JPS633460A - 半導体装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明の産業上の利用分野は、化合物半導体材料に対す
る接点の分野である。

Ｂ、背景技術 禁止帯幅の広い化合物半導体に対する単純な金属製外部
接点は、そのデバイスの物理特性に固有な電流に対する
障壁を示す、障壁問題の一つの解決策は、金属と広い禁
止帯幅の化合物半導体との間に、禁止帯幅がより狭い中
間的半導体装置することであろうと、当技術分野では認
識されてきた。

その早期の例は、米国特許第３９８４２６１号に記載さ
れている。この特許では、砒化インジウムガリウムの層
が合金化を伴いなから砒化ガリウム（Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　
）への接点として使用された。

さらに、エレクトロニクス・レターズ （Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）士互、２
４．１９７９年、Ｐ、８００には、禁止帯幅の狭い材料
ＧｅをＧ　ａ　Ａ　ｓ上に成長した、Ｇ　ａ　Ａ　ｓへ
の接点が記載されている。Ｇｅ−ＧａＡｓ格子は、厳密
に整合している。大きなドーピング濃度と、ＧｅがＧａ
Ａｓのドーパントであることによって、低インピーダン
スが実現される。しかし、Ｇｅは低障壁半導体として伝
導帯での状態密度が比較的大きい。

ＩｎＡｓを禁止帯幅の狭い中間的材料として使うことの
主な利点は、Ｉ　ｎＡｓと外部金属の間に大きな障壁が
できないことであるが、技術がさらに発展してくるにつ
れて、禁止帯幅のより狭い中間的半導体を介して禁止帯
幅のより広い半導体に対して金属接点を設けるとき、複
数の直列な障壁を考慮しなければならず、またＩ　ｎ　
Ａ　ｓの場合には禁止帯幅の狭い材料と禁止帯幅の広い
材料の界面の障壁が問題となるだろうことが明らかにな
った。障壁の説明および段階的禁止布幅領域を用いる解
決策の提案が、真空科学技術雑誌 （Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、）　、　１９
．３．１９８１年９／１０月、Ｐ、６２６に報告されて
いる。禁止帯域の狭い中間的半導体領域を使用する場合
の金属接点とインターフェースに関する諸問題の調査が
、真空科学技術雑誌、１且、３．１９８１年９／１ｏ月
、Ｐ、７９４に報告されテイル。

フィジカル・レビュー・レターズ （Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）
、　Ｖ　ｏ　１　、５１、Ｎｏ、１９．１９８３年１１
月７日、Ｐ、１７８３に、ＧａＩｎＡｓとＧ　ａ　Ａ　
ｓの間の内部界面の平面状配列中の不整合転位が、禁止
帯幅の広い半導体界面の障壁の原因であるとの、内部障
壁に関するより詳しい実験的研究が報告されている。

金属と禁止帯幅の広い半導体との間に禁止布幅の狭い半
導体中間領域を用いる場合、複数の障壁が関係しており
、そのそれぞれが接点の全体的性能に影響に与え、また
それぞれ別々に考慮する必要があることが、当技術で明
らかになってきている。

Ｃ６開示の概要 本発明は、金属と禁止帯幅の広い化合物半導体材料との
間に禁止帯幅の狭い中間的半導体材料を挿入し、金属と
禁止帯幅の狭い半導体の間の障壁および禁止帯幅の狭い
半導体と禁止帯幅の広い半導体の間の障壁が全体として
デバイスの性能に対して有害な作用を増加しないように
材料とドーピング濃度を選択するという、禁止帯幅の広
い化合物半導体材料に対する外部金属接点を有するタイ
プの改良である。

本発明によれば、小さな障壁については、デバイスの性
能に対して余り有害でない点で余裕があり（要求される
厳密さの度合いが低い）、接点には、キャリアの流れに
対して直列な複数の厳密さの点で余裕のある低い障壁が
設けられる。

金属と禁止帯幅の狭い半導体材料との界面の障壁は、前
述の余裕ある障壁レベルを超えないように、材料とドー
ピング濃度を考慮して選ばれる。

禁止ＩＦ＠の狭い半導体と禁止帯幅の広い半導体の界面
の障壁は、禁止帯幅の狭い半導体の特性とその界面の特
性の組合せによって、十分に下げられる。

ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓなど禁止
帯幅が０．５ｖ以下の禁止帯幅の狭い材料は、伝導帯の
状態密度が低く、したがってドーピング濃度の小さな変
化によって、フェルミ準位がその伝導帯内の広い範囲に
わたって移動できる。

