JPH0394429A - Ｍｅｓ型電界効果トランジスタ - Google Patents

Ｍｅｓ型電界効果トランジスタ

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JPH0394429A
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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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体デバイスの１種である、金属／半導体
（ＭＥＳ型）構造を有する電界効果トランジスタに関す
る。
［従来の技術］ 現在、半導体材料として用いられているのは主としてＳ
ｉであり、半導体市場の主流である論理回路や半導体メ
モリーなどの集積回路を構成している半導体デバイスに
用いられている。半導体デバイス中、半導体メモリーに
は集積化の容易なＭＯＳ型電界効果トランジスタが用い
られ、高速性を要求される論理演算子にはバイボーラ型
トランジスタが用いられている。
これら以外にもアナログＩＣなど多くの電子部品におい
てＳｉが用いられている。また、光学デバイス、超高速
ＩＣのような限定された用途に向けて、ＧａＡｓやＩｎ
Ｐなどの化合物半導体の開発が進んでいる。
しかし、Ｓｉは２００℃以上、ＧａＡｓは３００℃以上
の高温では使用できないという問題がある。
これは、バンドギャップがＳｉで１．１ｅＶ，ＧａＡｓ
で１　．　５　ｅＶと小さいため、Ｓｉは２００℃以上
、ＧａＡｓは３００℃以上で真性領域に入り、キャリア
密度が増大してしまうためである。
ところで、集積回路の集積度は近年ますます高まる傾向
にあるが、これに伴って素子の熱発生の割合も高まり、
これが回路の誤動作の原因となるため、放熱手段も問題
になってきている。
［発明が解決しようとする課Ｍ］ 本発明の目的は、耐熱性を有することに加えて、有効な
放熱手段をも有することができる電界効果トランジスタ
を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の目的は、金属層および半導体層を有するＭＥＳ
型電界効果トランジスタにおいて、動作層となる半導体
層がＰ型またはＮ型の半導体ダイヤモンド層であること
を特徴とするＭＥＳ型電界効果トランジスタによって達
成される。
本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタは、通常、１つ
のトランジスタの動作層としてＰ型半導体層またはＮ型
半導体層のいずれか一方を有するノーマリーオン型であ
るが、Ｐ型半導体層またはＮ型半導体層のそれぞれを動
作層として有する複数のトランジスタを１つの基板上に
形戊することも可能である。
本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタは、放熱効果の
点から、天然または人工合成されたダイヤモンド単結晶
から成る基板を有することが好ましい。この基板は、絶
縁性であることが好ましいが、動作層がＮ型（またはＰ
型）半導体ダイヤモンド層である場合、Ｐ型（またはＮ
型）半導体ダイヤモンド単結晶基板であってもよい。
半導体ダイヤモンド層は、気相合成法により成長、形成
されており、Ｂ，Ｎ，Ａｔ，Ｐ，ＳＳＣｌ．Ａｓおよび
Ｓｅから成る群から選択された少なくとも１種類以上の
元素を不純物として含む半導体ダイヤモンド層であるこ
とが好ましい。
ＭＥＳ型電界効果トランジスタは、ソース電極、ゲート
電極およびドレイン電極を有する。ゲート電極としては
、ダイヤモンドとショットキー接合を形成するいかなる
物質でも用いられる。例えば、Ａｕ，ｐｔ，ＣｕＳＭｏ
，Ｗ，ＡＩ、Ｎｉ，Ｆｅ１Ｃｏ，Ｍｎ等、あるいは、こ
れらの炭化物が用いられる。
ソース電極およびドレイン電極としてはダイヤモンドと
オーミック接合を形成するいかなる物質でも用いられる
。例えば、ＴＬ　Ｔａ，Ｈｆ等、あるいは、これらの炭
