WO2022091693A1 - 酸化ガリウムダイオード - Google Patents

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WO2022091693A1
WO2022091693A1 PCT/JP2021/036437 JP2021036437W WO2022091693A1 WO 2022091693 A1 WO2022091693 A1 WO 2022091693A1 JP 2021036437 W JP2021036437 W JP 2021036437W WO 2022091693 A1 WO2022091693 A1 WO 2022091693A1
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oxide semiconductor
semiconductor layer
anode electrode
trench
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公平 佐々木
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株式会社タムラ製作所
株式会社ノベルクリスタルテクノロジー
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    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/872—Schottky diodes

Definitions

  • the present invention relates to a gallium oxide diode.
  • Patent Document 1 a Schottky barrier diode using Ga 2 O 3 for a semiconductor layer is known (for example, Patent Document 1).
  • an anode electrode is connected to the Ga 2 O 3 layer to form a Schottky junction, and rectification is ensured.
  • the anode electrode connected to the Ga 2 O 3 layer is oxidized by the oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer, and the interface between the Ga 2 O 3 layer and the anode electrode is oxidized. Since the height of the potential barrier in the diode changes, the conduction loss and withstand voltage of the diode change. Conduction loss and changes in withstand voltage may cause a decrease in the reliability of the diode.
  • An object of the present invention is to provide a gallium oxide diode using Ga 2 O 3 as a semiconductor layer, which has a structure capable of avoiding a decrease in reliability due to oxidation of an electrode.
  • One aspect of the present invention provides the following gallium oxide diodes [1] to [8] in order to achieve the above object.
  • the oxide semiconductor layer is provided with a cathode electrode forming an ohmic junction with the O3 layer, and the electron affinity of the oxide semiconductor layer is larger than the electron affinity of the portion of the Ga 2 O 3 layer in contact with the oxide semiconductor layer.
  • a gallium oxide diode whose rectification property is ensured by the offset of the lower end of the conduction band at the junction between the Ga 2 O 3 layer and the oxide semiconductor layer.
  • the oxide semiconductor layer has a thickness of 10 nm or more.
  • the Ga 2 O 3 layer has a trench on the surface on the anode electrode side, the inner surface of the trench is covered with a trench insulating film, and a part of the anode electrode is the trench insulating film in the trench.
  • the gallium oxide diode according to any one of 6].
  • the Ga 2 O 3 layer has a trench on the surface on the anode electrode side, the inner surface of the trench is covered with a p-type semiconductor member, and at least a part of the oxide semiconductor layer is the Ga 2 O.
  • a gallium oxide diode using Ga 2 O 3 as a semiconductor layer which has a structure capable of avoiding a decrease in reliability due to oxidation of an electrode.
  • FIG. 1 is a vertical sectional view of a gallium oxide diode according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows Ga 2 O 3, which is a material for the Ga 2 O 3 layer , a band diagram of various oxide semiconductors, which are candidate materials for the oxide semiconductor layer, and various metals, which are candidate materials for the anode electrode. Shows the Fermi level of.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view of a gallium oxide diode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a vertical sectional view of a gallium oxide diode according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the gallium oxide diode 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the gallium oxide diode 1 includes an n-type Ga 2 O 3 layer 10, an n-type oxide semiconductor layer 11 laminated on the Ga 2 O 3 layer 10, and an anode electrode 12 connected to the oxide semiconductor layer 11.
  • a vertical diode comprising a cathode electrode 13 connected to the Ga 2 O 3 layer 10.
  • the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 is larger than the electron affinity of the portion of the Ga 2 O 3 layer 10 in contact with the oxide semiconductor layer 11, and the conduction of the junction between the Ga 2 O 3 layer 10 and the oxide semiconductor layer 11
  • the rectification is ensured by the offset of the lower end of the band.
  • the magnitude of the offset at the lower end of the conduction band at the junction between the Ga 2 O 3 layer 10 and the oxide semiconductor layer 11 is such that the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 and the oxide semiconductor layer 11 of the Ga 2 O 3 layer 10 come into contact with each other. Equal to the difference from the electron affinity of the part.
  • the Ga 2 O 3 layer seen from the Ga 2 O 3 layer 10 is applied.
  • the potential barrier at the interface between 10 and the oxide semiconductor layer 11 is lowered, and a current flows from the anode electrode 12 to the cathode electrode 13.
  • a voltage in the opposite direction negative potential on the anode electrode 12 side
  • a potential barrier at the interface between the Ga 2 O 3 layer 10 and the oxide semiconductor layer 11 causes a potential barrier. No current flows.
  • the Ga 2 O 3 layer 10 is a layer made of Ga 2 O 3 containing donors such as Sn and Si, and typically, as shown in FIG. 1, a substrate 101 made of Ga 2 O 3 and above the substrate 101. It is composed of an epitaxial film 102 made of Ga 2 O 3 formed in. In this case, the epitaxial film 102 becomes a portion in contact with the oxide semiconductor layer 11 of the Ga 2 O 3 layer 10.
  • a buffer layer may be formed between the substrate 101 and the epitaxial film 102.
  • the substrate 101 is a substrate made of a single crystal of Ga 2 O 3 having a ⁇ -type crystal structure.
  • the substrate 101 contains donors such as Si and Sn.
  • the donor concentration of the substrate 101 is, for example, in the range of 1.0 ⁇ 10 18 cm -3 or more and 1.0 ⁇ 10 20 cm -3 or less.
  • the thickness of the substrate 101 is, for example, in the range of 10 ⁇ m or more and 600 ⁇ m or less.
  • the epitaxial film 102 is a film made of a single crystal of Ga 2 O 3 having a ⁇ -type crystal structure.
  • the epitaxial film 102 contains donor impurities such as Si and Sn.
  • the donor concentration of the epitaxial film 102 is, for example, in the range of 1 ⁇ 10 13 cm -3 or more and 1 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
  • the thickness of the epitaxial film 102 is, for example, in the range of 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 is larger than the electron affinity of the portion of the Ga 2 O 3 layer 10 in contact with the oxide semiconductor layer 11.
  • the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 is larger than the electron affinity of the epitaxial film 102.
  • ⁇ is preferably 0.4 eV or more, and more preferably 0.6 eV or more.
  • FIG. 2 shows Ga 2 O 3 , which is a material for Ga 2 O 3 layer 10, band diagrams of various oxide semiconductors, which are candidate materials for the oxide semiconductor layer 11, and candidate materials for the anode electrode 12. Shows the Fermi levels of certain metals.
  • the numerical value in the band diagram indicates the size of the band gap [eV]
  • the numerical value on the upper side of the band diagram is the difference in electron affinity between the oxide semiconductor and Ga 2 O 3 (energy difference at the lower end of the conduction band) [eV].
  • the numerical value on the upper side of the Fermi level indicates the difference in electron affinity between the metal and Ga 2 O 3 (the energy difference between the lower end of the conduction band of Ga 2 O 3 and the Fermi level of the metal) [eV].
  • ⁇ can be set to 0.4 eV or more.
