DE10049354B4

DE10049354B4 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10049354B4
Application number: DE10049354A
Authority: DE
Inventors: Noritoshi Hirano; Katsumi Satoh
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2020-10-06
Also published as: JP2001210651A; JP4080659B2; US6388306B1; DE10049354A1; CH695808A5

Abstract

Halbleiterbauelement, das folgendes aufweist:
– eine erste Halbleiterschicht (103) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;
– eine zweite Halbleiterschicht (101) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist, wobei die zweite Halbleiterschicht (101) eine geringere Störstellenkonzentration vom ersten Leitfähigkeitstyp als die erste Halbleiterschicht (103) hat;
– eine dritte Halbleiterschicht (102) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der zweiten Halbleiterschicht (101) ausgebildet ist;
– eine erste Hauptelektrode (104), die über der dritten Halbleiterschicht (102) ausgebildet ist; und
– eine zweite Hauptelektrode (105), die unter der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtdicke der zweiten Halbleiterschicht (101) so eingestellt ist, daß sie sowohl einer ersten Bedingung genügt, daß eine Verarmungsschicht, die sich von einem PN-Übergang an einer Grenzfläche zwischen der zweiten Halbleiterschicht (101) und der dritten Halbleiterschicht (102) erstreckt, die erste Halbleiterschicht (103) nicht erreicht, wenn an die erste und die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, wie etwa eine Diode mit einem PN-Übergang, die eine hohe Durchbruchspannung und eine schnelle Sperrverzögerungs-Charakteristik haben muss. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dioden müssen eine hohe Durchbruchspannung und eine schnelle Sperrverzögerungs-Charakteristik als Rückflussdioden oder Spannungsbegrenzungsdioden haben, die in Anwendungen als Hochspannungs-Schalteinrichtung, wie etwa bei IGBT (Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode) und GCT (umgepolten Abschaltthyristoren) benötigt werden.

13 ist eine Querschnittansicht, die eine Schnittstruktur einer herkömmlichen üblichen Diode zeigt, die den oben genannten Anforderungen genügt. Eine derartige Diode ist zum Beispiel aus der DE 34 35 464 A1 bekannt. Wie dieses Schema zeigt, ist eine N^–-Schicht 601 als Halbleitersubstrat aus Silicium usw. auf einer N⁺-Schicht 603 gebildet, und eine P-Schicht 602 ist auf der N^–-Schicht 601 gebildet. Die Konzentration der N-leitenden Störstelle ist in der N⁺-Schicht 603 höher als in der N^–-Schicht 601.

Eine Anoden-Elektrode 604 aus einem Metall mit niedrigem Widerstand ist auf der P-Schicht 602 gebildet, und eine Kathoden-Elektrode 605, die ebenso wie die Anoden-Elektrode 604 aus einem Metall mit niedrigem Widerstand besteht, ist unter der N⁺-Schicht 603 gebildet. Die Lebensdauer im Bereich des PN-Übergangs wird durch Protonenbestrahlung usw. eingestellt, und es wird ein Trägerrekombinationszentrum gebildet. Die Lebensdauer im gesamten Halbleitersubstrat wird durch Techniken, wie z.B. das Diffundieren von Edelmetall, Bestrahlen mit Elektronenstrahlen usw. eingestellt und verkürzt.

Wenn an eine Diode, in der ein Strom in Durchlaßrichtung fließt, eine Vorspannung in Sperrichtung durch momentanes Schalten einer externen Schaltung angelegt wird, erreicht der Strom einmal Null, baut sich jedoch nicht sofort in der Sperrichtung aufgrund der Ansammlung von Minoritätsträgern in der Diode auf, und für einen bestimmten Zeitraum fließt übergangsweise ein großer Rückwärtsstrom (ein Strom, der eine Stromabnahmerate hat, die durch den Wert der Vorspannung in Sperrichtung und die Induktivität der externen Schaltung bestimmt ist). Dieser Rückwärtsstrom fließt, bis die überschüssigen Träger im Bereich des PN-Übergangs unter eine bestimmte Konzentration reduziert sind und eine Verarmungsschicht gebildet ist.

Wenn eine Verarmungsschicht gebildet ist, beginnt sich eine Sperrspannung zu entwickeln; die Sperrspannung steigt allmählich an, während sich die Verarmungsschicht ausdehnt und der Rückwärtsstrom allmählich abnimmt. Dann wird die Spannung des Bauelements stabil und gleich der angelegten Sperrspannung, und damit ist der Vorgang der Sperrverzögerung beendet.

