JPS596071B2 - 逆導通サイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大電力を高速度で制御できる高性能の逆導通サ
イリスタの新しい構造を提供するものである。

逆導通サイリスタの車輌用チョッパをはじめ各種インバ
ータチョッパ分野に主に使用される。

これらの分野における実用化研究が進むにつれて、逆導
通サイリスタの制御電力の増大が強く要求されるように
なり、この為には半導体ウェハの大口径化が避けられな
い傾向になつてきた。ところが逆導通サイリスタの設計
、製造においては半導体ウェハの直径が大きくなると、
素子性能に影響を及ぼす基本的諸問題点が発生し、常に
ウエハ直径を大きくしただけでは所定の制御電力の増大
を実現することが困難である。すなわち、拡散などの熱
処理工程で半導体ウエ・・に発生する結晶欠陥、結晶ひ
ずみウエ・・が大口径になるほど不均一に分布しやすく
、それ故大口径のサイリスタでは逆導通サイリスタのほ
とんどの特性、性能に強く影響するキヤリア寿命の正確
な制御が非常にむづかしくなる。

従来例 第１図に従来の逆導通サイリスタの代表例の断面を示す
。

平面は回転対称線形である。第１図に示す従来の逆導通
サイリスタでは、ｐ形の第１エミツタ層ＰＥとｎ形の第
１ベース層ＮＢとｐ形の第２ベース層ＰＢ．と環状のｎ
形の第２エミツタ層ＮＥの４層が順次隣接して作られ、
それらの間に第１ｐｎ接合Ｊ１、第２ｐｎ接合Ｊ２、第
３ｐｎ接合Ｊ３を構成している。前記環状のｎ形第２エ
ミツタ層の下の部分はサイリスタ部分１１を構成し、周
囲の第１ベース層ＮＢと第２ベース層ＰＢから成る部分
はダイオード部分１２とを構成し、両者は逆並列の関係
で逆導通サイリスタウエハ１３に内蔵されている。逆導
通サイリスタウエハ１３の第１主面１４には一般にＡ１
又はＡｌＳｉなどの薄層１５を介してＭＯ板などのアノ
ード端子Ａに接続される第１主電極１６が合金ろう付け
されており、これは支持板としての役目も兼ねそなえて
いる。一方第２主面１７のサイリスタ部分１１とダイオ
ード部分１２には共通にカソード端子Ｋに接続される環
状の第２主電極１８が設けられ、同じく第２主面１７の
中心部の第２ベース層ＰＢが露出している部分にはサイ
リスタ部分１１に近接した部分にゲート端子Ｇに接続さ
れるべきゲート電極１９が設けられている。なお、カソ
ード用の第２主電極１８、ゲート電極１９ともＡｌなど
の蒸着層などで形成されるのが普通である。上述したよ
うに逆導通サイリスタウエハ１３では中央にゲート電極
２０、その外側にサイリスタ部分１１、最外側に夕゛イ
オード部分１２を設ける配置構造が従来最もよく用いら
れてきた。その理由は、ターンオン領域のひろがりを速
くするためにはゲート電極を半導体ウエ・・の中央に配
置する構造（センターゲート構造）が最も有利であり、
自然にサイリスタ部分はその周囲に配置されたのであり
、またセンターゲート構造では素子構造を回転対称にす
ることができるので、製造工程、とくに電極形成及びア
センブリ工程において作業性がよく、これに伴う製造歩
留のアツプ、高信頼性等が得られやすいということであ
る。しかし、半導体ウエハが大口径、特に５０ｍ７７！
以上の直径になると、この構造には下記の問題が生じる
。

