JP3091771B2 - Semiconductor device having emitter short-circuit structure - Google Patents

Semiconductor device having emitter short-circuit structure

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JP3091771B2
JP3091771B2 JP03025629A JP2562991A JP3091771B2 JP 3091771 B2 JP3091771 B2 JP 3091771B2 JP 03025629 A JP03025629 A JP 03025629A JP 2562991 A JP2562991 A JP 2562991A JP 3091771 B2 JP3091771 B2 JP 3091771B2
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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】本発明はバイポーラ形3端子半導
体素子において、アノードエミッタとベースとの間にバ
ッファ層を介在させたエミッタ短絡構造を有する半導体
素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bipolar three-terminal semiconductor device having an emitter short-circuit structure in which a buffer layer is interposed between an anode emitter and a base.

【0002】[0002]

【従来の技術】静電誘導サイリスタ(SITh)、ゲー
トターンオフサイリスタ(GTO)、絶縁ゲートバイポ
ーラトランジスタ(IGBT)、及びMOS制御サイリ
スタ(MCT)などのバイポーラ形の3端子半導体素子
は、ターンオフ時の電流波形に見られる裾引き現象、い
わゆるテール電流があって、無視できない損失発生源に
なると共に、ターンオフ時間が大きくなる要因となって
いる。
2. Description of the Related Art Bipolar three-terminal semiconductor devices, such as an electrostatic induction thyristor (SITh), a gate turn-off thyristor (GTO), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and a MOS control thyristor (MCT), generate a current when turned off. There is a tailing phenomenon seen in the waveform, that is, a so-called tail current, which is a non-negligible loss source and a factor that increases the turn-off time.

【0003】このテール電流による発生損失や、ターン
オフ時間の増大はバイポーラ形の3端子半導体素子の高
周波インバータなどへの適用において、その取扱い可能
な電力量、及び動作周波数等を制限する要因となってい
る。
The loss caused by the tail current and the increase in the turn-off time are factors that limit the amount of power that can be handled, the operating frequency, and the like in the application of a bipolar three-terminal semiconductor element to a high-frequency inverter or the like. I have.

【0004】テール電流の低減方法の1つとして、エミ
ッタとバッファを短絡する構造がある。この方法はp形
ゲートのSIThやGTOの場合にはアノードエミッタ
短絡構造と称され、原理的に過剰キャリアの注入量抑制
と、注出(引き出し)の高速化が可能という短絡効果を
有するのが特徴である。
One of the methods for reducing the tail current is to short-circuit the emitter and the buffer. This method is called an anode-emitter short-circuit structure in the case of SITh or GTO of a p-type gate, and has a short-circuit effect of suppressing the injection amount of excess carriers and increasing the speed of injection (drawing) in principle. It is a feature.

【0005】素子への適用において上記短絡効果を強く
するとターンオフ特性は向上するが、反面ターンオン特
性が低下するというトレードオフの傾向にあるため、実
際には短絡構造の適正化が重要となるが、本発明はこの
短絡構造の改善に関するものである。
In the application to devices, when the short-circuit effect is strengthened, the turn-off characteristic is improved, but on the other hand, since there is a trade-off in that the turn-on characteristic is reduced, it is actually important to optimize the short-circuit structure. The present invention relates to the improvement of the short circuit structure.

【0006】バッファ付半導体素子の短絡構造は、短絡
領域の不純物密度がバッファと同じか又はそれ以上であ
って、その配置は素子の単位区画(例えば長さ3mm、幅
0.5mmの寸法を有する)内に、数ヶ所以下にする方法が
用いられ、短絡領域の間隔は大きい。
In the short-circuit structure of a semiconductor device with a buffer, the impurity density of the short-circuit region is equal to or higher than that of the buffer, and the arrangement is made in a unit section (for example, 3 mm in length and width in width) of the device.
(Having a size of 0.5 mm) within a few places, and the interval between short-circuit areas is large.

