JPH0422172A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
る半導体装置に関する 〔従来の技術〕 現在、トランジスタやダイオード等の半導体素子を始め
、これらを組み込んだ論理回路やメモリー等の集積回路
において、主に使用されている半導体材料はSiである
。又、GaAsやInP等の化合物半導体材料も、光デ
バイスや超高速1c等の限定された用途に向けて開発が
進んでいる。
は200℃以上で及びGaAsでは300℃以上で使用
出来ないという問題がある。
aAsで1.5evと小さいため、上記温度以上で真性
N域に入り、キャリヤ密度が増大してしまう為である。
それに伴なって発熱量も大きくなり、これが誤動作の原
因にもなっている。
熱性、放熱性に優れた半導体装置を製造することが提案
されている(特開昭59−213126号公報及び特開
昭59−208821号公報参照)。
ャップが5.5eνと大きいため、真性領域に相当する
温度領域はダイヤモンドが熱的に安定す14’OO℃以
下には存在しない、ダイヤモンドの熱伝導率は20W/
clI−にとSiの10倍以上であり、放熱性に優れて
いる。更に、ダイヤモンドのキャリヤ移動度は300に
での電子移動度が200M/V・sec及び正孔移動度
が2100cj / V−secと大きく、誘電率に=
5.5及び破壊電界El = 5 xlO’ V/■と
共に大きい等の特徴を有している。依って、半導体材料
としてダイヤモンドを使用することにより、耐熱性や耐
環境性に優れ、高温での動作が可能な半導体装置、又大
電力の半導体装置を作製出来る可能性がある。
らないが、化学的気相合成法(CVI)法)によりメタ
ンと水素の混合ガスをマイクロ波プラズマ等で励起して
反応させ、ダイヤモンド単結晶基板やSi基板等の上に
ダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させることが
出来る。
をドーピングすることにより、ダイヤモンドの比抵抗を
下げると共にダイヤモンドをn型又はn型にすることが
可能である。
気的特性は、ドーピングを行うと装置のある環境の温度
に大きく影響される。一般にダイヤモンドの不純物準位
は深いため室温ではイオン化していない不純物が温度上
昇によりイオン化して、キャリヤ密度の上昇を招き抵抗
率が減少する。
体的性質を示し、トランジスタ等の装置の動作が確認さ
れているが室温と比較すると抵抗率で3桁以上の減少が
認められ、この為温度が一定でない環境においては、装
置の特性が安定しないという問題があった。さらに大き
い電流利得を得るためにはドーピング量を増やすと移動
度が下がる他、接合界面が悪化する等の問題があった。
動作部として耐熱性等に優れたダイヤモンド層を用いた
半導体装置に於て温度に依存せず安定した動作を示し、
ドーピングによる上記の障害を持たない半導体装置を提
供することを目的とする。
の動作部がダイヤモンド層からなる半導体装置において
伝導に寄与するキャリヤの供給源として、不純物密度が
10”C1)1−’以上1022(2)−3以下である
高ドープダイヤモンド層を、キャリヤの移動領域として
、不純物密度がIQ”all−’以下である低ドープダ
イヤモンド層を備えたことを特徴とする。
層から構成されても良いが、動作部の一部が他の半導体
材料、例えばSi、Ge等の元素半導体、GaAs、G
aN 、In P 、Zn5e、 c −B N 、S
i C等の化合物半導体もしくはこれらの複合化合物半
導体等から構成されていても良い。
することができる。
ンやリン等の不純物をドーピングするとダイヤモンドの
禁制帯中に不純物本位を形成し半導体的性質を示すよう
になる。
子等に用いるためには、ドーピング量を多くしなければ
ならない。しかしながら、ト′−ピング原子はダイヤモ
ンドを形成している炭素原子と格子定数等が異なるため
、ダイヤモンド構造が乱れ安く、pn接合及びショット
キー接合等の整流性や耐圧性を悪化させる。また、結晶
構造の乱れによりキャリヤの移動度が低下する。すなわ
ちドピングは伝導に寄与するキャリヤ数を増やすものの
ダイヤモンド本来の優れた特性を引き出すための障害と
なる。
ドープのダイヤモンド半導体層に比べ良好な結晶性を持
つ。それ故、高い移動度や耐圧を期待出来る。しかしな
がら、キャリヤを供給するドーピング原子が少ない事か
ら、伝導に寄与するキャリヤの絶対数が少なく、この半
導体層のみでは実用的なデバイスを作製するのは困難で
ある。
ヤモンド層、キャリヤの伝導層としてノンドープあるい
は低ドープダイヤモンド層を用い、キャリヤが多数ある
高ドープ層から結晶性が高いノンドープ層あるいは低ド
ープ層へキャリヤを注入した上記の問題を解決した。充
分なキャリヤの供給を行い本発明の目的を達成するため
には、上記高ドープダイヤモンド層の不純物密度が10
1)1値−エ以上IQ”cm−’以下であることが必要
である。
”elm−’以上が好ましい。1otO(2)−3以上
の不純物密度ではフェルミ縮退が起こり温度によりキャ
リヤ密度がほとんどかわらない状態で、そのため安定し
たキャリヤの供給源になり、さらに好ましい。高ドープ
層の不純物密度がIQ”LJ−’を越えると結晶性の悪
化が著しく半導体装置に用いる事ができない。低ドープ
層あるいはノンドープ層の不純物密度は結晶性が悪化は
とんど生しない10”値−3以下である事が必要である
。
モント単結晶基板1 (2IIIsx 1.5+m X
