WO2023120443A1 - ジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法 - Google Patents

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WO2023120443A1
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章夫 高塚
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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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    • H01L29/872Schottky diodes

Definitions

  • the present invention relates to a junction barrier Schottky diode and its manufacturing method.
  • an n-type semiconductor layer formed on an n-type semiconductor substrate and having a trench opening on the side opposite to the n-type semiconductor substrate, a p-type semiconductor layer embedded in the trench of the n-type semiconductor layer, A trench junction comprising an anode electrode formed on an n-type semiconductor layer so as to be in contact with a p-type semiconductor layer, and a cathode electrode formed on a surface of an n-type semiconductor substrate opposite to the n-type semiconductor layer.
  • a barrier Schottky (JBS) diode is known (see Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a junction barrier Schottky diode with a trench structure, which has excellent surge resistance and reduced energy loss during switching operation, and a method for manufacturing the same.
  • one aspect of the present invention provides a junction barrier Schottky diode of [1] to [4] below and a method of manufacturing a junction barrier Schottky diode of [5] below.
  • An n-type semiconductor layer made of an n-type semiconductor and having a plurality of trenches opening on a first surface, and a p-type semiconductor film made of a p-type semiconductor provided in contact with the inner surfaces of the plurality of trenches.
  • junction barrier Schottky diode according to [1] above, wherein the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor film are made of different semiconductors.
  • the p-type semiconductor contains Cu 2 O, NiO, Ag 2 O, polycrystalline Si, single crystal Si, amorphous Si, SnO, or CuO.
  • [5] forming a plurality of trenches on a first surface of an n-type semiconductor layer made of an n-type semiconductor; forming a p-type semiconductor film made of a p-type semiconductor in contact with the inner surfaces of the plurality of trenches; forming, on the first surface of the n-type semiconductor layer, an anode electrode partially covered with the p-type semiconductor film in the plurality of trenches; and forming a cathode electrode directly or through another layer on a second surface opposite to the surface, wherein the electron affinity ⁇ p and work function ⁇ p of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor.
  • the present invention it is possible to provide a junction barrier Schottky diode with a trench structure, which has excellent surge resistance and reduced energy loss during switching operation, and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a junction barrier Schottky (JBS) diode according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2A is a vertical cross-sectional view of a JBS diode showing a modification of the p-type semiconductor film.
  • FIG. 2B is a vertical cross-sectional view of a JBS diode showing a modification of the p-type semiconductor film.
  • FIG. 3A is a vertical cross-sectional view of a JBS diode showing another modification of the p-type semiconductor film.
  • FIG. 3B is a vertical cross-sectional view of a JBS diode showing another modification of the p-type semiconductor film.
  • FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a junction barrier Schottky (JBS) diode according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2A is a vertical cross-sectional view of a JBS diode showing a modification of the p-type semiconductor film.
  • FIG. 4A is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 4B is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 4C is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 5A is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 5B is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 5C is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 6A is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • FIG. 6B is a vertical sectional view for explaining the manufacturing process of the JBS diode according to this embodiment.
  • the JBS diode 1 includes an n-type semiconductor layer 11 having a plurality of trenches 111 opening in a first surface 113, a p-type semiconductor film 12 provided in contact with the inner surface of the trenches 111 of the n-type semiconductor layer 11, an n provided on the first surface 113 of the n-type semiconductor layer 11 in contact with the mesa-shaped portion 112 between the plurality of trenches 111 of the n-type semiconductor layer 11, a portion 132 of which is located within the plurality of trenches to form the p-type semiconductor film. and a cathode electrode 14 provided directly or via another layer on a second surface 114 opposite to the first surface 113 of the n-type semiconductor layer 11 .
  • the JBS diode 1 comprises an n-type semiconductor substrate 10 as a base for epitaxial growth of the n-type semiconductor layer 11, the second surface 114 of the n-type semiconductor layer 11 being n contact with the mold semiconductor substrate 10 .
  • cathode electrode 14 is provided on the surface of n-type semiconductor substrate 10 opposite to n-type semiconductor layer 11 . That is, the cathode electrode 14 is provided on the second surface 114 of the n-type semiconductor layer 11 with the n-type semiconductor substrate 10 interposed therebetween.
  • the n-type semiconductor layer 11 and the anode electrode 13 form a Schottky junction, and the JBS diode 1 utilizes the rectifying property of this Schottky junction.
  • the JBS diode 1 by applying a forward voltage (positive potential on the anode electrode 13 side) between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, the anode electrode 13 and the n-type semiconductor as viewed from the n-type semiconductor layer 11 The potential barrier at the interface with layer 11 is lowered, and current flows from anode electrode 13 to cathode electrode 14 .
  • the JBS diode 1 Since the JBS diode 1 according to the present embodiment has a trench JBS structure, a high breakdown voltage can be obtained without increasing the resistance of the n-type semiconductor layer 11 . That is, the JBS diode 1 is a high-voltage, low-loss Schottky barrier diode.
  • the n-type semiconductor substrate 10 is composed of a single crystal of an n-type gallium oxide based semiconductor containing IV group elements such as Si and Sn as donors.
  • the donor concentration of the n-type semiconductor substrate 10 is, for example, 1.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 1.0 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 or less, preferably 1.0 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1.0 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 or more. .0 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 or less.
  • the thickness of the n-type semiconductor substrate 10 is, for example, 5 ⁇ m or more and 650 ⁇ m or less.
  • the gallium oxide-based semiconductor is Ga 2 O 3 or Ga 2 O 3 doped with one or both of Al and In, and (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 It has a composition represented by O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x+y ⁇ 1).
  • Al is added to Ga 2 O 3
  • the bandgap widens, and when In is added, the bandgap narrows.
  • the single crystal of the gallium oxide-based semiconductor described above typically has a ⁇ -type crystal structure.
  • Ga 2 O 3 which is a typical example of a gallium oxide-based semiconductor, has a bandgap energy of 4.5 to 4.9 eV and a breakdown electric field strength of about 8.0 MV/cm.
  • the n-type semiconductor layer 11 is composed of a single crystal of an n-type gallium oxide-based semiconductor containing IV group elements such as Si and Sn as donors.
  • the donor concentration of n-type semiconductor layer 11 is lower than the donor concentration of n-type semiconductor substrate 10 .
  • the n-type semiconductor layer 11 is, for example, an epitaxial layer epitaxially grown on the n-type semiconductor substrate 10 .
