JP3086561B2 - 半導体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極及びその形成方法 - Google Patents
半導体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極及びその形成方法Info
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Description
タ、FET及びサーミスタ等の電子部品又は電子デバイ
スを構成する半導体ダイヤモンド層に形成される半導体
ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極及びその
形成方法に関する。
薬品性、耐放射線性に優れた絶縁体であり、産業上種々
の利用が検討され、また実用化されている。また、ダイ
ヤモンドはバンドギャップが約5.4eVと大きく、B
(ホウ素)等の不純物をドープしたものは半導体特性を
示し、この種の半導体ダイヤモンドは、高温半導体とし
ての応用が期待されている。
薄膜を、プラズマ反応を利用して気相から合成する方法
が確立されて以来、ダイヤモンド薄膜を利用した超硬工
具、スピーカ振動板、半導体デバイスのヒートシンク、
並びにダイオード及びトランジスタ等の電子デバイスの
開発が進められている。
子デバイスにおいては、ダイヤモンド半導体層に対する
密着性が優れたオーミック電極、即ち、電流電圧特性が
線形である電極を形成する必要がある。ダイヤモンド素
子の特徴である高温及び高電圧下での使用を考慮する
と、電極は接触抵抗が小さく、且つ、使用温度より十分
高い温度まで安定である必要がある。これは接触抵抗が
大きいと電極部分で発熱をおこし、局所的に更に一層高
温になってしまうからである。
ク電極作製法としては、A.T.Collins等(Diamond Resea
rch, pp.19-22, 1970年)及びK.L.Moazed等(J.Appl.Ph
ys.,vol.68,No.5,pp.2246-2255, 1990年)により提案さ
れた方法がある。即ち、これらの文献に記載されたよう
に、炭化物を形成しやすいTa,Ti,Mo等を電子ビ
ーム照射により形成し、又は真空熱処理等を行うことに
より、オーミック電極を得る方法が公知である。
ダイヤモンド層3と、Ta,Ti又はMo等からなる金
属電極層1との界面に炭化物層2を形成することによ
り、良好なオーミック電極を得ようとするものである。
即ち、炭化物を形成し易いTa,Ti,Mo等の金属を
電極材料として使用し、この電極層1とダイヤモンド層
3との間に炭化物層2を形成する。
化物であるTixC1-xを形成するTiを電極材料とし、
このTi電極の上に、酸化を防ぐために、Au,Pt又
はMo/Au(MoとAuとをこの順に積層したもの)
等を酸化防止膜として形成した多層金属薄膜の利用が報
告されている。
は、基板の半導体ダイヤモンド層3の上に、電極Ti層
1を形成し、更に電極Ti層1の上に、拡散防止Au層
4を形成したものである。
は、半導体ダイヤモンド層3上の電極Ti層1の上に、
拡散防止Mo層5を形成し、更にこの拡散防止Mo層5
の上に拡散防止Au層4を形成したものである。このT
i/Mo/Auの多層膜を使用した半導体デバイスとし
ては、サーミスタ(藤森等、NEW DIAMOND Vol.13,P.32,
1989年)等がある。
炭化物を形成する金属電極を用いた場合、ダイヤモンド
層界面での低いホール易動度と高い接触抵抗が原因とな
って、オーミック接続ではあるものの依然として高抵抗
であるため、これらを緩和する試みがJ.F.Prins(J.Phy
s.D:Appl.Phys.,22,pp.1562-1564,1989年)によって報
告されている。
ダイヤモンド層3の表面に、高濃度にBがドーピングさ
れた層、即ち高ドープ層6をイオン注入法によって形成
し、次いでイオン注入による劣化によって生じたドープ
領域上部の黒鉛をエッチングで取り除いて、そこにA
u、Ag又はCu等からなる電極7を形成し、その後1
200℃の温度でアニールすることによりオーミック接
続を得るものである。この電極では、ダイヤモンド層表
面におよそ0.2μmの極めて浅い過飽和ドープ領域が
あるため、ホール易動度が大きく、また、軟性で容易に
圧着可能な貴金属を用いることを可能にしているため、
接触抵抗が低い。
た従来のTiを用いたオーミック電極及び金属電極層と
ダイヤモンド層に対する間に高ドープ層を設けたオーミ
