JP7159080B2 - 積層体および半導体装置 - Google Patents

Description

積層体および半導体装置に関する。

ダイヤモンドはその優れた機械的、化学的および熱的特性に加え、優れた半導体特性を持つことから、半導体デバイス材料として注目されている。特に、室温で約５．５ｅＶのバンドギャップを持ち絶縁破壊耐性が高いため、パワーデバイス用材料として期待される。さらに、堅牢な結晶性から、特に高温や放射線などの過酷な環境下で用いられる耐環境性デバイス材料としても期待される。そのため、ショットキー接合を有するショットキーバリアダイオード、ＰＩＮ構造のデバイス、電界効果トランジスタ等のダイヤモンド半導体デバイスに関する報告がなされている。

ダイヤモンドを用いた半導体デバイスを製造する場合、Ｉｒ層を有する基板にＣＶＤ法でダイヤモンド層を形成し、これを剥離して別の基板に貼りあわせたダイヤモンド層を使用することが提案されている。しかしながら、基板コストが高いことや剥離工程による品質低下が生じることから、安価なシリコン（Ｓｉ）基板上に高品質なダイヤモンド半導体層を直接形成することが求められている。

しかしながら、ダイヤモンドとＳｉ基板との格子不整合率が高いため、Ｓｉ上に均一で高品質であるダイヤモンド半導体層を形成することは困難である。したがって、シリコン基板上に均一で高品質であるダイヤモンド半導体層を有する積層体およびそれを用いた半導体装置が望まれる。

Ｓ. Ｇｓｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ．，８４，４５４１（２００４）

本発明が解決しようとする課題は、シリコン基板上に均一で高品質であるダイヤモンド半導体層を有する積層体およびそれを用いた半導体装置を提供することにある。

本発明の積層体は、シリコン層と、前記シリコン層上にある第１の酸化ベリリウム層と、前記酸化ベリリウム層上にあるダイヤモンド半導体層と、を備える。シリコン層の面方位は（１１１）面であり、前記第１の酸化ベリリウム層の面方位は（０００１）面であり、前記ダイヤモンド半導体層の面方位は（１１１）面である。

本発明の半導体装置は、シリコン層と、前記シリコン層上にある第１の酸化ベリリウム層と、前記酸化ベリリウム層上にあるダイヤモンド半導体層と、前記ダイヤモンド半導体層上にある、ソース電極およびドレイン電極と、前記ダイヤモンド半導体層上にあるゲート電極と、前記ゲート電極と前記ダイヤモンド半導体層の間にある第２の酸化ベリリウム層と、を備える。ダイヤモンド半導体層上に第２の酸化ベリリウム層である第１の絶縁層をさらに備える。第２の酸化ベリリウム層上に第２の絶縁層をさらに備える。

第１の実施形態の積層体の模式断面図。 第１の実施形態の積層体の模式図。 第１の実施形態の積層体の模式断面図。 第１の実施形態の積層体の模式断面図。 第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

本明細書中、ｉ型の半導体とは、真性半導体を意味する。真性半導体は、積極的にｎ型またはｐ型のドーパントを導入していない半導体を意味する。半導体の製造に伴い不可避的に導入されるドーパントについては、これを許容する。

（第１の実施形態）
図１に積層体１００の模式断面図を示す。
積層体１００は、シリコン（Ｓｉ）層１上に、第１の酸化ベリリウム（ＢｅＯ）層２、ダイヤモンド半導体層３の順に積層されている。

積層体１００は、例えば、電界効果トランジスタ等の半導体装置、センサ等の検出装置、電子放出源、超伝導装置等の電子部品に用いられる。

シリコン層１の格子定数とダイヤモンド半導体層３の格子定数は大きく異なっており、その格子不整合率は大きい。そのため、本実施形態ではシリコン層１上にダイヤモンド半導体層３を形成する際にシリコン層１とダイヤモンド半導体層３の間に、シリコン層１の格子定数とダイヤモンド半導体層３の格子定数の間の値となる格子定数を有する酸化ベリリウムをバッファ層として形成する。シリコン層１の面方位は（１１１）面であり、第１の酸化ベリリウム層２の面方位は（０００１）面であり、ダイヤモンド半導体層３の面方位は（１１１）面であることが好ましい。

