+y1+z1＝1）组成的第一III族氮化物构成；势垒层，其至少含有In和Al，且由Inx2Aly2Gaz2N（x2+y2+z2＝1）组成的第二III族氮化物构成。第一III族氮化物的组成在由x1＝0，0≦y1≦0.3决定的范围内，第二III族氮化物的组成在以InN、AlN、GaN为顶点的三维图上，由根据第一III族氮化物的组成决定的、以下各式所表示的直线包围的范围内，势垒层的厚度为3nm以下，并且，在势垒层之上，进而具备有由氮化硅构成且具有3nm以下的厚度的低结晶性绝缘层。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种由III族氮化物半导体构成的多层结构外延基板，尤其涉及一种半导体元件用多层结构外延基板和其制作方法、以及该半导体元件。
技术介绍
III族氮化物半导体具有高绝缘击穿电场、高饱和电子速度，因此作为新时代的高频率/大功率的电子器件用半导体材料而受到关注。例如，将由AlGaN构成的势垒层和由GaN构成的沟道层层叠而成的HEMT(High Electron Mobility Transistor:高电子迁移率晶体管)元件是利用以下特征的元件:根据氮化物材料特有的强极化作用(自发极化效应和压电极化效应)在层叠界面(异质界面)上生成高浓度的二维电子气(2DEG)(例如，参照非专利文献I)。作为在HEMT元件用基板的基底基板，有时使用组成与III族氮化物不同的单晶(异种单晶)，例如硅或SiC等。此时，通常应变超晶格层或低温生长缓冲层等的缓冲层作为初始生长层，形成在基底基板之上。由此，在基底基板之上外延形成势垒层、沟道层以及缓冲层，成为使用了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方式。除此之外，为了促进二维电子气的空间上的封闭性，有时还在势垒层和沟道层之间设置厚度为Inm左右的隔离层。隔离层由例如AlN等构成。进而，为了控制HEMT元件用基板的最表面的能级、或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层或超晶格层构成的保护层。要使这种HEMT元件或用于其制作的多层结构体的HEMT元件用基板实用化，有必要解决功率密度增大、高效率化等与性能提高相关的课题、常闭动作化等与功能性增强相关的课题、高可靠性和低成本化这些基本课题等各种课题，并针对每个课题做了不懈的努力。为人们所知的技术如下:例如，由GaN形成沟道层、由AlGaN形成势垒层的、最常规结构的氮化物HEMT元件的情况下，在HEMT元件用基板内部存在的二维电子气的浓度随着形成势垒层的AlGaN的AlN摩尔分数的增加而增加(例如，参照非专利文献2)。可以认为，如果可以大幅度提高二维电子气浓度，便可以大幅度提高HEMT元件的可控制电流密度、即操作的功率密度。另外，如由GaN形成沟道层、由InAlN形成势垒层的HEMT元件，具有如下结构的HEMT元件也受到关注:对压电极化作用的依赖小、几乎只靠自发极化便能够以高浓度生成二维电子气、且变形少(例如，参照非专利文献3)。就常闭动作化而言，电子设备，尤其是就承担控制功率的功率半导体器件而言，从安全装置(fail safe)的观点来看，通常优选进行常闭动作，即，在未从外部输入电信号的状态下进行导通阻止状态的动作。一方面，由III族氮化物半导体构成的HEMT元件是如上所述的利用生成在异质界面的二维电子气的设备，因此，本来在常开动作中比在常闭动作中显示更优异的导通特性，即，显示低的通态电阻。作为实现由III族氮化物半导体构成的HEMT元件的常闭动作的方法，有以下公知的方法。例如，对于由GaN形成沟道层、由AlGaN形成势垒层的肖特基栅结构型的氮化物HEMT元件，以下公知的方法:(1)通过使AlGaN势垒层的厚度变薄，从而使栅极阈值电压(以下，简称为阈值电压)变换为正方向的值，进而完成常闭化的方法(例如参照非专利文献4 ),(2)只在栅极电极正下方实施凹槽蚀刻(recess etching)的方法(例如参照非专利文献5)坐寸ο或者，还有以下公知的方法:(3)凹槽栅结构型的HEMT元件中代替肖特基接合而采用经由绝缘层的MIS (金属-绝缘体-半导体)结构的方法(例如参照非专利文献6和非专利文献7)，(4)制作使用MIS型的栅结构的翻转槽结构的HEMT元件的方法等(例如参照非专利文献8)。进而，还有如下的方法:(5)由全III族元素的Al摩尔分数为0.3以下的AlGaN形成沟道层，由规定组成范围内的InAlGaN形成势垒层，由此实现了二维电子气浓度在2X IO1Vcm2以上且可进行常闭动作的HEMT元件的方法(例如，参照专利文献I)。在上述使HEMT元件常闭动作化的方法中，除方法5，均存在制造工艺复杂，无法得到充分低的通态电阻的问题。例如，就方法(I)而言，二维电子气浓度随着势垒层的薄层化而降低，因此无法得到氮化物HEMT元件的原本就具有的长处一低通态电阻。这是随着势垒层变薄使得势垒层的表面和槽部之间的距离变短的结果，可以考虑成是因为使表面电位有助于电荷生成，或压电极化效应变小。方法(2)中，由于追加凹槽加工的工艺，因此工序变得复杂。