JPS6227553B2

JPS6227553B2 -

Info

Publication number: JPS6227553B2
Application number: JP60141401A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Amamya; Takayuki Sugata; Yoshihiko Mizushima
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1987-06-15
Also published as: JPS6139575A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体整流装置の改良に関する。更
に詳しくは、高い逆方向耐圧を保ちながら順方向
電圧降下を低下させた半導体整流装置に関する。

（従来の技術）半導体整流装置として、従来、第２図を伴なつ
て次に述べる構成を有するものが提案されてい
る。

すなわち、例えば５×10¹⁸atom／cm³以上のよう
な高い不純物濃度を有し且つ例えばN⁺型を有す
る半導体層１と、その半導体層１上に形成されて
いるとともに、例えば５×10¹⁶atom／cm³以下のよ
うな半導体層１に比し低い不純物濃度を有し且つ
P^-型を有する半導体層２と、その半導体層２の
半導体層１とは反対側に形成されているとともに
例えば５×10¹⁸atom／cm³以上のような高い不純物
濃度を有し且つP⁺型を有する半導体層３とを有
する。

また、半導体層１の半導体層２側とは反対側に
オーミツクに付されている電極４と、半導体層３
の半導体層２側とは反対側にオーミツクに付され
ている電極５とを有する。

以上が、従来提案されている半導体整流装置の
構成である。

このような構成を有する半導体整流装置は、所
謂PIN型ダイオード構成を有する半導体整流装置
である。

ところで、このような構成を有する半導体整流
装置によれば、その電極４及び５間に、電極５側
を正とする電圧が与えられた場合、半導体領域１
側から半導体層２側に電子が注入され、この電子
の電荷を中和するために、半導体層３側から、半
導体層２側に正孔が供給される機構で、電極４及
び５間が導通状態となる。

また、このような状態から、電極４及び５間に
電極５側を負とする電圧が与えられた場合、電極
４及び５間が不導通状態になる。

従つて、第２図に示す半導体整流装置は、整流
装置としての機能を呈する。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、このような従来の半導体整流装置の場
合、半導体層３は上述した導通状態が得られたと
き、上述したように半導体層２側に、正孔を供給
する作用を行つていると同時に、半導体層２に、
半導体層１側から注入された電子を吸収する作用
を行つている。この場合、半導体層３及び半導体
層２間には、半導体層３から半導体層２側に向う
正孔に対する電位障壁は存在しない。しかしなが
ら、P^-P⁺接合があるので、半導体層２から半導
体層３側に向う電子に対する電位障壁が存在す
る。

換言すれば半導体層３は、半導体層１側より注
入された半導体層２中の電子を吸収する能力が低
いことになる。このため、半導体層１から半導体
層２に注入された電子は、電極５への到達がさま
たげられる傾向にあり、また半導体層２の中に電
子が蓄積する。

従つて、上述した半導体整流装置の場合、その
導通時における電極４及び５間の電圧即ち順方向
降下電圧が、比較的大であると共に、導通状態か
ら電極４及び５間に与える電圧を遮断することに
よつて不導通状態に回復する時の、その回復迄に
要する時間即ち逆方向回復時間が比較的長い、と
いう欠点を有する。

（問題点を解決するための手段）このような問題点を解決するため、本発明は従
来と同じ導通型の素子として例示するならば、
P⁺形単結晶の面積をダイオード面積より少なく
し、かつ複数領域に分割して形成するとともに、
これら複数のP⁺形単結晶領域及びこれらが形成
されていないP^-形単結晶半導体の上面に、オー
ミツクに連結して形成された高濃度P⁺形多結晶
半導体層を設け、多結晶半導体と単結晶半導体境
界面が、少数キヤリアたる電子を多結晶半導体中
に導くバンド構造であり、かつ多結晶半導体の結
晶粒界には高密度の再結合中心であることから、
電子吸収作用を有する点に着目し、これを電子吸
込層として動作させることにより順方向降下電圧
を小となすことを特徴とするものである。

（実施例）第１図は、本願発明による半導体整流装置の特
徴を最もよく示した実施例である。

第２図との対応部分には同一符号を付して示
す。

第１図に示す本発明による半導体装置は、次に
述べる構成を有する。

すなわち、第２図で上述したと同様のN⁺型を
有する半導体層１と、 P^-型を有する半導体層２とを有する。

また、半導体層２の半導体層１側とは反対側に
局部的に形成された、半導体層２に比し高い不純
物濃度を有し且つP⁺導電型を有する複数の半導
体領域１３を有する。この半導体領域１３は、半
導体層２に第１の電荷符号を有するキヤリアすな
わち正孔を供給する作用を行う領域として形成さ
れている。

