JP2002185017A - High breakdown voltage high speed diode - Google Patents
High breakdown voltage high speed diodeInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高耐圧高速ダイオード
に関するものであり、特に1μs以下の極短時間内に、
数千A以上の大電流をパルス状に供給する必要があるレ
ーザ装置等において、放電電極に急峻に高電圧を印加
し、放電による極狭の大電流を流すことのできる電力用
半導体スイッチング素子を用いたパルスパワー回路にお
ける逆流保護用に電力用半導体スイッチング素子と逆並
列に接続される逆導通ダイオードとして使用するのが好
適なダイオードに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-voltage, high-speed diode, and more particularly, to an extremely short time of 1 .mu.s or less.
In a laser device or the like that needs to supply a large current of several thousand A or more in a pulsed form, a power semiconductor switching element capable of applying a high voltage to a discharge electrode steeply and allowing a very small current to flow due to discharge. The present invention relates to a diode which is preferably used as a reverse conducting diode connected in antiparallel with a power semiconductor switching element for backflow protection in a used pulse power circuit.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、パルスレーザ用電源やパルス放
電装置用電源として高電圧大電流のパルスを出力する電
源装置が使用されている。図1は、パルスレーザ用電源
として知られているパルス発生回路の一例を示すもので
ある。このパルス発生回路においては、直流電源11、
スイッチ12および電流制限抵抗13を有する充電器1
4の出力端子14aと14bとの間に電力用半導体スイ
ッチング素子としての静電誘導サイリスタ15が接続さ
れ、この静電誘導サイリスタと並列に共振用のコイル1
6およびコンデンサ17の直列接続されたものが接続さ
れている。通常、コイル16は配線インダクタンス程度
の極小さいものである。このコンデンサ17と並列に、
コンデンサ18および大きなインダクタンス値を有する
コイル19を直列接続したものを接続し、このインダク
タンスと並列に負荷となる放電ギャップ20が接続され
ている。2. Description of the Related Art For example, a power supply device for outputting a pulse of a high voltage and a large current is used as a power supply for a pulse laser or a power supply for a pulse discharge device. FIG. 1 shows an example of a pulse generation circuit known as a power supply for a pulse laser. In this pulse generation circuit, the DC power supply 11
Charger 1 having switch 12 and current limiting resistor 13
4, an electrostatic induction thyristor 15 as a power semiconductor switching element is connected between the output terminals 14a and 14b, and the resonance coil 1 is connected in parallel with the electrostatic induction thyristor.
6 and a capacitor 17 connected in series. Usually, the coil 16 is extremely small, such as the wiring inductance. In parallel with this capacitor 17,
A capacitor 18 and a coil 19 having a large inductance value are connected in series, and a discharge gap 20 serving as a load is connected in parallel with the inductance.
【0003】先ず、静電誘導サイリスタ15を非導通と
した状態でスイッチ12を閉じ、抵抗13およびコイル
16を経てコンデンサ17を充電する。この充電過程に
おいて、コイル19のインピーダンスは低周波数におい
ては低いのでコンデンサ18もこのコイル19を経て充
電される。今、直流電源11の電圧をEとすると、コン
デンサ17および18が共にEまで充電された後に、静
電誘導サイリスタ15のゲートに接続されているゲート
駆動回路21によって静電誘導サイリスタ15をターン
オンする。このとき、コンデンサ17の電荷はコイル1
6およびコンデンサ17によって決まる共振特性に応じ
て静電誘導サイリスタ15を経て放電し、コンデンサ1
7は、充電中の極性とは反対の極性にほぼ−Eまで充電
される。一方、コンデンサ18の電荷も静電誘導サイリ
スタ15およびコイル19を経て放電するが、このコイ
ルのインピーダンスは高周波数に対しては非常に高いも
のであるので、非常にゆっくりと放電する。したがっ
て、放電ギャップ20間にはほぼ−2Eの電圧が印加さ
れる。ここで放電が起これば、コンデンサ17および1
8の電荷は放電して消滅することになる。再びスイッチ
12を閉じて充電を開始する。First, the switch 12 is closed with the electrostatic induction thyristor 15 in a non-conductive state, and the capacitor 17 is charged via the resistor 13 and the coil 16. During this charging process, the capacitor 18 is also charged via this coil 19 since the impedance of the coil 19 is low at low frequencies. Now, assuming that the voltage of the DC power supply 11 is E, after the capacitors 17 and 18 are both charged to E, the electrostatic induction thyristor 15 is turned on by the gate drive circuit 21 connected to the gate of the electrostatic induction thyristor 15. . At this time, the electric charge of the capacitor 17 is
6 and the capacitor 17 discharges through the electrostatic induction thyristor 15 in accordance with the resonance characteristics determined by the capacitor 17 and the capacitor 1
7 is charged to approximately -E to the opposite polarity to the polarity during charging. On the other hand, the electric charge of the capacitor 18 is also discharged through the electrostatic induction thyristor 15 and the coil 19, but the discharge of the coil is very slow because the impedance of the coil is very high for high frequencies. Therefore, a voltage of about -2E is applied between the discharge gaps 20. If discharge occurs here, capacitors 17 and 1
The charge of 8 is discharged and disappears. The switch 12 is closed again to start charging.
【0004】上述したパルス発生回路において、放電ギ
ャップ20間に−2Eの電圧が印加されたときに適正に
放電が行なわれれば、コイル16およびコンデンサ17
より成る共振回路に蓄積された電荷は消滅するので、図
2において実線で示すように、静電誘導サイリスタ15
を逆方向に流れる電流はないが、何らかの原因で放電が
適正に起こらなかった場合には、共振回路においてリン
ギング電流が流れ、図2において破線で示すように静電
誘導サイリスタ15を経て逆方向に大きな電流が流れる
ことになる。図3は静電誘導サイリスタ15のアノード
・カソード間の電圧の変化を示すものであり、放電にミ
スした場合には、逆方向の電圧が印加されることにな
る。特に、静電誘導サイリスタ15のカソードからゲー
トに逆電流が流れるが、これはダイオードの逆回復現象
と同じで、ゲート・カソード間に過大な逆方向電圧が印
加される。In the above-described pulse generating circuit, if discharge is performed properly when a voltage of -2E is applied between the discharge gaps 20, the coil 16 and the capacitor 17
Since the charge accumulated in the resonance circuit composed of the static induction thyristor 15 disappears as shown by the solid line in FIG.
No current flows in the reverse direction, but if discharge does not occur properly for some reason, a ringing current flows in the resonance circuit, and flows in the reverse direction through the electrostatic induction thyristor 15 as shown by a broken line in FIG. A large current will flow. FIG. 3 shows a change in the voltage between the anode and the cathode of the electrostatic induction thyristor 15. In the event of a discharge failure, a reverse voltage is applied. In particular, a reverse current flows from the cathode of the electrostatic induction thyristor 15 to the gate. This is the same as the reverse recovery phenomenon of the diode, and an excessive reverse voltage is applied between the gate and the cathode.