  • the oxide semiconductor layer 11 may be made of a plurality of oxide semiconductors having different electron affinities. By mixing oxide semiconductors having different electron affinities, the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 can be adjusted, so that the rising voltage of the gallium oxide diode 1 can be controlled. For example, ⁇ can be set to 0.6 eV or more by mixing Zn O with In 2 O 3 in an amount of about 17% or more. Further, when the oxide semiconductor layer 11 is formed by sputtering, the oxide semiconductor layer 11 in which Indium tin oxide ( ITO) is mixed is inexpensively formed by using a target of indium tin oxide ( ITO). be able to.
  • ITO Indium tin oxide
  • Li 2 O is based on an oxide having a larger electron affinity than the Ga 2 O 3 layer 10 such as ZnO, TiO 2 , In 2 O 3 , and SnO 2 .
  • MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , NiO, CuO, CuO 2 and the like may be mixed with oxides having a smaller electron affinity than the Ga 2 O 3 layer 10.
  • it is necessary to adjust the mixing ratio so that the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 composed of the mixture thereof is larger than the electron affinity of the Ga 2 O 3 layer 10.
  • the oxide semiconductor layer 11 preferably has a sufficiently high donor concentration in order to reduce the forward loss of the gallium oxide diode 1, for example, preferably has a donor concentration of 1 ⁇ 10 18 cm -3 or more. There is no particular upper limit of the donor concentration of the oxide semiconductor layer 11, and the upper limit of the dopeable concentration for each material becomes the upper limit of the donor concentration of the oxide semiconductor layer 11 as it is.
  • the anode electrode 12 affects the energy state (offset of the lower end of the conduction band) at the junction between the Ga 2 O 3 layer 10 and the oxide semiconductor layer 11. It is preferable that the oxide semiconductor layer 11 has a certain thickness, for example, it is preferable that the oxide semiconductor layer 11 has a thickness of 10 nm or more. Further, in order to reduce the forward loss, the thickness of the oxide semiconductor layer 11 is preferably as thin as possible, and is preferably 200 nm or less, for example.
  • the form of the oxide semiconductor layer 11 may be amorphous, polycrystal, single crystal or the like.
  • an amorphous oxide semiconductor layer 11 is obtained, and when the growth temperature is high, a polycrystalline oxide semiconductor layer 11 is obtained. Further, if the crystal structure and growth conditions of the oxide semiconductor layer 11 and the orientation of the Ga 2 O 3 layer 10 which is the base of the epitaxial growth are satisfied, the single crystal oxide semiconductor layer 11 can be obtained. In terms of manufacturing cost, the amorphous oxide semiconductor layer 11 that can be formed at a low temperature is excellent.
  • the method for forming the oxide semiconductor layer 11 is not particularly limited, and for example, high-frequency sputtering is superior in terms of manufacturing cost. Therefore, it is particularly preferable to form the amorphous oxide semiconductor layer 11 by using high frequency sputtering in terms of manufacturing cost.
  • the oxide semiconductor layer 11 is in contact with the Ga 2 O 3 layer 10, since it is an oxide, the reliability of the gallium oxide diode 1 is improved by the oxidation caused by the oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer 10. There is no risk of lowering.
  • the anode electrode 12 is formed on the surface of the oxide semiconductor layer 11 opposite to the Ga 2 O 3 layer 10, and forms an ohmic contact with the oxide semiconductor layer 11.
  • a material that forms an ohmic contact with the oxide semiconductor layer 11, that is, a material having a work function close to or smaller than the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 can be used.
  • the work function of Pt, Ni, Au, Ti, and Al is close to the energy (electron affinity) from the vacuum level up to the lower end of the conduction band of TiO 2 , In 2 O 3 , and SnO 2 . Or smaller. Therefore, when the oxide semiconductor layer 11 is made of TiO 2 , In 2 O 3 , or SnO 2 , Pt, Ni, Au, Ti, or Al can be used as the material for the anode electrode 12.
  • the oxide semiconductor layer 11 is derived from TIM 2 , In 2 O 3 , or SnO 2 . If this is the case, Mo, Cu, and Fe can also be used as the material for the anode electrode 12.
  • the work function of Ti and Al is close to or smaller than the energy (electron affinity) from the vacuum level up to the lower end of the conduction band of ZnO. Therefore, when the oxide semiconductor layer 11 is made of ZnO, Ti or Al can be used as the material of the anode electrode 12.
  • the work function of Mo, Cu, and Fe is also close to or smaller than the electron affinity of ZnO, when the oxide semiconductor layer 11 is made of ZnO, Mo, Cu, and Fe can also be used as the material of the anode electrode 12. can.
  • the anode electrode 12 may have a multilayer structure.
  • the layer in contact with the oxide semiconductor layer 11 is made of a material such as Ti or Al that forms an ohmic contact with the oxide semiconductor layer 11.
  • the anode electrode 12 is in contact with the oxide semiconductor layer 11, even if the anode electrode 12 is oxidized by the oxygen contained in the oxide semiconductor layer 11, the anode electrode 12 and the oxide semiconductor layer 11 are ohmic bonded. Has almost no effect, so that there is almost no effect on the reliability of the gallium oxide diode 1.
  • the cathode electrode 13 is formed on the surface of the Ga 2 O 3 layer 10 opposite to the oxide semiconductor layer 11 and forms an ohmic contact with the Ga 2 O 3 layer 10.
  • a material forming an ohmic contact with the Ga 2 O 3 layer 10 such as Ti or Al can be used.
  • the cathode electrode 13 may have a multilayer structure.
  • the layer in contact with the Ga 2 O 3 layer 10 is made of a material such as Ti or Al that forms an ohmic contact with the Ga 2 O 3 layer 10.
  • the cathode electrode 13 is in contact with the Ga 2 O 3 layer 10, even if the cathode electrode 13 is oxidized by oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer 10, the cathode electrode 13 and the Ga 2 O 3 layer 10 are in contact with each other. Since there is almost no effect on the ohmic junction, there is almost no effect on the reliability of the gallium oxide diode 1.
  • the thickness of the anode electrode 12 is, for example, in the range of 0.03 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the thickness of the cathode electrode 13 is, for example, in the range of 0.03 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the second embodiment of the present invention differs from the first embodiment in that the gallium oxide diode has a trench MOS structure.
  • the same points as in the first embodiment will be omitted or simplified.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view of the gallium oxide diode 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the gallium oxide diode 2 is a vertical Schottky diode having a trench MOS structure.
  • the gallium oxide diode 2 includes a substrate 201, an epitaxial layer 202 having a trench 203 that is a layer formed on the substrate 201 and opens in a surface 204 on the opposite side (anode electrode 22 side) of the substrate 201.
  • the trench insulating film 24 that covers the inner surface of the trench 203, the anode electrode 221 embedded inside the trench insulating film 24 in the trench 203, and the anode electrode 221 formed on the surface 204 side of the epitaxial layer 202 and electrically connected to the anode electrode 221.
  • a cathode electrode 23 formed on the surface is provided.
  • the substrate 201 and the epitaxial layer 202 correspond to the substrate 101 and the epitaxial film 102 according to the first embodiment, respectively, and the Ga 2 O 3 layer 20 corresponding to the Ga 2 O 3 layer 10 according to the first embodiment, respectively.
  • the material of the substrate 201 and the epitaxial layer 202 the same materials as those of the substrate 101 and the epitaxial film 102 can be used, respectively.
  • the oxide semiconductor layer 21 corresponds to the oxide semiconductor layer 11 according to the first embodiment.
  • the same material as that of the oxide semiconductor layer 11 can be used.
