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Die
Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren
zu deren Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Halbleitervorrichtung,
bei der eine Diodenstruktur mit Schottky-Barriere und eine pn-Diodenstruktur
ausgebildet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Halbleitervorrichtung.
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Die
veröffentlichte
japanische Übersetzung der
PCT-Anmeldung Nr. 2003-510817 (
JP-A-2003-510817 ) beschreibt
eine Halbleitervorrichtung (Schottky-Diode mit Übergangsbarriere),
bei der eine Schottky-Barrierendiodenstruktur und eine pn-Diodenstruktur
abwechselnd ausgebildet sind. Die Halbleitervorrichtung beinhaltet
ein n-Halbleitersubstrat und eine auf der oberen Fläche
des Halbleitersubstrates ausgebildete obere Elektrode. Bei dem Halbleitersubstrat
sind p-Halbleiterbereiche in einer Richtung parallel zu der Substratebene
wiederholt ausgebildet, so dass sie auf der oberen Fläche
des Halbleitersubstrates freigelegt sind. Die obere Elektrode umfasst
eine Übergangsschicht aus einer Legierung aus Aluminium
und Nickel. Die Übergangsschicht der oberen Elektrode steht
in Schottky-Kontakt mit n-Halbleiterbereichen, die auf der oberen
Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt sind, und außerdem
in ohmschen Kontakt mit p-Halbleiterbereichen, die auf der oberen
Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt sind. Wenn die
Halbleitervorrichtung dieser Bauart in Sperrrichtung vorgespannt
wird, spreizt sich eine an jeder pn-Diodenstruktur erzeugte Verarmungsschicht
zu der Schottky-Barrierendiodenstruktur. Dies verbessert den Leckstrom
und den niedrigen Überspannungswiderstand in der Schottky-Barrierendiodenstruktur.
Wenn andererseits die vorstehend beschriebene Halbleitervorrichtung
in Durchlassrichtung vorgespannt wird, können durch die
Schottky-Barrierendiodenstrukturen ein niedriger Durchlasswiderstand
und eine hochschnelle Sperrverzögerungszeit erzielt werden.
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Bei
der in der Druckschrift
JP-A-2003-510817 beschriebenen
Technologie besteht die Übergangsschicht der oberen Elektrode
aus einem Metallmaterial in ohmschen Kontakt mit den p-Halbleiterbereichen
des Halbleitersubstrats. Wenn bei dieser Struktur ein Halbleitersubstrat
mit einer großen Bandlücke wie etwa beispielsweise
Siliziumcarbid verwendet wird, steigen die Kontaktwiderstände
zwischen der Übergangsschicht der oberen Elektrode und
den p-Halbleiterbereichen. Folglich steigt der Durchlasswiderstand
(der Spannungsabfall, wenn die Halbleitervorrichtung in Durchlassrichtung vorgespannt
wird).
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Die
Erfindung stellt eine Technologie bereit, damit der Anstieg beim
Durchlasswiderstand unterdrückt werden kann, selbst wenn
ein Halbleitersubstrat mit einer großen Bandlücke
verwendet wird.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt.
Die Halbleitervorrichtung beinhaltet ein n-Halbleitersubstrat und
eine auf einer oberen Fläche des Halbleitersubstrates ausgebildete
obere Elektrode. Ein p-Halbleiterbereich wird in dem Halbleitersubstrat
in zumindest einer Richtung parallel zu der Substratebene wiederholt
ausgebildet, so dass er auf einer oberen Fläche des Halbleitersubstrates
freigelegt ist. Die obere Elektrode beinhaltet einen Metallelektrodenabschnitt
aus einem Metallmaterial; und einen Halbleiterelektrodenabschnitt
aus einem Halbleitermaterial, dessen Bandlücke kleiner
als die des Halbleitersubstrates ist. Der Halbleiterelektrodenabschnitt
ist auf jedem p-Halbleiterbereich bereitgestellt, der auf der oberen
Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt ist. Der Metallelektrodenabschnitt
weist einen Schottky-Kontakt mit einem n-Halbleiterbereich auf,
der auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt ist,
und steht in ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterelektrodenabschnitt.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung ist der Halbleiterelektrodenabschnitt aus
einem Halbleitermaterial, dessen Bandlücke kleiner als
die des Halbleitersubstrates ist, zwischen dem Metallelektrodenabschnitt
der oberen Elektrode aus einem Metallmaterial und jedem p-Halbleiterbereich
des Halbleitersubstrates bereitgestellt. Somit ist es im Vergleich
zu dem Fall, bei dem der Metallelektrodenabschnitt der oberen Elektrode
unmittelbar mit jedem p-Halbleiterbereich des Halbleitersubstrates verbunden
ist, möglich, den Kontaktwiderstand zwischen der oberen
Elektrode und jedem p-Halbleiterbereich des Halbleitersubstrates
zu verringern. Selbst wenn mit der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung
ein Halbleitersubstrat mit einer großen Bandlücke
verwendet wird, ist es möglich, einen Anstieg beim Durchlasswiderstand
der Halbleitervorrichtung zu unterdrücken.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann das Halbleitersubstrat
aus Siliziumcarbid ausgebildet sein. Siliziumcarbid weist eine relativ
große Bandlücke auf. Wenn das Halbleitersubstrat
aus Siliziumcarbid ausgebildet ist, ist es somit möglich,
den Durchlasswiderstand der Halbleitervorrichtung aufgrund der Technologie
gemäß der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung
bedeutend zu verringern.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann der Halbleiterelektrodenabschnitt aus
Germanium-Silizium ausgebildet sein. Wenn das Material des Halbleiterelektrodenabschnitts
Germanium-Silizium ist, ist es möglich, den Halbleiterelektrodenabschnitt
relativ leicht auszubilden.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann zumindest
ein Teil einer Oberfläche jedes p-Halbleiterbereichs von
der oberen Fläche des Halbleitersubstrates zurückgesetzt
sein. Der Kontaktwiderstand zwischen der oberen Elektrode und jedem
p-Halbleiterbereich des Halbleitersubstrates variiert in Abhängigkeit
von der Dotierstoffkonzentration jedes p-Halbleiterbereichs. Das
heißt, wenn die Dotierstoffkonzentration an dem Oberflächenschichtabschnitt
jedes p-Halbleiterbereichs niedrig ist, steigt der Kontaktwiderstand
zwischen der oberen Elektrode und jedem p-Halbleiterbereich des Halbleitersubstrates.
