特表 2022-527330 逆回復が改善されたセグメント構造パワーダイオード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-01

(54)【発明の名称】逆回復が改善されたセグメント構造パワーダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/861 20060101AFI20220525BHJP

   H01L 29/74 20060101ALI20220525BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20220525BHJP

【ＦＩ】

H01L29/91 K

H01L29/91 C

H01L29/74 H

H01L27/04 A

H01L27/04 F

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021558742

(86)(22)【出願日】2020-04-01

(85)【翻訳文提出日】2021-11-15

(86)【国際出願番号】 EP2020059271

(87)【国際公開番号】W WO2020201361

(87)【国際公開日】2020-10-08

(31)【優先権主張番号】19166711.2

(32)【優先日】2019-04-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519431812

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・スウィツァーランド・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＳＷＩＴＺＥＲＬＡＮＤ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ビクストレーム，トビアス

(72)【発明者】

【氏名】ベムラパティ，ウママヘスワラ

(72)【発明者】

【氏名】スティアスニー，トーマス

【テーマコード（参考）】

5F005

5F038

【Ｆターム（参考）】

5F005AD02

5F005BA03

5F005CA01

5F005DA01

5F038AV04

5F038BH04

5F038CA02

(57)【要約】

パワーダイオードは、複数のダイオードセル（１０）を備える。各ダイオードセル（１０）は、第１の導電型の第１のアノード層（４０）と、第１のアノード層（４０）より低いドーピング濃度を有しかつ第１のアノード層（４０）によりアノード電極層（２０）から分離されている第１の導電型の第２のアノード層（４５）と、第２のアノード層（４５）と共にｐｎ接合を形成する第２の導電型のドリフト層（５０）と、カソード電極層（６０）と直に接触している第２の導電型のカソード層（６０）と、カソード電極層（３０）と直に接触しているカソード側セグメンテーション層（６７）と、を備える。カソード側セグメンテーション層（６７）の材料は、第１の導電型の半導体であって、第２の主面（１０２）と直角を成す方向に沿って集積されるカソード側の集積ドーピング含有量は、２・１０^１３ｃｍ^－２未満であり、または、カソード側セグメンテーション層（６７）の材料は、絶縁材料である。水平平面（Ｋ１）に沿った各ダイオードセル（１０）を介する水平断面は、水平平面（Ｋ１）が第２のアノード層（４５）と交差する第１の領域と、平面（Ｋ１）がドリフト層（５０）と交差する第２の領域とを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード電極層（２０）と、カソード電極層（３０）と、前記アノード電極層（２０）と前記カソード電極層（３０）との間に配置される複数のダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）とを備えるパワーダイオードであって、前記アノード電極（２０）から前記カソード電極層（３０）への方向は、垂直方向を画定し、各ダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）は、
前記アノード電極層（２０）と直に接触し、かつ前記アノード電極層から第１の深さ（ｄ１）まで垂直方向に延設する第１の導電型の第１のアノード層（４０；４０’’）と、
前記第１のアノード層（４０；４０’’）より低いドーピング濃度を有しかつ前記アノード電極層（２０）から前記第１のアノード層（４０；４０’’）によって分離されている第１の導電型の第２のアノード層（４５；４５’；４５’’；４５’’’）であって、前記第２のアノード層は、前記第１のアノード層から前記第１の深さ（ｄ１）より大きい第２の深さ（ｄ２）まで垂直方向に延設する、第１の導電型の第２のアノード層（４５；４５’；４５’’；４５’’’）と、
前記第２のアノード層（４５；４５’；４５’’；４５’’’）と共にｐｎ接合を形成する第２の導電型のドリフト層（５０；５０’；５０’’；５０’’’）であって、前記第２の導電型は、前記第１の導電型とは異なる、第２の導電型のドリフト層（５０；５０’；５０’’；５０’’’）と、
前記カソード電極層（３０）と直に接触している第２の導電型のカソード層（６０；６０’；６０’’’）であって、前記カソード層（６０；６０’；６０’’’）は、前記ドリフト層（６５）より高いドーピング濃度を有する、第２の導電型のカソード層（６０；６０’；６０’’’）と、
前記カソード電極層（３０）と直に接触しているカソード側セグメンテーション層（６７；６７’；６７’’’）と、を備え、
第３の深さ（ｄ３）において前記垂直方向と直角を成す水平平面に沿った、各ダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）を介する水平断面は、各ダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）内に、前記水平平面（Ｋ１；Ｋ１’；Ｋ１’’；Ｋ１’’’）が前記第２のアノード層（４５；４５’；４５’’；４５’’’）と交差する第１の領域と、前記平面（Ｋ）が前記ドリフト層（５０；５０’；５０’’；５０’’’）と交差する第２の領域とを備え、前記第１の深さ（ｄ１）は、前記第３の深さ（ｄ３）より小さく、かつ前記第３の深さ（ｄ３）は、前記第２の深さ（ｄ２）より小さく、
前記カソード側セグメンテーション層（６７；６７’；６７’’’）の材料は、第１の導電型の半導体であり、前記第２の主面（１０２）と直角を成す方向に沿って集積される集積ドーピング含有量は、２・１０^１３ｃｍ^－２未満であること、または、前記カソード側セグメンテーション層（６７；６７’；６７’’’）の材料は、絶縁材料であること、を特徴とする、パワーダイオード。

【請求項2】

前記水平平面（Ｋ１；Ｋ１’；Ｋ１’’）と直角を成す少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による各ペアの前記第２のアノード層（４５；４５’；４５’’）は、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による個々のペアの前記ドリフト層（５０；５０’’）によって互いから横方向へ分離される、請求項１に記載のパワーダイオード。

【請求項3】

前記少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による各ペアのカソード側セグメンテーション層（６７；６７’）は、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による前記個々のペアのカソード層（６０）によって互いから横方向に分離される、請求項２に記載のパワーダイオード。

【請求項4】

前記少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による各ペアの前記第２のアノード層（４５；４５’；４５’’）間の最短横方向距離Ｌ_ｄ１は、０．３・Ｌ_ｐ１～Ｌ_ｐ１の範囲内であり、Ｌ_ｐ１は、前記少なくとも１つの垂直断面における、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による前記ペアのうちの各々のカソード側セグメンテーション層（６７；６７’）の横幅である、請求項２または請求項３に記載のパワーダイオード。

【請求項5】

前記少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０；１０’；１０’’）による各ペアのカソード側セグメンテーション層（６７；６７’）間の最短横方向距離Ｌ_ｎ１は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であり、Ｗ_ｎは、前記ダイオードセル（１０；１０’；１０’’）の垂直厚さである、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項6】

前記少なくとも１つの垂直断面において、前記カソード側セグメンテーション層（６７；６７’）の横幅Ｌ_ｐ１は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であり、Ｗ_ｎは、前記ダイオードセル（１０；１０’；１０’’）の垂直厚さである、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項7】

前記水平平面（Ｋ）と直角を成す少なくとも１つの垂直断面において、前記ドリフト層の一部分は、各ダイオードセル（１０’’’）内の前記第２のアノード層（４５’’’）を横方向へ、前記ドリフト層の前記一部分から前記ダイオードセル（１０’’’）の縁まで横方向に延在する２つの別個の領域に分離する、請求項１に記載のパワーダイオード。

【請求項8】

前記少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０’’’）による各ペアのカソード層（６０’’’）は、隣接するダイオードセル（１０’’’）による前記個々のペアのカソード側セグメンテーション層（６７’’’）によって互いから横方向に分離される、請求項７に記載のパワーダイオード。

【請求項9】

前記少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０’’’）による各ペアの各ダイオードセル（１０’’’）における前記第２のアノード層（４５’’’）の別個の２領域間の最短横方向距離Ｌ_ｄ２は、０．３・Ｌ_ｐ２～Ｌ_ｐ２の範囲内であり、Ｌ_ｐ２は、前記少なくとも１つの垂直断面における隣接するダイオードセル（１０’’’）によるペアの前記カソード層（６０’’’）間の最短横方向距離である、請求項７または請求項８に記載のパワーダイオード。

【請求項10】

前記少なくとも１つの垂直断面において、各ダイオードセル（１０’’’）のカソード層（６０’’’）の横幅Ｌ_ｎ２は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であり、Ｗ_ｎは、前記ダイオードセル（１０’’’）の垂直厚さである、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項11】

