JP2022087348A - Trench MOS type Schottky diode - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a trench MOS type Schottky diode with high breakdown voltage and low loss.
SOLUTION: A trench MOS type Schottky diode 1 includes: a first semiconductor layer 10 made of a Ga2O3-based single crystal; a second semiconductor layer 11 having a trench 12 opening to a surface 17 and made of the Ga2O3-based single crystal; an anode electrode 13 formed on the surface 17; a cathode electrode 14 formed on a surface of the first semiconductor layer 10; an insulating film 15 covering an inner surface of the trench 12 of the second semiconductor layer 11; and a trench MOS gate 16 embedded in the trench 12 of the second semiconductor layer 11 so as to be covered with the insulating film 15 and being in contact with the anode electrode 13. The second semiconductor layer 11 is composed of a lower layer 11b on a side of the first semiconductor layer and an upper layer 11a on a side of the anode electrode 13 having a higher donor concentration than that of the lower layer 11b, and reverse voltage when a leakage current of 1 μA flows is 600 V or more and 1200 V or less.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

本発明は、トレンチMOS型ショットキーダイオードに関する。 The present invention relates to a trench MOS type Schottky diode.

従来、Gaを半導体層に用いたショットキーバリアダイオード(ショットキーダイオード)が知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a Schottky barrier diode (Schottky diode) using Ga 2 O 3 in a semiconductor layer is known (for example, Patent Document 1).

特許文献1には、例えば、nGa層の電子キャリア濃度と厚さがそれぞれ9.95×1016cm-3、3.3μmのときの、ショットキーダイオードの耐圧が1000Vであることが記載されている。 According to Patent Document 1, for example, the withstand voltage of the Schottky diode is 1000 V when the electron carrier concentration and the thickness of the n - Ga 2 O 3 layer are 9.95 × 10 16 cm -3 and 3.3 μm, respectively. It is stated that.

また、Siを半導体層に用いたトレンチMOS型ショットキーダイオード、及びSiCを半導体層に用いたトレンチMOS型ショットキーダイオードが知られている(例えば、非特許文献1、2)。 Further, a trench MOS type Schottky diode using Si for a semiconductor layer and a trench MOS type Schottky diode using SiC for a semiconductor layer are known (for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

非特許文献1には、nSi層のドーピング濃度と厚さがそれぞれ1×1016cm-3、9μmのときの、半導体層にSiを用いたトレンチMOS型ショットキーダイオードの耐圧が107Vであることが記載されている。 In Non-Patent Document 1, when the doping concentration and thickness of the n - Si layer are 1 × 10 16 cm -3 and 9 μm, respectively, the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode using Si for the semiconductor layer is 107 V. It is stated that there is.

非特許文献2に記載された逆方向電圧-逆方向電流特性からは、nSiC層のドーピング濃度と厚さがそれぞれ6×1015cm-3、4μmのときの、半導体層にSiCを用いたトレンチMOS型ショットキーダイオードの耐圧が数十V程度であることが読み取れる。 From the reverse voltage-reverse current characteristics described in Non-Patent Document 2, SiC is used for the semiconductor layer when the doping concentration and thickness of the n - SiC layer are 6 × 10 15 cm -3 and 4 μm, respectively. It can be read that the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode that was present is about several tens of volts.

特開2013-102081号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-102081

T. Shimizu et al., Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Osaka, pp.243-246 (2001).T. Shimizu et al., Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Osaka, pp.243-246 (2001). V. Khemka, et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 21, NO. 5, MAY 2000, pp.286-288V. Khemka, et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 21, NO. 5, MAY 2000, pp.286-288

特許文献1においては、ショットキーダイオードの耐圧がGaの絶縁破壊電界強度により定義されている。しかしながら、Ga等の絶縁破壊電界強度の大きな材料を用いたショットキーダイオードにおいては、逆方向電圧を増加させると、Ga層が絶縁破壊を起こす前にアノード電極とGa層との間のリーク電流が極めて大きくなり、ショットキーダイオードが燃え尽きてしまう。 In Patent Document 1, the withstand voltage of the Schottky diode is defined by the dielectric breakdown electric field strength of Ga 2 O 3 . However, in a Schottky diode using a material having a large dielectric breakdown electric current strength such as Ga 2 O 3 , when the reverse voltage is increased, the anode electrode and Ga 2 O are before the Ga 2 O 3 layer causes dielectric breakdown. The leakage current between the three layers becomes extremely large, and the Schottky diode burns out.

このため、Gaを半導体層に用いたショットキーダイオードについては、所定の大きさ(例えば1μA)のリーク電流が流れるときの逆方向電圧を耐圧として定義するのが適切といえる。なお、特許文献1のショットキーダイオードは、リーク電流を抑制するための特別な構造を有さず、nGa層のキャリア濃度が9.95×1016cm-3であるときの、1μAのリーク電流が流れるときの逆方向電圧を概算すると、およそ64Vとなる。 Therefore, for Schottky diodes using Ga 2 O 3 in the semiconductor layer, it is appropriate to define the reverse voltage when a leak current of a predetermined magnitude (for example, 1 μA) flows as the withstand voltage. The Schottky diode of Patent Document 1 does not have a special structure for suppressing a leak current, and when the carrier concentration of the n - Ga 2 O 3 layer is 9.95 × 10 16 cm -3 . The reverse voltage when a leak current of 1 μA flows is estimated to be about 64 V.

本発明の目的は、高耐圧かつ低損失のトレンチMOS型ショットキーダイオードを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a trench MOS type Schottky diode having a high withstand voltage and a low loss.

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]~[2]のトレンチMOS型ショットキーダイオードを提供する。 One aspect of the present invention provides the following trench MOS type Schottky diodes [1] to [2] in order to achieve the above object.

[1]β型のGa系単結晶からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層に積層される層であって、その前記第1の半導体層と反対側の面に開口するトレンチを有する、β型のGa系単結晶からなる第2の半導体層と、前記第2の半導体層の前記第1の半導体層と反対側の面上に形成されたアノード電極と、前記第1の半導体層の前記第2の半導体層と反対側の面上に形成されたカソード電極と、前記第2の半導体層の前記トレンチの内面を覆う絶縁膜と、前記第2の半導体層の前記トレンチ内に前記絶縁膜に覆われるように埋め込まれ、前記アノード電極に接触するトレンチMOSゲートと、を有し、前記第2の半導体層が、前記第1の半導体層側の下層と、前記下層よりも高いドナー濃度を有する、前記アノード電極側の上層とから構成され、1μAのリーク電流が流れるときの逆方向電圧が600V以上1200V以下である、トレンチMOS型ショットキーダイオード。
[2]前記第2の半導体層と前記アノード電極との間に形成されるショットキー接合のバリアハイトが0.7eV以上であり、前記上層のドナー濃度が4.5×1016cm-3以上、2.4×1017cm-3以下であり、隣接する前記トレンチの間の前記第2の半導体層のメサ形状部分が、前記第2の半導体層の前記上層のドナー濃度に応じた1.4μm以下の幅を有する、上記[1]に記載のトレンチMOS型ショットキーダイオード。」
[1] A first semiconductor layer made of a β - type Ga 2 O3 system single crystal and a layer laminated on the first semiconductor layer, on the surface opposite to the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of a β-type Ga 2 O 3 system single crystal having an opening trench, and an anode electrode formed on the surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer. A cathode electrode formed on a surface of the first semiconductor layer opposite to the second semiconductor layer, an insulating film covering the inner surface of the trench of the second semiconductor layer, and the second. It has a trench MOS gate embedded in the trench of the semiconductor layer so as to be covered with the insulating film and in contact with the anode electrode, and the second semiconductor layer is a lower layer on the side of the first semiconductor layer. A trench MOS type Schottky diode having a donor concentration higher than that of the lower layer and having a reverse voltage of 600 V or more and 1200 V or less when a leak current of 1 μA flows.
[2] The barrier height of the Schottky junction formed between the second semiconductor layer and the anode electrode is 0.7 eV or more, and the donor concentration of the upper layer is 4.5 × 10 16 cm -3 or more. 2.4 × 10 17 cm -3 or less, and the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer between the adjacent trenches is 1.4 μm depending on the donor concentration of the upper layer of the second semiconductor layer. The trench MOS type Schottky diode according to the above [1], which has the following width. "

本発明によれば、高耐圧かつ低損失のトレンチMOS型ショットキーダイオードを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a trench MOS type Schottky diode having a high withstand voltage and a low loss.

