(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体層と、該第１導電型の半導体層に隣接配置された第２導電型の半導体層とを備え、前記第１導電型の半導体層の不純物濃度が前記第２導電型の半導体層との隣接側より反対側が高いダイオードにおいて、前記第１導電型半導体層を、第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体層より不純物濃度が高く、且つ前記第1の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、その第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第２の半導体層と、この第２の半導体層より不純物濃度が高く、且つ前記第２の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、前記第２の半導体層の第２の主面の不純物濃度以上の不純物濃度を有する第１導電型の第３の半導体層と、前記第１の半導体層の第１の主面に隣接配置される第２導電型の第４の半導体層とで構成し、前記第１の半導体層の第２の主面の不純物濃度と前記第２の半導体層の第１の主面の不純物濃度を等しくすると共に、前記第１の半導体層の不純物濃度勾配を前記第２の半導体層の不純物濃度勾配より大としたことを特徴とするダイオード。
【請求項２】
第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のダイオード。
【請求項３】
第１導電型の半導体層と、該第１導電型の半導体層に隣接配置された第２導電型の半導体層とを備え、前記第１導電型の半導体層の不純物濃度が前記第２導電型の半導体層との隣接側より反対側が高いダイオードにおいて、前記第１導電型半導体層を、第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、その第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第２の半導体層と、この第２の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、前記第２の半導体層の第２の主面の不純物濃度以上の不純物濃度を有する第１導電型の第３の半導体層と、前記第１の半導体層の第１の主面に隣接配置される第２導電型の第４の半導体層とで構成し、前記第１の半導体層の第２の主面の不純物濃度と前記第２の半導体層の第１の主面の不純物濃度を等しくすると共に、前記第１の半導体層の不純物濃度勾配より前記第２の半導体層の不純物濃度勾配を大としたことを特徴とするダイオード。
【請求項４】
第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上であることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のダイオード。
【請求項５】
第１導電型の半導体基板を第３の半導体層として準備する工程と、前記第３の半導体層の第１の主面に隣接する第２の主面の不純物濃度が前記第３の半導体層の不純物濃度以下で、その第２の主面から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が順次低くなるように第１導電型のエピタキシャル層を複数成長させ第２の半導体層を得る工程と、前記第２の半導体層の第１の主面に隣接する第２の主面の不純物濃度が前記第２の半導体層の第１の主面の不純物濃度と等しく、その第２の主面から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が順次低くなるように第１導電型のエピタキシャル層を複数成長させ第１の半導体層を得る工程と、前記第１の半導体層の第１の主面に隣接し第２導電型の第４の半導体層を得る工程と、前記第４の半導体層に隣接させ第１の主電極を配設する工程と、前記第３の半導体層の第２の主面に隣接させ第２の主電極を配設する工程とからなる請求項第１項乃至第４項のいずれかに記載のダイオードの製造方法。
【請求項６】
第１の半導体基板の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によって前記第２の主面側から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成しその両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるよう第１の半導体層を形成する工程と、第２の半導体基板の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によってその第２の主面から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成しその両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるよう第２の半導体層を形成する工程と、不純物濃度が前記第２の半導体層の第２の主面の不純物濃度以上の第１導電型の第３の半導体層を得る工程と、前記第２の半導体層の第２の主面と前記第３の半導体層の第１の主面とを貼り合わせる工程と、前記第１の半導体層の第２の主面と前記第２の半導体層の第１の主面とを貼り合わせる工程と、前記第１の半導体層の第１の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散し前記第１の半導体層の第１の主面に隣接する第２導電型の第４の半導体層を得る工程と、前記第４の半導体層に隣接させ第１の主電極を配設する工程と、前記第３の半導体層の第２の主面に隣接させ第２の主電極を配設する工程とからなる請求項第１項乃至第４項のいずれかに記載のダイオードの製造方法。
【請求項７】
第１の半導体基板の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によって前記第２の主面側から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成しその両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるよう第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層の第２の主面に隣接し第１の主面が形成されるよう前記第１の半導体層の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によってその第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成し第２の半導体層及び第３の半導体層を得る工程と、前記第１の半導体層の第１の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散し前記第１の半導体層の第１の主面に隣接する第２導電型の第４の半導体層を得る工程と、前記第４の半導体層に隣接させ第１の主電極を配設する工程と、前記第３の半導体層の第２の主面に隣接させ第２の主電極を配設する工程とからなる請求項第３項乃至第４項のいずれかに記載のダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体ダイオードの特に特性改善と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１５(a)は従来のダイオード１００の断面構造を示す図である。また図１５(b)はこのダイオード１００の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図であり、縦断面方向の深さXと不純物濃度Nとの関係を片対数で示している。
【０００３】
このダイオード１００においては、高不純物濃度のＮ+層３の第１の主面上に低不純物濃度のＮ-層１がエピタキシャル成長によって形成されている。
【０００４】
また、Ｎ-層１の第１の主面上にＰ層４が拡散により形成され、それによってＰＮ接合Ｊ１００が形成されている。
【０００５】
また、Ｐ層４の第１の主面上にアノード電極５が、Ｎ+層３の第２の主面に隣接しカソード電極６がそれぞれ形成されている。
【０００６】
そして、低不純物濃度層であるＮ-層１の不純物濃度分布は図１５(b)のよう
に均一で、実質的に不純物濃度の勾配がない。
【０００７】
図１６（ａ）は従来のダイオード２００の断面構造を示す図で、図１６(b)はこのダイオード２００の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０００８】
このダイオード２００においては、低不純物濃度のＮ-層１と高不純物濃度のＮ+層３との間に、それらの間の不純物濃度を有するＮ層２が形成され、Ｎ-層１上主面上にＰ層４が形成され、それによってＰＮ接合Ｊ２００が形成されており、更に、Ｐ層４の上表面にアノード電極５がＮ+層３の下表面にカソード電極６がそれぞれ形成されている。
【０００９】
図１７（ａ）は従来のダイオード３００の断面構造を示す図で、図１７(b)はこのダイオード３００の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【００１０】
このダイオード３００においては、低不純物濃度のＮ-層１’が上主面側から下主面側にかけて不純物濃度が高くなる濃度勾配を有し、低不純物濃度のＮ-層１’と高不純物濃度のＮ+層３との間に、それらの間の不純物濃度を有するＮ層２が、Ｎ-層１’の上主面上にＰ層４が形成され、それによってＰＮ接合Ｊ３００が形成されており、Ｐ層４の上表面にアノード電極５が、Ｎ+層３の下表面にカソード電極６がそれぞれ形成されている。
