CN102222690B - 氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置 - Google Patents
氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102222690B CN102222690B CN201110097172.1A CN201110097172A CN102222690B CN 102222690 B CN102222690 B CN 102222690B CN 201110097172 A CN201110097172 A CN 201110097172A CN 102222690 B CN102222690 B CN 102222690B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitride semiconductor
- layer
- nitride
- resistivity
- semiconductor layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 134
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 130
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 77
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 15
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 4
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 25
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 8
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 6
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 6
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 5
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
- H01L29/7787—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT with wide bandgap charge-carrier supplying layer, e.g. direct single heterostructure MODFET
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L29/2003—Nitride compounds
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明的课题在于稳定地提供具有有着高的绝缘性的氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置。本发明的课题的解决方案为，在绝缘性基板上，具有电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.1μm以上1.5μm以下的半绝缘性氮化物系半导体层。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置，涉及具有要求高电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置。
背景技术
与硅(Si)、砷化镓(GaAs)等半导体材料相比，带隙宽的氮化镓(GaN)利用其耐热性和高的击穿电压而正在被用于高输出的应用。
当使用氮化物系半导体制作高输出的应用时，在绝缘性或导电性的基板上成膜一层或多层生长控制层(缓冲层)之后，成膜半绝缘性的第一氮化物系半导体层，再在其上层状成膜一层或多层包含导电性或半绝缘性的第二氮化物系半导体的层。然后，进行用于制作所期望的高输出装置的加工工序。
作为所期望的高输出装置，例如有power HFET(异质场效应晶体管，Hetero-Field Effect Transistor)。尤其是对于近年来的power HFET来说，为了提高耐压性，第一半绝缘性氮化物系半导体层开始要求远超数十kΩcm的100MΩcm级的高绝缘特性。
作为power HFET中使用的电阻率或薄层电阻高的半绝缘性氮化物系半导体层，已知例如下述专利文献1中记载的非掺杂的GaN层等。认为这里使用的非掺杂的GaN层是在1140℃的结晶生长温度下积层至2μm的膜厚的GaN层，所述GaN层中表现1×108Ωcm的非常高的电阻率(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2006-4976号公报(例如第0039段等)
发明内容
发明要解决的课题
