JPH01262665A - 電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電力用半導体装置、特に、電流駆動、自己
消弧型の電力用半導体装置の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

従来から、この種の電流駆動、自己消弧型の電力用半導
体装４として、例えば、電力用バイポーラトランジスタ
は、一般に、大′￥Ｌ流、大電力を取り扱うため、大電
流領域においても電流増幅率が低下せず、しかもスイッ
チング速度が速くて、安全動作領域の広い電気的特性を
備えていることが望まれる。

そして、このような電気的特性を実現させるためには、
装置構成をして、大電流下におけるエミッタ注入効率の
低下を防ぐと共に１通電領域の全域に亘って電流密度を
平均化させ、ベースバイアスが均一にかけられるような
構造にすることが必要である。

第３図（ａ）、（ｂ）、ないし第５図（ａ）、（ｂ）に
は、従来の各別個によるこの種の電力用トランジスタの
概要構成を示しである。

すなわち、これらの従来例各図の装置構成において、符
号１−ａはコレクタ領域となる第１導電形の高抵抗コレ
クタ層、１−ｂは同様にコレクタ領域となる第１導電形
の低抵抗コレクタ層であって半導体基板を構成しており
、また、２は前記コレクタ層ｌａ中に形成された第１導
電形とは逆の第２導電形のベース領域、３はこのベース
領域２内に作り込まれた第１導電形のエミッタ領域を示
し、さらに、４．および５はそれぞれにベースコンタク
ト、およびエミッタコンタクト、６．７．および８はそ
れぞれにベース電極、エミッタ電極、およびコレクタ電
極である。

こ−で、これらの第３図、ないし第５図に示した従来例
装置のうち、第５図構成の装置は、電力用トランジスタ
として比較的初期に開発されたもの−一つであって、そ
の後に開発された第３図。

および第４図構成の装置と、同一エミッタパターン面積
で比較するとき、ベースコンタクトから遠く離れた位置
にエミッタが存在していて、このエミッタに対しては、
ベース領域の抵抗によって、ベース電流の供給が制限さ
れることから、実質的にエミッタの実効面積が小さくな
って、大電流での電流増幅率の低下が大きくなると云う
不利を有しており、また、一方で、このようにベースコ
ンタクトから遠く離れた位置にエミッタが存在する点は
、そのスイッチング特性の向上、および安全動作領域の
改善と云う面でも好ましくはなく、現在の時点で、電力
用トランジスタのパターン構成の主流は、お〜むね、第
３図、および第４図装置の構成に移行している。

ご覧で、第３図、および第４図に示す電力用トランジス
タの特長とするところは、ベース領域内にあって、同ベ
ース領域を貫通することのない深さで、このベース領域
を格子状の配列からなる多数の部分に細分化させるよう
にしてエミッタ領域、を形成させると共に、この格子状
の配列による多数の部分に細分化された各ベース領域の
内部に。

ベースコンタクトをそれぞれに形成させた点である。

そして、このような第３図、および第４図構成。

の装置構造では、これを前記第５図構成の装置構造に比
較するとき、エミッタ面積に対するエミッタの周辺長が
長くなり、そのエミッタ領域の実効面積を大きくできて
、局部的な電流集中が改善され、大電流においてもその
電流増幅率の低下を少なく抑制し得るもので、また、ス
イッチング特性の向上、および安全動作領域の改善に関
しても、ベースコンタクトから離れたエミッタを少なく
する構造であることから、この点においても十分な効果
を期待できるのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記第３図、および第４図に示す従来例
による電力用トランジスタの装置構造においては、一方
で、エミッタ電流の供給が容易であると言えるエミッタ
コンタクトの直下が、その周囲のベースコンタクトから
最も遠くに位置し、これがベース逆バイアスをかけ難い
部分、すなわちオフ時にキャリアの残り易い部分となっ
て、スイッチング特性の向上の点でも、また、安全動作
領域の改善の面からも不利であり、このような部分をチ
ップ上に可及的に存在させないような構造にすることが
望ましいもので、同構造にあっても未だ改善の余地が残
されている。

