JP3807023B2 - Power diode - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用整流素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力用半導体素子は、インバータを始め様々な用途に利用されており、現在でも、より高耐圧かつ大容量の用途に適用範囲を拡大しつつある。近年、絶縁ゲートバイポーラトランジスタなど、高耐圧、大容量、かつ高周波で動作可能なスイッチング素子が開発されており、それに伴い、電力用ダイオードにおいても高周波数動作が可能な高速リカバリー特性が要求されている。
【0003】
このような背景において、 特に高速逆回復特性を目指して、MPS(Merged P-I-N Schottky )ダイオードやSFD(Soft and Fast recovery Diode)といった新しい構造のダイオードも各種報告されており、電力用ダイオードの特性改善が進められている。
最も広く用いられている電力用ダイオードの代表例の一つとしてpinダイオードがある。図4にpinダイオードの部分断面図を示す。
【0004】
高比抵抗のnドリフト層(i層と呼ぶこともある)5の一方の側にpアノード層4が形成されており、その表面にアノード電極1が接触している。nドリフト層5の他方の側にはn+ カソード層6が形成されており、その表面にはカソード電極2が接触している。このpinダイオードの逆回復特性を改善するために、現在では電子線照射などを用いた少数キャリアのライフタイム制御が行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来、インバータなどの実機にフリーホイールダイオード(FWD)としてpinダイオードが使用されているが、負荷短絡など発生した際に、そのFWDに例えば1000A/cm2 以上といった非常に大きな電流が流れることがある。このときダイオードの温度が上昇し、さらに真性キャリア密度が注入キャリア密度より大きくなると、ダイオードは負性抵抗を示し、破壊や劣化が生じる[ 例えば、Silber,D.and Robertson,M.J.,Solid State Electron. 16, p.1337 (1973) 参照] 。そのような場合におけるダイオードのサージ電流耐量を向上させるには、pアノード層4の不純物濃度を増大させ、pアノード層4からの注入キャリアを多くすることで対応できる。しかし、そうすると、逆に通常の逆回復特性は悪くなる。このように、サージ電流耐量と逆回復特性との間には、トレードオフ関係がある。従って、pinダイオードの構造のみでは、両者の特性を同時に向上させることはできなかった。
【0006】
電気鉄道用インバータなど、大容量でしかも高い周波数での動作が必要な用途へのダイオードの適用では、大電流が流れる場合に対する高いサージ電流耐量のみならず、高速な逆回復特性も要求される。そして、今後、両者を同時に満たす新しい電力用ダイオードの開発は、その重要度が増すと考えられる。
先に発明者らは、特許願平8−132466において、pinダイオードと並列にサイリスタを配置することにより、高いサージ電流耐量と良好な逆回復特性との両立を可能にした。しかしながら、その発明では、サージ電流耐量の向上は目ざましいものがあったが、逆回復特性の向上については満足できるものとは言えなかった。
【0007】
以上の問題に鑑み本発明の目的は、上記二つの要求すなわち、大きいサージ電流耐量と高速な逆回復特性との両方を兼ね備えた電力用ダイオードを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、第一導電型カソード層、その第一導電型カソード層より低不純物濃度の第一導電型ドリフト層、第二導電型アノード層のいずれも半導体の三層をこの順に積み重ね、第二導電型アノード層の表面に接するアノード電極と、第一導電型カソード層の裏面に接するカソード電極とを有する電力用ダイオードにおいて、第二導電型アノード層の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない前記第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成された前記アノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたものとする。以下の記述では、すべて第一導電型をn型、第二導電型をp型とするが、これを逆にすることもできる。
【0009】
