JP2002517097A - パワーダイオード構造体 - Google Patents

パワーダイオード構造体

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JP2002517097A JP2000551441A JP2000551441A JP2002517097A JP 2002517097 A JP2002517097 A JP 2002517097A JP 2000551441 A JP2000551441 A JP 2000551441A JP 2000551441 A JP2000551441 A JP 2000551441A JP 2002517097 A JP2002517097 A JP 2002517097A
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デボイ ゲラルト
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インフィネオン テクノロジース アクチエンゲゼルシャフト
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、1つの導電型の半導体(1)を有し、該半導体の表面には前記導電型とは逆の別の導電型の半導体領域(2)が埋込まれており、さらにこの半導体領域(2)とコンタクトしている第1の電極(4)と前記半導体(1)にコンタクトしている第2の電極(5)を備えた、改善された動特性を有するパワーダイオード構造体に関するものである。本発明は、前記半導体(1)内部に、少なくとも1つのフローティング領域(6)が設けられてることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は、1つの導電型の半導体を有しており、該半導体の表面には前記導電
型とは逆の別の導電型の半導体領域が埋込まれており、さらにこの半導体領域と
コンタクトしている第1の電極と前記半導体にコンタクトしている第2の電極を
備えた、改善された動特性を有するパワーダイオード構造体に関する。
【0002】 A.Porst, F. Auerbach, H. Brunner, G. Deboy , F. Hilleによる公知文献“I
mprovement of the diode characteristics using emitter controlled princip
les(Emcon-Diode), Proc. ISPSD 1997, P213-216(1997)”には、次のようなパワ
ーダイオードが記載されている。すなわちダイオードの中間領域における電荷キ
ャリヤの特別な調整により、その静的特性と動的特性にいわゆる“Hall-and Kle
inmann”原理の組合わせによって影響を与えるパワーダイオードが記載されてい
る。
【0003】 さらに米国特許出願 US 4 134 123 明細書からは、高電圧ショットキーダイオ
ードが公知であり、このダイオードではn導電型半導体内部にショットキーコン
タクトと共にフローティングタイプのp導電型導電性領域が埋込まれており、こ
れによってダイオードの阻止特性が著しく改善されている。
【0004】 さらにヨーロッパ特許出願 EP 0 565 350 B1 明細書からは、緩衝領域がアノ
ード領域と接合され、その中で導電性の高い領域と低い領域が交互に配置されて
いるダイオードが公知である。この場合導電性の低い各領域は実質的にそれらの
間に介在する隣接した高い導電性の領域に占められる拡散電位によって減損され
る。これにより、緩衝領域の低い固有抵抗のもとでアノード領域からの正孔の高
い注入効果が得られるものになる。
【0005】 本発明の課題は、迅速な回復特性をさらに改善し損失全体を最小化すべく充電
電荷が低減され、迅速な電圧受入れが行われ、僅かな逆電流ピークしか存在せず
、スムーズな回復特性も改善され、整流の際の電流降伏が発生せず、過電圧ピー
クの良好な減衰が行われ、順方向特性および充電電荷の可及的に僅かな温度特性
のもとで良好な導通特性が得られる、パワーダイオード構造体を提供することで
ある。
【0006】 前記課題は本発明により、半導体内部に第2の導電型の少なくとも1つのフロ
ーティング領域が設けられるように構成されて解決される。
