JPS6143473A - 熱電子放射型静電誘導サイリスタ - Google Patents

熱電子放射型静電誘導サイリスタ

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JPS6143473A
JPS6143473A JP59164823A JP16482384A JPS6143473A JP S6143473 A JPS6143473 A JP S6143473A JP 59164823 A JP59164823 A JP 59164823A JP 16482384 A JP16482384 A JP 16482384A JP S6143473 A JPS6143473 A JP S6143473A
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Japan
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gate
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cathode
electrostatic induction
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JP59164823A
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Junichi Nishizawa
潤一 西澤
Kaoru Mototani
本谷 薫
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D18/00Thyristors
    • H10D18/60Gate-turn-off devices 
    • H10D18/65Gate-turn-off devices  with turn-off by field effect 
    • H10D18/655Gate-turn-off devices  with turn-off by field effect  produced by insulated gate structures

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

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】 [発明の技術分野] 本発明は、半導体デバイスの微細化、高速化の極限にあ
る熱電子放射を利用した静電誘導サイリスタに関する。
[先行技術とその問題点] 静電誘導サイリスタは従来のpnpn四層稙造サイリス
タ、その改良型であるゲートタンオフ(GTO)サイリ
スタにくらべると、ゲート低抗が小さく、電位の制御が
空乏層の静電容量を通して行なわれることで高速になり
、導通時にはpinダイオードの様に、順方向電圧降下
が極めて小さいという優れた特徴を有していた。しかし
、従来の静電誘導サイリスクはアノード・カソード間、
特にカソード・ゲート間の寸法が比較的大きなJMT 
造となっていたため、キャリアが結晶格子の散乱を受け
、上限周波数が制限され、高速な素子が得ら九ない問題
点があった。
[発明の目的コ 本発明は上記従来の問題点をM消し、キャリアが結晶格
子の散乱を受けずに、熱電子速度で動くことのできるS
電子放射型静電誘導サイリスタを提供することを目的と
する。
CB明の概要コ このため、本発明はゲートをチャンネルよりも禁rcq
 i巾の大きい半導体で構成すると共に、カソード・ゲ
ート間の寸法をキャリアの平均自由行程以下にして、熱
電子放射が行なわれる様にしたことを特徴としている。
即ち、静電誘導サイリスタの高速化を図るため。
寸法を小さくしてゆくと1、カソード全面の電位の山を
越えたものは全てアノード側に、走ると考えた時に、キ
ャリアの平匈自山行程に近くなり、キャリアは殆んど、
格子散乱を受けずに、非常に高速で走行するようになる
従って、 GaAsを用いた場合で、電位障壁の幅Wg
を0.1μmとしたときに、遮断周波数はほぼ、780
Giz(fc= kT/2πm” /8.8Wg)とな
る。
アノードからの注入も起るために、熱電子放射型の静f
fi誘導サイリスタの導通時の電圧降下は非常に小さい
ものとなる。以上のことから、カソード、ゲート間寸法
をキャリアの平均自由行程以下にして、静電誘導サイリ
スタを熱電子放射構造とすれば、その動作速度は非常に
早くすることができる。
[発明の実施例コ 以下、その実施例を化合物半導体として、GaAsを使
用した場合を例にとり図面を参照して説明する。
第1図(a)は本発明の一実施例に係わる熱電子放射型
静電誘導サイリスタの断面図を示したものである。
図において、1はρ+のGaAs基板でアノードとなる
領域、2はチャンネルn一層、3はチャンネル2に接し
て設けられたn+で、カソードとなる領域、4はGa 
+−xAlxAsで、形成されるゲートとなる領域で、
断面図のみを示しているが、相互に網目状あるいは線状
になっていて、端部が一譜になって。
電極となるべき領域は表面に露出しているもの、5はア
ノード電極、6はカソード電極、7は前記ゲート4のう
ち1表面に形成された部分の電極である。
この構成から判るように、GaAsのように良好な絶縁
膜が得ら、1tない化合物半導体においては、ゲートを
GaAsよりも、禁制帯幅の大きい、例えば。
Ga 1− XAlXA3のような混晶で形成すること
によってゲートを絶縁ゲー]−類以とすることができる
図の植成で、ゲート領域4の間を通り、カソード3とア
ノードlの間にできるチャンネル2中、カソード3より
真のゲート4までの距離が電子の自由行程よりも小さく
することにより、熱電子放射型静電誘導サイリスタ構造
が得られる。
このとき、ゲート領域の間隔と厚み、チャンネル領域の
不純物密度の大きさを変化させることによって、ノーマ
リオンとノマリオフ型の動作とすることができる。ゲー
ト領域となるGa (−XAIXのXの値は例えば0.
3とする。不純物密度はアンドープとすることができる
第1図(b)は、カソードからアノードまでのゲート領
域の間のチャンネルの電位分布を示したものである。
