WO2020204019A1 - ショットキーダイオード - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a Schottky diode.
- JBS junction barrier Schottky
- n consists of SiC - -type drift layer, n - a p-type impurity to the type drift layer has a p-type layer obtained by ion implantation, n - -type drift layer and The p-type layer forms a pn junction.
- Patent Document 2 a trench MOS type Ga 2 O 3 system Schottky diode in which a gate electrode is embedded in a semiconductor layer is known (see, for example, Patent Document 2).
- Ga 2 O 3 system semiconductor devices are known to have high withstand voltage and low loss due to their physical properties represented by the wide band gap of Ga 2 O 3 .
- the Schottky diode described in Patent Document 1 uses a trench MOS structure, a higher withstand voltage can be obtained without increasing the resistance of the semiconductor layer.
- Patent Document 2 when trying to improve the resistance to surge current of a Ga 2 O 3 system Schottky diode as shown in Patent Document 2, it is very difficult to obtain a p-type Ga 2 O 3 . It is not possible to add a p-type impurity to the Ga 2 O 3 layer to form a pn junction region.
- An object of the present invention is to provide a Ga 2 O 3 system Schottky diode having high withstand voltage, low loss, and excellent resistance to surge current.
- One aspect of the present invention provides the following Schottky diodes [1] to [6] in order to achieve the above object.
- n-type semiconductor layer composed of a Ga 2 O 3 system single crystal and having a plurality of trenches opening on one surface and the adjacent trenches of the n-type semiconductor layer.
- a Schottky diode comprising a cathode electrode directly or indirectly connected, a part of the mesa-shaped region, and a p-type semiconductor member connected to the anode electrode.
- the p-type semiconductor member comprises a first p-type semiconductor member is the upper end of the energy of a valence band the Ga 2 O 3 system the upper end of the energy above the valence band of the single crystal, the above-mentioned [1 ]
- the p-type semiconductor member, the second p-type semiconductor member upper end of the energy of the valence band is the energy below plus 2eV in the Ga 2 O 3 system the upper end of the energy of the valence band of the single-crystal
- the present invention it is possible to provide a Ga 2 O 3 system Schottky diode having high withstand voltage, low loss, and excellent resistance to surge current.
- FIG. 1 is a vertical sectional view of a Schottky diode according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing a band structure of an n-type semiconductor layer composed of a p-type semiconductor member and a Ga 2 O 3 system single crystal, and a hole flow.
- FIG. 3 is a graph schematically showing the current-voltage characteristics when an inrush current flows when the Schottky diode includes a p-type semiconductor member (A) and when it does not (B).
- FIG. 4 is a diagram schematically showing a band structure of an n-type semiconductor layer composed of a p-type semiconductor member and a Ga 2 O 3 system single crystal, and a hole flow.
- FIG. 5 is a vertical sectional view of a modified example of the Schottky diode according to the embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the Schottky diode 1 according to the first embodiment.
- the Schottky diode 1 is a vertical Schottky diode having a trench MOS structure.
- the Schottky diode 1 is an n-type semiconductor layer having a trench 12 that is laminated on the n-type semiconductor substrate 10 and the n-type semiconductor substrate 10 and opens on the surface 18 opposite to the n-type semiconductor substrate 10. 11, the anode electrode 13 formed on the surface 18 of the n-type semiconductor layer 11, the cathode electrode 14 formed on the surface of the n-type semiconductor substrate 10 opposite to the n-type semiconductor layer 11, and the n-type semiconductor.
- a trench insulating film 15 that covers the inner surface of the trench 12 of the layer 11 and an anode electrode 16 that is embedded in the trench 12 of the n-type semiconductor layer 11 so as to be covered with the trench insulating film 15 and electrically connected to the anode electrode 13. And have.
- 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 anode electrode 13 and the n-type semiconductor seen from the n-type semiconductor layer 11 The energy barrier at the interface with the layer 11 is lowered, and a current flows from the anode electrode 13 to the cathode electrode 14.
