(57)【要約】【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を囲む位置に設けられた外周トレンチ１０を有する。このように、ドリフト層３０に外周トレンチ１０を設ければ、外周トレンチ１０の存在によって電界が分散される。これにより、アノード電極４０の角部における電界集中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２
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【特許請求の範囲】
【請求項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を囲む位置に設けられた外周トレンチを有することを特徴とするショットキーバリアダイオード。
【請求項２】
前記外周トレンチに埋め込まれた絶縁体をさらに備え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。
【請求項３】
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中心トレンチをさらに有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。
【請求項４】
前記複数の中心トレンチの内壁は絶縁膜で覆われてい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ダイオード。
【請求項５】
前記外周トレンチの幅は、前記中心トレンチの幅よりも広い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ダイオード。
【請求項６】
前記外周トレンチの深さは、前記中心トレンチの深さよりも深いことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のショットキーバリアダイオード。
【請求項７】
前記外周トレンチと前記外周トレンチに最も近い前記中心トレンチとの間のメサ幅は、前記複数の中心トレンチ間のメサ幅よりも小さいことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項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。
【背景技術】
【０００２】
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パワーデバイス用のスイッチング素子として利用されることがある。
【０００３】
ショットキーバリアダイオードをパワーデバイス用のスイッチング素子として用いる場合、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（Ｇａ２Ｏ３）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７〜８ＭＶ／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、パワーデバイス用のスイッチング素子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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−０４５９６９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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]
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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を囲む位置に設けられた外周トレンチを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、ドリフト層に外周トレンチが設けられていることから、外周トレンチの存在によって電界が分散される。これにより、アノード電極の角部における電界集中が緩和されることから、絶縁破壊が生じにくくなる。
【００１１】
本発明によるショットキーバリアダイオードは、外周トレンチに埋め込まれた絶縁体をさらに備えていても構わない。これによれば、電界の分散効果が高められる。
【００１２】
本発明において、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中心トレンチをさらに有していても構わない。この場合、複数の中心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、逆方向電圧が印加されると中心トレンチ間に位置するメサ領域が空乏層となり、ドリフト層のチャネル領域がピンチオフされることから、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。
【００１３】
この場合、外周トレンチの幅は中心トレンチの幅よりも広くても構わないし、外周トレンチの深さは中心トレンチの深さよりも深くても構わないし、外周トレンチと外周トレンチに最も近い中心トレンチとの間のメサ幅は、複数の中心トレンチ間のメサ幅よりも小さくても構わない。これらの構成によれば、電界集中がより緩和されることから、絶縁破壊よりいっそうが生じにくくなる。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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の構成を示す上面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図３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の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態によるショットキーバリアダイオード３００の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、比較例１のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例１のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図７は、比較例２のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】図８は、実施例２のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図９は、外周トレンチの深さと電界強度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】
