JP2017139293A - ダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】ｐ型半導体層を利用することなく、高い耐圧を実現するＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）を提供する。【解決手段】ＳＢＤ２は、半導体基板４と、半導体基板４の上面の一部に接している上面電極１０と、半導体基板４の下面に接している下面電極２０を備える。半導体基板４は、下面電極２０にオーミック接触するｎ型の高濃度層３０と、高濃度層上の一部に形成されており、高濃度層３０よりｎ型不純物濃度が低いｎ型の中濃度層３２と、高濃度層３０上において中濃度層３２を一巡する範囲に形成されており、中濃度層３２よりｎ型不純物濃度が低いｎ型の低濃度層３４とを備えている。上面電極１０は、中濃度層３２の上面にショットキー接触している。上面電極１０と半導体基板４が接している接触領域は中濃度層３２を越えて低濃度層３４上に及んでいる。【選択図】図１

Description

本明細書で開示する技術は、ダイオードに関する。
特許文献１に、ｎ型の半導体基板と、半導体基板の上面の一部に接しているアノード電極と、半導体基板の下面に接しているカソード電極とを備えるＳＢＤ（Schottky Barrier Diodeの略）が開示されている。半導体基板内には、カソード電極とオーミック接触するｎ＋型半導体層と、ｎ＋型半導体層上に形成されているとともに、アノード電極とショットキー接触するｎ型半導体層とが形成されている。また、アノード電極の端部に接する範囲にはｐ型半導体層が形成されることが開示されている。ｐ型半導体層は、ｎ型半導体層の上面近傍に留まり、ｎ＋型半導体層から離間している。ｐ型半導体層を利用するとアノード電極の端部近傍に生じやすい電界集中を緩和することができ、逆方向耐圧を改善することができる。
特開２０１３−１０２０８１号公報
特許文献１のＳＢＤにおいて、アノード電極の端部に接する範囲にｐ型半導体層を形成できない場合がある。例えば、半導体基板中の各領域の配置上の制約や、ＳＢＤの製造工程における制約により、アノード電極の端部に接する範囲にｐ型半導体層を形成できない場合がある。その場合、ｐ型半導体層に代えて、低濃度のｎ型半導体層を形成するか、あるいはｉ型の半導体層（即ち、不純物を意図的には添加していない領域）を形成することが想定される。そのようなＳＢＤの一例を図８に示す。図８のＳＢＤ５０２では、ｐ型半導体層に代えて、低濃度のｎ型半導体層である低濃度層５３４が設けられている。ＳＢＤ５０２は、ｎ型の半導体基板５０４と、アノード電極５１０と、カソード電極５２０とを有する。半導体基板５０４は、高濃度層５３０と、中濃度層５３２と、低濃度層５３４とを有している。高濃度層５３０と、中濃度層５３２と、低濃度層５３４はいずれもｎ型半導体層である。アノード電極５１０は、中濃度層５３２の上面にショットキー接触している。
図８のＳＢＤ５０２において、アノード電極５１０とカソード電極５２０の間に逆方向バイアスを印加すると、ショットキー界面（即ち、上面電極５１０と中濃度層５３２との界面）から半導体基板５０４内に向けて延びる空乏層５９０が形成される。空乏層５９０は、中濃度層５３２及び低濃度層５３４内に形成される。また、低濃度層５３４は、中濃度層５３２よりもｎ型不純物濃度が低いため、低濃度層５３４内では中濃度層５３２内に比べて空乏層５９０が延びやすい。図８では、空乏層５９０内の電位分布を示す等電位線を仮想的に図示している（図中の破線参照）。図８に示すように、低濃度層５３４内では、中濃度層５３２内に比べて、等電位線同士の間隔が比較的大きい。しかしながら、図８のＳＢＤ５０２では、低濃度層５３４は、中濃度層５３２の上面近傍に留まり、高濃度層５３０から離間している。そのため、空乏層５９０が延びた際に、低濃度層５３４の下側の中濃度層５３２で、低濃度層５３４内に比べて等電位線同士の間隔が狭くなる部分が発生し、高電界が発生する。そのため、アノード電極５１０の端部近傍における電位の変化が不規則になり、アノード電極５１０の端部近傍における電界集中を十分に緩和することができない。そのため、ＳＢＤの高い耐圧を実現することができない。