図1は、第1の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオードの垂直断面図である。FIG. 1 is a vertical sectional view of a trench MOS type Schottky diode according to the first embodiment. 図2(a)、(b)は、それぞれトレンチの平面パターンの典型例を示す、第2の半導体層の上面図である。2 (a) and 2 (b) are top views of the second semiconductor layer showing typical examples of the planar pattern of the trench, respectively. 図3は、第1の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオードの変形例の垂直断面図である。FIG. 3 is a vertical sectional view of a modified example of the trench MOS type Schottky diode according to the first embodiment. 図4は、第2の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオードの垂直断面図である。FIG. 4 is a vertical sectional view of the trench MOS type Schottky diode according to the second embodiment. 図5は、2層構造の第2の半導体層を有するトレンチMOS型ショットキーダイオード(耐圧1200V)と、第2の半導体層の代わりに単層の半導体層を有する比較例としてのトレンチMOS型ショットキーダイオード(耐圧1200V)の順方向特性を示すグラフである。FIG. 5 shows a trench MOS type Schottky diode (withstand voltage 1200 V) having a second semiconductor layer having a two-layer structure and a trench MOS type shot as a comparative example having a single semiconductor layer instead of the second semiconductor layer. It is a graph which shows the forward characteristic of a key diode (withstand voltage 1200V). 図6は、2層構造の第2の半導体層を有するトレンチMOS型ショットキーダイオード(耐圧600V)と、第2の半導体層の代わりに単層の半導体層を有する比較例としてのトレンチMOS型ショットキーダイオード(耐圧600V)の順方向特性を示すグラフである。FIG. 6 shows a trench MOS type Schottky diode (withstand voltage 600 V) having a second semiconductor layer having a two-layer structure and a trench MOS type shot as a comparative example having a single semiconductor layer instead of the second semiconductor layer. It is a graph which shows the forward characteristic of a key diode (withstand voltage 600V).

〔第1の実施の形態〕
(トレンチMOS型ショットキーダイオードの構成)
図1は、第1の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオード1の垂直断面図である。トレンチMOS型ショットキーダイオード1は、トレンチMOS領域を有する縦型のショットキーダイオードである。
[First Embodiment]
(Structure of trench MOS type Schottky diode)
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the trench MOS type Schottky diode 1 according to the first embodiment. The trench MOS type Schottky diode 1 is a vertical Schottky diode having a trench MOS region.

トレンチMOS型ショットキーダイオード1は、第1の半導体層10と、第1の半導体層10に積層される層であって、その第1の半導体層10と反対側の面17に開口するトレンチ12を有する第2の半導体層11と、第2の半導体層11の面17上に形成されたアノード電極13と、第1の半導体層10の第2の半導体層11と反対側の面上に形成されたカソード電極14と、第2の半導体層11のトレンチ12の内面を覆う絶縁膜15と、第2の半導体層11のトレンチ12内に絶縁膜15に覆われるように埋め込まれ、アノード電極13に接触するトレンチMOSゲート16と、を有する。 The trench MOS type shot key diode 1 is a layer laminated on the first semiconductor layer 10 and the first semiconductor layer 10, and is a trench 12 that opens on a surface 17 opposite to the first semiconductor layer 10. A second semiconductor layer 11 having a semiconductor layer 11, an anode electrode 13 formed on a surface 17 of the second semiconductor layer 11, and a surface of the first semiconductor layer 10 opposite to the second semiconductor layer 11. The cathode electrode 14 was formed, the insulating film 15 covering the inner surface of the trench 12 of the second semiconductor layer 11, and the anode electrode 13 embedded in the trench 12 of the second semiconductor layer 11 so as to be covered with the insulating film 15. Has a trench MOS gate 16 in contact with.

トレンチMOS型ショットキーダイオード1においては、アノード電極13とカソード電極14との間に順方向電圧(アノード電極13側が正電位)を印加することにより、第2の半導体層11から見たアノード電極13と第2の半導体層11との界面のエネルギー障壁が低下し、アノード電極13からカソード電極14へ電流が流れる。 In the trench MOS type Schottky diode 1, the anode electrode 13 seen from the second semiconductor layer 11 is formed by applying a forward voltage (positive potential on the anode electrode 13 side) between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14. The energy barrier at the interface between the surface and the second semiconductor layer 11 is lowered, and a current flows from the anode electrode 13 to the cathode electrode 14.

一方、アノード電極13とカソード電極14との間に逆方向電圧(アノード電極13側が負電位)を印加したときは、ショットキー障壁により、電流は流れない。アノード電極13とカソード電極14との間に逆方向電圧を印加すると、アノード電極13と第2の半導体層11との界面及び絶縁膜15と第2の半導体層11との界面から空乏層が拡がる。 On the other hand, when a reverse voltage (negative potential on the anode electrode 13 side) is applied between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, no current flows due to the Schottky barrier. When a reverse voltage is applied between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, the depletion layer spreads from the interface between the anode electrode 13 and the second semiconductor layer 11 and the interface between the insulating film 15 and the second semiconductor layer 11. ..

一般的に、ショットキーダイオードの逆方向リーク電流の上限は1μAとされている。本実施の形態では、1μAのリーク電流が流れるときの逆方向電圧を耐圧と定義する。 Generally, the upper limit of the reverse leakage current of the Schottky diode is 1 μA. In the present embodiment, the reverse voltage when a leak current of 1 μA flows is defined as the withstand voltage.

例えば、“松波弘之、大谷昇、木本恒暢、中村孝著、「半導体SiC技術と応用」、第2版、日刊工業新聞社、2011年9月30日、p.355”に記載された、SiCを半導体層とするショットキーダイオードにおける逆方向リーク電流のショットキー界面電界強度依存性のデータによれば、逆方向リーク電流の電流密度が0.0001A/cmのときのショットキー電極直下の電界強度は、およそ0.8MV/cmである。ここで、0.0001A/cmは、サイズが1mm×1mmであるショットキー電極に1μAの電流が流れたときのショットキー電極直下の電流密度である。 For example, "Hiroyuki Matsunami, Noboru Otani, Tsunenobu Kimoto, Takashi Nakamura," Semiconductor SiC Technology and Applications, "2nd Edition, Nikkan Kogyo Shimbun, September 30, 2011, p. According to the Schottky interface electric field strength dependence data of the reverse leakage current in the Schottky diode having SiC as the semiconductor layer described in 355 ”, the current density of the reverse leakage current is 0.0001 A / cm 2 . The electric field strength immediately below the Schottky electrode is approximately 0.8 MV / cm. Here, 0.0001 A / cm 2 is when a current of 1 μA flows through the Schottky electrode having a size of 1 mm × 1 mm. The current density just below the Schottky electrode.

