JPH0793427B2 - Semiconductor device having a drift buffer structure - Google Patents

Semiconductor device having a drift buffer structure

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JPH0793427B2
JPH0793427B2 JP4144887A JP14488792A JPH0793427B2 JP H0793427 B2 JPH0793427 B2 JP H0793427B2 JP 4144887 A JP4144887 A JP 4144887A JP 14488792 A JP14488792 A JP 14488792A JP H0793427 B2 JPH0793427 B2 JP H0793427B2
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尚茂 玉蟲
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は電力用半導体素子に関
し、特にバッファ構造を有する半導体素子においてバッ
ファ層内に不純物密度勾配を設定して正孔に対する内部
電界を発生させアノードからの正孔の注入率を高めると
ともに電子の蓄積効率を高め、またアノード領域内に不
純物密度勾配を設定して電子に対する内部電界を発生さ
せ、かつカソード・アノード間に強電界を印加し得る新
しいバッファ構造(以下ドリフトバッファ構造と称す
る)を有する半導体素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power semiconductor device, and in particular, in a semiconductor device having a buffer structure, an impurity density gradient is set in a buffer layer to generate an internal electric field for holes, thereby injecting holes from the anode. enhance the electron storage efficiency to increase the rate, also to set the impurity concentration gradient in the anode region to generate an internal electric field for electrons and a new buffer structure capable of applying a strong electric field between the cathode and anode (hereinafter drift buffer Referred to as a structure).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、バッファ層を有する半導体素子は
各種提案されている。例えば、高耐圧のGTO,静電誘
導サイリスタ,IGBT(絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ),絶縁ゲート静電誘導サイリスタ等において提
案されている通りである。この構造の特徴はアノード
(コレクタ)領域前面に、nバッファ層をnベース層の
高抵抗層との間に積極的に介在させ、ゲート(ベース)
・アノード(コレクタ)間の電界分布の形状を実質的に
三角形の形状から台形の形状にし、強電界が一様にアノ
ード領域近傍まで印加されるようにした点である。この
ことによって、高抵抗層の厚さは低減でき、高耐圧化が
容易となるとともに、高抵抗層中をキャリアは強電界に
よってドリフト走行するため、特に、ターン・オンの特
性が良好となる。
2. Description of the Related Art Conventionally, various semiconductor devices having a buffer layer have been proposed. For example, it is as proposed in a high breakdown voltage GTO, an electrostatic induction thyristor, an IGBT (insulated gate bipolar transistor), an insulated gate electrostatic induction thyristor and the like. The feature of this structure is that the n buffer layer is positively interposed between the high resistance layer of the n base layer and the gate (base) on the front surface of the anode (collector) region.
The electric field distribution between the anodes (collectors) is changed from a substantially triangular shape to a trapezoidal shape so that a strong electric field is uniformly applied to the vicinity of the anode region. As a result, the thickness of the high resistance layer can be reduced, the breakdown voltage can be easily increased, and the carriers drift in the high resistance layer due to the strong electric field, so that particularly the turn-on characteristics are improved.

【0003】nバッファ構造を有する静電誘導サイリス
タの構造例は既に特公昭59−31869号に開示され
ている通りである。或いはまた、nバッファ構造を有す
る2500V−300A級埋込みゲートSIサイリスタ
の試作例も PROC. OF THE 16TH ANNUAL IEEE POWER ELE
CTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE (PESC '85)において
"LOW-LOSS HIGH SPEED SWITCHING DEVICE, 2500V-300A
STATIC INDUCTION THYRISTOR"として報告されている。
An example of the structure of the electrostatic induction thyristor having the n-buffer structure is as already disclosed in Japanese Patent Publication No. 59-31869. Alternatively, a prototype of a 2500V-300A class embedded gate SI thyristor having an n-buffer structure is also PROC. OF THE 16TH ANNUAL IEEE POWER ELE.
At CTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE (PESC '85)
"LOW-LOSS HIGH SPEED SWITCHING DEVICE, 2500V-300A
STATIC INDUCTION THYRISTOR ".

【0004】図15は上記論文中の試作構造例を模式的
に示した断面構造図である。図15において、1はアノ
ード電極、2はアノード領域、3はnバッファ層、4は
nバッファ短絡層、5は高抵抗層、6はゲート領域、7
はエピタキシャル層、8はカソード領域、9はカソード
電極、10はゲート電極である。n層3がnバッファ層
となっており、n+ 領域4によって、Pアノード領域2
と電気的に短絡されている。n+ 領域4はほぼゲート電
極10のアノード面に投影した下側において形成されて
いる。
FIG. 15 is a cross-sectional structure diagram schematically showing an example of the prototype structure in the above paper. In FIG. 15, 1 is an anode electrode, 2 is an anode region, 3 is an n buffer layer, 4 is an n buffer shorting layer, 5 is a high resistance layer, 6 is a gate region, 7
Is an epitaxial layer, 8 is a cathode region, 9 is a cathode electrode, and 10 is a gate electrode. The n layer 3 serves as an n buffer layer, and the n + region 4 allows the P anode region 2
Is electrically short-circuited with. The n + region 4 is formed substantially on the lower side of the gate electrode 10 projected onto the anode surface.

【0005】ここで、nバッファ層の厚さと不純物密度
の値によってアノード側からの正孔注入量が決定され
る。nバッファ層の不純物密度を高く設定しすぎると、
注入量が低下し、ターン・オン特性, オン電圧に影響を
与える。nバッファ層の不純物密度を低くすると、正孔
注入量は増すが強電界がnバッファ層中に侵入してきて
パンチングスルーを引き起こすことがあるため、あまり
高耐圧化ができないという矛盾を生ずる。そのため、n
バッファ層の厚さをある程度厚く設定することが考えら
れるが、所定の不純物密度で、ある程度厚く設定された
nバッファ層では、オン電圧が上昇する、正孔の注入量
が低減化される、ラッチングアップへ移向する反応が鈍
い(即ち、ターン・オンの応答が低下する)等の問題点
を生じやすい。従って、現状のnバッファ層を有する半
導体素子では薄い方が望ましいにもかかわらずある程度
厚く設定し、高不純物密度に形成して高耐圧を阻止する
ことが望ましいにもかかわらず、正孔の注入量をある程
度確保するために中程度の不純物密度として形成してい
る。
Here, the amount of holes injected from the anode side is determined by the thickness of the n buffer layer and the value of the impurity density. If the impurity density of the n buffer layer is set too high,
The injection amount decreases, which affects the turn-on characteristics and on-voltage. When the impurity density of the n buffer layer is lowered, the hole injection amount is increased, but a strong electric field may enter the n buffer layer to cause punching through, resulting in a contradiction that the breakdown voltage cannot be increased so much. Therefore, n
Although it is possible to set the thickness of the buffer layer to a certain degree, in an n buffer layer set to a certain thickness with a predetermined impurity density, the on-voltage rises, the amount of holes injected decreases, and latching occurs. Problems such as a sluggish reaction to move up (that is, a decrease in turn-on response) are likely to occur. Therefore, in the current semiconductor device having an n-buffer layer, although it is desirable to set the thickness to a certain degree thick to form a high impurity density to prevent a high breakdown voltage, it is desirable to set the thickness to a certain degree, but the amount of injected holes is increased. Is formed to have a moderate impurity density in order to secure a certain degree of

【0006】更にまたnバッファ層は所定の不純物密度
を有する層状の領域としてアノード領域と高抵抗層との
間に介在するため、アノード領域に対して電気的にフロ
ーティング状態のままでは、nバッファ層内に蓄積され
るキャリアとしての電子は、そのライフタイムで決まる
期間、nバッファ層中に存在し続けることになる。この
場合、アノード領域からの正孔の注入を引き起こすが、
電子のライフタイムが長い場合には、その間、正孔注入
が起こるため、余分な正孔が注入される原因ともなる。
従って、nバッファ層はアノード領域と電気的短絡され
ることが望ましい。しかしながら、この短絡率を増す
と、nバッファの効果が薄れ、ラッチングアップを起こ
さなくなったり、或いは正孔の注入量も低減化され、オ
フ特性, テイル特性が改善されたとしても、オン特性が
劣化する原因ともなる。nバッファ層は層状に形成され
るため、横方向の抵抗を低減化する必要も生ずる。更に
また、従来のベース構造を有するバッファ構造では、そ
の構造上オン電圧が高くなりやすいという欠点も存在し
ていた。
Furthermore, since the n buffer layer is interposed between the anode region and the high resistance layer as a layered region having a predetermined impurity density, the n buffer layer remains in an electrically floating state with respect to the anode region. The electrons as carriers accumulated therein will continue to exist in the n buffer layer for a period determined by their lifetime. In this case, it causes the injection of holes from the anode region,
When the lifetime of electrons is long, hole injection occurs during that time, which also causes injection of extra holes.
Therefore, it is desirable that the n buffer layer be electrically shorted to the anode region. However, if this short-circuit rate is increased, the effect of the n-buffer is weakened, latch-up does not occur, or the injection amount of holes is reduced, and even if the off characteristic and tail characteristic are improved, the on characteristic is deteriorated. It also causes Since the n buffer layer is formed in layers, it is necessary to reduce the lateral resistance. Furthermore, the conventional buffer structure having a base structure has a drawback that the on-voltage tends to increase due to its structure.

【0007】上記の問題点を解決する一方法として静電
誘導(SI,Static Induction)バッファ構造が提案され
ている。即ち、村岡、玉蟲によって特願平4−1141
40号(特開平6−85244号公報)「静電誘導バッ
ファ構造を有する半導体素子」において開示されている
通りである。
As a method for solving the above problems, an electrostatic induction (SI) buffer structure has been proposed. That is, Japanese Patent Application No. 4-1141 by Muraoka and Tamamushi
No. 40 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-85244) "Semiconductor device having static induction buffer structure".

【0008】静電誘導(SI)バッファ構造とは静電誘
導効果を利用したバッファ構造である。即ち、ターン・
オンの状態では正孔はSIバッファ層の低不純物密度の
領域を主として流れ、カソードから注入されてきた電子
はSIバッファ層の高不純物密度の領域に蓄積される。
この高不純物密度の領域は電子の拡散長Ln の2倍、即
ち、2Ln 以下のピッチにてアノード領域と短絡し、電
子のライフタイムτnで決まるSIバッファ層内の電子
の寿命に対応させて、電子をアノード電極に吸収する効
果を有する。SIバッファ層の高不純物密度領域のかわ
りに、W,Mo,Co,Pt等の金属層もしくは金属シ
リサイド層を使用しても良い。
The electrostatic induction (SI) buffer structure is a buffer structure utilizing the electrostatic induction effect. That is, the turn
In the ON state, holes mainly flow in the low impurity density region of the SI buffer layer, and the electrons injected from the cathode are accumulated in the high impurity density region of the SI buffer layer.
This region of high impurity density is short-circuited with the anode region at twice the diffusion length L n of electrons, that is, at a pitch of 2 L n or less, and corresponds to the life of electrons in the SI buffer layer determined by the electron lifetime τ n. This has the effect of absorbing electrons in the anode electrode. Instead of the high impurity density region of the SI buffer layer, a metal layer such as W, Mo, Co, Pt or a metal silicide layer may be used.