【0007】図11はアノードエミッタ短絡構造を有す
る静電誘導(SI)サイリスタの従来例の1区画分の断
面構造図であり、図12及び図13はそれぞれ図11の
II〜II' 線及びIII 〜III'線に沿った部分断面図であ
る。2はn形高抵抗領域、3はp形低抵抗領域、4はp
形領域、5はn形領域、6はn形低抵抗領域、7はn形
低抵抗からなる短絡領域、8はn形中抵抗領域(バッフ
ァ層)であり、2〜8はすべてシリコン半導体領域であ
る。
FIG. 11 is a sectional view of one section of a conventional example of an electrostatic induction (SI) thyristor having an anode-emitter short circuit structure, and FIGS. 12 and 13 are each a sectional view of FIG.
FIG. 3 is a partial sectional view taken along lines II-II ′ and III-III ′. 2 is an n-type high resistance region, 3 is a p-type low resistance region, 4 is p-type
5 is an n-type region, 6 is an n-type low-resistance region, 7 is a short-circuit region made of n-type low resistance, 8 is an n-type medium resistance region (buffer layer), and 2 to 8 are all silicon semiconductor regions. It is.

【0008】n形高抵抗領域2の層とn形領域5の層の
境界部には、図12に示すような格子状のp形領域4が
ゲート部として埋め込まれており、この格子状のp形領
域4に囲まれたn形高抵抗領域2の部分をチャンネルと
称し、負荷電流は主としてこのチャンネル部を流れる。
n形領域5の層の上部にはn形低抵抗領域6の層が重ね
られて、その上面にカソード電極10が設けられてい
る。
At the boundary between the layer of the n-type high resistance region 2 and the layer of the n-type region 5, a lattice-like p-type region 4 as shown in FIG. The portion of the n-type high resistance region 2 surrounded by the p-type region 4 is called a channel, and the load current mainly flows through this channel portion.
A layer of the n-type low-resistance region 6 is overlaid on the layer of the n-type region 5, and a cathode electrode 10 is provided on the upper surface thereof.

【0009】n形高抵抗領域2の層の下部にはn形中抵
抗領域8の層が設けられ、その下部の中央部分にはp形
低抵抗領域3の層がpn接合を形成するごとく重ねられ
ると共に、周辺部分には図3に示すごとくn形低抵抗領
域が設けられて短絡領域7を構成しており、これらp形
低抵抗領域3と短絡領域7とからなる層の下面にアノー
ド電極9が設けられて、短絡領域7がn形中抵抗領域8
の層とアノード電極9とを短絡するごとく構成されてい
る。短絡領域7の不純物密度は、バッファのn形中抵抗
領域8の不純物密度と同じか、それ以上である。
A layer of an n-type medium resistance region 8 is provided below the layer of the n-type high resistance region 2, and a layer of a p-type low resistance region 3 is overlapped at the lower central portion thereof so as to form a pn junction. As shown in FIG. 3, an n-type low-resistance region is provided in the peripheral portion to form a short-circuit region 7. An anode electrode is formed on the lower surface of the layer composed of the p-type low-resistance region 3 and the short-circuit region 7. 9 is provided so that the short-circuit region 7 is an n-type medium-resistance region 8.
And the anode electrode 9 are short-circuited. The impurity density of short-circuit region 7 is equal to or higher than the impurity density of n-type medium resistance region 8 of the buffer.

【0010】更に、n形領域5とn形低抵抗領域6の両
層の周辺部は取り除かれ、格子状のp形領域4の周辺部
が露出せしめられており、この露出面にゲート電極11
が設けられている。このように構成された多数の区画が
単一の半導体基板内に配設されて、SIサイリスタを形
成している。このような各1区画は例えば幅約0.5 mm、
長さ約3mm程度の非常に小さいものであり、半導体基板
上に整然とこの区画が配設される。
Further, the peripheral portions of both the n-type region 5 and the n-type low-resistance region 6 are removed, and the peripheral portion of the lattice-shaped p-type region 4 is exposed.
Is provided. A large number of sections configured in this way are arranged in a single semiconductor substrate to form an SI thyristor. Each such section is, for example, about 0.5 mm wide,
It is very small, about 3 mm in length, and this section is arranged neatly on the semiconductor substrate.

【0011】アノード短絡構造のSIサイリスタは、n
形高抵抗領域2とn形中抵抗領域8の過剰な伝導電子
が、短絡領域7を経てアノード電極9へ流れる程度、い
わば短絡抵抗によってターンオン,ターンオフ及びオン
特性が変化する。このような短絡抵抗の面内分布を均一
化するには、更に短絡領域の間隔を小さくする方法が考
えられるが、短絡領域の不純物密度が高いために実施は
むずかしい。
The SI thyristor having the anode short circuit structure has n
The turn-on, turn-off, and turn-on characteristics are changed to the extent that excessive conduction electrons in the high-resistance region 2 and the medium-resistance region 8 flow to the anode electrode 9 via the short-circuit region 7, that is, the short-circuit resistance. In order to make the in-plane distribution of the short-circuit resistance uniform, a method of further reducing the interval between the short-circuit regions is conceivable. However, it is difficult to implement the method because the impurity density of the short-circuit region is high.

