JPH0429376A - ｎ型半導体立方晶窒化ホウ素のオーミツク電極 - 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】 【産業上の利用分野】

本発明はｎ型半導体立方晶窒化ホウ素のオーミック接続
電極に関する。

【従来の技術】

半導体立方晶窒化ホウ素はダイオード、トランジスタ、
センサなどの半導体デバイスの新しい材料として注目さ
れている。立方晶窒化ホウ素は絶縁体のものが広く知ら
れているが、ここで対象にするのは比抵抗の低い半導体
立方晶窒化ホウ素である。 立方晶窒化ホウ素は広い禁制帯幅（７，０ｅＶ）を持ち
、耐熱温度が高＜　（１３００°Ｃ）、化学的にも安定
である。このため半導体立方晶窒化ホウ素は優れた耐環
境、パワー用デバイス、或は青色発光素子の材料として
強い期待が寄せられている。 立方晶窒化ホウ素は天然には存在せず、高圧合成によっ
て形成することが出来る。また、近年気相合成による薄
膜の形成も報告されている。 ｐ型立方品窒化ホウ素は、べＩＪ　ＩＪウム（Ｂｅ）を
ドープすることによって得られる。一方、ｎ型立方品窒
化ホウ素はイオウ（Ｓ）、ソリコン（Ｓｉ）をドープす
ることによって得られる。 現在のところ、高圧合成法を用いて、ｐ型立方品窒化ホ
ウ素を種結晶としてさらにｎ型立方品窒化ホウ素を連続
成長させることにより、ｐｎ接合ダイオ〜ドが試作され
ている。このｐｎ接合ダイオードは６５０°Ｃまでダイ
オード特性を示す。さらに電流注入により３４０ｎｍを
中心に紫外〜青色光の発光を示すことが報告されている
。 半導体デバイスを作る場合、オーミック接続できる電極
の形成は極めて重要である。オーミック接続電極という
のは、ここを通る電流、電圧特性がオームの法則に従い
順逆方向に対称であるものを意味する。またできるだけ
接触抵抗が小さいほうがよい。接触抵抗というのは単位
接触面を単位電流が流れるために印加すべき電圧として
定義される。単位はΩ・Ｃｍ２である。 金属と半導体の接続は、オーミック接続であるかショッ
トキー接続であるかである。半導体と金属を接合すると
バンドが上方へ歪みバリヤを形成するので多くの場合シ
ョットキーとなりオーミックにはなり難い。 ｎ型立方品窒化ホウ素の電極として未だ優れたものが無
い。従来は、銀（Ａｇ）電極、銀ペーストなどが用いら
れているが（■Ｒ，Ｈ，Ｗｅｎｔｏｒｆ、Ｊｒ、：Ｊ、
ｏｆＣｈｅＩｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｖｏｌ、３Ｇ（１９６
２）＋９９０■Ｏ，ＭＩｓｈｌｍａ、ｅｔｃ、：５ｃｌ
ｅｎｃｅ　Ｖｏｌ、２３８（１９８７）１８１）、現在
のところオーミック接続が得られたという報告はない。

【発明が解決しようとする課題】

オーミック接続形成技術は半導体デバイスを製作する上
で、必要不可欠の重要な技術である。さらにオーミック
接続が得られたならば、できるだけオーミック接続部の
接触抵抗が小さいことが望ましい。通常の電子デバイス
の接触抵抗としてはｌｏ−２Ω・０ｍ２以下が用いられ
ており、高速、高周波デバイスではさらに小さい１０−
４Ω・Ｃｍ２以下の接触抵抗が要求されている。 作成した接続がオーミック的ではなくシｌ？７）キー的
ならば、作製したデバイスに電流を流そうとしても、接
続電極部のショットキー障壁のため有効に電流が注入で
きず、デバイスへの電流注入効率が低い。また、接続電
極部での抵抗も大きいため電圧降下が著しく、デバイス
にかかる実効印加電圧が小さくなる。これらのためデバ
イスとして充分な特性が得られない。さらに、接触電極
部での発熱の問題も大きな難点となる。 従って、半導体立方晶窒化ホウ素を半導体デバイスの材
料として活用できるためには、オーミック接続電極の形
成が必要不可欠である。 本発明の課題はオーミック接続電極をｎ型半導体立方晶
窒化ホウ素上に形成する事である。

