JPH01501030A - アノード側ｐ領域と、隣接する低ドーピングされたｎベース領域とを有する半導体構成素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 アノード側Ｐ領域と、隣接する低ドーピングされたＮベース領域とを有する半導 体構成素子本発明は請求範囲１の上位概念による半導体構成素子に関する。

電力整流器ダイオードはＰ”　ＮＮ＋領域構造を有し、従ってＰ−ないしＮ−導 電形の２つの高ドーピングされた領域（これら領域は半導体ディスクの表面に隣 接している）と、その間に位置する低ドーピングされた１つの領域（これは一般 にＮ導電形を有する）とから成る。

高速整流器ダイオ−Ｐによシ要求さｎることは十分小さい順方向電圧と十分小さ い阻止電流のほかに、次のことがある、即ち導通状態から転流の際逆方向電流ピ ーク及び蓄積時間が小さく、かつ殊に逆方向電流最大値のほうに向っての逆方向 電流の低下がわずかな急峻度で行なわれる（ソフトーリカノマリー特性）ことで ある。このことを或程度まで行なわせ得る公知手段によれば、金、白金又は、電 子−、ガンマ−２又はプロトン照射により生ぜしめられた欠陥のよりな再結合中 心によるキャリア寿命の低減に存する。

上記手法の欠点は阻止電流が再結合中心密度に比例して増大し、特に有効な再結 合レベルのもとてバンドでヤツゾの中心の付近で過度に高いものとなシ得ること である。このような現象ないし作用は金（これはその他の有利な特性のため最も 頻繁に用いられる）の場合、比較的に高い温度下で極めて不都合な影響を及ぼす のである。上記現象ないし作用により、許容金濃度、ひいてはりカバリ（回復） Ｂ／！ｆ性の改善度が制限される。

順方向電圧を考慮しても、再結合中心密度は過度に両極性拡散定数、高注入の際 のτキャリヤ寿命）が２より大である場合、順方向電圧はＮＲｅｋ〜ＩＦ７７に より指数関数的に上昇し、ｉＡ度に犬になる。リカバリ特性にとって重要な蓄積 電荷も、τと共に下方に向って制限される。付加的制限を加えるのは、過度補償 の回避をするには再結合中心濃度はＮベース領域の通常の伝導性ドーピング（こ れは所望の阻止能によって定められる）を著しく下回わらなければならないこと である。

この条件が充足されない場合は電流パルス印加の際当初過度に高いダイナミック な電圧ピークが生じ、順方向特性回復時間（この時間の後順方向電圧は初期の高 まりの１０チを除いて定常値に近づいている）は過度に大となる。このことから も、調整すべきキャリヤ寿命に対して、下回ってはいけない下限が設けられる。

この条件は多くの場合、定常的順方向特性による制限よシ厳しいものである。

再結合中心の局在分布は一般にそれぞれの技術如何によって定められ、要するに 、最適の整流器特性に必要なようにそのまま選定されるわけにはゆかない。プロ トン照射の手法の場合のみ著しく好都合な中心分布が得られるものの、そのよう なプロトン照射法は高価な手法であって、これまで半導体構造には使用されない 。他の照射方法も、それによっては一般には製造工場にてもキャリヤ寿命調整を 行ない得ないという欠点がある。

整流器ダイオードのりカバリ特性の改善のため、ヨーロッパ特許出願公開第００ ９０７２２号公報から公知の半導体構造では低ドーピングされたＮ−ベース領域 と高ドーピングされたＮ＋一区域との間に、１０１４〜１０”／ｉの範囲内にあ る平均的ドーピング濃度のＮ−領域が設けられている。上記の中間領域の作成の ためには著しい技術的コストが必要である、それというのは上記領域は出発シリ コンにてエピタキシャル成長により作成されるか又は付刀口的拡散手段によシ近 似せしめられなければならないからである。殊に、ダイオード特性のそのように して行なわれ得る改善は極く些細なものである、それというのは空間電荷領域の 構成は急激な電圧上昇の際逆方向電流ピークの時に、構造（ストラクチュア）に おけるアノードに流れる自由ホールによって決定され上記のホールによシ正の空 間電荷が著しく高められるからである。従って、空間電荷領域は逆方向電流ピー クに達すると短時間では平均的ドーピング濃度領域のところまで突き抜けず、そ の結果逆方向電流が既に小さくなっているときはじめて当該領域はりカバリ（回 復）特性に作用を及ぼす。

さらに、ＰＮＮ”−整流器ダイオード（ＴＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖ、　Ｅ　Ｄ　−３ｉ、１９８４年第１３１４頁）では ラテラル（横方向）で７４％さなチャネル領域区分にてアノード側Ｐ領域の厚さ Ｗ及び、ドーピング濃度Ｐはわずかである、例えば Ｐ＝５×１０１５／ＣＩＩＬ３．かつＷ＝＝ｉ、ｃ＋ｍ他の面領域区分では遥か に犬である、例えばＰ＝　４　Ｘ　１０”／ｃＩｎ３＋且Ｗ　＝　５　ｔｔｍで ある。チャネル領域区分のラテラル（横方向）寸法は（拡が９）２μｍのオーダ である。わずかなドーピング濃度及び厚さのＰ領域−各区分によっては順方向（ 導通）動作の際Ｆベース領域のＰ側にて注入荷電キャリヤのわずかな濃度が生せ しめられ、それによシ良好なりカバリ特性を得るものである。逆方向（遮断、阻 止）負荷の際はチャネル領域区分がスタチックに遮蔽され、その結果空間電荷領 域はＰ領域のわずかなドーピング濃度及び厚さにも拘らず当該の領域区分にて表 面のところまでは突き進まない。上記構造の欠点となるのはそのようにしてはた んにほぼ１５０ｖまでの阻止能しか得られず、当該構造は高電圧にも不適である それというのは順電圧が過度に大になるからである見また、別の欠点となるのは ラテラルのＰ領域構造（ストラクチュア）における個々の偏差及び欠陥によって 阻止能の著しい損失が惹起され、その結果その種の大面積ダイオードの場合の不 良発生率が過度に大になシ経済性の点で適用上問題が起こる。

