JP2015204329A - 炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】比較的膜厚の薄いエピタキシャル膜としても、高耐圧で動作する炭化ケイ素ショットキーダイオードを提供する。
【解決手段】横型の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードにおいて、ショットキー金属層４とホモエピタキシャル層１との接触面内にそれぞれ複数の導通領域及び非導通領域を設けると共に、カソード８とホモエピタキシャル層１との間にそれぞれ複数の導通領域及び非導通領域を設けて、アノード７とカソード８とを仮想直線で結んだときに、アノード７とカソード８との中点から離れる方向に向かって、アノード７の導通領域の面積とカソード８の導通領域の面積とが、それぞれ段階的に大きくなるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ケイ素半導体デバイスのひとつである炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードに関わるものである。

近年、シリコン半導体には無い優れた特徴を有する単結晶炭化ケイ素材料（以下ＳｉＣ）の半導体が注目を集めている。例えば、４Ｈ型の結晶構造を有するＳｉＣは、シリコンに比べて、バンドギャップは約３倍、絶縁破壊電界は１０倍以上である。このため、ＳｉＣを使えば、シリコンでは複数のデバイスを直列接続することでしか形成できなかったような３ｋＶを超える高耐圧デバイスを１チップで構成できる可能性がある。

ＳｉＣの製造方法としては、アチソン法、レーリー法、昇華再結晶法（改良レーリー法）、溶液成長法等が知られているが、このうち半導体材料用の単結晶材料として販売されているのは昇華再結晶法によって製造された材料である。昇華再結晶法は、一般に黒鉛坩堝の下部にＳｉＣの粉末原料を充填し加熱昇華させて、坩堝内の上部に配置した種結晶基板上に再凝固させて単結晶を成長する製法である。ポリタイプについては、プロセス制御条件等で、４Ｈや６Ｈ等の造り分けが可能であり、一般にパワーデバイス用の材料は電気的特性で優れる４Ｈポリタイプの単結晶が用いられている。

得られた結晶は、シリコン基板と類似した工程を経て、所定サイズ、形状の基板とする。具体的には結晶の外周加工を行い、ワイヤーソーにて切断し、さらに個々の切断済みの基板を研磨機にてラップ研磨を行った後、基板表面に残る加工ダメージ層を取り除くために化学的機械研磨（ＣＭＰ研磨）を行い、基板（ベア基板）に仕上げる。一連の加工を行った後、ＣＶＤ法を用いたホモ・エピタキシャル成長を実施する。高品質のエピタキシャル膜（エピ膜）を得るために、ＳｉＣ単結晶を(0001)Ｓｉ面から<11-20>方向に０．５°〜８°程度傾けて切断し、研磨することにより基板表面に生じるステップ構造を利用したステップ制御エピタキシーと呼ばれる成長方法が広く用いられている。

上記のようなＯＦＦ角を有したベア基板上にエピタキシャル膜を形成したエピ基板がデバイス製造用基板に用いられるが、パワーデバイスを形成する際には、エピ基板の厚さ方向を通電方向とし、エピ層をドリフト層としてデバイスを構成するのが一般的である。

ＳｉＣを用いた具体的なデバイスのひとつとして、ショットキーバリアダイオードがある。ショットキーバリアダイオードは、一般に導電性ＳｉＣ基板の上に形成したホモエピタキシャル層（ホモエピ層）に金属を接合し、ショットキー障壁を設けることで、ダイオードの整流機能を得るものであり、ＳｉＣ用のショットキー金属としては、例えば、チタン、モリブデン、ニッケル等が用いられている。

一般的にはエピ層からベア基板に向けた縦の方向に電流を流す縦型のデバイス構造で構成され、エピ面がアノード電極（ショットキー電極）、ベア基板の裏面がカソード電極（オーミック電極）となり、順方向とはアノードからカソード方向へ電流が流れる方向であり、逆バイアスは順バイアスと反対の方向に電圧を印加することを指す。このようなダイオードの耐電圧は、一般には材料が持つ絶縁破壊電界強度（Ｅｃ）とエピ層（ドリフト層）の厚さＷの関数として概ねの耐電圧が決定される（非特許文献１参照）。

