JP4031371B2

JP4031371B2 - High voltage semiconductor element

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Publication number: JP4031371B2
Application number: JP2003002319A
Authority: JP
Inventors: 孝四戸; 良博南
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JP2003224282A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧ダイオードなどの高耐圧半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の高耐圧素子の１つである高耐圧ダイオード（第１の従来の高耐圧ダイオード）の要部断面構造、ならびに同素子内の不純物濃度分布およびオン状態のキャリア濃度分布を示している。
【０００３】
Ｎ^- 型シリコンからなる高抵抗のＮ^- 型ベース層１の一方の面にはＰ⁺ 型アノード層２を介してアノード電極４が形成され、他方の面にはＮ⁺ 型カソード層３を介してカソード電極５が形成されている。
【０００４】
阻止電圧４５００Ｖ級の高耐圧ダイオードの場合、各部の不純物濃度および寸法は、Ｎ⁻ 型ベース層１は不純物濃度１．０×１０¹³〜１．８×１０¹³／ｃｍ³、厚み４５０〜９００μｍ、Ｐ⁺ 型アノード層２およびＮ⁺ 型カソード層３は表面濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³、厚み１４〜７０μｍに設定される。
【０００５】
このような高耐圧ダイオードにおいては、１００Ａ／ｃｍ² 程度の電流でオン電圧約２．６Ｖが得られる。高耐圧特性は接合終端部をベベル構造とすることで達成されている。
【０００６】
この種の構造の高耐圧ダイオードでは、高注入状態においてＮ⁻ 型ベース層１内には多量のキャリアが蓄積している。そのキャリア分布は図９に示す通りである。特に電子注入および正孔注入があるＮ⁺ 型カソード層３およびＰ⁺ 型アノード層２の近傍で高いキャリア濃度を示す。
【０００７】
このように多量のキャリアが蓄積している結果、逆バイアスを印加したオフ時には大きい逆回復電流が流れる。例えば、上述した素子パラメータの場合、逆方向印加電圧１０００Ｖ、電流変化率ｄｉ／ｄｔ＝−２００Ａ／μｓ・ｃｍ² でオフした時に、１００Ａ／ｃｍ² 程度の大きな逆回復電流が流れる。したがって、この逆回復電流により大きい電力を消費し、発熱を生じる。これは、高速スイッチングを妨げる原因となる。
【０００８】
高耐圧ダイオードの逆回復特性を改善する方法として、Ｐ⁺ 型アノード層２の表面不純物濃度を下げ、その厚みを薄くすることが有効である（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００９】
これは、Ｐ⁺ 型アノード層２側の正孔注入効率を下げることによって、逆回復時の初期に空乏層が広がる接合付近のキャリアをオン状態で少なくしておくことができるためといわれる。
【００１０】
しかしながら、Ｐ⁺ 型アノード層２の表面濃度を下げることは、アノード電極４とのオーミックコンタクトを十分に低くすることを困難にし、オン特性を悪化させることになる。電力用として必要な良好なオーミックコンタクトをとるためには、Ｐ⁺ 型アノード層２の表面濃度を１×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度にすることが必要である。
【００１１】
また、Ｐ⁺ 型アノード層２の濃度を低くしてしかも厚みを薄くすると、逆バイアス印加時にＰ⁺ 型アノード層２内に伸びる空乏層がアノード電極４にまで達する状態になり、十分な高耐圧特性が得られなくなる。
【００１２】
このような第１の従来の高耐圧ダイオードの持つ問題を解決するために、他の高耐圧ダイオード（第２の従来の高耐圧ダイオード）が提案された。図１０（ａ）（ｂ）は、第２の従来の高耐圧ダイオードのアノード側平面図とそのＡ−Ａ´断面図である。
【００１３】
高抵抗のＮ⁻ 型ベース層１の一方の面には選択的に高濃度のＰ型のアノード層（エミッタ層）が拡散形成されている。アノード層は、Ｎ⁻ 型ベース層１に拡散形成されたＰ⁺ 型アノード層（Ｐ⁺ エミッタ層）本体であるＰ⁺ 型層２₁ と、その表面部に拡散形成されたより高濃度のＰ⁺⁺型層２₂ により構成されている。
【００１４】
また、Ｐ⁺⁺型層２₂ の中には、図１０（ａ）に示すように。ストライプパターンを持った複数本の高濃度のＮ⁺⁺型層６が拡散形成されている。そして、Ｐ⁺⁺型層２₂およびＮ⁺⁺型層６に同時にコンタクトするようにアノード電極４が形成されている。
【００１５】
Ｐ⁺⁺型層２₂は、アノード電極４がアノード層に対して低抵抗のオーミックコンタクトを取るためのコンタクト層である。また、Ｎ⁺⁺型層６は、アノード層２からＮ⁻ 型ベース層１への正孔注入の面積を減少させ、電子を排出するための電流ブロッキング層である。したがって、Ｐ⁺⁺型層２₂とＮ⁺⁺型層６は、低抵抗接触と正孔注入量の兼ね合いで所定の面積比をもって互いに分散した状態で形成される。
【００１６】
一方、Ｎ⁻ 型ベース層１の他方の面には、高濃度のＮ⁺ 型カソード層３が全面に形成され、これにカソード電極５が形成されている。Ｎ^- 型ベース層１のアノード側に露出する面は、酸化膜７で覆われている。
【００１７】
より具体的な各部の不純物濃度および形状の例を説明する。
図１１は、この第２の従来例のダイオードのアノード側のＰ⁺⁺型層２₂ とこれに隣接するＮ⁺⁺型層６からなる基本構成部分の断面と、そのＡ−Ａ´断面、Ｂ−Ｂ´断面の不純物濃度分布を示している。
【００１８】
Ｎ⁻ 型ベース層１は厚さ４５０μｍ、不純物濃度１×１０¹³／ｃｍ³ であり、Ｐ⁺ 型層２₁ は拡散深さ１．５μｍ、表面濃度１×１０¹⁷／ｃｍ³ であり、Ｐ⁺⁺型層２₂は拡散深さ０．３μｍ、表面濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³ であり、Ｎ⁺⁺型層６は拡散深さ０．４μｍ、表面濃度１×１０²⁰／ｃｍ³ であり、Ｎ⁺ 型カソード層３は拡散深さ１５μｍ、表面濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³ である。
【００１９】
Ｐ⁺ 型層２₁ のＮ⁺⁺型層６下の部分のシート抵抗ρは、
５００Ω／□＜ρ＜２００００Ω／□
の範囲に設定することが望ましい。
【００２０】
交互にストライプ状に配列されるＮ⁺⁺型層６の幅ｄ₁と、Ｐ⁺⁺型層２₂ の幅ｄ₂ とは、ｄ₁ ≦ｄ₂ に設定されるが、この従来例ではｄ₁ ＝ｄ₂ である。また、逆回復時の電流集中を考慮して、ｄ₁ ＜１５μｍに設定することが望ましい。これにより、破壊耐量の向上が図られる。
【００２１】
図１１には、以上のような不純物濃度分布および形状寸法に設定した高耐圧ダイオードのオン状態（高注入状態）でのＮ⁻ 型ベース層１内でのキャリア濃度分布が、第１の従来の高耐圧ダイオードのそれ（破線）と共に示されている。
【００２２】
この第２の従来の高耐圧ダイオードによれば、アノード層が、従来に比べると低濃度のＰ⁺ 型層２₁ を主体とし、かつアノード層からの正孔注入を抑制するブロッキング層としてＮ⁺⁺型層６を設けたことによって、図１１に示すように高注入状態においては、Ｎ⁻ 型ベース層１内でのキャリア濃度分布が、カソード側で１×１０¹⁷／ｃｍ³ であるのに対して、アノード側ではこれより一桁以上少ない１×１０¹⁵／ｃｍ³ 程度になる。このようにＮ⁻ 型ベース層１内でのアノード側でのキャリア濃度が少なくなる結果、逆回復特性が改善される。
【００２３】
図１２は、この第２の従来の高耐圧ダイオードの逆回復特性を第１の従来の高耐圧ダイオードと比較して示している。これは電流密度１００Ａ／ｃｍ² （オン電圧２．６Ｖ）で、印加電圧１０００Ｖ、ｄｉ／ｄｔ＝−２００Ａ／μｓ・ｃｍ² での波形である。図１２から、第２の従来の高耐圧ダイオードによれば、逆回復電流を小さく保つことができ、逆回復特性を改善できることが分かる。
【００２４】
ところで、アノード層内に注入ブロッキング層としてＮ⁺⁺型層６を形成したことにより、逆回復時に寄生トランジスタ効果が生じる可能性がある。これは、図１３に示すように、逆回復電流がアノード層のＰ⁺ 型層２₁ 内を横方向に流れて、Ｐ⁺ 型層２₁ とＮ⁺⁺型層６とから成る接合がビルトイン電圧（０．５Ｖ）以上の順方向バイアスとなることにより発生する。したがって、これを抑制することが必要である。
【００２５】
Ｎ⁺⁺型層６直下のＰ⁺ 型層２₁ 中の横方向電圧降下ＶR の値は、Ｎ⁺⁺型層６直下のＰ⁺ 型層２₁ のシート抵抗ρ_p+と、そこを流れる電流密度ｉと、Ｎ⁺⁺型層６の幅ｄ₁ を用いて、
ＶR ＝ρ_p+（ｉ／２）（ｄ₁ ² ／４）
と表すことができる。この電圧ＶR がビルトイン電圧（０．５Ｖ）よりも小さければ、Ｎ⁺⁺Ｐ⁺ Ｎ⁻ Ｎ⁺ の寄生トランジスタが動作することはなく、スイッチング損失が低減される。
【００２６】
寄生トランジスタの動作を防止するための条件を、Ｎ⁺⁺型層６およびＰ⁺⁺型層２₂ の分散配置のあらゆる場合を想定してより一般化して説明すれば、次のようになる。
【００２７】
素子に流れる電流の密度をｉ〔Ａ／ｃｍ² 〕、Ｎ⁺⁺型層６直下のＰ⁺ 型層２₁ のシート抵抗ρ_p+（Ω／□）、Ｎ⁺⁺型層６の領域の点の集合をＡ（ａ）、Ｎ⁺⁺型層６の領域とＰ⁺⁺型層２₂ の領域との境界上の点の集合をＢ（ｂ）とする。
【００２８】
このとき、任意の点ａからｂまでの距離をｄabとして、
Ｄ＝ｍａｘ．（ｍｉｎｄab）
を満たす距離Ｄ［ｃｍ］、およびＮ⁺⁺型層６とＰ⁺ 型層２₁ と間の接合電圧Ｖｊ［Ｖ］としたとき、
Ｖｊ＞ρ_p+（ｉ／２）Ｄ²
を満たせばよい。
【００２９】
図１４は、以上の寄生トランジスタが動作する条件をシート抵抗ρ_p+とＮ⁺⁺型層６の幅ｄ₁ との関係で示したものである。アノード層のＰ⁺ 型層２₁ のシート抵抗が２００００Ω／□の場合で、電流密度（電流集中がある場合にはその最大電流値と同じ）が１００Ａ／ｃｍ² であるとき、ｄ₁ ＝１５μｍで、Ｖｊ＝０．５Ｖとなる。
【００３０】
このことから、ｄ₁ ＜１５μｍとすることが寄生トランジスタ効果を抑制するために必要である。電流密度が２００Ａ／ｃｍ² のときは、ｄ₁ ＜７．５μｍ、さらに電流密度が５００Ａ／ｃｍ² のときは、ｄ₁ ＜３μｍとする。
【００３１】
また、素子面積が小さく、電流集中が少ないときは、ｄ₁ を比較的大きく選ぶことができる。一方、素子面積が大きく、電流集中がある場合には、ｄ₁ は小さく、例えば、３μｍ以下に選ぶことが望ましい。
【００３２】
このように改善された第２の従来の高耐圧ダイオードにおいては、寄生トランジスタ効果を抑制するために、ｄ₁ を３μｍ以下と非常に小さな値に設定せざるを得なかった。
【００３３】
そのため、キャリアの蓄積量はＰ⁺⁺型層２₂ の直下においても、Ｎ⁺⁺型層６の直下よりわずかに多い程度にとどまり、電流密度が高くなると大きなオン電圧が発生するという問題があった。
【００３４】
したがって、第２の従来の高耐圧ダイオードでは、オン特性の改善（例えば、オン電圧の低減）と逆回復特性の改善（例えば、逆回復電流の低減）の両立が困難であった。
【００３５】
また、図１２に示したように、第１の従来の高耐圧ダイオードと同じオン電圧に設定しようとすると、キャリアライフタイムを大きくせざるを得ないので、逆回復の際に逆回復電流は小さいもの、テイル電流が長い間流れて大きな電力損失を発生する問題があった。
【００３６】
図１５は、第１の従来の高耐圧ダイオードを改良した第３の従来の高耐圧ダイオードの基本構成部分の断面と、そのＡ−Ａ´断面、Ｂ−Ｂ´断面の不純物濃度分布を示している。
【００３７】
この第３の従来の高耐圧ダイオードでは、第２の従来の高耐圧ダイオードでＮ⁺⁺型層６を形成した部分に、表面不純物濃度を下げ、その厚みを薄くしたＰ⁻ 型アノード層２₃ が拡散形成されている。
【００３８】
具体的には、Ｐ⁺ 型アノード層２₁ は拡散深さ５μｍ、表面濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³ であり、Ｐ⁻ 型アノード層２₃ は拡散深さ１μｍ、表面濃度５×１０¹⁵／ｃｍ³ である。また、Ｐ⁻ 型アノード層２₃ のシート抵抗ρは、
５００Ω／□＜ρ＜２００００Ω／□
の範囲に設定することが望ましい。
【００３９】
交互にストライプ状に配列されるＰ⁻ 型アノード層２₃ の幅ｄ₁ と、Ｐ⁺ 型アノード層２₁ の幅ｄ₂ とはｄ₁ ≦ｄ₂ に設定されるが、具体的にこの第３の従来の高耐圧ダイオードではｄ₁ ＝ｄ₂ である。
【００４０】
図１５には、以上のような不純物濃度分布および形状寸法に設定した高耐圧ダイオードのオン状態（高注入状態）でのＡ−Ａ´断面、Ｂ−Ｂ´断面に沿ったＮ^- 型ベース層１内でのキャリア濃度分布も示されている。この第３の従来の高耐圧ダイオードにおいても、アノード側でのキャリア濃度が少なくなっているので、逆回復特性が改善される。
【００４１】
ところで、Ｐ⁻ 型アノード層２₃ の幅ｄ₁ を大きくすると、第１の従来の高耐圧ダイオードで、Ｐ⁻ 型アノード層２の表面濃度を下げた場合と同様に、Ｐ⁻ 型アノード層２₃ 内部に空乏層が大きく広がり、逆バイアス印加時にリーク電流が大きくなる。
【００４２】
図１６は、逆方向印加電圧とリーク電流電流との関係をｄ₁ をパラメータとして示したものである。ｄ₁ が小さな場合には、Ｐ⁺ 型アノード層２₁ から広がる空乏層によりＰ⁻ 型アノード層２₃ がシールドされるので、リーク電流は小さくなる。しかし、ｄ₁ ＝３μｍになるとシールド効果が薄れリーク電流が増大してしまう。
【００４３】
このように第３の従来の高耐圧ダイオードにおいても、逆バイアス印加時のリーク電流を減らすために、ｄ₁ を３μｍ以下と非常に小さな値に設定せざるを得なかった。
【００４４】
しかしながら、ｄ₁ を小さくすると、第１の従来例と同様なキャリアプロファイルとなり、逆回復特性が改善されないという問題が生じる。したがって、第３の従来の高耐圧ダイオードでも、オン特性の改善と逆回復特性の改善の両立が困難であった。
【００４５】
図１７は、第１の従来の高耐圧ダイオードを改良した第４の従来の高耐圧ダイオードの基本構成部分の断面と、そのＡ−Ａ´，Ｂ−Ｂ´断面の不純物濃度分布とオン状態でのキャリア濃度分布を示している。
【００４６】
この第４の従来の高耐圧ダイオードでは、第２の従来の高耐圧ダイオードでＮ⁺⁺型層６を形成した部分に、拡散層を形成せずにショットキーコンタクト８を形成して電子電流だけが流れるようにしている。
【００４７】
この第４の従来の高耐圧ダイオードにおいても、アノード側でのキャリア濃度が少なくなっているので逆回復特性が改善されるが、第３の従来の高耐圧ダイオードと同様に、ｄ₁ を大きくすると、逆バイアス印加時にリーク電流が増大するという問題がある。
【００４８】
しかしながら、ｄ₁ を小さくすると、この場合も、第２の従来の高耐圧ダイオードの場合と同様に、Ａ−Ａ´断面のキャリア蓄積量はＢ−Ｂ´断面よりわずから多い程度にとどまるため、電流密度が高くなると、大きなオン電圧が発生するという問題が生じる。したがって、第４の従来の高耐圧ダイオードでも、オン特性の改善と逆回復特性の改善の両立が困難であった。
【００４９】
また、これら第３、第４の従来の高耐圧ダイオードにおいても、第１の従来の高耐圧ダイオードと同じオン電圧に設定しようとすると、第２の従来の高耐圧ダイオードの場合と同様に、キャリアライフタイムを大きくせざるを得ないので、逆回復の際に逆回復電流は小さいもの、テイル電流が長い間流れて大きな電力損失を発生する問題が生じる。
【００５０】
図６８は、従来の他の高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【００５１】
図中、４１は高抵抗のＮ⁻ 型基板を示しており、Ｎ⁻ 型基板４１の表面にはＰ型エミッタ層４２が形成され、このＰ型エミッタ層４２の表面にはアノード電極４９が設けられたＰ⁺ 型コンタクト層４５が形成されている。一方、Ｎ⁻ 型基板４１の裏面にはカソード電極５０が設けられたＮ⁺ 型エミッタ層４３が形成されている。
【００５２】
さらに、高耐圧特性を持たせるために、Ｎ⁻ 型基板４１の表面にはＰ⁻⁻型リサーフ層４６がＰ型エミッタ層４２に接して形成されている。また、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の外側にはＮ⁺ 型ストッパー層４７が設けられ、このＮ⁺ 型ストッパー層４７にはストッパ電極５１が設けられている。なお、図中、４８は絶縁膜を示している。
【００５３】
しかしながら、このような従来の高耐圧ダイオードには以下のような問題がある。すなわち、順方向通電状態において、急激に逆電圧を印加して阻止状態に回復させようとすると、空乏層が広がる際に最も高電界となるＰ型エミッタ層４２の端部のＤ点付近に素子周辺部に存在していた残留キャリアが集中する。これにより、局所的にアバランシェ電流が流れて素子が破壊されるなどの問題がある。
【００５４】
【非特許文献１】
M. Naito et al.,“High Current Characteristics of Asymmetrical P-i-N Diodes Having Low Forward Voltage Drops”, IEEE TRANSACTIONS OF ELECTRON DEVICES. VOL. 23, NO. 8 pp. 945-949, 1976.
