JPH0444363A - ゲートターンオフサイリスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は自己消弧型スイッチング素子であるゲートター
ンオフサイリスタに関する。

Ｂ０発明の概要 本発明は、ハイブリッド構造のゲートターンオフサイリ
スタにおいて、 拡散ゲート層表面に、熱緩衝板と接触しない程度に十分
薄い金属ゲート薄膜をさらに設けることにより、 大きなアノード電流を短時間でターンオフできるように
する。

Ｃ９従来の技術 ゲートターンオフサイリスタ（以下ＧＴＯと略記する）
は、電力用自己消弧素子として、大電流制御分野でます
ます特徴を発揮しつつあり、現在では４５００Ａのアノ
ード電流をターンオフできるものが開発されている。

第４図は従来のＧＴＯの積層構造の一例を示すもので、
１はＰ型エミッタ層、２はＮ型エミツタ層、３はＰ型ベ
ース層、４はＮ型エミツタ層である。Ｐ型エミッタ層１
の表面にはアノード電極５が形成され、Ｎ型エミツタ層
４の表面にはカソード電極６が形成され、Ｐ型ベース層
３の表面にはＮ型エミツタ層４を囲むようにゲート電極
７が形成されている。

ゲート電極７の配置例を第５図と第６図に示す。

ゲート電極７に囲まれたスリット部にＮ型エミツタ層４
か形成される。また、ゲート電極７は外部端子へ取り出
す部分以外は絶縁物８で覆われている。これは、カソー
ド電極６に熱緩衝板を圧接することにより外部ヘカソー
ド端子が取り出されるので、熱緩衝板とゲート電極７と
の間に短絡が発生するのを防止するためである。第４図
のゲート構造は外部電極の取り出し部具外のゲート部に
も金属ケート電極が構成されているのが特徴である（以
下メタルゲート構造と称する）。

その他の代表的なゲート構造としては、第７図及び第８
図に示すものがある。第７図のものは、外部電極の取り
出し以外のゲート部がエピタキシャル成長技術によりＰ
型ベース層中に埋め込まれた高濃度Ｐ型拡散層からなる
Ｐ型ゲート拡散層９ａとＰ型ゲート埋込み層９ｂが形成
されているのが特徴である（以下、埋込みゲート構造と
称する）。

第８図のものは、外部電極の取り出し以外のゲート部が
Ｐ型ベース層３の表面に形成され”た高濃度Ｐ型ゲート
拡散層９ａにより構成されているのが特徴である（以下
、拡散ゲート構造と称する）。

なお、埋込みゲート構造及び拡散ゲート構造のＧＴＯに
おけるゲート部の配置は第５図と第６図に示したメタル
ゲート構造のＧＴＯとほぼ同様である。

Ｄ０発明が解決しようとする課題 ＧＴＯはゲートにオフゲート電流を流すことによりター
ンオフできる素子である。このターンオフ時において、
オフゲート電流によってＰ型ベース層のキャリアを徐々
にゲート電極に引き抜いて、導通状態の領域を狭くして
最後にターンオフさせる。このアノード電流をターンオ
フさせる時に、徐々に狭められた導通領域にアノード電
流の集中が起こる。それで徐々に狭められる導通領域が
局部的に発生すると、その領域の部分で熱破壊が生じや
すい。それ故に、ＧＴＯのゲートには、Ｐ型ベース層の
キャリアを均一にすばやく引き抜くことが要求される。

この観点から前記ゲート構造について以下に述べる。

メタルゲート構造では、ゲート部がすべて金属ゲートで
構成されていて引き出し抵抗が低いため外部電極の取り
出し部より遠い部分でもキャリアをすばやく引き抜くこ
とができる。ちなみに厚み１０μｍのＡＩで電極を形成
した場合、シート抵抗は約２．７５Ｘ１０−３Ω／口で
ある。このゲートの欠点はゲート部のＰ型ベース層表面
に形成される溝の深さや幅のばらつき、及び金属ゲート
の線幅のばらつきにより生ずる不均一である。