４ＨポリタイプのＳｉＣの縁破壊電界強度は２．８ＭＶ/ｃｍであり、シリコン半導体に比べて約１０倍程度高い。このため同じ耐電圧設計を行うとドリフト層を薄くすることが可能であり、それに応じてデバイスの電気抵抗（導通抵抗）も下げることができる等の特徴を持つ。そのため、これらのデバイスは主として高い耐電圧と電流容量を要求される数ｋＷの電力容量を有するモーター用インバータ等の用途が期待されている。

一方、高耐電圧を必要とするものの、電流値はさほど必要としない用途としては、電子レンジ用の高圧電源などが知られており、その回路で用いられるダイオードでは、数ｋＶの耐圧要求されるものの、電流容量としては数百mmA程度のものが一般的である（非特許文献２参照）。また、さらに高耐電圧を必要とする用途としては、Ｘ線電源用の高電圧モジュールがあり、数十ｋVの耐圧を要求されるが、電流容量としては数百mmA程度である。

以上、主として導電性のＳｉＣ基板に関して記載したが、通信機器等の高周波デバイス用途の炭化珪素基板としては、基板内で発生する高周波電流損失を抑制するため、１×１０⁶Ωｃｍ以上の高い電気抵抗率を持つ基板が用いられ、既に市販されている。高抵抗基板を用いる理由は、無線通信等のＧＨｚオーダーの周波数領域においては一般にドリフト層内を平行に電流が流れる２次元構造を有したMESFETなどのデバイスが用いられるが、極めて高い周波数領域で動作することから基板に伝導性があると、デバイスとして関与しない基板に渦電流などによる損失が発生するため、一般には高電気抵抗のＳｉＣ基板が用いられている（特許文献１参照）。

特表2003-533051号公報

「半導体SiC技術と応用」日刊工業新聞社 2011年 松波他（323〜357頁、429〜435頁） 「電子レンジ用高耐圧ダイオード」 富士時報 Vol4,No2 2001年 久保山他（132〜136頁）

シリコンデバイスで高電圧回路用のダイオードを構成する場合、絶縁破壊電界強度が低いことから、数百Ｖ程度の耐圧を有するダイオードを直列接続して対応する必要があり、モジュールのサイズが大きくなったり、通電時の電圧降下も大きく信頼性も低いとの問題があった。

これに対してＳｉＣ単結晶材料は優れた物性を持ち、特に絶縁破壊電界強度が高いことから、シリコンに代わる高電圧デバイスの用途として期待されているものの、３ｋＶ超の高い電圧を維持するにはＳｉＣであっても実用上は３０μｍ以上の厚いドリフト層が必要とされる。ところが、このようなドリフト層を導電性のＳｉＣ基板上にＣＶＤでエピ膜として形成しようとすると、厚さ３０μｍを超えるエピ膜を製造するのはエピ欠陥の発生により容易ではない。具体的には、エピ膜生成過程で三角形状をした数種の欠陥の類（三角欠陥、キャロット、コメット等）や台形状の欠陥の発生が知られ、この種の欠陥はエピの膜厚が増すにつれ、デバイス不良領域となる三角形の面積を増大させ、不良の発生確率が増すことが知られている。また、厚いエピ膜を形成しようとすると、原料ガスが装置内部に付着し、生成した数μｍ程度の外形をした原料ガス反応生成物が供給ガスの流れに乗ってＳｉＣ基板表面に降り注ぎ、ダウンフォールと呼ばれるゴミがＳｉＣ基板に付着して生じる欠陥がある。その際、厚い膜を作るためにエピ成膜時間が長時間化するにつれ、本欠陥の発生確率は増加する。加えて厚いエピを積むと周辺部位からポリタイプの異なる多結晶が発生し、発生個所を起点にクラックや基板割れの原因となってしまう。これらの欠陥は、デバイスのキラー欠陥となることから、高耐圧デバイス、すなわち厚いエピ膜（厚いドリフト層）を有したデバイスの製造を困難とする要因の一つになる。

そこで、本発明は、上記状況を鑑みて、比較的膜厚の薄いエピタキシャル膜としても高耐圧で動作する炭化ケイ素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。

