JP2009016875A - 低順電圧で低逆電流の動作特性を有する窒化ガリウムベースのダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】オン状態電圧（Ｖf）が低く、逆電流（Ｉrev）を比較的低く保つ構造を有する、新しいＩＩＩ族ベースのダイオードを可能にすること。
【解決手段】本発明の一実施形態は、そのフェルミ準位（または表面ポテンシャル）がピン止めされないＧａＮ系材料から作成されたショットキー障壁ダイオード（１０）である。金属−半導体接合での障壁ポテンシャル（３３）は、使用する金属（１６）のタイプに応じて変動し、特定の金属を使用することにより、ダイオードのショットキー障壁のポテンシャル（３３）が下がり、Ｖfが０．１〜０．３Ｖの範囲となる。別の実施形態（４０）では、トレンチ構造（４５）が、逆漏れ電流を低減するためにショットキーダイオード半導体材料（４４）上に形成され、隣接するトレンチ（４６）の間にメサ領域（４９）を有するいくつかの平行な等間隔のトレンチ（４６）を有する。
【選択図】図４
【解決手段】本発明の一実施形態は、そのフェルミ準位（または表面ポテンシャル）がピン止めされないＧａＮ系材料から作成されたショットキー障壁ダイオード（１０）である。金属−半導体接合での障壁ポテンシャル（３３）は、使用する金属（１６）のタイプに応じて変動し、特定の金属を使用することにより、ダイオードのショットキー障壁のポテンシャル（３３）が下がり、Ｖfが０．１〜０．３Ｖの範囲となる。別の実施形態（４０）では、トレンチ構造（４５）が、逆漏れ電流を低減するためにショットキーダイオード半導体材料（４４）上に形成され、隣接するトレンチ（４６）の間にメサ領域（４９）を有するいくつかの平行な等間隔のトレンチ（４６）を有する。
【選択図】図４
Description
本発明はダイオードに関し、より詳細には、改善された順電圧特性および逆漏れ電流特性を示す窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースのダイオードに関する。
ダイオード整流器は、低電圧スイッチ、電源、パワーコンバータ、およびそれに関連する応用機器用に最も広く使用されているデバイスの１つである。効率的な動作のためには、ダイオードのオン電圧が低く（０．１Ｖ〜０．２Ｖ以下）、逆漏れ電流が少なく、電圧遮断能力が高く（２０〜３０Ｖ）、およびスイッチング速度が速いことが望ましい。
一般的なダイオードのほとんどは、ダイオードの動作特性を慎重に変更するために用いられた不純物要素を含むシリコン（Ｓｉ）から作られたｐｎ接合ダイオードである。ダイオードはまた、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの他の半導体材料から形成することもできる。接合ダイオードの欠点の１つは、大電流の場合に順方向伝導中にダイオード中の電力損失が過度に大きくなる可能性があることである。
ショットキー障壁ダイオードは、ｐｎ接合の代わりに整流作用のある金属−半導体障壁領域からなる特別な形態のダイオード整流器である。金属が半導体に接触するとき、その２つの間の接合で障壁領域が発生する。適切に製造することによりターンオフ時間を短縮し、障壁領域は電荷蓄積効果を最小限に抑えられ、およびダイオードスイッチングが改善される（例えば、非特許文献１参照。）。一般的なショットキーダイオードは、ｐｎ接合ダイオードよりもターンオン電圧が低く（約０．５Ｖ）、ダイオード中のエネルギー損失がシステムに著しい影響を及ぼす可能性がある場合（スイッチング電源中の出力整流器など）により望ましいこととなる。
従来のショットキーダイオードでオン電圧を０．５Ｖ未満に下げる１つの方法は、その表面障壁のポテンシャルを下げることである。しかし、このことは、結果として逆漏れ電流の増大との折り合いをつけることとなる。加えて、障壁の低下により高温度動作が損なわれ、逆バイアス動作下でソフトブレークダウンが生じる可能性がある。