【００１６】
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。
【００１７】
＜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の構成を示す上面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１８】
図１及び図２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−Ｇａ２Ｏ３）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。
【００１９】
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（Ｚ方向における高さ）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、Ｘ方向における幅及びＹ方向における幅を２．４ｍｍ程度とすればよい。
【００２０】
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。
【００２１】
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）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。
【００２２】
さらに、ドリフト層３０には、平面視で（Ｚ方向から見て）アノード電極４０と重ならない位置であって、アノード電極４０を囲む位置に外周トレンチ１０が設けられている。外周トレンチ１０は、ドリフト層３０を上面３１側からエッチングすることによって形成することができる。
【００２３】
外周トレンチ１０は、アノード電極４０の端部に集中する電界を緩和するために設けられており、本実施形態においては外周トレンチ１０の内部が絶縁体１１によって埋め込まれている。本発明において、外周トレンチ１０の内部を絶縁体１１によって埋め込むことは必須でなく、外周トレンチ１０の内部を空洞のままとしても構わないし、一部又は全部を導電体によって埋め込んでも構わない。但し、外周トレンチ１０の内部に導電体を埋め込む場合、この導電体をアノード電極４０から絶縁しておく必要がある。外周トレンチ１０の内部を絶縁体１１によって埋め込めば、外周トレンチ１０の内部が空洞のままである場合と比べて、電界の分散効果が高められる。
【００２４】
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、ドリフト層３０に外周トレンチ１０が設けられていることから、アノード電極４０の端部に集中する電界が外周トレンチ１０によって緩和される。これにより、電界集中による絶縁破壊を防止することが可能となる。
【００２５】
＜第２の実施形態＞
図３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の構成を示す断面図である。
【００２６】
図３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においては、ドリフト層３０に複数の中心トレンチ６０が設けられている。中心トレンチ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ＨｆＯ２などからなる絶縁膜６１で覆われている。中心トレンチ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。本実施形態のように中心トレンチ６０を設ける場合、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、本実施形態においては、ドリフト層３０のドーパント濃度は５×１０１６ｃｍ−３程度に高められている。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。
【００２７】
ドリフト層３０のうち中心トレンチ６０間に位置する部分はメサ領域Ｍ１を構成する。メサ領域Ｍ１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。
【００２８】
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、端部に位置する中心トレンチ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。しかしながら、本実施形態によるショットキーバリアダイオード２００においては、複数の中心トレンチ６０を囲むよう、複数の中心トレンチ６０のさらに外周位置に外周トレンチ１０が設けられていることから、端部に位置する中心トレンチ６０ａの電界が緩和される。
【００２９】
図３に示すように、ドリフト層３０のうち、端部に位置する中心トレンチ６０ａと外周トレンチ１０の間に位置する部分は、メサ領域Ｍ２を構成する。上述したメサ領域Ｍ１のメサ幅Ｗ１とメサ領域Ｍ２のメサ幅Ｗ２の関係については特に限定されないが、
Ｗ１≧Ｗ２
であることが好ましく、
Ｗ１＞Ｗ２
であることがより好ましい。これは、オン抵抗を低減するためにはメサ領域Ｍ１のメサ幅Ｗ１をある程度確保する必要があるのに対し、メサ領域Ｍ２については、メサ幅Ｗ２が狭いほど電界を分散させる効果が高まるからである。但し、メサ領域Ｍ２のメサ幅Ｗ２の下限は、加工精度によって制限される。
【００３０】
また、中心トレンチ６０の幅Ｗ３と外周トレンチ１０の幅Ｗ４の関係についても特に限定されないが、
Ｗ３≦Ｗ４
であることが好ましく、
Ｗ３＜Ｗ４
であることがより好ましい。これは、オン抵抗を低減するためには中心トレンチ６０の幅Ｗ３をある程度狭くする必要があるのに対し、外周トレンチ１０については、幅Ｗ４が大きいほど電界を分散させる効果が高まるからである。
