JPS6042624B2 - Field effect switching element - Google Patents

Field effect switching element

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JPS6042624B2
JPS6042624B2 JP1967378A JP1967378A JPS6042624B2 JP S6042624 B2 JPS6042624 B2 JP S6042624B2 JP 1967378 A JP1967378 A JP 1967378A JP 1967378 A JP1967378 A JP 1967378A JP S6042624 B2 JPS6042624 B2 JP S6042624B2
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layer
semiconductor
conductivity type
substrate
anode
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JP1967378A
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修治 宮田
義雄 寺沢
三郎 及川
昌弘 岡村
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication of JPS6042624B2 publication Critical patent/JPS6042624B2/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0834Anode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices, e.g. supplementary regions surrounding anode regions

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電界効果型スイッチング素子に係り、特にス
イッチングスピードの速い改良された構造を有する素子
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a field effect switching device, and more particularly to a device having an improved structure with a high switching speed.

電界効果型スイッチング素子はダイオード機能を有す
る半導体基体の一方導電型層中に反対導電’型のゲート
を形成し、ダイオードの両極にそれぞれ形成された一対
の電極(アノード電極および力ソート電極)とゲートに
連絡するゲート電極を具備する素子である。
A field effect switching element has an opposite conductivity type gate formed in one conductivity type layer of a semiconductor substrate having a diode function, and a pair of electrodes (anode electrode and force sorting electrode) formed at both poles of the diode and the gate. This device has a gate electrode connected to the gate electrode.

第1図あるいは第2図は電界効果型スイッチング素子の
従来例の典型を示す。第1図あるいは第2図において、
半導体基体1はP+型のアノード11、アノード11に
隣接して形成されたn一型のベースに、ベース12に隣
接して形成されたn+型のカソード13、ベース122
内に形成されたゲート1牡アノード、カソード、および
ゲートの露出部に隷それぞれ形成されたアノード電極2
、カソード電極3およびゲート電極4とか成る。この素
子はゲート電極を開放するかあるいはカソード電極と同
電位に保ち、アノード●カソード電極間にp+アノード
●n−ベース・n+カソードで構成されるダイオードを
順バイアスする電圧を印加するとオン状態になつてアノ
ード・カソード電極間を、チャンネル15を通つてダイ
オードの順電流(オ7電流)が流れる。
FIG. 1 or 2 shows a typical example of a conventional field effect switching element. In Figure 1 or Figure 2,
The semiconductor substrate 1 includes a P+ type anode 11, an n1 type base formed adjacent to the anode 11, an n+ type cathode 13 formed adjacent to the base 12, and a base 122.
A gate 1 formed within the anode, a cathode, and an anode electrode 2 formed respectively on the exposed portions of the gate.
, a cathode electrode 3 and a gate electrode 4. This device turns on when the gate electrode is opened or kept at the same potential as the cathode electrode, and a voltage is applied between the anode and cathode electrodes to forward bias the diode, which is composed of a p+ anode, an n-base, and an n+ cathode. A diode forward current (O7 current) flows between the anode and cathode electrodes through the channel 15.

また、カソード・ゲート電極間にカソード・ゲート間の
Pn接合が逆バイアスされるように電圧を印加すること
により、ベース層内に空乏層が形成されてこの空乏層が
チャンネル15をピンチオフさせることによりオン電流
がしや断され、オフ状態となる機能を有する。オン状態
からオフ状態へ移行する(ターンオフ)ときには、それ
までアノードから注入されていたアノード電流がゲート
へ側流し、それに引き続いてゲート・ベース間のPn接
合部に空乏層が形成される。
Furthermore, by applying a voltage between the cathode and gate electrodes so that the Pn junction between the cathode and the gate is reverse biased, a depletion layer is formed in the base layer, and this depletion layer pinches off the channel 15. It has the function of turning off the on-state current by quickly cutting off the on-state current. When transitioning from the on state to the off state (turn-off), the anode current that had been injected from the anode flows to the gate, and subsequently a depletion layer is formed at the Pn junction between the gate and the base.

