JP5051835B2 - 高出力ダイヤモンド半導体素子 - Google Patents
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Description
本発明は、高出力ダイヤモンド半導体素子に関し、とくに代表的には、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタ、ダイヤモンド電界効果トランジスタなどを挙げることができる。
従来の技術では、ダイヤモンドは、大きなバンドギャップ(5.5eV)、高いアバランシェ破壊電界(10MV/cm)、高い飽和キャリア移動度(4000cm2/Vs)、高い熱伝導率(20W/cmK)を有し、高温度や放射線曝露環境下で実用動作可能な素子として期待されている。これまでにこれらの特徴を生かした電子素子を開発するため、ダイヤモンドダイオードの構造および作製方法が提案されている。
同時に、表面の修飾に対して敏感なダイヤモンドにおいて、高い破壊電界を活かすためには、表面不活化が必要である。他のパワーデバイスでは表面不活化技術は段階的に進展しているが（非特許文献1）、現在までにダイヤモンドにおいて、有効な手段は見出されていなかった。
C.I.Harris et al."SiC power device passivation using porous SiC" Appl. Phys. Lett. 66 (1995) 20.
同時に、表面の修飾に対して敏感なダイヤモンドにおいて、高い破壊電界を活かすためには、表面不活化が必要である。他のパワーデバイスでは表面不活化技術は段階的に進展しているが（非特許文献1）、現在までにダイヤモンドにおいて、有効な手段は見出されていなかった。
C.I.Harris et al."SiC power device passivation using porous SiC" Appl. Phys. Lett. 66 (1995) 20.
ダイヤモンドは、絶縁耐圧が高いといわれているが、10MV/cm以上といわれる耐圧を実デバイスで有効に利用されてきてはいなかった。ショットキーバリアダイードにおいて、特に、高電圧を与えると、表面でのリーク電流が現れる可能性があり、それによって物性限界よりも早い絶縁破壊が起こってしまうことが考えられる。
本発明では、ダイヤモンドに対する表面不活化を行い、低リーク電流で高い電圧まで動作する高出力ダイヤモンド半導体素子を提供する。
本発明では、ダイヤモンドに対する表面不活化を行い、低リーク電流で高い電圧まで動作する高出力ダイヤモンド半導体素子を提供する。
上記目的を達成するために本発明は、ショットキー電極の周囲に酸化物および窒化物を形成することにより、ダイヤモンド表面を不活化し、ダイヤモンドの逆方向リーク特性を改善し、低リークで高電圧動作を行うことが出来る高出力ダイヤモンド半導体素子を見出すに至った。
本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極の周りでむき出しになっている酸素終端ダイヤモンド表面を特定の絶縁膜の形成により、不活性にし、表面電流経路を遮断することで、低リークで高電圧動作を行うことが出来る高出力ダイヤモンド半導体素子である。
すなわち、本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極の周囲に絶縁膜層を設けたダイヤモンド半導体素子である。
また、本発明は、表面不活性化をする絶縁体を窒化物あるいは酸化物材料とすることができる。
さらに本発明では、絶縁体材料としてSi3N4、SiO2またはAl2O3を用いることが出来る。また、本発明では、ショットキー電極に接合するダイヤモンドを、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドとすることが望ましい。
さらに本発明では、高出力ダイヤモンド半導体素子としてショットキーバリヤーダイオードとすることが望ましい。
本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極の周りでむき出しになっている酸素終端ダイヤモンド表面を特定の絶縁膜の形成により、不活性にし、表面電流経路を遮断することで、低リークで高電圧動作を行うことが出来る高出力ダイヤモンド半導体素子である。
すなわち、本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極の周囲に絶縁膜層を設けたダイヤモンド半導体素子である。
また、本発明は、表面不活性化をする絶縁体を窒化物あるいは酸化物材料とすることができる。
さらに本発明では、絶縁体材料としてSi3N4、SiO2またはAl2O3を用いることが出来る。また、本発明では、ショットキー電極に接合するダイヤモンドを、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドとすることが望ましい。
さらに本発明では、高出力ダイヤモンド半導体素子としてショットキーバリヤーダイオードとすることが望ましい。
本技術により、逆方向リーク電流を減らすことが出来るため、高出力ダイヤモンド素子の高電界印加時におけるリーク電流が減少し、また動作可能電圧が増大するだけでなく、長期信頼性が向上した。
本発明のショットキー電極周囲に作製する不活性化材である絶縁膜に用いる材料は、Si3N4、SiO2またはAl2O3が利用できる。不活性化材である絶縁膜を設ける位置は、ダイヤモンドｐ−ドリフト層の表面（ショットキー電極側）であり、ここにイオンスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法等により、ショットキー電極の周囲面に設ける。絶縁膜の厚さは特に規定しないが、試作したものでは1000Å〜2μmであり、隣接する電極との距離は10μm以上が望ましい。
形状は、どのようなものでも良いが、通常、ショットキー電極の周囲を取り巻く島状である（図１参照）。
形状は、どのようなものでも良いが、通常、ショットキー電極の周囲を取り巻く島状である（図１参照）。
本発明で用いる表面不活化材に用いる絶縁体は、例えばAl2O3又はSi3N4、SiO2であり、少なくとも材料自身が1MV/cm以上あるものが望ましい。
表面不活化材は、どのような方法でも形成することが出来る。溶剤を用いる湿式方でも、蒸着による方法、プラズマＣＶＤによる方法でもよい。
