JP2020096197A - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】逆方向耐圧を大きくしても順方向電圧の増大、オーミック電極層とのコンタクト抵抗の増大を抑制することが可能なショットキーバリアダイオードを提供する。【解決手段】逆方向耐圧及び順方向電圧を定める、第１のキャリア濃度を有した、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶エピタキシャル層よりなる第１のｎ型半導体層と、順方向電圧を定める、前記第１のキャリア濃度よりも高い第２のキャリア濃度を有した、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶よりなる第２のｎ型半導体層と、前記第１のｎ型半導体層の、前記第２のｎ型半導体層と反対側の表面に設けられたショットキー電極と、前記第２のｎ型半導体層の、前記第１のｎ型半導体層と反対側の表面に設けられたオーミック電極と、を含み、前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板は、基板面方位を（０１０）面から３７．５°以下の角度だけ回転させた面である、ショットキーバリアダイオード。【選択図】図１

Description

本発明は、金属と半導体とをショットキー接触させてなるショットキーバリアダイオードに関する。

従来、例えばインバータ回路等に用いられる高耐圧ダイオードとして、ＳｉＣを用い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、特許文献１参照）。ショットキーバリアダイオードは、同程度の電流容量のＰＮ接合ダイオードに比べると、一般的に順方向電圧（ＶＦ）が小さく、逆回復時間（ｔｒｒ）も短くスイッチング特性に優れている。しかし、高耐圧化と高効率化の要求は強く、さらなる高耐圧化と順方向電圧の低減が求められている。

特開２００６−２５３５２１号公報

一般に、ショットキーバリアダイオードにおいては、順方向電圧（ＶＦ）と、逆バイアス電圧を印加したときの逆方向耐圧（ＶＲＭ）とはトレードオフの関係がある。これは、逆方向耐圧（ＶＲＭ）を高くするためにはキャリア濃度を低くする必要があり、キャリア濃度が低くなると電気抵抗が増大して順方向電圧（ＶＦ）が大きくなるためである。また、キャリア濃度を低くするとオーミック電極層とのコンタクト抵抗が増大して順方向電圧（ＶＦ）が大きくなる課題がある。

そこで、本発明の目的は、逆方向耐圧を大きくしても順方向電圧の増大、オーミック電極層とのコンタクト抵抗の増大を抑制することが可能なショットキーバリアダイオードを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、以下の［１］〜［６］のショットキーバリアダイオードを提供する。

［１］逆方向耐圧及び順方向電圧を定める、第１のキャリア濃度を有した、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶エピタキシャル層よりなる第１のｎ型半導体層と、順方向電圧を定める、前記第１のキャリア濃度よりも高い第２のキャリア濃度を有した、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板よりなる第２のｎ型半導体層と、前記第１のｎ型半導体層の、前記第２のｎ型半導体層と反対側の表面に設けられたショットキー電極と、前記第２のｎ型半導体層の、前記第１のｎ型半導体層と反対側の表面に設けられたオーミック電極と、を含み、前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、基板面方位を（０１０）面から３７．５°以下の角度だけ回転させた面である、ショットキーバリアダイオード。

［２］前記第１のｎ型半導体層は、前記第１のキャリア濃度によって定まる空乏層の厚さより大きい厚さを有する前記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。

［３］前記第１のｎ型半導体層の前記第１のキャリア濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下である前記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。

［４］前記第１のｎ型半導体層の前記第１のキャリア濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以下である前記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。

［５］前記第１のｎ型半導体層の前記第１のキャリア濃度は、１×１０^１６／ｃｍ^３以下である前記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。

［６］前記第２のｎ型半導体層の前記第２のキャリア濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上である前記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。