ところで、上記実施例では、ゲー1−・カンード間容量
(Cgk)及びゲート・アノード間容量(Cga)が大
きくなりやすいという問題があるに れを解決したのが、第2図に示す実施例で。
この実施例によれば、 Cgkを極めて、小さくできる
第1図(a)と同一符号は同−又は相当部分を示す。
この実施例においては、ゲート4とカソード3が同−主
表面上にあるので、ゲート電極7の取り出しが容易とな
り、また、 Cgkとゲート抵抗rgが減少し、より高
速な動作が得られる。
第3図は本発明の別の実施例であり、 Cgaを減少さ
せるべく、絶縁物8を設けたものである。絶縁物として
は5i02.Si3N4膜、又はポリイミド樹脂等がよ
い、 GaAsの誘電率11に対して、Si3N4は5
.5、SiO2は3.8、ポリイミドは3.2程度であ
るので、 Cgdは絶縁物でな(、GaAsが存在する
場合に比べ、半分以下になる。
第4図はチャンネルを9層9とした実施例で、ゲート領
域4とチャンネルのp層が反転状態となり。
p層のゲート領域4と接触している領域が1層になると
、カソードより電子がチャンネルへ注入され動作するよ
うになる。
ソースよりアノードまで長さは例えば、0.1μm(1
000A )と言うような値に制御することは可能だが
、ゲート間隔は凡そ、デバイ長を目安として決定する必
要がある。デバイ長λDは下式(1)で、与えられる。
ここで、nはチャンネルの不純物密度、qは単位電荷、
Eは誘電率である。nが10cm1” crm −’の
ときに3.95μi+、 10” cm−”のときに0
.4 μm、10101sa’のときには0.04μm
位となる。おおまかに言って、ゲート領域は2λD以下
にする必要がある。縦方向(カソード・アノード間)の
寸法制御にくらべ、横方向の寸法制御はフォトリソグラ
フィの精度で決定され、ゲート間隔が小さいと。
製造が困難になる。
第5図は、カソード6からの電子を効率よくゲー1へ領
域に制限するために、第4図実施例のpチヤンネル中に
p型の高不純物密度領域10を形成した実施した例であ
る。埋込領域10はカソード側の電子に対し、1層位障
壁が高いの71世子はチャンネルの埋込領域の両側を通
るようになる。実際に動作する部分がグー1〜領域の形
成しているpチャンネルの側面部分となるため、カソー
ド領域3とカソード電極6は1例えば、0.5μI11
位としても良いことになり、製作は容易になる6 第6図は本発明の別の実施例であって、p領域をカソー
ド領域3に接し、残りの部分はn領域とした構造である
。第7図はp領域をチャンネルのカソード近くに挿入し
た構造であり、Cgkを小さくシ。
グー1−領域を小さく形成できる実施例である。
以上、説明してきた実施例において明らかなように、カ
ソードより真のゲー1−までの距離は熱電子放射が効率
よく起るように、平均自由行程以下にすればよい。ゲー
ト領域のGa s −xAlxAsは。
GaAsの間の表面準位をできるだけ減少させる必要が
あり、 GaAsとの間で格子定数が合うように。
Ga s −xAlxAs + −yPyのようにして
小量のP(リン)を添加した混晶が望ましい。この場合
、x=0.3の時に、y=o、ot程度とすればよい。
平均自由行程以内であれば、次式でおよその目安が与え
られる。
Wdg’二v / 2πf ここでVは電子の速度、fは動作周波数である。
電子の速度が1XIO’ cm/secの時、100G
)Iz、 300GIlz、500Gl(z、 700
GIlz、 1000GIIz(ITllz)でのWd
g’はそれぞれ、1600人、 1100人、950λ
、227人。
160人程度となる。GaAsの場合には、熱電子放射
動作では、電子速度はL X 107cm/seeより
大きいことが予想され、 Wdg’は前記の計算値より
更に大さくなることは、在来の飽和速度で走行するサイ
リスタよりも、素子製作上、より作り易いという利点が
得られる。
チャンネルの不純物密度はiNJから1017can 
−’程度とし、カソード、アノード領域はキャリア注入
の為、IXLO”〜lXl0” ’ cm−’ とすれ
ばよい。
カソードの電極材料としては、Au −Ge、^u−G
e−Ni、^u−5e、Δu−Ta等のn ” GaA
sに対して、接触抵抗がI X 10− ’ Ωcm”
以下となるものがよく、又、アノード電極としては、A
u −Zn、Δg −Zn。
Cr −Au等の合金がよい。ゲート領域のGa + 
−xAlxAs電極材料としては、前記カソード・アノ
ード用の電極材料の外に、 Ti、 PL、、W、 M
o、 Cr、llf、 NiのGa + −xAlxA
sに対し、抵抗性接触を形成しない高融点重金属材料を
使用すのがよいといえる。
素子の製作についての、チャンネル領域、カソード及び
アノード領域は本発明時の発明による分子層エピタキシ
ャル成長法、光分:P層エピタキシャル成長法、及び、
気相成長、 MOCVD法、 MIIIE法、イオン注
入法が使用可能である。カソード・アノード及びゲート
の電極の形成には真空蒸着(抵抗加熱、電子ビー11加
熱、スパッタ法)、プラズマエツチング、フォ1−エツ
チング、フォトリソグラフィ等の組合せにより形成され
る。
また、半導体材料は、 GaAsに限らずInp、 I
nAS。
II−VI族半導体、その他の混晶の半導体でもよい。
ゲート領域にはIn + −xGaxP、 In + 
−xGaxAsでもよいのはいうまでもない。
[発明の効果コ 以上の様に、本発明によれば、従来のサイリスタでは得
られない高い周波数領域で、効率のよいスイッチイング
機能を有する高速、低損失の熱電子放射型外w1誘導サ
イリスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第7図はそれぞれ本発明の各実施例に係わる熱
電子放射型静電誘導サイリスタの断面図である。 1・・・アノードとなるべきP子基板、2,9・・・チ
ャンネル、3・・・カソード領域、4・・・GaAsよ
りも禁制帯幅の広い半導体で形成されるゲート領域、5
・・・アノード領域、6・・・カソード電極、7・・・
ゲートil!極、8・・・絶縁物。 代理人 弁理士  紋 1) 誠  ′・第1図 (b) 虫、の丁−卜 $2図 第3図

