JPWO2013153668A1

JPWO2013153668A1 - ダイオード

Info

Publication number: JPWO2013153668A1
Application number: JP2014510000A
Authority: JP
Inventors: 昭人西井; 中村　勝光; 勝光中村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: KR20140135236A; US20150021747A1; KR101654223B1; DE112012006215B4; CN104221156B; US9508870B2; JP5716865B2; DE112012006215T5; CN104221156A; WO2013153668A1

Abstract

活性領域においてｎ−型ドリフト層（１）上にｐ型アノード層（２）が設けられている。活性領域の外周の終端領域においてｎ−型ドリフト層（１）上にｐ型拡散層（３）が設けられている。ｐ型アノード層（２）の外周部を酸化膜（４）が覆っている。ｐ型アノード層（２）の酸化膜（４）で覆われていない部分にアノード電極（５）が接続されている。ｎ−型ドリフト層（１）の下にｎ＋型カソード層（７）が設けられている。ｎ＋型カソード層（７）にカソード電極（８）が接続されている。ｐ型アノード層（２）の酸化膜（４）で覆われた部分の面積は、ｐ型アノード層（２）の全体の面積の５〜３０％である。

Description

本発明は、６００Ｖ以上の高耐圧パワーモジュールを構成するデバイスの１つであるダイオードに関し、特に破壊耐量を向上することができるダイオードに関する。

ダイオードのリカバリー動作は、ペアとなるスイッチング素子のスイッチング動作に応じてダイオードがＯＮ（通電）状態からＯＦＦ（遮断）状態へ遷移する動作である。その際、アノード−カソード間の電位差の上昇に伴って、ＰＮ接合を中心とした空乏層がデバイス内部に広がる。

ＯＮ状態には多量のキャリア（基板の不純物濃度の１００〜１００００倍程度）がデバイス内部を流れている。リカバリー動作時には空乏層内の電界によって正孔はアノード側、電子はカソード側に引き付けられ、最終的にそれぞれアノード電極及びカソード電極から抜けていく。

ＯＮ状態にはダイオードに電圧が印加されないため、大電流が流れてもエネルギーロスはほとんど発生しない（実際には電流に応じた電圧＝数Ｖ程度が印加されており、ダイオードのＯＮロスとなる）。一方、リカバリー動作時には高電圧が印加された状態で電流が流れるため、大きなエネルギーロス及び熱が発生する。従って、ＯＮ状態での電流が大きいほどデバイス内部のキャリアも多くなり、リカバリー動作時に大電流が流れ、それにより発生した熱により熱破壊することがある。

ダイオードのリカバリー特性を示す指標として、リカバリー動作の損失、逆回復電流等がある。これまでのダイオード開発では、これらの指標を改善することが目的であった。これらの指標は通常のスイッチング時におけるダイオードの損失改善を目的として設定されているが、これらの指標を改善することで熱破壊に対する耐量も改善される。破壊耐量が向上すれば、電流密度を上げても破壊しないため、チップサイズを小さくしてコストを低減することができる。

また、空乏層はアノード−カソード間のデバイス縦方向のみでなく、平面方向にも広がる。この平面方向に広がった空乏層がチップ端に達すると耐圧が不安定になったり、放電が発生したりする。そこで、空乏層がチップ端に達するのを防ぐために、アノード層が形成されデバイス動作する活性領域に加えて、アノード層及びアノード電極が無くデバイス動作しない終端領域（無効領域）が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−３３５６７９号公報

終端領域は基本的にはデバイス動作しないため、ダイオードのリカバリー特性に直接には影響しない。しかし、ＯＮ状態ではカソード側から終端領域にもキャリアが注入され、さらに活性領域からキャリアが拡散するため、終端領域に多数のキャリアが蓄積される。リカバリー動作時において、終端領域のキャリア、特に正孔がコンタクト端（アノード電極とアノード層の接合部の外周端）に集中して局所的な温度上昇を引き起こす。

また、アノード電極のコンタクト端はキャリアが集中しやすく電界が集中しやすい。さらに、コンタクト端直下のアノード層が浅く薄い拡散層であると、空乏層が広がりやすいため、更に電界集中しアバランシェ現象が発生する。それによってキャリアが発生し、電流が集中する。