酸化ベリリウムを、例えば、シリコンの（１１１）面上に成長すると、シリコンの（１１１）面と同じ回転対称性を有する酸化ベリリウム（ＢｅＯ）の（０００１）面が結晶成長しやすい。このとき、酸化ベリリウムは、シリコンから圧縮応力を受ける。これは、シリコンの（１１１）面におけるシリコン原子の間隔（３．８３Å）の２倍に対して、酸化ベリリウムの（０００１）面におけるベリリウム原子の間隔（２．６６Å）の３倍がわずかに大きいことによる。これによって、酸化ベリリウムの（０００１）面が圧縮され、酸化ベリリウムの（0001）面のベリリウム原子の間隔がダイヤモンドの（111）面の炭素原子の間隔に近づき、酸化ベリリウム上にダイヤモンドを成長することができる。すなわち、シリコン、酸化ベリリウム、およびダイヤモンドの順で積層すると、均一で高品質であるダイヤモンドを形成することが可能となる。

図２に実施形態の積層体１００の模式図を示す。図２の模式図は、上の段落で説明したシリコン層１のシリコン原子の間隔と第１の酸化ベリリウム層２のベリリウム原子の間隔との差及び第１の酸化ベリリウム層２のベリリウム原子の間隔とダイヤモンド半導体層３の炭素原子の間隔の差を理解するための図である。シリコン層１の（１１１）面が第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面と界面を形成している。第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面とダイヤモンドの（１１１）面が界面を形成している。図２中の丸は原子を表し、丸の中には、原子の元素記号（Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃ）を示している。シリコンの（１１１）面のシリコン原子の間隔であるＡ１は、３．８４Åである。酸化ベリリウムの（０００１）面のベリリウム原子の間隔であるＡ２は、２．７０Åである。ダイヤモンドの（１１１）面の炭素原子の間隔Ａ３は、２．５２Åである。図２に示すように、シリコンのシリコン原子の間隔Ａ１の２倍が酸化ベリリウムのベリリウム原子の間隔Ａ２の３倍に近いということ（２×Ａ１≒３×Ａ２）と酸化ベリリウムのベリリウム原子の間隔Ａ２がダイヤモンドの炭素原子の間隔Ａ３に近いという（Ａ２≒Ａ３）関係にある。実施形態の積層体１００では、第１の酸化ベリリウム層２がシリコン層１から圧縮応力を受けているため、第１の酸化ベリリウム層２上のダイヤモンド半導体層３は、圧縮応力を受けている第１の酸化ベリリウム層２からヘテロエピタキシャル成長されやすい。ヘテロエピタキシャル成長されやすいことで、形成されるダイヤモンド半導体層３は、大面積となり結晶性がよい。このようなダイヤモンド半導体層３は粒界が少なく、実効の移動度が高い。単体の酸化ベリリウム層（シリコン層１からの圧縮応力を受けていない）からダイヤモンドを成長させることは出来るが、ミスフィットが大きいため、大きくても島状で面積が１００μｍ^２程度の小さなダイヤモンド結晶（単結晶又は多結晶）が得られるだけである。小さなダイヤモンド結晶には、半導体素子等を形成することが出来ないか困難である。このような小さなダイヤモンド結晶を用いて実験室レベルで半導体素子としての動作の確認が出来たとしても半導体素子等を量産することが出来ないため、産業上有用ではない。一方、実施形態の積層体１００においては、ｍｍ^２オーダーの大きなダイヤモンド結晶に成長することが出来るため、積層体１００を産業的に半導体素子等の製造に用いることが出来る。なお、図２においては、圧縮応力と膨張応力をわかりやすくするために、原子間隔の変化等を誇張して示している。

