(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022121410
(43)【公開日】2022-08-19
(54)【発明の名称】積層型のIII-V族半導体ダイオード
(51)【国際特許分類】
H01L 29/861 20060101AFI20220812BHJP
H01L 21/329 20060101ALI20220812BHJP
【FI】
H01L29/91 C
H01L29/91 A
H01L29/91 F
【審査請求】有
【請求項の数】11
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022017432
(22)【出願日】2022-02-07
(31)【優先権主張番号】10 2021 000 610.0
(32)【優先日】2021-02-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(71)【出願人】
【識別番号】517397497
【氏名又は名称】3-5 パワー エレクトロニクス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】3-5 Power Electronics GmbH
【住所又は居所原語表記】Gostritzer Str. 61-63, 01217 Dresden, Germany
(71)【出願人】
【識別番号】504324855
【氏名又は名称】アズール スペース ソーラー パワー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】AZUR SPACE Solar Power GmbH
【住所又は居所原語表記】Theresienstrasse 2, D-74072 Heilbronn, Germany
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス=ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】フォルカー ドゥーデク
(72)【発明者】
【氏名】イェンス コヴァルスキー
(72)【発明者】
【氏名】リテッシュクマー ボージャニ
(72)【発明者】
【氏名】ダニエル フーアマン
(72)【発明者】
【氏名】トルステン ヴィーツコフスキー
(57)【要約】 (修正有)
【課題】GaAsを含むか又はGaAsから成る積層型のIII-V族半導体ダイオードを提供する。
【解決手段】積層型のIII-V族半導体ダイオードは、高濃度にnドーピングされたカソード層16と、高濃度にpドーピングされたアノード層12と、カソード層とアノード層との間に配置されかつ最大で8×10
15cm
-3のドーパント濃度と、少なくとも10μmの層厚とを有するドリフト領域14とを有する。カソード層は、0.1μmから2μmまでの層厚と、少なくとも1×10
19cm
-3のドーパント濃度とを有するデルタ層区分16.1を有する。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
GaAsを含むかまたはGaAsから成る積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)であって、前記積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)は、
・高濃度にnドーピングされたカソード層(16)と、
・高濃度にpドーピングされたアノード層(12)と、
・前記カソード層(16)と前記アノード層(12)との間に配置され、最大で8×1015cm-3のドーパント濃度と、少なくとも10μmかつ最大で80μmまたは最大で100μmの層厚(DD)と、を有するドリフト領域(14)と、
を有する積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)において、
・前記カソード層(16)は、第1の区分(16.1)および第2の区分(16.2)を有し、前記第1の区分は、0.1μmから1μmまたは0.1μmから2μmの層厚(DK1)を有するデルタ層区分として構成されており、少なくとも1×1019cm-3または少なくとも2×1019cm-3のドーパント濃度を有する、
積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項2】
前記デルタ層区分(16.1)は、金属製のカソード接触接続層(M1)に素材結合的に接している、
請求項1記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項3】
前記カソード層(16)の前記第2の区分(16.2)は、前記デルタ層区分よりも低いドーパント濃度を有する、
