JPH04302150A - ダイヤモンドショットキーゲート型電界効果トランジスタ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ゲートにショットキ
ー接触を用いたショットキーゲート型電界効果トランジ
スタに係り、気相合成によるダイヤモンド薄膜により構
成した、ダイヤモンドショットキーゲート型電界効果ト
ランジスタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、高熱伝導率と優れた耐
熱性を有し、また、バンドギャップが大きく、電気的な
絶縁体でありながら所定の不純物を故意に添加するドー
ピングにより半導体としての性質を示すものであること
から、高温・大電力用の半導体デバイスへの応用が期待
されている。特に近年の気相合成技術の進歩により、Ｃ
ＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ　）法によって薄膜ダイヤモンドが比較的容易に
合成できるようになり、Ｂ（ホウ素）をドープしたｐ型
ダイヤモンド半導体、Ｓｉ（シリコン）をドープしたｎ
型ダイヤモンド半導体が得られている。

【０００３】このようなダイヤモンド半導体を用いた半
導体デバイスの開発が進められており、本出願人も、金
属（電極）−絶縁体−ダイヤモンド半導体接合によるＭ
ＩＳ型のダイヤモンド電界効果トランジスタを先に提案
している（特願平　２−６３８２７号）。図５は、従来
技術に係るＭＩＳ型ダイヤモンド電界効果トランジスタ
（以下、単にＭＩＳ型ダイヤＦＥＴという。）の断面構
造概念図である。

【０００４】図５において、５１はＳｉ基板であり、こ
のＳｉ基板５１上に絶縁性を有するダイヤモンド薄膜よ
りなるダイヤモンド絶縁体下地層５２が形成されている
。ダイヤモンド絶縁体下地層５２上には、図に示すよう
に、Ｂドープのダイヤモンド薄膜よりなるチャネルが形
成される動作層としてのｐ型ダイヤモンド半導体層５３
、Ｓｉドープのダイヤモンド薄膜よりなるソース領域と
なる動作層としてのｎ型ダイヤモンド半導体層５４ａ、
同じくＳｉドープのダイヤモンド薄膜よりなるドレイン
領域となる動作層としてのｎ型ダイヤモンド半導体層５
４ｂがそれぞれ形成されている。更に、ｐ型ダイヤモン
ド半導体層５３の上には、一部がｎ型ダイヤモンド半導
体層５４ａ，５４ｂに接合された状態で、絶縁性を有す
るダイヤモンド薄膜よりなるダイヤモンド絶縁体層５５
が積層されている。

【０００５】そして、ｎ型ダイヤモンド半導体層５４ａ
の表面には、この半導体層５４ａとの間でオーム性接合
を形成する、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）の２層構造よ
りなるＡｕ／Ｔｉ金属ソース電極５６が設けられている
。また、他方のｎ型ダイヤモンド半導体層５４ｂの表面
には、この半導体層５４ｂとの間でオーム性接合を形成
するＡｕ／Ｔｉ金属ドレイン電極５７が設けられ、ダイ
ヤモンド絶縁体層５５の表面にはＡｕ／Ｔｉ金属ゲート
電極５８が設けられている。このように構成されるＭＩ
Ｓ型ダイヤＦＥＴによれば、高温雰囲気においても正常
な動作が得られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に構成されるダイヤＦＥＴでは、ソース、ドレイン及び
ゲートの各電極を金属材料で形成するようにしたもので
あるから、金属電極とダイヤモンド薄膜との熱膨張率の
違いから、例えば約５００　℃から２５℃程度の室温ま
でというような、温度差の大きいヒートサクイル（熱サ
クイル）を受けた場合、ダイヤモンド半導体層やダイヤ
モンド絶縁体層中に上記熱膨張率の違いによる熱歪み基
づく転位、欠陥などが生じて安定な動作が得られなくな
ったり、ついには電極の剥離が発生したりするという欠
点がある。

