WO2025063025A1 - Semiconductor element - Google Patents
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Definitions
- This disclosure relates to semiconductor devices.
- gallium oxide has been actively researched as a semiconductor material.
- gallium oxide has attracted attention as a semiconductor material for power devices because of its wide band gap and high voltage resistance.
- insulated gate type structures such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
- MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors
- IGBTs insulated gate bipolar transistors
- the insulated gate structure is a structure in which an insulating film is provided between a semiconductor layer and a metal (electrode). SiO2 is widely used as the material for the gate insulating film.
- Patent Document 1 describes the use of gallium oxide as a gate insulating film.
- the inventors' research revealed that when a conventionally known material is used for the gate insulating film in a gate insulating semiconductor element using gallium oxide, many interface states are formed at the interface between the gallium oxide and the gate insulating film.
- the inventors conducted extensive research into gate-insulated semiconductor elements using gallium oxide, leading to the completion of the semiconductor element disclosed herein.
- This disclosure has been made in light of this background, and aims to provide an insulated gate type semiconductor element having a semiconductor layer made of a gallium oxide-based material.
- the gate insulating film in the semiconductor element is made of a gallium oxide based semiconductor having a resistivity of 1 ⁇ 10 4 ⁇ cm or more.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a MOSFET according to the first embodiment, taken along a direction perpendicular to a main surface of a substrate.
- the semiconductor element has a substrate made of single crystal Si, a semiconductor layer made of a uniaxially oriented gallium oxide-based semiconductor provided on and in contact with the substrate, a gate insulating film provided on and in contact with the semiconductor layer, and a gate electrode provided on the gate insulating film, where the gate insulating film is made of a gallium oxide-based semiconductor having a resistivity of 1 x 104 ⁇ -cm or more.
- Semiconductors are materials whose electrical conductivity can be controlled, and gallium oxide semiconductors have a wide band gap, making it possible to control their electrical conductivity from insulating to conductive.
- the semiconductor element may be a MOSFET, an insulated gate bipolar transistor, or an insulated gate HFET (Heterojunction Field Effect Transistor).
- the crystal plane of the main surface of the gate insulating film may be the same as the crystal plane of the main surface of the semiconductor layer.
- the gate insulating film may be a film made of a gallium oxide semiconductor having the same composition as the semiconductor layer.
- the gallium oxide semiconductor may be ⁇ -gallium oxide.
- the main surface of the substrate may be a (100) surface
- the main surface of the semiconductor layer may be a (100) surface
- high resistance is, for example, a resistivity of 1 ⁇ 10 4 to 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm.
- Semi-insulating is, for example, a resistivity exceeding 1 ⁇ 10 6 ⁇ cm. Insulating is a state in which there are almost no carriers, for example, a carrier concentration of 1/cm 3 or less. Insulating occurs when the band gap is large and the Fermi level is near the center of the band gap. If the Fermi level is slightly off the center, it is semi-insulating, if it is further off, it is high resistance, and if it is further off and close to a conductor or valence band, it is conductive.
- ⁇ -gallium oxide has a large band gap, so it can be in a state ranging from insulating to conductive depending on the position of the Fermi level.
- the main surface of the substrate 10 is a (100) plane and the non-doped layer 11 is single crystal, it is preferable that the main surface of the non-doped layer 11 is a (100) plane.
- the (100) plane of Si and the (100) plane of ⁇ -gallium oxide have good lattice matching, allowing the non-doped layer 11 to be formed with high quality.
- the (100) plane of Si and the (100) plane of ⁇ -gallium oxide may form an angle of 10 degrees or less.
- the crystal plane of the non-doped layer 11 can be identified, for example, by a diffraction peak in ⁇ -2 ⁇ measurement of X-ray diffraction.
- the gate insulating film 16 is a film made of an insulator provided in contact with the semiconductor layer 17, and in the first embodiment, is provided in a predetermined region on the n-type layer 12.
- the material of the gate insulating film 16 is a high-resistance, semi-insulating or insulating ⁇ -gallium oxide-based semiconductor. That is, it is a ⁇ -gallium oxide-based semiconductor having a resistivity of 1 ⁇ 10 4 ⁇ cm or more.
