JP2008186936A

JP2008186936A - 電界効果トランジスタ

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Publication number: JP2008186936A
Application number: JP2007018138A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ando; 裕二安藤; Tatsuo Nakayama; 達峰中山; Hironobu Miyamoto; 広信宮本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2027-01-29
Also published as: JP5223201B2

Abstract

【課題】ダイヤモンドを主材料として有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、高周波動作、高電流密度化に好適であると共に、閾値電圧の制御性に優れ、素子特性のウェーハ面内バラツキ、ロット間バラツキが小さいＦＥＴの提供。
【解決手段】基板１０、ダイヤモンド半導体層１１、化合物半導体層１２がこの順で形成された電界効果トランジスタにおいて、ダイヤモンド半導体層１１を（１１１）面ダイヤモンドにより構成すると共に、化合物半導体層１２を（０００１）面の六方晶化合物半導体、あるいは、（１１１）面の立方晶化合物半導体により構成する。これにより、電子供給層のダイヤモンド半導体層との界面には、自発性分極効果またはピエゾ分極効果に起因した正の固定電荷を有すると共に、電子供給層とダイヤモンド半導体層の界面近傍には２次元電子ガス１３が生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、特に、主材料としてダイヤモンド半導体を有するＦＥＴ構造に関する。

ダイヤモンド半導体は破壊電界強度が窒化ガリウム（ＧａＮ）の３倍、または、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の２０倍、熱伝導率が炭化珪素（ＳｉＣ）の４倍、または、ＧａＡｓの４０倍と、高出力デバイス応用上きわめて優れた物性を有する。それにもかかわらず、ダイヤモンド結晶の硬度、緻密性のせいで不純物ドーピングによるｎ型伝導層の形成ができないため、ダイヤモンド半導体を用いた電子デバイスの実用化は困難であった。

従来報告されている、ダイヤモンド半導体をチャネル材料として用いたＦＥＴは、殆どが正孔導電型であった。これは、化学気相堆積（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてダイヤモンド結晶を成長した時に、自発的に形成されるダイヤモンドの水素終端表面をキャリア供給源として用いたもので、低い正孔移動度に起因して高周波動作、高電流密度化が困難という問題があった。また、閾値電圧は水素終端面の界面状態に依存するため、閾値電圧の制御が困難という問題もあった。

このような問題を解決するため、ダイヤモンドと異種半導体のヘテロ接合を利用したＦＥＴも報告されている。図１５は、従来技術によるヘテロ接合を利用したＦＥＴの断面構造を示す図である。このようなＦＥＴは、嘉数、小林による特許文献１に報告されている。

図１５において、２００は基板、２０１はチャネルを形成するダイヤモンド層、２０２はｎ型不純物（Ｓｉ）が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはｎ型不純物が添加された窒化ホウ素（ＢＮ）からなる電子供給層である。電子供給層２０２中の不純物の活性化に伴い、ダイヤモンド層２０１内の電子供給層２０２との界面近傍には２次元電子ガス（ｅ）が形成されている。電子供給層２０２上にソース電極２０５、ドレイン電極２０６が形成され、オーム性接触がとられている。電子供給層２０２上のソース電極２０５とドレイン電極２０６に挟まれた部位にはゲート電極２０７が形成され、ショットキー性接触がとられている。このようなＦＥＴは電子伝導型であり、電子の高移動度に起因して高周波動作、高電流密度化が可能である。また、閾値電圧は電子供給層２０２の不純物濃度及び厚さによって決定されるので、閾値電圧の制御も可能である。図１６に、Ｓｉ添加ＡｌＮを用いたＦＥＴのエネルギーバンド図を示す。
特開２００２−３２４８１２号公報

図１５に示した従来技術によるＦＥＴでは、電子供給層としてｎ型不純物が添加されたＡｌＮまたはＢＮを用いていた。しかしながら、ＡｌＮ及びＢＮのバンドギャップが大きいことに起因して、ＡｌＮ、ＢＮ中の不純物は深い準位をつくりやすく、添加不純物の活性化率が低いことが知られている。このため、ＦＥＴとして実用的な２次元電子濃度を得るためには、極めて高い濃度で不純物をドーピングしなければならなかった。例えば、ＡｌＮに珪素（Ｓｉ）をドーピングして１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア電子を供給しようとすれば、１０^２０ｃｍ^−３台の高濃度のＳｉをドーピングしなければならなかった。このような不純物原子の活性化率の低さは、実効的な不純物濃度の均一性、再現性に影響するため、素子特性のウェーハ面内バラツキ、ロット間バラツキの原因であった。

