(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型カソード層、その第一導電型カソード層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第二導電型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に積み重ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノード電極と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソード電極とを有する電力用ダイオードにおいて、
第二導電型アノード層の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない前記第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、
前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成された前記アノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたことを特徴とする電力用ダイオード。
【請求項２】
絶縁膜がストライプ状であることを特徴とする請求項１記載の電力用ダイオード。
【請求項３】
絶縁膜がドット状であることを特徴とする請求項１記載の電力用ダイオード。
【請求項４】
第一導電型カソード層、その第一導電型カソード層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第二導電型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に積み重ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノード電極と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソード電極とを有する電力用ダイオードにおいて、
第二導電型アノード層の一部に第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域が形成され、その第二導電型ソース領域の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない前記第二導電型ソース領域および前記第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、
前記第二導電型ソース領域と前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記第二導電型ソース領域と前記第二導電型ソース領域の表面上の一部に形成された前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成されたアノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたことを特徴とする電力用ダイオード。
【請求項５】
第二導電型アノード層の拡散深さが、第二導電型ソース領域のそれより大きいことを特徴とする請求項４記載の電力用ダイオード。
【請求項６】
第二導電型アノード層の拡散深さが、第二導電型ソース領域のそれより小さいことを特徴とする請求項４記載の電力用ダイオード。
【請求項７】
第二導電型ソース領域および絶縁膜がストライプ状であることを特徴とする請求項４記載の電力用ダイオード。
【請求項８】
第二導電型ソース領域および絶縁膜がドット状であることを特徴とする請求項４記載の電力用ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用整流素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用半導体素子は、インバータを始め様々な用途に利用されており、現在でも、より高耐圧かつ大容量の用途に適用範囲を拡大しつつある。近年、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなど、高耐圧、大容量、かつ高周波で動作可能なスイッチング素子が開発されており、それに伴い、電力用ダイオードにおいても高周波数動作が可能な高速リカバリー特性が要求されている。
【０００３】
このような背景において、  特に高速逆回復特性を目指して、ＭＰＳ（Merged P-I-N Schottky ）ダイオードやＳＦＤ（Soft and Fast recovery Diode）といった新しい構造のダイオードも各種報告されており、電力用ダイオードの特性改善が進められている。
最も広く用いられている電力用ダイオードの代表例の一つとしてｐｉｎダイオードがある。図４にｐｉｎダイオードの部分断面図を示す。
【０００４】
