JP2023010539A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、半導体装置に関する。 The present disclosure relates to semiconductor devices.
特許文献1は、半導体SiCからなり、アクティブ領域の周囲にターミネーション領域を有し、前記ターミネーション領域の表面上がパッシベーション膜によって覆われる半導体装置において、前記パッシベーション膜は、前記ターミネーション領域の表面に接する第1酸化シリコン膜と、前記第1酸化シリコン膜上に積層され、前記第1酸化シリコン膜に接する第2酸化シリコン膜と、前記第2酸化シリコン膜上に積層され、前記第2酸化シリコン膜に接する第3酸化シリコン膜と、を備えることを特徴とする半導体装置、を開示している。同文献は、半導体装置は、前記ターミネーション領域はFLR(フィールドリミティングリング)構造を有し得ることを開示している。
n型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置において、p型酸化ニッケル半導体層を周辺耐圧構造に採用することができる。しかしながら、p型酸化ニッケル半導体層は、アクセプタ密度を低減することが困難である。そのため、電極層と接するp型酸化ニッケル半導体層の外周端部に電界が集中し、絶縁破壊が生じやすい。 In a semiconductor device in which an n-type gallium oxide semiconductor layer and an electrode layer form a Schottky junction, a p-type nickel oxide semiconductor layer can be employed in a peripheral breakdown voltage structure. However, it is difficult to reduce the acceptor density of the p-type nickel oxide semiconductor layer. Therefore, the electric field concentrates on the outer peripheral edge of the p-type nickel oxide semiconductor layer in contact with the electrode layer, and dielectric breakdown is likely to occur.
したがって、n型酸化ガリウム半導体と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置において、絶縁破壊の抑制、すなわち耐圧性の向上が求められている。 Therefore, in a semiconductor device in which an n-type gallium oxide semiconductor and an electrode layer form a Schottky junction, suppression of dielectric breakdown, that is, improvement in withstand voltage is required.
本開示は、高い耐圧性を有する、n型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device having a high withstand voltage and in which an n-type gallium oxide semiconductor layer and an electrode layer form a Schottky junction.
本発明者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した:
《態様1》
中央領域及び前記中央領域よりもドナー密度が低い周辺領域を有している、n型酸化ガリウム半導体層、
前記n型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記中央領域において、前記n型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している、電極層、並びに
前記n型酸化ガリウム半導体層と前記電極層との間に部分的に位置するようにして前記n型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記周辺領域側の外周端部が前記周辺領域にある、第1のp型酸化ニッケル半導体層
を有している、半導体装置。
《態様2》
前記周辺領域におけるドナー密度は、5.0×1015cm-3以下である、態様1に記載の半導体装置。
《態様3》
前記中央領域におけるドナー密度は、1.0×1016cm-3以上である、態様1又は2に記載の半導体装置。
《態様4》
積層方向から見たときに、前記第1のp型酸化ニッケル半導体層は、前記中央領域と前記周辺領域とを跨るようにして位置する、態様1~3のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様5》
前記n型酸化ガリウム半導体層の前記中央領域の厚さをtとし、かつ前記第1のp型酸化ニッケル半導体層のうち、前記中央領域にある部分の幅をxとしたときに、x/t>0.50である、態様4に記載の半導体装置。
《態様6》
前記ドナーは、Sn又はSiである、態様1~5のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様7》
前記周辺領域は、アクセプタがドープされていることによって、前記中央領域よりもドナー密度が低い、態様1~6のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様8》
前記アクセプタは、N又はMgである、態様7に記載の半導体装置。
《態様9》
前記n型酸化ガリウム半導体層の前記第1のp型酸化ニッケル半導体層が積層されている側の前記周辺領域に、互いに前記中央領域から前記周辺領域に向かう方向に間隔を有するようにして、複数の第2のp型酸化ニッケル半導体層を有している、態様1~8のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様10》
前記n型酸化ガリウム半導体層は、前記第1のp型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第2のp型酸化ニッケル半導体層が積層されている側に複数のトレンチ構造を有しており、
前記第1のp型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第2のp型酸化ニッケル半導体層は、それぞれ前記トレンチ構造の凹部内に積層されている、
態様9に記載の半導体装置。
《態様11》
pnダイオード、JBSダイオード、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、又は接合型電界効果トランジスタである、態様1~10のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様12》
イオン照射又は酸素雰囲気下での加熱で前記ドナー密度を低下させることによって、前記n型酸化ガリウム半導体層の前記周辺領域を形成することを含む、態様1~11のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
《態様13》
前記イオン照射において、アクセプタ元素、水素、又はヘリウムのイオンを照射する、態様12に記載の方法。
《態様14》
前記イオン照射の後に、前記n型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行う、態様12又は13に記載の方法。
《態様15》
前記イオン照射の後に、前記n型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行わない、態様12又は13に記載の方法。
The inventors have found that the above objects can be achieved by the following means:
<<
an n-type gallium oxide semiconductor layer having a central region and a peripheral region having a lower donor density than the central region;
an electrode layer stacked on the n-type gallium oxide semiconductor layer and forming a Schottky junction with the n-type gallium oxide semiconductor layer in the central region when viewed in the stacking direction; laminated on the n-type gallium oxide semiconductor layer so as to be partially located between the n-type gallium oxide semiconductor layer and the electrode layer, and when viewed from the lamination direction, the peripheral region a semiconductor device having a first p-type nickel oxide semiconductor layer, the outer peripheral edge of which is located in the peripheral region.
<<
The semiconductor device according to
<<
The semiconductor device according to
<<
The semiconductor device according to any one of
<<
When the thickness of the central region of the n-type gallium oxide semiconductor layer is t, and the width of the portion of the first p-type nickel oxide semiconductor layer located in the central region is x, x/t >0.50.
<<Aspect 6>>
The semiconductor device according to any one of
<<Aspect 7>>
7. The semiconductor device according to any one of
<<Aspect 8>>
The semiconductor device according to aspect 7, wherein the acceptor is N or Mg.
<<Aspect 9>>
In the peripheral region on the side of the n-type gallium oxide semiconductor layer on which the first p-type nickel oxide semiconductor layer is laminated, a plurality of The semiconductor device according to any one of
<<
The n-type gallium oxide semiconductor layer has a plurality of trench structures on the side where the first p-type nickel oxide semiconductor layer and the plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers are laminated,
The first p-type nickel oxide semiconductor layer and the plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers are respectively stacked in recesses of the trench structure,
The semiconductor device according to aspect 9.
<<
The semiconductor device according to any one of
<<Aspect 12>>
The semiconductor according to any one of
<<
13. The method according to aspect 12, wherein ions of an acceptor element, hydrogen, or helium are irradiated in the ion irradiation.
<<
14. The method according to
<<
14. The method according to
本開示によれば、高い耐圧性を有する、n型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a semiconductor device having high withstand voltage and having a Schottky junction between an n-type gallium oxide semiconductor layer and an electrode layer.