本明細書では、上面電極の端部近傍にｐ型半導体層を形成することなく、高い耐圧を実現することができる技術を開示する。
本明細書が開示するダイオードは、半導体基板と、半導体基板の上面の一部に接している上面電極と、半導体基板の下面の少なくとも一部に接している下面電極を備えている。半導体基板は、下面電極にオーミック接触するｎ型の高濃度層と、高濃度層上の一部に形成されているとともに、高濃度層よりｎ型不純物濃度が低いｎ型の中濃度層と、高濃度層上において中濃度層を一巡する範囲に形成されているとともに、中濃度層よりｎ型不純物濃度が低いｎ型の低濃度層を備えている。上面電極は、中濃度層の上面にショットキー接触しており、上面電極と半導体基板が接している接触領域が中濃度層を越えて低濃度層上に及んでいる。ここでいう中濃度層は、上面電極にショットキー接触するｎ型不純物濃度の半導体層である。また、低濃度層は、いわゆるｉ型の半導体層であってもよい。
上記の構成によると、低濃度層は、高濃度層の上面に接しており、高濃度層から離間していない。また、上面電極は、中濃度層の上面にショットキー接触しているとともに低濃度層上に及んでいる。そのため、逆バイアス印加時の上面電極の端部近傍における電位の変化が不規則になり難くなる。そのため、上面電極の端部近傍における電界集中を十分に緩和することができる。そのため、上面電極の端部近傍にｐ型半導体層を形成することなく、高い耐圧を実現することができる。
第１実施例のＳＢＤ２の断面図。 図１のＳＢＤ２の逆バイアス印加時の状態を示す図。 第２実施例のＳＢＤ１０２の断面図。 図３のＳＢＤ１０２の逆バイアス印加時の状態を示す図。 第３実施例のＳＢＤ２０２の断面図。 図５のＳＢＤ２０２の逆バイアス印加時の状態を示す図。 第４実施例のＳＢＤ３０２の断面図。 比較例のＳＢＤ５０２の逆バイアス印加時の状態を示す図。
（第１実施例）
図１に示すように、本実施例のＳＢＤ２は、半導体基板４と、上面電極１０と、下面電極２０と、を有する。
半導体基板４は、Ｇａ２Ｏ３によって形成されているｎ型の半導体基板である。半導体基板４は、高濃度層３０と、中濃度層３２と、低濃度層３４とを有している。高濃度層３０、中濃度層３２、低濃度層３４は、いずれもｎ型の半導体層である。変形例では、低濃度層３４は、ｉ型の半導体層であってもよい。
高濃度層３０は、半導体基板４の下面全面に露出する範囲に形成されている。中濃度層３２は、高濃度層３０上の一部に形成されている。中濃度層３２の上面は半導体基板４の上面に露出する。中濃度層３２のｎ型不純物濃度は、高濃度層３０のｎ型不純物濃度よりも低い。ここでいう不純物濃度は、当該層における平均不純物濃度のことを意味する。中濃度層３２は、ＳＢＤ２のドリフト層として機能する。低濃度層３４は、高濃度層３０上において中濃度層３２を一巡する範囲に形成されている。低濃度層３４は、半導体基板４の側面（図示省略）に到達している。低濃度層３４の上面も、半導体基板４の上面に露出する。低濃度層３４のｎ型不純物濃度は、中濃度層３２のｎ型不純物濃度よりも低い。また、中濃度層３２の比誘電率は、低濃度層３４の比誘電率よりも小さい。
上面電極１０は、半導体基板４の上面の一部に接して形成されている。上面電極１０は、中濃度層３２の上面にショットキー接触している。ただし、上面電極１０と半導体基板４とが接している接触領域は、中濃度層３２を越えて低濃度層３４上に及んでいる。上面電極１０は、ＳＢＤ２のアノード電極として機能する。
下面電極２０は、半導体基板４の下面に接して形成されている。下面電極２０は、高濃度層３０の下面にオーミック接触している。下面電極２０は、ＳＢＤ２のカソード電極として機能する。本実施例では、半導体基板４の下面の全域に下面電極２０が形成されている。変形例では、下面電極２０は、半導体基板４の下面の一部に接していてもよい。
次に、本実施例のＳＢＤ２の動作を説明する。上面電極１０と下面電極２０の間に、上面電極１０がプラスとなる電圧（即ち順方向バイアス）を印加すると、半導体基板４側から上面電極１０に向かって電子が移動する。これにより、上面電極１０から下面電極２０に電流が流れる。