Bei einer herkömmlichen Diode, die einen Aufbau wie diejenige von 13 hat, wird die Lebensdauer im Bereich des PN-Übergangs lokal eingestellt und verkürzt, um die Eigenschaften einer niedrigen Durchlaßspannung, eines kleinen Sperrverzögerungsstroms (Maximalwert des Rückwärtsstroms) und eine hohe di/dt-Festigkeit (Maximalwert der Stromabnahmerate di/dt, der ohne Beschädigung der Diode gegeben werden kann) zu realisieren

Wenn jedoch die Vorspannung in Sperrichtung bei dem Vorgang der Sperrverzögerung hoch ist, schwingt die angelegte Spannung der Diode sehr schnell und erzeugt so ein starkes Rauschen, daß dadurch eine Fehlfunktion der peripheren elektrischen Einrichtungen verursacht werden kann. Es wird angenommen, daß dieses Spannungsschwingen in der Diode wie unten angegeben hervorgerufen wird.

Eine Diode im Sperrverzögerungs-Betrieb hat eine Kapazitätskomponente, die durch die Verarmungsschicht und überschüssige Ladungsträger als Parameter definiert ist, und eine Widerstandskomponente, die durch die angelegte Spannung, den Leckstrom und den Rekombinationsstrom der überschüssigen Ladungsträger als Parameter definiert ist.

Die Widerstandskomponente, die Kapazitätskomponente und die Induktivitätskomponente der externen Schaltung zum Anlegen der Sperrspannung bilden eine LCR-Serienschaltung. Die Kapazitätskomponente und die Widerstandskomponente der Diode sind zeitlich veränderlich. Die Widerstandskomponente steigt rasch an, wenn die überschüssigen Ladungsträger außerhalb der Verarmungsschicht verschwunden sind, und der Eigenschwingungszustand der LCR-Serienschaltung wird erreicht, und Spannungsschwingen tritt auf. Die Widerstandskomponente verändert sich rasch und bewirkt ebenfalls Spannungsschwingen, wenn die Verarmungsschicht die N⁺-Schicht 603 erreicht.

Die Erfindung hat zum Ziel, das oben angegebene Problem zu lösen, und die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das einen PN-Übergang hat, der Spannungsschwingungen unterdrücken kann, ohne daß dies nachteilige Auswirkungen hervorruft.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weißt ein Halbleiterbauelement folgendes auf: eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine zweite Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, der auf der ersten Halbleiterschicht gebildet ist, wobei die zweite Halbleiterschicht eine geringere Störstellenkonzentration vom ersten Leitfähigkeitstyp als die erste Halbleiterschicht hat; eine dritte Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der zweiten Halbleiterschicht gebildet ist; eine erste Hauptelektrode, die über der dritten Halbleiterschicht gebildet ist; und eine zweite Hauptelektrode, die unter der ersten Halbleiterschicht gebildet ist. Das Halbleiterelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der zweiten Halbleiterschicht so eingestellt ist, daß sie sowohl eine erste Bedingung erfüllt, daß eine Verarmungsschicht, die sich von einem PN-Übergang an einer Grenzschicht zwischen der zweiten Halbleiterschicht und der dritten Halbleiterschicht erstreckt, die erste Halbleiterschicht nicht erreicht, wenn an die erste und die zweite Hauptelektrode eine Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Sperrfähigkeit des PN-Übergangs für die Spannung in Rückwärtsrichtung angelegt wird, und eine zweite Bedingung erfüllt, daß die von dem PN-Übergang ausgehende Verarmungsschicht die erste Halbleiterschicht erreicht, wenn an die erste und die zweite Hauptelektrode eine Sperrspannung angelegt wird, die ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit überschreitet.

Bevorzugt umfaßt in dem Halbleiterbauelement gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung die erste Hauptelektrode eine direkt auf der dritten Halbleiterschicht gebildete Hauptelektrode, und die zweite Hauptelektrode umfaßt eine direkt an der Unterseite der ersten Halbleiterschicht gebildete Hauptelektrode.

Das Halbleiterbauelement gemäß dem zweiten Aspekt sieht eine Diode vor, die einen guten Ausgleich zwischen der Durchlaß spannungs-Abnahme und der Unterdrückung der Spannungsschwingung erreichen kann.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung weist das Halbleiterbauelement ferner bevorzugt folgendes auf: eine vierte Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die unter der ersten Halbleiterschicht gebildet ist, wobei die erste Hauptelektrode eine direkt auf der dritten Halbleiterschicht gebildete Hauptelektrode aufweist und die zweite Hauptelektrode eine direkt an der Unterseite der vierten Halbleiterschicht gebildete Hauptelektrode aufweist.