さらに、ショットキーダイオードは一般にＧａＡｓから作成されるが、この材料の欠点の１つは、フェルミ準位（または表面ポテンシャル）が約０．７Ｖに固定またはピン止めされることである。その結果、オン状態順電圧（Ｖf）が固定される。したがって、半導体と接触させるのに使用する金属のタイプの如何に関わらず、表面ポテンシャルをＶfよりも下に下げることができない。
さらに最近になって、幾分低いＶfのシリコンベースのショットキー整流器ダイオードが開発された（例えば、非特許文献２参照。）。こうしたデバイスのショットキー障壁表面のポテンシャルは約０．４Ｖであり、Ｖfの下限は約０．３〜０．４Ｖである。実際には、達成可能な最低のショットキー障壁のポテンシャルは、チタンを使用した通常の蒸着で０．４Ｖ前後である。これにより、電流密度１００Ａ／ｃｍ2でＶf約０．２５Ｖが得られる。
動作電流密度１００Ａ／ｃｍ2でＶfが約０．２５Ｖ（障壁高０．５８Ｖ）である他のハイブリッド構造が報告されている（例えば、非特許文献３参照。）。そのように設計されたもの１つは、逆漏れを最小限に抑えるように電場を調整するのに使用されるｐｎ接合を有する接合障壁制御式ショットキー整流器である。別のものとしては、トレンチおよびＭＯＳ障壁動作を使用して電場プロファイルを調整するトレンチＭＯＳ障壁整流器である。このデバイスの欠点の１つは、ｐｎ接合によってキャパシタンスが持ち込まれることである。さらに、ｐｎ接合は、ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスでは幾分製作が難しい。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料が、高効率青／緑ＬＥＤやレーザなどのオプトエレクトロニックデバイス、および高出力マイクロ波トランジスタなどの電子デバイスで使用されている。ＧａＮは、３．４ｅＶ幅の直接バンドギャップを有し、電子速度が高速であり（２×１０7ｃｍ／ｓ）、破壊電場が高く（２×１０6Ｖ／ｃｍ）、ヘテロ構造が使用可能である。
本発明は、Ｖfが低い、新しいＩＩＩ族窒化物ベースのダイオードを提供する。この新しいダイオードの実施形態には、逆電流（Ｉrev）を比較的低く保つための構造も含まれる。
この新しいダイオードはＧａＮ系材料で形成されることが好ましく、ＧａＡｓなどの材料から作成された従来型ダイオードとは異なり、ＧａＮのフェルミ準位（または表面ポテンシャル）がその表面状態にピン止めされない。ＧａＮショットキーダイオードでは、金属−半導体接合での障壁高は、使用する金属のタイプに応じて変化する。特定の金属を使用することにより、ダイオードのショットキー障壁高が低くなり、その結果Ｖfが０．１〜０．３Ｖの範囲となる。
この新しいＧａＮショットキーダイオードは一般に、基板上にｎ＋ ＧａＮ層を含み、基板の反対側のｎ＋ ＧａＮ層上にｎ− ＧａＮ層を含む。ｎ＋ ＧａＮ層上に金属オーミックコンタクトが含まれ、ｎ− ＧａＮ層から分離され、ｎ− ＧａＮ層上にショットキー金属層が含まれる。整流すべき信号が、ダイオードのショットキー金属コンタクトと金属オーミックコンタクトの両端間に印加される。ショットキー金属がｎ− ＧａＮ層上に蒸着しているとき、その２つの間で前記ｎ− ＧａＮの表面で障壁ポテンシャルが形成される。ショットキー金属層は仕事関数を有し、その仕事関数によって障壁ポテンシャルの高さが決定される。
ショットキー障壁のポテンシャルを低下させる金属を使用するとＶfは低下するが、望ましくないＩrevが増大する可能性がある。本発明の第２実施形態は、ダイオードの表面上にトレンチ構造を含めることによってＩrevを低減する。この構造により、この新しいダイオードが逆バイアス下にあるときの電場の増大を防ぐ。その結果、ショットキー障壁ポテンシャルが低下し、Ｉrevを低減することを助ける。
