專利名稱：場效應晶體管用外延基板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用了氮化物ni—v族半導體的場效應晶體管(以下稱作
FET)用外延基板。
背景技術：
使用了氮化物III—V族半導體的場效應晶體管(以下稱作GaN—FET) 為按照將GaN層作為溝道層驅動的方式構成的場效應晶體管，與以現(xiàn)有 的GaAs、 AlGaAs、 InGaAs、 InGaP、 AlInGaP等外延半導體結晶層為溝道 層的結構的FET相比，具有高的耐壓、耐壓性高、構成材料的環(huán)境負荷小 等，因此，近年來成為備受關注的元件。
GaN—FET從工作層的結構來看有各種形式，但特別是將在晶格常數 不同的氮化物半導體材料的邊界附近感應的二維電子氣體(以下稱作 2DEG)作為溝道驅動的形式被稱作GaN—HEMT，在上述特征的基礎上，
兼?zhèn)涓哳l特性優(yōu)良的具有高的電力密度等特性，強烈期待其實用化。
GaN—HEMT如下制作，通過電子線外延成長法(以下稱作MBE法)、 有機金屬氣相成長法(以下稱作MOVPE法)等在襯底基板上層疊外延結 晶，通過光刻法將其加工成所希望的器件形狀。作為這種GaN—HEMT的 結構例，.例如可參考文獻。
作為用于這樣的GaN—HEMT用的外延基板的制作的半導體結晶的 層疊方法例如使用MOVPE法的情況下，將單晶藍寶石、單晶硅碳化物(以 下稱作SiC)、單晶硅等襯底基板在反應爐中加熱，且向其中依次供給原料 氣體即三甲基鎵、鎵鋁、氨、摻雜劑氣體，通過使其在基板上熱分解，依 次堆積A1N緩沖層、摻雜GaN層(以下稱作ud—GaN)、摻雜AlGaN(以下 稱作ud—AlGaN)、 n性AlGaN(以下稱作n—AlGaN)，由此可得到規(guī)定層 結構的外延基板。在上述示例的層結構的情況下，2DEG在ud—AlGaN層和ud—GaN 層的界面形成，其成為溝道，作為FET而作用。A1N緩沖層及ud—GaN 層的不含有溝道的下層側(以下成為ud—GaN緩沖層)是為緩和所使用的襯 底基板和溝道形成層的晶格常數差、熱膨脹系數差帶來的外延成長時的錯 誤匹配且形成缺陷少的溝道層而導入的。上述的單晶藍寶石、SiC、單晶 硅等襯底基板都在與GaN結晶之間具有大的晶格常數差和熱膨脹率差， 因此，在使用有這些基板的FET的制作中，ud—GaN緩沖層首先具有充 分的緩沖效果，因此，其通常厚地(通常為l^irn以上)成長。對于這樣的緩 沖層，例如可參照"III族氮化物半導體"、"赤崎勇編著、倍風銜1999)p157。
以下，由于通常的理論，而將"m族氮化物半導體"、"赤崎勇編著、 倍風館(1999)p157、 p291中的擔任A1N緩沖層作用的層稱作第一緩沖層， 將擔任ud—GaN緩沖層作用的層稱作第二緩沖層。GaN—HEMT的工作 中，從源電極注入的電流只通過溝道部流入漏電極是理想的，不優(yōu)選電流 流過第一緩沖層、第二緩沖層。如果相反，電流流過第一緩沖層、第二緩 沖層，則即使因對柵電極施加電流而使溝道電耗盡，源電極和漏電極間流 過的電流也不會被完全阻斷。由此，會引起夾斷特性惡化、漏極漏泄電流 增加等問題。另外，該不需要的電流成分具有與2DEG不同的低的移動度， 因此，在以高頻電壓驅動柵電極時，會引起頻率分散等不良影響。進而， 這些不優(yōu)選的不需要的電流也流入相鄰的其他元件，引起使鄰接元件的閾 值電壓變動等干擾。
為避免FET中產生的上述各種問題，高電阻化至下述程度是有效的， 將第一緩沖層、第二緩沖層或其局部絕緣，即只有與溝道電流的大小相比 可忽視影響的程度的電流流過。當在該部分形成高電阻的層時，從源電極 流入的電子被該層阻斷，在其下部不能溢出，因此，F(xiàn)ET容易夾斷。另外， 通常氮化物m—v族單晶的化學、物理穩(wěn)定性極高，進行到達基板的程度 的深的元件分離加工極其困難，但這樣導入了高電阻層的情況下，若只是 對到達高電阻層的深度實施元件分離加工，則也能夠容易地防止對鄰接元 件的干擾。
但是，使高電阻的氮化物III一V族單晶外延成長是不容易的。以通常
