(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の一面側に離間して形成された第２の電極及び第３の電極と、前記２つの電極の間に離間して形成された第１の電極と、を有する電界効果トランジスタであって、
前記第１の電極と前記ダイヤモンド基板との間にＩＩＩ族窒化物半導体層が設けられ、前記ダイヤモンド基板と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域が形成されており、
前記ダイヤモンド基板が単結晶基板であり、その一面が（１１１）結晶面と平行であり、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなり、転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の（０００１）面が前記ダイヤモンド基板の（１１１）結晶面と平行であり、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層が２つのドメイン構造を有し、
前記２つのドメイン構造が、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の（１−１００）面が前記ダイヤモンド基板の（０−２２）面と平行であるドメイン構造と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の（１１−２０）面が前記ダイヤモンド基板の（０−２２）面と平行であるドメイン構造であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記正孔伝導チャネル領域が、前記ダイヤモンド基板内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記第２の電極及び／又は前記第３の電極と前記ダイヤモンド基板との間にＩＩＩ族窒化物半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記第２の電極及び／又は前記第３の電極と前記ダイヤモンド基板との間のＩＩＩ族窒化物半導体層の層厚が、前記第１の電極と前記ダイヤモンド基板との間のＩＩＩ族窒化物半導体層の層厚より薄いことを特徴とする請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記第１の電極がゲート電極であり、前記第２の電極がソース電極であり、前記第３の電極がドレイン電極であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層がＡｌＮ、ＢＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの群から選ばれるいずれか一の化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記ダイヤモンド基板の一面が酸素修飾されていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項８】
ＭＯＶＰＥ装置内で、減圧、１２５０℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、
同じＭＯＶＰＥ装置内で、ＭＯＶＰＥ法により、減圧、１２５０℃以上の高温条件を保ったそのままの状態で、前記ダイヤモンド基板の一面にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去する工程と、
前記ダイヤモンド基板の一面側に第２の電極及び第３の電極を形成するとともに、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の一面に第１の電極を形成する工程とを有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記ＭＯＶＰＥ法の成膜条件が、ダイヤモンド基板を内部に配置した容器内にトリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素ガスを流通させた状態で、１〜７６０Ｔｏｒｒに減圧しながら、前記ダイヤモンド基板を１２５０℃〜２０００℃の温度に加熱することを特徴とする請求項８に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
蒸着法及び／又はスパッタ法により、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極を形成することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する前に、前記ダイヤモンド基板の一面を酸性溶液処理又は熱処理することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
リソグラフィー法により、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の層厚をより薄くした２つの段部を形成することを特徴とする請求項１２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１４】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を除去した２つの除去部を形成することを特徴とする請求項１３に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＦＥＴとも略称する）とは、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の３つの電極を有する素子であり、前記ゲート電極に印加する電圧を操作して、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を流れる電流を制御する素子である。
【０００３】
ダイヤモンドは、極めて優れた機械的、電気的、熱的、化学的、光学的特性を有す究極な材料であり、同材料の優れた特性を十分に引き出すことによって、様々なデバイスへの応用が可能である。そして、ダイヤモンド膜中のキャリア（電子および正孔）の移動度が非常に高いという特性を有する。
そのため、ダイヤモンドを用いて、過酷な環境下で安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能な高速・ハイパワー電界効果トランジスタの開発が期待されている。
現状のダイヤモンドを主材料とする電界効果トランジスタの構造は、主に４つの構造に大別できる。
【０００４】
第１の構造は、アクセプタやドナーを不純物としてドーピングしたダイヤモンド中のキャリア伝導層をチャネルとして用い、整流性（ショットキー性）金属電極をゲート電極として、電界によりキャリアを制御する構造である。この構造は、従来のシリコンやガリウム砒素系半導体で用いられている動作原理と同じ原理を有する。
しかしながら、この構造では、ダイヤモンド内部のドーパントのイオン化エネルギーが大きく、つまり活性化率が小さく、室温において電界効果トランジスタとして駆動させるための十分な電子および正孔濃度を確保することが容易ではないため、高速・ハイパワー電界効果トランジスタの実現は不可能である。
【０００５】
第２の構造は、マイクロ波プラズマ気相成長法にてダイヤモンド表面を水素プラズマ処理することにより、自発的に形成されるダイヤモンド水素終端表面の正孔キャリアからなる表面伝導層をチャネルとして用い、上記同様ゲート電極の電界によりキャリアを制御する構造である（非特許文献１）。この構造はダイヤモンドに特徴的な動作原理に基づくものであり、現在最も実験的に進んでいる電界効果トランジスタ構造である。
しかしながら、この構造は、ダイヤモンド水素終端表面の熱的な不安定性のために、デバイス特性が動作環境により大きく依存してしまう問題がある。    
【０００６】
第３の構造は、上記ダイヤモンド内ドーパントのイオン化エネルギーが大きい欠点を克服するために、アクセプタ不純物であるボロンを表面からの深さが１ｎｍ以内に濃度１０２０ｃｍ−３程度でデルタ（局所）ドーピングすることによって、正孔濃度を十分確保しながら、上記同様ゲート電極による電界制御性を可能とし、同時にチャネル構造を有する構造である（非特許文献２）。
しかしながら、この構造では、ナノスケールの局所的なドーピング技術が難しく、デバイス性能の向上が難しい。
【０００７】
第４の構造は、特許文献１および特許文献２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体（例えば、窒化アルミニウム等の半導体）とダイヤモンドとのヘテロ接合構造を利用する構造である。
特許文献１には、窒化アルミニウム／ダイヤモンドの積層構造において、前記窒化アルミニウム膜中にシリコンをドナーとしてドーピングすることにより、膜中のシリコン準位とダイヤモンド伝導帯端エネルギー準位との位置エネルギー差を利用して、ダイヤモンド内へ電子を供給する変調ドーピングを利用する構造が開示されている。ここで、トランジスタのチャネルはダイヤモンド内の２次元的な電子である。
【０００８】