本発明によれば、禁止帯幅の狭い半導体は禁止帯幅の広
い半導体との格子不整合が１．５％以上でなければなら
ず、また禁止帯幅の狭い半導体はドーピング濃度が高く
、これらの特性が低い界面の状態密度とあいまって、禁
止帯幅の狭い半導体と禁止帯幅の広い半導体の界面に、
より低い有効障壁、すなわちデバイスの性能に対して余
裕ある範囲内のより低い有効障壁を作り出す。

さらに、本発明によれば、キャリアの流れの確率が分散
したところの一連の複数のＦＩｉ壁が、前記複数の障壁
のうちの最も高い障壁と同じ大きさを有するただ１つの
障壁として働き、その接点に対する全有効障壁がより低
くなる。

さらに、禁止帯幅の狭い半導体領域の高いドーピング濃
度も、金属と禁止布幅の狭い半導体の間の障壁の少なく
とも一部分でトンネル状態を発生させ、それによってそ
の障壁を有効に下げる働きをする。

第１図には、キャリアの流れに対する一連の分散した低
い障壁の説明図が示されている。

第１図において、金属１は外部接点用金属である。禁止
帯幅の狭い半導体２が、金Ｒ１と禁止帯幅のより広い半
導体３との間に配置されている。

多くの禁止帯幅の狭い半導体材料２と金属１では、障壁
４が存在する。半導体材料２と金属１の材料は、この障
壁４がデバイスの性能に適したものとなるように選択さ
れる。

禁止帯幅の狭い半導体２と禁止帯幅の広い半導体３の界
面に、第２の障壁であるところの内部障壁５が存在する
。

本発明によれば、禁止帯幅の狭い半導体には、全体とし
て有効障壁４と５を下げる働きをするような幾つかの制
限条件が課され、また半導体のキャリアの流れの確率が
考慮されているためにより低くなった合成有効障壁は、
そのキャリアの流れに関して最も高い単一の障壁よりも
大きくない。

その結果、金属と禁止帯幅の狭い半導体と禁止帯幅の広
い半導体の接点が改善され、材料および加工の融通性（
フレキシビリティ）が増大する。

次に第２図には、本発明の接点の状態を示すエネルギー
帯図が示されている。禁止帯幅の狭い半導体は、禁止帯
幅の広い半導体の結晶格子と１．５％以上の不整合があ
る。さらに、禁止帯幅の狭い半導体は、フェルミ準位が
伝導帯内にくるようにドープされ、内部界面障壁を有効
に減少させる。このドーピング濃度は、通常１ｃｃ当り
の不純物原子が１０１７個程度である。

これらの制限条件が相互に作用して、金属と禁止帯幅の
狭い半導体および禁止帯幅の狭い半導体と禁止帯幅の広
い半導体の界面で有効障壁を下げる効果を生じる。

まず、禁止帯幅の狭い半導体と禁止帯幅の広い半導体の
間の格子不整合が１．５％以上でなければならないとい
う要件について考える。

本発明によれば、格子不整合が、１．５％以上だと、相
互に関係するいくつかの有効な効果が生しることがわか
っている。

その第一は、大きな不整合の結果、不飽和結合によるキ
ャリアの捕捉が、界面で３次元に広がり、そのために格
子が整合により近くなり、その結果、すべての不整合転
位が狭い界面の格子内にある場合に見られるような特定
の原子界面でのキャリアの捕捉が１０’減少することで
ある。

その第二には、不整合が１．５％以上だと禁止帯幅の狭
い領域と禁止帯幅の広い領域の間の伝導帯の差を減らす
働きをし、また内部障壁を下げるのに役立つある種の結
晶ひずみが導入されることである。

第三は、禁止帯幅の狭い領域でドーピングを用いること
である。ドーピングは、禁止帯幅の狭い領域と禁止帯幅
の広い領域の界面での有効内部障壁をさげるのにも貢献
し、金属と禁止帯幅の低い半導体の界面で障壁の少なく
とも一部分にトンネル状態をもたらすこともある。

さらに、禁止帯幅の広い材料と禁止帯幅の狭い材料の間
の伝導帯のオフセットを減少させるアニール温度サイク
ルによっても内部障壁が下がる。

本発明の構造は、金属と禁止帯幅の狭い半導体と禁止帯
幅の広い半導体の３つの層中で実現され、金属と禁止帯
幅の狭い半導体の間の障壁が禁止帯幅の狭い半導体中で
のドーピングによって本来の状態よりも有効に下げられ
、また禁止帯幅の狭い半導体と禁止帯幅の広い半導体の
間の内部界面の障壁が禁止帯幅の狭い半導体中でのドー
ピングの効果によって有効に下げられる。内部界面の有
効障壁は、次の事実により低下させられる。即ち、禁止
帯幅の狭い半導体と禁止帯幅のより広い半導体の間の１
．５％以上の格子不整合が三次元成長を確保するに足る
大きさであるということである。