根据专利文献1的技术，在实验中可以在基板上成膜满足要求性能的高电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层，但是作为制造技术的稳定性不充分。例如存在这样的情况：由于伴随生产量变动的成膜装置的状态变化等，成膜的层的绝缘特性有很大差异。这是因为：反复使用同一装置，结果在成膜装置内部有不需要的反应副产物附着，装置内部的温度分布发生变化，或发生伴随附着物的气流变化。
另外，对于绝缘特性而言，有时也由于在装置加工工序中的活性化退火等热处理而发生变动。例如，在半绝缘性氮化物系半导体层中，当某种杂质、固有结晶缺陷等造成的深能级(準位)存在时，如果由于热处理而导致其活性状态发生变化，或深能级自身实质性地减少，则可能成为半绝缘性不稳定的原因。这样的不稳定在制造上不优选。根据上述现有技术可知，现状不是可以稳定地得到显著高于数十kΩcm左右的电阻率的电阻率、例如超过100MΩcm的电阻率的状况。
本发明的目的在于，解决上述现有技术的问题，稳定地提供具有有着实质上高的绝缘性的氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置
解决课题的方案
根据本发明的一个实施方式，提供氮化物系半导体晶片，其在绝缘性基板上具有电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.1μm以上1.5μm以下的半绝缘性氮化物系半导体层。
此外，根据本发明的另一实施方式，提供氮化物系半导体晶片，其在导电性基板上具有电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.5μm以上1.5μm以下的半绝缘性氮化物系半导体层。
在这些情况下，优选使上述半绝缘性氮化物系半导体层的膜厚小于1μm。
此外，上述半绝缘性氮化物系半导体层中，可使用镓氮化物或铝氮化物、或者镓和铝的氮化物混晶，也可使用镓和铟的氮化物混晶、或铝和铟的氮化物混晶、或者镓、铝和铟的氮化物混晶。
此外，可使用碳化硅、氮化镓、蓝宝石中的任一种作为上述绝缘性基板，可使用硅作为上述导电性基板。
此外，根据本发明的又一实施方式，提供氮化物系半导体装置，其在上述氮化物系半导体晶片上进一步具备氮化物系半导体层。
发明效果
根据本发明，可稳定地提供具有有着高的绝缘性的氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的具有半绝缘性氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片的剖视图。
图2为本发明的一个实施方式的具有半绝缘性氮化物系半导体层的氮化物系半导体装置的剖视图。
图3为本发明的另一实施方式的具有半绝缘性氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片的剖视图。
符号说明
1 绝缘性基板
3 半绝缘性GaN层(高电阻层/半绝缘性氮化物系半导体层)
10、11 氮化物系半导体晶片
13 氮化物系半导体装置
具体实施方式
如上所述，由于伴随生产量变动的成膜装置的状态变化等，有时在基板上形成的半绝缘性氮化物系半导体层的绝缘特性有很大差异，结果，若欲得到超高电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层，则不能稳定地得到电阻率。对于在基板上成膜的高电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层来说，如果是例如100MΩcm以下的电阻率，即使利用现有的技术也可稳定地得到。但是，难以稳定地得到具有超过100MΩcm的高的电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层。根据本发明的实施方式，从符合实际的装置结构的漏极漏电流与电阻率的关系看出，不只是电阻率，半绝缘性氮化物系半导体层的膜厚也是重要的要素，在没有不必要地提高电阻率的情况下，明确地表示电阻率的达成目标，同时规定其膜厚。通过规定膜厚，可知即使是迄今为止被认为不充分的100MΩcm以下的电阻率，也可得到与超过100MΩcm的高的电阻率等价的效果。这样，通过不仅规定电阻率、还规定膜厚，可稳定地供给具有绝缘特性良好的半绝缘性氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片和氮化物系半导体装置。
下面，对本发明的一个实施方式进行说明。
图1表示本发明的一个实施方式的氮化物系半导体晶片10。根据实施方式，氮化物半导体晶片10为FET(场效应晶体管)、HFET、另外还有为半导体发光元件、半导体受光元件的情况。图示例中表示了HFET的情况。
氮化物系半导体晶片10具有包括多个外延层的层状结构。氮化物系半导体晶片10具有基板1、在基板1的表面上形成的缓冲层2、在缓冲层2上形成的高电阻的半绝缘性氮化物系半导体层3、在半绝缘性氮化物系半导体层3上形成的沟道层4、和在沟道层4上形成的电子供给层5。
基板1是由具有规定的晶格常数和规定的热膨胀系数的材料形成的绝缘性基板。绝缘性基板中有半绝缘性基板或绝缘基板。半绝缘性基板例如为SiC(碳化硅)基板、GaN(氮化镓)基板，绝缘基板例如为蓝宝石基板。此外，当使用低价的基板时，有时基板1也为导电性基板。导电性基板例如为被供给导电性掺杂物的Si基板、SiC基板、GaN基板。
