JP2851027B2 - Semiconductor switching device having buffer - Google Patents

Semiconductor switching device having buffer

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JP2851027B2
JP2851027B2 JP28563693A JP28563693A JP2851027B2 JP 2851027 B2 JP2851027 B2 JP 2851027B2 JP 28563693 A JP28563693 A JP 28563693A JP 28563693 A JP28563693 A JP 28563693A JP 2851027 B2 JP2851027 B2 JP 2851027B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はゲートターンオフ(GT
O)サイリスタ、静電誘導サイリスタ(SIサイリス
タ)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGB
T)、MOS制御サイリスタ(MCT)等の電力用半導
体素子において、バッファ付構造のアノードあるいはア
ノードエミッタ構造を所定の短絡構造で設けてトレード
オフ関係にある他の特性に影響を与えないで点弧特性及
びターンオフ特性を改善した、高速、高効率のバッファ
を有する半導体スイッチング素子に関する。
The present invention relates to a gate turn-off (GT)
O) Thyristor, static induction thyristor (SI thyristor), insulated gate bipolar transistor (IGB)
T) In a power semiconductor device such as a MOS control thyristor (MCT), a buffered anode or anode-emitter structure is provided in a predetermined short-circuit structure to fire without affecting other characteristics having a trade-off relationship. The present invention relates to a semiconductor switching device having a high-speed and high-efficiency buffer with improved characteristics and turn-off characteristics.

【0002】[0002]

【従来の技術】ラッチアップさせてオン電圧を低く設定
し、更にターンオン時間及びターンオフ時間を短縮する
目的でpin型バッファ付アノード短絡構造を採用する
ことが特に、サイリスタにおいて一般的である。
2. Description of the Related Art It is common for thyristors to employ an anode short-circuit structure with a pin-type buffer for the purpose of latching up to set a low on-voltage and further reducing turn-on and turn-off times.

【0003】図27及び図28は1kHz以上の高周波動
作を目的とした場合の従来のGTOにおけるアノード短
絡構造例を模式的に示す。図27において1はカソード
領域、2はゲート領域、3はアノード領域、4はアノー
ド短絡領域を示す。また5はnバッファ層、6はnベー
ス層を示す。図28においてはアノード短絡領域4が多
数配置されている様子を示す。図27及び図28の構造
例では特性上ターンオフ特性で最もロスに関与するテー
ル時間が長く、従って、全体的なロスも大きい。
FIGS. 27 and 28 schematically show an example of an anode short-circuit structure in a conventional GTO for the purpose of operating at a high frequency of 1 kHz or more. 27, reference numeral 1 denotes a cathode region, 2 denotes a gate region, 3 denotes an anode region, and 4 denotes an anode short-circuit region. Reference numeral 5 denotes an n-buffer layer, and reference numeral 6 denotes an n-base layer. FIG. 28 shows how a large number of anode short-circuit regions 4 are arranged. In the structure examples of FIG. 27 and FIG. 28, the tail time related to the loss is longest in the turn-off characteristic, and the overall loss is also large.

【0004】また、図29及び図30は従来のSIサイ
リスタにおける短絡構造例を模式的に示す。
FIGS. 29 and 30 schematically show an example of a short circuit structure in a conventional SI thyristor.

【0005】図29の構造は、バッファ付構造において
は短絡抵抗が小さいため点弧しずらいか、あるいは点弧
しない(ラッチアップしない)という問題点がある。
The structure shown in FIG. 29 has a problem that it is difficult to fire or does not fire (latch up does not occur) because the short-circuit resistance is small in the structure with a buffer.

【0006】図31に図29のアノード短絡構造を用い
たバッファ付SIサイリスタにおいて点弧しずらい特性
の波形を模式的に示す。図32は点弧しない特性の模式
図、図33は測定回路の模式図である。
FIG. 31 schematically shows a waveform of a characteristic which makes it difficult to fire in the buffered SI thyristor using the anode short-circuit structure of FIG. FIG. 32 is a schematic diagram of a characteristic that does not fire, and FIG. 33 is a schematic diagram of a measurement circuit.

【0007】図34は図29の構造をバッファなしの構
造に適用した場合の電子の処理について示したものであ
る。nベース層(nB )6とpアノード領域(pE )3
との間の拡散電位に応じた空乏層がnベース層(nB
6中に拡がり、n+ アノード短絡領域4に電子がはき出
されるまでの短絡抵抗が発生し点弧する。
FIG. 34 shows electronic processing when the structure of FIG. 29 is applied to a structure without a buffer. n base layer (n B ) 6 and p anode region (p E ) 3
The depletion layer according to the diffusion potential between the n base layer (n B )
6 and short-circuit resistance is generated until electrons are expelled into the n + anode short-circuit region 4 to ignite.

