JP2001210651A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
したPN接合部を有する半導体装置を得る。 【解決手段】 ダイオードの電圧阻止能力の略1/2〜
略2/3の逆方向電圧印加時にN-層101とP層10
2とのPN接合部からN-層101に拡がる空乏層がN+
層103に到達しない第1の条件と、電圧阻止能力の略
2/3を越える逆方向電圧印加時に上記空乏層がN+層
103に到達する第2の条件とを共に満足するように、
N-層101の膜厚を設定する。さらに、電圧阻止能力
と同等の逆バイアス電圧設定時に空乏層にかかる電界が
シリコン最大電界強度以下になるように、N-層101
の不純物濃度(比抵抗)を設定している。
Description
かな逆回復特性が要求されるPN接合部を有するダイオ
ード等の半導体装置に関する。
nsistor)やGCT(Gate CommutatedTurn-off Thyrist
or)などの高耐圧スイッチング阻止の応用に必要な還流
用ダイオードや電圧クランプ用ダイオードとして、高耐
圧かつ速やかな逆回復特性がダイオードに要求される。
なダイオードの断面構造を示す断面図である。同図に示
すように、N+層603上にシリコン等の半導体基板で
あるN-層601が形成され、N-層601上にP層60
2が形成されている。N+層603はN-層601に比べ
N型の不純物濃度が高い。
らなるアノード電極604が形成され、N+層603下
には、アノード電極604と同様に電気抵抗の小さい金
属からなるカソード電極605が形成される。
射等により制御され、キャリア再結合の中心が形成され
ている。また、半導体基板全体のライフタイムは貴金属
の核酸や電子線照射等の技術によって短くなるように制
御されている。
ている状態から、瞬間的に外部回路の切り替えによって
逆バイアスを加えようとすると、ダイオードには少数キ
ャリア蓄積現象があるため、電流が“0”になっても直
ちに逆方向回復せず、過渡的なある期間だけ大きな逆電
流(逆バイアス値と外部回路のインダクタンスで決まる
電流減少率を持った電流)が流れる。この逆電流はPN
接合近傍にある過剰キャリアがある濃度以下に減少し
て、空乏層が形成されるまで流れる。
め、空乏層の広がりに対応して逆電圧が徐々に増加する
とともに、逆電流が徐々に減少する。そして、素子電圧
が印加逆電圧に定常的に等しくなって逆回復動作が完了
する。
構造の従来のダイオードは、PN接合近傍のライフタイ
ムを局部的に短く制御することにより、順電圧が低く、
かつ逆回復電流(逆電流のピーク値)が小さい、di/
dt耐量(ダイオードに損傷を生じることなく付与する
ことのできる電流減少率di/dtの最大値)の高い特性を
実現できる。
が高い場合、ダイオードの印加電圧が急激に振動し、周
辺の電気機器の誤動作をもたらす等、ノイズの原因とな
る問題点があった。ダイオードの電圧の振動は次のよう
に発生すると考えられる。
剰キャリアをパラメータにした容量成分と、印加電圧と
漏れ電流及び過剰キャリアの再結合電流をパラメータに
した抵抗成分とを有している。上記抵抗成分、上記容量
成分、及び逆電圧を印加するための外部回路のインダク
タンス成分でLCR直列回路が形成される。ダイオード
の容量成分と抵抗成分は時間的に変化し、空乏層外にあ
る過剰キャリアが消滅すると、抵抗成分が急激に増加し
て、LCR直列回路の固有振動条件に達し、電圧発振を
起こす。また、空乏層がN+層603に到達すると抵抗
成分が急激に変化し、電圧発振を発生させる場合もあ
る。
されたもので、他に悪影響を及ぼすことなく電圧発振を
抑制したPN接合部を有する半導体装置を得ることを目
的とする。
記載の半導体装置は、第1の導電型の第1の半導体層
と、前記第1の半導体層上に形成される第1の導電型の
第2の半導体層とを備え、前記第2の半導体層は前記第
1の半導体層より第1の導電型の不純物濃度が低く、前
記第2の半導体層上に形成される第2の導電型の第3の
半導体層と、前記第3の半導体層の上方に形成される第
1の主電極と、前記第1の半導体層の下方に形成される
第2の主電極とをさらに備え、前記第2の半導体層と前
記第3の半導体層との界面のPN接合部による逆方向の
電圧阻止能力の略1/2〜略2/3の逆方向電圧が前記
第1及び第2の主電極に印加された時に前記PN接合部
