JPH1168123A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH1168123A
JPH1168123A JP10142253A JP14225398A JPH1168123A JP H1168123 A JPH1168123 A JP H1168123A JP 10142253 A JP10142253 A JP 10142253A JP 14225398 A JP14225398 A JP 14225398A JP H1168123 A JPH1168123 A JP H1168123A
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JP
Japan
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region
minority carrier
lifetime
semiconductor device
regions
Prior art date
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Pending
Application number
JP10142253A
Other languages
English (en)
Inventor
David Edward Crees
エドワード クリース デイビット
Munaf T Rahimo
ターミン ラヒモ ムナフ
Noel Y A Shammas
ヤコブ アーズィーズ シャーマス ノエル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microchip Technology Caldicot Ltd
Original Assignee
Mitel Semiconductor Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1168123A publication Critical patent/JPH1168123A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/50Physical imperfections
    • H10D62/53Physical imperfections the imperfections being within the semiconductor body 
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D8/00Diodes

Landscapes

  • Thyristors (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】パワー・ダイオードは高寿命と低寿命の半導体
領域を有する。高周波動作において、低寿命材料が好ま
しいが、好ましくない過渡電流と電圧スパイクを生じさ
せる。 【解決手段】異なる寿命の材料の領域がダイオードのp
n結合に平行な方向に分離して形成され、ある形態にお
いて、これらはpn結合に交差するように配置されてい
る。好ましくない過渡信号を減少させるところの異なる
電圧/電流トランスファー特性を得るためのいくつかの
形態が記載されている。 【効果】小さいオン状態(すなわち、通電状態)損失
と、迅速だがソフトな(すなわち、非スナッピー)リカ
バリー特性との良好な組合わせを有するように組立てる
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、ダイオード作用を
奏するp−n結合を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高周波で動作し得るパワーダイオードに
対する要求がますます増大している。高周波でパワーダ
イオードを動作させ、かつ、必要時に通電状態と非通電
状態との間の急速な切替えを可能とするためには、ダイ
オードを構成する半導体材料は少数キャリアが寿命が短
く、それにより通電状態から非通電状態に急速に切替え
られることが好ましい。そのようなダイオードは過渡電
流と電圧スパイクを生成し好ましくない。このような現
象は「スナッピー」とも呼ばれている。これらの過渡的
スパイクを減少させるために、より長い寿命を半導体材
料に持たせる処置を施すこともできるが、それによって
大きい内部損失、すなわち熱放散がダイオード自体に生
じ、動作効率の損失をもたらす。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明は
1つの目的は、これらの問題を改善した半導体装置を提
供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様は、
プレーナーpn結合を有する半導体装置であって、その
pn結合の近傍に複数の半導体材料の領域が形成され、
これらの領域は上記結合に実質的に平行な方向に分離
し、これらの領域の少なくとも1つの領域は第1の少数
キャリア寿命を有し、この第1の少数キャリア寿命は他
の領域の第2の少数キャリア寿命より実質的に短く、よ
り大きい寿命領域の最大横断寸法が該領域内の少数キャ
リア拡散長の2倍より小さいことを特徴とする半導体装