このため、半導体材料自体の絶縁破壊電界強度が数MV/cmあったとしても、ショットキー電極直下の電界強度が0.8MV/cmを超えると、1μAを超えるリーク電流が流れることになる。 Therefore, even if the dielectric breakdown electric field strength of the semiconductor material itself is several MV / cm, if the electric field strength directly under the shotkey electrode exceeds 0.8 MV / cm, a leak current exceeding 1 μA will flow.

例えば、ショットキー電極直下の電界強度を抑制するための特別な構造を有さない従来のショットキーダイオードにおいて1200Vの耐圧を得るためには、ショットキー電極直下の電界強度を0.8MV/cm以下に抑えるために、半導体層のドナー濃度を1015cm-3台にまで下げ、かつ半導体層を非常に厚くする必要がある。そのため、導通損失が非常に大きくなり、高耐圧かつ低損失のショットキーバリアダイオードを作製することは困難である。 For example, in order to obtain a withstand voltage of 1200 V in a conventional Schottky diode having no special structure for suppressing the electric field strength directly under the Schottky electrode, the electric field strength directly under the Schottky electrode should be 0.8 MV / cm or less. It is necessary to reduce the donor concentration of the semiconductor layer to 10 15 cm -3 units and make the semiconductor layer very thick. Therefore, the conduction loss becomes very large, and it is difficult to manufacture a Schottky barrier diode having a high withstand voltage and a low loss.

本実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオード1は、トレンチMOS構造を有するため、半導体層の抵抗を増加することなく、高い耐圧を得ることができる。すなわち、トレンチMOS型ショットキーダイオード1は、高耐圧かつ低損失のショットキーダイオードである。 Since the trench MOS type Schottky diode 1 according to the present embodiment has a trench MOS structure, a high withstand voltage can be obtained without increasing the resistance of the semiconductor layer. That is, the trench MOS type Schottky diode 1 is a Schottky diode having a high withstand voltage and a low loss.

なお、高耐圧かつ低損失のショットキーダイオードとして、ジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオードが知られているが、p型のGaは製造が困難であるため、Gaはp型領域が必要なJBSダイオードの材料に向いていない。 A junction barrier Schottky (JBS) diode is known as a high withstand voltage and low loss Schottky diode, but since it is difficult to manufacture the p-type Ga 2 O 3 , the Ga 2 O 3 is a p-type. Not suitable for JBS diode materials that require regions.

第1の半導体層10は、ドナーとしてのSi、Sn等のIV族元素を含むn型のGa系単結晶からなる。第1の半導体層10のドナー濃度は、例えば、1.0×1018以上かつ1.0×1020cm-3以下である。第1の半導体層10の厚さTは、例えば、10~600μmである。第1の半導体層10は、例えば、Ga系単結晶基板である。 The first semiconductor layer 10 is composed of an n-type Ga 2 O 3 system single crystal containing Group IV elements such as Si and Sn as donors. The donor concentration of the first semiconductor layer 10 is, for example, 1.0 × 10 18 or more and 1.0 × 10 20 cm -3 or less. The thickness T s of the first semiconductor layer 10 is, for example, 10 to 600 μm. The first semiconductor layer 10 is, for example, a Ga 2 O 3 system single crystal substrate.

ここで、Ga系単結晶とは、Ga単結晶、又は、Al、In等の元素が添加されたGa単結晶をいう。例えば、Al及びInが添加されたGa単結晶である(GaAlIn(1-x-y)(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)単結晶であってもよい。Alを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Inを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。なお、上記のGa単結晶は、例えば、β型の結晶構造を有する。 Here, the Ga 2 O 3 system single crystal means a Ga 2 O 3 single crystal or a Ga 2 O 3 single crystal to which an element such as Al or In is added. For example, it is a Ga 2 O 3 single crystal to which Al and In are added (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 O 3 (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 <x + y). ≦ 1) It may be a single crystal. When Al is added, the bandgap widens, and when In is added, the bandgap narrows. The Ga 2 O 3 single crystal described above has, for example, a β-type crystal structure.

第2の半導体層11は、ドナーとしてのSi、Sn等のIV族元素を含むn型のGa系単結晶からなる。第2の半導体層11は、例えば、Ga系単結晶基板である第1の半導体層10上にエピタキシャル成長したエピタキシャル層である。 The second semiconductor layer 11 is composed of an n-type Ga 2 O 3 system single crystal containing Group IV elements such as Si and Sn as donors. The second semiconductor layer 11 is, for example, an epitaxial layer epitaxially grown on the first semiconductor layer 10 which is a Ga 2 O 3 system single crystal substrate.

なお、第1の半導体層10と第2の半導体層11との間に、高濃度のドナーを含む高ドナー濃度層を形成してもよい。この高ドナー濃度層は、例えば、基板である第1の半導体層10上に第2の半導体層11をエピタキシャル成長させる場合に用いられる。第2の半導体層11の成長初期は、ドーパントの取り込み量が不安定であったり、基板である第1の半導体層10からのアクセプタ不純物の拡散があったりするため、第1の半導体層10上に第2の半導体層11を直接成長させると、第2の半導体層11の第1の半導体層10との界面に近い領域が高抵抗化する場合がある。このような問題を避けるため、高ドナー濃度層が用いられる。高ドナー濃度層の濃度は、例えば、第2の半導体層11よりも高い濃度に設定され、より好ましくは、第1の半導体層10よりも高い濃度に設定される。 A high-concentration layer containing a high-concentration donor may be formed between the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 11. This high donor concentration layer is used, for example, when the second semiconductor layer 11 is epitaxially grown on the first semiconductor layer 10 which is a substrate. At the initial stage of growth of the second semiconductor layer 11, the amount of dopant taken up is unstable and acceptor impurities are diffused from the first semiconductor layer 10 which is a substrate, so that the acceptor impurities are diffused on the first semiconductor layer 10. When the second semiconductor layer 11 is directly grown, the region of the second semiconductor layer 11 near the interface with the first semiconductor layer 10 may have high resistance. To avoid such problems, a high donor concentration layer is used. The concentration of the high donor concentration layer is set, for example, to be higher than that of the second semiconductor layer 11, and more preferably to a concentration higher than that of the first semiconductor layer 10.

第2の半導体層11は、アノード電極13側の上層11aと、第1の半導体層10側の下層11bとから構成される。上層11aは、下層11bよりも高いドナー濃度を有する。また、上層11a及び下層11bのドナー濃度は、第1の半導体層10のドナー濃度よりも低い。 The second semiconductor layer 11 is composed of an upper layer 11a on the anode electrode 13 side and a lower layer 11b on the first semiconductor layer 10 side. The upper layer 11a has a higher donor concentration than the lower layer 11b. Further, the donor concentration of the upper layer 11a and the lower layer 11b is lower than the donor concentration of the first semiconductor layer 10.

第2の半導体層11のドナー濃度が増加するほど、トレンチMOS型ショットキーダイオード1の各部の電界強度が増加する。このため、比較的小さな逆方向電圧が印加されたときでも大きなリーク電流が流れるようになる。すなわち、トレンチMOS型ショットキーダイオード1の耐圧が低下する。 As the donor concentration of the second semiconductor layer 11 increases, the electric field strength of each part of the trench MOS type Schottky diode 1 increases. Therefore, a large leakage current flows even when a relatively small reverse voltage is applied. That is, the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode 1 decreases.

