TWI614895B - 半導體基板及半導體元件 - Google Patents

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鹿內洋志
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篠宮勝
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土屋慶太郎
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Abstract

本發明是一種半導體基板，其具有：基板；前述基板上的緩衝層；高電阻層，其由前述緩衝層上的氮化物系半導體所構成且包含過渡金屬和碳；及，通道層，其由前述高電阻層上的氮化物系半導體所構成；該半導體基板的特徵在於：前述高電阻層具有減少層，該減少層鄰接於前述通道層，並且前述過渡金屬濃度是自前述緩衝層側朝向前述通道層側減少；並且，碳濃度朝向前述通道層減少的減少率，比前述過渡金屬濃度朝向前述通道層減少的減少率更大。藉此，提供一種半導體基板，其能夠一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度，一面謀求高電阻層的通道層側區域的高電阻化。

Description

半導體基板及半導體元件
本發明有關一種半導體基板及半導體元件，該半導體元件是使用該半導體基板所製作而成。
使用氮化物半導體而成的半導體基板，已被用在以高頻率且高輸出運作的功率元件等。尤其，作為適用於以微波、次毫米波、毫米波等高頻帶進行放大的功率元件，已知有例如高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)等。
作為使用氮化物半導體而成的半導體基板，已知一種半導體基板，是在Si(矽)基板上將緩衝層、GaN(氮化鎵)層、由AlGaN(氮化鋁鎵)所構成的阻障層，依序積層而成。
GaN層中的下部的層(高電阻層)，藉由提高縱向和橫向的電阻，能夠藉由提升電晶體的關閉特性且抑制縱向漏洩，來達成高耐壓化。因此，將碳摻雜至GaN層中，因而在GaN晶體中形成較深的位準，來抑制n型傳導。
另一方面，若GaN層中的上部的層作為通道層來發揮性能，且形成捕捉載子的位準，則可能會由於雜質散射而導致遷移率下降或電流坍塌(輸出電流特性的再現性劣化的現象)，因此需要使碳等的濃度充分下降(參照專利文獻1~3)。
又，在專利文獻4已揭示一種藉由添加Fe(鐵)至GaN層中來謀求高電阻化(參照第6圖)的技術，亦已揭示一種為了使Fe的能量位準穩定化，進一步添加碳(參照第7圖)的技術。
[先前技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特許第5064824號公報
專利文獻2：日本特開第2006-332367號公報
專利文獻3：日本特開第2013-070053號公報
專利文獻4：日本特開第2012-033646號公報
專利文獻5：日本特許第5064824號公報
然而，如專利文獻5所揭示，若添加Fe至GaN層中，該上層的GaN層會以拖尾的方式包含Fe(意指Fe濃度呈現拖尾分佈，且尾部在該上層的GaN層中)，因此，為了使Fe的能量位準穩定化，亦需要添加碳至上層的GaN層中。
然而，第6圖所示的GaN層116的電子供給層118側的區域119是作為通道層來發揮性能，因此以如上所述的方式來添加碳至作為主動層的GaN層中，則是不理想的。
於是，亦可考量如第8圖所示，在第2 GaN層122中，在與Fe相同時間點，使碳濃度朝向作為通道層來發揮性能的第3 GaN層124側逐漸減少，但是此時會有下述問題：第2 GaN層122的第3 GaN層124側的區域所含有的Fe和碳 並不多，且厚度方向和橫向的電阻下降，因而使該區域不能夠充分發揮作為高電阻層的性能。
本發明是有鑑於上述問題點而完成，其目的在於提供一種半導體基板及使用該半導體基板所製作而成的半導體元件，該半導體基板能夠一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度，一面實現更高電阻的高電阻層。
為了達成上述目的，本發明提供一種半導體基板，其具有：基板；前述基板上的緩衝層；高電阻層，其由前述緩衝層上的氮化物系半導體所構成，且包含過渡金屬和碳；及，通道層，其由前述高電阻層上的氮化物系半導體所構成；該半導體基板的特徵在於：前述高電阻層具有減少層，該減少層鄰接於前述通道層，並且前述過渡金屬濃度是自前述緩衝層側朝向前述通道層側減少；並且，碳濃度朝向前述通道層減少的減少率，比前述過渡金屬濃度朝向前述通道層減少的減少率更大。
如此一來，將減少層設置於高電阻層內，該減少層鄰接於通道層並且其過渡金屬濃度是自緩衝層側朝向通道層側減少，且使碳濃度朝向通道層減少的減少率，比過渡金屬濃度朝向通道層減少的減少率更大，藉此，能夠使至減少層的較靠近通道層側的區域為止的碳濃度變高，另一方面能夠降低通道層內的碳濃度，因此，能夠一面維持高電阻層的通道層側的高電阻，一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度。
