半導(dǎo)體元件及其制造方法
【專利摘要】提供減少了漏電流的氮化物類半導(dǎo)體元件及其制造方法。提供一種半導(dǎo)體元件，其包括襯底,在襯底上方形成的緩沖區(qū),在緩沖區(qū)上形成的活性層,在活性層上形成的至少2個(gè)電極，緩沖區(qū)包括晶格常數(shù)不同的多個(gè)半導(dǎo)體層，在緩沖區(qū)表面提供比襯底背面低的電位，使襯底背面與緩沖區(qū)表面之間的電壓在與緩沖區(qū)的膜厚相應(yīng)的范圍變化時(shí)的襯底背面與緩沖區(qū)表面之間的電容大體上固定。
【專利說明】半導(dǎo)體元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一直以來，公知的半導(dǎo)體元件是，在硅襯底上設(shè)置AlN層和GaN層重復(fù)形成的緩沖區(qū)，在其上形成氮化物類半導(dǎo)體區(qū)。該緩沖區(qū)具有緩解硅襯底與氮化物類半導(dǎo)體區(qū)之間的晶格常數(shù)差異或熱膨脹系數(shù)差異，減少裂紋的產(chǎn)生和位錯(cuò)的功能。但是，因在AlN層與GaN層的異質(zhì)界面上生成2維電子云，半導(dǎo)體元件上會(huì)流通漏電流。為了減少該漏電流，已提出在AlN層與GaN層之間設(shè)置AlGaN層的方法(如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0003]專利文獻(xiàn)1:日本專利第4525894號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0005]然而，通過以前的方法，不能在AlN層與GaN層之間充分減少載流子。因此，不能充分地抑制半導(dǎo)體元件的漏電流。
[0006](二)解決技術(shù)問題的手段
[0007]在本發(fā)明的第I方式中，提供一種半導(dǎo)體元件，其包括襯底，在襯底上方形成的緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)上形成的活性層，在活性層上形成的至少2個(gè)電極，緩沖區(qū)包括晶格常數(shù)不同的多個(gè)半導(dǎo)體層，在緩沖區(qū)表面提供比襯底背面低的電位，使襯底背面與緩沖區(qū)表面之間的電壓在與緩沖區(qū)的膜厚相應(yīng)的范圍變化時(shí)的襯底背面與緩沖區(qū)表面之間的電容大體上固定。這里，將電位提供緩沖區(qū)表面，可以在緩沖區(qū)表面形成電極，也可以在緩沖區(qū)表面所形成的半導(dǎo)體層表面形成電極。緩沖區(qū)最上面的層是GaN層的情況下，可以在緩沖區(qū)表面形成電極。并且，在緩沖區(qū)最上面的層不是GaN層的情況下，可以在緩沖區(qū)表面形成GaN層，在該GaN層表面形成電極。通過向這些電極外加電壓，能夠?qū)彌_區(qū)表面提供電位。
[0008]在本發(fā)明的第2方式中，提供一種半導(dǎo)體元件的制造方法，包括:準(zhǔn)備襯底的工序，在襯底上方形成緩沖區(qū)的工序，在緩沖區(qū)上形成活性層的工序，在活性層上形成至少2個(gè)電極的工序；形成緩沖區(qū)的工序包括:將依次包括形成具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層的工序，形成具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層的工序，形成具有與第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層的工序的循環(huán)至少重復(fù)一次的工序；第2晶格常數(shù)具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值，形成第2半導(dǎo)體層的工序，包括摻雜雜質(zhì)的工序。
[0009]這里，上述的發(fā)明概要，并非列舉了本發(fā)明所必要的全部特征，同時(shí)，這些特征組的輔助組合，也能成為發(fā)明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為表示用以往的方法制作的外延疊層基體的剖面圖。
[0011]圖2為表示圖1所示的外延疊層基體的電壓一電容特性的圖表。[0012]圖3表示在模擬中使用的4種AlxGa1J (0〈x彡I)層的Al組成比變化的比率。
[0013]圖4表示從A到D的各AlxGa1J (0<x ( I)層的載流子濃度分布的模擬結(jié)果。
[0014]圖5表示從GaN/AlN/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)中的最上層的GaN層表面到最下層的GaN層為止的積分范圍下載流子濃度積分的總值。
[0015]圖6表示在A到D中，載流子濃度的峰值的模擬結(jié)果。
[0016]圖7為本發(fā)明的第I實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件的剖面圖。
[0017]圖8表示圖7所示的半導(dǎo)體元件的緩沖區(qū)的膜厚方向上的Al組成比的變化。
[0018]圖9表示對圖1所示的AlGaN層摻雜碳C后的外延疊層基體的電壓一電容特性。
[0019]圖10表示對圖1所示的AlGaN層摻雜碳C后的外延疊層基體的其他例的電壓一電容特性。
[0020]圖11示意性地表示在依次堆積GaN層和AlN層得到的復(fù)合層中，對AlN層側(cè)的GaN層表面摻雜C的例。
[0021]圖12示意性地表示在依次堆積GaN層、AlGaN層、AlN層得到的復(fù)合層中，對AlGaN層摻雜C的例。
[0022]圖13表示在圖1所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0023]圖14表示在圖1所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0024]圖15表示在圖1 所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0025]圖16表示在圖1所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0026]圖17表示在圖1所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0027]圖18表示在圖1所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0028]圖19表示在圖1所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0029]圖20為表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件的剖面圖。
[0030]圖21表示圖20所示的半導(dǎo)體元件的緩沖區(qū)的膜厚方向上的Al組成比的變化。
[0031]圖22表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0032]圖23表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0033]圖24表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0034]圖25表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0035]圖26表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0036]圖27表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0037]圖28表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層中的Al組成比變化的其他例。
[0038]圖29表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的與第2半導(dǎo)體層或第4半導(dǎo)體層相鄰的層的邊界上形成極薄的半導(dǎo)體層的情況下的Al組成比變化的例。[0039]圖30表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的與第2半導(dǎo)體層或第4半導(dǎo)體層相鄰的層的邊界上形成極薄的半導(dǎo)體層的情況下的Al組成比變化的其他例。
[0040]圖31表示在圖20所示的半導(dǎo)體元件的與第2半導(dǎo)體層或第4半導(dǎo)體層相鄰的層的邊界上形成極薄的半導(dǎo)體層的情況下的Al組成比變化的其他例。
[0041]圖32表示使圖20所示的半導(dǎo)體元件的緩沖區(qū)上的每個(gè)復(fù)合層的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層的層厚變化的例。
[0042]圖33表示圖20所示的半導(dǎo)體元件的各復(fù)合層的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層的
層厚關(guān)系。
[0043]圖34表示固定圖20所示的半導(dǎo)體元件的總膜厚，且，設(shè)總復(fù)合層數(shù)為12，在僅變化緩沖區(qū)的復(fù)合層數(shù)的情況下的復(fù)合層數(shù)與漏電流和晶片的翹曲量的關(guān)系。
[0044]圖35表示圖20所示的半導(dǎo)體元件的緩沖區(qū)的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層的厚度與漏電流的關(guān)系。
[0045]圖36表不對圖20所不的半導(dǎo)體兀件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層摻雜的C摻雜濃度與漏電流的關(guān)系。
[0046]圖37表不對圖20所不的半導(dǎo)體兀件的第2半導(dǎo)體層和第4半導(dǎo)體層取代C,而摻雜氟、氯、鎂、鐵、氧、氫的情況下的雜質(zhì)摻雜濃度與漏電流的關(guān)系。
[0047]圖38表示將圖20所示的半導(dǎo)體元件的第3半導(dǎo)體層的全層置換成AlGaN的情況下的第3半導(dǎo)體層的Al的組成比與漏電流的關(guān)系。
[0048]圖39表示對圖20所示的半導(dǎo)體元件的第3半導(dǎo)體層摻雜的C濃度與漏電流的關(guān)
系O
[0049]圖40表示對圖20所示的半導(dǎo)體元件的第I半導(dǎo)體層摻雜的C濃度與漏電流的關(guān)
系O
[0050]圖41表示圖20所示的半導(dǎo)體元件的緩沖區(qū)的第I半導(dǎo)體層的層厚及復(fù)合層數(shù)不同的例I至5。
[0051]圖42表示圖41所示的例I至例5的翹曲量和漏電流的測定結(jié)果。
[0052]圖43表示用于計(jì)算載流子狀態(tài)密度分布的疊層體。
[0053]圖44表示圖43所示的疊層體中AlN層上側(cè)的GaN層的載流子狀態(tài)密度分布。
[0054]圖45表示圖43所示的疊層體中AlN層下側(cè)的GaN層的載流子狀態(tài)密度分布。
[0055]圖46表不對AlN層下側(cè)的GaN層表面摻雜受主型雜質(zhì)的例。
[0056]圖47表示圖46所示的例中的AlN層上側(cè)的GaN層的載流子狀態(tài)密度分布。
[0057]圖48表示圖46所示的例中的AlN層下側(cè)的GaN層的載流子狀態(tài)密度分布。
