JPH01143323A - 半導体素子 - Google Patents
半導体素子Info
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- JPH01143323A JPH01143323A JP30168487A JP30168487A JPH01143323A JP H01143323 A JPH01143323 A JP H01143323A JP 30168487 A JP30168487 A JP 30168487A JP 30168487 A JP30168487 A JP 30168487A JP H01143323 A JPH01143323 A JP H01143323A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1602—Diamond
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
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- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、ダイヤモンドを主要な材料とする半導体素子
に関する。
に関する。
［従来の技術］
現在、半導体材料として用いられているのは主としてＳ
ｌである。半導体市場の主流である論理回路や半導体メ
モリーなどの集積回路を構成している半導体デバイスに
はＳｌが用いられている。
ｌである。半導体市場の主流である論理回路や半導体メ
モリーなどの集積回路を構成している半導体デバイスに
はＳｌが用いられている。
半導体デバイスの中で半導体メモリーには、集積化の容
易なＭＯ３型電界効果トランジスタが用いられ、高速性
を要求される論理演算子にはバイポーラ型トランジスタ
が用いられている。
易なＭＯ３型電界効果トランジスタが用いられ、高速性
を要求される論理演算子にはバイポーラ型トランジスタ
が用いられている。
これら以外にもアナログＩＣなど多くの電子部品におい
てＳｉが用いられている。また、ＧａＡｓやＩｎＰなど
の化合物半導体は光学デバイス、超高速ＩＣのような限
定された用途に向けて開発が進んでいる。
てＳｉが用いられている。また、ＧａＡｓやＩｎＰなど
の化合物半導体は光学デバイス、超高速ＩＣのような限
定された用途に向けて開発が進んでいる。
しかし、Ｓｉは２００℃以」二、ＧａＡｓは３００°Ｃ
以」二の高温では使用できないという問題がある。
以」二の高温では使用できないという問題がある。
これは、バンドギャップがＳｉで１．ＩｅＶ。
ＧａＡｓで１．５ｅＶと小さいために、Ｓｌは２０００
Ｃ以」二、ＧａＡｓは３００℃以」二で真性領域に入り
、キャリア密度が増大してしまうためである。
Ｃ以」二、ＧａＡｓは３００℃以」二で真性領域に入り
、キャリア密度が増大してしまうためである。
ところで、集積回路の集積度は近年ますまず高まる傾向
にあるが、それに伴って、素子の熱発生の割合も高まり
、これは回路の誤動作の原因となるため、放熱の手段も
問題になってきている。
にあるが、それに伴って、素子の熱発生の割合も高まり
、これは回路の誤動作の原因となるため、放熱の手段も
問題になってきている。
以」二のことを解決するため、ダイヤモンドを用いて耐
熱性、放熱性に優れた半導体素子を製造することが提案
されている（特開昭５９−２１３１２６号公報及び特開
昭５１−２０８８２１号公報参照）。ダイヤモンドは、
バンドギャップが５．５ｅＶと大きいため、真性領域に
相当する温度領域は、ダイヤモンドが熱的に安定な１４
００℃以下には存在しない。また化学的にも非常に安定
である。よって、ダイヤモンドで作製したデバイスは高
温での動作が可能となり、耐環境性の優れたものとなる
。また、ダイヤモンドの熱伝導率は２０［Ｗ／ｃｍ−Ｋ
］とＳ】の１０倍以上であり、放熱性にも優れている。