そのような電力用ダイオードにおいて、アノード電極に順方向のバイアスを加えると、第二導電型アノード層から第一導電型ドリフト層に正孔が注入され、一方、第一導電型カソード層から第一導電型ドリフト層を通じて第二導電型アノード層に電子が注入される。順バイアスを大きくして電流密度を増加させると、伝導度変調により第一導電型ドリフト層のキャリア密度が増加する。表面にある絶縁膜の下方の第二導電型アノード層内部では、絶縁膜のない部分に比べて、電子濃度が増加する。これは、以下の理由によると考えられる。絶縁膜の形成部分では、半導体内の少数キャリア(第二導電型アノード層内では電子)が絶縁膜にせき止められるような効果が生じる。このため、高注入状態になるほど、絶縁膜近傍の第二導電型アノード層内の電子濃度が増加する。さらに、中性条件を満たすように第一導電型ドリフト層内の正孔濃度も増加する。従って、第二導電型アノード層の表面の一部に絶縁膜を形成した場合、通常の絶縁膜がなくてアノード電極が接触する場合に比べて、順方向電流が大きいほど順電圧の増加率が小さくなる。
【0010】
ストライプ状またはドット状とした複数の絶縁膜を均等に配置すると良い。そのようにすれば、高注入状態の点が多数生じ、しかも電流が均等に分散される。また、第二導電型アノード層の一部に第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域が形成され、その第二導電型ソース領域の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない第二導電型ソース領域および第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、前記第二導電型ソース領域と前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記第二導電型ソース領域と前記第二導電型ソース領域の表面上の一部に形成された前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成されたアノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたものとしても良い。
【0011】
そのようにすれば、第二導電型アノード層は低濃度であるので、通常の定格電流密度(〜100A/cm2 )では、正孔ルの注入が抑制され、通常のpinダイオードよりも逆回復特性が向上する。一方、サージ電流領域では前述のように、絶縁膜の形成部分において、第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域から、多数の正孔が第一導電型ドリフト層に注入され、逆に多数の電子が第一導電型ドリフト層から第二導電型アノード層に注入されて、キャリヤ濃度が増大する。
【0012】
特に、第二導電型アノード層の拡散深さが、第二導電型ソース領域のそれより大きいものとする。
そのようにすれば、第二導電型アノード層と第一導電型ドリフト層間のpn接合に屈曲部が無いので、高耐圧素子に適する。
また、第二導電型アノード層の拡散深さが、第二導電型ソース領域のそれより小さいものとすることもできる。
【0013】
そのようにすれば、第二導電型アノード層の不純物総量が少なく、第一導電型ドリフト層に注入されるキャリアが減少し、逆回復特性が改善される。
ソース層および絶縁膜を複数個、均等に配置されているものとする。さらにこれらがドット状、ストライプ状であるものとする。
このようにすることで、電流の分布が均一で電流集中等がなく、特性が安定する。
【0014】
絶縁膜が酸化膜であるものとする。
酸化膜であれば、素子形成プロセスにおいて容易に得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施例の電力用ダイオードについて説明する。以下の記述で、n、pを冠した層、領域等はそれぞれ電子、正孔を多数キャリアとする層、領域等を意味するものである。また、すべて第一導電型をn型、第二導電型をp型とするが、これを逆にすることもできる。
【0016】
[実施例1]
図1は、本発明第一の実施例の電力用ダイオードのチップ中央付近の単位部分の部分断面図である。電力用ダイオードの主要部分は、多数の図のような単位部分が繰り返されており、またチップの周辺部分には、耐圧部として、ガードリング構造が形成されているが、本発明の本質に係わる部分ではないので省略している。
【0017】
高比抵抗のnドリフト層(i層とも呼ぶ)5の一方の側にpアノード層4が拡散により形成されており、pアノード層4側のの表面上の一部には、絶縁膜3が形成され、pアノード層4の絶縁膜3が形成されていない表面上に接触してアノード電極1が設けられている。nドリフト層5の他方の側には、n+ カソード層6が拡散により形成されており、n+ カソード層6のnドリフト層5と反対側の表面上には、カソード電極2が設けられている。図4の従来のpinダイオードと違っているのは、pアノード層4の表面上にpアノード層4よりも高濃度のp+ ソース領域7が形成されており、そのp+ ソース領域7の表面に絶縁膜3が形成されている点である。p+ ソース領域7および絶縁膜3は、平面図ではストライプ状をなしている。図では、アノード電極1が絶縁膜3上に延長されているが、必ずしもこのように延長しなければならないわけではない。
【0018】
