JP3403118B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、GTO（ゲートタ
ーンオフ）サイリスタに好適な半導体装置に関し、特
に、局所的な電流の集中によって発生する熱の放散効率
を高めるための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、この発明の背景となる従来のパ
ワーGTOサイリスタの構造を示す縦断面図である。この
装置１５１は、半導体基板５１、カソード電極５２、ア
ノード電極５３、ゲート電極５４、一組の圧接導体５
５，５６、および、絶縁膜５７を備えている。

【０００３】半導体基板５１は、第１および第２主面を
有しており、第１主面にカソード電極５２が接続され、
第２主面にアノード電極５３が接続されている。また、
第１主面のカソード電極５２の周囲には、ゲート電極５
４が設けられている。圧接導体５５，５６は、互いに押
し合うように押圧されており、それにより、カソード電
極５２およびアノード電極５６へ圧接されている。

【０００４】半導体基板５１は、第１主面に突起部を有
しており、カソード電極５２は、この突起部の頭部に接
続されている。それによって、圧接導体５５はカソード
電極５２にのみ接触し、ゲート電極５４は圧接導体５５
から電気的に容易に絶縁される。また、ゲート電極５４
は、絶縁膜５７によって覆われている。

【０００５】カソード電極５２は、ゲート電極５４の存
在のために、不可避的に、半導体基板５１の第１主面の
ある限られた範囲のみを覆っている。その範囲は、通常
において、約５０％である。したがって、第２主面の約
全体が、アノード電極５６を通じて圧接導体５６へ接続
されるのに対して、第１主面は、約５０％の面積での
み、カソード電極５２を通じて圧接導体５５へと接続さ
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来装置１５１は以上
のように構成されるので、装置１５１が動作するときに
半導体基板５１の内部で発生した熱は、アノード電極５
３を通じて圧接導体５６へ放散し易いが、カソード電極
５２を通じた圧接導体５５への熱放散の効率は良好では
ないという問題点があった。すなわち、熱放散に関し
て、半導体基板１の第１および第２主面の間で、不均衡
が存在していた。

【０００７】半導体基板５１の内部には複数の半導体層
が存在するが、この半導体層の不均一によって、局所的
に電流が集中し、それによって、局所的な発熱が生じる
場合がある。特に、半導体基板５１の周端面には、電気
耐圧処理が施されているが，この周端面付近において、
漏れ電流による発熱が生じる場合がある。このような局
所的に発生する熱の円滑な放散が妨げられると、素子の
動作に不都合を生じる場合がある。

【０００８】この発明は、従来の装置における上記した
問題点を解消するためになされたもので、局所的な電流
の集中によって発生する熱の放散効率を高め、それによ
り、信頼性を改善した半導体装置を得ることを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明の装置は、半
導体装置であって、第１および第２主面を有する半導体
基板と、前記第１主面に設けられた制御電極と、前記第
１主面に接続され前記制御電極よりも突出した第１主電
極と、前記第２主面に接続された第２主電極と、前記第
１主電極に押圧力をもって接触する第１圧接導体と、前
記第２主電極に押圧力をもって接触する第２圧接導体
と、ＣＶＤ法によって堆積され、前記制御電極を覆いダ
イヤモンド膜またはダイヤモンドライクカーボン膜とし
て形成された絶縁膜と、を備える。

【００１０】第２の発明の装置は、第１の発明の半導体
装置において、前記第１主電極と一体的に連結し前記絶
縁膜を覆う導体を、さらに備える。

【００１１】第３の発明の装置では、第２の発明の半導
体装置において、前記第１圧接導体が前記第１主電極に
加えて前記導体にも押圧力をもって接触している。

【００１２】第４の発明の装置では、第１の発明の半導
体装置において、前記第１圧接導体が前記第１主電極に
加えて前記絶縁膜にも押圧力をもって接触している。

【００１３】第５の発明の装置は、第１ないし第４のい
ずれかの発明の半導体装置において、前記半導体基板の
周端面を覆いダイヤモンド膜またはダイヤモンドライク
カーボン膜として形成された別の絶縁膜を、さらに備え
る。

【００１４】第６の発明の装置は、半導体装置であっ
て、第１および第２主面を有する半導体基板と、前記第
１主面に設けられた制御電極と、前記第１主面に接続さ
れ前記制御電極よりも突出した第１主電極と、前記第２
主面に接続された第２主電極と、前記第１主電極に押圧
力をもって接触する第１圧接導体と、前記第２主電極に
押圧力をもって接触する第２圧接導体と、前記半導体基
板の周端面を覆い、ダイヤモンド膜またはダイヤモンド
ライクカーボン膜として形成された絶縁膜とを、備え
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は、実施の
形態１の半導体装置の構造を示す縦断面図である。この
装置１０１は、パワーGTOサイリスタとして構成されて
おり、半導体基板１、カソード電極２、アノード電極
３、ゲート電極４、一組の圧接導体５，６、および、絶
縁膜７を備えている。

