JP2013232578A - Schottky barrier diode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ショットキーバリアダイオードに関するものである。 The present invention relates to a Schottky barrier diode.
従来から、高周波デバイス用半導体素子には、半導体材料としてワイドバンドギャップ型のIII族窒化物系化合物半導体、特に窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体が用いられている(以下、GaN系半導体素子とする)。GaN系半導体素子では、半導体基板の表面に、例えば有機金属化学気相蒸着(MOCVD:Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成されたバッファ層やGaNドープ層が設けられている。最近では、ワイドバンドギャップ型半導体素子は、高周波用途に加え、電力装置用のパワーデバイスにも適用可能であるという認識から、高耐圧、大電流を扱うデバイスとしての検討も行われている。パワーデバイスには、大きく分けてトランジスタとダイオードがある。パワーデバイスでは従来多くシリコンが半導体材料として用いられていたが、抵抗が低いことから炭化珪素(SiC)を用いられるようになっており、さらにGaNを用いたデバイスの検討も進んでいる。 Conventionally, wide band gap group III nitride compound semiconductors, particularly gallium nitride (GaN) compound semiconductors, have been used as semiconductor materials for semiconductor elements for high frequency devices (hereinafter referred to as GaN semiconductor elements). ). In a GaN-based semiconductor element, a buffer layer and a GaN doped layer are formed on the surface of a semiconductor substrate, for example, using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Recently, wide band gap semiconductor elements have been studied as devices that handle high withstand voltages and large currents in recognition that they can be applied to power devices for power devices in addition to high frequency applications. Power devices are roughly divided into transistors and diodes. Conventionally, silicon has been used as a semiconductor material in power devices, but silicon carbide (SiC) has been used because of its low resistance, and devices using GaN are also being studied.
図12は、公知のGaN系半導体を用いたショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である(たとえば特許文献1参照)。図12に示すショットキーバリアダイオード1000は、基板1001の上に、GaN層を積層するためのバッファ層1002、ノンドープのu−GaN層1003および窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層1004が順次積層されている。AlGaN層1004はAlNとGaNの混晶であり、その構成比によってバンドギャップや自発分極、ピエゾ分極の特性が変化する。u−GaN層1003とAlGaN層1004の界面には、AlGaN層1004のAl組成比と厚さとを制御することによってその濃度が制御された2次元電子ガス(2DEG:Two Dimensional Electron Gas)層1003aが形成されている。この2DEG層1003aが電子を流す通路となる。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode using a known GaN-based semiconductor (see, for example, Patent Document 1). In a
この2DEG層1003aは、電子の不純物散乱が小さいため、高移動度で低抵抗の電気伝導層となり、AlGaN層1004上に形成された電極間の電流経路を提供する。ショットキーバリアダイオード1000には主たる電極が2つある。アノード電極1005はAlGaN層1004とショットキー接触して、電子のトンネル電流によって2DEG層1003aと電気的に接続している。カソード電極1006はAlGaN層1004とオーミック接触している。
Since the
ここで、カソード電極1006側に正のバイアス電圧を印加すると、アノード電極1005側は逆バイアス状態となり、アノード電極下の2DEG層1003aが空乏化して高耐圧を維持する。一方、アノード電極1005側を正のバイアス電圧を印加すると、カソード電極1006側からアノード電極1005側へ電子が流れ込んで、大きな電流が流れ、いわゆる整流特性をもったダイオードとしての働きをする。これによって、ショットキーバリアダイオード1000は、パワーデバイスに使用することが可能となる。ショットキーバリアダイオード1000は、2DEG層1003aの抵抗が低いことと併せて、GaN材料のバンドギャップが広いことから、絶縁電界強度がシリコンよりも一桁以上大きく、高耐圧を実現できるため、パワーデバイスへ期待されている。
Here, when a positive bias voltage is applied to the