本発明の電力用整流素子は、通常のpinダイオードと同様の製造方法によりpアノード層4、nドリフト層5、n+ カソード層6からなる三層構造を作製し、pアノード層4の表面層に選択的にp+ ソース領域7を形成した後に、通常のプロセスにて得られる熱酸化膜、CVD酸化膜などの絶縁膜3をフォトリソグラフィにより部分的に残し、その上およびn+ カソード層6の裏面に金属膜をスパッタまたは蒸着し、アノード電極1、カソード電極2として製造される。なお、ライフタイム制御を、電子線照射でおこなっている。場合によっては、絶縁膜3の形成を三層構造の作製前におこなっても良い。
【0019】
この例では、例えばpアノード層4形成のためのほう素イオン注入量を少なくして、pアノード層4の表面濃度を、従来のpinダイオードの場合よりも約1桁小さくする。但し、p+ ソース領域7については、従来のpinダイオードの表面不純物濃度と同程度にするか或いは数倍大きくするとよい。各層の不純物濃度あるいは表面不純物濃度、厚さあるいは接合深さは、例えば次のような値である。n+ カソード層:1×1020/cm3 、80μm、nドリフト層:3×1013/cm3 、320μm、pアノード層:1×1015/cm3 、6μm、p+ ソース領域7:7×1016/cm3 、3.4μm、幅、11.4μm、酸化膜幅:6μm、膜厚:0.5μm、酸化膜の形成されていない領域の幅:9μm。
【0020】
図5は、本発明による実施例1の電力用ダイオード(A)の順方向特性図である。比較例として、半導体基板の構成は実施例1と同じで、表面上の絶縁膜3が無い比較ダイオード(B)および従来のpinダイオード(C)の順方向特性をも記載してある。pinダイオード(C)のpアノード層4の表面不純物濃度は3×1016/cm3 、接合深さは3.4μmとした。ライフタイム制御は電子線照射でおこなった。電力用ダイオード(A)、比較ダイオード(B)、pinダイオード(C)ともに耐圧は3000Vを越えている。通常定格電流として使用される100A/cm2 で順電圧を比較した場合、pinダイオード(C)の順電圧が2.9Vであるのに比べて、電力用ダイオード(A)および比較ダイオード(B)は、3.1〜3.2Vとあまり差がない。
【0021】
一方図5において、サージ電流領域である1000A/cm2 以上で順電圧を比較すると、比較ダイオード(B)の9.6V、pinダイオード(C)の9.1Vに比べて電力用ダイオード(A)では、8.9Vとオン電圧が低下している。したがってサージ電流通電時の発熱が低減され、真性キャリア濃度の増加が抑えられるので、サージ電流耐量が向上する。
【0022】
これは、前項において述べたように、酸化膜を形成した電力用ダイオード(A)では、絶縁膜3の形成領域で、半導体表層の少数キャリア(pアノード層4内では電子)が絶縁膜にせき止められるような効果が生じ、高注入状態になるほど、絶縁膜近傍のpアノード層4内の電子濃度が増加し、さらに、中性条件を満たすようにnドリフト層5内の正孔濃度も増加するためと考えられる。従って、絶縁膜3をpアノード層4の表面の一部に形成した場合、絶縁膜3の無い比較ダイオード(B)、pinダイオード(C)に比べて、順方向電流が大きいほど順電圧の増加率は小さくなる。通常、サージ電流領域では逆回復モードの動作はない。従って、そのような電流域での正孔の注入促進による逆回復特性への影響は考慮しなくてもよい。
【0023】
図6は、実施例2の電力用ダイオード(A)および比較ダイオード(B)、従来型のpinダイオード(C)のリカバリー特性を比較した特性図である。横軸は100A/cm2 での順電圧、縦軸は、逆回復ピーク電流である。逆回復動作の条件はIF =100A/cm2 、VR =1300V、−dIF /dt=250A/(cm2 ・μs)である。この図に見られるように、順電圧と逆回復ピーク電流とはトレードオフ関係にあり、本実施例の電力用ダイオード(A)は比較ダイオード(B)に比べて若干外側にあるものの、pinダイオード(C)に比べて優れたトレードオフ特性を示すことがわかる。すなわち、同じ順電圧のダイオードで比較したとき、本実施例の電力用ダイオード(A)は、逆回復ピーク電流が小さいので、スイッチング速度が速く、スイッチング損失は少なくて済む。
【0024】
前節にて述べたように、pアノード層4よりも高濃度のp+ ソース領域7を形成し、その表面の一部にアノード電極1が接触する構造をとっているが、通常の定格電流密度(〜100A/cm2 )では、アノード電極1と接触しているpアノード層4から主に電流が流れる。そのpアノード層4の表面濃度を下げることにより、従来のpinダイオードより正孔の注入が、低く抑えられるので、逆回復特性が改善されるためである。
【0025】
すなわち、本実施例の電力用ダイオードは、従来のpinダイオードに比べて、サージ電流領域での順特性、および定格電流域での逆回復特性が向上し、より高速の、過酷な動作に耐えるものである。絶縁膜3の形成が特性に与える影響は無視できる程度であるといえる。
絶縁膜3およびp+ ソース領域7の形状は、ストライプ状やドット状など、電流集中がなく分散する構造であれば安定した特性が得られる。絶縁膜3の厚さや幅、pアノード層4ならびにp+ ソース領域7の表面濃度、幅および接合深さは、既存のプロセス技術で制御可能であり、デバイス構造等に適合した最適化ができる。この例では、絶縁膜3はもっとも形成の容易な酸化膜としたが、酸化膜以外の絶縁材料、例えば窒化膜或いはポリイミド等でも構わない。
