CN105097909B - 双向光敏晶闸管芯片和固态继电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够应用于高电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片。该双向光敏晶闸管芯片(40)在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元(42)，各单元(42)包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部(42a)和第二光敏晶闸管部(42b)，各光敏晶闸管部(42a、42b)具有PNPN部，该PNPN部包括：在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩散区域(43)；具有N型和P型中的另一种导电型的衬底(41)；与阳极扩散区域(43)相对的具有上述一种导电型的控制极扩散区域(44)；在该控制极扩散区域(44)内与阳极扩散区域(43)相对形成并且具有上述另一种导电型的阴极扩散区域(45)。

Description

双向光敏晶闸管芯片和固态继电器

技术领域

本发明涉及双向光敏晶闸管芯片和使用上述双向光敏晶闸管芯片的固态继电器(以下简称SSR)。

背景技术

一直以来，作为在交流中使用的SSR，具有图13所示的电路结构。该SSR8包括：由LED(发光二极管)等的发光元件1和触发用的双向光敏晶闸管2形成的光触发耦合器3；用于实际控制负载的双向晶闸管(以下有时也称为主晶闸管)4；和由电阻器5、电容6等形成的缓冲电路7。

另外，构成上述SSR8的光触发耦合器3的等效电路图如图14所示。双向光敏晶闸管2包括CH(沟道)1的光敏晶闸管9和CH2的光敏晶闸管10。而且，CH1的光敏晶闸管9构成为将PNP晶体管Q1的基极与NPN晶体管Q2的集电极连接，另一方面，使PNP晶体管Q1的集电极与NPN晶体管Q2的基极连接。同样，CH2的光敏晶闸管10构成为使PNP晶体管Q3的基极与NPN晶体管Q4的集电极连接，另一方面，使PNP晶体管Q3的集电极与NPN晶体管Q4的基极连接。

并且，在上述CH1侧中，PNP晶体管Q1的发射极直接与电极T1连接。另一方面，NPN晶体管Q2的发射极直接与电极T2连接，基极经由控制极电阻11与电极T2连接。同样，在CH2侧中，PNP晶体管Q3的发射极直接与电极T2连接。另一方面，NPN晶体管Q4的发射极直接与电极T1连接，基极经由控制极电阻12与电极T1连接。

具有上述结构的光触发耦合器3如以下的方式动作。即，图14中，在电极T1－电极T2间偏置比元件的导通电压(约1.5V)高的电压的电源电压的条件下，首先，在电极T1侧比电极T2侧更加位于正电位的情况下，当双向光敏晶闸管2接收来自LED1的光信号时，CH1侧的NPN晶体管Q2成为导通状态。这样一来，CH1侧的PNP晶体管Q1的基极电流被引出，该PNP晶体管Q1导通。接着，利用PNP晶体管Q1的集电极电流，对CH1侧的NPN晶体管Q2供给基极电流，通过正反馈使CH1侧的PNPN部导通，从电极T1向电极T2流动与交流电路的负载相应的导通电流。此时，在CH2侧，偏压施加的朝向相反，因此不产生PNPN部的正反馈，仅1次光电流流动。

另一方面，在上述电极T2侧比电极T1侧更加位于正电位的情况下，CH2侧的PNPN部与上述的情况完全同样地进行正反馈动作而导通，在CH1侧中仅1次光电流流动。

这样一来，当上述CH1侧的PNPN部或者CH2侧的PNPN部导通动作时，该电流流入主晶闸管4的控制极，使主晶闸管4导通。

具有上述那样的上述光触发用的双向光敏晶闸管2和用于实际控制负载的双向晶闸管即主晶闸管4的混合结构的SSR8，具有能够增大电流容量的特征。其理由在于，为了采用垂直型的芯片结构，电流路径与PNPN元件的面积成比例地增加，因此能够减小芯片尺寸。即，可以说为效率与成本之比高的结构。

对此，不利的点在于：(1)为了获得垂直型芯片结构，需要采用隔离型或台面型结构，难以制作；(2)因上述(1)的原因，工艺成本高；(3)主晶闸管4不能够利用光来触发(由于作为主晶闸管4的触发电流需要大约10mA，利用光励起产生的载流子电流大幅不足)。

近年来，围绕电子产业的经济环境变得日益残酷，电子设备的成本的降低和轻便性的提高的期望日益增加。为了应对这样的要求，在具有图13所示的结构的现有的SSR中，例如尝试为了削减部件数量，省略主晶闸管4制作图12所示的电路结构的SSR，仅利用上述光触发用的双向光敏晶闸管直接控制负载。

如上所述，能够制作省略了主晶闸管的电路结构的SSR，作为能够直接控制负载的上述光触发用的双向光敏晶闸管，具有在专利第4065825号公报(专利文献1)中公开的双向光敏晶闸管芯片。

图15表示公开于上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片中的概略图案布局。另外，图16和图17是图15中的B‐B’向视截面概略图。此外，图16表示光打开时的状态，图17表示光关闭时即电压反转时(换流时)的状态。

在上述现有的双向光敏晶闸管芯片中，在平面图中如图15所示，具有相对于中心线A‐A’和与该中心线正交的线B‐B’的交点180度旋转对称即相对于上述交点呈点对称的图案。另外，在截面图中，如图16和图17所示，构成为相对于与中心线A‐A’正交的垂直方向的线C‐C’左右对称。以下，相对于中心线A‐A’和线C‐C’，将左侧的光敏晶闸管称为CH1的光敏晶闸管20a，将右侧的光敏晶闸管称为CH2的光敏晶闸管20b。

在图15、图16和图17中，21为N型硅衬底，22为由高浓度N型拡散区域22a和高浓度P型扩散区域22b构成的短二极管(short diode)(沟道分离区域)，23为阳极扩散区域(P型)，24为控制极扩散区域(P型)、25为阴极扩散区域(N型)，26为控制极电阻区域，27为作为沟道阻挡部的高浓度N型扩散区域，23a、24a、27a为Al电极。另外，T1、T2为引线框，28a、28b、28a’、28b’为Au线，29为肖特基势垒二极管。