【００５５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く従来の高耐圧ダイオードでは、高抵抗のＮ⁻ 型ベース層でのキャリア蓄積に起因してオフ時に大きな逆回復電流が流れ、逆回復特性が劣化するという問題があった。そこで、このような問題を解決するべく、種々の高耐圧ダイオードが提案され、それなりの効果も期待できたが、いずれの高耐圧ダイオードも逆回復特性およびオン特性の改善の両立は困難であるという問題があった。
【００５６】
また、従来の高耐圧ダイオードは、逆回復時に素子周辺部に存在していた残留キャリアが、Ｐ型エミッタ層の端部付近に集中し、局所的にアバランシェ電流が流れて素子が破壊されるという問題があった。
【００５７】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、オフ時の素子周辺部の残留キャリアによる破壊を回避できる高耐圧半導体素子を提供することを目的とする。
【００５８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る高耐圧素子の第１は、
第１と第２の主面を有する第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に選択的に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に、前記第２の半導体層を取り囲むように、前記第２の半導体層と分離して形成された第２導電型の第３の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第２の主面に形成された第１導電型の第４の半導体層と、
前記第２導電型の第２の半導体層上に選択的に設けられた第１の電極と、
前記第２導電型の第３の半導体層上に選択的に設けられた第２の電極と、
前記第１導電型の第４の半導体層上に設けられた第３の電極とを具備し、
前記第２の半導体層は不純物濃度が比較的低い第１の領域と、この第１の領域の内部表面に設けられ不純物濃度が比較的高い第２の領域とを含み、前記第１の電極は前記第２の領域上に設けられこれに接続されており、
前記第３の半導体層は不純物濃度が比較的低い第３の領域と、この第３の領域の内部表面に設けられ不純物濃度が比較的高い第４の領域とを含み、前記第２の電極は前記第４の領域上に設けられこれに接続されていることを特徴とする。
【００５９】
また、本発明に係る高耐圧素子の第２は、
第１と第２の主面を有する第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に選択的に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に、前記第２の半導体層を取り囲むように、前記第２の半導体層と分離して形成された第２導電型の第３の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第２の主面に形成された第１導電型の第４の半導体層と、
前記第２導電型の第２の半導体層上に設けられた第１の電極と、
前記第２導電型の第３の半導体層上に設けられた第２の電極と、
前記第１導電型の第４の半導体層上に設けられた第３の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極を電気的に接続する部材と、
を具備することを特徴とする。
【００６０】
また、本発明に係る高耐圧素子の第３は、
第１と第２の主面を有する第１導電型の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に選択的に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に、前記第２の半導体層を取り囲むように、前記第２の半導体層と分離して形成された第２導電型の第３の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第２の主面に形成された第１導電型の第４の半導体層と、
前記第１の半導体層の前記第１の主面に、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の間を埋め込みこれらを接続するように形成され、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第５の半導体層と、
前記第２導電型の第２の半導体層上に設けられた第１の電極と、
前記第２導電型の第３の半導体層上に設けられた第２の電極と、
前記第１導電型の第４の半導体層上に設けられた第３の電極とを具備することを特徴とする高耐圧半導体素子。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【００６３】
（第１の参考例）
図１は、第１の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す平面図および断面図である。図１（ａ）はアノード側の平面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ´断面図である。また、図２は、同高耐圧ダイオードの要部断面構造とオン状態のキャリア濃度分布を示す図である。
【００６４】
本参考例の高耐圧ダイオードは、基本素子構造として、第２の従来の高耐圧ダイオードのそれを用いたものであり、図１０、図１１と対応する部分は同じ符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【００６５】
本参考例では、図１に示すように、図２（ａ）の基本構造を持つ高エミッタ注入効率の第１の注入領域９（第１のエミッタ注入領域）と、図２（ｂ）の基本構造が繰り返された低エミッタ注入効率の第２の注入領域１０（第２のエミッタ注入領域）とが交互に配置されている。
【００６６】
第２の領域１０の中では寄生トランジスタが動作しないように、Ｎ⁺⁺層（電流ブロッキング層）６の幅ｄ₁ を例えば３μｍ以下に設定している。第２の領域１０の幅Ｗ₂ は、例えば、高注入状態でのＮ⁻ 型ベース層１内のキャリア拡散長Ｌａが１３０μｍならば、その３倍の３９０μｍより小さく選ぶとオン電圧の増加を効果的に抑制することができる。
【００６７】
本参考例によれば、第１の領域９および第２の領域１０の幅を相当な大きさに設定することができるため、第１の領域９と第２の領域１０で蓄積されるキャリア濃度分布に図２（ｃ）で示すような大きな差が生じる。
【００６８】
すなわち、第１の領域９では、第１の従来の高耐圧ダイオード（図９）と同様に、Ｎ^- 型ベース層１内に多量のキャリアが蓄積され、第２の領域１０では、第２の従来の高耐圧ダイオード（図１１）と同様に、Ｎ⁻ 型ベース層１内でのアノード側のキャリア濃度が少なくなる。その結果、電流密度が高くなっても、第１の領域９に蓄積されたキャリアにより十分に低いオン電圧が実現できる。
【００６９】
図３は、本参考例の高耐圧ダイオードでの逆回復特性を第１の従来の高耐圧ダイオード（第１の従来例）および第２の従来の高耐圧ダイオード（第２の従来例）と比較して示している。
【００７０】
図３から、本参考例によれば、第２の従来例よりも逆回復電流（アノード電流）がゼロになるまでの時間が短くなり、また、第１の従来例よりも逆回復電流のピーク値が小さくなることが分かる。これは、参考例のダイオードでは、逆回復時に第１の領域９と第２の領域１０との間で電流の２次元的な再分布が起こるからである。
【００７１】
また、キャリアライフタイムを小さくしてもオン電圧を低くできるので、逆回復の際にテイル電流が流れる時間を短くすることができ、電力損失を小さくすることができる。
【００７２】
図４は、本参考例の高耐圧ダイオードの第２の領域１０の幅Ｗ₂ とＮ⁻ 型ベース層内のキャリア拡散長Ｌａとオン電圧との関係を示す図である。図４に示すように、第２の領域の幅Ｗ₂ が、高注入状態でのＮ⁻ 型ベース層１内のキャリア拡散長Ｌａの３倍以内であれば、オン電圧の増加は見られない。したがって、オン電圧の増加を抑制するためには、Ｗ₂ ／Ｌａ≦３に設定するのが望ましい。
【００７３】
図５は、本参考例のダイオードの第２の領域１０の中のアノード側パターンの例を示す図である。これらのパターンのいずれを選ぶ場合にも、第２の従来例の説明で述べたような条件を考慮して寄生トランジスタの発生を抑制することが重要である。
【００７４】
図１では、ストライプ状の第１の領域９と第２の領域１０とを交互に配置したが、領域の形状および配置パターンは種々変形することができる。図６では、第２の領域１０の中に矩形状の第１の領域９を配置している。この他、これら領域の形は図５と同様にストライプ状でも矩形状でも水玉状でもかまわない。
【００７５】
また、図１や図６では接合終端付近の電流密度を低減するために、ダイオード領域の端部には、エミッタ注入効率の低い第２の領域１０を配置したが、この配置の仕方も種々変更することができる。領域の寸法、領域を配置する場合の間隔なども、素子特性の要請によって変更することができる。
【００７６】
また、これらの例では、第１の領域９には、図２（ａ）で示すような均一なＰ⁺ 型アノード層２を形成したが、第１の領域９でも、図２（ｂ）で示すような基本構造を用いて、第２の領域１０よりも注入効率が高くなるように、ｄ₁ 、ｄ₂ の寸法を設定すれば、同様の効果が得られる。
【００７７】
その際に、接合終端部付近の電流密度を低減するために、ダイオード領域の端部に配置する第２の領域１０の注入効率をダイオード領域の中央部に配置する第２の領域１０のそれよりも低く設定すれば、ダイオードの逆回復時の破壊耐量を高くすることができる。
【００７８】
その他にも、第２の領域１０の基本構造を持ち、ｄ₁ _、ｄ₂ の寸法を種々変えて３種類以上の注入効率を持つ領域を設定し、これらの領域をそれらの寸法、形状、配置パターンを種々変えて配置しても同様の効果が得られ、さらに微妙な最適化を図ることができる。
【００７９】
（第２の参考例）
図７は、第２の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第１の参考例のそれと異なる点は、アノード側のみならず、カソード側にも第１の領域、第２の領域を設けたことにある。
【００８０】
すなわち、カソード層は、電子の注入効率が高い第１の領域としてのＮ⁺ 型層３₁ およびこれより高濃度の領域Ｎ⁺⁺型層３₂ と、Ｎ⁺⁺型層３₂ と交互に形成され、電子の注入効率が低い第２の注入領域としてのＰ⁺⁺型層（電流ブロッキング層）１１とから構成されている。
【００８１】
本参考例によれば、高注入状態でのＮ⁻ 型ベース層１内のキャリア濃度がアノード側、カソード側共に従来より低くなるので、逆回復特性はより改善される。また、本参考例では、図７に示すように、接合終端領域のカソード側（図下側）表面には高エミッタ注入効率の第１の領域はなく、低エミッタ注入効率の第２の領域だけが配置されており、接合終端領域の電流密度を低下させ、ダイオードの逆回復時の破壊耐量を高めている。
【００８２】
なお、本参考例では、アノード側の低エミッタ注入効率の第２の領域（正孔の注入効率が低い第２の領域）は、カソード側の高エミッタ注入効率の第２の領域（電子の注入効率が低い第２の領域）と対向するように形成されているが、この位置関係は種々変更することができる。また、一方の面では第２の領域のみを形成してもよいし、ダイオード領域端部に配置する第２の領域１０の注入効率をダイオード流域の中央部に配置する第２の領域１０のそれよりも低く設定して、ダイオードの逆回復時の破壊耐量を高くすることも可能である。
【００８３】
（第３の参考例）
図８は、第３の参考例に係る逆導通型ＩＧＢＴの素子構造を断面図である。本参考例の逆導通型ＩＧＢＴは、大きく分けて、ＩＧＢＴ領域と、逆導通ダイオード領域とに分かれている。
【００８４】
まず、ＩＧＢＴ領域について説明する。Ｎ⁻ 型ベース層１の表面に選択的にＰ型層（Ｐベース層）１２が形成され、その表面部にＮ⁺⁺型層（ソース層）１３が形成されている。
【００８５】
このＮ⁺⁺型層（ソース層）１３とＮ⁻ 型ベース層１に挟まれた領域のＰ型層（Ｐベース層）１２上にゲート絶縁膜１４を介してゲート電極１５が形成されている。Ｎ⁺⁺型層（ソース層）１３にかかるようにＰ型層（Ｐベース層）１２の高濃度部分が拡散形成され、ＩＧＢＴのラッチアップ動作を防止している。Ｐ型層（Ｐベース層）１２表面にはＰ⁺⁺型層２₂ が形成され、Ｎ⁺⁺型層（ソース層）１３とともにソース電極１７にオーミック接続されている。
【００８６】
一方、Ｎ⁻ 型ベース層１の裏面には、Ｎ型バッファ層２２が形成され、その中に選択的にＰ⁺ 型層（ドレイン層）１６が形成されている。Ｎ型バッファ層２２はドレイン電極１８にオーミック接続している。
【００８７】
本参考例では、Ｐ⁺ 型層（ドレイン層）１６の内部に第１の参考例の高耐圧ダイオードのアノード側表面に形成したのと同様の構造を採用している。すなわち、Ｐ⁺ 型層（ドレイン層）１６内部には、その表面部に^Ｎ ⁺⁺型層（電流ブロッキング層）６により注入効率を下げた第２の領域１０と注入効率の高い第１の領域９が形成されている。
【００８８】
本参考例では、オン状態で主な電流経路となるゲート電極１５の下に注入効率の高い第１の領域９を配置し、それ以外の部分には注入効率の低い第２の領域１０を配置することによって、余分なキャリア蓄積を避けている。
【００８９】
次に逆導通ダイオード領域について以下に説明する。
Ｎ⁻ 型ベース層１の表面に選択的にＰ型層２₁ が形成され、その表面部には注入効率を制御するための第１の領域および第２の領域が配置され、そして、これら第１、第２の領域に逆導通ダイオードのアノード電極４がオーミック接続されている。
【００９０】
また、Ｎ⁻ 型ベース層１の裏面に形成されたＮ型バッファ層２２の表面にはＰ⁺⁺型層（電流ブロッキング層）１１によりエミッタ注入効率を下げた第２の領域とエミッタ注入効率の高い第１の領域とが形成されている。これら第１、第２の領域にはＩＧＢＴのドレイン電極１８がオーミック接続している。このＩＧＢＴのドレイン電極１８は逆導通ダイオードのカソード電極として働く。
【００９１】
また、ＩＧＢＴ領域と逆導通ダイオード領域との間には、逆導通ダイオード領域の残留キャリアがＩＧＢＴ領域に拡散しないように、キャリア拡散長に比べて十分に長い隔離領域が設けられている。
【００９２】
これにより、逆導通ダイオード電流が流れた直後に、ソース電極１７とドレイン電極１８との間に印加される電圧の極性が反転しても、ＩＧＢＴのソース電極１７から排出されるリーク電流を十分に低くできる。
【００９３】
隔離領域での耐圧低下を防止するために、Ｐ⁻ 型層（リサーフ層）２０を形成して電界を緩和している。また、接合終端領域にも同じ理由でＰ^- 型層（リサーフ）２０を形成して高耐圧を実現している。なお、Ｎ⁺⁺型層２１は空乏層の伸びを止めるためのチャネルストッパ層である。
【００９４】
本参考例によれば、ＩＧＢＴ領域ではドレイン層からの正孔の注入が抑えられることにより、ドレイン電極１８近傍のキャリア蓄積が低減されてターンオフ特性が改善される。
【００９５】
また、逆導通ダイオード領域ではアノード側、カソード側の注入効率を第１の領域および第２の領域により自由に決められるので、ダイオード特性をＩＧＢＴ特性とは独立して設定することができる。
【００９６】
一般に、半導体素子のキャリアライフタイムを制御する電子線照射などの方法では、ＩＧＢＴ領域と逆導通ダイオード領域のキャリアライフタイムを別々に制御することは困難なので、注入効率をパターンで決められる本発明の方法は複合化素子のそれぞれの素子の特性を独立に最適化できるという意味で非常に有効な方法である。
【００９７】
第１〜第３の参考例では、第２の領域を構成する基本構造として、図２（ｂ）の構造を用いてきたが、これに代えて図１５、図１７の構造やそれらを変形した構造を用いても同様の効果が得られる。
【００９８】
また、これらの参考例の構造に重金属拡散、電子線照射、プロトンやヘリウム照射などを組み合わせて素子内部のキャリアライフタイムを変化させて、さらに特性を向上させることも可能である。
【００９９】
また、逆導通ＩＧＢＴに適用した参考例で示したように、参考例のエミッタ構造（ダイオードのアノード構造）を種々の半導体素子のエミッタに適用すれば、ターンオフ損失（逆回復特性）とオン電圧のトレードオフを改善することができる。
【０１００】
（第４の参考例）
図１８は、本発明の第４の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。なお、図６８の高耐圧ダイオードと対応する部分には図６８と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０１０１】
本参考例の特徴は、Ｐ型エミッタ層４２の端部（破線）よりも内側にＮ⁺ 型エミッタ層４３の端部が形成されていることにある。また、Ｎ⁺ 型エミッタ層４３の端部の外側に形成されているＮ型バッファ層４４は、逆電圧印加時に空乏層がカソード電極５０に達する（パンチスルー）のを防いでいる。
【０１０２】
このような素子構造であれば、電流密度が高い順方向通電時にはカソード側からの電子注入は主にＮ⁺ 型エミッタ層４３からしかおこらないため、Ｐ型エミッタ層４２の端部のＤ点付近のキャリア密度は低くなる。
【０１０３】
したがって、逆回復時にＤ点付近が最高電界点となっても、キャリア集中による局所的なアバランシェ電流で素子が破壊されるという問題は生じない。なお、Ｎ⁺ 型エミッタ層４３の端部とＰ型エミッタ層４２の端部とが一致していても良い。
【０１０４】
（第５の参考例）
図１９は、第５の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第４の参考例のそれと異なる点は、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに、Ｐ型ガードリング層５２を用いて、高耐圧特性を持たせていることにある。本参考例でも、Ｐ型エミッタ層４２の端部のＤ点付近のキャリア密度が低くなるので、先の参考例と同様の効果が得られる。
【０１０５】
（第６の参考例）
図２０は、第６の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第４の参考例のそれと異なる点は、Ｎ型バッファ層４４がないことにある。パンチスルーの心配のない厚いＮ⁻ 型層（基板）４１を用いれば、このような構造の高耐圧ダイオードを問題なく実現できる。
【０１０６】
（第７の参考例）
図２１は、第７の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第６の参考例のそれと異なる点は、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに、Ｐ型ガードリング層５２を用いて、高耐圧特性を持たせていることにある。この参考例でも、Ｐ型エミッタ層４２の端部Ｄ点付近のキャリア密度が低くなるので、先の参考例と同様な効果が得られる。
