JP5414019B2 - Diamond electronic device with barrier height control - Google Patents
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本発明は、高出力ダイヤモンド半導体素子の改良に関し、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、ダイヤモンド電界効果トランジスタ、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などの高出力ダイヤモンド半導体素子の電極端の改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a high-power diamond semiconductor device, and more typically, representatively of an electrode end of a high-power diamond semiconductor device such as a diamond Schottky barrier diode, a diamond field effect transistor, a diamond pn diode, a diamond thyristor, and a diamond transistor. Regarding improvement.
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。
近年、ショットキーバリア障壁高さと破壊電圧・破壊電界には相関があることがダイヤモンドショットキーダイヤモンドにおいて注目され、高い逆方向漏れ電流、破壊電圧を持つためには、大きなショットキーバリア障壁高さが必要であることがダイヤモンドショットキーダイオードで明らかになってきた。（非特許文献１参照）特に、電極端（縁辺）での電界集中（非特許文献２参照）は誘電率の小さいダイヤモンドでは著しく、高い障壁高さをもつ金属が適していると考えられるが、それと同時に順方向立ち上がりで電圧も高くなってしまう。そのため、高い耐電圧をもち、低い立ち上がり電圧を持つという相反する特性を同時に得ることはダイヤモンドデバイスの適用範囲を広げる上でも最重要課題の一つといえる。
In recent years, it has been noticed in diamond Schottky diamond that there is a correlation between the height of the Schottky barrier barrier and the breakdown voltage / breakdown electric field. In order to have a high reverse leakage current and breakdown voltage, a large Schottky barrier barrier height is required. The need for diamond Schottky diodes has become apparent. (See Non-Patent Document 1) In particular, the electric field concentration at the electrode edge (edge) (see Non-Patent Document 2) is remarkable in diamond having a small dielectric constant, and it is considered that a metal having a high barrier height is suitable. At the same time, the voltage rises with a forward rise. Therefore, obtaining the contradictory characteristics of having a high withstand voltage and having a low rising voltage is one of the most important issues in expanding the application range of diamond devices.
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、その耐圧を挙げるには、高いショットキー障壁が必要であることがわかってきた。
本発明では、金属とダイヤモンドのショットキー接合の縁辺電界集中による絶縁破壊を抑制し、かつ順方向立ち上がり電圧を低くするため、中心にある低ショットキー障壁電極の周りを囲い込むように、電極端に高ショットキー障壁電極を配置することで、ショットキー接合縁辺付近のショットキー障壁高さを高くし、低リーク電流で高い電圧まで動作し、かつ順方向立ち上がり電圧の低い高出力ダイヤモンド半導体素子を提供する。
Diamond is said to have a high withstand voltage, but a withstand voltage of 10 MV / cm or more has not been effectively used in actual devices. In Schottky barrier diodes, it has been found that a high Schottky barrier is necessary to increase the breakdown voltage.
In the present invention, in order to suppress the dielectric breakdown due to the edge electric field concentration of the Schottky junction of metal and diamond and reduce the forward rising voltage, the electrode end is surrounded so as to surround the low Schottky barrier electrode at the center. A high-power diamond semiconductor element that increases the Schottky barrier height near the edge of the Schottky junction, operates to a high voltage with a low leakage current, and has a low forward rise voltage. provide.
