JP4911943B2 - Insulated gate field effect transistor - Google Patents
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Description
本発明は、電界効果トランジスタ、発光ダイオード及び各種センサ等として使用される半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor element used as a field effect transistor, a light emitting diode, and various sensors.
ダイヤモンドは、熱伝導率が20W/cm・K、バンドギャップが5.47eV、飽和電子移動度が2000cm2/V・s、ホール移動度が2100cm2/V・sと、デバイス特性が優れており、高温及び放射線等に晒される過酷な環境下でも動作する電子デバイス、ハイパワーデバイス及び高周波デバイス等への応用が期待されている。 Diamond has a thermal conductivity of 20W / cm · K, the band gap 5.47 eV, saturated electron mobility 2000cm 2 / V · s, and the hole mobility is 2100cm 2 / V · s, has excellent device characteristics Application to electronic devices, high-power devices, high-frequency devices, and the like that operate under harsh environments exposed to high temperatures and radiation is expected.
従来、ダイヤモンド薄膜を使用した電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor;FET)の一構造として、ゲート電極と動作層であるチャネル層との間に絶縁層を挿入した絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor;MISFET)が提案されている(特許文献1参照)。図5は特許文献1に記載のMISFETを示す断面図である。図5に示すように、特許文献1に記載のMISFET100は、絶縁性ダイヤモンド単結晶基板101上に半導体ダイヤモンド層102が形成され、この半導体ダイヤモンド層102上に局所的に絶縁層103が形成されている。そして、半導体ダイヤモンド層102上には、絶縁層103を挟んでソース電極104及びドレイン電極105が形成されており、絶縁性層上にはゲート電極106が形成されている。
Conventionally, as a structure of a field effect transistor (FET) using a diamond thin film, an insulated gate field effect transistor (Metal Insulator Semiconductor) in which an insulating layer is inserted between a gate electrode and a channel layer as an operation layer. Field Effect Transistor (MISFET) has been proposed (see Patent Document 1). FIG. 5 is a cross-sectional view showing a MISFET described in Patent Document 1. In FIG. As shown in FIG. 5, in the
また、従来、チャネル層に高抵抗ダイヤモンド層を使用した構造のFETも提案されている(特許文献2参照)。図6は特許文献2に記載のFETを模式的に示す図である。図6に示すように、特許文献2に記載のFET110は、ソース電極114に接触した半導体ダイヤモンド層111と、ドレイン電極116に接触し、半導体ダイヤモンド層111と同一導電形の半導体ダイヤモンド層113との間に、高抵抗ダイヤモンド層112が形成されており、この高抵抗ダイヤモンド層112に接触するようにゲート電極115が形成されている。このFET110においては、ソース電極114からドレイン電極116に到達するキャリアは、半導体ダイヤモンド層111、高抵抗ダイヤモンド層112及び半導体ダイヤモンド層113をこの順に流れる。そして、ゲート電極115に印加する電圧VGを変化させることにより、高抵抗ダイヤモンド層112のポテンシャルを変化させ、ソース電極114が接触する半導体ダイヤモンド層111から高抵抗ダイヤモンド層112へのキャリア注入量を制御することができる。
Conventionally, an FET having a structure using a high-resistance diamond layer as a channel layer has also been proposed (see Patent Document 2). FIG. 6 is a diagram schematically showing the FET described in
このような構造のFETにおいて、ソース及びドレインとなる1対の半導体ダイヤモンド層がp形ダイヤモンドにより形成され、チャネルとなる高抵抗ダイヤモンド層が高純度なダイヤモンドにより形成されている構造のものを、p−i−p型FETという。なお、このp−i−p型FETにおける「i」は「真性(intrinsic)半導体」を示している。 In the FET having such a structure, a pair of semiconductor diamond layers serving as a source and a drain is formed of p-type diamond, and a high-resistance diamond layer serving as a channel is formed of high-purity diamond. -It is called an i-p type FET. Note that “i” in the p-i-p type FET indicates “intrinsic semiconductor”.
更に、高抵抗ダイヤモンド層を、キャリア濃度が1×1015cm−3以下のp形ダイヤモンドにより形成したFET(特許文献3参照)、並びに、ソース領域及びドレイン領域となる1対のp形半導体領域間に形成されたギャップ上に、チャネル領域となる第3の半導体領域を形成したFETも提案されている(特許文献4参照)。また、この特許文献4には、低抵抗の基板を使用し、基板に電荷の経路を設けてもよいことが開示されている。 Further, a FET (see Patent Document 3) in which a high-resistance diamond layer is formed of p-type diamond having a carrier concentration of 1 × 10 15 cm −3 or less, and a pair of p-type semiconductor regions serving as a source region and a drain region There has also been proposed an FET in which a third semiconductor region serving as a channel region is formed on a gap formed therebetween (see Patent Document 4). Further, Patent Document 4 discloses that a low-resistance substrate may be used and a charge path may be provided in the substrate.
