(57)【要約】 【課題】  ＶＦを低減することができるダイオードおよびブリッジダイオードを提供する。【解決手段】  Ｎ型高濃度層１０の主面１０ａ上には、Ｎ型低濃度層１１が形成されている。Ｎ型低濃度層１１の表面にはＰ型拡散層１２が形成されている。Ｐ型拡散層１２の表面不純物濃度は５×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３である。Ｎ型拡散層１１の厚みは３０〜４５μｍである。Ｐ型拡散層１２からＮ型低濃度層１１に注入されるキャリアのライフタイムは１〜２０μｓである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体からなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された、前記第１半導体層よりも不純物濃度の低い第２の半導体層と、前記第２の半導体層の表面に形成された第２導電型の拡散領域とを具備するダイオードにおいて、前記拡散領域の表面における不純物濃度を５×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３としたことを特徴とするダイオード。
【請求項２】
前記第２の半導体層の厚みを３０〜４５μｍとしたことを特徴とする請求項１に記載のダイオード。
【請求項３】
順方向電圧が印加された場合に、前記第２の半導体層から前記第１の半導体層に注入されるキャリアのライフタイムを１〜２０μｓとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のダイオード。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかの項に記載のダイオードを用いたブリッジダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、順方向電圧降下（ＶＦ）の低減を図ったダイオードに関する。また、本発明は、４つのダイオードによってブリッジ整流回路を構成したブリッジダイオードにも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のダイオードの一般的な構造として、低濃度のＮ型の半導体層（Ｎ−層）の一方の表面上に高濃度のＮ型の半導体層（Ｎ＋層）を形成し、他方の表面領域にＰ型の拡散領域を形成したものが開示されている。このような構造を有するダイオードにおいて、ＶＦの低減を図ったダイオードが開示されている。例えば、特許文献１には、ＶＦが所望の値を超えないように、Ｎ−層の比抵抗と厚さを設定することが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−３７３８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、整流用デバイスとして、４つのダイオードを用いてブリッジ整流回路を形成することにより、全波整流を行うブリッジダイオードが知られている。しかし、ブリッジダイオードに用いられているダイオードチップにおいては、Ｐ型拡散層に含まれる不純物総量が多く、濃度が高いため、ＰＮ接合におけるビルトインポテンシャルが大きい。このため、ＶＦが大きく、電力損失が増大するという問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、ＶＦを低減することができるダイオードおよびブリッジダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第１導電型の半導体からなる第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された、前記第１半導体層よりも不純物濃度の低い第２の半導体層と、前記第２の半導体層の表面に形成された第２導電型の拡散領域とを具備するダイオードにおいて、前記拡散領域の表面における不純物濃度を５×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３としたことを特徴とするダイオードである。