(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温から４００℃の範囲で温度と電気抵抗率が正の相関を有し、
室温から４００℃の範囲で少なくとも１×１０７Ω・ｃｍの電気抵抗率を有し、
室温でホールによる電気伝導を示し、
遷移元素が含まれないことを特徴とする炭化ケイ素単結晶。
【請求項２】
少なくとも１種類のドナードーパントと、
少なくとも１種類のアクセプタドーパントと、を備え、
室温から４００℃の範囲で温度上昇に伴い電気伝導に寄与するキャリアの数が減少することによって電気抵抗率が上昇することを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項３】
前記ドナードーパントは、１×１０１７／ｃｍ３未満の濃度の窒素であることを特徴とする請求項２に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項４】
前記アクセプタドーパントは、１×１０１７／ｃｍ３以下の濃度のホウ素又はアルミであることを特徴とする請求項２又は３に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項５】
バナジウムの濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項６】
室温から４００℃の範囲で温度上昇した場合に活性化したドナーがアクセプタによって補償されることによって１×１０７Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を保持することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項７】
前記炭化ケイ素単結晶のポリタイプが、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ又は１５Ｒポリタイプであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項８】
前記ドナードーパントは、５×１０１６／ｃｍ３以下の濃度の窒素であることを特徴とする請求項２に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項９】
室温で少なくとも１００００Ω・ｃｍの電気抵抗率を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項１０】
室温で少なくとも１×１０８Ω・ｃｍの電気抵抗率を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項１１】
室温から４００℃の範囲で温度と電気抵抗率が正の相関を有し、室温から４００℃の範囲で少なくとも１×１０７Ω・ｃｍの電気抵抗率を有し、室温でホールによる電気伝導を示し、遷移元素が含まれない炭化ケイ素単結晶を含む基板と、
前記基板上に形成されたデバイスと、を備えたことを特徴とする半導体素子。
【請求項１２】
前記デバイスは、金属−半導体電界効果トランジスタ、金属−絶縁体電界効果トランジスタ、又は高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項１３】
２００℃以上での動作が想定されたことを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記アクセプタドーパントの濃度は２×１０１５／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項２に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項１５】
前記炭化ケイ素単結晶はＰ形であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【請求項１６】
ドナーとアクセプタによって電気抵抗率が制御されることを特徴とする請求項１から１０、１４、１５のいずれか１項に記載の炭化ケイ素単結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は炭化ケイ素単結晶とそれを用いた半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等、又はこれらの混晶である材料は、広いバンドギャップを有しており、高出力電子デバイス又は短波長発光デバイス等として用いられている。このうち、高出力電子デバイスとしては、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、特に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：  Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に関する技術が開発されている。窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、高出力・高効率増幅器、大電力スイッチングデバイス等に用いることが可能であり、その動作周波数はマイクロ波、ミリ波の領域をカバーすることが可能である。特許文献１には携帯電話の基地局用アンプに用いられる高出力電子デバイスの一例が開示されている。【０００３】
