JP2016134551A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧を向上させることのできるショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】ショットキーバリアダイオードのアノード電極１とカソード電極２は櫛型状に配置されている。アノード電極端１ａはカソード電極２の電極端より外側に位置するよう形成されている。アノード電極１の縦方向の長さをアノード幅、カソード電極２の縦方向の長さをカソード幅と呼ぶと、このアノード幅がカソード幅より２×Ｌｅｘだけ長い構造になっている。ここで、Ｌｅｘはアノード電極１のカソード電極２端からのはみ出し長さを意味する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波以上の高周波を整流し、直流を出力するための整流素子として利用されるショットキーバリアダイオード（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＳＢＤ）に関するものである。

ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）に代表される化合物半導体を用いたＳＢＤ（ＧａＡｓＳＢＤ）の一般的な構造（パターンレイアウト）に関しては、例えば特許文献１に記載されたような構造があった。図１２は、このようなショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す構成図である。従来の構造では、ＧａＡｓＳＢＤのパターン構造は３つの電極で構成され、これら電極は、カソード電極１０２、アノード電極１０１、カソード電極１０２と呼ばれる。二つのカソード電極１０２は同種の電極であり、配線部（図示せず）で接続されており、アノード電極１０１を二つのカソード電極１０２で挟み込む形になっている。また、これらアノード電極１０１及びカソード電極１０２は半導体領域における活性領域１０３内に位置するよう設けられ、活性領域１０３の外側に不活性領域１０４が位置する。従来の構造では、アノード電極１０１とカソード電極１０２が同じ長さになっていた。

特開昭６０−４５０３５号公報

ＧａＡｓは電子移動度が高いためＧａＮ（窒化ガリウム）のようなワイドバンドギャップ半導体に比べて抵抗が小さいという特徴をもち、高効率な整流特性が得られる。しかし、その一方でバンドギャップが狭いため絶縁破壊電界が低く、耐圧が低いという短所がある。そのためＧａＡｓをＳＢＤに用いる場合、構造的に工夫して耐圧を向上させる必要がある。
しかしながら、上記従来構造のＧａＡｓＳＢＤではアノード電極１０１とカソード電極１０２が同じ長さであるため、アノード電極端とカソード電極端の距離が非常に近くなり、アノード端に電界が集中しやすくなるため耐圧劣化を招くという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、耐圧を向上させることのできるショットキーバリアダイオードを得ることを目的とする。

この発明に係るショットキーバリアダイオードは、マイクロ波以上の高周波を整流するショットキーバリアダイオードにおいて、櫛型状に配置されたアノード電極とカソード電極とを備え、アノード電極端がカソード電極端より外側に位置するようにしたものである。

この発明のショットキーバリアダイオードは、アノード電極端がカソード電極端より外側に位置するようにしたので、耐圧を向上させることができる。

この発明の実施の形態１によるショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるショットキーバリアダイオードのＡ−Ａ線断面図である。 この発明の実施の形態１によるショットキーバリアダイオードのアノード電極端電界の計算結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるショットキーバリアダイオードと従来構造の耐圧の実測結果を比較して示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるショットキーバリアダイオードのアノード電極の端部を拡大して示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるショットキーバリアダイオードのＢ−Ｂ線断面図である。 この発明の実施の形態３によるショットキーバリアダイオードのアノード電極端電界の計算結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態４によるショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるショットキーバリアダイオードのアノード電極の端部を拡大して示す構成図である。 従来のショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるショットキーバリアダイオードの構造を模式的に示す図であり、要部を上から見た図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
図１に示すように、実施の形態１のショットキーバリアダイオードは、アノード電極１を二つのカソード電極２で挟み込む櫛型構成となっている。図１において、アノード電極１の縦方向の長さをアノード幅、カソード電極２の縦方向の長さをカソード幅と呼ぶ。従来構造では、アノード幅とカソード幅が同じ長さであるが、実施の形態１では、このアノード幅がカソード幅より２×Ｌｅｘだけ長い構造になっている。ここで、Ｌｅｘはアノード電極１のカソード電極２端からのはみ出し長さを意味する。すなわち、アノード電極１の両端はカソード電極２の両端より、それぞれＬｅｘだけ外側に位置するよう形成されている。