から伸びる空乏層が前記第1の半導体層に到達しない第
1の条件と、前記電圧阻止能力の略2/3を越える逆方
向電圧が前記第1及び第2の主電極に印加された時に前
記PN接合部から伸びる空乏層が前記第1の半導体層に
到達する第2の条件とを共に満足するように、前記第2
の半導体層の膜厚を設定している。
半導体装置であって、前記第1の主電極は前記第3の半
導体層上に直接形成される主電極を含み、前記第2の主
電極は前記第1の半導体層下に直接形成される主電極を
含む。
半導体装置であって、前記第1の半導体層下に形成され
る第2の導電型の第4の半導体層をさらに備え、前記第
1の主電極は前記第3の半導体層上に直接形成される主
電極を含み、前記第2の主電極は前記第4の半導体層下
に直接形成される主電極を含む。
半導体装置であって、前記第1の半導体層下に形成され
る第2の導電型の第4の半導体層と、前記第3の半導体
層上に形成される第1の導電型の第5の半導体層とをさ
らに備え、前記第1の主電極は前記第5の半導体層上に
直接形成される主電極を含み、前記第2の主電極は前記
第4の半導体層下に直接形成される主電極を含む。
半導体装置であって、前記第3の半導体層は、前記第2
の半導体層の表面に選択的に形成される複数の半導体領
域を含み、前記第1の主電極は、前記複数の半導体領域
上に形成される複数の部分電極を含む。
半導体装置であって、前記第2及び第3の半導体層の界
面近傍におけるライフタイムは、前記第1及び第2の半
導体層の界面近傍におけるライフタイムより短く設定さ
れる。
請求項6のうちいずれか1項に記載の半導体装置であっ
て、前記第2の条件は、前記電圧阻止能力と同等の逆方
向電圧が前記第1及び第2の主電極に印加された時に前
記PN接合部から伸びる空乏層が前記第1の半導体層に
到達する条件を含む。
し請求項7のうちいずれか1項に記載の半導体装置であ
って、前記電圧阻止能力と同等の逆バイアス電圧設定時
に前記空乏層にかかる電界が所定の電界強度以下の実使
用レベルになる第3の条件を満足するように、前記第2
の半導体層の前記不純物濃度を設定する。
層、N-層及びN+層の3層構造であり、例えば、後述す
る実施の形態1の構造では、図8のP層102、N-層
101及びN+層103がそれぞれP層、N-層及びN+
層に相当する。
部)に対して逆回復動作(PN接合が順方向の導通状態
から逆方向の阻止状態に切り換わるとき、逆方向の電圧
阻止能力を回復する動作)をさせた時、基本構造内に生
じる空乏層がN+層に到達すると抵抗成分が急激に変化
し、これがトリガとなって電圧発振を発生させる。
基本構造において、N-層の膜厚を厚くし、P層及びN-
層間のPN接合部からN-層に拡がる空乏層がN+層に到
達しないように設定すれば良い。しかしながら、単純に
N-層を厚くする設定では、N-層の膜厚(ウェハ厚)が
厚くなりすぎてオン電圧の増大を招いてしまう問題点が
あった。
オン電圧は低いが、逆回復動作時に空乏層がN+層に到
達してしまい、非常に大きな電圧発振を回避することが
できなかった。
制をバランス良く図る基本構造を得ることである。そこ
で、基本構造のダイオード部に対して、電圧阻止能力の
略1/2〜略2/3の逆方向電圧印加時に、P層及びN
-層間のPN接合部からN-層に拡がる空乏層がN+層に
到達せず、電圧阻止能力の略2/3を越える逆方向電圧
印加時に上記空乏層がN+層に到達するように、N-層の
膜厚を設定することを見いだした。
電圧との関係を示すグラフである。同図において、本発
明により設定したN-層の膜厚(以下、「設定膜厚」と
略記する)を“1”としている。同図に示すように、N
-層の膜厚を設定膜厚の膜厚より厚くするとオン電圧は
上昇し、例えば、設定膜厚の2倍に設定するするとオン
電圧が0.8V程度も上昇してしまう。一方、N-層の
膜厚を設定膜厚の膜厚より薄くするとオン電圧は下降す
るが、その度合いは小さく、例えば、設定膜厚の半分に
してもオン電圧は0.1〜0.2V程度しか下降しな
い。
向電圧の印加時には、PN接合部から拡がる空乏層がN
+層に到達しないため、電圧発振の大きさをほぼ“0”
に抑えることができる。
逆方向電圧の印加時に空乏層がN+層内の拡がりの割合
と電圧発振の大きさを示すグラフである。同図に示すよ
うに、電圧阻止能力の略2/3を越える逆方向電圧が印
加されて空乏層がN+層に到達しN+層内に拡がっても、
電圧の発振の大きさが2KVを大きく下回る許容範囲に