【0005】このように、スイッチング素子の一例とし
て静電誘導サイリスタ15のアノード・カソード間に大
きな逆電流が流れるときに、静電誘導サイリスタを破壊
から保護するために、静電誘導サイリスタと逆並列にダ
イオードを接続し、逆電流をこのダイオードを経て流す
ことが提案されている。このようなダイオードを有する
静電誘導サイリスタは、一般に逆導通型静電誘導サイリ
スタと呼ばれている。この逆導通型静電誘導サイリスタ
においては、配線インダクタンスをできるだけ小さくす
るために、逆並列ダイオードを静電誘導サイリスタと共
通の半導体基板に一体に組み込むことが、例えば平成8
年電気学会全国大会の予稿集の第4−76〜4−77頁
において、清水等が「4000V級 逆導通SIサイリ
スタ(1)」として提案している。As described above, when a large reverse current flows between the anode and the cathode of the electrostatic induction thyristor 15 as an example of the switching element, the electrostatic induction thyristor is anti-parallel to the electrostatic induction thyristor in order to protect it from destruction. It has been proposed to connect a diode to this and to pass a reverse current through this diode. An electrostatic induction thyristor having such a diode is generally called a reverse conducting electrostatic induction thyristor. In this reverse conduction type electrostatic induction thyristor, in order to reduce the wiring inductance as much as possible, an anti-parallel diode may be integrated into a common semiconductor substrate with the electrostatic induction thyristor.
Shimizu et al. Proposes a "4000 V class reverse conducting SI thyristor (1)" on pages 4-76 to 4-77 of the proceedings of the Annual Meeting of the Institute of Electrical Engineers of Japan.
【0006】図4は、上述した逆導通型静電誘導サイリ
スタの等価回路図であり、静電誘導サイリスタ31と並
列に、サイリスタのアノードにカソードが接続され、静
電誘導サイリスタのカソードにアノードが接続されるよ
うにダイオード32を接続してある。このダイオード3
2のアノードは、抵抗33を経て静電誘導サイリスタ3
1のゲートに接続されており、このゲートには静電誘導
サイリスタのターンオン/ターンオフを制御するゲート
駆動回路(GC)34が接続されている。静電誘導サイ
リスタ31のアノードとカソードとの間に実線で示す主
電源35が接続されているときは、静電誘導サイリスタ
を経て電流ITが流れ、破線で示すように逆極性の電源
36が接続されるときにはダイオード32に電流IRが
流れて静電誘導サイリスタが破壊するのを保護してい
る。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the above-mentioned reverse conduction type electrostatic induction thyristor. The cathode is connected to the anode of the thyristor in parallel with the electrostatic induction thyristor 31, and the anode is connected to the cathode of the electrostatic induction thyristor. The diode 32 is connected so as to be connected. This diode 3
2 is connected to a static induction thyristor 3 via a resistor 33.
The gate drive circuit (GC) 34 for controlling turn-on / turn-off of the electrostatic induction thyristor is connected to this gate. When the main power supply 35 indicated by the solid line between the anode and cathode of the static induction thyristor 31 is connected, a current I T flows through the static induction thyristor, reverse polarity of the power supply 36 as shown by a broken line static induction thyristor current I R flows through the diode 32 is protected from being destroyed when connected.
【0007】図5は、上述した逆導通型静電誘導サイリ
スタの構造を示す断面図である。n−型シリコン基板4
1の一方の表面にp+型のゲート領域42が形成されて
いるとともに埋め込みゲート領域43がチャネル領域内
に形成されており、ゲート領域42と接触するようにゲ
ート電極45が形成されている。埋め込みゲート領域4
3はゲート領域42によって囲まれるようにくし状に形
成されている。チャネル領域の上方にはn+形のカソー
ド領域46が形成され、このカソード領域は導電層を介
してカソード電極47に接続されており、サイリスタ部
44が形成されている。また、サイリスタ部44の外側
には分離帯48を介してダイオード49が形成されてい
る。このダイオード部49は、p+型のアノード領域5
0とシリコン基板41の一部41aによって構成された
カソード領域とで構成されており、アノード領域50は
導電層を経て静電誘導サイリスタのカソード電極47に
接続されており、カソード領域41aはn+型の接点領
域51および導電層を介して静電誘導サイリスタのアノ
ード電極52に接続されている。FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the above-described reverse conducting electrostatic induction thyristor. n - type silicon substrate 4
A p + -type gate region 42 is formed on one surface of the substrate 1, and a buried gate region 43 is formed in the channel region. A gate electrode 45 is formed so as to be in contact with the gate region 42. Buried gate region 4
3 is formed in a comb shape so as to be surrounded by the gate region 42. An n + -type cathode region 46 is formed above the channel region. The cathode region is connected to a cathode electrode 47 via a conductive layer, and a thyristor portion 44 is formed. A diode 49 is formed outside the thyristor section 44 via a separation band 48. The diode section 49 is formed of the p + type anode region 5.
0, and a cathode region constituted by a part 41a of the silicon substrate 41, the anode region 50 is connected to the cathode electrode 47 of the electrostatic induction thyristor via a conductive layer, and the cathode region 41a is n + It is connected to the anode electrode 52 of the electrostatic induction thyristor via the contact region 51 of the mold and the conductive layer.
【0008】[0008]
【発明が解決すべき課題】このような逆導通型静電誘導
サイリスタにおいては、アノード・カソード間に逆電圧
が印加されるときに、ダイオード部49が導通して、サ
イリスタ部44が破壊するのを防止する効果を狙ってい
る。しかしながら、逆導通型静電誘導サイリスタを上述
した図1に示すパルス発生回路に適用した場合、放電ミ
スがあったときに、上述したように共振回路におけるリ
ンギング電流によって静電誘導サイリスタ部がしばしば
破壊してしまう問題がある。また、回路によっては正常
動作においてスイッチに逆電流を流す必要のある応用も
ある。このような逆電流による問題が発生するメカニズ
ムを明らかにするために、逆導通型静電誘導サイリスタ
のアノード・カソード間に逆電流が流れるときにサイリ
スタ部がどのような影響を受けるのかをさらに詳細に検
討した。In such a reverse conduction type electrostatic induction thyristor, when a reverse voltage is applied between the anode and the cathode, the diode section 49 conducts and the thyristor section 44 is broken. The aim is to prevent the effect. However, when the reverse conducting electrostatic induction thyristor is applied to the pulse generation circuit shown in FIG. 1 described above, when a discharge error occurs, the electrostatic induction thyristor section is often destroyed by the ringing current in the resonance circuit as described above. There is a problem. In some circuits, it is necessary to supply a reverse current to the switch during normal operation. In order to clarify the mechanism by which such a problem occurs due to the reverse current, the details of how the thyristor is affected when a reverse current flows between the anode and the cathode of the reverse conduction type electrostatic induction thyristor will be described in more detail. Was considered.
【0009】図6、7および8は、逆導通型静電誘導サ
イリスタを逆電流が伴うパルス動作させたときのアノー
ド・カソード間を流れる電流Iak、ゲート電流Igおよび
ゲート電圧Vgの変化を示すものであり、これらの図にお
いて、Aはパルス幅twを長くした場合、Bはパルス幅
を短くした場合である。電流Iakが3000A以上で、
パルス幅twを数十μs以上と長くしたときには逆導通
型静電誘導サイリスタは破壊しないが、パルス幅twを
数百ns〜数μsと短くしたときには、逆導通型静電誘
導サイリスタは破壊してしまう現象があることを確かめ
た。また、破壊点は静電誘導サイリスタ部にあり、ダイ
オード部には異常が発生しないのが特徴である。このこ
とから、逆導通型静電誘導サイリスタが破壊するか否か
は、電流Iakの立ち下がり部分の勾配に依存することが
推測される。図6Aの長いパルス幅の場合の勾配は、例
えば0.5KA/μsであり、図6Bの短いパルス幅の
場合の勾配は、例えば3KA/μsである。また、図8
Bに示すように、破壊が生じる場合には、ゲート電圧Vg
の逆電圧ピークを過ぎた付近に顕著な変動が認められ
る。[0009] Figures 6, 7 and 8, current I ak flowing between the anode and the cathode when is pulsed involves reverse current reverse conduction type static induction thyristor, a change in the gate current I g and the gate voltage V g In these figures, A shows the case where the pulse width tw is increased, and B shows the case where the pulse width is shortened. When the current Iak is 3000A or more,
When the pulse width t w is as long as several tens of μs or more is the reverse conducting static induction thyristor does not break, when the pulse width t w shortened several hundred ns~ number μs is reverse conducting static induction thyristor breakdown I confirmed that there was a phenomenon that would do. Further, the destruction point is located in the electrostatic induction thyristor portion, and the feature is that no abnormality occurs in the diode portion. From this, it is inferred that whether or not the reverse conducting electrostatic induction thyristor is broken depends on the gradient of the falling portion of the current Iak . The gradient for the long pulse width in FIG. 6A is, for example, 0.5 KA / μs, and the gradient for the short pulse width in FIG. 6B is, for example, 3 KA / μs. FIG.