[0058]圖49表示對AlN層上側(cè)的GaN層表面摻雜施主型雜質(zhì)的例。
[0059]圖50表示圖49所示的例中的AlN層上側(cè)的GaN層的載流子狀態(tài)密度分布。
[0060]圖51表示圖49所示的例中的AlN層下側(cè)的GaN層的載流子狀態(tài)密度分布。
【具體實(shí)施方式】
[0061]以下，通過發(fā)明的實(shí)施方式說明本發(fā)明的一個(gè)側(cè)面，但是，以下的實(shí)施方式不能限定涉及權(quán)利要求范圍的發(fā)明，并且在實(shí)施方式中說明的特征的全部組合也并非是發(fā)明必要的解決手段。[0062]圖1表示作為對比例的外延疊層基體300的剖面圖。外延疊層基體300具有襯底10、中間層20、緩沖層12、電子渡越層50。襯底10包括主表面具有(111)面的單晶硅。主表面是指疊層緩沖層12等的面。
[0063]中間層20疊層在襯底10主表面。中間層20發(fā)揮作為防止襯底10與緩沖層12化學(xué)反應(yīng)的合金防止層的作用。中間層20例如是無摻雜的A1N。
[0064]緩沖層12在中間層20上具有6層形成為層厚逐漸變厚的復(fù)合層11。復(fù)合層11包括在襯底10側(cè)形成的GaN層15，在GaN層15上形成的AlGaN層16，在AlGaN層16上形成的AlN層14。AlGaN層16可以從與AlN層14接觸的區(qū)域向與GaN層15接觸的區(qū)域，逐漸減少Al組成比。以減少與AlN層14和GaN層15的界面產(chǎn)生的2維電子云為目的插入AlGaN 層 16。
[0065]在緩沖層12上用GaN形成電子渡越層50。由此，通過中間層20、緩沖層12和電子渡越層50形成7層GaN/AIN對。也就是說，由電子渡越層50和在最上層的復(fù)合層11中的AlN層14形成第I對，由在最下層的復(fù)合層11中的GaN層15和中間層20形成第7對。
[0066]為了測定在圖1所示的以往的外延疊層基體300中，襯底10背面與緩沖層12表面之間的電壓一電容特性，在電子渡越層50表面形成肖特基電極13。如上所述，緩沖層12的最上層為GaN層15的情況下，在該GaN層15上形成肖特基電極13。
[0067]肖特基電極13，例如，具有Ni/Au/Ti的疊層結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)中，將襯底10的背面設(shè)置接地電位，對肖特基電極13外加負(fù)電壓，測定電壓一電容特性。這里，電壓一電容特性的測定使用LCR表。并且，外加電壓的頻率是IOOkHz。
[0068]圖2是表示外延疊層基體300的電壓一電容特性的圖表。如圖2所示，隨著電壓從OV向負(fù)變大，電容臺(tái)階式地減少，電壓在-400V以下的情況下，觀測不到電容的改變。圖表給出的電容的臺(tái)階I至7的間隔，因?yàn)閷?yīng)自肖特基電極13側(cè)向襯底10側(cè)排列的7對GaN/AIN的層厚，在各對的邊界，即，在各復(fù)合層11的AlGaN層16中啟示存在等電位面。可以認(rèn)為該等電位面是由于在各復(fù)合層11中殘留2維電子云或載流子而存在的。
[0069]通常，如果增大對緩沖層12外加電壓的絕對值，則耗盡層自肖特基電極13向襯底10擴(kuò)展，電容逐漸變化。但是，在圖2所示的特性中，即使使電壓從OV逐漸沿負(fù)方向增大，最初電容也不變化。這可以認(rèn)為是由于在最上層的第I復(fù)合層11-1中殘留著2維電子云或載流子，直至外加使該2維電子云或載流子消失的電壓為止，耗盡層不擴(kuò)展。
[0070]如果在第I復(fù)合層11-1中的2維電子云或載流子消失，則隨著電壓絕對值的增大耗盡層向襯底10方向擴(kuò)展，電容變小。并且，耗盡層一到達(dá)下面的第2復(fù)合層11-2，與第I復(fù)合層11-1的情況相同，直至外加使2維電子云或載流子消失的電壓為止，電容不變化。第3復(fù)合層11-3以后也相同。
[0071]圖2的圖表所示的臺(tái)階I至7，可以看作由中間層20、復(fù)合層11和電子渡越層50構(gòu)成的GaN/AIN的各對電容器容量。也就是說，如上所述的各對邊界面(AlGaN層16)成為等電位面，啟示那里存在電荷。也就是說，可以判明以往的AlN/AlGaN/GaN的復(fù)合層重復(fù)的緩沖層結(jié)構(gòu)，不能充分地減少載流子。
[0072]其次，在圖1所示的復(fù)合層11中，根據(jù)模擬計(jì)算載流子密度分布。模擬是對AlGaN層16的厚度不同的4種復(fù)合層11進(jìn)行的。
[0073]圖3表示在模擬中使用的4種復(fù)合層11的Al組成比的變化比率。這里，圖3的橫軸，表示復(fù)合層11生長方向的位置Y。這里，使AlGaN層16的Al組成比從O到I直線狀變化。并且，設(shè)AlGaN層16及AlN層14的厚度之和為50nm。
[0074]圖形A表示AlGaN層的層厚是Onm的情況，圖形B表示AlGaN層的層厚是20nm的情況，圖形C表示AlGaN層的層厚是30nm的情況，圖形D表示AlGaN層的層厚是40nm的情況。隨著層厚變大，Al組成比的變化梯度變大。
[0075]圖4表示從圖形A到D的各AlGaN層中的載流子濃度分布的模擬結(jié)果。橫軸表示在復(fù)合層11生長方向的位置Y，縱軸表示載流子濃度。
[0076]圖形A在Y=L 5μπι附近有向上的銳峰。如圖3所示，在圖形A中的Y=L 5 μ m附近，AlN層14和GaN層15接觸。因此，可以認(rèn)為在Y=1.5 μ m附近產(chǎn)生了高密度的2維電子云。并且，圖形A在Y=約1.45 μ m附近有向下的銳峰。如圖3所示，圖形A中的Y=L 45 μ m附近，GaN層15和AlN層14接觸?？梢哉J(rèn)為在Y=1.45 μ m附近產(chǎn)生了高密度的2維霍爾 氣體。
[0077]圖5表示在圖4所示的積分范圍下載流子濃度積分的總值。在圖形A到D中，未發(fā)現(xiàn)累計(jì)載流子濃度的大變化。也就是說，可以判明載流子量的總計(jì)從A到D沒有大變化。
[0078]圖6表示從A到D的載流子濃度的峰值的模擬結(jié)果。A是最高峰值，為4.95E+20,B到D的峰值與A的峰值相比約為1/10以下。從這個(gè)結(jié)果可以判明，通過在GaN層與AlN層之間插入AlGaN層，載流子分散。也就是說，圖1所示的結(jié)構(gòu)，雖然可以降低最大載流子密度，但是，載流子量的總計(jì)，與產(chǎn)生高密度的2維電子云的圖形A沒有不同。
[0079]圖7為本發(fā)明的第I實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件100的剖面圖。在這里，半導(dǎo)體元件100以HEMT為例進(jìn)行說明，但是，并不限于此。半導(dǎo)體元件100包括襯底10，中間層20，在襯底10上方形成的緩沖區(qū)30，在緩沖區(qū)30上形成的活性層70，在活性層70上形成的至少2個(gè)電極(本例中為源電極72、柵電極74和漏電極76)。
[0080]襯底10具有作為第I緩沖區(qū)30和活性層70的支承體的作用。襯底10可以為主表面是(111)面的單晶硅襯底。襯底10，例如直徑為約10cm。
[0081]中間層20疊層在襯底10的主表面，具有與圖1關(guān)聯(lián)說明的中間層20相同的功能和結(jié)構(gòu)。中間層20的晶格常數(shù)可以比襯底10小。并且，中間層20的熱膨脹系數(shù)可以比襯底10大。襯底10是硅襯底時(shí)，晶格常數(shù)是0.384nm，熱膨脹系數(shù)是3.59X10—7K。并且，中間層20是AlN的情況下，中間層20的晶格常數(shù)是0.3112nm，熱膨脹系數(shù)是4.2X 10_6/K。并且，中間層20的厚度例如是40nm。
[0082]緩沖區(qū)30具有至少一層依次疊層具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層31，具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層32，和具有與第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層33而得到的復(fù)合層35。第2晶格常數(shù)，具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值。第I半導(dǎo)體層31形成在中間層20上。第I半導(dǎo)體層31可以具有晶格常數(shù)比襯底10小的第I晶格常數(shù)。并且，第I半導(dǎo)體層31也可以具有比襯底10大的熱膨脹系數(shù)。第I半導(dǎo)體層31 包括 AlxlInylGai_xl_ylN(其中，O ( xl<l,0 彡 yl 彡 Ι,χ?+yl 彡 I)。第 I 半導(dǎo)體層 31 例如是GaN。該情況下，第I半導(dǎo)體層31的第I晶格常數(shù)是0.3189nm，熱膨脹系數(shù)是5.59X10_6/K0
[0083]第2半導(dǎo)體層32與第I半導(dǎo)體層31接觸形成。第2半導(dǎo)體層32具有第2晶格常數(shù)，其具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值。第2晶格常數(shù)比第I晶格常數(shù)小。第2半導(dǎo)體層32具有在第I半導(dǎo)體層31與第3半導(dǎo)體層33之間的熱膨脹系數(shù)。第2半導(dǎo)體層32可以包括Alx2Iny2Gany2N (其中，0〈x2≤1,0 ^ y2 ^ I，x2+y2≤I)。第2半導(dǎo)體層32例如是AlGaN。第2半導(dǎo)體層32位于GaN與AlN之間，具有與Al的組成比相應(yīng)的晶格常數(shù)及熱膨脹系數(shù)。第2半導(dǎo)體層32的晶格常數(shù)可以自靠近襯底10的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)減少。例如，第2半導(dǎo)體層32是Al比率自靠近襯底10的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)增加的AlGaN。
[0084]對第2半導(dǎo)體層32摻雜雜質(zhì)。雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。在這里，所謂不使電子激活的原子，指成為形成受主能級(jí)的離子或深能級(jí)的離子能夠捕獲電子的原子。第2半導(dǎo)體層32慘雜的雜質(zhì)，例如，包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、銀、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。雜質(zhì)是碳的情況下，通過導(dǎo)入丙烷氣體可對第2半導(dǎo)體層32以約lE19cnT3的摻雜濃度摻雜。
[0085]第3半導(dǎo)體層33與第2半導(dǎo)體層32接觸形成。第3半導(dǎo)體層33可以具有比第I晶格常數(shù)小的第3晶格常數(shù)。第3半導(dǎo)體層33包括Alx3Iny3Ga^y3N (其中，0〈x3 ( 1，
O^ y3 ^ I,x3+y3 Si)。第3半導(dǎo)體層33例如是A1N。該情況下，第3半導(dǎo)體層33的第
3晶格常數(shù)是0.3112nm,熱膨脹系數(shù)是4.2X 10_6/K。從第I半導(dǎo)體層31至第3半導(dǎo)體層33，Al的組成比之間具有χΚ χ2 < χ3關(guān)系。
