JP2012199537A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】ジャンクションバリアショットキー構造をもつダイオードにおいて、ショットキー接合部の逆サージ耐量を改善することが可能なショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】ガードリング層15に隣接した第二半導体層161と、この第二半導体層161に隣接する第二半導体層162との間に跨るように、基板11の中心領域Acにおいて第三絶縁層23が形成されている。即ち、第二半導体層161と第二半導体層162との間で、基板11の一面(一方の主面)11aに露呈された第一半導体層13を覆うように第三絶縁層23が形成される。これによって、第三絶縁層23は、第二半導体層161と第二半導体層162との間で基板11の一面11aに露呈された第一半導体層13と、金属層14との間を電気的に絶縁する。
【選択図】図2
【解決手段】ガードリング層15に隣接した第二半導体層161と、この第二半導体層161に隣接する第二半導体層162との間に跨るように、基板11の中心領域Acにおいて第三絶縁層23が形成されている。即ち、第二半導体層161と第二半導体層162との間で、基板11の一面(一方の主面)11aに露呈された第一半導体層13を覆うように第三絶縁層23が形成される。これによって、第三絶縁層23は、第二半導体層161と第二半導体層162との間で基板11の一面11aに露呈された第一半導体層13と、金属層14との間を電気的に絶縁する。
【選択図】図2
Description
本発明は、ショットキーバリアダイオードに関し、詳しくは、ショットキーバリアダイオードの逆サージ耐量を改善する技術に関する。
本願は、2011年3月7日に、日本に出願された特願2011−049621号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2011年3月7日に、日本に出願された特願2011−049621号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ショットキーバリアダイオード(以下、SBDと称する)は、半導体層と金属層とをショットキー接合させたショットキー障壁の整流作用を利用した半導体素子である。SBDは、一般的なPN接合ダイオードより高速動作が可能で、順方向電圧降下が小さいという特性を持つ。
こうしたSBDを備えたスイッチング電源では、例えば、非常時における緊急停止などを行うと、n型半導体層から金属層に向けて印加される逆方向電圧が、SBDの耐圧上限(以下、逆サージ耐量と称する)を超えてしまう場合がある。逆方向電圧が逆サージ耐量を超えてしまうとSBDの破壊を招く懸念がある。
逆サージ耐量を改善するダイオードの一例として、図1に示すジャンクションバリアショットキー(Junction Barrier Schottky:以下JBSと称する)構造を採用したダイオードが知られている。
図4に、従来のJBSダイオードの一例を示す。JBSダイオード100は、例えば、SiCなどからなる半導体基板101の一面に形成されたn型半導体層102に、金属層103がショットキー接合されている。また、この金属層103の周縁付近から外側には絶縁層104が形成されている。そして、金属層103と絶縁層104との接続部分、即ち絶縁層104の周縁部分に重なるように、P型半導体からなるガードリング層105が形成されている。こうしたガードリング層105は、n型半導体層102にイオン注入等で不純物を拡散することによって形成され、ショットキー接合されたn型半導体層102と金属層103との周縁領域で生じる電界集中を緩和する。
図4に、従来のJBSダイオードの一例を示す。JBSダイオード100は、例えば、SiCなどからなる半導体基板101の一面に形成されたn型半導体層102に、金属層103がショットキー接合されている。また、この金属層103の周縁付近から外側には絶縁層104が形成されている。そして、金属層103と絶縁層104との接続部分、即ち絶縁層104の周縁部分に重なるように、P型半導体からなるガードリング層105が形成されている。こうしたガードリング層105は、n型半導体層102にイオン注入等で不純物を拡散することによって形成され、ショットキー接合されたn型半導体層102と金属層103との周縁領域で生じる電界集中を緩和する。
一方、ガードリング層105の内側、即ち中心領域にはJBS構造が形成される。例えば、ガードリング層105の内側に、所定の間隔ごとにp型半導体からなる第二半導体層106が複数形成される。こうしたn型半導体層102との間でpn接合された第二半導体層106は、n型半導体層102と金属層103とのショットキー接合部や、その周辺の絶縁層104よりも耐圧が低くなるように設計される。これにより、第二半導体層106からなるJBSに逆方向電流(逆サージ)の負荷を誘引し、ショットキー接合部の逆サージ耐量を改善することができるとされている(例えば、非特許文献1を参照)。