ック電極は、いずれも以下に示すように、実用的なオー
ミック電極としての使用は困難であるという問題点があ
る。
点について説明する。Tiはオーミック電極の材料とし
ては一般的であるが、反応性に富み、空気中においては
高温で酸化されやすいという欠点がある。このため、前
述の如く、酸化を防ぐために、Au,Pt又はMo/A
u等を酸化防止膜とした多層膜が電極として利用される
が、長期的な使用を考慮すると完全な酸素からの遮蔽は
困難である。
で図3(b)に示すTi/Au電極を形成した。図4
(a)はX線光電子分光法(XPS)により求めた各元
素の深さ方向分布を示す。図4において、縦軸は各元素
の原子数の割合(原子%)であり、横軸はスパッタリン
グ時間を示し、電極表面からの距離に対応する。この図
4(a)からわかるように、電極表面から、金、チタン
及びダイヤモンド(C)がこの順に積層されていること
が確認できる。
分間、大気中に保持した結果、図4(b)に示すよう
に、Tiが表面拡散し、酸化されてTiO2 が形成され
たことがわかる。これは、試料を焼鈍することによりダ
イヤモンド表面でTiの炭化が開始され、オーミック電
極が形成されるが、同時に電極材料のTiが上層のAu
層4の内部を拡散し、電極表面で酸素と反応し、酸化し
てしまうからである。
のMo層5を、Ti層1/Au層4間に挿入したTi/
Mo/Au電極(図3(c))を作製した。下記表2は
その成膜条件を示す。一方、図5(a)には、得られた
電極に対し、X線光電子分光法により電極深さ方向の濃
度分布を求めた結果を示す。図5において、縦軸は各元
素の原子数の割合(原子%)、横軸は電極表面からの距
離に対応する。また、作製した電極を500℃で60分
間、大気中に保持した結果、その各元素の濃度分布は図
5(b)に示すように変化した。
いたTi/Mo/Au電極においても、Tiの酸化を防
ぎきれないことが分かる。
高ドープ層を挿入した電極の問題点について説明する。
高ドープ層を挿入した電極では、Au、Ag又はCu電
極層は圧着によってダイヤモンド層に固定される。その
後に1200℃の温度でアニールしても、Au、Ag又
はCuはいずれもダイヤモンドと化学的に反応しないの
で、電極層とダイヤモンド層との界面は機械的な接合部
で接触を維持されている。従って、実際の使用条件であ
る昇降温の繰り返しを受けた場合、熱膨張の差によって
接合部が繰り返し歪を受け、層界面が容易に剥離してし
まうという不都合が生じる。
Ag又はCuの代わりにダイヤモンドと接着性の良いT
i等を用いた場合、接合のためにジュール熱を印加した
り、その後アニール処理する等、高温処理が必要である
ので、高温酸化によってTiが酸化され、接触不良の原
因になる。
のであって、接触抵抗が小さく、高温でも安定なオーミ
ック電極を得ることができる半導体ダイヤモンド層に対
する耐熱性オーミック電極及びその形成方法を提供する
ことを目的とする。
ヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極は、前記半導
体ダイヤモンド層の所定領域に、B,Si,P,As及
びSbからなる群から選択された少なくとも1種の不純
物を1×1019cm-3以上の密度にドーピングして形成
された高ドープ層と、この高ドープ層上に設けられた
TixCy,TixNy,TixWy及びTixSiy(但し、
x+y=1)からなる群から選択された少なくとも1種
のTi化合物からなる電極Ti化合物層とを有すること
を特徴とする。
る耐熱性オーミック電極の形成方法は、半導体ダイヤモ
ンド層の表面の所定領域に、B,Si,P,As及びS
bからなる群から選択された少なくとも1種の不純物を
1×1019cm-3以上の密度にドーピングして高ドープ
層を形成する工程と、この高濃度ドープ層上に TixC
y,TixNy,TixWy及びTixSiy (但し、x+y
=1)からなる群から選択された少なくとも1種のTi
化合物からなる電極Ti化合物層を形成する工程とを有
することを特徴とする。
直接接合せず、半導体ダイヤモンド層表面に高ドープ層
を設けて、この高ドープ層を介して電極Ti層を接合す
ると、抵抗が小さいオーミック電極が形成される。この
性質は、高ドープ層と電極Ti層の界面の性質に依存す
る。例えばP型の半導体ダイヤモンドはホール伝導なの
で、金属(電極Ti化合物層)とダイヤモンド層との界
面においても電流は界面に存在するホール順位を通して
流れる。図1は両者の界面を横切るキャリヤ準位を予測
