JP2016501443A - 一部が凹んだアノードを有するＧａＮ系ショットキーダイオード - Google Patents
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Abstract
基板、基板上に配置される第１活性層、及び第１活性層上に配置される第２活性層を含む、ショットキーダイオードなどの半導体デバイスが提示される。第２活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。１電極は、第２活性層内の凹みに配置される第１部分、及び第２活性層上に配置された第２部分を有し、その間にショットキー接合が形成される。第２電極は、第１活性層と接している。第２電極は、第１活性層とオーミック接合を形成する。【選択図】図１
Description
ショットキーダイオードは、半導体層と接触する金属により形成される半導体デバイスである。金属と半導体層との間の接合は、半導体層内に全体的に形成されたｐｎ接合ダイオードと比較した際に、より良好なダイオードスイッチング能力を備える、整流接合部を形成する。したがって、ショットキーダイオードは、ｐｎ接合ダイオードと比較してより低いターンオン電圧及びより早いスイッチング速度を有する。ショートキーダイオードは、スイッチモード電源（ＳＭＰＳ）など、スイッチング損失がエネルギー消費の主要因となる用途において理想的である。
窒化物系化合物の半導体材料から作製された電子デバイスは既知である。このような電子デバイスはまた、第ＩＩＩ族窒化物系材料から形成される、第３窒化物半導体デバイスとしても既知である。窒化物系化合物半導体デバイスは、そのより広いバンドギャップ、及びより高い絶縁破壊電圧特性のためにより望ましく、これらを高電圧及び高温の用途においてより好適なものとする。特に、高い絶縁破壊電圧及び低いオン抵抗を有する、第ＩＩＩ−Ｖ族窒化ガリウム（ＧａＮ）化合物半導体ショットキーダイオードが記載されてきた。スイッチモード電源の効率は、第ＩＩＩ族窒化物半導体ショットキーバリアダイオードにより改善することができる。
第ＩＩＩ族系半導体デバイスは、ＡｌＧａＮ及びＧａＮなどの２つの異なる第ＩＩＩ族窒化物のヘテロ界面における、二次元電子ガスを形成することにより、電子移動度を最大化させることができる。二次元電子ガスは、第ＩＩＩ族窒化物の結晶構造の非理想的な性質から生じる、歪みにより誘起される圧電分極電荷、及び自発性分極電荷を補償するものと考えられる。二次元電子ガスは、ヘテロ接合部のバンドベンディング領域内に量子閉じ込めされ、より狭いバンドギャップＩＩＩ窒化物（例えば、ＧａＮ）が、より大きなバンドギャップＩＩＩ窒化物（例えば、ＡｌＧａＮ）に接合する。したがって、ショットキー様ダイオードにおいて、電子は、アノード電極とカソード電極との間の制限されたチャネルに沿って流れる。電荷密度は、Ａｌ組成、ＡｌＧａＮ層厚さ、及び固有の結晶極性などの、ヘテロ構造パラメーターによって決定される。ＩＩＩ窒化物電力デバイスにおいて、電荷密度は印加されるゲート電圧に反応し、エネルギーバンドギャップの変化に応じて局所的に除去され得る。したがって、第ＩＩＩ族窒化物電力デバイスのスイッチング速度は非常に高速であり得る。
図１は、ＧａＮ系ショットキーダイオードの実施例である。ダイオード１００は、基板１０、基板上に形成されたＧａＮ層３０、及びＧａＮ層３０上に形成されたＡｌＧａＮ層４０を含む。アノード６０及びカソード７０は、デバイスのための電気接触部として機能する。アノード６０は、ＡｌＧａＮ上に形成され、その間にショットキーインターフェースを形成する。カソード７０がＧａＮ層３０上に形成されて、その間にオーミック接触を形成する。
図１に示されるデバイスなどの、ショットキーダイオードの１つの問題は、高い順電圧降下を有する場合が多いということである。この問題は、伝搬する電流が、ＡｌＧａＮ上のショットキー接触部により形成される、比較的大きな電位障壁を通らなくてはならないことによって生じる。ＡｌｘＧａＮ層上のＮｉ／Ａｕ金属により形成されたショットキー接触の電位障壁は、約１．８Ｅ−１９Ｊ（１．１ｅＶ）であり、高電圧シリコン系ショットキーダイオードの電位障壁は約１．１Ｅ−１９Ｊ（０．７ｅＶ）であり、これは遥かに低い順電圧降下を生じる。
本発明の一態様により、基板、基板上に配置される第１活性層、及び第１活性層上に配置される第２活性層を含む半導体デバイスが提示される。第２活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。１電極は、第２活性層内の凹みに配置される第１部分、及び第２活性層上に配置された第２部分を有し、その間にショットキー接合が形成される。第２電極は、第１活性層と接している。第２電極は、第１活性層とオーミック接合を形成する。
本発明の別の態様により、半導体デバイスの形成方法が提示される。方法は、基板上の第１活性層を形成し、第１活性層上に第２活性層を形成する工程を含む。第２活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。第１電極が第２活性層上に形成され、これによりその間にショットキー接合が形成される。第１電極は二次元電子ガスと接触する第１部分、及び第２活性層上に配置された第２部分を有する。第２電極が第１活性層上に形成されて、その間にオーミック接合が形成される。
