JP2002520886A - 前方にストップゾーンを有するエミッタ領域を備えたパワー半導体素子 - Google Patents
前方にストップゾーンを有するエミッタ領域を備えたパワー半導体素子Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は前方にストップゾーン（６）を有するエミッタ領域（５）を備えており、エミッタ領域（５）およびストップゾーン（６）の導電状態は相互に対立しているパワー半導体素子に関する。パワー半導体素子の静的損失および動的損失を従来技術よりも小さくするために、ストップゾーン（６）の不純物原子として、半導体のバンドギャップ内にあって半導体の伝導帯および価電子帯から少なくとも２００ｍｅＶ離れた少なくとも１つのエネルギ準位を有する原子として使用する。
Description
【０００１】 本発明は前方にストップゾーンを有するエミッタ領域を備えており、エミッタ
領域およびストップゾーンの導電状態が相互に対立しているパワー半導体素子に
関する。
領域およびストップゾーンの導電状態が相互に対立しているパワー半導体素子に
関する。
【０００２】 非対称のサイリスタでは対称のサイリスタとは異なり、モジュールの厚さを低
減するにはアノード側でｐ型エミッタの前方にｎ型ストップゾーンを配置する。
このストップゾーンは阻止方向電圧が完全な場合の電界のｐ型エミッタに対する
パンチスルー（Durchgriff）を阻止する目的を有している。このため特にＩＧＢ
Ｔまたはサイリスタなど、阻止方向電圧が３ｋＶ以上となり、かつ厚さが５００
μｍ以上で比較的大きい阻止形のモジュールでは、ストップゾーンはパワー半導
体の全損失を著しく低減させる。
減するにはアノード側でｐ型エミッタの前方にｎ型ストップゾーンを配置する。
このストップゾーンは阻止方向電圧が完全な場合の電界のｐ型エミッタに対する
パンチスルー（Durchgriff）を阻止する目的を有している。このため特にＩＧＢ
Ｔまたはサイリスタなど、阻止方向電圧が３ｋＶ以上となり、かつ厚さが５００
μｍ以上で比較的大きい阻止形のモジュールでは、ストップゾーンはパワー半導
体の全損失を著しく低減させる。
【０００３】 サイリスタのアノード側のエミッタの前方のストップゾーンのドープ濃度が高
くなるにつれて、部分トランジスタの増幅係数αｐｎｐは小さくなる。したがっ
て確かに一方では阻止曲線から導通曲線への移行が行われるサイリスタで達成可
能なブレークオーバ電圧が上昇するが、他方では順方向電圧ひいては静的な損失
電力も上昇する。つまりサイリスタの静的損失および動的損失はストップゾーン
の特性を介して相互に結びついている。
くなるにつれて、部分トランジスタの増幅係数αｐｎｐは小さくなる。したがっ
て確かに一方では阻止曲線から導通曲線への移行が行われるサイリスタで達成可
能なブレークオーバ電圧が上昇するが、他方では順方向電圧ひいては静的な損失
電力も上昇する。つまりサイリスタの静的損失および動的損失はストップゾーン
の特性を介して相互に結びついている。
【０００４】 本発明の課題は、ストップゾーンを備えたパワー半導体を提供し、静的損失お
よび動的損失を従来技術によるモジュールよりも小さくすることである。
よび動的損失を従来技術によるモジュールよりも小さくすることである。
【０００５】 この課題は請求項１記載の特徴を有するパワー半導体素子を構成して解決され
る。有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
る。有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【０００６】 本発明は、ストップゾーンはモジュールの阻止状態で“アクティブ”となるだ
けでよく、導通動作で“アクティブ”となるべきではないという原理に基づいて
いる。言い換えれば、ストップゾーンの不純物から発生したドーパントとして働
く原子の数がモジュールの動作モード（阻止動作または導通動作）に依存して変
化するということである。これはドープ原子を用いて、半導体材料のバンドギャ
ップ内にあって、伝導帯および価電子帯のエネルギ準位から大きく離れたエネル
ギ準位を調整することより達成される。
けでよく、導通動作で“アクティブ”となるべきではないという原理に基づいて
