JP2000332263A

JP2000332263A - スイッチングダイオード

Info

Publication number: JP2000332263A
Application number: JP13531199A
Authority: JP
Inventors: Isao Yoshikawa; 功吉川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】スイッチングダイオードの逆回復時の跳ね上が
り電圧を低減するか電圧波形の発振を防止してソフトス
イッチング化し、順電圧の負の温度依存性を軽減するか
又は正にする。【解決手段】ダイオードの低不純物濃度のｎドリフト層
６を、その主な境界が半導体基板表面に対してほぼ垂直
になるように、キャリアライフタイムの長い領域６ａと
短い領域６ｂとに分割し、ｎドリフト層の水平断面にお
いてキャリア寿命の長い領域の面積とキャリア寿命の短
い領域の面積との比を５：１以上９５：１以下とする。
特に、キャリア寿命の長い領域６ａの任意の一点からキ
ャリア寿命の短い領域６ｂに達するまでの最長距離を、
ｎドリフト層６の厚さ以下とする。更に、キャリア寿命
の長い領域６ａとキャリア寿命の短い領域６ｂとのキャ
リア寿命の比を１００：１以上１００００００：１以下
ととし、またキャリア寿命の長い領域６ａのキャリア寿
命を１μs 以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、逆回復時間の短
いスイッチングダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のパワー半導体デバイスの低損失化
・高速スイッチング化、および、周辺回路の低インダク
タンス化、スナバレス化等に伴い、パワースイッチング
デバイスと組み合わせて使用されるスイッチングダイオ
ード（フリーホイーリングダイオード：ＦＷＤと呼ぶこ
ともある）の逆回復過程の特性（逆回復耐量・逆回復損
失・ソフトスイッチング性等）改善が求められている。

【０００３】図１２は、基本的なｐｉｎ構造のスイッチ
ングダイオードの断面図である。高比抵抗のｎ型半導体
基板１の一方の主表面の表面層にｐ型アノード領域２
（以下ｐアノード領域と記す）が形成され、他方の主表
面の表面層にｎ型カソード領域３（以下ｎカソード領域
と記す）が形成されており、それぞれの表面に接触する
アノード電極４、カソード電極５が設けられている。ｐ
アノード領域２とｎカソード領域３との中間部分をｎ型
ドリフト層６（以下ｎドリフト層と記す）と呼ぶ。

【０００４】このダイオードが順方向バイアス［アノー
ド電極４に正、カソード電極５に負の電圧を印加］され
た場合、ｐアノード領域２とｎドリフト層６とで形成さ
れるｐｎ接合７にかかる電圧が（シリコン半導体の場
合）約０．６Ｖのえん層電圧を越えると、ｐアノード領
域２からｎドリフト層６に正孔が注入され、ｎカソード
領域３からｎドリフト層６に電気的な中性条件を満たす
ように電子が注入される。（以降、ｎドリフト層６内に
過剰に蓄積された電子・正孔を指して、過剰キャリアと
称する）。その結果、ｎドリフト層６は蓄積キャリアの
ため伝導度変調を起こし、その抵抗は極めて小さくなっ
て導通状態となる。

【０００５】図５（ｂ）は従来の１２００V クラスのダ
イオードで、ライフタイム制御をおこなったスイッチン
グダイオードの一例の順方向特性図である。横軸は電
圧、縦軸は電流密度である。印加電圧が０．６V 以上に
なると電流が流れはじめ、急速に増大することがわか
る。また、高温（１２５℃）より室温（２５℃）の方が
同じ電流密度における順電圧が大きいことがわかる。

【０００６】また、順方向バイアス状態から逆方向バイ
アス状態に遷移する過程においては、逆回復過程を通
る。この逆回復過程は、順方向バイアス時にｎドリフト
層６に蓄積されていた過剰キャリアのために、逆バイア
スにした直後も過剰キャリアが消滅するまでの間、逆方
向に電流が流れつづける（短絡状態）現象である。

【０００７】図３（ｂ）は従来の１２００V クラスのス
イッチングダイオードの逆回復時の電流、電圧波形図で
ある。横軸は時間、縦軸は電圧（Ｖ_AK）および電流密度
（Ｉ _A）であり、図の１目盛りは、それぞれ０．５μs
、２００V 、５０A/cm²である。電流が減少して零に
なった後、電圧が立ち上がるが、その間逆方向に電流が
流れている。この逆方向に流れている電流が１／１０に
なるまでの期間を逆回復時間という。