根据上述结构，能够大幅提高双向光敏晶闸管中的作为重要的设计参数的换流特性。因此，通过将该双向光敏晶闸管用作SSR的光触发耦合器，能够省略主晶闸管。

在此，上述“换流特性”是表示能够不引起换流失败地控制的最大的动作电流值Icom的特性。而且，上述专利文献1中公开的双向光晶闸管芯片中，在N型硅衬底21的表面侧具有短二极管22。因此，如图17所示，通过短二极管22，在换流时回收N型硅衬底21内的少数载流子30。其结果是，利用上述CH2侧的正反馈作用，抑制CH2的光敏晶闸管20b导通等的误动作(换流失败)，改善换流特性。

如上所述，在上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片为以光触发为目的的双向光敏晶闸管，作为用于实际控制负载的驱动器元件的目的而制作，具有适用于这些目的横向结构。因此，因平面结构而具有容易制作、工艺成本廉价的优点。

另外，上述现有的专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片，在制作电流容量(额定电流)为1A以下(≈相当于冲击耐压10A以下)的SSR方面有效。但是，向电流容量比1A大的SSR的应用，存在发现效率(＝性能/成本)劣化的问题。在此，上述“性能”是指“冲击耐压”、“换流特性”和“临界截止电压上升率dV/dt特性(以下简称为dV/dt特性)”。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4065825号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

在上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片那样的横向结构的PNPN元件的情况下，电流路径依赖于相互相对的阳极扩散区域(P型)23与由控制极扩散区域(P型)24和阴极扩散区域(N型)25构成的复合体(以下记为“控制极拡散区域24/阴极扩散区域25”)中的位于CH1的光敏晶闸管20a或者CH2的光敏晶闸管20b的区域的一侧、及其宽度(纵深)，因此，存在电流效率相对于芯片尺寸(∝成本)差的问题。

因此，上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管中，需要实现高电流化。

为了实现上述高电流化，在上述结构的双向光敏晶闸管芯片中，需要提高冲击电流的冲击耐量来提高额定电流值。一般来说，需要额定电流值的10倍的冲击电流的冲击耐量，例如在额定电流值为0.3A的规格件的情况下，需要3A的冲击电流的冲击耐量。

图15所示的双向光敏晶闸管芯片的图案布局中，在CH1的光敏晶闸管20a或者CH2的光敏晶闸管20b中的具有相互相对的一直线状的侧边的阳极扩散区域23与控制极扩散区域24/阴极扩散区域25之间，流动作为冲击电流的浪涌电流时，从阳极扩散区域23的侧部向横方向(横向)流动的电流，集中在作为控制极扩散区域24/阴极扩散区域25的长度方向的第一方向中央部，产生结破坏。因此，在实现该双向光敏晶闸管芯片的高电流化的基础上，需要缓和向芯片的上述第一方向中央部的电流集中。

于是，本发明人尝试提供一种能够通过改变上述阳极扩散区域23、控制极扩散区域24和阴极扩散区域25的图案结构，来实现向上述芯片的上述第一方向中央部的电流集中的缓和的双向光敏晶闸管芯片。此外，该双向光晶闸管芯片是为了使本发明容易理解而进行说明的，不是公知文献，也不是现有技术。

但是，在该情况下，冲击耐量在芯片尺寸小于4mm²的情况下能够改善，但是存在当芯片尺寸成为4mm²以上时改善效果具有饱和倾向的问题。

另外，相对于上述“换流特性”，通过上述短二极管22，在换流时回收N型硅衬底21内的少数载流子30，由此，利用CH2侧的正反馈作用，抑制CH2的光敏晶闸管20b导通等的误动作(换流失败)，改善换流特性。

但是，由于在换流时吸收残留于N型硅衬底21内的少数载流子30的短二极管22的效果达到饱和，因此，存在随着电流容量增加而最终达到界限的问题。当然，当在芯片纵深方向上增大芯片尺寸时，短二极管22的面积也增大，但是，最终也成为不能实现其效果的状态。

另外，上述“dV/dt特性”当对双向光敏晶闸管施加具有急剧的上升边的脉冲电压时，该双向光敏晶闸管由误导通的最小的上升边(＝dV/dt)定义。该dV/dt特性表示噪声耐性。经由反向偏置状态的N型硅衬底21－控制极扩散区域24的接合电容，位移电流流入到控制极扩散区域24，其作为触发电流发挥作用，因此，存在dV/dt特性与控制极扩散区域24的体积(∝结电容)成反比例地降低的相关关系。

因此，为了实现进一步高电流化，而增大芯片尺寸，增长电流流入面的长度(阳极扩散区域23、控制极扩散区域24和阴极扩散区域25的宽度)时，存在具有与其相伴地dV/dt特性降低等相反的关系的问题。

于是，本发明的课题在于提供一种在满足冲击电流冲击耐量、换流特性和dV/dt特性的基本性能的同时，能够应用于比1A大的高电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片，以及使用上述双向光敏晶闸管芯片的SSR。

用于解决技术问题的技术方案

为了解决上述技术问题，本发明的双向光敏晶闸管芯片，其特征在于：

在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元，

上述各单元包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部和第二光敏晶闸管部，

上述各光敏晶闸管部具有PNPN部，该PNPN部包括：

在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩散区域；

具有N型和P型中的另一种导电型的衬底；

与上述阳极扩散区域相对的具有上述一种导电型的控制极扩散区域；和

在该控制极扩散区域内与上述阳极扩散区域相对形成并且具有上述另一种导电型的阴极扩散区域。

另外，一实施方式的双向光敏晶闸管芯片中，在上述各单元之间具有回收在导通时产生的少数载流子的沟道分离结构。

另外，一实施方式的双向光敏晶闸管芯片中，上述各单元中的上述第一光敏晶闸管部和上述第二光敏晶闸管部彼此反并联或者顺并联地进行配线。

另外，一实施方式的双向光敏晶闸管芯片中，各单元并联连接。

另外，本发明的SSR，其特征在于，包括：

光触发耦合器，其包括本发明的上述双向光敏晶闸管芯片和发光二极管；和

缓冲电路。

发明效果

由以上说明可知，本发明的双向光敏晶闸管芯片中，在半导体芯片的表面被多个地搭载的各单元，由能够实现光触发和用于实际控制负载的驱动器元件的、横向结构的双向光敏晶闸管构成。因此，在使用上述单元形成SSR的情况下，能够省略用于控制负载的主晶闸管，能够实现部件数量少的廉价且高性能的SSR。

