(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2021-12-09
(45)【発行日】2022-01-12
(54)【発明の名称】ダイオード、受電装置および電力伝送システム
(51)【国際特許分類】
H01L 29/861 20060101AFI20220104BHJP
H01L 29/868 20060101ALI20220104BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20220104BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20220104BHJP
【ＦＩ】
H01L29/91 H
H01L21/28 301B
H01L21/28 301R
H01L29/06 301F
H01L29/91 F
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021107207
(22)【出願日】2021-06-29
【審査請求日】2021-06-29
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】301041553
【氏名又は名称】株式会社パウデック
(74)【代理人】
【識別番号】100120640
【弁理士】
【氏名又は名称】森 幸一
(72)【発明者】
【氏名】河合 弘治
(72)【発明者】
【氏名】八木 修一
(72)【発明者】
【氏名】成井 啓修
【審査官】上田 智志
(56)【参考文献】
【文献】再公表特許第２０１７／１５９５５９（ＪＰ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／１８８８４６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０９３８５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２２８４２８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／３３７、２１／３３８、
２７／０８５、２７／０９８、
２９／７７８、２９／８０－２９／８１２、
Ｈ０２Ｊ １７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンドープＧａＮ層と、上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有し、
上記アノード電極は上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上から上記金属電極上に延在するように設けられているダイオード。
【請求項2】
非動作時において、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の下方の部分を除いて、上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層と上記アンドープＧａＮ層との間のヘテロ界面の近傍の部分における上記アンドープＧａＮ層に２次元電子ガスが形成されている請求項１記載のダイオード。
【請求項3】
順方向立ち上がり電圧をＶonと表したとき、０［Ｖ］＜Ｖon＜１．０［Ｖ］である請求項２記載のダイオード。
【請求項4】
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層の厚さをｔAl、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の厚さをｔIn、Ｍｇ濃度を［Ｍｇ］と表したとき、０．１＜ｘ＜０．３
１０［ｎｍ］＜ｔAl＜４０［ｎｍ］
０．０５＜ｙ＜０．２５
２［ｎｍ］＜ｔIn＜２０［ｎｍ］
１×１０19［ｃｍ-3］＜［Ｍｇ］＜１×１０21［ｃｍ-3］
である請求項３記載のダイオード。
【請求項5】
上記金属電極の上記カソード電極側の端部と上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層との間に絶縁層が、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層と上記カソード電極との間の部分の上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に延在するように設けられている請求項１～４のいずれか一項記載のダイオード。
【請求項6】
高周波電波を受信する受電回路を有し、上記受電回路は高周波電波を直流に変換する整流用ダイオードを有し、
上記整流用ダイオードは、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有し、
上記アノード電極は上記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ層上から上記金属電極上に延在するように設けられているダイオード
である受電装置。
【請求項7】
高周波電波を送信する送電回路と高周波電波を受信する受電回路とを有し、上記受電回路は高周波電波を直流に変換する整流用ダイオードを有し、
上記整流用ダイオードは、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有し、
上記アノード電極は上記Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎ層上から上記金属電極上に延在するように設けられているダイオード
である電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、ダイオード、受電装置および電力伝送システムに関し、特に、高周波電波の整流用ダイオードに用いて好適な、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体を用いたダイオードならびにこのダイオードを整流用ダイオードに用いた受電装置および電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【0002】
高周波電波を直流に変換し、電力として取り出す技術があり、一つの方式としてレクテナ（rectenna（rectifying-antennaの略))方式がある。レクテナ回路は、アンテナ、マッチング回路および整流用のダイオードで構成されている。
【0003】
レクテナ技術の応用は、１．宇宙太陽光発電の地上側受電、２．物流ＲＦＩＤタグの受電整流回路、３．非接触式ＩＣカードの電力受電、４．大電力マイクロ波を利用する装置の電力回生、５．ミリ波・テラヘルツ波の高感度検出などがある。
【0004】
従来、レクテナ回路用のダイオードとしてＧａＮ系半導体を用いたショットキーダイオードが知られている（非特許文献１）。このショットキーダイオードはフィンガー型（ストライプ型）ショットキーダイオードである。このフィンガー型ショットキーダイオードにおいては、半絶縁性ＳｉＣ基板上にアクセス層としてｎ+ 型ＧａＮ層が積層され、その上にフィンガー形状の活性層としてｎ型ＧａＮ層が積層されている。この活性層上にフィンガー形状のアノード電極がショットキー接触している。活性層の両側の部分のアクセス層上にフィンガー形状のカソード電極がオーミック接触している。
【0005】
上述のフィンガー型ショットキーダイオードにおいては、アノード電極近傍の、整流特性に重要な役割を果たす活性層とは別に、カソード電極から活性層までのアクセス領域、すなわちアクセス層が存在し、その抵抗がオン抵抗を増加させるという問題がある。オン抵抗に寄与する抵抗のうち活性層の部分の抵抗は、使用する周波数や耐圧との関係で自由に決めることはできないが、オン抵抗の低減を図るためにはアクセス層の抵抗はできるだけ小さくすることが望ましい。また、耐圧を上げるためには、寄生容量を低く保つ必要から、フィールドプレートなどの、容量が増えるような高耐圧化構造は使えない。
【0006】
そこで、このような課題を解決するために、特許文献１、２に記載のショットキーダイオードが提案されている。特許文献１記載のショットキーダイオードは、ＧａＮ系半導体層の片側に設けられたアノード電極およびカソード電極を有し、アノード電極は複数に分割され、分割された各アノード電極は金属配線により相互に接続され、分割された各アノード電極はカソード電極により囲まれ、分割された各アノード電極は縦横比が５以下の形状を有する。また、特許文献２記載のショットキーダイオードは、ＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体層上にＧａＮ系半導体層とショットキー接触して設けられたアノード電極とを有し、アノード電極が、ＧａＮ系半導体層上にＧａＮ系半導体層と接触して設けられたＴｉＮ層と、ＴｉＮ層上にＴｉＮ層と接触して設けられた、ＧａＮ系半導体層とショットキー接触可能な金属からなる密着層と、密着層上に密着層と接触して設けられた抵抗低減用金属層とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特許第５８２８４３５号公報
