JPS5912026B2 - サイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 １０本発明はサイリスタに係ク、特に電力制御に好適な
高耐圧、大電流サイリスタに関するものである。

一般にゲート信号によつてターンオンされるサイリスタ
は、ｐｎｐｎの４層接合構造を有する半導１５体基体と
、半導体基体の両外側のｐ層及びｎ層にオーミック接触
した２個の主電極と、中間のｐ層或いはｎ層のどちらか
一方に接続したゲート電極を具備している。

このようなサイリスタにおいて、主電極間に順方向に電
圧を印加した状態でゲート加 電極とゲート電極を設け
た層に隣接する外側層上の主電極との間にパルス状のゲ
ート信号電圧を印加してゲート電流を流すことにより、
阻止状態にあつた主電極間に電流が流れ始める（これを
ターンオンするという）。かゝるサイリスタにおいて、
５ 電圧阻止能力、通電能力およびスイッチング速度な
どの電気的性能を決める最も重要な部分は二つの中間層
であり、その通電方向の寸法（厚さ）、抵抗率および不
純物濃度プロフィルなどが両層の重要な設計パラメータ
である。このうち、抵抗率３０の最も高いベース層では
、その抵抗率及び厚さがサイリスタの耐圧の要求値によ
りほとんど一義的に決定されるので、性能向上に許され
る設計的な自由度は殆んどない。サイリスタの性能向上
の点で最も検討されなければならないのは、比較的抵３
５抗率の低いもう一方のベース層に関してゞある。通常
、このベース層は半導体基体の表面からの不純物（ドー
パント）の拡散により形成される。一般的な製法に習つ
て、出発素材の半導体ウエハの導電形をｎ形とし、固体
拡散法で形成されるベース層をｐ形とした場合について
説明する。この場合、高抵抗率のベース層をｎベース層
、もう一方のベース層をｐベース層と呼ぶ。そして、ｐ
ベース層に隣接した外側層をｎエミツタ層、ｎベース層
に隣接した外側層をｐエミツタ層と呼ぶ。ｐベース層の
抵抗率訃よび不純物濃度プロフイルは、サイリスタに要
求されるＤｖ／Ｄｔ耐量およびゲート点弧感度の特性に
直接的に影響する。直流送電変換装置のサイリスタバル
ブに使用される高耐圧サイリスタなどでは１５００Ｖ／
μｓ以上の高いＤｖ／Ｄｔ耐量が要求され、また、ゲー
ト回路中の微弱な誘導電流でサイリスタが誤点弧するの
を防止するため、最大動作温度でのゲート感度を低減し
、非点弧ゲート電流が１０ｍＡ以上のサイリスタが要求
されている。このような高いＤｖ／Ｄｔ耐量、低いゲー
ト点弧感度はｐペース層の抵抗率を低くすることによつ
て実現できる。従来のサイリスタでは、ｐベース層のシ
ート抵抗及び不純物濃度は主にこのような観点から設計
されていた。従来サイリスタのｎエミツタ層およびｐベ
ース層の不純物濃度プロフイルを第１図に示す。図で示
すようにｎエミツタ接合Ｊ３と中央接合Ｊ２で挟まれた
