特許 6284140 Ｇａ２Ｏ３系半導体素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6284140

(24)【登録日】2018年2月9日

(45)【発行日】2018年2月28日

(54)【発明の名称】Ｇａ２Ｏ３系半導体素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20180215BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20180215BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20180215BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 618B

   H01L29/78 620

   H01L29/78 626C

   H01L21/28 301B

   H01L21/28 301R

   H01L29/78 617T

   H01L29/78 619A

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-126849(P2013-126849)

(22)【出願日】2013年6月17日

(65)【公開番号】特開2015-2293(P2015-2293A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2016年6月10日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年〜平成２５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／挑戦研究（事前研究一体型）／超高耐圧酸化ガリウムパワーデバイスの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390005223

【氏名又は名称】株式会社タムラ製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 公平

(72)【発明者】

【氏名】東脇 正高

【審査官】 市川 武宜

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０３５８４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−０１６７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０３５８４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／０２７５７７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

β−Ｇａ_２Ｏ_３基板上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、
前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の表面の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の領域及び前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域を覆う、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１）を主成分とするパッシベーション膜と、
を有するＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【請求項2】

前記ゲート電極は、ゲート絶縁膜を介して前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上に形成される、
請求項１に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【請求項3】

前記パッシベーション膜と前記ゲート絶縁膜は、同じ材料からなり、一体に形成される、
請求項２に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【請求項4】

前記ゲート電極は、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上に直接形成される、
請求項１に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【請求項5】

前記パッシベーション膜は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【請求項6】

前記パッシベーション膜は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に接触する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子として、β−Ｇａ_２Ｏ_３基板上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３結晶膜を用いた素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。Ｇａ_２Ｏ_３は、ＳｉやＧａＮ、ＳｉＣ等の他の半導体材料と比べて絶縁破壊電界強度が大きく、Ｇａ_２Ｏ_３を用いて超高耐圧の電子デバイスを形成することができる。

【0003】

特許文献１によれば、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）のドレイン電極−ソース電極間のオフリーク電流は、３×１０^−６〜４×１０^−６Ａであり、オンオフ比（ゲート電極とソース電極との間の電圧Ｖ_ＧＳが０Ｖであるときにソース電極からドレイン電極に流れる電流Ｉ_ＤＳと、電圧Ｖ_ＧＳが−２０Ｖであるときに流れる電流Ｉ_ＤＳとの比）が４桁程度である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１３／０３５８４２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、よりリーク電流が小さく、オンオフ比が大きいＧａ_２Ｏ_３系半導体素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［６］のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子を提供する。

【0007】

［１］β−Ｇａ_２Ｏ_３基板上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成されたゲート電極と、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層の表面の前記ソース電極と前記ゲート電極との間の領域及び前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域を覆う、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１）を主成分とするパッシベーション膜と、を有するＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【0008】

［２］前記ゲート電極は、ゲート絶縁膜を介して前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上に形成される、前記［１］に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【0009】

［３］前記パッシベーション膜と前記ゲート絶縁膜は、同じ材料からなり、一体に形成される、前記［２］に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【0010】

［４］前記ゲート電極は、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層上に直接形成される、前記［１］に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【0012】

［５］前記パッシベーション膜は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする、前記［１］〜［４］のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【0013】

［６］前記パッシベーション膜は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に接触する、前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載のＧａ_２Ｏ_３系半導体素子。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、よりリーク電流が小さく、オンオフ比が大きいＧａ_２Ｏ_３系半導体素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、第１の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの垂直断面図である。

【図2】図２（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの製造工程を表す垂直断面図である。

【図3】図３は、ゲート電圧が０Ｖであるときの、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層のドナー濃度と空乏層厚の関係を表すグラフである。

【図4】図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴのＩ_ＤＳ−Ｖ_ＤＳ特性を表すグラフである。

【図5】図５（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴのＩ_ＤＳ−Ｖ_ＧＳ特性を表すグラフである。

【図6】図６は、比較例としてのＭＥＳＦＥＴのＩ_ＤＳ−Ｖ_ＧＳ特性を表すグラフである。

【図7】図７は、第２の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの断面図である。

【図8】図８は、第３の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態は、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体素子としてのプレーナゲート構造を有するＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）についての形態である。

【0017】

（Ｇａ_２Ｏ_３系半導体素子の構成）
図１は、第１の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの垂直断面図である。Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０は、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３との間のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に絶縁膜１６を介して形成されたゲート電極１１と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３中のソース電極１２及びドレイン電極１３の下にそれぞれ形成されたソース領域１４及びドレイン領域１５を含む。

