JP7367777B2 - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

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Description

本開示は、ショットキーバリアダイオードに関する。
特許文献1には、一導電型の半導体基体の表面に逆導電型の半導体層より成るガードリングを形成したショットキーバリアダイオードが開示されている。
日本特開昭63-138769号公報
特許文献1に示されるショットキーバリアダイオードでは、順方向電流が増加すると、ショットキー部の順方向電圧降下よりもガードリングと半導体基板の間に形成されるpn接合の順方向電圧降下の方が低くなる可能性がある。これにより、電流集中により終端領域が破壊するおそれがある。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、ガードリングでの電流集中を抑制できるショットキーバリアダイオードを得ることである。
本開示に係るショットキーバリアダイオードは、n型の半導体基板と、該半導体基板の上面側に設けられた少なくとも1つのp型のガードリングと、該少なくとも1つのガードリングのうち最も内側の内側ガードリングの上に設けられた絶縁膜と、該半導体基板の上面に設けられ、該絶縁膜の上に乗り上げたアノード電極と、該半導体基板の裏面に設けられたカソード電極と、該内側ガードリングよりも高抵抗であり、該内側ガードリングと該アノード電極とを隔てる高抵抗層と、を備え、該高抵抗層は、該半導体基板の上面のうち該絶縁膜よりも内側に設けられた抵抗体を有し、該内側ガードリングは、端部のうち該半導体基板の内側に設けられた側に該絶縁膜から露出した露出部を有し、該抵抗体は該露出部を覆う
本開示に係るショットキーバリアダイオードは、n型の半導体基板と、該半導体基板の上面側に設けられた少なくとも1つのp型のガードリングと、該少なくとも1つのガードリングのうち最も内側の内側ガードリングの上に設けられた絶縁膜と、該半導体基板の上面に設けられ、該絶縁膜の上に乗り上げたアノード電極と、該半導体基板の裏面に設けられたカソード電極と、該内側ガードリングよりも高抵抗であり、該内側ガードリングと該アノード電極とを隔てる高抵抗層と、を備え、該高抵抗層は、該内側ガードリングよりも低濃度の第1p型半導体層を有し、該半導体基板の上面側のうち該内側ガードリングよりも内側で該内側ガードリングと接触して設けられ、該絶縁膜は、該内側ガードリングの上面を全て覆い、該第1p型半導体層は、該絶縁膜から露出する。
本開示に係るショットキーバリアダイオードでは、絶縁膜の持つ容量成分を介してアノード電極とガードリングとが接続される。従って、ガードリングでの電流集中を抑制できる。
実施の形態1に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態1に係るショットキーバリアダイオードの寸法を説明する図である。 実施の形態2に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態3に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態4に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態5に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態6に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。 実施の形態7に係るショットキーバリアダイオードの断面図である。
各実施の形態に係るショットキーバリアダイオードについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るショットキーバリアダイオード100の断面図である。ショットキーバリアダイオード100は、半導体基板10を備える。半導体基板10は例えばシリコンから形成される。半導体基板10は、n+型半導体層12とn+型半導体層12の上に設けられたn型半導体層14を備える。
半導体基板10の上面側には、p型の複数のガードリング16が設けられる。複数のガードリング16のうち最も内側のガードリング16を内側ガードリング17とする。また、複数のガードリング16のうち、内側ガードリング17以外のガードリング16を外側ガードリング18とする。
半導体基板10は、ショットキーバリアダイオード100の主電流が流れるセル領域10aと、セル領域10aを囲む終端領域10bを有する。本実施の形態では、内側ガードリング17の内側の端部が終端領域10bとセル領域10aの境界である。ここで、内側は半導体基板10において終端領域10bに対してセル領域10aが設けられる側である。ガードリング16は、セル領域10aを囲むように形成されている。
半導体基板10の上面にはアノード電極22が設けられる。アノード電極22はセル領域10aにおいてn型半導体層14と電気的に接続される。アノード電極22はショットキーバリア電極である。半導体基板10の裏面には、カソード電極30が設けられる。カソード電極30は、n+型半導体層12と電気的に接続される。
ガードリング16の上には絶縁膜20が設けられる。絶縁膜20の厚さT1は例えば1.0μm以上である。絶縁膜20は、複数のガードリング16の上面を全て覆う。
アノード電極22は絶縁膜20の上に乗り上げる。アノード電極22の端部は、内側ガードリング17の直上に設けられる。絶縁膜20はアノード電極22と内側ガードリング17とが接触しないよう設けられている。このように、アノード電極22と内側ガードリング17は離れて設けられる。