また、ショットキーバリアダイオード1000は、少数キャリアの蓄積が無いため、高速でスイッチングできるという特徴を有している。基板1001の上に形成されているバッファ層1002は、その上のu−GaN層1003やAlGaN層1004を形成するために挿入されるもので、GaNとは異なる材料からなる異種基板、たとえばシリコンやサファイヤ、SiCなどとの熱膨張係数や格子定数の違いを吸収して、結晶性のよいu−GaN層1003やAlGaN層1004を積むためのものである。一般的には、このバッファ層1002は高抵抗または絶縁性の特性を有し、高耐圧素子において耐圧を維持するために利用される。また、基板1001としては、最近では高品質で、安価で、大口径が利用可能なシリコン基板を用いることが多い。
In addition, the Schottky
電力装置に使用する半導体素子としては、上記のように高耐圧で、導通抵抗(オン抵抗)が低いということは大きなメリットであるが、オフ状態で高耐圧を維持するときに、電極間に大きな電圧が印加されたとき、リーク電流が流れる場合がある。このリーク電流は、高電圧印加時に発生するため、電力損失を発生させる。この損失された電力は、素子内で熱に変わり、素子の温度を上昇させたり、大きな内部電界で加速された電子がホットエレクトロンとなって不要な場所に注入、蓄積して信頼性の劣化を招いたりするという課題がある。このため、リーク電流は最低でも、室温で1mA/cm2以下に抑えられなければならないとされている。 As a semiconductor element used in a power device, a high withstand voltage and a low conduction resistance (on-resistance) as described above are great merits, but when maintaining a high withstand voltage in an off state, there is a large gap between the electrodes. When a voltage is applied, a leakage current may flow. Since this leak current is generated when a high voltage is applied, it causes power loss. This lost power is converted into heat in the device, increasing the temperature of the device, and electrons accelerated by a large internal electric field become hot electrons that are injected and accumulated in unnecessary locations, causing deterioration of reliability. There is a problem of inviting. For this reason, it is said that at least the leakage current must be suppressed to 1 mA / cm 2 or less at room temperature.
GaN系半導体を用いたショットキーバリアダイオードのリーク電流を決める大きな要因として、2DEG層の電子濃度(2DEG濃度)がある。図13は、アノード電極1005とAlGaN層1004とu−GaN層1003との界面のエネルギーバンドの状態を示した図である。符号E1はアノード電極1005を構成する金属のフェルミ準位を示し、符号E2はAlGaN層1004およびu−GaN層1003のフェルミ準位を示している。2DEG層1003aを発生させるために配置されているAlGaN層1004中には、電圧を印加しない状態でも矢印Ar1で示す大きな電界が発生している。これは分極による実効的な電荷がAlGaN/GaN界面に存在するためである。この電界の電界強度Eは、2DEG層1003aの電子濃度N2degを用いて、下記の式(1)であらわされる。
A major factor that determines the leakage current of a Schottky barrier diode using a GaN-based semiconductor is the electron concentration (2DEG concentration) of the 2DEG layer. FIG. 13 is a diagram showing the state of the energy band at the interface between the
E=qN2deg/εAlGaN ・・・ (1)
ここで、q:素電荷、εAlGaN:AlGaNの誘電率である。
E = qN 2deg / ε AlGaN (1)
Here, q is an elementary charge, and ε AlGaN is a dielectric constant of AlGaN.
式(1)の関係からわかるように、2DEG濃度が大きくなると、それに比例してAlGaN層1004中の電界強度は大きくなる。一方、アノード電極1005(ショットキー電極)から流れ出るリーク電流は、この電界強度Eと密接に関連しており、よく知られた熱電界放出理論によって、電界に指数関数的に依存することが知られている。このため、2DEG濃度とリーク電流には密接な関連がある。具体的には、下記の式(2)が成り立つ。
As can be seen from the relationship of Expression (1), as the 2DEG concentration increases, the electric field strength in the
E×R2deg=(μ)-1=一定・・・ (2)
ここで、R2deg:2DEG層のシート抵抗、μ:2DEG層の電子移動度である。
E x R 2deg = (μ) -1 = constant (2)
Here, R 2deg : sheet resistance of 2DEG layer, μ: electron mobility of 2DEG layer.