- a forward voltage positive potential on the anode electrode 13 side
- the upper limit of the reverse leakage current of the Schottky diode is 1 ⁇ A.
- the reverse voltage when a leak current of 1 ⁇ A flows is defined as the withstand voltage.
- the current density of the reverse leakage current is 0.0001 A / cm 2 .
- the electric field strength immediately below the Schottky electrode is approximately 0.8 MV / cm.
- 0.0001 A / cm 2 is when a current of 1 ⁇ A flows through the Schottky electrode having a size of 1 mm ⁇ 1 mm. The current density just below the Schottky electrode.
- the electric field strength directly under the Schottky electrode is 0.8 MV / cm or less. It is necessary to reduce the donor concentration of the semiconductor layer to 10 15 cm- 3 units and to make the semiconductor layer very thick. Therefore, the conduction loss becomes very large, and it is difficult to manufacture a Schottky barrier diode having a high withstand voltage and a low loss.
- the Schottky diode 1 Since the Schottky diode 1 according to the present embodiment has a trench MOS structure, a high withstand voltage can be obtained without increasing the resistance of the semiconductor layer. That is, the Schottky diode 1 is a Schottky diode having a high withstand voltage and a low loss.
- JBS diode A junction barrier Schottky (JBS) diode is known as a high withstand voltage and low loss Schottky diode, but since it is difficult to manufacture the p-type Ga 2 O 3 , the Ga 2 O 3 is a p-type. Not suitable for JBS diode materials that require a region.
- the n-type semiconductor substrate 10 is composed of an n-type Ga 2 O 3 system single crystal containing Group IV elements such as Si and Sn as donors.
- 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 ⁇ m.
- the n-type semiconductor substrate 10 is, for example, a Ga 2 O 3 system single crystal substrate.
- the Ga 2 O 3 system single crystal refers to a Ga 2 O 3 single crystal or a Ga 2 O 3 single crystal to which an element such as Al or In is added.
- it is a Ga 2 O 3 single crystal to which Al and In are added (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y).
- ⁇ 1 It may be a single crystal.
- Al the bandgap widens, and when In is added, the bandgap narrows.
- the Ga 2 O 3 single crystal described above has, for example, a ⁇ -type crystal structure.
- the n-type semiconductor layer 11 is composed of an n-type Ga 2 O 3 system single crystal containing Group IV elements such as Si and Sn as donors. donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 is lower than the donor concentration N d 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 Ga 2 O 3 system single crystal substrate.
- a high-concentration layer containing a high-concentration donor 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 which is a substrate.
- the amount of dopant incorporated is unstable and acceptor impurities are diffused from the n-type semiconductor substrate 10 which is the substrate. Therefore, the n-type semiconductor layer 10 is laid on the n-type semiconductor substrate 10.
- the concentration of the high donor concentration layer is set to be higher than, for example, the n-type semiconductor layer 11, and more preferably set to a higher concentration than the n-type semiconductor substrate 10.
- the donor concentration of the n-type semiconductor layer 11 increases, the electric field strength of each part of the Schottky diode 1 increases.
- the n-type semiconductor The donor concentration of layer 11 is preferably about 6.0 ⁇ 10 16 cm -3 or less.
- the donor concentration N d becomes smaller, the resistance of the n-type semiconductor layer 11 increases and the forward loss increases. Therefore, for example, in order to obtain a withstand voltage of 1200 V or less, 3.0 ⁇ 10 16 cm -3. The above is preferable. Further, in order to obtain a higher pressure resistance, it is preferable to reduce the donor concentration N d to, for example, about 1.0 ⁇ 10 16 cm -3 .
- 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.
- the thickness T of the n-type semiconductor layer 11 is preferably about 5.5 ⁇ m or more and 9 ⁇ m or less.