以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail. It should be noted that the present disclosure is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the disclosure.
本開示の半導体装置は、中央領域及び中央領域よりもドナー密度が低い周辺領域を有している、n型酸化ガリウム半導体層、n型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、中央領域において、n型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している、電極層、並びにn型酸化ガリウム半導体層と電極層との間に部分的に位置するようにしてn型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、周辺領域側の外周端部が周辺領域にある、第1のp型酸化ニッケル半導体層を有している。 A semiconductor device according to the present disclosure includes an n-type gallium oxide semiconductor layer having a central region and a peripheral region having a lower donor density than the central region, and is stacked on the n-type gallium oxide semiconductor layer and in the stacking direction. the electrode layer forming a Schottky junction with the n-type gallium oxide semiconductor layer in the central region when viewed from above, and partially located between the n-type gallium oxide semiconductor layer and the electrode layer. and a first p-type nickel oxide semiconductor layer stacked on the n-type gallium oxide semiconductor layer, and having an outer peripheral edge on the peripheral region side in the peripheral region when viewed in the stacking direction there is
n型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置において、p型酸化ニッケル半導体層を周辺耐圧構造に採用した場合、絶縁破壊が生じやすい。これは、p型酸化ニッケル半導体層は、アクセプタ密度を低減することが困難であるため、電極層と接するp型酸化ニッケル半導体層の外周端部に電界が集中しやすいことによる。 In a semiconductor device in which an n-type gallium oxide semiconductor layer and an electrode layer form a Schottky junction, if a p-type nickel oxide semiconductor layer is used for the peripheral voltage resistance structure, dielectric breakdown is likely to occur. This is because it is difficult to reduce the acceptor density of the p-type nickel oxide semiconductor layer, so that the electric field tends to concentrate on the outer peripheral edge of the p-type nickel oxide semiconductor layer in contact with the electrode layer.
本開示の半導体装置は、積層方向から見たときに、第1のp型酸化ニッケル半導体層の周辺領域側の外周端部が、n型酸化ガリウム半導体層の周辺領域にある。この周辺領域は、中央領域よりもドナー密度が低い。これにより、電極層と接する第1のp型酸化ニッケル半導体層の外周端部における電界の集中が抑制される。したがって、本開示の半導体装置は、絶縁破壊が抑制される。 In the semiconductor device of the present disclosure, when viewed from the stacking direction, the peripheral edge of the first p-type nickel oxide semiconductor layer on the side of the peripheral region is in the peripheral region of the n-type gallium oxide semiconductor layer. This peripheral region has a lower donor density than the central region. This suppresses concentration of an electric field at the outer peripheral edge of the first p-type nickel oxide semiconductor layer in contact with the electrode layer. Therefore, dielectric breakdown is suppressed in the semiconductor device of the present disclosure.
図1は、本開示の第1の実施形態に従う半導体装置1の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a
図1に示すように、本開示の第1の実施形態に従う半導体装置1は、中央領域11及び中央領域11よりもドナー密度が低い周辺領域13を有している、n型酸化ガリウム半導体層10、n型酸化ガリウム半導体層10の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、中央領域11において、n型酸化ガリウム半導体層10とショットキー接合を形成している、第1の電極層20、並びにn型酸化ガリウム半導体層10と第1の電極層20との間に部分的に位置するようにしてn型酸化ガリウム半導体層10の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、周辺領域13側の外周端部が周辺領域13にある、第1のp型酸化ニッケル半導体層40を有している。
As shown in FIG. 1, a
また、本開示の第1の実施形態に従う半導体装置1は、n型酸化ガリウム半導体層10の面のうち、第1の電極層20が積層されていない側の面上に、第2の電極層30が積層されている。なお、第2の電極層30は、n型酸化ガリウム半導体層10とオーミック接合を形成している。
In the
なお、図1における「C」は、中央領域側、「O」は、周辺領域側を示している。なお、「中央領域側C」及び「周辺領域側O」は、方向を示すにすぎず、ある構成要素の「中央領域側C」は、必ずしも積層方向から見たときにn型酸化ガリウム半導体層10の中央領域と重なることを意味するものではない。「周辺領域側O」についても同様である。 In addition, "C" in FIG. 1 indicates the central region side, and "O" indicates the peripheral region side. Note that “central region side C” and “peripheral region side O” merely indicate directions, and the “central region side C” of a certain component does not necessarily correspond to the n-type gallium oxide semiconductor layer when viewed from the stacking direction. It is not meant to overlap with 10 central regions. The same applies to the "peripheral area side O".
本開示の第1の実施形態に従う半導体装置1は、積層方向から見たときに、第1のp型酸化ニッケル半導体層40のうち周辺領域側Oの外周端部が、n型酸化ガリウム半導体層10の周辺領域13にある。ここで、周辺領域13は、中央領域11よりもドナー密度が低い。これにより、第1の電極層20と接する第1のp型酸化ニッケル半導体層40の外周端部における電界の集中が抑制される。したがって、本開示の第1の実施形態に従う半導体装置1は、絶縁破壊が抑制される。
In the
なお、図1は、本開示の半導体装置を限定する趣旨ではない。 Note that FIG. 1 is not meant to limit the semiconductor device of the present disclosure.
図2は、本開示の実施形態とは異なる半導体装置2の模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a
図2に示すように、本開示の実施形態とは異なる半導体装置2は、中央領域11と周辺領域13とのドナー密度に差がない。概して、p型酸化ニッケル半導体はアクセプタ密度が大きい。したがって、このような半導体装置2では、第1の電極層20と接する第1のp型酸化ニッケル半導体層40の外周端部において電界が集中するため、絶縁破壊が起こりやすい。
As shown in FIG. 2 , the
なお、本開示の半導体装置は、例えばダイオード、より具体的にはpnダイオード若しくはJBSダイオード、又はトランジスタ、より具体的には金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)若しくは接合型電界効果トランジスタ(Junction Field Effect Transistor:JFET)であってよい。 The semiconductor device of the present disclosure is, for example, a diode, more specifically a pn diode or JBS diode, or a transistor, more specifically a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) or junction It may be a Junction Field Effect Transistor (JFET).
《n型酸化ガリウム半導体層》
n型酸化ガリウム半導体層は、中央領域及び周辺領域を有している。周辺領域のドナー密度は、中央領域のドナー密度よりも低い。
<<n-type gallium oxide semiconductor layer>>
The n-type gallium oxide semiconductor layer has a central region and a peripheral region. The peripheral region has a lower donor density than the central region.
n型酸化ガリウム半導体層は、例えば酸化ガリウム単結晶層の上に成膜されたものであってよい。より具体的には、n型酸化ガリウム半導体層は、例えばエピタキシャル層であってよい。 The n-type gallium oxide semiconductor layer may be formed, for example, on a gallium oxide single crystal layer. More specifically, the n-type gallium oxide semiconductor layer may be, for example, an epitaxial layer.
