(57)【要約】【課題】逆方向の特性を利用したダイオードであって、高温特性が優れ、逆方向の耐圧が高いものを提供することを目的とする。【解決手段】ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層５とｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３のｐｎ接合４、および、前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層５と接触するｐ側電極７、前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層３と接触するｎ側電極６からなるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードであって、その逆方向の特性を利用する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層とｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層からなるｐｎ接合、および、前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と接触するｐ側電極、前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と接触するｎ側電極からなるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードであって、その逆方向の特性を利用することを特徴とするＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項２】
前記ｐ側電極、ｎ側電極が金属シリサイド合金からなることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項３】
前記金属シリサイドの金属がＴａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｉｎ、ＳｎまたはＭｎのうちいずれかからなることを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項４】
前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層および前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層よりもバンドギャップの小さいＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層が、前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と前記ｐ側電極の間、及び、前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と前記ｎ側電極の間に挿入されていることを特徴とする請求項１、２または３記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項５】
前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の間にアンドープのＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層が挿入されていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項６】
前記ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層がＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓまたはＡｌＩｎＧａＮＡｓＰであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項７】
前記ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードの前記逆方向の特性を静電容量の変化として利用することを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【請求項８】
前記ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードの前記逆方向の特性として、逆方向の降伏電圧の出力を利用することを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイオードの逆方向の特性を利用するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードに関するものである。より詳しくは、逆方向の耐圧が高く高温特性の優れたＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードに関するものである。さらに一層詳しくは、本発明は、これらの特徴を持つのに加え容量の変化の大きなＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体可変容量ダイオード及び出力電圧の高いＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体定電圧ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオードは、例えば図５に示すようにｎ型半導体層３とｐ型半導体層５からなるｐｎ接合４を有し、ｎ型半導体層３上にｎ側電極６、ｐ型半導体層５上にｐ側電極７を形成したものである。図６はダイオードの電圧−電流特性を示したものである。なお、電圧の軸は横軸としてある。
図６からわかるように、順方向に電圧を加えるとｎ型半導体層３中の電子とｐ型半導体層５中の正孔がｐｎ接合４付近でさかんに再結合するため大きな電流が流れるが、逆方向に電圧を加えるとｐｎ接合４から空乏層が広がっていくため、電流はほとんど流れない。空乏層は逆方向の電圧を上がるにつれて広くなるため、逆方向の電圧を加えていっても電流が流れることはないが、逆方向の電圧が降伏電圧Ｖｂにいたると、ツェナー現象、電子なだれ現象により電流が急激に流れる（逆電流）ようになる。
【０００３】
ダイオードの逆方向の特性を利用するデバイスとして、可変容量ダイオード、定電圧ダイオードが一般に知られている。可変容量ダイオードは空乏層の厚さの変化を静電容量の変化として利用するダイオードである。また、定電圧ダイオードはＶｂが逆電流にほとんど依存しない性質を利用したダイオードである。