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のダイオードにおいて、前記第２の半導体層の厚みを３０〜４５μｍとしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のダイオードにおいて、順方向電圧が印加された場合に、前記第２の半導体層から前記第１の半導体層に注入されるキャリアのライフタイムを１〜２０μｓとしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかの項に記載のダイオードを用いたブリッジダイオードである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＶＦを低減することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照し、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態によるダイオードの断面構造を示す断面図である。Ｎ型高濃度層１０は、ヒ素（Ａｓ）イオン等のＮ型不純物を含む高濃度の不純物層として形成されたシリコン等の半導体基板である。Ｎ型高濃度層１０の主面１０ａ上には、Ｎ型低濃度層１１（Ｉ層）が形成されている。Ｎ型低濃度層１１は、エピタキシャル成長によって形成された、Ｎ型高濃度層１０よりも低濃度のＮ型不純物を含む不純物層である。
【００１１】
Ｎ型低濃度層１１の表面にはＰ型拡散層１２が形成されている。Ｐ型拡散層１２は、ホウ素（Ｂ）イオン等のＰ型不純物を注入することによって形成された高濃度の不純物層である。Ｎ型低濃度層１１の表面におけるＰ型拡散層１２の周囲の領域には、複数のガードリング領域からなる耐圧向上用のガードリング領域群１３が形成されている。このガードリング領域群１３は、Ｐ型不純物を注入することによって形成されたガードリング領域１３ａ〜１３ｄを有している。ガードリング領域１３ａは、その一部がＰ型拡散層１２と重なるように形成されている。ガードリング領域１３ａの外側には、それぞれほぼ等しい距離を隔てて、内側から順にガードリング領域１３ｂ、１３ｃ、および１３ｄが形成されている。
【００１２】
ガードリング領域群１３およびＰ型拡散層１２の一部を含むＮ型低濃度層１１の表面上には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる絶縁膜１４が形成されている。絶縁膜１４の開口部におけるＰ型拡散層１２上には上部電極１５が形成されている。上部電極１５は、例えばアルミニウム（Ａｌ）によって形成されている。Ｎ型高濃度層１０の主面１０ｂ上には下部電極１６が形成されている。下部電極１６は、例えばチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、あるいはこれらのいずれかとニッケル（Ｎｉ）との合金等によって形成されている。
【００１３】
ガードリング領域群１３が形成されていることにより、ダイオードに逆方向電圧が印加された場合（下部電極１６が上部電極１５よりも高電位となった場合）に、Ｐ型拡散領域１２からＮ型低濃度層１１へ向かって伸びる空乏層を水平方向により大きく広げることができる。これにより、Ｎ型低濃度層１１とＰ型拡散領域１２の境界面における曲率の大きい（曲率半径の小さい）部分の近傍の電界を緩和し、耐圧を向上することができる。また、Ｐ型拡散領域１２とガードリング領域１３ａが部分的に重なりを持っていることから、ガードリング領域群１３を形成するためのスペースを縮小することができる。なお、Ｐ型拡散領域１２とガードリング領域１３ａが、互いに接するように形成されていてもよい。また、Ｐ型拡散領域１２とガードリング領域１３ａが、互いに接しないように形成されていてもよい。また、空乏層が周縁部に向かって広がりやすくなるように、ガードリング領域１３ａ〜１３ｄの間隔が、周縁部に近づくにしたがって順次広がるように形成してもよい。
【００１４】
図２は、Ｐ型拡散層１２の表面からＮ型高濃度層１０の主面１０ｂまでの不純物濃度の分布を示している。図２において、領域ＡはＰ型拡散層１２内に対応し、領域ＢはＮ型低濃度層１１内に対応し、領域ＣはＮ型高濃度層１０内に対応している。Ｐ型拡散層１２内には、元々存在していたＮ型低濃度層１１と同濃度のＮ型不純物と、Ｐ型拡散層１２の形成時に注入されたＰ型不純物との両方が存在している。本実施形態においては、Ｐ型不純物のみからなる不純物濃度が、Ｎ型不純物のみからなる不純物濃度を上回る領域をＰ型拡散層１２とし、両者が等しくなる所をＰ型拡散層１２とＮ型低濃度層１１の境界面とする。Ｐ型拡散層１２の表面からＰ型拡散層１２とＮ型低濃度層１１の境界面までの距離をＰ型不純物の拡散深さとし、Ｐ型拡散層１２とＮ型低濃度層１１の境界面からＮ型低濃度層１１とＮ型高濃度層１０の境界面までの距離をＩ層幅とする。