置を提供するものである。本発明の第2の態様は、プレ
ーナーpn結合を有する半導体装置であって、そのpn
結合は第1の少数キャリア寿命を有する複数の半導体材
料局在化領域を有し、これらの領域は該第1の少数キャ
リア寿命より実質的に大きい第2の少数キャリア寿命を
有する半導体材料領域により隣接され、これらの領域は
該pn結合に向けてまたは通過して延び、より大きい寿
命領域の最大横断寸法が該領域内の少数キャリア拡散長
の2倍より小さいことを特徴とする半導体装置を提供す
るものである。
【0005】好ましくは、上記第1の短い少数キャリア
寿命を有する材料は互いに実質的に同じ面積のセルの規
則的マトリックスの形状をなし、第2のより長い少数キ
ャリア寿命を有する介在材料により互いに分離されてい
る。さらに好ましい態様としては、上記半導体材料はシ
リコンからなるものである。この半導体装置によれば、
パワーダイオードが、小さいオン状態(すなわち、通電
状態)損失と、迅速だがソフトな(すなわち、非スナッ
ピー)リカバリー特性との良好な組合わせを有するよう
に組立てることができる。これは、単に少数キャリア寿
命が本発明の第1および第2のものの中間である材料か
らなる、より均一の半導体のものからなるものよりも満
足な結果が得られることが証明された。このようなダイ
オードの動作特性は異なる寿命の領域の相対的断面積
(pn結合の面の方向における)に依存する。
【0006】
【発明の実施の形態】以下に、本発明のを図示の実施例
を参照して説明する。図1に示すように、半導体装置ダ
イオードはn+ 導電型のシリコン基板1と、その上に形
成されたn導電型層2とからなっている。さらに、p+
導電型のトップ層3がn導電型層2の上に形成されてい
る。その結果、層2、3間の界面にpn結合5が形成さ
れている。トップ層3の上面およびシリコン基板1の裏
面には導電面が形成され、接触電極(図示しない)とし
て作用し、ダイオードに対する電気的接続がなされるよ
うになっている。比較的高い電気抵抗材料からなる層2
はドリフト領域と呼ばれている。ダイオードには局在化
したセル6が複数、設けられていて、これらはダイオー
ドを貫通して垂直に延び、したがってpn結合5と交差
している。これらのセル6の組成は少数キャリア寿命が
周りの材料7のものよりも小さくなるような材料から形
成されている。図示のように、全てのセルはマトリック
ス状に規則的に配列され、それぞれが周りの材料により
囲まれている。これらのセルの囲む材料7の厚みは非常
に小さく、かつ、材料7内の少数キャリア拡散長の2倍
よりも小さい。
【0007】この例においては、通常、ダイオードが
1、800ボルトの逆バイアスで動作するように設計さ
れ、セル6が230nsの少数キャリア寿命を有し、周
りの材料7の少数キャリア寿命が約3μsで、バルク拡
散長が約70μmとなっている。これらの層1、2、3
からなる3層装置を形成し、より大きい少数キャリア寿
命に相当する適当な導電性改質濃度にしたの後、孔開き
金属マスクが最上層3の上に乗せられる。このマスクに
対し電子が照射され、その結果、電子は露出表面領域の
みを透過し、層1、2、3のすべてを通過して延びる小
さいキャリア寿命のセル6を形成する。このようにし
て、比較的長い少数キャリア寿命、約3μsと低い抵抗
値を有する照射されない材料部分と、比較的短い少数キ
ャリア寿命、約230nsと比較的高い抵抗値を有する
照射されたセル部分とが形成される。
【0008】このダイオードが順方向の導通状態にある
とき、少数キャリアは主として大きい寿命領域7に集中
し、電子流はn- ドリフト層2とn+ 層1との間の界面
近くの高寿命領域7において大きい値を示す。なお、こ
の界面においては、この電子の殆どはそこに存在するホ
ールの多数と再結合している。したがって、順方向電流
は主に低抵抗領域7を通って流れ、順方向の定常状態特
性が支配的になる。領域6の存在のため、このダイオー
ドは、領域7の材料から全体的に構成されるダイオード
の場合と比較して、pn結合5近傍において蓄積電荷が
可なり少ない。
【0009】逆ブロッキングモードにおいて、ダイオー
ドは、短いキャリア寿命チャンネルの率の減少のため、
リーク電流が小さい。「スナピー」ダイオードとの比較
における逆リカバリー電圧の減少は、図1に示すダイオ
ードがドリフト層2、特に高寿命チャンネル7内のn-
、n+ 層界面近くにおいて大きい蓄積電荷を有すると
いう事実に主に起因している。すなわち、順電圧降下の
抑制、リバース電流の抑制は低抵抗領域7の面積比率を
増大させることにより達成され、より迅速なスイッチン
グ特性は低抵抗領域7の面積比率を減少させることによ
り達成される。
【0010】次に、図2を参照して説明すると、これは
本発明のドリフト電荷イクストラクション・ダイオード
(DCE)と呼ばれるものの断面図を示している。最初
は、このダイオードは高寿命シリコンから形成され、図
1と同様に、上方p層51、n- ドリフト層52、下方
n+ 層53とからなっている。低寿命チャンネル54
は、マスク、マスク孔あるいは窓を介しての電子照射に
より本実施例では比較的大きく形成されている。この孔
の断面形状は四角、長方形、円などでもよいが、本実施
例ではそれぞれの孔が四角に形成されている。電子線の