  • a high donor concentration layer containing a high concentration of donors may be formed between the n-type semiconductor substrate 10 and the n-type semiconductor layer 11 .
  • This high donor concentration layer is used, for example, when the n-type semiconductor layer 11 is epitaxially grown on the n-type semiconductor substrate 10 .
  • the amount of dopant incorporated is unstable and the acceptor impurity diffuses from the n-type semiconductor substrate 10. is directly grown, the resistance of the region of the n-type semiconductor layer 11 near the interface with the n-type semiconductor substrate 10 may increase.
  • a high donor concentration layer is used.
  • the donor concentration of the high-donor-concentration layer is, for example, set higher than the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11, and more preferably set to 10 times or more the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11.
  • the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is, for example, 2 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 or more and 4 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is preferably 4 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, more preferably 8 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 4 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. It is more preferably 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is preferably 8 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, more preferably 1.6 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 8 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less. It is more preferably 10 16 cm ⁇ 3 or less.
  • the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is preferably 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less, more preferably 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less is more preferable.
  • the depth of the trench 111 is As the depth D increases, the electric field at the Schottky interface between the anode electrode 13 and the first surface 113 can be reduced when a reverse voltage is applied. On the other hand, if the depth D of the trench 111 is too deep, the electric resistance between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14 of the JBS diode 1 increases. Therefore, the depth D of the trench 111 is preferably 0.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 has, for example, a value obtained by adding 0.5 to 110 ⁇ m to the depth D of the trench 111 measured from the first surface 113 .
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 0.6 to 9 ⁇ m to the depth D of the trench 111. More preferably, it has a value of 0.6 to 6 ⁇ m plus.
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 0.8 to 11 ⁇ m to the depth D of the trench 111. More preferably, it has a value of 0.8 to 7 ⁇ m plus. In order for the JBS diode 1 to have a withstand voltage of 1200 V or more, the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 1.5 to 20 ⁇ m to the depth D of the trench 111. More preferably, it has a value that adds ⁇ 12 ⁇ m.
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 4 to 40 ⁇ m to the depth D of the trench 111, and adding 4 to 25 ⁇ m. It is more preferable to have a value
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 5 to 50 ⁇ m to the depth D of the trench 111, and adding 5 to 30 ⁇ m. It is more preferable to have a value
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 7 to 90 ⁇ m to the depth D of the trench 111, and adding 7 to 55 ⁇ m. It is more preferable to have a value
  • the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 preferably has a value obtained by adding 12 to 180 ⁇ m to the depth D of the trench 111, and adding 12 to 110 ⁇ m. It is more preferable to have a value
  • the width Wm of the mesa-shaped portion 112 between the adjacent trenches 111 of the n-type semiconductor layer 11 decreases, the electric field intensity directly below the anode electrode 13 in the mesa-shaped portion 112 and the n-type semiconductor layer 11 and the p-type semiconductor film increase. The electric field strength at the junction of 12 is reduced. In order to effectively reduce these electric field strengths, it is preferable that the width Wm of the mesa-shaped portion 112 is 5 ⁇ m or less. On the other hand, the smaller the width Wm of the mesa portion 112, the more difficult it is to manufacture the trench 111. Therefore, the width Wm of the mesa portion 112 is preferably 0.25 ⁇ m or more.
  • the anode electrode 13 includes a portion 131 outside the trench 111 and a portion 132 inside the trench 111 .
  • the anode electrode 13 is made of a material that forms a Schottky junction with the n-type semiconductor layer 11 at the portion of the anode electrode 13 that contacts the n-type semiconductor layer 11 . That is, when the anode electrode 13 has a single layer structure, the entire anode electrode 13 is made of a material that forms a Schottky junction with the n-type semiconductor layer 11, and when it has a multilayer structure, at least the layer in contact with the n-type semiconductor layer 11 is n It is made of a material that forms a Schottky junction with the type semiconductor layer 11 .
  • Examples of the material of the portion of the anode electrode 13 in contact with the n-type semiconductor layer 11 include Pt, Ni, Au, Cu, Mo, W, which form a Schottky junction with the n-type semiconductor layer 11 made of a gallium oxide-based semiconductor. Fe, Pd, or Cr can be used.
  • the rising voltage depends on the width Wm of the mesa portion 112 and increases as the width Wm decreases.
  • the electric field strength in the JBS diode 1 is affected by the width W m of the mesa-shaped portion 112 between two adjacent trenches 111, the depth D of the trench 111, and the like. is hardly affected by Therefore, the planar pattern of the trenches 111 of the n-type semiconductor layer 11 is not particularly limited. Also, if the planar pattern of the trenches 111 is a planar pattern (for example, a mesh pattern) that forms the mesa-shaped portion 112, the plurality of trenches 111 may be included in one continuous trench.
  • the p-type semiconductor film 12 is used to improve the surge resistance of the JBS diode 1.
  • the p-type semiconductor film 12 is a deposited film deposited by sputtering, CVD, or the like, and is formed as part of the n-type semiconductor layer 11 by implanting impurities into the inner surface of the trench 111 by ion implantation. It is not an area where
  • a pn diode has a higher on-voltage (forward rising voltage) than a Schottky diode. Therefore, it is possible to design so that the pn diode portion (pn junction between the p-type semiconductor film 12 and the n-type semiconductor layer 11) is not turned on by the voltage at which the JBS diode 1 is turned on.
  • the on-voltage of the JBS diode 1 can be about 1V
  • the on-voltage of the pn diode portion can be about 2V.
  • the resistance of the drift layer decreases and a large rush current flows through the JBS diode 1, but since the voltage rise is suppressed, the temperature rise is suppressed and damage to the JBS diode 1 due to the rush current can be prevented. can.
  • the p-type semiconductor film 12 is in the form of a film, it is compared with a p-type semiconductor layer embedded in the entire region of the trench, such as the p-type semiconductor layer included in the trench-type JBS diode described in Patent Document 1 above. and low electrical resistance. Therefore, when a surge current is generated, heat generation is small, and damage to the connecting portion around the p-type semiconductor film can be suppressed. Also, since the electric resistance of the p-type semiconductor film 12 is small, energy loss during the switching operation of the JBS diode 1 can be suppressed.
  • the p-type semiconductor film 12 Since the p-type semiconductor film 12 forms a potential barrier with the n-type semiconductor layer 11, the p-type semiconductor film 12 is made of a material that satisfies the condition represented by the following formula 1.