高速サイリスタにより要求されるのは、小さなターンオフ時間のほかに、伝導（ 導通）状態からの転流の際逆方向電流ピークが小さくかつ逆方向電流積分値が小 さいことである。この要求は整流器ダイオードについて前述した如く、公知のサ イリスタでは再結合中心を以てのドーぎングによっては不十分にしか実現、充足 されない、それというのは十分な順方向（導通）特性及び十分小さい逆方向（阻 止）電流という付随的必要性に基づきそれの適用可能性が制限されているからで ある。

本発明の目的ないし課題とするところはアノード側Ｐ領域と、隣接する低ドーピ ングされたＮ領域とを有する半導体構成素子であって、良好な順方向（導通）特 性及びわずかな阻止電流と、転流の際の改善されたリカバリ特性とを併せ備え、 且、広い電流−１電圧領域に対して技術的に簡単に作成され得るものを提供する ことにある。

上記課題は請求範囲１中の特徴事項の構成要件によシ解決される。

本発明の有利なほかの構成態様は従属クレーム中に規定されている。

本発明により達成される利点とするところは当該半導体構成素子において、逆方 向電流ピークが著しく低減され、かつ、最大値に向っての逆方向電流の低減が平 坦であることにある。逆方向（阻止）電流は低減され、その結果この半導体構成 素子は比較的高い動作温度に対しても使用され得る。更に、この半導体構成素子 は技術上高価な照射法を用いず、且、ＦＥＩ′素子に必要なマスネキング精密技 術なしで大きな面積でも高い収率（歩留シ）で作成可能である。

次に図示の実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の基本的な整流器ダイオード構造及び同上各領域における荷電キ ャリヤ分布の特性経過を示す。

第２図は本発明の整流器ダイオード及び従来技術のそれにおける逆方向電流の時 間的特性経過のダイヤグラムを示す。

第６図は本発明による整流器ダイオードの構成を示す。

第４図は第６図により構成された整流器ダイオードにおける領域構造のドーピン ググロファイルを示す。

第５図は種々の導通電流密度のもとての第６図の整流器ダイオードにおける注入 された荷電キャリヤの分布状態を示す。

第６図は高い及び低いＰ−エミッタ効率の横方向（ラテラル）に交番する領域区 分を有する本発明の整流器ダイオードの別の構成を示す。

第７図は種々の電子流密度の場合における第６図の整流器ダイオードにおけるホ ール濃度のラテラル（横方向）分布状態を示す。

第８図は第６図の整流器ダイオードの高いＰエミッタ効率の領域区分の半径に依 存しての注入されたホール濃度の最大値を示す。

第９図は種々の導通電流密度の場合における第６図の整流器ダイオードにおける 注入された荷電キャリヤの分布状態を示す。

第１０図は本発明の整流器ダイオードの別の構成を示す。

第１１図は第１０図によシ構成された整流器ダイオードにおける領域構造のドー ピングプロファイルを示す。

第１２図は本発明のサイリスタの構成を示す。

第１ａ図はリカバリ特性の改善のためのＰ−領域２にて電子シンクＳを有する整 流器ダイオード１を示す。

電子シンクは表面によって、又は、後述するように、Ｐ−領域２中におけるＮ− 領域によって形成され得る。

その際Ｐ−領領域は電子シンクＳの前のところで次のように低くドーピングされ ている、即ち、順方向負荷の際高注入区域が、電子シンクＳの近くのところまで 達するように低くドーピングされている。但し、電子シンクの前のところでのド ーピング度は阻止方向負荷の際空間電荷領域が電子シンクのところまでは延び（ 拡から）ないようにするのに十分なものである。詳細には図示してないが、Ｐ− 領域２はオーム接触接続のため表面にて少なくとも部分領域区分にて高いドーピ ング濃度の領域を有する。Ｐ−領域２につづいて、内側に向って、低ドーピング されたＮ−ベース領域３が、またこの領域乙につづいて、高に一ピングされたＮ ＋領域４がつづいている。

第１ｂ図のダイヤグラムには順方向動作（ｔ＝０　）の際及び転流切換の開始後 種々の時点における第１ａ図のダイオードにおける電子−、ホール分布状態を示 す。無段可能なドーピング濃度を有する高注入領域区分にて電子濃度ｎと、ホー ル濃度Ｐは等しい。ｎとＰの各特性カーブはたんにＮＮ＋接合部Ｊ２にてドーピ ング濃度ＮＤの上昇と共に益々相互に離れていく。

ダイヤグラムから明かなように、Ｐ−領域２にて設けられた電子シンクＳにより 、順方向負荷のｖＡｐＮ−接合部Ｊ１の領域区分においてＰ−側にて、注入され た荷電キャリヤの濃度の著しい低下が生せしめられる。

ＰＮ接合Ｊ１′における荷電キャリヤ濃度は例えばたんにほぼ２　Ｘ　１６１６ ／ｃＩｒＬ３であるが、＝　１ｖＮｊ−ｆｆ１合部Ｊ２に−て一層な荷電キャリ ヤ分布に基づき転流過程の際ＰＮ接合部Ｊ工から迅速に荷電キャリヤが消失する 。このことは転流切換の開始後ｔ＝１．４μｓ、　１．８μＳ、　２．２μｓに 対する荷電キャリヤ分布から明らかである。ｔ＝１．４μｓにおいて既に、ＰＮ 接合部Ｊｌの比較的近い周囲における注入された荷電キャリヤの濃度は零に等し く、その結果、空間電荷領域、及び外部電圧と逆向きの相応の阻止電圧が形成さ れている。逆方向電流１ｒは阻止電圧印加と共に低下し始めるので、逆方向電流 ピークの到達までの時間はわずかであシ、それによシ、一定のｄｉ　／　ｄｔを もっての通常の転流の除わずかな逆方向電流ピークさえも生ぜしめられる。ただ し、ダイオードにおける既に高い電圧にも拘らず、Ｎ−ベース領域区分にてＮ− 領域４の付近にてなお多くの電荷が第１図にも同様に示されているように蓄積さ れている。従って電流は急峻には途切れ（瞬断され）得す、従って、整流ダイオ ードの第２図に示されているソフト−リカバリ特性が得られる。第２図ではカー ブａは従来技術の整流ダイオ−げにおける逆方向電流１ｒの時間経過を示し、カ ーブｂは本発明の整流器ダイオードにおける逆方向電流の時間的経過を示す。図 から明かなように、本発明の整流器ダイオードにおいては逆方向電流ピークＣが 著しく低減され、最大値に向っての逆方向電流１ｒの減少状態はｍ１フラット（ 平坦）に経過している。