【0018】

高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２は、Ｍｇ、Ｈ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｎ、又はＰ等のｐ型ドーパントを添加することにより高抵抗化したβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板である。

【0019】

高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の主面は、面方位について特に限定されないが、（１００）面から５０°以上９０°以下の角度だけ回転させた面であることが好ましい。すなわち、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２において主面と（１００）面のなす角θ（０＜θ≦９０°）が５０°以上であることが好ましい。（１００）面から５０°以上９０°以下回転させた面として、例えば、（０１０）面、（００１）面、（−２０１）面、（１０１）面、及び（３１０）面が存在する。

【0020】

高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の主面が、（１００）面から５０°以上９０°以下の角度だけ回転させた面である場合、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上にβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶をエピタキシャル成長させるときに、β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶の原料の高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２からの再蒸発を効果的に抑えることができる。具体的には、β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶を成長温度５００℃で成長させたときに再蒸発する原料の割合を０％としたとき、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の主面が、（１００）面から５０°以上９０°以下回転させた面である場合、再蒸発する原料の割合を４０％以下に抑えることができる。そのため、供給する原料の６０％以上をβ−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶の形成に用いることができ、β−Ｇａ_２Ｏ_３系結晶の成長速度や製造コストの観点から好ましい。

【0021】

β−Ｇａ_２Ｏ_３結晶は単斜晶系の結晶構造を有し、その典型的な格子定数はａ＝１２．２３Å、ｂ＝３．０４Å、ｃ＝５．８０Å、α＝γ＝９０°、β＝１０３．７°である。β−Ｇａ_２Ｏ_３結晶においては、ｃ軸を軸として（１００）面を５２．５°回転させると（３１０）面と一致し、９０°回転させると（０１０）面と一致する。また、ｂ軸を軸として（１００）面を５３．８°回転させると（１０１）面と一致し、７６．３°回転させると（００１）面と一致し、５３．８°回転させると（−２０１）面と一致する。

【0022】

また、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の主面は、（０１０）面から３７．５°以下の角度だけ回転させた面であってもよい。この場合、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面を原子レベルで平坦にすることができるため、絶縁膜１６とβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３との界面が急峻になり、より高いリーク抑制効果が得られる。

【0023】

β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層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型のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層である。β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３は、Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０のチャネル層として機能する。また、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の厚さは、例えば、１０〜１０００ｎｍ程度である。

【0024】

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等の導電性化合物からなる。また、異なる２つの金属からなる２層構造、例えばＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ａｌ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｎｉを有してもよい。

【0025】

絶縁膜１６は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１）、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２等の酸化物を主成分とする絶縁性の膜、又はこれらの酸化物のうちの異なる酸化物をそれぞれ主成分とする２以上の絶縁性の膜が積層された多層膜である。また、絶縁膜１６は、主に非晶質であるが、一部もしくはその全体が結晶化していてもよい。絶縁膜１６は、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に形成される。絶縁膜１６のゲート電極１１の真下の部分はゲート絶縁膜として機能し、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のソース電極１２とゲート電極１１との間の領域及びゲート電極１１とドレイン電極１３との間の領域を覆う部分はパッシベーション膜として機能する。すなわち、本実施の形態においては、ゲート絶縁膜とパッシベーション膜が同じ材料からなり、一体に形成される。

【0026】

本願発明者らは、高抵抗のＧａ_２Ｏ_３基板を有する素子にリークが発生する場合、リーク電流はチャネル層の表面を流れる傾向があることを見出した。そこで、本実施の形態では、チャネル層として機能するβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面を絶縁膜１６で覆うことにより、リークを抑制している。

【0027】

そして、本実施の形態におけるパッシベーション膜によるリーク電流の抑制効果は、Ｓｉ基板を有するトランジスタ等の、リーク電流が基板内部を流れやすい素子におけるパッシベーション膜によるリーク電流の抑制効果よりも、格段に大きいことがわかった。

【0028】

リークを抑制するパッシベーション膜として機能する絶縁膜１６の材料は、絶縁破壊電界強度が高く、また、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３との界面で界面準位を形成しにくい材料であることが好ましい。