并且，在一个上述半导体芯片的表面搭载有多个上述单元。因此，上述单元的能力，即使为不能使电流容量比1A大的SSR进行动作的能力，也能够通过搭载多个单元来构建能够应用于比1A大的高电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片。

即，根据本发明，当制作上述“冲击耐压”、“换流特性”和“dV/dt特性”被最优化了的一种单元时，通过搭载期望数量的该单元，能够提供可实现高电流容量且电流容量不同的SSR的组合(lineup)的双向光敏晶闸管芯片，能够大幅提高开发效率(减少开发人员和缩短时间)。另外，能够制作可替代廉价的机械继电器的廉价的SSR。

并且，在晶片工艺中，生产一种单元即可，因此，生产性提高，库存也实现最少化，能够避免多品种少量生产。另外，品质管理和改善工作也能够有效地进行，因此，能够实现通过工序的一元化管理而得到的品质的稳定化和提高。

另外，本发明的SSR，使用能够应用于高电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片，并且使用能够根据来自LED的光信号直接控制负载的光触发耦合器。因此，能够省略用于控制负载的主晶闸管，能够实现部件数量少的廉价且高性能的SSR。并且，能够实现比1A大的高电流容量的SSR。

附图说明

图1是表示本发明的双向光敏晶闸管芯片的概略图案布局的图。

图2是表示图1中的单元的概略图案布局的图。

图3是图2中的D‐D'向视截面图。

图4是表示光打开时的状态的图2的D‐D'向视截面图。

图5是表示光关闭时即换流时的状态的图2的D‐D'向视截面图。

图6是阳极扩散区域、控制极扩散区域和阴极扩散区域的图案概略图。

图7是表示图1所示的双向光敏晶闸管芯片的成本性能的图。

图8是表示由1个双向光敏晶闸管形成的双向光敏晶闸管芯片的成本性能的图。

图9是表示与图2不同的单元的配线结构的图。

图10是表示图2所示的单元间的配线结构的图。

图11是表示与图10不同的单元间的配线结构的图。

图12是省略了主晶闸管的SSR的电路图。

图13是在交流中使用的SSR的电路图。

图14是构成图13所示的SSR的光触发耦合器的等效电路图。

图15是表示现有的双向光敏晶闸管中的概略图案布局的图。

图16是表示光打开时的状态的图15的B‐B'向视截面图。

图17是表示光关闭时即换流时的状态的图15的B‐B'向视截面图。

附图标记说明

1…发光元件(LED)

2…双向光敏晶闸管

3…光触发耦合器

7…缓冲电路

8…SSR

40…双向光敏晶闸管芯片

41…N型硅衬底

42…单元

42a…第一光敏晶闸管

42b…第二光敏晶闸管

43…P型阳极扩散区域

43a、44a…Al电极

44…P型控制极扩散区域

45…N型阴极扩散区域

45a…阴极扩散区域的侧边

46…P型控制极电阻区域

47…短二极管

48a、48b、48a’、48b’、51a、51b、52a、52b、55a、55b、56a、56b、57a～57d、58a～58d…Au线

T1、T2、A、K…引线框

49…少数载流子

50…缺口部

50a…缺口部的中央壁

50b、50c…缺口部的两侧壁

53、54…内部配线

具体实施方式

以下，利用图示的实施方式对本发明进行详细说明。

·第一实施方式

图1表示本实施方式的双向光敏晶闸管芯片中的概略图案布局。本双向光敏晶闸管芯片40，例如如图15所示的上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片，在将具有相对于中心线和与该中心线正交的线的交点呈点对称的图案的、包含CH1的光敏晶闸管和CH2的光敏晶闸管的双向光敏晶闸管，定义为最小单位的单元42的情况下，在一个半导体芯片上搭载有任意的数量的单元42。在此，上述CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b具有阳极扩散区域43、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45。另外，箭头表示电流的流动方向。

本双向光敏晶闸管芯片40，在例如N型硅晶片上呈矩阵状地形成由上述双向光敏晶闸管构成的多个单元42。并且，通过切割而切分成为所期望的单元数量，在各单元42间通过金属丝连接(未图示)而形成。

以下说明上述单元42的具体的结构。

图2表示构成本实施方式的上述单元42的双向光敏晶闸管中的概略图案布局，图3是图2中的D‐D'向视截面概略图。

如图2和图3所示，本实施方式中的上述单元42(双向光敏晶闸管)包括在构成单元42的N型硅衬底41的表面彼此分离形成的CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b。

上述第一光敏晶闸管42a和第二光敏晶闸管42b各自具有：P型的阳极扩散区域43；与阳极扩散区域43相对的P型的控制极扩散区域44；和在控制极扩散区域44内与阳极扩散区域43相对形成的N型的阴极扩散区域45。这样，从阳极扩散区域43向阴极扩散区域45去地形成有PNPN部。其中，46为控制极电阻区域。

另外，沿上述单元42的周边，在N型硅衬底21的表面侧例如形成有由高浓度N型扩散区域和高浓度P型扩散区域构成的短二极管(short diode)47所形成的沟道分离结构。另外，以覆盖阳极扩散区域43的方式形成有Al电极(由虚线表示)43a，以覆盖控制极扩散区域44、阴极扩散区域45和控制极电阻区域46的方式形成有Al电极(由虚线表示)44a。