【0009】SIバッファ層の低不純物密度層は、高不
純物密度層もしくは金属層等との間に生ずる拡散電位に
よって空乏化されている。そしてSIバッファ層の空乏
化された低不純物密度層内の電位はSIバッファ層の高
不純物密度層もしくは金属層等の電位により、容量結合
的に制御されるように、その厚さと不純物密度を選定す
る。オン状態において正孔が流れる通路ともなるチャネ
ル領域が形成されるが、このチャネル領域は空乏化され
たチャネルであって、静電誘導効果による電位障壁制御
によってその高さが容量結合的に可変である。上記のチ
ャネル長は短い方が正孔の注入量が増すため有効である
が、一方においてカソード側から広がる空乏層が、到達
しても高電圧を充分に阻止できる程度に高いポテンシャ
ル電位構造となっている必要がある。強電界を主として
阻止する領域はSIバッファ層の高不純物密度領域もし
くは金属層領域であるが、一部低不純物密度領域まで空
乏層が侵入し、低不純物密度領域のチャネルの電位障壁
の高さを低下させる効果も生ずる。この効果が強くなる
と、アノードからの正孔注入を引き起こし、バッファ層
の効果を低減化させてしまう。従って、SIバッファ構
造においては、低不純物密度領域中のチャネル部の電位
障壁高さを充分に高く設定し、カソード・アノード間の
強電界を充分に阻止できること、及び高不純物密度領域
もしくは金属層の電位によって電位障壁高さが容量結合
的に可変となることが必要である。
The low impurity density layer of the SI buffer layer is depleted by the diffusion potential generated between it and the high impurity density layer or the metal layer. The thickness and the impurity density of the SI buffer layer are selected so that the potential in the depleted low impurity density layer of the SI buffer layer is capacitively controlled by the potential of the high impurity density layer or the metal layer of the SI buffer layer. To do. In the ON state, a channel region is formed which also serves as a passage for holes, but this channel region is a depleted channel and its height is variable by capacitive coupling by controlling the potential barrier by the electrostatic induction effect. is there. A shorter channel length is more effective because the hole injection amount increases, but on the other hand, the depletion layer spreading from the cathode side has a potential potential structure high enough to sufficiently block a high voltage even if it reaches. Need to be. The region that mainly blocks the strong electric field is the high impurity density region or the metal layer region of the SI buffer layer, but the depletion layer penetrates to a part of the low impurity density region, and the height of the potential barrier of the channel in the low impurity density region is increased. The effect of lowering also occurs. When this effect becomes strong, hole injection from the anode is caused and the effect of the buffer layer is reduced. Therefore, in the SI buffer structure, the potential barrier height of the channel portion in the low impurity density region can be set sufficiently high to sufficiently block the strong electric field between the cathode and the anode, and the high impurity density region or the metal layer It is necessary that the potential barrier height be variable by capacitive coupling in a capacitive coupling manner.

【0010】上記に定義され説明したバッファ構造を静
電誘導(Static Induction ; SI)バッファ構造と称す
る。
The buffer structure defined and described above is referred to as a static induction (SI) buffer structure.

【0011】従って、SIバッファ構造を有する半導体
素子の構成は以下に示す通りである。即ち、該構成はア
ノード領域、カソード領域、ゲート領域を有する半導体
素子において、前記アノード領域に接するか近傍におい
てバッファ層を具備するとともに、前記バッファ層は高
不純物密度領域と低不純物密度領域の部分を有し、前記
低不純物密度領域は前記高不純物密度領域との間の拡散
電位によって実質的に空乏化されていて、かつ、前記高
不純物密度領域のバッファ層は前記アノード領域2Ln
以下のピッチ(Ln は電子の拡散長)で短絡されている
ことを特徴とする静電誘導バッファ構造を有する半導体
素子としての構成を有するものである。
Therefore, the structure of the semiconductor device having the SI buffer structure is as follows. That is, in the structure, in a semiconductor device having an anode region, a cathode region, and a gate region, a buffer layer is provided in contact with or near the anode region, and the buffer layer includes a high impurity density region and a low impurity density region. The low impurity density region is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity density region and the high impurity density region, and the buffer layer in the high impurity density region is the anode region 2L n.
The semiconductor device has a structure as a semiconductor element having an electrostatic induction buffer structure characterized by being short-circuited at the following pitch (L n is the diffusion length of electrons).

【0012】或いはまた、前記バッファ層は前記アノー
ド領域とは反対導電型であることを特徴とする静電誘導
バッファ構造を有する半導体素子としての構成を有する
ものである。
Alternatively, the buffer layer has a structure as a semiconductor device having an electrostatic induction buffer structure, which is of a conductivity type opposite to that of the anode region.

【0013】或いはまた、前記バッファ層の内、高不純
物密度領域は前記アノード領域とは反対導電型であると
ともに、低不純物密度領域は前記アノード領域と同一導
電型であるか真性半導体領域であることを特徴とする静
電誘導バッファ構造を有する半導体素子としての構成を
有するものである。
Alternatively, in the buffer layer, the high impurity density region has a conductivity type opposite to that of the anode region, and the low impurity density region has the same conductivity type as the anode region or an intrinsic semiconductor region. And a structure as a semiconductor device having an electrostatic induction buffer structure.

【0014】或いはまた、アノード領域、カソード領
域、ゲート領域を有する半導体素子において、前記アノ
ード領域に接するか近傍においてバッファ層を具備する
とともに、前記バッファ層は金属層領域と低不純物密度
領域の部分を有し、前記低不純物密度領域は前記金属層
との間の拡散電位によって実質的に空乏化されていて、
かつ前記金属層領域のバッファ層は前記アノード領域と
2Ln 以下のピッチ(Ln は電子の拡散長)で短絡され
ていることを特徴とする静電誘導バッファ構造を有する
半導体素子としての構成を有するものである。
Alternatively, in a semiconductor device having an anode region, a cathode region and a gate region, a buffer layer is provided in contact with or in the vicinity of the anode region, and the buffer layer includes a metal layer region and a low impurity density region. And the low impurity density region is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity concentration region and the metal layer,
The buffer layer in the metal layer region is short-circuited with the anode region at a pitch of 2L n or less (L n is a diffusion length of electrons), which is a semiconductor device having a static induction buffer structure. I have.

【0015】或いはまた、前記バッファ層とアノード領
域との間にはアノード領域とは反対導電型の薄い半導体
層が介在されていることを特徴とする静電誘導バッファ
構造を有する半導体素子としての構成を有するものであ
る。
Alternatively, a structure as a semiconductor device having a static induction buffer structure is characterized in that a thin semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the anode region is interposed between the buffer layer and the anode region. Is to have.

【0016】しかるに本願発明者らは上記静電誘導バッ
ファ構造とは別に、より単純な構造を有するドリフトバ
ッファ構造を考案した。ドリフト電界効果をバッファ層
及びアノード領域内に利用する構造である。不純物密
度勾配に基づくドリフト電界をバッファ層内及びアノー
ド領域内に発生しうる構成を有する。
However, the inventors of the present invention have devised a drift buffer structure having a simpler structure in addition to the electrostatic induction buffer structure. This structure uses the drift field effect in the buffer layer and the anode region. It has a structure capable of generating a drift electric field based on the impurity density gradient in the buffer layer and in the anodic region.

【0017】従来、バイポーラトランジスタのベース層
内においてドリフト電界を発生しうる構造を利用するド
リフトトランジスタが有名である。しかるに、サイリス
タ構造、特にバッファ層を有するサイリスタ構造を主体
とする半導体素子において、上記バッファ層内に不純物
密度勾配を設定し、アノード領域からの正孔注入におい
てバッファ層内に正孔に対するドリフト電界を発生させ
る構造及びアノード領域内において同様な不純物密度勾
配を設定し、電子に対するドリフト電界を発生させる構
造(これらを総称してドリフトバッファ構造と称する)
については提案されていなかった。
Conventionally, a drift transistor is well known which uses a structure capable of generating a drift electric field in the base layer of the bipolar transistor. However, in a semiconductor device mainly composed of a thyristor structure, particularly a thyristor structure having a buffer layer, an impurity density gradient is set in the buffer layer, and a drift electric field for holes is generated in the buffer layer during hole injection from the anode region. A structure for generating a drift electric field for electrons by setting a similar impurity density gradient in the structure and the anode region (these are collectively referred to as a drift buffer structure)
Was not suggested.

【0018】上記ドリフトバッファ構造とはバッファ層
及び上記バッファ層に接するアノード領域内の両方にお
いてそれぞれ正孔及び電子に対するドリフト電界を発生
させる不純物密度勾配を設定する構造を云う。何故バッ
ファ層とアノード領域の2つの領域を考慮する必要があ
るかというと、サイリスタ構造を主体とする半導体素子
においては、電子と正孔の両方のキャリアが導通・遮断
の動作に寄与しているからである。もちろん、一方のみ
の効果を期待していずれか一方のみの構成を採用するこ
とも可能である。しかし、両方のキャリアに対するドリ
フト構造を実現した方が性能がよいことはもちろんであ
る。
The above drift buffer structure is a buffer layer
And a structure for setting an impurity density gradient for generating a drift electric field for holes and electrons in both the anode region in contact with the buffer layer. The reason why it is necessary to consider the two regions of the buffer layer and the anode region is that in a semiconductor device mainly composed of a thyristor structure, carriers of both electrons and holes contribute to the conduction / interruption operation. Because. Of course, it is also possible to adopt the configuration of only one of them, expecting the effect of only one. However, it goes without saying that the performance is better when the drift structure is realized for both carriers.

【0019】[0019]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、アノ
ード領域からの正孔注入率が高く、及びバッファ層内の
蓄積電子のアノード電極への掃き出し効率が高く、しか
もカソード・アノード間に強電界を印加でき高耐圧化に
向いた、ドリフトバッファ構造を有する半導体素子を提
供することにある。
OBJECTS OF THE INVENTION It is an object of the present invention has high hole injection rate from the anode region, and high sweeping efficiency of accumulated electrons of the anode electrode of the buffer layer, yet strong between the cathode and anode An object of the present invention is to provide a semiconductor element having a drift buffer structure, which can apply an electric field and is suitable for high breakdown voltage.

【0020】更に本発明の目的の1つは、バッファ層内
に蓄積された電子がドリフト電界によって容易にアノー
ド領域内を走行し、アノード電極への電子の掃き出し効
率が高く、ターン・オフ特性が改善されたドリフトバッ
ファ構造を有する半導体素子を提供することにある。
Further, one of the objects of the present invention is that the electrons accumulated in the buffer layer easily travel in the anode region due to the drift electric field, the efficiency of sweeping electrons to the anode electrode is high, and the turn-off characteristic is high. An object is to provide a semiconductor device having an improved drift buffer structure.

【0021】更に本発明の目的の1つは、静電誘導バッ
ファ構造と組み合わせたドリフトバッファ構造を採用す
ることによって、バッファ層内の抵抗率分布が低減化さ
れ従来のベース層構造に比べて更にオン電圧が改善され
たドリフトバッファ構造を有する半導体素子を提供する
ことにある。
Further, one of the objects of the present invention is to adopt a drift buffer structure combined with an electrostatic induction buffer structure to reduce the resistivity distribution in the buffer layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a drift buffer structure with an improved on-voltage.

【0022】更に本発明の目的の1つは、アノードショ
ート構造もしくは静電誘導アノードショート構造と組み
合わせたドリフトバッファ構造を採用することによっ
て、ターン・オフ特性が改善されたドリフトバッファ構
造を有する半導体素子を提供することにある。
Still another object of the present invention is to employ a drift buffer structure in combination with an anode short structure or a static induction anode short structure to provide a semiconductor device having a drift buffer structure with improved turn-off characteristics. To provide.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】本発明のドリフトバッフ
ァ構造とは内部に不純物密度勾配に基づく正孔に対する
内部電界が発生しうるバッファ構造であるが、バッファ
層内のみならずバッファ層に接するアノード領域内にも
不純物密度勾配を設定し電子に対するドリフト構造を実
現した構造も含むものとして総称することにする。何故
ならば、正孔と電子の両方に対するドリフト構造を考慮
するからである。ドリフトバッファ構造はSI(Static
Induction : 静電誘導) バッファ構造或いはアノードシ
ョート構造, SIアノードショート構造と組み合わせて
使用すると更に有効な構造である。
The drift buffer structure of the present invention is a buffer structure in which an internal electric field for holes due to an impurity density gradient can be generated, but the anode is not only in the buffer layer but also in contact with the buffer layer. A structure in which an impurity density gradient is set also in the region to realize a drift structure for electrons will be collectively referred to as a structure. This is because the drift structure for both holes and electrons is considered. The drift buffer structure is SI (Static
Induction: Electrostatic induction) It is a more effective structure when used in combination with a buffer structure, an anode short structure, or an SI anode short structure.