[0086]緩沖區(qū)30可緩解起因于襯底10與活性層70之間的晶格常數(shù)差異和熱膨脹系數(shù)差異的變形。緩沖區(qū)30例如具有12層依次疊層第I半導(dǎo)體層31、第2半導(dǎo)體層32和第3半導(dǎo)體層33得到的復(fù)合層35。在各復(fù)合層35中，第I半導(dǎo)體層31的層厚，例如是從襯底 10 側(cè)開始依次為 70nm、90nm、120nm、150nm、190nm、240nm、300nm、370nm、470nm、600nm、790nm、1040nm。第2半導(dǎo)體層32的層厚例如固定為60nm。第3半導(dǎo)體層33的層厚例如固定為60nm。
[0087]活性層70包括電子渡越層50和電子供給層60。電子渡越層50與最上層的第3半導(dǎo)體層33接觸形成。電子渡越層50在與電子供給層60的異質(zhì)結(jié)合界面形成低電阻的2維電子云。電子渡越層50可以包括未摻雜的GaN。電子渡越層50例如具有1200nm的厚度。電子供給層60與電子渡越層50接觸形成。電子供給層60向電子渡越層50供給電子。電子供給層60包括摻雜例如Si之類η型雜質(zhì)的AlGaN。電子供給層60例如有25nm的厚度。
[0088]源電極72和漏電極76可以具有與電子供給層60歐姆接觸的Ti/Al的疊層結(jié)構(gòu)。柵電極74可以具有與電子供給層60肖特基接觸的Pt/Au的疊層結(jié)構(gòu)。
[0089]圖8表示在緩沖區(qū)30的膜厚方向的Al組成比變化。在這里，表示第I半導(dǎo)體層31的Al的比率為0%，第3半導(dǎo)體層33的Al的比率為100%，但是，不限于此。第2半導(dǎo)體層32的Al的比率自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33直線狀增加。
[0090]圖9表示半導(dǎo)體元件100的緩沖區(qū)30的電壓一電容特性。本例中,在半導(dǎo)體元件100的電子渡越層50的表面形成如圖1所示的肖特基電極13，測定其特性。這里，當(dāng)緩沖區(qū)30的最上層為GaN層時(shí)，可以在該GaN層表面形成肖特基電極13。另外在本例中，通過導(dǎo)入750ccm的丙烷氣體形成第2半導(dǎo)體層32，對第2半導(dǎo)體層32摻雜碳。這里，以復(fù)合層35為6層，在各復(fù)合層35中的第2半導(dǎo)體層32的層厚同為180nm。其他的測定條件與圖2說明的測定條件相同。
[0091]通過在第2半導(dǎo)體層32摻雜碳，與圖1所示的外延疊層基體300相比電容的變動(dòng)量減少。但是，隨著在疊層方向外加的電壓減少，電容依然臺(tái)階式減少。因此，可以判明本例的緩沖區(qū)30在復(fù)合層35上殘存載流子。
[0092]圖10表示在對第2半導(dǎo)體層32摻雜碳的摻雜量增大后的情況下的緩沖區(qū)30的電壓一電容特性。本例中，導(dǎo)入1500ccm丙烷氣體形成第2半導(dǎo)體層32。其他的測定條件與圖9的例相同。
[0093]本例中，即使在疊層方向外加的電壓減少也沒有發(fā)現(xiàn)電容的變化。即，通過調(diào)整第2半導(dǎo)體層32中的雜質(zhì)濃度，能夠形成電壓一電容特性大體固定的緩沖區(qū)30。因此，能夠減少半導(dǎo)體元件100中通過緩沖區(qū)30的漏電流。
[0094]這里，在第2半導(dǎo)體層32中，在襯底10背面與緩沖區(qū)30表面之間外加電壓，為使該電壓在與該緩沖區(qū)30的膜厚相應(yīng)的范圍變化時(shí)的襯底10背面及緩沖區(qū)30表面之間的電容大體固定，優(yōu)選摻雜雜質(zhì)。在這里所謂大體固定，例如，可以是在該電壓范圍內(nèi)的電容的變化是在電容的值的20%以下的范圍。并且，所謂大體固定，也可以指該變化為10%以下，或5%以下的范圍。
[0095]在緩沖區(qū)30表面外加的電位比在襯底背面外加的電位低。具體而言，可以在襯底10背面外加正或零電位，也可以對緩沖區(qū)30表面外加負(fù)電位。
[0096]并且，所謂與緩沖區(qū)30的膜厚相應(yīng)的電壓范圍，可以指將緩沖區(qū)30自肖特基電極13向襯底10的能夠耗盡的電壓作為上限或下限的范圍。并且，該電壓范圍，可以以O(shè)v作為下限或上限。例如該電壓范圍可以為Ov至-500v，也可以大約為Ov至-300v。
[0097]圖11示意性地表示在依次堆積GaN層和AlN層得到的復(fù)合層中，對AlN層側(cè)的GaN層表面摻雜C的例。如圖4所說明，在GaN層與GaN層上的AlN層的異質(zhì)界面上存在載流子濃度的陡峰。如圖6所說明，載流子濃度的峰值是4.95E+20cnT3。要想用摻雜碳補(bǔ)償該濃度的載流子，必須以同等程度的摻雜濃度進(jìn)行C摻雜。但是如果以那樣高的濃度對GaN層表面摻雜C，結(jié)晶表面的粗糙將變得明顯，不優(yōu)選。
[0098]圖12示意性地表示在依次堆積第I半導(dǎo)體層31(GaN層)、第2半導(dǎo)體層32(AlGaN層)、第3半導(dǎo)體層33 (AlN層)得到的復(fù)合層35中，對AlGaN層摻雜C的例。如圖6所說明，AlGaN層的載流子濃度峰值與AlGaN層的膜厚相應(yīng)而減少。S卩，AlGaN層具有使載流子分散的作用。對于分散的載流子，通過以同等的濃度摻雜C能夠補(bǔ)償載流子。例如，通過對AlGaN層例如該層整體大范圍地?fù)诫s約lE19cm_3?5E19cm_3的C，補(bǔ)償AlGaN層的載流子。并且，在與AlGaN層接觸的下側(cè)的GaN層和與AlGaN層接觸的上側(cè)的AlN層也分散有載流子，所以可以對這些層摻雜C。
[0099]在這里，以半導(dǎo)體元件100的柵電極74寬度為1mm，長度10 μ m，源電極72和漏電極76的距離為15 μ m,對柵電極74外加_6v，在源電極72與漏電極76之間外加600v的電壓，測定在漏電極76上流通的漏電流。半導(dǎo)體元件100的漏電流是約1E-8A，為良好。在將第2半導(dǎo)體層32置換成第I半導(dǎo)體層31形成緩沖區(qū)30的例中，漏電流增大到約1E-6A?？梢哉J(rèn)為這是因?yàn)楫a(chǎn)生了 2維電子云，僅通過C摻雜無法足夠補(bǔ)償載流子。并且，在第2半導(dǎo)體層32的C摻雜濃度定為lE17Cm_3形成第2半導(dǎo)體層32的例中，漏電流增大到約1E-5A。與其認(rèn)為這是因?yàn)橐詌E17cnT3左右的摻雜濃度僅通過第2半導(dǎo)體層32無法補(bǔ)償載流子，不如認(rèn)為這是因?yàn)榈?半導(dǎo)體層32與第I半導(dǎo)體層31相比生長速度慢而由III族原料取入的C減少，第2半導(dǎo)體層32中的η型載流子濃度增加。[0100]圖13表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。Al自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33呈曲線狀增加。這里，Al組成比的增加越靠近第3半導(dǎo)體層33越急劇。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能減少半導(dǎo)體元件100的漏電流。
[0101]圖14表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。Al自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33以5%為單位臺(tái)階式增加。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能減少半導(dǎo)體元件100的漏電流。
[0102]圖15表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。Al自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33以25%為單位臺(tái)階式增加。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能減少半導(dǎo)體元件100的漏電流。
[0103]圖16表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。Al自第I半導(dǎo)體層31至第3半導(dǎo)體層33途中為止呈曲線狀增加，途中開始呈臺(tái)階式增加。在Al組成比呈曲線狀變化的區(qū)域，越靠近第3半導(dǎo)體層33，A1組成比的增加越急劇。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能減少半導(dǎo)體元件100的漏電流。
[0104]圖17表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。Al自第I半導(dǎo)體層31至第3半導(dǎo)體層33途中為止呈直線狀增加，其后暫且減少，再次呈直線狀增加。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能減少半導(dǎo)體元件100的漏電流。
[0105]圖18表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。第2半導(dǎo)體層32在與第3半導(dǎo)體層33分離的位置具有厚度比第3半導(dǎo)體層33薄，組成與第3半導(dǎo)體層相同的層62。第2半導(dǎo)體層32在層的途中具有例如厚度為Inm的AlN層。第2半導(dǎo)體層32可以以一定間隔具有多個(gè)層62。通過這樣做，能夠控制襯底整體的翹曲。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能使半導(dǎo)體元件100的漏電流減少。
[0106]圖19表示第2半導(dǎo)體層32中的Al組成比變化的其他例。C的摻雜濃度為lE19cm_3。第2半導(dǎo)體層32在與第I半導(dǎo)體層31的邊界和與第3半導(dǎo)體層33的邊界的至少一個(gè)，具有厚度比第3半導(dǎo)體層33薄，且，在邊界上具有組成與和第2半導(dǎo)體層32接觸的層不同的層64。例如，第2半導(dǎo)體層32在與第3半導(dǎo)體層33的邊界上具有組成與第I半導(dǎo)體層31相同的層64。更具體而言，第2半導(dǎo)體層32可以在與第3半導(dǎo)體層33的邊界上，具有厚度例如為Inm的GaN層。通過這樣做，緩沖區(qū)30表面的結(jié)晶性提高。并且，如果這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32的情況，也能減少漏電流。
[0107]其次，說明半導(dǎo)體元件100的制造方法。半導(dǎo)體元件100的制造方法包括以下工序:準(zhǔn)備襯底10的工序，在襯底10上形成中間層20的工序，在中間層20上襯底10上方形成緩沖區(qū)30的工序，在緩沖區(qū)30上形成活性層70的工序，在活性層70上至少形成2個(gè)電極(72，74，76)的工序。