ほとんどの技術によって成長させられた炭化ケイ素単結晶は、窒化物半導体ＨＥＭＴの基板として使用するには一般にあまりにも導電性が高すぎる。特に、そのような炭化ケイ素単結晶の高い導電性によってトランジスタの高速動作が妨げられる場合があるため、電気抵抗率の高い炭化ケイ素単結晶が求められる。【０００４】
炭化ケイ素単結晶の基板上に作製されるデバイスにおいて安定した高速動作と高周波動作を実現するために、寄生容量対策として少なくとも１×１０５Ω・ｃｍの電気抵抗率を持つ炭化ケイ素単結晶が必要とされる。また、デバイスの伝送線損失を最小限にして０．１デシベル／ｃｍ以下の許容レベルにまでするためには、１×１０７Ω・ｃｍ又はそれ以上の抵抗率が必要とされ、さらに好ましくは炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率は１×１０８Ω・ｃｍ以上の範囲に近似している必要がある。【０００５】
電気抵抗率の高い炭化ケイ素単結晶の実現方法として、炭化ケイ素単結晶の持つ広いバンドギャップを考慮して単に不純物の濃度を下げる方法がある。例えば、３００Ｋの４Ｈ炭化ケイ素単結晶は３．２ｅＶといった広いバンドギャップを有するので、高純度化することで電気抵抗率は高くなる。他の実現方法として、Ｖ（バナジウム）のドーピングを用いる方法が提案されている。更に他の実現方法として結晶欠陥を用いる例もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本特開２００２−３５９２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先に述べたように炭化ケイ素単結晶の純度を高めることで、炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率を高めることができる。しかし、炭化ケイ素単結晶はその成長時においてしばしば意図せず微量の窒素が混入してしまい、その窒素濃度は５×１０１６／ｃｍ３に達する場合がある。材料を高純度化したり、装置に対し高度な調整を常時施したりすることにより１×１０１６／ｃｍ３以下にする事は可能であるが、炭化ケイ素単結晶の価格上昇を引き起こす。さらに、このように高純度化した炭化ケイ素単結晶であっても、炭化ケイ素単結晶に残留した微量の窒素はドナーとして作用し、その活性化率は温度上昇に伴って増加する。このため、炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率は温度上昇に伴い低下し、炭化ケイ素単結晶の基板上に作製されるデバイス特性に、例えば高速、高周波動作特性の低下といった、好ましくない変化をもたらす。またドナーとなった窒素は温度の上昇以外にも例えば放射線又は光によるキャリアの励起を引き起こし、炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率が低下する原因となりうる。【０００８】
炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率を高める他の方法として、前述のように遷移元素のドーピングにより電気伝導に寄与する電子を捕獲する方法がある。例えばＶによる電子捕獲で高い電気特性を実現する方法は、前述した窒素及びドナーとして作用するその他の不純物の濃度が高い場合においても、非常に高い電気抵抗率を実現することができる。しかしながらこの方法は、室温又は温度上昇によって不純物又は結晶欠陥から活性化したキャリアをＶによって一時的に捕獲することで、キャリアの移動を妨げて高い電気抵抗率を実現するものであるので、後述するような欠点がある。【０００９】
第１の欠点として、Ｖに捕獲されたキャリアの放出時間は、温度上昇に伴って指数的に短くなるので、高温における電子捕獲は実用上有効ではない。このため、高温における電気抵抗率は常温のそれと比較して劇的に低下してしまう。このため、常温では電気抵抗率が十分に高くほぼ半絶縁性と見なせるほど十分に高かった炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率は高温において低下する。すると、炭化ケイ素単結晶の基板上にトランジスタが作成された場合では、トランジスタと基板との間の寄生容量が増えることになる。結果として、トランジスタのゲートとドレイン・ソース間の容量が増えるので、炭化ケイ素単結晶の基板上に作成されたトランジスタの出力電力が高温において低下してしまうという重大な問題がある。なお、結晶欠陥によるキャリアの捕獲により電気抵抗率を高くした場合でも、同じ原理によりこの問題は発生すると考えられる。【００１０】
第２の欠点として、Ｖによる電子捕獲は一時的であるため、捕獲から一定時間経過後に基板の電位が変化して、トランジスタの特性が変化する問題がある。【００１１】
炭化ケイ素単結晶の基板上に作成されたトランジスタをｏｎ／ｏｆｆ動作させると、ｏｆｆ時にはゲートにマイナス電位を印加しているので、Ｖにより生成された捕獲準位にフリーキャリアがトラップされる。この現象により基板はマイナスに帯電（チャージアップ）するので、基板の相対的な電位が変動しゲートの空乏層を広げる方向へ働き、トランジスタを流れる電流を減少させる。【００１２】
次にｏｎ／ｏｆｆ動作を終了させると、ｏｆｆ時にゲートに印加されていたマイナス電位は消滅する。しかし前述のように、Ｖによるフリーキャリアの捕獲は一時的であるため、ｏｎ／ｏｆｆ動作の終了から時間の経過に伴い徐々にフリーキャリアが放出され、基板電位も変化する。よって、ｏｎ／ｏｆｆ動作を再開させた場合にはｏｎ／ｏｆｆ動作終了直前とはゲートの空乏層の状態が異なっているため、トランジスタを流れる電流が変化しトランジスタの特性が変化してしまう。【００１３】
