(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ領域（５）およびベース領域（１）を備えており、該エミッタ領域とベース領域とのあいだでエミッタ領域に接して不純物原子を有するストップゾーン（６）が配置されており、エミッタ領域（５）およびストップゾーン（６）の導電型は相互に対立している
パワー半導体素子において、
ストップゾーン（６）の不純物原子は半導体のバンドギャップ内にあって該半導体の伝導帯および価電子帯から少なくとも２００ｍｅＶ離れた少なくとも１つのエネルギ準位を有する
ことを特徴とするパワー半導体素子。
【請求項２】
前記ストップゾーン（６）の不純物原子は硫黄原子を含む、請求項１記載のパワー半導体素子。
【請求項３】
前記ストップゾーン（６）の不純物原子はセレン原子を含む、請求項１記載のパワー半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はエミッタ領域およびベース領域を備えており、エミッタ領域とベース領域とのあいだでエミッタ領域に接して不純物原子を有するストップゾーンが配置されており、エミッタ領域およびストップゾーンの導電型は相互に対立している、パワー半導体素子に関する。
【０００２】
非対称のサイリスタでは対称のサイリスタとは異なり、モジュールの厚さを低減するためにアノード側のｐ型エミッタに接してｎ型ストップゾーンを設ける。このストップゾーンは阻止方向電圧が完全な場合の電界のｐ型エミッタに対するパンチスルーを阻止する目的を有している。このため特にＩＧＢＴまたはサイリスタなど、阻止方向電圧が３ｋＶ以上となりかつ厚さが５００μｍ以上で比較的大きい阻止形のモジュールでは、ストップゾーンによりパワー半導体の全損失を著しく低減することができる。
【０００３】
サイリスタのアノード側のエミッタに接するストップゾーンのドープ濃度が高くなるにつれて、部分トランジスタの増幅係数αｐｎｐは小さくなる。したがって確かに一方では阻止曲線から導通曲線への移行が行われるサイリスタで達成可能なブレークオーバ電圧が上昇するが、他方で順方向電圧ひいては静的な損失電力も上昇する。つまりサイリスタの静的損失および動的損失はストップゾーンの特性を介して相互に結びついている。
【０００４】
本発明の課題は、ストップゾーンを備えたパワー半導体の静的損失および動的損失を従来技術によるモジュールよりも小さくすることである。
【０００５】
この課題は請求項１記載の特徴を有するパワー半導体素子を構成して解決される。有利な実施形態は従属請求項の対象となっている。
【０００６】
本発明は、ストップゾーンのドーパントはモジュールの阻止動作で“アクティブ”となるだけでよく、導通動作で“アクティブ”となるべきではないという原理に基づいている。言い換えれば、ストップゾーンの不純物から発生したドーパントとして働く原子の数がモジュールの動作モード（阻止動作または導通動作）に依存して変化するようにしたい。これはドープ原子を用いて、半導体材料のバンドギャップ内にあって、伝導帯および価電子帯のエネルギ準位から大きく離れたエネルギ準位を調製することより達成される。
【０００７】
本発明のパワー半導体素子は、エミッタ領域およびベース領域を備えており、エミッタ領域とベース領域とのあいだでエミッタ領域に接して不純物原子を有するストップゾーンが配置されており、エミッタ領域およびストップゾーンの導電型は相互に対立している。ここで本発明では、ストップゾーンの不純物原子が半導体のバンドギャップ内にあって半導体の伝導帯および価電子帯から少なくとも２００ｍｅＶ離れた少なくとも１つのエネルギ準位を有する。
【０００８】
特にドープ物質は硫黄またはセレンである。
【０００９】
硫黄をドープされたストップゾーンを備えたパワー半導体の利点は、硫黄原子の拡散定数が極めて高く、ストップゾーンを簡単に形成できることである。
【００１０】
本発明の別の利点および特徴は、添付図に関連した以下の本発明の有利な実施例の説明から得られる。
【００１１】
図１にはアノード側にストップゾーンを有する本発明のパワー半導体の実施例が断面図で示されている。図２には図１のモジュールのドープ物質濃度が示されている。
【００１２】
パワー半導体素子として図１には半導体１を有するサイリスタが示されている。この半導体は図示の実施例では低濃度でｎ型にドープされており、ｎ−ベースとして作用する。ｎ−ベース１にはｐベース２が接合されており、その表面のカソード側にカソード端子４を備えたｎ＋エミッタ構造体３が配置されている。
【００１３】
ｐベース２に対向する側、すなわちｎ−ベースのアノード側には、ｐ型エミッタ５が存在している。ｐ型エミッタ５は従来技術から知られているように、ストップゾーン６によって阻止方向電圧が完全な場合の電界のパンチスルーから保護されている。ストップゾーン６はｎ型にドープされている。すなわちドープ物質として従来技術では特にリンまたはヒ素が使用される。
