JP5565895B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
〔接合素子の構成〕
始めに、図1を参照して、本発明の第1の実施形態となる接合素子の構成について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態となる接合素子の構成を示す模式図である。
次に、図2(a)〜(d)を参照して、本発明の第1の実施形態となる接合素子1の動作原理について説明する。図2(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態となる接合素子1のエネルギーバンド図を示し、図中の黒丸及び白丸はそれぞれ伝導に関与する電子及び正孔を示す。
〔接合素子の構成〕
次に、図3を参照して、本発明の第2の実施形態となる接合素子の構成について説明する。図3は、本発明の第2の実施形態となる接合素子の構成を示す模式図である。
(b)半導体層3:B(ホウ素),3.5×1018/cm3,0.7μm
(c)半導体層7:B(ホウ素),4×1020/cm3,1.4μm
〔接合素子の製造方法〕
次に、図4を参照して、本発明の第2の実施形態となる接合素子10の製造方法について説明する。図4は、本発明の第2の実施形態となる接合素子10の製造方法の流れを示す断面工程図である。
図5は、上述の製造方法により製造された接合素子10のIV特性(メサ直径70μm)を示す。なお図中、縦軸は電流の絶対値の対数を示す。図に示す通り、印加電圧V=0〜−4[V]の間は、電流値は、測定器の検出限界以下であり、測定することができなかった。このことから、極めて良好な整流特性が得られることが確認された。なお印加電圧V=±4Vでの整流比を計算すると、接合素子10の整流比は約12桁を達成している。この値は非特許文献1で記載された通常のpn接合ダイオードの整流比と比べると2桁以上高い値を示す。
〔接合素子の構成〕
第2の実施形態となる接合素子では、オーミックコンタクトを得やすくするために第2半導体層としての半導体層3の下に半導体層7を設けた。このため第2の実施形態となる接合素子では、主に半導体層3の抵抗成分によって順方向動作時の電流密度が規定された。そこで本実施形態では、半導体層3と半導体層7を一体化して半導体層7を第2半導体層とすることにより、第2半導体層の抵抗を下げ、より大きな電流密度を実現する。以下、図8を参照して、本発明の第3の実施形態となる接合素子の構成について説明する。図8は、本発明の第3の実施形態となる接合素子の構成を示す模式図である。
(b)半導体層7:B(ホウ素),5×1020/cm3,5μm
半導体層7としては、フェルミ準位が価電子帯と縮退していなければ、一般的なp型半導体の伝導特性を示すものだけでなく、ホッピング伝導や不純物バンド伝導を示すものを用いても良い。半導体層7のフェルミ準位が価電子帯と縮退した場合、半導体層7は金属的な伝導特性を示し、pnダイオードを形成することができない。これに対して、半導体層7のフェルミ準位が価電子帯と縮退していない場合には、ホッピング伝導や不純物バンド伝導であってもpnダイオードを形成することができる。ダイヤモンドは、誘電率が5.7と低い(シリコンの誘電率の約半分)ために、ホウ素のアクセプター準位は360meVと深い。従ってホウ素濃度が5×1020/cm3の時の伝導特性はホウ素原子を介したホッピング伝導を示すが、フェルミ準位はまだ価電子帯と縮退していない。このため、ダイヤモンドの場合、ホウ素濃度が5×1020/cm3と高濃度である半導体層7であっても半導体層2とpn接合を形成することができる。電極層4,5としてはそれぞれ適した材料を自由に選んで良いが、前記実施形態と同様に同じ材料を用いることもできる。同一電極材料の一例としては、チタン(Ti)を例示することができる。チタンは、半導体層7に対しては良好なオーミックコンタクトを示し、半導体層2に対しては理想的な整流性を示す。
本発明の第3の実施形態となる接合素子20の製造方法は、半導体層3を形成する工程を除いた以外は上記第2の実施形態となる接合素子10の製造方法と同じであるので、以下ではその説明を省略する。
図9は、上述の製造方法により製造された接合素子20のIV特性(メサ直径70μm)を示す。なお図中、縦軸は電流の絶対値の対数を示す。図に示す通り、極めて良好な整流特性(V=±4Vで12桁以上)が得られていることがわかる。また逆バイアスが6Vまででリーク電流は10−13A以下に抑えつつ、順バイアスの3Vで電流は既に10−2Aに達しており、第1の実施形態の接合素子の電流(順バイアス3Vで約10−3A,図6参照)よりも約1桁大きい電流を実現している。さらに本接合素子20のオン抵抗率RONSは0.1mΩcm2以下であり、順バイアス4Vでの電流密度Jは3200A/cm2に達した。このように本発明の第3の実施形態となる接合素子20によれば、整流比,オン抵抗率,及び電流密度のいずれも第1の実施形態となる接合素子の性能を上回る値を実現した。
〔接合素子の構成〕
次に、図10を参照して、本発明の第4の実施形態となる接合素子の構成について説明する。図10は、本発明の第4の実施形態となる接合素子の構成を示す模式図である。
次に、図11を参照して、本発明の第4の実施形態となる接合素子30の製造方法について説明する。図11は、本発明の第4の実施形態となる接合素子30の製造方法の流れを示す断面工程図である。
上記の製造方法により作製された接合素子30の電気特性を測定したところ、第1の実施形態の接合素子1と変わらぬ良好な整流特性が得られた。またその順方向特性を詳細に解析した所、オン抵抗率RONSは0.5mΩcm2、電流密度Jは4000A/cm2となり、第1の実施形態の接合素子1を凌ぐ性能が得られることが知見された。上述の第2の実施形態となる接合素子10は電極層5を基板6の表面側に配置した構成であるために、基板6表面を有効活用することができない。また電極層5から流入した電流が半導体層7を経由して基板面に平行に伝導する構成であるために、電極層5のコンタクト抵抗と半導体層7の抵抗成分が高くなる。これに対し本実施形態では、電極層5が基板9の裏面側に配置されているので、基板6表面を有効活用することができる。また電極層5から入った電流は基板9及びpn接合に垂直、且つ、一様に侵入するので電極層5のコンタクト抵抗や基板9の抵抗成分が高くなることを防止できる。