トレンチ構造はｎ− ＧａＮ層上に形成されることが好ましく、隣接するトレンチ間にメサ領域を有するいくつかの平行な等間隔のトレンチを有する。各トレンチは、その側壁および底面上に絶縁層を有する。連続するショットキー金属層がトレンチ構造上にあり、絶縁層、ならびにトレンチ間のメサを覆う。あるいは、各トレンチの側壁および底面を絶縁体の代わりに金属で覆うこともできる。その金属は、ショットキー金属から絶縁される。メサ領域は、金属−半導体接触の下で電場の所望の再分配を生成するように選ばれたドーピング濃度および幅を有する。
本発明の第３実施形態は、障壁ポテンシャルを超えるのではなく、障壁ポテンシャルを通る電子のトンネル効果の結果として得られる低いＶfを有するＧａＮトンネルダイオードを提供する。この実施形態は、基板とｎ− ＧａＮ層の間にｎ＋ ＧａＮ層が挟まれた基板を有する。ＡｌＧａＮ障壁層が、ｎ＋ ＧａＮ層と反対側のｎ− ＧａＮ層上に含まれる。オーミックコンタクトがｎ＋ ＧａＮ層上に含まれ、上部コンタクトがＡｌＧａＮ層上に含まれる。整流すべき信号が、オーミックコンタクトと上部コンタクトの両端間に印加される。
障壁層設計により、順方向トンネル効果の確率が最大になり、障壁層の様々な厚さおよびＡｌモル分率により、様々な順方向／逆方向動作特性が得られる。特定の厚さおよびＡｌモル分率では、このダイオードはＶfが低く、Ｉrevが少ない。より厚い障壁層を使用し、および／またはＡｌモル濃度を増やすことにより、Ｖfが低下し、Ｉrevが増大する。厚さまたはモル分率がさらに増加するにつれて、この新しいダイオードはオーム動作特性を呈すると見られるが、従来のショットキーダイオードとなることもある。
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、添付の図面と共に行われる以下の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。
図１に、本発明に従って構築された、金属−半導体障壁のポテンシャルが低下したショットキーダイオード１０を示す。この新しいダイオードは、ＩＩＩ族窒化物ベース系材料、またはフェルミ準位がその表面状態でピン止めされないその他の材料から形成される。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、周期表のＩＩＩ族元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）との間で形成された半導体化合物を指す。この語はまた、ＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮなどの三元化合物および第三級の化合物も指す。この新しいダイオードの好ましい材料は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮである。
この新しいダイオード１０は基板１１を有する。基板１１は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、シリコン（Ｓｉ）、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のいずれかとすることができるが、４Ｈポリタイプの炭化ケイ素が望ましい。３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒポリタイプを含むその他の炭化ケイ素も使用することができる。ＡｌxＧａ1-xＮバッファ層１２（ただしｘは０と１の間）が基板１１上に配され、炭化ケイ素基板とダイオード１０の残りの部分との間の適切な結晶構造遷移が実現する。
炭化ケイ素は、結晶格子がサファイアよりもずっとＩＩＩ族窒化物に近く、その結果より高い品質のＩＩＩ族窒化物膜が得られる。炭化ケイ素はまた熱伝導率が非常に高く、その結果、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力パワーは、（サファイア上に形成されたあるデバイスと同様に）基板の熱放散によって制限されない。さらに、炭化ケイ素基板が使用可能なので、デバイス分離が可能となり、寄生キャパシタンスの低減が実現され、これにより商用化が可能となる。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．から入手可能であり、それを製造する方法が、科学文献ならびに特許文献に記載されている（例えば、特許文献１、２、および３参照。）。
