JP2023177287A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えたショットキーバリアダイオードであって、ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜により、表面リークが効果的に抑制され、かつ絶縁耐圧が効果的に向上したショットキーバリアダイオードを提供する。【解決手段】一実施の形態として、酸化ガリウム系半導体からなるｎ型半導体層１０と、ｎ型半導体層１０の上面１０１の一部を覆う、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１１と、ｎ型半導体層１０の上面１０１に接続され、ｎ型半導体層１０とショットキー接合を形成し、少なくとも一部の縁が絶縁膜１１上にあるアノード電極１４と、を備え、絶縁膜１１が、ｎ型半導体層１０に接触する第１の層１２と、第１の層１２上の第２の層１３を含み、第１の層１２の屈折率が、第２の層１３の屈折率よりも低い、ショットキーバリアダイオード１を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、ショットキーバリアダイオードに関する。

従来、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶からなる半導体層を有するショットキーバリアダイオードであって、アノード電極の端部への電界集中を緩和するためのフィールドプレート構造を有するものが知られている（特許文献１を参照）。

特許文献１に記載のショットキーバリアダイオードにおいては、半導体層上にＳｉＯ_２等の絶縁材料からなる絶縁層が設けられ、アノード電極が、絶縁層の開口部内で半導体層とショットキー接触し、かつ絶縁層の開口部周辺の領域に乗り上げたフィールドプレートを有する。

特開２０１７－４５９６９号公報

特許文献１に記載のショットキーバリアダイオードにおける絶縁層のような、半導体層上に設けられた絶縁膜は、半導体層の上面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。しかしながら、本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、特に半導体層が酸化ガリウム系半導体からなる場合において、ＳｉＯ_２膜を半導体層上の絶縁膜として用いた場合、絶縁膜の密度を高くすると成膜時の半導体層へのダメージにより表面リークが多くなり、一方で、絶縁膜の密度を低くすると膜質が悪くなるため絶縁耐圧が低くなるという問題があることを見出した。

本発明の目的は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えたショットキーバリアダイオードであって、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜により、表面リークが効果的に抑制され、かつ絶縁耐圧が効果的に向上したショットキーバリアダイオードを提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［３］のショットキーバリアダイオードを提供する。

［１］酸化ガリウム系半導体からなるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の上面の一部を覆う、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜と、前記ｎ型半導体層の前記上面に接続され、前記ｎ型半導体層とショットキー接合を形成し、少なくとも一部の縁が前記絶縁膜上にあるアノード電極と、を備え、前記絶縁膜が、前記ｎ型半導体層に接触する第１の層と、前記第１の層上の第２の層を含み、前記第１の層の屈折率が、前記第２の層の屈折率よりも低い、ショットキーバリアダイオード。
［２］前記第１の層の屈折率が１．４４以下であり、前記第２の層の屈折率が１．４６以上である、上記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。
［３］前記絶縁膜の前記第１の層及び前記第２の層の前記アノード電極側の側面が、斜め上方を向くように傾斜している、上記［１］又は［２］に記載のショットキーバリアダイオード。

本発明によれば、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えたショットキーバリアダイオードであって、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜により、表面リークが効果的に抑制され、かつ絶縁耐圧が効果的に向上したショットキーバリアダイオードを提供することができる。

図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの垂直断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、ショットキーバリアダイオードの絶縁膜の効果を調べるためのＭＯＳダイオードの垂直断面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、ＭＯＳダイオードに順方向の電界を印加したときの電流密度の変化を示すグラフである。 図４（ａ）、（ｂ）は、ＭＯＳダイオードに逆方向の電圧を印加したときの電流密度の変化を示すグラフである。

（ショットキーバリアダイオードの構成）
図１（ａ）は、実施の形態に係るショットキーバリアダイオード１の垂直断面図である。ショットキーバリアダイオード１は、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えた縦型のショットキーバリアダイオードである。

ショットキーバリアダイオード１は、酸化ガリウム系半導体からなるｎ型半導体層１０と、ｎ型半導体層１０の上面１０１の一部を覆う、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜１１と、ｎ型半導体層１０の上面１０１に接続され、ｎ型半導体層１０とショットキー接合を形成し、少なくとも一部の縁が絶縁膜１１上にあるアノード電極１４と、を備える。絶縁膜１１は、ｎ型半導体層１０に接触する第１の層１２と、第１の層１２上の第２の層１３を含み、第１の層１２の屈折率が、第２の層１３の屈折率よりも低い。また、ｎ型半導体層１０の上面１０１と反対側の面である下面１０２にはカソード電極１５が接続される。