为了确保设备制造工艺的再现性(为了能够稳定地制造出一定品质的设备)，需要高精度的凹槽加工。另外，(1),(2)的方法作为对象的肖特基栅结构型的HEMT元件中，能够外施加于栅极电极的正电压的上限由肖特基障壁高度所决定。如果栅正电压在大致1.5V以上的范围内，则难以在抑制栅漏电流的同时确保大的漏极电流。一方面具有的特征为，通过以扩大栅极电压施加范围的方式设计，使HEMT元件的漏极电流变大。例如，阈值电压为-3V时的栅极电压范围从-3V到+1.5V左右为止的4.5V左右，与此相比，设计成使势垒层厚变薄，并使阈值电压成为正值(> 0V)的HEMT元件的栅极电压范围，最大也就在1.5V左右。此时，当前者的最大漏极电流(通态电流)为0.8A/mm左右时，后者便为0.4A/mm以下左右。向阈值电压的正侧的变换越大，这种通态电流的降低就越明显。因此，若使具有肖特基栅的氮化物HEMT元件进行常闭动作，由于无法取得大的栅极电压范围，因此存在不流通大的漏极电流(无法降低通态电阻)且无法得到良好的导通特性的问题。(3)的方法中，追加了凹槽加工和绝缘膜形成的工艺，因此工序变得复杂。为了确保设备制造工艺的再现性(为了能够稳定地制造一定品质的设备)，凹槽加工需要高精度。(4)的方法中，需要形成MIS栅结构的工序。另外，翻转MIS槽结构的电子的移动性低，其在200cm2/Vs以下，即使实现了常闭动作化，但也会导致HEMT元件的性能自身劣化。现有技术文献专利文献1:国际公开第2009/119357号非专利文献1: Highly Reliable250ff High Electron Mobility TransistorPower Amplifier，TOSHIHIDE KIKKAWA, Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005)，pp. 4896-4901.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 Devices48, (2001)，pp. 552—559.非专利文献3:〃Can InAlN/GaN be an alternative to high powe本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.25 JP 2010-1878991.一种半导体元件用外延基板，其特征在于， 具备: 基底基板; 沟道层，其至少含有Al和Ga，且由InxlAlylGazlN组成的第一 III族氮化物构成，其中xl+yl+zl = 1； 势垒层，其至少含有In和Al，且由Inx2Aly2Gaz2N组成的第二 III族氮化物构成，其中x2+y2+z2 = 1, 所述第一 III族氮化物的组成在由Xl = 0，0 = yl = 0.3决定的范围内， 所述第二 III族氮化物的组成在以InN、AlN、GaN为顶点的三维图上，由根据所述第一111族氮化物的组成决定的、以下各式所表示的直线包围的范围内， 所述势垒层的厚度为3nm以下， 并且， 在所述势垒层之上，进而具备有由氮化硅构成且具有3nm以下的厚度的低结晶性绝缘层， 式I2.权利要求1所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，在所述势垒层和低结晶性绝缘层之间，进而具备有由绝缘性的III族氮化物构成的、具有2.5nm以下的厚度的副绝缘层。3.权利要求2所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，所述副绝缘层由AlN构成。4.权利要求1-3中任一项所述的半导体元件用外延基板，其特征在于， 在所述沟道层和所述势垒层之间进而具备隔离层，所述隔离层至少含有Al，且由具有大于所述势垒层的宽带隙能量的、Inx3Aly3Gaz3N组成的第三III族氮化物构成，其中x3+y3+z3 = 1， 所述隔离层和所述势垒层的厚度的总和在5nm以下。5.权利要求4所述的半导体元件用外延基板，其特征在于，所述隔离层由AlN构成。6.—种半导体兀件,其特征在于， 权利要求1-5中任一项所述的半导体元件用外延基板的所述低结晶性绝缘层之上，通过欧姆接合来接合源极电极和漏极电极并且通过肖特基接合来接合栅极电极。7.一种半导体元件用外延基板的制作方法，其特征在于，所述方法包括: 沟道层形成工序，基底基板之上外延形成沟道层，所述沟道层至少含有Al和Ga，且由InxlAlylGazlN组成的第一 III族氮化物构成，其中xl+yl+zl = I ； 势垒层形成工序，在所述沟道层之上外延形成势垒层，所述势垒层至少含有In和Al，且由Inx2Aly2Gaz2N组成的第二 III族氮化物构成，其中x2+y2+z...
【专利技术属性】
技术研发人员：三好实人，市村干也，田中光浩，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：
国别省市：
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