ベースはゲートよりも低濃度であるので空乏層は主とし
てベース内に形成され、空乏層がチャンネル15を完全
にふさぐとオン電流がしや断される。電界効果型スイッ
チング素子は従来のPnpn構造のサイリスタに比較し
て高温特性が良好なこと、ターンオフ動作時に電流集中
が起きないこ−と、高速スイッチング動作が可能なこと
、臨界電圧上昇率が大きいことなどの特徴を有する素子
である。
Since the base has a lower concentration than the gate, the depletion layer is mainly formed in the base, and when the depletion layer completely blocks the channel 15, the on-current is cut off. Field-effect switching elements have better high-temperature characteristics than conventional Pnpn structure thyristors, do not cause current concentration during turn-off operation, are capable of high-speed switching operation, and have a large critical voltage rise rate. The device has the following characteristics.

しかしながら従来の電界効果型スイッチング素子には次
のような欠点があつた。すなわち、第1図の素子ではグ
リッド状に形成されたゲート14の横方向低抗が比較的
大きいために、ゲートターン時にゲートからアノード電
流を十分に引き出せないのて、大電流をしや断すること
が困難である。しや断可能だとしてもターンオフ状態に
移行するに要する時間、すなわち、ターンオフタイムは
長くなり、高速スイッチングできない欠点があつた。ま
た、第2図の素子はゲート14の横方向抵抗は第1図に
示すものより小さく、大電流をしや断することは可能ぜ
あるが、ゲート間にカソードが形成されるのでチャンネ
ル15の幅をせまくすることが困難であり、一定のアノ
ード・カソード間電圧を阻止するのに必要なゲートカソ
ード間電圧はより大きい電圧となる。また、しや断特性
についていえば、ゲート領域の間隔が大きいことは大電
流をしや断するのに不利てあり、結果としてターンオフ
タイムを短くできない欠点があつた、これら第1図、第
2図に示した従来構造には以上の如き欠点があつた。タ
ーンオフタイムを長くする基本的な要因として、ベース
12に蓄積される残留キャリヤの影響がある。
However, conventional field effect switching elements have the following drawbacks. That is, in the device shown in FIG. 1, since the lateral resistance of the gate 14 formed in a grid shape is relatively large, a sufficient anode current cannot be drawn from the gate when the gate is turned, and a large current is cut off. It is difficult to do so. Even if it could be turned off, the time required to shift to the turn-off state, that is, the turn-off time, would be long, and high-speed switching would not be possible. In addition, in the device shown in FIG. 2, the lateral resistance of the gate 14 is smaller than that shown in FIG. 1, and it is possible to cut off a large current. It is difficult to narrow the width, and the gate-cathode voltage required to prevent a constant anode-cathode voltage becomes larger. Regarding the shearing characteristics, the large spacing between the gate regions is disadvantageous for shedding large currents, and as a result, the turn-off time cannot be shortened. The conventional structure shown in the figure has the above-mentioned drawbacks. A fundamental factor that increases the turn-off time is the influence of residual carriers accumulated in the base 12.

例えば第2図の素子がターンオフしてオン電流が流れる
と、ベース12にはアノード11から正孔が、カソード
13からは電子が注入される。そしてベース12にキャ
リヤが充満し、ここの電気伝導度が大きくなつて導通時
のオン抵抗が下がる、次に、ゲート電極に、カソード電
極に対して負荷圧を印加すると、アノードからの電流の
一部がゲートに側流すると同時に、ゲート付近の少数キ
ャリヤをゲート内に引きこんでベースに蓄積されたキャ
リヤを引き出す。ゲートに近い部分のキャリヤほどゲー
トに引き出されやすく、逆に遠い部分のキャリヤは引き
出されにくい。すなわち、アノード近くの少数キャリヤ
はゲートへ流れ込むのに時間がかかるので、アノード電
流はゲート電圧を印加したのちも流れ、これがターンオ
フタイムを大きくする原因となつている。ベース中のキ
ャリヤはベースが厚いほど多く蓄積され、結果としてタ
ーンオフがより長くなる。ターンオフを小さくするには
ベースに金などの重金属を拡散してキャリヤのライフタ
イムを小さくする方法を用いることができる。
For example, when the device shown in FIG. 2 is turned off and on-current flows, holes are injected into the base 12 from the anode 11 and electrons are injected from the cathode 13. Then, the base 12 is filled with carriers, and the electrical conductivity here increases and the on-resistance during conduction decreases.Next, when a load pressure is applied to the gate electrode with respect to the cathode electrode, the current from the anode increases. At the same time, the minority carriers near the gate are drawn into the gate, and the carriers accumulated at the base are drawn out. The closer the carrier is to the gate, the more likely it is to be drawn out to the gate, while the further away the carrier is, the more difficult it is to be drawn out. That is, since it takes time for the minority carriers near the anode to flow into the gate, the anode current continues to flow even after the gate voltage is applied, which causes the turn-off time to increase. The thicker the base, the more carriers in the base accumulate, resulting in a longer turn-off. In order to reduce turn-off, a method can be used to reduce the carrier lifetime by diffusing a heavy metal such as gold into the base.

