JPH0272675A - 高速パワーダイオードおよびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は特許請求の範囲第１項の前提部に記載しである
とおりの型の高速パワーダイオードと、そのようなダイ
オードを製造する方法に間する。

［従来の技術］ 誘導性負荷を含むスイッチング回路においては、スイッ
チングされる構成要素または対応する構成要素の回路に
対して逆並列に、いわゆるフリランニングダイオードか
配置される。スイッチングされる構成要素の品質か高ま
ると共に、フリランニングダイオードに対する要求も高
まる。

例えば＋２００Ｖよつ大きい耐逆電圧、低い順方向電圧
降下、および小さい逆電流のほかに、あたやかな、いわ
ゆるリカバリー特性か要求される。このリカバリー特性
とは、ダイオードの動的挙動に対応する特許てあって、
順方向フェーズから逆バイアスフェーズへの切換えに際
しての半導体からの電荷担体プラズマの放出に関係して
いる。おたヤかなりカバリ−特′１の場合には、逆電流
（逆回復電流）は実質上おだやかに減少し、逆電流によ
って不都合な過電圧が回路の中で生することかない。こ
の挙動を特定する特性値かいわゆる平滑ファクター（Ｗ
ｅｉｃｈｈｅｉｔｓｆａｋｔｏｒ）Ｗである。

高速パワーダイオードの公知の構成形態においては、リ
カバリー特性は、半導体の３層構造における高抵抗の中
間ゾーンのドーピングと寸法によって影響される。与え
られた耐逆電圧に対し、最大の不純物センタ濃度は、例
えば１００ＯＶに対しては２　ｘ　１０”ｃｍ−３，２
０００Ｖに対しては７　Ｘ　１０１３ｃｍ−３であれば
よく、これらの場合の対応する中間ゾーンの最小厚さは
それぞれ８０μｍ　、Ｉ８０μｍであればよい。しかし
、研究の結果が示しているように、リカバリー特性は、
所与のドーピング濃度と阻止電力の下で、中間ゾーンの
厚さを決めるということだけでは希望するように最適化
され得ないし、また、適用のされ方との関係や、今日市
場にあるスイッチング用半導体素子を用いることとの関
係において、平滑ファクターに対する要求は、パワダイ
オードのそのような寸法の決め方によっては満たされ得
ない。

さらに、局部での折体寿命を調整し、それによって、リ
カバリー特性を変えるという意味でのスイッチング特性
の制御のために、プロトン照射やヘリウム核の照射を利
用することが公知であるが、この方法は、多大の設備費
と処理時間を要する故に、高速パワーダイオードの大量
生産のためには目下ところ用いられ得ない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、パワーエレクトロニクスの様々な回路
においてフリーランニングダイオードとして使われる場
合のすべての高度な要求を、最適化されたりカバリ−特
性と共に満足するような高速パワーダイオ−ドラ揚供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ この課題は、さきに述べたタイプで特許請求の範囲第１
項の特徴の部分に記載のようなパワーダイオードと、そ
のようなダイオードを作るために特許請求の範囲第６項
の特徴の部分に記載のような方法とによって解決される
。有利な実施態様か特許請求の範囲第２〜５項、第７〜
９項に記載されている。

［実施例］ 以降、実施例により、図面を用いて本発明を説明する。

第１図において示されているように、順方向電流りは、
スイッチングによって０まで低下し、フリーランニング
ダイオード（フリーホイーリングダイオード）の層状構
造の中にまた蓄積されている電荷によって、順方向のフ
ェーズから逆バイアスフェーズに切り換った後でも、逆
電流ＩＲＲか流れ、それは、逆バイアスフェーズの時間
経過と共に減少する。電流かＯの時点（電流０のクロス
オバ）と過電流か最大になる時点の間の時間は、電圧遅
れ時Ｆｍｔｓである。この時間は、スイッチングによる
電流切換え速度に対応するのて逆電流の変化−ｄｉ／ｄ
士に影響され、し象かってこれはりカバリ−特性によっ
て定まる。公知のフリーランニングダイオードにおける
中間ゾーンの厚さとドーピングによって定まったりカバ
リ−特性では、逆電流は極めて急速に減少し、その結果
、不都合に高い過電圧か生ずる。したがって、それぞれ
の回路の構成要素の損傷や破損を防止するためには、逆
電流の平滑な減少、つまり、許容節目を越える過電圧が
生することのないような、半導体からの蓄積電荷の放出
か実現されるへきである。逆電流か最大である時点と逆
電流か２０％まで低下した時点の間の時間はいわゆる逆
電流減少時間１ｆである。逆電流減少時間１ｆと電圧遅
れ時間士、の比（ｔｆ／ｌ、）か平滑ファクターＷてあ
り、これら両方の時間の和は阻止あくれ時間（逆回復時
間）Ｔｏである。