一般に半導体ウエハを不純物拡散、酸化膜形成工程など
で熱処理すると、結晶欠陥が半導体ウエハの特に周辺付
近に多く発生しやすい。この現象は大口径になるほど著
しくなり、結晶欠陥をウエハ全体に均一に導入すること
がむずかしくなることは従来より知られている。このた
め第１図の従来構造例においては、ダイオード部分１２
にサイリスタ部分１１より多くの結晶欠陥が発生し、そ
のため結晶欠陥に起因するキヤリア寿命が、サイリスタ
部分１１では長く、ダイオード部分１２では短かくなる
。また逆導通サイリスタでは、高速スイツチングの用途
が多く、ターンオフ時間を短縮することが要求されるの
で、金などの重金属拡散法や放射線照射法や熱処理法を
用いてキャリャ寿命の制御を行う工程が導入される。し
かしこれらの方法による効果は結晶欠陥に密接な依存性
をもつていて、前述のような不均一な結晶欠陥分布のも
とではサヤリャ寿命の不均一性をますます助長する結果
となる。そのため、得られる逆導通サイリスタの特性に
おいては、中心部に設けられたサイリスタ部分１１のキ
ャリャ寿命があまり短かくならない。このため逆導通サ
イリスタのターンオフ時間がそれほど短縮されないにも
かかわらず、他方周辺部に設けられたダイオード部分１
２のキャリア寿命が必要以上に短かくなる。従つてダイ
オード部分でのもれ電流が増大し、結果的に耐圧が低下
するという基本的な問題に遭遇することになる。例えば
直径３０ｍｍと６０ｍ７７！のシリコンウエハを用いて
ターンオフ時間を２０マイクロセカンド程度に制御した
場合、最高接合温度Ｔｉｍａｘの温度での単位面積あた
りに換算したもれ電流値は、後者が前者の１．５〜２倍
以上にもなり、その結果、直径６０鼎のウエハで２００
０〜３０００Ｖ以上の耐圧を得ることは非常に困難であ
つた。本発明は、従来のサイリスタの欠点を除去し、大
口径半導体ウエ・・を用いた大電流用でありながら高速
スイツチング性能と高耐圧の両性能を併せもつ逆導通サ
イリスタを得るための新規な素子構造を提供しようとす
るものである。

本発明の特徴はウエハ上での逆導通サイリスタを構成す
るゲート領域、サイリスタ部分、ダイオード部分の新規
な配置を行い、半導体ウエ・・の外周領域にサイリスタ
部を、その内側にダイオード部分を、中央領域にゲート
領域を配置することにより、ウエハの外周領域に多く発
生する結晶欠陥をサイリスタ部分において特性向上のた
めに、有効に活用し、一方ゲートを中央に置いたことに
より、前述したターンオン領域の拡がりが速いというセ
ンターゲート構造の特徴をも充分に発揮し得るようにし
たものである。

つぎに本発明を第２図以下に示す実施例について説明す
る。

第２図ぱ本発明の基本的実施例である逆導通サイリスタ
の断面図であり、この実施例は第２図のウエハの中心軸
の回りに回転対称の構造を有する。

この逆導通サイリスタは第２導電型の第１ベース層ＮＢ
の下部周辺部に第１導電型の第１エミツタ層ＰＥを、ま
た上部全面に第１導電型の第２ベース層ＰＢを設け、第
２ベース層上部周辺部に第２導電型の外側第２エミツタ
層ＮＥｌ及びその内側部分に第２導電型の内側第２エミ
ツタＮＥ２を設けてある。そしてウエハ下部の第１主面
１０２に全面アノード端子Ａに接続される第１主電極１
０３が接続され、ウエハ上面の第２主面１０４には、前
記外側第２エミツタ層ＮＥｌ部分にはカソード端子Ｋに
接続される第２主電極１０５が、ウエハ中心部の第２ベ
ース層部分にはゲート端子Ｇに接続される第１ゲート電
極１０６が、内側第２エミツタ層ＮＥ２上及びその内側
の第２ベース層部分の上にまたがつて副カソード電極１
０５５が、それぞれ図示のように設けられている。さら
に前記外側第２エミツタ層と内側第２エミツタ層間に露
出した第２ベースＰＢの上の部分１１３上には、第２の
ゲート電極１０７が設けられている。そして前記第１の
ゲート電極１０６と第２のゲート電極１０７は第２主面
１０４の上、または外部に既知手段で設けられた電路１
０旦で互いに接続されている。また前記副カソード電極
１０５と主たるカソード電極１０５とは既知の方法によ
り、電路１０９で結線されている。さて以上の逆導通サ
イリスタでは第１エミツタフ層ＰＥと内側第１エミツタ
層とを結ぶ部分より外側の領域がサイリスタ部分１１０
となり、その内側であつて中央領域の第１ゲート電極部
分を除く部分がダイオード部分１１１となり、中央領域
の第１ゲート領域１１２と、サイリスタ部分１１０の中
に設けた第２ゲート電極１０７が互いに電気的に接続さ
れた構成になつている。

この第２図の構成において、ゲート電極１０６，１０７
に接続されたゲート電極端子Ｇを正、カソード電極端子
Ｋを負とする極性のゲート電圧を印加すると、ゲート電
流１Ｇが第１ゲート電極１０６→第２ベース層１１３→
第２エミツタ層ＮＥ２及び第１ゲート電極１０６→電路
１０８→第２ゲート電極１０７→第２ベース層１１３→
第２エミツタ層ＮＥ２の両方の経路で流れ、既知のメカ
ニズムによつてサイリスタ部分１１０をターンオンさせ
る。

