專利名稱：化合物半導(dǎo)體裝置用基板和使用該基板的化合物半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化合物半導(dǎo)體裝置，該化合物半導(dǎo)體裝置含有可用于高頻和高功率半導(dǎo)體裝置等的3C-SiC(立方晶型碳化硅)和以GaN(六方晶型氮化鎵)和AlN(六方晶型氮化鋁)為代表的氮化物等的化合物半導(dǎo)體單晶膜。
背景技術(shù)：
化合物半導(dǎo)體由于電子移動(dòng)速度比硅快很多，因此高速信號處理優(yōu)異，具備可在低電壓下動(dòng)作、與光反應(yīng)、可發(fā)出微波這些優(yōu)異的特性。由于這些優(yōu)異的物性，使用化合物半導(dǎo)體的裝置有望超越目前作為主流的半導(dǎo)體硅裝置的物性極限。
但是，這種化合物半導(dǎo)體價(jià)格昂貴，需要降低其成本。
化合物半導(dǎo)體中，已知可以實(shí)現(xiàn)低成本的有例如在Si單晶基板上層合化合物半導(dǎo)體單晶緩沖層和化合物半導(dǎo)體單晶膜，用GaN等在其上形成高電子遷移率晶體管(HEMT)裝置結(jié)構(gòu)(例如參照日本特開2003-59948號公報(bào))。

發(fā)明內(nèi)容
但是，使用上述化合物半導(dǎo)體制造的以往的裝置對于去除HEMT裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)生的空穴尚未有解決方法，裝置在低電壓下即被破壞。
這是由于層合了多層帶隙比裝置活性層的GaN(帶隙3.4eV)大的AlN(帶隙6.2eV)，結(jié)果，AlN的帶隙高，使得在GaN中產(chǎn)生的空穴無法越遷，并且AlN厚，使得在GaN中產(chǎn)生的空穴無法透過，因此AlN成為空穴的障礙，產(chǎn)生的空穴被蓄積，導(dǎo)致裝置破壞。
并且，使用在以往的化合物半導(dǎo)體單晶緩沖層上形成的GaN而得到的HEMT，其裝置活性層中發(fā)生的二維電子氣的濃度低。
這是由于Si單晶基板(熱膨脹系數(shù)4.2×10-6/K)和化合物半導(dǎo)體單晶緩沖層(熱膨脹系數(shù)5.3×10-6-5.6×10-6/K)的熱膨脹系數(shù)之差達(dá)到18-33％，起因于該差的應(yīng)力使二維電子氣的發(fā)生濃度降低。
二維電子氣的濃度低，則有裝置動(dòng)作時(shí)電阻提高，導(dǎo)致能量損耗的問題。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)性課題而設(shè)，其目的在于提供破壞電壓高且能量損耗少，適合用于高電子遷移率晶體管等的化合物半導(dǎo)體裝置用基板以及使用該基板的化合物半導(dǎo)體裝置。
本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體裝置用基板的特征是在Si單晶基板上至少形成厚度為100nm以上的3C-SiC層和高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)。
具體來說，本發(fā)明的第一方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板的特征在于在晶面方位{111}、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-x-N單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8且0.2≤y-z≤1)。
通過上述構(gòu)成，可以提高破壞電壓，且可以降低能量損耗，因此該化合物半導(dǎo)體裝置用基板可適合用作電源裝置用HEMT。
上述第一方案中的化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，優(yōu)選在Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的c-BP單晶緩沖層。
通過該c-BP單晶緩沖層，可以使3C-SiC單晶緩沖層中的失配位錯(cuò)降低，可以提高二維電子氣的濃度。
本發(fā)明的第二方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板的特征是在晶面方位{111}、載流子濃度1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8且0.2≤y-z≤1)。
這樣，通過使化合物半導(dǎo)體裝置用基板的下層部分為p型，可以在六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層和傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層之間形成能量傾斜，可有效去除產(chǎn)生的空穴，因此該基板也適用于電源裝置用HEMT。
對于上述第二方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，也與上述第一方案相同，優(yōu)選在Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的c-BP單晶緩沖層。
本發(fā)明的第三方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板的特征是在晶面方位{111}、載流子濃度1011-1016/cm3的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1011-1016/cm3的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8且0.2≤y-z≤1)。