しかしながらターンオフタイムをさらに小さくしようと
して金を多量に拡散し、ライフタイムを小さくするとオ
ン電圧が上昇してオン状態での熱損失が増すとともに、
オフ状態でのリーク電流が増加して高温特性が悪くなる
欠点があつた。
However, in an attempt to further reduce the turn-off time, a large amount of gold is diffused and the lifetime is reduced, which increases the on-voltage and increases heat loss in the on-state.
The drawback was that the leakage current in the off-state increased, resulting in poor high-temperature characteristics.

本発明の目的は従来の電界効果型スイッチング素子が持
つかかる欠点を改良し、かつターンオフタイムの短い高
周波動作に好適な電界効果型スイッチング素子を提供す
るにある。この目的を達成するために本発明の特徴とす
るところは、電界効果型スイッチング素子において一方
導電型のベースに隣接し、ベースとの間にPn接合を形
成する他方導電型のアノードとして、ベースに隣接して
形成された他方導電型の半導体多結晶層からベース内へ
他方導電型を与える不純物が拡散して生じた他方導電型
の単結晶層を用いる点にある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve such drawbacks of conventional field effect switching elements and to provide a field effect switching element suitable for high frequency operation with a short turn-off time. In order to achieve this object, the present invention is characterized in that in a field effect switching element, an anode of one conductivity type is adjacent to the base of the other conductivity type and forms a Pn junction between the base and the base. The point is that a single crystal layer of the other conductivity type is used, which is generated by diffusion of an impurity imparting the other conductivity type into the base from a semiconductor polycrystalline layer of the other conductivity type formed adjacent to the semiconductor polycrystalline layer of the other conductivity type.

例えはn型単結晶基板上にp型多結晶層を形成するとp
型多結晶層内のp型不純物がn型単結晶基板内にわずか
に拡散して、n型単結晶基板のp型多結晶層に接する部
分が薄いp型単結晶層に変換され、p型単結晶層とn型
単結晶基板との間にPn接合が形成される。
For example, if a p-type polycrystalline layer is formed on an n-type single crystal substrate, p
The p-type impurity in the type polycrystalline layer slightly diffuses into the n-type single-crystalline substrate, and the part of the n-type single-crystalline substrate in contact with the p-type polycrystalline layer is converted into a thin p-type single-crystalline layer, and the p-type A Pn junction is formed between the single crystal layer and the n-type single crystal substrate.

このようにp型単結晶層をp型多結晶層からの不純物の
拡散によつて形成すれば、p型単結晶層は薄くかつ不純
物量が少なくなるのでp型単結晶層からのキャリヤの注
入を制限できることとは例えば特開昭52−417吋、
同52−90273号公報等に開示されている。本発明
は上述の原理を電界効果型スイッチング素子に適用する
ことにより、上記目的を達成する改良された電界効果型
スイッチング素子を提供するものである。更に詳しく言
えば、電界効果型スイッチング素子のターンオフを長く
している大きな原因は、チャンネルが空乏層によつてピ
ンチオフされた後にもベース内の残留キャリヤがゲート
へ流入する点にある。
If the p-type single-crystal layer is formed by diffusion of impurities from the p-type polycrystalline layer in this way, the p-type single-crystal layer will be thin and the amount of impurities will be reduced, so carriers can be injected from the p-type single-crystal layer. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-417,
It is disclosed in Japanese Patent Publication No. 52-90273. The present invention provides an improved field-effect switching device that achieves the above object by applying the above-described principle to the field-effect switching device. More specifically, a major reason for the long turn-off time of field effect switching elements is that residual carriers in the base flow into the gate even after the channel is pinched off by the depletion layer.

