阅读说明：本技术 Ga2O3系半导体元件 (Ga2O3 semiconductor device ) 是由 东胁正高 中田义昭 上村崇史 黄文海 佐佐木公平 胁本大树 于 2018-04-26 设计创作，主要内容包括：作为一个实施方式,提供一种Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>系半导体元件(1a),Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>系半导体元件(1a)具有：第二Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>系晶体层(11),其包含施主；以及N添加区域,其形成于整个第二Ga<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>系晶体层(11)。(As an embodiment, there is provided Ga 2 O 3 Is a semiconductor element (1a), Ga 2 O 3 The semiconductor device (1a) comprises: second Ga 2 O 3 A system crystal layer (11) containing a donor; and an N-added region formed over the entire second Ga 2 O 3 A crystal-containing layer (11).)

Ga2O3系半导体元件

技术领域

本发明涉及Ga₂O₃系半导体元件。

背景技术

以往，已知使无掺杂(未有意地添加掺杂物)的Ga₂O₃系晶体膜在Ga₂O₃系基板上外延生长的技术(例如，参照专利文献1)。

另外，以往已知一种半导体元件，该半导体元件具有：基底基板，其包括Ga₂O₃系晶体；缓冲层，其外延生长在基底基板上，包括无掺杂的Ga₂O₃系晶体；以及缓冲层上的Ga₂O₃系晶体层，其添加有Si作为掺杂物(例如，参照非专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2017-041593号公报

非专利文献

非专利文献1：Man Hoi Wong,et al.,“Anomalous Fe diffusion in Si-ion-implantedβ-Ga2O3and its suppression in Ga2O3transistor structures throughhighly resistive buffer layers,”Applied Physics Letters 106,032105,2015.

发明内容

发明要解决的问题

在使Ga₂O₃系晶体膜以无掺杂的方式外延生长的情况下，有时会产生意料之外的施主，而成为n型。若将这样的无掺杂的Ga₂O₃系晶体膜用在半导体元件中，则有时会产生由于无掺杂的Ga₂O₃系晶体膜为n型而导致的问题。

例如，在缓冲层使用了无掺杂的Ga₂O₃系晶体膜的FET(Field effect transistor：场效应晶体管)中，除了在沟道层流过电流以外，还在缓冲层流过电流(漏电流)，因此，无法使FET正常进行动作。

所以，有时要求将合适的受主添加到无掺杂的Ga₂O₃系晶体层，对非有意地添加的施主进行补偿来高电阻化。另外，如果是在Ga₂O₃系晶体层中作为受主发挥功能的杂质，则其也能够用于无掺杂的Ga₂O₃系晶体层或n型的无掺杂的Ga₂O₃系晶体层中的p型的区域的形成。

本发明的目的在于，提供一种具有添加了新型的受主杂质的Ga₂O₃系晶体层的Ga₂O₃系半导体元件。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明的一方面提供下述[1]～[8]的Ga₂O₃系半导体元件。

[1]一种Ga₂O₃系半导体元件，具有：Ga₂O₃系晶体层，其包含施主；以及N(氮)添加区域，其形成于上述Ga₂O₃系晶体层的至少一部分。

[2]根据上述[1]所述的Ga₂O₃系半导体元件，上述N添加区域包含比上述施主的浓度高的浓度的N。

[3]根据上述[1]或[2]所述的Ga₂O₃系半导体元件，上述N添加区域形成于上述Ga₂O₃系晶体层的一部分。

[4]根据上述[1]所述的Ga₂O₃系半导体元件，上述施主为非有意地添加到上述Ga₂O₃系晶体层的施主，上述N添加区域包含上述施主的浓度以下的浓度的N。

[5]根据上述[1]、[2]、[4]中的任意一项所述的Ga₂O₃系半导体元件，其作为纵型肖特基势垒二极管，上述N添加区域为电流通路或者护环。

[6]根据上述[1]或[2]所述的Ga₂O₃系半导体元件，其作为纵型MOSFET，上述N添加区域包含沟道区域，或者上述N添加区域是具有成为电流通路的开口区域的电流遮断区域。

[7]根据上述[1]、[2]、[4]中的任意一项所述的Ga₂O₃系半导体元件，其作为横型MOSFET，上述N添加区域包含沟道区域，或者上述N添加区域位于上述Ga₂O₃系晶体层中的沟道区域与上述Ga₂O₃系晶体层的底面之间。