このため、リーク電流抑制のために電界強度を低くすることと、2DEG層の抵抗を下げることとはトレードオフ関係、すなわち相反する関係にある。したがって、オン抵抗とリーク電流とを同時に低くすることは困難であった。 For this reason, lowering the electric field strength to suppress the leakage current and lowering the resistance of the 2DEG layer are in a trade-off relationship, that is, a conflicting relationship. Therefore, it has been difficult to simultaneously reduce the on-resistance and the leakage current.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低いオン抵抗と低いリーク電流とを同時に実現できるショットキーバリアダイオードを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a Schottky barrier diode that can simultaneously realize a low on-resistance and a low leakage current.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、III族窒化物系化合物半導体で構成された電子走行層と、前記電子走行層上に形成され、該電子走行層よりもバンドギャップエネルギーが高いIII族窒化物系化合物半導体で構成された電子供給層と、前記電子供給層とオーミック接触するように形成されたカソード電極と、前記電子供給層とは電気的に絶縁されるとともに、前記電子走行層とショットキー接触するように形成されたアノード電極と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a Schottky barrier diode according to the present invention is formed on an electron transit layer composed of a group III nitride compound semiconductor, and the electron transit layer, An electron supply layer composed of a group III nitride compound semiconductor having a higher band gap energy than the electron transit layer, a cathode electrode formed in ohmic contact with the electron supply layer, and the electron supply layer And an anode electrode formed so as to be in Schottky contact with the electron transit layer.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記電子供給層は、前記電気走行層上でメサ形状を有しており、前記アノード電極は、前記メサ形状の電子供給層の側部側で露出した前記電子走行層の表面においてショットキー接触していることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is the Schottky barrier diode according to the above invention, wherein the electron supply layer has a mesa shape on the electric traveling layer, and the anode electrode is formed of the mesa-shaped electron supply layer. The surface of the electron transit layer exposed on the side portion side is in Schottky contact.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記アノード電極と前記電子走行層との界面の一部に介挿された絶縁膜を備え、前記絶縁膜は、前記アノード電極と前記電子走行層とが接触する領域と、前記電子走行層の前記電子供給層との界面に2次元電子ガスが発生している領域との間の領域で介挿されており、かつ、前記アノード電極と前記カソード電極との間に正のバイアス電圧を印加した場合に、前記電子走行層の当該絶縁膜との界面に電子蓄積層が形成されて、前記2次元電子ガスと電気的に接続することを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention further includes an insulating film interposed in a part of an interface between the anode electrode and the electron transit layer in the above invention, and the insulating film includes the anode electrode and the anode electrode. The anode is interposed in a region between a region where the electron transit layer is in contact with a region where a two-dimensional electron gas is generated at an interface between the electron transit layer and the electron supply layer, and the anode When a positive bias voltage is applied between the electrode and the cathode electrode, an electron storage layer is formed at the interface between the electron transit layer and the insulating film, and is electrically connected to the two-dimensional electron gas. It is characterized by that.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記アノード電極と前記電子走行層との界面の一部に介挿され、かつ前記メサ形状の電子供給層の側壁に形成された側壁保護膜を備えることを特徴とする。 In the above invention, the Schottky barrier diode according to the present invention is interposed in a part of the interface between the anode electrode and the electron transit layer, and is formed on the side wall of the mesa-shaped electron supply layer. A sidewall protective film is provided.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記アノード電極と前記カソード電極との間の領域に形成された絶縁性の保護膜を備えることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that, in the above invention, an insulating protective film is formed in a region between the anode electrode and the cathode electrode.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記電子走行層は、前記アノード電極と当該電子走行層とが接触する領域から、当該電子走行層の前記電子供給層との界面に2次元電子ガスが発生している領域との間に、n型にドーピングされて周囲よりも抵抗が低い低抵抗領域を有していることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is the Schottky barrier diode according to the above invention, wherein the electron transit layer is an interface between the anode electrode and the electron transit layer and the electron supply layer from the region where the anode electrode and the electron transit layer contact In addition, a low resistance region which is n-type doped and has a lower resistance than the surroundings is provided between the region where the two-dimensional electron gas is generated.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記低抵抗領域はイオン注入によって形成されたものであることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the low resistance region is formed by ion implantation.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記低抵抗領域は半導体層の再成長によって形成されたものであることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the low resistance region is formed by regrowth of a semiconductor layer.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記電子供給層上に形成されたキャップ層を備えることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that, in the above invention, a cap layer formed on the electron supply layer is provided.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記キャップ層の少なくとも一部がp型にドーピングされていることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that, in the above invention, at least a part of the cap layer is doped p-type.
また、本発明に係るショットキーバリアダイオードは、上記の発明において、前記カソード電極は前記キャップ層を介して前記電子供給層に接続していることを特徴とする。 The Schottky barrier diode according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the cathode electrode is connected to the electron supply layer through the cap layer.
