[发明专利]半导体元件用外延基板、半导体元件和半导体元件用外延基板的制造方法

说明书

本发明提供一种抑制电流崩塌的发生的半导体元件用外延基板。半导体元件用外延基板包括：半绝缘性的自立基板，其含有掺杂有Zn的GaN；缓冲层，其与上述自立基板相邻；沟道层，其与上述缓冲层相邻；以及势垒层，其隔着上述沟道层而设置于上述缓冲层的相反侧，上述缓冲层是含有掺杂有Al的GaN、且抑制Zn从上述自立基板向上述沟道层扩散的扩散抑制层。

技术领域

本发明涉及一种半导体元件，特别是涉及一种利用半绝缘性的含有GaN的自立基板而构成的半导体元件。

背景技术

氮化物半导体具有直接跃迁型的宽带隙，并且具有高击穿电场、高饱和电子速度，因此，作为LED、LD等发光器件、高频/大功率的电子器件用半导体材料而利用氮化物半导体。

作为氮化物电子器件的代表性结构，存在将AlGaN作为“势垒层”、将GaN作为“沟道层”而层叠形成的高电子迁移率晶体管(HEMT)的结构。该结构灵活运用了如下特征：通过氮化物材料特有的强极化效应(自发极化效应和压电极化效应)而在AlGaN/GaN层叠界面生成高浓度的二维电子气。

氮化物电子器件一般利用蓝宝石、SiC、Si之类的容易通过商业途径获得的异种材料基底基板而制作。然而，存在如下问题：在这些异种材料基板上进行异质外延生长而成的GaN膜中，因GaN与异种材料基板之间的晶格常数或热膨胀系数的差异而产生许多缺陷。

另一方面，当使GaN膜在GaN基板上进行同质外延生长时，不会产生上述因晶格常数或热膨胀系数的差异而引起的缺陷，GaN膜显示出良好的结晶性。

因此，当在GaN基板上制作氮化物HEMT的结构时，由于存在于AlGaN/GaN层叠界面的二维电子气的迁移率提高，因此，能够期待利用该结构而制作的HEMT元件(半导体元件)的特性的提高。

但是，可通过商业途径获得的、通过氢化物气相生长法(HVPE法)而制作的GaN基板，一般因引入到晶体内的氧杂质而形成为n型的传导型。当对HEMT元件进行高电压驱动时，导电性的GaN基板成为源电极-漏电极之间的漏电流路径。因此，为了制作HEMT元件，优选利用半绝缘性的GaN基板。

为了实现半绝缘性GaN基板，已知：将过渡金属元素(例如Fe)、第2主族元素(例如Mg)这样的形成较深的受主能级的元素掺杂于GaN晶体中是有效的。

已经公知：通过选择第2主族元素中的锌元素(Zn)，能够实现高品质的半绝缘性GaN单晶基板(例如，参照专利文献1)。已经对GaN晶体中的Zn元素的扩散进行了调查研究，结果发现：会在高温气氛中发生扩散且扩散的容易度取决于GaN晶体的结晶性(例如，参照非专利文献4)。另外，还已知如下方案：使得掺杂有作为过渡金属元素的铁(Fe)的高电阻层形成于基板上，进而在该高电阻层与电子渡越层之间形成Fe的引入效果高的中间层，由此防止Fe进入电子渡越层(例如，参照专利文献2)。

已经在半绝缘性GaN基板上或带半绝缘性GaN膜的基板上制作了HEMT结构，并对其各种特性进行了评价(例如，参照非专利文献1至非专利文献3)。

当使GaN膜在掺杂过渡金属元素、第2主族元素而成的半绝缘性GaN单晶基板上进行外延生长而形成半导体元件用外延基板时，Fe、Mg、Zn等受主元素扩散到GaN膜中，并在膜中作为电子陷阱(electron-trap)而发挥作用，因此，存在会产生电流崩塌(currentcollapse)现象的问题(例如，参照专利文献3)。专利文献3中公开了如下内容：Fe、Mg等受主元素容易扩散，这一点成为电流崩塌的原因。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5039813号公报

专利文献2：日本特开2013-74211号公报

专利文献3：日本特开2010-171416号公报