此時，較佳是：前述通道層的平均碳濃度比前述減少層的平均碳濃度更低。
可藉由此種構成，一面抑制通道層內的電流坍塌發生或載子的遷移率下降，一面謀求高電阻層中的厚度方向的更高的高電阻化。
此時，較佳是：至前述緩衝層側的前述減少層的碳濃度減少的部分為止的碳濃度自前述緩衝層側朝向前述通道層側增加，或為固定值。
可藉由此種構成，利用碳來補償過渡金屬濃度的減少，因此，更確實地抑制由於減少層中的過渡金屬濃度減少所引起的電阻減少。
此時，較佳是：前述減少層中，碳濃度與過渡金屬濃度的合計值為1×1018atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下。
若碳濃度與過渡金屬濃度的合計值在上述範圍內，可適當地維持減少層的高電阻。
此時，較佳是：前述減少層的厚度為500nm以上且3μm以下，且前述減少層中前述過渡金屬是自1×1019atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下的濃度減少至1×1016atoms/cm3以下。
若減少層的厚度為500nm以上，能夠使過渡金屬濃度減少至足夠低的濃度為止，若減少層的厚度為3μm以下，能夠防止在基板周圍部容易產生龜裂。
又，可適當使用上述濃度梯度，來作為減少層中的過渡 金屬的濃度梯度。
此時，較佳是：前述高電阻層進一步具有前述過渡金屬濃度為固定值的層
可藉由此種構成，使高電阻層更厚，因此能夠使縱向(厚度方向)的漏洩電流更小。
此時，可將前述過渡金屬設為Fe。
如此一來，可適當使用Fe作為過渡金屬。
又，本發明提供一種半導體元件，其特徵在於：是使用上述半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
如此一來，若是使用本發明的半導體基板所製作而成的半導體元件，能夠使至減少層的較靠近通道層側的區域為止的碳濃度變高，另一方面能夠降低通道層內的碳濃度，因此，能夠一面維持高電阻層的通道層側的高電阻，一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度，且一面抑制通道層內的載子的遷移率下降一面提高縱向的電阻，藉此，可利用抑制電晶體的縱向漏洩來高耐壓化。
如上所述，根據本發明，能夠使至減少層的較靠近通道層側的區域為止的碳濃度變高，另一方面能夠降低通道層內的碳濃度，因此，能夠一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度，一面謀求高電阻層的通道層側的高電阻化，並且，一面抑制通道層內的載子的遷移率下降，一面提高縱向的電阻，藉此，可利用提升電晶體的關閉特性且抑制縱向漏 洩，來高耐壓化。因此，可藉由本發明的半導體基板，製作高品質的HEMT等功率元件。
10‧‧‧半導體基板
11‧‧‧半導體元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧緩衝層
15‧‧‧高電阻層
16‧‧‧固定層
17‧‧‧減少層
18‧‧‧通道層
20‧‧‧阻障層
22‧‧‧主動層
24‧‧‧二維電子氣體層
26‧‧‧第一電極
28‧‧‧第二電極
30‧‧‧控制電極
第1圖是表示半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖，該半導體基板表示本發明的實施形態的一例。
第2圖是表示本發明的實施形態的一例的半導體基板的剖面圖。
第3圖是表示本發明的實施形態的一例的半導體基板的剖面圖。
第4圖是表示實施例和比較例1的電流坍塌的Vds相依性的圖。
第5圖是表示實施例和比較例2的縱向漏洩電流與縱向電壓的關係的圖。
第6圖是表示在以往的GaN層中添加有Fe而成的半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖。
第7圖是表示在以往的GaN層中添加有Fe和碳而成的半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖。
第8圖是表示在以往的GaN層中添加有Fe和碳且使碳濃度具有梯度的半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖。
第9圖是表示比較例1的半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖。
第10圖是表示比較例2的半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖。