前記少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセル（１０’’’）による各ペアの前記２つのカソード層（６０’’’）間の最短横方向距離Ｌ_ｐ２は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であり、Ｗ_ｎは、前記ダイオードセル（１０’’’）の垂直厚さである、請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項12】

前記複数のダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）の全てのダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）は、同一の構造を有する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項13】

各ダイオードセル（１０；１０’；１０’’；１０’’’）は六角形の形状を有し、または、各ダイオードセル（１０’）は水平断面にストライプ形状を有する、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項14】

第２の導電型のバッファ層（６５）を備え、
前記バッファ層（６５）は、前記ドリフト層（５０；５０’；５０’’；５０’’’）より高いドーピング濃度を有し、
前記カソード層（６０）は、前記バッファ層（６５）のそれより高いドーピング濃度を有し、
前記バッファ層（６５）は、前記カソード電極層（３０）から、前記カソード層（６０；６０’；６０’’’）により、かつ前記カソード側セグメンテーション層（６７；６７’；６７’’’）により分離され、かつ、
前記バッファ層（６５）は、前記第１のアノード層（４０；４０’’）から、かつ前記第２のアノード層（４５；４５’；４５’’；４５’’’）から、前記ドリフト層（５０；５０’；５０’’；５０’’’）により分離される、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のパワーダイオード。

【請求項15】

ゲート転流型サイリスタ（９３）と、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のパワーダイオード（９１；９１’；９１’’；９１’’’）とを備える、逆導通集積化ゲート転流型サイリスタデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、請求項１の前提部分に記載のパワーダイオード、およびこのようなパワーダイオードを含む逆導通（ＲＣ）集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）に関する。

【背景技術】

【0002】

発明の背景
高速パワーダイオードのスナップ回復は、過渡期の間のスイッチング損失が低いより高速なパワー半導体デバイスの必要性に鑑みて、長年に渡り研究されてきている。高速回復ダイオードは、典型的には、還流ダイオード、スナバダイオードおよびクランプダイオードとして、集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）と組み合わせて使用される。

【0003】

パワーダイオードの回復期間中の残留蓄積電荷の空乏は、電流勾配ｄＩ／ｄｔに現れる電流不連続（チョップオフ）をもたらす。ｄＩ／ｄｔは、回路のインダクタンスに作用し、結果的にデバイスを破壊し得る電圧オーバーシュート（Ｖ_Ｌ＝－Ｌ ｄＩ／ｄｔ）を引き起こす。図１は、回復期間中の順方向電流ＩＦおよびパワーダイオードに流れる電圧の時間依存性を示す。図１から、逆回復期間の終わりで、ダイオードは、スナッピーなターンオフ挙動（スナップ回復）を示すことが分かる。これは、主として、デバイスの不十分な厚さに起因する。スナップ回復は、主に、より低温（２５゜Ｃ）およびより低電流（公称電流の１０％未満）において、より顕著である。スナップ回復は、デバイスの厚さを増すことで減少させることができる。しかし、これにより、導通損失およびスイッチング損失が増加する。

【0004】

集積化ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）は、中電圧ドライブ、揚水発電、鉄道インタータイおよび電力品質アプリケーションなどの高電力用途用の選択デバイスとして確立されてきている。今日、ＩＧＣＴは、電圧形インバータ（ＶＳＩ）、電流形インバータ（ＣＳＩ）およびイベントスイッチング（ソリッドステート回路遮断器）用途用に最適化されていて、非対称、対称（逆阻止）および逆導通（ＲＣ）デバイスとして利用可能である。ＶＳＩトポロジの場合、非対称ＩＧＣＴは、所与のウェーハサイズに対して最高の電力レベルを有するが、逆導通（ＲＣ）ＩＧＣＴは、コンパクトさ（サイズおよび重量の低減）を提供し、かつゲート転流型サイリスタ（ＧＣＴ）と同じウェーハ上でのパワーダイオードのモノリシック集積化によって信頼性を高める（コンポーネント数の低減）。

【0005】

ＲＣ－ＩＧＣＴでは、ＩＧＣＴおよびダイオードの双方が同じウェーハ上に存在し、かつ同じ電気圧力接点（ウェーハの上側の１つと、底側の別の１つ）を用いることから、出発原料としてのシリコンの選択は、１つの厚さに限定される。該厚さは、デバイス電圧および宇宙線弾性の定格、ならびにＧＣＴおよびダイオード部品双方の動的挙動によって規定される。ダイオード部品の動的挙動には、先に述べたダイオードのスナップオフ挙動が含まれる。厚さの増大は、言及する３つの態様の全てを改善するが、双方の動作モードで損失も高める。ＲＣ－ＩＧＣＴのある典型的な最適化において、スナップオフ挙動は、ウェーハの最小厚さを決定づけるが、これが理由で、ＲＣ－ＩＧＣＴの場合、ダイオード逆回復のこの態様を改善する動機が二重にある、すなわち、ＧＣＴ部品およびダイオード部品の双方が、厚さの低減による動作損失の低減によって恩恵を受けるのである。

【0006】

欧州特許出願公開第３０２９７３７Ａ１号明細書からは、裏面正孔注入型ダイオードが知られている。半導体基板裏面からの正孔注入の効果をより効果的に確保することにより、半導体デバイスの性能は、高められる。半導体基板の主面に形成されるアノードＰ型層と、半導体基板の裏面に形成される裏面Ｎ^＋型層とを含むＰＮ接合の形状をなすダイオードにおいて、裏面Ｐ^＋型層は、裏面に形成され、かつ表面Ｐ^＋型層は、裏面Ｐ^＋型層の直上の周面に形成され、これにより、裏面からの正孔注入の効果が促進される。

【0007】

特開平０６－２９５５８Ａ号公報には、静電誘導ダイオードが記載されていて、これは、アノード領域およびカソード領域の一方または双方に静電誘導効果を利用して平面構造を設定することにより、かつ高抵抗層内に寿命分布を設定することにもよって高耐圧を得ることに適する平面構造を有する。アノード側およびカソード側の近傍における寿命は、長く設定され、かつ寿命分布は、これらの領域からの距離が増すにつれて徐々に短く設定される。アノード側およびカソード側から深い位置の寿命は、残留キャリアの低減が加速されるように、比較的短く設定される。したがって、静電誘導短絡の効果に加えて、逆回復電荷量がほとんどなく、かつ逆回復時間が短い高耐圧ダイオードを実現することが可能である。

【0008】

独国特許出願公開第３６３１１３６Ａ１号明細書からは、電界電荷抽出（ＦＣＥ）の概念を実装することによる、すなわち、ダイオードのカソード側にダイオードカソード短絡またはＰ^＋領域を導入することによる、シリコン層が比較的薄くスナップオフのないダイオードが知られている。これらのＰ^＋領域は、逆回復期間のテール（終了）段階の間に正孔を注入し、かつ電流をサポートし、よって、ＧＣＴ動作モードにおけるデバイス性能に大きな影響を与えることなく、ダイオードの動作モードにおけるデバイスのソフトさを高める。しかしながら、ＧＣＴモードにおけるデバイスの安全動作領域（ＳＯＡ）または最大制御可能なターンオフ電流（ＭＣＣ）ケイパビリティは、ＦＣＥ設計をｎ－バッファピークドーピング濃度として有する統合パワーダイオードを備えたＲＣ－ＩＧＣＴにおいて少ない可能性があり、通常、ＦＣＥ設計では、ダイオードのカソード短絡がない、またはダイオードカソード側にｐ^＋領域がない従来のダイオード設計より少ない（＜１・１０^１６ｃｍ^－３）。また、ＦＣＥ設計を有するこれらの構造では、寄生ＰＮＰトランジスタの利得が低バッファドーピングで増加することから、漏洩電流がより高くなる可能性がある。さらに、ＦＣＥ設計は、デバイスの温度変動に対する感受性がより高い。ＦＣＥ効果は、より顕著であり、すなわち、Ｐ^＋領域からのキャリア注入は、より高い温度でより高くなり、その結果、逆回復損失が増加する。ＦＣＥ設計の強い温度依存性は、ＦＣＥ部品の長いテール電流の結果として、Ｔｊｍａｘおよび室温における技術曲線に大きな差をもたらす。

