(57)【要約】  本発明は、ショットキーバリア整流器を提供する。該ショットキーバリア整流器は、連通層と、前記連通層の一側且つ前記連通層とヘテロ接合構造を形成するドリフト層と、前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた陽極金属と、前記連通層の前記ドリフト層から遠い側に設けられた陰極金属とを含む。前記ドリフト層の前記連通層から遠い表面と前記連通層に近い表面との間にその厚さ方向に沿って延伸する第１領域を有し、前記第１領域は、第１金属元素を含み、前記第１領域における前記第１金属元素の含有量は、前記厚さ方向に沿って変化する。本発明の整流器は、ヘテロ接合で形成される分極電荷を採用することにより、デバイスの耐圧能力を向上できる。
2019506740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連通層と、
前記連通層の一側に設けられ、前記連通層とヘテロ接合構造を形成するドリフト層と、
前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた陽極金属と、
前記連通層の前記ドリフト層から遠い側に設けられた陰極金属と、
を含み、
前記ドリフト層の前記連通層から遠い表面と前記連通層に近い表面との間に、その厚さ方向に沿って延伸する第１領域を有し、前記第１領域は、第１金属元素を含み、且つ前記第１領域における前記第１金属元素の含有量が前記厚さ方向に沿って変化することを特徴とするショットキーバリア整流器。
【請求項２】
前記第１領域における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へ次第に減少す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整流器。
【請求項３】
前記ドリフト層における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へ次第に減少す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整流器。
【請求項４】
前記ドリフト層における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へｎ次曲線に従って次第に減少し、ここで、ｎが正の整数であることを特徴とする請求項３に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項５】
前記ｎ次曲線は、二次曲線又は三次曲線であることを特徴とする請求項４に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項６】
前記ドリフト層の材料は、窒化アルミニウムガリウムを含み、前記第１金属元素は、アルミニウム元素であり、又は
前記ドリフト層の材料は、窒化インジウムガリウムを含み、前記第１金属元素は、インジウム元素であ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整流器。
【請求項７】
前記ドリフト層の材料は、窒化アルミニウムガリウムであり、その化学式はＡｌｘＧａ１−ｘＮであり、前記第１金属元素は、アルミニウム元素であり、前記ドリフト層の前記連通層から遠い側から前記連通層方向への深さをｙとし、ｘとｙが関数ｘ＝−ａｙｎ＋ｂを満たし、ここで、ａとｂが０より大きい定数であり、ｎが１より大きく、ｘが０〜１の範囲内であ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整流器。
【請求項８】
前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた第１トレンチをさらに含む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整流器。
【請求項９】
前記第１トレンチ内に設けられ、且つ前記陽極金属と同じである充填材料をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１０】
前記第１トレンチ内に設けられた充填材料をさらに含み、前記充填材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタンのうちの１種又は複数種の組合せであることを特徴とする請求項８に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１１】
前記トレンチと充填材料との間に設けられた酸化物パッド層をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１２】
前記酸化物パッド層の材料は、シリカ又は窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１１に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１３】
前記連通層は、
基板と、
前記基板の前記陰極金属から遠い側に設けられた緩衝層と、
前記緩衝層の前記基板から遠い側に設けられたチャネル層と、
を含み、
前記チャネル層は、前記ドリフト層と前記ヘテロ接合構造を形成す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整流器。
【請求項１４】
前記ドリフト層、前記チャネル層、及び前記緩衝層を貫通する第２トレンチをさらに含み、前記第２トレンチ内に、前記チャネル層と前記基板とを電気的接続する金属配線層が設けられることを特徴とする請求項１３に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１５】