本発明の整流器ダイオードについて述べたことは実質的に、順方向動作の際の類 似の荷電キャリヤ分布を有するサイリスタの転流切換についても成立つ。

第６図の整流器ダイオードの構成の場合Ｐ領域２は低ドーピングされた厚みのあ る内部Ｐ一部分領域２ａと、薄い高ドーピングされた２表面領域２ｂとから成り 、この領域２ｂによシ半導体ディスクが支持板７上に合法ないしろう付で接合さ れている。Ｐ一部分領域２ａには低ドーピングされたＮベース領域３と、これに つづいて高ドーピングされたＮ＋領領域がつづいている。このＮ＋領領域その表 面にてオーム接触接続層９を有する。Ｐ一部分領域２ａとＮベース領域６との間 のＰＮ接合部には阻止電圧が印加される。表面パッシベーションのために整流器 ダイオードはベベリングを有する。

第４図に示す、第６図の整流器ダイオードのドーピングプロファイルから明かな ように、Ｐ領域２の低ドーピングされた領域区分２ａはたんに １×１０１５／ｃ！！Ｌ３〜１Ｘ１０１６／α３の表面濃度を有する。その厚さ は例えば４０μｍである。阻止方向負荷の際空間電荷領域Ｒはたんに当該領域内 にＰ側にてひろがるのみであシ、要するに、最大の阻止方向負荷の際でも表面ま では違しない。このような全般的に拡散された領域によシ公知のように高い阻止 能が得られる。これに反して、順方向動作の際、平均的ないし高注入荷電キャリ ヤ濃度の区域は小さな電流密度例えば５Ａ／ｃｒＩＬ２からもうすでに、表面の すぐ近くのところまで達し、その結果上記表面は実効電子シンクとして作用する 。薄いＰ＋表面領域２ｂはたんにオーム接触接伏のために用いられ、それに十分 なドーピング濃度を有する。その時その濃度は概して３×１０１７／ｃｒｎ３よ り犬である。表面領域２ｂの厚さは次のような小さな値に選定される、即ちＮ＋ 領域４から到来する電子が当該表面領域により、この表面における電子シンクの ところへ流れ（ここでは上記電子は再結合し又はトンネルプロセスにより金属中 に移行する）るのをわずかな程度しか妨げられないような小さな値に選定されて いる。有利には厚さは２μｍより小、例えば０．２μｍに等しい値にされる。第 １図を用いて説明したように、Ｐ　−１ｉ１にて荷電キャリヤ濃度は例えば５　 Ａ／ｃｍ”を上回る電流の際著しく低減される。それによシ、リカバリ特性の所 望の改善が行なわれ得る。順方向電圧（これは再結合中心によっても、本発明の Ｐ領域２の構成においても高められる）の点で可能な限シ、整流器ダイオードは 有利に付加的に再結合中心でドーピングされる。この理由から再結合中に密度が 同等の対比可能な公知の整流器ダイオードにおけるよりわずかであるので、阻止 電流も相応してよシわずかなものとなる。

最大の逆方向（阻止）負荷の際の空荷電荷領域Ｒはなお低ドーピングされたＰ一 部分領域２ａ内に延びており、他方では平均的且高い注入（率）の区域が順方向 負荷の際表面の近くのところまで達するという条件はドーピング積分１直 Ｎ１ｎｔ＝工ＮｄＸ すなわち、Ｐ一部分領域２ａへの、ドーピング原子の面被覆度を用いて表わされ 得る。阻止能力を確保するにはＮ１ｎｔはほぼ１．３×１０１２／ｃｒＩＬ２よ シ犬に選定され、ダイオードの順方向極性付けの際当該表面が有効な電子シンク を形成するにはＮよ。、はほぼ１Ｘ１０１３／ｃｒｎ２よシ小にすると好適であ る。Ｐ一部分領域２ａの面積抵抗Ｈに対する次の条件はほぼ同意味を有する。

１．５にΩ≦Ｒ０≦１０ｘｎ 比較的に大きな阻止作用を有する構成菓子において良好な収率ないし歩留りを得 るにはＰ一部分領域２ａの厚さを５μｍよシ犬に選定すると有利である。パッシ ベーション及び順電圧と関連する理由から、他方では厚さは７０μｍよシ小に選 定すると有利である。ドーピング積分値及び面積抵抗に対する条件を考慮して、 Ｐ一部分領域２ａの最大ドーピング濃度は有利に１×１０１５／ｃＩｒＬ３〜２ ×１０１６／ｃ！ｒＬ３に選定するとよい。

明らかになったことは第６図及び第４図の整流器ダイオードは再結合中心での適 合ドーピングのもとてほぼ１０００Ｖの阻止能力に対してまで、順方向特性に関 する要求を充足し、よって、全体的に従来技術に比しての格段の改善を成す。比 較的高い阻止電圧用にＮ−ベース領域６の設計構成の際、はぼ２０　ＯＡ／ｃｍ ”の動作上の電流負荷に対する順方向電圧は余シ犬でないＮ−ベース厚のもとて なお常に許容限界内にあるが、過電流動作（経路動作）の場合生じるような高い 電流密度の際の順方向電圧は予期せずに著しく増加し、その結果過電流に対する 耐久性（耐量、耐力）が著しく低減される。それの原因を第５図を用いて説明す る。

この第５図中では第６図及び第４図の整流器におけるホール分布が種々の順電流 密度に対して示しである。

ドーピング経過は破線で示しである。２００　Ａ／ｃｍ”の動作電流密度に対し て、図示の非対称的ホール分布が生じこの分布は低ドーピングの領域にて電子分 布と一致する。電流増大と共に荷電キャリヤ濃度は先ず増大し、このことは１０ ００　Ａ／ｃ１ｒＬ２に対するカーブとの対比から明らかである。さらに上昇す る電流と共に、Ｎ−ベース領域６のＰ側における低減された荷電キャリヤ濃度の 区域が、Ｎベース領域３のＮ＋側領域半部内にまで拡がシ、このことは５０００ Ａ／ｄに対するカーブから明らかである。当該ダイオードにおける蓄積された電 荷はもはや増大しないので、電流と共に電圧の著しい増大、よって、過電流に対 するわずかな耐量（耐力）が生じる。