- the gallium oxide-based semiconductor is a gallium oxide in which a part of Ga is replaced with Al or In (Al 2x Ga 2y In 2-2x-2y O 3 , 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1) and has a ⁇ -phase crystal structure. More preferably, it is Al 2x Ga 2(1-x) O 3 , 0 ⁇ x ⁇ 1. It is even more preferable that the gate insulating film 16 has the same composition as the n-type layer 12, that is, it is gallium oxide.
- the source electrode 14 and the drain electrode 15 are electrodes provided in contact with the semiconductor layer 17, and in the first embodiment, are provided on the n-type layer 12.
- the source electrode 14 and the drain electrode 15 are provided so as to face each other with the gate electrode 13 therebetween in a plan view.
- the source electrode 14 and the drain electrode 15 are in ohmic contact with the n-type layer 12.
- the materials of the source electrode 14 and the drain electrode 15 are Ti, Ti/Au, Ti/Al/Au, Ti/Al/Ti/Au, Ti/Al/Ni/Au, Ti/Au/Ni, Sn, etc.
- a substrate 10 which is a Si single crystal substrate, is prepared. Then, the substrate 10 is placed in a furnace and heated to the growth temperature, after which the pressure in the furnace is reduced to the growth pressure. The ranges of the growth temperature and growth pressure will be described later.
- a non-doped layer 11 made of ⁇ -gallium oxide is formed on the substrate 10 by plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE).
- PAMBE plasma-assisted molecular beam epitaxy
- a mixed gas containing oxygen and ozone is turned into plasma and supplied to the substrate 10, and gallium is evaporated and the substrate 10 is irradiated with a molecular beam.
- the ozone is decomposed to generate oxygen molecules and oxygen radicals.
- the oxygen radicals contain singlet oxygen atoms O( 1 D) and triplet oxygen atoms O( 3 P), and the singlet oxygen atoms transition to triplet oxygen atoms at a predetermined ratio.
- the oxygen radicals react with the gallium from the molecular beam on the substrate surface, causing crystal growth of ⁇ -gallium oxide on the substrate 10 surface.
- the growth pressure is preferably 0.001 Pa or more and 0.01 Pa or less.
- the growth temperature (substrate temperature) is preferably 0°C or more and 600°C or less. If the growth temperature and growth pressure are within this range, the non-doped layer 11 and the n-type layer 12 can be grown with good crystallinity.
- a mixed gas containing oxygen and ozone can be produced by using an ozonizer to turn oxygen into plasma and converting some of the oxygen into ozone.
- the ratio of ozone to the total of oxygen and ozone is preferably 10% by volume or more.
- a mixed gas containing oxygen and ozone is generated using an ozonizer, it is usually 50% by volume or less.
- An inert gas such as Ar may be mixed with the mixed gas containing oxygen and ozone before supplying it. This makes it easier to generate plasma.
- the n-type layer 12 is formed on the non-doped layer 11.
- the method for forming the n-type layer 12 may be any conventionally known method, such as CVD (Chemical Vapor Deposition), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy), HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy), sputtering, etc.
- the non-doped layer 11 and the n-type layer 12 may be grown continuously using the same PAMBE method as for the non-doped layer 11.
- the gate insulating film 16 is formed in a predetermined region on the n-type layer 12.
- the method for forming the gate insulating film 16 is the same as the method for forming the non-doped layer 11. However, in order to form a high-resistance, semi-insulating, or insulating ⁇ -gallium oxide-based semiconductor, it is preferable to form it by a method such as the PAMBE method or plasma CVD method. It becomes easy to control the crystal defect concentration and impurity concentration to achieve high resistance.
- the non-doped layer 11, n-type layer 12, and gate insulating film 16 may be grown continuously by using the same formation method as the non-doped layer 11. By growing them continuously, it is possible to suppress the incorporation of impurities into the interface between the n-type layer 12 and the gate insulating film 16.
- the gate electrode 13 is formed on the gate insulating film 16 by a method such as deposition, and the source electrode 14 and the drain electrode 15 are formed on the n-type layer 12 by a method such as deposition. In this way, the MOSFET of embodiment 1 is manufactured.