〔接合素子の構成〕
次に、図12を参照して、本発明の第5の実施形態となる接合素子の構成について説明する。図12は、本発明の第5の実施形態となる接合素子の構成を示す模式図である。
次に、図13を参照して、本発明の第5の実施形態となる接合素子40の製造方法について説明する。図13は、本発明の第5の実施形態となる接合素子40の製造方法の流れを示す断面工程図である。
上記の製造方法により作製された接合素子40の電気特性を測定した所、ダイヤモンド半導体装置と同様、通常のSiC−pnダイオードに比べて極めて低いオン抵抗と大電流密度が得られた。
2:半導体層(第1半導体層)
3:半導体層(第2半導体層)
4:電極層(第1電極)
5:電極層(第2電極)
Claims (11)
- 第1不純物濃度の不純物を有する、第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に接合し、前記第1不純物濃度より高い第2不純物濃度の不純物を有する、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層に整流性接触する第1電極と、
前記第2半導体層にオーミック接触する第2電極と
を備え、
前記第1半導体層の伝導不純物のエネルギー準位が当該半導体装置の動作温度に対応する熱励起エネルギーよりも深い位置にあることを特徴とする半導体装置。 - 基板と、
前記基板の表面全面に配設された、第2不純物濃度の不純物を有する、第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の表面にメサ状に積層された、前記第2不純物濃度より低い第1不純物濃度の不純物を有する、前記第2導電型とは異なる第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に整流性接触する第1電極と、
前記第2半導体層にオーミック接触する第2電極と
を備え、
前記第1半導体層の伝導不純物のエネルギー準位が当該半導体装置の動作温度に対応する熱励起エネルギーよりも深い位置にあることを特徴とする半導体装置。 - 基板と、
前記基板の表面全面に配設された、第3不純物濃度の不純物を有する、第2導電型の第3半導体層と、
前記第3半導体層の表面にメサ状に順次積層された、前記第3不純物濃度より低い第2不純物濃度の不純物を有する、第2導電型の第2半導体層、及び前記第2不純物濃度より低い第1不純物濃度の不純物を有する、第2導電型とは異なる第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に整流性接触する第1電極と、
前記第3半導体層にオーミック接触する第2電極と
を備え、
前記第1半導体層の伝導不純物のエネルギー準位が当該半導体装置の動作温度に対応する熱励起エネルギーよりも深い位置にあることを特徴とする半導体装置。 - 第3不純物濃度の不純物を有する、第2導電型の基板と、
前記基板の表面側にメサ状に順次積層された、前記第3不純物濃度より低い第2不純物濃度の不純物を有する、第2導電型の第2半導体層、及び前記第2不純物濃度より低い第1不純物濃度の不純物を有する、第2導電型とは異なる第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層に整流性接触する第1電極と、
前記基板にオーミック接触する第2電極と、
を備え、
前記第1半導体層の伝導不純物のエネルギー準位が当該半導体装置の動作温度に対応する熱励起エネルギーよりも深い位置にあることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1乃至請求項4のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1不純物濃度は前記第2不純物濃度より少なくとも一桁以上低いことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1半導体層の厚みL1が、熱的平衡状態において、前記第1電極の整流性接触が第1半導体層に形成する空乏層の幅をWSB、第1半導体層と第2半導体層の双極性接合が第1半導体層側に形成する空乏層の幅をWPN1とするとき、L1≦WSB+WPN1を満足することを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、ダイヤモンド(C)、炭化珪素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、チッ化アルミニウム(AlN)、及びチッ化ホウ素(BN)の中から選ばれた1つを主材料として構成されていることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、常温以下の低温で動作することを意図して製造された炭化珪素(SiC)、チッ化ガリウム(GaN)、ガリウム砒素(GaAs)、シリコン(Si)、及びゲルマニウム(Ge)のいずれかを主材料として構成されていることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至請求項8のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1電極と前記第2電極が同一電極材料により形成されていることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至請求項9のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1電極及び/又は前記第2電極がチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、白金(Pt)から選ばれた1つの元素、又はこれら元素のうちの1つを含む2元素以上からなる合金、又は、これら元素の炭化物、窒化物、及び珪化物から選ばれた1つにより構成されていることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1乃至請求項10のうち、いずれか1項に記載の半導体装置において、前記第1半導体層の禁制帯幅が前記第2半導体層の禁制帯幅より小さいことを特徴とする半導体装置。
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