JPH07506463A - 遠隔ターンオフ電極を有するmosゲートサイリスタ - Google Patents

遠隔ターンオフ電極を有するmosゲートサイリスタ

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JPH07506463A
JPH07506463A JP5519373A JP51937393A JPH07506463A JP H07506463 A JPH07506463 A JP H07506463A JP 5519373 A JP5519373 A JP 5519373A JP 51937393 A JP51937393 A JP 51937393A JP H07506463 A JPH07506463 A JP H07506463A
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シェイカー マリカリュナスワミー エス
バリガ バントヴァル ジャイアント
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ノース カロライナ ステイト ユニヴァーシティ
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    • H01L29/70Bipolar devices
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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】 遠隔ターンオフ電極を有するMOSゲートサイリスタ本発明は一般に4層ラッチ ング半導体装置に関し、かつとりわけSklのMO5電界効果トランジスタ(M OSFET)部分のゲート電極に印加する電化を調整することによって該装置の 伝導特性を制御する方法に関する。
本発明の背景 電力用MO3FETの進歩の少なくとt、−eは、強制的にターンオフする間に 電力用バイポーラ装置が必要とする制御電流を低減したいとする目的によフて促 進されたのである。
バイポーラ装置では少数のキャリヤをそのトリプト領域に注入することによって 、抵抗を低減し電流を流れやすくしている。1#密度が大になれば動作が可能に なるけれども、ターンオンとターンオフとの間に大電流を要するため、これらの 装置は比較的非能率である。
反面、電力用MO3FETのゲート構造1地めて高い定常インピーダンスを有す る。
そのため電圧源によって装!l!b制御できるようになるが、それは比較的少な いゲート駆動電流をλカゲートのキャパシタンスの帯電と放電とに要するにすぎ ないからである。残念ながら電力用MO5FETのゲートの駆動は容易でありて も、その効果は少】のキャリヤ注入がないので^いオン状態の抵抗が生じて相殺 される。したがって低抵抗バイポーラ電流の伝導をMOSによるゲート制御と組 み合わせれば、動作する順電流密度が高くゲート駆動電力が低いと云う望ましい 性能を提供する二とになるはずである。
第1図の断面図を参照すると、そこでは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(T GRT)として知られる装置でこれらの機能を組み合わせる試みをひとつ紹介し ている。この種の構造では、順電流の大部分は装置の縦方向PNI’バイポーラ トランジスタ部分のエミッタと」レクタとの端子間を流れる。商電圧CのIGL 31’v)オン状鳩損失を電力用M○SFF:Tのそれに比べると、少量キャリ ヤをNベースのドリフト領域へ注入したためオン状W失は著しく少ない。
第2図に示すように、MO6!IJWサイリスタ(MC:T)として知られる再 生装置で(LIGBTに比べ順方向の電圧降下は明らかに少ない、このようなP −N−P−N構造1L相互に再生帰還が得られる仕方で内部接続した2個のトラ ンジスタ(上がN15Nトランジスタで下がPNP トランジスタ)と看做して よい、就中、サイリスタはそれぞれのベースが他方のコレクタ電流で駆動される ように接続したPNPとNPNとのパイボーラトランリスタの組み合わせと考え られる。ひとたびサイリスタがゲート電極でターンオンされると、必要なトラン ジスタのターンオン電流をそれぞれのトランジスタに供給して駆動し。
