DE112016005028T5 - Epitaxialsubstrat für halbleiterelemente, halbleiterelement und produktionsverfahren für epitaxialsubstrate für halbleiterelemente - Google Patents

Epitaxialsubstrat für halbleiterelemente, halbleiterelement und produktionsverfahren für epitaxialsubstrate für halbleiterelemente Download PDF

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Mikiya Ichimura
Sota Maehara
Yoshitaka Kuraoka
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Epitaxialsubstrat für Halbleiterelemente wird bereitgestellt, welches ein Auftreten eines Stromzusammenbruchs unterdrückt. Das Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente enthält: ein aus mit Zn dotiertem GaN gebildetes, halbisolierendes, freistehendes Substrat; eine an das freistehende Substrat angrenzende Pufferschicht; eine an die Pufferschicht angrenzende Kanalschicht; und eine auf einer entgegengesetzten Seite der Pufferschicht mit dazwischenliegender Kanalschicht vorgesehene Sperrschicht, wobei die Pufferschicht eine aus AlGaN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht ist und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterelement und insbesondere ein durch Verwenden eines freistehenden Substrats, welches aus halbisolierendem GaN besteht, gebildetes Halbleiterelement.
  • Stand der Technik
  • Nitridhalbleiter, welche eine große Bandlücke vom Direktübergangstyp, eine hohe elektrische Durchbruchfeldstärke und eine hohe Sättigungs-Elektronengeschwindigkeit aufweisen, fanden als Lichtemissionsvorrichtungen wie LED oder LD und Halbleiterwerkstoffe für Hochfrequenz-/Hochleistungs- Elektronikvorrichtungen Verwendung.
  • Zu typischen Strukturen der Nitrid-Elektronikvorrichtungen zählt eine High-electron-mobility-transistor- (HEMT-) Struktur, welche durch Schichten von AIGaN als einer „Sperrschicht“ und GaN als einer „Kanalschicht“ gebildet wird. Diese Struktur nutzt eine Besonderheit, dass dank Nitridwerkstoffen innewohnenden starken Polarisationseffekten (spontane Polarisation und Piezopolarisation) ein hochkonzentriertes, zweidimensionales Elektronengas an einer AlGaN/GaN-Schichtungs-Grenzfläche erzeugt wird.
  • Die Nitrid-Elektronikvorrichtungen werden gewöhnlich unter Verwendung von Grundsubstraten aus verschiedenen Werkstoffen wie Saphir, SiC und Si, welche im Handel leicht zu beschaffen sind, hergestellt. Jedoch erhebt sich ein Problem, dass in einem GaN-Film, welcher heteroepitaktisch auf den Substraten aus verschiedenen Werkstoffen gezüchtet wird, infolge eines Unterschieds in Gitterkonstante und Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen GaN und den Substraten aus verschiedenen Werkstoffen eine große Anzahl von Defekten auftritt.
  • Unterdessen tritt, wenn der GaN-Film auf einem GaN-Substrat homoepitaktisch gezüchtet wird, der durch den oben beschriebenen Unterschied in Gitterkonstante und Wärmeausdehnungskoeffizient verursachte Defekt nicht auf, aber zeigt der GaN-Film eine vorteilhafte kristalline Beschaffenheit.
  • Demgemäß steigt, wenn die Nitrid-HEMT-Struktur auf dem GaN-Substrat hergestellt wird, die Beweglichkeit des zweidimensionalen Elektronengases an der AlGaN/GaN-Schichtungs-Grenzfläche und ist folglich eine Verbesserung der Eigenschaften eines unter Verwendung der obigen Struktur hergestellten HEMT-Elements (Halbleiterelements) zu erwarten.
  • Jedoch hat das mittels eines Hydridgasphasenepitaxie- (HVPE-) Verfahrens hergestellte GaN-Substrat, welches handelsüblich sein kann, infolge einer in einen Kristall eingebundenen Sauerstoffverunreinigung gewöhnlich eine n-Leitfähigkeit. Das leitfähige GaN-Substrat dient als ein Leckstromweg zwischen Source- und Drain-Elektrode, wenn das HEMT-Element bei hoher Spannung angesteuert wird. Folglich wird bevorzugt das halbisolierende GaN-Substrat zum Herstellen des HEMT-Elements verwendet.
  • Es ist als wirkungsvoll bekannt, eine Dotierung mit einem Element wie einem Übergangsmetall-Element (zum Beispiel Fe) oder einem Gruppe-2-Element (zum Beispiel Mg), welches ein tiefes Akzeptorniveau in dem GaN-Kristall bildet, durchzuführen, um das halbisolierende GaN-Substrat zu erzielen.
  • Es ist bereits bekannt, dass bei Einführung des Elements Zink (Zn) von Gruppe-2-Elementen ein halbisolierendes GaN-Einkristallsubstrat von hoher Qualität erzielt werden kann (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Eine Untersuchung über die Diffusion des Zn-Elements in dem GaN-Kristall wurde bereits durchgeführt, und die Diffusion tritt in einer Hochtemperatur-Atmosphäre auf, und die Leichtigkeit der Diffusion hängt von der Kristallinität des GaN-Kristalls ab (siehe zum Beispiel Nicht-Patent-Dokument 4). Außerdem ist ein Aspekt bekannt, dass eine mit Eisen (Fe), welches ein Übergangsmetall-Element ist, dotierte hochohmige Schicht auf einem Substrat gebildet ist und ferner eine Zwischenschicht mit einer starken Fe-Aufnahmewirkung zwischen der hochohmigen Schicht und einer Elektronenübergangsschicht gebildet ist, wodurch verhindert wird, dass Fe in die Elektronenübergangsschicht aufgenommen wird (siehe zum Beispiel Patentdokument 2).
  • Eine Herstellung der HEMT-Struktur auf dem halbisolierenden GaN-Substrat oder einem Substrat mit dem halbisolierenden GaN-Film zwecks Untersuchung jeder Eigenschaft wurde bereits durchgeführt (siehe zum Beispiel Nicht-Patent-Dokument 1 bis Nicht-Patent-Dokument 3).
  • Wenn der GaN-Film auf dem halbisolierenden GaN-Einkristallsubstrat, welches mit dem Übergangsmetall-Element oder dem Gruppe-2-Element dotiert ist, epitaktisch gezüchtet wird, um ein Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente zu bilden, erhebt sich ein Problem, dass ein Akzeptorelement wie Fe, Mg und Zn in den GaN-Film diffundiert wird und in dem Film wie eine Elektronenfalle wirkt und folglich ein Stromzusammenbruch-Phänomen auftritt (siehe zum Beispiel Patentdokument 3). Patentdokument 3 offenbart, dass das Akzeptorelement wie Fe und Mg, welches leicht diffundiert wird, einen Stromzusammenbruch verursacht.
  • Dokumente zum Stand der Technik
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 5039813
    • Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2013-74211
    • Patentdokument 3: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2010-171416
  • Nicht-Patentdokumente
    • Nicht-Patent-Dokument 1: Yoshinori Oshimura, Takayuki Sugiyama, Kenichiro Takeda, Motoaki Iwaya, Tetsuya Takeuchi, Satoshi Kamiyama, Isamu Akasaki und Hiroshi Amano, „AlGaN/GaN Heterostructure Field-Effect Transistors on Fe-Doped GaN Substrates with High Breakdown Voltage", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50 (2011), S. 084102-1 - S. 084102-5.
    • Nicht-Patent-Dokument 2: V. Desmaris, M. Rudzinski, N. Rorsman, P.R. Hageman, P.K. Larsen, H. Zirath, T.C. Rodle und H.F.F. Jos, „Comparison of the DC and Microwave Performance of AlGaN/GaN HEMTs Grown on SiC by MOCVD With Fe-Doped or Unintentionally Doped GaN Buffer Layers", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53, Nr. 9, S. 2413-2417, September 2006.
    • Nicht-Patent-Dokument 3: M. Azize, Z. Bougrioua und P. Gibart, „Inhibition of interface pollution in AlGaN/GaN HEMT structures regrown on semi-insulating GaN templates", Journal of Crystal Growth, Vol. 299 (2007), S. 103 - S. 108.
    • Nicht-Patent-Dokument 4: T. Suzuki, J. Jun, M. Leszczynski, H. Teisseyre, S. Strite, A. Rockett, A. Pelzmann, M. Camp und K. J. Ebeling, „Optical activation and diffusivity of ion-implanted Zn acceptors in GaN under high-pressure, high-temperature annealing", Journal of Applied Physics, Vol. 84 (1998), Nr. 2, S.1155-1157.
  • Kurzbeschreibung
  • Die vorliegende Erfindung wurde deshalb gemacht, um Probleme wie oben beschrieben zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Epitaxialsubstrat für Halbleiterelemente bereitzustellen, welches eine Erzeugung eines Stromzusammenbruchs unterdrückt.
  • Um das oben erwähnte Problem zu lösen, enthält ein Epitaxialsubstrat für Halbleiterelemente in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung: ein aus mit Zn dotiertem GaN gebildetes, halbisolierendes, freistehendes Substrat; eine an das freistehende Substrat angrenzende Pufferschicht; eine an die Pufferschicht angrenzende Kanalschicht; und eine auf einer entgegengesetzten Seite der Pufferschicht mit dazwischenliegender Kanalschicht vorgesehene Sperrschicht, wobei die Pufferschicht eine aus AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht ist und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.
  • In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente gemäß dem ersten Aspekt eine Versetzungsdichte des freistehenden Substrats kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 und liegt eine Dicke der Pufferschicht zwischen 1 nm und 100 nm.
  • In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente gemäß dem zweiten Aspekt eine Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3.
  • In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte eins bis drei die Pufferschicht aus AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet.
  • In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in dem Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte eins bis vier eine Dicke der Pufferschicht zwischen 2 nm und 20 nm.
  • In einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte eins bis fünf die Kanalschicht aus GaN gebildet und ist die Sperrschicht aus AIGaN gebildet.
