JP5207874B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、整流・検波用のダイオードや、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor ）などのトランジスタ構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、空中からのマイクロ波などを整流して非接触型ＩＣカードの電源用にする場合のように、順方向の立上り電圧が非常に低く、効率よく電波を整流するため、二次元電子ガスを利用したダイオードや、ＨＥＭＴのように、二次次元電子ガスを発生させるために、半導体層上に形成する高キャリア濃度で、バンドギャップが大きいワイドギャップ半導体層を、歪み格子層として簡単に形成することができる構造の半導体装置およびその製造方法に関する。
従来の整流用、検波用などに用いられるダイオードとしては、一般的にはＰＮ接合ダイオードまたはショットキーバリアダイオードが用いられている。このショットキーバリアダイオードは、金属と半導体との接触によって生ずる電位障壁を利用して、順方向電圧に対しては低い電圧で電流が流れ、逆方向電圧に対しては、高い電圧まで電流を阻止する整流特性を有するダイオードであり、多数キャリアによる伝導であるため、逆方向回復時間が小さく、順方向立上り電圧が低いという特徴をもっている。そのため、高速スイッチや高周波動作に適しており、最近では、たとえば空中に送信されるマイクロ波を整流して電力用とする整流ダイオードとしても利用されている。
このような応用例としては、たとえばＩＣカードを無電源化して、ＩＣカード内にショットキーバリアダイオードを内蔵し、外部から送られてくるマイクロ波を整流して直流電源として利用することにより非接触型ＩＣカードとしたり、宇宙で太陽光をソーラパネルにより集電した電力を、マグネトロンなどの電子管によりマイクロ波発振させて、地上に向けて送信し、地上でそのマイクロ波をショットキーバリアダイオードなどにより受信して整流し、電力として利用したりすることが考えられている。
一方、たとえばＧａＮ系化合物半導体（ＧａＮの他、Ｇａの一部または全部がＡｌなどの他のIII族元素と置換した化合物を含む意味で、窒化物半導体ともいう、以下同じ）を用いたＨＥＭＴの構造は、図１２に示されるような構造が知られている。すなわち、図示しないサファイア基板などの上に積層される半絶縁性またはキャリア濃度が非常に低いＧａＮからなるチャネル層５１上に、キャリア濃度が大きく、かつ、バンドギャップが大きく、所望のしきい値電圧となるような２０〜３０ｎｍ程度の厚さのＡｌＧａＮ系化合物半導体層５２が設けられ、その表面にソース電極５３、ドレイン電極５４、およびショットキー接合のゲート電極５５が形成されている。このような構成にすることにより、チャネル層５１のＡｌＧａＮ系化合物（ＡｌとＧａの混晶比率が変り得ることを意味する、以下同じ）半導体層５２との界面のナロウギャップ側に二次元電子ガスが発生し、不純物の少ないチャネル層５１を電子が高速で移動して高速、低雑音のトランジスタとして動作する。
しかし、このような構造では、ソース・ドレイン電極５３、５４とＡｌＧａＮ系化合物半導体層５２とのコンタクト抵抗率を充分に下げることができないため、出力電力、電力負荷効率、動作周波数の低下などという問題があり、低抵抗のオーミックコンタクトを得るため、前述のＡｌＧａＮ系化合物半導体層５２の少なくとも電極５３、５４との接触部の厚さを薄くし、ヘテロ界面に蓄積された二次元電子ガスを電極にトンネルさせることにより、電極５３、５４との接触抵抗を下げることが提案されている（たとえば引用文献１参照）。
特開２００３−１００７７８号公報
前述の非接触型ＩＣカードの電源用として用いるような場合、微弱なマイクロ波を如何に効率よく整流するかが重要な問題となり、とくに、整流ダイオードの順方向立上り電圧の低いダイオードが求められている。しかし、前述のショットキーバリアダイオードを用いても、シリコンのＰＮ接合ダイオードの順方向電圧０.６Ｖ程度より低いとはいえ、ショットキー障壁の小さい材料を選択しても、逆方向耐圧を考慮すると、０.５Ｖ程度とまだ高く、微弱な電波を効率よく整流するには問題がある。
さらに、ＰＮ接合では順方向電圧降下を小さくしようとすると、バンドギャップの狭い材料を利用し、不純物濃度を高くせざるを得ず、そうすると逆方向耐圧は低下し、逆方向電流が増加するという欠点がある。また、このような材料では逆方向電流の温度依存性が大きく、低温動作しか利用できないという問題もある。一方、ショットキーバリアダイオードにおいては、金属電極の種類によって、順方向の電圧降下はある程度低くできるものの、順方向電圧降下を低くすると、逆方向電流が増大し、検波効率の改善には繋がらないという問題がある。さらに、ヘテロ接合ダイオードであっても、バンドギャップと不純物濃度によって順方向立上り電圧と逆方向耐圧が規定される構造になっている。要するに、これらのダイオード構造は、いずれも順方向電圧特性と逆方向電圧特性は、接合する両層の材料または不純物濃度など、全て一つの動作メカニズムによって関連付けられるために、これらの両特性の欠点を同時に克服することができないという問題がある。
このように、従来のダイオード構造は、順方向と逆方向の動作メカニズムが、接合する両層の材料（不純物濃度を含む）により規定されているために、順方向特性を改善すると逆方向特性がその分低下し、また、ダイオードの順方向と逆方向の動作メカニズムを各々調整できるようにすることは難しく、順方向の立上り電圧を低くすると共に、逆方向耐圧が実用上の利用価値を有するような高い特性を有するダイオードが得られない。
また、前述のＨＥＭＴのように、半絶縁性またはキャリア濃度の非常に低い半導体層上に、バンドギャップが大きくキャリア濃度の大きい半導体層を接合させることにより、その界面に二次元電子ガスを発生させる構造では、バンドギャップの大きい半導体層をエピタキシャル成長により形成しなければならないため、半導体層として、半導体基板だけを用いても、エピタキシャル成長装置が不可欠であり、安価に製造することができない。しかも、バンドギャップの大きい半導体層のキャリア濃度が大きいほどフェルミ準位が高くなって二次元電子ガスを発生させやすいと共に、そのバンドギャップの大きい半導体層上に形成する電極との接触抵抗を小さくすることができるため、高キャリア濃度に形成することが好ましいが、ＡｌＧａＮ系化合物半導体のように、バンドギャップの大きい材料、とくにＳｉＣやＧａＮ系化合物半導体では、そのキャリア濃度を充分に上げることができず、Ｎ型でも１０18ｃｍ-3オーダ程度が限度であるという問題がある。この傾向は、Ａｌの混晶比率が大きくなるほど顕著である。