この事実により、キャリアの捕捉が減少し、その結果生
じる結晶ひずみが禁止帯幅の狭い半導体と禁止帯幅のよ
り広い半導体の間の障壁を低下させるのに貢献し、かつ
禁止帯幅の狭い半導体中のドーピングも内部障壁を低下
させるのに貢献する。

アニール温度サイクルを使って、有効内部障壁をさらに
下げることができる。

これらの条件下で、金属と禁止帯幅の広い半導体の間の
キャリアの流れは、より低い一連の有効障壁にぶつかる
が、そのうち最高の障壁だけが性能に影響を及ぼす。

本発明の改良された接点の効果を、式１に示した金属接
点と半導体との界面に対する標準的ショットキー関係と
比較して説明することができる。

式１：φｂｎ”Ｅｃ　　”ｆ ただし、φｂｎはたとえばｎ導電型の材料上の障壁、 Ｅ　は伝導帯のエネルギー、 Ｅｆは界面でのフェルミ・エネルギーである。

広範に研究されているＧ　ａ　Ａ　ｓなどの材料では、
式１の障壁φｂｎは０．８電子ボルト（ｅ　Ｖ）である
が、この値はデバイスの性能に重大な影響を与えるのに
充分な大きさである。

実際には、どの障壁も理想的ではないものの、最高０．
５ｅＶまでの障壁が許容されると考えられる。

式１の状況とは違って、本発明によれば、第１図の障壁
４と障壁５のうちの大きい方が、キャリアの流れに対す
る障壁となる。

第２図で、半導体２は、金属１との界面の障壁が低いま
たは障壁がないような材料である。あるいは半導体２の
ドーピング濃度が、当技術では周知の条件でトンネル状
態を示すのに充分な障壁４の幅をもたらすのに充分であ
り、したがって障壁４が許容される値の範囲内にあり、
２つの障壁４と５のうちの低い方となると仮定すると、
これらの条件下では、障壁５が接点の性能に影響を与え
る障壁となり、式２として表わすことができる。

式２； ％式％） ただし、φ５ｎはｎ導電型の材料の障壁、ΔＥ　は、第
２図にＡと記した全伝導帯オフセット、Ｅｆはフェルミ
・エネルギー準位、Ｅｏ、は内部界面の禁止帯幅の狭い
側の伝導帯端部のエネルギーである。

式２では、伝導帯オフセットΔＥ　からエネルギー量（
Ｅｆ−Ｅｏｌ）が差し引かれ、このエネルギー量は有効
障壁５を低くする働きをすることがわかる。

第２図において、ΔＥ　はＡで表わされ、全仏導帯オフ
セットは量（Ｅ、−Ｅｏ、）はＢで表ねされこの量（Ｅ
ｆ　　”ｃｌ）はフェルミ準位とドーピング濃度によっ
て決まる禁止帯幅の狭い材料の伝導帯の位置との間の差
である。また、有効障壁５はＣで表わされている。

本発明によれば、半導体２中のドーピング濃度が高くな
ければならないという要件は、半導体２の伝導帯端部を
フェルミ準位から引き離し、したかってＢを増加させる
働きをし、Ｂは有効障壁Ｃを減らす働きをする。

さらに、本発明によれば、１．５％以上の格子不整合に
よるひずみも、Ａを減少させて有効障壁を低下させるの
に貢献し、アニール温度サイクルはこの障壁をさらに減
少させる働きをする。

したがって、本発明によれば、禁止帯幅の広い半導体３
に対する格子不整合が１．５％より太きくなければなら
ないという禁止帯幅の狭い半導体２に対する要件が、禁
止帯幅の狭い半導体２のドーピング濃度を１０１７にす
るという要件とあいまって、直列の有効障壁を低下させ
る働きをし、そのうちの高い方がデバイスの性能に影響
を与える。

以上に示した原則に照らせば、材料、ドーピング濃度お
よび格子不整合の選択によって、材料と加工を考慮した
ものならどれだけのまたどんな高さの障壁も使用できる
が、最高の障壁だけが接点の全体的電気性能を決定する
ことは明らかなはずである。

