JP3973938B2

JP3973938B2 - ショットキーデバイス

Info

Publication number: JP3973938B2
Application number: JP2002078644A
Authority: JP
Inventors: 智彦柴田; 光浩田中; 尚博清水
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: JP2003282863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショットキーダイオードなどとして好適に使用することのできるショットキーデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パルス大電力用技術分野が注目され、レーザ・プラズマといった高電圧・大電流が必要とされる機器への応用が進められている。そうした応用に対して、高効率の電力変換効率を有し、大電力でのスイッチング特性に優れた半導体電子デバイスに対する需要が急速に増大している。特に、ショットキーダイオードなどのショットキーデバイスは、このような電子デバイスとして着目されている。
【０００３】
図１は、従来のショットキーダイオードの一例を示す構成図である。図１に示すショットキーダイオード１０は、サファイア単結晶などからなる基板１上において、ＧａＮなどからエピタキシャル成長された下地層２及びｉ−ＧａＮなどからエピタキシャル成長された導電層３を具えている。そして、導電層３上においてＡｌ／Ｎｉなどからなるショットキー電極４を具えるとともに、その外周部においてＡｌ／Ｔｉなどからなるオーミック電極５を具えている。
【０００４】
なお、必要に応じて、電極４及び５間に露出した導電層３の表面の荒れを防止すべく、導電層３の、電極４及び５間にパッシベーション膜（図示せず）を作製することができる。また、導電層３の、電極４及び５間にＭｇ^２＋などのイオン注入を行なってイオン注入層６を形成し、電極４から電極５への横方向への空乏層の広がりを抑制することもできる。なお、図中の矢印は、電流の流れる方向を示している。
【０００５】
図２は、図１に示すショットキーダイオードの電流−電圧特性を示す図である。図２から明らかなように、ショットキー電極４を正電位、オーミック電極５を負電位として、両者の電極間に印加する電圧の大きさを増大させていくと、図２のグラフの右半分で示すように、しきい値を越えた電圧レベルにおいて、図１中の矢印で示すように電流が流れ、電圧の増大に伴って電流値が急激に増大するようになる。
【０００６】
一方、ショットキー電極４を負電位、オーミック電極５を正電位として、両者の電極間に印加する電圧の大きさを増大させていくと、図２のグラフの左半分で示すように、微小なリーク電流が流れるのみで、電極間には電流が流れずに整流性を呈するようになる。しかしながら、印加する電圧の大きさをさらに増大させ、ショットキーダイオード１０のブレイクダウン電圧よりも大きな電圧が印加されるようになると、上述した整流性が破壊され、オーミック電極５からショットキー電極４に向けて電流が流れるようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
実用的なショットキーダイオードにおいては、リーク電流ができるだけ小さいことが望まれているとともに、大電流大容量タイプのショットキーダイオードにおいては、上述したブレイクダウン電圧の絶対値ができるだけ大きいことが望まれている。しかしながら、図１に示すような構成のショットキーダイオードでは、現状において、リーク電流は数ｎＡの大きさであり、ブレイクダウン電圧の絶対値は３０００Ｖ程度である。したがって、リーク電流をより低減するとともに、大電流大容量タイプへの応用を可能とすべく、さらなるブレイクダウン電圧の絶対値を増大させることが望まれている。
【０００８】
本発明は、リーク電流の低減を図るとともにブレイクダウン電圧の絶対値を増大させた、新規なショットキーダイオードなどのショットキーデバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、基板と、この基板上にＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃でエピタキシャル成長されたＡｌを含む第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上にエピタキシャル成長されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含む転位密度が低減された第２の窒化物半導体からなる導電層とを具えることを特徴とする、ショットキーダイオードを提供する。
