JP2011082392A - Schottky barrier diode - Google Patents
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Abstract
【課題】耐圧を向上できるショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】ショットキーバリアダイオード10は、基板と、基板上に形成されたGaN層3と、GaN層3上に接して形成されたショットキー電極4とを備えている。ショットキー電極4は、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素濃度を有する。ショットキーバリアダイオード10において好ましくは、GaN層3とショットキー電極4との界面の炭素のピーク濃度は、1×1019cm-3以上である。
【選択図】図2A Schottky barrier diode capable of improving withstand voltage is provided.
A Schottky barrier diode includes a substrate, a GaN layer formed on the substrate, and a Schottky electrode formed on and in contact with the GaN layer. The Schottky electrode 4 is a base metal and has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more. In the Schottky barrier diode 10, preferably, the peak concentration of carbon at the interface between the GaN layer 3 and the Schottky electrode 4 is 1 × 10 19 cm −3 or more.
[Selection] Figure 2
Description
本発明はショットキーバリアダイオードに関する。 The present invention relates to a Schottky barrier diode.
窒化ガリウム(GaN)は、シリコン(Si)に比べて約3倍のバンドギャップ、約10倍の高い絶縁破壊電界強度、さらに大きな飽和電子速度などの様々な優れた特性を有している。GaNは、従来のSiパワーデバイスでは困難な高耐圧化と、低損失化、すなわち低オン抵抗化との両立が期待できるため、ショットキーバリアダイオード(SBD)などのパワーデバイス(電力用半導体素子)への応用が期待されている。 Gallium nitride (GaN) has various excellent characteristics such as a band gap that is about three times that of silicon (Si), a breakdown electric field strength that is about ten times higher, and a larger saturation electron velocity. Since GaN can be expected to achieve both high breakdown voltage, which is difficult with conventional Si power devices, and low loss, that is, low on-resistance, power devices (power semiconductor elements) such as Schottky barrier diodes (SBD) Application to is expected.
このようなショットキーバリアダイオードとして、GaN支持基体と、このGaN支持基体上に形成されたGaNエピタキシャル層と、このGaNエピタキシャル層上に形成されたショットキー電極とを備えたショットキーバリアダイオードが開示されている(たとえば特許文献1)。 As such a Schottky barrier diode, a Schottky barrier diode including a GaN support base, a GaN epitaxial layer formed on the GaN support base, and a Schottky electrode formed on the GaN epitaxial layer is disclosed. (For example, Patent Document 1).
上記特許文献1に開示のようなショットキーバリアダイオードにおいては、耐圧を向上するために、ショットキー電極のバリアハイトを向上することが望まれている。
In the Schottky barrier diode as disclosed in
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、耐圧を向上できるショットキーバリアダイオードを提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a Schottky barrier diode capable of improving the breakdown voltage.
本発明者は、ショットキーバリアダイオードにおいてバリアハイト(障壁の高さ)を向上する要因を鋭意研究した結果、障壁の高さはショットキー電極中の酸素(O)濃度に起因していることを見い出した。そこで、本発明者はバリアハイトが効果的に向上する条件を鋭意研究した結果、ショットキー電極が4×1019cm-3以上の酸素濃度を有する場合にバリアハイトを効果的に向上できることを見い出した。 As a result of intensive studies on the factors that improve the barrier height (barrier height) in the Schottky barrier diode, the present inventor has found that the barrier height is caused by the oxygen (O) concentration in the Schottky electrode. It was. Therefore, as a result of intensive studies on the conditions under which the barrier height is effectively improved, the present inventor has found that the barrier height can be effectively improved when the Schottky electrode has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more.
すなわち、本発明のショットキーバリアダイオードは、基板と、基板上に形成された窒化ガリウム(GaN)層と、GaN層上に接して形成されたショットキー電極とを備え、ショットキー電極は、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素(O)濃度を有する。 That is, the Schottky barrier diode of the present invention includes a substrate, a gallium nitride (GaN) layer formed on the substrate, and a Schottky electrode formed on and in contact with the GaN layer. And an oxygen (O) concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more.
本発明のショットキーバリアダイオードによれば、ショットキー電極は酸素と結合しやすい卑金属である。この卑金属をショットキー電極の材料として、4×1019cm-3以上の酸素濃度を有している。このため、ショットキー電極のバリアハイトを効果的に向上することができる。したがって、耐圧を向上することができる。 According to the Schottky barrier diode of the present invention, the Schottky electrode is a base metal that easily binds to oxygen. Using this base metal as a Schottky electrode material, it has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more. For this reason, the barrier height of the Schottky electrode can be effectively improved. Therefore, the breakdown voltage can be improved.
上記ショットキーバリアダイオードにおいて好ましくは、GaN層とショットキー電極との界面の炭素(C)のピーク濃度は、1×1019cm-3以上である。 In the Schottky barrier diode, preferably, the peak concentration of carbon (C) at the interface between the GaN layer and the Schottky electrode is 1 × 10 19 cm −3 or more.
本発明者はショットキーバリアダイオードにおいてバリアハイト(障壁の高さ)を向上する要因をさらに鋭意研究した結果、障壁の高さはGaN層とショットキー電極との界面の炭素濃度にも起因していることを見い出した。そこで、本発明者はバリアハイトが効果的に向上する条件を鋭意研究した結果、GaN層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度が1×1019cm-3以上である場合に、バリアハイトをさらに向上できることを見い出した。したがって、GaN層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度が1×1019cm-3以上であると、耐圧をより向上することができる。 As a result of further intensive research on the factors that improve the barrier height (barrier height) in the Schottky barrier diode, the present inventors have also found that the barrier height is caused by the carbon concentration at the interface between the GaN layer and the Schottky electrode. I found out. Therefore, as a result of diligent research on the conditions under which the barrier height is effectively improved, the present inventor has determined that the barrier height is increased when the carbon peak concentration at the interface between the GaN layer and the Schottky electrode is 1 × 10 19 cm −3 or more. I found that it could be improved further. Therefore, when the carbon peak concentration at the interface between the GaN layer and the Schottky electrode is 1 × 10 19 cm −3 or more, the breakdown voltage can be further improved.