部分のｐベース層のシート抵抗は通常１００〜２００Ω
７４］程度、また、Ｊ３接合近傍の不純物濃度は１０１
６〜１０１７ａｔ０ｍｓ／ｄ程度に設定されていた。こ
のことは、例えばＰｒＯｅｅｅｄｉｍｇｓＯｆｔｈｅ５
ｔｈＣＯｎｆｅｒｅｎｃｅＯｎＳＯｌｉｄＳｔａｔｅＤ
ｅｖｉｃｅｓ，ＴＯｋｙＯｌ９７３ＳＵＰＰｌ．Ｊ．Ｊ
．Ａ．Ｐ．ｖＯｌ．４３，ｌ９７４４３ＯＯＯＶＯｌｔ
ａｎｄｌ３ＯＯＡｍｐｅｒｅＴｗＯｉｎｃｈＤｉａｍｅ
ｔｅＲＴｈｙｒｉｓｔＯビＢｙＣ．Ｋ．Ｃｈｕｅｔａｌ
、及びＷＯｒｌｄＥｌｅｃｔｒＯｔｅｄｌｎｉｃａｌＣ
ＯｎｇｒｅｓｓＲｅｃＯｒｄＦｓｅｃｔｉＯｎ５Ａｐａ
ｐｅｒ４７ｆｆＡｐｐｌｌｃＡｔｉＯｎＯｆＮｅｗＴｅ
ｃｈｎＯｌＯｇｉｅｓｔＯＨ．Ｖ．Ｄ．Ｃ．Ｔｈｙｒｉ
ｓｔＯｒＰｒＯｄｕｃｔｉＯｎｌ？Ｋ．Ｈ．Ｓａｎｍｅ
ｒｅｔａｌに言凸裁されている。しかしながら、このよ
うなプロフイルのサイリスタは次のような欠点をもつて
いる。それはｐベース層のＪ３接合付近の不純物濃度が
高いことに伴う欠点である。ｐベース層の不純物濃度が
高いと、ｐベース層のキヤリアライフタイムが短かくな
る及びエミツタ注入効率が低くなる。このため、高導通
時のオン特性が損なわれる。また、中央接合Ｊ２近傍の
不純物濃度勾配が大きいため、サイリスタ端面での接合
露出部の表面電界強度が高くなυ、高耐圧化が困難にな
る。後者の欠点を解消するため、従来公知のサイリスタ
には第２図にその１例を示す如く、２段階の不純物濃度
プロフイルを有するものも製造されている。即ち、ウエ
・・全面に対して低濃度で深く拡散された第１段と、比
較的高濃度で浅く拡散された第２段との２段階の不純物
濃度プロフイルをもつものである。このようなプロフイ
ルにすると、第１段拡最の勾配が緩やかなので接合端部
の表面電界強度を低減でき、高耐圧サイリスタに好適で
ある。しかしながら、この従来構造でも、前述したＪ３
接合付近の高不純物濃度に伴う欠点は解消できない。そ
の上、接合面を大口径化して大電流サイリスタを実現し
ようとする際のどうにもならない問題点を含んでいる。
大口径ウエ・・を用いて大電流化を達成するためには、
単結晶ウエハ内の動作の一様化が図られねばならない。
このためには、横方向の一様性の得られやすいｐベース
層構造が要求される。しかるに、第２図に例示した従来
公知のサイリスタでは、ｎエミツタ接合Ｊ，付近のｐベ
ース層の不純物濃度勾配が大きいので、ｐベース層厚さ
の僅かのゆらぎ（不均一）がベース層のシート抵抗を大
きく変動させる。この変動のため、オン領域の広がりの
不均一や、ターンオフ時の電流収束が起わ、か＼る構造
では均一性の優れた大電流サイリスタの実施が困難であ
つた。本発明の目的は、ｐベース層不純物濃度およびプ
ロフイルの改良された構造を提案することにより、高耐
圧でかつ大電流の変換容量を具備した大電力に好適なサ
イリスタを提供するにある。