【００３１】
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２００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による効果に加え、逆方向電圧が印加された場合のリーク電流を削減できるという効果を有する。また、本実施形態においては、外周トレンチ１０と中心トレンチ６０の深さが同じであり、したがって、これらを同一工程にて形成することが可能である。
【００３２】
また、本実施形態においては、中心トレンチ６０の内壁を絶縁膜６１で覆うとともに、中心トレンチ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。
【００３３】
＜第３の実施形態＞
図４は、本発明の第３の実施形態によるショットキーバリアダイオード３００の構成を示す断面図である。
【００３４】
図４に示すように、第３の実施形態によるショットキーバリアダイオード３００においては、中心トレンチ６０の深さＤ１よりも、外周トレンチ１０の深さＤ２の方が深い。その他の構成は、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。
【００３５】
外周トレンチ１０の深さＤ２が浅いと電界を分散させる効果が十分に得られないが、外周トレンチ１０の深さＤ２を中心トレンチ６０の深さＤ１よりも深く設定すれば、電界を分散させる効果を高めることができる。
【００３６】
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。
【実施例１】
【００３７】
図１及び図２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１×１０１８ｃｍ−３とし、ドリフト層３０のドーパント濃度としては１×１０１６ｃｍ−３とした。ドリフト層３０の厚みは７μｍとした。また、比較のため、実施例１のシミュレーションモデルから外周トレンチ１０及び絶縁体１１を削除した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。
【００３８】
図５は、比較例１のシミュレーション結果を示す図である。比較例１のシミュレーションモデルにおいては、アノード電極４０の角部に電界が集中し、その最大値は８．３ＭＶ／ｃｍであった。
【００３９】
図６は、実施例１のシミュレーション結果を示す図である。実施例１のシミュレーションモデルにおいてもアノード電極４０の角部に電界が集中したが、外周トレンチ１０によって電界が分散された結果、その最大値は６．８ＭＶ／ｃｍに低下した。
【実施例２】
【００４０】
図３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。ここで、中心トレンチ６０の深さＤ１及び幅Ｗ３はそれぞれ３μｍ及び１μｍとし、メサ領域Ｍ１のメサ幅Ｗ１は２μｍとし、中心トレンチ６０の内壁に形成される絶縁膜６１は、厚さ５０ｎｍのＨｆＯ２膜とした。一方、外周トレンチ１０の深さＤ２及び幅Ｗ４はそれぞれ３μｍ及び５μｍとし、メサ領域Ｍ２のメサ幅Ｗ２は２μｍとした。ドリフト層３０のドーパント濃度としては５×１０１６ｃｍ−３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。
【００４１】
また、比較のため、実施例２のシミュレーションモデルから外周トレンチ１０及び絶縁体１１を削除した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。
【００４２】
図７は、比較例２のシミュレーション結果を示す図である。比較例２のシミュレーションモデルにおいては、端部に位置する中心トレンチ６０ａの底部に電界が集中し、その最大値は１２．１ＭＶ／ｃｍであった。
【００４３】
図８は、実施例２のシミュレーション結果を示す図である。実施例２のシミュレーションモデルにおいても端部に位置する中心トレンチ６０ａの底部に電界が集中したが、外周トレンチ１０によって電界が分散された結果、その最大値は１１．６ＭＶ／ｃｍに低下した。
【００４４】
一方、端部以外の中心トレンチ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９．４ＭＶ／ｃｍであった。
【実施例３】
【００４５】
図４に示したショットキーバリアダイオード３００と同じ構造を有する実施例３のシミュレーションモデルを想定し、アノード電極とカソード電極の間に順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。実施例３のシミュレーションモデルにおいては、外周トレンチ１０の深さＤ２が５μｍである。その他の点は、実施例２のシミュレーションモデルと同じ条件である。
【００４６】
図９は、外周トレンチの深さと電界強度との関係を示すグラフである。図９において、符号Ｅ１は端部以外の中心トレンチ６０の近傍の半導体基板２０にかかる最大電界を示し、符号Ｅ２は端部の中心トレンチ６０ａの近傍の半導体基板２０にかかる最大電界を示し、符号Ｅ３は端部以外の中心トレンチ６０の内壁を覆う絶縁膜６１にかかる最大電界を示し、符号Ｅ４は端部の中心トレンチ６０ａの内壁を覆う絶縁膜６１にかかる最大電界を示している。
【００４７】
図９に示すように、端部に位置する中心トレンチ６０ａの近傍の半導体基板２０及び絶縁膜６１にかかる電界に関しては、外周トレンチ１０の深さが深いほど電界強度が緩和された。これに対し、端部以外の中心トレンチ６０の近傍の半導体基板２０及び絶縁膜６１にかかる電界に関しては、外周トレンチ１０の深さに関わらず一定であった。
【符号の説明】
【００４８】
１０    外周トレンチ
１１    絶縁体
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    中心トレンチ
６０ａ    端部に位置する中心トレンチ
６１    絶縁膜
１００，２００，３００    ショットキーバリアダイオード
Ｍ１，Ｍ２    メサ領域
【図１】
2019050290.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019050290.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019050290.tif 000011