【0029】

絶縁破壊電界強度の大きな材料としては、酸化物の他に、ＳｉＮ、ＡｌＮ等の窒化物絶縁体が挙げられる。しかし、窒化物を絶縁膜１６の材料に用いて、酸化物からなるβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面を覆った場合、絶縁膜１６とβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３が異種材料からなるため、これらの界面に多量の界面準位が形成され、それらがリーク源となるおそれがある。

【0030】

一方、酸化物を絶縁膜１６の材料に用いた場合は、絶縁膜１６とβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３が同種材料からなるため、これらの界面には界面準位が形成されにくいと予想される。特に、酸化物の中でも、Ａｌ_２Ｏ_３はＧａ_２Ｏ_３と相性が良く、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３混晶膜を形成することができ、Ａｌ_２Ｏ_３のみならず、Ｇａを含む（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３も絶縁膜１６の材料として用いることができる。

【0031】

（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１）を絶縁膜１６の材料として用いることで、広い範囲で素子特性を制御することができる。具体的には、Ａｌの割合が大きい（ｘが１に近い）ほど、絶縁膜１６の絶縁破壊電界強度が高くなるため、Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０の耐電圧特性を向上させ、また、ゲートリーク電流を低減することができる。一方、Ｇａの割合が大きい（ｘが０に近い）ほど、絶縁膜１６の結晶構造がβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の結晶構造に近づくため、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のダングリングボンドをより低減し、界面準位をより低減することができる。

【0032】

また、Ａｌ_２Ｏ_３は原子層堆積（ALD：Atomic Layer Deposition）法によって高品質な膜を形成できることが知られている。ＡＬＤ法は他の製法に比べて被覆性に優れた成膜方法であり、高品質な界面を実現出来る。また、大面積での膜厚制御性に優れた製法のため、高い量産性が期待される。このため、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１）の中でも、ＡＬＤ法を用いることにより高い界面リーク低減効果と高い量産性を実現することのできるＡｌ_２Ｏ_３（ｘ＝１）が絶縁膜１６の材料として特に好ましいといえる。

【0033】

絶縁膜１６のパッシベーション膜として機能する部分は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のなるべく広い領域を覆っていることが好ましく、ソース電極１２とドレイン電極１３に接触していることが好ましい。

【0034】

ソース領域１４とドレイン領域１５は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３中に形成される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とドレイン電極１３が接続される。ソース領域１４とドレイン領域１５の深さは、例えば、１５０ｎｍである。また、ソース領域１４とドレイン領域１５の平均ｎ型ドーパント濃度は、例えば、５×１０^１９ｃｍ^−３である。

【0035】

ソース領域１４とドレイン領域１５に主に含まれるｎ型ドーパントとβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層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。なお、ソース領域１４とドレイン領域１５はＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０に含まれなくてもよい。

【0036】

Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０は、ゲート直下のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３のドナー濃度と厚さに依存して、ノーマリーオン型又はノーマリーオフ型になる。

【0037】

Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０がノーマリーオン型である場合、ソース電極１２とドレイン電極１３は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を介して電気的に接続されている。そのため、ゲート電極１１に電圧を印加しない状態でソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加すると、ソース電極１２からドレイン電極１３へ電流が流れる。一方、ゲート電極１１に電圧を印加すると、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３のゲート電極１１下の領域に空乏層が形成され、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加してもソース電極１２からドレイン電極１３へ電流が流れなくなる。

【0038】

Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０がノーマリーオフ型である場合、ゲート電極１１に電圧を印加しない状態では、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加しても電流は流れない。一方、ゲート電極１１に電圧を印加すると、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３のゲート電極１１下の領域の空乏層が狭まり、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加するとソース電極１２からドレイン電極１３へ電流が流れるようになる。

【0039】

以下に、本実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの製造方法の一例について説明する。

【0040】

（Ｇａ_２Ｏ_３系半導体素子の製造方法）
図２（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの製造工程を表す垂直断面図である。

【0041】

最初に、図２（ａ）に示されるように、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上にβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成する。高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２は、例えば、フローティングゾーン法で育成したＦｅドープ高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３結晶を、所望の厚さにスライス、研磨加工することにより得られる。高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の主面は、例えば、（０１０）面とする。

【0042】

β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３は、例えば、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法により形成される。

【0043】

β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３にｎ型ドーパントを導入する方法としては、例えば、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜を成長させた後でイオン注入法によりｎ型ドーパントを注入する方法や、ｎ型ドーパントを含んだβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜をエピタキシャル成長させる方法がある。

