JP5975466B2 - Ｇａ２Ｏ３系半導体素子 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｇａ2Ｏ3系半導体素子に関する。
従来のＧａ2Ｏ3系半導体素子として、α−Ａｌ2Ｏ3（サファイア）基板上に形成されたβ−Ｇａ2Ｏ3結晶膜を用いたβ−Ｇａ2Ｏ3系半導体素子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
K. Matsuzaki et al. Appl. Phys. Lett. 88, 092106, 2006.
しかしながら、単斜晶系のβ−Ｇａ2Ｏ3結晶膜をコランダム構造のα−Ａｌ2Ｏ3基板上に成長させることは困難であり、高品質なβ−Ｇａ2Ｏ3結晶膜を得ることはできない。このため、α−Ａｌ2Ｏ3基板上のβ−Ｇａ2Ｏ3結晶膜を用いて高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を形成することは困難である。
したがって、本発明の目的は、高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を提供することにある。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［２］のＧａ2Ｏ3系半導体素子を提供する。
［１］α−Ａｌ２Ｏ３基板上に直接形成されたα−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶（０≦ｘ＜１）からなるα−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜と、前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域上に形成され、前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜との界面にショットキー接合を形成するゲート電極と、を含むＧａ２Ｏ３系半導体素子。
［２］前記α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜中に形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ接続された、前記α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜と同じ導電型の第１のコンタクト領域及び第２のコンタクト領域をさらに含む、前記［１］に記載のＧａ2Ｏ3系半導体素子。
［３］前記α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜、第１のコンタクト領域、及び第２のコンタクト領域はｎ型である、前記［２］に記載のＧａ2Ｏ3系半導体素子。
本発明によれば、高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を提供することができる。
本発明の実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜をα−Ａｌ2Ｏ3基板上に形成し、その高品質のα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜を用いて、高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を形成することができる。以下、その実施の形態の例について詳細に説明する。
〔実施の形態〕
実施の形態では、Ｇａ2Ｏ3系半導体素子としてのＧａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）について説明する。
実施の形態では、Ｇａ2Ｏ3系半導体素子としてのＧａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）について説明する。
（Ｇａ2Ｏ3系半導体素子の構成）
図１は、実施の形態に係るＧａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴの断面図である。Ｇａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴ１０は、α−Ａｌ2Ｏ3基板２上に形成されたｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３と、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３中にソース電極１２及びドレイン電極１３の下にそれぞれ形成されたコンタクト領域１４、１５と、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３のソース電極１２とドレイン電極１３の間の領域上に形成されたゲート電極１１とを含む。
図１は、実施の形態に係るＧａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴの断面図である。Ｇａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴ１０は、α−Ａｌ2Ｏ3基板２上に形成されたｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３と、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３中にソース電極１２及びドレイン電極１３の下にそれぞれ形成されたコンタクト領域１４、１５と、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３のソース電極１２とドレイン電極１３の間の領域上に形成されたゲート電極１１とを含む。
ソース電極１２とドレイン電極１３は、ｎ型α−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３を介して電気的に接続されている。また、ゲート電極１１とｎ型α−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３の界面はショットキー接合を形成し、ｎ型α−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜３中のゲート電極１１下に空乏層が形成される。この空乏領域の厚さにより、Ｇａ２Ｏ３系ＭＥＳＦＥＴ１０は、ノーマリーオフ型のトランジスタ又はノーマリーオン型のトランジスタとして機能する。
ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３は、α−Ａｌ2Ｏ3基板２上に形成されたα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3（０≦ｘ＜１）の単結晶膜である。ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３は、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等のｎ型ドーパントを含む。ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３は、例えば、１×１０15／ｃｍ3以上、１×１０19／ｃｍ3以下の濃度のｎ型ドーパントを含む。また、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３の厚さは、例えば、０．１〜１０μｍである。
なお、α−Ａｌ2Ｏ3基板２とｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３との間に、アンドープβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶膜等の他の膜が形成されてもよい。この場合、α−Ａｌ2Ｏ3基板２上にアンドープβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶膜がエピタキシャル成長により形成され、アンドープβ−Ｇａ2Ｏ3単結晶膜上にｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３がエピタキシャル成長により形成される。
ゲート電極１１、ソース電極１２、及びドレイン電極１３は、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ等の金属、これらの金属のうちの２つ以上を含む合金、又はＩＴＯ等の導電性化合物、導電性ポリマーからなる。導電性ポリマーとしては、ポリチオフェン誘導体（ＰＥＤＯＴ：ポリ(3,4)-エチレンジオキシチオフェン）にポリスチレンスルホン酸（PSS）をドーピングしたものや、ポリピロール誘導体にＴＣＮＡをドーピングしたもの等が用いられる。また、異なる２つの金属からなる２層構造、例えばＡｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏ、を有してもよい。
コンタクト領域１４、１５は、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３中に形成されたｎ型ドーパントの濃度が高い領域であり、それぞれソース電極１２及びドレイン領域１３が接続される。コンタクト領域１４、１５に主に含まれるｎ型ドーパントとｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３に含まれるｎ型ドーパントは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。コンタクト領域１４、１５は、例えば、１×１０18／ｃｍ3以上、５×１０19／ｃｍ3以下の濃度のｎ型ドーパントを含む。なお、コンタクト領域１４、１５は、Ｇａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴ１０に含まれなくてもよい。
（Ｇａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴの製造方法）
α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜の製造方法の一例として、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法による方法を以下に説明する。ＭＢＥ法は、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。
α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜の製造方法の一例として、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法による方法を以下に説明する。ＭＢＥ法は、単体あるいは化合物の固体をセルと呼ばれる蒸発源で加熱し、加熱により生成された蒸気を分子線として基板表面に供給する結晶成長方法である。
図２は、α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜の形成に用いられるＭＢＥ装置の一例の構成図である。このＭＢＥ装置１００は、真空槽１０７と、この真空槽１０７内に支持され、α−Ａｌ2Ｏ3基板２を保持する基板ホルダ１０１と、基板ホルダ１０１に保持されたα−Ａｌ2Ｏ3基板２を加熱するための加熱装置１０２と、薄膜を構成する原子又は分子ごとに設けられた複数のセル１０３（１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ）と、複数のセル１０３を加熱するためのヒータ１０４（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）と、真空槽１０７内に酸素系ガスを供給するガス供給パイプ１０５と、真空槽１０７内の空気を排出するための真空ポンプ１０６とを備えている。基板ホルダ１０１は、シャフト１１０を介して図示しないモータにより回転可能に構成されている。
第１のセル１０３ａには、Ｇａ粉末等のα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜のＧａ原料が充填されている。この粉末のＧａの純度は、６Ｎ以上であることが望ましい。第２のセル１０３ｂには、ドナーとしてドーピングされるｎ型ドーパントの原料の粉末が充填されている。第３のセル１０３ｃには、Ａｌ粉末等のα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜のＡｌ原料が充填されている。第１のセル１０３ａ、第２のセル１０３ｂ、及び第３のセル１０３ｃの開口部にはシャッターが設けられている。
まず、α−Ａｌ2Ｏ3基板２をＭＢＥ装置１００の基板ホルダ１０１に取り付ける。次に、真空ポンプ１０６を作動させ、真空槽１０７内の気圧を１×１０-8Ｐａ程度まで減圧する。そして、加熱装置１０２によってα−Ａｌ2Ｏ3基板２を加熱する。なお、α−Ａｌ2Ｏ3基板２の加熱は、加熱装置１０２の黒鉛ヒータ等の発熱源の輻射熱が基板ホルダ１０１を介してα−Ａｌ2Ｏ3基板２に熱伝導することにより行われる。
α−Ａｌ2Ｏ3基板２が所定の温度に加熱された後、ガス供給パイプ１０５から真空槽１０７内に、酸素系ガスを供給する。
真空槽１０７内に酸素系ガスを供給した後、真空槽１０７内のガス圧が安定するのに必要な時間（例えば５分間）経過後、基板ホルダ１０１を回転させながら第１のヒータ１０４ａ、第２のヒータ１０４ｂ、及び第３のヒータ１０４ｃにより第１のセル１０３ａ、第２のセル１０３ｂ、及び第２のセル１０３ｃを加熱し、Ｇａ、Ａｌ、ｎ型ドーパントを蒸発させて分子線としてα−Ａｌ2Ｏ3基板２の表面に照射する。
