JP2009081392A - 高出力ダイヤモンド半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ショットキー障壁高さを制御したダイヤモンド半導体素子を提供する。
【解決手段】ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の接合面の間に、中間層として誘電体層を形成したダイヤモンド半導体素子
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力ダイヤモンド半導体素子に関し、とくに代表的には、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタ、ダイヤモンド電界効果トランジスタなどを挙げることができる。
従来の技術では、ダイヤモンドは、大きなバンドギャップ(5.5eV)、高いアバランシェ破壊電界(10MV/cm)、高い飽和キャリア移動度(4000cm2/Vs)、高い熱伝導率(20W/cmK)を有し、高温度や放射線曝露環境下で実用動作可能な素子として期待されている。これまでにこれらの特徴を生かした電子素子を開発するため、ダイヤモンドダイオードの構造および作製方法が提案されている。
近年、ショットキーバリア障壁高さと破壊電圧・破壊電界には相関があることがダイヤモンドショットキーダイヤモンドにおいて注目され、高い逆方向漏れ電流、破壊電圧を持つためには、大きなショットキーバリア障壁高さが必要であることがダイヤモンドショットキーダイオードで明らかになってきた。（非特許文献１参照）
T. Teraji"Electr Field Breakdown of Lateral Schottky Diodes of Diamond" Jap. J. App. Phys. 46 (2007) LL196.
ダイヤモンドは、絶縁耐圧が高いといわれているが、10MV/cm以上といわれる耐圧を実デバイスで有効に利用されてきてはいなかった。ショットキーバリアダイードにおいて、その耐圧を上げるには、高いショットキー障壁が必要であることがわかってきた。
本発明では、金属とダイヤモンドのショットキー接合の中間層として、絶縁体を挿入することで、ショットキー障壁高さを高くし、低リーク電流で高い電圧まで動作する高出力ダイヤモンド半導体素子を提供する。
上記目的を達成するために本発明は、ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の中間に絶縁層を設けることにより、ショットキー障壁高さを高くし、低リークで高電圧動作を行うことが出来る高出力ダイヤモンド半導体素子を見出すに至った。
すなわち、本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の中間に誘電体層を設けることにより、ショットキー障壁高さを高くし、低リークで高電圧動作を行うことが出来る高出力ダイヤモンド半導体素子である。
また、本発明は、誘電体層を形成する誘電体を窒化物あるいは酸化物材料とすることができる。
さらに本発明では、誘電体としてSi3N4、SiO2またはAl2O3を用いることが出来る。また、本発明では、ショットキー電極に接合するダイヤモンドを、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドとすることが望ましい。
さらに本発明では、高出力ダイヤモンド半導体素子としてショットキーバリヤーダイオードとすることが望ましい。
本発明においてにより、ショットキーバリア高さを高くすることが出来るため、高出力ダイヤモンド素子の高電界印加時におけるリーク電流が減少し、また動作可能電圧が増大する。
本発明においてショットキー電極とダイヤモンドの中間層に用いる誘電体層には、Si3N4、SiO2またはAl2O3の高誘電率材料が利用できる。中間層を設ける位置は、ダイヤモンドｐ−ドリフト層の表面（ショットキー電極側）であり、ここにイオンスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法等により、ショットキー電極を作製する前に成膜する。中間層の厚さは、1〜50Åであり、酸化物や窒化物が望ましい。形状は、どのようなものでも良いが、例として、ショットキー電極の周囲を取り巻く円形のしま状が挙げられる（図１参照）。
誘電体層は、どのような方法でも形成することが出来る。溶剤を用いる湿式方でも、蒸着による方法、ＣＶＤによる方法でもよい。
本発明においては、ショットキー電極とは、パワーエレクトロニクスに用いるための周知の形状のショットキー電極であり、周知の作用をするショットキー電極を意味する。ショットキー電極材料としては、Pt, Ru, Mo, Ir, Os等が利用できる。
ショットキー電極の形状は、基板上のダイヤモンド半導体表面に形成された島状に点在する複数の電極から成るパターン電極である。
本発明で用いるダイヤモンド半導体は、作成方法は限定されないが、好ましくはpもしくはp-型ダイヤモンド上にイオンビームスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法、CVD法により窒化物あるいは酸化物の層を1〜50Å形成する。
さらに本発明においては、ダイヤモンドならどのタイプのものでも良いが、結晶構造（００１）、（１１１）、（１１０）などが挙げられ、ダイヤモンド表面では、炭素終端ダイヤモンド、水素終端ダイヤモンド、酸素終端のダイヤモンドなどが挙げられる。
しかし、少なくともショットキー電極に接合するダイヤモンドは、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドが特に適していることが判明している。
本発明では、オーミック電極の作成についても、周知の材料と周知方法を用いてどのような手順で行っても良い。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
まず、酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、O2アッシング処理後Si３N4薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量9.5sccm、N2ガス流量0.5sccmにてターゲットにはSi3N4を用いて3秒間(10Å)形成した。次に、Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmにてRuターゲットを用いて3分間(500Å)形成した。
(比較例)
ショットキー電極とダイヤモンドの中間層は作製していないものについては、以下のようにして作製した。まず、酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、O2アッシング処理後Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10 sccmにてRuターゲットを用いて3分間(500Å)形成した。
実施例１で得られた高出力ダイヤモンド半導体素子について、電圧電流特性を測定したものを図２に示す。また、ショットキー電極とダイヤモンドの中間層は作製していないもについて、その比較例を同じく図２に示す。中間層を作製した本発明のデバイスでは、ショットキー障壁高さが大きく上昇している。
このことから、ショットキー電極とダイヤモンドとの間に中間層として、非常に薄い絶縁膜を作成した場合、ショットキー障壁高さの制御に対して有効であることが判明した。
Al2O3、SiO2については、実施例１におけるN2ガスに代えてO2ガスを0.5sccm流したという点以外は同様である。
高出力ダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタ、ダイヤモンド電界効果トランジスタなどに転用が可能であり、産業上の利用価値が高い。
ショットキー電極とダイヤモンドの間に中間層を設けたダイオードの断面図 実施例１と比較例との順方向特性、ショットキー障壁高さの違い

Claims (5)

  1. ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、
    ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の接合面の間に、中間層として誘電体層を形成したダイヤモンド半導体素子
  2. 誘電体層を形成する誘電体が窒化物あるいは酸化物である請求項１に記載した高出力ダイヤモンド半導体素子。
  3. 誘電体が、Si3N4、SiO2またはAl2O3である請求項１又は請求項２に記載した高出力ダイヤモンド半導体素子。
  4. ショットキー電極に接合するダイヤモンド半導体のダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンド請求項２ないし請求項４のいずれかに記載した高出力ダイヤモンド半導体素子。
  5. 高出力ダイヤモンド半導体素子がショットキーバリヤーダイオードである請求項１〜請求項４のいずれかに記載された高出力ダイヤモンド半導体素子。
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