酸化ガリウム単結晶層は、例えばα-Ga2O3単結晶、β-Ga2O3単結晶、又は他の結晶構造を有するGa2O3単結晶の層であることができ、好ましくはβ-Ga2O3単結晶の層である。 The gallium oxide single crystal layer can be, for example, a layer of α-Ga 2 O 3 single crystal, β-Ga 2 O 3 single crystal, or Ga 2 O 3 single crystal having another crystal structure, preferably β - Ga 2 O 3 single crystal layer.
n型酸化ガリウム半導体層は、ドナーを含有している。ドナーは、例えばSn又はSiであることができる。 The n-type gallium oxide semiconductor layer contains donors. The donor can be Sn or Si, for example.
〈中央領域〉
中央領域は、電極層が配置される、ショットキーダイオードのアクティブ領域を少なくとも含んでいることができる。なお、アクティブ領域とは、半導体素子を形成する部分である。
<Central area>
The central region can include at least the active region of the Schottky diode, in which the electrode layers are arranged. Note that the active region is a portion in which a semiconductor element is formed.
中央領域は、周辺領域よりもドナー密度が高い。 The central region has a higher donor density than the peripheral region.
中央領域におけるドナー密度は、1.0×1016cm-3以上であることができる。 The donor density in the central region can be 1.0×10 16 cm −3 or higher.
中央領域におけるドナー密度は、1.0×1016cm-3以上かつ1.0×1018cm-3以下であってよい。 The donor density in the central region may be 1.0×10 16 cm −3 or more and 1.0×10 18 cm −3 or less.
中央領域におけるドナー密度は、1.0×1016cm-3以上、2.0×1016cm-3以上、5.0×1016cm-3以上、又は1.0×1017cm-3以上であってよく、1.0×1018cm-3以下、5.0×1017cm-3以下、2.0×1017cm-3以下、又は1.0×1017cm-3以下であってよい。 The donor density in the central region is 1.0×10 16 cm -3 or more, 2.0×10 16 cm -3 or more, 5.0×10 16 cm -3 or more, or 1.0×10 17 cm -3 1.0×10 18 cm −3 or less, 5.0×10 17 cm −3 or less, 2.0×10 17 cm −3 or less, or 1.0×10 17 cm −3 or less can be
〈周辺領域〉
周辺領域は、中央領域の周囲を取り囲む領域である。周辺領域は、中央領域よりもドナー密度が低い。
<Peripheral area>
The peripheral area is an area surrounding the central area. The peripheral region has a lower donor density than the central region.
周辺領域におけるドナー密度は、5.0×1015cm-3以下であってよい。 The donor density in the peripheral region may be 5.0×10 15 cm −3 or less.
周辺領域におけるドナー密度は、5.0×1015cm-3以下かつ0.0cm-3以上であってよい。 The donor density in the peripheral region may be less than or equal to 5.0×10 15 cm −3 and greater than or equal to 0.0 cm −3 .
周辺領域におけるドナー密度は、5.0×1015cm-3以下、又は1.0×1015cm-3以下であってよく、0.0cm-3以上、5.0×1010cm-3以上、2.0×1014cm-3以上、又は1.0×1015cm-3以上であってよい。 The donor density in the peripheral region may be 5.0×10 15 cm −3 or less, or 1.0×10 15 cm −3 or less, or 0.0×10 10 cm −3 or more, or 5.0×10 10 cm −3 . 2.0×10 14 cm −3 or more, or 1.0×10 15 cm −3 or more.
周辺領域のドナー密度を中央領域よりも低くするために、周辺領域にはアクセプタがドープされていることができる。この場合、例えばドナーが均一にドープされているn型酸化ガリウム半導体層を製膜した後に、n型酸化ガリウム半導体層のうち周辺領域とすべき部分に事後的にアクセプタをドープさせることによって、簡易に中央領域と周辺領域とを形成することができる。 The peripheral region can be doped with acceptors so that the peripheral region has a lower donor density than the central region. In this case, for example, after forming an n-type gallium oxide semiconductor layer uniformly doped with donors, a portion of the n-type gallium oxide semiconductor layer that is to be the peripheral region is subsequently doped with acceptors, thereby simplifying the process. A central region and a peripheral region can be formed in the .
n型酸化ガリウム半導体層へのアクセプタのドープは、例えば第1のp型酸化ニッケル半導体層、又は第1及び第2のp型酸化ニッケル半導体層をn型酸化ガリウム半導体層に積層する前に、イオン注入によって行ってよい。 Doping of the acceptor into the n-type gallium oxide semiconductor layer is performed, for example, before stacking the first p-type nickel oxide semiconductor layer or the first and second p-type nickel oxide semiconductor layers on the n-type gallium oxide semiconductor layer. It may be performed by ion implantation.
アクセプタは、例えばN、又はMgであってよい。 The acceptor can be N, or Mg, for example.
《電極層》
電極層は、n型酸化ガリウム半導体層の上に積層されている。電極層は、半導体装置を積層方向から見たときに、中央領域において、n型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している。
《Electrode layer》
The electrode layer is laminated on the n-type gallium oxide semiconductor layer. The electrode layer forms a Schottky junction with the n-type gallium oxide semiconductor layer in the central region when the semiconductor device is viewed from the stacking direction.
電極層は、少なくともn型酸化ガリウム半導体層と接触している部分において、n型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成することができる任意の材料から形成されていることができる。 The electrode layer can be made of any material capable of forming a Schottky junction with the n-type gallium oxide semiconductor layer at least at the portion in contact with the n-type gallium oxide semiconductor layer.
n型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成することができる材料は、例えばTi、Ni、Fe、Cu、Mo、W、又はPt等を挙げることができるが、これらに限定されない。 Examples of materials capable of forming a Schottky junction with the n-type gallium oxide semiconductor layer include, but are not limited to, Ti, Ni, Fe, Cu, Mo, W, Pt, and the like.
電極層は、例えば任意の成膜方法によってn型酸化ガリウム半導体層上に形成されてよい。電極層を形成するための成膜方法は、例えば物理蒸着法、より具体的には真空蒸着、分子線蒸着、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、コンベンショナル・スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、又はイオン・ビームスパッタリング等であってよい。 The electrode layer may be formed on the n-type gallium oxide semiconductor layer by any film forming method, for example. The film forming method for forming the electrode layer is, for example, physical vapor deposition, more specifically vacuum vapor deposition, molecular beam vapor deposition, ion plating, ion beam vapor deposition, conventional sputtering, magnetron sputtering, or ion beam sputtering. can be
なお、本開示の半導体装置は、n型酸化ガリウム半導体層の面のうち電極層が積層されている側の反対側に、n+型酸化ガリウム基板及び別の電極層を有していることができる。以下n+型酸化ガリウム基板は簡単のため省略する。 It should be noted that the semiconductor device of the present disclosure may have an n + -type gallium oxide substrate and another electrode layer on the opposite side of the surface of the n-type gallium oxide semiconductor layer to the side on which the electrode layers are stacked. can. In the following, the n + -type gallium oxide substrate is omitted for simplicity.
