(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソフトな回復の高速パワーダイオード(26)を製造する方法において、半導体基板(10)内のキャリヤ寿命は、軸方向プロファイルのある第１のマスクしないボンバート(14)と、次の横方向プロファイルのある第２のマスクしたボンバート(15)により制御され、前記第１のマスクしないボンバート(14)はイオンボンバートで、パワーダイオードのスイッチング応答を制御し、また前記第２のマスクしたボンバート(15)は電子ボンバートで、前記パワーダイオード(26)のアクティブエリアを減少させることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記イオンボンバートには、陽子又はヘリウムイオンを使用する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２のマスクしたボンバート(15)には、孔明きプレート(16)が使用される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記孔明きプレート(16)は鉄鋼又はモリブテンで出来ている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のマスクしたボンバート(15)には、ゲージ(18)が使用される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項６】
前記ゲージ(18)は鉄鋼ワイヤ(19,20)で出来ている請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ゲージは鉄鋼ワイヤ(19,20)からなり、前記鉄鋼ワイヤ(19,20)の太さは、前記第２のボンバートのための電子の与えられた加速エネルギーについて、前記鉄鋼ワイヤ(19,20)が前記ゲージ(18)のノードで完全なシールドを行い、前記鉄鋼ワイヤ(19,20)の一本のみでカバーされるエリアで電子ボンバートの部分的シールドを行う請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記鉄鋼ワイヤ(19,20)の太さは１ｍｍであり、前記第２のボンバートの電子の加速エネルギーは、2.5Ｍｅｖである請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記マスク(16,18)でカバーされない表面積は、前記マスク(16,18)の全面積の20％から80％である請求項３乃至８の何れか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記マスク(16,18)でカバーされない表面積は、前記マスク(16,18)の全面積の50％である請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項の方法により製造された半導体基板(10)を有するパワーダイオード(26)において、前記アクティブエリアと前記第２ボンバートにより不活性にされたエリアを通って、前記半導体基板(10)から熱が散逸し、前記パワーダイオード(26)のアクティブエリアに関して、熱抵抗Ｒthの減少を達成したパワーダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーエレクトロニクスの分野に関する。特に本発明は、請求項１の前提部に記載されたソフトな回復(recovery)の高速パワーダイオードを製造する方法と、パワーダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に、低バイアス電流と、高電圧のとき、高速で損失を最適化し信頼性を最適化したダイオード（即ち、シリコンが薄く、基本材料の抵抗が高い半導体基板を有するダイオード）の通信中に、急に逆電流のブレークダウン（「スナップオフ」といわれる）が起こる。
【０００３】
多くの場所で述べたように、このような「スナップオフ」即ちこのようなハードなスイッチング応答は、動作中に起こる電圧より上の高い電圧に向かう色々の方法により変えることができる。これは、コンポネント内のキャリヤ寿命の軸方向プロファイルにより達成される。これは、例えば重金属原子の拡散により、又はイオンボンバート（Ｈ＋＋又はＨ＋）により生じる。
【０００４】
例えば、米国特許第4,140,560号は、金原子を高速ダイオードの半導体基板内に拡散させることにより、基板内に明白な濃度勾配を有する金の濃縮が生じ、ソフトな回復が得られると記載している。
【０００５】
