CN102369594A - 半导体基板、半导体基板的制造方法、半导体基板的判定方法以及电子器件 - Google Patents

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Abstract

提供改善了电压-电流特性线性度的高性能化合物半导体外延基板、其制造方法及其判定方法。提供一种半导体基板，具备：生成二维载流子气体的化合物半导体；对该化合物半导体供给载流子的载流子供给半导体；以及迁移率降低半导体，其配置于该化合物半导体与该载流子供给半导体之间，并具有使载流子的迁移率小于该化合物半导体中的载流子的迁移率的迁移率降低因素。

Description

半导体基板、半导体基板的制造方法、半导体基板的判定方法以及电子器件
技术领域
本发明涉及半导体基板、半导体基板的制造方法、半导体基板的判定方法以及电子器件。
背景技术
特开平7-14850号公报公开了一种异质结场效应晶体管，其结构为以不掺杂GaAs层和不掺杂InGaAs层为活性层，以一部分中添加了Si的AlGaAs层夹持活性层。特开平10-56168号公报公开了一种场效应晶体管，该场效应晶体管的下部载流子供给层与沟道层的界面附近的电子亲和力的差大于沟道层与上部载流子供给层的界面附近的电子亲和力的差。特开平11-354776号公报公开了一种HEMT(High Electron Mobility Transistor)元件，其使用了在半绝缘性GaAs基板上依次层叠了n型AlGaAs载流子供给层、不掺杂AlGaAs间隔层、不掺杂GaAs沟道层、不掺杂InGaAs沟道层、不掺杂GaAs间隔层以及n型GaAs沟道层的晶体层叠体。
特开2000-183334号公报公开了一种异质结型场效应晶体管，其在GaAs的半绝缘性基板上具有GaAs、AlGaAs的缓冲层、n型AlGaAs的下侧电子供给层、i型InGaAs的沟道层、n型AlGaAs的上侧电子供给层、i型AlGaAs的肖特基层、利用n型GaAs等形成的欧姆接触层、由WSi构成的栅电极、以及、由Au、Ge或Ni构成的源电极以及漏电极。该晶体管中，上侧电子供给层的Nt积为异质结界面的最大片载流子浓度的约1.4倍，下侧电子供给层的Nt积为最大片载流子浓度的1.0倍～2.0倍的范围内。
(专利文献1)JP特开平7-14850号公报
(专利文献2)JP特开平10-56168号公报
(专利文献3)JP特开平11-354776号公报
(专利文献4)JP特开2000-183334号公报
发明内容
发明所要解决的问题
通过上述引用文献1～引用文献4所公开的发明，能够改善异质结场效应晶体管的变形特性。然而，这些发明中未考虑激发态的电子是对电压-电流特性线性度带来不良影响的因素之一的情况。因此，实施了该发明的异质结场效应晶体管的电压-电流特性线性度低，异质结场效应晶体管输出的电流波形发生变形。所以，本发明的目的在于提供适合具有更优异的变形特性的晶体管的制造、具有优异的电压-电流特性线性度的半导体基板。
解决课题的手段
本发明的第1方式中提供一种半导体基板，其具备生成二维载流子气体的化合物半导体、对该化合物半导体供给载流子的载流子供给半导体、以及配置于该化合物半导体与该载流子供给半导体之间的具有使载流子的迁移率小于该化合物半导体中的载流子的迁移率的迁移率降低因素的迁移率降低半导体。迁移率降低半导体的内部中，处于激发态的载流子的存在概率高于处于基态的载流子的存在概率。激发态是载流子处于例如第1受激能级的状态。
将在该化合物半导体上的不同的2点之间施加电压时化合物半导体中流通的电流y，用以对应电压、在-1.5[kV/cm]以上、+1.5[kV/cm]以下的范围内变化的电场强度x为变量的近似多项式y＝ax3+bx2+cx表示时，近似多项式中的3次项系数a相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|为低于0.037[(kV/cm)-2]。迁移率降低因素例如为杂质、晶体缺陷、低迁移率材料、能带势垒材料中的一种。
例如，载流子为电子，杂质为施主杂质。也可以载流子为空穴，杂质为受主杂质。并且，例如，载流子供给半导体为N型AlGaAs，迁移率降低半导体为非P型GaAs，化合物半导体为InGaAs。
迁移率降低半导体例如为含3.6×1018[cm-3]以下的施主杂质的N型GaAs。施主杂质例如为选自Si、Se、Ge、Sn、Te以及S构成的群中的至少一种元素。
本发明的第2方式中提供一种半导体基板的制造方法，其具备：形成生成二维载流子气体的化合物半导体的步骤、在该化合物半导体上形成具有使载流子的迁移率小于该化合物半导体中的载流子的迁移率还小的迁移率降低因素的迁移率降低半导体的步骤、在该迁移率降低半导体上形成对该化合物半导体供给载流子的载流子供给半导体的步骤。
本发明的第3方式中提供一种半导体基板的判定方法，其包含：准备半导体基板的步骤，该半导体基板包含具有生成二维载流子气体的组分的化合物半导体、对该化合物半导体供给载流子的载流子供给半导体、以及配置于该化合物半导体与该载流子供给半导体之间的具有使载流子的迁移率小于该化合物半导体中的载流子的迁移率的迁移率降低因素的迁移率降低半导体；在该化合物半导体上配置一对欧姆电极的步骤；对一对欧姆电极施加电压，测定与施加的电压对应的电流值的步骤；将与电压对应的电流值，以与电压对应的电场强度的近似多项式进行近似的步骤；以及，判断近似多项式中的3次项系数相对于1次项系数的比的绝对值是否小于预定的值的步骤。该判定方法中，电场强度在-1.5[kV/cm]以上、+1.5[kV/cm]以下的范围内变化时，3次项系数相对于1次项系数的比的绝对值低于0.037[(kV/cm)-2]时，可将半导体基板判定为优良品。
