JPH10326900A - 電力用ダイオード - Google Patents
電力用ダイオードInfo
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- JPH10326900A JPH10326900A JP9136253A JP13625397A JPH10326900A JP H10326900 A JPH10326900 A JP H10326900A JP 9136253 A JP9136253 A JP 9136253A JP 13625397 A JP13625397 A JP 13625397A JP H10326900 A JPH10326900 A JP H10326900A
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Abstract
特性とのトレードオフ関係を向上させる。 【解決手段】(1)pinダイオードのpアノード層4
の一部にp+ ソース領域7を形成し、そのp+ ソース領
域7の表面の一部に酸化膜などの絶縁膜3を形成し、絶
縁膜3の無いp+ ソース領域7およびpアノード層4の
表面にアノード電極2を接触させる。(2)pinダイ
オードのpアノード層4の表面の一部に絶縁膜3を形成
し、絶縁膜3の無いpアノード層4の表面にアノード電
極2を接触させる。
Description
関する。
様々な用途に利用されており、現在でも、より高耐圧か
つ大容量の用途に適用範囲を拡大しつつある。近年、絶
縁ゲートバイポーラトランジスタなど、高耐圧、大容
量、かつ高周波で動作可能なスイッチング素子が開発さ
れており、それに伴い、電力用ダイオードにおいても高
周波数動作が可能な高速リカバリー特性が要求されてい
る。
復特性を目指して、MPS(MergedP-I-N Schottky )
ダイオードやSFD(Soft and Fast recovery Diode)
といった新しい構造のダイオードも各種報告されてお
り、電力用ダイオードの特性改善が進められている。最
も広く用いられている電力用ダイオードの代表例の一つ
としてpinダイオードがある。図4にpinダイオー
ドの部分断面図を示す。
もある)5の一方の側にpアノード層4が形成されてお
り、その表面にアノード電極1が接触している。nドリ
フト層5の他方の側にはn+ カソード層6が形成されて
おり、その表面にはカソード電極2が接触している。こ
のpinダイオードの逆回復特性を改善するために、現
在では電子線照射などを用いた少数キャリアのライフタ
イム制御が行われている。
の実機にフリーホイールダイオード(FWD)としてp
inダイオードが使用されているが、負荷短絡など発生
した際に、そのFWDに例えば1000A/cm2 以上
といった非常に大きな電流が流れることがある。このと
きダイオードの温度が上昇し、さらに真性キャリア密度
が注入キャリア密度より大きくなると、ダイオードは負
性抵抗を示し、破壊や劣化が生じる[ 例えば、Silber,
D.and Robertson,M.J.,Solid State Electron. 16, p.1
337 (1973)参照] 。そのような場合におけるダイオード
のサージ電流耐量を向上させるには、pアノード層4の
不純物濃度を増大させ、pアノード層4からの注入キャ
リアを多くすることで対応できる。しかし、そうする
と、逆に通常の逆回復特性は悪くなる。このように、サ
ージ電流耐量と逆回復特性との間には、トレードオフ関
係がある。従って、pinダイオードの構造のみでは、
両者の特性を同時に向上させることはできなかった。
も高い周波数での動作が必要な用途へのダイオードの適
用では、大電流が流れる場合に対する高いサージ電流耐
量のみならず、高速な逆回復特性も要求される。そし
て、今後、両者を同時に満たす新しい電力用ダイオード
の開発は、その重要度が増すと考えられる。先に発明者
らは、特許願平8−132466において、pinダイ
オードと並列にサイリスタを配置することにより、高い
サージ電流耐量と良好な逆回復特性との両立を可能にし
た。しかしながら、その発明では、サージ電流耐量の向
上は目ざましいものがあったが、逆回復特性の向上につ
いては満足できるものとは言えなかった。
つの要求すなわち、大きいサージ電流耐量と高速な逆回
復特性との両方を兼ね備えた電力用ダイオードを提供す
ることにある。
明は、第一導電型カソード層、その第一導電型カソード
層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第二導電
型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に積み重
ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノード電極
と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソード電極
とを有する電力用ダイオードにおいて、第二導電型アノ
ード層の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜
が形成されない第二導電型アノード層の表面に前記アノ
ード電極が接するものとする。以下の記述では、すべて
第一導電型をn型、第二導電型をp型とするが、これを
逆にすることもできる。
ノード電極に順方向のバイアスを加えると、第二導電型
アノード層から第一導電型ドリフト層に正孔が注入さ
れ、一方、第一導電型カソード層から第一導電型ドリフ
ト層を通じて第二導電型アノード層に電子が注入され
る。順バイアスを大きくして電流密度を増加させると、
伝導度変調により第一導電型ドリフト層のキャリア密度
が増加する。表面にある絶縁膜の下方の第二導電型アノ
ード層内部では、絶縁膜のない部分に比べて、電子濃度
が増加する。これは、以下の理由によると考えられる。
絶縁膜の形成部分では、半導体内の少数キャリア(第二
導電型アノード層内では電子)が絶縁膜にせき止められ
るような効果が生じる。このため、高注入状態になるほ
ど、絶縁膜近傍の第二導電型アノード層内の電子濃度が
増加する。さらに、中性条件を満たすように第一導電型
ドリフト層内の正孔濃度も増加する。従って、第二導電
型アノード層の表面の一部に絶縁膜を形成した場合、通
常の絶縁膜がなくてアノード電極が接触する場合に比べ
て、順方向電流が大きいほど順電圧の増加率が小さくな
る。
絶縁膜を均等に配置すると良い。そのようにすれば、高
注入状態の点が多数生じ、しかも電流が均等に分散され
る。また、第二導電型アノード層の一部に第二導電型ア
ノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域が形成さ
れ、その第二導電型ソース領域の表面上の一部に絶縁膜
が形成され、その絶縁膜が形成されない第二導電型ソー
ス領域および第二導電型アノード層の表面に前記アノー
ド電極が接するものとしても良い。
は低濃度であるので、通常の定格電流密度(〜100A
/cm2 )では、正孔ルの注入が抑制され、通常のpi
nダイオードよりも逆回復特性が向上する。一方、サー
ジ電流領域では前述のように、絶縁膜の形成部分におい
て、第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソ
ース領域から、多数の正孔が第一導電型ドリフト層に注
入され、逆に多数の電子が第一導電型ドリフト層から第
二導電型アノード層に注入されて、キャリヤ濃度が増大
する。
が、第二導電型ソース領域のそれより大きいものとす
る。そのようにすれば、第二導電型アノード層と第一導
電型ドリフト層間のpn接合に屈曲部が無いので、高耐
圧素子に適する。また、第二導電型アノード層の拡散深
さが、第二導電型ソース領域のそれより小さいものとす
ることもできる。
の不純物総量が少なく、第一導電型ドリフト層に注入さ
れるキャリアが減少し、逆回復特性が改善される。ソー
ス層および絶縁膜を複数個、均等に配置されているもの
とする。さらにこれらがドット状、ストライプ状である
ものとする。このようにすることで、電流の分布が均一
で電流集中等がなく、特性が安定する。
であれば、素子形成プロセスにおいて容易に得ることが
できる。
実施例の電力用ダイオードについて説明する。以下の記
述で、n、pを冠した層、領域等はそれぞれ電子、正孔
を多数キャリアとする層、領域等を意味するものであ
る。また、すべて第一導電型をn型、第二導電型をp型
とするが、これを逆にすることもできる。
の電力用ダイオードのチップ中央付近の単位部分の部分
断面図である。電力用ダイオードの主要部分は、多数の
図のような単位部分が繰り返されており、またチップの
周辺部分には、耐圧部として、ガードリング構造が形成
されているが、本発明の本質に係わる部分ではないので
省略している。
5の一方の側にpアノード層4が拡散により形成されて
おり、pアノード層4側のの表面上の一部には、絶縁膜
3が形成され、pアノード層4の絶縁膜3が形成されて
いない表面上に接触してアノード電極1が設けられてい
る。nドリフト層5の他方の側には、n+ カソード層6
が拡散により形成されており、n+ カソード層6のnド
リフト層5と反対側の表面上には、カソード電極2が設
けられている。図4の従来のpinダイオードと違って
いるのは、pアノード層4の表面上にpアノード層4よ
りも高濃度のp + ソース領域7が形成されており、その
p+ ソース領域7の表面に絶縁膜3が形成されている点
である。p+ ソース領域7および絶縁膜3は、平面図で
はストライプ状をなしている。図では、アノード電極1
が絶縁膜3上に延長されているが、必ずしもこのように
延長しなければならないわけではない。
ダイオードと同様の製造方法によりpアノード層4、n
ドリフト層5、n+ カソード層6からなる三層構造を作
製し、pアノード層4の表面層に選択的にp+ ソース領
域7を形成した後に、通常のプロセスにて得られる熱酸
化膜、CVD酸化膜などの絶縁膜3をフォトリソグラフ
ィにより部分的に残し、その上およびn+ カソード層6
の裏面に金属膜をスパッタまたは蒸着し、アノード電極
1、カソード電極2として製造される。なお、ライフタ
