JP4351869B2 - 半導体を用いた電子デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高耐圧電子デバイス及び耐環境電子デバイスに関し、より具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）やシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）等の広禁制帯幅をもつ既存の半導体を用いて高い降伏電圧を有する電子デバイスや耐環境電子デバイスを作製しようとすることに伴う諸問題が解決できる新しい半導体を用いた電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の高耐圧電子デバイス及び耐環境電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、サイリスタ等のいわゆるパワー・デバイスと呼ばれる電子デバイスは、家電製品、自動車、工作機械、照明等きわめて広い範囲で使われるようになっている。それとともに、パワー・デバイスには高効率かつ高速に電力の変換・制御ができる特性が要求されるようになってきた。パワー・デバイスは、永年に渡り、シリコン（Ｓｉ）を用いて作製されてきたが、Ｓｉを用いることの限界が予測されるようになってきた。その限界はＳｉの禁制帯幅が約１電子ボルト（ｅＶ）と小さいことから生じることが明らかにされている。そこで、その限界を克服するために、禁制帯幅の広いいわゆるワイドギャップ半導体を用いて、パワー・デバイスを実現する研究が広く行われるようになった。具体的には、約３．４３ｅＶの禁制帯幅をもつ窒化ガリウム（ＧａＮ）や約３．２ｅＶの禁制帯幅をもつシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）等の半導体を用いたパワー・デバイスの開発である。
【０００３】
一方、宇宙線や自動車のエンジンで発生する雑音、熱等々によって起こる電子デバイスの誤動作、故障も問題になってきた。雑音や熱などの厳しい環境に対して耐性を有する、いわゆる耐環境デバイスも、広い禁制帯幅をもつ半導体で形成するのが適切であることが明らかになっている。従って、この観点からもＧａＮやＳｉＣを用いた電子デバイスの開発が進められている。しかし、ＧａＮやＳｉＣを用いた電子デバイスを実用化するには、解決すべき多くの問題がある。
【０００４】
最も重要な問題は、適切な基板がないことである。ＧａＮに関しては、窒素の平衡蒸気圧が高いために、バルク結晶の成長が今だ実現しておらず、従ってＧａＮの基板は存在せず、サファイア又はシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）が用いられている。しかし、サファイアとＧａＮの間には約１６％の格子不整があるため、ＧａＮを直接サファイア上に形成することはできない。そのため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）をバッファ層として、まずサファイア基板上に形成した後、ＧａＮを形成する方法がとられている。ところが、ＡｌＮはドーピングが困難な材料であり、かつ絶縁体である。従って、サファイア基板を用いることは、バイポーラトランジスタやサイリスタなど半導体の多層構造をとるデバイスの場合には、デバイス構造の設計及びデバイス作製プロセス上、きわめて不利である。一方、ＳｉＣもバルク結晶は２２００〜２４００℃の高温でなければ成長できず、それから作られる基板はきわめて高価になっている。従って、ＳｉＣを基板としたＧａＮを用いたデバイスおよびＳｉＣを用いたデバイスはいずれも、基板が、ひいてはデバイス全体がきわめて高価なものになってしまう。
【０００５】
次に重要な問題は、デバイスの形成が高温のプロセスによらなければならないことである。ＧａＮ又はＳｉＣの結晶層を形成するには、１０００℃以上の高温を必要とし、デバイス作製上、大きなエネルギーを必要とするだけでなく、異なる性質の結晶層が接する界面においては、原子の移動により組成が乱れたり、ドーパントの分布に変化が生じてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、少なくともシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）の禁制帯幅３．２ｅＶより大きな禁制帯幅をもち、既知の半導体では解決困難な上述の問題を解決するとともに、高耐圧性を有する電子デバイスあるいは耐環境性を有する電子デバイスを実現することを目的とする。同時に、これらの電子デバイスを構成する結晶層との格子不整合が小さく、安価な基板を提供することを目的とする。さらに、高温を必要とすることなしに、これらの電子デバイスを構成する結晶層を形成する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、本発明に従い電子デバイス中で電子が走行する領域に、酸化モリブデンを用いることにより解決される。酸化モリブデンは従来触媒用材料として研究されており、たとえば
【外１】
にまとめられており、この文献は参考文献として、本発明の開示に援用される。上記文献Martin Lerchらの文献には、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の電子デバイスへの応用は提案されていない。従って、上記Martin Lerchらの文献の８頁には、酸化モリブデンが半導体で、禁制帯幅は２．９〜３．１５電子ボルト（ｅＶ）との記述があるが、酸化モリブデンを電子デバイスに用いた場合に得られる効果については、述べられていない。また、２．９〜３．１５ｅＶという禁制帯幅の値は、真空蒸着のような物理的方法で作製された試料について測定された結果である。また、試料の純度についても示されていない。一般に、電子デバイスに用いる場合の半導体材料は、高純度の結晶性のものであり、そのような材料について禁制帯幅等の物性値を測定する必要がある。しかし、上記のMartin Lerchらの文献では、触媒を用途としているため、真空蒸着で作製した試料についての測定結果が示されているものと考えられる。真空蒸着で作製した材料は、通常非晶質で、構造的に乱れたものであることは、当業者にはよく知られている。更に、真空蒸着で作製される薄膜の厚さは、一般に１００ｎｍ程度以下と薄く、１μｍの厚さの薄膜を形成することは通常ありえない。そのような薄い材料の場合は、基板の影響を受け、禁制帯幅のような物性値も、薄膜の厚さや基板によって変化することとなる。上述の禁制帯幅の値は、そのような薄い材料を測定して得られたもので、酸化モリブデンの本質的な物性値とは限らない。１００ｎｍ以上に厚く、かつ高純度の酸化モリブデンについて検討が行われなかったのは、酸化モリブデンを各種トランジスタやサイリスタのような電子デバイスに用いる意図がなかったためと考えられる。
