(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、良好なｐｎ接合を有し、高耐圧かつ低オン抵抗であるダイヤモンド半導体素子を提供することにある。【解決手段】本発明のダイヤモンド半導体素子は、主面を有し、第１の導電型である第１のダイヤモンド半導体層と、前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面に接しており、｛１１１｝面の面方位である第１の側面を有し、かつｉ型または第２の導電型である第２のダイヤモンド半導体層と、前記第１の側面にあり、第１の導電型である第３のダイヤモンド半導体層と、前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面と、前記第２のダイヤモンド半導体層の前記第３のダイヤモンド半導体層がある側とは反対側の側面にあり、かつ第２の導電型である第４のダイヤモンド半導体層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有し、第１の導電型である第１のダイヤモンド半導体層と、
前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面に接しており、｛１１１｝面の面方位である第１の側面を有し、かつｉ型または第２の導電型である第２のダイヤモンド半導体層と、
前記第１の側面にあり、第１の導電型である第３のダイヤモンド半導体層と、
前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面と、前記第２のダイヤモンド半導体層の前記第３のダイヤモンド半導体層がある側とは反対側の側面にあり、かつ第２の導電型である第４のダイヤモンド半導体層と、
を備えるダイヤモンド半導体素子。
【請求項２】
前記第１の側面の｛１１１｝面から＜１００＞±１０度の面方位である第２の側面と、前記第２の側面に第１の導電型である第５のダイヤモンド半導体層と、をさらに備える請求項１に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項３】
前記第５のダイヤモンド半導体層の第１の導電型の濃度は、前記第３のダイヤモンド半導体層の第１の導電型の濃度よりも低い請求項２に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項４】
前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面の面方位は｛１００｝面から＜０１１＞方向に±１０度以内である請求項１または請求項３のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項５】
前記第３のダイヤモンド半導体層の前記第２のダイヤモンド半導体層側の第１の導電型の濃度は１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、前記第３のダイヤモンド半導体層の前記第２のダイヤモンド半導体層とは反対側の第１の導電型の濃度は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項６】
前記第４のダイヤモンド半導体層の第２の導電型の濃度は１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項７】
前記第２のダイヤモンド半導体層のｉ型または第２の導電型の濃度は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項８】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項９】
前記第３のダイヤモンド半導体層に第１の電極と、前記第４のダイヤモンド半導体層に第２の電極と、をさらに備える請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１０】
前記第３のダイヤモンド半導体層と前記第４のダイヤモンド半導体層の厚さは０．５μｍ以上１μｍ以下である請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１１】
前記第２のダイヤモンド半導体層の厚さは１０μｍ以上である請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【請求項１２】