この新しいダイオード１０は、基板１１上にｎ＋ ＧａＮ層１２を有し、基板１１の反対側のｎ＋ ＧａＮ層１２上にＧａＮ１３のｎ−層を有する。ｎ＋層１２は、不純物が少なくとも１立方センチメートル（ｃｍ3）当たり１０18個の濃度で高密度に不純物を添加される。好ましい濃度は、この量の５から１０倍である。ｎ−層１３はそれより低いドーピング濃度を有するがそれでもなおｎ−型であり、１ｃｍ3当たり５×１０14から５×１０17個の範囲の不純物濃度を有するのが望ましい。ｎ−層１３の厚さは、０．５〜１ミクロンであり、ｎ＋層１２の厚さは０．１から１．５ミクロンであることが望ましいが、その他の厚さでも機能する。
ｎ− ＧａＮ層１３の各部分がｎ＋層までエッチングされ、金属オーミックコンタクト１４ａおよび１４ｂが、ｎ＋ ＧａＮ層上のエッチング済み領域内に含まれ、それによってそれらはｎ− ＧａＮ層１３から電気的に分離される。これに替わる一実施形態においては、１つまたは複数のオーミックコンタクトを、ｎ＋ ＧａＮ層１２で覆われない基板面上に含めることができる。本実施形態は、特にｎ型の基板に適用可能である。ショットキー金属層１６が、ｎ＋ ＧａＮ層１２の反対側のｎ− ＧａＮ層１３上に含まれる。
金属の仕事関数は、真空中の金属から電子を取り去るのに必要なエネルギーであり、材料のフェルミ準位は、荷電キャリアを発見する確率が５０％であるエネルギー準位である。半導体の電子親和力は、その真空エネルギー準位と伝導帯エネルギー準位との差である。
前述のように、ＧａＮの表面フェルミ準位はピン止めされず、その結果、異なる仕事関数を有するショットキー金属は、障壁ポテンシャルが異なる。障壁ポテンシャルは次式で近似される。
障壁の高さ＝仕事関数−半導体の電子親和力
図２は、真空中の様々な金属表面についての金属の仕事関数２１と、特定の金属の原子番号２２との関係を示すグラフ２０である。金属は、ショットキー障壁のポテンシャルが低く、かつＶfが低くなるように、しかし十分高く選んで逆電流を低く保つべきである。例えば、半導体の電子親和力と等しい仕事関数を有する金属を選んだ場合、障壁ポテンシャルはゼロに近づく。これにより、Ｖfがゼロに近づき、さらにはダイオードの逆電流が増大し、それによってダイオードがオーム特性を呈して整流が行われない。
図２は、真空中の様々な金属表面についての金属の仕事関数２１と、特定の金属の原子番号２２との関係を示すグラフ２０である。金属は、ショットキー障壁のポテンシャルが低く、かつＶfが低くなるように、しかし十分高く選んで逆電流を低く保つべきである。例えば、半導体の電子親和力と等しい仕事関数を有する金属を選んだ場合、障壁ポテンシャルはゼロに近づく。これにより、Ｖfがゼロに近づき、さらにはダイオードの逆電流が増大し、それによってダイオードがオーム特性を呈して整流が行われない。
多くの異なる金属を使用して障壁高を低くすることができる。好ましい金属には、Ｔｉ（仕事関数４．６）２３、Ｃｒ（４．７）２４、Ｎｂ（４．３）２５、Ｓｎ（４．４）２６、Ｗ（４．６）２７、およびＴａ（４．３）２８が含まれる。Ｃｒ ２４により、許容できる障壁ポテンシャルが得られ、Ｃｒ ２４は従来の方法による蒸着が容易である。
図３に、この新しいショットキー障壁ダイオードについてのダイオードを貫く垂直な線上で測定される典型的なバンドグラフ３０を示す。図３は、ショットキー金属３１のエネルギー準位、ＧａＮ半導体層３２のエネルギー準位、およびショットキー障壁のポテンシャル３３を示す。