【０００８】
本発明者は純度９９．９９％のモリブデン板を、純度９９．９９９５％の酸素中で酸化し、その物性を評価した。図１は、５５０℃で１２０分間酸化することにより作製した酸化モリブデンの実測した光反射特性を示す。この試料の厚さは１０．２μｍである。図１に示されたスペクトルを延長し、反射が０になる波長、すなわち吸収が起こる最長の波長が酸化モリブデンの禁制帯幅を与える。この試料の場合、光の吸収は３８８ｎｍ以下の波長で起こり、禁制帯幅は３．６６ｅＶである。試料の厚さが１０．２μｍと厚いことから、基板の影響はなく、この禁制帯幅は酸化モリブデンに固有の値と考えられる。また、禁制帯幅の値が上記のMartin Lerchらの文献に示されている値より大きいのは、Martin Lerchらの文献に示されている値は構造の乱れた試料についてのものであり、構造の乱れによっていわゆるバンドティルと呼ばれる準位が生じるため、実効的な禁制帯幅が減少するという当業者には周知の事実による。それに対し、本発明で対象とした試料は、以下に示すように、結晶であるため禁制帯幅は大きくなるものと考えられる。
【０００９】
図２は、図１に光反射スペクトルを示した酸化モリブデンと同様に、ただし酸化温度を４５０〜６５０℃と変化させて作製した酸化モリブデンのラマン散乱スペクトル、図３は同じ試料のＸ線回折スペクトルを示し、いずれも実測したものである。図２及び３のスペクトルは、測定した酸化モリブデンの主成分がＭｏＯ３であることを示している。ただし、ラマン分光及びＸ線回折法の感度以下の割合で、他の化学組成をもつ成分が含まれている可能性はある。酸化温度を４５０〜６５０℃と変化させて、酸化モリブデンを作製し、図１に示したような光反射特性から禁制帯幅を求めると、３．４５〜３．８５ｅＶとなる。従って、３．４５〜３．８５ｅＶの禁制帯幅をもつ酸化モリブデンの主成分はＭｏＯ３であるが、同じ化学組成を有しても、結晶かアモルファスであるか、結晶であっても構造的な乱れの程度あるいは多結晶の場合は結晶粒の大きさや歪等々によって禁制帯幅は変化するため、ＭｏＯ３の化学組成を有する酸化モリブデンが全て３．４５〜３．８５ｅＶの禁制帯幅を持つとは限らない。また、図３のＸ線回折スペクトルは、鋭いピークから成り、このことは、測定に用いた試料が結晶であることを意味している。また、結晶性をより高めることによってさらに大きな禁制帯幅が実現される可能性がある。
【００１０】
図４は、図１の光反射特性を示す酸化モリブデンの実測された電気抵抗率の温度依存性を示す図である。温度上昇とともに抵抗が減少することは、温度上昇とともにキャリヤが増加したことを意味し、そのような現象は半導体でのみ起こる。すなわち、電気抵抗率の逆数である導電率を決めるキャリヤ密度以外の要因であるキャリヤ移動度は、格子振動によるキャリヤの散乱が温度上昇とともに激しくなるため減少し、金属や絶縁体のようにキャリヤの増加がなければ導電率は減少し、抵抗は温度上昇とともに増加するからである。図１に示される光反射スペクトルは、試料すなわち酸化モリブデンが半導体であることを意味するが、図４に示された特性からも、酸化モリブデンが半導体であることが明らかである。
【００１１】
上述のように、６５０℃以下の温度でモリブデン板を酸化することにより酸化モリブデンの結晶が得られ、この層の上にたとえば気相成長法により、酸化モリブデンのバッファ層を形成すれば、それより上には酸化モリブデンの良質の結晶層が形成できる。酸化モリブデンの気相成長は、所定の方法により、６５０℃以下の温度で行うことができる。従って、基本的に酸化モリブデンを用いて電子デバイスを作製するには、モリブデンを基板とし、６５０℃以下の温度の加熱で足りる。基板としては、モリブデン以外にアルミニウム（Ａｌ）結晶や硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用いることができる。酸化モリブデンとアルミニウム結晶の格子定数差は２．０％、酸化モリブデンと硫化亜鉛（ＺｎＳ）の格子定数差は３．１％で、サファイヤと窒化ガリウムの格子定数差１６％に比べ、著しく小さい。このように、基本的に酸化モリブデンを用いて電子デバイスを作製することにより、高価な基板を用いることや作製に高温を必要とするという問題も解決され、ＧａＮを用いた電子デバイスより、より高耐圧で、より環境に強い電子デバイスが実現される。
【００１２】
上述のような仕方で作製された３．４５ｅＶ以上の禁制帯幅を有する高純度酸化モリブデンを、抵抗素子、ダイオード、トランジスタ、ホール素子、サーミスタ、バリスタ、サイリスタ、メモリ素子のような半導体電子デバイスのチャネル層を初めとする、高純度酸化モリブデンの利用が有効であると考えられるデバイスの主要部に用いるものである。また、ドーピング等によって禁制帯幅をコントロールして、より小さい禁制帯幅が有利であるようなデバイスに本発明による高純度酸化モリブデン層を適用することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図５は、第１の実施例である電界効果トランジスタ（１００）の概略を示す図である。図５において、基板（１０１）はモリブデンから成り、導電性であるが、材料としてはモリブデンには限定されない。基板（１０１）の上にはモリブデン基板（１０１）の表面付近を酸化して形成した酸化モリブデンの層（１０２）が存在する。層（１０２）は５５０℃において、純度９９．９９９５％の酸素中で６０分間酸化することにより形成され、厚さは６．０μｍである。層（１０２）の上にはバッファ層（１０３）があり、これは、層（１０２）が基板（１０１）と異なる化学組成をもつことから生じる層（１０２）内の構造的乱れを、後に形成する上の層に受け継がないようにする役割をもつ層である。