[发明专利]半导体元件用外延基板、半导体元件、半导体元件用外延基板的制作方法、以及半导体元件的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种由III族氮化物半导体构成的多层结构外延基板，尤其涉及一种半导体元件用多层结构外延基板和其制作方法、以及该半导体元件。

背景技术

III族氮化物半导体具有高绝缘击穿电场、高饱和电子速度，因此作为新时代的高频率/大功率的电子器件用半导体材料而受到关注。例如，将由AlGaN构成的势垒层和由GaN构成的沟道层层叠而成的HEMT（High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管）元件是利用以下特征的元件：根据氮化物材料特有的强极化作用（自发极化效应和压电极化效应）在层叠界面（异质界面）上生成高浓度的二维电子气（2DEG）（例如，参照非专利文献1）。

作为在HEMT元件用基板的基底基板，有时使用组成与III族氮化物不同的单晶（异种单晶），例如硅或SiC等。此时，通常应变超晶格层或低温生长缓冲层等的缓冲层作为初始生长层，形成在基底基板之上。由此，在基底基板之上外延形成势垒层、沟道层以及缓冲层，成为使用了由异种单晶构成的基底基板的HEMT元件用基板的最基本的构成方式。除此之外，为了促进二维电子气的空间上的封闭性，有时还在势垒层和沟道层之间设置厚度为1nm左右的隔离层。隔离层由例如AlN等构成。进而，为了控制HEMT元件用基板的最表面的能级、或改善与电极的接触特性，有时还在势垒层之上形成例如由n型GaN层或超晶格层构成的保护层。

要使这种HEMT元件或用于其制作的多层结构体的HEMT元件用基板实用化，有必要解决功率密度增大、高效率化等与性能提高相关的课题、常闭动作化等与功能性增强相关的课题、高可靠性和低成本化这些基本课题等各种课题，并针对每个课题做了不懈的努力。

为人们所知的技术如下：例如，由GaN形成沟道层、由AlGaN形成势垒层的、最常规结构的氮化物HEMT元件的情况下，在HEMT元件用基板内部存在的二维电子气的浓度随着形成势垒层的AlGaN的AlN摩尔分数的增加而增加（例如，参照非专利文献2）。可以认为，如果可以大幅度提高二维电子气浓度，便可以大幅度提高HEMT元件的可控制电流密度、即操作的功率密度。

另外，如由GaN形成沟道层、由InAlN形成势垒层的HEMT元件，具有如下结构的HEMT元件也受到关注：对压电极化作用的依赖小、几乎只靠自发极化便能够以高浓度生成二维电子气、且变形少（例如，参照非专利文献3）。

就常闭动作化而言，电子设备，尤其是就承担控制功率的功率半导体器件而言，从安全装置（fail safe）的观点来看，通常优选进行常闭动作，即，在未从外部输入电信号的状态下进行导通阻止状态的动作。一方面，由III族氮化物半导体构成的HEMT元件是如上所述的利用生成在异质界面的二维电子气的设备，因此，本来在常开动作中比在常闭动作中显示更优异的导通特性，即，显示低的通态电阻。作为实现由III族氮化物半导体构成的HEMT元件的常闭动作的方法，有以下公知的方法。

例如，对于由GaN形成沟道层、由AlGaN形成势垒层的肖特基栅结构型的氮化物HEMT元件，以下公知的方法：（1）通过使AlGaN势垒层的厚度变薄，从而使栅极阈值电压（以下，简称为阈值电压）变换为正方向的值，进而完成常闭化的方法（例如参照非专利文献4），（2）只在栅极电极正下方实施凹槽蚀刻（recess etching）的方法（例如参照非专利文献5）等。

或者，还有以下公知的方法：（3）凹槽栅结构型的HEMT元件中代替肖特基接合而采用经由绝缘层的MIS（金属-绝缘体-半导体）结构的方法（例如参照非专利文献6和非专利文献7），（4）制作使用MIS型的栅结构的翻转槽结构的HEMT元件的方法等（例如参照非专利文献8）。

进而，还有如下的方法：（5）由全III族元素的Al摩尔分数为0.3以下的AlGaN形成沟道层，由规定组成范围内的InAlGaN形成势垒层，由此实现了二维电子气浓度在2×10¹³/cm²以上且可进行常闭动作的HEMT元件的方法（例如，参照专利文献1）。

在上述使HEMT元件常闭动作化的方法中，除方法5，均存在制造工艺复杂，无法得到充分低的通态电阻的问题。

例如，就方法（1）而言，二维电子气浓度随着势垒层的薄层化而降低，因此无法得到氮化物HEMT元件的原本就具有的长处--低通态电阻。这是随着势垒层变薄使得势垒层的表面和槽部之间的距离变短的结果，可以考虑成是因为使表面电位有助于电荷生成，或压电极化效应变小。