シリコン層のシリコン原子の間隔Ａ１の２倍が酸化ベリリウム層のベリリウム原子の間隔Ａ２の３倍に近く、Ａ２の３倍である８．１０Åは、Ａ１の２倍の７．６８Åよりも５．５％大きい（［８．１０－７．６８］／７．６８＝０．０５５）。すなわち、シリコン層１上に設けられた（ヘテロエピタキシャル成長された）第１の酸化ベリリウム層２の酸化ベリリウムの間隔は、シリコン層１からの圧縮応力を受けて縮むことになる。そのため、シリコン層１上に設けられた第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔は、２．５６Å以上２．６５Å以下に縮んでいる。シリコン層１側の第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔は、ダイヤモンド半導体層３側の第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔よりも狭い。つまり、シリコン層１が第１の酸化ベリリウム層２へ及ぼす圧縮応力は、第１の酸化ベリリウム層２のシリコン層１側からダイヤモンド半導体層３側に向かうにつれて減少する。シリコン層１に直接接した第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔Ａ４（シリコン層１に最近接した酸化ベリリウム（図２の原子層Ｓ１）のベリリウム原子間距離）と、ダイヤモンド半導体層３に直接接した第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔Ａ５（ダイヤモンド半導体層３に最近接した酸化ベリリウム（図２の原子層Ｓ２）のベリリウム原子間距離）は、Ａ４＜Ａ５の関係を満たす。シリコン層１に直接接した第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔Ａ４は、２．５６Å以上２．６５Å以下となる。図２において、圧縮応力の強さを実線の矢印で示している。圧縮応力が小さくなると、第１の酸化ベリリウム層２とダイヤモンド半導体層３とのミスフィットが大きくなるので、厚さの薄い第１の酸化ベリリウム層２が好ましい。ダイヤモンド半導体層３に直接接した第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔Ａ５は、２．５６Å以上２．６５Å以下となる。なお、シリコン層１と第１の酸化ベリリウム層２のミスフィットは比較的小さいため、シリコン層１上には、大面積の第１の酸化ベリリウム層２をヘテロエピタキシャル成長することができる。

次に、ダイヤモンド半導体層３と第１の酸化ベリリウム層２との関係について説明する。上記に説明したように酸化ベリリウム層のベリリウム原子の間隔Ａ２がダイヤモンドの炭素原子の間隔Ａ３に近く、ダイヤモンドの炭素原子の間隔Ａ３は、酸化ベリリウム層のベリリウム原子の間隔Ａ２よりも約７％小さい。約７％の差があると上述したように、形成されるダイヤモンド結晶は小さくて産業上実用的ではない。酸化ベリリウムとダイヤモンドの原子の間隔の差がシリコンと酸化ベリリウムよりも大きいため、実施形態の構成を採用しない場合、大面積の結晶を成長させることは難しい。ダイヤモンド半導体層３側の第１の酸化ベリリウム層２のベリリウム原子間距離は、２．５６Å以上２．６５Å以下に縮んでいるため、ダイヤモンド半導体層３の（１１１）面の炭素原子の間隔は、シリコン層１上に設けられた第１の酸化ベリリウム層２のダイヤモンド半導体層３に直接接した第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔よりも２％以上５％以下小さい。これは、第１の酸化ベリリウム層２がシリコン層１から圧縮応力を受けているために、第１の酸化ベリリウム層２とダイヤモンド半導体層３とのミスフィットが小さくなることを表している。対向するベリリウム原子の間隔と炭素原子の間隔の差が５％以下であり、この差が約７％から５％以下となることで、ダイヤモンド結晶の成長性が大きく向上し、大面積のダイヤモンド結晶を含むダイヤモンド半導体層３を得ることができる。実施形態のダイヤモンド半導体層３は、実効の移動度が高いため、ダイヤモンド半導体層３を加工することで、特性の優れた半導体素子等を得ることが出来る。ダイヤモンド半導体層３の（１１１）面の炭素原子の間隔は、第１の酸化ベリリウム層２の（０００１）面のベリリウム原子の間隔よりも小さいことから、ダイヤモンド半導体層３の炭素原子は、（１１１）面は膨張応力を受けている。実施形態のダイヤモンド半導体層３は、ミスフィットが小さいため、圧縮応力を受けている第１の酸化ベリリウム層２からダイヤモンド半導体層３を好適にヘテロエピタキシャル成長させることができる。

シリコンのシリコン原子の間隔Ａ１の２倍の距離Ｄ１と酸化ベリリウムのベリリウム原子の間隔Ａ２の３倍の距離Ｄ２は、Ｄ１＜Ｄ２の関係にある。また、酸化ベリリウムのベリリウム原子の間隔Ａ２の１倍の距離Ｄ３とダイヤモンドの炭素原子の間隔Ａ３の１倍の距離Ｄ４は、Ｄ３＞Ｄ４の関係にある。すなわち、シリコン層１からダイヤモンド半導体層３に向かって、小、大、小の順に重なる層は良好なヘテロエピタキシャル関係になるように積層している。この関係を満たすことによって、例えば、大、中、小のように一方向に大小関係が変化する場合に比べて、中間にある第１の酸化ベリリウム層２はダイヤモンド半導体層３の成長に非常に適したバッファ層として機能すると考えられる。

また、酸化ベリリウムは、大きなバンドギャップ（約１０．６ｅＶ）を有し高い絶縁性を有する。そのため、第１の酸化ベリリウム層２はシリコン層１とダイヤモンド半導体層３の間を電気的に絶縁することができる。