照射の代わりに、他の寿命変更技術を用いてもよい。例
えば、Pt、Au注入ののち、制御された急速熱アニー
ルを施してもよい。高寿命、低寿命の双方のチャンネル
幅は比較的小さく、マスキングされた高寿命チャンネル
の寸法が高寿命および低寿命領域が相互に作用すること
を許容する。高寿命チャンネル55の2分の1の幅がそ
の領域における少数キャリア拡散長を超えないようにす
る。セルまたはチャンネルの横断寸法は約10μmであ
り、寿命は500nsより小さく、介在高寿命領域の横
断寸法は約50μmであり、寿命は0.75μsであ
る。その結果、このダイオードの体積の多くは高寿命の
ものとなる。この実施例において、低寿命チャンネル5
4を形成するため、16〜24MRADの照射線量が用
いられた。
【0011】低寿命チャンネル54は高寿命領域におけ
るpn結合56近傍の低キャリア濃度を確実にし、低リ
バース・リカバリー電荷を達成させ、同時によりソフト
なリカバリー特性のためドリフト層52の他方の側の高
キャリア濃度を維持させる。このような特性は図3に破
線62で示されている。なお、実線はスナッピー・ダイ
オードを表している。その動作モードのため、図2に示
すダイオードはドリフト電荷イクストラクション(DC
E)・ダイオードと呼ばれている。高寿命チャンネル5
5の横断寸法が非常に小さいため、すなわち50μm未
満であるため、ダイオードは互いに平行な数個の基本ダ
イオードからなり、各基本ダイオードが場合により高あ
るいは低寿命特性を有するにも拘らず動作しない。代り
に、領域54、55は十分に相互作用し、高寿命領域5
5の少数電荷キャリア特性はスイッチング・フェーズの
間において低寿命領域54により決定される。なぜなら
ば、少数キャリアの拡散長は高寿命領域55の横断寸法
の2倍より大きいからである。すなわち、高寿命領域5
5におけるいかなる少数電荷キャリアも領域54からの
その拡散長よりも小さい。したがって、これはダイオー
ドがオフになり、電荷キャリアが層51と52との間の
pn結合の空乏領域から抽出される場合において、ダイ
オードの寿命特性を全体として大きく決定する。低寿命
領域はダイオードがオフの間においてジャンクション
(結合部)近傍の蓄積電荷を抽出するのを助け、これに
よりスイッチング損失の低減および極めてソフトなリカ
バリー特性を達成させる。
【0012】図4は変形例を示すもので、低寿命チャン
ネルが図2のDCEダイオードで得られたものよりも更
にソフトな特性を示す。マスクを用いたヘリウムまたは
プロトン照射技術を用い、注入エネルギーを制御するこ
とにより、低寿命チャンネル74を非常に短くすること
ができ、埋込みセルの形態を採ることができる。本実施
例の場合、低寿命チャンネル74はpn結合76に極め
て近いn- ドリフト層72に位置している。この電荷抽
出はpn結合76近傍においてより集中し、図5にて破
線82で示すように、よりソフトな特性のため、ドリフ
ト層72の他の側(73)近傍により多量の蓄積電荷を
残す。このダイオードは結合電荷イクストラクション・
ダイオード(DCE)と呼ばれている。埋込みセルは層
72に位置させる必要はなく、代りにp+ 層71に、あ
るいはpn結合76自体を横切るように形成してもよ
い。これらの埋込みセルは注入効率モデファイアとして
も作用し、スイッチオフの間における電荷の横方向の再
分布のため、よりソフトなリカバリーに対しても有益に
作用する。マスクの寸法は図2のDCEの場合と同様で
ある。しかし、注入プロセスはより容易である。なぜな
らば、用いられるイオン照射は、変更されない領域77
での照射をブロックするのにそのような厚いマスクを必
要としないからである。
【0013】
【発明の効果】以上、本発明を特にダイオードを参照し
て説明したが、これに限らず、スイッチングおよびリカ
バリー時間が重要なpn結合を有するIGBT(Ins
ulated Gate Bipolar Trans
istor)のような他の種類のパワー半導体装置にも
適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体ダイオードの概略図。
【図2】本発明の1態様を示す断面図。
【図3】図2に示す態様に関する線図。
【図4】本発明の1態様を示す断面図。
【図5】図4に示す態様に関する線図。
【符号の説明】
1…シリコン基板 2…n導電型層 3…トップ層 5…pn結合 6…セル 7…周りの材料 51…上方p層 52…n- ドリフト層 53…下方n+ 層 54…低寿命チャンネル 55…高寿命チャンネル 56…pn結合 72…n- ドリフト層 74…低寿命チャンネル 76…pn結合。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成10年6月10日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
フロントページの続き (72)発明者 ムナフ ターミン ラヒモ イギリス エスティー16 3ジェイユー, スタフォード,ビーコンサイド,メルボル ン クレセント 8 (72)発明者 ノエル ヤコブ アーズィーズ シャーマ ス イギリス エスティー17 0エスジェイ, スタフォード,ウイーピング クロス,ス トックトン レーン 40