前記第２トレンチ内に設けられ、且つ前記金属配線層を被覆する絶縁充填層をさらに含み、前記絶縁充填層は、前記ドリフト層と前記金属配線層とを絶縁することを特徴とする請求項１４に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１６】
前記連通層は、前記陰極金属に近い基板、及び前記ドリフト層に近いエピタキシャル層を含む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整流器。
【請求項１７】
前記エピタキシャル層の材料は、低濃度にドープされた窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１６に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１８】
前記基板の前記エピタキシャル層に近い側の材料は、Ｎ型ドープされた窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１７に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１９】
前記ドリフト層は、前記エピタキシャル層に近い電荷層、及び前記エピタキシャル層から遠いキャップ層を含むことを特徴とする請求項１６に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項２０】
前記電荷層の材料は、窒化アルミニウムガリウムであり、前記キャップ層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムのいずれの１種又は複数種の組合せから構成される単層又は多層構造であることを特徴とする請求項１９に記載のショットキーバリア整流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年１２月０５日に出願された中国出願第２０１６１１１０２９３８．Ｘ号（発明の名称：窒化ガリウム系ショットキーバリア整流器）の優先権を主張し、その内容が参照によりすべて本明細書に組み込まれる。
本発明は、半導体デバイスの技術分野に関し、具体的には、ショットキーバリア整流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素、窒化ガリウムを始めとするワイドバンドギャップ半導体材料は、高破壊電界強度、良好な熱伝導性等の特徴を有する。高速鉄道、電気自動車技術の発展及び普及に伴い、より高性能の電気・電子デバイスに対する需要が増えている。従って、如何にワイドバンドギャップ半導体材料を用いてより高電圧で作動可能な電気・電子デバイスを製造するかは、ワイドバンドギャップ半導体材料についての研究の焦点となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の事情を鑑み、本発明は、電子デバイスの逆耐圧性を向上できるショットキーバリア整流器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、ショットキーバリア整流器を提供する。該ショットキーバリア整流器は、連通層と、前記連通層の一側且つ前記連通層とヘテロ接合構造を形成するドリフト層と、前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた陽極金属と、前記連通層の前記ドリフト層から遠い側に設けられた陰極金属と、を含む。前記ドリフト層の前記連通層から遠い表面と前記連通層に近い表面との間にその厚さ方向に沿って延伸する第１領域を有し、前記第１領域は、第１金属元素を含み、前記第１領域における前記第１金属元素の含有量は、前記厚さ方向に沿って変化する。
【０００５】
なお、上記第１領域は、ドリフト層の２つの表面の間で選択された一定の長さを有する構造であり、該第１領域の厚さ方向に沿う両端は、それぞれドリフト層の２つの表面の一部であってもよい。即ち、両端は２つの表面に同時に到達し、又は一端のみがドリフト層の１つの表面に到達し、又は、２つの表面内に完全に位置してもよい。無論、第１領域は、ドリフト層の全体であってもが、それに制限して解釈されるものではない。さらに、第１領域の断面形状は、任意の形状であり得る。
【０００６】
好ましくは、前記第１領域における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へ次第に減少する。
【０００７】
好ましくは、前記ドリフト層における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へ次第に減少する。
【０００８】
好ましくは、前記ドリフト層における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へｎ次曲線に従って次第に減少し、ここで、ｎが正の整数である。
【０００９】
好ましくは、前記ｎ次曲線は、二次曲線又は三次曲線である。
【００１０】
好ましくは、前記ドリフト層の材料は、窒化アルミニウムガリウムを含み、前記第１金属元素は、アルミニウム元素であり、又は、前記ドリフト層の材料は、窒化インジウムガリウムを含み、前記第１金属元素は、インジウム元素である。
【００１１】
好ましくは、上記ドリフト層の材料は、窒化アルミニウムガリウムであり、上記第１金属元素は、アルミニウム元素であり、上記窒化アルミニウムガリウムの化学式はＡｌｘＧａ１−ｘＮであり、前記ドリフト層の前記連通層から遠い側から前記連通層方向への深さをｙとし、ｘとｙが関数ｘ＝−ａｙｎ＋ｂを満たし、ここで、ａとｂが０より大きい定数であり、ｎが１より大きく、ｘが０〜１の範囲内である。
【００１２】
好ましくは、上記ショットキーバリア整流器は、前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた第１トレンチをさらに含む。
