JPH0429377A - 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、ベリリウム（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）、シリコン
（Ｓｌ）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型室方晶窒化ホウ素を種
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接合ダイオー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。 金属と半導体の接合面はショットキー接合であるかオー
ミック接合であるかである。ショットキー接合は整流性
があって、逆方向に電流が流れない。 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・ｃＩｅ２である。 ｎ型立方品窒化ホウ素の電極としては、銀（Ａｇ）電極
、銀ペーストなどが用いられているが（■Ｒ１Ｈ，Ｗｅ
ｎｔｏｒｆ、Ｊｒ、：Ｊ、ｏｆ　Ｃｈｅｗ、　Ｐｈｙｓ
、　Ｖｏｌ、３Ｂ（１９１１ｉ２）＋３９０■Ｏ，ＭＩ
ｓｈｌｍａ、ｅｔｃ、：５ｃｌｅｎｃｅ　Ｖｏｌ、２３
８（１９８７）＋８１）、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１Ｏ−２Ω・Ｃｍ２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ョットキー的な
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Ｂ、ＡＪｌ（ａ、
　Ｉｎのうち少なくともひとつの元素からなる金属によ
って電極を形成したものである。

【　　作　　用　　］ 本発明においては、ＢＮ＾１１Ｇａ１１ｎのうち少なく
ともひとつの元素からなる金属を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り、
なぜＢｌＡｆ、Ｇａ１１ｎのうち少なくともひとつの元
素からなる金属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、いくつかの可能性が考え
られる。 Ｂ　、’　１１、Ｇａ１１ｎのうち少なくともひとつの
元素からなる金属を電極として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
極構成元素、並びにホウ素、窒素が活性化し、電極／半
導体界面で相互拡散が生じる。 ＡＩ、Ｇａ１１ｎなどの元素は、窒素と反応しやすく容
易に窒化物（ナイトライド：　ＡＩＮ　ＸＧａＮ　１１
ｎＮｅｔｃ、）を形成する。当然ながら電極がＢからな
る場合も窒素はＢ中へ拡散する。また、ＡＩはホウ化物
（ポライド：　ＡＩＢ２ｅｔｃ、）も形成し易い。これ
は良く知られている。ゆえに、電極構成元素、ならびに
ホウ素、窒素の相互拡散はより一層加速される。また、
相互拡散が生じる電極／半導体間に金属化合物層が形成
され、実質的な電極／半導体界面は半導体層中にシフト
し清浄な界面となる。 このとき、電極中への拡散により窒素がぬけた後の空孔
や欠陥が、立方晶窒化ホウ素に対するドナーとしてはた
らく可能性がある。事実、窒化ホウ素と同種類のｍ−■
族化合物であるＧａＮでは、ノンドープで極端なｎ型半
導体特性を示しておりその原因は窒素の抜けた空孔がド
ナーとなっているためと考えられる。 従って、相互拡散の結果、立方晶窒化ホウ素の電極との
界面付近の領域には、高濃度のドナーが存在する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、この平均ドナー濃度よりもかなり高ド
ナー濃度のｎ型となる。高濃度ドナーにより障壁層の厚
さが薄くなり、トンネル電流によりオーミックとなる。 理想的な場合、金属・半導体の接合がオーミックになる
かシミツ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（Ｘ８）によって決まるｎ型半導体の場
合、金属、半導体接合の障壁高さφ８は φ８　＝φゆ　−Ｘ　、　　　　　　　　　　　　　（
１）で表され となる。 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（φ０＝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、φ８は、半導体のバンドギャップをＥ８