Ｐ領域２ａ（第３図、第４図）の表面濃度の上昇により、高い電流密度のもとて の荷電キャリヤ濃度の相応の増大、もって、過電流耐力の改善が行なわれる。

高ドーピングされた表面領域２ｂの厚さの増大によっても所定の過電流耐力（耐 量）が得られる。両手段によってもリカバリ特性は損なわれる、それというのは 表面における電子シンクの効率及びそれによシ荷電キャリヤ分布の非対称性が動 作電流のもとで低減されるからである。それにも拘らず、そのようにして第３図 及び第４図の整流器構造によシ所定の許容の過電流のもとで、公知の整流器ダイ オードによるよシも良好なりカバリ特性が得られる。

一層の改善が次のようにして得られる、即ち電子シンク５が面状にＰ領域２の部 分領域区分においてのみ有効である（作用状態におかれる）ように配置され、一 方、中間領域区分におけるＰ領域２の注入能力（率）が高いものであるようにす るのである。このような装置構成は第６図の整流器構造に示されている。Ｎ＋領 域４（この領域によっては半導体ディスクが伝導性状態で支持板７に被着されて いる）には低ドーピングされたＮ−ベース領域６がつづき、この領域６にはＰ領 域２がつづき、このＰ領域２はその表面にてオーム接触接続層９を有する。Ｐ領 域２は連続している低ドーピングされた部分領域２ａ（これは第６図の整流器ダ イオードにてＮベース領域６と共に阻止作用をするＰＮ接合部Ｊユを有する）の ほかに、薄い高ドーピングのＰ＋領域２ｂを有しこの領域２ｂは当該領域区分に て接触接続のために用いられ、部分領域区分Ｃにて比較的厚い高ドーピングのＰ ＋領域２ｃ（これは高いエミッタ効率を有する）を有する。Ｐ領域２は領域区分 Ｂにて第６図及び第４図の整流器ダイオードにおけるようなドーピング経過を有 する。低ドーぎング部分領域２ａのドーピング濃度及び高ドーピング部分領域２ ｂの厚さのもとて過電流耐力を考慮する必要はない、それはそのような過電流耐 力は領域２Ｃによって得られるからである。

領域区分ＢにおけるＰ領域は薄い表面領域２ｂを除いて低ドーピングされている ので、平均的から高い注入率の荷電キャリヤ濃度の領域が順方向動作の際表面の すぐ近くのところまで達し、その結果この表面は領域区分にて有効シンクとして 作用する。シンクＳによ＃）ＰＮ接合部Ｊｌにおける横方向に平均化された荷電 キャリヤ濃度の著しい低下が生ぜしめられ、その結果リカバリ特性は公知整流器 ダイオードに比して著しく改善されている。高ドーピングされたＰ＋領域２Ｃに よっては第３図の整流器ダイオードに比して過電流耐力の改善が行なわれる、そ れというのは当該の領域２Ｃによっては電流と共に蓄積された電荷の増大が行な われ、一方、第６図の整流器ダイオードの蓄積電荷は高め電流密度のもとでたん に極くわずかに又はもはや増大しない（第５因に関連して述べた如く）からであ る。第６図の整流器ダイオードにおける電流と共に蓄積電荷の増大はさらに次の ようにして促進増強される、即ち、電流は増大すると共に小さいＰ−エミッタ効 率を有する領域区分Ｂから高いＰエミッタ効率を有する領域区分Ｃ中に益々移行 する（その理由はその伝導性がそこでは上昇するからである）ようにするのであ る。領域区分Ｂ（ここでは電流密度は所与の全電流のもとで、均質な電子タンク を有する第６図の整流器ダイオードにおけるより小さい）では、Ａ電流の場合、 低減された電流密度により極くわずかしか又は全く低減されない（第５図）。第 ６図の整流器ダイオードにおける比較的高い蓄積電荷により、面全体に亘り積分 される全損失電力のみならず、局所的損失電力が、高い電流密度の領域区分Ｃに て所与の全電流のもとで低減され、その結果許容過電流が高められる。リカバリ （回復）過電流複合特性は良好に注入を行なうＰ＋領域２ｃのない電子タンクの 均質な配置構成に比し改善されている。それというのは、通常の動作電流のもと ての蓄積電荷と、過電流の場合におけるそれとの比はより小さいからである。こ のことは次のような場合に比しても成立つ、即ち低ドーピングされた領域２ｄの 表面濃度又は高ドーピングされた領域２ｂの厚さく第６図及び第４図）が幾らか 高められて、それによシ、第３図の整流器ダイオードにおいて比較的高い過電流 耐量が得られる場合に比しても成立つ。

詳細には示してないが、第６図の半導体ディスクはＰ領域２が支持体７に当接し 、一方、Ｎ＋領域４は接触接続層９を有するようにしてもよい。

領域２Ｃにより得られる改善について述べたことについては当該領域の周辺（周 縁）における作用、現象は考慮しなかった。Ｐ＋Ｐ接合部Ｊ３はＰ＋領域２ｃの 周辺では金属層９によりほぼ熱平衡状態におかれるものとしである。それによシ 、上記領域は周辺では注入されない。周縁から離隔していくとはじめてｐ”ｐ接 合部Ｊ３は整流器ダイオードの順方向極性づけの際電子流（これはＰ領域２ａに おける接合部Ｊ３に沿って電子シンクＳのほうへ流れる）によシ益々順方向に極 性づけられる。横方向に可変の注入率により、Ｐ＋領域２ｃへの境界部でのＰ領 域２ａにおけるホール濃度の局在的変化が生ぜしめられる。６０μｍの半径を有 する円形状のＰ＋領域２Ｃに対してはＰＮ接合部Ｊよにおける領域区分における 種々の垂直方向電流密度’ｌｎｘが第７図に示しである。Ｐ＋領域２ｃのすぐ前 のところにおけるＰ領域２ａのドーピング濃度はＰ□　＝　５　Ｘ　１０１５／ ｃＩｒＬ３であシ、電子シンク（表面）はＰ＋Ｐ接合部Ｊ３の平面においてＰ＋ 領域２Ｃにつづいている。図から明かなように１周縁におけるホール濃度Ｐはｒ 　＝＝　ｒａの場合Ｐ領域２ａのｆ−ピング濃度Ｐ。に等しく、中央においては （ｒ＝００際）Ｐは最大値Ｐｍをとる。ｒ　＜　ｒａＫ対する注入ホール濃度は 比較的大きな電流に対して電子電流密度Ｊｎ工と共に著しく増大する。このこと は同じようにして、全電流密度との関連性に対しても成立ち、その際その全電流 密度は付加的にホール電流を含み、よって、比較的に大である。