本発明によれば、ショットキーバリアダイオードの逆方向耐圧を大きくしても順方向電圧の増大及びオーミック電極層とのコンタクト抵抗の増大を抑制することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの構成例を示す断面図である。 図２（ａ）から（ｄ）は、半導体材料としてＳｉ及びＳｉＣを用いた場合とＧａ_２Ｏ_３を用いた場合について、ｎ⁻半導体層及びｎ^＋半導体の電子キャリア濃度、抵抗率、厚み、及び電流密度等を示す比較表である。 図３は、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードにけるエネルギーバンドを例示する模式図である。 図４は、比較例に係るショットキーダイオードの構成例を示す断面図である。 図５は、実施例に係るショットキーダイオード、及び比較例に係るショットキーダイオードの電圧−電流密度特性を示すグラフである。 図６は、本発明の実施の形態の第１の変形例に係るショットキーダイオードを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図７は、本発明の実施の形態の第２の変形例に係るショットキーダイオードを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図８は、本発明の実施の形態の第３の変形例に係るショットキーダイオードを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明に係るショットキーバリアダイオード（以下、「ショットキーダイオード」という。）の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態によるショットキーダイオード１の断面構成を模式的に示す図である。ショットキーダイオード１は、ｎ型の導電性を有するＧａ_２Ｏ_３系化合物半導体からなるｎ型半導体層３と、ｎ型半導体層３の第１の主表面３ａにショットキー接触するショットキー電極層２と、ｎ型半導体層３の第１の主表面３ａとは反対側の第２の主表面３ｂにオーミック接触するオーミック電極層４とを備えている。なお、ｎ型半導体層３の第１の主表面３ａ側には、ショットキー電極層２を最下層に含む積層膜を設けてもよい。また、ｎ型半導体層３の第２の主表面３ｂ側には、オーミック電極層４を最下層に含む積層膜を設けてもよい。

ｎ型半導体層３は、β−Ｇａ_２Ｏ_３を基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分とした酸化物で構成してもよい。より具体的には、例えば（Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされるガリウム酸化物を用いることができる。

また、ｎ型半導体層３は、第１の半導体層としての低電子キャリア濃度のｎ⁻半導体層３１と、このｎ⁻半導体層３１よりも高い電子キャリア濃度を有する第２の半導体層としての高電子キャリア濃度のｎ^＋半導体層３２とを備えている。低電子キャリア濃度のｎ⁻半導体層３１は、ｎ型半導体層３のうちショットキー電極層２に対しショットキー接触する側に形成されている。

このｎ型半導体層３は、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により、真空槽内にＧａ蒸気と酸素系ガスを供給して、β−Ｇａ_２Ｏ_３基板上にβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶をエピタキシャル結晶成長させて形成することができる。また、低電子キャリア濃度の制御性を高める為にはＧａ原料の純度は６Ｎ以上が望ましい。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板がｎ^＋半導体層３２に該当し、その上に形成されたエピタキシャル層がｎ⁻半導体層３１に該当する。

β−Ｇａ_２Ｏ_３基板は、例えばＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法により作製することができる。この場合、β−Ｇａ_２Ｏ_３基板の電子キャリア濃度（ｎ^＋半導体層３２の電子キャリア濃度）は、基板作製時に生じる酸素欠陥やＳｉ等のドーパントの量によって定まる。また、ドーパントは結晶成長中のドーパントの取り込み量が安定しているＳｉが好ましい。Ｓｉをドーパントにすることで電子キャリア濃度の制御性が高まる。また、ｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度は、例えばエピタキシャル結晶成長中におけるＳｉやＳｎ等のＩＶ族のドーパントの供給量又は酸素欠陥を制御することで調節することができる。さらに、Ｇａとの置換を考えた場合イオン半径の近いＳｎの方が好ましい。

本実施の形態のショットキーダイオード１にあっては、ｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度Ｎｄが例えば１０^１６ｃｍ^−３であるが、この電子キャリア濃度Ｎｄは１０^１８ｃｍ^−３よりも低い範囲で設定することができる。また、電子キャリア濃度Ｎｄは、１０^１７ｃｍ^−３よりも低い値に設定すると好適である。またさらに、ｎ⁻半導体層３１は、電子キャリア濃度が比較的低いｎ⁻層、及びこのｎ⁻層とｎ^＋半導体層３２との間の電子キャリア濃度を有するｎ層によって構成してもよい。このｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度Ｎｄは、ショットキーダイオード１に求められる逆方向耐圧ＶＲＭと、Ｇａ_２Ｏ_３の電界破壊強度Ｅｍとに基づいて設定することができる。

ここで、電界破壊強度Ｅｍは、Ｇａ_２Ｏ_３に固有の値であり、従来のｎ型半導体材料として用いられるＳｉやＳｉＣの電界破壊強度と比べると、Ｇａ_２Ｏ_３の電界破壊強度Ｅｍの方が大きいことが本発明者らによって確認されている。

