JP7522399B2 - Schottky Diode - Google Patents
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Description
本発明は、ショットキーダイオードに関する。 The present invention relates to a Schottky diode.
従来、ジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオードと呼ばれる、pn接合とショットキー接合を組み合わせた構造を有するダイオードが知られている(例えば、特許文献1参照)。JBSダイオードにおいては、pnダイオード部分にサージ電流を流すことができるため、pn接合を有しないショットキーバリアダイオードと比較して、サージ電流への耐性に優れる。 Conventionally, a diode called a junction barrier Schottky (JBS) diode, which has a structure combining a pn junction and a Schottky junction, has been known (see, for example, Patent Document 1). In a JBS diode, a surge current can be passed through the pn diode portion, and therefore the JBS diode has superior resistance to surge current compared to a Schottky barrier diode that does not have a pn junction.
特許文献1に記載のJBSダイオードは、SiCからなるn-型ドリフト層と、n-型ドリフト層にp型不純物をイオン注入することにより得られるp型層を有し、n-型ドリフト層とp型層がpn接合を形成している。 The JBS diode described in Patent Document 1 has an n - type drift layer made of SiC and a p-type layer obtained by ion-implanting p-type impurities into the n - type drift layer, and the n - type drift layer and the p-type layer form a pn junction.
また、従来、ゲート電極が半導体層に埋め込まれたトレンチMOS型のGa2O3系ショットキーダイオードが知られている(例えば、特許文献2参照)。Ga2O3系の半導体デバイスは、Ga2O3の広いバンドギャップに代表される物性から、高耐圧・低損失であることが知られている。さらに、特許文献1に記載のショットキーダイオードは、トレンチMOS構造を用いているため、半導体層の抵抗を増加することなく、より高い耐圧を得ることができる。 Also, a trench MOS type Ga2O3 - based Schottky diode in which a gate electrode is embedded in a semiconductor layer has been known (see, for example, Patent Document 2). Ga2O3 - based semiconductor devices are known to have high breakdown voltage and low loss due to the physical properties represented by the wide band gap of Ga2O3 . Furthermore, the Schottky diode described in Patent Document 1 uses a trench MOS structure, so it can obtain a higher breakdown voltage without increasing the resistance of the semiconductor layer.
しかしながら、特許文献2に示されるようなGa2O3系ショットキーダイオードのサージ電流への耐性を向上させようとした場合、p型のGa2O3を得ることが非常に困難であるため、Ga2O3層にp型不純物を添加してpn接合領域を形成することができない。 However, when trying to improve the surge current resistance of a Ga2O3 - based Schottky diode as shown in Patent Document 2, it is very difficult to obtain p-type Ga2O3 , so that it is not possible to form a pn junction region by adding p-type impurities to the Ga2O3 layer .
本発明の目的は、高耐圧かつ低損失であり、かつサージ電流への耐性に優れたGa2O3系のショットキーダイオードを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a Ga2O3 -based Schottky diode which has high breakdown voltage, low loss, and excellent resistance to surge current.
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]~[3]のショットキーダイオードを提供する。 In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides the following Schottky diodes [1] to [3].
[1]Ga2O3系単結晶からなり、一方の面に開口する複数のトレンチを有するn型半導体層と、前記n型半導体層の隣接する前記トレンチの間のメサ形状領域に接続されたアノード電極と、絶縁膜に覆われた状態で前記複数のトレンチのそれぞれに埋め込まれ、前記アノード電極に電気的に接続されたトレンチアノード電極と、前記n型半導体層の前記アノード電極と反対側に直接又は間接的に接続されたカソード電極と、前記メサ形状領域の一部及び前記アノード電極に接続された、NiZnMgOからなるp型半導体部材と、を備えた、ショットキーダイオード。
[2]Ga2O3系単結晶からなり、一方の面に開口する複数のトレンチを有するn型半導体層と、前記トレンチ内に埋め込まれた、NiZnMgOからなるp型半導体部材と、前記n型半導体層の隣接する前記トレンチの間のメサ形状領域、及び前記p型半導体部材に接続されたアノード電極と、前記n型半導体層の前記アノード電極と反対側に直接又は間接的に接続されたカソード電極と、を備えた、ショットキーダイオード。
[3]前記p型半導体部材の価電子帯の上端のエネルギーが、前記Ga2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギー以下である、上記[1]又は[2]に記載のショットキーダイオード。
[1] A Schottky diode comprising: an n-type semiconductor layer made of Ga2O3 -based single crystal and having a plurality of trenches opening on one surface; an anode electrode connected to a mesa-shaped region between adjacent trenches of the n-type semiconductor layer; a trench anode electrode embedded in each of the plurality of trenches while being covered with an insulating film and electrically connected to the anode electrode; a cathode electrode connected directly or indirectly to the side of the n-type semiconductor layer opposite the anode electrode; and a p-type semiconductor member made of NiZnMgO connected to a part of the mesa-shaped region and to the anode electrode.
[2] A Schottky diode comprising: an n-type semiconductor layer made of Ga2O3 -based single crystal and having a plurality of trenches opening on one surface; a p-type semiconductor member made of NiZnMgO embedded in the trenches; a mesa-shaped region between adjacent trenches in the n-type semiconductor layer, an anode electrode connected to the p-type semiconductor member; and a cathode electrode directly or indirectly connected to the side of the n-type semiconductor layer opposite to the anode electrode.
[3] The Schottky diode according to the above [ 1 ] or [2], wherein the energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member is equal to or lower than the energy of the upper end of the valence band of the Ga 2 O 3 -based single crystal.
本発明によれば、高耐圧かつ低損失であり、かつサージ電流への耐性に優れたGa2O3系のショットキーダイオードを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a Ga 2 O 3 based Schottky diode which has high breakdown voltage, low loss and excellent resistance to surge current.
〔第1の実施の形態〕
(ショットキーダイオードの構成)
図1は、第1の実施の形態に係るショットキーダイオード1の垂直断面図である。ショットキーダイオード1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。
First Embodiment
(Schottky diode configuration)
1 is a vertical cross-sectional view of a Schottky diode 1 according to a first embodiment. The Schottky diode 1 is a vertical Schottky diode having a trench MOS structure.
ショットキーダイオード1は、n型半導体基板10と、n型半導体基板10に積層される層であって、そのn型半導体基板10と反対側の面18に開口する複数のトレンチ12を有するn型半導体層11と、n型半導体層11の隣接するトレンチ12の間のメサ形状領域110に接続されたアノード電極13と、n型半導体基板10のn型半導体層11と反対側の面上に形成されたカソード電極14と、n型半導体層11のトレンチ12の内面を覆うトレンチ絶縁膜15と、n型半導体層11のトレンチ12内にトレンチ絶縁膜15に覆われるように埋め込まれ、アノード電極13に電気的に接続されるアノード電極16と、メサ形状領域110の一部及びアノード電極13に接続されたp型半導体部材と、を有する。
The Schottky diode 1 includes an n-type semiconductor substrate 10, an n-type semiconductor layer 11 that is a layer stacked on the n-type semiconductor substrate 10 and has a plurality of trenches 12 that open to a
ショットキーダイオード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との界面のエネルギー障壁が低下し、アノード電極13からカソード電極14へ電流が流れる。 In the Schottky 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 energy barrier at the interface between the anode electrode 13 and the n-type semiconductor layer 11 as viewed from the n-type semiconductor layer 11 is lowered, and a current flows from the anode electrode 13 to the cathode electrode 14.