【００１６】半導体基板１は、第１および第２主面を有
しており、第１主面にカソード電極２が接続され、第２
主面にアノード電極３が接続されている。カソード電極
２およびアノード電極３は、電気伝導性および熱伝導性
に優れる金属で構成されている。半導体基板１の内部に
は、ｐｎ接合を有する半導体層（図示を略する）が形成
されている。また、第１主面のカソード電極２の周囲に
は、ゲート電極４が設けられている。ゲート電極４は、
図示しないゲート絶縁膜を介して、半導体基板１の第１
主面に対向している。圧接導体５の主面はカソード電極
２に接触し、圧接導体６の主面はアノード電極３に接触
している。

【００１７】圧接導体５，６は、互いに押し合うように
押圧されており、それにより、カソード電極２およびア
ノード電極３へ圧接されている。その結果、カソード電
極２およびアノード電極３は、それぞれ、圧接導体５お
よび６へと、電気的に接続されると同時に、熱的にも接
続される。圧接導体５，６は、電気伝導性および熱伝導
性に優れる金属で構成されている。

【００１８】半導体基板１は、第１主面に突起部１ａを
有しており、カソード電極２は、この突起部１ａの頭部
に接続されている。それによって、カソード電極２がゲ
ート電極４よりも突出するので、圧接導体５はカソード
電極２にのみ接触し、ゲート電極４は圧接導体５から電
気的に容易に絶縁される。

【００１９】ゲート電極４は、絶縁膜７によって覆われ
ている。絶縁膜７は、第１に、半導体基板１の第１主面
およびゲート電極４を、圧接導体５から一層確実に電気
的に絶縁するとともに、損傷、汚染等から保護する役割
を果たしている。絶縁膜７は、従来装置１５１とは異な
り、電気絶縁性とともに熱伝導性にすぐれたダイヤモン
ド膜またはダイヤモンドライクカーボン膜で形成されて
いる。それによって、絶縁膜７は、第２に、第１主面に
おける熱の放散効率を高める役割をも果たす。ダイヤモ
ンド膜およびダイヤモンドライクカーボン膜は、例え
ば、ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて堆積することが
可能である。

【００２０】従来装置１５１と同様に、カソード電極２
は、ゲート電極４の存在のために、不可避的に、半導体
基板１の第１主面のある限られた範囲を覆うに過ぎな
い。その範囲は、通常において、約５０％である。した
がって、第２主面の約全体が、アノード電極３を通じて
圧接導体６へ接続されるのに対して、第１主面は、約５
０％の面積でのみ、カソード電極２を通じて圧接導体５
へと接続される。

【００２１】しかしながら、装置１０１では、絶縁膜７
が、熱伝導性に優れたダイヤモンド膜またはダイヤモン
ドライクカーボン膜として形成されているので、半導体
基板１の内部で発生した熱Ｈは、図１の矢印が示すよう
に、カソード電極２およびアノード電極３を伝導するだ
けでなく、絶縁膜７をも伝導することにより、広く拡散
し、さらに圧接導体５，６または外部へと放散される。
したがって、半導体基板１の内部に形成されている複数
の半導体層（図示を略する）の特性上の不均一によって
局所的な電流集中が生じ、それにより、局所的な発熱が
生じても、迅速な熱の放散が行われるので、半導体基板
１の全体にわたる温度の均一化を図ることができる。

【００２２】（実施の形態２）図２は、実施の形態２の
半導体装置の構造を示す縦断面図である。なお、以下の
図において、図１に示した実施の形態１の装置と同一部
分または相当部分（同一材料で同一機能をもつ部分）に
ついては、同一符号を付してその詳細な説明を略する。

【００２３】この装置１０２は、実施の形態１の装置１
０１と同様に、パワーGTOサイリスタとして構成されて
いるが、カソード電極２と一体的に連結しカソード電極
２と同一材料で構成される導体１５が、絶縁膜７の表面
を覆い、しかも、圧接導体５の主面に接触している点に
おいて、装置１０１とは特徴的に異なっている。すなわ
ち、圧接導体５は、カソード電極２と導体１５の双方に
圧接している。

