GaN外延基板的制作方法

本发明涉及gan外延基板。

背景技术：

1、近年来，作为用于数十ghz至数百ghz的高频的器件用途，正在积极地进行gan系高电子迁移率晶体管(hemt)(以下，有时称为“gan-hemt”)的开发。作为用于gan-hemt的基板，对硅、碳化硅(sic)、gan等进行了研究，与使用了其它基板的情况相比，使用了gan基板的gan-hemt可期待优异的性能。gan-hemt虽然以高频反复进行电流的on/off，但是，理想的是要求在off状态时电流完全不流通。因此，在gan-hemt中使用gan基板的情况下，优选gan基板的半绝缘化。

2、作为使gan基板半绝缘的方法，已知有掺杂过渡金属元素及第12族元素的方法。过渡金属元素及第12族元素作为受主(acceptor)发挥作用，因此，具有补偿无意地导入至gan基板中的背景施主(background donor)、降低gan基板内的载流子浓度的效果。将这样的过渡金属元素及第12族元素称为补偿杂质。

3、例如，在非专利文献1所记载的发明中，得到了掺杂有fe、mn作为补偿杂质的gan基板。另外，虽然不是使用gan基板的例子，但在专利文献1、2所记载的发明中，在gan缓冲层中掺杂了fe作为补偿杂质。

4、现有技术文献

5、专利文献

6、专利文献1：日本特表2016-511545号公报

7、专利文献2：日本特开2018-041786号公报

8、非专利文献

9、非专利文献1：m iwinska et al., iron and manganese as dopants used inthe crystallization of highly resistive hvpe-gan on native seeds, japanesejournal of applied physics, 第58卷 sc1047，2019

技术实现思路

1、发明所要解决的问题

2、本发明人等最初为了得到可适宜地用于gan-hemt的gan基板而对掺杂有mn的gan基板进行了研究。

3、在该过程中，使用掺杂有mn的gan基板形成hemt结构的情况下，确认到了mn可以在gan缓冲层中扩散。特别是如果mn扩散至hemt器件的产生作为电子通道的二维电子气(以下，有时称为“2deg”)的区域，则随着电子迁移率的降低，作为晶体管的性能变差，存在无法实现作为hemt的高电子移动动作的隐患。

4、因此，本发明人等将研究的对象从gan基板本身扩展至包含gan基板和在gan基板上外延生长的gan缓冲层的gan外延基板，对包含成为补偿杂质的mn、且能够抑制mn扩散至产生2deg的区域的gan外延基板进行了各种研究。

5、作为第一方法，对形成了掺杂有mn的mn掺杂层后、进一步较厚地形成不掺杂mn的gan缓冲层(未掺杂gan缓冲层)的方法进行研究。

6、mn的扩散在很大程度上是由热扩散引起的，因此，扩散距离越长，mn浓度越低。因此，在第一解决方法中，通过设置足够厚度的未掺杂gan缓冲层，能够减少mn扩散至产生2deg的区域。

7、然而，在上述方法中并不能抑制mn的扩散本身，需要非常厚的未掺杂gan缓冲层，因此，hemt器件的设计自由度受损，制造成本变高。另外，gan缓冲层的厚度的增大会引起伴随着所谓的电流崩塌现象的hemt器件特性的劣化。

8、作为第二方法，对减少掺杂的mn的量本身的方法进行了研究。

9、如果在gan基板中掺杂的mn的量少，则能够减少扩散至产生2deg的区域的mn的量。mn是为了补偿导入至gan基板中的背景施主而掺杂的补偿杂质，因此，为了尽可能以低浓度的mn来实现充分的半绝缘化，只要尽可能减少gan基板中的背景施主的量即可。

10、但是，目前将背景施主保持为较少水平是极其困难的。例如，只要用于晶体生长的构件的劣化、水分混入，背景施主就立即变多，因此，在成为低浓度的程度的少量mn的掺杂的情况下，无法保证背景施主，不能保持半绝缘性。

11、作为第三方法，对降低使gan缓冲层在gan基板上外延生长而得到gan外延基板时的晶体生长温度、或缩短晶体生长时间的方法进行了研究。

12、在固体中的物质的移动基于热扩散的情况下，其行为可由扩散方程式来定义。环境温度、即晶体生长时的温度越高，物质的扩散常数越大，因此，在高温下物质更容易扩散。另外，在这样的高温环境中放置的时间、即晶体生长的时间越长，物质越容易扩散。因此，通过降低晶体生长温度或缩短晶体生长时间，能够抑制基于热扩散的mn的移动。