【0007】 本発明によるパワーダイオード構造体は、従来技法によるパワーダイオードと
は異なって、例えばn-導電型のドリフト区間の後退領域におけるn導電型の半
導体のもとに、反対の導電型の領域、すなわちp導電型フローティング領域が含
まれている。この領域は球状、柱状もしくはその他の任意の形状で形成可能であ
る。この場合このフローティング領域のドーピングは、次のように選択される。
すなわちパワーダイオードの横方向、つまり第1の電極(アノード)と第2の電
極(カソード)の間の接合方向に対する直角方向で、p導電型のフローティング
領域においても、その間に介在するn導電型の半導体領域においても材料固有の
降伏電荷を越えないように選択される。これはシリコンの場合、約2×1012 cm-2に抑えられる。その際特に有利には、1/2のオーダー、つまり約1012 cm-2である。
【0008】 有利には、フローティング領域外の半導体は、パワーダイオードのもとでより
高濃度にドーピングされる。これに対する一例として、パワーダイオードに対し
て600Vのオーダーの定格電圧でもってシリコンが約25μmの層厚さのもと
でドリフト区間のドーピング濃度は8・1014cm-2である。この種の構成
のもとでは空間電荷領域の周縁が約300Vでフローティング領域に到達する。
ドリフト区間におけるより高濃度のドーピングに基づいて、例えば200Vの所
定の電圧の受入れに対してドリフト区間の比較的僅かな領域が空乏化されなけれ
ばならない。それにより、同規模の電荷キャリヤのオーバーフローのもとでも僅
かな電荷しか移動しない。
【0009】 このように構成されたパワーダイオード構造体は、迅速な電圧受入れのもとで
従来技術に比べて僅かな逆電流ピークで優れている。それにより、全体でより良
好な迅速な回復特性が達成される。
【0010】 本発明によるパワーダイオード構造体は、有利には次のように構成される。す
なわちフローティング領域が、通常の作動電圧の80%の印加のもとで、つまり
パワーダイオードの最大電圧の手前で(例えば600V型パワーダイオードの場
合では、約300V〜400V)、空間電荷領域によって達成される。この場合
空間電荷領域は、フローティング領域でまず迅速に膨張し、そのため比較的大規
模な電荷キャリヤの流出によるさらなる電圧上昇を阻止する。それにより逆電流
ピークを上回った後のフェーズで整流過程の良好な減衰が達成される。
【0011】 有利には、フローティング領域における半導体の補償レベルは次のように設定
される、すなわちフローティング領域のドーピングの明らかに過度な重み付けが
生じるように設定される。すなわち、例えばフローティング領域に対してp導電
型の柱状領域がn導電側の半導体内に適用される場合、p導電型の柱状領域内で
は明らかにp型負荷傾向の純粋なドーピングが生じるはずである。このようにし
て問題のない電界の再上昇が達成される。そのため、定格電圧、例えば630V
のピックアップに対して、半導体における所要の層厚さは比較的僅かに留めるこ
とができる。
【0012】 統合的に、フローティング領域とそれを囲繞している半導体領域のドーピング
は前述のように最初に降伏電荷を下回った後の要求によって制限される。すなわ
ちシリコンの場合ドーピングは次のように選択される。すなわち横方向の電荷集
積量が2・1012cm-2を越えないように選択される。特に有利にはこのド
ーピングは、横方向の電荷積分量が降伏電荷の1/2であるように選択される。
【0013】 フローティング領域とそれを囲繞する半導体領域の相応に密な構造化の際には
、ドーピング濃度は1015cm−3かもしくはそれよりも高く設定され得る。
特にフローティング領域のドーピング濃度は、これがもはやそれ以上の電荷キャ
リヤのオーバーフローにならないようなレベルにされる。整流過程の減衰が、フ
ローティング領域内に蓄積された電荷キャリヤ、例えば正孔によってのみもたら
され、少数キャリヤの電流が空間電荷領域を通って流れる。この少数キャリヤの
電流は、ダイオードのオーバーフローないし還流回路の電流に依存しない。それ
によりパワーダイオード構造体の整流特性の向上が低い電流密度のもとでも達成
される。
【0014】 フローティング領域がそれを取り囲んでいる半導体よりも十分に高濃度である
ならば、例えば上述の例ではp型傾向の高いドーピング領域が存在するならば、
