JPH025016B2 - - Google Patents

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JPH025016B2
JPH025016B2 JP10413284A JP10413284A JPH025016B2 JP H025016 B2 JPH025016 B2 JP H025016B2 JP 10413284 A JP10413284 A JP 10413284A JP 10413284 A JP10413284 A JP 10413284A JP H025016 B2 JPH025016 B2 JP H025016B2
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JP
Japan
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layer
gate
anode
base region
thyristor
Prior art date
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Application number
JP10413284A
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Japanese (ja)
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JPS60247969A (en
Inventor
Yutaka Kawamura
Kimihiro Muraoka
Yoshinobu Ootsubo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyo Electric Manufacturing Ltd
Original Assignee
Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Publication date
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Publication of JPH025016B2 publication Critical patent/JPH025016B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7391Gated diode structures
    • H01L29/7392Gated diode structures with PN junction gate, e.g. field controlled thyristors (FCTh), static induction thyristors (SITh)

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は自己消弧形サイリスタ、特に埋め込
みゲート形静電誘導サイリスタの改良に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an improvement in a self-extinguishing thyristor, particularly a buried gate type electrostatic induction thyristor.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

周知のように従来のPNPN4層構造を持つサイ
リスタは、主電流通路であり且つ耐圧を分担する
高抵抗層のN領域を仕切る形で、平板状のP形ベ
ース領域が存在し、この部分が電流の制御領域と
なる。この場合制御領域自身の中に主電流が流れ
ることになり、このP形の制御ベース領域中にキ
ヤリヤの蓄積が生じ、その引き出しに時間がかか
る。
As is well known, a thyristor with a conventional PNPN four-layer structure has a flat P-type base region that separates the N region of the high-resistance layer, which serves as the main current path and shares the breakdown voltage. becomes the control area. In this case, the main current will flow within the control region itself, and carriers will accumulate in this P-type control base region, which takes time to draw out.

また、キヤリヤが制御領域に注入されるので、
その注入の効率を下げないように、制御領域の不
純物密度をあまり高くできず、その層もあまり厚
くできない。従つて、ベース領域の横方向の抵抗
が大きくなり、このためスイツチング時間が遅く
なつていた。
Also, since the carrier is injected into the control area,
In order not to reduce the efficiency of the implantation, the impurity density in the control region cannot be made too high, and the layer cannot be made too thick. Therefore, the lateral resistance of the base region is increased, which slows down the switching time.

静電誘導サイリスタ(以下SIサイリスタと称
す)は、大電力、高速スイツチングの行えるサイ
リスタとして近年発明されたもので、4層構造を
持つ従来形サイリスタとはゲート部分の形状を異
とするものである。
Static induction thyristors (hereinafter referred to as SI thyristors) are recently invented thyristors capable of high-power, high-speed switching, and have a gate shape that differs from conventional thyristors with a four-layer structure. .

第4図および第5図は既存のSIサイリスタの断
面構造の模式図で、単位素子を示しており、実際
にはこれらの単位素子をそれぞれ並列に多数接続
してSIサイリスタを構成している。
FIGS. 4 and 5 are schematic diagrams of the cross-sectional structure of existing SI thyristors, showing unit elements, and in reality, a large number of these unit elements are connected in parallel to form an SI thyristor.

ゲート構造の相違により、第4図のものは埋め
込みゲート形、第5図のものは表面ゲート形と呼
ばれ、各々性能上の特徴はあるが動作原理は同じ
であり、同一機能を有する部分には同一符号を付
してある。
Due to the difference in gate structure, the one in Figure 4 is called a buried gate type, and the one in Figure 5 is called a surface gate type.Although each has performance characteristics, the operating principle is the same, and the parts with the same function are are given the same reference numerals.

第4図に示した埋め込みゲート形SIサイリスタ
の構造を説明すると、P+層から成るアノード2
とN+層から成るカソード1の間に、N形低不純
物のN-層から成るベース領域3を挟んでPINダ
イオードを形成し、ベース領域3のカソード1に
近い部分にチヤネル5と呼ばれるN-層を囲む形
状で、P形の低抵抗領域P+層から成るゲート4
を設けた構造になつている。ここで、6,7,8
はそれぞれカソード1、アノード2、ゲート4の
表面に設けたカソード電極、アノード電極、ゲー
ト電極を示す。
To explain the structure of the buried gate type SI thyristor shown in Fig. 4, the anode 2 consisting of P + layer
A PIN diode is formed between a cathode 1 made of an N + layer and a base region 3 made of an N - layer with low N type impurities, and a PIN diode is formed in a portion of the base region 3 near the cathode 1 called a channel 5 . A gate 4 consisting of a P type low resistance region P + layer surrounding the layer.
It has a structure with Here, 6, 7, 8
represent a cathode electrode, an anode electrode, and a gate electrode provided on the surfaces of the cathode 1, anode 2, and gate 4, respectively.

第5図に示した表面ゲート形SIサイリスタは、
ゲート4がカソード1と同一表面に形成されるプ
レーナ構造をしたもので、この場合チヤネル5は
図中に示した領域となる。
The surface gate type SI thyristor shown in Figure 5 is
It has a planar structure in which the gate 4 is formed on the same surface as the cathode 1, and in this case the channel 5 is the area shown in the figure.