條件進行外延成長的氮化物ni—v族單晶例如即使不故意地添加雜質，也容易顯示n型這樣高的傳導性。作為其理由有下述解釋由于氮化物III 一V族單晶以較高溫度成長，故而分離壓高的氮原子容易從結晶中脫離， 而其空穴發(fā)生自由電子；在氣相成長法中，通過容易從大氣中混入的雜質
即氧的混入而在氮化物III—v族單晶中擁有淺的施主能級，容易發(fā)生自由
電子，且給予2n型的傳導性。對于GaN結晶顯示的n型傳導性的原因， 例如可參照Chris G. Van de Walle， Catherine Stampfl, J. Crystal Growth 189/190(1998)505-510。
另外，也有結晶的層疊結構引起的原因。即，如上所述，氮化物III 一V族單晶在與襯底基板上之間具有大的晶格常數差，因此，結晶中大量 存在各種結晶缺陷。該缺陷在缺陷種中具有固有的能級，其中的某個容易 離子化，給結晶帶來導電性。
作為將外延結晶半導體高電阻化的對策之一，有向結晶中導入電荷補 償型雜質的方法。電荷補償型雜質是指在禁帶(forbiddenband)中收容電 子的深的能級的雜質。流過含有該雜質的電子迅速地被該能級捕獲并束 縛。因此，大量摻雜有該雜質的半導體材料作為電阻極高的層而起作用。 這種對策帶來的高電阻層的實現(xiàn)和適用于FET時的效果是眾所周知的，例 如砷化鎵系半導體裝，在外延成長后的AlGaAs半導體結晶中摻雜氧而形 成深的受主能級，且實現(xiàn)高電阻的外延層的例子可在Sasajima Y.， FukuharaN., Hata M., Maeda T" Okushi,H.， Power Semiconductor Materials and Devices Symposium, 425-430(1997)中參考。另外，得到將該外延層適 用于FET的緩沖層的良好的夾斷特性的例子在可在專利第2560562號公報 中參照。
這種對策可期待為在氮化鎵系半導體中也有效，且進行并報告了所有 的各種探討。例如在D.S. Katzer, D.R Storm, S.C. Binari, J.A. Roussos,B.V. Shanabrook， J. Crystal Growth 251 (2003)481-486.中報告有使用了通過 MBE法在GaN結晶中摻雜了鈹(Be)的緩沖層的GaN—HEMT。據此，報 告有，GaN層通過摻雜鈹，橫方向的漏泄電流也降低三行，在緩沖層使用 該層的FET中，夾斷特性顯著提高。
另夕卜，J.B. Webb， H. Tang,S. Rolfe， J.A. Bardwell, Appl. Phys. Lett,，75(1999)953.中報告有在通過MBE將碳(C)摻雜于GaN結晶中的緩沖層上外延成長AlGaN/GaN的異質結的例子。據此，報告有，通過摻雜碳， 得到電阻率106Qc m和電阻極高的GaN緩沖層，且層疊于其上的 AlGaN/GaN異質結所感應的2DEG得到移動度1200cm2/VS這樣良好的特 性。
根據這樣的報告，將這些雜質摻雜到GaN層中，在適用于FET時， 可對FET的特性改善期待一定的效果。
但是，在上述的現(xiàn)有技術中，存在以下這樣制造上的問題。已知鈹具 有極強的毒性，安全性及對環(huán)境的負荷極大，對制造的適用未必現(xiàn)實。而 且，對于碳而言，其原子半徑比構成氮化鎵結晶的鎵原子(以下為Ga)、氮 原子(以下為N)更顯著地大(Ga; 0.76A， N; 1.57人、C; 2.46人)，當高濃度 地向結晶中摻雜時，使結晶晶格間紊亂，使結晶性惡化。
另外，MOVPE法中，作為碳的原料氣體，通常使用四溴化碳及四氯 化碳等，但由于它們在分子內具有溴及氯，故而當導入反應爐時會產生溴 氣及氯氣，該氣體對外延層進行腐蝕而使結晶性降低。另外，GaN結晶成 長中，作為鎵原料氣體通常使用四甲基鎵及四乙基鎵，但已知在它們作為 Ga進行結晶化的反應中，同時會放出C，其被混入外延層中。該混入量根 據氣層成長的參數即成長速度、成長壓力等而敏銳地變化。即，MOVPE 法中，C濃度如其他摻雜材料那樣只通過C前體向反應爐的流入量控制是 難以高精度地控制的。