しかしながら、本発明者は、鋭意研究の結果、第2の半導体層11中のトレンチ12が形成された層のドナー濃度は、ある特定の濃度までは増加させてもアノード電極13直下の第2の半導体層11中の(ショットキー界面近傍の)電界強度にほとんど影響がないことを見出した。一方で、第2の半導体層11中のトレンチ12が形成された層のドナー濃度を増加させることにより、第2の半導体層11の電気抵抗が低下してトレンチMOS型ショットキーダイオード1の損失が低減される。 However, as a result of diligent research, the present inventor has found that the donor concentration of the layer in which the trench 12 is formed in the second semiconductor layer 11 is the second concentration directly under the anode electrode 13 even if it is increased to a specific concentration. It has been found that there is almost no effect on the electric field strength (near the Schottky interface) in the semiconductor layer 11. On the other hand, by increasing the donor concentration of the layer in which the trench 12 is formed in the second semiconductor layer 11, the electric resistance of the second semiconductor layer 11 is lowered and the loss of the trench MOS type Schottky diode 1 is reduced. It will be reduced.

このため、第2の半導体層11を上層11aと下層11bに分けて、上層11aのドナー濃度を下層11bのドナー濃度よりも高くすることにより、アノード電極13直下の第2の半導体層11中の(ショットキー界面近傍の)電界強度を0.8MV/cm未満に抑えつつ、トレンチMOS型ショットキーダイオード1の損失を低減することができる。 Therefore, the second semiconductor layer 11 is divided into an upper layer 11a and a lower layer 11b, and the donor concentration of the upper layer 11a is made higher than the donor concentration of the lower layer 11b, so that the second semiconductor layer 11 in the second semiconductor layer 11 directly under the anode electrode 13 The loss of the trench MOS type Schottky diode 1 can be reduced while suppressing the electric field strength (near the Schottky interface) to less than 0.8 MV / cm.

上層11aと下層11bの界面の高さがトレンチ12の底の高さ以上である場合に、上層11aのドナー濃度の増加に伴うショットキー界面近傍の電界強度の増加を効果的に抑えることができる。さらに、上層11aと下層11bの界面の高さがトレンチMOSゲート16の最下部の高さ以上である場合には、より効果的にショットキー界面近傍の電界強度の増加を抑えることができる。 When the height of the interface between the upper layer 11a and the lower layer 11b is equal to or higher than the height of the bottom of the trench 12, it is possible to effectively suppress the increase in the electric field strength near the Schottky interface due to the increase in the donor concentration of the upper layer 11a. .. Further, when the height of the interface between the upper layer 11a and the lower layer 11b is equal to or higher than the height of the lowermost portion of the trench MOS gate 16, it is possible to more effectively suppress the increase in the electric field strength in the vicinity of the Schottky interface.

トレンチMOS型ショットキーダイオード1の耐圧にほとんど影響を与えない第2の半導体層11の上層11aのドナー濃度の範囲の上限値は、隣接するトレンチ12の間の第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wに依存する。このため、幅Wを第2の半導体層11の上層11aのドナー濃度に応じて設定することが好ましい。 The upper limit of the donor concentration range of the upper layer 11a of the second semiconductor layer 11 that has almost no effect on the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode 1 is the mesa shape of the second semiconductor layer 11 between the adjacent trenches 12. It depends on the width W m of the part. Therefore, it is preferable to set the width Wm according to the donor concentration of the upper layer 11a of the second semiconductor layer 11.

第2の半導体層11中のアノード電極13直下の領域中の最大電界強度、第2の半導体層11中の最大電界強度、及び絶縁膜15中の最大電界強度を低く抑えるためには、第2の半導体層11の下層11bのドナー濃度がおよそ6.0×1016cm-3以下であることが好ましい。一方、下層11bのドナー濃度が小さくなるほど第2の半導体層11の抵抗が大きくなり、順方向損失が増加してしまうため、例えば1200V以下の耐圧を得るためには、3.0×1016cm-3以上であることが好ましい。また、より高い耐圧を得るためには、ドナー濃度を例えば1.0×1016cm-3程度まで下げることが好ましい。 In order to keep the maximum electric field strength in the region directly below the anode electrode 13 in the second semiconductor layer 11, the maximum electric field strength in the second semiconductor layer 11, and the maximum electric field strength in the insulating film 15 low, the second It is preferable that the donor concentration of the lower layer 11b of the semiconductor layer 11 of the above is about 6.0 × 10 16 cm -3 or less. On the other hand, as the donor concentration of the lower layer 11b decreases, the resistance of the second semiconductor layer 11 increases and the forward loss increases. Therefore, for example, in order to obtain a withstand voltage of 1200 V or less, 3.0 × 10 16 cm. It is preferably -3 or more. Further, in order to obtain a higher pressure resistance, it is preferable to reduce the donor concentration to, for example, about 1.0 × 10 16 cm -3 .

第2の半導体層11の厚さTが増加するほど、第2の半導体層11中の最大電界強度及び絶縁膜15中の最大電界強度が低減する。第2の半導体層11の厚さTをおよそ6μm以上にすることにより、第2の半導体層11中の最大電界強度及び絶縁膜15中の最大電界強度を効果的に低減することができる。これらの電界強度の低減と、トレンチMOS型ショットキーダイオード1の小型化の観点から、第2の半導体層11の厚さTはおよそ5.5μm以上かつ9μm以下であることが好ましい。 As the thickness Te of the second semiconductor layer 11 increases, the maximum electric field strength in the second semiconductor layer 11 and the maximum electric field strength in the insulating film 15 decrease. By setting the thickness Te of the second semiconductor layer 11 to about 6 μm or more, the maximum electric field strength in the second semiconductor layer 11 and the maximum electric field strength in the insulating film 15 can be effectively reduced. From the viewpoint of reducing the electric field strength and downsizing of the trench MOS type Schottky diode 1, the thickness Te of the second semiconductor layer 11 is preferably about 5.5 μm or more and 9 μm or less.

トレンチ12の深さDによってトレンチMOS型ショットキーダイオード1の各部の電界強度が変化する。第2の半導体層11中のアノード電極13直下の領域中の最大電界強度、第2の半導体層11中の最大電界強度、及び絶縁膜15中の最大電界強度を低く抑えるためには、トレンチ12の深さDがおよそ2μm以上かつ6μm以下であることが好ましく、およそ3μm以上かつ4μm以下であることがより好ましい。また、本明細書では、トレンチ12の幅をWとする。 The electric field strength of each part of the trench MOS type Schottky diode 1 changes depending on the depth Dt of the trench 12. In order to keep the maximum electric field strength in the region directly below the anode electrode 13 in the second semiconductor layer 11, the maximum electric field strength in the second semiconductor layer 11, and the maximum electric field strength in the insulating film 15 low, the trench 12 The depth D t is preferably about 2 μm or more and 6 μm or less, and more preferably about 3 μm or more and 4 μm or less. Further, in the present specification, the width of the trench 12 is defined as Wt .