他方のトランジスタを飽和させる。このような接合ではサイリスタはもはやその ゲート電極で制御されず、ゲート駆動電流がなくても動作を持続する。この現象 は再生ラッチとして知られている。
サイリスタは高電力スイッチングのために利用されることが多いので、ターンオ フWの最高レベルが一般に極めて重要視される。第211!lのMCT誹置装は 、印加ゲート電圧の鰭を逆転させてターンオフすることによって、ゲートの下方 にあるP領域とP+領域との間に埋め込まれたN領域表面の苔積層を1M除する 。こうして装置内部のpチャネル電界効果トランジスタ(FET)はN十陰極と Pベース領域との間に有効短絡を形成する0本装置は短斃電流が増加してその範 囲がN+/P接合乞接合電通が0.7V以下に降ドするまでになれば再生動作を 停止する。遺憾ながらこのMに’r装置によってスイッチオフできる最大電流は 高温になると陽極電用の上昇に伴って著しく低下する。その結果、MCTの電流 制御性能はある種の回路に応用する目的には不適当である二とが判明している。
′gX3図に11一般にMOSゲートエミッタスイッチングサイリスタ(EST )と呼ばわ、再生モードで動作するよう設計された4N!半導体構造を示す、ゲ ート電圧力面極電位にあると、装置は接合Jlを介してサポートされる陽極電圧 で順方自限Iとモードになる。本装置は正バイアスをゲートに印加することによ ってターンオンし、Pペース領域の表面にチャネルを形成する。m3図で示すよ うに、装置の再生サイリスタ部分が装置表面にある横方向MO6の構造中に含ま れるN十浮遊エミッタとPベースとの間の接合を順方向バイアスにラッチしてい る。再生動作は、ゲートバイアスをゼロ方向に低減し効果的にエミッタtpt極 から遮断することによって消失する。けれども、サイリスタの二のN+IP接合 では主サイリスタの再生作用が充分日よらないうちはバイアスが逆転しない、m 造表面の横方向MO3FETが大きな接合電圧をサポートしているため、高電圧 装置の非活動時に絶縁破壊するおそれが生じる。そのL装置のターンオフ時に生 成する陰極を通る高い空孔電流が、寄生サイリスタ中に好ましくない再生動作を 生成する可能性がある(m3図]。
したがって当該技術分野では、配置したエミッタスイッチングサイリスタが、寄 生サイリスタのラッチを伴うことなく迅速に(すなわち、1マイクロ秒以下)タ ーンオフすることが必要なのである。
本発明の要約 本発明1戴最大電流のターンオフ機能を改曽して装置のターンオフ時間を短縮す るようデザインした遠隔ターンオフ電極を有する改良型エミッタスイッチングサ イリスタを提供することによって、前記の目的を提案するものである。改良型サ イリスタ構造にはアノード電極とカソード電極とが含まれ、二のカソード電極に は遠lit極が接続されている。半導体材料からなる多層体構造は第1の表面を 備え、アノード電極とカソード電極との間をそれぞれ作用的に連結する再生部分 と非再生部分とを含んている。再生部分には直列にそれぞれ導電形を交替させて 配列した隣接する第1.第2.第3.第4領域を含んでいる。
電気的接触は遠扁電極と第2領域との開ならびにアノードiと第4領域との間に 形成されている。
本発明によるサイリスタIL第1表面に隣接して設置した絶縁ゲート電極に使用 可能な電圧を印加することによってターンオンし、かくして再生部分内部の導電 率を諷意する二とによって伝導チャネルが生成される。同じく、再生動作の停止 1i使用可能でない電圧をゲート電極に印加することによって開始される。遠隔 電極は、使用可能でない電圧の印加に引き続き再生部分の第2gI域に残存する 電荷を収集することによって1本発明によるサイリスタのターンオフ1促進する 。
図面の簡単な説明 本発明による前記以外の目的と特質とは1図面を関連させた以下の詳述と出願請 求項とからさらに容易に明らかにされよう。
第1図は在来の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(TGRT)の断面図である 。
第2図には一般にMOS制御サイリスタ(MCT)として知られる先行技術によ るP−N−P−N再生半導体装置を示す。