なお、上述したp−i−p型FETにおいては、ゲート電極がオンのとき、電荷はp層からチャネル領域であるi層に注入され、ソース・ドレイン間に電流が流れる。 In the p-i-p type FET described above, when the gate electrode is on, charges are injected from the p layer into the i layer, which is the channel region, and a current flows between the source and drain.
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。従来のFETにおいては、一般に、チャネル層にはアクセプタ又はドナーとなるドーパントが1×1015乃至1×1018cm−3程度ドーピングされているため、基板のフェルミ準位による影響は少なかったが、前述したp−i−p型FETにおいては、従来のFETに比べてチャネル層中のドーパント濃度が低いため、基板のフェルミ準位の影響が無視できない程大きくなるという問題点がある。 However, the conventional techniques described above have the following problems. In the conventional FET, the channel layer is generally doped with about 1 × 10 15 to 1 × 10 18 cm −3 of a dopant serving as an acceptor or a donor. Therefore, the influence of the Fermi level of the substrate is small. The pi-type FET described above has a problem that the dopant concentration in the channel layer is lower than that of the conventional FET, and therefore the influence of the Fermi level of the substrate becomes so large that it cannot be ignored.
例えば、チャネル層と基板とが接触する構造のFETでは、高抵抗基板を使用した場合、チャネル層の導電形と基板の導電形が異なる場合及び導電形はチャネル層と同じであるがドーパントの種類が大きく異なる基板を使用した場合等には、基板とチャネル層との間でバンドギャップ内のフェルミ準位が0.5eV以上と大幅に異なることがある。このような場合には、基板のフェルミ準位のチャネル層に対する影響は更に大きくななり、その結果、チャネル層のコンダクタンスが小さくなる。チャネル層のコンダクタンスが小さくなると、FETがオフのときの漏れ電流を小さくするには好都合であるが、オンのときにゲート電極に大きなバイアスを印加しなければならないため、相互コンダクタンスが小さくなる。 For example, in the FET having a structure in which the channel layer and the substrate are in contact, when a high-resistance substrate is used, the channel layer and the substrate have different conductivity types, and the conductivity type is the same as that of the channel layer, but the type of dopant. When a substrate having a significantly different value is used, the Fermi level in the band gap may be significantly different from 0.5 eV or more between the substrate and the channel layer. In such a case, the influence of the Fermi level of the substrate on the channel layer is further increased, and as a result, the conductance of the channel layer is reduced. When the conductance of the channel layer is reduced, it is convenient to reduce the leakage current when the FET is off. However, since a large bias must be applied to the gate electrode when the FET is on, the transconductance is reduced.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、基板のフェルミ準位の影響を低減することができる半導体素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a semiconductor element capable of reducing the influence of the Fermi level of a substrate.
本発明に係る半導体素子は、半導体基板と、この半導体基板の一方の面上に前記半導体基板と同じ半導体材料により形成され前記半導体基板とドーパントの種類又は濃度が異なる緩衝層と、前記緩衝層上に夫々局所的に形成された第1及び第2の半導体層と、前記半導体基板と同じ半導体材料により形成され前記第1及び第2の半導体層よりもドーパント濃度が低く前記第1及び第2の半導体層間のチャネル領域となる第3の半導体層と、を有し、前記半導体基板のフェルミ準位と前記第3の半導体層のフェルミ準位との差をV(eV)とし、前記半導体基板の導電形がn形のときはその有効ドナーの濃度を、p形のときはその有効アクセプタの濃度をNS(m−3)とし、前記緩衝層の導電形がn形のときはその有効ドナーの濃度を、p形のときはその有効アクセプタの濃度をNB(m−3)とし、前記第1及び第2の半導体層間の長さであるチャネル長をL(m)とし、素電荷をeとし、前記緩衝層の比誘電率をεBとし、真空の誘電率をε0としたとき、前記緩衝層の厚さD(m)が下記数式1により表される範囲内であることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a buffer layer formed on one surface of the semiconductor substrate with the same semiconductor material as the semiconductor substrate and having a different kind or concentration of dopant from the semiconductor substrate, and the buffer layer. The first and second semiconductor layers are locally formed respectively, and the first and second semiconductor layers are made of the same semiconductor material as the semiconductor substrate and have a lower dopant concentration than the first and second semiconductor layers. A third semiconductor layer serving as a channel region between the semiconductor layers, and a difference between the Fermi level of the semiconductor substrate and the Fermi level of the third semiconductor layer is V (eV), and the concentration of the effective donors when the conductivity type n type, when the p-type and the concentration of the effective acceptor n S and (m -3), wherein when the conductivity type of the buffer layer is n-type that effective donors The concentration of p In the case of the shape, the effective acceptor concentration is N B (m −3 ), the channel length which is the length between the first and second semiconductor layers is L (m), the elementary charge is e, and the buffer When the relative dielectric constant of the layer is ε B and the dielectric constant of the vacuum is ε 0 , the thickness D (m) of the buffer layer is within the range represented by the following formula 1.