- the present disclosure can be applied to any insulated gate type electronic device.
- the present disclosure can be applied to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or an insulated gate type HFET.
- IGBT insulated gate bipolar transistor
- the present disclosure can also be applied to a trench gate type electronic device.
- the MOSFET in the first embodiment is a horizontal type, but the present disclosure can also be applied to a vertical type.
- Substrate 11 Non-doped layer 12: n-type layer 13: Gate electrode 14: Source electrode 15: Drain electrode 16: Gate insulating film 17: Semiconductor layer
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Abstract
Description
本開示は、半導体素子に関する。 This disclosure relates to semiconductor devices.
近年、酸化ガリウムは半導体材料としてさかんに研究されている。特に、酸化ガリウムはバンドギャップが広く高い耐圧性能を有しているため、パワーデバイス用の半導体材料として注目されている。 In recent years, gallium oxide has been actively researched as a semiconductor material. In particular, gallium oxide has attracted attention as a semiconductor material for power devices because of its wide band gap and high voltage resistance.
半導体素子として、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などの絶縁ゲート型の構造が知られている。絶縁ゲート構造は、半導体層と金属(電極)との間に絶縁膜を設けた構造である。ゲート絶縁膜の材料は、SiO2が広く用いられている。 Known semiconductor elements include insulated gate type structures such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) and insulated gate bipolar transistors (IGBTs). The insulated gate structure is a structure in which an insulating film is provided between a semiconductor layer and a metal (electrode). SiO2 is widely used as the material for the gate insulating film.
酸化ガリウムを用いた半導体素子においても、絶縁ゲート型の素子が検討されている。特許文献1には、ゲート絶縁膜として酸化ガリウムを用いることが記載されている。 Insulated gate type semiconductor elements using gallium oxide are also being considered. Patent Document 1 describes the use of gallium oxide as a gate insulating film.
しかし、発明者らの検討により、酸化ガリウムを用いたゲート絶縁型の半導体素子において、ゲート絶縁膜の材料として従来知られているものを用いた場合、酸化ガリウムとゲート絶縁膜との界面において界面準位が多く形成されてしまうことが分かった。 However, the inventors' research revealed that when a conventionally known material is used for the gate insulating film in a gate insulating semiconductor element using gallium oxide, many interface states are formed at the interface between the gallium oxide and the gate insulating film.
発明者らは、酸化ガリウムを用いたゲート絶縁型の半導体素子について鋭意研究し、本開示の半導体素子を完成させるに至った。 The inventors conducted extensive research into gate-insulated semiconductor elements using gallium oxide, leading to the completion of the semiconductor element disclosed herein.
本開示は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、酸化ガリウム系材料からなる半導体層を有した絶縁ゲート型の半導体素子を提供しようとするものである。 This disclosure has been made in light of this background, and aims to provide an insulated gate type semiconductor element having a semiconductor layer made of a gallium oxide-based material.
本開示の一態様は、
Si単結晶からなる基板と、
前記基板上に接して設けられ、一軸配向した酸化ガリウム系半導体からなる半導体層と、
前記半導体層に接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、抵抗率が1×104Ω・cm以上の酸化ガリウム系半導体からなる、半導体素子にある。
One aspect of the present disclosure is
A substrate made of single crystal Si;
a semiconductor layer formed on and in contact with the substrate and made of a uniaxially oriented gallium oxide based semiconductor;
a gate insulating film provided in contact with the semiconductor layer;
a gate electrode provided on the gate insulating film,
The gate insulating film in the semiconductor element is made of a gallium oxide based semiconductor having a resistivity of 1×10 4 Ω·cm or more.
上記態様によれば、酸化ガリウム系材料からなる半導体層を有した絶縁ゲート型の半導体素子において界面準位密度を低減できる。 According to the above aspect, it is possible to reduce the interface state density in an insulated gate semiconductor element having a semiconductor layer made of a gallium oxide-based material.