【００２４】このため、半導体基板１の内部に発生し、
絶縁膜７へと伝導した熱が、導体１５を介することによ
り圧接導体５へと、一層効率よく放散される。したがっ
て、半導体基板１に局所的な発熱が生じても、熱の放散
が一層迅速に行われるので、半導体基板１の全体にわた
る温度の均一化を、より効果的に図ることができる。さ
らに、カソード電極２と圧接導体５との間の熱抵抗も緩
和される。また、圧接導体５からカソード電極２へ印加
される押圧力が、導体１５へと分散されるので、押圧力
に起因するカソード電極２の変形が低減される。

【００２５】図３が示す半導体装置１０２ａのように、
導体１５は、圧接導体５へと接続されることなく、圧接
導体５との間に空隙を保つように、絶縁膜７を覆っても
よい。このとき、装置１０２に比べて熱放散の効率は劣
るが、絶縁膜７が導体１５で覆われているために、導体
１５を通じてより広く効果的に熱が拡散するので、装置
１０１に比べると、なお、熱放散の効率は高い。

【００２６】（実施の形態３）図４は、実施の形態３の
半導体装置の構造を示す縦断面図である。この装置１０
３は、実施の形態１の装置１０１と同様にパワーGTOサ
イリスタとして構成されているが、絶縁膜７が、圧接導
体５の主面に接触し、圧接導体５によって、カソード電
極２ととともに押圧される点において、装置１０１とは
特徴的に異なっている。

【００２７】このため、半導体基板１の内部に発生し、
絶縁膜７へと伝導した熱が、圧接導体５へと、一層効率
よく放散される。したがって、半導体基板１に局所的な
発熱が生じても、熱の放散が一層迅速に行われるので、
半導体基板１の全体にわたる温度の均一化を、より効果
的に図ることができる。また、圧接導体５からカソード
電極２へ印加される押圧力が、絶縁膜７へと分散される
ので、押圧力に起因するカソード電極２の変形が低減さ
れる。

【００２８】図５が示す半導体装置１０３ａのように、
圧接導体５の半導体基板１に対向する主面は、必ずしも
平坦でなくてもよく、カソード電極２と絶縁膜７との双
方が、圧接導体５に押圧されておれば、装置１０３と同
様の効果が得られる。ただし、圧接導体５の主面が平坦
である装置１０３では、圧接導体５の製造が容易である
という利点が得られる。

【００２９】（実施の形態４）図６は、実施の形態４の
半導体装置の構造を示す縦断面図である。この装置１０
４は、実施の形態１の装置１０１と同様にパワーGTOサ
イリスタとして構成されているが、半導体基板１の周端
面を覆う絶縁膜１３が設けられ、しかも、この絶縁膜１
３が、絶縁膜７と同様に、ダイヤモンド膜またはダイヤ
モンドライクカーボン膜として形成されている点におい
て、装置１０１とは特徴的に異なっている。

【００３０】このため、半導体基板１の周端面付近にお
いて漏れ電流に起因して発生した熱Ｈは、図６の矢印が
示すように、絶縁膜１３を伝導することにより、効果的
に拡散し、さらに外部へと放散される。したがって、漏
れ電流に由来する局所的な電流集中が生じ、それによ
り、局所的な発熱が生じても、迅速な熱の放散が行われ
るので、半導体基板１の全体にわたる温度の均一化を図
ることができる。

【００３１】図７が示す半導体装置１０４ａのように、
ゲート電極４を覆う絶縁膜が、ダイヤモンド膜等として
の絶縁膜７に代えて、従来装置１５１でも使用される絶
縁膜５７と同等の材料で構成される絶縁膜１２に置き換
えられてもよい。この装置１０４ａにおいても、少なく
とも、漏れ電流に由来する局所的な温度上昇を抑制する
効果は、装置１０４と同様に得られる。

【００３２】（変形例）以上の実施の形態では、半導体
装置がGTOサイリスタとして構成された例について説明
したが、本発明の半導体装置はGTOサイリスタへ限定さ
れるものではない。本発明は、半導体基板の第１および
第２主面に、それぞれ、第１および第２主電極が接続さ
れ、第１主面には、第１主電極の他に、制御電極が設け
られており、第１主電極は制御電極よりも突出してお
り、それによって、一組の圧接導体が、第１および第２
主電極に押圧力をもって接触している半導体装置一般に
適用可能である。制御電極は、一般に、半導体基板に絶
縁膜を介して対向するゲート電極だけでなく、半導体基
板に電気的に接続された制御電極であってもよい。

【００３３】

【発明の効果】第１の発明の装置では、熱伝導性に優れ
たダイヤモンド膜またはダイヤモンドライクカーボン膜
として形成された絶縁膜が制御電極を覆っているので、
半導体基板の第１主面を通じての熱の放散効率が高めら
れ、第１および第２主面を通じての熱の放散効率の間の
不均衡が緩和される。このため、半導体基板の内部に局
所的な電流集中が生じ、それにより、局所的な発熱が生
じても、迅速な熱の放散が行われるので、半導体基板の
全体にわたる温度の均一化を図ることができる。