一方、特許文献２には、窒化アルミニウムや窒化ボロン等の残留歪に起因する自発性分極およびピエゾ分極効果によって発生する正の固定電荷を補償するために発生する界面近傍のダイヤモンド内の２次元電子をチャネルとして利用する構造が開示されている。
両者ともに、電子をキャリアとして動作させるものであり、不純物ドーパント濃度の不均一性や、残留歪分布の不均一性のために、デバイス性能のバラツキや再現性が問題となる。更に、ｎ型ダイヤモンドと金属のポテンシャル障壁は４ｅＶ以上あるため、低抵抗なオーム性電極を得ることが極めて難しい。
以上説明したように、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワーダイヤモンドヘテロ接合電界効果トランジスタに関する報告はなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３２４８１２号公報
【特許文献２】特開２００８−１８６９３６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋａｗａｒａｄａ，Ｍ．Ａｏｋｉ，ａｎｄ  Ｍ．Ｉｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒ  ６５  （１９９４）  １５６３−１５６５．“ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ−ＭＯＤＥ  ＭＥＴＡＬ−ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＦＩＥＬＤ−ＥＦＦＥＣＴ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＵＳＩＮＧ  ＨＯＭＯＥＰＩＴＡＸＩＡＬ  ＤＩＡＭＯＮＤＳ．”
【非特許文献２】Ａ．Ａｌｅｋｓｏｖ，Ａ．Ｖｅｓｃａｎ，Ｍ．Ｋｕｎｚｅ，Ｐ．Ｇｌｕｃｈｅ，Ｗ．Ｅｂｅｒｔ，Ｅ．Ｋｏｈｎ，Ａ．Ｂｅｒｇｍａｉｅｒ，Ｇ．Ｄｏｌｌｉｎｇｅｒ：Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｒｅｌａｔ．Ｍａｔ．８（１９９９）９４１．“Ｄｉａｍｏｎｄ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ＦＥＴｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｄｅｌｔａ−ｄｏｐｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌｓ．”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワーダイヤモンドヘテロ接合電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記事情を鑑みて、本発明者らは研究開発を行い、ダイヤモンド／ＩＩＩ族窒化物半導体ヘテロ接合界面のダイヤモンド側に自然発生的に発現する２次元的な正孔伝導層をチャネルとする新しい動作原理のＦＥＴにより、上記課題を解決できることを解明して、本発明を完成した。
本発明の特筆すべきところは、（１）ＩＩＩ族窒化物半導体の膜厚を制御することで、ダイヤモンド内の正孔チャネルに対する低抵抗なオーム電極を容易に作製することができること、（２）正孔チャネルがＩＩＩ族窒化物半導体下部に存在するため、自動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れること、（３）意図的な不純物ドーピングを必要としないことである。
また、本技術は、例えばＩＩＩ族窒化物半導体としてＡｌＮを用いた場合、正孔をキャリアとして動作させるものであり、特許文献１および特許文献２に記載のエネルギーバンド図とは異なる構造を有する。
また、ダイヤモンド単結晶基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体薄膜は、高濃度の転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、薄膜内の残留歪はほぼ緩和しているため、正孔の発現機構は特許文献２に記載の機構とは異なる。
更に、水素終端表面を有すダイヤモンド電界効果トランジスタと差別化するために、あえて酸素終端表面を有すダイヤモンド上に窒化アルミニウムを成長させ、電界効果トランジスタ動作を実証した。
【００１３】
このように、本技術はダイヤモンドとＩＩＩ族窒化物半導体を組み合わせて利用することで、電界効果トランジスタの特性を飛躍的に改善し、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタの実用化を図るものである。
本発明は、以下の構成を有する。
【００１４】
本発明の電界効果トランジスタは、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の一面側に離間して形成された第２の電極及び第３の電極と、前記２つの電極の間に離間して形成された第１の電極と、を有する電界効果トランジスタであって、前記第１の電極と前記ダイヤモンド基板との間にＩＩＩ族窒化物半導体層が設けられ、前記ダイヤモンド基板と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域が形成されており、前記ダイヤモンド基板が単結晶基板であり、その一面が（１１１）結晶面と平行であり、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなり、転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の（０００１）面が前記ダイヤモンド基板の（１１１）結晶面と平行であり、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層が２つのドメイン構造を有し、前記２つのドメイン構造が、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の（１−１００）面が前記ダイヤモンド基板の（０−２２）面と平行であるドメイン構造と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の（１１−２０）面が前記ダイヤモンド基板の（０−２２）面と平行であるドメイン構造であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の電界効果トランジスタは、前記正孔伝導チャネル領域が、前記ダイヤモンド基板内に設けられていることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記第２の電極及び／又は前記第３の電極と前記ダイヤモンド基板との間にＩＩＩ族窒化物半導体層が設けられていることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記第２の電極及び／又は前記第３の電極と前記ダイヤモンド基板との間のＩＩＩ族窒化物半導体層の層厚が、前記第１の電極と前記ダイヤモンド基板との間のＩＩＩ族窒化物半導体層の層厚より薄いことが好ましい。
【００１６】
本発明の電界効果トランジスタは、前記第１の電極がゲート電極であり、前記第２の電極がソース電極であり、前記第３の電極がドレイン電極であることが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタは、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層がＡｌＮ、ＢＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの群から選ばれるいずれか一の化合物からなることが好ましい。
【００１７】
本発明の電界効果トランジスタは、前記ダイヤモンド基板の一面が酸素修飾されていることが好ましい。
【００１８】
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、ＭＯＶＰＥ装置内で、減圧、１２５０℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、同じＭＯＶＰＥ装置内で、ＭＯＶＰＥ法により、減圧、１２５０℃以上の高温条件を保ったそのままの状態で、前記ダイヤモンド基板の一面にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去する工程と、前記ダイヤモンド基板の一面側に第２の電極及び第３の電極を形成するとともに、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の一面に第１の電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記ＭＯＶＰＥ法の成膜条件が、ダイヤモンド基板を内部に配置した容器内にトリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素ガスを流通させた状態で、１〜７６０Ｔｏｒｒに減圧しながら、前記ダイヤモンド基板を１２５０℃〜２０００℃の温度に加熱することが好ましい。
【００２０】
