JP2003282863A - ショットキーデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リーク電流を低減して実用に供することのでき
るショットキーデバイスを提供できるとともに、ブレイ
クダウン電圧の絶対値の増大に起因して大電流大容量タ
イプのショットキーデバイスを提供する。 【解決手段】基板１上に、転位密度１０^１１／ｃｍ^２以
下、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおけ
る半値幅９０秒以下の、Ａｌを含む窒化物からなる下地
層２をエピタキシャル成長させ、この下地層２上に、転
位密度１０^１０／ｃｍ^２以下であり、（００２）面にお
けるＸ線ロッキングカーブ半値幅が１５０秒以下の、Ａ
ｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む窒化物から
なる導電層３をエピタキシャル成長させる。そして、導
電層３上にＡｌ／Ｎｉからなるショットキー電極４を設
けるとともに、Ａｌ／Ｔｉからなるオーミック電極５を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ショットキーデバ
イスに関し、詳しくはショットキーダイオードなどとし
て好適に使用することのできるショットキーデバイスに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パルス大電力用技術分野が注目さ
れ、レーザ・プラズマといった高電圧・大電流が必要と
される機器への応用が進められている。そうした応用に
対して、高効率の電力変換効率を有し、大電力でのスイ
ッチング特性に優れた半導体電子デバイスに対する需要
が急速に増大している。特に、ショットキーダイオード
などのショットキーデバイスは、このような電子デバイ
スとして着目されている。

【０００３】図１は、従来のショットキーダイオードの
一例を示す構成図である。図１に示すショットキーダイ
オード１０は、サファイア単結晶などからなる基板１上
において、ＧａＮなどからエピタキシャル成長された下
地層２及びｉ−ＧａＮなどからエピタキシャル成長され
た導電層３を具えている。そして、導電層３上において
Ａｌ／Ｎｉなどからなるショットキー電極４を具えると
ともに、その外周部においてＡｌ／Ｔｉなどからなるオ
ーミック電極５を具えている。

【０００４】なお、必要に応じて、電極４及び５間に露
出した導電層３の表面の荒れを防止すべく、導電層３
の、電極４及び５間にパッシベーション膜（図示せず）
を作製することができる。また、導電層３の、電極４及
び５間にＭｇ^２＋などのイオン注入を行なってイオン注
入層６を形成し、電極４から電極５への横方向への空乏
層の広がりを抑制することもできる。なお、図中の矢印
は、電流の流れる方向を示している。

【０００５】図２は、図１に示すショットキーダイオー
ドの電流−電圧特性を示す図である。図２から明らかな
ように、ショットキー電極４を正電位、オーミック電極
５を負電位として、両者の電極間に印加する電圧の大き
さを増大させていくと、図２のグラフの右半分で示すよ
うに、しきい値を越えた電圧レベルにおいて、図１中の
矢印で示すように電流が流れ、電圧の増大に伴って電流
値が急激に増大するようになる。

【０００６】一方、ショットキー電極４を負電位、オー
ミック電極５を正電位として、両者の電極間に印加する
電圧の大きさを増大させていくと、図２のグラフの左半
分で示すように、微小なリーク電流が流れるのみで、電
極間には電流が流れずに整流性を呈するようになる。し
かしながら、印加する電圧の大きさをさらに増大させ、
ショットキーダイオード１０のブレイクダウン電圧より
も大きな電圧が印加されるようになると、上述した整流
性が破壊され、オーミック電極５からショットキー電極
４に向けて電流が流れるようになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】実用的なショットキー
ダイオードにおいては、リーク電流ができるだけ小さい
ことが望まれているとともに、大電流大容量タイプのシ
ョットキーダイオードにおいては、上述したブレイクダ
ウン電圧の絶対値ができるだけ大きいことが望まれてい
る。しかしながら、図１に示すような構成のショットキ
ーダイオードでは、現状において、リーク電流は数ｎＡ
の大きさであり、ブレイクダウン電圧の絶対値は３００
０Ｖ程度である。したがって、リーク電流をより低減す
るとともに、大電流大容量タイプへの応用を可能とすべ
く、さらなるブレイクダウン電圧の絶対値を増大させる
ことが望まれている。

【０００８】本発明は、リーク電流の低減を図るととも
にブレイクダウン電圧の絶対値を増大させた、新規なシ
ョットキーダイオードなどのショットキーデバイスを提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、基板と、この基板上にエピタキシャル成長さ
れたＡｌを含み、転位密度が１０ ^１１／ｃｍ^２以下であ
り、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおけ
る半値幅が１００秒以下である第１の窒化物半導体から
なる下地層と、この下地層上にエピタキシャル成長され
たＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、転位
密度が１０^１０／ｃｍ^２以下であり、（００２）面にお
けるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以
下である第２の窒化物半導体からなる導電層とを実質的
に具えることを特徴とする、ショットキーデバイスに関
する。