13、然而，晶体生长温度、晶体生长时间由有机金属化学气相沉积(metal organicchemical vapor deposition、mocvd)法的生长条件来决定，因此不容易变更。另外，从得到良好的晶体等的观点考虑，生长温度存在一定的限制，因此，实际上通过变更上述晶体生长温度、晶体生长时间来抑制mn的扩散存在极限。另外，在该第三方法中，得到的gan外延基板中的mn的行为按照扩散方程式，从这一点考虑，本质上与上述的第一方法、第二方法没有变化。

14、如上所述，迄今为止尚未得到可抑制mn扩散至产生2deg的区域、且器件的设计自由度、制造成本也优异的可适宜地用于gan-hemt的gan外延基板。

15、因此，本发明的课题在于提供包含成为补偿杂质的mn、且可抑制mn的扩散、器件的设计自由度、制造成本也良好的gan外延基板。

16、解决问题的方法

17、针对上述问题，本发明人等进行了深入研究，着眼于通过有意地阻碍gan基板中或gan缓冲层中的mn的移动，从而与以往那样单纯地抑制由扩散方程式中描述的mn的热扩散相比能够更有效地抑制mn的浓度分布。

18、而且进一步进行了研究，作为第一方式，发现了通过使从包含mn的gan基板或包含mn的gan缓冲层至[0001]轴方向上的mn的浓度梯度非常陡峭，能够解决上述问题，从而完成了本发明。

19、另外，作为第二方式，发现了通过设为gan基板或gan缓冲层包含掺杂有mn的mn掺杂层、且gan缓冲层包含特定c浓度的含c层的构成，从而可有效地阻碍mn的移动，能够解决上述问题，从而完成了本发明。

20、即，本发明的第一方式的主旨如下所述。

21、本发明的方式1涉及一种gan外延基板，其包含gan基板、和在上述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，上述gan外延基板包含点a和点b，上述点b位于在上述点a通过且与[0001]轴平行的直线上、并且相对于上述点a在[0001]轴方向上存在，上述点a存在于上述gan基板中或上述gan缓冲层中，上述点b存在于上述gan缓冲层中，上述点b处的mn浓度[mn]b与上述点a处的mn浓度[mn]a之比([mn]b/[mn]a)为1/100，上述点a与上述点b的距离为0.7μm以下。

22、本发明的方式2涉及一种gan外延基板，其包含gan基板、和在上述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，上述gan外延基板包含点a’和点b’，上述点b’位于在上述点a’通过且与[0001]轴平行的直线上、并且相对于上述点a’在[0001]轴方向上存在，上述点a’存在于上述gan基板中或上述gan缓冲层中，上述点b’存在于上述gan缓冲层中，上述点b’处的mn浓度[mn]b’与上述点a’处的mn浓度[mn]a’之比([mn]b’/[mn]a’)为1/10，上述点a’与上述点b’的距离为0.4μm以下。

23、本发明的方式3涉及一种gan外延基板，其包含gan基板、和在上述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，上述gan外延基板包含点a’’和点b’’，上述点b’’位于在上述点a’’通过且与[0001]轴平行的直线上、并且相对于上述点a’’在[0001]轴方向上存在，上述点a’’存在于上述gan基板中或上述gan缓冲层中，上述点b’’存在于上述gan缓冲层中，上述点a’’处的mn浓度为1×1017atoms/cm3以上，上述点b’’处的mn浓度为1×1015atoms/cm3以下，上述点a’’与上述点b’’的距离为0.7μm以下。

24、本发明的方式4涉及一种gan外延基板，其包含gan基板、和在上述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，上述gan外延基板包含点a’’’和点b’’’，上述点b’’’位于在上述点a’’’通过且与[0001]轴平行的直线上、并且相对于上述点a’’’在[0001]轴方向上存在，上述点a’’’存在于上述gan基板中或上述gan缓冲层中，上述点b’’’存在于上述gan缓冲层中，上述点a’’’处的mn浓度为1×1017atoms/cm3以上，上述点b’’’处的mn浓度为1×1016atoms/cm3以下，上述点a’’’与上述点b’’’的距离为0.4μm以下。

25、本发明的方式5涉及方式1或方式2的gan外延基板，其中，上述[mn]a或上述[mn]a’为1×1017atoms/cm3以上。

26、本发明的方式6涉及方式1~方式4中的任一方式的gan外延基板，其中，上述点a、上述点a’、上述点a’’或上述点a’’’存在于上述gan基板中。

27、本发明的方式7涉及方式1~方式6中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan缓冲层包含c浓度为1×1016atoms/cm3以上的含c区域，上述点b、上述点b’、上述点b’’或上述点b’’’存在于上述含c区域中。

28、本发明的方式8涉及方式1~方式7中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan基板及上述gan缓冲层中的至少一者包含掺杂有mn的mn掺杂层。

29、本发明的方式9涉及方式1~方式8中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan基板包含掺杂有mn的mn掺杂层，上述点a、上述点a’、上述点a’’或上述点a’’’存在于上述mn掺杂层中。