また、幅が有限なデバイスではアノード層の端は曲率を持つ。リカバリー動作に主接合から空乏層が伸びていく際に、曲率を持ったアノード層端に電界が集中するため、当該箇所でアバランシェ現象が発生し、電流が集中する。

このため、活性領域と無効領域の間の境界部がリカバリー動作時に破壊されやすく、活性領域の特性を改善しても破壊耐量を向上することができなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は破壊耐量を向上することができるダイオードを得るものである。

本発明に係るダイオードは、ｎ型ドリフト層と、活性領域において前記ｎ型ドリフト層上に設けられたｐ型アノード層と、前記活性領域の外側の終端領域において前記ｎ型ドリフト層上に設けられたｐ型拡散層と、前記ｐ型アノード層の外周部を覆う第１の絶縁膜と、前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われていない部分に接続されたアノード電極と、前記ｎ型ドリフト層の下に設けられたｎ型カソード層と、前記ｎ型カソード層に接続されたカソード電極とを備え、前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われた部分の面積は、前記ｐ型アノード層の全体の面積の５〜３０％であることを特徴する。

本発明により、破壊耐量を向上することができる。

本発明の実施の形態１に係るダイオードを示す断面図である。実施の形態１においてバラスト抵抗領域の大きさが異なる２つの構造についてバラスト抵抗領域付近の電流密度分布と温度分布を比較した図である。実施の形態１においてリカバリー動作におけるデバイス内の最大温度とγとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例１を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例２を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例３を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例４を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例５を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例６を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例７を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例８を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例９を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例１０を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係るダイオードを示す断面図である。遮断可能な最大電流密度とＷ２との関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係るダイオードの変形例１を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係るダイオードの変形例２を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係るダイオードを示す断面図である。実施の形態３においてデバイス内最大温度とγとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。実施の形態３においてデバイス内の最大温度とＷ３との関係をシミュレーションした結果を示す図である。実施の形態３においてＷ３を変えた場合のデバイス内の最大温度とγとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。本発明の実施の形態４に係るダイオードを示す断面図である。本発明の実施の形態５に係るダイオードを示す断面図である。本発明の実施の形態６に係るダイオードを示す断面図である。

本発明の実施の形態に係るダイオードについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るダイオードを示す断面図である。チップ中央に活性領域が設けられ、活性領域の外側に主に耐圧保持を目的として終端領域が設けられている。活性領域においてｎ⁻型ドリフト層１上にｐ型アノード層２が設けられている。終端領域においてｎ⁻型ドリフト層１上にｐ型拡散層３が設けられている。ｐ型アノード層２やｐ型拡散層３は、所望の厚みと比抵抗を持つＳｉ基板の表面側にアクセプタ不純物を注入することで形成される。

ｐ型アノード層２の外周部、即ちｐ型アノード層２の外周端とコンタクト端との間の領域（バラスト抵抗領域）を酸化膜４が覆っている。ｐ型アノード層２の酸化膜４で覆われていない部分にアノード電極５が接続されている。アノード電極５がｐ型アノード層２よりも外側に張り出しているため、フィールドプレート効果によって逆バイアス印加時に空乏層が終端領域側へ伸び易くなっている。

終端領域のｐ型拡散層３に終端電極６が接続されている。この終端電極６は空乏層の伸張を促進させる。ただし、アノード電極５と終端電極６は同電位ではなく、ある程度の抵抗値を持った窒化膜１８で電気的に結合されている。ｎ⁻型ドリフト層１の下にドナー不純物を注入したｎ^＋型カソード層７が設けられている。ｎ^＋型カソード層７にカソード電極８が接続されている。

図２は、実施の形態１においてバラスト抵抗領域の大きさが異なる２つの構造についてバラスト抵抗領域付近の電流密度分布と温度分布を比較した図である。バラスト抵抗領域が小さいと、狭い範囲に電流が集中して局所的に温度が上昇する。一方、バラスト抵抗領域が大きいと、当該領域で電力が消費されるため電流密度が分散化され、最大温度が低下する。従って、熱破壊モードに対する耐量が向上する。

