JP2699079B2 - ゲートターンオフサイリスタ - Google Patents

ゲートターンオフサイリスタ

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JP2699079B2 JP63025585A JP2558588A JP2699079B2 JP 2699079 B2 JP2699079 B2 JP 2699079B2 JP 63025585 A JP63025585 A JP 63025585A JP 2558588 A JP2558588 A JP 2558588A JP 2699079 B2 JP2699079 B2 JP 2699079B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、ゲートターンオフ(以下、GTOと略記す
る。)サイリスタに関し、特に改良したアノードショー
ト構造を備えたGTOサイリスタに関するものである。
[従来の技術] ゲート信号によってオンまたはオフ動作をするGTOサ
イリスタの構造は周知であるが、さらにこのGTOサイリ
スタのターンオフ動作を良好に行なわせるために、PE
からのキャリアの注入を抑制する目的でアノードショー
ト構造が採用されている。
第4図は従来のアノードショート構造を有するGTOサ
イリスタの構造図であるが、概略以下の工程を経て製作
される。
すなわち、まず、例えばN型半導体基板を用意し、こ
の半導体基板の両主面にガリウム(3族不純物)をディ
ポジションした後、アノード側にショート構造を形成す
るために、リン(5族不純物)を選択的にディポジショ
ンする。
次いで、前記ガリウムおよびリンをドライブインして
中間層となる半導体基板自体の導電型であるNB層と、リ
ンによって選択的に形成されたN+層とを連通させるとと
もに、ガリウムによって半導体基板の両主面側にPE層と
PB層を形成する。
次に、半導体基板のPB層が形成された側の主面にリン
をディポジションした後、ドライブインしNE層を形成す
る。次いで、周知のフォトリソ技術を用いてNE層を複数
の島に分割するとともに、エッチングを進行させ、NE
を突き抜けてPB層に至る部分を形成し、すなわちエッチ
ングによる堀込みによりゲート部を形成する。第4図に
示すような段差を有するカソードエミッタ領域(NE)と
ゲート領域(PB)とする。
最後に所定の位置なアルミニウム等を蒸着させてアノ
ード電極、カソード電極、ゲート電極を形成することに
よりアノードショート構造を有するGTOサイリスタが完
成する。
[発明が解決しようとする問題点] 上記従来のアノードショート構造を有するGTOサイリ
スタには次のような問題点がある。
すなわち、エッチング液中に入れて上記の堀込みによ
るゲート部を形成する際、エッチング液との接触状態を
考慮した場合に半導体基板の中心部よりも半導体基板の
周辺部の方が絶えずエッチング液が流動しているため
に、基板の周辺部の方が深くエッチングされてしまう。
実際には半導体基板の中央部と周辺部とでは、上記エ
ッチングより約3〜4μm程度の深さの差が生じる。
上記のエッチング深さの差により半導体基板の周辺部
でのPB層の表面抵抗値(V/I)は中央部のそれに比較し
て大となり、その結果、ゲート電流値(Igt)が減少す
る。また、それに伴って順方向電圧降下値(VTM)も半
導体基板の中央部よりも周辺部の方が小さくなる。
上記の理由を第4図を参照にしてさらに詳細に述べ
る。
ここで、説明を容易にするために半導体基板1の中央
部のカソード電極をK1、その周辺部のカソード電極をK2
とする。また、半導体基板1の中央部近傍のゲート電極
をG1、その周辺部のゲート電極をG2とする。
さらに、カソード電極K1が形成されたカソードエミッ
タ層をNE1、カソード電極K2が形成されたカソードエミ
ッタ層をNE2とする。
そこで、第4図において、半導体基板1の中央部近傍
のゲート電極G1およびNE1層直下のPB層の横方向抵抗R2
と、PB層の周辺部の横方向抵抗R1とを比較した場合、そ
の抵抗値はR1>R2となる。これはPB層中の表面不純物濃
度が、深くエッチング除去された周辺部におけるR1の近
傍の方が中央部に近いR2の近傍よりも低くなるためであ
る。
すなわち、ゲート電極G2直下のPB層の表面不純物濃度
の方が低いので、このGTOサイリスタがターンオンして
いる定常時においては、半導体基板1のほぼ中央部のゲ
ート電極G1近傍よりもゲート電極G2の近傍の方が有効キ
ャリアの注入量が多く、中央部のカソード電極K1よりも
周辺部のカソード電極K2の方が順電圧降下値が低くな
る。
周知のようにGTOサイリスタの可制御電流耐量の大小
は、島状に分割された各カソードセグメントの順電圧降
下値およびゲート電流値のばらつきよって大きく左右さ