【0009】

ツクダら著「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｕｎｃｈ－Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｏｄｅ ｆｏｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｌｏｓｓ」 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ＆ＩＣ’ｓ，ｐｐ．１２８－１３１，２００９、からは、カソード電極の一部分を覆うように酸化ケイ素領域がｎ型カソード層内に埋め込まれたパワーダイオード設計が知られている。このようなパワーダイオード設計は、逆回復の間の電流および電圧の揺動を抑制できると記載されている。

【0010】

Ｐｆａｆｆｅｎｌｅｈｎｅｒら著「Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ＳＰＥＥＤ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ＣＩＢＨ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２３^ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ＆ＩＣ’ｓ，ｐｐ１０８－１１１，２０１１、には、サージ電流耐久性が改善されたフリーホイーリングダイオードが記載されている。ＳＰＥＥＤ概念によるこのフリーホイーリングダイオードにおいて、アノードは、低ドープ、ｐエミッタ領域の内部に位置決めされる高ドープのｐ^＋領域から成る。低い電流密度において、正孔注入は、主に双方のｐドープ領域から生じるが、主にＰ^＋領域により決定される。しかしながら、ＳＰＥＥＤ概念を用いるこのダイオードは、デバイス厚さが薄い場合にスナッピーな逆回復を呈し得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

発明の概要
従来技術における上述の欠点に鑑みて、本発明の目的は、広範な温度範囲において導通およびスイッチング損失を低減しながら、高速かつソフトな回復（すなわち、スナッピーでない回復）を呈するパワーダイオードを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

この目的は、請求項１に記載のパワーダイオードによって達成される。請求項１に記載のパワーダイオードは、アノード電極層と、カソード電極層と、アノード電極層とカソード電極層との間に配置される複数のダイオードセルとを備える。アノード電極層からカソード電極層へ向かう方向は、垂直方向を画定する（該垂直方向は、アノード電極層とカソード電極層とを繋ぐ最短線の方向である）。各ダイオードセルは、アノード電極層と直に接触している第１の導電型アノード層と、該第１のアノード層より低いドーピング濃度を有しかつ該第１のアノード層によりアノード電極層から分離されている第１の導電型の第２のアノード層と、該第２のアノード層と共にｐｎ接合を形成する第２の導電型のドリフト層と、カソード電極層と直に接触している第２の導電型のカソード層と、該カソード電極層と直に接触しているカソード側のセグメンテーション層と、を備え、第２の導電型は、第１の導電型とは異なる。ここで、カソード層は、ドリフト層より高いドーピング濃度を有する。カソード側セグメンテーション層の材料は、第１の導電型の半導体または絶縁材料である。カソード側のセグメンテーション層が第１の導電型の半導体である場合、第２の主面と直角を成す方向に沿って集積される集積ドーピング含有量は、２・１０^１３ｃｍ^－２未満である。第１のアノード層は、垂直方向にアノード電極層から第１の深さまで延在し、かつ第２のアノード層は、垂直方向に第１のアノード層から、第１の深さより大きい第２の深さまで延在する。第３の深さにおける、垂直方向と直角を成す水平平面に沿った各ダイオードセルの水平断面は、各ダイオードセルにおいて、水平平面が第２のアノード層と交差する第１の領域と、水平平面がドリフト層と交差する第２の領域とを含み、第１の深さは、第３の深さより小さく、第３の深さは、第２の深さより小さい。ドリフト層は、例示的に、一定のドーピング濃度を有し得る。ここで、一定のドーピング濃度とは、ドーピング濃度がドリフト層全体に渡って略均一であることを意味するが、製造上の理由から、ドリフト層内でドーピング濃度が１～５倍程度変動する可能性もあり得ることを排除するものではない。

【0013】

本発明のパワーダイオードのこの設計は、アノード側およびカソード側にセグメント化された構造体を有する。具体的には、該設計は、アノード側におけるセグメント化された第２のアノード層と、カソード側のセグメンテーション層によってセグメント化されているカソード層とを有する。本発明のパワーダイオードのセグメント化された構造体は、パワーダイオードの最小厚さに対するパワーダイオードの逆回復を改善する（本明細書を通じて、パワーダイオードの厚さとは、アノード電極層とカソード電極層との最短距離を指すものとする）。逆回復期間のテール（終了）段階の間は正孔の注入に依存するＦＣＥダイオードと比較して、本発明のパワーダイオードの特性は、温度依存性が少ない。ソフトな逆回復挙動（すなわち、図６を参照して後により詳細に説明するような、逆回復中の著しく低減された電圧ピーク）は、ＦＣＥダイオードとは逆に、カソード側におけるＰ^＋領域からのキャリア注入の結果ではなく、セグメント化されていない領域に残る蓄積された電荷の結果である。

【0014】

ある第１の例示的な実施形態では、水平平面と直角を成す少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアの第２のアノード層は、隣接するダイオードセルによる個々のペアのドリフト層によって互いから横方向へ分離される。本明細書を通じて、ある第１の領域（または層）が第２の領域（または層）から第３の領域（または層）によって分離される場合、これは、第１の領域と第２の領域との間に直接接触はないが、第１の領域から第２の領域まで、第３の領域を介して他の領域を通過することなく連続的経路があることを意味するものとする。

【0015】

この第１の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアのカソード側セグメンテーション層は、隣接するダイオードセルによる個々のペアの第２の導電型のカソード層によって互いから横方向へ分離されてもよい。これにより、パワーダイオードの逆回復をさらに向上させることができる。

【0016】

第１の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアの第２のアノード層間の最短横方向距離Ｌ_ｄ１は、０．３・Ｌ_ｐ１～Ｌ_ｐ１の範囲内であってもよく、Ｌ_ｐ１は、隣接するダイオードセルによるペアのうちの各々におけるカソード側セグメンテーション層の最小の横幅である。

【0017】

第１の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアのカソード側セグメンテーション層間の最短横方向距離Ｌ_ｎ１は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であってもよく、Ｗ_ｎは、ダイオードセルの垂直厚さである。

【0018】

第１の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、カソード側セグメンテーション層の横幅Ｌ_ｐ１は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であってもよく、Ｗ_ｎは、ダイオードセルの垂直厚さである。

【0019】

ある第２の例示的な実施形態では、水平平面と直角を成す少なくとも１つの垂直断面において、ドリフト層の一部分は、各ダイオードセル内の第２のアノード層を横方向へ、ドリフト層の該一部分からダイオードセルの縁まで横方向に延在する２つの別個の領域に分離する。

【0020】

この第２の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアのカソード層は、隣接するダイオードセルによる個々のペアのカソード側セグメンテーション層によって互いから横方向へ分離されてもよい。

【0021】

第２の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアの各ダイオードセルにおける第２のアノード層の別個の２領域間の最短横方向距離Ｌ_ｄ２は、０．３・Ｌ_ｐ２～Ｌ_ｐ２の範囲内であってもよく、Ｌ_ｐ２は、少なくとも１つの垂直断面における隣接するダイオードセルによるペアのカソード層間の最短横方向距離である。

【0022】

第２の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、各ダイオードセルのカソード層の横幅Ｌ_ｎ２は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であってもよく、Ｗ_ｎは、ダイオードセルの垂直厚さである。

【0023】

第２の例示的な実施形態では、少なくとも１つの垂直断面において、隣接するダイオードセルによる各ペアの２つのカソード側セグメンテーション層間の最短横方向距離Ｌ_ｐ２は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であってもよく、Ｗ_ｎは、ダイオードセルの垂直厚さである。

【0024】

ある例示的な実施形態では、複数のダイオードセルが全て同じ設計または構造を有する。このような例示的実施形態のパワーダイオードにおける対称性は、大部分の均一なデバイス特性を可能にする。

【0025】

ある例示的な実施形態では、パワーダイオードがハニカム構造を有し、各ダイオードセルは、水平断面が六角形の形状を有する。あるいは、各ダイオードセルは、水平断面がストライプ形状であってもよい。