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、室温における電気抵抗率が高く、温度上昇に伴う電気抵抗率の低下が抑制され、基板のポテンシャルの時間的変化を抑制できる炭化ケイ素単結晶の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の発明にかかる炭化ケイ素単結晶は、室温から４００℃の範囲で温度と電気抵抗率が正の相関を有し、室温から４００℃の範囲で少なくとも１×１０７Ω・ｃｍの電気抵抗率を有し、室温でホールによる電気伝導を示し、遷移元素が含まれないことを特徴とする。
【００１５】
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、遷移元素の濃度を抑制しつつ室温でホールによる電気伝導を示すようにドーパントを導入するので、電気抵抗率が高く、温度上昇による電気抵抗率の低下を抑制でき、基板のポテンシャルの時間的変化を抑制できる炭化ケイ素単結晶を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】Ｖをドーピングした炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率の温度依存を示す図である。
【図２】実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率の温度依存を示す図である。
【図３】半導体素子の断面図である。
【図４】環境温度が常温におけるＧａＮ−ＨＥＭＴの電流−電圧特性を示す図である。
【図５】環境温度が２５０度におけるＧａＮ−ＨＥＭＴの電圧−電流特性を示す図である。
【図６】トランジスタのリカバリ特性を示す説明図である。
【図７】ＧａＮ−ＨＥＭＴのリカバリ特性を示す電流−時間特性の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶と半導体素子について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１９】
実施の形態．
実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶のポリタイプは、例えば４Ｈである。実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、ドナードーパントとして例えば窒素を含む。窒素の濃度は１×１０１５／ｃｍ３〜５×１０１６／ｃｍ３の範囲とすることができる。別の例によれば、窒素の濃度は１×１０１５／ｃｍ３〜３×１０１６／ｃｍ３の範囲とすることができる。さらに別の例によれば、窒素の濃度は１×１０１５／ｃｍ３〜１×１０１６／ｃｍ３の範囲とすることができる。またドナードーパントは、５×１０１６／ｃｍ３以下の濃度の窒素又はシリコンとしたり、１×１０１７／ｃｍ３未満の濃度の窒素又はシリコンとしたりすることができる。
【００２０】
この実施形態に係る炭化ケイ素単結晶は、アクセプタがドーパントされたＰ形であり、室温で少なくとも１×１０７Ω・ｃｍの固有抵抗の範囲の電気抵抗率を有している。ホウ素を想定したアクセプタドーパントの濃度は例えば２×１０１５／ｃｍ３〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲である。そのドーパント濃度が１×１０１７／ｃｍ３を超えると、ホールによる伝導機構が顕著となり、抵抗率が下がりすぎて室温における結晶の電気特性に影響を与えるため、ドーパント濃度は１×１０１７／ｃｍ３以下である必要がある。別の例によれば、アクセプタドーパントの濃度は２×１０１５／ｃｍ３〜５×１０１６／ｃｍ３の範囲とすることができる。さらに別の例では、アクセプタドーパントの濃度は２×１０１５／ｃｍ３〜３×１０１６／ｃｍ３の範囲である。アクセプタドーパントとして、ホウ素の他にアルミニウム、亜鉛、マグネシウム又は他のアクセプタ型ドーパントを用いることも可能である。前述したアクセプタドーパントの濃度はドーパントの活性化率に応じて増減されることは言うまでもなく、例えばアルミニウムの場合にはホウ素と比較して数倍の多量のドーピングが必要となる。つまり、アクセプタドーパントは１×１０１７／ｃｍ３以下の濃度のホウ素又はアルミ等とすることができる。
【００２１】
このように、実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、少なくとも１種類のドナードーパントと、少なくとも１種類のアクセプタドーパントとを備える。そして、ドナーとアクセプタのバランスは、電子による伝導特性が室温において見られない範囲に調整されている。言いかえると、実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、室温でドナーが補償され、ホールによる電気伝導を示す。
【００２２】
実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶では、電気抵抗率の制御は深準位によるものではないので、この観点からはバナジウムなどの遷移元素の濃度は特に限定される必要はない。しかしながら、深い準位による遅延特性への悪影響を避けるためには、遷移元素の濃度の上限は制限されるべきである。例えば遷移元素がＶであれば、Ｖの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とすることが望ましい。またＶ以外の、例えばＮｉ、Ｔｉといった遷移元素の場合は、遷移元素の濃度を、１×１０１６／ｃｍ３以下としたり、１×１０１７／ｃｍ３以下としたりすることが望ましい。