れる。すなわち、それらのばらつきが小さい場合には可
制御電流耐量は大きくなる。上記の可制御電流耐量を決
定する要因の一つとしては、多数の島に分割された各カ
ソードエミッタNE層のターンオフ特性を均一にすること
が挙げられ、このターンオフ特性の均一化が前記のばら
つきを小さくすることに結び付く。
ところで、アノードショート構造を有するGTOサイリ
スタにおけるターンオフ時の動作機構、およびアノード
ショート構造を有することによってターンオフ時間が短
くなるということについては既に良く知られている。す
なわち、ターンオフ時間が短いくなる要因として、PB
とNB層のP−N接合部近傍の残存キャリア濃度が大きく
左右する。
今、ゲートG−カソードK間を逆バイアスしてターン
オフ動作に移行したとすると、PB層からはゲートGにキ
ャリアが引き抜かれ、ゲートGから遠いNE層の中心部に
向って電流が絞り込まれることになる。時間の経過とと
もに、さらにPB層からキャリアが引き抜かれ、ついには
分割された各NE層はアノード電流の遮断状態となるが、
この遮断状態は各NE層が同時になされることが理想であ
る。
すなわち、殆どのNE層が遮断状態にあるのに、未だ導
通状態にあるNE層があると、このNE層にアノード電流が
集中してGTOサイリスタを破壊に到らしめることにな
る。
以上から第4図に示すような従来のGTOサイリスタで
は、半導体基板1の周辺部のカソード電極K2の近傍の方
がその中央部K1近傍よりもオン電圧が低く、従ってキャ
リアの注入量が多くターンオフ時にゲートGから引き抜
かなければならないキャリアの量が多くなり、結局、半
導体基板1の中央部のカソードエミッタNE1層よりも周
辺部のカソードエミッタNE2層の方がターンオフ時間が
長くなってしまう。
このことは周辺部に電流が集中し易いことを示し、可
制御電流耐量を大きくできないという問題点となる。
[発明の目的] この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、アノードショート構造を有するGTOサイ
リスタにおける順方向電圧降下値およびゲート電流値を
均一化し、可制御電流耐量を大きくしたGTOサイリスタ
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] この発明のGTOサイリスタは、半導体基板の中央部近
傍に形成されたN+層よりも半導体基板の周辺部近傍に形
成されたN+層の方がアノード側NB層中に深くなるように
形成したものである。
[作用] この発明のGTOサイリスタにおいては、半導体基板の
中央部に形成されたN+層よりも半導体基板の周辺部に形
成されたN+の方がBB層中に深く形成されるようにしたの
で、GTOサイリスタのターンオフ時においてはPE層から
のキャリアの注入を中央部に比較して抑制することがで
き、各分割カソードエミッタNE層での順電圧降下値を従
来構造に比較してバランスよくすることができる。ま
た、GTOサイリスタのターンオフ時においては、NB層中
の残存キャリアを、周辺部の方が深いアノードショート
構造とすることにより、より強く引き抜くことにより各
カソードセグメントのターンオフの均一化が可能とな
り、以上を総合して可制御電流耐量を大きくする。
[実施例] 以下に、この発明の実施例について説明する。
第1図Aは、この発明の第1の実施例を示すGTOサイ
リスタの構造図である。
図において、半導体基板1は従来と同様にPE−NB−PB
−NEの4層構造を備え、かつ、NE層は複数の島に分割配
置されている。また、PE層中に複数のN+層をNB層に到達
するように形成し、これらのN+層を介して前記NB層をア
ノード電極2に接触するようにしたアノードショート構
造を有している。そして、複数に分割されたNE層上に
は、それぞれカソード電極3を有し、前記NE層と段差を
設けて形成されたPB層上には、それぞれゲート電極4を
有する。
この発明のGTOサイリスタの特徴はアノードショート
構造を形成するためのN+層にある。
すなわち、半導体基板1の中央部近傍に形成されたN+
層よりも半導体基板1の周辺部近傍に形成されたN+層の
方がNB層中に深く入り込んでいるように形成したことで
ある。
これにより中央部に比較して周辺部の方が強いアノー
ドショート効果が得られ、結果的にGTOサイリスタにお
ける各カソードエミッタNE層の順方向電圧降下値および
ゲート電流値が均一化することができ、その結果、可制
御電流耐量を大きすることができる。
上記第1の実施例のGTOサイリスタは、例えば第1図
Bに示すような工程を経て製作される。
すなわち、まず、第1図Bの(イ)に示すようにN型
半導体基板10を用意し、ガリウムを拡散深さ約20μm、
表面抵抗値(V/I)約10Ωになるように両主面に拡散す