另外，即使能夠避免上述那樣制造上的問題點來制造，當補償雜質存 在于層中時，有時對FET特性帶來其他不良情況。即，由于補償雜質在本 來的正常狀態(tài)下將電子捕獲使其不動，因此，通過補償雜質在溝道層附近 擴散，也對與FET作用相關的溝道電子的行進本身帶來影響。該影響成為 1 一5特性下的彎折400的發(fā)生等對FET不優(yōu)選的波形的紊亂。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可解決現(xiàn)有技術的上述問題點的場效應 晶體管用外延基板。
本發(fā)明者為了解決上述課題而進行了探討，最終完成了本發(fā)明。 本發(fā)明提供如下(1) (12)。(I) 一種場效應晶體管用外延基板，
其在襯底基板和工作層之間設有含Ga的氮化物系III一V族半導體外 延結晶，其中，氮化物系m—V族半導體外延結晶含有(i)、 (ii)及(iii):
(1) 第一緩沖層，其含有Ga或Al、并且包括添加了元素周期表中處 于與Ga同一周期且原子序號小的補償雜質元素的高電阻結晶層；
(ii) 第二緩沖層，其層疊于第一緩沖層的工作層側，并含有Ga或AI;
(iii) 高純度外延結晶層，其設于高電阻結晶層和工作層之間，并不含 有或含有能夠維持耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質。
(2) 如(1)所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜質選自由V、 Cr、 Mn及Fe構成的組。
(3) 如(2)所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜質為Mn。
(4) 如(1) (3)中任一項所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜 質濃度為lE10cnT3~lE20cm_3。
(5) 如(1) (4)中任一項所述的基板，其中，第一緩沖層包含A1N或GaN。
(6) 如(5)所述的基板，其中，第一緩沖層包含A1N。
(7) 如(1) (6)中任一項所述的基板，其中，第二緩沖層包含AlxGai-xN(05x幼.2)。
(8) 如(1) (7)中任一項所述的基板，其中，第二緩沖層的厚度為5000人 以上。
(9) 如(1) (8)中任一項所述的基板，其中，高純度外延結晶層中包含的 受主雜質選自由Mg、 Mn及Zn構成的組。
(10) 如(1) (9)中任一項所述的基板，其中，高純度外延結晶層的厚度 為200人以上。
(II) 如(1) (10)中任一項所述的基板，其中，高純度外延結晶層的基于 (0004)面的XRD擺動曲線的半寬值為3000秒以下。
(12)—種場效應晶體管，其是使用(1) (11)所述的基板而得到的。


圖1是表示本發(fā)明實施方式的示意結構圖； 圖2是MOVPE用成長直至的概略圖；圖3表示實施例2中得到的GaN
圖4表示實施例2中得到的GaN-電流一電壓特性；
圖5表示實施例2中得到的GaN-電流一電壓特性；
圖6表示實施例2中得到的GaN-電流一電壓特性。
符號說明
1 襯底基板
2 A1N第一緩沖層
3 AlGaN第二緩沖層
4 ud—GaN高純度外延結晶層
5 ud—AlGaN層
10FET用外延基板
100、101、 106質流控制器
102恒溫層
103容器
104、118 高壓氣缸
105、119減壓閥
107反應爐
108電阻加熱器
110基板支架
112排氣口
301源電極
302柵電極
303漏電極
304元件分離槽 彎折
具體實施例方式
-HEMT的示意結構； HEMT樣品(d)的施加DC電壓時的
HEMT樣品(e)的施加DC電壓時的
HEMT樣品(f)的施加DC電壓時的
9FET用外延基板
參照

本發(fā)明。圖1是用于說明本發(fā)明實施方式的GaN — HEMT用外延基板的示意層結構圖。