【００１１】
図１４はダイオードの動作電流波形の模式図で、順電流ＩFが流れた後減少して、時刻ｔ0で電流零となり、その時刻ｔ0以降の電流が逆回復電流で、逆回復電流のピークＩRMを越えた後の変化率ｄｉrr／ｄｔ（図１４の逆回復電流の接線の傾きに相当）と、回路のインダクタンス成分Ｌとによりサージ電圧ＶSが式（１）の通り発生する。
0003994443.tif 000002
【００１２】
この式（１）から図１４実線（１）のように逆回復電流の変化率ｄｉrr／ｄｔが大きい波形（いわゆるハードリカバリー）の場合、サージ電圧ＶSが大きくなり素子破壊等、回路装置に致命的影響を及ぼす場合があり、そのため、ダイオードは回路装置設計の要請から、サージ電圧を抑えるために図１４破線（２）のように逆回復電流の変化率ｄｉrr／ｄｔが小さい波形（いわゆるソフトリカバリー）が求められる。
【００１３】
また、ダイオードはスイッチング損失の低減のため、逆回復電流の時間積分で計算される逆回復電荷Ｑrr（図１４の斜線部分の面積に相当）の低減も求められる。
【００１４】
ところで、ダイオードでは図１５のようにＰＮ接合の間に低不純物濃度層Ｎ-層１が挿入されている。この層が低不純物濃度であるために容易に空乏化でき高耐圧も実現できる。
【００１５】
ＰＮ-Ｎ+構造のダイオードの逆回復動作時には、順方向動作時に蓄積された過剰キャリアを掃き出しながら、ＰＮ接合部からＰ層、Ｎ-層内に空乏層が広がって行き、最後には過剰キャリアの蓄積が無くなり、この空乏層の延びる速度が早ければキャリアが早く掃き出されるために逆回復電流ピークＩRM後の電流も即座に零となり、逆回復電流は変化率ｄｉrr／ｄｔが大きいハードリカバリー波形となる。
【００１６】
反対に、空乏層の延びる速度が遅ければキャリアが掃き出される速度が遅いために、逆回復電流ピークＩRM後の電流もなかなか零にならず、逆回復電流は変化率ｄｉrr／ｄｔが小さいソフトリカバリー波形となる。
【００１７】
ところが、図１５の従来のダイオード１００は、高耐圧実現のため容易に空乏化できるよう低不純物濃度層Ｎ-層１は均一な低不純物濃度層にしているため、逆回復動作時にＰＮ接合面Ｊ１００からＮ+層３の方向に向かって空乏層がＮ-層１内を延びる速度が早く、ハードリカバリー波形となる欠点があり、そのためにサージ電圧が高くなるという問題があった。
【００１８】
この問題を解決するために、ダイオード１００はＮ-層１の厚みを大きくする方法がとられたが、こうすることで逆回復動作時に印加される逆電圧によって広がる空乏層幅のＮ-層１中に占める割合が小さくなり、その空乏層の外側の部分に蓄積されたキャリア数が増えた分だけその消滅が遅くなるために、逆回復電流は変化率ｄｉrr／ｄｔが小さいソフトリカバリー波形となるものの、Ｎ-層１の厚みを大きくするために順電圧が上昇し、且つ逆回復電荷Ｑrrが増加する欠点があり、損失が増大するという問題があった。
【００１９】
この問題を解決するために、図１６の従来のダイオード２００は、ダイオード１００のＮ-層１とＮ+層３との間にＮ層２を挿入したもので、残余の構成はダイオード１００と同じで、このＮ層２の不純物濃度は逆電圧によって延びる空乏層端がこのＮ層２内で止まるようにＮ-層１の不純物濃度よりも高いものとし、且つ順方向動作時に過剰キャリアが蓄積されるようにＮ+層３の不純物濃度よりも低いものとし、こうすることにより、Ｎ層２のうち逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層部分の残りの部分は、蓄積された過剰キャリアの消滅速度が遅くなるために、逆回復電流は変化率ｄｉrr／ｄｔが小さいソフトリカバリー波形となり、しかも、Ｎ層２では不純物濃度が比較的高いことから空乏層の広がる距離が小さいためにＮ層２の厚みが薄くてもソフトリカバリーとなり、空乏層の広がる速度の速いＮ-層１を厚くしなければならないダイオード１００の場合ほどＮ層２を厚くする必要はなく、従ってＮ-層１とＮ層２合わせた厚みを抑えることができ、順電圧の上昇と逆回復電荷Ｑrrの増加はそれほど大きくない。
【００２０】
しかし、インバータ等実際の回路装置では小電流密度から大電流密度まで様々な順電流値で動作させる場合があり、従って、ダイオード２００を一旦製造してしまうとＮ層２の不純物濃度が固定されてしまうため非常に小さな順電流密度の動作領域ではＮ層２に蓄積されるキャリア密度が微小になり、ソフトリカバリー化の効果がなくなり、また、非常に小さな順電流密度の動作領域でソフトリカバリー化するために、Ｎ層２の不純物濃度を低くして順方向動作時にＮ層２に蓄積される過剰キャリア密度を増加すると、空乏層がＮ層２内を延びる速度が速くなりソフトリカバリー化の効果がなくなる。
【００２１】
つまり、ダイオード２００は特定の狭い順電流密度の動作領域でしかソフトリカバリーにならないという欠点があり、動作条件によってはハードリカバリーとなり、サージ電圧が高くなるという問題があった。
【００２２】
また、図１７の従来のダイオード３００は、ダイオード２００のＮ-層１の代わりに、ＰＮ接合面Ｊ３００からＮ層２に向かって不純物濃度が高くなる濃度勾配を有するＮ-層１’が形成され、残余の構成はダイオード２００と同じで、このＮ-層１’が接合面Ｊ３００からＮ層２に向かってだんだん不純物濃度が高くなるため、逆回復動作時に空乏層の延びる速度がだんだん遅くなり、小さな順電流密度の動作領域でもソフトリカバリーとなり、しかも、大電流密度動作の場合もダイオード２００と同様に、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層端がＮ層２の途中で止まり、その残りの部分に蓄積された過剰キャリアの消滅速度が遅くなるためにソフトリカバリーとなる。
【００２３】
しかし、実際の回路装置では電源電圧の変動や誤動作等によりダイオードにかかる逆電圧が変動する場合があり、逆回復動作時に印加される逆電圧が変動すると、それによって延びる空乏層端の位置も変動し、従って、ダイオード３００を一旦製造してしまうとＮ層２の不純物濃度と厚みが固定されてしまうため、特に逆電圧が高い値に変動した場合、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層がＮ層２を通過してＮ+層３内まで延びる場合があり、この場合、Ｎ層２に蓄積された過剰キャリアも空乏層によって早く掃き出されハードリカバリーとなるため、この対策としてＮ層２の不純物濃度を高くして逆電圧が上昇しても空乏層がＮ層２の途中で止まるようにした場合、逆に、Ｎ層２に蓄積される過剰キャリア密度が減少してあまりソフトリカバリーにならず、また、Ｎ層２の厚みを大きくして、逆電圧が上昇しても空乏層がＮ層２の途中で止まるようにした場合は、順電圧の上昇と逆回復電荷の増加が非常に大きくなる。
【００２４】
つまり、ダイオード３００は、逆電圧が上昇するとハードリカバリーになる欠点があり、電源電圧の変動や誤動作等逆電圧変動によってサージ電圧が高くなるという問題があり、そして、この問題を解決しようとすると順電圧と逆回復電荷が増加し損失が増大するという問題があった。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来のダイオードでは、ダイオード１００においてはＮ-層１の厚みを大きくする方法がとられたが、こうすることで逆回復動作時に印加される逆電圧によって広がる空乏層幅のＮ-層１中に占める割合が小さくなり、その空乏層の外側の部分に蓄積されたキャリア数が増えた分だけその消滅が遅くなるために、逆回復電流は変化率ｄｉrr／ｄｔが小さいソフトリカバリー波形となるものの、Ｎ-層１の厚みを大きくするために順電圧が上昇し、且つ逆回復電荷Ｑrrが増加する欠点があり、損失が増大するという問題があった。
【００２６】
また、ダイオード２００においては特定の狭い順電流密度の動作領域でしかソフトリカバリーにならないという欠点があり、動作条件によってはハードリカバリーとなり、サージ電圧が高くなるという問題があった。
【００２７】
更にまた、ダイオード３００においては、逆電圧が上昇するとハードリカバリーになる欠点があり、電源電圧の変動や誤動作等逆電圧変動によってサージ電圧が高くなるという問題があり、そして、この問題を解決しようとすると順電圧と逆回復電荷が増加し損失が増大するという問題があった。
【００２８】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ソフトリカバリー化を図り、サージ電圧の発生が小さなダイオードを、また、逆回復電荷の抑制を図り、低損失なダイオードを、また、様々な順電流密度の動作条件でもソフトリカバリーを維持し、サージ電圧の発生が小さなダイオードを、また、逆電圧が変動してもソフトリカバリーを維持し、サージ電圧の発生が小さなダイオードを、更には、これらの特性を有するダイオードの製造方法を提供することを目的としている。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるダイオードにおいては、第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体層より不純物濃度が高く、且つ前記第1の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、その第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第２の半導体層と、この第２の半導体層より不純物濃度が高く、且つ前記第２の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、前記第２の半導体層の第２の主面の不純物濃度以上の不純物濃度を有する第１導電型の第３の半導体層と、前記第１の半導体層の第１の主面に隣接配置される第２導電型の第４の半導体層とで構成し、前記第１の半導体層の第２の主面の不純物濃度と前記第２の半導体層の第１の主面の不純物濃度を等しくすると共に、前記第１の半導体層の不純物濃度勾配を前記第２の半導体層の不純物濃度勾配より大としたものである。（第１のダイオード）