Material Science Forum Vols.527-529(2006),pp1155-1158
しかしながら、上述したような従来のJBSダイオードでは、p型の第二半導体層がn型半導体層と金属層とのショットキー接合部に近接して配置されているために、ショットキー接合部から第二半導体層に沿って空乏層が延びてしまう。これによって、第二半導体層の耐圧を充分に小さくすることができなくなる。結果的に、こうした従来のJBS構造をもつSBDでは、実際には周縁領域での電界集中は殆ど緩和されず、逆サージ耐量を改善するには至っていない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ジャンクションバリアショットキー構造をもつダイオードにおいて、ショットキー接合部の逆サージ耐量を改善することが可能なショットキーバリアダイオードを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のようなショットキーバリアダイオードを提供した。
本発明の一実施形態に係るショットキーバリアダイオードは、炭化珪素からなる基板と、前記基板に含まれ、該基板の第一面隣接するn型半導体からなる第一半導体層と、該第一半導体層にショットキー接合された金属層と、該金属層の周縁領域に接して外側に広がる第一絶縁層と、該第一絶縁層と前記金属層とが接する周縁領域に沿って、前記第一半導体層内に形成されたp型半導体からなるガードリング層と、該ガードリング層から前記基板の中心領域に向かって、前記第一半導体層内に第1の間隔ごとに複数形成されたp型半導体からなる第二半導体層と、前記基板の第一面上にあり、前記ガードリング層と該ガードリング層に隣接した前記第二半導体層との間に形成された第二絶縁層と、前記基板の第一面上にあり、互いに隣接する前記第二半導体層どうしの間に形成された第三絶縁層と、を備える。
本発明の一実施形態に係るショットキーバリアダイオードは、炭化珪素からなる基板と、前記基板に含まれ、該基板の第一面隣接するn型半導体からなる第一半導体層と、該第一半導体層にショットキー接合された金属層と、該金属層の周縁領域に接して外側に広がる第一絶縁層と、該第一絶縁層と前記金属層とが接する周縁領域に沿って、前記第一半導体層内に形成されたp型半導体からなるガードリング層と、該ガードリング層から前記基板の中心領域に向かって、前記第一半導体層内に第1の間隔ごとに複数形成されたp型半導体からなる第二半導体層と、前記基板の第一面上にあり、前記ガードリング層と該ガードリング層に隣接した前記第二半導体層との間に形成された第二絶縁層と、前記基板の第一面上にあり、互いに隣接する前記第二半導体層どうしの間に形成された第三絶縁層と、を備える。
前記第二半導体層は、P+型半導体領域と、P−型半導体領域とから構成されていてもよい。
前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、および前記第三絶縁層は、前記第一半導体層に重ねて形成した均一に広がる絶縁体をパターニングしてなる構造を有していてもよい。
前記第一絶縁層は、半導体酸化物から構成されていてもよい。
前記ショットキーバリアダイオードは、前記第一面上にあり、前記第二半導体層と接合されるオーミック電極をさらに備えてもよい。
前記第二絶縁層が平面視で前記第三絶縁層を囲み、前記第一絶縁層が平面視で前記第二絶縁層を囲むように構成されていてもよい。
前記第一絶縁層が前記ガードリングの外縁部分を覆い、前記金属層が前記ガードリングの内縁部分と接するように構成されていてもよい。
前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、および前記第三絶縁層は、前記第一半導体層に重ねて形成した均一に広がる絶縁体をパターニングしてなる構造を有していてもよい。
前記第一絶縁層は、半導体酸化物から構成されていてもよい。
前記ショットキーバリアダイオードは、前記第一面上にあり、前記第二半導体層と接合されるオーミック電極をさらに備えてもよい。
前記第二絶縁層が平面視で前記第三絶縁層を囲み、前記第一絶縁層が平面視で前記第二絶縁層を囲むように構成されていてもよい。
前記第一絶縁層が前記ガードリングの外縁部分を覆い、前記金属層が前記ガードリングの内縁部分と接するように構成されていてもよい。
本発明のショットキーバリアダイオードによれば、第二絶縁層、第三絶縁層によって、第一半導体層と金属層とのショットキー接合部から、第二半導体層の側面に沿って空乏層が延びることを防止する。
