JP2011222550A - Ｐｉｎダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＩＮダイオードにおいて、リーク電流の増加を抑制しながら逆回復電荷を低減させる。
【解決手段】 ＰＩＮダイオード１０は、アノード領域４とカソード領域１５の間に高抵抗領域８を有する。アノード領域４と高抵抗領域８が接する第１界面６からカソード領域１５と高抵抗領域８が接する第２界面１２までの距離は５０μｍ以上である。高抵抗領域８の全域に酸素が含まれている。酸素の濃度は、第１界面６の近傍で最大値を示すとともにカソード領域１５に向けて単調減少している。酸素の濃度は、第２界面１２において２．０×１０^１６ｃｍ^−３以上で５．０×１０^１６ｃｍ^−３以下である。ＰＩＮダイオード１０では、酸素の濃度に応じて、高抵抗領域８内に原子空孔と酸素が結合した複合欠陥が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード領域とカソード領域の間に高抵抗領域を有するＰＩＮダイオードに関する。

アノード領域とカソード領域の間に高抵抗領域を有するＰＩＮダイオード（P-Intrinsic-N diode）が開発されている。ＰＩＮダイオードをオンすると、アノード領域から高抵抗領域に正孔が注入され、カソード領域から高抵抗領域に電子が注入され、高抵抗領域で伝導度変調が生じる。ＰＩＮダイオードをオフすると、高抵抗領域に存在するキャリア（正孔と電子）がアノード領域とカソード領域から排出され、ＰＩＮダイオードが非導通となる。ＰＩＮダイオードでは、オフしたときのキャリア（正孔と電子）のライフタイムを短くするために、高抵抗領域内に結晶欠陥を形成する技術が知られている。高抵抗領域内に結晶欠陥を形成することにより、ＰＩＮダイオードのスイッチング損失を低減させることができる。高抵抗領域内に結晶欠陥を形成するＰＩＮダイオードの一例が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１の技術では、アノード領域側とカソード領域側の両方から高抵抗領域に向けてプロトンを照射し、アノード領域と高抵抗領域の界面及びカソード領域と高抵抗領域の界面の双方に結晶欠陥を形成する。特許文献１の技術によると、ＰＩＮダイオードをオフしたときの逆回復電荷を低減させ、スイッチング損失を低減させることができる。なお、「逆回復電荷」とは、逆回復電流を時間で積分した値のことをいう。

特許文献２の技術では、アノード領域と高抵抗領域の界面近傍の高抵抗領域内に、酸素を高濃度に含む酸素富裕層を形成する。そして、高抵抗領域に電子線を照射することにより、酸素富裕層を形成した部分に局所的な結晶欠陥を形成する。特許文献２の技術では、局所的な結晶欠陥によって、ＰＩＮダイオードをオフしたときの逆回復電荷を低減させ、スイッチング損失を低減させている。

特開平８−１０２５４５号公報 特開２００７−２６６１０３号公報

上記したように、特許文献１及び特許文献２の技術は、高抵抗領域内に結晶欠陥を形成するという点が共通している。しかしながら、特許文献１と特許文献２では、高抵抗領域内に形成される結晶欠陥の種類が相違する。特許文献１の技術では、プロトンを高抵抗領域内に留まるように照射する。その結果、プロトンが導入された箇所に主として原子空孔同士が結合した複空孔欠陥が形成される。複空孔欠陥は、逆回復電荷を低減させるためには有効であるが、リーク電流が生じやすいという欠点を有している。そのため、特許文献１の技術では、逆回復電荷の低減に伴ってリーク電流の増加を招く。特許文献２の技術では、高抵抗領域内に主として原子空孔と酸素が結合した複合欠陥が形成される。この複合欠陥は、複空孔欠陥に比べてリーク電流が生じにくいが、高抵抗領域内に酸素が存在しないと形成することができない。そのため、特許文献２の技術では、逆回復電荷の低減効果が限定的である。すなわち、酸素富裕層が形成されていない部分では、逆回復電荷を低減させる効果が得られない。なお、以下の説明では、複空孔欠陥のことをＶ−Ｖ欠陥と称し、原子空孔と酸素が結合した複合欠陥のことをＶ−Ｏ欠陥と称すことがある。