【0012】ターンオン時及びオン状態においては、短
絡抵抗が小さいほどn形中抵抗領域8とn形高抵抗領域
2に蓄積される伝導電子は少なくなるために、p形低抵
抗領域3からn形中抵抗領域8及びn形高抵抗領域2に
注入される正孔は減少し、特性面ではターンオン時間が
長くなり、またオン電圧は高くなる。従って、短絡抵抗
を大きくした方がオン特性は良くなる。
At the time of turn-on and in the on-state, the conduction electrons accumulated in the n-type medium resistance region 8 and the n-type high resistance region 2 decrease as the short-circuit resistance decreases. The number of holes injected into the medium resistance region 8 and the n-type high resistance region 2 decreases, and in terms of characteristics, the turn-on time becomes longer and the on-voltage becomes higher. Therefore, the ON characteristics are improved by increasing the short-circuit resistance.

【0013】ターンオフ過程においては、n形低抵抗領
域6からの伝導電子注入が止まり、p形領域4とn形高
抵抗領域2の接合を起点として空乏層が形成された後
に、なおn形高抵抗領域2とn形中抵抗領域8の空乏化
しない部分にはキャリアが蓄積されており、これがテー
ル電流源となる。テール期間開始時の蓄積キャリアは短
絡抵抗が小さいほど少なく、従ってピークテール電流は
小さい。
In the turn-off process, the conduction electron injection from the n-type low resistance region 6 stops, and after the depletion layer is formed starting from the junction of the p-type region 4 and the n-type high resistance region 2, the n-type high resistance region is formed. Carriers are accumulated in the non-depleted portions of the resistance region 2 and the n-type medium resistance region 8, and this serves as a tail current source. The smaller the short-circuit resistance, the smaller the accumulated carriers at the beginning of the tail period, and therefore the smaller the peak tail current.

【0014】蓄積された伝導電子はテール期間において
短絡抵抗が小さいほど早くアノード電極9へ流出し、ひ
いては蓄積された正孔にはp形低抵抗領域3へ流出する
成分ができることから、テール電流の減衰は早くなる。
すなわち、ターンオン時間を短かくしかつオン電圧を低
くしながら、テール電流を小さくしかつテール電流の減
衰を早くするためには、短絡構造ひいては短絡抵抗の適
正化が重要となるが、従来の短絡構造には次の欠点があ
った。
The accumulated conduction electrons flow out to the anode electrode 9 as the short-circuit resistance becomes smaller during the tail period, and the accumulated holes have a component flowing out to the p-type low-resistance region 3. Decay is faster.
That is, in order to shorten the turn-on time and lower the on-voltage, and to reduce the tail current and accelerate the attenuation of the tail current, it is important to optimize the short-circuit structure and thus the short-circuit resistance. Had the following disadvantages:

【0015】(1) 半導体基板としてn形高抵抗のもの
(n形高抵抗領域2に相当)を用いて素子を製造する場
合には、フォトリソグラフ工程でp形領域4の格子状と
短絡領域の均等な関係を保つために、表面と裏面とのパ
ターン合わせを要するが、精度よく合わせることは困難
で、前述のチャンネルから短絡領域7までの平面距離が
不正確となり、はなはだしい場合にはチャンネルと短絡
領域とが重なるようなこともあり、短絡抵抗を正確に制
御することが困難である。
(1) When an element is manufactured using an n-type high-resistance semiconductor substrate (corresponding to the n-type high-resistance region 2), the lattice-like and short-circuit regions of the p-type region 4 are formed in a photolithographic process. It is necessary to match the pattern between the front surface and the back surface in order to maintain the uniform relationship between them. However, it is difficult to match the patterns accurately, and the plane distance from the above-described channel to the short-circuit region 7 becomes inaccurate. Since the short-circuit region may overlap with the short-circuit region, it is difficult to accurately control the short-circuit resistance.