Das Halbleiterbauelement gemäß dem dritten Aspekt sieht einen Transistor vor, der einen guten Ausgleich zwischen der Durchlaßspannungs-Abnahme und der Unterdrückung der Spannungsschwingung erreichen kann.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung weist das Halbleiterbauelement ferner bevorzugt folgendes auf: eine vierte Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die unter der ersten Halbleiterschicht gebildet ist; und eine fünfte Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der dritten Halbleiterschicht gebildet ist, wobei die erste Hauptelektrode eine direkt auf der fünften Halbleiterschicht gebildete Hauptelektrode aufweist und die zweite Hauptelektrode eine direkt an der Unterseite der vierten Halbleiterschicht gebildete Hauptelektrode aufweist.

Das Halbleiterbauelement gemäß dem vierten Aspekt sieht einen Thyristor vor, der einen guten Ausgleich zwischen der Durchlaßspannungs-Abnahme und der Unterdrückung der Spannungsschwingung erreichen kann.

Bevorzugt weist bei dem Halbleiterbauelement gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung die dritte Halbleiterschicht eine Vielzahl von Halbleiterbereichen auf, die selektiv in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht gebildet sind, und die erste Hauptelektrode weist eine Vielzahl von Teilelektroden auf, die jeweils auf der Vielzahl von Halbleiterbereichen gebildet sind.

Bei dem Halbleiterbauelement gemäß dem fünften Aspekt bildet die Vielzahl von Halbleiterbereichen PN-Übergänge an ihren jeweiligen Seiten mit der ersten Halbleiterschicht, so daß eine Diode mit verbesserter Durchbruchspannung erhalten wird.

Bevorzugt ist bei dem Halbleiterbauelement gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung die Lebensdauer im Bereich der Grenzschicht zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterschicht kürzer eingestellt als die Lebensdauer im Bereich der Grenzschicht zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht.

Bei dem Halbleiterbauelement gemäß dem sechsten Aspekt bewirkt das Einstellen der kurzen Lebensdauer im Bereich der Grenzschicht zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterschicht (im Bereich des PN-Übergangs) die Unterdrückung der Ausdehnung der Verarmungsschicht von dem PN-Übergang, so daß die zweite Halbleiterschicht dünner ausgebildet werden kann.

Bevorzugt umfaßt gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung bei dem Halbleiterbauelement die zweite Bedingung eine Bedingung, daß die von dem PN-Übergang ausgehende Verarmungsschicht die erste Halbleiterschicht erreicht, wenn an die erste und die zweite Hauptelektrode eine Sperrspannung angelegt wird, die gleich der Spannungs-Sperrfähigkeit ist.

Das Halbleiterbauelement gemäß dem siebten Aspekt nutzt eine Spannung, die gleich der Spannungs-Sperrfähigkeit ist, als die Sperrspannung für die zweite Bedingung, so daß eine Struktur erhalten wird, die an eine tatsächliche Konstruktion angepaßt ist.

Bevorzugt ist gemäß einem achten Aspekt der Erfindung in dem Halbleiterbauelement die Störstellenkonzentration der zweiten Halbleiterschicht so eingestellt, da sie einer dritten Bedingung genügt, daß das elektrische Feld, das auf die Verarmungsschicht wirkt, wenn eine Vorspannung in Sperrichtung gleich der Spannungs-Sperrfähigkeit eingestellt ist, einen tatsächlichen Nutzpegel hat, der nicht größer als eine vorbestimmte Feldstärke ist.

Bei dem Halbleiterbauelement gemäß dem achten Aspekt ist die Störstellenkonzentration der zweiten Halbleiterschicht so eingestellt, daß das auf die Verarmungsschicht wirkende elektrische Feld einen tatsächlichen Nutzwert hat, der nicht höher als eine vorbestimmte Feldstärke ist, wenn eine der Spannungs-Sperrfähigkeit entsprechende Vorspannung in Sperrichtung eingestellt ist, und daher tritt im tatsächlichen Betrieb kein Problem auf.

In dem Halbleiterbauelement ist gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung bevorzugt der erste Leitfähigkeitstyp der N-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp der P-Typ.

Wie oben beschrieben, ist bei dem Halbleiterbauelement gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Schichtdicke der zweiten Halbleiterschicht so eingestellt, daß sie der ersten Bedingung genügt. Es ist daher möglich, die Spannungsschwingung mit Sicherheit zu unterdrücken, die auftreten würde, wenn die Verarmungsschicht die erste Halbleiterschicht erreicht, wenn eine Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit, die im Sperrverzögerungs-Betrieb allgemein angewandt wird, angelegt wird.

Außerdem ist die Schichtdicke der zweiten Halbleiterschicht ebenfalls so eingestellt, daß sie der zweiten Bedingung genügt, so daß die Einschaltspannung auf einem geeigneten Pegel niedrig gehalten werden kann.

Es ist infolgedessen möglich, die Abnahme der Durchlaßspannung und die Unterdrückung der Spannungsschwingung vorteilhaft auszugleichen.

