JPS592382B2 - 逆導通サイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大電力を高速度でスイッチング制御できる高性
能の逆導通サイリスタの新しい構造を提供するものであ
る。

逆導通サイリスタは車輛用チョッパをはじめ各種インバ
ータ、チョッパ分野に主に使用される。これらの分野に
おける実用化研究が進むにつれて逆導通サイリスタの制
御電力の増大が強く要求されるようになり、この為には
半導体ウエハの大口径化が避けられない傾向になつてき
た。ところが逆導通サイリスタの設計、製造においては
半導体ウエハの直径が大きくなると、素子性能に影響を
及ぼす基本的諸問題が発生し、常にウエハ直径を大きく
しただけでは所定の制御電力の増大を実現することが困
難である。すなわち、拡散などの熱処理工程で半導体ウ
エハに発生する結晶欠陥、結晶ひずみはウエハが大口径
になるほど不均一に分布しやすく、それ故大口径のサイ
リスタでは逆導通サイリスタのほとんどの糊牛ｌ能に強
く影響するキヤリア寿命の正確な制御が非常にむずかし
くなる。

〔従来例〕

第１図に従来の逆導通サイリスタの代表例の断面を示す
。

平面は回転対称形である。第１図に示す従来の逆導通サ
イリスタでは、ｎ型の第１ベース層ＮＢと、その第１主
面の周辺部を除いた部分に設けたｐ形の第１エミツタ層
ＰＥ＜１５Ｐ形の第２ベース層ＰＢとその表面すなわち
第２主面の中央と周辺の中間部分に環状に設けたｎ形の
第２エミツタ層ＮＥの４層が順次隣接して作られそれら
の間に第１のＰｎ接合Ｊ１、第２のＰｎ接合Ｊ２、第３
のＰｎ接合Ｊ３を構成している。前記環状のｎ形第２エ
ミツタ層の下の部分はサイリスタ部分１１を構成し、周
囲の第１ベース層ＮＢと第２ベース層ＰＢから成る部分
はダイオード部分１２とを構成し、両者は逆並列の関係
で逆導通サイリスタウエハ１３に内蔵されている。第２
エミツタ層ＮＥの内側には、これと離間して環状の第４
エミツタ層ＮＥ′が設けられ、第２ベース層ＰＢとの間
に接合Ｊ４を有している。この逆導通サイリスタウＪハ
１５の第１主面１６には一般にＡ１又はＡｌＳｉなどの
薄層を介してＭＯ板などのアノードとなる第１主電極１
７が合金蝋付けされておりこれは支持板としての役目も
兼ねそなえている。一方第２主面１８のサイリスタ部分
１１とダイオード部分１２には共通に環状の第２主電極
１９が設けられ同じく第２主面１８の中心部の第２ベー
ス層ＰＢが露出している部分にはゲート電極２１が設け
られ、その外側の環状の第４エミツタ層ＮＥ′土にはサ
イリスタ部分１１の方に寄つた位置に補助サイリスタ電
極２０が設けられている。なおりソート用の第２主電極
１９、ゲート電極２１ともＡｌなどの蒸着層などで形成
されるのが普通である。上述したように逆導通サイリス
タウエハ１３では中央にゲート電極２１、その外側に補
助サイリスタ部分１３及び主サイリスタ部分１１及び最
外側にダイオード部分１２を設ける配置構造が従来最も
よく用いられてきた。

その理由は、ターンオン領域のひろがりを速くするため
には、ゲート電極を半導体ウエハの中央に配置する構造
（センターゲート構造）が最も有利であり、自然にサイ
リスタ部分はその周囲に配置されたのであり、またセン
ターゲート構造では素子構造を回転対称にすることがで
きるので、製造工程、特に電極形式及びアセンブリ工程
において作業性がよく、これに伴う製造歩留の上昇、高
信頼性等が得られやすいということである。しかし、半
導体ウエハが大口径、特に５０ｍ７！Ｌ以上の直径にな
ると、この構造には下記の問題が生じる。