[0108]準(zhǔn)備襯底10的工序包括準(zhǔn)備用CZ法制作的Si (111)襯底或Si (110)襯底的工序。形成中間層20的工序包括將溫度維持在1100°C,通過M0CVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition)法，使用TMA (三甲基鋁)氣體和NH3氣體，在襯底10的主面通過外延生長襯底堆積厚約40nm的AlN的工序。在以下例中，通過MOCVD法進(jìn)行外延生長，各層的生長溫度可以為900°C以上，1300°C以下。[0109]形成緩沖區(qū)30的工序，具有依次包括形成具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層31的工序，形成具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層32的工序，形成具有與第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層的工序的循環(huán)至少重復(fù)一次的工序。第3晶格常數(shù)與第I晶格常數(shù)不同。第2晶格常數(shù)具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值。第I晶格常數(shù)可以比襯底10晶格常數(shù)小。第2晶格常數(shù)可以比第I晶格常數(shù)小。
[0110]形成第I半導(dǎo)體層31的工序，包括在形成中間層20之后，供給TMG (三甲基鎵)氣體和NH3氣體，在中間層20上通過外延生長堆積GaN的工序。形成第2半導(dǎo)體層32的工序，包括供給TMG氣體、TMA氣體和NH3氣體，在第I半導(dǎo)體層31上通過外延生長堆積厚度60nm的AlGaN的工序。此時(shí)，通過調(diào)節(jié)使TMA氣體的流量逐漸增加，能夠形成具有傾斜度的Al組成比的第2半導(dǎo)體層32。
[0111]形成第2半導(dǎo)體層32的工序，包括摻雜雜質(zhì)的工序。雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。具體而言，雜質(zhì)包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、銀、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。在雜質(zhì)例如是碳的情況下，能夠通過同時(shí)導(dǎo)入丙烷氣體而對第2半導(dǎo)體層32摻雜C。C摻雜濃度的控制通過調(diào)節(jié)丙烷氣體的流量來進(jìn)行。除了通過丙烷氣體的摻雜以外，也可以通過調(diào)整生長速度、生長溫度、V/III比、生長壓力等的生長條件控制C摻雜濃度。形成第3半導(dǎo)體層33的工序，包括供應(yīng)TMA氣體和NH3氣體，在第2半導(dǎo)體層32上通過外延生長堆積厚度60nm的AlN的工序。
[0112]形成緩沖區(qū)30的工序，包括依次包括形成第I半導(dǎo)體層31的工序，形成第2半導(dǎo)體層32的工序，和形成第3半導(dǎo)體層33的工序的循環(huán)重復(fù)的工序。通過I次循環(huán)，形成包括第I半導(dǎo)體層31、第2半導(dǎo)體層32和第3半導(dǎo)體層33的復(fù)合層35。包括通過調(diào)節(jié)生長時(shí)間使復(fù)合層35中的第I半導(dǎo)體層31的厚度變化為例如70nm、90nm、120nm、150nm、190nm、240nm、300nm、370nm、470nm、600nm、790nm、1040nm 的工序。
[0113]形成活性層70的工序，包括形成電子渡越層50的工序，和在電子渡越層50上形成電子供給層60的工序。形成電子渡越層50的工序包括供給TMG氣體和NH3氣體，在緩沖區(qū)30的最上層的第3半導(dǎo)體層33上，通過外延生長堆積厚度1200nm的GaN的工序。形成電子供給層60的工序，包括供給TMA氣體、TMG氣體、NH3氣體、和SiH4氣體，在電子渡越層50上通過外延生長堆積厚度25nm的Si摻雜的AlGaN的工序。
[0114]至少形成2個(gè)電極(72、74、76)的工序包括在襯底10的表面形成氧化硅薄膜的工序，形成電極用開口的工序，和形成電極的工序。在襯底10表面形成氧化硅薄膜的工序包括從MOCVD裝置取出襯底10，將襯底10搬入等離子體CVD裝置，在襯底10表面整體上形成氧化硅薄膜的工序。形成電極用開口的工序包括通過光刻和蝕刻形成源電極和漏電極用開口的工序，形成電極的工序包括通過電子束蒸發(fā)依次疊層Ti和Al，通過剝離法形成與電子供給層60歐姆接觸的源電極72和漏電極76的工序。形成電極用開口的工序包括通過光刻和蝕刻形成柵電極用開口的工序，形成電極的工序包括通過電子束蒸發(fā)依次疊層Pt和Au，通過剝離法形成與電子供給層60肖特基接觸的柵電極74的工序。
[0115]圖20表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件200的剖面圖。半導(dǎo)體元件200的緩沖區(qū)30的構(gòu)成與半導(dǎo)體元件100不同。半導(dǎo)體元件200的緩沖區(qū)30以外的構(gòu)成可以與半導(dǎo)體元件100相同。
[0116]緩沖區(qū)30具有至少一層依次疊層具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層31，具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層32，具有第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層33，和具有第4晶格常數(shù)的第4半導(dǎo)體層34得到的復(fù)合層36。第3晶格常數(shù)與第I晶格常數(shù)不同。第2的晶格常數(shù)，具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值。第4半導(dǎo)體層34與第3半導(dǎo)體層33接觸在其上形成。第4半導(dǎo)體層34具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的第4晶格常數(shù)。第4半導(dǎo)體層34具有在第I半導(dǎo)體層31與第3半導(dǎo)體層33之間的熱膨脹系數(shù)。第
4半導(dǎo)體層 34 包括 Alx4Iny4Gany4N (其中，0〈x4 ( 1,0 ^ y4 ^ I, x4+y4 Si)。
[0117]第4半導(dǎo)體層34例如是AlGaN。第4半導(dǎo)體層34具有與Al的組成比相應(yīng)的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)。第4半導(dǎo)體層34的晶格常數(shù)自靠近襯底10的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)增加。也就是說，第4半導(dǎo)體層34的Al的比率自靠近襯底10的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)減少。從第I半導(dǎo)體層31到第4半導(dǎo)體層34，在Al的組成比之間具有x2 ( x2, x4 ( x3的關(guān)系。
[0118]在緩沖區(qū)30中，對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的至少一個(gè)摻雜雜質(zhì)。雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。在這里，所謂不使電子激活的原子，指能夠成為形成受主能級(jí)的離子或深能級(jí)的離子捕獲電子的原子。雜質(zhì)例如，包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、釩、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。雜質(zhì)為碳的情況下，通過導(dǎo)入丙烷氣體可對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。
[0119]雜質(zhì)可以包括不使空穴激活的原子。在這里，所謂不使空穴激活的原子，指能夠成為形成施主能級(jí)的離子或深能級(jí)的離子捕獲空穴的原子。雜質(zhì)例如，包括硅、氧、鍺、磷、砷、銻中的至少一種。雜質(zhì)為硅的情況下，通過導(dǎo)入硅烷氣體可對第4半導(dǎo)體層34以lE19cm_3的摻雜濃度摻雜Si。雜質(zhì)既可以只對第2半導(dǎo)體層32摻雜，也可以對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34雙方摻雜。并且，雜質(zhì)既可以是不使電子激活的原子，又可以是不使空穴激活的原子。因?yàn)殡娮雍涂昭ǔ蓪Πl(fā)生，所以通過減少2維霍爾氣體，能夠抑制2維電子云的產(chǎn)生。
[0120]緩沖區(qū)30例如具有12層依次疊層第I半導(dǎo)體層31、第2半導(dǎo)體層32、第3半導(dǎo)體層33、和第4半導(dǎo)體層 34得到的復(fù)合層36。在各復(fù)合層36中，第I半導(dǎo)體層31的層厚，例如是，從襯底 10 側(cè)開始依次為 10nm、30nm、60nm、90nm、130nm、180nm、230nm、310nm、410nm、540nm、730nm、980nm。第2半導(dǎo)體層32的層厚例如固定為60nm。第3半導(dǎo)體層33的層厚例如固定為60nm。第4半導(dǎo)體層34的膜厚例如固定為60nm。
[0121]圖21表示在緩沖區(qū)30的膜厚方向的Al組成比變化。在這里，表示第I半導(dǎo)體層31的Al的比率為0%，第3半導(dǎo)體層33的Al的比率為100%，但是，不限于此。第2半導(dǎo)體層32的Al的比率自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33直線狀增加。第4半導(dǎo)體層34的Al的比率自第3半導(dǎo)體層33向第I半導(dǎo)體層31直線狀減少。關(guān)于半導(dǎo)體元件200，將各層的膜厚，各層的材料，外加電壓等條件定為與半導(dǎo)體元件100的情況相同的條件，測定漏電流的結(jié)果，漏電流為約1E-9A，與半導(dǎo)體元件100相比進(jìn)一步減少。
[0122]其次，說明本發(fā)明的第2實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體元件200的制造方法。半導(dǎo)體元件200的制造方法，因?yàn)槌纬删彌_區(qū)30的工序以外與半導(dǎo)體元件100的制造方法相同所以省略說明。形成緩沖區(qū)30的工序具有依次包括形成具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層31的工序，形成具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層32的工序，形成具有第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層33的工序，和形成具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的晶格常數(shù)的第4半導(dǎo)體層34的循環(huán)至少重復(fù)一次的工序。第3晶格常數(shù)與第I晶格常數(shù)不同。第4晶格常數(shù)具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值。第2晶格常數(shù)具有在第I晶格常數(shù)與第3晶格常數(shù)之間的值。
