JP3326378B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Description
更に詳しくは、高温動作が可能で、高出力動作も優れて
いて、とくに高性能なヘテロバイポーラトランジスタ
(HBT)として有用な半導体装置に関する。
ッタをバンドギャップが広い半導体で構成したトランジ
スタであり、その基本構造としては、エミッタとベース
間の接合をエネルギーバンドが連続的に傾斜するように
した傾斜接合型のタイプと、前記エネルギーバンドが不
連続に変化するようにした階段接合型のタイプがある。
このHBTは、ホモ接合のトランジスタに比べると、非
常に高い電流利得が得られ、また高速動作が可能なトラ
ンジスタである。
導体で製造されているのが通例である。その製造方法の
1例の概略を以下に説明する。まず、半絶縁性の例えば
GaAs基板の上に、例えばMOCVD法やMBE法
で、コレクタとして機能するn型のGaAs層,ベース
として機能するp型のAlGaAs層,エミッタとして
機能するn型のGaAs層をこの順序で積層して、積層
構造が形成される。なお、ベースの成膜時には、Beの
ようなp型不純物をイオン注入することもある。
のp型層の上面と下面にn型層が接合しているnpnヘ
テロ接合構造になっている。ついで、この積層構造の表
面(エミッタの上)に例えばプラズマCVD法でSiO
2やSiNxなどから成る絶縁膜を成膜したのち、ここ
に常法のホトリソグラフィーとエッチングを適用して、
コレクタには例えばTi/Al/Tiから成るコレクタ
電極を装荷し、また、ベースとエミッタには例えばAu
/Zn/Auから成るベース電極とエミッタ電極をそれ
ぞれ装荷してHBTが製造されている。
lGaNのようなGaN系化合物半導体はそのバンドギ
ャップが広いことと相俟って、従来主流であったGaA
s系化合物半導体に比べて高温動作が可能で、しかも高
出力動作も優れているということから、最近ではこのG
aN系化合物半導体を用いてHBTを製造することが試
みられている。
合、n型不純物をドープして高品質のn型層を形成する
ことは比較的容易であるが、p型不純物をドープしてそ
のキャリア濃度を1×1017cm-1以上にすることにより
低抵抗のP型層を形成することは非常に困難であるとい
う問題がある。そのため、GaN系化合物半導体を用い
てHBTを製造しようとした場合、npn接合構造また
はpnp接合構造における低抵抗のp型層をGaN系化
合物半導体で形成することが困難であり、結局、高性能
なHBTを得ることができないということになる。
できる新規なヘテロ接合構造を備えた半導体装置、とく
に高性能なHBTとして有用な半導体装置とその製造方
法の提供を目的とする。
合物半導体で高性能なHBTを製造する際の困難性はヘ
テロ接合構造におけるp型層を形成しにくいという点に
由来する事実に着目した。そして、このp型層を、その
上下に位置するn型のGaN系化合物半導体の格子定数
に近似した格子定数をもち、またGaNと同程度に広い
バンドギャップを有する半導体材料で形成すれば、全て
の層をGaN系半導体化合物で構成したヘテロ接合構造
と同じ性能のヘテロ接合構造を形成することができると
の着想を抱くに至り、この着想に基づき、本発明者は、
上記p型層に適用可能な半導体材料の検討を行った。
特徴点を以下のように整理した。 (1)完全なダイヤモンド結晶はその格子定数が3.5
67Åであり、この値は、六方晶GaN結晶のa軸方向
の格子定数(3.189Å)に近似している。 (2)ダイヤモンド結晶の成長時、n型のものを成長さ
せることは困難であるが、p型のものは比較的容易に成
長させることができるので、ダイヤモンド結晶のp型層
をエピタキシャル成長法で形成することは可能である。
ップは5.47eVであり、GaNと同様にワイドバンド
ギャップの半導体である。そして、n型ダイヤモンド結
晶における電子移動度は1800cm2/V・s程度であっ
て、n型GaN結晶の場合とほとんど変わらないが、p
型ダイヤモンド結晶における電子移動度は1600cm2/
V・sであり、p型半導体の中で最も高い電子移動度を示
している。
その熱伝導率は20.9W/cm・deg程度の値を示し、この
値はp型半導体の中で最も大きい。 以上のことから、n型GaN系化合物半導体にp型ダイ
ヤモンド結晶層をエピタキシャル成長法によって接合す
ることは可能であり、しかも得られたヘテロ接合構造
は、高速動作と高温動作が可能にするとの結論を抱き、
更なる研究を続けた結果、本発明の半導体装置とその製
造方法を開発するに至った。
たはp型の半導体層の上面と下面に、前記半導体層と逆
導電型の半導体層が接合しているヘテロ接合構造を有す