【文献】特許第５６６９１１９号公報
【非特許文献】
【0008】
【文献】電子情報通信学会技術報告、ＷＰＴ２０１１－２７（2012-03)、「ＧａＮ ＳＢＤとオープンリング共振器を用いた非接触型マイクロ波電力伝送」内田他
【文献】Mizutani et al.,“AlGaN/GaN HEMTs with thin InGaN cap layerfor normally-off operation”，IEEE Electron Device Letters, Vol.28, No.7,pp.549-551,July(2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、非特許文献１記載の従来のフィンガー型ショットキーダイオードも特許文献１、２記載のショットキーダイオードも、効率および動作速度の点で未だ改善の余地がある。
【0010】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、高効率かつ超高速のダイオードを提供することである。
【0011】
この発明が解決しようとする他の課題は、上記のダイオードを高周波電波の整流用ダイオードに用いた高性能の受電装置および電力伝送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するために、この発明は、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有するダイオードである。
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有するダイオードである。
【0013】
このダイオードにおいては、非動作時（熱平衡時）、すなわち０［Ｖ］－バイアス時において、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の下方の部分（活性領域）を除いて、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層とアンドープＧａＮ層との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層に２次元電子ガスが形成されている。言い換えると、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層とアンドープＧａＮ層との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスは、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の下方の部分において枯渇している（２次元電子ガス濃度がほぼ０（＜１０11［ｃｍ-2］））。このため、後に詳述するように、このダイオードの容量は実質的にフリンジ容量のみとなる結果、容量の大幅な低減を図ることができる。このダイオードの順方向立ち上がり電圧（オン電圧）をＶonと表したとき、０［Ｖ］＜Ｖon＜１．０［Ｖ］とすることができる。カソード電極に対してアノード電極にＶon以上の電圧が印加されない状態では、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の下方の部分において２次元電子ガスが枯渇していることによりダイオードはオフであるが、カソード電極に対してアノード電極にＶon以上の電圧が印加されると、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の下方の部分（活性領域）に２次元電子ガスが誘起されることにより、アノード電極とカソード電極とを接続するように２次元電子ガスからなるチャネルが形成されてオンとなる。
【0014】
このダイオードにおいては、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層の厚さをｔAl、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層の厚さをｔIn、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層にドープされているＭｇの濃度を［Ｍｇ］と表したとき、典型的には、
０．１＜ｘ＜０．３
１０［ｎｍ］＜ｔAl＜４０［ｎｍ］
０．０５＜ｙ＜０．２５
２［ｎｍ］＜ｔIn＜２０［ｎｍ］
１×１０19［ｃｍ-3］＜［Ｍｇ］＜１×１０21［ｃｍ-3］
であるが、これに限定されるものではない。ｘおよびｔAlを上述のように選ぶ理由は概略次の通りである。すなわち、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層とアンドープＧａＮ層との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスの濃度は一次的には（表面効果を無視すれば）、分極電荷によって決まる。典型的な例では、ｘ＝０．２５、ｔAl＝２５［ｎｍ］で２次元電子ガスの濃度は１０13［ｃｍ-2］程度であるが、０．１＜ｘ＜０．３かつ１０［ｎｍ］＜ｔAl＜４０［ｎｍ］とすることで概ね同程度の２次元電子ガスの濃度が得られる。また、ｙ、ｔInおよび［Ｍｇ］を上述のように選ぶ理由は概略次の通りである。すなわち、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層については、Ｉｎの固溶限界および下地のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層との格子定数のミスマッチがあり、層中のＩｎ総量によってｙおよびｔInは制限される。実験的にはＩｎ総量は０．２５（２５［％］）×５［ｎｍ］以下となるが、０．０５＜ｙ＜０．２５かつ２［ｎｍ］＜ｔIn＜２０［ｎｍ］とすることでこの条件が満たされる。また、ＧａＮやＡｌx Ｇａ1-x ＮへのＭｇの添加量は、実用的には最大でも１×１０21［ｃｍ-3］程度以下であり、Ｉｎy Ｇａ1-y ＮへのＭｇの添加量も同程度である。これ以上のＭｇの添加はＭｇの偏析を招き、層中または表面に現れる。一方、Ｍｇの添加量が１×１０19［ｃｍ-3］より少ないとｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層のシート抵抗が高くなり過ぎる。このため、１×１０19［ｃｍ-3］＜［Ｍｇ］＜１×１０21［ｃｍ-3］としている。
０．１＜ｘ＜０．３
１０［ｎｍ］＜ｔAl＜４０［ｎｍ］
０．０５＜ｙ＜０．２５
２［ｎｍ］＜ｔIn＜２０［ｎｍ］
１×１０19［ｃｍ-3］＜［Ｍｇ］＜１×１０21［ｃｍ-3］
であるが、これに限定されるものではない。ｘおよびｔAlを上述のように選ぶ理由は概略次の通りである。すなわち、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層とアンドープＧａＮ層との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層に形成される２次元電子ガスの濃度は一次的には（表面効果を無視すれば）、分極電荷によって決まる。典型的な例では、ｘ＝０．２５、ｔAl＝２５［ｎｍ］で２次元電子ガスの濃度は１０13［ｃｍ-2］程度であるが、０．１＜ｘ＜０．３かつ１０［ｎｍ］＜ｔAl＜４０［ｎｍ］とすることで概ね同程度の２次元電子ガスの濃度が得られる。また、ｙ、ｔInおよび［Ｍｇ］を上述のように選ぶ理由は概略次の通りである。すなわち、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層については、Ｉｎの固溶限界および下地のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層との格子定数のミスマッチがあり、層中のＩｎ総量によってｙおよびｔInは制限される。実験的にはＩｎ総量は０．２５（２５［％］）×５［ｎｍ］以下となるが、０．０５＜ｙ＜０．２５かつ２［ｎｍ］＜ｔIn＜２０［ｎｍ］とすることでこの条件が満たされる。また、ＧａＮやＡｌx Ｇａ1-x ＮへのＭｇの添加量は、実用的には最大でも１×１０21［ｃｍ-3］程度以下であり、Ｉｎy Ｇａ1-y ＮへのＭｇの添加量も同程度である。これ以上のＭｇの添加はＭｇの偏析を招き、層中または表面に現れる。一方、Ｍｇの添加量が１×１０19［ｃｍ-3］より少ないとｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層のシート抵抗が高くなり過ぎる。このため、１×１０19［ｃｍ-3］＜［Ｍｇ］＜１×１０21［ｃｍ-3］としている。
【0015】
Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層は、典型的にはアンドープであるが、ドナー（ｎ型不純物）またはアクセプタ（ｐ型不純物）がドープされたｎ型またはｐ型のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層、例えばＳｉがドープされたｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層であってもよい。