一方、アノード電極13とカソード電極14との間に逆方向電圧(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。また、アノード電極13とカソード電極14との間に逆方向電圧を印加すると、アノード電極13とn型半導体層11との界面及びトレンチ絶縁膜15とn型半導体層11との界面から空乏層が拡がる。 On the other hand, when a reverse voltage (anode electrode 13 side is negative potential) is applied between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, no current flows due to the Schottky barrier. Also, when a reverse voltage is applied between the anode electrode 13 and the cathode electrode 14, a depletion layer spreads from the interface between the anode electrode 13 and the n-type semiconductor layer 11 and the interface between the trench insulating film 15 and the n-type semiconductor layer 11.
一般的に、ショットキーダイオードの逆方向リーク電流の上限は1μAとされている。本実施の形態では、1μAのリーク電流が流れるときの逆方向電圧を耐圧と定義する。 Generally, the upper limit of reverse leakage current for a Schottky diode is 1 μA. In this embodiment, the reverse voltage when a leakage current of 1 μA flows is defined as the breakdown voltage.
例えば、“松波弘之、大谷昇、木本恒暢、中村孝著、「半導体SiC技術と応用」、第2版、日刊工業新聞社、2011年9月30日、p.355”に記載された、SiCを半導体層とするショットキーダイオードにおける逆方向リーク電流のショットキー界面電界強度依存性のデータによれば、逆方向リーク電流の電流密度が0.0001A/cm2のときのショットキー電極直下の電界強度は、およそ0.8MV/cmである。ここで、0.0001A/cm2は、サイズが1mm×1mmであるショットキー電極に1μAの電流が流れたときのショットキー電極直下の電流密度である。 For example, according to data on the dependence of reverse leakage current on the Schottky interface electric field strength in a Schottky diode having a SiC semiconductor layer, which is described in "Hiroyuki Matsunami, Noboru Otani, Tsunenobu Kimoto, and Takashi Nakamura, "Semiconductor SiC Technology and Applications," Second Edition, Nikkan Kogyo Shimbun, September 30, 2011, p. 355," the electric field strength directly below the Schottky electrode when the current density of the reverse leakage current is 0.0001 A/ cm2 is approximately 0.8 MV/cm. Here, 0.0001 A/ cm2 is the current density directly below the Schottky electrode when a current of 1 μA flows through a Schottky electrode having a size of 1 mm×1 mm.
このため、半導体材料自体の絶縁破壊電界強度が数MV/cmあったとしても、ショットキー電極直下の電界強度が0.8MV/cmを超えると、1μAを超えるリーク電流が流れることになる。 Therefore, even if the dielectric breakdown field strength of the semiconductor material itself is several MV/cm, if the electric field strength directly below the Schottky electrode exceeds 0.8 MV/cm, a leakage current exceeding 1 μA will flow.
例えば、ショットキー電極直下の電界強度を抑制するための特別な構造を有さない従来のショットキーダイオードにおいて1200Vの耐圧を得るためには、ショットキー電極直下の電界強度を0.8MV/cm以下に抑えるために、半導体層のドナー濃度を1015cm-3台にまで下げ、かつ半導体層を非常に厚くする必要がある。そのため、導通損失が非常に大きくなり、高耐圧かつ低損失のショットキーバリアダイオードを作製することは困難である。 For example, in order to obtain a breakdown voltage of 1200 V in a conventional Schottky diode that does not have a special structure for suppressing the electric field strength directly below the Schottky electrode, it is necessary to reduce the donor concentration in the semiconductor layer to the order of 10 15 cm -3 and make the semiconductor layer very thick in order to suppress the electric field strength directly below the Schottky electrode to 0.8 MV/cm or less, which results in very large conduction losses and makes it difficult to fabricate a Schottky barrier diode with high breakdown voltage and low losses.
本実施の形態に係るショットキーダイオード1は、トレンチMOS構造を有するため、半導体層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、ショットキーダイオード1は、高耐圧かつ低損失のショットキーダイオードである。 The Schottky diode 1 according to this embodiment has a trench MOS structure, so it is possible to obtain a high breakdown voltage without increasing the resistance of the semiconductor layer. In other words, the Schottky diode 1 is a Schottky diode with high breakdown voltage and low loss.
n型半導体基板10は、ドナーとしてのSi、Sn等のIV族元素を含むn型のGa2O3系単結晶からなる。n型半導体基板10のドナー濃度は、例えば、1.0×1018cm-3以上かつ1.0×1020cm-3以下である。n型半導体基板10の厚さは、例えば、10~600μmである。n型半導体基板10は、例えば、Ga2O3系単結晶基板である。 The n-type semiconductor substrate 10 is made of n-type Ga 2 O 3 based single crystal containing a Group IV element such as Si or Sn as a donor. The donor concentration of the n-type semiconductor substrate 10 is, for example, 1.0×10 18 cm -3 or more and 1.0×10 20 cm -3 or less. The thickness of the n-type semiconductor substrate 10 is, for example, 10 to 600 μm. The n-type semiconductor substrate 10 is, for example, a Ga 2 O 3 based single crystal substrate.
ここで、Ga2O3系単結晶とは、Ga2O3単結晶、又は、Al、Inの一方若しくは両方が添加されたGa2O3単結晶であり、(GaxAlyIn(1-x-y))2O3(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)で表される組成を有するGa2O3系半導体の単結晶である。Ga2O3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Ga2O3単結晶は、例えば、β型の結晶構造を有する。 Here, the Ga2O3 single crystal is a Ga2O3 single crystal or a Ga2O3 single crystal doped with one or both of Al and In, and is a single crystal of a Ga2O3 -based semiconductor having a composition expressed as ( GaxAlyIn ( 1 -x- y ) ) 2O3 (0<x≦1, 0≦y<1, 0<x+y≦1) . When Al is added to Ga2O3 , the band gap becomes wider, and when In is added, the band gap becomes narrower. The above Ga2O3 single crystal has, for example, a β-type crystal structure.
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Ga2O3系単結晶からなる。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、Ga2O3系単結晶基板である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。 The n-type semiconductor layer 11 is made of n-type Ga2O3 - based single crystal containing a Group IV element such as Si or Sn as a donor. The donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is lower than the donor concentration of the 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, which is a Ga2O3 - based single crystal substrate.
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、基板である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。高ドナー濃度層の濃度は、例えば、n型半導体層11よりも高い濃度に設定され、より好ましくは、n型半導体基板10よりも高い濃度に設定される。 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. In the initial stage of growth of the n-type semiconductor layer 11, the amount of dopant taken in may be unstable, or there may be diffusion of acceptor impurities from the n-type semiconductor substrate 10, which is the substrate. Therefore, if the n-type semiconductor layer 11 is directly grown on the n-type semiconductor substrate 10, the region of the n-type semiconductor layer 11 close to the interface with the n-type semiconductor substrate 10 may become highly resistive. To avoid such problems, a high donor concentration layer is used. The concentration of the high donor concentration layer is set to a higher concentration than that of the n-type semiconductor layer 11, for example, and more preferably, to a higher concentration than that of the n-type semiconductor substrate 10.
n型半導体層11のドナー濃度が増加するほど、ショットキーダイオード1の各部の電界強度が増加する。n型半導体層11中のアノード電極13直下の領域中の最大電界強度、n型半導体層11中の最大電界強度、及びトレンチ絶縁膜15中の最大電界強度を低く抑えるためには、n型半導体層11のドナー濃度がおよそ6.0×1016cm-3以下であることが好ましい。一方、ドナー濃度が小さくなるほどn型半導体層11の抵抗が大きくなり、順方向損失が増加してしまうため、例えば1200V以下の耐圧を得るためには、3.0×1016cm-3以上であることが好ましい。また、より高い耐圧を得るためには、ドナー濃度を例えば1.0×1016cm-3程度まで下げることが好ましい。 The more the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 increases, the more the electric field strength of each part of the Schottky diode 1 increases. In order to keep low the maximum electric field strength in the region directly under the anode electrode 13 in the n-type semiconductor layer 11, the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 11, and the maximum electric field strength in the trench insulating film 15, the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is preferably about 6.0×10 16 cm −3 or less. On the other hand, the lower the donor concentration, the higher the resistance of the n-type semiconductor layer 11 becomes, and the forward loss increases, so that in order to obtain a breakdown voltage of, for example, 1200 V or less, the donor concentration is preferably 3.0×10 16 cm −3 or more. In addition, in order to obtain a higher breakdown voltage, it is preferable to lower the donor concentration to, for example, about 1.0×10 16 cm −3 .
