JP2002100784A - ショットキーバリアダイオードおよび半導体モジュール - Google Patents
ショットキーバリアダイオードおよび半導体モジュールInfo
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Abstract
ード等を提供する。 【解決手段】 一方の面に凹凸が付されたアノード電極
と、アノード電極の他方の面の第1の領域に接合された
p型半導体層と、アノード電極の他方の面の第2の領域
に接合されたn型半導体層と、カソード電極とを備えた
ショットキーバリアダイオードであって、アノード電極
の凸部分が、p型半導体層の上に位置するよう配置され
ているショットキーバリアダイオード等を提供する。
Description
構造に関する。
Nダイオードが、還流ダイオード(FWDi(Free Whe
eling Diode))として使用されてきた。還流ダイオー
ドFWDiとは、負荷にインダクタンス成分のあるイン
バーター等の回路において、その回路に接続されたパワ
ーデバイスがターンオフ(開放)したときに負荷のイン
ダクタンスに蓄えられた電流エネルギーを循環または消
散させ、回路全体を保護する目的で回路に組み込まれた
ダイオードであり、転流ダイオードとも呼ばれる。スイ
ッチング回路等においても側路に使用される。PiNダ
イオードを還流ダイオードFWDiとして利用する理由
は、PiNダイオードはバイポーラ型のダイオードであ
り、順方向バイアスで大電流を通電させる場合に、伝導
度変調により電圧降下を低くできるからである。ところ
がPiNダイオードを利用すると、順方向バイアス状態
から急峻に逆バイアス状態に至る過程で伝導度変調によ
りPiNダイオードに残留したキャリアが逆回復電流と
して回路へ流れてしまう。Siを主材料とするPiNダ
イオードでは残留するキャリアの寿命が長いため、多く
の残留キャリアが存在するからである。
リアダイオード(SBD)を還流ダイオード(FWD
i)として用いると、大きな逆回復電流が回路に流れる
という問題は生じない。ショットキーバリアダイオード
(SBD)は、ユニポーラ型のダイオードであり、伝導
度変調によるキャリアをほとんど有しないからである。
このショットキーバリアダイオード(SBD)とは、金
属と半導体とを接合させたダイオードをいい、接合点で
あるショットキー界面の電位障壁(ショットキーバリ
ア)を利用して整流性を持たせたダイオードである。
ョットキーバリアダイオード(SBD)を用いると、次
は新たな問題が生じる。まずショットキーバリアダイオ
ードの構成から簡単に説明する。図4は、従来のショッ
トキーバリアダイオード40の断面図である。ショット
キーバリアダイオード40は、外部導体(図示せず)と
接続される平坦な第1のアノード電極41と、第1のア
ノード電極41に隣接する第2のアノード電極43と、
第2のアノード電極43に接合する半導体層であるSi
(珪素)のn型エピタキシャル層44と、n型Si基板
46と、外部導体(図示せず)と接続されるカソード電
極47とを含む。このショットキーバリアダイオード4
0では、第2のアノード電極43の下にさらにp型半導
体層45が形成されている。これはいわゆる接合障壁制
御ショットキー構造(JBS(Junction Barrier contr
olled Schottky)構造)と呼ばれる。
イオード(SBD)40の問題とは、絶縁破壊を起こす
電界強度が低いことである。これは、高耐圧にすること
が困難なことを意味する。逆回復電流が回路に流れな
い、高耐圧のショットキーバリアダイオード(SBD)
を作製すると、通電時に大きな抵抗が生じるため、実用
的な範囲では耐圧200V程度が限界である。
ド(SBD)では、所望の電気的特性を発揮させること
ができないため、回路に利用可能な半導体モジュールに
搭載することが困難である。これは順方向に電流が流れ
る際の経路であるショットキー電極界面48が、本来予