一般に半導体ウエハを不純物拡散、酸化膜形成工程など
で熱処理すると結晶欠陥が半導体ウエハの特に周辺附近
に多く発生しやすい。この現象は大口径になるほど著し
くなり、結晶欠陥をウエハ全体に均一に導入することが
むずかしくなることは従来より知られている。このため
第１図の従来構造例においては、ダイオード部分１２に
サイリスタ部分１１より多くの結晶欠陥が発生し、その
ため結晶欠陥に起因するキヤリア寿命が、サイリスタ部
分１１では長くダイオード部分１２では短かくなる。ま
た逆導通サイリスタでは、高速スイツチングの用途が多
く、ターンオフ時間を短縮することが要求されるので、
金などの重金属拡散法や放射線照射法や熱処理法を用い
てキヤリア寿命の制御を行う工程が導入されている。し
かしこれらの方法による効果は結晶欠陥に密接な依存性
をもつていて前述のような不均一な結晶欠陥分布のもと
ではキヤリア寿命の不均一性をますます助長する結果と
なる。そのため、得られる逆導通サイリスタの特性にお
いては、中心部に近く設けられた主サイリスタ部分１１
のキヤリア寿命があまり短かくならない。このため、逆
導通サイリスタのターンオフ時間がそれほど短縮されな
いにもかかわらず他方周辺部に設けられたダイオード部
分１２のキヤリア寿命が必要以上に短かくなる。このた
めダイオード部分での漏洩電流が増大し、結果的に耐圧
が低下するという基本的な問題に遭遇することになる。
本発明は従来のサイリスタの欠点を除去し、大口径半導
体ウエハを用いた大電流用でありながら高速スイツチン
グ性能と高耐圧の両性能を併せもつ逆導通サイリスタを
得るための新規な素子構造を提供しようとするものであ
る。

本発明の特徴はウエハ上での逆導通サイリスタを構成す
るゲート領域、サイリスタ部分、ダイオード部分の新規
な配置を行い、半導体ウエハの外周領域に主サイリスタ
部を、その内側にダイオード部分を更にその内側に補助
サイリスタ部を、そして、中央領域にゲート領域を配置
してウエハの外周領域に多く発生する結晶欠陥をサイリ
スタ部分において特性向上のために、有効に活用すると
共に、ゲートを中央に置くことにより前述したターンオ
ン領域の拡がりが速いというセンターゲート構造の特徴
をも充分に発揮するようにし、且つ補助サイリスタ電極
からダイオード部分の第２ベース層へ無効電流が漏洩す
ることを防ぎ、補助サイリスタによるターンオンを有効
に行なわせるようにしたものである。

つぎに本発明を第２ａ図以下に示す実施例について説明
する。

本発明の特徴は、補助サイリスタ用電極とサイリスタ部
の中に入り込んで設けたゲート補助電極とを結ぶ電路の
ように第２ベース層の土を横断して設けられる電路から
、第２ベース層への無効な電流漏洩を防ぐことにあり、
その漏洩電路のインピーダンスを高くするべく、横断電
路の下の第２ベース層に第２ベース層とは逆の導電型の
分離層を設けることにある。

以下本発明を実施例にについて説明する。

本発明の第１の実施例では直径６０ｍｍ１比抵抗１３０
〜１５０Ω？のシリコンウエハの上に既知の拡散法、エ
ピタキシヤル法、メタライズ法等の製造方法を用いて逆
導通形サイリスタが作られた。