Diesbezüglich gibt es eine Wahrscheinlichkeit, dass an
dem Oberflächenschichtabschnitt jedes p-Halbleiterbereichs
Dotierstoffe bei einem Vorgang zur Herstellung der Halbleitervorrichtung
heraus diffundiert werden, und die Dotierstoffkonzentration kann
dann verringert werden. Wenn aus diesem Grund der Oberflächenschichtabschnitt
jedes p-Halbleiterbereichs vor der Ausbildung der oberen Elektrode
zurückgesetzt wird, ist es möglich, einen Anstieg
im Kontaktwiderstand zwischen der oberen Elektrode und jedem p-Halbleiterbereich zu
verhindern.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann das Halbleitersubstrat
von einer Seite benachbart zu einer unteren Fläche des
Halbleitersubstrates gesehen eine hochdotierte n-Halbleiterschicht,
die eine hohe Konzentration von n-Dotierstoffen enthält;
eine mitteldotierte n-Halbleiterschicht, die eine mittlere Konzentration
von n-Dotierstoffen enthält; und eine gering dotierte n-Halbleiterschicht, die
eine geringe Konzentration von n-Dotierstoffen enthält,
beinhalten. Dabei kann jeder p-Halbleiterbereich in der gering dotierten
n-Halbleiterschicht des Halbleitersubstrates ausgebildet sein. Mit
dieser Struktur neigt eine Verarmungsschicht dazu, sich von einer
pn-Übergangsebene zwischen der gering dotierten n-Halbleiterschicht
und jedem p-Halbleiterbereich auszudehnen, und daher wird der Leckstrom weiter
unterdrückt, wenn die Halbleitervorrichtung in Sperrrichtung
vorgespannt ist. Zudem kann das Intervall zwischen dem benachbarten
p-Halbleiterbereichen erhöht werden, und es ist daher möglich,
den Bereich zu erhöhen, indem die obere Elektrode einen Schottky-Kontakt
mit dem Halbleitersubstrat aufweist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt, das die nachfolgend
aufgeführten Schritte beinhaltet. Das Verfahren zur Herstellung
der Halbleitervorrichtung umfasst einen Substratvorbereitungsschritt
zum Vorbereiten eines n-Halbleitersubstrates; einen p-Bereichausbildungsschritt
zum wiederholten Ausbilden eines p-Halbleiterbereiches in dem Halbleitersubstrat
in zumindest einer Richtung parallel zu der Substratebene, um auf
einer oberen Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt
zu sein; und einen Elektrodenausbildungsschritt zum Ausbilden einer
oberen Elektrode auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrates.
Die bei dem Elektrodenausbildungsschritt ausgebildete obere Elektrode
beinhaltet einen Metallelektrodenabschnitt aus einem Metallmaterial;
sowie einen Halbleiterelektrodenabschnitt aus einem Halbleitermaterial,
dessen Bandlücke kleiner als die des Halbleitersubstrates
ist. Der Halbleiterelektrodenabschnitt ist auf jedem p-Halbleiterbereich
bereitgestellt, der auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrates
freigelegt ist. Der Metallelektrodenabschnitt weist einen Schottky-Kontakt
mit einem n-Halbleiterbereich auf, der auf der oberen Fläche
des Halbleitersubstrates freigelegt ist, und steht in ohmschen Kontakt
mit dem Halbleiterelektrodenabschnitt. Gemäß dem
vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, eine
Halbleitervorrichtung herzustellen, deren Durchlasswiderstand relativ
niedrig ist, selbst wenn ein Halbleitersubstrat mit einer großen
Bandlücke verwendet wird.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren kann der Elektrodenausbildungsschritt
einen Metallelektrodenschichtausbildungsschritt zum Ausbilden einer
Metallelektrodenschicht, die zumindest ein Teil des Metallelektrodenabschnitts ist,
auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrates; einen Ätzschritt
zum Entfernen der Metallelektrodenschicht, die auf jedem auf der
oberen Fläche des Halbleitersubstrates freigelegten p-Halbleiterbereich ausgebildet
ist; sowie einen Halbleiterelektrodenausbildungsschritt zum Ausbilden
des Halbleiterelektrodenabschnitts auf jedem auf der oberen Fläche
des Halbleitersubstrates freigelegten p-Halbleiterbereich beinhalten.