これにより、α−Ａｌ2Ｏ3基板２の主面上にα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶がＳｎ等のｎ型ドーパントを添加されながらエピタキシャル成長し、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３が形成される。なお、Ｓｎ以外のｎ型ドーパントとして、Ｇａ又はＡｌサイトを置換する場合は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等を用いることができ、酸素サイトを置換する場合は、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等を用いることができる。ｎ型ドーパントの添加濃度は、第２のセル１０３ｂの温度により制御することができる。
なお、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３は、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成されてもよい。
次に、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３にＳｎ等のｎ型ドーパントをイオン注入することにより、コンタクト領域１４、１５を形成する。なお、注入するイオンはＳｎに限られず、例えば、Ｇａ又はＡｌサイトを置換する場合は、Ｔｉ、ＺＲ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ｓｂ、又はＢｉを用いることができる。また、酸素サイトを置換する場合は、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＩを用いることができる。
注入濃度は、例えば、１×１０18／ｃｍ3以上５×１０19／ｃｍ3以下である。注入深さは、３０ｎｍ以上であればよい。注入後、注入領域の表面をフッ酸にて１０ｎｍ程度エッチングする。硫酸や硝酸、塩酸などを用いてエッチングしてもよい。その後、窒素雰囲気下で８００℃以上３０ｍｉｎ以上のアニール処理を施し、注入ダメージを回復させる。アニール処理を酸素雰囲気で行う場合は、処理温度を８００℃以上９５０℃以下、処理時間を３０ｍｉｎ以上とすればよい。
なお、コンタクト領域１４、１５の形成方法はイオン注入に限られず、熱拡散法を用いてもよい。この場合、ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３のコンタクト領域１４、１５を形成したい領域上にＳｎ等の金属を接触させ、熱処理を施すことによりｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜３中にＳｎ等のドーパントを拡散させる。
その後、ゲート電極１１、ソース電極１２、及びドレイン電極１３を形成する。
（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜を形成し、そのα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜を用いて、高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を形成することができる。また、これらのＧａ2Ｏ3系半導体素子は、高品質なα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜をチャネル層として用いるため、優れた動作性能を有する。
本実施の形態によれば、ホモエピタキシャル成長法を用いて高品質なα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜を形成し、そのα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜を用いて、高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を形成することができる。また、これらのＧａ2Ｏ3系半導体素子は、高品質なα−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜をチャネル層として用いるため、優れた動作性能を有する。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態において、Ｇａ2Ｏ3系半導体素子をｎ型半導体素子として説明したが、ｐ型半導体素子であってもよい。この場合、各部材の導電型（ｎ型又はｐ型）が全て逆になる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
高品質のＧａ2Ｏ3系半導体素子を提供する。
２…α−Ａｌ2Ｏ3基板、 ３…ｎ型α−（ＡｌxＧａ1-x）2Ｏ3単結晶膜、 １０…Ｇａ2Ｏ3系ＭＥＳＦＥＴ、 １１…ゲート電極、 １２…ソース電極、 １３…ドレイン電極、 １４、１５…コンタクト領域
Claims (3)
- α−Ａｌ２Ｏ３基板上に直接形成されたα−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶（０≦ｘ＜１）からなるα−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜と、
前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域上に形成され、前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜との界面にショットキー接合を形成するゲート電極と、
を含むＧａ２Ｏ３系半導体素子。 - 前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜中に形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極にそれぞれ接続された、前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜と同じ導電型の第１のコンタクト領域及び第２のコンタクト領域をさらに含む、
請求項１に記載のＧａ２Ｏ３系半導体素子。 - 前記α−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）２Ｏ３単結晶膜、第１のコンタクト領域、及び第２のコンタクト領域はｎ型である、
請求項２に記載のＧａ２Ｏ３系半導体素子。
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