(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとする、ショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子であって、
ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の接合面の一部に、窒素ドープの濃度が１ｅ１５〜１ｅ１８／ｃｍ３で、窒素ドープｎ型ダイヤモンド層であるｐｎ接合層を設け、
上記ダイヤモンドｐ−ドリフト層、上記ダイヤモンドｐ＋オーミック層、上記ｐｎ接合層のダイヤモンド結晶構造が、結晶構造（００１）、（１１１）、（１１０）のいずれかのうちの１つのタイプであることを特徴とする高出力ダイヤモンド半導体素子。
【請求項２】
ｐｎ接合層が、窒素ドープｎ型ダイヤモンド層であり、かつ、選択成長させたダイヤモンド層である請求項１に記載した高出力ダイヤモンド半導体素子。
【請求項３】
ショットキー電極に接合するダイヤモンドが、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドである請求項１又は２に記載した高出力ダイヤモンド半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力ダイヤモンド半導体素子に関し、とくにダイヤモンドショットキーバリアダイオードなどの高出力ダイヤモンド半導体素子に好適に用いることが出来る高出力ダイヤモンド半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド半導体は、大きなバンドギャップ(5.5eV)、高いアバランシェ破壊電界(10MV/cm)、高い飽和キャリア移動度(4,000cm2/Vs)、高い熱伝導率(20W/cmK)を有し、高温度や放射線曝露環境下で実用動作可能な素子として期待されている。これまでにこれらの特徴を生かした電子素子を開発するため、ダイヤモンドダイオードの構造および作製方法が提案されている。
一般に高電圧動作ダイオードでは、電極縁辺に発生する電界集中を抑えるため、pn接合を用いたガードリング構造（非特許文献１参照）、フィールドプレート構造（非特許文献２参照）もしくはこれらを組み合わせた構造（非特許文献３参照）などが用いられる。ダイヤモンドにおいては、p型およびn型ドーピングが実現しておりpn接合が実現しているが、n型ドーピングは極めて難しく、形成したpn接合界面でのリーク電流値も大きい（非特許文献４及び非特許文献５参照）ため、高電圧で低リーク電流を実現する電極縁辺電界緩和技術は得られていない。
【０００３】
【非特許文献１】S.M.Sze “Physicsof Semiconductor Devices” 2nd ed. Wiley-Interscience, (1996).
【非特許文献２】N.Mohan,T.M.Undeland, W.P.Robbins, “Power Electronics” 3rded. John Wiley & Sons inc. (2003).
【非特許文献３】K. Kinoshita etal. “GuardRing Assisted RESURF”, Proc. 14th ISPSD (2002) p.253.
【非特許文献４】S.Koizumi et al. “Formationof diamond p-n junction and its optical emission characteristics”,Diam. Relat. Mater. 11 (2002) p.307.
【非特許文献５】T.Makino et al. “Electricaland optical characterization of (001)-oriented homoepitaxial diamond p-njunction”,Diam. Relat. Mater. 15 (2005) p.513.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、p型ダイヤモンド上の選択領域に半絶縁性窒素ドープダイヤモンド層を形成することにより、電極縁辺の電界集中を抑えることが可能となり、高電界でも低リーク電流で高い電圧まで動作するダイヤモンド素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の接合面の一部に、pn接合層を設けることにより、カソード電極付近の電界を緩和する構造を見出した。
すなわち、本発明は、ショットキー電極をカソードとし、オーミック電極をアノードとするショットキー電極、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、オーミック電極からなる構造の高出力ダイヤモンド半導体素子において、ショットキー電極とダイヤモンドｐ−ドリフト層の接合面の一部に、pn接合層を設けることを特徴とする高出力ダイヤモンド半導体素子である。