As shown in B, when breakdown occurs, the gate voltage V g
A remarkable fluctuation is observed near the peak of the reverse voltage.
【0010】次に、ダイオードに急峻な電流を流そうと
するとき、電流の流れ難さを調べた。図9および10
は、図4に示すダイオード32のアノード・カソード間
にパルス状の急峻な電流を流したときの順方向電流IF
および順方向電圧降下VFを示すものであるが、Aは順
方向電流の立ち上がりの勾配が小さい場合、Bは順方向
電流の立ち上がりの勾配が大きい場合を示すものであ
る。このように順方向電流IFの立ち上がりの勾配と過
渡オン電圧(順回復電圧)VFPとの間には図11に示
すような密接な相関関係がある。すなわち、耐圧が40
00Vのダイオードの場合、順方向電流IFの立ち上が
りの勾配dIF/dtが500A/μsと小さい場合に
は、順回復電圧VFPはほぼ70Vと低いが、1000
A/μsではほぼ100Vとなり、2000A/μsと
大きくなると約170Vと高くなっている。Next, when a steep current was to flow through the diode, the difficulty of flowing the current was examined. 9 and 10
A forward current I F upon applying a pulsed steep current between the anode and the cathode of the diode 32 shown in FIG. 4
And while indicating the forward voltage drop V F, A case when the rise of the slope of the forward current is small, B shows a case where a large rise in the gradient of the forward current. Thus a forward current close correlation as shown in FIG. 11 between the rising slope and the transient ON voltage (forward recovery voltage) V FP of I F. That is, the withstand voltage is 40
For 00V diodes, when the rise of the gradient dI F / dt in the forward current I F is 500A / .mu.s and small, forward recovery voltage V FP is substantially 70V and the lower, 1000
At A / μs, the voltage is almost 100 V, and when it is as large as 2000 A / μs, it is as high as about 170 V.
【0011】また、図12は、順方向電流IFの立ち上
がりの勾配dIF/dtが2000A/μs時のダイオ
ードの順回復電圧VFPとダイオードの耐圧との関係を
示すものであり、ダイオードの耐圧が高くなるほど順回
復電圧VFPは高くなっており、耐圧が4000Vのダ
イオードでは順回復電圧VFPは170Vにも達してい
る。逆導通型静電誘導サイリスタにおいては、サイリス
タと並列に配置されているダイオード部の耐圧は少なく
ともサイリスタ部の耐圧に等しくする必要があるので、
ダイオード部としても数千ボルトの耐圧を有するものが
用いられている。このように耐圧が高いダイオード部の
順回復電圧VFPは高いものとなる。つまり、ダイオー
ド部の耐圧が高い程、特に急峻な順方向パルス電流はダ
イオード部を流れに難い。[0011] FIG. 12 is for the rise of the gradient dI F / dt in the forward current I F indicates the relationship between the breakdown voltage of the forward recovery voltage V FP and diode 2000A / .mu.s at the diode, the diode the breakdown voltage has become the forward recovery voltage V FP enough to become higher and higher, forward recovery voltage V FP is a breakdown voltage of 4000V diodes are reached as high as 170V. In the reverse conduction type electrostatic induction thyristor, the withstand voltage of the diode portion arranged in parallel with the thyristor needs to be at least equal to the withstand voltage of the thyristor portion.
A diode having a withstand voltage of several thousand volts is also used as the diode part. Thus, the forward recovery voltage VFP of the diode part having a high withstand voltage is high. That is, as the withstand voltage of the diode section is higher, a steep forward pulse current is more difficult to flow through the diode section.
【0012】このように、従来の、例えば4KV耐圧の
高耐圧逆導通型静電誘導サイリスタにおいては、サイリ
スタ部に順方向電流が流れた後に大きな逆電流が急激に
流れるとき、保護用のダイオード部が導通できず、図5
のチャネル領域44に蓄積されているキャリアがカソー
ド領域46からゲート領域43に向かって急激に逆方向
に流れる。特に、センターのゲート領域45より最も急
峻にゲート電流が供給されるゲート領域42の近傍の部
位においてキャリアが特に過多となり、ゲート・カソー
ド間におけるダイオード逆回復現象でチャネル間にフィ
ラメンテ−ションが生じ、サイリスタ部44が破壊して
しまうという問題がある。As described above, in a conventional high withstand voltage reverse conduction type electrostatic induction thyristor having a withstand voltage of, for example, 4 KV, when a large reverse current suddenly flows after a forward current flows through the thyristor portion, a protective diode portion is provided. Cannot be conducted, and FIG.
Carriers accumulated in the channel region 44 flow rapidly from the cathode region 46 toward the gate region 43 in the opposite direction. In particular, the carrier becomes particularly large in the vicinity of the gate region 42 to which the gate current is supplied most steeply than the center gate region 45, and filamentation occurs between the channels due to the diode reverse recovery phenomenon between the gate and the cathode. Therefore, there is a problem that the thyristor portion 44 is broken.
【0013】このような問題は、逆導通型静電誘導サイ
リスタのみにおいて生じる問題ではなく、通常のサイリ
スタやゲートターンオフ(GTO)サイリスタや絶縁ゲ
ートバイポーラトランジスタ(IGBT)などのスイッ
チング素子においても生じるものである。Such a problem occurs not only in the reverse conduction type electrostatic induction thyristor but also in a switching element such as a normal thyristor, a gate turn-off (GTO) thyristor, and an insulated gate bipolar transistor (IGBT). is there.
【0014】また、図13に示すようにコイルLとコン
デンサCとの並列回路を従属接続したパルス回路におい
ても、逆電流を阻止するために抵抗Rと直列に接続され
たダイオードDが使用されているが、このダイオードも
順方向に高速で導通すると共に高い耐圧が要求されてい
る。しかしながら、従来のダイオードではこのような要
求を十分に満足するものではない。In a pulse circuit in which a parallel circuit of a coil L and a capacitor C is cascaded as shown in FIG. 13, a diode D connected in series with a resistor R is used to prevent a reverse current. However, this diode is also required to conduct at high speed in the forward direction and have a high withstand voltage. However, conventional diodes do not fully satisfy such requirements.