【0016】(2) SIサイリスタを構成する多数の区画
の配置には関係なく、n形中抵抗領域8の層とアノード
電極9との間の単位面積当りの短絡抵抗を均一になるよ
うにしておくことが望ましい。その方法として短絡領域
の間隔が小さくなるように分散配置することが考えられ
る。しかしオン特性を損なわない程度の短絡抵抗を得る
のは、短絡領域の不純物密度が高いために、実施はむず
かしい。
(2) The short-circuit resistance per unit area between the layer of the n-type medium resistance region 8 and the anode electrode 9 is made uniform regardless of the arrangement of a large number of sections constituting the SI thyristor. It is desirable to keep. As a method for this, it is conceivable to disperse the short-circuit regions so as to reduce the intervals. However, it is difficult to obtain a short-circuit resistance that does not impair the ON characteristics because the impurity density in the short-circuit region is high.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は静電誘導サイリスタ(SITh)、ゲートターンオフ
サイリスタ(GTO)、絶縁ゲートバイポーラトランジ
スタ(IGBT)及びMOS制御サイリスタ(MCT)
等のバイポーラ形の3端子半導体素子において、アノー
ドエミッタとベースとの間にバッファ層を介在させたエ
ミッタ短絡構造の適正化を図ることによりターンオン特
性とターンオフ特性との間のトレードオフ関係を改善し
た、アノードエミッタ短絡構造を有する半導体素子を提
供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a static induction thyristor (SITh), a gate turn-off thyristor (GTO), an insulated gate bipolar transistor (IGBT) and a MOS controlled thyristor (MCT).
In a bipolar type three-terminal semiconductor device such as that described above, the trade-off relationship between turn-on characteristics and turn-off characteristics has been improved by optimizing the emitter short-circuit structure in which a buffer layer is interposed between an anode emitter and a base. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having an anode-emitter short circuit structure.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】従って、本発明の構成は
下記に示す通りである。即ち、本発明は第1の導電形の
高抵抗領域とエミッタを形成する第2の導電形の低抵抗
領域との間にバッファを形成する第1の導電形の中抵抗
領域を有する3端子半導体素子において、前記エミッタ
と並列に、前記バッファよりも低不純物密度であって、
不純物密度の範囲が1011〜1015cm-3の第1の導電形の短
絡領域を設け、かつ前記短絡領域の間隔を500 μm以下
となし、そして前記エミッタと前記短絡領域とに第1の
電極が接続されたことを特徴とするエミッタ短絡構造を
有する半導体素子としての構成を有するものであり、或
いはまた、前記第1の電極から前記バッファに至る間の
短絡抵抗が素子単位面積当り0.5 Ω・cm2 以上になされ
たことを特徴とするエミッタ短絡構造を有する半導体素
子としての構成を有するものであり、或いはまた、前記
3端子半導体素子が、静電誘導サイリスタ、ゲートター
ンオフサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ
若しくはMOS制御サイリスタの内のいずれか1つの半
導体素子からなることを特徴とするエミッタ短絡構造を
有する半導体素子としての構成を有するものであり、或
いはまた、前記3端子半導体素子の少なくとも前記エミ
ッタ短絡領域がキャリアライフタイム制御され、かつ、
高抵抗化されたことを特徴とするエミッタ短絡構造を有
する半導体素子としての構造を有するものである。
Accordingly, the structure of the present invention is as follows. That is, the present invention provides a three-terminal semiconductor having a medium resistance region of a first conductivity type forming a buffer between a high resistance region of a first conductivity type and a low resistance region of a second conductivity type forming an emitter. In the device, the impurity density is lower than the buffer in parallel with the emitter,
A first conductivity type short-circuit region having an impurity density range of 10 11 to 10 15 cm -3 is provided, the interval between the short-circuit regions is set to 500 μm or less, and a first short-circuit region is provided between the emitter and the short-circuit region. A semiconductor element having an emitter short-circuit structure, wherein the electrodes are connected, or the short-circuit resistance from the first electrode to the buffer is 0.5 Ω per element unit area. · A semiconductor device having an emitter short-circuit structure characterized by being made to be 2 cm 2 or more, or wherein the three-terminal semiconductor device is an electrostatic induction thyristor, a gate turn-off thyristor, an insulated gate bipolar transistor. As a semiconductor element having an emitter short-circuit structure, comprising a semiconductor element of any one of a transistor and a MOS control thyristor. Are those having the structure, or alternatively, at least the emitter short-circuit regions of the three-terminal semiconductor element is a carrier lifetime control, and,
It has a structure as a semiconductor element having an emitter short-circuit structure characterized by high resistance.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明の構成を具体的な実験結果に基
づく数値を用いて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The construction of the present invention will be described below using numerical values based on specific experimental results.