【０００８】順バイアス状態での電圧降下［順電圧］と
遷移過程の逆回復時間は、例えば、金や白金等の重金属
の添加や、電子線やプロトンといった粒子線の照射によ
って、半導体基板１、特にその中のｎドリフト層６のキ
ャリアのライフタイムを調整することにより、コントロ
ール可能である。

【０００９】半導体基板１のキャリアライフタイムを短
く調整した場合、逆回復時間は短く、順電圧は高くな
る。逆に半導体基板１のキャリアライフタイムを長く調
整した場合、順電圧は低く、逆回復時間は長くなる。こ
のように、半導体基板１のキャリアライフタイム調整に
よる順電圧と逆回復時間の制御はトレードオフの関係に
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、高速で逆回
復させるためには、半導体基板１のキャリアライフタイ
ムを短く調整し、逆回復時間を短くする手法が適用され
る。しかし、それと同時に逆回復時の電圧波形の跳ね上
がり電圧［図３（ｂ）のＶ_t］が大きくなり［ハードに
なると称する］、場合によっては電圧波形が発振して、
定格電圧を超えるという問題がある。

【００１１】また、順方向特性においても、高温での順
電圧が室温での順電圧より小さくなり、その温度依存性
が負の大きな値になる。そうすると、高温部分にますま
す電流が集中してダイオードのチップ面内、チップ間の
不均一動作を助長するという問題もある。

【００１２】それらの問題に鑑み本発明の目的は、簡便
な方法で逆回復特性のソフトスイッチング化および、順
電圧の負の温度依存性を小さくあるいは正にすることを
可能としたスイッチングダイオードを提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題解決のため本発
明は、半導体基板が第一導電型の低濃度層と、低濃度層
の一方の主表面の表面層に形成された第二導電型アノー
ド領域と、低濃度層の他方の主表面の表面層に形成され
た第一導電型で低濃度層よりも不純物濃度の高いカソー
ド領域とからなり、アノード領域、カソード領域の表面
にそれぞれ接触してアノード電極、カソード電極が設け
られたスイッチングダイオードにおいて、第一導電型の
低濃度層がキャリアライフタイムの長さの異なる少なく
とも二つの領域に分割され、その主な境界が半導体基板
表面に対して４５度以上の角度で傾いており、低濃度層
の水平断面においてキャリアライフタイムの長い領域の
面積がキャリアライフタイムの短い領域の面積より広い
ものとする。

【００１４】そのようにすれば、逆回復過程において、
過剰キャリアが基板の主表面に垂直な方向に排除される
だけでなく、キャリアライフタイムの短い領域が、優先
的なキャリア消滅の場所として作用するので、キャリア
の横方向の拡散によるキャリアの消滅がが促進される。
一方、キャリアライフタイムの短い領域の間にキャリア
ライフタイムの長い領域が有るため、テイル時間が長く
なり、ｄｉ／ｄｔに比例する跳ね上がり電圧が小さくな
って、ソフトスイッチング特性を示す。また、キャリア
ライフタイムの長い領域の面積が広いので、順電圧の温
度特性は正か、負でも小さい値となる。

【００１５】特に、キャリアライフタイムの異なる領域
の主な境界が半導体基板の表面に対してほぼ垂直である
と良い。そのようにすれば、例えば放射線等の照射によ
ってライフタイムの短い領域を形成する際の照射距離が
短くて済む。

【００１６】そして、キャリアライフタイムの長い領域
の任意の一点からキャリアのライフタイムの短い領域に
達するまでの最長距離が、低濃度層の厚さまたはキャリ
アライフタイムの長い領域の少数キャリアの拡散長Ｌ_p
のいずれか小さい方より短かいことが重要である。ここ
で拡散長Ｌ_pは、少数キャリアのライフタイムをτ_p、
拡散定数をＤ_pとするとき、次式で表される。

【００１７】Ｌ_p＝（Ｄ_pτ_p）^1/2 キャリアライフタイムの長い領域の少数キャリアの拡散
長Ｌ_pが低濃度層の厚さより大きい場合には、キャリア
ライフタイムの長い領域の任意の一点からキャリアライ
フタイムの短い領域に達するまでの最長距離が、低濃度
層の厚さより短かければ、キャリアライフタイムの短い
領域への拡散が有効に作用し、過剰キャリアの消滅が速
くおこなわれる。低濃度層の厚さが厚く、それよりキャ
リアライフタイムの長い領域の少数キャリアの拡散長Ｌ
_pが小さい場合には、最長距離がその拡散長Ｌ_pより短
かければ、キャリアライフタイムの短い領域への拡散が
有効である。