第6図は第4図に示した埋め込みゲート形SIサ
イリスタを用いて直流回路の開閉を行う場合の動
作を説明するための回路図で、第4図の単位素子
を多数並列接続して構成したサイリスタ11と、
主電源13および負荷12により主回路を形成
し、SIサイリスタ11のカソード電極6とゲート
電極8を、それぞれスイツチ16を介して正極を
ゲート電極8に接がれる電極14、およびスイツ
チ17を介して負極をゲート電極8に接がれる電
源15とにより接続するように制御回路を形成す
る。
Figure 6 is a circuit diagram for explaining the operation when opening and closing a DC circuit using the embedded gate type SI thyristor shown in Figure 4.It is constructed by connecting many unit elements of Figure 4 in parallel. Thyristor 11 and
A main circuit is formed by the main power supply 13 and the load 12, and the cathode electrode 6 and gate electrode 8 of the SI thyristor 11 are connected via the switch 16 to the electrode 14 whose positive electrode is connected to the gate electrode 8, and the switch 17. A control circuit is formed so that the negative electrode is connected to the power source 15 connected to the gate electrode 8.

第6図において、スイツチ17を開いてスイツ
チ16を閉じれば、ゲート4とカソード1間の
P+N-N+接合が順バイアスされて、カソード1の
N+領域からエレクトロンが、ゲート4のP+層か
らホールがキヤリヤとしてチヤネル5部のN-
に注入されて、チヤネル5のキヤリヤ密度が非常
に高まり高導通状態になる。
In FIG. 6, if switch 17 is opened and switch 16 is closed, the gap between gate 4 and cathode 1 is
The P + N - N + junction is forward biased and the cathode 1
Electrons from the N + region and holes from the P + layer of the gate 4 are injected as carriers into the N - layer of the channel 5, so that the carrier density of the channel 5 increases significantly and becomes highly conductive.

この時、カソード1のN+領域からチヤネル5
に注入されたエレクトロンの一部は、主電源13
による電界に加速されて、低不純物濃度のベース
領域3のN-層を移動し、アノード2のP+層直下
のベース領域3のN-層部分に蓄積される。この
部分に蓄積されたエレクトロンは、アノード2か
らベース領域3へのホールの注入を促進し、ベー
ス領域3へ注入されたホールは、チヤネル5を通
過してカソード1に到達し、更にエレクトロンの
注入を促がす。
At this time, from the N + area of cathode 1 to channel 5
Some of the electrons injected into the main power supply 13
is accelerated by the electric field caused by the impurity concentration, moves through the N - layer of the base region 3 with a low impurity concentration, and is accumulated in the N - layer portion of the base region 3 directly under the P + layer of the anode 2 . The electrons accumulated in this part promote the injection of holes from the anode 2 to the base region 3, and the holes injected into the base region 3 pass through the channel 5 and reach the cathode 1, and further injection of electrons. urge.

このようにして、低不純物のN-層から成るベ
ース領域3は、高濃度のキヤリヤで満され低抵抗
を示すようになる。この過程がSIサイリスタのタ
ーンオンであり、オンの定常状態ではSIサイリス
タのベース領域3のチヤネル5はエレクトロンお
よびホールで充満しており、P+層のゲート4に
はホールが蓄積されている。
In this way, the base region 3 consisting of the lightly impurity N - layer is filled with a high concentration of carrier and exhibits a low resistance. This process is the turn-on of the SI thyristor, and in the on steady state, the channel 5 of the base region 3 of the SI thyristor is filled with electrons and holes, and the holes are accumulated in the gate 4 of the P + layer.

次に、このような状態にあるSIサイリスタ11
をオフする時の動作について述べる。
Next, the SI thyristor 11 in this state
The operation when turning off is described below.

第6図において、スイツチ16を開いてスイツ
チ17を閉じると、ゲート4とカソード1間の
P+N-N+接合が逆バイアスされる。この時、P+
層から成るゲート4およびゲート4近傍のベース
領域3のN-層に蓄積されたホールはゲート電極
8から、N+層から成るカソード1およびカソー
ド1近傍のベース領域3のN-層のエレクトロン
はカソード電極6から、ゲート4の逆電流として
掃き出される。
In FIG. 6, when switch 16 is opened and switch 17 is closed, the gap between gate 4 and cathode 1 is
The P + N - N + junction is reverse biased. At this time, P +
The holes accumulated in the N - layer of the gate 4 and the base region 3 near the gate 4 are transferred from the gate electrode 8, and the electrons in the cathode 1 and the N - layer of the base region 3 near the cathode 1 are transferred from the gate electrode 8 . It is swept out from the cathode electrode 6 as a reverse current of the gate 4.

この結果、ゲート4近傍のベース領域3のN-
層に空乏層が形成され、空乏層の成長と共にチヤ
ネル5は完全に空乏化し、更に空乏層はベース領
域3をアノード2へ向つて広がることになる。一
方、ベース領域3の空乏層の成長と共にアノード
2とカソード1の間の電圧が増加し始め、遂には
主電源13の電圧ESと等しくなる。
As a result, N - of the base region 3 near the gate 4
A depletion layer is formed in the layer, and as the depletion layer grows, the channel 5 becomes completely depleted, and the depletion layer further extends through the base region 3 toward the anode 2. On the other hand, as the depletion layer in the base region 3 grows, the voltage between the anode 2 and the cathode 1 begins to increase and finally becomes equal to the voltage E S of the main power supply 13.