【００３０】
また、前記第１のダイオードにおいて、第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上としたものである。（第２のダイオード）
【００３１】
また、前記第１導電型半導体層を、第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、その第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の第２の半導体層と、この第２の半導体層の第２の主面に第１の主面が隣接配置されると共に、前記第２の半導体層の第２の主面の不純物濃度以上の不純物濃度を有する第１導電型の第３の半導体層と、前記第１の半導体層の第１の主面に隣接配置される第２導電型の第４の半導体層とで構成し、前記第１の半導体層の第２の主面の不純物濃度と前記第２の半導体層の第１の主面の不純物濃度を等しくすると共に、前記第１の半導体層の不純物濃度勾配より前記第２の半導体層の不純物濃度勾配を大としたものである。（第３のダイオード）
【００３２】
また、前記第３のダイオードにおいて、第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上としたものである。（第４のダイオード）
【００３４】
また、前記第１乃至第４のダイオードの製造方法として、第１導電型の半導体基板を第３の半導体層として準備する工程と、前記第３の半導体層の第１の主面に隣接する第２の主面の不純物濃度が前記第３の半導体層の不純物濃度以下で、その第２の主面から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が順次低くなるように第１導電型のエピタキシャル層を複数成長させ第２の半導体層を得る工程と、前記第２の半導体層の第１の主面に隣接する第２の主面の不純物濃度が前記第２の半導体層の第１の主面の不純物濃度と等しく、その第２の主面から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が順次低くなるように第１導電型のエピタキシャル層を複数成長させ第１の半導体層を得る工程と、前記第１の半導体層の第１の主面に隣接し第２導電型の第４の半導体層を得る工程と、前記第４の半導体層に隣接させ第１の主電極を配設する工程と、前記第３の半導体層の第２の主面に隣接させ第２の主電極を配設する工程とからなるものである。（第１の製造方法）
【００３６】
また、前記第１乃至第４のダイオードの製造方法として、第１の半導体基板の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によって前記第２の主面側から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成しその両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるよう第１の半導体層を形成する工程と、第２の半導体基板の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によってその第２の主面から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成しその両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるよう第２の半導体層を形成する工程と、不純物濃度が前記第２の半導体層の第２の主面の不純物濃度以上の第１導電型の第３の半導体層を得る工程と、前記第２の半導体層の第２の主面と前記第３の半導体層の第１の主面とを貼り合わせる工程と、前記第１の半導体層の第２の主面と前記第２の半導体層の第１の主面とを貼り合わせる工程と、前記第１の半導体層の第１の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散し前記第１の半導体層の第１の主面に隣接する第２導電型の第４の半導体層を得る工程と、前記第４の半導体層に隣接させ第１の主電極を配設する工程と、前記第３の半導体層の第２の主面に隣接させ第２の主電極を配設する工程とからなるものである。（第２の製造方法）
【００４０】
また、前記第３乃至第４のダイオードの製造方法として、第１の半導体基板の第１の半導体基板の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によって前記第２の主面側から該第２の主面と相対向する第１の主面に向かって不純物濃度が低くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成しその両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるよう第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層の第２の主面に隣接し第１の主面が形成されるよう前記第１の半導体層の第２の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散によってその第１の主面から該第１の主面と相対向する第２の主面に向かって不純物濃度が高くなる不純物濃度勾配を有する第１導電型の半導体層を形成し第２の半導体層及び第３の半導体層を得る工程と、前記第１の半導体層の第１の主面側からのイオン注入もしくは不純物拡散し前記第１の半導体層の第１の主面に隣接する第２導電型の第４の半導体層を得る工程と、前記第４の半導体層に隣接させ第１の主電極を配設する工程と、前記第３の半導体層の第２の主面に隣接させ第２の主電極を配設する工程とからなるものである。（第３の製造方法）
【００４１】
【作用】
第１のダイオードでは、第１の半導体層が、ＰＮ接合面から第２の半導体層に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配をもつために、Ｎ-層が不純物濃度勾配を有する従来のＰＮ-ＮＮ+構造ダイオードと同様、次のような作用がある。
【００４２】
逆回復動作時に、時間の経過とともに第１の半導体層中を空乏層が延びるにつれてその先端部の不純物濃度が徐々に高くなるため、空乏層の延びる速度が徐々に遅くなり、逆回復電流ピークＩRM後の逆回復電流はなかなか零にならず、変化率ｄｉｒｒ／ｄｔが小さいソフトリカバリー波形となり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される
【００４３】
また、順電流密度が小さい動作条件では、順方向動作時に過剰キャリアが蓄積されるのはほとんど第１の半導体層だけで、第２の半導体層や第３の半導体層にはほとんど蓄積されないが、この場合でも逆回復動作時に空乏層が第１の半導体層中を延びる速度が徐々に遅くなるためソフトリカバリーは維持され、その結果、順電流密度が小さい場合を含め、様々な順電流密度の動作条件でサージ電圧の発生が抑制される。
【００４４】
これらの作用に加え、第１のダイオードではさらに、第２の半導体層が、その第１の主面側から第２の主面側に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配を有するため、逆回復動作時に第２の半導体層中を延びる空乏層は、その濃度勾配により延びる速度が徐々に遅くなるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が更に抑制される。
【００４５】
また、不純物濃度が低いほど順方向動作時に蓄積される過剰キャリア密度は増加するが、第２の半導体層の不純物濃度勾配が第１の半導体層の不純物濃度勾配以下であるために、第２の半導体層の不純物濃度の低い領域幅が実質的に大きく、順方向動作時に第２の半導体層に蓄積される過剰キャリア数が多く、それにより、逆回復電流ピークＩRM時点で残っている過剰キャリア数が多く、それが消滅するのに時間がかかり、逆回復電流ピークＩRM後の逆回復電流がゆっくり零となるため変化率ｄｉｒｒ／ｄｔが小さいソフトリカバリーとなる作用があり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００４６】
更に、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、この逆電圧による空乏層は、第２の半導体層の不純物濃度が徐々に高くなるため第３の半導体層には達せず、第２の半導体層の途中で止まり、それにより、第２の半導体層の空乏層の達していない残りの領域に蓄積されていた過剰キャリアがゆっくり消滅しソフトリカバリーとなる。
【００４７】
しかも、この場合、第２の半導体層の濃度勾配により空乏層の延びる速度が徐々に遅くなるため、よりソフトリカバリーとなり、しかも、第２の半導体層の不純物濃度は徐々に変化しているため、特定の電圧値ではなく、耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなる。その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００４８】
第２のダイオードでは、前記第１のダイオードと同様の作用があり、それに加え、第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上であるため、第１及び第２の半導体層のうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない、残りの領域に、順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数が増え、それが消滅するのにさらに時間がかかるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００４９】
