JPH033954B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はpinまたはpνnダイオードに関し、特
にその逆回復特性をソフトリカバリーとしたダイ
オードに関する。

最近、装置の小型軽量化および効率向上の面か
ら電子機器の高周波化が進んでいる。これに伴な
い機器に組み込まれる半導体電子部品に対する高
周波化の要望が強い。整流素子として用いられて
いるダイオードについても例外ではなく、高周波
化、即ち高速化が可能な高速ダイオードの需要が
大きい。

高速ダイオードに要求される主な特性として、
逆回復時間が短いことが上げられる。ダイオード
の逆回復時間t_rrは第１図に示すように、つぎの
２種の期間から成つている。

(1) ダイオードの電流が順方向のi_Fから０まで減
少して逆電流が流れはじめた時点から、逆電流
がその最大値I_RPになる時点までの、ダイオー
ドが短絡状態となつている期間t_s (2) 前記期間t_sの後、逆電流がほぼ０になるまで
の、ダイオードが逆阻止能力を回復する期間t_d この場合、通常、期間t_dとしては、第１図にも
示したように、逆電流がせん頭値I_RPの90％と20
％に減少する点を結び、この直線と時間軸の交点
を求め、この点と逆電流がせん頭値に達した時点
との時間差をとつている。なお、第１図におい
て、v_Fは、ダイオードのアノード・カソード間電
圧をあらわしている。ダイオードが高速動作する
ためには、周知のように、逆回復時間t_rrが短い
ことが望ましい。一方、ダイオードの逆電流がそ
のせん頭I_RPに達してから、阻止能力を完全に回
復するまでの期間t_sがあまり短いと、このダイオ
ードを組み込んだ回路に存在するインダクタンス
成分Ｌにより−Ｌdi／dtなる誘起起電力が大きくな り、いわゆるスパイクノイズ発生の原因となる。

このようなスパイクノイズを低減するには、ダ
イオードが逆阻止能力を回復する期間t_dが長いこ
とが望ましい。しかし逆回復時間t_rrには制限が
あり、前記期間t_dをむやみに長くすることはでき
ない。したがつて、この制限の範囲内でt_sを長く
し、かつダイオードが短絡状態にある期間t_sと、
阻止能力を回復する期間t_dとの比t_d／t_sが大きい
ことが望ましい。

このように、t_d／t_sの値が大きい特性を、一般
にソフトリカバリーな特性と呼んでいる。

第２図は、一般的なpinまたはpνn構造ダイオ
ードの不純物濃度分布を示す。この構造では、比
較的不純物濃度の低いｉ層（ｎ形低不純物濃度
層）またはν層（ｐ形低不純物濃度層）をｐ、ｎ
両高濃度層の間にはさんだ構造になつている。

以下の説明では、この構造を単にpin（構造）と
呼ぶことにする。

このようなpin構造ダイオードに逆方向電圧が
印加された時、空乏層は、濃度の低いｉ層全体に
広がり、ｎ形高濃度層で止まる。本構造によれ
ば、pn構造に比べて、同じ耐圧を得るのに素子
の厚みを薄くできるため、順電圧降下を小さくで
きるという長所がある。

ところで、ダイオードが逆回復する現象を素子
内部のキヤリヤの動きから見ると、 (1) 先ず、逆電流が流れ始めてから、そのせん頭
値I_RPに達するまでの期間t_sは、ダイオードのpn
接合が空乏化し、接合が逆回転するまでの期間
であり、 (2) また、逆電流がせん頭値からほゞ０まで減少
する期間t_dは、pn接合が回復した後、残存する
キヤリヤが再結合などにより消滅してゆく期間
に相当する。

一般に、ダイオードを高速化するためには、重
金属などのライフタイムキラーをドーピングする
方法が取られている。しかし、この方法による場
合は、ライフタイムキラーをドーピングすること
で、キヤリヤの消滅を速めているため、逆回復時
間t_rrが短かくなると同時に、逆阻止能力回復時
間t_dも短かくなつてしまう。

前述のように、ダイオードを高速化し、同時に
その特性をソフト・リカバリーとすることは、容
易ではなかつた。

本発明の目的は、逆阻止能力回復時間t_dを長く
することによつて前記t_d／t_sを大きくし、ソフト
リカバリーな特性を実現したダイオードを提供す
ることにある。

前述目的を達成するために、本発明において
は、pinまたはpνnダイオードにおいて、ｐ層と
ｎ層との間に設けられた低不純物濃度領域内に、
これと同じ導電型で、かつこれよりも高不純物濃
度の領域を、前記ｐ層およびｎ層と接しないよう
に設けるようにしている。

以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。第１０図は本発明の一実施例の断面構造図で
ある。図において、１はｎ層、２および４はｉ
層、３はｎ層、６はｐ層であり、これらの各層は
図示の順序で互いに隣接するように形成される。