ショットキーバリアダイオード１においては、アノード電極１４とカソード電極１５との間に順方向電圧を印加することにより、ｎ型半導体層１０から見たアノード電極１４とｎ型半導体層１０との界面のエネルギー障壁が低下し、アノード電極１４からカソード電極１５へ電流が流れる。一方、アノード電極１４とカソード電極１５との間に逆方向電圧を印加したときは、ショットキー障壁により、電流は流れない。

ｎ型半導体層１０は、β型の結晶構造を有する酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる。ここで、酸化ガリウム系半導体とは、Ｇａ_２Ｏ_３、又は、Ａｌ、Ｉｎなどの元素が添加されたＧａ_２Ｏ_３をいう。例えば、酸化ガリウム系半導体は、（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１－ｘ－ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される組成を有する。Ｇａ_２Ｏ_３に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。

ｎ型半導体層１０は、Ｓｉ、Ｓｎなどのドナー不純物を含む。ｎ型半導体層１０のドナー濃度は、例えば、１×１０^１５ｃｍ^－３以上、１×１０^１７ｃｍ^－３以下である。ｎ型半導体層１０の厚さは、例えば、２μｍ以上、１００μｍ以下である。ｎ型半導体層１０は、例えば、液相成長法により育成された単結晶から切り出された基板からなる。

ｎ型半導体層１０は、複数の半導体層の積層体であってもよく、例えば、基板と、その上にエピタキシャル成長したエピタキシャル層から構成されてもよい。

ショットキーバリアダイオード１においては、上述のように、アノード電極１４の少なくとも一部の縁が絶縁膜１１上に載っている。このアノード電極１４の縁の絶縁膜１１上に載っている部分１４１はフィールドプレートと呼ばれ、フィールドプレートを備えた構造はフィールドプレート構造と呼ばれる。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１４の端部付近への電界集中を緩和し、ショットキーバリアダイオード１の絶縁耐圧を向上させることができる。

フィールドプレート構造により効果的に絶縁耐圧を向上させるためには、アノード電極１４の縁が全周に渡って絶縁膜１１上に載っていることが好ましい。例えば、絶縁膜１１の平面形状がｎ型半導体層１０とアノード電極１４の接合部を囲む環状である場合は、絶縁膜１１上に載っている部分１４１の平面形状も環状になる。

絶縁膜１１は、低温で比較的良好な成膜が可能なプラズマＣＶＤを用いて形成される。絶縁膜１１を構成する、屈折率の異なる第１の層１２と第２の層１３は、プラズマ出力を制御することにより作り分けることができる。絶縁膜１１は、ｎ型半導体層１０の上面１０１の全面に成膜された後、上面１０１のアノード電極１４が接続される領域を露出させるためにパターニング加工される。

一般的に、フィールドプレートを載せる絶縁膜は、その密度が高いほど、ショットキーバリアダイオードの絶縁耐圧を大きく向上させることができる。プラズマＣＶＤのプラズマ出力を大きくすることにより、絶縁膜の密度を高めることができるが、成膜時の半導体層の上面へのダメージが大きくなる。ダメージが大きくなると、半導体層の上面の界面準位密度が高くなるため、半導体層と絶縁膜との界面を流れるリーク電流（以下、界面リーク電流と呼ぶ）が増加する。一方で、プラズマＣＶＤのプラズマ出力を小さくすることにより、半導体層の上面へのダメージを抑え、界面リーク電流の増加を抑えることができるが、絶縁膜の密度が低くなるため、ショットキーバリアダイオードの絶縁耐圧を効果的に向上させることができない。

本発明の実施の形態に係るショットキーバリアダイオード１においては、上述のように、絶縁膜１１がｎ型半導体層１０に接触する第１の層１２と第１の層１２上の第２の層１３を含み、第１の層１２の屈折率が第２の層１３の屈折率よりも低い。ここで、絶縁膜１１の密度と屈折率には相関があり、密度が高いほど屈折率が高くなる。

このため、第１の層１２は、第２の層１３よりもプラズマ出力が小さい条件で形成される。ｎ型半導体層１０と接触する第１の層１２をプラズマ出力が小さい条件で形成することにより、ｎ型半導体層１０へのダメージを抑え、界面リーク電流を抑えることができる。

一方、第１の層１２よりも屈折率が高い第２の層１３は、第１の層１２よりも密度が高い。絶縁膜１１が密度の高い第２の層１３を含むことにより、ショットキーバリアダイオード１の絶縁耐圧を高めることができる。密度の高い第２の層１３は、プラズマＣＶＤのプラズマ出力の大きい条件で成膜されるが、第２の層１３の下には第１の層１２が存在するため、第２の層１３の成膜時のｎ型半導体層１０へのダメージを抑えることができる。

