JP3898893B2 - サイリスタのブレークオーバ電圧の設定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、既に製造されているサイリスタのブレークオーバ電圧を設定する方法に関する。
【０００２】
サイリスタは、上下に連続して、ｎドーピングされているカソード側のエミッタと、ｐドーピングされているカソード側のベースと、ｎドーピングされているアノード側のベースと、ｐドーピングされているアノード側のエミッタとから成っている半導体基体を有している。半導体基体のカソード側のエミッタはカソードとして用いられる電極を備えておりかつアノード側のエミッタはアノードとして用いられる電極を備えている。プラスの極性を有する電圧がアノードに印加されかつマイナスの極性を有する電圧がカソードに印加されても、電圧の絶対値が低いうちはサイリスタは阻止域にある。しかし電圧が高められ、最大の順方向阻止電圧、いわゆるブレークオーバ電圧に達すると、順方向において電流が流れるようになる（オン状態）。つまりサイリスタは点弧される。アノードとカソードとの間に逆電圧が加えられると、サイリスタは阻止域にある。阻止域は、サイリスタがブレークダウンして阻止方向に電流が流れるようになるブレークダウン電圧で終わっている。
【０００３】
サイリスタは電圧が阻止域にある場合にも点弧することができる。この点弧は、カソード側のベースとカソード側のエミッタとの間に供給される制御電流によって行うことができる。例えば、いわゆるゲート電極を介して半導体基体の、このために設けられている領域において行うことができる。制御電流を使用しない場合、点弧はいわゆるオーバヘッド点弧として行うこともできる。これは電圧をブレークオーバ電圧の値に高めることである。その他に、電圧を阻止方向に十分急峻に上昇させるまたは半導体基体のこのために固有に設けられている領域に光を入射することによって行うことができる。これは大抵はカソード側のベースで行われる。
【０００４】
ブレークオーバ電圧はサイリスタの構造から来る種々の効果によって制限される。順方向における電流を次のようにしてオン状態にすることができる：
阻止状態にあるカソード側のｐｎ接合における電界を大きくして、キャリア増倍（アバランシ・ブレークダウン、アバランシ・ブレークオーバ）が生じるようにするか、または
空間電荷帯域がほぼアノード側のベースの厚み全体を介して延在しさらにアノード側のエミッタにまで達するようにして、カソード側のベース、アノード側のベースおよびアノード側のエミッタから形成されるアノード側のトランジスタの電流増幅率を十分大きくすることである（いわゆるパンチ・スルー効果）。
上述のいずれがブレークオーバの原因になるのかは基本的に、ベース領域のドーピングプロフィールによって決められる。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許第１９６５０７６２号公報には、次のようなサイリスタが記載されている：オーバヘッド点弧、すなわちブレークオーバ点弧のために設けられている領域において空間電荷帯域によって掃引される帯域に、α粒子または陽子が照射されてキャリヤの寿命のプロフィールが次のように調整される：ブレークオーバ点弧のために必要な電圧が制限されかつ作動温度の領域において大幅に温度に無関係になるようにである。ブレークオーバ点弧はこのサイリスタでは、ブレークダウン電圧の制限のために設けられている中央のＢＯＤ（breakover diode）構造において行われる。
【０００６】
米国特許４９８７０８７号明細書には次のようなサイリスタの製造方法が記載されている。ここでは、その他は完成しているサイリスタに陽子を照射し、その侵入深度はアノード側のベースのカソード側の半分に設定される。このようにそこには欠陥が生成され、それはドナーとして作用しかつキャリア集中を局所的に高めて、ブレークオーバ電圧を低下させている。これにより確かに、アバランシ電圧が低減されるが、他方においてアノード側のトランジスタの電流増幅率は空間電荷帯域の拡がりの低減によって低下するので、ブレークダウン電圧をコントロールしながら低下させることは非常に難しい。
【０００７】
本発明の課題は、上に述べた従来技術の不都合な点を回避することができる、完成したサイリスタのブレークオーバ電圧を設定するための方法を提供することである。
【０００８】