ゲートへ流入したキャリヤはゲート電流となり、ほぼ等
しい電流がアノードにも流れる。このゲート電流(すな
わちアノード電流)の持続時間は、チャンネルのピンチ
オフに要する時間と比較して非常に長い。本発明は上述
の残留キャリヤによる電流を、アノードからベースへ注
入される少数キャリヤを少なくすることにより、抑制し
て、ターンオフタイムを短くするものである。以下本発
明の実施例について説明する。第3図は本発明の第1の
実施例素子を示し、第1図と同じ部分は第1図と同じ符
号て示す。
The carriers flowing into the gate become gate current, and approximately the same current also flows to the anode. The duration of this gate current (ie anode current) is very long compared to the time required to pinch off the channel. The present invention suppresses the current caused by the above-mentioned residual carriers by reducing the number of minority carriers injected from the anode to the base, thereby shortening the turn-off time. Examples of the present invention will be described below. FIG. 3 shows a device according to a first embodiment of the present invention, and the same parts as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

本実施例てはアノード11としてp型多結晶シリコン層
16を拡散源としてn一型ベース12内に拡散形成され
たp型単結晶シリコン層を用いている。アノード11は
、キャリヤの注入効率を低く抑えるために薄く(約0.
5μm程度)形成されているが、アノード11とアノー
ド電極2との間には厚い多結晶シリコン層16が介在す
るので、アノード電極2を形成することにより薄いアノ
ード11が破壊されることはない。本実施例素子によれ
ば第1図に示す従来例よりもターンオフタイムが短縮さ
れた。
In this embodiment, as the anode 11, a p-type single crystal silicon layer is used which is diffused into the n-type base 12 using the p-type polycrystalline silicon layer 16 as a diffusion source. The anode 11 is thin (approximately 0.0 mm) in order to keep the carrier injection efficiency low.
However, since the thick polycrystalline silicon layer 16 is interposed between the anode 11 and the anode electrode 2, the thin anode 11 is not destroyed by forming the anode electrode 2. According to the device of this example, the turn-off time was shorter than that of the conventional example shown in FIG.

第4図は本発明の第2の実施例素子を示し、第2図と同
じ部分は第2図と同じ符号で示す。
FIG. 4 shows a device according to a second embodiment of the present invention, in which the same parts as in FIG. 2 are designated by the same reference numerals.

本実施例ではアノード11としてp型多結晶シリコン層
16を拡散源としてn一型のベース12内に拡散形成さ
れたp型単結晶シリコン層を用いている。アノード11
は、キャリヤの注入効率を低く抑えるために薄く(約0
.5μm程度)形成されているが、アノードとアノード
電極2との間には厚い多結晶シリコン層16が介在する
ので、アノード電極2を形成することにより薄いアノー
ド11が破壊されることはない。本実施例素子によれば
第2図に示す従来例よりもターンオフタイムが短縮され
た。第5図は本発明の第3の実施例を示す。
In this embodiment, a p-type single crystal silicon layer is used as the anode 11, which is diffused into an n-type base 12 using a p-type polycrystalline silicon layer 16 as a diffusion source. Anode 11
is kept thin (approximately 0) to keep the carrier injection efficiency low.
.. However, since the thick polycrystalline silicon layer 16 is interposed between the anode and the anode electrode 2, the thin anode 11 is not destroyed by forming the anode electrode 2. According to the device of this example, the turn-off time was shorter than that of the conventional example shown in FIG. FIG. 5 shows a third embodiment of the invention.