所望の逆電流変化を得るための本発明による手段は、ｐ
ｎ遷移領域における担体寿命と、ｐｎ按合のエミッタを
構成する外側層３の不純物センタ濃度Ｎａに関する。Ｎ
Ａを少なくすると、リカバリー特性か所望のようになる
ということを、研究の結果か示している。第２ａ図に示
されている多層構造は、高抵抗でｎ電導型の中間ゾーン
１と、その中間ゾーン１の一方の側でそれに接しでいる
、高濃度にドーピングされ楚同じ電導型の外側ゾーン２
と、中間ゾーンの他方の側に接している高濃度にドーピ
ングされたｎ電導型であってｐ＋エミッタを構成する外
側ゾーン３で成っている。２つの外側ゾーン２と３の接
続電極が参照番号４と５で示されてあり、それら各々の
リード線が参照番号６と７で示されている。公知のフリ
ーランニングダイオードまたは高速グイオートでは、ｐ
＋エミッタか最高濃度にドーピングさていて、不純物セ
ンタ濃度は１０”ｃｍ−３またはそれ以上である。しか
し本発明では、このドーピングは１０１７〜５×１０１
８ｃｍ−３とされでおり、したかって公知の装置に比べ
ると３〜４桁だけ低く調節されている。このドーピング
濃度節回の下限は、様々の適用用途における良好な耐サ
ージ電流のために十分なだけｐエミッタからの注入が行
なわれねばならないという条件によって定まる。これに
より、同じ逆電流ＩＩＩＲに対して逆電流減少時間ｔｆ
が大きくなり、平滑ファクタＷは大きくなる。このこと
は、ｐドーピングが少ないとｐ＋エミッタ３から中門ゾ
ーン１への注入が少なくなつ、したかって、順方向フェ
ーズの間に、多層ゾーン構造中で、ｐ＋エミッタからの
電荷担体が過剰になる場合が少くなる、ということで説
明される。ダイオードが逆バイアスフェーズに切換えら
れたとき、中間ゾーン１にはまだ電荷担体の蓄積かある
間に、ｐｎ遷移領域は比較的に速く電荷担体を失う。さ
らに、ｐｎ遷移領域におけるｐドーピングの濃度か少な
いことにより、次に行なわれる重金属注入に関してのゲ
・ンター作用か少なくなる。多層ゾーン構造で再結合セ
ンタの活性がなお残っているので、最高濃度にドーピン
グされたｐ＋エミッタ３に対比しては、ｐｎ領域におけ
る担体寿命はより小さい。その間に、ｎｎ＋遷移領域に
おいての担体寿命は英賃上変らない。上記の方法の総合
的効果として、逆電流ＩＲＲが減り、したがって電圧遅
れ時間士、か減り、そして平滑ファクタＷを大きくする
ことかできる。

第２ｂ図に示したドーピングプロフィルから、本発明に
よるダイオードにおいてドーピングか極めて非対称にな
っていることか明らかに知られる。高抵抗の中間ゾーン
の不純物センタ濃度は、公知の構成形態に対比して変え
でおらす、それは約１０１４ｃｍ″３である。

第２のタト側ゾーン３については、最大の厚さを４０μ
ｍとしている。この厚さはＩＯμｍ〜２０μｍの間にあ
るのか望ましい。ここにおいても本発明による構成形態
は公知の実施例と実質的に異なっている。

ｐ＋エミッタ３てのドーピング濃度は、イオン５主入に
よるが、または第１段階として例えば富化はう素ドーピ
ングテイスクを用いての固体源拡散法によるほう素の予
備デポジットを行い、第２段階としていわゆるドライブ
イン（Ｅｉｎｔｒｅｉｂ）拡散法を行うことによって達
せられる。しかし、ドーピング材料としてガリウムを用
いる一段階での拡散法も考えられる。

高抵抗の中間ゾーン］は、−公知の構成形態に比べてよ
り薄く作られでいる。したかつて、一方に１　］ おいては、順方向電圧降下を小さくでき、また半導体の
パワー模矢を可能な最良程度まで減少させることかでき
る。他方においては、それに接する最高にドーピングさ
れた第１のタト側ゾーン２は、公知の構成形態における
よりも厚くされているが、追加的支持体を用いなくても
処理か行われるように十分に厚い半導体を用いるため、
この第１のタト側ゾーンに深い拡散か行われでいる。本
発明によればざらに、高度にトルピングされた第１の外
側ゾーン２においで口＋１拡散が行われるが、これもや
はりゲッター作用を有しでいて、特に、逆電流減少時間
ｔｆを大きくし、したがって平滑ファクターＷを高める
ことに寄与する。この処理段階は、第２ｂ図の至純物セ
ンタのプロフィルのｎ＋領領土上付加して行われ、例え
ば、燐の拡散を用いて高い濃度を達成する。この日子領
域でのプロフィルの曲線における不連続性に、第１の外
側ゾーン２での不純物センタ濃度を、別個で時間的に相
前後した２つのプロセスで生成させる必要上玉するもの
である。燐拡散のためにはＰＯＣｉ３を用いるのか有利
である。