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、二次元電子ガスを発生させるワイドギャップ半導体層をその下の半導体層の構成元素の化合物半導体により形成することにより、エピタキシャル成長装置を用いなくても、非常に立上り電圧が低く、かつ、逆方向耐圧が実用上問題のない程度に高い耐圧のダイオードを有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、二次元電子ガスを発生させるワイドギャップ半導体層をその下の半導体層の構成元素の化合物半導体により形成することにより、エピタキシャル成長装置を用いることなく、安価に製造することができ、しかも特性の優れたＨＥＭＴ構造のＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）型トランジスタを有する半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明者は、ＩｎＰ（インジウムリン）ガンダイオードのように、ＩｎＰ半導体層が表面に露出する半導体装置では、非常に酸化しやすく、その表面に酸化インジウム層が形成され、その酸化膜は非常に薄く不安定であるため、消滅したり、まだらになったりしやすく電気的特性が変動しやすいが、意図的に酸化インジウム膜を形成して、消滅しないように保持すれば、酸素欠損による高キャリア濃度で、しかもバンドギャップの大きい半導体層となり、二次元電子ガスを発生させることができ、しかもこの酸化インジウム層は、数ｎｍと非常に薄い層であるため、二次元電子ガスの電子がトンネルして、酸化インジウム層側を正にして半導体層に負の電圧を印加すると、二次元電子ガスの電子のトンネルにより、非常に低い順方向電圧で電流が流れ始め、また、逆方向電圧に対しては、３Ｖ以上の非常に高い耐圧を有することを見出した。
そして、さらに鋭意検討を重ねた結果、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）やＳｉなどの半導体層でも、その表面に酸化膜が形成され、酸化膜が形成され難い場合でも、オゾン酸化など２５０℃程度以下の低い温度で表面を酸化させることにより、非常に薄い酸化膜が形成され、その酸化膜を還元して酸素原子を他の元素と置換する還元置換法を利用することにより、ＧａＡｓなどの半導体層上にＧａＮ系化合物、Ｓｉ半導体層上にＳｉＣなどの、バンドギャップの大きい半導体層でも、非常に簡単に形成でき、二次元電子ガスを発生させ得ることを見出した。そして、このような二次元電子ガスを発生させ、その電子をトンネルさせるダイオードを形成すれば立上りの早いダイオードを形成することができるし、Ｓｉ半導体基板やＧａＡｓ基板を用いてＨＥＭＴ構造のＭＯＳＦＥＴやＭＩＳＦＥＴを形成し得ることを見出した。
本発明によるダイオード構造を有する半導体装置は、Ｎ型の半導体層と、該半導体層上に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きく、前記半導体層との界面に二次元電子ガスを生じさせることが可能で、かつ、該二次元電子ガスの電子をトンネル可能な厚さに形成されるＮ型のワイドギャップ半導体層と、該ワイドギャップ半導体層と電気的に接続して設けられる第１電極と、前記半導体層に電気的に接続して設けられる第２電極とを具備するダイオード構造を有し、前記半導体層が珪素からなり、前記ワイドギャップ半導体層が炭化珪素化合物からなる半導体層で形成されている。
ここにＮ型の半導体層とは、基板と別個に設ける必要はなく、基板がＮ型半導体基板であれば、その表面の層を意味し、異なる材料からなる基板上にＮ型の半導体層をエピタキシャル成長などにより設けられたものでもよい意味である。また、半導体層（化合物）の構成元素とは、たとえばＧａＡｓのＧａとＡｓのように、半導体材料を構成する元素を意味し、ドーパントとして含むものを意図していない。
前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層が、ガリウムと窒素を化合物の構成元素として含む化合物からなる半導体層である構造にすることもできる。この構成にすれば、ＧａＮ層などの上にＡｌＧａＮ系化合物半導体層をエピタキシャル成長することなく、たとえばＧａＡｓ系化合物半導体基板上にエピタキシャル成長装置を用いなくても、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ系化合物半導体層を形成することができる。
前記半導体層が珪素からなり、前記ワイドギャップ半導体層が、炭化珪素化合物からなる場合には、たとえばＳｉ基板表面の酸化膜を還元置換することにより、また、同時に窒素などのＶ族元素をドーピングすることにより、ドーパント元素が活性化した珪素（Ｓｉ）と結合して、非常にキャリア濃度が高く、かつ、バンドギャップの大きいＮ型の半導体層をエピタキシャル成長することなく形成することができる。
前記第１電極が、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）およびタンタル（Ｔａ）の少なくとも１種を含む材料からなり、前記ワイドギャップ半導体層上に直接設けられるか、またはＡｌ、ＴｉおよびＴａの少なくとも１種を含む材料からなるバリア層を介して設けられることにより、ＧａＮ層などの表面に薄い酸化膜が形成されていても、還元して接触抵抗の小さい電極を形成することができる。
前記半導体層がＳｉからなり、ワイドギャップ半導体層がＳｉＣの場合、前記第１電極が、タングステン、モリブデン、およびタンタルの少なくとも１種の金属の炭化金属からなるバリア層を介して設けられることにより、薄いＳｉＣ層を消滅させることなく電極を形成することができるため好ましい。
前記第１電極が、前記半導体層の一部所定領域の表面側に形成され、該所定領域の外周領域には、前記ワイドギャップ半導体層が設けられないで、絶縁性の保護層が形成されていることにより、リーク電流を抑制することができるため好ましい。
本発明によるダイオード構造を有する半導体装置の製造方法は、Ｎ型半導体層の表面の自然酸化膜または２５０℃以下の低温で形成された酸化膜を還元することにより、前記Ｎ型半導体層の表面に活性化した金属元素を露出させ、同時に前記半導体層とは異なる化合物を構成する元素およびドーパントとしての元素を前記活性化した金属元素と結合させることにより、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きいＮ型のワイドギャップ半導体層を形成し、前記ワイドギャップ半導体層および前記半導体層に、それぞれ電気的に接続されるように第１電極および第２電極を形成することを特徴としている。
本発明によるトランジスタ構造を有する半導体装置は、半絶縁性または低不純物濃度のＮ型またはＰ型の半導体層と、該半導体層の表面に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、高不純物濃度のＮ型のワイドギャップ半導体層と、前記ワイドギャップ半導体層と電気的に接続するように、一定間隔をあけた位置に設けられるソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記ワイドギャップ半導体層上に設けられるゲート電極とを具備し、前記半導体層が珪素半導体からなり、前記ワイドギャップ半導体層が炭化珪素からなる歪み格子層で形成されている。
前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層がガリウムと窒素を化合物の構成元素として含有する化合物からなる歪み格子層で形成される構成にすることもできる。