絶縁膜15の誘電率が増加するほど、絶縁膜15中の最大電界強度が低減するため、絶縁膜15は誘電率が高い材料からなることが好ましい。例えば、絶縁膜15の材料としてAl(比誘電率がおよそ9.3)、HfO(比誘電率がおよそ22)を用いることができるが、誘電率の高いHfOを用いることが特に好ましい。 As the dielectric constant of the insulating film 15 increases, the maximum electric field strength in the insulating film 15 decreases. Therefore, the insulating film 15 is preferably made of a material having a high dielectric constant. For example, Al 2 O 3 (relative permittivity of about 9.3) and HfO 2 (relative permittivity of about 22) can be used as the material of the insulating film 15, but HfO 2 having a high dielectric constant can be used. Especially preferable.

また、絶縁膜15の厚さTが増加するほど、第2の半導体層11中の最大電界強度が低減するが、絶縁膜15中の最大電界強度およびアノード電極13直下の領域中の最大電界強度が増加する。製造容易性の観点からは、絶縁膜15の厚さは小さい方が好ましく、300nm以下であることがより好ましい。ただし、当然ながら、トレンチMOSゲート16と第2の半導体層11の間に直接電流がほとんど流れない程度の厚さは必要である。 Further, as the thickness Ti of the insulating film 15 increases, the maximum electric field strength in the second semiconductor layer 11 decreases, but the maximum electric field strength in the insulating film 15 and the maximum electric field in the region directly under the anode electrode 13 Increases strength. From the viewpoint of ease of manufacture, the thickness of the insulating film 15 is preferably small, and more preferably 300 nm or less. However, as a matter of course, a thickness such that a direct current hardly flows between the trench MOS gate 16 and the second semiconductor layer 11 is required.

トレンチMOSゲート16の材料は、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、高濃度でドーピングされた多結晶Siや、Ni、Au等の金属を用いることができる。 The material of the trench MOS gate 16 is not particularly limited as long as it has conductivity, and for example, polycrystalline Si doped at a high concentration or a metal such as Ni or Au can be used.

トレンチMOS型ショットキーダイオード1中の電界強度は、上述のように、隣接する2つのトレンチ12の間のメサ形状部分の幅、トレンチ12の深さD、絶縁膜15の厚さT等の影響を受けるが、トレンチ12の平面パターンにはほとんど影響を受けない。このため、第2の半導体層11のトレンチ12の平面パターンは特に限定されない。 As described above, the electric field strength in the trench MOS type Schottky diode 1 is the width of the mesa-shaped portion between two adjacent trenches 12, the depth D t of the trench 12, the thickness Ti of the insulating film 15, and the like. However, it is hardly affected by the planar pattern of the trench 12. Therefore, the planar pattern of the trench 12 of the second semiconductor layer 11 is not particularly limited.

図2(a)、(b)は、それぞれトレンチ12の平面パターンの典型例を示す、第2の半導体層11の面17の上面図である。 2 (a) and 2 (b) are top views of the surface 17 of the second semiconductor layer 11, showing typical examples of the planar pattern of the trench 12, respectively.

図2(a)に示されるトレンチ12は、ライン状の平面パターンを有する。図2(b)に示されるトレンチ12は、隣接する2つのトレンチ12の間のメサ形状部分の平面パターンがドット状になるような平面パターンを有する。 The trench 12 shown in FIG. 2A has a linear planar pattern. The trench 12 shown in FIG. 2B has a planar pattern such that the planar pattern of the mesa-shaped portion between two adjacent trenches 12 becomes a dot.

図1に示されるトレンチMOS型ショットキーダイオード1の断面は、図2(a)に示されるトレンチMOS型ショットキーダイオード1においては切断線A-Aに沿った切断面、及び図2(b)に示されるトレンチMOS型ショットキーダイオード1においては切断線B-Bに沿った切断面に相当する。 The cross section of the trench MOS type Schottky diode 1 shown in FIG. 1 is a cut surface along the cutting line AA in the trench MOS type Schottky diode 1 shown in FIG. 2 (a), and FIG. 2 (b). In the trench MOS type Schottky diode 1 shown in the above, it corresponds to a cut surface along the cut line BB.

アノード電極13は、第2の半導体層11とショットキー接触する。アノード電極13は、Pt、Pd、Au、Ni、Ag、Cu、Al、Mo、In、Ti、多結晶Siおよびそれらの酸化物や窒化物、合金等の材料からなる。アノード電極13と第2の半導体層11のショットキー界面の逆方向リーク電流は、アノード電極13と第2の半導体層11との界面の障壁の高さ(バリアハイト)が高いほど小さくなる。一方、バリアハイトが高い金属をアノード電極13に用いた場合、順方向の立ち上がり電圧が上昇するため、順方向損失が増加する。よって、逆方向リーク電流が最大で1μA程度となるバリアハイトを持つ材料を選択することが好ましい。例えば逆方向耐圧が600Vから1200Vの場合、バリアハイトを0.7eV程度とすることで、逆方向リーク電流を1μA程度に抑えたまま、最も順方向損失を低減できる。アノード電極13は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Pt/Au、Pt/Al、Pd/Au、Pd/Al、又はPt/Ti/AuおよびPd/Ti/Auを有してもよい。 The anode electrode 13 makes Schottky contact with the second semiconductor layer 11. The anode electrode 13 is made of materials such as Pt, Pd, Au, Ni, Ag, Cu, Al, Mo, In, Ti, polycrystalline Si and their oxides, nitrides and alloys. The reverse leakage current at the Schottky interface between the anode electrode 13 and the second semiconductor layer 11 decreases as the height of the barrier at the interface between the anode electrode 13 and the second semiconductor layer 11 (barrier height) increases. On the other hand, when a metal having a high barrier height is used for the anode electrode 13, the rising voltage in the forward direction increases, so that the forward loss increases. Therefore, it is preferable to select a material having a barrier height such that the reverse leakage current is about 1 μA at the maximum. For example, when the reverse withstand voltage is 600 V to 1200 V, by setting the barrier height to about 0.7 eV, the forward loss can be reduced most while keeping the reverse leakage current to about 1 μA. The anode electrode 13 may have a multilayer structure in which different metal films are laminated, for example, Pt / Au, Pt / Al, Pd / Au, Pd / Al, or Pt / Ti / Au and Pd / Ti / Au. ..

カソード電極14は、第1の半導体層10とオーミック接触する。カソード電極14は、Ti等の金属からなる。カソード電極14は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Ti/Au又はTi/Al、を有してもよい。カソード電極14と第1の半導体層10を確実にオーミック接触させるため、カソード電極14の第1の半導体層10と接触する層がTiからなることが好ましい。 The cathode electrode 14 makes ohmic contact with the first semiconductor layer 10. The cathode electrode 14 is made of a metal such as Ti. The cathode electrode 14 may have a multilayer structure in which different metal films are laminated, for example, Ti / Au or Ti / Al. In order to ensure ohmic contact between the cathode electrode 14 and the first semiconductor layer 10, it is preferable that the layer in contact with the first semiconductor layer 10 of the cathode electrode 14 is made of Ti.

図3は、トレンチMOS型ショットキーダイオード1の変形例の垂直断面図である。図3に示されるように、トレンチMOS型ショットキーダイオード1は、フィールドプレート構造を有してもよい。 FIG. 3 is a vertical sectional view of a modified example of the trench MOS type Schottky diode 1. As shown in FIG. 3, the trench MOS type Schottky diode 1 may have a field plate structure.

図3に示される変形例においては、第2の半導体層11の面17の縁に沿って、SiO等からなる誘電体膜18が設けられ、その誘電体膜18の上にアノード電極13の縁が乗り上げている。 In the modification shown in FIG. 3, a dielectric film 18 made of SiO 2 or the like is provided along the edge of the surface 17 of the second semiconductor layer 11, and the anode electrode 13 is placed on the dielectric film 18. The edge is riding up.