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、蒸着法及び／又はスパッタ法により、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極を形成することが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する前に、前記ダイヤモンド基板の一面を酸性溶液処理又は熱処理することが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、リソグラフィー法により、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去することが好ましい。
【００２１】
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の層厚をより薄くした２つの段部を形成することが好ましい。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去して、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を除去した２つの除去部を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電界効果トランジスタは、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板の一面側に離間して形成された第２の電極及び第３の電極と、前記２つの電極の間に離間して形成された第１の電極と、を有する電界効果トランジスタであって、前記第１の電極と前記ダイヤモンド基板との間にＩＩＩ族窒化物半導体層が設けられ、前記ダイヤモンド基板と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域が形成されている構成なので、正孔をキャリアとして動作させることができ、（２）正孔伝導チャネル領域がＩＩＩ族窒化物半導体層下部に存在するため、自動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタとすることができる。
特に、ダイヤモンド単結晶基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体薄膜のようなＩＩＩ族窒化物半導体層は、高濃度の転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、薄膜内の残留歪をほぼ緩和させることができ、ＩＩＩ族窒化物半導体層の膜厚およびデバイスのサイズのみの制御でトランジスタ特性を制御できるため、再現性が良い。
以上により、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタとすることができる。
【００２３】
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、減圧、８００℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、ＭＯＶＰＥ法により、減圧、１２００℃以上の高温条件下で、前記ダイヤモンド基板の一面にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去する工程と、前記ダイヤモンド基板の一面側に第２の電極及び第３の電極を形成するとともに、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の一面に第１の電極を形成する工程とを有する構成なので、（１）ダイヤモンド内の正孔チャネルに対する低抵抗なオーム電極を作製することが容易であるとともに、（３）意図的な不純物ドーピングを必要としないで、正孔をキャリアとして動作させ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速・ハイパワー電界効果トランジスタを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の電界効果トランジスタの一例を示す模式図であって、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２】本発明の電界効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【図３】本発明の電界効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【図４】本発明の電界効果トランジスタの別の一例を示す模式図であって、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図５】実施例１のヘテロ接合構造体（ＡｌＮとダイヤモンド）のＸ線回折法の２θ−ωスキャンのプロファイル結果を示すグラフである。
【図６】実施例１のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムとダイヤモンド界面（ヘテロ界面）近傍の断面透過型電子顕微鏡像（図６（ａ））と透過電子回折パターン（図６（ｂ）、図６（ｃ））である。
【図７】実施例１の電界効果トランジスタの表面光学顕微鏡像（ａ）、（ｂ）及び断面模式図（ｃ）であって、図７（ａ）が平面図であり、図７（ｂ）が拡大図であり、図７（ｃ）が断面模式図である。
【図８】本発明の電界効果トランジスタのトランジスタ特性評価の測定配置である。
【図９】本発明の電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフの一例を示すグラフであって、ゲート幅（Ｗｇ）３０μｍ、ゲート長（Ｌｇ）１６０μｍの電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフであり、図９（ａ）は、ドレイン電流（Ｉｄ）−ドレイン電圧（Ｖｄ）のゲート電圧依存性を示すグラフであり、図９（ｂ）はゲート電流（Ｉｇ）−ドレイン電圧（Ｖｄ）のゲート電圧依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の電界効果トランジスタのＣ−Ｖｇ特性の一例を示すグラフであって、ゲート幅（Ｗｇ）３０μｍ、ゲート長（Ｌｇ）１６０μｍの電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間の静電容量−電圧特性（Ｃ−Ｖｇ特性）を示すグラフである。
【図１１】本発明の電界効果トランジスタの界面からの深さに対する正孔濃度ｐの値を示すグラフである。
【図１２】本発明の電界効果トランジスタのバンド構造の一例を示す図であって、図１２（ａ）は本発明の電界効果トランジスタの空乏状態のバンド構造であり、図１２（ｂ）はフラットバンド状態のバンド構造であり、図１２（ｃ）は正孔蓄積状態のバンド構造である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（本発明の第１の実施形態）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタ及びその製造方法について説明する。
【００２６】
＜電界効果トランジスタ＞
まず、本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタについて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタの一例を示す図であって、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
図１（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタ１０は、平面視略矩形状のダイヤモンド基板１１と、平面視略矩形状のＩＩＩ族窒化物半導体層１２と、平面視略矩形状の第１の電極１５、第２の電極１３及び第３の電極１４とを有して概略構成されている。
【００２７】
図１（ｂ）に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２は、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａ上に形成されている。
ＩＩＩ族窒化物半導体層１２には、２つの段部１２ｅ、１２ｆが設けられるとともに、２つの段部１２ｅ、１２ｆの一面１２ｃから突出する突出部１２ｄが設けられており、突出部１２ｄの一面１２ａ上に第１の電極１５が設けられている。
２つの段部１２ｅ、１２ｆの一面１２ｃには、それぞれ、第２の電極１３及び第３の電極１４が設けられている。
ＩＩＩ族窒化物半導体層１２の他面１２ｂは、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａと接しており、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２とダイヤモンド基板１１の界面１７とされている。界面１７を介して、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２はヘテロ接合されている。
【００２８】