  • the oxide semiconductor layer 21 has the same thickness as the oxide semiconductor layer 11.
  • the oxide semiconductor layer 21 may be a single continuous film formed so as to cover the surface of the trench insulating film 24 in the trench 203.
  • the anode electrode 22 composed of the anode electrode 221 and the anode electrode 222 corresponds to the anode electrode 12 according to the first embodiment.
  • the material of the anode electrode 22 the same material as that of the anode electrode 12 can be used.
  • the trench insulating film 24 is made of, for example, a single-layer film such as HfO 2 , Al 2 O 3 , or SiO 2 , or a laminated film thereof.
  • HfO 2 having a high dielectric constant.
  • the Ga 2 O 3 layer 20 has a trench 203 on the surface 204 on the anode electrode 22 side, the inner surface of the trench 203 is covered with the trench insulating film 24, and a part of the anode electrode 22 is covered. It is embedded inside the trench insulating film 24 in the trench 203, and at least a part of the oxide semiconductor layer 21 is formed between the mesa-shaped portion 205 between the adjacent trenches 24 of the Ga 2 O 3 layer 20 and the anode electrode 22. It is formed.
  • the electron affinity of the oxide semiconductor layer 21 is larger than the electron affinity of the epitaxial layer 202, which is a portion of the Ga 2 O 3 layer 20 in contact with the oxide semiconductor layer 21, and the electron affinity of the Ga 2 O 3 layer 20 is larger than that of the mesa-shaped portion 205 of the Ga 2 O 3 layer 20.
  • the rectification property is ensured by the offset of the lower end of the conduction band at the junction of the oxide semiconductor layer 21.
  • the difference ⁇ between the electron affinity of the oxide semiconductor layer 21 and the electron affinity of the portion of the Ga 2 O 3 layer 20 in contact with the oxide semiconductor layer 21 is the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 and the Ga 2 O 3 layer 10. Similar to the difference ⁇ from the electron affinity of the portion in contact with the oxide semiconductor layer 11, it is preferably 0.4 eV or more, and more preferably 0.6 eV or more.
  • the oxide semiconductor layer 21 is in contact with the mesa-shaped portion 205 of the Ga 2 O 3 layer 20, but since it is an oxide, it is a gallium oxide diode due to oxidation caused by oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer 20. There is no risk of reducing the reliability of 2. Further, although the anode electrode 22 is in contact with the oxide semiconductor layer 21, even if the anode electrode 22 is oxidized by the oxygen contained in the oxide semiconductor layer 21, the anode electrode 22 and the oxide semiconductor layer 21 are ohmically bonded. Has almost no effect, so that there is almost no effect on the reliability of the gallium oxide diode 2.
  • the cathode electrode 23 is in contact with the Ga 2 O 3 layer 20, even if the cathode electrode 23 is oxidized by the oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer 20, the cathode electrode 23 and the Ga 2 O 3 layer 20 are in contact with each other. Since there is almost no effect on the ohmic junction, there is almost no effect on the reliability of the gallium oxide diode 2.
  • the gallium oxide diode 2 may have a field plate structure as shown in FIG. 3 in order to suppress dielectric breakdown at the electrode end portion and further improve the withstand voltage. That is, the insulating film 25 may be provided around the anode electrode 22 on the surface 204 of the epitaxial layer 202, and the edge of the anode electrode 22 may ride on the insulating film 25. As the material of the insulating film 25, the same material as that of the trench insulating film 24 can be used. Further, instead of the field plate structure, a guard ring structure made of a p-type material may be provided. Further, by installing the field plate structure and the guard ring structure side by side, a higher dielectric breakdown suppression effect can be obtained. It should be noted that these field plate structures and guard ring structures can also be applied to the gallium oxide diode 1 according to the first embodiment.
  • the Ga 2 O 3 layer 20 seen from the Ga 2 O 3 layer 20 is applied.
  • the potential barrier at the interface between the mesa-shaped portion 205 and the oxide semiconductor layer 21 is lowered, and a current flows from the anode electrode 22 to the cathode electrode 23.
  • the electric field strength in the gallium oxide diode 2 is hardly affected by the planar pattern of the trench 203. Therefore, excellent pressure resistance can be obtained regardless of the planar pattern of the trench 203.
  • the third embodiment of the present invention differs from the first and second embodiments in that the gallium oxide diode has a trench type junction barrier Schottky (JBS) structure.
  • JBS trench type junction barrier Schottky
  • FIG. 4 is a vertical sectional view of the gallium oxide diode 3 according to the third embodiment.
  • the gallium oxide diode 3 is a vertical Schottky barrier diode having a trench type JBS structure.
  • the gallium oxide diode 3 is a substrate 301, an epitaxial layer 302 having a trench 303 that is a layer formed on the substrate 301 and is open to a surface 304 on the opposite side (anode electrode 32 side) of the substrate 301, and a trench.
  • the substrate 301 and the epitaxial layer 302 correspond to the substrate 101 and the epitaxial film 102 according to the first embodiment, respectively, and the Ga 2 O 3 layer 30 corresponding to the Ga 2 O 3 layer 10 according to the first embodiment, respectively.
  • the material of the substrate 301 and the epitaxial layer 302 the same materials as those of the substrate 101 and the epitaxial film 102 can be used, respectively.
  • the oxide semiconductor layer 31 corresponds to the oxide semiconductor layer 11 according to the first embodiment.
  • the same material as that of the oxide semiconductor layer 11 can be used.
  • the oxide semiconductor layer 31 has the same thickness as the oxide semiconductor layer 11. At least a part of the oxide semiconductor layer 31 is formed between the mesa-shaped portion 305 between the adjacent trenches 34 of the Ga 2 O 3 layer 30 and the anode electrode 32.
  • the oxide semiconductor layer 31 may be a single continuous film formed so as to cover the surface 304 of the epitaxial layer 302.
  • the anode electrode 32 corresponds to the anode electrode 12 according to the first embodiment.
  • the material of the anode electrode 32 the same material as that of the anode electrode 12 can be used.
  • the electron affinity of the oxide semiconductor layer 31 is larger than the electron affinity of the epitaxial layer 302 which is a portion of the Ga 2 O 3 layer 30 in contact with the oxide semiconductor layer 31, and the electron affinity of the Ga 2 O 3 layer 30 is larger than that of the mesa-shaped portion 305 of the Ga 2 O 3 layer 30.
  • the rectification property is ensured by the offset of the lower end of the conduction band at the junction of the oxide semiconductor layer 31.
  • the difference ⁇ between the electron affinity of the oxide semiconductor layer 31 and the electron affinity of the portion of the Ga 2 O 3 layer 30 in contact with the oxide semiconductor layer 31 is the electron affinity of the oxide semiconductor layer 11 and the Ga 2 O 3 layer 10. Similar to the difference ⁇ from the electron affinity of the portion in contact with the oxide semiconductor layer 11, it is preferably 0.4 eV or more, and more preferably 0.6 eV or more.
  • the oxide semiconductor layer 31 is in contact with the mesa-shaped portion 305 of the Ga 2 O 3 layer 30, but since it is an oxide, it is a gallium oxide diode due to oxidation caused by oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer 30. There is no risk of reducing the reliability of 2. Further, although the anode electrode 32 is in contact with the oxide semiconductor layer 31, even if the anode electrode 32 is oxidized by the oxygen contained in the oxide semiconductor layer 31, the anode electrode 32 and the oxide semiconductor layer 31 are aumic bonded. Has almost no effect, so that there is almost no effect on the reliability of the gallium oxide diode 3.
