JPS58114468A - 高速ダイオ−ド - 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】 最近急速な電力用半導体工業の進歩に伴い、ターンオフ
タイム５μ式以下のサイリスタが出現しつつある。電圧
形インバータに適用する際には、サイリスタに逆並列に
ダイオードを接続して使用することが一般的である。タ
ーンオフタイムの小さいサイリスタに逆並列接続して使
用されるダイオードは、サイリスクのターンオフタイム
能力に対応した高速度電流しゃ断１１力を有する素子（
逆回復電荷の小さい素子）が景求される。逆回復電荷Ｑ
ｒｍＴｒＸ　ｉｒｐ／２で表現されるので、高速ダイオ
ードに要求される特性は次の二点である。なおＴｒは逆
回復時間、４ｔｐは逆目復時のピーク電流である。

＋１）　　逆回復時間の小さいこみ。即ち転流時にサイ
リスタ側に再印加されるピーク電圧はダイオードの逆回
復電荷の影響を受け、ダイオードの逆回復電荷が大きい
ほど上昇するので、より高い定格電圧のすイリスタが必
要となり、サイリスタ応用技術上、逆回復電荷の大きい
ダイオードは好ましくない。

（２）逆回復時のピーク電流が小さくそのａｉ７ａｔが
、ゆるやか（ｓ　ｏｔｔ　ａｅｃｏｖｅｒｙ　）である
こと・即ちダイオードの逆回復時のｄｉ／Ｌｔが急岐な
特性（８ｎａｐ−ｏｆｒ）では転流時にサイリスタに再
印加される電圧は高いａｖＡｔを持った電圧が印加され
、サイリスタのｄｖ／ｉｔ　Ｉ！＃性をおびやかすこと
になり、サイリスタ応用技術面から８ｎａｐ−ｏｆｔｑ
ｉ性を有するダイオードは好ましくない。

以上の理由によって、前述の目的に使用される高速度ダ
イオードは逆回復時のｄｉ／ａｔが、５ｏｆｔ　ＩＬｅ
ｃｏｖｅｒｙ特性を有し逆回復時間の小さいダイオード
が望ましい＠ 本発明は上記の目的のためになされたものであり、以下
図面により本発明の一実施例について詳細に説明する。

第１図は８ｎａｐ−ｏｆｆ　４１性を有するダイオード
の逆回復時の電流波形の説明図、第２図は８ｏ？ｔ　Ｒ
ｅｃｏｖ＠ｒｙ特性を有するダイオードの逆回復時のＩ
ＥＩ５！波形の説明図である。

ダイオードの逆回復特性において、第１図のように逆回
復時間Ｔｒの短かい急岐な６１／（ｌｔの変化を示す５
ｎａｐ−Ｏｆｆ　％性と、第２図のような逆回復時開動
の長く緩やかなａｘ／ａｔの変化を示す８０ｆｔ　Ｒｓ
ｃｏｖｅｒｙ特性の差は、ダイオード母材層のライフタ
イムに関係する。例えばＰ−Ｎｉ−Ｎ＋接合の場合には
Ｎｉ層の２イフタイムが短いほど逆回復時間の短い８ｍ
ｐ−ｏｆｆ　％性が得られ、Ｎｉ層のライフタイムが長
いほど逆回復時間の長い８ｏｆｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　
４Ｉ性が得られる・本発明は一枚のシリ；ン円板からな
るダイオードウェファの厚み方向内に８ｎａｐ−Ｏｆｆ
　１％性を有する領域と８ｏｆｔＲｅｃｃｖｅｒｙ％性
を有する領域を直列に組合せ、この直列に組合せた領域
へ５ｎａｐ−ｏｆｆ％性を有する領域を並列に組合せる
ことにより、逆回復時間と逆回復ピーク電流のトさいｓ
□ｆｔ　Ｂａｃｏｖ＠ｒｙ４１性を有するダイオードを
実現したものである。

第３図は本発明の一実施例を示す高速グイオードの部分
縦断面図である・ ｌはアルミ蒸着法で形成されたアノード電極、３はＰ形
不純物のｊリクムまたはアル（ニウムで拡散形成したＰ
層、４はＮｉ層、５はＮ形不純吻のリンを選択的に拡散
し、複数個に分散配置して形成したＮ層層、６はＮ層層
で囲まれた８１層４へＮ形不純物のアンチモ／を拡散し
て形成したＮ層、７は金属ろう材、８は補強用支持電極
でカソード電極となる。２は２層３へＰ形不純物のボロ
ンを拡散して形成したＰ＋層である。