ダイヤモンド基板１１は、単結晶のダイヤモンド基板である。不純物の添加量の少ない透明な単結晶ダイヤモンド基板が好ましい。例えば、ＩＩａ型絶縁性ダイヤモンド単結晶基板を挙げることができる。ＩＩａ型絶縁性基板とは、不純物濃度（ボロンや窒素）が１ｐｐｍ以下の基板である。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２とのヘテロ接合を形成させた場合に、界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６を形成することができる。
【００２９】
しかし、ダイヤモンド基板１１は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２とのヘテロ接合を形成させた場合に、界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６中の正孔を発生させることができればよく、不純物が添加されていてもよい。不純物濃度および種類は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２とのヘテロ接合を形成させた場合に、界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６中の正孔の濃度を増加させるものが好ましい。
【００３０】
ダイヤモンド基板１１の一面１１ａは、（１１１）面又は（１１１）結晶面と平行な面を用いることが好ましい。これにより、安定性の高いＩＩＩ族窒化物半導体層１２を形成することができ、電界効果トランジスタのトランジスタ特性の再現性を向上させることができる。しかし、他の安定な指数面を用いても構わない。
【００３１】
なお、ダイヤモンド基板１１の代わりに、他の材料（例えば、同じ結晶構造を有すシリコン等）からなる基板にダイヤモンドを成長させた基板を用いても構わない。このダイヤモンドの単結晶成長膜上にＩＩＩ族窒化物半導体層１２を形成することにより、界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６を形成した電界効果トランジスタを形成できる。このダイヤモンドの成長方法も特に限られるものではない。
【００３２】
ダイヤモンド基板１１は、その一面を強酸に浸漬する処理または熱処理により、表面を酸素修飾する酸素終端表面処理することが好ましい。これにより、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２をヘテロ接合させた場合に、界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６をより容易に形成することができる。この際、酸素終端表面の作製方法は特に限られるものではない。
なお、ダイヤモンド基板１１は、その一面１１ａを水素終端表面処理または水素と酸素とが混合した終端表面処理したものを用いても構わない。
【００３３】
図１（ｂ）に示すように、第２の電極１３及び前記第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間にＩＩＩ族窒化物半導体層１２が設けられていることが好ましい。ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２とからなるヘテロ接合構造体を形成することにより、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６を形成した電界効果トランジスタを形成できる。
【００３４】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１２は、ＡｌＮ、ＢＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの群から選ばれるいずれか一の化合物からなることが好ましく、ＡｌＮがより好ましい。これにより、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６を形成した電界効果トランジスタを形成できる。
【００３５】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１２が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなることが好ましく、六方晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がより好ましい。これにより、ダイヤモンド単結晶基板の（１１１）面上にＩＩＩ族窒化物半導体層１２を形成した場合に、ダイヤモンド単結晶基板の（１１１）面に六方晶結晶粒子の（０００１）面を密着させるように形成することができ、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６を形成した電界効果トランジスタを形成できる。
なお、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体および立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体を用いることもできる。また、両材料の成長方法も任意である。
【００３６】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第２の電極１３及び第３の電極１４は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２の一面１２ｃ上に離間されて形成されている。
また、第２の電極１３及び第３の電極１４の間で、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２の突出部１２ｄを介在させて、第１の電極１５が設けられている。
【００３７】
第１の電極１５がゲート電極であり、第２の電極１３がソース電極であり、第３の電極１４がドレイン電極であることが好ましい。これにより、ソース電極（Ｓ）−ドレイン電極（Ｄ）−ゲート電極（Ｇ）を有する一般的な３端子構造の電界効果トランジスタを形成することができる。
【００３８】
第１の電極１５、第２の電極１３、第３の電極１４の材料は、金属又は合金のような導電性材料を用いる。なお、金属材料以外の材料でも、オーミック特性およびショットキー特性が得られるものであればよい。
特に、複数の金属からなる積層構造体として形成することが好ましい。これにより、第２の電極１３、第３の電極１４から正孔伝導チャネル領域１６への電流注入特性を向上させることができ、第１の電極１５から正孔伝導チャネル領域１６内のキャリアを制御可能な電圧を効率的に印加できるとともに、外部の水や空気に対する各電極の安定性を向上させることができる。
前記積層構造体としては、膜厚２５ｎｍのチタン、膜厚１００ｎｍのアルミニウム、膜厚５０ｎｍのチタン、膜厚２５０ｎｍの金を基板側この順序及び膜厚で成膜した４層構造体や、膜厚２００ｎｍのニッケル、膜厚２００ｎｍの金を基板側からこの順序で成膜した２層構造体等を挙げることができる。
【００３９】
図１（ｂ）に示すように、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６が形成されている。より具体的には、正孔伝導チャネル領域１６が、ダイヤモンド基板１１内に設けられている。これにより、ソース電極である第２の電極１３と、ドレイン電極である第３の電極１４との間で、正孔伝導チャネル領域１６内に電流を流すことができる。また、その電流を、ゲート電極である第１の電極１５で制御することができる。
【００４０】
図１（ｂ）に示すように、第１の電極１５とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ１が、第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ２より厚いことが好ましい。これにより、第２の電極１３及び第３の電極１４とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との間の抵抗を低くすることができ、ソース電極である第２の電極１３と、ドレイン電極である第３の電極１４との間で、正孔伝導チャネル領域１６内に効率よく電流を流すことができる。また、その電流を、ゲート電極である第１の電極１５で制御することができる。
なお、図１（ｂ）で、第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ２は同じ厚さとされているが、第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚が異なっていてもよい。その場合、厚い方の層厚をｔ２として、これがｔ１より薄くされていることが好ましい。
第１の電極１５とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ１は、７０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることが好ましく、１００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることがより好ましい。７０ｎｍ未満の場合には、漏れ電流が発生するので好ましくない。