ＧａＮ系のショットキーダイオードの比較的高い電圧降下が、ＡｌＧａＮ層上のショットキー接触により形成される、比較的大きな電位障壁を低減することにより、低減され得ることが見出されている。これは、凹んだアノードを使用することによって達成され得、ＡｌＧａＮ層を排除することにより、ＧａＮ層上に直接アノードが形成されている。この方法でアノードを凹ませることにより、キャリアは、ＡｌＧａＮ障壁を通らずに、熱電子放出で二次元チャネルからアノードへと直接移動することができ、これにより電位障壁が低減して電流が増加する。電位障壁が低減するためにデバイスの順電圧降下が低減する。残念ながら、以下に記載されるように、ＡｌＧａＮ層の完全な排除はまた、阻止電圧の減少を生じる。
以下により詳細に記載されるように、窒化ガリウム系ショットキーダイオードの順電圧降下が減少する一方で同時に、一部が凹んだショットキーアノードを使用することにより逆阻止電圧が増加する。凹んだアノードの部分が、ショットキー接触の電位障壁を低減させ、これにより、デバイスの順電圧降下が低減する。逆バイアスがデバイスにかかると、アノードの凹んでいない部分が、その真下に電荷空乏化領域を生じ、二次元電子ガスの流れを阻止し、これがデバイスの逆阻止能力を改善する。
図２は、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、及び完全に凹んだアノードを有するショットキーダイオード（これは、簡潔性のために本明細書では完全に凹んだショットキーダイオードと称される）の順電流電圧（Ｉ−Ｖ）のシミュレーションを示す。電圧の開始点が図面の隅部に拡大されている。双方の場合において、ＡｌＧａＮは２５ｎｍ厚さであり、２５％のＡｌ組成物を有し、ＧａＮ層はエピタキシャル層０．５マイクロメートル厚さであり、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面において二次元電荷密度は、８×１０１２ｃｍ−２である。図示されるように、完全に凹んだショットキーダイオードにおいて、ターンオン電圧が約１．６Ｅ−２０Ｊ（０．１ｅｖ）減少するだけではなく、オン抵抗もまた減少する。
図３は、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、及び完全に凹んだショットキーダイオードの、逆Ｉ−Ｖ曲線のシミュレーションを示す。図示されるように、逆バイアスがデバイスにかかるとき、完全に凹んだショットキーダイオードは、従来的なショットキーダイオードと比較して、より低い絶縁破壊電圧、及びより高い漏洩電流を有する。
要約すると、図２及び図３の双方により、完全に凹んだアノードはターンオン電圧を有利に低減させることができるが、残念ながらこれはＡｌＧａＮ層の厚さの低減によりデバイスの絶縁破壊電圧も低減させるが示される。
この問題を克服するため、一部が凹んだアノードを利用するショットキーダイオードが提供され、ここで、アノードの一部がＡｌＧａＮ層の表面上に位置し、アノードの別の部分がＡｌＧａＮ内に凹み、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ境界面に生じる二次元電子ガスに直接暴露される。アノードの凹んだ部分は、デバイスのターンオン電圧を有利に低減させる。加えて、逆バイアス下において、ＡｌＧａＮ層の表面上に位置するアノードの一部が、その真下のＡｌＧａＮ層の部分を空乏化させて、二次元チャネルを阻止して、高い絶縁破壊電圧を維持する。
図４は、一部が凹んだアノードを利用する、ショットキーダイオード２００の一実施形態を示す。ダイオード２００は、多くの異なる材料系から作製することができる。ダイオード２００は、説明及び理解を容易にするために単一のデバイスとして示されているが、ダイオードは典型的には、ウエハのレベルで作製され、その後個別のデバイスへと分割される。いくつかの場合において、単一のウエハレベルプロセスから、数千のデバイスが作製され得る。
ダイオード２００は、第ＩＩＩ族窒化物系の材料系を使用して作製される。第３族窒化物としては、窒素と、周期表の第３族の元素（通常は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ））との間で形成される半導体化合物が挙げられる。この族はまた、ＡｌＧａＮ及びＡｌｌｎＧａＮなどの三元及び第３化合物を含む。例示目的のため、以下に記載されるダイオードは、ＧａＮ及びＡｌＧａＮから形成されるが、他の第３族窒化物もまた利用することができる。