【0015】本発明の目的は、上述した従来のダイオー
ドの不具合を解決し、高耐圧特性を有すると共に高速で
導通することができるダイオードを提供しようとするも
のである。特に、本発明は、電力用半導体スイッチング
素子をターンオンしてきわめて短時間内にパルス状の大
電流を順方向に流し、順方向電流通流後に引続き流れる
急峻な逆電流による電力用半導体スイッチング素子の破
壊を保護するために電力用半導体スイッチング素子と逆
並列に接続されるダイオードとして使用するのに好適な
ダイオードを提供しようとするものである。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the conventional diode and to provide a diode having high withstand voltage characteristics and capable of conducting at high speed. In particular, the present invention is to turn on the power semiconductor switching element, to forward a large pulsed current in a very short time in a very short time, the power semiconductor switching element by a steep reverse current that flows after the forward current flow It is an object of the present invention to provide a diode suitable for use as a diode connected in anti-parallel with a power semiconductor switching element to protect against breakdown.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明の高耐圧高速ダイ
オードは、一導電型或いは真性半導体基板の一方の主表
面に、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度を
有する一導電型の第1の主電極領域を、一方の主電極と
接触する表面とは反対側の表面に凹凸構造を有するよう
に形成し、半導体基板の他方の主表面に、反対導電型の
第1の主電極領域を、他方の主電極と接触する表面とは
反対側の表面に凹凸構造を有するように形成し、これら
第1および第2の主電極領域の凹凸構造のピッチを、半
導体基板におけるキャリアの拡散長よりも短くすると共
に一方の凸部が他方の凹部とほぼ対向するようにしたこ
とを特徴とするものである。According to the present invention, there is provided a high-withstand-voltage high-speed diode according to the present invention, wherein a first conductive type or a first conductive type having an impurity concentration higher than that of a semiconductor substrate is provided on one main surface of an intrinsic semiconductor substrate. Is formed so as to have a concavo-convex structure on a surface opposite to a surface in contact with one main electrode, and a first main electrode region of the opposite conductivity type is formed on the other main surface of the semiconductor substrate. The pitch of the uneven structure of the first and second main electrode regions is determined by the diffusion length of the carrier in the semiconductor substrate. And one of the protrusions is substantially opposed to the other of the recesses.
【0017】このような本発明によるダイオードにおい
ては、前記一導電型の第1および第2の主電極領域を、
前記第1および第2の主電極とショットキ−接合を構成
しないように、換言すればオーミック接合を構成するよ
うに形成することができるが、このためには、前記第1
および第2の主電極領域の、第1および第2の主電極と
接触する表面の不純物濃度をほぼ1×1017原子/c
m3と以上とすることができる。In such a diode according to the present invention, the first and second main electrode regions of the one conductivity type are
The first and second main electrodes can be formed so as not to form a Schottky junction, in other words, so as to form an ohmic junction.
And the impurity concentration of the surface of the second main electrode region in contact with the first and second main electrodes is set to approximately 1 × 10 17 atoms / c.
It can be m 3 or more.
【0018】本発明によるダイオードの好適な実施例に
おいては、前記一導電型の第1の主電極領域の凹凸構造
を正弦波状に形成し、一方の主電極領域の山が他方の主
電極領域の谷とほぼ整列されるように形成することがで
きる。このような正弦波状の凹凸構造は選択拡散によっ
て形成することができる。また、上述した凹凸構造を三
角波状とすることもでき、このような三角波状の凹凸構
造は異方性エッチングにより形成することができる。In a preferred embodiment of the diode according to the present invention, the concavo-convex structure of the first main electrode region of one conductivity type is formed in a sine wave shape, and the peak of one main electrode region is formed in the other main electrode region. It can be formed to be substantially aligned with the valley. Such a sinusoidal uneven structure can be formed by selective diffusion. Further, the above-described uneven structure can be formed into a triangular wave shape, and such a triangular wave uneven structure can be formed by anisotropic etching.
【0019】また、本発明によるダイオードにおいて
は、前記半導体基板を不純物濃度がほぼ1×1013原
子/cm3の半導体基板を以て形成し、前記第1の主電
極領域の一方の主電極と接触する表面の不純物濃度をほ
ぼ1×1020原子/cm3とし、前記第2の主電極領
域の他方の主電極と接触する表面の不純物濃度をほぼ1
×1018原子/cm3とするのが好適である。Further, in the diode according to the present invention, the semiconductor substrate is formed of a semiconductor substrate having an impurity concentration of approximately 1 × 10 13 atoms / cm 3 , and is in contact with one main electrode of the first main electrode region. The impurity concentration on the surface is approximately 1 × 10 20 atoms / cm 3, and the impurity concentration on the surface of the second main electrode region that contacts the other main electrode is approximately 1 × 10 20 atoms / cm 3.
It is preferable to set to × 10 18 atoms / cm 3 .
【0020】さらに本発明によるダイオードにおいて
は、前記半導体基板を真性半導体基板とし、前記第1の
主電極領域の凹凸構造を形成した表面と接触するように
第1の導電型で、第1の主電極領域の不純物濃度よりも
低い不純物濃度を有するバッファ層を形成することもで
きる。このようなバッファ層を設ける場合には、耐圧を
低下することなく真性半導体基板の膜厚を薄くすること
ができ、その結果としてオン電圧を低くすることができ
る。Further, in the diode according to the present invention, the semiconductor substrate is an intrinsic semiconductor substrate, and has a first conductivity type and a first main type so as to be in contact with the surface of the first main electrode region on which the uneven structure is formed. A buffer layer having an impurity concentration lower than that of the electrode region can be formed. When such a buffer layer is provided, the thickness of the intrinsic semiconductor substrate can be reduced without lowering the breakdown voltage, and as a result, the on-voltage can be reduced.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】図14は本発明による高耐圧高速
ダイオードの一実施例の構成を示す断面図である。n−
型のシリコン半導体基板61の一方の主表面に、n+型
のカソード領域62を形成すると共に半導体基板の他方
の主表面に、p+型のアノード領域63を形成する。n
+型のカソード領域62の表面にはアルミより成るカソ
ード電極64を形成すると共にp+型のアノード領域6
3の表面にはアルミより成るアノード電極65を形成す
る。FIG. 14 is a sectional view showing the structure of an embodiment of a high withstand voltage and high speed diode according to the present invention. n -
An n + -type cathode region 62 is formed on one main surface of a silicon semiconductor substrate 61 and a p + -type anode region 63 is formed on the other main surface of the semiconductor substrate. n
A cathode electrode 64 made of aluminum is formed on the surface of the + type cathode region 62 and ap + type anode region 6 is formed.
On the surface of No. 3, an anode electrode 65 made of aluminum is formed.
【0022】本発明においては、上述したn+型のカソ
ード領域62の、カソード電極64と接する表面とは反
対側の表面、すなわち半導体基板61のバルクに面する
側の表面を波状に形成すると共にp+型のアノード領域
63の、アノード電極65と接する表面とは反対側の表
面、すなわち半導体基板のバルクに面する側の表面を波
状に形成する。本例では、これらカソード領域62およ
びアノード領域63の波状表面の形状を滑らかに変化す
る正弦波状とし、しかもカソード電極64側から見たカ
ソード領域62の波状形状の山が、アノード電極65側
から見たアノード領域63の波状形状の谷と対向し、カ
ソード領域62の波状形状の谷がアノード領域63の波
状形状の山と対向するように構成する。In the present invention, the surface of the n + -type cathode region 62 opposite to the surface in contact with the cathode electrode 64, that is, the surface facing the bulk of the semiconductor substrate 61 is formed in a wavy shape. The surface of the p + type anode region 63 opposite to the surface in contact with the anode electrode 65, that is, the surface facing the bulk of the semiconductor substrate is formed in a wavy shape. In the present example, the shapes of the wavy surfaces of the cathode region 62 and the anode region 63 are formed into a sine wave shape that smoothly changes, and the peak of the wavy shape of the cathode region 62 viewed from the cathode electrode 64 side is viewed from the anode electrode 65 side. The anode region 63 is configured so as to face the wavy valley of the anode region 63, and the cathode region 62 is configured to face the wavy valley of the anode region 63.
