JP3876538B2

JP3876538B2 - 双極性整流素子

Info

Publication number: JP3876538B2
Application number: JP21085098A
Authority: JP
Inventors: 善則村上; 良雄下井田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2018-07-27
Also published as: JP2000049361A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は双極性整流素子の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の従来例としては、たとえば１９９１年のIntenationa1 Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs の Proceeding（p.109-112）に掲載された“0ptiization of the MPS rectifier via variation of Schottky region area”がある。図８は上記従来例の模式的構造断面図である。図８において、１はｎ⁺型カソード領域、１１はカソード電極、２はｎ^-型ドリフト領域、３はｐ⁺型アノード領域、１３はアノード電極、４はドリフト領域２とアノード電極１３とのなすショットキー接合面である。この素子は、ショットキー接合とｐｎダイオードを共存させた構造である。このような構成とすることにより、主電流中の多数キャリアによる電流の割合が増えるため、順バイアス時にドリフト領域に蓄積される少数キャリアの密度が低く、ターンオフ時の逆回復特性に優れているという利点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例のような構造では、本質的に逆バイアス時のショットキー接合からの漏れ電流を抑制できず、そのため高耐圧のダイオードを実現することが出来なかった。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、高い耐圧をもち、漏れ電流が少なく、かつ、逆回復特性の良好な双極性整流素子を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するような構成をとる。
すなわち請求項１においては、カソード領域である一導電型半導体基体の一主面にあって溝を複数有し、前記溝の断面はＵ字型をなし、前記各溝の内面に絶縁膜を有し、前記絶縁膜に接して前記溝の内部を埋め立てるように導体を有し、前記絶縁膜に隣接する前記主面に反対導電型のアノード領域を有し、前記半導体基体の前記主面に接してショットキー接合をなし、かつ、前記アノード領域と前記導体とに接続する金属製のアノード電極を有し、前記導体は前記絶縁膜を介して隣接する前記半導体基体中に空乏領域を形成するような仕事関数の材料からなり、前記溝の、各側壁同士の間隔は、対抗する側壁のない前記溝から発した前記空乏領域の幅の１.６倍以下であり、前記溝の側壁に沿って前記反対導電型アノード領域と前記ドリフト領域とのｐｎ接合界面から前記溝の底部までの距離は前記側壁同士の間隔の１.５乃至２倍以上であるように構成している。
【０００６】
また、請求項２においては、前記アノード領域から、導通状態における前記半導体基体中の少数キャリアの拡散長以上離れた箇所に、前記ショットキー接合面の一部が存在するように構成している。
【０００７】
上記のような構造の作用について説明する。まず請求項１の構成においては、溝の中にあって絶縁膜にて半導体基体とは絶縁された導体を「溝型絶縁電極」と呼ぶことにする。半導体基体のうち、この溝型絶縁電極同士に挟まれた部分には空乏層によるポテンシャル障壁が形成される。アノード電極を基準にしたカソード領域の電位が、絶縁膜からカソード領域に向かつて空乏層が伸びるような極性（ここでは電位が高い）場合、カソード電界は溝型絶縁電極に阻止されてショットキー接合ならびにｐｎ接合近傍には僅かしか影響しないか、もしくは全く影響しない。すなわち、素子全体としてはショットキー接合を持ちながらも、これまで実現出来なかった高い耐圧の素子が実現出来る。
【０００８】
次ぎに、この電位の極性が逆になった場合は、反対導電型（ここではｐ型）アノード領域から注入される少数キャリア（ここでは正孔）によって溝型絶縁電極の効果は完全に無効にされ、通常のショットキーダイオードとｐｎ接合の組み合わせの順バイアス特性となる。