Diese und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Schichtdicke der N^–-Schicht in einer Struktur der Erfindung und der Einschaltspannung zeigt;

2 ein Diagramm, das den Prozentsatz der Ausdehnung der Verarmungsschicht in der N^–-Schicht und das Ausmaß der Spannungsschwingung zeigt, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, die 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit überschreitet;

3 ein Wellenformdiagramm, das eine Änderung der Vorspannung in Sperrichtung in einer Diode während eines Sperrverzögerungsvorgangs zeigt;

4 ein erläuterndes Diagramm, das einen Aspekt der Struktur der Erfindung zeigt;

5 ein erläuterndes Diagramm, das einen Aspekt einer Diode mit herkömmlicher PIN-Struktur zeigt;

6 ein erläuterndes Diagramm, das einen Aspekt einer Diode mit PN-Übergangsstruktur zeigt; 7 ein Diagramm, das den Prozentsatz der Einschaltspannung und den Prozentsatz der Spannungsschwingung bei der Struktur der Erfindung, der PIN-Struktur und der PN-Übergangsstruktur zeigt;

8 eine Querschnittsansicht, die die Struktur des Halbleiterbauelements gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

9 eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

10 eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

11 eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

12 eine Querschnittsansicht, die die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und

13 eine Querschnittsansicht, die im Schnitt die Struktur einer herkömmlichen gewöhnlichen Diode zeigt.