「スナップオフ」は、短い有効電荷キャリヤ寿命により助長されるが、これはダイナミック損失が低くなるように設計された大面積ダイオードに要求される。イオンのみによりボンバートされるダイオードのケース内のイオンドーズを増加することによりスイッチオフ時の損失を減らそうとすると、コンポネント内の高い逆電流が生じるので、この方法も制限される。
【０００６】
その結果、イオンと電子の組合せボンバートも、イオンドーズの増加も目的を達成することができない。
【０００７】
他の公知の提案（DE-A1-41 35 258）によれば、高速パワーダイオードの半導体基板は、特殊な部分的処理（例えば、プロトン又はヘリウム原子核によるボンバートと電子ボンバート）により、相互に並んだ２つの別個のエリア要素に分割される。このように形成された部分ダイオードは、一方の部分ダイオードは、ソフトリカバリーを有し、他方はハードな「スナップオフ」応答を有する。２つのダイオード素子を並行に接続することにより、所望の全体のダイオード応答が得られる。
【０００８】
また、提案（DE-A1-196 09 244）によれば、上述した２つのダイオード素子は、ボンバートに晒されない即ち電子の基本的ボンバートに晒される半導体基板のエリア内に、領域が分布するように配置され、この領域でボンバート即ち追加のボンバートが行われる。例えば、ストリップの形のマスクを使用して、分布した領域を生じる。この結果、キャリヤ寿命が軸方向プロファイルと共に横方向プロファイルを持つことになる。２つのプロファイルを組合せると、所望のダイオードスイッチング応答が得られる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
公知の方法で作った高速パワーダイオードでソフトな回復のものは、より良いスイッチング応答を有するが、不所望の高い逆電流と逆損失を有する。
【００１０】
本発明の目的は、ソフトリカバリーの高速パワーダイオードを作る方法を提供し、その結果逆損失の小さいコンポネントを作ることであり、またこの方法を使用して作ったパワーダイオードを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１と８の特徴により達成される。本発明の本質は、全表面をイオンボンバートした後、次の電子ボンバートの間コンポネントをマスクし、３次元の寿命(life)分布を作ることである。原則的に、この結果ダイオードに２つのサブエリアができ、これらは動的及び定常状体の特性が異なるダイオードが並列接続されたと見ることができる。高ボンバートドーズ（イオンボンバート＋電子ボンバート）のダイオード部分は、非常に高い導電抵抗を有し、実質上順電流が流れない。従って、ダイオードの合計蓄積電荷の割合は低い。他方のサブエリア（電子ボンバートに晒されない部分）は、実質的に順電流を全て流し、「回復電荷」と回復応答を制御する。
【００１２】
こうすると、アクティブエリアが大きく減るので、その結果電流密度が増加し、比較的キャリヤ寿命が長くなる。それに対応して、ソフトなスナップオフ応答になる。電子でボンバートすると、同一の順方向電圧降下について、逆電流の増加が純粋なイオンボンバートのときより小さくなり、そのため逆方向の損失もまた低いままである。アクティブエリアが減少することは、また追加のボンバートにより、順電流がない又は順電流が小さいダイオードのサブエリアがあることを意味し、このサブエリアではそのためダイオードをスイッチオフするとき、スイッチング損失がなく、又はスイッチング損失が小さい。従って、スイッチオフ損失が生じるエリアは、小さくなる。しかし、以前のように、生じる熱損失は、外側に散逸し、全基板の全面積に分散する。この結果、ダイオードのアクティブエリアに関連して、熱抵抗Ｒthが小さくなる。
【００１３】
本発明の第１の好適な態様では、好ましくは鉄鋼又はモリブテンで出来た孔明きプレートを使用して、第２のマスクしたボンバートを行う。このようなマスクにより、２つのダイオード素子を最適に配置することが出来る。
【００１４】
更に、本発明の第２の好適な態様では、好ましくは鉄鋼のワイヤで出来たゲージを使用して、第２のマスクしたボンバートを行い、横方向のプロファイルを形成することが出来る。例えば、2.5ＭｅＶの電子加速エネルギーで、ワイヤ太さ１ｍｍのこのようなゲージにより、ノードポイントで完全にシールドし、１本でカバーされたエリアは部分的にシールドすることが出来、シリコン中への電子侵入深さが制限され、別の欠陥プロファイルが出来る。カバーされていないエリアでは、ボンバートは全エネルギーで行われ、その結果、軸方向に一定の欠陥分布になる。
【００１５】
マスクでカバーされない表面積は、マスクの全面積の好ましくは20％から80％であり、約50％が良い。
別の実施例は、従属する請求項による。
【００１６】
【発明の実施の形態及び実施例】
本発明例示の実施例と図面により、詳細に説明する。