  • ⁇ p and ⁇ p in Equation 1 are the electron affinity and work function of the p-type semiconductor, which is the material of the p-type semiconductor film 12, respectively, and ⁇ n and ⁇ n are the n-type semiconductor, which is the material of the n-type semiconductor layer 11, respectively.
  • ⁇ n of Ga 2 O 3 which is a typical material of the n-type semiconductor layer 11, is approximately 4.0 eV, and ⁇ n varies depending on the carrier concentration of the n-type semiconductor layer 11, but the carrier concentration is 1 ⁇ 10. It is approximately 4.3 to 4.0 eV in the range of 14 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • Materials that can be used as the material of the p-type semiconductor film 12 and can satisfy the conditions represented by the above formula 1 include, for example, Cu 2 O, NiO, Ag 2 O, polycrystalline Si, single crystal Si, It is a p-type semiconductor such as amorphous Si, SnO, CuO.
  • a mixture containing a p-type semiconductor such as Cu 2 O, NiO, Ag 2 O, polycrystalline Si, single-crystal Si, amorphous Si, SnO, and CuO at a concentration such that the p-type semiconductor film 12 becomes p-type is used as p-type. It can also be used as a material for the mold semiconductor film 12 .
  • the p-type semiconductor that is the material of the p-type semiconductor film 12 includes Cu 2 O, NiO, Ag 2 O, polycrystalline Si, single crystal Si, amorphous Si, SnO, or CuO, for example.
  • Cu 2 O, NiO, and SnO exhibit p-type conductivity without adding dopants, but may contain acceptor impurities such as Li and nitrogen (N).
  • Polycrystalline Si, single crystal Si, and amorphous Si preferably contain acceptor impurities such as B and Al.
  • the carrier concentration of the p-type semiconductor film 12 is increased by the thickness of the depletion layer generated in the p-type semiconductor film 12 from the interface with the n-type semiconductor layer 11 when a reverse voltage is applied to the JBS diode 1, and the anode electrode. 13, it is preferably higher than the carrier concentration of the n-type semiconductor layer 11 .
  • the thickness d of the p-type semiconductor film 12 preferably satisfies the condition expressed by the following formula 2.
  • VBR is the desired breakdown voltage (design breakdown voltage)
  • ND is the carrier concentration of the n-type semiconductor layer 11
  • NA is the carrier concentration of the p-type semiconductor film 12
  • ⁇ n is the dielectric constant of the n-type semiconductor layer 11
  • q is the elementary charge.
  • the breakdown voltage of the JBS diode 1 can be made 1200 V or more.
  • FIG. 2A and 2B are vertical cross-sectional views of the JBS diode 1 showing modifications of the p-type semiconductor film.
  • the height of the upper end of the p-type semiconductor film 12 does not need to match the height of the first surface 113 . That is, the upper end of the p-type semiconductor film 12 may be higher than the first surface 113 as shown in FIG. 2A, and the upper end of the p-type semiconductor film 12 may be higher than the first surface as shown in FIG. 2B. It may be lower than 113.
  • the p-type semiconductor film 12 may be composed of a p-type semiconductor film 121 in contact with the inner surface of the trench 111 and a p-type semiconductor film 122 laminated inside thereof.
  • the impurity concentration of the p-type semiconductor film 122 is higher than that of the p-type semiconductor film 121 . Since the carrier concentration of the p-type semiconductor film 121 in the structure shown in FIG.
  • 3A can be set lower than the constraint on the carrier concentration determined by the above (Equation 2), when a reverse voltage is applied to the JBS diode 1, the p-type semiconductor
  • the electric field applied to the trench corner portions of the film 121 and the n-type semiconductor layer 11 (portions near the curved portion of the bottom edge of the trench 111) can be made smaller than in the structure of FIG.
  • the p-type semiconductor film 122 may have a shape that covers only the bottom periphery of the portion 132 inside the trench 111 of the anode electrode 13, as shown in FIG. 3B. Also in this case, the carrier concentration of the p-type semiconductor film 121 in the structure shown in FIG. , the electric field applied to the trench corner portions of the p-type semiconductor film 121 and the n-type semiconductor layer 11 can be made smaller than in the structure of FIG.
  • FIG. 4A to 4C, 5A to 5C, 6A and 6B are vertical sectional views for explaining the manufacturing process of the JBS diode 1 according to this embodiment.
  • a gallium oxide-based semiconductor single crystal having a donor concentration controlled by HVPE, CVD, MBE, or the like is epitaxially grown to form an n-type semiconductor layer 11. to form
  • a plurality of trenches 111 are formed in the first surface 113 of the n-type semiconductor layer 11 by photolithography and dry etching.
  • Preferred conditions for dry etching used to form the trench 111 are, for example, etching gas BCl 3 (30 sccm), pressure 1.0 Pa, antenna output 160 W, bias output 17 W, and time 90 minutes.
  • Non-Patent Document “Appl. Phys. Lett. tered Cu2O :N /c-Si heterojunction diode” can be used.
  • non-patent document “Appl. Phys. Lett . -vertical pn heterojunction diode” can be used.
  • polycrystalline Si, amorphous Si, or single crystal Si as the material of the p-type semiconductor film 12
  • each known film forming method can be used.
  • a photoresist 20 is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor film 12 by spin coating or the like to a height that at least fills the voids in the trenches 111 .
  • the height difference of the unevenness on the surface of the photoresist 20 is made smaller than the height difference of the unevenness on the p-type semiconductor film 12 .
  • the photoresist 20 is etched back to expose the p-type semiconductor film 12 on the first surface 113. Then, as shown in FIG. 5B, a plasma asher device using oxygen plasma is used.
  • the p-type semiconductor film 12 is etched to expose the first surface 113 of the n-type semiconductor layer 11 .
  • the p-type semiconductor film 12 is etched by a wet etching method using an acidic solution such as buffered hydrofluoric acid, diluted hydrofluoric acid, diluted aqua regia, diluted sulfuric acid, or the like.
  • a dry etching method can be used, and the wet etching method and the dry etching method may be used in combination.
  • the photoresist 20 is removed.
  • an organic chemical such as NMP or acetone is used.
  • the anode electrode 13 is formed on the first surface 113 of the n-type semiconductor layer 11 such that a portion 132 thereof is covered with the p-type semiconductor film 12 within the plurality of trenches 111.
  • a cathode electrode 14 is formed on the bottom surface of the n-type semiconductor substrate 10 . Electron beam evaporation, for example, is used to form the anode electrode 13 and the cathode electrode 14 .