【００１０】本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意
検討を実施した。その結果、以下に示すような事実を発
見した。図１に示すような従来のショットキーダイオー
ド１０では、下地層２は基板１と導電層３との格子定数
差を緩和して、基板１上に導電層３をエピタキシャル成
長させるためのバッファ層として機能するものであっ
た。そのため、下地層２は、例えばＭＯＣＶＤ法によ
り、基板１を５００〜６００℃の低い温度に加熱して形
成していた。その結果、下地層２の結晶品質は極めて低
く、内部には基板１及び下地層２間のミスフィット転位
などに起因した多量の転位が存在するとともに、その結
晶性も極めて低いものであった。

【００１１】したがって、このような下地層２上に形成
した導電層３も下地層２の低結晶品質を受け継いで、多
量の転位を含有するとともに、その結晶性も極めて低く
なってしまっていた。

【００１２】そこで、本発明者らは、上述したリーク電
流及びブレイクダウン電圧が、導電層３の結晶品質に由
来するものであると想定し、導電層３の結晶品質に重大
な影響を及ぼす下地層２の結晶品質を向上させることを
試みた。

【００１３】上述したように、導電層３はＧａＮなどか
ら構成するものであるため、従来は、導電層３のエピタ
キシャル成長を実現させるため下地層２も同じＧａＮか
ら構成することが当然であると考えられていた。そし
て、上述したように、基板１と導電層３との格子定数差
を緩和して導電層３のエピタキシャル成長を可能とすべ
く、下地層２は低温で成膜されていた。なお、導電層３
を構成するＧａＮは、キャリアを全く含まない場合のみ
ならず、微量な不純物などによってｎ型化あるいはｐ型
化された場合をも含むものである。

【００１４】しかしながら、Ａｌを比較的高濃度に含む
窒化物から下地層を構成した場合は、前記下地層と基板
との間に生じる格子定数差に起因して、下地層／基板界
面に発生したミスフィット転位が界面で絡まり、前記下
地層内に前記ミスフィット転位に起因した転位が存在し
なくなり、転位密度が低減されることを見出した。

【００１５】さらに、このような下地層は、そのバッフ
ァ機能を無視して結晶性を向上させた場合においても、
ｉ−ＧａＮからなる導電層を、材料成分の違いにもかか
わらず、前記下地層上に十分にエピタキシャル成長でき
ることを見出した。

【００１６】この結果、前記下地層上に形成される前記
導電層は、前記下地層の低転位密度及び高結晶性に起因
して、転位密度が低減されるとともに結晶性も向上す
る。そして、最終的に得たショットキーダイオードのリ
ーク電流は予想通りに低減されるとともに、ブレイクダ
ウン電圧の絶対値も予想通りに大幅に増大できることを
見出したものである。

【００１７】したがって、本発明によれば、リーク電流
を低減して実用に供することのできるショットキーデバ
イスを提供できるとともに、ブレイクダウン電圧の絶対
値の増大に起因して大電流大容量タイプのショットキー
デバイスを提供することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に即して詳細に説明する。以下においては、本発明のシ
ョットキーデバイスとしてショットキーダイオードにつ
いて説明する。このショットキーダイオードは、基本的
には図１と同じ構成を有するため、以下においては、図
１と関連させて本発明を説明する。

【００１９】図１に示すショットキーダイオード１０に
おいて、下地層２は、Ａｌを含む窒化物からなり、転位
密度が１０^１１／ｃｍ^２以下、好ましくは１０^{１ ０}／ｃ
ｍ^２以下であって、（００２）面におけるＸ線ロッキン
グカーブにおける半値幅が１００秒以下、好ましくは５
０秒以下であることが必要である。すなわち、下地層２
は、転位密度及び半値幅が前述した範囲内に規定された
高結晶品質のＡｌ含有窒化物から構成されることが必要
である。

【００２０】これによって、導電層３の結晶品質も向上
し、転位密度が低減されるとともに、結晶性が向上し、
ショットキーダイオード１０のリーク電流を低減できる
とともに、ブレイクダウン電圧を増大させて大電流大容
量の使用に耐え得るようにすることができる。

【００２１】具体的には、図１に示すショットキーダイ
オード１０の導電層３中の転位密度を１０^１０／ｃｍ^２
以下、好ましくは１０^９／ｃｍ^２以下まで低減させるこ
とができる。また、（００２）面におけるＸ線ロッキン
グカーブの半値幅を２００秒以下、好ましくは１５０秒
以下にまで向上させることができる。その結果、リーク
電流を１ｎＡまで低減することができ、ブレイクダウン
電圧の絶対値を４０００Ｖまで増大させることができ
る。