  • the cathode electrode 33 is in contact with the Ga 2 O 3 layer 30, even if the cathode electrode 33 is oxidized by the oxygen contained in the Ga 2 O 3 layer 30, the cathode electrode 33 and the Ga 2 O 3 layer 30 are in contact with each other. Since there is almost no effect on the ohmic junction, there is almost no effect on the reliability of the gallium oxide diode 3.
  • the gallium oxide diode 3 may have a field plate structure as shown in FIG. 4 in order to suppress dielectric breakdown at the electrode end portion and further improve the withstand voltage. That is, the insulating film 35 may be provided around the anode electrode 32 on the surface 304 of the epitaxial layer 302, and the edge of the anode electrode 32 may ride on the insulating film 35. As the material of the insulating film 35, the same material as that of the insulating film 25 according to the second embodiment can be used. Further, instead of the field plate structure, a guard ring structure made of a p-type material may be provided. Further, by installing the field plate structure and the guard ring structure side by side, a higher dielectric breakdown suppression effect can be obtained.
  • the Ga 2 O 3 layer seen from the Ga 2 O 3 layer 30 is applied.
  • the potential barrier at the interface between the mesa-shaped portion 305 of 30 and the oxide semiconductor layer 31 is lowered, and a current flows from the anode electrode 32 to the cathode electrode 33.
  • the gallium oxide diode 3 has a more excellent withstand voltage due to the trench type JBS structure.
  • the electric field strength in the gallium oxide diode 3 is hardly affected by the planar pattern of the trench 303 (the planar pattern of the p-type semiconductor member 34). Therefore, excellent pressure resistance can be obtained regardless of the planar pattern of the trench 303.
  • the trench 303 is filled only with the p-type semiconductor member 34, but a part of the oxide semiconductor layer 31 or the anode electrode 32 may enter the trench 303, for example.
  • the gallium oxide diode 3 may have a structure corresponding to the structure of the gallium oxide diode 2 in which the trench insulating film 24 is replaced with a p-type semiconductor member. That is, in the gallium oxide diode 3, the inner surface of the trench 303 may be covered with the p-type semiconductor member 34.
  • the gallium oxide diodes 1, 2, and 3 According to the gallium oxide diodes 1, 2, and 3 according to the embodiment of the present invention, rectification is ensured at the junction between the Ga 2 O 3 layers 10, 20, and 30 and the oxide semiconductor layers 11, 21, and 31. Moreover, the oxidation of the anode electrodes 12, 22 and 32 does not affect the reliability of the gallium oxide diodes 1, 2 and 3. That is, the gallium oxide diodes 1, 2, and 3 have a structure capable of avoiding a decrease in reliability due to oxidation of the electrode.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be carried out within a range that does not deviate from the gist of the invention. Further, the components of the above-described embodiment can be arbitrarily combined within a range that does not deviate from the gist of the invention.
  • a gallium oxide diode using Ga 2 O 3 as a semiconductor layer which has a structure capable of avoiding a decrease in reliability due to oxidation of an electrode.

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Abstract

電極の酸化による信頼性の低下を回避することのできる構造を有する、Ｇａ２Ｏ３を半導体層に用いた酸化ガリウムダイオードを提供する。　一実施の形態として、ｎ型のＧａ２Ｏ３層１０と、Ｇａ２Ｏ３層１０に積層されたｎ型の酸化物半導体層１１と、酸化物半導体層１１とオーミック接合を形成するアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３層１０とオーミック接合を形成するカソード電極１３と、を備え、酸化物半導体層１１の電子親和力が、Ｇａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力よりも大きく、Ｇａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の接合部における伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保された、酸化ガリウムダイオード１を提供する。

Description

酸化ガリウムダイオード
　本発明は、酸化ガリウムダイオードに関する。