図３は、実施の形態１においてリカバリー動作におけるデバイス内の最大温度とγとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。γは、バラスト抵抗領域の面積をｐ型アノード層２の全体の面積（有効面積）で除した値である。γには最適な範囲があり、その範囲を外れると最大温度が上昇、即ち耐量が低下する。γが５％より小さいと、バラスト抵抗領域による温度分散効果が小さいため温度が上昇する。一方、γが３０％より大きいと、実効的な有効面積が小さくなるため、活性領域の電流密度上昇に起因した温度上昇が起こる。この最適範囲はカソード構造や動作電流密度で変化するが、γを５〜３０％に設定しておけば問題ない。

よって、本実施の形態では、ｐ型アノード層２の酸化膜４で覆われた部分の面積をｐ型アノード層２の全体の面積の５〜３０％とする。これにより、リカバリー動作時やＩＧＢＴの逆バイアス動作において破壊耐量を向上することができる。

図４は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例１を示す断面図である。ｐ型アノード層２の不純物濃度は所定の深さにピークを持つ。従って、抵抗が最も小さい部分をコンタクト端から基板内部に離すことができる。従って、終端領域から集まったキャリアはコンタクト端に集中せず、ピーク濃度を持つ部分９を優先的に流れてアノード電極５に達する。この結果、電流が分散化され、耐量が向上する。

図５は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例２を示す断面図である。ｐ型アノード層２の不純物濃度をできる限り薄くするため、全域に不純物を注入するのではなく、注入窓を形成し、部分的に不純物を注入することでｐ型アノード層２を形成している。

図６は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例３を示す断面図である。アノードとのパンチスルーを防ぐために、ｎ⁻型ドリフト層１とｎ^＋型カソード層７との間に、ｎ^＋型カソード層７よりも濃度が薄いｎ型バッファ層１０を設けている。

図７は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例４を示す断面図である。活性領域においてｎ^＋型カソード層７の一部がｐ型カソード層１１に置き換えられている。

図８は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例５を示す断面図である。変形例５は変形例２，３を組み合わせたものである。図９は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例６を示す断面図である。変形例５は変形例２，４を組み合わせたものである。

図１０は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例７を示す断面図である。終端領域において複数のｐ型拡散層３及び終端電極６がリング状に設けられているＦＬＲ（Field Limitting Rings）構造である。

図１１は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例８を示す断面図である。終端領域のｐ型拡散層３がＶＬＤ（Variable Lateral Doping）により形成されている。図１２は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例９を示す断面図である。終端領域のｐ型拡散層３がＲＥＳＵＲＦ（REduce SURface Field）構造である。

図１３は、本発明の実施の形態１に係るダイオードの変形例１０を示す断面図である。終端領域のｐ型拡散層３の一部がＶＬＤにより形成され、残りの部分がＲＥＳＵＲＦ構造である。これらの変形例でも本実施の形態の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図１４は、本発明の実施の形態２に係るダイオードを示す断面図である。ｐ型アノード層２は、第１の領域２ａと、第１の領域２ａの外周に設けられ第１の領域２ａよりも深く不純物濃度が高い第２の領域２ｂとを有する。

第２の領域２ｂの幅Ｗ２が、ｐ型アノード層２の酸化膜４で覆われた部分（バラスト抵抗領域）の幅Ｗ１より小さい場合、浅く不純物濃度が低い第１の領域２ａがコンタクト端に配置される。リカバリー動作において主接合から電界が延びるため、主接合部の電界が最も大きくなる。さらに、コンタクト端は終端領域からもキャリアが集まるため、電界が上昇しやすい。このため、コンタクト端に第１の領域２ａが配置されているとアバランシェし易くなり、耐量が低下する。

そこで、本実施の形態では、第２の領域２ｂの幅Ｗ２をバラスト抵抗領域の幅Ｗ１より大きくする。これにより、深く不純物濃度が高い第２の領域２ｂがコンタクト端に配置されるため、耐量が向上する。もちろん、ｐ型アノード層２全体を深く不純物濃度を高くしても同様な効果が得られる。