図において半導体基板1にはn一型のベース52、ベー
スの一方の主表面に形成されたp型多結晶シリコン層7
、多結晶シリコン層7を拡散源とし、ベース51内に拡
散形成されたp型アノード51、ベースの他方の主表面
に接してベース内部に一定間隔で形成された耐型カソー
ド53、ベースの他方の主表面に接してベース内部にカ
ソード53と交互に一定間隔で形成され、ベースの他方
の主表′面からこれと垂直に延びる領域542と領域5
42の端部からカソード53の方へ相互に一定間隔のチ
ャンネル15を残して延びる領域541とから成るゲー
ト54によつて構成されている。多結晶シリコン層7、
カソード53およびゲート547の表面露出部にはそれ
ぞれアノード電極2、カソード電極3およぼゲート電極
4が形成されている。本実施例ではカソード部を広くと
り、かつチャンネル15の幅をせまくするようにしたゲ
ート54を有している。このゲート構造はチャンネル幅
がカソード53の幅に制約されずにせまくでき、しかも
ゲートの内部抵抗が小さいので、大電流を低いゲート電
圧でしや断てきる特徴を有している。また、ベース中で
水平方向に広がつたゲート領域541がカソード53と
縦方向に重なる領域は縦方向にPn−Pnn+構造のい
わゆるサイリスタ構造を持ち、オン状態においてサイリ
スタとして作用するのでチャンネル幅をせまくしても導
通時の通電面積はせまくならない利点を有する。第6図
は本発明の第4の実施例である。第1の実施例との相違
点はベースとアノード11の間にベースよりも高不純物
濃度のn層8を挿入し、かつn一層を薄くした点にであ
る。n層8は次のような効果を有する。電界効果型スイ
ッチング素子のゲート14にカソード13に対して負電
圧を印加し、アノードにカソードに対して正の電圧を印
加すると、ゲート電圧が十分大きければチャンネル15
はゲートから空乏層が拡がつてピンチオフ状態となつて
アノード・カソード間の電流通路をしや断する。アノー
ド電圧を増すと空乏層はゲート層からアノードへ向けて
のびる。もしベースが十分厚けれは空乏層はアノードに
達しない。しかしベースを厚くすると先にのべたように
蓄積キャリヤが増すとともにオン電圧が大きくなるので
望ましくない。ところが、第6図のようにn層8を入れ
るとともにn層8の不純物濃度をベースより高くし、ベ
ースの不純物濃度を十分低くすると、ゲートからのびた
空乏層はn層8に達するが、それ以上は空乏層がほとん
ど拡がらないようにできる。このためベースを薄くして
も空乏層がアノードに達してパンチスルーする不都合が
生じない。その結果、オ7電圧が小さくかつターンオフ
タイムの短い電界効果型スイッチング素子が容易に製作
てきる。さらにアノード電圧を阻止するに要するゲート
電圧はチャンネル15にかかる電界が低.いほど低くて
すむことが知られている。第6図の構造てはベースの不
純物濃度を十分に低くすることができるのでチャンネル
部の電界を低くできる。すなわちゲート電圧を低くして
も高いアノード電圧を阻止てきる利点を有する。第7図
は本発明の第5の実施例である。
In the figure, a semiconductor substrate 1 includes an n-type base 52 and a p-type polycrystalline silicon layer 7 formed on one main surface of the base.
, a p-type anode 51 diffused into the base 51 using the polycrystalline silicon layer 7 as a diffusion source, a type-resistant cathode 53 formed at regular intervals inside the base in contact with the other main surface of the base, and the other main surface of the base. Regions 542 and 5 are formed alternately with the cathode 53 at regular intervals inside the base in contact with the main surface of the base, and extend perpendicularly thereto from the other main surface of the base.
42 and a region 541 extending towards the cathode 53 leaving channels 15 spaced apart from each other. polycrystalline silicon layer 7,
An anode electrode 2, a cathode electrode 3, and a gate electrode 4 are formed on the exposed surfaces of the cathode 53 and gate 547, respectively. In this embodiment, the gate 54 has a wide cathode portion and a narrow channel 15 width. This gate structure has the feature that the channel width can be made narrow without being restricted by the width of the cathode 53, and since the internal resistance of the gate is small, a large current can be easily cut off with a low gate voltage. In addition, the region where the gate region 541 extending horizontally in the base overlaps the cathode 53 in the vertical direction has a so-called thyristor structure with a Pn-Pnn+ structure in the vertical direction, and acts as a thyristor in the on state, so that the channel width can be narrowed. This has the advantage that the current-carrying area during conduction does not become narrower even when conducting. FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that an n layer 8 having a higher impurity concentration than the base is inserted between the base and the anode 11, and the n layer is made thinner. The n-layer 8 has the following effects. When applying a negative voltage with respect to the cathode 13 to the gate 14 of the field effect switching element and applying a positive voltage with respect to the cathode to the anode, if the gate voltage is large enough, the channel 15
The depletion layer expands from the gate, creating a pinch-off state and cutting off the current path between the anode and cathode. When the anode voltage is increased, the depletion layer extends from the gate layer toward the anode. If the base is not thick enough, the depletion layer will not reach the anode. However, making the base thicker increases the amount of accumulated carriers and increases the on-voltage as mentioned above, which is not desirable. However, if the n-layer 8 is inserted as shown in Figure 6, and the impurity concentration of the n-layer 8 is made higher than the base, and the impurity concentration of the base is made sufficiently low, the depletion layer extending from the gate will reach the n-layer 8, but no further. can prevent the depletion layer from expanding. Therefore, even if the base is made thinner, there is no problem of the depletion layer reaching the anode and punching through. As a result, a field effect switching element with a small O7 voltage and a short turn-off time can be easily manufactured. Furthermore, the gate voltage required to block the anode voltage is low when the electric field across the channel 15 is low. It is known that it can be kept as low as possible. In the structure shown in FIG. 6, the impurity concentration in the base can be made sufficiently low, so that the electric field in the channel portion can be made low. That is, it has the advantage that even if the gate voltage is lowered, a high anode voltage can be prevented. FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention.