[0123]形成第I半導(dǎo)體層31的工序，包括在形成中間層20之后，供給TMG (三甲基鎵)氣體和NH3氣體，在中間層20上通過外延生長堆積GaN的工序。形成第2半導(dǎo)體層32的工序，包括供給TMG氣體、TMA氣體和NH3氣體，在第I半導(dǎo)體層31上通過外延生長堆積厚度60nm的AlGaN的工序。此時(shí)，通過調(diào)節(jié)使TMA氣體的流量逐漸增加，能夠形成具有傾斜度的Al組成比的第2半導(dǎo)體層32。
[0124]形成第2半導(dǎo)體層32的工序和形成第4半導(dǎo)體層34的工序中的至少一個(gè)包括摻雜雜質(zhì)的工序。形成第2半導(dǎo)體層32的工序可以包括摻雜雜質(zhì)的工序。雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。具體而言，不使電子激活的雜質(zhì)包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、釩、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。在雜質(zhì)例如為碳的情況下，能夠通過同時(shí)導(dǎo)入丙烷氣體對第2半導(dǎo)體層32摻雜C。在這種情況下，C摻雜濃度的控制是通過控制丙烷氣體的流量來進(jìn)行的。除了通過丙烷氣體的摻雜以外，也可以通過調(diào)整生長速度、生長溫度、V/III比、生長壓力等的生長條件控制C摻雜濃度。形成第3半導(dǎo)體層33的工序，包括提供TMA氣體和NH3氣體，在第2半導(dǎo)體層32上通過外延生長堆積厚度60nm的AlN的工序。
[0125]形成第4半導(dǎo)體層34的工序包括供給TMG氣體、TMA氣體和NH3氣體，在第3半導(dǎo)體層33上通過外延生長堆積厚度60nm的AlGaN的工序。此時(shí)，通過調(diào)節(jié)使TMA氣體的流量逐漸減少，能夠形成具有傾斜度的Al組成比的第4半導(dǎo)體層34。
[0126]形成第4半導(dǎo)體層34的工序可以包括摻雜雜質(zhì)的工序。雜質(zhì)可以是上述不使電子激活的原子。并且，雜質(zhì)也可以包括不使空穴激活的原子。具體而言，不使空穴激活的雜質(zhì)包括硅、氧、鍺、磷、砷、銻中的至少一種。在雜質(zhì)例如為硅的情況下，能夠通過同時(shí)導(dǎo)入硅烷氣體而對第4半導(dǎo)體層34上摻雜Si。Si摻雜濃度的控制能夠通過控制硅烷氣體的流量來進(jìn)行。這里，雜質(zhì)的摻雜既可以是在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的任意一個(gè)進(jìn)行，也可以在雙方進(jìn)行。在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34上摻雜的雜質(zhì)既可以相同，也可以不同。并且，也可以將不同種類的兩種以上的原子摻雜至第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34。并且，在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中，摻雜濃度既可以相同，也可以不同。
[0127]形成緩沖器區(qū)30的工序，包括依次包括形成第I半導(dǎo)體層31的工序，形成第2半導(dǎo)體層32的工序，形成第3半導(dǎo)體層33的工序，和形成第4半導(dǎo)體層34的工序的循環(huán)重復(fù)的工序。通過I次循環(huán)，形成包括第I半導(dǎo)體層31、第2半導(dǎo)體層32、第3半導(dǎo)體層33、和第4半導(dǎo)體層34的復(fù)合層36。包括通過調(diào)節(jié)成長時(shí)間使復(fù)合層36中的第I半導(dǎo)體層31的厚度變化為例如 10nm、30nm、60nm、90nm、130nm、180nm、230nm、310nm、410nm、540nm、730nm、980nm的工序。
[0128]圖22表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32的Al組成比自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33呈曲線狀增加。這里，Al組成比的增加越接近第3半導(dǎo)體層33越急劇。并且，第4半導(dǎo)體層34的Al組成比自第3半導(dǎo)體層33向第I半導(dǎo)體層31呈曲線狀減少。這里，Al組成比的減少越接近第3半導(dǎo)體層33越急劇。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0129]圖23表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32的Al組成比自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33以5%為單位臺(tái)階式增加。并且，第4半導(dǎo)體層34的Al組成比自第3半導(dǎo)體層33向第I半導(dǎo)體層31以5%為單位臺(tái)階式減少。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0130]圖24表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32的Al組成比自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33以25%為單位臺(tái)階式增加。并且，第4半導(dǎo)體層34的Al組成比自第3半導(dǎo)體層33向第I半導(dǎo)體層31以25%為單位臺(tái)階式減少。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0131]圖25表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32的Al組成比自第I半導(dǎo)體層31至第3半導(dǎo)體層33途中為止呈直線狀增加，之后減少然后再次呈直線狀增加。并且，第4半導(dǎo)體層34的Al組成比自第3半導(dǎo)體層33向第I半導(dǎo)體層31途中為止呈直線狀減少，之后增加然后再次呈直線狀減少。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0132]圖26表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32的Al組成比自第I半導(dǎo)體層31至第3半導(dǎo)體層33途中為止呈曲線狀增加，之后臺(tái)階式增加。這里，在Al組成比呈曲線狀變化的區(qū)域，越靠近第3半導(dǎo)體層33，A1組成比的增加越急劇。并且，第4半導(dǎo)體層34的Al組成比自第3半導(dǎo)體層33至第I半導(dǎo)體層31途中為止臺(tái)階式減少，途中開始呈曲線狀減少。這里，在Al組成比呈曲線狀變化的區(qū)域，越靠近第3半導(dǎo)體層33，Al組成比的減少越急劇。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0133]圖27表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32的Al組成比自第I半導(dǎo)體層31向第3半導(dǎo)體層33呈曲線狀增加。這里，越接近第3半導(dǎo)體層33，A1組成比的增加越急劇。并且，第4半導(dǎo)體層34的Al自第3半導(dǎo)體層33向第I半導(dǎo)體層31臺(tái)階式減少。這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0134]圖28表示第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19Cm_3的摻雜濃度摻雜C。第2半導(dǎo)體層32在與第3半導(dǎo)體層33分離的位置具有厚度比第3半導(dǎo)體層33薄，組成與第3半導(dǎo)體層33相同的層62。并且，第4半導(dǎo)體層34在與第3半導(dǎo)體層33分離的位置具有厚度比第3半導(dǎo)體層33薄，組成與第3半導(dǎo)體層33相同的層62。第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34也可以以固定的間隔具有多個(gè)層62。第2半導(dǎo)體層32在層的途中具有例如厚度約為Inm的AlN層。并且，第4半導(dǎo)體層34在層的途中具有例如厚度約為Inm的AlN層。通過這樣做，能夠控制晶片整體的翹曲。并且，這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0135]第2半導(dǎo)體層32可以在與第I半導(dǎo)體層31的邊界和與第3半導(dǎo)體層33的邊界的至少一個(gè)，具有厚度比第3半導(dǎo)體層33薄的半導(dǎo)體層。該半導(dǎo)體層具有不同于與第2半導(dǎo)體層32接觸的層的組成。第4半導(dǎo)體層34可以在與第3半導(dǎo)體層33的邊界和與第I半導(dǎo)體層31的邊界的至少一個(gè)，具有厚度比第3半導(dǎo)體層33薄的半導(dǎo)體層。該半導(dǎo)體層具有不同于與第4半導(dǎo)體層34接觸的層的組成。
[0136]圖29表示在第I半導(dǎo)體層31與第2半導(dǎo)體層32的邊界，和第4半導(dǎo)體層34與第I半導(dǎo)體層31的邊界形成比第3半導(dǎo)體層33薄的半導(dǎo)體層62的情況下的Al組成比變化的例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cnT3的摻雜濃度摻雜C。例如，第2半導(dǎo)體層32在與第I半導(dǎo)體層31的邊界具有組成與第3半導(dǎo)體層33相同的半導(dǎo)體層62。半導(dǎo)體層62可以是厚度約為Inm的AlN層。并且，第4半導(dǎo)體層34可以在與第I半導(dǎo)體層31的邊界具有半導(dǎo)體層62。通過這樣做，能夠向正方向控制翹曲。并且，這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100 低。
