JPS58122782A - 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】 本発明はダイオードに関し、特に高耐圧のショットキ整
流（接金ともいう）ダイオードに関する。

最近のスイッチング電源の発展あるいは主意機械および
工作機械等における電動機の電子制御化の傾向にともな
い、電力高周波整流に使用するに必要な高速逆回復特性
をもつ整流ダイオードに対する要求が増大している。高
速逆回復特性のダイオードとしてはショットキ整流形ダ
イオードが最も優れ九ものであるが、逆方向耐圧は４０
ないし５０ｖ＠度にとどｔｂ、直流出力が１２Ｖ以上の
スイッチング電源および多くの電動機電子制御には耐圧
不足で使用できないものであった。そのため、高耐圧を
要する用途ではライフタイム制御を施したｐｎ接合ダイ
オードが使用されているが、これは逆回復速度がショッ
トキ整流ダイオードよシも遅く、を九ツイフタイム制御
工程の再現性維持が難しいことに加えて順電圧降下が大
きいために、使用上で必ずしも好ましい素子ではない。

以上の理由から、ショットキ整流ダイオードの為速逆回
復特性を保ちながら逆耐圧を向上させることが切に要望
されていえ。

従来のショットキ整流ダイオードの高耐圧化を阻んでい
た原因は以下のようなことである。ショットキ整流ダイ
オードは、第１図に示す如く、筒不細物濃度のｎ形半導
体基板１とその表面上にエピタキシャル成長によシ形成
された低不純物一度のｎ形牛導体層（以下、単に低不純
物鹸度層という）２および金属層としてのショットキ接
合形成用金属電極３からなる。その順電圧降下値は、低
不純物濃度層２と金属電極３の間のショットキ接合電位
降下と低不純物濃度層２の直列抵抗による電圧降下との
合計に等しい。ところで、ショットキ整流ダイオードを
高耐圧化する方法は、低不純物濃度層２の不純物濃度の
値を小さくして抵抗率ρを高くとり、かつ当咳低不純物
濃度層２の厚さｔを大きく設定することである。ところ
が、従来のショットキ整流ダイオードは多数キャリア素
子であり、少数キャリアによる低不純物濃度層２の伝導
度変調を生じないため、当該低不純物濃度層２の抵抗率
ｐと厚さｔを大きくとることは直列抵抗による電圧降下
をショットキ接合電位降下より小さく設定することで定
ま夛、常用電流密度を１１ショットキ接合での電子に対
する電位障壁を第２図の如くΦ塾として、ρｔＳ＜Φｌ
により与えられる。実際には、従来のショットキ整流ダ
イオードではさらに余裕を見込んで、シリコンショット
キ接合ではその電位障壁Φ暑は０．６〜０．９・Ｖであ
るにもかかわらすρＬ：ｒ　（０，２〜０．３　　の範
囲に設定しておシ、これを逸脱する例は存在しなかつ友
。

整流ダイオードとして実用的に意味のあるｔ流密度：ｒ
ｏ＠は５０〜５００ム／−であるため、この範囲で上式
を満足するρｔの値はかなｐ小さくなり、その結果、逆
耐圧の値は高々５０ｖ程度にとどまシ、逆耐圧のさらに
高いショットキ整流ダイオードを得ることは困難であっ
た。

本発明は上記した点に鑑みてなされたもので、その目的
は、従来のショットキ整流ダイオードにおける上式の制
限条項ρｔａｒ＜Φｌに束縛されることなくρｔの値を
大きくとることによシ、高速逆回復特性を保ちながら逆
耐圧を向上させたショットキ整流ダイオードを提供する
ことにある。