- the electric field strength of each part of the Schottky diode 1 changes depending on the depth D of the trench 12.
- the depth D is preferably about 2 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less, and more preferably about 3 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less.
- Width W t of the trench 12, and are independent of the field strength in the region immediately below the anode electrode 13 can be set freely. Since the trench 12 no current flows, the width W t is preferably 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, according to the study by the present inventor, it has been found that when the width W t becomes 3 ⁇ m or more, even if the width W t increases, the embedding property of the anode electrode 16 is hardly affected. Further, when the width W t is less than 0.5 ⁇ m, a special exposure apparatus is required for forming the trench 12, and the manufacturing cost may increase. Therefore, the width W t is preferably 0.5 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less.
- the width W m of the mesa-shaped portion is preferably 2.5 ⁇ m or less.
- the width W m of the mesa-shaped portion is preferably 0.5 ⁇ m or more.
- the trench insulating film 15 is preferably made of a material having a high dielectric constant.
- a material having a high dielectric constant For example, Al 2 O 3 (specific dielectric constant of approximately 9.3) as the material of the trench insulating film 15, but HfO 2 (relative dielectric constant about 22) can be used, the use of a high dielectric constant HfO 2 Is particularly preferable.
- the thickness of the trench insulating film 15 is preferably small, and more preferably 300 nm or less. However, as a matter of course, it is necessary to have a thickness such that a direct current hardly flows between the anode electrode 16 and the n-type semiconductor layer 11.
- the material of the anode electrode 16 is not particularly limited as long as it has conductivity, and for example, polycrystalline Si doped at a high concentration or a metal such as Ni or Au can be used.
- the electric field strength in the Schottky diode 1 is affected by the width of the mesa-shaped portion between the two adjacent trenches 12, the depth D of the trench 12, the thickness of the trench insulating film 15, and the like. , The plane pattern of the trench 12 is hardly affected. Therefore, the planar pattern of the trench 12 of the n-type semiconductor layer 11 is not particularly limited.
- the p-type semiconductor member 17 is a member used for surge countermeasures, and can cope with two types of surge currents depending on its energy structure.
- the energy of the top of the valence band is called the p-type semiconductor member 17 is Ga 2 O 3 system the upper end of the energy above the valence band of the single crystal constituting the n-type semiconductor layer 11 and the p-type semiconductor element 17a ..
- the surge current is generated by the occurrence of avalanche breakdown, and among the electrons and holes generated in large quantities by this avalanche breakdown, electrons can escape from the n-type semiconductor layer 11 to the outside through the cathode electrode 14.
- holes cannot move directly from the n-type semiconductor layer 11 to the anode electrode 13 because they are blocked by the Schottky barrier, but they can move to the anode electrode 13 through the p-type semiconductor member 17a.
- FIG. 2 is a diagram schematically showing the band structure of the n-type semiconductor layer 11 composed of the p-type semiconductor member 17 and the Ga 2 O 3 system single crystal and the flow of holes.
- n-type semiconductor layer Holes can move from 11 to the p-type semiconductor member 17.
- the p-type semiconductor member 17a is made of a p-type semiconductor such as Ga 2 O 3 , NiO, Cu 2 O, SnO, ZnSe, GaN, SiC, Si, or GaAs. Since the p-type semiconductor member 17a is always in contact with the n-type semiconductor layer 11 made of a Ga 2 O 3 system single crystal which is an oxide, it is gradually oxidized when it is made of a non-oxide such as Si. There is a risk of Therefore, the p-type semiconductor member 17a is preferably made of an oxide such as Ga 2 O 3 , NiO, Cu 2 O, or SnO in order to ensure long-term stability. Further, since it is difficult to obtain p-type conductivity of Ga 2 O 3 , NiO, Cu 2 O, SnO and the like are particularly preferable as the material of the p-type semiconductor member 17a.