ダイオード２００は、サファイア、シリコン、又は炭化ケイ素などの、様々な材料から形成され得る基板２１０を含む。様々な製造技術において、基板２１０と第１活性層２３０との間に配置される１つ以上の材料層が利用され得る。例えば、いくつかの場合において、緩衝層２２０は、基板２１０上で形成され得る。緩衝層２２０は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又は窒化アルミニウム（ＡＩＮ）から形成されてもよく、非ＧａＮ基板からＧａＮ系活性構造への境界面をもたらす。緩衝層２２０は、活性デバイス層における欠陥濃度を低減させることができる。緩衝層２２０は、基板２１０の一部とみなすことができ、緩衝層２２０上に形成される残りの層は、構造体のデバイス層とみなすことができる。図４の実施例において、第１活性層２３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含んでいる。他の実施例において、元素周期表の第ＩＩＩ族の他の元素の窒化化合物を含む様々な半導体材料が、第１活性層２３０を含んでもよい。
図４の実施例における第２活性層２４０は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含む。他の実施例において、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などの、様々な第ＩＩＩ族窒化物半導体材料が、第２活性層２４０を含み得る。第２活性層２４０の材料は、非化学量論的化合物であり得る。このような材料において、元素の比率は、通常の整数で容易に表現されない。例えば、第２活性層２４０は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（このとき、０＜Ｘ＜１）などの、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料の非化学量論的化合物であり得る。
材料間のバンドギャップの差のために、第２活性層２４０から第１活性層２３０へと電荷が移動するため、第１活性層２３０内、第１活性層２３０と第２活性層２４０との間の境界面で、高電荷、高移動度の電子の平坦な領域が形成される。この電荷の領域は二次元電子ガス２５０と称される場合があるがこれは、第ＩＩＩ族ヘテロ構造の分極効果から生じる量子井戸に閉じ込められた電子が、二次元において自由に動けるが、三次元において強く拘束されているためである。
第２活性層２４０を通じて第１活性層２３０へと移動して電子ガス２５０を形成する電荷の量は、第２活性層２４０の厚さ及び材料濃度（例えば、Ａｌ％組成）に依存し、これは最初に電子ガス２５０の電子量を決定する。一実施形態において、第２活性層２４０は、約０．０１〜０．０４マイクロメートルの範囲内の厚さを有する、ＡｌＧａＮから形成される。ＧａＮ層はドープｎ型であってもよく、ｎ型ドーパントは、第１活性層２３０内に均一に、又は層の一部のみに組み込まれてもよい。ＧａＮ層内におけるｎ型ドーパント不純物は例えばシリコンであってもよい。
デバイス内に電極が配置されて、活性層への電気的導通を形成する。特に、第１活性層２３０内にカソード２７０が配置されて、その間にオーミック接合を形成する。カソード２７０は、任意の好適な金属から形成され得る。
アノード２６０は、第２活性層２４０と接触し、その間にショットキー接合を形成する。アノード２６０は、金属又は金属ガリウム（ｍｅｔａｌ ｇａｌｌｉｃｉｄｅ）などの、ショットキー接合を形成するための、好適な材料から形成され得る。好適な金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、及び金（Ａｕ）が挙げられる。
図示されるように、アノード２６０は、第１活性層２３０上に位置する部分２６０１、及び第２活性層２４０内又はその上に位置する別の部分２６０２を含む。凹んだアノード部分２６０１以下において、ＡｌＧａＮは完全に排除され、凹んだアノード部分２６０１が、二次元電子ガスと直接接している。結果として、熱電子放出、加えてトンネル効果によって、遥かに低い電位障壁を通じて移動することができる。したがって、電流密度は、大幅に上昇し得る。更に、電位障壁が低減するために、デバイスの順電圧降下が低減する。
図４に示されるように、凹んだアノード部分２６０１が、ＡｌＧａＮ層内に位置するエッチ深さは、凹んだ部分２６０１全体にわたって一定であってもよい。あるいは、いくつかの場合において、凹んだ部分２６０１の異なる区分は、ＡｌＧａＮ層内の異なる深さに位置してもよい。例えば、図５に示されるように、アノード２６０の凹んだ部分２６０１は、階段状の構成を有してもよく、ここで異なる区分が、ＡｌＧａＮ層２４０の、増加する深さに位置している（カソードから開始してアノードに向かう方向で見た際）。図４及び図５、並びに，以降の図において、同様の要素には同様の参照番号が付される。シミュレーションにより、図５のアノード構成は、漏洩電流を抑圧し、ターンオン電圧を低減し得ることが示されている。
図６は、一部が凹んだアノード２６０の別の例示的な構成を示す。この例において、一部が凹んだアノードは、アノード２６０の２つの表面部分２６０２と、２６０３との間に、アノード２６０の凹んだ部分２６０１が位置している、「Ｔ字型」構成を有する。シミュレーションにより、この構成はまた、デバイスの漏洩電流を有利に低減させ得ることが示された。
