JPS59165457A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は制御紙流により主電流の導通・しゃ断の制御可
能なゲートターンオフサイリスタ或はトランジスタの如
き半導体装置に係シ、特に、その制御電極の構造に関す
るものである。′〔従来技術〕 ゲートターンオフサイリスタ（以下ＧＴＯと略記）やト
ランジスタ（以下ＴＲ８と略記）では、エミツタ層を複
数の短冊状領域からなるものとし、これに隣接するベー
ス層と共に半導体基体の一生表面に露出せしめ、各短冊
状領域には一方の主電極膜、ベース層には各短冊状領域
を取囲むように制？８覗極膜が低抵抗接触され、半導体
基体の地主表面には他方の主電極膜が低抵抗接触された
構成を採っている。

ＧＴＯを例に採って具体的に説明するに、第１図に示す
ように、半導体基体１はｎ型エミツタ層２、ｎ型ベース
層３、ｐ型ベース層４及びｎ型エミツタ層からなり、ｎ
型エミツタ層は複数の短冊状領域５に分れ、上側主表面
にｐ型ベース層４と□　　共に露出している。下側主表
面側に於て、ｎ型エミツタ層２にアノード電極＠６が、
上側主表面側に於て、各短冊状領域５にカソード峨極膜
７が、そして、ｐ型ベース層に各短冊状領域をコ字状に
取囲むようにゲート電極膜８が低抵抗接触している。上
側主表面上には各電極７．８が低抵抗接触している部分
以外の部分に表面安定化膜としてシリコン酸化膜９が設
けられている。

尚第１図（ａ）では理解を容易にするため同図（ｂ）（
ｅ）に示されているこのシリコン酸化膜９が省略されて
おり、平面図であるが各゛電極７，８に斜線が付けられ
ている。

このような構成を採用する理由は、導通状態からしゃ断
状態へ移行させる際、ターンオフ信号を各短冊状領域５
に均一に作用させて、速やかなる移行動作を期待するこ
とにるる。

しかしながら、ターンオフ信号は各短冊状領域５に均等
に作用せず、しばしば、しゃ断状態へ移行し得す、しゃ
断耐量が制限されていた。

その理由は次の通シである。

本発明者等のターンオフ破壊の検討結果によれば、ター
ンオフ時のアノード・カソード間電圧とアノード亀靴夫
々の瞬時値ローカス（ｆｏｃｕｓ（英語〕：軌跡）があ
る限界線を越えなければターンオフ失敗しないことが分
った。第２図はこの限界線りの一例を示す。斜線を付け
た限界線の範囲内で、ＧＴＯは安全に動作する。この領
域を安全動作領域（以下ＡＳ６と略記）と呼ぶことにす
る。

第１図に示す従来のＧＴＯはこのＡＳＯが狭くしゃ断耐
量が小さかった。

ターンオフ信号はゲート電極膜８に対しカンード電極膜
７が正電位となる関係で印加され、ｐ型代−ス層４にお
けるキャリアをゲート電極膜８がら引き抜く。この時、
第１図（Ｃ）で示されるように、キャリアは各短冊状領
域５０幅方向の両側から引き抜かれて行き、それにつれ
て導通領域は各短冊状領域５の中央に収縮して来る。こ
のため、ターンオフ信号経路の抵抗は高くなり、引き出
せるターンオフ信号は制限される。この状態はしばらく
持続し、急激な温度上昇を発生し、ついには破壊する。

従って、アノード・カソード間電圧あるいはアノード電
流は制限されざるを得す、しゃ断耐量は小さかった。

しゃ断耐量ヲ向上させる手段として、特公昭４３−２８
７５０号公報に示されている様に、ｎ型エミツタ層の中
央を欠除させることが提案されているが、ｎ型エミツタ
層の実質的面積が減少するため、導通状態でのオン電圧
が高くなる問題があった。