以上のように、本発明のショットキーバリアダイオードによれば、耐圧を向上することができる。 As described above, according to the Schottky barrier diode of the present invention, the breakdown voltage can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図1は、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオードを概略的に示す斜視図であり、図2は、断面図である。なお、図2は、図1における線分II−II線に沿った断面図である。図1および図2に示すように、ショットキーバリアダイオード(SBD)10は、GaN基板2と、GaN層3と、ショットキー電極4と、フィールドプレート(FP)電極16と、絶縁層17と、オーミック電極6とを備えている。GaN層3は、GaN基板2の表面2a上に形成されている。絶縁層17は、GaN層3の表面3a上に形成されている。ショットキー電極4は、GaN層3の表面3a上で、かつ絶縁層17の開口部の内部に形成されている。フィールドプレート電極16は、絶縁層17の開口部に位置するショットキー電極4と接続されているとともに、この絶縁層17に重なるように形成されている。オーミック電極6は、GaN基板2の裏面2b下に形成されている。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a Schottky barrier diode in the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the Schottky barrier diode (SBD) 10 includes a
GaN基板2は、表面2aと裏面2bとを有している。GaN基板2は、たとえば自立基板であり、たとえば100μm以上の厚みを有している。また、GaN基板2のキャリア濃度は、たとえば1×1016cm-3程度である。なお、本実施の形態では、基板としてGaN基板を用いているが、用いる基板はGaNに限定されず、サファイア基板などを用いていてもよい。
The GaN
GaN層3は、GaN基板2の表面2aと接する面と反対側の表面3aを有している。GaN層3は、たとえば5μm程度の厚みを有している。GaN層3の導電型は特に限定されないが、容易に形成できる観点からn型であることが好ましい。
The GaN
絶縁層17は、内部にショットキー電極4を配置するための開口部を有している。絶縁層17は、たとえばシリコン窒化膜(SiNx)などにより構成されている。
The
ショットキー電極4は、GaN層3と接触する位置であり、かつ絶縁層17の開口部に形成されている。ショットキー電極4は、GaN層3とショットキー接合を形成する。
The Schottky
ショットキー電極4は、卑金属であり、たとえばアルカリ金属、アルカリ土類金属、Ni、Ti、Al、Zn、Wなどである。卑金属とは、イオン化傾向が水素(H)よりも大きい金属を意味する。卑金属は酸素と結合しやすいため、ショットキー電極4中の酸素濃度を高めることができる。なお、ショットキー電極は複数の層を含んでいてもよい。
The Schottky
またショットキー電極4は、4×1019cm-3以上の酸素濃度を有し、好ましくは5×1019cm-3以上の酸素濃度を有する。本発明者は、ショットキー電極4中の酸素濃度が4×1019cm-3以上の場合、ショットキー電極4となるべき金属層を形成した後に熱処理を行なうと、バリアハイトを効果的に向上できることを見い出した。このため、ショットキーバリアダイオード10の耐圧を向上することができる。ショットキー電極4中の酸素濃度が5×1019cm-3以上であると、バリアハイトをより向上できる。ショットキー電極4中の酸素濃度の上限は、順方向電圧Vfの扱い易さから、たとえば5×1021cm-3である。
The Schottky
ここで、上記「酸素濃度」とは、ショットキー電極4の酸素濃度を厚み方向にSIMSで測定したとの最も低い酸素濃度を意味する。
Here, the “oxygen concentration” means the lowest oxygen concentration when the oxygen concentration of the
またショットキー電極4は、4.5×1018cm-3以上の炭素濃度を有することが好ましい。この場合、バリアハイトをさらに向上することができる。ここで、上記「炭素濃度」とは、ショットキー電極4の炭素濃度を厚み方向にSIMSで測定したとの最も低い炭素濃度を意味する。
The
GaN層3とショットキー電極4との界面11の炭素のピーク濃度は、1×1019cm-3以上であることが好ましく、3×1019cm-3以上であることがより好ましい。本発明者は、GaN層3とショットキー電極4との界面11の炭素のピーク濃度が1×1019cm-3以上の場合、ショットキー電極4となるべき金属層を形成した後に熱処理を行なうと、バリアハイトをさらに効果的に向上できることを見い出した。GaN層3とショットキー電極4との界面11の炭素のピーク濃度が3×1019cm-3以上の場合、バリアハイトをより一層向上できる。ショットキー電極4中の炭素濃度の上限は、ショットキー電極4が膨れることを抑制する観点から、たとえば1×1021cm-3である。
The peak carbon concentration at the
ここで、上記「炭素のピーク濃度」とは、GaN層3とショットキー電極4との界面11をSIMSで測定したときの炭素のピーク濃度の値を意味する。
Here, the “carbon peak concentration” means the value of the peak concentration of carbon when the
また、GaN層3とショットキー電極4との界面11の酸素のピーク濃度は、4.5×1020cm-3以上であることが好ましい。この場合、バリアハイトをさらに効果的に向上することができる。ここで、上記「酸素のピーク濃度」とは、GaN層3とショットキー電極4との界面11をSIMSで測定したときの酸素のピーク濃度の値を意味する。
The oxygen peak concentration at the
ショットキー電極は、1層であってもよく、上述したショットキー電極4上に別の層が形成された構成、つまり2層以上であってもよい。
The Schottky electrode may be a single layer, or may have a configuration in which another layer is formed on the
フィールドプレート電極16は、電界集中を緩和するために形成されており、たとえば平面形状が直径220μm程度のリング形状である。
The
フィールドプレート電極16とショットキー電極4とで電極15を構成している。つまり、電極15は、絶縁層17の開口部の内部においてGaN層3の表面3aに接触する部分であるショットキー電極4と、絶縁層17に重なる部分であるフィールドプレート電極16とを含む。
The
フィールドプレート電極16と、絶縁層17とは、フィールドプレート構造を形成する。このフィールドプレート構造により電界集中を緩和することで、ショットキーバリアダイオード10の耐圧をさらに向上することができる。以下、フィールドプレート構造について説明する。
The
絶縁層17の厚みtは、たとえば10nm以上5μm以下である。絶縁層17の厚みtが10nm以上の場合、絶縁層17の耐性が低くなることを抑制でき、絶縁層17が先に破壊されずにフィールドプレート構造の効果が発現される。一方、絶縁層17の厚みが5μm以下であれば、フィールドプレート構造による電界緩和が得られる。
The thickness t of the insulating
フィールドプレート長Lは、たとえば1μm以上1mm以下である。フィールドプレート長Lが1μm以上の場合、フィールドプレート構造の作製が容易となり、フィールドプレート構造の効果が安定して得られる。一方、フィールドプレート長Lが1mm以下の場合、フィールドプレート構造による電界緩和が得られる。 The field plate length L is, for example, not less than 1 μm and not more than 1 mm. When the field plate length L is 1 μm or more, the field plate structure can be easily manufactured, and the effect of the field plate structure can be stably obtained. On the other hand, when the field plate length L is 1 mm or less, electric field relaxation by the field plate structure is obtained.