[8]根据上述[1]、[2]、[4]中的任意一项所述的Ga₂O₃系半导体元件，其作为MESFET，上述N添加区域包含沟道区域，或者上述N添加区域位于上述Ga₂O₃系晶体层中的沟道区域与上述Ga₂O₃系晶体层的底面之间。

发明效果

根据本发明，能够提供一种具有添加了新型的受主杂质的Ga₂O₃系晶体层的Ga₂O₃系半导体元件。

附图说明

图1是第一实施方式的肖特基势垒二极管的垂直截面图。

图2是第一实施方式的肖特基势垒二极管的垂直截面图。

图3是第一实施方式的肖特基势垒二极管的垂直截面图。

图4是第二实施方式的纵型MOSFET的垂直截面图。

图5是第二实施方式的纵型MOSFET的垂直截面图。

图6是第二实施方式的纵型MOSFET的垂直截面图。

图7是第三实施方式的横型MOSFET的垂直截面图。

图8是第三实施方式的横型MOSFET的垂直截面图。

图9是第三实施方式的横型MOSFET的垂直截面图。

图10是第三实施方式的横型MOSFET的垂直截面图。

图11是第四实施方式的MESFET的垂直截面图。

图12是第四实施方式的MESFET的垂直截面图。

图13是实施例1的实验所使用的试料的垂直截面图。

图14是示出所测定的试料的漏电特性的坐标图。

图15A是第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0体积％时的、第二Ga₂O₃系晶体层中的N的SIMS分布。

图15B是第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0.04体积％时的、第二Ga₂O₃系晶体层中的N的SIMS分布。

图15C是第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0.4体积％时的、第二Ga₂O₃系晶体层中的N的SIMS分布。

图16A是示出第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0体积％时的、肖特基势垒二极管的导电特性的坐标图。

图16B是示出第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0.04体积％时的、肖特基势垒二极管的导电特性的坐标图。

图16C是示出第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0.4体积％时的、肖特基势垒二极管的导电特性的坐标图。

图17是示出第二Ga₂O₃系晶体层的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度和肖特基势垒二极管的阳极电压为6V时的正向电流密度的关系的坐标图。

具体实施方式

〔第一实施方式〕

第一实施方式是作为半导体元件的、具有形成了N添加区域的Ga₂O₃系晶体层的肖特基势垒二极管的方式。

以往，尚不知晓N(氮)以会对特性产生影响的程度的浓度掺入到Ga₂O₃系晶体中，另外，当然也不知晓N会在Ga₂O₃系晶体中作为受主发挥功能。

在此，所谓Ga₂O₃系单晶，是指Ga₂O₃单晶或者添加有Al、In等元素的Ga₂O₃单晶。例如，可以是作为添加有Al和In的Ga₂O₃单晶的(Ga_xAl_yIn_(1-x-y))₂O₃(0＜x≤1，0≤y＜1，0＜x+y≤1)单晶。在添加了Al的情况下，带隙会变宽，在添加了In的情况下，带隙会变窄。

图1是第一实施方式的肖特基势垒二极管1a的垂直截面图。

肖特基势垒二极管1a是纵型的肖特基势垒二极管，具有：第一Ga₂O₃系晶体层10；第二Ga₂O₃系晶体层11，其层叠于第一Ga₂O₃系晶体层10；阳极电极12，其连接到第二Ga₂O₃系晶体层11；以及阴极电极13，其连接到第一Ga₂O₃系晶体层10。

第一Ga₂O₃系晶体层10包括含有作为施主的Si、Sn等IV族元素的n⁺型的Ga₂O₃系单晶。第一Ga₂O₃系晶体层10的施主浓度例如为1×10¹⁷～1×10²⁰cm^-3。第一Ga₂O₃系晶体层10的厚度例如为0.5～1000μm。

在肖特基势垒二极管1a的典型构成中，第一Ga₂O₃系晶体层10为Ga₂O₃系基板。第一Ga₂O₃系晶体层10的主面的面方位例如为(010)、(001)、(-201)。

第二Ga₂O₃系晶体层11是在第一Ga₂O₃系晶体层10上通过外延晶体生长而形成的层，包括含有非有意地添加的施主的Ga₂O₃系单晶。在此，非有意地添加的施主除了包含杂质，还包含氧空位等缺陷。非有意地添加的施主的浓度例如为1×10¹⁸cm^-3以下。第二Ga₂O₃系晶体层11的厚度例如为0.1～100μm。