また、本発明においては、上記のpn接合層を、窒素ドープn型ダイヤモンド層とすることができる。
さらに、本発明においては、窒素ドープの濃度を、1e15〜1e18/cm3とすることができる。
また、さらに本発明においては、pn接合層を、窒素ドープn型ダイヤモンド層であり、かつ、選択成長させたダイヤモンド層とすることができる。
さらに、本発明においては、ショットキー電極に接合するダイヤモンドは、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドが特に好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本技術により、高出力ダイヤモンド半導体素子の高電界印加時におけるリーク電流が減少し、また動作可能電圧を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明において用いるショットキー電極は、周知の材料を用いて、周知の方法により作成することができる。
本発明で用いる高出力ダイヤモンド半導体においては、ダイヤモンドｐ−ドリフト層、ダイヤモンドｐ＋オーミック層、ダイヤモンドpn接合層は、ダイヤモンドならどのタイプのものでも良い。例えば、ダイヤモンド結晶構造に関しては、結晶構造（００１）、（１１１）、（１１０）などが挙げられ、ダイヤモンド表面では、炭素終端ダイヤモンド、水素終端ダイヤモンド、酸素終端のダイヤモンドなどが挙げられる。
しかし、少なくともショットキー電極に接合するダイヤモンドは、ダイヤモンド表面が酸素終端のダイヤモンドが特に適していることが判明している。
【０００８】
さらに、本発明におけるpn接合層は、メタンと水素と酸素原子を含んだガスとを原料ガスとするマイクロ波プラズマCVD法により形成することができる。
また、pn接合層は、pもしくはp-型ダイヤモンド上に選択合成もしくはイオン注入法により窒素ドープダイヤモンド領域を形成することができる。
【０００９】
pn接合に逆方向バイアス、すなわち、カソード側に正の電圧を印加すると、n型、p型領域それぞれに於いて、多数キャリアが少数キャリアの注入によって減少する。これによって空乏層幅が増大する。このように、空乏層を十分に増大させるためには窒素ドープがp型（ボロンドープ）に対して同程度以上なものであることが望ましい。窒素ドープのほか、リンのドーピングはｎ型ダイヤモンド半導体を作るために有効だと考えらるが、リンのドーピングを使ったPN接合では漏れ電流が大きくなるので、好ましくない。その点Nドープは、比較的簡単に得られるうえ、絶縁性も良好であるので、Nドープが好ましい。
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１０】
図1(a)の構造はp-基板をSiO2マスク等を用いることでエッチングし、エッチングを施した部位にN2ドープ半絶縁性ダイヤモンドを選択成長させることで実現する。あるいは、p-基板上にイオン打ち込み技術を使ってN2をドーピングすることで実現することができる。そのようにしてできたPN接合上にマスクを施し、ショットキー電極を設けることで耐圧構造を持つショットキーバリアダイオードとなる。
図1(b)の構造はp-基板にマスクを施し、N2ドープ半絶縁性ダイヤモンドを選択成長させることで作成される。そのようにしてできたPN接合上にマスクを施し、ショットキー電極を設けることで耐圧構造を持つショットキーバリアダイオードとなる。
【００１１】
図1(a)，(b)において、10ミクロンのドリフト層を設け、その活性ボロン濃度は5×1015とし、電極サイズはΦ30ミクロンとした。初期の破壊電圧(1)は、なだれ破壊による絶縁破壊を主なパラメータとし、並行平板モデルで考えたときに最大4.3MV/cm程度の電界を想定したところ、880Vの破壊電圧となった。窒素ドープn型ドープ層を設けたところ、その破壊電圧はおよそ倍程度にすることができることがわかった。図2(2)および(3)にその逆方向バイアス特性を示している。それぞれ、図1(a)，(b)に対応するものであるが、両者とも非終端電極に対して大幅な改善が見られる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
高出力ダイヤモンド半導体素子は、とくにダイヤモンドショットキーバリアダイオードに適しているが、その他、ダイヤモンドpnダイオード、ダイヤモンドサイリスタ、ダイヤモンドトランジスタ、ダイヤモンド電界効果トランジスタなど幅広く応用することが出来るので、産業上の利用可能性が高いものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】窒素ドープダイヤモンド領域を用いたダイオードの断面図
【図２】窒素ドープダイヤモンド領域を縁辺電界緩和層に用いた構造および用いない構造での逆方向リーク特性比較（シミュレーション結果）
【図１】
0005099486.tif 000002
【図２】
0005099486.tif 000003