一般にショットキーバリアダイオードにおいて、p型ガードリング領域の最内周の部分にショットキーバリア電極が接することで、ガードリングに電位を伝えて耐圧を保持することがある。ここで、順方向電流が増加すると、ショットキー部の順方向電圧VFよりもガードリングと半導体基板の間に形成されるpn接合の順方向電圧Vpnの方が低くなる可能性がある。このため、特に還流中等にガードリングに電流が集中するおそれがある。
これに対し本実施の形態では、アノード電極22とガードリング16とが絶縁膜20を介して接続される。このため、絶縁膜20の持つ容量成分により、アノード電極22、絶縁膜20、内側ガードリング17、n型半導体層14を繋ぐ経路の順方向電圧Vpnを調整できる。このため、アノード電極22、n型半導体層14間の順方向電圧VFよりも順方向電圧Vpnが低くならないように調整できる。従って、ガードリング16での電流集中を抑制できる。これにより、ショットキーバリアダイオード100の熱暴走による破壊を回避できる。
絶縁膜20の容量成分は、予め定められた電流の範囲内で、Vpn>VFとなるように調整されても良い。予め定められた電流の範囲は、例えばショットキーバリアダイオード100の駆動時に流れる電流の範囲である。
また、アノード電極22を、絶縁膜20を介してガードリング16の上にオーバーラップするように形成することで、セル領域10aと終端領域10bの境界付近での電位を安定化させることができる。
また、電流集中はセル領域10aと終端領域10bの境界付近で起こりやすい。このため、複数のガードリング16のうち、特に内側ガードリング17とアノード電極22とが接触しないことで、電流集中を効果的に抑制できる。このため、複数のガードリング16のうち少なくとも内側ガードリング17がアノード電極22と離れていればよい。つまり、全てのガードリング16がアノード電極22と離れていても良く、外側ガードリング18がアノード電極22と接触していても良い。
また、絶縁膜20は少なくとも内側ガードリング17の上に設けられていればよい。絶縁膜20は内側ガードリング17の上面を全て覆い、外側ガードリング18を露出させても良い。また、内側ガードリング17とアノード電極22とが接触しなければ、内側ガードリング17の一部が絶縁膜20から露出しても良い。
また、本実施の形態の絶縁膜20の厚さT1は1μm以上である。本実施の形態の比較例として、絶縁膜20の下部にp型チャネルの反転層ができるように、例えば0.5μm以下の薄い絶縁膜を形成することを考える。このとき、反転層はガードリングよりも浅い領域にしか形成されないことが考えられる。このため、空乏層が終端領域側へ伸びにくく、曲率が大きくなる可能性がある。従って、ショットキーバリアダイオードの耐圧が低下するおそれがある。
これに対し、本実施の形態では内側ガードリング17近傍に反転層が形成されないように絶縁膜20の厚さT1は1.0μm以上に設定される。これにより、絶縁膜20の下部がチャネル反転することを防止できる。また、絶縁膜20により静電容量を確保し、アノード電極22とガードリング16の電位を固定できる。絶縁膜20は、TEOS(TetraEthOxySilane)等の堆積酸化膜で形成されても良い。
絶縁膜20の厚さT1は電流集中を抑制できれば1.0μm未満でも良い。また、本実施の形態では複数のガードリング16が設けられるものとした。これに限らず、ガードリング16は少なくとも1つ設けられれば良い。
また、アノード電極22を外側ガードリング18の上まで伸ばすと、電界分布が変化して耐圧が低下する場合がある。また、アノード電極22と他の金属部との沿面距離が短くなり、放電しやすくなる可能性がある。これに対し、本実施の形態では、アノード電極22の端部は、内側ガードリング17の直上に設けられる。このため、外側ガードリング18は絶縁膜20を介してアノード電極22と容量結合しない。従って、耐圧の低下を抑制できる。また、沿面距離を確保できる。
また、本実施の形態の構成によれば、内側ガードリング17とアノード電極22との重畳面積によって容量成分を調整できる。
図2は、実施の形態1に係るショットキーバリアダイオード100の寸法を説明する図である。内側ガードリング17の幅L2は、アノード電極22のうち絶縁膜20に乗り上げた部分の幅L1以上であると良い。例えば、L1=20μmであり、L2=50μmである。これにより、製造バラツキによりアノード電極22と内側ガードリング17の位置関係にズレが生じた場合であっても、確実にアノード電極22の端部を内側ガードリング17の直上に配置できる。従って、アノード電極22と内側ガードリング17を確実に容量結合させることが可能になる。また、アノード電極22と外側ガードリング18が容量結合することを防止できる。
半導体基板10は、シリコンよりバンドギャップの大きいワイドバンドギャップ半導体から形成されても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば炭化珪素、酸化ガリウム、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。これにより、順方向電圧Vpnを高くすることができる。特に、炭化珪素よりバンドギャップが大きい酸化ガリウム等を使用することで、セル領域10aでの電流負担を増やしてガードリング16での電流集中を抑制できる。
これらの変形は以下の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードについて適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係るショットキーバリアダイオードについては実施の形態1との共通点が多いので、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
実施の形態2.