  • In einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Halbleiterelement: ein aus mit Zn dotiertem GaN gebildetes, halbisolierendes, freistehendes Substrat; eine an das freistehende Substrat angrenzende Pufferschicht; eine an die Pufferschicht angrenzende Kanalschicht; eine auf einer entgegengesetzten Seite der Pufferschicht mit dazwischenliegender Kanalschicht vorgesehene Sperrschicht; und eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, welche auf der Sperrschicht vorgesehen sind, wobei die Pufferschicht eine aus AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht ist und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.
  • In einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in den Halbleiterelementen gemäß dem siebten Aspekt eine Versetzungsdichte des freistehenden Substrats kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 und liegt eine Dicke der Pufferschicht zwischen 1 nm und 100 nm.
  • In einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Halbleiterelement gemäß dem achten Aspekt eine Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3.
  • In einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in den Halbleiterelementen gemäß einem der Aspekte sieben bis neun die Pufferschicht aus AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet.
  • In einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in dem Halbleiterelement gemäß einem der Aspekte sieben bis zehn eine Dicke der Pufferschicht zwischen 2 nm und 20 nm.
  • In einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Halbleiterelement gemäß einem der Aspekte sieben bis elf die Kanalschicht aus GaN gebildet und ist die Sperrschicht aus AlGaN gebildet.
  • In einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Herstellen eines Epitaxialsubstrats für Halbleiterelemente: a) einen Erstellungsschritt des Erstellens eines aus mit Zn dotiertem GaN gebildeten, halbisolierenden, freistehenden Substrats; b) einen Pufferschicht-Bildungsschritt des Bildens einer an das freistehende Substrat angrenzenden Pufferschicht; c) einen Kanalschicht-Schritt des Bildens einer an die Pufferschicht angrenzenden Kanalschicht; und d) einen Sperrschicht-Bildungsschritt des Bildens einer Sperrschicht an einer der Pufferschicht entgegengesetzten Position, wobei die Kanalschicht dazwischenliegt, wobei in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht als eine aus AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht gebildet wird und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.
  • In einem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß dem dreizehnten Aspekt in dem Erstellungsschritt das freistehende Substrat mit einer Versetzungsdichte kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 erstellt und wird in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht so gebildet, dass sie eine Dicke von 1 nm bis 100 nm hat.
  • In einem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß dem vierzehnten Aspekt in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht so gebildet, dass eine Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1 × 1016 cm-3 ist.
  • In einem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte dreizehn bis fünfzehn in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht aus AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet.
  • In einem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte dreizehn bis sechzehn in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht so gebildet, dass sie eine Dicke von 2 nm bis 20 nm hat.
  • In einem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte dreizehn bis siebzehn die Kanalschicht aus GaN gebildet und wird die Sperrschicht aus AIGaN gebildet.
  • In einem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte dreizehn bis achtzehn das freistehende Substrat mittels eines Flux-Verfahrens hergestellt.
  • In einem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß einem der Aspekte dreizehn bis neunzehn eine Bildungstemperatur der Pufferschicht zwischen 700 °C und 1200 °C.
  • In einem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in dem Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente gemäß dem zwanzigsten Aspekt eine Bildungstemperatur der Pufferschicht zwischen 900 °C und 1200 °C.
  • Gemäß den Aspekten eins bis einundzwanzig der vorliegenden Erfindung kann das Halbleiterelement, in welchem der Stromzusammenbruch bei Verwendung eines halbisolierenden, freistehenden GaN-Substrats vermindert ist, erzielt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Zeichnung, welche eine Schnittstruktur eines HEMT-Elements 20 schematisch veranschaulicht.
    • 2 ist ein RTEM-Betrachtungsbild eines HEMT-Elements einer Probe Nr. 1-4.
    • 3 ist eine Zeichnung, welche einen Konzentrationsverlauf des Zn-Elements und einen Sekundärionen-Signalverlauf des Al-Elements in einem das HEMT-Element der Probe Nr. 1-4 darstellenden Epitaxialsubstrat veranschaulicht.
    • 4 ist eine Zeichnung, welche einen Konzentrationsverlauf des Zn-Elements und einen Sekundärionen-Signalverlauf des Al-Elements in einem das HEMT-Element einer Probe Nr. 1-1 darstellenden Epitaxialsubstrat veranschaulicht.
  • Beschreibung von Ausführungsform(en)
  • Periodensystem-Gruppennummern in der vorliegenden Beschreibung entsprechen der Erklärung der Gruppennummern 1 bis 18 in der 1989 durch die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) überarbeiteten Nomenklatur der anorganischen Chemie. Gruppe 13 enthält zum Beispiel Aluminium (Al), Gallium (Ga) und Indium (In), Gruppe 14 enthält zum Beispiel Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb), und Gruppe 15 enthält zum Beispiel Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As) und Antimon (Sb).
  • Kurzbeschreibung von Epitaxialsubstrat und HEMT-Element
  • 1 ist eine Zeichnung, welche eine Schnittstruktur eines HEMT-Elements 20 als eine Ausführungsform eines Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung, welche ein Epitaxialsubstrat 10 als eine Ausführungsform eines Epitaxialsubstrats für Halbleiterelemente gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, schematisch veranschaulicht.
  • Das Epitaxialsubstrat 10 enthält ein freistehendes Substrat 1, eine Pufferschicht 2, eine Kanalschicht 3 und eine Sperrschicht 4. Die HEMT-Vorrichtung 20 enthält eine Source-Elektrode 5, eine Drain-Elektrode 6 und eine Gate-Elektrode 7, welche auf der Epitaxialsubstrat 10 (auf der Sperrschicht 4) angeordnet sind. Die Verhältnisse der jeweiligen Schichten in 1 spiegeln nicht die tatsächlichen Verhältnisse wider.
  • Das freistehende Substrat 1 ist ein GaN-Substrat, welches mit 1×1018 cm-3 oder mehr Zn dotiert ist und eine (0001)-Ebenen-Orientierung aufweist und einen spezifischen Widerstand größer als oder gleich 1×102 Ωcm bei Zimmertemperatur hat und halbisolierende Eigenschaften besitzt. Eine Versetzungsdichte des freistehenden Substrats 1 ist im Hinblick auf das Unterdrücken einer Diffusion von Zn in die Kanalschicht 3 bevorzugt kleiner als oder gleich 5×107 cm-2. Obwohl eine Größe des freistehenden Substrats 1 nicht besonders beschränkt ist, hat das freistehende Substrat 1 unter Berücksichtigung zum Beispiel der einfachen Handhabbarkeit (zum Beispiel des Ergreifens und Bewegens) bevorzugt eine Dicke von ungefähr einigen hundert µm bis einigen mm. Das freistehende Substrat 1 kann zum Beispiel mittels eines Flux-Verfahrens hergestellt werden.
  • Das mittels des Flux-Verfahrens gebildete freistehende Substrat 1 erhält man durch die folgenden Prozesse, kurz: das Eintauchen eines Impfkristall-Substrats in eine metallisches Ga, metallisches Na, metallisches Zn und C (Kohlenstoff) enthaltende Schmelze in einem Kristallzüchtgefäß (Aluminiumoxid-Tiegel), welches horizontal drehbar in einem Druckgefäß angeordnet ist; das Halten einer vordefinierten Temperatur und eines vordefinierten Drucks in dem Kristallzüchtgefäß bei Einleiten von Stickstoffgas, während das Kristallzüchtgefäß horizontal gedreht wird; und dann das Trennen eines GaN-Einkristalls, welcher als Resultat auf dem Impfkristall-Substrat gebildet wird, von dem Impfkristall-Substrat. Ein sogenanntes Vorlagesubstrat, in welchem ein GaN-Dünnfilm auf einem Saphirsubstrat mittels eines MOCVD-Verfahrens gebildet ist, kann bevorzugt als das Impfkristall-Substrat verwendet werden.
  • Die Pufferschicht 2 ist eine (angrenzend) auf einer Hauptoberfläche des freistehenden Substrats 1 gebildete Schicht einer Dicke von 1 bis 100 nm. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Pufferschicht 2, abweichend von einer bei einer Niedertemperatur unter 800 °C gebildeten sogenannten Niedertemperatur-Pufferschicht, bei einer Temperatur gebildet, welche im Wesentlichen die gleiche wie eine Bildungstemperatur der Kanalschicht 3 und der Sperrschicht 4 ist.
  • In dem Epitaxialsubstrat 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Pufferschicht 2 als eine diffusionsunterdrückende Schicht zum Unterdrücken einer Diffusion von Zn, mit welchem das freistehende Substrat 1 dotiert ist, in die Kanalschicht 3 und weiter in die Sperrschicht 4 auf der Kanalschicht 3 zu einer Zeit der Herstellung des Epitaxialsubstrats 10 vorgesehen. Als ein bevorzugtes Beispiel besteht die Pufferschicht 2 aus einer AlGaN-Schicht mit einer Zusammensetzung von AlpG1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1). In dem obigen Fall wird die Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat 1 in die Kanalschicht 3 bevorzugt unterdrückt und wird demgemäß in dem unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 10 hergestellten HEMT-Element 20 der Stromzusammenbruch bevorzugt unterdrückt.
  • Die Pufferschicht 2 ist bevorzugt so vorgesehen, dass sie eine Dicke von 2 bis 20 nm hat. Die Pufferschicht 2 ist bevorzugt so gebildet, dass sie eine Zusammensetzung von AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) hat. In diesen Fällen wird der Stromzusammenbruch in dem unter Verwendung des Epitaxialsubstrats 10 hergestellten HEMT-Element 20 weiter unterdrückt.
  • Obwohl es auch möglich ist, die Dicke der Pufferschicht 2 größer als 100 nm zu machen, kann in diesem Fall ein Riss in einer Oberfläche des Epitaxialsubstrats 10 (einer Oberfläche der Sperrschicht 4) auftreten.
  • Wenn die Dicke der Pufferschicht 2 kleiner als 1 nm ist und ein Al-Molverhältnis p der Pufferschicht 2 kleiner als 0,7 ist, wird die Wirkung des Unterdrückens der Diffusion von Zn nicht hinreichend erzielt und wird infolgedessen der Stromzusammenbruch nicht hinreichend unterdrückt, und folglich sind solche Bedingungen nicht vorzuziehen.