【0016】
アノード電極およびカソード電極は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層とアンドープＧａＮ層との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層に形成された２次元電子ガスとオーミック接触している。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極は、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層とオーミック接触している。アノード電極は、例えば、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上からｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極上に延在するように設けられることもあるし、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上にのみ設けられることもある。後者の場合、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極はアノード電極上に延在するように設けられる。ここで、アノード電極と電気的に接続された金属電極はアノード電極の一部として機能する。
【0017】
また、この発明は、
高周波電波を受信する受電回路を有し、
上記受電回路は高周波電波を直流に変換する整流用ダイオードを有し、
上記整流用ダイオードは、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有するダイオード
である受電装置である。
高周波電波を受信する受電回路を有し、
上記受電回路は高周波電波を直流に変換する整流用ダイオードを有し、
上記整流用ダイオードは、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有するダイオード
である受電装置である。
【0018】
また、この発明は、
高周波電波を送信する送電回路と高周波電波を受信する受電回路とを有し、
上記受電回路は高周波電波を直流に変換する整流用ダイオードを有し、
上記整流用ダイオードは、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有するダイオード
である電力伝送システムである。
高周波電波を送信する送電回路と高周波電波を受信する受電回路とを有し、
上記受電回路は高周波電波を直流に変換する整流用ダイオードを有し、
上記整流用ダイオードは、
アンドープＧａＮ層と、
上記アンドープＧａＮ層上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）と、
上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層上の金属電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上に上記金属電極と電気的に接続されて設けられたアノード電極と、
上記Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層上の、上記ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層に関して上記アノード電極と反対側の部分に設けられたカソード電極と、
を有するダイオード
である電力伝送システムである。
【0019】
上記の受電装置の発明および電力伝送システムの発明においては、その性質に反しない限り、上記のダイオードの発明に関連して説明したことが成立する。
【発明の効果】
【0020】
この発明によれば、非動作時の活性領域およびその近傍における容量の大幅な低減により動作速度の大幅な向上を図ることができることにより超高速であり、しかも順方向立ち上がり電圧を従来のＧａＮ系ショットキーダイオードに比べて低くすることができることにより高効率のダイオードを実現することができる。そして、この高効率かつ超高速のダイオードを整流用ダイオードに用いて高性能の受電装置および電力伝送システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの基本構造を示す断面図である。
【図2】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードのアノード電極と金属電極との間の接続の仕方の具体例を示す断面図である。
【図3】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードのアノード電極と金属電極との間の接続の仕方の他の具体例を示す断面図である。
【図4A】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードのエネルギーバンド図との比較のための従来のＧａＮ系ショットキーダイオードのエネルギーバンド図である。
【図4B】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードのエネルギーバンド図である。
【図5】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの電流－電圧特性を示す略線図である。
【図6A】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図6B】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図6C】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図7】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法を説明するための平面図である。
【図8】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法により製造されるＧａＮ系ダイオードチップを示す平面図である。
【図9A】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの容量を求めるために行ったシミュレーションに用いた数値計算用ダイオード構造を示す断面図である。
【図9B】この発明の第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの容量を求めるために行ったシミュレーションに用いた数値計算用ダイオード構造を示す平面図である。
【図12】この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの基本構造を示す断面図である。
【図13】この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードのアノード電極と金属電極との間の接続の仕方の具体例を示す断面図である。
【図14】この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードのアノード電極と金属電極との間の接続の仕方の他の具体例を示す断面図である。
【図15】この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図16A】この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの容量を求めるために行ったシミュレーションに用いた数値計算用ダイオード構造を示す断面図である。
【図16B】この発明の第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの容量を求めるために行ったシミュレーションに用いた数値計算用ダイオード構造を示す平面図である。
【図19】この発明の第３の実施の形態による受電装置を示す略線図である。
【図20】この発明の第４の実施の形態による電力伝送システムを示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」と言う。）について説明する。
【0023】
【0024】