一般に、ショットキーダイオードの逆方向耐圧は、電界破壊強度の二乗に比例し、電子キャリア濃度に反比例する。従って、電界破壊強度が大きくなれば電子キャリア濃度が同じであっても逆方向耐圧が大きくなる。また、同じ逆方向耐圧であれば、電界破壊強度が大きくなることにより、電子キャリア濃度を高くすることができる。電子キャリア濃度が高くなれば、電気抵抗が小さくなり、順方向電圧（ＶＦ）が小さくなる。

図２は、半導体材料としてＳｉ又はＳｉＣを用いた場合とＧａ_２Ｏ_３を用いた場合について、ｎ⁻半導体層（エピタキシャル層）及びｎ^＋半導体層（基板）の電子キャリア濃度、抵抗率、厚み、及び電流密度を２００Ａ／ｃｍ^２とした場合における電圧降下の関係の一例を示す表であり、（ａ）はＳｉ及びＧａ_２Ｏ_３を用いて逆方向耐圧を１００Ｖとした場合の比較表、（ｂ）はＳｉＣ及びＧａ_２Ｏ_３を用いて逆方向耐圧を６００Ｖとした場合の比較表、（ｃ）はＳｉＣ及びＧａ_２Ｏ_３を用いて逆方向耐圧を１０００Ｖ（１ｋＶ）とした場合の比較表、（ｂ）はＳｉＣ及びＧａ_２Ｏ_３を用いて逆方向耐圧を１００００Ｖ（１０ｋＶ）とした場合の比較表である。

図２（ａ）に示すように、逆方向耐圧を１００Ｖに設定した場合、ｎ⁻半導体層の電子キャリア濃度及び厚みが、Ｓｉでは２．４７×１０^１５ｃｍ^−３，７．５μｍになるのに対し、本実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３では８．２９×１０^１７ｃｍ^−３，０．４０２μｍとなる。これにより、ｎ⁻半導体層における電圧降下が、Ｓｉの場合には０．１９５５Ｖとなるのに対し、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には０．０００５Ｖとなる。この結果、ｎ⁻半導体層及びｎ^＋半導体層を含めたトータルの電圧降下が、Ｓｉの場合には０．２２２６Ｖ、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には０．０８１１Ｖとなり、電圧降下を約６４％低減することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、逆方向耐圧を６００Ｖに設定した場合、ｎ⁻半導体層の電子キャリア濃度及び厚みが、ＳｉＣでは２．１６×１０^１６ｃｍ^−３，５．４６μｍになるのに対し、本実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３では１．６６×１０^１７ｃｍ^−３，２．０μｍとなる。これにより、ｎ⁻半導体層における電圧降下がＳｉＣの場合には０．０３４５Ｖとなるのに対し、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には０．０１０７Ｖとなる。この結果、ｎ⁻半導体層及びｎ^＋半導体層を含めたトータルの電圧降下が、ＳｉＣの場合には０．０５４６Ｖ、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には０．０３７６Ｖとなり、電圧降下を約３１％低減することができる。

また、図２（ｃ）に示すように、逆方向耐圧を１０００Ｖに設定した場合、ｎ⁻半導体層の電子キャリア濃度及び厚みが、ＳｉＣでは１．３０×１０^１６ｃｍ^−３，９．１μｍになるのに対し、本実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３では９．９５×１０^１６ｃｍ^−３，３．３μｍとなる。これにより、ｎ⁻半導体層における電圧降下が、ＳｉＣの場合には０．０９１４Ｖとなるのに対し、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には０．０２９６Ｖとなる。この結果、ｎ⁻半導体層及びｎ^＋半導体層を含めたトータルの電圧降下が、ＳｉＣの場合には０．１１１５Ｖ、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には０．０５６５Ｖとなり、電圧降下を約４９％低減することができる。

また、図２（ｄ）に示すように、逆方向耐圧を１００００Ｖに設定した場合、ｎ⁻半導体層の電子キャリア濃度及び厚みが、ＳｉＣでは１．３０×１０^１５ｃｍ^−３，９０．９μｍになるのに対し、本実施の形態に係るＧａ_２Ｏ_３では、９．９５×１０^１５ｃｍ^−３，３３．３μｍとなる。これにより、ｎ⁻半導体層における電圧降下が、ＳｉＣの場合には８．１１８Ｖとなるのに対し、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には２．９４４９Ｖとなる。この結果、ｎ⁻半導体層及びｎ^＋半導体層を含めたトータルの電圧降下が、ＳｉＣの場合には８．１３１９Ｖ、Ｇａ_２Ｏ_３の場合には２．９７１８Ｖとなり、電圧降下を約６３％低減することができる。