図１５は、遮断可能な最大電流密度とＷ２との関係を示す図である。Ｗ１は６０μｍである。Ｗ２が６０μｍより大きいと最大電流密度が向上することが分かる。従って、本実施の形態のようにＷ２をＷ１より大きくすることで破壊耐量が向上する。

図１６は、本発明の実施の形態２に係るダイオードの変形例１を示す断面図である。第２の領域２ｂは、不純物濃度がチップ外側に向かって薄くなるようにＶＬＤ（Variable Lateral Doping）により形成されている。これにより、ｐ型アノード層２の外端部の曲率が緩和されるので、電界が緩和される。この結果、横方向の濃度が一様なｐ型アノード層２に比べてアバランシェが発生し難くなり、破壊耐量が向上する。

図１７は、本発明の実施の形態２に係るダイオードの変形例２を示す断面図である。ｐ型アノード層２に複数のトレンチ１３が設けられている。ｐ型アノード層２上にｐ^＋型アノード層１４が設けられ、そのｐ^＋型アノード層１４とアノード電極５が接続されている。この場合でも同様の効果を得ることができる。ただし、一番外側のトレンチ１３は、その角部に電界が集中して破壊されるのを防ぐために、深い第２の領域２ｂで覆う必要がある。

実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３に係るダイオードを示す断面図である。終端領域においてｎ⁻型ドリフト層１及びｎ型バッファ層１０の下にｐ型カソード層１１が設けられ、活性領域においてｎ^＋型カソード層７が設けられている。ただし、ｐ型カソード層１１は終端領域から酸化膜４よりもチップ内側の活性領域まで延在する。ｐ型アノード層２の外端を基点としてｐ型カソード層１１が活性領域にはみ出した幅をＷ３と定義する。

図１９は、実施の形態３においてデバイス内最大温度とγとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。Ｗ３は１００μｍである。γが小さいと、実施の形態１と同様に、バラスト抵抗領域による温度分散効果が小さいため温度が上昇する。一方、γが高い場合の温度上昇メカニズムは実施の形態１とは異なる。

終端領域にｐ型カソード層１１を設けることによりＯＮ時に終端領域が動作しないため、リカバリー動作時に終端領域からコンタクト端に集中するキャリアの量が低減し、リカバリー耐量が向上する。活性領域のｎ^＋型カソード層７は、ＯＮ時にキャリアが注入される領域であり、リカバリー動作時においても電流が流れる経路となる。リカバリー動作時にキャリアが集中してアバランシェしやすいコンタクト端にｎ^＋型カソード層７があると、電流経路ができ、キャリアが集中して温度が上昇し破壊に至る。

図２０は、実施の形態３においてデバイス内の最大温度とＷ３との関係をシミュレーションした結果を示す図である。何れのＷ１に対しても、Ｗ３＞Ｗ１とすることで最大温度が下がり、耐量が向上していることが分かる。

また、上記のようなメカニズムからγとデバイス内最大温度の関係はＷ３に依存することが分かる。図２１は、実施の形態３においてＷ３を変えた場合のデバイス内の最大温度とγとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。Ｗ３を大きくすることで上記γ依存性が鈍感化する。Ｗ３を大きくすることで、リカバリー動作時にＰカソード層から注入される正孔が増えるため、リカバリー損失が増加する。従って、実際には製品のリカバリー損失要求値を満たすようにＷ３を設計するが、少なくともＷ３＞Ｗ１とする必要がある。

実施の形態４．
図２２は、本発明の実施の形態４に係るダイオードを示す断面図である。ｎ^＋型カソード層７とカソード電極８の間に酸化膜１５が設けられている。酸化膜１５は、終端領域から酸化膜４よりもチップ内側まで延在する。この酸化膜１５によりデバイス動作しない領域を設けることで、破壊耐量が向上する。

実施の形態５．
図２３は、本発明の実施の形態５に係るダイオードを示す断面図である。ｐ型アノード層２の酸化膜４で覆われた部分と酸化膜４で覆われていない部分の外周部において、キャリアのライフタイムが局所的に低下した低ライフタイム領域１６を設けている。これにより、ｐ型アノード層２端に集中するキャリアを積極的に消滅させ、キャリアの集中による電界強度の上昇を抑えることができる。この結果、アバランシェが発生し難くなり、破壊耐量が向上する。

