(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる伝導型のドープがされており、互いに異なる第１の伝導型（ｎ；ｐ）と第２の伝導型（ｐ；ｎ）との間での、少なくとも一つの接合（１０）を有する半導体材料の直胴部（１）であって、
少なくとも第１の伝導型（ｎ；ｐ）について、第１の伝導型（ｎ；ｐ）の半導体材料の自由荷電キャリアの第１の平均自由行程長（λ０）を有し、
少なくとも第１の伝導型（ｎ；ｐ）について、第１の平均自由行程長（λ０）よりも縮小されている半導体材料の自由荷電キャリアの第２の平均自由行程長（λｒ）を有する少なくとも一つの領域（２）を含み、
第２の平均自由行程長（λｒ）の上記領域（２）が、上記接合（１０）の延びている表面（１００）に垂直な方向（ｘ）に並んでいる第１の区域（２１）を有し、第１の区域（２１）の間には、第２の平均自由行程長（λｒ）に対してより大きな、半導体材料の自由荷電キャリアの第３の平均自由行程長の区分（２３）を複数有しており、
第３の平均自由行程長を有する上記区分（２３）は、隣同士で第１の距離（ｄ）を有しており、
上記区分（２３）は、第１の区域（２１）によって分離されて、第１の距離（ｄ）を決めるようになっており、
第１の距離（ｄ）は、半導体材料の上記接合（１０）に対して電気ブロッキング電圧を印加することによって生成される電場の強度（Ｅ）の絶対値（｜Ｅ｜）に対して、電場の強度の絶対値の小さな位置においては第１の距離（ｄ）が小さくなるように依存し、電場の強度の絶対値の大きな位置においては第１の距離（ｄ）が大きくなるように依存している、半導体材料の直胴部。
【請求項２】
第２の平均自由行程長（λｒ）の上記領域（２）の第１の区域（２１）は、隣同士で第２の距離（ｂ）を有しており、
第１の区域は、第２の距離（ｂ）を決定する上記区分（２３）によって分離され、
第２の距離（ｂ）は、半導体材料の上記接合（１０）に対して電気ブロッキング電圧を印加することによって生成される電場の強度（Ｅ）の絶対値（｜Ｅ｜）に対して、電場の強度の絶対値（｜Ｅ｜）の小さな位置では第２の距離（ｂ）が大きくなるように依存し、電場の強度の絶対値（｜Ｅ｜）の大きな位置では第２の距離（ｂ）が小さくなるように依存している、請求項１に記載の直胴部。
【請求項３】
上記区分（２３）の第３の平均自由行程長が、第２の平均自由行程長（λｒ）の上記領域（２）の外側の、第１の伝導型（ｎ；ｐ）の半導体材料の自由荷電キャリアの第１の平均自由行程長（λ０）と等しい、請求項１または２に記載の直胴部。
【請求項４】
第２の平均自由行程長（λｒ）の上記領域（２）は、上記接合（１０）の延びている上記表面（１００）に対して平行な少なくとも一つの方向（ｙ、ｚ）に互いに並んでいる第２の区域（２２）を有し、第２の区域（２２）の間には、第３の平均自由行程長の上記区分（２３）を少なくとも一つ有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の直胴部。
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長を有し、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長が半導体材料の平均自由行程長と比較して自由荷電キャリアのために縮小されている少なくとも一つの領域を有する、少なくとも一つの伝導型のドープされた半導体材料からなる直胴部(Koerper 、ボディ)に関するものである。
【０００１】
上述の型の直胴部は、これまでに公開されていない、以前の独国特許出願第10030381.1(2000 P 12486)にて提案され、その内容は本特許出願の開示内容の一部となっている。
【０００２】
ここで提案する直胴部においては、ドープされた半導体材料は異なる型のドープを含み、また、一方の導電型およびその導電型とは逆の導電型の接合と、各導電型の半導体材料における自由導電キャリアの平均自由行程長と、二つの導電型の内の一つにおいて、その伝導型の半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長と比較して縮小された、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長を有する区分と、を含んでいる。