前記第１のダイヤモンド半導体層の厚さは５０μｍ以上１００μｍ以下である請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ダイヤモンド半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドはその優れた機械的、化学的および熱的特性に加え、優れた半導体特性を持つことから、半導体デバイス材料として注目されている。特に、室温で約５．５ｅＶのバンドギャップを持ち絶縁破壊耐性が高いため、パワーデバイスとして期待される。さらに、堅牢な結晶性から、特に高温や放射線などの過酷な環境下で用いられる耐環境性デバイスとしても期待される。
【０００３】
ダイヤモンドのパワーデバイスは近年盛んに開発が行われている。例えば、ショットキー接合を有するショットキーバリアダイオード、ＰＩＮ構造のデバイス、ショットキー接合にＰＮ接合を組み合わせたデバイス、等に関する報告がなされている。
【０００４】
しかしながら、ｎ型不純物であるリン（Ｐ）は、ダイヤモンド結晶の｛１００｝面へ取り込まれにくい。 そのため、｛１００｝面上のｎ型ダイヤモンドは低抵抗とすることが難しく、また、ドリフト層等に用いるための低濃度のｎ型層にするための制御が困難である。
【０００５】
これまでに、低抵抗であるｎ型層を形成するための報告がなされているが、欠陥の多いｎ型層が形成されてしまい、良好なｐｎ接合が形成されていない。そのため、ダイヤモンド半導体素子は、良好なｐｎ接合を有し、高耐圧かつ低抵抗であることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５‐７９１９６号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１２８３０１号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋａｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，ＪＪＡＰ  ５１  ０９０１１８（２０１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、良好なｐｎ接合を有し、高耐圧かつ低オン抵抗であるダイヤモンド半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のダイヤモンド半導体素子は、主面を有し、第１の導電型である第１のダイヤモンド半導体層と、前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面に接しており、｛１１１｝面の面方位である第１の側面を有し、かつｉ型または第２の導電型である第２のダイヤモンド半導体層と、前記第１の側面にあり、第１の導電型である第３のダイヤモンド半導体層と、前記第１のダイヤモンド半導体層の前記主面と、前記第２のダイヤモンド半導体層の前記第３のダイヤモンド半導体層がある側とは反対側にあり、かつ第２の導電型である第４のダイヤモンド半導体層と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態のダイヤモンド半導体素子の模式断面図。
【図２】実施形態のダイヤモンド半導体素子の製造方法を示す模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
【００１２】
本明細書中、ｉ型の半導体とは、真性半導体を意味する。いいかえれば、積極的にｎ型またはｐ型のドーパントを導入していない半導体を意味する。半導体の製造に伴い不可避的に導入されるドーパントについては、これを許容する。
【００１３】
図１にダイヤモンド半導体素子１０の模式断面図を示す。
【００１４】
本実施形態のダイヤモンド半導体素子１０はＰＩＮダイオードである。
【００１５】
本実施形態のダイヤモンド半導体素子１０では、ｉ型またはｐ型の第２のダイヤモンド半導体層２の側面に、電界緩和層となるｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３を設けることで、第２のダイヤモンド半導体層２と第３のダイヤモンド半導体層３の接合の耐圧が向上している。
【００１６】
また、本実施形態では、第２のダイヤモンド半導体層２の側面の面方位を特定の方向に設けることで、ｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３の不純物濃度を所望の濃度にすることが容易となる。したがって、電界緩和層であるｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３の濃度を制御することができ、第３のダイヤモンド半導体層３の結晶品質が向上し、低抵抗な接合を有するＰＩＮダイオードの実現が可能となる。
【００１７】
