JP5294238B2 - 電子素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板上に水素吸蔵性のある金属からなるショットキー電極を有する電子素子に関する。

従来、ダイオード及びＦＥＴにおいては、高い仕事関数を持つＰｔ等の水素吸蔵性のある金属からなるショットキー電極として直接、半導体上に作製する構造の素子が主に使用されている。しかしながら、このような構造の素子は温度や周辺の雰囲気に対して、特性が大きく変動することが問題になっている。

本発明はこのような問題を解決することを目的とする。

本発明１の電子素子は、上記目的を達成するために、水素含有ガス雰囲気下で使用可能なＭＩＳ構造化されたショットキーダイオードであって、半導体基板上にショットキー電極及びオーミック電極が設けられており、前記ショットキー電極は、水素吸蔵性かつ高仕事関数の金属であるＰｔ又はＰｄからなり、その厚さは２５ｎｍ以下であり、前記半導体基板と前記ショットキー電極との間に窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）薄膜が設けられており、その厚さは０．５ｎｍから１０ｎｍであることを特徴とする。

本発明は、上記構成により金属／絶縁膜／半導体構造を導入し、さらには絶縁膜の種類を最適化することによって、素子の動作雰囲気や温度に対して、素子特性の変動を抑えることができた。
その結果、
１）雰囲気ガス（特に水素）に依存した素子特性の変動を抑える、
２）高温動作時にショットキー電極からの電流リークを減少させることで素子の安定化に貢献する、という二点の効果を実現することができた。

１）ショットキーダイオードをＭＩＳ構造化すると、ショットキー電極からのリーク電流を抑制可能なために、高温などの過酷な環境においても、素子を安定に動作することができることは一般的に知られている。従って、実施例を示す図１の構造のデバイスが、実施例図２、３、表１、２、３に示すように、高い雰囲気安定特性を持つと同時に、高温において、安定的なデバイス動作を可能にする。

２）実施例図１はショットキーダイオードのＭＩＳ構造化に関するものであるが、ＨＥＭＴ型ＦＥＴにおいて、ゲート電極をＭＩＳ構造化した際にも、同様の効果が予測できる。すなわち、本技術をＨＥＭＴに適用することで、高い雰囲気安定特性を持つと同時に、高温において、安定動作可能なデバイスを実現する。

３）実施例図１は、半導体材料として窒化物系半導体材料（ＧａＮ）を使用している。しかしながら、半導体材料として他の窒化物系半導体材料（ＡｌＧａＮ， ＡｌＩｎＮなど）やＳｉＣ， Ｓｉなどの窒化物系以外の半導体材料に対しても、同様の効果が予測できる。

４）実施例は、電極金属としてＰｔを使用している。しかしながら、Ｐｄなどの高仕事関数を持つ水素吸蔵性のある金属は、同様の効果が予測できる。
５）本発明を構成する絶縁膜は、厚さが１０ｎｍ以下０．５ｎｍ以上であるのが好ましい。これは、絶縁膜の厚さが１０ｎｍ以上の場合、素子に流れる電流が小さくなるので望ましくない。また、絶縁膜の厚さが０．５ｎｍ以下の場合、絶縁膜による素子特性安定性の効果が薄れてしまうためである。実施例では、ショットキー電極、オーミック電極はＥＢ蒸着法で作成したが、スパッタリング法での電極製造も可能である。

以下の、本実施例の構造および製造方法を詳しく説明する。図１に示す構造のデバイスは、厚さ０．４３ｍｍのｃ面サファイア基板上にＭＯＣＶＤによって製膜された２．０μｍの厚さのｎ型ＧａＮを半導体材料として用いる。この半導体材料上に、フォトリソグラフィーとＥＢ蒸着装置を用いてＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（４０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）からなるオーミック電極を形成した後に、窒素雰囲気中で７５０℃、３０秒の電極シンター処理を行った。次に、ＲＦスパッタ装置を用いて半導体材料上に１０ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄を形成した。この際、アルゴンを１０ｓｃｃｍ流し、チャンバーの圧力を３ｍＴｏｒｒに保ち、プラズマのパワーを１００Ｗにして、１０分間の蒸着を行った。その後、フォトリソグラフィーとＥＢ蒸着装置を用いてＰｔ（２５ｎｍ）からなるショットキー電極を形成した。ショットキー電極とオーミック電極はリング状に配置されており、ショットキー電極の直径は３００μｍ、ショットキー電極とオーミック電極との距離は２０μｍである。

図１に示すように、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）を取り入れたＭＩＳ型ダイオード構造を用いることで、図２、３及び表１、２、３に示すように、素子特性の雰囲気ガス（本実験では水素ガス）依存性を完全に除去することができた。前記本実施例による水素感度の検査結果を図２、３及び表１、２、３に示す。なお、表１は図２、３を作成した測定結果から、表２は図２を作成した測定結果から、表３は図３を作成した測定結果から作成した。感度検査は以下の条件で行った。ステンレス製チャンバー内に素子を入れ、室温において、窒素希釈の１％水素ガスを２００ｍｌ／ｍｉｎの流量で２５分流して、素子の電流−電圧特性の変化をＫｅｉｔｈｌｅｙ ２６０２ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｕｒｃｅ ｍｅｔｅｒを用いて計測した。
表２（図２を作成した測定結果から作成）および図２から、通常の構造のショットキー接合は、水素雰囲気下においては、電流−電圧特性が大きく変化するのに対して、図１の構造を用いると、表３（図３を作成した測定結果から作成）および図３に示すように、水素雰囲気下においても、電流−電圧特性がほとんど変化しない。

実用上、電子デバイスの特性変化が生じることは望ましくない。特に、素子温度および動作雰囲気に対して、特性変化が生じると、システムの信頼性の点から大きな問題となりうる。本発明は、電極と半導体材料の間に窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）薄膜を挿入することで上記の問題を一度に解決することが可能である。

本発明の実施例を示すＭＩＳ型ダイオードの構造模式図 従来のショットキーダイオードの水素応答特性を示すグラフ 本発明の実施例に示すＭＩＳ型ダイオードの水素応答特性を示すグラフ

Claims (1)

1. 水素含有ガス雰囲気下で使用可能なＭＩＳ構造化されたショットキーダイオードであって、
   半導体基板上にショットキー電極及びオーミック電極が設けられており、
   前記ショットキー電極は、水素吸蔵性かつ高仕事関数の金属であるＰｔ又はＰｄからなり、その厚さは２５ｎｍ以下であり、
   前記半導体基板と前記ショットキー電極との間に窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）薄膜が設けられており、その厚さは０．５ｎｍから１０ｎｍであることを特徴とするＭＩＳ構造化されたショットキーダイオード。