さらに、半導体層１の半導体層２側とは反対側
上にオーミツクに付されている電極４を有する。

なおさらに、高不純物濃度のP⁺形多結晶（単
結晶領域と同一物質のもの、例えばシリコン）半
導体でなる層２０が半導体領域１３と、半導体層
２のP⁺形半導体領域１３の形成されていない領
域とに連結して形成され、従つて、P⁺多結晶半
導体（例えばシリコン）２０とP^-単結晶半導体
（例えばシリコン）２の境界１６を形成し、又多
結晶半導体層２０の半導体層２とは反対側上に電
極１５がオーミツクに付されている。

このような構成によれば、電極４及び１５間に
電極１５側を正とする電圧が与えられた場合、半
導体層１及び２、及び半導体領域１３が、夫々第
２図の半導体整流装置の半導体層１及び２、及び
半導体層３に対応し、また、電極４及び１５が第
２図の半導体整流装置の電極４及び５に対応して
いるので、半導体領域１側から、半導体層２内に
電子が注入され、また、半導体層１３側から半導
体層２内に正孔が供給される機構で電極４及び１
５間が導通状態となる。

また、このような状態から、電極４及び１５間
に、電極１５側を負とする電圧が与えられた場
合、電極４及び１５間は不導電状態になる。

従つて、第２図の半導体整流装置の場合と同様
に、整流装置としての機能を呈する。

然し乍ら、第１図に示す本発明による半導体整
流装置の実施例の場合、半導体領域１３のほかに
これと並置している電子を吸収する作用を行う
『P⁺多結晶半導体層２０とP^-単結晶半導体２との
境界１６』を有するので、上述した導通状態が得
られているとき、上記境界１６が半導体層１側か
ら半導体層２内に注入される電子を吸収する作用
を行う。この動作原理を、半導体がシリコンであ
る場合を例にとつて説明する。単結晶上に堆積さ
れた多結晶シリコンは第３図に図示するように
結晶粒が重なつた構造となり、均一な層が積層す
るものではない。ここで、単結晶上に堆積された
多結晶シリコン及び単結晶をABで切つたとき、
その断面に沿つてみたバンド構造は第３図のよ
うになる。粒界部分ａ〜ｅ及び多結晶と単結晶の
境界が、半導体がＰ型ならばバンドが第３図に
示すように下に曲り、ｎ型ならば逆に上に曲がる
ことが知られている。多結晶シリコン中の各結晶
粒、及び粒界部のバンド構造が、第３図のよう
になることは、例えばジヤーナル・オブ・アプラ
イド・フイジツクスの1983年第54巻第1976頁〜
1980頁に記載されたトンプソンらの論文「エフエ
クツ・オブ・インターフエイス・ポテンシヤル・
ノンユニフオーミテイー・オン・キヤリヤ・トラ
ンスポート・アクロス・シリコン・グレイン・バ
ンダリーズ」（Journal of Applied Physics
vol54 No.４ PP1976〜1980（1983）；D.J.
Thompson“Effects of interface−potential
nonuniformities on carrier transport across
silicon grain boundaries”）の第１図ａ（Fig1
(a)）から論理的に導かれる。

なおかつ、上記単結晶と多結晶の境界面、及び
多結晶内の粒界部には、高密度の再結合中心（界
面準位）が存在し、ライフタイムが短い再結合中
心となつて少数キヤリアを再結合させる作用があ
り、具体的にはライフタイムが数ps〜数nsと非
常に短時間で少数キヤリアをほとんど再結合させ
てしまうことが、例えばアイ・イー・イー・イ
ー、トランザクシヨン・オン・イー・デイーの
1977年第1025〜1031頁に記されたリーブリツヒら
の論文「ア・ポリシリコン−シリコン−エヌ・ピ
ージヤンクシヨン）（IEEE.Trans on ED vol
ED−24 No.８ PP1025〜1031、1977；Z.
Lieblich“Ａ Polysilicon−Silicon ｎ−Ｐ
Junction”）の第１０図（Fig10）に示されてい
る。即ち、再結合中心のライフタイムと、その結
晶でｐ−ｎ接合を作り、その接合部のライフタイ
ムを実測した結果とは、ほぼ等しくなる（高々約
1/2〜約２倍のちがい）ということが、本技術分
野で周知であるので上記Fig10より再結合中心の
ライフタイムも、やはり数ピコ〜数ナノ秒と非常
に短いことがわかる。従つて、第３図に示すよう
に、Ｐ形単結晶側から電子が多結晶方向に流れて
くると（で示す）多結晶との境界、若しくは境
界からわずかに入つた多結晶中の再結合中心を介
して急速に再結合する（、）。即ち、境界１
６は電子を吸収する作用を有する。（多結晶と単
結晶がｎ形のときは正孔吸収の作用を有する。）このため、第２図で上述した半導体整流装置と
比較した場合、半導体層１から半導体層２に注入
された電子は、P⁺形多結晶シリコン層２０に容
易に注入することができ、またそのため半導体層
２の中に電子が蓄積する量は無視し得る程度に小
である。