前記ゲート電極が、前記ワイドギャップ半導体層上に設けられる絶縁層上に形成されても良い。
前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層がガリウムと窒素を化合物の構成元素として含有する化合物からなる歪み格子層で形成される構成にすることもできる。
前記ゲート電極が、前記ワイドギャップ半導体層上に設けられる絶縁層上に形成されても良い。
前記ワイドギャップ半導体層は、１０ｎｍ以下の厚さに形成されている。自然酸化膜または２５０℃以下の低温で形成された酸化膜を還元置換して製造すると、これより厚く形成することができないからである。
本発明によるトランジスタ構造を有する半導体装置は、また、半絶縁性または低不純物濃度のＮ型またはＰ型の半導体層であって、該半導体層よりも不純物濃度が高い高不純物濃度のＮ型のソース領域およびドレイン領域が形成された半導体層と、該半導体層の表面の前記ドレイン領域とソース領域との間に挟まれた領域に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、高不純物濃度のＮ型のワイドギャップ半導体層と、該ワイドギャップ半導体層上に設けられる絶縁層と、前記高不純物濃度のＮ型のソース領域およびドレイン領域上に前記ワイドギャップ半導体層と接触するように形成されるソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記絶縁層上に設けられるゲート電極とを具備し、前記半導体層が珪素半導体からなり、前記ワイドギャップ半導体層が炭化珪素からなる歪み格子層で形成される構造にすることができる。また、前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層がガリウムと窒素を化合物の構成元素として含有する化合物からなる歪み格子層で形成される構造にすることもできる。
前記絶縁層が、珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）からなることが、ワイドギャップ半導体層を形成した後、引き続き同じ還元性雰囲気で絶縁膜を形成することができるため、酸化膜などを介在させることなく形成することができる点で好ましい。ここに珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）とは、数ａｔ％から１０ａｔ％以下程度の水素を含有する窒化珪素膜であることを意味する。
前記絶縁層が、珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）からなることが、ワイドギャップ半導体層を形成した後、引き続き同じ還元性雰囲気で絶縁膜を形成することができるため、酸化膜などを介在させることなく形成することができる点で好ましい。ここに珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）とは、数ａｔ％から１０ａｔ％以下程度の水素を含有する窒化珪素膜であることを意味する。
本発明によるＨＥＭＴ構造を有する半導体装置の製造方法は、半絶縁性または低不純物濃度の半導体層の表面の自然酸化膜または２５０℃以下の低温で形成された酸化膜を還元することにより、前記半導体層の表面に活性化した金属元素を露出させ、同時に前記半導体層とは異なる化合物を構成する元素およびドーパントとしての元素を前記活性化した金属元素と結合させることにより、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きいＮ型のワイドギャップ半導体層を形成し、前記ワイドギャップ半導体層の表面に絶縁層を形成し、前記ワイドギャップ半導体層と電気的に接続するように、一定間隔をあけた位置にソース電極およびドレイン電極を形成すると共に、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記絶縁層上にゲート電極を形成することを特徴としている。
本発明のダイオード構造を有する半導体装置によれば、たとえばＧａＡｓなどの化合物半導体やＳｉ半導体などからなるＮ型半導体層の表面にＧａＮ系化合物半導体層や、ＳｉＣなどからなる高キャリア濃度のワイドギャップ半導体層が設けられているため、Ｎ型の半導体層のワイドギャップ半導体層との界面に二次元電子ガス層が発生する。すなわち、ＧａＮ層などのＮ+型のワイドギャップ半導体層が縮退したN型半導体であるためにフェルミ準位が高く、半導体層のフェルミ準位よりも高くなるため、ワイドギャップ半導体層のＧａＮ層の電子がＮ型の半導体層側に流れ込み、半導体層側の界面に二次元電子ガスが発生する。しかも、酸化インジウム層は１０ｎｍ程度以下と非常に薄い層で電子をトンネルさせる厚さであるため、順方向電圧が印加されると０.２Ｖ程度の非常に低い順方向電圧によっても二次元電子ガスの電子が酸化インジウム層をトンネルして電流として流れ始める。そのため、非常に優れた順方向の電圧電流（Ｖ−Ｉ）特性が得られる。一方、逆方向電圧（第１電極側が負の電圧）が印加された場合は、ＧａＮ層から二次元電子ガス層形成に寄与した電子は、全て半導体層側に流れ込んで空乏化し、結果としてＧａＮ層も絶縁物となる。二次元電子ガス層に溜っていた電子は、逆電流を構成するものの補充が無いので直ぐに飽和する。また、不純物濃度の低いＮ型半導体層側には広い空乏層が形成されるため、３Ｖ以上の逆方向耐圧が得られる。
すなわち、本発明の構造によれば、順方向に関しては、二次元電子ガスの発生による電子のトンネル作用によるＭＩＭ（Metal Insulator Metal）トンネルダイオード的な動作で、低い電圧で動作を始めながら、逆方向電圧に対しては、二次元電子ガスが消失し、Ｎ型半導体層側に形成される空乏層により、ＭＩＳダイオードの逆方向と同様の動作をするため、順方向および逆方向が異なるメカニズムで動作することになり、両特性を共に満足するダイオード構造が得られる。その結果、順方向の立上り電圧は０.２Ｖ以下と低く、逆方向耐圧は３Ｖ以上と高く、微弱電波に対する検波効率（立上り電圧以上の電圧を印加して流れる順方向電流と同一の逆方向電圧を印加して流れる逆方向電流の比）は１０００以上と著しく高くなる。
さらに、本発明のトランジスタ構造を有する半導体装置によれば、ワイドギャップ半導体層として、その下層の半導体層と結晶構造の異なる半導体層でもエピタキシャル成長することなく、簡単な装置で歪み格子層として形成することができる。すなわち、従来はＨＥＭＴ構造にするのに、ＧａＡｓ基板上へのＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層の積層構造、またはＧａＮ層上へのＡｌＧａＮ系化合物半導体層の積層構造のように、同種の半導体層のエピタキシャル成長による積層構造で構成しなければならなかったが、本発明によれば、Ｓｉ基板上にＳｉＣ層とか、ＧａＡｓ基板上にＧａＮ系化合物半導体層のように、格子定数の異なるワイドギャップ半導体層を積層することができる、このような半導体層とは結晶形の異なるワイドギャップ半導体層でも歪み格子の範囲で堆積が可能である。