【００１５】
図２における不純物濃度曲線Ｄによって示される不純物濃度は正味の不純物濃度であり、Ｐ型およびＮ型の両方の導電型の不純物が存在する領域においては、高い方の導電型の不純物濃度から低い方の導電型の不純物濃度を引いたものが正味の不純物濃度となる。したがって、図２における領域Ａと領域Ｂの境界における不純物濃度は０となる。また、領域Ａにおいて不純物濃度曲線Ｄを積分した値をＰ型拡散層１２の不純物総量とする。本実施形態によるダイオードのＰ型拡散層１２の表面不純物濃度（図２における不純物濃度曲線Ｄの左端の値）は５×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３であり、不純物総量５×１０１２〜１×１０１３ｃｍ−２である。
【００１６】
次に、本実施形態によるダイオードのＩ層幅の条件について説明する。ダイオードを回路に実装した場合の回路損失を低減するために、電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ２の範囲でＶＦを低減するものとする。図３は、Ｉ層幅と逆電圧ＶＲの関係を示している。商用電圧であるＡＣ１００Ｖを整流するために、ブリッジダイオードとして必要な逆電圧は６００Ｖである。したがって、逆電圧が６００Ｖを超える最小値（３０μｍ）をＩ層幅の下限とした。また、４５μｍをＩ層幅の上限とした。これは、Ｉ層幅がそれ以上となると、ＶＦが増大し、上記の電流密度範囲でＶＦを１００ｍＶ以上低減することが難しくなるためである。
【００１７】
図４は、上記の電流密度範囲内における電流密度に応じたＩ層幅とＶＦとの関係を示している。また、図５は、Ｉ層幅に応じたＶＦと電流密度ＪＦの関係を示している。図中には、Ｉ層幅を１５〜６５μｍとした本実施形態のダイオードの曲線および従来品の曲線が示されている。Ｉ層幅を３０〜４５μｍとすることにより、上記の電流密度範囲内で従来品と比較して、ＶＦを１００ｍＶ以上低減することができる。
【００１８】
次に、本実施形態によるダイオードのＰ型拡散層１２の表面不純物濃度の条件について説明する。図６は、表面不純物濃度に応じたＶＦとＪＦの関係を示している。図中には、表面不純物濃度を１×１０１５〜１×１０１７ｃｍ−３とした本実施形態のダイオード（Ｉ層幅：３５μｍ）の曲線および従来品の曲線が示されている。図示されるように、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２となる点の付近で曲線が変化する。
【００１９】
表面不純物濃度が高いほど、ビルトインポテンシャルが増大するため、表面不純物濃度が低い場合よりも１００Ａ／ｃｍ２以下でＶＦが大きい。また、表面不純物濃度が低いほど、Ｎ型低濃度層１１へのＰ型不純物の注入量が少ないため、表面不純物濃度が高い場合よりも１００Ａ／ｃｍ２以上でＶＦが大きい。１０〜１５０Ａ／ｃｍ２の電流密度範囲でＶＦを１００ｍＶ以上低減するため、本実施形態においては、表面不純物濃度を５×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３としている。これに対応して、Ｐ型拡散層１２の不純物総量は５×１０１２〜１×１０１３ｃｍ−２となる。
【００２０】
次に、本実施形態によるダイオードのキャリアのライフタイム（少数キャリアの寿命）について説明する。本実施形態においては、ダイオードに順方向電圧が印加され、Ｐ型拡散層１２中のホール（正孔）がＮ型低濃度層１１に注入されてから、再結合によって消滅するまでの時間をライフタイムτとする。図７は、電流密度に応じたライフタイムτとＶＦの関係を示している。図より、ライフタイムτが１μｓ以上であれば、ＶＦの低減に最も効果があることがわかる。本実施形態によるダイオードにおいては、ライフタイムτを１〜２０μｓ（例えば２μｓ）としている。２０μｓは製造可能な上限値である。ライフタイムτを制御する方法として、ウェーハプロセスの熱処理（主に熱拡散）において、急激な温度変化による熱ストレスを回避すること、重金属等による汚染を防止すること等が挙げられる。
【００２１】