定されている電気的特性を得ることができないことに起
因する。例えば、第1のアノード電極41と接続される
外部導体(図示せず)に埃等が付着し凹凸がある場合を
考えると、第1のアノード電極41は平坦であるため、
外部導体と接続される際に第1のアノード電極41の凸
部分がショットキー界面48に局所的に強い圧力を加
え、ショットキー電極界面48の電気的特性を劣化させ
てしまう。また外部導体と第1のアノード電極41を超
音波によりワイヤボンディングする場合を考えると、シ
ョットキー界面48に直接超音波が伝わりショットキー
界面48の構造が変化することにより、その電気的特性
が変化する場合がある。
構造が変化しないダイオードを提供することである。こ
れにより、ダイオードは本来予定されている電気的特性
を得ることができる。さらなる本発明の目的は、絶縁破
壊電界強度が高く、逆回復電流が回路に流れないダイオ
ードおよび半導体モジュールを提供することである。
ーバリアダイオードは、一方の面に凹凸が付されたアノ
ード電極と、前記アノード電極の他方の面の第1の領域
に接合されたp型半導体層と、前記アノード電極の他方
の面の第2の領域に接合されたn型半導体層と、カソー
ド電極とを備えたショットキーバリアダイオードであっ
て、前記アノード電極の凸部分が、前記p型半導体層の
上に位置するよう配置されているショットキーバリアダ
イオードであり、これにより上記目的が達成される。
る場合、前記平坦な凸部分上部の大きさは、前記p型半
導体層の大きさ以下であってもよい。
材料として形成されてもよい。
スイッチングを行うスイッチング素子と、前記スイッチ
ング素子のスイッチング時に、回路に流れる電流から回
路を保護する還流ダイオードとを備えた半導体モジュー
ルであって、前記還流ダイオードは、請求項3に記載の
ショットキーバリアダイオードであり、これにより上記
目的が達成される。
発明の実施の形態1および2を説明する。
トキーバリアダイオード(SBD)10と、圧接により
ショットキーバリアダイオード(SBD)10に接続さ
れた外部導体12−1、12−2の断面図である。ショ
ットキーバリアダイオード(SBD)10とは、金属と
半導体とを接合させたダイオードをいう。
イオード(SBD)10の特徴は、外部導体12−1に
接続するアノード電極1の厚さに凹凸を設け、アノード
電極1の凸部分2がp型半導体層5に、凹部分がn型半
導体層であるn型エピタキシャル層4に対応する(上下
の関係になる)よう配置したことである。ここで凹凸と
は、周囲の高さ方向の起伏の状態から相対的に定まる表
面の状態であって、例えば、ある領域の最も高い位置と
最も低い位置の中央値を基準値として、基準値よりも高
い部分を凸部分、基準値よりも低い部分を凹部分などと
定義することができる。このように配置したことによ
り、外部導体12−1に凹凸が存在していてもその凸部
分がショットキー界面8に強い圧力を加えることはな
く、したがってショットキーバリアダイオード(SB
D)10の本来の電気的特性を得ることができる。
ド(SBD)10を詳しく説明する。ショットキーバリ
アダイオード(SBD)10は、少なくとも第1のアノ
ード電極1と、第2のアノード電極3と、n型エピタキ
シャル層4と、p型半導体層5と、n型半導体基板6
と、カソード電極7とから構成されている。
電極1は、ショットキーバリアダイオード(SBD)1
0と外部導体12−1との接続を確保するための電極で
ある。第1のアノード電極1は、その一方の側で外部導
体12−1と接続し、他方の側では第2のアノード電極
3と接合している。第1のアノード電極1が外部導体1
2−1と接続する側の厚さには、凹凸が設けられてい
る。このアノード電極1の凸部分2が外部導体12−1
と電気的な接続を確保するのに利用される。図1によれ
ば、第1のアノード電極1に付された凹凸の凸部分2お
よび凹部分は、いずれも直角の輪郭を有するように記載
されているが、必ずしも直角に限られない。凹凸であれ
ばその形状は問わない。