Bei dem Ätzschritt kann zumindest ein Teil eines Oberflächenschichtabschnitts
jedes p-Halbleiterbereichs kontinuierlich zu der Entfernung der
Metallelektrodenschicht weiter entfernt werden. Gemäß dem
vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren wird der Oberflächenschichtabschnitt jedes
p-Halbleiterbereichs, deren Dotierstoffkonzentration oftmals niedrig
ist, entfernt. Somit ist es möglich, den Kontaktwiderstand
zwischen der oberen Elektrode und jedem p-Halbleiterbereich des
Halbleitersubstrates auf einen relativ niedrigen Wert zu drücken.
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Gemäß den
Ausgestaltungen der Erfindung ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung
und insbesondere eine Schottky-Diode mit Übergangsbarriere zu
implementieren, deren Durchlasswiderstand relativ niedrig ist, wobei
ein Halbleitersubstrat mit einer großen Bandlücke
verwendet wird.
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Die
Merkmale, Vorteile und die technische und gewerbliche Bedeutung
der Erfindung sind nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung ausführlich
beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht der Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
2 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II aus 1;
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3 ein
Flussdiagramm, das den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der
Halbleitervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt;
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4 eine
Ansicht zur Darstellung einer halb fertig gestellten Halbleitervorrichtung
(Schritt S10);
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5 eine
Ansicht zur Darstellung einer halb fertig gestellten Halbleitervorrichtung
(Schritt S20 und Schritt S30);
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6 eine
Ansicht zur Darstellung einer halb fertig gestellten Halbleitervorrichtung
(Schritt S40);
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7 eine
Ansicht zur Darstellung einer halb fertig gestellten Halbleitervorrichtung
(Schritt S50);
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8 eine
Ansicht zur Darstellung einer halb fertig gestellten Halbleitervorrichtung
(Schritt S60);
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9 eine
Ansicht zur Darstellung einer halb fertig gestellten Halbleitervorrichtung
(Schritt S70); und
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10 eine
graphische Darstellung einer Dotierstoffkonzentration in einem p-Halbleiterbereich in
der Tiefenrichtung.
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Zunächst
sind Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgelistet.
- (1) Ein Halbleitersubstrat ist bevorzugt aus 4H-SiC
(3,2 eV) oder 6H-SiC (2,9 eV) mit einer hexagonalen Kristallstruktur
ausgebildet. Dabei ist eine Halbleiterelektrode bevorzugt aus 3C-SiC (2,2
eV), AIP (2,45 eV), ZnSe (2,5 eV), GaP (2,26 eV), AlaS (2,16 eV),
GaAs (1,435 eV), Si (1,12 eV), InP (1,35 eV), GeSi (1,0 eV), Ge
(0,67 eV), oder InSb (0,18 eV) ausgebildet. Hierbei repräsentieren
die Zahlen mit Einheitsangabe in Klammern die Bandlücken
der jeweiligen Halbleitermaterialien. Es versteht sich, dass das
Halbleitermaterial für das Halbleitersubstrat nicht auf
4H-SiC beschränkt ist; es kann in Abhängigkeit
von den für die Halbleitervorrichtung erforderlichen Eigenschaften
zweckmäßig ausgewählt werden. Dabei ist
die Halbleiterelektrode aus einem Halbleitermaterial mit einer Bandlücke
ausgebildet, die kleiner als das Halbleitermaterial des Halbleitersubstrates
ist.
- (2) Ein p-Halbleiterbereich kann beispielsweise in einer Streifenform
ausgebildet sein, so dass er in einer Richtung parallel zu der Substratebene
wiederholt ausgebildet ist. Alternativ kann der p-Halbleiterbereich
auch in einer Gitterform ausgebildet sein, so dass er in zwei Richtungen
parallel zu der Substratebene wiederholt ausgebildet ist. Alternativ
kann der p-Halbleiterbereich in einer Wabenstrukturform ausgebildet
sein, so dass er in drei Richtungen parallel zu der Substratebene
wiederholt ausgebildet ist.
- (3) Eine obere Elektrode beinhaltet einen Metallelektrodenabschnitt
aus einem Metallmaterial und einen Halbleiterelektrodenabschnitt
aus einem Halbleitermaterial. Der Metallelektrodenabschnitt beinhaltet
Schottky-Elektroden und eine Hauptmetallelektrode. Jede der Schottky-Elektroden
ist auf einem n-Halbleiterbereich bereitgestellt, der auf der oberen
Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt ist, und weist
einen Schottky-Kontakt mit dem n-Halbleiterbereich auf. Der Halbleiterelektrodenabschnitt
ist auf jedem p-Halbleiterbereich bereitgestellt, der auf der oberen
Fläche des Halbleitersubstrates freigelegt ist. Die Bandlücke des
Halbleitermaterials des Halbleiterelektrodenabschnitts ist kleiner
als die Bandlücke des Halbleitermaterials für
das Halbleitersubstrat. Zumindest die Hauptmetallelektrode steht
in ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterelektrodenabschnitt.
- (4) Ein Ätzvorgang, bei dem eine Metallelektrodenschicht
entfernt wird, wird vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen
durchgeführt. Dadurch ist es möglich, das Entfernen
der Metallelektrodenschicht und das Entfernen des Oberflächenschichtabschnitts
jedes p-Halbleiterbereichs des Halbleitersubstrates aufeinanderfolgend
durchzuführen.
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Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. 1 zeigt
eine Schnittansicht der Struktur einer Halbleitervorrichtung 10 gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie II-II aus 1,
und illustriert das Muster der in der Halbleitervorrichtung 10 ausgebildeten
p-Halbleiterbereiche 42. Die Halbleitervorrichtung 10 ist
eine sogenannte Schottky-Diode mit Übergangsbarriere (JBS)
bei der eine Schottky-Barrierendiodenstruktur 12 und eine pn-Diodenstruktur 14 abwechselnd
ausgebildet sind.