とすると φ８＝Ｅ８−φ０　　　　　　　　■ で表され、金属の種類にほとんど依存しなくなる当然φ
、＞Ｏ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■−■族化合物半導体では顕著である。また、φ０は
Ｅｇの１／３〜１／２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
在しろる。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・ｎ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、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・Ｌ、・ｔｏ・（φＢ　−Ｖ　）　／　（ｅ−
Ｎｄ））　””　（３）ｄ　　：空乏層幅 ε、　　二手導体の比誘電率 ε。　　：真空中の誘電率 ■　　：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■はトンネ
ル電流であるので、 Ｉ　　＝ＡＴ２ｅｘｐ　（−２Ｊ’　　（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。ガウスの式を積分してＵをＸの関数とし
て、 Ｕ＝ｅ（φａ−Ｖ）（１−（ｘ／ｄ））　２　（５）の
ように求められる。 Ａ＝４πｅｍｅｋ２／ｈ３　　　　　　　（ｅ）ただし
１は半導体中の電子有効質量、ｈはブランク定数、ｋは
ボルツマン定数Ｔは絶対温度である。自由電子の場合、
Ａは＋２ＯＡ／ｃｍ２に２である。 Ｘについて積分すると嘱 Ｉ　＝ＡＴ２ｅｘｐｆ　−（φａ　　Ｖ）　／Ｖｏｏ　
）　　（７）ただし、 Ｗｏｏ　”　ｈ　Ｎｄ””　／　４７ｒ　（４０１ｍ１
Ｄｅ）””　　　（８）である、Ｎｄ＝＝　１０”ｃｍ
−３とし、１は自由電子質量、ｔ、＝　ｌとすると、Ｖ
ＯＯ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Ｒ０は電流を電圧で偏微分し、■＝０として得られ
る。 このときのＲｃは次式で表せる。 Ｒｃ＝　（Ｖｏｏ／ＡＴ２）ｅｘｐ（φａ／Ｖｏｏ）　
　　　　　　（９）もしもＮｄ＝　１０”ｃｍ−’とし
、自由電子の質量をｍ８とし、εｏ　”　１　、Ｔ　＝
　３００にとすると、Ｖｏ。＝０．５ＧＶで、前の係数
もｅｘｐの中にいれると、Ｒｃ＝ｅｘｐｆ（φｎ１０．
５１１ｉ）　　　ＩＢ、７７）　　　　　　　　　（１
０）φ８を６ｖとして、Ｒｃは１０−′］ΩＣｌｌ１２
７■として１Ｏ−２ΩＣｆｆ１２となる。 もしもＮｄ＝　１０２０ｃ＋ｎ−３と仮定すると、ｖｏ
ｏは０．１８Ｖとなり、 Ｒｃ＝　ｅｘｐ　Ｉ（φＢ１０．１８）−１７，９１）
　　　　　　　　　（１１）例えばφ８が３ｖとすると
Ｒ８は１Ｏ−１Ωａｍ２程度になる。φ８が２．５Ｖと
するとＲｃ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φ０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、Ｒｃ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。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。 さらに次のような可能性も考えられる。金属半導体界面
にホウ化物層、窒化物層が形成されたことにより、界面
および界面近傍に欠陥が大量に導入された可能性も考え
られる。第２図に示すように、境界５近傍に高密度の局
在準位７が存在すると、この準位を介して金属・半導体
間で電子の移動が可能となり電流が流れうる。局在準位
密度が高ければ高いほど電子の移動は容易になるので、
この接触は低抵抗となるのである。しかも遷移は双方向
に行われるからオーミックとなる。 この他にも、オーミックが得られるメカニズムとして様
々なものが考えられる。現在のところ、まだメカニズム
を特定するに至っていない。しかし本発明による電極と
することによりｎ型立方品窒化ホウ素上にオーミック接
続を形成することができる。 【　　実　　施　　例　　】 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。 高圧合成Ｓｉドープｎ型立方品窒化ホウ素上に、本発明
による電極としてＢ１Ａ７Ｅ１２、ＣｒＢ２、ＳＩＲ。 、ＷＢ、　ＡＩ、ＡｊＣｕｌＡＩＳＩ、Ｇａ１Ｇａｌｎ
１ＧａＳｎ１ＧａＺｎ。 Ｉｎ、　ｌｎＭｇ１１ｎＳｎを形成し、オーミック性を