【０００７】この発明は、上記の欠点を解消するために
なされたものであって、ダイヤモンド半導体を用いた電
界効果トランジスタにおいて、ソース、ドレイン及びゲ
ートの各電極を従来の金属材料によるものに代えてダイ
ヤモンド薄膜を用いて形成することにより、温度差の大
きいヒートサクイルを受けても動作不良なく安定に動作
し、電極の剥離が発生することのない、耐ヒートサクイ
ル性に優れた新規な素子構造を有する、ダイヤモンドシ
ョットキーゲート型電界効果トランジスタの提供を目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明によるダイヤモンドショットキーゲート
型電界効果トランジスタは、絶縁性を有するダイヤモン
ド薄膜よりなるダイヤモンド絶縁体下地層と、このダイ
ヤモンド絶縁体下地層上に形成され、所定の不純物が添
加されたダイヤモンド薄膜よりなる動作層としてのダイ
ヤモンド半導体層と、このダイヤモンド半導体層上にそ
の表面の一部に形成され、絶縁性を有するダイヤモンド
薄膜よりなるダイヤモンド絶縁体層とを備え、前記ダイ
ヤモンド半導体層は、ソース及びドレインの各電極を設
けるための電極領域が所定のイオンをイオン注入するこ
とによってその表面付近に界面準位が形成されており、
このダイヤモンド半導体層の前記電極領域に、縮退した
ダイヤモンド薄膜よりなり、前記ダイヤモンド半導体層
との間でオーム性接合を形成するソース電極及びドレイ
ン電極をそれぞれ設け、さらに前記ダイヤモンド絶縁体
層上に、縮退したダイヤモンド薄膜よりなり、前記ダイ
ヤモンド絶縁体層を介して前記ダイヤモンド半導体層と
の間でショットキー接合を形成するゲート電極を設けた
ことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】この発明によるダイヤモンドショットキーゲー
ト型電界効果トランジスタ（以下、単にダイヤショット
キーゲート型ＦＥＴという。）においては、ソース電極
、ドレイン電極及びゲート電極は、縮退したダイヤモン
ド薄膜よりなるものであるから、金属に近い電気的性質
を備えている。

【００１０】この縮退したダイヤモンド薄膜は、例えば
、反応ガスとして、炭化水素とＨ２（水素）とを混合し
た原料ガスにｐ型不純物としてのＢを導入するためのＢ
２Ｈ６（ジボラン）を適量添加したものを用いることに
より、気相合成法によって得られることが知られている
。 この場合、キャリア密度が１０２０／ｃｍ３　程度にな
るようにすると、Ｂがドーピングされたｐ型ダイヤモン
ド半導体は縮退してｐ＋　ダイヤモンド半導体となり、
金属に近い電気的性質を持つものとなる。

【００１１】そして、この縮退したダイヤモンド薄膜よ
りなるソース電極は、所定のイオンをイオン注入するこ
とによってその表面付近に界面準位が形成された動作層
としてのダイヤモンド半導体層の電極領域に設けられて
いるので、上記の界面準位を介して、ソース電極からダ
イヤモンド半導体層へ、ダイヤモンド半導体層からソー
ス電極へのキャリアの移動が可能になり、ダイヤモンド
半導体層との間でオーム性接合を形成する電極となる。 ドレイン電極も、同様の理由により、ダイヤモンド半導
体層との間でオーム性接合を形成する電極となる。

【００１２】なお、ダイヤモンド半導体層の電極領域に
イオン化されて注入される元素としては、例えば、ダイ
ヤモンド半導体のドーパントでもあるＢ、入手しやすく
安価であり、イオン注入装置にてイオン化の容易なＡｒ
（アルゴン），Ｃ（炭素）、炭化物を形成し易い金属元
素としてのＴｉ（チタン），Ｗ（タングステン），Ｔａ
（タンタル），Ｍｏ（モリブデン）、ダイヤモンド薄膜
中の炭素と固溶体を形成し易くＴｉ，Ｗなどに比べて炭
素の拡散定数が大きい金属元素としてのＦｅ（鉄），Ｎ
ｉ（ニッケル），Ｃｏ（コバルト）などが挙げられる。

【００１３】一方、縮退したダイヤモンド薄膜よりなり
、金属に近い電気的性質を持つゲート電極は、ダイヤモ
ンド半導体層に積層された絶縁性を有するダイヤモンド
薄膜よりなるダイヤモンド絶縁体層上に設けられている
。このため、ゲート電極はこのダイヤモンド絶縁体層を
介してダイヤモンド半導体層との間でショットキー接合
を形成する電極となる。このことについて、ダイヤモン
ド半導体層がｐ型の場合を例にして、以下に説明する。