【0026】
[実施例2]
図2は、本発明第二の実施例の電力用ダイオードの部分断面図である。この例では、図1の実施例1に対してpアノード層4の拡散深さが、p+ ソース領域7のそれより小さい場合を示している。絶縁膜3はp+ ソース領域7の表面に接触して設けられている。このようにすることで、pアノード層4からnドリフト層5への正孔の注入を更に抑える作用が得られ、逆回復特性を改善することができる。
【0027】
[実施例3]
図3は、本発明第三の実施例の電力用ダイオードのチップ中央付近の単位部分の部分断面図である。図1の実施例1と違っているのは、pアノード層4よりも高濃度のp+ ソース領域7が形成されていない点である。絶縁膜3はpアノード層4の表面に接触して設けられている。但しこの例では、pアノード層4形成のためのほう素イオン注入量を多くして、pアノード層4の表面濃度を、実施例1の場合よりも約1桁大きく、すなわち、pアノード層4の表面不純物濃度、拡散深さをそれぞれ3×1016/cm3 、3.4μmとしている。
【0028】
従って、この実施例3の電力用ダイオードは、実施例1よりp+ ソース領域7を形成しない分だけ、工数が低減できる。またこの実施例3の電力用ダイオードでは、サージ電流領域において、実施例1より低い順電圧が得られた。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第二導電型アノード層表面または、第二導電型ソース領域表面の一部に絶縁膜を設け、絶縁膜の無い部分にアノード電極を接触することによって、サージ電流領域でのオン電圧が低減され、発熱が抑制されて、サージ電流耐量が向上する。特に、第二導電型アノード層の不純物濃度を低くすれば、定格電流での逆回復特性の向上も可能となり、従来のpinダイオードでは困難であった、大きいサージ電流耐量と、高速な逆回復特性との両立を可能とした電力用ダイオードが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明第一の実施例の電力用ダイオードの部分断面図
【図2】本発明第二の実施例の電力用ダイオードの部分断面図
【図3】本発明第三の実施例の電力用ダイオードの部分断面図
【図4】従来の電力用pinダイオードの部分断面図
【図5】本発明の実施例の電力用ダイオードおよび比較例の順方向静特性図
【図6】本発明の実施例の電力用ダイオードおよび比較例の逆回復ピーク電流とオン電圧のトレードオフ特性図
【符号の説明】
1 アノード電極
2 カソード電極
3 絶縁膜
4 pアノード層
5 nドリフト層
6 n+ カソード層
7 p+ ソース領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power rectifying element.
[0002]
[Prior art]
Power semiconductor elements are used in various applications including inverters, and even today, the application range is expanding to applications with higher breakdown voltage and larger capacity. In recent years, switching elements capable of operating at high voltage, large capacity, and high frequency, such as insulated gate bipolar transistors, have been developed, and power diodes are also required to have high-speed recovery characteristics capable of high-frequency operation. .
[0003]
Against this background, various diodes with new structures such as MPS (Merged PIN Schottky) diodes and SFD (Soft and Fast recovery Diodes) have been reported, particularly with the aim of achieving high-speed reverse recovery characteristics. It is being advanced.
One representative example of the most widely used power diode is a pin diode. FIG. 4 shows a partial cross-sectional view of the pin diode.