る半導体装置において、前記ヘテロ接合構造のn型半導
体層はGaN系化合物半導体から成り、p型半導体層は
ダイヤモンド結晶から成ることを特徴とする。とくに、
前記n型半導体層と前記p型半導体層の間には、Cドー
プのGaN系化合物半導体から成る薄膜層が介装されて
いる半導体装置が提供される。
発明の半導体装置におけるヘテロ接合構造の1例を示
す。図1において、ヘテロ接合構造Aは、p型ダイヤモ
ンド結晶層2とn型GaN層3とp型ダイヤモンド結晶
層4との積層構造になっている。すなわち、このヘテロ
接合構造Aは、n型層3の上面と下面にそれとは逆導電
型のp型層が接合しているpnp接合構造であって、全
体が基板1の上に形成されている。
ヤモンド結晶層2はコレクタとして機能し、n型GaN
層3はベースとして機能し、また最上層のp型ダイヤモ
ンド結晶層4はエミッタとして機能する。そして、基板
1とp型ダイヤモンド結晶層2の間にはダイヤモンド状
炭素の薄膜層から成るバッファ層5が、またp型ダイヤ
モンド結晶層2とn型GaN層3の間にはCドープGa
Nの薄膜層から成るバッファ層6がそれぞれ介装されて
いる。そして更に、n型GaN層3と最上層のp型ダイ
ヤモンド結晶層4の間には、前記n型GaN層3側に形
成されたCドープGaNの薄膜層7aと、前記p型ダイ
ヤモンド結晶層4側に形成されたダイヤモンド状炭素の
薄膜層7bとから成る2層積層構造のバッファ層7が介
装されている。
キシャル成長法で基板1の上にp型層,n型層、p型層
を順次成膜するときに、下層の上に積層される上層の結
晶性を良好にするためであると同時に、下層と上層間の
接合性を良好に確保するために介装される。なお、ここ
でいうダイヤモンド状炭素とは、ダイヤモンド結晶の前
駆体であって、その結晶構造は略ダイヤモンド型構造に
なっているが、その物理的・化学的性質はいまだ完全な
ダイヤモンド結晶の性質と同じになっていない炭素のこ
とである。
しては、Si単結晶基板が用いられる。それは、Si単
結晶基板の上には、前記したバッファ層5の形成が容易
であり、したがってp型ダイヤモンド結晶層2の形成を
円滑に進めることができるからである。ところで、図1
に示したヘテロ接合構造はpnp接合構造であるが、本
発明の半導体装置にあっては、これがnpn接合構造で
あってもよい。
層,p型ダイヤモンド結晶層,および最上層としてのn
型GaN層がエピタキシャル成長法で順次積層される。
このとき、基板1としては前記下Si単結晶基板であっ
てもよく、また、サファイア基板の上に非晶質のGaN
やAlNなどのバッファ層を形成したのち、そこに前記
したn型GaN層3を積層し、ついで、そのn型GaN
層3の上に前記したCドープGaNの薄膜層7aとダイ
ヤモンド状炭素の薄膜層7bとから成る2相構造のバッ
ファ層7を形成し、そのバッファ層の上に前記したp型
ダイヤモンド結晶層2を形成し、更にその上に、前記し
たCドープGaNの薄膜層6を形成したのちそこにn型
GaN層を形成すればよい。
る本発明の半導体装置は次のようにして製造することが
できる。それを基板としてSi単結晶基板を用いてHB
Tを製造する場合について説明する。まず、このpnp
ヘテロ接合構造の形成は、ガスソース分子線エピタキシ
ャル成長装置を用いて進められる。
せるための原料である水素とメタンガスのような炭化水
素を装置内に供給するためのC源ノズルを備えており、
そのノズルの先端にはC源である供給ガスを活性化させ
るためのW製加熱フィラメントが配設されている。ま
た、ジメチルヒドラジンやアンモニアなどのN源を供給
するためのN源ノズル,金属Ga,金属Alおよび金属
Inをそれぞれ収容するクヌードセンセルも配設されて
おり、更には、金属Siを収容するクヌードセンセルと
ジボラン供給装置が配設されることにより、それぞれ、
n型ドーパント源,p型ドーパント源が形成されてい
る。
れ、まずその表面は清浄化される。そしてつぎに、基板
を所定温度に維持し、C源ノズルから例えば水素とメタ
ンガスの混合ガスを供給し、その混合ガスを加熱フィラ
メントで分解し、活性化して当該基板の表面に照射する
ことにより、基板表面に所望厚みのダイヤモンド状炭素
のバッファ層5を形成する。
に、原子オーダーの厚みで最初にCの単分子膜を形成す
ると、このC単分子膜は基板表面を構成するSiと容易
に結合して両者の接合性は良好となり、以後、この上に
成膜されていくダイヤモンド状炭素の薄膜層と基板との
接合性も良好になるので好適である。その後、C源ノズ
ルの作動を継続しながら、ジボラン供給装置を作動せし
めて装置に所定流量でジボランを供給し、前記ダイヤモ
ンド状炭素のバッファ層5の上に所望厚みのBドープダ
イヤモンド結晶層2(p型層)を形成する。
