JP4597514B2 - 劣化を最少に抑えたSiCバイポーラ半導体デバイス - Google Patents
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Description
具体的には、炭化ケイ素は、150以上のポリタイプを形成することができ、その多くは、比較的小さな熱力学的な差によって分離されている。その結果、炭化ケイ素において単結晶基板及び高品質のエピタキシャル層(「エピ層」)を成長させることは、今日に至るまで困難な作業となっている。
別の態様では、本発明は、少なくとも1つの単結晶炭化ケイ素のP型領域と、少なくとも1つの単結晶炭化ケイ素のN型領域とを備え、順方向バイアス動作の下で成長する積層不良の部分を、P型領域又はN型領域とデバイスの残り部分との間の界面の少なくとも1つから隔離している。
更に別の態様では、本発明は、少なくとも1つのP型領域と、少なくとも1つのN型領域と、少なくとも1つの積層不良とを備え、十分な欠陥密度又は応力状態を有するデバイスのいずれの部分からも積層不良を隔離し、デバイスの順方向バイアス動作の下における積層不良の連続的な成長を抑制する。
更に他の態様では、本発明は、炭化ケイ素のバイポーラ・デバイスであり、いずれの終結層の厚さも、当該層における少数キャリア拡散長よりも大きくしている。
図1は、デバイスの幅全域(図1の向きでは垂直方向)に及ぶ積層不良11の広範な群集を示す。平面図では見えないが、積層不良11は、デバイス10の多数の原子面にも存在する。これは、デバイスの順方向動作中に成長する積層不良の典型であり、本明細書の背景技術の章で言及した問題の原因となる。この積層不良11は、順方向バイアス条件下で30分間デバイスを動作させた後に形成された。積層不良の領域は、図1において見ることができる。何故なら、これらは再結合の中心として作用し、ある条件下では、不良域における電子−正孔再結合によって、順方向バイアス動作の間に可視状態となるからである。不良域におけるキャリアの再結合は、デバイスの効率を低下させ、順方向電圧(Vf)を上昇させるように作用する。図2は、半導体構造の概略図であり、全体的に10Aで示す。構造10Aは、PNダイオードとすることができるが、図2では、明確化のために、2つの部分(基板及びエピタキシャル領域)のみを示す。図2において、基板を13で示し、デバイスのエピタキシャル領域を14で示す。一般には(そして、図3及び図4に示すように)、それぞれのオーミック・コンタクトに加えて、デバイス10は、バッファ層、エピタキシャルN型層、及びエピタキシャルP型層も含む。
総じて、以上に説明した逆遮断バイアスに基づく設計手順に従うことによって、理想的な5kVのPINに相応しいデバイス構造を作成することができる。この仕様は、P+コンタクト層を厚さ0.10μmで1E19でドープし、P層を厚さ0.5μmで1E18でドープし、N−層を厚さ45μmで1E15でドープし、N+層を厚さ0.5μmで2E18でドープし、4HのN型基板とする。
Lp=(Dpτp)1/2 (1)
Ln=(Dnτn)1/2 (2)
したがって、本発明は、少数キャリアの寿命が尽きる層を提供するものと理解することもできる。
典型的な好適な実施形態では、基板31及びエピタキシャル層32、33、34(そして潜在的には37も)は全て同じポリタイプであり、ポリタイプは、一般に、炭化ケイ素の3C、4H、6H及び15Rポリタイプからなる群から選択され、4HポリタイプがPNダイオードには好ましい。
P型コンタクト層37を含む実施形態では、コンタクト層37のキャリア濃度は、好ましくは、少なくとも1E19であるが、ダイオードの性能を劣化させるような結晶品質の低下を招く量未満とする。好適な実施形態では、通常、層37の厚さは、約0.1ミクロンとする。
先に注記したように、基板は、好ましくは、4Hポリタイプであり、キャリア濃度は約5E18及び2E19の間であり、処理後の厚さは少なくとも約125ミクロンである。
図面及び明細書において、本発明の好適な実施形態について明記し、具体的な用語を用いたが、これらは限定の目的ではなく、汎用的かつ記述的な意味で用いたのであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲において規定される。
Claims (24)
- 炭化ケイ素層の界面を介して少数キャリアが伝導され、少数キャリアの高欠陥密度又は応力状態の界面への拡散を低減することによって、順方向バイアスで動作中の積層不良成長を制御するバイポーラ・デバイスであって、
炭化ケイ素からなるP型終結層と、
炭化ケイ素からなるN型終結層と、
前記P型終結層と前記N型終結層との間にあり、炭化ケイ素からなる電圧遮断領域であって、逆方向バイアス状態のときにキャリアが消耗する電圧遮断領域とからなるアクティブ領域を備え、