ここで、フィールドプレート長Lとは、フィールドプレート電極16が絶縁層17と重なる長さである。本実施の形態の場合、フィールドプレート長Lとは、ショットキーバリアダイオード10の、平面形状が円形の電極15の中心を通る断面において、フィールドプレート電極16が絶縁層17と重なっている長さである。つまり、絶縁層17の開口部の平面形状が円形状であって、電極15の一部であるショットキー電極4の平面形状が円形である場合、フィールドプレート長Lとは、電極15の半径方向における、フィールドプレート電極16が絶縁層17と重なる長さである。さらに言い換えると、フィールドプレート長Lとは、ショットキー電極4の平面形状に対する重心と、当該平面形状の外周部上のある一点とを結ぶような直線の方向において、フィールドプレート電極16が絶縁層17と重なっている長さをいう。
Here, the field plate length L is a length in which the
さらに、図2に示すように、絶縁層17は、電極15がGaN層3に接触する部分である開口部に面する、端面17aを有している。端面17aは、GaN層3の表面3aに対し、角度θを形成するように傾斜している。電極15において絶縁層17に重なる部分であるフィールドプレート電極16は、端面17aに接着するように、絶縁層17に重ねられている。
Further, as shown in FIG. 2, the insulating
端面17aが表面3aに対し傾斜しているために、フィールドプレート構造による電界緩和の効果を増大させることができる。その結果、ショットキーバリアダイオード10の耐圧を一層向上させることができる。このような絶縁層17の端面17aの傾斜は、ウエットエッチングやドライエッチングなどによって形成することができる。端面17aは、角度θがたとえば0.1°以上60°以下の範囲であるように形成される。傾斜の角度が0.1°以上の場合、角度の再現性が得やすい。一方、傾斜の角度が60°以下の場合、電界緩和の効果が大きくなる。
Since the
続いて、図1〜図3を参照して、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオード10の製造方法について説明する。なお、図3は、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオードの製造方法を工程順に示すフローチャートである。
Then, with reference to FIGS. 1-3, the manufacturing method of the
まず、基板準備工程(S10)を実施する。この基板準備工程(S10)では、GaN基板2を準備する。このGaN基板2としては、任意の製造方法で形成された基板を用いることができるが、たとえばHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy:ハイドライド気相成長)法で作製された、(0001)面の表面2aを有するGaN基板2を準備する。
First, a substrate preparation step (S10) is performed. In this substrate preparation step (S10), the
次に、GaN層形成工程(S20)を実施する。このGaN層形成工程(S20)では、GaN基板2の表面2a上にGaN層3を形成する。
Next, a GaN layer forming step (S20) is performed. In this GaN layer forming step (S20), the
具体的には、GaN基板2上に、たとえばOMVPE(Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長)法などの気相成長法によりGaN層3を成長する。
Specifically, the
なお、GaN層3を形成した後に、熱処理をしてもよい。この場合、熱処理温度は、たとえば400℃以上800℃以下、好ましくは600℃以上700℃以下である。GaN層3に熱処理をすることで、後述する金属層形成工程(S71)で形成する金属層のバリアハイトを向上できるので、ショットキー電極4のバリアハイトをより向上することができる。
Note that heat treatment may be performed after the
次に、絶縁層形成工程(S30)を実施する。この絶縁層形成工程(S30)では、GaN層3の表面3a上に絶縁層17を形成する。
Next, an insulating layer forming step (S30) is performed. In this insulating layer forming step (S30), the insulating
具体的には、GaN層3上に、たとえばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学蒸着)により、SiNxよりなる絶縁層17を成膜する。絶縁層17の形成方法は特に限定されないが、プラズマCVD法により形成することが好ましい。この場合、金属層を形成する工程に先立ってプラズマCVD法によりGaN層3上に絶縁層17を形成する。なお、プラズマCVD法により絶縁層17を形成する工程では、たとえば300℃以上400℃以下の温度で絶縁層17を形成する。この場合、絶縁層17の膜質を向上し、後述する金属層形成工程(S71)で形成する金属層のバリアハイトを向上できるので、ショットキー電極4のバリアハイトを向上することができる。
Specifically, the insulating
絶縁層17の膜厚tは、たとえば1μm程度である。このとき原料ガスとしてたとえば3、SiH4(モノシラン)、NH3(アンモニア)、H2(水素)、窒素(N2)などを用いてSiNxを成膜する。なお、NH3を用いずにSiH4およびN2からSiNxを成膜すれば、絶縁層17中の水素濃度を低くすることができるので好ましい。
The film thickness t of the insulating
次に、オーミック電極形成工程(S40)を実施する。オーミック電極形成工程(S40)では、GaN基板2の裏面2bにオーミック電極6を形成する。
Next, an ohmic electrode formation step (S40) is performed. In the ohmic electrode forming step (S40), the
具体的には、たとえば以下の工程を実施する。まず、GaN基板2の裏面2bを有機洗浄および塩酸で洗浄する。その後、たとえばEB(Electron Beam)蒸着法、抵抗加熱蒸着法などにより、Ti、Al、Auなどの金属材料を裏面2bの全体に形成する。その後、たとえば窒素雰囲気下で約2分間600℃で熱処理して、金属材料の合金化を行ない、オーミック電極6を形成する。
Specifically, for example, the following steps are performed. First, the
次に、絶縁層エッチング工程(S50)を実施する。この絶縁層エッチング工程(S50)では、絶縁層形成工程(S30)で形成した絶縁層17においてショットキー電極4を形成する領域に開口部を形成する。
Next, an insulating layer etching step (S50) is performed. In this insulating layer etching step (S50), an opening is formed in a region where the
具体的には、フォトリソグラフィーにより、ショットキー電極4となるべき領域が開口した開口部を有するレジストを絶縁層17上に形成する。その後、たとえばBHF(Buffered Hydrogen Fluoride:バッファードフッ酸)により、レジストの開口部から露出している絶縁層17をウエットエッチングする。さらに有機洗浄をした後、リムーバーにより、レジストの除去を行なう。リムーバーは、たとえば東京応化製の商品名ストリッパー104やストリッパー105などを用いることができる。このようにして絶縁層17をエッチングし、絶縁層17に開口部を形成する。この時点で、開口部ではGaN層3が露出している。開口部の側面が、たとえば直径の最大値が200μmである円錐台の円錐面形状をなすように、形成することができる。