【0020】短絡領域は不純物密度をバッファのそれよ
りも低い1011〜1015cm-3とすることで、1つの短絡領域
の短絡抵抗を従来よりも高くする。そして短絡領域の個
数が従来よりも多くなるように分散配置することによ
り、短絡領域の間隔を低減する。
The short-circuit region has an impurity density of 10 11 to 10 15 cm −3 lower than that of the buffer, thereby increasing the short-circuit resistance of one short-circuit region as compared with the conventional case. Then, the intervals between the short-circuit regions are reduced by distributing the short-circuit regions so that the number of short-circuit regions is larger than in the related art.

【0021】短絡領域の不純物密度と間隔が素子特性に
与える効果を調べる下記の実験1を行った結果、素子の
単位面積当りの短絡抵抗とスイッチング損失について図
5に示される関係を得た。これより短絡抵抗が小さくな
るのに伴ってターンオフ損失はほぼ比例して減少し、タ
ーンオン損失は反比例して増大することがわかる。そし
て0.5 Ω・cm2 以下ではターンオン損失の増大が著しい
ことから短絡抵抗は0.5 Ω・cm2 以上が適する。
The following experiment 1 was conducted to examine the effects of the impurity density and spacing of the short-circuit region on the device characteristics. As a result, the relationship shown in FIG. 5 was obtained for the short-circuit resistance per unit area of the device and switching loss. From this, it can be seen that as the short-circuit resistance decreases, the turn-off loss decreases almost proportionally, and the turn-on loss increases inversely. The short circuit resistance since the increase in turn-on loss is significant at 0.5 Ω · cm 2 or less suitable is 0.5 Ω · cm 2 or more.

【0022】更に下記の実験2において実験1と同様な
素子に対してライフタイム制御を行い、ターンオン損失
とターンオフ損失の関係を調べて図10に示される結果
を得た。これより金拡散でライフタイム制御を行うこと
によりターンオン損失とターンオフ損失のトレードオフ
がさらに改善されることがわかる。
Further, in Experiment 2 below, lifetime control was performed on the same device as in Experiment 1, and the relationship between the turn-on loss and the turn-off loss was examined. The result shown in FIG. 10 was obtained. This shows that the trade-off between the turn-on loss and the turn-off loss is further improved by performing the lifetime control by gold diffusion.

【0023】[0023]

【実験1】本発明の基礎となった実験に用いたSIサイ
リスタの1区画分の基本構造を図1に、そして図1のII
I 〜III'線に沿った部分断面図を図2と図3に示す。な
お図1乃至図3中の符号は図11で示したものと同じで
ある。図4はバッファと短絡領域の不純物密度分布を示
し、符号A,B,Cは図1中のものと対応している。
[Experiment 1] The basic structure of one section of the SI thyristor used in the experiment on which the present invention was based is shown in FIG. 1 and II in FIG.
FIGS. 2 and 3 are partial cross-sectional views along the line I-III '. 1 to 3 are the same as those shown in FIG. FIG. 4 shows the impurity density distribution of the buffer and the short-circuit region, and reference numerals A, B, and C correspond to those in FIG.

【0024】実験素子の主要構造は下記の通りである。The main structure of the experimental device is as follows.

【0025】チップ寸法は7mm×7mmであり、The chip size is 7 mm × 7 mm,

【0026】1区画の寸法は0.3 mm×3mmであり、The size of one section is 0.3 mm × 3 mm,

【0027】チャンネルの長手方向は1区画の短辺に平
行である。
The longitudinal direction of the channel is parallel to the short side of one section.