次に、本実施形態によるダイオードの損失および温度について説明する。図８は、動作時の電流ＩＯと損失Ｐｌｏｓｓの関係を示している。図示されるように、本実施形態によるダイオードにおいては、従来品よりも損失が低減しており、例えばＩＯ＝２０Ａの場合に損失が２．６Ｗ低減している。図９は、動作時の電流ＩＯと温度ＴＣの関係を示している。図示されるように、本実施形態によるダイオードにおいては、従来品よりも温度が低減しており、例えばＩＯ＝２０Ａの場合に温度が２８℃低減している。
【００２２】
なお、Ｎ型低濃度層１１の比抵抗は、約２０〜４０Ωｃｍ（例えば２５Ωｃｍ）とすればよい。比抵抗を上げると、ＶＦに大きな影響を与えることなく、逆電圧を上げることができるが、破壊耐量が下がってしまう。逆に、比抵抗を下げすぎると、逆電圧が下がってしまう。したがって、比抵抗は、所望の逆電圧を確保することができる範囲でなるべく低くすることが望ましい。上記の範囲においては、比抵抗の値はＶＦには大きな影響を与えない。
【００２３】
また、Ｐ型拡散層１２におけるＰ型不純物の拡散深さは約５〜１０μｍ（例えば６μｍ）とすればよい。拡散深さを大きくしすぎると、ＶＦが増大してしまう。逆に、拡散深さを小さくしすぎると、逆方向電圧を印加した際にＰ型拡散層１２とＮ型低濃度層１１の境界面近傍に発生する空乏層がＰ型拡散層１２の表面に届いてしまう。上記の範囲においては、拡散深さの値はＶＦには大きな影響を与えない。
【００２４】
上述したように、本実施形態においては、Ｐ型拡散層１２における表面不純物濃度を５×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−３とすることにより、Ｐ型拡散層１２とＮ型低濃度層１１の間のＰＮ接合におけるビルトインポテンシャルを小さくした。また、Ｐ型拡散層１２における表面不純物濃度を下げると、Ｐ型拡散層１２から注入されるキャリアの濃度が減少し、Ｎ型低濃度層１１における電圧降下が無視できなくなるため、必要逆電圧６００Ｖを確保できる範囲で、Ｎ型低濃度層１１の厚み（Ｉ層幅）を可能な限り薄く（３０〜４５μｍ）した。さらに、実回路上で電力損失に最も影響を与える使用電流範囲を考慮し、電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ２の範囲で最もＶＦが小さくなるように、キャリアのライフタイムτを１〜２０μｓとした。
【００２５】
本実施形態によれば、従来のダイオードと比較して、電流密度が１０〜１５０Ａ／ｃｍ２の領域におけるＶＦを１００ｍＶ以上低減することができる。これにより、回路の電力損失を減少させると共に、素子の発熱を抑えることができる。また、Ｐ型拡散層１２からＮ型低濃度層１１に注入されるキャリア量が、従来のダイオードと比較して少ないため、逆回復時間が短くなり、整流時に発生するノイズを抑制することができる。本実施形態によるダイオードは、例えばブリッジダイオードへの適用が好適である。
【００２６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態によるダイオードの断面構造を示す断面図である。
【図２】ダイオードの不純物濃度分布を示す濃度分布図である。
【図３】Ｉ層幅と逆電圧の関係を示すグラフである。
【図４】Ｉ層幅と電流密度ＪＦの関係を示すグラフである。
【図５】Ｉ層幅に応じたＶＦとＪＦの関係を示すグラフである。
【図６】表面不純物濃度に応じたＶＦとＪＦの関係を示すグラフである。
【図７】電流密度に応じたライフタイムτとＶＦの関係を示すグラフである。
【図８】電流ＩＯと損失Ｐｌｏｓｓの関係を示すグラフである。
【図９】電流ＩＯと温度ＴＣの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０・・・Ｎ型高濃度層、１０ａ，１０ｂ・・・主面、１１・・・Ｎ型低濃度層、１２・・・Ｐ型拡散層、１３・・・ガードリング群、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ・・・ガードリング領域、１４・・・絶縁膜、１５・・・上部電極、１６・・・下部電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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