【0008】図35には、図29の構造をバッファ付構
造例に適用した場合の電子の処理について示したもので
ある。nバッファ層5とpアノード領域(pエミッタ)
(pE )3との間に発生する空乏層幅は狭く、nベース
層6とnバッファ層5に残留した電子をアノード短絡領
域4のn+ 領域にはき出す間に発生する短絡抵抗はかな
り小さい。従って、電子は、pアノード領域(pE )3
からの正孔の注入が起こらない内にほとんどアノード短
絡領域(n+ )4にはき出されてしまい、点弧しずらい
かあるいは点弧しない特性となる。
FIG. 35 shows electronic processing when the structure of FIG. 29 is applied to an example of a structure with a buffer. N buffer layer 5 and p anode region (p emitter)
(P E ) 3, the width of the depletion layer is small, and the short-circuit resistance generated while electrons remaining in n base layer 6 and n buffer layer 5 are extruded to n + region of anode short-circuit region 4 is considerably small. . Therefore, the electrons travel to the p anode region (p E ) 3
Almost no holes are injected into the anode short-circuit region (n + ) 4 before the holes are injected from the anode, resulting in a characteristic that the firing is difficult or impossible.

【0009】図30におけるアノード短絡構造例は図2
9の構造例に比べて点弧特性は優れているが、高周波動
作時に発生する熱損失としてはターンオフ損失の割合が
大きくなり、総合発生損失が大きくなる。それはオン状
態において存在したnベース層(nB )6中の電子の処
理をキャリアのライフタイム制御に依存しており、ライ
フタイム制御を行うことによって生ずるオン電圧の上
昇、リーク電流の増大等によって総合損失が上昇してい
るからである。
FIG. 2 shows an example of the anode short-circuit structure shown in FIG.
Although the ignition characteristics are excellent as compared with the structure example of No. 9, the ratio of the turn-off loss as the heat loss generated at the time of high-frequency operation is increased, and the total generated loss is increased. It depends on the carrier lifetime control for the processing of the electrons in the n base layer (n B ) 6 which existed in the ON state, and an increase in the ON voltage and an increase in the leak current caused by the lifetime control. This is because the total loss has increased.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はpin
型のバッファ付アノード短絡構造において、点弧特性を
改善し、かつターンオン特性に悪影響を与えず、ターン
オフ特性においてテール特性を改善したバッファを有す
る半導体スイッチング素子を提供することにある。
The object of the present invention is to provide a pin
It is an object of the present invention to provide a semiconductor switching element having a buffer in which the ignition characteristics are improved and the turn-on characteristics are not adversely affected, and the tail characteristics are improved in the turn-off characteristics in a buffered anode short-circuit structure.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の構成は以下に示
す通りである。即ち、バッファを有する半導体スイッチ
ング素子において、低抵抗率の接合深さを相対的に浅く
形成されたp+層(相対的に浅い接合深さを有するpア
ノード領域(pE2)(31))と、低抵抗率または所
定の低い抵抗率の接合深さを相対的に浅く形成されたn
+層(アノード短絡領域4)とを縦方向に交互に配置
し、前記接合深さを相対的に浅く形成されたp+層(3
1)及びn+層(4)に対して横方向に低抵抗率の接合
深さを相対的に深く形成されたp+層(相対的に深い接
合深さを有するpアノード領域(pE1)(30))を
周期的に配置したアノードエミッタ短絡構造を具備する
ことを特徴とするバッファを有する半導体スイッチング
素子としての構成を有するものである。
The construction of the present invention is as follows. That is, in a semiconductor switching element having a buffer, a low resistivity p + layer (p anode region (pE2) (31) having a relatively shallow junction depth) having a relatively shallow junction depth, The resistivity or the junction depth of a predetermined low resistivity is relatively shallowly formed n
+ Layers (anode short-circuit areas 4) are alternately arranged in the vertical direction, and the p + layer (3
1) and ap + layer (p anode region (pE1) (30) having a relatively deep junction depth formed with a relatively low junction depth in the lateral direction relative to the n + layer (4). ) Is provided as a semiconductor switching element having a buffer, characterized by having an anode-emitter short-circuit structure in which the semiconductor switching elements are periodically arranged.