第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ２は、７０ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以下とすることがより好ましい。７０ｎｍ超の場合には、第２の電極１３及び第３の電極１４から正孔伝導チャネル領域１６内にキャリアを注入して、電流を流すことが困難となる。
第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間には、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２を無くしてもよい。この場合でも、第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間の抵抗を低くすることができ、ソース電極である第２の電極１３と、ドレイン電極である第３の電極１４との間で、正孔伝導チャネル領域１６内に効率よく電流を流すことができる。
【００４１】
＜電界効果トランジスタの製造方法＞
次に、本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタの製造方法について説明する。
本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタの製造工程は、ＭＯＶＰＥ法により、ダイヤモンド基板の一面にＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程（ＩＩＩ族窒化物半導体層形成工程）と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を部分的に除去する工程（ＩＩＩ族窒化物半導体層パターン形成工程）と、前記ダイヤモンド基板の一面側に第２の電極及び第３の電極を形成するとともに、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の一面に第１の電極を形成する工程（第１の電極、第２の電極及び第３の電極形成工程）とを有して概略構成されている。
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層の材料として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用い、複数の電界効果トランジスタを一括して形成する方法を一例として説明する。
図２及び図３は、本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタの製造工程の一例を示す工程図である。
【００４２】
｛ＩＩＩ族窒化物半導体層形成工程｝
まず、高温高圧合成で単結晶のダイヤモンド基板を作製する。なお、市販のダイヤモンド単結晶基板を用いてもよい。
次に、前記ダイヤモンド基板を、硝酸と塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ３）混合溶液中で１時間沸騰処理を行い、その後、硝酸とフッ化水素酸混合溶液中で１時間沸騰処理を行う。これにより、ダイヤモンド基板の表面の不純物を除去するとともに、一面が酸素終端表面であるダイヤモンド基板とすることができる。
なお、前記酸性溶液処理又は前記熱処理のみを実施してもよい。これにより、一面が酸素終端表面であるダイヤモンド基板とすることができる。
なお、酸素終端表面を有するダイヤモンドを得た後、水素雰囲気にて前記ダイヤモンド基板を水素アニール処理（熱処理）してもよい。また、水素とアンモニアの混合雰囲気にてアニール処理（熱処理）してもいい。前記アニール処理時間は、例えば、５分とする。
前記熱処理の加熱温度は、８００℃〜２０００℃の温度とすることが好ましく、１０００℃〜１５００℃とすることがより好ましく、１２００℃〜１４００℃とすることが更に好ましい。
【００４３】
次に、前記ダイヤモンド基板を有機金属気相成長装置に搬入し、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、前記ダイヤモンド基板の一面上に窒化アルミニウムの成長を行う。
有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）の成膜条件は、有機金属気相成長装置内にトリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡＩガス）、アンモニアガス（ＮＨ３ガス）及び水素ガス（Ｈ２ガス）を流通させた状態で、１〜７６０Ｔｏｒｒ以下の減圧条件にて、前記ダイヤモンド基板を１２００℃〜２０００℃の温度に加熱する。
なお、ＭＯＶＰＥ法の成膜における前記熱処理の加熱温度は、１２２０℃〜１５００℃とすることがより好ましく、１２４０℃〜１４００℃とすることが更に好ましい。
また、ＭＯＶＰＥ法の成膜における前記熱処理の減圧条件は、１０Ｔｏｒｒ〜５００Ｔｏｒｒとすることがより好ましく、２０Ｔｏｒｒ〜３００Ｔｏｒｒとすることが更に好ましい。
例えば、ＴＭＡＩガスの流量は１０〜１０００ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスの流量は０．０１〜１ｓｌｍとする。
なお、ＮＨ３ガスは、窒化アルミニウム成長後でも、成長温度が６００℃以下に降温するまで供給し続けることが好ましい。
また、ＩＩＩ族窒化物半導体層の膜厚は、１００〜２０００ｎｍとすることが好ましく、３００〜１６００ｎｍとすることがより好ましい。
【００４４】
以上の工程により、図２（ａ）に示すように、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａ上にＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体層１２を形成する。ダイヤモンド基板とＡｌＮからなるＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面にはヘテロ接合が形成される。これにより、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面の近傍領域に正孔伝導チャネル領域を形成することができる。
【００４５】
｛ＩＩＩ族窒化物半導体層パターン形成工程｝
次に、前記ダイヤモンド基板上のＡｌＮをパターニングし、パターン下部のＡｌＮを残し、パターン以外のＡｌＮを完全にエッチングし除去する。
次に、パターニングは通常のフォトリソグラフィー法を用い、ＡｌＮのエッチングは誘導結合プラズマエッチング装置を用いる。エッチングガスには塩素Ｃｌ２を用いて、ドライエッチングプロセス技術を用いることができる。これにより、図２（ｂ）に示す素子分離構造を形成することができる。
なお、ＡｌＮのパターニング加工は、通常のフォトリソグラフィー法に限られるものではなく、電子ビームリソグラフィーやレーザリソグラフィーを用いても構わない。また、以下の工程で示す電極のパターニングその他薄膜層のパターニングでも同様に、通常のフォトリソグラフィー法に限られるものではなく、電子ビームリソグラフィーやレーザリソグラフィーを用いても構わない。
また、上記の素子分離等のエッチング工程では、結晶成長時の選択成長技術や、ウエットエッチング技術を用いても構わない。
【００４６】
次に、ソース−ドレイン（Ｓ−Ｄ）電極の接触抵抗を下げるために、ソース−ドレイン（Ｓ−Ｄ）電極に用いる金属直下の窒化アルミニウムを上記同様の方法で薄膜化する。
具体的には、図２（ｃ）に示すように、所定の位置のＩＩＩ族窒化物半導体層１２を部分的に除去して、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚をより薄くした２つの段部１２ｅ、１２ｆを形成して、突出部１２ｄを有する凸構造のＡｌＮとする。
【００４７】
｛第１の電極、第２の電極及び第３の電極形成工程｝
次に、蒸着法又はスパッタ法を用いて、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａ側に金属膜又は複数の金属の積層構造体を形成してから、これをパターニングして、第１の電極１５、第２の電極１３及び第３の電極１４を形成する。
【００４８】
具体的には、まず、膜厚２５ｎｍのチタン、膜厚１００ｎｍのアルミニウム、膜厚５０ｎｍのチタン、膜厚２５０ｎｍの金をこの順序及び膜厚で成膜して、４層構造体を形成する。この成膜には、例えば、電子ビーム蒸着法を用いる。
次に、フォトリソグラフィー法により、リフトオフによりパターンを作製する。
次に、４層構造体の熱処理を行う。この熱処理時間は、４００℃〜１４００℃とすることが好ましく、６００℃〜１２００℃とすることがより好ましい。熱処理時間は、１０ｓｅｃ〜１０ｍｉｎとすることが好ましく、３０ｓｅｃ〜５ｍｉｎとすることがより好ましい。例えば、９００℃、１ｍｉｎの条件とする。
これにより、図３（ａ）に示すように、ソース電極及びドレイン電極として用いる第２の電極１３及び第３の電極１４を形成する。
【００４９】
次に、第１の電極のために、膜厚２００ｎｍのニッケル、膜厚２００ｎｍの金をこの順序で成膜して、２層構造体を形成する。成膜には、例えば、電子ビーム蒸着法を用いる。