FET用外延基板10具有在襯底基板1上設有含有Ga的氮化物系III 一V族半導體外延結晶、且在其上設有工作層的層結構。詳細而言，在襯 底基板1上按順序層疊有摻雜有Mn的A1N第一緩沖層2、摻雜有Mn的 AlGaN第二緩沖層3及ud—GaN的高純度外延結晶層4。含有Ga的氮化 物系III一V族半導體外延結晶含有A1N第一緩沖層2、第二緩沖層3、高 純度外延結晶層4。另外，在高純度外延結晶層4上層疊有ud—AlGaN層 5作為工作層。下面，對各層進行說明。
襯底基板
襯底基板例如包含藍寶石單晶、SiC、單晶硅。襯底基板通常為半絕 緣性、導電性，優(yōu)選半絕緣性。由于對于結晶成長產生的缺陷少的基板市 場有售，故而只要使用該基板即可。
第一緩沖層
第一緩沖層含有Ga或Al，優(yōu)選含有A1N、 GaN，更優(yōu)選含有A1N。 另外，第一緩沖層含有高電阻結晶層。
圖1中，AlN第一緩沖層2中摻雜有Mn。因此A1N第一緩沖層2成 為高電阻結晶層。Mn是為使緩沖層成為高電阻結晶層而摻雜的補償雜質 元素之一例，補償雜質元素不限于Mn。補償雜質元素只要是在元素周期 表中處于同一周期且原子序號小的元素即可。例如，代替Mn也可以是V、 Cr、 Fe。補償雜質摻雜濃度通常為1E10cm—3以上、優(yōu)選為1E13cm—3以上、 更優(yōu)選為1E15cnT3以上且通常在5 E20cm—3以下、優(yōu)選為1E20cm—3以下， 更優(yōu)選為1E19cm—3以下。本實施方式中，在A1N第一緩沖層2、 AlGaN 緩沖層3這兩者中摻雜Mn而將兩層制成高電阻結晶層，但只要將A1N第 一緩沖層2制成高電阻結晶層即可。
第一緩沖層的厚度通常為50人 2000人，從生產性和效果的平衡的觀 點來看，優(yōu)選為100人以上，更優(yōu)選為200人以上，且優(yōu)選為100人以下。
這樣，通過將A1N第一緩沖層2制成高電阻結晶層，能夠有效地阻止 用于FET工作的電流流到工作層之外。第二緩沖層
第二緩沖層含有Ga或Al，優(yōu)選含有AlxGai—x。 x通常滿足0^^0.2， 優(yōu)選0^x^).1，更優(yōu)選0^x^0.2。
圖1中，與A1N第一緩沖層2同樣，AlGaN第二緩沖層3中摻雜有 Mn。由此，AlGaN第二緩沖層3成為高電阻結晶層。第二緩沖層的補償 雜質元素只要在元素周期表中處于與Ga同一周期且原子序號小的元素即 可，例如為V、 Cr、 Mn、 Fe，優(yōu)選為Mn。補償雜質摻雜濃度通常為1E10cm _3以上，優(yōu)選為1E13cm—3以上，更優(yōu)選為1E15cm—s以上且通常為5E20cm _3以下，優(yōu)選為1E20cm—3以下，更優(yōu)選為1E19cm—3以下。AlGaN第二緩 沖層3的厚度優(yōu)選為5000人以上，更優(yōu)選為IOOOO人以上，特別優(yōu)選為 15000人以上，且通常為50000A以下。
如本實施方式那樣，通過將A1N第一緩沖層2、 AlGaN第二緩沖層3 制成高電阻結晶層，能夠有效地阻止用于FET工作的電流流到工作層之 外。
高純度外延結晶層
高純度外延結晶層設于高電阻結晶層和工作層之間。另外，高純度外 延結晶層不含有或含有耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質。
圖1中，滿足上述的ud—GaN高純度外延結晶層4是為了使在ud— AlGaN層5中產生的2DEG順利地流過源一漏極間而設置的。
高純度外延結晶層的厚度優(yōu)選為200人以上，更優(yōu)選為500人以上， 特別優(yōu)選為2000人以上，且通常為30000人以下。
另外，高純度外延結晶層的基于(0004)面的XRD搖擺曲線的半寬值通 常為3000秒以下。
工作層
工作層例如含有ud—AlGaN。工作層的厚度只要設定為獲得所希望的 夾斷電壓深度、gm特性即可。若太厚，則對高純度外延結晶層的晶格失 諧的影響增大，結晶劣化，若薄，則有柵極耐壓劣化的弊端，因此，優(yōu)選 為50A以上，更優(yōu)選為IOO人以上，特別優(yōu)選為200人以上，且優(yōu)選為800人 以下，更優(yōu)選為600A以下，特別優(yōu)選為400人以下。
