JPS58155769A - 半導体整流ダイオ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、逆阻止電圧が２００　Ｖ程度と高く、逆回復
も速い、低損失の半導体整流ダイオードに関する。

従来より、低損失の高速ダイオードとしては、シリコン
・金属接合の！１流性を利用し九シ曹ットキーバリャダ
イオードが知られている。

ショットキーバリヤダイオードは、良く知られているよ
うに、主に多数キャリヤによって電流が流れ゛るので、
逆回復時間が組かく、高速動作が可能である。

しかし、このショットキーバリヤダイオードには、逆方
向洩れ電流が大きく、逆耐圧特性および熱的安定性が十
分でないという、大きな欠点がある。このダイオードの
、高温での洩れ電流は１００〜数１０００　ｍ　Ａに達
する。

洩れ電流は、接合温度が高いほど増大するので、この熱
損失が、ダイオードの全損失に対して支配的になる温度
範囲では、熱暴走の危険がある。このため、市販されて
いるショットキーバリヤダイオードの耐圧は高々５０■
、動作接合温度は１２５℃程度が限界である。

また、ショットキーバリヤダイオードの素子製作にあた
っては、その接合形成の成否が、シリコンと金属の接着
状態に非常に敏感である丸め、製作歩留りを上げること
が細しいなどの技術的な面での短所もあった。

上記のようなショットキーバリヤダイオードの持つ欠点
を補い、且つ比較的低損失・高速動作な可能としたもの
が、いわゆるｐｉｎダイオードといわれるものである。

このｐｉｎ構造によれば、シリコン内部のｐｎｍ合によ
り逆耐圧を持たせるため、比較的高耐圧が実現でき、ま
た１層の厚みを詞整することで、耐圧と順電圧降下の協
１Ｉｌｌｌヲ得ることができる。

特に、片側のエミツタ層の不純物鱒量を低くし、ペース
層（１層）の厚みを薄くすることで、低損失・高速化な
図ったダイオード（Ｌｏｗ　Ｌｏｓｓ　Ｄｉｅｄ・。

−と略称している）が、近年になって市販されるように
なり九。

このような非対称ｐ量ｎダイオードでは、数μｍ以下の
非常、に薄い９１４７２層が必登となる。しかし、この
ような薄いｐｎ＠合に、オーミックコンタクトをとる丸
めの金属を接着させ九場合、シリコ？と金属が部分的に
共晶合金を作って接合にまで達する恐れがある。

このようなことを防ぐ意味で、ｐｉｍ構造の９１４７２
層を形成するにあたり、基板シリコンウェハ（高識度ｎ
　ＴＩｋ、？Ｆ純一層の上に低黴直論臘不純物層がある
）の上にｐａｌ多結多結晶シリセンみ、アニールするこ
とによＦ）　ｐｍ境界層にｐ瀝の単結晶領域を作るとい
う方法が考案されズいる。

しかし、この方法では、１エビタヤシヤル形成が２回必
費になるなど、製作プロセスが複雑になる欠点があった
。

本発明の目的は、電界効果作用を利用した逆阻止電圧が
２００　Ｖ　９度の低損失・高速ダイオードの最適構造
寸法を提供することである。

電流の流れる主動作領域にチャンネル部を設けておき、
このチャンネル内を逆電圧によ〕ピンチオフ状態にして
、キャリヤに対する障壁を形成し、低損失・高速、且比
較的高い耐電圧を実現できる半導体整流ダイオードが既
に提案されている。

本発明は、この電界効果作用を利用した整流ダイＡ−ド
について、耐圧、拳方向電−圧降下、逆回後時間などの
面からみて最適の、構造寸法を与えるものである。

第１図は既に提案されている電界効果作用を利用した低
損失・高速ダイオードの一実施例を示す。

図において、１はｎ＋１層基板、２は前記！”Ｍｌ、基
板−１の上に形成されたｎ一層、３は前記ｎ一層２にチ
ャンネル部７を残すように形成されたｐ＋層、５はカン
ード電極、６はアノード電極である。また、Ｗはチャン
ネルＩｉ７の＊子なわち１層間の距離、Ｌはその長さ、
すな−わち一層３の厚さである。