【0023】したがって、これらカソード領域62およ
びアノード領域63の波状構造のピッチは互いに等しい
ものとなる。本発明においては、この波状構造のピッチ
を、n−型のシリコン半導体基板61のバルク部分のキ
ャリア拡散長よりも短くなるように形成する。この半導
体基板61の拡散長は、その不純物濃度をDとし、キャ
リアの平均寿命をτとするとき、(Dτ)1/2で表さ
れるものである。n−型のシリコン半導体基板61のバ
ルク部分のキャリア拡散長は、例えば70μm程度であ
るので、カソード領域62およびアノード領域63の波
状構造のピッチは70μmよりも短い長さ、本例では約
50μmとする。Therefore, the pitches of the corrugated structures of the cathode region 62 and the anode region 63 are equal to each other. In the present invention, the pitch of the wavy structure is formed to be shorter than the carrier diffusion length of the bulk portion of the n − type silicon semiconductor substrate 61. The diffusion length of the semiconductor substrate 61 is represented by (Dτ) 1/2 when the impurity concentration is D and the average carrier lifetime is τ. Since the carrier diffusion length of the bulk portion of the n − type silicon semiconductor substrate 61 is, for example, about 70 μm, the pitch of the wavy structure of the cathode region 62 and the anode region 63 is shorter than 70 μm, and is about 50 μm in this example. I do.
【0024】さらに、本例においては、アノード領域6
2の、アノード電極64と接する表面でのn型不純物濃
度をほぼ1×1020原子/cm3とし、カソード領域
63の、カソード電極65と接する表面でのp型不純物
濃度をほぼ1×1018原子/cm3とする。このよう
に、アノード領域62およびカソード領域63の表面で
の不純物濃度を高くすることによって、これらの領域は
電極との間でショットキー接合を構成せず、オーミック
接合を構成することになる。このようにオーミック接合
を構成するためには、アノード領域62およびカソード
領域63の表面での不純物濃度をほぼ1×1017原子
/cm3以上とする必要がある。Further, in this embodiment, the anode region 6
2, the n-type impurity concentration on the surface in contact with the anode electrode 64 is approximately 1 × 10 20 atoms / cm 3, and the p-type impurity concentration on the surface of the cathode region 63 in contact with the cathode electrode 65 is approximately 1 × 10 18 Atoms / cm 3 . As described above, by increasing the impurity concentration on the surfaces of the anode region 62 and the cathode region 63, these regions do not form a Schottky junction with the electrodes but form an ohmic junction. In order to form an ohmic junction in this manner, the impurity concentration on the surfaces of the anode region 62 and the cathode region 63 needs to be approximately 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more.
【0025】さらに、本例においては、カソード領域6
2の、カソード電極64と接する表面から山までの距離
をほぼ10μmとし、谷までの距離をほぼ1〜2μmと
する。一方、アノード領域63の、アノード電極65と
接する表面から谷までの距離をほぼ15μmとし、山ま
での距離をほぼ1〜5μmとする。Further, in this embodiment, the cathode region 6
2, the distance from the surface in contact with the cathode electrode 64 to the peak is approximately 10 μm, and the distance to the valley is approximately 1-2 μm. On the other hand, the distance from the surface of the anode region 63 in contact with the anode electrode 65 to the valley is approximately 15 μm, and the distance to the peak is approximately 1 to 5 μm.
【0026】次に、本例のダイオードの動作を図15を
も参照して説明する。この図15には、従来のダイオー
ドの動作をも対比して示すが、半導体基板、カソード領
域、アノード領域、カソード電極およびアノード電極を
図13に示した符号に100を加えた符号で示す。従来
のダイオードにおいては、カソード領域162およびア
ノード領域163の、半導体基板161のバルクと接す
る面は波状構造を有しておらず、平坦となっている。ま
た、図15において、黒丸は電子を表し、白丸は正孔を
表すものである。Next, the operation of the diode of this embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 15, the operation of the conventional diode is also shown in comparison, but the semiconductor substrate, the cathode region, the anode region, the cathode electrode, and the anode electrode are indicated by reference numerals obtained by adding 100 to the reference numerals shown in FIG. In the conventional diode, the surfaces of the cathode region 162 and the anode region 163 that are in contact with the bulk of the semiconductor substrate 161 do not have a wavy structure, but are flat. In FIG. 15, black circles represent electrons, and white circles represent holes.
【0027】図15Aはアノード・カソード間に順方向
電圧を印加していない状態を示すものである。従来のダ
イオードにおいては、この状態ではp+型アノード領域
163とn−型の半導体基板161との間の接合界面に
はキャリアの熱拡散、すなわちp型領域からn型領域へ
の正孔の拡散およびn型領域からp型領域への電子の拡
散に対して、その拡散を阻止するような方向に電位が発
生する。この電位は拡散電位或いはビルトイン電圧と呼
ばれているものである。換言すれば、p+型アノード領
域163とn−型の半導体基板161との接合界面にお
いては、アノード領域より成るpエミッタ領域側が+に
帯電し、n−型の半導体基板161側が−に帯電するこ
とになり、これによって接合界面のn−型の半導体基板
161からpエミッタ領域に向かうビルトイン電圧Eb
が生じることになる。同様のビルトイン電圧Ebは、n
−型の半導体基板161とn+型のカソード領域162
との接合界面にも現れる。すなわち、半導体基板側が−
に帯電し、カソード領域より成るnエミッタ領域側が+
に帯電し、カソード領域から半導体基板へ向かう方向に
ビルトイン電圧Ebが発生することになる。FIG. 15A shows a state where no forward voltage is applied between the anode and the cathode. In the conventional diode, in this state, thermal diffusion of carriers occurs at the junction interface between the p + -type anode region 163 and the n − -type semiconductor substrate 161, that is, the diffusion of holes from the p-type region to the n-type region. In addition, a potential is generated in such a direction as to block the diffusion of electrons from the n-type region to the p-type region. This potential is called a diffusion potential or a built-in voltage. In other words, at the junction interface between the p + type anode region 163 and the n − type semiconductor substrate 161, the p emitter region side formed of the anode region is charged to +, and the n − type semiconductor substrate 161 side is charged to −. Thus, the built-in voltage Eb from the n − type semiconductor substrate 161 at the junction interface toward the p emitter region
Will occur. A similar built-in voltage Eb is n
- type semiconductor substrate 161 and the n + -type cathode region 162
Also appears at the junction interface with That is, the semiconductor substrate side is-
And the n emitter region side comprising the cathode region is +
And a built-in voltage Eb is generated in the direction from the cathode region toward the semiconductor substrate.
【0028】図15Bは、上述したようにビルトイン電
圧が生じている状態において順方向バイアスを印加した
直後の状態を示すものである。このときにアノード領域
163から注入されるホールは半導体基板161との接
合界面に発生するビルトイン電圧Ebによって注入が妨
げられ、カソード領域162から注入される電子はカソ
ード領域と半導体基板との接合界面に発生したビルトイ
ン電圧Ebにより注入が妨げられることになり、アノー
ド領域からカソード領域への正孔の移動およびカソード
領域からアノード領域への電子の移動は著しく制限さ
れ、ダイオードに順方向電流が流れ難い。このように、
従来のダイオードにおいてはビルトイン電圧のためにキ
ャリアの移動が抑止され、高速のターンオンができな
い。FIG. 15B shows a state immediately after a forward bias is applied in a state where a built-in voltage is generated as described above. At this time, holes injected from the anode region 163 are prevented from being injected by the built-in voltage Eb generated at the bonding interface with the semiconductor substrate 161, and electrons injected from the cathode region 162 are injected into the bonding interface between the cathode region and the semiconductor substrate. The injection is hindered by the generated built-in voltage Eb, the movement of holes from the anode region to the cathode region and the movement of electrons from the cathode region to the anode region are significantly restricted, and a forward current hardly flows through the diode. in this way,
In the conventional diode, the movement of carriers is suppressed due to the built-in voltage, and high-speed turn-on cannot be performed.