さらに、図１に示すように、半導体領域（ＧａＡｓ）は活性領域３と不活性領域４に分かれる。カソード電極２のそれぞれの端部から活性領域３と不活性領域４との境界までの距離をＬｄとおく。図１に示すように、アノード電極１のぞれぞれの端部は活性領域３内に収まっている（Ｌｅｘ＜Ｌｄ）。また、実施の形態１のショットキーバリアダイオードは、図２に示すように、ＳｉＮなどの絶縁膜５で耐湿性を向上させる保護膜として全体を覆っている。なお、図１及び図２において、金属としてアノード電極１とカソード電極２のみを示したが、実際にはそれぞれに対して配線のための金属が取り付けられる。ただ、これらの配線金属は本発明とは直接の関係がないため省略している。

図１及び図２に示す構成では、アノード電極端１ａに電界が集中する（これらの図ではアノード電極１の上側端のみアノード電極端１ａとしているが下端側も同様である）。そこで、実施の形態１の効果を確かめるため、まずデバイスシミュレーション（ＴＣＡＤ）を用いて、アノード電極端１ａの電界のＬｅｘ依存性を計算した。計算結果を図３に示す。アノード−カソード間電圧（Ｖａｃ）は−５０Ｖに設定した。計算の都合上、完全な界面は計算できないため、アノード電極端１ａから０．５ｎｍ下の電界を計算した。図３に示すように、従来構造に対して実施の形態１の構造はアノード電極端電界が低減されることが分かる。また、Ｌｅｘが長くなるにつれて電界集中低減効果は大きくなるが、４〜８μｍでほぼ低減効果が飽和することが分かる。素子サイズを小型化することを考慮するとＬｅｘは４〜８μｍ程度が望ましい。

次に、実施の形態１の構造の効果を確かめるため、実際に従来構造と実施の形態１の構造を試作して耐圧を測定した。図４に耐圧の実測結果を示す。実施の形態１の構造のＬｅｘは６μｍで試作した（従来構造のＬｅｘは０μｍ）。図中、□が従来構造の特性であり、Δが実施の形態１の構造の特性である。図４に示すように、実施の形態１の構造は従来構造に比べて耐圧が８Ｖ程度向上していることが分かる。

なお、以上のようなＧａＡｓを用いたショットキーバリアダイオードの入出力側に整合回路、高周波フィルタ（ＤＣを取り出すための容量と抵抗）、負荷、高調波の波形を制御するためのマイクロストリップ線路などを組み合わせることで、例えば１ＧＨｚ以上の高周波からＤＣを高効率で取り出す回路を構成することが可能である。

なお、実施の形態１では、櫛型構成として、アノード電極１が一本（１フィンガ）の場合を図１で示したが、図１の構成が並列に複数並ぶ場合（カソード電極，アノード電極，カソード電極，アノード電極，カソード電極，…）であっても、アノード幅がカソード幅よりも大きい構成であれば同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態１では、アノード電極１の両端がカソード電極２の外側となるよう構成したが、アノード電極１のいずれか一方の端部のみがカソード電極２の外側になるよう構成してもよい。

以上説明したように、実施の形態１のショットキーバリアダイオードによれば、マイクロ波以上の高周波を整流するショットキーバリアダイオードにおいて、櫛型状に配置されたアノード電極とカソード電極とを備え、アノード電極端がカソード電極端より外側に位置するようにしたので、ショットキーバリアダイオードとしての耐圧を向上させることができる。

また、実施の形態１のショットキーバリアダイオードによれば、ショットキーバリアダイオードを構成する半導体が、少なくともＧａＡｓを含むようにしたので、特にバンドギャップが狭い化合物半導体（たとえばＧａＡｓ）のような耐圧が小さくなる傾向にある半導体に適用することができ、このような半導体に適用することにより大きな効果を得ることができる。

また、実施の形態１のショットキーバリアダイオードによれば、アノード電極の両端がカソード電極の両端よりそれぞれ４〜８μｍ長いようにしたので、デバイスサイズを抑制しつつ耐圧向上を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、アノード電極の端部を不活性領域内に位置するようにしたものである。
図５は、実施の形態２によるショットキーバリアダイオードを模式的に示す構成図である。実施の形態２では、アノード電極１１を二つのカソード電極２で挟み込む櫛型構成となっているのは実施の形態１と同様であるが、アノード電極１１の両端が不活性領域４内に位置するよう構成されている。言い換えると、アノード電極１１の両端が活性領域３の外部に位置している（Ｌｅｘ＞Ｌｄ）。その他の構成は、図１に示した実施の形態１の構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。

