JPH0982986A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0982986A
JPH0982986A JP23367195A JP23367195A JPH0982986A JP H0982986 A JPH0982986 A JP H0982986A JP 23367195 A JP23367195 A JP 23367195A JP 23367195 A JP23367195 A JP 23367195A JP H0982986 A JPH0982986 A JP H0982986A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】漏れ電流の低減と同時にオン電圧とスイッチン
グ損失のトレードオフを改善する。 【解決手段】高濃度n形半導体基板をn+ バッファ層2
とし、この表面にn - 層1を形成し、n- 層1の表面層
にp- 層5を形成し、この表面にn- 層1に達するトレ
ンチ溝10を形成し、このトレンチ溝10の側壁や底面
にホウ素を気相拡散し、p+ 領域6を形成し、p- 層5
上、p+ 領域6上に表面電極3、n+バッファ層2上に
裏面電極4を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電力変換装置に
用いられるダイオードなどの半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電力変換装置に用いられるダイオードは
低オン電圧で、且つ、高速性が要求される。数十Vの低
耐圧素子ではショットキーダイオードがこの特性を兼ね
備えているが、高耐圧化するとシリコン厚みの増大のた
め、オン電圧(順電圧降下ともいう)が大幅に増加する
と共に、ショットキー接合ゆえに漏れ電流が大幅に増大
する。このためショットキーダイオードは一般には高耐
圧素子としては使用されない。高耐圧素子としては、伝
導度変調(正孔と電子の注入により、半導体の伝導度を
低下させること)を利用してオン電圧を低下させるpi
nダイオード(構造としてはpn- + である)が良く
知られている。
【0003】図8はpinダイオード(従来例(1))
の素子断面図に電圧を印加した状態を示し、同図(a)
は順バイアス時の図、同図(b)は逆バイアス時の図を
示す。このpinダイオードはp層8、n- 層1、n+
バッファ層2の3層で構成され、p層8上とn+ バッフ
ァ層2上に表面電極3と裏面電極4が形成される。同図
(a)において、pinダイオードを順バイアスする
と、p層8から正孔、n + バッファ層2から電子がn-
層1に注入され、矢印で示した電流が流れる。このオン
状態ではn- 層1では熱平衡状態でのキャリア(正孔と
電子)の量より多くなり、所謂、伝導度変調が起こり、
オン電圧を低下させる。しかし、オン状態で蓄積された
キャリア量が多いため、逆回復過程で、大きな逆回復電
流が流れる。これを小さく抑制するために、通常、ダイ
オード内にライフタイムキラーを導入している。しか
し、ライフタイムキラーの導入はオン電圧を増大させ
る。このように、pinダイオードではオン電圧と、逆
回復電流はトレードオフの関係にあり、またスイッチン
グ損失は逆回復電流に依存するため、オン電圧とスイッ
チング損失もトレードオフの関係にある。同図(b)に
おいて、pinダイオードを逆バイアスすると、n-
1に空乏層が拡がる。空乏層端がn+ バッファ層2に達
すると空乏層はn+ バッファ層2内では殆ど拡がらない
ため、n+ バッファ層2を設けることで、n- 層1の厚
さを小さくでき、オン電圧の低下に役立つ。また、p層
8の濃度が比較的高いため、p層8内の空乏層の拡がり
は小さい。
【0004】前記のオン電圧とスイッチング損失のトレ
ードオフを改善するために、pinダイオードのp層8
の濃度を低下させ、正孔がn- 層1に注入されるのを抑
制し、伝導度変調の度合いを小さくして、p層8とn-
層1の接合であるpn接合付近のキャリアの濃度を下げ
る。またライフタイムキラーを積極的に導入しないこと
で、キャリアのライフタイムを長いまま保ち、オン電圧
を増大させない。この両者を成立させて、オン電圧を増