【００１８】キャリアライフタイムの異なる領域の主な
境界が低濃度層の厚さの５０% 以上にわたっていること
が重要である。キャリアライフタイムの短い領域が、低
濃度層の厚さの５０% 以上にわたっていれば、キャリア
ライフタイムの短い領域への拡散が過剰キャリアの消滅
に有効に作用する。

【００１９】特にキャリアライフタイムの異なる領域の
主な境界が低濃度層の厚さ全体にわたっていれば、横方
向への拡散ですむため、キャリアライフタイムの短い領
域がますます過剰キャリアの消滅に有効に作用する。

【００２０】キャリアライフタイムの短い領域が低濃度
層の水平断面内の形状が、ストライプ状、格子状、蜂の
巣状のいずれか、または均等に分散配置された孤立形状
等であり、低濃度層の水平断面内で均等に配置されてい
れば、最長距離を短くできる。

【００２１】キャリアライフタイムの長い領域とキャリ
アライフタイムの短い領域との低濃度層の水平断面内で
の面積比が５：１以上９５：１以下であるものとする。
比を５：１未満にしてキャリアライフタイムの短い領域
を広くしても、スイッチング時間の短縮には余り有効で
なく、むしろキャリアライフタイムの長い領域の面積が
減るだけである。一方、比を９５：１より大きくするに
は例えば幅１μｍ以下というように極端に狭いキャリア
ライフタイムの短い領域を作らねばならず、製造技術上
困難である。また、キャリアライフタイムの短い領域が
狭すぎるとキャリアの消滅場所が減り、スイッチング時
間の短縮ができない。

【００２２】キャリアのライフタイムの長い領域とキャ
リアのライフタイムの短い領域とのキャリアライフタイ
ムの比が１００：１以上１００００００：１以下である
ことがよい。

【００２３】キャリアライフタイムの比が１００：１未
満であると、例えば後掲の実施例にみられるように、特
に低耐圧ダイオードにおいて、キャリアライフタイムの
短い領域を作った効果が出ず、順電圧も大きくならな
い。一方１００００００：１を越えるような比にするた
めには、プロトン等の照射量が過大になり、実用的でな
い。

【００２４】キャリアのライフタイムの長い領域のキャ
リアライフタイムを１μs 以上とする意味は、ソフトス
イッチング化、および、順電圧の温度依存性緩和のため
であり、１μs より短くすると、スイッチング波形がハ
ードになる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明にかかるｐｉｎ構
造のスイッチングダイオードの部分断面図である。高比
抵抗のｎ型半導体基板１の一方の主表面の表面層にｐ型
アノード領域２（以下ｐアノード領域と記す）が形成さ
れ、他方の主表面の表面層にｎ型カソード領域３（以下
ｎカソード領域と記す）が形成されており、それぞれの
表面に接触するアノード電極４、カソード電極５が設け
られている。ｐアノード領域２とｎカソード領域３との
中間部分をｎ型ドリフト層６（以下ｎドリフト層と記
す）と呼ぶ。

【００２６】このダイオードの動作は従来のダイオード
とほぼ同様である。順方向バイアス［アノード電極４に
正、カソード電極５に負の電圧を印加］された場合、ｐ
アノード領域２とｎドリフト層６とで形成されるｐｎ接
合７にかかる電圧が（シリコン半導体の場合）約０．６
Ｖのえん層電圧を越えると、ｐアノード領域２からｎド
リフト層６に正孔が注入され、ｎカソード領域３からｎ
ドリフト層６に電気的な中性条件を満たすように電子が
注入される。（以降、ｎドリフト層６内に過剰に蓄積さ
れた電子・正孔を指して、過剰キャリアと称する）。そ
の結果、ｎドリフト層６は蓄積キャリアのため伝導度変
調を起こし、その抵抗は極めて小さくなって導通状態と
なる。

【００２７】図１１の従来のダイオードとの違いは、ｎ
ドリフト層６が縦方向に分割されており、キャリアライ
フタイムの長いｎドリフト層６ａとキャリアライフタイ
ムの短いｎドリフト層６ｂとが、それらの体積比が例え
ば９：１になるように一定の間隔で交互に配置されてい
る点である。両者がともにストライプ状であり、図の紙
面に垂直な方向に形成されているものとする。

【００２８】［実施例１］例えば、１２００V クラスの
ダイオードのとき、ｎドリフト層６の抵抗率は約６０Ω
cm、厚さは約１２０μm 、ｐアノード領域２の表面不純
物濃度が約３．０×１０¹⁶ｃｍ^-3、拡散深さが約３．０
μm である。ｎカソード領域３の表面不純物濃度が約
１．０×１０²⁰cm^-3、拡散深さは約８０．０μm であ
る。キャリアライフタイムの長いｎドリフト層６ａのラ
イフタイムは２０μs 、キャリアライフタイムの短いｎ
ドリフト層６ｂのライフタイムは０．２nsである。