さらに、本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体層を構成する元素の酸化物の還元置換によりワイドギャップ半導体層を形成することができるため、還元置換の際にドーパント元素の水素化物等のガスを混入してプラズマを形成することにより還元と同時に不純物を高濃度で添加することができ、ワイドギャップ半導体層を非常に高キャリア濃度に形成することができる。その結果、電極との接触抵抗を大幅に下げることができ、ＨＥＭＴの特性向上に繋がると共に、エピタキシャル成長することなく、プラズマ装置などで還元置換するだけで高キャリア濃度のワイドギャップ半導体層を形成することができ、Ｓｉ基板などを用いて、ＨＥＭＴ構造のＦＥＴを非常に安価に形成することができる。さらに、ＭＩＳＨＥＭＴやＭＯＳＨＥＭＴのような絶縁ゲートを有するＨＥＭＴは、とくに化合物半導体では、これまで実用的には、実現できなかったが、本発明により、界面準位の少ないＧａＡｓを用いた高性能な絶縁ゲート型ＨＥＭＴを得ることができるようになった。
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置について説明する。前述のように、本発明者は、ＩｎＰガンダイオードのように、ＩｎＰ半導体層が表面に露出する半導体装置では、非常に酸化しやすく、その表面に酸化インジウム層が形成され、その酸化膜は非常に薄く不安定であるため、消滅したり、まだらになったりしやすく電気的特性が変動しやすいが、その酸化膜を意図的に形成し、消滅しないように保持することにより、その酸化インジウム層は酸素欠損型で高キャリア濃度であり、しかもバンドギャップの大きい半導体層となり、二次元電子ガスを発生させることができ、さらにこの酸化インジウム層は、数ｎｍ程度と非常に薄い層であるため、二次元電子ガスの電子がトンネルして、順方向電圧に対して非常に立ち上がり電圧の低い、ダイオードを形成し得ることを見出した。さらに、このようなＩｎＰ層と酸化インジウム層との組合せに限らず、半導体層表面の自然酸化膜または２５０℃以下の低温で形成された酸化膜を、他の化合物構成元素およびドーパント元素と還元置換して同時ドーピングをすることにより、半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度の両方が大きくて、電子をトンネルさせ得る薄い層をその半導体層上に形成することにより、同様に立上り電圧の低いダイオードを形成し得ることを見出した。
図１は、本発明の半導体装置の一実施形態であるダイオード構造の断面説明図で、Ｎ型の半導体層１として、ＧａＡｓ基板１が用いられ、そのＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓ基板１よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きく、ＧａＡｓ基板１の表面に二次元電子ガスを生じさせることが可能で、かつ、その二次元電子ガスの電子をトンネル可能な厚さに形成されるＮ型のワイドギャップ半導体層２として、ＧａＮ層２が設けられている。そして、そのＧａＮ層２と電気的に接続して第１電極３が、ＧａＡｓ基板１に電気的に接続して（図１に示される例では、ＧａＡｓ基板１の裏面に）第２電極４が設けられることにより、ダイオードが形成されている。
Ｎ型の半導体層１としては、ＧａＡｓに限定されるものではなく、他のＧａＰや、これらに他のIII族元素が混晶された化合物や、Ｓｉなど、IV元素の半導体層でも良い。この半導体層１のキャリア濃度は、後述するワイドギャップ半導体層２よりもキャリア濃度が３桁ほど低く形成されることが二次元電子ガス層を発生させるのに好ましく、１×１０15〜１×１０18ｃｍ-3程度のキャリア濃度に形成される。なお、図１に示される例では、Ｎ型の半導体層１として、Ｎ型のＧａＡｓ基板などが用いられているが、キャリア濃度の高い半導体基板、または異なる材料からなる基板上にＮ型の半導体層１をエピタキシャル成長などにより形成しても良い。キャリア濃度の高い半導体基板上にキャリア濃度の低い半導体層をエピタキシャル成長すれば、直列抵抗を下げることができ、より高特性のダイオードを得ることができるが、キャリア濃度の高い半導体基板の表面側のみを不純物の拡散などにより低濃度キャリア層にすれば、エピタキシャル成長装置を用いることなく直列抵抗の小さいダイオードを形成することができる。
ＧａＮ層２は、後述するように、Ｎ型の半導体層１の表面に形成された酸化膜をアンモニアガスのプラズマ中で発生した水素により還元し、その結果、酸素を失って活性化したＧａを、同様にプラズマ中で発生したＮと結合させることにより生成されている。この際、ドーパントガスとして、Ｓ（イオウ）の水素化ガスである硫化水素（Ｈ2Ｓ）を同時に導入することにより、アンモニアガスとの流量比に応じてドーパントの元素もＧａと結合して、高キャリア濃度のＧａＮ層２を得ることができる。そのため、Ｎ型半導体層１よりもキャリア濃度（電子濃度）が１０００倍程度高く１×１０18〜１×１０21ｃｍ-3程度のキャリア濃度のＮ+型層で、ＧａＡｓ基板１の表面の自然酸化膜または２５０℃以下の低温でのオゾン酸化もしくはプラズマ酸化による酸化膜を還元置換して形成しているため、１〜３ｎｍ程度、厚くても１０ｎｍ以下の厚さに形成されている。
このようなＧａＮからなるワイドギャップ半導体層２を形成するには、つぎのようにして形成することができる。すなわち、図３（ａ）に示されるように、表面に自然酸化膜（Ｇａ2Ｏ3）４が形成されたＮ型ＧａＡｓ半導体基板１を準備するか、低温オゾン酸化法などにより酸化膜１を形成する。そして、たとえばプラズマ装置内に入れて、たとえばアンモニアガスと、たとえば硫化水素（Ｈ2Ｓ）のようなドーパント元素の水素化ガス（たとえばアンモニアの流量に対して０.１％程度の流量）を導入して、プラズマ化処理をすることにより、図３（ｂ）に示されるように、アンモニアガスやドーパントガスの分解により発生するＨイオンによりＮ型ＧａＡｓ半導体基板１１の表面の酸化膜１４が還元されてダングリングボンドを有するＧａ層５が表面に形成される。
そして、同時に、図３（ｃ）に示されるように、アンモニアガスの分解により発生したＮイオンおよびドーパントガスの分解により発生したＳイオンが活性化したＧａと結合してＳが高濃度にドープされたＮ+型ＧａＮ層２が形成される。すなわち、Ｎイオンも、Ｓイオンも、活性化したＧａと同じように結合するため、予めガス流量比で定めた割合で、ドーパント元素のＳを確実に取り込むことができ、しかもドーパント元素もＧａと化合しているため、安定した状態を維持し、高キャリア濃度のＮ+型層にすることができる。
すなわち、ＧａＡｓ半導体層上に、ＧａＡｓよりも遥かにバンドギャップの大きいＧａＮ層を高キャリア濃度で非常に簡単に形成することができる。その結果、二次元電子ガスを利用するダイオードを形成することができる。この場合、ＧａＮ層は数ｎｍ程度の非常に薄い膜であるため、歪み格子層となり、反りなどが生じることなく安定に存在する。さらに、この例では、半導体基板１としてＧａＡｓを用いたが、Ｇａを含んでいればＧａＰその他の半導体層でも同様にワイドギャップの半導体層を形成することができる。すなわち、半導体層としてＡｌを含むＡｌＧａＡｓ系半導体や、ＩｎＧａＡｓ系半導体やＩｎＧａＡｌＰ系半導体を用いれば、同じようにＡｌＧａＮ系半導体や、ＩｎＧａＮ系半導体や、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体などの高キャリア濃度で薄膜層を非常に簡単に形成することができ、前述の立上がり電圧の低いダイオードを形成することができる。