図１に示すショットキー電極層２は、例えばＥＢ（Electron Beam）蒸着法、真空蒸着法、またはスパッタリング法により、ｎ型半導体層３（ｎ⁻半導体層３１）の第１の主表面３ａに成膜される。ショットキー電極層２の材料は、ｎ⁻半導体層３１を構成するＧａ_２Ｏ_３に対しショットキー接触可能な金属が選択される。本実施の形態では、Ｐｔがショットキー電極層２としてｎ型半導体層３に成膜されている。

一般に半導体と金属との間で整流作用が生じるショットキー接触を可能とするためには、半導体の電子親和力χと電極となる金属の仕事関数φ_ｍとの関係がχ＜φ_ｍでなければならない。この関係を満たす金属としては、本実施の形態に係るＰｔ以外にＶ，Ｍｏ，Ｎｉ,Ｐｄ等がある。

オーミック電極層４は、ｎ型半導体層３（ｎ^＋半導体層３２）の第２の主表面３ｂに真空蒸着法またはスパッタリング法により成膜される。オーミック電極層４の材料としては、例えばＴｉが選択される。なお、Ｇａ_２Ｏ_３の電子親和力χよりも仕事関数φ_ｍが小さい金属であれば、オーミック電極層４の材料として他の元素を用いてもよい。

図３は、ショットキー接触部分のエネルギーバンドを示す模式図である。ここで、ｑは単電子の電荷、φＢｎはショットキー障壁、φ_ｄは電位障壁（内部電位）である。

この図３に示すように、ｎ⁻半導体層３１の厚みｔは、逆方向耐圧ＶＲＭの逆方向電圧を印加した場合の空乏層幅Ｗに対応し、空乏層幅Ｗよりも大きく作成されている。ただし、理想的には空乏層幅Ｗとｎ⁻半導体層３１の厚みｔとが一致することが最も望ましい。ｎ⁻半導体層３１の厚みｔが空乏層幅Ｗよりも大きいと、その分、ｎ⁻半導体層３１における電気抵抗が大きくなるからである。

ここで、ショットキーダイオード１の空乏層幅Ｗは、下記の式（１）で表せるように、ｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度Ｎｄに依存する。ここで、εはＧａ_２Ｏ_３の誘電率である。つまり、上述の逆方向耐圧ＶＲＭ及び電子キャリア濃度Ｎｄが定まれば、空乏層幅Ｗを求めることができる。そして、この空乏層幅Ｗを目標にして低電子キャリア濃度のＧａ_２Ｏ_３のエピタキシャル成長の厚さが空乏層幅Ｗ以上となるように（ｔ≧Ｗ）、ｎ⁻半導体層３１を形成する。

ｎ^＋半導体層３２の電子キャリア濃度は、ショットキーダイオード１に求められる電気抵抗（順方向オン抵抗）または順方向電圧に応じて必要な濃度に設定される（例えば１０^１８ｃｍ^−３よりも高い値）。また、ｎ^＋半導体層３２の電子キャリア濃度はｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度よりも１０倍以上高いことが望ましい。ｎ^＋半導体層３２の電子キャリア濃度が高い方が、ｎ型半導体層３全体の電気抵抗が小さくなるからである。

（ショットキーダイオード１の動作）
ショットキーダイオード１に対して順方向（ショットキー電極層２側が正電位）に電圧Ｖを加えると、図３に示すφ_ｄが（φ_ｄ−Ｖ）となり、ｎ型半導体層３からショットキー電極層２へ移動する電子による電流が増大する。これにより、順方向電流がショットキー電極層２からオーミック電極層４へ流れる。

一方、ショットキーダイオード１に対して逆方向（ショットキー電極層２側が負電位）の電圧Ｖを加えると、φ_ｄが（φ_ｄ＋Ｖ）となり、ｎ型半導体層３からショットキー電極層２へ移動する電子による電流はほぼゼロとなる。また、電圧Ｖに応じて空乏層がｎ^＋半導体層３２に向かって広がる。ただし、ｎ⁻半導体層３１の厚みｔは、上記の式（１）に基づいて求められる空乏層幅Ｗよりも大きくなるように形成されているので、逆方向耐圧ＶＲＭの逆方向電圧を印加しても、空乏層がｎ^＋半導体層３２に達することはない。

