(57)【要約】【課題】Ｇａ２Ｏ３系半導体から構成されるショットキーバリアダイオードであって、ショットキー電極とＧａ２Ｏ３系半導体の反応が抑制され、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリアダイオード及びその製造方法を提供する。【解決手段】一実施の形態として、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる半導体層１０上に、Ｐｔ層を含むショットキー電極１１を前記Ｐｔ層が半導体層１０に接触するように形成する工程と、ショットキー電極１１を形成した後、３５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施す工程と、を含む、ショットキーバリアダイオード１の製造方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる半導体層上に、Ｐｔ層を含むショットキー電極を前記Ｐｔ層が前記半導体層に接触するように形成する工程と、
前記ショットキー電極を形成した後、３５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施す工程と、
を含む、ショットキーバリアダイオードの製造方法。
【請求項２】
４５０℃以上かつ５５０℃以下の前記熱処理を施す、
請求項１に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記Ｐｔ層が１０ｎｍ以上の厚さを有する、
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の製造方法。
【請求項４】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる半導体層と、
Ｐｔ層を含み、前記Ｐｔ層が前記半導体層に接合されたショットキー電極と、
を有し、
立ち上がり電圧が０．６Ｖ以上かつ０．９Ｖ以下である、
ショットキーバリアダイオード。
【請求項５】
立ち上がり電圧が０．７Ｖ以下である、
請求項４に記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項６】
前記Ｐｔ層が１０ｎｍ以上の厚さを有する、
請求項４又は５に記載のショットキーバリアダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキーバリアダイオード及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｇａ２Ｏ３単結晶にＰｔからなるショットキー電極が接続されたショットキーバリアダイオードが知られている（例えば、非特許文献１参照）。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の立ち上がり電圧（順方向電圧）は１．２３Ｖである。
【０００３】
また、従来、Ｇａ２Ｏ３単結晶基板にＰｔからなるショットキー電極が接続された紫外線センサーが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、Ｇａ２Ｏ３単結晶基板にＰｔを蒸着した後、熱処理を施すことが開示されている。
【０００４】
また、従来、Ｇａ２Ｏ３単結晶上にＮｉ／Ａｕ積層構造を有するショットキー電極が接続されたショットキーバリアダイオードが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６００５９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kohei Sasaki et al., “Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Fabricated by Using Single-Crystal β-Ga2O3 (010) Substrates”, IEEE Electron Device Letters, April 2013, Vol. 34, No. 4, pp. 493-495.
【非特許文献２】Toshiyuki Oishi et al., “Conduction mechanism in highly doped β-Ga2O3 (-201) single crystals grown by edge-defined film-fed growth method and their Schottky barrier diodes”, Japanese Journal of Applied Physics, 2016, 55, 030305.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ショットキーバリアダイオードの損失は、立ち上がり電圧と微分オン抵抗によって決まる。すなわち、立ち上がり電圧と微分オン抵抗を低減することにより、ショットキーバリアダイオードの損失を低減することができる。
【０００８】
特許文献１によれば、開示された紫外線センサーの電流−電圧特性から、Ｐｔの蒸着後の熱処理によってショットキー接合の立ち上がり電圧が低下する可能性があることが読み取れる。しかしながら、電流値が立ち上がった後の微分オン抵抗が極めて高く、特許文献１の紫外線センサーをショットキーバリアダイオードとして用いることは困難である。
【０００９】
具体的には、例えば、一般的なショットキーバリアダイオードの場合、１〜２Ｖ程度の電圧を印加したときに１００Ａ／ｃｍ２程度の電流が流れなければならないところ、特許文献１の紫外線センサーにおいては１〜２Ｖ程度の電圧を印加したときに流れる電流が１Ａ／ｃｍ２にも満たない。
