JP5956616B2 - 窒化物半導体ショットキダイオード - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、窒化物半導体ショットキダイオードに関する。

窒化物半導体電子デバイスは、従来の半導体の電子デバイスに比べて耐圧が高く、オン抵抗が小さいとして、小型で低損失のスイッチング電源への応用が期待されている。特に、アンドープＧａＮ層とアンドープＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合を利用する窒化物半導体電子デバイスは、ヘテロ界面に移動度の高い２次元電子が高濃度に蓄積するため、損失が少ない。

スイッチング電源の回路構成には、スイッチング素子と整流素子が必要である。スイッチング素子にＡｌＧａＮ／ＧａＮ電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）を用いる場合には、この素子と同程度に高い耐圧をもち、高速に動作するＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキダイオードを組み合わせるのが最適である。
しかし、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキダイオードは、逆バイアスでのリーク電流が大きいという問題があった。一般的なシリコンのショットキダイオードは、順方向電流に比べて逆方向リーク電流が５桁程度低くなるのに比べて、ＡｌＧａＮ／ＧａＮショットキダイオードは、３桁程度低い値にとどまっており、リーク電流を低減することが強く望まれる。

特開２００８−１７７３６９号公報

本発明が解決しようとする課題は、リーク電流を低減できる窒化物半導体ショットキダイオードを提供することである。

実施形態の窒化物半導体ショットキダイオードは、第１の窒化物半導体からなる第１の層と、前記第１の層の上に設けられ、前記第１の窒化物半導体よりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体からなる第２の層と、前記第２の層の上に設けられたオーミック電極と、前記第２の層に上に設けられたショットキ電極と、を含む。前記第２の層は、前記ショットキ電極と前記オーミック電極とのあいだにおいて、前記ショットキ電極の近傍にアクセプタを含む領域を有する。前記アクセプタを含む前記領域は、前記第２の層のうちの前記ショットキ電極の下の部分には設けられない。前記アクセプタを含む前記領域は、前記第１の層と前記第２の層との界面から離れている。

図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ショットキダイオードの模式断面図である。 図２は、本実施形態のショットキダイオードの製造方法を表す工程断面図である。 図３は、本実施形態のショットキダイオードの製造方法を表す工程断面図である。 図４は、比較例のショットキダイオードを表す模式断面図である。 図５（ａ）は、比較例のショットキダイオードの逆バイアス条件での電荷分布を表す模式図であり、図５（ｂ）は、本実施形態のショットキダイオードの逆バイアス条件での電荷分布を表す模式図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、比較例及び本実施形態のショットキダイオードについて、デバイスシミュレーションにより得られた電界強度分布を表すグラフ図である。 図７は、逆方向リーク電流のシミュレーション結果を表すグラフ図であり、横軸は逆バイアス電圧、縦軸は逆方向リーク電流をそれぞれ表す。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。各図において、同様の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本発明の実施形態に係る窒化物半導体ショットキダイオードの模式断面図である。

本実施形態に係る窒化物半導体ショットキダイオード（以下、単に「ショットキダイオード」と略すこともある）１００は、下地層１２と、下地層１２の上に設けられた第１の層２０と、第１の層２０の上に設けられた第２の層３０と、を備える。
第２の層３０の上には、パッシベーション膜４０が形成されており、その一部が開口されてオーミック電極４１とショットキ電極４３とが形成されている。さらに、第２の層３０の表面側の領域のうちのショットキ電極４３の周囲部分に、アクセプタを含む領域５０が設けられている。

下地層１２は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、窒化ガリウムなどの各種の基板や、その基板の上に形成されたバッファ層などを含む。あるいは、サファイアなどの基板の上にバッファ層を介して第１の層２０及び第２の層３０を成長させ、その後、基板とバッファ層の少なくとも一部を除去して、新たに支持基板などを貼り付けたものを下地層１２としてもよい。いずれにしても、実施形態において、下地層１２は、必須の構成要素ではない。

第１の層２０は、第１の窒化物半導体からなる。第２の層３０は、第１の窒化物半導体よりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体からなる。