【０００４】
可変容量ダイオードは、図７の回路図で表現され、パラメトリック増幅、周波数逓倍、周波数変換、周波数変調、自動周波数制御、共振回路の電子同調等の電子回路に広く使用される。また、定電圧ダイオードは、図８の回路図で表現され、定電圧回路など、基準電圧を必要とする回路に広く用いられる。
【０００５】
従来、可変容量ダイオード、定電圧ダイオードの材料として、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅをベースとしたものが用いられていた。Ｓｉ基板を用いた場合は拡散法を用いてｐ型半導体層、ｎ型半導体層を形成してｐｎ接合を構成し、ダイオードを形成する。
【０００６】
【非特許文献１】
石田哲郎著、『半導体素子』、コロナ社、昭和５３年、ｐ１４６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅをベースとした半導体はバンドギャップが０．５〜１．５ｅＶと比較的小さいため、ダイオードの逆方向の特性をデバイスとして利用する場合は次のような問題が生ずる。
【０００８】
ダイオードの電圧−電流特性を示す図６において、降伏電圧Ｖｂの値はバンドギャップが小さいほど小さい。そのため、Ｓｉ等を用いて可変容量ダイオードを作製した場合、Ｖｂが小さいため、空乏層の厚さの変化を大きくすることができず、容量変化の大きいものを作製できないという問題が生ずる。
【０００９】
また、定電圧ダイオードを作製した場合であっても、Ｖｂを大きくすることができないため、高電圧の定電圧特性を示すものを作製できないという問題が生ずる。かかる問題は、ｐｎ接合の面積を大きくすることによりある程度解消することが可能であるが、素子の大面積化を招くという別の問題が生ずる。また、この方法を用いてもＶｂは１００Ｖ程度が限界である。
【００１０】
さらに、バンドギャップが小さく真性密度が大きいため、１５０℃以上の高温下では真性領域となり、図６のような正常な電圧−電流特性を得ることができないため、逆方向デバイスとしても利用できないという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたものであって、逆方向の特性を利用したダイオードであって、高温特性が優れ、逆方向の耐圧が高いものを提供することを目的とする。また、容量変化の大きい可変容量ダイオード、高電圧の得られる定電圧ダイオードを提供することも目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第一は請求項１記載のように、ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層とｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層からなるｐｎ接合、および、前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と接触するｐ側電極、前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と接触するｎ側電極からなるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードであって、その逆方向の特性を利用することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第一では、バンドギャップの比較的大きいＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いてダイオードを形成しているため、Ｖｂを大きくすることができ、逆方向の耐圧が向上する。そのため、逆方向の特性を利用する際に高い耐圧特性を利用することができる。また、高温下における特性も向上する。
【００１４】
ここで、逆方向の特性を利用するとは、本発明に係る半導体ダイオードを図５において、矢印とは逆方向に電圧を加えて利用するという意味である。
【００１５】
本発明の第二は請求項２記載のように、前記ｐ側電極、ｎ側電極が金属シリサイド合金からなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第二では、電極として金属シリサイド合金を用いているため、コンタクト抵抗を小さくすることが可能である。
【００１７】
本発明の第三は請求項４記載のように、前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と前記ｐ側電極の間、および前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と前記ｎ側電極の間に前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層および前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層のバンドギャップよりもバンドギャップの小さいＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層が挿入されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第三では、前期電極とｐｎ接合を構成する半導体層の間にバンドギャップの小さな半導体層が挟まれている。そのため、ｐ側電極、ｎ側電極のコンタクト抵抗を小さくすることが可能である。
【００１９】
本発明の第四は請求項５記載のように、前記ｐ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層および前記ｎ型ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の間にアンドープのＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層が挿入されていることを特徴とするＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードである。
【００２０】
本発明の第四では、アンドープのＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層がｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に挟まれているため、逆方向の耐圧が一層向上する。
【００２１】