Die Grundstruktur der Erfindung ist eine Dreischichtstruktur aus einer P-Schicht, einer N^–-Schicht und einer N⁺-Schicht.
In der noch zu beschreibenden Struktur der ersten bevorzugten Ausführungsform entsprechen die P-Schicht 102, die N^–-Schicht 101 und die N⁺-Schicht 103, die in 8 gezeigt sind, der P-Schicht bzw. der N^–-Schicht bzw. der N⁺-Schicht.
Wenn an diesen Grundstruktur-Diodenbereich (PN-Übergang) ein Sperrverzögerungsvorgang (der Vorgang des Erholens der Sperrspannungs-Sperrfähigkeit, wenn der PN-Übergang aus einem in Durchlaßrichtung leitenden Zustand in einen Rückwärtsrichtungs-Sperrzustand umgeschaltet wird) angelegt wird, ändert sich die Widerstandskomponente sehr schnell, wenn die in der Grundstruktur ausgebildete Verarmungsschicht die N⁺-Schicht erreicht, so daß eine Spannungsschwingung ausgelöst wird.
Diese Spannungsschwingung kann verhindert werden, indem die Schichtdicke der N^–-Schicht so vergrößert wird, daß die Verarmungsschicht, die sich in der N^–-Schicht vom PN-Übergang zwischen der P-Schicht und der N^–-Schicht ausbreitet, die N⁺-Schicht nicht erreicht. Wenn die N^–-Schicht jedoch einfach nur dicker gemacht wird, wird die Schichtdicke der N^–-Schicht (die Waferdicke) groß und führt zu einer Erhöhung der Spannung im EIN-Zustand.
Andererseits ergibt zwar eine PIN-Struktur mit geringer Waferdicke eine niedrige Spannung im EIN-Zustand, sie kann jedoch eine sehr hohe Spannungsschwingung nicht vermeiden, weil die Verarmungsschicht im Sperrverzögerungsvorgang die N⁺-Schicht erreicht.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Grundstruktur, die auf vorteilhafte Weise die Verringerung der Spannung im EIN-Zustand und die Unterdrückung von Spannungsschwingungen miteinander vereinbart. Es wurde festgestellt, daß die Schichtdicke der N^–-Schicht in dem Diodenbereich mit der Grundstruktur so eingestellt werden muß, daß die Verarmungsschicht, die sich in der N^–-Schicht von dem PN-Übergang zwischen der P-Schicht und der N^–-Schicht ausbreitet, die N⁺-Schicht nicht erreicht, wenn eine Sperrspannung, die ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungssperrfähigkeit entspricht, angelegt wird, und so, daß die Verarmungsschicht die N⁺-Schicht erreicht, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, die ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit überschreitet.
1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Schichtdicke der N^–-Schicht und der Spannung im EIN-Zustand in der Struktur der Erfindung zeigt. Dabei wird die Schichtdicke der N^–-Schicht, die gemäß der Erfindung eingestellt ist, mit "1" angenommen ist (diese Schichtdicke wird nachstehend als "eingestellte Schichtdicke" bezeichnet).
Wie das Diagramm zeigt, steigt die Spannung im EIN-Zustand an, wenn die Schichtdicke der N^–-Schicht über die eingestellte Schichtdicke hinaus größer wird; wenn sie beispielsweise die doppelte eingestellte Schichtdicke beträgt, steigt die Spannung im EIN-Zustand um bis zu ca. 0,8 V an.
Wenn dagegen die Schichtdicke der N^–-Schicht dünner als die eingestellte Schichtdicke wird, nimmt die Spannung im EIN-Zustand ab. Sie nimmt jedoch nur mit kleiner Rate ab; die Spannung im EIN-Zustand nimmt nur um ca. 0,1 bis 0,2 V ab, auch wenn die Dicke beispielsweise mit der halben eingestellten Schichtdicke vorgegeben ist.
Wenn eine Sperrspannung von ca. 2/3 oder weniger der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird, erreicht die sich von dem PN-Übergang ausdehnende Verarmungsschicht die N⁺-Schicht nicht, so daß der Grad der Spannungsschwingung auf nahezu Null unterdrückt werden kann.
Das Diagramm von 2 zeigt den Prozentsatz der Ausdehnung der Verarmungsschicht in die N^–-Schicht und die Größe der Spannungsschwingung, wenn eine Sperrspannung von mehr als ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird. Wie dieses Diagramm zeigt, wird dann, wenn eine Sperrspannung von mehr als ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird und die Verarmungsschicht die N⁺-Schicht erreicht und sich in die N⁺-Schicht ausbreitet, die Größe der Spannungsschwingung innerhalb des zulässigen Bereichs weit unter 2 kV gehalten.
3 ist ein Wellenformdiagramm, das ein Beispiel der Einstellung der Vorspannung in Sperrichtung bei dem Sperrverzögerungsvorgang zeigt. Dabei wird eine Vorspannung in Sperrrichtung in einem Zustand angelegt, in dem eine Konstantspannung von ca. 1 bis 2 V an die Diode angelegt ist und ein Strom in Durchlaßrichtung fließt.
In diesem Fall ist im allgemeinen Gebrauch der Spitzenwert mit ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit eingestellt, und die stationäre Spannung ist mit ca. 1/2 eingestellt. Beispielsweise ist bei einer Diode mit einer Spannungs-Sperrfähigkeit von –4,5 kV (die Sperrichtung ist als "-" dargestellt) der Spitzenwert um –3 kV, was etwa 2/3 davon entspricht, und die stationäre Spannung ist –2,25 kV, was ca. 1/2 entspricht.
Unter Berücksichtigung dieser Bedingung, wie oben angegeben ist, stellt die Erfindung die Schichtdicke der N^–-Schicht in dem Grundstruktur-Diodenbereich so ein, daß den folgenden beiden Bedingungen genügt wird: einer ersten Bedingung, daß die Verarmungsschicht, die sich in die N^–-Schicht ausbreitet, die N⁺-Schicht nicht erreicht, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, die etwa 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit entspricht, und einer zweiten Bedingung, daß die Verarmungsschicht die N⁺-Schicht erreicht, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, die ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit überschreitet.