大させずに、逆回復電流を小さくし、且つ、ソフトリカ
バリー化(逆回復電流が滑らかに減少すること)と低ス
イッチング損失化を図ったp- inダイオードが開発さ
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このp- in
ダイオードは逆バイアス時にp- 層にも空乏層が拡が
り、空乏層が表面電極に達する、所謂、パンチスルー現
象により高耐圧化には限度がある。これを改善するため
にp+ ウェル9を設けたp- inダイオードが開発され
ている。
【0006】図9はp+ ウェル9を設けたp- inダイ
オード(従来例(2))の素子断面図に電圧を印加した
状態を示し、同図(a)は順バイアス時の図、同図
(b)は逆バイアス時の図を示す。このp- inダイオ
ードは図8のpinダイオードのp層8に相当する層を
- 層5と島状のp+ ウェル9で形成している。p+
ェル9を設けた構造により、同図(a)のように順バイ
アス時にはp- 層5から正孔、n+ バッファ層2から電
子が注入され、電流はp- 層5からn+ バッファ層2に
向かって流れる。このとき、p+ ウェル9とn- 層1で
のpn接合のえん層電圧(電流が流れはじめる電圧)が
- 層5とn- 層1でのpn接合のえん層電圧より大
きいため、p+ ウェル9からの正孔の注入はない。電流
はp+ ウェル9の下を横方向にも流れ、横方向の抵抗と
電流の積で決まる電圧がえん層電圧より大きくなると、
+ ウェル9からも正孔の注入が起こる。この構造では
横方向の抵抗が大きいため、比較的小さい電流でp+
ェル9からも正孔の注入が起こり、スイッチイング損失
が大きくなる。また、同図(b)のように逆バイアス時
には、p+ ウェル9で挟まれたn- 層の空乏層が拡が
り、このn- 層をピンチオフさせることで、空乏層がn
- 層側に大きく拡がり、p- 層でのパンチスルー現象が
防止され、高耐圧が維持される。耐圧確保上、このp+
ウェル9の深さは約15μm以上必要であるが、この深
さではp+ ウェル9の横幅が広く、前記の横方向の抵抗
が大きく、p+ ウェル9からの正孔の注入が小さな電流
でも生じる。さらにp+ ウェル9からの正孔の注入がな
い状態では導通面積が低下し、オン電圧が大きくなる。
当然、この深さを浅くするとp- 層でのパンチスルー現
象が起きやすくなり、耐圧低下を招くという問題が生ず
る。
【0007】この発明の目的は、前記の課題を解決し、
漏れ電流が小さく、オン電圧とスイッチング損失の両者
を低減できる半導体装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、高濃度第一導電形半導体層上に、低濃度第一導電
形半導体層を形成し、低濃度第一導電形半導体層の表面
層に低濃度第二導電形半導体層が形成され、低濃度第二
半導体層の表面から低濃度第一導電形半導体層に達する
複数個のトレンチ溝を選択的に形成し、トレンチ溝の表
面層に高濃度第二導電形半導体領域を形成するとよい。
このトレンチ溝の平面上の形状がストライプ状、または
セル状とするとよい。
【0009】また高濃度第一導電形半導体層上に、低濃
度第一導電形半導体層を形成し、低濃度第一導電形半導
体層の表面層に低濃度第二導電形半導体層が形成され、
低濃度第二導電形半導体層の近傍の低濃度第一導電形半
導体層内に、複数個、埋め込まれた高濃度第二導電形半
導体領域を選択的に形成するとよい。トレンチ溝に高濃
度第二導電形半導体領域を形成するか、もしくは埋め込
んで高濃度第二導電形半導体領域を形成することで、高
濃度第二導電形半導体領域に挟まれた低濃度第一導電形
半導体層に拡がる空乏層を低電圧でもピンチオフできる
ようにする。こうすることで、低濃度第二導電形半導体
層内に拡がる空乏層が表面電極に達する、所謂パンチス
ルー現象を抑え、高耐圧化が達成できる。また、ライフ
タイムキラーを導入せずに導通時のキャリア濃度を低減
することで、低オン電圧化と低スイッチング損失化の両
者が達成できる。
【0010】
【発明の実施の形態】図1はこの発明の第1実施例にお
ける素子断面図である。高濃度n形半導体基板をn+
ッファ層2とし、この表面にn- 層1をエピタキシャル
成長などで形成し、n- 層1の表面層にイオン注入また