[0004]
A p anode layer 4 is formed on one side of an n drift layer (also referred to as i layer) 5 having a high specific resistance, and the anode electrode 1 is in contact with the surface thereof. An n + cathode layer 6 is formed on the other side of the n drift layer 5, and the cathode electrode 2 is in contact with the surface thereof. In order to improve the reverse recovery characteristic of this pin diode, the lifetime control of minority carriers using electron beam irradiation or the like is currently performed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, a pin diode is used as a freewheel diode (FWD) in an actual device such as an inverter. However, when a load short-circuit occurs, a very large current of, for example, 1000 A / cm 2 or more may flow through the FWD. . If the temperature of the diode rises and the intrinsic carrier density becomes higher than the injected carrier density at this time, the diode exhibits a negative resistance, resulting in breakdown and deterioration [for example, Silber, D. and Robertson, MJ, Solid State Electron. 16, p.1337 (1973)]. In such a case, the surge current resistance of the diode can be improved by increasing the impurity concentration of the p anode layer 4 and increasing the number of injected carriers from the p anode layer 4. However, in this case, the normal reverse recovery characteristic is deteriorated. Thus, there is a trade-off relationship between the surge current withstand capability and the reverse recovery characteristic. Therefore, the characteristics of both cannot be improved at the same time only by the structure of the pin diode.
[0006]
In the application of a diode to an application that requires a large capacity and operation at a high frequency, such as an electric railway inverter, not only a high surge current resistance against a large current flow but also a high-speed reverse recovery characteristic is required. In the future, the development of new power diodes that satisfy both of these requirements will increase in importance.
The inventors previously made it possible to achieve both high surge current resistance and good reverse recovery characteristics by arranging a thyristor in parallel with a pin diode in Japanese Patent Application No. 8-132466. However, in the invention, although the surge current withstand capability has been remarkably improved, it cannot be said that the reverse recovery characteristic has been improved.
[0007]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power diode having both of the above two requirements, that is, a large surge current withstand capability and a fast reverse recovery characteristic.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor layer including a first conductivity type cathode layer, a first conductivity type drift layer having a lower impurity concentration than the first conductivity type cathode layer, and a second conductivity type anode layer. In a power diode having an anode electrode in contact with the surface of the second conductivity type anode layer and a cathode electrode in contact with the back surface of the first conductivity type cathode layer, a part of the anode on the surface of the second conductivity type anode layer is stacked. An insulating film is formed, the anode electrode is in contact with the surface of the second conductivity type anode layer where the insulating film is not formed, and a cross-sectional shape of the insulating film and the anode electrode sandwiches the insulating film and the insulating film. It is assumed that a unit portion composed of the anode electrode formed as described above is repeatedly formed . In the following description, the first conductivity type is all n-type and the second conductivity type is p-type, but this can be reversed.
[0009]
In such a power diode, when a forward bias is applied to the anode electrode, holes are injected from the second conductivity type anode layer to the first conductivity type drift layer, while from the first conductivity type cathode layer to the first electrode. Electrons are injected into the second conductivity type anode layer through the conductivity type drift layer. When the forward bias is increased to increase the current density, the carrier density of the first conductivity type drift layer increases due to conductivity modulation. In the second conductivity type anode layer below the insulating film on the surface, the electron concentration increases as compared with the portion without the insulating film. This is considered to be due to the following reason. In the portion where the insulating film is formed, there is an effect that minority carriers in the semiconductor (electrons in the second conductivity type anode layer) are blocked by the insulating film. For this reason, the higher the injection state, the higher the electron concentration in the second conductivity type anode layer near the insulating film. Furthermore, the hole concentration in the first conductivity type drift layer also increases so as to satisfy the neutral condition. Therefore, when an insulating film is formed on a part of the surface of the second conductivity type anode layer, the rate of increase of the forward voltage increases as the forward current increases as compared with the case where the anode electrode is in contact with no normal insulating film. Get smaller.
[0010]
A plurality of insulating films in a stripe shape or a dot shape may be arranged uniformly. By doing so, a large number of highly injected points are generated and the current is evenly distributed. In addition, a second conductivity type source region having a higher concentration than the second conductivity type anode layer is formed in a part of the second conductivity type anode layer, and an insulating film is formed on a part of the surface of the second conductivity type source region. The anode electrode is in contact with the surface of the second conductivity type source region and the second conductivity type anode layer that are formed and the insulating film is not formed, and the cross-sectional shape of the second conductivity type source region, the insulating film, and the anode electrode However, the second conductive type source region, the insulating film formed on a part of the surface of the second conductive type source region, and the unit portion composed of the anode electrode formed so as to sandwich the insulating film are repeatedly formed. It is good also as what was prepared .