【0026】

ある例示的な実施形態において、パワーダイオードは、第２の導電型バッファ層を備える。バッファ層は、ドリフト層のそれより高く、カソード層のそれより低いドーピング濃度を有する。バッファ層は、カソード電極層から、カソード層により、かつカソード側セグメンテーション層により分離される。バッファ層は、第１のアノード層から、かつ第２のアノード層から、ドリフト層によって分離される。ある例示的な実施形態において、バッファ層のピークドーピング濃度は、１・１０^１６ｃｍ^－３より高く、または２・１０^１６ｃｍ^－３より高く、または４・１０^１６ｃｍ^－３より高い。ＦＣＥ設計とは逆に、本発明の概念は、バッファ設計とは独立していて、すなわち、バッファのピークドーピングは、ＦＣＥ設計の場合のように所定の限界未満の値に限定されない。バッファ層のピークドーピングはより高く、本発明のパワーダイオードは、温度変動に対する感受性が低くなる。

【0027】

本発明のパワーダイオードは、逆導通集積化ゲート転流型サイリスタ（ＲＣ－ＩＧＣＴ）デバイス内でゲート転流型サイリスタ（ＧＣＴ）と共に集積されてもよい。ダイオードモードにおけるデバイスのソフトな逆回復挙動は、最小厚さのデバイスで達成される。したがって、デバイスの効率は、ダイオードおよびＧＣＴ双方の動作モードにおいて、ソフトな回復挙動を確保しながら向上されることが可能である。

【0028】

図面の簡単な説明
以下、添付の図面を参照して、本発明の詳細な実施形態について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】従来のパワーダイオードのスナップ回復中の電流および電圧の時間依存性を示す図である。

【図2】第１、第３および第４の実施形態によるパワーダイオードを示す上面図である。

【図3】図５の線Ｉ－Ｉ’に沿った、第１の実施形態によるパワーダイオードに含まれる９つのダイオードセルの水平断面である。

【図4】図５の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った、第１の実施形態によるパワーダイオードに含まれる９つのダイオードセルの水平断面である。

【図5】図３および図４における各々線Ａ－Ａ’、線Ｂ－Ｂ’および線Ｃ－Ｃ’のいずれか１つに沿った、第１の実施形態のパワーダイオードを示す垂直断面図である。

【図6】第１の実施形態によるパワーダイオードによる、および従来の（セグメント化されていない）パワーダイオードの逆回復期間中の電流および電圧の時間依存性を示す図である。

【図7】図９の線Ｉ－Ｉ’に沿った、第２の実施形態によるパワーダイオードを示す水平断面図である。

【図8】図９の線Ｉ－Ｉ’に沿った、該第２の実施形態によるパワーダイオードを示す水平断面図である。

【図9】図７および図８における、各々線Ｅ－Ｅ’に沿った、第２の実施形態によるパワーダイオードを示す垂直断面図である。

【図10】図３および図４における各々線Ａ－Ａ’、線Ｂ－Ｂ’および線Ｃ－Ｃ’のいずれか１つに沿った、第３の実施形態によるパワーダイオードを示す断面図である。

【図11】図１３の線Ｉ－Ｉ’に沿った、第４の実施形態によるパワーダイオードに含まれる９つのダイオードセルを示す水平断面図である。

【図12】図１３の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った、該第４の実施形態によるパワーダイオードに含まれる９つのダイオードセルを示す水平断面図である。

【図13】図１１および図１２における各々線Ａ－Ａ’、線Ｂ－Ｂ’および線Ｃ－Ｃ’のいずれか１つに沿った、第４の実施形態によるパワーダイオードを示す垂直断面図である。

【図14】本発明の一実施形態によるパワーダイオードを含むＲＣ－ＩＧＣＴを示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図面で用いる参照符号およびそれらの意味は、参照符号リストに纏めている。概して、類似のエレメントは、本明細書を通じて同じ参照符号を有する。記載している実施形態は、例として意図されたものであって、本発明の範囲を限定するものではない。同じ参照数字でも異なる数のダッシュを有する類似の参照符号（たとえば、参照符号１００、１００’、１００’’、１００’’’）は、異なる実施形態における類似のエレメント／エンティティを指す。これらの類似する参照符号のうちの１つに関する特徴の記載は、別段の記載のない限り、これらの参照符号により参照される全てのエレメント／エンティティに当てはまるものとする。

【0031】

実施形態の詳細な説明
以下、図２～図６を参照して、本発明の第１の実施形態によるパワーダイオード９１について説明する（括弧内の参照符号は、後により詳細に論じる他の実施形態に関する）。図２は、パワーダイオード９１の上面図を示し、図３は、図５の線Ｉ－Ｉ’に沿った、パワーダイオード９１に含まれる９つのダイオードセル１０の水平断面図であり、図４は、図５の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った、パワーダイオード９１に含まれる９つのダイオードセル１０の水平断面図であり、図５は、各々図３および図４の線Ａ－Ａ’、線Ｂ－Ｂ’および線Ｃ－Ｃ’のうちのいずれか１つに沿った、パワーダイオード９１の断面図を示す（パワー半導体デバイス９１において、線Ａ－Ａ’に沿った断面は、線Ｂ－Ｂ’に沿った断面と同じであり、かつ線Ｃ－Ｃ’に沿った断面とも同じである）。

【0032】

パワーダイオード９１は、図５に示すように、第１の主面１０１と第２の主面１０２とを有する半導体ウェーハ１００を備える。図２から分かるように、半導体ウェーハ１００は、横方向をエッジ終端領域５によって囲まれる活性領域を含む。この活性領域内に、パワーダイオード９１は、複数のダイオードセル１０を備える。エッジ終端領域５へ直に隣接する不完全なセル１１０を除いて、全てのダイオードセル１０は、例示的には６面構造である同一の構造を有してもよい。６面構造は、上面図における（すなわち、垂直方向である、第１の主面１０１に直交する方向の図における）六角形の外形によって特徴づけられる。６面構造を有するダイオードセル１０は、図２に示すように、上面図においてハニカムパターンを形成する。エッジ終端領域５へ直に隣接する不完全なセル１１０は、エッジ終端領域５へ直に隣接していないダイオードセル１０と比較して、ダイオードセル１０の６面構造の一部のみを含む異なる構造を有し得る。図３および図４の水平断面図には、各々、同じ６面構造を有する９つの隣接するダイオードセル１０が示されている。図２～図４において、実線は、隣接するダイオードセル１０間の境界を表すが、図３における細い破線は、図５の線Ｉ－Ｉ’に沿った第１の水平平面Ｋ１におけるｐ型の第２のアノード層４５の境界（すなわち、外縁または外周縁）を示し、かつ図４における細い破線は、図５の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った第２の水平平面Ｋ２におけるカソード側セグメンテーション層６７の境界を示す。図３および図４に示すように、ｐ型の第２アノード層４５の境界およびカソード側セグメンテーション層６７の境界は、上面図におけるダイオードセル１０の外形に類似する六角形であってもよい。

【0033】

図５は、図３および図４における各々線Ａ－Ａ’、線Ｂ－Ｂ’および線Ｃ－Ｃ’のいずれか１つに沿った、近傍の（すなわち、直に隣接する）３つのダイオードセル１０を示す断面図である。図５に示すように、パワーダイオード９１は、半導体ウェーハ１００の第１の主面１０１上に形成されるアノード電極層２０と、半導体ウェーハ１００の第２の主面１０２上に形成されるカソード電極層３０とを備える。アノード電極層２０およびカソード電極層３０は、各ダイオードセル１０の少なくとも一部分を覆う。例示的には、アノード電極層２０およびカソード電極層３０は各々、第１の主面１０１および第２の主面１０２上の各々連続するメタライゼーション層として形成されてもよい。したがって、半導体ウェーハ１００内のダイオードセル１０は、アノード電極層２０とカソード電極層３０との間に配置される。各ダイオードセル１０は、アノード電極層２０と直に接触しているｐ型の第１のアノード層４０と、（アノード電極層２０からカソード電極層３０までの任意の垂直直線に沿って、ここで、垂直方向は、アノード電極２０とカソード電極層３０とを連結する最短の線に沿ってアノード電極２０からカソード電極層３０へ向かう方向である）第１のアノード層４０によりアノード電極層２０から分離される第２のアノード層４５と、第２のアノード層４５と共にｐｎ接合を形成するｎ型ドリフト層５０と、ｎ型バッファ層６５と、カソード電極層３０と直に接触しているｎ型カソード層６０と、カソード電極層３０と直に接触していて、カソード側セグメンテーション層６７と交互するカソード側セグメンテーション層６７とを含む。バッファ層６５は、第１のアノード層４０から、かつ第２のアノード層４５からドリフト層５０によって分離され、かつバッファ層６５は、カソード電極層３０からカソード層６０およびカソード側セグメンテーション層６７によって分離される。第２のアノード層４５は、ドリフト層５０内のウェル領域であってもよい。