本发明的第4方式中提供一种电子器件，其具备：生成二维载流子气体并具有使二维载流子气体流通的沟道的化合物半导体、对该化合物半导体供给载流子的载流子供给半导体、配置于该化合物半导体与该载流子供给半导体之间的具有使载流子的迁移率小于该化合物半导体中的载流子的迁移率的迁移率降低因素的迁移率降低半导体、隔着沟道相互耦合的一对欧姆电极、以及、控制一对欧姆电极间的阻抗的控制电极。
并且，本说明书中，“A上的B(B on A)”包括“B连接于A的情况”以及“B和A之间存在其他的部件的情况”的两种情况。
附图说明
图1是简要地表示半导体基板100的截面的一例。
图2是表示半导体基板中的能带图的一例。
图3是表示半导体基板300的截面的一例。
图4是表示半导体基板400的截面的一例。
图5是表示半导体基板的判定方法的一例的流程图。
图6是表示评价用半导体基板的一例。
图7表示电场强度-电流曲线。
图8表示迁移率降低半导体的杂质浓度对线性度指标的影响。
图9是表示电子器件900的截面的一例。
图10是表示电子器件900的制造过程中的截面例。
图11是表示电子器件900的制造过程中的截面例。
具体实施方式
图1简要表示半导体基板100的截面的一例。半导体基板100具备基底基板102、化合物半导体114、迁移率降低半导体116以及载流子供给半导体120。
基底基板102是支撑半导体基板100中的其他构成要素的基板。基底基板102例如为Ge基板、GOI(germanium-on-insulator)基板、或者GaAs、InGaAs、AlGaAs、GaN以及AlGaN等的3-5族半导体基板。基底基板102也可以是Si基板、SOI(silicon-on-insulator)基板、蓝宝石基板、玻璃基板或PET膜等的树脂基板。基底基板102也可以含有缓冲层。基底基板102例如具有圆片状的形状。
化合物半导体114生成二维载流子气体。二维载流子气体是指传导电子或空穴的任一种的载流子的集合，该载流子能在二维方向自由运动，而在与该二维方向垂直的方向上以能表现量子效应的程度被束缚。量子效应是载流子的能级成为离散的能级的现象。化合物半导体114例如为InGaAs、GaAs或InGaP等的3-5族化合物半导体。化合物半导体114也可以为如GaN等的具有压电效果的化合物半导体。
迁移率降低半导体116被配置在化合物半导体114和载流子供给半导体120之间。迁移率降低半导体116具有抑制载流子的移动的迁移率降低因素。因迁移率降低半导体116具有迁移率降低因素，所以迁移率降低半导体116中的载流子的迁移率小于化合物半导体114中的载流子的迁移率。
在此，本发明人的实验中确认到了化合物半导体114的内部中处于基态的载流子的存在概率高于处于激发态的载流子的存在概率。相对于此，还确认到了与化合物半导体114连接的半导体中，与处于基态的载流子的存在概率相比处于激发态的载流子的存在概率更高。在此，激发态是载流子处于比基态高的能级的状态。
处于激发态的载流子是使晶体管的电压-电流特性发生变形的要因之一。例如，半导体基板100被用在通过栅电压而控制流通于源极以及漏极间的沟道的电流的晶体管中时，若沟道含处于激发态的载流子，则使相对于栅电压的源极-漏极间的电流的线性度下降。
在此，通过对激发态的电子的存在概率高的与化合物半导体114连接的半导体中设置降低载流子的迁移率的迁移率降低半导体116，而能降低成为使电压-电流特性线性度变差的要因的激发态的载流子的迁移率。其结果，将半导体基板100用于晶体管等的电子元件时，电子元件的电压-电流特性线性度上升。
迁移率降低半导体116所含的迁移率降低因素例如为杂质、晶体缺陷、低迁移率材料以及能带势垒材料。载流子为电子时，施主杂质将作为迁移率降低因素发挥功能。并且，载流子为空穴时，受主杂质将作为迁移率降低因素发挥功能。能带势垒材料例如是与化合物半导体114相比能带隙大的半导体。
化合物半导体114为生成N型二维载流子气体的InGaAs时，迁移率降低半导体116例如为非P型的GaAs。迁移率降低半导体116可以是含有3.6×1018[cm-3]以下、优选为3.0×1018[cm-3]以下、更优选为1.0×1018[cm-3]以下、再优选为0.5×1018[cm-3]以下的施主杂质的N型GaAs。该施主杂质例如为选自Si、Se、Ge、Sn、Te以及S构成的群中的至少一种的元素。
载流子供给半导体120对化合物半导体114供给载流子。载流子供给半导体120的材料例如为GaAs、AlGaAs以及InGaP。化合物半导体114是生成N型二维载流子气体的化合物半导体时，载流子供给半导体120例如为N型AlGaAs。载流子供给半导体120也可以具有电极。半导体基板100可以在该电极和化合物半导体114之间具有对二维载流子气体形成势垒的势垒层。
半导体基板100的电压-电流特性，例如可通过在化合物半导体114上的不同的2点间施加电压时测定从该2点间流通的电流而得。将在半导体基板100流通的电流设为y，则电流y可以由以相应所施加的电压而发生的电场的强度x为变量的近似多项式y＝ax3+bx2+cx表示。
可通过该近似多项式中的3次项系数a相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|的值来判断半导体基板100的电压-电流特性线性度是否良好。例如，电场强度x在-1.5[kV/cm]以上、+1.5[kV/cm]以下的范围内变化时，近似多项式中的3次项系数a的相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|低于0.037[(kV/cm)-2]时，可判断为电压-电流特性良好。