【0028】短絡領域の間隔はw+W=20〜500 μm、The interval between short-circuit areas is w + W = 20-500 μm,

【0029】短絡領域の幅は約10μm、The width of the short-circuit area is about 10 μm,

【0030】バッファの厚さは約20μm、The thickness of the buffer is about 20 μm,

【0031】短絡領域の厚さは約10μm、The thickness of the short-circuit area is about 10 μm,

【0032】短絡抵抗は1つの短絡について図1のバッ
ファ層の抵抗rC と短絡領域の抵抗rA を計算で求め、
更に素子単位面積当りの短絡個数が並列接続された場合
の抵抗RS を求める。前記実験条件ではrA がrC より
も大きい。このような抵抗は容易に計算できることから
短絡構造の設計と素子特性の関係を検討するのに実用的
である。ここで抵抗RS について求める。1個の短絡領
域の面積を図2よりS(cm2 )とする。素子面積の短絡
数nはn=1/S(1/cm2 )となる。従って素子単位
面積当りの短絡抵抗RS は次式で表わせる。即ち、RS
=(rC +rA )/n=(rC +rA )S(Ω・cm2
となる。
The short-circuit resistance is obtained by calculating the resistance r C of the buffer layer and the resistance r A of the short-circuit area in FIG.
Further, the resistance R S when the number of short circuits per unit area of the element is connected in parallel is determined. Under the experimental conditions, r A is greater than r C. Since such a resistance can be easily calculated, it is practical for studying the relationship between the design of the short-circuit structure and the element characteristics. Here, the resistance R S is obtained. The area of one short-circuit region is defined as S (cm 2 ) from FIG. The number n of short circuits in the element area is n = 1 / S (1 / cm 2 ). Accordingly, the short-circuit resistance R S per element unit area can be expressed by the following equation. That is, R S
= (R C + r A ) / n = (r C + r A ) S (Ω · cm 2 )
Becomes

【0033】以上の方法で、短絡領域の間隔を従来より
も小さくする方向での試作を行い、短絡抵抗と素子のオ
ン電圧及びスイッチング特性等との関係を調べた。
With the above-described method, a prototype was made in a direction in which the interval between the short-circuit regions was made smaller than before, and the relationship between the short-circuit resistance and the on-voltage and switching characteristics of the element was examined.

【0034】短絡抵抗が異なる試作素子のスイッチング
波形例を図6乃至図8に示す。このようなスイッチング
波形から求めたターンオン損失及びターンオフ損失と短
絡抵抗との関係を図5に示す。これよりターンオフ損失
は短絡抵抗と正比例の関係にあり、ターンオン損失は短
絡抵抗とは反比例する関係にあることがわかる。
FIGS. 6 to 8 show examples of switching waveforms of prototype elements having different short-circuit resistances. FIG. 5 shows the relationship between the turn-on loss and the turn-off loss obtained from such a switching waveform and the short-circuit resistance. This indicates that the turn-off loss is directly proportional to the short-circuit resistance, and the turn-on loss is inversely proportional to the short-circuit resistance.

【0035】短絡領域の不純物密度を低くして、かつ短
絡領域の間隔を微細化した短絡構造のSIサイリスタの
試作結果から、短絡抵抗を指標にして、ターンオン及び
ターンオフ損失の比率を調節することがよい。
Based on the results of trial production of an SI thyristor having a short-circuit structure in which the impurity density in the short-circuit region is reduced and the interval between the short-circuit regions is reduced, it is possible to adjust the ratio of the turn-on and turn-off losses using the short-circuit resistance as an index. Good.

【0036】短絡抵抗が小さすぎるとターンオン時間が
長くなり、ひいては損失が増大することから、短絡抵抗
は0.5 Ω・cm2 以上が実用に適する。
If the short-circuit resistance is too small, the turn-on time becomes longer and the loss increases, so that a short-circuit resistance of 0.5 Ω · cm 2 or more is suitable for practical use.

【実験2】[Experiment 2]

【0037】実験1で使用したSIサイリスタにライフ
タイム制御を実施する。
Lifetime control is performed on the SI thyristor used in Experiment 1.

【0038】図1に示されるSIサイリスタのIII 〜II
I'面側から金拡散を行う。拡散温度は最高で850 ℃とし
た。
The SI thyristors III to II shown in FIG.
Gold diffusion is performed from the I 'side. The diffusion temperature was at most 850 ° C.

【0039】短絡抵抗が2.3 Ω・cm2 の素子に、更に金
拡散を所定の条件にて行った場合のスイッチング波形例
を図9に示す。このようなスイッチング波形から求めた
ターンオン損失とターンオフ損失を用いて、これらの損
失間のトレードオフ関係を調べたのを図10に示す。パ
ラメータは金拡散温度である。
FIG. 9 shows an example of a switching waveform in a case where gold diffusion is further performed on a device having a short-circuit resistance of 2.3 Ω · cm 2 under predetermined conditions. FIG. 10 illustrates a trade-off relationship between these losses using the turn-on loss and the turn-off loss obtained from such a switching waveform. The parameter is the gold diffusion temperature.