外延基板的制造方法。本發(fā)明的FET用外延基板例如只要使用MOVPE法、MBE法、氰化
物氣相成長法等并利用層疊外延結晶的方法制造即可。
圖2是MOVPE用成長裝置的概略圖。圖2的裝置中，高壓氣缸118 內的載氣通過減壓閥119由質流控制器(MFC)101控制流量，被導入被恒 溫層102控制成所希望的溫度的容器103內，在容器103內的III族原料 中起泡。通過起泡，容器103的空隙被由恒溫層102的溫度決定蒸氣壓的 III族原料充滿，與蒸氣壓和載氣流量相對應的量的III族原料氣體被導入 反應爐107。
這樣控制的III族原料的流量通常在10E—3 10E—5mol/min的范圍 內。作為m族原料，例如有三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)等垸基鎵、 三甲基鋁(TMG)、三乙基鋁(TEG)等烷基鋁。它們只要以所希望的組成單 獨或混合使用即可。作為原料，只要使用MOVPE用的市售產品即可。
V族原料被充填在高壓氣缸104中，由減壓閥105減壓，接著由 MFC106控制流量，導入反應爐107內。V族原料的導入量通常為III族原 料氣體的50倍 400倍。V族原料例如有氨。氨只要使用市場銷售的結晶
成長所需的高純度的氨即可。
接著，充填于高壓氣缸118內的載氣由減壓閥119減壓，由MFCIOO 控制流量后，也被導入反應爐107。載氣的流量通常在10SLM 200SLM 的范圍內。
在反應爐107內設置有保持襯底基板1的石墨制的基板支架110?；?板支架no具有旋轉機構。另外，背面靠近設置有電阻加熱器(未圖示)， 其可通過基板支架110從背面對襯底基板1進行加熱。在A1N緩沖層成長 時，加熱只要按照襯底基板1的表面溫度達到通常約650'C 約80(TC的 方式進行即可。另外，在GaN緩沖層下部及GaN溝道層、AlGaN肖特基 層成長時，加熱只要按照襯底基板1的表面溫度達到通常約95(TC 約 115(TC的方式進行即可。被導入反應爐107的原料氣體蒸汽在襯底基板1 的表面附近被熱分解，在襯底基板l上作為結晶成長。殘留氣體及未分解 氣體從排氣口 112排出。通過向反應爐107內導入各種原料氣體，可成長 摻雜/不摻雜補償雜質及Si的GaN結晶、AlGaN結晶、A1N結晶。
補償雜質的原料例如為雙環(huán)戊二烯基錳(EtCp2Mn)之類的錳化合物。由于結晶成長所需的高純度的原料市場有售，故而使用該原料即可。補償 雜質原料只要通過與III族原料相同的方法導入反應爐107內即可。
硅原料例如為乙硅烷、單硅垸。由于結晶成長所需的高純度的硅原料 市場有售，故而使用該原料即可。硅原料只要通過與V族原料相同的方法 導入反應爐107內即可。
載氣例如為氫氣、氮氣。它們可單獨或混合使用。由于結晶成長所需 的高純度的氫氣、氮氣市場有售，故而使用該原料即可。
其次，參照圖2對具有通過MOVPE法成長的FET用摻雜有Mn的氮 化物結晶的、圖1所示的層結構的GaN—HEMT的制作例進行說明。
在洗凈的襯底基板l上成長了規(guī)定厚度的摻雜有Mn的AlN第一緩沖 層2后，將襯底基板1的溫度變更為規(guī)定的溫度，切換III族原料氣體， 使摻雜有Mn的AlGaN第二緩沖層3成長為規(guī)定的厚度。作為襯底基板1 ， 可使用藍寶石單晶硅基板、SiC基板、單晶硅基板等。這些基板優(yōu)選半絕 緣性的基板，但不能使用導電性的基板。這些基板中結晶成長必定產生的 缺陷少的基板市場有售，故而只要使用該基板即可。其次，停止錳原料氣 體的導入，使ud—GaN高純度外延結晶層成長為規(guī)定的厚度。接著，切 換原料氣體，以規(guī)定的厚度成長ud—GaN層5。這樣得到圖1所示的構造 的FET用外延基板10。
