JPH0234190B2 - KOSOKUDAIOODO - Google Patents

KOSOKUDAIOODO

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JPH0234190B2
JPH0234190B2 JP20991181A JP20991181A JPH0234190B2 JP H0234190 B2 JPH0234190 B2 JP H0234190B2 JP 20991181 A JP20991181 A JP 20991181A JP 20991181 A JP20991181 A JP 20991181A JP H0234190 B2 JPH0234190 B2 JP H0234190B2
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JP
Japan
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layer
diode
reverse recovery
junction
gold
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JP20991181A
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JPS58114468A (en
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Kimihiro Muraoka
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Toyo Electric Manufacturing Ltd
Original Assignee
Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861Diodes
    • H01L29/868PIN diodes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thyristors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は高速ダイオードに係り、本願発明者は
先に出願した特願昭56−150671号公報、「高速ダ
イオード」に開示したものより一層の良好な特性
が得られ、また本願発明者が先に出願した特願昭
56−209910号公報、「高速ダイオード」に開示し
ているように、P+−P−Ni−P+接合とは異なる
P+−P−Ni−N接合によるものである。 最近急速な電力用半導体工業の進歩に伴い、タ
ーンオフタイム5μsec以下のサイリスタが出現し
つつある。電圧形インバータに適用する際には、
サイリスタに逆並列にダイオードを接続して使用
することが一般的である。ターンオフタイムの小
さいサイリスタに逆並列接続して使用されるダイ
オードは、サイリスタのターンオフタイム能力に
対応した高速度電流しや断能力を有する素子(逆
回復電荷の小さい素子)が要求される。逆回復電
荷Qr=Tr×irp/2で表現されるので、高速ダイ
オードに要求される特性は次の二点である。なお
Trは逆回復時間、irpは逆回復時のピーク電流で
ある。 (1) 逆回復時間の小さいこと。即ち転流時にサイ
リスタ側に再印加されるピーク電圧はダイオー
ドの逆回復電荷の影響を受け、ダイオードの逆
回復電荷が大きいほど上昇するので、より高い
定格電圧のサイリスタが必要となり、サイリス
タ応用技術上、逆回復電荷の大きいダイオード
は好ましくない。 (2) 逆回復時のピーク電流が小さくそのdi/dt
が、ゆるやか(Soft Recovery)であること。
即ちダイオードの逆回復時のdi/dtが急岐な特
性(Snap−off)では転流時にサイリスタに再
印加される電圧は高いdv/dtを持つた電圧が
印加され、サイリスタのdv/dt特性をおびや
かすことになり、サイリスタ応用技術面から
Snap−off特性を有するダイオードは好ましく
ない。 以上の理由によつて、前述の目的に使用される
高速度ダイオードは逆回復時のdi/dtが、Soft−
Recovery特性を有し逆回復時間の小さいダイオ
ードが望ましい。 本発明は上記の目的のためになされたものであ
り、以下図面により本発明の一実施例について詳
細に説明する。 第1図はSnap−off特性を有するダイオードの
逆回復時の電流波形の説明図、第2図はSoft
Recovery特性を有するダイオードの逆回復時の
電流波形の説明図である。 ダイオードの逆回復特性において、第1図のよ
うに逆回復時間Trの短かい急岐なdi/dtの変化
を示すSnap−off特性と、第2図のような逆回復
時間Trの長く緩やかなdi/dtの変化を示すSoft
−Recovery特性の差は、ダイオード母材層のラ
イフタイムに関係する、例えばP+−Ni−N+接合
の場合にはNi層のライフタイムが短いほど逆回
復時間の短いSnap−off特性が得られ、Ni層のラ
イフタイムが長いほど逆回復時間の長いSoft
Recovery特性が得られる。 本発明は一枚のシリコン円板からなるダイオー
ドウエフアの厚み方向にSnap−off特性を有する
領域とSoft Recovery特性を有する領域を直列に
組合せ、この直列に組合せた領域へSnap−off特
性を有する領域を並列に組合せることにより、逆
回復時間と逆回復ピーク電流の小さいSoft−
Recovery特性を有するダイオードを実現したも
のである。 第3図は本発明の一実施例を示す高速ダイオー
ドの部分縦断面図である。 1はアルミ蒸着法で形成されたアノード電極、
3はP形不純物のガリウムまたはアルミニウムで
拡散形成したP層、4はNi層、5はN形不純物
のリンを選択的に拡散し、複数個に分散配置して
形成したN+層、6はN+層で囲まれたNi層4へN
形不純物のアンチモンを拡散して形成したN層、
7は金属ろう材、8は補強用支持電極でカソード
電極となる。2はP層3へP形不純物のボロンを
拡散して形成したP+層である。 第4図は第3図のアノード電極垂直方向におけ
るイ〜イ断面即ちP+層2、P層3、Ni層4、N+
層5の各層のライフタイムキラー(Au)の濃度
分布を示した説明図である。 ライフタイムキラーの濃度はP+−P−Ni層近
傍(図中A領域)が最も多く、つぎにNi層の中
央部(図中B領域)が多く、最も少い場所はN+
−Ni層近傍(図中、Soft Recovery特性をもた
らすためのキヤリア留めの効果をもたらすC領
域)である。第5図は第3図のアノード電極垂直