以上の問題点は、ＴＢＳにおいても同様に生じていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ＡＳＯが広く導通状態でのオン電圧が
低い半導体装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、半導体基体が隣接相互で
導電型の異なる少くとも３個の半導体層を有し、第一半
導体層は複数の短冊状領域からなり、第二半導体層は上
記各短冊状領域と共に上記半導体基体の第−主面に露出
し、この第一主面の上記各短冊状領域に第一主電極が接
続され、上記第二半導体層に制御電極が接続され、上記
半導体基体の第二主面側の半導体層に第二主電極が接続
されている半導体装置拠おいて、各短冊状領域の幅方向
の一方側の第二半導体層の領域は他方側の第二半導体層
の領域よりも高インピーダンスをもって制御電極と接続
されていることにある。

〔発明の実施例〕

第３図は本発明の一実施例になるＧＴＯを示している。

第３図においては、第１図に示したものと同一物・相当
物には同一符号を付けである。

第３図に示すＧＴＯが第１図に示すＧＴＯと異なる点は
ゲート電極膜が８ａと８ｂの２種に分れていることでる
る。ゲート電極膜８ａは図示していない制御゛電極と接
続され、ゲート電極膜８ｂはゲート電極膜８ａ、８ｂ間
のｐ型代−ス層４の抵抗およびゲート電極膜８ａを介し
て図示していない制御電極と接続されている。

エミツタ層が複数個に分割されたＧＴＯやＴＲ８では、
通常、各エミッタ領域を夫々含んで他方のエミツタ層あ
るいはコレクタ層の間で形成されるＧＴＯ単位やＴＢＳ
単位の複合体であるとの考え方がある。

この考え方に従えば、第３図に示すＧＴＯは４個の短冊
状領域５を有するので、４個のＧＴＯ単位が複合化され
たものと見ることができる。各ＧＴＯ単位が均一に動作
するものとして、動作を第４図により説明する。

第４図はＧ’ｌ’Ｏ単位を第１図（Ｃ）に対比して模式
化して示している。

第４図において、第１図、第３図に示したものと同一物
・相当物には同一符号を付けている。

ゲート電匝膜ｓａ、ｓｂ間のｐ型代−ス層４における抵
抗Ｒを半導体基体１外に取り出し、アノード、カソード
、ゲートの各電極膜６，７，８ａ。

８ｂにおける抵抗は無視でさるものとして、アノード（
第一主電極）Ａ、カソード（第二主電極）Ｋ、ゲート（
制御電極）Ｇに接続しである。

即ち、短冊状領域５の幅方向の一方側（図において左側
）のｐ型ベース層領域は他方側（図において右側）のｐ
型ベース層領域よりも高インピーダンス（図において抵
抗Ｒ）をもってゲートＧと接続された構成となっている
。

ゲートＧが開放され、カソードＫに対しアノードＡが正
電位となる電圧が印加された状態ではしゃ断状態にある
。ここで、カソードＫに対しゲートＧが正電位となる電
圧を印加してターンオン信号を加えると、通常のサイリ
スタにおけるターンオン動作が起る。この時、抵抗Ｒが
あるため、ゲート電極膜８ｂ側から加わるターンオン信
号はゲート電極＋漢８ａ側から加わるターンオン信号に
較べて少ないが、導通領域は広がるから、短冊状領域５
において全面的にアノード電流が流れる様になる。

ターンオフ信号は、ゲートＧに対しカンードＫが正α位
となる磁圧を印加することによって加えられる。

ターンオフ信号、即ち、ターンオフ−流の流れをｐ型ベ
ース層４中に１１＋　　１２で示す。

ｐ型（−ス層４にはシート抵抗がある。これをターンオ
フ電流１１＋Ｆの経路に沿って、ｒｌ。

ｒ２で示している。シート抵抗ｒｌ　、ｒ２はアノード
電流が流れている状態では導電度変調を受けて充分小さ
い値となっている。ターンオフ電流量２は抵抗Ｒがある
ため、ターンオフ電流１１に較べて充分小さい。従って
、ターンオフ開始当初には半導体基体１内におけるキャ
リアは、ターンオフ電流１１によって主として引き抜か
れ、キャリア濃度は時間経過と共に図において、中央部
及び右側のキャリア濃度は低下し続け、アノード電流は
全体として低下する。内部的には、アノード電流は図に
おいてよ抄左側の部分を偏倚して流れるようになる。シ
ー′ト抵抗ｒｌはキャリア濃度が低くなることによって
導電度変調は弱まるから次第に高くなる。一方、アノー
ド電流の偏倚によりシート抵抗ｒ２は低下する。従って
シート抵抗ｒ１に対するシート抵抗ｒ２と抵抗Ｒの和の
差は次第に弱まり、ターンオフ電流１１は減少しターン
オフ電流１２は増加する。

