JP6567118B2 - Iii−v族半導体ダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、III−V族半導体ダイオードに関する。
German Ashkinaziの「GaAs Power Devices」、ISBN965−7094−19−4、第8頁および第9頁から、高圧耐性のある半導体ダイオードp+−n−n+が公知である。高圧耐性のある半導体ダイオードは、高圧耐性の他に、阻止領域における僅かな漏れ電流も低い導通抵抗も有していることが望ましい。
この背景を基礎とする、本発明の課題は、従来技術をさらに発展させた装置を提供することである。
この課題は、請求項1の特徴を備えているIII−V族半導体ダイオードによって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項の対象である。
本発明の対象によれば、n+層、n-層ならびにp+層を備えたスタック型のIII−V族半導体ダイオードが提供される。
+層は、上面、下面、少なくとも1019N/cm3のドーパント濃度および10μm〜675μmの間、とりわけ50μm〜400μmの間の層厚を有しており、n+基板は、GaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成る。
-層は、上面、下面、1012〜1016N/cm3のドーパント濃度および10μm〜300μmの層厚を有しており、かつGaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成る。
上面、下面、5×1018〜5×1020N/cm3のドーパント濃度および0.5μm〜50μmの間の層厚を備えたp+層は、GaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成る。
それらの層は、上記の順序で相互に並んでおり、またモノリシックに形成されており、n+層またはp+層は、基板として形成されており、またn-層の下面は、素材結合によって、n+層の上面と結合されている。
-層(14)とp+層(18)との間には、1〜50μmの層厚および1012〜1017cm-3のドーパント濃度を備えており、かつ上面および下面を備えているドープされた中間層が配置されており、この場合、中間層の下面は、n-層の上面と素材結合により結合されており、かつ中間層の上面は、p+層の下面と素材結合により結合されている。
中間層(15)は、n-層およびp+層と素材結合により結合されており、かつpドープされている。
スタック型のIII−V族半導体ダイオードは、さらに第1の欠陥層を含んでいる。第1の欠陥層は、0.5μm〜40μmの間の層厚を有しており、この場合、欠陥層は、pドープされた中間層内に配置されており、かつ欠陥層は、1×1014N/cm3〜5×1017N/cm3の間の範囲の欠陥濃度を有している。以下では、中間層とp層という概念が同義で用いられている。
上記の層は、液相エピタキシャルを用いて、またはMOVPE装置を用いて形成されることを言及しておく。
欠陥層を、種々のやり方で、例えば不純物原子の導入を用いてまたは注入によって形成することができ、また欠陥層内では電荷担体の再結合が達成されると解される。
欠陥層は可能な限り、空間電荷領域内には形成されていないことも言及しておく。とりわけ、p層の厚さは、欠陥層が空間電荷領域から距離を置いて設けられているように形成されている。
1つの利点は、欠陥層の導入によって、阻止領域における漏れ電流の大きさを低減することができ、その一方で、導通領域においては、素子特性はほぼ影響を受けない、ということである。特に、阻止領域においては、1,000Vを超える電圧では、漏れ電流が不利なものとして表面化する。
さらに、漏れ電流は温度と共に大幅に増大する。欠陥層の導入によって、欠陥層を備えていないダイオードに比べて、漏れ電流を1オーダ以上低減することができる。さらに、製造プロセスは遙かにロバストになる。つまり、高いバックグラウンドドープに対して鈍感になる。
別の利点は、本発明によるIII−V族半導体ダイオードによって、簡単なやり方で、200V〜3,300Vの範囲の逆電圧における僅かな漏れ電流を、SiまたはSiCから成る従来の高耐圧ダイオードに比べて、面積あたり低い容量および低いオン抵抗で達成できることである。これによって、30kHz〜0.5GHzまでのスイッチング周波数および0.5A/mm2〜5A/mm2までの電流密度を達成することができる。
別の利点は、III−V族半導体ダイオードを、SiCから成る同等の高耐圧ダイオードに比べて廉価に製造できることである。
特に、本発明によるIII−V族半導体ダイオードを、フリーホイーリングダイオードとして使用することができる。
本発明によるIII−V族半導体ダイオードは、ここでは、1mΩ〜200mΩの間の範囲の小さいオン抵抗を有していることを言及しておく。面積あたりの容量は、2pF〜100pFの間の範囲にある。