這樣，通過降低化合物半導(dǎo)體裝置用基板的下層部分的載流子濃度，裝置在高頻動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的基板的寄生電阻降低，含有該構(gòu)成的基板可適用于高頻HEMT。
對于上述第三方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，也優(yōu)選與上述第一和第二方案相同，在Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3的c-BP單晶緩沖層。
上述化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，優(yōu)選六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層為六方晶AlN(x＝0)，且上述六方晶GayA1-yN單晶層為六方晶GaN(y＝1)。
通過上述構(gòu)成，可以降低失配位錯(cuò)，提高二維電子氣的濃度，裝置在動(dòng)作時(shí)的電阻降低，可以減少能量損耗。
并且上述化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，優(yōu)選在六方晶GayAl1-yN單晶層和六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層之間發(fā)生載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的二維電子氣。
通過上述二維電子氣的發(fā)生，裝置在動(dòng)作時(shí)的電阻降低，可以降低能量損耗。
二維電子氣的載流子濃度根據(jù)測定方法的不同，也可以以二維表示。例如上述載流子濃度1016-1021/cm3以二維表現(xiàn)時(shí)，則為約1012-1014/cm2。
本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體裝置是使用上述化合物半導(dǎo)體裝置用基板得到的化合物半導(dǎo)體裝置，其特征在于在Si單晶基板的背面形成背面電極，在六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的表面或者暴露的六方晶GayAl1-yN單晶層的電極形成部分形成表面電極，上述背面電極和表面電極分別由含有Al、Ti、In、Au、Ni、Pt、Pd、W中的至少一種的金屬形成，且至少形成1或2個(gè)歐姆電極、1個(gè)肖脫基電極或者控制電極。
使用上述本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體裝置用基板形成上述電極，由此可以得到動(dòng)作時(shí)電阻低、能量損耗降低到1/100左右的裝置。
附圖簡述

圖1是概念性表示下述實(shí)施例1的化合物半導(dǎo)體裝置的截面圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式以下更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體裝置用基板是在Si單晶基板上至少形成厚度為100nm以上的3C-SiC層和HEMT結(jié)構(gòu)。
具體地說，本發(fā)明的第一方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板是在晶面方位{111}、載流子濃度1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8，且0.2≤y-z≤1)。
這樣構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體用基板上，相對于GaN的帶隙3.4eV，3C-SiC的帶隙為2.2eV，3C-SiC單晶緩沖層比裝置活性層的GaN的帶隙小，因此裝置動(dòng)作時(shí)，在GaN產(chǎn)生的空穴可以通過3C-SiC，空穴不會(huì)蓄積。
另外，六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層的厚度為0.01-0.5μm，很薄，上述空穴也可以通過六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層，因此空穴不會(huì)蓄積，裝置的破壞電壓比原來提高兩倍左右。
并且，3C-SiC單晶緩沖層的熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6/K，為Si單晶基板(熱膨脹系數(shù)4.2×10-6/K)和六方晶GayAl1-yN單晶層(熱膨脹系數(shù)5.3×10-6-5.6×10-6/K)的中間值。Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層、六方晶GayAl1-yN單晶層和3C-SiC單晶緩沖層的熱膨脹系數(shù)差為7-18％，與以往的化合物半導(dǎo)體單晶緩沖層的熱膨脹系數(shù)差(18-33％)相比有降低。
因此，由熱膨脹系數(shù)差引起的應(yīng)力將會(huì)降低，與此相對應(yīng)，二維電子氣的發(fā)生濃度提高，裝置動(dòng)作時(shí)的電阻降低，與以往相比，能量損耗可以降低至1/2左右。
因此，含有上述構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體用基板適用于電源裝置用HEMT。
本發(fā)明的Si單晶基板并不限于通過Czochralski(CZ)法制造，也可以使用通過浮動(dòng)區(qū)(Floating Zone，F(xiàn)Z)法制造的，以及通過氣相生長在這些Si單晶基板上外延生長Si單晶層而得到的(Si外延基板)。
