JPH07211780A - 半導体材料に形成されたダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチング・トランジスタと共に集積化さ
れたその逆電流阻止用のダイオード及びその製造方法を
提供する。 【構成】 基板（８２）にｎ型のトランジスタのコレク
タ領域（８１）、このコレクタ領域（８１）の表面にｐ
型のベース領域（８３）及びｎ型のエミッタ領域（８
４）を順次形成する。更にｎ型のコレクタ領域（８１）
に関連させてｐ型のアノード領域（８５）を形成してダ
イオードを構築し、前記トランジスタのコレクタ及び前
記ダイオードのカソードを共通接続する。前記アノード
領域（８５）に選択的に電荷キャリヤの再結合の中心と
なる金をドープしてダイオードの回復時間を高速化させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トランジスタ・スイッ
チに関し、特に例えば誘導負荷のスイッチングにおいて
必要とされる逆電流阻止用ダイオード及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイオードがトランジスタと共に集積化
されて形成されているときは、ダイオードは、必要とす
る共通接続が直接得られるように、トランジスタのコレ
クタを形成する半導体材料に形成されると都合よい。残
念ながら、良好なスイッチング・トランジスタを得るた
めに選択された材料の特性は、全ての応用で許容し得る
ダイオードのパフォーマンスを作り出すものではない。
この問題は特に高電圧及び大電力のスイッチを考えた場
合に困難である。単純な集積トランジスタのパフォーマ
ンスが不満足なことが証明された応用の一例には、蛍光
灯のインバータ回路がある。

【０００３】標準的な螢光灯は産業及び商業的な環境で
広く用いられている。螢光灯は、白熱電球に比較して、
エネルギ消費が低く、かつ寿命が長いが、多くの家庭的
な利用において、これらの利点は螢光灯の適合寸法、付
加的な制御装置の必要性及び高い初期コストの欠点を補
っても余りがあった。その結果、螢光灯の使用はかなり
選択的なものであった。更に、作業照明のような応用で
は、通常の螢光灯により得られる分散光源よりも集中光
源が必要とされる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの理由のため
に、白熱（フィラメント）電球には依然として大きな市
場が存在している。ランプの製造者は、効率的な小さな
光源に関する必要性を認識して、コンパクトな範囲の螢
光灯を開発した。小型化はガラス管の直径を小さくし、
かつガラス管を１回以上折り曲げることにより達成され
ている。通常の螢光灯のように、これらコンパクトな螢
光灯は依然として安定器及びスタータを必要としてい
る。スタータの問題は管のベースにグロー・スタータを
構築することにより解決された。このようなコンパクト
な螢光灯をアダプタに搭載された安定器と結合させれ
ば、白熱電球を置き代え得る光源が得られる。

【０００５】コンパクトな螢光灯を通常の５０／６０Ｈ
ｚ安定器と組合わせると、その適用領域が限定された光
源となる。フィラメント電球に対して高い付加コストに
加えて、安定器の重量と容積は結果として多くの白熱電
球の適合性で改善が不可能な光源を作成しまうことなっ
た。例えば、物理的な寸法は、これらの付属品を受け入
れられるかどうかを判断する際の要素であり、かつ寸法
は可能な限り縮小することが望ましい。これは電子安定
器部品を集積化したいということになる。

【０００６】これらの問題を処理するために、５０／６
０安定器に代わる小さくて軽い電子安定器が開発され
た。ある場合では、このようにコンパクトな螢光灯が常
に電子安定器の動作と両立するものでなかった。螢光灯
は動作中に連続してちらつくか又はランダムな時間でち
らつく。この問題は、螢光灯のグロー・スタータを電子
安定器が発生する高い周波数の交流によって作動させる
ことに原因があった。従って、グロー・スタータをなく
した新しい範囲のコンパクトなものが導入された。この
範囲の螢光灯は、一体化スタータを有する従来の２ピン
の螢光灯に比較して、４接続ピン（各ヒータに２ピン）
により特徴付けられる。