いくつかの実施形態において、アノード２６０の凹んだ部分２６０１、及び凹んでいない部分２６０２が占める、表面積（すなわち、基材が延びる平面と平行な表面の面積）は互いにほぼ同じである。他の実施形態において、これらの表面積は互いに異なり得る。例えば、いくつかの実施形態において、凹んだ部分２６０１の表面積を、凹んでいない部分２６０２の表面積よりも小さくすることが有利であり得る。このような構成は、いくつかの場合において、漏洩電流を低減させ得る。一般的に、異なるアノード部分の相対的な寸法は、特定のデバイスの特徴、及びデバイスが利用される用途に依存する。図７は、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、完全に凹んだショットキーダイオード、及び図４に示されるタイプの一部が凹んだショットキーダイオードの順Ｉ−Ｖ曲線のシミュレーションを示す。より高いバイアスにおいて、従来的な一部が凹んだショットキーダイオードの順電流曲線は、ほぼ高いに一致するが、一部が凹んだショットキーダイオード、及び完全に凹んだショットキーダイオードののターンオン電圧の開始点はほぼ同じであり、従来的なデバイスよりも遥かに低い。
一部が凹んだダイオードのこの挙動は、以下のように説明できる。より低いバイアスにおいて、電流伝搬メカニズムは、二次元電子ガスと接触する凹んだアノード部分２６０１による影響を主に受ける。より高いバイアス値において、電子の大部分は、電子の大部分は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの境界を横断することができ、電位障壁はより大きくなる。
図８は、従来的なＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキーダイオード、完全に凹んだショットキーダイオード、及び図４に示されるタイプの一部が凹んだショットキーダイオードの逆Ｉ−Ｖ曲線のシミュレーションを示す。示されるように、一部が凹んだダイオードの絶縁破壊電圧は、従来的なダイオード、及び完全に凹んだダイオードよりも大幅に高かった。更に、一部が凹んだダイオードの漏洩電流は、低いバイアス値においてより低い。
本明細書において記載される、ＧａＮ系ショットキーダイオードは、エピタキシャル成長プロセスを使用して作製され得る。例えば、反応スパッタ法が使用されてもよく、ターゲット及び基板の両方が、窒素及び１つ以上のドーパントを含む気体雰囲気中にある間に、ガリウム、アルミニウム、及び／又はインジウムなど、半導体の金属成分が、基板付近に配置された金属ターゲットから取り除かれる。あるいは、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）が利用されてもよく、基材は、金属の有機化合物を含む雰囲気、加えて、アンモニアなどの窒素含有気体、及びドーパント含有気体に暴露され、この間基材は高温（典型的には約７００〜１１００℃）に維持される。気体化合物は分解し、基材表面上の結晶性物質の膜の形態の、ドープ半導体を形成する。基材及び成長したフィルムはその後冷却される。更なる選択肢として、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの、他のエピタキシャル成長法又は原子層エピタキシーが使用されてもよい。使用され得る更なる追加的な技術としては、非限定的に、流量変調有機金属化合物気相成長（ＦＭ−ＯＭＶＰＥ）、有機金属化合物気相成長（ＯＭＶＰＥ）、水素化物気相成長（ＨＶＰＥ）、及び物理蒸着法（ＰＶＤ）が挙げられる。
一部が凹んだアノードを形成するために、半導体製造業界において既知の標準的な金属化技術が使用され得る。ショットキー接合を形成するために使用され得る例示的な金属としては、例として、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＰｔショットキー金属が挙げられ、異なる仕事関数を有し、異なる障壁電位を生じる。アノードの凹んだ部分が位置する、第２活性層内の凹み（例えば、ＡｌＧａＮ層）は、例えば、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）、誘電結合プラズマ（ＩＣＰ）、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマエッチングなどの、既知のエッチングプロセスを使用して形成され得る。
図９は、半導体デバイスを形成するための方法の一例を示すフローチャートである。方法は、ブロック３１０において、基板上に第１活性層を形成する工程を含む。第２活性層は、ブロック３２０において、第１活性層の上に形成される。活性層は、第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって第１活性層と第２活性層との間に、二次元電子ガス層が生じる。ブロック３３０において、第１電極が第２活性層上に形成され、これによりその間にショットキー接合が形成される。第１電極は、二次元電子ガスと接触する第１部分を有する。第１活性層への直接金属堆積、又は第２活性層への金属堆積及び第１活性層に到達するための合金化プロセスにより、ブロック３４０で第１活性層上に第２電極が形成され、その間にオーミック接合が形成される。