本発明は、低濃度で深い拡最層で形成されたｐベース層
を具備したサイリスタの有利性に着目し、サイリスタを
大口径化により大電流化する際に障害となつていたウエ
ハ内の幾何学的不均一に因る動作の不均一性の発生の問
題を、ｐベース層のｎエミツタ層側の濃度を８ｘ１０１
５ａｔ０ｍｓ／ｄ以下の低濃度で深い拡散層とし、かつ
そのシート抵抗を５００〜１５００Ω２４］に設定する
ことにより解決したものである。以下本発明を一実施例
として示した図面によジ説明する。

第３図ａにおいて、半導体基体１は主表面１１，１２を
有し、主表面間に導電形の交互に異なるνＥ，ｎＢ，ｐ
ＢおよびＮＥ層が積層され、各層間にＰｎ接合Ｊｌ，Ｊ
２，Ｊ３が形成されている。

一方の主表面１１においてＰＥ層にタングステン支持板
からなるアノード電極２、他方の主表面１２においてＮ
Ｅ層にアルミニウム膜からなるカソード電極３、そして
他方の主表面１２の中央部においてＰＢ層にゲート電極
４が各々低抵抗オーミツク接続されている。ＮＥ層のと
ころどころを貫通してＰＢ層の一部が他方の主表面１２
に露出し、その表面においてカソード電極２と低抵抗接
続し、各々で接合Ｊ３が短絡されている。第３図ｂは半
導体基体の積層方向の不純物濃度プロフイルである。

ｐベース層ＰＢｆ）Ｊ３接合付近の不純物濃度は３〜５
×１０１５ａｔ０ｍｓ／ｄ、ＰＢ層の厚さは９０〜１１
０μｍ１そしてＪ３接合直下のＰＢ層のシート抵抗は６
００〜１０００Ω４］である。このサイリスタは次のよ
うにして作られた。

まず、ｎ形で抵抗率が２００〜３００Ω？、厚さ約１［
００１のシリコン単結晶ウエ・・を出発素材とし、この
両面からアルミニウムを拡散してｐベース層ＰＢ，Ｐエ
ミツタ層Ｐ。を形成した。その方法は、素材ウエ・・を
アルミニウム拡散源と一緒に石英管に真空封入し、約１
０００℃、数時間の拡散処理によシ、シリコン表面に１
０２０ａｔ０ｍｓ／Ｃｄ程度の高濃度のアルミニウムデ
ポジツト層を形成し、次にウエ・・を石英管より取出し
、酸素雰囲気中で１２５０℃、５０〜７０時間の熱処理
を行ないデポジツト層を深さ約１５０μｍの深さに引延
すことにより行なわれる。次にアルミニウム拡散層の表
面部分を除去する。これは引延し拡散の際に表面近くの
アルミニウムは外部に拡散放出され、拡散後の表面付近
の濃度は減少し、そのプロフイルの再現性が乏しくなる
のを防止するためである。この表面除去には化学エツチ
ング法が好ましい。これは化学エツチングではウエハの
凹凸に沿つて厚さ調整ができるので、除去後の拡散深さ
に均一性が得られやすいためである。拡散層のシート抵
抗が５００〜６００ΩＡ］になるところまで厚さ調整さ
れる。この付近で不純物濃度の勾配が極小になるからで
ある。第４図は不純物濃度プロフイルのさらに詳細をつ
示す。

図から明らかなように表面付近の低濃度層を除いた部分
に訃いて、不純物濃度分布は最大値を示しその値は３〜
５×１０１５ａｔ０ｍｓ／ｄである。この付近のシート
抵抗が６００〜１０００Ω２イ］に設定される。次に、
表面に酸化膜を被覆しその酸化膜に部分的に設けられた
窓を通して燐が拡散される。１１００℃、数時間の拡散
により深さ約１０〜２０μｍのＮＥ層が形成される。

燐の拡散にはＳｉＯ２膜のマスク作用を利用した方法の
他、全表面に約１０μｍの燐拡散層を形成した後化学エ
ツチング法にて局部的に拡散層を除去する方法でも製造
できる。このようにしてできた拡散ウエ・・を所要形状
に成形し、アノード電極、カソード電極及びゲート電極
を取付けて完成する。か＼る低濃度広幅ｐベース層ＰＢ
を具備したサイリスタは次の利点をもつ。（１） ｐベ
ース層の不純物濃度が低いので、ｎエミツタ接合Ｊ３の
注入効率が高く、またｐベース層のライフタイムが長い
のでオン電圧が低減できる。

（２）ｐベース層の濃度勾配が緩やかなので、接合端部
での表面電界強度の低減が容易であり、高耐圧サイリス
タが得られやすい。

また、ｐベース層の横方向の接合Ｊ３付近の濃度及びシ
ート抵抗の基体内の一様化が容易であり、大口径大電流
サイリスタに好適である。以上の効果を奏するには、発
明者らの実験によれば接合Ｊ３付近のｐ形不純物を８×
１０１５〜１×１０１５ａｔ０ｍｓ／ｄとする必要があ
り、また接合Ｊ３下のｐベース層のシート抵抗の範囲が
５００〜１５００Ω２イ］である必要があることがわか
つた。