定格電圧のもとでもカソード側のn導電型エミッタ前のフローティング領域の一
部は空乏化されない。このことは、正孔電流に対して“透過形エミッタ”の形態
をなすカソードの形成を可能にする。それにより正孔の再結合はまず、カソード
の裏側金属コンタクトにおいて生じ、カソード前のn導電型コンタクト領域に
おいては生じない。しかしながらこのケースではカソード近傍におけるフローテ
ィング領域の間のn導電型半導体の裏側領域においては、カソードの金属コンタ
クトに対するフィールド支配を回避するために、ドーピング濃度が相応に高く選
択される。
【0015】 前述したように、フローティング領域とそれを取り囲む半導体領域のドーピン
グを、こあれらの領域で電荷キャリアによるオーバーフローが生じないように高
濃度に選択すれば、電子電流と正孔電流は種々のチャネル領域に分割される。従
ってカソードにおけるエミッタ効果レベルは、上述の例では、フローティングp
導電型領域の端部とカソードの金属コンタクトの間のn型電荷によってのみ決ま
る。これにより、パワーダイオード構造体のオーバーフロー状態における電荷キ
ャリヤ分布の後方の懸架ポイントは比較的広範囲に低減され得る。このことは相
応に僅かな充電電荷につながる。
【0016】 前述した透過的エミッタの原理は、冒頭に述べたような従来方式のエミッタコ
ントロール形ダイオード(Emcon-Diode)のもとで、ベースにおける電荷キャリ
ヤ寿命の比較的僅かな低下を可能にする。これにより、漏れ電流の低減が達成さ
れ、特に回復特性の温度依存性(場合によっては進行性の電圧降下のポジティブ
な温度係数)が僅かとなる。これらの利点は、特に多数のパワーダイオード構造
体の並列接続のもとで現れる。同様に充電電荷も実質的に温度に依存しない。
【0017】 フローティング領域周辺ないしはフローティング領域自体における半導体の電
子と正孔の多数キャリヤの移動に基づいて、このフローティング領域は、実質的
にパワーダイオード構造体の導通損失に寄与しなくなる。このことはパワーダイ
オード構造体の導通特性が少なくともこのフローティング領域によって悪化する
ことがないことを意味する。
【0018】 フローティング領域は既に前述したように、柱状、球状、楕円状などの形状で
形成可能である。その場合これらはストライプ状デザインやセル状デザインの四
角形ないし六角形の配置構成で形成してもよいし、格子状に設けてもよい。
【0019】 前述した本発明によるパワーダイオード構造体の原理は、pチャネルないしn
チャネルを有するMOSFET、JFETs、バイポーラトランジスタ、サイリ
スタなどにも容易に適用可能である。さらにシリコン以外の半導体材料、例えば
GaAs、Sicなども適用可能である。
【0020】 フローティング領域自体は、例えば多層エピタキシャル成長及び/又はエピタ
キシャル成長の繰返しやマスキングによるイオン打ち込み、あるいはエッチング
およびトレンチの充填によって、あるいは高エネルギイオン打ち込みなどによっ
て形成されてもよい。
【0021】 実施例 以下の明細書では本発明を図面に基づいて詳細に説明する。この場合、 図1は、本発明によるパワーダイオード構造体の第1実施例を示した図であり、
図2は、図1によるパワーダイオード構造体における300Vないし600Vの
電圧印加のもとでの空間電荷領域の経過を示した図であり、 図3は、阻止極性のもとでのパワーダイオード構造体における電界の経過を示し
た図であり、 図4は、導通極性のもとでのパワーダイオード構造体における電荷キャリヤ濃度
の経過を示した図であり、 図5は、透過的エミッタの説明のための詳細図であり、 図6は、本発明によるパワーダイオード構造体をMOSFETに適用した例を示
した図であり、 図7は、本発明によるパワーダイオード構造体をGTOサイリスタに適用した例
を示した図である。
【0022】 図1には、n-導電型半導体1と、p導電型半導体領域2と、n導電型コンタ
クト領域3と、アノードコンタクト4と、カソードコンタクト5を有するパワー
ダイオード構造体が示されている。
【0023】 この本発明の実施例によれば、半導体1においては柱状形状のフローティング
領域6が埋込まれている。このフローティング領域6は、場合によっては球状や
楕円状もしくはその他の形状で形成されてもよい。