この時、アノード接合9近傍のベース領域3の
N-層中には、ゲート4から掃き出されずに残つ
たキヤリヤ(主としてホール)が多数存在し、こ
のキヤリヤはベース領域3中を流れてP+層のゲ
ート4から掃き出される。この時のキヤリヤの流
れはホール電流で、ターンオフ直後にアノード電
極7からゲート電極8へ流れる電流として観測さ
れ、テイル電流と呼ばれる。
At this time, the base region 3 near the anode junction 9
In the N - layer, there are many carriers (mainly holes) that remain without being swept out of the gate 4, and these carriers flow through the base region 3 and are swept out of the gate 4 of the P + layer. The carrier flow at this time is a Hall current, which is observed as a current flowing from the anode electrode 7 to the gate electrode 8 immediately after turn-off, and is called a tail current.

ターンオフ時にテイル電流が流れる期間は、一
般にアノード電圧が回路電圧に回復しているの
で、この時素子に大きい電力損失が生じる。そこ
で、高耐圧、大電流の素子においては、テイル電
流の低減が従来からの課題であつた。
During the period when the tail current flows during turn-off, the anode voltage is generally restored to the circuit voltage, so a large power loss occurs in the device at this time. Therefore, in high-voltage, large-current devices, reduction of tail current has been a conventional issue.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

このような問題点に対する対策として、従来か
ら第7図、第8図に示す構造のものが知られてい
る。第7図および第8図はそれぞれ別のSIサイリ
スタの断面構造を示す模式図で、単位素子を示
し、第4図と同一の符号は同一機能を有する部分
を示す。
As a countermeasure against such problems, structures shown in FIGS. 7 and 8 have been known. 7 and 8 are schematic diagrams showing the cross-sectional structure of different SI thyristors, each showing a unit element, and the same reference numerals as in FIG. 4 indicate parts having the same function.

第7図に示したものはアノード2のP+層とベ
ース領域3のN-層との間に、中比抵抗のバツフ
ア層10と呼ばれるN形層を挟んだ構造にしてあ
る他は、第4図に示した埋め込みゲート形SIサイ
リスタと同じである。N-層から成るベース領域
3の中で広がつた空乏層がバツフア層10に届く
と、バツフア層10は比較的高不純物濃度のため
に、空乏層の広がる幅が制約されたPIN構造とな
る。
The structure shown in FIG. 7 has a structure in which an N-type layer called a buffer layer 10 of medium resistivity is sandwiched between the P + layer of the anode 2 and the N - layer of the base region 3. This is the same as the buried gate type SI thyristor shown in Figure 4. When the depletion layer spread in the base region 3 made of the N - layer reaches the buffer layer 10, the buffer layer 10 becomes a PIN structure in which the spread width of the depletion layer is restricted due to the relatively high impurity concentration. .

そのために、同じ電圧を阻止するのに必要な
N-層のベース領域3の厚みが少なくてすみ、順
電圧降下が小さくなつて、その分だけベース領域
3のN-層に金拡散などを行つて残存キヤリヤの
ライフタイムを短かくできるので、テイル電流が
減少する。
Therefore, the required
Since the thickness of the base region 3 of the N - layer is small, the forward voltage drop is reduced, and the lifetime of the remaining carrier can be shortened by that amount by performing gold diffusion into the N - layer of the base region 3. Tail current decreases.

また、第8図に示したものはアノード短絡構造
として知られているもので、アノード2のP+
とベース領域3のN-層の一部が直接アノード電
極7に接続されるようになつている他は、第1図
に示した埋め込みゲート形SIサイリスタと同じで
ある。
The structure shown in FIG. 8 is known as an anode short-circuit structure, in which the P + layer of the anode 2 and part of the N - layer of the base region 3 are directly connected to the anode electrode 7. Other than that, it is the same as the buried gate type SI thyristor shown in FIG.

このような構造にすると、アノード2のP+
がらベース領域3のN-層へのホールの注入が抑
制されると共に、ターンオフ時のテイル期間にお
いても、アノード2のP+層直下のベース領域の
N-層に蓄積されたエレクトロンが、N-層自身が
アノード電極7と接触する短絡部から直接アノー
ド電極7へ抜け、上記N-層のホールもアノード
2のP+層へ戻るので、残存キヤリヤの消滅が早
いなどの効果がある。
With this structure, hole injection from the P + layer of the anode 2 to the N - layer of the base region 3 is suppressed, and even during the tail period at turn-off, the base region directly under the P + layer of the anode 2 is suppressed. of
The electrons accumulated in the N - layer pass directly to the anode electrode 7 from the short circuit where the N - layer itself contacts the anode electrode 7, and the holes in the N - layer also return to the P + layer of the anode 2, so that the remaining carrier This has the effect of making it disappear faster.

