JPWO2018150451A1 - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(構成)
図1は、本実施の形態1におけるショットキーバリアダイオード10(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す断面図である。ショットキーバリアダイオード10は、n型酸化ガリウム基板1(単結晶基板)と、n型酸化ガリウム層1a(n型半導体層)と、カソード電極2と、アノード電極3(電極)と、p型Cu2O層4A(p型半導体層)と、絶縁層5とを有している。図2は、ショットキーバリアダイオード10において、n型酸化ガリウム層1a上でのp型Cu2O層4Aの配置を概略的に示す平面図である。なおこの平面図においては、図を見やすくするために、p型Cu2O層4Aにハッチングが付されている。
図3は、ショットキーバリアダイオード10の製造方法を概略的に示すフロー図である。図4〜図6は、ショットキーバリアダイオード10の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。
以上の説明においてはn型半導体層としてn型酸化ガリウム層1aが用いられているが、酸化ガリウム以外のワイドギャップ半導体材料を用いることもできる。好ましくは、ワイドギャップ半導体材料として、ガリウム元素を含有する酸化物、および、アルミニウム元素を含有する材料の少なくともいずれかが用いられる。ワイドギャップ半導体材料としてAl(1−x)GaXN(1>x≧0)などの窒化物を用いることもできる。この場合、Alと窒素との強い結合によって、例えば600℃以上程度の高温に加熱されることがなければ、酸化による劣化が進まない。このためn型半導体層が、酸化物からなるp型半導体層と良好なpn接合を形成することができる。
本実施の形態が適用されたものである実施例のショットキーバリアダイオードの耐圧を測定したところ、1.2kV以上であった。一方、p型Cu2O層4A、すなわちガードリング領域4g、を有しない比較例のショットキーバリアダイオードの耐圧を測定したところ、1.0kV程度であった。よって、p型半導体層としてのp型Cu2O層4Aを用いてガードリング領域4gを設けることによって、ショットキーバリアダイオードの耐圧を高めることができることがわかった。
本実施の形態またはその変形例によれば、p型半導体層の材料は、n型半導体層のワイドギャップ半導体材料とは異なっている。特に本実施の形態においては、n型半導体層としてn型酸化ガリウム層1aが設けられ、p型半導体層としてp型Cu2O層4Aが設けられている。これにより、p型半導体層の材料として、n型半導体層の材料よりもp型を付与しやすい材料が選択されている。さらに、p型半導体層は、微結晶構造およびアモルファス構造のいずれかを有している。これにより、n型半導体層上にp型半導体層を、n型半導体層の表面の結晶構造および形状の影響を大きく受けることなく形成することができる。よってn型半導体層とp型半導体層とのヘテロ接合の特性が安定化される。以上から、ワイドギャップ半導体からなるn型半導体層上に、良好なpn接合を形成することができる。このpn接合を用いた構造を利用することによって、電力用半導体装置の耐圧を高めることができる。
(構成)
図7は、本実施の形態2におけるショットキーバリアダイオード20(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す断面図である。図8は、ショットキーバリアダイオード20において、n型酸化ガリウム層1a上でのp型Cu2O層4B(p型半導体層)の配置を概略的に示す平面図である。なおこの平面図においては、図を見やすくするために、p型Cu2O層4Bにハッチングが付されている。ショットキーバリアダイオード20は、実施の形態1におけるp型Cu2O層4A(図1および図2)に代わり、p型Cu2O層4Bを有している。p型Cu2O層4Bは、実施の形態1で説明したガードリング領域4g(図1および図2)に加えて、MPS(Merged pn Schottky)領域4mを有している。MPS領域4mはガードリング領域4gの内側にガードリング領域4gから離れて配置されている。MPS領域4mとガードリング領域とは同心円状に配置されていてよい。図中では1つのMPS領域4mが示されているが、複数のMPS領域が設けられてもよい。各MPS領域の幅、MPS領域間の幅、MPS領域が配置されるピッチは、所望の耐圧および抵抗損失に応じて適宜決められてよい。なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
図9および図10の各々は、ショットキーバリアダイオード20の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。本実施の形態2のショットキーバリアダイオード20も、実施の形態1の図3とほぼ同様のフローによって製造することができる。
(構成)
