JPH0422172A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0422172A JP2128563A JP12856390A JPH0422172A JP H0422172 A JPH0422172 A JP H0422172A JP 2128563 A JP2128563 A JP 2128563A JP 12856390 A JP12856390 A JP 12856390A JP H0422172 A JPH0422172 A JP H0422172A
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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〕 本発明は、動作部の一部にダイヤモンド半導体層を有す
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。
しかし、これらの半導体材料には高温で、例えばＳｉで
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。
これは、バンドギャップが３１で　１．　ｌｅν及びＧ
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。
又、集積回路の集積度は近年益々高まる傾向にあるが、
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。
これらの問題を解決するため、ダイヤモンドを用いて耐
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）。
ダイヤモンドは化学的に非常に安定である上、バンドギ
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。
半導体材料としてのダイヤモンドは単結晶でなければな
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。
又、エピタキシャル成長の際にＢやＰ等の適当な不純物
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。
しかし、上記の如く形成したダイヤモンド半導体層の電
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。
たとえばポロンドープダイヤモンドは５００℃でも半導
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。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明はかかる従来の事情に鑑み、全てのまたは一部の
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。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本発明では、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、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。
本発明の半導体装置において、全てダイヤモンド半導体
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。
尚、ダイヤモンド層は、前記の如＜ＣＶＤ法により形成
することができる。
〔作用〕
不純物を含まないダイヤモンドは絶縁物であるが、ポロ
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。
低抵抗のダイヤモンド半導体層を形成して、大電力用素
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。
逆にノンドープもしくは低ドープのダイヤモンド層は高
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。
そこで本発明ではキャリヤの供給源として高ドープダイ
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。
さらに充分な電流値を得るためには、不純物密度がＩＱ
”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
。
〔実施例〕
実　　施　　例　　１ 第１図（ａ）に示すように、超高圧法で合成しタタイヤ
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。
ダイヤモンド中のポロンの密度は３　ＸＩＯ”ｃｓ−’
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。
さらに第１図（Ｃ）に示すごとくダイヤモンド層３上に
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。
得られたシｇ７トキーダイオードについてＴｉ電極４を
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。
また温度を変えた測定結果では３００℃においても室温
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。
比較のために、ダイヤモンド層２．３の代わりに第３図
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。
又逆方向の耐圧に関しても８０〜９０Ｖでブレイクダウ
ンが発生していることが判る。
実施例２ 第１図のノンドープダイヤモンド層の代わりにポロンを
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。
実施例３ 第５図に示すごとく抵抗率１０−２Ω国のｐ型Ｓｉ基材
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。
このｐ中層８の上に、ドーピングガスを用いない以外は
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。
このダイヤモンド層９にスパフタリングによりＷ電極１
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。
得られたショットキーダイオードは各層に垂直に電流が
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。
実施例４ 第６図（ａ）に示すように、超高圧法で合成したダイヤ
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。
ダイヤモンド中のボロンの密度は３ＸＩＱ”ｃ＊−３で
あった。
このｐ中型ダイヤモンド層１２の上に、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。
第６図（Ｃ）に示すようにダイヤモンド層１３上にフォ
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。
ゲート長は１μｍ、ゲート幅は１０μｍとじた。
このトランジスタはノンドープ層を流れるキャリヤによ
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。
〔発明の効果〕
本発明では温度によるキャリヤ密度の変化の少ない高ド
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。
従って、温度変化に強く耐熱性や耐環境性に優れた高速
大電力用の半導体装置の製造が可能となった。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）、第１図（ｂ）、第１図（Ｃ）は本発明に
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)

    【特許請求の範囲】
  1. （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. （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. （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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