層（１０３）はたとえば気相成長法で形成され、厚さは４．０μｍである。層（１０３）は意図的にはドーピングしておらず、キャリヤ密度が１×１０１４ｃｍ−３以下の高抵抗層となっている。バッファ層（１０３）はデバイスの動作原理上は必ずしも必要なものではなく、デバイス特性を向上させるために形成したもので、省いてもよい。バッファ層（１０３）上にはより良質のｎ形酸化モリブデン層（１０４）がある。酸化モリブデン層（１０４）はたとえば６３０℃において気相成長法で形成され、３×１０１７ｃｍ−３の電子密度を有し、厚さは０．２μｍである。意図的にはドーピングしていないが、酸素空孔がドナとして働くと考えられる。層（１０４）上には白金／金の二重層から成るショットキー電極（１１０）が形成され、これは電界効果トランジスタのゲートとして働く。層（１０４）はチャネル層である。層（１０４）の上にはソース電極（１１１）及びドレイン電極（１１２）が形成され、いずれも金／チタン／金の三層構造をもつ。
【００１４】
ゲート長２．５μｍ、ゲート幅１００μｍとしてシミュレーションした結果、相互コンダクタンスは最大３０ｍＳ／ｍｍとなり、優れたＦＥＴ特性が得られた。図６にシミュレーションにより得られた５００℃における電流−電圧特性を示す。また、耐圧はソース・ゲート間の電流−電圧測定において、１００Ｖ以上で変化がないことが明らかになった。これらのシミュレーションにおいて、酸化モリブデンの禁制帯幅は３．７５ｅＶとした。以上の結果から、酸化モリブデンを用いれば、優れた耐環境電界効果トランジスタが、高価格な基板や高温プロセスを必要とせず、実現できることが明らかとなった。
【００１５】
図７は、第２の実施例であるバイポーラトランジスタ（２００）の概略を示す図である。このバイポーラトランジスタ（２００）は、モリブデン基板（２０１）とその一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層（２０２）を含む。層（２０２）は５５０℃において純度９９．９９９５％の酸素中で、純度９９．９９％のモリブデン板を６０分酸化することにより形成したもので、厚さは６．０μｍである。層（２０２）上に酸化モリブデンのバッファ層（２０３）がある。バッファ層（２０３）はたとえば気相成長法により形成され、厚さは４．０μｍである。バッファ層（２０３）は意図的にはドープしていないが６３０℃で形成することにより、ｎ形の伝導形を示す。相対的に高い温度で形成したために、酸素空孔がドナとして働いたことが原因と考えられる。バッファ層（２０３）の上にｎ形酸化モリブデン層（２０４）がある。層（２０４）はキャリヤ密度６×１０１６ｃｍ−３、厚さ４５０ｎｍで、バイポーラトランジスタ（２００）のコレクタとして働く。層（２０４）は、たとえば６００℃において、気相成長法により形成される。層（２０４）はバッファ層（２０３）が存在するおかげで、バッファ層（２０３）よりも結晶欠陥は少なくなる。層（２０４）の上にはマグネシウムをドープしたキャリヤ密度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ３５０ｎｍのｐ形酸化モリブデン層（２０５）がある。層（２０５）はバイポーラトランジスタ（２００）のベースとして働く。層（２０５）の上にはキャリヤ密度３×１０１７ｃｍ−３、厚さ４００ｎｍのｎ形酸化モリブデン層（２０６）がある。層（２０６）はバイポーラトランジスタのエミッタとして働く。図７に示されるように、ｐ形酸化モリブデン層（２０５）はコレクタ層（２０４）上にコレクタ電極（２１０）が形成できるよう、層（２０４）の周辺部を除いて形成され、同様にエミッタ層（２０６）はベース層（２０５）上にベース電極（２１１）が形成できるよう、層（２０６）の周辺部以外の部分に形成される。エミッタ層（２０６）上には、エミッタ電極（２１２）が形成される。コレクタ電極（２１０）及びエミッタ電極（２１２）はアルミニウム／チタン二重層で、ベース電極（２１１）はニッケル／チタン／金の三層構造で形成されている。
【００１６】
図８は、図７に示したバイポーラトランジスタ（２００）についてシミュレーションした５００℃における電流−電圧特性を示す図である。図８は、酸化モリブデンを用いたバイポーラトランジスタが、５００℃の高温でも、安定に動作することを示している。ＧａＮを用いたバイポーラトランジスタでは、３００℃で動作することがこれまでに確認されているが、酸化モリブデンを用いることにより、更に高温で動作するバイポーラトランジスタが実現されることになる。しかも、高価な基板を必要とせず、デバイス作製プロセスにおいても１０００℃を超えるような高温の加熱処理を必要としない。
【００１７】
図９は、第３の実施例であるサイリスタ（３００）の構造の概念図である。図９には動作原理上主要な要素のみが示されている。図９において、サイリスタ（３００）は、モリブデンの基板（３０１）と、その一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層（３０２）とを含む。層（３０２）は、５５０℃において、純度９９．９９％のモリブデン板を純度９９．９９９５％の酸素中で、６０分酸化することにより形成され、厚さは６．０μｍ、電気的には高抵抗性を示す。層（３０２）上には酸化モリブデンから成るバッファ層（３０３）がある。バッファ層（３０３）はたとえば５５０℃において、気相成長法により形成され、厚さは４．０μｍ、電気的には高抵抗性を示す。バッファ層（３０３）上には、ｐ形酸化モリブデンの層（３０４）が形成されている。この層（３０４）は、たとえば気相成長法により形成され、その際マグネシウムをドーピングし、正孔密度は７×１０１７ｃｍ−３、厚さは５０ｎｍである。層（３０４）の上にはその周辺部以外の部分にｎ形酸化モリブデンの層（３０５）が存在する。層（３０５）は、たとえば気相成長により形成され、意図的にはドーピングを行っていないが、５８０℃で形成することにより、電子密度は２×１０１６ｃｍ−３となり、厚さは１６０ｎｍである。層（３０５）の上にはｐ形酸化モリブデンの層（３０６）があり、層（３０６）はたとえばマグネシウムがドープされ、正孔密度７×１０１６ｃｍ−３、厚さ８０ｎｍである。層（３０６）の上にはその周辺部以外の部分に、ｎ形酸化モリブデン層（３０７）が形成されている。この層（３０７）は、たとえば６３０℃において気相成長法により形成され、電子密度は３×１０１７ｃｍ−３で、厚さは６０ｎｍである。層（３０７）の上にはカソード電極（３１１）が、層（３０６）の露出した周辺部上にはゲート電極（３１２）が、また層（３０４）の露出した周辺部上にはアノード電極（３１３）が形成されている。ゲート電極（３１２）及びアノード電極（３１３）は、ニッケル／チタン／金の三重構造で、カソード電極（３１１）はアルミニウム／チタンの二重層で形成されている。
