JP2524553Y2 - 電力用半導体素子 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は電力用トランジスタ，ゲート・ターン・オフ
・サイリスタ等の電力用半導体素子に関し、特にその大
電流動作における高性能化に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体素子の大電力化の要請は、基本的には素
子の大面積化によって実現されてきたが、大面積になる
にしたがって単位面積あたりの通電能力が低下すること
が一般的に起こってくる。これは素子中の各構成部分が
同等に働かなくなるからである。この不均一性をもたら
す大きな要因は三つあり、 第１に、接合形成の不均一さが大きくなること、 第２に、エミッタ・パターンが素子寸法とともに大ま
かになる傾向にあること、 第３に、外部端子から半導体接合部までの電流経路が
不均一となることである。

これら要因のうち始めの二つは工作上の問題であり本
質的なものではなく、現実に最新の製造装置と集積回路
の製造に使われる技術とを適用して実質的に解決されて
いる。

上記第1,第２の要因の内でも、特に第２の要因に対し
てなされたエミッタ・パターンの微細化は、大電流特性
の改善に顕著な効果があり、またこれはエミッタ・パタ
ーンが微細化されてないエミッタ・パターンの中央部で
は周辺部ほど電流が流れず、また遮断特性も悪くなるの
で必須の事項となっている。

このパターンの微細化にともない、かつては大電力半
導体素子の代表的組立て方法であった圧接形式による電
極接続は数百Ａ以下ではあまり行なわれなくなってきて
おり、これに代わってワイヤ・ボンディング法による電
極接続が行なわれることが多くなってきている。そして
ワイヤ・ボンディング法で必要となるボンディング・バ
ッドの下の半導体領域には最近の電力用半導体素子では
エミッタ・パターンを設けてない。これは、仮に設けて
もその箇所へのベース電流の供給が不十分であるために
エミッタ電流がたいして流れず、なによりも遮断時にベ
ース電流の引き抜きが十分でないために破壊耐量が弱く
なるという致命的欠点が生じるからである。

第３図（ａ）〜（ｃ）は上記第1,第２の要因を解決し
た縦型の電力用トランジスタを示し、図において、９は
コレクタ電極、８は該コレクタ電極９上に設けられたコ
レクタ低比抵抗領域、７は該領域８上に設けられたコレ
クタ高比抵抗領域、３は該領域７上に設けられたベース
領域、４は該ベース領域内に形成されたエミッタ領域、
5a及び6aはそれぞれベース領域３及びエミッタ領域４上
に絶縁膜10を介して形成された櫛状のベース及びエミッ
タ電極である。５はベース領域３とベース電極5aとが接
触するベース接続部、６はエミッタ領域４とエミッタ電
極6aとが接触するエミッタ接続部、1,2はそれぞれベー
スボンディングパッド及びエミッタボンディングパッド
である。

この電力用トランジスタでは第３図（ａ）に示すよう
にエミッタ及びベース電極6a,5aが櫛状になっているこ
とが典型的であり、つまりボンディングパット1,2の面
積が必要最小限の大きさにされ、エミッタ及びベース電
極6a,5aが、出来るだけ広く、出来るだけ均等に入り組
むようパターンニングされている。第３図（ｂ）は第３
図（ａ）の一部拡大図であり、この図からわかるように
エミッタ領域４のパターンは、出来るだけ面積が大きく
なるようにし、またベース領域３のベース電極5aとの接
続部より距離の掛け離れた箇所がないようにその幅を出
来るだけ細くするため、格子状に設計されることが多
い。このエミッタ領域４のパターンの幅の典型は100ミ
クロン程度であり、これ以上細くしても顕著な電流特性
の改善は得られない。何故ならば、数百Ｖの耐圧の電力
用トランジスタでは、電流が流れる通路であるエミッタ
領域４の下部からコレクタのN⁺領域７までの距離が、数
十ミクロン程度であるのが通常であり、電流が横方向に
十分広がるからである。また、電極には通常５〜10ミク
ロン程度のアルミニウムが使用されるので、通常の写真
製版を行なうと電極間の距離は40〜50ミクロン必要とな
る。

このように最新のトランジスタではエミッタ電極6aと
ベース電極5aの幅はそれぞれ100,50ミクロン程度となっ
ているのが典型である。これに対して半導体素子の面積
は17mm角程度のものまで作られている。エミッタ電極6a
とベース電極5aの長さは素子の大きさとボンディングパ
ッド1,2の数との兼ね合いで決まるが、前述のようにボ
ンディング・パッドの下の部分は通電に有効な領域とな
らないのでボンディング・パッドの数を少なくしようと
し、結果として電極の長さは２〜3mmに及ぶことが珍し
くない。このように最新のトランジスタでは、前述した
不均一動作をもたらす第３の要因はますます深刻な問題
となってきている。

