特許 7516827 ｐｎ接合ダイオード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】ｐｎ接合ダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/861 20060101AFI20240709BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20240709BHJP

   H01L 21/329 20060101ALI20240709BHJP

   H01L 29/24 20060101ALI20240709BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20240709BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

H01L29/91 F

H01L29/91 H

H01L29/91 A

H01L29/91 C

H01L29/24

H01L21/28 301B

H01L29/44 S

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020069289

(22)【出願日】2020-04-07

(65)【公開番号】P2021166256

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2023-03-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100147555

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 公一

(74)【代理人】

【識別番号】100123593

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 宣夫

(74)【代理人】

【識別番号】100133835

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 努

(74)【代理人】

【識別番号】100208225

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 修二郎

(72)【発明者】

【氏名】加渡 幹尚

【審査官】戸川 匠

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１５５７６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１５０４５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０３６５９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｈ０１Ｌ ２９／８６８

Ｈ０１Ｌ ２１／３２９

Ｈ０１Ｌ ２９／２４

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２９／４１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードであって、
前記ｐ型ＮｉＯ半導体と前記ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部が、大気遮断部材によって被覆されており、
前記大気遮断部材は、ｐ型半導体層側電極であり、
前記大気遮断部材は、前記ｐ型ＮｉＯ半導体層の面及び側面から前記ｎ型Ｇａ _２ Ｏ _３ 半導体層との前記接合面の前記周縁部にわたって延在し、それによって前記周縁部全体を直接被覆している、
ｐｎ接合ダイオード。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ｐｎ接合ダイオードに関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１が開示するように、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードが知られている。

【0003】

ここで、ｐ型ＮｉＯ半導体とは、酸化ニッケル単結晶単体であるｐ型半導体又は酸化ニッケル単結晶にドーパントをドープさせたｐ型半導体である。また、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とは、酸化ガリウム単結晶単体であるｎ型半導体又は酸化ガリウム単結晶にドーパントをドープさせたｎ型半導体である。

【0004】

なお、ドーパントに関して、非特許文献１では、アクセプタとしてＬｉを、ドナーとしてＳｉ及びＳｎを、それぞれ挙げている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】Ｋｏｋｕｂｕｎ ｅｔ ａｌ．， “Ａｌｌ－ｏｘｉｄｅ ｐ－ｎ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉｏｄｅｓ ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ ｐ－ｔｙｐｅ ＮｉＯ ａｎｄ ｎ－ｔｙｐｅ β－Ｇａ２Ｏ３”， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｔｈｅ Ｊａｐａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１６， ９ ０９ １１０１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体直接とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードは、約２００℃の高温にさらされると、熱履歴によってダイオードの特性が変化して、抵抗率が低下するとの知見を、本発明者は得た。

【0007】

本開示は、抵抗率の低下が抑制された、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードであって、
前記ｐ型ＮｉＯ半導体と前記ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部が、大気遮断部材によって被覆されている、
ｐｎ接合ダイオード。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、抵抗率の低下が抑制された、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１の積層方向の断面図である。

【図2】図２は、本開示の実施形態とは異なるｐｎ接合ダイオード１’の積層方向の断面図である。

【図3】図３は、実施例１のｐｎ接合ダイオードの、熱処理なし、２００℃処理後、及び４００℃処理後における電圧（Ｖ）と電流密度（Ａ／ｃｍ^２）との関係を示すグラフである。

【図4】図４は、比較例１のｐｎ接合ダイオードの、熱処理なし、２００℃処理後、及び４００℃処理後における電圧（Ｖ）と電流密度（Ａ／ｃｍ^２）との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

【0012】

本開示のｐｎ接合ダイオードは、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードであって、上記ｐ型ＮｉＯ半導体と上記ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部が、大気遮断部材によって被覆されている、ｐｎ接合ダイオードである。

【0013】

本開示のｐｎ接合ダイオードは、ｐ型ＮｉＯ半導体側にｐ型半導体側電極を、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体側にｎ型半導体側電極を更に有していることができる。

【0014】

本開示のｐｎ接合ダイオードは、例えばｐ型半導体層側電極層、ｐ型ＮｉＯ半導体層、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層、及びｎ型半導体層側電極層がこの順に積層された構成を有していることができる。この場合において、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層は、ｐ型ＮｉＯ半導体層側から順に、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層及びｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体基板層であってよい。なお、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層は、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体基板層上にＧａ_２Ｏ_３をエピタキシャル成長させることによって形成された層である。