これによって、第一半導体層と金属層とのショットキー接合部における逆サージ耐量が大きく改善される。例えば、第一半導体層から金属層に向かって印加される逆方向電圧が生じても、第二絶縁層、第三絶縁層によって空乏層の延びが抑制されることにより第二半導体層部に電界が集中し耐圧が低くなり、第二半導体層に逆サージ電流が流れることで逆サージ耐量が増加するので、ショットキーバリアダイオードの逆方向電圧による損傷を防止することが可能になる。
以下、図面を参照して、本発明に係るショットキーバリアダイオードの一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1Aおよび図1Bは、本発明のショットキーバリアダイオードの一実施形態を示す平面図および断面図である。
この実施形態に係るショットキーバリアダイオード(以下、ダイオードと称する)10は、炭化珪素(SiC)からなる基板11を備えている。この基板11は、例えば、高濃度の不純物を含んだn+型SiCからなる高濃度半導体層(n型領域)12と、低濃度の不純物を含んだn−型SiCからなる第一半導体層13とを積層してなる。なお、以下の説明では、基板11の互いに対向する二つの面のうち、第一半導体層13(n−型SiC層)13が隣接する面を基板11の第一面(一方の主面)11aとし、高濃度半導体層(n+型SiC層)12が隣接する面を基板11の第二面(他方の主面)11bとする。
この実施形態に係るショットキーバリアダイオード(以下、ダイオードと称する)10は、炭化珪素(SiC)からなる基板11を備えている。この基板11は、例えば、高濃度の不純物を含んだn+型SiCからなる高濃度半導体層(n型領域)12と、低濃度の不純物を含んだn−型SiCからなる第一半導体層13とを積層してなる。なお、以下の説明では、基板11の互いに対向する二つの面のうち、第一半導体層13(n−型SiC層)13が隣接する面を基板11の第一面(一方の主面)11aとし、高濃度半導体層(n+型SiC層)12が隣接する面を基板11の第二面(他方の主面)11bとする。
基板11の第一面(一方の主面)11aには、第一半導体層13にショットキー接合された金属層(ショットキー電極)14が重ねて形成される。この金属層14は、例えば、Mo(モリブデン)、Ti(チタン)等の一種類の金属材料からなる。また、金属層14は、基板11の第一面11a側のうち、後述する第一絶縁層21によって囲まれた領域全体に形成され、さらに、その周縁領域は、第一絶縁層21に重なるように形成されている。
基板11の第一面(一方の主面)11aには、金属層14の周縁領域に接して外側に広がる第一絶縁層21が形成されている。この第一絶縁層21は、例えば、シリコン酸化膜等によって、リング状に形成されていればよい。
第一絶縁層21と金属層14とが接する基板11の周縁領域Aeには、第一半導体層13に対して平面視リング状となるようにp型半導体からなるガードリング層(p型リサーフ層)15が形成される。ガードリング層15は、例えばAl(アルミニウム)イオンやB(ボロン)を不純物として用いた構成であればよい。第一絶縁層21は、リング状とされたガードリング層15の外縁部分を覆うように配されており、ガードリング層15の内縁部分は第一絶縁層21によって覆われず、金属層14と接する。
第一半導体層13には、ガードリング層15よりも内側である基板14の中心領域Acに向かって、所定の間隔(第1の間隔)ごとにp型半導体からなる第二半導体層16が複数形成されている。
こうした構成によって、金属層14は、n−型SiCからなる第一半導体層13の表面、複数のp型半導体からなる第二半導体層16、およびp型半導体からなるガードリング層15に接触する。そして、金属層14は、第一半導体層13に対しては、ショットキー接触で接続される。また、金属層14は、オーミック層24、第二半導体層16、ガードリング層15に対してはオーミック接触で接続される。なお、オーミック層24は、NiやTiやAl等を焼鈍して形成される。
一方、基板11の第二面(他方の主面)11bには、高濃度半導体層12に重ねて、オーミック電極18が形成されている。オーミック電極18は、例えば、Ni、Ti等の金属材料からなり、n+型SiCからなる高濃度半導体層12に対して、オーミック接触で接続されている。
図2は、ダイオードの周縁領域から中心領域に至る部分を拡大した、積層方向に沿った要部断面図である。
ガードリング層15は、例えば、P+型領域15aと、このP+型領域15aの外縁を包むように形成されたP−型領域15bとから構成されている。また、ガードリング層15よりも内側である基板14の中心領域Acに向かって、所定の間隔(第1の間隔)ごとに形成された複数の第二半導体層16のうち、例えば、ガードリング層15に近い第二半導体層161,162も、それぞれP+型領域16aと、このP+型領域16aの外縁を包むように形成されたP−型領域16bとから構成されている。