この課題は、サイリスタが半導体基体を有しており、該半導体基体は順番に、ｎドーピングされたカソード側のエミッタと、ｐドーピングされたカソード側のベースと、ｎドーピングされたアノード側のベースと、ｐドーピングされたアノード側のエミッタとを有しており、該半導体基体には中央部に、順方向電圧がアノード側のエミッタとカソード側のエミッタとの間でブレークオーバ電圧に達したときに大電流が流れ始める点弧領域が存在しているというサイリスタのブレークオーバ電圧の設定方法から出発して、請求項１の特徴部分に記載のように、中央点弧領域にイオンを注入して、該イオンによりアノード側のベースのカソード側の半部において有効なｎドーピングを低減するアクセプタとして作用する状態が生成されるようにすることによって解決される。
従属請求項にはそれぞれ有利な実施の形態が記載されている。
【０００９】
本発明の方法では、完成したサイリスタの効果的なドーピングプロフィールが適当な種類のイオンを点弧のために設けられている領域、例えばＢＯＤ構造に照射することによって、ブレークオーバ電圧が少なくとも避けがたい許容偏差内で前以て決められている値に設定されるように変化される。イオンの種類は、半導体材料への注入によって有効なｎド ーピングを低減するアクセプタとして作用する状態、いわばアクセプタライクな状態が生成されるように選択される。その際最も効果的なのは、比較的低くドーピングされている帯域、通例はアノード側のベースおよび有利にはアノード側のベースとカソード側のベースとの間のｐｎ接合の近傍においてでの変化である。ｎドーピングされたベースの調整のために、殊にヘリウムイオンが適している。これはヘリウムイオンが著しく減速される領域において、アクセプタのような作用をする状態を生成し、これにより有効なｎドーピングが低減される。ヘリウムイオンが著しく減速される領域は通例、少なくとも近似的に決定することができる最大の侵入深度のすぐ手前に存在している。
【００１０】
例を用いてこの方法を説明するために、添付の図にサイリスタが断面にて示されている。寸法を拡大するために図には半分しか示されていない。断面図は、完全になるためには、左側に示されている垂直方向の一点鎖線で鏡像的に示されていると考えればよい。
【００１１】
このサイリスタは半導体基体１を有している。これは、順次にｎドーピングされたカソード側のエミッタ５、ｐドーピングされたカソード側のベース６、ｎドーピングされたアノード側のベース７およびｐドーピングされたアノード側のエミッタ８を有している。半導体基体１には中央に領域２がある。ここでは順方向電圧がアノード側のエミッタとカソード側のエミッタとの間でこの領域のブレークオーバ電圧に達したときに大電流が流れ始めるようになる（点弧する）。この電圧は、半導体基体の上面および下面の図示のコンタクトに印加される。一連の所謂ＡＧ（amplyfying gate）構造が示されており、これらはサイリスタの点弧の際に図示の順番で点弧していく。サイリスタは有利には回転対称であるので、図示の断面では左から右にサイリスタ構造が中心から外に向かって示されている。
【００１２】
サイリスタの中央の点弧領域２は、この例においては入射される光を用いて点弧されるようになっている。阻止方向における電圧が十分に大きくなった場合にサイリスタがまず中央において点弧しかつ順方向における電流の本来の点弧が順次にＡＧ構造を介して行われることを保証するために、点弧のために設けられている領域２にブレークオーバ・ダイオード構造が存在しているようにすることができる。ブレークオーバ・ダイオード構造は例えば冒頭に述べたドイツ連邦共和国特許第１９６５０７６２号公報に記載されているようなものである。サイリスタの点弧の前に到達できる最大の電圧はここでは中央における保護ダイオードのアバランシ・ブレークダウン電圧によって決められる。アバランシ・ブレークダウン電圧は、カソード側のｐドーピングされたベース領域の中央部分の境界の湾曲特性に決定的に依存している。
【００１３】
ブレークオーバ電圧の後からの調整に対して殊に重要なのは、アノード側のベースのカソード側の半部におけるｎドーピングを局所的に低減すること、例えば阻止状態にあるｐｎ接合の周囲において低減することにより、そこでは電界強度が相応に低減されるようになるということである。これにより一方において保護ダイオードのアバランシ・ブレークダウン電圧が高められ、他方において阻止状態にあるｐｎ接合において形成される空間電荷帯域が同じアノード−カソード電圧においてアノード側のベースに深く侵入する。これにより、カソード側のベースと、アノード側のベースと、アノード側のエミッタから形成されるｐｎｐトランジスタの電流増幅率、ひいては逆方向電流が高められる。
【００１４】