Specifically, a resist having an opening in which a region to be the
次に、炭素供給工程(S60)を実施する。この炭素供給工程(S60)では、絶縁層17の開口部に炭素を供給する。
Next, a carbon supply step (S60) is performed. In this carbon supply step (S60), carbon is supplied to the opening of the insulating
具体的には、絶縁層エッチング工程(S50)後の開口部を有する絶縁層17を備えた積層体の開口部に、レジストを形成する。その後、レジスト全面を露光する。次いで、現像処理をして、光が当たったレジスト全面を除去する。つまり、レジストを形成し、その後レジストを除去する。これにより、レジストを構成する炭素の一部が開口部に残る。つまり、絶縁層17の開口部(GaN層3の表面3a)に炭素を供給することができる。
Specifically, a resist is formed in the opening of the laminate including the insulating
次に、金属層形成工程(S71)および熱処理工程(S72)を含むショットキー電極形成工程(S70)を実施する。ショットキー電極形成工程(S70)では、まず、金属層形成工程(S71)を実施する。この金属層形成工程(S71)では、絶縁層エッチング工程(S50)において形成した絶縁層17の開口部の内部にGaN層3と接するように金属層を形成する。
Next, a Schottky electrode formation step (S70) including a metal layer formation step (S71) and a heat treatment step (S72) is performed. In the Schottky electrode formation step (S70), first, a metal layer formation step (S71) is performed. In this metal layer forming step (S71), a metal layer is formed in contact with the
具体的には、たとえば以下の工程を実施する。まず、GaN層3および絶縁層17の表面を洗浄する。次いで、ショットキー電極4となるべき金属層を形成する。この金属層形成工程(S71)では、ショットキー電極4となるべき卑金属よりなる金属層を形成する。この金属層は、任意の方法で形成でき、たとえばEB法、抵抗加熱蒸着法などにより形成できる。その後、フォトリソグラフィーを用いて、ショットキー電極4となるべき領域上にレジストを形成する。この状態で、ショットキー電極4となるべき領域以外の金属層をエッチングにより除去する。次いで、レジストを除去する。これにより、ショットキー電極4となるべき金属層が形成される。この金属層の形状は、たとえば平面形状が円形となるように形成することができる。
Specifically, for example, the following steps are performed. First, the surfaces of the
なお、金属層形成工程(S71)において金属層を形成する方法はエッチングに限定されず、リフトオフなどにより形成してもよい。 The method for forming the metal layer in the metal layer forming step (S71) is not limited to etching, and may be formed by lift-off or the like.
この金属層形成工程(S71)では、卑金属の金属層を形成しているので、炭素供給工程(S60)で供給した炭素により酸素を取り込みやすい。このため、形成された金属層には酸素が多く取り込まれている。また、金属層形成工程(S71)を実施すると、炭素供給工程(S60)により絶縁層17の開口部、つまりGaN層3の表面3aには炭素が供給されているので、GaN層3と金属層との界面には炭素が多く存在する。
In this metal layer forming step (S71), since the base metal layer is formed, oxygen is easily taken in by the carbon supplied in the carbon supplying step (S60). For this reason, a large amount of oxygen is taken into the formed metal layer. When the metal layer forming step (S71) is performed, carbon is supplied to the opening of the insulating
その後、この金属層を熱処理する(熱処理工程(S72))。熱処理工程(S72)を実施することにより、金属層からショットキー電極4にすることができる。このとき、金属層は卑金属であるので、酸素をさらに取り込みやすい。本発明者は、この熱処理工程(S72)により、金属層は酸素を多く含んでいるため、ショットキー電極4のバリアハイトが高くなることを見い出した。このため、ショットキー電極4のバリアハイトは向上している。
Thereafter, the metal layer is heat-treated (heat treatment step (S72)). By performing the heat treatment step (S72), the
ショットキー電極形成工程(S70)により形成されたショットキー電極4は、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上、好ましくは5×1019cm-3以上の酸素濃度を有する。また、GaN層3とショットキー電極4との界面11の炭素のピーク濃度は、好ましくは1×1019cm-3以上である。
The
なお、金属層形成工程(S71)において、2層以上の金属層を形成してもよい。この場合には、GaN層3と接触する金属層が卑金属であればよい。
In the metal layer forming step (S71), two or more metal layers may be formed. In this case, the metal layer in contact with the
次に、フィールドプレート電極形成工程(S80)を実施する。フィールドプレート電極形成工程(S80)では、ショットキー電極4に接続するとともに、絶縁層17に重なるようにフィールドプレート電極16を形成する。
Next, a field plate electrode forming step (S80) is performed. In the field plate electrode formation step (S80), the
具体的には、たとえば以下の工程により実施する。フィールドプレート電極16となるべき電極材料を形成する。この電極材料は、任意の方法で形成でき、たとえばEB法、抵抗加熱蒸着法などにより形成できる。その後、フォトリソグラフィーを用いて、フィールドプレート電極16となるべき領域上にレジストを形成する。この状態で、フィールドプレート電極16となるべき領域以外の電極材料をエッチングにより除去する。その後、レジストを除去する。これにより、フィールドプレート電極16を形成することができる。
Specifically, for example, the following steps are performed. An electrode material to be the
なお、フィールドプレート電極の形成方法はエッチングに限定されず、リフトオフなどにより形成されてもよい。 The method for forming the field plate electrode is not limited to etching, and may be formed by lift-off or the like.