  • Die Kanalschicht 3 ist eine (angrenzend) auf der Pufferschicht 2 gebildete Schicht. Die Kanalschicht 3 ist so gebildet, dass sie eine Dicke von ungefähr 50 bis 5000 nm hat. Die Sperrschicht 4 ist eine auf einer entgegengesetzten Seite der Pufferschicht 2 mit dazwischenliegender Kanalschicht 3 vorgesehene Schicht. Die Sperrschicht 4 ist so gebildet, dass sie eine Dicke von ungefähr 2 bis 40 nm hat.
  • Die Sperrschicht 4 kann wie in 1 gezeigt an die Kanalschicht 4 angrenzend gebildet sein, und in diesem Fall ist eine Grenzfläche dazwischen eine Heteroübergangsgrenzfläche. Alternativ kann eine nicht gezeigte Abstandsschicht zwischen der Kanalschicht 3 und der Sperrschicht 4 vorgesehen sein, und in diesem Fall ist ein Gebiet von einer Grenzfläche zwischen der Kanalschicht 3 und der Abstandsschicht und einer Grenzfläche zwischen der Sperrschicht 4 und der Abstandsschicht ein Heteroübergangsgrenzflächen-Gebiet.
  • In jedem Fall, als ein bevorzugtes Beispiel, ist die Kanalschicht 3 aus GaN gebildet und ist die Sperrschicht 4 aus AlGaN (AlxGa1-xN, 0<x<1) oder InAlN (InyAl1-yN, 0<y<1) gebildet. Jedoch ist eine Kombination der Kanalschicht 3 und der Sperrschicht 4 nicht darauf beschränkt.
  • Eine Bildung der Pufferschicht 2, der Kanalschicht 3 und der Sperrschicht 4 wird zum Beispiel mittels des MOCVD-Verfahrens erzielt. In einem Fall, in welchem die Pufferschicht 2 aus AlpG1-pN gebildet wird, die Kanalschicht 3 aus GaN gebildet wird und die Sperrschicht 4 aus AlGaN gebildet wird, kann zum Beispiel die Schichtbildung mittels des MOCVD-Verfahrens unter Verwendung eines öffentlich bekannten MOCVD-Ofens, welcher fähig ist, organisches Metall-(MO-) Quellengas für Ga und Al (TMG und TMA), Ammoniakgas, Wasserstoffgas und Stickstoffgas in einen Reaktor einzuleiten, durch Erhitzen des in dem Reaktor angeordneten freistehenden Substrats 1 auf eine vordefinierte Temperatur und Niederschlagen eines GaN-Kristalls und eines AlGaN-Kristalls, welche durch eine Gasphasenreaktion zwischen dem jeder Schicht entsprechenden organischen Metallquellengas und dem Ammoniakgas nacheinander auf dem freistehenden Substrat 1 erzeugt werden, durchgeführt werden.
  • Die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 sind Metallelektroden, welche jeweils eine Dicke von ungefähr zehn und einigen nm bis einhundert und einigen zehn nm haben. Die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 sind bevorzugt als mehrschichtige Elektroden zum Beispiel aus Ti/Al/Ni/Au gebildet. Die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 haben ohmschen Kontakt mit der Sperrschicht 4. Die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 werden, als ein bevorzugtes Beispiel, durch ein Vakuumverdampfungsverfahren und ein Photolithographieverfahren gebildet. Bevorzugt wird nach Bilden der Elektroden 5 und 6 eine einige zehn Sekunden lang dauernde Wärmebehandlung in Stickstoffgasatmosphäre bei einer vordefinierten Temperatur von 650 bis 1000 °C durchgeführt, um den ohmschen Kontakt dieser Elektroden zu verbessern.
  • Die Gate-Elektrode 7 ist eine Metallelektrode einer Dicke von ungefähr zehn und einigen nm bis hundert und einigen zehn nm. Die Gate-Elektrode 7 ist bevorzugt als eine mehrschichtige Elektrode zum Beispiel aus Ni/Au gebildet. Die Gate-Elektrode 7 hat Schottky-Kontakt mit der Sperrschicht 4. Die Gate-Elektrode 7 wird, als ein bevorzugtes Beispiel, durch ein Vakuumverdampfungsverfahren und ein Photolithographieverfahren gebildet.
  • Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats und des HEMT-Elements
  • Herstellung des freistehenden Substrats
  • Zuerst wird eine Vorgehensweise zum Herstellen des freistehenden Substrats 1 mittels des Flux-Verfahrens beschrieben.
  • Zuerst wird ein c-Ebenen-Saphirsubstrat mit einem Durchmesser, welcher im Wesentlichen der gleiche wie derjenige des herzustellenden freistehenden Substrats 1 ist, erstellt und wird eine Niedertemperatur-GaN-Pufferschicht bei einer Temperatur von 450 bis 750 °C auf einer Oberfläche des c-Ebenen-Saphirsubstrats so gebildet, dass sie eine Dicke von ungefähr 10 bis 50 nm hat. Anschließend wird ein GaN-Dünnfilm in einer Dicke von ungefähr 1 bis 10 µm mittels des MOCVD-Verfahrens bei einer Temperatur von 1000 bis 1200 °C gebildet, wodurch man eine als ein Impfkristall-Substrat verwendbare MOCVD-GaN-Vorlage erhält.
  • Dann wird mittels eines Na-Flux-Verfahrens unter Verwendung der MOCVD-GaN-Vorlage, welche man als das Impfkristall-Substrat erhielt, eine Zn-dotierte GaN-Einkristallschicht gebildet.
  • Speziell wird die MOCVD-GaN-Vorlage zuerst in einem Aluminiumoxid-Tiegel angeordnet und wird anschließend der Aluminiumoxid-Tiegel mit 10 bis 60 g metallischem Ga, 15 bis 90 g metallischem Na, 0,1 bis 5 g metallischem Zn und 10 bis 500 mg C gefüllt.
  • Der Aluminiumoxid-Tiegel wird in einen Wärmeofen gestellt und ungefähr 20 bis 400 Stunden lang bei einer Ofentemperatur von 800 bis 950 °C und einem Ofendruck von 3 bis 5 MPa erhitzt und anschließend auf Zimmertemperatur abgekühlt. Nach Abschluss der Abkühlung wird der Aluminiumoxid-Tiegel aus dem Ofen entnommen. Die MOCVD-GaN-Vorlage mit einer braunen GaN-Einkristallschicht, welche auf der Oberfläche derselben in einer Dicke von 300 bis 3000 µm niedergeschlagen wird, erhält man durch die obige Vorgehensweise.
  • Die GaN-Einkristallschicht, welche man auf eine solche Weise erhielt, wird mit Diamant-Schleifkorn geschliffen, um eine Oberfläche derselben zu ebnen. Dadurch erhält man die Flux-GaN-Vorlage mit der auf der MOCVD-GaN-Vorlage gebildeten GaN-Einkristallschicht. Jedoch wird das Schleifen in dem Ausmaß durchgeführt, dass eine Gesamtdicke einer Nitridschicht auf der Flux-GaN-Vorlage hinreichend größer gehalten wird als eine angestrebte Dicke des letztendlich zu erzielenden freistehenden Substrats 1.
  • Anschließend wird das Impfkristall-Substrat mittels eines Laserabhebeverfahrens, bei welchem Laserlicht aus einer Seite des Impfkristall-Substrats emittiert wird, um eine Abtastung mit einer Abtastgeschwindigkeit von 0,1 bis 100 mm/s durchzuführen, von der Flux-GaN-Vorlage getrennt. Die dritte Oberwelle eines Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 355 nm wird zum Beispiel bevorzugt als das Laserlicht verwendet. In dem obigen Fall kann eine Impulsbreite auf ungefähr 1 bis 1000 ns eingestellt sein und kann eine Pulsperiode auf ungefähr 1 bis 200 kHz eingestellt sein. Beim Emittieren des Laserlichts wird das Laserlicht bevorzugt entsprechend gesammelt, um die Lichtdichte anzupassen. Bevorzugt wird das Laserlicht emittiert, während die Flux-GaN-Vorlage von einer dem Impfkristall-Substrat entgegengesetzten Seite her auf eine Temperatur von ungefähr 30 bis 600 °C erwärmt wird.
  • Nach dem Abtrennen des Impfkristall-Substrats wird eine Schleifverarbeitung an einer Oberfläche, von welcher das Impfkristall-Substrat abgelöst wurde, einer geschichteten Struktur, welche man erhielt, durchgeführt. Dadurch erhält man das aus mit Zn in einer Konzentration größer als oder gleich 1 × 1018 cm-3 dotiertem GaN gebildete freistehende Substrat 1 (freistehende, Zn-dotierte GaN-Einkristallsubstrat).
  • Die Versetzungsdichte des freistehenden Substrats 1 kann durch Ändern der Dicke der in der Flux-GaN-Vorlage gebildeten Zn-dotierten GaN-Einkristallschicht gesteuert werden. Dies nutzt aus, dass, wenn die Zn-dotierte GaN-Einkristallschicht dicker gebildet wird, ein Gebiet mit niedrigerer Versetzungsdichte darauf gebildet wird. Demgemäß kann man das freistehende Substrat 1 mit der Versetzungsdichte kleiner als oder gleich 5×107 cm-2 wie oben beschrieben auch durch entsprechendes Definieren einer Bildungsdicke und eines Schleifbetrags nach der Laserabhebeverarbeitung der Zn-dotierten GaN-Einkristallschicht erhalten.