如前所述，若添加Fe至GaN層中，該上層的GaN層亦會以拖尾的方式包含Fe，因此，為了使Fe的能量位準穩定化，亦需要添加碳至上層的GaN層中，但是第6圖所示的GaN層116的電子供給層118側的區域119是作為通道層來發揮性能，因此以如上所述的方式來添加碳至作為主動層的GaN層中，則是不理想的。
於是，亦可考量如第8圖所示，在第2 GaN層122中，在與Fe相同時間點，使碳濃度朝向作為通道層來發揮性能的第3 GaN層124側逐漸減少，但是此時會有下述問題：第2 GaN層122的第3 GaN層124側的區域所含有的Fe和碳並不多，且厚度方向和橫向的電阻下降，因而不能夠充分發揮作為高電阻層的性能。
於是，本發明人反覆專心研究一種半導體基板，其能夠一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度，一面實現更高電阻的高電阻層。其結果發現，在高電阻層內設置減少層，該減少層鄰接於通道層，並且其過渡金屬濃度是自緩衝層側朝向通道層側減少，且使碳濃度朝向通道層減少的減少率，比過渡金屬濃度朝向通道層減少的減少率更大，藉此，能夠使至減少層的較靠近通道層側為止的區域的碳濃度變高，另一方面能夠降低通道層內的碳濃度，因此，能夠一面降低通道層內的碳濃度和過渡金屬濃度，一面實現更高電阻的高電阻層，因而完成本發明。
以下，作為實施態樣的一例，一邊參照圖式一邊詳細地說明本發明，但是本發明並不受限於此例。
首先，一邊參照第1~2圖一邊說明本發明的一例的半導體基板。
第1圖是表示本發明的一例的半導體基板的深度方向的濃度分佈的圖，第2圖是本發明的一例的半導體基板的剖面圖。
第2圖所示的半導體基板10，具有：基板12；緩衝層14，其設置於基板12上；高電阻層15，其是由設置於緩衝層14上的氮化物系半導體(例如GaN)所構成，且包含作為雜質的過渡金屬和碳；及，主動層22，其設置於高電阻層15上。
此處，基板12，例如是由Si或SiC(碳化矽)所構成的基板。又，緩衝層14，例如是由積層體所構成而成的層，該積層體是下述各層所重複積層而成：第一層，其由氮化物系半導體所構成；及，第二層，其由與第一層組成不同的氮化物系半導體所構成。
第一層，例如是由AlyGa1-yN所構成；第二層，例如是由AlxGa1-xN(0≦x<y≦1)所構成。
具體而言，第一層可設為AlN，第二層可設為GaN。
主動層22，具有：通道層18，其由氮化物系半導體所構成；及，阻障層20，其由設置於通道層18上的氮化物系半導體所構成。通道層18，例如是由GaN所構成；阻障層20，例如是由AlGaN所構成。
高電阻層15，包含：固定層16，其過渡金屬(種類和含量)為固定；及，減少層17，其鄰接於通道層18，並且過 渡金屬是自緩衝層14側朝向通道層18減少。
再者，在第1~2圖中，是表示高電阻層15包含固定層16的情況，但是高電阻層15亦可不包含固定層16。
又，緩衝層14可包含Fe、碳。
在高電阻層15中，碳濃度減少的部分，比過渡金屬濃度減少的部分，更靠近通道層18側，因而碳與過渡金屬的濃度減少的位置，在厚度方向上不同。又，碳濃度朝向通道層18減少的減少率，比過渡金屬濃度朝向通道層18減少的減少率更大。
如上所述，在高電阻層15內設置減少層17，該減少層17鄰接於通道層18，並且其過渡金屬濃度是自緩衝層14側朝向通道層18側減少，且使碳濃度朝向通道層18減少的減少率，比過渡金屬濃度朝向通道層18減少的減少率更大，藉此，能夠使至減少層17的較靠近通道層18側的區域為止的碳濃度變高，另一方面能夠降低通道層18內的碳濃度，因此，能夠一面降低通道層18內的碳濃度和過渡金屬濃度，一面謀求高電阻層15的通道層18側的高電阻化。
較佳是：在半導體基板10中，通道層18的平均碳濃度比減少層17的平均碳濃度更低。
可藉由此種構成，一面抑制通道層內的電流坍塌發生或載子的遷移率下降，一面維持減少層的高電阻。
較佳是：在半導體基板10中，至減少層17的前述碳濃度減少的部分為止的碳濃度，是自緩衝層14側朝向通道層18側增加、或為固定值。
可藉由使碳濃度減少的區域，比過渡金屬濃度減少的區域更靠近通道層側，利用碳來補償過渡金屬濃度的減少，因此，能夠抑制由於減少層中的過渡金屬濃度減少所引起的電阻減少。
較佳是：在減少層17中，碳濃度與過渡金屬濃度的合計值為1×1018atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下。
若碳濃度與過渡金屬濃度的合計值在上述範圍內，能夠適當地維持減少層的高電阻。
較佳是：在半導體基板10中，減少層17的厚度為500nm且3μm以下；在減少層17中，過渡金屬是自1×1019atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下的濃度，減少至1×1016atoms/cm3以下的濃度。
若減少層的厚度為500nm以上，能夠使過渡金屬濃度減少至足夠低的濃度為止，若減少層的厚度為3μm以下，能夠防止基板過厚。
又，可適當使用上述濃度梯度，來作為減少層中的過渡金屬的濃度梯度。