第３のダイオードでは、第１の半導体層がＰＮ接合面から第２の半導体層に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配をもつために、第１のダイオードと同様、逆回復動作時に、時間の経過とともに第１の半導体層中を空乏層が延びるにつれてその先端部の不純物濃度が徐々に高くなるため、空乏層の延びる速度が徐々に遅くなり、ソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００５０】
また、順電流密度が小さい動作条件では、順方向動作時に過剰キャリアが蓄積されるのはほとんど第１の半導体層だけで、第２の半導体層や第３の半導体層にはほとんど蓄積されないが、この場合でも逆回復動作時に空乏層が第１の半導体層中を延びる速度が徐々に遅くなるためソフトリカバリーは維持され、その結果、順電流密度が小さい場合を含め、様々な順電流密度の動作条件でサージ電圧の発生が抑制される。
【００５１】
また、第２の半導体層が、その第１の主面側から第２の主面側に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配を有するため、逆回復動作時に第２の半導体層中を延びる空乏層は、その濃度勾配により延びる速度が徐々に遅くなるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生がさらに抑制される。
【００５２】
更に、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、この逆電圧による空乏層は、第２の半導体層の不純物濃度が徐々に高くなるため第３の半導体層には達せず、第２の半導体層の途中で止まり、それにより、第２の半導体層の空乏層の達していない残りの領域に蓄積されていた過剰キャリアがゆっくり消滅し、ソフトリカバリーとなる。
【００５３】
しかも、この場合、第２の半導体層の濃度勾配により空乏層の延びる速度が徐々に遅くなるため、よりソフトリカバリーとなり、また、第２の半導体層の不純物濃度は徐々に変化しているため、特定の電圧値ではなく、耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００５４】
さらに、第２の半導体層の不純物濃度勾配が第１の半導体層の不純物濃度勾配よりも大きいために、第２の半導体層の不純物濃度の低い領域幅が実質的に小さく、順方向動作時に第２の半導体層に蓄積される過剰キャリア数が減少し、それにより、逆回復電荷Ｑrrが減少し、その結果、低損失が達成される。
【００５５】
第４のダイオードでは、前記第３のダイオードと同様の作用があり、それに加え、第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上であるため、第１及び第２の半導体層のうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない残りの領域に、順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数が増え、それが消滅するのにさらに時間がかかるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００６１】
前記第１の製造方法では、第３の半導体層の第１の主面上に第１導電型の複数のエピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させることによって、近似的に不純物濃度勾配を有するとみなせる第２の半導体層を得、前記第２の半導体層の第１の主面上に第１導電型の複数のエピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させることによって、近似的に不純物濃度勾配を有するとみなせる第１の半導体層を得ることが可能である。
【００６３】
第２の製造方法では、一半導体基板の第２の主面側からイオン注入または不純物拡散により第１導電型の不純物を導入し、不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層を得、また、それと同様の方法により不純物濃度勾配を有する第１導電型の第２の半導体層を得、前記第２の半導体層の第２の主面と第１導電型の半導体基板の第１の主面とを貼り合わせ、さらに、前記第１の半導体層の第２の主面と前記第２の半導体層の第１の主面とを貼り合わせることによって、第１、第２及び第３の半導体層を形成することが可能である。
【００６７】
第３の製造方法では、一半導体基板の第２の主面側からイオン注入または不純物拡散により第１導電型の不純物を導入し、不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層を得、その第２の主面側からイオン注入または不純物拡散により第１導電型の不純物を導入し、前記第１の半導体層の第２の主面側から、第１の主面と第２の主面との間にかけて不純物濃度勾配を有する半導体領域を形成し、それによって不純物濃度勾配を有する第１導電型の前記第２の半導体層、および、近似的に不純物濃度が均一とみなせる不純物濃度分布の頂上付近の第１導電型の第３の半導体層を形成することが可能である。
【００６８】
【実施例】
実施例１
図１（ａ）はこの発明の第１の実施例であるダイオード１０の断面構造を示す図で、図１（ｂ）はダイオード１０の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図であり、縦断面方向の深さＸと不純物濃度Ｎとの関係を片対数で示す。
【００６９】
図１のダイオード１０は次のようにして製造可能である。
まず、Ｎ+半導体基板を用意し、Ｎ+層１３とし、その第１の主面上にドーピング制御によりＮ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、不純物濃度勾配を持つＮ層１２aを形成し、さらに続けて、Ｎ層１２aの第１の主面上に、Ｎ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、不純物濃度勾配を持ち、且つ、Ｎ層１２a以上の濃度勾配を持つＮー層１１aを形成する。
【００７０】
そして、Ｎー層１１aの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、それによりＰＮ接合面Ｊ１０が形成され、さらに、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極からなる第１の電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極からなる第２の電極１６を、それぞれ形成してダイオード１０の構造を得ることができる。
【００７１】
このダイオード１０においては、Ｎー層１１aがＰＮ接合面Ｊ１０からＮ層１２aに向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配をもつために、逆回復動作時に時間の経過とともに空乏層がＮー層１１aを延びるにつれてその先端部の不純物濃度が徐々に高くなるため、空乏層の延びる速度が徐々に遅くなり、逆回復電流ピークＩRM後の逆回復電流はなかなか零にならず、ソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００７２】
また、順電流密度が小さい動作条件では、順方向動作時に過剰キャリアが蓄積されるのはほとんどＮー層１１aだけで、Ｎ層１２aやＮ+層１３にはほとんど蓄積されないが、この場合でも逆回復動作時に空乏層がＮー層１１a中を延びる速度が徐々に遅くなるためソフトリカバリーは維持され、その結果、順電流密度が小さい動作条件でも、サージ電圧の発生が抑制される。
【００７３】
さらに、Ｎ層１２aが、その第１の主面側からだい２の主面側に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配を有するため、逆回復動作時にＮ層１２a中を延びる空乏層は、その濃度勾配により延びる速度が徐々に遅くなるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００７４】
また、Ｎ層１２aの不純物濃度勾配がＮー層１１aの不純物濃度勾配以下であるために、Ｎ層１２aの不純物濃度の低い領域幅が実質的に大きく、順方向動作時にＮ層１２aに蓄積される過剰キャリア数が多く、それにより、逆回復電流ピーク時点で残っている過剰キャリア数が多く、それが消滅するのに時間がかかり、逆回復電流ピーク後の逆回復電流がゆっくり零となるためソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００７５】
さらに、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、この逆電圧による空乏層は、Ｎ層１２aの不純物濃度が徐々に高くなるためＮ+層１３には達せず、Ｎ層１２aの途中で止まり、それにより、Ｎ層１２aの空乏層の達していない残りの領域に蓄積されていた過剰キャリアがゆっくり消滅し、ソフトリカバリーとなり、この場合、Ｎ層１２aの濃度勾配により空乏層の延びる速度が徐々に遅くなるため、よりソフトリカバリーとなり、しかも、Ｎ層１２aの不純物濃度は徐々に変化しているため、特定の電圧値ではなく、耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなる。その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００７６】