−８＝　２０　ＯＡ／ｃＩｒＬ２までは領域２ａでは当該面に亘って平均化され たホール濃度下（これはリカバリ特性を定める）はまだ大しては上昇していない 。Ｐ＋領域２Ｃがアノード側面積全体の例えばｌ／３を占める場合、第７図の例 Ｊｎｘ＝２００Ａ／儒２では面（積）に亘って平均化された濃度下は先ずはＰ。

よシ略５０％位大である。但し、Ｊｎｘ＝１０００Ａ／ｃＩｒＬ２の場合、丁は 同条件下でほぼ６００チだけより大であシ、５０００　Ａ　／　ｃｍ２の場合は ぼ２０倍だけより犬である。著しく高い電流密度の場合ＰＮ接合部Ｊｌにおける 最大値Ｐｍ及び平均化された荷電キャリヤ濃度下は全体的に同じ面積割合部分を 有する唯１つの又は比較的に少数の大面積のＰ＋領域２Ｃの場合におけるホール 濃度に近似する、それというのは高い電流密度の場合における周縁作用が減少す るからである。

Ｐ＋領域２Ｃの半径ｒａが、ｒ＝０の場合における最−大注入ホール濃度Ｐニー Ｐｏの関係性は第８図にて領域区分Ｃにて２つの電流密度”ｎｘに対して示しで ある。

２００　Ａ／ｃｍ２に対するカーブは動作ｊ一方向電流密度に対するＰ＋領域２ ｃの注入能率ｔ−ｉわし、一方、５０００　Ａ／α２に対するカーブは過電流負 荷の際のＰ＋領域２Ｃの注入度を表わす。Ｐ　−Ｐ　は先ずｒ　と共ｍｏ　ａ に著しく増大し大きなｒ８の場合、Ｐ＋領域の体積特性により与えられる飽和値 に移行する。明かなように、動作電流のもとての注入ホール濃度と、過電流負荷 の際のそれとの比が、Ｊ・さな半径ｒａの選定によシ、大面積のＰ＋領域２Ｃの 場合におけるホール濃度（飽和領域）の比より遥か以下に低減され得る。有利に はｒａは次のように選定される、即ち動作電流のもとてのホール注入度が最大許 答頑電圧に必要なだけの大きさであシ、一方逆電流のもとてのホール注入率が飽 和値にできるだけ近づくように選定される。両条件が同時には十分には満たされ ない場合、次のような妥協点が見付けられなけｎばならない、すなわち、整流器 ダイオードの所定の使い方に応じて最大の過電流耐量の値へより一層近い値、又 は最良のりカバリｎ性へよシ一層近い値の得られる妥協点が見付けられなければ ならない。いずれにしろ動作電流のもとてのホール注入度が、同じ面積割合部分 を有する大面積Ｐ＋領域２ｃの場合に比して著しく低減され得、その際過電流耐 量は損なわれない。過電流の際の横方向に平均化された注入度が、はぼ限界値に 達すると、比較的小さい多数のＰ＋領域を使用した場合における過電流耐量は高 められさえする、それというのは損失電力が半導体面に亘って一層均一に分布さ れ、よって熱放出が改善されるからである。動作電流のもとてのＰ領域２の注入 度の著しい減少に基づき、高い過電流耐量にも拘らず、著しく改善されたりカバ リ特性が得られる。領域区分Ｃへの前述の電流集中（密度）は半導体面へのＰ＋ 領域２ｃの浸透が密になればなるほど、また、当該領域の半径ｒａが小さくなけ ればなるほど、小さなものとなる、それというのはその際横方向拡散により一層 強力な横方向荷電キャリヤ補償が行なわれるからである。

ｒａが例えば５０μ口に等しく選定されると、動作電流のもとてホール注入度と しては Ｐｍ−Ｐｏ＝　２．６　ｘ　１０”　／　ｃｍ３が生じる。Ｐ＋領域２Ｃが上記 例におけるごとく、整流器ダイオードのアノード側面全体の１７３ヲ要する場合 、これには面に亘って平均化された注入されたホール濃度丁、たんにほぼ４×１ ０１５／ｃＩｎ３が相応する。例えば５　Ｘ　１　Ｄ１５／ｃｍ３の２部分領域 ２ａの表面におけるドーピング濃度Ｐ０と相俟って上記注入度はほぼ１８００Ｖ までの阻止能力に設計選定の頗動作電流のもとて十分小さなノー電圧には裏足シ 、シかも百は非常に良好なりカバリ特性が得られるほど小さい。過電流負荷の際 の注入度Ｚｄそのようなｒａのもとて大きな面積の場合における飽和値にほぼ等 しい（このことは第８図から明らかである）。

順電圧はＮベース領域６の厚さと共に、即ち設計選定された阻止能と共に上昇す るので、このことは平均的Ｐエミッタ効率の調整の際半径ｒａと、面全体におけ るＰ＋領域２Ｃの面積割合とによって考慮され得る。

高い阻止能の場合、動作電流のもとてのＰエミッタ効率は小さな阻止能の場合に おけるより犬に選定され、それにより、順電圧が過度に犬にならないようにすべ きである。

動作及び過電流の場合における横方向で平均化された注入されたホール濃度Ｐに 対する、Ｐ＋領域２Ｃの、アノード側半導体面への比較的密な被覆の基本的影響 を第９図に示す。Ｐ＋領域２Ｃの横方向寸法（拡がり）は第８図に関連して説明 したように選定される。動作電流の際ＰＮ接合部Ｊ１の周囲における丁はＮＮ” 　接合部Ｊ２におけるより遥かに小さい（このことは２００Ａ／α２に対するカ ーブより示されている）。それにより、前述のように、第６図の整流器ダイオ− ｒにおけると同じように良好なりカバリ特性が得られる。但し、過電流の場合、 Ｐ　Ｎ接合部Ｊ１における平均化されたホール濃度はＮＮ＋接合接合部全２ける それに等しく、第３図の整流器ダイオードの第５図に示す荷電キャリヤ分布に比 して著しく高められ、このことは第９図及び第５図に５０００Ａ／ＣＴＬ２に対 するカーブに示されている。それにより、第７図、第８図を用いて説明した設計 選定による整流器ダイオードの著しく改善された過電流特性が得られる。