另外，在第二Ga₂O₃系晶体层11中，有意地添加了N，对非有意地添加的施主进行了补偿。为了降低电子浓度，优选第二Ga₂O₃系晶体层11的N浓度为非有意地添加的施主浓度以下。N是与第二Ga₂O₃系晶体层11的晶体生长并行地添加(原位掺杂)，整个第二Ga₂O₃系晶体层11成为N添加区域。此外，在添加N的同时还有意地添加作为施主的Si、Sn等IV族元素等的情况下，N的浓度也可以大于非有意地添加的施主的浓度。

第二Ga₂O₃系晶体层11例如通过使用了Ga金属和以O₂与N₂的混合气体为原料的臭氧气体的分子束外延法(MBE法)来形成。

阳极电极12例如具有Pt/Ti/Au的层叠结构，与第二Ga₂O₃系晶体层11进行肖特基接触。

阴极电极13例如具有Ti/Au的层叠结构，与第一Ga₂O₃系晶体层10进行欧姆接触。

在肖特基势垒二极管1a中，通过向阳极电极12与阴极电极13之间施加正向的电压(阳极电极12侧为正电位)，从而从第二Ga₂O₃系晶体层11观看的阳极电极12与第二Ga₂O₃系晶体层11之间的能垒下降，电流从阳极电极12流向阴极电极13。所以，整体是N添加区域的第二Ga₂O₃系晶体层11成为电流通路。另一方面，在向阳极电极12与阴极电极13之间施加了反向的电压(阳极电极12侧为负电位)时，由于肖特基势垒，电流的流动被阻碍。

图2是第一实施方式的肖特基势垒二极管1b的垂直截面图。肖特基势垒二极管1b在具有场板结构这一点上与肖特基势垒二极管1a不同。

在肖特基势垒二极管1b中，在第二Ga₂O₃系晶体层11的上表面上，沿着阳极电极16的周围设置有包括SiO₂等的绝缘膜14，阳极电极16的边缘搭在该绝缘膜14之上。

通过设置这样的场板结构，能够抑制电场向阳极电极16的端部集中。另外，绝缘膜14还作为抑制在第二Ga₂O₃系晶体层11的上表面流过的表面漏电流的钝化膜发挥功能。

图3是第一实施方式的肖特基势垒二极管1c的垂直截面图。

肖特基势垒二极管1c在具有护环结构这一点上与肖特基势垒二极管1b不同。在肖特基势垒二极管1c中，在第二Ga₂O₃系晶体层15的上表面附近，形成有作为护环的N添加区域101。即，在第二Ga₂O₃系晶体层15的一部分形成有N添加区域101。

第二Ga₂O₃系晶体层15包括含有作为施主的Si、Sn等IV族元素的n^-型的Ga₂O₃系单晶。第二Ga₂O₃系晶体层15的施主浓度例如为1×10¹⁸cm^-3以下。第二Ga₂O₃系晶体层15的厚度例如为0.1～100μm。

N添加区域101例如通过选择性地对第二Ga₂O₃系晶体层15的上表面的与阳极电极16局部重叠的区域实施N离子注入来形成。N添加区域101的N浓度高于第二Ga₂O₃系晶体层15的施主浓度。通过设置这样的护环结构，能够缓和阳极电极16的端部处的电场集中。

〔第二实施方式〕

第二实施方式是作为半导体元件的、具有形成了N添加区域的Ga₂O₃系晶体层的纵型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)的方式。

图4是第二实施方式的纵型MOSFET2a的垂直截面图。

纵型MOSFET2a具有：第一Ga₂O₃系晶体层20；第二Ga₂O₃系晶体层21，其层叠于第一Ga₂O₃系晶体层20；栅极电极24，其隔着栅极绝缘膜25形成在第二Ga₂O₃系晶体层21上；n⁺区域202，其形成于第二Ga₂O₃系晶体层21的上表面附近的栅极电极24的两侧；p⁺区域203，其形成于n⁺区域202的外侧；N添加区域201，其包围n⁺区域202和p⁺区域203；源极电极22，其形成在第二Ga₂O₃系晶体层21上，连接到n⁺区域202和p⁺区域203；以及漏极电极23，其形成在第一Ga₂O₃系晶体层20的与第二Ga₂O₃系晶体层21相反的一侧的面上。

纵型MOSFET2a是增强型(常截止)的纵型MOSFET。当对栅极电极24施加阈值以上的电压时，会在栅极电极24之下的N添加区域201形成反转型沟道，从漏极电极23向源极电极22流过电流。即，N添加区域201包含沟道区域(形成沟道的区域)。