【０００７】高い周波数で螢光灯を動作させると、与え
られた光レベルで必要とする管電力が低下する。同一の
光出力を発生させるのに１２Ｗ、５０Ｈｚ定格の管は高
い周波数では単に１０Ｗあればよいことになる。システ
ム・レベルにおいて、システム電源から引き出される総
合電力は、５０Ｈｚ安定器では１４Ｗとなり、高い周波
数の安定器では単に１１Ｗとなり得る。従って、一般的
に高い周波数の電子安定器システムは、比較可能な５０
Ｈｚ動作の管より消費する電力が小さい。これに対する
鍵は、高い周波数の安定器の損失が低くなければならな
い、ということにある。特に、高い周波数の交流を発生
する電子スイッチは、必要な高い電圧の動作及び逆電流
パフォーマンスを与えるのに加えて、安定かつ低損失で
なければならない。スイッチング・トランジェントの結
果としての電流反転は、通常、逆並列ダイオードを設け
ることにより対処している。逆電流が高い可能性がある
高電圧用では、ダイオードは、トランジスタそれ自体の
ように、物理的に大きくなる。従って、回路寸法の低減
が望ましい応用では、信頼性及びコスト低減のような他
の利点に加えられるように、ダイオードを集積化する強
い誘因が存在する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、その一
つの特徴において、請求の範囲に記載した電子スイッチ
が提供される。

【０００９】特に、本発明は、スイッチングに適当な特
性を有する半導体材料において一体化したトランジスタ
及び逆並列ダイオードを提供する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の特徴及び効果を更によく理解
できるように、単なる例として添付する図面を参照して
複数の実施例を説明しよう。

【００１１】電子安定器の基本的な機能はライン周波数
での交流を更に高い周波数、通常は３０〜４０ＫＨｚ領
域の周波数に変換することである。低い周波数を直接高
い周波数に変換することは複雑過ぎる。通常、２段階の
プロセスが用いられる。交流電源をまず直流に整流し、
この直流を高い周波数により断続させて交流を発生さ
せ、螢光灯を駆動させる。

【００１２】螢光灯１０（図１）を駆動する電子安定器
の構成において、整流器及びＥＭＣフィルタ１１で交流
５０Ｈｚの電力が供給される。直流電力の電圧ＶS 、例
えば３２５Ｖが高周波インバータ１２に印加され、高周
波インバータ１２が螢光灯１０に３０ＫＨｚ、３２５Ｖ
の電力を供給する。螢光灯１０に接続されているのは高
周波フィルタ回路１４である。

【００１３】ヨーロッパの大抵の電子安定器は交流５０
Ｈｚの電力を全波整流して２５０Ｖ〜３７０Ｖ範囲にあ
る直流電圧ＶS の電力を発生する。（ブースト・コンバ
ータ用いて電子的な電力係数の補正を行なう場合に、直
流レール電圧は典型的には４００Ｖの領域にある。）。
次いで、この直流電力は３０〜４０ＫＨｚでスイッチン
グする半“Ｈ”ブリッジ・インバータを給電する。この
インバータが発生する高周波波形はＬＣフィルタを介し
て１又はそれより多い螢光灯を駆動する。この高周波イ
ンバータ１２は本発明によることが可能な電子スイッチ
を含む。

【００１４】ここで、高周波インバータを更に詳細に説
明しよう。

【００１５】この高周波インバータの機能は交流整流に
より発生した直流電圧を高周波の交流に断続させること
である。高周波インバータが取り得るいくつかの形式が
ある。その一つはプッシュ・プル構成である。ここで
は、両スイッチの一方を共通の電源レールに接続し、ス
イッチの他方側を（フィルタ）変成器に接続する。他の
共通構成は半“Ｈ”ブリッジである。この場合に、２つ
のスイッチを電源端に直列接続して、共通接続から高周
波出力を取り出す。半“Ｈ”ブリッジの動作のみを詳細
に説明する。しかし、本発明は半“Ｈ”ブリッジに限定
されるものでも、更に電子照明応用に用いられるインバ
ータに限定されるものでもないことは理解されるであろ
う。本発明は他の電力スイッチング用に用いられてもよ
い。