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Gemäß 1 beinhaltet
die Halbleitervorrichtung 10 hauptsächlich ein
Halbleitersubstrat 30, eine auf der oberen Fläche 30a des
Halbleitersubstrates ausgebildete obere Elektrode 20, sowie
eine auf der unteren Fläche 30b des Halbleitersubstrates 30 ausgebildete
untere Elektrode 50. Das Halbleitersubstrat 30 weist
eine Kristallisation von Siliziumcarbid mit hexagonaler Kristallstruktur
auf (typischerweise 4H-SiC oder 6H-SiC). Das Halbleitersubstrat 30 ist ein
n-Halbleiterkristall, der mit n-Dotierstoffen dotiert ist. Das Halbleitersubstrat 30 umfasst
von der Seite benachbart zu der unteren Fläche 30b gesehen
eine Kontaktschicht 32, die eine hohe Konzentration von n-Dotierstoffen
enthält, eine Driftschicht 34, die eine mittlere
Konzentration von n-Dotierstoffen enthält, und eine gering
dotierte Driftschicht 36, die eine geringe Konzentration
von n-Dotierstoffen enthält. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Dotierstoffkonzentration der Kontaktschicht 32 auf
5 × 1019 cm–3 eingestellt,
die Dotierstoffkonzentration der Driftschicht 34 ist auf
5 × 1015 cm–3 eingestellt,
und die Dotierstoffkonzentration der gering dotierten Driftschicht 36 ist
auf 5 × 1014 cm–3 eingestellt.
Zudem beträgt die Dicke der Driftschicht 34 5 μm,
und die Dicke der gering dotierten Driftschicht 36 beträgt
3 μm. Die Dicke der Kontaktschicht 32 ist nicht
besonders beschränkt, und sie kann beispielsweise einige
zehn bis mehrere hundert μm betragen (typische Waferdicke).
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Die
p+-Halbleiterbereiche 42 sind in
dem Halbleitersubstrat 30 ausgebildet. Eine relativ hohe Konzentration
von p-Dotierstoffen ist in die p+-Halbleiterbereiche 42 dotiert.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwenden die
p-Dotierstoffe Aluminium, und die Konzentration der p-Dotierstoffe
ist auf 1 × 1019 cm–3 eingestellt.
Gemäß den 1 und 2 sind
die p-Halbleiterbereiche 42 in der gering dotierten Driftschicht 36 ausgebildet.
Die p-Halbleiterbereiche 42 sind in einem Streifen in transversaler Richtung
der Zeichnung ausgebildet. Somit sind die gering dotierte Driftschicht 36 und
der p-Halbleiterbereich 42 auf der oberen Fläche 30a des
Halbleitersubstrates 30 abwechselnd freigelegt. Die Breite
W jedes p-Halbleiterbereichs 42 und das Intervall S zwischen
den benachbarten p-Halbleiterbereichen 42 sind nicht besonders
beschränkt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
beträgt die Breite W jedes p-Halbleiterbereichs 42 2 μm,
und die Intervalle S zwischen den benachbarten p-Halbleiterbereichen 42 beträgt
5 μm. Zudem beträgt die Dicke jedes p-Halbleiterbereichs 42 ungefähr
1,5 μm.
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Gemäß 1 sind
die Oberflächen 42a der p-Halbleiterbereiche 42 von
der oberen Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 zurückgesetzt,
und deswegen weisen die Oberflächen 42a der p-Halbleiterbereiche 42 ein
niedrigeres Niveau als die Oberfläche 36a der
gering dotierten Driftschicht 36 auf. Dies bedeutet, dass
es Stufen zwischen den Oberflächen 42a der p-Halbleiterbereiche 42 und
der Oberfläche 36a der gering dotierten Driftschicht 36 gibt.
Diese Stufen sind relativ klein und weisen jeweils eine Größe
von ungefähr 100 nm bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
auf. Obwohl es nachstehend ausführlich beschrieben ist,
werden diese Stufen aufgrund des Verfahrens zur Herstellung der
Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet. Diese Stufen werden durch
Entfernen der Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 ausgebildet,
die aufgrund von Ausdiffundieren bei einer Ausheilbehandlung eine
geringe Dotierstoffkonzentration aufweisen.
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Nachstehend
ist die obere Elektrode 20 beschrieben. Die obere Elektrode 20 kann
allgemein in einen Metallelektrodenabschnitt 22 und 26 aus
einem Metallmaterial und in Halbleiterelektroden 24 aus
einem Halbleitermaterial unterteilt werden. Der Metallelektrodenabschnitt 22 und 26 beinhaltet Schottky-Elektroden 22 aus
Molybdän und eine Hauptmetallelektrode 26 aus
Aluminium. Die Hauptmetallelektrode 26 ist auf den Schottky-Elektroden 22 und
den Halbleiterelektroden 24 ausgebildet. Die Hauptmetallelektrode 26 und
die Schottky-Elektroden 22 stehen in ohmschen Kontakt mit
den Halbleiterelektroden 24. Die Schottky-Elektroden 22 sind auf
der gering dotierten Driftschicht 36 bereitgestellt, die
auf der oberen Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 freigelegt
ist. Die Schottky-Elektroden 22 sind aus einem Metallmaterial
ausgebildet und weisen einen Schottky-Kontakt mit der gering dotierten
Driftschicht 36 auf. Die Schottky-Elektroden 22 können beispielsweise
aus Titan (Ti), Molybdän (Mo) oder Nickel (Ni) ausgebildet
sein. Die Schottky-Elektroden 22 nach dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel sind aus Molybdän ausgebildet.
