JP7828773B2

JP7828773B2 - バイポーラ半導体装置

Info

Publication number: JP7828773B2
Application number: JP2022018909A
Authority: JP
Inventors: 聡志浅田; 晃一村田; 秀一土田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2026-03-12
Anticipated expiration: 2042-02-09
Also published as: JP2023116226A

Description

本発明は、炭化珪素を用いたＰｉＮダイオードなどのバイポーラ半導体装置に関する。

炭化珪素（以下、ＳｉＣとも記載する）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているＳｉ単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。

ＳｉＣを用いた半導体装置としてＰｉＮダイオードなどのＳｉＣバイポーラ半導体装置が知られている。一般に半導体装置では、損失低減のためオン抵抗を低くすることが課題となるが、これらバイポーラ装置では、少数キャリア注入による耐圧維持層の低抵抗化によりオン抵抗を低減できることが知られている。（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、一般にオン抵抗を低くすると、スイッチング動作をさせる際にバイポーラ装置に流れる逆回復電流が増大することが知られている。ＳｉＣバイポーラ半導体装置は、そのような逆回復電流を低減することも求められている。

特開２０１９－０６７９８２号公報

本発明は、上記事情に鑑み、オン抵抗の増大を抑制し、かつ逆回復電流を低減することができるバイポーラ半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、ｎ型のＳｉＣからなるカソード領域と、前記カソード領域の一方面側に形成された耐圧維持層と、前記耐圧維持層の前記カソード領域とは反対側に形成されたｐ型のＳｉＣからなるアノード領域とを備えたバイポーラ半導体装置であって、前記アノード領域には、キャリアをトラップするトラップ層が設けられていることを特徴とするバイポーラ半導体装置にある。

本発明によれば、オン抵抗の増大を抑制し、かつ逆回復電流を低減することができるバイポーラ半導体装置が提供される。

本発明のＰｉＮダイオードの概略図である。本発明のＰｉＮダイオードに順バイアス、逆バイアスを掛けたときのキャリアの状態を説明するためのバンド図である。従来型のＰｉＮダイオードの構成である。シミュレーションで用いたＰｉＮダイオードを含む回路図である。オン抵抗と逆回復電流に関するシミュレーション結果を示す図である。オン抵抗と逆回復電流に関するシミュレーション結果を示す図である。オン抵抗と逆回復電流に関するシミュレーション結果を示す図である。本発明のＰｉＮダイオードに関するオン抵抗と逆回復特性のトラップ密度依存性について説明する図である。トラップ密度に対する蓄積電荷、及び逆回復電流のピーク値の関係を示す図である。本発明のＰｉＮダイオードと従来型のＰｉＮダイオードの蓄積電荷及び逆回復特性について説明する図である。

ＳｉＣバイポーラ半導体装置の一例として、ＰｉＮダイオードについて説明する。ｎ型は電子が多数キャリアであり、ｐ型は正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付した＋は、＋が付されていないｎやｐ又は＋の個数が少ないｎやｐよりも不純物密度が高いことを意味している。同様にｎやｐに付した－は、－が付されていないｎやｐ又は－の個数が少ないｎやｐよりも不純物密度が低いことを意味している。なお、ｎ^＋型、ｎ^－型を単にｎ型、ｐ^＋＋型、ｐ^＋型を単にｐ型と記載する場合もある。

図１はＰｉＮダイオード１の概略図である。ＰｉＮダイオード１は、カソード電極２、アノード電極３、カソード領域１０、耐圧維持層２０、及びアノード領域３０を備えている。

カソード領域１０の一方面（耐圧維持層２０とは反対側の面）には、カソード電極２が設けられ、コンタクト層３３の一方面（トラップ層３２とは反対側の面）には、アノード電極３が設けられている。カソード電極２及びアノード電極３は導電性を有する金属などの材料から形成されている。

カソード領域１０は、ｎ型のＳｉＣからなる。耐圧維持層２０は、カソード領域１０の一方面に形成されたｎ型のＳｉＣからなる。アノード領域３０は、耐圧維持層２０の一方面（カソード領域１０と反対側の面）に形成されたｐ型のＳｉＣからなる。

