JP3326378B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3326378B2
JP3326378B2 JP34540697A JP34540697A JP3326378B2 JP 3326378 B2 JP3326378 B2 JP 3326378B2 JP 34540697 A JP34540697 A JP 34540697A JP 34540697 A JP34540697 A JP 34540697A JP 3326378 B2 JP3326378 B2 JP 3326378B2
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清輝 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
更に詳しくは、高温動作が可能で、高出力動作も優れて
いて、とくに高性能なヘテロバイポーラトランジスタ
(HBT)として有用な半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device,
More specifically, the present invention relates to a semiconductor device which can operate at a high temperature and has an excellent high-output operation and is particularly useful as a high-performance heterobipolar transistor (HBT).

【0002】[0002]

【従来の技術】HBTは、キャリアの供給源であるエミ
ッタをバンドギャップが広い半導体で構成したトランジ
スタであり、その基本構造としては、エミッタとベース
間の接合をエネルギーバンドが連続的に傾斜するように
した傾斜接合型のタイプと、前記エネルギーバンドが不
連続に変化するようにした階段接合型のタイプがある。
このHBTは、ホモ接合のトランジスタに比べると、非
常に高い電流利得が得られ、また高速動作が可能なトラ
ンジスタである。
2. Description of the Related Art An HBT is a transistor in which an emitter serving as a carrier supply source is formed of a semiconductor having a wide band gap. The basic structure of the HBT is such that the energy band at the junction between the emitter and the base is continuously inclined. There is a graded junction type and a step junction type in which the energy band changes discontinuously.
This HBT is a transistor that can obtain a very high current gain and can operate at high speed as compared with a homojunction transistor.

【0003】従来、このHBTは、GaAs系化合物半
導体で製造されているのが通例である。その製造方法の
1例の概略を以下に説明する。まず、半絶縁性の例えば
GaAs基板の上に、例えばMOCVD法やMBE法
で、コレクタとして機能するn型のGaAs層,ベース
として機能するp型のAlGaAs層,エミッタとして
機能するn型のGaAs層をこの順序で積層して、積層
構造が形成される。なお、ベースの成膜時には、Beの
ようなp型不純物をイオン注入することもある。
Conventionally, this HBT is usually manufactured using a GaAs compound semiconductor. An outline of an example of the manufacturing method will be described below. First, an n-type GaAs layer functioning as a collector, a p-type AlGaAs layer functioning as a base, and an n-type GaAs layer functioning as an emitter are formed on a semi-insulating GaAs substrate, for example, by MOCVD or MBE. Are laminated in this order to form a laminated structure. When the base is formed, a p-type impurity such as Be may be ion-implanted.

【0004】したがって、形成された積層構造は、真中
のp型層の上面と下面にn型層が接合しているnpnヘ
テロ接合構造になっている。ついで、この積層構造の表
面(エミッタの上)に例えばプラズマCVD法でSiO
2やSiNxなどから成る絶縁膜を成膜したのち、ここ
に常法のホトリソグラフィーとエッチングを適用して、
コレクタには例えばTi/Al/Tiから成るコレクタ
電極を装荷し、また、ベースとエミッタには例えばAu
/Zn/Auから成るベース電極とエミッタ電極をそれ
ぞれ装荷してHBTが製造されている。
Accordingly, the formed laminated structure has an npn heterojunction structure in which an n-type layer is joined to the upper and lower surfaces of a middle p-type layer. Then, the surface of the laminated structure (on the emitter) is coated with SiO 2 by, for example, a plasma CVD method.
After forming an insulating film consisting of 2 or SiNx, apply ordinary photolithography and etching to this,
The collector is loaded with a collector electrode made of, for example, Ti / Al / Ti, and the base and the emitter are made of, for example, Au.
An HBT is manufactured by loading a base electrode and an emitter electrode made of / Zn / Au, respectively.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、GaNやA
lGaNのようなGaN系化合物半導体はそのバンドギ
ャップが広いことと相俟って、従来主流であったGaA
s系化合物半導体に比べて高温動作が可能で、しかも高
出力動作も優れているということから、最近ではこのG
aN系化合物半導体を用いてHBTを製造することが試
みられている。
However, GaN and A
GaN-based compound semiconductors such as 1GaN, combined with their wide band gap, have been widely used in GaAs.
Since high-temperature operation is possible and high-power operation is superior to s-based compound semiconductors, these G
Attempts have been made to manufacture HBTs using aN-based compound semiconductors.