ショットキー金属がＧａＮ半導体材料に接触する前は、この２つのフェルミエネルギー準位は同一ではない。接触を行い、２つの材料が単一の熱力学系となると、その結果その系に対しては単一のフェルミ準位となる。これは、フェルミ準位が高い半導体材料から、フェルミ準位が低いショットキー金属への電子の流れによって生じる。半導体の電子のエネルギーは、半導体の電子が金属に流れることによって低下する。これにより、半導体のイオン化ドナーの準位が、その自由電子の数より幾分超えた状態となり、半導体は正味で正の電荷を有する。半導体から金属に流れた電子により、金属は負の静電荷を有する。したがって半導体のエネルギー準位は低下し、金属のエネルギー準位は上昇する。この電子の表面電荷の存在と、半導体の非中和電荷イオン化ドナーの準位（ｕｎｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｉｏｎｉｚｅｄ ｄｏｎｏｒ ｌｅｖｅｌ）の存在により、障壁ポテンシャルを形成する双極子層が生成される。
動作の際に、新しいショットキーダイオード１０によって整流すべき信号が、ショットキー金属１６と、オーミックコンタクト１４ａおよび１４ｂの両端間に印加される。信号の整流は、半導体内の荷電粒子の流れを抑制するｎ− ＧａＮ層１３の表面の障壁ポテンシャルが存在する結果得られるものである。ショットキー金属１６が半導体に対して正であるとき（順バイアス）、障壁の半導体側のエネルギーが上昇する。その場合、伝導帯上の多数の自由電子が金属中に流れることができる。半導体側が上昇するほど、障壁の上端より上のエネルギーの電子が多くなり、最後には、高いバイアス電圧で、半導体中の自由電子の分布全体が障壁に打ち勝つことができる。電圧特性と電流特性との間の関係は、オーミック特性を有する。障壁が低いほど、障壁に打ち勝つのに必要なＶfが低くなる。
しかし、上記で論じたように、障壁水準を低くすることは逆漏れ電流も増大させる可能性がある。半導体が金属に対して正にされるとき（逆バイアス）、障壁の半導体側が金属側に対して低くなり、その結果電子が、抵抗なしに障壁の上端を超えて半導体に自由に流れる。金属内に存在する障壁の上端より上の電子の数は、一般に半導体中の全電子数と比較して非常に少ない。その結果、非常に低い電流特性となる。電圧が全電子流を遮断するのに十分な大きさであるとき、電流は飽和する。障壁ポテンシャルが低いほど、電流が飽和するのに必要な逆バイアスが低くなる。
図４に、障壁高が低下することに伴って逆電流が増大する問題に対処する新しいＧａＮショットキーダイオード４０の別の実施形態を示す。ダイオード４０は、上記の実施形態と類似しており、類似の基板４１、ｎ＋ ＧａＮ層４２、および金属オーミックコンタクト４３ａおよび４３ｂを有する。あるいは、金属オーミックコンタクト４３ａおよび４３ｂは基板の表面上に含めることもできる。ダイオード４０はｎ− ＧａＮ層４４も有するが、この層は平面ではなく、ｎ− ＧａＮ層中にトレンチ４６を含む２次元トレンチ構造４５を有する。好ましいトレンチ構造４５は、隣接するトレンチ間に残るメサ領域４９に平行かつ等間隔のトレンチ４６を含む。各トレンチ４６は、その側壁４６ａおよび底面４６ｂを覆う絶縁層４７を有する。様々な絶縁材料を使用することができるが、材料としては窒化シリコン（ＳｉＮ）が望ましい。ショットキー金属層４８がトレンチ構造４５全体の上に配され、絶縁層がショットキー金属とトレンチの側壁および底面との間に挟まれ、メサ領域４９がショットキー金属層４８で覆われる。メサ領域により、ショットキー金属とｎ− ＧａＮ層４４とが直接接触する。あるいは、絶縁体の代わりに金属で各トレンチを覆うこともできる。本実施形態においては、ショットキー金属をトレンチ金属から絶縁および／または分離すべきである。
メサ領域４９は、メサの金属−半導体接合の下における電場の再分配を生成するようにドーピング濃度および幅が選ばれる。この結果、ダイオード電場のピークはショットキー障壁から動かされ、その高さも減少する。これにより、逆バイアス電圧の上昇に伴って障壁が低下し、逆漏れ電流が急速に増大するのを防止するのを助ける。