A1N第一緩沖層2的厚度通常為50人 2000人，從生產性和效果的平 衡的觀點考慮，優(yōu)選為100人 2000人，更優(yōu)選為200人 1000人。也可以 使用具有同樣厚度的GaN緩沖層來代替A1N第一緩沖層2。該情況下， 按照成為所希望的組成的方式變更原料氣體，除此之外，只要以與A1N第 二緩沖層2相同的方法成長即可。
AlGaN第二緩沖層3的厚度只要通過如下方式來決定即可，即，AlGaN 第二緩沖層3的電阻非常高且對其上的ud—GaN高純度外延結晶層4賦 予良好的結晶性。結晶性的判定可通過XRD的搖擺曲線測定進行。作為 作為測定對象的結晶面，例如可使用(0002)面。在測定該面時，作為得到 良好的特性的標準，峰的半寬值為300秒以下。AlGaN第二緩沖層3的厚
度主要依賴于成長條件，優(yōu)選為5000人以上，更優(yōu)選為iooooA以上，特
別優(yōu)選為15000人以上。上限優(yōu)選位50000A以下。ud—GaN高純度外延結晶層4的厚度薄時，AlGaN第二緩沖層3的補 償雜質所形成的深水平影響2DEG，使電流電壓特性產生彎折等，因此， 優(yōu)選為厚度厚，優(yōu)選為200人以上，更優(yōu)選為500人以上，特別優(yōu)選為2000人 以上。上限通常為30000人以下。
ud—AlGaN層5的厚度只要設定為可獲得所希望的夾斷電壓深度、gm 特性即可。若太厚則對與ud—GaN高純度外延結晶層4的晶格失諧的影 響增大，結晶劣化，若薄則有柵極耐壓劣化的弊端，因此，優(yōu)選為50人 800人以上，更優(yōu)選為100人 600人，特別優(yōu)選為200人 400人。
ud—GaN高純度外延結晶層4如上所述，即使為非摻雜的GaN結晶， 也具有n型的導電性。ud—AlGaN層5也同樣，該層的電子被供給于溝道， 形成2DEG。因此，為了調整溝道的電子濃度，也可以使用摻雜硅等成長 的n—AlGaN層來代替ud—AlGaN層5。但是，在使用n—AlGaN層時， 因雜質散亂而可能使2DEG的移動度降低。為避免該情況，也可以采用ud —AlGaN/n—AlGaN的層疊結構。該情況下，只要設定為ud—AlGaN層和 N—AlGaN層的總計達到上述厚度即可。
AlxGai-xN第二緩沖層3的Al組成x只要在不使un—GaN高純度外 延結晶層4的結晶性劣化的范圍內選擇即可，通常為0$X^).2，優(yōu)選為 0^x￡0.1，更優(yōu)選為0^x^).05。
ud—AlGaN層5的Al組成比通過其厚度、所希望的2DEG濃度、柵 極耐壓等決定。即，若增大組成比，則理論上有更多的2DEG產生，因此， 可將晶體管工作大電流化，且柵極耐壓也提高。另一方面，由于與ud— GaN高純度外延結晶層4的晶格常數差增大，故而特別是在層的厚度厚時 容易發(fā)生結晶缺陷，相反可能會導致柵極耐壓的劣化。因此，優(yōu)選在10% 40°/。的范圍內進行設定，更優(yōu)選為15% 35%，特別優(yōu)選20% 30%。
對于A1N第一緩沖層2及AlGaN第二緩沖層3中的各補償雜質摻雜 濃度，在所希望的電阻值和自然摻雜有AlN結晶的基底n型雜質濃度，即 自然摻雜的n型雜質濃度高，且設計好的層的厚度薄的情況下，提高摻雜 濃度。相反，在自然摻雜的n型雜質的濃度低，且加厚設計層的情況下， 摻雜濃度也可以低。從這些點和向補償雜質的GaN外延結晶中固溶存在 限制以及若濃度太高則結晶性惡化等考慮，補償雜質摻雜濃度優(yōu)選為lE10 5E20cm —3，更優(yōu)選為1E13 1E20cm —3 ，特別優(yōu)選為1E15 1E19cm-3。
ud—GaN高純度外延結晶層4的受主的摻雜濃度為該層能夠耗盡的下 限的濃度。若過高，則剩余的受主也會捕捉溝道的電子，引起彎折的發(fā)生 等。該濃度依賴于ud—GaN高純度外延結晶層4的基底濃度。若基底濃 度高，則提高摻雜濃度。即使基底濃度低且不摻雜受主，在ud—GaN高 純度外延結晶層4耗盡時也可以不進行摻雜。通常由Ocm—3 lE17Cm—3 的范圍決定。