また、このような点は、装置全体のスケールダウン、つ
まり、パターンの微細化によって、ある程度まで回避で
きはするが、同装置が大電流を取り扱う素子である以上
、その微細化については。

殊にエミッタ電極の巾寸法の制限などにおいて自ずから
限界がある。

そこで、従来例での装置構造においては、第４図に見ら
れるように、たＣ単にベースコンタクトから最も遠い部
分のエミッタを部分的に抜くことによって、その面積を
小さくすると云う手段が採用されており、この手段は一
つの面で有効であった。しかし、このエミッタ面積は、
装置の電流増幅率、短絡耐量、安全動作領域などの特性
にとってのキーポイントでもあって、その面積を極力減
らさない方が望ましい。

この発明は、従来のこのような問題点を解消するために
なされたものであって、その目的とするところは、大電
流においてもその電流増幅率の低下を少なく抑制できて
、しかも、スイッチング特性の向上、および安全動作領
域の改善し得るようにした。この種の電力用半導体装置
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、この発明に係る電力用半導
体装置は、コレクタ領域となる第１導電形の半導体基板
、この半導体基板上に形成された第２導電形のベース領
域、およびこのベース領域内にこれを貫通することのな
い深さで、同ベース領域を複数の部分に細分化して千鳥
状の配列パターンとするように形成され、かつ同ベース
領域によって包囲された第１導電形のエミッタ領域を有
し、前記千鳥状の配列パターンで複数の部分に細分化さ
れた各ベース領域内にベースコンタクトを形成したもの
である。

〔作　　　用〕

すなわち、この発明においては、エミッタ領域によって
、ベース領域を複数の部分に細分化して千鳥状の配列パ
ターンとし、このベース領域内にベースコンタクトを形
成させているために、エミッタ領域とベースコンタクト
との距離を効果的に縮少し得て、エミッタ面積に対する
エミッタの周辺長を長く、かつそのエミッタ領域の実効
面積を太きくできて、局部的な電流集中が改善され、大
電流においてもその電流増幅率の低下を少なく抑制でき
、スイッチング特性の向上、および安全動作領域の改善
に関しても、十分な効果を期待し得るのである。

〔実　施　例〕

以下、この発明に係る電力用半導体装置の実施例につき
、第１図および第２図を参照して詳細に説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）はこの発明装置の一実施例を適′
用した電力用トランジスタの平面パターン構成の要部を
示す平面図、および同上Ｉｆ−Ｉｈ線部の断面図、第２
図は同地の実施例を適用した電力用トランジスタの平面
パターン構成の要部を示す平面図であり、これらの第１
図および第２図に示す各実施例構成において、前記第３
図ないし第５図に示す従来例構成と同一符号は同一また
は相当部分を表わしている。

まず、第１図（ａ）　、　（ｂ）に示す一実施例の構成
について述べる。

すなわち、この第１図（ａ）、（ｂ）に示した一実施例
構成においても、符号１−ａはコレクタ領域となる第１
導電形の高抵抗コレクタ層、ｔ−ｂは同様にコレクタ領
域となる第１導電形の低抵抗コレクタ層であって半導体
基板を構成し、２は前記コレクタ層１−ａ中に形成され
た第１導電形とは逆の第２導電形のベース領域、３はこ
のベース領域２内に作り込まれた第１導電形のエミッタ
領域、４．および５はそれぞれにベースコンタクト、お
よびエミッタコンタクト、　８，７．および８はそれぞ
れにベース電極、エミッタ電極、およびコレクタ電極で
ある。