半導体素子は、Si単結晶からなる基板と、基板上に接して設けられ、一軸配向した酸化ガリウム系半導体からなる半導体層と、半導体層に接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を有し、ゲート絶縁膜は、抵抗率が1×104Ω・cm以上の酸化ガリウム系半導体からなる。 The semiconductor element has a substrate made of single crystal Si, a semiconductor layer made of a uniaxially oriented gallium oxide-based semiconductor provided on and in contact with the substrate, a gate insulating film provided on and in contact with the semiconductor layer, and a gate electrode provided on the gate insulating film, where the gate insulating film is made of a gallium oxide-based semiconductor having a resistivity of 1 x 104 Ω-cm or more.
半導体は導電性の制御が可能な材料であり、酸化ガリウム系半導体は、バンドギャップが広いため絶縁性から導電性まで制御可能である。 Semiconductors are materials whose electrical conductivity can be controlled, and gallium oxide semiconductors have a wide band gap, making it possible to control their electrical conductivity from insulating to conductive.
半導体素子は、MOSFETでもよいし、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタでもよいし、絶縁ゲート型のHFET(Heterojunction Field Effect Transistor)でもよい。 The semiconductor element may be a MOSFET, an insulated gate bipolar transistor, or an insulated gate HFET (Heterojunction Field Effect Transistor).
ゲート絶縁膜の主面の結晶面は、半導体層の主面の結晶面と同一であってもよい。 The crystal plane of the main surface of the gate insulating film may be the same as the crystal plane of the main surface of the semiconductor layer.
ゲート絶縁膜は、半導体層と同一組成の酸化ガリウム系半導体からなる膜であってもよい。 The gate insulating film may be a film made of a gallium oxide semiconductor having the same composition as the semiconductor layer.
酸化ガリウム系半導体は、β酸化ガリウムであってもよい。 The gallium oxide semiconductor may be β-gallium oxide.
基板の主面は(100)面であってもよく、半導体層の主面は(100)面であってもよい。 The main surface of the substrate may be a (100) surface, and the main surface of the semiconductor layer may be a (100) surface.
基板の[001]方向と、半導体層の[0-11]方向が一致していてもよい。 The [001] direction of the substrate and the [0-11] direction of the semiconductor layer may coincide.
(実施形態1)
図1は、実施形態1におけるMOSFETの構成を示した断面図であって、基板主面に垂直な方向での断面を示した図である。図1に示すように、実施形態1におけるMOSFETは、基板10と、半導体層17と、ゲート電極13と、ソース電極14と、ドレイン電極15と、ゲート絶縁膜16と、を有している。実施形態1において、半導体層17は、酸化ガリウム系化合物をノンドープとしたノンドープ層11と、n型の酸化ガリウム系化合物からなるn型層12を含む。
(Embodiment 1)
Fig. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a MOSFET in embodiment 1, and is a view showing a cross section in a direction perpendicular to a main surface of a substrate. As shown in Fig. 1, the MOSFET in embodiment 1 has a
基板10は、Si(ケイ素)原子が3次元的に規則正しく並んだSi単結晶からなる基板である。基板10は、従来知られている任意のものを使用できる。たとえば、チョクラルスキー法やフローティングゾーン(FZ)法で結晶成長させた基板が用いられる。
The
基板10の主面の面方位は(100)面や(111)面であるのが好ましい。これらの面方位であれば、基板10上に酸化ガリウムを直接結晶成長させることが容易となる。特に工業性の観点から、基板10の主面は(100)面であるのが好ましい。
The plane orientation of the main surface of the
