JP6371924B1 - 向上したサージ電流能力を有する接合障壁ショットキーダイオード - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体整流器に関し、より特定的には、接合障壁ショットキー(JBS:Junction Barrier Schottky)ダイオードに関する。
高パワー半導体整流器は、高電圧直流(HVDC:high-voltage direct current)送電システム、制御エレクトロニクス、電源およびモータドライブといった電力電子システムにおいて重要な構成要素である。炭化珪素(SiC)は、珪素と比較して、破壊電界強度がより高く、熱伝導がより高く、固有のキャリア濃度がより低く、かつ、飽和ドリフト速度がより高いため、高パワーデバイスのための望ましい材料である。炭化珪素ベースの整流器は、珪素の破壊電界強度と比較して破壊電界強度がより高いので、同じブロッキング電圧を有する珪素ベースの整流器と比較して著しく薄いドリフト層を有するように作製され得る。公知の半導体整流器は、P−i−Nダイオード、ショットキーダイオード、および、接合障壁ショットキー(JBS)ダイオードを含む。ショットキーダイオードは、電流導通が多数キャリア(電子)によって規定される単極ダイオードである。ショットキーダイオードは、相対的に速いスイッチングスピードを提供するが、同じ半導体から構築されるP−i−Nダイオードと比較してより高いリーク電流を有する。P−i−Nダイオードのスイッチングスピードは、小数キャリア(正孔)および多数キャリア(電子)に起因するより高い逆回復電荷が電流導通に関わっているため、同じ半導体から作製されたショットキーダイオードのスイッチングスピードと比較して低い。JBSダイオードは、低いしきい値電圧と、ショットキーダイオードのスイッチングスピードと同様の高いスイッチングスピードとを、P−i−Nダイオードのブロッキング特性と同様の良好なブロッキング特性に組み合わせ得る。JBSダイオードは、pn接合グリッドがそのドリフト領域に統合されているショットキーダイオードの構造を有する。
図2において、第1の実施形態に従った半導体パワー整流器110の部分的な垂直方向の断面図が示される。図2に示されるこの部分的な垂直方向の断面図は、図3における線AA′に沿っている。図3は、本発明の部分でない、すなわち、図6Bにおける線A″A′″に沿った比較例を示す。第1の実施形態に従った半導体パワー整流器110は、SiC JBSダイオードであり、第1の主面52および第2の主面53を有するSiC半導体ウェハ64を含む。第1の主面52に平行な面上への正射影において、半導体ウェハ64は、縁部終端領域TRによって囲まれる活性領域ARを有する。第2の主面53から第1の主面52への順に、半導体ウェハ64は、n+型カソード層54とn−型ドリフト層55とを含む。デバイスの中心において、p+型パイロット領域65(図6Bにおける領域765)が、第1の主面52に隣接して形成され、ドリフト層55との第1のpn接合を形成する。さらに、複数のp+型エミッタ領域56が、第1の主面52に隣接してドリフト層55に形成され、それぞれドリフト層55との第2のpn接合を形成している。p+型遷移領域57が、活性領域ARにおいて、活性領域ARと縁部終端領域TRとの間の境界に沿って第1の主面52に隣接して形成され、ドリフト層55との第3のpn接合を形成している。エミッタ領域は図6Bにおいて示されていない。エミッタ領域は、層756として図5または図7Bにおいて例示的に示されている。縁部終端領域TRにおいて、p型の接合終端拡張(JTE)領域18が第1の主面52に隣接して形成されている。第1の主面52上において、パッシベーション層59が、縁部終端領域TRにおいて形成され、第1の主面52に平行な面上への正射影において遷移領域57にオーバーラップする。活性エリアARにおいて、第1の主面52は金属電極層61によってカバーされている。金属電極層61は、n−型ドリフト層55とのショットキー接触を形成し、かつ、p+型エミッタ領域56およびp+型遷移領域57とのオーミック接触を形成する。上部金属62が金属電極層61上に形成されている。金属電極層61および上部金属62は、パッシベーション層59にオーバーラップし、パッシベーション層59上へ延在している。第2の主面53上において、アノード電極として裏面金属63が形成されている。
12 第1の主面
13 第2の主面
14 n+型カソード層
15 n−型ドリフト層
16 p+型エミッタ層部分
17 p+型遷移領域
18 p型接合終端拡張(JTE)領域
19 パッシベーション層
21 金属電極層
210 電極トレンチ拡張部
22 上部金属
23 裏面金属
52 第1の主面
53 第2の主面
54 n+型カソード層
55 n−型ドリフト層
56 p+型エミッタ領域
56A 第1のエミッタ領域
56B 第1のエミッタ領域
56C 第2のエミッタ領域
57 p+型遷移領域
58 p型接合終端拡張(JTE)領域
59 パッシベーション層
61 金属電極層
62 上部金属
63 裏面金属
64 (SiC)半導体ウェハ
65 パイロット領域
66 第1の側
67 第2の側
110 第1の実施形態に従った半導体パワー整流器
(SiC JBSダイオード)
156A ストライプ形状のp+型の第1のエミッタ領域
156B ストライプ形状のp+型の第1のエミッタ領域
156C ストライプ形状のp+型の第2のエミッタ領域
165 パイロット領域
210 電極トレンチ拡張部
256D ストライプ形状のp+型のエミッタ領域
265A パイロット領域
265B パイロット領域
265C パイロット領域
265D パイロット領域
265E パイロット領域
265F パイロット領域