【０００３】
半導体材料における自由荷電キャリアの縮小された平均自由行程長の領域は、一般には、半導体材料の直胴部の電気的性質の改良に通ずる。それゆえ、既に提案した直胴部の場合においては、この領域のために、高い絶縁破壊耐性が実現される。
【０００４】
本発明の目的は、よい電気的性質をもつ、前提部(eingangs genannten Art)に記載した型の直胴部を提供することにある。
【０００５】
この目的は、請求項１の特徴によって達成される。
【０００６】
この実施形態においては、縮小された平均自由行程長の領域が少なくとも一つの所定の方向に相互に並んだ区域を有し、その区域の間には半導体材料において自由荷電キャリアが支配的となる少なくとも一つの区分があることが本質的である。
【０００７】
したがって、本発明に係る直胴部によれば、縮小された平均自由行程長の領域は、従来提案されていた直胴部のように連続ではなく、逆にこの行程長と比較して長い平均自由行程長を有する少なくとも一つの区分によって遮断されている。
【０００８】
縮小された平均自由行程長と比較してより大きい、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長が支配的である区分においては、各区分の幾何学的配置によってこれが達成される。荷電キャリアは、これに基づいて十分なエネルギーを吸収できるように、所定の行程長を必要とし、これによって、衝突によって生ずるイオン化による余分の荷電キャリアを自身で生成する。もしこの行程長が短いままに保たれると、それらの荷電キャリアは十分なエネルギーを得ることができない。
【０００９】
本発明に係る直胴部においては、縮小された平均自由行程長の領域において電流が流れるという利点だけでなく、縮小された平均自由行程長よりも平均自由行程長が大きい、少なくとも一つの区分においても電流が流れるという利点を、確実なものとするために、長さが計測される。
【００１０】
それゆえ、本発明に係る直胴部によれば、電場の強度が大きい部分全体において荷電キャリアの自由行程長を減少させる必要がないような、半導体材料からなる直胴部を有する素子を有利に実現できる。
【００１１】
本発明に係る直胴部によれば、その電気伝導性は、従来において慣習的であった、縮小された平均自由行程長が連続している領域を有する直胴部の電気伝導性と比較して、改善されたものとなる。
【００１２】
本発明に係る直胴部の有利な実施形態は、縮小された平均自由行程長と比較してより大きな平均自由行程長を有する区分の隣同士が距離をもち、これらの区分が、この距離を決定する、縮小された平均自由行程長の領域の区域によって分離され、この距離が、半導体材料の直胴部に対して所定の電圧を印加することによって生成される、電場の強度の絶対値に対して、絶対値の小さい位置においてはこの距離が減少するように依存し、絶対値の大きい位置においてはこの距離が増加するように依存するように、設計されている。これは、例えば、電場の強度の絶対値が小さい領域では密度が大きくなるように区分が配置され、電場の強度の絶対値が大きい領域では密度が小さくなるように区分が配置されることを意味する。
【００１３】
本発明に係る直胴部の他の有利な実施形態は、縮小された平均自由行程長と比較して大きな平均自由行程長の区分によって分離される、縮小された平均自由行程長の領域における区域の隣同士の距離は、半導体材料の直胴部に対して所定の電圧を印加することによって生成される電場の強度の絶対値に、絶対値の小さな位置においては距離が大きくなるように依存し、絶対値の大きな位置においては距離が小さくなるように依存するようにして、設計される。例えば、このことは、このような区域が、電圧の強度の絶対値が大きな領域においてより大きな密度にて配置され、電圧の強度の絶対値が小さな領域においてより小さな密度にて配置されることを意味する。
【００１４】
この二つの実施形態を、組み合わせることもできる。
【００１５】
より好ましく、かつ有利な構成として、ある区分における比較的大きい平均自由行程長は、縮小された平均自由行程長の領域の外側の、一つの伝導型のドープされた半導体材料の平均自由行程長と等しくなっている。
【００１６】