[0137]圖30表示在第2半導(dǎo)體層32與第3半導(dǎo)體層33的邊界，和第3半導(dǎo)體層33與第4半導(dǎo)體層34的邊界形成比第3半導(dǎo)體層33薄的半導(dǎo)體層64的情況下的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cm-3的摻雜濃度摻雜C。例如，第2半導(dǎo)體層32在與第3半導(dǎo)體層33的邊界具有組成與第3半導(dǎo)體層33相同的半導(dǎo)體層64。半導(dǎo)體層64可以是厚度約為2nm的GaN層。并且，第4半導(dǎo)體層34可以在與第3半導(dǎo)體層33的邊界具有半導(dǎo)體層64。通過這樣做，緩沖區(qū)30的表面的結(jié)晶性變好，能夠?qū)崿F(xiàn)平坦化。并且，這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0138]圖31表示在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34各自與相鄰層的邊界形成半導(dǎo)體層62或半導(dǎo)體層64的情況下的Al組成比變化的其他例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cm_3的摻雜濃度摻雜C。形成在各邊界的半導(dǎo)體層62和半導(dǎo)體層64可以與圖29和圖30所示的半導(dǎo)體層62和半導(dǎo)體層64相同。本例的第2半導(dǎo)體層32可以在與第3半導(dǎo)體層33的邊界具有厚度約為0.2nm的GaN層。并且，第4半導(dǎo)體層34可以在與第3半導(dǎo)體層33的邊界具有厚度約為0.2nm的GaN層。第4半導(dǎo)體層34可以在與第I半導(dǎo)體層31的邊界具有厚度約為0.2nm的AlN層。通過這樣做，能夠控制翹曲，且緩沖區(qū)30的表面的結(jié)晶性變好，實(shí)現(xiàn)平坦化。并且，這樣構(gòu)成第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0139]圖32表示在使半導(dǎo)體元件200的緩沖區(qū)30中的每個(gè)復(fù)合層36的第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的層厚變化的情況下，各復(fù)合層36的Al組成比變化的例。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cm_3的摻雜濃度摻雜C。這里，以距離襯底10最近的復(fù)合層36作為第I層，以距離襯底10最遠(yuǎn)的復(fù)合層36作為第12層。本例中，隨著與襯底10距離的拉大，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的膜厚減小。由此，從第I層的復(fù)合層36向第12層的復(fù)合層36，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的Al組成比的傾斜度變大。
[0140]圖33表示圖32所示例的各復(fù)合層36的第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的層厚。這里，圖33的橫軸表示從第I層至第12層的復(fù)合層36。第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34從第I層至第12層的厚度以固定的比例減少。這樣構(gòu)成緩沖區(qū)30的情況下，半導(dǎo)體元件200的漏電流也比半導(dǎo)體元件100低。
[0141]圖34表示緩沖區(qū)30的復(fù)合層數(shù)不同的例的復(fù)合層數(shù)與漏電流和翹曲量的關(guān)系。這里，本例中將半導(dǎo)體元件200的薄膜總厚度固定，且總復(fù)合層數(shù)定為12。圖34的橫軸表示包括AlGaN層的復(fù)合層36的數(shù)量，即緩沖區(qū)30的復(fù)合層36的數(shù)量。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cm_3的摻雜濃度摻雜C。在復(fù)合層數(shù)為零的情況下，漏電流具有大到1E-6A的值，翹曲量具有正方向大值。
[0142]當(dāng)緩沖區(qū)30具有I層復(fù)合層36時(shí)，漏電流減少到1E-8A以下，翹曲量也大大減少。隨著緩沖區(qū)30的復(fù)合層36的增加，漏電流和翹曲量逐漸減少。在緩沖區(qū)30的復(fù)合層數(shù)為12的情況下，漏電流減少到1E-10A，但是翹曲量具有負(fù)方向大值。因此，導(dǎo)致襯底大大地向下凸?fàn)盥N曲，器件制作變得困難，不優(yōu)選。因此，至少設(shè)置一層疊層AlN層和GaN層的復(fù)合層36，與緩沖區(qū)30進(jìn)行組合是有效的。
[0143]圖35表示緩沖區(qū)30的第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的厚度與漏電流的關(guān)系。這里，圖35的橫軸表示每個(gè)AlGaN層的厚度，即第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的每I層的厚度。對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cnT3的摻雜濃度摻雜C。在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的厚度小于Inm的情況下，漏電流約為1E-6A。在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的厚度為Inm以上的情況下，漏電流減少到約1E-7A。因此，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的厚度優(yōu)選為Inm以上。
[0144]圖36表示摻雜到第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的C摻雜濃度與漏電流的關(guān)系。C摻雜濃度根據(jù)生長條件不同而不同，因此C摻雜濃度表示平均值。C摻雜濃度在lE17cm_3?9E19cm_3的范圍內(nèi)，漏電流為約4E-8A以下，是良好的。但是，在C摻雜濃度小于lE17cm_3或在lE20cm_3以上的情況下，漏電流為約8E-5A，不優(yōu)選。這可以認(rèn)為是因?yàn)棣切洼d流子增加，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34成為低電阻。因此，摻雜到第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中的C濃度優(yōu)選為lE17cm_3以上，小于lE20cm_3。
[0145]圖37表示取代C而在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中摻雜氟、氯、鎂、鐵、氧、或氫的情況下，雜質(zhì)摻雜濃度與漏電流的關(guān)系。C濃度固定為5E16cnT3進(jìn)行測定。在雜質(zhì)摻雜濃度為lE18cm_3?9E19cm_3的范圍內(nèi)，漏電流成為低值，是良好的。但是，當(dāng)雜質(zhì)摻雜濃度小于lE18cm_3，或在lE20cm_3以上時(shí)，漏電流成為高值，不優(yōu)選。這可以認(rèn)為是因?yàn)棣切洼d流子增加，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34成為低電阻。
[0146]圖38表示第3半導(dǎo)體層33為AlGaN的情況下，第3半導(dǎo)體層33的Al組成比與漏電流的關(guān)系。在第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34中以lE19cnT3的摻雜濃度摻雜C。在這種情況下，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的最大Al組成比與第3半導(dǎo)體層33的Al組成比一致。如圖38所示，隨著降低第3半導(dǎo)體層33的Al組成比，漏電流減少。但是，當(dāng)Al組成比變成50%以下時(shí)，變得不能控制緩沖區(qū)30的變形，有在活性層70產(chǎn)生裂紋的情況。第3半導(dǎo)體層33可以是Al組成比大于50%的AlGaN。
[0147]圖39表示摻雜到第3半導(dǎo)體層33中的C濃度與漏電流的關(guān)系。如果摻雜的C濃度為lE17cnT3?9E19cnT3的范圍，則漏電流為約7E-8A以下，是良好的。但是，當(dāng)C摻雜濃度小于lE17cm_3，或在lE20cm_3以上時(shí)，第3半導(dǎo)體層33成為低電阻，漏電流變大，不優(yōu)選。因此，摻雜到第3半導(dǎo)體層33中的C濃度優(yōu)選為lE17cm_3以上，小于lE20cm_3。
[0148]圖40表示摻雜到第I半導(dǎo)體層31中的C濃度與漏電流的關(guān)系。如果摻雜的C濃度為lE18cm_3?9E19cm_3的范圍，則漏電流為約1E-9A，是良好的。但是，當(dāng)C摻雜濃度小于lE17cm_3，或在lE20cm_3以上時(shí)，第I半導(dǎo)體層31成為低電阻，漏電流變大，不優(yōu)選。因此，摻雜到第I半導(dǎo)體層31中的C濃度優(yōu)選為lE18cm_3以上，小于lE20cm_3。
[0149]圖41表示緩沖區(qū)30的第I半導(dǎo)體層31的層厚和復(fù)合層數(shù)不同的例I?5。在各例中，復(fù)合層數(shù)表示疊層在中間層20之上的復(fù)合層36的順序，厚度表示各復(fù)合層36中的第I半導(dǎo)體層31的層厚。在例I?5中，對第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34以lE19cm_3的摻雜濃度摻雜C，各復(fù)合層36的第I半導(dǎo)體層31在與襯底10距離拉大的方向逐漸增加層的厚度。例5中，超晶格結(jié)構(gòu)是將由厚度為5nm的第I半導(dǎo)體層31和厚度為5nm的第3半導(dǎo)體層33構(gòu)成的對重復(fù)20次而構(gòu)成的。
[0150]圖42表示例I?例5的翹曲量和漏電流的測定結(jié)果。任一例都能夠?qū)⒙╇娏鳒p少到9E-9A以下，能夠?qū)⒙N曲量控制在+30 μ m?-30 μ m的范圍內(nèi)。根據(jù)這些結(jié)果，可以判明將緩沖區(qū)30的第I半導(dǎo)體層31的厚度定為400nm以上，緩沖區(qū)30的復(fù)合層36的第I半導(dǎo)體層31的厚度在襯底距離拉大的方向逐漸增加的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。
[0151]其次，說明在對依次疊層GaN層、AlN層、GaN層形成的疊層體進(jìn)行摻雜的情況下，計(jì)算載流子狀態(tài)密度分布的結(jié)果。這里，以GaN/AlN/GaN的疊層體為模型進(jìn)行計(jì)算。
[0152]圖43表示用于計(jì)算的疊層體。疊層體具有依次堆積GaN層80、AlN層81和GaN層82的疊層結(jié)構(gòu)。如圖43中點(diǎn)線所示，在GaN層80與AlN層81的異質(zhì)界面產(chǎn)生2維電子云。并且，在AlN層81與GaN層82的異質(zhì)界面產(chǎn)生2維霍爾氣體。
[0153]圖44表示圖43所示的疊層體中的GaN層82的載流子狀態(tài)密度分布。在勢能為OeV附近的區(qū)域84中表示出小的峰值。該峰值表示出在該區(qū)域84中形成淺受主能級(jí)?？梢哉J(rèn)為該淺受主能級(jí)在GaN層82與AlN層81的異質(zhì)界面產(chǎn)生2維霍爾氣體。
[0154]圖45表示圖43所示的疊層體中的GaN層80的載流子狀態(tài)密度分布。在勢能為3eV附近的區(qū)域86中表示出小的峰值。該峰值表示出在該區(qū)域86中形成淺施主能級(jí)。可以認(rèn)為該淺施主能級(jí)在GaN層80與AlN層81的異質(zhì)界面產(chǎn)生2維電子云。
[0155]圖46表示對GaN層80的AlN層81側(cè)的表面摻雜受主型雜質(zhì)90的例。作為受主型雜質(zhì)，這里使用碳CN。
[0156]圖47表示圖46所示的例中的GaN層82的載流子狀態(tài)密度分布。可以判明在勢能為OeV附近的區(qū)域92中，淺受主能級(jí)消失?？梢哉J(rèn)為這是因?yàn)橥ㄟ^對GaN層80摻雜受主型雜質(zhì)，GaN層80的η型載流子減少，隨之GaN層82的ρ型載流子減少。