化物が用いられる。
本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタは、炭素源ガス
と希釈用ガスおよび不純物源ガスとを混合し、得られた
混合原料ガスを分解励起した後、基板上に導くことによ
って、動作層となる半導体ダイヤモンド層を基板上に成
長、形成させる気相合成法によって製造される。
上記方法において、半導体ダイヤモンド層を形成するた
め、炭素源ガス、希釈用ガスおよび不純物源ガスを混合
した原料ガスを使用する。炭素源ガスとしては、含炭素
有機化合物、例えば、メタン、エタンまたはエチルアル
コール等を使用できる。希釈用ガスとしては、水素ガス
および／または不活性ガスが用いられ、その使用量は、
炭素源ガスに対して等モル量以上である。不純物源ガス
としては、通常、所望の不純物の単体、水素化物、ハロ
ゲン化物または有機金属化合物を使用し、その使用量は
、半導体ダイヤモンド中の不純物の所望ドーブ量に応じ
て適宜選択される。
ダイヤモンド層を成長させる気相合成法において、原料
ガスを分解励起する方法としては、例えば、１）熱電子
放射材を１５００゜Ｋ以上の温度に加熱して原料ガスを
活性化する方法、２）直流、高周波またはマイクロ波電
界による放電を利用する方法、３）イオン衝撃を利用す
る方法、４）レーザーなどの光を照射する方法が挙げら
れる。いずれの方法を用いることも可能であるが、良好
な半導体ダイヤモンド結晶は、方法１）、”２）または
４）により得ることができる。なお、分解励起した原料
ガスを導く基板は、４００℃以上に加熱されていること
が好ましい。
酸素プラズマを用いたドライエッチング法によって、ダ
イヤモンド上に微細なパターンを形成することができる
。酸素プラズマを用いたドライエッチング法としては、
平行平板電極によるプラズマエッチング法またはイオン
ビームエッチング法のいずれかを用いることができる。
添付図面を参照しながら、本発明のＭＥＳ型電界効果ト
ランジスタについて説明する。なお、本発明は、添付図
面の態様に限定されるものではない。
第１図は、本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタの概
略を示す断面図である。この電界効果トランジスタは、
絶縁性ダイヤモンド単結晶基板ｌｌ，半導体ダイヤモン
ド層ｌ２、ソース金属電極ｌ３、ゲート金属電極ｌ４お
よびドレイン金属電極ｌ５を有する。半導体ダイヤモン
ド層Ｉ２は、Ｐ型またはＮ型のいずれかの半導体ダイヤ
モンドからできている。ソース金属電極１３およびドレ
イン金属電極ｌ５の下の半導体ダイヤモンド層ｌ２にお
ける各電極と接している部分（ゲート電極１４の下部以
外の部分）においては、不純物濃度が高いことが好まし
い。
［発明の効果コ ダイヤモンドは、バンドギャップが５．５ｅＶ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
熱的に安定な１４００℃以下には存在しない。また化学
的にも非常に安定である。したがって、ダイヤモンドで
作製したデバイスは高温での動作が可能となり、耐環境
性の優れたものとなる。また、ダイヤモンドの熱伝導率
は２０［Ｗ／ｃｍ・”Ｋ］とＳｉのｌＯ倍以上であり、
放熱性にも優れている。さらに、ダイヤモンドは、キャ
リアの移動度が大きい（電子移動度：２　０　０　０　
［ｃｍ”／ｖ−秒］、ホール移動度：２　１　０　０［
ｃｍ’／Ｖ　・秒］、３００°Ｋ）、誘電率が小さい（
Ｋ＝５．５）、破壊電界が大きい（Ｅ　＝　５　ｘ　１
　０　’Ｖ／ａｍ）などの特徴を有しており、高周波で
大電力用のデバイスを作製することができる。
更に、ダイヤモンドは、不純物を含まないと絶縁体であ
るという特徴も有しているため、ＭＥＳ型電界効果トラ
ンジスタを作製する際、基板のダイヤモンドと動作層の
ダイヤモンドとを電気的に完全に分離できるという利点
がある。
マタ、一般にＭＥＳ構造のトランジスタは、バイボーラ
型トランジスタに比べて製造工程が簡易であり、集積化
も容易である。ＭＥＳ型電界効果トランジスタの中でも