更に、デユアルゲート形SIサイリスタと呼ばれ
るSIサイリスタも既に公表されている。第9図は
デユアルゲート形SIサイリスタの単位素子の断面
構造を示す模式図で、N-層から成るベース領域
3の中のアノード2側に第2ゲート18と呼ばれ
るN+層を埋め込み、カソード1側におけるゲー
ト4によるチヤネル5と同じ機能を有する第2チ
ヤネル19を設けたのであり、その他第4図と同
一の符号は同一機能を有する部分を示す。
Furthermore, an SI thyristor called a dual-gate SI thyristor has already been made public. FIG. 9 is a schematic diagram showing the cross - sectional structure of a unit element of a dual - gate type SI thyristor. A second channel 19 having the same function as the channel 5 by the gate 4 on the side is provided, and the same reference numerals as in FIG. 4 indicate parts having the same function.

ターンオン時には第2ゲート18とアノード2
間を順バイアスして、アノード2のP+層からベ
ース領域3のN-層へのホールの注入を容易にす
る。
At turn-on, the second gate 18 and the anode 2
A forward bias is applied between the two layers to facilitate injection of holes from the P + layer of the anode 2 to the N - layer of the base region 3.

ターンオフ時には第2ゲート18とアノード2
間を逆バイアスして、第2チヤネル19近傍のエ
レクトロンは第2ゲート18のN+層へ、ホール
はアノード2のP+層へ掃き出して、第2チヤネ
ル19の付近を急速に空乏化する。
At turn-off, the second gate 18 and the anode 2
By applying a reverse bias between the two channels, electrons in the vicinity of the second channel 19 are swept out to the N + layer of the second gate 18, and holes are swept out to the P + layer of the anode 2, so that the vicinity of the second channel 19 is rapidly depleted.

その結果スイツチング性能の大幅な向上が期待
されるものである。
As a result, a significant improvement in switching performance is expected.

以上説明した第7図〜第9図の例は、前述した
ターンオフ時のテイル電流の低減にいずれも効果
があるが、しかしまたいずれも問題点を抱えてい
る。
The examples shown in FIGS. 7 to 9 described above are all effective in reducing the tail current at the time of turn-off, but they all have problems.

例えば第7図に示したバツフア層10を挟入し
たSIサイリスタでは、印加電圧が低くて空乏層が
バツフア層10のN層迄広がらない時に、ベース
領域3のN-層に残つたホールによりテイル電流
が流れる。
For example, in the SI thyristor with the buffer layer 10 shown in FIG . Current flows.

また、第8図に示したアノード短絡構造のSIサ
イリスタでは、アノード2の短絡比率の決定法に
問題があり、SIサイリスタのように単位素子の寸
法が微細になり、N-層から成るベース領域3の
厚みが大きくなるほど、効果的な設計が難かしく
なる。
In addition, in the SI thyristor with the anode short-circuit structure shown in Fig. 8, there is a problem in the method of determining the short-circuit ratio of the anode 2, and the dimensions of the unit element become fine as in the SI thyristor, and the base region made of N - layer As the thickness of 3 increases, effective design becomes more difficult.

更に、第9図に示したデユアルゲート形のSIサ
イリスタとすることは極めて効果的ではあるが、
微細構造のチヤネル5と第2チヤネル19をベー
ス領域3のカソード1側とアノード2側の両方に
形成するのは、製造的にかなり困難な問題であ
る。
Furthermore, although using the dual gate type SI thyristor shown in Figure 9 is extremely effective,
Forming the microstructured channel 5 and the second channel 19 on both the cathode 1 side and the anode 2 side of the base region 3 is a rather difficult manufacturing problem.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明はかかる諸問題を改良する目的でなされ
たもので、順電圧降下およびテイル電流が少な
く、製造法が容易なSIサイリスタを提供するもの
である。
The present invention has been made to solve these problems, and provides an SI thyristor with low forward voltage drop and low tail current, and which is easy to manufacture.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

第1図は本発明にかかるSIサイリスタの単位素
子の断面構造を示す模式図で、実際のSIサイリス
タチツプはこの単位素子を多数並列に接続した構
造を持ち第3図に1例を示す断面構造を持つもの
であり第4〜9図と同一の符号は同一機能を有す
る部分を示す。
Fig. 1 is a schematic diagram showing the cross-sectional structure of a unit element of the SI thyristor according to the present invention, and an actual SI thyristor chip has a structure in which a large number of these unit elements are connected in parallel, and Fig. 3 shows an example of the cross-sectional structure. The same reference numerals as in FIGS. 4 to 9 indicate parts having the same functions.

本単位素子は従来の第7図に示したアノード2
のP+層とベース領域3のN-層との間に中比抵抗
を持つバツフア層10を挟み込んだ形とほぼ同様
の形状であるが、このバツフア層10の一部をア
ノード2の表面と同一面に露出させ、この露出面
に第2ゲート電極20を設けたものである。
This unit element is similar to the conventional anode 2 shown in FIG.
The shape is almost the same as that in which a buffer layer 10 having an intermediate resistivity is sandwiched between the P + layer of the base region 3 and the N - layer of the base region 3. They are exposed on the same surface, and a second gate electrode 20 is provided on this exposed surface.