第３図は、第１０図に示したPinin構造を有し、
かつその逆回復特性がいわゆるソフトリカバリー
となる様な、本発明のダイオードの不純物濃度分
布の一例を示す。

第３図および第１０図から明らかなように、本
実施例は、従来のpin構造ダイオードのｉ層の中
に、これと同じ導電型で、かつ不純物濃度の高い
層を設けたことが特徴になつている。

このような構造では、基板の高濃度不純物層１
とｉ層の内部に設けられた高濃度不純物層３とで
囲まれたｉ層２の領域では、隣接する高濃度不純
物層がキヤリヤに対する電位障壁となるため、こ
の中にあるキヤリヤはとじ込められた形になり消
滅しにくい。

このため、pn接合が逆回復した後でも、ｉ層
２の領域内にあるキヤリヤの消滅速度が遅く、従
来のpin構造ダイオードに比べて、逆回復特性は
ソフトリカバリーとなる。

第４図は、従来のpin構造ダイオードおよび本
実施例の構造をもつダイオードの、逆回復時の電
流波形を示す。また、第５図ａ，ｂはそれぞれ従
来のpin構造ダイオードおよび本実施例のダイオ
ードの、素子内部におけるキヤリヤ（電子）濃度
分布の時間変化を示す図である。

第５図ａとｂの対比からも明らかなように、両
方のダイオードの構造は、本実施例のダイオード
において、ｉ層の中に厚さ2μｍ、不純物濃度１
×10¹⁷cm^-3の高濃度領域が設けられ、かつこの高
濃度領域と高濃度の基板ウエハとの間に厚さ5μ
ｍのｉ層が設けられている他は、同じである。

つぎに、第４図および第５図ａ，ｂを参照し
て、両方のダイオードにおける電流波形の時間変
化と素子内部のキヤリヤ濃度分布の時間変化を対
比して見てゆく。

先ず時刻t₁では、両方のダイオードとも、pn接
合付近のキヤリヤは未だかなり残つている。時刻
t₂になると、pn接合が空乏化しつつあることが分
かる。時刻t₃において、従来のpinダイオードで
は、pn接合が、ほぼ完全に空乏化し、電流波形
も逆電流のせん頭値に達している。この時点で
pn接合は回復している。

一方、この時刻t₃において、本実施例のダイオ
ードではpn接合の空乏化の度合いは幾分小さい。
これは、空乏層が止まるｉ層の中に設けられたｎ
形高濃度層３の不純物濃度が、従来のpinダイオ
ードのｎ形高濃度層に比べて低く、空乏層がより
容易に広がるためである。

時刻t₄になると、従来のpinダイオードでは逆
電流が減少しはじめ、ｉ層内部にある残留キヤリ
ヤが急激に減少してゆく。一方、本実施例のダイ
オードでは、この時刻に、pn接合がほぼ完全に
空乏化し、接合が回復していることがわかる。

これに対して、本実施例のｎ形高濃度層３とｎ
形基板１とで挾まれたｉ層２におけるキヤリヤ濃
度の変化は小さく、この時点では、多量のキヤリ
ヤが残つている。すなわち、ｎ形高濃度層３がホ
ールに対する電位障壁を形成するため、キヤリヤ
が閉じ込められた形になつており、電子も中性条
件を満たすためほぼ同じ濃度分布になる。

時刻t₅になると、従来のpinダイオードの逆電
流は殆んど零になつている。一方、本実施例のダ
イオードでは、ｐ層６に隣接したｉ層４内のキヤ
リヤは殆んど消滅しているのに対して、ｎ形基板
１に隣接したｉ層２内のキヤリヤは未だ多く残つ
ている。したがつて、電流減少の度合は、従来の
pinダイオードに比べてゆるやかである。

以上において見て来たように、本実施例の構造
のダイオードでは、従来のpin構造ダイオードに
比べて逆回復特性はソフト・リカバリーな特性と
なる。

ところで、ダイオードの諸特性のうち、この他
に重要な特性として順方向電圧降下がある。第６
図は、第５図ａ，ｂに示した不純物濃度分布のダ
イオード、および同図ｂにおいて領域３の不純物
濃度を１×10¹⁶cm^-3としたダイオードの、順方向
電圧−電流特性を示す実測例である。

第６図において、曲線１は従来のpinダイオー
ド、曲線２，３は、第３図に示す領域３の不純物
濃度をそれぞれ１×10¹⁶cm^-3、１×10¹⁷cm^-3とし
た場合をあらわしている。なお、この場合の素子
の接合面積は0.16cm²である。

この図から分るように、領域３の不純物濃度が
高いほど、同一電流（密度）に対する順電圧降下
は大きくなるが、その違いは高々0.03V程度であ
る。このように、従来のpinダイオードのｉ層内
に、これと同じ導電形の高不純物層３を加えた構
造としても、順電圧降下の増加は僅かである。

こゝで、７図を参照して、前記実施例（第１０
図）、の構造をもつダイオードの製造方法を述べ
る。

先ず、ウエハー径75mm、厚さ300μｍ、抵抗率
0.01Ωcm（不純物濃度５×10¹⁸cm^-3）、面方位
（111）、オフアングル１〜2゜のｎ形シリコン鏡面
基板ウエハ１を用意する（同図ａ）。