図示の電界効果型ダイオードの製造工ｓ鈎を、以下に説
明する。

（１）壕ず、ｎ＋層基板１の上に、これよｐも低い不純
物濃ｆをもっｎ一層２が通常エビメキシャル成長によシ
形成される。

（２）次に、チャンネル＠７を形成するために、ｎ一層
２すなわち７ノード６の側から、ｎ一層２の厚さを超え
ない範囲で、１層３が形成される。このｐ＋層３の形成
には、通常その簡便さなどにより拡散法が用いられる。

拡散法を用いた場合、その不純物ソースは横方向にも拡
散するため、ｐ”〜３の周辺部は、第１図に示したよう
に、はぼ円弧状になる。

このような構造のダイオードに、逆バイアス電圧が印加
され九場合　ｐ層　ｎ″″″接合空乏層が形成される。

そして、ｐ＋層３にょ９挾まれたチャンネル部７の幅Ｗ
がある程度小さいと、空乏層はこのチャンネル部全体に
広がり、いわゆるピンチオフした状態になる。

この状態でのチャンネル部中心線上〇−〇′での電位分
布は、第２図のようになっている。

なお、この図は、チャンネル幅Ｗを２μ鳳チヤンネルｓ
７の長さ−すなわち、１層３の厚さを８μｍとし、逆電
圧を一６５Ｖ、　−１４５Ｖとしたときの測定結果を示
したものである。

チャンネル部７内には、図から分るように、キャリヤに
対する障壁が形成される。この障壁は、逆バイアス電圧
が高くなるほど大きくなる。また、チャンネル＠Ｗを小
さくすると、空乏層のピンチオフ効果が強まるため逆阻
止電圧は高くなる。

この他に、チャンネル部７の表ＩＩ］部分−すなわち、
アノード６の側に、薄いｐ１１！不純物層４を設けた、
第４図のような構造も提案されている。

なお、第４図において、第１図と同一の符号は同一また
は同勢部分をあられしてお９、ｔた、アノード６は図示
を省略している。

第３図（１）〜（５）を参照して、上記の電界効果作用
な第１」用したダイオードの構造プロセスを説明する。

ｆｉ＋不純物濃［５Ｘ　１０”ｍ−”で、厚さ３３５μ
ｍの？基板シリコンウェハ１に、不純物象ｊ１３Ｘ１０
”〜１　ｘ　１０１４国−３で、ｎ皺不純物層２を厚さ
１５μｍとなるよう晃ピタキシャル成長させる。

（２）この稜、マスクＭ９をその表面に作り、（３１チ
ャンネル部を形成するための１層３を選択拡散法により
形成する。この場合の不純物ソースとしてはＢ（ボロン
）を用いる。そして、熱拡散法によりｐ＋層３の深さが
最終的に５μｍとなるよう調整する。

（４）この俵、１層３で囲まれ九チャンネルｓ７のアノ
ード側の表面に、９層４を形成する丸め、Ｂ（ボロン）
を加速電圧１５０Ｋｅ■、ドーズ量５×１０”　〜Ｉ　
Ｘ　１０”ａｍ−”　（７）範囲で、つｘｌ’全面にイ
オン打込みをする。この俵、仁のイオン打込み層（ｐ層
）４の深さが２μｍとなるようアニールする。

（５）以上のようにして接合の形成を終え九シリコンウ
ェハの表面に、オー建ツクコンタクトを得るため、カン
ード儒にはＣｒ−Ｎｉ−ムｇ層５が、またアノード側に
はＡＩ層６が、それぞれ蒸着される。このようにして両
面オーミツクコ／タクトが得られたシリコンウェハは、
３．８■角のチ・ブに細分される。

以上の製造工程を経て得られた整流ダイオードでは、第
４図に明示したように、それらの間、にチャンネル部を
形成するｐ＋層３が短冊状に配列され、とのｐ＋層３に
挾まれて形成されたチャンネル部の表１ｒｒｉｒ（は、
これよりも浅い９層４がある。