Ｄ、実施例 実施例１ 金属１　−Ａｕ 半導体２−Ｉ　ｎｏ、　、Ｇ　ａ、、　、Ａ　ｓ−禁止
帯幅０．７５ｅＶ 格子間隔５．８７人 半導体３−ギャップ−禁止帯幅２．２６ｅＶ格子間隔５
．４５人 ドーピング−１ｃｃ当りＳｉ原子Ｉ　Ｘ　１０１７個格
子不整合＝５．８７−５．４５１５．８７＝７％ 障壁４＝０．３ｅＶ 障壁５＝０．５ｅＶ 実施例２ 金属１−ＡＱ 半導体２−Ｉｎ５ｂ−禁止帯幅０．１８ｅＶ格子間隔６
．４８人 半導体３−ＧａＳｂ−禁止帯幅０．７２ｅＶ格子間隔６
．１０人 ドーピング−１ｃｃ当りＳｅＭ子Ｉ　Ｘ　１０１７個格
子不整合＝６％ 障壁４＝ＯｅＶ 障壁５＝０．４ｅＶ 実施例３ 金属１　−ＷＳｉ 半導体２−　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓ−禁止帯幅０．３５ｅＶ格
子間隔６．０６人 半導体３−ＧａＡｓ−禁止帯幅１．４４ｅＶ格子間隔５
．６５人 ドーピング−１ｃｃ当りＳｉ原子Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ”個格
子不整合＝７％ 障壁４＝ＯｅＶ 障壁５＝０．３０ｅＶ 本発明の最良の実施例は次のようである。

Ｉ　ｎ　Ａ　ｓは、本発明に有利な性質を２つ備えてい
る。その第１は、金属界面の伝導帯がフェルミ準位より
も低く、したがって障壁４が存在しないことであり、第
２は、多結晶性ＩｎＡｓでは結晶粒界で伝導帯がフェル
ミ準位よりも低く、したがって禁止帯幅の狭い半導体２
が単結晶でなくともよいことである。

本発明を実施するための好ましい方式は、禁止帯幅の狭
い半導体２としてＩｎＡｓ材料を使用し、禁止帯幅のよ
り広い半導体３としてよく研究されているｎ型Ｇ　ａ　
Ａ　ｓを使うことであろう。

第３図を参照すると、この構造は、シリコンまたはセレ
ン（Ｓｓ）をドーパントとして使って、高濃度でドープ
された厚さ２００〜３００人のＩ　ｎ　Ａ　ｓのｎ＋層
２を有する。シリコンを使う場合、ドーピング濃度は、
ｌｃｃ当り原子６×１０１８個を越えることが好ましく
、セレンを使う場合は、ドーパント濃度は１ｃｃ当り原
子８×１０２０個以上である。

ＧａＡｓ層３は、典型的な場合、１ｃｃ当り原子ｉ　Ｘ
　１０１７　〜５　Ｘ　１０１７ＩＣ７１度テトーフサ
レ、半絶縁性ＧａＡｓなどの適当な基板上で厚さ１００
０〜３０００人である。

金属接点１はケイ化タングステンであるが、金属の種類
は重要ではなくどの金属でも良い接点になる。

この構造は、ＧａＡｓ上に多結晶または単結晶の形のド
ープされたＩ　ｎＡｓを付着または成長させることによ
って形成される。

この構造を温度８５０〜１ｏ００°Ｃで通常２０秒から
１分の間アニールする。アニール温度をさらに高くする
と、半導体１のドーピングにより、内部界面の有効障壁
５が低い状態がさらに改善される。

得られる接点構造は、比抵抗が７Ｘ１０−ｔ″オーム／
ｃｍ以下の接点である。

以上、−連の有効障壁をより低くする働きをするが、そ
れらの障壁のうちの最高のものだけがキャリアの流れに
とって重要である。禁止帯幅のより広い半導体に対する
格子不整合が１．５％以上のドーピングされた禁止帯幅
のより狭い半導体を使って、金属と禁止帯幅のより広い
半導体との間でキャリアの流れに対する有効障壁を制御
するための原理について説明した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、禁止帯幅の狭い半導体を金属と禁止布幅の広
い半導体との間に単に配置しただけの場合のエネルギー
帯図、 第２図および第３図は各々、本発明の互いに異なる実施
例のエネルギー帯図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）禁止帯幅の広い化合物半導体と金属との間に前記
   化合物半導体上にエピタキシャル成長された禁止帯幅の
   狭い化合物半導体が配置され、この禁止帯幅の狭い化合
   物半導体の禁止帯幅は０．５ｅＶ以下である半導体装置
   。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載の半導体装置にお
   いて、前記禁止帯幅の狭い化合物半導体と禁止帯幅の広
   い化合物半導体との界面には１．５％以上の格子不整合
   が生じている半導体装置。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載
   の半導体装置において、前記禁止帯幅の狭い化合物半導
   体には原子数１０＾１＾７／ｃｃ以上の濃度の不純物が
   ドープされている半導体装置。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項乃至第（３）項のいず
   れかに記載の半導体装置において、前記禁止帯幅の狭い
   化合物半導体はＩｎＡｓであり、前記禁止帯幅の広い化
   合物半導体はＧａＡｓである半導体装置。