【0024】 但し重要なことは、この領域6のドーピングは次のように選択されることであ
る。すなわち、横方向、つまりアノード4とカソード5の間の接合方向に対する
垂直方向で、p導電型領域6においても、この領域の間に存在する半導体1の領
域においても、半導体材料固有のブレークオーバー電荷が例えばシリコンに対し
ては2・1012cm-2を越えることがないように選択される。特に適切な値
は例えばシリコンに対して1・1012cm-2である。
【0025】 フローティング領域6と半導体領域2の間の半導体1の領域、つまり“上方”
の均質にドーピングされたドリフト区分は、当該パワーダイオード構造体に比べ
てより高濃度にドーピングされ、例えば600V形のパワーダイオードでは約2
5μmの層厚さのもとで8・1014cm-3の範囲にある。
【0026】 この種の構成では、空間電荷領域の縁部は、例えば図2において破線7によっ
て示されているように、約300Vのもとでp導電型領域6の範囲に達する。半
導体領域2の空間電荷領域の境界は、破線8によって示されており、それに対し
て600Vの印加のもとでの半導体1における空間電荷領域の経過は、点線9に
よって示されている。
【0027】 本発明によるパワーダイオード構造体のもとでは、比較的高濃度のドーピング
に基づき所定の電圧の受入れに対して電荷キャリヤのドリフト区間の比較的僅か
な領域が空乏化される。このことは既に前述したように、迅速な回復特性の向上
に結び付く。
【0028】 図3の右側には、図2の構造体のうちの断面A−A′ないしB−B′の電界強
度E(kV/cm)の経過が示されている。この場合特性曲線10は電圧300
Vに対するアノード4とカソード5の間の電界強度を示しており、それに対して
特性曲線11は、600Vの電圧印加のもとでの断面A−A′における電界強度
を示し、特性曲線12は、600Vの電圧印加のもとでの断面B−B′における
電界強度を示している。
【0029】 (図3において特性曲線11及び12によって示されている)電界強度の再上
昇は、明らかにp導電型の傾向の強い全ドーピングによってp導電型フローティ
ング領域6とそれを囲繞する半導体1領域に達する。それによって定格電圧の受
入れに対して必要な層厚さが比較的僅かに維持され得る。
【0030】 図4には、図2のパワーダイオード構造体のもとでの導通極性における電荷キ
ャリヤの経過が示されている。ドーピングD(図4の右半部参照)は約3・10 16 cm-3にある。断面B−B′(図4の左半部参照)においては、p型ドー
ピングに対して曲線13によって示される経過が生じ、それに対してn型ドーピ
ングは曲線14によって示される。
【0031】 p導電型領域6の範囲は、十分にp型導電傾向に構成されるならば、定格電圧
の印加のもとで裏側のn型エミッタ前のこの領域6の一部は空乏化されない。こ
のことは、正孔電流に対してカソードを透過的エミッタの形態で構成することを
可能にする。換言すれば、正孔の再結合は、図5における正孔電流を示す矢印1
5によって示されているようにまずカソード5の金属コンタクトにおいて行われ
る。これが正孔電流(矢印15)に対するいわゆる“透過的エミッタ”16であ
る。
【0032】 フローティング領域6の間のn導電型半導体のカソード側領域において、前記
ケースでは、カソード5の金属コンタクトまでのフィールド支配を回避するため
に、領域17のドーピング濃度が周辺領域におけるものよりも高濃度(n+)で
なければならない。
【0033】 図5の配置構成では、正孔電流(矢印15)と電子電流(矢印17)が異なる
チャネル領域に分割される。それにより、エミッタ効率がp導電型領域6端部と
カソード5の金属コンタクトとの間でn導電型電荷のみによって定まる。
【0034】 図6は本発明によるパワーダイオード構造体をMOSFET(nチャネル)に
適用した例を示したものであり、このトランジスタは、ドレイン電極18と、p
導電型ウエル19と、n+導電型ソース領域20と、アルミニウムからなるソー
ス金属化層21と、ゲート電極22と絶縁層23を有している。
【0035】 図7は、本発明によるパワーダイオード構造体のGTOサイリスタへの適用例
を示したものであり、このサイリスタは、金属化層24と、n+導電型領域25