【0006】しかしながら、GaN系化合物半導体の場
合、n型不純物をドープして高品質のn型層を形成する
ことは比較的容易であるが、p型不純物をドープしてそ
のキャリア濃度を1×1017cm-1以上にすることにより
低抵抗のP型層を形成することは非常に困難であるとい
う問題がある。そのため、GaN系化合物半導体を用い
てHBTを製造しようとした場合、npn接合構造また
はpnp接合構造における低抵抗のp型層をGaN系化
合物半導体で形成することが困難であり、結局、高性能
なHBTを得ることができないということになる。
However, in the case of a GaN-based compound semiconductor, it is relatively easy to dope an n-type impurity to form a high-quality n-type layer, but dope a p-type impurity to reduce the carrier concentration to 1 ×. There is a problem that it is very difficult to form a low-resistance P-type layer by setting it to 10 17 cm −1 or more. Therefore, when an HBT is manufactured using a GaN-based compound semiconductor, it is difficult to form a low-resistance p-type layer in an npn-junction structure or a pnp-junction structure with a GaN-based compound semiconductor. This means that HBT cannot be obtained.

【0007】本発明は、上記した問題を解決することが
できる新規なヘテロ接合構造を備えた半導体装置、とく
に高性能なHBTとして有用な半導体装置とその製造方
法の提供を目的とする。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a novel heterojunction structure capable of solving the above-mentioned problems, particularly a semiconductor device useful as a high-performance HBT and a method of manufacturing the same.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者は、GaN系化
合物半導体で高性能なHBTを製造する際の困難性はヘ
テロ接合構造におけるp型層を形成しにくいという点に
由来する事実に着目した。そして、このp型層を、その
上下に位置するn型のGaN系化合物半導体の格子定数
に近似した格子定数をもち、またGaNと同程度に広い
バンドギャップを有する半導体材料で形成すれば、全て
の層をGaN系半導体化合物で構成したヘテロ接合構造
と同じ性能のヘテロ接合構造を形成することができると
の着想を抱くに至り、この着想に基づき、本発明者は、
上記p型層に適用可能な半導体材料の検討を行った。
Means for Solving the Problems The present inventors have paid attention to the fact that the difficulty in manufacturing a high-performance HBT using a GaN-based compound semiconductor is derived from the fact that it is difficult to form a p-type layer in a heterojunction structure. did. If the p-type layer is formed of a semiconductor material having a lattice constant close to the lattice constant of an n-type GaN-based compound semiconductor located above and below it and having a band gap as wide as GaN, Have the idea that a heterojunction structure having the same performance as that of the heterojunction structure in which the layer of the GaN-based semiconductor compound is formed can be formed. Based on this idea, the inventor has
A study was made on a semiconductor material applicable to the p-type layer.

【0009】そして、ダイヤモンド結晶に着目し、その
特徴点を以下のように整理した。 (1)完全なダイヤモンド結晶はその格子定数が3.5
67Åであり、この値は、六方晶GaN結晶のa軸方向
の格子定数(3.189Å)に近似している。 (2)ダイヤモンド結晶の成長時、n型のものを成長さ
せることは困難であるが、p型のものは比較的容易に成
長させることができるので、ダイヤモンド結晶のp型層
をエピタキシャル成長法で形成することは可能である。
Attention was paid to diamond crystals, and their characteristic points were arranged as follows. (1) A perfect diamond crystal has a lattice constant of 3.5
67 °, which is close to the lattice constant of the hexagonal GaN crystal in the a-axis direction (3.189 °). (2) When growing a diamond crystal, it is difficult to grow an n-type one, but a p-type one can be grown relatively easily. Therefore, a p-type layer of a diamond crystal is formed by an epitaxial growth method. It is possible to do.

【0010】(3)p型ダイヤモンド結晶のバンドギャ
ップは5.47eVであり、GaNと同様にワイドバンド
ギャップの半導体である。そして、n型ダイヤモンド結
晶における電子移動度は1800cm2/V・s程度であっ
て、n型GaN結晶の場合とほとんど変わらないが、p
型ダイヤモンド結晶における電子移動度は1600cm2/
V・sであり、p型半導体の中で最も高い電子移動度を示
している。
(3) The band gap of the p-type diamond crystal is 5.47 eV, and it is a semiconductor having a wide band gap like GaN. The electron mobility of the n-type diamond crystal is about 1800 cm 2 / V · s, which is almost the same as that of the n-type GaN crystal.
Mobility in a diamond-type diamond crystal is 1600 cm 2 /
V · s, indicating the highest electron mobility among p-type semiconductors.