実施例２．
図２（ａ）はこの発明の第２の実施例であるダイオード２０の断面構造を示す図で、図２（ｂ）はダイオード２０の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【００７７】
図２のダイオード２０は次のようにして製造可能である。
まず、Ｎ+半導体基板を用意し、Ｎ+層１３とし、その第１の主面上にドーピング制御に
よりＮ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、Ｎ+層１３の第１の主面に向かって増大する不純物濃度勾配を持つＮ層１２aを形成し、さらに続けて、Ｎ層１２aの第１の主面上に、Ｎ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、Ｎ層１２aの第１の主面に向かって増大する不純物濃度勾配を持ち、且つ、Ｎ層１２aより大なる濃度勾配を持ち、且つ、その厚みＤｂが逆電圧により空乏層が延びる距離Ｗ以上であるＮ-層１１ｂを形成する。
なお、逆電圧により延びる空乏層距離Ｗは、シミュレーション等により計算することが可能である。
【００７８】
そして、Ｎ-層１１ｂの第１の主面側からP型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、それによりＰＮ接合面Ｊ２０が形成され、さらに、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５をＮ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成してダイオード２０の構造を得ることができ、このダイオード２０においては、ダイオード１０と同様の作用により順電流密度が小さい動作条件や逆電圧が変動した場合を含めてソフトリカバリーとなり、サージ電圧の発生が抑制される。
【００７９】
更に、Ｎ-層１１ｂの厚みＤbが逆電圧により空乏層が延びる距離Ｗ以上であるため、Ｎ-層１１ｂ及びＮ層１２aのうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない残りの領域に、順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数が増え、それが消滅するのにさらに時間がかかるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００８０】
実施例３．
図３（ａ）はこの発明の第３の実施例であるダイオード３０の断面構造を示す図で、また、図３（ｂ）はダイオード３０の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【００８１】
図３のダイオード３０は次のようにして製造可能である。
まず、Ｎ+半導体基板を用意しＮ+層１３とし、その第１の主面上にドーピング制御によりＮ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、不純物濃度勾配を持つＮ層１２ｂを形成させ、更に続けてＮ層１２ｂの第１の主面上にＮ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、不純物濃度勾配を持ち、且つ、Ｎ層１２ｂより小さい濃度勾配を持つＮ-層１１ａを形成し、Ｎ-層１１ａの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、それによりＰＮ接合面Ｊ３０が形成され、さらに、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成してダイオード３０の構造を得ることができる。
【００８２】
このダイオード３０においては、Ｎ-層１１ａがＰＮ接合面Ｊ３０からＮ層１２ｂに向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配をもつために、ダイオード１０と同様、逆回復動作時にＮ-層１１a中を空乏層が延びるにつれてその延びる速度が徐々に遅くなりソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００８３】
また、順電流密度が小さい動作条件では順方向動作時に過剰キャリアが蓄積されるのはほとんどＮ-層１１aだけで、Ｎ層１２ｂやＮ+層１３にはほとんど蓄積されないが、この場合でも逆回復動作時に空乏層がＮ-層１１a中を延びる速度が徐々に遅くなるためソフトリカバリーは維持され、その結果、順電流密度が小さい動作条件でもサージ電圧の発生が抑制される。
【００８４】
また、ダイオード１０と同様、Ｎ層１２ｂが、その第１の主面側から第２の主面側に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配を有するため、逆回復動作時にＮ層１２ｂ中を延びる空乏層はその濃度勾配により延びる速度が徐々に遅くなるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生がさらに抑制される。
【００８５】
さらに、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、この逆電圧による空乏層は、Ｎ層１２ｂの不純物濃度が徐々に高くなるためＮ+層１３には達せずＮ層１２ｂの途中で止まり、それにより、Ｎ層１２ｂの空乏層の達していない残りの領域に蓄積されていた過剰キャリアがゆっくり消滅し、ソフトリカバリーとなる。
【００８６】
しかも、この場合、Ｎ層１２ｂの濃度勾配により空乏層の延びる速度が徐々に遅くなるため、よりソフトリカバリーとなり、しかも、Ｎ層１２ｂの不純物濃度は徐々に変化しているため、特定の電圧値ではなく耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００８７】
さらに、Ｎ層１２ｂの不純物濃度勾配がＮ-層１１aの不純物濃度勾配よりも大きいために、Ｎ層１２ｂの不純物濃度の低い領域幅が実質的に小さく、順方向動作時にＮ層１２ｂに蓄積される過剰キャリア数が減少し、それにより、逆回復電荷Ｑrrが減少し、その結果、低損失が達成される。
【００８８】
実施例４．
図４（ａ）はこの発明の第４の実施例であるダイオード４０の断面構造を示す図で，また、図４（ｂ）はダイオード４０の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【００８９】
図４のダイオード４０は次のようにして製造可能である。
まず、Ｎ+半導体基板を用意しＮ+層１３とし、その第１の主面上にドーピング制御によりＮ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、不純物濃度勾配を持つＮ層１２bを形成し、さらに続けて、Ｎ層１２ｂの第１の主面上に、Ｎ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させＮ層１２bより小さい濃度勾配を持ち、且つ、その厚みＤｂが逆電圧により空乏層が延びる距離Ｗ以上であるＮ-層１１ｂを形成する。
なお、逆電圧により延びる空乏層距離Wは、シミュレーション等により計算することが可能である。
【００９０】
そして、Ｎ-層１１ｂの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、それによりＰＮ接合面Ｊ４０が形成され，さらに、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成してダイオード４０の構造を得ることができる。
【００９１】
このダイオード４０においては、ダイオード３０と同様の作用により順電流密度が小さい動作条件や逆電圧が変動した場合を含めてソフトリカバリーとなり、サージ電圧の発生が抑制され、そして同時に逆回復電荷が低減され、損失が低減される。
【００９２】
それに加え、Ｎ-層１１ｂの厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離Ｗ以上であるため、Ｎ-層１１ｂ及びＮ層１２bのうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない残りの領域に順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数が増え、それが消滅するのにさらに時間がかかるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００９３】
第５の実施例５．
図５（ａ）はこの発明の第５の実施例であるダイオード５０の断面構造を示す図で、また、図５(b)はダイオード５０の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【００９４】
図５のダイオード５０は次のようにして製造可能である。
まず、Ｎ+半導体基板を用意しＮ+層１３とし、その第１の主面上にドーピング制御によりＮ型のエピタキシャル層を漸次低不純物濃度になるように成長させて、不純物濃度勾配を持つＮ層１２ｃを形成し、さらに続けて、Ｎ層１２cの第１の主面上にＮ型のエピタキシャル層を均一に低不純物濃度になるように成長させ、且つ、その厚みＤcが、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRM以下であるＮ-層１１cを形成する。
なお、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRMは、シミュレーション等により計算することがに可能である。
【００９５】