【００１４】図３は、この発明に係る、ゲート電極−ダ
イヤモンド絶縁体層−ｐ型ダイヤモンド半導体層接合に
おけるエネルギーバンド図である。同図において、その
（ａ）は、零バイアス状態（バイアス電圧Ｖ＝０）を示
す図、その（ｂ）は、ゲート電極Ｇに正電圧をかけた逆
バイアス状態（Ｖ＞０）を示す図、その（ｃ）は、ゲー
ト電極Ｇに負電圧をかけた順バイアス状態（Ｖ＜０）を
示す図である。また、ゲート電極Ｇ、ダイヤモンド絶縁
体層Ｉ、ｐ型ダイヤモンド半導体層Ｐにおいては、フェ
ルミ準位をＥＦ１，ＥＦ２，ＥＦ３としてそれぞれ示し
ており、ダイヤモンド絶縁体層Ｉおよびｐ型ダイヤモン
ド半導体層Ｐにおいては、伝導帯下端のエネルギーをＥ
Ｃ２，ＥＣ３としてそれぞれ示し、価電子帯上端のエネ
ルギーをＥＶ２，ＥＶ３としてそれぞれ示している。ま
た、φｂ１，φｂ２はゲート電極Ｇとダイヤモンド絶縁
体層Ｉの界面のポテンシャル障壁、Ｖｂｉはｐ型ダイヤ
モンド半導体層Ｐの内蔵電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ　ｐｏ
ｔｅｎｔｉａｌ）を示す。

【００１５】ゲート電極Ｇが正となる逆バイアス状態で
は、図３の（ｂ）に示すように、フェルミ準位の大きさ
の関係はＥＦ１＜ＥＦ３＜ＥＦ２となり、ｐ型ダイヤモ
ンド半導体層Ｐのエネルギーバンドの曲がりが大きくな
る。その結果、ｐ型ダイヤモンド半導体層Ｐとダイヤモ
ンド絶縁体層Ｉの界面のポテンシャル障壁が高くなり、
図の白丸印○で示す正孔（ホール）は、ｐ型ダイヤモン
ド半導体層Ｐからゲート電極Ｇへ向かって流れにくくな
る。また、ダイヤモンド絶縁体層Ｉは絶縁体であるため
、その内部には一様な電界がかかり、いったんこのダイ
ヤモンド絶縁体層Ｉに入った正孔は電界によって減速さ
れることになる。

【００１６】ゲート電極Ｇが負となる順バイアス状態で
は、図３の（ｃ）に示すように、見かけ上ｐ型ダイヤモ
ンド半導体層Ｐの内蔵電位（ｂｕｉｌｔ−ｉｎｐｏｔｅ
ｎｔｉａｌ）Ｖｂｉが減少すること、また、ダイヤモン
ド絶縁体層Ｉに入った正孔が電界によって加速されるこ
とから、正孔はゲート電極側へ流れやすくなる。一方、
電子は、ゲート電極Ｇとダイヤモンド絶縁体層Ｉの界面
でのポテンシャル障壁φｂ２のために流れにくい。した
がって、この場合も多数キャリアは正孔となる。このよ
うにして、逆方向電流が極めて小さい整流性が得られる
。

【００１７】以上のことから、縮退したダイヤモンド薄
膜よりなるソース電極及びドレイン電極は、動作層とし
てのダイヤモンド半導体層との間でオーム性接合を形成
する電極となり、縮退したダイヤモンド薄膜よりなるゲ
ート電極は、ダイヤモンド絶縁体層を介してダイヤモン
ド半導体層との間でショットキー接合を形成する電極と
なる。その結果、素子絶縁のための下地層、動作層とし
ての半導体層、整流性に優れたショットキー接合を形成
するための絶縁体層、ゲート電極、ソース電極及びドレ
イン電極の全てをダイヤモンド薄膜よりなるものから構
成したショットキーゲート型ＦＥＴが得られる。

【００１８】

【実施例】以下、実施例に基づいてこの発明を説明する
。図１は、この発明の一実施例によるダイヤモンドショ
ットキーゲート型電界効果トランジスタの断面構造概念
図である。図１において、１は高抵抗Ｓｉ基板、２は絶
縁性を有するダイヤモンド薄膜よりなるダイヤモンド絶
縁体下地層、３はＢドープのダイヤモンド薄膜よりなる
ｐ型ダイヤモンド半導体層、４は絶縁性を有するダイヤ
モンド薄膜よりなるダイヤモンド絶縁体層である。また
、５はＢドープによる縮退したダイヤモンド薄膜よりな
りｐ型ダイヤモンド半導体層３の表面に設けられたソー
ス電極、６は、同じく、Ｂドープによる縮退したダイヤ
モンド薄膜よりなりｐ型ダイヤモンド半導体層３の表面
に設けられたドレイン電極、７はＢドープによる縮退し
たダイヤモンド薄膜よりなりダイヤモンド絶縁体層４の
表面に設けられたゲート電極である。