方向におけるロ−ロ断面即ちP+層2、P層3、
Ni層4、N層6の各層のライフタイムキラーの
濃度分布を示した説明図である。ライフタイムキ
ラーの濃度はP+−P−Ni層近傍(図中A領域)
とNi−N層近傍(図中D領域)がほぼ等しく、
かつ、Ni層4の中央部(図中B領域)より多く
なつている。本発明の高速ダイオードは第3図に
示す構成で形成されることにより第4図と第5図
に示したライフタイムキラーの濃度分布を容易に
得ることが特徴である。 つぎに第4図と第5図に示すライフタイムキラ
ー濃度分布を有するダイオードの逆回復特性につ
いて説明する。 導通状態にある本ダイオードへ逆電圧が印加さ
れると、導通時のキヤリアはP−Ni接合を中心
として正孔はアノード電極1へ、電子はカソード
電極8へ向つて移動する一方、P−Ni接合近傍
のライフタイムキラー濃度に依存して再結合が行
われてキヤリア濃度が減少して行き、P−Ni接
合近傍は逆電圧の値に応じた厚みをもつて空乏層
化される。 このとき空乏層の厚みはP−Ni接合の接合面
よりNi層の方向に向つて拡がつて行く。一般的
にみてスイツチング時にダイオードへ印加される
逆電圧は定格電圧の1/5〜1/20程度であるから、
逆電圧印加によつて生じる空乏層厚みは概念的に
Ni層の中央部またはそれ以下まで拡がると考え
てよい。 このため空乏層厚み内のライフタイムキラー濃
度が高いほど、空乏層内のキヤリアは急激な変化
を示すため逆回復電流も急激な変化を示す。(A,
B領域) つぎに空乏層の外側(Ni層の中央部からN+
まで)へ移動したキヤリアは、ライフタイムキラ
ー濃度の低い領域へ移るので、この場所ではキヤ
リアは再結合により緩やかに減衰するため逆回復
電流も緩やかな変化を示しながら減衰して時間の
経過と共に逆回復電流な零となり、この過程を経
て逆回復時間が決定される。(B,C領域) この様子をやや詳しく説明すると第4図のライ
フタイムキラ濃度分布を有するダイオードのスイ
ツチング時の逆回復電流は、逆回復電流が流れ始
めて逆回復電流のピーク値を過ぎた前期は急激な
電流変化を示すSnap−off特性が現れ、後半期に
は緩やかな電流変化を示すSoft Recovery特性が
現れる2段階の電流変化を示す逆回復特性を得る
ことができる。 第6図は上述した状態を説明するための逆回復
時の電流波形を示した説明図である。 ダイオードの逆回復特性はSnap−off特性を示
すdi1/dtの大きい領域9とSoft Recovery特性
を示すdi2/dtの小さい領域9′が出現する。高速
ダイオードで特に重要な点は領域9′のdi2/dtを
小さく押えることである。この思想は本発明者に
よつて昭和56年9月25日付で出願した特願昭56−
150671号に記載されている。 第4図のライフタイムキラー濃度分布を有する
ダイオードは、従来の高速ダイオードに比較する
と大幅な特性改善が行われている。しかしながら
2段階の逆回復電流特性を維持しながら逆回復時
間を更に短縮しようとすると、第4図のライフタ
イムキラー濃度分布のみでは不十分であるので、
この改善方法について説明する。 第3図に示すごとくN層6を設けた場合、中性
領域内に取り残された過剰電子はN+層5とN層
6よりカソード電極8へと取り出される。この場
合、過剰電子の排出はNi層4に対して不純物濃
度の低いN層6の方に流れ易くなる。 この理由はNi−N+構造よりもNi−N構造の方
が電位障避が低いためである。即ち、N層がない
場合に比較して中性領域内の過剰電子の消滅時間
を短縮することができる。この効果を利用するこ
とによつて、ダイオードの逆回復時間をより短縮
し、逆回復時のピーク電流irpを小さくすること
が可能となる。換言すれば、同一の逆回復時間を
得るためにライフタイムを大きくしても良いこと
を意味している。逆回復時間を同じにした同一サ
イズのダイオードで比較すると、N層を設けたダ
イオードではN層のないダイオードに比較してオ
ン電圧の低い、漏れ電流の小さい高速ダイオード
となる。 第5図のライフタイムキラー濃度はNi層4の
B領域(第4図B領域に等しい)で少なく、Ni
層4を中心にして左右対称にP+層2およびN層
6の方向に向つて増加したU字形のA,D領域
(第4図A領域に等しい)を形成している。 第4図のライフタイムキラー濃度分布を示すダ
イオードエレメント内にライフタイムキラー濃度
分布を示す領域がN+層5の全面積に対して数10
%に複数分散した形状で局部的に並列に追加され
ると、ライフタイムキラー濃度の少ないC領域に
存在するキヤリアはライフタイムの短縮とN層6
による電位障壁の低減の相乗効果により早く減衰
させられる。 ただし、ライフタイムキラー濃度分布はN+
5の全面積に対して数10%程度であるから、第4
図のライフタイムキラー濃度分布の効果すなわち
第5図のdi2/dtをゆるやかに減衰させる効果を
さほど損うことはない。この場合の特徴としては
逆回復時のピーク電流を低減させる効果の方が顕
著である。 すなわち、第4図のライフタイムキラー濃度分
布のみの場合よりも逆回復時のピーク電流が小さ
くなり、これに伴なつて逆回復時間も短縮され
る。このため、より高速化をもたらすことができ
る。この点が本発明の最大の特徴となつている。 つぎに本発明による高速ダイオードの一実施例
の製造工程を第7図a,b,c,dを用いて説明
する。 なお第3図と同一符号は同一または相当部分を
示す。 第7図aはシリコン基板として、比抵抗70Ωcm
のN形シリコンで厚み0.27mm、直径23mmが使用さ
れる。予めシリコン基板の片面には拡散法でP形
不純物のガリウムまたはアルミニウムを用いて、
P層3が表面濃度約5×1017atoms/c.c.、厚み
40μmで形成されており、他の面にはN形不純物
のリンを用いて、表面濃度1×1021atoms/c.c.、
厚み10μmのN+層5が公知の酸化膜とホトレジス
ト技術を利用した選択拡散技術を用いて形成さ
れ、Ni層4は厚み220μmを有し、かつ、P層3
面上を除いた他の場所に酸化膜11を有したシリ
コン円板が準備される。この時点のシリコン円板
に対して、Ni層の結晶構造の乱れの度合いをX
線2結晶法によるロツキングカーブで調べてみる
と、Ni層には結晶構造の乱れはほとんど観察さ
れなかつた。この原因としてはNi層の片面には
シリコンの原子半径1.17Åに対して、107%の原
子半径1.26Åを有するガリウムまたはアルミニウ
ム拡散されたP層を有し、他の面にはシリコンの
原子半径に対して94%の原子半径1.10Åのリンが
選択的に拡散されたN+層を形成しているため、
両拡散層で原子半径の差を吸収し合つて結晶構造
に乱れが生じていないものと推察される。 このように、ほぼ完全結晶に近いシリコン円板