なお、基板10の表面は改質されていてもよい。たとえば、基板10の表面を酸素プラズマによって表面処理することで改質されていてもよい。
The surface of the
ノンドープ層11は、ノンドープのβ酸化ガリウムからなる層であり、基板10上にバッファ層を介することなく、直接設けられている。つまり、基板10とノンドープ層11とは互いに接している。ノンドープ層11は、高抵抗、半絶縁性、あるいは絶縁性である。ノンドープ層11の厚さは、たとえば100nm~50μmである。
The
ここでバッファ層は、格子定数の緩和を目的として挿入される層であり、通常20nm以上の厚さである。また、バッファ層は、たとえば次のような材料である。ノンドープ層11と同一材料、ノンドープ層11とは異なる材料、ノンドープ層11と同一材料とそれとは異なる材料との混晶について漸次組成を変えて形成した層、ノンドープ層11と同一材料と異種材料とを所定の厚さで交互に積層させた超格子構造、などである。実施形態1では、このようなバッファ層が基板10とノンドープ層11の間に設けられていない。
Here, the buffer layer is a layer inserted for the purpose of relaxing the lattice constant, and is usually 20 nm or more thick. The buffer layer is, for example, made of the following materials: the same material as the
ノンドープ層11は、基板10側に電流がリークしないようにするために設ける層である。β酸化ガリウムをノンドープとし、所定の成長方法(たとえばPAMBE法)によって形成することで、結晶欠陥濃度や不純物濃度を制御して、高抵抗、半絶縁性、あるいは絶縁性にできる。
The
ここで高抵抗とは、たとえば抵抗率が1×104~1×106Ω・cmである。また、半絶縁性とは、たとえば抵抗率が1×106Ω・cmを超える場合である。また、絶縁性とは、キャリアがほとんど存在しない状態であり、たとえばキャリア濃度が1/cm3以下の状態である。絶縁性は、バンドギャップが大きく、かつフェルミ準位がバンドギャップの中心近傍であるときに生じる。そして、フェルミ準位が中心から少し外れると半絶縁性、さらに外れると高抵抗、さらに外れて伝導体や価電子帯に近くなると導電性となる。β酸化ガリウムはバンドギャップが大きいため、フェルミ準位の位置により絶縁性から導電性までの状態を取りうる。 Here, high resistance is, for example, a resistivity of 1×10 4 to 1×10 6 Ω·cm. Semi-insulating is, for example, a resistivity exceeding 1×10 6 Ω·cm. Insulating is a state in which there are almost no carriers, for example, a carrier concentration of 1/cm 3 or less. Insulating occurs when the band gap is large and the Fermi level is near the center of the band gap. If the Fermi level is slightly off the center, it is semi-insulating, if it is further off, it is high resistance, and if it is further off and close to a conductor or valence band, it is conductive. β-gallium oxide has a large band gap, so it can be in a state ranging from insulating to conductive depending on the position of the Fermi level.
実施形態1では、β酸化ガリウムをノンドープとすることによって高抵抗、半絶縁性、あるいは絶縁性としているが、β酸化ガリウムにFeなどの深い準位を形成する不純物をドープすることで高抵抗、半絶縁性、あるいは絶縁性としてもよい。 In the first embodiment, the β-gallium oxide is non-doped to provide high resistance, semi-insulating properties, or insulating properties, but it may also be possible to provide high resistance, semi-insulating properties, or insulating properties by doping the β-gallium oxide with impurities that form deep levels, such as Fe.
ノンドープ層11は、基板10上に一軸配向したエピタキシャル層である。ここで一軸配向とは、ノンドープ層11におけるβ酸化ガリウムの結晶軸のうち少なくとも1つの軸が、基板10におけるSiの結晶軸の1つと揃っていることを意味する。このように一軸配向した層であれば、単結晶であっても多結晶であってもよい。ノンドープ層11が一軸配向しているか否かは、たとえばX線回折の回折パターンにより確認できる。また、単結晶であるか多結晶であるかも、X線回折の回折パターンにより確認できる。
The
基板10の主面が(100)面であってノンドープ層11が単結晶の場合、ノンドープ層11の主面は(100)面であるのが好ましい。Siの(100)面とβ酸化ガリウムの(100)面では格子整合性がよく、ノンドープ層11を高品質に形成できる。Siの(100)面とβ酸化ガリウムの(100)面が10度以下の角度を成す範囲であってもよい。ノンドープ層11の結晶面は、たとえばX線回折のθ-2θ測定における回折ピークで特定できる。