第2電極を有する点では従来の第9図に示した
デユアルゲート形SIサイリスタに類似している。
しかしながら第9図のデユアルゲート形SIサイリ
スタの場合は、埋め込まれたN+層からなる第2
ゲート18の間に第2チヤネル19が存在する
が、本発明にかかる第1図のSIサイリスタにおい
ては、N形のバツフア層10は従来形サイリスタ
のゲート層と同じ平板構造を持つ特徴がある。
It is similar to the conventional dual gate type SI thyristor shown in FIG. 9 in that it has a second electrode.
However, in the case of the dual-gate SI thyristor shown in Fig. 9, the second
A second channel 19 exists between the gates 18, but in the SI thyristor of FIG. 1 according to the present invention, the N-type buffer layer 10 is characterized by having the same planar structure as the gate layer of the conventional thyristor.

次に、動作の説明を行う。第2図は本発明にか
かるSIサイリスタを用いて直流回路の開閉を行う
場合の動作を説明するための回路図で、第6図と
同一機能を有する部分には同一符号を付して表
し、11′は第1図に示した単位素子を多数並列
接続した本発明にかかるSIサイリスタを示す。第
6図の制御回路の他に、SIサイリスタ11′のア
ノード電極7と第2ゲート電極20を、それぞれ
スイツチ16′を介して正極をアノード電極7に
接がれる電源14′、およびスイツチ17′を介し
て負極をアノード電極7に接がれる電源15′と
により接続することによる制御回路が付加されて
いる。
Next, the operation will be explained. FIG. 2 is a circuit diagram for explaining the operation when opening and closing a DC circuit using the SI thyristor according to the present invention, and parts having the same functions as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. Reference numeral 11' indicates an SI thyristor according to the present invention in which a large number of unit elements shown in FIG. 1 are connected in parallel. In addition to the control circuit shown in FIG. 6, the anode electrode 7 and second gate electrode 20 of the SI thyristor 11' are connected to a power source 14' whose positive electrode is connected to the anode electrode 7 via a switch 16', and a switch 17'. A control circuit is added by connecting the negative electrode to a power source 15' connected to the anode electrode 7 via the anode electrode 7.

SIサイリスタ11′をオンさせるには、スイツ
チ17,17′を開いてスイツチ16,16′を同
時に閉じる。この時、ゲート4とカソード1間の
P+N-N+接合と、アノード2と第2ゲート電極2
0間のP+N接合が共に順バイアスされ、中央の
N-層のベース領域3にアノード2からホールが、
カソード1からエレクトロンが注入される。
To turn on the SI thyristor 11', open the switches 17, 17' and close the switches 16, 16' at the same time. At this time, between gate 4 and cathode 1
P + N - N + junction, anode 2 and second gate electrode 2
The P + N junctions between 0 are forward biased together and the central
A hole is formed from the anode 2 to the base region 3 of the N - layer.
Electrons are injected from cathode 1.

N-層のベース領域3に注入されたキヤリヤは、
主電源13による電界に加速されてエレクトロン
はアノード2へ、ホールはカソード1へ流れるの
で、SIサイリスタ11′は急速にターンオンする
ことになる。
The carrier injected into the base region 3 of the N - layer is
Accelerated by the electric field from the main power source 13, electrons flow to the anode 2 and holes flow to the cathode 1, so the SI thyristor 11' is rapidly turned on.

次に、このような状態にあるSIサイリスタ1
1′に対して、スイツチ16,16′を開くと共に
スイツチ17,17′を同時に閉じると、第2ゲ
ート電極20とアノード2間のNP+接合および
カソード1とゲート4間のN+N-P+接合が共に逆
バイアスされる。
Next, SI thyristor 1 in this state
1', when switches 16, 16' are opened and switches 17, 17' are simultaneously closed, an NP + junction between the second gate electrode 20 and the anode 2 and an N + N - P between the cathode 1 and the gate 4 are formed. + junctions are reverse biased together.

この時、チヤネル5およびその近傍に空乏層が
形成され、N-層から成るベース領域3に広がる
ことに関しては第6図に示したSIサイリスタ11
の場合と同じであるが、アノード2側のP+N接
合が逆バイアスされているので、バツフア層10
のN層のエレクトロンは第2ゲート電極20によ
つて外部へ、ホールはアノード2のP+層へ掃き
出されてP+N接合は逆回復し、ベース領域3の
N-へのホールの注入は直ちに停止する。
At this time, a depletion layer is formed in the channel 5 and its vicinity, and spreads to the base region 3 made of the N - layer as shown in the SI thyristor 11 shown in FIG.
However, since the P + N junction on the anode 2 side is reverse biased, the buffer layer 10
The electrons in the N layer of are swept out by the second gate electrode 20, and the holes are swept out to the P + layer of the anode 2, and the P + N junction reversely recovers.
Injection of holes into N- stops immediately.

導通状態でN-層から成るベース領域3に存在
したキヤリヤの大部分は、チヤネル5部分の空乏
層の広がりと共にゲート4を通じて外部へ掃き出
されるので、空乏層が充分広がり回路電圧を阻止
した後に流れる電流は、ベース領域3のN-層の
アノード2側に残留する僅かのホールを、ゲート
4へ掃き出すための電流だけになる。すなわち、
テイル電流を減少させる効果が大きい。
Most of the carriers present in the base region 3 made of the N - layer in the conductive state are swept out through the gate 4 as the depletion layer in the channel 5 portion expands, so that after the depletion layer has sufficiently expanded to block the circuit voltage. The current flowing is only a current for sweeping out a few holes remaining on the anode 2 side of the N layer of the base region 3 to the gate 4 . That is,
Great effect in reducing tail current.