  • the p-type semiconductor film 12 is a film that covers the inner surface of the trench 111, the time required for depositing the material is shorter than when the trench 111 is filled with the p-type semiconductor. The time required for removal of the stubborn portion is also short.
  • the portion of the p-type semiconductor film 12 formed outside the trench 111 is removed by the resist etch-back method using the photoresist 20, but it is removed by polishing such as CMP. good too.
  • the n-type semiconductor layer 11 may be made of a material other than a gallium oxide-based semiconductor. Also in this case, the electron affinity ⁇ n and work function ⁇ n of the material of the n-type semiconductor layer 11 and the electron affinity ⁇ p and work function ⁇ p of the material of the p-type semiconductor film 12 are expressed by the above equation 1. meet the conditions.
  • the p-type semiconductor film 12 is a deposited film and is not formed as part of the n-type semiconductor layer 11 by ion implantation. Even if it is made of a material that is difficult to mold, it can be formed using a material (base material) different from that of the n-type semiconductor layer 11 .
  • the n-type semiconductor layer 11 is preferably made of a material having a dielectric breakdown field strength of 1 MV/cm or more or a bandgap energy of 1 or more.
  • the n-type semiconductor substrate 10 may be made of a material other than a gallium oxide-based semiconductor.
  • the material of the n-type semiconductor substrate 10 the same material as that of the n-type semiconductor layer 11 can be used.
  • the JBS diode 1 having a trench structure, which is excellent in surge resistance and suppresses energy loss during switching operation, and a method of manufacturing the same. Since the JBS diode 1 has high surge resistance and a low start-up voltage, it can be suitably used in a power conversion circuit such as an ACDC converter.
  • a junction barrier Schottky diode with a trench structure which has excellent surge resistance and reduced energy loss during switching operation, and a method for manufacturing the same.

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Abstract

サージ耐性に優れ、スイッチング動作時のエネルギー損失が抑えられた、トレンチ構造を備えたジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法を提供する。 一実施の形態として、複数のトレンチ111を有するn型半導体層11と、複数のトレンチ111の内面に接して設けられたp型半導体膜12と、n型半導体層11の第1の面113上に、n型半導体層11のメサ形状部112と接触して設けられ、その一部が複数のトレンチ111内においてp型半導体膜12に覆われるアノード電極13と、n型半導体層11の第2の面114上に直接又は他の層を介して設けられたカソード電極14と、を備えた、ジャンクションバリアショットキーダイオード1を提供する。

Description

ジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法
 本発明は、ジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法に関する。
 従来、n型半導体基板上に形成された、n型半導体基板と反対側の面に開口するトレンチを有するn型半導体層と、n型半導体層のトレンチ内に埋め込まれたp型半導体層と、n型半導体層上にp型半導体層と接触するように形成されたアノード電極と、n型半導体基板のn型半導体層と反対側の面上に形成されたカソード電極と、を備えるトレンチ型ジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオードが知られている(特許文献1参照)。
 特許文献1に記載のトレンチ型JBSダイオードによれば、アノード電極とカソード電極との間に逆方向の電圧が印加されたときにはショットキー障壁により電流は流れず、このとき、p型半導体層から空乏層が広がり、隣接するp型半導体層間のチャネルが閉じるため、リーク電流が効果的に抑制される。
特開2019-36593号公報
 しかしながら、特許文献1に記載のトレンチ型JBSダイオードによれば、p型半導体層がトレンチ内の全領域に埋め込まれているため、p型半導体層の電気抵抗が大きい。このため、サージ電流が発生した際の発熱が大きく、p型半導体層周辺の接続部分が損傷しやすくなるおそれがある。すなわち、サージ耐性が低くなる原因となる場合がある。また、p型半導体層の電気抵抗が大きいと、pn接合付近の空乏領域の形成、消滅のための充放電に必要な電化の移動の妨げになるため、スイッチング動作時のエネルギー損失が大きくなる場合がある。
 本発明の目的は、サージ耐性に優れ、スイッチング動作時のエネルギー損失が抑えられた、トレンチ構造を備えたジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法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]~[4]のジャンクションバリアショットキーダイオード、及び下記[5]のジャンクションバリアショットキーダイオードの製造方法を提供する。