【００１６】半“Ｈ”ブリッジ（図２）はトランジスタ
・スイッチＴＲ１及びＴＲ２と、それぞれの逆並列ダイ
オードＤ７及びＤ８とにより形成される。逆並列ダイオ
ードＤ７及びＤ８はそれぞれのトランジスタ・スイッチ
ＴＲ１及びＴＲ２における逆方向の負荷電流を流すよう
に設けられている。抵抗Ｒ２、コンデンサＣ５及びダイ
アックＤ６は、トランジスタ・スイッチＴＲ２を導通状
態に「切り換え」るし張発振器を形成する。抵抗はトラ
ンジスタ・スイッチＴＲ２のコレクタ電圧を正電源レー
ルに設定して正しい起動バイアスを確保する。トランジ
スタ・スイッチＴＲ２が導通状態になると、自己発振が
駆動変圧器Ｔ２からの正帰還により維持される。他の構
成では、トランジスタを外部発振器により駆動してもよ
い。これは回路の複雑さを増加させるが、減光及びリモ
ート・コントロールのような付加的な機能を関連させる
ことができる。いわゆる「スナバ」コンデンサＣ６はス
イッチがターン・オン及びターン・オフする際の波形エ
ッジを鈍らせている。これはスイッチの損失及び高調波
を低下させる。

【００１７】エミッタ抵抗Ｒ４及びＲ６は、わずかな効
率の低下を示すが、負荷電流に依存するエミッタ・バイ
アス電圧を発生する。これは、ターン・オフ中でトラン
ジスタの逆ベース電流レベルを高くして、トランジスタ
のターン・オフ時間の差を等化させるのに寄与する。更
に、起動及びフォールト状態において、これらエミッタ
抵抗Ｒ４及びＲ６端に発生する高い電圧レベルはトラン
ジスタにおけるピーク電流を制限させるのに寄与する。
変圧器の巻線電圧、トランジスタのＶbe及びエミッタ抵
抗端に発生する電圧と共に、直列のベース抵抗Ｒ３及び
Ｒ５は、トランジスタ・ベース・ターン・オフ電流Ｉbo
ffを定める。

【００１８】図３はインバータの出力電圧Ｖ及び電流Ｉ
を示す。負荷（ランプ）の電流はスイッチの導通期間中
に極性が変化することが分かる。この電流の逆転は逆並
列ダイオードＤ７及びＤ８を必要なものにする。

【００１９】実際のスイッチ電流Ｉswitchを図４ａに示
し、トランジスタのコレクタの（ＬC ）により示すスイ
ッチ電流の部分を図４ｂに示す。

【００２０】ダイオードのカソード接続をトランジスタ
のエミッタに移動させれば、ダイオード及びトランジス
タの集積は簡単化される。集積ダイオード及びトランジ
スタ５０（図５）により、図２のダイオードのエミッタ
抵抗Ｒ２を図示のように接続する構成となる。

【００２１】トランジスタ及びダイオードの単純な集積
化は、動作周波数に大きな２つの影響がある。その第１
は、トランジスタは総合的な総スイッチング電流を流し
ており、充電レベルが増大すればトランジスタの蓄積時
間を長くさせ、これが自己発振インバータの動作周波数
を低下させることになる。動作周波数におけるこのよう
な低下は、通常エミッタ抵抗Ｒ２の値を増加させること
により元の値に戻す修正が可能である。その第２は、ダ
イオードの長い回復時間のために動作周波数が低下す
る。本質的に、トランジスタは、通常の導通を開始する
前に、ダイオードが復帰するのを待機する必要がある。
従って、動作を効率的にするためには、ダイオード回復
時間が短くなければならない。残念ながら、集積ダイオ
ードはトランジスタのコレクタ領域と同一の材料から形
成されている。トランジスタの動作に関してこの材料の
仕様は、急速な回復のために最適化するものではないと
いうことを意味する。ダイオードの回復が遅いと、ある
種の螢光灯においてはインバータ回路を不安定にし、高
速の回復デバイスとして個別的に最適化が可能な個別ダ
イオードを有する回路と比較すると、パフォーマンスが
劣った回路となる。

【００２２】例えば、螢光灯は、スイッチ・オンの後、
安定な動作状態に達するまである時間が掛かる。インバ
ータはこれを時間による負荷電流の変化とみなす。この
変化は残念ながら単純な集積ダイオード・トランジスタ
に正帰還を発生させる。負の（ダイオード）電流が増加
すると、ダイオードは回復に時間が掛かる。これはまた
自己発振インバータの周波数を低下させる。周波数が低
下すると、負荷電流を増加させ、続いてこれがダイオー
ド電流を増加させ、更に周波数を低下させる。これがも
たらす動作条件における変化は、螢光灯の負荷が変化す
る際に安定な出力を発生させるインバータの設計の妨げ
となるというのが最終的な結果である。