さらに望ましくは、第２のダイヤモンド半導体層２の角部の近傍に、低濃度のｎ型である第５のダイヤモンド半導体層５を備えることで、第５の半導体層５での空乏層の幅が広がり、第２のダイヤモンド半導体層２の角部への電界集中を緩和することが可能である。したがって、さらなる電界緩和効果が得られ、接合の耐圧が向上する。
【００１８】
以下、本実施形態のダイヤモンド半導体素子１０をさらに詳細に説明する。
【００１９】
ダイヤモンド半導体素子１０は、第１のダイヤモンド半導体層１、第２のダイヤモンド半導体層２、第３のダイヤモンド半導体層３、第４のダイヤモンド半導体層４、第５のダイヤモンド半導体層５、第１の電極６、第２の電極７、および絶縁層８を備える。
【００２０】
第１のダイヤモンド半導体層１は、上面に主面１ａを有している。第１のダイヤモンド半導体層１の主面の面方位は、｛１００｝面から＜０１１＞方向に±１０度以内である。第１のダイヤモンド半導体層１は、主面１ａの端部に、段差を有しており、段差の側面は主面１ａに対して傾斜している傾斜部１ｂである。段差の底部には面１ｃがある。
【００２１】
また、第１のダイヤモンド半導体層１は、主面１ａの面方向において、主面１ａがある側とは反対側の傾斜部１ｂの隣に、面１ｃを有している。面１ｃは主面１ａと平行である。
【００２２】
第１のダイヤモンド半導体層１は高抵抗な材料を用いる。第１のダイヤモンド半導体層１は、例えば、Ｉｂ基板などである。第１のダイヤモンド半導体層１は、第１の導電型を有する。第１の導電型は、例えば、ｎ型である。なお、第１のダイヤモンド半導体層１の代わりに、ＡｌＮ、ＳｉＣ、半絶縁性基板、絶縁性基板を用いても良い。
【００２３】
第２のダイヤモンド半導体層２は、第１のダイヤモンド半導体層１の上に設けられる。第２のダイヤモンド半導体層２は、第１のダイヤモンド半導体層１の主面１ａに接して設けられる。第２のダイヤモンド半導体層２は、ｉ型または第２の導電型を有する。第２の導電型は、例えば、ｐ型である。第２のダイヤモンド半導体層２のｉ型または第２の導電型の濃度は、１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が望ましい。第２のダイヤモンド半導体層２の厚さは、例えば、１０μｍ以上１０００μｍ以下である。第２のダイヤモンド半導体層２の上面と水平な方向の長さ、つまり幅は、例えば、１０μｍ以上１ｃｍ以下である。
【００２４】
第２のダイヤモンド半導体層２の一方の端部には、第１の側面２ａと第２の側面２ｂを有する。第１の側面２ａは第１の半導体層１に近い側にある。第１の側面２ａは、第１の半導体層１ｂの傾斜部１ｂと同程度の傾斜面を有する。第２の側面２ｂは、積層方向において第１の側面２ａよりも第１の半導体層１から離れた位置にある。第２の側面２ｂは、第１の側面２ａとの間に、第２のダイヤモンド半導体層２の角部を挟んで存在している。
【００２５】
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成長によって形成されるダイヤモンド半導体では、不純物の層内への取り込み効率は、面方位に強く依存する。例えば、不純物がｎ型ドーパントであるリン（Ｐ）の場合、｛１１１｝面基板上の｛１１１｝面成長の場合、すなわち＜１１１＞方向への成長の場合、リンの取り込み効率は０．０２％程度である。これに対し、｛１１０｝面基板上の｛１１０｝面成長の場合、すなわち＜１１０＞方向への成長の場合、リンの取り込み効率は０．０００２％程度である。また、｛１００｝面基板上の｛１００｝面成長の場合、すなわち＜１００＞方向への成長の場合、リンの取り込み効率は０．００００１％未満である。
【００２６】
そのため、できるたけ多くのリンを取り込むことが可能で、また、リンの濃度が制御可能であるダイヤモンド半導体層を成長させるため、第２のダイヤモンド半導体層２の第１の側面２ａの面方位は、例えば｛１１１｝面とする。第２のダイヤモンド半導体層２の第２の側面２ｂの面方位は、｛１１１｝面から＜１００＞±１０度以内であることが望ましい。
【００２７】
第３のダイヤモンド半導体層３は、第２のダイヤモンド半導体層２の第１の側面２ａの傾斜面と、第１のダイヤモンド半導体層１の傾斜部１ｂの傾斜面に接して設けられる。第３のダイヤモンド半導体層３の厚さは０．５μｍ以上１μｍ以下である。
【００２８】
第３のダイヤモンド半導体層３は、第１の導電型を有する。第１の導電型は、例えば、ｎ型である。第３のダイヤモンド半導体層３に、ｎ型不純物として、リン（Ｐ）がドープされている。第３のダイヤモンド半導体層３の第１の導電型の濃度は濃度勾配を有し、第２の半導体層２側から第２の半導体層２とは反対側に向かう方向に、第１の導電型の濃度は大きくなっていることが望ましい。
【００２９】
