JPH02244677A - ダイヤモンド半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （概要） ダイヤモンド半導体装置に関し。

高温で動作し、しかも高速動作の可能な半導体装置の実
現を目的とし。

絶縁性ダイヤモンド基板と、該絶縁性ダイヤモンド基板
上に形成されたダイヤモンド半導体層と。

該ダイヤモンド半導体層に穿たれた一列に並ぶ複数の小
孔を導電材料で埋込んだグリッドベースと。

該グリッドベースに接続し、該ダイヤモンド半導体層上
に連続して形成されたベース電極と、該ベース電極を挾
んで該ダイヤモンド半導体層上に形成されたエミッタ電
極及びコレクタ電極とを備え。

該エミッタ電極と該コレクタ電極との間に流れる電流を
、該グリッドベースの電位或いは電流によって制御する
ダイヤモンド半導体装置により構成する。

〔産業上の利用分野］ 本発明はダ・イヤモンド半導体装置に関する。

ダイヤモンドのバンドギャップは５（３νと大きく。

しかも、ホールの移動度も１６００ｃｍ”／　Ｖ・Ｓと
大きいので、５００°Ｃ程度の高温でも動作する高速″
１６導体材料として期待されＣいる。

しかし、不純物中位はアクセプタ準位が価電子帯頂から
０．３７ｅＶ十にあるのに対し、ドアー準位は伝導帯底
より４．ＯｅＶ　’７’にあるため５　Ｎ型半導体とは
ならず、Ｐ型半導体として使う必要がある。

（従来の技術） 従来、ダイヤモンドでＮ型半導体を形成するのは困難で
あるため、ダイヤモンド半導体装置の検討例は少なく、
Ｐ型半導体のみを用いた点接触ショット・キーダイオー
ドや、縦型のパーミアブルベーストランジスタ（Ｐ　Ｂ
、　Ｔ　）が検討されζいるに過ぎない。

第４図に従来のＩ）Ｂ　′Ｔ’の構造を示し、１３は基
板２１は半導体層、２２はチャネル、３２はグリッドベ
ース、４１はベース電極、５１はエミッタ電極、　６１
ばコレクタ電極を表す。

第４図に見るように、ＰＢＴは〜三極管を半導体で実現
し７よ・うというもので、三極管のグリッドに相当する
グリッドベース３２が半導体層２１中に押込まれている
。この構造はいわゆる縦型構造ご、゛１毛導体層２１召
ダ・イヤモンド半導体層とする時、グリッドベース３２
を形成した後、さらにぞのＪ−弓こダイヤモンド半導体
層をエピタキシャル成長する必要がある。しかし、グリ
ッドベース３２の真上にまでダイヤモンド／ドを横方向
に１ビタキシャル成ｆｆ、　するのは容易でなく、成長
を促進するために高：ＩＩＡにするど、高温によるグリ
ッドベース材料の拡ｆ−１！ｉ：やエピタキシャル成長
層の結晶性不良のため、′４′：導体装置として動作す
るに至っていない。

〔発明が解決しようとする課題］ 従って１従来の縦型構造のＰ　Ｂ　’ｒでは、ダイヤモ
ンド半導体トランジスタを実現するのは困難である。

本発明は、Ｐ型ダイヤモンド半導体のみを用いて、活性
領域の結晶性を頃なうことなく、高性能のダイヤモンド
半導体トランジスタを実現しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明のダイヤモンド半導体装置の構造を示し
、第１図（ａ）、　　（ｂ）は、それぞれ。

上面図、Ａ−Ａ断面図であり、１は絶縁性ダイヤモンド
基板、２はダイヤモンド半導体層、３はグリッドベース
、４はベース電極、５はエミッタ電極、６はコレクタ電
極、７は素子分離溝を表す。

上記課題は、絶縁性ダイヤモンド基板１と、該絶縁性ダ
イヤモンド基板１上に形成されたダイヤモンド半導体層
２と、該ダイヤモンド半導体層２に穿たれた一列に並ぶ
複数の小孔を導電材料で埋込んだグリッドベース３と、
該グリッドベース３に接続し、該ダイヤモンド半導体Ｎ
２上に連続して形成されたベース電極４と、該ベース電
極４を挟んで該ダイヤモンド半導体層２上に形成された
エミνり電極５及びコレクタ電極６とを備え、核エミン
タ電極５と咳コレクタ電極６との間に流れる電流を、該
グリッドベース４の電位或いは電流によって制御するダ
イヤモンド半導体装置によって解決される。