【0034】

第１の実施形態によるパワーダイオード９１は、シリコンベースのパワーダイオードであってもよく、すなわち、第１のアノード層４０と、第２のアノード層４５と、ｎ型ドリフト層５０と、ｎ型バッファ層６５と、ｎ型カソード層６０とを含む半導体ウェーハ１００は、シリコン製であってもよい。

【0035】

第１の実施形態によるパワーダイオード９１における第１のアノード層４０は、複数のダイオードセル１０によって共有される連続した層である。該複数のダイオードセル１０のうちの全てのダイオードセル１０において、第１のアノード層４０は、第１の主面１０１と直角を成す方向に一定の厚さｄ１を有し得、すなわち、第１のアノード層４０は、半導体ウェーハ１００の表面１０１から垂直方向へ第１の深さｄ１まで延在する。第２のアノード層４５は、第１のアノード層４０から垂直方向へ第２の深さｄ２まで延在する。

【0036】

隣接するダイオードセル１０の各ペアの第２のアノード層４５は、隣接するダイオードセル１０の個々のペアのｎ型ドリフト層５０の一部分によって互いから横方向に分離される。より具体的には、各ダイオードセル１０の第２のアノード層４５は、図３および図５に示すように、ドリフト層５０の一部分によって横方向を包囲され、かつダイオードセル１０の周縁から分離される。本明細書を通じて、横方向とは、第１の主面１０１または第２の主面１０２に対して平行方向を指すものとする。したがって、各ダイオードセル１０の第２のアノード層４５は、第１の主面１０１に平行な（または、第２の主面１０２に平行な）平面上への直交射影におけるドリフト層５０の一部分によって横方向を包囲され、かつダイオードセル１０の周縁から分離される。したがって、各ダイオードセル１０を介する、第３の深さｄ３において垂直方向と直角を成す第１の水平平面Ｋ１に沿った水平断面は、各ダイオードセル１０において、第１の水平平面Ｋ１が第２のアノード層４５と交差する第１の領域と、第１の水平平面Ｋ１がドリフト層５０と交差する第２の領域とを含み、第３の深さｄ３は、第１のアノード層４０が延在する深さｄ１と第２のアノード層４５が延在する第２の深さｄ２との間の深さである。

【0037】

図５に示す垂直断面において、隣接するダイオードセル１０の各ペアの２つの第２のアノード層４５間の最短横方向距離をＬ_ｄ１と称する。パワーダイオード９１におけるダイオードセル１０の構造または設計の同一性に起因して、ダイオードセル１０のアノード層４５と該ダイオードセル１０の周縁との距離は、Ｌ_ｄ１／２であり、かつ図５に示す断面における隣接する２つの第２のアノード層４５間の距離Ｌ_ｄ１は、直に隣接するダイオードセル１０の全てのペアで同じである。

【0038】

したがって、第１のアノード層４０と第２のアノード層４５とを含むｐ型領域は、ダイオードセル１０の周縁に第１の深さｄ１を有し、かつダイオードセル１０の横方向の中央に第２の深さｄ２を有し、第２の深さｄ２は、第１の深さｄ１より大きい。例示的には、第１の主面１０１と直角を成す方向における第１のアノード層４０の厚さは、２μｍ～８０μｍの範囲内であり、すなわち、第１の深さｄ１は、２μｍ～８０μｍの範囲内である。第２のアノード層４５の、第１の主面１０１と直角を成す方向における厚さは、例示的には、５０μｍ～２００μｍの範囲内であり、すなわち、第２の深さｄ２と第１の深さｄ１との差ｄ２－ｄ１は、５０μｍ～２００μｍの範囲内である。第１のアノード層４０は、第１のｐ型ドーパントの第１のドーピング濃度を含み、かつ第２のアノード層４５は、第１のｐ型ドーパントより低い表面濃度を有する第２のｐ型ドーパントの第２のドーピング濃度を含む。例示的には、第１のｐ型ドーパントは、第２のｐ型ドーパントとは異なり、たとえば、第１のｐ型ドーパントは、ホウ素（Ｂ）であってもよく、かつ第２のｐ型ドーパントは、アルミニウム（Ａｌ）であってもよい。

【0039】

第１のアノード層４０のピークドーピング濃度は、第２のアノード層４５のピークドーピング濃度より高い。例示的には、第１のアノード層４０のピークドーピング濃度は、５・１０^１７ｃｍ^－３より高く、かつ第２のアノード層４５のピークドーピング濃度は、５・１０^１７ｃｍ^－３より低い。

【0040】

ドリフト層５０は、全てのダイオードセル１０によって共有され、かつ第１の主面１０１に平行な平面上への直交射影において、各ダイオードセル１０の全領域内に延在し、すなわち、ドリフト層５０は、各ダイオードセル１０を通って横方向へ延在する。ドリフト層５０は、第１の主面１０１に平行な平面上への直交射影において、第１のアノード層４０が第２のアノード層４５と重なり合わない領域内で、第１のアノード層４０とｐｎ接合を形成する。第１の主面１０１に平行な平面上への直交射影において、第１のアノード層４０が第２のアノード層４５と重なり合う領域内では、ドリフト層５０は、第２のアノード層４５とｐｎ接合を形成する。ドリフト層５０の厚さは、パワーダイオードの電圧クラスに依存する。ドリフト層５０のドーピング濃度は、比較的低く（例示的には、バッファ層６５のような他の層のドーピング濃度より低い）、例示的には、パワーダイオード９１の電圧クラスに依存して５・１０^１３ｃｍ^－３未満である。ドリフト層５０は、一定のドーピング濃度を有してもよい。ここで、一定のドーピング濃度とは、ドーピング濃度がドリフト層５０全体に渡って略均一であることを意味するが、製造上の理由から、ドリフト層５０内でドーピング濃度が１～５倍程度変動する可能性もあり得ることを排除するものではない。バッファ層６５のドーピング濃度は、ドリフト層５０のそれより高い。例示的には、バッファ層６５は、第２の主面１０２に向かって上昇するドーピング濃度を有してもよい。バッファ層６５のピークドーピング濃度は、例示的には１・１０^１６ｃｍ^－３より高く、例示的には２・１０^１６ｃｍ^－３より高く、または、より例示的には４・１０^１６ｃｍ^－３より高い。図４に示すような水平断面において、カソード側セグメンテーション層６７は、ｎ型カソード層６０により囲まれてダイオードセル１０の横方向の中央に位置決めされる。したがって、上面図（水平平面への直交射影）において、第２のアノード層４５は、カソード側セグメンテーション層６７に完全に重なる。

【0041】

カソード側セグメンテーション層６７の材料は、ｐ型半導体、または酸化ケイ素もしくは酸窒化物などの電気絶縁材料のいずれかである。カソード側セグメンテーション層６７の材料は、カソード側セグメンテーション層６７に隣接する、またはカソード側セグメンテーション層６７より上の領域におけるダイオード導通の間のバッファ層６５からドリフト領域への電子放出を抑止することができるあらゆる材料であり得る。カソード側セグメンテーション層６７の厚さは、高ｎ型ドープカソード層６０の厚さより少ない。カソード層６０のドーピング濃度は、バッファ層のそれより遙かに高く、たとえば１０^１８ｃｍ^－３より高くてもよい。