熱性、放熱性に優れた半導体素子を製造することが提案
されている（特開昭５９−２１３１２６号公報及び特開
昭５１−２０８８２１号公報参照）。ダイヤモンドは、
バンドギャップが５．５ｅＶと大きいため、真性領域に
相当する温度領域は、ダイヤモンドが熱的に安定な１４
００℃以下には存在しない。また化学的にも非常に安定
である。よって、ダイヤモンドで作製したデバイスは高
温での動作が可能となり、耐環境性の優れたものとなる
。また、ダイヤモンドの熱伝導率は２０［Ｗ／ｃｍ−Ｋ
］とＳ】の１０倍以上であり、放熱性にも優れている。
さらに、ダイヤモンドはギヤリアの移動度が大きい（Ｍ
子移動度： ２０００ ［ｃｚ２／Ｖ・秒］、ポール移
動度：２ ］ ００ ［ｃｍ２／Ｖ ・秒］ａｔ３００
Ｋ）。誘電率が小さい（Ｋ＝５．５）、破壊電界が大き
い（ＥＢ＝ ５ Ｘ ｔ Ｏ６Ｖ ７ｃｍ）などの特徴
を有しており、高周波で大電力用のデバイスを作製する
ことができる可能性がある。
子移動度： ２０００ ［ｃｚ２／Ｖ・秒］、ポール移
動度：２ ］ ００ ［ｃｍ２／Ｖ ・秒］ａｔ３００
Ｋ）。誘電率が小さい（Ｋ＝５．５）、破壊電界が大き
い（ＥＢ＝ ５ Ｘ ｔ Ｏ６Ｖ ７ｃｍ）などの特徴
を有しており、高周波で大電力用のデバイスを作製する
ことができる可能性がある。
半導体素子の動作層として働くダイヤモンド薄膜単結晶
層は、気相合成法によってダイヤモンド単結晶基板の上
にエピタキシャル成長させることができる。この際に、
適当な不純物をドーピングすることによってＰ型半導体
又はＮ型半導体のいずれかを形成することが可能である
。
層は、気相合成法によってダイヤモンド単結晶基板の上
にエピタキシャル成長させることができる。この際に、
適当な不純物をドーピングすることによってＰ型半導体
又はＮ型半導体のいずれかを形成することが可能である
。
しかし、ダイヤモンドエピタキシャル層の電気的特性は
、その結晶性に大きく左右される。欠陥などが存在し、
結晶性の悪い場合には、キャリアの移動度は小さくなり
、欠陥により半導体素子の動作が阻害される。
、その結晶性に大きく左右される。欠陥などが存在し、
結晶性の悪い場合には、キャリアの移動度は小さくなり
、欠陥により半導体素子の動作が阻害される。
ＰＮ接合、ショットキー接合又はＭＩＳ構造を形成する
にあたって、ダイヤモンド層の結晶性が悪く欠陥の多い
場合や、ＰＮ接合でのＰ型ダイヤモンド層とＮ型ダイヤ
モンド層を積層した時の界面の凹凸、ノヨットキー接合
での半導体ダイヤモンド層と金属層の界面の凹凸、又は
ＭＩＳ構造での半導体ダイヤモンド層と絶縁体ダイヤモ
ンド層の界面の凹凸が激しく界面準位の多い場合などに
は、良好なＰＮ接合、ンヨットキー接合又はＭＩＳ構造
が形成できないことがある。
にあたって、ダイヤモンド層の結晶性が悪く欠陥の多い
場合や、ＰＮ接合でのＰ型ダイヤモンド層とＮ型ダイヤ
モンド層を積層した時の界面の凹凸、ノヨットキー接合
での半導体ダイヤモンド層と金属層の界面の凹凸、又は
ＭＩＳ構造での半導体ダイヤモンド層と絶縁体ダイヤモ
ンド層の界面の凹凸が激しく界面準位の多い場合などに
は、良好なＰＮ接合、ンヨットキー接合又はＭＩＳ構造
が形成できないことがある。
［発明が解決しようとする問題点］
本発明の目的は、表面平担性、結晶性の優れたダイヤモ
ンドエピタキシャル層を用いて良好な電気的特性を有し
た半導体素子を形成することにある。
ンドエピタキシャル層を用いて良好な電気的特性を有し
た半導体素子を形成することにある。
［問題点を解決するための手段］
本発明においては、ダイヤモンド単結晶層をエピタキシ
ャル成長させるに際して、ダイヤモンド単結晶の（＋’
００）面に対してＩＯｏを越えない角度を持つ研磨され
た面を用いる。
ャル成長させるに際して、ダイヤモンド単結晶の（＋’
００）面に対してＩＯｏを越えない角度を持つ研磨され
た面を用いる。
発明者らは、ダイヤモンドエピタキシャル層を成長させ
