(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド半導体材料から成り、実質的に不純物が添加されていない第１のノンドープ層と、
前記第１のノンドープ層の一方の表面に形成された、ダイヤモンド半導体材料から成り、不純物としてＢが添加され、単体では室温で不純物の５０％以上が活性化しない、３ｎｍ以下の厚さを有するドープ層と、
前記第１のノンドープ層とは反対側の前記ドープ層の表面に形成された、ダイヤモンド半導体材料からなり、実質的に不純物が添加されていない第２のノンドープ層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ノンドープ層と前記ドープ層とが交互に積層されるとともに、両端の層はノンドープ層である、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、不純物準位が深い半導体を主材とする半導体装置に関し、より詳細には、不純物準位が深く且つ室温から高温に渡る広範囲の温度下で安定して動作する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスを構成する材料としては、ＳｉやＧａＡｓ等がほとんどを占めてきた。しかしながら近年では、より高機能を有して耐環境性に優れた半導体デバイスの実現を目指し、従来よりも大きいバンドギャップを有する材料  （以後、ワイドバンドギャップ材料と呼ぶ）が注目されており、実用化のための研究開発が活発になっている。例えば、青色発光素子を目的に用いるＺｎＳｅや、耐熱性デバイスをも可能にするＳｉＣ及びダイヤモンドなどがある。
【０００３】
しかしながら、このような材料におけるドナー準位およびアクセプタ準位（以後、双方の準位を総称して不純物準位と呼ぶ）は、Ｓｉなどに比べて、それぞれ伝導帯および価電子帯から禁制帯側へ大きく隔たっている（以後、これらの隔たりを深さと呼ぶ）。このため、ワイドバンドギャップ材料の長所を活かしたトランジスタなどのデバイスを制作することが困難であり、現状、研究・試作がなされている段階である。例えば、５．５ｅＶという大きなバンドギャップ値を有するダイヤモンド半導体に対する一つの試みが、公報「特開平４−２８０６２２号」に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
不純物（ドーパント）がドープされた半導体内のキャリア密度は、ｅｘｐ（−ΔＥ／ｋＴ）あるいはｅｘｐ（−ΔＥ／２ｋＴ）に比例する。ここで、ΔＥは不純物準位の深さである。Ｓｉでは、ｐ型不純物としてＢをドープした場合の不純物準位の深さは０．０４５ｅＶであり、ｎ型不純物としてＰ，Ａｓ，Ｓｂをドープした場合の不純物準位の深さは夫々０．０４５ｅＶ，０．０４９ｅＶ，０．０３９ｅＶである。一方、ｋＴの値は、室温（３００Ｋ）で約０．０２５ｅＶ、６００Ｋで約０．０５０なので、この温度範囲でのキャリア濃度の変動は１桁を越えることはない。
【０００５】
しかし、不純物をドープしたバンドギャップが大きな半導体の不純物準位は深い、すなわちΔＥの値が大きいので、キャリア濃度の温度依存性が大きくなる。例えば、ΔＥ＝０．３７ｅＶとすると、３００Ｋ〜６００Ｋの温度範囲でキャリア濃度の変動は３桁に達する。したがって、こうした半導体を使用した半導体の電気的な動作特性は動作温度によって大きく異なることとなり、所望の動作特性を有する動作温度範囲が狭くなる、という問題点があった。
【０００６】