[0011]
By doing so, since the second conductivity type anode layer has a low concentration, at the normal rated current density (˜100 A / cm 2 ), the injection of hole is suppressed, and the reverse recovery is higher than that of a normal pin diode. Improved characteristics. On the other hand, in the surge current region, as described above, a large number of holes are injected into the first conductivity type drift layer from the second conductivity type source region having a higher concentration than the second conductivity type anode layer in the insulating film formation portion. On the contrary, a large number of electrons are injected from the first conductivity type drift layer into the second conductivity type anode layer, and the carrier concentration increases.
[0012]
In particular, the diffusion depth of the second conductivity type anode layer is greater than that of the second conductivity type source region.
By doing so, there is no bent portion at the pn junction between the second conductivity type anode layer and the first conductivity type drift layer, which is suitable for a high voltage device.
Further, the diffusion depth of the second conductivity type anode layer may be smaller than that of the second conductivity type source region.
[0013]
By doing so, the total amount of impurities in the second conductivity type anode layer is small, the number of carriers injected into the first conductivity type drift layer is reduced, and the reverse recovery characteristic is improved.
It is assumed that a plurality of source layers and insulating films are evenly arranged. Further, these are assumed to be dot-like and stripe-like.
By doing so, the current distribution is uniform, there is no current concentration, and the characteristics are stabilized.
[0014]
It is assumed that the insulating film is an oxide film.
An oxide film can be easily obtained in the element formation process.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, power diodes according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, layers, regions, and the like bearing n and p mean layers, regions, and the like having electrons and holes as majority carriers, respectively. In addition, all of the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but this can be reversed.
[0016]
[Example 1]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a unit portion near the center of a chip of a power diode according to a first embodiment of the present invention. The main part of the power diode has many unit parts as shown in the figure, and a guard ring structure is formed in the peripheral part of the chip as a withstand voltage part, which relates to the essence of the present invention. Since it is not a part, it is omitted.
[0017]
A p anode layer 4 is formed by diffusion on one side of an n drift layer (also referred to as i layer) 5 having a high resistivity, and an insulating film 3 is formed on a part of the surface on the p anode layer 4 side. The anode electrode 1 is provided in contact with the surface of the p anode layer 4 on which the insulating film 3 is not formed. An n + cathode layer 6 is formed by diffusion on the other side of the n drift layer 5, and a cathode electrode 2 is provided on the surface of the n + cathode layer 6 opposite to the n drift layer 5. Yes. 4 is different from the conventional pin diode of FIG. 4 in that a p + source region 7 having a higher concentration than the p anode layer 4 is formed on the surface of the p anode layer 4, and the surface of the p + source region 7. The insulating film 3 is formed on the surface. The p + source region 7 and the insulating film 3 are striped in the plan view. In the drawing, the anode electrode 1 is extended on the insulating film 3, but it does not necessarily have to be extended in this way.
[0018]
The power rectifying device of the present invention has a three-layer structure comprising a p anode layer 4, an n drift layer 5, and an n + cathode layer 6 by a manufacturing method similar to that of a normal pin diode, and a surface layer of the p anode layer 4 After selectively forming the p + source region 7, the insulating film 3 such as a thermal oxide film or a CVD oxide film obtained by a normal process is partially left by photolithography, and on the n + cathode layer 6. A metal film is sputtered or vapor-deposited on the back surface of the substrate to produce an anode electrode 1 and a cathode electrode 2. Lifetime control is performed by electron beam irradiation. In some cases, the insulating film 3 may be formed before the three-layer structure is formed.
[0019]
In this example, for example, the boron ion implantation amount for forming the p anode layer 4 is reduced, and the surface concentration of the p anode layer 4 is made about an order of magnitude smaller than that of the conventional pin diode. However, it is preferable that the p + source region 7 is made the same level as the surface impurity concentration of the conventional pin diode or increased several times. The impurity concentration or surface impurity concentration, thickness, or junction depth of each layer has the following values, for example. n + cathode layer: 1 × 10 20 / cm 3 , 80 μm, n drift layer: 3 × 10 13 / cm 3 , 320 μm, p anode layer: 1 × 10 15 / cm 3 , 6 μm, p + source region 7: 7 × 10 16 / cm 3 , 3.4 μm, width, 11.4 μm, oxide film width: 6 μm, film thickness: 0.5 μm, width of the region where no oxide film is formed: 9 μm.
