JP3326378B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JP3326378B2 JP3326378B2 JP34540697A JP34540697A JP3326378B2 JP 3326378 B2 JP3326378 B2 JP 3326378B2 JP 34540697 A JP34540697 A JP 34540697A JP 34540697 A JP34540697 A JP 34540697A JP 3326378 B2 JP3326378 B2 JP 3326378B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
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。
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。
【０００２】
【従来の技術】ＨＢＴは、キャリアの供給源であるエミ
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。
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。
【０００３】従来、このＨＢＴは、ＧａＡｓ系化合物半
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。
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。
【０００４】したがって、形成された積層構造は、真中
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。
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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＧａＮやＡ
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。
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。
【０００６】しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体の場
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。
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。
【０００７】本発明は、上記した問題を解決することが
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。
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者は、ＧａＮ系化
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。
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。
【０００９】そして、ダイヤモンド結晶に着目し、その
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。
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。
【００１０】（３）ｐ型ダイヤモンド結晶のバンドギャ
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。
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。
【００１１】（４）ダイヤモンド結晶は耐熱性が優れ、
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。
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。
【００１２】すなわち、本発明の半導体装置は、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。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。
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。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１に、ＨＢＴとして使用する本
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。
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。
【００１４】このヘテロ接合構造Ａにおいて、ｐ型ダイ
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。
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。
【００１５】これらの各バッファ層は、後述するエピタ
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。
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。
【００１６】図１で示した半導体装置の場合、基板１と
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。
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。
【００１７】その場合には、基板１の上にｎ型ＧａＮ
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。
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。
【００１８】図１で示したｐｎｐヘテロ接合構造を有す
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。
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。
【００１９】この装置は、ダイヤモンド結晶層を成長さ
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。
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。
【００２０】この装置内にＳｉ単結晶基板がセットさ
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。
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。
【００２１】なお、このときに、Ｓｉ単結晶基板の表面
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。
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。
【００２２】ついで、Ｃ源ノズルからの供給ガスをメタ
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。
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。
【００２３】ついで、Ｃ源ノズル，ジボラン供給装置の
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。
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。
【００２４】そして、Ｂドープダイヤモンド結晶層４の
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。
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。
【００２５】
【実施例】図２で示したＨＢＴを次のようにして製造し
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。
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。
【００２６】表面を清浄化した基板を温度８５０℃に降
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。
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。
【００２７】基板温度を８５０℃に維持しつつ、更に、
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。
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。
【００２８】なお、この薄膜層の成長初期においては、
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。
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。
【００２９】各クヌードセンセル，Ｎ源の作動を停止
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。
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。
【００３０】そして、この積層構造を常法に従って加工
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。
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。
【００３１】ついで、このＨＢＴを温度２００℃に加熱
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。
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。
【００３２】更に、ベースの材料としてはｎ型ＧａＮを
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。
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。
【００３３】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
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。
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。
【図１】本発明の半導体装置におけるヘテロ接合構造を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】本発明の装置の１例を示すヘテロバイポーラト
ランジスタの断面図である。
ランジスタの断面図である。
１ 基板（Ｓｉ単結晶基板） ２ ｐ型ダイヤモンド結晶層（Ｂドープダイヤモンド
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
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−264837（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94527（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−112177（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−42813（ＪＰ，Ａ) Ｇｕａｎｇ−ｂｏ Ｇａｏ，ｅｔ．ａ ｌ．，”Ｍａｔｅｒｉａｌ−Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｆｏｒ Ｐｏ ｗｅｒ Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏ ｒｓ”，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩ ＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥ ＶＩＣＥＳ，1991年11月，ＶＯＬ．38, ＮＯ．11，ｐｐ．2410−2416 Ｔ．Ｐ．Ｃｈｏｗ，ｅｔ．ａｌ．，" Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄｇａｐ Ｃｏｍｐｏ ｕｎｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｓｕｐｅｒｉｏｒ Ｈｉｇｈ −Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｖ ｉｃｅｓ”，５ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔ ｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ ｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ＩＣ ｓ，1993年，ｐｐ．84−88 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737 H01L 21/205 H01L 29/00 - 29/267 H01L 29/30 - 29/38 H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50
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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