パワーダイオードは、「技術曲線」により特性を表すことが出来る。これは、ダイナミックスイッチング損失（一般に、Ｅoff即ちスイッチオフエネルギー）を、定常状態のライン損失（順方向損失）に対してプロットした曲線である。図１にこのような技術曲線の１例を示す。
【００１７】
グラフ中の技術曲線の位置は、ダイオードの半導体基板用の初期のシリコン材料の選択（直径、厚さ、抵抗）と、寿命分布の性質による。それゆえ、異なる寿命技術と異なるシリコン材料仕様について、異なる技術曲線が得られる。
【００１８】
これらの技術曲線上の１つの個々のコンポネントの位置は、ある技術のキャリヤ寿命の絶対値により制御される。ある直径とあるシリコン厚さとシリコン抵抗についての技術曲線上のエリア「Ａ」からエリア「Ｂ」へ、あるコンポネントを移動させるためには（図１参照）、キャリヤ寿命を更に減少させなければならない。これは、(a)電子ボンバートのドーズを増加させる、又は(b)追加の重金属の拡散、又は(c)追加のイオンボンバート、により達成することが出来る。
【００１９】
方法(a)は、ダイオードが、スイッチオフされるときハードな回復特性になる。しかし、方法(b)と(c)は、漏れ電流が多くなり、その結果逆損失が高くなり、最悪の場合、逆オペレーションが不安定になる。
【００２０】
この問題は、その質的なスイッチング応答が、横方向に均一な寿命分布により制御されているダイオードの寿命を、更に追加のマスクされたボンバートにより横方向に組織化することにより克服することが出来る。本発明によれば、第１の分布は、イオンボンバートとして知られる方法で行われ、軸方向の寿命プロファイルを生じ、ダイオード特性は図１のエリア「Ａ」にある。追加の横方向構造化により、ダイオードが３次元（３Ｄ）寿命プロファイルを有し、電気特性が技術曲線のエリア「Ｂ」になり、質的回復特性又は逆損失に大きな影響はない。この場合、ダイオードは、２つのダイオード素子に分割することが出来、この場合２重ボンバートされた部分（イオンボンバート＋電子ボンバート）は、電気的に不活性にされたと見ることが出来る。
【００２１】
３Ｄ寿命分布は、電子ボンバートの間素子をマスキングすることにより達成することが出来る。図２に、２つの例についての基本的なステップを示す。これらのステップは、(平らな)半導体基板10に基づき、この基板にはドーピング方法を使用して、導電の種類が異なりドーピング濃度が異なる多くの層11,12,13が作られる（図２の（Ａ））。層11は、通常はｐドープされ、層12はｎ-ドープで、層13はｎ+ドープである。
【００２２】
第１ステップ（図２の（Ｂ））で、マスクされないイオンボンバート14により、キャリヤ寿命の軸方向（電流方向）に変化するが横方向（電流に対して横方向）には均一なプロファイルが、作られる。
【００２３】
次に、第２ステップで（図２の（Ｃ）又は（Ｄ））、マスクされた電子ボンバート15により、横方向に不均一な寿命プロファイルが作られる。例えば、鉄鋼又はモリブテンで出来た孔明きプレート16をボンバートマスクとして使用することが出来る（図２の（Ｃ））。この場合、ダイオードの２つのサブエリアを得ることが出来、これらはダイナミック特性と定常状態の特性が異なるダイオードを平行に接続したものと見ることが出来る。高いボンバートドーズを有するダイオード素子（孔明きプレート16の孔17に一致するエリア）は、非常に高い導電抵抗を有し、殆ど順方向電流を流さない。これに応じて、ダイオードの合計保存電荷の割合は低い。他方のサブエリア（電子でボンバートされない部分）は、実質的に全ての順電流を流し、「回復電荷」と回復応答を制御する。
【００２４】
アクティブエリアが非常に減少したので、その結果、キャリヤ寿命と共に電流密度が増し、そのためソフトなスナップオフ応答になる。電子でのボンバートにより、同等の順方向電圧降下について、純粋なイオンボンバートより逆電流の増加が少なく、逆損失も低いままである。
【００２５】
電子ボンバートの手段による別の（横方向）寿命プロファイルは、異なる設計のマスク、例えば決められたメッシュ幅の鉄鋼のワイヤ19,20からなるゲージ18（図２の（Ｄ））を使用することにより達成することが出来る。例えば2.5Ｍｅｖの電子加速エネルギーで、厚さ１ｍｍの鉄鋼のワイヤ19,20からなるゲージ18により、ノードポイントで完全にシールドすることが出来、１本でカバーされたエリア（鉄鋼ワイヤ19,20の１本のみ）は部分的にシールドされ、シリコン中への電子の侵入が制限され、従って別の欠陥プロファイルが出来る。カバーされないエリア（鉄鋼ワイヤ19と20の間）では、ボンバートは全エネルギーで行われ、その結果軸方向に一定の欠陥分布となる。
【００２６】
本発明方法による高速パワーダイオードは、電気特性が図３と４のダイオード素子についての曲線により特徴付けられる。この場合、図３と４は、全表面を陽子ボンバートし、マスクして追加の電子ボンバートしたダイオードについて、順方向へのオペレーション(図３)と、スイッチオフしたとき（図４）とで、２つのダイオード素子の面積比１：１（１回と２回ボンバートされた領域）の場合電流がどのように分かれるかを示す。図３の曲線（ｂ）は、純粋な陽子ボンバートでの順方向特性を示す。曲線（ｃ）は、追加の電子ボンバートをした特性を示す。陽子と電子でボンバートしたダイオード素子の順電流は、陽子のみでボンバートしたダイオード素子の順電流よりずっと小さいことが分かる。
【００２７】
図４の曲線（ｅ）は、陽子のみでボンバートされたダイオード素子が、スイッチオフされる時の電流を示す。曲線（ｄ）は、追加の電子ボンバートをしたダイオード素子の電流を示す。曲線（ｆ）は、合計電流、即ち、２つのダイオード素子の電流の合計を示す。
【００２８】
ダイオードの特性は、２つのダイオード素子のサブエリアの比により影響を受けることは明らかである。実際の用途では、電気的に「不活性にした」部分（陽子と電子でボンバートされたダイオード素子）は、合計面積の20％から80％までとすることが出来る。マスクの性質と構成は、対応して求めることが出来る。上述した特性のダイオードの構成（アクティブエリアと合計面積の比が約１：２）は、ワイヤ直径１ｍｍでメッシュ幅２ｍｍの鉄鋼のゲージを備える。
【００２９】
基板表面をアクティブと不活性のサブエリアに分割すると、ダイオードのアクティブエリアに関連して、この半導体基板10を使って製造したパワーダイオード26の熱抵抗Ｒthが減少する。半導体基板10を図５に例示する。本発明方法により製造した半導体基板10は、この場合２つの電極ディスク21,24（Ｃｕで出来ている）の間に配置され、これらのディスクは、両面の全面積で、補償中間ディスク22,23（Ｍｏで出来ている）経由で、半導体基板10と電気的及び熱的接触を行う。同軸の絶縁ハウジングは図示しない。半導体基板26内で、表面エリアＦ１（ダイオードのアクティブエリアに属する）と、表面エリアＦ２（第２のボンバートにより電気的に不活性にされた）とが分布している（図５には、例としてこれらの表面エリアの１つのみを示す）。
【００３０】
追加のボンバートにより順電流を流さないか又は順電流が減少したダイオードのサブエリアは、パワーダイオード26がスイッチオフされるとき、スイッチング損失がないか又はスイッチング損失が減少する。従って、スイッチング損失が発生する合計面積は、小さくなる。しかし、生じた熱損失は、全半導体基板10上に「分布」し、中間ディスク22,23と電極ディスク21,24を経由して外へ出て行く。従って、マスクされた電子ボンバートは、スイッチングロスが生じるアクティブエリアを減少させる。しかし、同時に外部に生じる熱の熱散逸のための合計面積は、変化しない。その結果、（ボンバートの間）カバーされた表面積により、パワーダイオード26のアクティブエリアに関する熱抵抗Ｒthが減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  技術曲線(a)の例であり、パワーダイオードは、ダイナミックスイッチング損失(一般にＥoff)を定常状態のライン損失に対してプロットしてある。
【図２】  （Ａ）から（Ｄ）は本発明の２つの好適な実施例による、製造方法の色々のステップを示す。
【図３】  本発明による３Ｄラインプロファイルのある例示のダイオードの電流分布を示す図である。曲線（ｂ）は、純粋な陽子ボンバートでのダイオード素子の順方向特性であり、（ｃ）は、追加の電子ボンバートを行ったダイオード素子を表す。
【図４】  ダイオードの図３からの回復を示す。曲線（ｅ）は、純粋な陽子ボンバートしたダイオード素子をスイッチオフした時の電流である。本発明方法図である。曲線（ｄ）は、追加の電子ボンバートを行ったダイオード素子を表す。曲線（ｆ）は、全電流である。
【図５】  本発明によるパワーダイオードの例示の設計の概略縦断面図であり、全体のアクティブと不活性にした表面エリア上に熱コンタクトがある。
【符号の説明】
10  半導体基板
11,12,13  層
14  イオンボンバート
15  電子ボンバート
16  孔明きプレート
17  ホール
18  ゲージ（マスク）
19,20  鉄鋼ワイヤ
21,24  電極ディスク（Ｃｕ）
22,23  中間ディスク（Ｍｏ）
26  パワーダイオード
a-f  曲線
F1,F2  表面エリア
【図１】
0004991056.tif 000002
【図２】
0004991056.tif 000003
【図３】
0004991056.tif 000004
【図４】
0004991056.tif 000005
【図５】
0004991056.tif 000006