上記目的を達成するために本発明は、ショットキー電極縁辺に高ショットキー障壁電極を、主ショットキー電極部分に低ショットキー障壁電極を設けることにより、電界の著しく集中する電極縁辺付近では高耐電界構造をもたせる。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、ショットキー電極にPt、Au、Os、Pdから選ばれるショットキー障壁の高い金属、Ru、Mo、から選ばれるショットキー障壁の低い金属を、ショットキーバリア高さの低い金属をショットキーバリア高さの高い金属で覆う二重構造としたショットキー電極として設置した高出力ダイヤモンド半導体素子である。
また、本発明では、ショットキー電極を形成する金属がショットキー障壁の高い金属が電極端、電極中心付近にはショットキー障壁の低い金属あるいは導電性酸化物、炭化物、金属酸化物、金属炭化物、窒化物を用いることができる。
さらに、本発明では、電極中心部分金属がRu又はMoであり、これを覆う金属がPt又はAuの二重構造とすることができる。
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半導体のダイヤモンド表面を酸素終端のダイヤモンドとすることができる。
さらに本発明では、高出力ダイヤモンド半導体素子をショットキーバリヤーダイオード電界効果トランジスタとすることができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a high Schottky barrier electrode at the edge of the Schottky electrode and a low Schottky barrier electrode at the main Schottky electrode portion, thereby achieving high resistance near the electrode edge where the electric field is remarkably concentrated. Provide an electric field structure. That is, the present invention relates to a high-power diamond semiconductor element having a structure including a Schottky electrode as a cathode, an ohmic electrode as an anode, and a Schottky electrode, a diamond p - drift layer, a diamond p + ohmic layer, and an ohmic electrode. High Schottky barrier metal selected from Pt, Au, Os, Pd, Low Schottky barrier metal selected from Ru, Mo, Low Schottky barrier metal, high Schottky barrier metal It is a high-power diamond semiconductor element installed as a Schottky electrode having a double structure covered with.
Further, in the present invention, the metal forming the Schottky electrode is a metal having a high Schottky barrier, the metal near the electrode center, a metal having a low Schottky barrier or a conductive oxide, carbide, metal oxide, metal carbide, Nitride can be used.
Furthermore, in the present invention, the electrode center metal can be Ru or Mo, and the metal covering this can have a double structure of Pt or Au.
In the present invention, the diamond surface of the diamond semiconductor bonded to the Schottky electrode can be oxygen-terminated diamond.
Furthermore, in the present invention, the high-power diamond semiconductor element can be a Schottky barrier diode field effect transistor.
本発明は、電極縁辺でのショットキーバリア高さを高くすることが出来るため、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。また、本発明により、電極中心でのショットキーバリア高さを高くすることが出来るため、高出力ダイヤモンド素子の順方向立ち上がり電圧を下げることができ、それにより、電力損失も抑制することができる。 According to the present invention, since the Schottky barrier height at the electrode edge can be increased, a leakage current when a high power diamond element is applied with a high electric field is reduced, and an operable voltage is increased. Further, according to the present invention, the height of the Schottky barrier at the center of the electrode can be increased, so that the forward rising voltage of the high-power diamond element can be lowered, thereby suppressing power loss.
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、ショットキー電極として、その縁辺部分と中心部分でショットキー障壁高さの異なる電極を用いた構造を用いることで、電界集中部分により高い耐圧性能を持つようにし、順方向電圧電流特性の低立ち上がり電圧化を同時に実現することができた。
本発明のショットキー電極に用いる材料は、周知のダイヤモンドに対するショットキー電極が利用できる。特に、高いショットキー障壁を持つものとしてはPtやAuを利用することが可能である。作成手段はイオンスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法等によることができる。縁辺の高ショットキー障壁金属は中心電極に対して１〜１０％程度で十分である。高ショットキー障壁金属終端構造の形状は、どのようなものでも良いが、通常、主ショットキー電極が円形であれば、その周囲を取り巻く円形のリング状である（図１参照）。
The present invention provides a high-power diamond semiconductor element having a structure including a Schottky electrode as a cathode, an ohmic electrode as an anode, a Schottky electrode, a diamond p - drift layer, a diamond p + ohmic layer, and an ohmic electrode. By using a structure that uses electrodes with different Schottky barrier heights at its edge and center, it is possible to have a higher breakdown voltage performance in the electric field concentration part and simultaneously realize a low rise voltage in forward voltage current characteristics We were able to.