- the resistance of the drift layer can be reduced when a surge current (also called an inrush current, a starting current, etc.) that may occur when the shotkey diode 1 is turned on can be reduced, resulting in heat generation and heat generation. Damage can be suppressed.
- a surge current also called an inrush current, a starting current, etc.
- a p-type semiconductor member 17 is an energy less plus 2eV to Ga 2 O 3 system the upper end of the energy of the valence band of the single crystal constituting the n-type semiconductor layer 11 p It is called a type semiconductor member 17b.
- the pn diode has a larger on-voltage than the Schottky diode. Therefore, the design can be made so that the pn diode portion composed of the p-type semiconductor member 17b and the n-type semiconductor layer 11 does not turn on at the voltage at which the Schottky diode 1 turns on.
- the on-voltage of the Schottky diode 1 can be set to about 1 V
- the on-voltage of the pn diode portion can be set to about 2 V.
- the pn diode portion is not turned on in the normal operation of the Schottky diode 1, so that the original high-speed operation of the Schottky diode becomes possible.
- the voltage of the Schottky diode 1 rises and reaches the voltage at which the pn diode portion is turned on, and holes are injected from the p-type semiconductor member 17b into the n-type semiconductor layer 11.
- an inrush current flows through the Schottky diode 1, but the rise in voltage is suppressed, so that the temperature rise is suppressed and damage to the Schottky diode 1 due to the inrush current can be prevented.
- FIG. 3 is a graph schematically showing the current-voltage characteristics when the inrush current flows when the Schottky diode 1 includes the p-type semiconductor member 17b (A) and when it does not (B).
- the voltage continues to rise as the current increases, and the temperature of the Schottky diode 1 suddenly rises and burns out.
- the rate of increase in voltage decreases when the voltage V pn at which the pn diode portion is turned on is reached. In this way, the current flowing through the Schottky diode 1 rises 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.
- FIG. 4 is a diagram schematically showing the band structure of the n-type semiconductor layer 11 composed of the p-type semiconductor member 17 and the Ga 2 O 3 system single crystal and the flow of holes.
- there energy E V2 at the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 17 is Ga 2 O 3 system to 2eV energy E V1 at the upper end of the valence band of the single crystal energy below plus
- holes can be injected from the p-type semiconductor member 17 into the n-type semiconductor layer 11.
- the energy E V2 at the upper end of the valence band of the p-type semiconductor member 17 is less than or equal to Ga 2 O 3 system at the upper end of the valence band of the single-crystal energy E V1 constituting the n-type semiconductor layer 11, Since the holes can easily move from the p-type semiconductor member 17 to the n-type semiconductor layer 11, the resistance to inrush current can be further improved.
- the p-type semiconductor member 17b is made of a p-type semiconductor such as ZnSe, GaN, or diamond. Of these materials, for the upper end of the energy of the valence band of the diamond is not more than the upper end of the energy of the valence band of the Ga 2 O 3 single crystal, by using a diamond as a material of the p-type semiconductor member 17b, The resistance to inrush current can be further improved.
- p-type semiconductor member 17 comprising ZnSe, of GaN, due to a lightning strike or the like It can function as either a p-type semiconductor member 17a corresponding to the surge current generated thereby and a p-type semiconductor member 17b corresponding to the inrush current.
- the size, number, and arrangement of the p-type semiconductor member 17 are not particularly limited.
- FIG. 5 is a vertical sectional view of a Schottky diode 2 having both a p-type semiconductor member 17a and a p-type semiconductor member 17b, which is a modification of the Schottky diode 1.
- the Schottky diode 2 has a high resistance to a surge current caused by a lightning strike or the like caused by the p-type semiconductor member 17a and a high resistance to an inrush current caused by the p-type semiconductor member 17b.