第一Ga₂O₃系晶体层20包括含有作为施主的Si、Sn等IV族元素的n⁺型的Ga₂O₃系单晶。第一Ga₂O₃系晶体层20的施主浓度例如为1×10¹⁷～1×10²⁰cm^-3。第一Ga₂O₃系晶体层20的厚度例如为0.5～1000μm。

在纵型MOSFET2a的典型构成中，第一Ga₂O₃系晶体层20为Ga₂O₃系基板。第一Ga₂O₃系晶体层10的主面的面方位例如为(010)、(001)、(-201)。

第二Ga₂O₃系晶体层21包括含有作为施主的Si、Sn等IV族元素的n^-型的Ga₂O₃系单晶。第二Ga₂O₃系晶体层21的施主浓度例如为1×10¹⁸cm^-3以下。第二Ga₂O₃系晶体层21的厚度例如为1～100μm。

源极电极22、漏极电极23和栅极电极24例如包括Ti/Au。栅极绝缘膜25包括SiO₂等绝缘材料。

n⁺区域202是在第二Ga₂O₃系晶体层21中通过离子注入等形成的n型掺杂物的浓度高的区域。p⁺区域203是在第二Ga₂O₃系晶体层21中通过p型材料的埋入、离子注入等形成的p型掺杂物的浓度高的区域。

N添加区域201通过离子注入等形成于包围n⁺区域202和p⁺区域203那样的区域。即，在第二Ga₂O₃系晶体层21的一部分形成有N添加区域201。N添加区域201的N浓度高于第二Ga₂O₃系晶体层21(n⁺区域202和p⁺区域203以外的区域)的施主浓度。

图5是第二实施方式的纵型MOSFET2b的垂直截面图。纵型MOSFET2b是栅极电极被埋入到第二Ga₂O₃系晶体层的沟槽型的纵型MOSFET，这一点与纵型MOSFET2a不同。

在纵型MOSFET2b中，栅极电极26被栅极绝缘膜27覆盖而埋入于第二Ga₂O₃系晶体层21，N添加区域201、n⁺区域202和p⁺区域203位于栅极电极26的两侧。

纵型MOSFET2b是增强型的纵型MOSFET。当对栅极电极26施加阈值以上的电压时，会在栅极电极26的侧方的N添加区域201形成反转型沟道，从漏极电极23向源极电极22流过电流。即，N添加区域201包含沟道区域。

图6是第二实施方式的纵型MOSFET2c的垂直截面图。纵型MOSFET2c是形成有电流遮断层的耗尽型(常导通)的纵型MOSFET，这一点与纵型MOSFET2a不同。

在纵型MOSFET2c中，在第二Ga₂O₃系晶体层21的上表面附近的栅极电极24的两侧形成有n⁺区域205，在第二Ga₂O₃系晶体层21中的n⁺区域205的下方的一部分，形成有作为具有开口区域的电流遮断区域的N添加区域204。

n⁺区域205是在第二Ga₂O₃系晶体层21中通过离子注入等形成的n型掺杂物的浓度高的区域。

N添加区域204通过离子注入等形成于n⁺区域205的下方的一部分。位于栅极电极24的下方的被N添加区域204包围的区域204a是电流遮断区域的开口区域，其是成为电流通路的区域。即，在第二Ga₂O₃系晶体层21的一部分形成有N添加区域204。N添加区域204的N浓度高于第二Ga₂O₃系晶体层21(n⁺区域205以外的区域)的施主浓度。

如上所述，纵型MOSFET2c是耗尽型的纵型MOSFET。在对栅极电极24未施加电压的状态下或者施加阈值以上的电压的状态下，能够从漏极电极23向源极电极22流过电流，但当对栅极电极24施加阈值以下的电压时，沟道的一部分会关闭，其结果是，能够使电流截止。

〔第三实施方式〕

第三实施方式是作为半导体元件的、具有形成了N添加区域的Ga₂O₃系晶体层的横型MOSFET的方式。

图7是第三实施方式的横型MOSFET3a的垂直截面图。

横型MOSFET3a具有：第一Ga₂O₃系晶体层30；第二Ga₂O₃系晶体层31，其层叠于第一Ga₂O₃系晶体层30；源极电极32和漏极电极33，其形成在第二Ga₂O₃系晶体层31上；栅极电极34，其隔着栅极绝缘膜35形成于源极电极32与漏极电极33之间的第二Ga₂O₃系晶体层31上的区域；n⁺区域302，其形成于第二Ga₂O₃系晶体层31的上表面附近的栅极电极34的两侧，分别连接到源极电极32、漏极电极33；以及N添加区域301，其在第二Ga₂O₃系晶体层31中的n⁺区域302与第一Ga₂O₃系晶体层30之间沿面内方向连续地形成。