このような目的を達成するために、本発明は、ｎ形の半
導体基板上に咳基板と同−導電形でかつ低不純物濃度の
半導体層を形成し、この半導体層の表面上に金属層を付
してショットキ接合を形成した構造のダイオードにおい
て、上記ショットキ接合の障壁を通して前記金属層から
低不純物ｌｌ１１度の牛導体°層に少数キャリアの正孔
を注入し、この注入によって当該半導体層を伝導度変調
するように設定し九ものである。すなわち、本発明は、
上記低不純物一度の半導体層の抵抗率−と厚さＬおよび
金属層との間の正孔に対するショットキ接合障壁高Φｈ
を所定の範囲に設定することによ）、ショットキ整流ダ
イオードにおける少数キャリアの注入を利用し丸もので
ある。したがって、従来のショットキ整流ダイオードで
はその少数キャリアの注入は素子動作速度を劣化させる
ものとして極力回避されていたが、本発明によれば、金
属層から低不純物濃度の半導体層への少数キャリアの注
入を利用することによって、ダイオードの逆回復速度を
高速に保つ九ｉｔで有効な伝導度変調を期待できるため
、上記ｐｔＯ値を大きくとることが可能となシ、従来の
ショットキ整流ダイオードでは得られないすぐれた高耐
圧特性を得ることができる。

以下、本発明の実施例を図面につ暑説明する。

壓１図は本発明によるショットキ整流ダイオ−□ドの基
本構造を説明するための断面図であり、半導体基板とし
てシリコンを用いた場合を示している。本発明のショッ
トキ整流ダイオードは、高不純物濃度のｎ形シリコン基
板１上にエピタキシャル成長によりｎ形の低不純物濃度
層２を形成し、この低不純物濃度層２の表面上に金属層
としてのショット中接合形威用金属電極３を形成する点
はキ 従来のシ冒ツ１＃！ダイオードと同様であるが、上記低
不純物濃度層２の抵抗率ｐをρ≧ｌθΩ譚に設定すると
ともに、当該層２の厚さｔを５μ凰≦ｔ≦２０μ票に設
定し、かつ低不純物濃度層２と金属電極３との間のショ
ットキ接合の正孔に対する電位障壁らを、０．７５ｓｖ
≦Φ勝≦０．９５ｅＶＫ設定したものである。この場合
、上記の如き数値の１定に際して解析した低不純物濃度
層２の抵抗率ρと厚さｔおよび金属電極３との間の正孔
に対する電位障壁Φｈの各項目について以下詳細に説明
する０ まず、低不純物濃度層２の抵抗率に関して、その厚さＬ
が与えられた場合、ショットキ整流ダイオードの逆耐圧
の可能な最大値は抵抗率ρが無限犬のときに得られる。

この抵抗率ρを低い値からノー加させると、逆耐圧は次
第に増大し、最後に上ｉｆｄ大耐圧値に至る。この抵抗
率ρと耐圧の関係は囲えば′Ｆｄ己の文献をもとに算出
することができる。ｓ、　ｇ　８ｚｅ　：　Ｐｈｙｓｉ
ｃａ　ｏｆ　ｓｅｍｔｃｏｎａｕｃｔｏｒ　ｐｅｖｔｃ
ｅｓ　　。

ＰＩ　１１〜Ｆ１２６　ＮｓｗＹｏｒｋ＋Ｗｉｌｓ！ｙ
、　（１９６９）ｉｉｊＩ３図は逆耐圧の抵抗率依存性
を求めたものであり、横軸に低不純物濃度層の抵抗率ρ
を、縦軸に逆耐圧をそれぞれ示し、低不純物濃度層２の
厚さｔを５〜２０μ講の範囲で変化させた場合を示して
いる。ここで、厚さＬ−５μｍｎは従来のショットキ整
流ダイオードよシ明らかに高い耐圧値の得られる最小値
であシ、厚さＬ−２０μ准は後述するように低不純物濃
度層２内の正孔蓄積時間を小とするための叡大儀である
。しかして、第３図で明らかな如く、厚さＬを与えれば
耐圧の最高値が定まるが、この可能な最高耐圧値あるい
はそれに準する１直を実穏するためには、抵抗率ρの値
として少なくとも１０Ｑｍ以上、好ましくは２Ｏ２ｍ以
上を設定することが好適である。