これに対する方策として従来よりバランス抵抗を半導
体層を構成している各微小部分に形成することが知られ
ている。このバランス抵抗はエミッタ領域に入れる場合
とベース領域に入れる場合があるが、高周波用以外の一
般的な電力用トランジスタではエミッタ領域に入れるこ
とは通常は行なわれない。これは電力ロスが大きくなり
特にトランジスタを使うという利点が損なわれるからで
ある。そのためバランス抵抗はベース側に入れるように
してきた。

第２図（ａ）はその典型例を示す図であり、第３図
（ｂ）に対応している。第２図（ｂ）はそのIIb−IIb線
断面図である。図中、第３図と同一符号は同一のものを
示し、12はベース領域のベース電極との接続部とエミッ
タ領域との間に形成されエミッタ領域と同じ導電性のベ
ース抵抗形成拡散領域であり、これは例えばエミッタを
形成するときに同時に形成することが出来る。ここでは
この領域12の下の部分が抵抗として働くわけである。

ところがこのようなベース・バランス抵抗はパターン
の微細化が進むと形成しにくくなる。何故ならば、エミ
ッタ領域の深さは一般的な電力用トランジスタの場合ほ
ぼ10ミクロン前後であり、また電力用素子用の製造設備
では拡散のための半導体絶縁膜に明ける穴の幅が20ミク
ロン以下にすることが困難であるため、ベース電極のベ
ース領域との接合部とエミッタ領域との間隔が数十ミク
ロン余分に必要となるからである。

又、エミッタ形成と同時にバランス抵抗部を形成する
場合、抵抗値が大きくなり過ぎる傾向があり、またエミ
ッタの深さよりも領域12を浅く形成する方が好ましい場
合では、該領域12の占める場所は少なくてすむが、写真
製版，拡散等の工程が増えるという不利な点がでてく
る。

〔考案が解決しようとする問題点〕

このように従来の電力用半導体素子では大電流特性を
改善するために半導体層のベース側の領域にエミッタ領
域と同じ導電形の拡散領域を形成して該拡散領域の下側
の領域がバランス抵抗として働くようにしているが、該
拡散領域を形成する場合素子領域上である程度の面積が
必要となり、このためバランス抵抗を有する電力用半導
体素子を微細化することは困難であった。

本考案は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、大電流動作における電流の片寄りを抑制で
き、かつ微細化可能な電力用半導体素子を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案に係る電力用半導体素子は、ベースバランス抵
抗としてベース領域と同一導電型で該ベース領域より不
純物濃度が低い高比抵抗領域を、ベース領域のベース電
極との接続部とエミッタ領域との間に該接続部を取り囲
むように設けたものである。

〔作用〕

この考案においてはベースバランス抵抗となる領域が
ベース領域と同一導電型でかつ該ベース領域より不純物
濃度が低いため、大電流動作における電流の片寄りを抑
制できるだけでなく、上記バランス抵抗を、ベース領域
形成時の該領域からの横方向の拡散を利用して形成で
き、このため上記ベースバランス抵抗の占有面積を小さ
くできる。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を図について説明する。

第１図（ａ）〜（ｃ）は、本考案の一実施例による電
力用半導体素子を説明するための図であり、第１図
（ａ）は第３図（ｂ）に、第１図（ｂ）は第３図（ｃ）
に対応した図である。これらの図において、第３図と同
一符号は同一のものを示し、13はバランス抵抗となる不
純物濃度が低い高比抵抗ベース領域、14は半導体絶縁膜
で、第４図（ａ）に示すようにベース拡散工程に先立っ
て形成され、その後のベース拡散の際、第４図（ｂ）に
示すように上方からのベース不純物を遮断し、その両側
部からの不純物の横方向拡散により高比抵抗ベース領域
13を形成するためのものである。

ここでベース不純物領域３は、ベース拡散が終った段
階で横方向にも縦方向の７〜８割がた拡がるので、半導
体絶縁膜14の幅をベース拡散深さの1.5倍程度以下にし
ておけば、半導体絶縁膜14下の比抵抗が本来のベース領
域より高い領域13でつながって形成される。