【0012】[0012]

【実施例】図1乃至図3に本発明のアノード短絡構造を
示す。図1は本発明の第1の実施例としてのエピタキシ
ャル成長により形成したnバッファ(エピバッファ)を
有する半導体スイッチング素子の模式的断面構造図と対
応する不純物分布図を示す。図2は本発明の第2の実施
例としての拡散工程とエピタキシャル成長により形成し
たnバッファ(拡散+エピバッファ)を有する半導体ス
イッチング素子の模式的断面構造図と不純物分布図であ
る。図3は本発明の第3の実施例としての拡散工程によ
り形成したnバッファ(拡散バッファ)を有する半導体
スイッチング素子の模式的断面構造図と不純物分布図で
ある。図4はエピバッファにおけるアノード短絡構造近
傍の不純物濃度分布を示す。図1乃至図3において1は
カソード領域(nE )、2は埋込みゲート領域
(pB )、30は相対的に深い接合深さを有するpアノ
ード領域(pE1)、31は相対的に浅い接合深さを有す
るpアノード領域(pE2)、4はアノード短絡領域
(n)、5はnバッファ層、6はnベース層(nB )を
示す。
1 to 3 show an anode short-circuit structure according to the present invention. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure diagram and a corresponding impurity distribution diagram of a semiconductor switching element having an n-buffer (epi-buffer) formed by epitaxial growth as a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional structure diagram and impurity distribution diagram of a semiconductor switching element having an n-buffer (diffusion + epi-buffer) formed by a diffusion process and epitaxial growth as a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram and impurity distribution diagram of a semiconductor switching element having an n-buffer (diffusion buffer) formed by a diffusion process according to a third embodiment of the present invention. FIG. 4 shows an impurity concentration distribution near the anode short-circuit structure in the epi-buffer. 1 to 3, reference numeral 1 denotes a cathode region (n E ), 2 denotes a buried gate region (p B ), 30 denotes a p anode region (p E1 ) having a relatively deep junction depth, and 31 denotes a relatively shallow region. A p-anode region (p E2 ) having a junction depth, 4 is an anode short-circuit region (n), 5 is an n-buffer layer, and 6 is an n-base layer (n B ).

【0013】 点弧特性に関してはpアノード領域
(pE )を相対的に深い接合深さを有するpアノード領
域(pE1)と相対的に浅い接合深さを有するpアノード
領域(pE2)とから形成し、アノード短絡領域(n,
4)は例えば6μm×9μm程度の面積に微細化するこ
とによって短絡抵抗が発生し、pアノード領域(pE1
E2)から正孔が注入され良好な点弧特性が得られる。
[0013] Regarding the ignition characteristics, the p anode region (p E ) is divided into a p anode region (p E1 ) having a relatively deep junction depth and a p anode region (p E2 ) having a relatively shallow junction depth. And the anode short-circuit region (n,
In 4), for example, when the area is reduced to about 6 μm × 9 μm, a short-circuit resistance occurs, and the p anode region (p E1 ,
Holes are injected from p E2 ) to obtain good ignition characteristics.

【0014】 ターンオン特性はpアノード領域に短
絡領域を設けてない構造と比較して、ほとんど差はな
く、同様の特性が得られる。
There is almost no difference in the turn-on characteristics as compared with a structure in which no short-circuit region is provided in the p-anode region, and similar characteristics can be obtained.

【0015】 ターンオフ特性におけるテール電流特
性は後述する如く2段階に電子を処理する過程で説明す
ることができる(図6及び図7)。
The tail current characteristic in the turn-off characteristic can be described in a process of processing electrons in two stages as described later (FIGS. 6 and 7).

【0016】図5は本発明のバッファを有する半導体ス
イッチング素子におけるアノード短絡構造部分の拡大図
である。
FIG. 5 is an enlarged view of an anode short-circuit structure in a semiconductor switching device having a buffer according to the present invention.

【0017】図6及び図7は、テール期間中のnベース
層(nB )6とnバッファ層5内に蓄積された電子をア
ノード側にはき出す動作原理を説明するためのものであ
り、図6はI段階の説明図(図5のA−A′における断
面に相当)を示し、図7はII段階の説明図(図5のB−
B′における断面に相当)を示す。
FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the principle of operation in which electrons accumulated in the n base layer (n B ) 6 and the n buffer layer 5 during the tail period are discharged to the anode side. 6 is an explanatory view of the I stage (corresponding to the cross section taken along the line AA 'in FIG. 5), and FIG. 7 is an explanatory view of the II stage (B-B in FIG. 5).
B ′).

【0018】テール期間中に電子をより早く消滅させる
ことが素子のターンオフ損失を減らす大きな要因とな
り、素子の高速化にもつながる。
Eliminating electrons earlier during the tail period is a major factor in reducing the turn-off loss of the device, and also leads to a higher speed of the device.