上記の実施例及び開示は、例示的であることを意図され、網羅的ではない。これらの実施例、及び記載は当業者に多くのバリエーション及び選択肢を提示する。これらの選択肢及びバリエーションは、添付の請求項の範囲内に含まれることを意図される。当業者は、本明細書に記載される特定の実施形態の、他の等価物を認識でき、これらの等価物はまた、添付の請求項に包含されることを意図される。
Claims (20)
- 半導体デバイスであって：
基板と；
前記基板上に配置された第１活性層と；
前記第１活性層上に配置された第２活性層であって、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって前記第１活性層と前記第２活性層との間に二次元電子ガス層が生じる、第２活性層と；
前記第２活性層内の凹みに配置される第１部分、及び前記第２活性層上に配置された第２部分を有し、その間にショットキー接合が形成された、第１電極と；
前記第１活性層と接触する第２電極であって、前記第２電極は前記第１活性層とオーミック接合を形成する、第２電極とを含む、半導体デバイス。 - 前記第１電極の前記第１部分は、前記二次元電子ガスと接触している、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記第１電極の前記第１部分は、前記第２活性層の前記凹み内の異なる深さにそれぞれ位置する、複数の区分を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記複数の区分は、階段状で異なる深さに位置する、請求項３に記載の半導体デバイス。
- 前記第２活性層上に配置された前記第１電極の前記第２部分が、第１及び第２区分を含み、前記第１電極の前記第１部分が、前記第１電極の前記第１区分と前記第２区分との間に配置された、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記第１電極の前記第１部分が、前記第１電極の前記第２部分の表面積よりも小さい、前記基板が延びる平面と平行な表面積を有し、前記第１電極の前記第２部分の前記表面積は、前記基板が延びる平面と平行である、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記第１活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記第１活性層は、ＧａＮを含む、請求項７に記載の半導体デバイス。
- 前記第２活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記第２活性層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮを含み、０＜Ｘ＜１である、請求項９に記載の半導体デバイス。
- 前記第２活性層は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、及びＡｌＩｎＧａＮからなる群から選択される、請求項９に記載の半導体デバイス。
- 半導体デバイスを形成する方法であって：
基板上に第１活性層を形成する工程と；
前記第１活性層上に第２活性層を形成する工程であって、前記第２活性層は、前記第１活性層よりも高いバンドギャップを有し、これによって前記第１活性層と前記第２活性層との間に二次元電子ガス層が生じる、工程と；
その間のショットキー接合が形成されるように、前記第２活性層上に第１電極を形成する工程であって、前記第１電極は、前記二次元ガスと接触する第１部分、及び前記第２活性層上に配置された第２部分を有する、工程と；
前記第１活性層上に第２電極を形成し、その間にオーミック接合を形成する工程とを含む、方法。 - 前記第１電極の前記第１部分は、前記第２活性層の前記凹み内の異なる深さにそれぞれ位置する、複数の区分を含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記複数の区分は、階段状で異なる深さに位置する、請求項１３に記載の方法。
- 前記第２活性層上に配置された第１電極の前記第２部分が、第１及び第２区分を含み、前記第１電極の前記第１部分が、前記第１電極の前記第１区分と前記第２区分との間に配置された、請求項１２に記載の方法。
- 前記第１電極の前記第１部分が、前記第１電極の前記第２部分の表面積よりも小さい、前記基板が延びる平面と平行な表面積を有し、前記第１電極の前記第２部分の前記表面積は、前記基板が延びる平面と平行である、請求項１２に記載の方法。
- 前記第１活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記第１活性層は、ＧａＮを含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記第２活性層は、第ＩＩＩ族窒化物半導体材料を含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記第２活性層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮを含み、０＜Ｘ＜１である、請求項１９に記載の方法。
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