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、以下に示すような事実を発見した。図１に示すような従来のショットキーダイオード１０では、下地層２は基板１と導電層３との格子定数差を緩和して、基板１上に導電層３をエピタキシャル成長させるためのバッファ層として機能するものであった。そのため、下地層２は、例えばＭＯＣＶＤ法により、基板１を５００〜６００℃の低い温度に加熱して形成していた。その結果、下地層２の結晶品質は極めて低く、内部には基板１及び下地層２間のミスフィット転位などに起因した多量の転位が存在するとともに、その結晶性も極めて低いものであった。
【００１１】
したがって、このような下地層２上に形成した導電層３も下地層２の低結晶品質を受け継いで、多量の転位を含有するとともに、その結晶性も極めて低くなってしまっていた。
【００１２】
そこで、本発明者らは、上述したリーク電流及びブレイクダウン電圧が、導電層３の結晶品質に由来するものであると想定し、導電層３の結晶品質に重大な影響を及ぼす下地層２の結晶品質を向上させることを試みた。
【００１３】
上述したように、導電層３はＧａＮなどから構成するものであるため、従来は、導電層３のエピタキシャル成長を実現させるため下地層２も同じＧａＮから構成することが当然であると考えられていた。そして、上述したように、基板１と導電層３との格子定数差を緩和して導電層３のエピタキシャル成長を可能とすべく、下地層２は低温で成膜されていた。なお、導電層３を構成するＧａＮは、キャリアを全く含まない場合のみならず、微量な不純物などによってｎ型化あるいはｐ型化された場合をも含むものである。
【００１４】
しかしながら、Ａｌを比較的高濃度に含む窒化物から下地層を構成した場合は、前記下地層と基板との間に生じる格子定数差に起因して、下地層／基板界面に発生したミスフィット転位が界面で絡まり、前記下地層内に前記ミスフィット転位に起因した転位が存在しなくなり、転位密度が低減されることを見出した。
【００１５】
さらに、このような下地層は、そのバッファ機能を無視して結晶性を向上させた場合においても、ｉ−ＧａＮからなる導電層を、材料成分の違いにもかかわらず、前記下地層上に十分にエピタキシャル成長できることを見出した。
【００１６】
この結果、前記下地層上に形成される前記導電層は、前記下地層の低転位密度及び高結晶性に起因して、転位密度が低減されるとともに結晶性も向上する。そして、最終的に得たショットキーダイオードのリーク電流は予想通りに低減されるとともに、ブレイクダウン電圧の絶対値も予想通りに大幅に増大できることを見出したものである。
【００１７】
したがって、本発明によれば、リーク電流を低減して実用に供することのできるショットキーデバイスを提供できるとともに、ブレイクダウン電圧の絶対値の増大に起因して大電流大容量タイプのショットキーデバイスを提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
以下においては、本発明のショットキーデバイスとしてショットキーダイオードについて説明する。このショットキーダイオードは、基本的には図１と同じ構成を有するため、以下においては、図１と関連させて本発明を説明する。
【００１９】
図１に示すショットキーダイオード１０において、下地層２は、Ａｌを含む窒化物からなり、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下、好ましくは１０^１０／ｃｍ^２以下であって、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が１００秒以下、好ましくは５０秒以下であることが必要である。すなわち、下地層２は、転位密度及び半値幅が前述した範囲内に規定された高結晶品質のＡｌ含有窒化物から構成されることが必要である。
【００２０】
これによって、導電層３の結晶品質も向上し、転位密度が低減されるとともに、結晶性が向上し、ショットキーダイオード１０のリーク電流を低減できるとともに、ブレイクダウン電圧を増大させて大電流大容量の使用に耐え得るようにすることができる。
【００２１】
具体的には、図１に示すショットキーダイオード１０の導電層３中の転位密度を１０^１０／ｃｍ^２以下、好ましくは１０^９／ｃｍ^２以下まで低減させることができる。また、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅を２００秒以下、好ましくは１５０秒以下にまで向上させることができる。その結果、リーク電流を１ｎＡまで低減することができ、ブレイクダウン電圧の絶対値を４０００Ｖまで増大させることができる。
【００２２】
また、下地層２は、Ａｌを多く含むほど、上述したミスフィット転位低減などの作用効果を顕著に発現する。具体的には、下地層２を構成する窒化物中の全III族元素に対してＡｌを５０原子％以上含むことが好ましく、さらにはIII族元素の総てがＡｌから構成されたＡｌＮから構成されることが好ましい。
【００２３】
なお、導電層３は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含んでいることが必要であり、前述したように、ｉ−ＧａＮから構成することができる。また、ショットキー電極４はＡｌ／Ｎｉなどから構成することができ、オーミック電極５はＡｌ／Ｔｉなどから構成することができる。