上述单元42(双向光敏晶闸管)在平面图中如图2所示，具有相对于中心线E‐E’和与该中心线正交的线D‐D’的交点180度旋转对称，即相对于上述交点大致点对称的图案。另外，在截面图中如图3所示，构成为相对于与中心线E‐E’正交的垂直方向的线F‐F’大致左右对称。即，相对于中心线E‐E’和线F‐F’，左侧的光敏晶闸管为上述CH1的第一光敏晶闸管42a，右侧的光敏晶闸管为上述CH2的第二光敏晶闸管42b。

并且，上述CH1的第一光敏晶闸管42a的阳极扩散区域43上的Al电极43a和CH2的第二光敏晶闸管42b的阴极扩散区域45上的Al电极44a，通过Au线48a、48b与引线框T1连接。另外，CH1的第一光敏晶闸管42a中的阴极扩散区域45上的Al电极44a和CH2的第二光敏晶闸管42b中的阳极扩散区域43上的Al电极43a，通过Au线48a’、48b’与引线框T2连接。这样，CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b反并联地通过引线接合而进行配线。

并且，本单元42中，在上述第一光敏晶闸管42a和第二光晶闸管42b中，以阳极扩散区域43和阴极扩散区域45的长度方向为第一方向，以与该第一方向垂直的方向即与N型硅衬底41的表面大致平行的方向为第二方向的情况下，将上述第二方向上的单元42的外周面中的与控制极扩散区域44相对的外周面与该控制极扩散区域44之间的距离X设定为400μm以内。

以下，参照图4和图5说明换流特性Icom通过X≤400μm的区域来改善的理由。图4和图5是与图3相同的图2的D‐D’向视截面概略图，上述距离X为“X≤400μm”。其中，图4表示光打开时的状态，图5表示光关闭时即电压反转时(换流时)的状态。

如图4所示，上述CH1侧的第一光敏晶闸管42a的导通时产生的少数载流子49，在图5所示的换流时，由于本双向光敏晶闸管的电位梯度，被CH1的第一光敏晶闸管42a中的阳极扩散区域43回收，或者被CH2的第二光敏晶闸管42b中的控制极扩散区域44回收。在该情况下，当被CH2侧的控制极扩散区域44回收的少数载流子的量超过某临界值时，CH2的第二光敏晶闸管42b中的构成上述PNPN部的NPN晶体管导通，促进CH2的第二光敏晶闸管42b的正反馈，第二光敏晶闸管42b导通，导致上述“换流失败”。

于是，为了抑制上述“换流失败”，需要尽可能使动作电流的临界值Icom增大。而且，为了使Icom增大，需要抑制被CH2侧的控制极扩散区域44回收的少数载流子的量。

在此，当缩小上述CH1的第一光敏晶闸管42a中的单元42的外周面与控制极扩散区域44之间的距离X时，如图4所示导通时在CH1侧产生的少数载流子49，在移动至CH2侧之前，如图5所示被CH1侧的单元42的外周面中的在N型硅衬底21的表面形成的短二极管47回收。

因此，上述单元42的外周面与控制极扩散层44的距离X，在满足本双向光敏晶闸管中的上述换流特性以外的特性(例如，耐压等的特性)的基础上，优选最大限度地缩小。特别优选X≤400μm。

如上所述，本实施方式中，上述第一光敏晶闸管42a和第二光晶闸管42b中，将在上述第二方向上的单元42的外周面与控制极扩散区域44之间的距离X设定在400μm以内。

因此，例如，在导通时上述CH1侧产生的少数载流子49，在移动至CH2侧之前，如图5所示，被在CH1侧的单元42的外周面上形成的短二极管47回收。其结果是，即使没有上述肖特基势垒二极管、上述沟道分离区域，也能够大幅度提高上述换流特性。

因此，能够获得具有抑制单元42的面积的增大并且以1个单元42进行光触发来控制负载的功能，能够省略SSR的主晶闸管的廉价的双向光敏晶闸管。

但是，在上述结构的单元42(双向光敏晶闸管)中，为了实现高电流化，需要提高冲击电流的冲击耐量来提高额定电流值。一般来讲，需要额定电流值的10倍的冲击电流冲击耐量，例如在额定电流值为0.3A的规格件的情况下，需要3A的冲击电流冲击耐量。

在图2所示的双向光敏晶闸管的图案布局中，在CH1的第一光晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b中的、具有彼此相对的一直线状的侧边的阳极扩散区域43与控制极扩散区域44/阴极扩散区域45之间，流动作为冲击电流的浪涌电流时，如图4所示，从阳极扩散区域43的侧部向横方向(横向)流动电流，集中在控制极扩散区域44/阴极扩散区域45的上述第一方向中央部而产生结破坏。因此，在实现本双向光敏晶闸管芯片的高电流化的基础上，需要缓和向单元42的上述第一方向中央部的电流集中。

在本实施方式中，通过改变上述阳极扩散区域43、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45的图案结构，来实现向单元42的上述第一方向中央部的电流集中的缓和。即，在本实施方式中，通过改变阴极扩散区域45中的与阳极扩散区域43相对的侧边的形状，来缓和向单元42的上述第一方向中央部的电流集中。

图6表示图2所示的图案布局中的上述第一光敏晶闸管42a侧的阳极扩散区域43、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45的图案概略图。图6中，阳极扩散区域43和控制极扩散区域44的图案，与图2所示的图案布局的情况同样地呈矩形状。相对于此，阴极扩散区域45的图案在与阳极扩散区域43相对的侧边45a的上述第一方向中央部形成有矩形状的缺口部50。