【0042】

電界がバッファに近い最後の電荷を掃き出すにつれて電流の崩壊を緩和するために大きな正孔注入を必要とする既知のＦＣＥダイオード（すなわち、ＦＣＥダイオードは、強力なｐエミッタを必要とする）とは逆に、本発明のセグメント化されたパワーダイオード９１は、カソード側からの正孔注入を必要としない。全く逆に、ＦＣＥ作用、すなわち大きな正孔注入、は、それが温度依存的であり、かつそれが最も必要とされない高温で最も強い効果を与えることに起因して、望ましくない。セグメンテーション層６７が絶縁材料製である場合、正孔注入は存在しない。一方で、カソード側セグメンテーション層６７がｐ型半導体材料製である場合、エミッタ効率は、比較的低いことが望ましい。ｐ型カソード側セグメンテーション層６７のエミッタ効率は、基本的に、カソード側セグメンテーション層６７のドーピング濃度およびその深さ（すなわち、第２の主面１０２と直角を成す方向の厚さ）に依存する。カソード側セグメンテーション層６７の用量または集積ドーピング含有量（第２の主面１０２と直角を成す方向に沿って集積される）は、２・１０^１３ｃｍ^－２未満、または例示的には１・１０^１３ｃｍ^－２未満、またはより例示的には５・１０^１２ｃｍ^－２未満である。ここで、ドーピング含有量は、活性化ドーパントを指す。ｐ型用量が低いほど、正孔注入のためのｐ型カソード側セグメンテーション層６７のエミッタ効率は、低くなる。カソードセグメンテーション層６７としてのｐ型材料の使用は、カソードセグメンテーション層６７に絶縁材料が使用される場合と比較して、パワーダイオードの製造を容易にし得る。

【0043】

第２のアノード層４５と同様に、カソード側セグメンテーション層６７もセグメント化される。隣接するダイオードセル１０の各ペアのカソード側セグメンテーション層６７は、隣接するダイオードセル１０の個々のペアのｎ型カソード層６０によって互いから横方向に分離される。より具体的には、図５に示す垂直断面および図４に示す水平断面から分かるように、各ダイオードセル１０のカソード側セグメンテーション層６７は、ｎ型カソード層６０の一部分によって横方向に（すなわち、第１の主面１０１または第２の主面１０２に平行な平面への直交射影において）包囲されかつダイオードセル１０の周縁から分離される。隣接するダイオードセル１０の各ペアの２つのカソード側セグメンテーション層６７間の最短横方向距離を、図５に示す垂直断面においてＬ_ｎ１と称する。ダイオードセル１０の構造または設計の同一性に起因して、ダイオードセル１０のカソード側セグメンテーション層６７からそのダイオードセル１０の周縁までの距離は、Ｌ_ｎ１／２である。ダイオードセル１０のカソード側セグメンテーション層６７の横幅を、図５に示す垂直断面においてＬ_ｐ１と称する。

【0044】

各ダイオードセルのカソード側セグメンテーション層６７の横幅Ｌ_ｐ１と、隣接するダイオードセル１０の各ペアの２つのカソード側セグメンテーション層６７間の最短横方向距離Ｌ_ｎ１と、隣接するダイオードセル１０の各ペアの第２のｐ型層４５間の最短横方向距離Ｌ_ｄ１と、各ダイオードセル１０の厚さＷ_ｎ１との間の関係（設計規則）は、以下の通りであってもよい。

【0045】

（ｉ）０．３・Ｌ_ｐ１≦Ｌ_ｄ１≦Ｌ_ｐ１
（ｉｉ）０．３・Ｗ_ｎ１≦Ｌ_ｎ１≦Ｗ_ｎ１
（ｉｉｉ）０．３・Ｗ_ｎ１≦Ｌ_ｐ１≦Ｗ_ｎ１
図６には、第１の実施形態によるパワーダイオード９１の、および比較として従来のセグメント化されていないパワーダイオード（従来型のＰｉＮダイオード）の逆回復期間中の電流および電圧の時間依存性が示されている。図６のグラフにおける実線は、第１の実施形態によるパワーダイオード９１の電流および電圧に対応し、かつ破線は、従来のセグメント化されていないパワーダイオードの電流および電圧に対応する。図６から明らかに分かるように、本発明のパワーダイオード９１がソフトな回復挙動を示すのに対して、従来のパワーダイオードは、電圧の顕著な揺動を伴うスナッピーな逆回復挙動を示す。

【0046】

以下、図５および図７～図９を参照し、第２の実施形態によるパワーダイオード９１’について説明する。第１の実施形態によるパワーダイオード９１と第２の実施形態によるパワーダイオード９１’との多くの類似性に起因して、第１および第２の実施形態による２つのパワーダイオード９１および９１’で同じである特徴については、以下、その全てを反復するわけではない。第２の実施形態によるパワーダイオード９１’についての記述は、第１の実施形態と第２の実施形態との相違点に焦点を当てているのに対して、他の全ての特徴に関しては、第１の実施形態に関する先の記述を参照されたい。具体的には、諸図面における同一の参照符号は、同じ特性または特徴を有する類似のエレメントを指す。

【0047】

第２の実施形態によるパワーダイオード９１’は、パワーダイオード９１’の各ダイオードセル１０’の水平断面がストライプ形状である点で、第１の実施形態によるパワーダイオード９１とは異なる。これは、各々図５および図９の線Ｉ－Ｉ’に沿った第１の水平断面におけるパワーダイオード９１’の３つのダイオードセル１０’を示す図７から、および図５および図９の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った第２の水平断面におけるこれらの３つのダイオードセル１０’を示す図８から分かる。図５は、各々図７および図８の線Ｄ－Ｄ’に沿ったこれらの３つのダイオードセル１０’の第１の垂直断面を示す。したがって、図７および図８の線Ｄ－Ｄ’に沿ったダイオードセル１０’の断面は、各々図３および図４の線Ａ－Ａ’、Ｂ－Ｂ’およびＣ－Ｃ’のうちのいずれか１つに沿ったダイオードセル１０の断面と同じように見える。図５では、専ら第２の実施形態に関連する参照符号が括弧に入れて示されている。具体的には、線Ｄ－Ｄ’に沿ったストライプ形状であるｐ型の第２のアノード層４５’の断面、およびストライプ形状であるカソード側セグメンテーション層６７’の断面は、各々図３および図４の線Ａ－Ａ’、Ｂ－Ｂ’およびＣ－Ｃ’に沿った第２のアノード層４５の断面、およびカソード側セグメンテーション層６７の断面と同じである。

【0048】

第２の実施形態において、図５にその部分垂直断面が示されている半導体ウェーハ１００’は、第１の主面１０１’’と、第２の主面１０２’’とを有し、かつ先に述べた半導体ウェーハ１００に類似している。これが先に述べた半導体ウェーハ１００とは異なる唯一の点は、ダイオードセル１０’の先に述べたストライプ形状に起因する、第２のアノード層４５’、ドリフト層５０’、バッファ層６５’、カソード層６０’およびカソードセグメンテーション層６７’の異なる形状にある。パワーダイオード９１と同様に、パワーダイオード９１’は、４つ以上のダイオードセル１０’を有してもよい。加えて、パワーダイオード９１’は、第１の実施形態に関して先に述べたように、エッジ終端領域５と、エッジ終端領域に隣接する不完全なダイオードセル１１０とを有してもよい。図７および図８の水平断面において、実線は、隣接するダイオードセル１０’間の境界を表すが、図７における細い破線は、図５および図９の線Ｉ－Ｉ’に沿った第１の水平平面Ｋ１’における第２のアノード層４５’の境界を示し、かつ図８の細い破線は、図５および図９の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った第２の水平平面Ｋ２’におけるカソード側セグメンテーション層６７’の境界を示す。上面図において、すなわち垂直方向にと直角を成す平面への直交射影において、ならびに図７および図８に示す第１および第２の水平断面において、第２のアノード層４５’およびカソード側セグメンテーション層６７’のうちの各々は、ストライプ形状を有する。ストライプ形状である第２のアノード層４５’およびストライプ形状であるカソード側セグメンテーション層６７’の長手方向軸は、ダイオードセル１０’全体に渡り、図７および図８の線Ｅ－Ｅ’に沿って、すなわち図９の左右方向に、延在する。図７の水平断面において、ドリフト層５０’のストライプ形領域は、第２のアノード層４５’のストライプ形領域と交互する。同様に、図８に示す水平断面において、カソード層６０’のストライプ形領域は、カソードセグメンテーション層６７’’のストライプ形領域と交互する。