本発明では、上記課題を解決するために、以下の手段を用いる。
（１）１×１０⁶Ωｃｍ以上の電気抵抗率を有した単結晶炭化ケイ素基板と、その表面に形成された導電性のホモエピタキシャル層とを有して、該ホモエピタキシャル層の表面側に、カソードと、ショットキー金属層を介して形成されたアノードとが隙間をあけて横並びに配置された横型の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードであって、
前記ショットキー金属層と前記ホモエピタキシャル層との接触面内にそれぞれ複数の導通領域及び非導通領域を設けると共に、前記カソードと前記ホモエピタキシャル層との間にそれぞれ複数の導通領域及び非導通領域を設け、かつ、前記アノードとカソードとを仮想直線で結んだときに、アノードとカソードとの中点から離れる方向に向かって、アノードの導通領域の面積とカソードの導通領域の面積とが、それぞれ段階的に大きくなるようにしたことを特徴とする炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。
（２）前記ショットキー金属層とホモエピタキシャル層との接触面内に設けた非導通領域が、導電性のホモエピタキシャル層と逆極性を有する炭化ケイ素層からなることを特徴とする（１）に記載の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。
（３）前記カソードと前記ホモエピタキシャル層との間の非導通領域が、導電性のホモエピタキシャル層に埋め込まれたシリコン酸化膜から形成されることを特徴とする（１）に記載の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードを２素子以上並列に接続して、モジュール化したことを特徴とする炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。

本発明によれば、比較的膜厚の薄いエピ膜としても、高耐圧で動作する炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードを得ることができる。

図１は、本発明の第１実施形態を説明するための構成図（断面図及び平面図）である。 図2-1は、第１実施形態における一例の寸法詳細を説明するための図である。 図2-2は、第１実施形態における一例の寸法詳細を説明するための図である。 図2-3は、第１実施形態における一例の寸法詳細を説明するための図である。 図3-1は、第１実施形態の製造方法を説明するための概略図である。 図3-2は、第１実施形態の製造方法を説明するための概略図である。 図3-3は、第１実施形態の製造方法を説明するための概略図である。 図3-4は、第１実施形態の製造方法を説明するための概略図である。 図４は、比較実験に用いた素子の構成図（断面図及び平面図）である。 図5-1は、第１実施形態のショットキーバリアダイオードのＩＶ特性図である。 図5-2は、比較実験に用いた素子のＩＶ特性図である。 図６は、本発明の第２実施形態を説明するための概略図である。 図７は、本発明の第３実施携帯を説明するための概略図である。 図８は、第３実施形態における一例の寸法詳細を説明するための図である。 図９は、第３実施形態のショットキーバリアダイオードのＩＶ特性図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
先ず、本発明のショットキーダイオードは、ホモエピタキシャル層の厚さ方向に電流を流さず、ホモエピタキシャル層の膜面に平行な方向に電流を流す横型のデバイスを基本とする。すなわち、本発明のショットキーダイオードは、単結晶ＳｉＣ基板と、その表面に形成された導電性のホモエピタキシャル層とを有して、該ホモエピタキシャル層の表面側に、カソードと、ショットキー金属層を介して形成されたアノードとが隙間をあけて横並びに配置される。このため逆バイアス時の電界もホモエピタキシャル層の膜面に平行な方向となることから、耐電圧は同一面上に置いたアノード、カソードの各電極間の距離（ピッチ）に概ね比例することになる。これにより、ホモエピタキシャル層として厚い膜を設けずともピッチの幅を広げることで高耐電圧に対応可能となる。このためエピ欠陥を誘発しやすい厚膜のエピ膜を形成せずとも、高耐圧のダイオードを設計することが可能となる。

また、ホモエピタキシャル層を形成するための単結晶ＳｉＣ基板には、１×１０⁶Ωｃｍ以上の高い電気抵抗率を有した半絶縁ＳｉＣ基板を用いることから、デバイス裏面に特別な絶縁処理を施さずとも基板を通じて電流が流れることは殆どない。このような半絶縁ＳｉＣ基板（単結晶SiC基板）としては公知のものを使用することができる。例えば、その厚さは一般的な厚さである３５０μｍとし、チップサイズを約１ｍｍ^２、耐電圧を３ｋＶと仮定した場合、半絶縁ＳｉＣ基板を通じた漏えい電流レベルを１ｍｍＡ未満とするには、約１×１０^６Ωｃｍの基板抵抗率を必要とする。