这样一来，在上述阳极扩散区域43与控制极扩散区域44/阴极扩散区域45(控制极扩散区域44和阴极扩散区域45的复合体)之间流动有冲击电流的情况下，从阳极扩散区域43供给到控制极扩散区域44/阴极扩散区域45的电流中的集中在上述第一方向中央部的电流的一部分，朝向缺口部50的与中央壁50a相比与P控制极接合面的距离更近的两侧壁50b、50c流动。其中，上述“P控制极接合面”为P型的控制极扩散区域44中的与N型硅衬底41的接合面，为控制极扩散区域44的与阳极扩散区域43相对的侧面。

这样，通过将集中在上述控制极扩散区域44/阴极扩散区域45的上述第一方向中央部的电流分散至两侧壁50b、50c，来缓和向上述第一方向中央部的电流集中。其结果是，能够防止控制极扩散区域44/阴极扩散区域45的结破坏，能够提高冲击电流的冲击耐压。

在此，上述控制极扩散区域44/阴极扩散区域45的结破坏，在破坏的初始，结相对最浅的阴极扩散区域45被破坏，然后破坏波及到控制极扩散区域44。结破坏进入到控制极扩散区域44/阴极扩散区域45的哪个部位，依赖于冲击电流量，也存在仅破坏到阴极扩散区域45，结破坏就停止的情况。

其中，本实施方式中，通过改变上述阴极扩散区域45的形状，来缓和向单元42的上述第一方向中央部的电流集中。但是，本发明不限定于此，也可以改变控制极扩散区域44的形状、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45的形状、阳极扩散区域43的形状、阳极扩散区域43、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45的形状。总之，改变阳极扩散区域43、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45的至少任一者的图案形状即可。

图7表示本实施方式中的双向光敏晶闸管芯片的成本性能。从图7可知，成本与芯片面积具有正比例的关系。另外，冲击耐量与芯片面积具有正比例的关系，各单元42间的最优化结构的平衡被维持。另外，噪声耐量(上述dV/dt特性)与芯片面积具有正比例的关系，上述最优化结构的平衡被维持。

为了与图7对比，图8中表示由具有与构成单元42的双向光敏晶闸管相同的结构的一个双向光敏晶闸管形成的双向光敏晶闸管芯片的成本性能。从图8可知，成本与芯片面积具有正比例的关系。另外，冲击耐量不与芯片面积成比例地提高。其理由在于，电流集中部位存在偏差，伴随电流增加，电流集中部位间产生电流差。其结果是，两个CH的光敏晶闸管间中的最优化结构的平衡崩溃。另外，噪声耐量(上述dV/dt特性)不与芯片面积成比例地提高。其理由在于，因芯片面积的增大，引起控制极结电容的增加和阴极扩散区域/控制极扩散区域的面积比的降低，产生dV/dt特性的降低。其结果是，上述最优化结构的平衡崩溃。

如以上所述，本实施方式的上述单元42中，通过改变阳极扩散区域43、控制极扩散区域44和阴极扩散区域45中的至少任一者的图案形状，能够不增大单元42的尺寸而缓和向单元42的上述第一方向中央部的电流集中，提高冲击电流的冲击耐压，实现高电流化。

并且，通过将上述单元42的外周面与控制极扩散区域44之间的距离X设定在400μm以内，例如由在单元42的外周面上形成的短二极管47来回收在导通时上述CH1侧产生的少数载流子49，实现上述换流特性的大幅度的提高。

并且，在实现上述高电流化时不增大单元42的尺寸，由此实现dV/dt特性的降低的抑制。

此外，如上所述，将上述“冲击耐压”、“换流特性”和“dV/dt特性”被最优化了的一个单元42搭载多个，而构成双向光敏晶闸管芯片。因此，能够将具有可以使电流容量在1A以下(相当于冲击耐压10A以下)的SSR动作的能力的双向光敏晶闸管作为最小单位的单元42，来构建可以应用于比1A大的电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片。

例如，如上述方式，当使用多个按0.6A被最佳设计了的单元42，对并联配置有2个单元42的双向光敏晶闸管芯片进行构建时，能够制作1.2A的SSR。

即，为了用一个双向光敏晶闸管芯片来实现比1A大的高电流容量的SSR，需要解决上述“冲击耐压”、“换流特性”和“dV/dt特性”的全部的技术问题，这在现有技术中无法实现。因此，通常，如图13所示那样，以光触发用的双向光敏晶闸管和用于实际控制负载的双向晶闸管的混合结构来实现。但是，该结构成本高，对于廉价的机械继电器在价格方面无法匹敌。

根据本实施方式，当制作上述“冲击耐压”、“换流特性”和“dV/dt特性”被最优化了的一种单元42时，通过使用期望数量的该单元42，能够提供可实现高电流容量且电流容量不同的SSR的组合(lineup)的双向光敏晶闸管芯片，能够大幅提高开发效率(减少开发人员和缩短时间)。另外，能够制作可替代廉价的机械继电器的廉价的SSR。

并且，在晶片工艺中，生产一种单元即可，所以生产性提高，库存也实现最少化，能够避免多品种少量生产。另外，品质管理和改善工作也能够有效地进行，因此，能够实现通过工序的一元化管理而得到的品质的稳定化和提高。

此外，本实施方式中，使上述短二极管47形成在单元42的整个外周面整体。但是，本发明不限于整个外周面，也可以在相邻的单元42之间形成在单元42的外周面中的至少包含与控制极扩散区域44相对的外周面。

另外，不限于上述短二极管47，也能够使用肖特基势垒二极管等。

·第二实施方式

图9表示本实施方式的双向光敏晶闸管芯片中的上述单元的配线结构。本双向光敏晶闸管芯片40与上述第一实施方式的情况相同，搭载有任意的数量的、由具有相对于中心线和与该中心线正交的线的交点呈点对称的图案的包含CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b的双向光晶闸管形成的单元42。

上述第一实施方式中，构成上述单元42的双向光敏晶闸管中，通过引线框T1和引线框T2，对CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b反并联地进行配线。因此，CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b交替触发，成为从引线框T1向引线框T2和从引线框T2向引线框T1的双向的AC动作使用。