また、フィールドプレート電極16は、ショットキー電極4と同じ材料で形成してもよい。または、絶縁層17との接着性のよい材料など、ショットキー電極4の材料と異なる材料を用いて、フィールドプレート電極16を形成してもよい。
Further, the
以上の工程(S10〜S80)を実施することによって、図1および図2に示すショットキーバリアダイオード10を製造することができる。
By performing the above steps (S10 to S80), the
なお、上述した製造方法は、ショットキー電極4を形成した後にフィールドプレート電極16を形成する例を説明したが、ショットキー電極4およびフィールドプレート電極16を同時に形成してもよい。
In the above manufacturing method, the
この場合には、たとえば以下の工程を実施する。ショットキー電極4となるべき金属層およびフィールドプレート電極16となるべき電極材料をたとえば蒸着法などにより形成する。その後、フォトリソグラフィーを用いて、ショットキー電極4およびフィールドプレート電極16となるべき領域上にレジストを形成する。この状態で、フィールドプレート電極16となるべき領域以外の電極材料をエッチングにより同時に除去する。その後、レジストを除去する。
In this case, for example, the following steps are performed. A metal layer to be the
これにより、絶縁層17の開口部の内部においてGaN層3の表面3aに接触する部分であるショットキー電極4と、ショットキー電極4に接続するとともに絶縁層17に重なる部分であるフィールドプレート電極16とを含む電極15が形成される。つまり、フィールドプレート電極16の直径が、絶縁層17に形成された開口部の直径よりも大きいために、絶縁層17上に電極15の一部が重なって、フィールドプレート電極16となっている。
As a result, the
以上説明したように、本実施の形態では、ショットキー電極は卑金属でかつ4×1019cm-3以上、好ましくは5×1019cm-3以上の酸素濃度を有する。卑金属は酸素と結合しやすいので、4×1019cm-3以上、好ましくは5×1019cm-3以上の酸素濃度を有するショットキー電極4を形成することができる。これにより、熱処理工程(S72)を実施することにより、バリアハイトを効果的に向上することができるので、ショットキーバリアダイオード10の耐圧を向上することができる。
As described above, in this embodiment, the Schottky electrode is a base metal and has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more, preferably 5 × 10 19 cm −3 or more. Since the base metal easily binds to oxygen, the
なお、本実施の形態では、フィールドプレート構造を有するショットキーバリアダイオードを例に挙げて説明したが、本発明のショットキーバリアダイオードはフィールドプレート構造を有していなくてもよい。 In this embodiment, the Schottky barrier diode having the field plate structure is described as an example. However, the Schottky barrier diode of the present invention does not have to have the field plate structure.
本実施例では、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素濃度を有するショットキー電極の効果について調べた。 In this example, the effect of a Schottky electrode which is a base metal and has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more was examined.
(本発明例1)
本発明例1のショットキーバリアダイオードは、図1および図2に示す上述した実施の形態のショットキーバリアダイオード10の製造方法にしたがって、製造した。
(Invention Example 1)
The Schottky barrier diode of Example 1 of the present invention was manufactured according to the manufacturing method of the
具体的には、基板準備工程(S10)では、HVPE法で作製され、主表面が(0001)面のn型GaN自立基板を準備した。このGaN基板は、5×1018cm-3のキャリア濃度を有し、400μmの厚みを有していた。 Specifically, in the substrate preparation step (S10), an n-type GaN free-standing substrate prepared by the HVPE method and having a main surface of (0001) plane was prepared. This GaN substrate had a carrier concentration of 5 × 10 18 cm −3 and a thickness of 400 μm.