【００１０】
また、非特許文献２のショットキーバリアダイオードにおいては、上述のように、ショットキー電極のＧａ２Ｏ３単結晶とショットキー接合を形成する層にＮｉが用いられている。しかしながら、Ｎｉは酸化しやすいため、ショットキー電極のＮｉとＧａ２Ｏ３単結晶が反応しやすく、時間の経過とともに界面にＮｉＯ膜が形成されて、デバイス特性が劣化するおそれがある。
【００１１】
また、ショットキーバリアダイオードの立ち上がり電圧は、低いほど順方向損失が小さくなるが、一方で逆方向リーク電流が大きくなるため、低すぎても問題がある。本発明者らがデバイスシミュレーションを行った結果、Ｇａ２Ｏ３を用いたショットキーバリアダイオード、特にトレンチＭＯＳ型ショットキーバリアダイオードの場合、立ち上がり電圧を０．６〜０．９Ｖ程度、好ましくは０．６〜０．７Ｖ程度にすることで、逆方向リーク電流が小さく、かつ順方向損失の小さいデバイスを実現できることがわかった。しかしながら、Ｇａ２Ｏ３に対して、このような範囲の立ち上がり電圧が得られ、かつオン抵抗が十分に小さくなるような電極を形成する方法は知られていなかった。
【００１２】
このため、本発明の目的は、Ｇａ２Ｏ３系半導体から構成されるショットキーバリアダイオードであって、ショットキー電極とＧａ２Ｏ３系半導体の反応が抑制され、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリアダイオード及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［３］のショットキーバリアダイオードの製造方法、［４］〜［６］のショットキーバリアダイオードを提供する。
【００１４】
［１］Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる半導体層上に、Ｐｔ層を含むショットキー電極を前記Ｐｔ層が前記半導体層に接触するように形成する工程と、前記ショットキー電極を形成した後、３５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施す工程と、を含む、ショットキーバリアダイオードの製造方法。
【００１５】
［２］４５０℃以上かつ５５０℃以下の前記熱処理を施す、前記［１］に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。
【００１６】
［３］前記Ｐｔ層が１０ｎｍ以上の厚さを有する、前記［１］又は［２］に記載のショットキーバリアダイオードの製造方法。
【００１７】
［４］Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる半導体層と、Ｐｔ層を含み、前記Ｐｔ層が前記半導体層に接合されたショットキー電極と、を有し、立ち上がり電圧が０．６Ｖ以上かつ０．９Ｖ以下である、ショットキーバリアダイオード。
【００１８】
［５］立ち上がり電圧が０．７Ｖ以下である、前記［４］に記載のショットキーバリアダイオード。
【００１９】
［６］前記Ｐｔ層が１０ｎｍ以上の厚さを有する、前記［４］又は［５］に記載のショットキーバリアダイオード。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、Ｇａ２Ｏ３系半導体から構成されるショットキーバリアダイオードであって、ショットキー電極とＧａ２Ｏ３系半導体の反応が抑制され、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリアダイオード及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、実施の形態に係るショットキーバリアダイオードの垂直断面図である。
【図２】図２は、ショットキー電極の形成における熱処理の温度と試料の順方向特性との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、熱処理の温度と図２から読み取られた立ち上がり電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔実施の形態〕
（ショットキーバリアダイオードの構成）
図１は、実施の形態に係るショットキーバリアダイオード１の垂直断面図である。ショットキーバリアダイオード１は、縦型のショットキーバリアダイオードであり、半導体層１０と、半導体層１０の一方の面上に形成されたアノード電極としてのショットキー電極１１と、半導体層１０の他方の面上に形成されたカソード電極としてのオーミック電極１２と、を有する。
【００２３】
半導体層１０は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる平板状の部材であり、典型的にはＧａ２Ｏ３系基板である。半導体層１０は、アンドープ（意図的にドーピングされていない）でもよいし、Ｓｉ、Ｓｎ等のドーパントを含んでもよい。半導体層１０のキャリア濃度は、例えば、１×１０１５ｃｍ−３以上かつ１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００２４】
ここで、Ｇａ２Ｏ３系単結晶とは、Ｇａ２Ｏ３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ２Ｏ３単結晶をいう。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ２Ｏ３単結晶である（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。なお、上記のＧａ２Ｏ３単結晶は、例えば、β型の結晶構造を有する。