近年、高耐圧のＰＩＮダイオードを実現するために、高抵抗領域の厚み（アノード領域と高抵抗領域の界面からカソード領域と高抵抗領域の界面までの距離）が厚いＰＩＮダイオードが開発されている。例えば高抵抗領域の厚みが５０μｍ以上のダイオードの場合、ダイオードがオンしているときに高抵抗領域内に存在するキャリアの量も多くなる。そのため、特許文献２のように高抵抗領域内に局所的な酸素富裕層を設けても、逆回復電荷を十分に低減させることができない。高抵抗領域の厚みが厚いＰＩＮダイオードにおいては、高抵抗領域内に局所的な酸素富裕層を設けるだけでは、ＰＩＮダイオードをオフしたときのスイッチング損失を低減させることができない。本明細書に開示する技術は、上記の問題を解決するためのものであり、高抵抗領域の厚みが５０μｍ以上のＰＩＮダイオードにおいて、リーク電流の増加を抑制しながら逆回復電荷を低減させることを目的とする。

まず、Ｖ−Ｖ欠陥とＶ−Ｏ欠陥の違いについて説明する。半導体層に向けて荷電粒子をその半導体層の内部に留まるように照射すると、荷電粒子が留まった箇所にＶ−Ｖ欠陥が形成される。荷電粒子が通過した範囲には、Ｖ−Ｖ欠陥はほとんど形成されない。一方、酸素を含む半導体層に向けて荷電粒子を照射すると、荷電粒子が通過した範囲にＶ−Ｏ欠陥が形成される。この場合、荷電粒子が半導体層を突き抜けると、半導体層の全体にＶ−Ｏ欠陥が形成される。また、酸素を含む半導体層の内部に荷電粒子が留まると、荷電粒子が通過した範囲にＶ−Ｏ欠陥が形成されるとともに、荷電粒子が留まった箇所にＶ−Ｖ欠陥が形成される。なお、荷電粒子の例として、ヘリウムイオン等の軽元素イオン、電子、陽子（水素イオン）が挙げられる。

本明細書に開示する技術は、アノード領域とカソード領域の間に高抵抗領域を有するＰＩＮダイオードに適用することができる。本明細書で開示するＰＩＮダイオードは、アノード領域と高抵抗領域が接する第１界面からカソード領域と高抵抗領域が接する第２界面までの距離が５０μｍ以上であり、高抵抗領域の全域に酸素が含まれている。酸素の濃度は、第１界面の近傍で最大値を示すとともにカソード領域に向けて単調減少している。そして、酸素の濃度は、第２界面において２．０×１０^１６ｃｍ^−３以上で５．０×１０^１６ｃｍ^−３以下である。本明細書で開示するＰＩＮダイオードでは、酸素の濃度に応じて、高抵抗領域内に原子空孔と酸素が結合した複合欠陥（Ｖ−Ｏ欠陥）が形成されている。

上記のＰＩＮダイオードは、高抵抗領域の長さが５０μｍ以上なので、高耐圧が要求される機器に使用することができる。また、高抵抗領域の全域にＶ−Ｏ欠陥が形成されているので、高抵抗領域内に局所的にＶ−Ｏ欠陥が形成されている従来のＰＩＮダイオード（従来技術２のようなＰＩＮダイオード）よりも逆回復電荷を低減することができる。さらに、Ｖ−Ｖ欠陥によって逆回復電荷を低減させる従来のＰＩＮダイオード（従来技術１のようなＰＩＮダイオード）のように、逆回復電荷を低減させることによりリーク電流が増加することもない。すなわち、上記のＰＩＮダイオードは、リーク電流を増加させることなく、逆回復電荷を低減することができる。なお、上記ＰＩＮダイオードでは、酸素の濃度が、第２界面において２．０×１０^１６ｃｍ^−３以上である。そのため、第２界面に至るまで十分な量のＶ−Ｏ欠陥を形成することができる。さらに、酸素の濃度が、第２界面において５．０×１０^１６ｃｍ^−３以下である。そのため、第２界面のＶ−Ｏ欠陥が増加しすぎることにより、第２界面近傍のキャリアが急速に消失することを抑制することができる。活発な伝動度変調を利用して低いオン抵抗を維持することができ、さらに、逆回復電流の変化を緩やかにすることができ、サージ電圧が増大することを抑制することができる。