このように構成された実施の形態２では、不活性領域４内は電子が存在しないため、ＧａＡｓＳＢＤのＩＶ特性（耐圧特性）に直接関係しない。そのため、不活性領域４に、電界集中するアノード電極１１の端部を伸ばすことにより、電界集中が及ぼす耐圧への悪影響をさらに低減することができる。

なお、上記実施の形態２では、アノード電極１１の両端が不活性領域４内に位置するよう構成したが、アノード電極１１のいずれか一方の端部のみが不活性領域４内に位置するよう構成してもよい。

以上説明したように、実施の形態２のショットキーバリアダイオードによれば、アノード電極端が不活性領域内にあるようにしたので、電界集中が及ぼす耐圧への悪影響をさらに低減することができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、アノード電極の端部に金属からなるフィールドプレートを設けたものである。
図６は、実施の形態３によるショットキーバリアダイオードを模式的に示す構成図である。図６に示す構成は実施の形態１の構成に対してアノード電極１の両端部に長方形の金属のフィールドプレート６を取り付けたものである。図７に、図６の破線枠領域２００を拡大して示す。また、図８に、図６のＢ−Ｂ線断面図を示す。図７及び図８に示すように、フィールドプレート６は、アノード電極１よりＬｆｐだけ長いメタルである。すなわち、アノード電極１の端部より、３方向にそれぞれＬｆｐだけ突出するようフィールドプレート６が設けられている。また、フィールドプレート６は図６に示すように、活性領域３内に位置するよう設けられ、図８に示すように、アノード電極１の上部に取り付けられている。

このように構成された実施の形態３のショットキーバリアダイオードでは、フィールドプレート６を取り付けることにより、アノード電極端１ａの電界がフィールドプレート端６ａにも分散されるため、アノード電極端１ａの電界が緩和される。また、この構造はアノード電極端１ａのみにフィールドプレート６を取り付けているので容量増大をできるだけ抑える役割もある。

図９は、実施の形態３のショットキーバリアダイオードの効果を確かめるためにデバイスシミュレーションを用いてアノード電極端の電界のフィールドプレート長Ｌｆｐの依存性を計算した結果である。図示のように、Ｌｆｐが増大するとアノード電極端１ａの電界が緩和される。しかしＬｆｐが増大すると電界低減効果は減少し、Ｌｆｐが２μｍ以上では電界は飽和する傾向にある。このような点から、デバイスサイズをできるだけ小さくするためにＬｆｐは１〜３μｍ程度がよい。

なお、図６〜図８に示す構成は、実施の形態１の構成に対して適用した例を示しているが、従来構造すなわちアノード電極１とカソード電極２が同じ長さになっている構造に対して適用してもよい。ただし、この場合、フィールドプレート６の外側端がカソード電極２の外側端より外側に位置するようフィールドプレート６を取り付ける。さらに、図６〜図８に示す構成を実施の形態２の構成に対して適用してもよい。また、フィールドプレート６は、アノード電極１の端部からのＬｆｐが所定の値であれば長方形以外の形状であってもよい。さらに、上記例ではアノード電極１の端部からのＬｆｐが３方向同じ値となっているが、全てが同じ値でなくともよい。

また、上記実施の形態３では、アノード電極１の両端にそれぞれフィールドプレート６を設けたが、アノード電極１のいずれか一方の端部のみにフィールドプレート６を設けてもよい。

以上説明したように、実施の形態３のショットキーバリアダイオードによれば、マイクロ波以上の高周波を整流するショットキーバリアダイオードにおいて、櫛型状に配置されたアノード電極及びカソード電極と、アノード電極の端部に取り付けられた金属からなるフィールドプレートとを備え、フィールドプレート端が前記カソード電極端より外側に位置するようにしたので、アノード端の電界が緩和され、より耐圧向上を図ることができる。また、アノードの端部のみにフィールドプレートを取り付けているため、容量の増大を抑えることができる。