バンドギャップが大きな半導体材料を有効に利用するためには、キャリア濃度の温度依存性を抑制する必要がある。一般に、不純物準位が縮退する不純物濃度を越えて不純物をドーピングすると、キャリア濃度が温度に依存しなくなることが知られている。しかし、このような半導体材料は金属と同様な振る舞いを呈し、半導体として求められる、▲１▼電界によってキャリアの空乏層が生じることにより電流の制御が可能になる、あるいは、▲２▼ｐｎ接合が可能であり整流性を有する、といった性質が失われてしまうといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、深い不純物準位を有する半導体材料を使用しつつ、室温から高温までの温度範囲で動作特性が安定な半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体装置は、（ａ）ダイヤモンド半導体材料から成り、実質的に不純物が添加されていない第１のノンドープ層と、（ｂ）第１のノンドープ層の一方の表面に形成された、ダイヤモンド半導体材料から成り、不純物としてＢが添加され、単体では室温で不純物の５０％以上が活性化しない、３ｎｍ以下の厚さを有するドープ層と、（ｃ）第１のノンドープ層とは反対側の前記ドープ層の表面に形成された、ダイヤモンド半導体材料からなり、実質的に不純物が添加されていない第２のノンドープ層と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この第１の半導体装置は、ノンドープ層とドープ層とが交互に積層されるとともに、両端の層をノンドープ層として構成することが可能である。
【００１０】
本発明の第２の半導体装置は、（ａ）バンドギャップの値が１．４３ｅＶよりも大きく、ｎ型不純物を添加した場合のドナー準位が伝導帯の端の準位から５０ｍｅＶ以上隔たり、ｐ型不純物を添加した場合のアクセプタ準位が価電子帯の端の準位から５０ｍｅＶ以上隔たるダイヤモンド半導体以外の半導体材料から成り、実質的に不純物が添加されていない第１のノンドープ層と、（ｂ）第１のノンドープ層の一方の表面に形成された、上記半導体材料からなり、不純物が添加され、単体では室温で不純物の５０％以上が活性化しない、３ｎｍ以下の厚さを有するドープ層と、（ｃ）第１のノンドープ側とは反対側のドープ層の表面に形成された、上記半導体材料からなり、実質的に不純物が添加されていない第２のノンドープ層と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この第２の半導体装置は、ノンドープ層とドープ層とが交互に積層されるとともに、両端の層をノンドープ層として構成することが可能である。また、半導体材料としてＳｉＣを採用し、ドープ層に添加する不純物をＡｌあるいはＮとしてもよいし、半導体材料としてＡｌＮあるいはＧａＮを採用してもよい。
【００１２】
【作用】
本発明の第１の半導体装置では、ダイヤモンド半導体材料から成り、３ｎｍ以下の厚さを有する不純物ドープ層を挟んで、ダイヤモンド半導体材料から成り、実質的に不純物が添加されていないノンドープ層が配置されている。このとき、ドープ層が３ｎｍ以下と非常に薄いので、キャリア濃度の勾配が生じ、不純物準位が深いにも拘らず、ドープ層からノンドープ層へキャリアが拡散する。この結果、ドープ層単体では、室温でキャリアの活性化率が小さいが、ドープ層およびノンドープ層の組み合わせでは、室温でもキャリアの活性化率が向上するとともに、キャリア活性化率の温度依存性が低減する。また、ドープ層とノンドープ層とを交互に積層することにより、キャリアが活性であるいわゆるチャンネル層の厚みを調整することができ、このチャンネル層の厚さと添加する不純物濃度とを調整することにより、電界の印加などによる動作特性の制御が容易となる。
【００１３】