n型半導体層11の厚さTが増加するほど、n型半導体層11中の最大電界強度及びトレンチ絶縁膜15中の最大電界強度が低減する。n型半導体層11の厚さTをおよそ6μm以上にすることにより、n型半導体層11中の最大電界強度及びトレンチ絶縁膜15中の最大電界強度を効果的に低減することができる。これらの電界強度の低減と、ショットキーダイオード1の小型化の観点から、n型半導体層11の厚さTはおよそ5.5μm以上かつ9μm以下であることが好ましい。 As the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 increases, the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 11 and the maximum electric field strength in the trench insulating film 15 decrease. By making the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 approximately 6 μm or more, the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 11 and the maximum electric field strength in the trench insulating film 15 can be effectively reduced. From the viewpoint of reducing these electric field strengths and miniaturizing the Schottky diode 1, it is preferable that the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 be approximately 5.5 μm or more and 9 μm or less.
トレンチ12の深さDによってショットキーダイオード1の各部の電界強度が変化する。n型半導体層11中のアノード電極13直下の領域中の最大電界強度、n型半導体層11中の最大電界強度、及びトレンチ絶縁膜15中の最大電界強度を低く抑えるためには、トレンチ12の深さDがおよそ2μm以上かつ6μm以下であることが好ましく、およそ3μm以上かつ4μm以下であることがより好ましい。 The electric field strength in each part of the Schottky diode 1 varies depending on the depth D of the trench 12. In order to keep low the maximum electric field strength in the region directly below the anode electrode 13 in the n-type semiconductor layer 11, the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 11, and the maximum electric field strength in the trench insulating film 15, the depth D of the trench 12 is preferably approximately 2 μm or more and 6 μm or less, and more preferably approximately 3 μm or more and 4 μm or less.
トレンチ12の幅Wtは、アノード電極13直下の領域の電界強度とは無関係のため、自由に設定できる。トレンチ12内には電流が流れないため、幅Wtは可能な限り狭い方が好ましい。しかしながら、幅Wtを微細化し過ぎると、トレンチ12内へのトレンチ絶縁膜15及びアノード電極16の埋め込みが困難になり、製造歩留まりが悪化する。一方、本発明者の検討により、幅Wtが3μm以上になると幅Wtが増えてもアノード電極16の埋め込み性にほとんど影響がないことがわかっている。また、幅Wtが0.5μm未満になると、トレンチ12の形成のために特殊な露光装置が必要になり、製造コストが増加する場合がある。よって、幅Wtは、0.5μm以上、3μm以下であることが好ましい。 The width Wt of the trench 12 can be freely set because it is independent of the electric field strength in the region directly below the anode electrode 13. Since no current flows in the trench 12, it is preferable that the width Wt is as narrow as possible. However, if the width Wt is made too fine, it becomes difficult to embed the trench insulating film 15 and the anode electrode 16 in the trench 12, and the manufacturing yield deteriorates. On the other hand, the inventor's study has revealed that when the width Wt is 3 μm or more, even if the width Wt is increased, there is almost no effect on the embedding property of the anode electrode 16. In addition, when the width Wt is less than 0.5 μm, a special exposure device is required to form the trench 12, and the manufacturing cost may increase. Therefore, the width Wt is preferably 0.5 μm or more and 3 μm or less.
n型半導体層11の隣接するトレンチ12の間のメサ形状部分110の幅Wmが低減するほど、n型半導体層11中のアノード電極13直下の領域中の最大電界強度が低減する。n型半導体層11中のアノード電極13直下の領域中の最大電界強度を低く抑えるためには、メサ形状部分110の幅Wmが2.5μm以下であることが好ましい。一方、メサ形状部分110の幅が小さいほどトレンチ12の製造難度が上がるため、メサ形状部分110の幅Wmが0.5μm以上であることが好ましい。
As the width Wm of the mesa-shaped
トレンチ絶縁膜15の誘電率が増加するほど、トレンチ絶縁膜15中の最大電界強度が低減するため、トレンチ絶縁膜15は誘電率が高い材料からなることが好ましい。例えば、トレンチ絶縁膜15の材料としてAl2O3(比誘電率がおよそ9.3)、HfO2(比誘電率がおよそ22)を用いることができるが、誘電率の高いHfO2を用いることが特に好ましい。 As the dielectric constant of the trench insulating film 15 increases, the maximum electric field strength in the trench insulating film 15 decreases, so it is preferable that the trench insulating film 15 be made of a material with a high dielectric constant. For example, Al 2 O 3 (relative dielectric constant of about 9.3) and HfO 2 (relative dielectric constant of about 22) can be used as the material for the trench insulating film 15, and it is particularly preferable to use HfO 2 with a high dielectric constant.
また、トレンチ絶縁膜15の厚さが増加するほど、n型半導体層11中の最大電界強度が低減するが、トレンチ絶縁膜15中の最大電界強度およびアノード電極13直下の領域中の最大電界強度が増加する。製造容易性の観点からは、トレンチ絶縁膜15の厚さは小さい方が好ましく、300nm以下であることがより好ましい。ただし、当然ながら、アノード電極16とn型半導体層11の間に直接電流がほとんど流れない程度の厚さは必要である。 In addition, as the thickness of the trench insulating film 15 increases, the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 11 decreases, but the maximum electric field strength in the trench insulating film 15 and the maximum electric field strength in the region directly below the anode electrode 13 increase. From the viewpoint of ease of manufacture, it is preferable that the thickness of the trench insulating film 15 is small, and more preferably 300 nm or less. However, it is necessary that the thickness is such that almost no current flows directly between the anode electrode 16 and the n-type semiconductor layer 11.
アノード電極16の材料は、導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、高濃度でドーピングされた多結晶Siや、Ni、Au等の金属を用いることができる。 The material of the anode electrode 16 is not particularly limited as long as it is conductive. For example, highly doped polycrystalline Si or metals such as Ni and Au can be used.
ショットキーダイオード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12の間のメサ形状部分110の幅Wm、トレンチ12の深さD、トレンチ絶縁膜15の厚さ等の影響を受けるが、トレンチ12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12の平面パターンは特に限定されない。
As described above, the electric field strength in the Schottky diode 1 is affected by the width W m of the mesa-shaped
カソード電極14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等の金属からなる。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又はTi/Al、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、ショットキーダイオード1がn型半導体基板10を含まない場合は、カソード電極14は、n型半導体層11のアノード電極13と反対側に接続され、n型半導体層11とオーミック接触する。 The cathode electrode 14 is in ohmic contact with the n-type semiconductor substrate 10. The cathode electrode 14 is made of a metal such as Ti. The cathode electrode 14 may have a multilayer structure in which different metal films are stacked, for example, Ti/Au or Ti/Al. In order to ensure that the cathode electrode 14 and the n-type semiconductor substrate 10 are in ohmic contact, it is preferable that the layer of the cathode electrode 14 that is in contact with the n-type semiconductor substrate 10 is made of Ti. Note that when the Schottky diode 1 does not include the n-type semiconductor substrate 10, the cathode electrode 14 is connected to the side of the n-type semiconductor layer 11 opposite to the anode electrode 13 and is in ohmic contact with the n-type semiconductor layer 11.