この実施例のサイリスタウエハ１０１ではサイリスタ部
分１１０が設けられている周辺領域には、前述したよう
に第２ベース層ＰＢ、外側及び内側第２エミツタ層ＮＥ
ｌ，ｎＥ２、第１エミツタ層ＰＥを形成するための不純
物拡散工程及び、これらの中、外側第２エミツタ層ＮＥ
ｌ、内側第２エミツタ層ＮＥ２、第１エミツタ層ＰＥな
どの選択拡散に使用するための酸化膜形成工程などの熱
処理によつて発生する結晶欠陥が比較的多く分布する。
このため第２ベース層ＰＢｌ第１ベース層ＮＢの中で、
この周辺領域のキヤリア寿命が中央のそれよりも短くな
り、ターンオフ時間めｚ短縮される。なお必要に応じて
ライフタイム制御法として、既知のＡｕなどの重金属拡
散法、放射線照射法などを併用して、更に所望のライフ
タイム短縮を得てもよい。このようにしてキヤリア寿命
が短縮した分だけ、サイリスタのターンオフ時間が短縮
されることになる。一方内側のダイオード部分１１１、
ゲート領域１１２は比較的結晶欠陥が少なく、この部分
の第２ベース層ＰＢｌ第１ベース層ＮＢのキヤリア寿命
は領域１１０のそれより長い。このためその分だけダイ
オード部の順電圧降下が低くなり、オフ電圧印加状態に
おいて、ダイオード部の接合Ｊ２に逆バイアスがかかる
場合、高温時のもれ電流を小さくすることができる。第
３図は本発明の第２の実施例の断面図である。

この実施例も第３図のウエ・・の中心軸の回りに回転対
称の構造をもつ。第３図の逆導通サイリスタは第２図の
実施例に示すものにくらべてサイリスタウエハ２０１の
第１ベース層の中央下部にｐ形の第３エミツタ層ＰＥ′
を有し、また第２ベースＰＢの中央部近く設けた環状の
第４エミツタ層ＮＥ′とその上に設けた補助サイリスタ
電極２０３とを有する。この補助サイリスタ電極２０３
は第２ゲート用の補助電極２０５に電路２０６により接
続され、第１ゲート電極２０７はゲート端子Ｇにのみ接
続される。尚、Ｊ４，Ｊ５はそれぞれ第３エミツタ層Ｐ
Ｅ′と第１ベース層ＮＢ及び第４エミツタ層ＮＥＩと第
２ベース層ＰＢの間の接合を示す。上記環状の第４エミ
ツタ層ＮＥ″と第３エミツタ層ＰＥ′とによつて、補助
サイリスタ部分２０２がウエハ中央部に形成される。そ
の他の部分は第２図に示す実施例と同様であり、Ｋ，Ａ
及びＧはそれぞれカソード、アノード及びゲート端子で
ある。上記構造の素子においてアノードを正、カソード
を負とするように電圧を与え、この逆導通サイリスタの
中央に設置されたゲート端子Ｇからゲート電極２０７を
経由してゲート電流１Ｇを流し込むと、補助サイリスタ
部分２０２が先ずターンオンする。

このターンオン電流が補助サイリスタ電極２０３→電路
２０６→補助電極２０５を経由して第２ベース層ＰＢに
流入し、サイリスタ部分２０４をターンオンし、その結
果アノード電極２０８からカソード電極２０９へ主電流
が流れる。この第３図実施例においても、第２図の実施
例と同様に、サイリスタ部分２０４をウエハの周辺部に
設け、ダイオード部２１０を中央に近い部分に設けたた
め、サイリスタのターンオフ時間の短縮と高温時のもれ
電流の減少の効果が得られる。さらに本実施例では補助
サイリスタ部分２０２をゲート電極２０７の近くに設け
たことにより、増巾ゲート機構をもたせて定格臨界オン
電流上昇率を大きくすることができる。さらに、本実施
例では補助サイリスタ領域２０２を中央領域に配置した
ことによつて、下記の理由で逆導通サイリスタのターン
オンスイツチング特性を改善することができる。