以上對本發(fā)明的GaN—HEMT的例子的情況進行了說明，但通過改變 ud — GaN高純度外延結晶層4上部的構造，可制作其他FET構造的 MODFET—MESFET、 MISFET用外延基板等。
通過將FET用外延基板10制成以上那樣的層結構，可提供具有良好 的夾斷特性、良好的元件間分離性、良好的頻率分散性的FET用氮化物系 外延成長半導體結晶。另外，可以以高的安全性和高的濃度穩(wěn)定性制造具 有上述那樣的優(yōu)良的特性的半導體結晶，其工業(yè)上的意義極大。
實施例
通過實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明不受實施例限制。 實施例1
使用圖2所示的裝置如下制作圖1所示的層結構的FET用外延基板。 將藍寶石單晶基板加熱到60(TC，將作為載氣的氫氣設為60SLM、氨設為 40SLM，從恒溫槽溫度設定為30。C的容器流過40sccmTMA，且從恒溫槽 溫度設定為3(TC的容器流過雙環(huán)戊二烯基(英文tf7、乂夕口^y夕^工 二少)(樣品(a)為Osccm，樣品(b)為200sccm，樣品(c)為1000sccm)，成長 500人的A1N第一緩沖層。此時的成長速度為470A/min。
將基板溫度升溫至1040°C，將TMA流量設為Osccm后，從恒溫槽溫 度設定為3(TC的容器流過40sccmTMG，接著，從恒溫槽溫度設定為30°C 的容器流過雙環(huán)戊二烯基(樣品(a)為Osccm，樣品(b)為200sccm，樣品(c) 為1000sccm)，成長30000人的AlGaN第二緩沖層。此時的成長速度為 470A/min。接著，將基板降溫至室溫附近之后，從反應爐取出。
樣品(c)的FET用外延基板的第二緩沖層中的Mn濃度通過SIMS分析求出，結果為2E19cm—3。分別測定樣品(a)、 (b)、 (c)的FET用外延基板的 片電阻。樣品(a)為4340/口，樣品(b)為80000/口，樣品(c)為46811Q/口。由 此得知Mn被混入結晶中，形成的深水平有效地補償和減少了自然摻雜 的n型載流子，得到了極高電阻率的外延半導體結晶。 實施例2
使用圖2所示的裝置制作圖3所示的層結構的GaN—HEMT。圖3中， 與圖1中各部分對應的部分標注同一符號。首先，將作為襯底基板l的藍 寶石單晶基板加熱至600°C，將作為載氣的氫氣設為60SLM、氨設為 40SLM，從恒溫槽溫度設定為3(TC的容器流過40sccmTMA，且從恒溫槽 溫度設定為3(TC的容器流過雙環(huán)戊二烯基(樣品(d)為Osccm，樣品(e)、 (f) 為1000sccm)，成長500人的A1N第一緩沖層2。此時的成長速度為 470A/min。
將基板溫度升溫至1040°C，將TMA流量設為Osccm后，從恒溫槽溫 度設定為30'C的容器流過40sccmTMG，接著，從恒溫槽溫度設定為30°C 的容器流過雙環(huán)戊二烯基(樣品(d)為Osccm，樣品(e)、 (f)為1000sccm)，層 疊1050人的GaN第二緩沖層3。
將雙環(huán)戊二烯基流量設為Osccm，作為高純度外延結晶層，(樣品(e) 為100sccm，樣品(d)、(f)為1000sccm)成長ud—GaN高純度外延結晶層4。
將TMG的流量變更為100sccm，從高溫槽溫度30'C的容器流過 33sccmTMA，成長250°C的Al組成0.25的ud—AlGaN層5。此時的成長 速度為480A/min。
將基板溫度降溫至室溫附近，從反應爐取出。對得到的試樣通過光刻 法形成保護層圖案之后，通過使用了氯氣的ECR等離子干式蝕刻形成達 到2000人深度的元件分離槽304。干式蝕刻的條件為，氯壓力1.5E—2Pa， 等離子電流400微瓦，施加電壓80V，此時的蝕刻速率為90A/min。
同樣，通過光刻法將保護層開口形成為源電極及漏電極形狀，并通過 蒸鍍法將Ti/Al/Ni/Au金屬膜層疊為200A/1500A/250A/500人的厚度。其 次，將試樣浸漬到丙酮中，由此，在提起抗蝕劑和金屬膜之后，在氮氣氛 內800。C下實施30秒RTA處理，形成源電極301和漏電極303。