本発明においては、半導体基板とチャネルとなる第3の半導体層との間に緩衝層を設け、この緩衝層の厚さDを上記数式1に示す範囲内としているため、半導体基板のフェルミ準位と第3の半導体層のフェルミ準位との相互作用を抑制し、チャネル層である第3の半導体層のフェルミ準位を最適な位置にすることができる。なお、上記数式1において、素電荷eは1.60×10−19Cであり、真空の誘電率ε0は0.8854×10−11F/mである。 In the present invention, a buffer layer is provided between the semiconductor substrate and the third semiconductor layer serving as a channel, and the thickness D of the buffer layer is within the range shown in Formula 1 above. And the Fermi level of the third semiconductor layer can be suppressed, and the Fermi level of the third semiconductor layer, which is the channel layer, can be brought to an optimum position. In Equation 1, the elementary charge e is 1.60 × 10 −19 C, and the vacuum dielectric constant ε 0 is 0.8854 × 10 −11 F / m.
前記緩衝層における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NB(m−3)を、前記半導体基板における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NS(m−3)の1/2よりも少なく、且つ前記第3の半導体層における有効ドナーの濃度又は有効アクセプタの濃度NC(m−3)の10倍よりも少なくしてもよい。これにより、緩衝層の厚さを実用的な範囲とし、膜厚のばらつきによる相互コンダクタンスの低下を防止することができる。 The effective donor or effective acceptor concentration N B (m −3 ) in the buffer layer is less than ½ of the effective donor or effective acceptor concentration N S (m −3 ) in the semiconductor substrate, and the third The effective donor concentration or the effective acceptor concentration N C (m −3 ) in the semiconductor layer may be less than 10 times. As a result, the thickness of the buffer layer can be set within a practical range, and a decrease in mutual conductance due to variations in film thickness can be prevented.
また、前記緩衝層は、その導電形が前記半導体基板の導電形と異なっていてもよい。これにより、フェルミ準位の相互作用の抑制効果をより向上させることができる。 The buffer layer may have a conductivity type different from that of the semiconductor substrate. Thereby, the suppression effect of the Fermi level interaction can be further improved.
更に、前記半導体基板、前記緩衝層及び前記第3の半導体層は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化バリウム、窒化インジウム、炭化珪素、酸化チタン及び酸化スズからなる群から選択された少なくとも1種の半導体材料により形成することができる。これらのワイドバンドギャップ半導体を使用すると、より高い効果が得られる。 Furthermore, the semiconductor substrate, the buffer layer, and the third semiconductor layer are at least one selected from the group consisting of diamond, aluminum nitride, boron nitride, barium nitride, indium nitride, silicon carbide, titanium oxide, and tin oxide. The semiconductor material can be used. When these wide band gap semiconductors are used, higher effects can be obtained.
更にまた、前記半導体基板の導電形がn形である場合、前記緩衝層並びに前記第1及び第2の半導体層の導電形をp形とし、前記第3の半導体層を真性半導体若しくはドーパンド濃度が5×10 17 cm−3以下のp形半導体により形成してもよい。又は、前記半導体基板の導電形がp形である場合、前記緩衝層並びに前記第1及び第2の半導体層の導電形をn形とし、前記第3の半導体層を真性半導体又はドーパンド濃度が5×10 17 cm−3以下のn形半導体により形成することもできる。このように、前記第3の半導体層を真性半導体若しくはドーパンド濃度が5×10−17cm−3以下の半導体により形成した場合に、より高い効果が得られる。 Furthermore, when the conductivity type of the semiconductor substrate is n-type, the conductivity type of the buffer layer and the first and second semiconductor layers is p-type, and the third semiconductor layer has an intrinsic semiconductor or dopant concentration. You may form by the p-type semiconductor of 5 * 10 < 17 > cm <-3> or less. Alternatively, when the conductivity type of the semiconductor substrate is p-type, the conductivity type of the buffer layer and the first and second semiconductor layers is n-type, and the third semiconductor layer has an intrinsic semiconductor or dopant concentration of 5 It can also be formed of an n-type semiconductor of × 10 17 cm −3 or less. Thus, a higher effect can be obtained when the third semiconductor layer is formed of an intrinsic semiconductor or a semiconductor having a dopant concentration of 5 × 10 −17 cm −3 or less.