つぎに、ショットキ接合の″＃ＩＬＭ暉髪１：１に関し
て、上記に述べた抵抗率ρは従来のショットキ整流ダイ
オードに用いられている値よυ１桁以上的いため、その
ままでは直列抵抗が大きく実用に山・ｊえない。すなわ
ち、第４図（ａ）に１−電圧降下と１胆方同′−流密度
との順方向特性の概略を示すように、小−流域ではショ
ットキ接合で定まるダイオード％性ムを示すが、電流が
増加すると直列抵抗によりＢの如く特性が曲がシ、続い
て点＠Ｃのように１１１電圧降下が激増する。前述のよ
うに耐圧を確保するため抵抗率ρを１０４２ｚ以上の高
い値にとれば、実用的な動作電流密度５０〜５００クー
の範囲ではダイオード特性はこの点ｌｌＭＣの領域にあ
り、順電圧降下がｉｖから数十７以上となってまったく
使用に耐えない。本発明では、低不純物嬢度層２の直列
抵抗含金属電極３からの正孔注入によシ伝害Ｉｔ変調し
て亀４図（＆）の曲縁りに示すような順電圧降下の低い
状態を実塊する。このためには、・５７２図に示す正孔
に対する電位障壁Φｈｔある程度小さくとる必要がある
。電流密度が高い領域ではこの電位障壁Φｈを越え得る
正孔量に限度があることによって特性が定まり、第４図
ｅ）の領域Ｅの如ダ飽和傾向を生じて順電圧降下が増加
する。上記電位障壁Φｈが大きいときはこの領域が実用
的な電流密度範囲内で発生するようになシ、好ましくな
い。なお、第４図（ａ）　において横軸の順電圧降下、
縦軸の１１方向電流密度は共に対数目盛の場合を示して
いる。

輔４図（至）に示す実線は上記電位障壁Φｈに対する！
！１１を圧降下の値を求めたものであって、Φｈ〉０．
４８Ｖの範囲ではΦｈ會越え得る正孔量が少ないため、
伝導度肇調が不足で順電圧降下が急増する。

したがって、電位障壁Φｈは０．４０Ｖ以下に設定する
。なお、同図は電流密度３００リ−における値であるが
、実用的な電流密度範囲５０〜５００ム、４で特性の傾
向は変わらない。

このように本発明のショットキ整流ダイオードは、正孔
による伝導度変調を利用する九め、従来のショットキ整
流ダイオードとけ異なり、正孔蓄積時間を考慮する必要
がある。これは正孔に対する電位障壁Φｈが小さいほど
大きい値となり、絽４図（ト）の点線で示すように、Φ
ｈ＜０．１θＶでは急激に増大する。したがって、高速
性を維持するためには＃ｈＯ値を０．１・７以上にとる
必要がある。

以上によって、正孔に対する電位障壁Φｈの範囲Ｗ（第
４図に）参照）が限定される。なお、この電位障壁Φｈ
の異なる複数の金属電極を低不純物濃度層上に並置して
設けることも可能である。そのと亀はいずれのΦｈの値
も前記範囲内にあるものとする。

また、低不純物濃度の厚さに関して、正孔蓄積量はその
電位障壁Φｈの値の他に、低不純物嬢度層２の厚さｔＫ
も依存する。この厚さｔが増加すると正孔蓄積時間も増
大するが、第５図に示す如＜、１＞２０μ罵の領域で増
大が急激になる。本発明のダイオードを高速動作させる
ためには、ｔ〈２０μ屡の範囲に設定す・る。なお、従
来のダイオードより高耐圧の特性を得るためにはｔ＞５
μｍ　と□する必要のあることは上述し九とおりである
。第５図において、符号Ｘは厚さｔの許容範囲を示して
いる。

