JP3973938B2 - ショットキーデバイス - Google Patents
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Description
【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Mg2+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1011/cm2以下、好ましくは1010/cm2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1010/cm2以下、好ましくは109/cm2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(NH3)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、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgAl2O4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、ZrB2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(NH3)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8×109/cm2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NH3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2×108/cm2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、Mg2+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2×1010/cm2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 (5)
- 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1011/cm2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1010/cm2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。
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