【００２３】
実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、室温から４００℃の範囲で少なくとも１×１０７Ω・ｃｍの電気抵抗率を有している。別の例によれば、室温から４００℃の範囲で少なくとも１００００Ω・ｃｍの電気抵抗率を有している。さらに別の例によれば、室温から４００℃の範囲で少なくとも１×１０８Ω・ｃｍの電気抵抗率を有している。いずれの例においても実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、室温から４００℃の範囲において、温度上昇に伴って電気抵抗率が上昇する。これは、この温度範囲において、温度上昇に伴い電気伝導に寄与するキャリアの数が減少することによって、電気抵抗率が上昇するためである。
【００２４】
炭化ケイ素単結晶の電気抵抗値の測定は、以下のように実施した。まず初めに伝導特性のｐ／ｎ判定を実施した。ｐ型と判定した炭化ケイ素単結晶には、直径２ミリのＴｉＡｌ電極を表裏又は一定間隔で２点蒸着して試料を作製した。ｎ型と判定した炭化ケイ素単結晶には、直径２ミリのＮｉ電極を蒸着して試料を作製した。どちらも電極の面積が大きいことから整流性にはこだわらず、直接通電して測定した電流電圧特性、電極面積、及び電極間距離から電気抵抗値を算出した。このようにして、電気抵抗値と電気抵抗値の温度依存について測定を行った。
【００２５】
まず、高純度化された炭化ケイ素単結晶について検討を行った。高純度化された炭化ケイ素単結晶は、室温においてｎ型と判定され、ＳＩＭＳにより測定された窒素の濃度は１×１０１６／ｃｍ３であった。電気抵抗値は室温で５０００〜１００００Ω・ｃｍであり、温度上昇に伴って電気抵抗値が低下した。
【００２６】
前述のように炭化ケイ素単結晶は、その製法上、窒素の混入を防ぐことが困難であって、高純度化した基板であっても微量の窒素がドナーとして機能する。こうした窒素が優勢な不純物半導体としての炭化ケイ素単結晶は、温度上昇に伴いドナーの活性化率が上昇し、飽和領域に至るまで指数的にキャリアが増加した結果、電気抵抗率が低下する現象が観察されたと考えられる。
【００２７】
次に、Ｖをドーピングした炭化ケイ素単結晶について検討を行った。図１は、Ｖ（バナジウム）をドーピングした炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率の温度依存特性を示す図である。常温において電気抵抗率が非常に高く測定限界を超えたためｐ／ｎ判定は実施していない。ＳＩＭＳにより測定された窒素の濃度は３×１０１６／ｃｍ３であった。
【００２８】
図１において、８０℃以下における電気抵抗率は一定値（２×１０９Ω・ｃｍ）であるが、これは今回の測定で使用した計測器と作製試料の制限から２×１０９Ω・ｃｍが算出可能な電気抵抗率の上限であるためである。８０℃を超えた温度範囲で得られた測定値のアレニウスプロットによる外挿から、常温における電気抵抗率は１×１０１２Ω・ｃｍ以上であると推定されることから、実際の室温での電気抵抗率は少なくとも２×１０９Ω・ｃｍ以上であると考えられる。
【００２９】
しかし、Ｖをドーピングした炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率は、温度上昇に伴って１３０℃において１×１０８Ω・ｃｍに、４００℃において１×１０４Ω・ｃｍまで５桁以上も劇的に低下する現象がみられた。
【００３０】
このように、Ｖをドーピングした炭化ケイ素単結晶における温度上昇に伴う電気抵抗率の低下は、室温でＶに捕獲されていた電子が温度上昇に伴ってＶからの放出時間が極端に短くなって、見掛け上捕獲機能が作用していない状態へと変化し、キャリアとなる電子が増大したためと考えられる。
【００３１】
次いで、実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶について検討を行った。図２は、実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率の温度依存特性を示す図である。ＳＩＭＳ分析によって得られた窒素の濃度は７×１０１５／ｃｍ３、ホウ素の濃度は２×１０１６／ｃｍ３であった。本測定では炭化ケイ素単結晶のホール伝導を確認した後、ｐ型のオーミックである直径２ミリのＴｉＡｌ電極を蒸着して作製した試料を使用した。炭化ケイ素単結晶は室温で１×１０８Ω・ｃｍ程度の電気抵抗率を示した。この値は、先に示したＶを添加した炭化ケイ素単結晶の室温における電気抵抗率（少なくとも２×１０９Ω・ｃｍ以上）と比較すれば低い値であった。しかしながら、図２に示すとおり、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶では、室温から４００℃までの範囲で温度上昇に伴って固有抵抗が上昇する傾向がみられた。つまり、室温から４００℃の範囲で温度と電気抵抗率が正の相関を有する。その結果、１１０℃以上の温度において、実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、Ｖをドーピングした炭化ケイ素単結晶を上回る電気抵抗率を有していた。
【００３２】