图2是表示半导体基板100中的能带图的一例。横轴表示半导体基板100的截面中的层叠方向上的位置。其中，能带图是通过模似求得。图2中，作为一例，在作为生成二维载流子气体的化合物半导体114发挥功能的膜厚5nm的InGaAs层的两侧，配置有作为迁移率降低半导体116发挥功能的膜厚6nm的GaAs层。InGaAs层和GaAs层的膜厚优选为0.5nm～100nm，更优选为1nm～50nm。
曲线202表示传导带下端的能级，其分度由左纵轴表示。根据曲线202，InGaAs层的传导带下端的能级比GaAs层低，且在与GaAs层的界面附近最低。InGaAs层在能级最低的界面附近生成二维载流子气体。
曲线204表示处于基态的电子的波动函数，其分度以右纵轴表示。电子的概率密度以波动函数的二乘来表示。因此，根据曲线204，可知形成二维载流子气体的InGaAs层中的基态的电子的概率密度高于GaAs层中的基态的电子的概率密度。
曲线206表示处于激发态的电子的波动函数，其分度以右纵轴表示。根据曲线206，可知在InGaAs层的两侧的GaAs层中，处于激发态的电子的存在概率高于处于基态的电子的存在概率。并且，可知在InGaAs层中，处于基态的电子的存在概率高于处于激发态的电子的存在概率。由上可知，形成二维载流子气体的InGaAs层中主要存在基态的电子，在其两侧的GaAs层中主要存在激发态的电子。
场效应晶体管(Field Effect Transistor有时被称为场效应管FET)或高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，有时也被称为HEMT)等的平面电子元件，通过以栅电极的电场控制在InGaAs层等形成的沟道层中流过的电流，而发挥晶体管特性。晶体管优选具有更高电压-电流线性特性，
因影响电压-电流特性的电子中的、处于基态的电子的移动而使电流流通的情况时，电压-电流特性线性度优良。与此相对，因处于激发态的电子的移动而使电流流通时，因电子的带间跃迁而相对于电场强度的变化的电子移动量的变化成为非线形。因此，激发态的电子的存在概率高时，电压-电流特性线性度不良。
由此，通过抑制激发态的电子的流通而降低迁移率，主要以基态的电子生成晶体管的沟道电流，从而能够提高基态的电子影响电压-电流特性的比率。其结果，晶体管的电压-电流特性线性度上升。
图2的例中，激发态的电子多存在于InGaAs层的两侧的GaAs层。所以，可通过对GaAs层添加迁移率降低因素而抑制激发态的电子的流通，从而能够提高存在于InGaAs层的基态的电子影响电压-电流特性的比率。
化合物半导体114是生成N型二维载流子气体的InGaAs时，迁移率降低因素优选为N型的杂质。例如，迁移率降低半导体116是GaAs层时，通过将N型的杂质掺于GaAs层而能保持沟道中储存的电子浓度并能防止沟道与设于器件表面的电极之间的纵方向电阻的增加。
为了降低作为迁移率降低半导体116发挥功能的GaAs层中的激发态的电子的迁移率，需要提高载流子浓度。然而，载流子浓度过高时，基态的电子的迁移率也会降低，在沟道层中行进的基态的电子的平均迁移率将下降。
根据本发明人等的实验结果，迁移率降低半导体116为GaAs层时，掺了N型的杂质的迁移率降低半导体116的载流子浓度优选为3.6×1018[cm-3]以下。该载流子浓度可以为3.0×1018[cm-3]以下，更优选为1.0×1018[cm-3]以下，再优选为0.5×1018[cm-3]以下。满足这样的条件时，能够得到具有线性度优异的电压-电流特性的化合物半导体外延基板。其中，从精度方面出发，优选载流子浓度为3×1018[cm-3]以上时，将电压-电流特性以霍耳测定法测定，载流子浓度低于3×1018[cm-3]时，将电压-电流特性以电容电压(CV)法测定。
图3是表示半导体基板300的截面的一例。半导体基板300具备基底基板302、缓冲层304、载流子供给半导体308、迁移率降低半导体312、化合物半导体314、迁移率降低半导体316、载流子供给半导体320、势垒形成半导体330以及接触层340。
基底基板302以及缓冲层304，与半导体基板100中的基底基板102对应。载流子供给半导体308以及载流子供给半导体320，与载流子供给半导体120对应。迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316，与迁移率降低半导体116对应。化合物半导体314，与化合物半导体114对应。并且，半导体基板300在具有接触层340的点上与半导体基板100不同。
半导体基板300在化合物半导体314的两侧具有载流子供给半导体308以及载流子供给半导体320。由于通过该构成而化合物半导体314所生成的二维载流子气体的载流子数增加，所以电子元件的性能得到提高。并且，半导体基板300在化合物半导体314的两侧具有迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316。如图2所示，在位于化合物半导体314即InGaAs的两侧的GaAs中，较多存在激发态的电子。因此，半导体基板300通过在化合物半导体314的两侧具备具有迁移率降低因素的迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316，而能提高半导体基板300的电压-电流特性线性度。