j13111Uに1M東の4層MOSゲートエミッタスイッチングサイリスタ( EST)半導体装置を描出する。
MS4図に番=本発明による遠隔電極を宥するエミッタスイッチング半導体サイ リスタ装置の実施例の断面図を示す。
第4IiJをMすると1本発明による改良型エミッタスイッチング半導体サイリ スタ装置100の断面図が示されている。説明を簡単にするため1本発明のサイ リスタ100の半分だけが第4図に描出しである。サイリスタ100の残半分に は軸AI:関して第4図図示の半分の鏡像が含まれている。サイリスタ100に 11 N十導gL半の材料からなる浮遊エミッタ領域116と、第1のPN接合 124を浮遊エミッタ+16とともに構成するP導電率材料のベース領域120 とによって構成される4層の再生部分114を有する半導体材料110からなる 本体が含まれている。サイリスタ装filooの再生部分の第3層はドリフト区 域130として[lJされ、この領域130は、第2のPN接合134に隣接し 該接合[4をベース領域L20とともに形成するN−半導体拐料から成りぜLっ ている。第4図図示のように、半導体110は部分的に最上部をなす浮遊エミッ タ116とベース120とドリフト130との諸領域によ)で限定されるほぼ平 坦なと側表面140によって限局されている。基準鉦角座標系が1m41Kには 含まれ、以下の説明には方向の指定に用いられる。
ドリフト領域130に11任!選択のN緩衝領域150を含み、該領域がベース 120を第411!1つまりサイリスタ100の再生部分であるP+陽極領域1 58から切り離している。4層構造である再生M L l 4に隣接して、3成 分陰M域172とドリフト領域130と陽極領域158とからなる3Mの非再生 構造166がある。陰極領域172には。
PとP+との材料の拡散領域178と184とからなる井戸構造と、拡散領域1 7Bと°184が限定する井戸内部に設けたN+拡散領111190とが含まれ る。
陽M 158の下側表面とアノード電極190との間にも、P+とN十との拡散 領域184と190との下側表面とカソード電極196との間にtオーム接触が 存在する。さらに、ベース領域120は、カソード電極196に電気的に連結し た遠隔を極202とオーム接触している。改良型サイリスタ]、 00の再生部 分114と非再生部分166のそれぞれの領域は第4図の平面に垂直なm長い区 域を形成している。
第4fyJを参照すると、絶縁ゲート電極208は再生領域114と非再生領域 1(i6の上表面140に重な)ている、とりわけ酸化物Nl216は電極20 8をN十拡散領域190とP拡散置載178とドリフト領域130とから切り離 して第1のNチャネルエンハンスメントモードMOSトランジスタ224を形成 している。同様に、第2のNチャネルエンハンスメントモードMOSトランジス タ230が、ゲート電極208のF方に在る浮遊エタ224と直列に生成される 。
同一電位に保持されるカソード電極とゲート電極196と208とでサイリスタ 100は順方向阻止モードになりている。阻止モードで1よアノード電極とカソ ード電極192と196との間のどんな電圧の微差もまずPN接合134によっ てサポートされる。装置は。
第1および第2のMOSトランジスタ224と230とのベース領域178と1 20との表面に逆転層を生成するのに充分な大きさの正バイアスをゲート電極2 0Bに印加することによってターンオンする5伝導チヤネルはトランジスタ22 4と230とに必要なゲート電圧を印加して形成されるけれども、当初、電流は もフばら第1のMOS)ランリスタ224をi流するのであり、;れは第2のM OS)ランリスタ230の浮遊ドレーン(つまりN十エミッタ116)に起因す る。これらの低電流レベルでは、サイソスタ装置1゜Oは第1図図示の従来型I GBT■緑ゲートバイポーラトランジスタ)同様に動作する。
IGBTモードの動作では装置100の再生部分114をに流する電流はまだ自 己持続状態になっておらず、したがって陽極電流は印加ゲート電圧の大きさに左 右されるままになっている。