本願明細書において「窒化物半導体」とは、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_１-_Ｘ-_ＹＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

第１の層２０を構成する第１の窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮを用いることができる。あるいは、ＩｎＧａＮや、ＡｌＧａＮやＩｎＡｌＧａＮを用いてもよい。

第２の層３０を構成する第２の窒化物半導体としては、第１の窒化物半導体よりも広いバンドギャップを有するノンドープもしくはｎ形のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）、またはＩｎ_ＹＡｌ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）、または、ノンドープもしくはｎ形のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）と、Ｉｎ_ＹＡｌ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）と、の混合物、または、ノンドープもしくはｎ形のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）と、Ｉｎ_ＹＡｌ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）と、の積層体など、のいずれかを用いることができる。
第２の層３０膜厚は、例えば、５ｎｍから５０ｎｍ程度とすることができる。
このような積層構造において、第１の層２０内の第２の層３０との界面の付近には、２次元電子ガスが発生する。

そして、本実施形態においては、ショットキ電極４３の周囲部分にアクセプタを含む領域５０を設けることにより、ショットキ電極４３の近傍の電界を緩和させ、リーク電流を低減させることが可能となる。

次に、本実施形態のショットキダイオードの製造方法を説明する。
図２及び図３は、本実施形態のショットキダイオードの製造方法を表す工程断面図である。
まず、図２（ａ）に表したように、シリコンなどからなる支持基板１０の上に、バッファ層１１を形成する。バッファ層１１としては、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層を形成することができる。また、バッファ層１１の厚さは、例えば１〜１０μｍとすることができる。

次に、バッファ層１１の上に、第１の層として厚さ１〜１０μｍのＧａＮ層２０を成長させ、さらに第２の層として厚さ５〜５０ｎｍのＡｌＧａＮ層３０を、（０００１）面に対して垂直方向に成長させる。成長方法としては、例えばＭＯＣＶＤ（MetalOrganic Chemical Vapour Deposition）や、ハイドライドＶＰＥ（Vapour Phase Epitaxy）や、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などを用いることができる。ＡｌＧａＮ層３０を形成するＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}ＮのＡｌ組成ｘは、０＜ｘ≦１である。

ＡｌＧａＮ層３０上に、パッシベーション膜４０として、例えば厚さ１０〜５００ｎｍのＳｉＮ膜を、ＰＥ−ＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）などの方法により形成する。

次に、図２（ｂ）に表したように、パッシベーション膜４０の一部をフォトリソグラフィー技術により開口する。そしてこれらの開口部に、オーミック電極４１として例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む積層膜を形成し、ショットキ電極４３として例えばニッケル（Ｎｉ）を含む積層膜を形成する。
次に、図３（ａ）に表したように、パッシベーション膜４０の、ショットキ電極４３の周囲領域を開口して、ＡｌＧａＮ層３０の表面を露出させる。
そして、図３（ｂ）に表したように、露出させたＡｌＧａＮ層３０の表面に、アクセプタを含む領域５０を形成する。具体的には、例えばアクセプタとしてフッ素（Ｆ）を含む化合物を含むガスを用いてプラズマ処理を行うことにより、ＡｌＧａＮ層３０の表面にフッ素を含む領域５０を形成することができる。フッ素を含む化合物としては、例えばＳＦ_６を用いることができる。プラズマ処理は、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉnductively Ｃoupled Ｐlasma-Ｒeactive Ｉon Ｅtching）法を用い、バイアスパワー１０〜６０Ｗにて実施することができる。

なお、図３（ａ）に表した工程と、図３（ｂ）に表した工程と、を連続的に実施することも可能である。例えば、ＳＦ_６などのフッ素を含むガスを用いたＲＩＥにより、パッシベーション膜４０の開口と、アクセプタを含む領域５０の形成と、を連続的に実施することができる。この際に、パッシベーション膜４０の開口の際のＲＩＥの条件と、アクセプタを含む領域５０の形成の際のＲＩＥの条件と、は、同一としてもよく、あるいは、互いに適宜変えてもよい。
この後、必要に応じて、さらに図示しない保護膜や配線などを形成する。