缓冲层304确保形成于上层的化合物半导体314等的晶态并防止残留于基底基板302的表面的杂质而导致的半导体基板300的特性劣化。缓冲层304抑制来自形成于上层的半导体层的漏电流。缓冲层304还作为如下的缓冲层发挥功能：整合形成于上层的化合物半导体314与基底基板302之间的晶格间距离的缓冲层。缓冲层304的材料例如为GaAs或AlGaAs。
势垒形成半导体330形成控制电极和二维载流子气体之间的能量势垒，其中控制电极施加对在FET等的电子元件的沟道流通的电流进行控制的电压。例如，控制电极由金属构成时，通过势垒形成半导体330和该金属的肖特基结形成能量势垒。势垒形成半导体330的材料例如为AlGaAs。
接触层340确保形成于半导体基板300上的控制电极和势垒形成半导体330以下的半导体之间的传导性。接触层340的材料例如为GaAs或InGaAs。
通过迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316具有迁移率降低因素，使存在于迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316的激发态的电子的迁移率低于化合物半导体314的迁移率。而且，存在于化合物半导体314的基态的电子流成为形成于半导体基板300的晶体管的沟道电流的主流，所以能够提高影响电压-电流特性的基态的电子的比率。其结果，半导体基板300中的电压-电流特性线性度上升。通过使用本实施方式的半导体基板300，能够制造高频信号的变形特性良好的电子元件。
图4表示半导体基板400的截面的一例。半导体基板400具备基底基板402、缓冲层404、缓冲层406、载流子供给半导体408、间隔层410、迁移率降低半导体412、化合物半导体414、迁移率降低半导体416、间隔层418、载流子供给半导体420以及势垒形成半导体430。半导体基板400还可以在势垒形成半导体430之上进一步具备接触层340。
基底基板402，与半导体基板300中的基底基板302对应。载流子供给半导体408以及载流子供给半导体420分别与载流子供给半导体308以及载流子供给半导体320对应。迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416分别与迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316对应。化合物半导体414，与化合物半导体314对应。
半导体基板400具有含缓冲层404以及缓冲层406的二重缓冲构造。并且，半导体基板400在具有间隔层410以及间隔层418的点上与半导体基板300不同。
由缓冲层404以及缓冲层406构成的二重缓冲构造将提高整合化合物半导体414和基底基板402的晶格间距离的差异的缓冲层的效果。二重缓冲构造将进一步抑制基底基板402的杂质对化合物半导体414带来的影响。二重缓冲构造将进一步降低漏电流。缓冲层404或缓冲层406的材料例如为GaAs或AlGaAs。
间隔层410以及间隔层418分别形成在载流子供给半导体408与化合物半导体414之间、以及载流子供给半导体420与化合物半导体414之间。间隔层410以及间隔层418抑制载流子供给半导体408以及载流子供给半导体420内的杂质扩散到化合物半导体414。并且，间隔层410以及间隔层418防止化合物半导体414中的载流子的迁移率因杂质离子的散射而降低。间隔层410或间隔层418的材料例如为AlGaAs。
势垒形成半导体430形成用于使形成在势垒形成半导体430的电极发挥控制电极的功能的能量势垒。势垒形成半导体430的材料例如为AlGaAs。
如上所述，半导体基板400通过具有由缓冲层404以及缓冲层406构成的二重缓冲，而能提高化合物半导体414的晶态。其结果，能降低漏电流。并且，半导体基板400通过具有间隔层410和间隔层418而能防止化合物半导体414中的电子的杂质离子散射。因此，使用半导体基板400形成晶体管时，晶体管的电压-电流特性线性度上升。
下面，对图1所示的半导体基板100的制造方法进行说明。本实施方式的半导体基板的制造方法具备：在基底基板102上形成用于生成二维载流子气体的化合物半导体114的步骤、与化合物半导体114连接地形成具有抑制载流子的移动的迁移率降低因素的迁移率降低半导体116的步骤、与迁移率降低半导体116连接地形成对化合物半导体114供给载流子的载流子供给半导体120的步骤。
在形成化合物半导体114的步骤中，将基底基板102载置于反应炉，在基底基板102上使化合物半导体114外延生长。基底基板102例如为高电阻的半绝缘性GaAs单晶基板。GaAs单晶基板是例如以LEC法(LiquidEncapsulated Czochralski)、VB法(Vertical Bridgman)、VGF法(VerticalGradient Freezing)等制造的GaAs基板。并且，GaAs单晶基板可以是从1个结晶学的面方位具有0.05°～10°左右的倾斜的基板。作为外延生长法可例示出有机金属气相生长法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition以下有时也称MOCVD法)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy以下有时也称为MBE法)。