【0019】電子をアノードにはき出す過程を本発明の
バッファを有する半導体スイッチング素子のアノード短
絡構造では2段階に分けて行なっているが、以下に説明
する。
The process of discharging electrons to the anode is performed in two stages in the anode short-circuit structure of the semiconductor switching device having the buffer according to the present invention, which will be described below.

【0020】〔I段階〕相対的に深い接合深さを有する
pアノード領域(pE1)30とnバッファ層5との間に
発生する拡散電位によってnバッファ層5中に空乏層が
発生することを利用した。つまり、nベース層(nB
6とnバッファ層5内に蓄積された電子はポテンシャル
が低い所に移動しようとするので、相対的に深い接合深
さを有するpアノード領域(pE1)30と相対的に浅い
接合深さを有するpアノード領域(pE2)31の間に流
れ込む。
[Step I] A depletion layer is generated in the n-buffer layer 5 due to a diffusion potential generated between the p-anode region (p E1 ) 30 having a relatively deep junction depth and the n-buffer layer 5. Was used. That is, the n base layer (n B )
6 and the electrons accumulated in the n-buffer layer 5 tend to move to a lower potential, so that the p anode region (p E1 ) 30 having a relatively deep junction depth and the relatively shallow junction depth It flows between the p anode regions (p E2 ) 31 which have the same.

【0021】〔II段階〕相対的に深い接合深さを有する
pアノード領域(pE1)30と相対的に浅い接合深さを
有するpアノード領域(pE2)31の間は、相対的に浅
い接合深さを有するpE2層(31)とpE2層(31)間
に相対的に浅い接合深さを有するn+ アノード短絡領域
4が存在するため、I段階で述べた動作と同様に相対的
に浅い接合深さを有するpアノード領域(pE2)31と
nバッファ層5間の拡散電位によってnバッファ層5中
に空乏層が発生し、n+ アノード短絡領域4に対して高
いポテンシャルを形成する。従って、電子はpE2層(3
1)とpE2層(31)間のn+ アノード短絡領域4に流
れ込み、やがて、アノード側にはき出される。
[Step II] A relatively shallow region is formed between the p anode region (p E1 ) 30 having a relatively deep junction depth and the p anode region (p E2 ) 31 having a relatively shallow junction depth. Since the n + anode short-circuit region 4 having a relatively shallow junction depth exists between the p E2 layer (31) having the junction depth and the p E2 layer (31), the relative short-circuit region is formed in the same manner as the operation described in the I stage. A depletion layer is generated in the n-buffer layer 5 due to the diffusion potential between the p-anode region (p E2 ) 31 having a relatively shallow junction depth and the n-buffer layer 5, and a high potential is applied to the n + anode short-circuit region 4. Form. Therefore, the electrons are in the p E2 layer (3
It flows into the n + anode short-circuit region 4 between 1) and the p E2 layer (31), and is eventually discharged to the anode side.

【0022】I段階とII段階をへて、nベース層
(nB )6とnバッファ層5内に残留した電子をアノー
ド側にはき出し、アノード側からの正孔の注入を抑制し
テール電流を小さくし、テール時間を短くすることが可
能となる。
After the stages I and II, the electrons remaining in the n base layer (n B ) 6 and the n buffer layer 5 are discharged to the anode side to suppress the injection of holes from the anode side and reduce the tail current. It is possible to reduce the size and tail time.

【0023】図8乃至図11に様々なデバイスに適用し
た例を示す。図8は本発明をGTOに適用した実施例で
あり、図8において1はGTOのカソード領域
(nE )、2はゲート領域(pB )、30は相対的に接
合深さの深いpアノード領域(pE1)、31は相対的に
接合深さの浅いpアノード領域(pE2)、4はn+ アノ
ード短絡領域、5はnバッファ層、6はnベース層(n
B )である。図9は本発明を埋込みゲート型SIサイリ
スタに適用した実施例を示す図である。各参照番号は図
8と同様に対応しているため各領域の説明は省略する。
図9ではゲート領域2が埋込み構造となっている。図1
0は本発明を表面ゲート型SIサイリスタに適用した実
施例を示す図である。各参照番号は図8,図9と同様に
対応している。図10ではゲート領域2は表面ゲート構
造となっている。図11は本発明をIGBTに適用した
実施例を示す図である。各参照番号は図8,図9,図1
0と同様に対応している。但し、7はIGBTのpベー
ス層(pB )、8はIGBTのnコレクタ領域
(nE )、9はIGBTのゲート電極である。
8 to 11 show examples applied to various devices. FIG. 8 shows an embodiment in which the present invention is applied to a GTO. In FIG. 8, 1 is a cathode region (n E ) of GTO, 2 is a gate region (p B ), and 30 is a p anode having a relatively deep junction depth. A region (p E1 ), 31 is a p anode region (p E2 ) having a relatively shallow junction depth, 4 is an n + anode short-circuit region, 5 is an n buffer layer, and 6 is an n base layer (n
B ). FIG. 9 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to a buried gate type SI thyristor. Since the reference numbers correspond to those in FIG. 8, the description of each area is omitted.
In FIG. 9, the gate region 2 has a buried structure. FIG.
0 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to a surface gate type SI thyristor. Each reference number corresponds to FIG. 8 and FIG. In FIG. 10, the gate region 2 has a surface gate structure. FIG. 11 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to an IGBT. 8, 9 and 1
Corresponds to 0. Here, 7 is a p base layer (p B ) of the IGBT, 8 is an n collector region (n E ) of the IGBT, and 9 is a gate electrode of the IGBT.