なお、メタルゲートにおいて形成される溝は、前述のよ
うにアノード電極に熱緩衝板を圧接したときに熱緩衝板
とゲート部との間で短絡しないように段差を設ける目的
で形成される。

埋め込みゲート構造及び拡散ゲート構造では、ゲート部
が精密な制御の可能な拡散層で構成されているため均一
性に優れている。このゲートの欠点はメタルゲート構造
とは逆に引き出し抵抗が高いことである。ちなみにボロ
ンをＰ型不純物としてＳｉに対する固溶度まで高濃度に
拡散すると、拡散深さ１４μｍでシート抵抗は約５Ｘ１
０−’Ω／口で、メタルゲート構造より２ケタも高いシ
ート抵抗となる。

なお、埋め込みゲート構造ではもちろんのこと、拡散ゲ
ート構造でもゲート部に絶縁性薄膜を形成することによ
り、前記のような熱緩衝板とゲート部との間の短絡を防
止することができるので、メタルゲート構造のようにＰ
型ベース層表面に溝を形成する必要はない。

以上のようなゲート構造の欠点を補うため、メタルゲー
ト構造と埋め込みゲート構造を組み合わせた構造、もし
くはメタルゲート構造と拡散ゲート構造を組み合わせた
構造（これらを以下ハイブリット・ゲート構造と称する
）が考案されている。

このハイブリット・ゲート構造をもつＧＴＯの概略断面
図を第９図に、配置例を第１０図と第１１図に示す。こ
れらの図はメタルゲート構造と拡散ゲート構造を組み合
わせた例である。この構造は、Ｎ型エミツタ層を第１０
図と第１１図のように数十水つつ集めた単位ＧＴＯ群に
分け、各単位ＧＴＯ群の近くまで低抵抗の金属ゲートか
配され、単位ＧＴＯ群内の各単位ＧＴＯ（又は各Ｎ型エ
ミツタ層）の近傍には均一な拡散ゲートが配されている
。

ターンオフ時において、主にＮ型エミッタ付近のＰ型ｌ
＼−ス層のキャリアが拡散ゲートより均一に引き出され
、さらに低抵抗の金属ゲートを通して外部端子へすみや
かに引きぬかれる。

なお、熱緩衝板と金属ゲート部との間の短絡を防止する
ために、通常、金属ゲート部を形成するＰ型ベース層の
表面のみ溝を設けるが、又は熱緩衝板の金属ゲート部に
対応する部分に溝を設けている。

このゲート構造はより均一ですみやかなＰ型ベース層の
キャリアの引き出しが要求される大電流ＧＴＯつまり大
口径のＧＴＯに適している。このように優れたハイブリ
ット・ゲート構造であるが、最大の欠点は、やはり拡散
ゲート部の引き出し抵抗が大きすぎることである。事実
ハイブリット・ゲート構造を有するＧＴＯのターンオフ
破壊モードを調べると、単位ＧＴＯ群の中で金属ゲート
部より最も遠い単位ＧＴＯのスリットで、さらに金属ゲ
ート部より最も遠いスリットの部分で、電流集中により
破壊するモードが最も多い。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目
的は、ハイブリット構造のゲートターンオフサイリスタ
において拡散ゲート層表面に熱緩衝板と接触しない程度
に十分に薄い金属ゲート薄膜を設けることにより、ター
ンオフ特性に優れたゲートターンオフサイリスタを提供
することである。