一般に縦型のデバイスでは、対極する電極間において電流は概ね均等に流れるが、横型のデバイスを１対の電極で形成した場合には、電流は最短の経路で流れようとするため、対向する電極の近距離にある電極端に電界集中が起こり破壊原因となる。しかしながら本発明のデバイスでは、ショットキー金属層上にアノードを形成し、前記ホモエピタキシャル層の表層にアノードと間隔を設けてカソードを配置した横型の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードとし、ショットキー金属層とホモエピタキシャル層との接触面内に、導通領域と非導通領域とをそれぞれ複数設けると共に、カソードとホモエピタキシャル層との間に、導通領域と非導通領域とをそれぞれ複数設けて、アノードとカソードとを仮想直線で結んだときに、アノードとカソードとの中点から離れる方向に向かって、アノードの導通領域の面積とカソードの導通領域の面積とが、それぞれ段階的に大きくなるようにしたため、アノードとカソードとの距離に応じてインピーダンスが同等となり、電流の流れは端部に集中することなく電極全体に分散されて部分的な電流の集中が生じないことから、高い信頼性を有する。

また、本発明では、好ましくは、ショットキー金属層とホモエピタキシャル層との接触面内に設けた非導通領域として、導電性のホモエピタキシャル層（ドリフト層）と逆極性の炭化ケイ素の層を用いて非導通領域を形成するのがよい。一般に逆極性の炭化ケイ素の層はイオン注入により比較的容易に形成でき、ダイオードの逆バイアス時には、逆極性部位から空乏層が広がる。ショットキー障壁に加え、この空乏層の働きで逆リーク電流をさらに抑制する効果が得られる。

また、本発明では、好ましくは、カソードとホモエピタキシャル層との間の非導通領域が、導電性のホモエピタキシャル層に埋め込まれたシリコンの絶縁酸化膜（SiO_２）により形成するのがよい。このような酸化膜はＳｉＣの熱酸化で容易に形成可能であり、高い信頼性を持った電気絶縁性を持たせる効果がある。

ここで、図１には、本発明の第１の実施形態に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードを説明するための構成図（断面図および平面図）が示されている。
ホモエピタキシャル層１は窒素を不純物とするｎ型のＳｉＣエピ層（ｎ-）であり、厚さは１０μｍ、不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３である。２は電気抵抗率が１×１０⁶Ωｃｍ以上の高電気抵抗を有する市販の単結晶ＳｉＣ基板（半絶縁SiC基板）であって、基板厚さは約３５０μｍであり、(0001)Ｓｉ面から<11-20>方向に４°微傾斜させた基板である。また、３は厚さ０．１μｍのシリコン酸化膜であり、４はショットキー金属層であって、膜厚０．１μｍのチタンにより形成される。このショットキー金属層４上には、アノードとして厚さ３μｍであって矩形のアルミニウム金属７が接合されている。

５はショットキー金属層４の近傍に設けられたｐ型のＳｉＣ層であって、アルミニウム元素を不純物として、不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３である。６はシリコン酸化膜３の間に堆積させたアルミニウム金属であり、厚さは０．１μｍである。そして、アルミニウム金属６と導通させるように、これらの上にカソードとして厚さ３μｍであって矩形のアルミニウム金属８を堆積させてある。ここで、図１に示したように、アノードとカソードとが横並びに配置された状態でＳｉＣショットキーバリアダイオードを厚み方向に切った断面において、アノードとカソードとを仮想直線Ｌで結んだときに、アノードとカソードとの中点から離れる方向に向かって（破線矢印方向）、アノードの導通領域（すなわちＡ１、Ａ２、Ａ３で示されたホモエピタキシャル層１部分）の面積とカソードの導通領域（すなわちＢ１、Ｂ２、Ｂ３で示されたアルミニウム金属６部分）の面積とが、それぞれ段階的に大きくなるようにしている。カソードとアノードの電極近傍の寸法詳細については図２に示したとおりである。

