JPH09199733A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体素子及びその製造方法Info
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- JPH09199733A JPH09199733A JP452896A JP452896A JPH09199733A JP H09199733 A JPH09199733 A JP H09199733A JP 452896 A JP452896 A JP 452896A JP 452896 A JP452896 A JP 452896A JP H09199733 A JPH09199733 A JP H09199733A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ダイオードの高周波化(100kHz 以上)を再
現性,量産性,制御性良く、かつ他の特性(耐圧,オン
電圧,逆方向リーク電流等)の低下なく達成する。 【解決手段】p+n接合において、p+層中及びpn接
合近傍には白金をドーピングし、n層中には金をドーピ
ングして、ライフタイムを制御する。 【効果】白金の低リーク性,金の低オン電圧性により、
高性能の高周波ダイオードが実現できる。
現性,量産性,制御性良く、かつ他の特性(耐圧,オン
電圧,逆方向リーク電流等)の低下なく達成する。 【解決手段】p+n接合において、p+層中及びpn接
合近傍には白金をドーピングし、n層中には金をドーピ
ングして、ライフタイムを制御する。 【効果】白金の低リーク性,金の低オン電圧性により、
高性能の高周波ダイオードが実現できる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高速スイッチング用
および高周波高圧整流用ダイオードに係り、特にライフ
タイムキラーのドーピング方法に関する。
および高周波高圧整流用ダイオードに係り、特にライフ
タイムキラーのドーピング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイオード等の半導体素子のスイッチン
グ速度の向上には、蓄積電荷量を少なくすること、即
ち、少数キャリアのライフタイムを短くすることが必要
である。しかし、ライフタイムを短くすると導通状態の
損失が大きくなったり、逆方向のリーク電流が大きくな
ったりする問題がある。このため素子に合ったライフタ
イム制御方法が種々使い分けられている。
グ速度の向上には、蓄積電荷量を少なくすること、即
ち、少数キャリアのライフタイムを短くすることが必要
である。しかし、ライフタイムを短くすると導通状態の
損失が大きくなったり、逆方向のリーク電流が大きくな
ったりする問題がある。このため素子に合ったライフタ
イム制御方法が種々使い分けられている。
【0003】重金属の拡散に関しては、種々の方法が知
られている。
られている。
【0004】特公昭55−28235 号等にはシリコンダイオ
ードの積層体の高圧ダイオードに白金をドーピングする
ことが開示されている。米国特許公報(USP)3,640,
783号,特公昭48−28108 号等には白金,金,鉄等の拡
散の温度や冷却法,濃度が規定されている。
ードの積層体の高圧ダイオードに白金をドーピングする
ことが開示されている。米国特許公報(USP)3,640,
783号,特公昭48−28108 号等には白金,金,鉄等の拡
散の温度や冷却法,濃度が規定されている。
【0005】特開昭55−63869号,特開昭59−72732号等
には2種類の重金属をドーピングにより、ライフタイム
の制御性の向上や素子の温度特性の改善が開示されてい
る。
には2種類の重金属をドーピングにより、ライフタイム