　従来、Ｇａ２Ｏ３を半導体層に用いたショットキーバリアダイオードが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載のショットキーバリアダイオードにおいては、Ｇａ２Ｏ３層にアノード電極を接続してショットキー接合を形成し、整流性を確保している。
特開２０１３－１０２０８１号公報
　しかしながら、特許文献１に記載のショットキーバリアダイオードにおいては、Ｇａ２Ｏ３層に含まれる酸素によってＧａ２Ｏ３層に接続されたアノード電極が酸化し、Ｇａ２Ｏ３層とアノード電極の界面におけるポテンシャル障壁の高さが変化するため、ダイオードの導通損失や耐圧が変化してしまう。導通損失や耐圧の変化は、ダイオードの信頼性の低下を引き起こすおそれがある。
　本発明の目的は、電極の酸化による信頼性の低下を回避することのできる構造を有する、Ｇａ２Ｏ３を半導体層に用いた酸化ガリウムダイオードを提供することにある。
　本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］～［８］の酸化ガリウムダイオードを提供する。
［１］ｎ型のＧａ２Ｏ３層と、前記Ｇａ２Ｏ３層に積層されたｎ型の酸化物半導体層と、前記酸化物半導体層とオーミック接合を形成するアノード電極と、前記Ｇａ２Ｏ３層とオーミック接合を形成するカソード電極と、を備え、前記酸化物半導体層の電子親和力が、前記Ｇａ２Ｏ３層の前記酸化物半導体層と接触する部分の電子親和力よりも大きく、前記Ｇａ２Ｏ３層と前記酸化物半導体層の接合部における伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保された、酸化ガリウムダイオード。
［２］前記Ｇａ２Ｏ３層の電子親和力と前記酸化物半導体層の前記Ｇａ２Ｏ３層と接触する部分の電子親和力との差が０．４ｅＶ以上である、上記［１］に記載の酸化ガリウムダイオード。
［３］前記酸化物半導体層がＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２のうちの少なくとも１つを含む酸化物半導体からなる、上記［１］又は［２］に記載の酸化ガリウムダイオード。
［４］前記酸化物半導体層が、電子親和力の異なる複数の酸化物半導体からなる、上記［１］～［３］のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
［５］前記酸化物半導体層が、１×１０１８ｃｍ－３以上のドナー濃度を有する、上記［１］～［４］のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
［６］前記酸化物半導体層が、１０ｎｍ以上の厚さを有する、上記［１］～［５］のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
［７］前記Ｇａ２Ｏ３層が前記アノード電極側の面にトレンチを有し、前記トレンチの内面がトレンチ絶縁膜に覆われ、前記アノード電極の一部が前記トレンチ内の前記トレンチ絶縁膜の内側に埋め込まれ、前記酸化物半導体層の少なくとも一部が、前記Ｇａ２Ｏ３層の隣接する前記トレンチ間のメサ形状部分と前記アノード電極との間に形成された、上記［１］～［６］のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
［８］前記Ｇａ２Ｏ３層が前記アノード電極側の面にトレンチを有し、前記トレンチの内面がｐ型半導体部材に覆われ、前記酸化物半導体層の少なくとも一部が、前記Ｇａ２Ｏ３層の隣接する前記トレンチ間のメサ形状部分と前記アノード電極との間に形成された、上記［１］～［６］のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
　本発明によれば、電極の酸化による信頼性の低下を回避することのできる構造を有する、Ｇａ２Ｏ３を半導体層に用いた酸化ガリウムダイオードを提供することができる。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオードの垂直断面図である。 図２は、Ｇａ２Ｏ３層の材料であるＧａ２Ｏ３と、酸化物半導体層の材料の候補例である各種酸化物半導体のバンドダイアグラム、及びアノード電極の材料の候補例である各種金属のフェルミ準位を示す。 図３は、本発明の第２の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオードの垂直断面図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオードの垂直断面図である。
〔第１の実施の形態〕
（酸化ガリウムダイオードの構成）
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオード１の垂直断面図である。酸化ガリウムダイオード１は、ｎ型のＧａ２Ｏ３層１０と、Ｇａ２Ｏ３層１０に積層されたｎ型の酸化物半導体層１１と、酸化物半導体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３層１０に接続されたカソード電極１３とを備える縦型のダイオードである。
　酸化物半導体層１１の電子親和力は、Ｇａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力よりも大きく、Ｇａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の接合部の伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保されている。Ｇａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の接合部の伝導帯下端のオフセットの大きさは、酸化物半導体層１１の電子親和力とＧａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力との差に等しい。
　酸化ガリウムダイオード１においては、アノード電極１２とカソード電極１３との間に順方向の電圧（アノード電極１２側が正電位）を印加することにより、Ｇａ２Ｏ３層１０から見たＧａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の界面のポテンシャル障壁が低下し、アノード電極１２からカソード電極１３へ電流が流れる。一方、アノード電極１２とカソード電極１３との間に逆方向の電圧（アノード電極１２側が負電位）を印加したときは、Ｇａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の界面のポテンシャル障壁により、電流が流れない。
　Ｇａ２Ｏ３層１０は、Ｓｎ、Ｓｉなどのドナーを含むＧａ２Ｏ３からなる層であり、典型的には、図１に示されるように、Ｇａ２Ｏ３からなる基板１０１とその上に形成されたＧａ２Ｏ３からなるエピタキシャル膜１０２から構成される。この場合、エピタキシャル膜１０２が、Ｇａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分となる。なお、基板１０１とエピタキシャル膜１０２の間にバッファ層が形成されてもよい。
　基板１０１は、β型の結晶構造を有するＧａ２Ｏ３の単結晶からなる基板である。基板１０１は、Ｓｉ、Ｓｎなどのドナーを含む。基板１０１のドナー濃度は、例えば、１．０×１０１８ｃｍ－３以上、１．０×１０２０ｃｍ－３以下の範囲内にある。基板１０１の厚さは、例えば、１０μｍ以上、６００μｍ以下の範囲内にある。
　エピタキシャル膜１０２は、β型の結晶構造を有するＧａ２Ｏ３の単結晶からなる膜である。エピタキシャル膜１０２は、Ｓｉ、Ｓｎ等のドナー不純物を含む。エピタキシャル膜１０２のドナー濃度は、例えば、１×１０１３ｃｍ－３以上、１×１０１８ｃｍ－３以下の範囲内にある。エピタキシャル膜１０２の厚さは、例えば、１μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内にある。
　上述のように、酸化物半導体層１１の電子親和力は、Ｇａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力よりも大きい。例えば、Ｇａ２Ｏ３層１０が基板１０１とエピタキシャル膜１０２から構成される場合は、酸化物半導体層１１の電子親和力が、エピタキシャル膜１０２の電子親和力よりも大きい。
　また、酸化物半導体層１１の電子親和力とＧａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力との差（Δχとする）が小さいと、酸化ガリウムダイオード１の立ち上がり電圧が小さくなる一方で、逆方向耐圧が小さくなる。ある程度（例えば、４００Ｖ以上）の逆方向耐圧を確保するためには、Δχが０．４ｅＶ以上であることが好ましく、０．６ｅＶ以上であることがより好ましい。