そして、Ｎ-層１１cの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、それによりＰＮ接合面Ｊ５０が形成され、さらに、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成してダイオード５０の構造を得ることができる。
【００９６】
このダイオード５０においては、前記ダイオード１０またはダイオード３０のＮ-層１１aの不純物濃度分布を均一にした構造のため、低不純物濃度ならばＮ-層１１cの厚みを薄くしても耐圧を維持でき、厚みが薄い分だけ順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数を低減でき、逆回復電荷が低減され、その結果、損失が低減される。
【００９７】
しかも、Ｎ-層１１cの厚みＤcが、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRM以下であるために、逆回復電流ピークの時刻以後、空乏層端は不純物濃度勾配を持つＮ層１２c中を延びていくため、空乏層の延びる速度が徐々に遅くなり、ソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【００９８】
更に、Ｎ層１２cのうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない残りの領域に、順方向動作時に蓄積された過剰キャリアがゆっくり消滅するため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【００９９】
さらに、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、この逆電圧による空乏層は、Ｎ層１２cの不純物濃度が徐々に高くなるためＮ+層１３には達せず、Ｎ層１２cの途中で止まり、それにより、Ｎ層１２cの空乏層の達していない残りの領域に蓄積されていた過剰キャリアがゆっくり消滅し、ソフトリカバリーとなる。
【０１００】
しかも、この場合、N層１２cの濃度勾配により空乏層の延びる速度が徐々に遅くなるため、よりソフトリカバリーとなり、また、N層１２cの不純物濃度は徐々に変化しているため、特定の電圧値ではなく、耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【０１０１】
実施例６．
ダイオード１０、２０、３０及び４０の製造方法として、第６の実施例を図６により説明する。
図６（a’）、（b’）、（c’）はそれぞれ図６（a）、（b）、（c）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１０２】
図６(a)に示すように、まず、Ｎ+半導体基板を用意しＮ+層１３とし、その第１の主面上に複数のＮ型エピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させて、近似的に第２の主面側から第１の主面側にかけて濃度が徐々に下降するとみなせる、図６（a’）のような不純物濃度勾配Ｇ２を持つ半導体領域を形成し、それによってＮ層１２を形成する。
【０１０３】
さらに、図６（b）のようにＮ層１２の第１の主面上に、複数のＮ型エピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させて、近似的に第２の主面側から第１の主面側にかけて濃度が徐々に下降するとみなせ、図６（b’）のような不純物濃度勾配Ｇ１を持つ半導体領域を形成し、それによってＮ-層１１を形成し、図６(c)のように、Ｎ-層１１の第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、さらに、図６（ｄ）のように、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成する。
【０１０４】
このとき、Ｎ-層１１の厚みをＤとし、逆回復動作時にこのダイオードにかかる逆電圧によってＮ-層１１中を延びる空乏層距離をＷとすると、Ｎ-層１１の不純物濃度勾配Ｇ１、Ｎ層１２の不純物濃度勾配Ｇ２との関係が、（１）Ｇ１≧Ｇ２となるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード１００が得られる。
（２）Ｇ１≧Ｇ２で、且つ、Ｄ≧ＷとなるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード２０が得られる。（３）Ｇ１＜Ｇ２となるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード３０が得られる。（４）Ｇ１＜Ｇ２で、且つ、Ｄ≧ＷとなるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード４０が得られる。
なお、逆電圧により延びる空乏層距離Ｗは、シミュレーション等により計算することが可能である。
【０１０５】
実施例７．
ダイオード５０の製造方法として、第７の実施例を図７により説明する。  図７（a’）、（b’）、（c’）はそれぞれ図７（a）、（b）、（c）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１０６】
図７(a)に示すように、まず、Ｎ+半導体基板を用意しＮ+層１３とし、その第１の主面上に複数のＮ型エピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させて、近似的に第２の主面側から第１の主面側にかけて濃度が徐々に下降するとみなせ、図７（a’）のような不純物濃度勾配を持つ半導体領域を形成し、それによってＮ層１２cを形成する。
【０１０７】
さらに、図７（b）のようにＮ層１２cの第１の主面上に、Ｎ型エピタキシャル層を低不純物濃度で均一に成長させて、図７（b’）のような不純物濃度勾配のないＮ-層１１cを形成し、図７（c）のようにＮ-層１１cの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成する。
なお、このとき、Ｎ-層１１cの厚みＤcが、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRM以下となるように形成する。  また、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRMはシミュレーション等により計算することが可能である。
【０１０８】
さらに、図７（ｄ）のように、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成することによりダイオード５０を得る。
【０１０９】
実施例８．
ダイオード１０、２０、３０及び４０の製造方法として、第８の実施例を図８により説明する。図８（a’）、（b’）、（c’）、（d’）、（e’）、（f’）、（g’）はそれぞれ図８（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１１０】
図８（a）、（a’）に示すように、まず、半導体基板を用意しその第２の主面側からＮ型不純物のイオン注入または拡散を実施して、第２の主面から第１の主面にかけて濃度が徐々に下降する不純物濃度勾配を持つＮ-層１１を形成する。このＮ-層１１は、図８（b）のようにその第１、第２の両主面を研磨またはエッチングを行なうことによって、図８（b’）のように所望の不純物濃度勾配Ｇ１、厚みに加工される。
【０１１１】
同様に図８（c）、（c’）に示すように、他の半導体基板を用意し、その第２の主面側からＮ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＮ層１２を形成し、このＮ層１２は、図８（d）のようにその第１、第２の両主面を研磨またはエッチングを行なうことによって、図８（d’）のように所望の不純物濃度勾配Ｇ２、厚みに加工される。
【０１１２】
次に図８（e）のようにＮ+半導体基板を用意しそれによってＮ+層１３を得、Ｎ層１２の第２の主面とＮ+層１３の第１の主面とを貼り合わせ、更に、図８（f）のようにＮ-層１１の第２の主面とＮ層１２の第１の主面とを貼り合わせる。
【０１１３】
そして、図８（g）のように、Ｎ-層１１の第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、さらに、図８（h）のように金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６をそれぞれ形成する。
【０１１４】
このとき、Ｎ-層１１の厚みをＤとし、逆回復動作時にこのダイオードにかかる逆電圧によってＮ-層１１中を延びる空乏層距離をＷとすると、Ｎ-層１１の不純物濃度勾配Ｇ１、Ｎ層１２の不純物濃度勾配Ｇ２との関係が、（１）Ｇ１≧Ｇ２となるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード１０が得られる。
（２）Ｇ１≧Ｇ２で、且つ、Ｄ≧ＷとなるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード２０が得られる。（３）Ｇ１＜Ｇ２となるようにＮ-層１１とＮ層１２を形成すればダイオード３０が得られる。（４）Ｇ１＜Ｇ２で、且つ、Ｄ≧ＷとなるようにＮ-層１１とN層１２を形成すればダイオード４０が得られる。なお、逆電圧により延びる空乏層距離Ｗは、シミュレーション等により計算することが可能である。
【０１１５】
実施例９．
ダイオード５０の製造方法として、第９の実施例を図９により説明する。図９（a’）、（b’）、（c’）、（d’）、（e’）はそれぞれ図９（a）、（b）、（c）、（d）、（e）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１１６】