【0024】本発明のバッファを有する半導体スイッチ
ング素子として、埋込みゲート型バッファ付SIサイリ
スタを例として製造方法を図12乃至図20を用いて説
明する。
A method of manufacturing a semiconductor switching element having a buffer according to the present invention will be described with reference to FIGS.

【0025】(a) nベース層6に対してnバッファ
層5を図12乃至図14に示す3種類の方法にて形成す
る。即ち、図12はエピタキシャル成長法、図13は拡
散+エピタキシャル成長法、図14は拡散法によってそ
れぞれnバッファ層5を形成する工程図である。各工程
図中にはnバッファ層5及びnベース層6内の不純物密
度分布も模式的に図示されている。nバッフア層5の形
成工程の違いによって、それぞれ相異なる不純物分布密
度を生じている様子がわかる。
(A) The n-buffer layer 5 is formed on the n-base layer 6 by three methods shown in FIGS. 12 is a process chart for forming the n-buffer layer 5 by the epitaxial growth method, FIG. 13 is a process for forming the n-buffer layer 5 by the diffusion + epitaxial growth method, and FIG. In each process diagram, the impurity density distribution in the n buffer layer 5 and the n base layer 6 is also schematically shown. It can be seen that different impurity distribution densities occur depending on the difference in the process of forming the n-buffer layer 5.

【0026】(b) 次に、ゲート領域となるpB 層2
と相対的に接合深さの深いpアノード領域となるpE1
30を形成する(図15)。
(B) Next, the p B layer 2 serving as a gate region
Then, a p E1 layer 30 serving as a p anode region having a relatively deep junction depth is formed (FIG. 15).

【0027】(c) 次に、エピタキシャル成長により
埋込みゲート領域となるpB 層2をエピタキシャル成長
層10により埋め込む(図16)。
[0027] (c) Next, the p B layer 2 serving as the buried gate region by epitaxial growth embedding by epitaxial growth layer 10 (FIG. 16).

【0028】(d) 次に、カソード領域となるnE
1を形成する(図17)。
(D) Next, an n E layer 1 serving as a cathode region is formed (FIG. 17).

【0029】(e) アノード短絡構造として、相対的
に接合深さの浅いpアノード領域となるpE2層31を形
成する(図18)。
(E) As an anode short-circuit structure, a p E2 layer 31 is formed as a p anode region having a relatively shallow junction depth (FIG. 18).

【0030】(f) 次に、同様にアノード短絡構造と
して、相対的に浅い接合深さを有するアノード短絡領域
4(n+ )を形成する(図19)。
(F) Next, similarly, as an anode short-circuit structure, an anode short-circuit region 4 (n + ) having a relatively shallow junction depth is formed (FIG. 19).

【0031】(g) 実施したアノード短絡領域(n
+)4及びpE1層30、pE2層31の寸法例を図20
に示す。寸法6μm×9μmのn+アノード短絡領域4
を縦に22μmのピッチ、横に32μmのピッチで形成
した。
(G) The anode short-circuit region (n
+) 4 and dimensions of the pE1 layer 30 and the pE2 layer 31 are shown in FIG.
Shown in N + anode short-circuit region 4 with dimensions of 6 μm × 9 μm
Was formed at a pitch of 22 μm vertically and 32 μm horizontally.