従つて、第１図に示す本発明による半導体整流
装置の実施例の場合、その導通時における電極４
及び１５間の電圧すなわち順方向降下電圧が、第
２図で上述した従来の半導体整流装置の場合に比
し、格段的に小であるとともに、導通状態から、
電極４及び１５間に与える電圧を遮断することに
よつて不導通状態に回復するまでの時間、すなわ
ち逆方向回復時間が、第２図で上述した従来の半
導体整流装置の場合に比し、格段的に短いという
特徴を有する。

上述の効果を実証するために、第２図に示す従
来構造及び第１図に示す本発明の構造を有する電
力整流用ダイオードをそれぞれ試作し、逆方向回
復時間を実測した。それぞれのダイオードにおい
て、N⁺層は500μｍの厚さで、0.01Ωcm、P^-層は
15μｍの厚さで５Ωcmとした。又、従来構造にお
けるP⁺層は0.5μｍ厚の単結晶で不純物濃度が
10¹⁹cm^-3の層を用いた。一方、本発明の構造にお
いて、P⁺層２０はボロンをドープした多結晶シ
リコンを用い不純物濃度は２×10²⁰cm^-3の層を用
い、部分的に存在するP⁺領域１３は0.1μｍの厚
さの拡散領域（不純物濃度10¹⁹cm^-3）を用いた。
両者の逆方向回復時間を実測したところ第４図に
示すように、従来構造が約0.6μｓであつたのに
対し（第４図ａ）、本発明の構造では約70nsであ
り（第４図ｂ）、約１桁高速に動作することが確
認できた。

なお、上述においては、本発明の僅かな実施例
を示したに留まり、例えば、上述せる実施例にお
いて、「N⁺」を「P⁺」、「P^-」を「N^-」、「P⁺」を
「N⁺」、電子を正孔、正孔を電子に読替えた構成
とすることもでき、その他、本発明の精神を脱す
ることなしに、種々の変型、変更をなし得るであ
ろう。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば順方向電
圧降下が小さく、整流効率が高く、更に逆方向回
復時間の短縮化が可能なPIN型ダイオードを簡単
な構造で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明による半導体整流装置の実
施例を示す略線的断面図である。第２図は、従来
の半導体整流装置を示す略線的断面図である。第
３図は単結晶上の多結晶シリコン層の形態を説
明する概念図。第３図は、のABに沿つたバ
ンド構造及び少数キヤリア（電子）吸収作用の説
明図。第４図ａ，ｂは、それぞれ従来構造及び本
発明の構造で試作した電力整流用ダイオードの逆
方向回復時間の実測波形。１……N⁺半導体層、２……P^-半導体層、３，
１３……P⁺半導体層（半導体領域）、４，５，１
５……電極、１６……P⁺多結晶とP^-単結晶の境
界、２０……P⁺多結晶半導体、ａ，ｂ，ｃ，
ｄ，ｅ……多結晶内の結晶粒界。

Claims

【特許請求の範囲】１第１の導電型を有する第１の半導体層と、該第１の半導体層上に形成されている、当該第
１の半導体層に比し低い不純物濃度を有し且つ第
１の導電型とは逆の第２の導電型を有する第２の
半導体層と、該第２の半導体層の上記第１の半導体層側とは
反対側に、局部的に形成された、上記第２の半導
体層に比し高い不純物濃度を有し且つ第２の導電
型を有する半導体領域と、上記第１の半導体層の上記第２の半導体層側と
は反対側上にオーミツクに附された第１の電極
と、上記第２の半導体層の上記第１の半導体層側と
は反対側上に、上記半導体領域と、上記第２の半
導体層の上記半導体領域の形成されていない領域
とにオーミツクに連結して形成された、第２の導
電型を有する多結晶半導体層と、上記多結晶半導体層上にオーミツクに付された
第２の電極とを有することを特徴とする半導体整
流装置。