【0024】従って、本発明の構成は以下に示す通りで
ある。即ち、本発明は、アノード領域、カソード領域、
ゲート領域を有する半導体素子において、前記アノード
領域に接するか近傍においてバッファ層を具備するとと
もに、前記バッファ層は前記アノード領域に近づくにつ
れて不純物密度がしだいに高くなる不純物密度勾配を有
するとともに、更に、前記アノード領域に接触するアノ
ード電極と前記バッファ層間の前記アノード領域内にお
ける不純物密度が前記バッファ層から前記アノード電極
に近づくにつれてしだいに低くなる不純物密度勾配を有
することを特徴とするドリフトバッファ構造を有する半
導体素子としての構成を有する。
Therefore, the structure of the present invention is as follows. That is, the present invention includes an anode region, a cathode region,
In a semiconductor device having a gate region, a buffer layer is provided in contact with or in the vicinity of the anode region, and the buffer layer has an impurity density gradient in which an impurity density gradually increases toward the anode region, and further, Anno that contacts the anode area
In the anode region between the cathode electrode and the buffer layer.
The impurity density from the buffer layer to the anode electrode
Has an impurity density gradient that gradually decreases as
Having a drift buffer structure characterized by
It has a structure as a conductor element.

【0025】 或いはまた、アノード領域、カソード領
域、ゲート領域を有する半導体素子において、前記アノ
ード領域に接するか近傍においてバッファ層を具備する
とともに、前記不純物密度勾配を有するバッファ層は更
に、アノード領域に接する近傍において、前記バッファ
層の不純物密度勾配の高い領域の側面に沿って一定の間
隔で選択的に交互に配置された高不純物密度領域と低不
純物密度領域の部分を有し、前記低不純物密度領域は前
記高不純物密度領域との間の拡散電位によって実質的に
空乏化されていることを特徴とするドリフトバッファ構
造を有する半導体素子としての構成を有する。
[0025] Alternatively, the anode region, a cathode region, a semiconductor device having a gate region, as well as provided with a buffer layer in the vicinity of or in contact with the anode region, the buffer layer having the impurity density gradient further is in contact with the anode region In the vicinity, the buffer
A certain period along the side of the high impurity density gradient region of the layer
High impurity density regions and low
As a semiconductor device having a drift buffer structure, characterized in that it has a portion of a pure material density region, and the low impurity density region is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity density region and the high impurity density region. Have a configuration.

【0026】 或いはまた、前記高不純物密度領域のバッ
ファ層は前記アノード領域と2Ln以下のピッチ(Ln
は電子の拡散長)で短絡されていることを特徴とするド
リフトバッファ構造を有する半導体素子としての構成を
有する。
[0026] Alternatively, the buffer layer of the high impurity concentration region is the anode region and 2L n following pitch (L n
Are short-circuited by the electron diffusion length) and have a structure as a semiconductor element having a drift buffer structure.

【0027】 或いはまた、前記バッファ層は前記アノー
ド領域とは反対導電型であることを特徴とするドリフト
バッファ構造を有する半導体素子としての構成を有す
る。
[0027] Alternatively, the buffer layer has a structure of a semiconductor device having a drift buffer structure, characterized in that said anode region is opposite conductivity type.

【0028】 或いはまた、前記バッファ層の内、高不純
物密度領域は前記アノード領域とは反対導電型であると
ともに、低不純物密度領域は前記アノード領域と同一導
電型であるか真性半導体領域であることを特徴とするド
リフトバッファ構造を有する半導体素子としての構成を
有する。
[0028] Alternatively, among the buffer layer, it high impurity concentration region above the anode region with the opposite conductivity type, the low impurity density region is the anode region and the or intrinsic semiconductor region of the same conductivity type And a structure as a semiconductor element having a drift buffer structure.

【0029】 或いはまた、アノード領域、カソード領
域、ゲート領域を有する半導体素子において、前記アノ
ード領域に接するか近傍においてバッファ層を具備する
とともに、前記不純物密度勾配を有するバッファ層は更
に、アノード領域に接する近傍において、バッファ層の
不純物密度勾配の高い領域の側面に沿って一定の間隔で
選択的に交互に配置された金属層領域と低不純物密度領
域の部分を有し、前記低不純物密度領域は前記金属層と
の間の拡散電位によって実質的に空乏化されていること
を特徴とするドリフトバッファ構造を有する半導体素子
としての構成を有する。
[0029] Alternatively, the anode region, a cathode region, a semiconductor device having a gate region, as well as provided with a buffer layer in the vicinity of or in contact with the anode region, the buffer layer having the impurity density gradient further is in contact with the anode region In the vicinity of the buffer layer
At regular intervals along the sides of the high impurity density gradient region
Selectively alternating metal layer regions and low impurity density regions
The semiconductor device has a drift buffer structure in which the low impurity density region has a region and is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity density region and the metal layer.

【0030】 或いはまた、前記金属層領域のバッファ層
は前記アノード領域と2Ln 以下のピッチ(Ln は電子
の拡散長)で短絡されていることを特徴とするドリフト
バッファ構造を有する半導体素子としての構成を有す
る。
[0030] Alternatively, the pitch buffer layer below the anode region and 2L n of the metal layer regions (L n is the electron diffusion length) as a semiconductor device having a drift buffer structure, characterized in that it is short-circuited by It has the configuration of.

【0031】 或いはまた、前記バッファ層とアノード領
域との間にはアノード領域とは反対導電型の薄い半導体
層が介在されていることを特徴とするドリフトバッファ
構造を有する半導体素子としての構成を有する。
[0031] Alternatively, with the configuration of a semiconductor device having a drift buffer structure, characterized in that the thin semiconductor layer of opposite conductivity type to the anode region is interposed between the buffer layer and the anode region .

【0032】 或いはまた、前記アノード領域は更に、前
記バッファ層近傍において、アノー ド領域の不純物密度
勾配の高い領域の側面に沿って一定の間隔で選択的に交
互に配置された高不純物密度領域と低不純物密度領域の
部分を有し、前記低不純物密度領域は前記高不純物密度
領域との間の拡散電位によって実質的に空乏化されてい
ることを特徴とするドリフトバッファ構造を有する半導
体素子としての構成を有する。
[0032] Alternatively, the anode region further, in the buffer layer near the impurity density of the anodic region
Selective intersections at regular intervals along the sides of a high slope area.
Of the high impurity density region and the low impurity density region
The low impurity density region has a portion and is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity density region and the high impurity density region, and has a structure as a semiconductor device having a drift buffer structure.

【0033】[0033]

【作用】本発明によるドリフトバッファ構造を有する半
導体素子はキャリアに電子と正孔の2つが共存するバイ
ポーラ型素子であり、サイリスタ素子, 或いは非ラッチ
・アップモードのバイポーラ素子と同様のスイッチング
動作を行なう。その動作原理上、特徴的な点はアノード
側近傍における正孔と電子の動きにある。カソード側に
ついては通常のサイリスタ素子, GTO, 静電誘導サイ
リスタ, MOS制御素子, MOSゲート素子等の動作と
同様であるため、アノード側についてその動作を説明す
る。図1は本発明の第1の実施例としてのドリフトバッ
ファ構造を有する半導体素子のアノード側における模式
的断面構造図であるが、原理説明図として適しているた
め、図1を参照して説明する。図1において1はアノー
ド電極, 2はアノード領域, 3はnバッファ層である。
5はn- 高抵抗半導体層である。図1においてnバッフ
ァ層(3) 内, pアノード領域(2) 内には図示するような
不純物密度勾配が設定されている。即ち、n(3) p(2)
接合界面近傍で、バッファ層側のn型不純物密度ND ,
アノード領域側のp型不純物密度NA , n(3)p(2) 接
合から離れるに従って、徐々に不純物密度が低下して、
n(3) n- (5)接合近傍でn型不純物密度NDO, アノー
ド電極近傍でp型不純物密度NAOと設定されている。こ
のようなドリフトバッファ構造の動作上の特徴はターン
・オン時, オン状態及びターンオフ時に現われる。
The semiconductor device having the drift buffer structure according to the present invention is a bipolar device in which two electrons and holes coexist in the carrier, and performs the same switching operation as a thyristor device or a non-latch-up mode bipolar device. . In terms of its operating principle, the characteristic point is the movement of holes and electrons near the anode side. The operation on the cathode side is the same as the operation of a normal thyristor element, GTO, static induction thyristor, MOS control element, MOS gate element, etc. Therefore, the operation will be described on the anode side. FIG. 1 is a schematic cross-sectional structure diagram on the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a first embodiment of the present invention, but since it is suitable as a principle explanatory diagram, it will be described with reference to FIG. . In FIG. 1, 1 is an anode electrode, 2 is an anode region, and 3 is an n buffer layer.
5 is an n high resistance semiconductor layer. In FIG. 1, an impurity density gradient as shown is set in the n buffer layer (3) and the p anode region (2). That is, n (3) p (2)
In the vicinity of the junction interface, the n-type impurity density N D on the buffer layer side,
As the p-type impurity density N A , n (3) p (2) junction on the anode region side increases, the impurity density gradually decreases,
The n-type impurity density N DO is set near the n (3) n (5) junction, and the p-type impurity density N AO is set near the anode electrode. The operational characteristics of such a drift buffer structure appear at turn-on, on-state and turn-off.

【0034】 オフ状態からオン状態に移向するターン・
オン時においては、pアノード領域2からの注入正孔
は、nバッファ層3内の不純物密度勾配によって生ずる
ドリフト電界(E1 )によって加速されるため容易にn
- 高抵抗層(5) へ注入される。この場合、アノード電極
1から供給されpアノード領域(2) 内を走行する正孔も
p(2) n(3) 接合近傍が不純物密度が高いため、不純物
密度勾配によって生ずるドリフト電界(E2 )によって
加速されるため容易にアノード電極(1) からp(2) n
(3) 接合界面へと供給される。従って、図1に図示する
ドリフトバッファ構造はアノード領域2内の内部電界E
2 及びnバッファ層3内の内部電界E1 によって正孔の
注入が加速されやすい構造となっている。
[0034] turn to UtsuriMuko from the off state to the on state
At the time of turning on, the holes injected from the p anode region 2 are accelerated by the drift electric field (E 1 ) generated by the impurity density gradient in the n buffer layer 3, so that the n holes can be easily n.
- is injected into the high-resistance layer (5). In this case, the holes supplied from the anode electrode 1 and traveling in the p anode region (2) also have a high impurity density in the vicinity of the p (2) n (3) junction, so that the drift electric field (E 2 ) caused by the impurity density gradient is generated. Is easily accelerated by the anode electrode (1) to p (2) n
(3) It is supplied to the joint interface. Therefore, the drift buffer structure shown in FIG. 1 has an internal electric field E in the anode region 2.
2 and the internal electric field E 1 in the n buffer layer 3 facilitates injection of holes.

【0035】 同様に、ターン・オン時の電子の動きを追
ってみると、カソード側から注入されてn- 高抵抗層
(5) を走行してきた電子はnバッファ層(3) 内の高不純
物密度の領域、即ち、n(3) p(2) 接合界面近傍に蓄積
され易い。nバッファ層(3) 内には不純物密度勾配によ
って発生する内部電界E1 が存在するため、nバッファ
層内を走行する電子はドリフト電界E1 によって加速さ
れる。一坦、蓄積された電子がアノード領域(2) へ注入
され始めると、pアノード領域(2) 中には不純物密度勾
配に基づく内部電界(E2 )が存在するためpアノード
領域(2) 中を走行する電子は容易にアノード電極(1) に
到達される。
[0035] Similarly, when we chasing electronic movement of the turn-on, injected from the cathode side n - high resistance layer
The electrons traveling in (5) are likely to be accumulated in a high impurity density region in the n buffer layer (3), that is, in the vicinity of the n (3) p (2) junction interface. Since the internal electric field E 1 generated by the impurity density gradient exists in the n buffer layer (3), the electrons traveling in the n buffer layer are accelerated by the drift electric field E 1 . When the accumulated electrons start to be injected into the anode region (2), an internal electric field (E 2 ) based on the impurity density gradient exists in the p anode region (2), so that the inside of the p anode region (2) Electrons traveling in the anode can easily reach the anode electrode (1).