図１に示すように、このＧａＮ系ダイオードにおいては、アンドープＧａＮ層１１、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２およびＭｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３が順次積層されている。アンドープＧａＮ層１１の厚さは必要に応じて選ばれるが、典型的には１［μｍ］以上２．５［μｍ］以下（例えば２［μｍ］）である。Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２のＡｌ組成ｘは、典型的には０．１＜ｘ＜０．３（例えば０．２１）である。また、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２の厚さｔAlは、典型的には１０［ｎｍ］＜ｔAl＜４０［ｎｍ］（例えば２０［ｎｍ］）である。Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２は典型的にはアンドープであるが、ドナー（ｎ型不純物）またはアクセプタ（ｐ型不純物）がドープされたｎ型またはｐ型のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層であってもよい。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３は一方向に延在するフィンガー状（ストライプ状）の平面形状を有する。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のフィンガー長Ｌg は必要に応じて選ばれるが、例えば０．５［μｍ］以上２［μｍ］以下（例えば１［μｍ］）である。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のＩｎ組成ｙは、典型的には０．０５＜ｙ＜０．２５（例えば０．２）である。また、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の厚さｔInは、典型的には２［ｎｍ］＜ｔIn＜２０［ｎｍ］（例えば５［ｎｍ］）である。また、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のＭｇ濃度［Ｍｇ］は、典型的には１×１０19［ｃｍ-3］＜［Ｍｇ］＜１×１０21ｃｍ-3（例えば１×１０20［ｃｍ-3］）である。
【0025】
ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３上には金属電極１４が、このｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３とオーミック接触して設けられている。金属電極１４は、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３とオーミック接触するものであれば基本的にはどのようなものであってもよいが、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ積層膜、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜、Ｔｉ／Ｐｄ積層膜などからなる。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３に関して一方の側の部分のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上に金属電極１４と電気的に接続されてアノード電極１５が設けられている。また、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上の、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３に関してアノード電極１５と反対側の部分にカソード電極１６が設けられている。アノード電極１５と金属電極１４との間の接続はどのように行ってもよいが、具体例を図２および図３に示す。図２に示す例では、アノード電極１５は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上から金属電極１４上に延在して設けられている。この場合、アノード電極１５は、金属電極１４の一部の上に延在してもよいし、図２中一点鎖線で示すように、金属電極１４の全体の上に延在してもよい。図３に示す例では、金属電極１４はＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上を通ってアノード電極１５上に延在している。
【0026】
このＧａＮ系ダイオードにおいては、非動作時（熱平衡時）において、アンドープＧａＮ層１１とＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１２に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）１７が形成されている。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の直下の部分では２ＤＥＧ１７が枯渇していてその濃度がほぼ０（例えば＜１×１０11（ｃｍ-2））であり、空乏化領域１８となっている。アノード電極１５およびカソード電極１６は、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２を介して２ＤＥＧ１７とオーミック接触している。アノード電極１５およびカソード電極１６は、２ＤＥＧ１７とオーミック接触する限り基本的にはどのようなものであってもよいが、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ積層膜やＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜などからなる。
【0027】
ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の直下の部分で２ＤＥＧ１７が枯渇する理由は次の通りである。図４Ａは通常のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ／ＧａＮ ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor)の定性的な伝導帯を示し、Ｅc は伝導帯の下端のエネルギー、ＥF はフェルミエネルギーを示す。図４Ａに示すように、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ／ＧａＮヘテロ接合の分極差の効果によりＡｌx Ｇａ1-x Ｎ／ＧａＮヘテロ界面の近傍の部分におけるＧａＮ層に２ＤＥＧが形成されている。一方、図４ＢはこのＧａＮ系ダイオードの伝導帯を示す。図４Ｂに示すように、このＧａＮ系ダイオードにおいては、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上にｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３が設けられている。このｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の効果について説明する（非特許文献３参照）。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３とＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２とのヘテロ接合のピエゾ分極の方向はＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２とアンドープＧａＮ層１１とのヘテロ接合のピエゾ分極の方向とは反対になっており、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３をＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２の表面に付加することにより、伝導帯を持ち上げて２ＤＥＧ１７の濃度を減じる方向に作用する。それを図４Ｂにおいてｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の＋－電荷の発生として示した。また、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３におけるＭｇのドーピングの効果としては、Ｍｇが負イオン化する（正孔放出）ことによって伝導帯を更に持ち上げることにより２ＤＥＧ１７の枯渇化に寄与する。
【0028】
このＧａＮ系ダイオードの順方向立ち上がり電圧（オン電圧）Ｖonは０［Ｖ］＜Ｖon＜１．０［Ｖ］の範囲内で設計により決められる。すなわち、Ｖonは後述の図５に示すように低い方が電力損失（導通損失）が少なくなるので望ましい。通常のＧａＮ系ショットキーダイオードのＶonは１．０［Ｖ］程度であるので、それよりも低いＶonが望ましい。すなわち、０［Ｖ］＜Ｖon＜１．０［Ｖ］となるように、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２のｘおよび厚さｔAl、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のｙおよび厚さｔIn、そしてＭｇ濃度［Ｍｇ］が実験的に求められる。
【0029】
［ＧａＮ系ダイオードの動作］
このＧａＮ系ダイオードの動作について説明する。
このＧａＮ系ダイオードの動作について説明する。
【0030】