【００２５】
半導体層１０の厚さは、ショットキーバリアダイオード１の十分な耐圧特性を確保するために、１００ｎｍ以上であることが好ましい。ショットキーバリアダイオード１の耐圧は、半導体層１０の厚さ及びキャリア濃度によって決定される。なお、半導体層１０の厚さの上限は特に限定されないが、厚さの増加に伴って厚さ方向の電気抵抗が増加するため、要求される耐圧特性が得られる範囲でなるべく薄くすることが好ましい。
【００２６】
また、半導体層１０は、２層以上のＧａ２Ｏ３系単結晶層からなる多層構造を有してもよい。この場合、例えば、半導体層１０は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板と、その上にエピタキシャル成長するＧａ２Ｏ３系単結晶膜から構成される。Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜にショットキー電極１１が接続され、Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板にオーミック電極１２が接続される場合、例えば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶膜のキャリア濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上かつ１×１０１７ｃｍ−３以下に設定され、Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上かつ４×１０１９ｃｍ−３以下に設定される。
【００２７】
ショットキー電極１１は、Ｐｔ層を含む。すなわち、Ｐｔ層から構成される単層構造、及びＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ等のＰｔ層を含む多層構造を有する。いずれの場合も、ショットキー電極１１のＰｔ層が半導体層１０に接合され、ショットキー接合を形成する。
【００２８】
Ｐｔは酸化しにくい材料であるため、ショットキー電極１１のＰｔ層は半導体層１０と反応しにくい。このため、Ｎｉ等のＧａ２Ｏ３系単結晶と反応しやすい材料からなる電極を用いる場合と比べて、時間の経過によるデバイス特性の劣化を抑えることができる。
【００２９】
ショットキー電極１１のＰｔ層は、１０ｎｍ以上の厚さを有することが好ましい。厚さが１０ｎｍに満たない場合、ピンホールが発生して良好な整流性が得られなくなるおそれがある。ショットキー電極１１のＰｔ層の厚さが１０ｎｍ以上であれば、良好な整流性が得られ、電流値が立ち上がった後の微分オン抵抗が小さくなる。
【００３０】
また、ショットキー電極１１のＰｔ層の厚さの上限については、素子の性能面からの制約はない。しかしながら、Ｐｔは蒸気圧の低い金属であるため、蒸着によって厚い膜を形成するのは困難である。また、Ｐｔは高価であるため、製造コストの点からも薄い方が好ましい。このため、ショットキー電極１１のＰｔ層は、１００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。
【００３１】
ショットキー電極１１がＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ積層構造を有する場合、Ｔｉ層はＰｔ層とＡｕ層の密着性を向上させる目的で用いられ、Ａｕ層は電極自体の配線抵抗を低減するために用いられる。Ｔｉ層は、Ｐｔ層とＡｕ層を十分に密着させるため、５ｎｍ以上の厚さを有することが好ましい。Ａｕ層の厚さは、配線抵抗を下げるためには厚いほどよいが、製造コストの点から５０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
ショットキー電極１１は、真空蒸着等により半導体層１０上にショットキー電極１１を構成する金属の膜を形成した後、３５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施すことにより形成される。
【００３３】
この３５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧が０．６Ｖ以上かつ０．９Ｖ以下のショットキーバリアダイオード１が得られる。熱処理温度が３５０℃に満たないと、熱処理による立ち上がり電圧低減の効果はほとんど得られない。また、ショットキー電極１１がＰｔ／Ｔｉ／Ａｕのような積層構造を有する場合、熱処理温度が６５０℃を超えると、Ｐｔが他の金属（例えば、ＴｉやＡｕ）と反応して整流性が得られなくなるおそれがある。
【００３４】
より細かくは、４５０℃以上かつ５５０℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧が０．６Ｖ以上かつ０．７Ｖ以下のショットキーバリアダイオード１が得られ、３５０℃以上かつ４５０℃以下又は５５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧が０．７Ｖ以上かつ０．９Ｖ以下のショットキーバリアダイオード１が得られる。
【００３５】
オーミック電極１２は、Ｔｉ等の金属からなり、半導体層１０とオーミック接合を形成する。オーミック電極１２は、異なる金属膜を積層した多層構造、例えば、Ｔｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ａｌ、を有してもよい。オーミック電極１２と半導体層１０を確実にオーミック接触させるため、オーミック電極１２の半導体層１０と接触する層がＴｉからなることが好ましい。
【００３６】