ガードリング層15は、例えば、P+型領域15aと、このP+型領域15aの外縁を包むように形成されたP−型領域15bとから構成されている。また、ガードリング層15よりも内側である基板14の中心領域Acに向かって、所定の間隔(第1の間隔)ごとに形成された複数の第二半導体層16のうち、例えば、ガードリング層15に近い第二半導体層161,162も、それぞれP+型領域16aと、このP+型領域16aの外縁を包むように形成されたP−型領域16bとから構成されている。
また、基板11の第一面(一方の主面)11aにおいて、ガードリング層15を構成するP+型領域15aに接合されるように、オーミック電極24が形成されている。オーミック電極24は、例えばNi,Ti,Al等を焼鈍していればよい。
更に、基板11の第一面(一方の主面)11aにおいて、複数の第二半導体層16のうち、それぞれのP+型領域16aに接合されるようにオーミック電極24が形成されている。こうしたオーミック電極24も、例えば、Ni,Ti,Al等を焼鈍していればよい。
基板11の第一面(一方の主面)11aには、少なくともガードリング層15と、このガードリング層15に隣接した第二半導体層161との間に跨るように、基板11の周縁領域Aeにおいて第二絶縁層22が形成されている。即ち、ガードリング層15と、ガードリング層15に隣接した第二半導体層161との間で、基板11の第一面(一方の主面)11aに露呈された第一半導体層13を覆うように第二絶縁層22が形成される。
更に、ガードリング層15に隣接した第二半導体層161と、この第二半導体層161に隣接する第二半導体層162との間に跨るように、基板11の中心領域Acにおいて第三絶縁層23が形成されている。即ち、第二半導体層161と第二半導体層162との間で、基板11の第一面(一方の主面)11aに露呈された第一半導体層13を覆うように第三絶縁層23が形成される。これによって、第三絶縁層23は、第二半導体層161と第二半導体層162との間で基板11の第一面11aに露呈された第一半導体層13と、金属層14との間を電気的に絶縁する。
なお、第二絶縁層22は、基板11の第一面(一方の主面)11aに露呈されたガードリング層15のP−型領域15b、および第二半導体層161のP−型領域16bまで覆うように形成することが好ましい。
同様に、第三絶縁層23は、基板11の第一面(一方の主面)11aに露呈された第二半導体層161のP−型領域16b、および第二半導体層162のP−型領域16bまで覆うように形成することが好ましい。
同様に、第三絶縁層23は、基板11の第一面(一方の主面)11aに露呈された第二半導体層161のP−型領域16b、および第二半導体層162のP−型領域16bまで覆うように形成することが好ましい。
第二絶縁層22や第三絶縁層23は、例えば、シリコン酸化膜等をリング状に形成したものであればよい。他にも、第二絶縁層22や第三絶縁層23は、金属酸化物や樹脂などの誘電材料から構成されていればよい。
また、図1Aに示されるように、第一絶縁層21は平面視で第二絶縁層22を囲み、第二絶縁層22は平面視で第三絶縁層23を囲んでいる。
また、図1Aに示されるように、第一絶縁層21は平面視で第二絶縁層22を囲み、第二絶縁層22は平面視で第三絶縁層23を囲んでいる。
なお、第三絶縁層23は、基板11の中心に向けて配列された複数の第二半導体層16のそれぞれの間に、更に複数形成されていても良い。
また、第一絶縁層21、第二絶縁層22、および第三絶縁層23は、第一半導体層13に重ねて形成した均一に広がる絶縁体をパターニングして形成されてもよい。
また、第一絶縁層21、第二絶縁層22、および第三絶縁層23は、第一半導体層13に重ねて形成した均一に広がる絶縁体をパターニングして形成されてもよい。
以上のような構成の本発明のダイオード10の作用を説明する。
P型半導体からなるガードリング層15は、ショットキー接合されたn型半導体からなる第一半導体層13と金属層14との周縁領域Aeで生じる電界集中を緩和させる。
P型半導体からなるガードリング層15は、ショットキー接合されたn型半導体からなる第一半導体層13と金属層14との周縁領域Aeで生じる電界集中を緩和させる。
一方、ガードリング層15の内側、即ち中心領域Acに所定の間隔ごとに形成され、第一半導体層13との間でpn接合された複数の第二半導体層16は、第一半導体層13と金属層14とのショットキー接合部や、その周辺の第一絶縁層21よりも耐圧が低くなるように設計されている。これにより、複数の第二半導体層16と第一半導体層13との間のpn接合に逆方向電流(逆サージ)の負荷を誘引することで、逆サージ耐量を改善することができる。
そして、本発明のダイオード10においては、第二絶縁層22や第三絶縁層23によって、第一半導体層13と金属層14とのショットキー接合部から、第二半導体層161,162の側面、即ち、第二半導体層161,162を構成するP−型領域16bに沿って空乏層が延びることを防止する。