[1]第1の面に開口する複数のトレンチを有する、n型半導体からなるn型半導体層と、前記複数のトレンチの内面に接して設けられた、p型半導体からなるp型半導体膜と、前記n型半導体層の前記第1の面上に、前記n型半導体層の前記複数のトレンチの間のメサ形状部と接触して設けられ、その一部が前記複数のトレンチ内において前記p型半導体膜に覆われるアノード電極と、前記n型半導体層の前記第1の面の反対側の第2の面上に直接又は他の層を介して設けられたカソード電極と、を備え、前記p型半導体の電子親和力χと仕事関数φ、及び前記n型半導体の電子親和力χと仕事関数φが、χ-χ>φ-φの式で表される条件を満たす、ジャンクションバリアショットキーダイオード。
[2]前記n型半導体層と前記p型半導体膜が異なる半導体からなる、上記[1]に記載のジャンクションバリアショットキーダイオード。
[3]前記n型半導体層が酸化ガリウム系半導体からなる、上記[2]に記載のジャンクションバリアショットキーダイオード。
[4]前記p型半導体が、CuO、NiO、AgO、多結晶Si、単結晶Si、アモルファスSi、SnO、又はCuOを含む、上記[1]~[3]のいずれか1項に記載のジャンクションバリアショットキーダイオード。
[5]n型半導体からなるn型半導体層の第1の面に複数のトレンチを形成する工程と、前記複数のトレンチの内面に接するp型半導体からなるp型半導体膜を形成する工程と、前記n型半導体層の前記第1の面上に、その一部が前記複数のトレンチ内において前記p型半導体膜に覆われるアノード電極を形成する工程と、前記n型半導体層の前記第1の面の反対側の第2の面上に直接又は他の層を介してカソード電極を形成する工程と、を含み、前記p型半導体の電子親和力χと仕事関数φ、及び前記n型半導体の電子親和力χと仕事関数φが、χ-χ>φ-φの式で表される条件を満たす、ジャンクションバリアショットキーダイオードの製造方法。
 本発明によれば、サージ耐性に優れ、スイッチング動作時のエネルギー損失が抑えられた、トレンチ構造を備えたジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法を提供することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係るジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオードの垂直断面図である。 図2Aは、p型半導体膜の変形例を示すJBSダイオードの垂直断面図である。 図2Bは、p型半導体膜の変形例を示すJBSダイオードの垂直断面図である。 図3Aは、p型半導体膜の他の変形例を示すJBSダイオードの垂直断面図である。 図3Bは、p型半導体膜の他の変形例を示すJBSダイオードの垂直断面図である。 図4Aは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図4Bは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図4Cは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図5Aは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図5Bは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図5Cは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図6Aは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。 図6Bは、本実施の形態に係るJBSダイオードの製造工程を説明するための垂直断面図である。
〔実施の形態〕
(JBSダイオードの構成)
 図1は、本発明の実施の形態に係るジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオード1の垂直断面図である。JBSダイオード1は、トレンチ構造を有する縦型のJBSダイオードである。
 JBSダイオード1は、第1の面113に開口する複数のトレンチ111を有するn型半導体層11と、n型半導体層11のトレンチ111の内面に接して設けられたp型半導体膜12と、n型半導体層11の第1の面113上に、n型半導体層11の複数のトレンチ111の間のメサ形状部112と接触して設けられ、その一部分132が複数のトレンチ内においてp型半導体膜12に覆われるアノード電極13と、n型半導体層11の第1の面113の反対側の第2の面114上に直接又は他の層を介して設けられたカソード電極14と、を備える。
 典型的には、JBSダイオード1は、図1に示されるように、n型半導体層11のエピタキシャル成長の下地としてのn型半導体基板10を備え、n型半導体層11の第2の面114がn型半導体基板10と接触する。この場合、カソード電極14はn型半導体基板10のn型半導体層11と反対側の面上に設けられる。すなわち、カソード電極14は、n型半導体層11の第2の面114上にn型半導体基板10を介して設けられる。
 n型半導体層11とアノード電極13とは、ショットキー接合を形成し、JBSダイオード1は、このショットキー接合の整流性を利用している。JBSダイオード1においては、アノード電極13とカソード電極14との間に順方向の電圧(アノード電極13側が正電位)を印加することにより、n型半導体層11から見たアノード電極13とn型半導体層11との界面のポテンシャル障壁が低下し、アノード電極13からカソード電極14へ電流が流れる。
 一方、アノード電極13とカソード電極14との間に逆方向の電圧(アノード電極13側が負電位)を印加したときは、ショットキー障壁により、電流は流れない。このとき、トレンチ111内のp型半導体膜12から空乏層が広がり、隣接するトレンチ111間のメサ形状部112においてチャネルが閉じるため、リーク電流が効果的に抑制される。
 本実施の形態に係るJBSダイオード1は、トレンチ型JBS構造を有するため、n型半導体層11の抵抗を増加することなく、高い耐圧を得ることができる。すなわち、JBSダイオード1は、高耐圧かつ低損失のショットキーバリアダイオードである。
 n型半導体基板10は、ドナーとしてのSi、SnなどのIV族元素を含むn型の酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる。n型半導体基板10のドナー濃度は、例えば、1.0×1016cm-3以上かつ1.0×1022cm-3以下であり、好ましくは1.0×1018cm-3以上かつ1.0×1022cm-3以下である。n型半導体基板10の厚さは、例えば、5μm以上かつ650μm以下である。
 ここで、酸化ガリウム系半導体とは、Ga、又は、Al、Inの一方若しくは両方が添加されたGaであり、(GaAlIn(1-x-y)(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)で表される組成を有する。GaにAlを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Inを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。なお、上記の酸化ガリウム系半導体の単結晶は、典型的には、β型の結晶構造を有する。例えば、酸化ガリウム系半導体の典型例であるGaのバンドギャップエネルギーは4.5~4.9eVであり、絶縁破壊電界強度は、約8.0MV/cmである。
 n型半導体層11は、ドナーとしてのSi、Sn等のIV族元素を含むn型の酸化ガリウム系半導体の単結晶からなる。n型半導体層11のドナー濃度は、n型半導体基板10のドナー濃度よりも低い。n型半導体層11は、例えば、n型半導体基板10上にエピタキシャル成長したエピタキシャル層である。