請求項1または2記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項4】
前記カソード層(16)の前記第2の区分(16.2)は、1×1019cm-3よりも低くかつ1×1018cm-3または2×1018cm-3または5×1018cm-3を上回るドーパント濃度を有する、
請求項1から3までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項5】
前記カソード層(16)の前記第2の区分(16.2)は、0.5μmから1.5μm、または0.5μmから2.5μm、または0.5μmから5μmの層厚(DK2)を有する、
請求項1から4までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項6】
前記カソード層(16)は、移行層区分(16.3)を有し、前記移行層区分(16.3)は、前記第2の区分(16.2)と前記ドリフト領域(14)との間に配置されており、少なくとも3μmの層厚(DK3)を有し、前記移行層区分(16.3)は、前記第2の区分(16.2)よりも低いドーパント濃度を有し、前記ドリフト領域(14)よりも高いドーパント濃度を有し、前記ドーパント濃度の経過は、前記ドリフト領域(14)の方向に凸または凹または直線的または階段状に降下するドーパント濃度経過を有する、
請求項1から5までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項7】
前記アノード層(12)は、第1の区分(12.1)と、前記第1の区分(12.1)と前記ドリフト領域(14)との間に配置された第2の区分(12.2)と、を有し、前記第2の区分(12.2)のドーパント濃度は、前記第1の区分(12.1)のドーパント濃度よりも低いか、または、前記第2の区分(12.2)の前記ドーパント濃度は、前記第1の区分(12.1)の前記ドーパント濃度と等しい、
請求項1から6までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項8】
前記アノード層(12)の前記第1の区分(12.1)の前記ドーパント濃度は、少なくとも8×1017cm-3かつ最大で4×1018cm-3または最大で8×1018cm-3であり、前記アノード層(12)の前記第2の区分の前記ドーパント濃度は、少なくとも1×1017cm-3かつ最大で8×1017cm-3である、
請求項1から7までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項9】
前記アノード層(12)は、前記ドリフト領域(14)に接する移行区分(12.3)を有し、前記移行区分(12.3)は、前記ドリフト領域(14)の方向に凸または凹または直線的または階段状に降下するドーパント濃度経過を有し、ドーパント濃度は、pドーピングされた前記ドリフト領域の前記ドーパント濃度よりも高く、前記アノード層(12)の前記第2の区分(12.2)の前記ドーパント濃度よりも低い、
請求項1から8までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項10】
前記アノード層(12)の前記第2の区分(12.2)は、前記カソード層(16)の前記第2の区分(16.2)よりも低いドーピングを有する、
請求項1から9までのいずれか1項記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【請求項11】
前記デルタ層区分(16.1)は、ドーパントとしてTeまたはSeを有する、
請求項1から10までのいずれか1記載の積層型のIII-V族半導体ダイオード(10)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高濃度にnドーピングされたカソード層と、高濃度にpドーピングされたアノード層と、カソード層とアノード層との間に配置されたドリフト領域と、を備えた、GaAsを含むかまたはGaAsから成る積層型のIII-V族半導体ダイオードに関する。
【背景技術】
【0002】
ガリウム砒素から成るp+-n-n+構造を備えた高電圧耐性の半導体ダイオードは、German Ashkinaziによる"GaAs Power Devices"、ISBN 965-7094-19-4の第8および第9頁から公知である。
【0003】
他の積層型のIII-V族半導体ダイオードは、欧州特許第3321971号明細書および欧州特許第3321970号明細書から公知であり、半導体ダイオードは、ドリフト領域とカソードもしくはアノードとの間に付加的な中間層を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このような背景の元に本発明が課題とするのは、従来技術を発展させるデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この課題は、特許請求の範囲の請求項1の特徴的構成を備える積層型のIII-V族半導体ダイオードによって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