30、本发明的方式10涉及方式7~方式9中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan缓冲层中，相对于上述含c区域在[0001]轴方向上具有i-gan层。

31、本发明的方式11涉及方式1~方式10中的任一方式的gan外延基板，其中，在上述gan缓冲层上进一步具有氮化物半导体阻隔层。

32、另外，本发明的第二方式的主旨如下所述。

33、本发明的方式12涉及一种gan外延基板，其包含gan基板、和在上述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，上述gan基板及上述gan缓冲层中的至少一者包含掺杂有mn的mn掺杂层，上述gan缓冲层包含含c层，上述含c层相对于上述mn掺杂层存在于[0001]轴方向上、并且c浓度为1×1016atoms/cm3以上。

34、本发明的方式13涉及方式12的gan外延基板，其中，上述gan基板包含上述mn掺杂层。

35、本发明的方式14涉及方式12或方式13的gan外延基板，其中，上述mn掺杂层的mn浓度为1×1017atoms/cm3以上。

36、本发明的方式15涉及方式12~方式14中的任一方式的gan外延基板，其中，上述含c层是掺杂有c的层。

37、本发明的方式16涉及方式12~方式15中的任一方式的gan外延基板，其中，上述含c层的c浓度小于1×1018atoms/cm3。

38、本发明的方式17涉及方式12~方式16中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan缓冲层中的上述含c层中、或者相对于上述含c层在[0001]轴方向上存在的gan区域的mn浓度小于1×1017atoms/cm3。

39、本发明的方式18涉及方式17的gan外延基板，其中，上述gan区域的mn浓度为1×1016atoms/cm3以下。

40、本发明的方式19涉及方式12~方式18中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan基板或上述gan缓冲层包含点a，上述gan缓冲层包含点b，上述点b位于在上述点a通过且与[0001]轴平行的直线上、并且相对于上述点a在[0001]轴方向上存在，上述点b处的mn浓度[mn]b与上述点a处的mn浓度[mn]a之比([mn]b/[mn]a)为1/100，上述点a与上述点b的距离为0.7μm以下。

41、本发明的方式20涉及方式12~方式19中的任一方式的gan外延基板，其中，上述gan缓冲层中，相对于上述含c层在[0001]轴方向上具有i-gan层。

42、本发明的方式21涉及方式12~方式20中的任一方式的gan外延基板，其中，在上述gan缓冲层上进一步具有氮化物半导体阻隔层。

43、发明的效果

44、本实施方式的gan外延基板可抑制mn扩散至有意地进行了高电阻化的gan基板或gan缓冲层以外的区域，并且器件的设计自由度、制造成本也良好。因此，作为用于gan-hemt这样的卧式器件结构的氮化物半导体器件的基板是非常适宜的。

技术特征：

1.一种gan外延基板，其包含gan基板、和在所述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，

2.一种gan外延基板，其包含gan基板、和在所述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，

3.一种gan外延基板，其包含gan基板、和在所述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，

4.一种gan外延基板，其包含gan基板、和在所述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，

5.根据权利要求1或2所述的gan外延基板，其中，

6.根据权利要求1~4中任一项所述的gan外延基板，其中，

7.根据权利要求1~6中任一项所述的gan外延基板，其中，

8.根据权利要求1~7中任一项所述的gan外延基板，其中，

9.根据权利要求1~8中任一项所述的gan外延基板，其中，

10.根据权利要求7~9中任一项所述的gan外延基板，其中，

11.根据权利要求1~10中任一项所述的gan外延基板，其中，

12.一种gan外延基板，其包含gan基板、和在所述gan基板上外延生长而成的gan缓冲层，

13.根据权利要求12所述的gan外延基板，其中，

14.根据权利要求12或13所述的gan外延基板，其中，

15.根据权利要求12~14中任一项所述的gan外延基板，其中，

16.根据权利要求12~15中任一项所述的gan外延基板，其中，

17.根据权利要求12~16中任一项所述的gan外延基板，其中，

18.根据权利要求17所述的gan外延基板，其中，

19.根据权利要求12~18中任一项所述的gan外延基板，其中，

20.根据权利要求12~19中任一项所述的gan外延基板，其中，

21.根据权利要求12~20中任一项所述的gan外延基板，其中，

技术总结
本发明涉及一种GaN外延基板，其包含GaN基板、和在上述GaN基板上外延生长而成的GaN缓冲层，上述GaN外延基板包含存在于上述GaN基板中或上述GaN缓冲层中的点A、和存在于上述GaN缓冲层中且Mn浓度为上述点A的Mn浓度的1/100的点B，上述点A与上述点B的距离为0.7μm以下。

技术研发人员：矶宪司,德满洋司
受保护的技术使用者：三菱化学株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23