第２の半導体層２側の第３のダイヤモンド半導体層３の第１の導電型の濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。第２の半導体層２とは反対側の第３のダイヤモンド半導体層３の第１の導電型の濃度は、例えば、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。第３のダイヤモンド半導体層３の第１の導電型の濃度が、第２のダイヤモンド半導体層２側から第２のダイヤモンド半導体層２とは反対側に向かう方向に、第１の導電型の濃度は大きくなるように制御することで、第３のダイヤモンド半導体層３の結晶品質を向上させ、第３のダイヤモンド半導体層３と第２のダイヤモンド半導体層２の間で低抵抗な接合を実現することができる。第４のダイヤモンド半導体層４は、第３のダイヤモンド半導体層３から第２のダイヤモンド半導体層２に向かう方向において、第３のダイヤモンド半導体層３がある側とは反対側の、第２のダイヤモンド半導体層２の第３の側面２ｃと第１のダイヤモンド半導体層１の主面１ａに接して設けられる。第４のダイヤモンド半導体層４の厚さは０．１μｍ以上１μｍ以下である。第４のダイヤモンド半導体層４は、第２の導電型を有する。第２の導電型は、例えば、ｐ型である。第４のダイヤモンド半導体層４に、ｐ型不純物として、ホウ素（Ｂ）がドープされている。第４のダイヤモンド半導体層４の第２の導電型の濃度は、例えば、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上である。第４のダイヤモンド半導体層４の第２の導電型の濃度は、例えば、２×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
【００３０】
第５のダイヤモンド半導体層５は、第２のダイヤモンド半導体層２の角部の近傍である第２の側面２ｂに接して設けられることが望ましい。第５のダイヤモンド半導体層５は、第２の導電型を有する。第２の導電型は、例えば、ｎ型である。第５のダイヤモンド半導体層５に、ｎ型不純物として、リン（Ｐ）がドープされている。第５のダイヤモンド半導体層５の第１の導電型の濃度は、第３のダイヤモンド半導体層３の第１の導電型の濃度よりも低い。
【００３１】
第２のダイヤモンド半導体層２の角部の近傍に、低濃度のｎ型である第５のダイヤモンド半導体層５をさらに備えることで、第２のダイヤモンド半導体層２と第５の半導体層５の間の接合での空乏層の幅が広がり、第２のダイヤモンド半導体層２の角部への電界集中を緩和することが可能である。したがって、さらなる電界緩和効果が得られ、接合の耐圧が向上する。
【００３２】
ダイヤモンド半導体素子１０に印加される電圧によっては、第５のダイヤモンド半導体層５は備えなくても良い。第１の電極６は、第３のダイヤモンド半導体層３に積層して設けられる。第１の電極６は、カソード電極であり、金属で形成される。金属は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）である。第１の電極６とｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。
【００３３】
第２の電極７は、第４のダイヤモンド半導体層４に積層して設けられる。第２の電極７は、アノード電極であり、金属で形成される。金属は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）である。第２の電極７とｐ型の第４のダイヤモンド半導体層４との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。
【００３４】
絶縁層８は、第１〜５のダイヤモンド半導体層１〜５の表面の一部を覆う。絶縁層８は、第１、２の電極１、２は覆わず、第１の電極６と第３のダイヤモンド半導体層３の間の一部、第２の電極７と第４のダイヤモンド半導体層４の間の一部を覆う。絶縁層８は、例えば、ＳｉＯ２などのシリコン酸化膜やシリコン窒化膜である。
【００３５】
本実施形態のダイヤモンド半導体素子１０のＩ−Ｖ特性を測定したところ、±１０Ｖにおける整流比は１０桁以上となり、１０Ｖにおける順方向電流密度は１００００Ａ／ｃｍ２となった。また、逆方向のリーク電流は１００Ｖにおいて１ｐＡ以下であり、１０ｋＶまで電圧をかけてもブレークダウンは起こらなかった。
【００３６】
本実施形態では、ｉ型またはｐ型の第２のダイヤモンド半導体層２の側面に、電界緩和層となるｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３を設けることで、第２のダイヤモンド半導体層２と第３のダイヤモンド半導体層３の接合の耐圧が向上する。
【００３７】