本発明によれば、低いオン抵抗と低いリーク電流とを同時に実現できるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to simultaneously realize a low on-resistance and a low leakage current.
以下に、図面を参照して本発明に係るショットキーバリアダイオードの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。 Embodiments of a Schottky barrier diode according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals as appropriate, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships between elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード10は、シリコンで構成された基板1上に、AlN/GaN構造が複数積層されたバッファ層2と、バッファ層2上に形成され、n型にドーピングされたGaNで構成された電子走行層3と、電気走行層3上に形成され、電子走行層3よりもバンドギャップエネルギーが高いAlGaNで構成された電子供給層4と、電子供給層4上に形成され、GaNで構成されたキャップ層5とを備えている。キャップ層5はノンドープまたはnドープのGaNであってよい。電子走行層3の電子供給層4との界面には2DEG層3aが形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to
電子供給層4、キャップ層5はエッチング等によってメサ形状に形成されており、これによって電子走行層3の表面の一部である表面3bが電子供給層4の側部4a側で露出している。
The
ショットキーバリアダイオード10は、さらに、たとえばSiNからなるパッシベーション膜である絶縁膜6、アノード電極7、およびカソード電極8を備えている。
The
絶縁膜6はキャップ層5の表面の一部、メサ形状の側壁Wの表面、電子走行層3の表面3bの一部を覆うように形成されている。アノード電極7は電子走行層3の表面3bにおいて電子走行層3にショットキー接触する一方で、電子供給層4とは絶縁膜6によって電気的に絶縁されている。カソード電極8は絶縁膜6に覆われていないキャップ層5の表面にオーミック接触しており、キャップ層5を介して電子供給層4にオーミック接触している。ここでは、カソード電極8はキャップ層を介して電子供給層4にオーミック接触しているが、カソード電極直下のキャップ層を除去し、直接電子供給層4にオーミック接触させてもよい。キャップ層5は電子供給層4の表面を安定させる効果を奏する。なお、キャップ層5の代わりに、メサ形状の形成する際にマスクとして使用した絶縁膜を残してもよい。キャップ層5が絶縁膜の場合はキャップ層5に開口を設けてカソード電極8と電子供給層4とが直接オーミック接触するようにしてもよい。
The insulating
このショットキーバリアダイオード10では、AlGaN層である電子供給層4と、ショットキー接合界面(アノード電極7と電子走行層3の表面3bとの接合界面)とは紙面幅方向にずれているため、電子供給層4中の高電界はショットキー接合界面には働かないことがわかる。アノード電極7に負の電圧が印加される逆バイアス時においては、ショットキー接合界面における電子走行層3に空乏層が広がり、高電圧を維持するが、リーク電流は電子走行層3のキャリア濃度によって規定される。このため、電子走行層3のキャリア濃度を適切に制御することによって、2DEG濃度との相関を少なくしてリーク電流を制御可能である。また、ショットキー電極がAlGaNと接触する場合、界面準位が多数発生するので界面特性が安定せず、ショットキー特性がばらつきやすいが、本実施の形態の構造では、AlGaNとのショットキー接合部分がないため、界面特性が安定して、ばらつきの少ない良好な特性を得ることができるという効果も得られる。
In this
具体的には、電子走行層3のキャリア濃度は1×1015〜1×1017cm−3程度が好ましい。これによって、リーク電流の増大を抑制できるとともに、2DEG層3aまでの抵抗を抑制できる。また、電子走行層3の厚さをdとすると、キャリア濃度Nganとdとの積であるシートキャリア濃度は、2DEG濃度よりも小さいことが望ましい。典型的な2DEG濃度は1×1013cm−2程度であることから、下記式(3)が成り立つことが好ましい。
Specifically, the carrier concentration of the
d×Ngan<1×1013cm−2 ・・・ (3) d × Ngan <1 × 10 13 cm −2 (3)
たとえば、dが100nmの場合、Nganは1×1018cm−3とより小さいことが好ましい。この条件下では、電子走行層3の電子移動度よりも2DEG層3aの電子移動度のほうがはるかに高いため、導通電流のほとんどは2DEG層3aに流れる。
For example, when d is 100 nm, Ngan is preferably smaller than 1 × 10 18 cm −3 . Under this condition, the electron mobility of the
図2は、図1に示す本実施の形態1に係るショットキーバリアダイオード10と図12に示す公知のショットキーバリアダイオード1000との特性を示す図である。横軸は2DEGシート濃度を示し、縦軸は100Vの逆バイアス時のリーク電流を示している。黒丸のデータ点と実線で示した近似直線がショットキーバリアダイオード1000の特性であり、黒三角のデータ点がショットキーバリアダイオード10の特性である。
FIG. 2 is a diagram showing characteristics of the
図2に示すように、ショットキーバリアダイオード1000では、2DEGシート濃度とリーク電流との間には相関があり、2DEGシート濃度を増大させてオン抵抗を低減しようとするとリーク電流も増加してしまう。しかしながら、ショットキーバリアダイオード10では、2DEGシート濃度を増大させてオン抵抗を低減させてもリーク電流の増加は抑制される。これによって低いオン抵抗と低いリーク電流とを同時に実現できる。