【0040】 短絡領域の不純物密度を低くして、か
つ短絡領域の間隔を小さくした素子に対して、更に金拡
散によるライフタイム制御を行うことは、ターンオン特
性とターンオフ特性のトレードオフの改善に有効であ
る。
It is effective to improve the trade-off between the turn-on characteristic and the turn-off characteristic by further controlling the lifetime by gold diffusion for an element in which the impurity density in the short-circuit region is reduced and the interval between the short-circuit regions is reduced. It is.

【0041】 金拡散後の短絡領域の抵抗率は、金拡
散前のそれに比較して増大することが拡がり抵抗測定の
結果からわかる。このような短絡抵抗増大により素子の
ターンオンが容易になることは、短絡抵抗での発生電圧
による正孔の注入が促進されること、及び図5の関係か
ら明らかである。一方、キャリアのライフタイムが小さ
くなると、ターンオフ特性が改善されることは良く知ら
れている。以上の2つの効果が相まってターンオンとタ
ーンオフとのトレードオフ関係が改善される。
It can be seen from the result of the spreading resistance measurement that the resistivity of the short-circuit region after gold diffusion increases compared to that before gold diffusion. The fact that the element is easily turned on by the increase in the short-circuit resistance is apparent from the relationship between FIG. 5 and the fact that the injection of holes by the voltage generated at the short-circuit resistance is promoted. On the other hand, it is well known that when the lifetime of a carrier is reduced, the turn-off characteristic is improved. The combination of the above two effects improves the trade-off relationship between turn-on and turn-off.

【0042】なお上記で示した製作条件は、素子の目標
特性に応じて、実験1と実験2で示した中から適したも
のを選定することができる。更にライフタイム制御方法
として、プロトン照射等の放射線を使用することも可能
である。
The above manufacturing conditions can be selected from those shown in Experiments 1 and 2 according to the target characteristics of the device. Furthermore, radiation such as proton irradiation can be used as a lifetime control method.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、微細な単位素子を多数
並列集積した大面積半導体素子の面内特性分布の均一化
が図れることにより、素子全体の特性改善に有効な方法
を提供できる。また短絡構造の設計において、計算の容
易な短絡抵抗を指標とすることにより、素子のオン及び
オフ特性間のバランスを調整する方法を提供できる。更
にライフタイム制御を実施することにより、ターンオン
特性とターンオフ特性間のトレードオフを改善するのに
有効な方法を提供できる。
According to the present invention, the in-plane characteristic distribution of a large-area semiconductor element in which a number of fine unit elements are integrated in parallel can be made uniform, thereby providing an effective method for improving the characteristics of the entire element. In designing a short-circuit structure, a method of adjusting the balance between the ON and OFF characteristics of the element can be provided by using the short-circuit resistance, which can be easily calculated, as an index. Further, by implementing the lifetime control, it is possible to provide an effective method for improving the trade-off between the turn-on characteristic and the turn-off characteristic.

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

【図1】静電誘導サイリスタ1区画分の断面構造図であ
り、本発明の短絡構造の説明図である。
FIG. 1 is a sectional structural view of one section of an electrostatic induction thyristor, and is an explanatory view of a short-circuit structure of the present invention.

【図2】図1の短絡領域の平面配置図である。FIG. 2 is a plan layout view of a short-circuit region of FIG. 1;

【図3】図1の短絡領域の平面配置図である。FIG. 3 is a plan layout view of a short-circuit area of FIG. 1;

【図4】本発明の短絡構造の不純物密度分布図であり、
横軸は図1の断面構造図に対応する。
FIG. 4 is an impurity density distribution diagram of the short-circuit structure of the present invention;
The horizontal axis corresponds to the sectional structural view of FIG.

【図5】本発明の短絡構造の短絡領域の抵抗と素子のス
イッチング損失の関係を表わす実験結果である。
FIG. 5 is an experimental result showing a relationship between resistance in a short-circuit region of the short-circuit structure of the present invention and switching loss of an element.

【図6】図5の実験の代表素子のスイッチング波形図で
ある。
FIG. 6 is a switching waveform diagram of a representative element in the experiment of FIG.

【図7】図5の実験の代表素子のスイッチング波形図で
ある。
FIG. 7 is a switching waveform diagram of a representative element of the experiment of FIG.