即ち、 の値が時間と共にほぼ零から徐々に増加する。アノード
電流が集中して流れている部分はよりゲート電極膜８ｂ
に近づき、増加してきたターンオフ電流１２によっても
キャリアは引き抜かれ、ターンオフすることになる。

以上のターンオフ動作を要約すれば、ターンオフ動作初
期にターンオフ電流の差によシ、短冊状領域の幅方向の
一方側と他方側からキャリアをアンバランスに引き抜き
、末期にキャリアを一方側に偏倚させておいて、両方側
から引き抜くものと云える。

以上の動作に基づく効果について、以下説明する。

第一に、ＡＳＯが拡大したＧＴＯが得られる。

本発明になるＧＴＯでは、ターンオフ動作末期にキャリ
アが短冊状領域５の一方側に偏倚されるので、キャリア
を引き抜く能力が低下せず、よってターンオフ動作が良
好に行われ、ＡＳＯが拡大するものと考えられる。

ＡＳＯは前述の如くターンオフ時のアノード・カソード
間゛成圧とアノード電流量々の瞬時値ローカスの限界線
で与えられ、本発明によれば、第２秩 図の限界線りは庖印にて示す方向に移動し、しゃ断耐量
は向上する。そして、本発明者等は実験により、そのよ
うな事実を確認した。

抵抗Ｒは、インダクタンスＬが含まれている程、ターン
オフ動作開始初期におけるターンオフ電流ｉ２は制限を
受けてアンイくランスの度合を増し、又、リアクタンス
分だけ抵抗分を小さくすれば、ターンオフ動作末期に′
ターンオフ゛電流１２は増大し、一層ＡＳＯは拡大する
。

第二に、オン電圧が低いＧＴＯが得られる。

短冊状領域５に対しては、特公昭４３−２８７５０牟 号公報等に見られるよな実質的面積を低下させる手段を
施していないから、導通状態でのオン電圧は低い。オン
電圧が高い程、半導体基体における熱損失は増大して熱
破壊の危険性は増し、ターンオフ動作は困難になるので
、本発明では、一層しや断耐量の大きなＧＴＯ”が得ら
れる。

従来の第１図に示すＧＴＯにおける考え方は、短冊状領
域の幅を出来るだけ小さくして、幅方向中央部まで当初
からターンオフ電流が作用するようにしているものであ
るため、短冊状領域の面積は小さくなシ、従って、短冊
状領域の数を多くして、複雑なパターンを持ってい是。

本発明によれば、キャリアを一方側に隼倚させているか
ら、短冊状領域の幅を大きくでき、もって、カソード側
のパターンは単純化する効果もある。

第３図に示す実施例において、第４図のカソードにやゲ
ートＧとなるワイヤやリード等のボンディングの都合に
よシ負荷電流がカソード電極膜７の橋絡部７ａ側から引
き出され、ゲート信号がゲート電極膜７の橋絡部８Ｃ側
から印加されるとする。両電極膜７，８ａ、、８ｂは微
小ながら抵抗を有する。橋絡部７ａ、８Ｃから離れる程
橋絡部７ａ、８Ｃとの間の抵抗は増加する。電流は抵抗
の小さいところを多く流れるから、各短冊状領域５の長
手方向における半導体基体中での分布状態をみると負荷
電流は橋絡部７ａ側に多く流れ、ゲート信号は橋絡部８
Ｃ側に多く流れることになる。

特に、ターンオフ′に流についてみると、負荷電流／タ
ーンオフ電流の比は橋絡部８Ｃ側で小さく、橋絡部７Ｃ
側で大きくなる。負荷電流／ターンオフ電流の比は小さ
い程ターンオフは容易であるから、各短冊状領域５の長
手方向でターンオフ機能に差を生じていると云える。