【0029】図15Cは、順方向電圧が印加されてか
ら、例えば1μs程度経過したときの状態を示すもので
あり、半導体基板161と、カソード領域162および
アノード領域163とのそれぞれの接合界面に発生して
いたビルトイン電圧はカソード領域およびアノード領域
から注入されるキャリアによってそれぞれ中性化される
ので、アノード領域163からカソード領域162への
正孔の移動およびカソード領域162からアノード領域
163への電子の移動が開始されて順方向電流が流れて
いる様子を示している。FIG. 15C shows a state when, for example, about 1 μs elapses after the application of the forward voltage, and occurs at the respective junction interfaces between the semiconductor substrate 161 and the cathode region 162 and the anode region 163. The built-in voltage is neutralized by carriers injected from the cathode region and the anode region, respectively, so that holes move from the anode region 163 to the cathode region 162 and electrons move from the cathode region 162 to the anode region 163. This shows a state in which the movement is started and a forward current is flowing.
【0030】一方、本発明によるダイオードにおいて
は、オフ状態にあるときには、図15Aに示すように、
従来のダイオードと同様に半導体基板61とアノード領
域63との接合界面では、半導体基板側が+に帯電し、
アノード領域側が−に帯電すると共に半導体基板61と
カソード領域62との接合界面では、半導体基板側が−
に帯電し、カソード領域側が+に帯電するので、矢印で
示すような〜0.7eV程度のビルトイン電圧が生じてい
る。しかしながら、本発明においては、これらの接合界
面は従来のように平坦なものではなく、波状構造を有し
ているため、ビルトイン電圧は一様でなくなり、谷の部
分での帯電は強くなるので大きなビルトイン電圧が発生
する。これに対し、山の部分での帯電は弱いものとなる
ので、ビルトイン電圧は小さなものとなる。On the other hand, in the diode according to the present invention, when in the off state, as shown in FIG.
At the junction interface between the semiconductor substrate 61 and the anode region 63 as in the conventional diode, the semiconductor substrate side is charged to +,
The anode region side is negatively charged, and at the bonding interface between the semiconductor substrate 61 and the cathode region 62, the semiconductor substrate side is negatively charged.
, And the cathode region side is charged to +, so that a built-in voltage of about 0.7 eV as shown by an arrow is generated. However, in the present invention, these junction interfaces are not flat as in the prior art, but have a wavy structure, so that the built-in voltage is not uniform, and the charging at the valleys becomes strong, so that the bonding interface is large. Built-in voltage occurs. On the other hand, the charging at the peak portion is weak, so that the built-in voltage is low.
【0031】次に図15Bに示す順方向電圧印加直後の
状態では、強い帯電が生じている波状構造の谷の部分で
は、従来のダイオードと同様に、アノード領域63より
成るpエミッタ領域から注入されるホールは半導体基板
61側の−の帯電を中性化し、カソード領域62より成
るnエミッタから注入される電子は接合界面の半導体基
板側の+の帯電を中性化する。したがって、アノード領
域からカソード領域への正孔の移動およびカソード領域
からアノード領域への電子の移動は、帯電が中性化され
るまで、すなわちビルトイン電圧が小さくなるまでの通
電の初期においては制限される。しかしながら、波状構
造の谷から山へ掛けての傾斜部分での帯電は少なく、反
対面側のエミッタから注入されるキャリアはこの傾斜部
分を経て谷側に至る。また、接合が選択的に浅いことか
ら、山部からのエミッタ注入効率は選択的に高くなる。
ここで、キャリアの注入効率αは、接合部での不純物濃
度のピーク値、深さおよび勾配に比例するが、本発明に
よるダイオードでは、カソード領域62およびアノード
領域63の半導体基板61と接する接合部の波状構造の
谷から山へ掛けての傾斜部分では、不純物濃度のピーク
値は大きく、深さも深いと共に不純物濃度の勾配も大き
いので、キャリア注入効率αは大きなものとなり、その
結果としてカソード領域62から多量の電子が注入され
ると共にアノード領域63から多量の正孔が注入される
ことになり、大きな順方向電流が流れることになる。Next, in the state immediately after the application of the forward voltage shown in FIG. 15B, in the valley portion of the wavy structure where the strong charge is generated, similarly to the conventional diode, the valley is injected from the p emitter region composed of the anode region 63. The holes neutralize the negative charge on the semiconductor substrate 61 side, and the electrons injected from the n-emitter composed of the cathode region 62 neutralize the + charge on the semiconductor substrate side at the junction interface. Therefore, the movement of holes from the anode region to the cathode region and the movement of electrons from the cathode region to the anode region are limited at the beginning of energization until the charge is neutralized, that is, until the built-in voltage decreases. You. However, there is little charge at the slope from the valley to the peak of the wavy structure, and carriers injected from the emitter on the opposite side reach the valley via the slope. Further, since the junction is selectively shallow, the emitter injection efficiency from the peak is selectively increased.
Here, the carrier injection efficiency α is proportional to the peak value, the depth and the gradient of the impurity concentration at the junction, but in the diode according to the present invention, the junction area of the cathode region 62 and the anode region 63 in contact with the semiconductor substrate 61. In the sloping portion from the valley to the peak of the wavy structure, the peak value of the impurity concentration is large, the depth is deep, and the gradient of the impurity concentration is large, so that the carrier injection efficiency α is large, and as a result, the cathode region 62 , A large amount of holes are injected from the anode region 63 and a large forward current flows.
【0032】さらに、図15Cに示す導通開始からほぼ
1μs経過した時点では、カソード領域62の傾斜部お
よび山から多量の電子が注入されると共に、アノード領
域63の傾斜部および山から正孔が多量に注入され、半
導体基板61のバルクではキャリアリッチの領域が生成
され、電流増倍効果が現れ、いわゆる伝導度変調が起こ
り、多量の電流が流れることになる。Further, from the start of conduction shown in FIG.
At the time when 1 μs has elapsed, a large amount of electrons are injected from the inclined portion and the mountain of the cathode region 62, and a large amount of holes are injected from the inclined portion and the mountain of the anode region 63. A region is generated, a current multiplication effect appears, so-called conductivity modulation occurs, and a large amount of current flows.
【0033】上述したように、従来のダイオードにおい
ては、導通開始後にカソード領域162およびアノード
領域163と半導体基板161のバルクとの接合界面に
おいて約0.5〜0.7eVのビルトイン電圧によって、
電子および正孔の注入が阻止され、順方向電流は急激に
は流れないが、本発明によるダイオードにおいては、カ
ソード領域62およびアノード領域63と半導体基板6
1のバルクとの境界面を波状構造としたので、選択的に
キャリヤ注入効率が改善され、順方向電流が急激に立ち
上がることになると共に、多量の電子および正孔がカソ
ード領域およびアノード領域から注入され、半導体基板
61のバルクにキャリアリッチ領域が生成されるので伝
導度変調による電流増倍作用が行なわれ、一層多量の電
流が流れることになる。As described above, in the conventional diode, after the conduction starts, the built-in voltage of about 0.5 to 0.7 eV at the junction interface between the cathode region 162 and the anode region 163 and the bulk of the semiconductor substrate 161 causes
Although the injection of electrons and holes is prevented and the forward current does not flow rapidly, in the diode according to the present invention, the cathode region 62 and the anode region 63 and the semiconductor substrate 6
Since the interface with the bulk of No. 1 has a wavy structure, the carrier injection efficiency is selectively improved, the forward current rises sharply, and a large amount of electrons and holes are injected from the cathode region and the anode region. As a result, a carrier-rich region is generated in the bulk of the semiconductor substrate 61, so that a current multiplication action by conductivity modulation is performed, and a larger amount of current flows.