このようなフィールドプレート構造を設けることにより、アノード電極13の端部への電界集中を抑制することができる。また、誘電体膜18は、第2の半導体層11の面17を流れる表面リーク電流を抑制するパッシベーション膜としても機能する。なお、フィールドプレート構造の有無は、上記のトレンチMOS型ショットキーダイオード1の構造における各パラメータ(メサ形状部分の幅W、トレンチ12の深さD、絶縁膜15の厚さT等)の最適値には影響を与えない。 By providing such a field plate structure, it is possible to suppress electric field concentration on the end portion of the anode electrode 13. The dielectric film 18 also functions as a passivation film that suppresses a surface leakage current flowing through the surface 17 of the second semiconductor layer 11. The presence or absence of the field plate structure is determined by each parameter in the structure of the trench MOS type Schottky diode 1 (width W m of the mesa-shaped portion, depth D t of the trench 12, thickness Ti of the insulating film 15, etc.). Does not affect the optimum value of.

〔第2の実施の形態〕
第2の実施の形態は、絶縁膜15を構成する絶縁体とは別の絶縁体がトレンチの底部に埋め込まれる点において、第1の実施の形態と異なる。なお、第1の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
[Second Embodiment]
The second embodiment differs from the first embodiment in that an insulator different from the insulator constituting the insulating film 15 is embedded in the bottom of the trench. The same points as in the first embodiment will be omitted or simplified.

(トレンチMOS型ショットキーダイオードの構成)
図4は、第2の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオード2の垂直断面図である。
(Structure of trench MOS type Schottky diode)
FIG. 4 is a vertical sectional view of the trench MOS type Schottky diode 2 according to the second embodiment.

トレンチMOS型ショットキーダイオード2の第2の半導体層11は、面17に開口するトレンチ21を有する。トレンチ21の底部には絶縁体22が埋め込まれ、絶縁膜15は、絶縁体22の上面とトレンチ21の内側側面を覆う。トレンチMOSゲート16は、トレンチ21内に絶縁膜15に覆われるように埋め込まれている。 The second semiconductor layer 11 of the trench MOS type Schottky diode 2 has a trench 21 that opens to the surface 17. An insulator 22 is embedded in the bottom of the trench 21, and the insulating film 15 covers the upper surface of the insulator 22 and the inner side surface of the trench 21. The trench MOS gate 16 is embedded in the trench 21 so as to be covered with the insulating film 15.

例えば、トレンチ21の底部に絶縁体22を埋め込んだ後、エッチングにより絶縁体22の上部をラウンド状に削り、トレンチ12を形成する。そして、トレンチ12内に絶縁膜15及びトレンチMOSゲート16を形成する。トレンチ21の底面は平坦であってもよいし、トレンチ12のようにラウンドしていてもよい。 For example, after embedding the insulator 22 in the bottom of the trench 21, the upper part of the insulator 22 is cut into a round shape by etching to form the trench 12. Then, the insulating film 15 and the trench MOS gate 16 are formed in the trench 12. The bottom surface of the trench 21 may be flat or may be rounded like the trench 12.

絶縁体22は、絶縁膜15よりも誘電率の低い絶縁体からなる。このため、アノード電極13とカソード電極14の間に電圧を印加したときに、絶縁膜15に印加される電界よりも絶縁体22に印加される電界の方が大きくなる。 The insulator 22 is made of an insulator having a dielectric constant lower than that of the insulating film 15. Therefore, when a voltage is applied between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, the electric field applied to the insulator 22 is larger than the electric field applied to the insulating film 15.

第1の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオード1において、絶縁膜15中で最も電界強度が高くなる領域は、トレンチ12の底部近傍の領域である。また、第2の半導体層11中で最も電界強度が高くなる領域は、トレンチ12の直下の領域である。 In the trench MOS type Schottky diode 1 according to the first embodiment, the region where the electric field strength is highest in the insulating film 15 is a region near the bottom of the trench 12. Further, the region having the highest electric field strength in the second semiconductor layer 11 is a region directly below the trench 12.

第2の実施の形態に係る絶縁体22を設けることにより、絶縁膜15中のトレンチ12の底部近傍の領域における電界強度、及び第2の半導体層11中のトレンチ12の直下の領域における電界強度を低減することができる。すなわち、絶縁膜15中の最大電界強度及び第2の半導体層11中の最大電界強度を低減することができる。 By providing the insulator 22 according to the second embodiment, the electric field strength in the region near the bottom of the trench 12 in the insulating film 15 and the electric field strength in the region directly below the trench 12 in the second semiconductor layer 11 Can be reduced. That is, the maximum electric field strength in the insulating film 15 and the maximum electric field strength in the second semiconductor layer 11 can be reduced.

絶縁体22の材料として、SiO(比誘電率がおよそ4)等の誘電率が低い材料を用いることが好ましい。絶縁膜15の最下部の直下における絶縁体22の厚さTは、およそ200nm以上であることが好ましい。絶縁体22は、トレンチ12と同じ平面パターンを有し、典型的には、トレンチ12の幅Wとほぼ等しい幅を有する。 As the material of the insulator 22, it is preferable to use a material having a low dielectric constant such as SiO 2 (relative permittivity is about 4). The thickness T b of the insulator 22 immediately below the lowermost portion of the insulating film 15 is preferably about 200 nm or more. The insulator 22 has the same planar pattern as the trench 12, typically having a width approximately equal to the width Wt of the trench 12.

トレンチMOS型ショットキーダイオード2においては、上層11aと下層11bの界面の高さがトレンチ21の底の高さ以上である場合に、上層11aのドナー濃度の増加に伴うショットキー界面近傍の電界強度の増加を効果的に抑えることができる。さらに、上層11aと下層11bの界面の高さがトレンチMOSゲート16の最下部の高さ以上である場合には、より効果的にショットキー界面近傍の電界強度の増加を抑えることができる。 In the trench MOS type Schottky diode 2, when the height of the interface between the upper layer 11a and the lower layer 11b is equal to or higher than the height of the bottom of the trench 21, the electric field strength in the vicinity of the Schottky interface as the donor concentration of the upper layer 11a increases. Can be effectively suppressed. Further, when the height of the interface between the upper layer 11a and the lower layer 11b is equal to or higher than the height of the lowermost portion of the trench MOS gate 16, it is possible to more effectively suppress the increase in the electric field strength in the vicinity of the Schottky interface.

(実施の形態の効果)
上記第1、2の実施の形態によれば、トレンチが形成されるGaからなる半導体層を上層と下層に分け、上層のドナー濃度を下層のドナー濃度よりも高くすることにより、高耐圧かつ低損失のトレンチMOS型ショットキーダイオードを提供することができる。
(Effect of embodiment)
According to the first and second embodiments, the semiconductor layer made of Ga 2 O 3 in which the trench is formed is divided into an upper layer and a lower layer, and the donor concentration in the upper layer is higher than the donor concentration in the lower layer. It is possible to provide a trench MOS type Schottky diode having a withstand voltage and a low loss.

シミュレーションにより、第1の実施の形態に係るトレンチMOS型ショットキーダイオード1の構造において、第2の半導体層11を上層11aと下層11bに分けることによる効果を調べた。 By simulation, in the structure of the trench MOS type Schottky diode 1 according to the first embodiment, the effect of dividing the second semiconductor layer 11 into an upper layer 11a and a lower layer 11b was investigated.