その構造を第２ａ図の平面図及び第２ｂ図及び第２ｃ図
の側断面に示す。第２ａ図のｂ−ｂ切断面による断面図
が第２ｂ図、ａ−ａ切断面による断面図が第２ｃ図であ
る。上記各図に示すようにこの実施例はウエハ１０５上
にｎ型の第１ベース層ＮＢの第１主面側にｎ＋形層を設
け、その外周に環状のｐ形第１エミツタ層ＰＥを設け中
央部にはｐ型の第３エミツタ層ＰＥ／を設け、第１ベー
ス層ＮＢに接してｐ型の第２ベース層ＰＢを設け、その
外周部に環状のｎ型の第２エミツタ層ＮＥを設け中央部
には環状の第４エミツタ層ＮＥ′を設けてある。但し第
２エミツタ層ＮＥには２個の円弧状の欠除部１１５と各
円弧の一部からウエハ中心部へ向う放射状欠除部１１６
が設けられている。上記逆導通サイリスタにおいて周辺
部の第１エミツタ層ＰＥとｎ＋層と第１ベース層ＮＢと
第２ベニス層ＰＢと第２エミツタ層ＮＥとは主サイリス
タ部分１０１を構成し、その内側においてｎ＋層と第１
ベース層ＮＢと第２ベース層ＰＢとはダイオード部分１
０２を構成し、その内側において第３エミツタ層ＰＥ′
とｎ＋層と第１ベース層ＮＢと第２ベース層ＰＢと第４
エミツタ層ＮＥとは補助サイリスタ部分１０４を構成す
る。更に中央部に設けたゲート電極１０９直下の第２ベ
ース層ＰＢと第１ベース層ＮＢ＜１５ｎ＋層と第３エミ
ツタ層ＰＥ′とはゲート領域１０３を構成する。上記ｎ
＋層は第１ベース層ＮＢより高い不純物濃度を有する層
であり、この層を設けることにより逆導通サイリスタを
等価的に既知のＰｉｎ構造とし高比例抵抗層である第２
ベース層ＰＢの厚さの減少を可能にし、耐圧を損わずに
オン電圧を減少させることを目的とする。このｎ＋層は
通常工ピタキシヤル法によつて設けられる。上記の複合
サイリスタウエハ１０５の第１主面１０６には、Ａ１蒸
着層を介してＭＯ板のアノード電極１０７を合金蝋着し
、第２主面１０８にはＡｌ蒸着により中央部のゲート電
極１０９、その外側に環状に設けられ円弧状及び放射状
の開口部をもつカソード電極１１０、第４エミツタ層Ｎ
Ｅ′上に環状に設けた補助サイリスタ電極１１１、前記
円弧状に設けられた開口部の中に設けられサイリスタ部
１旧の中に入り組んだ補助電極１１２、前記放射状開口
部を通つて前記補助サイリスタ電極１１１と補助電極１
１２を接続する電路１１３を夫々形成する。

前記円弧状の補助電極１１２は前記第２エミツタ層中の
円弧状の欠除部１１５上に位置し、また放射状の電路１
１３は前記放射状の欠除部１１６上に位置する。ここで
前記第２主面の各電極を形成する工程に先だつて、電路
１１３が配置される場所の下の少くとも一部の場所の第
２ベース層ＰＢの表面部には第２ベース層ＰＢとは逆の
ｎ形分離層ＮＤを設け、第２ベース層との間にＰｎ接合
Ｊ６を形成させる。Ａはアノード電極１７に接続したア
ノード端子、Ｋはカソード電極１９に接続したカソード
端子、Ｇはゲート電極２１に接続したゲート端子である
。この素子においてアノード端子Ａ１カソード端子Ｋ間
に前者を正とする極性の主電圧を印加し、かつゲート端
子Ｇとカソード端子Ｋ間に前者を正とする極性のゲート
電圧を印加すると、周知のように先ず補助サイリスタ部
分１０４がターンオンしてオン電流１ＡＴが流れる。