缓冲层2为用于使结晶性优异的半绝缘性氮化物系半导体层3在基板1上生长的晶格匹配层、或阻止来自基板1的杂质扩散的缓冲层。缓冲层2例如由作为氮化物半导体的i型GaN形成。
半绝缘性氮化物系半导体层3是用于提高在其上层外延生长的半导体膜的结晶性的高电阻的氮化物系半导体层。半绝缘性氮化物系半导体层3，例如可由镓氮化物(GaN)或铝氮化物(AlN)、或者镓和铝的氮化物混晶(AlGaN)形成。此外，半绝缘性氮化物系半导体层3也可以由镓和铟的氮化物混晶(InGaN)、或铝和铟的氮化物混晶(InAlN)、或者镓、铝和铟的氮化物混晶(AlGaInN)形成。图示例中表示了半绝缘性GaN层的情况。
沟道层4在半绝缘性氮化物系半导体层3上利用外延生长形成。沟道层4由氮化物系半导体层构成。图示例中表示i型GaN沟道的情况。电子供给层5由具有高于沟道层4的电阻率的材料构成。图示例中表示i型AlGaN层的情况，更具体而言，为Al0.2Ga0.8N层。
如上所述，可制成具有半绝缘性氮化物系半导体层3的氮化物系半导体晶片10。
进一步地，在上述氮化物系半导体晶片10的电子供给层5的表面形成绝缘膜，通过对其一部分进行蚀刻，形成欧姆源电极6、欧姆漏电极7、和肖特基栅电极8，可制作图2所示的作为氮化物系半导体装置的FET13。
这里，本实施方式中，对为了得到氮化物系半导体晶片和氮化物系半导体装置的良好特性是必要的高电阻半绝缘性氮化物系半导体层3进行详细说明。
本实施方式中，通过规定半绝缘性氮化物系半导体层3的电阻率，同时规定其膜厚，实现了具有稳定的半绝缘性的氮化物系半导体层3。应予说明，半绝缘性氮化物系半导体层的称为“半绝缘性”的术语，通常并不表示绝对的电阻率范围。在多数情况下，通常被使用为表示与装置中的其他部分的相对电阻率的差异的含义，称为“高电阻”的情况也相同。本实施方式中，将在室温下具有大约10kΩcm以上的电阻率的氮化物系半导体层称为“半绝缘性”来处理。
在场效应型晶体管(FET)、作为其变形例的HFET中，强烈要求夹断时的漏极漏电流的降低。漏极漏电流是指向栅电极施加夹断电压而使装置为OFF状态时流过的漏极电流，所述漏极漏电流多的话，严格来说不能称为OFF状态。由于不能说是OFF状态，因而导致装置的运转不良。
对于漏极漏电流来说，电流不在沟道层4流动而在其下方的半绝缘性氮化物系半导体层(高电阻层)3泄漏流动，因而通常在高电阻层的电阻率不足时发生。但是，必要的电阻率是不清楚的，被认为越高越好，但是实际上存在上述生产上的不稳定性，可实现的高电阻率存在极限。结果，数十kΩcm以上的电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层暂时被确认为合格品，最终，通常实施实际制作FET装置来判定。因此，产生装置的不合格率高、装置的成品率差等问题。
本实施方式中，从符合实际的装置结构的漏极漏电流和电阻率的关系，明确了不仅是电阻率，高电阻层的膜厚也是重要的要素，在没有不必要地提高电阻率的情况下，明确地表示电阻率的达成目标，同时规定膜厚。
FET结构由于是与基板平行地流过电流的所谓的横型装置，因此，连同电阻率，膜厚也成为重要的要素。这里，存在将膜厚编入电阻率的薄层电阻这样的概念，但是，在FET结构中重要的是，存在膜厚越薄，越容易受到来自基板、表面侧沟道层的影响这一点，薄层电阻中不同点是没有此概念。即，在薄层电阻中，即使膜厚为2倍，如果体积电阻率为2倍的话，也为大致相同的薄层电阻，但是，实际上，由于来自基板和表面侧沟道层的影响，从抑制漏极漏电流的观点考虑更优选薄的膜厚。从下述实施例也可明确此点。因此，为了抑制漏极漏电流，不只是薄层电阻，也需要独立地确定膜厚和电阻率。
从这样的观点出发的研究的结果，本实施方式中，当基板为蓝宝石、半绝缘性SiC等绝缘性的情况，膜厚为0.1μm～1.5μm左右是适当的，需要这时的电阻率为10MΩcm以上。若比1.5μm厚，则有必要进一步增加下限电阻率，但是对于例如具有如远超100MΩcm那样的电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层来说，稳定地生产极其困难，导致磊晶片的制作成品率降低(实施例A)。
此外，当使用p型Si等导电性基板作为基板时，由于来自基板的某些影响，若不使最低膜厚为0.5μm以上则不稳定，膜厚的上限根据与上述相同的理由以1.5μm为上限(实施例B)。
因此，本实施方式中，为了稳定地生产具有10MΩcm以上的电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层，当在绝缘性基板上形成半绝缘性氮化物系半导体层3时，可使电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.1μm以上1.5μm以下。此外，当在导电性基板上形成半绝缘性氮化物系半导体层3时，可使电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.5μm以上1.5μm以下。进一步，为了更稳定地生产具有10MΩcm以上的电阻率的半绝缘性氮化物系半导体层，不论是绝缘性基板还是导电性基板，半绝缘性氮化物系半导体层3的膜厚优选小于1μm。
