JP2022069742A - 酸化ガリウムダイオード - Google Patents

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Abstract

Figure 2022069742000001
【課題】電極の酸化による信頼性の低下を回避することのできる構造を有する、Ｇａ２Ｏ３を半導体層に用いた酸化ガリウムダイオードを提供する。
【解決手段】一実施の形態として、ｎ型のＧａ２Ｏ３層１０と、Ｇａ２Ｏ３層１０に積層されたｎ型の酸化物半導体層１１と、酸化物半導体層１１とオーミック接合を形成するアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３層１０とオーミック接合を形成するカソード電極１３と、を備え、酸化物半導体層１１の電子親和力が、Ｇａ２Ｏ３層１０の酸化物半導体層１１と接触する部分の電子親和力よりも大きく、Ｇａ２Ｏ３層１０と酸化物半導体層１１の接合部における伝導帯下端のオフセットにより整流性が確保された、酸化ガリウムダイオード１を提供する。
【選択図】図１

Description

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

Claims (8)

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