【０１０７】
（第８の参考例）
図２２は、第８の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第４の実施形態のそれと異なる点は、Ｎ型バッファ層４４の代わりに、絶縁膜４８を用いてパンチスルーを防いでいることである。本参考例でも、Ｐ型エミッタ層４２の端部のＤ点付近のキャリア密度が低くなるので、先の参考例と同様な効果が得られる。
【０１０８】
（第９の参考例）
図２３は、第９の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第５の参考例のそれと異なる点は、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに、Ｐ型ガードリング層５２を用いて高耐圧特性を持たせている。本参考例でも、Ｐ型エミッタ層４２の端部のＤ点付近のキャリア密度が低くなるので、先の参考例と同様な効果が得られる。
【０１０９】
（第１０の参考例）
図２４は、第１０の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の特徴は、第１のＰ型エミッタ層４２とＰ⁻⁻型リサーフ層４６の間、つまり、第１のＰ⁻ 型エミッタ層４２の周りに低濃度の第２のＰ⁻ 型エミッタ層５３を設けたことにある。
【０１１０】
ここで、第２のＰ⁻ 型エミッタ層５３は逆電圧印加時に完全空乏化しない範囲で濃度を低く抑えて注入効率を下げている。ここがＰ⁻⁻型リサーフ層４６層とは根本的に違う。
【０１１１】
このような素子構造であれば、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３のキャリア注入が小さくなるため、順方向通電時にＤ点付近のキャリア密度が低くなっている。したがって、逆回復時にＤ点付近が最高電界点となっても、キャリア集中による局所的なアバランシェ電流で素子が破壊されるという問題は生じない。
【０１１２】
（第１１の参考例）
図２５は、第１１の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第１０の参考例のそれと異なる点は、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに、Ｐ型ガードリング層５２を用いて、高耐圧特性を持たせていることにある。本参考例でも、Ｐ型エミッタ層４２の端部のＤ点付近のキャリア密度が低くなるので、先の参考例と同様の効果が得られる。
【０１１３】
（第１２の参考例）
図２６は、第１２の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の特徴は、Ｐ型エミッタ層４２内の端部付近に電子排出用のＮ⁺ 層５４が形成されていることにある。
【０１１４】
このよう素子構造であれば、順方向通電時にＤ点付近の電子がＮ⁺ 層５４から素子外に排出されるため、この端部付近のキャリア密度が低くなる。したがって、逆回復時にＤ点付近が最高電界点となっても、キャリア集中による局所的なアバランシェ電流で素子が破壊されるという問題は生じない。
【０１１５】
（第１３の参考例）
図２７は、第１３の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例の高耐圧ダイオードが第１２の参考例のそれと異なる点は、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに、Ｐ型ガードリング層５２を用いて、高耐圧特性を持たせていることにある。本参考例でも、Ｐ型エミッタ層４２の端部付近のＤ点付近のキャリア密度が低くなるので、先の参考例と同様の効果が得られる。
【０１１６】
（第１４の参考例）
図２８は、第１４の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例は第１の参考例と第１０の参考例とを組み合わせ例である。すなわち、本参考例の高耐圧ダイオードは、図１の高耐圧ダイオードにおいて、Ｐ型エミッタ層２₁ の周りにそれに接するように低濃度の別のＰ型エミッタ層５３を形成した構成になっている。
【０１１７】
ここで、第１０の参考例と同様に、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３は逆電圧印加時に完全空乏化しない範囲で濃度を低く抑えて注入効率を下げている。本参考例によれば、第１の参考例の効果の他に、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３を設けたことにより破壊耐量が高くなるという効果が得られる。
【０１１８】
（第１５の参考例）
図２９は、第１５の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。本参考例は第１の参考例と第４の参考例とを組み合わせた例である。すなわち、本参考例の高耐圧ダイオードは、図１の高耐圧ダイオードにおいて、Ｐ型エミッタ層２₁ の端部よりも内側にＮ型エミッタ層３の端部が位置するようにしたものである。なお、上記２つの端部の位置が一致していても良い。
【０１１９】
本参考例によれば、第１の参考例の効果に他に以下の効果が得られる。すなわち、Ｐ型エミッタ層２1 の端部付近が最高電界点となっても、キャリア集中が起こらないので、破壊耐量が向上するという効果が得られる。
【０１２０】
（第１６の参考例）
図３０は、第１６の参考例に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この例では高耐圧特性を持たせるために、逆電圧印加時に完全空乏化するように設計された電界緩和用のＰ⁻⁻型リサーフ層４６を設けている。この構造の特徴は、Ｐ型エミッタ層４２とＰ⁻⁻型リサーフ層４６の間に、低注入効率のＰ⁻ 型エミッタ層５３を設け、かつアノード電極４９をＰ型エミッタ層４２のみにコンタクトさせて、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３にはコンタクトさせていないことである。
【０１２１】
この構造においては、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３の低濃度化によるキャリア注入の低下とともに、このＰ⁻ 型エミッタ層５３の横方向抵抗５７のためＤ点付近でのキャリア注入が制限されるという２重の効果によって、順方向通電時にＤ点付近のキャリア密度が低くなっている。このため逆回復時にＤ点が最高電界点となってもキャリアの集中が起こらず破壊に対して強い構造となる。
【０１２２】
以上のようにしてこの参考例によれば、良好な順方向特性を維持しながら、破壊耐量の向上が可能となる。
【０１２３】
図３１は、本参考例の第１の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記参考例と同じである。
【０１２４】
図３２は、本参考例の第２の変形例に係わる高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。この変形例ではＰ⁻ 型エミッタ層５３がＰ型エミッタ層４２を取り囲むように形成してある。この場合でも図３０と同じ効果が得られる。
【０１２５】
図３３は、本参考例の第３の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記第２の変形例と同じである。
【０１２６】
（第１７の参考例）
図３４は、第１７の参考例に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この例では高耐圧特性を持たせるために、電界緩和用のＰ⁻⁻型リサーフ層４６を設けている。この構造の特徴は、Ｐ型エミッタ層４２内の周辺部表面に注入効率調整用のＮ型層５６を設け、かつアノード電極４９をＰ型エミッタ層４２のみにコンタクトさせていることである。
【０１２７】
この構造においては、注入効率調整用Ｎ型層５６の拡散深さを調整することにより、Ｎ型層５６直下のＰ型エミッタ層４２の不純物量を調整できるため、キャリア注入効率の低下が可能となる。
【０１２８】
またこの場合も、上記効果に加えＰ型エミッタ層４２の横方向抵抗５７によりＤ点付近でのキャリア注入が制限されるという２重の効果により、順方向通電時にＤ点付近のキャリア密度が低くなっている。このため逆回復時にＤ点が最高電界点となってもキャリアの集中がおこらず破壊に対して強い構造となる。なお、このＮ型層５６は複数個並べて配置されていても構わない。
【０１２９】
図３５は、本参考例の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記参考例と同じである。
【０１３０】
（第１８の参考例）
図３６は、第１８の参考例に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この例では高耐圧特性を持たせるために、電界緩和用のＰ⁻⁻型リサーフ層４６を設けている。この構造の特徴は、Ｐ型エミッタ層４２内の周辺部表面をＲＩＥなどのプロセスにより一定量除去し、かつアノード電極４９をＰ型エミッタ層４２のみにコンタクトさせていることである。
【０１３１】
この構造においては、表面除去部の深さを調整することにより、除去部直下のＰ型エミッタ層４２の不純物量を調整できるため、キャリア注入効率の低下が可能となる。またこの場合も、上記効果に加えＰ型エミッタ層４２の横方向抵抗５７によりＤ点付近でのキャリア注入が制限されるという２重の効果により、順方向通電時にＤ点付近のキャリア密度が低くなっている。このため逆回復時にＤ点が最高電界点となってもキャリアの集中がおこらず破壊に対して強い構造となる。
【０１３２】
図３７は、本参考例の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記参考例と同じである。
【０１３３】
（第１の実施形態）
図３８は、本発明の第１の実施形態に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この例では高耐圧特性を持たせるために、電界緩和用のＰ⁻⁻型リサーフ層４６を設けている。この構造の特徴は、素子周辺部のＰ型エミッタ層４２₁ を分離し、かつアノード電極４９も分離してフィールドプレート電極５８を設けたことである。この構造においては、分離したことにより素子周辺部のＰ型エミッタ層４２₁ からはキャリア注入が起こらないため、順方向時にＤ点付近のキャリア密度が抑えられる。このため逆回復時にＤ点が最高電界点になってもキャリアの集中が起こらず破壊に対して強い構造となる。なお分離したことによってＥ点の電界は強くなるが、この分離距離が短ければ影響のない範囲に抑えることができる。
【０１３４】
図３９は、本実施形態の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記実施形態と同じである。
【０１３５】
（第２の実施形態）
図４０は、本発明の第２の実施形態に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この例では高耐圧特性を持たせるために、電界緩和用のＰ⁻⁻型リサーフ層４６を設けている。
この構造の特徴は、図３８で分離したアノード電極４９とフィールドプレート電極５８を高抵抗膜（ポリシリコン膜等）５９で接続したことである。この構造においては、高抵抗膜５９によってフィールドプレート電極５８の電位がアノード電極４９と同電位に固定されるためＥ点での電界強度が低下する。また、高抵抗膜５９があることによって素子周辺部のＰ型エミッタ層４２₁ からはキャリア注入が起こらないため、順方向時にＤ点付近のキャリア密度が抑えられる。このため逆回復時にＤ点が最高電界点になってもキャリアの集中が起こらず破壊に対して強い構造となる。
【０１３６】
この構造の特徴は、図３８で分離したアノード電極４９とフィールドプレート電極５８を高抵抗膜（ポリシリコン膜等）５９で接続したことである。この構造においては、高抵抗膜５９によってフィールドプレート電極５８の電位がアノード電極４９と同電位に固定されるためＥ点での電界強度が低下する。また、高抵抗膜５９があることによって素子周辺部のＰ型エミッタ層４２₁ からはキャリア注入が起こらないため、順方向時にＤ点付近のキャリア密度が抑えられる。このため逆回復時にＤ点が最高電界点になってもキャリアの集中が起こらず破壊に対して強い構造となる。
【０１３７】
図４１は、本実施形態の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記実施形態と同じである。
【０１３８】
（第１９の参考例）
図４２は、第１９の参考例に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この例では高耐圧特性を持たせるために、電界緩和用のＰ⁻⁻型リサーフ層４６を設けている。
【０１３９】
この構造の特徴は、Ｐ型エミッタ層４２の端部（波線で示す）よりも内側にＮ⁺ 型エミッタ層４３の端部が形成されていることである。その外側に形成されているＮ型バッファ層４４は逆電圧印加時に空乏層がカソード電極５０に達する（パンチスルー）のを防いでいる。またＮ⁺ 型エミッタ層４３はＮ型バッファ層４３よりも深く形成されている。
【０１４０】
この構造においては、Ｎ⁺ 型エミッタ層４３の端部がＰ型エミッタ層４２の端部よりも内側に設定され、かつ深く形成されている。これにより、主電流がＮ⁻型基板４１を横切って流れる距離および電流広がりを小さくでき、点Ｄの直下付近のＮ⁻ 型基板４１の厚みが大きく採れる。従って点Ｄ付近では、逆回復時に空乏層が大きく広がるので電界強度が低くなり、Ｎ型バッファ層４４によるキャリア注入量の低減との二重の効果により、高い破壊耐量が実現される。
【０１４１】
図４３は、本参考例の第１の変形例に係わる高耐圧ダイオードの断面図である。この変形例では、Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、上記参考例と同じである。
【０１４２】
図４４は、本参考例の第２の変形例に係わる高耐圧ダイオードの構成を示す断面図である。図４２と基本的には変わらないが、この例ではＮ型バッファ層４４が省略されている。パンチスルーの心配がない厚い基板であれば、この構造が可能である。
【０１４３】
図４５は、本参考例の第３の変形例に係わる高耐圧ダイオードの右半分の断面図である。この変形例では、第２の変形例のＰ⁻⁻型リサーフ層４６の代わりに電界緩和のためのＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は、第２の変形例と同じである。
【０１４４】
上記実施形態１，２、参考例１乃至１９は、高耐圧ダイオードの素子構造を改良して逆回復時における破壊を防止するものであった。これから説明する実施形態或いは参考例は、素子内部の周辺で残留キャリアによる破壊が生じる前に、その破壊の前兆を検出できる端子を備えた高耐圧ダイオードに関するものである。本発明の骨子は、高耐圧ダイオードのＰ型エミッタ層周辺部の電位が電流集中により上昇するのを検出し、これをＩＧＢＴなどの主素子のゲート回路にフィードバックすることにより、逆回復の速さを制御し、破壊を防止することにある。このために、素子周辺部のＰ型エミッタ層上にアノード電極と分離した検出端子が具備される。
【０１４５】
（第２０の参考例）
図４６は、第２０の参考例の高耐圧ダイオードの断面図である。この参考例では、高耐圧特性を持たせるために、逆電圧印加時に完全空乏化するように設計された電界緩和用Ｐ⁻⁻型リサーフ層４６が設けられている。
【０１４６】
この構造における特徴は、Ｐ型エミッタ層４２の端部にアノード電極４９とは独立した検出電極６０を設けていることである。この構造においては、逆回復時に電流集中が点Ｄ付近で起きると、集中した電流でＰ型エミッタ層４２の横方向抵抗５７とで発生する電圧降下を検出端子６０で検出することができ、電流集中が起こったことがわかる。この信号を後述する使用法のように利用すれば、電流集中を回避しダイオードの破壊が防止できる。
【０１４７】
なお通常、静耐圧を向上するためにＰ⁻⁻型リサーフ層４６上にある電極（フィールドプレート電極）にはアノード電位を与えるが、この参考例では検出電極６０とアノード電極４９の電位差が大きくは違わない場合を考えており、検出電極６０の電位で代用している。
【０１４８】
図４７は、本参考例のダイオードの使用例を示す回路図である。一般的には、本発明のダイオードはインバータに利用されるが、説明の簡略化のために図示したチョッパ回路で説明する。ダイオード７１と負荷インダクタンス６９に循環電流７４が流れている状態で、主素子７０をオンすることによってダイオード７１の逆回復が始まる。
【０１４９】
このときダイオード７１のＰ型エミッタ層４２端部で電流集中が起こると、前述のメカニズムで検出端子の電位が上昇する。この電位を検出し、絶縁増幅器７２を介して主素子７０のゲート回路７３にフィードバックして主素子のターンオンを止めてやれば電流集中によるダイオード７１の破壊を防止することができる。
【０１５０】
さらに、電流集中が起きたときには、その程度（検出電極電位）に応じて主素子７０のゲート電圧を連続的に変化させるようにシーケンスを組めば、逆回復の速さを制御し、装置の動作は止めずにすませることもできる。
【０１５１】
図４８は、本参考例の変形例の高耐圧ダイオードの断面図である。この例では、電界緩和のためにＰ型ガードリング層５２が設けられている以外は図４６と同じである。
【０１５２】
（第２１の参考例）
図４９は、第２１の参考例の高耐圧ダイオードの断面図である。この構造における特徴はＰ型エミッタ層４２とＰ⁻⁻型リサーフ層４６の間に、逆電圧印加時に完全空乏化しないように設計されたＰ⁻ 型エミッタ層５３が設けられていることであり、それ以外は図４６と同じである。この構造においては、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３の横方向抵抗５７が大きいため電流集中の検出が容易に行える。
【０１５３】
（第２２の参考例）
図５０は、第２２の参考例の高耐圧ダイオードの断面図である。この構造における特徴はＰ型エミッタ層４２内の周辺部表面に横方向抵抗５７調整用のＮ型層５６が設けられていることであり、それ以外は図４６と同じである。この構造においては、Ｎ型層５６の拡散深さを調整することにより、除去部直下のＰ型エミッタ層４２の横方向抵抗５７を調整できるため、電流集中の検出感度が調整できる。
【０１５４】
（第２３の参考例）
図５１は、第２３の参考例の高耐圧ダイオードの断面図である。この構造における特徴は、Ｐ型エミッタ層４２内の周辺部表面がＲＩＥなどによりに一定量除去されていることであり、それ以外は図４６と同じである。この構造においては、除去部の深さを調整することにより、除去部直下のＰ型エミッタ層４２の横方向抵抗５７を調整できるため、電流集中の検出感度が調整できる。