外延生長具有可以得到結(jié)晶性優(yōu)異的單晶層(外延層)，使基板的晶面方位在外延層上延續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。
上述Si單晶基板使用晶面方位{111}的晶體，這里所述晶面方位{111}也包含晶面方位{111}的微傾斜(約十幾度)或{211}等的高級晶面指數(shù)的晶面方位。
上述Si單晶基板使用載流子濃度為1016-1021/cm3的晶體。
上述載流子濃度低于1016/cm3時(shí)，電阻高，因此，對Si單晶基板通電時(shí)，能量損耗大。而從能量損耗的角度考慮，載流子濃度越高越好，但是超過1021/cm3，則Si單晶在物理性方面有困難。
Si單晶基板的載流子濃度下限優(yōu)選為1017/cm3。
上述Si單晶基板的厚度優(yōu)選為100-1000μm，更優(yōu)選200-800μm。
Si單晶基板的厚度低于100μm時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度不足。而上述厚度超過1000μm，則原料成本增加，也并不能得到相應(yīng)的效果。
上述Si單晶基板上形成傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層。
傳導(dǎo)型不同，則在3C-SiC單晶緩沖層和Si單晶基板的界面附近形成pn結(jié)，在通電時(shí)電阻高，產(chǎn)生能量損耗。
上述3C-SiC單晶緩沖層的載流子濃度為1016-1021/cm3。
上述載流子濃度低于1016/cm3時(shí)，電阻高，因此通電時(shí)有能量損耗。另一方面，從能量損耗的角度考慮，上述載流子濃度越高越好，但是超過1021/cm3，則物理性方面有困難。
3C-SiC單晶緩沖層的載流子濃度下限優(yōu)選為1017/cm3。
上述3C-SiC單晶緩沖層的厚度為0.05-2μm。
上述3C-SiC單晶緩沖層的厚度低于0.05μm，則緩沖效果不足。而上述厚度超過2μm，則只是原料成本提高。
上述3C-SiC單晶緩沖層的厚度更優(yōu)選0.1-1μm。
上述3C-SiC單晶緩沖層上形成六方晶Gaxl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)。
該層起用于使其上部層合六方晶GayAl1-yN單晶層的緩沖層作用。
上述六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層的厚度為0.01-0.5μm。
上述厚度低于0.01μm，則六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層的緩沖效果不足。而上述厚度超過0.5μm，則電阻高，通電時(shí)有能量損耗。
上述六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層的厚度更優(yōu)選0.02-0.1μm。
又在上述六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層上形成傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)。
傳導(dǎo)型不同，則在3C-SiC單晶緩沖層、六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層和六方晶GayAl1-yN單晶層的界面附近形成pn結(jié)，通電時(shí)電阻高，產(chǎn)生能量損耗。
上述六方晶GayAl1-yN單晶層的載流子濃度為1011-1016/cm3。
從化合物半導(dǎo)體性能的角度看，上述載流子濃度越低越好，但是低于1011/cm3，則物理性方面有困難。而上述載流子濃度超過1016/cm3，則六方晶GayAl1-yN單晶層會(huì)出現(xiàn)在低電壓下受到破壞的情況。
上述六方晶GayAl1-yN單晶層的厚度為0.1-5μm。
上述厚度低于0.1μm，則無法得到可實(shí)現(xiàn)破壞電壓高的目的的裝置。而上述厚度超過5μm，則只是原料成本增高。
上述六方晶GayAl1-yN單晶層的厚度更優(yōu)選0.5-4μm。
又在上述GayAl1-yN單晶層上形成傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8，且0.2≤y-z≤1)。
傳導(dǎo)型不同，則在六方晶GayAl1-yN單晶層和六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的界面附近形成pn結(jié)，通電時(shí)電阻高，產(chǎn)生能量損耗。
上述六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的載流子濃度為1011-1016/cm3。
從化合物半導(dǎo)體性能的觀點(diǎn)看，上述載流子濃度越低越好，但如果低于1011/cm3，則物理性方面有困難。而上述載流子濃度超過1016/cm3，則六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層出現(xiàn)在低電壓下即被破壞的問題。
上述六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的厚度為0.01-0.1μm。
上述厚度低于0.01μm，則六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的載流子供給量不足。而上述厚度超過0.1μm，則六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層可能出現(xiàn)破碎。
上述六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的厚度更優(yōu)選0.02-0.05μm。