詳細には、アノード領域３０は、耐圧維持層２０側から順に積層された接合層３１、トラップ層３２、コンタクト層３３から構成されている。接合層３１、トラップ層３２及びコンタクト層３３は、何れもｐ型のＳｉＣからなる。

トラップ層３２は、接合層３１上に形成され、キャリアをトラップする層である。具体的には、トラップ層３２は、キャリアとして電子又は正孔を捕獲するエネルギー準位を形成するトラップ（電子や正孔の捕獲中心となる欠陥）を含んでいる。換言すれば、トラップ層３２は、キャリア寿命が短い領域である。ここではトラップ層３２のキャリア寿命は接合層３１のキャリア寿命よりも低い。

ＰｉＮダイオード１を構成する各層の膜厚、ドーピング密度、トラップ密度を表１に示す。

表１に示すように、トラップ層３２のトラップ密度は、アノード領域３０のドーピング密度よりも低くなっている。

また、トラップ層３２のトラップはドナー型、アクセプター型のいずれでもよいが、伝導帯の電子を捕獲するドナー型であることが好ましい。

また、トラップ層３２は、電子の捕獲断面積が正孔の捕獲断面積よりも大きくしてある。具体的には、電子の捕獲断面積をσｎとし、正孔の捕獲断面積をσｐとすると、σｎ＝５×１０^－１４ｃｍ^２であり、σｐ＝１×１０^－１５ｃｍ^２である。

また、トラップ層３２は、接合層３１と耐圧維持層２０の接合界面（ｐｎ接合面）から接合層３１の膜厚だけ離れている。

上述した構成のＰｉＮダイオード１は、例えば次のようにして製造することができる。まず、ＳｉＣ基板を用意する。ＳｉＣ基板のポリタイプや、オフ角などについては特に限定は無い。

次に、ＳｉＣ基板に表１に示した膜厚及びドーピング密度のカソード領域１０を形成する。具体的には、ＳｉＣ基板にＳｉＣ層をエピタキシャル成長させ、その際に窒素などのｎ型ドーパントを混入させることでカソード領域１０を形成できる。

次に、カソード領域１０の上に、表１に示した膜厚及びドーピング密度の耐圧維持層２０、接合層３１を形成する。具体的には、カソード領域１０上にＳｉＣをエピタキシャル成長させ、その際に窒素などのｎ型ドーパントを混入させることで耐圧維持層２０を形成できる。また、耐圧維持層２０上にＳｉＣをエピタキシャル成長させ、その際にアルミニウムなどのｐ型ドーパントを混入することで接合層３１を形成できる。

次に、接合層３１の上に表１に示した膜厚及びトラップ密度のトラップ層３２を形成する。トラップ層３２は、接合層３１の上にＳｉＣ層をエピタキシャル成長させ、その際にｐ型ドーパントおよびバナジウムやボロンなどのトラップ用ドーパントを混入させることで形成できる。トラップ密度は、注入するドーパントの密度を調整するなど公知の方法で制御できるので詳細な説明は省略する。他にも、接合層３１の上に形成したＳｉＣ層に電子線やプロトン照射をして欠陥を形成することでトラップ層３２を形成できる。この場合では電子線の照射エネルギーやドーズ量などを調整することで所望のトラップ密度にできる。

次に、トラップ層３２の上に、表１に示した膜厚及びドーピング密度のコンタクト層３３を形成する。コンタクト層３３は、トラップ層３２の上にＳｉＣをエピタキシャル成長させ、その際にｐ型ドーパントを混入させ、さらにイオン注入法によりｐ型ドーパントをより高密度になるように注入することでコンタクト層３３を形成できる。

なお、カソード領域１０、耐圧維持層２０、接合層３１、コンタクト層３３のドーピング密度は、注入する不純物の密度を調整するなど公知の方法で制御できるので詳細な説明は省略する。

