JP6856193B2 - ショットキーバリアダイオードの製造方法 - Google Patents

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本発明は、ショットキーバリアダイオードの製造方法に関する。
従来、Ga単結晶にPtからなるショットキー電極が接続され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、非特許文献1参照)。非特許文献1に記載されたショットキーバリアダイオードの立ち上がり電圧(順方向電圧)は1.23Vである。
また、従来、Ga単結晶基板にPtからなるショットキー電極が接続された紫外線センサーが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、Ga単結晶基板にPtを蒸着した後、熱処理を施すことが開示されている。
また、従来、Ga単結晶上にNi/Au積層構造を有するショットキー電極が接続され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、非特許文献2参照)。
特開2009−260059号公報
Kohei Sasaki et al., "Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Fabricated by Using Single-Crystal β-Ga2O3 (010) Substrates", IEEE Electron Device Letters, April 2013, Vol. 34, No. 4, pp. 493-495. Toshiyuki Oishi et al., "Conduction mechanism in highly doped β-Ga2O3 (-201) single crystals grown by edge-defined film-fed growth method and their Schottky barrier diodes", Japanese Journal of Applied Physics, 2016, 55, 030305.
ショットキーバリアダイオードの損失は、立ち上がり電圧と微分オン抵抗によって決まる。すなわち、立ち上がり電圧と微分オン抵抗を低減することにより、ショットキーバリアダイオードの損失を低減することができる。
特許文献1によれば、開示された紫外線センサーの電流−電圧特性から、Ptの蒸着後の熱処理によってショットキー接合の立ち上がり電圧が低下する可能性があることが読み取れる。しかしながら、電流値が立ち上がった後の微分オン抵抗が極めて高く、特許文献1の紫外線センサーをショットキーバリアダイオードとして用いることは困難である。
具体的には、例えば、一般的なショットキーバリアダイオードの場合、1〜2V程度の電圧を印加したときに100A/cm程度の電流が流れなければならないところ、特許文献1の紫外線センサーにおいては1〜2V程度の電圧を印加したときに流れる電流が1A/cmにも満たない。
また、非特許文献2のショットキーバリアダイオードにおいては、上述のように、ショットキー電極のGa単結晶とショットキー接合を形成する層にNiが用いられている。しかしながら、Niは酸化しやすいため、ショットキー電極のNiとGa単結晶が反応しやすく、時間の経過とともに界面にNiO膜が形成されて、デバイス特性が劣化するおそれがある。
また、ショットキーバリアダイオードの立ち上がり電圧は、低いほど順方向損失が小さくなるが、一方で逆方向リーク電流が大きくなるため、低すぎても問題がある。本発明者らがデバイスシミュレーションを行った結果、Gaを用いたショットキーバリアダイオード、特にトレンチMOS型ショットキーバリアダイオードの場合、立ち上がり電圧を0.6〜0.9V程度、好ましくは0.6〜0.7V程度にすることで、逆方向リーク電流が小さく、かつ順方向損失の小さいデバイスを実現できることがわかった。しかしながら、Gaに対して、このような範囲の立ち上がり電圧が得られ、かつオン抵抗が十分に小さくなるような電極を形成する方法は知られていなかった。
このため、本発明の目的は、Ga系半導体から構成されるショットキーバリアダイオードであって、ショットキー電極とGa系半導体の反応が抑制され、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリア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]〜[]のショットキーバリアダイオードの製造方法を提供する。
[1]Ga系単結晶からなる半導体層上に、Pt層を含むショットキー電極を前記Pt層が前記半導体層に接触するように形成する工程と、前記ショットキー電極を形成した後、350℃以上かつ650℃以下の熱処理を施す工程と、を含み、前記熱処理を施す工程における前記熱処理の温度を450℃以上かつ550℃以下とすることにより、前記立ち上がり電圧を0.6V以上かつ0.7V以下に制御し、前記熱処理を施す工程における前記熱処理の温度を350℃以上かつ450℃以下又は550℃以上かつ650℃以下とすることにより、前記立ち上がり電圧を0.7V以上かつ0.9V以下に制御する、ショットキーバリアダイオードの製造方法。
]前記Pt層が10nm以上の厚さを有する、前記[1]に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。
本発明によれば、Ga系半導体から構成されるショットキーバリアダイオードであって、ショットキー電極とGa系半導体の反応が抑制され、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリア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、実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの垂直断面図である。 図2は、ショットキー電極の形成における熱処理の温度と試料の順方向特性との関係を示すグラフである。 図3は、熱処理の温度と図2から読み取られた立ち上がり電圧との関係を示すグラフである。