また、本実施形態では、第２のダイヤモンド半導体層２の側面を特定の方向に設けることで、ｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３の不純物濃度を所望の濃度にすることが容易となる。したがって、電界緩和層であるｎ型の第３のダイヤモンド半導体層３の濃度を制御することができ、第３のダイヤモンド半導体層３の結晶品質が向上させ、低抵抗な接合を有するＰＩＮダイオードの実現が可能となる。
【００３８】
さらに、本実施形態では、第２のダイヤモンド半導体層２の角部の近傍に、低濃度のｎ型である第５のダイヤモンド半導体層５を備えることで、第５の半導体層５での空乏層の幅が広がり、第２のダイヤモンド半導体層２の角部への電界集中を緩和することが可能である。したがって、さらなる電界緩和効果が得られ、接合の耐圧が向上する。
【００３９】
電界緩和の観点から、第２のダイヤモンド半導体層２の第１の側面２ａの傾斜面は、第１のダイヤモンド半導体層１の上面を基準に、１０度以上５５度以下であることが望ましい。
【００４０】
なお、本実施形態のダイヤモンド半導体素子１０は、横型のＰＩＮダイオードとしたが、縦型の素子構造でも良い。
【００４１】
以下に、ダイヤモンド半導体素子１０の製造方法を説明する。
【００４２】
図２（ａ）〜（ｆ）にダイヤモンド半導体素子１０の製造工程を示す。
【００４３】
図２（ａ）から、第１のダイヤモンド半導体層１の主面は、｛１００｝面から＜０１１＞方向に±１０度以内の面方位を有している。第１のダイヤモンド半導体層１の主面に第２のダイヤモンド半導体層２をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により成長させて形成する。
【００４４】
図２（ｂ）から、第２のダイヤモンド半導体層２を成長後、第２のダイヤモンド半導体層２に｛１１１｝面の面方位を有する第１の側面２ａをエッチングにより形成する。また、エッチングにより、第１の側面２ａの上部に｛１１１｝面から±１０度以内の面方位を有する第２の側面２ｂを形成する。さらに、エッチングにより、第１のダイヤモンド半導体層１に傾斜部１ｂと面１ｃを形成し、第２のダイヤモンド半導体層２に第３の側面２ｃを形成する。
【００４５】
図２（ｃ）から、第１の側面２ａと傾斜部１ｂに、第３のダイヤモンド半導体層３を、第２の側面２ｂに第５のダイヤモンド半導体層５を成長させ形成する。第３のダイヤモンド半導体層３と第５のダイヤモンド半導体層５はマイクロ波プラズマＣＶＤ法で成長させる。１回の成長で、第３のダイヤモンド半導体層３と第５のダイヤモンド半導体層５が同時に成長させる。そのため、第３のダイヤモンド半導体層３と第５のダイヤモンド半導体層５の境界は不明瞭である。リン（Ｐ）をドーパントとして、｛１１１｝面が優勢に成長する条件で成長させる。それにより、第３のダイヤモンド半導体層３が、｛１１１｝面近傍の面方位を持つ傾斜面に形成される。また、第２の側面２ｂに、第３のダイヤモンド半導体層３よりもリン（Ｐ）の濃度が低い、第５のダイヤモンド半導体層５が形成される。第３のダイヤモンド半導体層３に含まれるリン濃度は、例えば、２×１０２０ｃｍ−３である。
【００４６】
図２（ｄ）から、ホウ素（Ｂ）をドーパントとして、第３の側面２ｃに第４のダイヤモンド半導体層４を形成する。第４のダイヤモンド半導体層４はマイクロ波プラズマＣＶＤ法で成長させる。第４のダイヤモンド半導体層４に含まれるホウ素の濃度は、例えば、２×１０２０ｃｍ−３である。
【００４７】
図２（ｅ）から、面１ｃ、第３のダイヤモンド半導体層３の表面、第５のダイヤモンド半導体層５の表面、第２のダイヤモンド半導体層の表面、第４のダイヤモンド半導体層４の表面にＳｉＯ２等の絶縁層８を形成する。
【００４８】
図（ｆ）から、フォトリソグラフィーによるパターニングにより、第３のダイヤモンド半導体層３の一部を覆う絶縁層８と、第４のダイヤモンド半導体層４の一部を覆う絶縁層８を除去し、第３のダイヤモンド半導体層３の一部と第４のダイヤモンド半導体層４の一部を露出させる。露出した、第３のダイヤモンド半導体層３と第４のダイヤモンド半導体層４に、第１の電極６と第２の電極７を形成する。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５０】
１  第１のダイヤモンド半導体層 
１ａ  主面
１ｂ  傾斜部
１ｃ  面
２  第２のダイヤモンド半導体層
２ａ  第１の側面
２ｂ  第２の側面
２ｃ  第３の側面
３  第３のダイヤモンド半導体層
４  第４のダイヤモンド半導体層
５  第５のダイヤモンド半導体層
６  第１の電極
７  第２の電極
８  絶縁層
１０  ダイヤモンド半導体素子
【図１】
2019047096.tif 000003
【図２】
2019047096.tif 000004