JPS58191B2 - 高速半導体整流器を作る方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に半導体整流器に関するもので。

更に詳しく言えば高速半導体整流器およびその製遣方法
に関する。

ある種の半導体装置を比較的高エネルギーの粒子線で照
射すれば、それの特性が改善されることは公知である。

たとえば、整流器の照射による過度逆電流の減少に関す
る初期の研究成果についてはミラー（Ｍｉｌｌｅｒ）の
米国特許第２８６８９８８号明細書を参照されたい。

それによれば、高エネルギー（２ＭｅＶ）の電子で整流
器を衝撃したところ装置内部の電荷キャリヤの寿命が短
縮し、従って整流器の最高可使周波数が上昇することが
認められた。

また、整流器の照射およびそれに続くアニールの組合せ
はたとえばローガン（Ｌｏｇａｎ）の米国特許第３１７
４８８２号明細書中に記載されているが、これは互いに
分離した２つの負性抵抗動作領域を有するトンネルダイ
オードの製造に関するものである。

ところで、たとえばターネジャ（Ｔａｒｎｅｊａ）特の
米国特許第３８０９５８２号明細書中に記載のごとく、
整流器の照射によって逆回復時間を短縮させた場合には
整流器の順電圧降下が同時に増大することが認められて
いる。

とは言え、達成される逆回復時間の短縮は順電圧降下の
増大を補償するのに十分であると思われ、そのためそれ
は許容し得るものであると述べられている。

ターネジャの米国特許第３９３３５２７号明細書中には
また、そこに示された公式に従って照射を行うことによ
り製造後の整流器の特性を改変する方法が記載されてい
る。

更にまた、ターネジャ等の米国特許第３８８８７０１号
明細書中には、半導体整流器を照射した後に２５０〜３
５０℃の比較的高い温度下で焼なましを行うことが記載
されている。

かかる焼なましを行えば、順電圧降下の減少および逆回
復時間の増加が達成されるものと認められる。

昭和５２年特許願第４７９６２号は、高温下における半
導体装置の照射に関するものである。

かかる高温照射によれば、上記出願の明細書中に記載の
通り、それまで必要とされたごとく照射に続いて長い時
間従って多くの費用のかかる焼なまし工程を行わなくて
も済むのである。

以上の引例は半導体整流器の照射にかかわる技法および
それによって得られる特性の改善が次第に広く理解され
てきたことを例示しているが、照射や焼なましなどによ
って半導体整流器の特性を改善する各種の方法を最適化
しようという試みはほとんどあるいは全く存在しなかっ
たように思われる。

それ故１本発明の目的は逆回復時間、順電圧降下および
漏れ電流の最適の組合せを与えるような高速半導体整流
器の製造方法を提供することにある。

また、逆回復時間、順電圧降下および漏れ電流の最適の
組合せを達成するため、予め製造された整流器の特性を
改善する方法を提供することも本発明の目的である。

さて本発明の一方の側面に従って簡潔に述べれば、改善
された動作特性を有する高速半導体整流器を作る方法が
提供される。

かかる方法は、当業者にとって公知の高速半導体整流器
製造方法のいずれかによって整流器を製造し、それの温
度を約３００℃に維持しながら整流器を照射し、それか
ら約２９０〜３１０℃の温度下で整流器の焼なましを行
う諸工程から成る。

その場合、順電圧降下および逆回復時間の変化率は焼な
まし中を通じてほぼ一定であるが、漏れ電流の変化率は
焼なまし時間と共に減少することが判明した。

また、一層詳しく後述される特定の実施例によれば、漏
れ電流は僅か３時間の焼なまし後に元の値の５０％以下
にまで減少することも判明した。

焼なまし時における逆回復時間および漏れ電流の変化率
を比較したところ、最初の３時間においては逆回復時間
の変化率が漏れ電流の変化率より小さいのに対し、１０
時間後には逆回復時間の変化率が漏れ電流の変化率より
大きくなることが見出された。