【0011】(4)ダイヤモンド結晶は耐熱性が優れ、
その熱伝導率は20.9W/cm・deg程度の値を示し、この
値はp型半導体の中で最も大きい。 以上のことから、n型GaN系化合物半導体にp型ダイ
ヤモンド結晶層をエピタキシャル成長法によって接合す
ることは可能であり、しかも得られたヘテロ接合構造
は、高速動作と高温動作が可能にするとの結論を抱き、
更なる研究を続けた結果、本発明の半導体装置とその製
造方法を開発するに至った。
(4) The diamond crystal has excellent heat resistance,
Its thermal conductivity shows a value of about 20.9 W / cm · deg, and this value is the largest among p-type semiconductors. From the above, we conclude that it is possible to join a p-type diamond crystal layer to an n-type GaN-based compound semiconductor by an epitaxial growth method, and that the obtained heterojunction structure enables high-speed operation and high-temperature operation. Hug,
As a result of further research, the semiconductor device of the present invention and a method for manufacturing the same have been developed.

【0012】すなわち、本発明の半導体装置は、n型ま
たはp型の半導体層の上面と下面に、前記半導体層と逆
導電型の半導体層が接合しているヘテロ接合構造を有す
る半導体装置において、前記ヘテロ接合構造のn型半導
体層はGaN系化合物半導体から成り、p型半導体層は
ダイヤモンド結晶から成ることを特徴とする。とくに、
前記n型半導体層と前記p型半導体層の間には、Cドー
プのGaN系化合物半導体から成る薄膜層が介装されて
いる半導体装置が提供される。
That is, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a heterojunction structure in which a semiconductor layer of the opposite conductivity type is bonded to an upper surface and a lower surface of an n-type or p-type semiconductor layer. The n-type semiconductor layer having the heterojunction structure is made of a GaN-based compound semiconductor, and the p-type semiconductor layer is made of a diamond crystal. In particular,
A semiconductor device is provided in which a thin film layer made of a C-doped GaN-based compound semiconductor is interposed between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1に、HBTとして使用する本
発明の半導体装置におけるヘテロ接合構造の1例を示
す。図1において、ヘテロ接合構造Aは、p型ダイヤモ
ンド結晶層2とn型GaN層3とp型ダイヤモンド結晶
層4との積層構造になっている。すなわち、このヘテロ
接合構造Aは、n型層3の上面と下面にそれとは逆導電
型のp型層が接合しているpnp接合構造であって、全
体が基板1の上に形成されている。
FIG. 1 shows an example of a heterojunction structure in a semiconductor device of the present invention used as an HBT. In FIG. 1, the heterojunction structure A has a laminated structure of a p-type diamond crystal layer 2, an n-type GaN layer 3, and a p-type diamond crystal layer 4. That is, the heterojunction structure A is a pnp junction structure in which the upper and lower surfaces of the n-type layer 3 are joined to the p-type layer of the opposite conductivity type to the n-type layer 3, and is entirely formed on the substrate 1. .

【0014】このヘテロ接合構造Aにおいて、p型ダイ
ヤモンド結晶層2はコレクタとして機能し、n型GaN
層3はベースとして機能し、また最上層のp型ダイヤモ
ンド結晶層4はエミッタとして機能する。そして、基板
1とp型ダイヤモンド結晶層2の間にはダイヤモンド状
炭素の薄膜層から成るバッファ層5が、またp型ダイヤ
モンド結晶層2とn型GaN層3の間にはCドープGa
Nの薄膜層から成るバッファ層6がそれぞれ介装されて
いる。そして更に、n型GaN層3と最上層のp型ダイ
ヤモンド結晶層4の間には、前記n型GaN層3側に形
成されたCドープGaNの薄膜層7aと、前記p型ダイ
ヤモンド結晶層4側に形成されたダイヤモンド状炭素の
薄膜層7bとから成る2層積層構造のバッファ層7が介
装されている。
In this heterojunction structure A, the p-type diamond crystal layer 2 functions as a collector, and the n-type GaN
The layer 3 functions as a base, and the uppermost p-type diamond crystal layer 4 functions as an emitter. A buffer layer 5 composed of a diamond-like carbon thin film layer is provided between the substrate 1 and the p-type diamond crystal layer 2, and a C-doped Ga layer is provided between the p-type diamond crystal layer 2 and the n-type GaN layer 3.
A buffer layer 6 composed of an N thin film layer is interposed. Further, between the n-type GaN layer 3 and the uppermost p-type diamond crystal layer 4, a C-doped GaN thin film layer 7a formed on the n-type GaN layer 3 side and the p-type diamond crystal layer 4 A buffer layer 7 having a two-layered structure including a diamond-like carbon thin film layer 7b formed on the side is interposed.