第2の実施例との相違点は、第4の実施例が第1の実施
例と相違する点と同様である。先にのべたようにこの構
造は大電流しや断に有利であり、またゲート構造の製作
法が簡単である4という利点を持つとともに上述したn
層8による特徴をそなえた電界効果型スイッチング素子
である。
The differences from the second embodiment are similar to the differences between the fourth embodiment and the first embodiment. As mentioned earlier, this structure is advantageous in cutting off large currents, and has the advantage that the manufacturing method of the gate structure is simple4, as well as the above-mentioned n
This is a field effect switching element that has the feature of layer 8.

第8図は本発明の第6の実施例である。FIG. 8 shows a sixth embodiment of the present invention.

第3の実施例との相違点は、第4の実施例が第1の実施
例と相違する点と同様である。かかる構造では、アノー
ドをp型多結晶シリコンから拡散形成した効果がもつと
もよく発揮される。
The differences from the third embodiment are similar to the differences between the fourth embodiment and the first embodiment. In such a structure, the effect of forming the anode by diffusion from p-type polycrystalline silicon is well exhibited.

次に本発明の第8図に示す実施例の製作工程を第9図を
もとに簡単に説明する。
Next, the manufacturing process of the embodiment shown in FIG. 8 of the present invention will be briefly explained based on FIG. 9.

まず図9aのようにn−シリコン基板1を用意する。First, an n-silicon substrate 1 is prepared as shown in FIG. 9a.