前記P型終結層及び前記N型終結層における電圧遮断領域との界面の各々とは反対側のそれぞれの界面が、高欠陥密度又は応力状態の界面であって、
前記P型終結層及び前記N型終結層の少なくとも一方は、当該終結層における少数キャリアの拡散長よりも大きい厚さを有し、少数キャリアが当該終結層で消滅するようにしたことを特徴とするバイポーラ・デバイス。 - 請求項1記載のバイポーラ・デバイスを有するPNダイオードにおいて、
前記N型終結層は、炭化ケイ素からなるN+層であり、前記電圧遮断領域とは反対側に前記PNダイオードのカソードを有し、
前記電圧遮断領域は、前記N+層に隣接した炭化ケイ素からなるN−層であり、
前記P型終結層は、前記電圧遮断領域の前記N型終結層とは反対側に形成されている炭化ケイ素からなるP型層であり、前記電圧遮断領域とは反対側に前記PNダイオードのアノードを有していることを特徴とするPNダイオード。 - 請求項2記載のPNダイオードにおいて、前記電圧遮断領域、並びに前記P型及びN型終結層は、炭化ケイ素の3C、4H、6H、及び15Rポリタイプからなる群から選択される全て同じポリタイプを有することを特徴とするPNダイオード。
- 請求項2記載のPNダイオードにおいて、前記N+層は、厚さが約2.5ミクロンであり、キャリア濃度が約1×1018〜1×1019cm−3の間であることを特徴とするP
Nダイオード。 - 請求項2記載のPNダイオードにおいて、前記N+層は、厚さが約0.5ミクロンであり、キャリア濃度が約2×1018cm−3であることを特徴とするPNダイオード。
- 請求項2記載のPNダイオードにおいて、前記P型層は、厚さが約0.5ミクロンよりも大きく、キャリア濃度は約1×1017及び1×1019cm−3の間であることを特徴とするPNダイオード。
- 請求項2記載のPNダイオードにおいて、前記P型層のキャリア濃度は、前記N−層よりも約2桁大きいことを特徴とするPNダイオード。
- 請求項2記載のPNダイオードにおいて、該PNダイオードは更に、前記アノードと前記P型終結層との間にP型コンタクト層を備えており、該P型コンタクト層は、前記P型終結層よりもP型キャリア濃度が高いことを特徴とするPNダイオード。
- 請求項8記載のPNダイオードにおいて、前記P型コンタクト層は、キャリア濃度が少なくとも約1×1019cm−3であるが、前記PNダイオードの性能を低下させる程の結晶品質の低下を招く量未満であり、厚さが少なくとも約1000オングストロームであることを特徴とするPNダイオード。
- 請求項2記載のPNダイオードにおいて、該PNダイオードはさらに、前記N型終結層と前記カソードとの間に基板を備えており、前記基板は、キャリア濃度が約5×1018〜2×1019cm−3の間であり、厚さが少なくとも約125ミクロンであり、前記高欠陥密度又は応力状態の界面は、基板エピタキシャル界面であることを特徴とするPNダイオード。
- 請求項2記載のPNダイオードにおいて、該ダイオードは更に、
前記P型終結層と前記アノードとの間に設けられ、厚さが約2ミクロンであり、キャリア濃度が約1×1019cm−3であるP+型コンタクト層と、
前記N型終結層において前記電圧遮断領域とは反対側に隣接して設けられ、厚さが約2ミクロンであり、キャリア濃度が約1×1019cm−3であるN+型境界層と
を備えていることを特徴とするPNダイオード。 - 請求項1記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記P型終結層及び前記N型終結層が前記電圧遮断領域と前記高欠陥密度又は応力状態の界面との間にあり、
前記高欠陥密度又は応力状態の界面は、2つの隔離されたエピタキシャル層の間の界面、前記バイポーラ・デバイスのアクティブ部分及び非アクティブ部分の間の界面、1つのエピタキシャル層中のインプラント部分及び非インプラント部分の界面、並びに、材料の相違又は材料成長が生じている前記バイポーラ・デバイスの部分からなる群から選択されている
ことを特徴とするバイポーラ・デバイス。 - アクティブ領域を備え、該アクティブ領域の境界面に位置する高欠陥密度又は応力状態の界面への少数キャリアの拡散を低減することによって、順方向バイアスで動作中の積層不良成長による不所望の影響を制御するバイポーラ・デバイスであって、
前記アクティブ領域の一方の境界領域を構成する少なくとも1つのP型終結層及び前記アクティブ領域の他方の境界領域を構成する少なくとも1つのN型終結層を備え、
前記P型終結層及び前記N型終結層の少なくとも1つが、当該終結層における少数キャリアの拡散長よりも大きい厚さを有し、少数キャリアが当該終結層で消滅するようにした