次に、本発明によるショットキ整流グイスートの具体的
な実施例を第６図を参照して説明する。

半導体基板１１として抵抗率０，０１Ω譚、厚さ２８０
μ肩のｎ形シリコンウェハを用いた。その表面上に２０
〜３０Ω譚のｎ形エビタキクヤル層１２を１５μｍの厚
さに堆積する。続いてガードリンク１３を形成するため
、硼素を深さ０．５μｍ１表間濃度５Ｘ　１０”ａｍ”
に拡散する。次にメサエッチング加工により１０μ諺の
深さにメサ周辺部１４を形成し、続いて酸素中で熱処理
してメサ周辺部１４を０．６μ肩の酸化［１５で被覆す
る。このとき、ガードリング１３は深さ１．５μ篤、表
面鎖度ｘｘｔｏ’９石１程度に拡散させる。続くショッ
トキ接合電極１Ｂの形成は次の順序で行なう。初めに真
空中６００℃で白金を１ｏｏｏｌ蒸着し、白金シリサイ
ドを形成する。シ曹ットキ接合はヒれとエピタキシャル
層１２との間に形成される。次にこれを王水処理し、酸
化膜１５の上の白金を除去する。続いてクロムを５００
に、ニッケルを０．３μ簿、鋸を０．３μ風蒸着し、ｔ
−ｔ　Ｏ，５７Ａｌｌ、ａ％ＥｌｌＩ度１　ｘ　１０”
奮３程度に拡ＭＬり後、アルζニウムを０．２ｆｉ肩、
ニッケル全０．５μｍ蒸着して構成した。なお、シ膳ッ
トキ接合は缶属として白金あるいは白金シリサイドの他
に、パラジウム、パラジウムシリサイド等でも良好な結
果が得られる。

このようにして得られたショットキ整流ダイオードの逆
方向特性はａＩ７図のようになり、耐圧２２０〜２３０
７．許容接合温度（Ｔｊ）１２５℃程ｉが可能である。

なお、第６図に示したダイオードの有効面積は１６−で
ある。第８図は本発明によるショットキ整流グイスート
の逆回復特性を示す。

測定は３０ムの順電流を通電した後、減少＄５０％ｓで
電流工を降下させて行なった。この条件下での逆回復時
間は５０ｎｓｅｃ、最大逆電流は１．３Ａとなシ、従来
の低耐圧ショットキ整流ダイオードと同郷の高速特性を
示した。第８図において符号工。

は電流値のゼロレベルを示している。なお、本発明によ
るショットキ整流ダイオードの順方向電圧降下は電流値
３０ムで０．８２Ｖ、１００ムで０．９５ｖとなり、通
常のＰｎ接合ダイオードより多少小さい値であった。

なお、上述の実施例では半導体基板としてシリコンを用
いた場合について示したが、半導体基板としてはシリコ
ンの他にガリウム・砒素等を用いても同様の効果が得ら
れること祉いうまでもない。

以上述べた如く本発明のショットキ整流ダイオードによ
れば、高速逆回復特性を保ちながら逆耐圧を２００ｖ以
上にとる仁とができ、この種装置の特性向上に多大のす
ぐれた効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来および本発明のショットキ整流ダイオード
の基本構造を説明するための断面図、第２図＃−ｔＭＩ
図におけるダイオードのエネルギー準位を示す図、８３
図は本発明にょるショットキ整流ダイオードの逆耐圧の
抵抗率依存性を示す特性図、第４図（１）は同じく順電
圧降下と順方向電流密度との概略な示す順方向特性図、
第４図Ｇ）は正孔に対する電位障壁Φｈと順電圧降下お
よび正札蓄積時間の関係を示す特性図、第５図は低不純
物一度層の厚さＬと正孔蓄積時間との関係を示す特性図
、第６図は本発明によるショットキ整流グイスートの具
体的な一実施例を示す断面図、第７１：？１は第６図の
ダイオードで得られた接合温度Ｔｊに対する逆耐圧と順
方向電流との関係を示す特性図、第８図は同じく第６図
のダイオードにて得られた属電極（金属層）。 特許出願人　　　日本１を信電話公社 代理人　　山川政樹 顎蓄司　２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｎ形の半導体基板上に該基板と同一導電形の半導体層を
   形成し、この半導体層の表面上に金属層を付してショッ
   トキ接合を形成した構造のダイオードにおいて、順方向
   動作時に前記金属層から前記半導体層に、誼半導体層を
   伝導度変調するに十分な量の正孔が注入されるようにシ
   璽ットキ接金障壁値を設定したことを特徴とするダイオ
   ード。