【課題を解決するための手段】

本発明のｎ型半導体立方晶窒化ホウ素のオーミック電極
は、ｎ型半導体立方晶窒化ホウ素上にＳｌもしくはＳを
含む金属或は合金によって電極を形成したものである。 ＳｌもしくはＳを含む母体としての電極材料はＯｒ、ｗ
ｌＭｎ、　Ｃｏ、Ｎｌ、ＰｔＮ　ＡｇｌＺｎｌＷＣｌＭ
ｎＺｎ１ＮＩＱＢ、ＰｔＰｄｌＡｇＡｊなど任意である
。

【　　作　　用　　】

本発明においては、ＳｌもしくはＳを含む金属或は合金
をｎ型立方品窒化ホウ素上に電極として形成するので、
オーミック接続電極が得られる。 これは本発明者が実験を重ねて見いだしたものである。 なぜＳｌ、Ｓを含む金属或は合金を用いるとオーミック
になるのかということは未だ明らかではないが、次のよ
うに推論される。 ＳｌもしくはＳを含む金属或は合金を電極としてｎ型立
方品窒化ホウ素上に形成する。この場合電極形成時の基
板加熱、電極蒸着時の輻射熱、或は電極形成後のアニー
ルなどによって電極中のＳｌもしくはＳが活性化する。 そして隣接する立方晶窒化ホウ素中に拡散してゆく、と
考えられる。 ＳｌやＳは立方晶窒化ホウ素中で有効なドナーとして作
用する。これは良く知られている。ゆえに、ＳｌやＳが
拡散した領域には、高濃度にドーピングされたｎ層（ｎ
層層）が形成される。もともとこの立方晶窒化ホウ素は
ｎ型であるが、この平均ドープ濃度よりもかなり高ドー
プ濃度のｎ型となる。高濃度ドーピングにより障壁層の
厚さが薄くなり、トンネル電流によりオーミックとなる
、と推論される。 理想的な場合、金属・半導体の接合がオーミックになる
かショットキーになるかは金属の仕事関数（峠）と半導
体の電子親和力（Ｘ−によって決まるここで金属の仕事
関数というのはフェルミレベルにある電子を無限遠に引
き出すに要するエネルギーである。半導体の電子親和力
というのは伝導帯の底にある電子を無限遠に引き出すの
に要するエネルギーである。ｎ型半導体の場合、金属、
半導体接合の障壁高さφ８は φ８＝φ、−Ｘ、　　　　　　　　　（１）で表され φ　８　　〈　０　　　　　　　　：　　オ　−　　ミ
　　ッ　　りφ　６　　〉　Ｏ：　　シ　ョ　　ッ　　
ト　キ　−となる。φ８は障壁の高さであるので、これ
が正なら電子はこれにせき止められるのでショットキー
となり、これが負であれば障壁がないのでオーミックと
なる。この式から仕事関数の低い金属を電極に選べばオ
ーミック接続が得られるように見える。 しかし、現実の金属、半導体接合では金属・半導体接合
界面に欠陥が存在し、バンドギャップ中の中央付近に局
在準位（φ。：表面準位とも呼ぶ）を形成する。欠陥が
多いと半導体のフェルミ準位はこのφ。にピン止めされ
る。その結果、障壁高さφ８は、半導体のバンドギャッ
プをＥｇとするとφＢ＝Ｅｇ−φ０　　　　　　　　■ で表され、金属の種類にほとんど依存しなくなるただし
φ。は価電子帯の上端から測っている。 これは局在準位に金属からの電子が自由に流入しこのレ
ベルを占めることができるので局在準位の上端が金属の
フェルミ面に一致し、半導体のフェルミ準位もこれに一
致するからである。 当然φ６〉０であるから金属・半導体接合はショットキ
ーとなる。この現象はピン止め効果として知られており
、とくに■−ｖ族化合物半導体では顕著である。また、
通常φ。はＥ６の１／３〜１７２程度である。 立方晶窒化ホウ素の場合も、単元素物質ではないため多
種類の表面欠陥が存在しうる。また、現状の立方晶窒化
ホウ素結晶は完全とはいいがたく欠陥も多い、などの理
由から、表面欠陥が多くピン止め効果が起きていると考
えられる。 ショットキー型の金属ＬＩｎ型半導体接合のバンド図を
第１図に示す。外側の金属のフェルミ準位１に半導体の
フェルミ準位２が連続する。半導体の中には伝導帯と価
電子帯があり、３は伝導帯の下端、４は価電子帯の上端
である。ｎ型であるので伝導帯の下端３とフェルミ準位
２が近い。境界５でフェルミ準位は局在準位φ。にピン
止めされ、高さφ８の障壁ができる。境界５の近くでは
、ドナー密度が高いのでバンドが上向きに強く曲がる。 電子は伝導帯の下向きの湾曲部６に溜っているが、これ