接着，对图1和图2所示的本实施方式的氮化物系半导体晶片和氮化物系半导体装置的制造方法进行说明。作为生长半导体层的成膜装置，可使用MOVPE(有机金属气相生长)装置、HVPE(氢化物气相生长)装置、或MBE(分子束外延)装置等。这里，对使用更一般的MOVPE装置的情况进行说明。
将半绝缘性基板1搬入MOVPE装置中。使用有机金属气相生长法在半绝缘性基板1面上生长缓冲层2。然后，在缓冲层2上生长半绝缘性GaN层。进而，在半绝缘性GaN层上生长GaN沟道层4，然后在GaN沟道层4上生长AlGaN电子供给层5，制造图1所示的层状结构的氮化物系半导体晶片。进而，利用蒸镀法或光刻法等，形成欧姆电极、肖特基电极，制造图2所示的HFET装置。
这里，当实现本实施方式中重要的上述半绝缘性GaN层的高电阻率时，为了避免杂质混入膜中而选择高纯度的含有氮的气体和含有Ga的有机金属原料。此外，成膜装置的炉自不必说，炉内使用的冶具也使用实施过洗涤和烘烤的冶具。此外，对于高电阻化的机理来说，推定残留杂质、固有缺陷、或它们的复合缺陷与形成有关，但是目前尚不明确。但是，当初次使用实施过洗涤、烘烤的成膜装置时，可得到最高的电阻率，随着装置使用次数增加，有电阻率降低的倾向，因此根据装置使用次数而实施成膜，从而如果是10MΩcm～100MΩcm的电阻率水平，则阶段性地达到目标高电阻率。
[实施方式的效果]
根据本发明的实施方式，具有下面列举的一个或一个以上的效果。
(1)由于明确地表示半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率的达成目标，同时规定膜厚，因此，可稳定地提供具有高绝缘性的氮化物系半导体层，因而可提供具有良好的特性的氮化物系半导体晶片和氮化物系半导体装置。
(2)因为发现了可稳定地供给具有足够高的绝缘性的半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率和膜厚的关系，所以可实现特性良好的氮化物系半导体晶片和氮化物系半导体装置。
(3)除了半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率之外，还研究其膜厚，规定半绝缘性氮化物系半导体层的膜厚为0.1μm以上1.5μm以下，因此即使为10MΩcm以上100MΩcm以下的电阻率，也可稳定地得到具有高的绝缘性的氮化物系半导体层。
(4)由于形成为从膜厚方面出发，规定影响场效应晶体管特性的氮化物系半导体层的半绝缘性、尤其是对于漏极漏电流的降低是重要的电阻率容许范围，因此不论成膜装置的状态变化等，可稳定地制造具有低漏极漏电流优异的、高绝缘性的氮化物系半导体层的氮化物系半导体晶片或氮化物系半导体装置。
此外，本发明当然可在未超出其要旨的范围内实施各种变形。例如，也可制成在上述氮化物系半导体晶片上，进一步具备作为功能性半导体层的氮化物系半导体层的氮化物系半导体装置。此外，当使用导电性基板作为基板时，通过在该导电性基板上形成的具有足够高的绝缘性的半绝缘性氮化物系半导体层，可抑制向基板的漏电流，因而可实现低价且特性良好的氮化物系半导体晶片和氮化物系半导体装置。此外，在本发明的实施方式中，对FET、HFET等场效应晶体管进行了说明，但并不受其限制，也可用于半导体激光(LD)、LED等半导体发光元件、半导体受光元件等。
[实施例]
下面，基于具体的实施例A～C说明本发明。实施例的晶片的半导体层都使用有机金属气相生长法形成。这里使用的气体是载气(H2)、氨气(NH3)等。此外，作为有机金属原料气体，为三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)等。
(实施例A)
对于三种绝缘性基板，按如下方法来制作装置。在6英寸直径的半绝缘性SiC基板c面上、或2英寸直径的半绝缘性GaN基板c面上、或者6英寸蓝宝石基板c面上，生长包括核发生层和AlN层的缓冲层约0.1μm～0.3μm。该缓冲层的生长法是首先在基板上形成密度高的结晶核(核发生层)，接着以此为生长核使AIN层生长。
使缓冲层生长后，在1,050℃下生长本实施例的GaN高电阻层(半绝缘性氮化物系半导体层)。将该GaN高电阻层的结晶生长条件设为生长炉内全压1013hPa、结晶生长速度80nm/min、V/III比1473。此外，GaN电阻层的膜厚在从0.05μm至1.8μm范围内有多种变化。
这里，当实现重要的GaN高电阻层的高电阻率时，选择高纯度的原料以避免Si、氧等给体型杂质混入膜中。杂质在原料本身的杂质分析中为检测限以下的浓度，因而使用对实际成膜的结晶进行评价时为高电阻的高纯度原料。此外，对于在炉内使用的冶具来说，也使用实施了直至变得在生长温度下不放出这些杂质的洗涤、和在真空中、氢中的烘烤的冶具。从而，对于GaN高电阻层的高电阻率而言，可实现8MΩcm至110MΩcm。
此外，在1,100℃下生长GaN沟道层约0.1μm，然后生长Al组成为20％的Al0.2Ga0.8N层至厚度为0.03μm，来制作图1所示的层状结构的氮化物系半导体晶片。
进一步地，利用蒸镀法、光刻法等，在上述氮化物系半导体晶片的电子供给层5上，形成欧姆电极、肖特基电极，来制作图2所示的HFET装置。