この別の電極層は、少なくともn型酸化ガリウム半導体層と接触している部分において、n型酸化ガリウム半導体層とオーミック接合を形成していることができる。 This separate electrode layer can form an ohmic contact with the n-type gallium oxide semiconductor layer at least at a portion in contact with the n-type gallium oxide semiconductor layer.
この別の電極層は、少なくともn型酸化ガリウム半導体層と接触している部分において、n型酸化ガリウム半導体層とオーミック接合を形成することができる任意の材料から形成されていることができる。 This separate electrode layer can be made of any material capable of forming an ohmic contact with the n-type gallium oxide semiconductor layer at least at the portion in contact with the n-type gallium oxide semiconductor layer.
n型酸化ガリウム半導体層とオーミック接合を形成することができる材料は、例えばTi等を挙げることができるが、これらに限定されない。 Materials capable of forming an ohmic contact with the n-type gallium oxide semiconductor layer include, but are not limited to, Ti and the like.
なお、この別の電極層も、電極層と同様の方法によって形成することができる。 This separate electrode layer can also be formed by the same method as the electrode layer.
《第1のp型酸化ニッケル半導体層》
本開示の半導体装置は、n型酸化ガリウム半導体層と電極層との間に部分的に位置するようにしてn型酸化ガリウム半導体層の上に積層されている、第1のp型酸化ニッケル半導体層を有している。第1のp型酸化ニッケル半導体層は、半導体装置を積層方向から見たときに、周辺領域側の外周端部が周辺領域にある。
<<First p-type nickel oxide semiconductor layer>>
The semiconductor device of the present disclosure includes a first p-type nickel oxide semiconductor laminated on the n-type gallium oxide semiconductor layer so as to be partially positioned between the n-type gallium oxide semiconductor layer and the electrode layer. has layers. The first p-type nickel oxide semiconductor layer has an outer peripheral edge on the peripheral region side in the peripheral region when the semiconductor device is viewed from the stacking direction.
第1のp型酸化ニッケル半導体層は、アクセプタがドープされていることができる。 The first p-type nickel oxide semiconductor layer can be doped with an acceptor.
アクセプタは、例えばLi、Cu又はAgであってよい。 The acceptor can be Li, Cu or Ag, for example.
第1のp型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、1.0×1018cm-3以上であることができる。 The acceptor density in the first p-type nickel oxide semiconductor layer can be 1.0×10 18 cm −3 or more.
第1のp型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、1.0×1018cm-3以上かつ1.0×1020cm-3以下であってよい。 The acceptor density in the first p-type nickel oxide semiconductor layer may be 1.0×10 18 cm −3 or more and 1.0×10 20 cm −3 or less.
第1のp型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、1.0×1018cm-3以上、2.0×1018cm-3以上、5.0×1018cm-3以上、又は1.0×1019cm-3以上であってよく、1.0×1020cm-3以下、5.0×1019cm-3以下、2.0×1019cm-3以下、又は1.0×1019cm-3以下であってよい。 The acceptor density in the first p-type nickel oxide semiconductor layer is 1.0×10 18 cm −3 or more, 2.0×10 18 cm −3 or more, 5.0×10 18 cm −3 or more, or 1.0×10 18 cm −3 or more. It may be 0×10 19 cm −3 or more, 1.0×10 20 cm −3 or less, 5.0×10 19 cm −3 or less, 2.0×10 19 cm −3 or less, or 1.0 It may be x10 19 cm -3 or less.
なお、第1のp型酸化ニッケル半導体層へのアクセプタのドープは、例えば成膜時のドーピングによって行うことができる。 Doping of the acceptor into the first p-type nickel oxide semiconductor layer can be performed, for example, by doping during film formation.
積層方向から見たときに、第1のp型酸化ニッケル半導体層は、中央領域と周辺領域とを跨るようにして位置することができる。これにより、半導体装置を積層方向から見たときに、第1のp型酸化ニッケル半導体層のうち、中央領域にある部分と周辺領域にある部分とが形成される。 When viewed in the stacking direction, the first p-type nickel oxide semiconductor layer can be positioned across the central region and the peripheral region. As a result, when the semiconductor device is viewed from the stacking direction, the first p-type nickel oxide semiconductor layer has a portion in the central region and a portion in the peripheral region.
ここで、図3に示すように、本開示の半導体装置1は、n型酸化ガリウム半導体層10の中央領域11のドリフト層厚さをtとし(上記n+酸化ガリウム半導体層を含まない)、かつ第1のp型酸化ニッケル半導体層40のうち、中央領域11にある部分の幅をxとしたときに、x/t>0.50であることが、好ましい。なお、「厚さ」とは、ドリフト層の最大厚さを意味している。また、「幅」とは、最大幅を意味している。
Here, as shown in FIG. 3, in the
なお、図3は、本開示の半導体装置を限定する趣旨ではない。 Note that FIG. 3 is not meant to limit the semiconductor device of the present disclosure.
第1のp型酸化ニッケル半導体層のうち、中央領域にある部分が少ない場合、すなわちx/tが小さい場合、半導体装置の耐圧性は向上させることができるが、他方で、半導体装置の抵抗率が増加する。 When the portion of the first p-type nickel oxide semiconductor layer in the central region is small, that is, when x/t is small, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved. increases.
x/t>0.50である場合、半導体装置の抵抗率を維持しつつ、耐圧性を向上させることができる。 When x/t>0.50, the withstand voltage can be improved while maintaining the resistivity of the semiconductor device.
また、x/t≦2.00であってよい。 Also, x/t≦2.00 may be satisfied.
x/tは、0.50超、0.80以上、1.00以上、又は1.50以上であってよく、2.00以下、1.80以下、1.60以下、又は1.50以下であってよい。 x/t can be greater than 0.50, 0.80 or greater, 1.00 or greater, or 1.50 or greater, and 2.00 or less, 1.80 or less, 1.60 or less, or 1.50 or less can be
第1のp型酸化ニッケル半導体層の幅は、例えば1.0μm~10.0μmであってよい。なお、「幅」とは、最大幅を意味している。 The width of the first p-type nickel oxide semiconductor layer may be, for example, 1.0 μm to 10.0 μm. In addition, "width" means the maximum width.
第1のp型酸化ニッケル半導体層の幅は、1.0μm以上、2.0μm以上、3.0μm以上、又は5.0μm以上であってよく、10.0μm以下、8.0μm以下、60.0μm以下、又は5.0μm以下であってよい。 The width of the first p-type nickel oxide semiconductor layer may be 1.0 μm or more, 2.0 μm or more, 3.0 μm or more, or 5.0 μm or more, and may be 10.0 μm or less, 8.0 μm or less, 60.0 μm or less. It may be 0 μm or less, or 5.0 μm or less.