横型MOSFET3a是耗尽型的横型MOSFET。在对栅极电极34未施加电压的状态下，能够从漏极电极33向源极电极32流过电流，但当对栅极电极34施加阈值以下的电压时，耗尽层会扩展而2个n⁺区域302之间的沟道变窄，电流的流动被阻碍。

第一Ga₂O₃系晶体层30是有意地添加了比施主浓度高的浓度的Fe等受主杂质的半绝缘性的层。第一Ga₂O₃系晶体层30的电阻率例如为1×10¹⁰Ωcm以上。第一Ga₂O₃系晶体层30的厚度例如为0.5～1000μm。

在横型MOSFET3a的典型构成中，第一Ga₂O₃系晶体层30为Ga₂O₃系基板。第一Ga₂O₃系晶体层30的主面的面方位例如为(010)、(001)、(-201)。

第二Ga₂O₃系晶体层31包括含有作为施主的Si、Sn等IV族元素的n^-型的Ga₂O₃系单晶。第二Ga₂O₃系晶体层31的施主浓度例如为1×10¹⁶～5×10¹⁹cm^-3。第二Ga₂O₃系晶体层31的厚度例如为0.02～100μm。

源极电极32、漏极电极33和栅极电极34例如包括Ti/Au。栅极绝缘膜35包括SiO₂等绝缘材料。

n⁺区域302是在第二Ga₂O₃系晶体层31中通过离子注入等形成的n型掺杂物的浓度高的区域。

N添加区域301通过离子注入等形成于将以下两者之间遮挡这样的位置：形成于2个n⁺区域302之间的沟道；以及第二Ga₂O₃系晶体层31与第一Ga₂O₃系晶体层30的界面。即，N添加区域301形成于作为第二Ga₂O₃系晶体层31的一部分的、第二Ga₂O₃系晶体层31中的沟道区域与第二Ga₂O₃系晶体层31的底面之间。所以，N添加区域301能够抑制在第二Ga₂O₃系晶体层31与第一Ga₂O₃系晶体层30的界面流过的漏电流。N添加区域301的N浓度高于第二Ga₂O₃系晶体层31(n⁺区域302以外的区域)的施主浓度。

图8是第三实施方式的横型MOSFET3b的垂直截面图。在横型MOSFET3b中，在整个第二Ga₂O₃系晶体层形成有N添加区域，这一点与横型MOSFET3a不同。

横型MOSFET3b的第二Ga₂O₃系晶体层36是在第一Ga₂O₃系晶体层30上通过外延晶体生长而形成的层，包括含有非有意地添加的施主的Ga₂O₃系单晶。非有意地添加的施主的浓度例如为1×10¹⁸cm^-3以下。第二Ga₂O₃系晶体层36的厚度例如为0.02～100μm。

另外，在第二Ga₂O₃系晶体层36中，有意地添加了N，对非有意地添加的施主进行了补偿。为了降低电子浓度，优选第二Ga₂O₃系晶体层36的N浓度为非有意地添加的施主浓度以下。N是与第二Ga₂O₃系晶体层36的晶体生长并行地添加，整个第二Ga₂O₃系晶体层36成为N添加区域。另外，N也可以是通过离子注入而添加到第二Ga₂O₃系晶体层36。此外，在添加N的同时还有意地添加作为施主的Si、Sn等IV族元素等的情况下，N浓度也可以大于非有意地添加的施主浓度。

横型MOSFET3b是耗尽型的横型MOSFET。在对栅极电极34未施加电压的状态下，能够从漏极电极33向源极电极32流过电流，但当对栅极电极34施加阈值以下的电压时，耗尽层会扩展而2个n⁺区域302之间的沟道变窄，电流的流动被阻碍。即，在整个第二Ga₂O₃系晶体层36形成的N添加区域包含沟道区域。

图9是第三实施方式的横型MOSFET3c的垂直截面图。横型MOSFET3c是增强型，这一点与横型MOSFET3b不同。

横型MOSFET3c的第二Ga₂O₃系晶体层37是在第一Ga₂O₃系晶体层30上通过外延晶体生长而形成的层，包括含有非有意地添加的施主的Ga₂O₃系单晶。非有意地添加的施主的浓度例如为1×10¹⁸cm^-3以下。第二Ga₂O₃系晶体层37的厚度例如为0.02～100μm。