【００１８】
図９にその構造が示されたサイリスタについて、酸化モリブデンの禁制帯幅を３．７５ｅＶとして動作のシミュレーションを行った結果、繰り返しオフ電圧は５２００Ｖ、可制御オン電流は５０００Ａであった。ＳｉＣを用いた同型のサイリスタでは、繰り返しオフ電圧は４５００Ｖ、可制御オン電流は４０００Ａであることが知られており、これと比較すると、酸化モリブデンを用いて作製したサイリスタは、ＳｉＣを用いたサイリスタよりも著しく優れた特性をもつことがわかる。なお、ＧａＮを用いたサイリスタについては報告がなされていない。
【００１９】
図１０は、シミュレーションにより得られた耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。図中の直線（１００１）は禁制帯幅３．７５ｅＶをもつ酸化モリブデンを用いたサイリスタの場合であり、また直線（１００２）はＳｉＣを、直線（１００３）はＳｉを用いた場合についての結果である。この図からも酸化モリブデンを用いることにより、ＳｉやＳｉＣを用いたサイリスタに比べ、きわめて優れたサイリスタが実現できることがわかる。
【００２０】
以上のように、酸化モリブデンを用いることによって、高価な基板を必要とすることなく、しかも高温下での作製プロセスによらず、既存のサイリスタに比べ優れた特性を有するサイリスタが実現できることが明らかである。
なお、図９にはカソード電極が形成された最も上の層から、下に向かって各層の伝導形がｎｐｎｐとなる構造が示されているが、サイリスタとしては原理的にはｐｎｐｎでもさしつかえない。
また、バイポーラトランジスタは２つのｐｎ接合を含むが、バイポーラトランジスタが形成できるということは、当然にｐｎ接合１個を含むダイオードが形成できることは、当業者には明らかである。従って、ｐｎ接合ダイオードも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２１】
以上のように、主としてトランジスタおよびサイリスタに本発明に係る高純度酸化モリブデンを応用する例を詳細に説明してきたが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。本発明の高純度酸化モリブデンは、その大きい禁制帯幅、および／又は製造の容易さを利する、当業者には周知のデバイスおよび今後開発されるデバイスにも広く適用することが可能である。これらも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の高耐圧、高耐環境電界効果トランジスタにより、たとえば高性能の自動車のエンジン制御装置が、また高耐圧、高耐環境バイポーラトランジスタあるいはサイリスタにより、高性能の電車のモータ制御装置、原子力設備における電気機器をはじめとする多くの高電圧電気機器や厳しい環境下で使用される電気機器が実現されるなど、産業上の利点は計り知れないものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高純度のモリブデンを５５０℃で酸化することにより形成した酸化モリブデンの光反射特性を示す図である。
【図２】高純度のモリブデンを４５０ないし６５０℃の範囲内における異なる温度で形成した酸化モリブデンのラマン散乱スペクトルを示す図である。
【図３】高純度のモリブデンを４５０ないし６５０℃の範囲内における異なる温度で酸化して形成した酸化モリブデンのＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図４】高純度のモリブデンを５５０℃で酸化することにより形成した酸化モリブデンの電気抵抗率の温度依存性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例である電界効果トランジスタの構造を概念的に示す図である。
【図６】図５にその構造が示された電界効果トランジスタについて、シミュレーションにより得られたた５００℃における電流−電圧特性を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例であるバイポーラトランジスタの構造を概念的に示す図である。
【図８】図７にその構造が示されたバイポーラトランジスタについて、シミュレーションにより得られた５００℃における電流−電圧特性を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施例であるサイリスタの構造を概念的に示す図である。
【図１０】酸化モリブデンを用いたサイリスタについて、シミュレーションにより得られた耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。
【符号の説明】
１００ 電界効果トランジスタ
１０１ 基板
１０２ 層
１０３ バッファ層
１０４ 酸化モリブデン層
１１０ ショットキー電極
１１１ ソース電極
１１２ ドレイン電極
２００ バイポーラトランジスタ
２０１ モリブデン基板
２０２ 層
２０３ バッファ層
２０４ ｎ形酸化モリブデン層、層
２０５ ｐ形酸化モリブデン層、層
２０６ ｎ形酸化モリブデン層、層
２１０ コレクタ電極
２１１ ベース電極
２１２ エミッタ電極
３００ サイリスタ
３０１ 基板
３０２ 層
３０３ バッファ層
３０４ ｐ形酸化モリブデン層、層
３０５ ｎ形酸化モリブデン層、層
３０６ ｐ形酸化モリブデン層、層
３０７ ｎ形酸化モリブデン層、層
３１１ カソード電極
３１２ ゲート電極
３１３ アノード電極
１００１，１００２，１００３ 直線
【産業上の利用分野】