いる。言い換えれば、ストップゾーンの不純物から発生したドーパントとして働
く原子の数がモジュールの動作モード（阻止動作または導通動作）に依存して変
化するということである。これはドープ原子を用いて、半導体材料のバンドギャ
ップ内にあって、伝導帯および価電子帯のエネルギ準位から大きく離れたエネル
ギ準位を調整することより達成される。
【０００７】 エミッタ領域を備えており、このエミッタ領域は前方にストップゾーンを備え
ており、エミッタ領域およびストップゾーンの導電率が相互に対立している本発
明のパワー半導体素子は、ストップゾーンの不純物原子が半導体のバンドギャッ
プ内にあって半導体の伝導帯および価電子帯から少なくとも２００ｍｅＶ離れた
少なくとも１つのエネルギ準位を有することを特徴としている。
ており、エミッタ領域およびストップゾーンの導電率が相互に対立している本発
明のパワー半導体素子は、ストップゾーンの不純物原子が半導体のバンドギャッ
プ内にあって半導体の伝導帯および価電子帯から少なくとも２００ｍｅＶ離れた
少なくとも１つのエネルギ準位を有することを特徴としている。
【０００８】 特にドープ物質は硫黄またはセレンである。
【０００９】 硫黄をドープされたストップゾーンを備えたパワー半導体の利点は、硫黄原子
の拡散定数が極めて高いためストップゾーンを簡単に形成できることである。
の拡散定数が極めて高いためストップゾーンを簡単に形成できることである。
【００１０】 本発明の別の利点および特徴は、添付図に関連した以下の本発明の有利な実施
例の説明から得られる。
例の説明から得られる。
【００１１】 図１にはアノード側のストップゾーンを有する本発明のパワー半導体の実施例
が断面図で示されている。図２には図１のモジュールのドープ物質濃度が示され
ている。
が断面図で示されている。図２には図１のモジュールのドープ物質濃度が示され
ている。
【００１２】 パワー半導体素子として図１には半導体１を有するサイリスタが示されている
。この半導体は図示の実施例では低濃度でｎ型にドープされており、ｎ−ベース
として作用する。ｎ−ベース１にはｐベース２が接合されており、その表面のカ
ソード側にカソード端子４を備えたｎ＋エミッタ構造体３が配置されている。
。この半導体は図示の実施例では低濃度でｎ型にドープされており、ｎ−ベース
として作用する。ｎ−ベース１にはｐベース２が接合されており、その表面のカ
ソード側にカソード端子４を備えたｎ＋エミッタ構造体３が配置されている。
【００１３】 ｎ−ベースのｐベース２に対向する側にはアノード側のｐ型エミッタ５が存在
している。ｐ型エミッタ５は従来技術から知られているように、ストップゾーン
６によって阻止方向電圧が完全な場合の電界のパンチスルーから保護されている
。ストップゾーン６はｎ型にドープされている。すなわちドープ物質として従来
技術では特にリンまたはヒ素が使用される。
している。ｐ型エミッタ５は従来技術から知られているように、ストップゾーン
６によって阻止方向電圧が完全な場合の電界のパンチスルーから保護されている
。ストップゾーン６はｎ型にドープされている。すなわちドープ物質として従来
技術では特にリンまたはヒ素が使用される。
【００１４】 エミッタ３、５の双方は金属化部７を介して外部のアノード端子またはカソー
ド端子と導電接続されている。
ド端子と導電接続されている。
【００１５】 本発明によれば、ストップゾーン６には、エネルギ準位がバンドギャップ内に
あり、かつ価電子帯ないし伝導帯の少なくとも２００ｍｅＶから大きく離れたエ
ネルギ準位を有するドーパントがドープされる。これに適したドーパントとして
特に、他の原子と並んで硫黄原子が使用される。これはこの原子が室温では部分
的にしか電気的にアクティブにならないからである。硫黄をドープされた領域が
空間電荷ゾーンによって検出されると、硫黄原子は完全にダブルドナー（Doppel
donator）、すなわち２個の自由な電荷担体を有するドナーとしてアクティブに
なる。これにより硫黄原子は２個の電荷担体分だけチャージされている。硫黄の
エネルギ準位はシリコンのバンドギャップ内ではきわめて低く、空間電荷ゾーン
が印加されると完全に電気的にアクティブとなる。硫黄のエネルギ準位はシリコ
ンの伝導帯２６０ｍｅＶの下方であり、第２のエネルギ準位は価電子帯の上方４