【０００９】
次に、請求項２の構成においては、ショットキー接合が大きく、ｐｎ接合の占める割合が小さく、各ｐｎ接合領域は導通時のドリフト領域中の少数キャリアの拡散長程度に離れているため、順バイアス時に正孔が過度に蓄積されることがなく、そのためターンオフ時の逆回復時間が速くなる。
【００１０】
【発明の効果】
上記のような本発明のような構成にすることにより、請求項１においては次のごとき効果が得られる。
１、従来のショットキー接合素子より高い耐圧を有する。
２、逆バイアス時の漏れ電流が少ない。
３、ターンオン時には多数キャリアによる電流がいち早くショットキー接合に流れ、ターンオンが速い。
また、請求項２においては、上記の効果に加えて、さらに次のごとき効果が得られる。
４、順方向特性を劣化させずにターンオフ時の逆回復時間が速い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態を用いて詳細に説明する。
図１〜図３は本発明第１の実施の形態である半導体装置の構造を示した図であり、例えば請求項１に対応する構造を示す。ここでは半導体としてシリコンを例に説明する。図１は本発明の斜視図、図２は図１の側面と同じ断面図、図３は図１の上面と同じ表面図である。図中番号、１はｎ⁺型カソード領域、１１はカソード電極、２はｎ^-型ドリフト領域で、ここでは耐圧が約３００Ｖの素子を想定し、不純物濃度８×１０¹⁴ｃｍ~³とする。３はｐ型アノード領域、１３はアノード電極、４はドリフト領域２とアノード電極１３とのなすショットキー接合面、５は絶縁膜で、ここでは二酸化珪素からなる。６はここではｐ⁺型ポリシリコンである。上記のドリフト領域２の表面に形成された溝に形成された絶縁膜５とｐ⁺型ポリシリコン６との構造を合わせて「溝型絶縁電極」７と呼ぶことにする。また、２つの溝型絶縁電極７に挟まれたドリフト領域２の一部分をここでは「チャネル」８と呼び、さらに図中、Ｌを「チャネル長」、Ｈを「チャネル厚み」と呼ぶことにする。
なお、図１と図３では、説明のため図２に図示したアノード電極１３を省いて図示している。また、図２中の破線は、紙面の向こう側にある溝型絶縁電極を示している。
【００１２】
次に本実施の形態における動作について説明する。
図４は図１中の線分Ｃ−Ｃに沿ったエネルキーバンド図である。図４において、番号と矢印で示した領域はそれぞれ図１中の同番号の領域に対応している。また、図４中の絶縁膜５のバンド中の破線は電界の様子を示している。一点鎖線はｎ^-型ドリフト領域２の中性状態の導電帯の位置であるが、この領域では絶縁膜を介して両側のｐ⁺領域からのビルトイン電界によって引き上げられ、伝導電子に対してはポテンシャル障壁を充分なものとするため、ここではチャネル厚みＨは１μｍ以下に設定されている。これは、対抗する側壁のない溝型絶縁電極７の側壁から空乏層端までの距離がおよそ１.５μｍで、これより狭い領域ではチャネル内に伝導電子に対して充分な高さのポテンシャル障壁が形成される。
【００１３】
図５は同じく図１中の線分Ｃ−Ｃとは直角の、溝の深さ方向に沿ったバンド図である。図５ではカソード電極電位がアノード電極電位より高い場合（逆バイアス状態）を示す。この状態では、カソード側からの電界は溝型絶縁電極に阻まれてショットキー接合面近傍にはほとんど影響しないか、あるいは全く影響しない。カソード電界がアバランシェ条件になってもこの遮断性を保持するためには、チャネル長Ｌがチャネル厚みＨの１.５〜２倍に設定すればよいことが、数値計算によって明らかになっている。よって、どんなにカソード電界が強くなってもショットキー接合起因の漏れ電流は殆ど出ない。
【００１４】
順バイアス状態の時は、アノード領域から注入された少数キャリアにより、溝型絶縁電極からの電界はほぼ完全にキャンセルされ、ｐｎダイオードの特性になる。この時、ショットキー接合はカソード側から来た電子を、接合面前面に溜めることなく流す。よって、ドリフト領域内の過剰キャリアの分布は図６のようになり、単純なｐｎ接合の場合（図６中の破線）より蓄積キャリアが少なくて済み、ターンオフ時の逆回復特性が改善される。
【００１５】