When the main surface of the
また、基板10のSiの[001]方向と、ノンドープ層11のβ酸化ガリウムの[0-11]方向とが一致していることが好ましい。ノンドープ層11をエピタキシャル成長させる観点からである。ここで、一致するとは完全一致を意味するのではなく、実質的に一致していればよい。たとえば、基板10のSiの[001]方向と、ノンドープ層11のβ酸化ガリウムの[001]方向とが、23~28°を成す程度であれば、基板10のSiの[001]方向と、ノンドープ層11のβ酸化ガリウムの[0-11]方向とが実質的に一致していると言える。
Furthermore, it is preferable that the [001] direction of the Si of the
n型層12は、ノンドープ層11上に設けられたn型のβ酸化ガリウムからなる層である。n型層12の厚さは、たとえば10nm~1μmである。n型層12を形成するために添加するn型不純物にはSiやSnなどを用いることができる。n型不純物濃度は、たとえば1×1017~1×1021cm-3である。その他、面方位など各種構成はノンドープ層11と同様である。
The n-
ゲート絶縁膜16は、半導体層17に接して設けられた絶縁体からなる膜であり、実施形態1において、n型層12上の所定領域に設けられている。ゲート絶縁膜16の材料は、高抵抗、半絶縁性または絶縁性のβ酸化ガリウム系半導体である。つまり、抵抗率が1×104Ω・cm以上のβ酸化ガリウム系半導体である。ここで酸化ガリウム系半導体は、酸化ガリウムにおけるGaの一部をAlやInで置換したもの(Al2xGa2yIn2-2x-2yO3、0≦x≦1、0<y≦1)であって結晶構造がβ相のものである。Al2xGa2(1-x)O3、0≦x<1がより好ましい。さらに好ましくは、n型層12と同一組成にすること、つまり酸化ガリウムとすることが好ましい。
The
β酸化ガリウム系半導体は、Fe、Si、Mgなどをドープすることで深い準位を形成できる、あるいは固有の点欠陥により、高抵抗体、半絶縁体、ないしは絶縁体にできる。ノンドープとすることによって高抵抗体、半絶縁体、ないしは絶縁体とすることも可能である。たとえば、抵抗率を理論上1×1014Ω・cm以上にできる。ゲート絶縁膜16は半絶縁性または絶縁性であることが好ましく、絶縁性であることがより好ましい。
A β-gallium oxide semiconductor can be doped with Fe, Si, Mg, etc. to form a deep level, or can be made into a high resistance, semi-insulating, or insulating material by inherent point defects. It is also possible to make it a high resistance, semi-insulating, or insulating material by not doping it. For example, the resistivity can theoretically be 1× 10 Ω·cm or more. The
ゲート絶縁膜16として高抵抗、半絶縁性、または絶縁性のβ酸化ガリウム系半導体を用いると、n型層12とゲート絶縁膜16との界面における界面準位の形成を低減できる。これは、n型層12とゲート絶縁膜16とが同じβ酸化ガリウム系半導体であるためである。たとえば、界面準位密度を1×1010~1×1012cm-2にできる。
When a high-resistance, semi-insulating, or insulating β-gallium oxide-based semiconductor is used as the
ゲート絶縁膜16は、単結晶でも多結晶でもよいが、n型層12が単結晶の場合にはゲート絶縁膜16も単結晶であるのが好ましい。この場合、ゲート絶縁膜16の主面は、n型層12の主面と同じ結晶面であることが好ましい。ただし10°程度の角度を成す範囲は許容される。たとえば、n型層12の主面が(100)面であれば、ゲート絶縁膜16の主面は(100)面であるのが好ましい。ゲート絶縁膜16の結晶面がこのように設定されていれば界面準位密度をより低減できる。その他、各種構成はノンドープ層11と同様としてもよい。
The
ゲート電極13は、ゲート絶縁膜16上に接して設けられた電極である。ゲート電極13の材料は、Ni、Pt、Au、Ag、Cu、Co、Ir、Ru、Pd、Cr、Mo、W、Ni/Au、Ni/Pt、Pt/Au、W/Au、Pt/Ti/Au、Pt/Au/Ni、Ti/Au/Ni、ITOなどである。
The
ソース電極14およびドレイン電極15は、半導体層17上に接して設けられた電極であり、実施形態1において、n型層12上に設けられている。また、ソース電極14およびドレイン電極15は、平面視においてゲート電極13を間に挟んで対向するように設けられている。ソース電極14およびドレイン電極15は、n型層12にオーミック接触している。ソース電極14およびドレイン電極15の材料は、Ti、Ti/Au、Ti/Al/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Au/Ni、Snなどである。
The
以上、実施形態1におけるMOSFETでは、ノンドープ層11、n型層12が酸化ガリウムで構成されているため、耐圧を向上できる。また、基板10としてSiを用いているため大口径化でき、量産性、低コスト化に優れている。また、ゲート絶縁膜16として半絶縁性のβ酸化ガリウム系半導体を用いているため、n型層12とゲート絶縁膜16の界面における界面準位の形成を低減できる。
As described above, in the MOSFET of embodiment 1, the
次に、実施形態1におけるMOSFETの製造方法について説明する。 Next, we will explain the manufacturing method of the MOSFET in embodiment 1.