（実施の形態の作用効果）
本実施の形態によれば、下記の作用効果がある。

本実施の形態のショットキーダイオード１では、Ｇａ_２Ｏ_３系化合物をｎ型半導体層３の材料として用いた。このＧａ_２Ｏ_３系化合物は電界破壊強度が従来のショットキーダイオードの材料として用いられていたＳｉやＳｉＣに比べて高いので、これら従来の材料を用いた場合よりも逆方向耐圧を高めることができる。

また、ｎ型半導体層３を低電子キャリア濃度のｎ⁻半導体層３１と高電子キャリア濃度のｎ^＋半導体層３２とによって構成した。前述のように、Ｇａ_２Ｏ_３系化合物は電界破壊強度が高いために逆方向耐圧を高めることができるが、ｎ型半導体層３の全体を高電子キャリア濃度とした場合には、逆方向耐圧が電子キャリア濃度に反比例するという関係から、逆方向耐圧を高める効果に限界が生じる。しかし、本実施の形態では、ショットキー電極層２の側にｎ⁻半導体層３１を形成したので、逆方向耐圧をより高めることができる。

また、このｎ⁻半導体層３１の厚みは、逆方向耐圧ＶＲＭの逆方向電圧を印加した場合の空乏層幅Ｗよりも厚く形成されているので、逆方向耐圧ＶＲＭの逆方向電圧を印加しても空乏層がｎ^＋半導体層３２に達することがない。

また、ｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度を１０^１７ｃｍ^−３よりも低い範囲に設定すると、１０００Ｖ以上の逆方向耐圧ＶＲＭを確保することができる。またさらに、ｎ⁻半導体層３１の電子キャリア濃度を１０^１６ｃｍ^−３よりも低い範囲に設定すると、１００００Ｖ以上の逆方向耐圧ＶＲＭを確保することができる。そして、ｎ^＋半導体層３２の電子キャリア濃度を１０^１８ｃｍ^−３以上に設定することで、ｎ型半導体層３全体の電気抵抗を抑制することができ、さらにオーミック電極層４とのコンタクト抵抗の増大を抑制することができる。これにより、ショットキーダイオード１の順方向電圧を小さくできる。

次に、本発明のより具体的な実施例について説明する。

本実施例では、ＦＺ（Floating Zone）法により作製した厚さ６００μｍのβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板をｎ^＋半導体層３２として用いた。このβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板には、ドーパントとしてＳｉをドープし、電子キャリア濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３とした。また、基板の面方位は（０１０）とした。基板の面方位について特に限定されないが、（１００）面から５０°以上９０°以下の角度だけ回転させた面であることが好ましい。例えば、（０１０）面、（００１）面、（−２０１）面、（１０１）面、及び（３１０）面が存在する。こうすることで、エピタキシャル成長させるときに基板からの再蒸発を抑えることができ成長速度を高めることが出来る。また、基板面方位を（０１０）面から３７．５°以下の角度だけ回転させた面であってもよい。この場合ｎ^＋半導体層３２とｎ⁻半導体層３１との界面を急峻にすることが出来ると共に、ｎ⁻半導体層３１の厚みを高精度に制御することが出来る。

ｎ⁻半導体層３１は、上記のβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板（ｎ^＋半導体層３２）上にＭＢＥ法によって厚さ１．４μｍのβ−Ｇａ_２Ｏ_３単結晶をエピタキシャル成長させて形成した。ドーパントしてはＳｎを用い、電子キャリア濃度を４×１０^１６ｃｍ^−３とした。

ショットキー電極層２は、ｎ⁻半導体層３１にショットキー接触する厚さ３０ｎｍのＰｔと、このＰｔの上に形成された厚さ１７０ｎｍのＡｕとの２層構造とした。

オーミック電極層４は、ｎ^＋半導体層３２にオーミック接触する厚さ１００ｎｍのＴｉと、このＴｉの上に形成された厚さ１００ｎｍのＡｕとの２層構造とした。

（比較例）
図４は、比較例として示すショットキーダイオード１０の断面構成を模式的に示す図である。このショットキーダイオード１０は、ＥＦＧ法により作製した厚さ４００μｍのβ−Ｇａ_２Ｏ_３基板をｎ⁻半導体層３３として用いた単層構造であり、このｎ⁻半導体層３３の一方の主面３３ａにショットキー電極層２を形成し、他方の主面３３ｂにオーミック電極層４を形成した。ショットキー電極層２及びオーミック電極層４の構成は、上記の実施例と共通の構成とした。また、ｎ⁻半導体層３３は、厚さを４００μｍとし、ノンドープかつ窒素雰囲気熱処理を行わないことで、電子キャリア濃度を８×１０^１６ｃｍ^−３とした。