表1中示出了对相对于这样形成的HFET装置的电阻率的膜厚的漏电流和对装置的成品率的影响进行调查的结果。对于实施例1～9和比较例1～8来说，各自地如表1所示，使用上述三种绝缘性基板，生长出具有规定的电阻率和厚度的高电阻GaN层的磊晶片各10片，然后分别对它们进行装置制作并评价。
[表1]
此外，GaN高电阻层的电阻率不能在上述装置结构中测定，因此，在制作装置的同时，制作不使图1中的GaN沟道层以上的部分生长的结构，通过二端子法测定电阻率。此外，对于漏电流来说，使用图2的装置测定FET特性，作为相对于高电阻层的膜厚的漏极漏电流的量进行测量。
当计算成品率时，在装置的ON电流为最低0.1A/mm以上的、通过栅偏压施加正常地调制漏极电流的装置中、即作为FET发挥功能的装置中，漏极漏电流为1μA/mm以下的装置是合格的。而后，将取得的装置中的合格装置的比例作为成品率。本实施例中的装置结构中，通常为0.3A/mm～1.0A/mm左右的ON电流，不足0.1A/mm的装置不耐使用。此外，若漏极漏电流超过1μA/mm，则开关动作时的损失增大，作为GaN系装置的特长丧失，这样的装置也不可使用。
此外，如下所述，当高电阻层的生长是给其上的生长层、即沟道层的生长带来恶劣影响的那样的生长时，例如产生ON电流降低、或运转中电流缓慢降低这样的寿命上的问题，不能作为正常的FET发挥作用，因而，不论高电阻层的特性如何，都为不良，成品率降低。
着眼于表1中的装置的成品率，归纳了膜厚和电阻率对装置的成品率的影响的结果如表2所示。根据基板种类，几乎未见漏极电流差异，因而使各实施例和各比较例中的三个基板种类成为一组，装置的成品率为90％以上设为合格(○)，不足90％设为不合格(×)。
[表2]
根据表1和表2的结果，可知膜厚为1.8μm以上时成品率降低(漏极漏电流增大)。此外，可知作为电阻率，在膜厚为0.1μm以上的情况下为10MΩcm以上是必要的。此外，具有110MΩcm以上的电阻率的样品不能稳定地生长。这时，结晶生长的成品率为50％以下，装置的成品率也显著降低。如果是较低的电阻率10MΩcm～100MΩcm，则通常可以以90％～100％的晶片成品率生长，装置的成品率也为高比率。
当膜厚薄于0.1μm时，沟道层的GaN结晶的品质降低，晶体管特性变得不良，从而导致成品率显著降低。因此，认为0.1μm为膜厚的下限。
从表2中，在高成品率下、统一规定难以进一步引起漏电流的最适范围是难于把握的。因此，为了可以规定最适范围，进一步着眼于漏电流，在表2的基础上，除了电阻率和膜厚之外，将归纳了漏电流的影响的结果示于表3。各栏漏电流范围是汇总基板种类而归纳的范围。围在框内的部分是高成品率、低漏电流的范围。这里，最适漏极电流的上限设为0.76μA/mm。
[表3]
由这些结果可知，若绝缘性基板上具有的半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.1μm以上1.5μm以下，则可稳定地制造漏极漏电流小的优异装置。另外知晓，优选如果膜厚小于1μm，则可更稳定地制造低漏极漏电流的优异装置。
(实施例B)
采用使用了氨气和有机金属原料的有机金属气相生长法在作为导电性基板的6英寸p型Si基板(111)面上生长核发生层和AlGaN层，然后，在1050℃下以各种厚度生长本实施例的GaN高电阻层(半绝缘性氮化物系半导体层)。之后的试样制作步骤与实施例A中示出的步骤相同。结果归纳于表4。实施例10～18和比较例9～16为如下的结果：各自地如表4所示，生长出具有规定的电阻率和厚度的高电阻GaN层的磊晶片各10片，然后分别对它们进行装置制作并评价。
[表4]
着眼于表4中的装置的成品率，归纳了电阻率和膜厚对装置的成品率的影响的结果如表5所示。使各实施例和各比较例中的三个基板种类成为一组，装置的成品率为90％以上设为合格(○)，不足90％设为不合格(×)。
[表5]
与实施例A中的结果相同，由表4和表5的结果可知，当膜厚厚于1.5μm时，不能确保充分的电阻率，成品率降低(漏极漏电流增大)。另外同样可知，作为电阻率，10MΩcm以上是必要的。此外，当膜厚薄于0.5μm时，结晶表面的形态明显劣化，晶体管特性不良，从而导致成品率显著降低。因此，认为0.5μm为膜厚的下限。
基于表4，进一步着眼于漏电流，在表5的基础上，除了电阻率和膜厚之外，归纳了漏电流的影响的结果示于表6。围在框内的部分是高成品率、难以产生漏电流的范围。这里，最适漏极电流的上限设为0.76μA/mm。
[表6]
由这些结果可知，若导电性基板上具有的半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.5μm以上1.5μm以下，则可稳定地制造漏极漏电流小的优异装置。另外知晓，优选如果膜厚小于1μm，则可更稳定地制造低漏极漏电流的优异装置。
(实施例C)
采用使用了氨气和有机金属原料的有机金属气相生长法在6英寸蓝宝石基板c面上生长核发生层和AlN层，然后，在1,050℃～1,100℃下，生长GaN、AlGaN、InAlN、AlGaInN中任一种的高电阻层(半绝缘性氮化物系半导体层)。之后的试样制作步骤与实施例A示出的步骤相同，制作图3所示的层状结构的氮化物系半导体晶片，再制作与图2相同的HFET装置。应予说明，图3表示了将高电阻层设为半绝缘性AlGaInN层13的情况。