　図２は、Ｇａ２Ｏ３層１０の材料であるＧａ２Ｏ３と、酸化物半導体層１１の材料の候補例である各種酸化物半導体のバンドダイアグラム、及びアノード電極１２の材料の候補例である各種金属のフェルミ準位を示す。バンドダイアグラム内の数値はバンドギャップの大きさ［ｅＶ］を示し、バンドダイアグラムの上側の数値はその酸化物半導体とＧａ２Ｏ３の電子親和力の差（伝導帯の下端のエネルギー差）［ｅＶ］を示し、フェルミ準位の上側の数値はその金属とＧａ２Ｏ３の電子親和力の差（Ｇａ２Ｏ３の伝導帯の下端と金属のフェルミ準位のエネルギー差）［ｅＶ］を示す。
　図２によれば、酸化物半導体層１１の材料にＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２を用いることにより、Δχを０．４ｅＶ以上にすることができる。
　また、酸化物半導体層１１は、電子親和力の異なる複数の酸化物半導体からなるものであってもよい。電子親和力の異なる酸化物半導体を混ぜ合わせることで、酸化物半導体層１１の電子親和力の調整ができるため、酸化ガリウムダイオード１の立ち上がり電圧を制御することができる。例えば、ＺｎＯにＩｎ２Ｏ３をおよそ１７％以上混ぜることで、Δχを０．６ｅＶ以上にすることができる。また、スパッタリングにより酸化物半導体層１１を成膜する場合、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のターゲットを用いることにより、Ｉｎ２Ｏ３とＳｎＯ２が混合された酸化物半導体層１１を安価に成膜することができる。
　また、酸化ガリウムダイオード１の立ち上がり電圧を調整するために、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２などのＧａ２Ｏ３層１０よりも電子親和力が大きい酸化物をベースとして、Ｌｉ２Ｏ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＣｕＯ２などのＧａ２Ｏ３層１０よりも電子親和力が小さい酸化物を混ぜてもよい。ただし、それらの混合物からなる酸化物半導体層１１の電子親和力がＧａ２Ｏ３層１０の電子親和力よりも大きくなるように、混合比を調整する必要がある。
　酸化物半導体層１１は、酸化ガリウムダイオード１の順方向損失を低減するため、十分に高いドナー濃度を有することが好ましく、例えば、１×１０１８ｃｍ－３以上のドナー濃度を有することが好ましい。酸化物半導体層１１のドナー濃度の上限値は特になく、材料ごとのドーピング可能な濃度の上限値がそのまま酸化物半導体層１１のドナー濃度の上限値となる。
　また、酸化ガリウムダイオード１の十分な整流性を確保するためには、アノード電極１２がＧａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の接合部のエネルギー状態（伝導帯の下端のオフセット）に影響を及ぼさないように、酸化物半導体層１１がある程度の厚さを有することが好ましく、例えば、１０ｎｍ以上の厚さを有することが好ましい。また、順方向損失を低減するためには、酸化物半導体層１１の厚さがなるべく薄いことが好ましく、例えば、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
　酸化物半導体層１１の形態は、非晶質、多結晶、単結晶などのいずれでもよい。通常、酸化物半導体層１１の成長温度が低いと非晶質の酸化物半導体層１１が得られ、高いと多結晶の酸化物半導体層１１が得られる。また、酸化物半導体層１１の結晶構造や成長条件、エピタキシャル成長の下地となるＧａ２Ｏ３層１０の配向などの条件が揃うと単結晶の酸化物半導体層１１が得られる。製造コストの点では、低温で形成することのできる非晶質の酸化物半導体層１１が優れている。
　また、酸化物半導体層１１の形成方法も特に限定されず、例えば、製造コストの点では、高周波スパッタリングが優れている。このため、高周波スパッタリングを用いて非晶質の酸化物半導体層１１を形成することが、製造コストの点で特に好ましい。
　なお、酸化物半導体層１１はＧａ２Ｏ３層１０と接触しているが、酸化物であるため、Ｇａ２Ｏ３層１０に含まれる酸素に起因する酸化によって酸化ガリウムダイオード１の信頼性を低下させるおそれがない。
　アノード電極１２は、酸化物半導体層１１のＧａ２Ｏ３層１０と反対側の面上に形成され、酸化物半導体層１１とオーミック接合を形成する。アノード電極１２の材料には、酸化物半導体層１１とオーミック接合を形成する材料、すなわち酸化物半導体層１１の電子親和力と近い、又はより小さい仕事関数を有する材料を用いることができる。
　図２によれば、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌの仕事関数は、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２の伝導帯の下端までの真空準位からのエネルギー（電気親和力）と近い、又はより小さい。このため、酸化物半導体層１１がＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、又はＳｎＯ２からなる場合は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、又はＡｌをアノード電極１２の材料として用いることができる。
　また、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅの仕事関数もＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２の電子親和力と近い、又はより小さいため、酸化物半導体層１１がＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、又はＳｎＯ２からなる場合は、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅもアノード電極１２の材料として用いることができる。
　また、図２によれば、Ｔｉ、Ａｌの仕事関数は、ＺｎＯの伝導帯の下端までの真空準位からのエネルギー（電気親和力）と近い、又はより小さい。このため、酸化物半導体層１１がＺｎＯからなる場合は、Ｔｉ又はＡｌをアノード電極１２の材料として用いることができる。
　また、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅの仕事関数もＺｎＯの電子親和力と近い、又はより小さいため、酸化物半導体層１１がＺｎＯからなる場合は、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅもアノード電極１２の材料として用いることができる。
　アノード電極１２は多層構造を有していてもよい。その場合、酸化物半導体層１１と接触する層が、酸化物半導体層１１とオーミック接合を形成するＴｉ、Ａｌなどの材料からなる。
　なお、アノード電極１２は酸化物半導体層１１に接触しているが、酸化物半導体層１１に含まれる酸素によりアノード電極１２が酸化されても、アノード電極１２と酸化物半導体層１１のオーミック接合にはほとんど影響がないため、酸化ガリウムダイオード１の信頼性にほとんど影響はない。
　カソード電極１３は、Ｇａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と反対側の面上に形成され、Ｇａ２Ｏ３層１０とオーミック接合を形成する。カソード電極１３の材料には、Ｇａ２Ｏ３層１０とオーミック接合を形成する材料、例えば、ＴｉやＡｌなどを用いることができる。
　カソード電極１３は多層構造を有していてもよい。その場合、Ｇａ２Ｏ３層１０と接触する層が、Ｇａ２Ｏ３層１０とオーミック接合を形成するＴｉ、Ａｌなどの材料からなる。
　なお、カソード電極１３はＧａ２Ｏ３層１０に接触しているが、Ｇａ２Ｏ３層１０に含まれる酸素によりカソード電極１３が酸化されても、カソード電極１３とＧａ２Ｏ３層１０のオーミック接合にはほとんど影響がないため、酸化ガリウムダイオード１の信頼性にほとんど影響はない。
　アノード電極１２の厚さは、例えば、０．０３μｍ以上、５μｍ以下の範囲内にある。カソード電極１３の厚さは、例えば、０．０３μｍ以上、５μｍ以下の範囲内にある。
〔第２の実施の形態〕
　本発明の第２の実施の形態は、酸化ガリウムダイオードがトレンチＭＯＳ構造を有する点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
（酸化ガリウムダイオードの構成）
　図３は、本発明の第２の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオード２の垂直断面図である。酸化ガリウムダイオード２は、トレンチＭＯＳ構造を有する縦型のショットキーダイオードである。
　酸化ガリウムダイオード２は、基板２０１と、基板２０１の上に形成された層であって、その基板２０１と反対側（アノード電極２２側）の面２０４に開口するトレンチ２０３を有するエピタキシャル層２０２と、トレンチ２０３の内面を覆うトレンチ絶縁膜２４と、トレンチ２０３内のトレンチ絶縁膜２４の内側に埋め込まれたアノード電極２２１と、エピタキシャル層２０２の面２０４側に形成され、アノード電極２２１に電気的に接続されたアノード電極２２２と、エピタキシャル層２０２の隣接するトレンチ２０３の間のメサ形状部分２０５とアノード電極２２２との間に形成された酸化物半導体層２１と、基板２０１のエピタキシャル層２０２と反対側の面上に形成されたカソード電極２３と、を備える。