另外，在第二Ga₂O₃系晶体层37中，有意地添加了N，对非有意地添加的施主进行了补偿。优选第二Ga₂O₃系晶体层37的N浓度大于非有意地添加的施主浓度。N是与第二Ga₂O₃系晶体层37的晶体生长并行地添加，整个第二Ga₂O₃系晶体层37成为N添加区域。另外，N也可以是通过离子注入而添加到第二Ga₂O₃系晶体层37。

横型MOSFET3c的栅极电极38由于要在源极电极32与漏极电极33之间形成连续的沟道区域，因此与n⁺区域302的端部重叠或者非常接近。

横型MOSFET3c是增强型的横型MOSFET。当对栅极电极38施加阈值以上的电压时，会在第二Ga₂O₃系晶体层37的上表面附近的2个n⁺区域302之间形成沟道，从漏极电极33向源极电极32流过电流。即，在整个第二Ga₂O₃系晶体层37形成的N添加区域包含沟道区域。

图10是第三实施方式的横型MOSFET3d的垂直截面图。在横型MOSFET3d中，N添加区域仅形成于第二Ga₂O₃系晶体层的上侧的一部分，这一点与横型MOSFET3c不同。

横型MOSFET3d的N添加区域303通过离子注入等形成于第二Ga₂O₃系晶体层31的上侧的包含n⁺区域302的区域。即，在第二Ga₂O₃系晶体层31的一部分形成有N添加区域303。N添加区域303的N浓度高于第二Ga₂O₃系晶体层31(n⁺区域302以外的区域)的施主浓度。

与横型MOSFET3c同样，横型MOSFET3d是增强型的横型MOSFET。当对栅极电极38施加阈值以上的电压时，会在第二Ga₂O₃系晶体层31(N添加区域303)的上表面附近的2个n⁺区域302之间形成沟道，从漏极电极33向源极电极32流过电流。即，N添加区域303包含沟道区域。

〔第四实施方式〕

第四实施方式是作为半导体元件的、具有形成了N添加区域的Ga₂O₃系晶体层的MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor：金属半导体场效应晶体管)的方式。

图11是第四实施方式的MESFET4a的垂直截面图。

MESFET4a具有：第一Ga₂O₃系晶体层40；第二Ga₂O₃系晶体层41，其层叠于第一Ga₂O₃系晶体层40；源极电极42和漏极电极43，其形成在第二Ga₂O₃系晶体层41上；栅极电极44，其形成于源极电极42与漏极电极43之间的第二Ga₂O₃系晶体层41上的区域；n⁺区域402，其形成于第二Ga₂O₃系晶体层41的上表面附近的栅极电极44的两侧，分别连接到源极电极42、漏极电极43；以及N添加区域401，其在第二Ga₂O₃系晶体层41中的n⁺区域402与第一Ga₂O₃系晶体层40之间沿面内方向连续地形成。

栅极电极44与第二Ga₂O₃系晶体层41的上表面进行肖特基接触，在第二Ga₂O₃系晶体层41中的栅极电极44下形成有耗尽层。MESFET4a根据该耗尽区域的厚度而作为耗尽型的晶体管或者增强型的晶体管发挥功能。

第一Ga₂O₃系晶体层40是有意地添加了比施主浓度高的浓度的Fe等受主杂质的半绝缘性的层。第一Ga₂O₃系晶体层40的电阻率例如为1×10¹⁰Ωcm以上。第一Ga₂O₃系晶体层40的厚度例如为0.5～1000μm。

在MESFET4a的典型构成中，第一Ga₂O₃系晶体层40为Ga₂O₃系基板。第一Ga₂O₃系晶体层40的主面的面方位例如为(010)、(001)、(-201)。

第二Ga₂O₃系晶体层41包括含有作为施主的Si、Sn等IV族元素的n^-型的Ga₂O₃系单晶。第二Ga₂O₃系晶体层41的施主浓度例如为1×10¹⁶～5×10¹⁹cm^-3。第二Ga₂O₃系晶体层41的厚度例如为0.02～100μm。