はエピタキシャル成長でp- 層5を形成する。この表面
にn- 層1に達するトレンチ溝10を形成し、このトレ
ンチ溝10の側壁や底面にホウ素を気相拡散し、p+
域6を作り込む。このp+ 領域6の拡散深さは数μm以
内とし、活性領域に対するp+ 領域6の面積比率の増加
を抑える。p- 層5上、p+ 領域6上に表面電極3、n
+ バッファ層2上に裏面電極4を形成する。これらの電
極材料としてはオーミック接続するものを選定する。こ
のトレンチ溝10にp+ 領域6を形成することで、従来
素子であるp+ ウェルを設けたp- inダイオードのp
+ ウェルと比較して、p+ 領域6の底部の幅(p+ ウェ
ルの横幅に相当)を小さく、且つ、p+ 領域6の表面か
ら底部までの距離(p+ ウェルの深さに相当)を大きく
できる。従って、p+ 領域6の底部の横方向の抵抗が小
さく、且つ、p+ 領域6で挟まれたn- 層1でのピンチ
オフが低電圧で確実に起こる素子とすることができる。
尚、低濃度n形半導体基板をn- 層1とし、一方の主面
にp- 層5を形成し、他方の主面に拡散等でn+ バッフ
ァ層2を形成してもよい。
【0011】図2は第1実施例の素子の平面図で、同図
(a)はストライプ状のパターン図、同図(b)はセル
状のパターン図を示す。いずれの場合もトレンチ溝10
の回りにp+ 領域6が形成されている。またセル状の場
合のセルの配置はこの図では三角形配置であるが四角
形、六角形等の配置もある。図3は第1実施例の素子に
電圧を印加した図で、同図(a)は順バイアス時の図、
同図(b)は逆バイアス時の図を示す。図2のように、
トレンチ溝の表面パターンはストライプ状(縞状)また
はセル状(島状)にする。ストライプ状の場合、溝幅が
狭すぎると図示されていない溝パターンの先端部でp+
領域6の曲率がきつくなり耐圧が低下し、逆に広すぎる
と溝直下の電流分による電圧降下でp + 領域6からn-
層1への正孔の注入が起こるため、溝幅は1〜15μm
程度と見込まれる。トレンチ溝10の深さは、浅すぎる
とp+ 領域6に挟まれたn- 層1でピンチオフが十分起
こらず漏れ電流が増加する。そのため、p+ 領域6の深
さは約3μm以上が必要である。またp+ 領域6で挟ま
れたp- 層5の幅は耐圧とオン電圧の設定で変わるが、
- 層1の比抵抗に依存する空乏層の伸びと比べて、こ
の幅が広すぎるとピンチオフが十分行われなず、漏れ電
流が増大することになる。またトレンチ溝10にp+
域6を形成することで、オン状態時には電流はp- 層5
とn- 層1の接合で流れ、両者の層での不純物濃度が低
いために、ライフタイムキラーを導入せずともキャリア
の注入が抑えられる。そのため、逆回復電流が小さいに
もかかわらず、ライフタイムキラーを導入していないた
め、低オン電圧化が図れる。
【0012】図4はこの発明の第2実施例における素子
断面図を示す。図1との違いは表面層のトレンチ溝10
にp+ 領域6を形成する代わりに、n- 層1に埋め込み
型のp+ 領域7を形成する点である。この埋め込み型の
+ 領域7はp- 層5と接続させず電気的に浮いた状態
にしている。図5は第2実施例の素子に電圧を印加した
図で、同図(a)は順バイアス時の図、同図(b)は逆
バイアス時の図を示す。埋め込み型のp+ 領域7はp-
層5と接続させず電気的に浮いた状態であるためp+
域7からの正孔の注入は基本的に起こらない。また例え
電気的に接続した場合でもp+ 領域7を電流が回り込む
際の電圧降下は小さいため、p+ 領域7からの正孔の注
入は起こらない。逆バイアス時には、p+ 領域7はp-
層5に近接しているので、n- 層1に拡がる空乏層でほ
とんどアノード電位と等しくなり、またp+ 領域7で挟
まれたn- 層1は低電圧でピンチオフし、高耐圧を維持
できる。この埋め込み型のp+ 領域7を有するダイオー
ドは前記のトレンチ溝10を有するダイオードと同様の
効果が得られる。
【0013】図6は従来ダイオードとこの発明のダイオ
ードの逆回復電流波形図を示す。この発明のダイオード
(トレンチ溝型の実施例(1)、埋め込み型の実施例
(2))は逆回復電流Irrが小さく、また従来ダイオー
ド(従来例(1)のpin型の従来例(1)、p+ ウェ
ル型の従来例(2))と比べ、逆回復電流の減少率di