本発明で開示するＰＩＮダイオードでは、最大値における酸素の濃度が、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上で２．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。一般的に、逆回復電荷は、高抵抗領域内に形成されている結晶欠陥が多いほど低減する。しかしながら、高抵抗領域内の結晶欠陥を増加させると、その結晶欠陥がＶ−Ｏ欠陥であってもリーク電流の増加が避けられない。高抵抗領域内に形成することができるＶ−Ｏ欠陥の総量には限界がある。すなわち、高抵抗領域内に含ませることができる酸素の総量には限界がある。高抵抗領域の全域にＶ−Ｏ欠陥を形成する場合には、最大値における酸素の濃度を２．０×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。また、高抵抗領域内に形成されているＶ−Ｏ欠陥の総量が同じであっても、第１界面近傍に形成されるＶ−Ｏ欠陥の量が少ないと、相対的に第２界面近傍のＶ−Ｏ欠陥が増加する。上記したように、第２界面近傍のＶ−Ｏ欠陥が増加しすぎると、サージ電圧が増加する。サージ電圧の増加を抑制するために、第１界面の近傍における酸素の濃度、すなわち、最大値における酸素の濃度は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

本発明で開示するＰＩＮダイオードでは、酸素の濃度が、第１界面で最大値を示していることが好ましい。アノード領域内及びカソード領域内に形成されているＶ−Ｏ欠陥は、逆回復電荷の低減に寄与しない。酸素の濃度が第１界面で最大値を示していれば、Ｖ−Ｏ欠陥の量をアノード領域と高抵抗領域の界面で最大にすることができる。アノード領域と高抵抗領域の界面（第１界面）のＶ−Ｏ欠陥の量を増加させると、逆回復電流を低減することができる。

本発明で開示するＰＩＮダイオードでは、第１界面の近傍の高抵抗領域内に、さらに複空孔欠陥（Ｖ−Ｖ欠陥）が形成されていてもよい。高抵抗領域内に含まれる酸素の総量を増加させることなく、逆回復電荷をさらに低減させることができる。

本明細書で開示する技術によると、高耐圧のＰＩＮダイオードにおいて、リーク電流を増加させることなく、逆回復電荷を低減させることができる。

実施例１のＰＩＮダイオードの要部断面図を示す。 実施例１のＰＩＮダイオードの半導体層内の不純物の濃度分布を示す。 実施例１のＰＩＮダイオードの半導体層内に含まれる酸素の濃度分布、及び、Ｖ−Ｏ欠陥の濃度分布を示す。 シミュレーションにおける高抵抗領域に含まれる酸素濃度分布を示す ＰＩＮダイオードをオフしてから時間と逆回復電流の関係を示す。 ＰＩＮダイオードをオフしてから時間と電圧の関係を示す。 第１界面の酸素濃度とＰＩＮダイオードの特性の変化の関係を示す。 第２界面の酸素濃度とＰＩＮダイオードの特性の変化の関係を示す。 実施例２のＰＩＮダイオードの半導体層内に含まれる酸素の濃度分布、及び、結晶欠陥の濃度分布を示す。

実施例を説明する前に、実施例の技術的特徴を以下に簡潔に記す。
（特徴１）高抵抗領域及びカソード領域にはｎ型の不純物が含まれている。高抵抗領域の不純物濃度は、カソード領域の不純物濃度よりも薄い。カソード領域は、ｎ型不純物中濃度領域とｎ型不純物高濃度領域を備えている。ｎ型不純物中濃度領域の不純物濃度は、高抵抗領域の不純物濃度よりも薄い。ｎ型不純物中濃度領域は、高抵抗領域とｎ型不純物高濃度領域の間に介在している。