らがトンネル効果により金属中へ飛び出すことができる
。金属・半導体の境界の全てのドナーは電子を放出して
いるので、ｅの正電荷である。これは境界近傍にほぼ一
様に分布しているのでこの部分は電子のない空乏層とな
る。この厚みは次のように計算できる。電場、電荷に関
するガウスの式を積分して、次式が成立する。 ｄ＝〔２・−・ｔｏ・（φｎ　　Ｖ　）　／　（ｅ−Ｎ
ｄ）：）　””　（３）ｄ　　：空乏層幅 ε６　　：半導体の比誘電率 ε０　　＝真空中の誘電率 Ｖ　　：印加電圧 ｅ　　：電荷素置 Ｎｄ　　：半導体のドナー密度 これまでφ８はポテンシャルでエネルギーの次元を持つ
が以後これを電荷素置ｅで割った電圧の値として扱う。 この式から分かるように、半導体中のドナー密度が高く
なると、空乏層幅ｄが小さくなる。電子が薄い空乏層を
通過するのは容易であるので、この接触は低抵抗になる
のである。 より詳しく説明する。単位面積当たりの電流Ｉはトンネ
ル電流であるので、 ■　：　Ａ　Ｔ　２ｅｘｐ　（−２ｆ　（８ｒ２ｍｅ　
Ｕ、／ｈ２）”’　　ｄｘ）　　（４）と書くことがで
きる、但しＵは伝導帯の底から測った伝導電子のポテン
シャルである。ガウスの式％式％（５） によって与えられる。 Ａ＝４πｅｉｌｅｋ２／ｈ３　　　　　　　（６）ただ
しｍｅは半導体中の電子有効質毒、ｈはブランク定数、
ｋはボルツマン定数である。自由電子の場合、Ａは＋２
ＯＡ／ｃｍ２Ｋ”である。Ｘについて積分すると、 Ｉ　＝ＡＴ２ｅｘｐｌ　−（φａ　　Ｖ）　／Ｖｏｏ　
）　　（７）ただし、 Ｖｏｏ”　ｈ　Ｎｄ”’　　／　４　π（ｔｏ！ｇｍｅ
）””　　　　（８）である、Ｎｄ＝　１０”ｃｍ−３
とし、１は自由電子質量、！１＝１とすると、ＶＯＯは
０．５ＧＶとなる。先にφ８の定義を述べたが、高濃度
にｎ型不純物がドーピングされるとφ８自体が下がると
考えられる。局材準位が増えて、φ０が上がるからであ
る。Ｅｇは７ｅＶであるがφ８は６〜３Ｖ程度にさがる
。勿論これはドーピングの濃度が境界近傍で極めて大き
いということを仮定している。ＶＯＯが０．５　Ｖだと
すれば（６）からこれはほぼオーミックと見なすことが
できる。ただし電圧は半導体側から金属電極に向かう方
向を正にとっている。 抵抗Ｒ，は電流を電圧で偏微分し、■＝０として得られ
る。 このときのＲ６は次式で表せる。 Ｒｃ＝（Ｖｏｏ／ＡＴ２）ｅｘｐ（φｎ／Ｖｏｏ）　　
　　　　　　（９）もしもＮｄ：＝　１０”ｃｍ−’と
し、自由電子の質量を１とし、Ｃｏ　”　１、Ｔ　：　
３００にとすると、Ｖｏ。＝０．５６Ｖで、前の係数も
ｅｘｐの中にいれると、Ｒｃ＝ｅｘｐｌ（φＢ１０．５
Ｇ）−１１１ｉ、７７）　　　　　　　　　　（１０）
φ８を６ｖとして、Ｒｃは１Ｏ−３ΩＣ１！１２７ｖト
シテｌ０−２ΩＣｍ２となる。 もしもＮｄ＝＝　１０２０ｃｍ−３と仮定すると、ｖｏ
ｏは０．！８Ｖとなり、 Ｒｃ＝ｅｘｐｌ（φｎ１０．１８）　　　１７．９１）
　　　　　　　（＋１）例えばφ８が３ｖとするとＲ６
は１Ｏ−１ΩＣＴｆＩ２程度になる。φ８が２．５Ｖと
するとＲｏは１Ｏ−２Ωｃｍ２程度になる。 このようにｎ型不純物を高濃度にドーピングすると、空
乏層の厚みｄが減少する。また高濃度ドーピングにより
表面の局在準位が増えφ。が上がり、φ８が下がるとい
う効果もある。先にこれはバンドギャップ（７ｅＶ）の
１／２〜２７３程度と書いたがこれがもっと小さくなる
可能性もあるものと考えられる。 このように高濃度ドーピングを行い、ドナーの密度が高
くなればなるほど空乏層の厚みが減り、φＢが低下して
トンネル電流が流れ易くなって、Ｒｏが低くなり、オー
ミックとなる事が期待できる。しかしはっきりした事は
未だ分からない。局在準位を電子がホッピング伝導して
いるのかもしれない。不純物を高濃度にドーピングすれ
ばこのような効果が期待できるが、不純物の密度が多く
なると電極の抵抗が増えるのでかえって望ましくない。 適当な濃度範囲があるのであろう。 本発明により、このような機構を利用して、ｎ型立方品
窒化ホウ素上にオーミック接続を形成できる。