【００１３】
好ましくは、上記ショットキーバリア整流器は、前記第１トレンチ内に設けられ、且つ前記陽極金属と同じである充填材料をさらに含む。
【００１４】
好ましくは、上記ショットキーバリア整流器は、前記第１トレンチ内に設けられた充填材料をさらに含み、前記充填材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタンのうちの１種又は複数種の組合せである。
【００１５】
好ましくは、上記ショットキーバリア整流器は、前記トレンチと前記充填材料との間に設けられた酸化物パッド層をさらに含む。
【００１６】
好ましくは、上記酸化物パッド層の材料は、シリカ又は窒化ケイ素である。
【００１７】
好ましくは、上記連通層は、基板と、上記基板の上記陰極金属から遠い側に設けられた緩衝層と、上記緩衝層の上記基板から遠い側に設けられたチャネル層とを含み、上記チャネル層は、上記ドリフト層と上記ヘテロ接合構造を形成する。
【００１８】
好ましくは、上記ショットキーバリア整流器は、上記ドリフト層、上記チャネル層及び上記緩衝層を貫通する第２トレンチをさらに含み、上記第２トレンチ内に上記チャネル層と上記基板を電気的接続する金属配線層が設けられる。
【００１９】
好ましくは、上記ショットキーバリア整流器は、上記第２トレンチ内に設けられ、且つ上記金属配線層を被覆する絶縁充填層をさらに含み、上記絶縁充填層は、上記ドリフト層と上記金属配線層とを絶縁する。
【００２０】
好ましくは、上記連通層は、上記陰極金属に近い基板、及び上記ドリフト層に近いエピタキシャル層を含む。
【００２１】
好ましくは、上記エピタキシャル層の材料は、低濃度にドープされた窒化ガリウムである。
【００２２】
好ましくは、上記基板の上記エピタキシャル層に近い側の材料は、Ｎ型ドープされた窒化ガリウムである。
【００２３】
好ましくは、上記ドリフト層は、上記エピタキシャル層に近い電荷層、及び上記エピタキシャル層から遠いキャップ層を含む。
【００２４】
好ましくは、上記電荷層の材料は、窒化アルミニウムガリウムであり、上記キャップ層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムのいずれの１種又は複数種の組合せから構成される単層又は多層構造である。
【００２５】
本発明の実施例が提供するショットキーバリア整流器は、従来技術と比較して、少なくとも以下の優位性を有する。即ち、本発明の実施例のショットキーバリア整流器は、厚さ方向に沿って次第に変化するアルミニウム含有量を有する窒化アルミニウムガリウム材料を使用することにより、ドリフト層の内部にドリフト層の厚さ方向に沿って段階的に分布する分極電荷領域が形成され、ドリフト層における電界分布が滑らかになり、整流器の耐圧レベルをさらに向上させる。
【００２６】
本発明の実施例に係るショットキーバリア整流器は、分極電荷のイオン化によりキャリアを生成して導電することで、活性化エネルギーを必要とせず、電荷をイオン化することができるため、比較的低い温度で作動できる。
【００２７】
本発明の実施例に係るショットキーバリア整流器は、金属酸化物トレンチの設計を採用することにより、逆耐圧時のドリフト層における電界が最も強い位置をショットキーバリアからトレンチの底面に移転することで、整流器の耐圧を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の実施例の技術的解決策をより明瞭に述べるために、以下、実施例で使用する必要がある図面を簡潔に紹介する。明らかに、以下の説明での添付図面は、単に本発明のいくつかの実施形態を示すだけであり、当業者は、創造的な努力なしにこれらの添付図面から、さらに他の図面を導き出すことができる。
【図１】図１は、本発明の実施例１が提供するショットキーバリア整流器の構造模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施例１が提供するショットキーバリア整流器のドリフト層におけるアルミニウム成分の分布模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施例が提供するショットキーバリア整流器のエネルギーバンドの構造模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施例２が提供する別のショットキーバリア整流器の構造模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施例２が提供する別のショットキーバリア整流器の構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下は、本発明の実施形態における添付図面を参照して、本発明の実施形態における技術的解決策を明瞭にかつ十分に述べる。明らかに、述べられる実施形態は本発明の実施形態のすべてではなく単に一部である。通常、ここで添付する図面で述べ、示す本発明の実施例の部品は、様々な異なる構成で配置及び設計されることができる。従って、以下では、図面に提供される本発明の実施例に対する詳しい叙述は、本発明の特定の実施例を示すもので、本発明の保護範囲を制限しない。創造的な努力なしに本発明の実施形態に基づいて当業者によって得られるすべての他の実施形態は、本発明の保護範囲に包含されなければならない。
【００３０】
なお、以下の図面において、類似する符号又はアルファベットは、類似する構成要素を示す。従って、ある構成要素がある図面に定義されるならば、それ以降の図面には、該構成要素をさらに定義及び解釈する必要がない。また、本明細書において、用語「第１」、「第２」等は、単に区別するために用いられ、相対的な重要性を示すか、または示唆するものとして理解されるものではない。