次に、第４図で説明した時間経過を考慮に入れて、ター
ンオフ動作を説明する。

ターンオフ動作当初においては、ゲート電極膜８ｂを介
してｉｔとんどターンオフ電流は流れず、専ら、キャリ
アはゲート電極膜８ｂを介して引き抜かれ、キャリアの
移動する領域はゲート電極膜８ｂ側に偏倚していく。タ
ーンオフ動作が進むと、ゲート電極膜８ａを流れるター
ンオフ電流ｉｌは減少し、ゲート電極膜８ｂを流れるタ
ーンオフ電流１２は増大してくる。ゲート電極膜８ｂに
おける抵抗分とゲート電極膜８ｂの下端部と橋絡部８ｃ
間の抵抗分を比較するとゲート電極膜８ｂにおける抵抗
分は充分小さく、ここでのターンオフ電流１２による電
位降下はゲート電極膜８ｂの下端部と橋絡部’８　ｃ間
の電位降下に較べてほとんど無視できる。このため、ゲ
ート電極膜８ｂはｉｔぼ等電位にアシ、短冊状領域５の
長手方向に沿ったターンオフ電流Ｉ２の分布はほとんど
生じない。

従って、ターンオフ電流ｉ１が当初短冊状領域５の長手
方向で差をもってキャリアを引き抜いたとしても、末期
にはターンオフ電流１２はほぼ均等にキャリアを引き抜
くから、短冊状領域５の長手方向でターンオフ機能は均
一化して来て、良好なター／オフ動作が得られる。

ゲート電極膜８ｂはその下のｐ型ベース層４と同電位に
なるから、ゲートを極膜８ｂはｐ型代−ス層４の均圧材
とみることができる。

従来は、短冊状領域５の長手方向でターンオフ機能に差
を持たせないようにするために、短冊状領域５の長さは
制限を受けていたが、本発明によれば均圧材としてのゲ
ート電極膜８ｂの存在によりこのような制限を排除でき
、自由に短冊状領域５の長さを設定できる。

次に、半導体基体利用による抵抗分の付加法について説
明する。

第５図は第３図の一点鎖線で囲まれた区域に相当するも
のを第３図の左上方から斜視した形で示している。

この実施例では、第１図に示す従来例と同様、ゲート電
極膜８は一体となっている。しかしながら、短冊状領域
５の幅方向の一方側のゲート電極　□膜８との間に短冊
状領域５と同導電型のｎ型埋込領域９が短冊状領域５の
長手方向に沿って設けられている。埋込領域９があるた
め、ターンオフ電　　′ｐ型ペース層４が公知の拡散技
術で形成されている場合に表面部のシート抵抗よシ大き
いから、ターンオフ電流’１　＋　　’＊はターンオフ
動作初期にアンバランスを生ずる。

埋込領域９は点線にて示すようにゲート電極膜８の一部
の下まで延びていてもよい。

埋込領域９は第６図に示す如く、溝１０で代替できる。

第７図は更に他の実施例を示している。この実施例では
、短冊状領域５の一方側にｐ型代−ス層４と同導電型で
高不純物濃度の埋込領域１１が設けられている。埋込領
域１１は短冊状領域５の長手方向の端部でゲート電極Ｍ
８と低抵抗接触している。ターンオフ電流１１はゲート
電極膜８中を流れるがターンオフ電流量２は埋込領域１
１中を流れる。埋込領域１１中の抵抗はゲート電極膜８
中の抵抗より高くなるので、ターンオフ電流１１＋１２
の間でターンオフ動作の初期にアンバランスを生ずる。

第８図に示す他の実施例では、第５図の実施例と同様に
、ゲート電極膜８は一体となっているが、短冊状領域５
とその幅方向の一方側のゲート電極膜８との間の距離ｔ
１が短冊状領域５とその幅方向の他方側のゲート電極膜
８との間の距離ｔ２よシ大きく設定され、この距離の差
が与えるｐ型ベース層４のシート抵抗の差が、ターンオ
フ動作初期にターンオフ電流１１＋　　１２にアンバラ
ンスを生ずる。