[0020]
FIG. 5 is a characteristic diagram in the forward direction of the power diode (A) according to the first embodiment of the present invention. As a comparative example, the structure of the semiconductor substrate is the same as that of the first embodiment, and the forward characteristics of the comparative diode (B) without the insulating film 3 on the surface and the conventional pin diode (C) are also described. The surface impurity concentration of the p anode layer 4 of the pin diode (C) was 3 × 10 16 / cm 3 and the junction depth was 3.4 μm. Lifetime control was performed by electron beam irradiation. The breakdown voltage of each of the power diode (A), the comparison diode (B), and the pin diode (C) exceeds 3000V. When comparing the forward voltage at 100 A / cm 2 that is normally used as the rated current, the forward voltage of the pin diode (C) is 2.9 V, compared to the power diode (A) and the comparison diode (B). Is not much different from 3.1-3.2V.
[0021]
On the other hand, in FIG. 5, when the forward voltage is compared at a surge current region of 1000 A / cm 2 or more, the power diode (A) is compared to the comparison diode (B) 9.6 V and the pin diode (C) 9.1 V. Then, the on-voltage is reduced to 8.9V. Therefore, heat generation during surge current application is reduced, and an increase in intrinsic carrier concentration is suppressed, so that surge current resistance is improved.
[0022]
As described in the previous section, in the power diode (A) in which the oxide film is formed, the minority carriers (electrons in the p anode layer 4) of the semiconductor surface layer are dammed to the insulating film in the region where the insulating film 3 is formed. The higher the injection state, the higher the electron concentration in the p anode layer 4 near the insulating film, and the higher the hole concentration in the n drift layer 5 so as to satisfy the neutral condition. This is probably because of this. Therefore, when the insulating film 3 is formed on a part of the surface of the p anode layer 4, the forward voltage increases as the forward current increases as compared with the comparison diode (B) and the pin diode (C) without the insulating film 3. The rate is small. Normally, there is no reverse recovery mode operation in the surge current region. Accordingly, it is not necessary to consider the influence on the reverse recovery characteristics due to the promotion of hole injection in such a current region.
[0023]
FIG. 6 is a characteristic diagram comparing the recovery characteristics of the power diode (A), the comparative diode (B), and the conventional pin diode (C) of the second embodiment. The horizontal axis is the forward voltage at 100 A / cm 2 , and the vertical axis is the reverse recovery peak current. The conditions for the reverse recovery operation are I F = 100 A / cm 2 , V R = 1300 V, and −dI F / dt = 250 A / (cm 2 · μs). As seen in this figure, the forward voltage and the reverse recovery peak current are in a trade-off relationship, and although the power diode (A) of this embodiment is slightly outside the comparison diode (B), it is a pin diode. It can be seen that the trade-off characteristic is superior to (C). That is, when compared with diodes having the same forward voltage, the power diode (A) of this embodiment has a small reverse recovery peak current, so that the switching speed is high and the switching loss is small.
[0024]
As described in the previous section, the p + source region 7 having a higher concentration than the p anode layer 4 is formed, and the anode electrode 1 is in contact with a part of the surface. At (˜100 A / cm 2 ), current mainly flows from the p anode layer 4 in contact with the anode electrode 1. This is because by reducing the surface concentration of the p anode layer 4, the hole injection can be suppressed lower than that of the conventional pin diode, and the reverse recovery characteristic is improved.
[0025]
In other words, the power diode of this example has higher forward characteristics in the surge current region and reverse recovery characteristics in the rated current region than the conventional pin diode, and can withstand higher speed and severe operation. It is. It can be said that the influence of the formation of the insulating film 3 on the characteristics is negligible.
As long as the insulating film 3 and the p + source region 7 have a structure in which currents are not concentrated, such as stripes or dots, stable characteristics can be obtained. The thickness and width of the insulating film 3 and the surface concentration, width and junction depth of the p anode layer 4 and p + source region 7 can be controlled by existing process technology, and can be optimized in accordance with the device structure and the like. In this example, the insulating film 3 is the oxide film that is the easiest to form, but an insulating material other than the oxide film, such as a nitride film or polyimide, may be used.
[0026]
[Example 2]
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the power diode according to the second embodiment of the present invention. This example shows a case where the diffusion depth of the p anode layer 4 is smaller than that of the p + source region 7 as compared with the embodiment 1 of FIG. Insulating film 3 is provided in contact with the surface of p + source region 7. By doing in this way, the effect | action which suppresses further the injection | pouring of the hole from the p anode layer 4 to the n drift layer 5 is acquired, and a reverse recovery characteristic can be improved.