高比抵抗のｎドリフト層（ｉ層と呼ぶこともある）５の一方の側にｐアノード層４が形成されており、その表面にアノード電極１が接触している。ｎドリフト層５の他方の側にはｎ+ カソード層６が形成されており、その表面にはカソード電極２が接触している。このｐｉｎダイオードの逆回復特性を改善するために、現在では電子線照射などを用いた少数キャリアのライフタイム制御が行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、インバータなどの実機にフリーホイールダイオード（ＦＷＤ）としてｐｉｎダイオードが使用されているが、負荷短絡など発生した際に、そのＦＷＤに例えば１０００Ａ／ｃｍ2 以上といった非常に大きな電流が流れることがある。このときダイオードの温度が上昇し、さらに真性キャリア密度が注入キャリア密度より大きくなると、ダイオードは負性抵抗を示し、破壊や劣化が生じる[ 例えば、Silber,D.and Robertson,M.J.,Solid State Electron. 16, p.1337 (1973) 参照] 。そのような場合におけるダイオードのサージ電流耐量を向上させるには、ｐアノード層４の不純物濃度を増大させ、ｐアノード層４からの注入キャリアを多くすることで対応できる。しかし、そうすると、逆に通常の逆回復特性は悪くなる。このように、サージ電流耐量と逆回復特性との間には、トレードオフ関係がある。従って、ｐｉｎダイオードの構造のみでは、両者の特性を同時に向上させることはできなかった。
【０００６】
電気鉄道用インバータなど、大容量でしかも高い周波数での動作が必要な用途へのダイオードの適用では、大電流が流れる場合に対する高いサージ電流耐量のみならず、高速な逆回復特性も要求される。そして、今後、両者を同時に満たす新しい電力用ダイオードの開発は、その重要度が増すと考えられる。
先に発明者らは、特許願平８−１３２４６６において、ｐｉｎダイオードと並列にサイリスタを配置することにより、高いサージ電流耐量と良好な逆回復特性との両立を可能にした。しかしながら、その発明では、サージ電流耐量の向上は目ざましいものがあったが、逆回復特性の向上については満足できるものとは言えなかった。
【０００７】
以上の問題に鑑み本発明の目的は、上記二つの要求すなわち、大きいサージ電流耐量と高速な逆回復特性との両方を兼ね備えた電力用ダイオードを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、第一導電型カソード層、その第一導電型カソード層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第二導電型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に積み重ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノード電極と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソード電極とを有する電力用ダイオードにおいて、第二導電型アノード層の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない前記第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成された前記アノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたものとする。以下の記述では、すべて第一導電型をｎ型、第二導電型をｐ型とするが、これを逆にすることもできる。
【０００９】
そのような電力用ダイオードにおいて、アノード電極に順方向のバイアスを加えると、第二導電型アノード層から第一導電型ドリフト層に正孔が注入され、一方、第一導電型カソード層から第一導電型ドリフト層を通じて第二導電型アノード層に電子が注入される。順バイアスを大きくして電流密度を増加させると、伝導度変調により第一導電型ドリフト層のキャリア密度が増加する。表面にある絶縁膜の下方の第二導電型アノード層内部では、絶縁膜のない部分に比べて、電子濃度が増加する。これは、以下の理由によると考えられる。絶縁膜の形成部分では、半導体内の少数キャリア（第二導電型アノード層内では電子）が絶縁膜にせき止められるような効果が生じる。このため、高注入状態になるほど、絶縁膜近傍の第二導電型アノード層内の電子濃度が増加する。さらに、中性条件を満たすように第一導電型ドリフト層内の正孔濃度も増加する。従って、第二導電型アノード層の表面の一部に絶縁膜を形成した場合、通常の絶縁膜がなくてアノード電極が接触する場合に比べて、順方向電流が大きいほど順電圧の増加率が小さくなる。
【００１０】
ストライプ状またはドット状とした複数の絶縁膜を均等に配置すると良い。そのようにすれば、高注入状態の点が多数生じ、しかも電流が均等に分散される。また、第二導電型アノード層の一部に第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域が形成され、その第二導電型ソース領域の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない第二導電型ソース領域および第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、前記第二導電型ソース領域と前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記第二導電型ソース領域と前記第二導電型ソース領域の表面上の一部に形成された前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成されたアノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたものとしても良い。
【００１１】
そのようにすれば、第二導電型アノード層は低濃度であるので、通常の定格電流密度（〜１００Ａ／ｃｍ2 ）では、正孔ルの注入が抑制され、通常のｐｉｎダイオードよりも逆回復特性が向上する。一方、サージ電流領域では前述のように、絶縁膜の形成部分において、第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域から、多数の正孔が第一導電型ドリフト層に注入され、逆に多数の電子が第一導電型ドリフト層から第二導電型アノード層に注入されて、キャリヤ濃度が増大する。