本発明においては、ショットキー電極とは、パワーエレクトロニクスに用いるための周知の形状のショットキー電極であり、周知の作用をするショットキー電極を意味する。ショットキー電極材料としては金属性材料であれば材料を選ばないが、たとえば、Ti, Mo, Ta, Pt, Au等が利用できる。
ショットキー電極の形状は、基板上のダイヤモンド半導体表面に形成された島状に点在する複数の電極から成るパターン電極である。
表面不活化材は、どのような方法でも形成することが出来る。溶剤を用いる湿式方でも、蒸着による方法、プラズマＣＶＤによる方法でもよい。
本発明においては、ショットキー電極とは、パワーエレクトロニクスに用いるための周知の形状のショットキー電極であり、周知の作用をするショットキー電極を意味する。ショットキー電極材料としては金属性材料であれば材料を選ばないが、たとえば、Ti, Mo, Ta, Pt, Au等が利用できる。
ショットキー電極の形状は、基板上のダイヤモンド半導体表面に形成された島状に点在する複数の電極から成るパターン電極である。
本発明で用いるダイヤモンド半導体は、作成方法は限定されない。pもしくはp-型ダイヤモンド上に好ましくはイオンビームスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法、CVD法により窒化物あるいは酸化物の層を0.1〜10μm形成する。
さらに本発明においては、ダイヤモンドならどのタイプのものでも良いが、結晶構造（００１）、（１１１）、（１１０）などが挙げられ、ダイヤモンド表面では、炭素終端ダイヤモンド、水素終端ダイヤモンド、酸素終端のダイヤモンドなどが挙げられる。
しかし、少なくともショットキー電極に接合するダイヤモンドは、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドが特に適していることが判明している。
本発明では、オーミック電極の作成についても、周知の材料と周知方法を用いてどのような手順で行っても良い。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
しかし、少なくともショットキー電極に接合するダイヤモンドは、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドが特に適していることが判明している。
本発明では、オーミック電極の作成についても、周知の材料と周知方法を用いてどのような手順で行っても良い。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
まず、p+膜状にp-膜1.5μmを成膜した酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmにてRuターゲットを用いて3分間(500Å)形成した。つぎに、同じく電子線描画にてショットキー電極をレジストで保護するパターンを描き、ショットキー電極周辺にAl2O3をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmという条件の下、Al2O3ターゲットを用いて70分間(1000Å)形成した。なお、オーミック電極はp-膜の一部をICPエッチングによりp+層まで切削し、そこにTi、Pt、Auと順に成膜し、RTA炉において420℃という条件で30分アニールすることでショットキー電極の周囲に絶縁膜層を設けたダイヤモンド半導体素子を得た。
(比較例)
まず、p+膜状にp-膜1.5μmを成膜した酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmにてRuターゲットを用いて3分間(500Å)形成した。なお、オーミック電極はp-膜の一部をICPエッチングによりp+層まで切削し、そこにTi、Pt、Auと順に成膜し、RTA炉において420℃という条件で30分アニールすることでショットキー電極の周囲に絶縁膜層を設けたダイヤモンド半導体素子を得た。
まず、p+膜状にp-膜1.5μmを成膜した酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmにてRuターゲットを用いて3分間(500Å)形成した。なお、オーミック電極はp-膜の一部をICPエッチングによりp+層まで切削し、そこにTi、Pt、Auと順に成膜し、RTA炉において420℃という条件で30分アニールすることでショットキー電極の周囲に絶縁膜層を設けたダイヤモンド半導体素子を得た。
実施例１で得られた高出力ダイヤモンド半導体素子について、電圧電流特性を測定したものを図２に示す。また、ショットキー電極の周囲を絶縁膜によって覆っていないものについて、その比較例を同じく図２に示す。表面不活材を作製した本発明のデバイスでは、性能の均一化と表面から来ると考えられるリーク電流は抑制されている。
このことから、ショットキー電極周囲に表面不活化のために絶縁膜を設置することは、リーク電流の抑制および性能の均一化に対して有効であることが判明した。
このことから、ショットキー電極周囲に表面不活化のために絶縁膜を設置することは、リーク電流の抑制および性能の均一化に対して有効であることが判明した。
Si3N4、SiO2についてもそれぞれAl2O3ターゲットに代えて、Si3N4、SiO2のターゲットを用いたという点以外は実施例１と同様にショットキー電極の周囲に絶縁膜層を設けたダイヤモンド半導体素子を得た。
高出力ダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタ、ダイヤモンド電界効果トランジスタなどに転用が可能であり、産業上の利用価値が高い。
Claims (1)
- ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造のショットキーバリヤーダイオードである高出力ダイヤモンド半導体素子であって、
前記ショットキー電極に接合する前記ダイヤモンドｐ−ドリフト層のダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドであり、
前記ショットキー電極の周囲に不活性化材であるＳｉ ３ Ｎ ４ またはＡｌ ２ Ｏ ３ の絶縁膜層を設けて、前記ショットキー電極の周りの前記酸素終端のダイヤモンドの表面を不活性にすることにより、表面電流経路を遮断したことを特徴とする高出力ダイヤモンド半導体素子。
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