【0015】

図１は、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１の積層方向の断面図である。

【0016】

図１に示すように、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１は、ｐ型半導体層側電極層１０、ｐ型ＮｉＯ半導体層２０、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層３０、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体基板層４０、及びｎ型半導体層側電極層５０がこの順に積層された構造を有している。ここで、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１では、ｐ型半導体層側電極層１０がｐ型ＮｉＯ半導体層２０の面からその側面を通ってｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層３０との接合部の周縁部６０まで覆っている。すなわち、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１では、ｐ型半導体層側電極層１０が大気遮断部材の役割を兼ねている。

【0017】

なお、図１は、本開示のｐｎ接合ダイオードを限定する趣旨ではない。

【0018】

原理によって限定されるものではないが、本開示のｐｎ接合ダイオードの抵抗率の低下が抑制される原理は、以下のとおりである。

【0019】

上記のとおり、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体とが直接に接合されているｐｎ接合ダイオードは、約２００℃の高温にさらされると、熱履歴によってダイオードの特性が変化して、抵抗率が低下する。この理由は、高温条件においてｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部分、すなわち大気に露出している部分が大気中の酸素と反応して欠陥が解消されることによると考えられる。

【0020】

より具体的には、図２に示すように、本開示の実施形態とは異なるｐｎ接合ダイオード１’では、ｐ型ＮｉＯ半導体層２０とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層３０との接合面の周縁部６０は露出しており、大気に曝されている。本開示の実施形態とは異なるｐｎ接合ダイオード１’が約２００℃の高温に曝されると、ｐ型ＮｉＯ半導体層２０とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層３０との接合面の周縁部６０が大気中の酸素と反応して欠陥が解消される。これにより、ｐｎ接合ダイオード１’の特性が変化して、抵抗率が低下する。

【0021】

これに対して、本開示では、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部分を、酸素の透過率が低い大気遮断部材で被覆して、接合面の周縁部分の大気中の酸素への接触を抑制し、それによって接合面の周縁部分と大気中の酸素との反応を抑制している。これにより、本開示のｐｎ接合ダイオードの抵抗率の低下が抑制される。

【0022】

より具体的には、例えば、図１に示すように、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１では、ｐ型ＮｉＯ半導体層とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層との接合面の周縁部６０が、ｐ型半導体層側電極層１０によって被覆されており、ｐ型ＮｉＯ半導体層とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層との接合面の周縁部６０の大気中の酸素との接触が抑制されている。これにより、本開示の実施形態に従うｐｎ接合ダイオード１の抵抗率の低下が抑制される。

【0023】

《ｐ型ＮｉＯ半導体》
ｐ型ＮｉＯ半導体は、酸化ニッケル単結晶単体であるｐ型半導体又は酸化ニッケル単結晶にドーパントをドープさせたｐ型半導体である。

【0024】

酸化ニッケル単結晶にドープされるドーパントとしては、公知のものを用いることができるが、例えばＬｉであってよい。

【0025】

ｐ型ＮｉＯ半導体は、例えばｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体上に結晶成長させることで形成することができる。結晶成長は、例えばゾルーゲルスピンコーティング法や高周波スパッタリング等によって行うことができる。

【0026】

《ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体》
ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体は、酸化ガリウム単結晶単体であるｎ型半導体又は酸化ガリウム単結晶にドーパントをドープさせたｎ型半導体である。

【0027】

酸化ガリウム単結晶にドープされるドーパントとしては、半導体の製造に使用される公知のものを用いることができるが、例えばＳｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、及びＦｅからなる群より選択される少なくとも一つであってよい。

【0028】

ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体は、任意の手法で作製した酸化ガリウム単結晶にドーパントをドープしたものを用いることができる。酸化ガリウム単結晶は、α－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、β－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、または他の結晶構造を有するＧａ_２Ｏ_３単結晶であることができ、好ましくはβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶である。

【0029】

酸化ガリウム単結晶へのドーパントのドープは、公知の方法、例えばイオン注入法によって行ってよい。

【0030】

また、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体は、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体基材上にｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層が形成されたものであってよい。