抑制できている。
示す波形図である。同図に示すように、1〜2V程度の
定電圧をダイオードに与え順方向電流を流した状態か
ら、逆バイアスを与える。この際、そのピーク値は電圧
阻止能力の略2/3程度であり、定常電圧は略1/2当
たりて使用されるの一般的である。例えば、−4.5K
V(逆方向を「−」で示す)の電圧阻止能力のダイオー
ドにおいて略2/3である−3KV程度がピーク値とな
り、略1/2の−2.25KVが定常電圧となる。
に、本発明では、基本構造のダイオード部に対して、電
圧阻止能力の略1/2〜略2/3の逆方向電圧印加時に
N-層に拡がる空乏層がN+層に到達しない第1の条件
と、電圧阻止能力の略2/3を越える逆方向電圧印加時
に上記空乏層がN+層に到達する第2の条件とを共に満
足するように、N-層の膜厚を設定することにした。
止能力の略1/2〜略2/3の逆バイアスが設定される
ため、N-層の膜厚は第1の条件を満足しておりこの期
間においてN-層に拡がる空乏層がN+層に到達すること
はないため、上述したように電圧振動を効果的に抑制す
ることができる。
するレベルに薄く設定されているため、オン電圧も適度
なレベルで低く設定することができる。
力の1/1程度の逆バイアス電圧設定時に空乏層にかか
る電界がシリコン最大電界強度(シリコンが耐えうる電
界強度の最大値)以下の実使用レベルになる第3の条件
を満足するように、N-層の不純物濃度(比抵抗)を設
定する。
に関連するため、実際には、第1〜第3の条件の相互関
連を考慮してN-層の不純物濃度と膜厚とを決定するこ
とになる。
ある。図4に示すように、本発明は、P層102、N-
層101及びN+層103の3層構造を基本構造として
おり、電圧阻止能力の略1/2〜略2/3の逆方向電圧
印加時にN-層101とP層102とのPN接合部から
生じる空乏層がN+層103に到達せずL1で示す電界
分布となり、電圧阻止能力の略2/3を越える逆方向電
圧印加時に上記空乏層がN+層103に到達し、L2で
示す電界分布となる。
ダイオードの特徴を示す説明図である。同図に示すよう
に、PIN構造は、P層602、N-層601及びN+層
603の3層構造を基本構造としており、電圧阻止能力
の略1/2〜略2/3の逆方向電圧印加時にN-層60
1とP層602とのPN接合部で生じる空乏層、及び電
圧阻止能力の略2/3を越える逆方向電圧印加時に上記
PN接合部で生じる空乏層が共にN+層603に到達す
る。なお、前者の場合の電界分布をL11に、後者の場
合の電界分布をL12に示す。
特徴を示す説明図である。同図に示すように、単純PN
接合構造は、P層702及びN-層701の2層構造を
基本構造としており、電圧阻止能力の略1/2〜略2/
3の逆方向電圧印加時にN-層601とP層602との
PN接合部で生じる空乏層、及び電圧阻止能力の略2/
3を越える逆方向電圧印加時に生じる上記空乏層は共に
N+層63に到達しない。なお、前者の場合の電界分布
をL21に、後者の場合の電界分布をL22に示す。
一とし、PIN構造のN-層601の膜厚をAμmと仮
定した場合、N-層101層の膜厚は(A+α(>
0))μmとなり、N-層701の膜厚は(A+β(>
α))μmとなる。
N接合構造それぞれのオン電圧及び電圧発振の割合を示
すグラフである。同図のオン電圧曲線L3及び電圧発振
曲線L4に示すように、本発明の構造は、従来のPIN
構造やPN接合構造にくらべ、オン電圧の低下及び電圧
発振の抑制をバランス良く達成することができる。
3を越える電圧としては、電圧阻止能力と同等の電圧を
採用することが、現実的な設計を考えると望ましいた
め、以下で述べる実施の形態では電圧阻止能力と同等の
電圧を第2の条件用の逆方向電圧として採用している。
形態1である半導体装置の構造を示す断面図である。同
図に示すように、N+層103層上にシリコン等の半導
体基板であるN-層101が形成され、N-層101上に
P層102が形成されており、N+層103はN -層10
1に比べ不純物濃度が高い。
らなるアノード電極104が形成され、N+層103下
には、アノード電極104と同様に電気抵抗の小さい金
属からなるカソード電極105が形成される。
P層102、(N-層101,N+層103)からなるダ
イオードを構成している。
のPN接合部の電圧阻止能力の略1/2〜略2/3の逆
方向電圧印加時にN-層101とP層102とのPN接