第４図は第３図のアノード電極垂直方向におけるイ〜イ
断面即ちｒ層ＺｔＰ層３．Ｎ１層４．Ｎ＋層５の各層の
ツイツタイムキラー（ムＵ）の濃度分布を示した説明図
である。

ライフタイムキラーの濃度はＰ−Ｐ−Ｎｉ層近傍（図中
人領域）が最も多く、つぎにＮｉ層の中央部（図中Ｂ領
域）が多く、最も少い場所はＮ”−Ｎ１層近傍（図中Ｃ
領域）である。第５図は第３図のアノード電極垂直方向
におけるロ〜ロ断面即ち１層２．２層３．８１層４．Ｎ
層６の各層の、ツイツタイムキラーの濃度分布を示した
説明図である。ツイフタイムキ？−の＃Ｉ度はＰ−Ｐ−
Ｎｉ層近傍（図中ム領域）とＮ１−Ｎ層近傍（図中り領
域）がほぼ等しく、かつ、　Ｎ１層４の中央ｍ＜図中Ｂ
領域）より多くなっている。本発明の＾速ダイオードは
第３図に示す構成で形成されることにより第４図と第５
図に示した２イフタイムキクーの濃度分布を容易に得る
ことが特徴である。

つぎに第４図と第５図に示すライフタイムキラー濃度分
布を有するダイオードの逆鑓復特性について説明するり 導通状態にある本ダイオードへ逆電圧が印加されると、
導通時のキャリアはＰ−Ｎｉ接合を中心として正孔はア
ノード電極ｌへ、電子はカソード電極８へ向って移動す
る一方、Ｐ−Ｎｉ接合近傍のライフタイム中２−濃度に
依存して再結合が行われてキャリア濃度が減少して行き
、Ｐ−Ｎｉ接合近傍は逆電圧の値に応じた厚みをもって
空乏層化される。

このと１１！２！乏層の厚みはＰ−Ｎｉ接合の接合面よ
リＮ１層の方向に向って拡がって行く。一般的にみてス
イッチング時にダイオードへ印加される逆′鑞圧は定格
電圧のＶ５〜１７２０４度であるから、逆電圧印加によ
って生じる空乏層厚みは概念的にＮｉ層の中央部または
それ以下まで拡がると考えてよい。

このため空乏層厚み内のライフタイムキラー濃度が高い
ほど、空乏層内の中ヤリアは急激な変化を示すため逆回
復電流も急激な変化を示す。

つぎに空乏層の外側（Ｎ１層の中央部からＮ＋層まで）
へ移動したキャリアは、ライフタイムキラー濃度の低い
領域へ移るので、この場所ではキャリアは再結合により
緩やかに減衰するため逆回復電流も緩やかな変化を示し
ながら減衰して時間の経過と共に逆回復電流は零となり
、この過程を経て逆回復時間が決定されるのである。

この様子をやや詳しく説明すると第４図のライフタイム
キラ濃度分布を有するダイオードのスイッチング時の逆
回復電流は、逆回復電流が流れ始めて逆回復電流のピー
ク値を過ぎた前期は急激な電流変化を示す８ｎａｐ−ｏ
ｆｆ％性が凭れ、後半期には緩やかな電流変化を示す５
ｏｆｔ　Ｒｅｏｏｖｅｒｙ　＊性が現れる２段階の電流
変化を示す逆回復特性を得ることができる。

第６図は上述した状態を説明するための逆回復時の電流
波形を示した説明図である。

ダイオードの逆回復特性は５ｎａｐ−ｏｆｆ特性を示す
ａｚｔ／ａｔの大きい領域９と５ｏｆｔ　ｎｅｏｏｖ＠
ｒｙ　％性を示すａｉｍ、’ａｔの小さい領域ｌＯが出
現する。高速ダイオードで特に重要な点は領域ｌＯのａ
１ｓ／ａｔを小さく押えることである０この思想は不発
明者によって昭和５６年９月２５日付で出願した特願昭
５６−１５０６７１号に記載されている。

第４図のライフタイム中２−＃に度分布を有するダイオ
ードは、従来の高速ダイオードに比較すると大幅な特性
改善が行われている。しかしながら２段階の逆回復電流
特性を維持しながら逆回復時間を更に短縮しようとする
と、第４図のライフタイム中２−濃度分布のみでは不十
分であるので、この改善方法について説明する。