それ故１本発明に従えば、最適の装置特性をもたらす焼
なまし時間の範囲が見出された。

かかる焼なまし時間の範囲が見出された。

かかる焼なまし時間の範囲は、焼なまし温度に応じて３
〜１０時間好ましくは３〜６時間である。

本発明の一実施態様によれば、半導体整流器は約０．４
〜１２ＭｅＶのエネルギーを持った電子で照射される。

かかる照射は１０１３〜１０１６電子数／ｃｍ２の線量
に達するまで行われる。

本発明の他方の側面に従えば、高速半導体整流器の特性
を改善する方法が提供される。

かかる方法は、整流器を約１００〜５００℃の温度に加
熱し、０．４〜１２ＭｅＶのエネルギーを持った高エネ
ルギー電子で加熱中の整流器を照射し、それから約２９
０〜３１０℃の温度下で約３〜１０時間にわたって整流
器の焼なましを行う諸工程から成る。

新規なものと信じられる本発明の特徴は前記特許請求の
範囲中に明確に指摘されている。

とは言え、添付の図面を参照しながら以下の説明を読め
ば１本発明の構成や実施方法および目的や利点が一層良
く理解されよう。

先ず第１図を見ると、逆回復時間、順電圧降下および漏
れ電流の最適の組合せを有する整流器を得るための方法
が流れ図で示されている。

第１の工程１０においては整流器が用意される。

かかる整流器は、たとえば１８００ボルト程度の逆方向
降服電圧および４００アンペア程度の順方向電流容量を
有するような高電圧かつ比較的大電流の整流器であるこ
とが好ましい。

なお１本発明の詳細な説明に際しては特定の種類の整流
器が取扱われるが１本発明は広範囲の種類の整流器に対
して等しく適用し得るものであり、従って本明細書中に
記載される特定の実施例に限定されるわけではないこと
は当業者にとって自明であろう。

本発明の好適な適用対象を成す整流器の実例はＰ＋ＮＮ
＋構造を有するものである。

かかる整流器は、たとえば１１〜１２ミルの厚さおよび
６０〜９０Ω・ｃｍの抵抗率を持ったＮ形半導体のウェ
ファを用いて作製される。

典型的には、上記のごときウェファの両面に不純物原子
を拡散させることによって半導体層が形成される。

たとえば、表面原子濃度が５×１０１８個／ｃｍ３とな
るようにガリウムを拡散させることにより、厚さ約３ミ
ルのＰ＋形領領域有利に形成することができる。

同様に、原子濃度が５ × １０１８〜１× １０２０
個／ｃｍ３好ましくは１０１９個／ｃｍ３程度となるよ
うにリンを拡散させることにより、厚さ約２ミルのＮ＋
形頭領領域容易形成することができる。

拡散後１表面上に金属（典型的にはアルミニウム）を蒸
着することによって電極が適宜に形成される。

当業者にとっては自明のことであろうが、記載のごとき
半導体整流器は全〈従来通りのものであって、それ自体
が本発明の−を成すわけではない。

ここでは１本発明を有利に適用し得るような種類の整流
器を例示することのみを目的として記載したに過ぎない
。

電極の形成後１本発明に従って整流器が約１５０℃より
高い温度に加熱され、それからほとんど冷却することな
しに高温下での照射工程１２が施される。

本発明の好適な実施態様に従えば、かかる照射工程は１
５０℃より高くかつ５００℃より低い温度好ましくは２
５０〜３５０℃の温度下で実施される。

その際には、０．４〜１２ＭｅＶのエネルギーを持った
電子により照射を行う。

かかる照射工程は５〜１０１３〜５×１０１５電子数／
ｃｍ２好ましくは１０１４〜１０１５電子数／ｃｍ２の
線量に到達するのに必要な時間にわたって実施される。

当業者にとっては自明の通り、上記の電子濃度に到達す
るために必要な照射時間は電子束密度の大きさに依存す
る。

典型的には、約５×１０１２電子数／ｃｍ２／秒の電子
束密度の下で約２０〜約１２０秒間にわたって照射を行
えば満足すべき結果が得られるものと期待される。

高温下における照射工程１２の後、２８０〜３５０℃好
ましくは２９０〜３１０℃の温度下で２〜１０時間好ま
しくは３〜６時間にわたって整流器を焼なましする。

上記の諸工程の正確な持続時間および条件はここに示し
た好適な値とは多少異なっていてもよいのであって、以
下に述べる原理に基づいてそれらを決定することは当業
者にとって容易であろう。

