JPH0982986A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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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
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
用いられるダイオードなどの半導体装置に関する。
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- n+ である)が良く
知られている。
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- 層
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。
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。
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。
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
p- 層5と島状のp+ ウェル9で形成している。p+ ウ
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
p- 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、
p+ 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+ ウ
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。
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。
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。
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。
ける素子断面図である。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+ 領
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。
(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、
n- 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+ 領
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。
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
p+ 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+ 領
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。
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。
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。
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
p+ 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。
のパターン図、(b)はセル状のパターン図
(a)は順バイアス時の図、(b)は逆バイアス時の図
(a)は順バイアス時の図、(b)は逆バイアス時の図
復電流波形図
イアス時の電圧─電流曲線図
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
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
Claims (3)
- 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23367195A JP3456065B2 (ja) | 1995-09-12 | 1995-09-12 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23367195A JP3456065B2 (ja) | 1995-09-12 | 1995-09-12 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0982986A true JPH0982986A (ja) | 1997-03-28 |
| JP3456065B2 JP3456065B2 (ja) | 2003-10-14 |
Family
ID=16958714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23367195A Expired - Fee Related JP3456065B2 (ja) | 1995-09-12 | 1995-09-12 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3456065B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005012150A (ja) * | 2003-06-20 | 2005-01-13 | Semiconductor Res Found | 静電誘導ダイオード |
| JP2006339527A (ja) * | 2005-06-03 | 2006-12-14 | Denso Corp | 半導体装置およびその製造方法 |
| US7276771B2 (en) | 1997-06-02 | 2007-10-02 | Fuji Electric Co., Ltd. | Diode and method for manufacturing the same |
| CN103618006A (zh) * | 2013-10-30 | 2014-03-05 | 国家电网公司 | 一种快恢复二极管及其制造方法 |
| US9059236B2 (en) | 2012-11-06 | 2015-06-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
-
1995
- 1995-09-12 JP JP23367195A patent/JP3456065B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7276771B2 (en) | 1997-06-02 | 2007-10-02 | Fuji Electric Co., Ltd. | Diode and method for manufacturing the same |
| DE19824514B4 (de) * | 1997-06-02 | 2010-02-11 | Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki | Diode |
| JP2005012150A (ja) * | 2003-06-20 | 2005-01-13 | Semiconductor Res Found | 静電誘導ダイオード |
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| CN103618006A (zh) * | 2013-10-30 | 2014-03-05 | 国家电网公司 | 一种快恢复二极管及其制造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3456065B2 (ja) | 2003-10-14 |
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