本発明によるIII−V族半導体ダイオードの別の利点は、300℃までの高い温度耐性である。換言すれば、III−V族半導体ダイオードを、高温の環境下でも使用することができる。この場合、僅かな漏れ電流は、温度の上昇と共に指数関数的に上昇することに起因して非常に有用である。
1つの発展形態においては、欠陥濃度が、1×1013N/cm3〜5×1016N/cm3の間の範囲にある。1つの別の発展形態においては、欠陥層の厚さが、0.5〜40μmの間である。
第1の実施の形態においては、第1の欠陥層からp-層の下面までの距離が、p層の層厚の少なくとも半分である。
1つの発展形態によれば、半導体ダイオードが第2の欠陥層を有しており、この第2の欠陥層は、0.5μm〜40μmの間の範囲の層厚を有しており、とりわけ0.5μm〜40μmの範囲の層厚および1×1013N/cm3〜5×1016N/cm3の間の範囲の欠陥濃度を有しており、また第2の欠陥層からp層の上面までの距離は、p層の層厚の高々半分である。とりわけ、第1の欠陥層の欠陥濃度は、第2の欠陥層の欠陥濃度とは異なる。
1つの別の実施の形態においては、第1の欠陥層および/または第2の欠陥層は、第1の欠陥濃度を有する少なくとも1つの第1の層領域および第2の欠陥濃度を有する少なくとも1つの第2の層領域を有しており、特に第1の欠陥層および/または第2の欠陥層の層厚にわたり、統計的にはとりわけガウス分布に従う。換言すれば、欠陥濃度は、欠陥層の層厚に沿って異なる。
1つの別の実施の形態によれば、第1の欠陥層および/または第2の欠陥層が、Crおよび/またはインジウムおよび/またはアルミニウムを含んでいる。とりわけ、Crが、エピタキシャルプロセスの間に、n-層に導入される。Crを導入することの利点は、Crの濃度によって、欠陥の数を、またそれによって再結合中心の数を、エピタキシャルプロセスを中断することなく廉価かつ簡単に調整できることにある。
1つの別の実施の形態においては、第1の欠陥層および/または第2の欠陥層内に、欠陥が原子または分子の注入によって、もしくは電子ビーム照射によって形成される。とりわけ、欠陥を形成するために、H2分子が、相応のエネルギおよびドーズ注入量で使用される。
1つの別の実施の形態によれば、p+層、pドープされた中間層、n-層およびn+層から成るスタック型の層構造の全高が、150〜800μmの間である。
代替的な実施の形態によれば、p+層、pドープされた中間層、n-層およびn+層から成る、スタック型の層構造が、1mm〜10mmの間の長さの辺を備えた矩形または正方形の表面、もしくは円形、とりわけ楕円形または真円形の表面を有している。
1つの別の実施の形態によれば、半導体ダイオードのp+層が、接続コンタクト層に置換されており、この場合、接続コンタクト層は、金属または金属化合物を含んでいるか、もしくは金属または金属化合物から成り、またショットキーコンタクトを形成している。
1つの発展形態においては、III−V族半導体ダイオードがモノリシックに形成されている。つまり、個別にモノリシックに形成された層が、相互に同様にモノリシックに形成されている。1つの別の実施の形態においては、III−V族半導体ダイオードが、少なくとも1つの半導体ボンディングを含んでいる。
用語「半導体ボンディング」は、用語「ウェハボンディング」と同義で用いられていることを言及しておく。
1つの別の実施の形態においては、半導体ボンディングが、p+層、pドープされた中間層、n-層およびn+層から成るスタック型の層構造において、n-層とpドープされた中間層との間に形成されている。
1つの実施の形態においては、p+層およびpドープされた中間層から成る層構造が、第1の部分スタックを形成しており、またn+層およびn-層から成る層構造が、第2の部分スタックを形成している。
1つの発展形態においては、p+層から出発してエピタキシャルにpドープされた中間層が形成されることによって、第1の部分スタックが形成される。
とりわけ、p-層として形成された中間層は、1013N/cm-3未満のドーパント、または1013N/cm-3〜1015N/cm-3の間のドーパントを有している。1つの実施の形態においては、p+層が、ボンディングの前または後に、研磨プロセスによって200μm〜500μmの間の厚さまで薄くされる。
1つの発展形態においては、第1の部分スタックおよび第2の部分スタックが、それぞれモノリシックに形成されている。
1つの実施の形態においては、n-基板から出発して、n-基板がさらなるウェハボンディングプロセスによって第2のスタックと接合されることによって、第2のスタックが形成される。
さらなるプロセスステップにおいて、n-基板が所望の厚さまで薄くされる。とりわけ、n-基板の厚さは、50μm〜250μmまでの間の範囲にある。とりわけ、n-基板のドーパントは、1013N/cm-3〜1015N/cm-3の間の範囲にある。