図２を用いて、上述した構成のＰｉＮダイオード１に順バイアス、逆バイアスを掛けたときのキャリアの状態を説明する。図２（ａ）はＰｉＮダイオード１に順バイアスを掛けたときのバンド図を示している。順バイアスを掛けたときには、アノード領域３０のトラップ層３２のトラップに、伝導帯に注入された電子の一部が吸収される。電子を吸収したトラップは正孔を捕獲できる状態となる。

図２（ｂ）はＰｉＮダイオード１に逆バイアスを掛けたときのバンド図を示している。順バイアスから逆バイアスへスイッチしたときには、耐圧維持層２０に蓄積された正孔が逆回復電流としてアノード領域３０へ流出するが、正孔の一部は、順バイアス時に電子を吸収したトラップにより捕獲される。このため、アノード領域３０、アノード電極３を通じてＰｉＮダイオード１の外部へ流出する逆回復電流を低減することができる。

上述した構成のＰｉＮダイオード１、及びトラップ層がない従来型のＰｉＮダイオードについてオン抵抗及び逆回復電流を評価するためのシミュレーションを行った。図３は従来型のＰｉＮダイオードの構成である。図４はシミュレーションで用いたＰｉＮダイオードを含む回路図である。従来型のＰｉＮダイオード１００の各層のうち、本発明のＰｉＮダイオード１と同じ層については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示すようにＰｉＮダイオード１００は、アノード領域３０Ａが接合層３１Ａ、及びコンタクト層３３から構成されている。接合層３１Ａはｐ型のＳｉＣからなる層であり、厚さが４μｍであり、ドーピング密度は１×１０^１８ｃｍ^－３である。コンタクト層３３は接合層３１Ａの上に形成されており、アノード領域３０Ａ全体の厚さとしては、本発明のアノード領域３０と同じとしてある。

図４に示すようにＰｉＮダイオード１又はＰｉＮダイオード１００を含むダブルパルス測定回路を構成し、オン抵抗及び逆回復特性をＴＣＡＤ（Ｓｉｌｖａｃｏ社製）のＭｉｘｅｄｍｏｄｅを用いてシミュレーションを行った。シミュレーションの諸条件は次の通りである。
・３ｋＶ級ＰｉＮダイオード。（基板を簡略化した。コンタクト抵抗は無視した。動作面積はＳ＝０．０１ｃｍ^２とした）
・ＳＲＨ再結合モデルのみ
・各層のキャリア寿命：１０ｎｓ（Ｐ^＋＋；コンタクト層３３），５０ｎｓ（Ｐ＋；接合層３１），１μｓ（ｉ；耐圧維持層２０），３０ｎｓ（Ｎ^＋；カソード領域１０）
・バンドギャップ縮小を導入した。各層のバンドギャップ縮小は０．１２ｅＶ（Ｐ^＋＋），０．０６ｅＶ（Ｐ^＋），０．１６ｅＶ（Ｎ^＋）である。
・駆動用ＭＯＳＦＥＴはＳｉｎＭＯＳ（ＢＳＰ８９）とした。

図５にオン抵抗と逆回復電流に関するシミュレーション結果を示す。図５（ａ）は、順方向特性（アノード電極に印加した電圧とアノード電流との関係）を示しており、横軸はアノード電極に印加した順バイアスの電圧であり、縦軸はアノード電流である。「ｗ／ｏＴｒａｐ」はトラップ層がないＰｉＮダイオード１００の順方向特性（以下、順方向特性ｗ／ｏと称する）を指し、「ｗ／Ｔｒａｐ」はＰｉＮダイオード１の順方向特性（以下、順方向特性ｗと称する）を指す。

順方向特性ｗは順方向特性ｗ／ｏよりも右側にシフトした。つまり、順方向特性ｗは、同じ電流であっても順方向特性ｗ／ｏよりも高い電圧を要しており、ＰｉＮダイオード１は、ＰｉＮダイオード１００よりもオン抵抗は高くなった。

