(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、
前記ショットキー電極に接合する前記ダイヤモンドｐ−ドリフト層のダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドであり、
前記ショットキー電極は、Ｐｔ、Ａｕから選ばれるショットキー障壁の高い金属と、Ｒｕ、Ｍｏから選ばれるショットキー障壁の低い金属とを用いて、ショットキーバリア高さの低い金属をショットキーバリア高さの高い金属で覆う二重構造とし、
前記ショットキー障壁の高い金属が電極縁辺部分に、電極中心部分にショットキー障壁の低い金属が配置されていることを特徴とする高出力ダイヤモンド半導体素子。
【請求項２】
前記高出力ダイヤモンド半導体素子がショットキーバリヤーダイオードである請求項１に記載された高出力ダイヤモンド半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力ダイヤモンド半導体素子の改良に関し、とくに代表的には、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンド電界効果トランジスタ、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタなどの高出力ダイヤモンド半導体素子の電極端の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術では、ダイヤモンドは、大きなバンドギャップ(5.5eV)、高いアバランシェ破壊電界(10MV/cm)、高い飽和キャリア移動度(4000cm2/Vs)、高い熱伝導率(20W/cmK)を有し、高温度や放射線曝露環境下で実用動作可能な素子として期待されている。これまでにこれらの特徴を生かした電子素子を開発するため、ダイヤモンドダイオードの構造および作製方法が提案されている。
近年、ショットキーバリア障壁高さと破壊電圧・破壊電界には相関があることがダイヤモンドショットキーダイヤモンドにおいて注目され、高い逆方向漏れ電流、破壊電圧を持つためには、大きなショットキーバリア障壁高さが必要であることがダイヤモンドショットキーダイオードで明らかになってきた。（非特許文献１参照）特に、電極端（縁辺）での電界集中（非特許文献２参照）は誘電率の小さいダイヤモンドでは著しく、高い障壁高さをもつ金属が適していると考えられるが、それと同時に順方向立ち上がりで電圧も高くなってしまう。そのため、高い耐電圧をもち、低い立ち上がり電圧を持つという相反する特性を同時に得ることはダイヤモンドデバイスの適用範囲を広げる上でも最重要課題の一つといえる。
【非特許文献１】H. Umezawa, T. Saito, N. Tokuda, M. Ogura, S. -G. Ri, H. Yoshikawa, S. Shikata, App. Phys. Lett. 90 (2007) 073506
【非特許文献２】T. Teraji, S. Koizumi, Y. Koide, and T. Ito, J. J. Appl. Phys. 46 (2007) L196.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ダイヤモンドは、絶縁耐圧が高いといわれているが、10MV/cm以上といわれる耐圧を実デバイスで有効に利用されてきてはいなかった。ショットキーバリアダイードにおいて、その耐圧を挙げるには、高いショットキー障壁が必要であることがわかってきた。
本発明では、金属とダイヤモンドのショットキー接合の縁辺電界集中による絶縁破壊を抑制し、かつ順方向立ち上がり電圧を低くするため、中心にある低ショットキー障壁電極の周りを囲い込むように、電極端に高ショットキー障壁電極を配置することで、ショットキー接合縁辺付近のショットキー障壁高さを高くし、低リーク電流で高い電圧まで動作し、かつ順方向立ち上がり電圧の低い高出力ダイヤモンド半導体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために本発明は、ショットキー電極縁辺に高ショットキー障壁電極を、主ショットキー電極部分に低ショットキー障壁電極を設けることにより、電界の著しく集中する電極縁辺付近では高耐電界構造をもたせる。すなわち本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極にPt、Au、Os、Pdから選ばれるショットキー障壁の高い金属、Ru、Mo、から選ばれるショットキー障壁の低い金属を、ショットキーバリア高さの低い金属をショットキーバリア高さの高い金属で覆う二重構造としたショットキー電極として設置した高出力ダイヤモンド半導体素子である。
また、本発明では、ショットキー電極を形成する金属がショットキー障壁の高い金属が電極端、電極中心付近にはショットキー障壁の低い金属あるいは導電性酸化物、炭化物、金属酸化物、金属炭化物、窒化物を用いることができる。
さらに、本発明では、電極中心部分金属がRu又はMoであり、これを覆う金属がPt又はAuの二重構造とすることができる。
また、本発明では、ショットキー電極に接合するダイヤモンド半導体のダイヤモンド表面を酸素終端のダイヤモンドとすることができる。
さらに本発明では、高出力ダイヤモンド半導体素子をショットキーバリヤーダイオード電界効果トランジスタとすることができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明は、電極縁辺でのショットキーバリア高さを高くすることが出来るため、高出力ダイヤモンド素子の高電界印加時におけるリーク電流が減少し、また動作可能電圧が増大する。また、本発明により、電極中心でのショットキーバリア高さを高くすることが出来るため、高出力ダイヤモンド素子の順方向立ち上がり電圧を下げることができ、それにより、電力損失も抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとし、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極として、その縁辺部分と中心部分でショットキー障壁高さの異なる電極を用いた構造を用いることで、電界集中部分により高い耐圧性能を持つようにし、順方向電圧電流特性の低立ち上がり電圧化を同時に実現することができた。