第lMOSトランジスタ224が逆転層を形成している間に、電子はN十領域1 90からドリフト領域1301:流れ込み、該領域130ではこれら電子流が4 層構造の再生部分114中で固有のPNP I−ランリスタのためのベース電流 の役割を演じる。充分な電圧をアノード電極192に印加すると、その結果生じ る電流は充分4層部分114内部に再生サイリスタ作用(つまりラッチ)を認起 できる。二のような作用の惹起に引き続き、陽極電流は再生部分内で第1と第2 と+7)MOSトランジスタ224と230とを貫流する。そのため、陽極電流 は、再生サイリスタ作用力鳴止した後でも、印加ゲート電圧を調整することによ フて制御できる。
再生作用(オン状態)は、浮遊エミッタ116の下方に在るベース領域120の 区域を介して空孔電流が遠隔電極202八流れることによって惹起される。Y方 向でのベース120のシートの比抵抗とエミッタ116の長さをがなり大きく選 ぶことで、空孔電流がPN接合を順方向にバイアスするのに必要な電位(−0, TV)を生じる。とりわけ浮遊エミッタ116は典型的にはY方向にほぼ20ミ クロンの長さに広がり、他方ベース120のシート比抵抗は一般に単位面積当り 3000オームである。ドリフト領域130は、N緩衝領域150からPN接合 134までほぼ50ミクロン延在し、かっ101jI/cm”になる京でドーピ ング、1わ1いる。ドリフha域130中のキ)・リヤの売脅は、lマ・イクU 秒の程度であって、装置100のターンオフ時間はこのキャリヤ寿命から影響を 受ける。
ドリフト領域のドーピングトベルと厚みとは一般に指定1.た絶縁破壊電圧の要 件に合致するように選ばれる二とも−なっている1、オン状態での動作中、陽極 電流の大部分1澹向に再生部分114を貫流するが、それはPN接合を介した順 方向バイアスが、ドリフト領域130にMOSトランジスタ230の浮11ix ミッタ116から多量の電子を流入させるのがこの領域内だからである。そうで あっても、非再生部分166中に在る拡散領t6184とドリフト領域130と 1158とを含むPNP)ランリスタも、オン状態の電流に寄与する。陽極電流 密度が陽めで高u4合(約1000 A/ ctn2)には、前記PNP)ラン リスタとN十拡散領域L90との組み合わせを含む寄生サイリスタをラッチする ことができる。より詳しくあとで説明するように、本発明の特賞とは、拡散領域 L83と190との間のPN接合のごく近傍の電流密度を低減することによって 、ターンオフ中に寄生サイリスタのラッチの可能性を遠隔電極202の空孔収集 力で弱めることに在る。回生動作の停止力tましい場合、ゲート電極208の印 加電圧を減少させてゼロとする。P領域17Bと120との表面は充分狭((た とえばY方向に1〜3ミクロンに)するのが好ましく、その結果ゲート電圧をゼ ロへ減少させ第1と第2とのMOS)ランジスタ中の伝導チャネルを迅速に消失 させることになる。こうすることで浮遊N十エミッタ領域116をカソード電極 】96から遮断し、そのことによって再生サイリスタ作用を停止させるのである 。
本発明の′Riの部分で論じたように、在来のES丁装置内の横方向MO3FE T (第3(5)力W破壊しがちなの11陽M圧が高い時にターンオフする場合 であり、それはサイリスタの再生作用の停止に先んじて当該電圧を一時的にサポ ートする必要があるためである9本発明では、先行技術のEST装厘の二の種欠 点を、遠隔を極202を設けることによって、ゲート電極208に印加した電位 の低減中にベース120から電荷を除去する作it促進させるよう提案している 。第3図でがすように、空孔を在来のEST装置のベース領域から引き出し得る のは陰極端子を介する方法のみである。装置の浮遊エミッタのごく近傍の再生部 分内に在る空孔を収集するために(戴空孔がPベース領域とP+拡散領域とを全 て横断しなければならなず、そのため寄生サイリスタをラッチする確率力tiI Iiまる。
結論として、先行技術のEST装置は電流密度が高い場合再生動作を停止するこ とができるとは必ずしも一般的に云えないのである。これに反して1本発明に合 致して製造される遠隔IK模型シ・イリスタ装Mては、IC100A/crn” 以りの電流密度↑を動作させることができるのである。