なお、第1のp型酸化ニッケル半導体層は、例えばn型酸化ガリウム半導体層の面のうち、電極層が積層されている側の面に形成されたトレンチ構造の凹部内に積層されていることができる。 Note that the first p-type nickel oxide semiconductor layer is stacked in a recess of a trench structure formed on the surface of the n-type gallium oxide semiconductor layer on which the electrode layer is stacked, for example. can be done.
《第2のp型酸化ニッケル半導体層》
本開示の半導体装置は、n型酸化ガリウム半導体層の第1のp型酸化ニッケル半導体層が積層されている側の周辺領域に、互いに中央領域から周辺領域に向かう方向に間隔を有するようにして、複数の第2のp型酸化ニッケル半導体層を有していることができる。この複数の第2のp型酸化ニッケル半導体層は、第1のp型酸化ニッケル半導体層と共に、周辺耐圧構造として機能することができる。
<<Second p-type nickel oxide semiconductor layer>>
In the semiconductor device of the present disclosure, the peripheral region of the n-type gallium oxide semiconductor layer on the side where the first p-type nickel oxide semiconductor layer is laminated is spaced apart from each other in the direction from the central region to the peripheral region. , a plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers. The plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers can function as a peripheral breakdown voltage structure together with the first p-type nickel oxide semiconductor layer.
第2のp型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、第1のp型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度と同様であってよい。 The acceptor density in the second p-type nickel oxide semiconductor layer may be the same as the acceptor density in the first p-type nickel oxide semiconductor layer.
第2のp型酸化ニッケル半導体層の幅は、例えば1.0μm~10.0μmであってよい。なお、「幅」とは、最大幅を意味している。 The width of the second p-type nickel oxide semiconductor layer may be, for example, 1.0 μm to 10.0 μm. In addition, "width" means the maximum width.
第2のp型酸化ニッケル半導体層の幅は、1.0μm以上、2.0μm以上、3.0μm以上、又は4.0μm以上であってよく、10.0μm以下、9.0μm以下、80.0μm以下、又は7.0μm以下であってよい。 The width of the second p-type nickel oxide semiconductor layer may be 1.0 μm or more, 2.0 μm or more, 3.0 μm or more, or 4.0 μm or more, and may be 10.0 μm or less, 9.0 μm or less, 80.0 μm or less. It may be 0 μm or less, or 7.0 μm or less.
互いに隣接する第2のp型酸化ニッケル半導体層同士、及び/又は互いに隣接する第1のp型酸化ニッケル半導体層と第2のp型酸化ニッケル半導体層との間隔は、例えば0.5μm~5.0μmであってよい。なお、「間隔」とは、互いに隣接するp型酸化ニッケル半導体層同士の最短距離を意味している。 The distance between the second p-type nickel oxide semiconductor layers adjacent to each other and/or between the first p-type nickel oxide semiconductor layer and the second p-type nickel oxide semiconductor layer adjacent to each other is, for example, 0.5 μm to 5 μm. 0 μm. Note that the "interval" means the shortest distance between adjacent p-type nickel oxide semiconductor layers.
この間隔は、0.5μm以上、1.0μm以上、1.5μm以上、又は2.0μm以上であってよく、5.0μm以下、4.5μm以下、4.0μm以下、又は3.5μm以下であってよい。 The spacing may be 0.5 μm or more, 1.0 μm or more, 1.5 μm or more, or 2.0 μm or more, and 5.0 μm or less, 4.5 μm or less, 4.0 μm or less, or 3.5 μm or less. It's okay.
なお、第2のp型酸化ニッケル半導体層は、例えばn型酸化ガリウム半導体層の面のうち、電極層が積層されている側の面に形成されたトレンチ構造の凹部内に積層されていることができる。 Note that the second p-type nickel oxide semiconductor layer is laminated in a concave portion of a trench structure formed on the surface of the n-type gallium oxide semiconductor layer on which the electrode layer is laminated, for example. can be done.
《トレンチ構造》
n型酸化ガリウム半導体層は、第1のp型酸化ニッケル半導体層及び複数の第2のp型酸化ニッケル半導体層が積層されている側に複数のトレンチ構造を有していることができる。第1のp型酸化ニッケル半導体層及び複数の第2のp型酸化ニッケル半導体層は、それぞれトレンチ構造の凹部内に積層されていることができる。
《Trench structure》
The n-type gallium oxide semiconductor layer can have a plurality of trench structures on the side where the first p-type nickel oxide semiconductor layer and the plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers are laminated. The first p-type nickel oxide semiconductor layer and the plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers can be laminated within the recess of the trench structure.
トレンチ構造は、例えばn型酸化ガリウム半導体層をエッチングすることによって形成することができる。エッチングの際には、n型酸化ガリウム半導体層の面のうちトレンチ構造の凸部となる部分にマスキングを施して行うことができる。エッチング後には、マスキングを除去する。その後、n型酸化ガリウム半導体層の面上に、例えば物理蒸着法によってp型酸化ニッケル半導体層を堆積させる。最後に、トレンチ構造の凹部内に積層されたp型酸化ニッケル半導体層を残して、トレンチ構造の凸部上に積層されたp型酸化ニッケル半導体層を除去する。これにより、トレンチ構造の凹部内に第1及び第2のp型酸化ニッケル半導体層が積層された構造を形成することができる。 A trench structure can be formed, for example, by etching an n-type gallium oxide semiconductor layer. The etching can be performed by masking the portion of the surface of the n-type gallium oxide semiconductor layer that will be the convex portion of the trench structure. After etching, the masking is removed. Thereafter, a p-type nickel oxide semiconductor layer is deposited on the surface of the n-type gallium oxide semiconductor layer by, for example, physical vapor deposition. Finally, the p-type nickel oxide semiconductor layer laminated on the convex portion of the trench structure is removed while leaving the p-type nickel oxide semiconductor layer laminated in the concave portion of the trench structure. Thereby, a structure in which the first and second p-type nickel oxide semiconductor layers are stacked in the concave portion of the trench structure can be formed.
《半導体装置の製造方法》
本開示の半導体装置の製造方法は、イオン照射又は酸素雰囲気下での加熱でドナー密度を低下させることによって、n型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成することを含む。
<<Method for Manufacturing Semiconductor Device>>
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure includes forming a peripheral region of an n-type gallium oxide semiconductor layer by reducing the donor density by ion irradiation or heating in an oxygen atmosphere.
〈イオン照射〉
本開示の半導体装置の製造方法は、イオン照射でドナー密度を低下させることによって、n型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成することを含む。
<Ion irradiation>
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure includes forming a peripheral region of an n-type gallium oxide semiconductor layer by reducing the donor density by ion irradiation.
本開示の半導体装置の製造方法は、n型酸化ガリウム半導体層の前駆体、例えば所定のドナー密度を有する酸化ガリウム層に対してイオン照射を行うことで、当該部分におけるドナー密度を低下させる。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure, a precursor of an n-type gallium oxide semiconductor layer, eg, a gallium oxide layer having a predetermined donor density, is irradiated with ions to reduce the donor density in the portion.