对于各HFET装置，研究高电阻层的种类和电阻率、漏极漏电流的关系。反映出任一材料带隙都大于GaN，与实施例A示出的GaN的情况相比，漏极漏电流降低。由此可知，与目前为止的实施例A、B的结果相同，只要膜厚为1.5μm以下，则可确保充分的电阻率，可抑制漏极漏电流。此外，作为电阻率，只要是10MΩcm以上即是充分的。此外，若膜厚薄于0.1μm，则生长面的平坦性恶化，晶体管特性不良。因此，这点也被认为大致地与设置高电阻GaN层的实施例A示出的情况相同。
Claims (7)
1.氮化物系半导体晶片，其在绝缘性基板上具有缓冲层、紧接着位于所述缓冲层上的一层半绝缘性氮化物系半导体层、紧接着位于所述半绝缘性氮化物系半导体层上的沟道层、以及电子供给层，所述半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.1μm以上且小于1μm。
2.根据权利要求1所述的氮化物系半导体晶片，其特征在于，所述绝缘性基板为碳化硅、氮化镓、蓝宝石中的任一种。
3.氮化物系半导体晶片，其在导电性基板上具有缓冲层、紧接着位于所述缓冲层上的一层半绝缘性氮化物系半导体层、紧接着位于所述半绝缘性氮化物系半导体层上的沟道层、以及电子供给层，所述半绝缘性氮化物系半导体层的电阻率为10MΩcm以上100MΩcm以下、膜厚为0.5μm以上且小于1μm。
4.根据权利要求3所述的氮化物系半导体晶片，所述导电性基板为硅。
5.根据权利要求1或3所述的氮化物系半导体晶片，其特征在于，所述半导体层为镓氮化物或铝氮化物、或者镓和铝的氮化物混晶。
6.根据权利要求1或3所述的氮化物系半导体晶片，其特征在于，所述半导体层为镓和铟的氮化物混晶、或铝和铟的氮化物混晶、或者镓、铝和铟的氮化物混晶。
7.氮化物系半导体装置，其具有权利要求1至6中任一项所述的氮化物系半导体晶片。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010-096248 | 2010-04-19 | ||
| JP2010096248A JP2011228442A (ja) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | 窒化物系半導体ウエハ及び窒化物系半導体デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102222690A CN102222690A (zh) | 2011-10-19 |
| CN102222690B true CN102222690B (zh) | 2017-05-24 |
Family
ID=44779195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110097172.1A Active CN102222690B (zh) | 2010-04-19 | 2011-04-15 | 氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110254014A1 (zh) |
| JP (1) | JP2011228442A (zh) |
| CN (1) | CN102222690B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8723222B2 (en) * | 2011-07-19 | 2014-05-13 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Nitride electronic device and method for manufacturing the same |
| JP2013206976A (ja) | 2012-03-27 | 2013-10-07 | Fujitsu Ltd | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
| WO2014196466A1 (ja) * | 2013-06-06 | 2014-12-11 | 日本碍子株式会社 | １３族窒化物複合基板、半導体素子、および１３族窒化物複合基板の製造方法 |
| TWI648858B (zh) | 2016-06-14 | 2019-01-21 | 黃知澍 | Ga-face III族/氮化物磊晶結構及其主動元件與其製作方法 |
| CN107546261A (zh) * | 2016-06-29 | 2018-01-05 | 江西省昌大光电科技有限公司 | 半绝缘GaN薄膜及高电子迁移率晶体管外延结构 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1965400A (zh) * | 2004-06-10 | 2007-05-16 | 丰田合成株式会社 | 场效应晶体管、半导体器件、其制造方法和半导体晶体生长方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG135924A1 (en) * | 2003-04-02 | 2007-10-29 | Sumitomo Electric Industries | Nitride-based semiconductor epitaxial substrate, method of manufacturing the same, and hemt substrate |