次に、GaN層形成工程(S20)では、OMVPE法により、GaN基板上にn型GaN層3をエピタキシャル成長した。このGaN層3は、1×1016cm-3のキャリア濃度を有し、5.0μmの厚みを有していた。
Next, in the GaN layer forming step (S20), the n-
次に、絶縁層形成工程(S30)では、プラズマCVDによりSiNxよりなる絶縁層17を成膜した。この絶縁層17は、0.5μmの厚みを有していた。
Next, in the insulating layer forming step (S30), the insulating
次に、オーミック電極形成工程(S40)では、以下の工程を実施した。まず、GaN基板2の裏面2bを有機洗浄および塩酸洗浄した。その後、GaN基板2の裏面2bに、EB蒸着法と抵抗加熱蒸着法とにより、20nmの厚さのTi、100nmの厚さのAl、20nmの厚さのTi、および200nmの厚さのAuをこの順で積層した。この金属層を形成した後に、窒素を含む雰囲気中、600℃で2分間、この金属層を熱処理して、合金化をした。これにより、オーミック電極6を形成した。
Next, in the ohmic electrode formation step (S40), the following steps were performed. First, the
次に、絶縁層エッチング工程(S50)では、以下の工程を実施した。まず、フォトリソグラフィを用いて絶縁層17上にパターニングを行なった。その後、BHFにより絶縁層17のウエットエッチングを行なった。次いで、有機洗浄処理をした後、リムーバーを用いて、レジストを除去した。これにより、絶縁層17をエッチングし、絶縁層17に開口部を形成した。この開口部の側面が、直径の最大値が200μmである円錐台の円錐面形状をなすように形成された。
Next, in the insulating layer etching step (S50), the following steps were performed. First, patterning was performed on the insulating
次に、炭素供給工程(S60)では、以下の工程を実施した。まず、開口部を有する絶縁層17の全面にレジストを形成した。その後、レジスト全面を露光した。次いで、現像処理をして、光が当たったレジスト全面を除去した。
Next, in the carbon supply step (S60), the following steps were performed. First, a resist was formed on the entire surface of the insulating
次に、ショットキー電極形成工程(S70)およびフィールドプレート電極形成工程(S80)を以下のように同時に行なった。まず、10%の塩酸での洗浄により、GaN層3および絶縁層17の表面を洗浄した。次いで、200nmの厚みを有するNiをEB蒸着法により、GaN層3に接触する位置(つまり、絶縁層17の開口部)および絶縁層17の上に形成した。その後、フォトリソグラフィーを用いて、ショットキー電極4およびフィールドプレート電極16となるべき領域上にレジストを形成した。この状態で、塩酸:硝酸=10:1の溶液を用いて、ショットキー電極4およびフィールドプレート電極16となるべき領域以外の金属層を除去した。次いで、上記と同様のリムーバーを用いてレジストを除去することにより、GaN層3と接触する位置および絶縁層17の上にNiよりなる金属層を形成した(金属層形成工程(S71))。
Next, the Schottky electrode formation step (S70) and the field plate electrode formation step (S80) were simultaneously performed as follows. First, the surfaces of the
その後、金属層を窒素雰囲気中、600℃で、2分間熱処理を行った(S72)。これにより、絶縁層17の開口部の内部においてGaN層3の表面3aに接触する部分であるNiよりなるショットキー電極4と、ショットキー電極4に接続するとともに絶縁層17に重なる部分であるフィールドプレート電極16とを含む電極15を形成した。電極15の直径が、絶縁層17に形成された開口部の直径よりも大きいために、絶縁層17上に電極15の一部が重なった、フィールドプレート電極16とした。以上より、図1および図2に示す本発明例1のショットキーバリアダイオードを製造した。
Thereafter, the metal layer was heat-treated in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. for 2 minutes (S72). As a result, the
(比較例1)
図4は、比較例1のショットキーバリアダイオードの製造方法を示すフローチャートである。図4に示すように、比較例1のショットキーバリアダイオードは基本的には本発明例1と同様に製造したが、炭素供給工程(S60)を実施しなかった点、および絶縁層エッチング工程(S50)でSPMによりレジストを除去した点において主に異なっていた。
(Comparative Example 1)
FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing the Schottky barrier diode of Comparative Example 1. As shown in FIG. 4, the Schottky barrier diode of Comparative Example 1 was basically manufactured in the same manner as Example 1 of the present invention, but the carbon supply step (S60) was not performed, and the insulating layer etching step ( The main difference was that the resist was removed by SPM in S50).
具体的には、基板準備工程(S10)、GaN層形成工程(S20)、および絶縁層形成工程(S30)を、本発明例1と同様に実施した。 Specifically, the substrate preparation step (S10), the GaN layer formation step (S20), and the insulating layer formation step (S30) were performed in the same manner as in Example 1 of the present invention.
次に、絶縁層エッチング工程(S50)では、本発明例1と同様にレジストを形成した後、リムーバーの代わりに、硫酸と過酸化水素の混合物であるSPMを用いて、レジストを除去した。 Next, in the insulating layer etching step (S50), after a resist was formed in the same manner as in Invention Example 1, the resist was removed using SPM, which is a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide, instead of the remover.
次に、本発明例1と同様にショットキー電極となるべき金属層およびフィールドプレート電極となるべき電極材料を形成した。 Next, similarly to Example 1 of the present invention, a metal layer to be a Schottky electrode and an electrode material to be a field plate electrode were formed.
次に、熱処理工程(S72)とオーミック電極形成工程(S40)とを、以下のように同時に行なった。まず、本発明例1と同様に、オーミック電極となるべき金属層を形成した。その後、ショットキー電極となるべき金属層と、オーミック電極となるべき金属層とを、本発明例1の熱処理工程(S72)と同様に熱処理した。これにより、ショットキー電極4、オーミック電極6、およびFP電極16を形成した。以上より、比較例1のショットキーバリアダイオードを製造した。
Next, the heat treatment step (S72) and the ohmic electrode formation step (S40) were performed simultaneously as follows. First, similarly to Example 1 of the present invention, a metal layer to be an ohmic electrode was formed. Thereafter, the metal layer to be the Schottky electrode and the metal layer to be the ohmic electrode were heat-treated in the same manner as in the heat treatment step (S72) of Example 1 of the present invention. Thereby, the
(評価方法)
本発明例1および比較例1のショットキーバリアダイオードについて、ショットキー電極表面からGaN層に向けてSIMSにより酸素濃度および炭素濃度を測定した。その結果をそれぞれ図5および図6に示す。なお、図5および図6の各々は、本発明例1および比較例1のショットキーバリアダイオードのSIMSによる分析結果を示す図である。図5および図6中、横軸はショットキー電極表面からの距離(単位:μm)を示し、縦軸は酸素または炭素の濃度(単位:Atoms/cm3)を示す。図5および図6において、横軸が0.2μmの位置は、ショットキー電極とGaN層との界面である。
(Evaluation methods)
For the Schottky barrier diodes of Invention Example 1 and Comparative Example 1, the oxygen concentration and carbon concentration were measured by SIMS from the Schottky electrode surface toward the GaN layer. The results are shown in FIGS. 5 and 6, respectively. Each of FIG. 5 and FIG. 6 is a diagram showing the analysis results by SIMS of the Schottky barrier diodes of Invention Example 1 and Comparative Example 1. 5 and 6, the horizontal axis represents the distance from the Schottky electrode surface (unit: μm), and the vertical axis represents the oxygen or carbon concentration (unit: Atoms / cm 3 ). 5 and 6, the position where the horizontal axis is 0.2 μm is the interface between the Schottky electrode and the GaN layer.