p型半導体部材17は、サージ対策のために用いられる部材であり、p型のNiZnMgOからなる。NiZnMgOは、NiO、MgO、ZnOを混ぜ合わせることにより得られる、Ni、Mg、及びZnを含む混晶酸化物である。NiZnMgOからなるp型半導体部材17は、アクセプター不純物を含まなくてもよいが、Liなどのアクセプター不純物を含むと導電率が向上するため好ましい。 The p-type semiconductor member 17 is a member used for surge protection and is made of p-type NiZnMgO. NiZnMgO is a mixed crystal oxide containing Ni, Mg, and Zn, obtained by mixing NiO, MgO, and ZnO. The p-type semiconductor member 17 made of NiZnMgO does not need to contain acceptor impurities, but it is preferable to contain acceptor impurities such as Li, as this improves electrical conductivity.
p型半導体部材17を構成するNiZnMgO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、NiZnMgOの成長温度が低いと非晶質のNiZnMgOが得られ、高いと多結晶のNiZnMgOが得られる。また、NiZnMgO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結晶の配向などの条件が揃うと単結晶のNiZnMgOが得られる。NiZnMgOからなるp型半導体部材17は、例えば、NiOターゲット、MgOターゲット、及びZnOターゲットを用いる高周波スパッタリングにより形成される。高周波スパッタリングは、製造コストの点で他の製法より好ましい。 The NiZnMgO constituting the p-type semiconductor member 17 may be in any form, such as amorphous, polycrystalline, or single crystal. Usually, when the growth temperature of NiZnMgO is low, amorphous NiZnMgO is obtained, and when the growth temperature is high, polycrystalline NiZnMgO is obtained. Also, when the conditions such as the crystal structure and growth conditions of NiZnMgO, and the crystal orientation that serves as the base for epitaxial growth are met, single crystal NiZnMgO is obtained. The p-type semiconductor member 17 made of NiZnMgO is formed, for example, by radio frequency sputtering using a NiO target, an MgO target, and a ZnO target. Radio frequency sputtering is preferable to other manufacturing methods in terms of manufacturing costs.
p型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーは、n型半導体層11を構成するGa2O3系半導体の価電子帯の上端のエネルギーに2eVを加えたエネルギー以下であるため、p型半導体部材17を用いることにより、ショットキーダイオード1をオンにする際に生じ得るサージ電流(突入電流、始動電流などとも呼ばれる)発生時にドリフト層の抵抗を下げることができ、発熱や破損を抑制することができる。 The energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 17 is equal to or less than the energy of the upper end of the valence band of the Ga2O3 - based semiconductor constituting the n-type semiconductor layer 11 plus 2 eV. Therefore, by using the p-type semiconductor member 17, the resistance of the drift layer can be reduced when a surge current (also called an inrush current or starting current) occurs when the Schottky diode 1 is turned on, and heat generation and damage can be suppressed.
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が大きい。このため、ショットキーダイオード1がオンになる電圧でp型半導体部材17とn型半導体層11で構成されるpnダイオード部分がオンしないような設計にすることができる。例えば、ショットキーダイオード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。 Normally, a pn diode has a higher on-voltage than a Schottky diode. For this reason, it is possible to design the pn diode portion, which is made up of the p-type semiconductor member 17 and the n-type semiconductor layer 11, so that it does not turn on at the voltage that turns on the Schottky diode 1. For example, the on-voltage of the Schottky diode 1 can be set to about 1 V, and the on-voltage of the pn diode portion can be set to about 2 V.
これによって、ショットキーダイオード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、突入電流発生時はショットキーダイオード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型半導体部材17からn型半導体層11へ正孔が注入される。 As a result, the pn diode portion does not turn on during normal operation of the Schottky diode 1, enabling the inherent high-speed operation of a Schottky diode. On the other hand, when an inrush current occurs, the voltage of the Schottky diode 1 rises and reaches a voltage at which the pn diode portion turns on, and holes are injected from the p-type semiconductor member 17 into the n-type semiconductor layer 11.
そのとき、カソード電極14からn型半導体層11へはその注入された正孔と同じ数の電子が注入され、ドリフト層の抵抗が大幅に減少する。このため、突入電流という大電流がショットキーダイオード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、突入電流によるショットキーダイオード1の損傷を防ぐことができる。 At that time, the same number of electrons as the injected holes are injected from the cathode electrode 14 into the n-type semiconductor layer 11, and the resistance of the drift layer is greatly reduced. As a result, a large current called an inrush current flows through the Schottky diode 1, but the voltage rise is suppressed, so the temperature rise is suppressed and damage to the Schottky diode 1 due to the inrush current can be prevented.
図2は、ショットキーダイオード1がp型半導体部材17を含む場合(A)と含まない場合(B)の、突入電流が流れるときの電流-電圧特性を模式的に示すグラフである。図2に示されるように、p型半導体部材17が含まれない場合、電流の増加とともに電圧が上昇し続け、ショットキーダイオード1の温度が急上昇して燃え尽きてしまう。一方、p型半導体部材17が含まれる場合、pnダイオード部分がオンする電圧Vpnに達すると、電圧の上昇率が低下する。このように、突入電流によりショットキーダイオード1を流れる電流は上昇するが、電圧の上昇が抑えられるため、温度上昇が抑えられ、ショットキーダイオード1の損傷が防がれる。 2 is a graph showing the current-voltage characteristics when an inrush current flows when the Schottky diode 1 includes (A) a p-type semiconductor member 17 and does not include (B). As shown in FIG. 2, when the p-type semiconductor member 17 is not included, the voltage continues to rise as the current increases, and the temperature of the Schottky diode 1 rises sharply and burns out. On the other hand, when the p-type semiconductor member 17 is included, the rate of voltage rise decreases when the voltage V pn at which the pn diode portion turns on is reached. In this way, the current flowing through the Schottky diode 1 increases due to the inrush current, but the rise in voltage is suppressed, so that the temperature rise is suppressed and damage to the Schottky diode 1 is prevented.
図3は、p型半導体部材17とGa2O3系単結晶からなるn型半導体層11のバンド構造と、正孔の流れを模式的に示す図である。図3に示されるように、p型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーEV2がGa2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギーEV1に2eVを加えたエネルギー以下であれば、p型半導体部材17からn型半導体層11へ正孔が注入され得る。なお、p型半導体部材17の伝導帯の下端のエネルギーEC2の大きさは、p型半導体部材17からn型半導体層11への正孔の注入に影響を及ぼさないため、特定の範囲に限定されることはない。 3 is a diagram showing the band structure of the p-type semiconductor member 17 and the n-type semiconductor layer 11 made of Ga 2 O 3 -based single crystal, and the flow of holes. As shown in FIG. 3, if the energy E V2 at the top of the valence band of the p-type semiconductor member 17 is equal to or less than the energy E V1 at the top of the valence band of the Ga 2 O 3 -based single crystal plus 2 eV, holes can be injected from the p-type semiconductor member 17 to the n-type semiconductor layer 11. The magnitude of the energy E C2 at the bottom of the conduction band of the p-type semiconductor member 17 is not limited to a specific range because it does not affect the injection of holes from the p-type semiconductor member 17 to the n-type semiconductor layer 11.
また、p型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーEV2が、n型半導体層11を構成するGa2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギーEV1以下である場合は、p型半導体部材17からn型半導体層11への正孔の移動が容易になるため、突入電流への耐性をより高めることができる。 Furthermore, when the energy E V2 of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 17 is equal to or lower than the energy E V1 of the upper end of the valence band of the Ga2O3 - based single crystal constituting the n-type semiconductor layer 11, holes can easily move from the p-type semiconductor member 17 to the n-type semiconductor layer 11, thereby making it possible to further improve resistance to inrush current.