まず、Si単結晶基板である基板10を用意する。そして炉内に基板10を設置し、基板10を成長温度まで加熱し、その後、炉内圧力を成長圧力まで減圧する。成長温度、成長圧力の範囲は後述する。
First, a
ノンドープ層11の形成前に、基板10の表面を酸素プラズマによって表面処理してもよい。基板10の表面粗さを低減でき、基板10上に酸化ガリウムを成長しやすくできる。
Before forming the
次に、基板10上に、プラズマアシスト分子線エピタキシー(PAMBE)法によってβ酸化ガリウムからなるノンドープ層11を形成する。PAMBE法では、酸素とオゾンを含む混合ガスをプラズマ化して基板10に供給するとともに、ガリウムを蒸発させて分子線を基板10に照射する。酸素とオゾンを含む混合ガスをプラズマ化することで、オゾンが分解し、酸素分子と酸素ラジカルが発生する。酸素ラジカルは、一重項酸素原子O(1D)と三重項酸素原子O(3P)を含み、一重項酸素原子は所定の割合で三重項酸素原子に遷移する。この酸素ラジカルと分子線のガリウムが基板表面で反応することで、基板10表面上にβ酸化ガリウムが結晶成長する。
Next, a
成長圧力は0.001Pa以上0.01Pa以下が好ましい。また、成長温度(基板温度)は0℃以上600℃以下が好ましい。成長温度、成長圧力がこの範囲であれば、結晶性よくノンドープ層11、n型層12を成長させることができる。
The growth pressure is preferably 0.001 Pa or more and 0.01 Pa or less. The growth temperature (substrate temperature) is preferably 0°C or more and 600°C or less. If the growth temperature and growth pressure are within this range, the
酸素とオゾンを含む混合ガスは、オゾナイザーを用いて酸素をプラズマ化し、酸素の一部をオゾン化することで生成できる。 A mixed gas containing oxygen and ozone can be produced by using an ozonizer to turn oxygen into plasma and converting some of the oxygen into ozone.
酸素とオゾンを含む混合ガスにおいて酸素とオゾンの合計に対するオゾンの割合は、10体積%以上が好ましい。上限は特に限定されないが、オゾナイザーによって酸素とオゾンを含む混合ガスを生成する場合、通常50体積%以下となる。酸素とオゾンを含む混合ガスにArなどの不活性ガスを混合して供給してもよい。プラズマが発生しやすくなる。 In a mixed gas containing oxygen and ozone, the ratio of ozone to the total of oxygen and ozone is preferably 10% by volume or more. There is no particular upper limit, but when a mixed gas containing oxygen and ozone is generated using an ozonizer, it is usually 50% by volume or less. An inert gas such as Ar may be mixed with the mixed gas containing oxygen and ozone before supplying it. This makes it easier to generate plasma.