合部からN-層101に拡がる空乏層がN+層103に到
達しない第1の条件と、電圧阻止能力の略1/1の逆方
向電圧印加時に上記空乏層がN+層103に到達する第
2の条件を共に満足するように、N-層101の膜厚を
設定している。
イアス電圧設定時に空乏層にかかる電界がシリコン最大
電界強度以下になるように、N-層101の不純物濃度
(比抵抗)を設定している。
オン電圧の低下及び電圧発振の低下をバランス良く達成
することができるダイオードを得ることができる。
02の不純物濃度が5.0×1023atom/m3、N-層1
01の不純物濃度が2.1×1019atom/m3(比抵抗
2.2Ω・m)、N+層103の不純物濃度が1.0×
1020atom/m3のとき、ウェハ厚であるN-層101の
膜厚が600μm、P層102の膜厚90μm、N+層
103の膜厚が40μmの構成が考えられ、このとき、
電圧阻止能力は約4.5KVを呈する。
形態2である半導体装置の構造を示す断面図である。同
図に示すように、N+層103とカソード電極105と
の間にP層106が介挿されている。他の構造は全て図
8で示した実施の形態1と同様であるため、説明を省略
する。
P層102、(N-層101,N+層103)及びP層1
06からなるPNPバイポーラトランジスタを構成して
いる。このような構造の実施の形態2のバイポーラトラ
ンジスタは、オン電圧の低下及び電圧発振の低下をバラ
ンス良く達成することができる。
の形態3である半導体装置の構造を示す断面図である。
同図に示すように、P層102とアノード電極104と
の間にN層107が介挿されている。他の構造は全て図
9で示した実施の形態2と同様であるため、説明を省略
する。
は、N層107、P層102、(N-層101,N+層1
03)及びP層106からなるNPNPサイリスタを構
成している。このような構造の実施の形態3のサイリス
タはオン電圧の低下及び電圧発振の低下をバランス良く
達成することができる。
の形態4である半導体装置の構造を示す断面図である。
同図に示すように、図8で示した実施の形態1のP層1
02の代わりに複数のP領域108がN-層101の表
面に選択的に形成されている。そして、複数のP領域1
08上それぞれに部分アノード電極109が形成されて
いる。他の構造は全て図8で示した実施の形態2と同様
であるため、説明を省略する。
複数のP領域108それぞれの側面分にもN-層101
とによってPN接合部を形成することができるため、実
施の形態1以上に耐圧の向上を図ったダイオードを得る
ことができる。
の形態5である半導体装置の構造を示す断面図である。
実施の形態5の構造はほぼ図8で示した実施の形態1の
構造と等価である。しかしながら、N-層101とN+層
103との接合近傍のライフタイムより、P層102と
N-層101との接合近傍のライフタイムの方が短くな
るように制御されている点が異なる。
101とP層102とのPN接合部近傍のライフタイム
が短く設定されるため、N-層101とP層102との
PN接合部からN-層101に拡がる空乏層の伸びが抑
制され、他の条件を同一と仮定すると実施の形態1以上
にN-層101の膜厚を薄くしても、上記第1〜第3の
条件を満足することができる。
請求項1記載の半導体装置の第2の半導体層の膜厚は、
上記第1の条件を満足するように設定されているため、
逆回復動作において一般的に使用される電圧阻止能力の
略1/2〜2/3の逆方向電圧の印加時に、上記空乏層
が第1の半導体層に達することにより生ずる電圧発振を
確実に抑制することができる。
2の条件を満足する厚みに設定されているため、オン電
圧を適切なレベルで低く維持することができる。
抑制をバランス良く達成することができる。
電圧の低下及び電圧発振の抑制をバランス良く達成する
ダイオードを得ることにができる。
電圧の低下及び電圧発振の抑制をバランス良く達成する
トランジスタを得ることにができる。
電圧の低下及び電圧発振の抑制をバランス良く達成する
サイリスタを得ることにができる。
半導体領域は、それぞれの側面分にも第1の半導体層と
によってPN接合部を形成することができるため、耐圧
の向上を図ったダイオードを得ることができる。
3の界面近傍(PN接合部近傍)のライフタイムを短く
設定することにより、上記PN接合部から拡がる空乏層
の伸びが抑制されるため、より薄い膜厚の第2の半導体
層を得ることができる。