【００１９】図２は、この発明によるダイヤモンドショ
ットキーゲート型電界効果トランジスタの製作プロセス
を説明するための図である。以下の手順により、ダイヤ
ショットキーゲート型ＦＥＴを製作した。なお、マイク
ロ波ＣＶＤ法を用いて上記のダイヤモンド薄膜よりなる
各層の合成（形成）を行い、基板温度は８００℃とした
。

【００２０】■　　基板には高抵抗Ｓｉ基板１（抵抗率
＞１０００Ωｃｍ、寸法２０×１０ｍｍ）を用い、その
表面を平均粒径０．２５μｍのダイヤモンドペーストで
約３０分バフ研磨した。 この高抵抗Ｓｉ基板１上に、アンドープ（故意に不純物
を添加しないこと）の厚み約３μｍの多結晶のダイヤモ
ンド薄膜よりなるダイヤモンド絶縁体下地層２を形成し
た（図２の（ａ））。反応ガスは、ＣＨ４　とＨ２との
混合ガス（ＣＨ４　濃度：　０．５％）を用いた。ダイ
ヤモンド絶縁体下地層２は、この上に形成するＦＥＴ素
子と高抵抗Ｓｉ基板１を電気的に絶縁するためのもので
ある。

【００２１】■　　次いで、ダイヤモンド絶縁体下地層
２上に、マイクロ波ＣＶＤ法を用いて、Ｂをドープした
厚み約３μｍの多結晶のダイヤモンド薄膜よりなるｐ型
ダイヤモンド半導体層３を形成した（図２の（ｂ））。 反応ガスは、ＣＨ４　とＨ２とを混合した原料ガス（Ｃ
Ｈ４　濃度：　０．５％）に、ＢをドープするためのＨ
２で希釈したＢ２Ｈ６（ジボラン）ガスを総ガス流量　
１００ｓｃｃｍに対してその濃度が０．１ｐｐｍとなる
ように添加したものを用いた。合成時間は１４時間であ
る。

【００２２】■　　ｐ型ダイヤモンド半導体層３の表面
において、ダイヤモンド絶縁体層４を形成すべき部分以
外の部分に、厚み３００　Åのａ−Ｓｉ（アモルファス
シリコン）よりなるマスクをプラズマＣＶＤ法により形
成し、しかる後、ａ−Ｓｉのマスク部分ではダイヤモン
ド薄膜が成長しないことを利用して、アンドープの厚み
約０．１　μｍの多結晶のダイヤモンド薄膜よりなるダ
イヤモンド絶縁体層４を形成した（図２の（ｃ））。こ
の場合、ガス圧力は３１．５Ｔｏｒｒ、合成時間は１時
間である。反応ガスは、ＣＨ４　とＨ２とを混合した原
料ガス（ＣＨ４　濃度：　０．５％）に、酸素を総ガス
流量　１００ｓｃｃｍに対してその濃度が０．１％とな
るように添加したものを用いた。

【００２３】■　　その後、ａ−ＳｉのマスクをＨＦ（
フッ化水素）とＨＮＯ３（硝酸）との混合液にて除去し
てから、ソース電極５及びドレイン電極６を形成するた
めの電極領域以外の部分をフォトレジストで覆う。そし
て、イオン注入法により、上記の電極を形成すべき電極
領域に、ｐ型ダイヤモンド半導体層３の表面付近に界面
準位が形成されるようにＢイオンを注入した（図２の（
ｃ））。加速電圧は４０　ｋｅＶ、Ｂイオンのドーズ量
は１０１５／ｃｍ２　とした。