〔作用］ 従来の縦型構造のＰＢＴにおいては、グリッドベースの
真Ｊ−，にダイヤモンドを横方向気相エピタキシャル成
長することが困難で、その部分の結晶性が悪く１デバイ
ス性能を下げる原因となっていたのに鑑み６本発明では
横型構造のＰ　Ｂ　Ｔとしている。

絶縁性ダイヤモンド基板１上に１例えば不純物をドープ
しながらダイヤモンドをエピタキシャル成長させてダイ
ヤモンド半導体層２を形成する。

このダイヤモンド半導体層２に複数の細孔を一列に開け
、そこに導電材料を埋込み、グリッドベース３を形成す
る。このグリッドベース３の七にベース電極４を設け、
さらに、ベース電極から所定距離雌れたダイヤモンド半
導体層２上にエミッタ電極５及びコレクタ電極６を設け
る。

このようにすれば、グリッドベース３上にダイヤモンド
をエピタキシャル成長する必要はなく。

ダイヤモンド半導体層２は初めに絶縁性ダイヤモンド基
板１上にホモエピタキシャル成長するだけでよい。

それ故、活性層には特性を低下させるような欠陥は非常
に少ない。

さらに、横型構造のＰＢＴでは、エミッタ電極５、ベー
ス電極４．コレクタ電極６をダイヤモンド半導体層２上
に形成すればよいので、製造が容易になる。

（実施例〕 以下１本発明の実施例について説明する。

第２図（ａ）乃至（ｄ）は本発明のダイヤモンド半導体
装置の製造工程を説明するための断面図で、これらの図
を参照しながら説明する。

第２図（ａ）参照 ノンドープの絶縁性ダイヤモンド基板（合成ダイヤモン
ド）ｌ上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法により不純物を
ドープしながらダイヤモンド半導体層２を形成した。

まず、絶縁性ダイヤモンド基板１を水素のみのプラズマ
中に３０分間入れ２表面の汚染を除去した。条件は次の
如くである。

水素流量：　８０ＳＣＣＭ 反応ガス圧：　３０　Ｔｏｒｒ マイクロ波パワー：６００Ｗ 次に、この条件のままメタン（Ｃ）１４　）とジボラン
を添加した。メタンとジボランの添加条件は次の如（で
ある。

メタン（ＣＩ＋４　）　？　０．４５ＣＣＭ（ＣＨ４／
１１□流量比０゜５％） ジボランＣＢｔＨｈ）　　：　８ＳＣＣＭ　（１０ｐｐ
ｍ、　ＩＩ□ベース）（ＢＪｈ／ＣＪ流量比０．２％） この状態で１．５時間不純物をドープしながら気相成長
を行った。得られたＢドープＰ型ダイヤモンド半導体層
２の厚さは０．５μｍであった。

第２図（ｂ）参照 このようにして得られた５ｏｌ（絶縁性ダイヤモンド基
板１上に形成されたダイヤモンド半導体層２）の加工を
次に行う。

レジスト塗布、パターン露光、現像により、グリッドベ
ース形成用開孔３１及び素子分離溝７を形成するための
開口をもつレジストパターン（図示せず）を形成する。

その開口から酸素による反応性イオンエツチング（ＲＩ
Ｅ）によってダイヤモンド半導体層２を絶縁性ダイヤモ
ンド基板１に到達するまで堀り下げて、グリッドベース
形成用開孔３■及び素子分離溝７を形成し、その後レジ
ストパターンをエツチングして除去する。

グリッドベース形成用開孔３１及び素子分離溝７の寸法
及び配置は次の如くである。

グリッドベース形成用開孔３１： 直径１μｍ、深さ０．５μｍの開孔５箇ｌｌｔｍの壁面
間隔で一列に並ぶ 素子分離溝７二幅３１ノｍ １素子のサイズは２０μｍ×３０μｍ 開孔３１の列を素子のほぼ中央に含む 第２図（Ｃ）参照 全面に金（Ａｕ）を厚く蒸着しグリッドベース形成用開
孔３１が充分埋まる金属膜１１を形成する。この金属膜
１１は、グリッドベース３及び電極を形成するためのも
のである。

その上に、ベース電極４．エミッタ電極５．コレクタ電
極６に対応するレジストパターン１２を形成する。

第２図（ｄ）参照 レジストパターン１２をマスクとして、塩素ガスまたは
炭化水素ガスによる反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）
によって金属膜１１を除去し、ベース電極４．エミッタ
電極５．コレクタ電極６を形成する。各電極の寸法と配
置は次の如くである。