As shown in FIG. 2, in the
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード20は、実施の形態1のショットキーバリアダイオード10において、電子走行層3をノンドープのu−GaNで構成された電子走行層13に置き換えたものである。電子走行層13には2DEG層13aが形成される。ショットキーバリアダイオード20ではアノード電極7での電界を実施の形態1よりもさらに下げてリーク電流をさらに小さくすることが可能である。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to the second embodiment of the present invention. The
ショットキーバリアダイオード10では電子走行層3をドーピングされたGaNで構成することによって、ショットキー接合領域と2DEG層3aとの間の抵抗を低減している。これに対して、ショットキーバリアダイオード20では、絶縁膜6が、ショットキー接合領域と2DEG層13aの間の領域において、アノード電極7と電子走行層13との間に介挿されている。これによって、アノード電極7とカソード電極8との間に正のバイアス電圧を印加した場合に、電子走行層13の絶縁膜6との界面に低抵抗の電子蓄積層13cが形成されて、2DEG層13aと電気的に接続する。これによってショットキー接合領域と2DEG層13aとの間の抵抗が低減される。
In the
このとき、正バイアスが1V程度で十分な電子蓄積層13cを形成する必要があることから、介挿された部分の絶縁膜6の膜厚が制御される必要がある。これまでの実験事実より、この部分の絶縁膜6の厚さを20nm〜100nm程度に設定すれば、十分な電子濃度の電子蓄積層13cが電子走行層13の表面に形成される。このとき、絶縁膜6は、製造上はSiO2やSiN、Al2O3、あるいはそれらの複合膜でよい。なお、SiN膜やAl2O3膜はGaN層やAlGaN層との界面準位が少ないことが知られている。したがってそれらの膜を絶縁膜6として用いることでより電子蓄積層13cを形成しやすくなるので好ましい。
At this time, since it is necessary to form a sufficient
(実施の形態3)
図4は、本発明の実施の形態3に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード30は、実施の形態1のショットキーバリアダイオード10において、バッファ層2と電子走行層3との間にノンドープのu−GaNで構成された耐圧維持層14を介挿したものである。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to
ここで、素子の耐圧は、バッファ層の直上の半導体層の総層厚によって決まる場合がある。耐圧維持のためにドープされた電子走行層3が厚くなると、上記の式(3)の関係が成立しない場合がある。これに対して、ショットキーバリアダイオード30では、ノンドープのu−GaNで構成された耐圧維持層14を介挿することで素子耐圧を維持しつつ、電子走行層3のキャリア濃度を式(3)が成立するような好適な値に制御することができる。
Here, the breakdown voltage of the element may be determined by the total thickness of the semiconductor layer immediately above the buffer layer. When the doped
(実施の形態4)
図5は、本発明の実施の形態4に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード40は、実施の形態1のショットキーバリアダイオード10において、キャップ層5をp型にドーピングされたキャップ層15に置き換え、カソード電極16を電子供給層4に直接オーミック接触するように構成したものである。なお、絶縁膜6には開口6aを設け、キャップ層15がアノード電極7とショットキー接触できるようにしている。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to
キャップ層15をp−GaNとした場合には、p−GaN中のアクセプタとAlGaN/GaN界面(電子供給層4と電子走行層3との界面)の分極電荷とが中和するため、効果的に電界を弱める効果が発揮される。これによって、2DEG層3aが容易に空乏化して、高耐圧が得られやすいという利点がある。キャップ層15がp型にドープされていない場合であっても、膜厚を30nm以上に設定することによって、キャップ層/AlGaN界面および2DEG層界面の分極電荷が打ち消されやすくなり、同様の効果を得ることができる。
When the
なお、図ではキャップ層15はカソード電極16と接触しているが、必ずしも接触している必要はない。ただし、p−GaN層であるキャップ層15がカソード電極16と接していると、その部分はショットキー接触となる。その結果、その部分からも電圧が印加されることから、絶縁膜6全体に横方向に均一に電界がかかり、局部的に電界集中して破壊することが抑制されるという利点が生じる。
Although the
なお、p型のGaNを形成するためにはMgやCをドープすることが一般的に実施されている。これらのドーパントをドーピングすることによって、キャップ層15がp型にまでなっていない場合でも、類似の効果を奏するものになる。
In order to form p-type GaN, doping with Mg or C is generally performed. By doping these dopants, a similar effect can be obtained even when the
(実施の形態5)
図6は、本発明の実施の形態5に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード50は、実施の形態4のショットキーバリアダイオード40において、実施の形態3の耐圧維持層14をさらに備えたものである。