【００２９】このように部分的にライフタイムの短い領
域を作る方法は、Ｈｅイオン照射やプロトン照射のよう
な粒子線を利用した結晶欠陥導入法を用いることで可能
である。ライフタイムを短くしたい部分に窓が開くよう
にように作成されたマスクをＨｅイオンや、プロトンの
阻止能力のある材料（例えばアルミニウム金属）で作成
し、これをｎ型半導体基板１の一方の主表面側に設置
し、これに垂直な方向からＨｅイオンやプロトンを照射
する。Ｈｅイオンやプロトンは、加速電圧に応じた飛程
を有しているため、マスクの厚さが十分であれば、マス
クされていない部分の直下の半導体基板にのみ、結晶欠
陥を導入することが可能であり、この部分のライフタイ
ムを短くすることが可能である。例えばＨｅイオンは２
４MeV の加速電圧で約３６０μm の深さに欠陥のピーク
を生じる。

【００３０】半導体基板の厚さが大きい場合は、照射深
さ変えて数度に分けて照射を行い結晶欠陥を導入しても
良いし、照射深さを半導体基板厚さよりも深い部分にし
て、Ｈｅイオンあるいはプロトンを通過させることで結
晶欠陥を導入してもよい。半導体基板が厚い場合はその
両側から照射しても良い。

【００３１】ライフタイムの長い部分のライフタイム調
整を行なう場合には、このようなイオン照射の前後に、
電子線照射や重金属拡散を行うことで半導体基板全体の
ライフタイム調整を行なえば良い。

【００３２】なお、このような方法でキャリアライフタ
イムの短い領域６ｂを形成したとき、ｐアノード領域
２、ｎ⁺カソード領域３内でもＨｅイオンを照射した部
分に結晶欠陥が誘起されるが、高不純物濃度の領域のラ
イフタイムはもともと短いため、その部分でのライフタ
イムの短縮については特に考慮を要しない。

【００３３】いま、キャリアライフタイムの長いｎドリ
フト層６ａとキャリアライフタイムの短いｎドリフト層
６ｂとが、ともにストライプ状であり、図の紙面に垂直
な方向に形成されているものとする。両者の幅をそれぞ
れＬH とＬL とするとき、それらの比を９：１に保ちな
がらＬH とＬL との和（繰り返し寸法＝ＬH ＋ＬL）
を８０〜３００μm の範囲で変えたスイッチングダイオ
ードを試作した。

【００３４】図２はそのようなダイオードの順電圧の変
化を示す特性図である（●印）。横軸はＬH ＋ＬL 、縦
軸は接合温度１２５℃における２００A/cm²での順電圧
である。ＬH ＋ＬL を短くするほど順電圧が大きくなっ
ており、繰り返し寸法を変更することで、順電圧が制御
可能であることがわかる。

【００３５】同じ図にキャリアライフタイムの短いｎド
リフト層６ａのライフタイムを２０μs 、キャリアライ
フタイムの長いｎドリフト層６ｂのライフタイムを２０
nsとした場合の特性図も示した（○印）。その場合もＬ
H ＋ＬL を短くするほど順電圧が大きくなるが、その程
度はずっと少ない。すなわち、キャリアライフタイムの
長いｎドリフト層６ａとキャリアライフタイムの短いｎ
ドリフト層６ｂとのライフタイムの差が大きい程、順電
圧への影響は大きい。

【００３６】［実施例１−１］キャリアライフタイムの
長いｎドリフト層６ａのライフタイムを２０μs 、キャ
リアライフタイムの短いｎドリフト層６ｂのライフタイ
ムを０．２nsとし、ＬH ＋ＬL ＝１４０μm としたダイ
オードを実施例１−１のダイオードとする。他の寸法等
は上に記した通りである。

【００３７】図３（ａ）はこのダイオードの順電流２０
０A/cm²を遮断したときの逆回復時の電流（Ｉ_A）、電
圧（Ｖ_AK）波形図である。この実施例１−１のダイオー
ドは、図２の特性図からわかるように順電圧は１．５７
V であった。そしてこのダイオードの逆回復時間は０．
５μs であり、逆回復電流がピークを過ぎた後の電流減
少率［−ｄｉ／ｄｔ］が抑制されて、跳ね上がり電圧が
１４０V と小さい。