本発明の第五は請求項７記載のように、前記ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードの前記逆方向の特性を静電容量の変化として利用することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第五は言い換えると、可変容量ダイオードとして利用することである。本発明の第五では、逆方向の耐圧が大きいＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードを可変容量ダイオードとして利用するため、静電容量の変化を大きくすることが可能である。
【００２３】
本発明の第六は請求項８記載のように、前記ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードの前記逆方向の特性として、逆方向の降伏電圧の出力を利用することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第六は言い換えると、定電圧ダイオードとして利用することである。本発明の第六では、逆方向の降伏電圧が高いＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードを定電圧ダイオードとして利用するため、出力電圧を高くすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明にかかるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードの好適な実施の形態について説明する。図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似な符号、名称を付している。また、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
まず、実施の形態にかかるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードを説明する。
図２のようにサファイア基板１の上に、ＧａＮから成るバッファ層２、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層３、ｐｎ接合４、ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるｐ型半導体層５が形成されている。この構造によりダイオードが構成される。そしてｎ型半導体層３に接触するｎ側電極６及び、ｐ型半導体層５に接触するｐ側電極７が形成されている。
【００２７】
上述したＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体ダイオードの製造方法は以下の通りである。
まず、ガスソース分子線エピタキシャル成長法（ＧＳＭＢＥ法）で図１に示した層構造を製造した。
すなわち、サファイア基板１の上に、Ｎ源としてジメチルヒドラジン（５×１０−５Ｔｏｒｒ）、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）を用い、成長温度６４０℃で厚み５０ｎｍのＧａＮバッファ層２を成膜した。更にその上に、Ｎ源としてアンモニア（５×１０−６Ｔｏｒｒ）、Ｇａ源として金属Ｇａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）、そしてＡｌ（１×１０−７Ｔｏｒｒ）およびｎ型ドーパントである金属Ｓｉ（５×１０−９Ｔｏｒｒ）を用い、成長温度８５０℃で厚み２μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｎ型半導体層３（ドーピング濃度５×１０１８ｃｍ−３）を成膜する。
【００２８】
ついで、上記したＮ源とＧａ源に、Ａｌ（１×１０−７Ｔｏｒｒ）とｐ型ドーパント
である金属Ｍｇ（５×１０−９Ｔｏｒｒ）を加え、成長温度８５０℃でＧＳＭＢＥの成長を行い、厚み２μｍのｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなるｐ型半導体層５（ドーピング濃度５×１０１８ｃｍ−３）を成膜する。これによりｐｎ接合４が形成され、図１の層構造が完成する。
【００２９】
図１の層構造はｎ側電極６、ｐ側電極７を形成するプロセスを経て、ダイオードが完成する。すなわち、図２に示されているように、ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（ｐ型半導体層５）の表面にプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ２膜を成膜したのち、フォトレジストでパターニングし、このＳｉＯ２膜をマスクとして湿式エッチングを行って層構造の一部をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ｎ型半導体層３）の途中までエッチング除去して、ｎ型半導体層３の一部表面を表出させた。
【００３０】
次にＳｉＯ２膜を除去したのち、全面に再度ＳｉＯ２膜を成膜し、そこに電極開口部を形成し、ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ｐ型半導体層５）の上にＴｉ／Ｐｔを蒸着してｐ側電極７を形成し、更にｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｎ型半導体層３の上にＡｌ／Ｔｉ／Ａｕを順次蒸着してｎ側電極６を形成して、図２で示したダイオードが完成する。
【００３１】
図２のダイオードを可変容量ダイオードとして用いた場合は、以下のような特性が得られた。このときｘ＝０．５、ｙ＝０．５である。
すなわち、ｐｎ接合４の面積が  ２００×２００μｍ２の場合、逆方向の電圧は４００Ｖまで加えることができ、静電容量の変化が０．１ｐＦ〜１０００ｐＦの範囲のものを得ることができた。これは、同一のｐｎ接合の面積を有するＳｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅのものと比較して３〜６倍の変化の幅である。
【００３２】
また、図２のダイオードを定電圧ダイオードとして用いた場合は以下のような特性が得られた。このときｘ＝０．５、ｙ＝０．５である。
すなわち、ｐｎ接合４の面積が  ５００×５００μｍ２の場合、逆方向の電圧は４００Ｖ以上加えることができ、４００Ｖの定電圧特性が得られた。これは、同一のｐｎ接合の面積を有するＳｉ系の定電圧ダイオードの定電圧特性が１０Ｖ程度であることを考慮すると、一桁倍以上の値である。
【００３３】
さらに、Ｓｉ系のダイオードが正常に動作可能な周囲温度の上限が１５０℃であるのに対し、上述した可変容量ダイオード、定電圧ダイオードは６００℃の高温下においても正常に動作することが判明した。
