JP2822614B2 - ゲートターンオフサイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は自己消弧型スイッチング素子であるゲートタ
ーンオフサイリスタに関する。

B.発明の概要 本発明は、ハイブリッド構造のゲートターンオフサイ
リスタにおいて、 拡散ゲート層表面に、熱緩衝板と接触しない程度に十
分薄い金属ゲート薄膜をさらに設けることにより、 大きなアノード電流を短時間でターンオフできるよう
にする。

C.従来の技術 ゲートターンオフサイリスタ（以下GTOと略記する）
は、電力用自己消弧素子として、大電流制御分野でます
ます特徴を発揮しつつあり、現在では4500Aのアノード
電流をターンオフできるものが開発されている。

第４図は従来のGTOの積層構造の一例を示すもので、
１はＰ型エミッタ層、２はＮ型エミッタ層、３はＰ型ベ
ース層、４はＮ型エミッタ層である。Ｐ型エミッタ層１
の表面にはアノード電極５が形成され、Ｎ型エミッタ層
４の表面にはカソード電極６が形成され、Ｐ型ベース層
３の表面にはＮ型エミッタ層４を囲むようにゲート電極
７が形成されている。

ゲート電極７の配置例を第５図と第６図に示す。ゲー
ト電極７に囲まれたスリット部にＮ型エミッタ層４が形
成される。また、ゲート電極７は外部端子へ取り出す部
分以外は絶縁物８で覆われている。これは、カソード電
極６に熱緩衝板を圧接することにより外部へのカソード
端子が取り出されるので、熱緩衝板とゲート電極７との
間に短絡が発生するのを防止するためである。第４図の
ゲート構造は外部電極の取り出し部以外のゲート部にも
金属ゲート電極が構成されているのが特徴である（以下
メタルゲート構造と称する）。

その他の代表的なゲート構造としては、第７図及び第
８図に示すものがある。第７図のものは、外部電極の取
り出し以外のゲート部がエピタキシャル成長技術により
Ｐ型ベース層中に埋め込まれた高濃度Ｐ型拡散層からな
るＰ型ゲート拡散層9aとＰ型ゲート埋込み層9bが形成さ
れているのが特徴である（以下、埋込みゲート構造と称
する）。第８図のものは、外部電極の取り出し以外のゲ
ート部がＰ型ベース層３の表面に形成された高濃度Ｐ型
ゲート拡散層9aにより構成されているのが特徴である
（以下、拡散ゲート構造と称する）。

なお、埋込みゲート構造及び拡散ゲート構造のGTOに
おけるゲート部の配置は第５図と第６図に示したメタル
ゲート構造のGTOとほぼ同様である。

D.発明が解決しようとする課題 GTOはゲートにオフゲート電流を流すことによりター
ンオフできる素子である。このターンオフ時において、
オフゲート電流によってＰ型ベース層のキャリアを徐々
にゲート電極に引き抜いて、導通状態の領域を狭くして
最後にターンオフさせる。このアノード電流をターンオ
フさせる時に、徐々に狭められた導通領域にアノード電
流の集中が起こる。それで徐々に狭められる導通領域が
局部的に発生すると、その領域の部分で熱破壊が生じや
すい。それ故に、GTOのゲートには、Ｐ型ベース層のキ
ャリアを均一にすばやく引き抜くことが要求される。こ
の観点から前記ゲート構造について以下に述べる。

メタルゲート構造では、ゲート部がすべて金属ゲート
で構成されていて引き出し抵抗が低いため外部電極の取
り出し部より遠い部分でもキャリアをすばやく引き抜く
ことができる。ちなみに厚み10μｍのAlで電極を形成し
た場合、シート抵抗は約2.75×10^-3Ω／口である。この
ゲートの欠点はゲート部のＰ型ベース層表面に形成され
る溝の深さや幅のばらつき、及び金属ゲートの線幅のば
らつきにより生ずる不均一である。

なお、メタルゲートにおいて形成される溝は、前述の
ようにアノード電極に熱緩衝板を圧接したときに熱緩衝
板とゲート部との間で短絡しないように段差を設ける目
的で形成される。

埋め込みゲート構造及び拡散ゲート構造では、ゲート
部が精密な制御の可能な拡散層で構成されているため均
一性に優れている。このゲートの欠点はメタルゲート構
造とは逆に引き出し抵抗が高いことである。ちなみにボ
ロンをＰ型不純物としてSiに対する固溶止まで高濃度に
拡散すると、拡散深さ14μｍでシート抵抗は約５×10^-1
Ω／口で、メタルゲート構造より２ケタも高いシート抵
抗となる。

なお、埋め込みゲート構造てはもちろんのこと、拡散
ゲート構造でもゲート部に絶縁性薄膜を形成することに
より、前記のような熱緩衝板とゲート部との間の短絡を
防止することができるので、メタルゲート構造のように
Ｐ型ベース層表面に溝を形成する必要はない。