図3は、実施の形態2に係るショットキーバリアダイオード200の断面図である。ショットキーバリアダイオード200は絶縁膜20の形状がショットキーバリアダイオード100と異なる。実施の形態1において、絶縁膜20の内側の端部は直角形状であった。これに対し、本実施の形態に係る絶縁膜20の端部のうち半導体基板10の内側に設けられた側は、テーパー状である。
絶縁膜20は端部に向かって薄くなるテーパー部220aを有する。本実施の形態では、絶縁膜20の端部の角度により、容量成分を調整できる。また、絶縁膜20の厚さの最大値を変えずに、容量を調整できる。
絶縁膜20の厚さT1は、例えば内側ガードリング17の端部のうち半導体基板10の内側に設けられた側の直上で1.0μm以上である。これにより、実施の形態1と同様に、反転層が形成されることを防止できる。
また、テーパー部220aは、内側ガードリング17の内側の端部の直上に設けられる。これにより、電流が集中しやすい位置で順方向電圧Vpnを調整できる。これに限らず、テーパー部220aは、アノード電極22とガードリング16で挟まれた部分に設けられれば良い。これにより、容量成分の調整の効果が得られる。
実施の形態3.
図4は、実施の形態3に係るショットキーバリアダイオード300の断面図である。ショットキーバリアダイオード300は、カソード電極330の構造がショットキーバリアダイオード100と異なる。カソード電極330には、内側ガードリング17の直下に半導体基板10を露出させる開口部332が形成される。
カソード電極330は、内側ガードリング17の直下において一部が取り除かれる。このため、カソード電極330はセル領域10a側と終端領域10b側とに分離される。これにより、内側ガードリング17からの電流の経路が長くなり、順方向電圧Vpnを高くすることができる。また、カソード電極330の面積が小さくなることで、順方向電圧Vpnを高くすることができる。従って、ガードリング16での電流集中を抑制できる。
また、本実施の形態では開口部332は、内側ガードリング17の直下から一定の範囲L3で半導体基板10を露出させる。距離L3の調整により順方向電圧Vpnを調整できる。距離L3は例えばドリフト層厚である。また、内側ガードリング17の端部とカソード電極330の端部を繋ぐ仮想線と、半導体基板10の裏面に垂直な垂線とが成す角をθ1とする。θ1の変更により順方向電圧Vpnを調整できる。θ1が大きいほど順方向電圧Vpnは高くなる。
開口部332で分離されたカソード電極330のうち終端領域10b側の部分により、ダイボンド時の強度を向上できる。また、分離されたカソード電極330のうち終端領域10b側の部分は省略されても良い。
図4の例では、開口部332の面積は内側ガードリング17の面積よりも大きい。これに限らず、カソード電極330には、内側ガードリング17の直下の部分のうち少なくとも一部に開口部332が形成されればよい。
実施の形態4.
図5は、実施の形態4に係るショットキーバリアダイオード400の断面図である。ショットキーバリアダイオード400は、第2p型半導体層411を備える点がショットキーバリアダイオード100と異なる。第2p型半導体層411は、半導体基板10のうち、内側ガードリング17の直下に設けられる。第2p型半導体層411は、半導体基板10の裏面側に設けられる。
第2p型半導体層411によって、カソード側の導通領域が制限される。つまり、第2p型半導体層411によって、カソード側への電流の経路が長くなる。このため、順方向電圧Vpnをさらに高くすることができる。従って、ガードリング16での電流集中を抑制できる。
第2p型半導体層411は、内側ガードリング17の直下から一定の範囲L4まで設けられる。距離L4の調整により順方向電圧Vpnを調整できる。また、内側ガードリング17の端部と第2p型半導体層411の端部を繋ぐ仮想線と、半導体基板10の裏面に垂直な垂線とが成す角をθ2とする。θ2の変更により順方向電圧Vpnを調整できる。θ2が大きいほど順方向電圧Vpnは高くなる。
図5の例では、第2p型半導体層411の面積は内側ガードリング17の面積よりも大きい。これに限らず、半導体基板10の内側ガードリング17の直下の部分のうち、少なくとも一部に第2p型半導体層411が設けられれば良い。例えば、第2p型半導体層411は、半導体基板10のうち、内側ガードリング17の直下のみに設けられても良い。セル領域10aにおける第2p型半導体層411の面積を抑制することで、ショットキーバリアダイオード400の電気的特性への第2p型半導体層411の影響を抑制できる。
また、第2p型半導体層411はn+型半導体層12に設けられ、半導体基板10の裏面に露出する。これに限らず、第2p型半導体層411は内側ガードリング17の直下において、半導体基板10の裏面よりも深い位置に設けられても良い。つまり、第2p型半導体層411は半導体基板10の裏面に露出していなくても良い。この場合も、内側ガードリング17からカソード側への電流の経路を長くでき、順方向電圧Vpnを高くできる。
また、第2p型半導体層411は終端領域10bの端部まで伸びていても良い。
実施の形態5.