【0034】図16は、横軸に順方向電流の勾配dIF/dt
[A/μs]を取り、縦軸に順方向電圧VFPを取って、曲
線Aは本発明によるダイオードの特性を示し、曲線Bは
従来のダイオードの特性を示すものである。ダイオード
は両者とも4000V耐圧のものであり、本発明のダイ
オードのカソード領域62の山の高さと従来のダイオー
ドのカソード領域162の膜厚とは等しく、本発明のダ
イオードのアノード領域63の山の高さと従来のダイオ
ードのアノード領域163の膜厚とは等しいものであ
る。高い電流立ち上がり率(di/dt)の電流が流れ
る祭に発生する瞬時電圧を順回復電圧(VFP)と称す
るが、アノード領域およびカソード領域の表面に波状構
造を形成した本発明によるダイオードでは、di/dt
が2000A/μsの電流が流れる祭、順回復電圧が約
110V発生するのに対し、平坦なアノード領域および
カソード領域を有する従来のダイオードでは同じ電流が
流れる際、ほぼ160Vの高い順回復電圧が発生する。FIG. 16 shows the gradient of the forward current dI F / dt on the horizontal axis.
Taking [A / μs] and taking the forward voltage VFP on the vertical axis, curve A shows the characteristics of the diode according to the present invention, and curve B shows the characteristics of the conventional diode. Both diodes have a breakdown voltage of 4000 V. The height of the peak of the cathode region 62 of the diode of the present invention is equal to the thickness of the cathode region 162 of the conventional diode, and the height of the peak of the anode region 63 of the diode of the present invention is equal. Is equal to the film thickness of the anode region 163 of the conventional diode. The instantaneous voltage generated at the time when a current having a high current rise rate (di / dt) flows is referred to as a forward recovery voltage (V FP ). di / dt
When a current of 2000 A / μs flows, a forward recovery voltage of about 110 V is generated, whereas a conventional diode having a flat anode region and a cathode region generates a high forward recovery voltage of approximately 160 V when the same current flows. I do.
【0035】また、本例のダイオードを図4に示すよう
に静電誘導サイリスタと逆並列に接続し、パルス幅1μ
s、パルス電流3000A、電圧3000Vでパルス動
作させたときに異常動作によって2500Aの逆電流が
流れるような状況で使用したところ、静電誘導サイリス
タの破壊率はほぼ15%であった。これに対し、従来の
ダイオードを同じ状況で使用したところ、静電誘導サイ
リスタの破壊率は100%であった。Further, as shown in FIG. 4, the diode of this embodiment is connected in anti-parallel with an electrostatic induction thyristor, and has a pulse width of 1 μm.
s, a pulse current of 3000 A, and a voltage of 3000 V, the device was used in a situation where a reverse current of 2500 A flows due to an abnormal operation. As a result, the breakdown rate of the electrostatic induction thyristor was almost 15%. On the other hand, when the conventional diode was used in the same situation, the destruction rate of the electrostatic induction thyristor was 100%.
【0036】図18は、本発明によるダイオードの他の
実施例の構成を示す断面図である。本例では、シリコン
半導体基板61を真性半導体で形成し、n+型のカソー
ド領域62の波状構造を形成した表面と半導体基板61
のバルクとの間にn型のバッファ層66を形成したもの
である。このバッファ層66のn型不純物濃度はほぼ1
×1016〜5×1017原子/cm3とすることがで
きる。このようなバッファ層66を設けることにより、
真性半導体より成る半導体基板61のバルクの膜厚を薄
くすることができ、したがってオン抵抗を低減すること
ができる。FIG. 18 is a sectional view showing the structure of another embodiment of the diode according to the present invention. In this example, the silicon semiconductor substrate 61 is formed of an intrinsic semiconductor, and the surface of the n + -type cathode region 62 on which the wavy structure is formed and the semiconductor substrate 61 are formed.
And an n-type buffer layer 66 is formed between the substrate and the bulk. The n-type impurity concentration of this buffer layer 66 is approximately 1
It can be set to × 10 16 to 5 × 10 17 atoms / cm 3 . By providing such a buffer layer 66,
The bulk thickness of the semiconductor substrate 61 made of an intrinsic semiconductor can be reduced, and the on-resistance can be reduced.
【0037】図19は、本発明によるダイオードのさら
に他の実施例を示す断面図である。本例では、カソード
電極64とカソード領域62との界面から波状構造を有
するカソード領域62の谷との間の距離をほぼ0.5μ
mと短くすると共にアノード電極65とアノード領域6
3との界面から波状構造を有するアノード領域63の谷
との間の距離もほぼ0.5μmと短くしたものである。
このように構成すると、逆回復特性が向上し、オフ特性
も改善されるという効果がある。FIG. 19 is a sectional view showing still another embodiment of the diode according to the present invention. In this example, the distance between the interface between the cathode electrode 64 and the cathode region 62 and the valley of the cathode region 62 having a wavy structure is set to approximately 0.5 μm.
m and the anode electrode 65 and the anode region 6
Also, the distance from the interface with No. 3 to the valley of the anode region 63 having the wavy structure is shortened to approximately 0.5 μm.
With this configuration, there is an effect that the reverse recovery characteristic is improved and the off characteristic is also improved.
【0038】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例では、半導体基板61をシリコンを
以って形成したが、シリコンカーバイド、ガリウム砒素
などの他の半導体材料で形成することもできる。また、
上述した各領域の不純物濃度は一例として示したもので
あり、このような数値例に限定されるものではないこと
は勿論である。The present invention is not limited to the above-described embodiment, and many modifications and variations are possible. For example, in the above-described embodiment, the semiconductor substrate 61 is formed of silicon, but may be formed of another semiconductor material such as silicon carbide or gallium arsenide. Also,
The impurity concentration of each region described above is shown as an example, and it is a matter of course that the present invention is not limited to such numerical values.
【0039】さらに、上述した実施例では、カソード領
域およびアノード領域の波状構造を滑らかに変化する正
弦波状に形成したが、例えば図19に示すような三角波
状に変化するように形成したり、図20に示すように三
角波の山と台形状の谷とを組み合わせた構造とすること
もできる。例えば、正弦波状の波状構造は、選択拡散に
よって形成することができ、三角波状の波状構造は異方
性エッチングによって形成することができる。Further, in the above-described embodiment, the wave-like structures of the cathode region and the anode region are formed in a sine wave shape that changes smoothly, but may be formed so as to change in a triangular wave shape as shown in FIG. As shown in FIG. 20, a structure in which a peak of a triangular wave and a trapezoidal valley are combined may be employed. For example, a sinusoidal wavy structure can be formed by selective diffusion, and a triangular wavy structure can be formed by anisotropic etching.
【0040】上述したように、本発明によるダイオード
によれば、例えば静電誘導サイリスタと逆並列に接続し
て使用することにより、静電誘導サイリスタの破壊率を
著しく低減することができる。また、その他のパルス回
路やレーザ電源回路に高耐圧ダイオードとして有効に使
用することができる。As described above, according to the diode of the present invention, for example, by being connected in anti-parallel with the electrostatic induction thyristor, the destruction rate of the electrostatic induction thyristor can be significantly reduced. Further, it can be effectively used as a high breakdown voltage diode in other pulse circuits and laser power supply circuits.