可以Fe作為過渡金屬，其比碳更容易高電阻化。再者，作為過渡金屬，亦可使用Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn等。
再者，Fe濃度的控制，除了表面偏析(surface segregation)等所導致的自摻雜(autodoping)效應以外，還可藉由Cp2Fe(雙(環戊二烯)鐵)的流量控制來實行。
因為Fe是如上所述藉由偏析等進行自摻雜，所以較難使 Fe濃度急劇地減少。
再者，碳的添加可藉由下述方式進行：在以有機金屬氣相磊晶法(metal organic vapor phase epitaxy，MOVPE)使氮化物系半導體層成長時，將原料氣體(TMG(三甲基鎵)等)所含的碳摻入膜中；亦可藉由丙烷等摻雜氣體來實行。
又，可利用控制氮化物系半導體層的成長溫度、爐內壓力等，來使碳濃度急劇地減少。
因此，相較於Fe等過渡金屬的濃度，能夠較容易地使碳濃度急劇地減少。
繼而，一邊參照第3圖一邊說明本發明的一例的半導體元件。
第3圖是本發明的一例的半導體元件的剖面圖。
半導體元件11是使用本發明的一例的半導體基板10所製作而成，其具有第一電極26、第二電極28、控制電極30，該等電極設置於主動層22上。
在半導體元件11中，第一電極26和第二電極28是以下述方式配置：電流可自第一電極26，經由形成於通道層18內的二維電子氣體層24，而流向第二電極28。
在第一電極26與第二電極28之間流動的電流，可藉由被施加在控制電極30上的電位來進行控制。
半導體元件11是使用本發明的一例的半導體基板10所製作而成，能夠使至減少層17的較靠近通道層18側的區域為止的碳濃度變高，另一方面能夠降低通道層18內的碳濃度，因此，能夠一面維持高電阻層15的通道層側的高電阻， 一面降低通道層18內的碳濃度和過渡金屬濃度，且一面抑制通道層18內的載子的遷移率下降，一面提高縱向和橫向的電阻，藉此，能夠藉由提升電晶體的關閉特性且抑制縱向漏洩，來達成高耐壓化。
[實施例]
以下，表示實施例及比較例來更具體地說明本發明，但是本發明並不受限於這些例子。
(實施例)
在第2圖的半導體基板10中，使用矽基板作為基板12，且作為緩衝層14，使用在積層體中添加Fe而成者，該積層體是由AlN層與GaN層重複積層而成，並使用GaN層作為高電阻層15，且在高電阻層15中設置有Fe濃度減少的減少層17。
又，在距離半導體基板10表面1μm左右的區域中，使Fe濃度減少至1×1016atoms/cm3程度以下。再者，Fe濃度的控制，除了藉由偏析等所導致的自摻雜效應已以外，還可藉由Cp2Fe(雙(環戊二烯)鐵)的流量控制來進行。
進一步，在減少層17中，以碳濃度朝向表面增加的方式來添加碳，來補償Fe濃度減少。
又，在距離半導體基板10表面1μm左右的區域中，使碳濃度能夠急劇減少至1×1016atoms/cm3程度。
在本實施例中，因為在高電阻層15中添加有Fe，所以能夠有效地高電阻化。
以上述方式進行而製作的半導體基板，是藉由二次離子質譜法(secondary ion mass spectroscopy，SIMS)分析來測 定濃度曲線。其結果確認，碳濃度、Fe濃度具有如第1圖所示的濃度分佈。
使用上述半導體基板來製作如第3圖所示的半導體元件。
對所製作的半導體元件，測定其電流坍塌的Vds(電極26與電極28的電位差)相依性、及縱向漏洩電流與縱向電壓的關係。其結果如第4~5圖所示。再者，第4圖的縱軸是Ron比，其是以非坍塌狀態(一般狀態)的導通電阻(on-resistance)Ron與坍塌狀態的導通電阻Ron’的比值RON’/RON來定義，且以Ron比來表示由於坍塌而導致導通電阻上升多少程度。
(比較例1)
以與實施例相同方式進行來製作半導體基板。但是不形成減少層，而使該半導體基板成為具有如第9圖所示的深度方向的濃度分佈。在比較例1的半導體基板中，在通道層18中，Fe呈現拖尾分佈。
使用上述半導體基板來製作如第3圖所示的半導體元件(但是未形成減少層17)。
對所製作的半導體元件，測定其電流坍塌的Vds(電極26與電極28的電位差)相依性。其結果如第4圖所示。
(比較例2)
以與實施例相同方式進行來製作半導體基板。但是不添加Fe至高電阻層16中而僅添加碳，使該半導體基板成為具有如第10圖所示的深度方向的濃度分佈。
使用上述半導體基板來製作如第3圖所示的半導體元件 (但是未形成減少層17)。
對所製作的半導體元件，測定其縱向漏洩電流與縱向電壓的關係。其結果如第5圖所示。
由第4圖可知，在實施例的半導體元件中，相較於比較例1的半導體元件，電流坍塌受到抑制。此被認為是在通道層中Fe和碳濃度足夠低的緣故。
又，由第5圖可知，在實施例的半導體元件中，相較於比較例2的半導體元件，縱向漏洩電流較低。此被認為是藉由以碳來填補減少層中的Fe濃度所減少的部分，而在減少層中實現了更高電阻的緣故。
再者，本發明並不受限於上述實施形態。上述實施形態為例示，任何具有實質上與本發明的申請專利範圍所述的技術思想相同的構成且發揮相同功效者，皆包含在本發明的技術範圍內。