また、ｐ＋層３が熱拡散法で形成されている九め、アノ
ード餉表面とシリコン内部とでは、千の幅が異なってい
る。

第５図は、ＷＪ４図の製造工程を経て得られ九ダイオー
ドの、チャンネル部中心線上（点＃）およびｐ＋層中心
線上（実ＩＩ）における不純物渋腹分布を示す。

第４図の構造では、素子全体にゎ九ってｐｎ接合が存在
するため、菖１図のようなダイオードよりも逆阻止電圧
は高くなる。

また、第４ｖＡのような構造のダイオードでは、アノー
ド・カソード関に側方向電圧が印加された場合、順電流
が比較的小さい間は、この順電流は、主に、ｐｎ接合の
内蔵電位がＰ＋１１−接合よりも小さなｐｎ−接合を通
って流れる。

そして、２層４の単位面積当りの不純物総量を１０１０
〜１０”ｍ−”とすることにより、低損失・高速度のダ
イオードが実現できることは既に提案されている。この
場合でもチャンネル部での電界効果により逆阻止電圧は
高められる。

第６図は、第３図のような製造ニーを齢て得られた整流
ダイオード、および２層４を有しない整流ダイオードに
ついて、チャンネルｓ７の’ａ　’　％ｎ一層２の不純
物濃度Ｎｎ、ｐ層４の表面不純物濃度Ｎａｐを種々変え
た場合の、チャンネル幅Ｗと逆阻止電圧との関係を示す
。

なお、この場合、逆阻止電圧は、試料（面積０．１４ａ
ｉ　）の漏れ電流が１０−・（４）となる電圧としてい
る。ｔた、この試料におけるｐ＋層３の厚さは５Ｐｍ。

２層４の厚さは２μｍ１一層３の下のｎ″″″層２さは
１０２ｍである。

第６図から、いずれの場合にも、チャンネル幅Ｗが広く
なるにつれて、逆阻止電圧は低くなるが、あるところか
らその値は一定値になることがわかる。

また、１層２の不純物濃度Ｎｎが小さいほど、広いチャ
ンネル幅から、チャンネル＠Ｗの減少に伴なう逆阻止電
圧の上昇がみられる。これは、ｎ一層２の不純物濃度Ｎ
ｏが小さいほど、同−逆ノ（イアスミ圧での空乏層の広
がりが大きいためである。

即し電界効果の作用が強まるためである。

チャンネル幅Ｗが、約１３μｍ以上にまで広くなると、
この電界効果の作用は殆んどなくなり、逆阻止電圧はｐ
ｎ−接合が単独で存在する場合のそれと一致するように
なる。２層４の光面不純物濃度が高いほど逆阻止電圧が
高いのは、ｐｎ−接合の）くンチスルー電圧の大小に依
るものである。

アノード儒にｐ層のない試料では、第６図から分るよう
に、チャンネル幅Ｗがほぼ１４μｍ以上では逆阻止電圧
は零である。これも、チャンネル幅が１４μｍ以上では
電界効果の作用がほとんど無くなり、ｐｎ接合のないチ
ャンネル部７の中心線上での逆阻止能力が無くなるため
である。

一般に、ｎ一層の不純物濃度を再現性よく製作できるの
は、その値が３　Ｘ　１０”ｚ−”程ｔまでであり、ま
た、不純物濃度を必要以上に小さくすることは順電圧降
下の上昇を招く原因となる。

以上のことから、本発明のダイオードにおけるチャンネ
ル幅Ｗは１４μｍ以下、ｎ一層２の不純物濃度は３ｘｌ
Ｑ”ｍ−”９度以上であることが望ましい。

第７図は、第６図に示し九ダイオードについて、ｎ一層
２の不純物濃度Ｎｒｒを３Ｘ１０”ｃｘ−”とし、順電
流をｌＯＡに設定した場合の、チャンネル幅Ｗ（横軸）
と順電圧降下（縦軸）の関係を、２層４の表面不純物濃
度をパラメータとしてまとめたものである。