に対して、ライフタイムキラーである金を熱拡散
しても第4図と第5図のような金の濃度分布を1
回の金拡散で得ることは不可能である。 本発明は接合形成時に1回の金の熱拡散で第4
図と第5図のような金の濃度分布を同時に得るた
めに、予めシリコン円板の厚み方向に金の濃度分
布に対応した結晶構造の乱れを誘起させて、金原
子が結晶構造の乱れ部分に多く蓄積する性質を利
用し、前述の金の濃度分布を得ようとするもので
ある。 まず第4図の金濃度分布を得る目的のために原
子半径1.26Åを有するガリウムまたはアルミニウ
ム拡散で、低い表面濃度(5×1017atoms/c.c.)
で形成されたP層面上に、原子半径の小さいボロ
ン(0.88Å)を高い表面濃度(約1020atoms/c.c.
オーダー)で拡散すると、結晶構造的にはボロン
原子の影響力が強まり、ガリウムまたはアルミニ
ウム単体よりもNi層の方向に結晶構造の乱れを
誘起することが容易となる。ただしP+層の厚み
を厚くし過ぎると結晶構造の乱れがNi層全体に
及ぶので、P+層の厚みとP層の厚み関係には調
和をとる必要がある。 前述の理由により第7図aのP層3面上より、
ボロンを表面濃度5×1020atoms/c.c.で、その厚
みは最終的にP層の1/3以下にするために予め5μ
mの拡散を行い第7図bのP+層2を形成した。
この拡散により新たな酸化膜11がP+層2面上
に形成される。 つぎに第5図の全濃度分布を得る目的のために
第7図bのようにN+層5に囲まれたNi層4′面
へN形不純物のアンチモン(原子半径1.36Åシリ
コンに対して116%)を拡散するために、酸化膜
11へ窓12が開けられる。つぎにNi層4′面へ
アンチモンを表面濃度6×1017atoms/c.c.で、そ
の厚み約5μmの拡散を行い第7図cのN層6を
形成した。 なお、N+層5とN層6の面積比率はN/N+
15%に設計されている。このアンチモン拡散によ
つて最終的な厚み関係は、P+層は15μm、P層は
45μm、Ni層は180μm、N+層は30μmとなる。な
お前述のボロン拡散によつてP+層2とN層6面
上には新たな酸化膜11が形成される。 第7図cのシリコン円板に対して、P層3と
Ni層4およびN層6とNi層4の結晶構造の乱れ
の度合いをX線2結晶法によるロツキングカーブ
で調べてみると、P+層2からP層3、Ni層4の
方向に向つてまたN層6からNi層4の方向に向
つて強い結晶の乱れが生じていることが判明し
た。この原因はシリコン(原子半径1.17Å)に対
して大きく、原子半径の異なるボロン(原子半径
0.88Å、シリコンに対して75%)とアンチモン
(原子半径1.36Å、シリコンに対して116%)を表
面濃度で拡散したことによると考えられる。この
結晶の乱れは第3図のイ〜イ断面部ではP−Ni
接合近くに強く現れ、Ni層4からN+層5に向つ
て減少していることが判明した。他方、第3図の
ロ〜ロ断面部ではP−Ni接合近くに強く現れ、
Ni層4に向つて減少しており、またN−Ni接合
では同接合近くに強く現れ、N層6からNi層4
に向つて減少していることも判明した。 シリコン円板の厚み方向の結晶構造の乱れの傾
向は、第3図イ〜イ断面部では第4図の金濃度分
布のA,B領域に対応し、第3図ロ〜ロ断面部で
は第5図の金濃度分布A,B,C領域に対応して
いた。この点が本発明の最大の特徴である。 つぎに、第7図cのダイオードウエフアの逆回
復時間を小さくするために、酸化膜11を除去し
て、ダイオードウエフアの両面に対して真空蒸着
にて金が蒸着され、820℃の温度で60分間の熱処
理が行われる。この熱処理によつて第3図イ〜イ
断面相当部分の金の濃度分布は、第4図に示す
A,B,C領域を形成する。 1回の金の熱拡散で第4図のA,B領域が現れ
る理由は、前述の結晶構造の乱れの傾向と対応し
ており、C領域で減少する理由は、金がN+層5
にゲツターされるためである。金のゲツター効果
はリンを拡散して形成したN+層が時に有効であ
り本発明の一つの特徴となつている。また、1回
の金の熱拡散で第5図のA,B,D領域が現れる
理由は、アンチモンには金をゲツターする作用が
ないので前述の結晶構造の乱れと対応して分布す
ることから理解されよう。 この熱処理後、第7図dのようにN+層5とN
層6の面に対してダイオードウエフアと同径のタ
ングステンから成る支持電極8をアルミニウムを
主成分とする金属ろう7を介して置き、これを不
活性ガス中で熱処理を行い一体に固着される。こ
れによりN+層5とN層6はアルミニウムで短絡
された形状となる。その後、P+層2の面に対し
てはアノード電極1となる直径15mm、厚み10μm
を有するアルミ蒸着電流が形成される。 以上説明したような製作工程を経て第4図に示
されるA,B,Cのごとく三つの領域を示す金の
濃度分布と第5図に示されるA,B,Dのごとく
三つの領域を示す金の濃度分布を実現することが
できる。 固着完成後、電圧阻止接合であるP−Ni接合
は球面研磨法等により負ベベルに整形された後
に、ベベル面に対して化学研磨、表面保護膜形成
等がなされてダイオードが完成する。 このようにして製作されたダイオードの定格は
150A、2000Vで逆回復時間は約1μsecであり、そ
の逆回復時の電流波形は第6図に示されるように
二段階のdi/dt特性を示す阻止を得ることができ
た。 なお、逆回復電荷測定条件としては、順電流
300A、順電流降下率50A/μSで行つた。
The present invention relates to a high-speed diode, and the present inventor has obtained better characteristics than that disclosed in Japanese Patent Application No. 56-150671, "High-speed Diode", which the present inventor previously filed. The patent application filed
As disclosed in Publication No. 56-209910, "High-speed diode", it is different from P + -P-Ni-P + junction.
This is due to P + -P-Ni-N junction. With recent rapid progress in the power semiconductor industry, thyristors with turn-off times of 5 μsec or less are appearing. When applied to voltage type inverters,
