JP2019079984A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】電界集中による絶縁破壊が生じにくいショットキーバリアダイオードを提供する。
【解決手段】酸化ガリウムからなる半導体基板２０と、半導体基板２０上に設けられた酸化ガリウムからなるドリフト層３０と、ドリフト層３０とショットキー接触するアノード電極４０と、半導体基板２０とオーミック接触するカソード電極５０とを備える。ドリフト層３０は、平面視でアノード電極４０と重なる位置に設けられた複数のトレンチ６０を有する。複数のトレンチ６０のうち、端部に位置するトレンチ６０ａの幅Ｗ２が選択的に拡大されている。これにより、トレンチ６０ａの底部の曲率半径が拡大するか、或いは、トレンチ６０ａを断面で見た場合に底部によって構成されるエッジ部分が２つに分離する。その結果、端部に位置するトレンチ６０ａの底部に印加される電界が緩和されることから、絶縁破壊が生じにくくなる。
【選択図】図１

Description

本発明はショットキーバリアダイオードに関し、特に、酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードに関する。

ショットキーバリアダイオードは、金属と半導体の接合によって生じるショットキー障壁を利用した整流素子であり、ＰＮ接合を有する通常のダイオードに比べて順方向電圧が低く、且つ、スイッチング速度が速いという特徴を有している。このため、ショットキーバリアダイオードはスイッチング素子の還流ダイオードなどとして利用されることがある。

ショットキーバリアダイオードをスイッチング素子の還流ダイオードなどとして用いる場合、十分な逆方向耐圧を確保する必要があることから、シリコン（Ｓｉ）の代わりに、よりバンドギャップの大きい炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）などが用いられることがある。中でも、酸化ガリウムは、バンドギャップが４．８〜４．９ｅＶと非常に大きく、絶縁破壊電界も約８ＭＶ／ｃｍと大きいことから、酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードは、スイッチング素子の還流ダイオードとして非常に有望である。酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードの例は、特許文献１や非特許文献１に記載されている。

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は、平面視でアノード電極と重なる位置に複数のトレンチを設け、トレンチの内壁を絶縁膜で覆った構造を有している。かかる構造により、逆方向電圧が印加されるとトレンチ間に位置するメサ領域が空乏層となるため、ドリフト層のチャネル領域がピンチオフされる。これにより、逆方向電圧が印加された場合のリーク電流を大幅に抑制することができる。

特開２０１７−０４５９６９号公報

トレンチMOS構造を設けたGa2O3ショットキーバリアダイオード 2017年第64回応用物理学会春季学術講演会[15p-315-13]

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に記載されたショットキーバリアダイオードは、アノード電極の端部に電界が集中するため、高電圧を印加するとこの部分において絶縁破壊を起こしてしまう。例えば、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においては、端部に位置するトレンチのエッジ部分に電界が集中する。

したがって、本発明は、酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードであって、電界集中による絶縁破壊が生じにくい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。

本発明によるショットキーバリアダイオードは、酸化ガリウムからなる半導体基板と、半導体基板上に設けられた酸化ガリウムからなるドリフト層と、ドリフト層とショットキー接触するアノード電極と、半導体基板とオーミック接触するカソード電極とを備え、ドリフト層は、平面視でアノード電極と重なる位置に設けられた複数のトレンチを有し、複数のトレンチのうち、端部に位置するトレンチの幅が選択的に拡大されていることを特徴とする。

本発明によれば、端部に位置するトレンチの幅が拡大されていることから、当該トレンチの底部の曲率半径が拡大するか、或いは、当該トレンチを断面で見た場合に底部によって構成されるエッジ部分が２つに分離する。これにより、端部に位置するトレンチの底部に印加される電界が緩和されることから、絶縁破壊が生じにくくなる。

本発明において、複数のトレンチの内壁は絶縁膜で覆われていても構わない。これによれば、複数のトレンチの内部をアノード電極で埋め込んだ構造を得ることができる。

本発明によるショットキーバリアダイオードは、ドリフト層上に設けられた絶縁層をさらに備え、アノード電極は、絶縁層上に形成されるとともに、絶縁層に形成された開口部を介してドリフト層とショットキー接触するものであっても構わない。これによれば、いわゆるフィールドプレート構造が得られることから、端部に位置するトレンチの底部に印加される電界がより緩和される。