【0006】
本発明の対象によれば、積層型のIII-V族半導体ダイオードは、高濃度にnドーピングされたカソード層と、高濃度にpドーピングされたアノード層と、を有する、GaAsを含むかまたはGaAsから成る。
【0007】
カソード層とアノード層との間には、最大で8×1015cm-3のドーパント濃度と、少なくとも10μmの層厚と、を有するドリフト領域が配置されている。好適には、ドリフト領域の全体層厚は、最大で50μmまたは最大で100μmである。
【0008】
カソード層は、第1の区分および第2の区分を有する。
【0009】
第1の区分は、0.1μmから1μmの、または0.1μmから2μmの層厚を有するデルタ層区分として構成されている。
【0010】
デルタ層区分は、少なくとも1×1019cm-3または少なくとも2×1019cm-3のドーパント濃度を有する。
【0011】
GaAsから成るかまたはGaAsを含む半導体ダイオードのすべての半導体層、すなわち、特にカソード層、アノード層およびドリフト領域はそれぞれ、GaAsから成るかまたはGaAsを少なくとも含んでいることは自明のことである。言い換えれば、III-V族半導体ダイオードのそれぞれの半導体層は少なくとも元素のGaおよびAsを有する。
【0012】
さらに、ドリフト領域内にpn接合部が形成されていることは自明のことである。
【0013】
半導体ダイオードの半導体層は、重なり合って積層型に構成されていることに注意されたい。好適には半導体層は、同じ面積を有する。好適には、複数の半導体層の1つは、基板層として構成されているか、基板層を含んでいる。一発展形態では、基板層は、基板層に配置される、半導体層の積層体よりも大きな面積を有する。
【0014】
基板層は好適には、50μmから120μmまたは50μmから250μmの厚さを有する。一発展形態では、基板層は、pドーピングの場合、1×1017cm-3から2×1018cm-3までまたは8×1018cm-3までの範囲の濃度を有する。
【0015】
半導体層は好ましくは、重なり合ってエピタキシャル成長で作製される。特に好ましくは、カソード層またはアノード層は、他のすべての半導体層が順次にエピタキシャル成長される基板層によって構成される。択一的には、層はウェハボンディングを用いて接合される。
【0016】
さらに、自明であるのは、半導体ダイオードが好適には、他の材料からなる別の層、特に金属製の接続コンタクト層を有することである。
【0017】
さらに、アノードという用語は、アノード層という用語と、またカソードという用語は、カソード層という用語と、それぞれ同義で使用されることに注意されたい。
【0018】
接続コンタクト層は、例えば完全にまたは部分的に金属、例えば金からまたは金属合金から成り、例えば電子ビーム蒸着を用いてまたはスパッリングを用いて作製される。
【0019】
可能な限りに低抵抗な電気接触接続を構成するために、かつ直列抵抗もしくは半導体ダイオードの損失出力を可能な限りに小さく維持するために、接続コンタクト層に接するカソード層およびアノード層の領域は好ましくは、カソード層およびアノード層のそれぞれ他の部分よりも高いドーパント濃度を有する。
【0020】
少なくとも、比較的少ない厚さ、すなわち好適には1μmよりも少ない厚さを介して可能になるのは、GaAs層またはGaAsベースの層に、極めて高濃度のドーピング、特に少なくとも1×1019cm-3のドーピングを良好な層品質で作製することである。これに関し、特にカソード層についての適切なドーパントは、例えば、テルルまたはセレンである。
【0021】
これに対応して、カソード層の第2の区分の層厚は実質的に、少数電荷担体、すなわち正孔の寿命もしくは侵入深さにしたがう。典型的には第2の層の層厚としては、数百ナノメートルから最大で2μmまでが十分である。
【0022】
言い換えると、カソード層の第2の区分の厚さは好適には、カソードにおける少数電荷担体、すなわち正孔の自由経路長と同じ大きさである。
【0023】
さらに、デルタ層区分は、少数電荷担体用のいわばバリアを形成し、接続抵抗を低減させる。デルタ層区分によって特に、スイッチオフ動作が、またこれによってダイオードのスイッチ動作が改善される。
【0024】
テストによって示されたのは、薄いが極めて高濃度にドーピングされたデルタ層区分と、より低濃度にドーピングされた、カソード層の第2の区分と、の組み合わせからエミッタ効率、すなわちカソードの効率を改善できることである。
【0025】
低濃度にドーピングされたドリフト領域との組み合わせにおいて、ダイオードは、1100Vを上回る、またはさらに1200Vさえも上回る特に高い遮断電圧と、小さなオン抵抗と、単位面積当たりの特に小さなキャパシタンスと、で作製可能である。