以上のようなゲート構造の欠点を補うため、メタルゲ
ート構造と埋め込みゲート構造を組み合わせた構造、も
しくはメタルゲート構造と拡散ゲート構造を組み合わせ
た構造（これらを以下ハイブリット・ゲート構造と称す
る）が考案されている。このハイブリット・ゲート構造
をもつGTOの概略断面図を第９図に、配置例を第10図と
第11図に示す。これらの図はメタルゲート構造と拡散ゲ
ート構造を組み合わせた例である。この構造は、Ｎ型エ
ミッタ層を第10図と第11図のように数十本づつ集めた単
位GTO群に分け、各単位GTO群の近くまで低抵抗の金属ゲ
ートが配され、単位GTO群内の各単位GTO（又は各Ｎ型エ
ミッタ層）の近傍には均一な拡散ゲートが配されてい
る。

ターンオフ時において、主にＮ型エミッタ付近のＰ型
ベース層のキャリアが拡散ゲートより均一に引き出さ
れ、さらに低抵抗の金属ゲートを通して外部端子へすみ
やかに引きぬかれる。

なお、熱緩衝板と金属ゲート部との間の短絡を防止す
るために、通常、金属ゲート部を形成するＰ型ベース層
の面のみ溝を設けるが、又は熱緩衝板の金属ゲート部に
対応する部分に溝を設けている。

このゲート構造はより均一ですみやかなＰ型ベース層
のキャリアの引き出しが要求される大電流GTOつまり大
口径のGTOに適している。このように優れたハイブリッ
ト・ゲート構造であるが、最大の欠点は、やはり拡散ゲ
ート部の引き出し抵抗が大きすぎることである。事実ハ
イブリット・ゲート構造を有するGTOのターンオフ破壊
モードを調べると、単位GTO群の中で金属ゲート部より
最も遠い単位GTOのスリットで、さらに金属ゲート部よ
り最も遠いスリットの部分で、電流集中により破壊する
モードが最も多い。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その
目的は、ハイブリット構造のゲートターンオフサイリス
タにおいて拡散ゲート層表面に熱緩衝板と接触しない程
度に十分に薄い金属ゲート薄膜を設けることにより、タ
ーンオフ特性に優れたゲートターンオフサイリスタを提
供することである。

E.課題を解決するための手段と作用 本発明は、上記目的を達成するために、Ｐ型エミッタ
層と、このＰ型エミッタ層に隣接するＮ型ベース層と、
このＮ型ベース層に隣接するＰ型ベース層と、このＰ型
ベース層の表面層へ部分的に細分化されて形成された複
数のＮ型エミッタ領域と、さらに前記Ｐ型ベース層の表
面層へ前記Ｎ型エミッタ領域を囲むように形成され前記
Ｐ型ベース層より低抵抗のＰ型ゲート領域を有し、前記
Ｐ型エミッタ層の表面にアノード金属電極を設け、前記
複数のＮ型エミッタ領域の各々の表面にカソード金属電
極を設け、前記Ｐ型ゲート領域の網状の主要な部分の表
面にゲート金属電極を設け、前記ゲート金属電極にゲー
ト信号を印加して前記アノード・カソード金属電極間の
電流をターンオンまたはターンオフするゲートターンオ
フサイリスタにおいて、前記Ｐ型ゲート領域の表面で前
記ゲート金属電極が形成されていない表面に金属薄膜を
設け、さらに前記ゲート金属電極の一部を除く前記Ｐ型
ゲート領域上の面に絶縁膜を設け、前記金属薄膜の厚み
に前記絶縁膜の厚みを加えた厚みが前記カソード金属電
極の厚みより薄くして、大きなアノード電流を短時間で
ターンオフできるようにする。

F.実施例 以下に本発明の実施例を第１図〜第３図を参照しなが
ら説明する。

第１図は本発明の実施例によるゲートターンオフサイ
リスタを示すもので、本実施例では、第９図〜第11図に
示すハイブリット・ゲート構造のゲートターンオフサイ
リスタにおいて、拡散ゲート層9aの表面に、熱緩衝板と
接触しない程度に十分薄い金属ゲート薄膜10をさらに設
けるとともに、精密なパターン状に絶縁薄膜であるSiO₂
膜11を設けたものである。

本実施例によるゲートターンオフサイリスタは次のよ
うにして作られる。

まず、Ｎ型ベース層２となる低不純物濃度のSiウエハ
ーを用い、このSiウエハーの両面からＰ型不純物（例え
ばAl,Ga,B）を拡散し、Ｐ型ベース層３とＰ型エミッタ
層１を形成する。次に、Ｐ型ベース層３の表面からＰ型
不純物（例えばＢ）をきわめて高濃度に選択的に拡散し
Ｐ型ゲート拡散層9aを形成する。さらに、Ｐ型ベース層
３の表面からＮ型不純物（例えばP,Sb）を高濃度に選択
的に拡散しＮ型エミッタ層４を形成する。次に、Siウエ
ハー表面に酸化ケイ素膜（SiO₂）を形成し、フォトリソ
グラフィの技術を用いて精密なパターン状にSiO₂膜11を
残す。次いで、Al蒸着（又はAlスパッタリング）により
アノード面に約15μｍ厚の電極５を形成する。さらにカ
ソード面に約１μｍ厚のAl蒸着を行い、フォトリソグラ
フィの技術により薄い金属ゲート10を形成する。このと
き同時にカソード電極６及びゲート電極７の外部端子へ
の取り出し部を除くカソード側の面を絶縁物８で覆う。
この単位GTO群内でのゲート引き出しシート抵抗はＰ型
ゲート拡散層9aと薄い金属ゲート10の抵抗を合わせて2.
6×10^-2Ω／口となり、従来のものの20分の１と十分に
低い。