また、本発明の第２の半導体装置では、ダイヤモンド半導体以外のワイドギャップ材料を用いて、ダイヤモンド半導体材料の場合と同様に、薄い不純物ドープ層を挟んで実質的に不純物が添加されていないノンドープ層が配置されている。この半導体装置も、ダイヤモンド半導体材料を用いた半導体装置と同様に、キャリア濃度の勾配が生じ、不純物準位が深いにも拘らず、ドープ層からノンドープ層へキャリアが拡散する。この結果、ドープ層単体では、室温でキャリアの活性化率が小さいが、ドープ層およびノンドープ層の組み合わせでは、室温でもキャリアの活性化率が向上するとともに、キャリア活性化率の温度依存性が低減する。また、ドープ層とノンドープ層とを交互に積層することにより、キャリアが活性であるいわゆるチャンネル層の厚みを調整することができ、このチャンネル層の厚さと添加する不純物濃度とを調整することにより、電界の印加などによる動作特性の制御が容易となる。
【００１４】
【実施例】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００１５】
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例の半導体装置の構成図である。図示のように、この半導体装置は、（ａ）半絶縁性の基板１００と、（ｂ）基板１００の表面上に形成され、実質的に不純物が添加されていないダイヤモンド半導体材料から成るノンドープ層１１０と、（ｃ）ノンドープ層１１０の表面上に形成され、不純物としてＢが添加されたダイヤモンド半導体材料から成るドープ層１２０と、（ｄ）ドープ層１２０の表面上に形成され、実質的に不純物が添加されていないダイヤモンド半導体材料から成るノンドープ層１３０と、から構成される。以後、ドープ層に数が１つである本実施例の半導体装置をＳＤＤとも呼ぶ。
【００１６】
発明者は、図１の半導体装置に関して、ドープ層への不純物添加濃度（ＮＡ  ）、ドープ層の厚さ（ｄ）および温度（Ｔ）をパラメータとして、キャリアであるホールの濃度およびホールの励起効率を調べた。この際、ポアソンの方程式などの基本的な方程式を用い、バンドギャップ（Ｅｇ）＝５．５ｅＶ，誘電率（ε）＝５．７ε０  （ε０  は真空の誘電率），ホールの有効質量（ｍ）＝０．７５ｍ０  （ｍ０  は真空中の自由電子の質量），不純物準位の深さ＝０．３ｅＶとして、計算機によりシミュレーションした。
【００１７】
図２は、不純物添加濃度（ＮＡ  ）＝１０１９ｃｍ−３の場合のホール密度の分布のグラフである。なお、図２において、実線はドープ層の厚さ（ｄ）＝０．５ｎｍの場合のホール密度を、破線はドープ層の厚さ（ｄ）＝２５ｎｍの場合のホール密度を示す。ドープ層の厚さを小さくするにつれて、ドープ層以外のノンドープダイヤモンド層にもホールが有効に励起されいる様子がわかる。
【００１８】
図３は、不純物添加濃度（ＮＡ  ）＝１０１９ｃｍ−３，５×１０１８ｃｍ−３におけるホール励起効率のドープ層の厚さ（ｄ）に対する依存性を示すグラフである。図示のように、不純物添加濃度に拘らず、ドープ層の厚さ（ｄ）≦３ｎｍで急激にホール励起効率が向上することが確認できる。
【００１９】
図４は、温度（Ｔ）＝５００Ｋ，ドープ層の厚さ（ｄ）＝２５ｎｍ，１５ｎｍ，５ｎｍにおけるホール励起効率の不純物添加濃度（ＮＡ  ）に対する依存性を示すグラフである。図示のように、不純物添加濃度（ＮＡ  ）≦２×１０１８ｃｍ−３で急激にホール励起効率が向上することが確認できる。
【００２０】
（第２実施例）
図５は、本発明の第２実施例の半導体装置の構成図である。この半導体装置は、ドープ層とノンドープ層とを交互に積層して構成したもの（以後、ＭＤＤとも呼ぶ）である。図示のように、この半導体装置は、（ａ）半絶縁性の基板１００と、（ｂ）実質的に不純物が添加されていないダイヤモンド半導体材料から成るノンドープ層１１０１  〜１１０Ｎ＋１  と、（ｃ）ノンドープ層１１０１  〜１１０Ｎ＋１  に挟まれるように形成され、不純物としてＢが添加されたダイヤモンド半導体材料から成るドープ層１２０１  〜１２０Ｎ  と、から構成される。
【００２１】