上述六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)中，當(dāng)x＝1時(shí)，則成為GaN，Ga和Si之間過度發(fā)生不希望的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面粗糙，單晶已經(jīng)無法生長。
上述六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層的x更優(yōu)選0.1-0.9。
上述六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)、六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8，且0.2≤y-z≤1)的各層通過以不同種化合物半導(dǎo)體單晶的形式雜合，在雜合附近發(fā)生二維電子氣，由此可以提高HEMT性能，因此要使各層的鎵、鋁、氮的濃度，也就是y、z的值在上述規(guī)定范圍內(nèi)。
上述化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，優(yōu)選在上述Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成c-BP單晶緩沖層。
通過插入該c-BP單晶緩沖層，可以降低3C-SiC單晶緩沖層中的失配位錯(cuò)，由此可以提高上述二維電子氣的濃度。
由此，裝置動(dòng)作時(shí)的電阻降低，與以往的相比，可以使能量損耗降低至1/2左右。
上述c-BP單晶緩沖層與3C-SiC單晶緩沖層相同，傳導(dǎo)型為n型。
傳導(dǎo)型不同，則在與3C-SiC單晶緩沖層的界面附近形成pn結(jié)，通電時(shí)電阻高，產(chǎn)生能量損耗。
上述c-BP單晶緩沖層的載流子濃度優(yōu)選為1016-1021/cm3。
上述載流子濃度低于1016/cm3，則電阻高，通電時(shí)有能量損耗。而從能量損耗的角度考慮，上述載流子濃度越高越好，但是超過1021/cm3，則物理性方面有困難。
上述c-BP單晶緩沖層的載流子濃度下限優(yōu)選為1017/cm3。
上述c-BP單晶緩沖層的厚度優(yōu)選為0.01-1μm。
上述厚度低于0.01μm，則c-BP單晶緩沖層的緩沖效果和電阻降低效果不充分。而其厚度超過0.5μm，則只是原料成本提高。
本發(fā)明的第二方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板是在晶面方位{111}、載流子濃度1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8，且0.2≤y-z≤1)。
即，該基板是在上述第一方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板上，使Si單晶基板、3C-SiC單晶緩沖層的傳導(dǎo)型改為p型而成。
這樣，化合物半導(dǎo)體裝置用基板的下層部分為p型，在六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層和傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層之間形成能量傾斜，由此可有效去除產(chǎn)生的空穴，空穴不蓄積，與以往相比，可以使裝置的破壞電壓提高至兩倍左右。
因此，含有這樣構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體裝置用基板適用于電源裝置用HEMT。
上述第二方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，與上述第一方案相同，優(yōu)選在Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間，結(jié)合這些層的傳導(dǎo)型，插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的c-BP單晶緩沖層。
本發(fā)明的第三方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板是在晶面方位{111}、載流子濃度1011-1016/cm3的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1011-1016/cm3的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8，且0.2≤y-z≤1)。
即，該基板是在上述第一方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板上，使Si單晶基板、3C-SiC單晶緩沖層的載流子濃度降低而成。在高頻用途中，將載流子濃度充分降低是十分重要的，可以是pn的任何傳導(dǎo)型。
不過，在使載流子濃度充分降低時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用上很難判定其傳導(dǎo)型。
如上所述，通過降低化合物半導(dǎo)體裝置用基板下層部分的載流子濃度，在裝置高頻動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的基板的寄生電阻降低，與以往相比，可以使能量抵抗降低至1/100左右。
因此，含有上述構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體裝置用基板適用于高頻HEMT。
上述第三方案的化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，與上述第1和第2方案相同，優(yōu)選在Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間，結(jié)合這些層的載流子濃度，插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3的c-BP單晶緩沖層。