このように、本発明によれば、電界集中による絶縁破壊が生じにくい酸化ガリウムを用いたショットキーバリアダイオードを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるショットキーバリアダイオード１００の構成を示す模式的な断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態によるショットキーバリアダイオード２００の構成を示す模式的な断面図である。 図３は、比較例１のシミュレーションモデルの構造を説明するための模式的な断面図である。 図４は、比較例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。 図５は、実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。 図６は、比較例２のシミュレーションモデルの構造を説明するための模式的な断面図である。 図７は、比較例２のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。 図８は、実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。 図９は、実施例３のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるショットキーバリアダイオード１００の構成を示す模式的な断面図である。

図１に示すように、本実施形態によるショットキーバリアダイオード１００は、いずれも酸化ガリウム（β−Ｇａ_２Ｏ_３）からなる半導体基板２０及びドリフト層３０を備える。半導体基板２０及びドリフト層３０には、ｎ型ドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）又はスズ（Ｓｎ）が導入されている。ドーパントの濃度は、ドリフト層３０よりも半導体基板２０の方が高く、これにより半導体基板２０はｎ^＋層、ドリフト層３０はｎ⁻層として機能する。

半導体基板２０は、融液成長法などを用いて形成されたバルク結晶を切断加工したものであり、その厚みは２５０μｍ程度である。半導体基板２０の平面サイズについては特に限定されないが、一般的に素子に流す電流量に応じて選択することになり、順方向の最大電流量が２０Ａ程度であれば、平面視で２．４ｍｍ×２．４ｍｍ程度とすればよい。

半導体基板２０は、実装時において上面側に位置する上面２１と、上面２１の反対側であって、実装時において下面側に位置する裏面２２を有する。上面２１の全面にはドリフト層３０が形成されている。ドリフト層３０は、半導体基板２０の上面２１に反応性スパッタリング、ＰＬＤ法、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法などを用いて酸化ガリウムをエピタキシャル成長させた薄膜である。ドリフト層３０の膜厚については特に限定されないが、一般的に素子の逆方向耐電圧に応じて選択することになり、６００Ｖ程度の耐圧を確保するためには、例えば７μｍ程度とすればよい。

ドリフト層３０の上面３１には、ドリフト層３０とショットキー接触するアノード電極４０が形成されている。アノード電極４０は、例えば白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）等の金属からなる。アノード電極４０は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｌ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｌ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＡｕまたはＰｄ／Ｔｉ／Ａｕであっても構わない。一方、半導体基板２０の裏面２２には、半導体基板２０とオーミック接触するカソード電極５０が設けられる。カソード電極５０は、例えばチタン（Ｔｉ）等の金属からなる。カソード電極５０は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Ｔｉ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｌであっても構わない。

本実施形態においては、ドリフト層３０には複数のトレンチ６０が設けられている。トレンチ６０は、いずれも平面視でアノード電極４０と重なる位置に設けられており、その内壁はＨｆＯ_２などからなる絶縁膜６１で覆われている。トレンチ６０の内部は、アノード電極４０と同じ材料で埋め込まれている。本実施形態においては、ドリフト層３０に複数のトレンチ６０が設けられているため、アノード電極４０の材料としては、モリブデン（Ｍｏ）や銅（Ｃｕ）などの仕事関数が低い材料であっても構わない。また、ドリフト層３０に複数のトレンチ６０が設けられていることから、ドリフト層３０のドーパント濃度を５×１０^１６ｃｍ^−３程度に高めることができる。

ドリフト層３０のうちトレンチ６０間に位置する部分はメサ領域Ｍを構成する。メサ領域Ｍは、アノード電極４０とカソード電極５０との間に逆方向電圧が印加されると空乏層となるため、ドリフト層３０のチャネル領域がピンチオフされる。これにより、逆方向電圧が印加された場合のリーク電流が大幅に抑制される。

このような構造を有するショットキーバリアダイオードにおいては、端部に位置するトレンチ６０ａの底部に電界が集中し、この部分が絶縁破壊しやすくなる。この点を考慮し、本実施形態によるショットキーバリアダイオード１００においては、複数のトレンチ６０のうち、端部に位置するトレンチ６０ａのトレンチ幅を選択的に拡大している。つまり、端部以外のトレンチ６０の幅をＷ１とし、端部のトレンチ６０ａの幅をＷ２とした場合、
Ｗ１＜Ｗ２
に設定されている。

ここで、端部以外のトレンチ６０の幅Ｗ１や、メサ領域Ｍの幅Ｗ３については、ショットキーバリアダイオード１００に求められる電気特性に基づいて決定する必要があるため、自由に変更することは困難である。これに対し、端部に位置するトレンチ６０ａの幅Ｗ２については、ショットキーバリアダイオード１００の電気特性にほとんど影響しないため、比較的自由に変更することができる。