以上説明したように、本実施形態においては、ショットキ電極４３の近傍の第２の層３０の表面にフッ素などのアクセプタを選択的に導入することにより、アクセプタを含む領域５０を形成することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
図４は、比較例のショットキダイオードを表す模式断面図である。
なお、図４以降の各図面においては、便宜的に、第２の層２０よりも上層の部分のみを適宜表す。本比較例のショットキダイオード２００においては、アクセプタを含む領域５０は設けられていない。

図４においては、ショットキダイオード２００の非動作状態、すなわち熱平衡状態での電荷分布も模式的に表した。（０００１）面ＧａＮ層２０上に、ＧａＮ層２０の厚みよりも１桁以上薄いＡｌＧａＮ層３０を積層した構造では、ＧａＮ層２０とＡｌＧａＮ層３０とのヘテロ界面に、格子歪によるピエゾ電荷と自発分極の差から生じる正の固定電荷３１が存在する。一方、ＡｌＧａＮ層３０の表面には、負の固定電荷３２が蓄積している。これらの固定電荷を相殺するように、ヘテロ界面には２次元電子２１が蓄積している。これは、成長方位を［０００１］方向とした積層構造において、顕著となる現象である。そして、ＡｌＧａＮ層３０の表面においては、高密度に存在するドナ型表面準位の一部が正にイオン化することで、電荷を相殺している。

図５（ａ）は、比較例のショットキダイオードの逆バイアス条件での電荷分布を表す模式図であり、図５（ｂ）は、本実施形態のショットキダイオードの逆バイアス条件での電荷分布を表す模式図である。
まず、図５（ａ）に表した比較例について説明する。
比較例のショットキダイオード２００に逆バイアスが印加された状態では、ショットキ電極４３の近傍において、電界強度が極めて高い領域が生じる。この電界強度が高い領域におけるドナ型表面準位は電子を捕獲する。その結果として、電界強度が高い領域に、ドナ型表面順位が中性となる領域４６が形成される。ＡｌＧａＮ層の表面には、負の固定電荷のみが残る。
一方、図５（ｂ）に表した本実施形態のショットキダイオード１００の場合も、逆バイアスが印加された状態において、比較例と同様に、ＡｌＧａＮ層３０の表面近傍に、中性化した準位密度が高くなる領域４６が形成される。加えて、アクセプタを含む領域５０が設けられているので、負の電荷５１が存在しており、負の電荷量が図５（ａ）に表した比較例よりも増大する。このように、負の電荷量の密度を高くすることで、ショットキ電極４３の近傍の電界強度が低下し、逆方向リーク電流は低減する。

図６（ａ）及び（ｂ）は、比較例及び本実施形態のショットキダイオードについて、デバイスシミュレーションにより得られた電界強度分布を表すグラフ図である。図６（ａ）及び（ｂ）の横軸はＡｌＧａＮ層３０の表面における位置（マイクロメータ）を表し、縦軸はショットキ電極４３に逆バイアスとしてマイナス１００Ｖを印加したときの電界強度（Ｖ／ｃｍ）を表す。

図６（ａ）及び（ｂ）のグラフ図において、横軸で表した０〜３マイクロメータまでの領域はオーミック電極４１に対応し、８〜１１マイクロメータまでの領域はショットキ電極４３に対応する。

図６（ａ）から分かるように、比較例のショットキダイオード２００においては、ショットキ電極４３の端部の近傍において電界のピークがあり、その強度はおよそ５．５ＭＶ／ｃｍである。これに対して、図６（ｂ）から分かるように、本実施形態のショットキダイオード１００においては、ショットキ電極４３の端部の近傍における電界のピークの強度は４．２ＭＶ／ｃｍに低減されている。