【0036】 オン状態においては、正孔は内部電界E2
及びE1 によって容易にアノード電極から高抵抗層5側
へ注入され続けるとともに、カソード側から注入されて
きた電子は内部電界E1 及びE2 によって容易にアノー
ド電極(1) へ流入し続けることになる。
In the on-state, the holes generate an internal electric field E 2
And E 1 make it easy to continue to be injected from the anode electrode to the high resistance layer 5 side, and the electrons injected from the cathode side to be easily made to continue to flow into the anode electrode (1) by the internal electric fields E 1 and E 2 . Become.

【0037】 オン状態からオフ状態へ移向するターン・
オフ時においては、特に、nバッファ層(3) 内に蓄積さ
れた電子が速やかに消滅されなければならない。過剰に
蓄積された電子が消滅することによって、アノード領域
(2) から見たバッファ層(3)には正孔に対する電位障壁
Vbi(n+ p + ) が発生し、同様にnバッファ層(3) から
見たpアノード領域(2) には同じ高さの電子に対する電
位障壁Vbi(n+ p + )が発生するからである。ドリフト
バッファ構造の場合、電子は内部電界E1 によってn
(3) p(2) 接合近傍の高不純物密度領域近傍に蓄積され
易く、かつpアノード領域2内では内部電界E2 によっ
てアノード電極1へ掃き出されやすい構造となってい
る。従って、nバッファ層からアノード電極への電子の
排出効率が高く、n(3) p(2) 接合界面には容易に電位
障壁Vbi(n+ p + ) が復帰しやすい構造となっている。
即ち、ターン・オフ性能が良い。
[0037] turn to UtsuriMuko from the ON state to the OFF state,
In the off state, in particular, the electrons accumulated in the n buffer layer (3) must be quickly extinguished. The anodic region is created by the extinction of excess accumulated electrons.
A potential barrier Vbi (n + p + ) for holes is generated in the buffer layer (3) viewed from (2), and similarly, the same potential barrier Vbi (n + p + ) is generated in the p anode region (2) viewed from the n buffer layer (3). This is because a potential barrier Vbi (n + p + ) for the electrons is generated. For drift buffer structure, electrons n by the internal electric field E 1
(3) The structure is likely to be accumulated in the vicinity of the high impurity density region near the p (2) junction and to be easily swept out to the anode electrode 1 in the p anode region 2 by the internal electric field E 2 . Therefore, the electron discharge efficiency from the n buffer layer to the anode electrode is high, and the potential barrier Vbi (n + p + ) is easily restored to the n (3) p (2) junction interface.
That is, the turn-off performance is good.

【0038】 以上が本発明によるドリフトバッファ構造
を有する半導体素子の特徴的な動作原理であるが、本発
明の主旨を反映させながら、他の構造と組み合わせても
同様の動作を行なわせることは可能である。例えば、n
バッファ層内に静電誘導(SI)バッファ構造や埋込み
ゲートと等価な構造を作成してもよい。この場合には、
SIバッファとドリフトバッファの動作が相乗される。
またnバッファ層内の抵抗率分布が低減化され、スイッ
チング性能が向上する。或いはまた、アノードショート
構造や静電誘導(SI)アノードショート構造と組み合
わせることによってターン・オフ性能が向上する。或い
はまた、ライフタイム制御を組み合わせてもよい。
The above is the characteristic operation principle of the semiconductor device having the drift buffer structure according to the present invention, but it is possible to perform the same operation even in combination with other structures while reflecting the gist of the present invention. Is. For example, n
An electrostatic induction (SI) buffer structure or a structure equivalent to a buried gate may be formed in the buffer layer. In this case,
The operations of the SI buffer and the drift buffer are synergistic.
Further, the resistivity distribution in the n buffer layer is reduced, and the switching performance is improved. Alternatively, the turn-off performance is improved by combining with an anode short structure or an electrostatic induction (SI) anode short structure. Alternatively, lifetime control may be combined.

【0039】 上記の不純物密度勾配に基づく内部電界E
1,E2 の実現の方法としては、拡散, イオン注入, エピ
タキシャル成長、はり合わせ技術等を組み合わせて実現
することができる。
The internal electric field E based on the impurity density gradient of the
As methods for realizing 1 and E 2 , they can be realized by combining diffusion, ion implantation, epitaxial growth, bonding technology and the like.

【0040】[0040]

【実施例】(実施例1) 図1は本発明による第1の実施例としてのドリフトバッ
ファ構造を有する半導体素子のアノード側近傍の模式的
断面構造図である。カソード側の構造については、通常
のSCR, GTO, SIサイリスタ, IGBT, MOS
ゲートサイリスタ, MOS制御サイリスタ等の構造のい
ずれも使用することができる。
EXAMPLE 1 FIG. 1 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of an anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a first example according to the present invention. Regarding the structure on the cathode side, ordinary SCR, GTO, SI thyristor, IGBT, MOS
Any structure such as a gate thyristor or a MOS control thyristor can be used.

【0041】 図1の構造的特徴はnバッファ層(3) 内に
不純物密度勾配を設定している点である。この構造に対
して更にアノード領域(2) 内にも不純物密度勾配を設定
し、正孔, 電子の両方に対するドリフト電界が生じ得る
構造が図1の構造である。nバッファ層(3) 内、或いは
pアノード領域(2) 内のいずれか一方に上記構造を設定
してもよいことはもちろんである。説明の都合上図1に
おいては両方にドリフト電界が発生しうる構成としてい
る。
The structural feature of FIG . 1 is that an impurity density gradient is set in the n buffer layer (3). In contrast to this structure, a structure in which an impurity density gradient is set in the anode region (2) and a drift electric field for both holes and electrons can be generated is the structure shown in FIG. It goes without saying that the above structure may be set in either the n buffer layer (3) or the p anode region (2). For convenience of description, FIG. 1 is configured so that a drift electric field can be generated in both.

【0042】 図2は半導体素子がオフ状態にある場合の
アノード領域2とバッファ層3とのpn接合近傍におけ
るポテンシャル分布を模式的に示した図である。pアノ
ード領域2内における電界E2 及びnバッファ層3内に
おける電界E1 がそれぞれの中の不純物密度勾配によっ
て形成される様子がわかる。E2 の上に←, E1 の上に
←は電子に対する加速電界, E2 の上に→, E1 の上に
→は正孔に対する加速電界を示している。
FIG . 2 is a diagram schematically showing the potential distribution in the vicinity of the pn junction between the anode region 2 and the buffer layer 3 when the semiconductor element is in the off state. It can be seen that the electric field E 2 in the p anode region 2 and the electric field E 1 in the n buffer layer 3 are formed by the impurity density gradient in each. ← above E 2 , ← above E 1 , accelerating electric field for electrons, E 2 above →, and E 1 → → indicate accelerating electric field against holes.

【0043】 n(3) p(2) 接合近傍のnバッファ層(3)
の不純物密度をND , n(3) n- (5) 接合近傍のnバッ
ファ層(3) の不純物密度をNDOとし、不純物密度分布が
指数関数分布である場合、nバッファ層3内に発生する
電界E1 は、 VN kT ND 1 =────=─────ln ──── …(1) WN qWN DO と表わされる。
[0043] n (3) p (2) n buffer layer of bonding vicinity (3)
The impurity concentration N D, n (3) n of - the impurity concentration of the (5) n-buffer layer of bonding vicinity (3) and N DO, if the impurity density distribution is exponential distribution, the n-buffer layer 3 electric field E 1 that occurs is expressed as V n kT n D E 1 = ──── = ─────l n ──── ... (1) W n qW n n DO.

【0044】 ここでVN はnバッファ層の厚さ方向の両
端に発生する電圧, WN はnバッファ層の厚さ, kはボ
ルツマン定数, Tは絶対温度である。
[0044] where V N is the voltage generated across the thickness direction of the n buffer layer, W N is the thickness of the n buffer layer, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature.

【0045】 同様に、n(3) p(2) 接合近傍のpアノー
ド領域(2) の不純物密度をNA , アノード電極(1) 近傍
の不純物密度をNAOとし、不純物密度分布が指数関数分
布である場合、pアノード領域2内に発生する電圧E2
は、 VP kT NA 2 =────=─────ln ──── …(2) WP qWP AO と表わされる。
[0045] Similarly, n (3) p (2) impurity density N A, the anode electrode (1) with an impurity density in the vicinity of the N AO, impurity density distribution exponential function of p anode region of the junction near (2) If distributed, the voltage E 2 generated in the p-anode region 2
Is expressed as V P kT N A E 2 = ──── = ─────l n ──── ... (2) W P qW P N AO.

【0046】 ここでVP はpアノード領域の厚さ方向の
両端に発生する電圧, WP はpアノード領域の厚さであ
る。
[0046] Here, V P is the voltage generated across the thickness direction of the p anode region, it is W P is the thickness of the p anode region.

【0047】 このようなドリフト電界E1 及びE2 はタ
ーン・オン時及びオン状態における正孔, 電子の動きを
加速するとともに、ターン・オフ時におけるアノード電
極1への電子の排出時の動きを加速する。
[0047] Such drift field E 1 and E 2 holes in the turn-on time and turned on, will accelerate the movement of electrons, the movement at the time the electron emission to the anode electrode 1 at the time of turn-off To accelerate.

【0048】 このため、オン電圧の低減化, ターン・オ
ン時間の短縮化のみならず、ターン・オフ時間の短縮化
を図ることができる。
[0048] For this reason, reduction of on-state voltage, not only the shortening of the turn-on time, it is possible to shorten the turn-off time.

【0049】 図1の構造を実現する方法としては、通常
の拡散技術、イオン注入技術及び多段にエピタキシャル
成長を行なう方法等がある。nバッファ層内の不純物密
度勾配は拡散, イオン注入或いはエピタキシャル成長技
術を利用することによって実現できる。一方、pアノー
ド領域2内の不純物密度勾配を実現するためには、通常
のアノード領域の不純物密度分布とは逆であるため、p
+ 高濃度エピタキシャル成長と中, 低濃度のp, p-
ピタキシャル成長を組み合わせることによって実現する
ことができる。pアノード領域2の厚さWP が薄い場合
には、加速電圧及びドーズ量を変化させた多段イオン注
入によっても形成することができる。
As a method for realizing the structure of FIG . 1, there are a usual diffusion technique, an ion implantation technique, a method of performing epitaxial growth in multiple stages, and the like. The impurity density gradient in the n-buffer layer can be achieved by using diffusion, ion implantation or epitaxial growth techniques. On the other hand, in order to realize the impurity density gradient in the p anode region 2, the impurity density distribution in the normal anode region is opposite,
This can be achieved by combining + high-concentration epitaxial growth with medium or low-concentration p, p - epitaxial growth. If the thickness W P of the p anode region 2 is thin, it can be formed by a multi-stage ion implantation with varying acceleration voltage and dose.

【0050】 更に、最も単純に図1の構造と等価な構造
を実現する意味で、nバッファ層3をn+ n, n+ nn
- もしくはn+ - 層の構造として形成し、pアノード
領域2をp+ p, p+ - , 或いはp+ pp- 層の構造
として形成し、結果的に濃度勾配を有する不純物密度分
布を作り込む方法もある。
[0050] Further, most simply realized structural equivalent structure of Figure 1 means the n buffer layer 3 n + n, n + nn
- or n + n - to form a structure of a layer, the p anode region 2 p + p, p + p -, or p + pp - formed as a structure of a layer, as a result, the impurity density distribution having a concentration gradient There is also a way to make it.