下面，对使用MOCV D法使化合物半导体114外延生长的方法进行说明。首先，将GaAs单晶的基底基板102的表面脱脂清洗、蚀刻、水洗、乾燥后，将该基底基板102载置于减压管式MOCV D炉的加热台上。将炉内用高纯度氢充分置换后，开始基底基板102的加热。结晶生长时的基板温度例如为500℃到800℃的任一温度。使基底基板102在适当的温度下变稳定后向炉内导入砷原料，接着导入镓原料或铟原料，使InGaAs层外延生长。
作为3族元素原料可以使用三甲基镓(TMG)以及三甲基铟(TMI)等、各金属原子上键合了碳数为1～3的烷基或氢的三烷基化物或三氢化物。作为5族元素原料气体可以使用胂(AsH3)或将胂所含的至少一个氢原子用碳数为1～4的烷基置换后的烷基胂。
作为外延生长条件的一例，反应炉内压力为0.1atm、生长温度为650℃、生长速度为1～3μm/hr。原料的载流子气体例如为高纯度氢。后述的迁移率降低半导体116以及载流子供给半导体120也可以通过使用同样的MOCV D法，调整原料气体、炉内压力、生长温度、生长时间等参数而进行外延生长。
在形成迁移率降低半导体116的步骤中，与化合物半导体114连接地使迁移率降低半导体116外延生长。迁移率降低半导体116例如为N型GaAs。此时，例如施主杂质成为迁移率降低因素。作为外延生长法可以例示MOCV D法、MBE法。例如，可以使用三甲基镓(TMG)作为3族元素原料，使用胂(AsH3)作为5族元素原料气体，利用MOCV D法，使N型GaAs的迁移率降低半导体116外延生长。
施主杂质例如为选自Si、Se、Ge、Sn、Te以及S构成的群中的至少一种的元素。作为N型掺杂剂可以使用上述元素的氢化物或具有碳数为1～3的烷基的烷化物。例如，作为施主杂质可以选择Si，作为N型掺杂剂可以使用乙硅烷(Si2H6)。
形成的迁移率降低半导体116包含以下浓度的施主杂质，即，小于等于3.6×1018[cm-3]，优选3.0×1018[cm-3]以下，更优选是1.0×1018[cm-3]以下，再优选为0.5×1018[cm-3]以下。作为施主杂质选择Si时，通过调整外延生长时的乙硅烷流量而能改变杂质浓度。在此，杂质浓度是指迁移率降低半导体116所含的施主杂质的浓度。
在形成载流子供给半导体120的步骤中，在迁移率降低半导体116上使载流子供给半导体120外延生长。载流子供给半导体120例如为N型AlGaAs。此时，载流子供给半导体120对化合物半导体114供给电子作为载流子。作为外延生长法可以例示MOCV D法、MBE法。
例如，可以作为3族元素原料使用三甲基镓(TMG)和三甲基铝(TMA)，作为5族元素原料气体使用胂(AsH3)，利用MOCVD法，使N型AlGaAs的载流子供给半导体120外延生长。
施主杂质例如为选自Si、Se、Ge、Sn、Te以及S构成的群中的至少一种元素。作为N型掺杂剂可以使用上述元素的氢化物或具有碳数为1～3的烷基的烷化物。例如，可以作为施主杂质选择Si，作为N型掺杂剂使用乙硅烷(Si2H6)。经过包含以上的步骤的制造工序而能制造半导体基板100。
图5是表示判断半导体基板是否优良的方法的一例的流程图。如图5所示，本实施方式的半导体基板的判定方法具备准备半导体基板的步骤S510、配置欧姆电极的步骤S520、测定相对于电压的电流值的步骤S530、将测定值以近似多项式近似的步骤S540、以及进行判断的步骤S550。作为一例，该半导体基板为半导体基板100、半导体基板300或半导体基板400。本例中，说明半导体基板100的制造方法。
在准备半导体基板的步骤S510中，准备半导体基板100。在配置欧姆电极的步骤S520中，在包含化合物半导体114、载流子供给半导体120以及迁移率降低半导体116的层叠体的表面上配置一对欧姆电极。
在测定相对于电压的电流值的步骤S530中，对一对欧姆电极施加电压，对每一个所施加的电压进行电流值的测定。在将测定值以近似多项式近似的步骤S540中，将每一个电压的电流值，以用电压所对应的电场强度表示的近似多项式进行近似。
进行判断的步骤S550中，对进行近似的近似多项式中的3次项系数相对于1次项系数的比的绝对值是否小于预定的值进行判断。根据该判断结果判定半导体基板是否优良。具体而言，3次项系数相对于1次项系数的比的绝对值小于预定的值时，半导体基板因具有迁移率降低半导体的效果而电压-电流特性线性度良好，所以可以判定为所测定的半导体基板为优良品。
图6所示的半导体基板600是在图5所示的判定方法中使用的评价用半导体基板的一例。半导体基板600具备基底基板602、缓冲层604、载流子供给半导体608、迁移率降低半导体612、化合物半导体614、迁移率降低半导体616、载流子供给半导体620、势垒形成半导体621、欧姆电极622以及欧姆电极624。
基底基板602，与半导体基板300中的基底基板302对应。缓冲层604，与缓冲层304对应。载流子供给半导体608以及载流子供给半导体620，与载流子供给半导体308以及载流子供给半导体320对应。迁移率降低半导体612以及迁移率降低半导体616，与迁移率降低半导体312以及迁移率降低半导体316对应。化合物半导体614，与化合物半导体314对应。势垒形成半导体621，与势垒形成半导体330对应。半导体基板600，例如可以是配置了欧姆电极622以及欧姆电极624而形成的半导体基板，来代替半导体基板300的接触层340。
图5所示的准备半导体基板的步骤S510中，例如，如图6所示地准备具备基底基板602、缓冲层604、载流子供给半导体608、迁移率降低半导体612、化合物半导体614、迁移率降低半导体616、载流子供给半导体620以及势垒形成半导体621的半导体基板。