【０１５５】
（第３の実施形態）
図５２は、本発明の第３の実施形態の高耐圧ダイオードの断面図である。この構造における特徴は、Ｐ型エミッタ層４２とＰ型層６５の間に、Ｐ⁻ 型エミッタ層５３が設けられていることであり、それ以外は図４６と同じである。この構造においては、このＰ⁻ 型エミッタ層５３の横方向抵抗５７が大きいため、電流集中の検出が容易に行える。
【０１５６】
（第４の実施形態）
図５３は、本発明の第４の実施形態の高耐圧ダイオードの断面図である。この構造における特徴は、Ｐ型エミッタ層４２とＰ型層６５を完全分離し、抵抗性膜６７を介して電気的に接続することであり、それ以外は図４６と同じである。この構造においては、この抵抗性膜６７の抵抗により、電流集中の検出が容易に行える。
【０１５７】
実施形態３，４、参考例２０から２３までは、検出電極６０をフィールドプレート電極として用いる場合について述べたが、これ以降は、アノード電極４９をフィールドプレート電極として用いる場合について述べる。
【０１５８】
（第２４の参考例）
図５４は、本発明の第２４の参考例の高耐圧ダイオードの平面図であり、図中のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図を図５５および図５６にそれぞれ示す。この構造における特徴は、第２の絶縁膜６３で検出電極６０を覆うことによりアノード電極４９をフィールドプレート電極として利用し、検出電極６０の電位を観測するために第２のアノード電極６１を１部開口していることであり、それ以外は図４６と同じである。なお、参照番号６４は検出電極６０の電位を測定するための取り出し電極である。
【０１５９】
（第２５の参考例）
図５７、５８は、第２５の参考例の高耐圧ダイオードの断面図であり、図５４のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図にそれぞれ相当する。この構造における特徴は、第２の絶縁膜６３で検出電極６０を覆うことによりアノード電極４９をフィールドプレート電極として利用し、検出電極６０の電位を観測するために第２のアノード電極６１を１部開口していることであり、それ以外は図４９と同じである。
【０１６０】
（第２６の参考例）
図５９、６０は、第２６の参考例の高耐圧ダイオードの断面図であり、図５４のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図にそれぞれ相当する。この構造における特徴は、第２の絶縁膜６３で検出電極６０を覆うことによりアノード電極４９をフィールドプレート電極として利用し、検出電極６０の電位を観測するために第２のアノード電極６１を１部開口していることであり、それ以外は図５０と同じである。
【０１６１】
（第２７の参考例）
図６１、６２は、第２７の参考例の高耐圧ダイオードの断面図であり、図５４のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図にそれぞれ相当する。この構造における特徴は、第２の絶縁膜６３で検出電極６０を覆うことによりアノード電極４９をフィールドプレート電極として利用し、検出電極６０の電位を観測するために第２のアノード電極６１を１部開口していることであり、それ以外は図５１と同じである。
【０１６２】
（第５の実施形態）
図６３、６４は、本発明の第５の実施形態の高耐圧ダイオードの断面図であり、図５４のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図にそれぞれ相当する。この構造における特徴は、第２の絶縁膜６３で検出電極６０を覆うことによりアノード電極４９をフィールドプレート電極として利用し、検出電極６０の電位を観測するために第２のアノード電極６１を１部開口していることであり、それ以外は図５２と同じである。
【０１６３】
（第６の実施形態）
図６５、６６は、第６の実施形態の高耐圧ダイオードの断面図であり、図５４のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿った断面図にそれぞれ相当する。この構造における特徴は、第２の絶縁膜６３で検出電極６０を覆うことによりアノード電極４９をフィールドプレート電極として利用し、検出電極６０の電位を観測するために第２のアノード電極６１を１部開口していることであり、それ以外は図５３と同じである。
【０１６４】
（第２８の参考例）
図６７は、第２８の参考例の高耐圧ダイオードの平面図である。この構造における特徴は検出電極６０を分割し、それぞれの電位を測定できるようにしていることである。この構造においては、局所的な電流集中が起きた場合にも感度よく検出できるという利点がある。多くの場合電流集中はコーナー部分で生じるため、実際に検出に使用する箇所はコーナー部の４カ所だけとすることもできる。
【０１６５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、主として高耐圧ダイオードの場合について説明したが、本発明は、該素子と同様のダイオード構造を有するサイリスタやバイポーラパワートランジスタやＩＧＢＴ等の他の高耐圧半導体素子にも適用できる。
【０１６６】
また、上記実施形態では、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型とした場合の実施形態であるが、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としても良い。
【０１６７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０１６８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、第２導電型エミッタ層を分離したので素子周辺部の第２導電型エミッタ層からはキャリア注入が起こらない。このため、順方向時にエミッタ層外周過度部付近のキャリア密度が抑えられ、逆回復時に前記角部が最高電界点になってもキャリアの集中が起こらず破壊に対して強い構造となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例に係る高耐圧ダイオードの平面図およびそのＡ−Ａ´断面図
【図２】図１の高耐圧ダイオードの要部断面構造とオン状態のキャリア濃度分布を示す図
【図３】図１の高耐圧ダイオードの逆回復特性を第１の従来の高耐圧ダイオードおよび第２の従来の高耐圧ダイオードと比較して示す図
【図４】図１の高耐圧ダイオードの第２の領域の幅とＮ⁻ 型ベース層内のキャリア拡散長とオン電圧との関係を示す特性図
【図５】図１の高耐圧ダイオードの第２の領域のアノード側パターンの例を示す平面図
【図６】図１の高耐圧ダイオードの第１の領域および第２の領域の他の配置パターンを示す平面図
【図７】第２の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図８】第３の参考例に係る逆導通型ＩＧＢＴの素子構造を断面図
【図９】第１の従来の高耐圧ダイオードの要部構造ならびに同素子内の不純物濃度分布およびオン状態のキャリア濃度分布を示す図
【図１０】第２の従来の高耐圧ダイオードの平面図およびそのＡ−Ａ´断面図
【図１１】図１０の高耐圧ダイオードの基本構成部分ならびに同素子内の不純物濃度分布およびオン状態でのキャリア濃度分布を示す図
【図１２】第２の従来の高耐圧ダイオードの逆回復特性を第１の従来の高耐圧ダイオードと比較して示す図
【図１３】図１０の高耐圧ダイオードの寄生トランジスタ効果を説明するための図
【図１４】図１０の高耐圧ダイオードの寄生トランジスタ効果を抑制するために望ましいシート抵抗およびＮ⁺⁺型層の幅の範囲を説明するための図
【図１５】第３の従来の高耐圧ダイオードの要部断面図と同素子内のオン状態のキャリア濃度分布を示す図
【図１６】図１５の高耐圧ダイオードの逆方向印加電圧とリーク電流電流との関係をｄ₁ をパラメータとして示す図
【図１７】第４の従来の高耐圧ダイオードの要部断面図と同素子内のオン状態のキャリア濃度分布を示す図
【図１８】第４の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図１９】第５の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２０】第６の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２１】第７の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２２】第８の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２３】第９の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２４】第１０の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２５】第１１の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２６】第１２の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２７】第１３の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２８】第１４の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図２９】第１５の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３０】第１６の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３１】第１６の参考例の第１の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３２】第１６の参考例の第２の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３３】第１６の参考例の第３の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３４】第１７の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３５】第１７の参考例の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３６】第１８の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３７】第１８の参考例の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３８】本発明の第１の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図３９】本発明の第１の実施形態の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４０】本発明の第２の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４１】本発明の第２の実施形態の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４２】第１９の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４３】第１９の参考例の第１の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４４】第１９の参考例の第２の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４５】第１９の参考例の第３の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４６】第２０の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４７】高耐圧ダイオードの使用例を示す回路図
【図４８】第２０の参考例の変形例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図４９】第２１の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図５０】第２２の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図５１】第２３の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図５２】本発明の第３の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図５３】本発明の第４の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【図５４】第２４の参考例に係る高耐圧ダイオードの平面図
【図５５】図５４のＡ−Ａ’線に沿った断面図
【図５６】図５４のＢ−Ｂ’線に沿った断面図
【図５７】第２５の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＡ−Ａ’線の沿った断面に相当する断面図
【図５８】第２５の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＢ−Ｂ’線の沿った断面に相当する断面図
【図５９】第２６の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＡ−Ａ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６０】第２６の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＢ−Ｂ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６１】第２７の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＡ−Ａ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６２】第２７の参考例に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＢ−Ｂ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６３】本発明の第５の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＡ−Ａ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６４】本発明の第５の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＢ−Ｂ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６５】第６の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＡ−Ａ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６６】第６の実施形態に係る高耐圧ダイオードの素子構造を示す図で、図５４のＢ−Ｂ’線の沿った断面に相当する断面図
【図６７】第２８の参考例に係る高耐圧ダイオードの平面図
【図６８】従来の他の高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図
【符号の説明】
１…Ｎ⁻ 型ベース層
２…Ｐ⁺ 型エミッタ層（Ｐ⁺ 型アノード層）
２₁ …Ｐ⁺ 型層（Ｐ⁺ 型エミッタ層）
２₂ …Ｐ⁺⁺層（コンタクト層）
２₃ …Ｐ⁻ 型エミッタ層（Ｐ⁻ 型アノード層）
３…Ｎ⁺ 型カソード層
３₁ …Ｎ⁺ 型層
３₂ …Ｎ⁺⁺型層（コンタクト層）
４…アノード電極
５…カソード電極
６…Ｎ⁺⁺型層（電流ブロッキング層）
７…酸化膜
８…ショットキーコンタクト
９…第１の領域（第１のエミッタ注入領域）
１０…第２の領域（第２のエミッタ注入領域）
１１…Ｐ⁺⁺型層（電流ブロッキング層）
１２…Ｐ型層
１３…Ｎ⁺⁺型層（ソース層）
１４…ゲート絶縁膜
１５…ゲート電極
１６…Ｐ⁺ 型層（ドレイン層）
１７…ソース電極
１８…ドレイン電極
１９…電極
２０…Ｐ⁻ 型層（リサーフ層）
２１…Ｎ⁺⁺型層（チャネルストッパ層）
２２…Ｎ型バッファ層
２３…Ｎ⁺⁺型層（コンタクト層）
４１…Ｎ⁻ 型基板
４２…Ｐ型エミッタ層
４３…Ｎ⁺ 型エミッタ層
４４…Ｎ型バッファ層
４５…Ｐ⁺ 型コンタクト層
４６…Ｐ⁻⁻型リサーフ層
４７…Ｎ⁺ 型ストッパー層
４８…絶縁膜
４９…アノード電極
５０…カソード電極
５１…ストッパー電極
５２…Ｐ型ガードリング層
５３…第２のＰ⁻ 型エミッタ層
５４…電子排出用Ｎ⁺ 型層
５５…キャリア（電子）の流れ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present inventionSuch as high voltage diodeThe present invention relates to a high voltage semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of a main part of a high voltage diode (first conventional high voltage diode) which is one of conventional high voltage elements, and an impurity concentration distribution and an on-state carrier concentration distribution in the element. ing.
[0003]
N^- High resistance N made of type silicon^- P on one surface of the mold base layer 1⁺ An anode electrode 4 is formed through the mold anode layer 2, and the other surface is N⁺ A cathode electrode 5 is formed through the mold cathode layer 3.