【0032】バッファを有する半導体スイッチング素子
して、埋込みゲート型SIサイリスタ(図9)を試作し
て結果を図21乃至図26に示す。エピタキシャル成長
により形成したnバッファ層5(エピバッファ)の抵抗
率に対するオン電圧VTMの分布(デバイスの直径φ32
μmの場合)を図21に示す。エピバッファの抵抗率が
1.0Ω・cmで約VTM=3.5V(600A)、10
Ω・cmで約VTM=3.0V(600A)が得られてい
る。エピバッファの抵抗率が高くなる程オン電圧VTM
低下する傾向がある。
As a semiconductor switching element having a buffer, a buried gate type SI thyristor (FIG. 9) was experimentally manufactured, and the results are shown in FIGS. Distribution of ON voltage VTM with respect to resistivity of n-buffer layer 5 (epi-buffer) formed by epitaxial growth (device diameter φ32
(in the case of μm) is shown in FIG. When the resistivity of the epi-buffer is 1.0 Ω · cm, about V TM = 3.5 V (600 A), 10
About V = 3.0 V (600 A) is obtained at Ω · cm. The ON voltage VTM tends to decrease as the resistivity of the epibuffer increases.

【0033】図22には、図21にて作製したデバイス
の耐圧を示す。エピバッファの抵抗率が1.0Ω・cm
で約3kV、10.0Ω・cmで約1.6kVの耐圧が
得られている。
FIG. 22 shows the breakdown voltage of the device manufactured in FIG. Epibuffer resistivity is 1.0Ω · cm
And a withstand voltage of about 1.6 kV is obtained at 10.0 Ω · cm.

【0034】図23及び図24には、1.0Ω・cmの
エピバッファの場合の点弧特性を示す。図23は時間依
存性を示し、図24はV−I特性を示す。IA =600
AでVTM=3.5Vが得られている。
FIG. 23 and FIG. 24 show the ignition characteristics in the case of an epi-buffer of 1.0 Ω · cm. FIG. 23 shows time dependence, and FIG. 24 shows VI characteristics. I A = 600
At A, V TM = 3.5 V was obtained.

【0035】図25には、オン電圧VTMに対するターン
オフロスEoff (mJ/パルス)の比較を示す。即ち、
図27及び図30に示した従来例のアノード短絡構造と
本発明の構造との比較を示す。スイッチング条件は12
50V/300AでスナバーコンデンサCS は0.1μ
F、VDM(オーバーシュートピーク電圧)は1670V
に合わせた。本発明の構造例ではターンオフロスEoff
がVTM=3.5Vで図30に示した従来例と比較しても
約1/2に低減されている。
FIG. 25 shows a comparison of the turn-off loss E off (mJ / pulse) with respect to the ON voltage VTM . That is,
30 shows a comparison between the conventional anode short-circuit structure shown in FIGS. 27 and 30 and the structure of the present invention. Switching condition is 12
50V / snubber capacitor C S at 300A is 0.1μ
F, V DM (overshoot peak voltage) is 1670V
I adjusted to. In the structure example of the present invention, the turn-off loss E off
However, when V TM = 3.5 V, it is reduced to about し て も as compared with the conventional example shown in FIG.

【0036】図25において、ターンオフロスが本発明
の構造の方が小さい理由は、テール期間中においてnベ
ース層(nB )6とnバッファ層5に残留した電子が図
6及び図7において説明した2段階の処理で素早くアノ
ード側に引き出されるためである。
Referring to FIG. 25, the reason why the structure of the present invention has a smaller turn-off loss is that electrons remaining in the n base layer (n B ) 6 and the n buffer layer 5 during the tail period are explained with reference to FIGS. This is because the two-stage process quickly pulls out the anode.

【0037】図26にオン電圧VTMが約3.5Vの3種
類のデバイスのターンオフ波形の比較を示す。ターンオ
フスイッチング条件は図25と同様で、1250V/3
00A、スナバーコンデンサCS は0.1μF、V
DM(オーバーシュートピーク電圧)は1670V、12
5℃である。本発明の構造では明らかにテール時間が短
く、テール電流が小さくなっている。
FIG. 26 shows a comparison of turn-off waveforms of three types of devices having an on-voltage VTM of about 3.5 V. The turn-off switching conditions are the same as in FIG.
00A, snubber capacitor C S is 0.1 μF, V
DM (overshoot peak voltage) is 1670V, 12
5 ° C. In the structure of the present invention, the tail time is clearly short, and the tail current is small.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、pin型サイリスタの
アノード構造においてアノードp層を周期的に配置し、
その間を縦方向にアノードp層よりも相対的に接合深さ
の浅いp層とn層を交互に配置した構成とすることによ
り、サイリスタをオンからオフさせる時にベース層に残
った多数キャリアをアノード間に効率良く引き出しテー
ル時間を短縮することができる。即ち、本発明によれば
点弧特性を改善し、かつターンオン特性に悪影響を与え
ることなくターンオフ特性においてテール特性を改善
し、結果的にターンオフ損失が低減されターンオフ時間
の短縮されたバッファを有する半導体スイッチング素子
を提供することができる。
According to the present invention, an anode p-layer is periodically arranged in an anode structure of a pin thyristor,
The p-layer and the n-layer having a junction depth relatively smaller than the anode p-layer are alternately arranged in the vertical direction, so that the majority carriers remaining in the base layer when the thyristor is turned off from on are removed. The tail time for pulling out can be efficiently reduced in between. That is, according to the present invention, a semiconductor having a buffer having improved ignition characteristics and improved tail characteristics in turn-off characteristics without adversely affecting turn-on characteristics, resulting in reduced turn-off loss and reduced turn-off time A switching element can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例としてのエピバッファを
有する半導体スイッチング素子の模式的断面構造図と対
応する不純物分布図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional structural view of a semiconductor switching element having an epi-buffer as a first embodiment of the present invention and a corresponding impurity distribution diagram.