の制御性の向上や素子の温度特性の改善が開示されてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来例では半導
体素子の高速化には限界があり、超高速化と耐圧や逆方
向のリーク電流、特に高温でのリーク電流,オン電圧等
のトレードオフについては考慮されていない。
体素子の高速化には限界があり、超高速化と耐圧や逆方
向のリーク電流、特に高温でのリーク電流,オン電圧等
のトレードオフについては考慮されていない。
【0007】本発明の目的は、逆回復時の蓄積時間を1
00ns以下、望ましくは35ns以下の超高速素子を
他の特性を損なうことなく、かつ制御性・再現性良く、
また容易に製造するためのライフタイムキラーのドーピ
ング方法を提供することにある。
00ns以下、望ましくは35ns以下の超高速素子を
他の特性を損なうことなく、かつ制御性・再現性良く、
また容易に製造するためのライフタイムキラーのドーピ
ング方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は重金属のドー
ピングを以下の様にすることにより達成される。
ピングを以下の様にすることにより達成される。
【0009】図3(a),(b)はダイオードのpn接合
の導通状態および阻止状態の断面模式図を、(c)はダ
イオードの逆回復特性を示す。pn接合の順方向に電圧
を印加した場合は、カソード側から電子が、アノード側
からホールが注入されて導通状態となる。この時、結晶
中に蓄積された電荷が多いほど電流が流れやすくなり導
通時の損失(オン電圧)を小さくできる。一方、印加電
圧が逆方向に変化し、導通状態から阻止状態にするため
には、結晶中のキャリアを一旦全てはきだすことが必要
である。導通状態から阻止状態に移行する初期の段階で
は、電子とホールは導通状態とは反対の方向に引き寄せ
られ、順方向電流が減少した後一旦逆方向電流が流れ、
その後阻止状態となる。この逆方向電流が消滅して阻止
状態になるまでの時間(逆回復時間)を決めているのが
蓄積電荷量、即ちキャリアのライフタイムである。
の導通状態および阻止状態の断面模式図を、(c)はダ
イオードの逆回復特性を示す。pn接合の順方向に電圧
を印加した場合は、カソード側から電子が、アノード側
からホールが注入されて導通状態となる。この時、結晶
中に蓄積された電荷が多いほど電流が流れやすくなり導
通時の損失(オン電圧)を小さくできる。一方、印加電
圧が逆方向に変化し、導通状態から阻止状態にするため
には、結晶中のキャリアを一旦全てはきだすことが必要
である。導通状態から阻止状態に移行する初期の段階で
は、電子とホールは導通状態とは反対の方向に引き寄せ
られ、順方向電流が減少した後一旦逆方向電流が流れ、
その後阻止状態となる。この逆方向電流が消滅して阻止
状態になるまでの時間(逆回復時間)を決めているのが
蓄積電荷量、即ちキャリアのライフタイムである。
【0010】蓄積電荷量の内容を詳細に見ると、初期の
大きなピークの原因はp層から注入されるキャリア及び
pn接合近傍の蓄積キャリアであり、終盤のなだらかな
回復の原因は主としてn層内部に残存するホールに起因
するものである。それ故、逆回復時間を短縮させるため
にはそれぞれの蓄積電荷量を適確に調整することが必要
である。
大きなピークの原因はp層から注入されるキャリア及び
pn接合近傍の蓄積キャリアであり、終盤のなだらかな
回復の原因は主としてn層内部に残存するホールに起因
するものである。それ故、逆回復時間を短縮させるため
にはそれぞれの蓄積電荷量を適確に調整することが必要
である。
【0011】ライフタイムキラーとしては、金,白金,
鉄等の重金属のドーピングが最も一般的である。これは
拡散法が簡単で量産に適しており、また素子特性との関
連が良く知られているからである。放射線照射による方
法は、微量なコントロールが容易であり、選択的なドー
ピングが可能であるが、ドーピングに高電圧の電子線や
