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1～3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、专利文献3：日本特开2017-085054号公报
9、非专利文献
10、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fe的gan基板进行了研究。
3、在该过程中，使用掺杂有fe的gan基板形成hemt结构的情况下，确认到了fe可以在gan缓冲层中扩散。特别是如果fe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，需要抑制、防止fe扩散至产生2deg的区域。
5、因此，本发明的课题在于提供包含成为补偿杂质的fe、并且fe的扩散受到抑制、器件的设计自由度、制造成本也良好的gan外延基板。
6、需要说明的是，在专利文献1中，虽然着眼于消除由fe掺杂所特有的记忆效应而导致的大量捕获的问题，但完全未提及固体中的fe扩散的问题，并没有认识到由fe扩散所导致的问题。另外，在专利文献1中，停止掺杂fe后的fe的残留和残留fe的非有意的掺杂本身仍被保持。因此，无法得到抑制了fe扩散至产生2deg的区域的gan外延基板。
7、在专利文献2中，为了抑制fe的扩散，在掺杂有fe的gan缓冲层(fe掺杂gan缓冲层)上，在比fe掺杂gan缓冲层的生长温度低的温度下使未掺杂fe的gan缓冲层生长。即，专利文献2通过降低gan缓冲层的生长温度，从而抑制了fe的扩散。
8、然而，晶体生长温度由有机金属化学气相沉积(metal organic chemical vapordeposition、mocvd)法的生长条件来确定，因此难以仅对温度进行改变。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fe浓度的降低存在极限。另外，在专利文献2中，停止掺杂fe后的fe的残留与残留fe的非有意的掺杂本身也被保持。其结果是，不能认为在专利文献2中可以充分地抑制fe的扩散。
9、另外，通过降低生长温度，结果是fe掺杂gan缓冲层上的gan缓冲层含有1×1019atoms/cm3的高浓度的c，但存在由c本身导致的漏电流、晶体品质的降低等隐患。
10、在专利文献3中，为了抑制fe的扩散，公开了一种在掺杂有fe的gan缓冲层上形成了掺杂有一定浓度的al的通道层的半导体装置。然而，不能认为专利文献3可以充分地抑制fe的扩散。
11、另外，除了上述专利文献1～3中公开的方法以外，基于扩散距离越长则fe浓度越低的情况，也考虑了如下方法：在形成了掺杂有fe的gan缓冲层之后，在其上设置足够厚的未掺杂gan缓冲层，从而减少到达产生2deg的区域的fe，降低该区域中的fe浓度。然而，在该方法中，越是延长扩散距离，越是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，或者制造成本增高。
12、如上所述，迄今为止尚未得到可抑制fe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。
13、另外，如上所述，现有技术无法实现hemt器件中的fe浓度的精密控制。
14、解决问题的方法
15、针对上述问题，本发明人等进行了深入研究，作为第一方式，着眼于通过有意地阻碍gan基板中或gan缓冲层中的fe的移动，从而与以往那样单纯地抑制fe的热扩散相比能够更有效地抑制fe的浓度分布。而且进一步进行了研究，发现通过使从包含fe的gan基板或包含fe的gan缓冲层至[0001]轴方向上的fe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。
16、另外，针对上述问题，本发明人等进行了深入研究，作为第二方式，发现通过设为gan基板或gan缓冲层包含掺杂有fe的fe掺杂层、且gan缓冲层包含特定c浓度的含c层或含有c的fe扩散抑制层的构成，从而可有效地阻碍fe的移动，能够解决上述问题，完成了本发明。
17、即，本发明的第一方式的主旨如下所述。
18、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fe浓度[fe]b与上述点a处的fe浓度[fe]a之比([fe]b/[fe]a)为1/100，上述点a与上述点b的距离为0.2μm以下。
19、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fe浓度[fe]b’与上述点a’处的fe浓度[fe]a’之比([fe]b’/[fe]a’)为1/10，上述点a’与上述点b’的距离为0.1μm以下。
20、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fe浓度为1×1017atoms/cm3以上，上述点b”处的fe浓度为1×1015atoms/cm3以下，上述点a”与上述点b”的距离为0.2μm以下。
21、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fe浓度为1×1017atoms/cm3以上，上述点b”’处的fe浓度为1×1016atoms/cm3以下，上述点a”’与上述点b”’的距离为0.1μm以下。
22、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[fe]a或上述[fe]a’为1×1017atoms/cm3以上。
23、本发明的方式6涉及方式1～方式5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。
24、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1×1016～1×1018atoms/cm3的含c区域，上述含c区域包含上述点b、上述点b’、上述点b”或上述点b”’，或者相对于与(0001)面平行的包含上述点b、上述点b’、上述点b”或上述点b”’的面位于(000-1)面侧。
25、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fe的fe掺杂层。
26、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fe的fe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fe掺杂层中。
27、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。
28、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。
29、另外，本发明的第二方式的主旨如下所述。
30、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fe的fe掺杂层，上述gan缓冲层包含含c层，上述含c层相对于上述fe掺杂层存在于[0001]轴方向上、并且c浓度为1×1016～1×1018atoms/cm3。
31、本发明的方式13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，其中，上述gan基板或上述gan缓冲层包含掺杂有fe的fe掺杂层，上述gan缓冲层包含相对于上述fe掺杂层存在于[0001]轴方向上、并且含有c的抑制fe的扩散的fe扩散抑制层。
32、本发明的方式14涉及方式13的gan外延基板，其中，上述fe扩散抑制层的c浓度为1×1018atoms/cm3以下。
33、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gan基板包含上述fe掺杂层。
34、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fe掺杂层的fe浓度为1×1017atoms/cm3以上。
35、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，上述含c层或上述fe扩散抑制层为掺杂有c的层。
36、本发明的方式18涉及方式12～方式17中的任一方式的gan外延基板，其中，位于上述gan缓冲层中的上述含c层中或上述fe扩散抑制层中、或者相对于上述含c层或上述fe扩散抑制层位于[0001]轴方向的gan区域的fe浓度小于1×1017atoms/cm3。
37、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]轴方向存在，上述点b处的fe浓度[fe]b与上述点a处的fe浓度[fe]a之比([fe]b/[fe]a)为1/100，上述点a与上述点b的距离为0.2μm以下。
38、本发明的方式20涉及方式12、方式15～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区域在[0001]轴方向具有i-gan层。
39、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。
40、发明的效果
41、本实施方式的gan外延基板可抑制fe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。
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1～5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，
13.一种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，
14.根据权利要求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12～17中任一项所述的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、15～19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，