この補助サイリスタ部分１０４のオン電流１ＡＴの一部
は漏洩電流として補助サイリスタ電極１１１→電路１１
３→第２ベース層ＰＢ→カソード電極１１０の経路でカ
ソードに流れようとする。しかし、この場合電路１１３
と第２ベース層ＰＢの接する部分の大部分に分離層ＮＤ
が設けられ、そのＰｎ接合Ｊ６は上記の漏洩電流に対し
て逆方向となり非常に高いインピーダンスを呈する。こ
のため電路１１３→第２ベース層ＰＢ→カソード電極１
１０の経路の無効電流に対するインピーダンスが電路１
１３→補助電極１１２→第２ベース層ＰＢ→第２エミツ
タ層ＮＥ→カソード電極１１０の経路のターンオンのた
めに有効なトリガ電流に対するインピーダンスよりも著
しく高くなる。その結果前述した無効電流を非常に小さ
くし、補助サイリスタ部分１０４のオン電流１ＡＴの大
部分をサイリスタ部分１０１のトリガ電流として用いる
ことが可能になる。上記分離層ＮＤの深さＸｊｌは逆導
通サイリスタの他の特性を損わないためには、次に述べ
る理由で第２エミツタ層ＮＥの深さＸｊ２より浅くすべ
きである。

すなわち、図示のように電路１１３の下に分離層ＮＤを
配置した場合、分離層ＮＤと第１エミツタ層ＰＥが対向
し合う部分イ、口が形成される場合があるとこの部分は
Ｐｎｐｎの４層からなりサイリスタ構造と等価となる。
従つて、この部分にダイオード部分１０２からダイオー
ド電流の担体となる少数のキヤリアが侵入すると、この
重なり合い部分がサイリスタ機能を発揮してターンオン
し、主サイリスタ部分１０１の転流を失敗させるという
好ましくない現象が生じやすい。この現象は分離層ＮＤ
の不純物濃度が高かつたり、層の厚さＸｊｌが本来のエ
ミツタ層より厚いと起りやすい。したがつて、上記の好
ましくないターンオン現象を防ぐためには、分離層ＮＤ
の深さＸｊｌを浅くして、この部分のサイリスタ機能を
生じにくくすることが効果的である。また、分離層ＮＤ
の不純物濃度を極力低く設定することも同様に効果的で
ある。本実施例では第２エミツタ層ＮＥの表面不純物濃
度が１×１０２０ｃｍ−３、同層の深さＸｊ２が２０μ
に対し、分離層ＮＤの表面不純物濃度を１Ｘ１０１９０
ｆｒＬ−３、同深さＸｊｌを１０μに設定して逆導通サ
イリスタの転流能力を低くすることなく、本発明の効果
である無効ゲート電流減少の効果を十分発揮させること
ができた。