同樣，通過光刻法形成電極形狀的開口，并通過氧等離子體對開口部進行灰化處理?；一臈l件為氧壓力130Pa、等離子體電力IOOW、灰 化時間1分鐘。接著，通過蒸鍍法將Ni/Au金屬膜形成為200A/1000人的 厚度，并利用與源電極相同的方法提離(lift-off),形成柵電極302。通過 與柵電極相同的方法形成焊盤電極。
這樣，制作圖3所示的結構的柵極長度2)om、柵極寬度30pm的GaN —HEMTo
測定GaN—HEMT的施加DC電壓時的電流一電壓特性。圖4、圖5、 圖6中分別表示樣品(d)、 (e)、 (f)的結果。在GaN層中摻雜有Mn的樣品 (e)、 (f)中，施加了一7V柵電壓的情況下，漏電流為零(即夾斷)，但未摻雜 的樣品(d)中不為零，即未夾斷。另外，同樣比較摻雜了Mn的(e)與(f)，結 果在高純度外延結晶層薄的樣品(e)中，在電流一電壓曲線上發(fā)生彎折。
產業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的場效應晶體管用外延基板適合用于具有良好特性的FET的 制造。若使用場效應晶體管用外延基板，則可安全且濃度控制性良好地生 產FET。
權利要求
1、一種場效應晶體管用外延基板，其在襯底基板和工作層之間設有含Ga的氮化物系III-V族半導體外延結晶，其中，氮化物系III-V族半導體外延結晶含有(i)、(ii)及(iii)(i)第一緩沖層，其含有Ga或Al、并且包括添加了元素周期表中處于與Ga同一周期且原子序號小的補償雜質元素的高電阻結晶層；(ii)第二緩沖層，其層疊于第一緩沖層的工作層側，并含有Ga或Al；(iii)高純度外延結晶層，其設于高電阻結晶層和工作層之間，并不含有或含有能夠維持耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質。
2、 如權利要求l所述的基板，其中，第一緩沖層中包含的補償雜質選自由V、 Cr、 Mn及Fe構成的組。
3、 如權利要求2所述的基板，其中， 第一緩沖層中包含的補償雜質為Mn。
4、 如權利要求1 3中任一項所述的基板，其中， 第一緩沖層中包含的補償雜質濃度為1E10cm—3~lE20cm—3。
5、 如權利要求1~4中任一項所述的基板，其中， 第一緩沖層包含A1N或GaN。
6、 如權利要求5所述的基板，其中， 第一緩沖層包含A1N。
7、 如權利要求1~6中任一項所述的基板，其中， 第二緩沖層包含AlxGai—xN，式中0^x^).2。
8、 如權利要求1~7中任一項所述的基板，其中， 第二緩沖層的厚度為5000人以上。
9、 如權利要求1~8中任一項所述的基板，其中， 高純度外延結晶層中包含的受主雜質選自由Mg、Mn及Zn構成的組。
10、 如權利要求1~9中任一項所述的基板，其中， 高純度外延結晶層的厚度為200人以上。
11、 如權利要求1 10中任一項所述的基板，其中，高純度外延結晶層的基于(0004)面的XRD擺動曲線的半寬值為3000秒以下。
12、 一種場效應晶體管，其是使用權利要求1 11所述的基板而得到的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種場效應晶體管用外延基板，場效應晶體管用外延基板在襯底基板和工作層之間設有含有Ga的氮化物系III-V族半導體外延結晶，氮化物系III-V族半導體外延結晶含有(i)、(ii)及(iii)。(i)第一緩沖層，其含有Ga或Al，并且包括添加了元素周期表中處于與Ga同一周期且原子序號小的補償雜質元素的高電阻結晶層；(ii)第二緩沖層，其層疊于第一緩沖層的工作層側，并含有Ga或Al；(iii)高純度外延結晶層，其設于高電阻結晶層和工作層之間，并不含有或含有能夠維持耗盡狀態(tài)的程度的微量受主雜質。
文檔編號H01L21/205GK101611471SQ20088000485
公開日2009年12月23日 申請日期2008年2月12日 優(yōu)先權日2007年2月16日
發(fā)明者佐澤洋幸, 秦雅彥, 西川直宏 申請人:住友化學株式會社