【0051】 更に、図1において点線で図中に示した如
く、n+ アノード短絡層4を設けターン・オフ時のアノ
ード電極(1) への電子の排出を積極的に援助する構造を
導入してもよい。n+ アノード短絡層4の形成ピッチと
しては、例えば、電子のライフタイムで決まる拡散長L
n を考慮して、2Ln 以下とすることが望ましい。上記
の実施例1では一例として不純物密度分布が指数関数分
布の例を用いて電界強度E1,E2 等を説明したが、指数
関数分布に限定されないことはもちろんである
[0051] Further, as shown in FIG. By a dotted line in FIG. 1, is introduced actively assist structures emission of electrons to the anode electrode of the turn-off provided an n + shorted anode layer 4 (1) May be. The formation pitch of the n + anode short-circuit layer 4 is, for example, a diffusion length L determined by the electron lifetime.
Considering n , it is desirable to set it to 2L n or less. Although the electric field intensities E 1 and E 2 have been described by using the example in which the impurity density distribution is an exponential function distribution in the above-described first embodiment, it is needless to say that the electric field strengths E 1 and E 2 are not limited to the exponential function distribution.

【0052】 図1の構造は更に発展させて、静電誘導
(SI)バッファ構造、埋込みゲート構造、静電誘導
(SI)短絡構造、MOSゲート短絡構造と組み合わせ
ることも可能である。
The structure of FIG . 1 can be further developed and combined with an electrostatic induction (SI) buffer structure, a buried gate structure, an electrostatic induction (SI) short circuit structure, and a MOS gate short circuit structure.

【0053】 更にまた、図1の構造もしくはその拡張例
においても、ライフタイム制御を行なってもよいことは
もちろんである。
[0053] Furthermore, in the structure or expansion of the of FIG. 1, it is a matter of course that may perform lifetime control.

【0054】 (実施例2) 図3は本発明の第2の実施例としてのドリフトバッファ
構造を有する半導体素子のアノード側近傍の模式的断面
構造図である。カソード側の構造については実施例1
(図1)の場合と同様にサイリスタ, IGBT, GT
O、SIサイリスタ等各種適用可能である。各構成要素
の内、図1に示した実施例1と同様の構成要素について
は同一の参照番号を用いている。
[0054] (Embodiment 2) FIG. 3 is a schematic sectional view of an anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure of a second embodiment of the present invention. Regarding the structure on the cathode side, Example 1
Thyristor, IGBT, GT as in the case of (Fig. 1)
Various applications such as O and SI thyristors are possible. Among the respective constituent elements, the same reference numerals are used for the same constituent elements as those of the first embodiment shown in FIG.

【0055】 図3において、1はアノード電極, 4は必
要に応じて形成するアノード短絡領域である。図3の構
造的特徴は、nバッファ層をn+ (31)n(30)層にて形成
し、pアノード領域をp+ (21)p (p- )(20) 層にて形
成している点である。n層(30)内は点線にて図示した如
くND 〜NDOの不純物密度勾配を持たせてもよいし、n
+ 層31よりも低い均一の濃度として形成してもよい。同
様にp (p- ) 層(20)内は点線にて図示した如くN
A 〜NAOの不純物密度勾配を持たせてもよいし、p+
(21)よりも低い均一の濃度として形成してもよい。図3
に示した如く、nバッファ層をn+ n層(31,30) 、pア
ノード領域をp+ p (p- ) 層(21,20)として形成する
ことによって、バッファ層内及びpアノード領域内に等
価的なドリフト電界E1,E2 を発生させることができ
る。従って、図1と等価なドリフトバッファ構造が実現
できる。
In FIG . 3, 1 is an anode electrode, and 4 is an anode short-circuit region which is formed as required. The structural feature of FIG. 3 is that the n buffer layer is formed by n + (31) n (30) layers and the p anode region is formed by p + (21) p (p ) (20) layers. That is the point. The n layer (30) may have an impurity density gradient of N D to N DO as shown by the dotted line, or n
It may be formed with a uniform concentration lower than that of the + layer 31. Similarly, the inside of the p (p ) layer (20) is N as shown by the dotted line.
An impurity density gradient of A to N AO may be provided, or p + layer
It may be formed as a uniform concentration lower than (21). Figure 3
By forming the n buffer layer as the n + n layer (31, 30) and the p anode region as the p + p (p ) layer (21, 20) as shown in FIG. It is possible to generate the drift electric fields E 1 and E 2 equivalent to Therefore, a drift buffer structure equivalent to that of FIG. 1 can be realized.

【0056】 (実施例3) 図4は本発明の第3の実施例としてのドリフトバッファ
構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模式
的断面構造図である。実施例1, 2に対応する図1, 2
と同様の構成要素については同一の参照番号を付して説
明は省略する。図4の構造的特徴は、pアノード領域を
+ (21)p (p- )(20) p+ (22)層として形成している
点である。p+ 層22はp+ アノードコンタクト層であ
る。p (p- ) 層(20)は実質的に空乏化されていてもよ
い。逆に云えば、p (p- ) 層20が実質的に空乏化され
るような不純物密度と寸法に設定すればよい。或いは、
pアノード領域(21,20,22)の全体的な厚さWP を薄く形
成し、アノード電極1の電圧が即座にp+ 層(21)の電位
と同電位となる構成である。点線で図示される如く、n
層30内にはND 〜NDOの不純物密度分布を持たせてもよ
く、或いはn層31よりも低い均一の不純物密度として形
成してもよい。同様に、p (p- ) 層20内にはNA 〜N
AOの不純物密度分布を持たせてもよく、或いはp+ 層21
よりも低い均一の不純物密度として形成してもよい。p
+ 層22はアノード電極1とのコンタクトを良好に達成す
るための薄い層であって、アノード電極1の電位が即座
にp+ 層21に伝達されやすい構造を実現するためのもの
である。
[0056] (Embodiment 3) FIG. 4 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure as a third embodiment of the present invention. FIGS. 1 and 2 corresponding to Examples 1 and 2
Constituent elements similar to those are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted. The structural feature of FIG. 4 is that the p anode region is formed as ap + (21) p (p ) (20) p + (22) layer. The p + layer 22 is a p + anode contact layer. The p (p ) layer (20) may be substantially depleted. In other words, the impurity density and dimensions may be set so that the p (p ) layer 20 is substantially depleted. Alternatively,
The overall thickness W P of the p anode region (21,20,22) formed thinner, a configuration in which the voltage of the anode electrode 1 becomes the same potential as the immediate p + layer (21). N as shown by the dotted line
The layer 30 may have an impurity density distribution of N D to N DO , or may be formed with a uniform impurity density lower than that of the n layer 31. Similarly, in the p (p ) layer 20, N A to N
It may have the impurity density distribution of AO , or p + layer 21
It may be formed as a lower uniform impurity density. p
The + layer 22 is a thin layer for achieving good contact with the anode electrode 1, and is for realizing a structure in which the potential of the anode electrode 1 is easily transmitted to the p + layer 21 immediately.

【0057】 点線で示される如く、アノード短絡領域4
を設定してもよいし、特別に設定せず、ライフタイム制
御等と併用してもよいことは同様である。アノード短絡
層4を設ける場合、短絡のピッチとしては、2Ln (L
n :電子の拡散長)以下が望ましい。
As indicated by the dotted line, the anode short circuit region 4
May be set, or may be used in combination with lifetime control or the like without special setting. When the anode short-circuit layer 4 is provided, the short-circuit pitch is 2L n (L
n : electron diffusion length) or less is desirable.

【0058】 (実施例4) 図5は本発明の第4の実施例としてのドリフトバッファ
構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模式
的断面構造図である。図5の構造的特徴はドリフトバッ
ファ構造に対して、更に静電誘導バッファ構造もしくは
埋込みゲートバッファ構造を具えている点である。埋込
みゲートバッファ構造とは、nバッファ層30内にバッフ
ァ層全体としての抵抗率分布を低減させるために埋込み
ゲート層32を一定の間隔で互いに電気的に共通にさせて
埋込む構造である。静電誘導バッファ構造とは、更に埋
込み層32の間隔を狭め、低不純物密度のバッファ層33内
が実質的に空乏化され、高不純物密度のバッファ層32の
電位によって33内の電位が容量結合的に変化しうる構造
である。前者がベース抵抗効果によって動作するのに対
して、後者はJFET効果, もしくは静電誘導効果によ
って動作する。
[0058] (Embodiment 4) FIG. 5 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure as a fourth embodiment of the present invention. A structural feature of FIG. 5 is that the drift buffer structure further includes an electrostatic induction buffer structure or a buried gate buffer structure. The buried gate buffer structure is a structure in which the buried gate layers 32 are buried in the n buffer layer 30 at regular intervals so as to be electrically common to each other in order to reduce the resistivity distribution of the entire buffer layer. The electrostatic induction buffer structure is a structure in which the space between the buried layers 32 is further narrowed and the inside of the low impurity density buffer layer 33 is substantially depleted, and the potential inside 33 is capacitively coupled by the potential of the high impurity density buffer layer 32. It is a structure that can change dynamically. The former operates by the base resistance effect, while the latter operates by the JFET effect or electrostatic induction effect.

【0059】 図5の構造上、nバッファ層30はND 〜N
DOの不純物密度勾配を有し、pアノード領域2はNA
AOの不純物密度勾配を有する。高不純物密度のバッフ
ァ層32は低不純物密度のバッファ層33とともに所定の厚
さのバッファ層を形成するものと考えることができる。
即ち、第2及び第3の実施例 (図3, 図4) においてn
+ バッファ層31として示された層内に、低不純物密度の
バッファ層33を所定の間隔及び寸法で配置し、等価的な
正孔に対するチャネル領域が形成されている。このよう
な静電誘導バッファ構造については村岡, 玉蟲により特
願平4−114140号(特開平6−85244号公
報)にその動作原理が詳細に述べられている。本発明第
4の実施例においてはドリフトバッファ構造に対して、
上記静電誘導バッファ構造, もしくは埋込みゲートバッ
ファ構造を組み合わせることによって、更に、ターン・
オン特性の改善を図ることができる。
In the structure of FIG . 5, the n buffer layer 30 has N D to N
It has an impurity density gradient of DO , and the p anode region 2 has N A ~
It has an impurity density gradient of N AO . It can be considered that the high impurity density buffer layer 32 forms a buffer layer having a predetermined thickness together with the low impurity density buffer layer 33.
That is, in the second and third embodiments (FIGS. 3 and 4), n
In the layer shown as + buffer layer 31, low impurity density buffer layer 33 is arranged at a predetermined interval and size, and an equivalent channel region for holes is formed. Regarding such an electrostatic induction buffer structure, Japanese Patent Application No. 4-114140 (Japanese Patent Laid-Open No. 6-85244) by Muraoka and Tamamushi was proposed.
The report describes the operating principle in detail. In the fourth embodiment of the present invention, with respect to the drift buffer structure,
By combining the above electrostatic induction buffer structure or the buried gate buffer structure,
The ON characteristics can be improved.

【0060】 図6は図5に示した本発明の第4の実施例
において、半導体素子がオフ状態においてアノード側p
n接合近傍におけるポテンシャル分布を模式的に示した
図である。実線はA−A′に沿って切った面におけるポ
テンシャル分布である。即ち、n+ バッファ層32を通過
しているためn+ 層32の厚さ部分だけ、ポテンシャルが
低くなっている。点線はB−B′に沿って切った面にお
けるポテンシャル分布である。即ち、低不純物密度のバ
ッファ層33からなる等価的なチャネル領域を通過してい
る。一点鎖線はn+ 層32がない場合においてnバッファ
層30内がND 〜NDOの不純物密度勾配を有する場合のポ
テンシャル分布である。点線 (B−B′に対応) で示さ
れたポテンシャル分布が静電誘導バッファ構造とドリフ
トバッファ構造を組み合わせた構造のポテンシャル分布
に対応している。
FIG . 6 is a diagram showing the fourth embodiment of the present invention shown in FIG.
It is the figure which showed the potential distribution in the vicinity of n junction typically. The solid line is the potential distribution in the plane cut along AA '. That is, since it has passed through the n + buffer layer 32, the potential is lowered only in the thickness portion of the n + layer 32. The dotted line is the potential distribution in the plane cut along BB '. That is, it passes through an equivalent channel region formed of the buffer layer 33 having a low impurity density. The alternate long and short dash line represents the potential distribution in the case where the n + layer 32 is not provided and the inside of the n buffer layer 30 has an impurity density gradient of N D to N DO . The potential distribution indicated by the dotted line (corresponding to BB ') corresponds to the potential distribution of the structure in which the electrostatic induction buffer structure and the drift buffer structure are combined.