【００２４】
上述のような高結晶品質の下地層は、例えば、Ａｌ供給原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、窒素供給原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）を用い、さらに必要に応じてその他の原料ガスを用い、これらの原料ガスを、１１００℃以上、好ましくは１１００℃〜１２５０℃に加熱した基板１上に供給してＭＯＣＶＤ法により形成することができる。このような温度は、上述した従来のバッファ層としての機能を付与した下地層の形成温度と比較すると極めて高いものであり、下地層に対してバッファ機能を付与するという従来の方法からは全く想到することのできない高温度である。なお、上記温度は、基板１の設定温度である。
【００２５】
また、下地層２を形成する際の基板温度を１２５０℃を超えて設定した場合、下地層２を構成する窒化物の材料組成などに依存した表面の荒れ、さらには下地層２内における組成成分の拡散を効果的に抑制することができる。これによって、下地層２を構成する窒化物の材料組成によらずに、下地層２の結晶性を良好な状態に保持することが可能となるとともに、表面の荒れに起因する導電層の結晶品質の劣化を効果的に防止することができる。
【００２６】
なお、下地層２は比較的厚く０．１μｍ〜１０μｍの厚さに形成することが好ましく、さらには０．５μｍ〜３μｍの厚さに形成することが好ましい。これによって下地層２の結晶品質が向上し、これに伴って導電層３の結晶品質をさらに向上させることができるようになる。但し、膜厚を厚くした場合、下地層２内部でクラックが発生する可能性があるため、用途などに依存して、適宜選択し、設定する。
【００２７】
なお、下地層２がＡｌを比較的高濃度に含む場合において、下地層２内でのクラックの発生を防止すべく、下地層２を構成する窒化物の成分含有量、具体的にはＡｌ含有量を基板１側から導電層３側に向かって連続的又はステップ状に変化させることが好ましい。これによって、下地層２内に発生する引張応力の大きさを減少し、下地層２又は導電層３におけるクラックの発生を効果的に防止することができる。
【００２８】
基板１は、サファイア単結晶、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ_２単結晶、ＬｉＧａＯ_２単結晶、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶などのIV族あるいはIV−IV族単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶、及びＡｌＧａＮ単結晶などのIII−Ｖ族単結晶、ＺｒＢ_２などのホウ化物単結晶などの、公知の基板材料から構成することができる。
【００２９】
特にサファイア単結晶基板を用いる場合については、下地層２を形成すべき主面に対して表面窒化処理を施すことが好ましい。前記表面窒化処理は、前記サファイア単結晶基板をアンモニアなどの窒素含有雰囲気中に配置し、所定時間加熱することによって実施する。そして、窒素濃度や窒化温度、窒化時間を適宜に制御することによって、前記主面に形成される窒化層の厚さを制御する。
【００３０】
このようにして表面窒化層が形成されたサファイア単結晶基板を用いれば、その主面上に直接的に形成される下地層２の結晶性をさらに向上させることができる。前記表面窒化層は、比較的に薄く、例えば１ｎｍ以下に形成する、又は比較的厚く、例えば、前記主面から１ｎｍの深さにおける窒素含有量が２原子％以上となるように厚く形成することが好ましい。
【００３１】
なお、下地層２及び導電層３は、上述したＡｌやＧａなどのIII族元素の他に、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、及びＢなどの添加元素を含むことができる。また、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件、原料、及び反応管材質に含まれる微量不純物を含むこともできる。
【００３２】
【実施例】
（実施例）
本実施例においては、図１に示すようなショットキーダイオードを作製した。２インチ径の厚さ４３０μmのサファイア基板をＨ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏ₂で前処理した後、ＭＯＣＶＤ装置の中に設置した。その後、圧力を１５Ｔｏｒｒに設定して、水素キャリアガスを流速３ｍ／ｓｅｃとなるように供給した後、ヒータにより、前記基板を１２００℃まで加熱した。
【００３３】
最初に、アンモニアガス（ＮＨ_３）を水素キャリアガスとともに５分間流し、前記基板の主面を窒化させた。なお、ＥＳＣＡによる分析の結果、この表面窒化処理によって、前記主面には窒化層が形成されており、前記主面から深さ１ｎｍにおける窒素含有量が７原子％であることが判明した。
【００３４】