この現象は、温度上昇に伴うアクセプタの活性化率の上昇よりもドナーの活性化率の上昇が大きいため、それまで電気伝導を支配していたキャリアとしてのホールをドナーから励起した電子が補償し、実効的に電気伝導に有効なキャリアが減少したためであると考えられる。
【００３３】
すなわち、ホールによる電気伝導を優位にするだけでは、単なるｐ−型基板であるが、本実施形態においては、常温において電子による電気伝導特性が見られない程度に低い濃度のドナードーパントによってホールを補償する。ドナードーパントである窒素の濃度の一例は、上述したとおり、１×１０１５／ｃｍ３〜５×１０１６／ｃｍ３である。これにより室温から４００℃の範囲で温度上昇した場合に、活性化したドナーがアクセプタによって補償されるので、１×１０７Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を保持する炭化ケイ素単結晶を提供することができる。
【００３４】
このとき、炭化ケイ素単結晶に含まれる遷移元素の濃度は、その遷移元素が室温から４００℃の範囲で電気伝導に寄与するキャリアを自ら放出しない範囲において、任意の濃度とすることができる。しかしながら、例えば炭化ケイ素単結晶がホール伝導特性を示している場合において、遷移元素が高濃度の電子を補償すると温度上昇に伴って電気抵抗率が劇的に低下してしまう。そこで、上述のとおり、遷移元素の濃度を１×１０１７／ｃｍ３以下としたり、さらに好ましくは１×１０１６／ｃｍ３以下としたりすることで、遷移元素が深いトラップを形成して温度上昇に伴う活性化率の上昇で増加した電子とホールを捕獲してどちらか一方のキャリアの増加を助長してしまうことを抑制できる。
【００３５】
炭化ケイ素結晶のポリタイプは、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ又は１５Ｒポリタイプとすることができる。実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶は、室温でのホール伝導を積極的に許容しているため、例えばポリタイプ４Ｈよりホール移動度が小さい６Ｈを採用することができる。また、デバイスへの応用上広いバンドギャップが必要な場合は、３Ｃではなく、４Ｈ、６Ｈを採用できる。
【００３６】
上述した実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶を含む基板を用意し、その基板上にデバイスを形成することで、半導体素子を提供することができる。基板上に形成するデバイスとして、例えば、金属−半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、金属−絶縁体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等を採用することができる。そのような半導体素子は、例えば２００℃以上での動作を想定したものとすることができる。
【００３７】
図３は、半導体素子の断面図である。この半導体素子は、実施の形態に係る炭化ケイ素単結晶を材料とする基板１を備えている。基板１の上には複数の化合物半導体層が積層されている。具体的には、基板１の上に形成された下部バッファ層２と、下部バッファ層２の上に形成されたバッファ層３と、バッファ層３の上に形成されたショットキー層５を有する。
【００３８】
下部バッファ層２は、低温形成したＡｌＮ又はＧａＮを備えるので低温バッファ層と呼ばれることもある。バッファ層３は例えば炭素がドープされたＧａＮで形成されている。ショットキー層５は例えばＡｌＧａＮで形成されている。基板１の上に下部バッファ層２、バッファ層３、ショットキー層５の順に積層することでヘテロ接合構造が形成されている。ショットキー層５の上に、ゲート電極７、ソース電極６及びドレイン電極８が形成されている。オーミック電極としてのソース電極６およびドレイン電極８はショットキー層５の上にＡｌＴｉ、Ａｕをこの順に積層して形成されている。ショットキー電極としてのゲート電極７は、ショットキー層５の上にＰｔ、Ａｕをこの順に積層して形成されている。図３には、ショットキー層５とバッファ層３とのヘテロ接合界面直下に２次元電子ガス４が形成されることも図示されている。
【００３９】
図４及び図５は、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴと、Ｖを濃度８×１０１６／ｃｍ３で添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの、電圧−電流特性を示す図である。図４及び図５において、実線は実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの電圧−電流特性を示し、破線はＶを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの電圧−電流特性を示している。どちらのＧａＮ−ＨＥＭＴもトランジスタ構造は同一である。
【００４０】
図４は環境温度が常温におけるＧａＮ−ＨＥＭＴの電流−電圧特性を示し、図５は環境温度が２５０度におけるＧａＮ−ＨＥＭＴの電圧−電流特性を示す。測定では、ゲート電圧は４Ｖ、動作周波数は１ＭＨｚとした。図４に示されるのは、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴと、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの、環境温度を常温とした場合の電圧−電流特性である。両者にはほとんど差がみられない。上述したように、１１０度以下の温度において、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率は、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の電気抵抗率を下回るが、図４から常温におけるＧａＮ−ＨＥＭＴの特性に影響を与えるものでは無い事が確認された。