第3圓を参照することで理解されるように、在来のES’l装置の槓;張はター ンオフ中に寄生サイリスクをラッチする傾向を生じる。とりわけ装置の非活動化 をl!l始オるため印加ゲート電圧を低めると、N十陰極拡散領域と浮遊エミッ タとの間のチA・ネルの伝導損失を生じ、そのことによって浮遊エミッタが陰極 から切り離される。それからPベースと浮遊エミッタとの間のPN接合を通る順 方向バイアスが再生活性の低下に4gって減少し、浮遊エミッタからベースへ注 入される電子が少なくなるにつれ、浮遊エミッタのごく近傍で余剰空孔の集団が 広がる。電荷を中和する必要から12+拡散領域を介l−て陰極にこれらの空孔 を押し込むため、陰極下方に在る拡散領域間のPNN会合ごく近傍;二空孔電流 のスパイクを生じる。電流スパイクが充分大きければ、電流スパイクはこのPN 接合に順方向バイアスを与えて寄生ラッチを惹起する。
第4因を参照すれば、遠隔電極202は本発明のサイリスタ装置looがターン オフしている間、ベース120内に広がる余剰空孔の集団を減少させるのに役立 つ、とくにターンオフ時に装置の再生部分114内に在る空孔は、9A域178 と184とを介してカソード電極196に移行するよりはむしろ、低インピーダ ンス路に沿って組電極202^移行する二とになる。この過程でベース120か ら陰極領域172を介する余剰空孔の流れば除かわ、その結果寄生サイリスタの 好ましくないラッチ傾向は極めて減少する。
本発明を数少ない実施例を参照して説明してきたが、この説明は本発明を解説す るものであって、本発明を限局するものと解してはならない、出11求項で限定 したように、本発明の真意と分野とから不離することなく、当業者であれはさま ざまな形を創出する二とが可能である。就中1本発明の教示を組み込んだサイリ スタ装置を第4図で描出した構造と異なる半導体構造に組み込むことが可能であ る。たとえば、ゲート電極を二股に分岐させて、再生領域と非再生領域の内部で の伝導チャネルの形成を個Σすに制御してもよい、その上、陰極領域をここで特 定した特別な拡散領域の配置を用いて実施する必要もない、当業者は別のM造に 気付いて本発明のサイリスクの非再生部分を使ってもよいのである。
トランジスタ領域 第1図 陽極 先行技術 第2図 ゲート 先行技術

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.半導体サイリスタ装置であって、 ドリフト領域と、浮遊エミッタ領域と、前記ドリフト領域と前記浮遊エミッタと に間挿したベース領域と、前記ベース領域末端にあリ前記ドリフト領域の部に隣 接する陽極領域てを形成し、前記ベース領域には第1レベルのドーパント濃度ま でPドーパントでドーピングされている基板と、 前記ドリフト領域に近接するP井戸と前記P井戸内のN領域とを含み、前記P井 戸が第2レベルの濃度までPドーパントでドーピングされている陰極領域と、こ こに前記第2レベルの濃度は前記第1レベルの濃度を劔えておリ、前記陰極領域 に連結するカソード電極と、前記陽極領域に連結するアノード電極と、第1のM OSトランジスタが使用可能な場合、前記カソード電極を前記ドリフト領域に接 続して前記第1MOSトランジスタを形成する第1の絶縁ゲートと、第2のMO Sトランジスタが使用可能な場合、前記浮遊エミッタ領域を前記ドリフト領域に 連結して前記第2MOSトランジスタを形成する第2の絶縁ゲートと、前記カソ ード電極と前記ベース領域とに連結し、前記ベース領域によって前記浮遊エミッ タ領域から切リ離され、電荷キャリヤを前記ベース領域から収集する遠隔電極手 段とを含み、 ここに前記陽極から前記陰極への電流路が、前記第1と第2との絶縁ゲートに使 用可能な電圧を印加する時、前記第1と第2とのMOSトランジスタによって形 成され、かつ使用可能でないゲート電圧を前記第1と第2とのMOSトランジス タに印加する時、前記電流路が遮断されて前記ベース領域内に残存する電荷を前 記遠隔電極が収集するごとき前記半導体サイリスタ装置。
  2. 2.請求項1による半導体サイリスタ装置であって、前記ベース領域がP形半導 体から形成され、前記浮遊エミッタとドリフト領域とがN形半導体から形成され 、かつ前記陽極領域がN形半導体の層を含むごとき請求項1による前記半導体サ イリスタ装置。