【００２３】適当な回路パフォーマンスにとって必要な
ことは、最適化した個別ダイオードに匹敵し得る回復時
間を持った集積ダイオードである。

【００２４】本発明は、ダイオードを形成する半導体材
料を選択的にドーピングすることにより、集積化した高
速回復のダイオードを提供することであり、前記半導体
材料はスイッチング・トランジスタのコレクタに関して
最適化されたものである。ドーピングは電荷キャリヤの
再結合の中心となり、例えば適当なドーパントは金及び
白金である。

【００２５】単純な集積ダイオードにおける回復特性が
図６に示されており、長回復時間６０が測定される。図
７には本発明の集積デバイスのダイオードの特性が示さ
れており、更に短回復時間７０が測定される。ここで、
実施例デバイスの構造を説明する。

【００２６】本発明によるデバイス８０（図８）におい
て、スイッチング用に選択したシリコン基板８２にｎ型
のコレクタ領域８１を形成する。コレクタ領域８１の表
面にｐ型のベース領域８３を形成し、かつこれにｎ型の
エミッタ領域８４を形成する。これら領域の寸法及び形
状は、既知の高電圧・電力スイッチング・トランジスタ
の原理に従っていることが分かっている。従って、以上
説明したトランジスタに加えて、ｐ型のアノード領域８
５を形成してトランジスタのコレクタ領域８１に関連し
た接合ダイオードを得る。フィールド・スプレッダとし
て作用するように、このデバイスをｐ型の注入領域８８
により取り囲む。共通接続したトランジスタのコレクタ
及びダイオードのカソードをダイの背面を介して接触さ
せてもよい。金属層領域８６及び８７を配置してエミッ
タ及びベースをそれぞれ接触させる。更に、金属層領域
８６はアノード領域８５に重畳して共通のアノード・エ
ミッタ・コンタクトも得る。ダイオードのアノード領域
８５に選択的に金をドープして高速回復のダイオードを
得る。スイッチング・トランジスタのパフォーマンスは
実質的に不変のままである。

【００２７】ここで、図８の集積トランジスタ・ダイオ
ード・デバイスの製作を説明する。

【００２８】スターティング材料は６０〜８０オーム／
ｃｍのフローティング・ゾーンであり、この上にドーパ
ント・ソースとしてＰＯＣｌ3 を用いて１２００℃で４
時間リンを堆積し、次いで０．２４１３ｍｍの浸透を得
るように１３２５℃で１５６時間拡散をする。更に、ウ
ェーハの表面を接地し、かつ上面に伸延したトランジス
タのｎ型のコレクタ領域８１を有する基板８２（図９）
が得られるように研摩する。この材料は、高電圧の電力
スイッチング・トランジスタの製作に適していることが
分かる。次いで、表面を０．８μｍ又はそれより厚い酸
化物層９０により被い、これをパターン化し、かつ選択
的に除去して注入により注入領域８８を形成させる。注
入はホウ素７．０×１０¹²イオン／ｃｍ² であり、次に
これを１３００℃で６０時間拡散を行って４．４μｍの
浸透を得る。再び、酸化物を選択的に除去して注入及び
拡散（ホウ素の注入、１３００℃で２．２時間の５．２
×１０¹⁴拡散（０．６４μｍの浸透））により、アノー
ド領域８５を形成させせる。

【００２９】更に酸化物の選択的な除去後に、他のホウ
素の注入拡散（１３００℃で２．２時間の５．２×１０
¹⁴拡散）を行ってベース領域８３を形成し（図１０）、
更にダイオードのアノード領域８５を形成させる。選択
的な除去及びリン堆積のために新しい酸化物層を設けて
パターン化する。１１０℃で１１０分リンを拡散させ
て、０．６２μｍ浸透させてエミッタ領域８４を作成す
る（図１１）。次に、酸化物をパターン化し、かつ選択
的に除去して金属接触層に備える。