[0004]
In the case of a high voltage diode with a blocking voltage of 4500 V class, the impurity concentration and dimension of each part⁻ The mold base layer 1 has an impurity concentration of 1.0 × 10¹³~ 1.8 × 10¹³/ Cm^Three, Thickness 450-900μm, P⁺ Type anode layer 2 and N⁺ Type cathode layer 3 has a surface concentration of 1 × 10¹⁹/ Cm^ThreeThe thickness is set to 14 to 70 μm.
[0005]
In such a high voltage diode, 100 A / cm² An on-state voltage of about 2.6 V can be obtained with a current level of about. High breakdown voltage characteristics are achieved by using a bevel structure at the junction termination.
[0006]
In a high voltage diode of this type of structure, N⁻ A large amount of carriers are accumulated in the mold base layer 1. The carrier distribution is as shown in FIG. N with electron injection and hole injection in particular⁺ Type cathode layer 3 and P⁺ A high carrier concentration is exhibited in the vicinity of the mold anode layer 2.
[0007]
As a result of the accumulation of a large amount of carriers as described above, a large reverse recovery current flows when the reverse bias is applied and the transistor is turned off. For example, in the case of the above-described element parameters, reverse applied voltage 1000 V, current change rate di / dt = −200 A / μs · cm² When turned off at 100 A / cm² A large reverse recovery current flows. Therefore, the reverse recovery current consumes more power and generates heat. This becomes a cause of hindering high-speed switching.
[0008]
As a method for improving the reverse recovery characteristics of a high voltage diode, P⁺ It is effective to reduce the surface impurity concentration of the mold anode layer 2 and reduce its thickness (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0009]
This is P⁺ It is said that by reducing the hole injection efficiency on the type anode layer 2 side, the number of carriers in the vicinity of the junction where the depletion layer spreads can be reduced in the on state at the initial stage of reverse recovery.
[0010]
However, P⁺ Lowering the surface concentration of the mold anode layer 2 makes it difficult to sufficiently reduce the ohmic contact with the anode electrode 4, and deteriorates the on-characteristics. In order to obtain the good ohmic contact required for power, P⁺ The surface concentration of the mold anode layer 2 is 1 × 10¹⁹/ Cm^Three It is necessary to make it to a degree.
[0011]
P⁺ When the concentration of the anode layer 2 is lowered and the thickness is reduced, P is applied when a reverse bias is applied.⁺ The depletion layer extending into the mold anode layer 2 reaches the anode electrode 4, and sufficient high breakdown voltage characteristics cannot be obtained.
[0012]
In order to solve such a problem of the first conventional high voltage diode, another high voltage diode (second conventional high voltage diode) has been proposed. FIGS. 10A and 10B are an anode side plan view and a cross-sectional view taken along line AA ′ of a second conventional high voltage diode.
[0013]
High resistance N⁻ A high-concentration P-type anode layer (emitter layer) is selectively diffused on one surface of the mold base layer 1. The anode layer is N⁻ P diffused in the mold base layer 1⁺ Type anode layer (P⁺ Emitter layer) P which is the main body⁺ Mold layer 2₁ And a higher concentration of P diffused and formed on the surface.⁺⁺Mold layer 2₂ It is comprised by.
[0014]
P⁺⁺Mold layer 2₂ As shown in FIG. 10 (a). Multiple high-density N with stripe pattern⁺⁺The mold layer 6 is formed by diffusion. And P⁺⁺Mold layer 2₂And N⁺⁺An anode electrode 4 is formed so as to contact the mold layer 6 simultaneously.
[0015]
P⁺⁺Mold layer 2₂Is a contact layer for the anode electrode 4 to make a low-resistance ohmic contact with the anode layer. N⁺⁺The mold layer 6 is formed from the anode layer 2 to N⁻ This is a current blocking layer for reducing the area of hole injection into the mold base layer 1 and discharging electrons. Therefore, P⁺⁺Mold layer 2₂And N⁺⁺The mold layer 6 is formed in a dispersed state with a predetermined area ratio in consideration of the low resistance contact and the hole injection amount.
[0016]
On the other hand, N⁻ The other surface of the mold base layer 1 has a high concentration of N⁺ A type cathode layer 3 is formed on the entire surface, and a cathode electrode 5 is formed thereon. N^- The surface exposed to the anode side of the mold base layer 1 is covered with an oxide film 7.
[0017]
More specific examples of the impurity concentration and shape of each part will be described.
FIG. 11 shows the P of the anode side of the second conventional diode.⁺⁺Mold layer 2₂ And the adjacent N⁺⁺The cross section of the basic component part which consists of the type | mold layer 6 and the impurity concentration distribution of the AA 'cross section and BB' cross section are shown.
[0018]
N⁻ The mold base layer 1 has a thickness of 450 μm and an impurity concentration of 1 × 10¹³/ Cm^Three And P⁺ Mold layer 2₁ Is a diffusion depth of 1.5 μm and a surface concentration of 1 × 10¹⁷/ Cm^Three And P⁺⁺Mold layer 2₂Is the diffusion depth 0.3 μm, surface concentration 1 × 10¹⁹/ Cm^Three And N⁺⁺The mold layer 6 has a diffusion depth of 0.4 μm and a surface concentration of 1 × 10.²⁰/ Cm^Three And N⁺ Type cathode layer 3 has a diffusion depth of 15 μm and a surface concentration of 1 × 10¹⁹/ Cm^Three It is.
[0019]
P⁺ Mold layer 2₁ N⁺⁺The sheet resistance ρ of the part under the mold layer 6 is
500Ω / □ <ρ <20000Ω / □
It is desirable to set it within the range.
[0020]
N arranged alternately in stripes⁺⁺Width d of mold layer 6₁And P⁺⁺Mold layer 2₂ Width d₂ Is d₁ ≦ d₂ In this conventional example, d is set to₁ = D₂ It is. In consideration of current concentration during reverse recovery, d₁ It is desirable to set it to <15 μm. Thereby, the destruction tolerance is improved.
[0021]
FIG. 11 shows N in the on-state (high implantation state) of the high-breakdown-voltage diode set to the impurity concentration distribution and shape dimensions as described above.⁻ The carrier concentration distribution in the mold base layer 1 is shown together with that of the first conventional high voltage diode (broken line).
[0022]
According to the second conventional high voltage diode, the anode layer has a lower concentration of P than in the conventional case.⁺ Mold layer 2₁ As a blocking layer that suppresses hole injection from the anode layer.⁺⁺By providing the mold layer 6, in the high injection state as shown in FIG.⁻ The carrier concentration distribution in the mold base layer 1 is 1 × 10 on the cathode side¹⁷/ Cm^Three On the other hand, the anode side is 1 × 10 less than this by an order of magnitude or more.¹⁵/ Cm^Three It will be about. N like this⁻ As a result of the lower carrier concentration on the anode side in the mold base layer 1, the reverse recovery characteristics are improved.
[0023]
FIG. 12 shows the reverse recovery characteristic of the second conventional high voltage diode compared with the first conventional high voltage diode. This is a current density of 100 A / cm² (ON voltage 2.6V), applied voltage 1000V, di / dt = −200 A / μs · cm² It is a waveform at. From FIG. 12, it can be seen that according to the second conventional high voltage diode, the reverse recovery current can be kept small and the reverse recovery characteristic can be improved.
[0024]
By the way, N as an injection blocking layer in the anode layer.⁺⁺The formation of the mold layer 6 may cause a parasitic transistor effect during reverse recovery. This is because, as shown in FIG.⁺ Mold layer 2₁ Flowing horizontally in the inside, P⁺ Mold layer 2₁ And N⁺⁺This occurs when the junction composed of the mold layer 6 becomes a forward bias of a built-in voltage (0.5 V) or more. Therefore, it is necessary to suppress this.
[0025]
N⁺⁺P just below the mold layer 6⁺ Mold layer 2₁ The value of the horizontal voltage drop VR is N⁺⁺P just below the mold layer 6⁺ Mold layer 2₁ Sheet resistance ρ_{p +}And the current density i flowing there, N⁺⁺Width d of mold layer 6₁ Using,
VR = ρ_{p +}(I / 2) (d₁ ² / 4)
It can be expressed as. If this voltage VR is smaller than the built-in voltage (0.5V), N⁺⁺P⁺ N⁻ N⁺ The parasitic transistor does not operate and the switching loss is reduced.
[0026]
The condition for preventing the operation of the parasitic transistor is N⁺⁺Mold layer 6 and P⁺⁺Mold layer 2₂ The following is a more general description assuming all cases of distributed arrangement.
[0027]
The density of the current flowing through the element is i [A / cm² ], N⁺⁺P just below the mold layer 6⁺ Mold layer 2₁ Sheet resistance ρ_{p +}(Ω / □), N⁺⁺A set of points in the region of the mold layer 6 is represented by A (a), N⁺⁺Region of mold layer 6 and P⁺⁺Mold layer 2₂ Let B (b) be the set of points on the boundary with the region.
[0028]
At this time, let dab be the distance from any point a to b,
D = max. (Min dab)
Distance D [cm] satisfying N, and N⁺⁺Mold layer 6 and P⁺ Mold layer 2₁ When the junction voltage Vj is Vj [V],
Vj> ρ_{p +}(I / 2) D²
Should be satisfied.
[0029]
FIG. 14 shows the conditions under which the above parasitic transistor operates as the sheet resistance ρ._{p +}And N⁺⁺Width d of mold layer 6₁ It is shown in relation to P of anode layer⁺ Mold layer 2₁ When the sheet resistance is 20000Ω / □, the current density (when there is current concentration, the same as the maximum current value) is 100 A / cm.² D₁ = 15 μm and Vj = 0.5V.
[0030]
From this, d₁ <15 μm is necessary to suppress the parasitic transistor effect. Current density is 200A / cm² D₁ <7.5 μm, current density is 500 A / cm² D₁ <3 μm.
[0031]
When the element area is small and the current concentration is small, d₁ Can be selected relatively large. On the other hand, when the element area is large and there is current concentration, d₁ Is small, for example, it is desirable to select 3 μm or less.
[0032]
In the second conventional high voltage diode improved in this way, in order to suppress the parasitic transistor effect, d₁ Must be set to a very small value of 3 μm or less.
[0033]
Therefore, the amount of accumulated carriers is P⁺⁺Mold layer 2₂ N directly below⁺⁺There is a problem that a large on-voltage is generated when the current density is increased.
[0034]
Therefore, in the second conventional high voltage diode, it is difficult to improve both on-state characteristics (for example, reduction of on-voltage) and reverse recovery characteristics (for example, reduction of reverse recovery current).
[0035]
Also, as shown in FIG. 12, if the on-voltage is set to be the same as that of the first conventional high voltage diode, the carrier lifetime must be increased, so that the reverse recovery current is small during reverse recovery. However, there is a problem that the tail current flows for a long time to generate a large power loss.
[0036]
FIG. 15 shows a cross section of a basic component of a third conventional high voltage diode, which is an improvement of the first conventional high voltage diode, and an impurity concentration distribution along the AA ′ and BB ′ sections. Yes.
[0037]
In this third conventional high voltage diode, N 2 in the second conventional high voltage diode⁺⁺In the portion where the mold layer 6 is formed, the surface impurity concentration is lowered and the thickness is reduced.⁻ Type anode layer 2_Three Is diffused.
[0038]
Specifically, P⁺ Type anode layer 2₁ Is diffusion depth 5 μm, surface concentration 4 × 10¹⁸/ Cm^Three And P⁻ Type anode layer 2_Three Is diffusion depth 1 μm, surface concentration 5 × 10¹⁵/ Cm^Three It is. P⁻ Type anode layer 2_Three The sheet resistance ρ of
500Ω / □ <ρ <20000Ω / □
It is desirable to set it within the range.
[0039]
P arranged alternately in stripes⁻ Type anode layer 2_Three Width d₁ And P⁺ Type anode layer 2₁ Width d₂ Is d₁ ≦ d₂ Specifically, in the third conventional high voltage diode, d₁ = D₂ It is.
[0040]
FIG. 15 shows N-A along the AA ′ cross section and the BB ′ cross section in the ON state (high injection state) of the high breakdown voltage diode set to the impurity concentration distribution and the shape dimension as described above.^- The carrier concentration distribution in the mold base layer 1 is also shown. Also in the third conventional high voltage diode, the reverse recovery characteristic is improved because the carrier concentration on the anode side is reduced.
[0041]
By the way, P⁻ Type anode layer 2_Three Width d₁ Is increased by the first conventional high voltage diode, P⁻ P is the same as when the surface concentration of the anode layer 2 is lowered.⁻ Type anode layer 2_Three A depletion layer spreads greatly inside, and a leak current increases when a reverse bias is applied.
[0042]
FIG. 16 shows the relationship between the reverse applied voltage and the leakage current.₁ Is shown as a parameter. d₁ Is small, P⁺ Type anode layer 2₁ P due to the depletion layer spreading from⁻ Type anode layer 2_Three Is shielded, the leakage current is reduced. But d₁ When the thickness is 3 μm, the shielding effect is weakened and the leakage current increases.
[0043]
Thus, in the third conventional high-voltage diode, in order to reduce the leakage current when reverse bias is applied, d₁ Must be set to a very small value of 3 μm or less.
[0044]
However, d₁ If is reduced, the carrier profile is the same as that of the first conventional example, and the reverse recovery characteristic is not improved. Therefore, it is difficult to improve both the on-state characteristics and the reverse recovery characteristics even in the third conventional high-voltage diode.
[0045]
FIG. 17 shows the cross section of the basic component of the fourth conventional high voltage diode, which is an improvement of the first conventional high voltage diode, and the impurity concentration distribution and the ON state of the AA ′ and BB ′ sections. The carrier concentration distribution is shown.
[0046]
In this fourth conventional high voltage diode, N 2 in the second conventional high voltage diode⁺⁺In the portion where the mold layer 6 is formed, the Schottky contact 8 is formed without forming the diffusion layer so that only the electron current flows.
[0047]
In the fourth conventional high voltage diode, the reverse recovery characteristic is improved because the carrier concentration on the anode side is reduced. However, as in the third conventional high voltage diode,₁ If the value is increased, there is a problem that the leakage current increases when a reverse bias is applied.
[0048]
However, d₁ In this case as well, as in the case of the second conventional high voltage diode, the amount of accumulated carriers in the AA ′ section is only slightly larger than that in the BB ′ section, so that the current density is high. Then, there arises a problem that a large on-voltage is generated. Therefore, in the fourth conventional high voltage diode, it is difficult to improve both the on-characteristic and the reverse recovery characteristic.
[0049]
Also, in these third and fourth conventional high voltage diodes, if the on-voltage is set to be the same as that of the first conventional high voltage diode, the carrier is the same as in the case of the second conventional high voltage diode. Since the lifetime must be increased, the reverse recovery current is small at the time of reverse recovery, but there is a problem that the tail current flows for a long time to generate a large power loss.
[0050]
FIG. 68 is a cross-sectional view showing the element structure of another conventional high voltage diode.
[0051]
In the figure, 41 is a high-resistance N⁻ Shows the mold substrate, N⁻ A P-type emitter layer 42 is formed on the surface of the mold substrate 41, and an anode electrode 49 is provided on the surface of the P-type emitter layer 42.⁺ A mold contact layer 45 is formed. On the other hand, N⁻ N on which the cathode electrode 50 is provided on the back surface of the mold substrate 41⁺ A mold emitter layer 43 is formed.
[0052]
Furthermore, in order to have a high breakdown voltage characteristic, N⁻ P on the surface of the mold substrate 41⁻⁻A type RESURF layer 46 is formed in contact with the P type emitter layer 42. P⁻⁻N outside the mold RESURF layer 46⁺ A mold stopper layer 47 is provided.⁺ A stopper electrode 51 is provided on the mold stopper layer 47. In the figure, reference numeral 48 denotes an insulating film.
[0053]
However, such conventional high voltage diodes have the following problems. That is, in the forward energization state, if an attempt is made to apply a reverse voltage abruptly to restore the blocking state, the element is located near the D point at the end of the P-type emitter layer 42 that has the highest electric field when the depletion layer spreads Residual carriers that existed in the periphery are concentrated. As a result, there is a problem that an avalanche current flows locally and the device is destroyed.