すなわち、一般にサイリスタの定格臨界オン電流上昇率
や高周波特性の向上に制約を加える最大の要因はゲート
電極近傍で局部的にはじまるターンオン領域における初
期ひろがり速度であることがわかつている。従つて、上
記の要因は補助サイリスタ部分を内蔵させた場合その補
助サイリスタについても問題になる。この初期ひろがり
速度は第２ベース層ＰＢ、第１ベース層ＮＢでのキャリ
ア寿命が短いほど遅くなり、サイリスタのターンオンス
イツチング性能を低下させるのであるが、この実施例で
は補助サイリスタ部分２０２の位置が前述したように結
晶欠陥が小なく、ウエハの中央領域にあつてそのキヤリ
ア寿命を周辺領域の主サイリスタ部分２０４のそれより
長くできるので、ターンオンスイツチング性能を著しく
向上させることができる。この実施例として、直径６５
群のシリコンウエハを用い、中心から半径１２ｍｍ以内
にゲート領域２１１、補助サイリスタ部分２０２を設け
、その外側であつて半径２２ｍｍ以内の部分にダイオー
ド部分２１０を設け、更にその外側にサイリスタ部分２
０４を配置してターンオン性能のよい逆導通サイリスタ
が作られた。またウエハの材料の条件、熱処理条件等の
条件に応じて寸法を適宜選択することができる。第４ａ
図に本発明の第３の実施例による逆導通サイリスタのカ
ソード電極側からみた平面図、第４ｂ図に第４ａ図のｂ
−ｂ切断面による断面図、第４ｃ図に第４ａ図のａ−ａ
切断面による断面図を示す。

この実施例の特徴は第３図ではワイヤ等として示した電
路２０６を第２主面ウエハ上面の第２ベース層ＰＢの上
に密着して設置した新規な電極構造とした点である。ま
たこの例では逆導通サイリスタの特徴を生かして高耐圧
化をはかるために、既知のＰｎ＋Ｎｐｎ構造をとつてい
る。すなわち、ウエ・・には第１主面側にｎ＋層を設け
た第１ベース層ＮＢとこれに接する第２ベース層ＰＢと
その上の第２主面において周辺部に環状に設けた第２エ
ミツタ層ＮＥと、中央部に環状に設けた第４エミツタ層
ｎビと、前記第１主面の周辺部に環状に設けた第１エミ
ツタ層ＰＥと同中央部に環状に設けた第３エミツタ層Ｐ
Ｅ′とを有する。従つてこの実施例は基本的構成は第３
図の実施例と同一であり、作用効果も同図のものと大体
同じであるが、第４ａ図〜第４ｃ図に示すようにこの逆
導通サイリスタでは、第２主面上に放射状に設けた電路
３０１が中央部の環状の第４エミツタ層ＮＥ″上の補助
サイリスタ電極３０４と外周に近い円孤状の補助電極３
０３とを接続している。そしてこの電路３０１はカソー
ド電極３０５に設けた開口中に設けられ、後者と接触し
ないよう隔離されている。カソード電極３０５はダイオ
ード部分３０２とサイリスタ部分３０６の両方に接続す
るよう一体に構成されている。補助電極３０３は円弧状
にサイリスタ部分３０６の中に入り込むように配置され
ているのでサイリスタ部分３０６の第２ベース層ＰＢに
対面する周辺距離が長く、従つてターンオン領域のひろ
がり面積を広くする点で非常にすぐれている。この第３
の実施例は電路３０１をサイリスタウエハ３０７上に密
着して設置したことにより、電路を外に設ける場合にく
らべて、素子の形状と取扱いとを簡素にし、信頼性の向
上がはかれる点ですぐれている。

但し、補助サイリスタ部分３０８ターンオン電流１ａの
一部が補助サイリスタ電極３０４→電路３０１→ダイオ
ード部分３０２の第１ベース層ＰＢ→カソード電極３０
５の経路でカソード端子Ｋに流れて無効電流となり、サ
イリスタのターンオンスイツチングに寄与するＩａの割
合が低くなるという好ましくない現象が生じる。従つて
この経路のインピーダンスを高くする工夫を加えれば、
さらに本発明の効果が期待できる。第５図は本発明の第
４の実施例の逆導通サイリスタ断面図である。本実施例
による逆導通サイリスタは、第３図に示す第２実施例の
変形であつて、第３図の内側の第２エミツタ層ＮＥ２を
除き、またその上に設けてあるカソード電極４０９′も
小さくして、第１エミツタ層ＰＥの上の部分までは延び
ないようにした構成としてある。従つて第１エミツタ層
ＰＥのうちのウエハ中央部に近い部分とその上のｎ＋層
、第１ベース層ＮＢｌ第２ベース層ＰＢからなるＰｎｐ
構造領域は分離領域４０３を構成する。そしてその上の
第２主面に第２ゲート用の補助電極４０４が設けられて
いる。サイリスタにおける分離領域はＰｎｐ３層構造と
なつているため、ダイオード電流もサイリスタ電流も流
れない。