この°実施例構成においては、エミッタ領域３によって
細分化されたベース領域２．およびベースコンタクト４
を千鳥状に配列させたものであり、この構成によって、
次に述べるように、エミッタ面積に対するエミッタの周
辺長をより一層長くできると共に、そのエミッタ領域の
実効面積を大きくできて、こ−でも局部的な電流集中が
改善され、大電流においてもその電流増幅率の低下を少
なく抑制し得るほか、ベースコンタクトから離れたエミ
ッタを少なくできることから、スイッチング特性の向上
、および安全動作領域の改善に関しても十分な効果を期
待できるのである。

なお、第１図（ａ）の表示では、恰かもベース。

およびエミッタの各電極６．７が個々に独立しているか
のように見られるが、実際はそれぞれにつながっている
。

こ−で、前記第１図（ａ）、（ｂ）に示す実施例構成の
場合、エミッタ領域３により細分化されて千鳥状に配列
されたベース領域２とベースコンタクト４を含む部分、
つまり、図中１点線で囲まれた各部分８は、これを実質
的に微小なトランジスタの一単位として見做すことがで
き、この部分８で示す微小なトランジスタの一単位の巾
をＷ、同ベース領域２の巾をＬとしたとき、これらの微
小なトランジスタの配列は、これを各列毎にＷ／２づ一
相互にずらせた千鳥状のパターンに設定されることにな
る。すなわち、この第１図実施例構成の場合の配列は、
前記した第３図、および第４図従来例構成での、各列毎
に相互に並設させた格子状パターンの配列とは異なる。

次に、この種の電力用トランジスタの装置構成にあって
、そのスイッチング特性の向上、安全動作領域の改善な
どの点で問題となるところの、先にも述べたベースコン
タクトから遠く離れたエミッタの存在を比較するため、
こ−では、ベースコンタクトから最も遠いエミッタの一
点と、この点とベースコンタクトの中央点とを結ぶ直線
上でのエミッタパターン端点との間の距離をＸとして。

この距ｇｌｘを第１図（ａ）に示す実施例構成の場合と
、第３図（ａ）に示す従来例構成の場合とで相互に比較
してみる。

なお、因みに、ベース電流を制限するベース領域の抵抗
として主に効いてくるのは、エミッタ領域によって厚み
が減少されるところの、同エミッタ領域直下でのベース
領域部分の抵抗分であるため、この場合、同領域部分相
当の距ｆａｘを比較するようにしたが、もとより、この
領域部分での正確な抵抗値を算出するのには、より以上
に精密な計算を必要とし、この距＃Ｘがそのま−で抵抗
値を表わすものとは言えない、しかし、この距＃Ｘは、
このようにベース電流を制限するベース領域の抵抗を検
討する場合の有用な目安となり得るので、こ１では、こ
の距離ｘを利用して検討を加える。

第１図（ａ）実施例構成の場合での距＃Ｘの実測値は、
Ｘ＝　０．５５９（Ｗ−Ｌ）　テア’ｌ１．ｍ、ｔｔニ
対１．、第３図（ａ）従来例構成の場合での距離Ｘの実
測値は、Ｘ＝０．７０７（Ｗ−Ｌ）　テア−”）テ、コ
ノ実ｔ１Ｍ例構成の装置においては、前記した如く、微
小なトランジスタの一単位として見做し得る配列を千鳥
状のパターンにすることのみによって、同距離Ｘの値を
格段に小さくし得るのである。すなわち、これらの数値
から、この実施例構成では、次の各点の改善がなされた
ことが判る。

まず、この第１図（ａ）、（ｂ）実施例の構成で、エミ
ッタ領域３によって細分化されたベース領域２゜および
ベースコンタクト４を千鳥状に配列させた電力用トラン
ジスタは、前記格子状の配列とした従来例での電力用ト
ランジスタにおいて、そのパターンスケールを実質的に
約７８％程度まで縮少させた場合と同等の効果を期待で
きるのであり、また、この実施例構成では、実際上、最
も微細なパターンを、さらに約２１％程度まで微細なパ
ターンにしたのと同様な効果をあげ得る。