【００３１】
半導体材料は、通常、イオン注入プロセスによりその異なる領域の抵抗を変調する。選択された領域内に浅い準位の不純物粒子を導入することにより、半導体材料が常温においても電離してキャリアを生成することで、半導体材料の異なる領域の抵抗の調節目的を達する。さらに、これらのドープ領域のキャリアが電界により消耗された後、残りのイオン化不純物により形成した空間電荷が電界方向と反対の内蔵電界を形成することができる。従って、イオンドーピングの濃度分布を変調することにより、より均一な電界分布を得ることができ、半導体デバイスの耐圧能力を向上できる。
【００３２】
窒化ガリウム等の材料で製造された半導体では、このような浅い準位の不純物イオンの注入プロセスに以下の２つの問題がある。一つは、イオン注入による大量の格子損傷により極めて高いアニーリング温度が必要とされ、また、このような高温は、窒化ガリウムの表面特性の劣化を引き起こし、デバイスの性能に影響を与えることである。もう一つは、窒化ガリウム材料に注入した後、アニーリングによるイオン活性化率が非常に低く、注入プロセスにより所要なドーピング濃度を効果的に得ることができないことである。この２つの問題により、浅い準位注入プロセスの、例えば、窒化ガリウムデバイス設計における応用が制限される。
【００３３】
窒化ガリウム等の材料の浅い準位ドーピングプロセスの技術問題を解決するために、本発明は、浅い準位の注入ドーピングプロセスの代わりに、新しい技術的解決策を使用することにより、高温アニーリングによる技術問題を回避することができる。例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成されるヘテロ接合構造において、例えば、ＡｌＧａＮにおけるアルミニウム成分をある領域で連続的に変化させることで、該領域内に段階的分布の分極電荷を形成し、ひいては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造領域内に二次元電子ガスに類似する電子分布を形成することができる。この分極電荷は、例えば、半導体材料の抵抗率を変調できるとともに、電界で空間電荷として電圧を受けることができる。浅い準位ドーピングにより導入されるキャリアに比べて、本発明の実施例に係る分極電荷により導入される電子は、例えば、伝導帯に位置できることで、余分な活性化エネルギーが必要とされない。従って、本発明のいくつかの実施例に係るショットキーバリア整流器は、比較的低い温度で作動でき、キャリアのフリーズ効果が発生することないため、整流器が比較的低い温度で作動できる。
【００３４】
本発明の実施例が提供する窒化ガリウム系ショットキーバリア整流器は、ドリフト層に空間分極電荷領域を導入することにより、半導体デバイスの耐圧能力が向上する。また、本発明のいくつかの実施例に係るショットキーバリア整流器は、金属酸化物トレンチ構造を採用し、ヘテロ接合構造におけるアルミニウム成分を変調することにより、本発明のいくつかの実施例に係るショットキーバリア整流器は、逆耐圧が高く、作動温度が低いという利点を有する。
【００３５】
具体的な実施例を説明する前に指摘する必要があるのは、本発明の実施形態における金属酸化物トレンチが第１トレンチ、陰極トレンチが第２トレンチである。明確に説明するために、以下、金属酸化物トレンチ及び陰極トレンチで実施例を記述する。また、当業者が理解されるように、ドリフト層の厚さ方向と深さ方向は一致する。明細書における深さとは、ドリフト層の連通層から遠い側の表面からドリフト層内に進入した距離を意味する。例えば、ドリフト層の連通層から遠い側の表面の深さはゼロであり、ドリフト層の連通層から遠い側の表面からその連通層に近い側の表面までの距離は最大深さである。
【００３６】
さらに、整流器の電界が最も強い位置が一般に表面ショットキーバリアにあるため、逆耐圧時に、ショットキーバリア破壊によりデバイスが失効する場合がある。本発明の整流器は、金属酸化物トレンチの設計を採用し、逆耐圧時のドリフト層における電界が最も強い位置をショットキーバリアからトレンチの底面に移転することで、本発明の整流器のショットキーバリアは、より高い電圧に耐えることができ、本発明の整流器の全体の耐圧レベルが向上する。
【００３７】
さらに、金属酸化物トレンチを導入したところ、トレンチ底面の電界が最も強い位置は、金属酸化物トレンチにおける酸化物の耐圧限界により耐圧レベルが制限されることがある。それに対し、本発明は、アルミニウム変化成分のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造により生成される分極電荷の濃度が変調されやすいという利点を利用し、二次関数によりＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造におけるアルミニウム成分を変調することにより、生成される分極電荷が深さ方向に沿って徐々に増加する。この設計により、ドリフト層内の電界分布が非常に滑らかになり、顕著なピークがなく、金属酸化物トレンチにおける酸化物の耐圧限界は、デバイスの耐圧レベルを制限する条件ではなくなるため、整流器の逆耐圧レベルをさらに向上できる。
【００３８】
従って、本発明の実施例は、窒化ガリウム系ショットキーバリア整流器を提供する。該窒化ガリウム系ショットキーバリア整流器は、空間分極電荷領域をドリフト層として使用し、金属酸化物トレンチ構造を採用し、且つヘテロ接合構造におけるアルミニウム成分を変調することにより、類似の整流器製品と比較して、逆耐圧が高く、作動温度が低いという利点を有する。
【００３９】
実施例１