第３図で、平滑ファクターＷとｐ＋エミッタ３のドーピ
ング濃度との関係か見られる。本発明における濃度節回
に調節するならば、フリーランニングダイオードのスイ
ッチング特性を、公知のグイオートでは平滑ファクター
Ｗが１．５より小さいのに比へて、非宮に改善すること
ができる。

第４図は、重金属原子かスイッチング特性に及ぼす影響
に閉する。担体寿命を減少させるために、拡散によって
全原子を半導体ディスクに注入することか公知である。

これは本発明によるダイオードにあいでもやはり実施可
能である。しかし、再結合センタの生成のためにやはり
公知である白金を用いるならば、金に比へ２０％高い平
滑ファクターを得ることができる。多層ゾーン構造への
重金属原子の注入はｐ＋エミッタ３の側から行うのか有
利である。拡散の時間は１０〜４５分の間であればよい
。構成要素としての要求次第によって、重金属原子の拡
散のための温度は、白金を用いる場合８５０°Ｃ〜１０
００″Ｇの間にある。第４図のオシログラムにおける２
つのカーブは、白金を用い、拡散温度を１０℃だけ変え
たときの逆電流曲線を示す。このオシログラムから、温
度を高くすれば逆電流ＩＲＱか減り、それにより電圧遅
れ時間が減り、平滑ファクターは大きくなるということ
が明らかに知られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は平滑ファクターＷの定義を示すための、高速ダ
イオードが順方向フェーズに切換えられたときの電流の
変化経過を示す図、笛２ａ図は層状構造を概略的に示す
図、第２ｂ図はそれに対応するドーピングプロフィルを
示す図、第３図は平滑ファクターＷと第２の外側ゾーン
の不純物センタ濃度との関係を示す図、第４図は白金原
子の拡散処理の温ａ％変えたときの逆電流変化経過を示
す図である。 １・・・・中間ゾーン、 ２・・・・第１の外側ゾーン、 ３・・・・第２の外側ゾーン、 ４．５・・・・電極、 ６゜ ７・・・・リ ド線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、３つの層状のゾーンの系列を備え、そのうち、高抵
   抗で第１の電導型の中間ゾーン（１）か、その一方の側
   においては、高濃度にドーピングされた第１の電導型の
   第１の外側ゾーン（２）と結合されており、その他方の
   側においては、高濃度にドーピングされた第２の電導型
   の第２の外側ゾーン（３）との間にｐｎ遷移領域を含み
   、かつ、担体の寿命を減少させるために再結合センタを
   有し、この中間ゾーン（１）は、耐逆電圧の選定によっ
   て定まる厚さとドーピング濃度を有する半導体の本体を
   含む高速パワーダイオードにおいて、 第１の外側ゾーン（２）は第２の外側ゾーン（３）より
   も１０＾３〜１０＾４のファクターでより高濃度にドー
   ピングされており、 第２の外側ゾーンのドーピング濃度は１０＾１＾７〜５
   ×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３の間にあることを特徴とす
   る高速パワーダイオード。 ２、第２の外側ゾーン（３）の厚さが最大では４０μｍ
   である、請求項１に記載の高速パワーダイオード。 ３、厚さが１０μｍ〜２０μｍ（７）範囲の第２の外側
   ゾーン（３）が設けられている、請求項２に記載の高速
   パワーダイオード。 ４、重金属原子の拡散で形成された再結合センタがある
   、請求項１に記載の高速パワーダイオード。 ５、再結合センタの形成のために金または白金が用いら
   れる、請求項４に記載の高速パワーダイオード。 ６、第１の電導型の基礎ドーピングがされた半導体の、
   相反して位置する両側のうちの一方の側には、高濃度に
   ドーピングされた第１の電導型の第１の外側ゾーン（２
   ）が形成され、他方の側では、より高濃度にドーピング
   された第２の電導型の第２の外側ゾーン（３）か、両方
   の外側ゾーンの間に存在する高抵抗の中間ゾーン（１）
   との間にｐｎ遷移領域を作って形成され、さらに、それ
   らのゾーンの系列には、担体寿命の減少のために重金属
   原子が注入されるパワーダイオードの製造方法において
   、 １０＾２＾０ｃｍ＾−＾３またはそれより高い不純物セ
   ンタ濃度をもつ第１の外側ゾーン（２）が生成され、１
   ０＾１＾７〜５×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３の間にある
   不純物センタ濃度をもつ第２の外側ゾーン（３）が生成
   され、それに続いての別の処理段階で、第１の外側ゾー
   ン（２）において、該第１の外側ゾーン（２）の濃度よ
   りも高い表面濃度が作られることを特徴とする請求項１
   ないし５のいずれか１項に記載の高速パワーダイオード
   を製造する方法。 ７、第２の外側ゾーン（３）が、固体源拡散法による予
   備デポジットとそれに続いてのドライブイン拡散法によ
   って作られる、請求項６に記載の方法。 ８、厚さが４０μｍ以内の第２の外側ゾーン（３）が作
   られる、請求項６に記載の方法。 ９、重金属原子が第２の外側ゾーン（３）の側から注入
   される、請求項６に記載の方法。