ンガスとN2との混合ガスに変換し、その混合ガスを加
熱フィラメントで分解してNを活性化しつつ、同時に金
属Gaのクヌードセンセルを作動せしめて、前記p型ダ
イヤモンド結晶層2の上にCドープGaNの薄膜層6を
形成する。なお、このとき、CドープGaN層の成長初
期においては、前記混合ガスのメタンガス濃度を高くし
て下層のp型ダイヤモンド結晶層2との接合性を高め、
成長が進むにつれてメタンガス濃度を低くすることによ
り、次ぎにこの上に成膜されるn型GaN層との接合性
を高めるようにすることが好ましい。
作動を停止し、N源ノズルと金属Siのクヌードセンセ
ルを作動せしめて分子線エピタキシャル成長を進め、前
記CドープGaN層6の上に所定厚みのSiドープGa
N層(n型層)3を形成する。次ぎに、このSiドープ
GaN層3の上に、前記したと同様の態様でCドープG
aNの薄膜層7aとダイヤモンド状炭素の薄膜層7bと
を順次積層して2相構造のバッファ層7を形成し、更に
前記ダイヤモンド状炭素の薄膜層7bの上に前記したと
同様の態様でBドープダイヤモンド結晶層4(p型層)
を形成して、図1で示した積層構造にする。
上に例えばプラズマCVD法で例えばSiO2膜を成膜
し、そこに、公知のホトリソグラフィーとエッチング処
理を行い、更に電極の装荷作業を行うことにより、図2
で示したように、コレクタであるp型ダイヤモンド結晶
層2にAuから成るコレクタ電極8,ベースであるn型
GaN層3にTi/Auから成るベース電極9,エミッ
タであるp型ダイヤモンド結晶層4にAuから成るエミ
ッタ電極10がそれぞれ装荷されているHBTが得られ
る。
た。まず、ガスソース分子線エピタキシャル成長装置に
Si単結晶基板をセットし、基板温度を950℃にし、
C源ノズルから水素のみを供給し、その水素を加熱フィ
ラメントで分解して活性化し、その活性化水素を基板の
表面に照射して表面の酸化物を分解除去した。
温した。加熱フィラメントの温度を2500℃にし、こ
こに、C源ノズルから水素97体積%,メタンガス3体
積%から成る混合ガス(30Torr)を流量20sccmで照
射して分解せしめ、活性化させ、前記基板の表面に照射
した。その結果、基板の表面には厚み2000Åのダイ
ヤモンド状炭素の薄膜層が形成された。
ここに、ジボランを流量2sccmで供給し、前記薄膜層の
上に厚み3000ÅのBドープダイヤモンド結晶層を形
成した。ついで、C源ノズルからの供給ガスを窒素98
体積%とメタンガス体積%の混合ガスに切り換え、クヌ
ードセンセルから金属Ga(5×10-7Torr)を供給
し、基板温度640℃で分子線エピタキシャル成長を行
うことにより、前記Bドープダイヤモンド結晶層の上に
厚み200ÅのCドープGaNの薄膜層を形成した。
ドープされたC濃度が1×1020cm -3となるように混合
ガスの組成を設定し、エピタキシャル成長が進むにつれ
てC濃度が低下するように供給する混合ガスの組成を変
え、最後にはC濃度が5×1018cm-3になるようにして
上記CドープGaN層の形成を行った。ついで、基板温
度を850℃に昇温し、C源ノズル,ジボラン供給装置
の作動を停止し、各クヌードセンセルからの金属Ga
(1×10-6Torr),金属Si(5×10-9Torr)と、
N源からのアンモニア(5×10-5Torr)を用いて分子
線エピタキシャル成長を進め、前記CドープGaN層の
上に厚み5000ÅのSiドープGaN層(n型層)を
形成した。
し、このSiドープGaN層の上に前記したと同じ態様
で厚み50ÅのCドープGaNの薄膜層と厚み50Åの
ダイヤモンド状炭素の薄膜を順次積層し、更にその上
に、前記したと同様の態様で厚み3000ÅのBドープ
ダイヤモンド結晶層(p型層)を形成し、図1で示した
積層構造を得た。
することにより、図2で示したHBTを製造した。この
HBTにつき、電流電圧測定を行った。すなわち、エミ
ッタ電流をパラメータとし、コレクタ電流を変化させた
ときのコレクタ電流の飽和特性を調べた。その結果、エ
ミッタ電流を5mA流したとき、コレクタとベース間の電
圧が1Vとなった付近からコレクタ電流は4mAで飽和す
る特性が得られた。更に電流利得特性(dIC/dIB)
を調べたところ、エミッタ電流を5mA流したときに10
2程度であった。
したが、前記電流利得特性に変化はなく、高温下でも動
作することが確認された。これらの結果から、このHB
Tは高性能なHBTとして機能することが確認された。
なお、上記の実施例においてGaN層の形成時のN源と
してはジメチルヒドラジンとアンモニアの例を示した
が、N源としてはプラズマ窒素,ラジカル窒素なども使
用することができる。またGa源としては金属Gaに限