図5に示すように、本発明例1のショットキーバリアダイオードのショットキー電極において、ショットキー電極の酸素濃度を厚み方向にSIMSで測定すると、最も低い酸素濃度は、4×1019cm-3以上であり、GaN層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度は、1×1019cm-3以上であった。また、比較例1のショットキーバリアダイオードのショットキー電極において、ショットキー電極の酸素濃度を厚み方向にSIMSで測定したときに、最も低い酸素濃度は、4×1019cm-3未満であり、GaN層とショットキー電極との界面の炭素のピーク濃度は、1×1019cm-3未満であった。 As shown in FIG. 5, in the Schottky electrode of the Schottky barrier diode of Example 1 of the present invention, when the oxygen concentration of the Schottky electrode is measured by SIMS in the thickness direction, the lowest oxygen concentration is 4 × 10 19 cm −3. As described above, the peak concentration of carbon at the interface between the GaN layer and the Schottky electrode was 1 × 10 19 cm −3 or more. Further, in the Schottky electrode of the Schottky barrier diode of Comparative Example 1, when the oxygen concentration of the Schottky electrode was measured by SIMS in the thickness direction, the lowest oxygen concentration was less than 4 × 10 19 cm −3 , The peak carbon concentration at the interface between the GaN layer and the Schottky electrode was less than 1 × 10 19 cm −3 .
また、本発明例1および比較例1の熱処理前のショットキーバリアダイオードおよび本発明例1および比較例1の熱処理後のショットキーバリアダイオードについて、バリアハイトを測定した。バリアハイトの測定方法としては、セミオートプローバーを用い、順方向特性を測定した。その結果を下記の表1に示す。 Further, the barrier height was measured for the Schottky barrier diode before heat treatment of Invention Example 1 and Comparative Example 1 and the Schottky barrier diode after heat treatment of Invention Example 1 and Comparative Example 1. As a method for measuring the barrier height, a semi-auto prober was used and forward characteristics were measured. The results are shown in Table 1 below.
さらに、本発明例1および比較例1の熱処理前のショットキーバリアダイオード、および本発明例1および比較例1の熱処理後のショットキーバリアダイオードについて、逆バイアスを印加したときの耐圧をそれぞれ測定した。逆方向耐電圧の測定方法としては、高耐圧プローバーを用いてフッ素系不活性液体中に浸漬させた状態で電流と電圧とを測定するという方法を用いた。その結果をそれぞれ図7および図8に示す。なお、図7は、金属層形成後に熱処理を行なわなかった比較例1および本発明例1の電圧(逆方向電圧)と電流(電流密度)との関係を示す図である。図8は、金属層形成後に熱処理を行なった比較例1および本発明例1の電圧(逆方向電圧)と電流(電流密度)との関係を示す図である。図7および図8中、横軸は、逆方向電圧(単位:V)を示し、縦軸は、電流密度(単位:A/cm2)を示す。 Further, with respect to the Schottky barrier diode before the heat treatment of Invention Example 1 and Comparative Example 1 and the Schottky barrier diode after the heat treatment of Invention Example 1 and Comparative Example 1, the breakdown voltage when a reverse bias was applied was measured. . As a method for measuring the reverse withstand voltage, a method was used in which current and voltage were measured in a state of being immersed in a fluorine-based inert liquid using a high withstand voltage prober. The results are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between voltage (reverse voltage) and current (current density) in Comparative Example 1 and Invention Example 1 in which heat treatment was not performed after the metal layer was formed. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between voltage (reverse voltage) and current (current density) in Comparative Example 1 and Invention Example 1 in which heat treatment was performed after the metal layer was formed. 7 and 8, the horizontal axis indicates the reverse voltage (unit: V), and the vertical axis indicates the current density (unit: A / cm 2 ).
(評価結果)
表1に示すように、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた本発明例1のショットキーバリアダイオードでは、熱処理によりバリアハイトが0.70eV向上した。一方、4×1019cm-3未満の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた比較例1のショットキーバリアダイオードでは、熱処理によりバリアハイトが低下した。このことから、4×1019cm-3以上の酸素濃度を有することにより、熱処理によりバリアハイトを効果的に向上できることがわかった。
(Evaluation results)
As shown in Table 1, in the Schottky barrier diode of Example 1 of the present invention provided with a Schottky electrode which was a base metal and had an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more, the barrier height was reduced to 0 by heat treatment. Improved by 70 eV. On the other hand, in the Schottky barrier diode of Comparative Example 1 including the Schottky electrode having an oxygen concentration of less than 4 × 10 19 cm −3, the barrier height was lowered by the heat treatment. From this, it was found that the barrier height can be effectively improved by heat treatment by having an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more.
図7および図8に示すように、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた本発明例1のショットキーバリアダイオードでは、熱処理により耐圧を向上できることがわかった。一方、4×1019cm-3未満の酸素濃度を有していたショットキー電極を備えた比較例1のショットキーバリアダイオードでは、熱処理により耐圧が低下した。このことから、ショットキー電極が4×1019cm-3以上の酸素濃度を有することにより、熱処理により効果的に耐圧が向上することがわかった。 As shown in FIGS. 7 and 8, the Schottky barrier diode of Example 1 of the present invention having a Schottky electrode which is a base metal and has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more has a withstand voltage by heat treatment. It was found that can be improved. On the other hand, in the Schottky barrier diode of Comparative Example 1 including the Schottky electrode having an oxygen concentration of less than 4 × 10 19 cm −3 , the breakdown voltage was reduced by the heat treatment. From this, it was found that when the Schottky electrode has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more, the breakdown voltage is effectively improved by the heat treatment.