そして、本実施形態によるショットキーバリアダイオード１００においては、端部に位置するトレンチ６０ａのトレンチ幅を選択的に拡大していることから、全てのトレンチ６０を同じ幅（＝Ｗ１）に設計した場合と比べ、端部に位置するトレンチ６０ａに集中する電界を緩和される。これは、端部に位置するトレンチ６０ａの幅Ｗ２を拡大すると、底部の曲率半径が拡大するか、或いは、トレンチ６０ａを断面で見た場合に底部によって構成されるエッジ部分が２つに分離するからである。その結果、端部に位置するトレンチ６０ａの底部近傍における絶縁破壊が生じにくくなる。

このように、本実施形態によるショットキーバリアダイオード１００は、端部に位置するトレンチ６０ａのトレンチ幅が選択的に拡大されていることから、電界集中による絶縁破壊を防止することが可能となる。また、製造時においては、端部に位置するトレンチ６０ａを含む全てのトレンチ６０を同時に形成することができることから、製造工程が増えることもない。

また、本実施形態においては、トレンチ６０の内壁を絶縁膜６１で覆うとともに、トレンチ６０の内部をアノード電極４０と同じ材料で埋め込んでいるが、絶縁膜６１を用いることなく、逆導電型（本実施形態ではｐ型）の半導体材料で埋め込んでも構わない。

＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態によるショットキーバリアダイオード２００の構成を示す模式的な断面図である。

図２に示すように、第２の実施形態によるショットキーバリアダイオード２００は、ドリフト層３０上に絶縁層７０が設けられている点において、第１の実施形態によるショットキーバリアダイオード１００と相違する。その他の構成は、第１の実施形態によるショットキーバリアダイオード１００と基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

絶縁層７０は、酸化シリコンなどの絶縁材料からなり、ドリフト層３０の上面３１を覆うように形成されているともに、トレンチ６０を露出させる開口部７１を有している。そして、アノード電極４０は、一部が絶縁層７０上に形成されるとともに、残りの部分が開口部７１を介してドリフト層３０とショットキー接触している。これにより、いわゆるフィールドプレート構造が得られることから、端部に位置するトレンチ６０ａの底部に印加される電界をより緩和することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

図１に示したショットキーバリアダイオード１００と同じ構造を有する実施例１のシミュレーションモデルを想定し、アノード電極４０とカソード電極５０の間に逆方向電圧を印加した場合の電界強度をシミュレーションした。半導体基板２０のドーパント濃度については１×１０^１８ｃｍ^−３とし、ドリフト層３０のドーパント濃度としては５×１０^１６ｃｍ^−３とした。ドリフト層３０の厚みは７μｍとした。また、トレンチ６０の深さＤ及び幅Ｗ１はそれぞれ３μｍ及び１μｍとし、メサ領域Ｍのメサ幅Ｗ３は２μｍとし、トレンチ６０の内壁に形成される絶縁膜６１は、厚さ５０ｎｍのＨｆＯ_２膜とした。そして、端部に位置するトレンチ６０ａの幅Ｗ２については、１０μｍとした。アノード電極４０の材料は金（Ａｕ）とし、カソード電極５０の材料はＴｉ／Ａｕの積層膜とした。

また、比較のため、図３に示すように、端部のトレンチ６０ａの幅を他のトレンチ６０の幅Ｗ１と一致させた他は、実施例１と同じ構造を有する比較例１のシミュレーションモデルを想定し、アノード電極４０とカソード電極５０の間に逆方向電圧を印加した場合の電界強度をシミュレーションした。

図４は、比較例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。（ａ）と（ｂ）の横方向位置は、互いに対応している。図４に示すように、比較例１のシミュレーションモデルにおいては、端部に位置するトレンチ６０ａの底部に電界が集中し、その最大値は８．４ＭＶ／ｃｍであった。よって、酸化ガリウムの絶縁破壊電界強度である８ＭＶ／ｃｍを超えているため、この素子構造の場合、トレンチ６０ａの底部で絶縁破壊が発生してしまい、要求耐圧は得られない。