図１〜図３を参照し、ＰＩＮダイオード１０について説明する。図１に示すように、ＰＩＮダイオード１０は、半導体層１７と、半導体層１７の表面に形成されているアノード電極２と、半導体層１７の裏面に形成されているカソード電極１８を備えている。半導体層１７の材料には、シリコン単結晶が用いられている。アノード電極２は、アルミニウム（Ａｌ）で形成されている。カソード電極１８は、チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ）の積層体で形成されている。

半導体層１７は、アノード領域４と、高抵抗領域８と、カソード領域１５を備えている。カソード領域１５は、ｎ型不純物中濃度領域１４とｎ型不純物高濃度領域１６を備えている。高抵抗領域８は、アノード領域４とカソード領域１５に接している。なお、高抵抗領域８は、カソード領域１５のうちのｎ型不純物中濃度領域１４に接している。換言すると、ｎ型不純物中濃度領域１４が、高抵抗領域８とｎ型不純物高濃度領域１６の間に介在している。

図２は、半導体層１７内の不純物（アクセプタ及びドナー）の濃度分布を示す。曲線２０がｐ型不純物（アクセプタ）の濃度分布を示し、曲線２２がｎ型不純物（ドナー）の濃度分布を示す。アノード領域４は、半導体層１７の表面からホウ素（ボロン：Ｂ）をイオン注入することで形成されている。アノード領域４のピーク不純物濃度はおよそ１．０×１０^１７ｃｍ^−３である。アノード領域４の厚みＷ４はおよそ２μｍである。詳細は後述するが、半導体層１７内には酸素も含まれている。半導体層１７内に含まれている酸素は、アクセプタ及びドナーとして機能しない。

高抵抗領域８は、用意された半導体基板を所定の厚みに研磨することで形成されている。ＰＩＮダイオード１０では、厚みＷ８は５０μｍ以上に調整されている。高抵抗領域８の不純物としてリンが用いられている。高抵抗領域８の不純物濃度は厚み方向に一定であり、およそ１×１０^１４ｃｍ^−３である。半導体層１７内において、ｐ型不純物の濃度が高抵抗領域８に含まれるｎ型不純物の濃度と等しくなる面が、アノード領域４と高抵抗領域８が接する第１界面６である。

カソード領域１５（ｎ型不純物中濃度領域１４とｎ型不純物高濃度領域１６）は、半導体層１７の裏面からリン（Ｐ）をイオン注入することで形成されている。ｎ型不純物中濃度領域１４のピーク不純物濃度はおよそ１．０×１０^１５ｃｍ^−３である。ｎ型不純物中濃度領域１４の厚みＷ１４はおよそ２０μｍである。ｎ型不純物高濃度領域１６のピーク不純物濃度はおよそ１．０×１０^１９ｃｍ^−３である。ｎ型不純物高濃度領域１６の厚みＷ１６はおよそ１μｍである。半導体層１７内において、ｎ型不純物中濃度領域１４に含まれるｎ型不純物の濃度が高抵抗領域８に含まれるｎ型不純物の濃度と等しくなる面が、カソード領域１５と高抵抗領域８が接する第２界面１２である。

図３は、半導体層１７内に含まれる酸素の濃度分布及びＶ−Ｏ欠陥の濃度分布示す。曲線２６が酸素の濃度分布を示し、曲線３０がＶ−Ｏ欠陥の濃度分布を示す。図３に示すように、酸素の濃度は、第１界面６において最大値を示し、カソード領域１５に向けて単調減少している。第１界面６と曲線２６が交わる点２４における酸素濃度は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３〜２．０×１０^１７ｃｍ^−３に調整されている。第２界面１２と曲線２６が交わる点２８における酸素濃度は、２．０×１０^１６ｃｍ^−３〜５．０×１０^１６ｃｍ^−３に調整されている。半導体層１７の表面（アノード領域４側）に酸素をイオン注入し、高温（例えば１１００℃以上）でアニールすることにより、半導体層１７内に含まれる酸素を上記の濃度分布にすることができる。酸素の注入量、アニール時間等は、半導体層１７の厚みＷ１７（図１を参照）に応じて調整することができる。