図4は、n型半導体層11の典型的な材料であるGa2O3と、p型半導体部材17の材料であるNiZnMgOを構成するNiO、MgO、ZnOのバンド構造を含むバンドラインアップを示す。図4中の長方形は各材料のバンドギャップを示し、バンドギャップ内の数値はバンドギャップの大きさ[eV]、バンドギャップの上側の数値はGa2O3との伝導帯のバンドオフセット(伝導帯の下端のエネルギー差)[eV]、バンドギャップの下側の数値はGa2O3との価電子帯のバンドオフセット[eV]をそれぞれ示す。 4 shows a band lineup including the band structures of Ga 2 O 3 , which is a typical material of the n-type semiconductor layer 11, and NiO, MgO, and ZnO, which constitute NiZnMgO, which is a material of the p-type semiconductor member 17. The rectangles in FIG. 4 show the band gaps of each material, the numbers inside the band gaps show the size of the band gaps [eV], the numbers above the band gaps show the band offset (energy difference at the bottom of the conduction band) [eV] of the conduction band with Ga 2 O 3 , and the numbers below the band gaps show the band offset [eV] of the valence band with Ga 2 O 3 .
また、図4には、AlO2とIn2O3のバンドギャップも示されている。n型半導体層11の材料であるGa2O3系単結晶は、Alの濃度が高くなるとバンド構造がAl2O3に近付き、Inの濃度が高くなるとバンド構造がIn2O3に近付く。図4に示されるように、Ga2O3系単結晶におけるAl濃度及びIn濃度の変化による価電子帯の上端のエネルギーの変調量は大きくなく、Ga2O3との価電子帯のバンドオフセットは最大でも0.4eV程度である。 4 also shows the band gaps of AlO2 and In2O3 . In the Ga2O3 - based single crystal, which is the material of the n-type semiconductor layer 11, the band structure approaches Al2O3 as the Al concentration increases, and the band structure approaches In2O3 as the In concentration increases. As shown in FIG . 4, the amount of energy modulation at the top of the valence band due to changes in the Al concentration and In concentration in the Ga2O3 - based single crystal is not large, and the band offset of the valence band with Ga2O3 is about 0.4 eV at most.
NiZnMgOにおけるNiO、MgO、ZnOの混合比を変えることにより、NiZnMgOからなるp型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーを調整し、Ga2O3系半導体の価電子帯の上端のエネルギーに2eVを加えたエネルギー以下にすることができる。 By changing the mixing ratio of NiO, MgO, and ZnO in NiZnMgO, the energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 17 made of NiZnMgO can be adjusted to be equal to or lower than the energy of the upper end of the valence band of a Ga2O3 - based semiconductor plus 2 eV.
例えば、NiZnMgOにおけるNi、Zn、Mgの組成比Ni:Zn:Mgを90:5:5とすると、Ga2O3との価電子帯のバンドオフセットは1.57eVになり、Ni:Zn:Mgを80:10:10とすると、Ga2O3との価電子帯のバンドオフセットは1.38eVになり、70:15:15とすると、Ga2O3との価電子帯のバンドオフセットは1.19eVになり、60:20:20とすると、Ga2O3との価電子帯のバンドオフセットは1.00eVになる。また、Niの組成比を零に近づけることにより、Ga2O3との価電子帯のバンドオフセットを負にする、すなわち、p型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーを、n型半導体層11を構成するGa2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギー以下にすることもできる。 For example, when the composition ratio of Ni, Zn, and Mg in NiZnMgO is Ni:Zn:Mg 90:5:5, the band offset of the valence band with Ga2O3 is 1.57 eV, when Ni:Zn:Mg is 80:10:10, the band offset of the valence band with Ga2O3 is 1.38 eV, when Ni: Zn : Mg is 70:15:15, the band offset of the valence band with Ga2O3 is 1.19 eV, and when Ni:Zn: Mg is 60:20:20, the band offset of the valence band with Ga2O3 is 1.00 eV. In addition, by making the Ni composition ratio closer to zero, the band offset of the valence band with Ga2O3 can be made negative, that is, the energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 17 can be made lower than the energy of the upper end of the valence band of the Ga2O3 - based single crystal constituting the n-type semiconductor layer 11.
p型半導体部材17の大きさ、個数、配置は特に限定されない。p型半導体部材17とn型半導体層11との接触面積が大きいほどサージ電流を効率的に逃がすことができるが、通常動作時に電流が流れにくくなる。このため、p型半導体部材17とn型半導体層11との総接触面積は、アノード電極13とn型半導体層11との総接触面積の10%以上かつ50%以下であることが好ましい。 The size, number, and arrangement of the p-type semiconductor member 17 are not particularly limited. The larger the contact area between the p-type semiconductor member 17 and the n-type semiconductor layer 11, the more efficiently the surge current can be released, but the more difficult it is for the current to flow during normal operation. For this reason, it is preferable that the total contact area between the p-type semiconductor member 17 and the n-type semiconductor layer 11 is 10% or more and 50% or less of the total contact area between the anode electrode 13 and the n-type semiconductor layer 11.
図5は、第1の実施の形態に係るショットキーダイオード1の変形例であるショットキーダイオード3の垂直断面図である。ショットキーダイオード3は、トレンチ構造を有しない、すなわち、トレンチ12、トレンチ絶縁膜15、アノード電極16をn型半導体層11中に有しない点において、ショットキーダイオード1と異なる。ショットキーダイオード3は、トレンチ構造を有しないためにショットキーダイオード1と比較して耐圧性に劣るが、p型半導体部材17によってショットキーダイオード1と同様のサージ電流への耐性を有する。 Figure 5 is a vertical cross-sectional view of Schottky diode 3, which is a modified version of Schottky diode 1 according to the first embodiment. Schottky diode 3 differs from Schottky diode 1 in that it does not have a trench structure, i.e., it does not have trench 12, trench insulating film 15, or anode electrode 16 in n-type semiconductor layer 11. Schottky diode 3 is inferior in voltage resistance compared to Schottky diode 1 because it does not have a trench structure, but has the same surge current resistance as Schottky diode 1 due to p-type semiconductor member 17.
〔第2の実施の形態〕
(ショットキーダイオードの構成)
図6は、第2の実施の形態に係るショットキーダイオード2の垂直断面図である。ショットキーダイオード2は、トレンチ構造を有する縦型のジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオードである。
Second Embodiment
(Schottky diode configuration)
6 is a vertical cross-sectional view of a Schottky diode 2 according to a second embodiment. The Schottky diode 2 is a vertical junction barrier Schottky (JBS) diode having a trench structure.
ショットキーダイオード2は、n型半導体基板20と、n型半導体基板20上に形成された、n型半導体基板20と反対側の面26に開口する複数のトレンチ25を有するn型半導体層21と、n型半導体層21のトレンチ25内に埋め込まれたp型半導体部材22と、n型半導体層21の面26上に設けられ、n型半導体層21の隣接するトレンチ25の間のメサ形状領域210及びp型半導体部材22に接続されたアノード電極23と、n型半導体基板20のn型半導体層21と反対側の面上に形成されたカソード電極24と、を備える。
The Schottky diode 2 includes an n-type semiconductor substrate 20, an n-type semiconductor layer 21 formed on the n-type semiconductor substrate 20 and having a plurality of trenches 25 opening on a
n型半導体層21とアノード電極23とは、ショットキー接合を形成し、ショットキーダイオード2は、このショットキー接合の整流性を利用している。また、ショットキーダイオード2においては、形成することが困難なp型のGa2O3の代わりにNiZnMgOからなるp型半導体部材22を用いている。 The n-type semiconductor layer 21 and the anode electrode 23 form a Schottky junction, and the Schottky diode 2 utilizes the rectification of this Schottky junction. Moreover, the Schottky diode 2 uses a p-type semiconductor member 22 made of NiZnMgO instead of p-type Ga 2 O 3 , which is difficult to form.