、ノーマリーオン型のＭＥＳ型電界効果トランジスタは
、簡単な構造を有するので製造工程を簡易にできるとい
う点でも優れている。
本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタは、耐熱性およ
び耐環境性に優れており、自動車のエンジンルーム、原
子炉および人工衛星などの過酷な環境下で使用できる。
また、本発明の電界効果トランジスタは、ダイヤモンド
の熱伝導率の良好さから高集積化が容易であるので、耐
熱性高速論理素子および高周波大出力素子として有用で
ある。
［実施例］ 以下の実施例によって、本発明をさらに説明する。
実施例ｌ 第２図に示す手順により、ダイヤモンドから成るＭＥＳ
型電界効果トランジスタを作製した。
（ｉ）３ｘ２Ｘｌｎ＋ａ＋のＩｂ型人工単結晶ダイヤ基
板２ｌの（１００）面上に公知のマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法で厚さ０．５μｍのＢ（ホウ素）ハイドーブＰ型
ダイヤモンド薄膜層２２を形成した（合成条件：マイク
ロ波パワー＝３００Ｗ，反応圧力＝　４　０　Ｔｏｒｒ
，反応ガス＝ＣＨ．（６％）十Ｂ，Ｈ．（０．０　０　
１％）十Ｈｙ（残））。
（ｉｉ）Ｐ型ダイヤモンドｌｖ膜層の一郎にＣｒ（クロ
ム）をマスク２３として蒸着し、マスク２３で覆われて
いない部分を酸素プラズマエッチングした： （エッチング条件：Ｒ．Ｆ．パワー（高周波出カ）＝２
００Ｗ，圧力＝　０　．０　０　５　Ｔｏｒｒ）。
（ｉｉｉ）先のＣｒマスク２３を除去せず、マイクロ波
プラズマＣＶＤ法により厚さ０．５μｍのＢ（ホウ素）
ドープＰ型ダイヤモンド薄膜，１！！２４を形成した： （合成条件二マイクロ波パワー＝３００Ｗ、反応圧力−
４　０　Ｔｏｒｒ，反応ガス＝ＣＨ．（６％）＋ＢｔＨ
ｓ（ｏ．ｏ　Ｏ　０　０　５％）＋Ｈバ残））。
（ｉｖ）Ｃｒマスク２３を王水で溶解することによって
、Ｐ型ダイヤモンド薄膜層２４の一郎をリフトオフ法に
より除去した。
（ｖ）Ａｕ／Ｍｏ／Ｔｉの３層電極を蒸着した後、一部
エッチングを行い、ソースおよびドレインのそれぞれに
オーミック電極２５、２５’を形成した。
（ｖｉ）ＡＩの蒸着後、一部エッチングを行い、ゲート
電極２６を形威した。このようにして作製したＭＥＳ型
電界効果トランジスタの特性を測定したところ、６００
℃でも第３図に示すトランジスタ特性が観測された。
Ｘを鯉ｉ 実施例１において、（１）で形成したＢハイドープＰ型
ダイヤモンド薄膜２２の代わりにＢドーブＰ型ダイヤモ
ンド薄膜２４を形成し、その上に電極２５、２５゜、２
６を形成した。このようにして作製したＭＥＳ型電界効
果トランジスタの特性を測定したところ、６００℃でも
第４図に示すトランジスタ特性が観測された。
Ｋ鬼鯉走 実施例ｌにおいて、ゲート電極２６に、Ａｔの代わりに
Ｗ（タングステン）を用いた。このようにして作製した
ＭＥＳ型電界効果トランジスタの特性を測定したところ
、８００℃でも第５図に示すトランジスタ特性が観測さ
れた。
【図面の簡単な説明】
第ｌ図は、本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタの概
略を示す断面図である。 第２図は、本発明のＭＥＳ型電界効果トランジスタの製
造を示す断面図である。 第３図〜第５図は、本発明のＭＥＳ型電界効果トランジ
スタによって得られたトランジスタ特性を示すグラフで
ある。 １１，２１・・・基板、 】２、２２、２４・・・半導体層、 ｌ３、ｌ４、ｌ５、２５、２５゛、２６・・・金属層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １、金属層および半導体層を有するＭＥＳ型電界効果ト
    ランジスタにおいて、動作層となる半導体層がＰ型また
    はＮ型の半導体ダイヤモンド層であることを特徴とする
    ＭＥＳ型電界効果トランジスタ。
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