さらに、第１の酸化ベリリウム層２は、酸化物としては高い熱伝導率（約３．３Ｗ／（ｃｍ・Ｋ））を有する。シリコンとダイヤモンドも高い熱伝導率を有するため、酸化ベリリウムを用いることで、積層体１００を半導体装置等に用いた場合、放熱性の高い半導体装置を実現することが可能である。

以下、積層体１００について、さらに詳細に説明する。

シリコン（Ｓｉ）層１は、市販のシリコン基板を用いることができる。シリコン層１の面方位は例えば、（１１１）面である。シリコン層１は第１の酸化ベリリウム層２及びダイヤモンド半導体層３を支持する。シリコン層１の厚さは、例えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましい。

第１の酸化ベリリウム（ＢｅＯ）層２は、シリコン層１上に設けられる。第１の酸化ベリリウム（ＢｅＯ）層２の面方位は、ヘテロエピタキシャル成長のしやすさを考慮すると（０００１）面が望ましい。また、第１の酸化ベリリウム層２の面方位（０００１）面は、シリコン層１の面方位（１１１）面と同じ回転対称性を有する。そのため、（１１１）面のシリコン層１上に（０００１）面の第１の酸化ベリリウム層２を成長させやすい。

第１の酸化ベリリウム層２を積層する際には、シリコン層１を加熱するが、シリコン層１を加熱中にシリコン層１の反りやクラックの発生を防ぐため、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、例えば、１００ｎｍ以下が望ましい。また、第１の酸化ベリリウム層２がシリコン層１から受ける圧縮応力を考慮した場合に、ミスフィット転移による欠陥を防ぐため、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以下がさらに望ましい。

例えば、１００ｎｍ以上の厚さの酸化ベリリウム層をシリコン層上に形成させると、酸化ベリリウム層のシリコン層側とは反対側の表面は、シリコン層からの圧縮応力が非常に小さくなってしまう。シリコン層１から第１の酸化ベリリウム層２への圧縮応力が小さくなると、第１の酸化ベリリウム層２とダイヤモンド半導体層３とのミスフィットが大きくなることから第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、薄いことが好ましい。ミスフィットを考慮すると、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、１層（２．６６Å）以上が好ましく、１層以上５ｎｍ以下がより好ましく、１層以上３ｎｍ以下がより好ましい。第１の酸化ベリリウム層２の厚さが薄すぎると、第１の酸化ベリリウム層２の欠陥が生じやすく、欠陥である穴があるとダイヤモンド半導体層３のヘテロエピタキシャル成長がしにくくなることから、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、２層（５．３２Å）以上であることが好ましく、２層以上５ｎｍ以下であることがより好ましい。

また、酸化ベリリウムのバンドギャップは、ダイヤモンドよりもバンドギャップが大きいことから第１の酸化ベリリウム層２は、ダイヤモンド半導体層３の絶縁層として機能する。第１の酸化ベリリウム層２の厚さが薄いと絶縁性や絶縁の信頼性が低下する。そこで、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、１０層（２６．６Å）以上であることが好ましい。また、第１の酸化ベリリウム層２は熱伝導性が高く、ダイヤモンド半導体層３で発生した熱を第１の酸化ベリリウム層２から放出しやすい。熱伝導を考慮すると、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、１０層以上であることが好ましい。

圧縮応力と絶縁性の両方を考慮すると、第１の酸化ベリリウム層２の厚さは、１０層以上５ｎｍ以下であることが好ましい。

なお、第１の酸化ベリリウム層２には、意図せずに水素（Ｈ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）等からなる群より選ばれる１種以上が含まれていても良い。

ダイヤモンド半導体層３は、第１の酸化ベリリウム層２上に設けられる。ダイヤモンド半導体層３の面方位は、例えば、（１１１）面である。（１１１）面のダイヤモンド半導体層３と（０００１）面の第１の酸化ベリリウム層２は、回転対称性において相性が良い。そのため、（０００１）面の第１の酸化ベリリウム層２上に（１１１）面のダイヤモンド半導体層３を成長させやすい。