粒子線を用いるため、高価で複雑な照射設備を必要とす
るため、特殊な用途に限定される。
鉄等の重金属のドーピングが最も一般的である。これは
拡散法が簡単で量産に適しており、また素子特性との関
連が良く知られているからである。放射線照射による方
法は、微量なコントロールが容易であり、選択的なドー
ピングが可能であるが、ドーピングに高電圧の電子線や
粒子線を用いるため、高価で複雑な照射設備を必要とす
るため、特殊な用途に限定される。
【0012】それぞれ重金属のライフタイムキラーとし
ての特徴は次のとおりである。
ての特徴は次のとおりである。
【0013】金ドーピングの最大の特徴はオン電圧の増
加を抑えて、高速化が可能なことである。しかし、逆方
向のリーク電流が増大してしまうことが欠点であり、特
に高温動作時のリーク電流が大きい。また、シリコンの
抵抗率の補償効果(金ドーピングにより抵抗率が増大す
る割合)は白金の場合より大きい。シリコン中の拡散は
固溶度は大きいが拡散は遅い格子点置換型拡散と、その
反対に固溶度は小さいが拡散は早い格子間型拡散、それ
らの中間の空格子点を経由したり、格子間を拡散しつつ
格子点に置換する拡散形態がある。シリコン酸化膜は拡
散のマスク効果を有する。一方、シリコン酸化膜がない
状態では、金はシリコン表面を極めて高速で拡散(マイ
グレーション)し、シリコン基板全表面から拡散してい
く。上記の拡散現象のためシリコン中の金の濃度分布
は、大別して、表面付近の高濃度の浅い拡散層と、低濃
度でなだらかな勾配の深い拡散層となる。なお、従来、
シリコン結晶中の金拡散の濃度分布は、表面付近の高濃
度の浅い拡散層と、結晶中央部はほぼ均一な低濃度の拡
散層となる報告があるが、高品位無転位結晶では、拡散
則に従う分布が得られる。
加を抑えて、高速化が可能なことである。しかし、逆方
向のリーク電流が増大してしまうことが欠点であり、特
に高温動作時のリーク電流が大きい。また、シリコンの
抵抗率の補償効果(金ドーピングにより抵抗率が増大す
る割合)は白金の場合より大きい。シリコン中の拡散は
固溶度は大きいが拡散は遅い格子点置換型拡散と、その
反対に固溶度は小さいが拡散は早い格子間型拡散、それ
らの中間の空格子点を経由したり、格子間を拡散しつつ
格子点に置換する拡散形態がある。シリコン酸化膜は拡
散のマスク効果を有する。一方、シリコン酸化膜がない
状態では、金はシリコン表面を極めて高速で拡散(マイ
グレーション)し、シリコン基板全表面から拡散してい
く。上記の拡散現象のためシリコン中の金の濃度分布
は、大別して、表面付近の高濃度の浅い拡散層と、低濃
度でなだらかな勾配の深い拡散層となる。なお、従来、
シリコン結晶中の金拡散の濃度分布は、表面付近の高濃
度の浅い拡散層と、結晶中央部はほぼ均一な低濃度の拡
散層となる報告があるが、高品位無転位結晶では、拡散
則に従う分布が得られる。
【0014】白金ドーピングの特徴は、逆方向のリーク
電流を増大させることなく、高速化が可能なことであ
る。しかし、オン電圧が大きくなる欠点がある。シリコ
ン中への拡散現象は金の場合とほぼ同様である。同一の
ライフタイムを得るためには、金よりも白金の方が高温
の拡散が必要である。
電流を増大させることなく、高速化が可能なことであ
る。しかし、オン電圧が大きくなる欠点がある。シリコ
ン中への拡散現象は金の場合とほぼ同様である。同一の
ライフタイムを得るためには、金よりも白金の方が高温
の拡散が必要である。
【0015】このため、ダイオードのpn接合近傍には
リーク電流を劣化させない白金で、n層にはオン電圧を
劣化させない金でライフタイムを制御することが効果的
となる。
リーク電流を劣化させない白金で、n層にはオン電圧を
劣化させない金でライフタイムを制御することが効果的
となる。
【0016】シリコン結晶中へ金と白金を選択拡散させ
るためには、シリコン酸化膜をマスクとしてそれぞれを