本発明のショットキー電極に用いる材料は、周知のダイヤモンドに対するショットキー電極が利用できる。特に、高いショットキー障壁を持つものとしてはPtやAuを利用することが可能である。作成手段はイオンスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法等によることができる。縁辺の高ショットキー障壁金属は中心電極に対して１〜１０％程度で十分である。高ショットキー障壁金属終端構造の形状は、どのようなものでも良いが、通常、主ショットキー電極が円形であれば、その周囲を取り巻く円形のリング状である（図１参照）。
【０００７】
本発明で用いるまた、中心となる主ショットキー電極としては、目的に応じてショットキー障壁高さを変えればよいので、既知のショットキー電極をすべて適用することが出来るが、たとえば、Ru、Mo、Os、Irのような金属を利用することができる。また、導電性であれば純金属に限る必要は無い。
誘電体層は、どのような方法でも形成することが出来る。溶剤を用いる湿式方でも、蒸着による方法、ＣＶＤによる方法でもよい。
本発明においては、ショットキー電極とは、パワーエレクトロニクスに用いるための周知の形状のショットキー電極であり、周知の作用をするショットキー電極を意味する。
ショットキー電極の形状は、どのような形状でもよいが、単純なものとしては基板上のダイヤモンド半導体表面に形成された島状に点在する複数の電極から成るパターン電極がある。
【０００８】
本発明で用いるダイヤモンド半導体は、作成方法は限定されないが、好ましくはpもしくはp-型ダイヤモンド上にイオンビームスパッタ法、PLD法、RFスパッタ法、CVD法により、ショットキー電極を形成する。
【０００９】
さらに本発明においては、ダイヤモンドならどのタイプのものでも良いが、結晶構造（００１）、（１１１）、（１１０）などが挙げられ、ダイヤモンド表面では、炭素終端ダイヤモンド、水素終端ダイヤモンド、酸素終端のダイヤモンドなどが挙げられる。
しかし、少なくともショットキーダイオードに供するダイヤモンドは、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドが絶縁性、温度安定性の観点から、特に適していることが判明している。
本発明では、オーミック電極の作成についても、周知の材料と周知方法を用いてどのような手順で行っても良い。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１０】
まず、酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30および 45ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、O2アッシング処理後Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10sccmにてターゲットにはRuを用いて15分間(250nm)形成した。次に、上記よりも大きな直径50ミクロンを持つパターンを電子線描画装置で描き、Pt薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10 sccmにてPtターゲットを用いて3分間(50nm)形成した。
【００１１】
(比較例)
ショットキー電極としてRuのみを用いた場合は以下のようにして作製した。まず、酸素終端ダイヤモンドに電子線描画装置にて30ミクロンの直径を持つショットキー電極パターンを作製し、O2アッシング処理後Ru薄膜をRFスパッタ装置でRF出力200W、Arガス流量10 sccmにてRuターゲットを用いて15分間(250nm)形成した。
【００１２】
実施例１で得られた高出力ダイヤモンド半導体素子について、電圧電流特性を測定したものを図２に示す。実験例１の２種ショットキー障壁高さを用いた本発明のデバイスでは、階段状の順方向電流を示す。さらに縁辺の高ショットキー障壁高さのある金属の割合を１０％以下にすると特性はほぼ階段状ではなくなることがわかる。このとき、図２の階段状の特性より、ショットキー電極中心部と縁辺では１eV以上のショットキーバリア障壁高さがの差があることがわかる。すなわち、現状でも逆方向耐圧は単純にRuだけの場合に比して大幅な改善が得られる。
【実施例２】
【００１３】
Ptの変わりにAuを、Ruの変わりにMoをもちいたということ以外は実施例１と同じである。実験結果はほぼ同じである。
【００１４】
実施例２で得られたダイヤモンドショットキーバリアダイオードについて、逆方向特性を図４に示す。
これらのことから、ショットキー電極には、縁辺付近では高ショットキー障壁高さのある電極を用い、ショットキー電極中心付近では低ショットキー障壁高さをもつ電極を用いることで、縁辺での高耐圧化と中心での順方向低立ち上がり電圧を同時に実現することがダイヤモンドショットキーバリアダイオードに有効であることが明らかになった。実施例では擬似縦型であるが、縦型でもよく、ショットキー接合以外はどのような配置でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
高出力ダイヤモンド半導体素子は、ダイヤモンドショットキーバリアダイオード、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタ、ダイヤモンド電界効果トランジスタなどに転用が可能であり、産業上の利用価値が高い。電極終端構造（JTE）と組み合わせることでより大きな効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ショットキー電極とダイヤモンドの間に中間層を設けたダイオードの断面図
【図２】Ru(φ30ミクロン)、Pt(φ50ミクロン)とした場合のショットキーダイオード順方向特性
【図３】Ru(φ45ミクロン)、Pt(φ50ミクロン)とした場合のショットキーダイオード順方向特性
【図４】Moのみ(Φ60ミクロン)、Mo(φ45ミクロン)、Pt(φ60ミクロン)とした場合のショットキーダイオード特性。図中１はMoのみ、図中2は二重構造。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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