すなわち、この領域はそれより中央部よりのダイオード
部分４０２の第１ベース層ＮＢ及び第２ベース層ＰＢに
残留するキヤリアが外周部分のサイリスタ部分４０１の
ターンオン、オフの動作に干渉しないようにするために
設けらノれたものである。

それ故、電流容量の点から見れば、この分離領域４０３
の部分は無効面積である。本実施例では、この無効面積
部分を利用して補助電極４０４を配置した点が特徴であ
る。この実施例では上記構造によつて本発明の効果が充
分に発揮できる上に、限られた半導体ウエハの面積を有
効に利用し、ダイオード部分４０２、サイリスタ部分４
０１の面積を極力大きくし、電流容量のアツプを実現す
ることができる。本実施例では分離領域４０３をＰｎｐ
３層構造にした場合について、記述したが、この他に従
来からよく知られたいろいろな分離構造によつても同様
に本実施の電極配置構造を適用して、本発明の効果を得
ることは十分可能である。以上述べた各実施例において
は、アノード側からｐ形、ｎ形、ｐ形、ｎ形の構成をも
、逆導通サイリスタについて記述したが、これと全く逆
の導電形による構成のものについても同様な本発明の効
果が得られることはもちろんである。

以上の本発明の実施例においては、サイリスタ部分、ダ
イオード部分も環状の例について説明したが必要に応じ
てこれらの領域の一部分を変形して別の機能を有する部
分、たとえば、ゲート電極、分離領域等を設けることも
、本発明の趣旨をさまたげるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の逆導通サイリスタの側断面図、第２図
は本発明の第１の実施例の側断面図、第３図は本発明の
第２の実施例の側断面図、第４ａ図は本発明の第３の実
施例のカソード電極側から見た下面図、第４ｂ図は同図
ｂ−ｂ断面による断面図、第４ｃ図は同図ａ−ａ断面に
よる断面図、第５図は本発明の第４の実施例の側断面図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１導電形の第１エミッタ層と第２導電形の第１ベ
   ース層と第１導電形の第２ベース層と第２導電形の第２
   エミッタ層の４層が順次に隣接してなるサイリスタ部分
   と、前記第１ベース層と前記第２ベース層の２層からな
   るダイオード部分とを一体の基板に有する複合サイリス
   タウェハと、その前記第１エミッタ層と前記第１ベース
   層が露出する第１主面において、これら両層に接続され
   た第１主電極と、前記第１主面に対応する第２主面の前
   記サイリスタ部分および前記ダイオード部分に接続され
   た第２主電極と、前記第２主面に露出する前記第２ベー
   ス層に接続された第１ゲート電極とを有し、前記複合サ
   イリスタウエハの中央から外周縁にむかつて、前記第１
   ゲート電極、前記ダイオード部分、前記サイリスタ部分
   が順次配置されていることを特徴とする逆導通サイリス
   タ。 ２ 前記サイリスタ部分の第２主電極の開口部に第２ゲ
   ート電極を設け、これを前記ダイオード部分をおおつた
   第２主電極の一部を除去してなる溝状開口内に設けた電
   路によつて、第１ゲート電極と接続したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項の逆導通サイリスタ。 ３ 前記ダイオード部分と、前記サイリスタ部分の間の
   分離領域の少くとも一部に前記第２ゲート電極が接続さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第２項の逆導
   通サイリスタ。 ４ 前記複合サイリスタウェハ上において、第１導電形
   の第３エミッタ層と前記第１ベース層と前記第２ベース
   層と第２導電形の第４エミッタ層とが順次隣接して成る
   補助サイリスタ部分が、前記第１ゲート電極の周囲であ
   つて、これにとなり合う位置に配置され、前記第４エミ
   ッタ層と前記第２ベース層が前記第２ゲート電極によつ
   て接続され、前記複合サイリスタウェハの中央から外周
   縁に向つて前記第１ゲート電極、前記補助サイリスタ部
   分、前記ダイオード部分が順次配置され、かつ前記第２
   ゲート電極がダイオード部分の外側に配置されたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の逆導通サイリス
   タ。 ５ 前記複合サイリスタウエハを重金属拡散法、熱処理
   法、方射線照射法などによつて処理することにより、少
   数キャリア寿命を短縮させることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項の逆導通サイリスタ。