ウェハボンディングの1つの利点は、厚いn-層を容易に形成できることにある。これによって、エピタキシャルの際の長い堆積プロセスが省略される。また、ボンディングによって、厚いn-層における積層欠陥の数を低減することもできる。
1つの別の発展形態においては、ボンディングの前に、欠陥層がとりわけ、第1の部分スタックの表面への、すなわちpドープされた中間層へのイオンの注入によって形成される。
1つの代替的な実施の形態においては、n-基板が、1010N/cm-3より高く、1013N/cm-3未満のドーパントを有している。ドーパントを極端に低くすることによって、n-基板を、真性層と解することもできる。
1つの発展形態においては、n-基板を薄くした後に、エピタキシャルまたは高ドーズ注入によって、n-基板上に、1018N/cm-3〜5×1019N/cm-3未満の間の範囲でn+層が形成される。
-基板を薄くすることは、とりわけCMPステップを用いて、すなわち化学機械研磨を用いて行われると解される。
1つの別の発展形態においては、ダイオード構造の前面に補助層が設けられる。続いて、ダイオード構造の裏面が薄くされ、支持体に載置される。1つの別の発展形態においては、続いて補助層が前面から剥がされる。
1つの実施の形態においては、半導体ダイオードを電気的に接続するために、n+基板の表面およびp+層の表面がメタライジングされる。とりわけ、半導体ダイオードのカソードが、メタライジング後に、ヒートシンクとして形成されたベース部と素材結合により結合される。換言すれば、アノードは、ダイオードの表面において、p+層に形成されている。
実験の結果、p-中間層とn-層との特定の組合せでもって、種々の逆電圧を達成できることが分かった。
第1のヴァリエーションにおいては:
-中間層が、10μm〜25μmまでの間の厚さを有しており、かつn-層に関しては、40μm〜90μmの間の厚さによって、約900Vの逆電圧が生じる。
第2のヴァリエーションにおいては:
-中間層が、25μm〜35μmまでの間の厚さを有しており、かつn-層に関しては、40μm〜70μmの間の厚さによって、約1,200Vの逆電圧が生じる。
第3のヴァリエーションにおいては:
-中間層が、35μm〜50μmまでの間の厚さを有しており、かつn-層に関しては、70μm〜150μm〜70μmの間の厚さによって、約1,500Vの逆電圧が生じる。
第1〜第3のヴァリエーションにおけるダイオードは、パンチ型ダイオード(Punsch−Diode)と称することもできる。
第4のヴァリエーションにおいては:
-中間層が、10μm〜25μmまでの間の厚さを有しており、かつn-層に関しては、60μm〜110μmの間の厚さを有している。
第5のヴァリエーションにおいては:
-中間層が、10μm〜25μmまでの間の厚さを有しており、かつn-層に関しては、70μm〜140μmの間の厚さを有している。
第6のヴァリエーションにおいては:
-中間層が、35μm〜50μmまでの間の厚さを有しており、かつn-層に関しては、80μm〜200μmの間の厚さを有している。
第4〜第6のヴァリエーションにおけるダイオードは、「非リーチスルー型(non−reach−through)」ダイオードと称することもできる。
以下では、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。図中、同種の部分には、同一の参照番号を付している。図示の実施の形態は、非常に概略的に示されている。つまり、間隔、横方向および縦方向の大きさは、縮尺通りではなく、また別記しない限りは、導き出すことができる相互の幾何学的な関係も有していない。
III−V族半導体ダイオードの本発明による第1の実施の形態を示す。 III−V族半導体ダイオードの本発明による第2の実施の形態を示す。 図1または図2に示したIII−V族半導体ダイオードの上面図を示す。 III−V族半導体ダイオードの本発明による第3の実施の形態を示す。 III−V族半導体ダイオードの本発明による第4の実施の形態を示す。
図1には、基板としてのn+層12と、このn+層12と素材結合により結合されており、かつ低ドープされたn-層14と、このn-層14と素材結合により結合されているpドープされた中間層15と、この中間層と素材結合により結合されているp+層18と、第1のコンタクト20と、第2のコンタクト22と、を有している、本発明によるスタック型のIII−V族半導体ダイオード10の第1の実施の形態が示されている。p層15内には、第1の欠陥層16が配置されている。
第1のコンタクト20は、素材結合により、n+層12の下面と結合されており、他方、第2のコンタクト22は、素材結合により、p+層18の上面と結合されている。
+層12は、強くnドープされており、1019N/cm3のドーパント濃度を有している。n+層12の層厚D1は、100μm〜675μmの間にある。