次に、本デバイスの動作を説明する。アノード７と、カソード８に電圧を印加すると、ダイオードの順方向として動作し、電流はアノードからショットキー金属層４、エピタキシャル層１を通じてカソード方向に流れる。エネルギー最小の原理から電流はジュール熱を最小とするように最短距離を流れるため、アノードとカソード間の最も近い電極部分に電流が集中して流れようとするが、アノードとカソード間の最短距離の通電面積が制限されるようにアノード７とショットキー金属層４の接触領域にホモエピタキシャル層1と逆極性であるｐ型のＳｉＣ層を設け、複数の導通領域（A1：5μm×2mm、A2：10μm×2mm、A3：20μm×2mm）と非導通領域とを設けている。逆極性部位を通じて電流が流れるためには、ｐｎ接合の閾値電圧を超える電圧を与えると電流が流れるが、ＳｉＣの場合はこの閾値電圧が２．５〜３Ｖであり、通常は、アノード７とカソード８間に０．５Ｖ程度の電圧が印加されることから、Ａ１、Ａ２、Ａ３を主体に電流が流れる。

一方、アノード７と対向する電極（カソード）８では、絶縁酸化層（シリコン酸化膜）３を設けて電極への導通領域（B1：5μm×2mm、B2：10μm×2mm、B3：20μm×2mm）と非導通領域とが形成されている。導通領域の面積が電気的に対極する互いの距離に応じて、具体的にはＡ１とＢ１、Ａ２とＢ２、Ａ３とＢ３となるにつれて、段階的に面積を大きくしてインピーダンスが同等となるようにしているため、電流の流れはＡ１、Ｂ１近くの端部に集中することなく、カソードとアノードのそれぞれの電極全体に分散されて部分的な電流の集中が生じない。また、２の半絶縁ＳｉＣ基板は高抵抗層であるため、電流はほとんど流れない。

図１に示した本実施形態ではアノードとカソードとの中点から離れる方向に向かって各電極の導通領域の面積を段階的に広げたが、その際、最適化を行うために、数値シミュレーションを用いて電流密度が平準化するように、アノードとカソードとの距離に応じてインピーダンスが同等となるように、Ａ１、Ａ２、Ａ３とＢ１、Ｂ２、Ｂ３との面積を定めることが好ましい。

ダイオードに逆方向電圧を加えると、ショットキー金属層４とホモエピタキシャル層１との間にあるショットキー障壁により、電流は阻止される。本発明では、これに加えてエピ層と逆極性層（ここではｐ型のＳｉＣ層）５から広がる空乏層により、ショットキー障壁でわずかに生じる逆リーク電流を抑制する効果がある。また、逆方向に電圧が与えられた場合の電界強度は、ホモエピタキシャル層１の厚さではなく、アノード７−カソード８の間の距離で決定され、具体的には図２−３に示されたＡ端−Ｂ端の距離で決まる。本実施形態では３０μｍとした。本構造から計算される理論耐圧は、約３ｋＶである。

また、逆耐圧時の電界はホモエピタキシャル層１の積層方向に対して垂直の方向となるため、半絶縁ＳｉＣ基板２からホモエピタキシャル層１に貫通する欠陥があっても絶縁破壊に至る欠陥とはならない。順方向に電流が流れる際に電気抵抗層となるケースも想定されるが、欠陥を電流が迂回するに十分な幅を与えておけばよく、本実施形態ではＷ１の幅がそれにあたり、Ｗ１が１ｍｍ以上あれば、平均的に約１０μｍサイズのエピ欠陥が５個／ｃｍ^２程度の密度で列をなして存在したとして、通電断面（幅）の５％程度であるため、通電時の電気抵抗に大きな影響は与えることはない。

ここで、第１の実施形態に係る本デバイスの製造方法について図３を用いて一例を説明する。ＳｉＣの半絶縁ＳｉＣ基板２の表面に所定のｎ型ＳｉＣのホモエピタキシャル膜を成膜してホモエピタキシャル層１を形成した後、マスクを用いて、所定の位置にアルミニウムのイオン注入を行って、１７００℃、２０分間の活性化熱処理により、逆極性のｐ型ＳｉＣ層５を設ける（図３−１）。次いで、１２００℃以上で熱酸化を行い、ホモエピタキシャル層１の表面にシリコン酸化膜３を生成する（図３−２）。この後、ＣＦ₄−Ｏ₂ガスを用いたＲＩＥにより所定の位置の酸化膜に開口部を設ける（図３−３）。個々の開口部に対して、それぞれショットキー金属層４とアルミニウム金属６とを金属蒸着により埋め込んだ後、さらにアルミニウム金属の金属蒸着によりアノード７及びカソード８を形成し、オーミック電極とするため、アルゴンガス雰囲気内にて１０００℃で２分間のアニールを行った。