与此相对，在本实施方式中，上述CH1的第一光敏晶闸管42a的阳极扩散区域43上的Al电极43a和CH2的第二光敏晶闸管42b的阳极扩散区域43上的Al电极43a，通过Au线51a、51b与引线框A连接。另外，CH1的第一光敏晶闸管42a中的阴极扩散区域45上的Al电极44a和CH2的第二光敏晶闸管42b中的阴极扩散区域45上的Al电极44a，通过Au线52a、52b与引线框K连接。这样，CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b顺并联地通过引线接合而进行配线。

具有上述结构的单元42如以下的方式动作。即，在上述引线框A－引线框K间，引线框A侧比引线框K侧更加偏置有比元件的导通电压高的电压的直流电压的情况下，当来自LED等的光入射到单元42时，CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b中，在由N型硅衬底41、P控制极扩散区域44和阴极扩散区域45形成的NPN晶体管的N型硅衬底41中的与P控制极扩散区域44的边界，产生多个载流子(正孔)，在P控制极扩散区域44产生光电流。而且，通过该光电流的作用而使上述NPN晶体管成为导通状态。而且，通过正反馈，从阳极扩散区域43向阴极扩散区域45去地形成的PNPN部导通，如图9中箭头所示，从引线框A向引线框K的在一个方向上流动与电路的负载对应的导通电流。

如以上所述，本实施方式中，对构成上述单元42的CH1的第一光晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b，通过引线框A和引线框K顺并联地进行配线，进行从引线框A向引线框K的单向的DC动作使用。在该情况下，单元42的结构与进行双向的AC动作使用的上述第一实施方式中的单元42完全相同。

即，根据本实施方式，通过仅改变对单元42的配线，能够在双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片与单向的DC动作使用的双向光敏晶闸管芯片之间自由地改变使用。而且，使用上述DC动作使用的双向光敏晶闸管芯片来制作DC用途的SSR的情况下，相对于使用上述AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片来制作的AC用途的SSR，能够将电流容量提高至2倍。因此，能够应用于更大电流容量的SSR。

·第三实施方式

图10表示本实施方式的双向光敏晶闸管芯片中的上述单元间的配线结构。本实施方式的双向光敏晶闸管芯片40由2个单元(双向光晶闸管)42构成。而且，各单元42中，与上述第一实施方式的情况相同，CH1的第一光敏晶闸管42a的阳极扩散区域43与CH2的第二光敏晶闸管42b的阴极扩散区域45通过内部配线53彼此连接。另外，CH1的第一光敏晶闸管42a的阴极扩散区域45与CH2的第二光敏晶闸管42b的阳极扩散区域43通过内部配线54彼此连接。

并且，上述2个单元(双向光敏晶闸管)42中，CH1的第一光晶闸管42a的阳极扩散区域43上的Al电极43a各自通过Au线55a、55b与引线框T2连接。另外，CH1的第一光敏晶闸管42a的阴极扩散区域45上的Al电极44a各自通过Au线56a、56b与引线框T1连接。这样，2个单元42通过引线接合而并联连接，对各单元42中的CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b反并联地进行配线。

具有上述结构的双向光敏晶闸管芯片40中，与述第一实施方式的情况相同，在上述引线框T2－引线框T1间偏置有比元件的导通电压高的电压的电源电压的条件下，首先，引线框T2侧比引线框T1侧更加位于正电位的情况下，来自LED等的光入射到双向光晶闸管芯片40时，在各单元42中进行与上述第一实施方式的情况同样的动作，CH1侧的PNPN部通过正反馈动作而导通，如图10中实线的箭头所示，电流从阳极扩散区域43向控制极扩散区域44/阴极扩散区域45流动。在该情况下，在CH2侧中，偏置施加的朝向相反，所以不引起PNPN部的正反馈，仅1次光电流流动。

另一方面，在上述引线框T1侧比引线框T2侧更加位于正电位的情况下，CH2侧的PNPN部与上述的情况完全相同地进行正反馈动作而导通，在CH1侧，仅1次光电流流动。

其结果是，在引线框T2－引线框T1间，双向地流动与电路的负载对应的导通电流。

如以上所述，本实施方式中，在构成上述双向光敏晶闸管芯片40的各单元42中，对CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光晶闸管42b通过内部配线53和内部配线54反并联地进行配线。并且，各单元42间中，利用Au线55a、55b将CH1的第一光敏晶闸管42a的阳极扩散区域43上的Al电极43a各自与引线框T2连接，另一方面，利用Au线56a、56b将CH1的第一光敏晶闸管42a的阴极扩散区域45上的Al电极44a各自与引线框T1连接。如上所述，将2个单元42通过引线接合而并联连接，对各单元42中的CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b反并联地进行配线。

在该情况下，与各单元42的结构完全相同。因此，根据本实施方式，仅通过将各单元42并联连接，就能够简单地构成单元42的数量为2个的双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片。

此外，本实施方式中，对于上述各单元42的并联连接而言，通过将CH1的第一光晶闸管42a的Al电极43a彼此和CH1的第一光敏晶闸管42a的Al电极44a彼此连接而进行，但是本发明不限于此。例如，也可以将CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极43a彼此和CH2的第二光晶闸管42b的Al电极44a彼此连接。并且，也可以将CH1的第一光敏晶闸管42a的Al电极43a和CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极44a中的任一方与引线框T1连接，将CH1的第一光敏晶闸管42a的Al电极44a和CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极43a中的任一方与引线框T2连接。

·第四实施方式

图11表示本实施方式的双向光敏晶闸管芯片中的上述单元间的配线结构。本实施方式的双向光敏晶闸管芯片40由4个单元(双向光晶闸管)42构成。各单元42的结构和内部配线与上述第三实施方式中的单元42的情况相同。