[0054]
[Non-Patent Document 1]
M. Naito et al., “High Current Characteristics of Asymmetrical P-i-N Diodes Having Low Forward Voltage Drops”, IEEE TRANSACTIONS OF ELECTRON DEVICES. VOL. 23, NO. 8 pp. 945-949, 1976.
[0055]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional high voltage diode, high resistance N⁻ Due to carrier accumulation in the mold base layer, a large reverse recovery current flows at the time of OFF, and there is a problem that the reverse recovery characteristics deteriorate. In order to solve such problems, various high voltage diodes have been proposed and expected to have a certain effect, but it is difficult to improve both reverse recovery characteristics and on-characteristics of any high voltage diode. There was a problem.
[0056]
Further, in the conventional high voltage diode, residual carriers that existed in the periphery of the element during reverse recovery are concentrated near the end of the P-type emitter layer, and the element is destroyed due to local avalanche current flowing. There was a problem.
[0057]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high breakdown voltage semiconductor device capable of avoiding damage due to residual carriers in the periphery of the device at the time of OFF.
[0058]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the first of the high voltage device according to the present invention is:
  A first semiconductor layer of a first conductivity type having first and second main surfaces;
  A second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the first main surface of the first semiconductor layer;
  A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first main surface of the first semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and separated from the second semiconductor layer; ,
  A first conductivity type first electrode formed on the second main surface of the first semiconductor layer;4A semiconductor layer of
  On the second semiconductor layer of the second conductivity typeSelectivelyA first electrode provided;
  A second electrode selectively provided on the third semiconductor layer of the second conductivity type;
  The first conductivity type4The first provided on the semiconductor layer3Electrode,
  The second semiconductor layer has an impurity concentration.Relatively low first areaAnd this first regionProvided on the inner surface ofImpurity concentrationA relatively high second regionAnd the first electrode is the first electrode.2ofOn the areaProvidedthisConnected toAnd
  The third semiconductor layer includes a third region having a relatively low impurity concentration, and a fourth region provided on the inner surface of the third region and having a relatively high impurity concentration, and the second electrode includes Provided on and connected to the fourth regionIt is characterized by being.
[0059]
  The second of the high voltage elements according to the present invention is as follows:
  A first semiconductor layer of a first conductivity type having first and second main surfaces;
  A second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the first main surface of the first semiconductor layer;
  A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first main surface of the first semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and separated from the second semiconductor layer; ,
  A first conductivity type first electrode formed on the second main surface of the first semiconductor layer;4A semiconductor layer of
  A first electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
  A second electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
  The first conductivity type4Provided on the semiconductor layerA third electrode;
  A member for electrically connecting the first electrode and the second electrode;
Equipped withYouIt is characterized by that.
[0060]
  The third of the high voltage elements according to the present invention is:
  A first semiconductor layer of a first conductivity type having first and second main surfaces;
  A second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the first main surface of the first semiconductor layer;
  A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first main surface of the first semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and separated from the second semiconductor layer; ,
  A first conductivity type first electrode formed on the second main surface of the first semiconductor layer;4A semiconductor layer of
  The first main surface of the first semiconductor layer is formed so as to be embedded between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer so as to connect them, and the second semiconductor layer and the first semiconductor layer A fifth semiconductor layer having an impurity concentration lower than that of the third semiconductor layer;
  A first electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
  A second electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
  The first conductivity type4The first provided on the semiconductor layer3ElectrodeAnd comprisingA high voltage semiconductor element characterized by the above.
[0062]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
[0063]
(FirstReference example)
  FIG.First reference exampleIt is the top view and sectional drawing which show the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. FIG. 1A is a plan view on the anode side, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′. FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of the high voltage diode and an on-state carrier concentration distribution.
[0064]
  BookReference exampleThe high breakdown voltage diode of FIG. 11 uses that of the second conventional high breakdown voltage diode as a basic element structure, and the portions corresponding to those in FIGS. Omitted.
[0065]
  BookReference exampleThen, as shown in FIG. 1, the first injection region 9 (first emitter injection region) having a high emitter injection efficiency having the basic structure shown in FIG. 2A and the basic structure shown in FIG. 2B are repeated. The second injection regions 10 (second emitter injection regions) having a low emitter injection efficiency are alternately arranged.
[0066]
In order to prevent the parasitic transistor from operating in the second region 10, N⁺⁺Width d of layer (current blocking layer) 6₁ Is set to 3 μm or less, for example. Width W of second region 10₂ For example, N in a high injection state⁻ If the carrier diffusion length La in the mold base layer 1 is 130 μm, an increase in the on-voltage can be effectively suppressed by selecting it to be smaller than 390 μm, which is three times as long.
[0067]
  BookReference exampleSince the width of the first region 9 and the second region 10 can be set to a considerable size, the carrier concentration distribution accumulated in the first region 9 and the second region 10 is shown in FIG. A large difference as shown by 2 (c) occurs.
[0068]
That is, in the first region 9, as in the first conventional high voltage diode (FIG. 9), N^- A large amount of carriers are accumulated in the mold base layer 1, and in the second region 10, as in the second conventional high voltage diode (FIG. 11), N⁻ The carrier concentration on the anode side in the mold base layer 1 is reduced. As a result, even when the current density is increased, a sufficiently low on-voltage can be realized by the carriers accumulated in the first region 9.
[0069]
  Figure 3 shows the bookReference exampleThe reverse recovery characteristics of the high breakdown voltage diode are compared with those of the first conventional high breakdown voltage diode (first conventional example) and the second conventional high breakdown voltage diode (second conventional example).
[0070]
  From Figure 3, bookReference exampleAccording to this, the time until the reverse recovery current (anode current) becomes zero is shorter than in the second conventional example, and the peak value of the reverse recovery current is smaller than in the first conventional example. . this is,Reference exampleThis is because a two-dimensional redistribution of current occurs between the first region 9 and the second region 10 during reverse recovery.
[0071]
Further, since the on-voltage can be lowered even if the carrier lifetime is reduced, the time during which the tail current flows during reverse recovery can be shortened, and the power loss can be reduced.
[0072]
  Figure 4 shows the bookReference exampleThe width W of the second region 10 of the high breakdown voltage diode₂ And N⁻ It is a figure which shows the relationship between carrier diffusion length La in a type | mold base layer, and ON voltage. As shown in FIG. 4, the width W of the second region₂ N in the high injection state⁻ If the carrier diffusion length La within the mold base layer 1 is within three times, no increase in on-voltage is observed. Therefore, in order to suppress an increase in on-voltage, W₂ It is desirable to set / La ≦ 3.
[0073]
  Figure 5 shows the bookReference exampleIt is a figure which shows the example of the anode side pattern in the 2nd area | region 10 of this diode. In selecting any of these patterns, it is important to suppress the generation of parasitic transistors in consideration of the conditions described in the description of the second conventional example.
[0074]
In FIG. 1, the stripe-shaped first regions 9 and the second regions 10 are alternately arranged, but the shape and arrangement pattern of the regions can be variously modified. In FIG. 6, a rectangular first region 9 is arranged in the second region 10. In addition, the shape of these regions may be striped, rectangular or polka dots as in FIG.
[0075]
In FIG. 1 and FIG. 6, the second region 10 having a low emitter injection efficiency is arranged at the end of the diode region in order to reduce the current density near the junction termination. can do. The dimensions of the regions, the intervals when the regions are arranged, and the like can also be changed according to the requirements of the element characteristics.
[0076]
In these examples, the first region 9 has a uniform P as shown in FIG.⁺ The type anode layer 2 is formed. In the first region 9 as well, the basic structure as shown in FIG. 2B is used so that the injection efficiency is higher than that of the second region 10.₁ , D₂ If the dimensions are set, the same effect can be obtained.
[0077]
At that time, in order to reduce the current density in the vicinity of the junction termination portion, the injection efficiency of the second region 10 disposed at the end of the diode region is set to be higher than that of the second region 10 disposed at the central portion of the diode region. If the value is set too low, the breakdown tolerance during reverse recovery of the diode can be increased.
[0078]
In addition, it has the basic structure of the second region 10 and d₁ _,d₂ By changing the dimensions of the various areas and setting areas with three or more injection efficiencies, and arranging these areas with various dimensions, shapes, and arrangement patterns, the same effect can be obtained, and even more subtle optimization Can be achieved.
[0079]
  (SecondReference example)
  FIG.Second reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the firstReference exampleThe difference from this is that the first region and the second region are provided not only on the anode side but also on the cathode side.
[0080]
That is, the cathode layer has N as a first region with high electron injection efficiency.⁺ Mold layer 3₁ And a higher concentration region N⁺⁺Mold layer 3₂ And N⁺⁺Mold layer 3₂ And P as a second injection region that is alternately formed and has a low electron injection efficiency.⁺⁺And a mold layer (current blocking layer) 11.
[0081]
  BookReference exampleAccording to N⁻ Since the carrier concentration in the mold base layer 1 is lower than the conventional one on both the anode side and the cathode side, the reverse recovery characteristic is further improved. Also bookReference exampleThen, as shown in FIG. 7, there is no first region with high emitter injection efficiency on the cathode side (lower side) surface of the junction termination region, and only the second region with low emitter injection efficiency is arranged. In addition, the current density in the junction termination region is decreased, and the breakdown tolerance during reverse recovery of the diode is increased.
[0082]
  BookReference exampleThen, the second region with low emitter injection efficiency on the anode side (second region with low hole injection efficiency) is the second region with high emitter injection efficiency on the cathode side (second region with low electron injection efficiency). This positional relationship can be variously changed. Further, only the second region may be formed on one surface, or the injection efficiency of the second region 10 disposed at the end of the diode region is set to that of the second region 10 disposed at the center of the diode flow region. It is also possible to increase the breakdown tolerance during reverse recovery of the diode by setting it lower.
[0083]
  (ThirdReference example)
  FIG. 8 shows the thirdReference exampleIt is sectional drawing of the element structure of the reverse conduction type IGBT which concerns on. BookReference exampleThe reverse conducting IGBT is roughly divided into an IGBT region and a reverse conducting diode region.
[0084]
First, the IGBT region will be described. N⁻ A P-type layer (P base layer) 12 is selectively formed on the surface of the mold base layer 1, and N is formed on the surface portion thereof.⁺⁺A mold layer (source layer) 13 is formed.
[0085]
This N⁺⁺Mold layer (source layer) 13 and N⁻ A gate electrode 15 is formed on a P-type layer (P base layer) 12 in a region sandwiched between the mold base layers 1 via a gate insulating film 14. N⁺⁺A high-concentration portion of the P-type layer (P base layer) 12 is formed so as to extend over the mold layer (source layer) 13 to prevent the latch-up operation of the IGBT. P-type layer (P base layer)⁺⁺Mold layer 2₂ Formed, N⁺⁺It is ohmically connected to the source electrode 17 together with the mold layer (source layer) 13.
[0086]
On the other hand, N⁻ An N-type buffer layer 22 is formed on the back surface of the mold base layer 1, and P is selectively formed therein.⁺ A mold layer (drain layer) 16 is formed. The N-type buffer layer 22 is ohmically connected to the drain electrode 18.
[0087]
  BookReference exampleThen, P⁺ The first layer (drain layer) 16 has a firstReference exampleThe same structure as that formed on the anode side surface of the high breakdown voltage diode is adopted. That is, P⁺ Inside the mold layer (drain layer) 16,^N ⁺⁺A second region 10 whose injection efficiency is lowered by a mold layer (current blocking layer) 6 and a first region 9 whose injection efficiency is high are formed.
[0088]
  BookReference exampleThen, the first region 9 having a high injection efficiency is disposed under the gate electrode 15 which is the main current path in the on state, and the second region 10 having a low injection efficiency is disposed in the other portions. Avoid extra carrier accumulation.
[0089]
Next, the reverse conducting diode region will be described below.
N⁻ P type layer 2 selectively on the surface of mold base layer 1₁ The first region and the second region for controlling the injection efficiency are arranged on the surface portion, and the anode electrode 4 of the reverse conducting diode is ohmically connected to the first and second regions. Has been.
[0090]
N⁻ The surface of the N-type buffer layer 22 formed on the back surface of the mold base layer 1 has P⁺⁺The mold layer (current blocking layer) 11 forms a second region where the emitter injection efficiency is lowered and a first region where the emitter injection efficiency is high. An IGBT drain electrode 18 is ohmically connected to the first and second regions. The IGBT drain electrode 18 serves as a cathode electrode of a reverse conducting diode.
[0091]
In addition, an isolation region that is sufficiently longer than the carrier diffusion length is provided between the IGBT region and the reverse conducting diode region so that residual carriers in the reverse conducting diode region do not diffuse into the IGBT region.
[0092]
Thereby, even if the polarity of the voltage applied between the source electrode 17 and the drain electrode 18 is reversed immediately after the reverse conducting diode current flows, the leakage current discharged from the source electrode 17 of the IGBT is sufficiently reduced. Can be lowered.
[0093]
In order to prevent a decrease in breakdown voltage in the isolation region, P⁻ A mold layer (Resurf layer) 20 is formed to relax the electric field. Also, the junction termination region has P for the same reason.^- A mold layer (Resurf) 20 is formed to realize a high breakdown voltage. N⁺⁺The mold layer 21 is a channel stopper layer for stopping elongation of the depletion layer.
[0094]
  BookReference exampleTherefore, in the IGBT region, injection of holes from the drain layer is suppressed, so that carrier accumulation in the vicinity of the drain electrode 18 is reduced, and turn-off characteristics are improved.
[0095]
Further, in the reverse conducting diode region, the anode side and cathode side injection efficiency can be freely determined by the first region and the second region, so that the diode characteristics can be set independently of the IGBT characteristics.
[0096]
In general, it is difficult to separately control the carrier lifetime of the IGBT region and the reverse conducting diode region by a method such as electron beam irradiation for controlling the carrier lifetime of the semiconductor element. This method is very effective in the sense that the characteristics of each element of the composite element can be optimized independently.
[0097]
  1st to 3rdReference exampleThen, although the structure of FIG. 2B has been used as the basic structure constituting the second region, the same effect can be obtained by using the structure of FIGS. 15 and 17 or a modified version thereof instead. Is obtained.
[0098]
  Also theseReference exampleIt is possible to further improve the characteristics by combining heavy metal diffusion, electron beam irradiation, proton or helium irradiation, and the like to change the carrier lifetime in the device.
[0099]
  Also applied to reverse conducting IGBTReference exampleAs shown inReference exampleIf the emitter structure (anode structure of the diode) is applied to the emitters of various semiconductor elements, the trade-off between turn-off loss (reverse recovery characteristic) and on-voltage can be improved.
[0100]
  (FourthReference example)
  FIG. 18 shows the fourth aspect of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. The parts corresponding to those of the high voltage diode of FIG. 68 are denoted by the same reference numerals as in FIG. 68, and detailed description thereof is omitted.
[0101]
  BookReference exampleIs characterized by N on the inner side of the end (broken line) of the P-type emitter layer 42.⁺ The end of the mold emitter layer 43 is formed. N⁺ The N-type buffer layer 44 formed outside the end of the type emitter layer 43 prevents the depletion layer from reaching the cathode electrode 50 (punch-through) when a reverse voltage is applied.
[0102]
With such an element structure, electron injection from the cathode side is mainly N during forward energization with a high current density.⁺ Since this occurs only from the type emitter layer 43, the carrier density near the point D at the end of the P type emitter layer 42 is low.
[0103]
Therefore, even if the vicinity of the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, there is no problem that the element is destroyed by a local avalanche current due to carrier concentration. N⁺ The end of the type emitter layer 43 and the end of the P-type emitter layer 42 may coincide.
[0104]
  (5thReference example)
  FIG.Fifth reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the fourthReference exampleIs different from that of P⁻⁻A P-type guard ring layer 52 is used instead of the type RESURF layer 46 to provide high breakdown voltage characteristics. BookReference exampleHowever, since the carrier density near the point D at the end of the P-type emitter layer 42 is low,Reference exampleThe same effect can be obtained.