第２図は本発明の他の実施例によるゲートターンオフ
サイリスタを示すもので、この実施例では、第８図に示
すハイブリッド・ゲート構造のゲートターンオフサイリ
スタにおいて、第１図のものと同様に構成したものであ
る。

前述した従来のハイブリッド構造の欠点である拡散ゲ
ート部の引き出し抵抗を補償するにはメタルゲート構造
のような厚い金属ゲートは必要ない。つまり、拡散ゲー
ト部の引き出し抵抗を通常の金属ゲートと同程度まで下
げる必要はない。拡散ゲートに比べてシート抵抗でもう
１桁も下げれば、特性の改善には十分である。

また、ハイブリッド・ゲート構造の拡散ゲート層の上
にあまり厚い金属ゲートを設けると、熱緩衝板と短絡し
てしまう。それ故に、拡散ゲート上に形成される金属ゲ
ートの厚みと、さらにその上に形成される絶縁物の厚み
の和は、カソード電極の厚みより薄くなければならな
い。

なお、拡散ゲート表面に構成する金属ゲートは、第３
図の部分拡大断面図のように拡散ゲート層9aと金属ゲー
ト10とのコンタクトする面積を絶縁膜（例えばSiO₂膜1
1）で制御すれば、拡散ゲートによる均一なキャリアの
引き出し能力と金属ゲートの低抵抗能力を同時に生かす
ことができる。

G.発明の効果 本発明は上述の如くであって、ハイブリット構造のゲ
ートターンオフサイリスタの拡散ゲート層表面に金属ゲ
ート薄膜を付設したから、大きなアノード電流を短時間
でターンオフできる高性能なゲートターンオフサイリス
タが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるゲートターンオフサイリ
スタの概略断面図、第２図は本発明の他の実施例による
ゲートターンオフサイリスタの概略断面図、第３図は本
発明の実施例によるゲートターンオフサイリスタの部分
拡大断面図、第４図は従来のゲートターンオフサイリス
タの概略断面図、第５図は第４図のゲートターンオフサ
イリスタの平面図、第６図は第５図の部分拡大図、第７
図は従来のゲートターンオフサイリスタの他の例を示す
概略断面図、第８図は従来のゲートターンオフサイリス
タのさらに他の例を示す概略断面図、第９図は従来のゲ
ートターンオフサイリスタのさらに他の例を示す概略断
面図、第10図は第９図のゲートターンオフサイリスタの
平面図、第11図は第10図の部分拡大図である。 １……Ｐ型エミッタ層、２……Ｎ型ベース層、３……Ｐ
型ベース層、４……Ｎ型エミッタ領域、５……アノード
電極、５……カソード電極、７……ゲート電極、８……
絶縁層、9a……Ｐ型ゲート拡散層、9b……Ｐ型ゲート埋
込み層、10……金属ゲート薄膜、11……絶縁薄膜。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｐ型エミッタ層と、このＰ型エミッタ層に
   隣接するＮ型ベース層と、このＮ型ベース層に隣接する
   Ｐ型ベース層と、このＰ型ベース層の表面層へ部分的に
   細分化されて形成された複数のＮ型エミッタ領域と、さ
   らに前記Ｐ型ベース層の表面層へ前記Ｎ型エミッタ領域
   を囲むように形成され前記Ｐ型ベース層より低抵抗のＰ
   型ゲート領域を有し、前記Ｐ型エミッタ層の表面にアノ
   ード金属電極を設け、前記複数のＮ型エミッタ領域の各
   々の表面にカソード金属電極を設け、前記Ｐ型ゲート領
   域の網状の主要な部分の表面にゲート金属電極を設け、
   前記ゲート金属電極にゲート信号を印加して前記アノー
   ド・カソード金属電極間の電流をターンオンまたはター
   ンオフするゲートターンオフサイリスタにおいて、 前記Ｐ型ゲート領域の表面で前記ゲート金属電極が形成
   されていない表面に金属薄膜を設け、さらに前記ゲート
   金属電極の一部を除く前記Ｐ型ゲート領域上の面に絶縁
   膜を設け、前記金属薄膜の厚みに前記絶縁膜の厚みを加
   えた厚みが前記カソード金属電極の厚みより薄くしたこ
   とを特徴とするゲートターンオフサイリスタ。
2. 【請求項２】請求項第１項のゲートターンオフサイリス
   タにおいて、前記Ｐ型ゲート領域の表面で前記ゲート金
   属電極が形成されていない表面に、あらかじめ一部を窓
   開けした絶縁薄膜を設け、しかる後金属薄膜を設けたこ
   とを特徴とするゲートターンオフサイリスタ。