後からの照射によって有効なドーピングがアノード側のベース７のカソード側の小さな帯域３においてだけ、行き過ぎない程度に低減され、アノード側のベースの長さが十分に大きい、つまりアノード側のベースを形成するｎドーピングされた半導体層の厚さが十分大きければ、ｐｎｐトランジスタの電流増幅率には僅かしか影響しない。すなわち、阻止状態にあるｐｎ接合における最大の電界強度が低下すると、保護ダイオードのアバランシ・ブレークダウン電圧が高められることに基づいてサイリスタのブレークオーバ電圧は相応に高められる。これに対してアノード側のベースにおいて比較的大きな領域内で有効ｎドーピングが著しく低減されれば、ブレークオーバ電圧は低減される。というのはこの場合、電流増幅率に対する影響が大きいからである。空間電荷帯域はこの場合、点弧のために設けられている領域２において阻止状態にあるｐｎ接合のアバランシ・ブレークダウン電圧に達する相当前に、アノード側のエミッタ８に近づく。
【００１５】
所望の用途のために必要な、アノード側のベースにおける有効ドーピング濃度の局所的な低減は、サイリスタの、中央の、点弧のために設けられている領域２に例えばヘリウムイオンを照射することによって行われる。このことは有利にはカソード側から行われる。照射エネルギーは必要な侵入深度に応じて十分に高く設定される。この照射によってアクセプタライクな状態が生成される。この状態は有効ｎドーピングを低減する。ｐドーピングの相応の低減は、例えば陽子の照射を用いて行われる。このことは冒頭に引用した米国特許４９８７０８７号明細書に別の用途に基づいて説明されているように行われる。粒子の照射により更に、半導体材料、有利にはシリコン中に欠陥が生成される。これにより、自由キャリアの密度が高められることで発生寿命が低減され、ひいては漏れ電流が局所的に上昇する。こうして結果的にブレークオーバ電圧が一段と低減されることになる。その際半導体材料中の小さな体積しか照射されないようにすれば、有利にも漏れ電流全体に対する影響は小さい。本発明の方法によってブレークオーバ電圧の上昇並びに低減を簡単でしかも正確な手法で実現することができる。
【００１６】
ブレークオーバ電圧をどの程度低下させるか、上昇させるかは、照射の線量およびエネルギーにより設定することができる。種々のエネルギーによる複数回の照射により、数百マイクロメートルの寸法を有する領域においてアノード側のベースの有効ドーピングを意図的に調整することができる。生成された欠陥による電気的な不安定を防止するために、有利には２５０℃近傍の温度における熱処理が行われる。このような処理は完成しているサイリスタに安全に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を説明するためのサイリスタの一部の断面略図である。

Claims (5)

1. サイリスタは半導体基体（１）を有しており、該半導体基体は順番に、ｎドーピングされたカソード側のエミッタ（５）と、ｐドーピングされたカソード側のベース（６）と、ｎドーピングされたアノード側のベース（７）と、ｐドーピングされたアノード側のエミッタ（８）とを有しており、
   該半導体基体（１）には中央部に、順方向電圧がアノード側のエミッタとカソード側のエミッタとの間でブレークオーバ電圧に達したときに大電流が流れ始める点弧領域（２）が存在している
   サイリスタのブレークオーバ電圧の設定方法において、
   前記中央の点弧領域（２）にイオンを注入して、該イオンによりアノード側のベース（７）のカソード側の半部において有効なｎドーピングを低減するアクセプタとして作用する状態が生成されるようにする
   ことを特徴とする方法。
2. 前記点弧領域（２）にイオンを注入して、該イオンによりアノード側のベース（７）のカソード側の半部においてアクセプタとして作用する欠陥が生成されるようにする
   請求項１記載の方法。
3. 前記点弧領域（２）にイオンを注入して、該イオンがアノード側のベース（７）中の、カソード側のベース（６）に接している帯域（３）において、アクセプタとして作用する欠陥が生成されるようにする
   請求項１または２記載の方法。
4. ヘリウムイオンを注入する
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. イオンをブレークオーバダイオード（ＢＯＤ）を形成しているサイリスタ部分に注入する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

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