さらに、分離層ＮＤと第２エミツタ層ＰＥが対向しない
ように各部分の形状、配置を行う方法も勿論有効である
。逆導通サイリスタのＤｉ／Ｄｔ耐量をさらに向上させ
るために補助電極１１２をサイリスタ部分１０１の中に
複雑に入り組ませて、補助電極１１２に対面するカソー
ド長を長くすることが効果的であることは周知のとおり
である。しかし、この構成をとると補助電極１１２の占
有する面積が大きくなり、その結果、サイリスタの実効
面積が減少して必然的に電流容量の低減が余儀なくされ
るという欠点をもつ。したがつて、本発明の分離層効果
を発揮させつつこの実効面積問題を解決する方法として
、サイリスタ部分とダイオード部分の間の分離領域を利
用する例を下記の第２実施例に示す。第３ａ及び第３ｂ
図は本発明の第２の実施例による逆導通サイリスタのそ
れぞれカソード側からみた平面図及び第３ａ図のａ−ａ
切断面による断面図である。この逆導通サイリスタにお
いては、ウエハ２１０の外周部から中央部へかけてのサ
イリスタ部分２０１、ダイオード部分２０２、補助サイ
リスタ部分２０４、ゲート領域２０３の配置の順序は第
１実施例の場合と同様であるが、さらにサイリスタ部分
２０１とダイオード部分２０２の間に分離領域２０５が
追加して設けられている。そしてこの分離領域部分を利
用して補助サイリスタ電極２１３と補助電極２０７を接
続する電路２０６を設けている。この実施例においても
前述の実施例の場合と同じく電路２０６→第２ベース層
ＰＢ→ダイオード部分２０２の第２エミツタ層ＮＥ→カ
ソード電極２０８の経路のインピーダンスを高くするた
めに第３ａ図に点線で配置を示すように円弧状の電路２
０６と複合ウエハ２１０の第２主面２１１で電路の下に
ある第２ベース層ＰＢの表面部分に第２ベース層とは逆
のｎ形分離層ＮＤを設置している。一般に分離領域はサ
イリスタ部分、ダイオード部分いずれの機能をももたな
いで、この分離領域の存在は素子の電力容量を向上させ
るためのウエハ面積の有効利用という面からは従来無駄
であつた。しかし、この実施例では分離領域の利用によ
りサイリスタ部分２０１の中に多数（図では６個）の補
助電極２０７を入り込ませ、各補助電極２０７を第２エ
ミツタ層と接続させた。これによつて、実効カソード面
積をそれほど減少させることなくサイリスタ部分２０１
における補助電極とカソード電極２０８対面部分の長さ
を極力長くした。そしてそれによつて定格臨界オン電流
上昇率（Ｄｉ／Ｄｔ耐量）及び高周波特性の改善など逆
導通サイリスタのターンオンスイツチング特性を向上さ
せることに成功した。一方、この実施例においては分離
領域２０５が第１エミツタ層ＰＥｌｎ＋層、第１ベース
層ＮＢ、第２ベース層ＰＢｌ分離層ＮＤからなるＰｎｐ
ｎ４層構造のサイリスタ状構造を形成している。したが
つて、この分離領域２０５にダイオード部分２０２から
ダイオード電流の担体となる少数キヤリアが侵入すると
、この部分がサイリスタ機能を発揮してターンオンし、
主サイリスタ部分２０１の転流能力が低くなる懸念があ
る。このため第１の実施例で述べたのと同様にＮＢ層の
深さを浅くする方法やＮＤ層の不純物濃度を低くする方
法、あるいはこの分離領域の第１のエミツタ層ＰＥと分
離層ＮＤとを対向しないように対向部分の第１エミツタ
層ＰＥを一部除去しあるいはその部分の深さ又は濃度を
減じる等の方法も上記の問題解決に有効である。なお、
この実施例においては、分離領域２０５は回転対称に設
けられているが、その一部分の上に電路２０６を設けず
にカソード電極２０８をサイリスタ部分２０１からダイ
オード部分２０２まで連続してなる連結部分２１０を設
けている。

これはアセンブリ工程における電極端子接続、たとえば
圧接方式による電極接続の作業性を容易にするための構
造であつて、何等本発明の本質により制約をうけた形状
ではない。したがつて、本発明は図示の実施例形状の他
、自由に所望の電極形状によつて実施でき、同様な効果
をあげることが可能である。

本発明は実施例に示した逆導通サイリスタのｐ形、ｎ形
を全く逆にした場合の素子についても同様の効果を充分
に発揮させることができることはもちろんである。

また、上記実施例はシリコンウエハを用いた場合を示し
たが、他の半導体ウエハを用いても本発明の効果は失な
われない。

上記実施例においては、ターンオフ時間を短縮するのに
Ａｕ拡散法を用いることを示したが、その他の金属たと
えばＣｕ，Ｐｔ，Ｚｎなどによる重金属不純物拡散法、
放射線照射法、急熱急冷法などを用いた場合、あるいは
これらの手段を極用しない場合においても、前記実施例
とすべて同様に本発明の効果が発揮されることが確認さ
れた。