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Die
Halbleiterelektroden 24 sind auf den p-Halbleiterbereichen 42 bereitgestellt,
die auf der oberen Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 freigelegt
sind. Das Halbleitermaterial der Halbleiterelektroden 24 weist
eine kleinere Bandlücke als die von 4H-(oder 6H-)Siliziumcarbid
auf, das das Halbleitersubstrat 30 ausbildet. Die Halbleiterelektroden 24 nach
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind aus Germanium-Silizium
ausgebildet. Dabei ist die Bandlücke von 4H-Siliziumcarbid
(4H-SiC) 3,2 eV, die Bandlücke von 6H-Siliziumcarbid (6H-SiC)
ist 3,2 eV und die Bandlücke von Germanium-Silizium (SiGe)
ist 1,0 eV.
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Die
untere Elektrode 50 steht in ohmschen Kontakt mit der Kontaktschicht 32 des
Halbleitersubstrates 30. Die untere Elektrode 50 kann
die bekannte Struktur einer ohmschen Kontaktelektrode verwenden.
Die untere Elektrode 50 kann beispielsweise ein laminierter
Körper aus Ti/Ni/Au oder ein laminierter Körper
aus NiSi/Ni/Au sein.
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Gemäß vorstehender
Beschreibung sind bei der Halbleitervorrichtung 10 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schottky-Barrierendiodenstruktur 12 und
die pn-Diodenstruktur 14 in einer Richtung parallel zu
der Substratebene abwechselnd ausgebildet. Es versteht sich, dass
die Schottky-Barrierendiodenstruktur 12 der Bereich ist,
in dem ein n-Halbleiterbereich (gering dotierte Driftschicht 36) auf
der oberen Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 freigelegt
ist, und in dem die Schottky-Elektrode 22 in der oberen
Elektrode 20 ausgebildet ist. Andererseits ist die pn-Diodenstruktur 14 der
Bereich, in dem der p-Halbleiterbereich 42 auf der oberen
Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 freigelegt
ist, und in dem die Halbleiterelektrode 24 in der oberen Elektrode 20 ausgebildet
ist. Wenn die Halbleitervorrichtung 10 in Sperrrichtung
vorgespannt ist (wenn die obere Elektrode 20 ein niedriges
elektrisches Potenzial aufweist), dehnen sich Verarmungsschichten von
den pn-Übergangsebenen zwischen den p-Halbleiterbereichen 42 und
der geringdotierten Driftschicht 36 aus, und dann ist die
gering dotierte Driftschicht 36, die an die Schottky-Elektroden 22 angrenzt,
verarmt. Dies verbessert das Auftreten von Leckstrom und geringem Überspannungswiderstand in
jeder Schottky-Barrierendiodenstruktur 12. Wenn andererseits
die Halbleitervorrichtung 10 in Durchlassrichtung vorgespannt
ist, wird ein Spannungsabfall in Durchlassrichtung (Durchlasswiderstand) durch
jede Schottky-Barrierendiodenstruktur 12 unterdrückt.
Die Halbleitervorrichtung 10 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
beinhaltet die Halbleiterelektroden 24 aus einem Material,
dessen Bandlücke kleiner als die des Halbleitersubstrates 30 ist.
Der Metallelektrodenabschnitt 22 und 26 der oberen Elektrode 20 ist
elektrisch kontinuierlich zu den p-Halbleiterbereichen 42 durch
die Halbleiterelektroden 24 ausgebildet. Dadurch ist beispielsweise
im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Metallelektrodenabschnitt 22 und 26 unmittelbar
mit den p-Halbleiterbereichen 42 aus Molybdän
oder Aluminium verbunden ist, möglich, den Kontaktwiderstand
zwischen der oberen Elektrode 20 und den p-Halbleiterbereichen 42 zu
reduzieren. Insbesondere weil bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
das Halbleitersubstrat 30 aus Siliziumcarbid ausgebildet
ist, das eine relativ große Bandlücke aufweist,
ist die vorstehend beschriebene Wirkung, das heißt eine
Reduktion im Kontaktwiderstand, signifikant groß. Wenn
beispielsweise die Hauptmetallelektrode 26 aus Aluminium unmittelbar
mit den p-Halbleiterbereichen 42 aus Siliziumcarbid verbunden
wird, beträgt die Barrierenhöhe an jeder Übergangsebene
2,5 eV, wohingegen wenn die Halbleiterelektroden 24 aus
Germanium-Silizium mit den p-Halbleiterbereichen 42 aus
Siliziumcarbid verbunden werden, kann die Barrierenhöhe
an jeder Übergangsebene signifikant auf 0,8 eV reduziert
werden.
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Bei
der Halbleitervorrichtung 10 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden ferner die Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 vor
der Ausbildung der Halbleiterelektroden 24 bei dem nachstehend
beschriebenen Herstellungsverfahren entfernt. Die Oberflächenschichtabschnitte
der p-Halbleiterbereiche 42 neigen zu einer Abnahme in
der Dotierstoffkonzentration aufgrund von Herausdiffundieren. Wenn
dann die Dotierstoffkonzentration an den Oberflächenschichtabschnitten der
p-Halbleiterbereiche 42 abnimmt, steigt der Kontaktwiderstand
zwischen den p-Halbleiterbereichen 42 und den Halbleiterelektroden 24.