図6は、実施の形態5に係るショットキーバリアダイオード500の断面図である。ショットキーバリアダイオード500は、結晶欠陥層519を備える点がショットキーバリアダイオード100と異なる。結晶欠陥層519は、半導体基板10のうち内側ガードリング17の直下に設けられる。結晶欠陥層519は、イオン照射、電子線照射等により形成される。
本実施の形態では、pn接合の高速化により順方向電圧Vpnを高くすることができる。従って、ガードリング16での電流集中を抑制できる。
また、結晶欠陥層519は、複数のガードリング16のうち内側ガードリング17の直下のみに設けられる。これにより、終端領域10bの耐圧低下を抑制できる。これに限らず、結晶欠陥層519は外側ガードリング18の直下に設けられていてもよい。
実施の形態6.
図7は、実施の形態6に係るショットキーバリアダイオード600の断面図である。ショットキーバリアダイオード600は、第1p型半導体層615を備える点がショットキーバリアダイオード100と異なる。第1p型半導体層615は、半導体基板10の上面側のうち内側ガードリング17よりも内側で、内側ガードリング17と接触して設けられる。第1p型半導体層615は、内側ガードリング17よりも低濃度である。内側ガードリング17と第1p型半導体層615は電気的に接続され、同電位である。
絶縁膜20は、内側ガードリング17の上面を全て覆う。第1p型半導体層615は、絶縁膜20から露出する。第1p型半導体層615は、半導体基板10の内側に設けられた端部が絶縁膜20から露出している。第1p型半導体層615の上面は、半分以上が絶縁膜20から露出している。第1p型半導体層615の上面のうち、絶縁膜20から露出した部分は、アノード電極22と直接接触する。
内側ガードリング17とアノード電極22は、第1p型半導体層615により隔てられている。第1p型半導体層615は、内側ガードリング17よりも高抵抗である。不純物濃度が内側ガードリング17よりも低い第1p型半導体層615とアノード電極22との接触抵抗は、内側ガードリング17とアノード電極22との接触抵抗より高い。このため、実施の形態1と同様にガードリング16での電流集中を抑制できる。
本実施の形態では、第1p型半導体層615は内側ガードリング17の内側に設けられた。これに限らず、第1p型半導体層615は、アノード電極22と内側ガードリング17とを隔てるように設けられれば良い。例えば、第1p型半導体層615に内側ガードリング17が内包されても良い。
内側ガードリング17とアノード電極22とを隔てる高抵抗層は、第1p型半導体層615に限らない。内側ガードリング17とアノード電極22は、内側ガードリング17よりも高抵抗な層に隔てられれば良い。内側ガードリング17とアノード電極22は、アノード電極22との接触抵抗が、内側ガードリング17とアノード電極22との接触抵抗より高い層で隔てられても良い。
また、本実施の形態ではアノード電極22は、端部が内側ガードリング17の直上に設けられる。これに限らず、アノード電極22は外側ガードリング18の上まで伸びていても良い。
実施の形態7.