【００２４】■　　続いて、上記のフォトレジストを除
去して今度は上記のソース電極５、ドレイン電極６及び
ゲート電極７を形成するための電極領域が覆われるよう
にフォトレジストを塗布してから、ａ−Ｓｉのマスクを
施し、リフトオフによって、この電極領域以外の部分が
ａ−Ｓｉのマスクにより覆われるようにした。そして、
ｐ型ダイヤモンド半導体層３の電極領域にＢドープによ
る縮退したダイヤモンド薄膜よりなる厚み１μｍのソー
ス電極５及びドレイン電極６をそれぞれ形成するととも
に、ダイヤモンド絶縁体層４上にＢドープによる縮退し
たダイヤモンド薄膜よりなる厚み１μｍのゲート電極７
を形成した（図２の（ｄ））。この場合、反応ガスは、
ＣＨ４　とＨ２とを混合した原料ガス（ＣＨ４　濃度：
　０．５％）に、ＢをドープするためのＨ２で希釈した
Ｂ２Ｈ６（ジボラン）ガスを総ガス流量　１００ｓｃｃ
ｍに対してその濃度が１ｐｐｍ　となるように添加した
ものを用いた。

【００２５】このようにして製作したダイヤショットキ
ーゲート型ＦＥＴのゲート電圧ＶＧ　をパラメータとす
るドレイン電流−ドレイン電圧の特性を測定した。測定
結果の一例を図４に示す。ショットキーゲート型ＦＥＴ
として正常に動作するものが得られており、８００　℃
から２５℃程度の室温までの温度差のヒートサクイルを
繰り返しかけても、正常に動作するとともに、ソース、
ドレイン及びゲートの各電極が従来のように剥離すると
いうようなことは発生しなかった。また、ゲート電極に
おける逆方向電流は極めて小さく、その変動も認められ
なかった。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によるダ
イヤモンドショットキーゲート型電界効果トランジスタ
は、素子絶縁のための下地層、動作層としての半導体層
、整流性に優れたショットキー接合を形成するための絶
縁体層、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の全
てがダイヤモンド薄膜よりなるものから構成されたもの
であるから、温度差の大きいヒートサクイルを受けても
、異種材料を接合した場合のような熱歪みが発生しない
ので、電極が剥離するというようなことがなく、動作不
良なく安定に動作する。すなわち、この発明によれば、
耐ヒートサクイル性に優れたダイヤモンドショットキー
ゲート型電界効果トランジスタを提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるダイヤモンドショッ
トキーゲート型電界効果トランジスタの断面構造概念図
である。

【図２】この発明によるダイヤモンドショットキーゲー
ト型電界効果トランジスタの製作プロセスを説明するた
めの図である。

【図３】この発明に係る、ゲート電極−ダイヤモンド絶
縁体層−ｐ型ダイヤモンド半導体層接合におけるエネル
ギーバンド図である。

【図４】この発明によるダイヤモンドショットキーゲー
ト型電界効果トランジスタのドレイン電流−ドレイン電
圧の特性の一例を示す図である。

【図５】従来技術に係るＭＩＳ型ダイヤモンド電界効果
トランジスタの断面構造概念図である。

【符号の説明】

１…高抵抗Ｓｉ基板　　２…ダイヤモンド絶縁体下地層
　　３…ｐ型ダイヤモンド半導体層　　４…ダイヤモン
ド絶縁体層　　５…ダイヤモンド薄膜よりなるソース電
極６…ダイヤモンド薄膜よりなるドレイン電極　　７…
ダイヤモンド薄膜よりなるゲート電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁性を有するダイヤモンド薄膜より
   なるダイヤモンド絶縁体下地層と、このダイヤモンド絶
   縁体下地層上に形成され、所定の不純物が添加されたダ
   イヤモンド薄膜よりなる動作層としてのダイヤモンド半
   導体層と、このダイヤモンド半導体層上にその表面の一
   部に形成され、絶縁性を有するダイヤモンド薄膜よりな
   るダイヤモンド絶縁体層とを備え、前記ダイヤモンド半
   導体層は、ソース及びドレインの各電極を設けるための
   電極領域が所定のイオンをイオン注入することによって
   その表面付近に界面準位が形成されており、このダイヤ
   モンド半導体層の前記電極領域に、縮退したダイヤモン
   ド薄膜よりなり、前記ダイヤモンド半導体層との間でオ
   ーム性接合を形成するソース電極及びドレイン電極をそ
   れぞれ設け、さらに前記ダイヤモンド絶縁体層上に、縮
   退したダイヤモンド薄膜よりなり、前記ダイヤモンド絶
   縁体層を介して前記ダイヤモンド半導体層との間でショ
   ットキー接合を形成するゲート電極を設けたことを特徴
   とするダイヤモンドショットキーゲート型電界効果トラ
   ンジスタ。