Durch Entfernen der Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 vor
der Ausbildung der Halbleiterelektroden 24 ist es somit
möglich, einen Anstieg im Kontaktwiderstand zwischen den
p-Halbleiterbereichen 42 und den Halbleiterelektroden 24 zu
vermeiden. Dabei weist die obere Fläche 30a des
Halbleitersubstrates 30 eine derartige charakteristische
Erscheinung auf, dass zumindest ein Teil der Oberflächen 42a der p-Halbleiterbereiche 42 ein
niedrigeres Niveau als die gering dotierte Driftschicht 36 aufweist
(dass heißt, es sind Stufen ausgebildet), wie es bei der Halbleitervorrichtung 10 nach
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist.
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Zudem
sind bei der Halbleitervorrichtung 10 nach dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel zwei Driftschichten 34 und 36 mit
unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen in dem Halbleitersubstrat 30 ausgebildet.
Dadurch ist die Konzentration von n-Dotierstoffen um die p-Halbleiterbereiche 42 relativ niedrig,
und die Konzentration von n-Dotierstoffen ist an Orten, die fern
von den p-Halbleiterbereichen 42 liegen, relativ hoch.
Wenn die Konzentration von n-Dotierstoffen um die p-Halbleiterbereiche 42 relativ niedrig
ist, dehnen sich Verarmungsschichten leicht von den pn-Übergangsebenen
aus, wenn die Halbleitervorrichtung 10 in Sperrrichtung
vorgespannt wird. Wenn beispielsweise die Dotierstoffkonzentration
der gering dotierten Driftschicht 36 auf 5 × 1015 cm–3 eingestellt
wird, beträgt die Breite, auf die sich jede Verarmungsschicht
ausdehnt, 0,73 μm. Somit kann das Intervall S zwischen
den benachbarten p-Halbleiterbereichen 42 auf 1,46 μm
erhöht werden. Wenn ferner die Dotierstoffkonzentration
der gering dotierten Driftschicht 36 auf 5 × 1014 cm–3 eingestellt
wird, beträgt die Breite, um die sich jede Verarmungsschicht ausdehnt,
2,31 μm. Somit kann das Intervall S zwischen den benachbarten
p-Halbleiterbereichen 42 auf 4,62 μm erhöht
werden. Wenn das Intervall S zwischen den benachbarten p-Halbleiterbereichen 42 erhöht
wird, steigt die Fläche jeder Schottky-Barrierendiodenstruktur 12 an,
und es wird daher möglich, den Durchlasswiderstand der
Halbleitervorrichtung 10 auf einen geringeren Wert zu drücken.
Wenn jedoch die Dotierstoffkonzentration des Halbleitersubstrates 30 verringert
wird, steigt der Durchlasswiderstand des Halbleitersubstrates 30 an.
Aus diesen Gründen wird die Dotierstoffkonzentration des
Halbleitersubstrates 30 in dessen Dickenrichtung variiert, die
Konzentration der n-Dotierstoffe ist um die p-Halbleiterbereiche 42 relativ
gering, und die Konzentration der n-Dotierstoffe ist an von den
p-Halbleiterbereichen 42 entfernt liegenden Orten relativ hoch,
wie es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall
ist. Somit ist es möglich, die Halbleitervorrichtung 10 zu
implementieren, deren Durchlasswiderstand bedeutend verringert ist.
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Nachstehend
ist das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 10 beschrieben. 3 zeigt
ein Flussdiagramm des Ablaufs des Verfahrens zum Herstellen der
Halbleitervorrichtung 10. Nachstehend ist anhand des in 3 gezeigten
Flussdiagramms das Verfahren zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 10 ausführlich
beschrieben. Zunächst wird gemäß 4 bei
Schritt S10 das n-Halbleitersubstrat vorbereitet. Die Kristallstruktur
des Halbleitersubstrates 30 ist beispielsweise bevorzugt
ein hexagonaler Kristall (4H-Struktur oder 6H-Struktur). Die Kontaktschicht 32,
die Driftschicht 34 und die gering dotierte Driftschicht 36 sind
in dem Halbleitersubstrat 30 in dieser Reihenfolge von
der Seite benachbart zu der unteren Fläche 30b aus
ausgebildet. Die Kontaktschicht 32 enthält eine
hohe Konzentration an n-Dotierstoffen. Die Driftschicht 34 enthält
eine mittlere Konzentration von n-Dotierstoffen. Die gering dotierte Driftschicht 36 enthält
eine geringe Konzentration von n-Dotierstoffen. Das Verfahren zum
Herstellen der Halbleitervorrichtung 30 ist nicht besonders
beschränkt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird
ein n-Siliziumcarbidwafer (4H-Struktur), der die Kontaktschicht 32 sein
wird, vorbereitet, und dann werden die Driftschicht 34 und
die gering dotierte Driftschicht 36 nacheinander durch
epitaktisches Kristallwachstum ausgebildet. Dabei beträgt
die Dotierstoffkonzentration des Siliziumcarbidwafers 5 × 1019 cm–3,
die Dotierstoffkonzentration der Driftschicht 34 beträgt
5 × 1015 cm–3,
und die Dotierstoffkonzentration der gering dotierten Driftschicht 36 beträgt
5 × 1014 cm–3.
Zudem beträgt die Dicke der Driftschicht 34 5 μm,
und die Dicke der gering dotierten Driftschicht 36 beträgt
3 μm.