【　　実　　施　　例　　１】 実施例によって本発明のオーミック電極をさらに詳しく
説明する。 本発明の電極構造がどのような電極材料に適しているの
かをみるために、材料を変えて電極を作り、オーミック
性、接触抵抗を評価した。 電極の主成分は、金属や金属化合物である。具体的には
、Ｃｒ１Ｗ、Ｍｎ　Ｎ　Ｃｏ１旧、ｐｔ、　Ａｇ１Ｚｎ
１Ｗｅ、ＭｎＺｎ１Ｎ１２Ｂ、　ＰｔＰｄ、　ｋｇｋｌ
にＳｌもしくはＳを添加する。 立方晶窒化ホウ素は高圧合成のものを使用した。電極は
、基材の温度を４００°Ｃとし、材料によって真空蒸着
、或はスパッタ法を用いて形成した。 また、電極材料中のＳｌ濃度、Ｓ濃度は０．１％〜０５
％のものを使用した。 この時メタルマスクを用いて第２図に示す電極パターン
を立方晶窒化ホウ素上に形成した。電極の厚みは、０．
２〜０．３μｍ程度である。Ｍ極は４本ある。それぞれ
長さが０．８ｍｍ　％幅が０　、　Ｌｍｍである。 平行に並んでおり、間隔は（１，１ｍｍ　１０．２ｍｍ
　、　０．３ｍｍである。電極のオーミック性はこれら
の任意の電極間の電流−電圧特性を、電圧−１０Ｖ〜＋
ＩＯＶの範囲で測定して判定した。オーミック特性が得
られた電極については、第２図に示す電極パターンの２
電極間の抵抗と電極距離から伝送線路モデルを用いて接
触抵抗を求めた。 Ｓｌを添加した場合の結果を表１に、Ｓを添加した場合
の結果を表２にそれぞれまとめる。 表 Ｓｌを含む電極の電流電圧特性、 接触抵抗 表２ Ｓを含む電極の電流電圧特性、 接触抵抗 種々の金属材料、 金属化合物について実施した が、表１、表２から分かるように全ての材料に対して、
接触抵抗は１０−２〜ｌＯ−′Ωｃｍ２台ではあるがオ
ーミック特性を得ることができた。 これは先程述べた、金属・半導体の境界での高濃度のド
ナー生成による電子のトンネル効果という推定を根拠づ
けるものである。 この時、電極形成後に適度なアニールを行うことはを効
である。金属電極に含まれるＳｉ２０を活性化し半導体
中に拡散しなければならないからである。 アニールの温度と時間は用いる電極材料によって最適値
が異なるが、３００°Ｃ−１８００°Ｃ程度の温度が好
ましい。但し、電極材料によってはアニール時に電極の
酸化などが進行するので、不活性ガス、Ｎ２、Ｎ２或は
真空中でのアニールが望まれる。また１０００°Ｃ以上
に昇温する場合には、０□が存在すると立方晶窒化ホウ
素の酸化や大方品窒化ホウ素化が進行するので、やはり
不活性ガス、Ｎ１１ｌＨ２或は真空中でのアニールが好
ましい。 また、このアニールの代わりに、電極形成時に適度に昇
温しでおく事も有効である。この温度としては、電極材
料にもよるが３００°Ｃ−１８００°Ｃが望ましい。