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to the fifth embodiment of the present invention. The
このショットキーバリアダイオード50は、実施の形態3、4の両方の効果を奏する。また、ドーピングされた電子走行層3の場合に、高電圧が印加された場合に2DEG層3aや電子走行層3の空乏化が起こりにくくなる場合があるが、p−GaN層であるキャップ層15との組み合わせによって、上述したように空乏化しやすくなるので、これを改善することができる。
This
(実施の形態6)
図7は、本発明の実施の形態6に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード60は、実施の形態1のショットキーバリアダイオード10において、電子走行層3を主にノンドープのu−GaNで構成された電子走行層17に置き換えたものである。
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to
電子走行層17には2DEG層17aが形成されている。アノード電極7は、電子走行層17の表面の一部である表面17bにおいて、電子走行層17にショットキー接触している。また、電子走行層17はイオン注入によって形成されたu−GaNよりも抵抗が低い低抵抗領域17cを有する。低抵抗領域17cはたとえばu−GaNにSiイオンをイオン注入することでn型に形成することが可能である。イオン注入法によれば、局部的に低抵抗領域17cを形成することができるので、ドーパントを必要最小限のドープ量に制限することができ、そのため、高耐圧を得られやすいという利点がある。また、イオン注入量や注入領域の制御が容易なので、制御性が著しく高まるという利点もある。
In the
(実施の形態7)
図8は、本発明の実施の形態7に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード70は、実施の形態5のショットキーバリアダイオード50において、電子走行層3を実施の形態6の電子走行層17に置き換えたものである。このショットキーバリアダイオード70は、実施の形態5、6の両方の効果を奏する。
(Embodiment 7)
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to
(実施の形態8)
図9は、本発明の実施の形態8に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード80は、実施の形態6のショットキーバリアダイオード60において、電子走行層17をノンドープのu−GaNで構成された電子走行層18に置き換え、電子走行層17の低抵抗領域17cに対応する部分を、n型にドーピングしたGaNで構成される再成長層19で構成したものである。電子走行層17には2DEG層17aが形成されている。
(Embodiment 8)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to
再成長層19は、GaN結晶を再成長して形成されたものである。したがって、結晶性が良好であり、表面状態も良好である。そのため、アノード電極7と良好なショットキー接合界面を形成することができる。
The
(実施の形態9)
図10は、本発明の実施の形態9に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード90は、実施の形態8のショットキーバリアダイオード80において、実施の形態4と同様にキャップ層5をp型にドーピングされたキャップ層15に置き換え、カソード電極8を電子供給層4に直接オーミック接触するように構成し、絶縁膜6には開口6aを設け、キャップ層15がアノード電極7とショットキー接触できるようにしたものである。このショットキーバリアダイオード90は、実施の形態4、8の両方の効果を奏する。
(Embodiment 9)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to the ninth embodiment of the present invention. The
(実施の形態10)
図11は、本発明の実施の形態10に係るショットキーバリアダイオードの模式的な断面図である。ショットキーバリアダイオード100は、実施の形態6のショットキーバリアダイオード60において、絶縁膜6はメサ形状の側壁Wの表面および電子走行層17の表面17bまでは覆わないように形成し、側壁Wに絶縁性の側壁保護膜21を形成したものである。
(Embodiment 10)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a Schottky barrier diode according to the tenth embodiment of the present invention. The
ショットキー接合領域と2DEG層17aとの距離は短い方が、抵抗が小さく、素子全体のオン抵抗を下げることに効果がある。そこで、ショットキーバリアダイオード100では、いわゆるサイドウオール絶縁膜とよばれる側壁保護膜21を形成している。このサイドウオール絶縁膜はLSI技術として公知のセルフアライン技術の一つである。この技術を用いれば、ショットキー接合領域と2DEG層16aとの距離を、メサ形状の段差とほぼ同じ距離(たとえば0.5μm)にまで縮めることが可能であり、オン抵抗の低減に効果的である。また、ショットキーバリアダイオード100の横幅も狭くなるので、全体的に小型化できる。
The shorter the distance between the Schottky junction region and the
なお、上記実施の形態において、アノード電極やカソード電極の上には、配線のための厚い別の配線用金属、AlやAlSi、Cuなどの金属膜が積層されていてもよい。 In the above embodiment, another thick wiring metal for wiring, or a metal film such as Al, AlSi, or Cu may be laminated on the anode electrode or the cathode electrode.