以上の第５図恥第８図に示した各実施例は各図の形態に
限定されるものではなく、任意に組合せることが可能で
ある。

次に、本発明の応用例について説明する。

従来よシ採用されている高速化のためのライフタイムキ
ラーの半導体基体への添加や放射線の照射は本発明にお
いても適用できる。

また、これらの高速化手段に代るものとして、ＧＴＯで
は特開昭５４−’１１１７９０号公報等に開示されたア
ノード側エミッタ短絡構造があるが、この構造を本発明
のＧＴＯに適用することも双きる。

半導体基体としては第３図に示す方形のものだけでなく
、第９図に示すように円形のものも適用できる。第９図
において、第１図、第３図に示すものと同一物、相当物
には同一符号を付けている。

第９図の円形半導体基体１には短冊状領域が放射状に設
けられ、その上に、カソード電極膜７が同様な形に放射
状に独立して低抵抗接触している。

２個ずつの短冊状領域が対を為し、その間に一方側のゲ
ート電極膜８ｂがｐ型ベース層に低抵抗接触している。

他方側のゲート電極膜８ａは対になった短冊状領域を取
囲んでいる。

第９図の例では短冊状領域の配列が一重放射状であるが
、定格電流の大きなものでは多重放射状配列にするとよ
い。

第１０図は第９図の例でｐ型ベース層をエッチダウン構
造としたものである。この例では、図示する様に、カソ
ード１２を各カソード電極膜７に圧接する場合に、各ゲ
ート電極膜ｓａ、ｓｂとカソード１２の絶縁が確保でき
る。

第１１図は従来構造のＧＴＯ単位と本発明になるＧＴＯ
単位が並設された場合の例である。

第１１図において、第１図、第３図に示すものと同一物
、相当物には同一符号を付けである。

同図において、５個の短冊状領域５が並置されているが
、図において右端の短冊状領域５は第１図と同様、幅方
向の両側に橋絡部８Ｃに連らなるゲート電極膜８ａが配
置されているが、他の短冊状領域５は、第３図と同様、
幅方向の一方側と他方側でアンバランスを与えるだめの
ゲート電極膜ｆ３ａ、８ｂが配置されている。

右端の短冊状領域５では、ターンオフ動作初期に幅方向
の両側からバランスよくキャリアが引き抜かれる。この
場合、残シの短冊状領域５に較べて、作用するターンオ
フ電流の量が多いため、右端の短冊状領域５を含むＧＴ
Ｏ単位では早くターンオフを完了しようとする。この時
、他の各短冊状領域５を含む各ＧＴＯ単位ではまだ導通
状態にあるため、右端の短冊状値域を含むＧＴＯ単位を
流れている低流は他のＧＴｏ年ｕに移り易く、速かにタ
ーンオフを完了する。その陵、残りの本発明になる各Ｇ
ＴＯ単位がターンオフを完了する。

右端以外のＧＴＯ単位は右端のＧＴＯ単位の直流を負担
する形になるので、ＡＳＯに余裕がある場合に採れる構
成である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ターンオフ動作
初期に短冊状領域の幅方向両側からキャリアをアンバラ
ンスに引き抜き、もって、Ａｓ。