- the total of the total contact area between the p-type semiconductor member 17a and the n-type semiconductor layer 11 and the total contact area between the p-type semiconductor member 17b and the n-type semiconductor layer 11 is the sum of the anode electrode 13 and the anode electrode 13. It is preferably 10% or more and 50% or less of the total contact area with the n-type semiconductor layer 11.
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Abstract
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。 一実施の形態として、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に接続されたアノード電極13と、トレンチ絶縁膜15に覆われた状態で複数のトレンチ12のそれぞれに埋め込まれたアノード電極16と、n型半導体層11のアノード電極13と反対側に直接又は間接的に接続されたカソード電極14と、前記メサ形状領域の一部及び前記アノード電極13に接続されたp型半導体部材17と、を備えた、ショットキーダイオード1を提供する。
Description
本発明は、ショットキーダイオードに関する。
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。
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。
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。
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。
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。
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記[1]~[6]のショットキーダイオードを提供する。
[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p型半導体部材と、を備えた、ショットキーダイオード。
[2]前記p型半導体部材が、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上である第1のp型半導体部材を含む、上記[1]に記載のショットキーダイオード。
[3]前記第1のp型半導体部材が、Ga2O3、NiO、Cu2O、SnO、ZnSe、GaN、SiC、Si、又はGaAsからなる、上記[2]に記載のショットキーダイオード。
[4]前記p型半導体部材が、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に2eVを加えたエネルギー以下である第2のp型半導体部材を含む、上記[1]~[3]のいずれか1項に記載のショットキーダイオード。
[5]前記第2のp型半導体部材が、ZnSe、GaN、又はダイアモンドからなる、上記[4]に記載のショットキーダイオード。
[6]前記第2の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[4]に記載のショットキーダイオード。
[2]前記p型半導体部材が、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上である第1のp型半導体部材を含む、上記[1]に記載のショットキーダイオード。
[3]前記第1のp型半導体部材が、Ga2O3、NiO、Cu2O、SnO、ZnSe、GaN、SiC、Si、又はGaAsからなる、上記[2]に記載のショットキーダイオード。
[4]前記p型半導体部材が、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に2eVを加えたエネルギー以下である第2のp型半導体部材を含む、上記[1]~[3]のいずれか1項に記載のショットキーダイオード。
[5]前記第2のp型半導体部材が、ZnSe、GaN、又はダイアモンドからなる、上記[4]に記載のショットキーダイオード。
[6]前記第2の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[4]に記載のショットキーダイオード。
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。
〔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。
(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。
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の面18上に形成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、を有する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
なお、高耐圧かつ低損失のショットキーダイオードとして、ジャンクションバリアショットキー(JBS)ダイオードが知られているが、p型のGa2O3は製造が困難であるため、Ga2O3はp型領域が必要なJBSダイオードの材料に向いていない。
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。
ここで、Ga2O3系単結晶とは、Ga2O3単結晶、又は、Al、In等の元素が添加されたGa2O3単結晶をいう。例えば、Al及びInが添加されたGa2O3単結晶である(GaxAlyIn(1-x-y))2O3(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Ga2O3単結晶は、例えば、β型の結晶構造を有する。
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Nd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。
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、基板である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。
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Nd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Ndを例えば1.0×1016cm-3程度まで下げることが好ましい。
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。
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。
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。
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の幅が低減するほど、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、メサ形状部分の幅Wmが0.5μm以上であることが好ましい。
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。
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。
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。
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の幅、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。