/dtが小さく、低スイッチング損失でソフトリカバリ
ーとなっている。このソフトリカバリー波形になるとい
うことは回路配線のインダクタンスとdi/dtとの積
で発生する回路内サージ電圧が小さいことを意味し、こ
のことはサージ電圧による素子破壊が起きにくく、使い
勝手がよい素子であることを意味する。
【0014】図7は従来ダイオードとこの発明のダイオ
ードの逆バイアス時の電圧─電流曲線図を示す。逆バイ
アス時には、従来例(2)のp+ ウェル型のダイオード
と比べ、トレンチ溝型(実施例(1))および埋め込み
型(実施例(2))のダイオードではn- 層1がピンチ
オフし易くなり、漏れ電流レベルは従来例(2)のp +
ウェル型のダイオードより小さく、従来例(1)のpi
nダイオード並に小さくできる。
【0015】
【発明の効果】この発明によれば、トレンチ溝型または
埋め込み型のダイオードにおいて、オン状態時に、電流
が流れるのはp- 層、n- 層のpn接合であり、ライフ
タイムキラーを導入せずにキャリアの注入が抑制される
ため、伝導度変調の度合いが比較的小さいにもかかわら
ず、ライフタイムが長いため、オン電圧を小さくでき
る。また逆回復過程では、注入されるキャリアが抑制さ
れるため、蓄積キャリアの量が少なく、従って、逆回復
電流と逆回復電流の減少率di/dtも小さくできる。
そのため、スイッチング損失が小さく、ソフトリカバリ
ーな素子が得られる。一方、逆バイアス時には、従来の
+ ウェルのあるダイオードと比べ、ピンチオフが確実
に起きるため、漏れ電流はpinダイオード並に小さく
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例における素子断面図
【図2】第1実施例の平面図で、(a)はストライプ状
のパターン図、(b)はセル状のパターン図
【図3】第1実施例の素子に電圧を印加した図で、
(a)は順バイアス時の図、(b)は逆バイアス時の図
【図4】この発明の第2実施例における素子断面図
【図5】第2実施例の素子に電圧を印加した図で、
(a)は順バイアス時の図、(b)は逆バイアス時の図
【図6】従来ダイオードとこの発明のダイオードの逆回
復電流波形図
【図7】従来ダイオードとこの発明のダイオードの逆バ
イアス時の電圧─電流曲線図
【図8】pinダイオード(従来例(1))の素子断面
図に電圧を印加した状態を示し、同図(a)は順バイア
ス時の図、同図(b)は逆バイアス時の図
【図9】p+ ウェルを有するp- inダイオード(従来
例(2))の素子断面図に電圧を印加した状態を示し、
同図(a)は順バイアスした時の図、同図(b)は逆バ
イアスした時の図
【符号の説明】
1 n- 層 2 n+ バッファ層 3 表面電極 4 裏面電極 5 p- 層 6 p+ 領域 7 p+ 領域(埋め込み) 8 p層 9 p+ ウェル 10 トレンチ溝 A アノード K カソード

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高濃度第一導電形半導体層上に、低濃度第
    一導電形半導体層が形成され、低濃度第一導電形半導体
    層の表面層に低濃度第二導電形半導体層が形成され、低
    濃度第二導電形半導体層の表面から低濃度第一導電形半
    導体層に達する複数個のトレンチ溝が選択的に形成さ
    れ、トレンチ溝の表面層に高濃度第二導電形半導体領域
    が形成されることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】トレンチ溝の平面上の形状がストライプ
    状、またはセル状であることを特徴とする請求項1記載
    の半導体装置。
  3. 【請求項3】高濃度第一導電形半導体層上に、低濃度第
    一導電形半導体層を形成し、低濃度第一導電形半導体層
    の表面層に低濃度第二導電形半導体層が形成され、低濃
    度第二導電形半導体層の近傍の低濃度第一導電形半導体
    層内に、複数個、埋め込まれた高濃度第二導電形半導体
    領域が選択的に形成されることを特徴とする半導体装
    置。
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