本発明の目的は、ダイヤモンド半導体を主材料とするＦＥＴにおける上記問題点を解消し、高周波動作、高電流密度化が可能で、閾値電圧の制御が容易であると共に、素子特性のウェーハ面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題が解消されたＦＥＴを提供することである。

前記目的を達成するため、本発明は、基板、ダイヤモンド半導体層、化合物半導体層がこの順で形成された電界効果トランジスタにおいて、ダイヤモンド半導体層を（１１１）面ダイヤモンドにより構成すると共に、化合物半導体層を（０００１）面の六方晶化合物半導体、あるいは、（１１１）面の立方晶化合物半導体により構成することを特徴とする電界効果トランジスタを提供する。

本発明によれば、電子供給層である化合物半導体層のダイヤモンド半導体層との界面には、少なくとも自発性分極効果、すなわち、自発性分極効果または自発性分極効果とピエゾ分極効果に起因した正の固定電荷を有すると共に、電子供給層とダイヤモンド半導体層の界面近傍には２次元電子ガスが生成される。２次元電子の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題が解消される。このため、ＦＥＴの高周波性能、電力性能に寄与するところ大である。

本発明は、ダイヤモンド半導体層と化合物半導体層のヘテロ接合を形成するに際して、これらの面方位と化合物半導体の結晶形を規定した点に特徴がある。上記特許文献１には、面方位や化合物半導体の結晶形の規定が重要な要件であることは全く記載も示唆もされておらず、化合物半導体層としてＡｌＮ及びＢＮを選択した場合、本発明は選択的な発明である。ＡｌＮ及びＢＮは、ダイヤモンド層よりも大きなバンドギャップを有する材料であるが、これら以外の化合物半導体、特にダイヤモンド層よりもバンドギャップが小さい材料においても、面方位と化合物半導体の結晶形を制御することで、ダイヤモンド層との良好なヘテロ接合が形成できる。ダイヤモンド層よりもバンドギャップが小さい化合物半導体層を積層すると、二次元電子ガスによるチャネルは化合物半導体層内のダイヤモンド層との界面近傍に形成されるが、キャリアの一部がダイヤモンド層を走行するため、ダイヤモンド層内にチャネルが形成される場合と同様に、２次元電子ガスの高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。特に本発明では、電子供給層である化合物半導体層のダイヤモンド層との界面に、自発性分極効果又は自発性分極効果とピエゾ分極効果に起因した正の固定電荷が形成されることで、分極電荷密度が材料固有の圧電係数により決定され、再現性に優れたＦＥＴが得られる。

III−Ｖ族六方晶半導体は、（０００１）結晶軸方向にはIII族原子面とＶ族原子面が交互に並んだ構造を有するため、（０００１）面薄膜を形成すると、その上部界面と下部界面には分極電荷が発生する。同様に、III−Ｖ族立方晶半導体は、（１１１）結晶軸方向にはIII族原子面とＶ族原子面が交互に並んだ構造を有するため、（１１１）面薄膜を形成すると、その上部界面と下部界面には分極電荷が発生する。

本発明においては、（０００１）面六方晶半導体薄膜または（１１１）面立方晶薄膜において形成される分極電荷を利用してキャリアである２次元電子ガスを発生する訳であるが、（０００１）面六方晶薄膜または（１１１）面立方晶薄膜を安定して形成するためには、成長基板として（１１１）面立方晶半導体を用いればよいことが知られている。すなわち、（１１１）面ダイヤモンド上に結晶成長を行うことによって、（０００１）面六方晶薄膜または（１１１）面立方晶薄膜が自発的に配向して形成できる。これは、立方結晶の（１１１）方向と六方結晶の（０００１）方向が結晶構造的に相似であることに起因している。すなわち、立方結晶の（１１１）方向と六方結晶の（０００１）方向はいずれも、構成原子を中心として正四面体の頂点方向にのびたｓｐ３混成軌道からなる共有結合の内１本と平行な結晶方位で、結合の向きが同じため、立方晶である（１１１）面ダイヤモンド上には、（０００１）面六方晶薄膜または（１１１）面立方晶薄膜が安定して成長できるものである。

ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰの安定な結晶構造は立方晶のみで、安定な六方晶構造は存在しない。このため、電子供給層としてこれらの化合物半導体を選択した場合には、（１１１）面ダイヤモンド上にこれらの化合物半導体を通常の方法により結晶成長すればよい。これより、自動的に（１１１）面の立方結晶が形成できる。ここで、通常の方法とは例えば、有機金属化学気相堆積（Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法、もしくは、分子線エピタキシャル成長（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法である。

一方、ＢＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣには安定な結晶構造として六方晶構造だけでなく立方晶構造も存在する。このため、電子供給層としてこれらの化合物半導体を選択した場合には、結晶成長に当たって注意を要する。

例えば、六方晶ＧａＮは立方晶ＧａＮと比べてより安定のため、熱平衡状態で成長を行うＭＯＣＶＤ法などを用いる。例えば、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ_３）を用いる。成長基板として（１１１）面ダイヤモンドを用い、基板温度をＮＨ_３の分解する約９００℃から約１１００℃の間に設定することにより、より安定な六方晶ＧａＮ薄膜が形成できる。

一方、立方晶ＧａＮは六方晶ＧａＮと比べて不安定であるため、結晶成長はより低温の非平衡状態で行う必要がある。このため、立方晶ＧａＮを形成するためには、非平衡状態での成長ができるＭＢＥ法などを用いる。例えば、III族原料として金属ガリウム（Ｇａ）、Ｖ族原料として高周波印加によりプラズマ化した窒素（Ｎ_２）を用いる。成長基板として（１１１）面ダイヤモンドを用い、基板温度を約４００℃から約６００℃の間に設定することにより、立方晶ＧａＮ薄膜が形成できる。

なお、（１１１）面ダイヤモンド結晶の形成には、例えば、プラズマ励起化学気相堆積（Ｐｌａｓｍａ−ＥｎｈａｎｃｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）法を用いる。例えば、原料ガスとして高周波印加によりプラズマ化した炭化水素（ＣＨ_４）を用いる。基板として例えば、（１１１）面ダイヤモンド基板を用い、基板温度を約１０００℃から約１２００℃の間に設定することにより、（１１１）面ダイヤモンド結晶が形成できる。基板としては、他にも、（１１１）面Ｓｉ基板、（０００１）面六方晶ＳｉＣ基板、（１１１）面立方晶ＳｉＣ基板、（０００１）面六方晶ＧａＮ基板、（１１１）面立方晶ＧａＮ基板、（０００１）面サファイア基板などを用いることが出来る。

以下、実施例を参照して本発明を具体的に説明する。

（第一の実施例）
図１は、本発明によるＦＥＴの第一の実施例の断面構造を示す図である。

図１において、１０は基板、１１は（１１１）面ダイヤモンド層、１２は（０００１）面アンドープ六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなるキャリア供給層、１３は２次元電子ガス、１５はソース電極、１６はドレイン電極、１７はゲート電極である。

このようなＦＥＴは以下のようにして作製される。基板１０上に、例えば、ＰＥＣＶＤ法及びＭＯＣＶＤ法により、（１１１）面アンドープダイヤモンド層１１、（０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層１２を順次成長する。ここで、ダイヤモンド層１１の層厚は１０ｎｍから１０μｍの間とする。本実施例では、例えば、２μｍに設定した。ｈ−ＢＮ層１２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、２０ｎｍに設定した。

ｈ−ＢＮ層１２上には、例えば、チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）などの金属を蒸着、アロイ処理することにより、ソース電極１５、ドレイン電極１６をそれぞれ形成し、オーム性接触をとる。次に、ｈ−ＢＮ層表面のソース電極１５とドレイン電極１６に挟まれた部位には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）などの金属を蒸着してゲート電極１７を形成し、ｈ−ＢＮ層とのショットキー接触をとる。このようにして、図１のような半導体装置が作製された。