拡散させれば可能となる。アノード面に白金を、カソー
ド面に金を蒸着やスパッタリングでコーティングした
り、イオン打ち込みした後、シリコン全表面をシリコン
酸化膜で被覆して熱処理することにより達成される。し
かし、この方法では、両者の濃度を正確に制御すること
は難しく、金,白金をそれぞれ順次拡散させることが必
要となる。シリコン基板のそれぞれの主面に白金または
金を含有するシリコン酸化膜系被膜形成用塗布液を塗布
して熱処理する方法は制御性良くかつ簡単な工程で選択
拡散できる。これは、塗布液中の金および白金の含有量
を選定することにより、金または白金のシリコン中への
拡散が始まると、シリコン表面との界面の塗布液中の金
または白金は消費され、塗布液はガラス質となると同時
に極く薄いシリコン酸化膜マスクと同様に作用するため
である。金または白金の含有量が少なく、拡散温度が高
いほどマスク作用が顕著となり、選択拡散が達成でき
る。
るためには、シリコン酸化膜をマスクとしてそれぞれを
拡散させれば可能となる。アノード面に白金を、カソー
ド面に金を蒸着やスパッタリングでコーティングした
り、イオン打ち込みした後、シリコン全表面をシリコン
酸化膜で被覆して熱処理することにより達成される。し
かし、この方法では、両者の濃度を正確に制御すること
は難しく、金,白金をそれぞれ順次拡散させることが必
要となる。シリコン基板のそれぞれの主面に白金または
金を含有するシリコン酸化膜系被膜形成用塗布液を塗布
して熱処理する方法は制御性良くかつ簡単な工程で選択
拡散できる。これは、塗布液中の金および白金の含有量
を選定することにより、金または白金のシリコン中への
拡散が始まると、シリコン表面との界面の塗布液中の金
または白金は消費され、塗布液はガラス質となると同時
に極く薄いシリコン酸化膜マスクと同様に作用するため
である。金または白金の含有量が少なく、拡散温度が高
いほどマスク作用が顕著となり、選択拡散が達成でき
る。
【0017】
(実施例1)図1は本発明の方法による高周波高耐圧整
流用ダイオードの製造プロセスを示す断面模式図であ
る。
流用ダイオードの製造プロセスを示す断面模式図であ
る。
【0018】(a)製法FZ,導電型n型,抵抗率30
〜40Ω−cm,厚み310μm、の無転位シリコン単結
晶1を準備する。
〜40Ω−cm,厚み310μm、の無転位シリコン単結
晶1を準備する。
【0019】(b)両主表面よりリンを拡散させ、n+
層11・n層10・n+層12の三層構造とする。拡散
はオキシ三塩化リンを拡散ソースとし、1100℃,
5.5時間である。
層11・n層10・n+層12の三層構造とする。拡散
はオキシ三塩化リンを拡散ソースとし、1100℃,
5.5時間である。
【0020】(c)一主表面のn+拡散層11を研磨除
去する。
去する。
【0021】(d)両主表面よりボロンを拡散させ、p
+層13・n層10・n+層12の三層構造とする。拡
散はボロンナイトライド(BN)を拡散ソースとした、
1000℃,2.5 時間のプレデポジションと1250℃,
25時間のドライブイン拡散の2ステップ法である。こ
の時、リン拡散層12はシリコン表面で1×1020/cm
3 以上と高濃度のためそのままn+型が保たれ拡散深さ
は59μmであり、ボロン拡散層13は表面濃度1×1
019/cm3 ,拡散深さは50μmである。
+層13・n層10・n+層12の三層構造とする。拡
散はボロンナイトライド(BN)を拡散ソースとした、
1000℃,2.5 時間のプレデポジションと1250℃,
25時間のドライブイン拡散の2ステップ法である。こ
の時、リン拡散層12はシリコン表面で1×1020/cm
3 以上と高濃度のためそのままn+型が保たれ拡散深さ
は59μmであり、ボロン拡散層13は表面濃度1×1
019/cm3 ,拡散深さは50μmである。
【0022】(e)ボロン拡散層の表面には白金を0.