本発明によれば、半導体基板と第3の半導体層との間に緩衝層を設け、この緩衝層の厚さを適正化しているため、半導体基板のフェルミ準位とチャネル層である第3の半導体層のフェルミ準位との相互作用を抑制することができる。 According to the present invention, since the buffer layer is provided between the semiconductor substrate and the third semiconductor layer, and the thickness of the buffer layer is optimized, the Fermi level of the semiconductor substrate and the third channel layer are formed. Interaction with the Fermi level of the semiconductor layer can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態に係る半導体素子について、添付の図面を参照して具体的に説明する。本発明者等は上述の問題点を解決するため、鋭意実験研究を行った結果、チャネル層のフェルミ準位と基板のフェルミ準位との相互作用による問題点は、以下に示す要因により生じることを見出した。チャネル層のフェルミ準位と基板のフェルミ準位とが異なっていると、チャネル層と基板との界面付近には、フェルミ準位の遷移層が形成される。この遷移層では、チャネル層のフェルミ準位がバンドギャップ中央方向へ押しやられて、フェルミ準位が深くなり、キャリア空乏状態となる。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive experimental research. As a result, problems caused by the interaction between the Fermi level of the channel layer and the Fermi level of the substrate are caused by the following factors. I found. When the Fermi level of the channel layer and the Fermi level of the substrate are different, a Fermi level transition layer is formed in the vicinity of the interface between the channel layer and the substrate. In this transition layer, the Fermi level of the channel layer is pushed toward the center of the band gap, the Fermi level becomes deep, and a carrier depletion state occurs.
チャネル層の厚さが厚い場合は、基板から遠ざかるに従いフェルミ準位は徐々にチャネル層固有の位置に近づくが、一般にチャネル層は10乃至200nmと薄いため、チャネル層全体が基板のフェルミ準位の影響を受け、場合によってはチャネル層全体が空乏化してしまうこともある。そして、前述のp−i−p型FET等の場合は、チャネル層のフェルミ準位が深いと、チャネル層への電荷注入におけるポテンシャル障壁が高くなり、電荷が注入されにくくなるため、コンダクタンスが低下する。 When the channel layer is thick, the Fermi level gradually approaches the position inherent to the channel layer as the channel layer moves away from the substrate. However, since the channel layer is generally as thin as 10 to 200 nm, the entire channel layer has the Fermi level of the substrate. In some cases, the entire channel layer may be depleted. In the case of the above-described p-i-p-type FET and the like, if the Fermi level of the channel layer is deep, the potential barrier in the charge injection into the channel layer becomes high, and it becomes difficult to inject the charge, so the conductance decreases. To do.
このような問題点は、フェルミ準位がチャネル層と同じか、又は略同程度である基板を使用することにより防止することができるが、そうすると、電荷が基板を通過しやすくなるため、オフのときの漏れ電流が増加し、オフのときに無駄な電流を消費してしまうという新たな問題が発生する。 Such a problem can be prevented by using a substrate whose Fermi level is the same as or approximately the same as that of the channel layer. Leakage current increases, and a new problem arises that wasteful current is consumed when the switch is off.
なお、基板とチャネル層とが同じ導電形である場合は、基板のフェルミ準位とチャネル層のフェルミ準位との相互作用は殆どないか、あっても極僅かである。これは、これらのフェルミ準位の位置がバンドギャップの中央を境にして同じ側、即ち、導電形がn形であるならば伝導帯側、p形であるならば価電子帯側に位置し、ドーパントが同じである場合はその位置が同じとなり、ドーパントが異なる場合でもその位置は殆ど変わらないからである。しかしながら、基板及びチャネル層をバンドギャップが大きい半導体により形成した場合は、導電形が同じであってもドーパントが異なると、フェルミ準位の差が例えば1eV以上にある場合があり、更に、基板とチャネル層との導電形が異なる場合には、フェルミ準位の差が数eV以上になることがある。 When the substrate and the channel layer have the same conductivity type, there is little or no interaction between the Fermi level of the substrate and the Fermi level of the channel layer. This is because these Fermi levels are located on the same side of the band gap, that is, on the conduction band side if the conductivity type is n-type, and on the valence band side if p-type. This is because the position is the same when the dopant is the same, and the position is hardly changed even when the dopant is different. However, when the substrate and the channel layer are formed of a semiconductor having a large band gap, even if the conductivity type is the same, if the dopant is different, the difference in Fermi level may be, for example, 1 eV or more. When the conductivity type differs from that of the channel layer, the Fermi level difference may be several eV or more.