図１は、本発明の実施例が提供するショットキーバリア整流器１０の構造を示す。ショットキーバリア整流器１０は、連通層１００と、連通層１００の一側に設けられたドリフト層２００と、ドリフト層２００の連通層１００から遠い側に設けられた金属酸化物トレンチ３００と、ドリフト層２００とショットキー接触を形成する陽極金属４００と、連通層１００とオーミック接触を形成する陰極金属５００とを含む。
【００４０】
上記連通層１００は、Ｎ型ドープされた窒化ガリウム基板であってもよく、非窒化ガリウム基板をヘテロエピタキシーして得られたものであってもよい。連通層１００は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、ニオブ酸リチウム、絶縁基板シリコン、又は窒化アルミニウムのいずれか１種を基板としてヘテロエピタキシーして得られたものであり得る。ヘテロエピタキシャル窒化ガリウム層の材料は、例えば、Ｎ型ドープされた窒化ガリウムである。上記連通層１００の構造に非窒化ガリウム基板を使用する場合に、表面（連通層の陰極金属から遠い側）のデバイス構造が形成された後、薄化技術によりこのヘテロ基板を除去して高濃度にドープされたＮ型窒化ガリウム基板を露出させることで、露出したＮ型窒化ガリウム基板に陰極金属５００を堆積する必要がある。上記連通層１００の厚さは１μｍ〜１ｃｍであり、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３である。本実施例において、連通層１００は、Ｎ型窒化ガリウム基板であり、ドーピング濃度は、１０１９ｃｍ−３である。
【００４１】
上記ドリフト層２００は、陽極金属４００から遠い側の連通層１００と共にヘテロ接合構造を形成する。ドリフト層２００の材料は、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、又は窒化ガリウムとヘテロ接合構造を形成可能な材料であり得る。ドリフト層２００の厚さは１００ｎｍ〜１００μｍであり、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３である。
【００４２】
本実施例におけるドリフト層２００は、ドープされていない窒化アルミニウムガリウムＡｌｘＧａ１−ｘＮ材料である。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるアルミニウム成分ｘが深さ方向（即ち、ドリフト層の厚さ方向）に沿って任意の変調関数に従って変化することができる。本発明の一実施例において、該ドリフト層２００の厚さは２μｍであり、アルミニウム成分は、深さにつれて図２に示す所定の変調関数に従って変化する。本実施例のデバイスの、深さ方向に沿うエネルギーバンド構造及び分極電荷の密度分布を図３に示す。
【００４３】
引き続き図２を参照されたい。例えば、ドリフト層の連通層から遠い側から連通層方向へドリフト層内に進入した深さをｙとする場合に、ｘとｙは、ｘ＝−ａｙｎ＋ｂの関係を満たし得る。ここで、ａとｂが０より大きい定数であり、ｎが０、好ましくは１より大きく、ｘが０〜１の範囲内であり、ｙ値が０とドリフト層の厚さの値との間で変化する。該関数関係式から分かるように、ｎが１であるときに、ｘが深さｙの変化につれて直線的に減少する。Ｎが１ではないときに、ｘが深さｙの変化につれて曲線的に減少する。例えば、曲線関数は、二次関数又は三次関数であり得る。Ｘとｙの変化が二次曲線変化関係又は三次曲線変化関係をとる場合に、ドリフト層内の電界分布がより滑らかになり、顕著なピークがなく、デバイスの耐圧能力のさらなる向上に有利である。さらに、上記関数により、アルミニウム成分は、深さｙの増加につれて徐々に減少することも分かる。即ち、ドリフト層におけるアルミニウムの含有量は、連通層から遠い側の表面から連通層に近い側の表面へ徐々に減少する。例えば、ドリフト層の連通層に近い側の表面にはアルミニウム元素を含まなくても良い。
【００４４】
例えば、まず、ドリフト層２００をエッチングして金属酸化物トレンチ３００を形成し、次いで、形成したトレンチに酸化物パッド層３０１及び充填層３０２を順次堆積することができる。ここで、上記トレンチの深さは、例えば、ドリフト層２００の厚さ以下である。
【００４５】
該酸化物パッド層３０１は、シリカ、窒化ケイ素、及びその類似体のうちの１種であり得る。
【００４６】
充填層３０２の材料は、金属（例えば、陽極金属４００と同じ金属）であってもよく、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタン及びその類似した材料のうちの１種又は複数種の組合せであってもよい。
【００４７】
上記陽極金属４００は、ドリフト層２００の連通層１００から遠い側の表面に位置する。該陽極金属４００は、ドリフト層２００の窒化アルミニウムガリウム材料とショットキーバリアを形成する。該陽極金属４００の材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタン及びその類似した材料のうちの１種又は複数種の組合せであってもよく、複合構造を有する金属層であってもよい。
【００４８】
上記陰極金属５００は、連通層１００のドリフト層２００から遠い側の表面に位置する。該陰極金属５００は、例えば、連通層１００の、例えば、Ｎ型低抵抗材料とオーミック接触を形成する。該陰極金属５００の材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタン及びその類似した材料のうちの１種又は複数種の組合せであってもよく、複合構造を有する金属層であってもよい。
【００４９】
整流器の電界が最も強い位置が一般に表面ショットキーバリアにあるため、逆耐圧時に、ショットキーバリア破壊によりデバイスが失効する場合がある。本発明の一実施例に係る整流器は、金属酸化物トレンチの設計を採用し、逆耐圧時のドリフト層における電界が最も強い位置をショットキーバリアからトレンチの底面に移転することで、本発明の整流器のショットキーバリアは、より高い電圧に耐えることができ、本発明の整流器の全体の耐圧レベルが向上する。