〔実施の形態〕
(ショットキーバリアダイオードの構成)
図1は、実施の形態に係るショットキーバリアダイオード1の垂直断面図である。ショットキーバリアダイオード1は、縦型のショットキーバリアダイオードであり、半導体層10と、半導体層10の一方の面上に形成されたアノード電極としてのショットキー電極11と、半導体層10の他方の面上に形成されたカソード電極としてのオーミック電極12と、を有する。
半導体層10は、Ga系単結晶からなる平板状の部材であり、典型的にはGa系基板である。半導体層10は、アンドープ(意図的にドーピングされていない)でもよいし、Si、Sn等のドーパントを含んでもよい。半導体層10のキャリア濃度は、例えば、1×1015cm−3以上かつ1×1018cm−3以下であることが好ましい。
ここで、Ga系単結晶とは、Ga単結晶、又は、Al、In等の元素が添加されたGa単結晶をいう。例えば、Al及びInが添加されたGa単結晶である(GaAlIn(1−x−y)(0<x≦1、0≦y<1、0<x+y≦1)単結晶であってもよい。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Ga単結晶は、例えば、β型の結晶構造を有する。
半導体層10の厚さは、ショットキーバリアダイオード1の十分な耐圧特性を確保するために、100nm以上であることが好ましい。ショットキーバリアダイオード1の耐圧は、半導体層10の厚さ及びキャリア濃度によって決定される。なお、半導体層10の厚さの上限は特に限定されないが、厚さの増加に伴って厚さ方向の電気抵抗が増加するため、要求される耐圧特性が得られる範囲でなるべく薄くすることが好ましい。
また、半導体層10は、2層以上のGa系単結晶層からなる多層構造を有してもよい。この場合、例えば、半導体層10は、Ga系単結晶基板と、その上にエピタキシャル成長するGa系単結晶膜から構成される。Ga系単結晶膜にショットキー電極11が接続され、Ga系単結晶基板にオーミック電極12が接続される場合、例えば、Ga系単結晶膜のキャリア濃度が1×1015cm−3以上かつ1×1017cm−3以下に設定され、Ga系単結晶基板のキャリア濃度が1×1017cm−3以上かつ4×1019cm−3以下に設定される。
ショットキー電極11は、Pt層を含む。すなわち、Pt層から構成される単層構造、及びPt/Ti/Au等のPt層を含む多層構造を有する。いずれの場合も、ショットキー電極11のPt層が半導体層10に接合され、ショットキー接合を形成する。
Ptは酸化しにくい材料であるため、ショットキー電極11のPt層は半導体層10と反応しにくい。このため、Ni等のGa系単結晶と反応しやすい材料からなる電極を用いる場合と比べて、時間の経過によるデバイス特性の劣化を抑えることができる。
ショットキー電極11のPt層は、10nm以上の厚さを有することが好ましい。厚さが10nmに満たない場合、ピンホールが発生して良好な整流性が得られなくなるおそれがある。ショットキー電極11のPt層の厚さが10nm以上であれば、良好な整流性が得られ、電流値が立ち上がった後の微分オン抵抗が小さくなる。
また、ショットキー電極11のPt層の厚さの上限については、素子の性能面からの制約はない。しかしながら、Ptは蒸気圧の低い金属であるため、蒸着によって厚い膜を形成するのは困難である。また、Ptは高価であるため、製造コストの点からも薄い方が好ましい。このため、ショットキー電極11のPt層は、100nm以下の厚さを有することが好ましい。
ショットキー電極11がPt/Ti/Au積層構造を有する場合、Ti層はPt層とAu層の密着性を向上させる目的で用いられ、Au層は電極自体の配線抵抗を低減するために用いられる。Ti層は、Pt層とAu層を十分に密着させるため、5nm以上の厚さを有することが好ましい。Au層の厚さは、配線抵抗を下げるためには厚いほどよいが、製造コストの点から5000nm以下であることが好ましい。
ショットキー電極11は、真空蒸着等により半導体層10上にショットキー電極11を構成する金属の膜を形成した後、350℃以上かつ650℃以下の熱処理を施すことにより形成される。
この350℃以上かつ650℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧が0.6V以上かつ0.9V以下のショットキーバリアダイオード1が得られる。熱処理温度が350℃に満たないと、熱処理による立ち上がり電圧低減の効果はほとんど得られない。また、ショットキー電極11がPt/Ti/Auのような積層構造を有する場合、熱処理温度が650℃を超えると、Ptが他の金属(例えば、TiやAu)と反応して整流性が得られなくなるおそれがある。
より細かくは、450℃以上かつ550℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧が0.6V以上かつ0.7V以下のショットキーバリアダイオード1が得られ、350℃以上かつ450℃以下又は550℃以上かつ650℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧が0.7V以上かつ0.9V以下のショットキーバリアダイオード1が得られる。
オーミック電極12は、Ti等の金属からなり、半導体層10とオーミック接合を形成する。オーミック電極12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。オーミック電極12と半導体層10を確実にオーミック接触させるため、オーミック電極12の半導体層10と接触する層がTiからなることが好ましい。