の電極であり、一方の面は第1のアノード電極1と接合
し、他方の面はn型エピタキシャル層4およびp型半導
体層5と接合する。他方の面は、n型エピタキシャル層
4と接合する領域と、p型半導体層5と接合する領域と
に分けることができる。本実施の形態では、単に「アノ
ード電極」と言及するときは第1のアノード電極1およ
び第2のアノード電極3のいずれをも指すとする。な
お、第2のアノード電極3を省略して、第1のアノード
電極1の他方の側をn型エピタキシャル層4およびp型
半導体層5と接合するよう構成してもよい。
ばSi等を主材料として形成された低濃度の半導体層で
ある。上述のように、ショットキーバリアダイオード
(SBD)10は金属と半導体とを接合させたダイオー
ドであるところ、アノード電極が「金属」に、n型エピ
タキシャル層4が「半導体」に相当する。アノード電極
とn型エピタキシャル層4との接合面は、ショットキー
界面8と呼ばれる。n型エピタキシャル層4は、他方で
n型半導体基板6と接合している。
したp型半導体層である。p型半導体層5は第2のアノ
ード電極3の下に形成されており、その接合面もまた、
ショットキー界面9と呼ばれる。このp型半導体層5
は、ショットキー界面8での電界の増大を防止するため
に設けられている。すなわちp型半導体層5によれば、
逆バイアス時には、ショットキー界面8のn型エピタキ
シャル層4側の電界強度を減少させリーク電流を減らす
ことができる。
ばSiを主材料としたn型半導体基板である。n型半導
体基板6は、一方でn型エピタキシャル層4と接合し、
他方でカソード電極7と接合している。
イオード(SBD)10と外部導体12−2との接続を
確保するための電極である。カソード電極7は、その一
方の側で外部導体12−2と接続し、他方の側ではn型
半導体基板6と接合している。
アダイオード(SBD)10内を流れる電流は、アノー
ド電極からショットキー界面8、n型エピタキシャル層
4およびn型半導体基板6を介してカソード電極7へ至
る。
ノード電極3の下に形成されている構造は、接合障壁制
御ショットキー構造(JBS(Junction Barrier contr
olled Schottky)構造)と呼ばれている。上記p型半導
体層5の説明において言及したように、JBS構造では
p型半導体層5は逆方向バイアス時のショットキーバリ
アダイオード(SBD)10の特性に深い関連がある。
一方JBS構造を有するショットキーバリアダイオード
(SBD)10では、ショットキー界面8が電流制御の
基本的な役割を担っている。順方向バイアス時には、シ
ョットキー界面8を通って電流が流れるからである。文
献(「Rhoderick,E.H. And Williams,R.H. 著Metal Sem
iconductor Contacts, 2nd edition, Chap. 1, Oxford
University Press (1988)」)に記載されているよう
に、ショットキーバリアダイオード(SBD)10の電
気的特性は、ショットキー界面8の構造に鋭敏に依存す
る。したがって、ショットキーバリアダイオード(SB
D)10に電極を接続する等の場合には、ショットキー
界面8の構造を変化させないよう留意する必要がある。
がp型半導体層5の上部(第1のアノード電極1の電極
面に垂直な方向)に位置するように配置する。換言すれ
ば、第1のアノード電極1の凹部分がn型エピタキシャ
ル層4のショットキー界面8の上(外部導体12−1
側)に位置するように配置する。このとき、アノード電
極の凸部分2の上部が平坦であって、第1のアノード電
極1の凸部分2の幅をWa、p型半導体層5の幅をWp
とすると、Wa≦Wpである。この条件を満たす限り、
凸部分2に埃等による圧力が加えられてもショットキー
界面8の構造に影響を与えないからである。凸部分2の
上部が平坦でない場合には上述のようにして所定の基準
値を求め、その基準値よりも高い部分を凸部分、基準値
よりも低い部分を凹部分などと定義して、凸部分2の幅