本発明は、高耐圧電子デバイス及び耐環境電子デバイスに関し、より具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）やシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）等の広禁制帯幅をもつ既存の半導体を用いて高い降伏電圧を有する電子デバイスや耐環境電子デバイスを作製しようとすることに伴う諸問題が解決できる新しい半導体を用いた電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の高耐圧電子デバイス及び耐環境電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、サイリスタ等のいわゆるパワー・デバイスと呼ばれる電子デバイスは、家電製品、自動車、工作機械、照明等きわめて広い範囲で使われるようになっている。それとともに、パワー・デバイスには高効率かつ高速に電力の変換・制御ができる特性が要求されるようになってきた。パワー・デバイスは、永年に渡り、シリコン（Ｓｉ）を用いて作製されてきたが、Ｓｉを用いることの限界が予測されるようになってきた。その限界はＳｉの禁制帯幅が約１電子ボルト（ｅＶ）と小さいことから生じることが明らかにされている。そこで、その限界を克服するために、禁制帯幅の広いいわゆるワイドギャップ半導体を用いて、パワー・デバイスを実現する研究が広く行われるようになった。具体的には、約３．４３ｅＶの禁制帯幅をもつ窒化ガリウム（ＧａＮ）や約３．２ｅＶの禁制帯幅をもつシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）等の半導体を用いたパワー・デバイスの開発である。
【０００３】
一方、宇宙線や自動車のエンジンで発生する雑音、熱等々によって起こる電子デバイスの誤動作、故障も問題になってきた。雑音や熱などの厳しい環境に対して耐性を有する、いわゆる耐環境デバイスも、広い禁制帯幅をもつ半導体で形成するのが適切であることが明らかになっている。従って、この観点からもＧａＮやＳｉＣを用いた電子デバイスの開発が進められている。しかし、ＧａＮやＳｉＣを用いた電子デバイスを実用化するには、解決すべき多くの問題がある。
【０００４】
最も重要な問題は、適切な基板がないことである。ＧａＮに関しては、窒素の平衡蒸気圧が高いために、バルク結晶の成長が今だ実現しておらず、従ってＧａＮの基板は存在せず、サファイア又はシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）が用いられている。しかし、サファイアとＧａＮの間には約１６％の格子不整があるため、ＧａＮを直接サファイア上に形成することはできない。そのため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）をバッファ層として、まずサファイア基板上に形成した後、ＧａＮを形成する方法がとられている。ところが、ＡｌＮはドーピングが困難な材料であり、かつ絶縁体である。従って、サファイア基板を用いることは、バイポーラトランジスタやサイリスタなど半導体の多層構造をとるデバイスの場合には、デバイス構造の設計及びデバイス作製プロセス上、きわめて不利である。一方、ＳｉＣもバルク結晶は２２００〜２４００℃の高温でなければ成長できず、それから作られる基板はきわめて高価になっている。従って、ＳｉＣを基板としたＧａＮを用いたデバイスおよびＳｉＣを用いたデバイスはいずれも、基板が、ひいてはデバイス全体がきわめて高価なものになってしまう。
【０００５】
次に重要な問題は、デバイスの形成が高温のプロセスによらなければならないことである。ＧａＮ又はＳｉＣの結晶層を形成するには、１０００℃以上の高温を必要とし、デバイス作製上、大きなエネルギーを必要とするだけでなく、異なる性質の結晶層が接する界面においては、原子の移動により組成が乱れたり、ドーパントの分布に変化が生じてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、少なくともシリコン・カーバイド（ＳｉＣ）の禁制帯幅３．２ｅＶより大きな禁制帯幅をもち、既知の半導体では解決困難な上述の問題を解決するとともに、高耐圧性を有する電子デバイスあるいは耐環境性を有する電子デバイスを実現することを目的とする。同時に、これらの電子デバイスを構成する結晶層との格子不整合が小さく、安価な基板を提供することを目的とする。さらに、高温を必要とすることなしに、これらの電子デバイスを構成する結晶層を形成する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題は、本発明に従い電子デバイス中で電子が走行する領域に、酸化モリブデンを用いることにより解決される。酸化モリブデンは従来触媒用材料として研究されており、たとえば
【外１】
【０００８】
本発明者は純度９９．９９％のモリブデン板を、純度９９．９９９５％の酸素中で酸化し、その物性を評価した。図１は、５５０℃で１２０分間酸化することにより作製した酸化モリブデンの実測した光反射特性を示す。この試料の厚さは１０．２μｍである。図１に示されたスペクトルを延長し、反射が０になる波長、すなわち吸収が起こる最長の波長が酸化モリブデンの禁制帯幅を与える。この試料の場合、光の吸収は３８８ｎｍ以下の波長で起こり、禁制帯幅は３．６６ｅＶである。試料の厚さが１０．２μｍと厚いことから、基板の影響はなく、この禁制帯幅は酸化モリブデンに固有の値と考えられる。また、禁制帯幅の値が上記のMartin Lerchらの文献に示されている値より大きいのは、Martin Lerchらの文献に示されている値は構造の乱れた試料についてのものであり、構造の乱れによっていわゆるバンドティルと呼ばれる準位が生じるため、実効的な禁制帯幅が減少するという当業者には周知の事実による。それに対し、本発明で対象とした試料は、以下に示すように、結晶であるため禁制帯幅は大きくなるものと考えられる。
【０００９】