この図から分るように、２層４のない構造が最も順電圧
降下が低く、ｐ層の表面濃度が高くなるほど順電圧降下
は高くなる。また、チャンネル幅Ｗが小さくなると、電
流が主に流れる実効的な面積が少なくなるため順電圧降
下は増大する。を九、この場合、ｎ一層２の不純物１１
度Ｎｍが小さいほど、順電圧降下は増大するので、第７
１１の各−一は全　゛体的に上方へ移動する。

第８図は第７図と同じ条件下で、順電流を２島もの速さ
で遮断したときの、チャンネル幅Ｗ（横軸）と逆回復時
間（縦軸）の関係を、２層４の表面不純物濃度をパラメ
ータとして示すものである。

この図から、ｐ層の表面濃度Ｎａｐが高い＃１ど逆回復
時間は長くなり、また、一方チヤンネル幅Ｗが小さくな
るほど逆回復時間は長くなること力Ｓわかる。

これは、チャンネル幅が小さくなると、高濃度のＰ＋ｓ
域の面積が増し、キャリヤσ２注入力Ｓより大きくなる
ためである。

以上に示した第７図、第８図の結果から、チャンネル幅
Ｗを必要以上に狭くすることは、順電圧降下および逆回
復時間の増大を招く原因となることが分る。したがって
、必要な逆阻止電圧に見合ったチャンネル幅を選ぶ必要
がある。

次に、チャンネル部７を規定するｐ＋層３の厚さ、すな
わちチャンネルの長さＬを変えた場合に、逆阻止電圧が
どのように変るかを、チャンネル＠Ｗなパラメータとし
て、第９図に示す。こ＼でも、第６図と同様に、試料の
面積は０，１４−で、漏れ電流が１０’−’（Ａ）とな
る電圧を逆阻止電圧とした。

また、この場合の試料はｎ一層２の不純物濃度なｌ　Ｘ
　１９１４ｍ−３、チャンネル部のアノード側表面に設
けられた９層４の不純物濃度を５Ｘ１０１５ｃｍ＋−”
、その厚さを２ｐｍＸｐ＋層３の下のｎ一層２の厚さを
１０μｍとしたものを用いた。

第９図から分るように、チャンネルの長さしが長くなる
のに伴なって、逆阻止電圧は次第に高くなってゆく。こ
のことは、チャンネルｓ７が長くなるほど、電界効果に
よってピンチオフされる領域が長くなるため、逆阻止電
圧が高くなることを示している。

また、チャンネルの暢Ｗが狭いほど、より短かいチャン
ネル長さから逆阻止電圧は高くなる。

第１Ｏ図は、チャンネル＃ｍＷをパラメータとして、そ
の−長さしと逆回復時間の関係を示す図である。

この場合の試料は第９図のものと同じである。チャンネ
ルが長くなるとともに、逆回復時間は長くなってゆく。

すなわち、チャンネルが長くなると、チャンネル部分な
含むｎ−領域２の体積が増えるため、アノード６から注
入されたホールの蓄積量が増し、逆回後時間が長くなる
。

また、第１１図は、チャンネル＃＃Ａｗをパラメータと
し７て、その長さしとオン電圧の関係を示す図である。

この場合の試料は第９図のものと同じであり、順電流を
ＩＯＡとしている。この図から、チャンネル長さしが長
いほどオン電圧は高くなってゆくことがわかる。

チャンネル長さが長くなると、素子全体の厚みが増える
こと、および素子全体に占めるエミッタの面積比が小さ
くなることなどによりオン電圧が高くなる。

以上の結果かられかるように、逆回復時間を短かく、か
つオン電圧を低くするには、チャンネル長さしは出来る
だけ短かい方がよい。

２００■程度の耐圧を確保するには、第９図からチャン
ネル幅な１４μｍ以下にした場合、チャンネル長さＬは
１２μｍあればよいことがわかる。この点から、はぼ２
００■の逆阻止電圧を必要とする本発明のダイオードで
は、チャンネル長さＬを１２μｍ以下とすることで、逆
回復が速く、かつ低損失（順電圧降下）を実現できる。