この再分配は、メサ４９内の電荷と、上面のショットキー金属４８、並びにトレンチの側壁４６ａおよび底面４６ｂ上の金属との結合することから行われる。次いで空乏が、上面（従来のショットキー整流器と同様）とトレンチ側壁４６ａの両方から延び、側壁からの伝導領域を空乏させる。側壁の空乏により、ショットキー金属層４８下の電場が減少し、逆漏れ電流を「もぎ取った（ｐｉｎｃｈｉｎｇ ｏｆｆ）」と考えることもできる。トレンチ構造４５は障壁ポテンシャルが低く、Ｖfが低くても逆漏れ電流を比較的少なく保つ。
トレンチ構造４５は、ショットキー障壁領域の幅の１から２倍のトレンチ４６を有するのが望ましい。したがって、障壁領域が０．７から１ミクロンである場合、トレンチ幅は０．７から２ミクロンの範囲でよい。
上記のダイオード１０および４０は、周知の技法を用いて製造される。そのｎ＋ ＧａＮ層およびｎ− ＧａＮ層を、限定はしないが有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を含む周知の蒸着技法によって基板上に蒸着させる。ダイオード１０については、化学反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミルによるエッチングなどの周知のエッチング技法により、ｎ− ＧａＮ層１３をｎ＋ ＧａＮ層１２までエッチングする。標準蒸着技法により、ショットキー金属層１６ならびにオーム金属層１４ａおよび１４ｂをダイオード１０上に形成する。
ダイオード４０については、ｎ＋層４２およびｎ−層４４が基板上に蒸着した後、化学的またはイオンミルによるエッチングによってｎ− ＧａＮ層４４をエッチングし、トレンチ４６を形成する。さらにｎ− ＧａＮ層４４を、オーム特性の金属４３ａおよび４３ｂのためにｎ＋ ＧａＮ層４２までエッチングする。次いで、トレンチ構造４５全体の上にＳｉＮ絶縁層４７を蒸着させ、メサ４９からＳｉＮ層をエッチング除去する。最終ステップとして、標準蒸着技法により、連続するショットキー金属層４８をトレンチ構造４５上に形成し、絶縁層４７および露出したトレンチメサ４９を覆う。標準蒸着技法により、ｎ＋ ＧａＮ層４２上にもオーム特性の金属を形成する。トレンチが金属で覆われるトレンチダイオードの実施形態では、金属を標準蒸着技法で蒸着させることもできる。
（トンネルダイオード）
図５に、順バイアスの下で障壁領域を通る電子トンネル効果の結果としてＶfが低くなる新しいダイオードの別の実施形態５０を示す。障壁をトンネリングすることにより、電子は、障壁を超える従来の熱電子放出によって障壁を横切る必要がない。
図５に、順バイアスの下で障壁領域を通る電子トンネル効果の結果としてＶfが低くなる新しいダイオードの別の実施形態５０を示す。障壁をトンネリングすることにより、電子は、障壁を超える従来の熱電子放出によって障壁を横切る必要がない。
図１および４の実施形態と同様に、新しいトンネルダイオード５０はＩＩＩ族窒化物ベース系材料から形成され、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮで形成されるのが望ましいが他の材料も機能する。ポーラオンポーラ（ｐｏｌａｒ ｏｎ ｐｏｌａｒ）材料やポーラオンノンポーラ（ｐｏｌａｒ ｏｎ ｎｏｎ−ｐｏｌａｒ）材料を含む、極性材料と非極性材料の組合せを使用することができる。こうした材料の例には、チタン酸ストロンチウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸鉛ジルコニウム（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ）などの複合極性酸化物（ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｏｌａｒ ｏｘｉｄｅ）や、酸化亜鉛などの非複合／二元酸化物（ｎｏｎ−ｃｏｍｐｌｅｘ／ｂｉｎａｒｙ ｏｘｉｄｅ）が含まれる。材料は、トンネル電流が可能である限りシリコン上、または任意のシリコン／誘電体スタック上で使用することができる。