即ち、JBS構造のダイオード10においては、第一半導体層13と金属層14とのショットキー接合部から空乏層が延びてしまうと、ダイオードの周縁領域での電界集中が緩和されず、逆サージ耐量は改善されない。しかしながら、ガードリング層15とこれに隣接する第二半導体層161との間に第二絶縁層22を、および第二半導体層161とこれに隣接する第二半導体層161との間に第三絶縁層23をそれぞれ形成することによって、第二半導体層161,162を構成するP−型領域16bに沿って空乏層が延びることを阻止する。
特に、第二絶縁層22、第三絶縁層23が、第二半導体層16を構成するP−型領域16bまで覆うように形成されているので、P−型領域16bに沿って空乏層が延びることを確実に防止することができる。
これによって、第一半導体層13と金属層14とのショットキー接合部における逆サージ耐量が大きく改善される。例えば、第一半導体層13から金属層14に向かって印加される逆方向電圧が生じても、第二絶縁層22、第三絶縁層23によって空乏層の延びが抑制される。その結果、第二半導体層部に電界が集中し、第一半導体層13と金属層14とのショットキー接合部における耐圧が低くなる。これにより、このpn接合に逆方向電流(逆サージ)の負荷が誘引され、逆サージ耐量が増加するので、ダイオード10の損傷を防止することが可能になる。
以下、本発明の効果を検証した実施例を示す。
この実施例では、Material Science Forum Vols. 353-356 (2000), pp675-678に示した構造のJBSダイオードを比較例1、特許第3708057号公報およびMaterial Science Forum Vols. 527-529 (2006), pp1155-1158の構造を併せ持ったJBSダイオードを比較例2とした。また、図1に示した本発明の一実施形態に係るダイオード10を実施例とした。そして、比較例1、2および実施例におけるそれぞれダイオードの逆サージ耐量を測定した。こうした検証結果を図3に示す。
この実施例では、Material Science Forum Vols. 353-356 (2000), pp675-678に示した構造のJBSダイオードを比較例1、特許第3708057号公報およびMaterial Science Forum Vols. 527-529 (2006), pp1155-1158の構造を併せ持ったJBSダイオードを比較例2とした。また、図1に示した本発明の一実施形態に係るダイオード10を実施例とした。そして、比較例1、2および実施例におけるそれぞれダイオードの逆サージ耐量を測定した。こうした検証結果を図3に示す。
図3に示した本発明の検証結果によれば、従来のJBSダイオードである比較例1、2と比べて、本発明の実施例のダイオードは、逆サージ耐量が大幅に改善されていることが確認された。
10…ショットキーバリアダイオード、11…基板、13…第一半導体層、14…金属層、15…ガードリング層、16…第二半導体層、21…第一絶縁層、22…第二絶縁層、23…第三絶縁層。
Claims (7)
- 炭化珪素からなる基板と、
前記基板に含まれ、該基板の第一面に隣接するn型半導体からなる第一半導体層と、
該第一半導体層にショットキー接合された金属層と、
該金属層の周縁領域に接して外側に広がる第一絶縁層と、
該第一絶縁層と前記金属層とが接する周縁領域に沿って、前記第一半導体層内に形成されたp型半導体からなるガードリング層と、
該ガードリング層から前記基板の中心領域に向かって、前記第一半導体層内に第1の間隔ごとに複数形成されたp型半導体からなる第二半導体層と、
前記基板の第一面上にあり、前記ガードリング層と該ガードリング層に隣接した前記第二半導体層との間に形成された第二絶縁層と、
前記基板の第一面上にあり、互いに隣接する前記第二半導体層どうしの間に形成された第三絶縁層と、
を備えたショットキーバリアダイオード。 - 前記第二半導体層は、P+型半導体領域と、P−型半導体領域とから構成されている請求項1記載のショットキーバリアダイオード。
- 前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、および前記第三絶縁層は、前記第一半導体層に重ねて形成した均一に広がる絶縁体をパターニングしてなる構造を有する請求項1または2記載のショットキーバリアダイオード。
- 前記第一絶縁層は、半導体酸化物からなる請求項1ないし3いずれか1項記載のショットキーバリアダイオード。
- 前記基板の第一面上にあり、前記第二半導体層と接合されるオーミック電極をさらに備える請求項1ないし4いずれか1項記載のショットキーバリアダイオード。
- 前記第二絶縁層は平面視で前記第三絶縁層を囲み、前記第一絶縁層は平面視で前記第二絶縁層を囲む請求項1記載のショットキーバリアダイオード。
- 前記第一絶縁層は、前記ガードリングの外縁部分を覆い、
前記金属層は、前記ガードリングの内縁部分と接する請求項1記載のショットキーバリアダイオード。
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