すなわち、第１の層１２と第２の層１３を含む絶縁膜１１を用いることにより、ショットキーバリアダイオード１の絶縁耐圧の向上と界面リーク電流の抑制を両立させることができる。

第１の層１２の成膜時のｎ型半導体層１０へのダメージを効果的に抑えるためには、第１の層１２の屈折率は１．４４以下であることが好ましい。また、第２の層１３の成膜時のｎ型半導体層１０へのダメージを効果的に抑えるためには、第１の層１２の厚さは４５０ｎｍ以上であることが好ましい。

ショットキーバリアダイオード１の絶縁耐圧を効果的に向上させるためには、第２の層１３の屈折率は１．４６以上であることが好ましく、また、第２の層１３の厚さは２０ｎｍ以上であることが好ましい。また、応力の発生を抑えるためには、第２の層１３の厚さは２０００ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、原因は明らかになっていないが、第２の層１３の厚さが１００ｎｍを超えると界面リーク電流が大きくなる傾向があることが確認されている。このため、第２の層１３の厚さは１００ｎｍ以下であることが特に好ましい。

図１（ｂ）は、絶縁膜１１の内側の側面が傾斜している場合のショットキーバリアダイオード１の垂直断面図である。図１（ｂ）に示されるショットキーバリアダイオード１においては、絶縁膜１１の第１の層１２及び第２の層１３の内側、すなわちアノード電極１４側の側面１２１及び側面１３１が、斜め上方を向くように傾斜している。

側面１２１及び側面１３１が斜め上方を向いている場合、側面１２１及び側面１３１が垂直である場合や斜め下方を向いている場合と比較して、より効果的に電界の集中を緩和することができる。

第１の層１２及び第２の層１３をパターニング加工する際のウェットエッチングのエッチングレートを制御することにより、斜め上方を向くように側面１２１及び側面１３１を傾斜させることができる。ここで、密度の異なる第１の層１２及び第２の層１３を同一の条件でエッチングすると、エッチングレートが異なるため、側面１２１と側面１３１の両方を、斜め上方を向くように傾斜させることが困難である。このため、第１の層１２のエッチングと第２の層１３のエッチングを異なる条件で分けて行うことが求められる。

また、第２の層１３をエッチングした後、第２の層１３よりも大きいマスクを用いて第１の層１２をエッチングすることにより、図１（ｂ）に示されるように、側面１２１の位置を側面１３１の位置よりも内側にずらし、段差を設けることができる。これにより、さらに効果的に電界の集中を緩和することができる。

なお、第１の層１２及び第２の層１３をパターニング加工する際のウェットエッチングのエッチングレートなどを制御することにより、側面１２１及び側面１３１の傾斜角度を制御することもできる。電界集中の緩和効果を高めるためには、側面１２１及び側面１３１の傾斜角度は、ｎ型半導体層１０の上面１０１に垂直な方向から１０°以上であることが好ましい。

（ショットキーバリアダイオードの評価）
図２（ａ）、（ｂ）は、ショットキーバリアダイオード１の絶縁膜１１の効果を調べるためのＭＯＳダイオード２ａ、２ｂの垂直断面図である。

図２（ａ）に示されるＭＯＳダイオード２ａは、β－Ｇａ_２Ｏ_３からなるｎ型半導体層２０と、ｎ型半導体層２０の上面２０１上に形成された絶縁膜２１と、絶縁膜２１上に形成された電極２３と、ｎ型半導体層２０の下面２０２上に形成された電極２４とを備える。図２（ｂ）に示されるＭＯＳダイオード２ｂは、絶縁膜２１よりも屈折率が高い、すなわち密度が高い絶縁膜２２が絶縁膜２１の上に形成されている点において、ＭＯＳダイオード２ａと異なる。絶縁膜２１と絶縁膜２２はＳｉＯ_２からなり、それぞれショットキーバリアダイオード１の第１の層１２と第２の層１３に対応する。

図３（ａ）は、絶縁膜２１の厚さが３００ｎｍであるＭＯＳダイオード２ａに順方向の電界を印加したときの電流密度の変化を示すグラフである。図３（ｂ）は、絶縁膜２１の厚さが３００ｎｍ、絶縁膜２２の厚さが５０ｎｍであるＭＯＳダイオード２ｂに順方向の電界を印加したときの電流密度の変化を示すグラフである。図３（ａ）と図３（ｂ）には、それぞれ同じ条件で２回実施された測定の結果が示されている。