曲線３０に示すように、Ｖ−Ｏ欠陥は、高抵抗領域８の全域に形成されている。Ｖ−Ｏ欠陥の濃度は、酸素濃度に応じて増減している。半導体層１７内に酸素が含まれている場合、荷電粒子線が通過した範囲には、酸素の濃度に応じたＶ−Ｏ欠陥が形成される。Ｖ−Ｏ欠陥は、曲線２６の酸素濃度分布を有する半導体層１７に対して、荷電粒子線を半導体層１７を通過するように照射することによって形成することができる。なお、荷電粒子は、半導体層１７を通過可能であれば、その種類は特に限定されない。例えば、荷電粒子として、電子、陽子、ヘリウムイオン等を用いることができる。

上記したように、ＰＩＮダイオード１０では、Ｖ−Ｏ欠陥が、高抵抗領域８の全域に形成されている。そのため、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときに、高抵抗領域８の全域でキャリア（正孔と電子）の再結合が生じる。その結果、高抵抗領域８の全域でキャリアのライフタイムを短くすることができ、逆回復電荷を低減させることができる。すなわち、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときのスイッチング損失を低減することができる。また、ＰＩＮダイオード１０では、荷電粒子を高抵抗領域８内に留めないので、高抵抗領域８内にＶ−Ｖ欠陥がほとんど形成されない。ＰＩＮダイオード１０は、リーク電流を増加させやすいＶ−Ｖ欠陥ではなく、リーク電流を増加させにくいＶ−Ｏ欠陥を形成することにより、逆回復電荷を低減させる。そのため、ＰＩＮダイオード１０は、従来のＰＩＮダイオードと比較して、リーク電流の増加を抑制しながら逆回復電荷を低減させることができる。

なお、曲線３０に示すように、Ｖ−Ｏ欠陥は、アノード領域４及びカソード領域１５内にも形成されている。アノード領域４及びカソード領域１５内に形成されているＶ−Ｏ欠陥は、逆回復電荷を低減させる効果がない。上記したように、酸素の濃度は、第１界面６で最大値を示している。そのため、Ｖ−Ｏ欠陥の濃度も、第１界面６で最大値を示す。アノード領域４内に形成されるＶ−Ｏ欠陥の濃度を抑制しながら、高抵抗領域８内に必要とされる濃度のＶ−Ｏ欠陥を形成することができる。また、第１界面６のＶ−Ｏ欠陥の量を増加させると、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときの逆回復電流を低減させることができる。

上記したように、第２界面１２における酸素濃度は、２．０×１０^１６ｃｍ^−３〜５．０×１０^１６ｃｍ^−３に調整されている。この範囲内であれば、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときに、第２界面１２の近傍においてもキャリアを再結合させることができる。また、この範囲内であれば、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときに第２界面１２の近傍に存在するキャリアが、急速に消失することを抑制することができる。すなわち、逆回復電荷を低減させることができるとともに、サージ電圧が上昇することも抑制することができる。また、上記したように、カソード領域１５は、ｎ型不純物中濃度領域１４とｎ型不純物高濃度領域１６を有している。そのため、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときに、第１界面６から高抵抗領域８に向けて伸びる空乏層が、ｎ型不純物高濃度領域１６にまで至らず、ｎ型不純物中濃度領域１４内で停止する。ＰＩＮダイオード１０がオフしてから暫くの間、キャリアがｎ型不純物中濃度領域１４内に残存することができるので、リカバリー電流の変化を緩やかにすることができる。その結果、サージ電圧が発生することを抑制することができる。