半导体基板600的准备是通过使用上述的半导体基板制造方法，在基底基板602上依次外延生长缓冲层604、载流子供给半导体608、迁移率降低半导体612、化合物半导体614、迁移率降低半导体616、载流子供给半导体620以及势垒形成半导体621而完成。
在配置欧姆电极的步骤S520中，如图6所示，在势垒形成半导体621的表面形成欧姆电极622以及欧姆电极624。欧姆电极622以及欧姆电极624被用于电压的施加以及电流值的测定。欧姆电极622以及欧姆电极624例如是通过光刻法在载流子供给半导体620的表面上，在形成欧姆电极622以及欧姆电极624的部位形成有开口的抗蚀剂掩模，蒸镀电极用金属后剥离抗蚀剂而形成。
欧姆电极622以及欧姆电极624的材料只要是导电性的材料即可，例如有Au、Ni、Al、W、以及Ti等的金属，AuGe等的合金或掺了杂质的半导体。欧姆电极622以及欧姆电极624可以具有层叠了上述的导电性材料的构造。
进行电压-电流测定的步骤S530中，在欧姆电极622和欧姆电极624之间施加在一定的电压范围进行变化的电压，对每个所施加的电压进行电流值的测定。后述图7中以四角符号表示的是测定结果的一例。
在将测定值以多项式近似的步骤S540中，对每一电压而测定的电流值使用最小二乘法，以对应于各自的电压的电场强度的多项式进行近似。该多项式例如为下述式1所示。
y＝ax3+bx2+cx…(式1)
式1中，x为表示电场强度的变量，y为表示电流的变量。并且，a为3次项系数，b为2次项系数，c为1次项系数。
判定电压-电流特性线性度的步骤S550中，算出3次项系数a相对于在S540中得到的式1中的1次项系数c的比的绝对值|a/c|。进而判断绝对值|a/c|是否小于预定的值，从而判定电压-电流特性线性度是否良好。
3次项的系数的绝对值越小，电压-电流曲线的线性度越提高，电子元件的电压-电流特性越变良好。而且，1次项的系数越大，电流曲线的直立越大，接通电阻越小。由此，以1次项系数c的值除3次项系数a的比的绝对值|a/c|越小，接通电阻越小，能够得到电压-电流特性良好的化合物半导体外延基板。
因此，能以3次项系数a相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|作为线性度指标，来判断电压-电流特性线性度是否良好。线性度指标|a/c|低于0.037[(kV/cm)-2]时，优选为0.030[(kV/cm)-2]以下时，更优选为0.028[(kV/cm)-2]以下时，可以将测定电压-电流特性的半导体基板判定为优良品。
(实施例)
下面，使用实施例说明半导体基板的判定方法。本实施例中，使用图4所示的半导体基板400，判定电压-电流特性线性度是否良好。作为基底基板402使用了高电阻的半绝缘性GaAs单晶基板。通过前述的MOCV D法，在基底基板402上依次外延生长缓冲层404、缓冲层406、载流子供给半导体408、间隔层410、迁移率降低半导体412、化合物半导体414、迁移率降低半导体416、间隔层418、载流子供给半导体420以及势垒形成半导体430，准备了半导体基板400。
上述各层的组分、膜厚以及杂质浓度示于表1。迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416中的N型杂质的杂质浓度变化为无掺杂、1.0×1017、5.0×1017、1.0×1018、2.6×1018、4.4×1018、6.0×1018(cm-3)，制作了7种半导体基板400。对各自的半导体基板400施加电压时测定所流通的电流，判定电压-电流特性线性度是否良好。
【表1】
Figure BPA00001444816000151
GaAs层的形成中，作为3族元素原料使用三甲基镓(TMG)，作为5族元素原料气体使用了胂(AsH3)。AlGaAs层的形成中，作为3族元素原料进一步使用了三甲基铝(TMA)。InGaAs层的形成中，作为3族元素原料进一步使用了三甲基铟(TMI)。作为原料的载流子气体使用了高纯度氢。将减压管式MOCV D炉的炉内压力设为0.1atm，生长温度设为650℃，生长速度设为1～3μm/hr，进行了外延生长。作为N型掺杂剂使用乙硅烷(Si2H6)，调整生长时的乙硅烷流量而改变迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416的杂质浓度。
接着，将在形成欧姆电极的部位用光刻法形成开口的抗蚀剂掩模形成于势垒形成半导体430上。接着，在势垒形成半导体430上依次蒸镀AuGe、Ni以及Au，剥离抗蚀剂，从而设置了大小为150μm×200μm、间隔为6μm的2个电极。此时以6μm的间隔相互对置的电极的边的长度为200μm。
在两个电极间施加电压，以使在-1.5kV/cm至+1.5kV/cm的范围内使电场强度变化，测定了电流。图7表示迁移率降低半导体412和迁移率降低半导体416的杂质浓度为4.4×1018(cm-3)的半导体基板400的电场强度-电流曲线。横轴表示所施加的电场强度，纵轴表示所测定的电流。图7中的四角符号表示测定值。
对测定的结果应用最小二乘法，以3次多项式进行近似，从而示出对应于各自的半导体基板400的电场强度与电流的关系。得到了3次近似多项式。具体而言，对应于图7的测定结果，得到了如下的3次近似多项式2。并且，图7所示的曲线为与式2对应的曲线。图7表示式2与测定结果很好地拟合。
y＝-0.000963x3-0.000226x2+0.0253x…(式2)