図５は、上記のように構成された本発明の実施例に係るショットキーダイオード１、及び比較例に係るショットキーダイオード１０の電圧−電流密度特性を示すグラフである。この図に示すように、ショットキーダイオード１では、正方向電圧を印加した際に電流密度が急峻に立ち上がるのに対し、ショットキーダイオード１０では、ショットキーダイオード１に比較して、電流密度の立ち上がりが緩やかになっている。

このことは、ショットキーダイオード１において半導体層３をｎ⁻半導体層３１及びｎ^＋半導体層３２からなる複層構造とし、ｎ^＋半導体層３２の電気抵抗を下げたことにより、順方向電圧を小さくできたことを示している。また、オーミック電極４に接触するｎ^＋半導体層３２の電子キャリア濃度を高くすることにより、オーミック電極４と半導体層３との間の接触抵抗が下がることも、順方向電圧を小さくすることに寄与していると考えられる。

（ショットキーダイオードの変形例）
次に、本発明の実施の形態に係るショットキーダイオードの構造の３つの変形例を図６〜８を参照して説明する。これらの変形例において、ｎ⁻半導体層３１及びｎ^＋半導体層３２のキャリア濃度及び厚み等の諸元は、上記説明したものと同様に設定することができる。

（変形例１）
図６は、本発明の実施の形態の第１の変形例に係るショットキーダイオード１Ａを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

ショットキーダイオード１Ａは、平面視において四角形状であり、その中心部に同じく四角形状のショットキー電極層２が形成されている。また、ショットキーダイオード１Ａは、ｎ型半導体層３を備え、ｎ型半導体層３は、低電子キャリア濃度のｎ⁻半導体層３１と、このｎ⁻半導体層３１よりも高い電子キャリア濃度を有する高電子キャリア濃度のｎ^＋半導体層３２とを備えている。低電子キャリア濃度のｎ⁻半導体層３１は、ｎ型半導体層３のうちショットキー電極層２に対しショットキー接触する側に形成されている。ｎ^＋半導体層３２のｎ⁻半導体層３１とは反対側の面には、オーミック電極４が形成されている。

ｎ⁻半導体層３１は、ｎ^＋半導体層３２とは反対側に形成された平坦な上面３１ａと、上面３１ａの外縁からｎ^＋半導体層３２に向かって広がるように傾斜して形成された側面３１ｂとを有するメサ構造を有している。側面３１ｂの外側には、側面３１ｂを囲むように、上面３１ａと平行な下面３１ｃが形成されている。ショットキー電極層２は、側面３１ｂとの間に所定の間隔を設けて上面３１ａに形成されている。

ショットキー電極層２の周縁部から下面３１ｃの側面３１ｂ側の一部までの間の領域には、ＰＶ（パッシベーション）膜６が形成されている。このＰＶ膜６は、ショットキー電極層２の周縁部、ショットキー電極層２の外側におけるｎ^＋半導体層３２の上面３１ａ、側面３１ｂ、及び下面３１ｃの側面３１ｂ側の一部を覆うように形成されている。

このショットキーダイオード１Ａによれば、ｎ⁻半導体層３１のメサ構造による電界緩和効果により、ショットキー電極層２の端部への電界集中が緩和されるので、ショットキー電極層２の端部への電界集中によって逆方向耐圧が下がることが抑制される。

（変形例２）
図７は、本発明の実施の形態の第２の変形例に係るショットキーダイオード１Ｂを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

ショットキーダイオード１Ｂは、ｎ⁻半導体層３１の一部に抵抗層３１０が形成されている構成がショットキーダイオード１Ａと異なり、その他の構成はショットキーダイオード１Ａと同じである。抵抗層３１０は、ｎ⁻半導体層３１の上面３１ａ側におけるショットキー電極層２の周縁部に接する部分から、側面３１ｂにかけて形成されている。この抵抗層３１０は、ｎ^＋半導体層３２上にｎ⁻半導体層３１を形成した後、例えば、酸素雰囲気中でのアニール処理により形成することができる。また、抵抗層３１０に替えて、この領域をＰ型層としてもよい。