従来のＰＩＮダイオードでは、逆回復電荷を低減させるために、表面と裏面に局所的にＶ−Ｖ欠陥を形成していた。そのため、逆回復電荷を低減させると、リーク電流が増加するという不具合が生じた。しかしながら、ＰＩＮダイオード１０は、高抵抗領域８の全体にＶ−Ｏ欠陥を形成しているので、逆回復電荷を低減させてもリーク電流が発生しにくい。また、アノード領域４側（第１界面６）からカソード領域１５側（第２界面１２）に向けてＶ−Ｏ欠陥の濃度が単調減少しているので、ＰＩＮダイオード１０をオフしたときに、高抵抗領域８の第２界面１２側に存在するキャリアの消失を緩やかにしながら、逆回復電荷を低減させることができる。

ここで、図４〜図６を参照し、高抵抗領域８に含まれる酸素の濃度分布を変化させたときの、ＰＩＮダイオードの特性の変化に関するシミュレーション結果を説明する。図４は、本シミュレーションにおける高抵抗領域８に含まれる酸素の濃度分布を示す。なお、本シミュレーションでは、酸素の濃度分布に応じて、Ｖ−Ｏ欠陥が形成されている。グラフの横軸は半導体層１７の表面（アノード領域４側）からの距離（単位：μｍ）を示しており、数値が大きくなるほど裏面（カソード領域１５側）に近づいている。本シミュレーションでは、横軸の１００μｍの位置が第２界面１２を示している。グラフの縦軸は酸素濃度（単位：ｃｍ^−３）を示している。

曲線５０は、第２界面１２に酸素が含まれておらず、酸素濃度の最大値が２．０×１０^１７ｃｍ^−３を超えている。曲線５１は、第２界面１２の酸素濃度が４．０×１０^１６ｃｍ^−３であり、酸素濃度の最大値が２．０×１０^１７ｃｍ^−３である。曲線５２は、第２界面１２の酸素濃度が５．５×１０^１６ｃｍ^−３であり、酸素濃度の最大値が０．９×１０^１７ｃｍ^−３である。すなわち、曲線５０は第１界面６側に酸素が極端に偏っている例を示し、曲線５２は半導体層１７内の酸素濃度があまりにも均一化している例を示し、曲線５１は第１界面６側に酸素がほどよく偏っている例を示す。なお、曲線５０，５１，５２ともに、半導体層１７内に含まれている酸素の総量は等しい。

図５は、ＰＩＮダイオードをオフしたときの逆回復電流を示す。グラフの横軸はダイオードをオフしてからの時間（単位：秒）を示し、縦軸は逆回復電流（単位：Ａ）を示している。曲線５０ａ，５１ａ，５２ａは、夫々図４の曲線５０．５１，５２の酸素濃度分布を有するＰＩＮダイオードの結果を示している。縦軸の数値「０」を水平に伸ばした直線と夫々の曲線５０ａ，５１ａ，５２ａで囲まれた面積が、逆回復電荷に相当する。

図５に示すように、曲線５２ａ，５１ａ，５０ａの順に逆回復電荷が増加している。すなわち、高抵抗領域８において、酸素が偏在しているほど、逆回復電荷が増加する。特に、高抵抗領域８とカソード領域１５の界面１２に酸素が含まれていないと、高抵抗領域８内に含まれる酸素の量が等しくても（高抵抗領域８内のＶ−Ｏ欠陥の量が等しくても）、逆回復電荷が増加する（曲線５０ａを参照）。

図６は、ＰＩＮダイオードをオフしたときの電圧を示す。グラフの横軸はダイオードをオフしてからの時間（単位：秒）を示し、縦軸はアノード電極２とカソード電極１８の間の電圧（単位：Ｖ）を示している。曲線５０ｂ，５１ｂ，５２ｂは、夫々図４の曲線５０．５１，５２の酸素濃度分布を有するＰＩＮダイオードの結果を示している。各曲線５０ｂ．５１ｂ，５２ｂの最大値と６５０Ｖとの差が、サージ電圧に相当する。