る。
次に、周知のフォトリソ技術を用いて第1図B(ロ)
に示すようにアノードショート部の堀込みを行なう。こ
の場合、堀込み11aよりも、より周辺部に近い堀込み11b
の方が、その堀込み深さが深く、実際には堀込み11aが
8μm、堀込み11bが10μm程度に形成される。これは
前述の理由により半導体基板10の中央部よりもその周辺
部の方がエッチングされる量が多いために、結果的に堀
込み深さの差が生じる。
上記の堀込み深さの差は、その部分の表面抵抗値の差
としてあらわれる。すなわち、堀込み11aの表面抵抗値
(V/I)は約25Ω、堀込み11bの表面抵抗値(V/I)は約3
5Ωとなる。
次に、第1図B(ハ)に示すように上記の工程で形成
されたアノードショートのための堀込み11a〜11cに5族
不純物であるリンをディポジションした後、リン拡散を
行なう。この場合、上記の堀込み11aと堀込み11bとの深
さの差は僅か2μmであるが、堀込み11bのガリウム濃
度は堀込み11aに比較して大きく減少しているので、リ
ン拡散によるアノードショート深さ12a、12bとでは、顕
著な差としてあらわれることになる。これはガリウム濃
度が大きいところにリン拡散を施した場合、リンの拡散
速度は小さくなり、逆にガリウム濃度が小さいところに
リン拡散を施した場合、リンの拡散速度は前者に比し大
きくなることによって助長されるためである。
次に、第1図B(ニ)に示すように半導体基板10の一
主面側にカソードエミッタ層を形成すべくリン拡散を行
ない、全面にNE層13を形成する。
次いで、NE層13を個々の島に分割するとともに、段差
を有するゲート部を形成するために、フォトリソ技術を
用いて、第1図B(ホ)に示すようにゲート部14a〜14c
の堀込みを行なう。このゲート部14a〜14cの堀込みは、
NE層13を突き抜けてPB層15に達する深さまで行なうが、
中央部と周辺部とのエッチング量の差によりその堀込み
深さは14a<14b<14cの関係となる。
次に、図示を省略したが半導体基板10のアノード側全
面にアルミニウム等を蒸着してアノード電極を形成し、
また、半導体基板10の他方のカソード側には互いに分割
したカソード電極および段差を有して複数のゲート電極
が設けられる。
以上の工程を経て第1図Aに示すような周辺部の方が
中央部よりも深さの深いN+層を有するアノードショート
構造を備えたGTOサイリスタが完成する。
尚、製作工程で図示したGTOサイリスタの形と第1図
Aに示したGTOサイリスタの形とは細部において若干異
なっているが、原理ないし動作は同一である。また、第
2図に示すGTOサイリスタは、第1図Aに示したGTOサイ
リスタの構造とほぼ同一であるが、アノード側の主面を
平坦に仕上げ同一厚さのアノード電極を設けるようにし
たもので、第1図Aと同一部分には同一符号が付してあ
る。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば半導体基板の中央部
近傍に形成されたN+層よりも半導体基板の周辺部近傍に
形成されたN+層の方がNB層中に深く形成されるようにし
たので、半導体基板の中央部に比較して周辺部の方が強
いアノードショート効果が得られ、結果的にGTOサイリ
スタにおける各カソードエミッタNE層の順方向電圧降下
値およびゲート電流値の均一化が図れ、可制御電流耐量
を大きすることができるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図Aは、この発明の第1の実施例を示すGTOサイリ
スタの構造図、第1図Bの(イ)ないし(ホ)は、その
製作工程図、第2図は、第1図Aの変形例を示すGTOサ
イリスタの構造図、第3図は、従来のGTOサイリスタの
構造図である。 1……半導体基板 2……アノード電極 3……カソード電極 4……ゲート電極

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】PE−NB−PB−NEの4層構造を備え、かつ、
    NE層は複数の島に分割分割配置されたゲートターンオフ
    サイリスタの一方の主面側のPE層を突き抜けてNB層に到
    達するような複数のN+層を分離形成し、これらのN+層を
    介して前記NB層をアノード電極に接触させたアノードシ
    ョート構造を有するゲートターンオフサイリスタにおい
    て、半導体基板の中央部近傍に形成されたNB層に到達す
    るN+層よりも前記半導体基板の周辺部近傍に形成された
    N+層の方がNB層中に深く形成されていることを特徴とす
    るゲートターンオフサイリスタ。
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