図２は、図１に光反射スペクトルを示した酸化モリブデンと同様に、ただし酸化温度を４５０〜６５０℃と変化させて作製した酸化モリブデンのラマン散乱スペクトル、図３は同じ試料のＸ線回折スペクトルを示し、いずれも実測したものである。図２及び３のスペクトルは、測定した酸化モリブデンの主成分がＭｏＯ３であることを示している。ただし、ラマン分光及びＸ線回折法の感度以下の割合で、他の化学組成をもつ成分が含まれている可能性はある。酸化温度を４５０〜６５０℃と変化させて、酸化モリブデンを作製し、図１に示したような光反射特性から禁制帯幅を求めると、３．４５〜３．８５ｅＶとなる。従って、３．４５〜３．８５ｅＶの禁制帯幅をもつ酸化モリブデンの主成分はＭｏＯ３であるが、同じ化学組成を有しても、結晶かアモルファスであるか、結晶であっても構造的な乱れの程度あるいは多結晶の場合は結晶粒の大きさや歪等々によって禁制帯幅は変化するため、ＭｏＯ３の化学組成を有する酸化モリブデンが全て３．４５〜３．８５ｅＶの禁制帯幅を持つとは限らない。また、図３のＸ線回折スペクトルは、鋭いピークから成り、このことは、測定に用いた試料が結晶であることを意味している。また、結晶性をより高めることによってさらに大きな禁制帯幅が実現される可能性がある。
【００１０】
図４は、図１の光反射特性を示す酸化モリブデンの実測された電気抵抗率の温度依存性を示す図である。温度上昇とともに抵抗が減少することは、温度上昇とともにキャリヤが増加したことを意味し、そのような現象は半導体でのみ起こる。すなわち、電気抵抗率の逆数である導電率を決めるキャリヤ密度以外の要因であるキャリヤ移動度は、格子振動によるキャリヤの散乱が温度上昇とともに激しくなるため減少し、金属や絶縁体のようにキャリヤの増加がなければ導電率は減少し、抵抗は温度上昇とともに増加するからである。図１に示される光反射スペクトルは、試料すなわち酸化モリブデンが半導体であることを意味するが、図４に示された特性からも、酸化モリブデンが半導体であることが明らかである。
【００１１】
上述のように、６５０℃以下の温度でモリブデン板を酸化することにより酸化モリブデンの結晶が得られ、この層の上にたとえば気相成長法により、酸化モリブデンのバッファ層を形成すれば、それより上には酸化モリブデンの良質の結晶層が形成できる。酸化モリブデンの気相成長は、所定の方法により、６５０℃以下の温度で行うことができる。従って、基本的に酸化モリブデンを用いて電子デバイスを作製するには、モリブデンを基板とし、６５０℃以下の温度の加熱で足りる。基板としては、モリブデン以外にアルミニウム（Ａｌ）結晶や硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用いることができる。酸化モリブデンとアルミニウム結晶の格子定数差は２．０％、酸化モリブデンと硫化亜鉛（ＺｎＳ）の格子定数差は３．１％で、サファイヤと窒化ガリウムの格子定数差１６％に比べ、著しく小さい。このように、基本的に酸化モリブデンを用いて電子デバイスを作製することにより、高価な基板を用いることや作製に高温を必要とするという問題も解決され、ＧａＮを用いた電子デバイスより、より高耐圧で、より環境に強い電子デバイスが実現される。
【００１２】
上述のような仕方で作製された３．４５ｅＶ以上の禁制帯幅を有する高純度酸化モリブデンを、抵抗素子、ダイオード、トランジスタ、ホール素子、サーミスタ、バリスタ、サイリスタ、メモリ素子のような半導体電子デバイスのチャネル層を初めとする、高純度酸化モリブデンの利用が有効であると考えられるデバイスの主要部に用いるものである。また、ドーピング等によって禁制帯幅をコントロールして、より小さい禁制帯幅が有利であるようなデバイスに本発明による高純度酸化モリブデン層を適用することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図５は、第１の実施例である電界効果トランジスタ（１００）の概略を示す図である。図５において、基板（１０１）はモリブデンから成り、導電性であるが、材料としてはモリブデンには限定されない。基板（１０１）の上にはモリブデン基板（１０１）の表面付近を酸化して形成した酸化モリブデンの層（１０２）が存在する。層（１０２）は５５０℃において、純度９９．９９９５％の酸素中で６０分間酸化することにより形成され、厚さは６．０μｍである。層（１０２）の上にはバッファ層（１０３）があり、これは、層（１０２）が基板（１０１）と異なる化学組成をもつことから生じる層（１０２）内の構造的乱れを、後に形成する上の層に受け継がないようにする役割をもつ層である。層（１０３）はたとえば気相成長法で形成され、厚さは４．０μｍである。層（１０３）は意図的にはドーピングしておらず、キャリヤ密度が１×１０１４ｃｍ−３以下の高抵抗層となっている。バッファ層（１０３）はデバイスの動作原理上は必ずしも必要なものではなく、デバイス特性を向上させるために形成したもので、省いてもよい。バッファ層（１０３）上にはより良質のｎ形酸化モリブデン層（１０４）がある。酸化モリブデン層（１０４）はたとえば６３０℃において気相成長法で形成され、３×１０１７ｃｍ−３の電子密度を有し、厚さは０．２μｍである。意図的にはドーピングしていないが、酸素空孔がドナとして働くと考えられる。層（１０４）上には白金／金の二重層から成るショットキー電極（１１０）が形成され、これは電界効果トランジスタのゲートとして働く。層（１０４）はチャネル層である。層（１０４）の上にはソース電極（１１１）及びドレイン電極（１１２）が形成され、いずれも金／チタン／金の三層構造をもつ。
【００１４】
ゲート長２．５μｍ、ゲート幅１００μｍとしてシミュレーションした結果、相互コンダクタンスは最大３０ｍＳ／ｍｍとなり、優れたＦＥＴ特性が得られた。図６にシミュレーションにより得られた５００℃における電流−電圧特性を示す。また、耐圧はソース・ゲート間の電流−電圧測定において、１００Ｖ以上で変化がないことが明らかになった。これらのシミュレーションにおいて、酸化モリブデンの禁制帯幅は３．７５ｅＶとした。以上の結果から、酸化モリブデンを用いれば、優れた耐環境電界効果トランジスタが、高価格な基板や高温プロセスを必要とせず、実現できることが明らかとなった。
【００１５】