以下に、例として、トレンチMOS型ショットキーダイオード1の耐圧を1200Vに設定する場合と、600Vに設定する場合の評価結果を述べる。 Below, as an example, the evaluation results when the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode 1 is set to 1200 V and when it is set to 600 V will be described.

(耐圧を1200Vに設定する場合)
トレンチMOS型ショットキーダイオード1の耐圧を1200Vに設定する場合、第2の半導体層11とアノード電極13との間に形成されるショットキー接合のバリアハイトが0.7eVであるとすると、リーク電流を抑えるため、アノード電極13の直下の電界強度は0.4MV/cm以下であることが求められる。
(When the withstand voltage is set to 1200V)
When the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode 1 is set to 1200 V, assuming that the barrier height of the Schottky junction formed between the second semiconductor layer 11 and the anode electrode 13 is 0.7 eV, a leak current is generated. In order to suppress this, the electric current strength directly under the anode electrode 13 is required to be 0.4 MV / cm or less.

この条件を満たすために、隣接するトレンチ12の間の第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wを第2の半導体層11の上層11aのドナー濃度に応じて設定する。例えば、上層11aのドナー濃度が4.5×1016cm-3の場合は幅Wを1.4μm以下に設定し、上層11aのドナー濃度が6.0×1016cm-3の場合は幅Wを1.0μm以下に設定し、上層11aのドナー濃度が9.0×1016cm-3の場合は幅Wを0.7μm以下に設定し、上層11aのドナー濃度が1.2×1017cm-3の場合は幅Wを0.5μm以下に設定する。 In order to satisfy this condition, the width Wm of the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer 11 between the adjacent trenches 12 is set according to the donor concentration of the upper layer 11a of the second semiconductor layer 11. For example, when the donor concentration of the upper layer 11a is 4.5 × 10 16 cm -3 , the width W m is set to 1.4 μm or less, and when the donor concentration of the upper layer 11a is 6.0 × 10 16 cm -3 , the width W m is set to 1.4 μm or less. When the width W m is set to 1.0 μm or less and the donor concentration of the upper layer 11a is 9.0 × 10 16 cm -3 , the width W m is set to 0.7 μm or less and the donor concentration of the upper layer 11a is 1. In the case of 2 × 10 17 cm -3 , set the width W m to 0.5 μm or less.

また、このときの第2の半導体層11の下層11bのドナー濃度及び厚さは、例えば、それぞれ3×1016cm-3、4.0μmに設定すればよい。 Further, the donor concentration and the thickness of the lower layer 11b of the second semiconductor layer 11 at this time may be set to, for example, 3 × 10 16 cm -3 , 4.0 μm, respectively.

図5は、上述の2層構造の第2の半導体層11を有するトレンチMOS型ショットキーダイオード1(以下、実施例1と呼ぶ)と、第2の半導体層11の代わりに単層の半導体層を有する比較例としてのトレンチMOS型ショットキーダイオード(以下、比較例1と呼ぶ)の順方向特性を示すグラフである。 FIG. 5 shows a trench MOS type Schottky diode 1 (hereinafter referred to as Example 1) having the second semiconductor layer 11 having the above-mentioned two-layer structure, and a single-layer semiconductor layer instead of the second semiconductor layer 11. It is a graph which shows the forward direction characteristic of the trench MOS type Schottky diode (hereinafter, referred to as a comparative example 1) as a comparative example which has.

ここで、実施例1について、上層11aのドナー濃度、厚さをそれぞれ6.0×1016cm-3、3μm、下層11bのドナー濃度、厚さをそれぞれ3.0×1016cm-3、4μm、トレンチ12の幅Wを0.5μm、第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wを1μmと設定した。また、比較例1について、第2の半導体層11の代わりの単層の半導体層のドナー濃度、厚さをそれぞれ3.0×1016cm-3、7μm、トレンチ12の幅Wを1.0μm、第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wを2μmと設定した。また、実施例1、比較例1のいずれについても、ショットキー接合のバリアハイトを0.7eV、トレンチ12の深さDを3μm、絶縁膜15を厚さが50nmのHfO膜と設定した。 Here, for Example 1, the donor concentration and thickness of the upper layer 11a are 6.0 × 10 16 cm -3 , 3 μm, respectively, and the donor concentration and thickness of the lower layer 11b are 3.0 × 10 16 cm -3 , respectively. The width Wt of the trench 12 was set to 4 μm, the width Wt of the trench 12 was set to 0.5 μm , and the width Wm of the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer 11 was set to 1 μm. Further, in Comparative Example 1, the donor concentration and thickness of the single-layer semiconductor layer instead of the second semiconductor layer 11 were 3.0 × 10 16 cm -3 , 7 μm, respectively, and the width Wt of the trench 12 was 1. The width Wm of the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer 11 was set to 0 μm and set to 2 μm. In both Example 1 and Comparative Example 1, the barrier height of the Schottky junction was set to 0.7 eV, the depth Dt of the trench 12 was set to 3 μm, and the insulating film 15 was set to an HfO 2 film having a thickness of 50 nm.

図5は、実施例1の方が比較例1よりもオン抵抗が小さいことを示している。このことから、第2の半導体層11を上層11aと下層11bに分け、上層11aのドナー濃度を下層11bのドナー濃度よりも高くすることにより、オン抵抗が低減されることが確認された。 FIG. 5 shows that Example 1 has a smaller on-resistance than Comparative Example 1. From this, it was confirmed that the on-resistance was reduced by dividing the second semiconductor layer 11 into the upper layer 11a and the lower layer 11b and making the donor concentration of the upper layer 11a higher than the donor concentration of the lower layer 11b.

(耐圧を600Vに設定する場合)
トレンチMOS型ショットキーダイオード1の耐圧を600Vに設定する場合、第2の半導体層11とアノード電極13との間に形成されるショットキー接合のバリアハイトが0.7eVであるとすると、耐圧を1200Vに設計する場合と同様に、アノード電極13の直下の電界強度は0.4MV/cm以下であることが求められる。
(When setting the withstand voltage to 600V)
When the withstand voltage of the trench MOS type Schottky diode 1 is set to 600 V, assuming that the barrier height of the Schottky junction formed between the second semiconductor layer 11 and the anode electrode 13 is 0.7 eV, the withstand voltage is 1200 V. As in the case of designing, the electric field strength directly under the anode electrode 13 is required to be 0.4 MV / cm or less.

この条件を満たすために、隣接するトレンチ12の間の第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wを第2の半導体層11の上層11aのドナー濃度に応じて設定する。例えば、上層11aのドナー濃度が9.0×1016cm-3の場合は幅Wを1.4μm以下に設定し、上層11aのドナー濃度が1.2×1017cm-3の場合は幅Wを1.0μm以下に設定し、上層11aのドナー濃度が1.89×1017cm-3の場合は幅Wを0.67μm以下に設定し、上層11aのドナー濃度が2.4×1017cm-3の場合は幅Wを0.5μm以下に設定する。 In order to satisfy this condition, the width Wm of the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer 11 between the adjacent trenches 12 is set according to the donor concentration of the upper layer 11a of the second semiconductor layer 11. For example, when the donor concentration of the upper layer 11a is 9.0 × 10 16 cm -3 , the width W m is set to 1.4 μm or less, and when the donor concentration of the upper layer 11a is 1.2 × 10 17 cm -3 , the width W m is set to 1.4 μm or less. When the width W m is set to 1.0 μm or less and the donor concentration of the upper layer 11a is 1.89 × 10 17 cm -3 , the width W m is set to 0.67 μm or less and the donor concentration of the upper layer 11a is 2. In the case of 4 × 10 17 cm -3 , set the width W m to 0.5 μm or less.