 なお、n型半導体基板10とn型半導体層11との間に、高濃度のドナーを含む高ドナー濃度層を形成してもよい。この高ドナー濃度層は、例えば、n型半導体基板10上にn型半導体層11をエピタキシャル成長させる場合に用いられる。n型半導体層11の成長初期は、ドーパントの取り込み量が不安定であったり、n型半導体基板10からのアクセプター不純物の拡散があったりするため、n型半導体基板10上にn型半導体層11を直接成長させると、n型半導体層11のn型半導体基板10との界面に近い領域が高抵抗化する場合がある。このような問題を避けるため、高ドナー濃度層が用いられる。高ドナー濃度層のドナー濃度は、例えば、n型半導体層11のドナー濃度よりも高く設定され、より好ましくは、n型半導体層11のドナー濃度の10倍以上に設定される。
 n型半導体層11のドナー濃度が増加するほど、JBSダイオード1の各部の電界強度が増加する。n型半導体層11のドナー濃度は、例えば、2×1014cm-3以上かつ4×1017cm-3以下である。そして、JBSダイオード1が400V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11のドナー濃度が4×1017cm-3以下であることが好ましく、8×1015cm-3以上かつ4×1017cm-3以下であることがより好ましい。
 また、JBSダイオード1が600V以上の耐圧を得るためには、2×1017cm-3以下であることが好ましく、4×1015cm-3以上かつ2×1017cm-3以下であることがより好ましい。JBSダイオード1が1200V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11のドナー濃度が1×1017cm-3以下であることが好ましく、2×1015cm-3以上かつ1×1017cm-3以下であることがより好ましい。
 JBSダイオード1が2200V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11のドナー濃度が8×1016cm-3以下であることが好ましく、1.6×1015cm-3以上かつ8×1016cm-3以下であることがより好ましい。JBSダイオード1が3300V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11のドナー濃度が5×1016cm-3以下であることが好ましく、1×1015cm-3以上かつ5×1016cm-3以下であることがより好ましい。
 JBSダイオード1が5000V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11のドナー濃度が3×1016cm-3以下であることが好ましく、6×1014cm-3以上かつ3×1016cm-3以下であることがより好ましい。JBSダイオード1が10000V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11のドナー濃度が1×1016cm-3以下であることが好ましく、2×1014cm-3以上かつ1×1016cm-3以下であることがより好ましい。
 設計耐圧に等しい逆方向電圧をJBSダイオード1に加えたときに各部に発生する電界が絶縁破壊電界より小さくなるようにn型半導体層11の厚さTが設計されているとき、トレンチ111の深さDが深いほど、逆方向電圧を加えたときのアノード電極13と第1の面113のショットキー界面の電界を低減することができる。一方で、トレンチ111の深さDが深すぎると、JBSダイオード1のアノード電極13とカソード電極14の間の電気抵抗が増大する。このため、トレンチ111の深さDは、0.5μm以上かつ5μm以下であることが好ましい。
 n型半導体層11の厚さTは、例えば、第1の面113から計測されるトレンチ111の深さDに0.5~110μmを加算した値を有する。そして、JBSダイオード1が400V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに0.6~9μmを加算した値を有することが好ましく、0.6~6μmを加算した値を有することがより好ましい。
 また、JBSダイオード1が600V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに0.8~11μmを加算した値を有することが好ましく、0.8~7μmを加算した値を有することがより好ましい。JBSダイオード1が1200V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに1.5~20μmを加算した値を有することが好ましく、1.5~12μmを加算した値を有することがより好ましい。
 JBSダイオード1が2200V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに4~40μmを加算した値を有することが好ましく、4~25μmを加算した値を有することがより好ましい。JBSダイオード1が3300V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに5~50μmを加算した値を有することが好ましく、5~30μmを加算した値を有することがより好ましい。
 JBSダイオード1が5000V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに7~90μmを加算した値を有することが好ましく、7~55μmを加算した値を有することがより好ましい。JBSダイオード1が10000V以上の耐圧を得るためには、n型半導体層11の厚さTは、トレンチ111の深さDに12~180μmを加算した値を有することが好ましく、12~110μmを加算した値を有することがより好ましい。
 トレンチ111の幅Wは、狭いほど導通損失を低減できるが、狭いほど製造難度が上がり、それに起因して製造歩留まりが低下するため、0.3μm以上かつ5μm以下であることが好ましい。
 n型半導体層11の隣接するトレンチ111の間のメサ形状部112の幅Wが低減するほど、メサ形状部112中のアノード電極13直下の電界強度及びn型半導体層11とp型半導体膜12の接合部の電界強度が低減する。これらの電界強度を効果的に低減するためには、メサ形状部112の幅Wが5μm以下であることが好ましい。一方、メサ形状部112の幅Wが小さいほどトレンチ111の製造難度が上がるため、メサ形状部112の幅Wが0.25μm以上であることが好ましい。
 アノード電極13は、トレンチ111の外側の部分131と、トレンチ111の内側の部分132を含む。アノード電極13は、アノード電極13のn型半導体層11と接触する部分がn型半導体層11とショットキー接合を形成する材料からなる。すなわち、アノード電極13が単層構造を有する場合はその全体がn型半導体層11とショットキー接合を形成する材料からなり、多層構造を有する場合は少なくともn型半導体層11と接触する層がn型半導体層11とショットキー接合を形成する材料からなる。
 アノード電極13のn型半導体層11と接触する部分の材料としては、例えば、酸化ガリウム系半導体からなるn型半導体層11とショットキー接合を形成するPt、Ni、Au、Cu、Mo、W、Fe、Pd、又はCrを用いることができる。
 例えば、n型半導体層11がGaからなる場合、アノード電極13の材料にPt又はNiを用いると、JBSダイオード1の立ち上がり電圧は0.7以上かつ1.2V以下となり、アノード電極13の材料にMoを用いると、JBSダイオード1の立ち上がり電圧は0.3以上かつ0.8V以下となる。
 JBSダイオード1においては、メサ形状部112にポテンシャル障壁が形成されるため、立ち上がり電圧はメサ形状部112の幅Wに依存し、幅Wが小さくなるほど大きくなる。
 JBSダイオード1中の電界強度は、上述のように、隣接する2つのトレンチ111の間のメサ形状部112の幅W、トレンチ111の深さD等の影響を受けるが、トレンチ111の平面パターンにはほとんど影響を受けない。このため、n型半導体層11のトレンチ111の平面パターンは特に限定されない。また、トレンチ111の平面パターンがメサ形状部112を形成する平面パターン(例えば網目状パターン)であれば、複数のトレンチ111は連続した1つのトレンチに含まれるものであってもよい。