次に、フォトリソグラフィー法により、リフトオフによりパターンを作製する。
次に、２層構造体の熱処理を行う。この熱処理時間は、４００℃〜１４００℃とすることが好ましく、６００℃〜１２００℃とすることがより好ましい。熱処理時間は、１０ｓｅｃ〜１０ｍｉｎとすることが好ましく、３０ｓｅｃ〜５ｍｉｎとすることがより好ましい。例えば、９００℃、１ｍｉｎの条件とする。
これにより、図３（ｂ）に示すように、ゲート電極として用いる第１の電極１５を形成する。
【００５０】
次に、例えば、電界効果トランジスタ素子毎にダイヤモンド基板を分割して、素子分離を行う。
以上の工程により、図３（ｃ）に示すように、本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０を製造することができる。
【００５１】
（本発明の第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態である電界効果トランジスタについて説明する。
図４は、本発明の実施形態である電界効果トランジスタの別の一例を示す図であって、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
図４（ａ）に示すように、本発明の第２の実施形態である電界効果トランジスタ２０は、第２の電極１３及び第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間にＩＩＩ族窒化物半導体層２２が設けられていないことを除いて本発明の第１の実施形態である電界効果トランジスタ１０と同様の構成とされている。
【００５２】
図４に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体層２２の他面２２ｂは、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａと接しており、ＩＩＩ族窒化物半導体層２２とダイヤモンド基板１１の界面２７とされている。これにより、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層２２との界面２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域２６が形成されている。
【００５３】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、ダイヤモンド基板１１と、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａ側に離間して形成された第２の電極１３及び第３の電極１４と、２つの電極１３、１４の間に離間して形成された第１の電極１５と、を有する電界効果トランジスタであって、第１の電極１５とダイヤモンド基板１１との間にＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２が設けられ、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６が形成されている構成なので、正孔をキャリアとして動作させることができ、正孔伝導チャネル領域がＩＩＩ族窒化物半導体層下部に存在するため、自動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。特に、ダイヤモンド単結晶基板上に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体薄膜のようなＩＩＩ族窒化物半導体層は、高濃度の転位や結晶粒界を含む結晶学的構造であり、薄膜内の残留歪をほぼ緩和させることができ、トランジスタ特性の再現性が高くすることができる。以上により、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。
【００５４】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、正孔伝導チャネル領域１６、２６が、ダイヤモンド基板１１内に設けられている構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。
【００５５】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、第２の電極１３及び／又は第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間にＩＩＩ族窒化物半導体層１２が設けられている構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。
【００５６】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、第２の電極１３及び／又は第３の電極１４とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ２が、第１の電極１５とダイヤモンド基板１１との間のＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ１より薄い構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。
【００５７】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、第１の電極１５がゲート電極であり、第２の電極１３がソース電極であり、第３の電極１４がドレイン電極である構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。
【００５８】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２が六方晶結晶粒子を有する多結晶体からなる構成なので、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を形成できるとともに、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２の層構造を安定化し、トランジスタ特性の再現性が高い電界効果トランジスタとすることができる。
【００５９】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２がＡｌＮ、ＢＮ、ＧａＮ、ＩｎＮの群から選ばれるいずれか一の化合物からなる構成なので、正孔をキャリアとして動作させ、動的にチャネルが保護されており動作安定性に優れ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタとすることができる。
【００６０】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、ダイヤモンド基板１１が単結晶基板であり、その一面１１ａが（１１１）結晶面と平行である構成なので、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を形成できるとともに、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２の層構造を安定化し、トランジスタ特性の再現性が高い電界効果トランジスタとすることができる。
【００６１】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０は、ダイヤモンド基板１１の一面が酸素修飾されている構成なので、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を容易に形成でき、正孔をキャリアとして動作させることが可能で、トランジスタ特性の再現性が高い電界効果トランジスタとすることができる。
【００６２】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０の製造方法は、減圧、８００℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板１１を水素・アンモニア雰囲気にて熱処理する工程と、ＭＯＶＰＥ法により、減圧、１２００℃以上の高温条件下で、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａにＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２を形成する工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体層１１、２２を部分的に除去する工程と、前記ダイヤモンド基板１１の一面１１ａ側に第２の電極１３及び第３の電極１４を形成するとともに、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２の一面１２ａ、２２ａに第１の電極１５を形成する工程と、を有する構成なので、ダイヤモンド内の正孔チャネルに対する低抵抗なオーム電極を作製することが容易であるとともに、意図的な不純物ドーピングを必要としないで、正孔をキャリアとして動作させ、安定・高周波・大電流・高耐圧動作可能であり、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタを容易に製造することができる。