　基板２０１とエピタキシャル層２０２は、それぞれ第１の実施の形態に係る基板１０１とエピタキシャル膜１０２に相当し、第１の実施の形態に係るＧａ２Ｏ３層１０に相当するＧａ２Ｏ３層２０を構成する。基板２０１とエピタキシャル層２０２の材料には、それぞれ基板１０１とエピタキシャル膜１０２の材料と同様のものを用いることができる。
　酸化物半導体層２１は、第１の実施の形態に係る酸化物半導体層１１に相当する。酸化物半導体層２１の材料には、酸化物半導体層１１の材料と同様のものを用いることができる。また、酸化物半導体層２１は、酸化物半導体層１１と同様の厚さを有する。酸化物半導体層２１は、図３に示されるように、トレンチ２０３内のトレンチ絶縁膜２４の表面を覆うように形成された１枚の連続した膜であってもよい。
　アノード電極２２１とアノード電極２２２により構成されるアノード電極２２は、第１の実施の形態に係るアノード電極１２に相当する。アノード電極２２の材料には、アノード電極１２の材料と同様のものを用いることができる。
　トレンチ絶縁膜２４は、例えば、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの単層膜、又はこれらの積層膜からなる。特に、トレンチ絶縁膜２４中の電界強度を抑えるため、誘電率の高いＨｆＯ２を含むことが好ましい。
　すなわち、酸化ガリウムダイオード２においては、Ｇａ２Ｏ３層２０がアノード電極２２側の面２０４にトレンチ２０３を有し、トレンチ２０３の内面がトレンチ絶縁膜２４に覆われ、アノード電極２２の一部がトレンチ２０３内のトレンチ絶縁膜２４の内側に埋め込まれ、酸化物半導体層２１の少なくとも一部が、Ｇａ２Ｏ３層２０の隣接するトレンチ２４間のメサ形状部分２０５とアノード電極２２との間に形成されている。
　酸化物半導体層２１の電子親和力は、Ｇａ２Ｏ３層２０の酸化物半導体層２１と接触する部分であるエピタキシャル層２０２の電子親和力よりも大きく、Ｇａ２Ｏ３層２０のメサ形状部分２０５と酸化物半導体層２１の接合部の伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保されている。
　酸化物半導体層２１の電子親和力とＧａ２Ｏ３層２０の酸化物半導体層２１と接触する部分の電子親和力との差Δχは、酸化物半導体層１１の電子親和力とＧａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力との差Δχと同様に、０．４ｅＶ以上であることが好ましく、０．６ｅＶ以上であることがより好ましい。
　なお、酸化物半導体層２１はＧａ２Ｏ３層２０のメサ形状部分２０５と接触しているが、酸化物であるため、Ｇａ２Ｏ３層２０に含まれる酸素に起因する酸化によって酸化ガリウムダイオード２の信頼性を低下させるおそれがない。また、アノード電極２２は酸化物半導体層２１に接触しているが、酸化物半導体層２１に含まれる酸素によりアノード電極２２が酸化されても、アノード電極２２と酸化物半導体層２１のオーミック接合にはほとんど影響がないため、酸化ガリウムダイオード２の信頼性にほとんど影響はない。また、カソード電極２３はＧａ２Ｏ３層２０に接触しているが、Ｇａ２Ｏ３層２０に含まれる酸素によりカソード電極２３が酸化されても、カソード電極２３とＧａ２Ｏ３層２０のオーミック接合にはほとんど影響がないため、酸化ガリウムダイオード２の信頼性にほとんど影響はない。
　また、酸化ガリウムダイオード２は、電極端部での絶縁破壊を抑制して耐圧をさらに向上させるために、図３に示されるようなフィールドプレート構造を有してもよい。すなわち、エピタキシャル層２０２の面２０４上のアノード電極２２の周りに絶縁膜２５が設けられ、その絶縁膜２５の上にアノード電極２２の縁が乗り上げていてもよい。絶縁膜２５の材料には、トレンチ絶縁膜２４の材料と同じものを用いることができる。また、フィールドプレート構造の代わりにｐ型材料により構成されるガードリング構造を有してもよい。また、フィールドプレート構造とガードリング構造を併設することで、より高い絶縁破壊抑制効果が得られる。なお、これらのフィールドプレート構造やガードリング構造は、第１の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオード１に適用することもできる。
　酸化ガリウムダイオード２においては、アノード電極２２とカソード電極２３との間に順方向電圧（アノード電極２２側が正電位）を印加することにより、Ｇａ２Ｏ３層２０から見たＧａ２Ｏ３層２０のメサ形状部分２０５と酸化物半導体層２１の界面のポテンシャル障壁が低下し、アノード電極２２からカソード電極２３へ電流が流れる。
　一方、アノード電極２２とカソード電極２３との間に逆方向電圧（アノード電極２２側が負電位）を印加したときは、Ｇａ２Ｏ３層２０のメサ形状部分２０５と酸化物半導体層２１の界面のポテンシャル障壁により、電流は流れない。また、アノード電極２２とカソード電極２３との間に逆方向電圧を印加すると、Ｇａ２Ｏ３層２０のメサ形状部分２０５にトレンチ絶縁膜２４側から空乏層が広がるため、逆方向に電流が流れ難い。このため、酸化ガリウムダイオード２は、トレンチＭＯＳ構造による、より優れた耐圧を有する。
　なお、酸化ガリウムダイオード２中の電界強度は、トレンチ２０３の平面パターンにはほとんど影響を受けない。このため、トレンチ２０３の平面パターンに依らず、優れた耐圧が得られる。
〔第３の実施の形態〕
　本発明の第３の実施の形態は、酸化ガリウムダイオードがトレンチ型ジャンクションバリアショットキー（ＪＢＳ）構造を有する点において、第１、第２の実施の形態と異なる。なお、第１、第２の実施の形態と同様の点については、説明を省略又は簡略化する。
（ジャンクションバリアショットキーダイオードの構成）
　図４は、第３の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオード３の垂直断面図である。酸化ガリウムダイオード３は、トレンチ型ＪＢＳ構造を有する縦型のショットキーバリアダイオードである。
　酸化ガリウムダイオード３は、基板３０１と、基板３０１上に形成された層であって、その基板３０１と反対側（アノード電極３２側）の面３０４に開口するトレンチ３０３を有するエピタキシャル層３０２と、トレンチ３０３内に埋め込まれたｐ型半導体部材３４と、エピタキシャル層３０２の面３０４側に形成されたアノード電極３２と、エピタキシャル層３０２の隣接するトレンチ３０３の間のメサ形状部分３０５とアノード電極３２との間に形成された酸化物半導体層３１と、基板３０１のエピタキシャル層３０２と反対側の面上に形成されたカソード電極３３と、を備える。
　基板３０１とエピタキシャル層３０２は、それぞれ第１の実施の形態に係る基板１０１とエピタキシャル膜１０２に相当し、第１の実施の形態に係るＧａ２Ｏ３層１０に相当するＧａ２Ｏ３層３０を構成する。基板３０１とエピタキシャル層３０２の材料には、それぞれ基板１０１とエピタキシャル膜１０２の材料と同様のものを用いることができる。
　酸化物半導体層３１は、第１の実施の形態に係る酸化物半導体層１１に相当する。酸化物半導体層３１の材料には、酸化物半導体層１１の材料と同様のものを用いることができる。また、酸化物半導体層３１は、酸化物半導体層１１と同様の厚さを有する。酸化物半導体層３１の少なくとも一部は、Ｇａ２Ｏ３層３０の隣接するトレンチ３４間のメサ形状部分３０５とアノード電極３２との間に形成されている。酸化物半導体層３１は、図４に示されるように、エピタキシャル層３０２の面３０４を覆うように形成された１枚の連続した膜であってもよい。
　アノード電極３２は、第１の実施の形態に係るアノード電極１２に相当する。アノード電極３２の材料には、アノード電極１２の材料と同様のものを用いることができる。
　酸化物半導体層３１の電子親和力は、Ｇａ２Ｏ３層３０の酸化物半導体層３１と接触する部分であるエピタキシャル層３０２の電子親和力よりも大きく、Ｇａ２Ｏ３層３０のメサ形状部分３０５と酸化物半導体層３１の接合部の伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保されている。
　酸化物半導体層３１の電子親和力とＧａ２Ｏ３層３０の酸化物半導体層３１と接触する部分の電子親和力との差Δχは、酸化物半導体層１１の電子親和力とＧａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力との差Δχと同様に、０．４ｅＶ以上であることが好ましく、０．６ｅＶ以上であることがより好ましい。