る際に、基板として、ダイヤモンド単結品の（１００）
面を用いた時の方が、（１１０）面又は（Ｉ Ｉ １）
面などを用いた時よりも成長層の結晶性が優れており、
キャリアの移動度が大きいことを見出した。また、成長
層表面のモフォロノーも平坦性に優れていることを見出
した。これらのことは、デバイスを良好に動作させる上
で重要なことである。
る際に、基板として、ダイヤモンド単結品の（１００）
面を用いた時の方が、（１１０）面又は（Ｉ Ｉ １）
面などを用いた時よりも成長層の結晶性が優れており、
キャリアの移動度が大きいことを見出した。また、成長
層表面のモフォロノーも平坦性に優れていることを見出
した。これらのことは、デバイスを良好に動作させる上
で重要なことである。
（１００）面を基板に用いた時には、この様な心配がな
く、良好に動作する半導体デバイスを作製することがで
きる。
く、良好に動作する半導体デバイスを作製することがで
きる。
（Ｉ Ｉ １）面を用いた場合には（１，００）面の場
合に結晶性はほぼ匹敵しているが平坦性は（１００）面
の場合よりは劣る。また（Ｉ ｌ １）面は、面の研磨
が困難であるという点でも（１００）面より好ましくな
い。
合に結晶性はほぼ匹敵しているが平坦性は（１００）面
の場合よりは劣る。また（Ｉ ｌ １）面は、面の研磨
が困難であるという点でも（１００）面より好ましくな
い。
ダイヤモンドエピタキノヤル層を成長させる面は、研磨
精度等から（１００）面に対して１０°を越えない角度
で傾いていており、更に好ましくは５°を越えない角度
で傾いている。ダイヤモンドエピタキンヤル層を成長さ
せる面は、丁度（１００）面であることが最も好ましい
。
精度等から（１００）面に対して１０°を越えない角度
で傾いていており、更に好ましくは５°を越えない角度
で傾いている。ダイヤモンドエピタキンヤル層を成長さ
せる面は、丁度（１００）面であることが最も好ましい
。
ダイヤモンド単結晶基板は、天然ダイヤモンド、あるい
は超高圧下又は気相中で合成されたダイヤモンド単結晶
である。あるいは、ダイヤモンド単結晶基板は、Ｓｌ又
はＧａＡｓ基板」二にＳｉＣ層をバッファ層としてヘテ
ロエピタキシャル成長さ且゛たダイヤモンド単結晶膜で
あってもよい。
は超高圧下又は気相中で合成されたダイヤモンド単結晶
である。あるいは、ダイヤモンド単結晶基板は、Ｓｌ又
はＧａＡｓ基板」二にＳｉＣ層をバッファ層としてヘテ
ロエピタキシャル成長さ且゛たダイヤモンド単結晶膜で
あってもよい。
ダイヤモンド層を成長させる気相合成法としては、１）
熱電子放射制を加熱して原℃１カスを活性化する方法、
２）直流、高周波又はマイクロ波電界による放電を利用
する方法、３）イオン衝撃を利用する方法、４）光によ
りガス分子を分解せしめる方法があるが、いずれを用い
ても良好なダイヤモンドエピタキノヤル層が得られる。
熱電子放射制を加熱して原℃１カスを活性化する方法、
２）直流、高周波又はマイクロ波電界による放電を利用
する方法、３）イオン衝撃を利用する方法、４）光によ
りガス分子を分解せしめる方法があるが、いずれを用い
ても良好なダイヤモンドエピタキノヤル層が得られる。
金属電極の材料は、半導体素子において通常に用いられ
る金属電極の材料のいずれてあってもよい。
る金属電極の材料のいずれてあってもよい。
本発明の半導体素子は、通常、半導体ダイヤモンドの少
なくとも１つのＰＮ接合を有するか、あるいは半導体ダ
イヤモンドと金属の少なくとも１つのショットキー接合
を有するか、あるいはＭＩＳ構造を有する。ＭＩＳ構造
においては、絶縁層は、ダイヤモンド単結晶から成って
いてもよく、あるいはＳｉＯ２、Ｓ ｉ３Ｎ、又ｉｌｌ
：ＡＬＣＬ＋から成ッテいてもよい。
なくとも１つのＰＮ接合を有するか、あるいは半導体ダ
イヤモンドと金属の少なくとも１つのショットキー接合
を有するか、あるいはＭＩＳ構造を有する。ＭＩＳ構造
においては、絶縁層は、ダイヤモンド単結晶から成って