図５は、実施例１のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。（ａ）と（ｂ）の横方向位置は、互いに対応している。図５に示すように、実施例１のシミュレーションモデルにおいては、端部に位置するトレンチ６０ａの幅が拡大された結果、電界が集中するエッジ部分が２つに分離し、電界が分散された。これにより、電界の最大値は酸化ガリウムの絶縁破壊電界強度以下の７．５ＭＶ／ｃｍに緩和された。よって、この構造を用いることで、要求耐圧を満たす酸化ガリウムショットキーバリアダイオードを作製することができる。

一方、端部以外のトレンチ６０の底部においてもある程度電界が集中しているが、実施例１と比較例１との間に差は認められず、その最大値はいずれも６．８ＭＶ／ｃｍであった。

図２に示したショットキーバリアダイオード２００と同じ構造を有する実施例２のシミュレーションモデルを想定し、アノード電極４０とカソード電極５０の間に逆方向電圧を印加した場合の電界強度をシミュレーションした。絶縁層７０としては厚さ３００ｎｍの酸化シリコンを用い、フィールドプレート長を１０μｍとした。その他の点は、実施例１のシミュレーションモデルと同じ条件である。

また、比較のため、図６に示すように、端部のトレンチ６０ａの幅を他のトレンチ６０の幅Ｗ１と一致させた他は、実施例２と同じ構造を有する比較例２のシミュレーションモデルを想定し、アノード電極４０とカソード電極５０の間に逆方向電圧を印加した場合の電界強度をシミュレーションした。

図７は、比較例２のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。（ａ）と（ｂ）の横方向位置は、互いに対応している。図７に示すように、比較例２のシミュレーションモデルにおいては、端部に位置するトレンチ６０ａの底部に電界が集中し、その最大値は８．１ＭＶ／ｃｍであった。よって、この素子構造の場合、トレンチ６０ａの底部で絶縁破壊が発生してしまい、要求耐圧は得られない。

図８は、実施例２のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は断面における電界強度を示す図、（ｂ）は横方向位置と最大電界強度の関係を示すグラフである。（ａ）と（ｂ）の横方向位置は、互いに対応している。図８に示すように、実施例２のシミュレーションモデルにおいては、端部に位置するトレンチ６０ａの幅が拡大された結果、電界が集中するエッジ部分が２つに分離し、電界が分散された。これにより、電界の最大値は酸化ガリウムの絶縁破壊電界強度以下の６．９ＭＶ／ｃｍに緩和された。よって、この構造を用いることで、要求耐圧を満たす酸化ガリウムショットキーバリアダイオードを作製することができる。

一方、端部以外のトレンチ６０の底部においてもある程度電界が集中しているが、実施例２と比較例２との間に差は認められず、その最大値はいずれも６．８ＭＶ／ｃｍであった。

実施例１のシミュレーションモデルにおいて、端部に位置するトレンチ６０ａの幅Ｗ２を１μｍから２０μｍまで変化させた実施例３のシミュレーションモデルを想定し、アノード電極４０とカソード電極５０の間に逆方向電圧を印加した場合の電界強度をシミュレーションした。結果を図９に示す。

図９に示すように、端部に位置するトレンチ６０ａの幅Ｗ２が他のトレンチ６０の幅Ｗ１である１μｍを超えると、つまり、Ｗ１＜Ｗ２である場合、電界の最大値が酸化ガリウムの絶縁破壊電界強度である８ＭＶ／ｃｍ以下になることが確認された。

２０ 半導体基板
２１ 半導体基板の上面
２２ 半導体基板の裏面
３０ ドリフト層
３１ ドリフト層の上面
４０ アノード電極
５０ カソード電極
６０ トレンチ
６０ａ 端部に位置するトレンチ
６１ 絶縁膜
７０ 絶縁層
７１ 開口部
１００，２００ ショットキーバリアダイオード
Ｍ メサ領域

Claims (3)

1. 酸化ガリウムからなる半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられた酸化ガリウムからなるドリフト層と、
   前記ドリフト層とショットキー接触するアノード電極と、
   前記半導体基板とオーミック接触するカソード電極と、を備え、
   前記ドリフト層は、平面視で前記アノード電極と重なる位置に設けられた複数のトレンチを有し、
   前記複数のトレンチのうち、端部に位置するトレンチの幅が選択的に拡大されていることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
2. 前記複数のトレンチの内壁が絶縁膜で覆われ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。
3. 前記ドリフト層上に設けられた絶縁層をさらに備え、
   前記アノード電極は、前記絶縁層上に形成されるとともに、前記絶縁層に形成された開口部を介して前記ドリフト層とショットキー接触することを特徴とする請求項１又は２に記載のショットキーバリアダイオード。