【0015】これらの各バッファ層は、後述するエピタ
キシャル成長法で基板1の上にp型層,n型層、p型層
を順次成膜するときに、下層の上に積層される上層の結
晶性を良好にするためであると同時に、下層と上層間の
接合性を良好に確保するために介装される。なお、ここ
でいうダイヤモンド状炭素とは、ダイヤモンド結晶の前
駆体であって、その結晶構造は略ダイヤモンド型構造に
なっているが、その物理的・化学的性質はいまだ完全な
ダイヤモンド結晶の性質と同じになっていない炭素のこ
とである。
Each of these buffer layers is formed by forming a p-type layer, an n-type layer, and a p-type layer on the substrate 1 in order by epitaxial growth described later. And at the same time, it is interposed to ensure good bonding between the lower layer and the upper layer. In addition, the diamond-like carbon mentioned here is a precursor of a diamond crystal, and its crystal structure is substantially a diamond type structure, but its physical and chemical properties are still the same as those of a perfect diamond crystal. Carbon that is not the same.

【0016】図1で示した半導体装置の場合、基板1と
しては、Si単結晶基板が用いられる。それは、Si単
結晶基板の上には、前記したバッファ層5の形成が容易
であり、したがってp型ダイヤモンド結晶層2の形成を
円滑に進めることができるからである。ところで、図1
に示したヘテロ接合構造はpnp接合構造であるが、本
発明の半導体装置にあっては、これがnpn接合構造で
あってもよい。
In the case of the semiconductor device shown in FIG. 1, an Si single crystal substrate is used as the substrate 1. This is because the above-described buffer layer 5 can be easily formed on the Si single crystal substrate, and thus the formation of the p-type diamond crystal layer 2 can be smoothly performed. By the way, FIG.
Is a pnp junction structure, but in the semiconductor device of the present invention, it may be an npn junction structure.

【0017】その場合には、基板1の上にn型GaN
層,p型ダイヤモンド結晶層,および最上層としてのn
型GaN層がエピタキシャル成長法で順次積層される。
このとき、基板1としては前記下Si単結晶基板であっ
てもよく、また、サファイア基板の上に非晶質のGaN
やAlNなどのバッファ層を形成したのち、そこに前記
したn型GaN層3を積層し、ついで、そのn型GaN
層3の上に前記したCドープGaNの薄膜層7aとダイ
ヤモンド状炭素の薄膜層7bとから成る2相構造のバッ
ファ層7を形成し、そのバッファ層の上に前記したp型
ダイヤモンド結晶層2を形成し、更にその上に、前記し
たCドープGaNの薄膜層6を形成したのちそこにn型
GaN層を形成すればよい。
In this case, n-type GaN is
Layer, p-type diamond crystal layer, and n as the top layer
Type GaN layers are sequentially stacked by an epitaxial growth method.
At this time, the substrate 1 may be the lower Si single crystal substrate, or an amorphous GaN substrate may be formed on a sapphire substrate.
After forming a buffer layer such as AlN or AlN, the above-described n-type GaN layer 3 is laminated thereon.
A buffer layer 7 having a two-phase structure including the C-doped GaN thin film layer 7a and the diamond-like carbon thin film layer 7b is formed on the layer 3, and the p-type diamond crystal layer 2 is formed on the buffer layer. Is formed thereon, and the C-doped GaN thin film layer 6 is formed thereon, and then an n-type GaN layer may be formed thereon.

【0018】図1で示したpnpヘテロ接合構造を有す
る本発明の半導体装置は次のようにして製造することが
できる。それを基板としてSi単結晶基板を用いてHB
Tを製造する場合について説明する。まず、このpnp
ヘテロ接合構造の形成は、ガスソース分子線エピタキシ
ャル成長装置を用いて進められる。
The semiconductor device of the present invention having the pnp heterojunction structure shown in FIG. 1 can be manufactured as follows. Using it as a substrate, an HB
The case of manufacturing T will be described. First, this pnp
The formation of the heterojunction structure is advanced using a gas source molecular beam epitaxial growth apparatus.

【0019】この装置は、ダイヤモンド結晶層を成長さ
せるための原料である水素とメタンガスのような炭化水
素を装置内に供給するためのC源ノズルを備えており、
そのノズルの先端にはC源である供給ガスを活性化させ
るためのW製加熱フィラメントが配設されている。ま
た、ジメチルヒドラジンやアンモニアなどのN源を供給
するためのN源ノズル,金属Ga,金属Alおよび金属
Inをそれぞれ収容するクヌードセンセルも配設されて
おり、更には、金属Siを収容するクヌードセンセルと
ジボラン供給装置が配設されることにより、それぞれ、
n型ドーパント源,p型ドーパント源が形成されてい
る。
This apparatus has a C source nozzle for supplying hydrogen, which is a raw material for growing a diamond crystal layer, and a hydrocarbon such as methane gas into the apparatus.
At the tip of the nozzle, a heating filament made of W for activating a supply gas as a C source is disposed. In addition, an N source nozzle for supplying an N source such as dimethylhydrazine or ammonia, and a Knudsen cell containing metal Ga, metal Al, and metal In are also provided, and further, metal Si is stored. By providing Knudsen Cell and diborane supply device, respectively,
An n-type dopant source and a p-type dopant source are formed.