この発明においては上記実施例について述べたように第
２ベース層ＰＢ上に設けられる電路１１３，２０６等の
下の部分のベース層ＰＢの表面の少くとも一部に分離層
ＮＤを設けたので、実施例のようにウエハ外周にサイリ
スタ部分を設けその内側にダイオード部分を配置してタ
ーンオン特性や耐圧性の向上をはかろうとする構成にお
いて、ダイオード部あるいはさらにカソード部の一部を
横切つて電路１１３，２０６等を設ける場合でも、この
電路を設けたために無効電流にもとずくターンオン不良
を生ずる恐れがなく、所期の性能を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の逆導通サイリスタの側断面図、第２ａ図
は本発明の第１実施例の逆導通サイリスタのカソード側
からみた平面図、第２ｂ図は第２ａ図のｂ−ｂ切断面に
よる断面図、第２ｃ図は第２ａ図のａ−ａ切断面による
断面図、第３ａ図は第２実施例の逆導通サイリスタのカ
ソード側からみた平面図、第３ｂ図は第３ａ図のａ−ａ
切断面による断面図である。 Ａはアノード端子、Ｋはカソード端子、Ｇはゲート端子
、ＰＥは第１エミツタ層、ＮＢは第１ベース層、ＰＢは
第２ベース層、ＮＥは第２エミツタ層、ＰＥ′は第３エ
ミツタ層、ＮＥ′は第４エミツタ層、Ｊ１〜Ｊ６は接合
、１７，１０７，２１１はアノード電極、１９，１１０
，２０８は力ソード電極、２１，１０９，２１２はゲー
ト電極、２０，１１１，２１３は補助サイリスタ電極、
ＮＤは電路１１３，２０６の下の第２ベース層ＰＢに設
けた分離層、１１，１０１，２０１はサイリスタ部分、
１１４，２０５は分離領域、１２，１０２，２０２はダ
イオード部分、１３，１０４，２０４は補助サイリスタ
部分、１４，１０３，２０３はゲート領域部分である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１導電形の第１エミッタ層と第２導電形の第１ベ
   ース層と第１導電形の第２ベース層と第２導電形の第２
   エミッタ層の４層が順次隣接してなるサイリスタ部分と
   、前記第１ベース層と前記第２ベース層の２層からなる
   ダイオード部分と前記第１導電形の第３エミッタ層と前
   記第１ベース層と前記第２ベース層と第２導電形の第４
   エミッタ層の４層が順次隣接してなる補助サイリスタ部
   分とが含まれる複合サイリスタウェハに、前記第１エミ
   ッタ層と前記第２ベース層が露出する第１主面に隣接さ
   れた第１電極と前記第１主面に対向する第２主面の前記
   サイリスタ部分および前記ダイオード部分に接続された
   第２主電極と、前記第２主面の前記第２ベース層に接続
   されたゲート電極および補助電極と、前記第２主面の前
   記第４エミッタ層に接続された補助サイリスタ電極と、
   前記第２主電極とは離間して前記ダイオード部分を横断
   するように設置された少くとも１つの接続電路とがそれ
   ぞれ形成され、前記接続電路が前記補助サイリスタ電極
   と前記補助電極を電気的に接続し更に、前記第２ベース
   層において前記接続電路下の少なくとも一部の部分に埋
   込まれてｐｎ接合をつくる第２導電形分離層を設け、そ
   の上に前記電路が設けられたことにより、前記接続電路
   −前記ダイオード部分−前記第２電極の経路に高インピ
   ーダンス部が設けられ且つ前記複合サイリスタウェハの
   中央から周縁の方向にむかつて、前記ゲート電極、前記
   補助サイリスタ部分、前記ダイオード部分、前記サイリ
   スタ部分が順次配置されていることを特徴とする逆導通
   サイリスタ。 ２ 前記分離層の深さを前記第２エミッタ層の深さより
   浅くしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項の逆導
   通サイリスタ。 ３ 前記分離層の表面不純物濃度を前記第２エミッタ層
   のそれより低くしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項の逆導通サイリスタ。 ４ 前記サイリスタ部分と前記ダイオード部分の間の分
   離領域の少くとも一部に前記接続電路が設置されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲１項の逆導通サイリス
   タ。 ５ 前記複合サイリスタウェハを重金属拡散法、熱処理
   法、放射線照射法によつて処理することにより少数キャ
   リア寿命を短縮したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項の逆導通サイリスタ。 ６ 前記第１エミッタ層は前記分離層に対向しない形状
   関係で設置されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項の逆導通サイリスタ。 ７ 前記分離層は前記第１エミッタ層に対向しない形状
   関係としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項の逆
   導通サイリスタ。