【００３４】第２の発明の装置では、絶縁膜が第１主電
極に一体的に連結した導体で覆われているので、熱の放
散効率が一層高められる。

【００３５】第３の発明の装置では、第１圧接導体が第
１主電極とともに絶縁膜を覆う導体にも押圧力をもって
接触しているので、絶縁膜を通じての熱の放散効率がさ
らに高められる。また、第１主電極と第１圧接導体との
間の熱抵抗も低減される。さらに、第１主電極に印加さ
れる押圧力が分散されるので、第１主電極の変形が低減
される。

【００３６】第４の発明の装置では、第１圧接導体が第
１主電極とともに絶縁膜にも押圧力をもって接触してい
るので、絶縁膜を通じての熱の放散効率がさらに高めら
れる。さらに、第１主電極に印加される押圧力が分散さ
れるので、第１主電極の変形が低減される。

【００３７】第５の発明の装置では、半導体基板の周端
面が、ダイヤモンド膜またはダイヤモンドライクカーボ
ン膜として形成された絶縁膜で覆われるので、周端面付
近において漏れ電流に起因して局所的に発生する熱が、
周端面を覆う絶縁膜を通じて拡散し、さらに外部へと効
果的に放散される。したがって、漏れ電流に由来する局
所的な電流集中が生じ、それにより、局所的な発熱が生
じても、迅速な熱の放散が行われるので、半導体基板の
全体にわたる温度の均一化を図ることができる。

【００３８】第６の発明の装置では、半導体基板の周端
面が、ダイヤモンド膜またはダイヤモンドライクカーボ
ン膜として形成された絶縁膜で覆われるので、周端面付
近において漏れ電流に起因して局所的に発生する熱が、
周端面を覆う絶縁膜を通じて拡散し、さらに外部へと効
果的に放散される。したがって、漏れ電流に由来する局
所的な電流集中が生じ、それにより、局所的な発熱が生
じても、迅速な熱の放散が行われるので、半導体基板の
全体にわたる温度の均一化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１の装置の縦断面図である。

【図２】 実施の形態２の装置の縦断面図である。

【図３】 実施の形態２の別の例の装置の縦断面図であ
る。

【図４】 実施の形態３の装置の縦断面図である。

【図５】 実施の形態３の別の例の装置の縦断面図であ
る。

【図６】 実施の形態４の装置の縦断面図である。

【図７】 実施の形態４の別の例の装置の縦断面図であ
る。

【図８】 従来の装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板、２ カソード電極（第１主電極）、３
アノード電極（第２主電極）、４ ゲート電極（制御
電極）、５ 圧接導体（第１圧接導体）、６圧接導体
（第２圧接導体）、７ 絶縁膜、１３ 絶縁膜、１５
導体。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２主面を有する半導体基板
   と、 前記第１主面に設けられた制御電極と、 前記第１主面に接続され前記制御電極よりも突出した第
   １主電極と、 前記第２主面に接続された第２主電極と、 前記第１主電極に押圧力をもって接触する第１圧接導体
   と、 前記第２主電極に押圧力をもって接触する第２圧接導体
   と、ＣＶＤ法によって堆積され、 前記制御電極を覆いダイヤ
   モンド膜またはダイヤモンドライクカーボン膜として形
   成された絶縁膜と、を備える半導体装置。
2. 【請求項２】 前記第１主電極と一体的に連結し、前記
   絶縁膜を覆う導体を、さらに備える、請求項１に記載の
   半導体装置。
3. 【請求項３】 前記第１圧接導体が前記第１主電極に加
   えて前記導体にも押圧力をもって接触している、請求項
   ２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記第１圧接導体が前記第１主電極に加
   えて前記絶縁膜にも押圧力をもって接触している、請求
   項１に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 前記半導体基板の周端面を覆い、ダイヤ
   モンド膜またはダイヤモンドライクカーボン膜として形
   成された別の絶縁膜を、さらに備える請求項１ないし請
   求項４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 第１および第２主面を有する半導体基板
   と、 前記第１主面に設けられた制御電極と、 前記第１主面に接続され前記制御電極よりも突出した第
   １主電極と、 前記第２主面に接続された第２主電極と、 前記第１主電極に押圧力をもって接触する第１圧接導体
   と、 前記第２主電極に押圧力をもって接触する第２圧接導体
   と、 前記半導体基板の周端面を覆い、ダイヤモンド膜または
   ダイヤモンドライクカーボン膜として形成された絶縁膜
   と、を備える半導体装置。