イオン照射において、アクセプタ元素、水素、又はヘリウムのイオンを照射してよい。アクセプタ元素としては、例えばMg、N、及びGa等を挙げることができる。 In the ion irradiation, ions of an acceptor element, hydrogen, or helium may be irradiated. Examples of acceptor elements include Mg, N, and Ga.
イオン照射において水素又はヘリウムを照射する場合、酸化ガリウム半導体層のより深い領域まで低ドナー化することができる。 When hydrogen or helium is irradiated in the ion irradiation, the donor can be reduced to a deeper region of the gallium oxide semiconductor layer.
イオン照射の後に、n型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行ってもよいが、生産性向上の観点から、行わないほうが好ましい。なお、「アニール処理」は、例えば不活性ガス雰囲気下での熱処理である。「アニール処理」の熱処理の温度は、例えば800℃以上である。 Although the n-type gallium oxide semiconductor layer may be annealed after the ion irradiation, it is preferable not to anneal from the viewpoint of improving productivity. The “annealing treatment” is, for example, heat treatment in an inert gas atmosphere. The heat treatment temperature of the “annealing treatment” is, for example, 800° C. or higher.
〈酸素雰囲気下での加熱〉
本開示の半導体装置の製造方法は、酸素雰囲気下での加熱によって、n型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成することを含む。
<Heating in an oxygen atmosphere>
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure includes forming a peripheral region of an n-type gallium oxide semiconductor layer by heating in an oxygen atmosphere.
本開示の半導体層の製造方法において、酸素雰囲気下での加熱によってドナー密度を低下させることができる原理は、これに限定する趣旨ではないが、酸化ガリウム層の表面にドナーを補償する欠陥が生成し、ドナー密度が下がることによると考えられる。 In the method for manufacturing a semiconductor layer of the present disclosure, the principle that the donor density can be reduced by heating in an oxygen atmosphere is not limited to this, but defects that compensate for donors are generated on the surface of the gallium oxide layer. It is thought that this is due to the lower donor density.
本開示の半導体装置の製造方法は、n型酸化ガリウム半導体層の前駆体、例えば所定のドナー密度を有する酸化ガリウム層に対して酸素雰囲気下での加熱を行うことで、n型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成する。n型酸化ガリウム半導体層の中央領域は、周辺領域よりもドナー密度が高いが、これは、例えばn型酸化ガリウム半導体層の前駆体のうち中央領域とするべき箇所の表面をマスキング等することで、周辺領域とするべき箇所のみドナー密度を低下させればよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present disclosure, a precursor of an n-type gallium oxide semiconductor layer, for example, a gallium oxide layer having a predetermined donor density is heated in an oxygen atmosphere to form an n-type gallium oxide semiconductor layer. forming the peripheral region of The central region of the n-type gallium oxide semiconductor layer has a higher donor density than the peripheral region. , the donor density should be lowered only in the locations that should be the peripheral regions.
「酸素雰囲気下」とは、酸素を含んでいる雰囲気であり、例えば大気雰囲気下であってよい。酸素雰囲気下における酸素の濃度は、特に限定されないが、例えば雰囲気全体に対する酸素の体積比が5.0%~40.0%であることができる。酸素の体積比は、5.0%以上、10.0%以上、15.0%以上、又は20.0%以上であってよく、40.0%以下、35.0%以下、30.0%以下、又は25.0%以下であってよい。 “Under an oxygen atmosphere” means an atmosphere containing oxygen, and may be, for example, an air atmosphere. The concentration of oxygen in the oxygen atmosphere is not particularly limited, but for example, the volume ratio of oxygen to the entire atmosphere can be 5.0% to 40.0%. The volume ratio of oxygen may be 5.0% or more, 10.0% or more, 15.0% or more, or 20.0% or more, and may be 40.0% or less, 35.0% or less, 30.0% or more. % or less, or 25.0% or less.
加熱の温度は、酸化ガリウム層のドナー密度を低下させることができる程度高い温度であれば特に限定されない。 The heating temperature is not particularly limited as long as the temperature is high enough to reduce the donor density of the gallium oxide layer.
加熱の温度は、例えば600℃~900℃であってよい。加熱の温度は、600℃以上、650℃以上、675℃以上、又は700℃以上であってよく、900℃以下、850℃以下、800℃以下、又は750℃以下であってよい。 The heating temperature may be, for example, 600°C to 900°C. The heating temperature may be 600° C. or higher, 650° C. or higher, 675° C. or higher, or 700° C. or higher, and may be 900° C. or lower, 850° C. or lower, 800° C. or lower, or 750° C. or lower.
なお、加熱は、n型酸化ガリウム半導体層に第1又は第2のp型酸化ニッケル半導体層を形成する前であっても後であってもよいが、酸化ニッケルの分解の恐れがある高温の場合には酸化ニッケルの形成前に加熱することが好ましい。 Note that the heating may be performed before or after forming the first or second p-type nickel oxide semiconductor layer on the n-type gallium oxide semiconductor layer. In some cases, it is preferred to heat prior to nickel oxide formation.
《実施例1~6及び比較例1~3》
〈比較例1〉
ドナー密度Ndが1.2×1016cm-3のn型酸化ガリウム半導体層上に、Pt電極層を形成して、ショットキーダイオードとした。なお、n型酸化ガリウム半導体層はn+型酸化ガリウム半導体基板(厚さ650μm)に保持しているが、図では省略している。これを、比較例1の半導体装置とした。なお、n型酸化ガリウム半導体層の厚さは、10μmであった。
<<Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3>>
<Comparative Example 1>
A Schottky diode was formed by forming a Pt electrode layer on an n-type gallium oxide semiconductor layer having a donor density Nd of 1.2×10 16 cm −3 . Although the n-type gallium oxide semiconductor layer is held on the n + -type gallium oxide semiconductor substrate (650 μm thick), it is omitted in the figure. This was used as a semiconductor device of Comparative Example 1. The thickness of the n-type gallium oxide semiconductor layer was 10 μm.
〈比較例2〉
ショットキーダイオードの端部において、ガードリング(GR)として、実効アクセプタ密度Naが1.0×1019cm-3であるp型酸化ニッケル半導体層を形成したことを除いて比較例1と同様にして、比較例2の半導体装置を作製した。
<Comparative Example 2>
The same as Comparative Example 1 except that a p-type nickel oxide semiconductor layer having an effective acceptor density Na of 1.0×10 19 cm −3 was formed as a guard ring (GR) at the end of the Schottky diode. Thus, a semiconductor device of Comparative Example 2 was manufactured.