評価した。Ｇａ、Ｉｎ１Ｇａｉｎなどの低融点金属、低
融点合金の場合、電極材料を立方晶窒化ホウ素上の２カ
所にセットした後　Ｎ２雰囲気で４００’Ｃ、５分の合
金化処理を行って形成した。電極のオーミック性はこの
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。 その他の電極は、基板温度を室温とし、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さらに電極形成
後Ｎ２雰囲気で４００°Ｃｌ２Ｏ分のアニールを行った
。なお、電極形成時に、メタマスクを用いて第３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゜３ｊ１１程度である。電極は４
本ある。それぞれ長さが０．８ｍｍ　１幅が０　、１ｍ
ｍである。平行に並んでおり間隔は０．１ｍｍ　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−１０
Ｖ〜＋ＩＯＶの範囲で測定して判定した。さらに、オー
ミック特性が得られた電極については、第３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。 注）原子比は表示通り 表１から分かるように、ｎ型立方品窒化ホウ素にたいし
て、ＢＮ　Ａｌ、Ｇａ、　１１のうち少なくともひとつ
の元素からなる金属を電極とすることによりオーミック
特性を得ることができた。また、真空蒸着あるいはスパ
ッタで形成した電極の接触抵抗は１０−２〜１０−’Ω
ｃｍ”台であった。 この時、電極形成後に適度なアニールを行うことは有効
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、１００℃〜１８００℃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、Ｎ１１ｌ）＋２或は真空
中でのアニールが望まれる。また、１０００℃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
酸化や六方晶窒化ホウ素化が進行するので、やはり不活
性ガス、Ｎ２、Ｎ２或は真空中でのアニールが好ましい
。 また、真空蒸着やスパッタ法の場合、このアニールの代
わりに、電極形成時に適度に昇温しておく事も有効であ
る。この温度としては、電極材料にもよるが１００℃〜
１８００℃が望ましい。さらにｎ型半導体立方晶窒化ホ
ウ素に対して公知のドーパン）　（Ｓｉ＋Ｓ　　ｅｔｃ
、）との合金を電極とすれば、より一層有効である。ま
た、本発明の電極とＡｕ＋　Ａｇなどの抵抗の小さな電
極との多層構造とすればさらに効果がある。

【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
Ｂ１に！、Ｇａ１１ｎのうち少なくともひとつの元素か
らなる金属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Ｂ１Ａ７、Ｇａ
、　Ｉｎのうち少なくともひとつの元素からなる金属を
電極として形成した時、金属・半導体界面近傍に高濃度
ドナー層が形成された場合のバンド図。 第２図はｎ型半導体立方晶窒化ホウ素にＢ、Ａ７、Ｇａ
、　Ｉｎのうち少なくともひとつの元素からなる金属を
電極として形成した時、金属・半導体界面近傍に扁密度
な局在準位が形成された場合のバンド図。 第３図は真空蒸着やスパッタ法を用いた際に、半導体立
方晶窒化ホウ素と電極の接触抵抗を測定するときに用い
た電極パターンの平面図である。 斜線部が電極である。 Ｉ　・・・・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 ４・拳・・半導体の価電子帯の上端 ５・・・曇電極・半導体接合界面 発　　明　　者　　　　　　　　富　　川　　唯　　用
水　　本　　恒　　暢 藤　　１）　順　　彦 第 図 培

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ボロン（Ｂ）、アル
   ミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉ
   ｎ）の内少なくともひとつの金属によって、或はボロン
   （Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、イ
   ンジウム（Ｉｎ）の内少なくともひとつを含む合金によ
   って電極を形成した事を特徴とするｎ型半導体立方晶窒
   化ホウ素のオーミック電極。