【００２２】また、下地層２は、Ａｌを多く含むほど、
上述したミスフィット転位低減などの作用効果を顕著に
発現する。具体的には、下地層２を構成する窒化物中の
全III族元素に対してＡｌを５０原子％以上含むことが
好ましく、さらにはIII族元素の総てがＡｌから構成さ
れたＡｌＮから構成されることが好ましい。

【００２３】なお、導電層３は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎ
の少なくとも一つを含んでいることが必要であり、前述
したように、ｉ−ＧａＮから構成することができる。ま
た、ショットキー電極４はＡｌ／Ｎｉなどから構成する
ことができ、オーミック電極５はＡｌ／Ｔｉなどから構
成することができる。

【００２４】上述のような高結晶品質の下地層は、例え
ば、Ａｌ供給原料ガスとしてトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）を用い、窒素供給原料ガスとしてアンモニア
（ＮＨ_３）を用い、さらに必要に応じてその他の原料ガ
スを用い、これらの原料ガスを、１１００℃以上、好ま
しくは１１００℃〜１２５０℃に加熱した基板１上に供
給してＭＯＣＶＤ法により形成することができる。この
ような温度は、上述した従来のバッファ層としての機能
を付与した下地層の形成温度と比較すると極めて高いも
のであり、下地層に対してバッファ機能を付与するとい
う従来の方法からは全く想到することのできない高温度
である。なお、上記温度は、基板１の設定温度である。

【００２５】また、下地層２を形成する際の基板温度を
１２５０℃を超えて設定した場合、下地層２を構成する
窒化物の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには
下地層２内における組成成分の拡散を効果的に抑制する
ことができる。これによって、下地層２を構成する窒化
物の材料組成によらずに、下地層２の結晶性を良好な状
態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに
起因する導電層の結晶品質の劣化を効果的に防止するこ
とができる。

【００２６】なお、下地層２は比較的厚く０．１μｍ〜
１０μｍの厚さに形成することが好ましく、さらには
０．５μｍ〜３μｍの厚さに形成することが好ましい。
これによって下地層２の結晶品質が向上し、これに伴っ
て導電層３の結晶品質をさらに向上させることができる
ようになる。但し、膜厚を厚くした場合、下地層２内部
でクラックが発生する可能性があるため、用途などに依
存して、適宜選択し、設定する。

【００２７】なお、下地層２がＡｌを比較的高濃度に含
む場合において、下地層２内でのクラックの発生を防止
すべく、下地層２を構成する窒化物の成分含有量、具体
的にはＡｌ含有量を基板１側から導電層３側に向かって
連続的又はステップ状に変化させることが好ましい。こ
れによって、下地層２内に発生する引張応力の大きさを
減少し、下地層２又は導電層３におけるクラックの発生
を効果的に防止することができる。

【００２８】基板１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結
晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡ
ｌ_２Ｏ_４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓ
ｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単
結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、
及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ
_２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構
成することができる。

【００２９】特にサファイア単結晶基板を用いる場合に
ついては、下地層２を形成すべき主面に対して表面窒化
処理を施すことが好ましい。前記表面窒化処理は、前記
サファイア単結晶基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲
気中に配置し、所定時間加熱することによって実施す
る。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制
御することによって、前記主面に形成される窒化層の厚
さを制御する。

【００３０】このようにして表面窒化層が形成されたサ
ファイア単結晶基板を用いれば、その主面上に直接的に
形成される下地層２の結晶性をさらに向上させることが
できる。前記表面窒化層は、比較的に薄く、例えば１ｎ
ｍ以下に形成する、又は比較的厚く、例えば、前記主面
から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が２原子％以上と
なるように厚く形成することが好ましい。

【００３１】なお、下地層２及び導電層３は、上述した
ＡｌやＧａなどのIII族元素の他に、必要に応じてＧ
ｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元
素を含むことができる。また、意識的に添加した元素に
限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微
量不純物を含むこともできる。

【００３２】

【実施例】（実施例）本実施例においては、図１に示す
ようなショットキーダイオードを作製した。２インチ径
の厚さ４３０μmのサファイア基板をＨ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏ₂
で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。その
後、圧力を１５Ｔｏｒｒに設定して、水素キャリアガス
を流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給した後、ヒータに
より、前記基板を１２００℃まで加熱した。

【００３３】最初に、アンモニアガス（ＮＨ_３）を水素
キャリアガスとともに５分間流し、前記基板の主面を窒
化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面
窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されてお
り、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原
子％であることが判明した。

【００３４】次いで、ＴＭＡとＮＨ₃をそれぞれ流速１
０ｍ／ｓｅｃで流して、下地層としてのＡｌＮ層を厚さ
１μmまでエピタキシャル成長させた。このＡｌＮ層の
転位密度は８×１０^９／ｃｍ^２であり、（００２）面に
おけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は７０秒であ
り、良質のＡｌＮ層であることがわかった。