【図8】図5の実験の代表素子のスイッチング波形図で
ある。
8 is a switching waveform diagram of a representative element of the experiment of FIG.

【図9】本発明の短絡構造素子でキャリアライフタイム
制御に金(Au)拡散を実施した一例のスイッチング波
形である。
FIG. 9 is a switching waveform of an example in which gold (Au) diffusion is performed for carrier lifetime control in the short-circuit structure element of the present invention.

【図10】ターンオン損失とターンオフ損失のトレード
オフ関係をライフタイム制御をパラメータで示した図で
ある。
FIG. 10 is a diagram showing a trade-off relationship between a turn-on loss and a turn-off loss, using lifetime control as a parameter.

【図11】従来の短絡構造を説明する断面構造図であ
る。
FIG. 11 is a cross-sectional structure diagram illustrating a conventional short-circuit structure.

【図12】図11のp形領域の平面配置図である。FIG. 12 is a plan layout view of a p-type region in FIG. 11;

【図13】図11の短絡領域の平面配置図である。FIG. 13 is a plan layout view of a short-circuit area in FIG. 11;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 n形高抵抗領域 3 p形低抵抗領域 4 p形領域 5 n形領域 6 n形低抵抗領域 7 短絡領域 8 n形中抵抗領域 9 アノード電極 10 カソード電極 11 ゲート電極 2 n-type high resistance region 3 p-type low resistance region 4 p-type region 5 n-type region 6 n-type low resistance region 7 short circuit region 8 n-type medium resistance region 9 anode electrode 10 cathode electrode 11 gate electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/74 H01L 29/744 H01L 29/78 H01L 29/80 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/74 H01L 29/744 H01L 29/78 H01L 29/80

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1の導電形の高抵抗領域とエミッタを
形成する第2の導電形の低抵抗領域との間にバッファを
形成する第1の導電形の中抵抗領域を有する3端子半導
体素子において、前記エミッタと並列に、前記バッファ
よりも低不純物密度であって、不純物密度の範囲が1011
〜1015cm-3の第1の導電形の短絡領域を設け、かつ前記
短絡領域の間隔を500 μm以下となし、そして前記エミ
ッタと前記短絡領域とに第1の電極が接続されたことを
特徴とするエミッタ短絡構造を有する半導体素子。
1. A three-terminal semiconductor having a medium resistance region of a first conductivity type forming a buffer between a high resistance region of a first conductivity type and a low resistance region of a second conductivity type forming an emitter. In the device, the impurity density is lower than that of the buffer, and the impurity density range is 10 11 in parallel with the emitter.
A short-circuit region of a first conductivity type of about 10 15 cm -3 , a distance between the short-circuit regions is set to 500 μm or less, and a first electrode is connected to the emitter and the short-circuit region. A semiconductor device having an emitter short-circuit structure.
【請求項2】 前記第1の電極から前記バッファに至る
間の短絡抵抗が素子単位面積当り0.5 Ω・cm2 以上にな
されたことを特徴とする前記請求項1記載のエミッタ短
絡構造を有する半導体素子。
2. A semiconductor having an emitter short-circuit structure according to claim 1, wherein a short-circuit resistance from said first electrode to said buffer is set to 0.5 Ω · cm 2 or more per unit area of the device. element.
【請求項3】 前記3端子半導体素子が、静電誘導サイ
リスタ、ゲートターンオフサイリスタ、絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ若しくはMOS制御サイリスタの内
のいずれか1つの半導体素子からなることを特徴とする
前記請求項1若しくは前記請求項2の内、いずれか1項
記載のエミッタ短絡構造を有する半導体素子。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the three-terminal semiconductor device is a semiconductor device selected from the group consisting of an electrostatic induction thyristor, a gate turn-off thyristor, an insulated gate bipolar transistor, and a MOS control thyristor. 3. A semiconductor device having an emitter short-circuit structure according to claim 2.
【請求項4】 前記3端子半導体素子の少なくとも前記
エミッタ短絡領域がキャリアライフタイム制御され、か
つ、高抵抗化されたことを特徴とする前記請求項1乃至
3の内、いずれか1項記載のエミッタ短絡構造を有する
半導体素子。
4. The device according to claim 1, wherein at least the emitter short-circuit region of the three-terminal semiconductor element has a controlled carrier lifetime and a high resistance. A semiconductor device having an emitter short-circuit structure.
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