【００３８】図３（ｂ）は従来のダイオード（比較例１
−１）の順電流２００A/cm²を遮断したときの逆回復時
の電流、電圧波形図である。このダイオードは、従来型
のｐｉｎ構造のダイオードであり、均一にライフタイム
コントロールを施して、実施例１−１のダイオードと順
電圧をほぼ揃えたものである。ｎドリフト層６のキャリ
アライフタイムは約０．３５μs であった。

【００３９】この比較例１−１のダイオードの順電圧は
１．５５V である。そしてこのダイオードの逆回復時間
は０．５μs であり、電圧波形の跳ね上がり電圧は２３
０Vである。

【００４０】すなわち、実施例１−１のダイオードは、
比較例１−１のダイオードと比較して、順電圧、逆回復
時間がほぼ同じであるが、電圧波形の跳ね上がり電圧を
約３０% 低減できたことになる。

【００４１】図４は、実施例１−１のダイオードについ
て順電流と逆回復時の発振を開始する逆電圧との関係を
示す特性図（●印）である。横軸は順電流密度
（Ｊ_A）、縦軸は発振開始電圧（Ｖ_{CC critical}）であ
る。比較のため図３（ｂ）の比較例１−１のダイオード
についての同様の関係を示す特性線も示した（□印）。

【００４２】いずれの構造でも低電流である程、発振開
始電圧はしだいに低下するが、実施例１−１のダイオー
ドの発振開始電圧は、順電圧がほぼ同じ従来のダイオー
ドと比較して高いことがわかる。低電流である程、発振
を開始する電圧がしだいに低下する機構は未だ解明され
ていないが、ｎ⁺カソード領域３に近いｎドリフト層６
の部分のキャリアが消滅すると発振し易いことがわかっ
ている。

【００４３】図５（ａ）は実施例１−１のダイオードの
順電流−順電圧特性図である。横軸は順電圧（Ｖ_AK）、
縦軸は電流密度で表した順電流である。室温（２５℃）
と高温（１２５℃）の曲線が示されている。

【００４４】このダイオードの２００A/cm²における順
電圧は、室温が１．６５V 、高温が１．５７V である。
高温の方が室温にくらべやや小さいが、その差は０．０
８Vと小さい。

【００４５】図５（ｂ）は図３（ｂ）の比較例１−１の
ダイオードの順電流−順電圧特性図である。やはり室温
（２５℃）と高温（１２５℃）の曲線が示されている。
この比較例１−１のダイオードの２００A/cm²における
順電圧は、室温が１．９０V 、高温が１．５５V であ
る。その差は０．３５V であり高温の方が室温にくらべ
かなり小さい。すなわち、実施例１−１のダイオード
は、従来のダイオードと比較して、順電圧の負の温度依
存性がかなり小さくなっていることがわかる。

【００４６】従来のダイオードにおいて温度依存性が負
で、しかも大きな値であることは、ダイオードチップ
内、チップ間における電流分布の不均一を益々助長する
ことになり、例えばダイオードの並列運転の場合など、
電流均一化のためのバランス抵抗を挿入しなければなら
なかったが、そのような問題が回避できることになる。

【００４７】［実施例１−２］キャリアライフタイムの
長いｎドリフト層６ａのライフタイムを２０μs 、キャ
リアライフタイムの短いｎドリフト層６ｂのライフタイ
ムを０．２nsとし、ＬH ＋ＬL ＝８０μm としたダイオ
ードを実施例１−２のダイオードとする。他の寸法等は
上に記した通りである。

【００４８】図６（ａ）はこのダイオードの順電流２０
０A/cm²を遮断したときの逆回復時の電流、電圧波形図
である。この実施例１−２のダイオードは、図２の特性
図からわかるように順電流２００A/cm²での電圧降下は
３．２０V であった。そしてこのダイオードの逆回復時
間は０．１９μs であり、電圧波形の跳ね上がり電圧は
１９５V である。

【００４９】図６（ｂ）は比較例１−２として従来のｐ
ｉｎ構造のダイオードの順電流２００A/cm²を遮断した
ときの逆回復時の電流、電圧波形図である。この比較例
１−２のダイオードは、ライフタイム制御により順電圧
は２．２Vである。そしてこのダイオードの逆回復時間
は０．２５μs であり、電圧波形は、逆回復過程の途中
において発振し、電圧が定格の１２００Ｖを超えてい
る。すなわち、実施例１−２のダイオードでは、従来の
ダイオードと比較して、逆回復時間が短いにもかかわら
ず、電圧波形が発振することなく逆回復過程が終了して
いる。