【図2】本発明の第2の実施例としての拡散+エピバッ
ファを有する半導体スイッチング素子の模式的断面構造
図と不純物分布図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional structure diagram and an impurity distribution diagram of a semiconductor switching element having a diffusion + epi buffer as a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施例としての拡散バッファを
有する半導体スイッチング素子の模式的断面構造図と不
純物分布図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram and an impurity distribution diagram of a semiconductor switching element having a diffusion buffer according to a third embodiment of the present invention.

【図4】エピバッファにおけるアノード短絡の不純物濃
度分布図である。
FIG. 4 is an impurity concentration distribution diagram of a short-circuited anode in an epi-buffer.

【図5】アノード短絡構造を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an anode short-circuit structure.

【図6】テール期間中の電子の処理を示す図であって、
I段階(図5におけるA−A′)を示す。
FIG. 6 is a diagram showing processing of electrons during a tail period,
The I stage (AA ′ in FIG. 5) is shown.

【図7】テール期間中の電子の処理を示す図であって、
II段階(図5におけるB−B′)を示す。
FIG. 7 is a diagram showing electronic processing during a tail period,
The stage II (BB 'in FIG. 5) is shown.

【図8】本発明をGTOに適用した実施例を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to a GTO.

【図9】本発明を埋込みゲート型SIサイリスタに適用
した実施例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to a buried gate SI thyristor.

【図10】本発明を表面ゲート型SIサイリスタに適用
した実施例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to a surface gate type SI thyristor.

【図11】本発明をIGBTに適用した実施例を示す図
である。
FIG. 11 is a diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to an IGBT.

【図12】エピタキシャル成長法によるバッファ形成工
程図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a buffer forming process by an epitaxial growth method.

【図13】拡散+エピタキシャル成長法によるバッファ
形成工程図である。
FIG. 13 is a view showing a buffer forming process by diffusion + epitaxial growth method.

【図14】拡散法によるバッファ形成工程図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a buffer forming process by a diffusion method.

【図15】ゲート領域となるpB 層2と相対的に接合深
さの深いpアノード領域となるpE1層30の形成工程図
である。
FIG. 15 is a process diagram of forming a p E1 layer 30 serving as a p anode region having a relatively deep junction depth with a p B layer 2 serving as a gate region.

【図16】埋込みゲートエピタキシャル工程図である。FIG. 16 is a view showing a buried gate epitaxial process.

【図17】カソード領域となるnE 層1の形成工程図で
ある。
FIG. 17 is a process chart of forming an n E layer 1 serving as a cathode region.

【図18】相対的に接合深さの浅いpアノード領域とな
るpE2層31の形成工程図である。
FIG. 18 is a process diagram of forming a p E2 layer 31 to be a p anode region having a relatively shallow junction depth.

【図19】アノード短絡領域4(n+ )の形成工程図で
ある。
FIG. 19 is a process chart of forming an anode short-circuit region 4 (n + ).

【図20】アノード短絡領域4(n+ )及びpE1層3
0,pE2層31の寸法概要図である。
FIG. 20: Anode short-circuit region 4 (n + ) and p E1 layer 3
FIG. 3 is a schematic diagram of dimensions of a 0, p E2 layer 31.

【図21】エピバッファの抵抗率(Ω・cm)に対する
オン電圧(VTM)の分布を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing a distribution of an on-voltage (V ) with respect to a resistivity (Ω · cm) of an epi-buffer.

【図22】エピバッファの抵抗率(Ω・cm)に対する
デバイスの耐圧を示す図である。
FIG. 22 is a diagram showing the withstand voltage of the device with respect to the resistivity (Ω · cm) of the epibuffer.

【図23】1.0Ω・cmのエピバッファにおける点弧
特性の時間依存性を示す図である。
FIG. 23 is a diagram showing the time dependence of the ignition characteristics in an epi-buffer of 1.0 Ω · cm.