【0026】
一実施形態では、カソード層は、デルタ層区分のドーパント濃度よりも低いドーパント濃度を有する第2の層区分を有しており、これにより、デルタ層区分は、いわばデルタ・ドーピングピークによって典型的なカソード層を補う。
【0027】
デルタ層区分は好適には、金属製の第2の接続コンタクトと素材結合による接合を有する。言い換えると、金属製の接続コンタクトは、カソード層の上面に配置される。
【0028】
アノード層の下面には金属製の第1の接続コンタクトが設けられている。好適には、2つの金属製の接続コンタクトは、低い接続抵抗を達成するために、中央領域において、またはほぼ完全に、または完全にアノード層および/またはカソード層を覆っている。完全に覆う場合であっても、プロセスの確実性を高めるために、周囲を取り囲む縁部部分が、メタライゼーションされていないことは自明のことである。
【0029】
一発展形態では、カソード層の第2の層区分は、デルタ層区分よりも低いドーパント濃度を有する。好適には、カソード層の第2の層区分は、デルタ層区分よりも大きな層厚DK2を有する。
【0030】
好適にはカソード層の第2の層区分は、少なくとも0.5μmから最大で1.5μmまでの厚さを有し、または少なくとも0.5μmから最大で2.5μmまでの厚さを有し、または少なくとも0.5μmから最大で5μmまでの厚さを有する。
【0031】
ドーピングという用語とドーパント濃度という用語とは同義で使用されることに注意されたい。さらに、デルタ層区分と、ソード層の第2の区分との間のドーピングの変化は好適には、跳躍的に行われることに注意されたい。言い換えると、ドーピングは好適には、0.1μmを下回るか、または0.05μmを下回る厚さ範囲内で変化する。
【0032】
カソード層の第2の層区分のドーパント濃度は、1×1019cm-3を下回っている。好適には、カソード層の第2の層区分のドーパント濃度は、1×1018cm-3または2×1018cm-3または5×1018cm-3を上回っている。
【0033】
一発展形態では、カソード層は、移行層区分を有し、移行層区分は、カソード層の第2の区分とドリフト領域との間に配置されており、少なくとも3μmの層厚と、第2の区分のドーピングよりも少ないドーピングと、ドリフト領域よりも高いドーピングと、ドリフト領域の方向に凸または凹または直線的または階段状に降下するドーピングの濃度経過と、を有する。
【0034】
別の一実施形態では、デルタ層区分は、ドーパントとしてTeおよび/またはSeを有する。
【0035】
以下では図面を参照し、本発明を詳しく説明する。ここでは同種の部分には同じ参照符号が付されている。図示された実施形態は、大きく概略化されており、すなわち、間隔ならびに横方向および垂直方向の長さは、縮尺通りでなく、特に断らない限り、導出可能な幾何学的関係も互いに有しない。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【
図1】積層型のIII-V族半導体ダイオードの第1の実施形態を示す図である。
【
図2】III-V族半導体ダイオードのドーパント濃度経過の第1の実施形態を示す線図である。
【
図3】積層型のIII-V族半導体ダイオードの別の実施形態を示す図である。
【
図4】積層型のIII-V族半導体ダイオードのさらに別の実施形態を示す図である。
【
図5】積層型のIII-V族半導体ダイオードのさらに別の実施形態を示す図である。
【
図6】ドーパント濃度経過の別の実施形態を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
図1の図には、GaAsを有するかまたはGaAsから成る積層型のIII-V族半導体ダイオード10の第1の実施形態の図が示されている。全体厚さD
Aを有する高濃度にドーピングされたpドーピングの基板層は、アノード層12を構成し、アノード層12に全体厚さD
Dを有するドリフト領域14が配置され、ドリフト領域14に続いて、高濃度にnドーピングされた層厚D
Kを有するカソード層16が配置されている。
【0038】
ドリフト領域14内にpn接合部が構成されることは自明のことである。
【0039】
カソード層16は、第1の区分16.1および第2の区分16.2を有する。
【0040】
カソード層16の第1の区分16.1は、少なくとも1×1019cm-3または少なくとも2×1019cm-3の極めて高いドーパント濃度と、0.1μmから1μmまで、または0.1μmから最大で2μmまでの小さな層厚DK1と、を有するデルタ層区分として構成されている。
【0041】
第2の層区分16.2は、デルタ層区分16.1よりも低いドーパント濃度と、より大きな層厚DK2と、を有する。
【0042】