この鏡面ウエハの片面に、ｎ形高抵抗層、すな
わちｉ層２（100Ωcm、５×10¹³cm^-3）を、厚さ
5μｍだけエピタキシヤル成長させる（同図ｂ）。
このエピタキシヤル成長層は、例えばSiHCl₃を、
シリコン原料PH₃をドーパント原料として、H₂
中で1100℃、約８分間の反応させることによつて
得られる。

次に、このエピタキシヤル成長させた同じ面
に、ｎ形の低抵抗層３（0.25Ωcm、１×10¹⁷cm^-3）
を、厚さ2μｍだけエピタキシヤル成長させる
（同図ｃ）。この製造法は、先のｉ層２のエピタキ
シヤル成長と同様で、ドーパント原料であるPH₃
とシリコン原料であるSiHCl₃の濃度比を変えれ
ばよい。

更にこの上に、３層目のｎ形エピタキシヤル層
４を成長させる（同図ｄ）。この層４の抵抗率は、
第１層目のエピタキシヤル層と同様100Ωcmで厚
さは11μｍである。

次に、ウエハ表面に酸化膜５を約0.1μｍ形成す
る。引き続いて、ｐエミツタ層６を形成するた
め、酸化膜５を介して、ボロンをイオン注入によ
り打ち込む（同図ｅ）。この場合の加速電圧は
150KeV、ドーズ量は約１×10¹²cm^-2である。

この後、1100℃、600分間、窒素中のアニール
を実施することにより、表面濃度約１×10¹⁶cm
^-3、深さ約1μｍのｐエミツタ層６が形成される
（同図ｆ）。

このようにして接合成形を終えたシリコンウエ
ハに、Al電極７（厚さ4μｍ）を、真空蒸着法と
ホトエツチング技術により形成し（同図ｇ）、ウ
エハを４mm四方のチツプに分割して本実施例素子
は完成する。

第８図は、本発明の他の実施例の不純物濃度分
布を示す図である。本構造は、基板ウエハ１とｐ
エミツタ層６間のｉ層内に設ける高濃度層を複数
にしたもので、順電圧降下の低減を図つたもので
ある。この場合、図からも明らかなように、ｐ形
領域から遠い層ほど高不純物濃度になるようにす
るのがよい。

第９図も本発明の他の実施例の不純物濃度分布
を示す図である。この例は、ｉ層と、ｉ層の中に
設けられた高濃度層とを、連続的なエピタキシヤ
ル成長により形成したもので、製造工程の簡略化
を図つたものである。

エピタキシヤル成長を連続的に行なつているた
め、各不純物層の境界は段階状とはならないが、
素子性能的には本発明の基本形（第３図）と大き
な差異はない。

以上の実施例はいずれも、ｎ形シリコン基板に
接合を形成した構造になつているが、ｐ形シリコ
ン基板を用いて、接合形成をこれとは対称的に行
なつても、本発明の作用効果が変らないことは言
うまでもない。なお、低不純物濃度層に形成する
高不純物濃度層は、ダイオードの断面全体にわた
つて設けることは必ずしも必要ではなく、断面の
一部に設けてもそれなりの効果が得られることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図はダイオードの逆回復時の電圧、電流波
形とt_s、t_d、t_rr（逆回復時間）の定義を示す図、第
２図は従来のpin構造ダイオードの不純物濃度分
布を示す図、第３図は本発明の一実施例における
不純物濃度分布を示す図、第４図は従来のpinダ
イオードと本発明のダイオードの逆回復時の電流
波形の比較を示す図、第５図ａ，ｂは第４図に示
した各ダイオードのキヤリヤ（電子）濃度分布の
時間変化を示す不純物濃度分布図、第６図は従来
のpinダイオードと本発明のダイオードの順方向
電圧−電流特性の比較を示す図、第７図は本発明
のダイオードの製造方法を示す工程図、第８図お
よび第９図は本発明のその他の実施例における不
純物濃度分布を示す図、第１０図は本発明の一実
施例の断面構造を示す図である。 １……基板ウエハ、２……高抵抗エピタキシヤ
ル層、３……低抵抗エピタキシヤル層、４……高
抵抗エピタキシヤル層、６……ｐエミツタ層、７
……Al電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ｐ形不純物濃度領域、これに隣接するｎ形不
   純物濃度領域および前記両領域間に介在する低不
   純物濃度領域よりなるダイオードにおいて、低不
   純物濃度領域内に、これと同じ導電型で、かつ高
   不純物濃度の領域が少なくとも一つ形成されたこ
   とを特徴とするダイオード。 ２ 低不純物濃度領域内に形成された複数の高不
   純物濃度領域における各不純物濃度が、これと反
   対導電型の領域から離れた領域ほど、高濃度にな
   るようにされたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のダイオード。