ことを特徴とするバイポーラ・デバイス。 - 請求項13記載のバイポーラ・デバイスにおいて、該デバイスは更に、前記アクティブ領域と反対側において前記N型終結層に隣接する炭化ケイ素からなる基板を備えていることを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- 請求項14記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記基板並びに前記P型及びN型終結層は、炭化ケイ素の3C、4H、6H及び15Rポリタイプからなる群から選択した、同じポリタイプを有することを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- 請求項13記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記P型終結層において前記アクティブ領域とは反対側にアノードが形成され、前記N型終結層において前記アクティブ領域とは反対側にカソードが形成されており、
前記バイポーラ・デバイスにおいて、前記アクティブ領域と前記アノード及びカソードとの間に位置する高欠陥密度又は応力状態の界面のうち少なくとも1つが、順方向バイアス動作の下で成長する積層不良の部分から隔離した
ことを特徴とするバイポーラ・デバイス。 - 請求項1記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記P型終結層は、前記電圧遮断領域と第1の界面を形成し、前記N型終結層は、前記P型終結層と反対側で前記電圧遮断領域と第2の界面を形成することを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- 請求項1記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記電圧遮断領域は、該電圧遮断領域を形成する1又は複数の層の厚さ及びドーピングを規定する逆バイアス電圧である逆遮断電圧を有することを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- 請求項1記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記高欠陥密度又は応力状態の界面は、前記バイポーラ・デバイスにおける積層不良成長を促進するものであり、かつ、前記P型終結層及びN型終結層のいずれかが前記電圧遮断領域と前記高欠陥密度又は応力状態の界面との間にあることを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- 請求項19記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記高欠陥密度又は応力状態の界面は、2つの隔離されたエピタキシャル層の間の界面、前記バイポーラ・デバイスのアクティブ部分及び非アクティブ部分の間の界面、1つのエピタキシャル層中のインプラント部分及び非インプラント部分の界面、並びに、材料の相違又は材料成長が生じている前記バイポーラ・デバイスの部分からなる群から選択されていることを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- 請求項1記載のバイポーラ・デバイスにおいて、前記高欠陥密度又は応力状態の界面の少数キャリアの拡散は、固有レベルに低減されていることを特徴とするバイポーラ・デバイス。
- バイポーラ接合トランジスタであって、
炭化ケイ素基板と、
前記基板上のN+バッファ層と、
前記バッファ層上のN−領域と、
前記N−領域に隣接したP型ベース領域と、
前記ベース領域に隣接したN+エミッタ領域と、
前記エミッタ領域上に被着したオーミック・コンタクトと
を備え、
前記エミッタ領域及び前記バッファ層の少なくとも一方は、その厚さが自身における少
数キャリア拡散長よりも大きい
ことを特徴とするバイポーラ接合トランジスタ。 - サイリスタであって、
炭化ケイ素基板と、
前記基板上のN+バッファ層と、
前記バッファ層上のP−領域と、
前記P−領域に隣接したN型領域と、
前記N型領域に隣接したP+アノード領域と、
前記アノード領域上に被着したオーミック・コンタクトと
を備え、
前記アノード領域及び前記バッファ層の少なくとも一方は、その厚さが自身における少数キャリア拡散長よりも大きい
ことを特徴とするサイリスタ。 - 電界制御サイリスタであって、
炭化ケイ素基板と、
前記基板上のN+バッファ層と、
前記バッファ層上のP−ドリフト領域と、
前記P−ドリフト領域上のP+アノード領域と、
前記アノード領域上に被着したオーミック・コンタクトと
を備え、
前記アノード領域及び前記バッファ層の少なくとも一方は、その厚さが自身における少数キャリア拡散長よりも大きい
ことを特徴とする電界制御サイリスタ。
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