  • Herstellung des Epitaxialsubstrats
  • Anschließend wird eine Herstellung des Epitaxialsubstrats 10 mittels des MOCVD-Verfahrens beschrieben. Das Epitaxialsubstrat 10 erhält man durch Schichten der Pufferschicht 2, der Kanalschicht 3 und der Sperrschicht 4 in dieser Reihenfolge unter der folgenden Bedingung in einem Zustand, in welchem das freistehende Substrat 1 auf einem in dem Reaktor in dem MOCVD-Ofen vorgesehenen Heizelement angeordnet ist. Die Bildungstemperatur ist eine Heizelement-Heiztemperatur.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 ein Verhältnis (Molverhältnis) einer Zufuhrmenge Ammoniak, welches eine Gruppe-15- (N-) Quelle ist, zu einer Gesamtzufuhrmenge Trimethylgallium (TMG), Trimethylaluminium (TMA) und Trimethylindium (TMI), welche Gruppe-13- (Ga-, Al- und In-) Quellen sind. Ein Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas in einem Fall des Herstellens der Sperrschicht 4 aus AIGaN ist ein Verhältnis (Molverhältnis) einer Zufuhrmenge ganzer Gruppe-13- (Ga-, AI-) Quellen zu einer Zufuhrmenge Al-Quelle, und ein Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas in einem Fall des Herstellens der Sperrschicht 4 aus InAIN ist ein Verhältnis (Molverhältnis) einer Zufuhrmenge ganzer Gruppe-13- (In-, Al-) Quellen zu einer Zufuhrmenge In-Quelle. Beide sind in Übereinstimmung mit einer Zusammensetzung (einem Al-Molverhältnis x oder einem In-Zusammensetzungsverhältnis y) einer gewünschten Sperrschicht 4 definiert.
  • Pufferschicht 2:
    • Bildungstemperatur = 700 bis 1200 °C (bevorzugt 900 bis 1200 °C);
    • Reaktordruck = 5 bis 30 kPa;
    • Trägergas = Wasserstoff;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 5000 bis 20000;
    • Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas = 0.7 bis 1.0.
  • Kanalschicht 3:
    • Bildungstemperatur = 1000 bis 1200 °C;
    • Reaktordruck = 15 bis 105 kPa;
    • Trägergas = Wasserstoff;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 1000 bis 10000.
  • Sperrschicht 4 (in einem Fall, dass sie aus AIGaN gemacht wird):
    • Bildungstemperatur = 1000 bis 1200 °C;
    • Reaktordruck = 1 bis 30 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 5000 bis 20000;
    • Trägergas = Wasserstoff;
    • Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas = 0,1 bis 0,4.
  • Sperrschicht 4 (in einem Fall, dass sie aus InAIN gemacht wird):
    • Bildungstemperatur = 700 bis 900 °C;
    • Reaktordruck = 1 bis 30 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 2000 bis 20000;
    • Trägergas = Stickstoff;
    • Gasverhältnis von In-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas = 0,1 bis 0,9.
  • Herstellung des HEMT-Elements
  • Das das Epitaxialsubstrat 10 verwendende HEMT-Element 20 kann durch Anwenden eines öffentlich bekannten Verfahrens hergestellt werden.
  • Zum Beispiel wird nach einer Elementetrennungsverarbeitung zum Entfernen eines Teils eines Randbereichs zwischen einzelnen Elementen durch Ätzen auf ungefähr 50 bis 1000 nm mittels eines Photolithographieverfahrens und eines RIE-Verfahrens (reaktives lonenätzen) ein SiO2-Film in einer Dicke von 50 bis 500 nm auf einer Oberfläche des Epitaxialsubstrats 10 (der Oberfläche der Sperrschicht 4) gebildet und wird dann der SiO2-Film an Stellen, wo die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 gebildet werden sollen, durch Ätzen unter Verwendung des Photolithographieverfahrens entfernt, wodurch man eine SiO2-Muster-Schicht erhält.
  • Dann wird ein Metallmuster aus Ti/Al/Ni/Au an den Stellen, wo die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 gebildet werden sollen, mittels des Vakuumabscheidungsverfahrens und des Photolithographieverfahrens gebildet, wodurch die Source-Elektrode 5 und die Drain-Elektrode 6 gebildet werden. Die Metallschichten haben bevorzugt Dicken von 5 bis 50 nm, 40 bis 400 nm, 4 bis 40 nm beziehungsweise 20 bis 200 nm in dieser Reihenfolge.
  • Anschließend wird eine 10 bis 1000 Sekunden lang dauernde Wärmebehandlung in Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 600 bis 1000 °C durchgeführt, um den ohmschen Kontakt der Source-Elektrode 5 und der Drain-Elektrode 6 zu verbessern.
  • Dann wird der SiO2-Film an Stellen, wo die Gate-Elektrode 7 gebildet werden soll, unter Verwendung des Photolithographieverfahrens von der SiO2-Muster-Schicht entfernt.
  • Ferner wird ein Schottky-Metallmuster aus Ni/Au an den Stellen, wo die Gate-Elektrode 7 gebildet werden soll, durch das Vakuumabscheidungsverfahren und das Photolithographieverfahren gebildet, wodurch die Gate-Elektrode 7 gebildet wird. Die Metallschichten haben bevorzugt Dicken von 4 bis 40 nm beziehungsweise 20 bis 200 nm.
  • Das HEMT-Element 20 erhält man durch die oben beschriebenen Prozesse.
  • Wirkung der Pufferschicht
  • Wie oben beschrieben, ist in dem HEMT-Element 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das freistehende Substrat 1 aus mit Zn in einer Konzentration größer als oder gleich 1×1018 cm-3 dotiertem GaN gebildet und ist die Pufferschicht 2 dafür vorgesehen, als die diffusionsunterdrückende Schicht zum Unterdrücken der Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat 1 in die Kanalschicht 3 zur Zeit der Herstellung des Epitaxialsubstrats 10 zu fungieren. Spezieller ist die Pufferschicht 2 die AlGaN-Schicht mit einer Zusammensetzung von AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1).
  • Wenn das Al-Molverhältnis p der Pufferschicht 2 kleiner als 0,7 ist, wird Zn aus der Pufferschicht 2 in die Kanalschicht 3 und weiter in die Sperrschicht 4 diffundiert. In dem obigen Fall tritt, da als das Akzeptorelement fungierendes Zn wie eine Elektrofalle wirkt, ein Stromzusammenbruch-Phänomen in dem HEMT-Element 20 auf.
  • Jedoch wird in dem HEMT-Element 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Auftreten des Stromzusammenbruchs infolge des bevorzugten Unterdrückens der Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat 1 durch Erstellen der Pufferschicht 2 aus der ein Al-Molverhältnis p größer als oder gleich 0,7 aufweisenden AlGaN-Schicht bevorzugt unterdrückt. Spezieller wird, wenn die Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 ist, das Auftreten des Stromzusammenbruchs in dem HEMT-Element 20 bevorzugt unterdrückt.
  • Wie oben beschrieben, kann man gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei Verwendung des halbisolierenden, freistehenden GaN-Substrats das zum Unterdrücken des Auftretens des Stromzusammenbruchs fähige Halbleiterelement erhalten.
  • Beispiele
  • Versuchsbeispiel 1
  • Nach dem Herstellen des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats wurden sieben Arten von Epitaxialsubstraten unter Verwendung des freistehenden Substrats als Grundsubstrat unter der gleichen Bedingung hergestellt, abgesehen davon, dass eine Dicke der Pufferschicht variiert wurde. Ferner wurde das HEMT-Element unter Verwendung jedes Epitaxialsubstrats hergestellt. Im Folgenden werden gemeinsame Proben Nr. 1-1 bis Nr. 1-7 für die sieben Arten von Epitaxialsubstraten und die unter Verwendung jedes der Epitaxialsubstrate hergestellten HEMT-Elemente verwendet.
  • Herstellung des Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats mittels des Flux-Verfahrens
  • Eine Niedertemperatur-GaN-Pufferschicht wird bei einer Temperatur von 550 °C auf einer Oberfläche eines c-Ebenen-Saphirsubstrats mit einem Durchmesser von 2 Zoll und in einer Dicke von 0,43 mm so gebildet, dass sie eine Dicke von 30 nm hat, und anschließend wird mittels des MOCVD-Verfahrens bei einer Temperatur von 1050 °C ein GaN-Dünnfilm in einer Dicke von 3 µm gebildet, wodurch man eine als ein Impfkristall-Substrat verwendbare MOCVD-GaN-Vorlage erhält.
  • Eine Zn-dotierte GaN-Einkristallschicht wird mittels des Na-Flux-Verfahrens unter Verwendung der MOCVD-GaN-Vorlage, welche man als das Impfkristall-Substrat erhielt, gebildet.
  • Speziell wurde die MOCVD-GaN-Vorlage zuerst in einem Aluminiumoxid-Tiegel angeordnet und wurde der Aluminiumoxid-Tiegel anschließend mit 30 g metallischem Ga, 45 g metallischem Na, 1 g metallischem Zn und 100 mg C gefüllt. Der Aluminiumoxid-Tiegel wurde in einen Wärmeofen gestellt und ungefähr 100 Stunden lang bei einer Ofentemperatur von 850 °C und einem Ofendruck von 4,5 MPa erhitzt und anschließend auf Zimmertemperatur abgekühlt. Als der Aluminiumoxid-Tiegel nach Abschluss der Abkühlung aus dem Ofen entnommen wurde, war eine braune GaN-Einkristallschicht einer Dicke von ungefähr 1000 µm auf der Oberfläche der MOCVD-GaN-Vorlage niedergeschlagen.
  • Die GaN-Einkristallschicht, welche man auf eine solche Weise erhalten hatte, wurde mit Diamant-Schleifkorn so geschliffen, dass ihre Oberfläche geebnet wurde und die auf einem Grundsubstrat gebildete Nitridschicht eine Gesamtdicke von 900 µm hatte. Dadurch erhielt man die Flux-GaN-Vorlage mit der auf der MOCVD-GaN-Vorlage gebildeten GaN-Einkristallschicht. Bei Betrachtung der Flux-GaN-Vorlage mit bloßem Auge fand sich kein Riss darin.