このＧａＮ系ダイオードの電流（Ｉ）－電圧（Ｖ）特性を図５に示す。図５に示すように、順方向立ち上がり電圧Ｖonは０［Ｖ］＜Ｖon＜１．０［Ｖ］であり、好適には０［Ｖ］＜Ｖon＜０．８［Ｖ］、さらに好適には０［Ｖ］＜Ｖon＜０．４［Ｖ］である。図５には、比較のために、従来のＧａＮ系ショットキーダイオードの電流－電圧特性を併せて示す。従来のＧａＮ系ショットキーダイオードのＶonは約１．０［Ｖ］である。図５において、面積（Ｉ×Ｖ）は消費電力を表し、そのうち面積（Ｉ×Ｖon）は電力損失を表す。このため、Ｖonが小さい方が電力損失が小さくなり、それによって消費電力の低減を図ることができる。従って、Ｖon＜１．０［Ｖ］、好適にはＶon＜０．８［Ｖ］とすることにより、このＧａＮ系ダイオードの電力損失を従来のＧａＮ系ショットキーダイオードに比べて小さくすることができ、消費電力の低減を図ることができる。このため、高効率のＧａＮ系ダイオードを得ることができる。
【0031】
［ＧａＮ系ダイオードの製造方法］
一例として、図３に示す構造を有するＧａＮ系ダイオードの製造方法について説明する。このＧａＮ系ダイオードは従来公知の製造方法により容易に製造することができる。なお、図２に示す構造を有するＧａＮ系ダイオードも従来公知の製造方法により容易に製造することができる。
一例として、図３に示す構造を有するＧａＮ系ダイオードの製造方法について説明する。このＧａＮ系ダイオードは従来公知の製造方法により容易に製造することができる。なお、図２に示す構造を有するＧａＮ系ダイオードも従来公知の製造方法により容易に製造することができる。
【0032】
図６Ａに示すように、ベース基板１００の全面に、従来公知のＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などにより、アンドープＧａＮ層１１、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２およびｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３を順次成長させる。ベース基板１００としては、ＧａＮ層の成長に従来より用いられている一般的な基板、例えばＣ面サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板などを用いることができる。
【0033】
次に、図６Ｂに示すように、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３をフィンガー状（ストライプ状）にパターニングする。パターニングは、例えば、光化学エッチング（フォトエレクトロケミカルエッチング）で行う。エッチング液としては、ＫＯＨ水溶液に添加剤としてペルオキソ二硫酸カリウム（Ｋ2 Ｓ2 Ｏ8 ）を加えた溶液を用いる。このエッチング液に波長２６０ｎｍの紫外線を照射してエッチングを行う。エッチングレートは２０ｎｍ／秒程度である。次に、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３を覆い、かつアノード電極１５およびカソード電極１６を形成する領域のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２の表面が露出するようにＳｉＯ2 からなる所定形状のマスク層１１０を形成する。マスク層１１０は、例えば、全面にＳｉＯ2 膜を形成した後、このＳｉＯ2 膜をエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。次に、アノード電極１５およびカソード電極１６を形成する領域に対応する部分に開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成し、続いて基板全面に真空蒸着法により例えばＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｎｉ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜とともに除去し（リフトオフ）、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３に関してその両側の部分のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上にアノード電極１５およびカソード電極１６を形成する。この後、例えば、窒素（Ｎ2 ）ガス雰囲気中で７００℃、６０秒の急速熱処理（Rapid Thermal Annealing;ＲＴＡ）を行い、アノード電極１５およびカソード電極１６をＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２を介して２ＤＥＧ１７にオーミック接触させる。
【0034】
次に、図６Ｃに示すように、マスク層１１０をエッチングにより除去した後、アノード電極１５およびｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３を含むフィンガー状の領域に対応する部分に開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成し、続いて基板全面に真空蒸着法によりＴｉ膜およびＮｉ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ／Ｎｉ積層膜とともに除去し（リフトオフ）、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３およびアノード電極１５上に跨がるフィンガー状の金属電極１４を形成する。この後、Ｎ2 ガス雰囲気中で５００℃、６０秒のＲＴＡを行う。この状態における１フィンガー分の平面図を図７に示す。
【0035】
こうして製造されるＧａＮ系ダイオードの各部のサイズなどの一例を示すと次の通りである。アンドープＧａＮ層１１の厚さは２［μｍ］、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２の厚さは２０［ｎｍ］、ｘは０．２１、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の厚さは５［ｎｍ］、ｙは０．２、［Ｍｇ］＝１×１０20［ｃｍ-3］、アノード電極１５の幅は１［μｍ］、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のフィンガー長Ｌg は１［μｍ］、カソード電極１６の幅は２［μｍ］、アノード電極１５とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間の隙間の幅は１［μｍ］、カソード電極１６とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間の隙間の幅は１［μｍ］、アノード電極１５、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３およびカソード電極１６のフィンガー幅Ｗg は０．１［ｍｍ］（１００［μｍ］）である。
【0036】
最終的に製造されるＧａＮ系ダイオードチップの一例を図８に示す。このＧａＮ系ダイオードチップは、図７に示すＧａＮ系ダイオードを１フィンガー分としてこれを６フィンガー形成したものである。アノード電極１５およびカソード電極１６は櫛型に形成されており、この場合はアノード電極１５は４本、カソード電極１６は３本形成されている。各アノード電極１５の一端部と接続されてアノードパッド電極１２０が設けられている。また、各カソード電極１６の一端部に接続されてカソードパッド電極１３０が設けられている。これらのアノードパッド電極１２０およびカソードパッド電極１３０は、例えば、それらの下方の部分のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２を除去し、その上にＳｉＯ2 膜を形成した後、その上に真空蒸着法などによりＡｕ膜を形成することにより形成することができる。６フィンガーの全体の幅Ｄは例えば０．０３５［ｍｍ］（３５［μｍ］）である。
【0037】
［ＧａＮ系ダイオードの構造と電気特性との関係］
１．ダイオード容量
従来のショットキーダイオードの容量は、ショットキー電極下の空乏層が担う平行平板部分の容量（平行平板容量）（ε／ｄ）Ｓ（ε：誘電率、Ｓ：面積、ｄ：空乏層幅）と空乏層が横方向のキャリア（電子）と接する部分に生じるフリンジ容量との和であると考えられる。
１．ダイオード容量
従来のショットキーダイオードの容量は、ショットキー電極下の空乏層が担う平行平板部分の容量（平行平板容量）（ε／ｄ）Ｓ（ε：誘電率、Ｓ：面積、ｄ：空乏層幅）と空乏層が横方向のキャリア（電子）と接する部分に生じるフリンジ容量との和であると考えられる。
【0038】
いま、図２に示す構造のＧａＮ系ダイオードを考える。このＧａＮ系ダイオードの容量も同様に平行平板容量とフリンジ容量とからなると考えると、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３および金属電極１４の下方にはキャリアが実質的に存在せず、平行平板容量を形成していないため、その容量値はほとんど無視できると考えられる。その結果、このＧａＮ系ダイオードの容量は、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３および金属電極１４の端部とカソード電極１６側から延在する２ＤＥＧ１７との重なり部に生じるフリンジ容量のみと考えることができる。