以上のプロセスで製造した第１の実施形態に係るデバイスを用いて、電気特性試験を行った。その際、比較対照実験用として、図４に示すデバイスを用いた。この比較対照実験に用いたデバイスでは、図４に示したように、第１の実施形態に係るデバイスで設けた逆極性層５や電極（カソード）８の下に配置するシリコン酸化膜３は設けず、それ以外の部材や寸法は、全て図１及び図２で示したものと同様とした。

ここで、電気特性試験は、アノードとカソードにプローブを当てて、静的な電流電圧特性（ＩＶ特性）を実施した。第１の実施形態に係るダイオードのＩＶ特性測定結果を図５−１に示す。これより分かるように、順方向から逆方向電圧まで良好なダイオード特性を示し、順方向通電では、約４０ｍＡまでの電流を流しても線形な良特性を示した。この結果から、局所的な電流密度の上昇もなかったことが窺えた。また、逆方向特性としては、約２．５ｋＶの良好な逆耐圧特性を示した。一方、図４に示した比較実験用デバイスで同様な測定を行ったところ、図５−２に示したとおり、正特性では数十μＡ程度の電流を流した段階で飽和傾向がみられ、さらに通電を続けると電極８の端部が焼損し、測定不能な状況となった。また、逆方向への電圧印加では約１ｋＶ程度で逆リーク電流が増大する傾向がみられた。以上の結果から本発明のダイオードは、高電圧素子として有効であることが判明した。

また、本発明の第２の実施形態に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードを図６に示した。本実施形態では、図１に示した第１の実施形態に係る素子（デバイス）を複数個並列接続した例であって、個々の素子のアノード７、カソード８から金ワイヤボンディング１１で銅端子１２、１３へ接合して、素子１０個を並列接続した。

この状態で上記と同様のＩＶ測定を実施したところ、順方向では約３５０ｍＡまで線形で良好な特性を示した。本実施形態のように、一定量の電流値を通電する場合は並列接続とし、容量を増すのが効果的である。

また、本発明の第３の実施形態に係るＳｉＣショットキーバリアダイオードを説明するための構成図（断面図および平面図）を図７に示した。
ホモエピタキシャル層１４は窒素を不純物とするｎ型のＳｉＣエピ層（ｎ-）であり、厚さは１０μｍ、不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３である。１５は電気抵抗率が１×１０⁶Ωｃｍ以上の高電気抵抗を有する市販の単結晶ＳｉＣ基板（半絶縁ＳｉＣ基板）であり、基板の厚さは約３５０μｍであって、(0001)Ｓｉ面から<11-20>方向に４°微傾斜させた基板である。１６は厚さ０．１μｍのシリコン酸化膜、１７はショットキー金属層であって、厚さ０．１μｍのモリブデンにより形成される。このショットキー金属層１７上には、アノードとして厚さ３μｍであって円形状のアルミニウム金属２０が接合されている。

１８はショットキー金属層１７の近傍に設けられたｐ型のＳｉＣ層であって、ボロンを不純物として、不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３である。１９はシリコン酸化膜１６の間に堆積させたアルミニウム金属であって、厚さは０．１μｍである。そして、これらアルミニウム金属１９と導通させるように、カソード電極として厚さ３μｍであってリング状をしたアルミニウム金属２１を堆積させてある。この第３の実施形態について、図１の場合と同様に、ＳｉＣショットキーバリアダイオードを厚み方向に切ってアノードとカソードとが横並びに配置された状態で、アノードとカソードとを仮想直線Ｌで結んだときに、アノードとカソードとの中点から離れる方向に向かって、アノードの導通領域の面積とカソードの導通領域の面積とが、それぞれ段階的に大きくなるようにしている。カソードとアノードの電極近傍の寸法詳細については図８に示したとおりである。

ここで、第１の実施形態と同様、耐電圧はアノード−カソード間の距離で決定され、具体的には図８のＣ端−Ｄ端の距離となり、本実施例は６０μｍとした。本構造から計算される理論耐圧は、約６ｋＶである。