図11は、本実施の形態3におけるショットキーバリアダイオード30(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す断面図である。図12は、ショットキーバリアダイオード30において、n型酸化ガリウム層1a上でのp型Cu2O層4C(p型半導体層)の配置を概略的に示す平面図である。なおこの平面図においては、図を見やすくするために、p型Cu2O層4Cにハッチングが付されている。ショットキーバリアダイオード30は、実施の形態1におけるp型Cu2O層4A(図1および図2)に代わり、p型Cu2O層4Cを有している。
図13および図14の各々は、ショットキーバリアダイオード30の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。本実施の形態3のショットキーバリアダイオード30も、実施の形態1の図3とほぼ同様のフローによって製造することができる。
ショットキーバリアダイオード30へ、実施の形態1のショットキーバリアダイオード10(図1)が有するガードリング領域4gが付加されてもよい。あるいは、ショットキーバリアダイオード30へ、実施の形態2のショットキーバリアダイオード20(図7)が有するガードリング領域4gおよびMPS領域4mが付加されてもよい。
(構成)
図15は、本実施の形態4におけるpnダイオード40(電力用半導体装置)の構成を概略的に示す断面図である。図16は、pnダイオード40において、n型酸化ガリウム層1a上でのp型Cu2O層4D(p型半導体層)の配置を概略的に示す平面図である。なおこの平面図においては、図を見やすくするために、p型Cu2O層4Dにハッチングが付されている。pnダイオード40は、p型Cu2O層4C(図11および図12)に代わりp型Cu2O層4Dを有している。p型Cu2O層4Dは、実施の形態3で説明したFLR領域4f(図11および図12)に加えて、アノード領域4jを有している。
図17および図18の各々は、pnダイオード40の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。本実施の形態4のpnダイオード40も、実施の形態1の図3とほぼ同様のフローによって製造することができる。
Claims (8)
- 単結晶構造を有し、ワイドギャップ半導体材料からなるn型半導体層(1a)と、
前記n型半導体層(1a)上に設けられ、前記ワイドギャップ半導体材料とは異なる材料からなり、微結晶構造およびアモルファス構造のいずれかを有するp型半導体層(4A〜4D)と、
前記n型半導体層(1a)および前記p型半導体層(4A〜4D)の少なくともいずれかの上に設けられた電極(3)と、
を備える、電力用半導体装置(10,20,30,40)。 - 前記ワイドギャップ半導体材料は、ガリウム元素を含有する酸化物、および、アルミニウム元素を含有する材料の少なくともいずれかである、請求項1に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。
- 前記n型半導体層(1a)の前記ワイドギャップ半導体材料は酸化物および窒化物のいずれかであり、前記p型半導体層(4A〜4D)の前記材料は酸化物である、請求項1に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。
- 前記p型半導体層(4A〜4D)は前記微結晶構造を有し、
前記微結晶構造が有する結晶粒は、前記p型半導体層(4A〜4D)の膜厚方向において、前記p型半導体層(4A〜4D)の平均膜厚よりも小さい結晶サイズを有している、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。 - 前記p型半導体層(4A〜4D)は前記微結晶構造を有し、
前記微結晶構造が有する結晶粒は、前記p型半導体層(4A〜4D)の膜厚方向において、前記p型半導体層(4A〜4D)の平均膜厚の半分よりも小さい結晶サイズを有している、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。 - 前記p型半導体層(4A〜4D)は前記微結晶構造を有し、
前記p型半導体層(4A〜4D)と前記n型半導体層(1a)との界面から距離200nmの範囲において、前記微結晶構造が有する結晶粒は、前記p型半導体層(4A〜4D)の膜厚方向において、100nmよりも小さい結晶サイズを有している、請求項1から3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。 - 前記p型半導体層(4A〜4D)はCuおよびNiのいずれかを含有している、請求項1から6のいずれか1項に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。
- 前記p型半導体と前記n型半導体層(1a)との間の障壁は、電子側からみて1.2eV以上である、請求項1から7のいずれか1項に記載の電力用半導体装置(10,20,30,40)。
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