对将迁移率降低半导体412和迁移率降低半导体416的杂质浓度进行变化的7种半导体基板400得到的3次近似多项式中的3次项系数a、1次项系数c以及线性度指标|a/c|示于表2。
【表2】
Figure BPA00001444816000161
图8是将迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416的杂质浓度用横轴表示，线性度指标|a/c|用纵轴表示的、将表2所示的结果汇总的图。该图表示迁移率降低半导体的杂质浓度对线性度指标带来的影响。图8中的三角符号表示未掺杂半导体基板400中的电场强度-电流曲线的线性度指标。未掺杂时，线性度指标为0.037[(kV/cm)-2]。即，在不具有迁移率降低半导体416的半导体基板400中，线性度指标为0.037[(kV/cm)-2]。
图8中的四角符号表示对迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416掺杂了施主杂质的半导体基板400中的电场强度-电流曲线的线性度指标。杂质浓度在大于0且小于3.8×1018(cm-3)的范围内，示出比未掺杂半导体基板400的电压-电流特性良好的线性度。考虑测定误差，则在杂质浓度为2×1016(cm-3)以上、3.6×1018(cm-3)以下的范围内得到了低于现有的没有迁移率降低半导体416的半导体基板400中的线性度指标|a/c|即0.037[(kV/cm)-2]的良好的特性。
由以上的结果可知，对于具有迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416的半导体基板400，其线性度是否具有良好的电压-电流特性，可通过在包含化合物半导体414、载流子供给半导体420、迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416的层叠体的电压电流测定中，线性度指标|a/c|是否低于0.037[(kV/cm)-2]来进行判定。为了提高半导体基板400的电压-电流特性线性度，优选线性度指标|a/c|为0.030[(kV/cm)-2]以下时将半导体基板400判定为优良品，以0.028[(kV/cm)-2]以下为判定基准则更优选。
迁移率降低半导体412以及迁移率降低半导体416的杂质浓度为4.4×1018[cm-3]时，线性度指标为0.038[(kV/cm)-2]，线性度比半导体基板400没有迁移率降低半导体416的情况恶化。其原因被认为是如表2所示，1次项系数c变小，迁移率降低半导体416中的电阻变大而导致的。具体而言，迁移率降低半导体416的杂质浓度过大时，由于杂质散射的影响，基态的载流子的迁移率也会下降，抵消3次项系数a变小的效果。
所以，为了制造具有良好的线性度指标的半导体基板400，迁移率降低半导体416为含3.6×1018[cm-3]以下、优选为3.0×1018[cm-3]以下、更优选为1.0×1018[cm-3]以下、再优选为0.5×1018[cm-3]以下的施主杂质的N型GaAs层。
通过以上的半导体基板判定方法，在半导体基板上没有形成晶体管的状态下就能判定由外延生长形成的半导体基板是否适合晶体管的形成。
图9表示电子器件900的截面的一例。电子器件900具备基底基板302、缓冲层304、载流子供给半导体308、迁移率降低半导体312、化合物半导体314、迁移率降低半导体316、载流子供给半导体320、势垒形成半导体330、漏极台942、欧姆电极952、源极台944、欧姆电极954以及控制电极956。电子器件900是使用半导体基板300制造的高电子迁移率晶体管的一例。因此，省略与半导体基板300共通的部分的说明。其中，“漏极台”或“源极台”是指形成漏极或源极的凸形状的半导体区域。
欧姆电极952以及欧姆电极954分别发挥高电子迁移率晶体管的漏电极以及源电极的功能。欧姆电极952以及欧姆电极954的材料只要是导电性的材料即可，例如可利用Au、Ni、Al、W、Ti等的金属，或AuGe等的合金，或掺了杂质的半导体。欧姆电极622以及欧姆电极624可以具有上述导电性材料的层叠构造。
漏极台942确保欧姆电极952与势垒形成半导体330之下的半导体的传导性。并且，源极台944确保欧姆电极954与势垒形成半导体330之下的半导体的传导性。漏极台942和源极台944的材料例如为GaAs或InGaAs。
控制电极956通过所施加的电压控制流通于欧姆电极952与欧姆电极954间的漏极电流。控制电极956的材料例如为Ni、Au、Pt、Ti或W。控制电极956的材料可以是上述金属的单体元素或上述金属的合金。控制电极956可以具有上述金属的单体元素或合金的层叠构造。
图10以及图11简要地表示电子器件900的制造过程中的截面的例子。下面，使用图对电子器件900的制造过程进行说明。
首先，通过前述的半导体基板的制造方法准备半导体基板300。如图10所示，通过利用光刻法蚀刻接触层340等的方法，形成漏极台942和源极台944。例如，可在接触层340的表面涂布抗蚀剂，去除形成漏极台942和源极台944的部位以外的抗蚀剂并形成掩模。然后，通过蚀刻去除形成漏极台942以及源极台944的部位以外的接触层340，从而形成漏极台942以及源极台944。
接着，如图11所示，通过光刻法在形成欧姆电极952和欧姆电极954的部位形成开口，由此形成抗蚀剂掩模。接着，依次蒸镀形成欧姆电极952和欧姆电极954的材料、例如，AuGe、Ni以及Au，然后剥离抗蚀剂，从而形成欧姆电极952以及欧姆电极954。