第１０図から明かなように、電子シンクＳはｎ４″ｒｔ形の表面領域１０によっ ても形成され得、その際その表面領域はＰ領域２内に位置しこの領域２と共にＰ Ｎ接合部Ｊ３を形成する。ｎ導電形表面領域１０は高ドーピングされたＮ″）領 域として構成されている。またこの表面領域１０は表面にて、Ｐ領域２と共に金 属層７によって接触接続さｎている。Ｎ＋領域１０はＰ領域２よシわずかな厚さ を有し、このＰ領域はこれに当接する低−一ピングされたＮベース領域６と共に 連続するＰＮ接合部Ｊ□を形成する。Ｎベース領域６には高ドーピングされた耐 領域４がつづいており、この領域はＮベース領域６と共にＮＮ＋接合接合部全２ 成し、また表面にて接触接続層９を有する。Ｎ＋領域１０に前置して設けられた 、Ｐ領域２の領域区分の厚さａ及びドーピング濃度は次のような大きさに選定さ れている、即ち阻止方向負荷の際空間電荷領域Ｒの拡が９がＮ＋領域１０のとこ ろまで達しないような大きさに選定されている。

それによシＰ　Ｎ接合部Ｊ１によシ整流器ダイオードの所望の阻止能が確保され る。更に、Ｐ領域２の前置して設けられた領域区分のドーピング濃度及び厚さａ は次のような小さな値に選定されている、即ち順方向動作の際高い注入度の領域 区分がＮ”Ｐ接合部Ｊ３の近くのところまで達するような小さな値に選定されて いる。

その際その接合部Ｊ３は順方向極性づけの際阻止方向に極性づけられ従ってそれ ぞれつづいているＮ＋領域１０と共に電子に対するシンクとして作用するような 小さな値に選定されている。これらの条件は第６図に関連して説明したのと類似 のように領域区分ＢにおけるＮ＋領域１０に前置して設けられた、Ｐ領域２の領 域部分の面積抵抗Ｒ８又は総合ドーピング積分値では空荷電荷領域ＲのＰ側境界 部は第６図及び第６図の構成と異なって電子シンクＳから相当大きな距離間隔を 保って、それによりＮ＋領域１０、Ｐ領域２、Ｎベース領域３とから形成された ＮＰＮ　）ランジスタが、整流器ダイオードの阻止方向負荷の際パンチスルーに よυ早過ぎてブレークダウンしないようにしなければならず、これについては以 下詳述する。有利には領域区分ＢにおけるＰ領域２の面積抵抗及びドーピング積 分値が次の不等式に従って選定される。

２Ｘ１０１２／σ２≦Ｎ工。、≦２　Ｘ　１０１３／儂２７　ｋＱ　２　Ｒｏ　 ２１　ｋΩ 領域区分ＢにおけるＰ領域の厚さは有利にほぼ５μｍよシ犬且はぼ５０μｍより 小に選定され、Ｐ領域２の上記領域部分におけるドーピング濃度は最大値におい て有利に６×１０１’　／ｃｍ３〜３　Ｘ　Ｉ　Ｃｌユ’　／　ｃｍ３である。

断面ＡＩ、Ａ２における第１０図の整流器ダイオードのドーピング経過の例を第 １１図に示しである、即ち、総合ドーピング濃度の経過が示しである、つまシ、 アクセプター、ドナードーピング濃度の差の経過が絶対値として示しである。Ｐ 領域２は表面にて断面Ａ１において１　Ｘ　１０１９／ｃｍ”のドーピング濃度 を有し、断面Ａ２にてＮ＋領域１０に前置して設けられた領域区分では総合ドー ピング濃度は最大値において６　Ｘ　１０１５／ｃＩｒＬ３である。Ｐ領域２の 厚さは５０μｍであり、前置して設けられた領域区分の厚さａは２７μｍである 。

Ｎ＋領域１０は５Ｘ１０１９／α３の総合−派面ドーピング濃度及び２３μ二の 厚さを有する。第１１図のドーピングプロファイルを有する第１０図の整流器ダ イオードの利点とするところは公知の拡散−、マーキング法に従って簡単に当該 整流器ダイオードが作成できることである。Ｐ領域２の表面濃度は第６図及び第 ６図の整流器ダイオードの濃度はど小さく調整しなくてもよい。

第１０図の整流器の阻止方向負荷の際Ｎ＋領領域０とＰ領域２との間のＮ”Ｐ接 合部Ｊ３は順方向に極性づけられる。上記の順方向極性づけは領域区分Ｂにおけ るＮ＋領域１０に前置して設けられた２区域にて横方向電圧降下により、Ｎ＋領 域１０のところを流れる逆方向ホール電流によシ生ぜしめられる。定常的遮断（ 阻止）状態において、横方向電圧降下、ひいてはＮ”Ｐ接合部Ｊ３の順方向極性 づけはわず妙・な阻止電流に基づきわずかである。但し、導通状態からの転流の １１９　Ｎ”Ｐ接合部Ｊ３の順方向極性づけはリカバリ期間（フェーズ）中比較 的に犬である。Ｎ＋領域１０、Ｐ領域２、Ｎペース領域６から形成されるＮＰＮ 　）ランゾスタがそれにより導通制御されると、リカバリ電流の著しい増大、さ らにＮＰＮ　トランジスタ、ひいては整流器ダイオードのブレークダウンが定常 的阻止能以下の状態で惹起され得る。両方の現象を避けるため、最大の阻止方向 負荷の際のＮ”Ｐ接合部Ｊ３からの空間電荷領域の間隔は十分大きなものに選定 され、Ｎ＋領域１０の横方向寸法（拡が９）は十分小さな値に選定される。