図７は、逆方向リーク電流のシミュレーション結果を表すグラフ図であり、横軸は逆バイアス電圧、縦軸は逆方向リーク電流をそれぞれ表す。
逆バイアス電圧が高くなるにしたがい、比較例のショットキダイオード２００よりも本実施形態のショットキダイオード１００のリーク電流のほうが低下することが分かる。そして、逆バイアスが１０Ｖよりも高くなると、本実施形態では比較例に比べて、リーク電流を低減できる。例えば、逆バイアスが１００Ｖ、すなわちショットキ電極４３にマイナス１００Ｖを印加した時のリーク電流は、比較例においてはおよそ１×１０^−３Ａであるのに対して、本実施形態においてはおよそ２×１０^−４Ａに抑えることができる。

このように、ＡｌＧａＮ層３０の表面にアクセプタを含む領域５０を形成することで、逆方向リーク電流を低減することができる。一方、アクセプタを含む領域５０の、熱平衡状態における電子に対するポテンシャルは上昇し、この領域の直下の２次元電子密度は低下する場合もある。ＧａＮ層２０とＡｌＧａＮ層３０とのヘテロ界面に近い領域までアクセプタを含む層を形成すると、２次元電子密度の低下が顕著になり、オン抵抗が増大する可能性がある。
そのため、アクセプタを含む領域５０の効果が、表面側では顕著となり、ヘテロ界面においては相対的に影響が低くなるように、アクセプタを含む領域５０の厚さ（深さ）を調整するとよい。具体的には、アクセプタを含む領域５０の厚さ（深さ）は、ＡｌＧａＮ層３０の１／２以下とすることが望ましい。

本実施形態におけるアクセプタを含む領域５０の効果は、ＡｌＧａＮ層の表面の電界強度の低減であり、このためには、ＡｌＧａＮ層３０のごく表面にのみ高濃度にアクセプタを導入すればよい。その方法としては、図３（ｂ）に関して前述したように、フッ素を含む化合物を含むガスを用いたプラズマ処理を用いることが有利である。すなわち、このようなプラズマ処理によれば、ＡｌＧａＮ層３０の表面近傍にのみ、選択的にアクセプタを高い濃度で導入することが容易である。

一方、アクセプタを含む領域５０の幅（図１や図６などにおける左右方向の寸法）は、大きいほどリーク電流を低減する効果が得られる。すなわち、アクセプタを含む領域５０の幅が大きいほど、高い逆方向電圧までリーク電流を抑制する効果が得られる。
一方、アクセプタを含む領域５０の幅を大きくすると、寄生抵抗が上昇し、順方向における損失が増大する。そのため、アクセプタを含む領域５０の幅は、ショットキ電極４３とオーミック電極４１の電極間隔の１／２以下とすることが望ましい。

以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 支持基板
１１ バッファ層
１２ 下地層
２０ 第１の層
２１ ２次元電子
３０ 第２の層
３１ 固定電荷
３２ 固定電荷
４０ パッシベーション膜
４１ オーミック電極
４３ ショットキ電極
４６ 中性となる領域
５０ アクセプタを含む領域
５１ 負の電荷
１００ ショットキダイオード
２００ ショットキダイオード

Claims (3)

1. 第１の窒化物半導体からなる第１の層と、
   前記第１の層の上に設けられ、前記第１の窒化物半導体よりも広いバンドギャップを有する第２の窒化物半導体からなる第２の層と、
   前記第２の層の上に設けられたオーミック電極と、
   前記第２の層に上に設けられたショットキ電極と、
   を備え、
   前記第２の層は、前記ショットキ電極と前記オーミック電極とのあいだにおいて、前記ショットキ電極の近傍にアクセプタを含む領域を有し、
   前記アクセプタを含む前記領域は、前記第２の層のうちの前記ショットキ電極の下の部分には設けられず、
   前記アクセプタを含む前記領域は、前記第１の層と前記第２の層との界面から離れている窒化物半導体ショットキダイオード。
2. 前記アクセプタは、フッ素である請求項１の記載の窒化物半導体ショットキダイオード。
3. 前記第１の層と前記第２の層は、（０００１）面に対して垂直方向に結晶成長された層である請求項１または２に記載の窒化物半導体ショットキダイオード。