曲線５０ｂと５１ｂを比較すると、サージ電圧は、曲線５１ｂよりも５０ｂの方が大きい。Ｖ−Ｏ欠陥が第１界面６の近傍に極端に偏在していると、サージ電圧が上昇する。また、曲線５１ｂと５２ｂを比較すると、半導体層１７内の酸素濃度があまりにも均一化していても、サージ電圧が上昇する。なお、上記したように、酸素の総量は、曲線５０，５１，５２で等しい。高抵抗領域８に形成されるＶ−Ｏ欠陥の総量は曲線５０，５１，５２で等しいので、リーク電流の大きさは、曲線５０，５１，５２で等しい。

上記したように、第１界面６側に酸素が極端に偏っていると、逆回復電荷が増加し、サージ電圧も上昇する。一方、半導体層１７内の酸素濃度があまりにも均一化していると、サージ電圧が上昇する。第１界面６側に酸素がほどよく偏っていると、逆回復電荷を低減させることができ、さらに、サージ電圧の上昇も抑制することができる。

図７は、第１界面６の酸素濃度を変化させたときの逆回復電荷及びサージ電圧の変化を示す。グラフの横軸は第１界面６の酸素濃度（ｃｍ^−３）を示す、グラフの左側の縦軸は逆回復電荷（μＣ）を示し、右側の縦軸はサージ電圧（Ｖ）を示す。曲線６０は逆回復電荷を示し、曲線６１はサージ電圧を示す。なお、本シミュレーションでは、第１界面６の酸素濃度が変化しても、高抵抗領域８に含まれる酸素の総量は等しい。すなわち、第１界面６の酸素濃度を濃くした場合、他の部分の酸素濃度を薄くすることにより、高抵抗領域８に含まれる酸素の総量を等しくしている。

曲線６０に示すように、第１界面６の酸素濃度が濃くなるに従って、逆回復電荷が増加している。この結果は、高抵抗領域８内においてＶ−Ｏ欠陥が偏在して形成されていると、逆回復電荷が増加することを示している。また、曲線６１に示すように、第１界面６の酸素濃度が２．０×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲では、酸素濃度が濃くなるに従って、サージ電圧が減少している。しかしながら、第１界面６の酸素濃度が２．０×１０^１７ｃｍ^−３を超えると、酸素濃度が濃くなるに従って、サージ電圧が上昇している。すなわち、第１界面６の酸素濃度が２．０×１０^１７ｃｍ^−３を超えると、酸素濃度が濃くなるに従って、逆回復電荷の増加とともにサージ電圧も上昇する。そのため、第１界面６の酸素濃度を２．０×１０^１７ｃｍ^−３よりも濃くするメリットがない。一方、第１界面６の酸素濃度が２．０×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲では、酸素濃度が濃くなるに従って、逆回復電荷は増加するもののサージ電圧を低減することができる。よって、第１界面６の酸素濃度は、２．０×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。なお、第１界面６の酸素濃度を１．０×１０^１７ｃｍ^−３未満にすると、サージ電圧が、第１界面６の酸素濃度が８．０×１０^１７ｃｍ^−３のときの結果と同程度まで上昇する。すなわち、図６の曲線５０ｂと同程度のサージ電圧にまで上昇する。よって、第１界面６の酸素濃度は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

図８は、第２界面１２の酸素濃度を変化させたときの逆回復電荷及びサージ電圧の変化を示す。グラフの横軸は第２界面１２の酸素濃度（ｃｍ^−３）を示す、グラフの左側の縦軸は逆回復電荷（μＣ）を示し、右側の縦軸はサージ電圧（Ｖ）を示す。曲線７０は逆回復電荷を示し、曲線７１はサージ電圧を示す。なお、本シミュレーションでは、第２界面１２の酸素濃度が変化しても、高抵抗領域８に含まれる酸素の総量は等しい。すなわち、第２界面１２の酸素濃度を濃くした場合、他の部分の酸素濃度を薄くすることにより、高抵抗領域８に含まれる酸素の総量を等しくしている。