第２図は漏れ電流と焼なまし時間との関係を示すグラフ
である。

曲線１６，１８および２０は。上記の手順に従って１．
５ＭｅＶの電子線でそれぞれ５０．４０および３０秒間
照射した半導体装置に関するものである。

これらの条件はそれぞれ２．３×１０１４．１．９ ×
１０１４および１．４×１０１４電子数／ｃｍ２の線量
に相当している。

なお図中の漏れ電流は、上記のごとき装置に関し、１７
５℃の温度および１８００Ｖの印加電圧の下で測定され
た結果をｍＡ年単位表わしたものである。

第２図を見ればわかる通り、漏れ電流は焼なまし時間の
増加と共に減少し続けるが、時間に対する漏れ電流の変
化率は時間と共に低下する。

実際には、漏れ電流の減少の割合は３時間後には５０％
より大きくなる。

約１０時間後になると、時間に対する漏れ電流の変化率
はほぼゼロに近づき、従ってそし以上の利益を期待する
ことはほとんどできない。

それに比べて、逆回復時間ｔｒｒと焼なまし時間との関
係は第３図のグラフに示す通りである。

この場合にも、高温下で様々な時間にわたって放射線照
射した半導体装置に関する曲線が示されている。

すなわち曲線２２，２４および２６は。４．６７ ×
１０１２電子数／ｃｍ２秒の電子束密度の下でそれぞれ
３５．４０および５０秒間だけ照射した半導体装置に関
するものである。

第２および３図を比較すれば容易にわかる通り、漏れ電
流は焼なまし時間の増加に伴って減少しかつその場合の
変化率は焼なまし時間と共に低下するのに対し、逆回復
時間は焼なまし時間の増加に伴ってほぼ一定の割合で増
加する。

従って、前述の通り、漏れ電流および逆回復時間の最良
の組合せ（すなわち。

なるべく少ない漏れ電流となるべく短かい逆回復時間と
の組合せ）を得るためには焼なまし時間を１０時間まで
とすればよい。

ところで、時間に対する漏れ電流の変化率は１０時間後
にほぼゼロにまで低下することを思い起こされたい。

従って、それを越えると漏れ電流はほぼ一定に保たれる
のに対し逆回復時間は増加し続けるから、１０時間以上
にわたって焼なましを行うことが望ましくないのは言う
までもあるまい。

第４図は本発明に従って加工された半導体装置に関する
漏れ電流と逆回復時間とを関連付ける曲線を示すもので
、高温下での照射後に様々な時間にわたって焼なましを
行った場合が含まれている。

すなわち曲線２８，３０，３２および３４は、それぞれ
０，３．６および１０時間にわたって焼なましを施した
半導体装置に関する漏れ電流と逆回復時間との関係を示
している。

当業者にとっては自明の通り、最も望ましい曲線は第４
図のグラフの原点に最も近接したものである。

第４図を見ればわかる通り、焼なましを施さない半導体
装置を表わす曲線２８と比べた場合、最終的な装置特性
について最高度の改善をもたらすのは曲線３２である。

曲線３０および３４によって表わされた半導体装置にお
ける漏れ電流と逆回復時間との組合せは１曲線３２によ
って表わされた半導体装置に比べると改善の程度が低い
。

なお１曲線３０は最適値より短かい時間にわたって焼な
ましを施した半導体装置の特性を表わすのに対し、曲線
３４は最適値より長い時間にわたって焼なましを施した
半導体装置の特性を表わしている。

とは言え１曲線３０，３２および３４の各々によって表
わされた特性は曲線２８によって表わされた（焼なまし
を施さない半導体装置の）特性に比べれば大きく改善さ
れていることは言うまでもあるまい。

第４図は上記のごとき半導体装置に関する好適な照射条
件および焼なまし条件を示すものである。

しかるに当業者にとっては自明の通り、上記のごとき半
導体装置とは多少異なる半導体装置に関する最適化が所
望される場合には、多少異なる条件の使用によって漏れ
電流、逆回復時間および順電圧降下の最適の組合せが得
られることもある。