本発明に係る直胴部の特に好ましくかつ有利な実施形態は、既に提案したような直胴部であって、ドープされた半導体材料は、異なる型のドーピングと、一つの伝導型とこの一つの伝導型とは逆の伝導型との間の少なくとも一つの接合とを含んでおり、二つの伝導型のうちの少なくとも一つについて、この一つの伝導型の半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長と比較して縮小された、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長の領域が備えられ、縮小された平均自由行程長の領域は、接合の延びている表面に対して垂直な方向に互いに並んでいる少なくとも二つの区域を含んでおり、その間には、縮小された平均自由行程長と比較して、半導体材料における自由荷電キャリアの平均自由行程長がより大きい区分が備えられ、及び／又は、縮小された平均自由行程長の領域は、接合の延びている表面に対して平行な少なくとも一つの方向に互いに並んでいる少なくとも二つの区域を含んでおり、その間には、縮小された平均自由行程長と比較して、半導体材料における自由荷電キャリアの平均自由行程長がより大きい区分が備えられている、ように設計される。
【００１７】
一方、有利な実施形態においては、接合に対して大きなブロッキング電圧(Sperrspannung)が印加されてもよく、このとき他方では、接合の電気伝導性が改善される。
【００１８】
有利な形態の、好ましくかつ有利な設計においては、縮小された平均自由行程長の領域の区域によって分離される区分の、隣同士には距離があり、この距離は、半導体材料の接合に対して所定の電気ブロッキング電圧を印加することによって生成される電場の強度の絶対値に、絶対値が小さい位置では距離が大きくなるように依存し、絶対値が大きい位置では距離が小さくなるように依存する。
【００１９】
本発明に係る直胴部の設計によると、特に有利な実施形態において、低い前進電力損失と切り換え損失とを有する一方で小さな素子体積を有する半導体材料の直胴部を有利に用いて、高電圧素子を実現できる。それゆえ、小さな体積の高電圧素子に加えて、超高集積化された高電圧ＩＣ（ＨＶＩＣ）を、ともに実現することができる。
【００２０】
高電圧素子は、現在では、本質的には、半導体材料の直胴部のｎドープされたベースに、最小のベースドーピングを選択することによって、実現されている。しかしながら、ベースドーピングを減少させると、通常は素子の厚みが増加するため、素子における最小の全電力損失という観点から、このような計測には制限がある。ＨＶＩＣは、接合分離技術（ＪＩ技術）または誘電分離技術（ＤＩ技術）のいずれかによって実現される。どちらの技術も、要求されるブロッキング電圧に適応可能となるように、“厚い”ドリフト領域が必要とされる。
【００２１】
本発明に係る直胴部の設計によれば、例えば、サイリスタ、トランジスタまたはパワーＭＯＳＦＥＴ  ＨＶＩＣに加えて、電気抵抗器を実現することが可能である。
【００２２】
本発明について、例として示す図面に基づいて以下の記述においてより詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る直胴部の設計によって形成された、高ブロッキング(hochsperrende)ダイオードの断面図であり、直胴部のｐｎ接合表面に垂直な断面を示す断面図である。
【００２４】
図２は、本発明に係る直胴部の設計によって形成された、高電圧ＭＯＳ素子の断面図であり、直胴部のｐｎ接合表面に垂直な断面を示す断面図である。
【００２５】
図３は、本発明に係る直胴部の設計による、互いに異なる距離を有する比較的大きな平均自由行程長の区分を含んでいる、縮小された平均自由行程長の領域の詳細を示す図である。
【００２６】
図４は、本発明に係る直胴部の設計による、その領域における区域が互いに異なる長さとなっている、縮小された平均自由行程長の領域の詳細を示す図である。
【００２７】
図面は概略のものであり、一定の比で拡大したものではない。
【００２８】
図１および２には、ドープされた半導体材料の直胴部を概略的に符号１にて示し、縮小された平均自由行程長の領域を概略的に符号２にて示す。
【００２９】