【0020】この装置内にSi単結晶基板がセットさ
れ、まずその表面は清浄化される。そしてつぎに、基板
を所定温度に維持し、C源ノズルから例えば水素とメタ
ンガスの混合ガスを供給し、その混合ガスを加熱フィラ
メントで分解し、活性化して当該基板の表面に照射する
ことにより、基板表面に所望厚みのダイヤモンド状炭素
のバッファ層5を形成する。
A single crystal Si substrate is set in this apparatus, and its surface is first cleaned. Then, the substrate is maintained at a predetermined temperature, a mixed gas of, for example, hydrogen and methane gas is supplied from a C source nozzle, the mixed gas is decomposed by a heating filament, activated, and irradiated on the surface of the substrate, A buffer layer 5 of diamond-like carbon having a desired thickness is formed on the substrate surface.

【0021】なお、このときに、Si単結晶基板の表面
に、原子オーダーの厚みで最初にCの単分子膜を形成す
ると、このC単分子膜は基板表面を構成するSiと容易
に結合して両者の接合性は良好となり、以後、この上に
成膜されていくダイヤモンド状炭素の薄膜層と基板との
接合性も良好になるので好適である。その後、C源ノズ
ルの作動を継続しながら、ジボラン供給装置を作動せし
めて装置に所定流量でジボランを供給し、前記ダイヤモ
ンド状炭素のバッファ層5の上に所望厚みのBドープダ
イヤモンド結晶層2(p型層)を形成する。
At this time, if a C monomolecular film is first formed on the surface of the Si single crystal substrate with a thickness of an atomic order, the C monomolecular film easily bonds with Si constituting the substrate surface. Therefore, the bonding property between the two is improved, and the bonding property between the diamond-like carbon thin film layer formed thereon and the substrate is also improved. Thereafter, while the operation of the C source nozzle is continued, the diborane supply device is operated to supply diborane to the device at a predetermined flow rate, and the B-doped diamond crystal layer 2 (having a desired thickness on the diamond-like carbon buffer layer 5). (p-type layer).

【0022】ついで、C源ノズルからの供給ガスをメタ
ンガスとN2との混合ガスに変換し、その混合ガスを加
熱フィラメントで分解してNを活性化しつつ、同時に金
属Gaのクヌードセンセルを作動せしめて、前記p型ダ
イヤモンド結晶層2の上にCドープGaNの薄膜層6を
形成する。なお、このとき、CドープGaN層の成長初
期においては、前記混合ガスのメタンガス濃度を高くし
て下層のp型ダイヤモンド結晶層2との接合性を高め、
成長が進むにつれてメタンガス濃度を低くすることによ
り、次ぎにこの上に成膜されるn型GaN層との接合性
を高めるようにすることが好ましい。
Next, the supply gas from the C source nozzle is converted into a mixed gas of methane gas and N 2, and the mixed gas is decomposed by a heating filament to activate N, and at the same time, a Knudsen cell of metal Ga is formed. Upon operation, a C-doped GaN thin film layer 6 is formed on the p-type diamond crystal layer 2. In this case, in the initial stage of the growth of the C-doped GaN layer, the methane gas concentration of the mixed gas is increased to enhance the bonding property with the underlying p-type diamond crystal layer 2,
It is preferable to lower the methane gas concentration as the growth progresses, so as to enhance the bonding property with the n-type GaN layer formed next thereon.

【0023】ついで、C源ノズル,ジボラン供給装置の
作動を停止し、N源ノズルと金属Siのクヌードセンセ
ルを作動せしめて分子線エピタキシャル成長を進め、前
記CドープGaN層6の上に所定厚みのSiドープGa
N層(n型層)3を形成する。次ぎに、このSiドープ
GaN層3の上に、前記したと同様の態様でCドープG
aNの薄膜層7aとダイヤモンド状炭素の薄膜層7bと
を順次積層して2相構造のバッファ層7を形成し、更に
前記ダイヤモンド状炭素の薄膜層7bの上に前記したと
同様の態様でBドープダイヤモンド結晶層4(p型層)
を形成して、図1で示した積層構造にする。
Next, the operations of the C source nozzle and the diborane supply device are stopped, the N source nozzle and the Knudsen cell of metal Si are operated, and molecular beam epitaxial growth is advanced, and a predetermined thickness is formed on the C-doped GaN layer 6. Si-doped Ga
An N layer (n-type layer) 3 is formed. Next, on this Si-doped GaN layer 3, a C-doped G layer is formed in the same manner as described above.
An aN thin film layer 7a and a diamond-like carbon thin film layer 7b are sequentially laminated to form a buffer layer 7 having a two-phase structure, and B is formed on the diamond-like carbon thin film layer 7b in the same manner as described above. Doped diamond crystal layer 4 (p-type layer)
Is formed to obtain the laminated structure shown in FIG.