イム制御を、電子線照射でおこなっている。場合によっ
ては、絶縁膜3の形成を三層構造の作製前におこなって
も良い。
ためのほう素イオン注入量を少なくして、pアノード層
4の表面濃度を、従来のpinダイオードの場合よりも
約1桁小さくする。但し、p+ ソース領域7について
は、従来のpinダイオードの表面不純物濃度と同程度
にするか或いは数倍大きくするとよい。各層の不純物濃
度あるいは表面不純物濃度、厚さあるいは接合深さは、
例えば次のような値である。n+ カソード層:1×10
20/cm3 、80μm、nドリフト層:3×10 13/c
m3 、320μm、pアノード層:1×1015/cm
3 、6μm、p+ ソース領域7:7×1016/cm3 、
3.4μm、幅、11.4μm、酸化膜幅:6μm、膜
厚:0.5μm、酸化膜の形成されていない領域の幅:
9μm。
イオード(A)の順方向特性図である。比較例として、
半導体基板の構成は実施例1と同じで、表面上の絶縁膜
3が無い比較ダイオード(B)および従来のpinダイ
オード(C)の順方向特性をも記載してある。pinダ
イオード(C)のpアノード層4の表面不純物濃度は3
×1016/cm3 、接合深さは3.4μmとした。ライ
フタイム制御は電子線照射でおこなった。電力用ダイオ
ード(A)、比較ダイオード(B)、pinダイオード
(C)ともに耐圧は3000Vを越えている。通常定格
電流として使用される100A/cm2 で順電圧を比較
した場合、pinダイオード(C)の順電圧が2.9V
であるのに比べて、電力用ダイオード(A)および比較
ダイオード(B)は、3.1〜3.2Vとあまり差がな
い。
1000A/cm2 以上で順電圧を比較すると、比較ダ
イオード(B)の9.6V、pinダイオード(C)の
9.1Vに比べて電力用ダイオード(A)では、8.9
Vとオン電圧が低下している。したがってサージ電流通
電時の発熱が低減され、真性キャリア濃度の増加が抑え
られるので、サージ電流耐量が向上する。
膜を形成した電力用ダイオード(A)では、絶縁膜3の
形成領域で、半導体表層の少数キャリア(pアノード層
4内では電子)が絶縁膜にせき止められるような効果が
生じ、高注入状態になるほど、絶縁膜近傍のpアノード
層4内の電子濃度が増加し、さらに、中性条件を満たす
ようにnドリフト層5内の正孔濃度も増加するためと考
えられる。従って、絶縁膜3をpアノード層4の表面の
一部に形成した場合、絶縁膜3の無い比較ダイオード
(B)、pinダイオード(C)に比べて、順方向電流
が大きいほど順電圧の増加率は小さくなる。通常、サー
ジ電流領域では逆回復モードの動作はない。従って、そ
のような電流域での正孔の注入促進による逆回復特性へ
の影響は考慮しなくてもよい。
(A)および比較ダイオード(B)、従来型のpinダ
イオード(C)のリカバリー特性を比較した特性図であ
る。横軸は100A/cm2 での順電圧、縦軸は、逆回
復ピーク電流である。逆回復動作の条件はIF =100
A/cm2 、VR =1300V、−dIF /dt=25
0A/(cm2 ・μs)である。この図に見られるよう
に、順電圧と逆回復ピーク電流とはトレードオフ関係に
あり、本実施例の電力用ダイオード(A)は比較ダイオ
ード(B)に比べて若干外側にあるものの、pinダイ
オード(C)に比べて優れたトレードオフ特性を示すこ
とがわかる。すなわち、同じ順電圧のダイオードで比較
したとき、本実施例の電力用ダイオード(A)は、逆回
復ピーク電流が小さいので、スイッチング速度が速く、
スイッチング損失は少なくて済む。
りも高濃度のp+ ソース領域7を形成し、その表面の一
部にアノード電極1が接触する構造をとっているが、通
常の定格電流密度(〜100A/cm2 )では、アノー
ド電極1と接触しているpアノード層4から主に電流が
流れる。そのpアノード層4の表面濃度を下げることに
より、従来のpinダイオードより正孔の注入が、低く
抑えられるので、逆回復特性が改善されるためである。
は、従来のpinダイオードに比べて、サージ電流領域
での順特性、および定格電流域での逆回復特性が向上
し、より高速の、過酷な動作に耐えるものである。絶縁
膜3の形成が特性に与える影響は無視できる程度である
といえる。絶縁膜3およびp+ ソース領域7の形状は、
ストライプ状やドット状など、電流集中がなく分散する
構造であれば安定した特性が得られる。絶縁膜3の厚さ
や幅、pアノード層4ならびにp+ ソース領域7の表面
濃度、幅および接合深さは、既存のプロセス技術で制御
可能であり、デバイス構造等に適合した最適化ができ
る。この例では、絶縁膜3はもっとも形成の容易な酸化
膜としたが、酸化膜以外の絶縁材料、例えば窒化膜或い
はポリイミド等でも構わない。
の電力用ダイオードの部分断面図である。この例では、
図1の実施例1に対してpアノード層4の拡散深さが、
p+ ソース領域7のそれより小さい場合を示している。
絶縁膜3はp+ ソース領域7の表面に接触して設けられ
ている。このようにすることで、pアノード層4からn
ドリフト層5への正孔の注入を更に抑える作用が得ら
れ、逆回復特性を改善することができる。