【0049】

先に述べた第１の実施形態と同様に、図５に示す垂直断面において、隣接するダイオードセル１０’（各々図７および図８の線Ｄ－Ｄ’に平行な方向に隣接している）による各ペアの２つの第２のアノード層４５’間の最短横方向距離Ｌ_ｄ１、隣接するダイオードセル１０’による各ペアの２つのカソード側セグメンテーション層６７’間の最短横方向距離Ｌ_ｎ１、各々図７および図８の線Ｄ－Ｄ’に平行な方向における各カソード側セグメンテーション層６７’の横幅Ｌ_ｐ１、および各ダイオードセル１０’の厚さＷ_ｎは、例示的には、先に示した設計規則（ｉ）～（ｉｉｉ）を満たしてもよい。

【0050】

以下、図２～図４および図１０を参照し、第３の実施形態によるパワーダイオード９１’’について説明する。ここで、図３は、図１０の線Ｉ－Ｉ’に沿った（図１０の平面Ｋ１’’に沿った）パワーダイオード９１’’のダイオードセル１０’’の水平断面を示し、かつ図４は、図１０のＩＩ－ＩＩ’に沿った（すなわち、図１０の平面Ｋ２’’に沿った）これらのダイオードセル１０’’の別の水平断面を示す。第１の実施形態によるパワーダイオード９１と第３の実施形態によるパワーダイオード９１’’との多くの類似性に起因して、２つのパワーダイオード９１および９１’’で同じである特徴については、以下、その全てを反復するわけではない。第３の実施形態によるパワーダイオード９１’’についての記述は、第１の実施形態と第３の実施形態との相違点に焦点を当てているのに対して、他の全ての特徴に関しては、第１の実施形態に関する先の記述を参照されたい。具体的には、諸図面における同一の参照符号は、同じ特性または特徴を有する類似のエレメントを指す。

【0051】

第３の実施形態のパワーダイオード９１’’が、図２～図５を参照して先に述べたような第１の実施形態によるパワーダイオード９１と異なる唯一の点は、ｐ型の第１のアノード層４０’’およびｐ型の第２のアノード層４５’’の形状にある。第３の実施形態において、第１のアノード層４０’’は、第２のアノード層４５’’内のウェル領域として構成されている。第３の実施形態によるパワーダイオード９１’’の上面図は、図２に示す第１の実施形態によるパワーダイオード９１の上面図と同じである。図２、図３および図４では、専ら第３の実施形態に関連する参照符号が括弧に入れて示されている。図１０には、図３および図４の線Ａ－Ａ’、Ｂ－Ｂ’およびＣ－Ｃ’のいずれか１つに沿ったパワーダイオード９１’’の断面が示されている。第１のアノード層４０’’および第２のアノード層４５’’の変形された形状に起因して、ドリフト層５０’’は、第１のアノード層４０’’と直に接触せず、第２のアノード層４５’’によって第１のアノード層４０’’から分離されるという点で、第１の実施形態におけるドリフト層５０とは異なる。第３の実施形態において、図１０に示す、第１の主面１０１’’と第２の主面１０２’’とを有する半導体ウェーハ１００’’は、先に述べた半導体ウェーハ１００に類似している。これが先に述べた半導体ウェーハ１００と異なる唯一の点は、第１のアノード層４０’’、第２のアノード層４５’’およびドリフト層５０’’の構造にある。第１の実施形態におけるドリフト層５０に反して、第３の実施形態では、ドリフト層５０’’が半導体ウェーハ１００’’の第１の主面１０１’’まで延在する。同様に、第２のアノード層４５’’も第１の主面１０１’’まで延在する。第１の主面１０１’’上にドリフト層５０’’を覆って設けられる絶縁層８０は、アノード電極２０がドリフト層５０’’と直に接触すること、および第２のアノード層４５’’と直に接触することを防止する。

【0052】

以下、図２および図１１～図１３を参照し、第４の実施形態によるパワーダイオード９１’’’について説明する。第１の実施形態によるパワーダイオード９１と第４の実施形態によるパワーダイオード９１’’’との多くの類似性に起因して、第１および第４の実施形態による２つのパワーダイオード９１および９１’’’で同じである特徴については、以下、その全てを反復するわけではない。パワーダイオード９１’’’についての記述は、第１の実施形態と第４の実施形態との相違点に焦点を当てているのに対して、他の全ての特徴に関しては、第１の実施形態に関する先の記述を参照されたい。具体的には、諸図面における同一の、または類似する参照符号は、同じ特性または特徴を有する類似のエレメントを指す。

【0053】

図２は、パワーダイオード９１’’’を上面図で示している。これは、パワーダイオード９１’’’の上面図が、第１の実施形態によるパワーダイオード９１の上面図と同じであることを意味する。図１１は、図１３の線Ｉ－Ｉ’に沿った（すなわち、図１３の水平平面Ｋ１’’’に沿った）、パワーダイオード９１’’’に含まれる９つのダイオードセル１０’’’の第１の水平断面図であり、図１２は、図１３の線ＩＩ－ＩＩ’に沿った（すなわち、図１３の水平平面Ｋ２’’’に沿った）、パワーダイオード９１’’’に含まれる９つのダイオードセル１０’’’の第２の水平断面図であり、図１３は、各々図１１および図１２の線Ａ－Ａ’、線Ｂ－Ｂ’および線Ｃ－Ｃ’のうちのいずれか１つに沿った、パワーダイオード９１の断面図を示す（パワー半導体デバイス９１’’’において、図１１および図１２における線Ａ－Ａ’に沿った断面は、線Ｂ－Ｂ’に沿った断面と同じであり、かつ線Ｃ－Ｃ’に沿った断面とも同じである）。

【0054】

パワーダイオード９１’’’がパワーダイオード９１と異なる点は、第２のアノード層４５’’’が、第１の実施形態の場合のように、各ダイオードセル１０’’’の横方向の中央には配置されず、垂直方向と直角を成す水平平面への直交射影において、各ダイオードセル１０’’’の外側境界に沿って配置されることにある。したがって、図１３に示すような第１の水平平面Ｋ１’’と直角を成す垂直断面において、ドリフト層５０’’’の一部分は、各ダイオードセル１０’’’内の第２のアノード層４５’’’を横方向へ、各々ドリフト層５０’’’の該一部分からダイオードセル１０’’’の縁まで横方向に延在する２つの別個の領域に分離する。図１１に示す第１の水平断面において、各ダイオードセル１０’’’内の先に述べたドリフト層５０’’’の部分は、第１の水平平面Ｋ１’’’が第２のアノード層４５’’’と交差する領域によって囲まれる（第１の水平平面Ｋ１’’’がドリフト層５０’’’の該部分と交差する）アイランド状の領域である。

【0055】

パワーダイオード９１’’’がパワーダイオード９１と異なる点は、カソード層６０’’’が、第１の実施形態の場合のように各ダイオードセル１０’’’の横方向の中央には配置されず、図１２に示す水平断面において、および垂直方向と直角を成す水平平面への直交射影において、各ダイオードセル１０’’’の外側境界に沿って配置されることにもある。図１２に示す水平断面において、各ダイオードセル１０’’’内のカソードセグメンテーション層６７’’’は、第２の水平平面Ｋ２’’’がカソード層６０’’’と交差する領域によって囲まれる（第２の水平平面Ｋ２’’’がセグメンテーション層６７’’’と交差する）アイランド状の領域である。第１の水平平面Ｋ１’’’と直角を成す垂直断面において、隣接するダイオードセル１０’’’による各ペアのカソード層６０’’’は、隣接するダイオードセル１０’’’の個々のペアのカソード側セグメンテーション層６７’’’によって互いから横方向に分離される。

【0056】

図１３に示すような垂直断面において、隣接するダイオードセル１０’’’による各ペアの各ダイオードセル１０’’’における第２のアノード層４５’’’の別個の２領域間の最短横方向距離Ｌ_ｄ２は、０．３・Ｌ_ｐ２～Ｌ_ｐ２の範囲内であり、Ｌ_ｐ２は、隣接するダイオードセル１０’’’によるペアのカソード層６０’’’間の最短横方向距離である。この特徴は、第１の実施形態における上述の設計規則（ｉ）に対応する。

【0057】

また、図１３に示すような垂直断面において、各ダイオードセル１０’’’のカソード層６０’’’の横幅Ｌ_ｎ２は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であり、Ｗ_ｎは、ダイオードセル１０’’’の垂直厚さである。この特徴は、上述の設計規則（ｉｉ）に対応する。