ここで、ダイヤモンドの格子定数はａ＝０．３５６ｎｍであるが、（１１１）面炭素（Ｃ）原子の間隔はａ／２^1/2＝０．２５２ｎｍとなる。一方、ｈ−ＢＮのａ軸長は０．２５ｎｍである。両者の差は０．８％と小さいので、（１１１）面ダイヤモンド上に（０００１）面ｈ−ＢＮ層を結晶成長すると、転位発生の臨界膜厚以下であれば伸張歪みを生じた歪層となり、良好なヘテロ接合が形成できる。本実施例のｈ−ＢＮ層１２の膜厚２０ｎｍは転位発生の臨界膜厚以下である。

III−Ｖ族六方晶半導体は、（０００１）結晶軸方向にはIII族原子面とＶ族原子面が交互に並んだ構造を有するため、（０００１）面薄膜を形成すると、その上部界面と下部界面には分極電荷が発生することが知られている。ここで、分極効果には、III族原子とＶ族原子の結合自体が正四面体の理想構造からずれることにより発生する自発性分極、及び、薄膜と基板間のａ軸長の差に起因するピエゾ分極がある。ｈ−ＢＮの自発性分極密度は０．０２９Ｃ／ｍ^２と計算され、ダイヤモンド上のｈ−ＢＮのピエゾ分極密度は０．０１３Ｃ／ｍ^２と計算される。それ故、ダイヤモンド層１１とｈ−ＢＮ層１２のヘテロ界面には自発性分極とピエゾ分極に基づいて０．０４２Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度２．６×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

図２は本実施例におけるゲート下のエネルギーバンド図である。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｈ−ＢＮ層１２のヘテロ界面には自発性分極とピエゾ分極に起因して面密度０．０４２Ｃ／ｍ^２の正の電荷が発生する。また、ｈ−ＢＮのバンドギャップは５．９ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより大きい。このため、ダイヤモンド層１１内のｈ−ＢＮ層１２とのヘテロ界面近傍には、２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。ｈ−ＢＮ層１２はダイヤモンドよりバンドギャップが大きいため、良好なゲート絶縁層として作用し、ゲート漏れ電流が小さくなる。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。ｈ−ＢＮの大きなバンドギャップに起因して、高濃度の２次元電子ガスを蓄積できると共に、ゲート漏れ電流が小さくなる。また、閾値電圧は電子供給層であるｈ−ＢＮ層１２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第二の実施例）
図３は、本発明によるＦＥＴの第二の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第一の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層を、（０００１）面ｎ型ｈ−ＢＮ層２２で置き換えたことである。ここで、ｈ−ＢＮ層に添加するｎ型不純物としては、例えば、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）などを用い、不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３から１×１０^２２ｃｍ^−３の間とする。

図４は本実施例におけるゲート下のエネルギーバンド図である。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｈ−ＢＮ層２２のヘテロ界面には自発性分極とピエゾ分極に起因して面密度０．０４２Ｃ／ｍ^２の正の固定電荷が発生する。また、ｈ−ＢＮのバンドギャップは５．９ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより大きい。このため、ダイヤモンド層１１内のｈ−ＢＮ層２２とのヘテロ界面近傍には、２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。自発性分極およびピエゾ分極による電子供給効果に不純物ドーピングによる電子供給効果が付加されるため、第一の実施例と比較して電流密度が増加する。ｈ−ＢＮ層２２内部の正の固定電荷に起因して伝導帯エネルギーは下に凸の形状を有する。このため、電子に対するエネルギー障壁が低くなり、ソース電極１５、ドレイン電極１６におけるコンタクト抵抗が低減される。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｈ−ＢＮ層２２の厚さ、及び、不純物濃度で決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、ｈ−ＢＮ層２２内部のｎ型不純物のイオン化に起因した固定電荷によりコンタクト抵抗が低減される。

（第三の実施例）
図５は、本発明によるＦＥＴの第三の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第一の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層１２を、（０００１）面アンドープ六方晶窒化アルミニウム（ｈ−ＡｌＮ）層３２で置き換えたことである。ここで、ｈ−ＡｌＮ層３２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、１０ｎｍに設定した。