【００５０】図７は、実施例１−１、１−２を含む図１
のダイオードについて順電圧と、跳ね上がり電圧との関
係を示す特性図（●印）である。横軸は２００A/cm²に
おける順電圧Ｖ_F、縦軸は跳ね上がり電圧である。比較
のため従来のダイオードについての順電圧と、跳ね上が
り電圧との関係を示す特性線も示した（□印）。従来構
造のｐｉｎダイオードの順電圧はライフタイムを変化さ
せて制御している。本発明のダイオードは跳ね上がり電
圧が３０％以上抑制されており、また順電圧の高いダイ
オードでも電圧波形の発振が抑制されている。

【００５１】［実施例２］次に、４５００V クラスのダ
イオードのときは、ｎドリフト層６の抵抗率は約３２０
Ωcm、厚さは約４５０μm 、ｐアノード領域２の表面不
純物濃度が約３．０×１０¹⁶cm^-3、拡散深さが約３．０
μm である。ｎカソード領域３の表面不純物濃度が約
１．０×１０²⁰cm^-3、拡散深さは約８０．０μm であ
る。キャリアライフタイムの長いｎドリフト層６ａのラ
イフタイムは２０μs 、キャリアライフタイムの短いｎ
ドリフト層６ｂのライフタイムは０．２nsとした。

【００５２】実施例１と同様に、ｎドリフト層６が、キ
ャリアライフタイムの長いｎドリフト層６ａとキャリア
ライフタイムの短いｎドリフト層６ｂとにそれらの体積
比が例えば９：１になるように分割されているダイオー
ドを試作した。

【００５３】キャリアライフタイムの長いｎドリフト層
６ａとキャリアライフタイムの短いｎドリフト層６ｂと
がともにストライプ状であり、図の紙面に垂直な方向に
形成されているものとする。両者の幅をＬH とＬL とす
るとき、それらの比を９：１に保ちながらＬH ＋ＬL
を１６０〜４００μm の範囲で変えた。図８はそのよう
なダイオードの順電圧の変化を示す特性図である（●
印）。横軸はＬH ＋ＬL 、縦軸は８０A/cm²での順電圧
である。

【００５４】ＬH ＋ＬL を短くするほど順電圧が大きく
なることがわかる。同じ図にキャリアライフタイムの長
いｎドリフト層６ａのライフタイムを２０μs 、キャリ
アライフタイムの短いｎドリフト層６ｂのライフタイム
を２０nsとした場合の特性図も示した（○印）。その場
合もＬH ＋ＬL を短くするほど順電圧が大きくなるが、
その程度はずっと少ない。すなわち、キャリアライフタ
イムの長いｎドリフト層６ａとキャリアライフタイムの
短いｎドリフト層６ｂとのライフタイムの差が大きい
程、順電圧に及ぼす影響は大きい。

【００５５】［実施例２−１］キャリアライフタイムの
長いｎドリフト層６ａのライフタイムを２０μs 、キャ
リアライフタイムの短いｎドリフト層６ｂのライフタイ
ムを０．２nsとし、ＬH ＋ＬL ＝２４０μm としたダイ
オードを実施例２−１のダイオードとする。他の寸法等
は上に記した通りである。

【００５６】図９（ａ）はこのダイオードの順電流−順
電圧特性図である。横軸は順電圧、縦軸は電流密度で表
した順電流である。室温（２５℃）と高温（１２５℃）
の曲線が示されている。

【００５７】この実施例２−１のダイオードの８０A/cm
²における順電圧は、室温が５．００V 、高温が５．５
０V である。高温の方が室温にくらべやや大きいがその
差は０．５０V と小さい。

【００５８】図９（ｂ）は従来のｐｉｎ構造のダイオー
ド( 比較例２−１) の順電流−順電圧特性図である。や
はり室温と高温（１２５℃）の曲線が示されている。こ
の比較例２−１のダイオードの８０A/cm²における順電
圧は、室温が６．５０V 、高温が５．５０V である。そ
の差は１．００V であり高温の方が室温にくらべかなり
小さい。

【００５９】すなわち、従来型のダイオードでは、順電
圧の温度係数が負でしかも大きな値であったのに対し、
実施例２−１のダイオードでは、温度係数が小さくしか
も正の値になっていることがわかる。

【００６０】従来のダイオードにおいて温度係数が負の
大きな値であることは、ダイオードチップ内、チップ間
における電流分布の不均一をますます助長することにな
り、例えばダイオードの並列運転の場合など、電流均一
化のためのバランス抵抗を挿入しなければならなかっ
た。本実施例のダイオードでは温度係数が正の値になっ
ているので、ダイオードチップ内、チップ間における電
流分布の不均一が自然に是正されることになる。