が拡大され、オン電圧が低い半導体装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＧＴＯを示しており、（ａ）はカソード
側平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ切断線に沿った縦断
面図、（Ｃ）は（ａ）の■−■切断線に沿った横断面図
、第２図はＧＴＯにおけるアノード・カンード間電圧と
アノード電流の関係を示す図、第３図は本発明の一実施
例になるＧＴＯのカソード側平面図、第４図は本発明に
なるＧＴＯのターンオフ動作機構を説明するＧＴＯ単位
の模式図、第５図〜第８図は各々本発明の他の実施例を
示す要部断面斜視図、第９図は本発明の一応用例になる
ＧＴＯの部分的カソード側平面図、第１０図は第９図の
ｍ−■切断線に沿った部分的断面図、第１１図は本発明
の他の応用例を示すカソード側平面図である。 １・・・半導体基体、２・・・ｐ型エミッタ層、３・・
・ｎ型ベース層、４・・・ｐ型ベース層、５・・・ｎ型
エミッタノー短冊状領域、６・・・アノード電極膜、７
・・・カッー第　１　　〔う　　　ＩＯ−ン 第２の 晃３に 第４０ 箋５の 第６０ 第７の ダ 箋Ｆ３の 第ｑｎ 第１Ｏｎ ｆ、ｔｔ口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体が隣接相互で導電型の異なる少くとも３
   個の半導体層を有し、第一半導体層は複数の短冊状領域
   からなり、第二半導体層は上記各短冊状領域と共に上記
   半導体基体の第一主面に露出し、この第一主面の上記各
   短冊状領域に第一主電極が接続され、上記第二半導体層
   に制御電極が接続され、上記半導体基体の第二主面側の
   半導体層に第二主！極が接続されている半導体装置にお
   いて、各短冊状領域の幅方向の一方側の第二半導体層の
   領域は他方側の第二半導体層の領域よりも高インピーダ
   ンスをもって制御電極と接続されていることを特徴とす
   る半導体装置。 ２、上記第１項において、各短冊状領域には第一の電極
   膜が低抵抗接触し、上記各電極膜は第一主電極に接続さ
   れていると共に、第二半導体層の各両側領域には上記各
   短冊状領域の長手方向に沿って第二、第三の電極膜が低
   抵抗接触し、上記第二の電極膜は第二半導体層自体の抵
   抗を介して制御電極に接続され、上記第三の電極膜は直
   接上記制御電極に接続されていることを特徴とする半導
   体装置。 ３、上記第１項においヤ、各短冊状領域には第一の電極
   膜が低抵抗接触し、上記各電極膜は第一主電極に接続さ
   れていると共に、第二半導体層には上記各短冊状哄域を
   取囲むように上記半導体層と同一導電型の高不純物濃度
   領域が設けられており、上記各短冊状領域の長手方向に
   沿うように上記各短冊状領域の幅方向の他方側の高不純
   物濃度領域に第二の電極膜が低抵抗接触し、上記各第二
   電極膜は制御電極に接続されていることを特徴とする半
   導体装置。 ４、半導体基体が隣接相互で導電型の異なる少くとも３
   個の半導体層を有し、第一半導体層は複数の短冊状領域
   からなり、第二半導体層は上記各短冊状領域と共に上記
   半導体基体の第一主面に露出し、この第一主面の上記各
   短冊状領域に第一主電極が接続され、上記第二半導体層
   に制御電極が接続され、上記半導体基体め第二主面側の
   半導体層に第二主電極が接続されている半導体装置にお
   いて、各短冊状領域には第一の電極膜が低抵抗接触し、
   上記各短冊状領域の幅方向に一側の上記第二半導体層に
   上記各短冊状領域の長手方向に沿って第二の電極膜が低
   抵抗接触し、上記各短冊状領域の幅方向の他側および長
   手方向端部の上記第二半導体層は少くとも該半導体層と
   同一導電型で高不純物濃度の領域が設けられ、上記第一
   の電極膜は上記第一主電極と接続され、上記第二の電極
   膜は上記制御電極と接続され、上記第二の電極膜は上記
   高不純物濃度領域と低抵抗接触していることを特徴とす
   る半導体装置。 ５、半導体基体が隣接相互で導電藪の異なる少くとも３
   個の半導体層を有し、第一半導体層は複数の短冊状領域
   からなシ、第二半導体層は上記各短冊状領域と共に上記
   半導体基体の第一主面に露出し、この第一主面の上記各
   短冊状領域に第一主電極が接続され、上記第二半導体層
   に制御電極が接続され、上記半導体基体の第二主面側の
   半導体層に第二主電極が接続されている半導体装置にお
   いて、各短冊状領域には第一の電極膜が低抵抗接触し、
   上記各短冊状領域の幅方向の両側の上記第二半導体層の
   領域に上記各短冊状領域の長手方向に沿って第二、第三
   の電極７１が低抵抗接触し、上記第一〇Ｗ電極膜上記各
   短冊状領域の長手方向の一端側で第一主電極に接続され
   、上記第二電極膜は上記各短冊状領域の長手方向の他端
   側で上記第二半導体層自体の抵抗を介して制御電極に接
   続され、上記第三電極膜は上記他端側で直接上記制御電
   極に鱗続されていることを特徴とする半導体装置。