365 パイロット領域
465A パイロット領域
465B パイロット領域
465C パイロット領域
465D パイロット領域
565 パイロット領域
665 パイロット領域
700 第1の単位セル
700′ 第1の単位セル
700″ 第1の単位セル
700A 第1の単位セル
700B 第1の単位セル
700C 第1の単位セル
700D 第1の単位セル
700E 第1の単位セル
700F 第1の単位セル
710 第2の実施形態に従ったJBSダイオード
756 ストライプ形状のp+型のエミッタ領域
765 パイロット領域
766 第2の単位セル
776 付加的なエミッタ領域
777 付加的なエミッタ領域
778 ストライプ形状のp+型のエミッタ領域
779 単位セルの側
810 第2の実施形態の第1の修正例に従ったJBSダイオード
865A 付加的なパイロット領域
865B 付加的なパイロット領域
865C 付加的なパイロット領域
865D 付加的なパイロット領域
900 直線
910 第2の実施形態の第2の修正例に従ったJBSダイオード
965A 付加的なパイロット領域
965B 付加的なパイロット領域
965C 付加的なパイロット領域
965D 付加的なパイロット領域
965E 付加的なパイロット領域
965F 付加的なパイロット領域
1000 直線
1010 第2の実施形態の第3の修正例に従ったJBSダイオード
1065 パイロット領域
1110 第2の実施形態の第4の修正例に従ったJBSダイオード
1165 パイロット領域
1165A リング
1201 線
1210 第2の実施形態の第5の修正例に従ったJBSダイオード
1310 第2の実施形態の第6の修正例に従ったJBSダイオード
1402 線
1403 線
1410 第2の実施形態の第7の修正例に従ったJBSダイオード
1510 第2の実施形態の第8の修正例に従ったJBSダイオード
A1 第1の主軸
A2 第2の主軸
d1 長さ
d2 幅
AR 活性領域
TR 縁部終端領域
Claims (15)
- パワー半導体整流器(110;910;1010;1210;1410;1510)であって、
第1の主面(52)と、前記第1の主面(52)と反対の第2の主面(53)とを有する半導体層(64)を含み、前記半導体層(64)は、
第1の導電型を有するドリフト層(55)と、
第1の導電型と異なる第2の導電型を有する少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)とを含み、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)は、前記第1の主面(52)に隣接して形成されており、前記ドリフト層(55)との第1のpn接合を形成し、前記半導体層(64)はさらに、
前記第2の導電型を有する複数のストライプ形状のエミッタ領域(756)を含み、各エミッタ領域(756)は前記第1の主面(52)に隣接して形成されており、前記ドリフト層(55)との第2のpn接合を形成し、前記半導体層(64)はさらに、
前記第2の導電型を有する遷移領域(57)を含み、前記遷移領域(57)は、前記第1の主面(52)に隣接して形成されており、前記ドリフト層(55)との第3のpn接合を形成し、前記遷移領域(57)は、前記第1の主面(52)に平行な面上への正射影において、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)と、前記複数のストライプ形状のエミッタ領域(756)とを囲んでおり、前記パワー半導体整流器(110;910;1010;1210;1410;1510)はさらに、
前記ドリフト層(55)とのショットキー接触を形成するとともに、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)と、前記複数のストライプ形状のエミッタ領域(756)と、前記遷移領域(57)とのオーミック接触を形成する電極層(61)を含み、
前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)は、前記複数のストライプ形状のエミッタ領域(756)によって前記遷移領域(57)に接続され、
前記ストライプ形状のエミッタ領域(756;778)はグリッドパターンを形成しており、
前記グリッドパターンは、互いに隣接するとともに同一の形状を有する複数の第1の単位セル(700;700′)を含み、各第1の単位セル(700;700′)において、前記ストライプ形状のエミッタ層(756)は、前記第1の単位セル(700;700′)の縁部に沿って延在するリングを形成しており、2つの隣接する第1の単位セル(700;700′)がストライプ形状のエミッタ領域(756)を共有しており、前記第1の単位セル(700;700′)と同じ形状を有する複数の第2の単位セル(766)をさらに含み、前記第2の単位セル(766)は、前記第2の単位セル(766)の全エリアにわたって連続的に延在するエミッタ領域を有する、前記パワー半導体整流器(110;910;1010;1210;1410;1510)において、
前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)は、前記第1の主面(52)に平行な任意の横方向において、少なくとも200μmの幅を有しており、当該幅は前記パイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)の中心点を通過する線に沿って測定されており、