  • Anschließend wurde das Impfkristall-Substrat mittels eines Laserabhebeverfahrens, bei welchem Laserlicht aus einer Seite des Impfkristall-Substrats emittiert wurde, um eine Abtastung mit einer Abtastgeschwindigkeit von 30 mm/s durchzuführen, von der Flux-GaN-Vorlage getrennt. Die dritte Oberwelle eines Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 355 nm wurde als das Laserlicht verwendet. Eine Impulsbreite war auf ungefähr 30 ns eingestellt, und eine Pulsperiode war auf ungefähr 50 kHz eingestellt. Beim Emittieren des Laserlichts wurde das Laserlicht gesammelt, so dass es eine runde Form mit einem Durchmesser von ungefähr 20 µm und dadurch eine Lichtdichte von ungefähr 1,0 J/cm hatte. Das Laserlicht wurde emittiert, während die Flux-GaN-Vorlage von einer dem Impfkristall-Substrat entgegengesetzten Seite her auf eine Temperatur von etwa 50 °C erwärmt wurde.
  • Nach Abtrennen des Impfkristall-Substrats wurde eine Schleifbearbeitung an einer Oberfläche, von welcher das Impfkristall-Substrat abgelöst worden war, einer geschichteten Struktur, welche man erhalten hatte, durchgeführt, wodurch man ein Zn-dotiertes freistehendes GaN-Substrat mit einer Gesamtdicke von 430 µm erhielt.
  • Die Kristallinität des Zn-dotierten GaN-Substrats, welches man erhalten hatte, wurde mit einer Röntgen-Schwingkurve untersucht. Eine Halbwertsbreite der (0002)-Ebenen-Reflexion betrug 120 Sekunden, und eine Halbwertsbreite der (10-12)-Ebenen-Reflexion betrug 150 Sekunden, wobei beide eine vorteilhafte kristalline Beschaffenheit zeigten.
  • Herstellung des Epitaxialsubstrats mittels des MOCVD-Verfahrens
  • Anschließend wurde mittels des MOCVD-Verfahrens ein Epitaxialsubstrat hergestellt. Speziell wurden eine AIN-Schicht als eine Pufferschicht (das bedeutet, p = 1), eine GaN-Schicht als eine Kanalschicht und eine AlGaN-Schicht als eine Sperrschicht in dieser Reihenfolge unter der folgenden Bedingung auf jedes Zn-dotierte GaN-Substrat geschichtet. In der folgenden Beschreibung ist ein Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 ein Verhältnis (Molverhältnis) einer Zufuhrmenge einer Gruppe-15- (N-) Quelle zu einer Zufuhrmenge von Gruppe-13 (Ga-, Al-) Quellen.
  • Al-dotierte GaN-Pufferschicht:
    • Bildungstemperatur = 1050 °C;
    • Reaktordruck = 5 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 15000;
    • Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas = 1.0;
    • Dicke = 0, 1, 2, 10, 20, 100 oder 200 nm.
  • GaN-Kanalschicht:
    • Bildungstemperatur = 1050 °C;
    • Reaktordruck = 100 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 2000;
    • Dicke = 1000 nm.
  • AlGaN-Sperrschicht:
    • Bildungstemperatur = 1050 °C;
    • Reaktordruck = 5 kPa;
    • Gasverhältnis von Gruppe 15 zu Gruppe 13 = 12000;
    • Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe 13-Gas = 0,25;
    • Dicke = 25 nm.
  • Die Dicke jeder Schicht ist eine angestrebte Dicke. Das die Al-dotierte GaN-Pufferschicht mit der Dicke von 0 nm enthaltende Epitaxialsubstrat ist das die direkt, ohne Bilden der Al-dotierten GaN-Pufferschicht, auf dem Zn-dotierten GaN-Substrat gebildete GaN-Kanalschicht enthaltende Epitaxialsubstrat.
  • Nach der Bildung jeder Schicht unter den oben beschriebenen Bedingungen in Folge wurde die Heizelement-Temperatur auf etwa Zimmertemperatur gesenkt und wurde das Gas im Innern des Reaktors auf Atmosphärendruck zurückgebracht. Dann wurde das Epitaxialsubstrat, welches hergestellt worden war, entnommen.
  • Herstellung des HEMT-Elements
  • Dann wurde das HEMT-Element unter Verwendung jedes Epitaxialsubstrats hergestellt. Das HEMT-Element war so konstruiert, dass es eine Gate-Breite von 100 µm, einen Source-Gate-Abstand von 1 µm, einen Gate-Drain-Abstand von 4 µm und eine Gate-Länge von 1 µm hatte.
  • Zuerst wurde ein Teil eines Randbereichs zwischen einzelnen Elementen durch Ätzen bis zu einer Tiefe von ungefähr 100 nm unter Verwendung des Photolithographieverfahren und des RIE-Verfahrens entfernt.
  • Dann wurde der SiO2-Film in einer Dicke von 100 nm auf dem Epitaxialsubstrat gebildet, und dann wurde der SiO2-Film an Stellen, wo die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode gebildet werden sollten, durch Ätzen unter Verwendung des Photolithographieverfahrens entfernt, wodurch man eine SiO2-Muster-Schicht erhielt.
  • Dann wurde ein Metallmuster aus Ti/Al/Ni/Au (jeweils mit einer Filmdicke von 25/200/20/100 nm) an den Stellen, wo die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode durch das Vakuumabscheidungsverfahren und das Photolithographieverfahren gebildet werden sollten, gebildet, wodurch die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode gebildet wurden. Anschließend wird eine 30 Sekunden lang dauernde Wärmebehandlung in Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 825 °C durchgeführt, um den ohmschen Kontakt der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode zu verbessern.
  • Dann wurde der SiO2-Film an Stellen, wo die Gate-Elektrode gebildet werden sollte, unter Verwendung des Photolithographieverfahrens von der SiO2-Muster-Schicht entfernt.
  • Ferner wurde ein Schottky-Metallmuster aus Ni/Au (jeweils mit einer Filmdicke von 20/100 nm) an den Stellen, wo die Gate-Elektrode mittels des Vakuumabscheidungsverfahrens und des Photolithographieverfahrens gebildet werden sollte, gebildet, wodurch die Gate-Elektrode gebildet wurde.
  • Die sieben Arten von HEMT-Elementen erhielt man durch die oben beschriebenen Prozesse. Bei Betrachten dieser HEMT-Elemente unter einem Differentialinterferenzmikroskop wurde das Auftreten eines Risses in einer Oberfläche des Epitaxialsubstrats (das bedeutet, einer Oberfläche der Sperrschicht) nur in dem HEMT-Element der Probe Nr. 1-7 bestätigt.
  • RTEM- und EDS-Untersuchung des HEMT-Elements
  • Eine Betrachtung mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM) wurde an jeder Probe vorgenommen, und auf der Grundlage eines Betrachtungsergebnisses desselben wurde eine Dicke der Pufferschicht und eine Fadenversetzungsdichte des GaN-Substrats bestätigt. Die Pufferschicht 2 war so gebildet, dass sie in allen Proben die angestrebte Dicke aufwies. Die Fadenversetzungsdichte des GaN-Substrats betrug im Wesentlichen 2×106 cm-2.
  • Die Fadenversetzungsdichte wurde auf der Grundlage einer beim Betrachten des freistehenden Substrats in einer Vielzahl von Sichtfeldern bei einer geringeren Vergrößerung als derjenigen eines in 1 gezeigten Bilds in jedem Sichtfeld bestätigten Gesamtanzahl von Versetzungen berechnet.
  • 2 ist ein RTEM-Betrachtungsbild eines HEMT-Elements der Probe Nr. 1-4. Tabelle 1 zeigt ein Ergebnis einer an dem GaN-Substrat, der Pufferschicht und der Kanalschicht mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) vorgenommenen Zusammensetzungsanalyse, wobei in 2 als Punkt 1 bis Punkt 3 bezeichnete Punkte vermessene Punkte sind. [Tabelle 1]
    Punkt Schicht Obere Zeile: Atom-% Untere Zeile: Gruppe-13-Elemente-Zusammensetzunnsverhältnis
    N Al Ga In Zn
    3 Kanal 13,5 0,0 86,5 0,0 0,0
    - 0,0 100,0 0,0 -
    2 Puffer 14,9 85,1 0,0 0,0 0,0
    - 100,0 0,0 0,0 -
    1 GaN-Sub. 14,1 0,1 85,7 0,0 0,1
    - 0,1 99,9 0,0 -
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde bestätigt, dass die Zusammensetzung der Pufferschicht zuverlässig aus AIN bestand.
  • SIMS-Untersuchung des HEMT-Elements
  • Eine Elementanalyse in einer Tiefenrichtung wurde an dem Epitaxialsubstrat jedes HEMT-Elements mittels SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometrie) vorgenommen, und man erhielt einen Konzentrationsverlauf des Zn-Elements und des Al-Elements.
  • 3 ist eine Zeichnung, welche einen Konzentrationsverlauf des Zn-Elements und einen Sekundärionen-Signalverlauf des Al-Elements in einem das HEMT-Element der Probe Nr. 1-4 darstellenden Epitaxialsubstrat veranschaulicht. 4 ist eine Zeichnung, welche einen Konzentrationsverlauf des Zn-Elements und einen Sekundärionen-Signalverlauf des Al-Elements in einem das HEMT-Element der Probe Nr. 1-1 darstellenden Epitaxialsubstrat veranschaulicht.
  • Der Konzentrationsverlauf in 3 zeigt die folgenden Aspekte.
  • (1) Das GaN-Substrat ist mit dem Zn-Element in einer hohen Konzentration (1×1019 cm-3) dotiert.
  • (2) Die Konzentration des Zn-Elements, welche in einem Teil von der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und dem GaN-Substrat zu einer Seite des Substrats hin hoch ist, geht in der Pufferschicht schnell zurück, geht ferner auch in der Kanalschicht allmählich zurück und sinkt bis auf 5×1015 cm-3, was ein Nachweisgrenzwert (Hintergrundniveau) von Zn bei der SIMS-Messung ist.