また、本発明にかかるショットキーバリアダイオードは、高耐圧が必要なインバータなどの電力変換装置やモーター駆動装置や、種々の電源装置や無停電電源などに使用されるパワーデバイスに有用である。 The Schottky barrier diode according to the present invention is useful for power conversion devices such as inverters that require high withstand voltage, motor drive devices, power devices used in various power supply devices, uninterruptible power supplies, and the like.
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
1 基板
2 バッファ層
3、13、17、18 電子走行層
3a、13a、17a 2DEG層
3b、17b 表面
4 電子供給層
4a 側部
5、15 キャップ層
6 絶縁膜
6a 開口
7 アノード電極
8、16 カソード電極
10〜100 ショットキーバリアダイオード
13c 電子蓄積層
14 耐圧維持層
17c 低抵抗領域
19 再成長層
21 側壁保護膜
Ar1 矢印
E1、E2 フェルミ準位
E2 符号
W 側壁
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記電気走行層上に形成され、該電子走行層よりもバンドギャップエネルギーが高いIII族窒化物系化合物半導体で構成された電子供給層と、
前記電子供給層とオーミック接触するように形成されたカソード電極と、
前記電子供給層とは電気的に絶縁されるとともに、前記電子走行層とショットキー接触するように形成されたアノード電極と、
を備えることを特徴とするショットキーバリアダイオード。 An electron transit layer composed of a group III nitride compound semiconductor;
An electron supply layer formed on a group III nitride compound semiconductor formed on the electric transit layer and having a band gap energy higher than that of the electron transit layer;
A cathode electrode formed in ohmic contact with the electron supply layer;
An anode electrode that is electrically insulated from the electron supply layer and formed so as to be in Schottky contact with the electron transit layer;
A Schottky barrier diode comprising:
前記アノード電極は、前記メサ形状の電子供給層の側部側で露出した前記電気走行層の表面においてショットキー接触していることを特徴とする請求項1に記載のショットキーバリアダイオード。 The electron supply layer has a mesa shape on the electric traveling layer,
2. The Schottky barrier diode according to claim 1, wherein the anode electrode is in Schottky contact with a surface of the electric traveling layer exposed on a side of the mesa-shaped electron supply layer.
前記絶縁膜は、前記アノード電極と前記電子走行層とが接触する領域と、前記電子走行層の前記電子供給層との界面に2次元電子ガスが発生している領域との間の領域で介挿されており、かつ、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に正のバイアス電圧を印加した場合に、前記電子走行層の当該絶縁膜との界面に電子蓄積層が形成されて、前記2次元電子ガスと電気的に接続することを特徴とする請求項2に記載のショットキーバリアダイオード。 Comprising an insulating film interposed in part of the interface between the anode electrode and the electron transit layer;
The insulating film is interposed between a region where the anode electrode and the electron transit layer are in contact with a region where a two-dimensional electron gas is generated at an interface between the electron transit layer and the electron supply layer. Inserted, and
When a positive bias voltage is applied between the anode electrode and the cathode electrode, an electron storage layer is formed at the interface of the electron transit layer with the insulating film, and electrically with the two-dimensional electron gas. The Schottky barrier diode according to claim 2, wherein the Schottky barrier diode is connected.
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