 カソード電極14は、JBSダイオード1がn型半導体基板10を備える場合には、n型半導体基板10とオーミック接触する。カソード電極14は、Tiなどの金属からなる。カソード電極14は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Ti/Au、Ti/Al、Ti/Ni/Au、又はTi/Al/Ni/Auを有してもよい。カソード電極14とn型半導体基板10を確実にオーミック接触させるため、カソード電極14のn型半導体基板10と接触する層がTiからなることが好ましい。なお、JBSダイオード1がn型半導体基板10を備えず、カソード電極14がn型半導体層11に直接接続される場合は、n型半導体層11とオーミック接触する。
 p型半導体膜12は、JBSダイオード1のサージ耐性を向上させるために用いられる。p型半導体膜12は、スパッタ法、CVD法などによる堆積により成膜される堆積膜であり、トレンチ111の内面にイオン注入法による不純物注入を行うことによりn型半導体層11の一部として形成される領域ではない。
 通常、pnダイオードはショットキーダイオードよりもオン電圧(順方向の立ち上がり電圧)が大きい。このため、JBSダイオード1がオンになる電圧でpnダイオード部分(p型半導体膜12とn型半導体層11のpn接合部)がオンしないような設計にすることができる。例えば、JBSダイオード1のオン電圧を1V程度、pnダイオード部分のオン電圧を2V程度とすることができる。
 これによって、JBSダイオード1の通常動作においてはpnダイオード部分がオンしないため、ショットキーダイオード本来の高速動作が可能になる。一方、突入電流発生時はJBSダイオード1の電圧が上昇し、pnダイオード部分がオンする電圧に達し、p型半導体膜12からn型半導体層11へ電流が注入される。
 そのとき、ドリフト層の抵抗が減少し、突入電流という大電流がJBSダイオード1を流れるが、電圧の上昇は抑えられるため、温度上昇が抑えられ、突入電流によるJBSダイオード1の損傷を防ぐことができる。
 p型半導体膜12は膜状であるため、上記の特許文献1に記載のトレンチ型JBSダイオードに含まれるp型半導体層のような、トレンチ内の全領域に埋め込まれたp型半導体層と比較して、電気抵抗が小さい。このため、サージ電流が発生した際の発熱が小さく、p型半導体膜周辺の接続部分の損傷を抑えることができる。また、p型半導体膜12の電気抵抗が小さいため、JBSダイオード1のスイッチング動作時のエネルギー損失を抑えることができる。
 p型半導体膜12は、n型半導体層11との間にポテンシャル障壁を形成させるため、下記の式1で表される条件を満たす材料からなる。式1のχとφはそれぞれp型半導体膜12の材料であるp型半導体の電子親和力と仕事関数であり、χとφはそれぞれn型半導体層11の材料であるn型半導体の電子親和力と仕事関数である。なお、上記の仕事関数は、真空順位から見たフェルミ準位のエネルギーである。例えば、n型半導体層11の典型的な材料であるGaのχはおよそ4.0eVであり、φはn型半導体層11のキャリア濃度によって変動するが、キャリア濃度1×1014cm-3~1×1019cm-3の範囲ではおよそ、4.3~4.0eVである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 p型半導体膜12の材料として用いることのできる、上記の式1で表される条件を満たすことのできる材料は、例えば、CuO、NiO、AgO、多結晶Si、単結晶Si、アモルファスSi、SnO、CuO、などのp型半導体である。また、CuO、NiO、AgO、多結晶Si、単結晶Si、アモルファスSi、SnO、CuOなどのp型半導体をp型半導体膜12がp型になる程度の濃度で含む混合物をp型半導体膜12の材料に用いることもできる。
 すなわち、p型半導体膜12の材料であるp型半導体は、例えば、CuO、NiO、AgO、多結晶Si、単結晶Si、アモルファスSi、SnO、又はCuOを含む。CuO、NiO、SnOはドーパントを添加しなくてもp型の導電性を示すが、Li、窒素(N)などのアクセプター不純物を含んでもよい。多結晶Si、単結晶Si、アモルファスSiは、B、Alなどのアクセプター不純物を含むことが好ましい。
 p型半導体膜12のキャリア濃度は、JBSダイオード1に逆方向電圧を印加したときにp型半導体膜12内にn型半導体層11との界面より発生する空乏層の厚さが増してアノード電極13に達しないようにするため、n型半導体層11のキャリア濃度よりも高いことが好ましい。
 また、p型半導体膜12の厚さdは、所望のJBSダイオード1の耐圧を得るため、下記の式2で表される条件を満たすことが好ましい。式2のVBRは所望の耐圧(設計耐圧)、Nはn型半導体層11のキャリア濃度、Nはp型半導体膜12のキャリア濃度、εはn型半導体層11の誘電率、qは電気素量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 例えば、酸化ガリウム系半導体からなるn型半導体層11のキャリア濃度が1×1016cm-3、p型半導体膜12のキャリア濃度が1×1019cm-3であるとき、p型半導体膜12の厚さが200nm以上であれば、JBSダイオード1の耐圧を1200V以上とすることができる。
 図2A、図2Bは、p型半導体膜の変形例を示すJBSダイオード1の垂直断面図である。JBSダイオード1において、p型半導体膜12の上端の高さは第1の面113の高さと一致している必要はない。すなわち、図2Aに示されるように、p型半導体膜12の上端が第1の面113よりも高くてもよく、図2Bに示されるように、p型半導体膜12の上端が第1の面113よりも低くてもよい。
 図3A、図3Bは、p型半導体膜の他の変形例を示すJBSダイオード1の垂直断面図である。図3Aに示されるように、p型半導体膜12は、トレンチ111の内面に接するp型半導体膜121と、その内側に積層されたp型半導体膜122から構成されてもよい。p型半導体膜122の不純物濃度は、p型半導体膜121の不純物濃度よりも高い。図3Aに示される構造におけるp型半導体膜121のキャリア濃度は上記の(式2)で決まるキャリア濃度の制約よりも低く設定できるため、JBSダイオード1に逆方向電圧を印加した場合、p型半導体膜121及びn型半導体層11のトレンチコーナ部分(トレンチ111の底部の縁の湾曲部に近い部分)にかかる電界を、図1の構造に比べ小さくすることができる。
 また、p型半導体膜122は、図3Bに示されるように、アノード電極13のトレンチ111の内側の部分132の底部周辺のみを覆う形状を有してもよい。この場合も、図3Bに示される構造におけるp型半導体膜121のキャリア濃度は上記の(式2)で決まるキャリア濃度の制約よりも低く設定できるため、JBSダイオード1に逆方向電圧を印加した場合、p型半導体膜121及びn型半導体層11のトレンチコーナ部分にかかる電界を、図1の構造に比べより小さくすることができる。
(JBSダイオードの製造方法)
 以下に、JBSダイオード1の製造方法の一例を示す。
 図4A~図4C、図5A~図5C、図6A、図6Bは、本実施の形態に係るJBSダイオード1の製造工程を説明するための垂直断面図である。まず、図4Aに示されるように、n型半導体基板10上に、HVPE法、CVD法、MBE法などによりドナー濃度を制御された酸化ガリウム系半導体の単結晶をエピタキシャル成長させ、n型半導体層11を形成する。
 次に、図4Bに示されるように、フォトリソグラフィとドライエッチングなどにより、n型半導体層11の第1の面113に複数のトレンチ111を形成する。トレンチ111の形成に用いられるドライエッチングの好ましい条件は、例えば、エッチングガスがBCl(30sccm)、圧力が1.0Pa、アンテナ出力が160W、バイアス出力が17W、時間が90分である。
 次に、図4Cに示されるように、スパッタ法、CVD法などにより、n型半導体層11の第1の面113側の全面にp型半導体を堆積させ、p型半導体膜12を形成する。この時点では、p型半導体膜12はトレンチ111の内面及び第1の面113を覆う。