ダイオード５０は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、またはシリコンＳｉのいずれかからなる基板５１を有するが、上記で略述した理由により、ＳｉＣが好ましい基板材料である。基板は、その上にｎ＋ ＧａＮ層５２を有し、基板５１と反対側のｎ＋ ＧａＮ層５２上にｎ− ＧａＮ層５３を有する。ｎ＋ ＧａＮ型板層５２の反対側のｎ− ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ障壁層５４が含まれる。ダイオード５０の縁部で、障壁層５４およびｎ− ＧａＮ層５３がｎ＋ ＧａＮ層５２までエッチングされ、金属オーミックコンタクト５５ａおよび５５ｂが、エッチング済み領域内の層５２上に含まれる。上記の構造と同じく、オーミックコンタクトを基板の表面上に含めることもできる。金属接触層５６が、ｎ− ＧａＮ層５３と反対側のＡｌＧａＮ障壁層５４上に配される。整流すべき信号は、オーミックコンタクト５５ａおよび５５ｂと、上部金属コンタクト５６の両端間に印加される。
ＡｌＧａＮ障壁層５４はトンネル障壁として働く。障壁を横切るトンネル効果は量子力学的現象であり、順方向トンネル効果確率を最大にするように層５４の厚さとＡｌモル分率を共に変化させることができる。ＡｌＧａＮ−ＧａＮ系材料は、圧電性の応力のかかった状態で埋め込まれており、それにより圧電双極子が得られる。一般に、圧電性の応力と誘導電荷はどちらも、障壁層の厚さと共に大きくなる。順バイアスでは、圧電電荷による電子はトンネル効果を高める。その電子が伝導のために利用可能であり、その結果トンネル効果が生じる可能性のある状態数が増加するからである。したがって、この新しいトンネルダイオードを、この種の圧電電荷を示す他の極性材料で作成することができる。
しかし、逆バイアス状態の下では、圧電電荷は逆漏れ電流も増加させる。障壁層が厚く、またはＡｌモル分率が高いほど、Ｖfが低くなるが、Ｉrevも増大する。したがって、特定の障壁層のＡｌモル分率に対して、Ｖfが低く、Ｉrevが比較的小さい動作特性を達成するのに最適な障壁層の厚さが存在する。
図６〜１１に、Ａｌが３０％の３つの異なる厚さのＡｌＧａＮ障壁層についての、この新しいダイオードの整流特性を示す。各々の厚さについて、バンドエネルギーのグラフおよび対応する電圧と電流の関係のグラフがある。
図６に、厚さ２２Åの障壁層５４を有するトンネルダイオード５０についてのバンドグラフ６０を示す。この図は、障壁層６３とｎ− ＧａＮ半導体層６２との間の接合での典型的な障壁ポテンシャル６１を示す。上部接触金属６４が、半導体層の反対側の障壁層６３上にある。図７に、図６のダイオードの対応する電流特性と電圧特性の関係をプロットしたグラフ７０を示す。このグラフは、約０．１ＶのＶf７１と低い逆電流（Ｉrev）７２を有する。
図８に、厚さ３０Åの障壁層を有する同じトンネルダイオードについてのバンドグラフ８０を示す。障壁層の厚さの増加により、障壁領域の圧電電荷が増加し、それによって障壁を横切るトンネル効果が高まる。これにより、障壁層８２とｎ− ＧａＮ層８３との間の接合での障壁ポテンシャル８１が平坦になる。順バイアスが印加されたときに電荷は障壁を乗り越える必要はなく、ダイオードのＶfが著しく低下する。しかし、平坦となった障壁により逆漏れ電流（Ｉrev）も増大する。図９は、図７のＶfよりも低いＶf９１を示すグラフ９０である。さらに、Ｉrev９２は図７のＩrevと比較して増大する。
図１０に、厚さ３８Åの障壁層を有する同じトンネルダイオードについてのバンドグラフ１００を示す。この場合も、障壁層の厚さの増加により圧電電荷が増加する。この厚さでは、障壁層１０２とｎ− ＧａＮ層との間の障壁ポテンシャル１０１は、障壁層とｎ− ＧａＮ層との間の接合付近で低くなり、それによって順バイアスと逆バイアスのどちらでも電荷に対して障壁が存在しなくなる。図１１に、対応する電流特性と電圧特性の間の関係のグラフ１１０を示す。ダイオード１００は、順バイアスおよび逆バイアスに応答して即時順／逆電流を受け、それによってダイオードはオーミック特性となる。