次に、ノンドープ層11上にn型層12を形成する。n型層12の形成方法は、従来知られている任意の方法でよく、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition)、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、スパッタ、などである。ノンドープ層11と同様のPAMBE法を用いてノンドープ層11とn型層12を連続成長させてもよい。
Next, the n-
次に、n型層12上の所定領域にゲート絶縁膜16を形成する。ゲート絶縁膜16の形成方法は、ノンドープ層11の形成方法と同様である。ただし、高抵抗、半絶縁性、または絶縁性のβ酸化ガリウム系半導体を形成するためには、PAMBE法やプラズマCVD法などの方法によって形成することが好ましい。結晶欠陥濃度や不純物濃度を制御して、高抵抗とすることが容易となる。また、ノンドープ層11と同じ形成方法を用いることで、ノンドープ層11、n型層12、ゲート絶縁膜16を連続成長させてもよい。連続成長させることでn型層12とゲート絶縁膜16の界面に不純物が混入することを抑制できる。
Next, the
次に、ゲート絶縁膜16上に蒸着などの方法によってゲート電極13を形成し、n型層12上に蒸着などの方法によってソース電極14、ドレイン電極15を形成する。以上によって実施形態1におけるMOSFETが製造される。
Next, the
(実施形態1の変形形態)
実施形態1はMOSFETであるが、本開示は絶縁ゲート型の任意の電子デバイスに適用できる。たとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)や、絶縁ゲート型のHFETにも適用可能である。また、トレンチゲート型の電子デバイスにも適用可能である。また、実施形態1におけるMOSFETは横型であるが、本開示は縦型にも適用できる。
(Modification of the first embodiment)
Although the first embodiment is a MOSFET, the present disclosure can be applied to any insulated gate type electronic device. For example, the present disclosure can be applied to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or an insulated gate type HFET. The present disclosure can also be applied to a trench gate type electronic device. The MOSFET in the first embodiment is a horizontal type, but the present disclosure can also be applied to a vertical type.
本発明を詳細にまた特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えられることは当業者にとって明らかである。本出願は、2023年9月18日出願の日本特許出願(特願2023-150630)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。 Although the present invention has been described in detail and with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. This application is based on a Japanese patent application (Patent Application No. 2023-150630) filed on September 18, 2023, the contents of which are incorporated herein by reference.
10:基板
11:ノンドープ層
12:n型層
13:ゲート電極
14:ソース電極
15:ドレイン電極
16:ゲート絶縁膜
17:半導体層
10: Substrate 11: Non-doped layer 12: n-type layer 13: Gate electrode 14: Source electrode 15: Drain electrode 16: Gate insulating film 17: Semiconductor layer
Claims (10)
前記基板上に接して設けられ、一軸配向した酸化ガリウム系半導体からなる半導体層と、
前記半導体層に接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を有し、
前記ゲート絶縁膜は、抵抗率が1×104Ω・cm以上の酸化ガリウム系半導体からなる、半導体素子。 A substrate made of single crystal Si;
a semiconductor layer formed on and in contact with the substrate and made of a uniaxially oriented gallium oxide based semiconductor;
a gate insulating film provided in contact with the semiconductor layer;
a gate electrode provided on the gate insulating film,
The semiconductor element, wherein the gate insulating film is made of a gallium oxide based semiconductor having a resistivity of 1×10 4 Ω·cm or more.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023-150630 | 2023-09-18 | ||
| JP2023150630 | 2023-09-18 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025063025A1 true WO2025063025A1 (en) | 2025-03-27 |
Family
ID=95072845
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2024/031392 Pending WO2025063025A1 (en) | 2023-09-18 | 2024-08-30 | Semiconductor element |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| WO (1) | WO2025063025A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014007398A (en) * | 2012-06-01 | 2014-01-16 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
| WO2023182312A1 (en) * | 2022-03-25 | 2023-09-28 | 国立大学法人東海国立大学機構 | SUBSTRATE WITH β-GALLIUM OXIDE FILM AND PRODUCTION METHOD THEREFOR |
-
2024
- 2024-08-30 WO PCT/JP2024/031392 patent/WO2025063025A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014007398A (en) * | 2012-06-01 | 2014-01-16 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MOON SANGHYUN, LEE DONGGYU, PARK JEHWAN, KIM JIHYUN: "2D Amorphous GaO X Gate Dielectric for β-Ga 2 O 3 Field-Effect Transistors", ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, UNITED STATES, vol. 15, no. 31, 9 August 2023 (2023-08-09), United States, pages 37687 - 37695, XP093293346, ISSN: 1944-8244, DOI: 10.1021/acsami.3c07126 * |
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