ショットキーバリアダイオード１においては、ショットキー電極１１とオーミック電極１２との間に順方向の電圧（ショットキー電極１１側が正電位）を印加することにより、半導体層１０から見たショットキー電極１１と半導体層１０との界面のエネルギー障壁が低下し、ショットキー電極１１からオーミック電極１２へ電流が流れる。一方、ショットキー電極１１とオーミック電極１２との間に逆方向の電圧（ショットキー電極１１側が負電位）を印加したときは、ショットキー障壁により、電流は流れない。
【００３７】
（ショットキーバリアダイオードの製造方法）
以下に、ショットキーバリアダイオード１の製造方法の一例について説明する。
【００３８】
まず、ＦＺ（Floating Zone）法やＥＦＧ（Edge Defined Film Fed Growth）法等の融液成長法により育成したＧａ２Ｏ３系単結晶のバルク結晶をスライスし、表面を研磨することにより、半導体層１０としてのＧａ２Ｏ３系基板を形成する。
【００３９】
次に、真空蒸着等により、半導体層１０の表面と裏面に、それぞれショットキー電極１１とオーミック電極１２を形成する。
【００４０】
ショットキー電極１１については、ショットキー電極１１を構成する金属の膜を蒸着した後、３５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施す。
【００４１】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３系半導体から構成される、逆方向リーク電流が小さく、かつ低損失のショットキーバリアダイオードを得ることができる。
【実施例】
【００４２】
以下に、上記実施の形態に係るショットキーバリアダイオード１の一形態の評価結果を述べる。
【００４３】
本評価においては、半導体層１０として、主面の面方位が（００１）であり、両面にＣＭＰ処理が施されたＧａ２Ｏ３基板を用いた。また、このＧａ２Ｏ３基板は意図的なドーピングが行われていない基板であり、１×１０１７〜５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度を有する。
【００４４】
初めに、半導体層１０の裏面の全面に、Ｔｉ／Ａｕ積層構造を有するオーミック電極１２を真空蒸着により形成した。
【００４５】
次に、半導体層１０の表面に、直径が１００μｍの円形のＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ積層構造を有するショットキー電極１１を形成した。このショットキー電極１１のＰｔ層、Ｔｉ層、Ａｕ層の厚さは、それぞれ２３ｎｍ、５ｎｍ、２８０ｎｍとした。
【００４６】
ショットキー電極１１の形成においては、真空蒸着によりＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ積層構造を形成した後、２００〜６００℃の熱処理を施した。この熱処理の雰囲気は窒素、熱処理時間は１０分とした。
【００４７】
そして、ショットキー電極１１の形成において熱処理を施す前の試料、及び２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、又は６００℃の熱処理を施した試料の順方向特性（電流密度−電圧特性）を調べた。
【００４８】
図２は、ショットキー電極１１の形成における熱処理の温度と試料の順方向特性との関係を示すグラフである。
【００４９】
図２は、熱処理によって試料の立ち上がり電圧が変化することを示している。ここでは、各曲線上の電流密度が５０Ａ／ｃｍ２である点と１５０Ａ／ｃｍ２である点を通る直線が横軸（電流密度が０Ａ／ｃｍ２である直線）と交わる点の電圧を立ち上がり電圧とした。
【００５０】
また、図２は、各試料の電流値が立ち上がった後の微分オン抵抗が十分に低く、各試料がショットキーバリアダイオードとして機能することを示している。例えば、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃の熱処理を施した試料では、それぞれ１．０８Ｖ、０．９９Ｖ、０．８９Ｖ、０．９９Ｖの電圧を印加したときに電流密度が１００Ａ／ｃｍ２を超える。
【００５１】
図３は、熱処理の温度と図２から読み取られた立ち上がり電圧との関係を示すグラフである。熱処理を施す前の試料の立ち上がり電圧はおよそ１．０１Ｖであり、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、又は６００℃の熱処理を施した試料の立ち上がり電圧は、それぞれおよそ０．９７Ｖ、０．９１Ｖ、０．８２Ｖ、０．６６Ｖ、０．８２Ｖである。
【００５２】
この結果から、およそ４５０℃以上かつ５５０℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧がおよそ０．６Ｖ以上かつ０．７Ｖ以下のショットキーバリアダイオード１が得られ、およそ３５０℃以上かつ４５０℃以下又はおよそ５５０℃以上かつ６５０℃以下の熱処理を施すことにより、立ち上がり電圧がおよそ０．７Ｖ以上かつ０．９Ｖ以下のショットキーバリアダイオード１が得られることがわかる。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００５４】
また、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００５５】
１…ショットキーバリアダイオード、１０…半導体層、１１…ショットキー電極、１２…オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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