As a material used for the Schottky electrode of the present invention, a well-known Schottky electrode for diamond can be used. In particular, Pt or Au can be used as a material having a high Schottky barrier. The preparation means can be ion sputtering, PLD, RF sputtering, or the like. About 1 to 10% of the high Schottky barrier metal at the edge is sufficient with respect to the center electrode. The shape of the high Schottky barrier metal termination structure may be any shape, but usually, if the main Schottky electrode is circular, it has a circular ring shape surrounding the periphery (see FIG. 1).
本発明で用いるまた、中心となる主ショットキー電極としては、目的に応じてショットキー障壁高さを変えればよいので、既知のショットキー電極をすべて適用することが出来るが、たとえば、Ru、Mo、Os、Irのような金属を利用することができる。また、導電性であれば純金属に限る必要は無い。
誘電体層は、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、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。
ショットキー電極の形状は、どのような形状でもよいが、単純なものとして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がある。
As the main Schottky electrode used in the present invention, the Schottky barrier height may be changed according to the purpose, so that all known Schottky electrodes can be applied. For example, Ru, Mo Metals such as Os, Ir can be used. Moreover, if it is electroconductivity, it is not necessary to restrict to a pure metal.
The dielectric layer can be formed by any method. A wet method using a solvent, a method by vapor deposition, or a method by CVD may be used.
In the present invention, the Schottky electrode is a Schottky electrode having a known shape for use in power electronics, and means a Schottky electrode having a known action.
The shape of the Schottky electrode may be any shape, but as a simple one, there is a pattern electrode composed of a plurality of electrodes scattered in an island shape formed on the diamond semiconductor surface on the substrate.
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が、好ましくはpもしくはp-型ダイヤモンド上にイオンビームスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法、CVD法により、ショットキー電極を形成する。 The production method of the diamond semiconductor used in the present invention is not limited. Preferably, a Schottky electrode is formed on p or p-type diamond by ion beam sputtering, PLD, RF sputtering, or CVD.
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ダイオードに供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絶縁性、温度安定性の観点から、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。
Furthermore, in the present invention, any type of diamond may be used, but examples thereof include crystal structures (001), (111), and (110). On the diamond surface, carbon-terminated diamond, hydrogen-terminated diamond, and oxygen-terminated diamond. Etc.
However, it has been found that at least diamond used for a Schottky diode is particularly suitable when the diamond surface has an oxygen-terminated diamond in terms of insulation and temperature stability.
In the present invention, the ohmic electrode may be formed by any procedure using a known material and a known method.
The present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
まず、酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30および 45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、O2アッシング処理後Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmにてターゲットにはRuを用いて15分間(250nm)形成した。次に、上記よりも大きな直径50ミクロンを持つパターンを電子線描画装置で描き、Pt薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10 sccmにてPtターゲットを用いて3分間(50nm)形成した。 First, Schottky electrode patterns with diameters of 30 and 45 microns were prepared on oxygen-terminated diamond using an electron beam lithography system. After O 2 ashing, the Ru thin film was RF-powered at 200 W with an Ar gas flow rate of 10 sccm. The target was formed using Ru for 15 minutes (250 nm). Next, a pattern with a diameter of 50 microns larger than the above is drawn with an electron beam lithography system, and a Pt thin film is formed for 3 minutes (50 nm) using a Pt target with an RF sputtering apparatus at an RF output of 200 W and an Ar gas flow rate of 10 sccm. did.
(比較例)
ショットキー電極としてRuのみを用いた場合は以下のようにして作製した。まず、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、O2アッシング処理後Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10 sccmにてRuターゲットを用いて15分間(250nm)形成した。
(Comparative example)
When only Ru was used as the Schottky electrode, it was manufactured as follows. First, a Schottky electrode pattern with a diameter of 30 microns was prepared on an oxygen-terminated diamond using an electron beam lithography system. After O 2 ashing, the Ru thin film was subjected to an RF sputtering system with an RF output of 200 W and an Ar gas flow rate of 10 sccm. Formed for 15 minutes (250 nm) using a target.