【0039】
２．数値計算
このＧａＮ系ダイオードの容量を求めるためにシミュレーションを行った。容量計算に用いたダイオード構造を図９Ａおよび図９Ｂに示す。ここで、図９Ａは断面図、図９Ｂは平面図である。具体的には、標準的なＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴのＡｌＧａＮ層の厚さは２０～４０［ｎｍ］であるので、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３とＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２との合計厚さを２５［ｎｍ］（０．０２５［μｍ］）とした。図９Ａ中、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３およびＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２をＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮと表記した。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のフィンガー長Ｌg は１．０［μｍ］とした。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の表面から２５［ｎｍ］下方に２ＤＥＧ１７のチャネルがあり、これがカソード電極１６（図９Ａおよび図９Ｂにおいては図示せず）とオーミック接触していると考える。アノード電極１５側の２ＤＥＧ１７もアノード電極１５とオーミック接触していると考える。図９Ａおよび図９Ｂにおいては、アノード電極１５と金属電極１４との全体がアノード電極と示されている。図９Ａ中では単にＧａＮと表記しているが、アンドープＧａＮ層１１の厚さは２．０［μｍ］とした。アンドープＧａＮ層１１、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２およびｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の誘電率はいずれもε＝１０とした。図９Ａおよび図９Ｂに示すように直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を設定した。図９Ａの（ｘ－ｚ）面（断面）に対称面を設定した。故に、計算結果はｙ方向の長さに比例する。
このＧａＮ系ダイオードの容量を求めるためにシミュレーションを行った。容量計算に用いたダイオード構造を図９Ａおよび図９Ｂに示す。ここで、図９Ａは断面図、図９Ｂは平面図である。具体的には、標準的なＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴのＡｌＧａＮ層の厚さは２０～４０［ｎｍ］であるので、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３とＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２との合計厚さを２５［ｎｍ］（０．０２５［μｍ］）とした。図９Ａ中、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３およびＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２をＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮと表記した。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のフィンガー長Ｌg は１．０［μｍ］とした。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の表面から２５［ｎｍ］下方に２ＤＥＧ１７のチャネルがあり、これがカソード電極１６（図９Ａおよび図９Ｂにおいては図示せず）とオーミック接触していると考える。アノード電極１５側の２ＤＥＧ１７もアノード電極１５とオーミック接触していると考える。図９Ａおよび図９Ｂにおいては、アノード電極１５と金属電極１４との全体がアノード電極と示されている。図９Ａ中では単にＧａＮと表記しているが、アンドープＧａＮ層１１の厚さは２．０［μｍ］とした。アンドープＧａＮ層１１、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２およびｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の誘電率はいずれもε＝１０とした。図９Ａおよび図９Ｂに示すように直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を設定した。図９Ａの（ｘ－ｚ）面（断面）に対称面を設定した。故に、計算結果はｙ方向の長さに比例する。
【0040】
図１０に計算により求められたＧａＮ系ダイオードの電位分布を示す。図１０中の一部（破線の円で囲った部分）の拡大図を図１１に示す。図１０および図１１においては、アノード電極に１［Ｖ］、カソード電極に０［Ｖ］を印加したときの等電位線が０．１２［Ｖ］間隔で描かれている。図１０から分かるように、アノード電極の下方の電位はｘ軸方向に沿って一様に分布している。図１０および図１１に示すように、アノード電極端と２ＤＥＧチャネル端付近では電位が急激に変化しており、この部分にフリンジ容量が存在していることが分かる。その容量値は次の通りである。
【0041】
計算したダイオードの面積は０．１［μｍ2 ］（０．１［μｍ］×１．０［μｍ］）であり、その０［Ｖ］－バイアス時の容量Ｃ0 は２．４０８×１０-5［ｐＦ］であった。ｙ軸方向にダイオードを拡張して面積を１０００［μｍ2 ］（１×１００［μｍ2 ］×１０本）に拡張すると容量は０．２４１［ｐＦ］となる。比較例として非特許文献１記載のＧａＮ系ショットキーダイオードを用い、この容量値を非特許文献１に報告された実測容量３．２［ｐＦ］と比較すると約７．５％である。また、非特許文献１において計算により求められた容量１．７７［ｐＦ］と比較すると約１４％となる。いずれも本ＧａＮ系ダイオードの０［Ｖ］－バイアス時の容量Ｃ0 は大幅に小さくなった。
【0042】
３．チャネル抵抗Ｒの考察
ダイオードの速度指標は時定数Ｃ0 Ｒ［ｓ］である。ただし、Ｒはダイオードのオン抵抗である。そこで、このＧａＮ系ダイオードのオン抵抗Ｒを見積もる。このＧａＮ系ダイオードの２ＤＥＧ１７の濃度ｎはｎ～１×１０13［ｃｍ-2］、移動度μ～１０００［ｃｍ2 ／Ｖｓ］＝１×１０3 ［ｃｍ2 ／Ｖｓ］である。シート抵抗Ｒs は１／（ｎｅμ）（ここでｅは単位電荷であり、１．６×１０-19 ［Ｃ］）で計算されるので、
Ｒs ＝１／（ｎｅμ）＝１／（１×１０13×１．６×１０-19 ×１×１０3 ）
＝１／（１．６×１０-3）
＝６２５［Ω／□］
である。
ダイオードの速度指標は時定数Ｃ0 Ｒ［ｓ］である。ただし、Ｒはダイオードのオン抵抗である。そこで、このＧａＮ系ダイオードのオン抵抗Ｒを見積もる。このＧａＮ系ダイオードの２ＤＥＧ１７の濃度ｎはｎ～１×１０13［ｃｍ-2］、移動度μ～１０００［ｃｍ2 ／Ｖｓ］＝１×１０3 ［ｃｍ2 ／Ｖｓ］である。シート抵抗Ｒs は１／（ｎｅμ）（ここでｅは単位電荷であり、１．６×１０-19 ［Ｃ］）で計算されるので、
Ｒs ＝１／（ｎｅμ）＝１／（１×１０13×１．６×１０-19 ×１×１０3 ）
＝１／（１．６×１０-3）
＝６２５［Ω／□］
である。
【0043】
このＧａＮ系ダイオードの実効的なフィンガー幅は非特許文献１と同じくＷg ＝１０００［μｍ］としているから、チャネル抵抗Ｒは
Ｒ＝Ｒs ×（Ｌg ／Ｗg ）＝（６２５×１）／１０００＝０．６２５［Ω］
となる。
Ｒ＝Ｒs ×（Ｌg ／Ｗg ）＝（６２５×１）／１０００＝０．６２５［Ω］
となる。
【0044】
従って、本ＧａＮ系ダイオードのＣＲ積は、
Ｃ0 Ｒ＝０．２４１［ｐＦ］×０．６２５［Ω］＝０．１５１［ｐｓ］
となる。
Ｃ0 Ｒ＝０．２４１［ｐＦ］×０．６２５［Ω］＝０．１５１［ｐｓ］
となる。
【0045】
これに対して、非特許文献１記載のＧａＮ系ショットキーダイオードのＣＲ積は、実測では、
ＣＲ＝３．２［ｐＦ］×４．３［Ω］＝１３．７［ｐｓ］
となり、計算では、
ＣＲ＝１．７７［ｐＦ］×４．３［Ω］＝７．６１［ｐｓ］
となり、本ＧａＮ系ダイオードのＣＲ積に比べて５０～９０倍も大きい。
ＣＲ＝３．２［ｐＦ］×４．３［Ω］＝１３．７［ｐｓ］
となり、計算では、
ＣＲ＝１．７７［ｐＦ］×４．３［Ω］＝７．６１［ｐｓ］
となり、本ＧａＮ系ダイオードのＣＲ積に比べて５０～９０倍も大きい。
【0046】