本発明によれば、耐圧が約２００■、順電圧降下０．９
ｖ以下、逆回復時間１００ｎｓ以下の低損失・高速ダイ
オードを高い歩留りで製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電界効果の作用を利用したダイオードの断面構
造図、第２図は第１図のダイオードの中心線０−０′上
の電位分布を示す図、第３図（１）〜（５）は薄いｐエ
ミッタ層の付いたダイオードの製造プロセスを示す図、
第４図は第３図の製造プロセスにより作られたダイオー
ドの構造を示す概略斜視図、ｊＩｓ図は第４図に示した
ダイオードの、厚み方向の不純物Ｓ度分布を示す図、第
６図は逆阻止電圧のチャンネル幅依存性を示す図、第７
図および第８図は、各ｋＮＡ電圧降下および逆回復時間
のチャンネル−依存性を示す図、１１９図は逆阻止電圧
のチャンネル長さ依存性を示す図、第ｉｏ図は逆回復時
間のチャンネル長さ依存性を示す図、第１１図は順電圧
降下のチャンネル長さ依存性を示す図である。 １　高濃度ｎ型不純物層（基板）、２　・低濃度ｎｕ不
純物層（エピタキシャル層）、３・高濃度ｎ型不純物層
、４・・低源ｌｐ型不純物層、５カノード電極、６・・
アノード電極、７・・チャンネル部、Ｗ　チャンネル幅
、Ｌ　チャンネル長さ 代理人弁理士　平　木　道　人 オ　１　　図 Ｏ′ オ　２　　図 アノード０１もの距離（ｌ川） ３１１Ｉ ９ 才　４　図 ２５図 了ノードｎ−ζ弓巨動す、ａ　ｍ　） オ６図 手ヤ〉ネル幅Ｗ（ＰＷｌ） ↑　１１　　　図 ５１０ 手ヤンネル長さしくμ匍

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１１＠１の導電型を有する第１の半導体層と、上記第
   １の半導体層上に形成され、かつ第１の半導体層と同じ
   導電屋で、これに比べて低い不純物一度を有する第２の
   半導体層と、上記第２の半導体層の、上記第１の半導体
   層側とは反対側の表面から、上記第２の半導体層の厚さ
   を越えない範囲で、その間にチャンネル部を残すように
   、上記第２の半導体層内に形成された反対導電製の第３
   の半導体層と、上記第１の半導体層の上記第２の半導体
   層側とは反対側の表面及び上記第２および第３の半導体
   層の上記第１の半導体層とは反対側の表面に、それぞれ
   オーミックに接続された熟１及び第２の電極とを有する
   半導体整流ダイオードにおいて、上記第３の半導体層間
   の距離が１４Ｆｍ以内で、上記第３の半導体層の厚さが
   １２μｍ以下であることを特徴とする半導体整流ダイオ
   ード。 （２）上記第２の半導体層の不純物濃度が３Ｘ１０”ｃ
   ｍ−”以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体整流ダイオード。 （３１第１の導電型を壱する第１の半導体層と、上記第
   １の半導体層上に形成され、かつ上記第１の半導体層と
   同じ導電製で、これに比べて低い不純物５ＷＩＬを南す
   る第２の半導体層と、上記第２の半導体層の、上記第１
   の半導体層側とは反対側の表面から、上記第２の半導体
   層の厚さを越えない範囲で、その間にチャンネル部を残
   すように、上記第２の半導体層内に形成された反対導電
   型の第３の半導体層と、上記第′１′め半導体層の上記
   第２の半導体層側とは反対側の表面及６上記第２および
   第３の半導体層の上記ｆｓ１の半導体層とは反対側の表
   面に、それぞれオー゛゛ミックに接続された第１及び第
   ２の電極とを有する半導体整流ダイオードにおいて、゛
   さらに、￥ヤンネル部の、上記第１の半導体層とは反対
   側の表面に形成された反対導電製の第４の半導体層を有
   し、上記第３の半導体層間の距離が１４μｍ以内で、上
   記第３の半導体層の厚さが１２μｍ以下であることを特
   徴とする半導体整流ダイオード。 （４）上記第２の半導体層の不純物濃度が３　Ｘ　１０
   ”ｍ−”以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の半導体整流ダイオード。