また、回路電圧によるベース領域3のN-層中
の空乏層の広がりが、バツフア層10のN層に届
くように設計すれば、テイル電流を零にすること
も可能である。
Furthermore, if the design is such that the expansion of the depletion layer in the N - layer of the base region 3 due to the circuit voltage reaches the N layer of the buffer layer 10, it is possible to reduce the tail current to zero.

以上の説明はゲート電極8と第2ゲート電極2
0の動作のタイミングを同じとして説明したが、
たとえばスイツチ16を閉じる前にスイツチ1
6′を閉じておき、ベース領域3のN-層にホール
を注入した後にスイツチ16を閉じてもよい。ま
た、ターンオフ時にスイツチ17を閉じてカソー
ド1側の蓄積キヤリヤの掃き出しが終つた後に、
スイツチ17′を閉じてアノード2側の蓄積キヤ
リヤを掃き出すことも可能である。これらの場合
はゲートの制御回路の動作を揃える必要がないの
で、構成が容易になる。
The above explanation is based on the gate electrode 8 and the second gate electrode 2.
I explained that the timing of the operation of 0 is the same, but
For example, before closing switch 16, switch 1
6' may be closed, and after holes are injected into the N - layer of the base region 3, the switch 16 may be closed. Also, after the switch 17 is closed at turn-off and the storage carrier on the cathode 1 side has been swept out,
It is also possible to close the switch 17' and flush out the storage carrier on the anode 2 side. In these cases, since there is no need to align the operations of the gate control circuits, the configuration becomes easier.

更に、第2ゲート電極20の持つ機能の一部分
だけを利用する使い方として、例えばテイル電流
を減少させるために第2ゲート電極制御回路とし
て第2図の電源15′およびスイツチ17′のみを
備えて使用してもよく、あるいは第2ゲート電極
20を開放して第7図に示したものと同様の使い
方をしてもよい。これらの使い方は用途に応じて
任意に選択することができる。
Further, as a method of using only a part of the function of the second gate electrode 20, for example, in order to reduce the tail current, the second gate electrode control circuit may be provided with only the power supply 15' and the switch 17' shown in FIG. Alternatively, the second gate electrode 20 may be left open and used in the same manner as shown in FIG. How to use these can be arbitrarily selected depending on the purpose.

なお、以上の説明はすべて第4図に示した従来
の埋め込みゲート形SIサイリスタの改良について
述べたが、第5図に示した従来の表面ゲート形SI
サイリスタに対しても採用することができ、ほぼ
同様の効果を得ることができる。
The above explanation has all been about the improvement of the conventional buried gate type SI thyristor shown in Fig. 4, but the conventional surface gate type SI thyristor shown in Fig. 5 has been improved.
It can also be applied to a thyristor, and almost the same effect can be obtained.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明にかかるSIサイリスタの製作例を
第3図に示した埋め込みゲート構造を有するもの
を例にとつて説明する。
Next, an example of fabricating an SI thyristor according to the present invention will be described, taking as an example one having a buried gate structure shown in FIG.

まず、接合形成プロセスから説明する。シリコ
ン素材としては不純物密度約5×1013atoms/c.c.
で、厚み約300μmの高比抵抗のN形シリコン3
aの一方の面に不純物密度約5×1016atoms/c.c.
で厚み約30μmのN形の中比抵抗のバツフア層1
0が予め形成された素材が準備される。ここで、
中比抵抗のバツフア層10の形成は、公知のエピ
タキシヤル成長法で容易に行うことができる。
First, the bond forming process will be explained. As a silicon material, the impurity density is approximately 5×10 13 atoms/cc.
N-type silicon 3 with high resistivity and a thickness of approximately 300 μm.
Impurity density on one side of a is approximately 5×10 16 atoms/cc
N-type medium resistivity buffer layer 1 with a thickness of about 30 μm
A material on which 0 has been formed in advance is prepared. here,
The buffer layer 10 having a medium specific resistance can be easily formed by a known epitaxial growth method.

次に高比抵抗のN形シリコン3aの他方の面に
は、低抵抗のP+層のゲート4(中央部)および
4′(ゲート電極8の取付部)が、予め設計計画
されたチヤネル5の間隔を確保するように選択的
に複数個が形成される。ゲート4,4′は表面不
純物密度が約2×1019atoms/c.c.で、その接合深
さは約15μm、チヤネル間隔は4〜10μm程度と
なつている。
Next, on the other surface of the high-resistivity N-type silicon 3a, the gates 4 (center part) and 4' (attachment part of the gate electrode 8) of the low-resistance P + layer are formed into a channel 5 which is designed and planned in advance. A plurality of pieces are selectively formed so as to secure an interval of . The gates 4 and 4' have a surface impurity density of about 2×10 19 atoms/cc, a junction depth of about 15 μm, and a channel spacing of about 4 to 10 μm.