【0044】

前者の方法を用いる場合は、例えば、分子線エピタキシー法を用いて、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上に厚さ３００ｎｍのβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜をホモエピタキシャル成長させた後に、その全面にＳｉの多段イオン注入を施す。ここで、注入深さを３００ｎｍ、注入Ｓｉの平均濃度を３×１０^１７ｃｍ^−３とすることで、ノーマリーオン型のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０が得られる。また、例えば注入深さを３００ｎｍ、注入Ｓｉの平均濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３とすることで、ノーマリーオフ型のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０が得られる。

【0045】

後者の方法を用いる場合は、例えば、分子線エピタキシー法を用いて、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上にＳｎを含む厚さ３００ｎｍのβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜をホモエピタキシャル成長させる。ここで、Ｓｎのドープ量は、例えば、７×１０^１７ｃｍ^−３とすることで、ノーマリーオン型のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０が得られる。また、例えばＳｎのドープ量を１×１０^１６ｃｍ^−３とすることで、ノーマリーオフ型のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０が得られる。

【0046】

図３は、ゲート電圧が０Ｖであるときの、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３のドナー濃度と空乏層厚の関係を表すグラフである。ゲート電極１１の材料はＰｔ（障壁高さ＝１．５ｅＶ）であり、β−Ｇａ_２Ｏ_３の比誘電率を１０と仮定した。図３によれば、例えば、ドナー濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３の場合、ゲート電圧０Ｖのときに空乏層厚は９０ｎｍ程度となる。このことは、チャネル層の厚さを９０ｎｍより厚くするとノーマリーオン型のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０が得られ、９０ｎｍより薄くするとノーマリーオフ型のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０が得られることを示している。

【0047】

次に、図２（ｂ）に示されるように、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３にＳｉ等のｎ型ドーパントを多段イオン注入により導入し、ソース領域１４及びドレイン領域１５を形成する。

【0048】

ｎ型ドーパントは、例えば、フォトリソグラフィを用いて形成されたマスクを用いてβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３に選択的に注入される。注入後、窒素雰囲気下、９２５℃、３０分の処理条件で活性化アニール処理を行い、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３に注入されたｎ型ドーパントの活性化を行う。

【0049】

次に、図２（ｃ）に示されるように、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上にソース電極１２及びドレイン電極１３を形成する。ソース電極１２及びドレイン電極１３は、それぞれソース領域１４及びドレイン領域１５に接続される。

【0050】

例えば、フォトリソグラフィによりマスクパターンをβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に形成した後、Ｔｉ／Ａｕ等の金属膜をβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上の全面に蒸着し、リフトオフによりマスクパターン及びその上の金属膜を除去することにより、ソース電極１２及びドレイン電極１３が形成される。ソース電極１２及びドレイン電極１３を形成した後、例えば、窒素雰囲気下、４５０℃、１分の処理条件で電極アニール処理を施す。このアニール処理により、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３とソース電極１２、ドレイン電極１３との間でオーミックコンタクトが得られる。

【0051】

次に、図２（ｄ）に示されるように、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上の全面にＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物絶縁体を主成分とする材料を堆積させ、絶縁膜１６を形成する。

【0052】

絶縁膜１６は、例えば、酸素プラズマ等の酸化剤を用いたＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて、厚さ２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜をβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上の全面に形成することにより得られる。なお、ＡＬＤ法の代わりに、ＣＶＤ法、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等の他の方法を用いて絶縁膜１６を形成してもよい。

【0053】

次に、図２（ｅ）に示されるように、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に、絶縁膜１６を介してゲート電極１１を形成する。ゲート電極１１は、ソース電極１２とドレイン電極１３との間に形成される。

【0054】

例えば、フォトリソグラフィによりマスクパターンを絶縁膜１６上に形成した後、Ｔｉ／Ｐｔ等の金属膜を絶縁膜１６上の全面に蒸着し、リフトオフによりマスクパターン及びその上の金属膜を除去することにより、ゲート電極１１が形成される。

【0055】

ゲート電極１１を形成した後、ソース電極１２及びドレイン電極１３上の絶縁膜１６をドライエッチング等で除去し、ソース電極１２及びドレイン電極１３を露出させる。

【0056】

以下に、本実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの評価結果の一例について説明する。この評価においては、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２の主面を（０１０）面とした。