 例えば、p型半導体膜12の材料としてCuOを用いる場合は、非特許文献“Appl. Phys. Lett. 111, 093501 (2017),Fabrication and characterization of sputtered Fabrication and characterization of sputtered CuO :N/c-Si heterojunction diode”に記載の方法を用いることができる。また、p型半導体膜12の材料としてNiOを用いる場合は、非特許文献“Appl. Phys. Lett. 117, 022104 (2020),A 1.86-kV double-layered NiO/β-Ga-vertical pn heterojunction diode”に記載の方法を用いることができる。また、p型半導体膜12の材料として多結晶Si、アモルファスSi、単結晶Siを用いる場合は、それぞれ公知の成膜方法を用いることができる。
 次に、図5Aに示されるように、スピンコート法などによりp型半導体膜12の全面に、少なくともトレンチ111内の空隙が埋まる高さまでフォトレジスト20を堆積させる。このとき、フォトレジスト20の表面の凹凸の高低差が、p型半導体膜12の凹凸の高低差よりも小さくなるようにする。
 次に、図5Bに示されるように、フォトレジスト20をエッチバックして、第1の面113上のp型半導体膜12を露出させる。フォトレジスト20のエッチングには、例えば、酸素プラズマなどを利用したプラズマアッシャー装置を用いる。
 次に、図5Cに示されるように、p型半導体膜12をエッチングして、n型半導体層11の第1の面113を露出させる。例えば、p型半導体膜12がCuOからなる場合は、p型半導体膜12のエッチングに、緩衝フッ酸液、希フッ酸、希釈王水、希硫酸などの酸性溶液を用いるウエットエッチング法や、ドライエッチング法を用いることができ、上記のウエットエッチング法とドライエッチング法を併用してもよい。
 次に、図6Aに示されるように、フォトレジスト20を除去する。フォトレジスト20の除去には、例えば、NMP、アセトンなどの有機系薬剤を用いる。
 次に、図6Bに示されるように、n型半導体層11の第1の面113上に、その一部分132が複数のトレンチ111内においてp型半導体膜12に覆われるようにアノード電極13を形成し、n型半導体基板10の底面にカソード電極14を形成する。アノード電極13とカソード電極14の形成には、例えば、電子ビーム蒸着法を用いる。
 p型半導体膜12はトレンチ111の内面を覆う膜であるため、トレンチ111をp型半導体で充填する場合と比較して、材料の堆積に要する時間が短く、また、トレンチ111の外側に形成された部分の除去に要する時間も短い。
 また、上記の方法では、p型半導体膜12のトレンチ111の外側に形成された部分を、フォトレジスト20を用いたレジストエッチバック法により除去しているが、CMPなどの研磨処理により除去してもよい。
(変形例)
 n型半導体層11は、酸化ガリウム系半導体以外の材料からなるものであってもよい。この場合も、そのn型半導体層11の材料の電子親和力χと仕事関数φと、p型半導体膜12の材料の電子親和力χと仕事関数φが上記の式1で表される条件を満たす。
 上述のように、p型半導体膜12は堆積膜であり、イオン注入によりn型半導体層11の一部として形成されるものではないため、n型半導体層11が酸化ガリウム系半導体のようなp型化が困難な材料からなる場合であっても、n型半導体層11と異なる材料(母材)を用いて形成することができる。
 n型半導体層11の絶縁破壊電界強度が大きいと、オン抵抗の増加を抑えつつ耐圧を大きくとることができる。このため、例えば、n型半導体層11は、絶縁破壊電界強度が1MV/cm以上、又はバンドギャップエネルギーが1以上の材料からなることが好ましい。
 n型半導体層11の材料として、酸化ガリウム系半導体の他、例えば、絶縁破壊電界強度が2.5MV/cm、バンドギャップエネルギーが3.3eVであるSiC、絶縁破壊電界強度が3.3MV/cm、バンドギャップエネルギーが3.4eVであるGaN、絶縁破壊電界強度が1.2~12MV/cm、バンドギャップエネルギーが0.6~6.2eVであるAlInGa1-x-yN、又は絶縁破壊電界強度が約8.0MV/cm、バンドギャップエネルギーが5.5eVであるダイヤモンドを用いることができる。
 また、n型半導体基板10も、酸化ガリウム系半導体以外の材料からなるものであってよい。n型半導体基板10の材料として、n型半導体層11と同様の材料を用いることができる。
(実施の形態の効果)
 上記実施の形態によれば、サージ耐性に優れ、スイッチング動作時のエネルギー損失が抑えられた、トレンチ構造を備えたJBSダイオード1及びその製造方法を提供することができる。JBSダイオード1はサージ耐性が高く、立ち上がり電圧が低いので、例えば、ACDCコンバータなどの電力変換回路に好適に用いることができる。
 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、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。
 サージ耐性に優れ、スイッチング動作時のエネルギー損失が抑えられた、トレンチ構造を備えたジャンクションバリアショットキーダイオード及びその製造方法を提供する。
1…ジャンクションバリアショットキーダイオード、 10…n型半導体基板、 11…n型半導体層、 111…トレンチ、 112…メサ形状部、 113…第1の面、 114…第2の面、 12…p型半導体膜、 13…アノード電極、 14…カソード電極

Claims (5)

  1.  第1の面に開口する複数のトレンチを有する、n型半導体からなるn型半導体層と、
     前記複数のトレンチの内面に接して設けられた、p型半導体からなるp型半導体膜と、
     前記n型半導体層の前記第1の面上に、前記n型半導体層の前記複数のトレンチの間のメサ形状部と接触して設けられ、その一部が前記複数のトレンチ内において前記p型半導体膜に覆われるアノード電極と、
     前記n型半導体層の前記第1の面の反対側の第2の面上に直接又は他の層を介して設けられたカソード電極と、
     を備え、
     前記p型半導体の電子親和力χと仕事関数φ、及び前記n型半導体の電子親和力χと仕事関数φが、χ-χ>φ-φの式で表される条件を満たす、
     ジャンクションバリアショットキーダイオード。
  2.  前記n型半導体層と前記p型半導体膜が異なる半導体からなる、
     請求項1に記載のジャンクションバリアショットキーダイオード。
  3.  前記n型半導体層が酸化ガリウム系半導体からなる、
     請求項2に記載のジャンクションバリアショットキーダイオード。
  4.  前記p型半導体が、CuO、NiO、AgO、多結晶Si、単結晶Si、アモルファスSi、SnO、又はCuOを含む、
     請求項1~3のいずれか1項に記載のジャンクションバリアショットキーダイオード。
  5.  n型半導体からなるn型半導体層の第1の面に複数のトレンチを形成する工程と、
     前記複数のトレンチの内面に接するp型半導体からなるp型半導体膜を形成する工程と、
     前記n型半導体層の前記第1の面上に、その一部が前記複数のトレンチ内において前記p型半導体膜に覆われるアノード電極を形成する工程と、
     前記n型半導体層の前記第1の面の反対側の第2の面上に直接又は他の層を介してカソード電極を形成する工程と、
     を含み、
     前記p型半導体の電子親和力χと仕事関数φ、及び前記n型半導体の電子親和力χと仕事関数φが、χ-χ>φ-φの式で表される条件を満たす、
     ジャンクションバリアショットキーダイオードの製造方法。
     
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