Da, wie oben gesagt, die Vorspannung in Sperrichtung mit ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit bei dem Sperrverzögerungsvorgang eingestellt ist, genügt die Schichtdicke der N^–-Schicht der ersten Bedingung, so daß die sich in die N^–-Schicht ausbreitende Verarmungsschicht in diesem Zeitraum die N⁺-Schicht nicht erreicht. Es ist somit möglich, die Span nungsschwingung wirkungsvoll zu unterdrücken, wie es oben erläutert ist.
Weiterhin ist die Schichtdicke der N^–-Schicht ausreichend dünn eingestellt, um der zweiten Bedingung zu genügen, so daß die Spannung im EIN-Zustand auf einen geeigneten niedrigen Pegel eingestellt werden kann.
Um ferner für den tatsächlichen Gebrauch ausreichende Festigkeit zu erreichen, wird die Störstellenkonzentration (der spezifische Widerstand) der N^–-Schicht so eingestellt, daß er einer dritten Bedingung genügt, daß das auf die Verarmungsschicht wirkende elektrische Feld einen tatsächlichen Nutzwert hat, der nicht größer als die maximale Feldstärke von Silicium ist (der maximale Wert der Feldstärke, dem Silicium standhalten kann), wenn die Vorspannung in Sperrichtung mit ca. 1/1 der Spannungs-Sperrfähigkeit eingestellt ist.
In der Praxis werden die Störstellenkonzentration und die Schichtdicke der N^–-Schicht unter Berücksichtigung gegenseitiger Beziehungen zwischen der ersten bis dritten Bedingung bestimmt, weil die Störstellenkonzentration der N^–-Schicht auf die Ausbreitung der Verarmungsschicht bezogen ist.
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Merkmal der Struktur der Erfindung zeigt. Dabei verwendet die Erfindung eine Dreischichtstruktur aus der P-Schicht 102, der N^–-Schicht 101 und der N⁺-Schicht 103 als diejenige Grundstruktur, die die als L1 dargestellte elektrische Feldverteilung zeigt, wenn die Verarmungsschicht, die sich ausgehend von dem PN-Übergang zwischen der N^–-Schicht 101 und der P-Schicht 102 ausbildet, die N⁺-Schicht 103 nicht erreicht, wenn eine Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird, und die die als L2 dargestellte elektrische Feldverteilung zeigt, wenn die Verarmungsschicht die N⁺- Schicht 103 erreicht, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, die ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit überschreitet.
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Merkmal der herkömmlichen PIN-Diode zeigt, die in 13 gezeigt ist. Wie das Diagramm zeigt, ist die Grundstruktur der PIN-Struktur eine Dreischichtstruktur, bestehend aus der P-Schicht 602, der N^–-Schicht 601 und der N⁺-Schicht 603, wobei sowohl die Verarmungsschicht, die ausgehend von dem PN-Übergang zwischen der N^–-Schicht 601 und der P-Schicht 602 gebildet wird, wenn eine Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird, als auch die Verarmungsschicht, die ausgehend von dem PN-Übergang gebildet wird, wenn eine Sperrspannung von mehr als ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird, die N⁺-Schicht 603 erreicht. Das Diagramm zeigt die elektrische Feldverteilung im erstgenannten Fall als L11 und die elektrische Feldverteilung im letztgenannten Fall als L12.
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das ein Merkmal einer Diode mit einfacher PN-Übergangsstruktur zeigt. Wie das Diagramm zeigt, ist die Grundstruktur der einfachen PN-Übergangsstruktur eine Zweischichtstruktur aus einer P-Schicht 702 und einer N^–-Schicht 701, wobei die ausgehend von dem PN-Übergang gebildete Verarmungsschicht zwischen der N^–-Schicht 701 und der P-Schicht 702 bei Anlegen einer Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit ebenso wie die Verarmungsschicht, die gebildet wird, wenn eine Sperrspannung von mehr als ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird, die N⁺-Schicht 63 nicht erreicht. Das Diagramm zeigt die elektrische Feldverteilung im ersteren Fall als L21 und die elektrische Feldverteilung im letzteren Fall als L22.
Wenn daher die Bedingungen – abgesehen von der Schichtstärke der N^–-Schicht – gleich vorgegeben sind und die Schichtdicke der N^–-Schicht 601 in der PIN-Struktur mit A μm angenommen wird, dann ist die Schichtdicke der N^–-Schicht 101 (A + α (> 0)) μm, und die Schichtdicke der N^–-Schicht 701 ist (A + β(> α)) μm.
Das Diagramm von 7 zeigt den Prozentsatz der Spannung im EIN-Zustand und den der Spannungsschwingung in der Struktur der Erfindung, in der PIN-Struktur und in der PN-Übergangsstruktur. Wie die Kurve L3 der Spannung im EIN-Zustand und die Spannungsschwingungskurve L4 in dem Diagramm zeigen, kann die Struktur der Erfindung einen vorteilhafteren Ausgleich zwischen der Verringerung der Spannung im EIN-Zustand und der Unterdrückung der Spannungsschwingung gegenüber der herkömmlichen PIN-Struktur und der PN-Übergangsstruktur erreichen.
Es wird für die tatsächliche Konstruktion bevorzugt, daß eine Spannung äquivalent der Spannungs-Sperrfähigkeit als diejenige Spannung angewandt wird, die ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit der zweiten Bedingung überschreitet, so daß eine Spannung äquivalent der Spannungs-Sperrfähigkeit als Sperrspannung für die zweite Bedingung in den folgenden bevorzugten Ausführungsbeispielen angewandt wird.
Erste bevorzugte Ausführungsform
8 ist ein Querschnitt und zeigt die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie die Figur zeigt, ist eine N^–-Schicht 101 als ein Halbleitersubstrat aus Silicium usw. auf einer N⁺-Schicht 103 ausgebildet, und eine P-Schicht 102 ist auf der N^–-Schicht 101 ausgebildet, wobei die Störstellenkonzentration in der N⁺-Schicht 103 größer als in der N^–-Schicht 101 ist.
Eine Anode 104 aus einem Metall mit niedrigem Widerstandswert ist auf der P-Schicht 102 ausgebildet, und eine Kathode 105, die ebenso wie die Anode 104 aus einem Metall mit niedrigem Widerstandswert besteht, ist unter der N⁺-Schicht 103 ausgebildet.
Das Halbleiterbauelement des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels bildet somit eine Diode, bestehend aus der P-Schicht 102, (der N^–-Schicht 101 und der N⁺-Schicht 103).