そこで、本実施形態の半導体素子においては、チャネル層と基板との間に緩衝層を形成し、チャネル層のフェルミ準位と基板のフェルミ準位との相互作用を抑制している。図1は本実施形態の半導体素子を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の半導体素子10は、p−i−p−型又はn−i−n型の構造のFET又はダイオードであり、半導体基板1の一方の面上に、この半導体基板1と同じ半導体材料からなり、半導体基板1とはドーパントの種類又は濃度が異なる緩衝層2が形成されている。また、この緩衝層2上には、ソース及びドレインとなる第1及び第2の半導体層である半導体層3a及び3bが夫々局所的に形成されており、半導体層3a及び3bの相互に対向する端部上及びこれらの間には、半導体基板1と同じ半導体材料からなり、半導体層3a及び3bよりもドーパント濃度が低い第3の半導体層であるチャネル層4が形成されている。更に、半導体層3a及び3bにおけるチャネル層4が形成されていない領域上には、夫々ソース電極5及びドレイン電極6が形成されている。更にまた、ソース電極5及びドレイン電極6の相互に対向する端部及びチャネル層4を覆うように絶縁層7が形成されており、この絶縁層7におけるチャネル層4の直上域にはゲート電極8が形成されている。そして、この半導体素子10においては、チャネル層4における半導体層3a及び3bに挟まれた領域がチャネルとなる。
Therefore, in the semiconductor element of this embodiment, a buffer layer is formed between the channel layer and the substrate to suppress the interaction between the Fermi level of the channel layer and the Fermi level of the substrate. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment. As shown in FIG. 1, the
本実施形態の半導体素子10における半導体基板1、緩衝層2及びチャネル層4は、何れも同じ物質か、又は同類の物質により形成されている。これらを形成する物質としては、ワイドギャップ半導体であることが好ましく、例えば、ダイヤモンド、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)、窒化バリウム(BaN)、窒化インジウム(InN)、炭化珪素(SiC)又はこれらの混晶、酸化チタン(TiO2)、TiO2に金属元素を添加した化合物、酸化スズ(SnO2)及びSnO2に金属元素を添加した化合物等が挙げられる。
The semiconductor substrate 1, the
また、本実施形態の半導体素子10は、チャネル層4が高純度半導体又は低濃度にドーパントがドープされた半導体により形成されていることが好ましい。即ち、p−i−p型半導体素子又はn−i−n型半導体素子であることが好ましい。そして、その構造がp−i−p型である場合は、半導体基板1の導電形をn型とし、緩衝層2及びチャネル層4の導電形をp型とし、例えばチャネル層4(i領域)が、5×10 17 cm−3未満と極微量のp形ドーパントを含んでいるときは、半導体層3a及び3bはそれよりもp形ドーパント濃度を高くすればよい。一方、その構造がn−i−n型である場合は、半導体基板1の導電形をp型とし、緩衝層2及びチャネル層4の導電形をn型とする。
In the
更に、本実施形態の半導体素子10における緩衝層2の厚さ、及びその導電形がn形のときの有効ドナー濃度又はその導電形がp形のときの有効アクセプタ濃度は、フェルミ準位に影響されて変化するチャネル層4のフェルミ準位を補償できる程度とする。具体的には、緩衝層2の厚さをD(m)、半導体基板1のフェルミ準位とチャネル層4のフェルミ準位との差をV(eV)、半導体基板1がn形のときはその有効ドナーの濃度を、p形のときはその有効アクセプタの濃度をNS(m−3)、緩衝層2がn形のときはその有効ドナーの濃度を、p形のときはその有効アクセプタの濃度をNB(m−3)、半導体層3a及び半導体層3b間の長さ、即ち、チャネル長をL(m)としたとき、下記数式2により表されるAの値が20乃至150になるようにする。
Furthermore, the thickness of the
なお、上記数式2における有効アクセプタ濃度及び有効ドナー濃度は、補償分を含まない濃度とし、例えば、ドナー及びアクセプタの両方が存在し、これらが共に1価である場合は、それらの濃度の差とする。また、eは素電荷(1.60×10 −19 C)であり、εBは緩衝層の比誘電率、ε0は真空の誘電率(0.8854×10−11F/m)である。
In addition, the effective acceptor concentration and the effective donor concentration in the
上記数式2により表されるAの値が20未満であると、オフ時の漏れ電流が1mA/mmを超え、それに伴いいわゆる待機電力が実用的とはいえない程度に大きくなってしまう。一方、Aの値が150を超えると、相互コンダクタンスは一般的に実用的とされている200mS/mmを下回ってしまう。また、Aの値は、50以上150以下とすることが好ましく、これにより、相互コンダクタンスを250mS/mm以上とすることができる。このとき、漏れ電流も50μA/mm以下となり、実用上問題のないレベルとなる。
When the value of A represented by the above
従って、本実施形態の半導体素子10においては、緩衝層2の厚さDを下記数式3により表される範囲する。
Therefore, in the
また、緩衝層2の厚さDは、下記数式4により表される範囲とすることがより好ましい。
Further, the thickness D of the
なお、緩衝層2における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NBが、半導体基板1における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NSの1/2以上の場合、緩衝層2の厚さを極めて薄くし、更にその厚さを厳密に調節しなければならなくなる。例えば、NB≧(1/2)×NSの範囲では、緩衝層2の厚さDが、上記数式3の範囲よりも少しでも厚くなると、半導体層3aと半導体層3bとの間を流れるキャリアが、チャネル層4よりも緩衝層2を流れるようになり、その結果、相互コンダクタンスが小さくなってしまう。同様に、本実施形態の半導体素子10においては、緩衝層2における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NBが、チャネル層4の有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NCの10倍以上である場合、緩衝層2の厚さを厳密に調節しなければならなくなり、緩衝層2の厚さDが、上記数式3の範囲よりも少しでも厚くなると、半導体層3aと半導体層3bとの間を流れるキャリアが、チャネル層4よりも緩衝層2を流れるようになる。しかしながら、極めて薄い緩衝層2の厚さを厳密に調節することは技術的に困難である。よって、本実施形態の半導体素子10においては、緩衝層2における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NBを、半導体基板1における有効ドナー又は有効アクセプタの濃度NSの1/2よりも少なく、且つチャネル層4の有効ドナーの濃度(n形のとき)又は有効アクセプタの濃度(p形のとき)を示すNC(m−3)の10倍よりも少なくなるようにする。