【００１２】
特に、第二導電型アノード層の拡散深さが、第二導電型ソース領域のそれより大きいものとする。
そのようにすれば、第二導電型アノード層と第一導電型ドリフト層間のｐｎ接合に屈曲部が無いので、高耐圧素子に適する。
また、第二導電型アノード層の拡散深さが、第二導電型ソース領域のそれより小さいものとすることもできる。
【００１３】
そのようにすれば、第二導電型アノード層の不純物総量が少なく、第一導電型ドリフト層に注入されるキャリアが減少し、逆回復特性が改善される。
ソース層および絶縁膜を複数個、均等に配置されているものとする。さらにこれらがドット状、ストライプ状であるものとする。
このようにすることで、電流の分布が均一で電流集中等がなく、特性が安定する。
【００１４】
絶縁膜が酸化膜であるものとする。
酸化膜であれば、素子形成プロセスにおいて容易に得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施例の電力用ダイオードについて説明する。以下の記述で、ｎ、ｐを冠した層、領域等はそれぞれ電子、正孔を多数キャリアとする層、領域等を意味するものである。また、すべて第一導電型をｎ型、第二導電型をｐ型とするが、これを逆にすることもできる。
【００１６】
［実施例１］
図１は、本発明第一の実施例の電力用ダイオードのチップ中央付近の単位部分の部分断面図である。電力用ダイオードの主要部分は、多数の図のような単位部分が繰り返されており、またチップの周辺部分には、耐圧部として、ガードリング構造が形成されているが、本発明の本質に係わる部分ではないので省略している。
【００１７】
高比抵抗のｎドリフト層（ｉ層とも呼ぶ）５の一方の側にｐアノード層４が拡散により形成されており、ｐアノード層４側のの表面上の一部には、絶縁膜３が形成され、ｐアノード層４の絶縁膜３が形成されていない表面上に接触してアノード電極１が設けられている。ｎドリフト層５の他方の側には、ｎ+ カソード層６が拡散により形成されており、ｎ+ カソード層６のｎドリフト層５と反対側の表面上には、カソード電極２が設けられている。図４の従来のｐｉｎダイオードと違っているのは、ｐアノード層４の表面上にｐアノード層４よりも高濃度のｐ+ ソース領域７が形成されており、そのｐ+ ソース領域７の表面に絶縁膜３が形成されている点である。ｐ+ ソース領域７および絶縁膜３は、平面図ではストライプ状をなしている。図では、アノード電極１が絶縁膜３上に延長されているが、必ずしもこのように延長しなければならないわけではない。
【００１８】
本発明の電力用整流素子は、通常のｐｉｎダイオードと同様の製造方法によりｐアノード層４、ｎドリフト層５、ｎ+ カソード層６からなる三層構造を作製し、ｐアノード層４の表面層に選択的にｐ+ ソース領域７を形成した後に、通常のプロセスにて得られる熱酸化膜、ＣＶＤ酸化膜などの絶縁膜３をフォトリソグラフィにより部分的に残し、その上およびｎ+ カソード層６の裏面に金属膜をスパッタまたは蒸着し、アノード電極１、カソード電極２として製造される。なお、ライフタイム制御を、電子線照射でおこなっている。場合によっては、絶縁膜３の形成を三層構造の作製前におこなっても良い。
【００１９】
この例では、例えばｐアノード層４形成のためのほう素イオン注入量を少なくして、ｐアノード層４の表面濃度を、従来のｐｉｎダイオードの場合よりも約１桁小さくする。但し、ｐ+ ソース領域７については、従来のｐｉｎダイオードの表面不純物濃度と同程度にするか或いは数倍大きくするとよい。各層の不純物濃度あるいは表面不純物濃度、厚さあるいは接合深さは、例えば次のような値である。ｎ+ カソード層：１×１０20／ｃｍ3 、８０μｍ、ｎドリフト層：３×１０13／ｃｍ3 、３２０μｍ、ｐアノード層：１×１０15／ｃｍ3 、６μｍ、ｐ+ ソース領域７：７×１０16／ｃｍ3 、３．４μｍ、幅、１１．４μｍ、酸化膜幅：６μｍ、膜厚：０．５μｍ、酸化膜の形成されていない領域の幅：９μｍ。
【００２０】
図５は、本発明による実施例１の電力用ダイオード（Ａ）の順方向特性図である。比較例として、半導体基板の構成は実施例１と同じで、表面上の絶縁膜３が無い比較ダイオード（Ｂ）および従来のｐｉｎダイオード（Ｃ）の順方向特性をも記載してある。ｐｉｎダイオード（Ｃ）のｐアノード層４の表面不純物濃度は３×１０16／ｃｍ3 、接合深さは３．４μｍとした。ライフタイム制御は電子線照射でおこなった。電力用ダイオード（Ａ）、比較ダイオード（Ｂ）、ｐｉｎダイオード（Ｃ）ともに耐圧は３０００Ｖを越えている。通常定格電流として使用される１００Ａ／ｃｍ2 で順電圧を比較した場合、ｐｉｎダイオード（Ｃ）の順電圧が２．９Ｖであるのに比べて、電力用ダイオード（Ａ）および比較ダイオード（Ｂ）は、３．１〜３．２Ｖとあまり差がない。
【００２１】
一方図５において、サージ電流領域である１０００Ａ／ｃｍ2 以上で順電圧を比較すると、比較ダイオード（Ｂ）の９．６Ｖ、ｐｉｎダイオード（Ｃ）の９．１Ｖに比べて電力用ダイオード（Ａ）では、８．９Ｖとオン電圧が低下している。したがってサージ電流通電時の発熱が低減され、真性キャリア濃度の増加が抑えられるので、サージ電流耐量が向上する。
【００２２】
これは、前項において述べたように、酸化膜を形成した電力用ダイオード（Ａ）では、絶縁膜３の形成領域で、半導体表層の少数キャリア（ｐアノード層４内では電子）が絶縁膜にせき止められるような効果が生じ、高注入状態になるほど、絶縁膜近傍のｐアノード層４内の電子濃度が増加し、さらに、中性条件を満たすようにｎドリフト層５内の正孔濃度も増加するためと考えられる。従って、絶縁膜３をｐアノード層４の表面の一部に形成した場合、絶縁膜３の無い比較ダイオード（Ｂ）、ｐｉｎダイオード（Ｃ）に比べて、順方向電流が大きいほど順電圧の増加率は小さくなる。通常、サージ電流領域では逆回復モードの動作はない。従って、そのような電流域での正孔の注入促進による逆回復特性への影響は考慮しなくてもよい。
【００２３】
図６は、実施例２の電力用ダイオード（Ａ）および比較ダイオード（Ｂ）、従来型のｐｉｎダイオード（Ｃ）のリカバリー特性を比較した特性図である。横軸は１００Ａ／ｃｍ2 での順電圧、縦軸は、逆回復ピーク電流である。逆回復動作の条件はＩF ＝１００Ａ／ｃｍ2 、ＶR ＝１３００Ｖ、−ｄＩF ／ｄｔ＝２５０Ａ／（ｃｍ2 ・μｓ）である。この図に見られるように、順電圧と逆回復ピーク電流とはトレードオフ関係にあり、本実施例の電力用ダイオード（Ａ）は比較ダイオード（Ｂ）に比べて若干外側にあるものの、ｐｉｎダイオード（Ｃ）に比べて優れたトレードオフ特性を示すことがわかる。すなわち、同じ順電圧のダイオードで比較したとき、本実施例の電力用ダイオード（Ａ）は、逆回復ピーク電流が小さいので、スイッチング速度が速く、スイッチング損失は少なくて済む。
【００２４】
前節にて述べたように、ｐアノード層４よりも高濃度のｐ+ ソース領域７を形成し、その表面の一部にアノード電極１が接触する構造をとっているが、通常の定格電流密度（〜１００Ａ／ｃｍ2 ）では、アノード電極１と接触しているｐアノード層４から主に電流が流れる。そのｐアノード層４の表面濃度を下げることにより、従来のｐｉｎダイオードより正孔の注入が、低く抑えられるので、逆回復特性が改善されるためである。
【００２５】
すなわち、本実施例の電力用ダイオードは、従来のｐｉｎダイオードに比べて、サージ電流領域での順特性、および定格電流域での逆回復特性が向上し、より高速の、過酷な動作に耐えるものである。絶縁膜３の形成が特性に与える影響は無視できる程度であるといえる。
絶縁膜３およびｐ+ ソース領域７の形状は、ストライプ状やドット状など、電流集中がなく分散する構造であれば安定した特性が得られる。絶縁膜３の厚さや幅、ｐアノード層４ならびにｐ+ ソース領域７の表面濃度、幅および接合深さは、既存のプロセス技術で制御可能であり、デバイス構造等に適合した最適化ができる。この例では、絶縁膜３はもっとも形成の容易な酸化膜としたが、酸化膜以外の絶縁材料、例えば窒化膜或いはポリイミド等でも構わない。
【００２６】
［実施例２］
図２は、本発明第二の実施例の電力用ダイオードの部分断面図である。この例では、図１の実施例１に対してｐアノード層４の拡散深さが、ｐ+ ソース領域７のそれより小さい場合を示している。絶縁膜３はｐ+ ソース領域７の表面に接触して設けられている。このようにすることで、ｐアノード層４からｎドリフト層５への正孔の注入を更に抑える作用が得られ、逆回復特性を改善することができる。
【００２７】
［実施例３］
図３は、本発明第三の実施例の電力用ダイオードのチップ中央付近の単位部分の部分断面図である。図１の実施例１と違っているのは、ｐアノード層４よりも高濃度のｐ+ ソース領域７が形成されていない点である。絶縁膜３はｐアノード層４の表面に接触して設けられている。但しこの例では、ｐアノード層４形成のためのほう素イオン注入量を多くして、ｐアノード層４の表面濃度を、実施例１の場合よりも約１桁大きく、すなわち、ｐアノード層４の表面不純物濃度、拡散深さをそれぞれ３×１０16／ｃｍ3 、３．４μｍとしている。
【００２８】
従って、この実施例３の電力用ダイオードは、実施例１よりｐ+ ソース領域７を形成しない分だけ、工数が低減できる。またこの実施例３の電力用ダイオードでは、サージ電流領域において、実施例１より低い順電圧が得られた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第二導電型アノード層表面または、第二導電型ソース領域表面の一部に絶縁膜を設け、絶縁膜の無い部分にアノード電極を接触することによって、サージ電流領域でのオン電圧が低減され、発熱が抑制されて、サージ電流耐量が向上する。特に、第二導電型アノード層の不純物濃度を低くすれば、定格電流での逆回復特性の向上も可能となり、従来のｐｉｎダイオードでは困難であった、大きいサージ電流耐量と、高速な逆回復特性との両立を可能とした電力用ダイオードが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一の実施例の電力用ダイオードの部分断面図
【図２】本発明第二の実施例の電力用ダイオードの部分断面図
【図３】本発明第三の実施例の電力用ダイオードの部分断面図
【図４】従来の電力用ｐｉｎダイオードの部分断面図
【図５】本発明の実施例の電力用ダイオードおよび比較例の順方向静特性図
【図６】本発明の実施例の電力用ダイオードおよび比較例の逆回復ピーク電流とオン電圧のトレードオフ特性図
【符号の説明】
１        アノード電極
２        カソード電極
３        絶縁膜
４        ｐアノード層
５        ｎドリフト層
６        ｎ+ カソード層
７        ｐ+ ソース領域
【図１】
0003807023.tif 000002
【図２】
0003807023.tif 000003
【図３】
0003807023.tif 000004
【図４】
0003807023.tif 000005
【図５】
0003807023.tif 000006
【図６】
0003807023.tif 000007