次に作用効果について説明する。

このような電力用半導体素子ではベースバランス抵抗
としての高比抵抗ベース領域13により大電流動作におけ
る電流の片寄りを低減できるだけでなく、該領域13が第
２図に示すベース抵抗形成領域12のように横方向拡散分
を必要としないため、その形成の際に場所をとらずこの
ため素子の微細化が可能となる。また、バランス抵抗値
の制御をマスクパターン（半導体絶縁膜）14の変更のみ
で簡便に行なうことが可能である。

さらに第１図（ｃ）に示すように、領域13とエミッタ
領域４とを重ねることも可能であり、これにより占有面
積を大幅に縮小できるとともに大電流領域での電流増幅
率の改善がもたらされる。

この電流増幅率の改善について詳しく説明すると、大
電流領域で電流増幅率が低下する要因として、 １）コレクタ領域への中性ベース領域が広がることによ
り、実質的なベース幅が増大すること、 ２）エミッタからベースの荷電体の注入効率が低下する
こと、 ３）プレーナ接合で形成されたベース領域では表面近傍
部の不純物濃度が高く、ここの部分の電流増幅率は低い
こと の３つが挙げられる。ここでこのベース領域の表面近傍
部分では上述のように他の部分よりもエミッタ電流が流
れにくいため通常全体の電流増幅率に対する影響は小さ
いが、大電流動作では、前記1,2の項の要因により、ベ
ース領域の表面部以外の部分の電流増幅率が小さくな
り、かつ横方向に流れる電流成分が増すため、上記ベー
ス領域表面近傍部の電流増幅率の低さが全体の電流増幅
率に与える影響が大きくなり、より一層の電流増幅率の
低下が進むこととなる。しかしながら、第１図（ｃ）に
示すように、不純物濃度が低い高比抵抗ベース領域13と
エミッタ領域４とを重ねることにより、ベース領域３の
表面部の不純物濃度を下げることができ、この部分での
電流増幅率の低下を抑えることができる。

このように本実施例では、ベースバランス抵抗として
ベース領域３と同一導電型で該ベース領域より比抵抗が
高い高比抵抗領域13をベース拡散の際の不純物の横方向
拡散により形成したので、大電流動作における電流の片
寄りを抑制できるだけでなく、上記ベースバランス抵抗
の占有面積を小さくでき、さらに上記高比抵抗領域13を
エミッタ領域４に接して配置することにより大電流領域
での電流増幅率h_FEを改善できる。

なお、上記実施例では電力用トランジスタの例を取上
げて説明を行なったが、これは局所的な電流供給が行な
われ、細長い多数の櫛状の電極構造を有するバイポーラ
デバイスであれば、同様な効果があることは明らかであ
る。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、ベースバランス抵抗と
してベース領域と同一導電型で該ベース領域より比抵抗
が高い高比抵抗領域を設けたので、大電流動作における
電流の片寄りを抑制でき、かつ微細化可能な電力用半導
体素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例による電力用半導体素子を説
明するための図、第２図は従来のベース・バランス抵抗
を有する電力用半導体素子を示す図、第３図は従来の電
力用トランジスタを説明するための図、第４図はベース
不純物分布を説明するための図である。 ３……ベース領域、４……エミッタ領域、５……ベース
接続部、5a……ベース電極、６……エミッタ接続部、6a
……エミッタ電極、７……コレクタ高比抵抗領域、８…
…コレクタ低比抵抗領域、９……コレクタ電極、10……
絶縁膜、12……拡散領域、13……高比抵抗ベース領域、
14……半導体絶縁膜。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (3)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】その一方の端面から他方の端面に主電流が
   流れる縦型の電力用半導体素子において、 半導体領域上に形成され、荷電体の注入を引き起こすエ
   ミッタ及びベース領域と、 それぞれ該両領域に接続された櫛状のエミッタ及びベー
   ス電極と、 上記ベース領域のベース電極との接続部とエミッタ領域
   との間に該接続部を取り囲むように形成され、ベース領
   域と同じ導電型でかつ不純物濃度が該ベース領域より低
   い低濃度領域とを備えたことを特徴とする電力用半導体
   素子。
2. 【請求項２】上記ベース領域は半導体絶縁膜をマスクと
   して選択的に拡散して形成されたものであり、 上記低濃度領域は半導体領域上に選択的に狭い幅の半導
   体絶縁膜を形成した後、この絶縁膜下の半導体領域に、
   隣接領域からの横方向への拡散によって形成されたもの
   であることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項
   記載の電力用半導体素子。
3. 【請求項３】上記低濃度領域はエミッタ領域に接して配
   置したものであることを特徴とする実用新案登録請求の
   範囲第１項または第２項記載の電力用半導体素子。