第１電極３は、ワイドギャップ半導体層２と殆ど反応しない材料で、かつ、導電性の高い材料で形成されることが好ましい。ワイドギャップ半導体層２が、図１に示される例のＧａＮ層のように、窒化物半導体や、後述するＳｉＣ層などは比較的安定であるため、オーミックコンタクトの得やすい金属を選定して形成することができ、たとえば前述のＧａＮ層のような場合には、ＴｉとＡｌ膜を積層して合金化することにより形成することができる。この場合、窒化物半導体層の場合でも、表面が多少酸化するため、その酸化膜が還元されて除去されても、ＧａＮ層が残存するように、厚めに形成しておくことが好ましい。このようなワイドギャップ半導体層２を厚めに形成する場合には、ＧａＡｓ基板などの表面の自然酸化膜を、前述のように低温でのオゾン酸化またはプラズマ酸化などにより厚めに形成しておくことにより、１０ｎｍ以下の厚さに形成することができる。
また、図示されていないが、バリア層を介して、第１電極３を形成することもできる。バリア層としては、ワイドギャップ半導体層と反応し難い材料であると共に、第１電極３とも反応し難い金属または導電性酸化物が好ましい。たとえばＳｉＣの場合には、タングステン、モリブデン、タンタルなどの炭化物薄層をバリア層として用いることができる。この高融点金属の炭化物は、とくに高温まで耐性があるため、高温動作が可能なＳｉＣの場合に適している。このようなバリア層が設けられることにより、このバリア層と合金化し、さらに酸化インジウム層と反応しないような金属であれば第１電極３として用いることができ、ワイヤボンディングなどをしやすい金（Ａｕ）やアルミニウムなどにより第１電極３を形成することもできる。
さらに、第２電極４は、Ｎ型の半導体層１と電気的に接続するように設けられ、図１に示される例では、Ｎ型のＧａＡｓ基板１の裏面に、Ａｕ-Ｇｅ（ゲルマニウム）-Ｎｉ-Ａｕなどの半導体層１とオーミックコンタクトを取れる金属を、蒸着あるいはスパッタリングなどにより成膜することにより形成されている。
このようにして形成したダイオードのＶ−Ｉ特性を図２に示す。図２から明らかなように、図１に示される半導体装置によれば、順方向の立上り電圧（Ｖ−Ｉカーブの接線と電圧軸との交差する値：図２のＶF参照）が０.２Ｖ以下で、逆方向耐圧は、３Ｖのダイオード特性が得られた。つぎに、図１に示される構造の半導体装置が、非常に低い順方向電圧で立ち上がる理由について考察する。
図４は、Ｎ型ＧａＡｓ基板１とＮ+型のＧａＮ層（ワイドギャップ半導体層）２との熱平衡状態（両電極間に電圧が印加されていない状態）におけるエネルギーバンド図を示す図である。なお、図で横方向がＧａＡｓ基板やＧａＮ層の厚さになるが、実際には酸化インジウム層の厚さはＧａＡｓ基板に比較してはるかに小さいものの、図では図の説明上、大きく書かれている。この図４に示されるように、平衡状態（印加電圧が０）では、ＧａＡｓのフェルミ準位と、ＧａＮのフェルミ準位とが一致し、ＧａＮの電子濃度が大きいため、ＧａＮからＧａＡｓ半導体側に電子が移動して二次元電子ガスを形成してフェルミレベルが一致する（図４の斜線部）、また、ＧａＮの電子親和力（χ）がＧａＡｓの電子親和力（χ）よりも大きいものの、その差は非常に小さく、結局フェルミレベルの差によってＧａＡｓのＧａＮとの接合部における伝導帯の底部には、１×１０19ｃｍ-3以上の高濃度を有するＧａＮ側からＧａＡｓ半導体側へ電子が流れ込んで二次元電子ガス層を形成する。図５に示されるように、ＧａＮの伝導帯底部に溜った電子がＧａＡｓの界面の伝導帯上に流れ込み、ＧａＡｓのキャリア濃度（電子濃度）は低いため、二次元電子ガス層Ｄを形成する。なお、図５で、（ａ）は、ＧａＮ層の厚さを拡大してＧａＡｓ基板およびＧａＮ層の伝導帯底部の位置関係と二次元電子ガス層Ｄの発生状況を拡大して示した図で、（ｂ）は本来のＧａＮ層の厚さを、ＧａＡｓ基板や電極の厚さとの関係で示した図である。なお、図４でＥｇはバンドギャップを示す。
このように、両層のバンドギャップ差、電子親和力（χ）、電子濃度の差などに基づき、熱平衡時にバンドギャップの大きいＧａＮ層が高濃度であるためフェルミ準位が界面でのバンドギャップの小さいＧａＡｓ基板側のフェルミレベルよりも高い位置になる関係で、しかもＧａＮ層の電子濃度がＧａＡｓ基板よりもはるかに大きい関係にある場合には、バンドギャップの小さいＧａＡｓ基板との界面に二次元電子ガス層Ｄが形成される。図５に示されるように、電圧が印加されていない熱平衡の状態では、ＧａＡｓのフェルミ準位ＥFと、ＧａＮのフェルミレベルと、金属電極のフェルミ順位ＥFとが一致する。
この状態で順方向電圧を印加すると、図６に示されるように、ＧａＡｓのフェルミ準位ＥFが第１電極３の金属のフェルミ準位ＥFより高くなるため、二次元電子ガス層Ｄの電子がＧａＮ層２をトンネルして電流が流れ始める。この流れ始めの順方向電圧は、前述の図２に示されるように、０.２Ｖ以下である。一方、逆方向電圧が印加されると、図７にそのときのエネルギーバンド図が示されるように、ＧａＡｓのフェルミ準位が下がるため、伝導帯および価電子帯はＧａＮ層２との界面側で高く、ＧａＮ層２から離れるにしたがって低くなる。そのため、ＧａＡｓ基板１とＧａＮ層２との界面の二次元電子ガス層は消滅してしまい、その後の二次元電子ガスの発生も生じない。そして、ＧａＮ層２の電子はＧａＡｓ基板１側に拡散するため、空乏層ＫがＧａＡｓ基板１の界面側に形成され、キャリアの空乏化によりＧａＮ層２は絶縁化する。その結果、逆方向の電圧が印加されても電流は流れず、また、空乏層Ｋの幅は主に印加電圧とキャリア濃度で決まるが、この幅が広いほど逆方向の高い電圧に対しても電流の阻止を維持することができ、高い耐圧を確保することができる。前述の図１に示される構造（図２のＶ−Ｉ特性）で、逆方向の耐圧は３Ｖ程度以上の特性が得られる。なお、図７の斜線で示された部分は、電子が埋まっている状態を示している。
前述の例は、ＧａＡｓ半導体層表面にＧａＮ層の高キャリア濃度でワイドギャップの半導体層を形成する例であったが、前述のように、ＧａＡｓの代りに、ＡｌＧａＡｓ系化合物やＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体層などを用いれば、そのＡｌやＩｎなどを含有する窒化物半導体の高キャリア濃度のワイドギャップ半導体層を得ることができるし、このような化合物半導体ではなく、Ｓｉ半導体層を用いて、ＳｉＣからなるワイドギャップ半導体層を形成することもでき、同様に自然酸化膜を還元して他の元素と置換する還元置換法および同時ドーピング法を用いることにより、他の半導体層の組合せのダイオードを形成することができる。