-層14は、1012〜1016N/cm3のドーパント濃度で弱くnドープされており、10〜300μmの層厚D2を有している。
p中間層15は、1012〜1017N/cm3のドーパント濃度で弱くpドープされており、1μm〜50μmの間の層厚D5を有している。
+層18は、1019N/cm3のドーパント濃度で強くpドープされており、2μmよりも大きい層厚D3を有している。
第1の欠陥層16は、0.5μm〜10μmの間の範囲の層厚D41を有しており、1×1013N/cm3〜5×1016N/cm3の間の範囲の欠陥濃度を有している。
図2には、III−V族半導体ダイオードの第2の実施の形態が図示されており、図1とは異なり、p+層18が基板として形成されており、この基板に別の層が続いている。
図3には、本発明によるIII−V族半導体ダイオードの、図1に示した第1の実施の形態の上面図が示されている。以下では、図1との相異のみを説明する。
+基板12と、欠陥層16を含んでいるp層15と、p+層18と、から成る、III−V族半導体ダイオード10のスタック型の層構造100は、矩形の外周を有しており、またそれによって、辺の長さがL1およびL2である矩形の表面も有している。層列100の表面に配置されているコンタクト面22は、表面の一部のみを覆っている。
図示していない1つの別の実施の形態では、高圧時の電界強度ピークが回避するために、スタック型の層構造100の角が丸められている。
図示していない1つの別の実施の形態においては、スタック型の層構造100の表面が円形に形成されている。これによって、電界強度の過度の上昇が非常に効果的に低減される。とりわけ、表面は真円形または楕円形に形成されている。
図4には、図1に示したIII−V族半導体ダイオードの1つの発展形態が示されており、半導体ダイオード10のp中間層15が、第1の実施の形態とは異なり、厚さD42を備えた第2の欠陥層24を有している。
第2の欠陥層24の層厚D42は、0.5μm〜40μmの間にある。欠陥濃度は、1×1013N/cm3〜5×1016N/cm3の間にある。p層の上面までの距離は、中間層の層厚D5の高々半分である。
図5には、図2に示したIII−V族半導体ダイオードの1つの発展形態が示されており、半導体ダイオード10のp層15が、第2の実施の形態とは異なり、第2の欠陥層24を有している。

Claims (15)

  1. スタック型のIII−V族半導体ダイオード(10)であって、
    −上面、下面、少なくとも1019N/cm3のドーパント濃度および50〜675μmの層厚(D1)を備えており、かつGaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成るn+層(12)と、
    −上面、下面、1012〜1016N/cm3のドーパント濃度および10〜300μmの層厚(D2)を備えており、かつGaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成るn-層(14)と、
    −上面、下面、5×1018〜5×1020N/cm3のドーパント濃度および2μmよりも大きい層厚(D3)を備えており、かつGaAs化合物を含有しているか、またはGaAs化合物から成るp+層(18)と、
    を有しており、
    −前記層は、上記の順序で相互に並んでおり、かつモノリシックに形成されており、
    −前記n+層(12)または前記p+層(18)は、基板として形成されており、
    −前記n-層(14)の下面は、素材結合によって、前記n+層(12)の上面と結合されており、
    前記n-層(14)と前記p+層(18)との間には、1〜50μmの層厚(D5)および1012〜1017N/cm3のドーパント濃度を備えており、かつ上面および下面を備えているドープされた中間層(15)が配置されており、前記中間層(15)の下面は、前記n-層(14)の上面と素材結合により結合されており、かつ前記中間層の上面は、前記p+層(18)の下面と素材結合により結合されており、
    前記中間層(15)は、前記n- (14)および前記p+層(18)と素材結合により結合されており、かつpドープされている、スタック型のIII−V族半導体ダイオード(10)において、
    前記スタック型のIII−V族半導体ダイオード(10)は、0.5μm〜40μmの間の層厚(D41)を備えた第1の欠陥層(16)を有しており、
    −前記第1の欠陥層(16)は、前記中間層(15)内に配置されており、
    −前記第1の欠陥層(16)は、1×1013N/cm3〜5×1016N/cm3の間の範囲の欠陥濃度を有していることを特徴とする、
    スタック型のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  2. 前記第1の欠陥層(16)からpドープされた前記中間層(15)の下面までの距離は、pドープされた前記中間層(15)の層厚(D5)の少なくとも半分であることを特徴とする、