源极电极42和漏极电极43例如包括Ti/Au。另外，栅极电极44例如包括Pt/Ti/Au。

n⁺区域402是在第二Ga₂O₃系晶体层41中通过离子注入等形成的n型掺杂物的浓度高的区域。

N添加区域401通过离子注入等形成于将以下两者之间遮挡这样的位置：形成于2个n⁺区域402之间的沟道；以及第二Ga₂O₃系晶体层41与第一Ga₂O₃系晶体层40的界面。即，N添加区域401形成于作为第二Ga₂O₃系晶体层41的一部分的、第二Ga₂O₃系晶体层41中的沟道区域与第二Ga₂O₃系晶体层41的底面之间。所以，N添加区域401能够抑制在第二Ga₂O₃系晶体层41与第一Ga₂O₃系晶体层40的界面流过的漏电流。N添加区域401的N浓度高于第二Ga₂O₃系晶体层41(n⁺区域402以外的区域)的施主浓度。

图12是第四实施方式的MESFET4b的垂直截面图。在MESFET4b中，在整个第二Ga₂O₃系晶体层形成有N添加区域，这一点与MESFET4a不同。

MESFET4b的第二Ga₂O₃系晶体层45是在第一Ga₂O₃系晶体层40上通过外延晶体生长而形成的层，包括含有非有意地添加的施主的Ga₂O₃系单晶。非有意地添加的施主的浓度例如为1×10¹⁸cm^-3以下。第二Ga₂O₃系晶体层45的厚度例如为0.02～100μm。

另外，在第二Ga₂O₃系晶体层45中，有意地添加了N，对非有意地添加的施主进行了补偿。为了降低电子浓度，优选第二Ga₂O₃系晶体层45的N浓度为非有意地添加的施主浓度以下。N是与第二Ga₂O₃系晶体层45的晶体生长并行地添加，整个第二Ga₂O₃系晶体层45成为N添加区域。另外，N也可以是通过离子注入而添加到第二Ga₂O₃系晶体层45。此外，在添加N的同时还有意地添加作为施主的Si、Sn等IV族元素等的情况下，N浓度也可以大于非有意地添加的施主浓度。

栅极电极44与第二Ga₂O₃系晶体层45的上表面进行肖特基接触，在第二Ga₂O₃系晶体层45中的栅极电极44下形成有耗尽层。MESFET4b根据该耗尽区域的厚度而作为耗尽型的晶体管或者增强型的晶体管发挥功能。

(实施方式的效果)

根据上述第一至第四实施方式，能够使用以往尚未作为Ga₂O₃系晶体所使用的受主而被知晓的N进行Ga₂O₃系晶体的高电阻化或p型区域的形成。并且，能够提供具有添加了N的Ga₂O₃系晶体层的半导体元件。

实施例1

通过实验证实了添加到Ga₂O₃系晶体中的N在作为受主发挥功能。

图13是实施例1的实验所使用的试料5的垂直截面图。试料5具有：Ga₂O₃单晶基板50，其包含非有意地添加的施主；n⁺型的Ga₂O₃单晶层51，其层叠于Ga₂O₃单晶基板50；N添加区域501，其形成在Ga₂O₃单晶基板50中；n⁺区域502，其形成于Ga₂O₃单晶基板50的上表面(Ga₂O₃单晶层51的相反侧的面)附近；电极52，其被欧姆连接到Ga₂O₃单晶基板50的n⁺区域502，具有Ti/Au层叠结构；以及电极53，其被欧姆连接到Ga₂O₃单晶层51，具有Ti/Au层叠结构。

Ga₂O₃单晶基板50的非有意地添加的施主的浓度为大约3×10¹⁷cm^-3。Ga₂O₃单晶基板50的主面的面方位为(001)。

N添加区域501是通过以480keV、4×10¹³cm^-2的注入条件向离Ga₂O₃单晶基板50的上表面为600～700nm的深度的层状区域将N进行离子注入而形成的。另外，在离子注入后，为了使所添加的N的活性化和离子注入对Ga₂O₃单晶基板50的损伤恢复，在N₂气氛中以800～1200℃、30分钟的条件实施了退火处理。N添加区域501的N的最大浓度为1.5×10¹⁸cm^-3。

n⁺区域502是通过向Ga₂O₃单晶基板50的上表面附近将Si进行离子注入而形成的，在离子注入后，为了使所添加的Si活性化，在N₂气氛中以800℃、30分钟的条件实施了退火处理。

通过对该试料5的电极52与电极53之间施加电压来测定纵向的漏电流的大小，从而确认了N添加区域501中的N在作为受主发挥功能。

图14是示出所测定的试料5的漏电特性的坐标图。图14示出随着退火温度在800℃至1200℃之间的增加而漏电流减小了。在退火温度为1200℃时，偏置电压为200V时的漏电流的大小的最小值是1～10μA/cm²。由此，证实了N添加区域501中的N在作为受主发挥功能。