両方の場合において、領域２は、直胴部１のｎドープされた半導体材料の内部、すなわちｎ伝導型の半導体材料の内部にのみ配置されている。これは、多くの場合において、例えば図１および２に示すように、より大きな電場への耐性を有する、直胴部１のｐ伝導型の半導体材料の内部にて領域２を広げるのが得策であることを、本質的には意味する。
【００３０】
領域２が本質的に延びているｎドープされた半導体材料において、自由荷電キャリアの平均自由行程長λ０が行き渡るようになっている。
【００３１】
点線とハッチングとによって示される、領域２の部分２０において、行き渡るようになっている、ｎドープされた半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長λｒは、この半導体材料において予め与えられた平均自由行程長λ０と比較して縮小されたものとなっている。
【００３２】
本発明によれば、縮小された平均自由行程長λｒの領域２は、少なくとも一つの方向に互いに並んでいる区域を有しており、その間には、縮小された平均自由行程長λｒと比較してより大きな、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長を有する、少なくとも一つの区分が備えられている。
【００３３】
例えば、図１および２においては、領域２の幾つかの区域２１がｘ方向に互いに並んでおり、この区域には縮小された平均自由行程長λｒが行き渡っており、それらの間に備えられた区分２３においては、例えばより大きな、予め与えられた行程長λ０のような、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長が行き渡っており、縮小された平均自由行程長よりも大きくなっている。
【００３４】
ｘ方向に垂直なｙ方向においてもまた、例えば、縮小された平均自由行程長λｒが支配的である、領域２の区域２２が備えられ、その間に備えられた区分２３においては、例えばより大きな、予め与えられた行程長λ０のような、半導体材料の自由荷電キャリアの平均自由行程長が行き渡っており、縮小された平均自由行程長よりも大きくなっている。
【００３５】
同様の条件が、方向ｘと方向ｙと図面の図の平面とに対して垂直な方向ｚについても行き渡っている。
【００３６】
特に、例えば、図１および図２は、領域２の区域２１および２２によって完全に囲まれた各区分２３を示しており、加えて、特に区分２２は、方向ｘおよびｙについて行列形式となるように、行および列状に配置されている。各区域２１は、領域２の全体を貫くようにｙ方向に延びており、各区域２２は、領域２の全体を貫くようにｘ方向に延びており、区域２１および２２は、互いに交差して、その間にある区分２３を含めるようになっている。
【００３７】
図１および図２に係る直胴部１の一例においては、ドープされた半導体材料は、ｐおよびｎの互いに逆となる伝導型がドープされ、すなわち、ｐドープまたはｎドープされ、図面の図の平面に垂直な領域１００において延びるようなｐｎ接合１０を有している。
【００３８】
ｐ及び／又はｎの各伝導型において、半導体材料は、半導体材料中の自由荷電キャリアのに対する、予め与えた平均自由行程長λ０を有している。
【００３９】
縮小された平均自由行程長λｒの領域２は、本質的にはｎドープされた半導体材料の内部のみを本質的には延びており、直胴部１のｐｎ接合１０と少なくとも隣接するようになっている。
【００４０】
区域２１が互いに並び、その間に領域２３が存在しているような方向ｘは、例えば、ｐｎ接合１０が延びている領域１００に垂直となっている。
【００４１】
加えて、区域２２が互いに並び、その間に区分２３が存在しているような方向ｙは、例えば、ｐｎ接合１０が延びている表面１００に対して平行である。
【００４２】
同様の状況を、ｐｎ接合が延びている表面１００に対して平行に延びる方向ｚに対しても適用できる。
【００４３】
図１に係る直胴部１は、高ブロッキングダイオードの直胴部である。半導体材料がシリコンである直胴部１は、例えば、この直胴部の表面区域１１に隣接し、この表面区域１１の上に配置されているダイオードの端子電極（図示せず）によって接続されているｐ+ドープ領域１３を含んでいる。また、表面区域１１から離れている面の側の領域１３においては、この領域１３に隣接したｎドープ領域１４を備え、また表面区域１１から離れている面の側の領域１４においては、この領域１４に隣接するとともに、表面区域１１から離れた面の、表面区域１２の上に配置されたダイオードの端子電極（図示せず）と接続された、直胴部１の表面区域１２に隣接しているｎ+ドープ領域１５を備えている。