具体的には、比較例2の半導体装置3は、図4に示すような構成を有していた。
Specifically, the
図4に示すように、比較例2の半導体装置3は、n型酸化ガリウム半導体層10の一方の面上に第1の電極層20が積層されている。第1の電極層20は、n型酸化ガリウム半導体層10とショットキー接合を形成している。また、比較例2の半導体装置3は、n型酸化ガリウム半導体層10の他方の面上に第2の電極層30が積層されている。第2の電極層30は、n型酸化ガリウム半導体層10とオーミック接合を形成している。
As shown in FIG. 4 , in the
図4において、比較例2の半導体装置3は、n型酸化ガリウム半導体層10と第1の電極層20との間に部分的に位置する様に配置されている、ガードリング60を有している。ガードリング層は、p型酸化ニッケル半導体層である。
In FIG. 4, the
〈比較例3〉
ショットキーダイオードの端部において、周辺耐圧構造として、実効アクセプタ密度Naが1.0×1019cm-3であるp型酸化ニッケル半導体層を複数形成して、フィールドリミッティングリング(FLR)を形成したことを除いて比較例1と同様にして、比較例3の半導体装置を作製した。ここで、p型酸化ニッケル半導体層の幅は、2.5μmであった。また、互いに隣り合うp型酸化ニッケル半導体層同士の距離は、5.0μmであった。
<Comparative Example 3>
At the end of the Schottky diode, a plurality of p-type nickel oxide semiconductor layers having an effective acceptor density Na of 1.0×10 19 cm −3 are formed as a peripheral breakdown voltage structure to form a field limiting ring (FLR). A semiconductor device of Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, except that the semiconductor device of Comparative Example 3 was manufactured. Here, the width of the p-type nickel oxide semiconductor layer was 2.5 μm. Moreover, the distance between the p-type nickel oxide semiconductor layers adjacent to each other was 5.0 μm.
具体的には、比較例3の半導体装置4は、図5に示すような構成を有していた。
Specifically, the
〈実施例1〉
n型酸化ガリウム半導体層のうち、周辺領域のドナー密度Ndを低下させたことを除いて比較例3と同様にして、実施例1の半導体装置を作製した。これにより、n型酸化ガリウム半導体層のうち、電極層とn型酸化ガリウム半導体層とに挟まれているp型酸化ニッケル半導体層の周辺領域側の外周端部を囲む部分のドナー密度Ndは、n型酸化ガリウム半導体層のうち、当該p型酸化ニッケル半導体層の他の部分を囲む部分のドナー密度Ndよりも低くなっている。
<Example 1>
A semiconductor device of Example 1 was fabricated in the same manner as in Comparative Example 3, except that the donor density Nd in the peripheral region of the n-type gallium oxide semiconductor layer was lowered. As a result, the donor density Nd of the portion of the n-type gallium oxide semiconductor layer surrounding the outer peripheral edge of the p-type nickel oxide semiconductor layer sandwiched between the electrode layer and the n-type gallium oxide semiconductor layer on the side of the peripheral region is In the n-type gallium oxide semiconductor layer, the donor density Nd of the portion surrounding the other portion of the p-type nickel oxide semiconductor layer is lower than Nd.
なお、実施例1の半導体装置において、中央領域のドナー密度は、1.2×1016cm-3であり、周辺領域の実効的なドナー密度は、0.0cm-3であった。 In the semiconductor device of Example 1, the central region had a donor density of 1.2×10 16 cm −3 and the peripheral region had an effective donor density of 0.0 cm −3 .
実施例1の半導体装置5は、図6に示すような構成を有していた。ここで、実施例1の半導体装置5において、n型酸化ガリウム半導体層10の厚さtに対する、電極層とn型酸化ガリウム半導体層とに挟まれているp型酸化ニッケル半導体層のうち、中央領域にある部分の幅xの比率x/tは、1.50であった。
The
〈実施例2〉
周辺領域のドナー密度を1.0×1015cm-3としたことを除いて実施例1と同様にして、実施例2の半導体装置を作製した。
<Example 2>
A semiconductor device of Example 2 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the donor density in the peripheral region was 1.0×10 15 cm −3 .
〈実施例3〉
周辺領域のドナー密度を5.0×1015cm-3としたことを除いて実施例1と同様にして、実施例3の半導体装置を作製した。
<Example 3>
A semiconductor device of Example 3 was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the donor density in the peripheral region was 5.0×10 15 cm −3 .
〈実施例4〉
x/tを0.8としたことを除いて実施例1と同様にして、実施例4の半導体装置を作製した。
<Example 4>
A semiconductor device of Example 4 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that x/t was set to 0.8.
〈実施例5〉
x/tを0.53としたことを除いて実施例1と同様にして、実施例5の半導体装置を作製した。
<Example 5>
A semiconductor device of Example 5 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that x/t was set to 0.53.
〈実施例6〉
x/tを0.50としたことを除いて実施例1と同様にして、実施例5の半導体装置を作製した。
<Example 6>
A semiconductor device of Example 5 was fabricated in the same manner as in Example 1 except that x/t was set to 0.50.
〈耐圧試験〉
各例の半導体装置について、それぞれ順方向に電圧を加えて、絶縁破壊が生じたときの電圧を測定した。
<Withstanding voltage test>
A voltage was applied in the forward direction to the semiconductor device of each example, and the voltage when dielectric breakdown occurred was measured.
〈抵抗率測定試験〉
各例の半導体装置について、抵抗率を測定した。
<Resistivity measurement test>
The resistivity was measured for the semiconductor device of each example.
〈結果〉
各例の半導体装置の構成、並びに耐圧試験及び抵抗率測定試験の結果を、表1に示す。
<result>
Table 1 shows the configuration of the semiconductor device of each example and the results of the withstand voltage test and the resistivity measurement test.
表1に示すように、周辺耐圧構造を有しなかった比較例1では、僅か78Vで、電極層の端部において絶縁破壊が起こった。 As shown in Table 1, in Comparative Example 1 which did not have a peripheral withstand voltage structure, dielectric breakdown occurred at the edge of the electrode layer at only 78V.
また、周辺耐圧構造を有するが、中央領域と周辺領域でのドナー密度に差が無かった比較例2及び3では、比較例1よりも耐圧が高かった(それぞれ順に、694V及び844V)。 Comparative Examples 2 and 3, which had a peripheral breakdown voltage structure but had no difference in donor density between the central region and the peripheral region, had higher breakdown voltages than Comparative Example 1 (694 V and 844 V, respectively).
周辺耐圧構造を有し、かつ中央領域のドナー密度よりも周辺領域のドナー密度が低かった実施例1~6では、いずれも耐圧が1200V以上、特に実施例1、2、及び4~6では1500V以上であり、比較例1~3よりもはるかに耐圧性が高かった。 In Examples 1 to 6, which had a peripheral breakdown voltage structure and the donor density in the peripheral region was lower than the donor density in the central region, the breakdown voltage was 1200 V or more, especially 1500 V in Examples 1, 2, and 4 to 6. Thus, the pressure resistance was much higher than that of Comparative Examples 1-3.