【0024】そして、Bドープダイヤモンド結晶層4の
上に例えばプラズマCVD法で例えばSiO2膜を成膜
し、そこに、公知のホトリソグラフィーとエッチング処
理を行い、更に電極の装荷作業を行うことにより、図2
で示したように、コレクタであるp型ダイヤモンド結晶
層2にAuから成るコレクタ電極8,ベースであるn型
GaN層3にTi/Auから成るベース電極9,エミッ
タであるp型ダイヤモンド結晶層4にAuから成るエミ
ッタ電極10がそれぞれ装荷されているHBTが得られ
る。
Then, for example, an SiO 2 film is formed on the B-doped diamond crystal layer 4 by, for example, a plasma CVD method, and a known photolithography and etching process is performed thereon, and further, an electrode loading operation is performed. , FIG. 2
As shown, the collector electrode 8 made of Au is formed on the p-type diamond crystal layer 2 as a collector, the base electrode 9 made of Ti / Au is formed on the n-type GaN layer 3 as a base, and the p-type diamond crystal layer 4 as an emitter. HBTs each having an emitter electrode 10 made of Au are obtained.

【0025】[0025]

【実施例】図2で示したHBTを次のようにして製造し
た。まず、ガスソース分子線エピタキシャル成長装置に
Si単結晶基板をセットし、基板温度を950℃にし、
C源ノズルから水素のみを供給し、その水素を加熱フィ
ラメントで分解して活性化し、その活性化水素を基板の
表面に照射して表面の酸化物を分解除去した。
EXAMPLE The HBT shown in FIG. 2 was manufactured as follows. First, a Si single crystal substrate was set in a gas source molecular beam epitaxial growth apparatus, the substrate temperature was set to 950 ° C.,
Only hydrogen was supplied from the C source nozzle, the hydrogen was decomposed and activated by the heating filament, and the activated hydrogen was irradiated on the surface of the substrate to decompose and remove the oxide on the surface.

【0026】表面を清浄化した基板を温度850℃に降
温した。加熱フィラメントの温度を2500℃にし、こ
こに、C源ノズルから水素97体積%,メタンガス3体
積%から成る混合ガス(30Torr)を流量20sccmで照
射して分解せしめ、活性化させ、前記基板の表面に照射
した。その結果、基板の表面には厚み2000Åのダイ
ヤモンド状炭素の薄膜層が形成された。
The substrate whose surface was cleaned was cooled to a temperature of 850 ° C. The temperature of the heating filament is set to 2500 ° C., and a mixture gas (30 Torr) consisting of 97% by volume of hydrogen and 3% by volume of methane gas is irradiated at a flow rate of 20 sccm from a C source nozzle to decompose and activate the filament. Irradiation. As a result, a thin film layer of diamond-like carbon having a thickness of 2000 mm was formed on the surface of the substrate.

【0027】基板温度を850℃に維持しつつ、更に、
ここに、ジボランを流量2sccmで供給し、前記薄膜層の
上に厚み3000ÅのBドープダイヤモンド結晶層を形
成した。ついで、C源ノズルからの供給ガスを窒素98
体積%とメタンガス体積%の混合ガスに切り換え、クヌ
ードセンセルから金属Ga(5×10-7Torr)を供給
し、基板温度640℃で分子線エピタキシャル成長を行
うことにより、前記Bドープダイヤモンド結晶層の上に
厚み200ÅのCドープGaNの薄膜層を形成した。
While maintaining the substrate temperature at 850 ° C.,
Here, diborane was supplied at a flow rate of 2 sccm to form a 3000-nm thick B-doped diamond crystal layer on the thin film layer. Then, the supply gas from the C source nozzle was changed to nitrogen 98
The mixture is switched to a mixed gas of volume% and methane gas volume%, metal Ga (5 × 10 −7 Torr) is supplied from the Knudsen cell, and molecular beam epitaxial growth is performed at a substrate temperature of 640 ° C., thereby obtaining the B-doped diamond crystal layer. A 200-nm thick C-doped GaN thin film layer was formed thereon.