31% 含有したシリコン酸化膜系塗布液14を、リン
拡散層の表面には金を0.25% 含有したシリコン酸化
膜系塗布液15を順次スピンナーでコーティングし、2
00℃の恒温槽でベーキングし有機溶剤を蒸発させる。
この時、それぞれの膜厚は0.15μm である。
31% 含有したシリコン酸化膜系塗布液14を、リン
拡散層の表面には金を0.25% 含有したシリコン酸化
膜系塗布液15を順次スピンナーでコーティングし、2
00℃の恒温槽でベーキングし有機溶剤を蒸発させる。
この時、それぞれの膜厚は0.15μm である。
【0023】白金及び金の拡散は915℃,10min ,
窒素気流中であり、拡散後は炉からアルミニウムプレー
トの上に取り出し急冷させる。
窒素気流中であり、拡散後は炉からアルミニウムプレー
トの上に取り出し急冷させる。
【0024】図2にシリコン結晶中の不純物の濃度分布
を示す。金と白金の分布は放射化分析により測定でき
る。金はn型基板中においては、2×1014/cm3 から
5×1013/cm3 となだらかな勾配で選択拡散されてい
る。白金はボロン拡散層内では(5〜2)×1013/cm
3であるが、n型基板中においては、2×1013/cm3の
分析の検出感度以下(点線)であり、やはり選択拡散さ
れていることが判る。 (f)シリコンの両主面のシリコン酸化膜をエッチング
除去してから、厚み0.5μm のニッケル16をめっき
で形成し、最高温度670℃でシンタリングさせる。
を示す。金と白金の分布は放射化分析により測定でき
る。金はn型基板中においては、2×1014/cm3 から
5×1013/cm3 となだらかな勾配で選択拡散されてい
る。白金はボロン拡散層内では(5〜2)×1013/cm
3であるが、n型基板中においては、2×1013/cm3の
分析の検出感度以下(点線)であり、やはり選択拡散さ
れていることが判る。 (f)シリコンの両主面のシリコン酸化膜をエッチング
除去してから、厚み0.5μm のニッケル16をめっき
で形成し、最高温度670℃でシンタリングさせる。
【0025】(g)上記シリコン基板を13枚半田17
で積層した後、ダイシングする。
で積層した後、ダイシングする。
【0026】(h)銅リード18にマウントし、端面を
エッチングして清浄化した後、ポリイミド膜19をコー
ティングし、エポキシ樹脂20でモールドする。
エッチングして清浄化した後、ポリイミド膜19をコー
ティングし、エポキシ樹脂20でモールドする。
【0027】この結果、逆回復時間は最大でも40ns
(IF =2mA,Irp=5mA)が得られ、その他、耐
圧8kV,平均順電流1mA(100kHz )である。
(IF =2mA,Irp=5mA)が得られ、その他、耐
圧8kV,平均順電流1mA(100kHz )である。
【0028】なお、これと同等の逆回復時間を得るため
には、白金のみの拡散では、拡散温度985℃が必要で
あり、急冷により結晶欠陥を引き起こすため、耐圧歩留
りの低下やリーク電流不良を発生させる。結晶欠陥の発
生を防止するため白金拡散後の冷却速度をゆっくりにす
ると、逆回復時間を短縮できずまたばらつきも大きくな
る。
には、白金のみの拡散では、拡散温度985℃が必要で
あり、急冷により結晶欠陥を引き起こすため、耐圧歩留
りの低下やリーク電流不良を発生させる。結晶欠陥の発
生を防止するため白金拡散後の冷却速度をゆっくりにす
ると、逆回復時間を短縮できずまたばらつきも大きくな
る。
【0029】(実施例2)400V,1A,25nsの
高速スイッチング用ダイオードの例を実施例1と対比し
て示す。
高速スイッチング用ダイオードの例を実施例1と対比し
て示す。
【0030】(a)シリコン基板は、製法CZ,導電型
n型,抵抗率10〜15Ω−cm,厚み270μm、の無
転位単結晶である。
n型,抵抗率10〜15Ω−cm,厚み270μm、の無
転位単結晶である。
【0031】(b),(c)リン拡散と片面研磨は実施例
1と同様である。
1と同様である。
【0032】(d)ボロン拡散の条件は、1000℃,
2時間のプレデポジションと1250℃,5時間のドライブ
イン拡散である。リン拡散層の表面濃度は1×1020/
cm3,拡散深さは45μmであり、ボロン拡散層は表面
濃度3×1019/cm3 ,拡散深さは40μmである。
2時間のプレデポジションと1250℃,5時間のドライブ
イン拡散である。リン拡散層の表面濃度は1×1020/
cm3,拡散深さは45μmであり、ボロン拡散層は表面
濃度3×1019/cm3 ,拡散深さは40μmである。
【0033】(e)ボロン拡散層の表面には白金を0.