図8は、実施の形態7に係るショットキーバリアダイオード700の断面図である。本実施の形態では、絶縁膜20の配置と、抵抗体724を備える点がショットキーバリアダイオード100と異なる。絶縁膜20は、内側ガードリング17の一部を除き複数のガードリング16を被覆する。内側ガードリング17は、端部のうち半導体基板10の内側に設けられた側に絶縁膜20から露出した露出部を有する。抵抗体724は露出部を覆う。
抵抗体724は例えばポリシリコン抵抗体である。抵抗体724は、半導体基板10の上面のうち絶縁膜20よりも内側に設けられる。抵抗体724は絶縁膜20と隣接する。抵抗体724は、内側ガードリング17よりも高抵抗である。アノード電極22は、抵抗体724および絶縁膜20の上に乗り上げる。
本実施の形態では、抵抗体724が内側ガードリング17とアノード電極22とを隔てる高抵抗層に該当する。抵抗体724の抵抗成分により、実施の形態6と同様にガードリング16での電流集中を抑制できる。
また、抵抗体724の配置は図8に示されるものに限らない。抵抗体724はアノード電極22と内側ガードリング17の間に設けられれば良い。例えば、抵抗体724は半導体基板10内に設けられても良い。
また、高抵抗層として、実施の形態6で説明した第1p型半導体層615と、抵抗体724の両方が設けられても良い。これにより、さらに順方向電圧Vpnを高くすることができる。
なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。
10 半導体基板、10a セル領域、10b 終端領域、12 n+型半導体層、14 n型半導体層、16 ガードリング、17 内側ガードリング、18 外側ガードリング、20 絶縁膜、22 アノード電極、30 カソード電極、100、200 ショットキーバリアダイオード、220a テーパー部、300 ショットキーバリアダイオード、330 カソード電極、332 開口部、400 ショットキーバリアダイオード、411 第2p型半導体層、500 ショットキーバリアダイオード、519 結晶欠陥層、600 ショットキーバリアダイオード、615 第1p型半導体層、700 ショットキーバリアダイオード、724 抵抗体

Claims (12)

  1. n型の半導体基板と、
    前記半導体基板の上面側に設けられた少なくとも1つのp型のガードリングと、
    前記少なくとも1つのガードリングのうち最も内側の内側ガードリングの上に設けられた絶縁膜と、
    前記半導体基板の上面に設けられ、前記絶縁膜の上に乗り上げたアノード電極と、
    前記半導体基板の裏面に設けられたカソード電極と、
    前記内側ガードリングよりも高抵抗であり、前記内側ガードリングと前記アノード電極とを隔てる高抵抗層と、
    を備え
    前記高抵抗層は、前記半導体基板の上面のうち前記絶縁膜よりも内側に設けられた抵抗体を有し、
    前記内側ガードリングは、端部のうち前記半導体基板の内側に設けられた側に前記絶縁膜から露出した露出部を有し、
    前記抵抗体は前記露出部を覆うことを特徴とするショットキーバリアダイオード
  2. n型の半導体基板と、
    前記半導体基板の上面側に設けられた少なくとも1つのp型のガードリングと、
    前記少なくとも1つのガードリングのうち最も内側の内側ガードリングの上に設けられた絶縁膜と、
    前記半導体基板の上面に設けられ、前記絶縁膜の上に乗り上げたアノード電極と、
    前記半導体基板の裏面に設けられたカソード電極と、
    前記内側ガードリングよりも高抵抗であり、前記内側ガードリングと前記アノード電極とを隔てる高抵抗層と、
    を備え、
    前記高抵抗層は、前記内側ガードリングよりも低濃度の第1p型半導体層を有し、前記半導体基板の上面側のうち前記内側ガードリングよりも内側で前記内側ガードリングと接触して設けられ、
    前記絶縁膜は、前記内側ガードリングの上面を全て覆い、
    前記第1p型半導体層は、前記絶縁膜から露出することを特徴とするショットキーバリアダイオード
  3. 前記抵抗体はポリシリコン抵抗体であることを特徴とする請求項に記載のショットキーバリアダイオード
  4. 前記アノード電極は、端部が前記内側ガードリングの直上に設けられることを特徴とする請求項からの何れか1項に記載のショットキーバリアダイオード。
  5. 前記絶縁膜の厚さは1.0μm以上であることを特徴とする請求項からの何れか1項に記載のショットキーバリアダイオード。
  6. 前記カソード電極には、前記内側ガードリングの直下に前記半導体基板を露出させる開口部が形成されることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載のショットキーバリアダイオード。
  7. 前記開口部は、前記内側ガードリングの直下から一定の範囲で前記半導体基板を露出させることを特徴とする請求項に記載のショットキーバリアダイオード。
  8. 前記半導体基板のうち前記内側ガードリングの直下に設けられた第2p型半導体層を備えることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載のショットキーバリアダイオード。
  9. 前記第2p型半導体層は、前記内側ガードリングの直下から一定の範囲まで設けられることを特徴とする請求項に記載のショットキーバリアダイオード。
  10. 前記半導体基板のうち前記内側ガードリングの直下に設けられた結晶欠陥層を備えることを特徴とする請求項1からの何れか1項に記載のショットキーバリアダイオード。
  11. 前記半導体基板はワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1から0の何れか1項に記載のショットキーバリアダイオード。
  12. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、酸化ガリウム、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンド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バリアダイオード。
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