[0157]圖48表示圖46所示的例中的GaN層80的載流子狀態(tài)密度分布。在勢能為OeV附近的區(qū)域96中，形成碳Cn的受主能級(jí)。并且，在勢能為3eV附近的區(qū)域94中殘留淺施主能級(jí)。這表示2維電子云僅通過在受主型雜質(zhì)的摻雜沒有完全消失。并且，通過受主型雜質(zhì)的摻雜補(bǔ)償載流子，η型載流子整體減少。由此可以判明，通過對AlN層81的下側(cè)的GaN層80的表面摻雜受主型雜質(zhì)，能夠通過載流子補(bǔ)償減少η型載流子，能夠抑制漏電流。因此，在GaN層80與AlN層81之間插入AlGaN層來抑制2維電子云的產(chǎn)生，通過在分散載流子的狀態(tài)下?lián)诫s受主型雜質(zhì)，淺施主能級(jí)能夠消失，且通過載流子補(bǔ)償能夠進(jìn)一步減少η型載流子，因此能夠進(jìn)一步減少漏電流。
[0158]圖49表示對GaN層82的AlN層81層側(cè)的表面摻雜施主型雜質(zhì)91的例。作為施
主型雜質(zhì)使用氧0Ν。
[0159]圖50表示如圖49所示的例中的GaN層82的載流子狀態(tài)密度分布。在勢能為3eV附近的區(qū)域95中，形成氧On的施主能級(jí)。并且，在勢能為OeV附近的區(qū)域93中，殘留淺受主能級(jí)。這表示2維霍爾氣體僅通過在施主型雜質(zhì)的摻雜沒有完全消失。并且，通過施主型雜質(zhì)的摻雜補(bǔ)償載流子，P型載流子整體減少。
[0160]圖51表示圖49所示的例中的GaN層80的載流子狀態(tài)密度分布。在勢能為3eV附近的區(qū)域97中，形成淺施主能級(jí)。這表示2維電子云沒有消失而殘留著。在摻雜到GaN層82中的施主濃度高的情況下，載流子供給到GaN層80，因此必須控制施主濃度。通過對GaN層82摻雜施主型雜質(zhì)，GaN層80的η型載流子減少。這是因?yàn)橥ㄟ^GaN層82的載流子補(bǔ)償，P型雜質(zhì)減少。由此可以判明，通過向AlN層81的上側(cè)的GaN層82的表面摻雜施主型雜質(zhì)，能夠通過載流子補(bǔ)償減少P型載流子，能夠抑制漏電流。因此，在GaN層82與AlN層81之間插入AlGaN層來抑制2維霍爾氣體的產(chǎn)生，通過在分散載流子的狀態(tài)下?lián)诫s施主型雜質(zhì)，淺受主能級(jí)能夠消失，且通過載流子補(bǔ)償能夠進(jìn)一步減少P型載流子，因此能夠進(jìn)一步減少漏電流。
[0161]第I半導(dǎo)體層31的層厚可以為5nm以上,且最厚層的層厚為400nm以上，3000nm以下。如果第I半導(dǎo)體層31最厚層的層厚為400nm以上，則能夠控制發(fā)生的翹曲量，為優(yōu)選。并且，如果最厚層的層厚為3000nm以下，因生長時(shí)間十分短生產(chǎn)率高，為優(yōu)選。
[0162]第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的層厚，如果是0.5nm以上則能夠充分抑制第I半導(dǎo)體層31內(nèi)在的變形，能.夠抑制裂紋的產(chǎn)生，因此為優(yōu)選。并且，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的層厚，如果是200nm以下，因生長時(shí)間十分短生產(chǎn)率高，為優(yōu)選。
[0163]為了抑制漏電流，獲得充分的耐壓，緩沖區(qū)30和活性層70合在一起的外延層的薄膜總厚度優(yōu)選為4μ m以上。并且，第2半導(dǎo)體層32和第4半導(dǎo)體層34的薄膜組成，在同一復(fù)合層36中即使不對稱也可以，只要能控制產(chǎn)生的變形，且能夠減少漏電流，可以是任意的薄膜組成。復(fù)合層數(shù)的合計(jì)可以是2以上，可以按照薄膜總厚度、翹曲量、位錯(cuò)密度等進(jìn)行變更。
[0164]作為半導(dǎo)體元件，以HEMT型的場效應(yīng)晶體管為例進(jìn)行了說明，但是，不限于此，也可以適用于絕緣柵型(MISFET、M0SFET)、肖特基柵型(MESFET)等的場效應(yīng)晶體管。并且，取代源電極72、柵電極74、漏電極76，對通過設(shè)置陰極電極和陽極電極形成的各種二極管也可以適用。
[0165]以上，通過實(shí)施方式說明了本發(fā)明，不過，本發(fā)明的技術(shù)范圍不受上述實(shí)施方式記載范圍所限定。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，能夠?qū)ι鲜鰧?shí)施方式加以多種多樣的變更或改良是顯而易見的。根據(jù)權(quán)利要求的記載可以明確，加以這樣的變更或改良的實(shí)施方式也包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)。
[0166]應(yīng)該注意的是，在權(quán)利要求、說明書和附圖所示的裝置、系統(tǒng)、程序和在方法中的動(dòng)作、次序、工序和階段等的各處理的執(zhí)行順序，只要沒有特別注明“比…先”、“在…之前”等，或者只要不是在后處理使用在前處理的輸出，就可以以任意的順序?qū)嵤?。有關(guān)權(quán)利要求、說明書和附圖中的動(dòng)作流程，為了方便使用了“首先”、“其次”等字樣進(jìn)行了說明，但即使這樣也不意味著必須以這個(gè)順序?qū)嵤?br> [0167]附圖標(biāo)記說明
[0168]10 一襯底，11、35、36—復(fù)合層，12—緩沖層，13 一肖特基電極，14 一AlN層，15 一GaN層，16一AlGaN層，20一中間層，30一緩沖區(qū)，31 一第I半導(dǎo)體層，32一第2半導(dǎo)體層，33一第3半導(dǎo)體層，34—第4半導(dǎo)體層，50 —電子渡越層，60 —電子供給層，62、64—層，70—活性層，72—源電極，74—極電極，76—漏電極，80 —GaN層，81—AlN層，82 —GaN層，84 —區(qū)域，86 —區(qū)域，90—受王型雜質(zhì)，91 一施王型雜質(zhì)，92 一區(qū)域，93 —區(qū)域，94 一區(qū)域，95 —區(qū)域，96—區(qū)域，97—區(qū)域，100、200—半導(dǎo)體元件，300—外延疊層基體
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體元件，其中，具有: 襯底， 在所述襯底上方形成的緩沖區(qū)， 在所述緩沖區(qū)上形成的活性層，和 在所述活性層上形成的至少2個(gè)電極； 所述緩沖區(qū)包括晶格常數(shù)不同的多個(gè)半導(dǎo)體層； 在所述緩沖區(qū)表面提供比所述襯底背面低的電位，使所述襯底背面與所述緩沖區(qū)表面之間的電壓在與所述緩沖區(qū)的膜厚相應(yīng)的范圍變化時(shí)的所述襯底背面與所述緩沖區(qū)表面之間的電容大體上固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中， 所述緩沖區(qū)至少具有一層依次疊層: 具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層， 具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層，和 具有與所述第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層得到的復(fù)合層； 所述第2晶格常數(shù)具有在所述第I晶格常數(shù)與所述第3晶格常數(shù)之間的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件，其中，對所述第2半導(dǎo)體層摻雜雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3 所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第I半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)、所述第2半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)和所述第3半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)比所述襯底的熱膨脹系數(shù)大，所述第2半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)具有在所述第I半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)與所述第3半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)之間的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的半導(dǎo)體元件，其中，在所述襯底與所述緩沖區(qū)之間，還設(shè)置中間層，所述中間層具有比所述第I晶格常數(shù)小的晶格常數(shù)和比所述襯底的熱膨脹系數(shù)大的熱膨脹系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第I半導(dǎo)體層、所述第2半導(dǎo)體層和所述第3半導(dǎo)體層包括氮化物類化合物半導(dǎo)體。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述雜質(zhì)包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、fU鈧、鋰、鈉、鈹、?l中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至5任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第I晶格常數(shù)比所述襯底的晶格常數(shù)小，所述第2晶格常數(shù)比所述第I晶格常數(shù)小。
10.根據(jù)權(quán)利要求3至6任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)自靠近所述襯底一側(cè)起向遠(yuǎn)側(cè)減少。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至7任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層，在與所述第3半導(dǎo)體層分離的位置具有厚度比所述第3半導(dǎo)體層薄，且組成與所述第3半導(dǎo)體層相同的層。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至8任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層在與所述第I半導(dǎo)體層的邊界和與所述第3半導(dǎo)體層的邊界的至少一個(gè)，具有厚度比所述第3半導(dǎo)體層薄，且，在所述邊界上具有組成與和所述第2半導(dǎo)體層接觸的層不同的層。
13.根據(jù)權(quán)利要求3至9任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第 I 半導(dǎo)體層包括 AlxlInylGai_xl_ylN (其中，O ( xl<l,0 彡 yl 彡 1，xl+yl ^ I)； 所述第2半導(dǎo)體層包括Alx2Iny2Gai_x2_y2N (其中，0〈x2彡1，0彡y2彡1，x2+y2 ^ I)； 所述第3半導(dǎo)體層包括Alx3Iny3Gai_x3_y3N (其中，0〈x3彡1，0彡y3彡1，x3+y3 ^ I)；