【００３４】
上述した可変容量ダイオード、定電圧ダイオードのｘ、ｙの値は０．５であったが、これに限定されるものではない。また、ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（ｐ型半導体層５）、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ｎ型半導体層３）のドーピング濃度は５×１０１８ｃｍ−３であったが、これに限定されるものではなく、必要な素子抵抗に応じて、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３に変化させることができる。
【００３５】
特に、本発明に係るダイオードを可変容量ダイオードとして利用する場合は、素子抵抗が小さくなるほど遮断周波数を大きくすることができるため、ドーピング濃度を上げることにより素子抵抗を下げることが効果的である。さらに、Ｓｉ系の可変容量ダイオードでは、遮断周波数を大きくするために、高濃度ドーピングを行うと容量変化が小さくなるが、本発明に係る可変容量ダイオードでは、高濃度ドーピングにおいても、降伏電圧Ｖｂが下がらないため、容量変化に影響を与えることはない。
【００３６】
本実施形態ではｐ側電極７にＴｉ／Ｐｔ、ｎ側電極６にＡｌ／Ｔｉ／Ａｕを用いていたが、これらに代えて金属シリサイド合金を用いると、電極抵抗を大幅に下げることができる。金属シリサイド合金の金属材料として、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｍｎがあげられる。
【００３７】
本実施形態では、ｐ側電極７、ｎ側電極６をｐ型半導体層５、ｎ型半導体層３の表面に直接形成していたが、図３のようにｐ側電極７とｐ型半導体層５の間、ｎ側電極６とｎ型半導体層３の間にｐ＋型コンタクト層８、ｎ＋型コンタクト層９を形成してもよい。
【００３８】
特に、コンタクト層８、９のバンドギャップをｐ型半導体層５、ｎ型半導体層３のバンドギャップよりも小さくすることで電極／コンタクト層のコンタクト抵抗を低減させることができる。特に、前述の金属シリサイド合金の電極と組み合わせることでその効果を一層あげることができる。図３では、コンタクト層８、９としてＩｎＧａＮを用いている。ここで、コンタクト層の厚さは５０〜５００ｎｍ、ドーピング濃度は１×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３が適当である。
【００３９】
本実施形態ではｐｎ接合４はｎ型半導体層３とｐ型半導体層５のみにより形成されていたが、図３のように、ｎ型半導体層３とｐ型半導体層５の間にＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなるアンドープ層１０を挿入することも可能である。
【００４０】
ｎ型半導体層３とｐ型半導体層５を直接接合した場合は、２つの層の不純物が相互に拡散するため、耐圧が若干低下する場合もあるが、アンドープ層１０を挿入することにより、相互拡散がなくなる。そのため、逆方向の降伏電圧Ｖｂを上げることが可能である。特に、可変容量ダイオードとして用いる場合は、アンドープ層１０を挿入することで実質的に空乏層を厚くすることができるため、容量の変化を大きくすることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、基板１上にダイオードが形成されていたが、図４のように、基板１を除去してもよい。基板１の除去は、表面電極を形成後、基板の裏面からレーザを照射することにより行う。基板１を除去することにより放熱性が改善するため、大電流を流す定電圧ダイオードとして用いる場合には性能が向上する。
【００４２】
本実施形態では、基板１としてサファイア基板を用いていたが、サファイア基板に代えてＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰを用いることも可能である。これらの基板はサファイア基板よりも価格が安いため、コスト上有利である。
【００４３】
本実施形態では、ｐ型半導体層５、ｎ型半導体層３の半導体材料としてＡｌＧａＮを用いていたが、これらに限定されることはなく、すべてのＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いることができる。このことは、コンタクト層８、９についても、ｐ型半導体層５、ｎ型半導体層３よりもバンドギャップが小さいという条件を満たす限り、同様である。ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体として例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＡｌＩｎＧａＮＡｓＰなどを挙げることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば高温特性が優れ、逆方向の耐圧が高い逆方向特性を利用するダイオードを作製することができるという効果がある。さらに、本発明を可変容量ダイオードに適用した場合は容量変化を大きくすることができ、また、定電圧ダイオードに適用した場合は高電圧出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の作製に用いられた半導体積層構造を示したものである。
【図２】本発明の実施の形態の半導体積層構造を示したものである。
【図３】本発明の他の実施の形態の半導体積層構造を示したものである。
【図４】本発明のさらなる他の実施の形態の半導体積層構造を示したものである。
【図５】ダイオードの層構造の模式図である。
【図６】ダイオードの電圧−電流特性を示したものである。
【図７】可変容量ダイオードの回路図である。
【図８】定電圧ダイオードの回路図である
【符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
３  ｎ型半導体層
４  ｐｎ接合
５  ｐ型半導体層
６  ｎ側電極
７  ｐ側電極
８  ｎ＋型コンタクト層
９  ｐ＋型コンタクト層
１０  アンドープ層
【図１】
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【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】
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【図８】
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