如图9所示，通过光刻法，使在形成控制电极956的部位形成了开口的抗蚀剂掩模形成，在蒸镀形成控制电极956的材料后剥离抗蚀剂，从而形成控制电极956。由此完成电子器件900。
【符号的说明】
100  半导体基板、102  基底基板、114  化合物半导体、116  迁移率降低半导体、120  载流子供给半导体、202  曲线(电子能量)、204曲线(基础能级电子分布)、206  曲线(受激能级电子分布)、300  半导体基板、302  基底基板、304  缓冲层、308  载流子供给半导体、312迁移率降低半导体、314  化合物半导体、316  迁移率降低半导体、320载流子供给半导体、330  势垒形成半导体、340  接触层、400  半导体基板、402  基底基板、404  缓冲层、406  缓冲层、408  载流子供给半导体、410  间隔层、412  迁移率降低半导体、414  化合物半导体、416迁移率降低半导体、418  间隔层、420  载流子供给半导体、430  势垒形成半导体、600  半导体基板、602  基底基板、604  缓冲层、608  载流子供给半导体、612  迁移率降低半导体、614  化合物半导体、616  迁移率降低半导体、620  载流子供给半导体、621  势垒形成半导体、622欧姆电极、624  欧姆电极、900  电子器件、942  漏极台、944  源极台、952  欧姆电极、954  欧姆电极、956  控制电极。

Claims (14)

1.一种半导体基板，具备：
化合物半导体，其生成二维载流子气体；
载流子供给半导体，其对所述化合物半导体供给载流子；以及
迁移率降低半导体，其配置于所述化合物半导体与所述载流子供给半导体之间，且具有使所述载流子的迁移率小于所述化合物半导体中的所述载流子的迁移率的迁移率降低因素。
2.如权利要求1所述的半导体基板，其中，
在所述迁移率降低半导体的内部中，处于激发态的载流子的存在概率高于处于基态的载流子的存在概率。
3.如权利要求2所述的半导体基板，其中，
所述激发态是载流子处于第1受激能级的状态。
4.如权利要求1所述的半导体基板，其中，
在将对所述化合物半导体上的不同的2点间施加电压时在所述化合物半导体流通的电流y，用以对应所述电压、且在-1.5[kV/cm]以上、+1.5[kV/cm]以下的范围内变化的电场强度x作为变量的近似多项式y＝ax3+bx2+cx来进行表示时，所述近似多项式中的3次项系数a相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|为低于0.037[(kV/cm)-2]。
5.如权利要求1所述的半导体基板，其中，
所述迁移率降低因素为杂质、晶体缺陷、低迁移率材料或能带势垒材料。
6.如权利要求5所述的半导体基板，其中，
所述载流子为电子，所述杂质为施主杂质。
7.如权利要求5所述的半导体基板，其中，
所述载流子为空穴，所述杂质为受主杂质。
8.如权利要求1所述的半导体基板，其中，
所述载流子供给半导体为N型AlGaAs，
所述迁移率降低半导体为非P型GaAs，
所述化合物半导体为InGaAs。
9.如权利要求8所述的半导体基板，其中，
所述迁移率降低半导体为含3.6×1018[cm-3]以下的施主杂质的N型GaAs。
10.如权利要求9所述的半导体基板，其中，
所述施主杂质为选自由Si、Se、Ge、Sn、Te以及S构成的群中的至少一种的原子。
11.一种半导体基板的制造方法，具备：
形成生成二维载流子气体的化合物半导体的步骤；
在所述化合物半导体上形成迁移率降低半导体的步骤，其中该迁移率降低半导体具有使载流子的迁移率小于所述化合物半导体中的所述载流子的迁移率的迁移率降低因素；以及
在所述迁移率降低半导体上形成对所述化合物半导体供给所述载流子的载流子供给半导体的步骤。
12.一种半导体基板的判定方法，包含：
准备半导体基板的步骤，其中，所述半导体基板包含：化合物半导体，其生成二维载流子气体；载流子供给半导体，其对所述化合物半导体供给载流子；以及迁移率降低半导体，其配置于所述化合物半导体与所述载流子供给半导体之间，并具有使所述载流子的迁移率小于所述化合物半导体中的所述载流子的迁移率的迁移率降低因素；
在所述化合物半导体上配置一对欧姆电极的步骤；
对所述一对欧姆电极施加电压，测定与所施加的电压对应的电流值的步骤；
将与所述电压对应的电流值y，按照与所述电压对应的电场强度x的近似多项式y＝ax3+bx2+cx进行近似的步骤；以及
判断所述近似多项式中的3次项系数a相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|是否小于预定的值的步骤。
13.如权利要求12所述的半导体基板的判定方法，其中，
所述电场强度在-1.5[kV/cm]以上、+1.5[kV/cm]以下的范围内变化的情况下，在所述3次项系数a相对于1次项系数c的比的绝对值|a/c|低于0.037[(kV/cm)-2]时，将所述半导体基板判定为优良品。
14.一种电子器件，具备：
化合物半导体，其生成二维载流子气体且具有使所述二维载流子气体流通的沟道；
载流子供给半导体，其对所述化合物半导体供给载流子；
迁移率降低半导体，其配置于所述化合物半导体与所述载流子供给半导体之间，且具有使所述载流子的迁移率小于所述化合物半导体中的所述载流子的迁移率的迁移率降低因素；
隔着所述沟道而相互耦合的一对欧姆电极；以及
控制所述一对欧姆电极间的阻抗的控制电极。
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