実施の形態６．
図２４は、本発明の実施の形態６に係るダイオードを示す断面図である。キャリアのライフタイムが局所的に低下した低ライフタイム領域１７が活性領域の一部と終端領域に設けられている。低ライフタイム領域１７は、終端領域から酸化膜４よりもチップ内側まで延在する。このように低ライフタイム領域１７を終端領域に形成し、実質的に終端領域をデバイス動作させないようにすることで、耐量が向上する。

なお、実施の形態１〜６の構成を互いに組み合わせてもよい。また、実施の形態２〜６において実施の形態１の変形例１〜１０の構成を組み合わせても同様の効果を得ることができる。

１ｎ⁻型ドリフト層
２ｐ型アノード層
２ａ第１の領域
２ｂ第２の領域
３ｐ型拡散層
４酸化膜（第１の絶縁膜）
５アノード電極
７ｎ^＋型カソード層
８カソード電極
１１ｐ型カソード層
１５酸化膜（第２の絶縁膜）
１６，１７低ライフタイム領域

本発明に係るダイオードは、ｎ型ドリフト層と、活性領域において前記ｎ型ドリフト層上に設けられたｐ型アノード層と、前記活性領域の外側の終端領域において前記ｎ型ドリフト層上に設けられたｐ型拡散層と、前記ｐ型アノード層の外周部を覆う第１の絶縁膜と、前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われていない部分に接続されたアノード電極と、前記ｎ型ドリフト層の下に設けられたｎ型カソード層と、前記ｎ型カソード層に接続されたカソード電極とを備え、前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われた部分の面積は、前記ｐ型アノード層の全体の面積の５〜３０％であり、前記ｐ型アノード層は、第１の領域と、前記第１の領域の外周に設けられ前記第１の領域よりも深く不純物濃度が高い第２の領域とを有し、前記第２の領域の幅は、前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われた部分の幅より大きく、前記第２の領域の不純物濃度はチップ外側に向かって薄くなることを特徴する。

Claims

ｎ型ドリフト層と、
活性領域において前記ｎ型ドリフト層上に設けられたｐ型アノード層と、
前記活性領域の外側の終端領域において前記ｎ型ドリフト層上に設けられたｐ型拡散層と、
前記ｐ型アノード層の外周部を覆う第１の絶縁膜と、
前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われていない部分に接続されたアノード電極と、
前記ｎ型ドリフト層の下に設けられたｎ型カソード層と、
前記ｎ型カソード層に接続されたカソード電極とを備え、
前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われた部分の面積は、前記ｐ型アノード層の全体の面積の５〜３０％であることを特徴するダイオード。
前記ｐ型アノード層は、第１の領域と、前記第１の領域の外周に設けられ前記第１の領域よりも深く不純物濃度が高い第２の領域とを有し、
前記第２の領域の幅は、前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われた部分の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
前記第２の領域の不純物濃度はチップ外側に向かって薄くなることを特徴とする請求項２に記載のダイオード。
前記活性領域の一部と前記終端領域において前記ｎ型ドリフト層の下に設けられたｐ型カソード層を更に備え、
前記ｐ型カソード層は、前記終端領域から前記第１の絶縁膜よりもチップ内側まで延在することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のダイオード。
前記ｎ型カソード層と前記カソード電極の間に設けられた第２の絶縁膜を更に備え、
前記第２の絶縁膜は、前記終端領域から前記第１の絶縁膜よりもチップ内側まで延在することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のダイオード。
前記ｐ型アノード層の前記第１の絶縁膜で覆われた部分と前記第１の絶縁膜で覆われていない部分の外周部においてキャリアのライフタイムが局所的に低下していることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のダイオード。
キャリアのライフタイムが局所的に低下した低ライフタイム領域が前記活性領域の一部と前記終端領域に設けられ、
前記低ライフタイム領域は、前記終端領域から前記第１の絶縁膜よりもチップ内側まで延在することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のダイオード。
前記ｐ型アノード層の不純物濃度は所定の深さにピークを持つことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のダイオード。