【0058】

最後に、図１３に示すような垂直断面において、隣接するダイオードセル１０’’’による各ペアの２つのカソード層６０’’’間の最短横方向距離Ｌ_ｐ２は、０．３・Ｗ_ｎ～Ｗ_ｎの範囲内であり、Ｗ_ｎは、ダイオードセル１０’’’の垂直厚さである。この特徴は、上述の設計規則（ｉｉｉ）に対応する。

【0059】

この第４の実施形態において、図１３にその部分垂直断面が示されている半導体ウェーハ１００’’’は、第１の主面１０１’’’と、第２の主面１０２’’’とを有し、かつ先に述べた半導体ウェーハ１００に類似している。これが先に述べた半導体ウェーハ１００とは異なる唯一の点は、ダイオードセル１０’’’の先に述べた構造に起因する、第２のアノード層４５’’’、ドリフト層５０’’’、バッファ層６５’’’、カソード層６０’’’およびカソードセグメンテーション層６７’’’の異なる形状および配置にある。

【0060】

図１４は、本発明の一実施形態による逆導通集積化ゲート転流型サイリスタ（ＲＣ－ＩＧＣＴ）９０の上面図を示す。ＲＣ－ＩＧＣＴ９０は、単一ウェーハにモノリシック集積されたゲート転流型サイリスタ（ＧＣＴ）９３と、（環流ダイオードとして機能する）パワーダイオード９１０とを備える。ウェーハ内で、ＧＣＴ９３は、パワーダイオード９１０から分離領域９２により分離される。図９に示すように、ＧＣＴ９３は、２つのリング内に配置されてパワーダイオード９１’’’を取り囲む複数のＧＣＴフィンガを備える。ウエハの周縁に沿って、ＲＣ－ＩＧＣＴは、図９に示すように、ＧＣＴ９３を制御するためのゲート接点９４を有する。ＲＣ－ＩＧＣＴのこのような設計は、当業者に周知である。したがって、ＧＣＴ９３および分離領域９２の構造についての詳細な説明は控える。本発明の一実施形態によるＲＣ－ＩＧＣＴ９０がこうした周知のＲＣ－ＩＧＣＴと異なる唯一の点は、パワーダイオード９１０が、たとえば、上述のパワーダイオード９１、９１’、９１’’または９１’’’のうちのいずれか１つについて先に述べたように構成される、エッジ終端領域５のない、本発明によるパワーダイオードであることにある。ＲＣ－ＩＧＣＴ９０における新規ダイオード設計は、従来のＰｉＮパワーダイオードを還流ダイオードとして有するＲＣ－ＩＧＣＴの既知の製造方法と比較して、追加のマスクを必要とすることなく製造可能であることに留意されたい。

【0061】

当業者には、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を逸脱することなく、上述の実施形態の変更が可能であることが明らかであろう。

【0062】

パワーダイオードの上述の第１～第３の実施形態では、ダイオードセル１０、１０’’および１０’’’の形状を上面図で六角形であると記述し、かつダイオードセル１０’の形状をストライプ形状であると記述した。しかしながら、ダイオードセル１０、１０’、１０’’、１０’’’は、上面図における、すなわち、第１の主面１０１、１０１’、１０１’’、１０１’’’に平行な平面上への水平射影における、正方形または三角形などの他の任意の形状を有してもよい。同様に、パワーダイオード９１、９１’、９１’’、９１’’’における第２のアノード層４５、４５’、４５’’、４５’’’の外形は、上面図における正方形、三角形、他の任意の多角形または円形などの、六角形またはストライプ形状以外の別の形状を有してもよい。また、第１～第３の実施形態では、ダイオードセル１０、１０’、１０’’、１０’’’の外形を上面図において第２のアノード層４５、４５’、４５’’、４５’’’の外形と同じ（六角形またはストライプ形状のいずれか）であると記述しているが、本発明のパワーダイオード９１、９１’、９１’’、９１’’’におけるダイオードセル１０、１０’、１０’’、１０’’’の外形は、上面図における第２のアノード層４５、４５’、４５’’、４５’’’の外形と必ずしも同じではない。

【0063】

上述の実施形態では、１つのパワーダイオード９１、９１’、９１’’、９１’’’内のダイオードセル１０、１０’、１０’’、１０’’’が、ＲＣ－ＩＧＣＴ９０においてエッジ終端領域５へ直に隣接する、または分離領域９２へ隣接する不完全なダイオードセル１１０を除いて、全て同じ設計を有していた。しかしながら、本発明のパワーダイオードは、複数のダイオードセルの中で２つ以上の異なる設計を有するダイオードセル、たとえば異なるサイズのダイオードセル、を使用してもよい。

【0064】

ＲＣ－ＩＧＣＴでは、ゲート接点９４が、ＧＣＴ９３を取り囲むデバイスの周縁に位置決めされるものと記述されている。しかしながら、ゲート接点９４は、サイリスタフィンガによる２つのリングの間などの別のロケーションにも位置決めされ得る。また、ＧＣＴ９３も、他の任意の配置のＧＣＴフィンガを有してもよく、かつ具体的には、サイリスタフィンガが配置されるリングも他の任意の数で有してもよい。

【0065】

上述の実施形態では、本発明のパワーダイオードが、第１～第３の実施形態におけるように離散デバイスであるか、ＲＣ－ＩＧＣＴに組み込まれるかのいずれかであるものとして記述されている。しかしながら、本発明のパワーダイオードは、たとえば、環流ダイオード、スナバダイオードおよびクランプダイオードとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）との組合せ、など、他の任意のパワーデバイスにおいて使用されても、集積されてもよい。

【0066】

上述の実施形態では、本発明のパワーダイオードが、バッファ層を含むものとして、すなわち、パンチスルー（ＰＴ）構造を有するものとして記述されている。しかしながら、上述の実施形態は、バッファ層を持たないように、すなわち、非パンチスルー（ＮＰＴ）構造を有するようにも変更され得る。

【0067】

実施形態は、特定の導電型を用いて説明されている。上述の実施形態の各々において、半導体層の導電型は、ｐ型層として記述されている層が全てｎ型層となり、かつｎ型層と記述されている層が全てｐ型層となるように交換されてもよい。

【0068】

「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、他のエレメントまたはステップを排除するものではないこと、また、単数を意味する不定冠詞（ａまたはａｎ）は、複数を排除するものではないことに留意されたい。また、異なる実施形態に関連して記述されているエレメントは、組み合わされてもよい。

【符号の説明】

【0069】

符号の説明
５ エッジ終端
１０，１０’，１０’’，１０’’’ ダイオードセル
２０ アノード電極層
３０ カソード電極層
４０，４０’’ 第１のアノード層
４５，４５’，４５’’，４５’’’ 第２のアノード層
５０，５０’，５０’’，５０’’’ ドリフト層
６０，６０’，６０’’’ カソード層
６７，６７’，６７’’’ カソード側セグメンテーション層
８０ 絶縁層
９０ ＲＣ－ＩＧＣＴ
９１，９１′，９１’’，９１’’’，９１０ パワーダイオード
９２ 分離領域
９３ ゲート転流型サイリスタ（ＧＣＴ）
９４ ゲート接点
１００，１００’，１００’’，１００’’’ 半導体ウェーハ
１０１，１０１’，１０１’’，１０１’’’ 第１の主面
１０２，１０２’，１０２’’，１０２’’’ 第２の主面
１１０ 不完全なセル
Ｋ１，Ｋ１’，Ｋ１’’，Ｋ１’’’ 第１の水平平面
Ｋ２，Ｋ２’，Ｋ２’’，Ｋ２’’’ 第２の水平平面
Ｌ_ｄ１ （隣接する２つのダイオードセルの第２のアノード層間の）最短横方向距離
Ｌ_ｎ１ （隣接する２つのダイオードセルのカソード側セグメンテーション層間の）最短横方向距離
Ｌ_ｐ１ （カソード側セグメンテーション層の）横幅
Ｌ_ｄ２ （第２のアノード層の２つの別個の領域間の）最短横方向距離
Ｌ_ｎ２ （カソード側セグメンテーション層の）横幅
Ｌ_ｐ２ （隣接する２つのダイオードセルのカソード層間の）最短横方向距離
Ｗ_ｎ ダイオードセルの垂直厚さ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【国際調査報告】