第６図のライフタイムキラー濃度はＮ１層４のＢ領域（
第４図Ｂ領域に等しい）で少なく、Ｎ１層４を中心にし
て左右対称に２層２およびＮＩ！ＩＩ６の方向に向って
増加したＵ字形のム、Ｄ領域（第４図Ａ１１ｌ域に等し
い）を形成している。

第４図のライフタイムキラー′ａｌｔ分布を示すダイオ
ードエレメント内に第５図のライフタイム中２−濃度分
布を示す領域がＮ＋層５に対して数１０％に複数分散し
た形状で局部的に並列に追加されると、第４図の２イフ
タイムキラ一濃度の少ないＣ領域に存在するキャリアを
部分的に早く減衰させる効果が現れる・この効果によっ
て第５図のライフタイム中２−濃度分布を有するダイオ
ード部分は第１図に示される５ｎａｐ−Ｏｆｆ　４９性
化を促進するので、第４図のライフタイムキラー濃度分
布のみの場合よりも逆回復時間と逆回復時のピーク電流
を短縮させる働きをする。

第５図のライフタイムキラー濃度分布はＮ＋層層面面積
対して数ｘｏｆｋＳ度であるから、第４図のライフタイ
ム中２−濃度分布の効果すなわち第６図の％ｔｍ／ａｔ
をゆるやかに減衰させる効果を損うことなく逆回復時間
を短縮することができ、より高速化をもたらすことがで
きる。この点が本発明の最大の脣微となっている。

つぎに本発明による高速ダイオードの一実施例の製造工
程を第７図（ａ）　＃　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ
）を用いて説明する。

なお第３図と同一符号は同一または相当部分を示す・ 第７図（＆）はシリコン基板として、比抵抗７０Ω１の
Ｎ形シ、す；／で厚み０．２７　！Ｉｌｌ　、直径２３
麿が使用される。予めシリコン基板の片面には拡散法で
Ｐ形不純物のガリウムまたはアル１＝ウムを用いて、２
層３が表面濃度約５　Ｘ　１０　　ａｔｏｍｓ／ｃｏ　
ｓ厚み４０Ｊ１で形成されており、他の面にはＮ形不純
物のリンを用いて、表面濃度約Ｉ　Ｘ　１０！１ａｔｍ
ｓ／ｃａ　ｓ厚み１０ｓのＮ＋層５が全知の酸化膜とホ
トレジスト技術を利用した選択拡散技術を用いて形成さ
れ、Ｎ１層４は厚み２２０μを有し、かつ、２１３面上
を除いた他の場所に酸化膜１１を有したシリコン円板が
準備される・この時点のシリコン円板に対して、Ｎｉ層
の結晶構造の乱れの度合いをＸ＠Ｚ結晶法によるロッキ
ングカーブで調べてみると、Ｎｉ層には結晶構造の乱れ
はほとんど観察されなかった。この原因としてはＮｉ層
の片面にシリコンの原子半径１．１７Ａに対して、１０
７ｍ　の原子半！１．２６Ａを有するガリウムまたはア
ルζニウム拡散されたＰ層を有し、他の面にはシリコン
の原子半径に対して９４チの原子半径１．１　ＯＡのリ
ンが選択的に拡散されたＮ＋層を形成しているため、両
波散層で原子半径の差を吸収し合って結晶構造に乱れが
生じていないものと推察される。

このように、はぼ完全結晶に近いシリコン円板に対して
、ライフタイムキラーである金を熱拡散しても第４図と
第５図のような金の濃度分布を１回の金拡散で得ること
は不可能である。　　　一本発明は接合形成時に１回の
金の熱拡散で第４図と第５図のような金の濃度分布を同
時に得るために、予めシリコン円板の厚み方向に金の濃
度分布に対応した結晶構造の乱れを誘起させて、金原子
が結晶構造の乱れ部分に多く蓄積する性質を利用し、前
述の金の濃度分布を得ようとするものである。

まず＃Ｉ４図の全濃度分布を得る目的のために原子半径
１．２６ムを有するガリウムまたはアル１＝ウム拡散で
、低い表面濃度（５Ｘ　１０”ａｔｏｚａ／ｃｃ）で形
成された１層面上に、原子半径の小さいボロ／（０，８
８Ａ）を高い表面濃１ｉ　（ｈ　ｌｏ″’　ａｔｏｍｓ
／ｃｃオーダー）で拡散すると、結晶構造的にはボロン
原子の影響力が強まり、ガリウムまたはアル１＝ウム拡
散よりもＮｉ層の方向に結晶構造の乱れを誘起すること
が容易゛となる。ただし１層の厚みを厚くし過ぎると結
晶構造の乱れがＮ１１１全体に及ぶので、１層の厚みと
Ｐ［の厚み関係番ζは調和をとる必要がある。