Ｅ９課題を解決するための手段と作用 本発明は、上記目的を達成するために、Ｐ型エミッタ層
と、このＰ型エミッタ層に隣接するＮ型ベース層と、こ
のＮ型ベース層に隣接するＰ型ベース層と、このＰ型ベ
ース層の表面層へ部分的に細分化されて形成された複数
のＮ型エミッタ領域と、さらに前記Ｐ型ベース層の表面
層へ前記Ｎ型エミッタ領域を囲むように形成され前記Ｐ
型ベース層より低抵抗のＰ型ゲート領域を有し、前記Ｐ
型エミッタ層の表面にアノード金属電極を設け、前記複
数のＮ型エミッタ領域の各々の表面にカソード金属電極
を設け、前記Ｐ型ゲート領域の網状の主要な部分の表面
にゲート金属電極を設け、前記ゲート金属電極にゲート
信号を印加して前記アノード・カソード金属電極間の電
流をターンオンまたはターンオフするゲートターンオフ
サイリスタにおいて、前記Ｐ型ゲート領域の表面で前記
ゲート金属電極が形成されていない表面に金属薄膜を設
け、さらに前記ゲート金属電極の一部を除く前記Ｐ型ゲ
ート領域上の面に絶縁膜を設け、前記金属薄膜の厚みに
前記絶縁膜の厚みを加えた厚みが前記カソード金属電極
の厚みより薄くして、大きなアノード電流を短時間でタ
ーンオフできるようにする。

Ｆ、実施例 以下に本発明の実施例を第１図〜第３図を参照しながら
説明する。

第１図は本発明の実施例によるゲートターンオフサイリ
スタを示すもので、本実施例では、第９図〜第１１図に
示すハイブリット・ゲート構造のケートターンオフサイ
リスタにおいて、拡散ゲート層９ａの表面に、熱緩衝板
と接触しない程度に十分薄い金属ゲート薄膜１０をさら
に設けるとともに、精密なパターン状に絶縁薄膜である
５ｉ０２膜１１を設けたものである。

本実施例によるゲートターンオフサイリスタは次のよう
にして作られる。

ます、Ｎ型ベース層２となる低不純物濃度のＳｉウェハ
ーを用い、このＳｉウェハーの両面カラＰ型不純物（例
えばＡＩ、Ｇａ、Ｂ）を拡散し、Ｐ型ベース層３とＰ型
エミッタ層１を形成する。

次に、Ｐ型ベース層３の表面からＰ型不純物（例えばＢ
）をきわめて高濃度に選択的に拡散しＰ型ゲート拡散層
９ａを形成する。さらに、Ｐ型ベース層３の表面からＮ
型不純物（例えばＰ、Ｓｂ）を高濃度に選択的に拡散し
Ｎ型エミツタ層４を形成する。次に、Ｓｉウェハー表面
に酸化ケイ素膜（ＳｉＯ□）を形成し、フォトリソグラ
フィの技術を用いて精密なパターン状に５ｉ０２膜１１
を残す。　次いで、ＡＩｌ蒸着又はｌスパッタリング）
によりアノード面に約１５μｍ厚の電極５を形成する。

さらにカソード面に約１μｍ厚のｌ蒸着を行い、フォト
リソグラフィの技術により薄い金属ゲート１０を形成す
る。このとき同時にカソード電極６及びゲート電極７の
外部端子への取り出し部を除くカソード側の面を絶縁物
８で覆う。

この単位ＧＴＯ群内でのゲート引き出しシート抵抗はＰ
型ゲート拡散層９ａと薄い金属ゲート１０の抵抗を合わ
せて２，６Ｘ１０−２Ω／口となり、従来のものの２０
分の１と十分に低い。

第２図は本発明の他の実施例によるゲートターンオフサ
イリスタを示すもので、この実施例では、第８図に示す
ハイブリッド・ゲート構造のゲートターンオフサイリス
タにおいて、第１図のものと同様に構成したものである
。

前述した従来のハイブリッド構造の欠点である拡散ゲー
ト部の引き出し抵抗を補償するにはメタルゲート構造の
ような厚い金属ゲートは必要ない。

つまり、拡散ゲート部の引き出し抵抗を通常の金属ゲー
トと同程度まで下げる必要はない。拡散ゲートに比べて
シート抵抗でもう１桁も下げれば、特性の改善には十分
である。

また、ハイブリッド・ゲート構造の拡散ゲート層の上に
あまり厚い金属ゲートを設けると、熱緩衝板と短絡して
しまう。それ故に、拡散ゲート上に形成される金属ゲー
トの厚みと、さらにその上に形成される絶縁物の厚みの
和は、カソード電極の厚みより薄くなければならない。