ダイヤモンド半導体層３は、ｉ型または第１の導電型を有する。第１の導電型は、例えば、ｎ型である。ダイヤモンド半導体層３は、意図的にドープせずとも微量に混入する不純物によりｎ型となっていてもよい。ダイヤモンド半導体層３のｎ型不純物は、例えば、リン（Ｐ）である。ダイヤモンド半導体層３は、耐圧を得るために弱いｎ型伝導とすることが望ましい。図１中ではｎ^－と示す。ダイヤモンド半導体層３の導電型の不純物濃度は、例えば、１×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下である。また、ダイヤモンド半導体層３が第１の酸化ベリリウム層２から受ける引っ張り応力を考慮した場合に、ミスフィット転移による欠陥を防ぐため、ダイヤモンド半導体層３の厚さは、１ｎｍ以上が望ましく、１ｎｍ以上であれば任意の厚さとしてよい。ダイヤモンド半導体層３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が望ましい。

本実施形態の積層体１００において、ダイヤモンド半導体層３は第１の酸化ベリリウム層２から引っ張り応力を受けるため、ダイヤモンド半導体層３の（１１１）面の格子が広がる。したがって、リン（Ｐ）等の炭素原子より大きな原子半径を持つ不純物がダイヤモンド半導体層３にドープされやすくなる。

また、従来ダイヤモンドを作製する場合、ダイヤモンドをイリジウム（Ｉｒ）層上に成長させていた。しかしながら、イリジウム層は絶縁体ではないため、例えば、半導体デバイス等のダイヤモンドの下地に絶縁体が必要な用途に用いる場合、イリジウム層をダイヤモンドから剥離する必要があった。本実施形態の積層体１００の場合では、ダイヤモンド半導体層３を絶縁層である第１の酸化ベリリウム層２上に形成しているため、積層体１００をそのまま半導体デバイス等に用いることが可能である。

また、第１の酸化ベリリウム層２は結晶性の品質が高いため、第１の酸化ベリリウム層２とダイヤモンド半導体層３の界面で欠陥を抑制することができ、界面における欠陥由来の電子あるいは正孔の散乱を抑制し、ダイヤモンド層中のキャリア移動度を向上させることができる。

以下に、積層体１００の作製方法について述べる。

まず、市販のシリコン基板を用意し、これをシリコン層１とする。
シリコン層１上に、原子層堆積（ＡＬＤ）法により、第１の酸化ベリリウム層２を形成する。ＡＬＤ法の原料ガスとして、ジメチルベリリウム（Ｂｅ（ＣＨ_３）_２）またはジエチルベリリウム（Ｂｅ（Ｃ_２Ｈ_５）_２）と、水（Ｈ_２Ｏ）またはオゾン（Ｏ_３）を含む混合ガスを用いる。ＡＬＤ法で第１の酸化ベリリウム層２を形成する際に、シリコン層１の温度は２５０℃とする。

次に、第１の酸化ベリリウム層２上に、ＣＶＤ法により、ダイヤモンド半導体層３を形成する。ＣＶＤ法の原料ガスとして、メタン（ＣＨ_３）等の炭化水素を用いる。ｎ型の領域を形成する際には、フォスフィン（ＰＨ_３）等のリン原料ガスを原料ガスに添加することで、リンを不純物として含むダイヤモンド層を形成する。ｎ型の領域については、リンが取り込まれやすさを考慮して、（１１１）面に積層するとよい。

なお、ダイヤモンド半導体層３に含まれる炭素の置換のし易さを考慮して、ｎ型不純物はリン（Ｐ）が好ましいが、窒素（Ｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、または硫黄（Ｓ）等を適用することも可能である。

また、本実施形態ではダイヤモンド半導体層３の導電型はｎ型として説明したが、ダイヤモンド半導体層３の導電型はｐ型でもよい。ダイヤモンド半導体層３がｐ型の場合、ｐ型不純物は、例えば、ボロン（Ｂ）等が用いられる。

図３に図１の積層体１００の変形例である積層体１０１を示す。

図３の積層体１０１は、ダイヤモンド半導体層３上に第１の絶縁層として、第２の酸化ベリリウム層４をさらに備える点で、図１の積層体１００と異なる。第１の絶縁層としては、他にも二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層やケイ酸アルミニウム（Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚ）層等の酸化物層を用いることができる。すなわち、第１の絶縁層は、第２の酸化ベリリウム層、酸化ケイ素層、酸化アルミニウム層及びケイ酸アルミニウム層からなる群より選ばれる１種以上である。積層体１０１のダイヤモンド半導体層３は、第１の酸化ベリリウム層２と第１の絶縁層に挟まれる。第１の絶縁層として上記に挙げた酸化物層を複数用いて、これらを積層することも出来る。以下、第１の絶縁層として、第２の酸化ベリリウム層４を例に説明するが他の材料で構成された酸化物層を第１の絶縁層として用いた形態についても同様である。