[0027]
[Example 3]
FIG. 3 is a partial sectional view of a unit portion near the center of the chip of the power diode according to the third embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment shown in FIG. 1 is that the p + source region 7 having a higher concentration than the p anode layer 4 is not formed. The insulating film 3 is provided in contact with the surface of the p anode layer 4. However, in this example, the boron ion implantation amount for forming the p anode layer 4 is increased, and the surface concentration of the p anode layer 4 is about one order of magnitude higher than that in the case of Example 1, that is, the p anode layer 4 The surface impurity concentration and the diffusion depth are 3 × 10 16 / cm 3 and 3.4 μm, respectively.
[0028]
Therefore, the power diode of the third embodiment can reduce the man-hours by the amount that the p + source region 7 is not formed as compared with the first embodiment. Further, in the power diode of Example 3, a forward voltage lower than that of Example 1 was obtained in the surge current region.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by providing an insulating film on a part of the surface of the second conductive type anode layer or the surface of the second conductive type source region, and contacting the anode electrode to a part without the insulating film, The on-voltage in the surge current region is reduced, heat generation is suppressed, and the surge current resistance is improved. In particular, if the impurity concentration of the second conductivity type anode layer is lowered, reverse recovery characteristics at the rated current can be improved, and a large surge current withstand capability and high-speed reverse recovery characteristics, which were difficult with conventional pin diodes, are possible. A power diode capable of coexisting with the above is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view of a power diode according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial sectional view of a power diode according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a partial cross-sectional view of a conventional power pin diode. FIG. 5 is a diagram of forward static characteristics of a power diode according to an embodiment of the present invention and a comparative example. Trade-off characteristics diagram of reverse recovery peak current and on-state voltage of power diode of example and comparative example [description of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode electrode 2 Cathode electrode 3 Insulating film 4 p anode layer 5 n drift layer 6 n + cathode layer 7 p + source region
Claims (8)
第二導電型アノード層の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない前記第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、
前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成された前記アノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたことを特徴とする電力用ダイオード。The first conductivity type cathode layer, the first conductivity type drift layer having a lower impurity concentration than the first conductivity type cathode layer, and the second conductivity type anode layer are all stacked in this order, and the second conductivity type anode layer In the power diode having an anode electrode in contact with the surface of the first electrode and a cathode electrode in contact with the back surface of the first conductivity type cathode layer,
An insulating film is formed on a part of the surface of the second conductivity type anode layer, and the anode electrode is in contact with the surface of the second conductivity type anode layer where the insulation film is not formed ,
A power diode comprising a cross-sectional shape of the insulating film and the anode electrode in which a unit portion composed of the anode electrode formed so as to sandwich the insulating film and the insulating film is repeatedly formed .
第二導電型アノード層の一部に第二導電型アノード層よりも高濃度の第二導電型ソース領域が形成され、その第二導電型ソース領域の表面上の一部に絶縁膜が形成され、その絶縁膜が形成されない前記第二導電型ソース領域および前記第二導電型アノード層の表面に前記アノード電極が接し、
前記第二導電型ソース領域と前記絶縁膜と前記アノード電極との断面形状が、前記第二導電型ソース領域と前記第二導電型ソース領域の表面上の一部に形成された前記絶縁膜と前記絶縁膜を挟むように形成されたアノード電極からなる単位部分を繰返し形成したものを備えたことを特徴とする電力用ダイオード。 The first conductivity type cathode layer, the first conductivity type drift layer having a lower impurity concentration than the first conductivity type cathode layer, and the second conductivity type anode layer are all stacked in this order, and the second conductivity type anode layer In the power diode having an anode electrode in contact with the surface of the first electrode and a cathode electrode in contact with the back surface of the first conductivity type cathode layer,
A second conductivity type source region having a concentration higher than that of the second conductivity type anode layer is formed on a part of the second conductivity type anode layer, and an insulating film is formed on a part of the surface of the second conductivity type source region. The anode electrode is in contact with the surface of the second conductivity type source region and the second conductivity type anode layer where the insulating film is not formed,
A cross-sectional shape of the second conductive type source region, the insulating film, and the anode electrode, wherein the second conductive type source region and the insulating film formed on a part of the surface of the second conductive type source region; A power diode comprising: a unit portion formed of an anode electrode formed so as to sandwich the insulating film .
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