接合Ｊ３位置の不純物濃度が８×１０１５ａｔ０ｍｓ／
ｃ−！ｌ以上の場合には、高導通時においてもｐベース
層内の電子のライフタイムカ汁分長くならず、また低い
注入効率のためオン電圧が高くなる。一方、１×１０１
５ａｔ０ｍｓ／Ｃ７ｌｔ以下で実用的な範囲の拡散時間
では所定のシート抵抗が得られないのである。また、ｐ
ベース層のシート抵抗が１５００Ω／？以上になると、
サイリスタのゲート感度が極端に大きくなり、またＤｖ
／Ｄｔによる誤点弧が生じやすい。接合Ｊ３の短絡だけ
では、ゲート感度及びＤｖ／Ｄｔ耐量をともによくする
ことができない。一方、５００ΩＡ］以下のシート抵抗
では極めて広いｐベース層が必要になる。比較的ライフ
タイムの短かい中間層の幅が広くなるため、サイリスタ
のオン特性は著しくそこなわれる。更に、かかる構造の
サイリスタを作るには、ｐ形不純物の極めて深い拡散が
要求され、デボジツシヨンードライブインの２段拡散法
で形成する場合には、アウト・デイフユージヨンによる
表面付近での濃度低下が大きく、かつ低下部分が深くな
るためｐベース層の不純物濃度及びシート抵抗の横方向
の均一性がそこなわれやすい。ｐベース層の不純物濃度
及びシート抵抗の範囲のうち、更に好ましい範囲は実施
例で述べた３〜５×１０１５ａｔ０ｍｓ／ＣｌＬ．６Ｏ
Ｏ〜１０００Ω／コの範囲であつた。この場合のｐペー
ス層の幅は９０〜１１０μｍの範囲であつた。本発明の
低濃度、広幅ペース層を具備したサイリスタはさらに次
の特長を有している。

即ち、本発明サイリスタでは、中央接合Ｊ２付近の不純
物濃度勾配は自ずと極めて小さくなる。そのため中央接
合におけるｐベース層からｎベース層への正孔の注入効
率が低減される。したがつて、Ｊ１接合が逆バイアスさ
れるサイリスタの逆阻止状態に｝いて、ｐベース層から
空乏層に至る拡散正孔成分が低減され、高温漏れ電流を
大幅に低減できる効果がある。また、通常のサイリスタ
では、ｐエミツタ層はｐベース層形成時のｐ形不純物拡
散により同時に形成されるので、Ｊ１接合付近の不純物
濃度勾配はＪ２接合付近とほとんど等しい。したがつて
、上述した接合付近での低い濃度勾配の高温時の漏れ電
流低減効果は、サイリスタの順・逆阻止状態いずれの方
向においても期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来公知のサイリスタの不純物濃度
プロフイルを示す概略図、第３図は本発明サイリスタの
概略断面図及び濃度プロフイルを示す概略図、第４図は
本発明サイリスタの濃度プロフイルを更に詳細に説明す
るための概略図である。 １・・・半導体基体、２・・・アノード電極、３・・・
カソード電極、４・・・ゲート電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに反対側に位置する一対の主表面と、主表面間
   に隣接層間にｐｎ接合を形成するように交互に導電性の
   異なるｐｎｐｎの連続した４層を有する半導体基体、両
   主表面においてたれぞれ外側層に低抵抗接触した一対の
   主電極、主電極間を阻止状態から導通状態に移行するた
   めのトリガー信号を付与する手段を具備するものにおい
   て、二つの中間層のうちの高不純物濃度を有する一方の
   中間層の隣接する一方の外側層との境界付近における不
   純物濃度が８×１０＾１＾５ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３以下
   であり、一方の中間層の一方の外側層と他方の中間層と
   によつて挾まれた部分の横方向シート抵抗が５００〜１
   ５００Ω／□であることを特徴とするサイリスタ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記一方の中間層
   の隣接する上記一方の外側層との境界付近における不純
   物濃度が３〜５×１０＾１＾５ａｔｏｍｓ／ｃｍ＾３、
   上記一方の中間層の上記一方の外側層と上記他方の中間
   層とによつて挾まれた部分の横方向シート抵抗が６００
   〜１０００Ω／□であることを特徴とするサイリスタ。