図５（ｂ）は、逆回復電流の経時変化である逆回復特性を示しており、横軸は経過時間であり、縦軸はアノード電流である。縦軸の正は電流が順方向であり、負は電流が逆方向であることを示している。「ｗ／ｏＴｒａｐ」はトラップ層がないＰｉＮダイオード１００の逆回復特性（以下、逆回復特性ｗ／ｏと称する）を指し、「ｗ／Ｔｒａｐ」はＰｉＮダイオード１の逆回復特性（以下、逆回復特性ｗと称する）を指す。

逆バイアスを印加したことにより逆回復電流が生じている区間においては、逆回復特性ｗは逆回復特性ｗ／ｏよりもピーク値が小さかった。また、逆回復特性ｗは、逆回復特性ｗ／ｏよりも蓄積電荷が少なかった。

このように図５に示したシミュレーション結果によれば、ＰｉＮダイオード１は、オン抵抗は高くなるが、ＰｉＮダイオード１００よりも逆回復電流が低減されていた。

ＰｉＮダイオード１００に関して耐圧維持層２０でのキャリア寿命を短くして上記シミュレーションを行った。この結果を図６に示す。図６（ａ）は図５（ａ）と同様であり、図６（ｂ）は図５（ｂ）と同様であり、図中の「ＬＴ」は耐圧維持層２０でのキャリア寿命を示す。

図６（ａ）に示すように、キャリア寿命を１μｓとしたときの順方向特性ｗは、順方向特性ｗ／ｏ（ＬＴ＝１．０μｓ）との比較ではオン抵抗が高くなっていた。一方、順方向特性ｗは、順方向特性ｗ／ｏ（ＬＴ＝０．３μｓ）とほぼ同等であった。

図６（ｂ）に示すように、逆回復特性ｗは、２つの逆回復特性ｗ／ｏ（ＬＴ＝０．３、１．０μｓ）の何れよりもピーク値が小さい。また逆回復特性ｗは、逆回復特性ｗ／ｏ（ＬＴ＝０．３、１．０μｓ）の何れよりも蓄積電荷が少なかった。

このように図６に示したシミュレーション結果によれば、本発明のＰｉＮダイオード１は、耐圧維持層２０でのキャリア寿命を短くしたＰｉＮダイオードと同等のオン抵抗が維持され、かつ、ＰｉＮダイオード１００よりも逆回復電流が低減されていた。

本発明のＰｉＮダイオード１に関してトラップ層が捕獲できる正孔の割合をシミュレーションした。図７（ａ）は図５（ｂ）と同様の図であり、逆回復特性ｗのみを表示してある。図７（ｂ）はアノード領域からの距離に応じたキャリア密度の分布を示す図であり、横軸はアノード領域３０（接合層３１と耐圧維持層２０との接合界面）からの距離であり、縦軸はキャリア密度（正孔密度）である。

トラップ層３２のトラップで捕獲したトラップの割合Ｒを次式により求めた。
各変数の意味と具体的な値は次の通りである。

Ｑｃｄは、図７（ａ）の逆回復電流を積分することにより得た。Ｑｈ（＠Ｃ）及びＱｈ（＠Ｄ）は図７（ｂ）より得た。上記式からＲ＝０．６４であった。つまり、トラップ層３２において正孔を捕獲したトラップの割合は６４％であった。この割合は、捕獲断面積やトラップ層３２をアノード領域３０に挿入する位置により最適化が可能である。Ｑｈは、図７（ｂ）に示される耐圧維持層２０の正孔密度分布を次のように積分することで得られる。なお、アノード領域３０側に放出される正孔であることから、図７（ｂ）の接合層３１と耐圧維持層２０の境界（約１μｍ）から２５μｍまでの範囲で積分した。

図８及び図９を用いて、本発明のＰｉＮダイオード１に関する逆回復特性のトラップ密度依存性について説明する。図８（ａ）はトラップ密度を変化させて上記シミュレーションを行って得られた順方向特性ｗを示し、図８（ｂ）はトラップ密度を変化させて上記シミュレーションを行って得られた逆回復特性ｗを示す図である。図９はトラップ密度に対する蓄積電荷、及び逆回復電流のピーク値の関係を示す図である。図９のＱｒｒは蓄積電荷を示し、Ｉｒｒは逆回復電流のピーク値を示す。