【００４４】
ｐ+ドープ領域１３とｎドープ領域１４との界面は、ダイオードのｐｎ接合１０が延びている表面１００である。
【００４５】
領域２は、区域２１、２２に加えて区分２３を有し、縮小された平均自由行程長の領域であり、本質的にｎドープ領域１４のみにわたって延びている。すなわち、ｐ+ドープ領域１３及び／又はｎ+ドープ領域１５には、ほんのわずかのみ延びだしている。領域２における、範囲と他の条件とについては、この文献においても適用可能なものであるが、これについては以前の独国特許出願100030381.1を参照されたい。
【００４６】
図２に係る直胴部１は、高電圧ＭＯＳ素子の直胴部である。この直胴部１は、これもまたシリコンからなるが、例えばSiO2のような電気絶縁物質の基板３の表面３１の上に配置される。この直胴部１のｐｎ接合１０は、基板３の表面３１に垂直であり、直胴部１の右側のｎドープ領域１４’から直胴部１の左側のｐ+ドープ領域１３’を分離している、表面１００において延びている。ｐ+ドープ領域１３’とｎドープ領域１４’とは、共に、基板３から離れた面の、直胴部１の表面区域１１’に隣接している。
【００４７】
ｎドープ領域１４’において、ｐｎ接合１０から離れた位置に、直胴部１の表面区域１１’に隣接し、表面区域１１’の上に配置されたドレイン電極１４によって接続された、ｎ+ドープ領域１５’が配置されている。
【００４８】
直胴部１の表面区域１１’に隣接したｎ+ドープ領域１６は、ｐ+ドープ領域１３’におけるｐｎ接合１０から離れた位置に配置されている。
【００４９】
電気絶縁物質の層５は、直胴部１の表面区域１１’のｐｎ接合１０を覆うように配置され、ｎドープ領域１４’からｐ+ドープ領域１３’を超えてｎ+ドープ領域１６へと延び、領域１３’と領域１６との一部分のみを覆っている。
【００５０】
素子のゲート電極６は、電気絶縁物質からなる層５の上に、ｐｎ接合１０を覆うように配置され、ｎドープ領域１４’からｐ+ドープ領域１３’を超えてｎ+ドープ領域１６まで延びている。
【００５１】
領域１３’と領域１６との覆われていない部分は、直胴部１の表面区域１１’の上に配置された、素子のソース電極７によって一体に接続されている。
【００５２】
ｐ+ドープ領域とｎドープ領域１４との界面は、ダイオードのｐｎ接合１０が延びている表面１００を形成している。
【００５３】
縮小された平均自由行程長λｒの領域２は、縮小された平均自由行程長λｒの区域２１と２２とに加えて、縮小された平均自由行程長λｒと比較してより大きな平均自由行程長の区分２３を備えており、本質的にｎドープ領域１４’のみを覆うように延びている。すなわち、一般には、ごくわずかのみｐ+ドープ領域１３’及び／又はｎ+ドープ領域１５’へと延びだしている。領域２の延びの程度と他の条件とについては、この文献においても適用可能なものであるが、これについては以前の独国特許出願10030381.1を参照されたい。
【００５４】
図３は、図１および図２における断面図として例示した、本発明に係る直胴部１の、縮小された平均自由行程長の領域２の詳細を示すものである。
【００５５】
領域２においては、縮小された平均自由行程長λｒの行き渡っている、領域２の区域２１は、ｘ方向に互いに並んでおり、これら領域２１の間に、縮小された平均自由行程長λｒよりも大きな平均自由行程長の、例えば予め与えられたより大きな行程長λ０の、区分２３が、ｎドープされた半導体材料の自由荷電キャリアのために行き渡るように、備えられている。
【００５６】
この領域２においては、縮小された平均自由行程長λｒよりも大きな平均自由行程長の区分２３は、隣り同士が距離をもつようになっており、この領域は、縮小された平均自由行程長λｒの領域２の区域２１によって分離されており、その区域２１が方向ｘにおける長さの程度ｄとしての距離を決定し、この距離は、半導体材料の直胴部１に対して印加される所定の電圧値によって生成される電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|に依存しており、絶対値|Ｅ|の大きさが小さい領域においては長さｄが小さくなるように、絶対値|Ｅ|の大きさが大きい領域においては長さｄが大きくなるように、依存している。