【図1】静電誘導形サイリスタを用いたパルス発生回路
の一例の構成を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an example of a pulse generation circuit using an electrostatic induction thyristor.
【図2】その動作を説明するための信号波形図である。FIG. 2 is a signal waveform diagram for explaining the operation.
【図3】同じくその動作を説明するための信号波形図で
ある。FIG. 3 is a signal waveform diagram for explaining the operation.
【図4】従来の逆導通型静電誘導サイリスタの基本的な
構造を示す線図である。FIG. 4 is a diagram showing a basic structure of a conventional reverse conduction type electrostatic induction thyristor.
【図5】従来の逆導通型静電誘導サイリスタの詳細な構
造を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing a detailed structure of a conventional reverse conducting electrostatic induction thyristor.
【図6】AおよびBは、従来の静電誘導サイリスタの動
作を説明するための信号波形図である。6A and 6B are signal waveform diagrams for explaining the operation of a conventional electrostatic induction thyristor.
【図7】AおよびBは、従来の静電誘導サイリスタの動
作を説明するための信号波形図である。7A and 7B are signal waveform diagrams for explaining the operation of a conventional electrostatic induction thyristor.
【図8】AおよびBは、従来の静電誘導サイリスタの動
作を説明するための信号波形図である。8A and 8B are signal waveform diagrams for explaining the operation of a conventional electrostatic induction thyristor.
【図9】AおよびBは、従来の静電誘導サイリスタの保
護ダイオードの順回復特性を示す信号波形図である。9A and 9B are signal waveform diagrams showing forward recovery characteristics of a protection diode of a conventional electrostatic induction thyristor.
【図10】AおよびBは、従来の静電誘導サイリスタの
保護ダイオードの過渡オン電圧を示す信号波形図であ
る。FIGS. 10A and 10B are signal waveform diagrams showing a transient on-voltage of a protection diode of a conventional electrostatic induction thyristor.
【図11】電流の勾配と順回復電圧との関係を示すグラ
フである。FIG. 11 is a graph showing a relationship between a current gradient and a forward recovery voltage.
【図12】ダイオードの耐圧と順回復電圧との関係を示
すグラフである。FIG. 12 is a graph showing a relationship between a withstand voltage of a diode and a forward recovery voltage.
【図13】本発明によるダイオードを適用することがで
きるパルス回路の構成を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a pulse circuit to which a diode according to the present invention can be applied.
【図14】本発明によるダイオードの一実施例の構成を
示す断面図である。FIG. 14 is a sectional view showing a configuration of an embodiment of a diode according to the present invention.
【図15】A,BおよびCは本発明によるダイオードの
動作を従来のダイオードの動作と対比して示す線図であ
る。FIGS. 15A, 15B and 15C are diagrams showing the operation of a diode according to the present invention in comparison with the operation of a conventional diode.
【図16】本発明によるダイオードと従来のダイオード
の特性を対比して示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing characteristics of a diode according to the present invention and a conventional diode in comparison.
【図17】本発明によるダイオードの他の実施例の構成
を示す断面図である。FIG. 17 is a sectional view showing a configuration of another embodiment of the diode according to the present invention.
【図18】本発明によるダイオードのさらに他の実施例
の構成を示す断面図である。FIG. 18 is a sectional view showing the configuration of still another embodiment of the diode according to the present invention.
【図19】本発明によるダイオードにおける波状構造の
他の例を示す断面図である。FIG. 19 is a sectional view showing another example of a wavy structure in the diode according to the present invention.
【図20】本発明によるダイオードの波状構造のさらに
他の例を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing still another example of the wavy structure of the diode according to the present invention.
61 半導体基板、 62 カソード領域、 63 ア
ノード領域、 64 カソード電極、 65 カソード
電極、 66 バッファ層61 semiconductor substrate, 62 cathode region, 63 anode region, 64 cathode electrode, 65 cathode electrode, 66 buffer layer
Claims (6)
表面に、半導体基板の不純物濃度よりも高い不純物濃度
を有する一導電型の第1の主電極領域を、一方の主電極
と接触する表面とは反対側の表面に凹凸構造を有するよ
うに形成し、半導体基板の他方の主表面に、反対導電型
の第1の主電極領域を、他方の主電極と接触する表面と
は反対側の表面に凹凸構造を有するように形成し、これ
ら第1および第2の主電極領域の凹凸構造のピッチを、
半導体基板におけるキャリアの拡散長よりも短くすると
共に一方の凸部が他方の凹部とほぼ対向するように形成
したことを特徴とする高耐圧高速ダイオード。A first main electrode region of one conductivity type having an impurity concentration higher than that of a semiconductor substrate is brought into contact with one main electrode on one main surface of one conductivity type or intrinsic semiconductor substrate. A first main electrode region of the opposite conductivity type is formed on the other main surface of the semiconductor substrate so as to have a concavo-convex structure on the surface opposite to the surface, and the first main electrode region is opposite to the surface in contact with the other main electrode. Are formed so as to have an uneven structure on the surface thereof, and the pitch of the uneven structure of the first and second main electrode regions is
A high-withstand-voltage high-speed diode characterized in that the length is shorter than the diffusion length of carriers in a semiconductor substrate and one convex portion is substantially opposed to the other concave portion.
域を、前記第1および第2の主電極とオーミック接合を
構成するように形成したことを特徴とする請求項1に記
載の高耐圧高速ダイオード。2. The device according to claim 1, wherein said first and second main electrode regions of one conductivity type are formed so as to form an ohmic junction with said first and second main electrodes. High withstand voltage high speed diode.
および第2の主電極と接触する表面の不純物濃度をほぼ
1×1017原子/cm3と以上としたことを特徴とす
る請求項2に記載の高耐圧高速ダイオード。3. The first and second main electrode regions, wherein:
3. The high withstand voltage and high speed diode according to claim 2, wherein the impurity concentration on the surface in contact with the second main electrode is approximately 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more.
記第1の主電極領域の凹凸構造を形成した表面と接触す
るように第1の導電型で、第1の主電極領域の不純物濃
度よりも低い不純物濃度を有するバッファ層を形成した
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の高耐圧
高速ダイオード。4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein said semiconductor substrate is an intrinsic semiconductor substrate, and is of a first conductivity type and in contact with a surface of said first main electrode region on which an uneven structure is formed, based on an impurity concentration of said first main electrode region. 4. The high-breakdown-voltage high-speed diode according to claim 1, wherein a buffer layer having a low impurity concentration is formed.
造を正弦波状に形成したことを特徴とする請求項1〜4
の何れかに記載の高耐圧高速ダイオード。5. The rugged structure of said first and second main electrode regions is formed in a sine wave shape.
A high-voltage high-speed diode according to any one of the above.
造を三角波状に形成したことを特徴とする請求項1〜4
の何れかに記載の高耐圧高速ダイオード。6. A structure according to claim 1, wherein said first and second main electrode regions have a triangular waveform.
A high-voltage high-speed diode according to any one of the above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000377975A JP2002185017A (en) | 2000-12-12 | 2000-12-12 | High breakdown voltage high speed diode |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10249751B2 (en) | 2016-05-19 | 2019-04-02 | Rohm Co., Ltd. | High-speed diode with crystal defects and method of manufacturing |
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2000
- 2000-12-12 JP JP2000377975A patent/JP2002185017A/en active Pending
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