【0057】

（Ｇａ_２Ｏ_３系半導体素子の評価）
以下に、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜を成長させた後でイオン注入法によりｎ型ドーパントを注入する方法（以下、第１の方法と呼ぶ）によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成した場合、及びｎ型ドーパントを含んだβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜をエピタキシャル成長させる方法（以下、第２の方法と呼ぶ）によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成した場合の、Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０のＩ_ＤＳ−Ｖ_ＤＳ特性及びＩ_ＤＳ−Ｖ_ＧＳ特性を示す。

【0058】

ここで、第１の方法では、分子線エピタキシー法を用いて厚さ３００ｎｍのドーパントを含まないβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜を成長させた後、その全面にＳｉの多段イオン注入を施して深さ３００ｎｍ、平均Ｓｉ濃度３×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉ低濃度ドープ領域を形成し、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を得た。また、ゲート電極１１のゲート長及びゲート幅をそれぞれ２μｍ、５００μｍとし、ソース電極１２とドレイン電極１３との距離を２０μｍとした。

【0059】

また、第２の方法では、分子線エピタキシー法を用いて厚さ３００ｎｍのＳｎを含むβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶膜を成長させた。Ｓｎのドープ量は、７×１０^１７ｃｍ^−３とした。また、ゲート電極１１のゲート長及びゲート幅をそれぞれ４μｍ、５００μｍとし、ソース電極１２とドレイン電極１３との距離を２０μｍとした。

【0060】

図４（ａ）は、第１の方法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成した場合のＩ_ＤＳ−Ｖ_ＤＳ特性を表すグラフであり、図４（ｂ）は、第２の方法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成した場合のＩ_ＤＳ−Ｖ_ＤＳ特性を表すグラフである。

【0061】

ここで、Ｉ_ＤＳはドレイン電流（ソース電極１２からドレイン電極１３に流れる電流）を表し、Ｖ_ＤＳはドレイン電圧（ドレイン電極１３とソース電極１２の間の電圧）を表す。

【0062】

図４（ａ）、（ｂ）ともに、良好な立ち上がり特性を示し、また、ゲート電圧Ｖ_ＧＳによって電流Ｉ_ＤＳを良好に変調できていることを示している。これは、パッシベーション膜として機能する絶縁膜１６が、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のリーク電流を効果的に抑制していることによると考えられる。ここで、ゲート電圧Ｖ_ＧＳは、ゲート電極１１とドレイン電極１３の間の電圧を表す。

【0063】

図５（ａ）は、第１の方法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成した場合のＩ_ＤＳ−Ｖ_ＧＳ特性を表すグラフであり、図５（ｂ）は、第２の方法によりβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を形成した場合のＩ_ＤＳ−Ｖ_ＧＳ特性を表すグラフである。いずれも、ドレイン電圧Ｖ_ＤＳは２５Ｖとした。

【0064】

また、図６は、比較例としてのＭＥＳＦＥＴのＩ_ＤＳ−Ｖ_ＧＳ特性を表すグラフである。この比較例としてのＭＥＳＦＥＴは、前述の国際公開第２０１３／０３５８４２号に開示された、パッシベーション膜を有さないＭＥＳＦＥＴと同じ構造を有する。ドレイン電圧Ｖ_ＤＳは４０Ｖである。

【0065】

図５（ａ）、（ｂ）ともに、オフリーク電流の大きさが１×１０^−１２Ａ程度と非常に小さく、また、オンオフ比（ゲートがオフの時のドレイン電流の大きさに対するオンの時のドレイン電流の大きさの比の値）が１０桁以上と非常に大きい。これも、パッシベーション膜として機能する絶縁膜１６が、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のリーク電流を効果的に抑制していることによると考えられる。

【0066】

一方、図６は、オフリーク電流の大きさが１×１０^−６Ａ以上と比較的大きく、また、オンオフ比が４桁程度と比較的小さいことを示している。この原因の１つとして、比較例としてのＭＥＳＦＥＴがパッシベーション膜を有さないことが考えられる。

【0067】

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、ゲート絶縁膜とパッシベーション膜が、それぞれ独立して形成される点で第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

【0068】

図７は、第２の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴの断面図である。Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ２０は、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３との間のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上にゲート絶縁膜２２を介して形成されたゲート電極１１と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３中のソース電極１２及びドレイン電極１３の下にそれぞれ形成されたソース領域１４及びドレイン領域１５と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のソース電極１２とゲート電極１１との間の領域及びゲート電極１１とドレイン電極１３との間の領域を覆うパッシベーション膜２１と、を含む。