障壁層中のアルミニウムのモル濃度が異なる場合、図６から１１に示した特性を達成するための層の厚さは異なることになる。
図１２に、逆電流を低減するためのトレンチ構造１２１を有する新しいトンネルダイオード１２０を示す。上記のショットキーダイオード４０と同様に、このトレンチ構造は、いくつかの平行な等間隔のトレンチ１２２を含むが、このダイオードでは、それらがＡｌＧａＮ障壁層１２３およびｎ− ＧａＮ層１２４を貫いてｎ＋ ＧａＮ層１２５（ＡＰ ＧａＮ型板）までエッチングされる。隣接するトレンチ１２２間にはメサ領域１２６がある。トレンチの側壁および底面は、絶縁層１２７と、トレンチ構造１２１全体を覆う上部ショトキー金属層１２８とを有する。トレンチ構造は、上記の実施形態と同様に機能し、逆電流が低減する。これは、順方向電圧に応答して即時順電流となる厚さの障壁層を有するトンネルダイオードにとって有用である。トレンチ構造を使用することにより、ダイオードは、逆電流漏れを改善することもできる。やはり上記と同様に、ショットキー金属層１２８から絶縁されている限り、トレンチ側壁および底面を金属で覆うことができる。
本発明の一定の好ましい構成を参照しながら本発明をかなり詳細に説明したが、他の形態も可能である。したがって、添付のクレームの精神および範囲を、本明細書で説明した好ましい形態に限定すべきではない。
Claims (7)
- ｎ＋に不純物を添加された層（５２）と、
前記ｎ＋に不純物を添加された層（５２）に隣接するｎ−に不純物を添加された層（５３）と、
前記ｎ＋に不純物を添加された層（５２）と反対側の、前記ｎ−に不純物を添加された層（５３）に隣接する障壁層（５４）と、
前記ｎ−に不純物を添加された層（５３）の反対側の、前記障壁層（５４）上の金属層（５６）であって、前記ｎ−に不純物を添加された層（５３）は、前記障壁層（５４）と共に障壁ポテンシャル（８１）を有する接合を形成し、前記障壁ポテンシャル（８１）により、順バイアス下で前記障壁ポテンシャル（８１）を通過する電子トンネル効果の結果としてダイオードのオン状態電圧が低くなる金属層（５６）と
を備えたことを特徴とするトンネルダイオード。 - 前記障壁層（５４）は、電子トンネル効果を高めることによって前記ダイオードのオン状態電圧を低下させる圧電双極子を有することを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
- 前記圧電双極子の数は、前記障壁層の厚さが増大するにつれて増加し、一方なおトンネル効果電流が可能であることを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
- 前記ｎ＋に不純物を添加された層（５２）、ｎ−に不純物を添加された層（５３）、および障壁層（５４）は、極性材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
- 前記ｎ＋に不純物を添加された層（５２）、ｎ−に不純物を添加された層（５３）、および障壁層（５４）は、極性材料または非極性材料、あるいはそれらの組合せから形成されることを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
- 前記ｎ＋に不純物を添加された層（５２）、ｎ−に不純物を添加された層（５３）、および障壁層（５４）は、酸化亜鉛などの二元極性酸化物から形成されることを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
- 前記障壁およびｎ−に不純物を添加された層（１２３、１２４）内にトレンチ（１２１）構造をさらに備え、逆バイアス下で逆漏れ電流を受け、前記トレンチ構造（１２１）は、前記逆漏れ電流の量を低減することを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
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