It is common to use a thyristor with a diode connected in antiparallel. A diode used in anti-parallel connection to a thyristor with a short turn-off time is required to be an element (an element with a small reverse recovery charge) that has a high-speed current shedding ability corresponding to the turn-off time ability of the thyristor. Since the reverse recovery charge is expressed as Qr=Tr×irp/2, the following two characteristics are required of a high-speed diode. In addition
Tr is the reverse recovery time, and irp is the peak current during reverse recovery. (1) Short reverse recovery time. In other words, the peak voltage re-applied to the thyristor during commutation is affected by the reverse recovery charge of the diode, and increases as the reverse recovery charge of the diode increases, so a thyristor with a higher rated voltage is required, and the thyristor application technology , a diode with a large reverse recovery charge is not preferred. (2) The peak current during reverse recovery is small and its di/dt
However, recovery should be gradual (Soft Recovery).
In other words, in the characteristic (Snap-off) where the di/dt at the time of reverse recovery of the diode is sharp, the voltage re-applied to the thyristor during commutation is a voltage with a high dv/dt, and the dv/dt characteristic of the thyristor is From the viewpoint of thyristor application technology,
Diodes with snap-off characteristics are not preferred. For the above reasons, the di/dt during reverse recovery of high-speed diodes used for the above purpose is soft-
A diode with recovery characteristics and a short reverse recovery time is desirable. The present invention has been made for the above-mentioned purpose, and one embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Figure 1 is an explanatory diagram of the current waveform during reverse recovery of a diode with Snap-off characteristics, and Figure 2 is an illustration of the current waveform during reverse recovery of a diode with Snap-off characteristics.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a current waveform during reverse recovery of a diode having recovery characteristics. In the reverse recovery characteristics of diodes, there are two types: the Snap-off characteristic, which shows a sharp change in di/dt with a short reverse recovery time Tr, as shown in Figure 1, and the Snap-off characteristic, which shows a long and gradual change in reverse recovery time Tr, as shown in Figure 2. Soft showing changes in di/dt
The difference in −Recovery characteristics is related to the lifetime of the diode base material layer. For example, in the case of a P + −Ni−N + junction, the shorter the lifetime of the Ni layer, the shorter the Snap-off characteristic with reverse recovery time. The longer the lifetime of the Ni layer, the longer the reverse recovery time.