【００５７】
例えば、値|Ｅ|1が図３の左方部に位置するＳ１に配置されているとし、右方部のＳ２には電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|の値|Ｅ|2が配置され、|Ｅ|1が|Ｅ|2よりも小さいとする。したがって、左方部Ｓ１において、距離ｄは、右方部Ｓ２における距離ｄの値ｄ２よりも小さな、値ｄ１となっている。
【００５８】
例えば、これは、区分２３が、電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|の小さな領域において、より大きな密度となるように配置され、電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|の大きな領域において、より小さな密度となるように配置されることを意味する。
【００５９】
各区分２３のｘ方向にわたる長さｂは、いくつかの又は全ての区分２３について、同じであってもよいし、又は異なっていてもよい。
【００６０】
図４は、図１および図２の断面図に示す、本発明に係る直胴部１の縮小された平均自由行程長の領域２の詳細を示す図である。この領域において、縮小された平均自由行程長λｒである領域２の区域２１は、ｘ方向に互いに並んでおり、この区域２１の間には、縮小された平均自由行程長λｒと比較して平均自由行程長の大きな、例えば予め定められた大きな行程長λ０の区分２３が、ｎドープされた半導体材料の自由荷電キャリアのために備えられている。
【００６１】
図４において、縮小された平均自由行程長λｒの領域２の区域２１は、隣同士に距離があり、縮小された平均自由行程長λｒと比較して平均自由行程長の大きな区分２３によって分離され、区分２３がｘ方向にわたる長さｂの距離を決定し、この距離は、半導体材料の直胴部に対して所定の電場を印加することによって生成される電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|に対して、絶対値|Ｅ|の小さな位置においては距離ｂを大きくするように、絶対値|Ｅ|の大きな位置においては距離を小さくするように、依存している。
【００６２】
例えば、図４の左方部Ｓ１において値|Ｅ|1が配置され、右方部Ｓ２において電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|の値|Ｅ|2が配置され、|Ｅ|1が再び|Ｅ|1よりも小さいとする。したがって、左方部Ｓ１における距離ｂは値ｂ１であり、右方部Ｓ２における距離ｂの値ｂ２よりも大きくなっている。
【００６３】
例えば、これは、区域２１を、電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|が大きな位置では、大きな密度とし、電場の強度Ｅの絶対値|Ｅ|が小さな位置では、小さな密度とすることを意味する。
【００６４】
各区域２１のｘ方向にわたる距離ｄは、幾つかの区域又は全ての区域２１に対して、同じでもよいし、又は異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る直胴部の設計によって形成された、高ブロッキングダイオードの断面図であり、直胴部のｐｎ接合表面に垂直な断面を示す断面図である。
【図２】  本発明に係る直胴部の設計によって形成された、高電圧ＭＯＳ素子の断面図であり、直胴部のｐｎ接合表面に垂直な断面を示す断面図である。
【図３】  本発明に係る直胴部の設計による、互いに異なる距離を有する比較的大きな平均自由行程長の区分を含んでいる、縮小された平均自由行程長の領域の詳細を示す図である。
【図４】  本発明に係る直胴部の設計による、その領域における区域が互いに異なる長さとなっている、縮小された平均自由行程長の領域の詳細を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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