図８（ａ）に示すように、トラップ密度を１×１０^１６ｃｍ^－３、１×１０^１７ｃｍ^－３、３×１０^１７ｃｍ^－３のそれぞれに設定して得られた順方向特性ｗは、トラップ密度が増大するほど右側にシフトしており、オン抵抗が増加していた。図８（ｂ）に示すように、トラップ密度が増大するほど、逆回復特性のピーク値は減少し、蓄積電荷も減少していた。また、図９に示すように、図８よりも広い範囲でトラップ密度を適宜変えてシミュレーションしたところ、トラップ密度が増大すると逆回復電流のピーク値が減少し、蓄積電荷が減少していた。

このように図８及び図９に示したシミュレーション結果によれば、本発明のＰｉＮダイオード１は、トラップ密度を制御することで逆回復特性を改善することができるということが確認された。

図１０を用いて、ＰｉＮダイオード１とＰｉＮダイオード１００の逆回復特性について説明する。図１０（ａ）は逆回復特性の蓄積電荷とオン電圧の関係を示し、図１０（ｂ）は逆回復特性の電流のピーク値を示す。何れの図においても「キャリア寿命制御」は耐圧維持層２０におけるキャリア寿命を適宜設定したＰｉＮダイオード１００を示し、「トラップ密度制御」はトラップ密度を適宜設定したＰｉＮダイオード１を示す。

ＰｉＮダイオード１の蓄積電荷は、トラップ層のトラップ密度が低く、それほど多くの電子を吸収しない。そのため、図１０（ａ）に示すように、耐圧維持層におけるキャリア寿命を制御したＰｉＮダイオード１００の蓄積電荷と大きく改善していない。一方、図１０（ｂ）に示すように、ＰｉＮダイオード１の逆回復電流のピーク値は、逆回復初期の大電流を生む電荷をトラップ層で吸収するため、ＰｉＮダイオード１００と比較して逆回復電流のピーク値が大きく低減している。

以上に説明したシミュレーション結果からＰｉＮダイオード１とＰｉＮダイオード１００（キャリア寿命が０．３μｓ、１．０μｓ）のオン抵抗、逆回復電流のピーク値、蓄積電荷の比較を表３に示す。

オン抵抗については、図６（ａ）に示したように、キャリア寿命が１．０μｓのＰｉＮダイオード１００が最もオン抵抗が低い。キャリア寿命が０．３μｓのＰｉＮダイオード１００と、キャリア寿命が１．０μｓのＰｉＮダイオード１は、オン抵抗がほぼ同じである。図６（ｂ）に示したように、ＰｉＮダイオード１の逆回復電流のピーク値及び蓄積電荷が最も低い。

以上に説明した本発明のＰｉＮダイオードは、アノード領域３０にトラップ層３２を有する。このような構成とすることで、図２に示したように逆バイアスを掛けたときに生じる逆回復電流を低減することができる。そして、表２に示したように、キャリア寿命を短くしたＰｉＮダイオード１００と比較して、オン抵抗の増大を抑制し、かつ逆回復電流を低減することができる。オン抵抗の増大を抑制できる理由としては次のとおりである。耐圧維持層２０に蓄積される注入キャリアは、アノード領域３０に存在するキャリア密度（正孔密度）に比べて十分に低い（表１参照）。したがって、トラップ密度も高くする必要がない。このようにトラップ密度を低くできるのでトラップ層３２がオン抵抗に与える影響は小さい。

また、トラップ層３２のトラップ密度は、アノード領域３０のドーピング密度よりも低くなっている。そのようなトラップ密度とすることで、ＰｉＮダイオード１のオン抵抗の増大を抑制しつつ、逆回復電流を低減できる。

また、トラップ層３２のトラップはドナー型である。これにより、トラップに捕獲された電子が熱放出されにくいので、逆バイアスを掛けたときに正孔を捕獲できる量が低減することを抑制できる。