次に、本発明第２の実施の形態は、前記図３を使って説明する。ここではｐ⁺型アノード領域３が溝型絶縁電極７とストライプに交差する狭い帯状となっている。各アノード領域間の距離Ｄは、ドリフト領域２中の正孔の拡散長の２倍以上に設定してある。素子が導通状態の時、ドリフト領域２内の正孔は全てｐ⁺型アノード領域３から注入されてオン電圧の低下に貢献するが、その量はある程度以上あれば、それ以上はオン電圧を低くする効果が薄れてくる。さらにターンオフ時には逆回復電流が大きくなり、逆回復時間が遅くなってしまう。そこで、このショットキー接合面を広くとっておけば、ドリフト領域内に注入される正孔の濃度を最適化できる。例えば前述の距離Ｄが正孔の拡散長の２倍だった場合、両アノード領域から等距離の地点における正孔濃度はアノード領域直下の７３％以上を確保でき、全体の導電率の低下に対する影響は、さらに全体のキャリア分布を計算すると１５％以内におさまる。すなわち、請求項２に記載のように、ｐ⁺型アノード領域３から、導通状態における半導体基体中の少数キャリアの拡散長以上離れた箇所に、ショットキー接合面４の一部が存在する、換言すればアノード領域相互の距離が前記拡散長の２倍以上離れていることにより、順方向特性を劣化させずにターンオフ時の逆回復時間を速くすることが出来る。
【００１６】
また、性能を向上させるためには、図３に示したごとく、ｐ型アノード領域３を幅の狭い帯状にし、素子全体としてショットキー接合の占める割合を大きくするとよい。或いは図７に示すような溝型電極の構成においては、ｐ型アノード領域３を小さな点状にすることも可能である。拡散長の具体的数値は数十〜１００μｍ程度である。
【００１７】
次に、図７は本発明第１と第２の実施の形態に共通した別の形態を示した表面図である。前記図１では、溝型絶縁電極７はストライプ状であったが、必ずしもその必要はない。ストライプ状であれば絶縁膜側壁を少数キャリアがショットキー接合まで移動しやすいが、チャネル厚みが充分に狭い場合、チャネルには絶縁電極からの電界効果により捕獲された正孔が存在し、空間的な反転領域が形成されており、隣接する絶縁電極間でも正孔は移動しうる。よって図７のようにショットキー接合と接続していない絶縁膜界面が存在する形態でも、ほぼ同様の効果を得ることができる。この場合、個々の微小な溝型絶縁電極の形状は、すべての溝型絶縁電極の側壁が表面図上でどこかのショットキー接合と連絡しうる形状であれば、点状、長方形、星形などなんでもよい。図７では、長方形の単位形状を用いて、隣接する絶縁電極間距離が均一になるように配置してある。
【００１８】
なお、これまでの説明では、例として高耐圧ダイオードを取り上げたが、不純物濃度は同じく低くし、エピタキシャル厚だけを薄くしてパンチスルー型構造にした比較的低耐圧のダイオードも成立可能である。また、ここでは基板にｎ型半導体を用いたが、もちろん、基板をｐ型半導体とし、全ての導電型を逆にした場合でも成立する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１の実施の形態を示す斜視図。
【図２】図１の側面を示す断面図。
【図３】図１の上面を示す表面図。
【図４】図１中の線分Ｃ−Ｃに沿ったエネルギーバンド構造図。
【図５】図１中の線分Ｌに沿った、逆バイアス状態を示すバンド構造図。
【図６】図１中の線分Ａ−Ａに沿った、順バイアス状態を示すバンド構造図。
【図７】本発明全般に共通する別の形態を示した表面図。
【図８】従来のＭＰＳダイオードの構造断面図。
【符号の説明】
１・・・ｎ⁺型カソード領域
１１・・・カソード電極
２・・・ｎ^-型ドリフト領域
３・・・ｐ⁺型アノード領域
１３・・・アノード電極
４・・・ショットキー接合面
５・・・絶縁膜
６・・・ｐ⁺型ポリシリコン
７・・・溝型絶縁電極
８・・・チャネル
Ｈ・・・チャネル厚み
Ｌ・・・チャネル長

Claims

カソード領域である一導電型半導体基体の一主面にあって溝を複数有し、
前記溝の断面はＵ字型をなし、
前記各溝の内面に絶縁膜を有し、
前記絶縁膜に接して前記溝の内部を埋め立てるように導体を有し、
前記絶縁膜に隣接する前記主面に反対導電型のアノード領域を有し、
前記半導体基体の前記主面に接してショットキー接合をなし、かつ、前記アノード領域と前記導体とに接続する金属製のアノード電極を有し、
前記導体は前記絶縁膜を介して隣接する前記半導体基体中に空乏領域を形成するような仕事関数の材料からなり、
前記溝の、各側壁同士の間隔は、対抗する側壁のない前記溝から発した前記空乏領域の幅の１.６倍以下であり、
前記溝の側壁に沿って前記反対導電型アノード領域と前記ドリフト領域とのｐｎ接合界面から前記溝の底部までの距離は前記側壁同士の間隔の１.５乃至２倍以上である、
ことを特徴とする双極性整流素子。
前記アノード領域から、導通状態における前記半導体基体中の少数キャリアの拡散長以上離れた箇所に、前記ショットキー接合面の一部が存在する、ことを特徴とする請求項１に記載の双極性整流素子。