図８は、Ｎ型Ｓｉ基板上にＮ（窒素原子）ドープのＮ+型のＳｉＣワイドギャップ半導体層２２を形成する例である。すなわち、図８（ａ）に示されるように、表面に自然酸化膜（ＳｉＯ2）２４が形成されたＮ型Ｓｉ半導体基板２１を準備するか、前述の図３に示される例と同様に、低温で酸化膜２４を形成する。そして、たとえばプラズマ装置内に入れて、たとえばメタンガスなどの炭化水素化合物ガスと、ドーパントガスとしての窒素ガスまたはアンモニアガスをメタンガスの流量に対して、たとえば０.１％の割合で、キャリアガスの水素ガスと共に導入し、プラズマ化させる。その結果、図８（ｂ）に示されるように、炭化水素化合物などの分解により発生するＨイオンによりＮ型Ｓｉ半導体基板２１の表面の酸化膜２４が還元されてダングリングボンドを有するＳｉ層２５が表面に形成される。
そして、同時に、図８（ｃ）に示されるように、炭化水素化合物ガスの分解により発生したＣイオンおよびドーパントガスの分解により発生したＮイオンが活性化したＳｉと結合してＮ（窒素）原子が高濃度にドープされたＮ+型ＳｉＣ層２２が形成される。すなわち、Ｃイオンも、Ｎイオンも、活性化したＳｉと同じように化合するため、予めガス流量比で定めた割合で、ドーパント元素のＮを確実に取り込むことができ、しかもドーパント元素もＳｉと化合しているため、安定した状態を維持し、高キャリア濃度のＮ+型ワイドギャップ半導体層にすることができる。
このように、Ｓｉ半導体層の表面にも、Ｓｉよりも遥かにバンドギャップが大きく、かつ、キャリア濃度が大きい半導体層を歪み格子層として非常に簡単に形成することができ、前述の各例と同様に、二次元電子ガスを利用するダイオードを、Ｓｉ基板とＳｉＣ層とで形成することができる。すなわち、たとえばＳｉを炭化処理することにより、Ｓｉの表面にＳｉＣ層を形成することはできるが、そのような処理でＳｉＣを形成しても、元のＳｉの不純物濃度を維持するだけで、Ｓｉ基板よりもキャリア濃度を上げることはできない。また、炭化してから不純物を拡散しようとしても、非常に高温にしても殆ど拡散せず、イオン注入しても、結晶を壊すだけで不純物濃度を上昇させることはできず、キャリア濃度の低い半導体層上にバンドギャップが大きくてキャリア濃度が大きい半導体層を形成するには、ＭＢＥ装置やＣＶＤ装置などでエピタキシャル成長しなければならないが、そのような高価な装置で複雑な製造工程を経でも、充分なキャリア濃度は得られない。このことは、前述のＧａＮ系化合物半導体でも同じである。しかし、この方法によれば、表面の酸化膜を還元すると同時に化合させるＣと共に、ドーパント元素のＮなどを化合させているため、１０19ｃｍ-3オーダの高キャリア濃度のＳｉＣ層を形成することができる。
なお、ＳｉＣ層２２を形成する場合、単結晶構造でなくても、アモルファスで水素を含有するαＳｉＣ：Ｈ層で形成することもできる。このようなαＳｉＣ：Ｈを形成するには、メタンガスと同時にモノシランガスを添加してプラズマを発生させることにより形成することができる。またヘキメチルジシラザン（HMDS）のガスのような炭素と珪素を同時に含む水素との化合物をプラズマ分解しても得ることが可能である。
前述の図１に示される構造では、電極より外周にもワイドギャップ半導体層が形成されているため、二次元電子ガス層を介してリーク電流が生じやすい。これを防止するため、図９に示されるように、第１電極３を形成する所定領域以外のところには、ワイドギャップ半導体層２を形成しないで、その代りに絶縁層８を形成すことによりそのような問題を回避することができる。
このような構造にするには、たとえば予め珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）などからなる絶縁層８をＧａＡｓ基板１などの表面全面に形成しておいて、所望領域の絶縁層８を目抜き、その露出したＧａＡｓ基板表面に、前述の方法でＧａＮなどからなるワイドギャップ半導体層２を形成することもできるし、最初に全面にワイドギャップ半導体層２を形成しておいて、所定領域に第１電極３を形成した後に、その第１電極３の周囲のワイドギャップ半導体層２を除去し、その後で絶縁層８を形成することもできる。また、所定領域の外周にボロンイオン（Ｂ+3）などのイオンを注入することにより、ＧａＡｓ基板１の表面側領域を高抵抗化することにより、より一層リーク電流を防止することができる。このイオン注入により高抵抗化する場合、前述のワイドギャップ半導体層２が所定領域の外周に残存していても、リーク電流を抑制することができる。絶縁層８としては、ＳｉＮ：Ｈに限らず、通常のＳｉ3Ｎ4などの絶縁層を用いることもできるし、ワイドギャップ半導体層２がＳｉＣや酸化インジウム層などの場合には、ＳｉＯ2などにより形成することもできる。
図１０は、本発明のトランジスタ構造を有する半導体装置の一実施形態を示す断面説明図である。図１０において、３１は低不純物濃度のＰ-型のＳｉ基板で、Ｎ型ドーパントの導入により、一定間隔を設けてＮ+型のソース領域３４およびドレイン領域３５が形成され、その間隙部のＳｉ基板３１の表面に高キャリア濃度のＮ+型のＳｉＣ層３２が数ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さに形成されている。そして、そのＮ+型のＳｉＣ層３２の表面に、たとえば珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）からなる絶縁膜３３が形成され、ソース領域３４、ドレイン領域３５の外側のＳｉ基板３１の表面には、保護膜３６が、ソース領域３４、ドレイン領域３５の表面には、それぞれソース電極３７、ドレイン電極３８が、そしてその間の絶縁膜３３の表面にゲート電極３９が形成されることにより、トランジスタ構造が形成されている。
この構造で、Ｓｉ基板３１は、Ｐ型の例が示されているが、フェルミ準位の一致で二次元電子ガスを発生させる関係にあればＰ型でもよく、勿論Ｎ型でもよく、キャリア濃度がＮ+型のＳｉＣ層３２より遥かに低い関係にあればよい。このような動作層と異なる導電型層が設けられると、基板側と電気的に独立させることができるという利点がある。このＳｉＣ層３２は、前述のダイオードのところで説明したように、Ｓｉ基板３１表面の酸化物の還元置換ドーピング法により形成されているため、高キャリア濃度で形成されており、また、このＳｉＣ層３２はＳｉより遥かにバンドギャップが大きいことから、Ｓｉ基板３１との界面に二次元電子ガス層が形成される。この二次元電子ガス層Ｄは、非常に薄い層であるが、図では模式的に誇大して示されている。そのため、ＨＥＭＴとして非常に高速動作をするトランジスタとなる。その結果、非常に耐熱性のあるＳｉＣを用いたＨＥＭＴを形成することができる。すなわち、Ｓｉは、ＳｉＣと同じ立方晶であるが、格子定数がＳｉと大幅に異なるため、従来のエピタキシャル成長により形成する方法では、実現することができなかったＳｉ基板を用いたＨＥＭＴを実現することができた。
つぎに、この図１０に示される構造のＦＥＴの製造方法について説明をする。まず、図１１（ａ）に示されるように、フォトレジスト膜などのマスクＭを用いて、たとえばＰ-型のＳｉ基板表面で一定間隔をあけたソース電極およびドレイン電極を形成する場所に、たとえばＡｓなどのＮ型ドーパントをイオン注入などにより導入して、Ｎ+型のソース領域３４およびドレイン領域３５を形成する。このソース領域３４およびドレイン領域３５は、ソース電極３７およびドレイン電極３８をＳｉ基板３１表面に直接形成する構成にしているため、オーミックコンタクトをとりやすくするため、ソース領域３３およびドレイン領域３４を形成している。