曲線７０に示すように、第２界面１２の酸素濃度が濃くなるに従って、逆回復電荷が低減している。この結果は、第２界面１２の酸素濃度が濃くするに従って、相対的に第１界面６の酸素濃度が薄くなり、高抵抗領域８に含まれる酸素の濃度が均一化されるためである。そのため、逆回復電荷を低減させるためには、第２界面１２の酸素濃度を濃くすることが好ましい。また、第２界面１２の酸素濃度が５．０×１０^１６ｃｍ^−３以下の範囲では、酸素濃度が濃くなるに従って、サージ電圧も低減する傾向がみられる。しかしながら、第２界面１２の酸素濃度が５．０×１０^１６ｃｍ^−３を越えると、サージ電圧が急激に上昇している。そのため、第２界面１２の酸素濃度は、５．０×１０^１６ｃｍ^−３以下であることが好ましい。なお、第２界面１２の酸素濃度が２．０×１０^１６ｃｍ^−３未満の場合、第２界面１２の酸素濃度が５．０×１０^１６ｃｍ^−３を越えたときと同程度のサージ電圧となる。そのため、第２界面１２の酸素濃度は、２．０×１０^１６ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

図９は、本実施例のＰＩＮダイオードにおける半導体層１７内の酸素の濃度分布及び結晶欠陥の濃度分布を示す。本実施例のＰＩＮダイオードの形状は、実施例１のＰＩＮダイオード１０の形状と同じである（図１も参照）。曲線２６は酸素濃度プロファイルを示し、曲線３０はＶ−Ｏ欠陥の濃度プロファイルを示し、曲線３２はＶ−Ｖ欠陥の濃度プロファイルを示す。曲線２６，３０は、図３に示す曲線と同一である。すなわち、本実施例のＰＩＮダイオードは、実施例１のＰＩＮダイオード１０の半導体層１７内に、Ｖ−Ｏ欠陥に加えて、Ｖ−Ｖ欠陥が形成されている。なお、Ｖ−Ｖ欠陥の濃度は、第１界面６で最大値を示している。

高抵抗領域８内にＶ−Ｏ欠陥に加えてＶ−Ｖ欠陥を形成すると、実施例１のＰＩＮダイオードよりも、結晶欠陥の総量が多くなり、逆回復電荷をより低減させることができる。なお、本実施例のＰＩＮダイオードは、荷電子粒子を透過させてＶ−Ｏ欠陥を形成する工程とは別に、荷電子粒子を第１界面６の近傍に留まるように照射することにより形成することができる。あるいは、半導体層１７の裏面から荷電子粒子が第１界面の近傍に留まるように荷電子粒子を照射してもよい。後者の場合、半導体層１７の裏面から荷電子粒子が留まった範囲まではＶ−Ｏ欠陥が形成され、荷電子粒子が留まった箇所にＶ−Ｖ欠陥が形成される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

４：アノード領域
６：第１界面
８：高抵抗領域
１０：ＰＩＮダイオード
１２：第２界面
１５：カソード領域

Claims (4)

1. アノード領域とカソード領域の間に高抵抗領域を有するＰＩＮダイオードであって、
   アノード領域と高抵抗領域が接する第１界面からカソード領域と高抵抗領域が接する第２界面までの距離が５０μｍ以上であり、
   高抵抗領域の全域に酸素が含まれており、
   その酸素の濃度が、第１界面の近傍で最大値を示すとともにカソード領域に向けて単調減少しており、第２界面において２．０×１０^１６ｃｍ^−３以上で５．０×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、
   前記酸素の濃度に応じて、高抵抗領域内に原子空孔と酸素が結合した複合欠陥が形成されているＰＩＮダイオード。
2. 前記最大値における酸素の濃度が、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上で２．０×１０^１７ｃｍ^−３以下である請求項１に記載のＰＩＮダイオード。
3. 前記酸素の濃度が、第１界面で最大値を示している請求項１又は２に記載のＰＩＮダイオード。
4. 第１界面の近傍の高抵抗領域内に、さらに複空孔欠陥が形成されている請求項１から３のいずれか１項に記載のＰＩＮダイオード。

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