すなわち、これらによって、従来例構成でのように、エ
ミッタパターンを抜くなどの手段を講じなくとも、スイ
ッチング特性の向上、安全動作領域の改善などを容易に
図ることができる。なお、この実施例構成に対して、適
切なエミッタパターン抜き手段を併用すれば、−層の改
善が可能である。他の実施例構成として、この場合にお
ける構造、つまり、適切なエミッタパターン抜きを適用
した構造の例を第３図に示しである。

また、この第１図（ａ）、（ｂ）実施例の構成では、同
一サイズの微小なトランジスタであっても、前記Ｘの値
が、従来例の構成に比較して、０．７０７（Ｗ−Ｌ）よ
り０．５５９（Ｗ−Ｉ、）に縮少されるために、それぞ
れの各微小なトランジスタ内でみても、ベースコンタク
トから最も近いエミッタと、最も遠いエミッタとの距離
の差が少なくなって、動作面でのバランスが向上し、−
層、均一な作用が得られるのである。

〔発明の効果〕

以上詳述したようにこの発明によれば、コレクタ領域と
なる第１導電形の半導体基板と、この半導体基板上に形
成された第２導電形のベース領域と、このベース領域内
にこれを貫通することのない深さで、同ベース領域を複
数の部分に細分化して千鳥状の配列パターンとするよう
に形成され、かつ同ベース領域によって包囲された第１
導電形のエミッタ領域とを設けると共に、千鳥状の配列
パターンで複数の部分に細分化された各ベース領域内に
あってベースコンタクトを形成させるようにしたので、
このエミッタ領域によって細分化されたベース領域とベ
ースコンタクトとの千鳥状の配列パターン構成によって
、トランジスタの大電流における高電流増幅率を保持し
たま−、スイッチング特性の向上、ならびに安全動作領
域の改善などをなし得られ、従来の構成に比較して一層
。

優れた電気的特性を与えることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はこの発明装置の一実施例を適用
した電力用トランジスタの平面パターン構成の要部を示
す平面図、および同上Ｉｂ−Ｉｂ！Ｊ１部の断面図、第
２図は同上装置の他の実施例を適用した電力用トランジ
スタの平面パターン構成の要部を示す平面図であり、ま
た、第３図（ａ）　、（ｂ）ないし第５図（ａ）、（ｂ
）は従来の各別個による電力用トランジスタの平面パタ
ーン構成の要部を示すそれぞれ平面図、および同上ｍｂ
−ｍｂないしｖｂ−ｖｂ線部のそれぞれ断面図である。 １−ａ・・・・高抵抗コレクタ層、１−ｂ・・・・低抵
抗コレクタ層、２・・・・ベース領域、３・・・・エミ
ッタ領域、４・・・・ベースコンタクト、５・・・・エ
ミッタコンタクト、６・・・・ベース電極、７・・・・
エミッタ電極、８・・・・微小トランジスタの一単位と
見做した部分、８・・・・コレクタ電極。 代理人　　大　　岩　　増　　雄 第１図 ４；べ゛−ズコシｙ７１− ５；エミ・ツタフン７７１− ６：へ・−ス質２Ｌ ７；エミ、７童イＬ ８　：　５Ｂ　小１−ランジスＺの−、ｊｐ−位？ζ児
似、Ｌｒ：　Ｑ４第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　コレクタ領域となる第１導電形の半導体基板。 この半導体基板上に形成された第２導電形のベース領域
   、およびこのベース領域内にこれを貫通することのない
   深さで、同ベース領域を複数の部分に細分化して千鳥状
   の配列パターンとするように形成され、かつ同ベース領
   域によつて包囲された第１導電形のエミッタ領域を有し
   、前記千鳥状の配列パターンで複数の部分に細分化され
   た各ベース領域内にベースコンタクトを形成してなるこ
   とを特徴とする電力用半導体装置。