また、トラップ層３２は、電子の捕獲断面積が正孔の捕獲断面積よりも大きい。これにより、順バイアスを掛けたときに電子がトラップされた状態とすることができる。なお、正孔の捕獲断面積を小さくしすぎると逆回復電流の正孔をトラップできなくなるため、ある程度は大きくする必要がある。具体的にはσｎは１×１０^－１４ｃｍ^２以上、σｐは１×１０^－１５ｃｍ^２以上とすることが好ましい。

また、トラップ層３２は、アノード領域３０と耐圧維持層２０との接合界面から離れた位置に形成されている。接合界面にトラップ層３２を設けると、再結合電流の増大による注入効率の著しい低下が生じうるが、接合層３１を設けることで、トラップ層の接合界面への影響が及びにくくなっている。これにより、注入効率の著しい低下を防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、カソード領域１０、耐圧維持層２０、接合層３１、トラップ層３２、コンタクト層３３の膜厚やドーピング密度、トラップ密度は表１に示したものに限定されない。

カソード領域１０は、ドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上であり、膜厚が１０μｍ以上である。
耐圧維持層２０は、ドーピング密度が１×１０^１６ｃｍ^－３以下であり，膜厚１０μｍ以上である。
接合層３１は、ドーピング密度が１×１０^１７ｃｍ^－３以上であり，膜厚が０．５～１μｍの範囲である。
トラップ層３２は、ドーピング密度が１×１０^１７ｃｍ^－３以上であり、膜厚が１～３μｍの範囲であり，トラップ密度が１×１０^１４～５×１０^１７ｃｍ^－３の範囲である。
コンタクト層３３は、ドーピング密度が１×１０^１８ｃｍ^－３以上であり，膜厚が０．２～３μｍの範囲である。

また、トラップ層３２がドナー型であるＰｉＮダイオードについて説明したが、アクセプター型であってもよい。

また、本発明のバイポーラ半導体装置の一実施形態として、ＰｉＮダイオードに付いて説明したがこれに限定されない。本発明は、ｎｐｎバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＳＩＡＦＥＴ、ＳＩＪＦＥＴ、サイリスタ、ＭＣＴ(Mos Controlled Thyristor)、ＳｉＣＧＴ(SiC Commutated Gate Thyristor)、ＥＳＴ(Emitter Switched Thyristor)、ＢＲＴ(Base Resistance Controlled Thyristor)などの各種のＳｉＣを用いたバイポーラ半導体装置にも応用可能である。

１…ＰｉＮダイオード（バイポーラ半導体装置）、２…カソード電極、３…アノード電極、１０…カソード領域、２０…耐圧維持層、３０、３０Ａ…アノード領域、３１、３１Ａ…接合層、３２…トラップ層、３３…コンタクト層

Claims

ｎ型のＳｉＣからなるカソード領域と、
前記カソード領域の一方面側に形成された耐圧維持層と、
前記耐圧維持層の前記カソード領域とは反対側に形成されたｐ型のＳｉＣからなるアノード領域とを備えたバイポーラ半導体装置であって、
前記アノード領域には、キャリアをトラップするトラップ層が設けられ、
前記トラップ層のトラップ密度は、前記アノード領域のドーピング密度よりも低い
ことを特徴とするバイポーラ半導体装置。
ｎ型のＳｉＣからなるカソード領域と、
前記カソード領域の一方面側に形成された耐圧維持層と、
前記耐圧維持層の前記カソード領域とは反対側に形成されたｐ型のＳｉＣからなるアノード領域とを備えたバイポーラ半導体装置であって、
前記アノード領域には、キャリアをトラップするトラップ層が設けられ、
前記トラップ層は、ドナー型である
ことを特徴とするバイポーラ半導体装置。
ｎ型のＳｉＣからなるカソード領域と、
前記カソード領域の一方面側に形成された耐圧維持層と、
前記耐圧維持層の前記カソード領域とは反対側に形成されたｐ型のＳｉＣからなるアノード領域とを備えたバイポーラ半導体装置であって、
前記アノード領域には、キャリアをトラップするトラップ層が設けられ、
前記トラップ層は、電子の捕獲断面積が正孔の捕獲断面積よりも大きい
ことを特徴とするバイポーラ半導体装置。