（１１１）面ダイヤモンドのＣ原子間隔は、前述の通り、ａ／２^1/2＝０．２５２ｎｍであるのに対して、ｈ−ＡｌＮのａ軸長は０．３１ｎｍである。両者の差は大きく、本実施例のｈ−ＡｌＮ層３２の層厚１０ｎｍは転位発生の臨界膜厚以上である。このため、ｈ−ＡｌＮ層３２は格子緩和している。

ｈ−ＡｌＮの自発性分極密度は０．０８１Ｃ／ｍ^２と計算される。一方、本実施例のｈ−ＡｌＮ層３２は格子緩和しているので、ピエゾ分極は発生しない。それ故、ダイヤモンド層１１とｈ−ＢＮ層１２のヘテロ界面には自発性分極に基づいて、０．０８１Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度５．１×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

本実施例のゲート下のエネルギーバンド図は第一の実施例（図２）と同様になる。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｈ−ＡｌＮ層３２のヘテロ界面には自発性分極に起因して、０．０８１Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。また、ｈ−ＡｌＮのバンドギャップは６．２ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより大きい。このため、ダイヤモンド層１１内のｈ−ＡｌＮ層３２とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。ｈ−ＡｌＮ層３２はダイヤモンドよりバンドギャップが大きいため、良好なゲート絶縁層として作用し、ゲート漏れ電流が小さくなる。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して高周波動作、高電流密度化が可能になる。ｈ−ＡｌＮのバンドギャップ大に起因してゲート漏れ電流が小さくなる。また、閾値電圧は電子供給層であるｈ−ＡｌＮ層３２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第四の実施例）
図６は、本発明によるＦＥＴの第四の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第一の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層１２を、（０００１）面アンドープ六方晶窒化ガリウム（ｈ−ＧａＮ）層４２で置き換えたことである。ここで、ｈ−ＧａＮ層４２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、１０ｎｍに設定した。

（１１１）面ダイヤモンドのＣ原子間隔は、前述の通り、ａ／２^1/2＝０．２５２ｎｍであるのに対して、ｈ−ＧａＮのａ軸長は０．３２ｎｍである。両者の差は大きく、本実施例のｈ−ＧａＮ層４２の層厚１０ｎｍは転位発生の臨界膜厚以上である。このため、ｈ−ＧａＮ層４２は格子緩和している。

ｈ−ＧａＮの自発性分極密度は０．０２９Ｃ／ｍ^２と計算される。一方、本実施例のｈ−ＧａＮ層４２は格子緩和しているので、ピエゾ分極は発生しない。それ故、ダイヤモンド層１１とｈ−ＧａＮ層４２のヘテロ界面には自発性分極に基づいて０．０２９Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度１．８×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

図７は本実施例におけるゲート下のエネルギーバンド図である。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｈ−ＧａＮ層４２のヘテロ界面には自発性分極に起因して面密度０．０２９Ｃ／ｍ^２の正の電荷が発生する。また、ｈ−ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｈ−ＧａＮ層４２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｈ−ＧａＮ層４２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第五の実施例）
図８は、本発明によるＦＥＴの第五の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第四の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＧａＮ層４２を、（０００１）面ｎ型ｈ−ＧａＮ層５２で置き換えたことである。ここで、ＧａＮに添加するｎ型不純物としては例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂなどを用い、不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３から１×１０^２２ｃｍ^−３の間とする。

図９は本実施例におけるゲート下のエネルギーバンド図である。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｈ−ＧａＮ層５２のヘテロ界面には自発性分極に起因して面密度０．０２９Ｃ／ｍ^２の正の固定電荷が発生する。また、ｈ−ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶとダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｈ−ＧａＮ層５２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。自発性分極による電子供給効果に不純物ドーピングによる電子供給効果が付加されるため、第四の実施例と比較して電流密度が増加する。ｈ−ＧａＮ層５２における正のイオン化電荷に起因して伝導帯エネルギーは下に凸の形状を有する。このため、電子に対するエネルギー障壁が低くなり、ソース電極１５、ドレイン電極１６におけるコンタクト抵抗が低減される。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｈ−ＧａＮ層５２の厚さ、及び、不純物濃度で決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、ｈ−ＧａＮ層５２内のｎ型不純物のイオン化に起因した固定電荷のせいでコンタクト抵抗が低減される。