【実施例２】 本発明は電極にＳｌもしくはＳを含む金属、金属化合物
を用いる事に特徴がある。ＳｌやＳの濃度はどれくらい
が適当であるのかを調べた。 電極はＰｔ５ｌ　（Ｐｔの中にＳｌを幾らか含ませたも
の、原子比で１：１を意味しない）　、ＰｔＳ　　（Ｐ
ｔの中にＳを幾らか含ませたもの、原子比で１：１を意
味しない）であるが、Ｓｌ、Ｓの濃度を変えて、オーミ
ック性、接触抵抗を評価した。表３、表４にその結果を
示す。 立方晶窒化ホウ素は実施例１と同じく冨圧合成のものを
用いた。電極は真空蒸着法により、基板加熱なしで形成
し、Ｎ２＋　Ｎ２（Ｎ２：　１０％）雰囲気で８ＱＯ’
Ｃ１１（１分のアニールを行った。 表３、表４から、今回のＳ　Ｉ　ｍ度、５ｔｌＡ度領域
では全てオーミックが得られている。また、ｓｒｔＭ度
、Ｓ濃度と共に接触抵抗は減少するが、ｓｎｓ度、Ｓ濃
度が数％程度で最小値に達し、以降かえって増大するこ
とが分かる。また、過剰にＳｌあるいはＳ　ｉ／、１度
を高くすると、電極自身の抵抗が高くなるので望ましく
ない。実用的には電極材料の８１濃度、Ｓ濃度は０．１
％程度で充分である。

【発明の効果】

以上説明したように、ｎ型半導体立方晶窒化ホウ素上に
５１もしくはＳを含む金属あるいは合金を電極として形
成することによって、ｎ型半導体窒化ホウ素に対してオ
ーミック接続を得ることができる。 この技術は半導体立方晶窒化ホウ素デバイスを作製する
上で必要不可欠であるから、あらゆるデバイス形成にお
いて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はｎ型半導体立方晶窒化ホウ素にＳｌもしくはＳ
を含む金属あるいは合金を電極として形成した時、金属
Φ半導体界面近傍に高濃度ドープ層が形成された場合の
バンド図。 第２図は半導体立方晶窒化ホウ素と電極の接触抵抗を測
定する時に用いた電極パターンの平面図である。斜線部
が電極である。 ｌ　ａｍ・・電極のフェルミ準位 ２・・・・半導体のフェルミ準位 ３・・・・半導体の伝導帯の下端 ４φ・・・半導体の価電子帯の上端 ５・・・・電極・半導体接合界面 発　　明　　者　　　　　　　　富　　川　　唯　　用
水　　本　　恒　　暢 藤　　１）　順　　彦 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ｎ型半導体立方晶窒化ホウ素上にシリコン（Ｓｉ）も
   しくはイオウ（Ｓ）を含む金属或は合金によって電極を
   形成したことを特徴とするｎ型半導体立方晶窒化ホウ素
   のオーミック電極。