図９（a）、（a’）に示すように、まず、半導体基板を用意し、その第２の主面側からＮ型不純物のイオン注入または拡散を実施して、第２の主面から第１の主面にかけて濃度が徐々に下降する不純物濃度勾配を持つＮ層１２cを形成し、このＮ層１２cは、図９（b）のようにその第１、第２の両主面を研磨またはエッチングを行なうことによって、図９（b’）のように所望の不純物濃度勾配、厚みに加工する。
【０１１７】
また、Ｎ-半導体基板を用意し、それによってＮ-層１１cを得、さらに、Ｎ+半導体基板を用意し、それによってＮ+層１３を得、次に図９（c）のようにＮ層１２cの第２の主面とＮ+層１３の第１の主面とを貼り合わせ、更に、図９（d）のようにＮ-層１１cの第２の主面とＮ層１２cの第１の主面とを貼り合わせ、そして、図９（e）のように、Ｎ-層１１cの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、このとき、Ｎ-層１１cの厚みＤcが逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRM以下となるように形成する。
【０１１８】
なお、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRMはシミュレーション等により計算することが可能で、また、図９(f)のように、金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成することによりダイオード５０を得る。
【０１１９】
実施例１０．
ダイオード５０の製造方法として、第１０の実施例を図１０により説明する。図１０（a’）、（b’）はそれぞれ図１０（a）、（b）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１２０】
第１０の実施例の前半は、第９の実施例のうちの図９（a）、（b）と同じで、Ｎ+半導体基板を用意し、それによってＮ+層１３を得、次に図９（c）のようにＮ層１２cの第２の主面とＮ+層１３の第１の主面とを貼り合わせ、そして、図１０（a）のようにＮ層１２cの第１の主面上にＮ型エピタキシャル層を一定不純物濃度になるように成長させてＮ-層１１cを形成し、そして、図１０（b）のようにＮ-層１１cの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成する。
なお、このとき、Ｎ-層１１cの厚みＤcが、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRM以下となるように形成する。
【０１２１】
また、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRMは、シミュレーション等により計算することが可能で、また、図１０（c）のように金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６を、それぞれ形成することによりダイオード５０を得る。
【０１２２】
また、前記第９の実施例では、Ｎ-層１１cとしてのＮ-半導体基板の厚みが薄すぎるときは貼り合わせができないが、この第１０の実施例方法ではＮ-層１１cの厚みが薄い場合でも製造可能で、この第１０の実施例方法は、このような場合の第９の実施例に替わる方法として有効である。
【０１２３】
実施例１１．
ダイオード５０の製造方法として、第１１の実施例を図１１により説明する。図１１（a’）、（b’）、（c’）、（d’）はそれぞれ図１１（a）、（b）、（c）、（d）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１２４】
図１１（a）、（a’）に示すように、まず、Ｎ-半導体基板を用意し、その第２の主面側からＮ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＮ-半導体基板の途中まで導入し、第２の主面側から第１の主面側にかけて濃度が徐々に下降する不純物濃度勾配を持つＮ層１２cと、一定の不純物濃度分布を持つＮ-層１１cとを形成し、次に、図１１（b）のようにＮ層１２cの第２の主面を研磨またはエッチングを行なうことによって、図１１（b’）のように所望の不純物濃度勾配と厚みに加工する。
【０１２５】
そして、図１１（c）のようにＮ層１２cの第２の主面上にＮ型エピタキシャル層を一定不純物濃度になるように成長させてＮ+層１３を形成し、そして、図１１（d）のようにＮ-層１１cの第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成する。
なお、このとき、Ｎ-層１１cの厚みＤcが、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRM以下となるように形成する。
また、逆回復電流ピークの時刻での空乏層幅ＷIRMは、シミュレーション等により計算することが可能で、また、図１１（ｅ）のように金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６をそれぞれ形成することによりダイオード５０を得る。
【０１２６】
実施例１２．
ダイオード３０及び４０の製造方法として、第１２の実施例を図１２により説明する。図１２（a’）、（b’）はそれぞれ図１２（a）、（b）の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【０１２７】
第１２の実施例の前半は、第８の実施例のうちの図８（a）、（b）と同じであり、これにより第２の主面から第１の主面にかけて濃度が徐々に下降する不純物濃度勾配Ｇ１を持つＮ-層１１を得、次に図１２（a）、（a’）に示すようにＮ-層１１の第２の主面側からＮ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＮ-層１１の途中まで導入し、第２の主面側から第１の主面側にかけて濃度が徐々に下降する不純物濃度勾配Ｇ２を持つＮ層１２bと、高濃度でほぼ一定の不純物濃度分布を持つとみなせる不純物分布の頂上付近のＮ+層１３を形成する。
【０１２８】
そして、図１２（b）のようにＮ-層１１の第１の主面側からＰ型不純物のイオン注入または拡散を実施してＰ層１４を形成し、さらに、図１２（c）のように金属蒸着によってＰ層１４の第１の主面上にアノード電極１５を、Ｎ+層１３の第２の主面上にカソード電極１６をそれぞれ形成する。
【０１２９】
このとき、Ｎ-層１１の厚みをＤとし、逆回復動作時にこのダイオードにかかる逆電圧によってＮ-層１１中を延びる空乏層距離をＷとすると、Ｎ-層１１の不純物濃度勾配Ｇ１、Ｎ層１２bの不純物濃度勾配Ｇ２との関係が、（１）Ｇ１＜Ｇ２となるようにＮ-層１１とＮ層１２bを形成すればダイオード３０が得られる。（２）Ｇ１＜Ｇ２で、且つ、Ｄ≧ＷとなるようにＮ-層１１とＮ層１２bを形成すればダイオード４０が得られる。
なお、逆電圧により延びる空乏層距離Ｗはシミュレーション等により計算することが可能である。
【０１３０】
ところで、前記第１から第１２までの実施例において、Ｎ-層やＮ-層の不純物濃度の勾配は、前記Ｎ-層の第１の主面から前記Ｎ層の第２の主面に向かって高くなるものであればよく、その形状は、図１３の（1）のように直線的であっても、(2)のように上に凸の曲線状であっても、(3)のように下に凸の曲線状であっても、(4)のように多少の変曲点を持ってもよい。なお、第１乃至第３の半導体層の濃度関係は第１の半導体層より第２の半導体層が、また前記第２の半導体層より第３の半導体層が夫々不純物濃度が高く構成されてなるものである。
【０１３１】
また、ライフタイム制御のために、金・白金等の重金属拡散や、高エネルギー電子線等の放射線照射や、プロトン・中性子等の粒子線照射が行なわれてもよい。
【０１３２】
また、Ｐ型とＮ型を入れ換えた構造でも同様の効果を得ることができる。
【０１３３】
【発明の効果】
この発明は以上のように構成されているので、以下に記載した効果を奏する。請求項１の発明の第１のダイオードに於いては、第１の半導体層が、ＰＮ接合面から第２の半導体層に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配をもつために、逆回復動作時に、時間の経過とともに第１の半導体層中を空乏層が延びる速度が徐々に遅くなり、逆回復電流ピークＩRM後の逆回復電流はなかなか零にならず、ソフトリカバリー波形となり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【０１３４】
また、順電流密度が小さい動作条件では、順方向動作時に過剰キャリアは第２の半導体層や第３の半導体層にはほとんど蓄積されないが、この場合でも逆回復動作時に空乏層が第１の半導体層中を延びる速度が徐々に遅くなるためソフトリカバリーは維持され、その結果、順電流密度が小さい場合を含め、様々な順電流密度の動作条件でサージ電圧の発生が抑制される。
【０１３５】
さらに、第２の半導体層が、その第１の主面側から第２の主面側に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配を有するため、逆回復動作時に第２の半導体層中を延びる空乏層は、その濃度勾配により延びる速度が徐々に遅くなるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が更に抑制される。
【０１３６】
また、第２の半導体層の不純物濃度勾配が第１の半導体層の不純物濃度勾配以下であるために、第２の半導体層の不純物濃度の低い領域幅が実質的に大きく、順方向動作時に第２の半導体層に蓄積される過剰キャリア数が多く、それが消滅するのに時間がかかり、逆回復電流ピークＩRM後の逆回復電流がゆっくり零となるためソフトリカバリーとなる作用があり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【０１３７】