また、上面電極１０と下面電極２０の間に、下面電極２０がプラスとなる電圧（即ち逆方向バイアス）を印加すると、図２に示すように、ショットキー界面（即ち、上面電極１０と中濃度層３２との界面）から半導体基板４内に向けて延びる空乏層９０が形成される。空乏層９０は、中濃度層３２及び低濃度層３４内に形成されるが、ｎ型不純物濃度が高い高濃度層３０内には延びない。また、低濃度層３４は、中濃度層３２よりもｎ型不純物濃度が低いため、低濃度層３４内では中濃度層３２内に比べて空乏層９０が延びやすい。図２では、空乏層９０内の電位分布を示す等電位線を仮想的に図示している（図中の破線参照）。低濃度層３４の比誘電率は中濃度層３２の比誘電率よりも大きいため、図２に示すように、低濃度層３４内では、中濃度層３２内に比べて、等電位線同士の間隔が比較的大きい。また、上記の通り、低濃度層３４は、高濃度層３０上において中濃度層３２を一巡する範囲に形成されており、高濃度層３０と離間していない。そのため、上面電極１０の端部近傍の電位分布の間隔（即ち、等電位線の間隔）がほぼ一定になり、上面電極１０の端部近傍における電位の変化が不規則になり難くなる。そのため、上面電極１０の端部近傍における電界集中を十分に緩和することができる。そのため、本実施例のＳＢＤ２では、上面電極１０の端部近傍にｐ型半導体層を形成することなく、高い耐圧を実現することができる。また、本実施例では、半導体基板４が、ｐ型半導体層を形成することが困難な材料であるＧａ２Ｏ３によって形成されているため、ｐ型半導体層を利用しない本実施例のＳＢＤ２の構造が特に有用である。
（第２実施例）
続いて、図３、図４を参照して、第２実施例のＳＢＤ１０２について、第１実施例と異なる点を中心に説明する。図３、図４では、第１実施例のＳＢＤ２と同様の要素は図１と同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。本実施例のＳＢＤ１０２は、層間絶縁膜４０と、フィールドプレート電極１６と、保護膜５０とをさらに有する点で、第１実施例のＳＢＤ２とは異なる。
層間絶縁膜４０は、半導体基板４の上面のうち、上面電極１０と接していない範囲に配置されている。層間絶縁膜４０は、ＺｒＯ２によって形成されている。変形例では、層間絶縁膜４０はＨｆＯ２によって形成されていてもよい。層間絶縁膜４０の比誘電率はＳｉＯ２の比誘電率よりも大きく、また、低濃度層３４の比誘電率よりも大きい。
フィールドプレート電極１６は、上面電極１０と連続して形成されている。フィールドプレート電極１６は、層間絶縁膜４０を介して低濃度層３４と対向している。フィールドプレート電極１６の端部（即ち、上面電極１０と反対側の端部）１６ａは、低濃度層３４の上方に位置している。
保護膜５０は、上面電極１０の一部と、フィールドプレート電極１６と、層間絶縁膜４０の一部とを覆う絶縁膜である。保護膜５０は、ポリイミドによって形成されている。
次に、本実施例のＳＢＤ１０２の動作を説明する。ＳＢＤ１０２に順方向バイアスを印加する場合の動作は第１実施例のＳＢＤ２の場合と同様であるため、説明を省略する。一方、ＳＢＤ１０２に逆方向バイアスを印加すると、図４に示すように、半導体基板４及び層間絶縁膜４０内に延びる空乏層１９０が形成される。本実施例では、上面電極１０と連続しているフィールドプレート電極１６が設けられているため、空乏層１９０は上面電極１０の端部から側方に離れた位置まで延びる。このため、上面電極１０への端部近傍への電界集中をさらに緩和することができる。また、フィールドプレート電極１６の上面電極１０と反対側の端部１６ａが低濃度層３４の上方に位置しているため、フィールドプレート電極１６の端部１６ａ近傍への電界集中も十分に緩和することができる。また、上記の通り、層間絶縁膜４０の比誘電率は、ＳｉＯ２の比誘電率よりも大きい。そのため、層間絶縁膜４０における空乏層１９０内の等電位線の間隔が比較的広くなる。これにより、上面電極１０への端部近傍への電界集中の緩和効果が十分に発揮される。従って、上記の通り、本実施例のＳＢＤ１０２によると、上面電極１０への端部近傍への電界集中をさらに緩和することができるとともに、フィールドプレート電極１６の端部１６ａ近傍への電界集中も十分に緩和することができる。そのため、本実施例のＳＢＤ１０２でも、高い耐圧を実現することができる。