図７は、第２の実施例であるバイポーラトランジスタ（２００）の概略を示す図である。このバイポーラトランジスタ（２００）は、モリブデン基板（２０１）とその一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層（２０２）を含む。層（２０２）は５５０℃において純度９９．９９９５％の酸素中で、純度９９．９９％のモリブデン板を６０分酸化することにより形成したもので、厚さは６．０μｍである。層（２０２）上に酸化モリブデンのバッファ層（２０３）がある。バッファ層（２０３）はたとえば気相成長法により形成され、厚さは４．０μｍである。バッファ層（２０３）は意図的にはドープしていないが６３０℃で形成することにより、ｎ形の伝導形を示す。相対的に高い温度で形成したために、酸素空孔がドナとして働いたことが原因と考えられる。バッファ層（２０３）の上にｎ形酸化モリブデン層（２０４）がある。層（２０４）はキャリヤ密度６×１０１６ｃｍ−３、厚さ４５０ｎｍで、バイポーラトランジスタ（２００）のコレクタとして働く。層（２０４）は、たとえば６００℃において、気相成長法により形成される。層（２０４）はバッファ層（２０３）が存在するおかげで、バッファ層（２０３）よりも結晶欠陥は少なくなる。層（２０４）の上にはマグネシウムをドープしたキャリヤ密度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ３５０ｎｍのｐ形酸化モリブデン層（２０５）がある。層（２０５）はバイポーラトランジスタ（２００）のベースとして働く。層（２０５）の上にはキャリヤ密度３×１０１７ｃｍ−３、厚さ４００ｎｍのｎ形酸化モリブデン層（２０６）がある。層（２０６）はバイポーラトランジスタのエミッタとして働く。図７に示されるように、ｐ形酸化モリブデン層（２０５）はコレクタ層（２０４）上にコレクタ電極（２１０）が形成できるよう、層（２０４）の周辺部を除いて形成され、同様にエミッタ層（２０６）はベース層（２０５）上にベース電極（２１１）が形成できるよう、層（２０６）の周辺部以外の部分に形成される。エミッタ層（２０６）上には、エミッタ電極（２１２）が形成される。コレクタ電極（２１０）及びエミッタ電極（２１２）はアルミニウム／チタン二重層で、ベース電極（２１１）はニッケル／チタン／金の三層構造で形成されている。
【００１６】
図８は、図７に示したバイポーラトランジスタ（２００）についてシミュレーションした５００℃における電流−電圧特性を示す図である。図８は、酸化モリブデンを用いたバイポーラトランジスタが、５００℃の高温でも、安定に動作することを示している。ＧａＮを用いたバイポーラトランジスタでは、３００℃で動作することがこれまでに確認されているが、酸化モリブデンを用いることにより、更に高温で動作するバイポーラトランジスタが実現されることになる。しかも、高価な基板を必要とせず、デバイス作製プロセスにおいても１０００℃を超えるような高温の加熱処理を必要としない。
【００１７】
図９は、第３の実施例であるサイリスタ（３００）の構造の概念図である。図９には動作原理上主要な要素のみが示されている。図９において、サイリスタ（３００）は、モリブデンの基板（３０１）と、その一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層（３０２）とを含む。層（３０２）は、５５０℃において、純度９９．９９％のモリブデン板を純度９９．９９９５％の酸素中で、６０分酸化することにより形成され、厚さは６．０μｍ、電気的には高抵抗性を示す。層（３０２）上には酸化モリブデンから成るバッファ層（３０３）がある。バッファ層（３０３）はたとえば５５０℃において、気相成長法により形成され、厚さは４．０μｍ、電気的には高抵抗性を示す。バッファ層（３０３）上には、ｐ形酸化モリブデンの層（３０４）が形成されている。この層（３０４）は、たとえば気相成長法により形成され、その際マグネシウムをドーピングし、正孔密度は７×１０１７ｃｍ−３、厚さは５０ｎｍである。層（３０４）の上にはその周辺部以外の部分にｎ形酸化モリブデンの層（３０５）が存在する。層（３０５）は、たとえば気相成長により形成され、意図的にはドーピングを行っていないが、５８０℃で形成することにより、電子密度は２×１０１６ｃｍ−３となり、厚さは１６０ｎｍである。層（３０５）の上にはｐ形酸化モリブデンの層（３０６）があり、層（３０６）はたとえばマグネシウムがドープされ、正孔密度７×１０１６ｃｍ−３、厚さ８０ｎｍである。層（３０６）の上にはその周辺部以外の部分に、ｎ形酸化モリブデン層（３０７）が形成されている。この層（３０７）は、たとえば６３０℃において気相成長法により形成され、電子密度は３×１０１７ｃｍ−３で、厚さは６０ｎｍである。層（３０７）の上にはカソード電極（３１１）が、層（３０６）の露出した周辺部上にはゲート電極（３１２）が、また層（３０４）の露出した周辺部上にはアノード電極（３１３）が形成されている。ゲート電極（３１２）及びアノード電極（３１３）は、ニッケル／チタン／金の三重構造で、カソード電極（３１１）はアルミニウム／チタンの二重層で形成されている。
【００１８】
図９にその構造が示されたサイリスタについて、酸化モリブデンの禁制帯幅を３．７５ｅＶとして動作のシミュレーションを行った結果、繰り返しオフ電圧は５２００Ｖ、可制御オン電流は５０００Ａであった。ＳｉＣを用いた同型のサイリスタでは、繰り返しオフ電圧は４５００Ｖ、可制御オン電流は４０００Ａであることが知られており、これと比較すると、酸化モリブデンを用いて作製したサイリスタは、ＳｉＣを用いたサイリスタよりも著しく優れた特性をもつことがわかる。なお、ＧａＮを用いたサイリスタについては報告がなされていない。
【００１９】
図１０は、シミュレーションにより得られた耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。図中の直線（１００１）は禁制帯幅３．７５ｅＶをもつ酸化モリブデンを用いたサイリスタの場合であり、また直線（１００２）はＳｉＣを、直線（１００３）はＳｉを用いた場合についての結果である。この図からも酸化モリブデンを用いることにより、ＳｉやＳｉＣを用いたサイリスタに比べ、きわめて優れたサイリスタが実現できることがわかる。
【００２０】
以上のように、酸化モリブデンを用いることによって、高価な基板を必要とすることなく、しかも高温下での作製プロセスによらず、既存のサイリスタに比べ優れた特性を有するサイリスタが実現できることが明らかである。
なお、図９にはカソード電極が形成された最も上の層から、下に向かって各層の伝導形がｎｐｎｐとなる構造が示されているが、サイリスタとしては原理的にはｐｎｐｎでもさしつかえない。
また、バイポーラトランジスタは２つのｐｎ接合を含むが、バイポーラトランジスタが形成できるということは、当然にｐｎ接合１個を含むダイオードが形成できることは、当業者には明らかである。従って、ｐｎ接合ダイオードも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２１】