（第六の実施例）
図１０は、本発明によるＦＥＴの第六の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第一の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層１２を、（０００１）面アンドープ六方晶窒化インジウム（ｈ−ＩｎＮ）層６２で置き換えたことである。ここで、ｈ−ＩｎＮ層６２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、５ｎｍに設定した。

（１１１）面ダイヤモンドのＣ原子間隔は、前述の通り、ａ／２^1/2＝０．２５２ｎｍであるのに対して、ｈ−ＩｎＮのａ軸長は０．３５ｎｍである。両者の差は大きく、本実施例のｈ−ＩｎＮ層６２の層厚５ｎｍは転位発生の臨界膜厚以上である。このため、ｈ−ＩｎＮ層６２は格子緩和している。

ｈ−ＩｎＮの自発性分極密度は０．０３２Ｃ／ｍ^２と計算される。一方、本実施例のｈ−ＩｎＮ層６２は格子緩和しているので、ピエゾ分極は発生しない。それ故、ダイヤモンド層１１とｈ−ＩｎＮ層６２のヘテロ界面には自発性分極に基づいて０．０３２Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度２．０×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

本実施例のゲート下のエネルギーバンド図は第四の実施例（図７）と同様になる。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｈ−ＩｎＮ層６２のヘテロ界面には自発性分極に起因して、０．０３２Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。また、ｈ−ＩｎＮのバンドギャップは０．９ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｈ−ＩｎＮ層６２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｈ−ＩｎＮ層６２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第七の実施例）
図１１は、本発明によるＦＥＴの第七の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第一の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層１２を、（１１１）面アンドープ立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）層７２で置き換えたことである。ここで、ｃ−ＢＮ層７２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、２０ｎｍに設定した。本実施例のｃ−ＢＮ層７２の層厚２０ｎｍは転位発生の臨界膜厚以下である。

III−Ｖ族立方晶半導体は、（１１１）結晶軸方向にはIII族原子面とＶ族原子面が交互に並んだ構造を有するため、（１１１）面薄膜を形成すると、その上部界面と下部界面には分極電荷が発生することが知られている。ここで、分極効果には、III族原子とＶ族原子の結合自体が正四面体の理想構造からずれることにより発生する自発性分極、及び、薄膜と基板間のａ軸長の差に起因するピエゾ分極とがあるが、ｃ−ＢＮの自発性分極密度は０．０２９Ｃ／ｍ^２と計算され、ダイヤモンド上のｃ−ＢＮのピエゾ分極密度は０．０１３Ｃ／ｍ^２と計算される。それ故、ダイヤモンド層１１とｃ−ＢＮ層７２のヘテロ界面には自発性分極とピエゾ分極に基づいて０．０４２Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度２．６×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

本実施例のゲート下のエネルギーバンド図は第四の実施例（第７図）と同様になる。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｃ−ＢＮ層７２のヘテロ界面には自発性分極に起因して面密度０．０４２Ｃ／ｍ^２の正の電荷が発生する。また、ｃ−ＢＮのバンドギャップは約５ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｃ−ＢＮ層７２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｃ−ＢＮ層７２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第八の実施例）
図１２は、本発明によるＦＥＴの第八の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第三の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＡｌＮ層３２を、（１１１）面アンドープ立方晶窒化アルミニウム（ｃ−ＡｌＮ）層８２で置き換えたことである。ここで、ｃ−ＡｌＮ層８２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、１０ｎｍに設定した。本実施例のｃ−ＡｌＮ層８２の層厚１０ｎｍは転位発生の臨界膜厚以上である。このため、ｃ−ＡｌＮ層８２は格子緩和している。