なお、拡散ゲート表面に構成する金属ゲートは、第３図
の部分拡大断面図のように拡散ゲート層９ａと金属ゲー
ト１０とのコンタクトする面積を絶縁膜（例えば５ｉｎ
２膜１１）で制御すれば、拡散ゲートによる均一なキャ
リアの引き出し能力と金属ゲートの低抵抗能力を同時に
生かすことができる。

Ｇ１発明の効果 本発明は上述の如くであって、ハイブリット構造のゲー
トターンオフサイリスタの拡散ゲート層表面に金属ゲー
ト薄膜を付設したから、大きなアノード電流を短時間で
ターンオフできる高性能なゲートターンオフサイリスタ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるゲートターンオフサイリ
スタの概略断面図、第２図は本発明の他の実施例による
ゲートターンオフサイリスタの概略断面図、第３図は本
発明の実施例によるゲートターンオフサイリスタの部分
拡大断面図、第４図は従来のゲートターンオフサイリス
タの概略断面図、第５図は第４図のゲートターンオフサ
イリスタの平面図、第６図は第５図の部分拡大図、第７
図は従来のゲートターンオフサイリスタの他の例を示す
概略断面図、第８図は従来のゲートターンオフサイリス
タのさらに他の例を示す概略断面図、第９図は従来のゲ
ートターンオフサイリスタのさらに他の例を示す概略断
面図、第１０図は第９図のゲートターンオフサイリスタ
の平面図、第１１図は第１０図の部分拡大図である。 １・・・Ｐ型エミッタ層、２・・・Ｎ型ベース層、３・
・・Ｐ型ベース層、４・・・Ｎ型エミッタ領域、５・・
・アノード電極、５・・・カソード電極、７・・・ゲー
ト電極、８・・・絶縁層、９ａ・・・Ｐ型ゲート拡散層
、９ｂ・・・Ｐ型ゲート埋込み層、１０・・・金属ゲー
ト薄膜、１１・・・絶縁薄膜。 外１名 第３図 第４図 ４カー刃（、（タリ 第７図 イＬ　」（、イタ１ 第８図 柾釆分）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｐ型エミッタ層と、このＰ型エミッタ層に隣接す
   るＮ型ベース層と、このＮ型ベース層に隣接するＰ型ベ
   ース層と、このＰ型ベース層の表面層へ部分的に細分化
   されて形成された複数のＮ型エミッタ領域と、さらに前
   記Ｐ型ベース層の表面層へ前記Ｎ型エミッタ領域を囲む
   ように形成され前記Ｐ型ベース層より低抵抗のＰ型ゲー
   ト領域を有し、前記Ｐ型エミッタ層の表面にアノード金
   属電極を設け、前記複数のＮ型エミッタ領域の各々の表
   面にカソード金属電極を設け、前記Ｐ型ゲート領域の網
   状の主要な部分の表面にゲート金属電極を設け、前記ゲ
   ート金属電極にゲート信号を印加して前記アノード・カ
   ソード金属電極間の電流をターンオンまたはターンオフ
   するゲートターンオフサイリスタにおいて、 前記Ｐ型ゲート領域の表面で前記ゲート金属電極が形成
   されていない表面に金属薄膜を設け、さらに前記ゲート
   金属電極の一部を除く前記Ｐ型ゲート領域上の面に絶縁
   膜を設け、前記金属薄膜の厚みに前記絶縁膜の厚みを加
   えた厚みが前記カソード金属電極の厚みより薄くしたこ
   とを特徴とするゲートターンオフサイリスタ。
2. （２）請求項第１項のゲートターンオフサイリスタにお
   いて、前記Ｐ型ゲート領域の表面で前記ゲート金属電極
   が形成されていない表面に、あらかじめ一部を窓開けし
   た絶縁薄膜を設け、しかる後金属薄膜を設けたことを特
   徴とするゲートターンオフサイリスタ。