  • Die Aspekte dieser Punkte (1) bis (2) wurden ebenso auch in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 1-2 bis Nr. 1-6 festgestellt, abgesehen davon, dass die Untergrenze des Konzentrationswerts des Zn-Elements in der Kanalschicht in dem HEMT-Element der Probe Nr. 1-2 8×1015 cm-3 betrug. Dies bedeutet, dass in dem HEMT-Element der Proben Nr. 1-2 bis Nr. 1-6 die Diffusion des Zn-Elements, mit welchem das GaN-Substrat dotiert wurde, in die Kanalschicht unterdrückt wird.
  • Im Gegensatz dazu zeigt der Konzentrationsverlauf in 4 die folgenden Aspekte.
  • (3) Das GaN-Substrat ist mit dem Zn-Element in einer hohen Konzentration (1×1019 cm-3) dotiert.
  • (4) Die Konzentration des Zn-Elements geht in der Kanalschicht allmählich zurück, jedoch ist ein Maß des Rückgangs derselben gegenüber demjenigen in dem HEMT-Element der Probe Nr. 1-4 klein und ist selbst in der Umgebung der Sperrschicht die Konzentration des Zn-Elements höher als oder gleich 8×1016 cm-3, das heißt, um eine Größenordnung höher als diejenige des HEMT-Elements der Probe Nr. 1-4.
  • Die Aspekte dieser Punkte (3) und (4) bedeuten, dass in dem HEMT-Element der Probe Nr. 1-1 das Zn-Element, mit welchem das GaN-Substrat dotiert wurde, in die Kanalschicht diffundiert wird.
  • Das oben beschriebene Ergebnis bedeutet, dass die Diffusion von Zn aus dem Substrat in die Kanalschicht durch Vorsehen der AIN-Pufferschicht zwischen dem Zn-dotierten GaN-Substrat und der Kanalschicht unterdrückt wird; das bedeutet, die AlN-Pufferschicht fungiert als die diffusionsunterdrückende Schicht.
  • Untersuchung der elektrischen Eigenschaften des HEMT-Elements
  • Die Drain-Strom-Drain-Spannungs-Kennlinien (Id-Vd-Kennlinien) der HEMT-Elemente der Proben Nr. 1-1 bis Nr. 1-6 wurden in einem Gleichstrommodus und einem Pulsmodus (statische Drain-Vorspannung Vdq = 30 V, statische Gate-Vorspannung Vgq = -5 V) unter Verwendung eines Halbleiterparameter-Analysators untersucht. Eine Abschnür-Schwellenspannung war Vg = -3 V.
  • Als ein Index zum Untersuchen des Stromzusammenbruchs wurde ein Verhältnis R des Drain-Stroms Idpulse in dem Pulsmodus zu dem Drain-Strom IdDC in dem Gleichstrommodus in einem Fall des Anlegens der Drain-Spannung Vd = 5 V und der Gate-Spannung Vg = 2 V (= Idpulse/IdDC, 0 ≤ R ≤ 1) eingeführt, und das Verhältnis R erhielt man für jedes HEMT-Element. Wenn der Wert R größer als oder gleich 0,7 ist, kann festgestellt werden, dass der Stromzusammenbruch in dem HEMT-Element gering ist.
  • Tabelle 2 zeigt in einer Aufstellung die aus dem Konzentrationsverlauf erhaltene Zn-Konzentration der Kanalschicht und den Wert R zusammen mit der Dicke der Pufferschicht, der Al-Konzentration p der Pufferschicht und dem Vorhandensein/Nichtvorhandensein des Risses in der Oberfläche des Epitaxialsubstrats (in Tabelle 1 als „Filmriss“ bezeichnet, das gleiche gilt für anschließende Versuchsbeispiele) für jede Probe des Versuchsbeispiels 1. Verwendet wurde der Wert der Zn-Konzentration in einem Mittelteil der angestrebten Schicht in der Dickenrichtung (das gleiche gilt für die anschließenden Versuchsbeispiele). Tabelle 2 gibt außerdem an, worunter jede Probe fällt, das Beispiel oder ein Vergleichsbeispiel.
  • [Tabelle 2]
    Probe Nr. Dicke der Pufferschicht (nm) Al-Zusammensetzung p der Pufferschicht (AlpGa1-pN) Zn-Konzentration der Kanalschicht (cm-3) Filmriss vorhanden Wert R Beispiel/ Vergleichsbeispiel
    Versuchsbeispiel 1 1-1 0 - 8,0×1016 Nein 0,25 Vergleichsbeispiel
    1-2 1 1,0 8,0×1015 Nein 0,71 Beispiel
    1-3 2 1,0 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,80 Beispiel
    1-4 10 1,0 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,88 Beispiel
    1-5 20 1,0 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,92 Beispiel
    1-6 100 1,0 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,77 Beispiel
    1-7 200 1,0 - Ja - Vergleichsbeispiel
  • Wie durch Tabelle 2 gezeigt, beträgt in dem HEMT-Element der Probe Nr. 1-1, welches keine Pufferschicht aufweist, die Zn-Konzentration der Kanalschicht 8×1016 cm-3, was höher als 1 × 1016 cm-3 ist, und beträgt der Wert R nur 0,25.
  • Im Gegensatz dazu ist in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 1-2 bis Nr. 1-6, welche jeweils die Pufferschicht einer Dicke von 10 bis 100 nm aufweisen, die Zn-Konzentration der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1 × 1016 cm-3 und ist der Wert R größer als oder gleich 0,70. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 1-2 bis Nr. 1-6 gering ist.
  • Insbesondere in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 1-3 bis Nr. 1-5, welche jeweils die Pufferschicht einer Dicke von 2 bis 20 nm aufweisen, geht die Zn-Konzentration der Kanalschicht auf ungefähr 5×1015 cm-3 zurück, was ein Nachweisgrenzwert bei der SIMS ist, und ist der Wert R größer als oder gleich 0,80. B.G.L in Tabelle 2 bedeutet, dass die Zn-Konzentration auf einem Hintergrundniveau ist (das gleiche gilt für Tabelle 2 und Tabelle 3). Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 1-3 bis Nr. 1-5 besonders gering ist.
  • Versuchsbeispiel 2
  • Nach dem Herstellen des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats unter den Herstellungsbedingungen und mittels der Vorgehensweisen, welche mit denjenigen in dem Versuchsbeispiel 1 vergleichbar waren, wurden vier Arten von Epitaxialsubstraten unter Verwendung des freistehenden Substrats als Grundsubstrat hergestellt. Die Herstellungsbedingungen in dem obigen Fall waren die gleichen wie diejenigen in dem Versuchsbeispiel 1, abgesehen davon, dass das Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas bei der Bildung der AlGaN-Pufferschicht variiert wurde, um das Al-Molverhältnis p in der Pufferschicht zu variieren. Spezieller wurde das Gasverhältnis von Al-Quellengas zu Gruppe-13-Quellengas bei der Bildung der Pufferschicht zwischen vier Werten 1,0, 0,9, 0,7 und 0,5 variiert. Eine Dicke der Pufferschicht war auf 10 nm eingestellt.
  • Da die Herstellungsbedingungen des Zn-dotierten GaN-Substrats die gleichen wie diejenigen in dem Versuchsbeispiel 1 sind, wird geschätzt, dass eine Versetzungsdichte desselben im Wesentlichen die gleiche wie diejenige der Probe Nr. 1-4 ist.
  • Ferner wurde das HEMT-Element unter Verwendung jedes Epitaxialsubstrats hergestellt. Im Folgenden werden gemeinsame Proben Nr. 2-1 bis Nr. 2-4 für die vier Arten von Epitaxialsubstraten und die unter Verwendung jedes der Epitaxialsubstrate hergestellten HEMT-Elemente verwendet. Jedoch sind das Epitaxialsubstrat und das HEMT-Element der Probe Nr. 2-1 die gleichen wie das Epitaxialsubstrat beziehungsweise das HEMT-Element der Probe Nr. 1-4 in dem Versuchsbeispiel 1.
  • An den vier Arten von HEMT-Elementen, welche man erhalten hatte, wurden die Betrachtung unter dem Differentialinterferenzmikroskop, die Elementanalyse in der Tiefenrichtung mittels SIMS, die Berechnung der Zn-Konzentration der Kanalschicht der Pufferschicht auf der Grundlage des Konzentrationsverlaufs, welchen man dadurch erhalten hatte, und die Berechnung des Werts R auf der Grundlage des Untersuchungsergebnisses der Id-Vd-Kennlinie unter Verwendung des Halbleiterparameter-Analysators auf die mit dem Versuchsbeispiel 1 vergleichbare Weise vorgenommen.
  • Tabelle 3 zeigt in einer Aufstellung die Zn-Konzentration der Kanalschicht und den Wert R zusammen mit der Dicke der Pufferschicht, der Al-Konzentration p der Pufferschicht und dem Vorhandensein/Nichtvorhandensein des Risses in der Oberfläche des Epitaxialsubstrats für jede Probe des Versuchsbeispiels 2. Tabelle 3 gibt außerdem an, worunter jede Probe fällt, das Beispiel oder ein Vergleichsbeispiel.
  • [Tabelle 3]
    Probe Nr. Dicke der Pufferschicht (nm) Al-Zusammensetzung p der Pufferschicht (AlpGa1-pN) Zn-Konzentration der Kanalschicht (cm-3) Filmriss vorhanden Wert R Beispiel/ Vergleichsbeispiel
    Versuchsbeispiel 2 2-1 10 1,0 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,88 Beispiel
    (=1-4)
    2-2 10 0,9 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,81 Beispiel
    2-3 10 0,7 8,0×1015 Nein 0,73 Beispiel
    2-4 10 0,5 5,0×1016 Nein 0,41 Vergleichsbeispiel
  • Wie durch Tabelle 3 gezeigt, beträgt in dem HEMT-Element der Probe Nr. 2-4, in welchem das Al-Molverhältnis p in der Pufferschicht 0,5 ist, die Zn-Konzentration der Kanalschicht 5×1016 cm-3, was höher als 1×1016 cm-3 ist, und beträgt der Wert R nur 0,41.