【００５０】
さらに、本発明の実施例において、ドリフト層の連通層から遠い側に金属酸化物トレンチを形成することによりデバイスの耐圧能力をある程度に向上できるが、デバイスの耐圧能力の向上は、金属酸化物トレンチにおける酸化物の耐圧限界により制限される。また、本発明の一実施例に係るショットキーバリア整流器は、アルミニウム変化成分のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造により生成される分極電荷の濃度が変調されやすいという利点を利用し、変調関数（例えば、二次曲線関数）によりＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造におけるアルミニウム成分を変調することで、生成される分極電荷が深さ方向に沿って徐々に低減する。このような分極電荷の変調方式により、ドリフト層内の電界分布が非常に滑らかになり、顕著なピークがなく、金属酸化物トレンチにおける酸化物の耐圧限界は、デバイスの耐圧レベルを制限する条件ではなくなる。次第に変化する分極電荷濃度と金属酸化物トレンチとの組合せにより、整流器の逆耐圧レベルをさらに向上できる。
【００５１】
実施例２
電力デバイスの製造コストを低減するために、本発明の実施例に係る連通層は、シリコン基板を使用し、且つ部分垂直となる構造設計を採用することにより、基板薄化技術を避けることができ、プロセスを簡単化する。実施例２は、実施例１の変形例であり、その構造を図４に示す。ショットキーバリア整流器２０は、連通層１００と、ドリフト層２００と、金属酸化物トレンチ３００と、ドリフト層２００とショットキー接触を形成する陽極金属４００と、連通層１００とオーミック接触を形成する陰極金属５００と、陰極トレンチ６００とを含む。本実施例は、連通層１００の構造、及び陰極トレンチ６００の追加において実施例１と相違する。
【００５２】
本実施例の上記連通層１００は、基板１０１、緩衝層１０２、及びチャネル層１０３を含む。緩衝層１０２は、基板１０１の陰極金属５００から遠い側に設けられ、チャネル層１０３は、緩衝層１０２の基板１０１から遠い側に設けられる。チャネル層１０３とドリフト層２００はヘテロ接合構造を形成する。
【００５３】
基板１０１の材料は、シリコン、サファイア、炭化ケイ素、ニオブ酸リチウム、絶縁基板シリコン、又は窒化アルミニウムのうちのいずれか１種であり得る。基板１０１の厚さは１μｍ−１ｃｍであり、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３である。
【００５４】
例えば、緩衝層１０２の材料は、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、又は窒化ガリウムであり得る。例えば、緩衝層１０２は、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウムのうちの１種又は任意の組合せから形成される一層又は多層構造であってもよい。例えば、緩衝層１０２の厚さは１ｎｍ〜１０μｍ、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３であり得る。緩衝層１０２を設けることにより、基板１０１とチャネル層１０３との間の格子不整合を減少し、チャネル層１０３の結晶品質を向上できる。
【００５５】
例えば、チャネル層１０３の材料は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムのうちの１種又は複数種の組合せであり得る。例えば、チャネル層１０３は、一層又は多層構造であり得る。チャネル層１０３とドリフト層２００は、ヘテロ接合構造を形成し、ドリフト層２００に分極電荷を生成する。例えば、チャネル層１０３の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍ、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３であり得る。
【００５６】
例えば、陰極トレンチ６００を形成するために、まず、例えば、ドリフト層の連通層から遠い側をエッチングして基板１０１までの深さのトレンチを形成し、次いで、金属配線層６０１及び絶縁充填層６０２を順次堆積する。つまり、エッチングによりドリフト層２００、チャネル層１０３及び緩衝層１０２を貫通するトレンチ６００を形成し、この場合に、トレンチ６００の基板１０１に近い側が基板１０１の一部に露出されることにより、トレンチ６００に金属を充填することで金属配線層６０１を形成する。なお、金属配線層６０１の基板１０１から遠い側は、例えば、ドリフト層２００に接触せず、金属配線層６０１の基板１０１から遠い側に絶縁充填層６０２を被覆することにより、金属配線層６０１とドリフト層２００を絶縁させる。
【００５７】
上記金属配線層６０１は、Ｎ型窒化ガリウム層とシリコン基板１０１とを電気的に接続することができる。例えば、金属配線層６０１の金属は、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタン及びその類似した材料のうちの１種又は複数種の組合せであってもよく、複合構造を有する金属層であってもよい。
【００５８】
上記絶縁充填層６０２は、金属配線層６０１とドリフト層２００とを電気的に絶縁することができる。絶縁充填層６０２の材料は、例えば、シリカ、窒化ケイ素、及びその類似体のうちの１種であり得る。
【００５９】
本実施例は、連通層を基板、緩衝層、及び連通層を有する構造とすることにより、基板とチャネル層との間の格子不整合を減少し、チャネル層の結晶品質を向上させ、ひいてはショットキーバリア整流器の電気特性を向上できる。さらに、本実施例は、陰極トレンチを設けることにより、ショットキーバリアの電界干渉をさらに減少し、デバイスの電気特性を向上できる。