また、このときの第2の半導体層11の下層11bのドナー濃度及び厚さは、例えば、それぞれ3×1016cm-3、1.5μmに設定すればよい。 Further, the donor concentration and thickness of the lower layer 11b of the second semiconductor layer 11 at this time may be set to, for example, 3 × 10 16 cm -3 and 1.5 μm, respectively.

図6は、上述の2層構造の第2の半導体層11を有するトレンチMOS型ショットキーダイオード1(以下、実施例2と呼ぶ)と、第2の半導体層11の代わりに単層の半導体層を有する比較例としてのトレンチMOS型ショットキーダイオード(以下、比較例2と呼ぶ)の順方向特性を示すグラフである。 FIG. 6 shows a trench MOS type Schottky diode 1 (hereinafter referred to as Example 2) having the second semiconductor layer 11 having the above-mentioned two-layer structure, and a single-layer semiconductor layer instead of the second semiconductor layer 11. It is a graph which shows the forward direction characteristic of the trench MOS type Schottky diode (hereinafter, referred to as a comparative example 2) as a comparative example which has.

ここで、実施例2について、上層11aのドナー濃度、厚さをそれぞれ1.2×1017cm-3、3μm、下層11bのドナー濃度、厚さをそれぞれ3.0×1016cm-3、1.5μm、トレンチ12の幅Wを0.5μm、第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wを1μmと設定した。また、比較例2について、第2の半導体層11の代わりの単層の半導体層のドナー濃度、厚さをそれぞれ3.0×1016cm-3、4.5μm、トレンチ12の幅Wを1.0μm、第2の半導体層11のメサ形状部分の幅Wを2μmと設定した。また、実施例2、比較例2のいずれについても、ショットキー接合のバリアハイトを0.7eV、トレンチ12の深さDを3μm、絶縁膜15を厚さが50nmのHfO膜と設定した。 Here, for Example 2, the donor concentration and thickness of the upper layer 11a are 1.2 × 10 17 cm -3 , 3 μm, respectively, and the donor concentration and thickness of the lower layer 11b are 3.0 × 10 16 cm -3 , respectively. The width Wt of the trench 12 was set to 1.5 μm, the width Wt of the trench 12 was set to 0.5 μm , and the width Wm of the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer 11 was set to 1 μm. Further, in Comparative Example 2, the donor concentration and thickness of the single-layer semiconductor layer instead of the second semiconductor layer 11 were 3.0 × 10 16 cm -3 and 4.5 μm, respectively, and the width Wt of the trench 12 was set. The width Wm of the mesa-shaped portion of the second semiconductor layer 11 was set to 1.0 μm and 2 μm. In both Example 2 and Comparative Example 2, the barrier height of the Schottky junction was set to 0.7 eV, the depth Dt of the trench 12 was set to 3 μm, and the insulating film 15 was set to an HfO 2 film having a thickness of 50 nm.

図6は、実施例2の方が比較例2よりもオン抵抗が小さいことを示している。このことから、第2の半導体層11を上層11aと下層11bに分け、上層11aのドナー濃度を下層11bのドナー濃度よりも高くすることにより、オン抵抗が低減されることが確認された。 FIG. 6 shows that Example 2 has a smaller on-resistance than Comparative Example 2. From this, it was confirmed that the on-resistance was reduced by dividing the second semiconductor layer 11 into the upper layer 11a and the lower layer 11b and making the donor concentration of the upper layer 11a higher than the donor concentration of the lower layer 11b.

以上、本発明の実施の形態、実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be carried out within a range that does not deviate from the gist of the invention.

また、上記に記載した実施の形態、実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態、実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Further, the embodiments and examples described above do not limit the invention according to the claims. It should also be noted that not all combinations of embodiments and features described in the examples are essential to the means for solving the problems of the invention.

1、2…トレンチMOS型ショットキーダイオード、 10…第1の半導体層、 11…第2の半導体層、 11a…上層、 11b…下層、 12、21…トレンチ、 13…アノード電極、 14…カソード電極、 15、22…絶縁膜、 16…トレンチMOSゲート

1, 2 ... Trench MOS type Schottky diode, 10 ... First semiconductor layer, 11 ... Second semiconductor layer, 11a ... Upper layer, 11b ... Lower layer, 12, 21 ... Trench, 13 ... Anode electrode, 14 ... Cathode electrode , 15, 22 ... Insulation film, 16 ... Trench MOS gate

Claims (2)

β型のGa系単結晶からなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層に積層される層であって、その前記第1の半導体層と反対側の面に開口する複数のトレンチを有する、β型のGa系単結晶からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の前記第1の半導体層と反対側の面上に形成されたアノード電極と、
前記第1の半導体層の前記第2の半導体層と反対側の面上に形成されたカソード電極と、
前記第2の半導体層の前記トレンチの内面を覆う絶縁膜と、
前記第2の半導体層の前記トレンチ内に前記絶縁膜に覆われるように埋め込まれ、前記アノード電極に接触するトレンチMOSゲートと、
を有し、
前記第2の半導体層が、前記第1の半導体層側の下層と、前記下層よりも高いドナー濃度を有する、前記アノード電極側の上層とから構成され、
1μAのリーク電流が流れるときの逆方向電圧が600V以上1200V以下である、
トレンチMOS型ショットキーダイオード。
A first semiconductor layer made of β-type Ga 2 O 3 series single crystal,
A second layer composed of a β-type Ga 2 O 3 system single crystal, which is a layer laminated on the first semiconductor layer and has a plurality of trenches opening on a surface opposite to the first semiconductor layer. Semiconductor layer and
An anode electrode formed on the surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer,
A cathode electrode formed on a surface of the first semiconductor layer opposite to the second semiconductor layer,
An insulating film covering the inner surface of the trench of the second semiconductor layer and
A trench MOS gate embedded in the trench of the second semiconductor layer so as to be covered with the insulating film and in contact with the anode electrode, and
Have,
The second semiconductor layer is composed of a lower layer on the first semiconductor layer side and an upper layer on the anode electrode side having a higher donor concentration than the lower layer.
The reverse voltage when a leak current of 1 μA flows is 600 V or more and 1200 V or less.
Trench MOS type Schottky diode.
前記第2の半導体層と前記アノード電極との間に形成されるショットキー接合のバリアハイトが0.7eV以上であり、
前記上層のドナー濃度が4.5×1016cm-3以上、2.4×1017cm-3以下であり、
隣接する前記トレンチの間の前記第2の半導体層のメサ形状部分が、前記第2の半導体層の前記上層のドナー濃度に応じた1.4μm以下の幅を有する、
請求項1に記載のトレンチMOS型ショットキーダイオード。
The barrier height of the Schottky junction formed between the second semiconductor layer and the anode electrode is 0.7 eV or more.
The donor concentration in the upper layer is 4.5 × 10 16 cm -3 or more and 2.4 × 10 17 cm -3 or less.
The mesa-shaped portion of the second semiconductor layer between the adjacent trenches has a width of 1.4 μm or less depending on the donor concentration of the upper layer of the second semiconductor layer.
The trench MOS type Schottky diode according to claim 1.
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