【図24】1.0Ω・cmのエピバッファにおける点弧
特性のV−I特性を示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing VI characteristics of firing characteristics in an epi buffer of 1.0 Ω · cm.

【図25】オン電圧(VTM)に対するターンオフロスの
比較を示す図である。
FIG. 25 is a diagram showing a comparison of a turn-off loss with respect to an on-voltage (V ).

【図26】オン電圧(VTM)が約3.5Vの3種類のデ
バイスに対するターンオフ特性波形比較を示す図であ
る。
FIG. 26 is a diagram showing a comparison of turn-off characteristic waveforms for three types of devices having an on-voltage (V ) of about 3.5V.

【図27】従来のGTOのバッファ付のアノード短絡構
造例を示す図である。
FIG. 27 is a diagram showing an example of a conventional anode short circuit structure with a buffer of a GTO.

【図28】従来のGTOの例(アノード側の平面図)で
ある。
FIG. 28 is an example of a conventional GTO (a plan view on the anode side).

【図29】従来のSIサイリスタの構造例(SI短絡構
造)である。
FIG. 29 is a structural example of a conventional SI thyristor (SI short-circuit structure).

【図30】従来のSIサイリスタの構造例(波形アノー
ド構造)である。
FIG. 30 is a structural example (waveform anode structure) of a conventional SI thyristor.

【図31】図29のアノード短絡のバッファ付SIサイ
リスタにおいて点弧しずらい特性の波形を示す図であ
る。
31 is a diagram showing waveforms of characteristics that make it difficult to fire in the buffered SI thyristor with the anode short circuit shown in FIG. 29.

【図32】図29のアノード短絡のバッファ付SIサイ
リスタにおいて点弧しない特性の波形を示す図である。
32 is a diagram showing a waveform of a characteristic of not firing in the buffered SI thyristor with the anode short circuit of FIG. 29;

【図33】図29のアノード短絡のバッファ付SIサイ
リスタにおける点弧波形の測定回路を示す図である。
FIG. 33 is a diagram showing a circuit for measuring a firing waveform in the buffered SI thyristor with the anode short circuit shown in FIG. 29;

【図34】図29のアノード短絡におけるバッファなし
の場合の静電誘導効果を示す図である。
34 is a diagram showing an electrostatic induction effect in the case where there is no buffer in the anode short circuit of FIG. 29.

【図35】図29のアノード短絡におけるバッファ付の
場合の静電誘導効果を示す図である。
FIG. 35 is a diagram illustrating an electrostatic induction effect in a case where a buffer is provided when the anode is short-circuited in FIG. 29;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カソード領域(nE ) 2 ゲート領域(pB ) 3 アノード領域(pE ) 4 アノード短絡領域(n+ ) 5 nバッファ層 6 nベース層(nB ) 7 IGBTのpベース層(pB ) 8 IGBTのnコレクタ領域(nE ) 9 IGBTのゲート領域 10 エピタキシャル成長層 30 相対的に接合深さの深いpアノード領域(pE1) 31 相対的に接合深さの浅いpアノード領域(pE2Reference Signs List 1 cathode region (n E ) 2 gate region (p B ) 3 anode region (p E ) 4 anode short-circuit region (n + ) 5 n buffer layer 6 n base layer (n B ) 7 IGBT p base layer (p B) 8) n collector region (n E ) of IGBT 9 gate region of IGBT 10 epitaxial growth layer 30 p anode region (p E1 ) 31 having relatively large junction depth 31 p anode region (p E2 ) having relatively small junction depth )

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 バッファを有する半導体スイッチング素
子において、 低抵抗率の接合深さを相対的に浅く形成されたpアノー
ド領域と、 低抵抗率または所定の低い抵抗率の接合深さを相対的に
浅く形成されたアノード短絡領域とを縦方向に交互に配
置し、 前記接合深さを相対的に浅く形成されたpアノード領域
及びアノード短絡領域に対して横方向に低抵抗率の接合
深さを相対的に深く形成されたpアノード領域を周期的
に配置したアノードエミッタ短絡構造を具備することを
特徴とするバッファを有する半導体スイッチング素子。
1. A semiconductor switching device having a buffer, comprising: a p-type anode region having a relatively low junction depth of a relatively low resistivity; and a p-type anode region having a low resistivity or a predetermined low resistivity. The shallowly formed anode short-circuit region and the anode short-circuit region are alternately arranged in the vertical direction. A semiconductor switching element having a buffer, comprising: an anode-emitter short-circuit structure in which a relatively deep p-anode region is periodically arranged.
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