【００６０】
実施例３
デバイスの実際の製造プロセスにおいて、高濃度にドープされたＮ型窒化ガリウムの高欠陥密度の問題を解決するために、例えば、窒化アルミニウムガリウムとＮ型窒化ガリウム層との間に一層の低濃度にドープされたＮ型窒化ガリウムを導入することができる。応力を保持し、且つショットキー接触を形成する半導体材料表面の結晶特性を向上させるために、例えば、ドリフト層２００にキャップ層を導入することができる。本発明の実施例３は、実施例１の別の変形例であり、その構造を図５に示す。同様に、ショットキーバリア整流器３０は、連通層１００と、ドリフト層２００と、金属酸化物トレンチ３００と、ドリフト層２００とショットキー接触を形成する陽極金属４００と、連通層１００とオーミック接触を形成する陰極金属５００とを含む。本実施例は、連通層１００及びドリフト層２００の具体的な構造において実施例１と相違する。
【００６１】
本実施例において、上記連通層１００は、基板１０４及びエピタキシャル層１０５を含む。基板１０４は、例えば、陰極金属５００とオーミック接触を形成し、且つ基板１０４の陰極金属５００から遠い側にエピタキシャル層１０５が設けられる。この場合に、エピタキシャル層１０５はドリフト層２００とヘテロ接合構造を形成する。
【００６２】
理解されるように、本実施例において、上記基板１０４は、Ｎ型ドープされた窒化ガリウム基板であってもよく、非窒化ガリウム基板をヘテロエピタキシーして得られたものであってもよい。非窒化ガリウム基板の材料は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、硅、ニオブ酸リチウム、絶縁基板シリコン、又は窒化アルミニウムのうちのいずれか１種であり得る。この場合に、非窒化ガリウム基板をヘテロエピタキシーした窒化ガリウム層は、例えば、Ｎ型ドープされた窒化ガリウムであってもよい。上記のように、上記基板１０４の構造に非窒化ガリウム基板を使用する場合に、表面のデバイス構造が形成された後、薄化技術によりこのヘテロ基板を除去することで、露出した高濃度にドープされたＮ型窒化ガリウム基板に陰極金属５００を堆積し形成する必要がある。上記基板１０４の厚さは１μｍ〜１ｃｍ、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３であり得る。本実施例において、基板１０４は、Ｎ型窒化ガリウム基板であり、ドーピング濃度は、１０１９ｃｍ−３である。
【００６３】
上記エピタキシャル層１０５は、低濃度にドープされた窒化ガリウムエピタキシャル層であり得る。例えば、エピタキシャル層１０５の厚さは１００ｎｍ〜１０μｍ、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３である。
【００６４】
上記ドリフト層２００は、エピタキシャル層１０５に近い電荷層２０１、及びエピタキシャル層１０５から遠いキャップ層２０２を含む。エピタキシャル層１０５は、電荷層２０１とヘテロ接合構造を形成する。上記のように、キャップ層２０２を導入することにより、半導体材料の表面応力を保持し、ショットキー接触を形成する半導体材料表面の結晶特性を向上できる。
【００６５】
上記電荷層２０１とその一側に位置するエピタキシャル層１０５とは組み合わせてヘテロ接合構造を形成する。電荷層２０１の材料は、例えば、窒化アルミニウムガリウムであり得る。例えば、電荷層２０１の厚さは１００ｎｍ〜１００μｍ、ドーピング濃度は１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３であり得る。上記のように、にＡｌｘＧａ１−ｘＮおけるアルミニウム成分ｘは、深さ方向に沿って任意の変調関数に従って変化することができ、ここでは、説明を省略する。
【００６６】
例えば、キャップ層２０２の材料は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムのうちの１種又は複数種の組合せであり得る。例えば、キャップ層２０２は、一層又は多層構造であり得る。例えば、キャップ層２０２の厚さは、１ｎｍ〜１０ｕｍより小さく、ドーピング濃度は、１０１０ｃｍ−３〜１０２３ｃｍ−３であり得る。キャップ層２０２を設けることにより、半導体晶体の表面形態を最適化することができる。
【００６７】
以上より、本発明が提供する窒化ガリウム系ショットキーバリア整流器は、従来技術と比較して、少なくとも以下の優位性を有する。即ち、
本発明の実施例に係るショットキーバリア整流器は、窒化アルミニウムガリウム材料におけるアルミニウム成分を深さ方向に沿って変化させることで、ドリフト層の内部に分極電荷領域を形成させ、整流器の耐圧能力を向上できる。
【００６８】
本発明の実施例に係るショットキーバリア整流器は、分極電荷のイオン化によるキャリアにより導電することで、活性化エネルギーが必要とされないため、比較的低い温度で作動できる。
【００６９】
本発明の一実施例に係るショットキーバリア整流器は、逆耐圧時のドリフト層における電界が最も強い位置をショットキーバリアからトレンチの底面に移転することで、整流器の耐圧を向上させる。深さ方向においてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合におけるアルミニウム成分を変調して、分極による電荷を深さ方向に沿って段階的に分布させることにより、ドリフト層内の電界分布が滑らかになり、整流器の耐圧レベルをさらに向上できる。
【００７０】
上記の実施例は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者に理解されるように、上記実施例の様々な変更及び変形も本発明に含まれる。
【図１】