【００６３】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０の製造方法は、ＭＯＶＰＥ法の成膜条件が、ダイヤモンド基板１１を内部に配置した容器内にトリメチルアルミニウムガス、アンモニアガス及び水素ガスを流通させた状態で、１〜７６０Ｔｏｒｒに減圧しながら、ダイヤモンド基板１１を１２００℃〜２０００℃の温度に加熱する構成なので、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を容易に形成できる。
【００６４】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０の製造方法は、蒸着法及び／又はスパッタ法により、第１の電極１５、第２の電極１３及び第３の電極１４を形成する構成なので、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を備えた電界効果トランジスタを容易に製造することができる。
【００６５】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２を形成する前に、ダイヤモンド基板１１の一面１１ａを酸性溶液処理又は熱処理する構成なので、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を容易に形成できる。
【００６６】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０、２０の製造方法は、リソグラフィー法により、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２を部分的に除去する構成なので、第２の電極１３及び第３の電極１４との間の正孔の移動による電流の流れを容易にでき、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２、２２との界面１７、２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６、２６を容易に形成できる。
【００６７】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ１０の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２を部分的に除去して、ＩＩＩ族窒化物半導体層１２の層厚ｔ２をより薄くした２つの段部１２ｅ、１２ｆを形成する構成なので、第２の電極１３及び第３の電極１４との間の正孔の移動による電流の流れを容易にでき、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層１２との界面１７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域１６を容易に形成できる。
【００６８】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ２０の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を部分的に除去して、ＩＩＩ族窒化物半導体層２２を除去した２つの除去部を形成する構成なので、第２の電極１３及び第３の電極１４との間の正孔の移動による電流の流れを容易にでき、ダイヤモンド基板１１とＩＩＩ族窒化物半導体層２２との界面２７の近傍領域に正孔伝導チャネル領域２６を容易に形成できる。
【００６９】
本発明の実施形態である電界効果トランジスタ及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００７０】
（実施例１）  
＜ヘテロ接合構造体の作製＞
まず、ＩＩａ型絶縁性（１１１）面方位ダイヤモンド基板を、硝酸と塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ３）混合溶液中で１時間沸騰処理を行い、その後、硝酸とフッ化水素酸混合溶液中で１時間沸騰処理を行った。
次に、有機金属気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）に搬入し、水素とアンモニアの混合雰囲気にて、１００Ｔｏｒｒ、１２５０℃の条件で、５分間、アニール処理（熱処理）した。
次に、そのまま、ＭＯＶＰＥ装置内で、表１に示す成長条件で、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、前記ダイヤモンド基板の一面上に窒化アルミニウムを層厚が１．６μｍとなるように成長させた。なお、従来のＭＯＶＰＥ装置は、成長温度が１０００℃程度だが、本実施例の装置では１２５０℃以上に加熱可能なように改良した。
なお、ＮＨ３は、窒化アルミニウム成長後でも、成長温度が６００℃以下に降温するまで供給し続けた。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
以上の工程により、ダイヤモンド基板とＩＩＩ族窒化物半導体層（ＡｌＮ）とからなるヘテロ接合構造体（実施例１）を形成した。
【００７３】
＜実施例１のヘテロ接合構造体の結晶学的評価＞
次に、実施例１のヘテロ接合構造体の結晶学的評価を行った。
まず、実施例１のヘテロ接合構造体の１．６μｍ成長させた窒化アルミニウムをＸ線回折法により評価した。
図５は、実施例１のヘテロ接合構造体のＡｌＮのＸ線回折法の２θ−ωスキャンのプロファイル結果を示すグラフである。図５（ａ）はダイヤモンド（１１１）を中心に２θをワイドレンジである３０°〜９０°の範囲で測定した時の２θ−ωスキャンの結果を示すグラフであり、図５（ｂ）は、ＡｌＮの（０００２）を中心に２θを詳細に測定した結果を示すグラフであり、図５（ｃ）は、ＡｌＮの（１０−１１）を中心に２θを詳細に測定した結果を示すグラフである。
【００７４】
図５（ａ）、図５（ｂ）のＡｌＮの（０００２）面のピークから、窒化アルミニウムの（０００１）面、つまりｃ軸がダイヤモンドの（１１１）面に配向している事が確認できた。
また、図５（ｂ）（ｃ）により、回折角２θとブラッグの法則により窒化アルミニウムの格子定数を求めたところ、ｃ軸格子定数（ｃＡｌＮ）は４．９７８Å、ａ軸格子定数（ａＡｌＮ）は３．１１５Åであった。
【００７５】
図６は、実施例１のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムとダイヤモンド界面（ヘテロ界面）近傍の断面透過型電子顕微鏡像（図５（ａ））と透過電子回折パターン（図６（ｂ）、図６（ｃ））である。
図６（ａ）に示すように、実施例１のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムは高密度の欠陥（転位および結晶粒界）を有し緩和しており、連続膜というよりは、コラム（グレイン）構造に酷似した構造であることがわかる。
また、図６（ｂ）、（ｃ）に示す透過電子回折パターンより、窒化アルミニウムは２つのドメイン構造を有していることがわかる。
また、配向関係は（０００１）窒化アルミニウムと（１１１）ダイヤモンドが平行であることがわかる。更に、（１−１００）窒化アルミニウム及び（１１−２０）窒化アルミニウムと（０−２２）ダイヤモンドが平行であることがわかる。
【００７６】
＜電界効果トランジスタの作製＞
次に、実施例１のヘテロ接合構造体の窒化アルミニウムをパターニングして、ダイヤモンド基板上に複数の素子が分離されてなる素子分離構造を形成した。
なお、パターニングはフォトリソグラフィー法を用い、ＡｌＮのエッチングは誘導結合プラズマエッチング装置を用い、エッチングガスには塩素Ｃｌ２を用いた。また、エッチングの際、フォトレジストにより形成したパターン下部の窒化アルミニウムを残し、パターン以外の窒化アルミニウムを完全にエッチングし除去した。
【００７７】
次に、ソース−ドレイン（Ｓ−Ｄ）電極の接触抵抗を下げるために、ソース−ドレイン（Ｓ−Ｄ）電極に用いる金属直下に配置される窒化アルミニウムを、上記と同様にフォトリソグラフィー法および誘導結合プラズマエッチング装置を用いて、薄膜化した。
これにより、凸構造を形成した。
【００７８】
次に、電子ビーム蒸着法を用いて、前記薄膜化した窒化アルミニウム上に、チタン（２５ｎｍ）、アルミニウム（１００ｎｍ）、チタン（５０ｎｍ）、金（２５０ｎｍ）をこの順序及び膜厚で堆積して、４層構造体を形成した（以下、Ｔｉ（２５ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｕ（２５０ｎｍ）と示す場合がある）。
次に、フォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー法により、フォトレジストをソース電極及びドレイン電極の形状にパターニングしてから、リフトオフにより前記４層構造体をパターン化した。
なお、１枚のダイヤモンド基板上には複数の正方形状のソース電極及びドレイン電極を作製した。前記正方形状のソース電極及びドレイン電極は１５０μｍ角とした。
次に、前記４層構造体の金属を９００℃、１ｍｉｎの条件で熱処理して、ソース電極及びドレイン電極を形成した。
【００７９】