前記複数の第2の単位セル(766)のうちの少なくともいくつかは互いに隣接および近接し、かつ、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;1065;1165A)から前記遷移領域(57)に延在する直線(900;1000)に沿って整列されていることを特徴とする、パワー半導体整流器(110;910;1010;1210;1410;1510)。 - 前記ストライプ形状のエミッタ領域(756)は、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)から前記遷移領域(57)まで延在する複数の連続的な経路を形成する、請求項1に記載のパワー半導体整流器。
- 前記第1の単位セル(700;700′)は、六角形、正方形または三角形の形状を有する、請求項1〜2のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記少なくとも1つのパイロット領域(765;1065;1165A)は、少なくとも2つの隣接する第2の単位セル(766)から形成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記少なくとも1つのパイロット領域(765;1065;1165A)は少なくとも1つの中央の第2の単位セル(766)を含み、前記中央の第2の単位セル(766)は、前記第1の主面(52)に平行な前記面上への前記正射影において、前記中央の第2の単位セル(766)を囲む第2の単位セル(766)のグループによって如何なる第1の単位セル(700;700′)からも分離されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記遷移領域(57)は、前記第1の主面(52)と平行な横方向において、少なくとも20μmの幅を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記遷移領域(57)は、前記横方向において、少なくとも100μmの幅を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)、前記ストライプ形状のエミッタ領域(756)、および、前記遷移領域(57)はすべて、前記第1の主面(52)に垂直な方向において、前記第1の主面(52)からの同じ深さと、同じ正味のドーピング濃度プロファイルとを有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 各ストライプ形状のエミッタ領域(756)は、前記第1の主面(52)に平行に、20μm未満の幅を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記第1の主面(52)に平行な前記面上への前記正射影において、すべてのショットキー接触領域によってカバーされる合計のショットキー接触エリアと、活性領域(AR)によってカバーされる活性エリアとの比は、30〜90%の範囲内である、請求項1〜9のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記第1の主面(52)に平行な前記面上への前記正射影において、前記電極層(21)は、少なくとも1つの電極トレンチ拡張部(210)を含んでおり、前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部は、少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)に延在し、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)によって囲まれており、前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部の深さは、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)の深さ未満である、請求項1〜10のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部の深さは、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)の深さの0.1〜0.8の間である、請求項11に記載のパワー半導体整流器。
- 前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部は、少なくとも0.8μmと、前記少なくとも1つのパイロット領域(765;965A〜965F;1065;1165A)の幅の最大0.8倍とのうちの少なくとも1つである幅を有する、請求項11に記載のパワー半導体整流器。
- 前記第1の主面(52)に平行な前記面上への前記正射影において、前記電極層(21)は少なくとも1つの電極トレンチ拡張部を含んでおり、前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部は、少なくとも1つのストライプ形状のエミッタ領域(56;56A〜56C;156A〜156C;756;778)に延在し、前記少なくとも1つのストライプ形状のエミッタ領域(756)に囲まれており、前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部の深さは、前記少なくとも1つのストライプ形状のエミッタ領域(756)の深さ未満である、請求項11〜13のいずれか1項に記載のパワー半導体整流器。
- 前記少なくとも1つの電極トレンチ拡張部は、少なくとも0.6μmと、前記少なくとも1つのストライプ形状のエミッタ領域(756)の幅の最大0.8倍とのうちの少なくとも1つの幅を有する、請求項14に記載のパワー半導体整流器。
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