の電力用ダイオードのチップ中央付近の単位部分の部分
断面図である。図1の実施例1と違っているのは、pア
ノード層4よりも高濃度のp+ ソース領域7が形成され
ていない点である。絶縁膜3はpアノード層4の表面に
接触して設けられている。但しこの例では、pアノード
層4形成のためのほう素イオン注入量を多くして、pア
ノード層4の表面濃度を、実施例1の場合よりも約1桁
大きく、すなわち、pアノード層4の表面不純物濃度、
拡散深さをそれぞれ3×1016/cm3 、3.4μmと
している。
は、実施例1よりp+ ソース領域7を形成しない分だ
け、工数が低減できる。またこの実施例3の電力用ダイ
オードでは、サージ電流領域において、実施例1より低
い順電圧が得られた。
二導電型アノード層表面または、第二導電型ソース領域
表面の一部に絶縁膜を設け、絶縁膜の無い部分にアノー
ド電極を接触することによって、サージ電流領域でのオ
ン電圧が低減され、発熱が抑制されて、サージ電流耐量
が向上する。特に、第二導電型アノード層の不純物濃度
を低くすれば、定格電流での逆回復特性の向上も可能と
なり、従来のpinダイオードでは困難であった、大き
いサージ電流耐量と、高速な逆回復特性との両立を可能
とした電力用ダイオードが提供される。
断面図
断面図
断面図
例の順方向静特性図
例の逆回復ピーク電流とオン電圧のトレードオフ特性図
Claims (11)
- 【請求項1】第一導電型カソード層、その第一導電型カ
ソード層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第
二導電型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に
積み重ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノー
ド電極と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソー
ド電極とを有する電力用ダイオードにおいて、第二導電
型アノード層の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その
絶縁膜が形成されない第二導電型アノード層の表面に前
記アノード電極が接することを特徴とする電力用ダイオ
ード。 - 【請求項2】複数の絶縁膜がほぼ均等に配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の電力用ダイオード。 - 【請求項3】絶縁膜がストライプ状であることを特徴と
する請求項2記載の電力用ダイオード。 - 【請求項4】絶縁膜がドット状であることを特徴とする
請求項2記載の電力用ダイオード。 - 【請求項5】第一導電型カソード層、その第一導電型カ
ソード層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第
二導電型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に
積み重ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノー
ド電極と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソー
ド電極とを有する電力用ダイオードにおいて、第二導電
型アノード層の一部に第二導電型アノード層よりも高濃
度の第二導電型ソース領域が形成され、その第二導電型
ソース領域の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶
縁膜が形成されない第二導電型ソース領域および第二導
電型アノード層の表面に前記アノード電極が接すること
を特徴とする電力用ダイオード。 - 【請求項6】第二導電型アノード層の拡散深さが、第二
導電型ソース領域のそれより大きいことを特徴とする請
求項5記載の電力用ダイオード。 - 【請求項7】第二導電型アノード層の拡散深さが、第二
導電型ソース領域のそれより小さいことを特徴とする請
求項5記載の電力用ダイオード。 - 【請求項8】複数の第二導電型ソース領域および絶縁膜
が均等に配置されていることを特徴とする請求項6また
は7に記載の電力用ダイオード。 - 【請求項9】第二導電型ソース領域および絶縁膜がスト
ライプ状であることを特徴とする請求項8記載の電力用
ダイオード。 - 【請求項10】第二導電型ソース領域および絶縁膜がド
ット状であることを特徴とする請求項8記載の電力用ダ
イオード。 - 【請求項11】絶縁膜が酸化膜であることを特徴とする
請求項1ないし10のいずれかに記載の電力用ダイオー
ド。
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JP13625397A JP3807023B2 (ja) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | 電力用ダイオード |
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