[发明专利]功率半导体器件

说明书

本发明涉及象二极管和可控硅一类的功率半导体器件。

在诸如功率转换器或反向器一类操作大功率的系统中，常采用高击穿电压、大电流的半导体器件。作为高击穿电压的半导体器件，有二极管、可控硅、GTO可控硅、反型导电可控硅等，均具有由多层n-型和p-型半导体构成的叠层结构。

在这类半导体器件中，希望加在导电态半导体器件两边的导通电压V_T和从导电态切换到锁定态时反向流过的总电荷、即反向恢复电荷Q_r二者都要充分小。器件中的载流子寿命是决定上述两种特性的主要因素之一。寿命越长，导通电压V_T越低，而寿命越短，则反向恢复电荷Q_r越小，因而这两种特性彼此取折中关系。

作为控制寿命的手段，有如金、铂等重金属扩散和射线辐照一类的现成方法。在器件寿命因γ射线或电子束照射而变短的情况下，其沿器件深度方向的寿命是均匀地变短。因此，尽管其反向恢复电荷可能减小，导通电压的升高则不可避免。作为通过局部控制寿命来改善半导体器件这些特性的手段，先前的技术已在JP-A-57-39577和JP-A60-198778中披露。

在JP-A-57-9577中的先前技术披露的一种方法，是从可控硅主表面进行质子照射而形成晶格缺陷，致使器件中的载流子寿命局部变短，晶格缺陷区位于当关断操作时加有反向电压的阳极边pn结附近耗尽层扩展的区域。另外，JP-A-60-98778的先前技术披露了一种方法，它使得当关断切换时在加有反向电压的pn结的两个区域之一中的载流子寿命局部缩短，特别是在耗尽层扩展的结区附近具有较小杂质浓度的两个区域之一的区域内。

这两种现有技术通过快速减小在关断切换操作时耗尽层将要扩展的区域中的载流子，以使耗尽层能迅速形成，导致反向恢复电荷Q_r迅速减小而抑制导通电压V_T使之升高不多。

图5说明本作者根据JP-A-57-39577的先前技术，在阳电极边pn结附近寿命被局部缩短情况下对导通情况下载流子密度分布所作计算的结果。作为例子，按图5所画，在0μm处是阴极边n-发射极层的表面，在1520μm处是阳极边p-发射极层的一个表面(同样适用于图6)。另外，计算中所用的杂质浓度分布示于图2，将稍后解释(同样适用于图6)。在此情况下，既然在其寿命被局部缩短的阳极边pn结附近区域的载流子密度被降低，从而与载流子密度成反比的电阻分量增大，故导通电压V_T将因此而增高。

此外，图6说明本作者根据JP-A-60-198778在n-基极层寿命被缩短情况下，对导通情况下载流子密度分布所作计算的结果。在此情况下，既然p-发射极层中在导通情况下载流子密度很大，则反向恢复电荷Q_r不会有效地减小。

按本发明之半导体器件在一对主表面之间至少有一个pn结。其次，晶格缺陷在从该主表面对之一上形成的第一电极到另一主表面上形成的第二电极方向形成，并保证使晶格缺陷密度朝第二电极方向逐渐增大。

另外，按本发明之半导体器件由一个第一导电型的第一发射极层、一.个第二导电型的第一基极层、一个第一导电型的第二基极层和一个第二导电型的第二发射极层依次彼此邻接构成。其次，第一主电极在该第一发射极层的主表面上形成，而第二主电极在该第二发射极层的主表面上形成。而且，晶格缺陷的形成应该保证晶格缺陷密度从第一主电极向第二主电极方向逐渐增大。

根据按本发明的这种晶格缺陷分布，导通状态下器件中的载流子分布可显著变平。由此，反向恢复电荷可显著减小而不增大导通电压。

此外，按本发明第一方面的一种半导体器件，具有依次彼此邻接的第一导电型的第一发射极层、第二导电型的第一基极层、第一导电型的第二基极层和第二导电型的第二发射极层，其特征在于包括一个其中载流子寿命沿第二主电极延伸到第一主电极的衬底深度方向在第二发射极层一边变短的区域。

还有，按本发明第二方面的一种半导体器件，具有依次彼此邻接的第一导电型的第一发射极层、第二导电型的第一基极层、第一导电型的第二基极层和第二导电型第二发射极层，其特征在于第二发射极层中有一个其寿命比该层其他区寿命更短的第一区域，第二基极层中有一个其寿命比该层其他区寿命更短的第二区域，且第一区中的寿命比第二区中的要短。