上述第1至第3任一方案中的化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，優(yōu)選六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層為六方晶AlN(x＝0)，且六方晶GayAl1-yN單晶層為六方晶GaN(y＝1)。
此時(shí)，3C-SiC單晶緩沖層、六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(六方晶AlN(x＝0))、六方晶GayAl1-yN單晶層(六方晶GaN(y＝1))的各晶格常數(shù)為3.083(a軸換算)、3.112、3.18，晶格失配的程度減小，為逐漸變化，因晶格失配而發(fā)生的失配位錯(cuò)降低。
失配位錯(cuò)是吸收二維電子氣使其濃度下降。因此通過降低失配位錯(cuò)，可以提高二維電子氣濃度，使裝置動(dòng)作時(shí)的電阻降低，能量損耗減少。
因此，與以往相比，可以將裝置的能量損耗降低至1/2左右。
上述第1至第3任一方案中的化合物半導(dǎo)體裝置用基板中，優(yōu)選在六方晶GayAl1-yN單晶層和六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層之間發(fā)生載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的二維電子氣。
由此，裝置動(dòng)作時(shí)的電阻降低，與以往相比，可以使能量損耗降低至1/2-1/1000左右。
使用上述本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，在Si單晶基板的背面形成背面電極，在六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的表面、或者暴露的六方晶GayAl1-yN單晶層的電極形成部分形成表面電極，使上述背面電極和表面電極分別由含有Al、Ti、In、Au、Ni、Pt、Pd、W中的至少一種的金屬形成，且至少形成1或2個(gè)歐姆電極、1個(gè)肖脫基電極或控制電極，則可以制備本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體裝置。
所述裝置在動(dòng)作時(shí)電阻低，與以往相比，能量損耗降低至1/100左右。
實(shí)施例以下根據(jù)實(shí)施例進(jìn)一步具體說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不受下述 圖1表示本實(shí)施例的化合物半導(dǎo)體裝置的概念性截面圖。
圖1所示的化合物半導(dǎo)體裝置1是在晶面方位{111}、載流子濃度1017/cm3、傳導(dǎo)型為n型的、厚度為400μm的Si單晶基板2上依次層合厚度為1μm、載流子濃度為1017/cm3、傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層3；厚度為0.02μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層4—六方晶AlN(x＝0)；厚度為4μm、載流子濃度1015/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層5—六方晶GaN(y＝1)；傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(z＝0.2)6，并在Si單晶基板2的背面形成背面電極7，在六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(z＝0.2)6的表面形成表面電極8。
以下描述該化合物半導(dǎo)體裝置1的制造步驟。
首先，將晶面方位{111}、載流子濃度1017/cm3、傳導(dǎo)型為n型、通過CZ法制造的厚度為400μm的Si單晶基板2在氫氣氛下、在1000℃進(jìn)行熱處理，清潔表面。
將上述Si單晶基板2在C3H8原料氣體氣氛下，在1000℃進(jìn)行熱處理，形成厚度為10nm、載流子濃度為1017/cm3、傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層3。
接著，使用SiH4氣體和C3H8氣體作為原料氣體，通過1000℃下的氣相生長，在上述3C-SiC單晶緩沖層3上進(jìn)一步層合厚度為1μm、載流子濃度為1017/cm3、傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層3，制成所需厚度。
3C-SiC單晶緩沖層3的厚度可通過原料氣體的流量和時(shí)間調(diào)節(jié)，載流子濃度可通過在氣相生長中添加N2作為摻雜劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。
接著，使用TMA氣體和NH3氣體作為原料氣體，通過1000℃下的氣相生長，在上述3C-SiC單晶緩沖層3上層合厚度為0.02μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層4—六方晶AlN(x＝0)。
再使用TMG氣體和NH3氣體作為原料氣體，通過1000℃下的氣相生長，在六方晶AlN單晶緩沖層4上層合厚度為4μm、載流子濃度1015/cm3、傳導(dǎo)型為n型的作為六方晶GayAl1-yN單晶層5的六方晶GaN(y＝1)。