以上のことから、このＧａＮ系ダイオードは非特許文献１のＧａＮ系ショットキーダイオードよりも５０～９０倍程度高速である。しかも、このＧａＮ系ダイオードのチャネル抵抗Ｒは０．６２５［Ω］、非特許文献１のＧａＮ系ショットキーダイオードのチャネル抵抗Ｒは４．３［Ω］であるので、このＧａＮ系ダイオードは非特許文献１のショットキーダイオードに比べて４．３［Ω］／０．６２５［Ω］＝６．９倍電流を流すことができる。
【0047】
図４Ｂに関連して説明したｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３によるバンド引き上げ効果の検証を行った結果について説明する。
【0048】
サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により、厚さ２［μｍ］のアンドープＧａＮ層および厚さ２０［ｎｍ］、ｘ＝０．２１のアンドープのＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２を順次成長させた。こうして得られたエピタキシャル基板のシート抵抗を渦電流法により測定したところ、平均値で６１８［Ω／□］であった。移動度～１０００［ｃｍ2 ／Ｖｓ］であるので、２ＤＥＧ１７の濃度は約１×１０13［ｃｍ-2］である。
【0049】
このエピタキシャル基板上に更に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３を成長させた。ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のＩｎ組成ｙ＝０．２、厚さｔIn＝５［ｎｍ］、［Ｍｇ］＝１×１０20［ｃｍ-3］である。このエピタキシャル基板のシート抵抗を測定したところ、測定限界に近い平均値１８０［ｋΩ］となった。最も高い値は１．１［ＭΩ］となって定格測定限界を超えた。このことは、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の積層により２ＤＥＧ１７が枯渇したことを示している。
【0050】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上に島状のｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３が設けられ、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３上に金属電極１４が設けられていることにより、非動作時において、アンドープＧａＮ層１１とＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１２に形成される２ＤＥＧ１７がｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の下方の部分で枯渇している。このため、このＧａＮ系ダイオードの０［Ｖ］－バイアス時の容量は実質的にフリンジ容量のみとなることにより、従来のＧａＮ系ショットキーダイオードに比べて大幅な低減を図ることができ、それによってＧａＮ系ダイオードの超高速化を図ることができる。そして、金属電極１４とアノード電極１５とが互いに電気的に接続されていることにより、順方向立ち上がり電圧Ｖonが０［Ｖ］＜Ｖon＜１．０［Ｖ］、例えば０．３Ｖと従来のＧａＮ系ショットキーダイオードに比べて低いＧａＮ系ダイオードを容易に実現することができる。このようにＶonを低くすることができることにより、電力損失の低減を図ることができる。こうして電力損失の低減を図ることができることにより、ＧａＮ系ダイオードの高効率化を図ることができる。また、このＧａＮ系ダイオードは高耐圧である。そして、この高効率かつ超高速で高耐圧のＧａＮ系ダイオードを整流用ダイオードに用いることにより、高周波電波の受電装置および電力伝送システムの高性能化を図ることができる。
【0051】
【0052】
図１２に示すように、このＧａＮ系ダイオードにおいては、金属電極１４のカソード電極１６側の端部とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間に絶縁層２０が、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３とカソード電極１６との間の部分のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上に延在するように設けられている。絶縁層２０を構成する絶縁体は特に限定されず、必要に応じて選ばれるが、例えばＳｉＯ2 である。絶縁層２０の厚さは必要に応じて選ばれるが、例えば０．１［μｍ］以上０．４［μｍ］以下である。この場合、金属電極１４のカソード電極１６側の端部と２ＤＥＧ１７の端部との間の距離は、第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードに比べて、絶縁層２０の厚さの分だけ長くなっており、従って金属電極１４のカソード電極１６側の端部と２ＤＥＧ１７の端部との間の部分のフリンジ容量の低減を図ることができる。この場合、金属電極１４のカソード電極１６側の端部は一種のフィールドプレートとして機能する。その他のことは第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードと同様である。図２および図３に示す例において絶縁層２０を設けたものをそれぞれ図１３および図１４に示す。
【0053】
［ＧａＮ系ダイオードの製造方法］
一例として、図１４に示す構造を有するＧａＮ系ダイオードの製造方法について説明する。
一例として、図１４に示す構造を有するＧａＮ系ダイオードの製造方法について説明する。
【0054】
このＧａＮ系ダイオードの製造方法では、第１の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードの製造方法と同様に工程を進めてアノード電極１５およびカソード電極１６を形成し、続いてマスク層１１０をエッチングにより除去する。
【0055】
次に、例えば、全面にＳｉＯ2 膜を形成した後、このＳｉＯ2 膜をエッチングによりパターニングすることにより絶縁層２０を形成する。
【0056】
次に、アノード電極１５、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３および絶縁層２０のアノード電極１５側の端部を含むフィンガー状の領域に対応する部分に開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成し、続いて基板全面に真空蒸着法によりＴｉ膜およびＮｉ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ／Ｎｉ積層膜とともに除去し（リフトオフ）、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３、アノード電極１５および絶縁層２０のアノード電極１５側の端部上に跨がるフィンガー状の金属電極１４を形成する。この後、例えば、Ｎ2 ガス雰囲気中で５００℃、６０秒のＲＴＡを行う。こうして、図１５に示すように、ＧａＮ系ダイオードが製造される。
【0057】
こうして製造されるＧａＮ系ダイオードの各部のサイズなどの一例を示すと次の通りである。アンドープＧａＮ層１１の厚さは２［μｍ］、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２の厚さは２０［ｎｍ］、ｘは０．２１、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３の厚さは５［ｎｍ］、ｙは０．２、［Ｍｇ］＝１×１０20［ｃｍ-3］、アノード電極１５の幅は２［μｍ］、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３のフィンガー長Ｌg は１［μｍ］、カソード電極１６の幅は３［μｍ］、アノード電極１５とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間の隙間の幅は１［μｍ］、カソード電極１６とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間の隙間の幅は１［μｍ］、アノード電極１５、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３およびカソード電極１６のフィンガー幅Ｗg は０．１［ｍｍ］（１００［μｍ］）である。金属電極１４のカソード電極１６側の端部とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間の部分の絶縁層２０の厚さは０．２［μｍ］、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３上に延在する幅は０．３［μｍ］である。
【0058】
［ＧａＮ系ダイオードの特性］
図１６Ａおよび図１６Ｂに示すダイオード構造で、図９Ａおよび図９Ｂに示すダイオード構造と同様に条件を設定して容量計算を行った。ここで、図１６Ａは断面図、図１６Ｂは平面図である。