定されるものではなく、トリエチルガリウムやトリメチ
ルガリウムのような有機金属Gaを用いることもでき
る。
示したが、本発明ではこれに限定されるものではなく、
例えば、InGaN,InGaAlN,AlGaNにS
iをn型不純物としてドーピングしたものも使用するこ
とができる。
半導体装置は、n型層がGaN系化合物半導体から成
り、p型層がダイヤモンド結晶から成る新規なヘテロ接
合構造を備えるものであり、HBTとして使用したとき
に、従来の主流であるGaAs系のHBTに比べて高速
動作と高温動作が優れていてその工業的価値は極めて大
である。また、この半導体装置はpnpn接合構造のサ
イリスタや、電界効果型トランジスタにも応用可能であ
る。
示す断面図である。
ランジスタの断面図である。
結晶層) 3 n型GaN層 4 p型ダイヤモンド結晶層(Bドープダイヤモンド
結晶層) 5 ダイヤモンド状炭素の薄膜層 6 バッファ層(CドープGaN層) 7 バッファ層 7a CドープGaNの薄膜層 7b ダイヤモンド状炭素の薄膜層 8 コレクタ電極 9 ベース電極 10 エミッタ電極
Claims (3)
- 【請求項1】 n型またはp型の半導体層の上面と下面
に、前記半導体層と逆導電型の半導体層が接合している
ヘテロ接合構造を有する半導体装置において、前記ヘテ
ロ接合構造のn型半導体層はGaN系化合物半導体から
成り、p型半導体層はダイヤモンド結晶から成ることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記n型半導体層と前記p型半導体層の
間には、CドープのGaN系化合物半導体から成る薄膜
層が介装されている請求項1の半導体装置。 - 【請求項3】 前記n型半導体層は、n型不純物がドー
プされた、AlGaN,GaN,InGaN,InGa
AlNのいずれかから成る請求項1または2の半導体装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34540697A JP3326378B2 (ja) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34540697A JP3326378B2 (ja) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | 半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11176838A JPH11176838A (ja) | 1999-07-02 |
JP3326378B2 true JP3326378B2 (ja) | 2002-09-24 |
Family
ID=18376387
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP34540697A Expired - Lifetime JP3326378B2 (ja) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3326378B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004207583A (ja) | 2002-12-26 | 2004-07-22 | Sony Corp | 半導体装置 |
-
1997
- 1997-12-15 JP JP34540697A patent/JP3326378B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Guang−bo Gao,et.al.,"Material−Based Comparison for Power Heterojunction Bipolar Transistors",IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,1991年11月,VOL.38,NO.11,pp.2410−2416 |
T.P.Chow,et.al.,"Wide Bandgap Compound Semiconductors for Superior High−Voltage Power Devices",5th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs,1993年,pp.84−88 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH11176838A (ja) | 1999-07-02 |
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