Wie bereits beschrieben, ist in dieser Struktur die Schichtdicke der N^–-Schicht 101 so eingestellt, daß sie sowohl der ersten Bedingung genügt, daß die Verarmungsschicht, die sich von dem PN-Übergang zwischen der N^–-Schicht 101 und der P-Schicht 102 in die N^–-Schicht 101 erstreckt, die N⁺-Schicht 103 nicht erreicht, wenn eine Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit des PN-Übergangs dieser Diode angelegt wird, als auch der zweiten Bedingung genügt, daß die Verarmungsschicht die N⁺-Schicht 103 erreicht, wenn eine Sperrspannung von ca. 1/1 der Spannungs-Sperrfähigkeit angelegt wird.
Ferner ist die Störstellenkonzentration (der spezifische Widerstand) der N^–-Schicht 101 so eingestellt, daß das elektrische Feld, das auf die Verarmungsschicht wirkt, wenn eine Vorspannung in Sperrichtung mit ca. 1/1 der Spannungs-Sperrfähigkeit eingestellt ist, nicht größer als die maximale Feldstärke von Silicium ist.
Die Struktur des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels ergibt eine Diode, die die Verringerung der Spannung im EIN-Zustand und die Verringerung der Spannungsschwingung vorteilhaft ausgleichen kann.
Praktische Anwendungen des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels umfassen ein Beispiel, bei dem die N^–-Schicht 101 eine Schichtdicke als Waferdicke von 600 μm hat, die P-Schicht 102 eine Schichtdicke von 90 μm hat und die N⁺-Schicht 103 eine Schichtdicke von 40 μm hat, wobei die Störstellenkonzentration der P-Schicht 102 einen Wert von 5,0 × 10²³ Atome/m³ hat, die Störstellenkonzentration der N^–-Schicht 101 einen Wert von 2,1 × 10¹⁹ Atome/m³ (spezifischer Widerstand 2,2 Ohm∙m) hat und die Störstellenkonzentration der N⁺-Schicht 103 einen Wert von 1,0 × 10²⁰ Atome/m³ hat und die Spannungs-Sperrfähigkeit ca. 4,5 kV beträgt.
Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
9 ist ein Querschnitt, der die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt. Dabei ist zwischen der N⁺-Schicht 103 und der Kathode 105 eine P-Schicht 106 angeordnet. Im übrigen ist die Struktur die gleiche wie die in 8 gezeigte Struktur des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels und wird daher nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Das Halbleiterbauelement des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels bildet somit einen PNP-Bipolartransistor, bestehend aus der P-Schicht 102, (der N^–-Schicht 101, der N⁺-Schicht 193) und der P-Schicht 106. Der Bipolartransistor, der die Struktur gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel hat, kann einen guten Ausgleich zwischen der Verringerung der Spannung im EIN-Zustand und der Verringerung der Spannungsschwingung erzielen.
Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
10 ist ein Querschnitt, der die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt. Dabei ist zwischen der P-Schicht 102 und der Anode 104 eine N-Schicht 107 vorgesehen. Im übrigen ist die Struktur die gleiche wie bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 9 und wird daher nicht erneut im einzelnen beschrieben.
Das Halbleiterbauelement gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet also einen NPNP-Thyristor, bestehend aus der N-Schicht 107, der P-Schicht 102, (der N^–-Schicht 101, der N⁺-Schicht 103) und der P-Schicht 106. Der Thyristor mit der Struktur des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels kann einen guten Ausgleich zwischen der Verringerung der Spannung im EIN-Zustand und der Verringerung der Spannungsschwingung erreichen.
Viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
11 ist ein Querschnitt, der die Struktur eines Halbleiterbauelements gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt. Dabei ist eine Vielzahl von P-Bereichen 108 selektiv in der Oberfläche der N^–-Schicht 101 anstelle der in 8 gezeigten P-Schicht 102 des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels ausgebildet.
Außerdem sind Teilanoden 109 jeweils auf der Vielzahl von P-Bereichen 108 ausgebildet. Im übrigen ist die Struktur die gleiche wie die des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels von 8 und wird nicht erneut erläutert.
Bei der Struktur des vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels bilden die jeweiligen Seiten der Vielzahl von P-Bereichen 108 PN-Übergänge mit der N^–-Schicht, so daß eine Diode erhalten wird, die eine gegenüber dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel verbesserte Durchbruchspannung hat.
Fünftes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
12 ist ein Querschnitt, der die Struktur eines Halbleiterbauelements eines fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. Diese Struktur ist nahezu äquivalent zu derjenigen, die in 8 für das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
Sie unterscheidet sich jedoch davon insofern, als sie so eingestellt ist, daß die Lebensdauer im Bereich des Übergangs zwischen der P-Schicht 102 und der N^–-Schicht 101 kürzer als die Lebensdauer im Bereich des Übergangs zwischen der N^–-Schicht 101 und der N⁺-Schicht 103 ist.
Bei der Struktur des fünften bevorzugten Ausführungsbeispiels wird dadurch, daß die Lebensdauer im Bereich des PN-Übergangs zwischen der N^–-Schicht 101 und der. P-Schicht 102 kürzer eingestellt ist, die Ausdehnung der Verarmungsschicht in die N^–-Schicht 101 von dem PN-Übergang zwischen der N^–-Schicht 101 und der P-Schicht 102 unterdrückt. Unter der Annahme, daß alle übrigen Bedingungen gleich sind, können daher die erste bis dritte Bedingung erfüllt werden, und zwar auch dann, wenn die Schichtdicke der N^–-Schicht 101 dünner als bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel eingestellt ist.