Recovery characteristics can be obtained. The present invention combines a region having Snap-off characteristics and a region having Soft Recovery characteristics in series in the thickness direction of a diode wafer made of a single silicon disk, and has Snap-off characteristics in this series-combined region. By combining regions in parallel, Soft−
This realizes a diode with recovery characteristics. FIG. 3 is a partial longitudinal sectional view of a high speed diode showing an embodiment of the present invention. 1 is an anode electrode formed by aluminum vapor deposition method,
3 is a P layer formed by diffusion of gallium or aluminum as a P-type impurity, 4 is a Ni layer, 5 is an N + layer formed by selectively diffusing phosphorous as an N-type impurity and dispersing it in multiple pieces, and 6 is a N to Ni layer 4 surrounded by N + layer
N layer formed by diffusing antimony as a form impurity,
7 is a metal brazing material, and 8 is a reinforcing support electrode which becomes a cathode electrode. 2 is a P + layer formed by diffusing boron as a P type impurity into the P layer 3. Figure 4 shows cross sections A to A in the vertical direction of the anode electrode in Figure 3, namely P + layer 2, P layer 3, Ni layer 4, N +
3 is an explanatory diagram showing the concentration distribution of lifetime killer (Au) in each layer of layer 5. FIG. The concentration of lifetime killer is highest near the P + -P-Ni layer (area A in the figure), then in the center of the Ni layer (area B in the figure), and the lowest concentration is in the N +
- Near the Ni layer (region C in the figure, which provides a carrier fastening effect to provide soft recovery characteristics). FIG. 5 shows a Rollo cross section in the vertical direction of the anode electrode in FIG. 3, that is, P + layer 2, P layer 3,
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the concentration distribution of lifetime killer in each layer of Ni layer 4 and N layer 6. FIG. The concentration of lifetime killer is near the P + -P-Ni layer (area A in the figure)
and near the Ni-N layer (region D in the figure) are almost equal,
Moreover, it is larger than the central part of the Ni layer 4 (region B in the figure). The high-speed diode of the present invention is characterized in that it can easily obtain the lifetime killer concentration distribution shown in FIGS. 4 and 5 by being formed with the configuration shown in FIG. 3. Next, the reverse recovery characteristics of the diode having the lifetime killer concentration distribution shown in FIGS. 4 and 5 will be explained. When a reverse voltage is applied to this diode in a conductive state, carriers during conduction move centered around the P-Ni junction, holes move toward the anode electrode 1, electrons move toward the cathode electrode 8, and the P-Ni Recombination occurs depending on the lifetime killer concentration near the junction, and the carrier concentration decreases, and the vicinity of the P--Ni junction becomes a depletion layer with a thickness corresponding to the value of the reverse voltage. At this time, the thickness of the depletion layer increases from the junction surface of the P-Ni junction toward the Ni layer. Generally speaking, the reverse voltage applied to the diode during switching is about 1/5 to 1/20 of the rated voltage, so
Conceptually, the depletion layer thickness caused by applying a reverse voltage is
It can be thought that it spreads to the center of the Ni layer or below. Therefore, as the lifetime killer concentration within the depletion layer thickness increases, the carrier within the depletion layer shows a rapid change, and therefore the reverse recovery current also shows a sudden change. (A,
Region B) Next, the carriers that have moved to the outside of the depletion layer (from the center of the Ni layer to the N + layer) move to a region with a low lifetime killer concentration, so in this location the carriers are slowly attenuated by recombination. Therefore, the reverse recovery current also attenuates while showing a gradual change and becomes zero as time passes, and the reverse recovery time is determined through this process. (Regions B and C) To explain this situation in a little more detail, the reverse recovery current during switching of a diode with the lifetime killer concentration distribution shown in Figure 4 is determined by the reverse recovery current in the early period when the reverse recovery current begins to flow and has passed the peak value of the reverse recovery current. It is possible to obtain a reverse recovery characteristic that shows a two-stage current change, in which a Snap-off characteristic that shows a rapid current change appears, and a soft recovery characteristic that shows a gentle current change appears in the second half. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a current waveform during reverse recovery to explain the above-mentioned state. In the reverse recovery characteristics of the diode, a region 9 where di 1 /dt is large and exhibits a Snap-off characteristic, and a region 9' where di 2 /dt is small and exhibits a soft recovery characteristic appear. A particularly important point for high-speed diodes is to keep di 2 /dt in region 9' small. This idea is based on the patent application filed by the inventor on September 25, 1980.