それ故１本発明の範囲内には本明細書中に記載された特
定の条件が包含されるばかりでなく、前記特許請求の範
囲によって定義された本発明の精神および範囲に反しな
い限りは記載のものとは多少異なる条件もまた包含され
るものとする。

第５図は１本発明に従って半導体装置の照射および焼な
ましを行うための装置の構成を示す略図である。

すなわち、通常のベルトコンベヤ３６の使用により、炉
手段４０の内部、照射手段４２の下方、および炉手段４
４の内部を通って半導体装置３８が次々と送られる。

第５図にはベルトコンベヤを使用した装置が示されてい
るが、その他の方法の使用によって半導体装置を適切な
条件設定用の環境に露出してもよいことは当業者にとっ
て自明であろう。

たとえば、もっばら人手によって半導体装置を炉から照
射位置まで移動させ、次いでそれらを同じ炉または別の
炉に戻すことにより、本発明に基づく加熱、照射および
焼なまし工程を順次に実施することができる。

第５図の装置においては、半導体装置３８の温度が約３
００℃まで上昇するのに十分な時間にわたって半導体装
置３８が炉４０内に滞留する様に構成するのが好ましい
。

次いで、冷却する余地をほとんど与えることなく半導体
装置３８を照射線源４２の下方に移動させれば、それら
の温度が約３００℃である間に照射が行われる。

所望ならば、照射が確実に高温下で行われるようにする
ため、照射線源４２を炉４０内に組込んでもよい。

照射線源４２は。０．４ＭｅＶ以上のエネルギーを持っ
た電子を供給し得るものであれば、当業者にとって公知
の任意の照射線源たとえば電子加速器やその他の高エネ
ルギー電子発生装置であってよい。

本発明の一実施例においては、電子源４６と共に排気管
４８が設置される。

かかる排気管４８は１０−６トル程度の圧力に維持され
、しかも電子源４６と反対側の末端は薄いチタン窓によ
って封止される。

本発明に従えば、半導体装置３８は照射線量が１０１３
〜５×１０１６電子数／ｃｍ２好ましくは１０１４〜１
０１５電子数／ｃｍ２になるまで照射される。

その場合、照射時間は電子線の電子束密度に依存するわ
けである。

照射後、半導体装置３８はコンベヤ３６によって焼なま
し炉４４内へ移動させられ、そこにおいて約２８０〜３
５０℃好ましくは約２９０〜３５０℃の温度下で３〜１
０時間好ましくは３〜６時間にわたって加熱される。

コンベヤ３６は単一のベルトから成るものとして図示さ
れているが、２基以上の互いに独立したコンベヤ構造物
およびそれらの間で半導体装置３８を転送する手段を使
用することによって加熱、照射および焼なまし工程を実
施することが望ましい場合もある。

たとえば。当業者にとっては自明の通り、炉４０内にお
ける加熱および照射線源４２による照射は比較的短かい
時間で達成されるものであるから、それらに対しては単
一のコンベヤを使用することができる。

しかるに炉４４内における焼なましは加熱や照射に比べ
て比較的長い時間にわたって実施されるものであるから
、低速で動作する独立のコンベヤを使用した方が有利で
ある。

焼なましおよび冷却が終れば１本発明に関する限り半導
体装置は完成したわけであるから、それらの最終用途に
応じてパッケージ内に封入すればよい。

なお、第５図の装置は本発明を実施するのに適したもの
であるけれども１本発明の精神および範囲に反すること
なしに変形や変更を加え得ることに言うまでもない。

たとえば１本発明方法の照射工程に際して半導体装置を
包囲するための薄い包被を設けてもよい。

典型的には、１〜２ミルのアルミニウムの使用によって
照射工程における保温状態の改善を得ることができる。

そうすれば、炉４０内に照射線源４２を設置する必要も
なく、また包被による吸収を考慮して照射線源４２のエ
ネルギーを実質的に増加させる必要もない。

同様に、照射位置にホットプレートなどを設置すること
により、半導体装置を照射時の所望温度に加熱維持する
こともできる。

上記においては高速整流器のキャリヤ寿命を短縮してそ
れの利点を発揮させるための好適な方法として電子線照
射を使用する場合に関して本発明を説明したが、使用す
る時間や線量を必要に応じて変更するならば、格子に損
傷をもたらすその他の放射線による照射を使用してもよ
いことは当業者にとって自明であろう。