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、そのエネルギー構造によって、2種類のサージ電流に対応することができる。
p型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーが、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以上である場合は、p型半導体部材17を用いることにより、逆方向電圧印加時に落雷等に起因して生じるサージ電流を逃がすことができる。以下、価電子帯の上端のエネルギーが、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以上であるp型半導体部材17をp型半導体部材17aと呼ぶ。
サージ電流はアバランシェブレークダウンの発生により生じるが、このアバランシェブレークダウンにより大量に発生する電子と正孔のうち、電子はn型半導体層11からカソード電極14を通って外部へ抜けることができる。一方、正孔は、ショットキー障壁に阻まれるため、n型半導体層11からアノード電極13へ直接移動することはできないが、p型半導体部材17aを通ってアノード電極13へ移動することができる。
図2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2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以上であれば、n型半導体層11からp型半導体部材17へ正孔が移動することができる。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、n型半導体層11からp型半導体部材17への正孔の移動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。
p型半導体部材17aは、Ga2O3、NiO、Cu2O、SnO、ZnSe、GaN、SiC、Si、GaAsなどのp型半導体からなる。なお、p型半導体部材17aは、酸化物であるGa2O3系単結晶からなるn型半導体層11と常に接触した状態にあるため、Siなどの非酸化物からなる場合は徐々に酸化されるおそれがある。そのため、p型半導体部材17aは、長期安定性を確保するため、Ga2O3、NiO、Cu2O、SnO等の酸化物からなることが好ましい。また、Ga2O3はp型導電性を得るのが困難なため、NiO、Cu2O、SnO等がp型半導体部材17aの材料として特に好ましい。
また、p型半導体部材17の価電子帯の上端のエネルギーが、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に2eVを加えたエネルギー以下である場合は、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。以下、価電子帯の上端のエネルギーが、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に2eVを加えたエネルギー以下であるp型半導体部材17をp型半導体部材17bと呼ぶ。
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17b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。
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ダイオード部分はオンしないため、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17bからn型半導体層11へ正孔が注入される。
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。
図3は、ショットキーダイオード1がp型半導体部材17b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3に示されるように、p型半導体部材17b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17b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。
図4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4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。
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。
p型半導体部材17bは、ZnSe、GaN、ダイアモンドなどのp型半導体からなる。これらの材料のうち、ダイアモンドの価電子帯の上端のエネルギーはGa2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギー以下であるため、ダイアモンドをp型半導体部材17bの材料として用いることにより、突入電流への耐性をより高めることができる。
また、ZnSe、GaNの価電子帯の上端のエネルギーはGa2O3系単結晶の価電子帯の上端のエネルギー以上であるため、ZnSe、GaNからなるp型半導体部材17は、落雷等に起因して生じるサージ電流に対応するp型半導体部材17aと、突入電流に対応するp型半導体部材17bのいずれとしても機能することができる。
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。
図5は、ショットキーダイオード1の変形例である、p型半導体部材17aとp型半導体部材17bの両方を有す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、p型半導体部材17aによる落雷等に起因して生じるサージ電流への高い耐性と、p型半導体部材17bによる突入電流への高い耐性を有する。
ショットキーダイオード2においては、p型半導体部材17aとn型半導体層11との総接触面積と、p型半導体部材17bとn型半導体層11との総接触面積との合計が、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。
(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。
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。
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。
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。
1、2…ショットキーダイオード、 10…n型半導体基板、 11…n型半導体層、 12…トレンチ、 13…アノード電極、 14…カソード電極、 15…トレンチ絶縁膜、 16…アノード電極、 17、17a、17b…p型半導体部材
Claims (6)
- 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p型半導体部材と、
を備えた、ショットキーダイオード。 - 前記p型半導体部材が、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上である第1のp型半導体部材を含む、
請求項1に記載のショットキーダイオード。 - 前記第1のp型半導体部材が、Ga2O3、NiO、Cu2O、SnO、ZnSe、GaN、SiC、Si、又はGaAsからなる、
請求項2に記載のショットキーダイオード。 - 前記p型半導体部材が、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に2eVを加えたエネルギー以下である第2のp型半導体部材を含む、
請求項1~3のいずれか1項に記載のショットキーダイオード。 - 前記第2のp型半導体部材が、ZnSe、GaN、又はダイアモンドからなる、
請求項4に記載のショットキーダイオード。 - 前記第2の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、
請求項4に記載のショットキーダイオード。
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