およびp型半導体層5の幅を定めてもよい。なお、図1
は断面図であることから、「幅」という語は「大きさ」
である言い換えることができる。したがって、第1のア
ノード電極1の凸部分2の大きさが、p型半導体層5の
大きさ以下であるということができる。
プロセスで実現される。まず、p型半導体層5の形成ま
でのプロセスは、蒸着、結晶成長、イオン注入等の周知
の技術を利用して行われるのでその詳細な説明は省略す
る。図5は、製造過程にあるショットキーバリアダイオ
ード(SBD)10(図1)を示す。p型半導体層5
(図1)が形成されると、第2のアノード電極3(図
1)を形成に際して、Siウェハー52上のダイオード
素子領域54外にアラインメントマーカ56が形成され
る。アラインメントマーカ56は、p型半導体層5(図
1)の形状と、第1のアノード電極1(図1)の形状の
位置合わせのために用いられる。
3(図1)を形成する前に、フォトレジストをSiウェ
ハー52上にスピンコートでコーティングし、顕微鏡等
により第2のアノード電極3(図1)用のマスクをp型
半導体層5(図1)の形状に合わせて露光し、現像す
る。第2のアノード電極3(図1)用のマスクには、ア
ラインメントマーカ56のパターンが施されている。現
像が終了すると、電子ビーム蒸着等により、パターニン
グされたフォトレジスト上に第2のアノード電極3(図
1)用の金属(例えば、Al)を蒸着させ、続いて第1
のアノード電極1(図1)用金属(例えば、Al)を第
2のアノード電極3(図1)用金属の上に蒸着する。そ
してフォトレジストを有機溶剤等で除去することによ
り、p型半導体層5(図1)上に、第2のアノード電極
3(図1)と、凸部分2(図1)がまだ存在しない第1
のアノード電極1(図1)が形成される。このとき、ア
ラインメントマーカ56もダイオード素子領域54外に
形成されている。アラインメントマーカ56とp型半導
体層5(図1)の形状の相対位置は確定しているので、
第1のアノード電極1(図1)に凸部分2(図1)を与
えるためのマスクパターンをその相対位置に対応するよ
うに作製する。これにより、第1のアノード電極1の凸
部分2(図1)のパターンと、p型半導体層5(図1)
の形状のパターンとを合わせることができる。
にスピンコートでコーティングし、顕微鏡等により凸部
分2(図1)を第1のアノード電極1(図1)に与える
ためのマスクをアラインメントマーカ56に合わせ、露
光し、現像する。その後電子ビーム蒸着等で、パターニ
ングされたフォトレジスト上に第1のアノード電極1
(図1)用の金属を蒸着する。このフォトレジストを除
去すれば、凸部分2(図1)を有する第1のアノード電
極1(図1)が形成されている。なお、蒸着時間を変え
ることにより、凸部分2(図1)の高さを変化させるこ
とができる。凸部分2(図2)が外部導体12−1(図
1)に圧接される際には、圧力により凸部分2(図2)
は多少変形するが、その程度は微小であることから変形
は無視でき、凸部分2(図2)は十分な強度を有する。
れば、仮に外部導体12−1に埃等が付着し凹凸が生じ
ても外部導体接続時にショットキー界面8の構造を変化
させることはない。その理由は、埃等による外部導体1
2−1の凸部分が第1のアノード電極1の凹部分に対峙
する場合には、外部導体12−1の凸部分が第1のアノ
ード電極1の凹部分にはまり込むため、外部導体12−
1の凸部分がショットキー界面8に強い圧力を加えるこ
とはないからである。このとき外部導体22−1の底面
が第1のアノード電極1の凹部に接触しないようにす
る。超音波によりボンディングを行う場合には、超音波
は第1のアノード電極1の凸部分を伝わるので、ショッ
トキー界面8に局所的に強い圧力を加えることなくボン
ディングできる。一方、外部導体12−1の凸部分が第
1のアノード電極1の凸部分に接触する場合には、ショ
ットキー界面9の構造は電流の制御に影響を与えること
はないので外部導体12−1の凸部分がショットキー界