８０ｍｅＶである。シリコンのバンドギャップは１１２０ｍｅＶである。したが
って一方ではストップゾーンは導通状態で部分的にのみ電気的にアクティブとな
り、部分トランジスタ増幅係数αｐｎｐは比較的僅かしか低下せず、これにより
順方向電圧を小さく維持することができる。他方では空間電荷ゾーンによって検
出されたストップゾーンの部分は阻止状態で完全にアクティブとなり、これによ
りきわめて効果的なストップゾーンが得られる。このようにして順方向電圧と阻
止方向電圧との間の相関は改善される。
あり、かつ価電子帯ないし伝導帯の少なくとも２００ｍｅＶから大きく離れたエ
ネルギ準位を有するドーパントがドープされる。これに適したドーパントとして
特に、他の原子と並んで硫黄原子が使用される。これはこの原子が室温では部分
的にしか電気的にアクティブにならないからである。硫黄をドープされた領域が
空間電荷ゾーンによって検出されると、硫黄原子は完全にダブルドナー（Doppel
donator）、すなわち２個の自由な電荷担体を有するドナーとしてアクティブに
なる。これにより硫黄原子は２個の電荷担体分だけチャージされている。硫黄の
エネルギ準位はシリコンのバンドギャップ内ではきわめて低く、空間電荷ゾーン
が印加されると完全に電気的にアクティブとなる。硫黄のエネルギ準位はシリコ
ンの伝導帯２６０ｍｅＶの下方であり、第２のエネルギ準位は価電子帯の上方４
８０ｍｅＶである。シリコンのバンドギャップは１１２０ｍｅＶである。したが
って一方ではストップゾーンは導通状態で部分的にのみ電気的にアクティブとな
り、部分トランジスタ増幅係数αｐｎｐは比較的僅かしか低下せず、これにより
順方向電圧を小さく維持することができる。他方では空間電荷ゾーンによって検
出されたストップゾーンの部分は阻止状態で完全にアクティブとなり、これによ
りきわめて効果的なストップゾーンが得られる。このようにして順方向電圧と阻
止方向電圧との間の相関は改善される。
【００１６】 本発明のパワー半導体素子の別の実施例ではドープ物質としてセレンを使用す
る。セレンはシリコンのバンドギャップ内で、伝導帯の下方の約３１０ｍｅＶお
よび約５９０ｍｅＶの２つのエネルギ準位を有する。
る。セレンはシリコンのバンドギャップ内で、伝導帯の下方の約３１０ｍｅＶお
よび約５９０ｍｅＶの２つのエネルギ準位を有する。
【００１７】 図１のモジュールのドープ濃度プロフィルが図２に示されている。カソード側
のエミッタ３は図２の左方に示されており、これはｎ＋型にドープされている。
このエミッタにはｐベース２、ｎ−ベース１、ストップゾーン６およびｐ型エミ
ッタがこの順で接続されている。ドーパント原子によって形成されるストップゾ
ーン６には２つのドープ特性が８、９で示されており、ここで９は破線で示され
ている。ストップゾーン６のドープ特性８が阻止状態において空間電荷ゾーンの
領域でｎ−ベース１から見て急峻に上昇しｐ型エミッタへの電界のパンチスルー
を阻止するように経過すると、ストップゾーン６のドープ濃度特性９は導通状態
で平坦化する。すなわち電荷担体はｎ−ベース１からｐ型エミッタ５へ、または
ｐ型エミッタからｎ−ベースへ達し、その際にこの電荷担体は格段に弱いストッ
プゾーン６を“知覚する”。
のエミッタ３は図２の左方に示されており、これはｎ＋型にドープされている。
このエミッタにはｐベース２、ｎ−ベース１、ストップゾーン６およびｐ型エミ
ッタがこの順で接続されている。ドーパント原子によって形成されるストップゾ
ーン６には２つのドープ特性が８、９で示されており、ここで９は破線で示され
ている。ストップゾーン６のドープ特性８が阻止状態において空間電荷ゾーンの
領域でｎ−ベース１から見て急峻に上昇しｐ型エミッタへの電界のパンチスルー
を阻止するように経過すると、ストップゾーン６のドープ濃度特性９は導通状態
で平坦化する。すなわち電荷担体はｎ−ベース１からｐ型エミッタ５へ、または
ｐ型エミッタからｎ−ベースへ達し、その際にこの電荷担体は格段に弱いストッ
プゾーン６を“知覚する”。
【００１８】 パワー半導体を製造する際、ストップゾーンはエミッタ領域の前方、例えばア
ノード側に不純物原子をインプランテーションすることにより形成される。リン
またはヒ素などの不純物原子のインプランテーション後、不純物原子またはドー
プ原子はｎ型にドープされたストップゾーン６を形成するためにシリコンウェハ