The concentration N B of the effective donors or effective acceptor in the
なお、本実施形態の半導体素子10を構成する各層に添加されるn形ドーパント(ドナー)としては、半導体の種類により異なり、その中で任意に選択することができる。例えば、ダイヤモンド及び炭化硅素等のIV属半導体の場合には、窒素の他に、リン、砒素、アンチモン、硫黄、酸素等のV属又はVI属元素が挙げられる。また、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化バリウム、窒化インジウム等のIII−V属半導体の場合には、VI属元素が挙げられる。場合によってはV属元素もn形ドーパントとなる。酸化チタン、酸化スズ等の酸化金属半導体では、インジウム等の構成金属より価数が1小さい元素等がn形ドーパントとなりやすい。p形ドーパントとしては、例えばダイヤモンド及び炭化硅素等のIV属半導体の場合には、ホウ素の他に、アルミニウム、ガリウム、インジウム等のIII属元素が挙げられる。窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化バリウム、窒化インジウム等のIII−V属半導体の場合には、II属元素が挙げられる。場合によっては、V属元素もp形ドーパントとなる。酸化チタン、酸化スズ等の酸化金属半導体では、インジウム等の構成金属より価数が1大きい元素等がp形ドーパントとなりやすい。
Note that the n-type dopant (donor) added to each layer constituting the
本実施形態の半導体素子10においては、半導体基板1とチャネル層4との間に緩衝層2を設け、緩衝層2の厚さとドーピング量とを適正化し、緩衝層2の厚さDを上記数式3に示す範囲内としているため、半導体基板1のフェルミ準位とチャネル層4のフェルミ準位との相互作用を抑制し、チャネル層のフェルミ準位を最適な位置にすることができる。その結果、オフ時の漏れ電流を低くすることができると共に、オン時の電流が多くすることができる。
In the
また、本実施形態の半導体素子10は、半導体基板1の導電形と緩衝層2の導電形とを逆にすることにより、これらの間に生じるフェルミ準位の相互作用を抑制する効果を向上させることができる。
Moreover, the
なお、上述した効果は、半導体素子を形成している材料の種類にかかわらず得られるが、特に、半導体基板1及びチャネル層4がワイドバンドギャップ半導体により形成されている場合、及びチャネル層4が高純度半導体又は低濃度ドープ半導体により形成されている場合に、大きな効果が得られる。 The above-described effects can be obtained regardless of the type of material forming the semiconductor element. In particular, when the semiconductor substrate 1 and the channel layer 4 are formed of a wide band gap semiconductor, A great effect can be obtained when formed of a high-purity semiconductor or a lightly doped semiconductor.
以下、ダイヤモンド薄膜を使用した電界効果トランジスタを例に、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。本実施例においては、以下に示す方法で、半導体基板1の有効ドナーの濃度NS(m−3)、緩衝層2の厚さ及び有効アクセプタの濃度NB(m−3)、チャネル層の長さL(m)及び有効アクセプタの濃度NC(m−3)が夫々異なり、図1に示す構造のp−i−p型FETを作製した。先ず、半導体基板1として、表面が(100)面であり、n型半導体である高圧合成単結晶ダイヤモンド基板を使用した。この高圧合成単結晶ダイヤモンド基板の赤外線吸収法により測定した孤立置換窒素濃度は1×1018乃至3×1019cm−3であった。なお、本実施例で使用した高圧合成単結晶ダイヤモンド基板では、アクセプタとなるホウ素の濃度がドナーとなる窒素の濃度の1/10未満であったため、前述の孤立置換窒素濃度を有効ドナー濃度とした。
Hereinafter, the effect of the embodiment of the present invention will be described by taking a field effect transistor using a diamond thin film as an example in comparison with a comparative example that is out of the scope of the present invention. In the present embodiment, by the following method, the concentration N S (m -3) of effective donors of the semiconductor substrate 1, the thickness of the
そして、この高圧合成単結晶ダイヤモンド基板上に、緩衝層2として、マイクロ波プラズマCVD法により低濃度にBをドープしたダイヤモンド膜を50乃至200nmの厚さで形成した。その際の成膜条件は、2.45GHzのマイクロ波CVD装置を使用し、反応ガスには水素、メタン0.3乃至0.5体積%及びジボラン0.1乃至2ppmの混合ガスを使用し、反応容器内の圧力を6.6kPa(50Torr)、基板温度を750乃至800℃とした。これにより得られた低濃度Bドープダイヤモンド膜は、SIMSにより測定したB素濃度が1×1016乃至5×1017cm−3であった。なお、この低濃度Bドープダイヤモンド膜では、ホール効果の測定により求めた補償比が1/10未満であったため、SIMSにより測定したホウ素濃度を有効アクセプタ濃度とした。
A diamond film doped with B at a low concentration was formed as a
次に、この低濃度Bドープダイヤモンド膜上にアルミナ膜を蒸着した後、リソグラフィ技術によって、幅が0.1乃至1.0μmの線形状のパターンを形成した。そして、マイクロ波プラズマCVD法により、高濃度にBをドープしたダイヤモンド膜を50nmの厚さで形成した後、アルミナ膜を除去し、B高濃度ドープダイヤモンド膜からなり、その間隔が0.2μmである1対のp形半導体層3a及び3bを形成した。その際の成膜条件は、2.45GHzのマイクロ波CVD装置を使用し、反応ガスには水素、メタン0.3乃至0.5体積%及びジボラン0.01乃至0.05体積%の混合ガスを使用し、反応容器内の圧力を6.6kPa(50Torr)、基板温度を750乃至800℃とした。これにより得られた高濃度Bドープダイヤモンド膜は、二次イオン分析法(SIMS;secondary ion mass spectroscopy)により測定したB濃度が1×1020乃至5×1020cm−3であった。なお、この高濃度Bドープダイヤモンド膜では、ホール効果の測定により求めた補償比が1/10未満であったため、SIMSにより測定したB濃度を有効アクセプタ濃度とした。