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プレーナーpn結合を有する半導体装置
    であって、そのpn結合の近傍に複数の半導体材料の領
    域が形成され、これらの領域は上記結合に実質的に平行
    な方向に分離し、これらの領域の少なくとも1つの領域
    は第1の少数キャリア寿命を有し、この第1の少数キャ
    リア寿命は他の領域の第2の少数キャリア寿命より実質
    的に短く、より大きい寿命領域の最大横断寸法が該領域
    内の少数キャリア拡散長の2倍より小さいことを特徴と
    する半導体装置。
  2. 【請求項2】 プレーナーpn結合を有する半導体装置
    であって、そのpn結合は第1の少数キャリア寿命を有
    する複数の半導体材料局在化領域を有し、これらの領域
    は該第1の少数キャリア寿命より実質的に大きい第2の
    少数キャリア寿命を有する半導体材料領域により隣接さ
    れ、これらの領域は該pn結合に向けてまたは通過して
    延び、より大きい寿命領域の最大横断寸法が該領域内の
    少数キャリア拡散長の2倍より小さいことを特徴とする
    半導体装置。
  3. 【請求項3】 上記第1の短い少数キャリア寿命を有す
    る材料が互いに実質的に同じ面積のセルの規則的マトリ
    ックスの形状をなし、第2のより長い少数キャリア寿命
    を有する介在材料により互いに分離されていることを特
    徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 上記短い少数キャリア寿命を有する材料
    が、より長い少数キャリア寿命を有する半導体材料の選
    択された部位を照射することにより形成されたものであ
    ることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 上記短い寿命の領域および長い寿命の領
    域が該結合部を交差することを特徴とする請求項2ない
    し4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 上記短い寿命の材料の領域が、該結合部
    近傍のn型材料の領域に位置する局在化されたセルの形
    態であることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか
    に記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】 上記半導体材料がシリコンであることを
    特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体
    装置。
JP10142253A 1997-05-14 1998-05-08 半導体装置 Pending JPH1168123A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB9709642.4A GB9709642D0 (en) 1997-05-14 1997-05-14 Improvements in or relating to semiconductor devices
GB9709642.4 1997-05-14

Publications (1)

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JPH1168123A true JPH1168123A (ja) 1999-03-09

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ID=10812200

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JP10142253A Pending JPH1168123A (ja) 1997-05-14 1998-05-08 半導体装置

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EP (1) EP0878849A3 (ja)
JP (1) JPH1168123A (ja)
GB (1) GB9709642D0 (ja)

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Also Published As

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EP0878849A3 (en) 1999-10-20
EP0878849A2 (en) 1998-11-18
GB9709642D0 (en) 1997-07-02

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