ショットキーダイオード2においては、アノード電極23とカソード電極24との間に順方向の電圧(アノード電極23側が正電位)を印加することにより、n型半導体層21から見たアノード電極23とn型半導体層21との界面のポテンシャル障壁が低下し、アノード電極23からカソード電極24へ電流が流れる。 In the Schottky diode 2, by applying a forward voltage (positive potential on the anode electrode 23 side) between the anode electrode 23 and the cathode electrode 24, the potential barrier at the interface between the anode electrode 23 and the n-type semiconductor layer 21 as viewed from the n-type semiconductor layer 21 is lowered, and a current flows from the anode electrode 23 to the cathode electrode 24.
一方、アノード電極23とカソード電極24との間に逆方向の電圧(アノード電極23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、p型半導体部材22から空乏層が広がり、隣接するp型半導体部材22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。 On the other hand, when a reverse voltage (anode electrode 23 side is negative potential) is applied between the anode electrode 23 and the cathode electrode 24, no current flows due to the Schottky barrier. At this time, a depletion layer spreads from the p-type semiconductor member 22, and the channel between adjacent p-type semiconductor members 22 is closed, so that the leakage current is effectively suppressed.
本実施の形態に係るショットキーダイオード2は、トレンチ型JBS構造を有するため、第1の実施の形態に係るショットキーダイオード1と同様に、半導体層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、ショットキーダイオード2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。 The Schottky diode 2 according to this embodiment has a trench-type JBS structure, and therefore, like the Schottky diode 1 according to the first embodiment, can obtain a high breakdown voltage without increasing the resistance of the semiconductor layer. In other words, the Schottky diode 2 is a Schottky barrier diode with high breakdown voltage and low loss.
n型半導体基板20は、ドナーとしてのSi、Sn等のIV族元素を含むn型のGa2O3系単結晶からなる。n型半導体基板20のドナー濃度は、例えば、1.0×1018cm-3以上かつ1.0×1020cm-3以下であるn型半導体基板20の厚さは、例えば、10~600μmである。n型半導体基板20は、例えば、Ga2O3系単結晶基板である。 The n-type semiconductor substrate 20 is made of n-type Ga 2 O 3 based single crystal containing a Group IV element such as Si or Sn as a donor. The donor concentration of the n-type semiconductor substrate 20 is, for example, 1.0×10 18 cm -3 or more and 1.0×10 20 cm -3 or less. The thickness of the n-type semiconductor substrate 20 is, for example, 10 to 600 μm. The n-type semiconductor substrate 20 is, for example, a Ga 2 O 3 based single crystal substrate.
n型半導体層21は、ドナーとしてのSi、Sn等のIV族元素を含むn型のGa2O3系単結晶からなる。n型半導体層21のドナー濃度は、n型半導体基板20のドナー濃度よりも低い。n型半導体層21は、例えば、Ga2O3系単結晶基板である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。 The n-type semiconductor layer 21 is made of n-type Ga2O3 - based single crystal containing a Group IV element such as Si or Sn as a donor. The donor concentration of the n-type semiconductor layer 21 is lower than the donor concentration of the n-type semiconductor substrate 20. The n-type semiconductor layer 21 is, for example, an epitaxial layer epitaxially grown on the n-type semiconductor substrate 10, which is a Ga2O3 - based single crystal substrate.
なお、n型半導体基板20とn型半導体層21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20上にn型半導体層21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21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20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20上にn型半導体層21を直接成長させると、n型半導体層21のn型半導体基板20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。高ドナー濃度層の濃度は、例えば、n型半導体層21よりも高い濃度に設定され、より好ましくは、n型半導体基板20よりも高い濃度に設定される。 A high donor concentration layer containing a high concentration of donors may be formed between the n-type semiconductor substrate 20 and the n-type semiconductor layer 21. This high donor concentration layer is used, for example, when the n-type semiconductor layer 21 is epitaxially grown on the n-type semiconductor substrate 20. In the initial stage of growth of the n-type semiconductor layer 21, the amount of dopant taken in may be unstable, or there may be diffusion of acceptor impurities from the n-type semiconductor substrate 20. Therefore, if the n-type semiconductor layer 21 is directly grown on the n-type semiconductor substrate 20, the region of the n-type semiconductor layer 21 close to the interface with the n-type semiconductor substrate 20 may become highly resistive. To avoid such problems, a high donor concentration layer is used. The concentration of the high donor concentration layer is set to a higher concentration than that of the n-type semiconductor layer 21, for example, and more preferably, to a higher concentration than that of the n-type semiconductor substrate 20.
n型半導体層21のドナー濃度が増加するほど、ショットキーダイオード2の各部の電界強度が増加する。n型半導体層21中のアノード電極23直下の領域中の最大電界強度及びn型半導体層21中の最大電界強度を低く抑えるためには、n型半導体層21のドナー濃度がおよそ2.0×1017cm-3以下であることが好ましい。一方、ドナー濃度が小さくなるほどn型半導体層21の抵抗が大きくなり、順方向損失が増加してしまうため、例えば1200V以下の耐圧を確保する場合には、3.0×1016cm-3以上であることが好ましい。また、より高い耐圧を得るためには、ドナー濃度を例えば1.0×1016cm-3程度まで下げてもよい。 The higher the donor concentration of the n-type semiconductor layer 21, the higher the electric field strength of each part of the Schottky diode 2. In order to keep low the maximum electric field strength in the region directly under the anode electrode 23 in the n-type semiconductor layer 21 and the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 21, the donor concentration of the n-type semiconductor layer 21 is preferably about 2.0×10 17 cm −3 or less. On the other hand, the lower the donor concentration, the higher the resistance of the n-type semiconductor layer 21 becomes, and the greater the forward loss becomes. Therefore, in order to ensure a breakdown voltage of, for example, 1200 V or less, the donor concentration is preferably 3.0×10 16 cm −3 or more. In addition, in order to obtain a higher breakdown voltage, the donor concentration may be lowered to, for example, about 1.0×10 16 cm −3 .
n型半導体層21の厚さTが増加するほど、n型半導体層21中の最大電界強度が低減する。n型半導体層21の厚さをおよそ3μm以上にすることにより、n型半導体層21中の最大電界強度を効果的に低減することができる。これらの電界強度の低減と、ショットキーダイオード2の小型化の観点から、n型半導体層21の厚さはおよそ3μm以上かつ9μm以下であることが好ましい。 The greater the thickness T of the n-type semiconductor layer 21, the smaller the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 21. By making the thickness of the n-type semiconductor layer 21 approximately 3 μm or more, the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 21 can be effectively reduced. From the viewpoint of reducing the electric field strength and miniaturizing the Schottky diode 2, it is preferable that the thickness of the n-type semiconductor layer 21 be approximately 3 μm or more and 9 μm or less.
トレンチ25の深さDによってショットキーダイオード2の各部の電界強度が変化する。n型半導体層21中のアノード電極23直下の領域中の最大電界強度及びn型半導体層21中の最大電界強度を低く抑えるためには、トレンチ25の深さDがおよそ1.5μm以上かつ6μm以下であることが好ましい。 The electric field strength in each part of the Schottky diode 2 varies depending on the depth D of the trench 25. In order to keep the maximum electric field strength in the region directly below the anode electrode 23 in the n-type semiconductor layer 21 and the maximum electric field strength in the n-type semiconductor layer 21 low, it is preferable that the depth D of the trench 25 is approximately 1.5 μm or more and 6 μm or less.