【００６１】［実施例３］図１０は、本発明の第三の実
施例のスイッチングダイオードの断面図である。ｎドリ
フト層６のライフタイムは２種類であり、ライフタイム
の長い領域６ａとライフタイムの短い領域６ｂがあり、
その体積比が９：１になるように一定の間隔で配置され
ているのは、これまでの実施例と同じであるが、その境
界が基板の主表面に対して約７５度の角度をなしてい
る。

【００６２】キャリアライフタイムの長いｎドリフト層
６ａのライフタイムを２０μs 、キャリアライフタイム
の短いｎドリフト層６ｂのライフタイムを０．２nsと
し、ＬH ＋ＬL ＝２００μm とした。

【００６３】図１１（ａ）はこの実施例３のダイオード
の順電流−順電圧特性図である。横軸は順電圧、縦軸は
電流密度で表した順電流である。室温（２５℃）と高温
（１２５℃）の曲線が示されている。

【００６４】このダイオードの２００A/cm²における順
電圧は、室温が１．３５V 、高温が１．２０V である。
高温の方が室温にくらべやや小さいが、その差は０．１
５Vと小さい。すなわち、実施例３のダイオードは、従
来のダイオードと比較して、順電圧の温度依存性がかな
り小さくなっていることがわかる。

【００６５】図２の特性図によれば、キャリアライフタ
イムの長い領域６ａとキャリアライフタイムの短い領域
６ｂとの境界が基板に対して垂直なとき、キャリアライ
フタイムの長い領域６ａとキャリアライフタイムの短い
領域６ｂのライフタイムをそれぞれ２０μs 、０．２ns
とし、ＬH ＋ＬL ＝２００μm の場合の順電流２００A/
cm²の順電圧は約１．１８V であるから、境界を７５度
に傾けた場合には順電圧が少し大きくなっている。

【００６６】図１１（ｂ）はこのダイオードの順電流２
００A/cm²を遮断したときの逆回復時の電流、電圧波形
図である。この実施例３のダイオードでは、逆回復時間
は０．７μs であり、逆回復電流がピークを過ぎた後の
電流減少率［−ｄｉ／ｄｔ］が抑制されて、跳ね上がり
電圧が１４０V と小さく、ソフトスイッチング化がなさ
れている。

【００６７】図７の特性図によれば、境界が基板に対し
て垂直なとき、キャリアライフタイムの長い領域６ａと
キャリアライフタイムの短い領域６ｂのライフタイムが
それぞれ２０μs 、０．２ns、ＬH ＋ＬL ＝２００μm
での順電流２００A/cm²における順電圧が１．２０V の
とき、跳ね上がり電圧は１３７V であるから、境界を７
５度に傾けた場合には跳ね上がり電圧も少し大きくなっ
ている。

【００６８】従って、境界を７５度に傾けた場合にも、
境界が基板に対して垂直なときと比較してほとんど同様
のソフトスイッチング化、順電圧の負の温度依存性緩和
等の効果が得られることがわかる。境界を７５度に傾け
た場合には、実質的にはＬH＋ＬL を小さくしたことに
相当するため、このような結果になると考えられる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
イッチングダイオードにおいて、第一導電型の低濃度層
がキャリアのライフタイムの長さの異なる少なくとも二
つの領域に分割し、その主な境界を半導体基板表面に対
して４５度以上の角度で傾け、低濃度層の水平断面にお
いてキャリアライフタイムの長い領域の面積がキャリア
ライフタイムの短い領域の面積より広くすることによ
り、逆回復特性がソフトで、順電圧の温度依存性を正ま
たは小さい負の値のスイッチングダイオードとすること
ができる。

【００７０】従って、跳ね上がり電圧が小さくなり、電
圧波形の発振が抑制されるので、保護回路を軽減できる
とともに、ダイオードのチップ面内、チップ間の電流集
中を抑制或いは防止でき、均一動作が可能となる。

【００７１】本発明は、パワー半導体デバイスの低損失
化・高速スイッチング化、および、周辺回路の低インダ
クタンス化、スナバレス化等に必要なスイッチングダイ
オードとして大きな貢献をなすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例１のスイッチングダイオードの部
分断面図