先ず、Ｎ＋領域１０からの空間電荷領域Ｒの間隔Ｒによシ、領域区分Ｂにおける Ｐ領域２の残シの中性にュートラル）部分の面積抵抗を介して、横方向電圧降下 、ひいてはＮ”Ｐ接合部Ｊ３の順方向極性づけの強さないし高さが制御される。

さらに上記間隔によシ、領域区分ＢにおけるＰ領域２の中性部分において少数キ ャリヤ濃度の勾配を介して、所定の順方向極性づけのもとでＮ＋領域１０がら空 間電荷領域Ｒ中に流れ込む電子流が定められる。このような関係性は領域区分Ｂ における前置配設されたＰ領域２全体の面積抵抗及びドーピング積分値Ｎ工ｎｔ の上述のような設定の靜考慮される。例えば Ｎ１ｎｔ＝４×１０１２／ｃｒｒＬ２が選定される場合、最大阻止電圧のもとて なお存在する中性区域は領域区分Ｂにおをとる。前置配設されたＰ領域２の、Ｎ ”Ｐ接合部Ｊ３の順方向極性付けに対して規定的働きをする面導電度（コンダク タンス）は例えばｉ　Ｑ　Ｑ　＊／ｃｒｒ？’の逆方向電流の際、オーダ的に１ ０１５／ｃＩＩＬ３の、空間電荷領域における濃度での自由荷電キャリヤにより 著しく高められている。更に、領域区分Ｂにおける逆方向電流は導通期間（フェ ーズ）中比較的わずかな注入荷電キャリヤ濃度に基づき、高いエミッタ効率の領 域区分Ｃにおけるより小さく、その結果Ｐ領域２中当該領域区分Ｂにて横方向ホ ール電流も相応に低減されている。Ｎベース領域乙の厚さが炉領域１０の半径Ｒ ａより小さい際、これが島状に円形状基面で構成されているならば、実質的に領 域区分Ｂの周縁領域のみが、Ｎベース厚Ｗのオーダの拡がシを以て、Ｎ＋Ｐ接合 部Ｊ３の順方向極性付けに寄与する。２つの量Ｒａ、Ｗのうちの最も小さいもの は長さし。（これは相反的に、領域区分ＢにおけるＰ領域２の面抵抗及び発生す る逆方向電流密度とに依存する）より大であってはいけない。１０００Ｖを越え る阻止能を有する整流器ダイオード（このダイオードではＷｎはほぼ７０μｍよ シ犬である）では面積抵抗の代表的値に対するＲａは、当該構造にて生じる逆方 向電流を考１してほぼ４０μｍよシ小に選定される。

前述した構成例では第１１図のドーピング経過（分布）に相応して、Ｎ＋領域１ ０の高いエミッタ効率が基礎とされている。上記領域１０の表面ドーピング濃度 は良好な接触接続性のため大きくする必要はあるが、Ｎ”Ｐ接合部Ｊ３のエミッ タ効率はＮ＋領域１０のわずかな厚さにより小い調整され得る。この場合、？領 域１０の横方向寸法は比較的大に選定され得る。

第６図の整流器ダイオードについて既に詳述した如く、第１０図の構成において も面状にたんに部分領域区分にて配置された電子シンクＳによっては第６図の整 流器ダイオードに比して改善された過電流特性が生せしめられる。電子シンクＳ が島状に構成され高いエミッタ効率の相補領域区分Ｃがつづいている（つながっ ている）か、又は第７、第８図にて基礎とされた装置構成におけるように高いエ ミッタ効率の領域区分Ｃが島状に構成され電子シンクがつづいている（連なって いる）領域を形成するか、又は当該面の、領域区分ＢとＣへの分割するための別 の表面パターンが選定される〃・余シ大したことではない。第７図及びＭ８図を 用いて説明された周縁作用の利用のため、一般に、領域区分Ｂの横方向寸法（拡 がシ）、即ち、最も近い電子シンクからの領域区分Ｂの各点（個所）の最大間隔 は次のように選定されるとよい、即ち、面に亘って平均化されたホール注入率は 動作電流密度のもとでできるだけ小であシ、一方、過電流の際は大面積領域区分 Ｃの場合における飽和値をとるように選定するとよい。

電子シンクＳを有する前述のＰエミッタ構造のうちの１つの、サイリスタへの適 用例を第１２図に示す。

アノード側Ｐ領域２は第６図の整流器ダイオードにおけるように、連続する低ド ーピングされた部分領域２ａと、領域区分Ｂにおける薄厚の高ドーピングされた Ｐ＋部分領域２ｂ（これは当該領域区分にて接触接続のために用いられる）と、 領域区分Ｃにおける高いエミッタ効率の比較的厚みのある高ドーピングされたＰ ＋部分領域２Ｃとから成る。Ｐ領域２は表面において連続する接触接続層７を有 する。Ｐ領域２には内側に向って低ドーピングされたＮ−ベース領域６がつづい ており、この領域２には通常のサイリスタ構造におけるように、Ｐ−導電形の制 御ベース領域１０と、ｎ導電形のカソード側エミッタ領域１１とがつづいている 。それら領域は表面にて接触接続層９を有する。Ｐ領域２の設計選定は第７図、 第８図を用いて説明したように行なうことができる。

第９図について説明した整流器におけるように、Ｐ領域２は順方向動作密度（２ ００Ａ／ｃｍ２）の際、サイリスタ構造にてＰ領域２に向って低下する荷電キャ リヤ濃度を生じさせる。第１図を用いて説明したように、そのようにすることに よシ、サイリスタに対しても転流後の逆方向電流ピーク及び逆方向電流積分値の 減少が行なわれる。Ｐ領域２の、順電流と共に増大する注入率に基づき（第７図 〜第９図）許容過電流は低減されていない。サイリスタにおけるＰ領域の設計選 定の際第７図、第８図に関して述べたことのほかに、サイリスタの点弧−、ロッ ク電流が所定の限界を越えて高められないように考慮しなければならない。この ことはｙ（流器ダイオードに比して比較的にわずかな付加的な再結合中心密度に より又は２部分領域２ａの表面濃度の増大により行なうことができる。