なお、x/tが0.5より大きかった実施例1~5では、抵抗率が16.0mΩcm2であり、比較例1と同様の水準に維持されていた。他方、x/tが0.5であった実施例6では、抵抗率が16.1mΩcm2であり、抵抗率の増加がみられた。 In Examples 1 to 5, in which x/t was greater than 0.5, the resistivity was 16.0 mΩcm 2 , which was maintained at the same level as Comparative Example 1. On the other hand, in Example 6 in which x/t was 0.5, the resistivity was 16.1 mΩcm 2 and an increase in resistivity was observed.
例として記載していないが、x/tを更に低下させると、比較例1~3よりもはるかに高い耐圧が得られたが、抵抗率の更なる増加がみられた。 Although not shown as an example, further reduction of x/t resulted in a much higher breakdown voltage than Comparative Examples 1-3, but a further increase in resistivity was observed.
《実施例7及び8、並びに比較例4》
〈実施例7〉
以下のようにして、実施例7の半導体装置を作製した。
<<Examples 7 and 8, and Comparative Example 4>>
<Example 7>
A semiconductor device of Example 7 was manufactured as follows.
ドナー密度1.2×1016cm-3の酸化ガリウム層の中心にメタルマスクを形成し、周辺部のみにMgイオンを用いたイオン注入を行い、その後のアニール処理を行わなかった。その後、比較例3と同様にして周辺耐圧構造を形成した。 A metal mask was formed in the center of the gallium oxide layer with a donor density of 1.2×10 16 cm −3 , ion implantation using Mg ions was performed only in the peripheral portion, and subsequent annealing was not performed. After that, a peripheral withstand voltage structure was formed in the same manner as in Comparative Example 3.
ここで、イオン注入は、140keV、ドーズ5×1014cm-2で行った。このイオン注入により表面から500nmの深さにイオン注入欠陥が形成された結果、図7に示すようにドナー密度が減少し半絶縁化した。図7に示すように、ドナー密度が減少した領域の深さは、酸化ガリウム層表面から0.5μmであった。 Here, ion implantation was performed at 140 keV and a dose of 5×10 14 cm −2 . As a result of this ion implantation, ion implantation defects were formed at a depth of 500 nm from the surface, and as a result, the donor density decreased and semi-insulation was achieved as shown in FIG. As shown in FIG. 7, the depth of the region where the donor density decreased was 0.5 μm from the surface of the gallium oxide layer.
なお、実施例7の半導体装置は、図6に示すのと同様の構成を有していた。 The semiconductor device of Example 7 had a configuration similar to that shown in FIG.
実施例7の半導体装置に対して耐圧試験を行ったところ、絶縁破壊電圧は向上し、970Vであった。 When a breakdown voltage test was conducted on the semiconductor device of Example 7, the dielectric breakdown voltage was improved to 970V.
〈実施例8〉
以下のようにして、実施例8の半導体装置を作製した。
<Example 8>
A semiconductor device of Example 8 was manufactured as follows.
ドナー密度1.2×1016cm-3の酸化ガリウム層の中心にメタルマスクを形成し、700℃で10分、大気雰囲気下で熱処理を行った。その結果、図8に示すように酸化ガリウム基板の表面でドナー密度の減少が見られた。図8に示すように、ドナー密度が減少した領域の深さは、1.5μm~2.0μmであった。 A metal mask was formed in the center of the gallium oxide layer with a donor density of 1.2×10 16 cm −3 and heat treatment was performed at 700° C. for 10 minutes in an air atmosphere. As a result, a decrease in donor density was observed on the surface of the gallium oxide substrate as shown in FIG. As shown in FIG. 8, the depth of the regions where the donor density was reduced ranged from 1.5 μm to 2.0 μm.
このようにして得た酸化ガリウム層に対して図6に示すような半導体装置を形成し耐圧試験を行ったところ、絶縁破壊電圧は向上し1070Vであった。 A semiconductor device as shown in FIG. 6 was formed on the gallium oxide layer thus obtained, and a withstand voltage test was conducted.
〈比較例4〉
以下のようにして、比較例4の半導体装置を作製した。
<Comparative Example 4>
A semiconductor device of Comparative Example 4 was manufactured as follows.
ドナー密度1.2×1016cm-3の酸化ガリウム層にアクセプタ密度1-2×1020cm-3のNiO層を100nmの厚さで形成して、pnダイオードとした。 A NiO layer with a thickness of 100 nm with an acceptor density of 1-2×10 20 cm −3 was formed on a gallium oxide layer with a donor density of 1.2×10 16 cm −3 to form a pn diode.
図5に示すのと同様に、比較例4の半導体装置2の周辺領域13には幅2.5μmのNiO層(第2のp型酸化ニッケル半導体層)を5.0μm間隔にて配置し、周辺耐圧構造を形成した。NiO上にはNiを形成してオーミック電極とした。
5, NiO layers (second p-type nickel oxide semiconductor layers) with a width of 2.5 μm are arranged at intervals of 5.0 μm in the
この半導体装置2では、周辺領域13に形成されている周辺耐圧構造部のドナー密度は下げていないので、耐圧試験の結果、800Vで絶縁破壊をした。
In this
1~5 半導体装置
10 n型酸化ガリウム半導体層
11 中央領域
13 周辺領域
20 第1の電極層
30 第2の電極層
40 第1のp型酸化ニッケル半導体層
50 第2のp型酸化ニッケル半導体層
60 ガードリング
C 中央領域側
O 周辺領域側
1 to 5 semiconductor device 10 n-type gallium
Claims (15)
前記n型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記中央領域において、前記n型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している、電極層、並びに
前記n型酸化ガリウム半導体層と前記電極層との間に部分的に位置するようにして前記n型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記周辺領域側の外周端部が前記周辺領域にある、第1のp型酸化ニッケル半導体層
を有している、半導体装置。 an n-type gallium oxide semiconductor layer having a central region and a peripheral region having a lower donor density than the central region;
an electrode layer stacked on the n-type gallium oxide semiconductor layer and forming a Schottky junction with the n-type gallium oxide semiconductor layer in the central region when viewed in the stacking direction; laminated on the n-type gallium oxide semiconductor layer so as to be partially located between the n-type gallium oxide semiconductor layer and the electrode layer, and when viewed from the lamination direction, the peripheral region a semiconductor device having a first p-type nickel oxide semiconductor layer, the outer peripheral edge of which is located in the peripheral region.
前記第1のp型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第2のp型酸化ニッケル半導体層は、それぞれ前記トレンチ構造の凹部内に積層されている、
請求項9に記載の半導体装置。 The n-type gallium oxide semiconductor layer has a plurality of trench structures on the side where the first p-type nickel oxide semiconductor layer and the plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers are laminated,
The first p-type nickel oxide semiconductor layer and the plurality of second p-type nickel oxide semiconductor layers are respectively stacked in recesses of the trench structure,
10. The semiconductor device according to claim 9.
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