いてもよく、あるいはＳｉＯ２、Ｓ ｉ３Ｎ、又ｉｌｌ
：ＡＬＣＬ＋から成ッテいてもよい。
［発明の効果］
本発明の半導体素子は耐熱性及び耐環境性に優れており
、自動車のエンジンルーム、原子炉及び人工衛星などの
過酷な環境下で使用できる。
、自動車のエンジンルーム、原子炉及び人工衛星などの
過酷な環境下で使用できる。
本発明の半導体素子は、例えば、ダイヤモンドの熱伝導
率の良好さから高集積化が容易であるので、耐熱性高速
論理素子及び高周波大出力素子などとして有用である。
率の良好さから高集積化が容易であるので、耐熱性高速
論理素子及び高周波大出力素子などとして有用である。
［実施例］
以下に本発明の実施例を示す。
実施例１
第１図に示したような手順により、ダイヤモンド単結晶
の（１００）面上にダイヤモンドから成るＭＩＳ型電界
効果トランジスタを作製した。
の（１００）面上にダイヤモンドから成るＭＩＳ型電界
効果トランジスタを作製した。
（ｉ）３ｘ２Ｘ１ｍｍのＩｂ型人工単結晶ダイヤモンド
基板１１の上に公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ法で厚
さ０４μｍのＢドープＰ型ダイヤモンド薄膜層１２を形
成した。この時の基板の成長面は（１００）面に対して
０．５°以内であった。
基板１１の上に公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ法で厚
さ０４μｍのＢドープＰ型ダイヤモンド薄膜層１２を形
成した。この時の基板の成長面は（１００）面に対して
０．５°以内であった。
（合成条件 マイクロ波パワー−３５０Ｗ、反応圧カー
３０ Ｔｏｒｒ、反応ガス−ＣＩ（、（０，５％）＋Ｉ
’３ｐＩ（ｅ（０，００００５％）＋Ｈ２（残））（１
１）マイクロ波プラズマＣＶＤ法で厚さ５００人のノン
ドープダイヤモンド薄膜層Ｉ３を形成した。
３０ Ｔｏｒｒ、反応ガス−ＣＩ（、（０，５％）＋Ｉ
’３ｐＩ（ｅ（０，００００５％）＋Ｈ２（残））（１
１）マイクロ波プラズマＣＶＤ法で厚さ５００人のノン
ドープダイヤモンド薄膜層Ｉ３を形成した。
（合成条件：マイクロ波パワー−３５０Ｗ、反応圧カー
３０ Ｔｏｒｒ、反応ガス−ＣＨ，（０、５％）十Ｈ２
（９９，５％）） （ｉｉｉ）ノンドープダイヤ層の一部にＣｒをマスクＩ
４として蒸着し、マスクで覆イっれていないダイヤモン
ド薄膜層１２．１３を深さ１５００人で酸素プラズマエ
ッチンクした。
３０ Ｔｏｒｒ、反応ガス−ＣＨ，（０、５％）十Ｈ２
（９９，５％）） （ｉｉｉ）ノンドープダイヤ層の一部にＣｒをマスクＩ
４として蒸着し、マスクで覆イっれていないダイヤモン
ド薄膜層１２．１３を深さ１５００人で酸素プラズマエ
ッチンクした。
（エッヂング条件 Ｒ，Ｆ パワー−２００Ｗ。
圧力−０，００５Ｔｏｒｒ）
（ｉｖ）マスクＩ４を王水で除去した。
（ｖ）Ａｕ／Ｍｏ／Ｔｉの３層電極を蒸着後、一部エツ
チングを行いソース、ゲート、ドレインのそれぞれに金
属電極１５，１６．１７を形成した。
チングを行いソース、ゲート、ドレインのそれぞれに金
属電極１５，１６．１７を形成した。
このようにして作製したＭＩＳ型電界効果トランジスタ
の特性を測定したところ８００℃でもトランジスタ動作
を示した。
の特性を測定したところ８００℃でもトランジスタ動作
を示した。
第１図は、本発明の半導体素子の製造の一例を示す断面
図である。 １１・・・基板、 １２．１３・・ダイヤモンド層、 １４・マスク、 １５．１６．１７・・・金属電極。 特許出願人住友電気工業株式会社 代 理 人 弁理士 前出 葆 ほか１名＝１１− ；；
図である。 １１・・・基板、 １２．１３・・ダイヤモンド層、 １４・マスク、 １５．１６．１７・・・金属電極。 特許出願人住友電気工業株式会社 代 理 人 弁理士 前出 葆 ほか１名＝１１− ；；
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、ダイヤモンド単結晶の（１００）面に対して１０°