Described in No. 150671. The diode having the lifetime killer concentration distribution shown in FIG. 4 has significantly improved characteristics compared to conventional high-speed diodes. However, if we try to further shorten the reverse recovery time while maintaining the two-stage reverse recovery current characteristics, the lifetime killer concentration distribution shown in Figure 4 alone is insufficient.
This improvement method will be explained. When the N layer 6 is provided as shown in FIG. 3, excess electrons left behind in the neutral region are extracted from the N + layer 5 and the N layer 6 to the cathode electrode 8. In this case, the discharge of excess electrons tends to flow toward the N layer 6, which has a lower impurity concentration than the Ni layer 4. The reason for this is that the Ni-N structure has a lower potential disturbance than the Ni-N + structure. That is, compared to the case where there is no N layer, the time for excess electrons to disappear in the neutral region can be shortened. By utilizing this effect, it becomes possible to further shorten the reverse recovery time of the diode and reduce the peak current IRP during reverse recovery. In other words, it means that the lifetime may be increased in order to obtain the same reverse recovery time. When comparing diodes of the same size with the same reverse recovery time, a diode with an N layer is a high-speed diode with a lower on-voltage and a smaller leakage current than a diode without an N layer. The lifetime killer concentration in Fig. 5 is low in region B of Ni layer 4 (equal to region B in Fig. 4);
U-shaped regions A and D (equivalent to region A in FIG. 4) are formed symmetrically with respect to layer 4 in the direction of P + layer 2 and N layer 6. The area showing the lifetime killer concentration distribution in the diode element showing the lifetime killer concentration distribution in Fig. 4 is several 10 times the total area of the N + layer 5.
When carriers are added locally in parallel in multiple dispersed shapes in %, the carriers existing in the C region with low lifetime killer concentration shorten the lifetime and increase the N layer 6.
due to the synergistic effect of reducing the potential barrier. However, since the lifetime killer concentration distribution is about several 10% of the total area of the N + layer 5, the
This does not significantly impair the effect of the lifetime killer concentration distribution shown in the figure, that is, the effect of gently attenuating di 2 /dt shown in FIG. In this case, the effect of reducing the peak current during reverse recovery is more remarkable. That is, the peak current during reverse recovery becomes smaller than in the case of only the lifetime killer concentration distribution shown in FIG. 4, and the reverse recovery time is accordingly shortened. Therefore, higher speed can be achieved. This point is the greatest feature of the present invention. Next, the manufacturing process of one embodiment of the high-speed diode according to the present invention will be explained using FIGS. 7a, b, c, and d. Note that the same reference numerals as in FIG. 3 indicate the same or corresponding parts. Figure 7a shows a silicon substrate with a specific resistance of 70Ωcm.
N-type silicon with a thickness of 0.27 mm and a diameter of 23 mm is used. In advance, one side of the silicon substrate is coated with gallium or aluminum as a P-type impurity using a diffusion method.
P layer 3 has a surface concentration of approximately 5×10 17 atoms/cc and a thickness
It is formed with a thickness of 40 μm, and the other surface is made of phosphorus as an N-type impurity, with a surface concentration of 1×10 21 atoms/cc,
An N + layer 5 with a thickness of 10 μm is formed using selective diffusion technology using a known oxide film and photoresist technology, a Ni layer 4 has a thickness of 220 μm, and a P layer 3
A silicon disk having an oxide film 11 on other parts than on the surface is prepared. For the silicon disk at this point, the degree of disorder of the crystal structure of the Ni layer is
When examining rocking curves using the line two crystal method, almost no crystal structure disorder was observed in the Ni layer. The reason for this is that one side of the Ni layer has a gallium or aluminum diffused P layer with an atomic radius of 1.26 Å, which is 107% of the silicon atomic radius of 1.17 Å, and the other side has a P layer with an atomic radius of 1.26 Å. Since 94% of phosphorus with an atomic radius of 1.10 Å forms a selectively diffused N + layer,
It is inferred that both diffusion layers absorb the difference in atomic radius and that no disturbance occurs in the crystal structure. In this way, even if gold, which is a lifetime killer, is thermally diffused into a nearly perfectly crystalline silicon disk, the concentration distribution of gold as shown in Figures 4 and 5 will be reduced to 1.
It is impossible to obtain by spreading money twice. The present invention enables the fourth thermal diffusion of gold to be performed once during bond formation.
In order to simultaneously obtain the gold concentration distributions shown in Fig. 5 and Fig. 5, we first induced a disorder in the crystal structure corresponding to the gold concentration distribution in the thickness direction of the silicon disk, and the gold atoms moved into the disordered part of the crystal structure. This is an attempt to obtain the above-mentioned concentration distribution of gold by utilizing the property that gold accumulates in large amounts in gold. First, in order to obtain the gold concentration distribution shown in Figure 4, gallium or aluminum diffusion with an atomic radius of 1.26 Å was used to achieve a low surface concentration (5×10 17 atoms/cc).