【0061】 低不純物密度のバッファ層33は静電誘導効
果による電位障壁制御を受けるために実質的に空乏化さ
れている。積極的に33の領域だけ全体のnバッファ層30
に比べ、ドリフトバッファのための不純物密度分布ND
〜NDOとは別に、低不純物密度に設定してもよい。
[0061] low impurity density in the buffer layer 33 is substantially depleted to receive a potential barrier control using the electrostatic induction effect. Only the area of 33 positively the whole n buffer layer 30
Compared to the above, the impurity density distribution N D for the drift buffer
It may be set to a low impurity density separately from ~ N DO .

【0062】 静電誘導バッファ構造の動作については村
岡, 玉蟲による特願平4−114140号(特開平6−
85244号公報)に開示されている通りであり、本発
明第5の実施例においても次式が成り立つ。即ち、図6
においてn+ バッファ層32に蓄積される電子によって引
き起こされる電位変化に伴って、nバッファ層33内の電
位が変化される時、蓄積電子に対するアノードからの正
孔注入の電流利得は、 NA υp q G∝───── exp────(VGA−V G * A ) …(3) nB υn kT で等価的に表わすことができる。ここでNA は図示の如
く、アノード領域のpn接合近傍における不純物密度,
B はn+ バッファ層32内の不純物密度, υp は正孔の
注入速度, υn は蓄積電子がアノード領域へ注入する速
度、qは単位電荷量, kはボルツマン定数, Tは絶対温
度, VGAはp(2) n+ (32)接合の拡散電位, V G * A
アノード領域内の正孔がチャネル(33)中央に見る電位障
壁高さである。
[0062] Muraoka for operation of the electrostatic induction buffer structure, Japanese Patent Application No. Hei 4-114140 by Buprestidae (JP-6-
No. 85244) , and the following equation holds in the fifth embodiment of the present invention. That is, FIG.
When the potential in the n buffer layer 33 is changed in accordance with the potential change caused by the electrons accumulated in the n + buffer layer 32 at, the current gain of hole injection from the anode to the accumulated electrons is N A υ p q G ∝───── exp ──── (V GA −V G * A ) (3) n B υ n kT can be equivalently expressed. Here, N A is the impurity density near the pn junction in the anode region as shown in the figure,
n B is the impurity density in the n + buffer layer 32, υ p is the hole injection rate, υ n is the rate at which accumulated electrons are injected into the anode region, q is the unit charge, k is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. , V GA is the diffusion potential of the p (2) n + (32) junction, and V G * A is the potential barrier height seen by the holes in the anode region at the center of the channel (33).

【0063】 図5の構造上、最も重要な特徴は、図4
(第3の実施例)に比べ正孔に対するチャネル領域とな
る低不純物密度のバッファ層33を具えていることであ
る。これによって、オン電圧の低減化、ターン・オン時
間tgtの短縮化、ターン・オン時のdi/dtの増大化を
もたらすことができる。
The most important feature of the structure of FIG . 5 is shown in FIG.
Compared with the third embodiment, the buffer layer 33 has a low impurity density and serves as a channel region for holes. As a result, the on-voltage can be reduced, the turn-on time tgt can be shortened, and the di / dt at the turn-on can be increased.

【0064】 図5の構造においてもバッファ層30に対し
てn+ アノード短絡領域4を2Ln以下(Ln :電子の
拡散長)で設けてもよい。或いはまた、ライフタイム制
御を組み合わせてもよいことももちろんである。
In the structure of FIG . 5 as well, the buffer layer 30 may be provided with the n + anode short-circuit region 4 of 2L n or less (L n : electron diffusion length). Alternatively, it goes without saying that lifetime control may be combined.

【0065】 更に、後述するように、アノード領域2内
に電子に対する等価的なチャネル領域を設けることもで
きる。
[0065] Further, as described below, it can also be provided an equivalent channel region for electrons in the anode region 2.

【0066】 (実施例5) 図7は本発明の第5の実施例としてのドリフトバッファ
構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模式
的断面構造図である。図7の構造的特徴は、図5に示し
た静電誘導バッファ構造もしくは埋込みゲートバッファ
構造を組み合わせたドリフトバッファ構造において、更
にアノード領域(20,21) に不純物密度勾配を2層のp+
p (p- ) 構造として設けた点である。実施例2(図
3)と実施例4(図5)を組み合わせた構造と考えるこ
とができる。p+ (21)p (p- )(20) 構造は、例えば2
段のエピタキシャル成長によって形成することができ
る。n+ アノード短絡領域4をnバッファ層30に対して
設けてもよいことは明らかである。
[0066] (Embodiment 5) FIG. 7 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure as a fifth embodiment of the present invention. The structural feature of FIG. 7 is that in the drift buffer structure in which the electrostatic induction buffer structure or the buried gate buffer structure shown in FIG. 5 is combined, an impurity density gradient is further added to the anode region (20, 21) with two layers of p +
This is a point provided as a p (p ) structure. It can be considered as a structure in which the second embodiment (FIG. 3) and the fourth embodiment (FIG. 5) are combined. The p + (21) p (p ) (20) structure has, for example, 2
It can be formed by epitaxial growth of steps. Obviously, the n + anode short-circuit region 4 may be provided for the n buffer layer 30.

【0067】+ アノード層21を設けることによって、
実質的なアノード領域の厚さをp+層21の厚さと同程度
と考えることができる。(p, p- ) アノード層20が実
質的には空乏化された状態で動作するため、アノード電
極1の電位が即座にp+ アノード層21の電位と等電位に
なり易い構造だからである。p+ アノード層21の不純物
密度をNA とすれば、アノードからの正孔注入の電流利
得は、前述の(3) 式と同等に表わすことができる。
[0067] By providing the p + anode layer 21,
The substantial thickness of the anode region can be considered to be similar to the thickness of the p + layer 21. This is because the (p, p ) anode layer 20 operates in a substantially depleted state, so that the potential of the anode electrode 1 is likely to immediately become equal to the potential of the p + anode layer 21. If the impurity density of the p + anode layer 21 is set to N A , the current gain of hole injection from the anode can be expressed in the same manner as the above equation (3).

【0068】 (実施例6) 図8は本発明の第6の実施例としてのドリフトバッファ
構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模式
的断面構造図である。図8の構造は静電誘導バッファ構
造もしくは埋込みゲートバッファ構造を具えたドリフト
nバッファ構造(32,33,30)と、p+ p (p- ) p+ アノ
ード層からなるアノード領域(21,20,22)を具えている。
即ち、図8の構造はアノード電極1に対するp+ アノー
ドコンタクト層22を図7の構造に対して新たに設けた構
造である。従って、図4(実施例3)の構造と図5(実
施例4)の構造を組み合わせた構造と考えることができ
る。p+ アノードコンタクト層22を設けることによって
(p, p- ) アノード層20に対するアノード電極1の確
実なコンタクトを実現することができ、(p, p-) ア
ノード層内の空乏層の広がりに伴なってp+ アノード層
21とp+ コンタクト層22及びアノード電極1を即座に同
電位にすることができる。
[0068] (Embodiment 6) FIG. 8 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure as a sixth embodiment of the present invention. The structure shown in FIG. 8 is a drift n buffer structure (32, 33, 30) having an electrostatic induction buffer structure or a buried gate buffer structure, and an anode region (21, 20) composed of p + p (p ) p + anode layers. , 22).
That is, the structure of FIG. 8 is a structure in which the p + anode contact layer 22 for the anode electrode 1 is newly provided in addition to the structure of FIG. 7. Therefore, it can be considered that the structure of FIG. 4 (Example 3) and the structure of FIG. 5 (Example 4) are combined. By providing the p + anode contact layer 22
A reliable contact of the anode electrode 1 with the (p, p ) anode layer 20 can be realized, and the p + anode layer is expanded as the depletion layer in the (p, p ) anode layer expands.
21 and the p + contact layer 22 and the anode electrode 1 can be immediately brought to the same potential.

【0069】 (実施例7) 図9は本発明の第7の実施例としてのドリフトバッファ
構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模式
的断面構造図である。図9の構造的特徴はアノード領域
内に高不純物密度のアノード層23と低不純物密度のアノ
ード層24からなる構造が作り込まれている点である。
(p, p- ) アノード層20はドリフト電界E2 を発生し
得るように、NA 〜NAOの不純物密度勾配を有する。同
様に、nバッファ層30内にもND 〜NDOの不純物密度勾
配を設けドリフト電界E1 を発生し得るようにしてい
る。図9の構造上、アノード領域内にp+ (23)p(24)p
+ (23)p(24)…構造をnバッファ層(30,32,33)との界面
近傍に形成することによって、低不純物密度のアノード
層24は電子に対する等価的なチャネル領域となってい
る。低不純物密度のバッファ層33が正孔に対する等価的
なチャネル領域となっていることと同様の構造がアノー
ド領域内に形成されていると考えることができる。n+
バッファ層の厚さをW N + , p+ アノード層の厚さをW
P + とし、半導体素子がオフ状態におけるアノード側近
傍のポテンシャル分布を模式的に示すと図10に示すよ
うになる。A−A′は低不純物密度のアノード層24と高
不純物密度のnバッファ層32を通過する切断面を表わ
し、B−B′は高不純物密度のアノード層23と低不純物
密度nバッファ層33を通過する切断面を表わしている。
点線は等価的なチャネル部分(24,33) におけるポテンシ
ャル分布を表わし、実線は主としてp(20)p+ (23)接
合, n+ (32)n(30)接合部分におけるポテンシャル分布
を表わしている。一点鎖線は、このようなp+ 層(23),
+ 層(32)が介在せず、ドリフト電界を発生し得る不純
物密度勾配がバッファ層30及びアノード領域20内に存在
する場合のポテンシャル分布に対応している。即ち、図
2と同様の分布を示している。
[0069] (Embodiment 7) FIG. 9 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure of a seventh embodiment of the present invention. The structural feature of FIG. 9 is that a structure including an anode layer 23 having a high impurity density and an anode layer 24 having a low impurity density is formed in the anode region.
The (p, p ) anode layer 20 has an impurity density gradient of N A to N AO so that the drift electric field E 2 can be generated. Similarly, an impurity density gradient of N D to N DO is provided in the n buffer layer 30 so that the drift electric field E 1 can be generated. Due to the structure of FIG. 9, p + (23) p (24) p in the anode region
By forming the + (23) p (24) ... structure near the interface with the n buffer layer (30, 32, 33), the low impurity density anode layer 24 becomes an equivalent channel region for electrons. . It can be considered that a structure similar to that of the low impurity density buffer layer 33 serving as an equivalent channel region for holes is formed in the anode region. n +
The thickness of the buffer layer is W N + , the thickness of the p + anode layer is W
FIG. 10 schematically shows the potential distribution in the vicinity of the anode side when the semiconductor element is in the off state, where P + . A-A 'represents a cross section passing through the low impurity density anode layer 24 and the high impurity density n buffer layer 32, and BB' represents the high impurity density anode layer 23 and the low impurity density n buffer layer 33. It represents the cutting plane that passes through.
The dotted line represents the potential distribution in the equivalent channel part (24,33), and the solid line represents the potential distribution mainly in the p (20) p + (23) junction and the n + (32) n (30) junction. . The dash-dotted line indicates such p + layer (23),
This corresponds to the potential distribution when an impurity density gradient capable of generating a drift electric field exists in the buffer layer 30 and the anode region 20 without the n + layer (32) interposed. That is, it shows the same distribution as in FIG.