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。実験例１の２種ショットキー障壁高さを用いた本発明のデバイスでは、階段状の順方向電流を示す。さらに縁辺の高ショットキー障壁高さのある金属の割合を１０％以下にすると特性はほぼ階段状ではなくなることがわかる。このとき、図２の階段状の特性より、ショットキー電極中心部と縁辺では１eV以上のショットキーバリア障壁高さがの差があることがわかる。すなわち、現状でも逆方向耐圧は単純にRuだけの場合に比して大幅な改善が得られる。 FIG. 2 shows the voltage-current characteristics of the high-power diamond semiconductor element obtained in Example 1. The device of the present invention using the two types of Schottky barrier heights of Experimental Example 1 shows a stepwise forward current. Furthermore, it can be seen that when the ratio of the metal having a high Schottky barrier height at the edge is set to 10% or less, the characteristics are not substantially stepped. At this time, it can be seen from the step-like characteristics in FIG. 2 that there is a difference in Schottky barrier barrier height of 1 eV or more between the central portion and the edge of the Schottky electrode. In other words, even in the present situation, the reverse breakdown voltage can be greatly improved as compared to the case of simply Ru.
Ptの変わりにAuを、Ruの変わりにMoをもちいたということ以外は実施例１と同じである。実験結果はほぼ同じである。 Example 1 is the same as Example 1 except that Au was used instead of Pt and Mo was used instead of Ru. The experimental results are almost the same.
実施例２で得られたダイヤモンドショットキーバリアダイオードについて、逆方向特性を図４に示す。
これらのことから、ショットキー電極には、縁辺付近では高ショットキー障壁高さのある電極を用い、ショットキー電極中心付近では低ショットキー障壁高さをもつ電極を用いることで、縁辺での高耐圧化と中心での順方向低立ち上がり電圧を同時に実現することがダイヤモンドショットキーバリアダイオードに有効であることが明らかになった。実施例では擬似縦型であるが、縦型でもよく、ショットキー接合以外はどのような配置でも良い。
The reverse characteristics of the diamond Schottky barrier diode obtained in Example 2 are shown in FIG.
For these reasons, the Schottky electrode has a high Schottky barrier height near the edge and a low Schottky barrier height near the center of the Schottky electrode. It has been clarified that it is effective for the diamond Schottky barrier diode to realize the breakdown voltage and the low forward voltage at the center at the same time. In the embodiment, a pseudo vertical type is used, but a vertical type may be used, and any arrangement other than a Schottky junction may be used.
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。電極終端構造（JTE）と組み合わせることでより大きな効果が期待できる。 High-power diamond semiconductor elements can be diverted to diamond Schottky barrier diodes, diamond pn diodes, diamond thyristors, diamond transistors, diamond field effect transistors, etc., and have high industrial utility value. Greater effects can be expected by combining with the electrode termination structure (JTE).
Claims (2)
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は、Ｐｔ、Ａｕから選ばれるショットキー障壁の高い金属と、Ｒｕ、Ｍｏから選ばれるショットキー障壁の低い金属とを用いて、ショットキーバリア高さの低い金属をショットキーバリア高さの高い金属で覆う二重構造とし、
前記ショットキー障壁の高い金属が電極縁辺部分に、電極中心部分にショットキー障壁の低い金属が配置されていることを特徴とする高出力ダイヤモンド半導体素子。 In a high-power diamond semiconductor element having a structure including a Schottky electrode as a cathode, an ohmic electrode as an anode, a Schottky electrode, a diamond p - drift layer, a diamond p + ohmic layer, and an ohmic electrode,
The diamond p - drift layer bonded to the Schottky electrode has an oxygen-terminated diamond surface.
The Schottky electrode uses a metal having a high Schottky barrier selected from Pt and Au and a metal having a low Schottky barrier selected from Ru and Mo, and uses a metal having a low Schottky barrier height to increase the Schottky barrier height. Double structure covered with high metal,
The high-power diamond semiconductor device, wherein the metal having a high Schottky barrier is disposed at an electrode edge portion, and the metal having a low Schottky barrier is disposed at an electrode center portion.
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