【0028】なお、この薄膜層の成長初期においては、
ドープされたC濃度が1×1020cm -3となるように混合
ガスの組成を設定し、エピタキシャル成長が進むにつれ
てC濃度が低下するように供給する混合ガスの組成を変
え、最後にはC濃度が5×1018cm-3になるようにして
上記CドープGaN層の形成を行った。ついで、基板温
度を850℃に昇温し、C源ノズル,ジボラン供給装置
の作動を停止し、各クヌードセンセルからの金属Ga
(1×10-6Torr),金属Si(5×10-9Torr)と、
N源からのアンモニア(5×10-5Torr)を用いて分子
線エピタキシャル成長を進め、前記CドープGaN層の
上に厚み5000ÅのSiドープGaN層(n型層)を
形成した。
In the initial stage of the growth of this thin film layer,
Doped C concentration is 1 × 1020cm -3Mixed so that
Set the gas composition and as the epitaxial growth progresses
To change the composition of the mixed gas supplied so that the C concentration decreases.
Finally, C concentration is 5 × 1018cm-3So that
The formation of the C-doped GaN layer was performed. Then, substrate temperature
Temperature to 850 ° C, C source nozzle, diborane feeder
Is stopped, and metal Ga from each Knudsen cell is removed.
(1 × 10-6Torr), metal Si (5 × 10-9Torr)
Ammonia from N source (5 × 10-FiveMolecule using Torr)
Line epitaxial growth, the C-doped GaN layer
A 5000-nm thick Si-doped GaN layer (n-type layer)
Formed.

【0029】各クヌードセンセル,N源の作動を停止
し、このSiドープGaN層の上に前記したと同じ態様
で厚み50ÅのCドープGaNの薄膜層と厚み50Åの
ダイヤモンド状炭素の薄膜を順次積層し、更にその上
に、前記したと同様の態様で厚み3000ÅのBドープ
ダイヤモンド結晶層(p型層)を形成し、図1で示した
積層構造を得た。
The operation of each Knudsen cell and the N source was stopped, and a 50 ° thick C-doped GaN thin film layer and a 50 ° thick diamond-like carbon thin film were deposited on the Si-doped GaN layer in the same manner as described above. The layers were sequentially stacked, and a B-doped diamond crystal layer (p-type layer) having a thickness of 3000 ° was formed thereon in the same manner as described above to obtain the stacked structure shown in FIG.

【0030】そして、この積層構造を常法に従って加工
することにより、図2で示したHBTを製造した。この
HBTにつき、電流電圧測定を行った。すなわち、エミ
ッタ電流をパラメータとし、コレクタ電流を変化させた
ときのコレクタ電流の飽和特性を調べた。その結果、エ
ミッタ電流を5mA流したとき、コレクタとベース間の電
圧が1Vとなった付近からコレクタ電流は4mAで飽和す
る特性が得られた。更に電流利得特性(dIC/dIB
を調べたところ、エミッタ電流を5mA流したときに10
2程度であった。
Then, the HBT shown in FIG. 2 was manufactured by processing the laminated structure according to a conventional method. The current and voltage were measured for this HBT. That is, the saturation characteristics of the collector current when the collector current was changed using the emitter current as a parameter were examined. As a result, when an emitter current of 5 mA was applied, a characteristic was obtained in which the collector current was saturated at 4 mA from the vicinity where the voltage between the collector and the base became 1 V. Furthermore current gain characteristic (dI C / dI B)
When the emitter current was 5 mA, 10
It was about 2 .

【0031】ついで、このHBTを温度200℃に加熱
したが、前記電流利得特性に変化はなく、高温下でも動
作することが確認された。これらの結果から、このHB
Tは高性能なHBTとして機能することが確認された。
なお、上記の実施例においてGaN層の形成時のN源と
してはジメチルヒドラジンとアンモニアの例を示した
が、N源としてはプラズマ窒素,ラジカル窒素なども使
用することができる。またGa源としては金属Gaに限
定されるものではなく、トリエチルガリウムやトリメチ
ルガリウムのような有機金属Gaを用いることもでき
る。
Then, the HBT was heated to a temperature of 200 ° C., but there was no change in the current gain characteristics, and it was confirmed that the HBT could be operated at a high temperature. From these results, this HB
T was confirmed to function as a high-performance HBT.
In the above embodiment, dimethylhydrazine and ammonia are used as the N source when the GaN layer is formed, but plasma nitrogen, radical nitrogen, and the like can be used as the N source. The Ga source is not limited to metallic Ga, but may be an organic metallic Ga such as triethylgallium or trimethylgallium.

【0032】更に、ベースの材料としてはn型GaNを
示したが、本発明ではこれに限定されるものではなく、
例えば、InGaN,InGaAlN,AlGaNにS
iをn型不純物としてドーピングしたものも使用するこ
とができる。
Further, although n-type GaN is shown as a base material, the present invention is not limited to this.
For example, S is added to InGaN, InGaAlN, and AlGaN.
Those in which i is doped as an n-type impurity can also be used.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体装置は、n型層がGaN系化合物半導体から成
り、p型層がダイヤモンド結晶から成る新規なヘテロ接
合構造を備えるものであり、HBTとして使用したとき
に、従来の主流であるGaAs系のHBTに比べて高速
動作と高温動作が優れていてその工業的価値は極めて大
である。また、この半導体装置はpnpn接合構造のサ
イリスタや、電界効果型トランジスタにも応用可能であ
る。
As is clear from the above description, the semiconductor device of the present invention has a novel heterojunction structure in which the n-type layer is made of a GaN-based compound semiconductor and the p-type layer is made of diamond crystal. When used as an HBT, the high-speed operation and the high-temperature operation are superior to the conventional mainstream GaAs-based HBT, and its industrial value is extremely large. This semiconductor device can also be applied to a thyristor having a pnpn junction structure and a field effect transistor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の半導体装置におけるヘテロ接合構造を
示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a heterojunction structure in a semiconductor device of the present invention.