本实施方式中，上述4个的单元42中的CH1的第一光敏晶闸管42a的阳极扩散区域43上的Al电极43a各自通过Au线57a～57d与引线框T1连接。另外，CH1的第一光敏晶闸管42a的阴极扩散区域45上的Al电极44a各自通过Au线58a～58d与引线框T2连接。这样，4个单元42通过引线接合而并联连接，对各单元42中的CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光晶闸管42b反并联地进行配线。

在图11中，用4个单元42构成上述双向光敏晶闸管芯片40，但是不限于4个，可以为3个、5个以上。

如以上所述，根据本实施方式，即使构成上述双向光敏晶闸管芯片40的单元42的数量为3个以上，通过仅将各单元42中的CH1的第一光晶闸管42a的Al电极43a和CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极44a中的任一方与引线框T1连接，将CH1的第一光敏晶闸管42a的Al電極44a和CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极43a中的任一方与引线框T2连接，就能够形成可以应用于高电流容量的SSR的双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片。

此外，在上述第三实施方式和第四实施方式中，例示了通过将CH1的第一光晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b反并联地进行了配线的单元42彼此并联连接，构成双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片40的情况。

但是，本发明不限于上述双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片，在各单元42中，通过上述内部配线将CH1的第一光敏晶闸管42a的阳极扩散区域43上的Al电极43a与CH2的第二光敏晶闸管42b的阳极扩散区域43上的Al电极43a连接，另一方面，通过上述内部配线将CH1的第一光敏晶闸管42a的阴极扩散区域45上的Al电极44a与CH2的第二光敏晶闸管42b的阴极扩散区域45上的Al电极44a连接，顺并联地进行配线。而且，在各单元42间中，CH1的第一光晶闸管42a的Al电极43a和CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极43a中的任一方各自通过Au线连接于第一引线框。另一方面，CH1的第一光敏晶闸管42a的Al电极44a和CH2的第二光敏晶闸管42b的Al电极44a中的任一方各自通过Au线连接于第二引线框。

这样，将多个单元42通过引线接合而并联连接，对各单元42中的CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b顺并联地进行配线，由此能够构成单向的DC动作使用的双向光敏晶闸管芯片。

即，根据本发明，不改变各单元42的内部结构，仅改变各单元42的内部配线和各单元42间的配线，就能够简单地构成单向的DC动作使用的双向光敏晶闸管芯片40和双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片。

并且，在该情况下，仅改变搭载于双向光敏晶闸管芯片的单元42的数量，能够提供可以制作期望电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片。此时，通过使各个单元42中的冲击电流冲击耐量、换流特性和dV/dt特性的基本性能最优化，能够构建可以应用于比1A大的高电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片。

此外，在上述第一实施方式～第四实施方式中，利用短二极管47来构成在搭载于双向光敏晶闸管芯片40的各单元42的周边形成的沟道分离结构。在该情况下，各单元42的换流特性由短二极管47的性能决定。

因此，为了实现进一步换流特性的提高，可以在各单元42的边界形成作为沟道分离结构的分离槽，将双向光敏晶闸管芯片40的外周面作为切割面。这样，通过使各单元42的周边为开放端，能够实现换流特性的进一步提高。但是，即使在该情况下，各单元42的换流特性也依赖于分离槽的深度和宽度。

因此，通过切割将在硅晶片上形成为矩阵状的多个单元42切开为单个的单元42。而且，可以将切开的单个的单元42以所期望的数量在衬底上呈矩阵状地隔开规定间隔进行安装，而形成双向光敏晶闸管芯片40。如上所述，通过切割而切出的单个的单元42中，理论上不发生换流误动作，所以换流特性最佳。

但是，在该情况下，为了切割和安装，所得到的双向光敏晶闸管芯片40的成本变高。另外，因单元42间的间隔的不均，可能产生受光量的不均。

另外，在上述第一实施方式～第四实施方式中，由P型阳极扩散区域43、N型硅衬底41、P型控制极扩散区域44和N型阴极扩散区域45形成PNPN部。但是，也可以由N型阳极扩散区域、P型硅衬底、N型控制极扩散区域和P型阴极扩散区域形成。

·第五实施方式

本实施方式涉及使用从上述第一实施方式至上述第四实施方式的任一者中的双向光敏晶闸管芯片的光触发耦合器，以及使用该光触发耦合器的SSR。

图12表示本实施方式中的SSR的电路结构。本实施方式中的SSR，在具有图13所示的结构的现有的SSR中，例如为了削减部件数量，省略了主晶闸管4。因此，在图12中，对与图13所示的SSR相同的部件标注与图13相同的标号。

作为本实施方式中的光触发用的双向光敏晶闸管2，具有能够实现高电流化的横向结构的PNPN元件，并且，使用能够应用于高电流容量的SSR的、上述第一实施方式～上述第四实施方式中的双向光敏晶闸管芯片40。因此，由该双向光敏晶闸管2和发光元件1形成的光触发耦合器3中，能够根据来自发光元件1的光信号直接控制负载。另外，能够应用于高电流容量的SSR。

并且，本实施方式中的SSR8，能够根据来自上述发光元件1的光信号直接控制负载，并且使用能够应用于高电流容量的SSR的光触发耦合器3和缓冲电路7。因此，能够省略用于控制负载的主晶闸管，能够以部件数量少的低价格来实现高电流容量的SSR8。

此外，在上述各实施方式中，如图2和图3所示，CH1的第一光晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b中，阳极扩散区域43配置在比控制极扩散区域44更靠中心线E‐E’侧的位置。

但是，本发明并不一定需要使上述阳极扩散区域43配置在比控制极扩散区域44更靠中心线E‐E’侧的位置。也可以使CH1的第一光敏晶闸管42a和CH2的第二光敏晶闸管42b的控制极扩散区域44均配置在比阳极拡散区域43更靠中心线E‐E’侧的位置。

在该情况下，也与图2和图3所示的双向光敏晶闸管芯片的情况相同，通过将单元42的外周面与控制极扩散区域44之间的距离X设定为400μm以内，例如，在导通时在上述CH1侧产生的少数载流子，在移动至CH2侧之前，被CH1侧的短二极管47回收。因此，能够大幅提高换流特性。