[0105]
  (6thReference example)
  FIG.Sixth reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the fourthReference exampleThe difference from this is that there is no N-type buffer layer 44. Thick N without worrying about punch-through⁻ If the mold layer (substrate) 41 is used, a high voltage diode having such a structure can be realized without any problem.
[0106]
  (SeventhReference example)
  FIG.Seventh reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the sixthReference exampleIs different from that of P⁻⁻The P type guard ring layer 52 is used in place of the type RESURF layer 46 to provide high breakdown voltage characteristics. thisReference exampleHowever, since the carrier density near the end D point of the P-type emitter layer 42 is low,Reference exampleThe same effect can be obtained.
[0107]
  (EighthReference example)
  FIG.Eighth reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high-breakdown-voltage diode is different from that of the fourth embodiment in that punch-through is prevented by using an insulating film 48 instead of the N-type buffer layer 44. BookReference exampleHowever, since the carrier density near the point D at the end of the P-type emitter layer 42 is low,Reference exampleThe same effect can be obtained.
[0108]
  (9thReference example)
  FIG.Ninth reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the fifthReference exampleIs different from that of P⁻⁻Instead of the type RESURF layer 46, a P-type guard ring layer 52 is used to provide high breakdown voltage characteristics. BookReference exampleHowever, since the carrier density near the point D at the end of the P-type emitter layer 42 is low,Reference exampleThe same effect can be obtained.
[0109]
  (10thReference example)
  FIG.Tenth reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleIs characterized in that the first P-type emitter layer 42 and P⁻⁻Between the mold resurf layers 46, that is, the first P⁻ A second P having a low concentration around the emitter layer 42⁻ A type emitter layer 53 is provided.
[0110]
Where the second P⁻ The mold emitter layer 53 has a low concentration within a range that is not completely depleted when a reverse voltage is applied, thereby reducing the injection efficiency. This is P⁻⁻It is fundamentally different from the 46 type RESURF layer.
[0111]
With such an element structure, P⁻ Since the carrier injection of the mold emitter layer 53 is small, the carrier density near the point D is low during forward energization. Therefore, even if the vicinity of the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, there is no problem that the element is destroyed by a local avalanche current due to carrier concentration.
[0112]
  (EleventhReference example)
  FIG.Eleventh reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference example10th high voltage diodeReference exampleIs different from that of P⁻⁻A P-type guard ring layer 52 is used instead of the type RESURF layer 46 to provide high breakdown voltage characteristics. BookReference exampleHowever, since the carrier density near the point D at the end of the P-type emitter layer 42 is low,Reference exampleThe same effect can be obtained.
[0113]
  (12thReference example)
  FIG.Twelfth reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleIs characterized in that an N for electron emission is located near the end in the P-type emitter layer 42.⁺ The layer 54 is formed.
[0114]
With such an element structure, electrons in the vicinity of the point D are N during forward energization.⁺ Since the material is discharged from the layer 54 to the outside of the element, the carrier density in the vicinity of the end portion is lowered. Therefore, even if the vicinity of the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, there is no problem that the element is destroyed by a local avalanche current due to carrier concentration.
[0115]
  (13thReference example)
  FIG.13th reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the 12thReference exampleIs different from that of P⁻⁻A P-type guard ring layer 52 is used instead of the type RESURF layer 46 to provide high breakdown voltage characteristics. BookReference exampleHowever, since the carrier density near the point D near the end of the P-type emitter layer 42 is low,Reference exampleThe same effect can be obtained.
[0116]
  (14thReference example)
  FIG.14th reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleIs the firstReference exampleAnd the tenthReference exampleIs a combination example. Ie bookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the same as that of the high breakdown voltage diode of FIG.₁ In this configuration, another low-concentration P-type emitter layer 53 is formed so as to be in contact with each other.
[0117]
  Where the tenthReference exampleLike P⁻ The mold emitter layer 53 has a low concentration within a range that is not completely depleted when a reverse voltage is applied, thereby reducing the injection efficiency. BookReference exampleAccording to the firstReference exampleIn addition to the effect of P⁻ By providing the mold emitter layer 53, the effect of increasing the breakdown resistance can be obtained.
[0118]
  (15thReference example)
  FIG.15th reference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on. BookReference exampleIs the firstReference exampleAnd the fourthReference exampleIt is an example of combining. Ie bookReference exampleThe high breakdown voltage diode is the same as that of the high breakdown voltage diode of FIG.₁ The end portion of the N-type emitter layer 3 is located inside the end portion. Note that the positions of the two end portions may coincide with each other.
[0119]
  BookReference exampleAccording to the firstReference exampleIn addition to the above effects, the following effects can be obtained. That is, even if the vicinity of the end portion of the P-type emitter layer 21 becomes the highest electric field point, carrier concentration does not occur, so that the effect of improving the breakdown resistance can be obtained.
[0120]
  (16thReference example)
  FIG.16th reference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning. In this example, in order to have a high withstand voltage characteristic, the electric field relaxation P designed to be fully depleted when a reverse voltage is applied.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided. This structure is characterized by a P-type emitter layer 42 and P⁻⁻A low injection efficiency P between the mold RESURF layers 46⁻ P type emitter layer 53 is provided, and anode electrode 49 is brought into contact only with P type emitter layer 42, and P⁻ That is, the mold emitter layer 53 is not contacted.
[0121]
In this structure, P⁻ As the carrier injection decreases due to the lower concentration of the type emitter layer 53, this P⁻ Due to the double effect that the carrier injection near the point D is limited by the lateral resistance 57 of the type emitter layer 53, the carrier density near the point D is lowered during forward energization. For this reason, even if the D point becomes the highest electric field point during reverse recovery, the carrier concentration does not occur and the structure is strong against breakdown.
[0122]
  This wayReference exampleAccording to the above, it is possible to improve the breakdown resistance while maintaining good forward characteristics.
[0123]
  Figure 31 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of the 1st modification of this. In this variation, P⁻⁻Except that a P-type guard ring layer 52 for electric field relaxation is provided instead of the type RESURF layer 46,Reference exampleIs the same.
[0124]
  Figure 32 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode concerning the 2nd modification of this. In this variation, P⁻ A type emitter layer 53 is formed so as to surround the P type emitter layer 42. Even in this case, the same effect as in FIG. 30 can be obtained.
[0125]
  Figure 33 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of the 3rd modification of this. In this variation, P⁻⁻The second modification is the same as the second modification except that a P-type guard ring layer 52 for relaxing the electric field is provided instead of the type RESURF layer 46.
[0126]
  (17thReference example)
  FIG.Seventeenth reference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning. In this example, in order to provide high breakdown voltage characteristics, P for electric field relaxation is used.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided. The feature of this structure is that an N-type layer 56 for adjusting injection efficiency is provided on the surface of the peripheral portion in the P-type emitter layer 42 and the anode electrode 49 is in contact with only the P-type emitter layer 42.
[0127]
In this structure, by adjusting the diffusion depth of the N-type layer 56 for adjusting the injection efficiency, the amount of impurities in the P-type emitter layer 42 immediately below the N-type layer 56 can be adjusted, so that the carrier injection efficiency can be lowered. Become.
[0128]
Also in this case, in addition to the above effect, the carrier density near the D point is reduced during forward energization due to the double effect that the lateral resistance 57 of the P-type emitter layer 42 restricts the carrier injection near the D point. It has become. For this reason, even if the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, the carrier concentration does not occur and the structure is strong against breakdown. A plurality of N-type layers 56 may be arranged side by side.
[0129]
  Figure 35 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of the modification. In this variation, P⁻⁻Except that a P-type guard ring layer 52 for electric field relaxation is provided instead of the type RESURF layer 46,Reference exampleIs the same.
[0130]
  (18thReference example)
  FIG.Eighteenth reference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning. In this example, in order to provide high breakdown voltage characteristics, P for electric field relaxation is used.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided. A feature of this structure is that a certain amount of the peripheral surface in the P-type emitter layer 42 is removed by a process such as RIE, and the anode electrode 49 is in contact with only the P-type emitter layer 42.
[0131]
In this structure, by adjusting the depth of the surface removal portion, the amount of impurities in the P-type emitter layer 42 immediately below the removal portion can be adjusted, so that the carrier injection efficiency can be reduced. Also in this case, in addition to the above effect, the carrier density near the D point is reduced during forward energization due to the double effect that the lateral resistance 57 of the P-type emitter layer 42 restricts the carrier injection near the D point. It has become. For this reason, even if the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, the carrier concentration does not occur and the structure is strong against breakdown.
[0132]
  Figure 37 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of the modification. In this variation, P⁻⁻Except that a P-type guard ring layer 52 for electric field relaxation is provided instead of the type RESURF layer 46,Reference exampleIs the same.
[0133]
  (FirstEmbodiment)
  FIG. 38 illustrates the present invention.FirstIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning embodiment. In this example, in order to provide high breakdown voltage characteristics, P for electric field relaxation is used.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided. This structure is characterized by a P-type emitter layer 42 at the periphery of the device.₁ And the anode electrode 49 is also separated to provide the field plate electrode 58. In this structure, the P-type emitter layer 42 in the peripheral portion of the element is separated due to the separation.₁ Since carrier injection does not occur from, carrier density in the vicinity of point D can be suppressed in the forward direction. For this reason, even if the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, carrier concentration does not occur and the structure is strong against breakdown. Although the electric field at the point E becomes strong due to the separation, if the separation distance is short, it can be suppressed to an unaffected range.
[0134]
FIG. 39 is a cross-sectional view of a high voltage diode according to a modification of the present embodiment. In this variation, P⁻⁻This embodiment is the same as the above embodiment except that a P-type guard ring layer 52 for electric field relaxation is provided instead of the type RESURF layer 46.
[0135]
  (SecondEmbodiment)
  FIG. 40 shows the present invention.SecondIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning embodiment. In this example, in order to provide high breakdown voltage characteristics, P for electric field relaxation is used.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided.
  The feature of this structure is that the anode electrode 49 and the field plate electrode 58 separated in FIG. 38 are connected by a high resistance film (polysilicon film or the like) 59. In this structure, since the potential of the field plate electrode 58 is fixed to the same potential as that of the anode electrode 49 by the high resistance film 59, the electric field strength at the point E is lowered. Further, the presence of the high resistance film 59 allows the P-type emitter layer 42 in the peripheral portion of the element.₁ Since carrier injection does not occur from, carrier density in the vicinity of point D can be suppressed in the forward direction. For this reason, even if the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, carrier concentration does not occur and the structure is strong against breakdown.
[0136]
The feature of this structure is that the anode electrode 49 and the field plate electrode 58 separated in FIG. 38 are connected by a high resistance film (polysilicon film or the like) 59. In this structure, since the potential of the field plate electrode 58 is fixed to the same potential as that of the anode electrode 49 by the high resistance film 59, the electric field strength at the point E is lowered. Further, the presence of the high resistance film 59 allows the P-type emitter layer 42 in the peripheral portion of the element.₁ Since carrier injection does not occur from, carrier density in the vicinity of point D can be suppressed in the forward direction. For this reason, even if the point D becomes the highest electric field point during reverse recovery, carrier concentration does not occur and the structure is strong against breakdown.
[0137]
FIG. 41 is a cross-sectional view of a high voltage diode according to a modification of the present embodiment. In this variation, P⁻⁻This embodiment is the same as the above embodiment except that a P-type guard ring layer 52 for electric field relaxation is provided instead of the type RESURF layer 46.
[0138]
  (Nineteenth reference example)
  FIG.Nineteenth reference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning. In this example, in order to provide high breakdown voltage characteristics, P for electric field relaxation is used.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided.
[0139]
The feature of this structure is that N is formed on the inner side of the end portion (indicated by a broken line) of the P-type emitter layer 42.⁺ That is, the end of the mold emitter layer 43 is formed. The N-type buffer layer 44 formed on the outside prevents the depletion layer from reaching the cathode electrode 50 (punch through) when a reverse voltage is applied. N⁺ The type emitter layer 43 is formed deeper than the N type buffer layer 43.
[0140]
In this structure, N⁺ The end of the type emitter layer 43 is set inside and deeper than the end of the P-type emitter layer 42. As a result, the main current is N⁻The distance and current spreading across the mold substrate 41 can be reduced, and N near the point D⁻ The thickness of the mold substrate 41 can be increased. Therefore, in the vicinity of point D, the depletion layer greatly expands at the time of reverse recovery, so that the electric field strength is lowered, and a high breakdown tolerance is realized by the dual effect of reducing the amount of carrier injection by the N-type buffer layer 44.
[0141]
  43 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode concerning the 1st modification of this. In this variation, P⁻⁻Except that a P-type guard ring layer 52 for electric field relaxation is provided instead of the type RESURF layer 46,Reference exampleIs the same.
[0142]
  44 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing which shows the structure of the high voltage | pressure-resistant diode concerning the 2nd modification of this. Although not fundamentally different from FIG. 42, the N-type buffer layer 44 is omitted in this example. This structure is possible if the substrate is thick without worrying about punch-through.
[0143]
  45 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the right half of the high voltage | pressure-resistant diode concerning the 3rd modification of this. In this modification, P in the second modification is used.⁻⁻The second modification is the same as the second modification except that a P-type guard ring layer 52 for relaxing the electric field is provided instead of the type RESURF layer 46.
[0144]
  Embodiment above1, 2, Reference Examples 1 to 19Has improved the element structure of the high voltage diode to prevent destruction during reverse recovery. Embodiment to be describedOr a reference exampleRelates to a high breakdown voltage diode having a terminal capable of detecting a sign of breakdown before breakdown due to residual carriers occurs around the inside of the element. The essence of the present invention is that the potential of the periphery of the P-type emitter layer of the high voltage diode is detected to rise due to current concentration, and this is fed back to the gate circuit of a main element such as an IGBT, thereby speeding up reverse recovery. Is to control and prevent destruction. For this purpose, a detection terminal separated from the anode electrode is provided on the P-type emitter layer around the element.
[0145]
  (20th reference example)
  FIG.20th reference exampleIt is sectional drawing of this high voltage | pressure-resistant diode. thisReference exampleThen, in order to have a high breakdown voltage characteristic, the electric field relaxation P designed to be fully depleted when a reverse voltage is applied.⁻⁻A mold RESURF layer 46 is provided.
[0146]
A feature of this structure is that a detection electrode 60 independent of the anode electrode 49 is provided at the end of the P-type emitter layer 42. In this structure, when current concentration occurs near the point D during reverse recovery, a voltage drop generated by the lateral resistance 57 of the P-type emitter layer 42 can be detected by the detection terminal 60 with the concentrated current. You can see that concentration has occurred. If this signal is used as described below, current concentration can be avoided and destruction of the diode can be prevented.
[0147]
  Normally, P is used to improve static withstand voltage.⁻⁻An anode potential is applied to the electrode (field plate electrode) on the type RESURF layer 46.Reference exampleThe case where the potential difference between the detection electrode 60 and the anode electrode 49 is not greatly different is considered, and the potential of the detection electrode 60 is used instead.
[0148]
  47 shows the bookReference exampleIt is a circuit diagram which shows the usage example of this diode. In general, the diode of the present invention is used in an inverter. For simplicity of explanation, the diode will be described with reference to the chopper circuit shown in the drawing. The reverse recovery of the diode 71 is started by turning on the main element 70 in a state where the circulating current 74 flows through the diode 71 and the load inductance 69.
[0149]
At this time, if current concentration occurs at the end of the P-type emitter layer 42 of the diode 71, the potential of the detection terminal rises by the mechanism described above. If this potential is detected and fed back to the gate circuit 73 of the main element 70 via the insulation amplifier 72 to stop the turn-on of the main element, the diode 71 can be prevented from being destroyed due to current concentration.
[0150]
Further, when current concentration occurs, a sequence is set so that the gate voltage of the main element 70 is continuously changed according to the level (detection electrode potential), thereby controlling the speed of reverse recovery and the operation of the apparatus. Can be done without stopping.