    請求項1記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  3. 前記第1の欠陥層(16)は、第1の欠陥濃度を有する第1の層領域を有していることを特徴とする、
    請求項1または2記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  4. 前記欠陥濃度は、前記第1の欠陥層(16)の層厚(D 41 )にわたり、統計的な分布に従うことを特徴とする、
    請求項1から3までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  5. 前記第1の欠陥層(16)は、Crおよび/またはインジウムおよび/またはアルミニウムを含有していることを特徴とする、
    請求項1から4までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  6. 前記III−V族半導体ダイオード(10)は、第2の欠陥層(24)を有しており、前記第2の欠陥層(24)は、0.5μm〜40μmの間の層厚(D42)および1×1013N/cm3〜5×1016N/cm3の間の欠陥濃度を有しており、かつ前記第2の欠陥層(24)からpドープされた前記中間層(15)の上面までの距離は、pドープされた前記中間層(15)の層厚(D5)の高々半分であることを特徴とする、
    請求項1から5までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  7. 記第2の欠陥層(24)は、第2の欠陥濃度を有する第2の層領域を有していることを特徴とする、
    請求項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  8. 前記欠陥濃度は、前第2の欠陥層(24)の層厚( 42 )にわたり、統計的な分布に従うことを特徴とする、
    請求項6または7記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  9. 記第2の欠陥層(24)は、Crおよび/またはインジウムおよび/またはアルミニウムを含有していることを特徴とする、
    請求項からまでのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  10. 前記p+層(18)、前記n-層(14)、pドープされた前記中間層(15)および前記n+層(12)から成るスタック型の層構造(100)の全高は、高々150〜800μmであることを特徴とする、
    請求項1からまでのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  11. 前記p+層(18)、前記n-層(14)、pドープされた前記中間層(15)および前記n+層(12)から成る前記スタック型の層構造(100)は、1mm〜10mmの間の長さの辺(L1、L2)を備えた矩形または正方形の表面を有していることを特徴とする、
    請求項1から10までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  12. 前記p+層(18)、前記n-層(14)、pドープされた前記中間層(15)および前記n+層(12)から成る前記スタック型の層構造(100)は、円形または楕円形または真円形の表面を有していることを特徴とする、
    請求項1から10までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  13. 前記III−V族半導体ダイオード(10)の前記p+層(18)が、接続コンタクト層に置換されており、前記接続コンタクト層は、金属または金属化合物を含んでいるか、もしくは金属または金属化合物から成り、かつショットキーコンタクトを形成していることを特徴とする、
    請求項1から12までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  14. 前記III−V族半導体ダイオード(10)は、モノリシックに形成されているか、または半導体ボンディングを有していることを特徴とする、
    請求項1から13までのいずれか1項記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
  15. 前記半導体ボンディングは、前記p + 層(18)と前記n-層(14)との間に形成されていることを特徴とする、
    請求項14記載のIII−V族半導体ダイオード(10)。
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