また、実施の形態３のショットキーバリアダイオードによれば、フィールドプレートは、長方形でかつ、アノード電極の端部から突出するよう取り付けられているので、アノード端の電界が緩和され、より耐圧向上を図ることができる。

また、実施の形態３のショットキーバリアダイオードによれば、フィールドプレートはアノード電極の端部より１〜３μｍ突出するようにしたので、デバイスサイズを抑制しつつ耐圧向上を図ることができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態３におけるフィールドプレートの形状を台形としたものである。
図１０は、実施の形態４によるショットキーバリアダイオードを模式的に示す構成図である。図１０に示す構成は実施の形態３の長方形のフィールドプレート６に代えて台形状のフィールドプレート７をアノード電極１の端部に取り付けている。また、図１１に、図１０の破線枠領域２０１を拡大して示す。なお、図６のＢ−Ｂ線断面図に相当する断面は図８と同様であるため、ここでの図示は省略する。

図１０及び図１１に示すように、実施の形態４は、フィールドプレート７の形状が台形になっており、アノード電極１の端部からアノード電極１の中心に向かうにつれてフィールドプレート長Ｌｆｐが徐々に短くなる構造になっている。中心に向かうにつれてフィールドプレート長が短くなるとフィールドプレート７に生じる寄生容量の影響を低減できる効果がある。

また、実施の形態４においても、実施の形態３と同様に、アノード電極１の端部から突出するフィールドプレート長Ｌｆｐは１〜３μｍ程度がよい。なお、上記例ではフィールドプレート７を台形状としたが、アノード電極１の端部からアノード電極１の中心に向かうにつれてフィールドプレート長Ｌｆｐが徐々に短くなる構造になっていれば台形以外の形状であってもよい。さらに、上記例ではアノード電極１の端部からのＬｆｐが３方向同じ値となっているが、全てが同じ値でなくともよい。

また、上記実施の形態４では、アノード電極１の両端にそれぞれフィールドプレート７を設けたが、アノード電極１のいずれか一方の端部のみにフィールドプレート７を設けてもよい。

以上説明したように、実施の形態４のショットキーバリアダイオードによれば、フィールドプレートは、アノード電極の端部から突出するよう取り付けられていると共に、アノード電極の中心に向かうにつれてアノード電極からの突出量を小さくしたので、フィールドプレートに生じる寄生容量の影響を低減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１１ アノード電極、２ カソード電極、３ 活性領域、４ 不活性領域、５ 絶縁膜、６，７ フィールドプレート。

Claims (8)

1. マイクロ波以上の高周波を整流するショットキーバリアダイオードにおいて、
   櫛型状に配置されたアノード電極とカソード電極とを備え、
   前記アノード電極端が前記カソード電極端より外側に位置することを特徴とするショットキーバリアダイオード。
2. 前記アノード電極の両端が前記カソード電極の両端よりそれぞれ４〜８ｕｍ長いことを特徴とする請求項１記載のショットキーバリアダイオード。
3. マイクロ波以上の高周波を整流するショットキーバリアダイオードにおいて、
   櫛型状に配置されたアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極の端部に取り付けられた金属からなるフィールドプレートとを備え、
   前記フィールドプレート端が前記カソード電極端より外側に位置することを特徴とするショットキーバリアダイオード。
4. 前記フィールドプレートは、長方形でかつ、前記アノード電極の端部から突出するよう取り付けられていることを特徴とする請求項３記載のショットキーバリアダイオード。
5. 前記フィールドプレートは、前記アノード電極の端部から突出するよう取り付けられていると共に、前記アノード電極の中心に向かうにつれて当該アノード電極からの突出量を小さくしたことを特徴とする請求項３記載のショットキーバリアダイオード。
6. 前記フィールドプレートは前記アノード電極の端部より１〜３μｍ突出していることを特徴とする請求項３から請求項５のうちのいずれか１項記載のショットキーバリアダイオード。
7. 前記ショットキーバリアダイオードを構成する半導体が、少なくともＧａＡｓ（ガリウムヒ素）を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のショットキーバリアダイオード。
8. 前記アノード電極端が不活性領域内にあることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のショットキーバリアダイオード。

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