更に、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、この逆電圧による空乏層は、第２の半導体層の不純物濃度が徐々に高くなるため第３の半導体層には達せず、第２の半導体層の途中で止まり、それにより、第２の半導体層の空乏層の達していない残りの領域に蓄積されていた過剰キャリアがゆっくり消滅しソフトリカバリーとなる。
【０１３８】
しかも、この場合、第２の半導体層の濃度勾配により空乏層の延びる速度が徐々に遅くなるため、よりソフトリカバリーとなり、しかも、第２の半導体層の不純物濃度は徐々に変化しているため、特定の電圧値ではなく、耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなる。その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【０１３９】
また、請求項２の発明の第２のダイオードに於いては、前記第１のダイオードと同様の効果があり、それに加え、第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上であるため、第１及び第２の半導体層のうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない、残りの領域に、順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数が増え、それが消滅するのにさらに時間がかかるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【０１４０】
また、請求項３の発明の第３のダイオードに於いては、第３のダイオードでは、第１の半導体層がＰＮ接合面から第２の半導体層に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配をもつために、第１のダイオードと同様の作用により、ソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【０１４１】
また、順電流密度が小さい動作条件では、第１のダイオードと同様の作用によりソフトリカバリーは維持され、その結果、順電流密度が小さい場合を含め、様々な順電流密度の動作条件でサージ電圧の発生が抑制される。
【０１４２】
また、第２の半導体層が、その第１の主面側から第２の主面側に向かって徐々に濃度が高くなる不純物濃度勾配を有するため、第１のダイオードと同様の作用により更にソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生がさらに抑制される。
【０１４３】
更に、逆回復動作時に逆電圧の変動によって空乏層の延びる距離が増加しても、第２の半導体層の不純物濃度が徐々に高くなるため、第１のダイオードと同様の作用によりソフトリカバリーとなる。
【０１４４】
また、第２の半導体層の不純物濃度は徐々に変化しているため、第１のダイオードと同様に、耐圧値を超えない範囲で、様々な逆電圧変動値に対してすべてソフトリカバリーとなり、その結果、サージ電圧の発生が抑制される。
【０１４５】
さらに、第２の半導体層の不純物濃度勾配が第１の半導体層の不純物濃度勾配よりも大きいために、第２の半導体層の不純物濃度の低い領域幅が実質的に小さく、順方向動作時に第２の半導体層に蓄積される過剰キャリア数が減少し、それにより、逆回復電荷Ｑrrが減少し、その結果、低損失が達成される。
【０１４６】
また、請求項４の発明の第４のダイオードに於いては、第４のダイオードでは、前記第３のダイオードと同様の作用があり、それに加え、第１の半導体層の厚みが、逆電圧により空乏層が延びる距離以上であるため、第１及び第２の半導体層のうち、逆回復動作時に印加される逆電圧によって延びる空乏層が達していない残りの領域に、順方向動作時に蓄積される過剰キャリア数が増え、それが消滅するのにさらに時間がかかるため、さらにソフトリカバリーとなり、その結果、さらにサージ電圧の発生が抑制される。
【０１５２】
また、請求項５の発明の第１の製造方法於いては、第３の半導体層の第１の主面上に第１導電型の複数のエピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させることによって、近似的に不純物濃度勾配を有するとみなせる第２の半導体層を得、前記第２の半導体層の第１の主面上に第１導電型の複数のエピタキシャル層を順次低不純物濃度になるように成長させることによって、近似的に不純物濃度勾配を有するとみなせる第１の半導体層を得ることが可能である。
【０１５４】
また、請求項６の発明の第２の製造方法に於いては、一半導体基板の第２の主面側からイオン注入または不純物拡散により第１導電型の不純物を導入し、その両主面の不純物濃度が夫々所定濃度となるようすることによって不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層を得、また、それと同様の方法により不純物濃度勾配を有する第１導電型の第２の半導体層を得、前記第２の半導体層の第２の主面と第１導電型の半導体基板の第１の主面とを貼り合わせ、さらに、前記第１の半導体層の第２の主面と前記第２の半導体層の第１の主面とを貼り合わせることによって、第１、第２及び第３の半導体層を形成することが可能である。
【０１５８】
また、請求項７の発明の第３の製造方法に於いては、第３の製造方法では、一半導体基板の第２の主面側からイオン注入または不純物拡散により第１導電型の不純物を導入し、その第１と第２の両主面を研磨またはエッチングすることによって第１の不純物濃度勾配を有する第１導電型の第１の半導体層を得、その第２の主面側からイオン注入または不純物拡散により第１導電型の不純物を導入し、前記第１の半導体層の第２の主面側から、第１の主面と第２の主面との間にかけて不純物濃度勾配を有する半導体領域を形成し、それによって第２の不純物濃度勾配を有する第１導電型の前記第２の半導体層、および、近似的に不純物濃度が均一とみなせる不純物濃度分布の頂上付近の第１導電型の第３の半導体層を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施例にかかるダイオードの断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図２】  この発明の第２の実施例にかかるダイオードの断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図３】  この発明の第３の実施例にかかるダイオードの断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図４】  この発明の第４の実施例にかかるダイオードの断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図５】  この発明の第５の実施例にかかるダイオードの断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図６】  この発明の第６の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図７】  この発明の第７の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図８】  この発明の第８の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図９】  この発明の第９の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１０】  この発明の第１０の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１１】  この発明の第１１の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１２】  この発明の第１２の実施例であるダイオードの製造工程を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１３】  この発明の第１〜１２の実施例にかかるダイオードのＮ-層またはＮ層の縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１４】  ダイオードの動作電流波形を示す模式図である。
【図１５】  従来のダイオードの例を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１６】  従来のダイオードの例を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【図１７】  従来のダイオードの例を示す断面構造図、及び縦断面方向の不純物濃度分布の模式図である。
【符号の説明】
１０    ダイオード
２０    ダイオード
３０    ダイオード
４０    ダイオード
５０    ダイオード
１１ａ  第１の半導体層
１１ｂ  第１の半導体層
１１ｃ  第１の半導体層
１２ａ  第２の半導体層
１２ｂ  第２の半導体層
１２ｃ  第２の半導体層
１３    第３の半導体層
１４    第４の半導体層
１５    第１の電極
１６    第２の電極
【図１】
0003994443.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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