第２の酸化ベリリウム層４は、ダイヤモンド半導体層３上に設けられる。第２の酸化ベリリウム層４は、上述した第１の酸化ベリリウム層２と同様の材料である。

第１の酸化ベリリウム層２はダイヤモンド形成のためのバッファ層、一方、第２の酸化ベリリウム層４は半導体装置のゲート絶縁膜等の絶縁層、ダイヤモンド半導体層３はキャリアが通るチャネル層として用いることが可能である。

第２の酸化ベリリウム層４の厚さは、絶縁性の観点から、例えば、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が望ましい。特に、積層体１０１を半導体装置に用い、第２の酸化ベリリウム層４を例えばゲート絶縁膜として用いる場合、ダイヤモンド半導体層３のキャリアをゲート電極側に漏出させないために、第２の酸化ベリリウム層４の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下が望ましい。

第２の酸化ベリリウム層４は結晶性の品質が高いため、第２の酸化ベリリウム層４とダイヤモンド半導体層３の界面で欠陥を抑制することができる。そのため、界面における欠陥由来の電子あるいは正孔の散乱を抑制し、キャリア移動度を向上させることができる。
図４に図３の積層体１０１の変形例である積層体１００Ａを示す。

図４の積層体１００Ａは、ダイヤモンド半導体層３上に第２の酸化ベリリウム層４及び第２の絶縁層１０をさらに備える点で、図３の積層体１０１と異なる。

第２の絶縁層１０は第２の酸化ベリリウム層４上に設けられる。第２の絶縁層１０は酸化ベリリウム層とは異なる材料の絶縁層であって、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等から選択される少なくとも一種の材料の層である。複数の異なる材料の層の積層であってもよい。

酸化ベリリウムの使用量を抑えるため、積層体１００Ａでは、第２の酸化ベリリウム層４上に第２の絶縁層１０を設けることで、絶縁性に必要な厚さは保ちつつも、第２の酸化ベリリウム層４の厚さを薄くして使用量を抑えることができる。

第２の酸化ベリリウム層４と第２の絶縁層１０を合わせた厚さは、絶縁性の観点から、例えば、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が望ましい。特に、積層体１００Ａを半導体装置に用い、第２の酸化ベリリウム層４及び第２の絶縁層１０をゲート絶縁膜として用いる場合、ダイヤモンド半導体層３のキャリアをゲート電極側に漏出させないために、第２の酸化ベリリウム層４と第２の絶縁層１０との合計の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下が望ましい。

ダイヤモンド半導体層３上に酸化ベリリウム以外の絶縁層を直接積層する場合は、ダイヤモンド半導体層３と酸化ベリリウム以外の絶縁層の間に界面トラップが多く生じてしまい、さらに酸化ベリリウム以外の絶縁層が酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等のｈｉｇｈ－ｋ膜の場合にはリモートフォノン散乱によるキャリア移動度の低下が生じてしまう。そのため、ダイヤモンド半導体層３上には、第１の絶縁層としては、第２の酸化ベリリウム層４を用いることが好ましい。。第２の酸化ベリリウム層４上にさらに第２の絶縁層１０を設けることができる。第２の絶縁層１０としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）等からなる群より選ばれる１種以上の酸化物層であることが好ましい。第２の絶縁層１０とダイヤモンドを一緒に使用することが可能となる。

（第２の実施形態）
図５に半導体装置２００の模式断面図を示す。

図３の積層体１０１と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。

半導体装置２００は、シリコン層１上に、第１の酸化ベリリウム層２、ダイヤモンド半導体層３、第２の酸化ベリリウム層４の順に積層されている。また、ソース電極５、ドレイン電極６、およびゲート電極７がダイヤモンド半導体層３上に設けられており、ゲート電極７とダイヤモンド半導体層３の間に第２の酸化ベリリウム層４が設けられている。

半導体装置２００は、半導体層として積層体１０１を用いた、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）である。

ソース電極５およびドレイン電極６は、ダイヤモンド半導体層３上に設けられる。ソース電極５およびドレイン電極６は、例えば、ポリシリコンである。ソース電極５およびドレイン電極６はダイヤモンド半導体層３と接しており、特に、後述するダイヤモンド半導体層３の領域８と接する。