【図２】実施例１のスイッチングダイオード（１２００
V クラス）の繰り返し寸法と順電圧との関係を示す特性
図

【図３】（ａ）は実施例１−１のスイッチングダイオー
ドの逆回復時の電流、電圧波形図、（ｂ）は比較例１−
１のダイオードの逆回復時の電流、電圧波形図

【図４】実施例１−１のスイッチングダイオードおよび
比較例１−１のダイオードの順電流と発振開始電圧との
関係を示す特性図

【図５】（ａ）は実施例１−１のスイッチングダイオー
ドの順電流−順電圧特性図、（ｂ）は比較例１−１のダ
イオードの順電流−順電圧特性図

【図６】（ａ）は実施例１−２のスイッチングダイオー
ドの逆回復時の電流、電圧波形図、（ｂ）は比較例１−
２のダイオードの逆回復時の電流、電圧波形図

【図７】実施例１のスイッチングダイオード（１２００
V クラス）および従来のダイオード（１２００V クラ
ス）の順電圧と跳ね上がり電圧との関係を示す特性図

【図８】実施例２のスイッチングダイオード（４５００
V クラス）の繰り返し寸法と順電圧との関係を示す特性
図

【図９】（ａ）は実施例２−１のスイッチングダイオー
ドの順電流−順電圧特性図、（ｂ）は比較例２−１のダ
イオードの逆回復時の順電流−順電圧特性図

【図１０】実施例３のスイッチングダイオードの部分断
面図

【図１１】（ａ）は実施例３のスイッチングダイオード
の順電流−順電圧特性図、（ｂ）は実施例３のダイオー
ドの逆回復時の電流、電圧波形図

【図１２】従来のスイッチングダイオードの部分断面図

【符号の説明】

１半導体基板２ｐアノード領域３ｎカソード領域４アノード電極５カソード電極６ｎドリフト層６ａキャリアライフタイムの長い領域６ｂキャリアライフタイムの短い領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板が第一導電型の低濃度層と、低
濃度層の一方の主表面の表面層に形成された第二導電型
アノード領域と、低濃度層の他方の主表面の表面層に形
成された第一導電型で低濃度層よりも不純物濃度の高い
カソード領域とからなり、アノード領域、カソード領域
の表面にそれぞれ接触してアノード電極、カソード電極
が設けられたスイッチングダイオードにおいて、第一導
電型の低濃度層がキャリアのライフタイムの長さの異な
る少なくとも二つの領域に分割されており、その主な境
界が半導体基板表面に対して４５度以上の角度で傾いて
おり、低濃度層の水平断面においてキャリアライフタイ
ムの長い領域の面積がキャリアライフタイムの短い領域
の面積より広いことを特徴とするスイッチングダイオー
ド。
【請求項２】キャリアのライフタイムの異なる領域の主
な境界が半導体基板の表面に対してほぼ垂直であること
を特徴とする請求項１記載のスイッチングダイオード。
【請求項３】キャリアライフタイムの長い領域の任意の
一点からキャリアのライフタイムの短い領域に達するま
での最長距離が、少数キャリアの拡散長と低濃度層の厚
さの、いずれかの小さい方よりも短いことを特徴とする
請求項１または２に記載の記載のスイッチングダイオー
ド。
【請求項４】キャリアのライフタイムの異なる領域の主
な境界が低濃度層の厚さの５０% 以上にわたっているこ
とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のス
イッチングダイオード。
【請求項５】キャリアのライフタイムの異なる領域の主
な境界が低濃度層の厚さ全体にわたっていることを特徴
とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスイッチン
グダイオード。
【請求項６】キャリアのライフタイムの短い領域が低濃
度層の水平断面内で均等に配置されていることを特徴と
する請求項４または５のいずれかに記載のスイッチング
ダイオード。
【請求項７】キャリアのライフタイムの短い領域の半導
体基板の水平断面内の形状が、ストライプ状、格子状、
蜂の巣状のいずかであることを特徴とする請求項６に記
載のスイッチングダイオード。
【請求項８】キャリアのライフタイムの短い領域の半導
体基板の水平断面内の形状が、均等に分散配置された孤
立形状であることを特徴とする請求項６に記載のスイッ
チングダイオード。
【請求項９】キャリアのライフタイムの長い領域とキャ
リアのライフタイムの短い領域との半導体基板の水平断
面内での面積比が５：１以上９５：１以下であることを
特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の記載の
スイッチングダイオード。
【請求項１０】キャリアのライフタイムの長い領域とキ
ャリアのライフタイムの短い領域とのキャリアライフタ
イムの比が１０００：１以上１００００００：１以下で
あることを特徴とする請求項９記載のスイッチングダイ
オード。
【請求項１１】キャリアのライフタイムの長い領域のラ
イフタイムが１μs以上であることを特徴とする請求項
１０に記載のスイッチングダイオード。