【００４１】
図５は、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴと、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの、環境温度を２５０度とした場合の電圧−電流特性である。
【００４２】
図４と図５との比較から分かるように、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴは、環境温度の上昇により大きく電流が低下する。一方、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴに、環境温度の上昇に伴う電流の低下はわずかである。つまり高温におけるトランジスタの出力電力の低下を抑制できる。この現象は、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴでは、高温でも炭化ケイ素単結晶基板の電気抵抗率が維持される一方で、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶基板を用いたＧａＮ−ＨＥＭＴの場合、Ｖに捕獲されていた電子の放出時間が高温において短くなるため、基板の電気抵抗率が低くなり、高周波特性が低下するためと考えられる。
【００４３】
図６は、トランジスタのリカバリ特性を示す説明図である。図６の上段はトランジスタに入力される入力電力Ｐｉｎを示し、下段はトランジスタのドレイン電流ＩＤを模式的に示したものである。図６の横軸は上下段ともに時間Ｔである。図６の上段に示されるように、トランジスタへ入力される信号の大きさは、時間Ｔ＝ｔ０まで小信号の水準であり、時間ｔ０からｔ１まで大信号の水準へ引き上げられ、ｔ１以降は再び小信号の水準へ引き下げられるとする。大信号の水準はトランジスタに対し過入力となる水準である。図６の下段に示されるように、トランジスタのドレイン電流は入力電力に応じてｔ０以前はＩＤ１に、時間ｔ０からｔ１まではＩＤ２となる。ところが入力電力を大信号から小信号へ引き下げたｔ１直後のドレイン電流は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のトラップ（半導体の格子欠損）の影響でドレイン電流が減少していったんＩＤ１以下となり、過渡的にある時定数をもって徐々にＩＤ１へ回復する。一般的に、この現象はリカバリ特性と呼ばれる。
【００４４】
図７は、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴと、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの、リカバリ特性を示した図であって、図６におけるＴ＝ｔ１以降におけるドレイン電流の振舞いを比較したものである。実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの電流−時間特性を実線で、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの電流−時間特性を破線で示している。
【００４５】
図７に示されるように、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの電流は、Ｖを添加した炭化ケイ素単結晶の基板上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴの電流と比較して、電流の減少が小さい。つまり、トランジスタの特性の変化が抑制されている。これは、実施形態に係る炭化ケイ素単結晶では、実効的な量のバナジウムが存在せず、すなわちバナジウムによる電子の捕獲・放出が起こらないため、ドレイン電流Ｉｄの減少が小さくなって、リカバリ特性が改善されたと考えられる。
【００４６】
本実施形態に係る炭化ケイ素単結晶基板は、マイクロ波及びミリ波を含む高周波において動作する電界効果型トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタに好適に用いることが出来る。
【符号の説明】
【００４７】
１  基板、  ２  下部バッファ層、  ３  バッファ層、  ４  ２次元電子ガス、  ５  ショットキー層、  ６  ソース電極、  ７  ゲート電極、  ８  ドレイン電極
【要約】
炭化ケイ素単結晶は、室温から４００℃の温度範囲においては温度と電気抵抗率が正の相関関係を示すものとなっており、室温から４００℃の温度範囲においては少なくとも１×１０７Ω・ｃｍの電気抵抗率を有するものとなっており、室温における電気伝導については電子による有意な電気伝導特性が見られずホールによる電気伝導を示すものとなっており、該炭化ケイ素単結晶の遷移元素の濃度は１×１０１７／ｃｍ３以下であることを特徴とする。【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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