实施例2

形成上述第一实施方式的肖特基势垒二极管1a，调查了整体为N添加区域的第二Ga₂O₃系晶体层11的N浓度与肖特基势垒二极管1a的导电特性的关系。

在本实施例中，将以(010)面为主面的、掺杂有Sn的n⁺型的Ga₂O₃单晶基板用作第一Ga₂O₃系晶体层10。在第一Ga₂O₃系晶体层10的背面，将浓度为5×10¹⁹cm^-3的Si以深度为150nm的箱形分布进行离子注入，并使阴极电极13进行欧姆接触。

另外，通过使用了Ga金属和以O₂与N₂的混合气体为原料的臭氧气体的MBE法，使添加了N的Ga₂O₃单晶在第一Ga₂O₃系晶体层10上同质外延生长为2.6μm的厚度，而作为第二Ga₂O3系晶体层11。

另外，作为阳极电极12，形成了直径为200μm的圆形的具有Pt/Ti/Au层叠结构的电极。作为阴极电极13，形成了具有Ti/Au层叠结构的电极。

首先，为了证实在第二Ga₂O₃系晶体层11中添加了N，通过二次离子质谱法(SIMS)对尚未形成阳极电极12和阴极电极13的试料进行了测定。

图15A、15B、15C示出第二Ga₂O₃系晶体层11的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度分别为0体积％、0.04体积％、0.4体积％时的、第二Ga₂O₃系晶体层11中的N的SIMS分布。图中的比虚线的深度浅的部分(虚线的左侧的部分)为第二Ga₂O₃系晶体层11中的分布，比虚线的深度深的部分(虚线的右侧的部分)为第一Ga₂O₃系晶体层10中的分布。

如图15A、15B、15C所示，O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0体积％、0.04体积％、0.4体积％时的第二Ga₂O₃系晶体层11中的N浓度分别是2.5×10¹⁶cm^-3、3.4×10¹⁶cm^-3、1.5×10¹⁷cm^-3。由此可知，能对Ga₂O₃系晶体添加N，另外，能通过臭氧的原料气体所包含的N的浓度控制Ga₂O₃系晶体中的N浓度。

接下来，对形成了阳极电极12和阴极电极13的试料测定了肖特基势垒二极管1a的导电特性。

图16A、16B、16C是示出第二Ga₂O₃系晶体层11的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度分别为0体积％、0.04体积％、0.4体积％时的、肖特基势垒二极管1a的导电特性的坐标图。

根据图16A、16B、16C，任何一个肖特基势垒二极管1a均表现出了仅在阳极电压为正时较多地流过电流的n型的整流性。

图17是示出从图16A、16B、16C的电流特性导出的、第二Ga₂O₃系晶体层11的生长所使用的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度与肖特基势垒二极管1a的阳极电压为6V时的正向电流密度的关系的坐标图。

图17所示的O₂与N₂的混合气体中的N₂气体的浓度为0体积％、0.04体积％、0.4体积％时的正向电流密度分别是4.88×10^-6、5.70×10^-7、8.76×10^-9A/cm²。

图17示出了当N₂气体的浓度增加时电流会呈指数函数地减小。这表明，第二Ga₂O₃系晶体层11中的有意地添加的N对第二Ga₂O₃系晶体层11的高电阻化作出了贡献。

以上说明了本发明的实施方式、实施例，但本发明不限于上述实施方式、实施例，能在不脱离发明的主旨的范围内进行各种变形实施。另外，能在不脱离发明的主旨的范围内将上述实施方式、实施例的构成要素任意地组合。

另外，上面所记载的实施方式、实施例并不限制权利要求书所涉及的发明。另外，应当注意，实施方式、实施例中所说明的特征的所有组合对用于解决发明的问题的方案来说并非都是必须的。

工业上的可利用性

提供一种具有添加了新型的受主杂质的Ga₂O₃系晶体层的Ga₂O₃系半导体元件。

附图标记说明

1a、1b、1c…肖特基势垒二极管，2a、2b、2c…纵型MOSFET，3a、3b、3c、3d…横型MOSFET，4a、4b…MESFET，10、20、30、40…第一Ga₂O₃系晶体层，11、15、21、31、36、41、45…第二Ga₂O₃系晶体层，101、201、204、301、303、401…N添加区域。