【００３５】次いで、ＴＭＧ及びＮＨ_３をそれぞれ流速
１０ｍ／ｓｅｃで流して、導電層としてのｉ−ＧａＮ層
を厚さ１０μｍにエピタキシャル成長させた。このｉ−
ＧａＮ層の転位密度は２×１０^８／ｃｍ^２であり、（０
０２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は１２
０秒であった。

【００３６】成長終了後、ｉ−ＧａＮ層表面にＡｌ／Ｎ
ｉからなるショットキー電極を形成するともに、Ａｌ／
Ｔｉからなるオーミック電極を形成した。なお、図１に
示すように、ショットキー電極４とオーミック電極５と
の間には、Ｍｇ^{２ ＋}イオン注入によるイオン注入層６を
形成するとともに、図示しないパッシベーション膜を設
けた。

【００３７】このようにして得たショットキーダイオー
ドのリーク電流及びブレイクダウン電圧を調べたとこ
ろ、それぞれ０．５ｎＡ及び４５００Ｖであった。

【００３８】（比較例）ＡｌＮ下地層に代えて、６００
℃の低温でＧａＮ下地層を厚さ０．０３μｍに形成した
以外は、実施例と同様にしてショットキーダイオードを
作製した。ｉ−ＧａＮ導電層の転位密度は２×１０^１０
／ｃｍ^２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキング
カーブの半値幅は３００秒であった。

【００３９】実施例同様にして、最終的に得たショット
キーダイオードのリーク電流及びブレイクダウン電圧を
調べたところ、それぞれ３ｎＡ及び２５００Ｖであっ
た。

【００４０】以上、実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明に従って、転位密度及び結晶性が改善され、
結晶品質に優れた下地層を用いた場合は、この下地層上
に形成された導電層の結晶品質も改善され、最終的に得
たショットキーダイオードのリーク電流を低減できると
ともに、ブレイクダウン電圧の絶対値をも増大できるこ
とが判明した。

【００４１】以上、具体例を挙げながら、本発明を発明
の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能であ
る。例えば、上記においては、ショットキーデバイスと
してリングタイプのショットキーダイオードを中心に述
べてきたが、他の電極構造にしたり、ショットキーデバ
イスを並列あるいは直列に複数配置することもできる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
リーク電流を低減するとともに、ブレイクダウン電圧の
絶対値をも増大させりことができるので、実用かつ大電
流大容量のショットキーダイオードなどのショットキー
デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明（従来）のショットキーダイオードの一
例を示す構成図である。

【図２】図１に示すショットキーダイオードの電流−電
圧特性を示す図である。

【符号の説明】

１ 基板、２ 下地層、３ 導電層、４ ショットキー
電極、５ オーミック電極、６ イオン注入層、１０
ショットキーダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 尚博 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 AA04 BB05 BB14 CC03 FF35 5F045 AA04 AB09 AC08 AC12 AD15 AD16 AF09 BB16 CB02

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、この基板上にエピタキシャル成長
   されたＡｌを含み、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下で
   あり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにお
   ける半値幅が１００秒以下である第１の窒化物半導体か
   らなる下地層と、この下地層上にエピタキシャル成長さ
   れたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、転
   位密度が１０^１０／ｃｍ^２以下であり、（００２）面に
   おけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒
   以下である第２の窒化物半導体からなる導電層とを実質
   的に具えることを特徴とする、ショットキーデバイス。
2. 【請求項２】 前記下地層を構成する前記第１の窒化物
   半導体中におけるＡｌ含有量が、５０原子％以上である
   ことを特徴とする、請求項１に記載のショットキーデバ
   イス。
3. 【請求項３】 前記下地層を構成する前記第１の窒化物
   半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項２に
   記載のショットキーデバイス。
4. 【請求項４】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
   導体は、ＣＶＤ法により１１００℃以上の温度で形成さ
   れたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記
   載のショットキーデバイス。
5. 【請求項５】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
   導体は、ＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃の温度
   で形成されたことを特徴とする、請求項４に記載のショ
   ットキーデバイス。
6. 【請求項６】前記基板はサファイア単結晶からなり、前
   記下地層は前記基板の、表面窒化処理が施された主面上
   に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のい
   ずれか一に記載のショットキーデバイス。
7. 【請求項７】前記下地層を構成する前記第１の窒化物半
   導体中の成分含有量が、前記基板側から前記導電層に向
   かって連続的又はステップ状に変化していることを特徴
   とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のショットキ
   ーデバイス。
8. 【請求項８】請求項１〜７のいずれか一に記載のショッ
   トキーデバイスと、このショットキーデバイス上におい
   てショットキー電極を具えることを特徴とする、ショッ
   トキーダイオード。