たとえば、ガンマ線や中性子線による照射を使用するこ
とができる。

なお、線量が正確に制御できかつ照射が比較的安価に実
施できる点から見ればガンマ線照射が好適である。

理論的には陽子線による照射も使用できるが、上記の放
射線に比べて透過力が遥かに大きいことを考えると好適
とは言えない。

以上、若干の好適な実施態様に関連して本発明の詳細な
説明したが、前記特許請求の範囲によって定義される本
発明の精神および範囲に反することなしに様々の変形や
変更を加え得ることは当業者にとって自明であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく高速半導体整流器の製造方法を
示す流れ図、第２図は本発明に従って照射された半導体
整流器に関する漏れ電流と焼なまし時間との関係を示す
グラフ、第３図は本発明に従って照射された半導体整流
器に関する逆回復時間と焼なまし時間との関係を示すグ
ラフ、第４図は本発明に従って放射線照射された半導体
整流器に関し様々な焼なまし時間をパラメータとして漏
れ電流と逆回復時間との関係を示すグラフ、そして第５
図は本発明の方法を実施するのに適した装置を示す略図
である。 図中、３６はベルトコンベヤ、３８は半導体装置、４０
は加熱用の炉、４２は照射線源、そして４４は焼なまし
用の炉を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 整流器を用意し、前記整流器を約２５０〜３５０℃
   の温度の加熱し、前記整流器の温度を約２５０〜３５０
   ℃に維持しながら前記整流器を照射し、それから約２８
   ０〜３５０℃の温度下で約２〜約１０時間にわたって前
   記整流器の焼なましを行なう諸工程から成ることを特徴
   とする。 高速半導体整流器を作る方法。 ２ 前記の加熱工程が前記整流器を約３００℃に加熱す
   ることからなり、前記の照射工程が前記整流器の温度を
   約３００℃に維持しながら前記整流器を照射することか
   ら成る。 特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 前記ゐ照射工程が約０．４〜１２ＭｅＶのエネルギ
   ーを持った電子で前記整流器を照射することから成る。 特許請求の範囲第２項記載の方法。４ 前記の照射工程
   が１０１３〜１０１６電子数／ｃｍ２の電子濃度になる
   まで前記整流器を照射することから成る。 特許請求の範囲第３項記載の方法。５ 前記の照射工程
   が約５×１０１２電子数／ｃｍ２秒の電子束密度の下で
   約２０〜６０秒間にわたって前記整流器を照射すること
   から成る。 特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６ 前記の焼なまし工程が約３〜６時間にわたって前記
   整流器の焼なましを行なうことから成る、特許請求の範
   囲第２または５項記載の方法。 ７ 前記の焼なまし工程が約３１０℃の温度下で前記整
   流器の焼なましを行うことから成る。 特許請求の範囲第６項記載の方法。 ８ 前記の焼なまし工程が２９０〜３１０℃の温度下で
   約２〜約１０時間にわたって前記整流器の焼なましを行
   うことから成る、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ９ 前記の照射工程が約０．４〜１２ＭｅＶのエネルギ
   ーを持った電子で前記整流器を照射することから成る、
   特許請求の範囲第８項記載の方法。 １０ 前記の照射工程が約４．７Ｘ１０１２電子数／ｃ
   ｍ２秒の電子束密度の下で約３０〜約５０秒間にわたっ
   て前記整流器を照射することから成る。 特許請求の範囲第９項記載の方法。 １１ 前記の照射工程が約１０１４〜１０１５電子数
   ／ｃｍ２の電子濃度まで前記整流器を照射することから
   成る、特許請求の範囲第９項記載の方法。 １２ 前記の焼なまし工程が約３〜６時間にわたって前
   記整流器の焼なましを行うことから成る。 特許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３ 前記の焼なまし工程が約３１０℃の温度下で前
   記整流器の焼なましを行うことから成る。 特許請求の範囲第１２項記載の方法。