カソード層16の第2の層区分16.2は、0.5μmから1.5μmの範囲、または0.5μmから2.5μmの範囲、または0.5μmから5μmの範囲の厚さを有する。
【0043】
第2の層区分16.2のドーパント濃度は、1×1019cm-3を下回っている。第2の層区分16.2のドーパント濃度は好適には、1×1018cm-3または2×1018cm-3または5×1018cm-3を上回っている。
【0044】
アノード層12の下面には、金属製の接続コンタクトM1が配置されているか、または、カソード層16の上面には、金属製の接続コンタクトM2が配置されている。
【0045】
2つの金属製の接続コンタクトM1、M2は好適には、低い接続抵抗を達成するために、アノード層12および/またはカソード層16をほぼ完全に覆っている。デルタ層区分16.1は好適には、金属製の接続コンタクトM2と素材結合による接合も有する。
【0046】
図2の図では、積層型のIII-V族半導体ダイオード10の厚さに沿ったドーパント濃度経過が、
図1に関連して示されて描画されている。
【0047】
プロットされているのは、III-V族半導体ダイオード10の積層体に沿った、位置xについてのドーパント濃度Dである。
【0048】
ドーパント濃度経過は、カソード層16の2つの区分16.2および16.1のそれぞれの層厚DK2およびDK1にわたってそれぞれ一定に構成されており、これにより、第2の層区分16.2とデルタ層区分との間にはドーパント濃度跳躍が形成されている。
【0049】
引き続き、ドーパント濃度は、ドリフト領域14の、最大で8×1015cm-3の範囲の極めて低いレベルに跳躍的に下降している。ドリフト領域14からアノード層への移行部においてドーパント濃度は、pドーパント濃度の一定の高いレベルに跳躍的に上昇している。
【0050】
アノード12に沿ったドーパント濃度は一定であり、ドーパント濃度の高さは、カソード16の第2の領域16.2のドーパント濃度よりも低い。
【0051】
図示された実施例では、ドリフト領域は、低くかつ実質的に一定のドーパント濃度を有する。全体層厚に沿ったドーピングは、nドーパントとpドーパントとの間で変化し、これにより、ドリフト領域14にp-n接合部が構成される。
【0052】
図3に示された実施形態では、金属製の接続コンタクトM1およびM2は、平面として構成されている。
【0053】
カソード層16は、第1の区分16.1および第2の区分16.2に加えて移行層区分16.3を有する。移行層区分16.3は、少なくとも3μm、かつ例えば、最大で10μmまたは最大で5μmの層厚DK3を有する。
【0054】
カソード層16の移行層区分16.3は、カソード層16の第2の区分16.2のドーピングよりも少ないドーピングを有し、かつドリフト領域14のドーピングよりも高いドーピングを有する。
【0055】
移行層区分16.3内でドリフト領域14の方向に降下するドーピングの濃度経過は、凸または凹または直線的または階段状に構成されている。
【0056】
図4の実施例では、2つの金属製の接続層M1、M2はそれぞれ、アノードもしくはカソードの中央部分だけを覆っている。移行層区分16.3は構成されておらず、これにより、カソードの第2の区分16.2は、ドリフト領域14に直接に続いている。
【0057】
図5に示された実施例では、カソード層16は、第2の層区分16.2に加えて移行層区分16.3を有する。
【0058】
ドリフト領域14とアノード層12の第2の区分12.2との間には、アノード層12の一部として、pドーピングされた移行層区分12.3が構成されている。
【0059】
アノードの移行層区分12.3のドーパント濃度は、移行層区分12.3の層厚に沿って、アノード層12の第2の区分12.2の方向に増大している。ドーピングの増大は、凹または凸または直線的または階段状に構成されている。
【0060】
図6の図では、
図5に関連して説明された実施形態についてのドーパント濃度経過が描画されている。以下では、
図2の実施形態との相違だけを説明する。
【0061】
カソード層16のデルタ層区分16.1は、ドリフト領域14とは反対側を向いた、第2の層区分16.2の側に配置されており、これにより、カソード層に沿ったドーパント濃度は、ドリフト領域14の方向に跳躍的に降下している。
【0062】
カソード層16の第2の区分16.2とドリフト領域14との間にはここでも、カソード層16の一部として移行層区分16.3が構成されている。
【0063】
カソード層16の移行層区分16.3のドーパント濃度は、以降の経過においてドリフト領域14の方向に減少する。
【0064】
ドリフト領域14とアノード層12の第2の区分12.2との間には、アノード層12の一部として、pドーピングされた移行層区分12.3が構成されている。アノード層12の移行層区分12.3のドーパント濃度は、以降の経過においてアノード層12の第2の区分12.2の方向に増大する。
【外国語明細書】