【0069】

パッシベーション膜２１は、第１の実施の形態の絶縁膜１６と同様の材料からなる。また、パッシベーション膜２１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のなるべく広い領域を覆っていることが好ましく、ソース電極１２とドレイン電極１３に接触していることが好ましい。

【0070】

ゲート絶縁膜２２は、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_２Ｏ_３（０＜ｙ≦１）等の材料からなる。ゲート絶縁膜２２の材料は、パッシベーション膜２１の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。なお、ゲート絶縁膜２２の材料としてパッシベーション膜２１の材料よりも誘電率の高いものを用いることにより、ゲートリーク等を第１の実施の形態のＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０よりも効果的に抑えることができる。

【0071】

パッシベーション膜２１及びゲート絶縁膜２２は、例えば、フォトリソグラフィとエッチングにより形成され、どちらが先に形成されてもよい。

【0072】

パッシベーション膜２１を有するＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ２０は、第１の実施の形態の絶縁膜１６を有するＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０と同様に、リーク電流が非常に小さく、オンオフ比が非常に大きい。

【0073】

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、Ｇａ_２Ｏ_３系半導体素子がゲート絶縁膜を含まないＧａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴである点で第２の実施の形態と異なる。なお、第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。

【0074】

図８は、第３の実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴの断面図である。Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ３０は、高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板２上に形成されたβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３と、ソース電極１２とドレイン電極１３との間のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３上に直接形成されたゲート電極１１と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３中のソース電極１２及びドレイン電極１３の下にそれぞれ形成されたソース領域１４及びドレイン領域１５と、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のソース電極１２とゲート電極１１との間の領域及びゲート電極１１とドレイン電極１３との間の領域を覆うパッシベーション膜３１と、を含む。

【0075】

パッシベーション膜３１は、第２の実施の形態のパッシベーション膜２１と同様の材料からなる。また、パッシベーション膜３１は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３の表面のなるべく広い領域を覆っていることが好ましく、ソース電極１２とドレイン電極１３に接触していることが好ましい。

【0076】

ゲート電極１１とβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３はショットキー接合し、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３中のゲート電極１１下に空乏層が形成される。

【0077】

Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ３０は、ゲート直下のβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３のドナー濃度と厚さに依存して、ノーマリーオン型又はノーマリーオフ型になる。

【0078】

Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ３０がノーマリーオン型である場合、ソース電極１２とドレイン電極１３は、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３を介して電気的に接続されている。そのため、ゲート電極１１に電圧を印加しない状態でソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加すると、ソース電極１２からドレイン電極１３へ電流が流れる。一方、ゲート電極１１に電圧を印加すると、ゲート電極１１下の空乏層の深さが増し、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加してもソース電極１２からドレイン電極１３へ電流が流れなくなる。

【0079】

Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ３０がノーマリーオフ型である場合、ゲート電極１１に電圧を印加しない状態では、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加しても電流は流れない。一方、ゲート電極１１に電圧を印加すると、β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層３のゲート電極１１下の領域の空乏層が狭まり、ソース電極１２とドレイン電極１３の間に電圧を印加するとソース電極１２からドレイン電極１３へ電流が流れるようになる。

【0080】

パッシベーション膜３１を有するＧａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ３０は、第１の実施の形態の絶縁膜１６を有するＧａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ１０と同様に、リーク電流が非常に小さく、オンオフ比が非常に大きい。

【0081】

（実施の形態の効果）
上記第１〜３の実施の形態によれば、高抵抗のβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板と、酸化物絶縁体からなるパッシベーション膜とを組み合わせて用いることにより、リーク電流を顕著に減少させ、オンオフ比を顕著に向上させることができる。また、上記第１〜３の実施のトランジスタは、リーク電流の発生が抑えられるためにエネルギー効率が高く、省エネルギーを実現している。

【0082】

以上、本発明の実施の形態を説明したが、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、Ｇａ_２Ｏ_３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。

【0083】

また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。

【0084】

また、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。

【符号の説明】

【0085】

２…高抵抗β−Ｇａ_２Ｏ_３基板、 ３…β−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶層、 １０、２０…Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＩＳＦＥＴ、 ３０…Ｇａ_２Ｏ_３系ＭＥＳＦＥＴ、 １１…ゲート電極、 １２…ソース電極、 １３…ドレイン電極、 １６…絶縁膜、 ２１、３１…パッシベーション膜、 ２２…ゲート絶縁膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】