Claims

Halbleiterbauelement, das folgendes aufweist: – eine erste Halbleiterschicht (103) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; – eine zweite Halbleiterschicht (101) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist, wobei die zweite Halbleiterschicht (101) eine geringere Störstellenkonzentration vom ersten Leitfähigkeitstyp als die erste Halbleiterschicht (103) hat; – eine dritte Halbleiterschicht (102) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der zweiten Halbleiterschicht (101) ausgebildet ist; – eine erste Hauptelektrode (104), die über der dritten Halbleiterschicht (102) ausgebildet ist; und – eine zweite Hauptelektrode (105), die unter der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der zweiten Halbleiterschicht (101) so eingestellt ist, daß sie sowohl einer ersten Bedingung genügt, daß eine Verarmungsschicht, die sich von einem PN-Übergang an einer Grenzfläche zwischen der zweiten Halbleiterschicht (101) und der dritten Halbleiterschicht (102) erstreckt, die erste Halbleiterschicht (103) nicht erreicht, wenn an die erste und die zweite Hauptelektrode (104, 105) eine Sperrspannung von ca. 1/2 bis 2/3 der Sperrspannungs-Sperrfähigkeit des PN-Übergangs angelegt wird, als auch einer zweiten Bedingung genügt, daß die Verarmungsschicht, die sich von dem PN-Übergang erstreckt, die erste Halbleiterschicht (103) erreicht, wenn an die erste und die zweite Hauptelektrode (104, 105) eine Sperrspannung angelegt wird, die ca. 2/3 der Spannungs-Sperrfähigkeit überschreitet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptelektrode (104) eine Hauptelektrode aufweist, die direkt auf der dritten Halbleiterschicht (102) ausgebildet ist, und daß die zweite Hauptelektrode (105) eine Hauptelektrode aufweist, die direkt auf der Unterseite der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vierte Halbleiterschicht (106) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die unter der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist, wobei die erste Hauptelektrode (104) eine Hauptelektrode aufweist, die direkt auf der dritten Halbleiterschicht (106) ausgebildet ist, und die zweite Hauptelektrode (105) eine Hauptelektrode aufweist, die direkt auf der Unterseite der vierten Halbleiterschicht ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vierte Halbleiterschicht (106) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die unter der ersten Halbleiterschicht (103) ausgebildet ist, und eine fünfte Halbleiterschicht (107) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der dritten Halbleiterschicht ausgebildet ist, wobei die erste Hauptelektrode (104) eine Hauptelektrode aufweist, die direkt auf der fünften Halbleiterschicht (107) ausgebildet ist, und die zweite Hauptelektrode (105) eine Hauptelektrode aufweist, die direkt auf der Unterseite der vierten Halbleiterschicht (106) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht eine Vielzahl von Halbleiterbereichen (108) aufweist, die selektiv in einer Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (101) ausgebildet sind, und daß die erste Hauptelektrode eine Vielzahl von Teilelektroden (109) aufweist, die jeweils auf der Vielzahl von Halbleiterbereichen (108) ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lebensdauer im Bereich der Grenzfläche zwischen der zweiten und der dritten Halbleiterschicht (101, 102) kürzer eingestellt ist als die Lebensdauer im Bereich der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht (103, 101).
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Bedingung eine Bedingung aufweist, daß die sich von dem PN-Übergang erstreckende Verarmungsschicht die erste Halbleiterschicht (103) erreicht, wenn eine Sperrspannung äquivalent der Spannungs-Sperrfähigkeit an die erste und die zweite Hauptelektrode (104, 105) angelegt wird.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration der zweiten Halbleiterschicht (101) so eingestellt ist, daß sie einer dritten Bedingung genügt, daß das elektrische Feld, das auf die Verarmungsschicht wirkt, wenn eine der Spannungs-Sperrfähigkeit äquivalente Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, einen praktischen Gebrauchswert hat, der nicht größer als eine vorbestimmte Feldstärke ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp der N-Typ ist und daß der zweite Leitfähigkeitstyp der P-Typ ist.