次いで、ＴＭＡとＮＨ₃をそれぞれ流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、下地層としてのＡｌＮ層を厚さ１μmまでエピタキシャル成長させた。このＡｌＮ層の転位密度は８×１０^９／ｃｍ^２であり、（００２）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅は７０秒であり、良質のＡｌＮ層であることがわかった。
【００３５】
次いで、ＴＭＧ及びＮＨ_３をそれぞれ流速１０ｍ／ｓｅｃで流して、導電層としてのｉ−ＧａＮ層を厚さ１０μｍにエピタキシャル成長させた。このｉ−ＧａＮ層の転位密度は２×１０^８／ｃｍ^２であり、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅は１２０秒であった。
【００３６】
成長終了後、ｉ−ＧａＮ層表面にＡｌ／Ｎｉからなるショットキー電極を形成するともに、Ａｌ／Ｔｉからなるオーミック電極を形成した。なお、図１に示すように、ショットキー電極４とオーミック電極５との間には、Ｍｇ^２＋イオン注入によるイオン注入層６を形成するとともに、図示しないパッシベーション膜を設けた。
【００３７】
このようにして得たショットキーダイオードのリーク電流及びブレイクダウン電圧を調べたところ、それぞれ０．５ｎＡ及び４５００Ｖであった。
【００３８】
（比較例）
ＡｌＮ下地層に代えて、６００℃の低温でＧａＮ下地層を厚さ０．０３μｍに形成した以外は、実施例と同様にしてショットキーダイオードを作製した。ｉ−ＧａＮ導電層の転位密度は２×１０^１０／ｃｍ^２であり、（００２）面における
Ｘ線ロッキングカーブの半値幅は３００秒であった。
【００３９】
実施例同様にして、最終的に得たショットキーダイオードのリーク電流及びブレイクダウン電圧を調べたところ、それぞれ３ｎＡ及び２５００Ｖであった。
【００４０】
以上、実施例及び比較例から明らかなように、本発明に従って、転位密度及び結晶性が改善され、結晶品質に優れた下地層を用いた場合は、この下地層上に形成された導電層の結晶品質も改善され、最終的に得たショットキーダイオードのリーク電流を低減できるとともに、ブレイクダウン電圧の絶対値をも増大できることが判明した。
【００４１】
以上、具体例を挙げながら、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記においては、ショットキーデバイスとしてリングタイプのショットキーダイオードを中心に述べてきたが、他の電極構造にしたり、ショットキーデバイスを並列あるいは直列に複数配置することもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リーク電流を低減するとともに、ブレイクダウン電圧の絶対値をも増大させることができるので、実用かつ大電流大容量のショットキーダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（従来）のショットキーダイオードの一例を示す構成図である。
【図２】図１に示すショットキーダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１基板、２下地層、３導電層、４ショットキー電極、５オーミック電極、６イオン注入層、１０ショットキーダイオード

Claims

基板と、この基板上にＣＶＤ法により１１００℃〜１２５０℃でエピタキシャル成長されたＡｌを含む第１の窒化物半導体からなる下地層と、この下地層上にエピタキシャル成長されたＡｌ、Ｇａ、及びＩｎの少なくとも一つを含み、転位密度が１０ ^１０／ｃｍ ^２以下に低減された第２の窒化物半導体からなる導電層とを実質的に具えることを特徴とする、ショットキーダイオード。
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体中におけるＡｌ含有量が、５０原子％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のショットキーダイオード。
前記下地層を構成する前記第１の窒化物半導体は、ＡｌＮであることを特徴とする、請求項２に記載のショットキーダイオード。
前記第１の窒化物半導体からなる下地層が、転位密度が１０^１１／ｃｍ^２以下で、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が１００秒以下であり、前記第２の窒化物半導体からなる導電層が、転位密度が１０^１０／ｃｍ^２以下で、（００２）面におけるＸ線ロッキングカーブにおける半値幅が２００秒以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のショットキーダイオード。
前記基板はサファイア単結晶からなり、前記下地層は前記基板の、表面窒化処理が施された主面上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のショットキーダイオード。