ｃ−ＡｌＮの自発性分極密度は０．０８１Ｃ／ｍ^２と計算される。一方、本実施例のｃ−ＡｌＮ層８２は格子緩和しているので、ピエゾ分極は発生しない。それ故、ダイヤモンド層１１とｃ−ＡｌＮ層８２のヘテロ界面には自発性分極に基づいて０．０８１Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度５．１×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｃ−ＡｌＮ層８２のヘテロ界面には自発性分極に起因して面密度０．０８１Ｃ／ｍ^２の正の電荷が発生する。また、ｃ−ＡｌＮのバンドギャップは５．１ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｃ−ＡｌＮ層８２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｃ−ＡｌＮ層８２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第九の実施例）
図１３は、本発明によるＦＥＴの第九の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第四の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＧａＮ４２を、（１１１）面アンドープ立方晶窒化ガリウム（ｃ−ＧａＮ）層９２で置き換えたことである。ここで、ｃ−ＧａＮ層９２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、１０ｎｍに設定した。本実施例のｃ−ＧａＮ層９２の層厚１０ｎｍは転位発生の臨界膜厚以上である。このため、ｃ−ＧａＮ層９２は格子緩和している。

ｃ−ＧａＮの自発性分極密度は０．０２９Ｃ／ｍ^２と計算される。一方、本実施例のｃ−ＧａＮ層９２は格子緩和しているので、ピエゾ分極は発生しない。それ故、ダイヤモンド層１１とｃ−ＧａＮ層９２のヘテロ界面には自発性分極に基づいて０．０２９Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度１．８×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｃ−ＧａＮ層９２のヘテロ界面には自発性分極に起因して面密度０．０２９Ｃ／ｍ^２の正の電荷が発生する。また、ｃ−ＧａＮのバンドギャップは３．３ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｃ−ＧａＮ層９２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｃ−ＧａＮ層９２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

（第十の実施例）
図１４は、本発明によるＦＥＴの第十の実施例の断面構造を示す図である。

本実施例の特徴は、第六の実施例における（０００１）面アンドープｈ−ＩｎＮ６２を、（１１１）面アンドープ立方晶窒化インジウム（ｃ−ＩｎＮ）層１０２で置き換えたことである。ここで、ｃ−ＩｎＮ層１０２の層厚は１ｎｍから１００ｎｍの間とする。本実施例では、例えば、５ｎｍに設定した。本実施例のｃ−ＩｎＮ層１０２の層厚５ｎｍは転位発生の臨界膜厚以上である。このため、ｃ−ＩｎＮ層１０２は格子緩和している。

ｃ−ＩｎＮの自発性分極密度は０．０３２Ｃ／ｍ^２と計算される。一方、本実施例のｃ−ＩｎＮ層１０２は格子緩和しているので、ピエゾ分極は発生しない。それ故、ダイヤモンド層１１とｃ−ＩｎＮ層１０２のヘテロ界面には自発性分極に基づいて０．０３２Ｃ／ｍ^２の正電荷が発生する。この電荷は面密度２．０×１０^１３ｃｍ^−２の２次元電子に対応する。

既に述べたように、ダイヤモンド層１１とｃ−ＩｎＮ層１０２のヘテロ界面には自発性分極に起因して面密度０．０３２Ｃ／ｍ^２の正の電荷が発生する。また、ｃ−ＩｎＮのバンドギャップは約０．９ｅＶであり、ダイヤモンドの５．５ｅＶより小さい。このため、ｃ−ＩｎＮ層１０２内のダイヤモンド層１１とのヘテロ界面近傍には２次元電子ガス１３が発生してｎ形チャネルを形成する。

このようなＦＥＴでは、２次元電子ガス１３の高移動度に起因して、高周波動作、高電流密度化が可能になる。閾値電圧は電子供給層であるｃ−ＩｎＮ層１０２の厚さで決まるので、閾値電圧の制御が容易になる。さらに、分極電荷密度は材料固有の圧電係数により決定されるので、再現性、均一性に優れ、素子特性の面内バラツキ、ロット間バラツキといった問題も解消される。

以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記態様にのみ限定されず、本発明の原理に準ずる各種態様を含むことは勿論である。