面9に強い圧力を加えても問題はない。その場合には少
なくとも第2のアノード電極3とp型半導体層5とが電
気的に接続されてさえいればよいからである。なお上述
のようにWa≦Wpでない場合であっても、WaとWp
との差が十分小さければ従来のようにショットキー界面
8に強い圧力はかからないので、ショットキー界面8の
構造を変化させることなくショットキーバリアダイオー
ド(SBD)10を製造できる。
ーバリアダイオード(SBD)10において、第1のア
ノード電極1の、p型半導体層5に対応する部分の厚さ
をn型エピタキシャル層4に対応する部分の厚さより厚
くすることにより、ショットキーバリアダイオード(S
BD)10を外部導体12−1および12−2と接続し
てもショットキーバリアダイオード(SBD)10の持
つ本来の電気特性を得ることができ、製品の作製工程時
の歩留まりを向上できる。なお、これまでの説明はショ
ットキーバリアダイオード(SBD)10の構造に関す
る第1の特徴の説明であるから、いうまでもなくp型半
導体層5、n型エピタキシャル層4およびn型基板6が
Siではない、他の周知の材料から形成されている場合
でも上述した効果が得られる。
態2を説明する。実施の形態2の特徴は、実施の形態1
のショットキーバリアダイオード(SBD)10におい
て、n型エピタキシャル層4を炭化珪素(SiC)を主
材料としたn型SiC半導体層としたことである。Si
Cを用いたことによりSiの約10倍の絶縁破壊電界強
度が得られ、同時に、実施の形態1で説明した構造のシ
ョットキーバリアダイオード(SBD)10を利用する
ことにより、ショットキー界面8が安定で、かつ半導体
モジュールに搭載し所望の電気的特性を発揮できる。
10を適用した半導体モジュールの例を説明する。図2
は、ショットキーバリアダイオード(SBD)10を搭
載した圧接型半導体モジュール20の断面図である。圧
接型半導体モジュール20は、ショットキーバリアダイ
オード(SBD)10と、スイッチング素子23と、シ
ョットキーバリアダイオード(SBD)10およびスイ
ッチング素子23を狭持する外部導体22−1および2
2−2と、これらの構成要素を固定して一体化する絶縁
モジュール筐体26−1および26−2とを含む。
10は、実施の形態1のショットキーバリアダイオード
であり、n型エピタキシャル層4(図1)だけでなくp
型半導体層5(図1)およびn型基板6(図1)も、S
iCを主材料として形成されている。これは現在の技術
で作製が容易だからであるが、他の適当な方法によりp
型半導体層5(図1)およびn型基板6(図1)を別の
材料により形成してもよい。
ットキーバリアダイオード(SBD)10に圧接されて
おり、外部導体12−1および12−2(図1)に対応
する。スイッチング素子23は、例えばIGBT(Insu
lated Gate Bipolar Transistor)、またはMOSFE
T(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transis
tor)等、回路のスイッチングを行う半導体スイッチン
グ素子である。図2には、1つのショットキーバリアダ
イオード(SBD)10と1つのスイッチング素子23
が示されているが、それぞれ複数個であってもよい。
ジュール20を説明する。図3は、圧接型半導体モジュ
ール20の回路図である。図1および図2と同じ構成要
素には同じ参照番号を付している。圧接型半導体モジュ
ール20では、ショットキーバリアダイオード(SB
D)10とスイッチング素子23とは逆並列に接続され
ている。図1を参照して説明したように、電流は、ショ
ットキーバリアダイオード(SBD)10内を外部導体
22−1側の第1のアノード電極1からカソード電極7
へと流れる。一方、スイッチング素子23が例えばIG
BTとすると、電極24−1がコレクタ電極、電極24
−2がエミッタ電極、電極24−3がゲート電極となる
よう構成されている。このようにショットキーバリアダ