Claims (23)

  1. 一種半導體基板，其具有：基板；前述基板上的緩衝層；高電阻層，其由前述緩衝層上的氮化物系半導體所構成，且包含過渡金屬和碳；及，通道層，其由前述高電阻層上的氮化物系半導體所構成；該半導體基板的特徵在於：前述高電阻層具有減少層，該減少層鄰接於前述通道層，並且前述過渡金屬濃度是自前述緩衝層側朝向前述通道層側減少；並且，碳濃度朝向前述通道層減少的減少率，比前述過渡金屬濃度朝向前述通道層減少的減少率更大。
  2. 如請求項1所述的半導體基板，其中，前述通道層的平均碳濃度比前述減少層的平均碳濃度更低。
  3. 如請求項1所述的半導體基板，其中，至前述緩衝層側的前述減少層的碳濃度減少的部分為止的碳濃度，是自前述緩衝層側朝向前述通道層側增加、或為固定值。
  4. 如請求項2所述的半導體基板，其中，至前述緩衝層側的前述減少層的碳濃度減少的部分為止的碳濃度，是自前述緩衝層側朝向前述通道層側增加、或為固定值。
  5. 如請求項1所述的半導體基板，其中，在前述減少層中，碳濃度與過渡金屬濃度的合計值為1×1018atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下。
  6. 如請求項2所述的半導體基板，其中，在前述減少層中，碳濃度與過渡金屬濃度的合計值為1×1018atoms/cm3以上且1 ×1020atoms/cm3以下。
  7. 如請求項3所述的半導體基板，其中，在前述減少層中，碳濃度與過渡金屬濃度的合計值為1×1018atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下。
  8. 如請求項4所述的半導體基板，其中，在前述減少層中，碳濃度與過渡金屬濃度的合計值為1×1018atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下。
  9. 如請求項1~8中任一項所述的半導體基板，其中，前述減少層的厚度為500nm以上且3μm以下，且在前述減少層中，前述過渡金屬是自1×1019atoms/cm3以上且1×1020atoms/cm3以下的濃度，減少至1×1016atoms/cm3以下。
  10. 如請求項1~8中任一項所述的半導體基板，其中，前述高電阻層進一步具有前述過渡金屬濃度為固定值的層。
  11. 如請求項9所述的半導體基板，其中，前述高電阻層進一步具有前述過渡金屬濃度為固定值的層。
  12. 如請求項1~8中任一項所述的半導體基板，其中，前述過渡金屬為Fe。
  13. 如請求項9所述的半導體基板，其中，前述過渡金屬為Fe。
  14. 如請求項10所述的半導體基板，其中，前述過渡金屬為Fe。
  15. 如請求項11所述的半導體基板，其中，前述過渡金屬為Fe。
  16. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項1~8中 任一項所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  17. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項9所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  18. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項10所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  19. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項11所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  20. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項12所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  21. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項13所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  22. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項14所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
  23. 一種半導體元件，其特徵在於：是使用如請求項15所述的半導體基板所製作而成，且在前述通道層上設置有電極。
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