つぎに、図１１（ｂ）に示されるように、Ｓｉ基板３１の表面に自然酸化膜３０を形成する。基板表面の洗浄後、時間が経過して自然酸化膜３０が形成されていれば、そのままで良いが、自然酸化膜３０が十分に形成されていなければ、図８（ａ）に示される例のように、低温オゾン酸化法などにより自然酸化膜３０を形成する。この後、図８に示されるように、たとえばプラズマ装置内に入れて、たとえばメタンガスなどの炭化水素化合物ガスと、ドーパントガスとしての窒素ガスまたはアンモニアガスをメタンガスの流量に対して、たとえば０.１ａｔ％程度の割合で、キャリアガスの水素ガスと共に導入し、プラズマ化させる。その結果、図１１（ｃ）に示されるように、炭化水素化合物などの分解により発生するＨイオンによりＰ-型Ｓｉ基板３１の表面の自然酸化膜３０が還元されてダングリングボンドを有するＳｉが表面に形成され、炭化水素化合物ガスの分解により発生したＣイオンおよびドーパントガスの分解により発生したＮイオンが活性化したＳｉと化合してＮが高濃度にドープされたＮ+型のＳｉＣ層３２が形成される。すなわち、Ｃイオンも、Ｎイオンも、活性化したＳｉと同じように結合するため、予めガス流量比で定めた割合で、ドーパント元素のＮを確実に取り込むことができ、しかもドーパント元素もＳｉと結合しているため、安定した状態を維持し、高キャリア濃度のＮ+型層にすることができる。
この薄膜ＳｉＣ層３２の表面が還元性の雰囲気のままで、連続的にモノシランガスを導入することにより、モノシランガスのＳｉイオンとアンモニアプラズマのＮイオンとが化合して、Ｈを数ａｔ％から１０ａｔ％程度含有するＳｉＮ：Ｈからなる絶縁膜３３を表面に０.２〜０.４μｍ程度の厚さで堆積する。なお、この際モノシランガスの流量とアンモニアガスの流量が同程度になるように、モノシランガスの流量を調整するか、アンモニアガスの流量も増加させる必要がある。この絶縁膜３３は、ＳｉＣ層３２の形成後直ちに形成されることが好ましく、ＳｉＮ：Ｈで構成することが便利である。しかし、ＳｉＣ層３２は比較的安定で、酸化に対しても耐性があり、消失することは殆どないため、ＳｉＣ層３２が形成された後、直ちにＣＶＤ装置に入れて、ＳｉＯ2などからなる絶縁膜を形成することもできる。このような構造にしても正確な厚さの酸化膜を形成することができ、ＭＩＳＨＥＭＴの絶縁膜として、酸化膜で構成したＭＯＳＨＥＭＴを構成することができる。
その後、図１１（ｄ）に示されるように、ソース領域３４とドレイン領域３５との間の上のＳｉＣ層３２および絶縁膜３３を残し、それ以外の絶縁膜３３およびＳｉＣ層３２をエッチングにより除去し、ソース領域３４およびドレイン領域３５以外のところに低温ＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜など、またはポリイミド膜などの保護膜３６を形成する。そして、ソース領域３４およびドレイン領域３５上に、たとえばスパッタリング法などにより、ソース電極３７およびドレイン電極３８を、また、ソース電極３７とドレイン電極３８の間の絶縁膜３３上にゲート電極３９を形成することにより、図１０に示される構造のＭＩＳＨＥＭＴが得られる。
このように、本発明によれば、Ｓｉ基板３１の表面にも、Ｓｉよりも遥かにバンドギャップが大きく、かつ、キャリア濃度が大きいＳｉＣ半導体層３２を歪み格子層として非常に簡単に形成することができ、エピタキシャル成長装置を必要とすることなく、二次元電子ガスを利用するＨＥＭＴを形成することができる。すなわち、前述のように、従来のＳｉ半導体基板を炭化処理して、ＳｉＣ層を形成しても、高キャリア濃度に形成することができなかったが、本発明によれば、非常に簡単にＳｉ基板を用いたＨＥＭＴ構造のＭＩＳ型またはＭＯＳ型のＦＥＴを得ることができる。
図１０に示される例は、Ｓｉ基板３１にＳｉＣ層３２を形成してＭＩＳＨＥＭＴを形成する例であったが、たとえば基板として、ＧａＡｓ基板を用いて、その表面にワイドギャップ半導体層としてＧａＮ系化合物半導体層を形成することによりＭＩＳＨＥＭＴを構成することもできる。この場合も前述のダイオードで説明したのと同様に、ＧａＡｓ基板表面の酸化膜を還元置換ドーピングして高キャリア濃度のＮ+ＧａＮ層を、さらにＳｉＣの場合と同様に、モノシランガスを導入することによりＳｉＮ：Ｈからなる絶縁層を連続的に形成して、図１０に示される構造と同様に各電極を形成することにより、ＧａＡｓ基板とＧａＮ層とでＭＩＳＨＥＭＴを構成することができる。以上の例では、基板としてＧａＡｓ基板を用い、その上のワイドギャップ半導体層として、ＧａＮ層を形成したが、基板としては、ＧａＡｓに限らず、ＧａＰや、これらのIII族元素の一部が他のＡｌやＩｎなどと置換した混晶、Ａｓの一部が他のＶ族元素と置換した混晶を用いることができる。この場合、その基板に含まれる金属元素もワイドギャップ半導体層に含まれ、ＧａＮ層の代りに、ＡｌＧａＮ系化合物半導体や、ＩｎＧａＮ系化合物半導体層で形成することができる。また、基板の導電型も前述の例のように、Ｐ型にすることもできる。
なお、前述のＳｉ基板の場合も含めて、半導体基板表面の酸化膜を還元置換することによりワイドギャップ半導体層を形成したが、このような方法を用いることにより、全くエピタキシャル成長装置を必要とすることなく、通常のＣＶＤ装置や加熱装置を用いるだけでＨＥＭＴを形成することでき、非常に安価にＨＥＭＴを製造することができる。しかし、このような基板表面を直接還元置換するのではなく、何らかの基板表面に、または基板上に半導体積層部が形成された後に、その表面に前述の基板に相当する半導体層がエピタキシャル成長された表面に、上述の方法でワイドギャップ半導体層を形成しても良い。
１ Ｎ型の半導体層（ＧａＡｓ基板）
２ ワイドギャップ半導体層（ＧａＮ層）
３ 第１電極
４ 第２電極
８ 保護層
30 自然酸化膜
31 Ｓｉ基板
32 ＳｉＣ層
33 ＳｉＮ：Ｈ絶縁層
34 ソース領域
35 ドレイン領域
36 保護層
37 ソース電極
38 ドレイン電極
39 ゲート電極
２ ワイドギャップ半導体層（ＧａＮ層）
３ 第１電極
４ 第２電極
８ 保護層
30 自然酸化膜
31 Ｓｉ基板
32 ＳｉＣ層
33 ＳｉＮ：Ｈ絶縁層
34 ソース領域
35 ドレイン領域
36 保護層
37 ソース電極
38 ドレイン電極
39 ゲート電極
Claims (14)
- Ｎ型の半導体層と、該半導体層上に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きく、前記半導体層との界面に二次元電子ガスを生じさせることが可能で、かつ、該二次元電子ガスの電子をトンネル可能な厚さに形成されるＮ型のワイドギャップ半導体層と、該ワイドギャップ半導体層と電気的に接続して設けられる第１電極と、前記半導体層に電気的に接続して設けられる第２電極とを具備するダイオード構造を有し、
前記半導体層が珪素からなり、前記ワイドギャップ半導体層が炭化珪素化合物からなる半導体層である半導体装置。 - Ｎ型の半導体層と、該半導体層上に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きく、前記半導体層との界面に二次元電子ガスを生じさせることが可能で、かつ、該二次元電子ガスの電子をトンネル可能な厚さに形成されるＮ型のワイドギャップ半導体層と、該ワイドギャップ半導体層と電気的に接続して設けられる第１電極と、前記半導体層に電気的に接続して設けられる第２電極とを具備するダイオード構造を有し、