ベース電極４：幅１．５μｍ エミッタ電極５：幅４μｍ ベース電極４との間隔４１１ｍ コレクタ電極６二幅は４μｍ。

ベース電極４との間隔４１ｔｍ なお１　ベース電極４は、グリッドベース３の上に形成
される。

このようにして製造されたダイヤモンド半導体装置の特
性を測定したところ、三極前特性を示しカットオフ周波
数はＩＧＨｚ程度であった。さらに。

５００°Ｃでも動作が可能であった。

なお、ベース電極４．エミッタ電極５．コレクタ電極６
の配置はトの実施例に限らず１例えば第３図にダイヤモ
ンド半導体装置の他の例として示すように５エミッタ電
極５．ベース電極４．コレクタ電極６を同心円状に形成
することもできる。

さらに、ノンドープのｓｉ基板やＧａＡｓ等の化合物半
導体基板に不純物をドープしたダイヤモンド半導体層を
成長して、実施例１或いは実施例２と同様の構造を作る
ことも本発明の延長上にある。

また、グリッドベース形成用開孔３１を埋込みの際、金
属埋込みの前に絶縁体で開花の壁面を覆１、。

ておけば特性が向上する。金属Ｉ模１１の材料は、金（
Ａｕ）に限らず、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（
ＡＩ）等の導電体も使用できる。

ダイヤモンド半導体１ｒＪ２の形成方法は、ヒ述のマイ
クロ波プラズマＣＶＤ法に限らず、熱フイラメント法を
はじめ、ダイヤモンドのエビタートシャル成長が可能な
方式は使用３゛ることができる。

絶縁性グイセモンド基板１に硼素（Ｌ３）等のイオン注
入を行い、アニールして活性化し、ダイヤモンド半導体
層２を形成したＳ　Ｏ１５板も使用できる。

原料ガスはメタンとジボランに限定されるものではなく
、メタンの代わりにアセトン、メチルアルコール、エチ
ルアルコール、二酸化炭素等炭素原子を含む材料を使う
ことができ、ジボランガスの代わりにプラズマ中に置か
れたバルクの硼素から発生ずるガスを使うことができる
。

絶縁性ダイヤモンド基板１表面の汚染除去に対しては、
水素プラズマばかりでなく酸素プラズマでも同様の効果
がある。

（発明の効果） 本発明の素子構造はＰＮ接合やその他の容量成分が非常
に小さく、しかも、ダイヤモンドのホール移動度が１６
００ｃｍ２／　Ｖ・Ｓと非常に高いため、超高速半導体
素子となる。

ノンドープのダイヤモンドは良好な絶縁体であり、その
」二にホモエピタキシャル成長する際、不純物を混入す
れば容易に半導体になるため１良質のＳｏｌが比較的筒
車に製造でき、特性の高信頼性力＜ｒａｎ保され、さら
に本発明の素子構造が簡単であるため、工程の短縮、コ
スト低減といった付随的効果もある。

本発明によれば、高温で動作が可能で、高周波特性のよ
いダイヤモンド半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のダ・イヤモンド半導体装置。 第２図は製造工程 第３図はダイヤモンド半導体装置の他の例第４図は従来
のＰＢＴの構造 である。図において ■は絶縁性ダイヤモンド基板。 １１は金属膜 １２はレジストパターン。 １３は基板。 ２はダイヤモンド半導体層。 ２１は半導体層 ２２はチャネル ３３２はグリッドベース。 ３１はグリッドベース形成用開孔。 ４．４１はベース電極。 ５．５１はエミッタ電極 ６．６１はコレクタ電極。 ７は素子分離溝 を表１０ （ｆｌ） Ａ−Ａ折ｆ７目 （ｂ） 極Ｉｌ］Ｑｇ）グイヤモ〉ド姻Ｉ 嘘　１　呵 上面日 （α） Ｂ−Ｂ鱈面目 Ｃｂ） ダイマ七ンド半装置の砲。斗Ｊ 案３１１２７ （α〕 ＜ｂ＞ （Ｃン （ｄ） 製表工程 霊４日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 絶縁性ダイヤモンド基板（１）と、 該絶縁性ダイヤモンド基板（１）上に形成されたダイヤ
   モンド半導体層（２）と、 該ダイヤモンド半導体層（２）に穿たれた一列に並ぶ複
   数の小孔を導電材料で埋込んだグリッドベース（３）と
   、 該グリッドベース（３）に接続し、該ダイヤモンド半導
   体層（２）上に連続して形成されたベース電極（４）と
   、 該ベース電極（４）を挟んで該ダイヤモンド半導体層（
   ２）上に形成されたエミッタ電極（５）及びコレクタ電
   極（６）と を備え、該エミッタ電極（５）と該コレクタ電極（６）
   との間に流れる電流を、該グリッドベース（３）の電位
   或いは電流によって制御することを特徴とするダイヤモ
   ンド半導体装置。