| WO2005122234A1 (en) * | 2004-06-10 | 2005-12-22 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Field-effect transistor, semiconductor device, a method for manufacturing them, and a method of semiconductor crystal growth |
| KR100616619B1 (ko) * | 2004-09-08 | 2006-08-28 | 삼성전기주식회사 | 질화물계 이종접합 전계효과 트랜지스터 |
| US7626217B2 (en) * | 2005-04-11 | 2009-12-01 | Cree, Inc. | Composite substrates of conductive and insulating or semi-insulating group III-nitrides for group III-nitride devices |
| US7615774B2 (en) * | 2005-04-29 | 2009-11-10 | Cree.Inc. | Aluminum free group III-nitride based high electron mobility transistors |
| JP2007142003A (ja) * | 2005-11-16 | 2007-06-07 | Ngk Insulators Ltd | Ｉｉｉ族窒化物結晶の作製方法、エピタキシャル基板における反り低減方法、エピタキシャル基板、および半導体素子 |
| WO2008048303A2 (en) * | 2005-12-12 | 2008-04-24 | Kyma Technologies, Inc. | Group iii nitride articles and methods for making same |
| US20080067549A1 (en) * | 2006-06-26 | 2008-03-20 | Armin Dadgar | Semiconductor component |
| JP2008277655A (ja) * | 2007-05-02 | 2008-11-13 | Hitachi Cable Ltd | 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ |
| CN100555692C (zh) * | 2007-09-11 | 2009-10-28 | 南京大学 | 提高掺氧硅基氮化物薄膜电致发光器件发光效率的方法 |
| US20100117118A1 (en) * | 2008-08-07 | 2010-05-13 | Dabiran Amir M | High electron mobility heterojunction device |
-
2010
- 2010-04-19 JP JP2010096248A patent/JP2011228442A/ja active Pending
-
2011
- 2011-03-14 US US13/046,874 patent/US20110254014A1/en not_active Abandoned
- 2011-04-15 CN CN201110097172.1A patent/CN102222690B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1965400A (zh) * | 2004-06-10 | 2007-05-16 | 丰田合成株式会社 | 场效应晶体管、半导体器件、其制造方法和半导体晶体生长方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20110254014A1 (en) | 2011-10-20 |
| JP2011228442A (ja) | 2011-11-10 |
| CN102222690A (zh) | 2011-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5099008B2 (ja) | ＳｉＣ基板を用いた化合物半導体装置とその製造方法 | |
| JP2009507362A (ja) | ネイティブ基板を含む高電子移動度電子デバイス構造およびそれらを製造するための方法 | |
| US8125001B2 (en) | Method for manufacturing gallium oxide based substrate, light emitting device, and method for manufacturing the light emitting device | |
| JP2012076984A (ja) | 窒化物半導体結晶層の製造方法 | |