Boron with a small atomic radius (0.88 Å) is added at a high surface concentration (about 10 20 atoms/cc
order), the influence of boron atoms becomes stronger in terms of crystal structure, and it becomes easier to induce disorder in the crystal structure in the direction of the Ni layer than with gallium or aluminum alone. However, if the thickness of the P + layer is made too thick, the crystal structure will be disturbed throughout the Ni layer, so it is necessary to balance the relationship between the thickness of the P + layer and the thickness of the P layer. For the above-mentioned reason, from above the third surface of the P layer in FIG. 7a,
The surface concentration of boron is 5×10 20 atoms/cc, and the thickness is 5μ in advance to make it less than 1/3 of the P layer.
The P + layer 2 shown in FIG. 7b was formed by diffusion of m.
Due to this diffusion, a new oxide film 11 is formed on the surface of the P + layer 2. Next, for the purpose of obtaining the total concentration distribution shown in FIG. 5, antimony as an N - type impurity (with respect to silicon with an atomic radius of 1.36 Å 116%), a window 12 is opened in the oxide film 11. Next, antimony was diffused onto the surface of the Ni layer 4' at a surface concentration of 6×10 17 atoms/cc to a thickness of about 5 μm to form the N layer 6 shown in FIG. 7c. In addition, the area ratio of N + layer 5 and N layer 6 is N/N + =
Designed for 15%. Due to this antimony diffusion, the final thickness relationship is 15 μm for the P + layer and 15 μm for the P layer.
45 μm, the Ni layer is 180 μm, and the N + layer is 30 μm. Note that a new oxide film 11 is formed on the surfaces of the P + layer 2 and the N layer 6 by the aforementioned boron diffusion. For the silicon disk in Figure 7c, P layer 3 and
Examining the degree of disorder in the crystal structure of Ni layer 4, N layer 6, and Ni layer 4 using rocking curves using the It was also found that strong crystal disorder occurred in the direction from the N layer 6 to the Ni layer 4. The cause of this is large compared to silicon (atomic radius 1.17 Å), and boron (atomic radius 1.17 Å) has a different atomic radius.
This is thought to be due to the diffusion of surface concentrations of antimony (atomic radius 1.36 Å, 116% relative to silicon) and antimony (atomic radius 1.36 Å, 116% relative to silicon). This crystal disorder is caused by P-Ni in the cross section A to A in Figure 3.
It was found that it appears strongly near the junction and decreases from the Ni layer 4 to the N + layer 5. On the other hand, in the cross section from Ro to Ro in Figure 3, it appears strongly near the P-Ni junction,
It decreases toward Ni layer 4, and it appears strongly near the N-Ni junction, and from N layer 6 to Ni layer 4.
It was also found that there was a decrease towards The tendency of disorder of the crystal structure in the thickness direction of the silicon disk corresponds to regions A and B of the gold concentration distribution in FIG. This corresponded to regions A, B, and C of the gold concentration distribution in Figure 5. This point is the greatest feature of the present invention. Next, in order to reduce the reverse recovery time of the diode wafer shown in FIG. A heat treatment is performed for 60 minutes. As a result of this heat treatment, the gold concentration distribution in the section corresponding to the cross section A to A of FIG. 3 forms regions A, B, and C shown in FIG. 4. The reason why regions A and B in Figure 4 appear after one thermal diffusion of gold corresponds to the tendency of the crystal structure to be disordered as described above, and the reason why the region C decreases is that gold is
This is because it is targeted by someone. The N + layer formed by diffusing phosphorus is sometimes effective for the getter effect of gold, which is one of the features of the present invention. Furthermore, the reason why regions A, B, and D in Figure 5 appear after one thermal diffusion of gold is that antimony does not have the effect of getting gold, so the distribution corresponds to the disorder of the crystal structure described above. be understood. After this heat treatment, the N + layer 5 and N
A supporting electrode 8 made of tungsten and having the same diameter as the diode wafer is placed on the surface of the layer 6 via a metal solder 7 mainly composed of aluminum, and is fixed together by heat treatment in an inert gas. . As a result, the N + layer 5 and the N layer 6 are short-circuited with aluminum. After that, a diameter of 15 mm and a thickness of 10 μm, which will become the anode electrode 1, is attached to the surface of the P + layer 2.
An aluminum evaporation current with . Through the manufacturing process as explained above, the gold concentration distribution shows three regions A, B, and C shown in Figure 4, and three regions A, B, and D shown in Figure 5. Gold concentration distribution can be achieved. After completion of fixing, the P-Ni junction, which is a voltage blocking junction, is shaped into a negative bevel by spherical polishing or the like, and then chemical polishing, surface protection film formation, etc. are performed on the beveled surface to complete the diode. The rating of the diode made in this way is
At 150 A and 2000 V, the reverse recovery time was approximately 1 μsec, and the current waveform during reverse recovery exhibited two-stage di/dt characteristics as shown in FIG. Note that the reverse recovery charge measurement conditions are forward current
It was carried out at 300A and a forward current drop rate of 50A/μS.