図３（ａ）と図３（ｂ）は、第２の層１３に対応する絶縁膜２２を用いることにより、電界を印加したときに流れる電流が小さくなることを示している。このことは、絶縁膜２１に絶縁膜２２を積層することにより、絶縁膜全体として、絶縁膜としての膜質が向上することを示している。

図４（ａ）は、絶縁膜２１の厚さが３００ｎｍ、絶縁膜２２の厚さが５０ｎｍであるＭＯＳダイオード２ｂに逆方向の電圧を印加したときの電流密度の変化を示すグラフである。図４（ｂ）は、絶縁膜２１の厚さが４５０ｎｍ、絶縁膜２２の厚さが５０ｎｍであるＭＯＳダイオード２ｂに逆方向の電圧を印加したときの電流密度の変化を示すグラフである。図４（ａ）には、同じ条件で２回実施された測定の結果が示されており、図４（ｂ）には、同じ条件で３回実施された測定の結果が示されている。

図４（ａ）と図４（ｂ）は、第１の層１２に対応する絶縁膜２１の厚さを増すことにより、逆方向電圧を印加したときに流れる電流が小さくなることを示している。このことは、絶縁膜２１の厚さが増すことにより、プラズマＣＶＤのプラズマ出力の大きい条件で絶縁膜２２を成膜するときのｎ型半導体層２０の上面２０１へのダメージが抑える効果が大きくなることを示している。また、図４（ａ）と図４（ｂ）から、少なくとも第１の層１２に対応する絶縁膜２１の厚さが４５０ｎｍ以上であればこの効果が大きくなることがわかる。

（ショットキーバリアダイオードの製造方法）
以下に、ショットキーバリアダイオード１の製造方法の例を示す。

まず、酸化ガリウム系半導体基板をｎ型半導体層１０として用意し、プロセス開始前洗浄として、有機溶剤を用いた超音波洗浄、フッ酸洗浄、及びＳＰＭ酸洗浄などを実施する。

次に、上面１０１の上に、絶縁膜１１の第１の層１２及び第２の層１３となるＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法で成膜する。そして、まず、第２の層１３となる上層のＳｉＯ_２膜上に、フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした後、そのレジストをマスクとして用いてＢＨＦをエッチャントとするウェットエッチングを施し、側面１３１が傾斜した第２の層１３を形成する。その後、第１の層１２となる下層のＳｉＯ_２膜上に、フォトリソグラフィによりレジストをパターニングした後、そのレジストをマスクとして用いてＢＨＦをエッチャントとするウェットエッチングを施し、側面１２１が傾斜した第１の層１２を形成する。

次に、前処理としてＳＰＭ洗浄と超純水洗浄を実施した後、アノード電極１４となるＮｉやＰｔからなる金属膜をｎ型半導体層１０の上面１０１に蒸着させる。そして、金属膜をパターニングしてアノード電極１４を形成する。

次に、ｎ型半導体層１０の下面１０２をＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層構造などを有する金属膜で覆い、カソード電極１５を形成する。

（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、酸化ガリウム系半導体からなる半導体層を備えたショットキーバリアダイオードであって、ＳｉＯ_２からなるパッシベーション膜により、表面リークが効果的に抑制され、かつ絶縁耐圧が効果的に向上したショットキーバリアダイオードを提供することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、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。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。また、上記に記載した実施の形態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。

１…ショットキーダイオード、 １０…ｎ型半導体層、 １０１…上面、 １１…絶縁膜、 １２…第１の層、 １２１…側面、 １３…第２の層、 １３１…側面、 １４…アノード電極、 １４１…部分、 １５…カソード電極、 １６…ガードリング

Claims (3)

1. 酸化ガリウム系半導体からなるｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層の上面の一部を覆う、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜と、
   前記ｎ型半導体層の前記上面に接続され、前記ｎ型半導体層とショットキー接合を形成し、少なくとも一部の縁が前記絶縁膜上にあるアノード電極と、
   を備え、
   前記絶縁膜が、前記ｎ型半導体層に接触する第１の層と、前記第１の層上の第２の層を含み、
   前記第１の層の屈折率が、前記第２の層の屈折率よりも低い、
   ショットキーバリアダイオード。
2. 前記第１の層の屈折率が１．４４以下であり、
   前記第２の層の屈折率が１．４６以上である、
   請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記絶縁膜の前記第１の層及び前記第２の層の前記アノード電極側の側面が、斜め上方を向くように傾斜している、
   請求項１又は２に記載のショットキーバリアダイオード。