前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層が、ガリウムと窒素を化合物の構成元素として含む化合物からなる半導体層である半導体装置。 - 前記第１電極が、アルミニウム、チタンおよびタンタルの少なくとも１種を含む材料からなり、前記ワイドギャップ半導体層上に直接設けられるか、またはアルミニウム、チタンおよびタンタルの少なくとも１種を含む材料からなるバリア層を介して設けられてなる請求項２に記載の半導体装置。
- 前記第１電極が、タングステン、モリブデン、およびタンタルの少なくとも１種の金属の炭化金属からなるバリア層を介して設けられてなる請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１電極が、前記半導体層の一部所定領域の表面側に形成され、該所定領域の外周領域には、前記ワイドギャップ半導体層が設けられないで、絶縁性の保護層が形成されてなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置。
- Ｎ型半導体層の表面の自然酸化膜または２５０℃以下の低温で形成された酸化膜を還元することにより、前記Ｎ型半導体層の表面に活性化した金属元素を露出させ、同時に前記半導体層とは異なる化合物を構成する元素およびドーパントとしての元素を前記活性化した金属元素と結合させることにより、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きいＮ型のワイドギャップ半導体層を形成し、前記ワイドギャップ半導体層および前記半導体層に、それぞれ電気的に接続されるように第１電極および第２電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 半絶縁性または低不純物濃度のＮ型またはＰ型の半導体層と、該半導体層の表面に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、高不純物濃度のＮ型のワイドギャップ半導体層と、前記ワイドギャップ半導体層と電気的に接続するように、一定間隔をあけた位置に設けられるソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記ワイドギャップ半導体層上に設けられるゲート電極とを具備し、
前記半導体層が珪素半導体からなり、前記ワイドギャップ半導体層が炭化珪素からなる歪み格子層で形成されてなる半導体装置。 - 半絶縁性または低不純物濃度のＮ型またはＰ型の半導体層と、該半導体層の表面に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、高不純物濃度のＮ型のワイドギャップ半導体層と、前記ワイドギャップ半導体層と電気的に接続するように、一定間隔をあけた位置に設けられるソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記ワイドギャップ半導体層上に設けられるゲート電極とを具備し、
前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層がガリウムと窒素を化合物の構成元素として含有する化合物からなる歪み格子層で形成されてなる半導体装置。 - 前記ゲート電極が、前記ワイドギャップ半導体層上に設けられる絶縁層上に形成されてなる請求項７または８記載の半導体装置。
- 半絶縁性または低不純物濃度のＮ型またはＰ型の半導体層であって、該半導体層よりも不純物濃度が高い高不純物濃度のＮ型のソース領域およびドレイン領域が形成された半導体層と、該半導体層の表面の前記ドレイン領域とソース領域との間に挟まれた領域に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、高不純物濃度のＮ型のワイドギャップ半導体層と、該ワイドギャップ半導体層上に設けられる絶縁層と、前記高不純物濃度のＮ型のソース領域およびドレイン領域上に前記ワイドギャップ半導体層と接触するように形成されるソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記絶縁層上に設けられるゲート電極とを具備し、
前記半導体層が珪素半導体からなり、前記ワイドギャップ半導体層が炭化珪素からなる歪み格子層で形成されてなる半導体装置。 - 半絶縁性または低不純物濃度のＮ型またはＰ型の半導体層であって、該半導体層よりも不純物濃度が高い高不純物濃度のＮ型のソース領域およびドレイン領域が形成された半導体層と、該半導体層の表面の前記ドレイン領域とソース領域との間に挟まれた領域に設けられ、該半導体層の構成元素である金属元素と該半導体層の構成元素と異なる化合物構成用元素およびドーパント元素と結合した化合物半導体からなり、前記半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ、高不純物濃度のＮ型のワイドギャップ半導体層と、該ワイドギャップ半導体層上に設けられる絶縁層と、前記高不純物濃度のＮ型のソース領域およびドレイン領域上に前記ワイドギャップ半導体層と接触するように形成されるソース電極およびドレイン電極と、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記絶縁層上に設けられるゲート電極とを具備し、
前記半導体層がＧａＡｓ、ＧａＰ、またはＧａＡｓもしくはＧａＰに他のIII族元素が混晶された化合物のいずれかからなり、前記ワイドギャップ半導体層がガリウムと窒素を化合物の構成元素として含有する化合物からなる歪み格子層で形成されてなる半導体装置。 - 前記ワイドギャップ半導体層が、１０ｎｍ以下の厚さに形成されてなる請求項７〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記絶縁層が、珪素窒素水素合金（ＳｉＮ：Ｈ）からなる請求項１０または１１記載の半導体装置。
- 半絶縁性または低不純物濃度の半導体層の表面の自然酸化膜または２５０℃以下の低温で形成された酸化膜を還元することにより、前記半導体層の表面に活性化した金属元素を露出させ、同時に前記半導体層とは異なる化合物を構成する元素およびドーパントとしての元素を前記活性化した金属元素と結合させることにより、前記半導体層よりもバンドギャップおよびキャリア濃度が共に大きいＮ型のワイドギャップ半導体層を形成し、前記ワイドギャップ半導体層の表面に絶縁層を形成し、前記ワイドギャップ半導体層と電気的に接続するように、一定間隔をあけた位置にソース電極およびドレイン電極を形成すると共に、該ソース電極およびドレイン電極の間で、前記絶縁層上にゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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