【００３０】レジスト層１２０を設けてパターン化し
（図１２）、ダイオードのアノード領域８５に対して選
択的なドープを行ない、続いてアノード領域８５上のレ
ジストを除去する。金（１×１０¹³) を注入し、９００
℃で１５分間拡散をする。最後にアルミニウム層を付加
することにより選択的な除去後に上面に電気的なコンタ
クトを設ける。

【００３１】その結果のデバイス（図８）は、スイッチ
ング用に適した集積トランジスタ及びダイオードとな
る。ダイオードに選択的に行った金のドーピングは、ト
ランジスタのパフォーマンスに影響を与えることなく、
回復パフォーマンスのみを改善させる。これは全般的な
金のドーピング法と対照をなすことになる。

【００３２】説明した型式のデバイスは１００ｍｍ直径
上に２．６６７ｍｍ平方のダイをうまく製作できた。

【００３３】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。

【００３４】（１）半導体材料に形成されたダイオード
において、前記ダイオードは電荷キャリヤの再組合わせ
を促進させるドーパントにより選択的にドープされた領
域を有することを特徴とするダイオード。

【００３５】（２）前記ドーパントは金であることを特
徴とする第１項記載のダイオード。

【００３６】（３）前記領域はダイオード活性領域と共
存していることを特徴とする第１項又は第２項記載のダ
イオード。

【００３７】（４）トランジスタ及びダイオードを含む
集積デバイスにおいて、前記ダイオードは第１項、第２
項又は第３項のうちのいずれかに記載のダイオード。

【００３８】（５）前記半導体材料はトランジスタ動作
用に最適化されていることを特徴とする第４項記載の集
積デバイス。

【００３９】（６）第４項又は第５項記載の集積デバイ
スを含む電子安定器。

【００４０】（７）第４項又は第５項記載の集積デバイ
スを含むインバータ。

【００４１】（８）第４項又は第５項記載の集積デバイ
スを含む照明装置。

【００４２】（９）図面を参照して以上で実質的に説明
したダイオード。

【００４３】（１０）図面を参照して以上で実質的に説
明した集積デバイス。

【００４４】（１１）図面を参照して以上で実質的に説
明した電子安定器。

【００４５】（１２）図面を参照して以上で実質的に説
明したインバータ装置。

【００４６】（１３）図面を参照して以上で実質的に説
明した照明装置。

【００４７】（１４）以上で実質的に説明したダイオー
ドを作成する方法。

【００４８】（１５）以上で実質的に説明した集積デバ
イスを作成する方法。

【００４９】（１６）基板にｎ型のトランジスタのコレ
クタ領域、このコレクタ領域の表面にｐ型のベース領域
及びｎ型のエミッタ領域を順次形成し、更にｎ型のコレ
クタ領域に関連させてｐ型のアノード領域を形成してダ
イオードを構築し、前記トランジスタのコレクタ及び前
記ダイオードのカソードを共通接続すると共に、アノー
ド領域に選択的に電荷キャリヤの再結合の中心となる金
をドープしてダイオードの回復時間を高速化させること
を特徴とする前記製造方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子安定器のブロック図。

【図２】高周波数インバータの回路図。

【図３】インバータの電流及び電圧波形を示す図。

【図４】スイッチング電流の波形を示す図。

【図５】集積ダイオードの概略図。

【図６】単純な集積ダイオードの逆回復特性を示す図。

【図７】本発明により集積したダイオードの逆回復特性
を示す図。

【図８】作成工程を示す図。

【図９】作成工程を示す図。

【図１０】作成工程を示す図。

【図１１】作成工程を示す図。

【図１２】作成工程を示す図。

【符号の説明】

８１ コレクタ領域 ８２ シリコン基板 ８３ ベース領域 ８４ エミッタ領域 ８５ アノード領域 ８６、８７ 金属層領域 ９０ 酸化物層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイブ ガーンハム イギリス国エムケイ41 ７ピーエイ ベッ ドフォード，マントン レーン（番地な し） テキサス インスツルメンツ リミ テッド 気付

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体材料に形成されたダイオードにお
   いて、前記ダイオードは電荷キャリヤの再組合わせを促
   進させるドーパントにより選択的にドープされた領域を
   有することを特徴とするダイオード。
2. 【請求項２】 以上で実質的に説明したダイオードを作
   成する方法。