2019506740.tif 000003
【図２】
2019506740.tif 000004
【図３】
2019506740.tif 000005
【図４】
2019506740.tif 000006
【図５】
2019506740.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月10日(2018.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連通層と、
前記連通層の一側に設けられ、前記連通層とヘテロ接合構造を形成するドリフト層と、
前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた陽極金属と、
前記連通層の前記ドリフト層から遠い側に設けられた陰極金属と、
を含み、
前記ドリフト層の前記連通層から遠い表面と前記連通層に近い表面との間に、その厚さ方向に沿って延伸する第１領域を有し、前記第１領域は、第１金属元素を含み、且つ前記第１領域における前記第１金属元素の含有量が前記厚さ方向に沿って変化して、前記ドリフト層に分極電荷を生成させることを特徴とするショットキーバリア整流器。
【請求項２】
前記ドリフト層の前記連通層から遠い側に設けられた第１トレンチをさらに含む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整流器。
【請求項３】
前記第１トレンチ内に設けられ、且つ前記陽極金属と同じである充填材料をさらに含む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整流器。
【請求項４】
前記第１トレンチ内に設けられた充填材料をさらに含み、前記充填材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル、タングステン、金、銀、白金、鉛、窒化チタンのうちの１種又は複数種の組合せであ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整流器。
【請求項５】
前記第１トレンチと前記充填材料との間に設けられた酸化物パッド層又は窒化物パッド層をさらに含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項６】
前記第１領域における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へ次第に減少することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項７】
前記ドリフト層における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へ次第に減少することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項８】
前記ドリフト層における前記第１金属元素の含有量は、前記連通層から遠い側から前記連通層に近い側へｎ次曲線に従って次第に減少し、ここで、ｎが正の整数であることを特徴とする請求項７に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項９】
前記ドリフト層の材料は、窒化アルミニウムガリウムを含み、前記第１金属元素は、アルミニウム元素であり、又は
前記ドリフト層の材料は、窒化インジウムガリウムを含み、前記第１金属元素は、インジウム元素であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１０】
前記ドリフト層の材料は、窒化アルミニウムガリウムであり、その化学式はＡｌｘＧａ１−ｘＮであり、前記第１金属元素は、アルミニウム元素であり、前記ドリフト層の前記連通層から遠い側から前記連通層方向への深さをｙとし、ｘとｙが関数ｘ＝−ａｙｎ＋ｂを満たし、ここで、ａとｂが０より大きい定数であり、ｎが１より大きく、ｘが０〜１の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１１】
前記連通層は、
基板と、
前記基板の前記陰極金属から遠い側に設けられた緩衝層と、
前記緩衝層の前記基板から遠い側に設けられたチャネル層と、
を含み、
前記チャネル層は、前記ドリフト層と前記ヘテロ接合構造を形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１２】
前記ドリフト層、前記チャネル層、及び前記緩衝層を貫通する第２トレンチをさらに含み、前記第２トレンチ内に、前記チャネル層と前記基板とを電気的接続する金属配線層が設けられることを特徴とする請求項１１に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１３】
前記第２トレンチ内に設けられ、且つ前記金属配線層を被覆する絶縁充填層をさらに含み、前記絶縁充填層は、前記ドリフト層と前記金属配線層とを絶縁することを特徴とする請求項１２に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１４】
前記連通層は、前記陰極金属に近い基板、及び前記ドリフト層に近いエピタキシャル層を含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のショットキーバリア整流器。
【請求項１５】
前記ドリフト層は、前記エピタキシャル層に近い電荷層、及び前記エピタキシャル層から遠いキャップ層を含むことを特徴とする請求項１４に記載のショットキーバリア整流器。
【国際調査報告】
2019506740.tif 000008
2019506740.tif 000009
2019506740.tif 000010
2019506740.tif 000011