トレンチ25の幅Wtは、狭いほど導通損失を低減できるが、狭いほど製造難易度が上がり、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。 The narrower the width Wt of the trench 25, the more the conduction loss can be reduced. However, the narrower the width Wt, the higher the difficulty of manufacturing, which in turn reduces the manufacturing yield. Therefore, the width Wt is preferably 0.3 μm or more and 5 μm or less.
n型半導体層21の隣接するトレンチ25の間のメサ形状部分210の幅Wmが低減するほど、n型半導体層21中のアノード電極23直下の領域中の最大電界強度が低減する。n型半導体層21中のアノード電極23直下の領域中の最大電界強度を低く抑えるためには、メサ形状部分210の幅Wmが5μm以下であることが好ましい。一方、メサ形状部分210の幅が小さいほどトレンチ25の製造難度が上がるため、メサ形状部分210の幅Wmが0.25μm以上であることが好ましい。
As the width Wm of the mesa-shaped
アノード電極23は、アノード電極23のn型半導体層21と接触する部分がn型半導体層21とショットキー接触する材料からなる。すなわち、アノード電極23が単層構造を有する場合はその全体がn型半導体層21とショットキー接触する材料からなり、多層構造を有する場合は少なくともn型半導体層21と接触する層がn型半導体層21とショットキー接触する材料からなる。 The anode electrode 23 is made of a material that makes Schottky contact with the n-type semiconductor layer 21 at the portion of the anode electrode 23 that is in contact with the n-type semiconductor layer 21. That is, when the anode electrode 23 has a single-layer structure, the entire anode electrode 23 is made of a material that makes Schottky contact with the n-type semiconductor layer 21, and when the anode electrode 23 has a multi-layer structure, at least the layer that makes Schottky contact with the n-type semiconductor layer 21 is made of a material that makes Schottky contact with the n-type semiconductor layer 21.
ショットキーダイオード2の立ち上がり電圧を小さくするためには、アノード電極23のn型半導体層21と接触する部分がFe(鉄)、Cu(銅)、Mo(モリブデン)、又はW(タングステン)からなることが好ましい。 To reduce the turn-on voltage of the Schottky diode 2, it is preferable that the portion of the anode electrode 23 that contacts the n-type semiconductor layer 21 is made of Fe (iron), Cu (copper), Mo (molybdenum), or W (tungsten).
アノード電極23のn型半導体層21と接触する部分がMo又はWからなる場合、ショットキーダイオード2の立ち上がり電圧は0.4V以上かつ0.6V以下となる。アノード電極23のn型半導体層21と接触する部分がFeからなる場合は、ショットキーダイオード2の立ち上がり電圧は0.4V以上かつ0.7V以下となる。また、アノード電極23のn型半導体層21と接触する部分がCuからなる場合、ショットキーダイオード2の立ち上がり電圧は0.6V以上かつ0.9V以下となる。 When the part of the anode electrode 23 in contact with the n-type semiconductor layer 21 is made of Mo or W, the turn-on voltage of the Schottky diode 2 is 0.4 V or more and 0.6 V or less. When the part of the anode electrode 23 in contact with the n-type semiconductor layer 21 is made of Fe, the turn-on voltage of the Schottky diode 2 is 0.4 V or more and 0.7 V or less. When the part of the anode electrode 23 in contact with the n-type semiconductor layer 21 is made of Cu, the turn-on voltage of the Schottky diode 2 is 0.6 V or more and 0.9 V or less.
ショットキーダイオード2においては、メサ形状部分210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分210の幅Wmに依存し、幅Wmが小さくなるほど大きくなる。
In the Schottky diode 2, a potential barrier is formed in the mesa-shaped
ショットキーダイオード2中の電界強度は、上述のように、隣接する2つのトレンチ25の間のメサ形状部分210の幅Wm、トレンチ25の深さD等の影響を受けるが、トレンチ25の平面パターン(p型半導体部材22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21のトレンチ25の平面パターン(p型半導体部材22の平面パターン)は特に限定されない。
As described above, the electric field strength in the Schottky diode 2 is affected by the width W m of the mesa-shaped
カソード電極24は、n型半導体基板20とオーミック接触する。カソード電極24は、Ti等の金属からなる。カソード電極24は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Ti/Au又はTi/Al、を有してもよい。カソード電極24とn型半導体基板20を確実にオーミック接触させるため、カソード電極24のn型半導体基板20と接触する層がTiからなることが好ましい。なお、ショットキーダイオード2がn型半導体基板20を含まない場合は、カソード電極24は、n型半導体層21のアノード電極23と反対側に接続され、n型半導体層21とオーミック接触する。 The cathode electrode 24 is in ohmic contact with the n-type semiconductor substrate 20. The cathode electrode 24 is made of a metal such as Ti. The cathode electrode 24 may have a multilayer structure in which different metal films are stacked, for example, Ti/Au or Ti/Al. In order to ensure that the cathode electrode 24 and the n-type semiconductor substrate 20 are in ohmic contact, it is preferable that the layer of the cathode electrode 24 that is in contact with the n-type semiconductor substrate 20 is made of Ti. Note that when the Schottky diode 2 does not include the n-type semiconductor substrate 20, the cathode electrode 24 is connected to the side of the n-type semiconductor layer 21 opposite to the anode electrode 23 and is in ohmic contact with the n-type semiconductor layer 21.
p型半導体部材22は、第1の実施の形態に係るp型半導体部材17と同様に、サージ対策のために用いられる部材であり、NiZnMgOからなる。NiZnMgOからなるp型半導体部材22は、アクセプター不純物を含まなくてもよいが、Liなどのアクセプター不純物を含むと導電率が向上するため好ましい。NiZnMgOからなるp型半導体部材22は、例えば、NiOターゲット、MgOターゲット、及びZnOターゲットを用いる高周波スパッタリングにより形成される。高周波スパッタリングは、製造コストの点で他の製法より好ましい。 The p-type semiconductor member 22 is a member used for surge protection, similar to the p-type semiconductor member 17 according to the first embodiment, and is made of NiZnMgO. The p-type semiconductor member 22 made of NiZnMgO does not need to contain acceptor impurities, but it is preferable to contain acceptor impurities such as Li, as this improves electrical conductivity. The p-type semiconductor member 22 made of NiZnMgO is formed, for example, by high-frequency sputtering using a NiO target, an MgO target, and a ZnO target. High-frequency sputtering is preferable to other manufacturing methods in terms of manufacturing costs.
p型半導体部材22の価電子帯の上端のエネルギーは、n型半導体層21を構成するGa2O3系半導体の価電子帯の上端のエネルギーに2eVを加えたエネルギー以下であるため、p型半導体部材22を用いることにより、ショットキーダイオード2をオンにする際に生じ得るサージ電流(突入電流、始動電流などとも呼ばれる)発生時にドリフト層の抵抗を下げることができ、発熱や破損を抑制することができる。 The energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 22 is equal to or less than the energy of the upper end of the valence band of the Ga2O3 - based semiconductor constituting the n-type semiconductor layer 21 plus 2 eV. Therefore, by using the p-type semiconductor member 22, the resistance of the drift layer can be reduced when a surge current (also called an inrush current or a starting current) occurs when the Schottky diode 2 is turned on, and heat generation and damage can be suppressed.
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が大きい。このため、ショットキーダイオード2がオンになる電圧でp型半導体部材22とn型半導体層21で構成されるpnダイオード部分がオンしないような設計にすることができる。例えば、ショットキーダイオード2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。 Normally, a pn diode has a higher on-voltage than a Schottky diode. For this reason, it is possible to design the pn diode portion, which is made up of the p-type semiconductor member 22 and the n-type semiconductor layer 21, so that it does not turn on at the voltage that turns on the Schottky diode 2. For example, the on-voltage of the Schottky diode 2 can be set to about 1 V, and the on-voltage of the pn diode portion can be set to about 2 V.