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)チャンネルとなる半導体領域とこのチャンネルの
    両側に接触して形成されるカソード及びアノード領域、
    前記チャンネルの一部もしくは全面に接触して、前記チ
    ャンネルよりも禁制帯巾の大きい半導体よりなるゲート
    領域とを具備し、前記カソード領域から真のゲート領域
    までの寸法がキャリアの平均自由行程以下に形成されて
    いることを特徴とする熱電子放射型静電誘導サイリスタ
  2. (2)特許請求の範囲第1項記載において、チャンネル
    となる半導体がGaAs、ゲート領域がGa_1−xA
    lxAsである熱電子放射型静電誘導サイリスタ。
  3. (3)特許請求の範囲第1項記載において、ゲート領域
    がチャンネル領域の半導体と格子定数補正されてなる熱
    電子放射型静電誘導サイリスタ。
  4. (4)特許請求の範囲第1項又は第3項記載において、
    ゲート領域がGa_1−xAlxAs_1−yPyであ
    る熱電子放射型請電誘導サイリスタ。
  5. (5)特許請求の範囲第1項から第4項までのいずれか
    の記載において、チャンネル領域がキャリアの走行する
    領域に対して直角方向の寸法が、チャンネル領域の不純
    物密度より決まるデバイ長λ_Dに対して、2λ_D以
    内である熱電子放射型静電誘導サイリスタ。
  6. (6)特許請求の範囲第1項から第5項までのいずれか
    の記載において、ゲート領域に接して設けられるゲート
    電極がゲート領域に対して抵抗性接触となる金属材料で
    形成された熱電子放射型静電誘導サイリスタ。
  7. (7)特許請求の範囲第1項から第5項までのいずれか
    の記載において、ゲート領域に接して設けられるゲート
    電極がゲート領域に対して抵抗性接触とならない金属材
    料で形成された熱電子放射型静電誘導サイリスタ。
  8. (8)特許請求の範囲第1項から第7項までのいずれか
    の記載において、チャンネル領域中にカソード領域から
    のキャリアに対して他のチャンネル領域よりも電位障壁
    の高い半導体領域を含む熱電子放射型静電誘導サイリス
    タ。
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