前述の理由により第７図（ａ）の１層３面上より、ボ四
ノを表面濃度５　Ｘ　１０”　ａｔｏｍｓ／ｃｏで、そ
の厚みは最終的にＰ層の１／３以下にするために予め５
Ｊの拡散を行い第７図（ｂ）のＰ＋層２を形成した。こ
の拡散により新たな酸化膜１１がＰ層２面上に形成され
る・ つぎに第５図の全濃度分布を得る目的のために第７図（
ｂ）のようにＮ＋層５に囲まれたＮｉ層４′面へＮ形不
純物のアンチモン（原子半径１．３６Ａシリコンに対し
て１１６ｑｂ）を拡散するために、酸化膜１１へ窓１２
が開けられる。つぎにＮｉ層４′面へアンチモンを表面
濃［６Ｘ　１０　　ａｔｏｍｓ／ｃａで、その厚み約５
μの拡散を行いａｙ図（ｃ）の８層６を形成した。

なお、Ｎ＋層５と８層６の面積比率はＮ／Ｎ”　＝　１
５−に設計されている。このアンチモン拡散によって最
終的な厚み関係は、１層は１５μ、Ｐ層は４５μ、Ｎｉ
層は１８０μ、Ｎ＋層は３０μとなる。なお前述のボロ
／拡散によって２層２とＮ層６面上には新たな酸化膜１
１が形成される。

第７図（ｃ）のシリコン円板に対して、２層３とＮ１層
４およびＮ１１６と８１層４の結晶構造の乱れの度合い
をＸ線２結晶法によるロッキングカーブで調べてみると
、２層２から２層３．８１層４の方向に向ってまた８層
６から８１層４の方向に向って強い結晶の乱れが生じて
いることが判明した。この原因はシリコン（原子半径１
．１７りに対して大きく、原子半径の異なるボ四ン（原
子半径０．８８λ、シリコンに対して７５チ）とアンチ
そン（原子半径１．３６Ａ、シリコンに対して１ｔｓｓ
）を表面ａｌｔで拡散したことによると考えられる。こ
の結晶の乱れは第３図のイ〜イ断面部ではＰ−入＝接合
近くに強く現れ、８１層４からＮ＋層５に向って減少し
ていることが判明した・他方、纂３図のロ〜ロ断面部で
はＰ　−Ｎｉ接合近くに強く現れ、　Ｎ１層４に向って
減少しており、またＮ−Ｎｉ接合では同接合近くに強く
現れ、８層６から８１層４に向って＆ミ少していること
も判明した。

シリコン円板の厚み方向の結晶構造の乱れの傾向は、第
３図イ〜イ断面部では第４図の全濃度分布の人、Ｂ領域
に対応し、ζ；３図し〜口断面部では第５図の全濃度分
布Ａ　、　７３　、　Ｄ領域に対応していた。この点が
本発明の最ンくの特徴である。

つぎに、第７図（Ｃ）のダイガードウェファの逆回復時
間を小さくするために　酸化膜１１を除去して、ダイオ
ードクエファの両面に対して真空蒸着にて金が蒸着され
、８２０ｃの温度で６０分間の熱処理が行われる・この
熱処理によって＃Ｉ３図イ〜イ断面相当部分の金の濃度
分布は、第４図に示す人、Ｂ・Ｃ領域を形成する。

ｌ＠の金の熱拡散で第４図のム、Ｂ領域が現れる理由は
、前述の結晶構造の乱れの傾向と対応しており、Ｃ領域
で減少する理由は、金がＮ＋層５にゲッターされるため
である。金のゲッター効果はリンを拡散して形成したＮ
層層が特に有効であり本発明の一つの特徴となっている
。また、１回の金の熱拡散で第５図のム、Ｂ、Ｄ領域が
現れる理由は、アンチモンには金をゲッターする作用が
ないので前述の結晶構造の乱れと対応して分布すること
から理解されよう。

この熱処理後、第７図（１）のようにＮ＋層５と８層６
の面に対してダイオードクエ７アと同径のタングステン
から成る支持電極８をアル１ニウムを主成分とする金属
ろう７を介して置き、これを不活性ガス中で熱処理を行
い一体に固着される。これによａｌｌ）Ｎ＋層５と８層
６はアル１ニウムで短絡された形状となる。その後、Ｐ
＋層２の面に対してはアノード電極ｌとなる直＠　ＩＩ
Ｍｍ、厚み１０μを有するアルを蒸着電極が形成される
＠ 以上説明したような製作工程を経て第４図に示されるム
、Ｂ、Ｃのごとく三つの領域を示す金の濃度分布と第５
図に示されるＡ、Ｂ、Ｄのごとく三つの領域を示す金の
濃度分布を実現することができる。