するためのエネルギー帯図を示す。図1において、横軸
は電極断面の距離、縦軸は電子エネルギーで、横軸の実
線及び破線はフェルミ準位を示している。また、半導体
ダイヤモンド層内の曲線は価電子帯を表している。なお
N1,N2,N3,N4 は高ドープ層内でのドーピング密
度の相違を表しており、ドーピング密度はこの順で高く
なっている。いづれの曲線(N1〜N4)も界面に近づ
くにつれ低下している。この曲線が低下する部分は金属
と半導体が接触し、空乏層が形成されることにより生じ
るショットキー障壁を示している。ドーピング量が増え
るにつれてこの障壁幅は短くなり、ある特定のドーピン
グ量以上では、キャリヤはトンネル現象により障壁を通
過し、ホール易動度は増大する。即ち、電気的特性は電
極材料に依存せず、オーミック接触が実現される。
高ドープ層のドーピング密度が1×1019cm-3である
ことが必要である。即ち、5×1018cm-3,1×10
19cm-3,2×1019cm-3の各密度で不純物がドーピ
ングされた高ドープ層を持つ電極を作製し、TLM(Tr
ansmission Line Model) 法によって接触抵抗率を評価
した後、大気中において500℃の温度でアニールを1
時間行い、再びTLM法で接触抵抗を評価した。その結
果を図2に示す。図2で、横軸はドーピング密度で縦軸
は接触抵抗率である。また、白丸はアニール前で黒丸は
アニール後との結果である。1×1019cm-3及び2×
1019cm-3のドーピング密度では、アニール前とアニ
ール後との接触抵抗率がほぼ結果が等しいのに対し、5
×1018cm-3ではアニール前とアニール後との差が大
きい。このことから、ドーピング密度を1×1019cm
-3以上とするとアニール中にドーパントの界面への濃縮
が起こり、接触抵抗が小さくなると考えられる。このた
め、ドーピング密度は1×1019cm-3以上であること
が必要である。
ixNy,TixWy及びTixSiy(但し、x+y=1)
の各組成式で表されるTi化合物のうちの少なくとも1
種の化合物からなることが必要である。これらの化合物
は、いずれもTiに比して酸化され難く、高温でも安定
である。また、これらのTi化合物は、Tiを含んでい
るため半導体ダイヤモンド層との接合性は良好であり、
昇温及び降温を繰り返しても、層界面で剥離が発生する
虞がない。従って、前記電極Ti化合物は、TixCy,
TixNy,TixWy及びTixSiy(但し、x+y=
1)から成る群から選択された少なくとも1種のTi化
合物からなることが必要である。
層からなる半導体ダイヤモンド薄膜をマイクロ波プラズ
マCVD法を用いて気相合成によって作製した。この場
合に、反応ガスとして水素希釈したCH4 ガスを使用
し、また高ドープ層を形成するためのドーピングガスと
してジボラン(B2H6)ガス(気相中のジボランガス濃
度は5ppm)を用いた。そして、高ドープ層のBのド
ーピング密度は1×1019cm-3とした。このダイヤモ
ンド薄膜の合成条件を下記表3に示す。
半導体ダイヤモンド薄膜上にフォトレジストでTLMパ
ターンを作製し、マグネトロンスパッタにより高ドープ
層上にTiC層を成膜した。成膜は10-6Torr程度
まで真空引きした後、Arガスを流量が10sccm、
圧力が2mTorrの条件で流し、流量が安定した後、
DCプラズマを0.8Aの電流で、5分間照射した。得
られたTiCの膜厚は2000Åであった。成膜後、フ
ォトレジスト及びフォトレジスト上のTiC層を除去す
るため、リフトオフ法により、前記高ドープ層上のみに
TiC層を残在させて電極Ti化合物層を形成した。こ
れにより、実施例1のオーミック電極が完成した。ま
た、上述の実施例1のオーミック電極と略同様にして、
実施例2及び比較例のオーミック電極を形成した。但
し、実施例2のオーミック電極においては、高ドープ層
のドーピング密度を2×1019cm-3とし、比較例のオ
ーミック電極においては高ドープ層のドーピング密度を
5×1018cm-3とした。このようにして形成した実施
例1,2及び比較例オーミック電極の接触抵抗をTLM
法によって測定した。その結果、実施例1,2及び比較
例の接触抵抗率は夫々1.2×10-4Ωcm2,4.5
×10-5Ωcm2 及び2.3×10-2Ωcm2であっ
た。その後、これらの試料を大気中で500℃の条件で
1時間アニールした。そして、アニール後の試料に対し
再びTLM測定を行った。その結果、実施例1,2及び
比較例の接触抵抗は夫々1.5×10-4Ωcm2 ,3.