内部に拡散され、結晶格子が修復される。このために半導体は熱処理プロセスに
かけられる。温度の高さおよび処理の持続時間はドーパント原子および半導体材
料の特性に依存する。リンおよびヒ素のシリコン内で拡散定数が低いため、イン
プランテーション後の熱処理プロセスでは比較的高い拡散温度と比較的長い拡散
時間が選定される。例えば１２００℃以上の温度と典型的には２０ｈ以上の拡散
時間である。
ノード側に不純物原子をインプランテーションすることにより形成される。リン
またはヒ素などの不純物原子のインプランテーション後、不純物原子またはドー
プ原子はｎ型にドープされたストップゾーン６を形成するためにシリコンウェハ
内部に拡散され、結晶格子が修復される。このために半導体は熱処理プロセスに
かけられる。温度の高さおよび処理の持続時間はドーパント原子および半導体材
料の特性に依存する。リンおよびヒ素のシリコン内で拡散定数が低いため、イン
プランテーション後の熱処理プロセスでは比較的高い拡散温度と比較的長い拡散
時間が選定される。例えば１２００℃以上の温度と典型的には２０ｈ以上の拡散
時間である。
【００１９】 ストップゾーン６を形成するためにドープ物質として硫黄を使用する利点は、
硫黄がシリコン内で比較的迅速に拡散することである。このため拡散時間および
温度を著しく低減することができる。硫黄原子の埋め込みは例えば次のような埋
め込みステップを有するアノード側でのイオンインプランテーションによって行
われる。典型的なインプランテーション量としては、１ｃｍ２当たり１０１２〜
１０１４個の硫黄原子の量が使用される。ドープ物質としてのリンに比べて、１
ｃｍ２当たり５×１０１２個の硫黄量が使用される場合、硫黄は順方向動作で約
１０％の電圧低下をもたらす。
硫黄がシリコン内で比較的迅速に拡散することである。このため拡散時間および
温度を著しく低減することができる。硫黄原子の埋め込みは例えば次のような埋
め込みステップを有するアノード側でのイオンインプランテーションによって行
われる。典型的なインプランテーション量としては、１ｃｍ２当たり１０１２〜
１０１４個の硫黄原子の量が使用される。ドープ物質としてのリンに比べて、１
ｃｍ２当たり５×１０１２個の硫黄量が使用される場合、硫黄は順方向動作で約
１０％の電圧低下をもたらす。
【００２０】 本発明をパワー半導体素子としてサイリスタを適用する場合に基づいて説明し
た。ただし当業者に明らかであるように、ここに示された技術的知識は別のパワ
ー半導体素子（例えばＩＧＢＴなど）に適用可能である。
た。ただし当業者に明らかであるように、ここに示された技術的知識は別のパワ
ー半導体素子（例えばＩＧＢＴなど）に適用可能である。
【図１】 本発明のパワー半導体の実施例の断面図である。
【図２】 図１のモジュールのドープ物質濃度を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ， ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，Ｈ Ｕ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ハンス−ヨアヒム シュルツェ ドイツ連邦共和国 オットーブルン オッ トーシュトラーセ 60エフ Ｆターム(参考） 5F005 AA02 AC02 AH04 GA01
Claims (3)
- 【請求項１】 エミッタ領域（５）を備えており、該エミッタ領域の前方に
不純物原子を有するストップゾーン（６）が存在しており、エミッタ領域（５）
およびストップゾーン（６）の導電状態は相互に対立している パワー半導体素子において、 ストップゾーン（６）の不純物原子は、半導体のバンドギャップ内にあって該
半導体の伝導帯および価電子帯から少なくとも２００ｍｅＶ離れた少なくとも１
つのエネルギ準位を有する、 ことを特徴とするパワー半導体素子。 - 【請求項２】 前記ストップゾーン（６）の不純物原子は硫黄原子を含む、
請求項１記載のパワー半導体素子。 - 【請求項３】 前記ストップゾーン（６）の不純物原子はセレン原子を含む
、請求項１記載のパワー半導体素子。
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