例えば、上記実施例においては電子（キャリア）供給層材料として六方晶化合物半導体（ｈ−ＢＮ、ｈ−ＡｌＮ、ｈ−ＧａＮ、ｈ−ＩｎＮ）を用いた場合を示したが、他の六方晶化合物半導体、例えば、六方晶炭化珪素（ｈ−ＳｉＣ）を用いても良い。また、ｈ−ＢＮ、ｈ−ＡｌＮ、ｈ−ＧａＮ、ｈ−ＩｎＮの内、少なくとも２種類の異なる半導体材料からなる混晶半導体としても良い。

また、電子（キャリア）供給層材料として立方晶化合物半導体（ｃ−ＢＮ、ｃ−ＡｌＮ、ｃ−ＧａＮ、ｃ−ＩｎＮ）を用いた場合を示したが、他の立方晶化合物半導体、例えば、立方晶炭化珪素（ｃ−ＳｉＣ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、燐化アルミニウム（ＡｌＰ）、燐化インジウム（ＩｎＰ）を用いても良い。また、ｃ−ＢＮ、ｃ−ＡｌＮ、ｃ−ＧａＮ、ｃ−ＩｎＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰの内、少なくとも２種類の異なる半導体材料からなる混晶半導体としても良い。

基板材料としては、ダイヤモンド基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板などを用いることが出来る。

本発明の第一の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第一の実施例であるＦＥＴのエネルギーバンド図である。本発明の第二の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第二の実施例であるＦＥＴのエネルギーバンド図である。本発明の第三の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第四の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第四の実施例であるＦＥＴのエネルギーバンド図である。本発明の第五の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第五の実施例であるＦＥＴのエネルギーバンド図である。本発明の第六の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第七の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第八の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第九の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。本発明の第十の実施例であるＦＥＴの断面構造を示す図である。従来技術によるＦＥＴの断面構造を示す図である。従来技術によるＦＥＴのエネルギーバンド図である。

符号の説明

１０、２００ … 基板
１１ … （１１１）ダイヤモンド層
１２ … （０００１）面アンドープｈ−ＢＮ層
１３、２０３ … ２次元電子ガス
１５、２０５ … ソース電極
１６、２０６ … ドレイン電極
１７、２０７ … ゲート電極
２２ … （０００１）面ｎ型ｈ−ＢＮ層
３２ … （０００１）面アンドープｈ−ＡｌＮ層
４２ … （０００１）面アンドープｈ−ＧａＮ層
５２ … （０００１）面ｎ型ｈ−ＧａＮ層
６２ … （０００１）面アンドープｈ−ＩｎＮ層
７２ … （１１１）面アンドープｃ−ＢＮ層
８２ … （１１１）面アンドープｃ−ＡｌＮ層
９２ … （１１１）面アンドープｃ−ＧａＮ層
１０２ … （１１１）面アンドープｃ−ＩｎＮ層
２０１ … ダイヤモンド層
２０２ … ｎ型ＡｌＮ層またはｎ型ＢＮ層

Claims

基板、ダイヤモンド半導体層、化合物半導体層がこの順で形成された電界効果トランジスタであって、前記ダイヤモンド半導体層が（１１１）結晶面と平行に形成されたダイヤモンド半導体からなると共に、前記化合物半導体層が（０００１）結晶面と平行に形成された六方晶化合物半導体からなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、前記六方晶化合物半導体がＢＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣのうちの何れか一つ、または、二つ以上の混晶であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
基板、ダイヤモンド半導体層、化合物半導体層がこの順で形成された電界効果トランジスタであって、前記ダイヤモンド半導体層が（１１１）結晶面と平行に形成されたダイヤモンド半導体からなると共に、前記化合物半導体層が（１１１）結晶面と平行に形成された立方晶化合物半導体からなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項３記載の電界効果トランジスタにおいて、前記立方晶化合物半導体がＢＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰのうちの何れか一つ、または、二つ以上の混晶であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１ないし４の何れかに記載の電界効果トランジスタにおいて、前記化合物半導体層の前記ダイヤモンド半導体層との界面には、少なくとも自発性分極に起因した正の固定電荷を有すると共に、前記化合物半導体層と前記ダイヤモンド半導体層の界面近傍には２次元電子ガスが生成されることを特徴とする電界効果トランジスタ。
請求項１ないし５の何れかに記載の電界効果トランジスタにおいて、前記化合物半導体層内にｎ形不純物が添加されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。