これによって、ショットキーダイオード2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、突入電流発生時はショットキーダイオード2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型半導体部材22からn型半導体層21へ正孔が注入される。 As a result, the pn diode portion does not turn on during normal operation of the Schottky diode 2, enabling the inherent high-speed operation of a Schottky diode. On the other hand, when an inrush current occurs, the voltage of the Schottky diode 2 rises and reaches a voltage at which the pn diode portion turns on, and holes are injected from the p-type semiconductor member 22 into the n-type semiconductor layer 21.
そのとき、カソード電極24からn型半導体層21へはその注入された正孔と同じ数の電子が注入され、ドリフト層の抵抗が大幅に減少する。このため、突入電流という大電流がショットキーダイオード2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、突入電流によるショットキーダイオード2の損傷を防ぐことができる。 At that time, the same number of electrons as the injected holes are injected from the cathode electrode 24 into the n-type semiconductor layer 21, and the resistance of the drift layer is greatly reduced. As a result, a large current called an inrush current flows through the Schottky diode 2, but the voltage rise is suppressed, so the temperature rise is suppressed and damage to the Schottky diode 2 due to the inrush current can be prevented.
また、p型半導体部材22の価電子帯の上端のエネルギーが、n型半導体層21を構成するGa2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギー以下である場合は、p型半導体部材22からn型半導体層21への正孔の移動が容易になるため、突入電流への耐性をより高めることができる。 Furthermore, when the energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 22 is equal to or lower than the energy of the upper end of the valence band of the Ga2O3 - based single crystal constituting the n-type semiconductor layer 21, holes can easily move from the p-type semiconductor member 22 to the n-type semiconductor layer 21, thereby making it possible to further improve resistance to inrush current.
(ショットキーダイオードの製造方法)
以下に、ショットキーダイオード2の製造方法の一例を示す。
(Manufacturing method of Schottky diode)
An example of a method for manufacturing the Schottky diode 2 will be described below.
まず、n型半導体基板20上に、VPE法によりドナーとしてのSiを含むGa2O3系単結晶をエピタキシャル成長させ、厚さ5mm程度、Si濃度6×1015cm-3程度のn型半導体層21を形成する。 First, a Ga 2 O 3 based single crystal containing Si as a donor is epitaxially grown on an n-type semiconductor substrate 20 by the VPE method to form an n-type semiconductor layer 21 having a thickness of about 5 mm and a Si concentration of about 6×10 15 cm −3 .
次に、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いてn型半導体層21のn型半導体基板20と反対側の面26にトレンチ25を形成する。
Next, a trench 25 is formed on the
次に、電子ビーム蒸着により、n型半導体基板20の底面にTi/Au積層構造等を有するカソード電極24を形成する。その後、加熱処理を施して、カソード電極24とn型半導体基板20の間のコンタクト抵抗を減少させる。 Next, a cathode electrode 24 having a Ti/Au laminated structure or the like is formed on the bottom surface of the n-type semiconductor substrate 20 by electron beam evaporation. Then, a heat treatment is performed to reduce the contact resistance between the cathode electrode 24 and the n-type semiconductor substrate 20.
次に、高周波スパッタリングにより、n型半導体層21の面26の全面に、トレンチ25を埋め込める程度の厚さのノンドープもしくはLiが添加されたNiZnMgO膜を堆積させる。
Next, a non-doped or Li-doped NiZnMgO film is deposited by radio frequency sputtering over the
次に、n型半導体層21の隣接するトレンチ25の間のメサ形状部分210が露出するまで、RIEによりNiZnMgO膜をエッチングする。
Next, the NiZnMgO film is etched by RIE until the mesa-shaped
次に、電子ビーム蒸着により、n型半導体層21の面26上にMo/Au積層構造を有するアノード電極23を形成する。アノード電極23は、リフトオフにより、円形等の所定の形状にパターニングされる。
Next, an anode electrode 23 having a Mo/Au laminated structure is formed on the
(実施の形態の効果)
上記実施の形態によれば、高耐圧かつ低損失であり、かつサージ電流への耐性に優れたGa2O3系のショットキーダイオードを提供することができる。
(Effects of the embodiment)
According to the above embodiment, it is possible to provide a Ga 2 O 3 based Schottky diode that has high breakdown voltage, low loss, and excellent resistance to surge current.
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特許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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the gist of the invention. Furthermore, the embodiment described above does not limit the invention related to the claims. It should be noted that not all of the combinations of features described in the embodiment are necessarily essential to the means for solving the problem of the invention.
1、2…ショットキーダイオード、 10、20…n型半導体基板、 11、21…n型半導体層、 12、25…トレンチ、 13、23…アノード電極、 14、24…カソード電極、 15…トレンチ絶縁膜 16…アノード電極、 17、22…p型半導体部材 1, 2... Schottky diode, 10, 20... n-type semiconductor substrate, 11, 21... n-type semiconductor layer, 12, 25... trench, 13, 23... anode electrode, 14, 24... cathode electrode, 15... trench insulating film 16... anode electrode, 17, 22... p-type semiconductor member
Claims (3)
前記n型半導体層の隣接する前記トレンチの間のメサ形状領域に接続されたアノード電極と、
絶縁膜に覆われた状態で前記複数のトレンチのそれぞれに埋め込まれ、前記アノード電極に電気的に接続されたトレンチアノード電極と、
前記n型半導体層の前記アノード電極と反対側に直接又は間接的に接続されたカソード電極と、
前記メサ形状領域の一部及び前記アノード電極に接続された、NiZnMgOからなるp型半導体部材と、
を備えた、ショットキーダイオード。 An n-type semiconductor layer made of Ga2O3 -based single crystal and having a plurality of trenches opening on one surface thereof;
an anode electrode connected to a mesa-shaped region between adjacent trenches of the n-type semiconductor layer;
a trench anode electrode that is embedded in each of the trenches while being covered with an insulating film and is electrically connected to the anode electrode;
a cathode electrode connected directly or indirectly to the n-type semiconductor layer on the opposite side to the anode electrode;
a p-type semiconductor member made of NiZnMgO connected to a part of the mesa-shaped region and to the anode electrode;
A Schottky diode having
前記トレンチ内に埋め込まれた、NiZnMgOからなるp型半導体部材と、
前記n型半導体層の隣接する前記トレンチの間のメサ形状領域、及び前記p型半導体部材に接続されたアノード電極と、
前記n型半導体層の前記アノード電極と反対側に直接又は間接的に接続されたカソード電極と、
を備えた、ショットキーダイオード。 An n-type semiconductor layer made of Ga2O3 -based single crystal and having a plurality of trenches opening on one surface thereof;
A p-type semiconductor member made of NiZnMgO embedded in the trench;
an anode electrode connected to a mesa-shaped region between adjacent trenches of the n-type semiconductor layer and to the p-type semiconductor member;
a cathode electrode connected directly or indirectly to the n-type semiconductor layer on the opposite side to the anode electrode;
A Schottky diode having
請求項1又は2に記載のショットキーダイオード。 The energy of the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member is equal to or lower than the energy of the upper end of the valence band of the Ga 2 O 3 -based single crystal;
3. The Schottky diode according to claim 1 or 2.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100308297A1 (en) | 2009-06-03 | 2010-12-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Heterojunction diode, method of manufacturing the same, and electronic device including the heterojunction diode |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100308297A1 (en) | 2009-06-03 | 2010-12-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Heterojunction diode, method of manufacturing the same, and electronic device including the heterojunction diode |
| JP2017017699A (en) | 2015-06-29 | 2017-01-19 | ノースロップ グラマン システムス コーポレーションNorthrop Grumman Systems Corporation | Multiferroic surface acoustic wave antenna |
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| JP2019036593A (en) | 2017-08-10 | 2019-03-07 | 株式会社タムラ製作所 | diode |
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