【図2】本発明の装置の1例を示すヘテロバイポーラト
ランジスタの断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a hetero bipolar transistor showing one example of the device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板(Si単結晶基板) 2 p型ダイヤモンド結晶層(Bドープダイヤモンド
結晶層) 3 n型GaN層 4 p型ダイヤモンド結晶層(Bドープダイヤモンド
結晶層) 5 ダイヤモンド状炭素の薄膜層 6 バッファ層(CドープGaN層) 7 バッファ層 7a CドープGaNの薄膜層 7b ダイヤモンド状炭素の薄膜層 8 コレクタ電極 9 ベース電極 10 エミッタ電極
Reference Signs List 1 substrate (Si single crystal substrate) 2 p-type diamond crystal layer (B-doped diamond crystal layer) 3 n-type GaN layer 4 p-type diamond crystal layer (B-doped diamond crystal layer) 5 diamond-like carbon thin film layer 6 buffer layer ( C-doped GaN layer) 7 Buffer layer 7a C-doped GaN thin film layer 7b Diamond-like carbon thin film layer 8 Collector electrode 9 Base electrode 10 Emitter electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−264837(JP,A) 特開 平7−94527(JP,A) 特開 平3−112177(JP,A) 特開 昭64−42813(JP,A) Guang−bo Gao,et.a l.,”Material−Based Comparison for Po wer Heterojunction Bipolar Transisto rs”,IEEE TRANSACTI ONS ON ELECTRON DE VICES,1991年11月,VOL.38, NO.11,pp.2410−2416 T.P.Chow,et.al.," Wide Bandgap Compo und Semiconductors for Superior High −Voltage Power Dev ices”,5th Internat ional Symposium on Power Semiconduct or Devices and IC s,1993年,pp.84−88 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737 H01L 21/205 H01L 29/00 - 29/267 H01L 29/30 - 29/38 H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-8-264837 (JP, A) JP-A-7-94527 (JP, A) JP-A-3-112177 (JP, A) JP-A 64-64 42813 (JP, A) Gang-bo Gao, et. a l. , "Material-Based Comparition for Power Heterojunction Bipolar Transistors", IEEE TRANSACTION ONS ON ELECTRON DE VICES, November 1991, VOL. 38, NO. 11, pp. 2410-2416 T.C. P. Chow, et. al. , "Wide Bandgap Compounds of Semiconductors for Superior High-Voltage Power Devices", 5th International Symposium on Semiconductors and Power Systems, 5th International Symposium. 84-88 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/33-21/331 H01L 29/68-29/737 H01L 21/205 H01L 29/00-29/267 H01L 29 / 30-29/38 H01L 33/00 H01S 5/00-5/50

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 n型またはp型の半導体層の上面と下面
に、前記半導体層と逆導電型の半導体層が接合している
ヘテロ接合構造を有する半導体装置において、前記ヘテ
ロ接合構造のn型半導体層はGaN系化合物半導体から
成り、p型半導体層はダイヤモンド結晶から成ることを
特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having a heterojunction structure in which an n-type or p-type semiconductor layer has an upper surface and a lower surface joined to a semiconductor layer of the opposite conductivity type to the semiconductor layer. A semiconductor device, wherein the semiconductor layer is made of a GaN-based compound semiconductor, and the p-type semiconductor layer is made of a diamond crystal.
【請求項2】 前記n型半導体層と前記p型半導体層の
間には、CドープのGaN系化合物半導体から成る薄膜
層が介装されている請求項1の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thin film layer made of a C-doped GaN-based compound semiconductor is interposed between said n-type semiconductor layer and said p-type semiconductor layer.
【請求項3】 前記n型半導体層は、n型不純物がドー
プされた、AlGaN,GaN,InGaN,InGa
AlNのいずれかから成る請求項1または2の半導体装
置。
3. The n-type semiconductor layer is formed of AlGaN, GaN, InGaN, InGa doped with n-type impurities.
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is made of AlN.
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Guang−bo Gao,et.al.,"Material−Based Comparison for Power Heterojunction Bipolar Transistors",IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,1991年11月,VOL.38,NO.11,pp.2410−2416
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