を越えない角度を持つ研磨された少なくとも１つの面を
有するダイヤモンド単結晶を基板として該面上に気相成
長法により成長させたダイヤモンドエピタキシャル層及
び少なくとも１つの金属電極を有することを特徴とする
半導体素子。 ２、基板となるダイヤモンド単結晶が天然又は合成され
たダイヤモンド単結晶である特許請求の範囲第１項記載
の半導体素子。 ３、基板となるダイヤモンド単結晶が、Ｓｉ又はＧａＡ
ｓ基板上にＳｉＣ層をバッファ層としてヘテロエピタキ
シャル成長させたダイヤモンド単結晶膜である特許請求
の範囲第１項記載の半導体素子。 ４、基板となるダイヤモンド単結晶がＰ型半導体又はＮ
型半導体である特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに
記載の半導体素子。 ５、基板となるダイヤモンド単結晶が絶縁体である特許
請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の半導体素子。 ６、ダイヤモンドエピタキシャル層が、Ｐ型半導体、Ｎ
型半導体および絶縁体のいずれか１つ又はそれらの積層
及び／又はそれらが平面内で集合したものである特許請
求の範囲第１〜５項のいずれかに記載の半導体素子。 ７、半導体ダイヤモンドの少なくとも１つのＰＮ接合を
有するか、あるいは半導体ダイヤモンドと金属の少なく
とも１つのショットキー接合を有するか、あるいはＭＩ
Ｓ構造を有する特許請求の範囲第１〜６項のいずれかに
記載の半導体素子。 ８、ＭＩＳ構造において、絶縁層がＳｉＯ＿２、Ｓｉ＿
３Ｎ＿４又はＡｌ＿２Ｏ＿３から成る特許請求の範囲第
１項記載の半導体素子。 ９、ダイヤモンドエピタキシャル層を成長させる面が（
１００）面に対して５゜を越えない角度を有する特許請
求の範囲第１項記載の半導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62301684A JP2593898B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62301684A JP2593898B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01143323A true JPH01143323A (ja) | 1989-06-05 |
| JP2593898B2 JP2593898B2 (ja) | 1997-03-26 |
Family
ID=17899893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62301684A Expired - Lifetime JP2593898B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2593898B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0343963A2 (en) * | 1988-05-24 | 1989-11-29 | De Beers Industrial Diamond Division (Proprietary) Limited | Diamond transistor and method of manufacture thereof |
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Also Published As
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|---|---|
| JP2593898B2 (ja) | 1997-03-26 |
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