このゲートのP+層の形成と同時に、P+層から
成るアノード2も形成することができる。アノー
ド2の表面不純物密度および接合深さは、ほぼゲ
ート4,4′と同水準であり、位置的にはチヤネ
ル5に対向する場所に設けられている。このよう
なゲート4,4′およびアノード2の選択的な形
成は、公知のP形不純物として酸化膜に対してマ
スク効果のある、例えばボロンを用いて酸化、拡
散およびホトリソグラフイの技術により、容易に
行うことができる。
Simultaneously with the formation of the P + layer of the gate, the anode 2 made of the P + layer can also be formed. The surface impurity density and junction depth of the anode 2 are approximately at the same level as those of the gates 4 and 4', and the anode 2 is located at a location facing the channel 5. Such selective formation of the gates 4, 4' and the anode 2 is achieved by oxidation, diffusion, and photolithography techniques using, for example, boron, which has a masking effect on the oxide film as a known P-type impurity. It can be done easily.

その後、ゲート4を埋め込むために、N形シリ
コン3aの一方の面である第9図のA−A線か
ら、B−B線までの厚みのN形のエピタキシヤル
成長層3bが、不純物密度約2×1014atoms/c.c.
で厚み20μm程度に形成される。従つて素材とし
てのN形シリコン3aとエピタキシヤル成長層3
bとによつて、N-層のベース領域3を形成して
いる。
Thereafter, in order to bury the gate 4, an N-type epitaxial growth layer 3b having a thickness from line AA to line BB in FIG. 2×10 14 atoms/cc
It is formed to a thickness of about 20 μm. Therefore, the N-type silicon 3a as the material and the epitaxial growth layer 3
b forms the base region 3 of the N layer.

このエピタキシヤル成長層3bの表面と、N形
中比抵抗のバツフア層10の表面に対して、N形
の低抵抗層が選択的に形成される。このN形の低
抵抗層は表面不純物密度約5×1019atoms/c.c.で
接合深さは7μm程度である。エピタキシヤル成
長層3bに設けられたN形の低抵抗層はカソード
1であり、バツフア層10に設けられたN形の低
抵抗層21は第2ゲート電極20を形成するアル
ミ電極に対して、オーミツクコンタクトを良好に
するために設けられる。
An N-type low resistance layer is selectively formed on the surface of this epitaxial growth layer 3b and the surface of the N-type medium specific resistance buffer layer 10. This N-type low resistance layer has a surface impurity density of about 5×10 19 atoms/cc and a junction depth of about 7 μm. The N type low resistance layer provided in the epitaxial growth layer 3b is the cathode 1, and the N type low resistance layer 21 provided in the buffer layer 10 is connected to the aluminum electrode forming the second gate electrode 20. Provided to improve ohmic contact.

このようなN形の低抵抗層の選択的な形成は、
N形不純物で酸化膜に対してマスク効果のある、
例えば燐を用い公知の酸化、拡散およびホトリソ
グラフイ技術を使用することにより容易に行うこ
とができる。
The selective formation of such an N-type low resistance layer is
N-type impurity has a masking effect on the oxide film,
This can be easily accomplished, for example, by using phosphorus and using known oxidation, diffusion, and photolithography techniques.

次に、電極形成プロセスについて説明する。前
述のようにして接合が形成されたウエハーに対し
て、各々の電極は次のようにして形成される。ま
ず外部導出用のゲート4′へ電極を形成するため
に、エピタキシヤル成長層3bをP+層のゲート
4′が露出する位置まで(B−B線からA−A線
まで)掘り込む。このような選択的な掘り込み加
工は、公知のホトリソグラフイ技術とウエツトま
たはドライエツチング技術を組み合わせることに
よつて、容易に達成することができる。
Next, the electrode formation process will be explained. Each electrode is formed in the following manner on the wafer on which the bond has been formed as described above. First, in order to form an electrode on the gate 4' for external conduction, the epitaxial growth layer 3b is dug up to the position where the gate 4' of the P + layer is exposed (from line B-B to line A-A). Such selective engraving can be easily accomplished by combining known photolithography techniques with wet or dry etching techniques.

次に、各々の電極を形成するためにウエハの両
面に対して約5〜7μmのアルミニウム蒸着が全
面に施される。このアルミニウム蒸着膜を分離す
ることにより、カソード電極6、アノード電極
7、ゲート電極8および第2ゲート電極20が形
成される。アルミニウム蒸着膜の分離は、公知の
ホトリソグラフイ技術およびアルミニウムのウエ
ツトエツチング技術により容易に加工形成可能で
ある。
Next, approximately 5-7 μm of aluminum is deposited over both sides of the wafer to form each electrode. By separating this aluminum vapor deposition film, a cathode electrode 6, an anode electrode 7, a gate electrode 8, and a second gate electrode 20 are formed. The aluminum vapor deposited film can be easily separated using known photolithography techniques and aluminum wet etching techniques.