【0070】 図9に示した実施例7の構造では、図10
のポテンシャル分布から明らかなように、電子に対する
等価的なチャネル領域となるp領域24内のポテンシャル
障壁がVGA−V G * Anだけ低下している。ここでVGA
+ (23)n+ (32)接合の拡散電位であり、V G * Anはn
+ 領域(32)内の電子がp領域(24)内に見る電位障壁高さ
である。同様に正孔に対する等価的なチャネル領域とな
るn領域33内のポテンシャル障壁はVGA−V G * APだけ
低下している。ここでV G * APはp+ 領域23内の正孔が
n領域33内に見る電位障壁高さである。図9, 10に示
すようなpn接合における正孔注入の電流利得は等価的
に、 N A + υP q G∝─────── exp────(VGA−V G * AP) …(4) N D - υn kT と表わされ、電子注入の電流利得は、等価的に N D + υn q G∝─────── exp────(VGA−V G * An) …(5) N A - υP kT と表わすことができる。ここでN D - , N D + はそれぞ
れn領域33,n+ 領域32の不純物密度, N A - ,N A +
はそれぞれp領域24, p+ 領域23の不純物密度である。
In the structure of the seventh embodiment shown in FIG . 9, the structure shown in FIG.
As is clear from the potential distribution of, the potential barrier in the p region 24, which is an equivalent channel region for electrons, is lowered by V GA −V G * An . Here, V GA is the diffusion potential of the p + (23) n + (32) junction, and V G * An is n.
This is the potential barrier height seen by the electrons in the + region (32) in the p region (24). Similarly, the potential barrier in the n region 33, which is an equivalent channel region for holes, is lowered by V GA −V G * AP . Here, V G * AP is the potential barrier height that holes in the p + region 23 see in the n region 33. The current gain of hole injection in a pn junction as shown in FIGS. 9 and 10 is equivalent to N A + υ P q G ∝─────── exp ──── (V GA −V G * AP ) ... (4) n D - expressed as upsilon n kT, the current gain of the electron injection equivalently n D + υ n q Gα─────── exp──── (V GA - V G * an) ... (5 ) N a - can be represented as upsilon P kT. Here, N D and N D + are the impurity densities of the n region 33 and n + region 32, N A and N A +, respectively.
Are impurity densities of the p region 24 and the p + region 23, respectively.

【0071】 (4),(5) 式における指数項は1より極めて
大であり、電流利得は極めて大きい
[0071] (4), (5) the exponential term in the expression is extremely larger than 1, the current gain is very large

【0072】 図9に示した第7の実施例の構造において
も、アノード短絡層4を設けてもよいことはもちろんで
あり、また、ライフタイム制御と組み合わせてもよいこ
とも明らかである。
In the structure of the seventh embodiment shown in FIG . 9 as well, it is obvious that the anode short-circuit layer 4 may be provided and may be combined with lifetime control.

【0073】 (実施例8) 図11は本発明の第8の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図である。図11の構造的特徴は、p+ (2
3)p(24)p+ p…構造がn+ (32)n(33)n+ n…構造と
完全には整合化されていない点と、p+ アノードコンタ
クト層22を有する点である。図9の如く完全に整合化さ
れていなくてもほぼ同等の性能を得ることができる。但
し、pn接合の少なくとも一部分において、n+ (32)p
(24)接合、もしくはp+ (23)n(33)接合が形成されてい
ることが望ましい。
[0073] (Embodiment 8) FIG. 11 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure as the eighth embodiment of the present invention. The structural feature of FIG. 11 is that p + (2
3) The p (24) p + p structure is not perfectly matched with the n + (32) n (33) n + n structure, and the p + anode contact layer 22 is provided. Even if they are not perfectly matched as shown in FIG. 9, almost the same performance can be obtained. However, in at least part of the pn junction, n + (32) p
It is desirable that a (24) junction or a p + (23) n (33) junction is formed.

【0074】 (実施例9) 図12は本発明の第9の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図である。図12の構造的特徴はドリフト
バッファ構造と静電誘導短絡(SI短絡)構造を組み合
わせた点である。SI短絡構造については西沢, 玉蟲に
よって特開平1−93169号公報に開示されている。
図12の構造は本願発明のドリフトバッファ構造に更に
SI短絡を導入することによって、アノード短絡層4を
2Ln (Ln :電子の拡散長)以下にて設定する構造の
代わりとしている。即ち、25はp+ 静電誘導アノード領
域,26 はn+ 静電誘導短絡領域である。バッファ層30は
D 〜NDOの不純物密度勾配を有し、また、n+ (32)n
(33)…からなる静電誘導バッファ構造もしくは埋込みゲ
ートバッファ構造を具えている。(p, p- )アノード
領域20は実質的には空乏化されているがNA 〜NAOの不
純物密度勾配を具えていてもよい。更に、様々な構造的
拡張も可能であり、図7(実施例5), 図8(実施例
6)に図示されたようなp+ アノード層21をnバッファ
層との界面近傍に設けてもよい。或いはまた、図9(実
施例7), 図11(実施例8)に図示されたようなp+
(23)p(24)…アノード層をnバッファ層との界面近傍に
設けてもよい。図12の構造ではSI短絡構造を導入し
たことによって、オン状態からオフ状態へ移向するター
ン・オフ時においてn+ 層32から注入される電子を効率
良くn+ SI短絡層26に導くことができ、SI短絡特有
の効果としてp+ SIアノード領域25からの正孔注入を
阻止しやすいという特徴がある。一方、ターン・オン時
においては、p+ SIアノード領域25から実質的に空乏
化されているアノード層(20)を通って、n層(33)に向け
て正孔が注入され、正孔に対する等価的なチャネルが形
成される。
[0074] (Embodiment 9) FIG. 12 is a schematic sectional view illustrating the anode side near the semiconductor device having a drift buffer structure as a ninth embodiment of the present invention. The structural feature of FIG. 12 is that a drift buffer structure and an electrostatic induction short circuit (SI short circuit) structure are combined. The SI short-circuit structure is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-93169 by Nishizawa and Tamamushi.
The structure of FIG. 12 replaces the structure in which the anode short-circuit layer 4 is set to 2 L n (L n : diffusion length of electrons) or less by further introducing an SI short circuit in the drift buffer structure of the present invention. That is, 25 is a p + static induction anode region and 26 is an n + static induction short circuit region. The buffer layer 30 has an impurity density gradient of N D to N DO , and n + (32) n
(33) has an electrostatic induction buffer structure or a buried gate buffer structure. The (p, p ) anode region 20 is substantially depleted but may have an impurity density gradient from N A to N AO . Further, various structural expansions are possible, and the p + anode layer 21 as shown in FIG. 7 (Example 5) and FIG. 8 (Example 6) may be provided near the interface with the n buffer layer. Good. Alternatively, p + as illustrated in FIG. 9 (Example 7) and FIG. 11 (Example 8)
(23) p (24) ... The anode layer may be provided in the vicinity of the interface with the n buffer layer. In the structure of FIG. 12, by introducing the SI short-circuit structure, electrons injected from the n + layer 32 can be efficiently guided to the n + SI short-circuit layer 26 at the time of turn-off which shifts from the ON state to the OFF state. As a characteristic of SI short circuit, holes are easily blocked from the p + SI anode region 25. On the other hand, at the time of turn-on, holes are injected from the p + SI anode region 25 toward the n layer (33) through the substantially depleted anode layer (20), and Equivalent channels are formed.

【0075】+ SI短絡領域26は2Ln (Ln :電子
の拡散長)以下のピッチにて形成されることが望ましい
ことは、通常のSI短絡と同様である。
[0075] n + SI shorted region 26 is 2L n: it is preferably formed by (L n electron diffusion length) or less of the pitch is the same as the normal SI shorted.

【0076】 (実施例10, 11) 図13及び図14は、前述の実施例の説明におけるn+
層32のかわりに金属層27を用いた構造例である。金
属層としてはW, Mo, Co, Pt等の金属もしくはこ
れらのシリサイド等を適用することができる。図13に
おいてはnバッファ短絡層4もこれらの金属にて設けて
いる。短絡のピッチは2Ln 以下である。図14におい
てはアノード領域20とSIバッファ層(27,33) との間に
薄い介在層31を設け、また、アノード領域はp+ (21)p
(p- )(20)p+ (22)構造にて形成した例が図示されて
いる。nバッファ短絡層4は2Ln 以下のピッチで設け
られている。
[0076] (Example 10, 11) 13 and 14, n in the foregoing description of embodiments +
This is a structural example in which a metal layer 27 is used instead of the layer 32. As the metal layer, a metal such as W, Mo, Co, Pt or the like, or a silicide thereof or the like can be applied. In FIG. 13, the n buffer short-circuit layer 4 is also made of these metals. The pitch of the short circuit is 2L n or less. In FIG. 14, a thin intervening layer 31 is provided between the anode region 20 and the SI buffer layer (27, 33), and the anode region is p + (21) p.
An example of the (p ) (20) p + (22) structure is shown. The n-buffer short-circuit layer 4 is provided with a pitch of 2L n or less.

【0077】 図13及び図14の構造的特徴はnバッフ
ァ層内に金属層27を形成することによってバッファ層の
全体的な抵抗率分布を低減化できるという点にある。図
13の構造はアノード領域内にNA 〜NAOの不純物密度
分布を設定している。一方、図14の構造では薄いn+
層31を介してアノード領域(21,20,22)と接触している。
図14の構造においても、nバッファ層30内及び/もし
くは(p,p- )アノード領域(21,20,22)内に不純物密
度勾配を設定してもよいことはもちろんである。
[0077] Structural features of FIGS. 13 and 14 lies in that it can reduce the overall resistivity distribution of the buffer layer by forming a metal layer 27 on the n-buffer layer. The structure of FIG. 13 sets the impurity density distribution of N A to N AO in the anode region. Meanwhile, thin in the structure of FIG. 14 n +
It is in contact with the anode region (21, 20, 22) via the layer 31.
Also in the structure of FIG. 14, it goes without saying that the impurity density gradient may be set in the n buffer layer 30 and / or in the (p, p ) anode region (21, 20, 22).

【0078】 図1乃至図14に示した例はいずれも本発
明の実施例としてのドリフトバッファ構造を有する半導
体素子のアノード側近傍における模式的断面構造或いは
ポテンシャル分布図であった。カソード側については種
々のデバイス構造が適用できることは前述の通りであ
る。
Each of the examples shown in FIGS. 1 to 14 is a schematic sectional structure or potential distribution diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as an example of the present invention. As described above, various device structures can be applied to the cathode side.

【0079】[0079]

【発明の効果】上記によりドリフトバッファ構造の原
理,構造,動作が明らかとなったが、ドリフトバッファ
構造は、各種の半導体素子に適用することができる。例
えばSIサイリスタ,GTO,埋込みゲートGTO,S
CR,ASCR,IGBT,MOS制御サイリスタ,M
OS制御SIサイリスタ等においてバッファ構造を設定
し、高耐圧,高電界による高速動作が要求される場合
に、従来のバッファ構造では得られない高注入,高速タ
ーン・オン,高いターン・オンdi/dt, を実現すること
ができる。
As described above, the principle, structure, and operation of the drift buffer structure have been clarified, but the drift buffer structure can be applied to various semiconductor devices. For example, SI thyristor, GTO, buried gate GTO, S
CR, ASCR, IGBT, MOS control thyristor, M
When a buffer structure is set in an OS control SI thyristor, etc., and high speed operation due to high breakdown voltage and high electric field is required, high injection, high speed turn-on, high turn-on di / dt which cannot be obtained by the conventional buffer structure. , Can be realized.