【００１４】
エミッタ３、５の双方は金属化部７を介して外部のアノード端子またはカソード端子と導電接続されている。
【００１５】
本発明によれば、ストップゾーン６には、エネルギ準位がバンドギャップ内にあり、かつ価電子帯ないし伝導帯から大きく（少なくとも２００ｍｅＶ）離れたエネルギ準位を有するドーパントがドープされる。これに適したドーパントとして特に、他の原子と並んで硫黄原子が使用される。これはこの原子が室温では部分的にしか電気的にアクティブにならないからである。硫黄をドープされた領域を空間電荷ゾーンが捉えると、硫黄原子は完全にアクティブとなり、ダブルドナー、すなわち２個の自由な電荷担体を有するドナーとしてふるまう。これにより硫黄原子は２個の電荷担体分だけチャージされていることになる。硫黄のエネルギ準位はシリコンのバンドギャップ内ではきわめて低く、空間電荷ゾーンが存在してはじめて完全に電気的にアクティブとなる。硫黄のエネルギ準位はシリコンの伝導帯２６０ｍｅＶの下方であり、第２のエネルギ準位は価電子帯の上方４８０ｍｅＶである。シリコンのバンドギャップは１１２０ｍｅＶである。したがって一方ではストップゾーンは導通状態で部分的にのみ電気的にアクティブとなり、部分トランジスタ増幅係数αｐｎｐは比較的僅かしか低下せず、これにより順方向電圧を小さく維持することができる。他方では空間電荷ゾーンによって捉えられたストップゾーン部分は阻止状態で完全にアクティブとなり、これによりきわめて効果的なストップゾーンが得られる。このようにして順方向電圧と阻止方向電圧との間の相関は改善される。
【００１６】
本発明のパワー半導体素子の別の実施例ではドープ物質としてセレンを使用する。セレンはシリコンのバンドギャップ内で、伝導帯の下方の約３１０ｍｅＶおよび約５９０ｍｅＶの２つのエネルギ準位を有する。
【００１７】
図１のモジュールのドープ濃度プロフィルが図２に示されている。カソード側のｎ＋型にドープされたエミッタ３は図２の左方に示されている。このエミッタにはｐベース２、ｎ−ベース１、ストップゾーン６およびｐ型エミッタ５がこの順で接続されている。ドーパント原子によって形成されるストップゾーン６には２つのドープ特性が８、９で示されており、ここでドープ特性９は破線で示されている。ストップゾーン６のドープ特性８が阻止状態において空間電荷ゾーンの領域でｎ−ベース１から見て急峻に上昇しｐ型エミッタへの電界のパンチスルーを阻止するように経過しているのに対し、ストップゾーン６のドープ濃度特性９は導通状態で平坦となっている。すなわち電荷担体はｎ−ベース１からｐ型エミッタ５へ、またはｐ型エミッタからｎ−ベースへ達する。この電荷担体にとってはストップゾーン６は格段に弱いものとなる。
【００１８】
パワー半導体を製造する際、ストップゾーンはエミッタ領域のアノード側に不純物原子をインプランテーションすることにより形成される。リンまたはヒ素などの不純物原子のインプランテーション後、不純物原子またはドープ原子はｎ型にドープされたストップゾーン６を形成するためにシリコンウェハ内部に拡散され、結晶格子が修復される。このとき半導体は熱処理プロセスにかけられる。温度の高さおよび処理の持続時間はドーパント原子および半導体材料の特性に依存する。リンおよびヒ素のシリコン内での拡散定数が低いため、インプランテーション後の熱処理プロセスでは比較的高い拡散温度と比較的長い拡散時間を選定しなければならない。例えば１２００℃以上の温度と典型的には２０ｈ以上の拡散時間とが必要である。
【００１９】
ストップゾーン６を形成するためにドープ物質として硫黄を使用する利点は、硫黄がシリコン内で比較的迅速に拡散することである。このため拡散時間および温度を著しく低減することができる。硫黄原子の埋め込みは例えばアノード側でのイオンインプランテーションによって行われる。この埋め込みステップでは、典型的なインプランテーション量として、１ｃｍ２当たり１０１２〜１０１４個の硫黄原子の量が使用される。ドープ物質としてのリンに比べて、１ｃｍ２当たり５×１０１２個の硫黄量が使用される場合、硫黄は順方向動作で約１０％の電圧低下をもたらす。
【００２０】
本発明をパワー半導体素子としてサイリスタを適用する場合に基づいて説明した。ただし当業者に明らかであるように、ここに示された技術的知識は別のパワー半導体素子（例えばＩＧＢＴなど）にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のパワー半導体の実施例の断面図である。
【図２】  図１のモジュールのドープ物質濃度を示す図である。
【図１】
0003638873.tif 000002
【図２】
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