ゲート電極７は、第２の酸化ベリリウム層４上に設けられる。ゲート電極７は、例えば、ポリシリコン、シリサイドまたは金属である。ゲート電極７がポリシリコンである場合、例えば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）及びヒ素（Ａｓ）からなる群より選ばれるいずれか１種以上によってドープされる。ゲート電極７がシリサイドである場合、そのシリサイドは、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる１つ以上の元素を含む。ゲート電極７が金属である場合、その金属は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、プラチナ（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及び金（Ａｕ）からなる群より選ばれる１以上の元素を含む。

領域８はダイヤモンド半導体層３に含まれる。領域８は、２つあり、ダイヤモンド半導体層３とソース電極５が接している面の近傍と、ダイヤモンド半導体層３とドレイン電極６が接している面の近傍に設けられる。領域８は第２の導電型を有する。領域８の第２の導電型は、例えば、ｐ型である。ｐ型の不純物は、例えば、ホウ素（Ｂ）である。領域８とソース電極５の間の接合と、ドレイン電極６とソース電極５の間の接合でショットキー障壁ができないようにするため、領域８の不純物濃度はダイヤモンド半導体層３の他の領域よりも高濃度にする。高濃度であるｐ型領域を図５中でｐ^＋と示す。領域８の不純物濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下である。第２の酸化ベリリウム層４からシリコン層１へ向かう方向において、領域８の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

第２の酸化ベリリウム層４は、大きなバンドギャップ（約１０．６ｅＶ）を有するため、半導体装置２００のゲート絶縁膜として使用される。第２の酸化ベリリウム層４の厚さは、絶縁性の観点から、例えば、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が望ましい。特に、ダイヤモンド半導体層３のキャリアをゲート電極側に漏出させないために、第２の酸化ベリリウム層４の厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下が望ましい。

以下に、半導体装置２００の動作について説明する。

半導体装置２００では、ソース電極５側の領域８、２つの領域８の間のダイヤモンド半導体層３、ドレイン電極６側の領域８に電流が流れるチャネルが形成される。図５の点線で示した矢印方向に電流が流れる。

チャネルに電流を流すために、ゲート電極７に負の電圧を印加する。ゲート電極７に負の電圧を印加すると、ゲート電極７下のダイヤモンド半導体層３にキャリアとなる正孔が存在して電流が流れるようになる。

以下に、半導体装置２００の作用効果について述べる。

ダイヤモンド半導体層３は第１の酸化ベリリウム層２から引っ張り応力を受けるため、ダイヤモンド半導体層３の構造中の格子が広がる。したがって、ホウ素（Ｂ）等のｐ型不純物やリン（Ｐ）等のｎ型不純物がダイヤモンド半導体層３にドープされやすくなる。そのため、半導体装置２００においては、領域８を高濃度のｐ型とすることが可能である。
第１の酸化ベリリウム層２は高い熱伝導率を有する。シリコン層１とダイヤモンド半導体層３も高い熱伝導率を有するため、第１の酸化ベリリウム層２を用いることで、放熱性の高い半導体装置２００を実現することが可能である。

第１の酸化ベリリウム層２は結晶性の品質が高いため、第１の酸化ベリリウム層２とダイヤモンド半導体層３の界面で欠陥を抑制することができ、界面における各巻由来の電子あるいは正孔の散乱を抑制し、半導体装置２００のキャリア移動度を向上させることができる。

図６に図５の半導体装置２００の変形例である半導体装置２００Ａを示す。

図６の半導体装置２００Ａは、第２の酸化ベリリウム層４上に第２の絶縁層１０をさらに備える点で、図５の半導体装置２００と異なる。

半導体装置２００Ａは積層体１００Ａを半導体層として用いている。

第２の酸化ベリリウム層４と第２の絶縁層１０を合わせた厚さは、絶縁性の観点から、例えば、３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が望ましい。特に、ダイヤモンド半導体層３のキャリアをゲート電極側に漏出させないために、第２の酸化ベリリウム層４と第２の絶縁層１０を合わせた厚さは、例えば、３ｎｍ以上２００ｎｍ以下が望ましい。

なお、半導体装置２００、２００Ａでは、ダイヤモンド半導体層３の導電型をｎ型、領域８の導電型をｐ型として説明したが、ダイヤモンド半導体層３の導電型をｐ型、領域８の導電型をｎ型としてもよい。この場合、チャネルに電流を流すために、ゲート電極７に正の電圧を印加する。ゲート電極７に正の電圧を印加すると、ゲート電極７下のダイヤモンド半導体層３にキャリアとなる電子が存在して電流が流れるようになる。