Next, after depositing an alumina film on the low-concentration B-doped diamond film, a linear pattern having a width of 0.1 to 1.0 μm was formed by lithography. Then, a diamond film doped with B at a high concentration is formed with a thickness of 50 nm by microwave plasma CVD, and then the alumina film is removed to form a B-doped diamond film with an interval of 0.2 μm. A pair of p-
次に、p形半導体層3a及び3b間の間隙及びこれらの相互に対向する端部上に、チャネル層4(i領域)として、低濃度Bドープダイヤモンド膜を50nmの厚さで成膜した。その際、反応ガスにおけるジボラン濃度を0.1乃至2ppmとし、それ以外の成膜条件及びパターン形成方法は、前述のp形半導体層3a及び3bと同様にした。これにより得られた低濃度Bドープダイヤモンド膜は、SIMSにより測定したB素濃度が1×1016乃至5×1017cm−3であった。なお、この低濃度Bドープダイヤモンド膜では、ホール効果の測定により求めた補償比が1/10未満であったため、SIMSにより測定したホウ素濃度を有効アクセプタ濃度とした。
Next, a low-concentration B-doped diamond film having a thickness of 50 nm was formed as a channel layer 4 (i region) on the gap between the p-
次に、p形半導体層3a及び3b上に夫々スパッタ法により白金電極を形成し、これらを夫々ソース電極5及びドレイン電極6とした。そして、絶縁層7として、蒸着法により、チャネル層4の全体を覆うように厚さ50nmのアルミナ膜を蒸着した。その後、蒸着法により、アルミナ膜の低濃度Bドープダイヤモンド膜の直上域上に、ゲート電極8として金膜を形成し、実施例1乃至14及び比較例1乃至5のp−i−p型FETを作製した。
Next, platinum electrodes were formed on the p-
図2は本発明の比較例6のFETを示す断面図である。更に、図2に示すように、緩衝層を設けず、高圧合成単結晶ダイヤモンド基板11上に、高濃度Bドープダイヤモンド膜からなるp形半導体層13a及び13b、並びに低濃度Bドープダイヤモンド膜からなるチャネル層14を形成した。その後、p形半導体層13a及び13b上に夫々スパッタ法により白金電極を形成し、これらをソース電極15及びドレイン電極16とした。そして、蒸着法により、絶縁層17となるアルミナ膜を蒸着した後、ゲート電極18として金膜を形成して、比較例6のp−i−p型FET20を作製した。この比較例6のFET20における上記以外の構成、製造方法及び製造条件は前述の実施例及び比較例と同じにした。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an FET of Comparative Example 6 of the present invention. Further, as shown in FIG. 2, the buffer layer is not provided, and the p-
次に、実施例1乃至14及び比較例1乃至6のFETの各電極に電位を印加したところ、いずれも典型的なFET動作を示した。そして、緩衝層を設けていない比較例6のFETでは、ドレイン電圧が−14V、ゲート電圧が−10Vであるとき、規格化相互コンダクタンスが1乃至9mS/mmとなった。また、基板とチャネル層との間に緩衝層を設けた実施例1乃至14及び比較例1乃至5のFETにおけるAの値、オフ時の規格化漏れ電流及び規格化相互コンダクタンスを下記表1に示す。なお、下記表1に示す規格化漏れ電流は、ゲート電圧を0V、ドレイン電圧を30Vとしたときの値であり、規格化相互コンダクタンスは、ゲート電圧を−10V、ドレイン電圧を−14Vとしたときの値である。また、下記表1には各FETにおける基板の有効ドナーの濃度NS(m−3)、緩衝層の厚さ及び有効アクセプタの濃度NB(m−3)、並びにチャネル層の長さL(m)及び有効アクセプタの濃度NC(m−3)を併せて示す。また、図3は横軸にAをとり、縦軸に漏れ電流をとって、Aの値と漏れ電流との関係を示すグラフ図であり、図4は横軸にAをとり、縦軸に相互コンダクタンスをとって、Aの値と相互コンダクタンスとの関係を示すグラフ図である。 Next, when a potential was applied to each electrode of the FETs of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 6, all showed typical FET operations. And in FET of the comparative example 6 which does not provide the buffer layer, when the drain voltage is -14V and the gate voltage is -10V, the normalized transconductance is 1 to 9 mS / mm. Table 1 below shows the value of A, the normalized leakage current at the OFF time, and the normalized transconductance in the FETs of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 5 in which the buffer layer is provided between the substrate and the channel layer. Show. The normalized leakage current shown in Table 1 below is the value when the gate voltage is 0 V and the drain voltage is 30 V, and the normalized transconductance is when the gate voltage is −10 V and the drain voltage is −14 V. Is the value of Further, the following Table 1 Concentration N S of effective donors of the substrate in each FET (m -3), the concentration N B of the thickness and effective acceptor buffer layer (m -3), and the length of the channel layer L ( m) and effective acceptor concentration N C (m −3 ) are shown together. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the value of A and the leakage current, with A on the horizontal axis and leakage current on the vertical axis. FIG. 4 shows A on the horizontal axis and A on the vertical axis. It is a graph which shows the relationship between the value of A, and a mutual conductance taking a mutual conductance.
上記表1、図3及び図4に示すように、Aの値が20乃至150の範囲内である実施例1乃至14のFETは、相互コンダクタンスが200mS/mm以上と高く、更に、Aの値を50以上とした実施例1、2、4、5、7、9、11乃至14のFETは漏れ電流が50μA/mm以下かつ相互コンダクタンスが250mS/mm以上となり、優れたトランジスタ特性を示した。一方、Aの値が150を超えている比較例1乃至5のFETは、相互コンダクタンスが190mS/mm以下と低く、特に、緩衝層2の厚さが0.1nmと薄い比較例5のFETでは、緩衝層2を設けていない比較例6のFETと同等の特性しか得られなかった。また、比較例6はAの値が20未満であるので、漏れ電流が10000μA/mmと大きく、相互コンダクタンスが160mS/mmと低かった。
As shown in Table 1, FIG. 3 and FIG. 4, the FETs of Examples 1 to 14 in which the value of A is in the range of 20 to 150 have a high mutual conductance of 200 mS / mm or more. The FETs of Examples 1, 2, 4, 5, 7, 9, 11 to 14 having an A of 50 or more exhibited excellent transistor characteristics with a leakage current of 50 μA / mm or less and a mutual conductance of 250 mS / mm or more. On the other hand, the FETs of Comparative Examples 1 to 5 in which the value of A exceeds 150 have a low mutual conductance of 190 mS / mm or less, and in particular, the FET of Comparative Example 5 with a
1;半導体基板
2;緩衝層
3a、3b、13a、13b;半導体層
4、14;チャネル層
5、15、104、114;ソース電極
6、16、105、116;ドレイン電極
7、17、103;絶縁層
8、18、106、115;ゲート電極
10;半導体素子
11;高圧合成単結晶ダイヤモンド基板
20、100、110;FET
101;絶縁性ダイヤモンド単結晶基板
102、111、113;半導体ダイヤモンド層
112;高抵抗ダイヤモンド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1;
101; Insulating diamond
Claims (6)
A semiconductor substrate, a buffer layer formed of the same semiconductor material as that of the semiconductor substrate on one surface of the semiconductor substrate and having a different kind or concentration of dopant from the semiconductor substrate, and locally formed on the buffer layer, respectively. The first and second semiconductor layers are formed of the same semiconductor material as that of the semiconductor substrate and have a dopant concentration lower than that of the first and second semiconductor layers to form a channel region between the first and second semiconductor layers. When the difference between the Fermi level of the semiconductor substrate and the Fermi level of the third semiconductor layer is V (eV), and the conductivity type of the semiconductor substrate is n-type the concentration of the effective donors, when the p-type and the concentration of the effective acceptor and n S (m -3), the concentration of the effective donors when conductivity type is n-type of the buffer layer, when p-type Is its valid accept N B (m −3 ), the channel length which is the length between the first and second semiconductor layers is L (m), the elementary charge is e, and the relative dielectric constant of the buffer layer is An insulated gate field effect transistor characterized in that the thickness D (m) of the buffer layer is within a range represented by the following formula, where ε B and the dielectric constant of vacuum is ε 0 .
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