発明者は、図５の半導体装置に関して、ドープ層への不純物添加濃度（ＮＡ  ）、ドープ層の厚さ（ｄ）、温度（Ｔ）、ドープ層間の距離（ｄｓ  ）、およびドープ層の数（Ｎ）をパラメータとして、キャリアであるホールの濃度およびシートコンダクタンスを調べた。この際、第１実施例における条件に加え、ドープ層内の移動度＝２０ｃｍ２  ／Ｖ・ｓ，ノンドープ層内の移動度＝４００（Ｔ／３００）１．５  ｃｍ２  ／Ｖ・ｓ（Ｔは絶対温度）として、計算機によりシミュレーションした。
【００２２】
図６は、ドープ層の厚さ（ｄ）＝１ｎｍ，不純物添加濃度（ＮＡ  ）＝１０１９ｃｍ−３，ドープ層間の距離（ｄｓ  ）＝３０ｎｍ，ドープ層の数（Ｎ）＝１０の場合の温度（Ｔ）＝４００Ｋ，５００Ｋ，６００Ｋにおけるホール密度の分布のグラフである。図示のように、第１実施例と同様の１桁近く向上したホール濃度がドープ層およびノンドープ層の全体に渡って分布することが確認できる。また、第１実施例と同様に、ホール濃度の温度依存性も向上していることが確認できる。
【００２３】
図７は、ドープ層への不純物添加濃度（ＮＡ  ）＝１０１９ｃｍ−３，ドープ層の厚さ（ｄ）＝０．５ｎｍ，温度（Ｔ）＝５００Ｋの場合における、シートコンダクタンス（Ｇ）のドープ層間の距離（ｄｓ  ）あるいはドープ層の数（Ｎ）に関する依存性を示すグラフである。図示のように、ドープ層間の距離（ｄｓ  ）が同一であれば、ドープ層の数（Ｎ）が大きいほどシートコンダクタンスは大きくなることが確認できる。また、ドープ層の数（Ｎ）が同一であれば、ドープ層間の距離（ｄｓ  ）が少なくとも７０ｎｍ以下では、シートコンダクタンスはドープ層間の距離（ｄｓ  ）の単調増加関数である。
【００２４】
（第３実施例）
図８は、本発明の第３実施例の半導体装置の構成図である。本実施例の半導体装置は、第１実施例の半導体装置または第２実施例の半導体装置を使用して電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を構成したものである。図８（ａ）は、第１実施例の半導体装置を利用して、ノンドープ層１３１の表面にソース電極２１０、ゲート電極２２０およびドレイン電極２３０が形成されて構成される。また、図８  （ｂ）は、第２実施例の半導体装置を利用して、ノンドープ層１３２の表面にソース電極２１０、ゲート電極２２０およびドレイン電極２３０が形成されて構成される。
【００２５】
発明者は、図８の半導体装置に関して、ドープ層への不純物添加濃度（ＮＡ  ）、ドープ層の厚さ（ｄ）、温度（Ｔ）、ドープ層間の距離（ｄｓ  ）、およびドープ層の数（Ｎ）をパラメータとして、シートコンダクタンス（Ｇ）およびチャネルコンダクタンス（Ｇｍ）を調べた。この際、第２実施例の条件に加え、チャネルの形状を１ｃｍの長さ、１ｃｍの幅で規格化したサイズのもとに、計算機によりシミュレーションした。
【００２６】
図９は、ドープ層への不純物添加濃度（ＮＡ  ）＝２．５×１０１８ｃｍ−３，５×１０１８ｃｍ−３，１０１９ｃｍ−３，温度（Ｔ）＝５００Ｋの場合における、ＳＤＤあるいはＭＤＤのシートコンダクタンス（Ｇ）の面不純物濃度（ＮＢ  ）に関する依存性を示すグラフである。図示のように、ＳＤＤの場合には、広い面不純物濃度（ＮＢ  ）範囲でシートコンダクタンス（Ｇ）＝１〜２×１０−５Ｓの値を実現できる。また、ＭＤＤの場合には、同一の面不純物濃度（ＮＢ  ）ではＳＤＤよりはるかに大きなシートコンダクタンス（Ｇ）値が実現できる。したがって、従来のダイヤモンド半導体からなるＦＥＴにおける、シートコンダクタンス（Ｇ）＝数μＳという値に対して、１桁から１桁以上のシートコンダクタンス（Ｇ）値の向上が可能であることが確認できる。
【００２７】
図１０は、ドープ層への不純物添加濃度（ＮＡ  ）＝５×１０１８ｃｍ−３，温度  （Ｔ）＝５００Ｋの場合における、ＳＤＤあるいはＭＤＤのチャネルコンダクタンス（Ｇｍ）のゲート電圧（ＶＧ  ）に関する依存性を示すグラフである。図示のように、ＳＤＤの場合には図示の条件で、ゲート電圧（ＶＧ  ）値によりチャネルコンダクタンス（Ｇｍ）が約１．７倍程度の範囲で調整可能であり、ＭＤＤの場合には図示の条件で、ゲート電圧（ＶＧ  ）値によりチャネルコンダクタンス（Ｇｍ）が約１７倍程度の範囲で調整可能である、ことが確認できる。