7×10-5Ωcm2 及び2.5×10-3Ωcm2 であ
った。図2は横軸に高ドープ層のドーピング密度をと
り、縦軸に接触抵抗をとって、実施例1,2及び比較例
のオーミック電極のアニール前後における接触抵抗率の
変化を示すグラフ図である。但し、白丸はアニール前、
黒丸はアニール後を示す。この図2から明らかなよう
に、実施例1,2においてはいずれも接触抵抗率が十分
に低いと共に、高温(500℃)でのアニール後も接触
抵抗率が殆ど変化せず、高温における安定性が極めて良
好である。また、実施例1についてアニール前後の電極
TiC層の組成をX線光電子分光法によって測定したと
ころ、組成の変動はなく、材料面からもこのことが裏付
けられた。一方、比較例については、実施例1に比して
接触抵抗率が高く、また、アニールにより接触抵抗率が
大きく変化した。
層を気相中にジボランガスを添加することにより形成し
たが、この高ドープ層は半導体ダイヤモンド層の表面に
不純物をイオン注入する等の方法により形成してもよ
い。また、上述の実施例はP型半導体ダイヤモンドの場
合について説明したが、本発明をn型半導体ダイヤモン
ドに適用できることは勿論である。
半導体ダイヤモンド層と所定のTi化合物層からなる電
極Ti化合物層との間に不純物密度が特定の値以上の高
ドープ層が設けられているから、高温においても使用可
能な耐熱性オーミック電極を得ることができる。また、
本発明方法においては、半導体ダイヤモンド層の表面に
不純物を密度以上に導入して高ドープ層を形成し、この
高ドープ層上に所定のTi化合物層を形成するから、上
述の構造の耐熱成オーミック電極を容易に形成すること
ができる。
の模式図である。
接触抵抗率及びアニール後の接触抵抗率を示すグラフ図
である。
電極を示す断面図である。
さ方向の元素分布を示し、(a)はアニール前、(b)
はアニール後である。
層を挿入したTi/Mo/Au3層電極)の深さ方向の
元素分布を示し、(a)はアニール前、(b)はアニー
ル後である。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体ダイヤモンド層に対して形成され
る耐熱性オーミック電極において、前記半導体ダイヤモ
ンド層の所定領域に、B,Si,P,As及びSbから
なる群から選択された少なくとも1種の不純物を1×1
019cm-3以上の密度にドーピングして形成された高ド
ープ層と、この高ドープ層上に設けられたTixCy,T
ixNy,TixWy及びTixSiy(但し、x+y=1)
からなる群から選択された少なくとも1種のTi化合物
からなる電極Ti化合物層とを有することを特徴とする
半導体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極。 - 【請求項2】 半導体ダイヤモンド層の表面の所定領域
に、B,Si,P,As及びSbからなる群から選択さ
れた少なくとも1種の不純物を1×1019cm-3以上の
密度にドーピングして高ドープ層を形成する工程と、こ
の高濃度ドープ層上にTixCy,TixNy,TixWy及
びTixSiy(但し、x+y=1)からなる群から選択
された少なくとも1種のTi化合物からなる電極Ti化
合物層を形成する工程とを有することを特徴とする半導
体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極の形成
方法。 - 【請求項3】 前記高ドープ層は、ドーピングガスを添
加したダイヤモンドの気相合成によって形成することを
特徴とする請求項2に記載の半導体ダイヤモンド層に対
する耐熱性オーミック電極の形成方法。 - 【請求項4】 前記高ドープ層は、ドーパントを前記ダ
イヤモンド層中にイオン注入することにより形成するこ
とを特徴とする請求項2に記載の半導体ダイヤモンド層
に対する耐熱性オーミック電極の形成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05060654A JP3086561B2 (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 半導体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極及びその形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05060654A JP3086561B2 (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 半導体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極及びその形成方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06275552A JPH06275552A (ja) | 1994-09-30 |
JP3086561B2 true JP3086561B2 (ja) | 2000-09-11 |
Family
ID=13148547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP05060654A Expired - Lifetime JP3086561B2 (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 半導体ダイヤモンド層に対する耐熱性オーミック電極及びその形成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3086561B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006237179A (ja) * | 2005-02-24 | 2006-09-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ダイヤモンドのオーム性接合部の形成方法 |
US7884372B2 (en) | 2005-08-01 | 2011-02-08 | National Institute For Materials Science | Diamond UV-Ray sensor |
-
1993
- 1993-03-19 JP JP05060654A patent/JP3086561B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
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まてりあ,Vol.33,No.6(1994−6),p.750−754 |
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JPH06275552A (ja) | 1994-09-30 |
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