【表】 第1表は本実施例によつて製作された素子と従
来製作されていた同定格の素子を比較したもので
ある。第1表から理解されるように本発明による
素子は、逆回復時間と逆回復時のピーク電流が小
さく、ダイオードと逆並列接続して使用されるサ
イリスタに与えるdv/dt耐量に大きな影響力を
もつdi2/dtが、従来の素子よりも低減された優
秀な高速ダイオードが製作可能となつた。このた
めサイリスタ応用技術面に寄与する効果が極めて
大きいものである。 なお、本実施例ではダイオード単体について説
明を行つたが、ダイオードが複合化された他の半
導体装置、例えば逆導通サイリスタや逆導通サイ
リスタウエフアとダイオードウエフアが一体化さ
れてなる複合逆阻止サイリスタなどにも利用でき
ることは、同業者ならば容易に推察できるもので
ある。
[Table] Table 1 compares the device manufactured according to this example with a conventionally manufactured device having the same rating. As can be understood from Table 1, the device according to the present invention has a small reverse recovery time and a small peak current during reverse recovery, and has a large influence on the dv/dt withstand capability of a thyristor that is used in anti-parallel connection with a diode. It has become possible to manufacture an excellent high-speed diode with di 2 /dt lower than that of conventional elements. Therefore, the effect of contributing to thyristor application technology is extremely large. In this embodiment, a single diode has been described, but other semiconductor devices in which a diode is combined, such as a reverse conduction thyristor or a composite reverse blocking thyristor in which a reverse conduction thyristor wafer and a diode wafer are integrated, are also applicable. Those in the same industry can easily guess that it can also be used for other purposes.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はSnap−off特性を有するダイオードの
逆回復時の電流波形の説明図、第2図はSoft−
Recovery特性を有するダイオードの逆回復時の
電流波形の説明図、第3図は本発明の一実施例を
示す高速ダイオードの部分断面図、第4図は第3
図の本発明のダイオードのイ〜イ断面部の金濃度
分布を示した説明図、第5図は第3図の本発明ダ
イオードのロ〜ロ断面部の金濃度分布を示した説
明図、第6図はその逆回復時の電流波形を示した
説明図、第7図は本発明の高速ダイオードの一実
施例の製造工程を示す縦断面図である。 1……アノード電極、2……P+層、3……P
層、4,4′……Ni層、5……N+層、6……N
層、7……金属ろう材、8……支持電極、11…
…酸化膜、12……窓。
Figure 1 is an explanatory diagram of the current waveform during reverse recovery of a diode with Snap-off characteristics, and Figure 2 is an illustration of the current waveform during reverse recovery of a diode with Snap-off characteristics.
An explanatory diagram of a current waveform during reverse recovery of a diode having recovery characteristics, FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a high-speed diode showing an embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the gold concentration distribution in the cross section A to A of the diode of the present invention shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the current waveform during reverse recovery, and FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view showing the manufacturing process of one embodiment of the high speed diode of the present invention. 1...Anode electrode, 2...P + layer, 3...P
Layer, 4, 4'...Ni layer, 5...N + layer, 6...N
Layer, 7...metal brazing material, 8...support electrode, 11...
...Oxide film, 12...Window.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 高抵抗N形母材からなるシリコン基板Ni層
の一方の面にP形不純物のガリウムまたはアルミ
ニウムを拡散して形成したP層を、他方の面にN
形不純物のリンを選択的に拡散し、複数個に分散
配置して形成した主領域となるN+層を有するP
−Ni−N+接合と、前期分散配置したN+層に囲ま
れた複数個の小領域を有するP−Ni接合におい
て、該両接合のP層上にP形不純物のボロンを拡
散して形成したP+層を設け、また前記複数個の
小領域を有するNi層面にN形不純物のアンチモ
ンを拡散して形成したN層を設けたP+−P−Ni
−N+とP+−P−Ni−Nの両接合を形成したダイ
オードウエフアとし、逆回復電荷を小さくするた
めにダイオードウエフアの両面よりライフタイム
キラーである金を熱拡散し、ダイオードウエフア
の厚み方向の金の濃度分布がP+−P−Ni−N+
合ではP+層からN+層に向つて3段階に減少する
ような勾配を持ち、P+−P−Ni−N接合ではP+
層からN層に向つてU字形の分布を示すようにし
たことを特徴とする高速ダイオード。
1 A P layer formed by diffusing P-type impurity gallium or aluminum on one side of a silicon substrate Ni layer made of a high-resistance N-type base material, and an N layer on the other side.
P with an N + layer as the main region formed by selectively diffusing phosphorus as a shape impurity and dispersing it into multiple pieces.
-Ni-N + junction and P-Ni junction that has multiple small regions surrounded by dispersed N + layers, formed by diffusing P-type impurity boron onto the P layer of both junctions. A P + layer formed by diffusing antimony as an N type impurity onto the surface of the Ni layer having the plurality of small regions is provided.
The diode wafer has both -N + and P + -P-Ni-N junctions formed, and gold, which is a lifetime killer, is thermally diffused from both sides of the diode wafer to reduce reverse recovery charge. In the P + -P-Ni-N + junction, the gold concentration distribution in the thickness direction of the fiber has a gradient that decreases in three stages from the P + layer to the N + layer, and the P + -P-Ni-N P + at the junction
A high-speed diode characterized by exhibiting a U-shaped distribution from the layer to the N layer.
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