と、金属コンタクト26と、金属コンタクト27を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるパワーダイオード構造体の第1実施例を示した図である。
【図2】 図1によるパワーダイオード構造体における300Vないし600Vの電圧印
加のもとでの空間電荷領域の経過を示した図である。
【図3】 阻止極性のもとでのパワーダイオード構造体における電界の経過を示した図で
ある。
【図4】 導通極性のもとでのパワーダイオード構造体における電荷キャリヤ濃度の経過
を示した図である。
【図5】 透過的エミッタの説明のための詳細図である。
【図6】 本発明によるパワーダイオード構造体をMOSFETに適用した例を示した図
である。
【図7】 本発明によるパワーダイオード構造体をGTOサイリスタに適用した例を示し
た図である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年3月17日(2000.3.17)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 1つの導電型の半導体(1)を有しており、 該半導体の表面には前記導電型とは逆の別の導電型の半導体領域(2)が埋込
    まれており、さらにこの半導体領域(2)とコンタクトしている第1の電極(4
    )と前記半導体(1)にコンタクトしている第2の電極(5)を備えた、改善さ
    れた動特性を有するパワーダイオード構造体において、 前記半導体(1)内部に、少なくとも1つのフローティング領域(6)が設け
    られてることを特徴とする、パワーダイオード構造体。 【請求項2】 前記第1の電極(4)と第2の電極(5)の間の接合方向に
    対して横方向ないし縦方向でのドーピングがフローティング領域(6)と該フロ
    ーティング領域に接する半導体(1)領域において、これらの材料固有の降伏電
    荷(Durchbruchsladung)を越える領域が存在しないように選択されている、請
    求項1記載のパワーダイオード構造体。 【請求項3】 シリコンからなる半導体(1)における降伏電荷は、2×1
    ティング領域(6)内におけるものよりも高濃度にドーピングされている、
    請求項1から4いずれか1項記載のパワーダイオード構造体。 【請求項6】 前記フローティング領域(6)外の半導体(1)は、約25
    μmの層厚さのもとで約8・1014cm-3のドーピング濃度を備えている、請
    求項5記載のパワーダイオード構造体。 【請求項7】 前記フローティング領域(6)は、作動電圧の80%の電圧
    の印加のもとで空間電荷領域に達する、請求項1から6いずれか1項記載のパワ
    ーダイオード構造体。 【請求項8】 前記フローティング領域(6)は、該フローティング領域に
    接する半導体(1)領域よりも高濃度にドーピングされている、請求項1から7
    いずれか1項記載のパワーダイオード構造体。 【請求項9】 前記フローティング領域(6)は、これが作動電圧の印加の
    もとで少なくもと部分的に電荷キャリヤによって空乏化されないように高濃度に
    ドーピングされており、それによって第2の電極(5)が第2の導電性タイプの
    電荷キャリヤによって透過エミッタとして作用する、請求項8記載のパワーダイ
    オード構造体。 【請求項10】 前記フローティング領域(6)の間の領域における第2の
    電極(5)近傍の半導体(1)は、周辺領域のものよりも高濃度にドーピングさ
    れている、請求項9記載のパワーダイオード構造体。 【請求項11】 前記フローティング領域は、柱状、または球状、または楕
    円状で4角形ないし6角形の配置構成で存在している、請求項1から10いずれ
    か1項記載のパワーダイオード構造体。 【請求項12】 前記半導体は、Si、またはSiC、またはGaAsから
    なる、請求項1から11いずれか1項記載のパワーダイオード構造体。 【請求項13】 前記構造体を、MOSFET、またはJFETs、または
    バイポーラトランジスタ、またはサイリスタに対して用いる、請求項1から12
    いずれか1項記載のパワーダイオード構造体の適用。
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