| WO2009119357A1 (ja) | 半導体素子用エピタキシャル基板、半導体素子、および半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 | |
| KR20100018050A (ko) | Ⅲ족 질화물 반도체 에피택셜 기판 | |
| WO2007116517A1 (ja) | 化合物半導体構造とその製造方法 | |
| KR20100092932A (ko) | 반도체 기판 및 반도체 기판의 제조 방법 | |
| US20160079370A1 (en) | Semiconductor device, semiconductor wafer, and semiconductor device manufacturing method | |
| CN102222690B (zh) | 氮化物系半导体晶片以及氮化物系半导体装置 | |
| CN103003931A (zh) | 半导体元件用外延基板、半导体元件、pn接合二极管元件以及半导体元件用外延基板的制造方法 | |
| JP4468744B2 (ja) | 窒化物半導体薄膜の作製方法 | |
| CN113555431B (zh) | 基于P型GaN漏电隔离层的同质外延氮化镓高电子迁移率晶体管及制作方法 | |
| JP2009021279A (ja) | 半導体エピタキシャルウエハ | |
| JP2010062168A (ja) | 高周波用半導体素子、高周波用半導体素子形成用のエピタキシャル基板、および高周波用半導体素子形成用エピタキシャル基板の作製方法 | |
| JP2006114652A (ja) | 半導体エピタキシャルウェハ及び電界効果トランジスタ | |
| CN110600547B (zh) | 氮化镓基半导体器件及其制作方法 | |
| CN112951910A (zh) | BAlN/GaN高电子迁移率晶体管及其制作方法 | |
| CN116247506B (zh) | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 | |
| JP5460751B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP2003178976A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| JP5399021B2 (ja) | 高周波用半導体素子形成用のエピタキシャル基板および高周波用半導体素子形成用エピタキシャル基板の作製方法 | |
| JP2006032524A (ja) | 窒化物半導体ヘテロ構造電界効果トランジスタ構造とその作製法 | |
| JP2004296701A (ja) | エピタキシャル基板ならびに半導体装置および窒化物系半導体の結晶成長方法 | |
| JP2007258258A (ja) | 窒化物半導体素子ならびにその構造および作製方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: HITACHI METALS, LTD. Free format text: FORMER OWNER: HITACHI CABLE CO., LTD. Effective date: 20140306 |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140306 Address after: Tokyo, Japan, Japan Applicant after: Hitachi Metals Co., Ltd. Address before: Tokyo, Japan, Japan Applicant before: Hitachi Cable Co., Ltd. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SCIOCS COMPANY LIMITED Free format text: FORMER OWNER: HITACHI METALS, LTD. Effective date: 20150819 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150819 Address after: Ibaraki Applicant after: Hitachi Cable Address before: Tokyo, Japan, Japan Applicant before: Hitachi Metals Co., Ltd. |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160223 Address after: Tokyo, Japan, Japan Applicant after: Sumitomo Chemical Co., Ltd. Address before: Ibaraki Applicant before: Hitachi Cable |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |