JP2000077682A - ショットキーダイオード - Google Patents
ショットキーダイオードInfo
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Abstract
る素子破壊を防止する。 【解決手段】ショットキー障壁形成領域にpn接合を形
成し、降伏電圧をpn接合のパンチスルーにより制御す
るものである。 【効果】逆方向の過電圧に対する耐性の優れた高耐圧,
大電流のショットキーダイオードが得られる。
Description
オードの構造に関する。
数の高周波化にともなって半導体スイッチング素子の高
速化とともにスイッチング素子に並列接続される環流ダ
イオードやフリーホイルダイオードの高速化が強く求め
られている。これらのダイオードには高電圧で大電流を
低損失で整流する機能が要求されるので一般にはpn接
合ダイオードが広く適用されている。しかし、pn接合
ダイオードは電流通電時に半導体内部に蓄積される少数
キャリアによってターンオフ過渡時には大きな逆電流が
流れる性質があるため、スイッチング素子のターンオン
時に過大な損失を発生させるだけでなく、過大なノイズ
の発生源となっており変換装置の動作の高周波化を阻害
する主要な要因になっている。リカバリー特性の改善し
たpn接合ダイオードが種々開発されいるが、少数キャ
リアの注入を伴うこの種のダイオードにはリカバリー時
の逆電流の低減には本質的な限界がある。
してショットキーダイオードがある。ショットキーダイ
オードでは半導体内部で電流を運ぶ担体が多数キャリア
のみであり、電流通電時においても少数キャリアの注入
や蓄積がないので、ターンオフ時の逆電流を極めて小さ
くすることができる。
高電圧,大電流の電力変換装置へ適用する場合に幾つか
の問題がある。その一つは、逆電圧を印加した時の漏れ
電流が大きいことである。とくに高温で耐電圧近くの高
い電圧が印加されると漏れ電流が増加するので逆電圧阻
止状態での発生損失が増大する。これがダイオード素子
内の局所的な場所で起こり、部分的な熱暴走によって素
子が破壊しやすいという欠点がある。他の重大な問題
は、逆方向の過電圧に対する耐性が極めて弱いことであ
る。素子の耐電圧近くの逆電圧が印加されるとショット
キー金属と半導体界面に存在するショットキー障壁を超
えて流れる漏れ電流が急増するため局所破壊をおこしや
すい。ショットキーダイオードの場合、リカバリー時の
逆電流は障壁と半導体との間に印加される逆電圧によっ
て半導体内に広がる空乏層の拡張にともなって発生する
極めて微小な変位電流が流れるにすぎない。しかし、こ
の微小な逆電流の急峻な変化がリカバリー時の大きな電
圧変動を誘発し、短時間ではあるがノイズ状の過電圧が
素子自身に加わることになり、結果として瞬時に素子破
壊を引き起こす。
向の電圧印加時のサージ耐量を改善する従来技術として
特開昭59−217354号に示された集積回路のクランプダイ
オードの例がある。図2はその半導体集積回路装置での
クランプダイオードの概略構成を示す断面図である。図
2において、10は入力側のアルミ電極、20はGND側
アルミ電極、30は入力クランプダイオードとして用い
られるショットキーバリアダイオード、40はn型エピ
タキシャル層、50はn+ 型埋込み層、60はアルミ電
極10とオーム性接触され、かつこのアルミ電極10と
n+ 型埋込み層50間の抵抗を下げるために設けられる
n+ 型層、70はp型半導体基板、80は素子間分離の
酸化膜、90は電極間分離の酸化膜であって、n型エピ
タキシャル層40内にあって、GND側アルミ電極20
とn+ 型層60に接するp+ 型層120を設けると共
に、n+ 型不純物濃度を制御して前記ショットキーダイ
オード30の降伏電圧より低い降伏電圧のpn接合ダイ
オード130をこれらのn+型層60とp+ 型層120
により形成させ、入力側アルミ電極10とGND側アル
ミ電極20との間に、ショットキーダイオード30とp
n接合ダイオード130とを並列接続させたものである。
p+ 型層の不純物濃度の制御によりpn接合ダイオード
130の降伏電圧を8〜20V程度に設定することが可
能であり、一方、ショットキーダイオードの降伏電圧は
25〜30V程度であり、入力側アルミ電極10に正の
サージ電圧が印加された場合、サージ電流の殆どはpn
接合ダイオード130に流れて、ショットキーダイオー
ド30には流れなくなると説明されている。この従来技
術によれば、同一能動領域内にクランプダイオードとし
てのショットキーダイオードと共に、このショットキー
ダイオードよりも降伏電圧の低いpn接合ダイオードを
並列接続されるように構成したので従来性能をそのまま
保持してサージ耐圧を格段に向上させ得るという特徴が
ある、と述べられている。
降伏電圧のpn接合ダイオードを並列配置することによ
り逆電圧印加のサージ耐量を向上させる技術内容を教示
するものである。しかし、降伏電圧の低いpn接合ダイ
オードの形成手段は比較的電圧の低い集積回路の場合に
のみに適用できるものであって高耐圧・大電流の素子に
は適用できない。これを以下に説明する。前記した例は
集積回路なので構成素子は横型であり、降伏電圧の低い
pn接合ダイオード130は比較的高不純物濃度のp+
型層120および同じく高不純物濃度のn+ 型層60を
エピタキシャル層40の半導体表面からの不純物拡散に
より降伏電圧8〜20V程度の低電圧のp+ n+ 接合を
形成している。一方、耐電圧数100〜数1000V,
電流容量数A〜数100Aのパワー素子の場合、電流が
半導体基体の上下方向に流れるいわゆる縦型素子とな
り、かつ、半導体素子の面積も1cm2 程度と大きい。こ
の基本構造の相違によって前記した従来技術をそのまま
適用することができない。すなわち、パワー素子の場
合、一般には比較的低不純物濃度で高抵抗の半導体基体
の上下面よりp+ またはn+ 型の高濃度層を形成して機
能領域を構成する。したがって、前記したp+ およびn
+ 高濃度層が直接に接するような低降伏電圧の部分を形
成することは殆ど不可能である。
ー障壁の周辺端部での電界集中による降伏電圧の低下を
防止するため周辺部分の降伏電圧を障壁部分より高くす
る手段を講じなければならない。また、前記したショッ
トキー障壁部分の高温における漏れ電流の増加を軽減す
る目的で障壁部分に加わる電界強度を緩和する手段必要
である。これらの手段の形成と整合のとれた方法でショ
ットキー障壁部分より低い降伏電圧の領域を構成しなけ
ればならないが、従来技術ではこれを実現できない。
圧,大電流のパワーショットキーダイオードには、高
温,高電圧における漏れ電流の低減というショットキー
ダイオードの従来からの課題の他に微小のリカバリー電
流の急峻な変化にともなって素子自体に発生する過電圧
による素子破壊を防止しなければならないという新たな
課題を解決する技術手段が必要である。本発明はこれら
の課題を考慮してなされた新規な技術手段を提供するも
のである。
に、本発明ではショットキー障壁領域に並列にショット
キー障壁部分より降伏電圧の高い部分を具備するととも
に、降伏電圧の低い部分を分散配置し、かつ、該降伏電
圧の低い部分の降伏電圧をpn接合のパンチスルーによ
り制御するものである。
所的な高い電界が印加される部分を排除するとともにシ
ョットキー障壁より降伏電圧の低い部分に過電圧による
サージ逆電流が流れるようにすることにより、逆漏れ電
流が急増するショットキー障壁領域への高い逆電圧の印
加を防止することができるので、ショットキーダイオー
ドの過電圧に対する耐性を向上できる。
をpn接合のパンチスルー現象あるいは接合の湾曲によ
るアバランシ現象により数100V以上の高電圧領域に
おいて精度よく制御できる高耐圧のショットキーダイオ
ードが製作できる。
ー障壁に並列に多数分散配置することにより、サージ過
電流による損失吸収領域を比較的面積の大きな半導体内
部においてほぼ均一にすることができるので、サージ吸
収能力を向上できる。
の過電圧に対する耐性の強いショットキーダイオードを
変換装置の環流ダイオードやフリーホイルダイオードと
して使用すれば、スイッチング時の回路損失を吸収する
機能を備えた逆電圧クランプダイオードとしての作用に
よって、簡単化された回路構成の高周波変換装置が実現
できる。
開示しながら詳細に説明する。
圧に対する耐性の改良された高耐圧のショットキーダイ
オードの断面図である。上下に主表面を有する平行平板
状の半導体基体1は高不純物濃度で低抵抗のn+ 型層2
と、n+ 型層2よりも不純物濃度が低く高抵抗のn- 型
層3とからなり、n+ 型層2が露出する一方の主表面に
低抵抗のオーム性接触されたカソード電極6,n- 型層
3が露出する他方の主表面にはアノード電極となるショ
ットキー金属5がそれぞれ設けられ、n- 型層3とショ
ットキー金属5との接する部分にはショットキー障壁5
1が形成されている。ショットキー金属5が終端する部
分すなわち半導体基体の端部には他方の主表面からn-
型層3内に比較的高濃度のp+ 型層4が設けられ、その
表面においてショットキー電極5と低抵抗にオーム性接
触されている。そして、p+ 型層4が形成されている領
域よりも内側の主な機能領域となる部分において、他方
の主表面からn- 型層3内に比較的高濃度で、かつp+
型層4より深いところまで達するp+ 型層7が複数個設
けられており、それぞれn- 型層3との間にpn接合7
1が形成され、他方の主表面においてショットキー金属
5と低抵抗にオーム性接触されている。
明する。ダイオードとしての電流の整流作用はn- 型層
3とショットキー金属5の間に形成されたショットキー
障壁51の部分で動作する。すなわち、ショットキー金
属5がカソード電極6に対して正電位となる向きの電圧
が印加されたとき、ショットキー障壁51の概ね0.1〜
0.5V の比較的低い障壁を超えて電子がショットキー
金属5からn- 型層3へ流れ、さらにカソード電極6に
向かって流れて導通する。また、上記と逆向きの電圧が
印加されたとき電子の流れはショットキー障壁51で止
められ、電流の流れを阻止する。このとき、ショットキ
ー障壁51からn- 型層3内に拡がる空乏層によって電
圧が保持されるので、高耐圧の素子ではn- 型層3は比
較的高抵抗で厚い半導体層とされる。ショットキー金属
5の終端部に設けられたp+ 型層4は、逆電圧印加状態
においてショットキー障壁51にかかる局所集中電界に
よる降伏電圧の低下を防ぐもので、p+ n接合の高い逆
電圧阻止特性を利用している。この例では、通常よく使
われているいわゆるガードリング構造を示したが、他の
構造、例えばフィールドリミッティングリング(FL
R),フィールドプレート(FP)、またはジャンクシ
ョン・ターミネーション・エクステンション(JTE)
なども適用できる。
る特徴である。p+ n接合71の最も深い位置とn+ 型
層2との長さWD1をガードリングとなるp+ 型層4とn
+ 型層2との長さWD2およびシヨットキー障壁51とn
+ 型層2との長さWD3より長くする。つまり、WD1<W
D2<WD3の関係にする。こうすることにより逆電圧印加
時においてp+ 型層7部分の降伏電圧が最も低くなる。
例えば、抵抗率40Ωcmのn- 型層3,WD2=20μ
m,WD1=15μmとすれば、p+ 型層4部の降伏電圧
が約500V、p+ 型層7部分の降伏電圧が約400V
となる。したがって、印加する逆電圧を高くしたときp
+ 型層7部分で降伏が起こり、さらに高い電圧は素子に
はかからない。サージ逆電流が全てこの部分に流れるの
で逆電流に弱いショットキー障壁部分の通電を未然に阻
止できる。この結果、過電圧が印加される時間が短時間
であれば熱破壊に至ることがなく、過電圧に対する耐性
の強いダイオードとなる。
トキーダイオードの断面図である。図中の各部に付した
構成部分の符号が図1に示した第一の実施例と同じ部分
はその構造、伝導型および作用が等しい部分を指してい
る。図3では、主な機能領域となる部分において他方の
主表面からn- 型層3内に比較的高濃度で、かつp+型
層4より深いところまで達するp+ 型層7が複数個設け
られているのは前記の第一の実施例と同じである。本実
施例においては、さらに、n- 型層3内に比較的高濃度
のp+ 型層11が複数個設けられている点が新規な点で
ある。p+ 型層11はp+ 型層4とp+ 型層7の間及び
p+ 型層7間に設けられる。p+ 型層11の不純物濃度
および深さはp+ 型層4と同じとし、かつ同時に形成す
ることができる。複数個の深いp+ 型層7の最も深い位
置とn+ 型層2との長さWD1をガードリングとなるp+
型層4とn+ 型層2との長さWD2および新規に設けたp
+ 型層11とn+ 型層2との長さWD3より長くする。つ
まり、WD1>WD2≒WD3の関係にする。
る動作および各部の作用は前記と同様である。カソード
電極6がショットキー金属に対して正電位となる向きの
逆電圧が印加された場合、空乏層はp+ 型層4,p+ 型
層7およびp+ 型層11のそれぞれの接合からn- 型層
3内に拡がるが、各p+ 型層相互間の間隔を狭く設定す
ればそこに拡がる空乏層が互いに連結し、いわゆるピン
チオフ状態となる。その結果、ショットキー障壁51に
かかる電界が低減されることになり、逆電圧印加時の漏
れ電流を著しく低減できる。また、逆電圧印加時におい
てp+ 型層7部分の降伏電圧が最も低くなり、過電圧に
対する耐性が向上することは前記した第一の実施例と同
様である。したがって、本実施例では逆電圧特性ならび
に過電圧耐量を同時に改善したショットキーダイオード
となる。
トキーダイオードの断面図である。図中の各部に付した
構成部分の符号が図1に示した第一の実施例と同じ部分
はその構造,伝導型および作用が等しい部分を指してい
る。図4では、p+ 型4よりも内側の主な機能領域とな
る部分において、他方の主表面からn- 型層3内にp+
型層4よりも低濃度のp- 型層9が複数個設けられてい
る。ショットキーダイオードの主たる動作および各部の
作用は前記と同様である。この実施例では比較的低濃度
の複数個のp- 型層9が新規な点である。
ョットキー金属に対して正電位となる向きの逆電圧が印
加された場合、空乏層は、ショットキー障壁51の部分
ではn- 型層3にのみ拡がるが、p- 型層9の部分では
n- 型層3とともにp- 型層9内にも拡がる。p- 型層
9の不純物濃度を低く設定すれば、そこに拡がる空乏層
の先端がショットキー金属とオーム性接触した他方の主
表面に到達するといわゆるパンチスルー現象により電圧
降伏が起こる。このパンチスルー開始電圧をショットキ
ー障壁51およびガードリングのp+ 型層4の部分の降
伏電圧より低くなるようにp- 型層9の不純物量を設定
する。例えば、n- 型層3の抵抗率40Ωcm,厚さを2
0μmとし、p- 型層9の深さを約3μm,平均不純物
濃度を3.0×1015cm-3 とすれば、ショットキー障壁
の降伏電圧が約500Vに対してp- 型層9でのパンチ
スルー電圧が約400Vになる。したがって、印加する
逆電圧を高くしたときp- 型層9部分で降伏が起こり、
さらに高い電圧は素子にはかからない。サージ逆電流が
全てこの部分に流れるので逆電流に弱いショットキー障
壁部分の通電を未然に阻止できる。この結果、過電圧が
印加される時間が短時間であれば熱破壊に至ることがな
く、過電圧に対する耐性の強いダイオードとなる。
トキーダイオードの断面図である。図中の各部に付した
構成部分の符号が図4に示した第三の実施例と同じ部分
はその構造,伝導型および作用が等しい部分を指してい
る。図5では、主な機能領域となる部分において他方の
主表面からn- 型層3内にp+ 型層4よりも低濃度のp
- 型層9が複数個設けられているのは前記の第三の実施
例と同じであるが、さらに、n- 型層3内に比較的高濃
度のp+ 型層11が複数個設けられている点が新規な点
である。p+ 型層11は、p+ 型層4とp- 型層9の間
及びp- 型層9間に設けられる。p+ 型層11の不純物
濃度および深さは前記の図3に示した第二の実施例と同
じである。これらのp+ 型層11ならびにp- 型層9の
作用効果は前記第二ならびに第三の実施例で述べたと同
様であり、本実施例でも逆電圧特性ならびに過電圧耐量
を同時に改善することができる。
トキーダイオードの断面図である。図中の各部に付した
構成部分の符号が図5に示した第四の実施例と同じ部分
はその構造,伝導型および作用が等しい部分を指してい
る。図6では、主な機能領域となる部分において他方の
主表面からn- 型層3内に比較的高濃度のp+ 型層11
が複数個設けられているのは前記の第四の実施例と同じ
であるが、さらに、隣り合ったp+ 型層11間にp+ 型
層11よりも低不純物濃度のp- 型層91が複数個設け
られていることが新規な点である。
11の間隔すなわちp- 型層91の幅は前記した第四の
実施例より広く設定される。むしろ、第四の実施例にお
けるp- 型層9を挟む隣り合った二つのp+ 型層11の
間隔を狭くして、それそれが介在するp- 型層9に接し
た構造としたものである。p+ 型層4,p+ 型層11お
よびp- 型層91の各部の不純物濃度,深さは前記第四
の実施例のそれぞれp+ 型層4,p+ 型層11およびp
- 型層9と同じである。p+ 型層11のピンチオフ作用
による漏れ電流の低減効果は前記と同様であり、また、
p- 型層91のパンチスルーによる低い降伏電圧の効果
は前記した第四の実施例と同様である。本実施例では、
さらに逆電圧の印加時の漏れ電流の低減をいっそう確実
にできる。前記の第四の実施例では、p+ 型層11およ
びp- 型層9に拡がる空乏層が互いに連結し、いわゆる
ピンチオフ状態となり、ショットキー障壁51にかかる
電界が低減されることによって漏れ電流が低減される。
しかし、p- 型層9内にも空乏層が拡がるので、隣なり
のp+ 型層11との間に拡がる空乏層の幅が少なくな
り、期待したピンチオフ作用が損なわれ易い。本実施例
ではp+ 型層11およびp- 型層91を互いに接触させ
連結しているので、ピンチオフ作用が損なわれない。
イオードを用いて、電動機駆動用インバータを構成した
一例を示したものである。六個のスイッチング素子,S
W11,SW12,SW21,SW22,SW31,SW
32と本発明を適用した六個のダイオードSD11,S
D12,SD21,SD22,SD31,SD33によ
り、三相誘導電動機を制御する例である。適用されるダ
イオードは整流ダイオードとして作用するとともに、逆
方向の過電圧をクランプする作用を有し、回路のLC等
による損失を吸収して異常な電圧の発生を防止する作用
があるので、これらの機能素子に過電圧抑制の受動回路
を併設することなく電磁ノイズの少なく、かつ高速で動
作するインバータ装置が簡単な回路構成で実現できる。
なお、本実施例では電動機駆動用のインバータ装置への
適用例を例示したが、スイッチング素子にダイオードを
並列接続して使われる他の変換装置、例えばAC−DC
コンバータ,DC−DCコンバータ,チョッパーなどの
電力用変換装置などへも適用できるものである。
型の場合を示したが、記述した伝導型を全て反対伝導型
にすればp型の場合にも適用される。
る耐性の優れた高耐圧,大電流のショットキーダイオー
ドが得られる。従って、本発明によるショットキーダイ
オードをインバータ装置などの電力の変換回路に適用す
れば、簡単な回路構成で電圧ノイズの発生が抑制された
高周波低損失の変換器が実現できる。
一の実施例を示す断面図。
二の実施例を示す断面図。
三の実施例を示す断面図。
四の実施例を示す断面図。
五の実施例を示す断面図。
動機駆動用インバータに使用した例の回路構成図。
ードリングとなるp+型層、5…アノード電極となるシ
ョットキー金属、6…カソード電極、7…比較的深い高
濃度p+ 型層、9,91…p- 型層、11…p+ 型層、
51…ショットキー障壁。
Claims (10)
- 【請求項1】一対の主表面を有する第一導電型の半導体
基体と、前記半導体基体の一方の主表面に形成され、前
記半導体基体との間にショットキー障壁をなすショット
キー金属と、前記ショットキー金属の終端部分において
前記ショットキー金属とオーム性接触し、前記半導体基
体とpn接合を形成する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基体の他方の主表面において、前記半導体基
体にオーム性低抵抗接触するカソード電極と、前記半導
体基体の前記一方の主表面において前記ショットキー金
属と接触し、前記半導体基体との間にpn接合を形成す
る第二導電型の複数の第二半導体層と、を有し、前記第
二半導体層のpn接合の降伏電圧が他の部分より低いこ
とを特徴とするショットキーダイオード。 - 【請求項2】一対の主表面を有する第一導電型の半導体
基体と、前記半導体基体の一方の主表面に形成され、前
記半導体基体との間にショットキー障壁をなすショット
キー金属と、前記ショットキー金属の終端部分において
前記ショットキー金属とオーム性接触し、前記半導体基
体とpn接合を形成する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基体の他方の主表面において、前記半導体基
体にオーム性低抵抗接触されるカソード電極と、前記半
導体基体の前記一方の主表面において前記ショットキー
金属と接触し、前記半導体基体との間に、前記第一半導
体層が形成するpn接合よりも深いpn接合を形成する
第二導電型の複数の第二半導体層と、を有することを特
徴とするショットキーダイオード。 - 【請求項3】請求項2において、さらに、前記半導体基
体の前記一方の主表面において前記ショットキー金属と
接触し、前記半導体基体との間にpn接合を形成する第
二導電型の複数の第三半導体層を有することを特徴とす
るショットキーダイオード。 - 【請求項4】請求項3において、第一,二及び三半導体
層相互の間隔が、各半導体層より拡がる空乏層が、逆電
圧が印加された時に、互いに繋がるよう設定されたこと
を特徴とするショットキーダイオード。 - 【請求項5】一対の主表面を有する第一導電型の半導体
基体と、前記半導体基体の一方の主表面に形成され、前
記半導体基体との間にショットキー障壁をなすショット
キー金属と、前記ショットキー金属の終端部分において
前記ショットキー金属とオーム性接触し、前記半導体基
体とpn接合を形成する第二導電型の第一半導体層と、
前記半導体基体の他方の主表面において、前記半導体基
体にオーム性低抵抗接触するカソード電極と、前記半導
体基体の前記一方の主表面において前記ショットキー金
属とオーム性接触し、前記半導体基体との間にpn接合
を形成する、前記第一半導体層よりも低不純物濃度の第
二導電型の複数の第二半導体層と、を有することを特徴
とするショットキーダイオード。 - 【請求項6】請求項5において、前記第二半導体層の不
純物濃度が、素子の逆耐電圧の値が前記第二半導体層内
に拡がる空乏層が前記一方の主表面に到達するパンチス
ルー電圧によって制限されるように設定されたことを特
徴とするショットキーダイオード。 - 【請求項7】請求項6において、さらに、前記半導体基
体の前記一方の主表面において前記ショットキー金属と
接触し、前記半導体基体との間にpn接合を形成する前
記第二半導体層よりも高不純物濃度の第二導電型の複数
の第三半導体層を有することを特徴とするショットキー
ダイオード。 - 【請求項8】請求項7において、第一,二及び三半導体
層相互の間隔が、各半導体層より拡がる空乏層が、逆電
圧が印加された時に、互いに繋がるよう設定されたこと
を特徴とするショットキーダイオード。 - 【請求項9】請求項7において、前記第二半導体層と前
記第三半導体層とが互いに接する部分を有することを特
徴とするショットキーダイオード。 - 【請求項10】並列接続される半導体スイッチング素子
と整流ダイオードを備える電力変換器において、該整流
ダイオードが請求項1〜9のいずれか1項に記載のショ
ットキーダイオードであることを特徴とする電力変換
器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP24283198A JP3616258B2 (ja) | 1998-08-28 | 1998-08-28 | ショットキーダイオードおよびそれを用いた電力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP24283198A JP3616258B2 (ja) | 1998-08-28 | 1998-08-28 | ショットキーダイオードおよびそれを用いた電力変換器 |
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|---|---|
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