再使用TMA氣體、TMG氣體和NH3氣體作為原料氣體，通過1000℃下的氣相生長，在六方晶GaN單晶層5上層合厚度為0.02μm、載流子濃度為1015/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶層(z＝0.2)6。
六方晶AlN單晶緩沖層4、六方晶GaN單晶層5和六方晶Ga0.2Al0.8N單晶層6的厚度可通過原料流量和時(shí)間調(diào)節(jié)，載流子濃度可通過在熱處理中不添加摻雜劑來調(diào)節(jié)降低其濃度。
最后，通過Al的真空蒸鍍形成背面電極7，通過Ni的真空蒸鍍形成表面電極8。通過熱處理調(diào)節(jié)歐姆電極、肖脫基電極和控制電極。
對由上述制造步驟得到的化合物半導(dǎo)體裝置1，測定其電阻和破壞電壓，電阻降低至以往的1/100左右，破壞電壓增加至以往的2倍左右，足以實(shí)際應(yīng)用。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以得到破壞電壓高、且能量損耗少的半導(dǎo)體化合物裝置用基板和化合物半導(dǎo)體裝置。
因此本發(fā)明的半導(dǎo)體化合物裝置用基板適用于電源裝置或高頻裝置用HEMT等。
權(quán)利要求
1.化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在Si單晶基板上至少形成厚度為100nm以上的3C-SiC層和高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)。
2.化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在晶面方位{111}、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8且0.2≤y-z≤1)。
3.權(quán)利要求2的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在上述Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的c-BP單晶緩沖層。
4.化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在晶面方位{111}、載流子濃度1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8且0.2≤y-z≤1)。
5.權(quán)利要求4的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在上述Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為p型的c-BP單晶緩沖層。
6.化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在晶面方位{111}、載流子濃度1011-1016/cm3的Si單晶基板上依次層合厚度為0.05-2μm、載流子濃度為1011-1016/cm3的3C-SiC單晶緩沖層；厚度為0.01-0.5μm的六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層(0≤x＜1)；厚度為0.5-5μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GayAl1-yN單晶層(0.2≤y≤1)；厚度為0.01-0.1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3、傳導(dǎo)型為n型的六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層(0≤z≤0.8且0.2≤y-z≤1)。
7.權(quán)利要求6的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在上述Si單晶基板和3C-SiC單晶緩沖層之間插入形成厚度為0.01-1μm、載流子濃度為1011-1016/cm3的c-BP單晶緩沖層。
8.權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于上述六方晶GaxAl1-xN單晶緩沖層為六方晶AlN(x＝0)，且上述六方晶GayAl1-yN單晶層為六方晶GaN(y＝1)。
9.權(quán)利要求2-8中任一項(xiàng)的化合物半導(dǎo)體裝置用基板，其特征在于在上述六方晶GayAl1-yN單晶層和六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層之間發(fā)生載流子濃度為1016-1021/cm3、傳導(dǎo)型為n型的二維電子氣。
10.化合物半導(dǎo)體裝置，該化合物半導(dǎo)體裝置是使用權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的化合物半導(dǎo)體裝置用基板得到的，其特征在于在上述Si單晶基板的背面形成背面電極，在上述六方晶GazAl1-zN單晶載流子供給層的表面或者暴露的六方晶GayAl1-yN單晶層的電極形成部分形成表面電極，上述背面電極和表面電極分別由含有Al、Ti、In、Au、Ni、Pt、Pd、W中的至少一種的金屬形成，且至少形成1或2個(gè)歐姆電極、1個(gè)肖脫基電極或者控制電極。
全文摘要
本發(fā)明提供破壞電壓高且能量損耗少、適合在高電子遷移率晶體管等中使用的化合物半導(dǎo)體裝置用基板以及使用該基板的化合物半導(dǎo)體裝置。該化合物半導(dǎo)體裝置用基板是在晶面方位{111}、載流子濃度10
文檔編號H01L29/02GK1941405SQ20061014216
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者小宮山純, 阿部芳久, 鈴木俊一, 中西秀夫 申請人:東芝陶瓷株式會(huì)社