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Danach
werden bei Schritt S20 und bei Schritt S30 p-Dotierstoffe in das
Halbleitersubstrat 30 dotiert, um dadurch die p-Halbleiterbereiche 42 und die
Schutzringe 44 auszubilden. Zunächst wird gemäß 5 bei
Schritt S20 Aluminium als ein p-Dotierstoff von der oberen Fläche 30a des
Halbleitersubstrates 30 ionenimplantiert. Nachfolgend wird
bei Schritt S30 eine Ausheilbehandlung durchgeführt, bei
der das Halbleitersubstrat 30 auf etwa 1600°C
erwärmt wird. Dadurch werden die p-Halbleiterbereiche 42 und
die Schutzringe 44 so ausgebildet, dass sie diffundierte
p-Dotierstoffe beinhalten. Gemäß vorstehender
Beschreibung sind die p-Halbleiterbereiche 42 in einem
Streifen ausgebildet (vergleiche 2). Somit
sind in dem Halbleitersubstrat 30 der p-Halbleiterbereich
und der n-Halbleiterbereich in einer Richtung parallel zu der Substratebene
abwechselnd angeordnet. Die Dotierstoffkonzentration, die Breite
W, das Intervall S und die Tiefe D der p-Halbleiterbereiche 42 können
in Abhängigkeit von den erforderlichen Eigenschaften zweckmäßig
eingestellt werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Dotierstoffkonzentration jedes p-Halbleiterbereichs 42 auf
1 × 1019 cm–3 eingestellt,
die Breite W ist auf 2 μm eingestellt, das Intervall S
ist auf 5 μm eingestellt, und die Tiefe D ist auf 1,5 μm
eingestellt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist
das Intervall S zwischen den benachbarten p-Halbleiterbereichen 42 so
ausgebildet, dass es breiter als die Breite W jedes p-Halbleiterbereichs 42 ist,
um dadurch die Fläche jeder Schottky-Barrierendiodenstruktur 12 zu
erhöhen.
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Das
Ausbildungsmuster der p-Halbleiterbereiche 42 ist nicht
auf Streifen beschränkt. Die p-Halbleiterbereiche 42 können
beispielsweise in einem Gittermuster oder in einem Wabenstrukturmuster
ausgebildet sein. Wenn die p-Halbleiterbereiche 42 in einem
Gittermuster ausgebildet sind, sind der p-Halbleiterbereich und
der n-Halbleiterbereich abwechselnd in zwei Richtungen parallel
zu der Substratebene in dem Halbleitersubstrat 30 angeordnet. Wenn
die p-Halbleiterbereiche 42 in einem Wabenstrukturmuster
ausgebildet sind, sind der p-Halbleiterbereich und der n-Halbleiterbereich
in drei Richtungen parallel zu der Substratebene in dem Halbleitersubstrat 30 abwechselnd
angeordnet. Das Ausbildungsmuster der p-Halbleiterbereiche 42 kann
verschiedene Muster verwenden, welche eine sogenannte Superübergangsstruktur
implementieren.
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Danach
wird gemäß 6 bei Schritt
S40 eine Schottky-Elektrodenschicht 22a auf der oberen Fläche 30a des
Halbleitersubstrates 30 ausgebildet. Die Schottky-Elektrodenschicht 22a ist
eine Metallschicht, welche zu den Schottky-Elektroden 22 wird. Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Molybdänschicht
als die Schottky-Elektrodenschicht 22a ausgebildet. Die
Schottky-Elektrodenschicht 22a kann beispielsweise durch
Vakuumverdampfung ausgebildet werden. Dann wird gemäß 7 bei Schritt
S50 ein reaktiver Ionenätzvorgang (RIE) durchgeführt,
um dadurch die auf den p-Halbleiterbereichen 42 ausgebildete
Schottky-Elektrodenschicht 22a zu entfernen. Dadurch werden
die Schottky-Elektroden 22 so ausgebildet, dass sie einen Schottky-Kontakt
mit der gering dotierten Driftschicht 36 aufweisen. Bei
dem reaktiven Ionenätzvorgang bei Schritt S50 werden ferner
die Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 zusammen
mit der auf dem p-Halbleiterbereich 42 angeordneten Schottky-Elektrodenschicht 22a entfernt. Die
Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 werden
kontinuierlich zu der Entfernung der Schottky-Elektrodenschicht 22a entfernt.
Die Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 können
beispielsweise bis zu einer Tiefe von 100 nm entfernt werden. Durch
Entfernen der Oberflächenschichtabschnitte der p-Halbleiterbereiche 42 werden
die Oberflächen 42a der p-Halbleiterbereiche 42 von
der oberen Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 zurückgesetzt,
und dann werden Stufen zwischen den Oberflächen 42a der
p-Halbleiterbereiche 42 und den Oberflächen 36a der
gering dotierten Driftschichten 36 ausgebildet.
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Nachstehend
ist der Grund beschrieben, warum die Oberflächenschichtabschnitte
der p-Halbleiterbereiche 42 entfernt werden. Bei der Ausheilbehandlung
nach dem vorstehend beschriebenen Schritt S30 wird das Halbleitersubstrat 30 auf
eine hohe Temperatur erwärmt und aktiviert. Das aktivierte
Halbleitersubstrat 30 enthält die ionenimplantierten
p-Dotierstoffe (Aluminium) in den Kristallen des Halbleitersubstrates 30.