  • Im Gegensatz dazu ist in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 2-1 bis Nr. 2-3, in welchen das Al-Molverhältnis p in der Pufferschicht größer als oder gleich 0,7 ist, die Zn-Konzentration der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 und ist der Wert R größer als oder gleich 0,70. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 2-1 bis Nr. 2-3, in welchen die Pufferschicht aus der AlGaN-Schicht mit der Zusammensetzung von AlpG1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildet ist, gering ist.
  • Insbesondere in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 2-1 und Nr. 2-2, in welchen das Al-Molverhältnis p in der Pufferschicht größer als oder gleich 0,9 ist, geht die Zn-Konzentration der Kanalschicht auf ungefähr 5×1015 cm-3 zurück, was ein Nachweisgrenzwert bei der SIMS ist, und ist der Wert R größer als oder gleich 0,81. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 2-1 und Nr. 2-2, in welchen die Pufferschicht aus der AlGaN-Schicht mit der Zusammensetzung von AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet ist, besonders gering ist.
  • Versuchsbeispiel 3
  • Nach dem Herstellen des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats mittels der denjenigen in dem Versuchsbeispiel 1 gleichenden Vorgehensweisen wurden drei Arten von Epitaxialsubstraten unter Verwendung des freistehenden Substrats als Grundsubstrat hergestellt und wurden die HEMT-Elemente unter Verwendung jedes Epitaxialsubstrats hergestellt.
  • Jedoch wurde beim Herstellen jedes freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats eine Wachstumszeit beim Bilden der GaN-Einkristallschicht mittels des Flux-Verfahrens variiert, so dass die Dicke der auf der Oberfläche der MOCVD-GaN-Vorlage gebildeten GaN-Einkristallschicht variiert wurde. Dadurch sollen die freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrate mit den verschiedenen Versetzungsdichten erzielt werden. Spezieller wurde die Dicke der GaN-Einkristallschicht durch Variieren einer Warmhaltezeit des Haltens einer Heiztemperatur auf 850 °C zwischen drei Werten 100 Stunden, 70 Stunden und 40 Stunden zwischen drei Werten 1000 µm, 600 µm und 200 µm variiert.
  • Die Herstellungsbedingungen des Epitaxialsubstrats und des HEMT-Elements waren die gleichen wie diejenigen in dem Fall der Herstellung des Epitaxialsubstrats gemäß Probe Nr. 1-4. Zum Beispiel wurde die Pufferschicht aus AIN gebildet und betrug eine Dicke der Pufferschicht 10 nm.
  • Im Folgenden werden gemeinsame Proben Nr. 3-1 bis Nr. 3-3 für die drei Arten von Epitaxialsubstraten und die unter Verwendung jedes der Epitaxialsubstrate hergestellten HEMT-Elemente verwendet. Jedoch sind das Epitaxialsubstrat und das HEMT-Element der Probe Nr. 3-1 die gleichen wie das Epitaxialsubstrat beziehungsweise das HEMT-Element der Probe Nr. 1-4 in dem Versuchsbeispiel 1.
  • An den drei Arten von HEMT-Elementen, welche man erhalten hatte, wurden die Betrachtung unter dem Differentialinterferenzmikroskop, die Untersuchung der Fadenversetzungsdichte des Zn-dotierten GaN-Substrats auf der Grundlage des RTEM-Betrachtungsergebnisses, die Elementanalyse in der Tiefenrichtung mittels SIMS, die Berechnung der Al-Konzentration der Pufferschicht und der Zn-Konzentration der Kanalschicht auf der Grundlage des Konzentrationsverlaufs, welchen man dadurch erhalten hatte, und die Berechnung des Werts R auf der Grundlage des Untersuchungsergebnisses der Id-Vd-Kennlinie unter Verwendung des Halbleiterparameter-Analysators auf die mit dem Versuchsbeispiel 1 vergleichbare Weise vorgenommen.
  • Tabelle 4 zeigt in einer Aufstellung die Versetzungsdichte des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats (in Tabelle 4 als „GaN-Substrat“ bezeichnet), die Zn-Konzentration der Kanalschicht und den Wert R zusammen mit dem Vorhandensein/Nichtvorhandensein des Risses in der Oberfläche des Epitaxialsubstrats für jede Probe des Versuchsbeispiels 3. Tabelle 4 gibt außerdem an, worunter jede Probe fällt, das Beispiel oder ein Vergleichsbeispiel.
  • [Tabelle 4]
    Probe Nr. Versetzungsdichte des GaN-Substrats (cm-2) Zn-Konzentration der Kanalschicht (cm-3) Filmriss vorhanden Wert R Beispiel/ Vergleichsbeispiel
    Versuchsbeispiel 3 3-1 (=1-4) 2,0×106 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,88 Beispiel
    3-2 5,0×107 1,0×1016 Nein 0,70 Beispiel
    3-3 1,0×108 6,0×1016 Nein 0,29 Vergleichsbeispiel
  • Wie durch Tabelle 4 gezeigt, beträgt in dem HEMT-Element der Probe Nr. 3-3, in welchem die Versetzungsdichte des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats gleich 1,0×108 cm-2 ist, die Zn-Konzentration der Kanalschicht 6×1016 cm-3, was höher als 1 × 1016 cm-3 ist, und beträgt der Wert R nur 0,29.
  • Im Gegensatz dazu ist in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 3-1 und Nr. 3-2, in welchen die Versetzungsdichte des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 ist, die Zn-Konzentration der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 und ist der Wert R größer als oder gleich 0,70. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in den HEMT-Elementen der Proben Nr. 3-1 und Nr. 3-2 gering ist.
  • Insbesondere in dem HEMT-Element der Probe Nr. 3-1, in welchem die Versetzungsdichte des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats 2,0×106 cm-2 beträgt, geht die Zn-Konzentration der Kanalschicht auf ungefähr 5×1015 cm-3 zurück, was der Nachweisgrenzwert bei der SIMS ist, und ist der Wert R gleich 0,88. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in dem HEMT-Element der Probe Nr. 3-1 besonders gering ist.
  • Schlussfolgerung aus den Versuchsbeispielen 1 bis 3
  • Das folgende wird durch die Ergebnisse der oben beschriebenen Versuchsbeispiele 1 bis 3 bestätigt.
  • In dem Fall, in welchem das HEMT-Element durch Schichten und Bilden der Kanalschicht und der Sperrschicht auf dem freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrat, welches mit dem Zn-Element in der hohen Konzentration größer als oder gleich 1×1018 cm-3 dotiert ist, hergestellt wird, wird das freistehende Substrat so erstellt, dass seine Versetzungsdichte kleiner als oder gleich 5,0×107cm-2 ist, wird die Pufferschicht mit der Zusammensetzung von AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) so auf dem freistehenden Substrat gebildet, dass sie eine Dicke von 1 bis 100 nm hat, und wird dann die Kanalschicht darauf gebildet, und folglich kann die Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht bevorzugt unterdrückt werden.
  • Speziell kann die Zn-Konzentration in der Kanalschicht auf einen Wert kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 gesenkt werden. In dem HEMT-Element, in welchem die Diffusion von Zn bevorzugt unterdrückt wird, wird das Auftreten des Stromzusammenbruchs bevorzugt unterdrückt.
  • Insbesondere wenn die Dicke der Pufferschicht zwischen 2 und 20 nm liegt oder wenn das Al-Molverhältnis p der Pufferschicht größer als oder gleich 0,9 ist, wird das Auftreten des Stromzusammenbruchs weiter unterdrückt.
  • Versuchsbeispiel 4
  • Nach dem Herstellen des freistehenden, Zn-dotierten GaN-Einkristallsubstrats unter den Herstellungsbedingungen und mittels der Vorgehensweisen, welche mit denjenigen in dem Versuchsbeispiel 1 vergleichbar waren, wurden vier Arten von Epitaxialsubstraten unter Verwendung des freistehenden Substrats als Grundsubstrat hergestellt. Die Herstellungsbedingungen in dem obigen Fall waren die gleichen wie diejenigen in dem Versuchsbeispiel 1, abgesehen davon, dass die Bildungstemperatur der Pufferschicht variiert wurde. Spezieller wurde die Bildungstemperatur der Pufferschicht zwischen vier Werten 1050 °C, 900 °C, 700 °C und 500 °C variiert. Eine Dicke der Pufferschicht war auf 10 nm eingestellt.
  • Da die Herstellungsbedingungen des Zn-dotierten GaN-Substrats die gleichen wie diejenigen in dem Versuchsbeispiel 1 sind, wird geschätzt, dass eine Versetzungsdichte desselben im Wesentlichen die gleiche wie diejenige der Probe Nr. 1-4 ist.
  • An dem Epitaxialsubstrat, welches man erhalten hatte, wurde eine Röntgen-Schwingkurven-Messung vorgenommen, um eine Halbwertsbreite einer (10-20)-Ebene zu erhalten. Die Elektronenbeweglichkeit erhielt man mittels des Van-der-Pauw-Verfahrens.
  • Ferner wurde das HEMT-Element unter Verwendung jedes Epitaxialsubstrats hergestellt. Im Folgenden werden gemeinsame Proben Nr. 4-1 bis Nr. 4-4 für die vier Arten von Epitaxialsubstraten und die unter Verwendung jedes der Epitaxialsubstrate hergestellten HEMT-Elemente verwendet. Jedoch sind das Epitaxialsubstrat und das HEMT-Element der Probe Nr. 4-1 die gleichen wie das Epitaxialsubstrat beziehungsweise das HEMT-Element der Probe Nr. 2-2 in dem Versuchsbeispiel 2.
  • An den vier Arten von HEMT-Elementen, welche man erhalten hatte, wurden die Betrachtung unter dem Differentialinterferenzmikroskop, die Elementanalyse in der Tiefenrichtung mittels SIMS, die Berechnung der Zn-Konzentration der Kanalschicht der Pufferschicht auf der Grundlage des Konzentrationsverlaufs, welchen man dadurch erhalten hatte, und die Berechnung des Werts R auf der Grundlage des Untersuchungsergebnisses der Id-Vd-Kennlinie unter Verwendung des Halbleiterparameter-Analysators auf die mit dem Versuchsbeispiel 1 vergleichbare Weise vorgenommen.