以上のように、主としてトランジスタおよびサイリスタに本発明に係る高純度酸化モリブデンを応用する例を詳細に説明してきたが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。本発明の高純度酸化モリブデンは、その大きい禁制帯幅、および／又は製造の容易さを利する、当業者には周知のデバイスおよび今後開発されるデバイスにも広く適用することが可能である。これらも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の高耐圧、高耐環境電界効果トランジスタにより、たとえば高性能の自動車のエンジン制御装置が、また高耐圧、高耐環境バイポーラトランジスタあるいはサイリスタにより、高性能の電車のモータ制御装置、原子力設備における電気機器をはじめとする多くの高電圧電気機器や厳しい環境下で使用される電気機器が実現されるなど、産業上の利点は計り知れないものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高純度のモリブデンを５５０℃で酸化することにより形成した酸化モリブデンの光反射特性を示す図である。
【図２】高純度のモリブデンを４５０ないし６５０℃の範囲内における異なる温度で形成した酸化モリブデンのラマン散乱スペクトルを示す図である。
【図３】高純度のモリブデンを４５０ないし６５０℃の範囲内における異なる温度で酸化して形成した酸化モリブデンのＸ線回折スペクトルを示す図である。
【図４】高純度のモリブデンを５５０℃で酸化することにより形成した酸化モリブデンの電気抵抗率の温度依存性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例である電界効果トランジスタの構造を概念的に示す図である。
【図６】図５にその構造が示された電界効果トランジスタについて、シミュレーションにより得られたた５００℃における電流−電圧特性を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例であるバイポーラトランジスタの構造を概念的に示す図である。
【図８】図７にその構造が示されたバイポーラトランジスタについて、シミュレーションにより得られた５００℃における電流−電圧特性を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施例であるサイリスタの構造を概念的に示す図である。
【図１０】酸化モリブデンを用いたサイリスタについて、シミュレーションにより得られた耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。
【符号の説明】
１００ 電界効果トランジスタ
１０１ 基板
１０２ 層
１０３ バッファ層
１０４ 酸化モリブデン層
１１０ ショットキー電極
１１１ ソース電極
１１２ ドレイン電極
２００ バイポーラトランジスタ
２０１ モリブデン基板
２０２ 層
２０３ バッファ層
２０４ ｎ形酸化モリブデン層、層
２０５ ｐ形酸化モリブデン層、層
２０６ ｎ形酸化モリブデン層、層
２１０ コレクタ電極
２１１ ベース電極
２１２ エミッタ電極
３００ サイリスタ
３０１ 基板
３０２ 層
３０３ バッファ層
３０４ ｐ形酸化モリブデン層、層
３０５ ｎ形酸化モリブデン層、層
３０６ ｐ形酸化モリブデン層、層
３０７ ｎ形酸化モリブデン層、層
３１１ カソード電極
３１２ ゲート電極
３１３ アノード電極
１００１，１００２，１００３ 直線
Claims (5)
- 少なくとも１つのｐｎ接合を含むことが、動作原理上不可欠な半導体電子デバイスにおいて、ｐｎ接合を形成するｐ形領域及びｎ形領域が高純度単結晶三酸化モリブデンで形成される半導体電子デバイスであって、
前記半導体電子デバイスのデバイス層がモリブデン基板上に形成されており、前記デバイス層が、モリブデン基板の表面付近の一部を酸化して形成された酸化モリブデンの層と、その上に形成された酸化モリブデンから成るバッファ層と、さらにその上に形成された高純度単結晶三酸化モリブデン層とから成る半導体電子デバイス。 - モリブデンから成る基板と前記基板の表面付近の一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層を含み、チャネル層に高純度単結晶三酸化モリブデンを用いた電界効果トランジスタであって、前記酸化モリブデン層上に形成された酸化モリブデンから成るバッファ層上に、前記高純度単結晶三酸化モリブデン層が形成されている電界効果トランジスタ。
- モリブデンから成る基板と、この基板の表面付近の一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層とを含み、エミッタ、ベース、コレクタの各領域に、高純度単結晶三酸化モリブデンを用いたバイポーラトランジスタであって、前記酸化モリブデンの層上に形成された酸化モリブデンから成るバッファ層上に、前記高純度単結晶三酸化モリブデンからなる層が形成されているバイポーラトランジスタ。
- モリブデンから成る基板と、前記基板の表面付近の一部を酸化して形成した酸化モリブデンの層とを含み、第１のｐ形半導体層、第１のｎ形半導体層、第２のｐ形半導体層及び第２のｎ形半導体層をこの順序で積層した構造を含み、前記第１、第２のｐ形半導体層及び第１、第２のｎ形半導体層のすべてが高純度単結晶三酸化モリブデンで形成されており、ならびに前記酸化モリブデン層上に形成された酸化モリブデンから成るバッファ層上に、前記高純度単結晶三酸化モリブデンから成る第１のｐ形半導体層が形成されているサイリスタ。
- モリブデンから成る基板と、前記基板の一部を酸化して形成した半導体層とを含み、第１のｎ形半導体層、第１のｐ形半導体層、第２のｎ形半導体層及び第２のｐ形半導体層をこの順序で積層した構造を含み、前記第１、第２のｎ形半導体層及び第１、第２のｎ形半導体層のすべてが高純度単結晶三酸化モリブデンで形成されており、ならびに前記酸化モリブデンの層上に形成された酸化モリブデンから成るバッファ層上に、前記高純度単結晶三酸化モリブデンから成る第１のｎ形半導体層が形成されているサイリスタ。
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