是 xl < x2 < x3 ; 所述第2半導(dǎo)體層的Al比率自靠近所述襯底的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述緩沖區(qū)具有至少一層依次疊層: 具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層， 具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層， 具有與所述第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層，和 具有在所述第I晶格常數(shù)與所述第3晶格常數(shù)之間的第4晶格常數(shù)的第4半導(dǎo)體層得到的復(fù)合層； 所述第2晶格常數(shù)，具有在所述第I晶格常數(shù)與所述第3晶格常數(shù)之間的值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體元件，其中，對所述第2半導(dǎo)體層和所述第4半導(dǎo)體層的至少一個(gè)摻雜雜質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第I半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)、所述第2半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)、所述第3半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)和所述第4半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)，比所述襯底的熱膨脹系數(shù)大；所述第2半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)和所述第4半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)具有在所述第I 半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)與所述第3半導(dǎo)體層的熱膨脹系數(shù)之間的值。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的半導(dǎo)體元件，其中，在所述襯底與所述緩沖區(qū)之間還設(shè)置中間層，所述中間層具有比所述第I晶格常數(shù)小的晶格常數(shù)和比所述襯底的熱膨脹系數(shù)大的熱膨脹系數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第I半導(dǎo)體層、所述第2半導(dǎo)體層、所述第3半導(dǎo)體層和所述第4半導(dǎo)體層包括氮化物類化合物半導(dǎo)體。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述雜質(zhì)包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、銀、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求15至20任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述雜質(zhì)包括不使空穴激活的原子。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述雜質(zhì)包括硅、氧、鍺、磷、砷、銻中的至少一種。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第I晶格常數(shù)比所述襯底的晶格常數(shù)小，所述第2晶格常數(shù)比所述第I晶格常數(shù)小。
24.根據(jù)權(quán)利要求15至23任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)，自靠近所述襯底一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)減少，且，所述第4半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)自靠近所述襯底一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)增加。
25.根據(jù)權(quán)利要求15至24任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層，在與所述第3半導(dǎo)體層分離的位置具有厚度比所述第3半導(dǎo)體層薄，組成與所述第3半導(dǎo)體層相同的層。
26.根據(jù)權(quán)利要求15至25任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層在與所述第I半導(dǎo)體層的邊界和與所述第3半導(dǎo)體層的邊界的至少一個(gè)，具有厚度比所述第3半導(dǎo)體層薄，且，在所述邊界上具有組成與和所述第2半導(dǎo)體層接觸的層不同的層。
27.根據(jù)權(quán)利要求15至26任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第4半導(dǎo)體層在與所述第3半導(dǎo)體層分離的位置具有厚度比所述第3半導(dǎo)體層薄，組成與所述第3半導(dǎo)體層相同的層。
28.根據(jù)權(quán)利要求15至27任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第4半導(dǎo)體層，在與所述第3半導(dǎo)體層的邊界和與所述第I半導(dǎo)體層的邊界的至少一個(gè)，具有厚度比所述第3半導(dǎo)體層薄，且，在所述邊界上具有組成與和所述第4半導(dǎo)體層接觸的層不同的層。
29.根據(jù)權(quán)利要求15至28任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中， 所述第I半導(dǎo)體層包括AlxlInylGa1^1N (其中，O ( xl<l,0彡yl彡1，xl+yl ^ I)； 所述第2半導(dǎo)體層包括Alx2Iny2Gai_x2_y2N (其中，0〈x2彡1，0彡y2彡1，x2+y2 ^ I)； 所述第3半導(dǎo)體層包括Alx3Iny3Gai_x3_y3N (其中，0〈x3彡1，0彡y3彡1，x3+y3 ^ I)； 所述第4半導(dǎo)體層包括Alx4Iny4Ga1^y4N (其中，0〈x4彡1，0彡y4彡1，x4+y4 ^ I)； 是 xl < x2, x4 ^ x3 ； 所述第2半導(dǎo)體層的Al比率自靠近所述襯底的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)增加； 所述第4半導(dǎo)體層的A l比率自靠近所述襯底的一側(cè)向遠(yuǎn)側(cè)減少。
30.根據(jù)權(quán)利要求15至29任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層和所述第4半導(dǎo)體層，每個(gè)所述復(fù)合層的厚度不同。
31.根據(jù)權(quán)利要求15至30任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體元件，其中，所述第2半導(dǎo)體層和所述第4半導(dǎo)體層的厚度為Inm以上。
32.—種半導(dǎo)體元件的制造方法，其中，包括: 準(zhǔn)備襯底的工序， 在所述襯底上方形成緩沖區(qū)的工序， 在所述緩沖區(qū)上形成活性層的工序， 在所述活性層上形成至少2個(gè)電極的工序； 所述形成緩沖區(qū)的工序具有依次包括以下工序的循環(huán)至少重復(fù)一次的工序: 形成具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層的工序， 形成具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層的工序， 形成具有與所述第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層的工序； 所述第2晶格常數(shù)具有在所述第I晶格常數(shù)與所述第3晶格常數(shù)之間的值； 形成所述第2半導(dǎo)體層的工序，包括摻雜雜質(zhì)的工序。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的制造方法，其中，所述雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的制造方法，其中，所述雜質(zhì)包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、銀、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。
35.一種半導(dǎo)體元件的制造方法，其中，包括: 準(zhǔn)備襯底的工序， 在所述襯底上方形成緩沖區(qū)的工序， 在所述緩沖區(qū)上形成活性層的工序，在所述活性層上形成至少2個(gè)電極的工序； 所述形成緩沖區(qū)的工序具有依次包括以下工序的循環(huán)至少重復(fù)一次的工序: 形成具有第I晶格常數(shù)的第I半導(dǎo)體層的工序， 形成具有第2晶格常數(shù)的第2半導(dǎo)體層的工序， 形成具有與所述第I晶格常數(shù)不同的第3晶格常數(shù)的第3半導(dǎo)體層的工序， 形成具有在所述第I晶格常數(shù)與所述第3晶格常數(shù)之間的晶格常數(shù)的第4半導(dǎo)體層的工序； 所述第2晶格常數(shù)具有在所述第I晶格常數(shù)與所述第3晶格常數(shù)之間的值； 形成所述第2半導(dǎo)體層的工序和形成所述第4半導(dǎo)體層的工序的至少一個(gè)，包括摻雜雜質(zhì)的工序。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的制造方法，其中，所述雜質(zhì)包括不使電子激活的原子。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的制造方法，其中，所述雜質(zhì)包括碳、氟、氯、鎂、鐵、氧、氫、鋅、銅、銀、金、鎳、鈷、銀、鈧、鋰、鈉、鈹、硼中的至少一種。
38.根據(jù)權(quán)利要求35至37任意一項(xiàng)所述的制造方法，其中，所述雜質(zhì)包括不使空穴激活的原子。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的半導(dǎo)體元件的制造方法，其中，所述雜質(zhì)包括硅、氧、鍺、磷、砷、銻中的至少一種。`
【文檔編號(hào)】H01L29/778GK103430295SQ201280011372
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】古川拓也, 加藤禎宏, 巖見正之, 內(nèi)海誠, 梅野和行 申請人:先進(jìn)動(dòng)力設(shè)備技術(shù)研究協(xié)會(huì)