【００２８】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施例では、ダイヤモンド半導体に添加する不純物としてＢを使用したが、不純物としてＮを使用しても、導電型が変わるだけで同様に作用する。また、上記実施例では、ダイヤモンド半導体を使用したが、ＳｉＣ、ＡｌＮ、あるいはＧａＮなどを主材料として使用することが可能である。ここで、添加する不純物は、主材料に応じて選択する。なお、主材料としてＳｉＣの場合には、ＡｌまたはＮを採用することが可能である。また、電子デバイスとしてはＦＥＴの他に、ｐｎダイオード、ｐｎｐトランジスタ、ｎｐｎトランジスタ、サイリスタなども本発明の半導体装置を使用して構成することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の半導体装置によれば、バンドギャップ値が大きいことに伴い、従来のＳｉやＧａＡｓに比べて不純物準位が深い半導体材料を使用し、不純物準位が縮退しない程度の濃度で不純物が添加された薄いドープ層を挟んで実質的なノンドープ層を配置して構成したので、ドープ層から実質的なノンドープ層へキャリア濃度勾配によるキャリアの拡散が生じ、キャリアの活性化率が高く、且つ、室温から６００℃程度までの温度範囲で安定となる。したがって、深い不純物準位を有する半導体材料を使用しつつ、室温から高温までの広い温度範囲で動作特性が安定であり、キャリア濃度の制御性に優れた半導体装置を実現することができる。こうした、半導体装置を使用することにより、耐熱性の高い電子デバイスや青色光や紫外光の発光素子といった、ワイドバンドギャップのｐｎダイオード、ｐｎｐトランジスタ、ｎｐｎトランジスタ、サイリスタ、または電界効果トランジスタなどが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半導体装置の構成図である。
【図２】第１実施例におけるホール密度の分布のグラフである。
【図３】第１実施例におけるホール励起効率のドープ層の厚さに対する依存性を示すグラフである。
【図４】第１実施例におけるホール励起効率の不純物添加濃度に対する依存性を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施例の半導体装置の構成図である。
【図６】第２実施例におけるホール密度の分布のグラフである。
【図７】第２実施例におけるシートコンダクタンスのドープ層間の距離あるいはドープ層の数に関する依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施例の半導体装置の構成図である。
【図９】第３実施例におけるシートコンダクタンスの面不純物濃度に関する依存性を示すグラフである。
【図１０】第３実施例におけるチャネルコンダクタンスのゲート電圧に関する依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…基板、１１０，１３０…ノンドープ層、１２０…ドープ層、２１０，２２０，２３０…電極。
【図１】
0003563093.tif 000002
【図２】
0003563093.tif 000003
【図３】
0003563093.tif 000004
【図４】
0003563093.tif 000005
【図５】
0003563093.tif 000006
【図６】
0003563093.tif 000007
【図７】
0003563093.tif 000008
【図８】
0003563093.tif 000009
【図９】
0003563093.tif 000010
【図１０】
0003563093.tif 000011