（第３実施例）
続いて、図５、図６を参照して、第３実施例のＳＢＤ２０２について、第２実施例と異なる点を中心に説明する。図５、図６でも、上記の各実施例のＳＢＤ２、１０２と同様の要素は同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。本実施例のＳＢＤ２０２は、低濃度層３４内に、絶縁層３６がさらに備えられている点が第２実施例のＳＢＤ１０２と異なる。
絶縁層３６は、低濃度層３４内において、中濃度層３２を一巡する範囲に形成されている。絶縁層３６は、低濃度層３４にＦｅをドープすることによって形成される。本実施例では、絶縁層３６は、半導体基板４の上面近傍に留まり、高濃度層３０からは離間している。絶縁層３６の比誘電率は、層間絶縁膜４０の比誘電率よりも大きい。本実施例では、上面電極１０と半導体基板４とが接している接触領域の端部は、絶縁層３６上に位置している。
次に、本実施例のＳＢＤ２０２の動作を説明する。ＳＢＤ２０２に順方向バイアスを印加する場合の動作も、上記の各実施例のＳＢＤ２、１０２と同様であるため、詳しい説明を省略する。一方、ＳＢＤ２０２に逆方向バイアスを印加すると、図６に示すように、半導体基板４及び層間絶縁膜４０内に延びる空乏層２９０が形成される。本実施例では、低濃度層３４内に絶縁層３６が設けられているため、上面電極１０の端部近傍への電界集中がより緩和される。そのため、本実施例のＳＢＤ２０２でも、高い耐圧を実現することができる。
（第４実施例）
続いて、図７を参照して、第４実施例のＳＢＤ３０２について、第３実施例と異なる点を中心に説明する。図７でも、上記の各実施例のＳＢＤ２、１０２、２０２と同様の要素は同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。本実施例のＳＢＤ３０２では、上面電極１０が、ショットキー電極膜１２と積層電極膜１４とを積層した構造を有する点が第３実施例とは異なる。
図７に示すように、ショットキー電極膜１２は、半導体基板４の上面に接している。ショットキー電極膜１２は、中濃度層３２の上面にショットキー接触している。ただし、ショットキー電極膜１２と半導体基板４とが接している接触領域は、中濃度層３２を越えて低濃度層３４上に及んでいる。また、ショットキー電極膜１２の端部は、層間絶縁膜４０によって覆われている。ショットキー電極膜１２の端部を覆っている側の層間絶縁膜４０の端部は、低濃度層３４上に位置している。積層電極膜１４は、層間絶縁膜４０で覆われていないショットキー電極膜１２に積層されている。積層電極膜１４は、フィールドプレート電極１６に連続している。
本実施例のＳＢＤ３０２の動作は、第３実施例のＳＢＤ２０２の動作とほぼ同様であるため、詳しい説明を省略する。上記の通り、本実施例のＳＢＤ３０２では、ショットキー電極膜１２の端部が層間絶縁膜４０によって覆われている。そのため、ＳＢＤ３０２を製造する際に、半導体基板４の上面にショットキー電極膜１２を形成した後に層間絶縁膜４０を形成することができる。そのため、半導体基板４の上面が清浄である間にショットキー電極膜１２を形成することができ、安定したショットキー界面を得ることができる。また、上記の通り、ショットキー電極膜１２の端部を覆う側の層間絶縁膜４０の端部は、低濃度層３４上に位置しており、中濃度層３２上には位置しない。そのため、ＳＢＤ３０２に順方向バイアスを印加する場合に、導通抵抗が大きくなることもない。
以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、以下の変形例を採用してもよい。
（変形例１）上記の第１〜第３実施例においても、第４実施例と同様に、上面電極１０が、半導体基板４の上面に接するショットキー電極膜と、ショットキー電極膜の上面に積層される積層電極膜とを有していてもよい。また、この場合において、フィールドプレート電極１６が、ショットキー電極膜と連続する第１膜と、積層電極膜と連続し、第１膜の上面に積層される第２膜とを有していてもよい。