【0031】

《大気遮断部材》
大気遮断部材は、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部を被覆することによって、当該周縁部を大気中の酸素から遮断するための部材である。

【0032】

大気遮断部材は、ｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合面の周縁部を被覆することができ、かつ約２００℃の高温条件において安定な任意の材料であってよい。

【0033】

大気遮断部材の材料としては、例えば金属材料又はシリコン材料等を挙げることができるが、これらに限定されない。

【0034】

大気遮断部材は、例えばｐ型半導体層側電極を兼ねていてよく、この場合、ｐ型ＮｉＯ半導体上に配置されているｐ型半導体層側電極がｐ型ＮｉＯ半導体の表面からｐ型ＮｉＯ半導体とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体との接合部の周縁部にわたって延在している構成を挙げることができる。

【実施例】

【0035】

《実施例１及び比較例１》
〈実施例１〉
以下のようにして、実施例１のｐｎ接合ダイオードを作製した。

【0036】

ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層として、市販のβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板を用意した。このβ－Ｇａ_２Ｏ_３単結晶基板は、主面が（００１）面であり、主面上にＧａ_２Ｏ_３単結晶のエピタキシャル層が形成されていた。なお、エピタキシャル層の厚さは９．６μｍであり、エピタキシャル層におけるキャリアの密度は２．１×１０^１６ｃｍ^－３であった。また、基板の厚さは６５０μｍであり、基板におけるキャリアの密度は５．０×１０^１８ｃｍ^－３であった。

【0037】

ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層のエピタキシャル層側に、高周波スパッタリングによってｐ型ＮｉＯ半導体層を形成して、ｐｎ接合ダイオードを形成した。なお、高周波スパッタリングの条件は、出力が２００Ｗ、成膜温度が室温、雰囲気が酸素、気圧が０．２Ｐａであった。

【0038】

その後、ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層側に、ｎ型半導体側電極層としてのＴｉ／Ａｌ合金層を成膜し、成膜後に４５０℃でアニール処理を行った。

【0039】

また、形成したｐｎ接合ダイオードのｐ型ＮｉＯ半導体層側に、ｐ型ＮｉＯ半導体層の面及び側面からｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層のエピタキシャル層との接合面の周縁部全体を被覆するようにして、ｐ型半導体側電極層としてのＰｔ層を成膜した。

【0040】

〈比較例１〉
ｐ型ＮｉＯ半導体層の面のみを覆うようにしてＰｔ層を製膜したことを除いて、実施例１と同様にして比較例１のｐｎ接合ダイオードを作製した。

【0041】

〈熱耐久試験〉
実施例１及び比較例１のｐｎ接合ダイオードについて、それぞれ熱処理なし、窒素雰囲気で２００℃、５分間の熱処理を行った後、及び窒素雰囲気で４００℃、５分間の熱処理を行った後における、順方向特性を比較した。

【0042】

なお、実施例１及び比較例１のｐｎ接合ダイオードの順方向特性は、各例のｐｎ接合ダイオードそれぞれについて、順方向バイアスをかけたときの電圧と電流密度との関係を測定することによって評価した。

【0043】

〈結果〉
実施例１及び比較例１のｐｎ接合ダイオードの、熱処理なし、窒素雰囲気で２００℃、５分間の熱処理を行った後、及び窒素雰囲気で４００℃、５分間の熱処理を行った後における、順方向特性の評価結果を、図３及び４のグラフに示した。

【0044】

図３に示すように、実施例１のｐｎ接合ダイオードでは、熱処理なしと熱処理後との間において順方向特性の変化はほとんど見られなかった。

【0045】

これに対して、図４に示すように、比較例１のｐｎ接合ダイオードでは、熱処理なしの場合と比較して、熱処理後の場合では電圧（Ｖ）に対する電流密度（Ａ／ｃｍ^２）が高くなっており、抵抗率が低下したことを示している。

【符号の説明】

【0046】

１及び１’ ｐｎ接合ダイオード
１０ ｐ型半導体層側電極層
２０ ｐ型ＮｉＯ半導体層
３０ ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体エピタキシャル層
４０ ｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体基板層
５０ ｎ型半導体層側電極層
６０ ｐ型ＮｉＯ半導体層とｎ型Ｇａ_２Ｏ_３半導体層との接合面の周縁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】