イオード(SBD)10とスイッチング素子23とが逆
並列に接続されていることにより、ショットキーバリア
ダイオード(SBD)10は還流ダイオードFWDiと
して機能する。
ピタキシャル層4(図1)を形成することにより、高い
絶縁破壊電界強度を持ち、かつ高耐圧なショットキーバ
リアダイオード(SBD)10およびそれを利用した半
導体モジュール20を得ることができる。また、このよ
うなショットキーバリアダイオード(SBD)10を還
流ダイオードFWDiとして回路に組み込むことによ
り、逆回復電流およびそれにより生じていたエネルギー
損失を激減できる。さらに、スイッチング素子23がオ
ンする時(スイッチング時)にその素子に流れる電流に
逆回復電流が重畳しないので、過電流から素子破壊の危
険性も大きく減らすことができる。また、圧接型半導体
モジュール20はショットキーバリアダイオード(SB
D)10を組み込んでいることから、当然に上述した実
施の形態1に基づく効果を得ることもできる。
面に凹凸を設け、その凸部分がp型半導体層の上に、凹
部分がn型エピタキシャル層の上に位置するよう配置し
た。これにより、外部導体に凹凸が存在していてもその
凸部分がショットキー界面8(図1)に強い圧力を加え
ることはなく、したがってショットキー界面8(図1)
の構造が変化しない、意図した電気的特性を有するショ
ットキーバリアダイオード(SBD)を得ることができ
る。
ある場合、平坦な部分の大きさは、p型半導体層の大き
さ以下であるようにすればよい。これにより、超音波に
よるワイヤボンディングを用いる場合にも、超音波はア
ノード電極の凸部分のみを伝わるので、ショットキー界
面8(図1)に局所的に強い圧力を加えることなく接触
させることができる。また製品の作製工程時の歩留まり
を向上できる。
SiCを主材料として形成することにより、高い絶縁破
壊電界強度を持ち、かつ高耐圧なショットキーバリアダ
イオード(SBD)を得ることができる。
トキーバリアダイオード(SBD)を還流ダイオードF
WDiとして回路に組み込むことにより、逆回復電流お
よびそれにより生じていたエネルギー損失を激減でき
る。また過電流から素子破壊の危険性も大きく減らすこ
とができる。
BD)と、圧接によりショットキーバリアダイオード
(SBD)に接続された外部導体の断面図である。
搭載した圧接型半導体モジュールの断面図である。
図である。
ド(SBD)を示す図である。
アノード電極、 4n型エピタキシャル層、 5 p型
SiC半導体層、 6 n型SiC基板、7 カソード
電極、 8 ショットキー界面、 9 ショットキー界
面、 10ショットキーバリアダイオード(SBD)、
22−1および22−2 外部導体
Claims (4)
- 【請求項1】 一方の面に凹凸が付されたアノード電極
と、 前記アノード電極の他方の面の第1の領域に接合された
p型半導体層と、 前記アノード電極の他方の面の第2の領域に接合された
n型半導体層と、 カソード電極とを備えたショットキーバリアダイオード
であって、前記アノード電極の凸部分が、前記p型半導
体層の上に位置するよう配置されているショットキーバ
リアダイオード。 - 【請求項2】 前記アノード電極の凸部分上部が平坦で
ある場合、前記平坦な凸部分上部の大きさは、前記p型
半導体層の大きさ以下である、請求項1に記載のショッ
トキーバリアダイオード。 - 【請求項3】 前記n型半導体層は、炭化珪素SiCを
主材料として形成される、請求項1に記載のショットキ
ーバリアダイオード。 - 【請求項4】 回路のスイッチングを行うスイッチング
素子と、 前記スイッチング素子のスイッチング時に、回路に流れ
る電流から回路を保護する還流ダイオードとを備えた半
導体モジュールであって、 前記還流ダイオードは、請求項3に記載のショットキー
バリアダイオードである、半導体モジュール。
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