  3. 3.請求項2によるサイリスタ装置であって、前記遠隔電極手段が前記浮遊エミ ッタ領域の第1の末端のごく近傍の前記ベース領域に接続する遠隔電極を含も、 かつ前記第2MOSトランジスタが前記浮遊エミッタ領域の第2末端のごく近傍 に形成されるごとき請求項2による前記サイリスタ装置。
  4. 4.請求項1による半導体装置であって、前記第1と第2との絶縁ゲートが前記 浮遊エミッタとベースとドリフトと陰極との諸領域から絶縁した共通ゲート電極 を絶縁層によって共用するごとき請求項1による前記半導体装置。
  5. 5.請求項1による半導体装置であって、前記カソード電極が前記P井戸とその 中の前記N領域との双方と電気的に接触しているごヒき請求項1による前記半導 体装置。
  6. 6.半導体サイリスタ装置であって、 アノード電極とカソード電極と、 前記カソード電極に接続した遠隔電極と、第1の表面を有し、前記アノード電極 とカソード電極との間にそれそれ作用的に接結をした再生部分と非再生部分とを 含む半導体材料の多層体構造において、前記再生部分が直列にそれそれ導電形を 交脅させて配列した隣接する第1、第2、第3、第4領域を含み、ここに前記再 生部分の第1領域は前記第1表面のごく近傍の前記第3領域から前記第2領域に よって切リ離され、前記遠隔電極は前記第2領域と電気的に接触しているととも にそのため前記第1領域から切リ離されておリ、かつ前記アノード電極は前記第 4領域と電気的に接触しているごとき前記半導体材料の多層体構造と、前記第1 表面に隣接して設置され、前記非再生部分内の導電率を調整して、前記ゲート電 極へ使用可能な電圧を印加中に前記装置をターンオンさせ、かつ前記再生部分の 前記第2領域内と前記非再生部分内との導電率を調整して使用可能でない電圧を 前記ゲート電極に印加中に前記装置をターンオフする絶縁ゲート電極とを含み、 ここに前記ゲート電極への前記使用可能でない電圧の前記印加に引き続き、前記 再生部分の前記第2領域内に残存する電荷を前記遠隔電極によって収集するごと き前記半導体サイリスタ装置。
  7. 7.請求項6による半導体装置であって、前記第3領域が前記第2領域と前記絶 縁グート電極に隣接する前記非再生部分とを切リ離すごとき請求項6による前記 半導体装置。
  8. 8.請求項7はよる半導体装置であって、前記非再生部分が前記第3領域に隣接 するP井戸と前記P井戸内のN領域とを有する陰極を含み、前記カソード電極が 前記P井戸と前記N領域とに接続されているごとき請求項7による前記半導体装 置。
  9. 9.半導体サイリスタ装置であって、 アノード電極およびカソード電極と、 前記カソード電極に接続する遠隔電極と、第1の表面を有し、前記アノード電極 とカソード電極との間にそれそれ作用的に連結をした再生部分と非再生部分とを 含む半導体材料の多層体構造において、前記再生部分が直列にそれそれ導電形を 交替させて配列した隣接する第1、第2、第3、第4領域を含み、ここに、前記 再生部分の前記第1領域は前記第1表面のごく近傍の前記第3領域から前記第2 領域によって切リ離され、前記遠離電極は前記第2領域と電気的に接触している とともにそのため前記第1領域から切リ離されておリ、かつ前記アノード電極は 前記第4領域と電気的に接触しているごとき前記半導体材料の赤層体構造と、第 1のMOSトランジスタが使用可能な時、前記カソード電極を前記第3領域に接 続する前記第1MOSトランジスタを形成する第1の絶縁ゲートと、第2のMO Sトランジスタが使用可能な時、前記第1領域を前記第3領域に連結する前記第 2MOSトランジスタを形成する第2の絶縁ゲートとを含み、 使用可能な電圧が前記第1と第2との絶縁ゲートに印加された時、前記陽極から 前記陰極に至る電流路が前記第1と第2とのMOSトランジスタによって形成さ れ、かつ使用可能でないゲート電圧が前記第1と第2とのMOSトランジスタに 印加された時、前記電流路が遮断され、前記第2領域に残存している電荷が前記 遠隔電極によって収集されるごとき前記半導体サイリスタ装置。
JP5519373A 1992-04-29 1993-04-21 遠隔ターンオフ電極を有するmosゲートサイリスタ Pending JPH07506463A (ja)

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