【0080】 更に埋込みゲートバッファ構造, 或いはS
Iバッファ構造と組み合わせることにより、高耐圧化が
容易となり, 高電界による高速動作を行なうことができ
る。特にバッファ層内の低抵抗率化により,高速ターン
・オフを実現することができる。
[0080] Furthermore buried gate buffer structure, or S
By combining with the I-buffer structure, it becomes easy to increase the breakdown voltage, and high-speed operation can be performed by a high electric field. In particular, high-speed turn-off can be realized by lowering the resistivity in the buffer layer.

【0081】 更にSIバッファ構造と組み合わせること
により、更にターン・オン特性を改善することができ、
高注入によるオン電圧の低減化を図ることができる。
[0081] Further, by combining the SI buffer structure, it is possible to further improve the turn-on characteristics,
It is possible to reduce the on-voltage by high injection.

【0082】 更に、SI短絡構造と組み合わせることに
より、ターン・オフ状態を更に改善することもできる。
[0082] Further, combined with SI shorted structure, it is also possible to further improve the turn-off state.

【0083】 ドリフトバッファ構造は、バッファ層内に
おけるドリフト電界のみならずアノード領域内における
ドリフト電界も考慮することによって、正孔, 電子とも
にターン・オン, ターン・オフ時に順方向電界が加わる
構造であるため、キャリアの高速化が図られ、高速, 高
電界, 高注入, 高耐圧の動作に有効である。上述の如
く、SIバッファ構造, 埋込みゲートバッファ構造, 或
いはSI短絡,アノード短絡構造との組合せも容易であ
る。
The drift buffer structure is a structure in which a forward electric field is applied to both holes and electrons at turn-on and turn-off by considering not only the drift electric field in the buffer layer but also the drift electric field in the anode region. Therefore, the speed of carriers is increased, which is effective for high speed, high electric field, high injection, and high breakdown voltage operation. As described above, combination with the SI buffer structure, the buried gate buffer structure, or the SI short circuit and the anode short circuit structure is easy.

【0084】 上述の如く正孔, 電子両方の動作を加速す
る電界が働くことから、正孔, 電子の両方がキャリアと
なる。バイポーラ型の素子, 即ち、ラッチアップモード
で動作する素子に適用することが有効である。
[0084] The hole as described above, since the electric field acts to accelerate the operation of the electronic both, holes, both electrons serving as carriers. It is effective to apply to a bipolar element, that is, an element that operates in the latch-up mode.

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

【図1】本発明の第1の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 1 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of an anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明によるドリフトバッファ構造を有する半
導体素子(実施例1)のオフ状態におけるアノード近傍
pn接合のポテンシャル分布の模式図
FIG. 2 is a schematic diagram of a potential distribution of a pn junction near an anode in an off state of a semiconductor device (Example 1) having a drift buffer structure according to the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 3 is a schematic sectional structural view in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a third embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第4の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 5 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第4の実施例のオフ状態におけるアノ
ード近傍pn接合のポテンシャル分布の模式図
FIG. 6 is a schematic diagram of a potential distribution of a pn junction near an anode in an off state according to a fourth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第5の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 7 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a fifth embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第6の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 8 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a sixth embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第7の実施例としてのドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における模
式的断面構造図
FIG. 9 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a seventh embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第7の実施例のオフ状態におけるア
ノード近傍pn接合のポテンシャル分布の模式図
FIG. 10 is a schematic diagram of a potential distribution of a pn junction near an anode in an off state according to a seventh embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第8の実施例としてのドリフトバッ
ファ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における
模式的断面構造図
FIG. 11 is a schematic sectional structural view in the vicinity of an anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as an eighth embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第9の実施例としてのドリフトバッ
ファ構造を有する半導体素子のアノード側近傍における
模式的断面構造図
FIG. 12 is a schematic sectional structural view in the vicinity of an anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a ninth embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第10の実施例としてのドリフトバ
ッファ構造を有する半導体素子のアノード側近傍におけ
る模式的断面構造図
FIG. 13 is a schematic sectional structural view in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as a tenth embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第11の実施例としてのドリフトバ
ッファ構造を有する半導体素子のアノード側近傍におけ
る模式的断面構造図
FIG. 14 is a schematic cross-sectional structure diagram in the vicinity of the anode side of a semiconductor device having a drift buffer structure as an eleventh embodiment of the present invention.

【図15】従来のnバッファ層を有する埋込みゲートS
Iサイリスタの構造例
FIG. 15 shows a buried gate S having a conventional n buffer layer.
Structural example of I thyristor

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 アノード電極 2 pアノード領域 3 nバッファ層 4 アノード短絡領域(nバッファ短絡層) 5 n- 高抵抗層 20 (p,p- )アノード層 21 p+ アノード層 22 p+ アノードコンタクト層 23 高不純物密度のアノード層 24 低不純物密度のアノード層 25 p+ 静電誘導アノード領域 26 n+ 静電誘導短絡領域 27 金属層 30 nバッファ層 31 n+ バッファ層 32 高不純物密度のバッファ層 33 低不純物密度のバッファ層1 anode 2 p anode region 3 n buffer layer 4 anode short-circuit regions (n buffer shorting layer) 5 n - high resistance layer 20 (p, p -) anode layer 21 p + anode layer 22 p + anode contact layer 23 high impurity Anode layer with high density 24 Anode layer with low impurity density 25 p + Electrostatic induction anode region 26 n + Electrostatic induction short-circuit region 27 Metal layer 30 n Buffer layer 31 n + Buffer layer 32 High impurity density buffer layer 33 Low impurity density Buffer layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/74 M 29/78 321 J ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location H01L 29/74 M 29/78 321 J

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノード領域、カソード領域、ゲート領
域を有する半導体素子において、前記アノード領域に接
するか近傍においてバッファ層を具備するとともに、前
記バッファ層は前記アノード領域に近づくにつれて不純
物密度がしだいに高くなる不純物密度勾配を有するとと
もに、更に、前記アノード領域に接触するアノード電極
と前記バッファ層間の前記アノード領域内における不純
物密度が前記バッファ層から前記アノード電極に近づく
につれてしだいに低くなる不純物密度勾配を有すること
を特徴とするドリフトバッファ構造を有する半導体素
子。
1. A semiconductor device having an anode region, a cathode region, and a gate region, comprising a buffer layer in contact with or in the vicinity of the anode region, and the buffer layer having an impurity concentration gradually increasing toward the anode region. DOO as having impurity density gradient consisting
In addition, further, an anode electrode in contact with the anode region
And impurities in the anode region between the buffer layers
Material density approaches from the buffer layer to the anode electrode
To have a gradually decreasing impurity density gradient
Having a drift buffer structure characterized by:
Child.
【請求項2】 アノード領域、カソード領域、ゲート領
域を有する半導体素子において、前記アノード領域に接
するか近傍においてバッファ層を具備するとともに、前
記不純物密度勾配を有するバッファ層は更に、アノード
領域に接する近傍において、前記バッファ層の不純物密
度勾配の高い領域の側面に沿って一定の間隔で選択的に
交互に配置された高不純物密度領域と低不純物密度領域
の部分を有し、前記低不純物密度領域は前記高不純物密
度領域との間の拡散電位によって実質的に空乏化されて
いることを特徴とする請求項1項記載のドリフトバッフ
ァ構造を有する半導体素子。
2. A semiconductor device having an anode region, a cathode region, and a gate region, comprising a buffer layer in contact with or in the vicinity of the anode region, and the buffer layer having the impurity density gradient further comprises an anode.
In the vicinity of the contact with the region, the impurity density of the buffer layer is
Selective at regular intervals along the sides of a high-gradient area
Alternating high and low impurity density regions
2. The semiconductor device having a drift buffer structure according to claim 1 , wherein said low impurity density region is substantially depleted by a diffusion potential between said low impurity density region and said high impurity density region. .
【請求項3】 前記高不純物密度領域のバッファ層は前
記アノード領域と2Ln 以下のピッチ(Ln は電子の拡
散長)で短絡されていることを特徴とする請求項記載
のドリフトバッファ構造を有する半導体素子。
3. The drift buffer structure according to claim 2, wherein the buffer layer in the high impurity density region is short-circuited with the anode region at a pitch of 2L n or less (L n is an electron diffusion length). A semiconductor device having.
【請求項4】 前記バッファ層は前記アノード領域とは
反対導電型であることを特徴とする請求項1乃至
内、いずれか1項記載のドリフトバッファ構造を有する
半導体素子。
Wherein said buffer layer of claims 1 to 3, characterized in that the said anode region is opposite conductivity type, a semiconductor device having a drift buffer structure according to any one.
【請求項5】 前記バッファ層の内、高不純物密度領域
は前記アノード領域とは反対導電型であるとともに、低
不純物密度領域は前記アノード領域と同一導電型である
か真性半導体領域であることを特徴とする請求項1乃至
の内、いずれか1項記載のドリフトバッファ構造を有
する半導体素子。
5. Among the buffer layer, the high impurity concentration region above the anode region with the opposite conductivity type, the low impurity density region is the anode region and the or intrinsic semiconductor region of the same conductivity type Claim 1 thru | or 1 characterized by the above-mentioned.
3. A semiconductor device having the drift buffer structure according to any one of 3 .
【請求項6】 アノード領域、カソード領域、ゲート領
域を有する半導体素子において、前記アノード領域に接
するか近傍においてバッファ層を具備するとともに、前
記不純物密度勾配を有するバッファ層は更に、アノード
領域に接する近傍において、バッファ層の不純物密度勾
配の高い領域の側面に沿って一定の間隔で選択的に交互
に配置された金属層領域と低不純物密度領域の部分を有
し、前記低不純物密度領域は前記金属層との間の拡散電
位によって実質的に空乏化されていることを特徴とする
請求項1記載のドリフトバッファ構造を有する半導体素
子。
6. A semiconductor device having an anode region, a cathode region, and a gate region, comprising a buffer layer in contact with or in the vicinity of the anode region, wherein the buffer layer having the impurity density gradient further comprises an anode.
The impurity density gradient of the buffer layer near the region
Selective alternation at regular intervals along the sides of a high area
Part of the metal layer area and low impurity density area
The semiconductor device having a drift buffer structure according to claim 1 , wherein the low impurity density region is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity concentration region and the metal layer.
【請求項7】 前記金属層領域のバッファ層は前記アノ
ード領域と2Ln 以下のピッチ(Ln は電子の拡散長)
で短絡されていることを特徴とする請求項記載のドリ
フトバッファ構造を有する半導体素子。
7. The buffer layer in the metal layer region and the anode region have a pitch of 2L n or less (L n is an electron diffusion length).
7. The semiconductor device having a drift buffer structure according to claim 6, wherein the semiconductor device is short-circuited with.
【請求項8】 前記バッファ層とアノード領域との間に
はアノード領域とは反対導電型の薄い半導体層が介在さ
れていることを特徴とする請求項もしくは請求項
内、いずれか1項記載のドリフトバッファ構造を有する
半導体素子。
8. Among claim 2 or claim 7, characterized in that the thin semiconductor layer of opposite conductivity type to the anode region between the buffer layer and the anode region is interposed, either 1 A semiconductor device having the drift buffer structure according to the above item.
【請求項9】 前記アノード領域は更に、前記バッファ
層近傍において、アノード領域の不純物密度勾配の高い
領域の側面に沿って一定の間隔で選択的に交互に配置さ
れた高不純物密度領域と低不純物密度領域の部分を有
し、前記低不純物密度領域は前記高不純物密度領域との
間の拡散電位によって実質的に空乏化されていることを
特徴とする請求項1乃至の内、いずれか1項記載のド
リフトバッファ構造を有する半導体素子。
9. The anode region further has a high impurity density gradient in the anode region near the buffer layer.
Selectively staggered at regular intervals along the sides of the area
The high impurity density region and the low impurity density region
The drift buffer structure according to any one of claims 1 to 8 , wherein the low impurity density region is substantially depleted by a diffusion potential between the low impurity density region and the high impurity density region. A semiconductor device having.
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