　なお、酸化物半導体層３１はＧａ２Ｏ３層３０のメサ形状部分３０５と接触しているが、酸化物であるため、Ｇａ２Ｏ３層３０に含まれる酸素に起因する酸化によって酸化ガリウムダイオード２の信頼性を低下させるおそれがない。また、アノード電極３２は酸化物半導体層３１に接触しているが、酸化物半導体層３１に含まれる酸素によりアノード電極３２が酸化されても、アノード電極３２と酸化物半導体層３１のオーミック接合にはほとんど影響がないため、酸化ガリウムダイオード３の信頼性にほとんど影響はない。また、カソード電極３３はＧａ２Ｏ３層３０に接触しているが、Ｇａ２Ｏ３層３０に含まれる酸素によりカソード電極３３が酸化されても、カソード電極３３とＧａ２Ｏ３層３０のオーミック接合にはほとんど影響がないため、酸化ガリウムダイオード３の信頼性にほとんど影響はない。
　また、酸化ガリウムダイオード３は、電極端部での絶縁破壊を抑制して耐圧をさらに向上させるために、図４に示されるようなフィールドプレート構造を有してもよい。すなわち、エピタキシャル層３０２の面３０４上のアノード電極３２の周りに絶縁膜３５が設けられ、その絶縁膜３５の上にアノード電極３２の縁が乗り上げていてもよい。絶縁膜３５の材料には、第２の実施の形態に係る絶縁膜２５の材料と同じものを用いることができる。また、フィールドプレート構造の代わりにｐ型材料により構成されるガードリング構造を有してもよい。また、フィールドプレート構造とガードリング構造を併設することで、より高い絶縁破壊抑制効果が得られる。
　酸化ガリウムダイオード３においては、アノード電極３２とカソード電極３３との間に順方向電圧（アノード電極３２側が正電位）を印加することにより、Ｇａ２Ｏ３層３０からから見たＧａ２Ｏ３層３０のメサ形状部分３０５と酸化物半導体層３１の界面のポテンシャル障壁が低下し、アノード電極３２からカソード電極３３へ電流が流れる。
　一方、アノード電極３２とカソード電極３３との間に逆方向電圧（アノード電極３２側が負電位）を印加したときは、Ｇａ２Ｏ３層３０のメサ形状部分３０５と酸化物半導体層３１の界面のポテンシャル障壁により、電流は流れない。また、アノード電極３２とカソード電極３３との間に逆方向電圧を印加すると、Ｇａ２Ｏ３層３０のメサ形状部分３０５にｐ型半導体部材３４側から空乏層が広がるため、逆方向に電流が流れ難い。このため、酸化ガリウムダイオード３は、トレンチ型ＪＢＳ構造による、より優れた耐圧を有する。
　なお、酸化ガリウムダイオード３中の電界強度は、トレンチ３０３の平面パターン（ｐ型半導体部材３４の平面パターン）にはほとんど影響を受けない。このため、トレンチ３０３の平面パターンに依らず、優れた耐圧が得られる。
　また、図４に示される例では、トレンチ３０３がｐ型半導体部材３４のみによって埋められているが、酸化物半導体層３１やアノード電極３２の一部がトレンチ３０３内に入り込んでいてもよく、例えば、トレンチ絶縁膜２４がｐ型半導体部材で置き換えられた酸化ガリウムダイオード２の構造に相当する構造を酸化ガリウムダイオード３が有していてもよい。すなわち、酸化ガリウムダイオード３においては、トレンチ３０３の内面がｐ型半導体部材３４に覆われていればよい。
（実施の形態の効果）
　上記本発明の実施の形態に係る酸化ガリウムダイオード１、２、３によれば、Ｇａ２Ｏ３層１０、２０、３０と酸化物半導体層１１、２１、３１の接合部において整流性が確保されており、また、アノード電極１２、２２、３２の酸化は酸化ガリウムダイオード１、２、３の信頼性に影響を及ぼさない。すなわち、酸化ガリウムダイオード１、２、３は、電極の酸化による信頼性の低下を回避することのできる構造を有する。
　以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
　また、上記に記載した実施の形態は請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
　電極の酸化による信頼性の低下を回避することのできる構造を有する、Ｇａ２Ｏ３を半導体層に用いた酸化ガリウムダイオードを提供する。
１、２、３…酸化ガリウムダイオード、　１０、２０、３０…Ｇａ２Ｏ３層、　１１、２１、３１…酸化物半導体層、　１２、２２、３２…アノード電極、　１３、２３、３３…カソード電極、　２４…トレンチ絶縁膜、　２０３、３０３…トレンチ、　２０４、３０４…面、　２０５、３０５…メサ形状部分、３４…ｐ型半導体部材

Claims (8)

  1. 　ｎ型のＧａ２Ｏ３層と、
    　前記Ｇａ２Ｏ３層に積層されたｎ型の酸化物半導体層と、
    　前記酸化物半導体層とオーミック接合を形成するアノード電極と、
    　前記Ｇａ２Ｏ３層とオーミック接合を形成するカソード電極と、
    　を備え、
    　前記酸化物半導体層の電子親和力が、前記Ｇａ２Ｏ３層の前記酸化物半導体層と接触する部分の電子親和力よりも大きく、前記Ｇａ２Ｏ３層と前記酸化物半導体層の接合部における伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保された、
    　酸化ガリウムダイオード。
  2. 　前記Ｇａ２Ｏ３層の電子親和力と前記酸化物半導体層の前記Ｇａ２Ｏ３層と接触する部分の電子親和力との差が０．４ｅＶ以上である、
    　請求項１に記載の酸化ガリウムダイオード。
  3. 　前記酸化物半導体層がＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２のうちの少なくとも１つを含む酸化物半導体からなる、
    　請求項１又は２に記載の酸化ガリウムダイオード。
  4. 　前記酸化物半導体層が、電子親和力の異なる複数の酸化物半導体からなる、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
  5. 　前記酸化物半導体層が、１×１０１８ｃｍ－３以上のドナー濃度を有する、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
  6. 　前記酸化物半導体層が、１０ｎｍ以上の厚さを有する、
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
  7. 　前記Ｇａ２Ｏ３層が前記アノード電極側の面にトレンチを有し、
    　前記トレンチの内面がトレンチ絶縁膜に覆われ、
    　前記アノード電極の一部が前記トレンチ内の前記トレンチ絶縁膜の内側に埋め込まれ、
    　前記酸化物半導体層の少なくとも一部が、前記Ｇａ２Ｏ３層の隣接する前記トレンチ間のメサ形状部分と前記アノード電極との間に形成された、
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
  8. 　前記Ｇａ２Ｏ３層が前記アノード電極側の面にトレンチを有し、
    　前記トレンチの内面がｐ型半導体部材に覆われ、
    　前記酸化物半導体層の少なくとも一部が、前記Ｇａ２Ｏ３層の隣接する前記トレンチ間のメサ形状部分と前記アノード電極との間に形成された、
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の酸化ガリウムダイオード。
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JP2024033852A (ja) * 2022-08-31 2024-03-13 Tdk株式会社 ショットキーバリアダイオード

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253510A (ja) * 2003-02-19 2004-09-09 Nissan Motor Co Ltd 半導体装置
JP2015076540A (ja) * 2013-10-10 2015-04-20 旭硝子株式会社 半導体素子およびダイオード
JP2017199869A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 株式会社タムラ製作所 トレンチｍｏｓ型ショットキーダイオード
WO2018070417A1 (ja) * 2016-10-11 2018-04-19 出光興産株式会社 構造物、その製造方法、半導体素子及び電子回路
JP2019036593A (ja) * 2017-08-10 2019-03-07 株式会社タムラ製作所 ダイオード

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253510A (ja) * 2003-02-19 2004-09-09 Nissan Motor Co Ltd 半導体装置
JP2015076540A (ja) * 2013-10-10 2015-04-20 旭硝子株式会社 半導体素子およびダイオード
JP2017199869A (ja) * 2016-04-28 2017-11-02 株式会社タムラ製作所 トレンチｍｏｓ型ショットキーダイオード
WO2018070417A1 (ja) * 2016-10-11 2018-04-19 出光興産株式会社 構造物、その製造方法、半導体素子及び電子回路
JP2019036593A (ja) * 2017-08-10 2019-03-07 株式会社タムラ製作所 ダイオード

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