用の逆方向電圧として電圧阻止能力と同等の電圧を用い
るため、現実的な設計に即した構造となる。
力に相当する逆バイアス電圧設定時に空乏層にかかる電
界が所定の電界強度以下の実使用レベルになるように、
第2の半導体層の不純物濃度を設定するため、実動作に
支障は来さない。
関係を示すグラフである。
印加時に、空乏層のN-層内の拡がりの割合と電圧発振
の大きさを示すグラフである。
変化を示す波形図である。
説明図である。
図である。
造それぞれのオン電圧及び電圧発振の割合を示すグラフ
である。
構造を示す断面図である。
構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
す断面図である。
+層、104 アノード電極、105 カソード電極、
107 N層、108 P領域、109 部分アノード
電極。
Claims (8)
- 【請求項1】 第1の導電型の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層上に形成される第1の導電型の第2
の半導体層とを備え、前記第2の半導体層は前記第1の
半導体層より第1の導電型の不純物濃度が低く、 前記第2の半導体層上に形成される第2の導電型の第3
の半導体層と、 前記第3の半導体層の上方に形成される第1の主電極
と、 前記第1の半導体層の下方に形成される第2の主電極と
をさらに備え、 前記第2の半導体層と前記第3の半導体層との界面のP
N接合部による逆方向の電圧阻止能力の略1/2〜略2
/3の逆方向電圧が前記第1及び第2の主電極に印加さ
れた時に前記PN接合部から伸びる空乏層が前記第1の
半導体層に到達しない第1の条件と、前記電圧阻止能力
の略2/3を越える逆方向電圧が前記第1及び第2の主
電極に印加された時に前記PN接合部から伸びる空乏層
が前記第1の半導体層に到達する第2の条件とを共に満
足するように、前記第2の半導体層の膜厚を設定したこ
とを特徴とする、半導体装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置であって、 前記第1の主電極は前記第3の半導体層上に直接形成さ
れる主電極を含み、 前記第2の主電極は前記第1の半導体層下に直接形成さ
れる主電極を含む、半導体装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の半導体装置であって、 前記第1の半導体層下に形成される第2の導電型の第4
の半導体層をさらに備え、 前記第1の主電極は前記第3の半導体層上に直接形成さ
れる主電極を含み、 前記第2の主電極は前記第4の半導体層下に直接形成さ
れる主電極を含む、半導体装置。 - 【請求項4】 請求項1記載の半導体装置であって、 前記第1の半導体層下に形成される第2の導電型の第4
の半導体層と、 前記第3の半導体層上に形成される第1の導電型の第5
の半導体層とをさらに備え、 前記第1の主電極は前記第5の半導体層上に直接形成さ
れる主電極を含み、 前記第2の主電極は前記第4の半導体層下に直接形成さ
れる主電極を含む、半導体装置。 - 【請求項5】 請求項2記載の半導体装置であって、 前記第3の半導体層は、前記第2の半導体層の表面に選
択的に形成される複数の半導体領域を含み、 前記第1の主電極は、前記複数の半導体領域上に形成さ
れる複数の部分電極を含む、半導体装置。 - 【請求項6】 請求項2記載の半導体装置であって、 前記第2及び第3の半導体層の界面近傍におけるライフ
タイムは、前記第1及び第2の半導体層の界面近傍にお
けるライフタイムより短く設定される、半導体装置。 - 【請求項7】 請求項1ないし請求項6のうちいずれか
1項に記載の半導体装置であって、 前記第2の条件は、前記電圧阻止能力と同等の逆方向電
圧が前記第1及び第2の主電極に印加された時に前記P
N接合部から伸びる空乏層が前記第1の半導体層に到達
する条件を含む、半導体装置。 - 【請求項8】 請求項1ないし請求項7のうちいずれか
1項に記載の半導体装置であって、 前記電圧阻止能力と同等の逆バイアス電圧設定時に前記
空乏層にかかる電界が所定の電界強度以下の実使用レベ
ルになる第3の条件を満足するように、前記第2の半導
体層の前記不純物濃度を設定する、半導体装置。
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