二极管装置的制造方法
【专利说明】二极管装置
[0001]本申请是申请日为2009年2月27日、申请号为200980110742.7、发明名称为“半导体装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种由传导杂质的能级位于比与动作温度相对应的热激发能更深的位置处的半导体材料形成的半导体装置。
【背景技术】
[0003]以往，已知一种利用金刚石半导体形成pn结二极管的技术(参照非专利文献I)。在金刚石半导体中，传导杂质的能级位于比与动作温度相对应的热激发能更深的位置处。具体地说，能级最浅的受主(acceptor)和施主(donor)分别是B (硼)和P (磷)，但是B和P的能级分别是0.37eV和0.6eV，比标准状态的热激发能0.026eV大I位以上。因此，在金刚石半导体中无法得到较高的载流子密度，从而电阻值变得非常大，因此很难使高密度的电流流过由金刚石半导体形成的pn结元件。具体地说，在非专利文献I所公开的金刚石pn二极管中，电流密度最大也就是几A/cm2(8V)左右，这是比由碳化硅形成的pn结二极管等低2位以上的值。
[0004]本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够使高密度的电流流过的半导体装置。
[0005]非专利文献1:M.Kubovic et al., Diamond&Related Materials, Vol.16(2007)pp.1033-1037
【发明内容】
[0006]本发明所涉及的半导体装置将具有第一导电型的第一半导体和具有与第一导电型不同的第二导电型并且杂质浓度高于第一半导体的杂质浓度的第二半导体层进行接合，以与第一半导体层整流接触的方式形成第一电极，并且以与第二半导体层欧姆接触的方式形成第二电极。
【附图说明】
[0007]图1是表示本发明的第一实施方式的接合元件的结构的示意图。
[0008]图2是用于说明图1所示的接合元件的动作原理的能带(Energie band)图。
[0009]图3是表示本发明的第二实施方式的接合元件的结构的示意图。
[0010]图4是用于说明图3所示的接合元件的制造方法的流程的截面工序图。
[0011]图5是表示图3所示的接合元件的电流-电压特性的图。
[0012]图6是表示图3所示的接合元件的正向电流密度-电压特性的图。
[0013]图7示出对图3所示的接合元件正向施加电压时的发光特性。
[0014]图8是表示本发明的第三实施方式的接合元件的结构的示意图。
[0015]图9是表示图8所示的接合元件的电流-电压特性的图。
[0016]图10是表示本发明的第四实施方式的接合元件的结构的示意图。
[0017]图11是用于说明图10所示的接合元件的制造方法的流程的截面工序图。
[0018]图12是表示本发明的第五实施方式的接合元件的结构的示意图。
[0019]图13是用于说明图12所示的接合元件的制造方法的流程的截面工序图。
【具体实施方式】
[0020]以下，参照【附图说明】本发明的实施方式的半导体装置的结构。此外，以下参照的附图是示意图，要注意厚度与平面尺寸的关系、各层厚度的比例等与实际不同。S卩，具体的厚度、平面尺寸要参照以下的说明进行判断。另外，当然附图相互之间也包含相互的尺寸关系、比例不同的部分。另外，下面，以将本发明应用到由金刚石半导体形成的pn结二极管的情况为例进行说明，这是权宜的选择，本发明能够应用到例如氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)等施主能级和受主能级中的至少一方位于比与动作温度相对应的热激发能更深的位置处的所有半导体材料。另外，即使是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)Jf (Ge)等在室温条件下具有较浅的杂质能级的材料，在热激发能变得足够低的低温条件下使其进行动作时也能够应用本发明。此外，在以下的说明中，在事先没有特别说明的情况下，将在半导体衬底上形成了外延层、其它的膜、电极的结构称为“金刚石衬底”或者简称为“衬底”。
[0021][第一实施方式]
[0022][接合元件的结构]
[0023]首先，参照图1说明本发明的第一实施方式的接合元件的结构。图1是表示本发明的第一实施方式的接合元件的结构的示意图。