  • Tabelle 5 zeigt in einer Aufstellung die Röntgen-Schwingkurven-Halbwertsbreite der (10-20)-Ebene, die Elektronenbeweglichkeit, den Wert R und den Durchlasswiderstand zusammen mit der Bildungstemperatur der Pufferschicht, der aus dem Konzentrationsverlauf erhaltenen Zn-Konzentration der Kanalschicht und dem Vorhandensein/Nichtvorhandensein des Risses in der Oberfläche des Epitaxialsubstrats für jede Probe des Versuchsbeispiels 4. Tabelle 5 gibt außerdem an, worunter jede Probe fällt, das Beispiel oder ein Vergleichsbeispiel.
  • [Tabelle 5]
    Probe Nr. Bildungstemperatur der Pufferschicht (°C) Röntgen-Schwingkurven-Halbwertsbreite der (10-20)-Ebene der GaN-Kanalschicht (s) Elektronenbeweglichkeit (cm2V-1s-1) Zn-Konzentration der Kanalschicht (cm-3) Filmriss vorhanden Wert R Durchlasswiderstand (Ωmm) Beispiel/ Vergleichsbeispiel
    Versuchsbeispiel 4 4-1 1050 150 1530 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,81 8,0 Beispiel
    (=2-2)
    4-2 900 200 1420 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,81 8,6 Beispiel
    4-3 700 300 1310 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,77 9,8 Beispiel
    4-4 500 800 900 5,0×1015 (B.G.L) Nein 0,71 15,8 Beispiel
  • Wie durch Tabelle 5 gezeigt, geht in allen HEMT-Elementen der Proben Nr. 4-1 bis Nr. 4-4, welche in dem vorliegenden Versuchsbeispiel hergestellt wurden, die Zn-Konzentration der Kanalschicht auf ungefähr 5×1015 cm-3 zurück, was ein Nachweisgrenzwert bei der SIMS ist, und ist der Wert R größer als oder gleich 0,70. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass der Stromzusammenbruch in allen HEMT-Elementen der Proben Nr. 4-1 bis Nr. 4-4 gering ist.
  • Jedoch nimmt der Wert der Röntgen-Schwingkurven-Halbwertsbreite der (10-20)-Ebene in der die Pufferschicht mit einer niedrigeren Bildungstemperatur aufweisenden Probe zu. Dies bedeutet, dass die Kristallinität in dem das HEMT-Element darstellenden Epitaxialsubstrat in der die Pufferschicht mit der niedrigeren Bildungstemperatur aufweisenden Probe zurückgeht. Speziell in den die Pufferschicht mit der Bildungstemperatur größer als oder gleich 700 °C aufweisenden Proben Nr. 4-1 bis Nr. 4-3 ist der Wert der Halbwertsbreite kleiner als oder gleich 300 Sekunden, hingegen in der die Pufferschicht mit der Bildungstemperatur von 500 °C aufweisenden Probe Nr. 4-4 ist der Wert der Halbwertsbreite extrem groß, das heißt, 800 Sekunden. Das obige Ergebnis bedeutet, dass die Bildungstemperatur der Pufferschicht bevorzugt höher als oder gleich 700 °C ist, um das Epitaxialsubstrat mit hoher Kristallqualität zu erzielen.
  • Der Wert der Elektronenbeweglichkeit geht in der die Pufferschicht mit einer niedrigeren Bildungstemperatur aufweisenden Probe zurück, und der Wert des Durchlasswiderstands nimmt in der die Pufferschicht mit einer niedrigeren Bildungstemperatur aufweisenden Probe zu. Dies bedeutet, dass die elektrischen Eigenschaften des HEMT-Elements in der die Pufferschicht mit der niedrigeren Bildungstemperatur aufweisenden Probe, das heißt, in der Probe mit niedrigerer Kristallqualität, nachlassen. Speziell in den die Pufferschicht mit der Bildungstemperatur größer als oder gleich 700 °C aufweisenden Proben Nr. 4-1 bis Nr. 4-3 ist der Wert der Elektronenbeweglichkeit größer als oder gleich 1300 cm2V-1s-1, hingegen in der die Pufferschicht mit der Bildungstemperatur von 500 °C aufweisenden Probe Nr. 4-4 ist der Wert der Elektronenbeweglichkeit extrem klein, das heißt, 900 cm2V-1s-1. In den Proben Nr. 4-1 bis 4-3 ist der Wert des Durchlasswiderstands kleiner als oder gleich 10 Ωmm, hingegen in Probe Nr. 4-4 ist der Wert des Durchlasswiderstands extrem groß, das heißt, 15,8 Ωmm. Diese Ergebnisse bedeuten, dass die Bildungstemperatur der Pufferschicht im Hinblick auf das Erzielen des nicht nur die hohe Kristallqualität, sondern auch die fortschrittlichen elektrischen Eigenschaften aufweisenden Epitaxialsubstrats bevorzugt höher als oder gleich 700 °C ist.
  • Insbesondere in den Proben Nr. 4-1 und Nr. 4-2 werden die hohe Kristallqualität und die fortschrittlichen elektrischen Eigenschaften erzielt und ist darüber hinaus der Wert R hoch, das heißt, größer als oder gleich 0,8. Dies bedeutet, dass, wenn die Bildungstemperatur der Pufferschicht größer als oder gleich 900 °C ist, das HEMT-Element, welches die hohe Kristallqualität und die fortschrittlichen elektrischen Eigenschaften aufweist und den Stromzusammenbruch weiter unterdrückt, erzielt wird.
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Claims (21)

  1. Epitaxialsubstrat für Halbleiterelemente, enthaltend: ein aus mit Zn dotiertem GaN gebildetes, halbisolierendes, freistehendes Substrat; eine an das freistehende Substrat angrenzende Pufferschicht; eine an die Pufferschicht angrenzende Kanalschicht; und eine auf einer entgegengesetzten Seite der Pufferschicht mit dazwischenliegender Kanalschicht vorgesehene Sperrschicht, wobei die Pufferschicht eine aus AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht ist und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.
  2. Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente nach Anspruch 1, wobei eine Versetzungsdichte des freistehenden Substrats kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 ist und eine Dicke der Pufferschicht zwischen 1 nm und 100 nm liegt.
  3. Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente nach Anspruch 2, wobei eine Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 ist.
  4. Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Pufferschicht aus AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet ist.
  5. Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Dicke der Pufferschicht zwischen 2 nm und 20 nm liegt.
  6. Epitaxialsubstrat für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kanalschicht aus GaN gebildet ist und die Sperrschicht aus AIGaN gebildet ist.
  7. Halbleiterelement, enthaltend: ein aus mit Zn dotiertem GaN gebildetes, halbisolierendes, freistehendes Substrat; eine an das freistehende Substrat angrenzende Pufferschicht; eine an die Pufferschicht angrenzende Kanalschicht; und eine auf einer entgegengesetzten Seite der Pufferschicht mit dazwischenliegender Kanalschicht vorgesehene Sperrschicht; und eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, welche auf der Sperrschicht vorgesehen sind, wobei die Pufferschicht eine aus AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht ist und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.
  8. Halbleiterelement nach Anspruch 7, wobei eine Versetzungsdichte des freistehenden Substrats kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 ist und eine Dicke der Pufferschicht zwischen 1 nm und 100 nm liegt.
  9. Halbleiterelement nach Anspruch 8, wobei eine Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 ist.
  10. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Pufferschicht aus AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet ist.
  11. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei eine Dicke der Pufferschicht zwischen 2 nm und 20 nm liegt.
  12. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Kanalschicht aus GaN gebildet ist und die Sperrschicht aus AlGaN gebildet ist.
  13. Verfahren zum Herstellen eines Epitaxialsubstrats für Halbleiterelemente, enthaltend: a) einen Erstellungsschritt des Erstellens eines aus mit Zn dotiertem GaN gebildeten, halbisolierenden, freistehenden Substrats; b) einen Pufferschicht-Bildungsschritt des Bildens einer an das freistehende Substrat angrenzenden Pufferschicht; c) einen Kanalschicht-Schritt des Bildens einer an die Pufferschicht angrenzenden Kanalschicht; und d) einen Sperrschicht-Bildungsschritt des Bildens einer Sperrschicht an einer der Pufferschicht entgegengesetzten Position, wobei die Kanalschicht dazwischenliegt, wobei in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht als eine aus AlpGa1-pN (0,7 ≤ p ≤ 1) gebildete diffusionsunterdrückende Schicht gebildet wird und eine Diffusion von Zn aus dem freistehenden Substrat in die Kanalschicht unterdrückt.
  14. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach Anspruch 13, wobei in dem Erstellungsschritt das freistehende Substrat mit einer Versetzungsdichte kleiner als oder gleich 5,0×107 cm-2 erstellt wird und in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht so gebildet wird, dass sie eine Dicke von 1 nm bis 100 nm hat.
  15. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach Anspruch 14, wobei in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht so gebildet wird, dass eine Konzentration von Zn in der Kanalschicht kleiner als oder gleich 1×1016 cm-3 ist.
  16. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht aus AlpGa1-pN (0,9 ≤ p ≤ 1) gebildet wird.
  17. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei in dem Pufferschicht-Bildungsschritt die Pufferschicht so gebildet wird, dass sie eine Dicke von 2 nm bis 20 nm hat.
  18. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Kanalschicht aus GaN gebildet wird und die Sperrschicht aus AlGaN gebildet wird.
  19. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das freistehende Substrat mittels eines Flux-Verfahrens hergestellt wird.
  20. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei eine Bildungstemperatur der Pufferschicht zwischen 700 °C und 1200 °C liegt.
  21. Verfahren zum Herstellen des Epitaxialsubstrats für die Halbleiterelemente nach Anspruch 20, wobei eine Bildungstemperatur der Pufferschicht zwischen 900 °C und 1200 °C liegt.
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