次に、電子ビーム蒸着法を用いて、前記薄膜化した窒化アルミニウム上に、ニッケル（２００ｎｍ）、金（２００ｎｍ）をこの順序及び膜厚で堆積して、２層構造体を形成した（以下、Ｎｉ（２００ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）と示す場合がある）。
次に、フォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー法により、フォトレジストをゲート電極の形状にパターニングしてから、リフトオフにより前記２層構造体をパターン化した。
なお、一対のソース電極及びドレイン電極の間には、ゲート電極の長さ（ゲート長）Ｌｇが１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、ゲート電極の幅（ゲート幅）Ｗｇが１６０μｍのものを作製した。また、各ゲートには一端側に正方形状の端子部を形成した。前記正方形状の端子部の１辺の長さは１５０μｍとした。
次に、前記２層構造体を９００℃、１ｍｉｎの条件で熱処理して、ゲート電極を形成した。
【００８０】
以上の工程により、ソース電極及びドレイン電極を備え、ゲート電極の長さＬｇがそれぞれ１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍである複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板（実施例１）を形成した。
【００８１】
＜実施例１の電界効果トランジスタ特性評価＞
実施例１の電界効果トランジスタのデバイス特性評価結果を以下に記述する。
図７は、実施例１の電界効果トランジスタの表面光学顕微鏡像（ａ）、（ｂ）及び断面模式図（ｃ）である。図７（ａ）が平面図であり、図７（ｂ）が拡大図であり、図７（ｃ）が断面模式図である。図７（ａ）に示す数値は各トランジスタのゲート長のサイズである。
【００８２】
図７（ａ）に示すように、複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板（実施例１）には、２つの正方形状のソース・ドレイン電極が並んで配置されている。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、正方形状のソース電極及びドレイン電極の１辺の長さは１６０μｍである。
また、各電界効果トランジスタのゲート電極の幅Ｗｇは１６０μｍであり、ゲート電極の長Ｌｇは１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍである。各ゲート電極の一端側には正方形状の端子部が形成されている。
更に、図７（ｃ）に示すように、ゲート電極は、凸構造ＡｌＮ上に形成されている。
【００８３】
図８は、本発明の電界効果トランジスタのトランジスタ特性評価の測定配置である。この測定配置により、複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板（実施例１）の各電界効果トランジスタのトランジスタ特性評価を行った。なお、この配置はソース（Ｓ）をグランドとした一般的なｐチャネル測定に用いる配置である。
【００８４】
図９は、ゲート幅（Ｗｇ）１６０μｍ、ゲート長（Ｌｇ）３０μｍの電界効果トランジスタの電流電圧特性を示すグラフであり、図９（ａ）は、ドレイン電流（Ｉｄ）−ドレイン電圧（Ｖｄ）のゲート電圧依存性を示すグラフ（Ｉｄ−Ｖｄ特性を示すグラフ）であり、図９（ｂ）はゲート電流（Ｉｇ）−ドレイン電圧（Ｖｄ）のゲート電圧依存性を示すグラフ（Ｉｇ−Ｖｄ特性を示すグラフ）である。ゲート電圧Ｖｇは２Ｖから−５Ｖまで１Ｖ間隔で変えて、Ｉｇ−Ｖｄ特性を測定した。
ドレイン電流（Ｉｄ）はゲート幅（Ｗｇ）にて規格化している。また、ゲート電流（Ｉｇ）は、ゲートリーク電流である。
【００８５】
図９（ａ）に示すように、ゲート電圧（Ｖｇ）によりドレイン電流（Ｉｄ）が制御されている。更に、ピンチオフ状態も確認できる。
また、負のドレイン電圧（Ｖｄ）に対して負のドレイン電流（Ｉｄ）が得られているので、キャリアは正孔であることがわかる。
更に、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、ドレイン電流（Ｉｄ）はゲートリーク電流（Ｉｇ）と比較して十分大きい。
なお、図９の結果から、最大ドレイン電流（Ｉｄｍａｘ）および最大相互コンダクタンス（ｇｍｍａｘ）を算出でき、それぞれ、Ｉｄｍａｘ＝６．８ｍＡ／ｍｍ、ｇｍｍａｘ＝２．９ｍＳ／ｍｍであった。
【００８６】
図１０は、ゲート幅（Ｗｇ）１６０μｍ、ゲート長（Ｌｇ）３０μｍの電界効果トランジスタのソース電極とゲート電極との間の静電容量−電圧特性（Ｃ−Ｖｇ特性）を示すグラフである。
図１０に示すように、Ｖｇ＝７〜１０Ｖ付近においては空乏層の広がりを確認することができる。
また、Ｖｇ＝−３〜７Ｖ付近においては、キャリアの蓄積による静電容量（空乏層）が一定（Ｃ＝６．８×１０−１３Ｆ）になっている。
更に、Ｖｇ＝−１０〜−３Ｖ付近においては、キャリアの増加に伴い、ゲートリーク電流（Ｉｇ）が増加してしまい、静電容量は減少した。
【００８７】
次に、ドレイン電流の平方根−ゲート電圧特性（Ｉｄ１／２−Ｖｇ特性）をプロットしてから、線形フィットしたところ、ゲート電圧（Ｖｇ）が−２Ｖで高い線形性を示した。
そのため、先ほどの静電容量Ｃ＝６．８×１０−１３Ｆを用いて、その時の実効移動度（μ）および閾値電圧（Ｖｔ）を、算出した。
その結果、Ｖｄ＝−５Ｖと時の実効移動度（μ）および閾値電圧（Ｖｔ）は、それぞれμ＝３１６ｃｍ２／ＶｓおよびＶｔ＝３Ｖと見積もられた。また、Ｖｄが−５Ｖ、Ｖｇが−５Ｖのとき、相互コンダクタンス（ｇｍ）は３ｍＳ／ｍｍとなった。
なお、ゲート幅（Ｗｇ）１６０μｍ、ゲート長（Ｌｇ）３０μｍの電界効果トランジスタにおいて、Ｖｄ＝−５Ｖ、Ｖｇ＝−５Ｖ印加時、ドレイン電流Ｉｄ≧６．８ｍＡ／ｍｍ、実効移動度μ≧３００ｃｍ２／Ｖｓ、相互コンダクタンスｇｍ≧２．５ｍＳ／ｍｍが得られ、高速・ハイパワーであると評価した。さらに測定環境に対する動作安定性も優れていた。
【００８８】
次に、ドレイン電流の平方根−ゲート電圧特性（Ｉｄ１／２−Ｖｇ特性）より得られた閾値電圧（Ｖｔ）の値を基準にし、キャリア密度Ｑ／ｑを静電容量−電圧特性から見積もった。その結果、Ａｂｓ（Ｖｇ）＋Ｖｔ＝４Ｖのとき、Ｑ／ｑ＝３．９×１０１１ｃｍ−２であり、チャネル抵抗Ｒ（オン抵抗）はＲ＝４．５５ｋΩであった。
【００８９】
次に、Ｃ−Ｖ測定の結果より、チャネルキャリア密度分布がダイヤモンド中で分布していることを仮定して、ダイヤモンドの比誘電率を用い、深さ方向に対する正孔濃度ｐを算出した。
【００９０】
図１１は、電界効果トランジスタの界面からの深さに対する正孔濃度ｐの値を示すグラフである。この結果は、２次元的に正孔が分布していることを示唆している。また、ピークの半値幅から、このチャネル幅は１ｎｍ以下であると考えられる。
【００９１】
以上の結果から、電界効果トランジスタのゲート電圧に対するバンド構造の変化の考察を行った。
図１２（ａ）は本発明の電界効果トランジスタの空乏状態のバンド構造であり、図１２（ｂ）はフラットバンド状態のバンド構造であり、図１２（ｃ）は正孔蓄積の状態のバンド構造である。
図１２（ａ）に示すように、Ｖｇ＞Ｖｔの場合、ダイヤモンド−窒化アルミニウム界面は空乏化している。
また、Ｖｇ＝Ｖｔにてフラットバンドを形成する。更に、Ｖｇ＜Ｖｔにおいて、正孔キャリアの蓄積が起こると考察した。
【００９２】
（実施例２）
ＡｌＮの成長後、成長条件と同じ条件で、水素アニール処理（熱処理）を行った他は実施例１と同様にして、複数の電界効果トランジスタ素子を有するダイヤモンド基板（実施例２）を形成した。
実施例１と同様に方法で、トランジスタ特性を測定して、キャリアの有無を調査したところ、電流は装置の検出限界以下であったため、ＡｌＮを堆積することがキャリアの生成を担っていることを傍証する結果であった。
【００９３】
本結果より、窒化アルミニウムの膜厚・膜質やデバイススケールの最適化により大幅な改善が見込まれ、高周波・大電流・高耐圧動作可能な高速・パワー電界効果トランジスタの実現のための可能性を十分有するものである。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の電界効果トランジスタ及びその製造方法は、トランジスタ特性の再現性が高く、高速でパワーの大きい電界効果トランジスタ及びその製造方法に関するものであり、電界効果トランジスタの製造産業等において利用可能性がある。
【符号の説明】
【００９５】
１０…電界効果トランジスタ、１１…ダイヤモンド基板、１１ａ…一面、１２…ＩＩＩ族窒化物半導体層、１２ａ…一面、１２ｂ…他面、１２ｃ…一面、１２ｄ…突出部、１２ｅ、１２ｆ…段部、１３…第２の電極、１４…第３の電極、１５…第１の電極、１６…正孔伝導チャネル領域、１７…界面、２０…電界効果トランジスタ、２２…ＩＩＩ族窒化物半導体層、２２ａ…一面、２２ｂ…他面、２６…正孔伝導チャネル領域、２７…界面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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