最後に、ウエハの端面に対して表面加工と表面
パツシベーシヨンを施すことにより、図示のよう
な構造の本発明にかかるSIサイリスタチツプが完
成する。
Finally, the end face of the wafer is subjected to surface processing and surface passivation to complete the SI thyristor chip according to the present invention having the structure shown in the drawing.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

尚、本発明においてはNチヤネルの埋め込みゲ
ート構造のSIサイリスタについてのみ述べたが、
本発明はこれに限定されるものではなくPチヤネ
ルでも可能であり、また表面ゲート形、ビームゲ
ート形SIサイリスタや、フイルドターミネイテツ
ドダイオードおよびゲートターンオフ形サイリス
タに適用しても、同様の効果があることは当業者
ならば容易に理解できるであろう。
In the present invention, only the N-channel buried gate structure SI thyristor has been described; however,
The present invention is not limited to this, and can be applied to a P channel, and the same effect can be obtained even when applied to surface gate type, beam gate type SI thyristor, field terminated diode, and gate turn-off type thyristor. Those skilled in the art will readily understand that there are some.

以上詳細に説明したごとく、本発明において
は、順阻止電圧を分担する高比抵抗のベース領域
と、このベース領域と反対の導電形を有する低比
抵抗のアノードとの間に、ベース領域と同じ導電
形の中比抵抗のバツフア層を設け、該バツフア層
に第2のゲート電極を設けることにより、自己消
弧形半導体素子の電流遮断特性を著しく改善する
ものであり、その工業的価値は極めて大である。
As explained in detail above, in the present invention, a high resistivity base region that shares the forward blocking voltage and a low resistivity anode having a conductivity type opposite to this base region are provided with the same structure as the base region. By providing a buffer layer of conductive type with intermediate specific resistance and providing a second gate electrode on the buffer layer, the current interrupting characteristics of the self-extinguishing semiconductor element are significantly improved, and its industrial value is extremely high. It's large.

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

第1図は本発明にかかるSIサイリスタの単位素
子の断面構造を示す模式図、第2図は本発明にか
かるSIサイリスタを用いて直流回路の開閉を行う
場合の動作を説明するための回路図、第3図は本
発明にかかる実際のSIサイリスタチツプの断面構
造図であり、第4図、第5図は既存のSIサイリス
タの単位素子の断面構造の模式図、第6図は第4
図に示したSIサイリスタを用いて直流回路の開閉
を行う場合の動作を説明するための回路図であつ
て、第7図〜第9図はそれぞれ既存の改良形SIサ
イリスタの単位素子の断面構造を示す模式図であ
る。 1……カソード、2……アノード、3……ベー
ス領域、4……ゲート、5……チヤネル、6……
カソード電極、7……アノード電極、8……ゲー
ト電極、9……アノード接合、10……バツフア
層、11,11′……SIサイリスタ、12……負
荷、13……主電源、14,14′15,15′…
…電源、16,16′,17,17′……スイツ
チ、18……第2ゲート、19……第2チヤネ
ル、20……第2ゲート電極、21……N形の低
抵抗層。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the cross-sectional structure of a unit element of the SI thyristor according to the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram for explaining the operation when opening and closing a DC circuit using the SI thyristor according to the present invention. , FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram of an actual SI thyristor chip according to the present invention, FIGS. 4 and 5 are schematic diagrams of the cross-sectional structure of an existing SI thyristor unit element, and FIG.
This is a circuit diagram for explaining the operation when opening and closing a DC circuit using the SI thyristor shown in the figure, and FIGS. 7 to 9 each show a cross-sectional structure of a unit element of an existing improved SI thyristor. FIG. 1... cathode, 2... anode, 3... base region, 4... gate, 5... channel, 6...
Cathode electrode, 7... Anode electrode, 8... Gate electrode, 9... Anode junction, 10... Buffer layer, 11, 11'... SI thyristor, 12... Load, 13... Main power supply, 14, 14 '15,15'...
...Power supply, 16, 16', 17, 17'...Switch, 18...Second gate, 19...Second channel, 20...Second gate electrode, 21...N-type low resistance layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 順阻止電圧を分担する高比抵抗のベース領域
と反対の導電形を有する低比抵抗のゲート領域に
第1のゲート電極を設け、ベース領域と同じ導電
形を有しこれと接する低比抵抗のカソード領域に
設けたカソード電極との間に電気信号を伝えるこ
とによりアノード電流をオン、オフできる自己消
弧形半導体素子において、前記ベース領域と反対
の導電形を有する低比抵抗のアノード領域とベー
ス領域の間にベース領域と同じ導電形の中比抵抗
のバツフア層を設け、該バツフア層に第2のゲー
ト電極を設けてアノード電極との間に電気信号を
伝えることによりアノード電流を制御する機能を
備えたことを特徴とする自己消弧形半導体素子。
1. A first gate electrode is provided in a low resistivity gate region having a conductivity type opposite to a high resistivity base region that shares the forward blocking voltage, and a low resistivity gate region having the same conductivity type as the base region and in contact with it is provided with a first gate electrode. In a self-arc-extinguishing semiconductor element capable of turning on and off an anode current by transmitting an electric signal between the cathode electrode provided in the cathode region of the base region, the anode region has a low resistivity and has a conductivity type opposite to that of the base region. A buffer layer having the same conductivity type as the base region and having a medium specific resistance is provided between the base regions, and a second gate electrode is provided on the buffer layer to control the anode current by transmitting an electric signal between the buffer layer and the anode electrode. A self-extinguishing semiconductor device characterized by having functions.
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