[0151]
  Figure 48 shows the bookReference exampleIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of the modification. This example is the same as FIG. 46 except that a P-type guard ring layer 52 is provided for electric field relaxation.
[0152]
  (21st reference example)
  FIG.21st reference exampleIt is sectional drawing of this high voltage | pressure-resistant diode. This structure is characterized by a P-type emitter layer 42 and P⁻⁻P designed so as not to be fully depleted between reverse RESURF layers 46 when a reverse voltage is applied⁻ 46 is the same as FIG. 46 except that the type emitter layer 53 is provided. In this structure, P⁻ Since the lateral resistance 57 of the mold emitter layer 53 is large, current concentration can be easily detected.
[0153]
  (22nd reference example)
  FIG.22nd reference exampleIt is sectional drawing of this high voltage | pressure-resistant diode. A feature of this structure is that an N-type layer 56 for adjusting the lateral resistance 57 is provided on the surface of the peripheral portion in the P-type emitter layer 42, and the rest is the same as FIG. In this structure, by adjusting the diffusion depth of the N-type layer 56, the lateral resistance 57 of the P-type emitter layer 42 immediately below the removal portion can be adjusted, so that the detection sensitivity of current concentration can be adjusted.
[0154]
  (23rd reference example)
  FIG.23rd reference exampleIt is sectional drawing of this high voltage | pressure-resistant diode. The feature of this structure is that a certain amount of the peripheral surface in the P-type emitter layer 42 is removed by RIE or the like, and the rest is the same as FIG. In this structure, by adjusting the depth of the removal portion, the lateral resistance 57 of the P-type emitter layer 42 immediately below the removal portion can be adjusted, so that the detection sensitivity of current concentration can be adjusted.
[0155]
  (ThirdEmbodiment)
  FIG. 52 is a sectional view of a high voltage diode according to the third embodiment of the present invention. The feature of this structure is that between the P-type emitter layer 42 and the P-type layer 65, P⁻ 46 is the same as FIG. 46 except that the type emitter layer 53 is provided. In this structure, this P⁻ Since the lateral resistance 57 of the type emitter layer 53 is large, current concentration can be easily detected.
[0156]
  (4thEmbodiment)
  FIG. 53 illustrates the present invention.4thIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of embodiment. A feature of this structure is that the P-type emitter layer 42 and the P-type layer 65 are completely separated and electrically connected via a resistive film 67, and the other features are the same as those in FIG. In this structure, the current concentration can be easily detected by the resistance of the resistive film 67.
[0157]
  Embodiment3, 4 and Reference Examples 20 to 23Up to this point, the case where the detection electrode 60 is used as the field plate electrode has been described, but hereinafter, the case where the anode electrode 49 is used as the field plate electrode will be described.
[0158]
  (24th reference example)
  FIG. 54 illustrates the present invention.24th reference exampleFIG. 55 and FIG. 56 are sectional views taken along lines A-A ′ and B-B ′ in the figure, respectively. A feature of this structure is that the anode electrode 49 is used as a field plate electrode by covering the detection electrode 60 with the second insulating film 63, and the second anode electrode 61 is partly used for observing the potential of the detection electrode 60. It is the same as FIG. 46 except that it is open. Reference numeral 64 is an extraction electrode for measuring the potential of the detection electrode 60.
[0159]
  (25th reference example)
  57 and 58,25th reference exampleFIG. 55 is a cross-sectional view of the high breakdown voltage diode of FIG. 54, which corresponds to a cross-sectional view taken along lines A-A ′ and B-B ′ of FIG. A feature of this structure is that the anode electrode 49 is used as a field plate electrode by covering the detection electrode 60 with the second insulating film 63, and the second anode electrode 61 is partly used for observing the potential of the detection electrode 60. Other than that, it is the same as FIG.
[0160]
  (26th reference example)
  59 and 60,26th reference exampleFIG. 55 is a cross-sectional view of the high breakdown voltage diode of FIG. 54, which corresponds to a cross-sectional view taken along lines A-A ′ and B-B ′ of FIG. A feature of this structure is that the anode electrode 49 is used as a field plate electrode by covering the detection electrode 60 with the second insulating film 63, and the second anode electrode 61 is partly used for observing the potential of the detection electrode 60. It is opening, and it is the same as FIG. 50 other than that.
[0161]
  (27th reference example)
  61 and 62,27th reference exampleFIG. 55 is a cross-sectional view of the high breakdown voltage diode of FIG. 54, which corresponds to a cross-sectional view taken along lines A-A ′ and B-B ′ of FIG. A feature of this structure is that the anode electrode 49 is used as a field plate electrode by covering the detection electrode 60 with the second insulating film 63, and the second anode electrode 61 is partly used for observing the potential of the detection electrode 60. Other than that, it is the same as FIG.
[0162]
  (5thEmbodiment)
  63 and 64 show the present invention.5thIt is sectional drawing of the high voltage | pressure-resistant diode of embodiment, and is equivalent to sectional drawing along the A-A 'line | wire and B-B' line | wire of FIG. A feature of this structure is that the anode electrode 49 is used as a field plate electrode by covering the detection electrode 60 with the second insulating film 63, and the second anode electrode 61 is partly used for observing the potential of the detection electrode 60. Other than that, it is the same as FIG.
[0163]
  (Sixth embodiment)
  65 and 66,Sixth embodimentFIG. 55 is a cross-sectional view of the high breakdown voltage diode of FIG. 54, which corresponds to a cross-sectional view taken along lines A-A ′ and B-B ′ of FIG. A feature of this structure is that the anode electrode 49 is used as a field plate electrode by covering the detection electrode 60 with the second insulating film 63, and the second anode electrode 61 is partly used for observing the potential of the detection electrode 60. It is open, and the rest is the same as FIG.
[0164]
  (28th reference example)
  FIG.28th reference exampleFIG. The feature of this structure is that the detection electrode 60 is divided so that each potential can be measured. This structure has an advantage that it can be detected with high sensitivity even when local current concentration occurs. In many cases, current concentration occurs in the corner portion, and therefore, only four locations in the corner portion can be actually used for detection.
[0165]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in the above embodiment, the case of a high voltage diode has been mainly described, but the present invention can also be applied to other high voltage semiconductor elements such as a thyristor, a bipolar power transistor, and an IGBT having the same diode structure as the element. .
[0166]
In the above embodiment, the first conductivity type is an N type, and the second conductivity type is a P type. However, the first conductivity type may be a P type and the second conductivity type may be an N type. .
[0167]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0168]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since the second conductivity type emitter layer is separated, carrier injection does not occur from the second conductivity type emitter layer in the periphery of the device. For this reason, the carrier density in the vicinity of the excessive portion on the outer periphery of the emitter layer is suppressed in the forward direction.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]First reference examplePlan view of the high voltage diode according to the present invention and its AA 'sectional view
FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of the high voltage diode of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing reverse recovery characteristics of the high voltage diode in FIG. 1 in comparison with a first conventional high voltage diode and a second conventional high voltage diode.
4 is a diagram illustrating the width and N of the second region of the high voltage diode in FIG.⁻ Chart showing the relationship between carrier diffusion length and on-state voltage in the mold base layer
5 is a plan view showing an example of an anode side pattern of a second region of the high voltage diode in FIG. 1;
6 is a plan view showing another arrangement pattern of the first region and the second region of the high breakdown voltage diode of FIG. 1;
[Fig. 7]Second reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
[Fig. 8]Third reference exampleSectional view of element structure of reverse conducting IGBT according to
FIG. 9 is a diagram showing a main part structure of a first conventional high voltage diode, an impurity concentration distribution in the element, and an on-state carrier concentration distribution;
FIG. 10 is a plan view of a second conventional high voltage diode and its AA ′ sectional view.
FIG. 11 is a diagram showing the basic components of the high voltage diode of FIG. 10, the impurity concentration distribution in the element, and the carrier concentration distribution in the on state.
FIG. 12 is a diagram showing reverse recovery characteristics of a second conventional high voltage diode in comparison with the first conventional high voltage diode.
13 is a diagram for explaining a parasitic transistor effect of the high voltage diode in FIG. 10;
14 is a sheet resistance and N desirable for suppressing the parasitic transistor effect of the high voltage diode of FIG. 10;⁺⁺Diagram for explaining the range of mold layer width
FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a third conventional high voltage diode and a diagram showing an on-state carrier concentration distribution in the element.
16 shows the relationship between the reverse applied voltage and the leakage current of the high voltage diode in FIG.₁ As a parameter
FIG. 17 is a cross-sectional view of a main part of a fourth conventional high voltage diode and a diagram showing an on-state carrier concentration distribution in the element.
FIG. 18Fourth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 19Fifth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 20Sixth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 21Seventh reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 22Eighth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 23Ninth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 24Tenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 25Eleventh reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 26Twelfth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 2713th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 2814th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 2915th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 3016th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 3116th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the 1st modification of
FIG. 3216th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the 2nd modification of
FIG. 3316th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the 3rd modification of
FIG. 34Seventeenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 35Seventeenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the modification of
FIG. 36Eighteenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 37Eighteenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the modification of
FIG. 38 of the present inventionFirstSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on embodiment
FIG. 39 of the present inventionFirstSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the modification of embodiment
FIG. 40 of the present inventionSecondSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on embodiment
FIG. 41 of the present inventionSecondSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the modification of embodiment
FIG. 42Nineteenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 43Nineteenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the 1st modification of
FIG. 44Nineteenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the 2nd modification of
FIG. 45Nineteenth reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the 3rd modification of
FIG. 4620th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 47 is a circuit diagram showing an example of using a high voltage diode.
FIG. 4820th reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on the modification of
FIG. 4921st reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 5022nd reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 5123rd reference exampleSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on
FIG. 52 of the present inventionThirdSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on embodiment
FIG. 53 of the present invention4thSectional drawing which shows the element structure of the high voltage | pressure-resistant diode which concerns on embodiment
FIG. 5424th reference examplePlan view of high voltage diode according to
55 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 54.
56 is a sectional view taken along line B-B ′ of FIG. 54;
FIG. 5725th reference exampleFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high breakdown voltage diode according to FIG. 54 and is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line A-A ′ of FIG. 54.
FIG. 5825th reference exampleFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high breakdown voltage diode according to FIG. 54 and is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line B-B ′ of FIG. 54.
FIG. 5926th reference exampleFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high breakdown voltage diode according to FIG. 54 and is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line A-A ′ of FIG. 54.
Fig. 60Reference exampleFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high breakdown voltage diode according to FIG. 54 and is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line B-B ′ of FIG. 54.
FIG. 6127th reference exampleFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high breakdown voltage diode according to FIG. 54 and is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along line A-A ′ of FIG. 54.
FIG. 6227th reference exampleFIG. 55 is a diagram showing the element structure of the high voltage diode according to FIG.
FIG. 63 of the present invention5thFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high voltage diode according to the embodiment, and a sectional view corresponding to a section taken along line A-A ′ of FIG.
FIG. 64 of the present invention5thFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high voltage diode according to the embodiment, and a sectional view corresponding to a section taken along line B-B ′ of FIG. 54.
FIG. 65Sixth embodimentFIG. 55 is a diagram showing an element structure of the high breakdown voltage diode according to FIG.
FIG. 66Sixth embodimentFIG. 55 is a diagram showing the element structure of the high voltage diode according to FIG.
FIG. 6728th reference examplePlan view of high voltage diode according to
FIG. 68 is a cross-sectional view showing the element structure of another conventional high voltage diode
[Explanation of symbols]
  1 ... N⁻ Mold base layer
  2 ... P⁺ Type emitter layer (P⁺ Type anode layer)
  2₁ ... P⁺ Mold layer (P⁺ Type emitter layer)
  2₂ ... P⁺⁺Layer (contact layer)
  2_Three ... P⁻ Type emitter layer (P⁻ Type anode layer)
  3 ... N⁺ Type cathode layer
  3₁ ... N⁺ Mold layer
  3₂ ... N⁺⁺Mold layer (contact layer)
  4 ... Anode electrode
  5 ... Cathode electrode
  6 ... N⁺⁺Mold layer (current blocking layer)
  7 ... Oxide film
  8 ... Schottky contact
  9: First region (first emitter implantation region)
  10 ... 2nd area | region (2nd emitter injection area | region)
  11 ... P⁺⁺Mold layer (current blocking layer)
  12 ... P-type layer
  13 ... N⁺⁺Mold layer (source layer)
  14 ... Gate insulating film
  15 ... Gate electrode
  16 ... P⁺ Mold layer (drain layer)
  17 ... Source electrode
  18 ... Drain electrode
  19 ... Electrode
  20 ... P⁻ Mold layer (Resurf layer)
  21 ... N⁺⁺Mold layer (channel stopper layer)
  22 ... N-type buffer layer
  23 ... N⁺⁺Mold layer (contact layer)
  41 ... N⁻ Mold substrate
  42 ... P-type emitter layer
  43 ... N⁺ Type emitter layer
  44 ... N-type buffer layer
  45 ... P⁺ Type contact layer
  46 ... P⁻⁻Type RESURF layer
  47 ... N⁺ Mold stopper layer
  48. Insulating film
  49 ... Anode electrode
  50 ... Cathode electrode
  51. Stopper electrode
  52 ... P-type guard ring layer
  53 ... Second P⁻ Type emitter layer
  54 ... N for electron discharge⁺ Mold layer
  55 ... Carrier (electron) flow

Claims

A first semiconductor layer of a first conductivity type having first and second main surfaces;
A second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the first main surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first main surface of the first semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and separated from the second semiconductor layer; ,
A fourth semiconductor layer of the first conductivity type formed on said second major surface of said first semiconductor layer,
A first electrode selectively provided on the second conductivity type second semiconductor layer;
A second electrode selectively provided on the third semiconductor layer of the second conductivity type;
A third electrode provided on the fourth semiconductor layer of the first conductivity type,
The second semiconductor layer includes a first region having a relatively low impurity concentration and a second region provided on an inner surface of the first region and having a relatively high impurity concentration, and the first electrode includes is connected thereto is provided on the second region,
The third semiconductor layer includes a third region having a relatively low impurity concentration, and a fourth region provided on the inner surface of the third region and having a relatively high impurity concentration, and the second electrode includes A high breakdown voltage semiconductor element provided on and connected to the fourth region .

A first semiconductor layer of a first conductivity type having first and second main surfaces;
A second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the first main surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first main surface of the first semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and separated from the second semiconductor layer; ,
A fourth semiconductor layer of the first conductivity type formed on said second major surface of said first semiconductor layer,
A first electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
A second electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
A third electrode provided on the first conductivity type fourth semiconductor layer of,
A member for electrically connecting the first electrode and the second electrode;
High voltage semiconductor element characterized that you include a.

A first semiconductor layer of a first conductivity type having first and second main surfaces;
A second conductivity type second semiconductor layer selectively formed on the first main surface of the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the first main surface of the first semiconductor layer so as to surround the second semiconductor layer and separated from the second semiconductor layer; ,
A fourth semiconductor layer of the first conductivity type formed on said second major surface of said first semiconductor layer,
The first main surface of the first semiconductor layer is formed so as to fill and connect between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and to connect the second semiconductor layer and the third semiconductor layer. A fifth semiconductor layer having an impurity concentration lower than that of the third semiconductor layer;
A first electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
A second electrode provided on the second semiconductor layer of the second conductivity type;
High voltage semiconductor device characterized by comprising a third electrode provided on the first conductivity type fourth semiconductor layer on.

3. The high withstand voltage semiconductor element according to claim 1, further comprising a sixth semiconductor layer formed so as to surround the third semiconductor layer of the second conductivity type so as to surround the third semiconductor layer. .

The high breakdown voltage semiconductor element according to claim 4 , wherein the sixth semiconductor layer is a guard ring layer.

A seventh semiconductor layer formed so as to surround the second conductive type third semiconductor layer and having an impurity concentration lower than the impurity concentration of the third semiconductor layer and functioning as a RESURF The high breakdown voltage semiconductor element according to claim 1, further comprising:

The high withstand voltage semiconductor device according to claim 1, wherein the second electrode is a field plate electrode.