Zu diesem Zeitpunkt tritt ein Herausdiffundieren, bei dem die p-Dotierstoffe
nach außen ausgestoßen werden, an den Oberflächenschichtabschnitten
der p-Halbleiterbereiche 42 auf. Folglich weisen gemäß 10 die
Oberflächenschichtabschnitte (flacher Bereich von der oberen Fläche 30a des
Halbleitersubstrates 30 bis zu einer Tiefe von mehreren
zehn nm) der p-Halbleiterbereiche 42 eine geringe Konzentration
an Dotierstoffen auf. Wenn die Oberflächenschichtabschnitte
der p-Halbleiterbereiche 42 eine geringe Dotierstoffkonzentration
aufweisen, steigt der Kontaktwiderstand zwischen den p-Halbleiterbereichen 42 und
den Halbleiterelektroden 24, die später ausgebildet
werden, an. Aus diesem Grund werden die Oberflächenschichtabschnitte
der p-Halbleiterbereiche 42 nach der Ausheilbehandlung
bei Schritt S30 entfernt. Somit ist möglich, einen Anstieg
im Kontaktwiderstand zwischen den p-Halbleiterbereichen 42 und
den Halbleiterelektroden 24 zu vermeiden.
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Danach
werden gemäß 8 bei Schritt
S60 die Halbleiterelektroden 24 aus Germanium-Silizium auf
den p-Halbleiterbereichen 42 ausgebildet, die auf der oberen
Fläche 30a des Halbleitersubstrates 30 freigelegt
sind. Es versteht sich, dass das Material der Halbleiterelektroden 24 vorzugweise
Germanium-Silizium ist; anstatt dessen kann gemäß vorstehender
Beschreibung ein anderes Halbleitermaterial, dessen Bandlücke
kleiner als die des Materials des Halbleitersubstrates 30 (vorliegend
4H-Siliziumcarbid) ist, ebenso verwendet werden. Die Halbleiterelektroden 24 können
beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) in einer
Atmosphäre von 400°C ausgebildet werden. Zudem
kann die Dicke jeder Halbleiterelektrode 24 beispielsweise auf
300 nm eingestellt sein. Die Halbleiterelektroden 24 werden
auf den p-Halbleiterbereichen 42 ausgebildet, nachdem die
Oberflächenschichtabschnitte entfernt worden sind (Schritt
S50). Dadurch ist möglich, den Kontaktwiderstand zwischen
den Halbleiterelektroden 24 und den p-Halbleiterbereichen 42 relativ
zu reduzieren.
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Dann
wird gemäß 9 bei Schritt
S70 die Hauptmetallelektrode 26 aus Aluminium auf den Schottky-Elektroden 22 und
den Halbleiterelektroden 24 ausgebildet. Es versteht sich,
dass das Material der Hauptmetallelektrode 26 nicht auf
Aluminium beschränkt ist; anstatt dessen kann ein anderes
Metallmaterial verwendet werden. Die Hauptmetallelektrode 26 kann
beispielsweise durch Zerstäuben ausgebildet sein. Zudem
kann die Dicke der Hauptmetallelektrode 26 beispielsweise
auf 3 μm eingestellt werden. Schließlich wird
bei Schritt S80 die untere Elektrode 50 ausgebildet, um
dadurch die in 1 gezeigte Struktur der Halbleitervorrichtung 10 zu
erhalten.
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Vorstehend
sind spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlich
beschrieben; diese sind nur illustrativ und schränken den
Bereich der beigefügten Ansprüche nicht ein. Der
Bereich der Ansprüche umfasst außerdem verschiedene
Abwandlungen und Abweichungen zu den vorstehend dargestellten spezifischen
Ausführungsbeispielen. Die vorliegend in der Beschreibung
und Zeichnungen beschriebenen technischen Elemente sind entweder
alleine oder in verschiedenen Kombinationen technisch vorteilhaft,
und sind nicht auf die in den Patentansprüchen zum Zeitpunkt
der Einreichung der Anmeldung definierten Kombinationen beschränkt.
Zudem erzielen die in der Beschreibung oder Zeichnung illustrierten
Technologien gleichzeitig verschiedene Wirkungen; und es ist ebenfalls
technisch vorteilhaft, wenn eine der verschiedenen Wirkungen erzielt
wird.
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Eine
Halbleitervorrichtung beinhaltet ein n-Halbleitersubstrat 30 und
eine auf einer oberen Fläche des Halbleitersubstrates 30 ausgebildete
obere Elektrode 20. Ein p-Halbleiterbereich 42 ist
in dem Halbleitersubstrat 30 in zumindest einer Richtung
parallel zu der Substratebene wiederholt ausgebildet, so dass er
auf deren oberer Fläche freigelegt ist. Die obere Elektrode 20 beinhaltet
einen Metallelektrodenabschnitt 22; und ein Halbleiterelektrodenabschnitt 24 aus
einem Halbleitermaterial, dessen Bandlücke kleiner als
die des Halbleitersubstrates 30 ist. Der Halbleiterelektrodenabschnitt 24 ist
auf jedem auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrates 30 freigelegten
p-Halbleiterbereich 42 bereitgestellt. Der Metallelektrodenabschnitt 22 weist
einen Schottky-Kontakt mit einem auf der oberen Fläche
des Halbleitersubstrates 30 freigelegten n-Halbleiterbereich 36 auf,
und steht in ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterelektrodenabschnitt 24.
Mit der Halbleitervorrichtung kann der Durchlasswiderstand einer Schottky-Diode
mit Übergangsbarriere verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-510817 [0002]
- - JP 2003-510817 A [0002, 0003]