O,3wa+)を用い、その(100)面に対して傾
きが5度以内である面上に、マイクロ波プラズマCVD
法により厚さ10μmのp+型型ダイモモ21層2エピ
タキシャル成長させた。成長条件は、マイクロ波パワー
が300W、反応圧力が40Torrであり、原料ガス
はCHa / Ht ” 6 / 100.ドーピング
ガスはB、 It、を用い、Bt H& / CHa
= 1000/ 6ppmとした。
であった。このp+型型ダイモモ21層2上に、ドーピ
ングガスを使用しない以外は上記と同様のCVD法によ
り第1図(b)に示すように厚さ0.5μ鴎のノンドー
プのダイヤモンド層3を成長させた。
オーミック電極としてTit極4及びショットキー電極
としてM電極5を蒸着により形成した。
零電位に保ち、M電極5に印可する電圧を変化させるこ
とにより準方向及び逆方向に流れる電流を測定したとこ
ろ第2図に示すショットキー特性が得られた。室温での
整流比は4〜5桁あり逆方向の電圧も500■以上あっ
た。
と変わらない順方向電流値が得られ温度による特性の大
きな変化が認められないことが判る。
に示すように10.5μlのp型ダイヤモンド層6 (
ポロン密度10”am−”)をエピタキシャル成長させ
た。さらに第1図(c)に示すごと<Ti電極4とM電
極5を形成した。を流−電圧特性の温度依存性を第4図
に示す、室温では、電流があまり流れないが、300℃
ではp型ダイヤモンドの不純物が活性化され室温の約1
00倍の順方向電流が流れるようになり温度により特性
が安定しない。
ンが発生していることが判る。
低ドープしたポロン密度が1o16cn−3のダイヤモ
ンド層を用いて他の条件はすべて同じにしたノヨットキ
ーダイオードにおいては4桁の整流比が得られた。また
温度特性も300℃で順方向電流値がおよそ2倍になっ
たが、実施例1の比較例(第4図)程の電流変化は認め
られなかった。
7 (5sm X 5mta X 0.3+m)の上に
、マイクロ波プラズマCVD法により厚さ10μ−のp
−型ダイヤモンド層8を成長させた。成長条件は、原料
ガスとしてCHa / Hz ”= 1 / 100を
用いた以外は実施例1と同様であった。
上記と同様のCVD法により厚さ1μ−のノンドープの
ダイヤモンド層9を形成した。
0を形成した。 Si基材7の裏面には抵抗加熱により
400℃でAu電極1.1を蒸着した。
流れることから直列抵抗が小さく最大10Aの交流電流
(印加電圧100V)を整流することができた。またこ
の試験を400℃の環境で行ったが順方向を流値には変
化がなかった。
モンド単結晶基板1 (2mmX1.5mm Xo、3
mm)を用い、その(100)面に対して傾きが5度以
内である面上に、マイクロ波プラズマCVD法により厚
さ0.1μ■のp−型ダイヤモンド層2をエピタキシャ
ル成長させた。成長条件はマイクロ波パワーが300W
、反応圧力が4QTorrであり、原料ガスはCHa
/ H* = 6 / 100.ドーピングガスはBJ
iを用い、BZH&/ CHa = 1000/ 61
)9−とした。
あった。
を使用しない以外は上記と同様のCVD法により第6図
(b)に示すように、厚さ0.5μ閣のノンドープのダ
イヤモンド層I3を成長させた。
トリソグラフィーによりMのゲート電極14とT1のソ
ース電極15、及びドレイン電極16を形成た。
り12GHzの高周波の波形を歪ませずに増幅すること
ができた。
ープのダイヤモンド層をキャリヤの供給源として用いる
ことにより、温度変化に対して安定した特性を示し、か
つキャリヤの伝導領域を結晶性の高いノンドープあるい
は低ドープ層とすることにより、ダイヤモンド本来が持
つキャリヤの高い移動度や高い絶縁破壊電圧を利用する
ことができるようになった。
大電力用の半導体装置の製造が可能となった。
よる実施例1の半導体装置の製造工程を示す断面図であ
り、第2図は上記半導体装置のショットキー特性のグラ
フである。第3図は比較例の半導体装置の断面図である
。第4図は比較例の半導体装置のショットキー特性のグ
ラフである。 第5図は実施例3の半導体装置の断面図である。 第6図(a)、第6図(b)、第6図(C)は実施例4
0半導体装置の断面図である。 1・・・・・・・ダイヤモンド単結晶基板2、 8.1
2・・・p+型ダイヤモンド層3、 9.13・・・ノ
ンドープダイヤモンド層4・・・・・・・Ti電極 5・・・・・・・M@極 6・・・・・・・p型ダイヤモンド層 7・・・・・・・p型Si基材 10・ ・ 1)・ ・ 14・ ・ 15・ ・ 工6・ ・ ・ ・ ・ ・ ・Wiii8i ・・・・・Au1i極 ・ ・ ・ ・ ・Mゲート電極 ・・・・・T1ソース電極 ・・・・・Tiドレイン電極 ψゼ9 第 図 第 第6図に)
Claims (3)
- (1)少なくとも一部の動作部がダイヤモンド層からな
る半導体装置において伝導に寄与するキャリヤの供給源
として高ドープダイヤモンド層を、キャリヤの移動領域
として低ドープダイヤモンド層を備えたことを特徴とす
る半導体装置。 - (2)上記高ドープダイヤモンド層の不純物密度が10
^1^8cm^−^3以上10^2^2cm^−^3以
下である、請求項(1)記載の半導体装置。 - (3)上記低ドープダイヤモンド層の不純物密度が10
^1^7cm^−^3以下である、請求項(1)記載の
半導体装置。
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