ＦＩＧ、　１ｂ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ　３ ｘ（Ｊ、＋ｍ） ＦＩＧ、　５ ｘ　（ｐｍ） ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、　８ ｒ、（ｐｍ） ＦＩＧ、　９ ＦＩＧ　１０ ｘ（）Ｊｍ） ＦＩＧ、　１２ 国際調査報告 １″″″′０１“−１１０・　ＰＣＴ／ＥＰ　８７１００５：４国際調査報告 ＥＰ　ε７００５４４

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．アノード側Ｐ領域と隣接する低ドーピングされたＮ−ベース領域とを有し該 Ｎ−ベース領域は上記Ｐ領域と共に阻止作用をするＰＮ−接合部を形成し、その 際当該表面にて上記Ｐ領域のドーピング濃度は少なくとも複数部分領域にて、良 好な伝導性のオーム接触接続の行なわれ得るように選定されており、また上記Ｐ 領域の厚さは比較的強い阻止作用を有する構成素子向きに定められている半導体 構成素子にかいて、アノード側Ｐ−領域（２）はＰＮ接合部（Ｊ１）からは離隔 された、電子に対するシンク（Ｓ）を有し、更に電子に対するシンク（Ｓ）とＰ Ｎ接合部（Ｊ１）との間のＰ領域（２）の部分領域のドーピング濃度と厚さの選 定の際順向負荷のとき高い注入電荷濃度の区域が電子のシンク（Ｓ）の付近のと ころに達しその際該シンクは作用状態におかれるようになり、また逆方向阻止負 荷のときはＰ領域（２）における空間電荷領域の拡がりが電子のシンク（Ｓ）の ところまでは達しないように当該の厚さ及びドーピング濃度の値が選定されてい ることを特徴とするアノード側Ｐ領域と、隣接する低ドーピングされたＮベース 領域とを有する半導体構成素子。
2. ２．電子シンク（Ｓ）とＰＮ接合部（Ｊ１）との間のＰ領域（２）の領域部分の 総合ドーピング積分値はほぼ１．３×１０１２／ｃｍ２より大で且、２×１０１ ３／ｃｍ２、より小である請求項１記載の半導体構成素子。
3. ３．Ｐ領域（２）は低ドーピングされた連続する内部部分領域（２ａ）と、高ド ーピングされたわずかなエミッタ効率のＰ×表面領域（２ｂ）とから成る請求項 １又は２記載の半導体構成素子。
4. ４．Ｐ領域（２）はわずかなエミッタ効率のＰ×表面領域（２ｂ）のほかに当該 面の部分領域区分にて高ドーピングされた高エミッタ効率のＰ＋表面領域（２ｃ ）を有する請求項３記載の半導体構成素子。
5. ５．Ｐ領域（２）は低ドーピングされた連続する内部Ｐ部分領域（２ａ）と、面 の部分領域区分に配置された高いエミッタ効率のＰ＋表面領域（２ｃ）とから成 る請求項１又は２記載の半導体構成素子。
6. ６．内部Ｐ部分領域（２ａ）のドーピング積分値はほぼ１．３×１０１２／ｃｍ ２より大であり、かつ、１×１０１３／ｃｍ２より小である請求項３又は後続請 求項のうちの４いずれか１項記載の半導体構成素子。
7. ７．内部Ｐ部分領域（２ａ）の厚さは５μｍより大で、かつ、ほぼ７０μｍより 小であり、それの最大ドーピング濃度はほぼ１×１０１５／ｃｍ３より大で、か つ２×１０１６／ｃｍ３より小である請求項３又は後続請求項のうちのいずれか １項記載の半導体構成素子。
8. ８．わずかなエミッタ効率▽のＰ＋表領域（２ｂ）の厚さの選定に際して、順方 向負荷のときＮベース領域（３）から到来する電子流がＰ＋表面領域（２ｂ）を 通つて表面のところにおける電子シンク（Ｓ）へ流れるように上記厚さは小さく 選定されている請求項３、４、６又は７記載の半導体構成素子。
9. ９．Ｐ＋表面領域（２ｂ）の厚さが２μｍより小であり、それの表面におけるド ーピング濃度は３×１０１７／ｃｍ３より大である請求項８記載の半導体構成素 子。
10. １０．高エミッタ効率のＰ＋表面領域（２Ｃ）の横方向寸法の選定に際して、そ れのホール注入度が順方向動作電流の際当該電流にて最大順電圧に必要な程度に 低減されるように上記横方向寸法は選定されている請求項４又は後続請求項のう ちのいずれか１項記載の半導体構成素子。
11. １１．高エミッタ効率のＰ＋表面領域の横方向寸法の選定に際して、それのホー ル注入度は順方向動作電流のとき低減されるが過電流のときは十分に作用するよ うに当該横方向寸法は選定されている請求項４又は後続請求項のうちいずれか１ 項記載の半導体構成素子。
12. １２．高エミッタ効率のＰ＋表面領域（２ｃ）はほぼ３０μｍと１００μｍとの 間の半径（■ａ）を有する円形基面を有する請求項１０又は１１記載の半導体構 成素子。
13. １３．電子シンク（Ｓ）はＰ領域（２）にて設けられたｎ導電形の表面領域（１ ０）を用いて形成されている請求項１又は２記載の半導体構成素子。
14. １４．ｎ導電形表面領域（１０）のエミッタ効率又は横方向寸法（拡がり）は小 さく選定されており、その際当該領域は半導体構成素子の逆方向極性付けの際大 して注入されないように当該横方向寸法（拡がり）は小さく選定されている請求 項１３記載の半導体構成素子。
15. １５．ｎ導電形表面領域（１０）はほぼ４０μｍより小さい半径を有する円形基 面を有する請求項１４記載の半導体構成素子。
16. １６．ｎ導電形表面領域（１０）の相互間隔の選定に際して、Ｐ領域（２）のホ ール注入度は順方向動作電流のとき当該電流のもとで最大順電圧に必要な程度に 低減されるように当該相互間隔は選定されている請求項１３又は後続請求項のう ちいずれか１項記載の半導体構成素子。
17. １７．ｎ導電形表面領域の相互間隔の選定に際して、ホール注入度は順方向動作 電流のとき低減されるが過電流のとき十分作用をするように当該相互間隔は選定 されている請求項１３又は後続請求項のうちいずれか１項記載の半導体構成素子 。