固着完成後、電圧阻止接合であるＰ　−Ｎｉ接合は球面
研磨法等により負ベベルに整形された後に、ベベル面に
対して化学研磨、表面保護膜形成等がなされてダイオー
ドが完成する。

このようにして製作されたダイオードの定格は１５０人
、ｚｏｏｏ”ｉｒ　テ逆回復時間（１、約１ＩＩＩｓｅ
ｃテアリ、その逆回復時の電流波形は第６図に示される
ように二設階のａｉ／ａｔ特性を示すｓ子を得ることが
できたＯ なお、逆回復電荷欄定条件としては、順電流３００Ａ％
順電流降下率５０ム／ｐＳで行った。

第　　　１　　　表 第１１！は本実施例によって製作された素子と従来製作
されていた同定格の素子を比較したものである・第１９
から履解専れるように本実ｔＲによる素子は、逆回復時
間と逆回復電荷が小さく、ダイオードと逆並列接続して
使用されするナイリスタに与えるａｖ／Ｌｔ耐量に大会
な参響カをもっｌＬｉ１／ａｔが、従来の素子よりも低
減された優秀な高速ダイオードが製作可能となった。こ
のためサイリスタ応用技術面に寄与する効果が極めて大
会いものである。

なお、本実施例ではダイオード単体について説明を行っ
たが、ダイオードが複合化された他の半導体装置、例え
ば逆導通！イ９スタや逆導通ナイリスタクエツアとダイ
オードクエツアが一体化専れてなる複合逆阻止サイリス
クなどｌζも利用できることは、同業者ならば容易に推
察できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は８ｎａｐ−ｏｆｆ　ｌ！＃性を有するダイオー
ドの逆回復時の電流波形の説明図、第２図は ８ｏｆｔ−Ｒｅｃｏｖｅｒｙ％性を有するダイオードの
逆回復時の電流波形の説明図、第３図は本発明の一実施
例を示す高速ダイオードの部分断面図、第４図は第３図
の本発明ダイオードのイ〜イ断面部の全濃度分布を示し
た説明図、第５医は第３図の本発明ダイオードのロ〜ロ
断面部の全濃度分布を示した説明図、第６図はその逆回
復時の電流波形を示した説明図、第７図は本発明の関連
ダイオードの一実施例の製造工程を示す縦断面図である
。 ｌ・・・・・・アノード電極、２・・・・・・Ｐ層、３
・・・・・・Ｐ層、４．４′・・・・・・Ｎｉ層、５・
・・・・・Ｃ１，６・・・・・・Ｎ層、７・・・・・・
金属ろう材、８・・・・・・支持＠’％、１１・・・・
・・酸化膜、１２・・・・・・窓。 ？ｌ／閑　　　　　　　　為２図 易　７　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高抵抗Ｎ形母材からなるシリコン基板Ｎｉ層の一方の面
   にＰ形不純物のガリウムまたはアルミニウムを拡散して
   ｆ′求したＰ層を、他方の面にＮ形不純物のリンを選択
   的に拡散し、複数個に分散配置して形成した主領域とな
   るＮ層を有するＰ　−Ｎｉ　−Ｎ接合と、前記分散配置
   したＮ層に囲まれた複数個の小領域を有するＰ−Ｎｉ接
   合において、該両接合のＰ層上にＰ形不純物のボロンを
   拡散して形成したＰ層を設け、また前記複数個の小領域
   を有するＮ１層面にＮ形不純物のアンチモンを拡散して
   形成したＮ層を設けた戸−Ｐ−Ｎｉ−Ｎ層と戸−Ｐ　−
   Ｎｉ−Ｎの両接合を形成し、このＰ”−Ｐ−Ｎｉ両接合
   における１層とＰ層の厚み関係は１層の厚みがＰ層のｌ
   ／３以下の厚み関係を有するダイオードウェファにとし
   、逆回復電荷を小さくするためにダイオードウェファの
   Ｐ層およびＮ層面より２イアタイムキラーである金を熱
   拡散し、Ｐ−Ｎｉ接合とＮｉ　−Ｎ接合近傍に高い金の
   濃度分布を形成したことを特徴とする高速ダイオード。