（第３の実施形態）
図７に半導体装置３００の模式断面図を示す。

図５の半導体装置２００と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略する。

半導体装置３００は、１つのシリコン層１上に、半導体装置２００と同様の構成のＦＥＴを複数設けたものである。

半導体装置３００では、第１の酸化ベリリウム層２、ダイヤモンド半導体層３、および第２の酸化ベリリウム層４はシリコン層１上の全面には設けておらず、個々のＦＥＴは間隔を設けてシリコン層１上に形成される。そのため、第１の酸化ベリリウム層２、ダイヤモンド半導体層３、および第２の酸化ベリリウム層４の各層の界面に発生する応力を抑え、各層にクラックや湾曲が生じることを防ぐことが可能である。

なお、図７の半導体装置３００において、複数のＦＥＴを半導体装置２００を例として示したが、半導体装置２００は半導体装置２００Ａであってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ シリコン層
２ 第１の酸化ベリリウム層３ ダイヤモンド半導体層
４ 第２の酸化ベリリウム層（第１の絶縁層）
５ ソース電極
６ ドレイン電極
７ ゲート電極
８ 領域
１０ 第２の絶縁層
１００、１０１、１００Ａ 積層体
２００、２００Ａ、３００ 半導体装置

Claims (18)

1. シリコン層と、
   前記シリコン層上にある第１の酸化ベリリウム層と、
   前記第１の酸化ベリリウム層上にあるダイヤモンド半導体層と、
   を備え、
   前記シリコン層の面方位は（１１１）面であり、前記第１の酸化ベリリウム層の面方位は（０００１）面であり、前記ダイヤモンド半導体層の面方位は（１１１）面である積層体。
2. シリコン層と、
   前記シリコン層上にある第１の酸化ベリリウム層と、
   前記第１の酸化ベリリウム層上にあるダイヤモンド半導体層と、
   を備え、
   前記ダイヤモンド半導体層上に第２の酸化ベリリウム層である第１の絶縁層をさらに備え、
   前記第２の酸化ベリリウム層上に第２の絶縁層をさらに備える積層体。
3. 前記ダイヤモンド半導体層上に第２の酸化ベリリウム層、二酸化ケイ素層、ケイ酸アルミニウム層及び酸化ハフニウム層からなる群より選ばれる１種以上の第１の絶縁層をさらに備える請求項１に記載の積層体。
4. 前記第１の絶縁層は、第２の酸化ベリリウム層であり、
   前記第２の酸化ベリリウム層上に第２の絶縁層をさらに備える請求項３に記載の積層体。
5. 前記第２の絶縁層は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および酸化ハフニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の酸化物層である請求項２又は４に記載の積層体。
6. 前記ダイヤモンド半導体層の導電型はｎ型である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の積層体。
7. 前記ダイヤモンド半導体層に含まれるｎ型不純物の濃度は１×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の積層体。
8. 前記ダイヤモンド半導体層の導電型はｐ型である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の積層体。
9. 前記第１の酸化ベリリウム層の厚さは、２．６６Å以上５０Å以下である請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の積層体。
10. 前記第１の酸化ベリリウム層の厚さは、２６．６Å以上５０Å以下である請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の積層体。
11. 請求項２ないし５のいずれか１項に記載の積層体と、
    前記積層体の前記ダイヤモンド半導体層上にある、ソース電極およびドレイン電極と、
    前記ダイヤモンド半導体層上にあるゲート電極と、を備え、
    前記ゲート電極と前記ダイヤモンド半導体層の間に前記第１の絶縁層が配置されている、
    半導体装置。
12. 前記ダイヤモンド半導体層に含まれ、前記ソース電極と前記ダイヤモンド半導体層が接する面の近傍および前記ドレイン電極と前記ダイヤモンド半導体層が接する面の近傍にあり、かつ導電型を有する領域をさらに備える請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記領域はｐ型である請求項１２に記載の半導体装置。
14. 前記領域に含まれるｐ型不純物の濃度は１×１０^１９ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下である請求項１３に記載の半導体装置。
15. 前記ダイヤモンド半導体層はｎ型である請求項１１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
16. 前記ダイヤモンド半導体層に含まれるｎ型不純物の濃度は１×１０^１５ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下である請求項１５に記載の半導体装置。
17. 前記領域はｎ型である請求項１２に記載の半導体装置。
18. 前記ダイヤモンド半導体層はｐ型である請求項１７に記載の半導体装置。

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