以上より、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素濃度を有するショットキー電極を備えることにより、熱処理をするとバリアハイトを効果的に向上できるので、耐圧を向上することができることが確認できた。 From the above, it can be confirmed that by providing a Schottky electrode which is a base metal and has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more, the barrier height can be effectively improved by heat treatment, so that the breakdown voltage can be improved. It was.
本実施例では、ショットキー電極が卑金属である場合に、熱処理工程を行なうことにより、バリアハイトが向上する効果について調べた。 In this example, when the Schottky electrode is a base metal, the effect of improving the barrier height by performing the heat treatment step was examined.
各試料のショットキーバリアダイオードは基本的には比較例1と同様に製造したが、金属層形成工程(S71)および熱処理工程(S72)においてのみ異なっていた。 The Schottky barrier diode of each sample was basically manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, but was different only in the metal layer forming step (S71) and the heat treatment step (S72).
具体的には、各試料における金属層形成工程(S71)では、Pd、Pt、Ti、W、およびAlを用いた。また、金属層としてPd、Pt、Ti、W、およびAlを用いた各試料についての熱処理工程(S72)では、窒素雰囲気中、それぞれ図9〜図13に示す所定の条件で熱処理した。なお、図11〜図13に示す金属層としてTi、W、Alを用いた各試料は、2分間熱処理した。また、金属層としてPd、Ptを用いた試料については、熱処理工程(S72)を実施しなかったショットキーバリアダイオードも作製した。 Specifically, Pd, Pt, Ti, W, and Al were used in the metal layer forming step (S71) in each sample. In the heat treatment step (S72) for each sample using Pd, Pt, Ti, W, and Al as the metal layer, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere under predetermined conditions shown in FIGS. Each sample using Ti, W, and Al as the metal layer shown in FIGS. 11 to 13 was heat-treated for 2 minutes. For samples using Pd and Pt as the metal layer, a Schottky barrier diode in which the heat treatment step (S72) was not performed was also produced.
金属層としてPd、Pt、Ti、W、およびAlを用いたショットキーバリアダイオードについて、実施例1と同様にバリアハイトをそれぞれ測定した。その結果を図9〜図13に示す。図9および図10中、横軸はアニール(熱処理)時間(単位:分)を示し、縦軸はバリアハイト(単位:eV)を示す。なお、熱処理工程(S72)を実施しなかったショットキーバリアダイオードは、アニール時間を0分としている。図11〜図13中、横軸はアニール(熱処理)温度(単位:℃)を示し、縦軸はバリアハイト(単位:eV)を示す。 For the Schottky barrier diode using Pd, Pt, Ti, W, and Al as the metal layer, the barrier height was measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIGS. 9 and 10, the horizontal axis represents annealing (heat treatment) time (unit: minutes), and the vertical axis represents barrier height (unit: eV). The Schottky barrier diode that has not been subjected to the heat treatment step (S72) has an annealing time of 0 minute. 11 to 13, the horizontal axis indicates the annealing (heat treatment) temperature (unit: ° C.), and the vertical axis indicates the barrier height (unit: eV).
図9および図10に示すように、金属層として貴金属を用いたショットキー電極を備えたショットキーバリアダイオードでは、いずれの熱処理条件であっても、熱処理によりショットキー電極のバリアハイトが低下した。一方、図11〜図13に示すように、金属層として卑金属を用いたショットキー電極を備えたショットキーバリアダイオードでは、所定の熱処理条件を選択すれば、熱処理によりショットキー電極のバリアハイトを向上することができることがわかった。 As shown in FIGS. 9 and 10, in the Schottky barrier diode provided with the Schottky electrode using the noble metal as the metal layer, the barrier height of the Schottky electrode is reduced by the heat treatment under any heat treatment conditions. On the other hand, as shown in FIGS. 11 to 13, in a Schottky barrier diode including a Schottky electrode using a base metal as a metal layer, the barrier height of the Schottky electrode is improved by heat treatment if a predetermined heat treatment condition is selected. I found out that I could do it.
以上より、本実施例によれば、ショットキー電極となるべき金属層に卑金属を用いることにより、所定の条件で熱処理をするとバリアハイトを向上できることがわかった。 As described above, according to this example, it was found that the barrier height can be improved by heat treatment under a predetermined condition by using a base metal for the metal layer to be the Schottky electrode.
本発明者は、このことから、熱処理によりショットキー電極のバリアハイトを向上するためには、卑金属の酸素と結合しやすい性質に起因することを見出した。そして、上述した実施例1の実験により本発明を完成した。 The inventor of the present invention has found that, in order to improve the barrier height of the Schottky electrode by heat treatment, it is due to the property of being easily combined with base metal oxygen. And this invention was completed by experiment of Example 1 mentioned above.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
2 GaN基板、2a,3a 表面、2b 裏面、3 GaN層、4 ショットキー電極、6 オーミック電極、10 ショットキーバリアダイオード、11 界面、15 電極、16 フィールドプレート(FP)電極、17 絶縁層、17a 端面。 2 GaN substrate, 2a, 3a front surface, 2b back surface, 3 GaN layer, 4 Schottky electrode, 6 ohmic electrode, 10 Schottky barrier diode, 11 interface, 15 electrode, 16 field plate (FP) electrode, 17 insulating layer, 17a End face.
Claims (2)
前記基板上に形成された窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層上に接して形成されたショットキー電極とを備え、
前記ショットキー電極は、卑金属で、かつ4×1019cm-3以上の酸素濃度を有する、ショットキーバリアダイオード。 A substrate,
A gallium nitride layer formed on the substrate;
A Schottky electrode formed on and in contact with the gallium nitride layer,
The Schottky electrode is a Schottky barrier diode which is a base metal and has an oxygen concentration of 4 × 10 19 cm −3 or more.
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