（変形例２）半導体基板４は、ＧａＮ，Ｓｉ，ＳｉＣ等、Ｇａ２Ｏ３以外の材料によって形成されていてもよい。特に、半導体基板４がＳｉ又はＳｉＣによって形成される変形例においては、第２〜第４実施例の層間絶縁膜４０と低濃度層３４との間に熱酸化膜をさらに形成してもよい。ただし、半導体基板４が、ｐ型半導体層を形成することが困難な材料であるＧａＮ，Ｇａ２Ｏ３によって形成されている場合、ｐ型半導体層を利用しない本明細書に開示の構造が特に有用である。
（変形例３）低濃度層３４は、半導体基板４の側面に到達していなくてもよい。一般的に言うと、低濃度層３４は、高濃度層３０上において中濃度層３２を一巡する範囲に形成されていればよく、上面電極１０と半導体基板４の接触領域が中濃度層３２を越えて低濃度層３４上に及んでいればよい。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示するダイオードにおいて、低濃度層内において中濃度層を一巡する範囲に形成されている絶縁層をさらに備えていてもよい。接触領域の端部が、絶縁層上に位置していてもよい。
この構成によると、絶縁層が備えられていることによって、上面電極の端部近傍への電界集中をより緩和することができる。
本明細書が開示するダイオードにおいて、低濃度層に層間絶縁膜を介して対向するとともに上面電極に接続されているフィールドプレート電極をさらに備えていてもよい。フィールドプレート電極の上面電極と反対側の端部が、低濃度層上に位置していてもよい。
この構成によると、フィールドプレート電極が備えられているため、逆バイアス印加時に、空乏層が上面電極の端部から側方に離れた位置まで延びる。従って、上面電極への端部近傍への電界集中をさらに緩和することができる。また、フィールドプレート電極の上面電極と反対側の端部が低濃度層上に位置しているため、フィールドプレート電極の端部近傍への電界集中も十分に緩和することができる。
層間絶縁膜の比誘電率がＳｉＯ２の比誘電率よりも大きくてもよい。
この構成によると、層間絶縁膜における空乏層内の電位分布の間隔（即ち、等電位線の間隔）が比較的広くなる。そのため、上面電極１０への端部近傍への電界集中の緩和効果が十分に発揮される。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２：ＳＢＤ
４：半導体基板
１０：上面電極
１２：ショットキー電極膜
１４：積層電極膜
１６：フィールドプレート電極
１６ａ：端部
２０：下面電極
３０：高濃度層
３２：中濃度層
３４：低濃度層
３６：絶縁層
４０：層間絶縁膜
５０：保護膜
９０：空乏層
１０２：ＳＢＤ
１９０：空乏層
２０２：ＳＢＤ
２９０：空乏層
３０２：ＳＢＤ

Claims (4)

  1. ダイオードであって、
    半導体基板と、
    前記半導体基板の上面の一部に接している上面電極と、
    前記半導体基板の下面の少なくとも一部に接している下面電極を備えており、
    前記半導体基板が、
    前記下面電極にオーミック接触するｎ型の高濃度層と、
    前記高濃度層上の一部に形成されており、前記高濃度層よりｎ型不純物濃度が低いｎ型の中濃度層と、
    前記高濃度層上において前記中濃度層を一巡する範囲に形成されており、前記中濃度層よりｎ型不純物濃度が低いｎ型の低濃度層を備えており、
    前記上面電極が、前記中濃度層の上面にショットキー接触しており、
    前記上面電極と前記半導体基板が接している接触領域が、前記中濃度層を越えて前記低濃度層上に及んでいる、
    ダイオード。
  2. 前記低濃度層内において前記中濃度層を一巡する範囲に形成されている絶縁層をさらに備えており、
    前記接触領域の端部が、前記絶縁層上に位置している請求項１に記載のダイオード。
  3. 前記低濃度層に層間絶縁膜を介して対向するとともに前記上面電極に接続されているフィールドプレート電極をさらに備えており、
    前記フィールドプレート電極の前記上面電極と反対側の端部が、前記低濃度層上に位置している、請求項１または２に記載のダイオード。
  4. 前記層間絶縁膜の比誘電率が、ＳｉＯ２の比誘電率よりも大きい、請求項３に記載のダイオード。
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