[0024]如图1所示，本发明的第一实施方式的接合元件I具备第一导电型的半导体层2、与半导体层2相接合的第二导电型的半导体层3、与半导体层2整流接触(肖特基接触)的电极层4以及与半导体层3欧姆接触的电极层5。在本实施方式中，利用η型的金刚石半导体形成半导体层2。利用P型的金刚石半导体形成半导体层3。半导体层3的杂质浓度被设定成高于半导体层2的杂质浓度。此外，期望将半导体层3的杂质浓度设定成比半导体层2的杂质浓度高I位以上。另外，设半导体层2的传导杂质的能级(在本实施方式中是施主能级)位于比与接合元件I的动作温度相对应的热激发能更深的位置(所谓的深能级(deep level)) ο另外，设半导体层2是η型半导体，半导体层3是ρ型半导体，但是也可以半导体层2是ρ型半导体，半导体层3是η型半导体。
[0025]作为构成电极层4和电极层5的材料，可以自由地选择各自适合的材料，但是根据本发明，能够由相同的材料形成电极层4和电极层5。即，在一般已知的pn结型二极管的情况下，两个传导层都要求低电阻的欧姆接触。可是，对于如金刚石那样的宽带隙半导体，在与一方的导电型传导层的接触中呈现低接触电阻的电极材料在与另一方的导电型传导层的接触中呈现较强的整流性而无法得到低电阻。相对于此，本发明所涉及的接合元件是将一方的电极设为欧姆接触、将另一方的电极设为肖特基接触的结构，因此利用一种电极材料能够容易地实现与P层、η层的同时接触。作为适于这种同时接触的材料能够例示钛(Ti)。Ti对于半导体层3呈现低电阻(欧姆特性)，对于半导体层2呈现理想的整流性(肖特基特性)。因而，期望利用相同的材料形成电极层4和电极层5。由此，还能够缩短电极的形成工艺，提高产量，降低制造成本。
[0026]形成电极层4和电极层5的材料除了上述Ti以外，也可以是铝(Al)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、钼(Pt)等，还可以是由含有这些元素的两种以上的元素构成的合金、这些元素的碳化物、氮化物以及硅化物。用于良好地形成两个电极的要点在于进行材料设计并优化成膜条件使得电极层5的接触电阻最小。这样得到的电极对于电极层4也自动优化，在电极层4中呈现非常好的整流性。
[0027][接合元件的动作原理]
[0028]接着，参照图2的(a)?(d)说明本发明的第一实施方式的接合元件I的动作原理。图2的(a)?(d)示出本发明的第一实施方式的接合元件I的能带图，图中的黑圆点和白圆点分别表示与传导有关的电子和空穴。
[0029]图2的(a)示出在零偏压时被置于热平衡状态的接合元件I的能带图。如图所示，在零偏压且处于热平衡状态时，在半导体层2的左侧由于肖特基接触而形成宽度Wsb的耗尽层，在半导体层2的右侧由于半导体层2和半导体层3相接合形成的png (双极性结)而形成宽度Wpni+Wpn2的耗尽层。W PN1和W PN2表示从pn结的结点分别向半导体层2和半导体层3延伸的耗尽层的宽度。另外，在半导体层2的两个耗尽层之间形成宽度W1的中性区域，在中性区域的导带和较深的施主能级处存在电子。另外，在半导体层3的中性区域的价带处存在空穴。此外，图中将半导体层3的受主能级设为较浅的能级进行了图示，但是在能级较深的情况下，在受主能级处也存在空穴。
[0030]图2的(b)示出施加正向电压Vf时的接合元件I的能带图。如图所示，半导体层2的导带处所存在的传导电子被移出到半导体层3，与空穴重新结合而消失。另一方面，半导体层3的空穴扩散至半导体层2中。并且，一部分空穴在正向施加电压的初期与较深的施主能级的束缚传导电子重新结合而消失，但是大多数空穴不与传导电子重新结合而消失，而是通过半导体层2，在电极层4的扩散电位与正向电压％的合成电场中缓慢加速并到达电极层4。另一方面，存在于电极层4中的电子被电极层4与半导体层2之间的肖特基势皇遮挡而无法侵入到半导体层2中。也就是说，在正向施加电压的状态下，无法向半导体层2注入电子而使半导体层2整个区域耗尽，结果是对于作为少数载流子的空穴起到良导体的作用。
[0031]由于半导体层2具有如上所述的传导机构，因此能够将半导体层3的杂质浓度设定成比半导体层2的杂质浓度高。因此，也能够相应地实现半导体层3的低电阻化，能够将半导体层3的杂质浓度设为119?102°/cm3左右。这样，根据本发明的第一实施方式的接合元件1，能够在正向特性中实现极