ショットキーバリアダイオード1においては、ショットキー電極11とオーミック電極12との間に順方向の電圧(ショットキー電極11側が正電位)を印加することにより、半導体層10から見たショットキー電極11と半導体層10との界面のエネルギー障壁が低下し、ショットキー電極11からオーミック電極12へ電流が流れる。一方、ショットキー電極11とオーミック電極12との間に逆方向の電圧(ショットキー電極11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。
(ショットキーバリアダイオードの製造方法)
以下に、ショットキーバリアダイオード1の製造方法の一例について説明する。
まず、FZ(Floating Zone)法やEFG(Edge Defined Film Fed Growth)法等の融液成長法により育成したGa系単結晶のバルク結晶をスライスし、表面を研磨することにより、半導体層10としてのGa系基板を形成する。
次に、真空蒸着等により、半導体層10の表面と裏面に、それぞれショットキー電極11とオーミック電極12を形成する。
ショットキー電極11については、ショットキー電極11を構成する金属の膜を蒸着した後、350℃以上かつ650℃以下の熱処理を施す。
(実施の形態の効果)
上記実施の形態によれば、Ga系半導体から構成される、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリアダイオードを得ることができる。
以下に、上記実施の形態に係るショットキーバリアダイオード1の一形態の評価結果を述べる。
本評価においては、半導体層10として、主面の面方位が(001)であり、両面にCMP処理が施されたGa基板を用いた。また、このGa基板は意図的なドーピングが行われていない基板であり、1×1017〜5×1017cm−3程度のキャリア濃度を有する。
初めに、半導体層10の裏面の全面に、Ti/Au積層構造を有するオーミック電極12を真空蒸着により形成した。
次に、半導体層10の表面に、直径が100μmの円形のPt/Ti/Au積層構造を有するショットキー電極11を形成した。このショットキー電極11のPt層、Ti層、Au層の厚さは、それぞれ23nm、5nm、280nmとした。
ショットキー電極11の形成においては、真空蒸着によりPt/Ti/Au積層構造を形成した後、200〜600℃の熱処理を施した。この熱処理の雰囲気は窒素、熱処理時間は10分とした。
そして、ショットキー電極11の形成において熱処理を施す前の試料、及び200℃、300℃、400℃、500℃、又は600℃の熱処理を施した試料の順方向特性(電流密度−電圧特性)を調べた。
図2は、ショットキー電極11の形成における熱処理の温度と試料の順方向特性との関係を示すグラフである。
図2は、熱処理によって試料の立ち上がり電圧が変化することを示している。ここでは、各曲線上の電流密度が50A/cmである点と150A/cmである点を通る直線が横軸(電流密度が0A/cmである直線)と交わる点の電圧を立ち上がり電圧とした。
また、図2は、各試料の電流値が立ち上がった後の微分オン抵抗が十分に低く、各試料がショットキーバリアダイオードとして機能することを示している。例えば、300℃、400℃、500℃、600℃の熱処理を施した試料では、それぞれ1.08V、0.99V、0.89V、0.99Vの電圧を印加したときに電流密度が100A/cmを超える。
図3は、熱処理の温度と図2から読み取られた立ち上がり電圧との関係を示すグラフである。熱処理を施す前の試料の立ち上がり電圧はおよそ1.01Vであり、200℃、300℃、400℃、500℃、又は600℃の熱処理を施した試料の立ち上がり電圧は、それぞれおよそ0.97V、0.91V、0.82V、0.66V、0.82Vである。
この結果から、およそ450℃以上かつ550℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧がおよそ0.6V以上かつ0.7V以下のショットキーバリアダイオード1が得られ、およそ350℃以上かつ450℃以下又はおよそ550℃以上かつ650℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧がおよそ0.7V以上かつ0.9V以下のショットキーバリアダイオード1が得られることがわかる。
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、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及び実施例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、実施の形態及び実施例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…ショットキーバリアダイオード、10…半導体層、11…ショットキー電極、12…オーミック電極

Claims (2)

  1. Ga系単結晶からなる半導体層上に、Pt層を含むショットキー電極を前記Pt層が前記半導体層に接触するように形成する工程と、
    前記ショットキー電極を形成した後、350℃以上かつ650℃以下の熱処理を施す工程と、
    を含み、
    前記熱処理を施す工程における前記熱処理の温度を450℃以上かつ550℃以下とすることにより、前記立ち上がり電圧を0.6V以上かつ0.7V以下に制御し、前記熱処理を施す工程における前記熱処理の温度を350℃以上かつ450℃以下又は550℃以上かつ650℃以下とすることにより、前記立ち上がり電圧を0.7V以上かつ0.9V以下に制御する、
    ショットキーバリアダイオードの製造方法。
  2. 前記Pt層が10nm以上の厚さを有する、
    請求項1に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。
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