このショットキーダイオード１Ａによれば、ｎ⁻半導体層３１のメサ構造による電界緩和効果に加え、抵抗層３１０又はＰ型層による電界緩和効果によって、ショットキー電極層２の端部への電界集中がさらに緩和されるので、ショットキー電極層２の端部への電界集中によって逆方向耐圧が下がることがさらに抑制される。

（変形例３）
図８は、本発明の実施の形態の第３の変形例に係るショットキーダイオード１Ｃを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

ショットキーダイオード１Ｃは、平面視において四角形状であり、ｎ⁻半導体層３１とｎ^＋半導体層３２とからなるｎ型半導体層３を備えている。ｎ⁻半導体層３１の上面３１ａには、その周縁部にＰＶ膜６が形成されている。また、ｎ⁻半導体層３１の上面３１ａの中心部には、ショットキー電極層２が形成されている。ショットキー電極層２は、その周縁部における一部の領域がＰＶ膜６を覆うように形成されている。

ｎ⁻半導体層３１の上面３１ａ側におけるショットキー電極層２とＰＶ膜６との境界を含む領域には、抵抗層３１０が形成されている。また、抵抗層３１０に替えて、この領域をＰ型層からなるガードリング構造としてもよい。さらに、抵抗層３１０とＰＶ膜６について、抵抗層３１０の無いＰＶ膜６のみの構造としてもよい。

ｎ^＋半導体層３２のｎ⁻半導体層３１とは反対側の面には、オーミック電極４が形成されている。

このショットキーダイオード１Ｃによれば、ＰＶ膜６の上に形成されたショットキー電極層２によるフィールドプレート効果によって、ショットキー電極層２の端部への電界集中が緩和されるので、ショットキー電極層２の端部への電界集中によって逆方向耐圧が下がることが抑制される。また、抵抗層３１０を形成した場合には、その電界緩和効果によって、ショットキー電極層２の端部への電界集中がさらに緩和されるので、ショットキー電極層２の端部への電界集中によって逆方向耐圧が下がることがさらに抑制される。

以上、本発明に好適な実施の形態を複数説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形、応用が可能である。例えば、ショットキーダイオード１は、上記実施の形態の構成（縦型）以外にも、ｎ型半導体層３の同一面側にショットキー電極層２及びオーミック電極層４を蒸着した横型であってもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…ショットキーダイオード、２…ショットキー電極層、３…ｎ型半導体層、３ａ…第１の主表面、３ｂ…第２の主表面、４…オーミック電極層、５…保護電極層、６…ＰＶ膜、３１…ｎ⁻半導体層、３１ａ…上面、３１ｂ…側面、３１ｃ…下面、３２…ｎ^＋半導体層、３３…ｎ⁻半導体層、ｔ…ｎ⁻半導体層の厚み、Ｗ…空乏層幅、φＢｎ…ショットキー障壁、φ_ｄ…電位障壁、φ_ｍ…金属の仕事関数、χ…電子親和力

Claims (6)

1. 逆方向耐圧及び順方向電圧を定める、第１のキャリア濃度を有した、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶エピタキシャル層よりなる第１のｎ型半導体層と、
   順方向電圧を定める、前記第１のキャリア濃度よりも高い第２のキャリア濃度を有した、β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板よりなる第２のｎ型半導体層と、
   前記第１のｎ型半導体層の、前記第２のｎ型半導体層と反対側の表面に設けられたショットキー電極と、
   前記第２のｎ型半導体層の、前記第１のｎ型半導体層と反対側の表面に設けられたオーミック電極と、を含み、
   前記β−Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶基板は、基板面方位を（０１０）面から３７．５°以下の角度だけ回転させた面である、ショットキーバリアダイオード。
2. 前記第１のｎ型半導体層は、前記第１のキャリア濃度によって定まる空乏層の厚さより大きい厚さを有する請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記第１のｎ型半導体層の前記第１のキャリア濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下である請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
4. 前記第１のｎ型半導体層の前記第１のキャリア濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以下である請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
5. 前記第１のｎ型半導体層の前記第１のキャリア濃度は、１×１０^１６／ｃｍ^３以下である請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
6. 前記第２のｎ型半導体層の前記第２のキャリア濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上である請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。

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