5% 含有したシリコン酸化膜系塗布液を、リン拡散層
の表面には金を0.25% 含有したシリコン酸化膜系塗
布液を順次スピンナーでコーティングし、200℃の恒
温槽でベーキングし有機溶剤を蒸発させる。この時、そ
れぞれの膜厚は0.15μm である。実施例1に比べて
塗布液中の白金濃度を高めるのは、より高速化するため
であり、金濃度はシリコン基板およびゲッタリング効果
の強い高濃度リン拡散層の厚みが薄いので実効的に高濃
度となる。
5% 含有したシリコン酸化膜系塗布液を、リン拡散層
の表面には金を0.25% 含有したシリコン酸化膜系塗
布液を順次スピンナーでコーティングし、200℃の恒
温槽でベーキングし有機溶剤を蒸発させる。この時、そ
れぞれの膜厚は0.15μm である。実施例1に比べて
塗布液中の白金濃度を高めるのは、より高速化するため
であり、金濃度はシリコン基板およびゲッタリング効果
の強い高濃度リン拡散層の厚みが薄いので実効的に高濃
度となる。
【0034】(f)白金及び金の拡散は実施例1と同様
である。
である。
【0035】(g)電極はアルミニウムを厚み5〜10
μmスパッタリングで形成する。
μmスパッタリングで形成する。
【0036】(h)大きさ1.1mmφ にペレタイジング
する。
する。
【0037】(i)銅リード付モリブデン支持電極に合
金接着し、端面をエッチングして清浄化した後、亜鉛ボ
ロシリケートガラススラリーを680℃で焼成し、パッ
シベーションを兼ねてモールドする。
金接着し、端面をエッチングして清浄化した後、亜鉛ボ
ロシリケートガラススラリーを680℃で焼成し、パッ
シベーションを兼ねてモールドする。
【0038】この結果、逆回復時間は最大でも25ns
(IF=0.5A,Irp=1.0A )が得られ、その他、
耐圧400V,平均順電流1.0A(200kHz ),オン
電圧1.1V ,最大リーク電流2μAである。
(IF=0.5A,Irp=1.0A )が得られ、その他、
耐圧400V,平均順電流1.0A(200kHz ),オン
電圧1.1V ,最大リーク電流2μAである。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、従来よりも高周波のダ
イオードが、その他の素子特性を損なうことなく、簡単
なプロセスで高精度で再現性良く製造でき、ディスプレ
イや電源の高性能化に寄与するところ大である。
イオードが、その他の素子特性を損なうことなく、簡単
なプロセスで高精度で再現性良く製造でき、ディスプレ
イや電源の高性能化に寄与するところ大である。
【図1】本発明による高速ダイオードの製造プロセスを
示す断面模式図。
示す断面模式図。
【図2】本発明によるシリコン結晶中の金及び白金の濃
度分布を示すグラフ。
度分布を示すグラフ。
【図3】ダイオードの逆回復特性と断面構造の関係の説
明図。
明図。
1…シリコン単結晶、10…n層、11,12…n+
層、14…白金含有シリコン酸化膜系塗布液、15…金
含有シリコン酸化膜系塗布液。
層、14…白金含有シリコン酸化膜系塗布液、15…金
含有シリコン酸化膜系塗布液。
Claims (3)
- 【請求項1】少なくとも1つのp+n接合を有するシリ
コン半導体素子において、p+層中およびp+n接合近
傍には主として白金を、n層中には主として金をドーピ
ングしたことを特徴とする半導体素子。 - 【請求項2】少なくとも1つのp+n接合を有するシリ
コン半導体素子において、p+層(アノード)側から白
金を、n層(カソード)側から金を拡散させることを特
徴とする半導体素子の製造方法。 - 【請求項3】請求項3において、白金及び金の拡散は、
シリコン基板のそれぞれの主面に白金または金を含有す
るシリコン酸化膜系被膜形成用塗布液を塗布して熱処理
することにより拡散させることを特徴とする半導体素子
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP452896A JPH09199733A (ja) | 1996-01-16 | 1996-01-16 | 半導体素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP452896A JPH09199733A (ja) | 1996-01-16 | 1996-01-16 | 半導体素子及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09199733A true JPH09199733A (ja) | 1997-07-31 |
Family
ID=11586557
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP452896A Pending JPH09199733A (ja) | 1996-01-16 | 1996-01-16 | 半導体素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09199733A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1996
- 1996-01-16 JP JP452896A patent/JPH09199733A/ja active Pending
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