図１６Ａおよび図１６Ｂに示すダイオード構造で、図９Ａおよび図９Ｂに示すダイオード構造と同様に条件を設定して容量計算を行った。ここで、図１６Ａは断面図、図１６Ｂは平面図である。
【0059】
図１７に計算により求められた電位分布を示す。図１７の一部の拡大図を図１８に示す。図１７および図１８における等電位線は図９Ａおよび図９Ｂに示すダイオード構造と同様である。図９Ａおよび図９Ｂに示すダイオード構造と同様にアノード電極１５下の電位はｘ軸方向に沿って一様に分布しているが、図１７および図１８から分かるように、アノード電極１５端と２ＤＥＧ１７端付近の電位分布の拡大図では電位が急激に変化しており、フリンジ容量が存在していることが分かる。この構造では、フィンガー長Ｌg ＝１［μｍ］に対し容量値は１．３３×１０-5［ｐＦ］であった。フィンガー幅Ｗg ＝１００［μｍ］では、容量値はその１０００倍の１．３３×１０-2［ｐＦ］である。非特許文献１に記載のＧａＮ系ショットキーダイオードの面積に一致させるために６フィンガーとし、面積を６倍にするとＣ0 は１．３３×１０-2［ｐＦ］の６倍の０．０８０［ｐＦ］となる。また、チャネル抵抗Ｒは１／６となって２．２［Ω］である。従って、時定数Ｃ0 Ｒは０．０８０［ｐＦ］×２．２［Ω］＝０．１７［ｐｓ］となった。この時定数の値は非特許文献１に記載のＧａＮ系ショットキーダイオードの時定数の値に対して１／１００程度と極めて小さい。
【0060】
この第２の実施の形態によれば、金属電極１４のカソード電極１６側の端部とｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３との間に絶縁層２０を設けていることにより、第１の実施の形態に比べてより一層の容量の低減を図ることができ、ひいてはより高速のＧａＮ系ダイオードを得ることができる。そして、この高効率かつ超高速で高耐圧のＧａＮ系ダイオードを整流用ダイオードに用いて高性能の受電装置および電力伝送システムを実現することができる。
【0061】
〈第３の実施の形態〉
［受電装置］
第３の実施の形態による受電装置について説明する。この受電装置は受電回路にレクテナ回路を用いたものである。
［受電装置］
第３の実施の形態による受電装置について説明する。この受電装置は受電回路にレクテナ回路を用いたものである。
【0062】
この受電装置を図１９に示す。図１９に示すように、この受電装置は、高周波電波を受信するアンテナ２０１と、整流用ダイオード２０２と、整流用ダイオード２０２の前後に設けられた、高調波周波数のインピーダンスを所望の値にする高調波マッチングを行うマッチング回路２０３、２０４とからなるレクテナ回路を有する。アンテナ２０１は、特に限定されず、必要に応じて選ばれるが、例えば、ダイポールアンテナである。整流用ダイオード２０２は、第１または第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードからなる。
【0063】
この第３の実施の形態によれば、整流用ダイオード２０２として用いられる第１または第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードは第１または第２の実施の形態で説明したように高速動作が可能でしかも高効率で低消費電力であることから、低消費電力で高性能の受電装置を実現することができる。
【0064】
〈第４の実施の形態〉
［電力伝送システム］
第４の実施の形態による電力伝送システムについて説明する。この電力伝送システムは第３の実施の形態による受電装置を用いたものである。
［電力伝送システム］
第４の実施の形態による電力伝送システムについて説明する。この電力伝送システムは第３の実施の形態による受電装置を用いたものである。
【0065】
この電力伝送システムを図２０に示す。図２０に示すように、この電力伝送システムは、直流を高周波電波に変換するＤＣ／ＲＦ変換を行う送電回路３１０および高周波電波を直流に変換するＲＦ／ＤＣ変換を行う受電回路３２０を有する。受電回路３２０としては、第３の実施の形態による受電装置の受信回路と同様なレクテナ回路が用いられる。送電回路３１０はアンテナ３１１を有する。送電回路３１０は、直流を高周波電波に変換するＦ級増幅器３１２を有する。Ｆ級増幅器３１２としては、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ
ＨＥＭＴが用いられる。
ＨＥＭＴが用いられる。
【0066】
送電回路３１０のアンテナ３１１からＤＣ／ＲＦ変換により得られた高周波電波３３０が送信される。この高周波電波３３０は受電回路３２０のアンテナ２０１で受信され、レクテナ回路によるＲＦ／ＤＣ変換により直流に変換される。こうして、送電回路３１０から受電回路３２０に高周波電波電力伝送が行われる。
【0067】
この第４の実施の形態によれば、整流用ダイオード２０２として用いられる第１または第２の実施の形態によるＧａＮ系ダイオードは第１または第２の実施の形態で説明したように高速動作が可能でしかも高効率で低消費電力であることから、低消費電力で高性能の電力伝送システムを実現することができる。
【0068】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【0069】
例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、構造、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、形状、材料などを用いてもよい。
【符号の説明】
【0070】
１１…アンドープＧａＮ層、１２…Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層、１３…ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層、１４…金属電極、１５…ソース電極、１６…ドレイン電極、１７…２ＤＥＧ、１８…空乏化領域、１００…ベース基板、１１０…マスク層
【要約】
【課題】高効率かつ超高速のダイオードを提供する。
【解決手段】ダイオードは、アンドープＧａＮ層１１と、その上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）１２と、その上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）１３と、その上の金属電極１４と、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上に金属電極１４と電気的に接続されて設けられたアノード電極１５と、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上の、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３に関してアノード電極１５と反対側の部分に設けられたカソード電極１６とを有する。このダイオードにおいては、非動作時（０［Ｖ］－バイアス時）において、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１４の下方の部分を除いて、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２とアンドープＧａＮ層１１との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に２次元電子ガス１７が形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】ダイオードは、アンドープＧａＮ層１１と、その上のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ層（０＜ｘ＜１）１２と、その上の、島状の形状を有する、Ｍｇがドープされたｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層（０＜ｙ＜１）１３と、その上の金属電極１４と、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上に金属電極１４と電気的に接続されて設けられたアノード電極１５と、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２上の、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１３に関してアノード電極１５と反対側の部分に設けられたカソード電極１６とを有する。このダイオードにおいては、非動作時（０［Ｖ］－バイアス時）において、ｐ型Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ層１４の下方の部分を除いて、Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ層１２とアンドープＧａＮ層１１との間のヘテロ界面の近傍の部分におけるアンドープＧａＮ層１１に２次元電子ガス１７が形成されている。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】