如以上所述，本发明的双向光敏晶闸管芯片40的特征在于：在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元42，上述各单元42包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部42a和第二光敏晶闸管部42b，上述各光敏晶闸管部42a、42b具有PNPN部，该PNPN部包括：在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩散区域43；具有N型和P型中的另一种导电型的衬底41；与上述阳极扩散区域43相对的具有上述一种导电型的控制极扩散区域44；和在该控制极扩散区域44内与上述阳极扩散区域43相对形成并且具有上述另一种导电型的阴极扩散区域45。

根据上述结构，在半导体芯片的表面被多个地搭载的上述各单元42，由能够实现光触发和用于实际控制负载的驱动器元件的、横向结构的双向光敏晶闸管构成。因此，在使用上述单元42形成SSR8的情况下，能够省略用于控制负载的主晶闸管，能够实现部件数量少的廉价且高性能的SSR8。

并且，本发明的双向光敏晶闸管芯片40中，在一个半导体芯片的表面搭载多个上述单元42。因此，上述单元42的能力，即使为不能使电流容量比1A大的SSR8进行动作的能力，也能够通过搭载多个上述单元42来构建能够应用于比1A大的高电流容量的SSR8的双向光敏晶闸管芯片40。

即，根据本发明，当制作上述“冲击耐压”、“换流特性”和“dV/dt特性”被最优化了的一种单元42时，通过搭载期望数量的该单元42，能够提供可实现高电流容量且电流容量不同的SSR的组合(lineup)的双向光敏晶闸管芯片，能够大幅提高开发效率(减少开发人员和缩短时间)。另外，能够制作可替代廉价的机械继电器的廉价的SSR8。

另外，一实施方式的双向光敏晶闸管芯片40中，在上述各单元42之间具有回收在导通时产生的少数载流子的沟道分离结构47。

根据该实施方式，在上述各单元42之间具有回收在导通时产生的少数载流子的沟道分离结构47，因此，例如将在导通时在上述第一光敏晶闸管部42a侧产生的少数载流子49回收至在上述单元42的外周部形成的上述沟道分离结构47，能够实现换流特性的大幅度的提高。

另外，一实施方式的双向光敏晶闸管芯片40中，上述各单元42中的第一光敏晶闸管部42a和第二光敏晶闸管部42b彼此反并联或者顺并联地进行配线。

根据该实施方式，在对上述各单元42中的上述第一光敏晶闸管部42a和上述第二光敏晶闸管部42b彼此反并联地进行配线的情况下，上述第一光敏晶闸管部42a和上述第二光敏晶闸管部42b交替触发，成为双向的AC动作使用。对此，在对上述各单元42中的上述第一光敏晶闸管部42a和上述第二光敏晶闸管部42b相互顺并联地进行配线的情况下，上述第一光敏晶闸管部42a和上述第二光敏晶闸管部42b同时触发，成为单向的DC动作使用。

在该情况下，上述单元42的结构，在任意的动作使用的情况下均完全相同。因此，提供仅改变针对上述单元42的配线，能够在双向的AC动作使用的上述单元42与单向的DC动作使用的上述单元42之间自由地改变使用。

另外，一实施方式的双向光敏晶闸管芯片40中，各单元42并联连接。

根据该实施方式，例如在将双向的AC动作使用的上述单元42并联连接的情况下，能够形成可以应用于高电流容量的SSR8的双向的AC动作使用的双向光敏晶闸管芯片40。另外，在将单向的DC动作使用的上述单元42并联连接的情况下，能够形成可以应用于高电流容量的SSR8的单向的DC动作使用的双向光敏晶闸管芯片40。

另外，本发明的光触发耦合器3的特征在于，包括本发明的上述双向光敏晶闸管芯片40和LED1。

根据上述结构，使用可以应用于高电流容量的SSR8的双向光敏晶闸管芯片40。因此，根据本光触发耦合器3，能够提供可以根据来自上述LED1的光信号直接控制负载且可以应用于高电流容量的SSR8的光触发耦合器3。

另外，本发明的SSR8的特征在于，包括本发明的上述光触发耦合器3和缓冲电路7。

根据上述结构，使用能够根据来自LED1的光信号直接高效控制负载，并且能够应用于高电流容量的SSR8的光触发耦合器3。因此，能够省略用于控制负载的主晶闸管，能够实现部件数量少的廉价且高性能的SSR8。并且，实现比1A大的高电流容量的SSR8。

Claims (4)

1.一种双向光敏晶闸管芯片，其特征在于：

在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元，

所述多个单元中的各单元包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部和第二光敏晶闸管部，

所述第一光敏晶闸管部和第二光敏晶闸管部具有PNPN部，该PNPN部包括：

在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩散区域；

具有N型和P型中的另一种导电型的衬底；

与所述阳极扩散区域相对的具有所述一种导电型的控制极扩散区域；和

在该控制极扩散区域内与所述阳极扩散区域相对形成并且具有所述另一种导电型的阴极扩散区域，

在沿着与从所述阳极扩散区域向所述控制极扩散区域流动的电流方向平行的方向配置的所述各单元之间，沿着与从所述阳极扩散区域向所述控制极扩散区域流动的电流方向垂直的方向设置沟道分离结构，通过该沟道分离结构来回收在导通时产生的少数载流子。

2.如权利要求1所述的双向光敏晶闸管芯片，其特征在于：

所述各单元中的第一光敏晶闸管部和第二光敏晶闸管部彼此反并联或者顺并联地进行配线。

3.如权利要求1或2所述的双向光敏晶闸管芯片，其特征在于：

各单元并联连接。

4.一种固态继电器，其特征在于，包括：

光触发耦合器，其包括权利要求1至3中任一项所述的双向光敏晶闸管芯片和发光二极管；和

缓冲电路。