また、本デバイスの動作を説明する。アノードとカソード間に電圧を印加すると、ダイオードの順方向として動作し、電流はアノードからショットキー金属層１７、エピタキシャル層１４を通じてカソード方向に流れる。第１の実施形態と同様、導通領域の面積が電気的に対極する互いの距離に応じて、具体的にはＣ１とＤ１、Ｃ２とＤ２、となるにつれ段階的に面積を大きくしているため、電流の流れはＣ１、Ｄ１近くの端部に集中することなく、カソードとアノードのそれぞれの電極全体に分散されて部分的な電流の集中が生じない。また、本実施形態のように素子の設計を円形とすることで、電極に角部が形成されずに、電界集中を極力回避することができ、素子の信頼性を高めることができる。また、１５の半絶縁ＳｉＣ基板は高抵抗層であるため、電流はほとんど流れない。

また、この第３の実施形態に係るダイオードに逆方向電圧を加えると、ショットキー層１７とホモエピタキシャル層１４の間にあるショットキー障壁により、電流は阻止される。本実施形態では、加えてホモエピタキシャル層１４と逆極性層１８から広がる空乏層により、ショットキー障壁でわずかに生じる逆リーク電流を抑制する効果がある。また、逆方向に電圧が与えられた場合の電界強度は、ホモエピタキシャル層１４のエピ膜厚ではなく、アノード２０−カソード２１の間の距離で決定され、具体的には図８のＣ端−Ｄ端の距離となる。本実施形態ではこの距離を６０μｍとした。本構造から推定される理論耐圧は、約６ｋＶである。

この第３の実施形態に係る素子についてＩＶ測定をした結果を図９に示す。順方向電流は約３ｍＡまで線形な特性を示した。耐電圧は約５．８ｋＶであった。

以上説明したように、本発明によれば、膜厚の薄いホモエピタキシャル層を用いても、高耐圧のダイオードを構成できる。上記の各実施形態に示したショットキーバリアダイオードの製造工程は一般的な工程手順であるが、ショットキー金属層やアノード、カソードの各電極、プロセス手順、条件などの変更は可能である。また、電流容量を増やすために上記の実施形態では個別素子の並列接続を示したが、並列する数だけの素子を一括して基板上にパターンとしてデザインをしてもよい。

本発明は、一般的なパワーデバイス素子にも適用は可能であるが、例えば、電子レンジ用のマグネトロン駆動やＸ線電源用の高電圧モジュールに用いられるようなｋＶ級の高耐圧電圧、なかでも１Ａ以下の低電流で動作するようなダイオードとして好適である。

１ ＳｉＣホモエピタキシャル層
２ 半絶縁ＳｉＣ基板
３ シリコン酸化膜
４ ショットキー金属層
５ 逆極性層
６ アルミニウム金属
７ アノード
８ カソード
９ ＩＶ特性
１０ ＩＶ特性
１１ ボンディングワイヤ
１２ カソード
１３ アノード
１４ ＳｉＣホモエピタキシャル層
１５ 半絶縁ＳｉＣ基板
１６ シリコン酸化膜
１７ ショットキー金属層
１８ 逆極性層
１９ アルミニウム金属
２０ アノード
２１ カソード

Claims (4)

1. １×１０⁶Ωｃｍ以上の電気抵抗率を有した単結晶炭化ケイ素基板と、その表面に形成された導電性のホモエピタキシャル層とを有して、該ホモエピタキシャル層の表面側に、カソードと、ショットキー金属層を介して形成されたアノードとが隙間をあけて横並びに配置された横型の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードであって、
   前記ショットキー金属層と前記ホモエピタキシャル層との接触面内にそれぞれ複数の導通領域及び非導通領域を設けると共に、前記カソードと前記ホモエピタキシャル層との間にそれぞれ複数の導通領域及び非導通領域を設け、かつ、前記アノードとカソードとを仮想直線で結んだときに、アノードとカソードとの中点から離れる方向に向かって、アノードの導通領域の面積とカソードの導通領域の面積とが、それぞれ段階的に大きくなるようにしたことを特徴とする炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。
2. 前記ショットキー金属層とホモエピタキシャル層との接触面内に設けた非導通領域が、導電性のホモエピタキシャル層と逆極性を有する炭化ケイ素層からなることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。
3. 前記カソードと前記ホモエピタキシャル層との間の非導通領域が、導電性のホモエピタキシャル層に埋め込まれたシリコン酸化膜から形成されることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の炭化ケイ素ショットキーバリアダイオードを２素子以上並列に接続して、モジュール化したことを特徴とする炭化ケイ素ショットキーバリアダイオード。

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