抵抗率は例えば200Ω−αに選ばれる。つフぎにbの
ように選択拡散法によつて一方の表面からp型拡散層5
41を一定間隔て形成する。これにはSlO。膜をマス
クにしてボロンを拡散する方法がとられ得る。引きつづ
きcのようにp型選択拡散層541を形成した表面側に
n型エピタキシ門ヤル成長層55をつける。一般にこの
n型層14の不純物濃度はn一層52より高く設定し、
エピタキシャル成長の際、p型拡散層からのオートドー
ピングによつてチャンネル部分15の抵抗率が変化する
のを防ぐ。例えば25Ω−0となるように”ドーピング
ガス量を調整する。つづいて表面からボロンを選択的に
拡散してp型埋込拡散層541に達するp型連結拡散層
542を形成する。同様に、またはこの工程の後に基板
1の裏面からリンを拡散してn型層8を形成する。この
層の不純物濃度は空乏層が後述のp型多結晶シリコンに
まで拡がらないようにある程度高く、またp型多結晶シ
リコンからの正孔の注入効率があまり低くならないよう
に選ばれる。例えば平均不純物濃度が1×1016at
0ms/CTflとなるように拡散条件を設定する。つ
ぎにeのようにカソードエミッタ層53をリンの選択拡
散などの方法により形成する。つづいて裏面のn型拡散
層の上にp型多結晶層7を堆積するとともに、このp型
多結晶層を拡散源としてn型拡散層8に極めて薄いp型
拡散層51を形成する。厚さを0.05μmないし1μ
m程度とすると、正孔の注入効率の低いpエミッタ層が
できる。薄い拡散層は多結晶成長のための加熱処理中に
形成しても、また成長後に再加熱して形成してもよい。
多結晶シリコンを形成する方法には例えばトリクロルシ
ランをシリコン原料とし、ジボランをドーピングガスと
して水素中て800〜10000Cに加熱することによ
つて得られる。厚さはアノード側の電極形成によつてア
ノード◆ベース間の接合が損傷しないように十分厚くつ
けることが望ましい。例えば30〜60pmの厚さに形
成される。最後にアノード電極2、カソード電極3、ゲ
ート電極4をつけて素子が完成する。以上述べたように
、多結晶シリ,コンをアノード層の拡散源とし、極めて
薄いp型拡散層をアノードとして用いることよリターン
オフタイムの短い電界効果型スイッチング素子が得られ
る。
The resistivity is chosen to be 200Ω-α, for example. Next, as shown in b, a p-type diffusion layer 5 is formed from one surface by selective diffusion method.
41 are formed at regular intervals. This includes SlO. A method of diffusing boron using a film as a mask may be used. Subsequently, as shown in c, an n-type epitaxial growth layer 55 is formed on the surface side on which the p-type selective diffusion layer 541 is formed. Generally, the impurity concentration of this n-type layer 14 is set higher than that of the n-type layer 52,
During epitaxial growth, the resistivity of the channel portion 15 is prevented from changing due to autodoping from the p-type diffusion layer. For example, adjust the doping gas amount so that the resistance becomes 25Ω-0. Next, boron is selectively diffused from the surface to form a p-type coupling diffusion layer 542 that reaches the p-type buried diffusion layer 541.Similarly, Alternatively, after this step, phosphorus is diffused from the back surface of the substrate 1 to form an n-type layer 8.The impurity concentration of this layer is high to a certain extent so that the depletion layer does not extend to p-type polycrystalline silicon, which will be described later. It is selected so that the injection efficiency of holes from p-type polycrystalline silicon is not too low.For example, the average impurity concentration is 1 x 1016at.
Diffusion conditions are set so that it becomes 0 ms/CTfl. Next, as shown in e, a cathode emitter layer 53 is formed by a method such as selective diffusion of phosphorus. Subsequently, a p-type polycrystalline layer 7 is deposited on the n-type diffusion layer on the back surface, and an extremely thin p-type diffusion layer 51 is formed in the n-type diffusion layer 8 using this p-type polycrystalline layer as a diffusion source. Thickness 0.05μm to 1μm
When the thickness is approximately m, a p emitter layer with low hole injection efficiency is formed. The thin diffusion layer may be formed during the heat treatment for polycrystal growth, or may be formed by reheating after growth.
Polycrystalline silicon can be formed, for example, by heating trichlorosilane as a silicon raw material and diborane as a doping gas to 800 to 10,000 C in hydrogen. It is desirable that the thickness be sufficiently thick so that the bond between the anode and the base is not damaged due to the formation of the electrode on the anode side. For example, it is formed to have a thickness of 30 to 60 pm. Finally, the anode electrode 2, cathode electrode 3, and gate electrode 4 are attached to complete the device. As described above, by using polycrystalline silicon or silicon as the diffusion source for the anode layer and using an extremely thin p-type diffusion layer as the anode, a field effect switching element with a short return-off time can be obtained.

多結晶シリコン層から拡散された、極めて薄いp型拡散
層をアノードとするときに、このアノードが注入効率が
小さくベース内の蓄積キャリヤを少なくすることにより
素子のターンオフタイムが短くなる現象は次のように説
明される。
When an extremely thin p-type diffusion layer diffused from a polycrystalline silicon layer is used as an anode, the phenomenon that this anode has low injection efficiency and reduces accumulated carriers in the base, shortens the turn-off time of the device, is as follows. It is explained as follows.

極めて薄いp型アノード層の正孔の注入効率は近似的に
次式で表される。ここで、ベースおよびn層8における
キャリヤの拡散長は二つの層の合計厚さより十分大きい
仮定し、カソードは電子の注入効率が十分高いと仮定し
ている。
The hole injection efficiency of an extremely thin p-type anode layer is approximately expressed by the following equation. Here, it is assumed that the carrier diffusion length in the base and n-layer 8 is sufficiently larger than the total thickness of the two layers, and that the cathode has a sufficiently high electron injection efficiency.

τ2 :ベースおよびn層内の正孔のライフタ イ
ムW :ベースとn層の厚さの合計 Dn:ベースおよびn層での電子拡係数 D″n:p型アノード内の電子の拡散係数j :電流密
度 q :電子素量 Q :p型アノード内での単位面積あたりのp 型不
純物量従来のp型アノード層は十分厚いのでQが非常に
大きく、(1)式の第1項は無視できる。
τ2: Lifetime of holes in the base and n-layer W: Total thickness of the base and n-layer Dn: Electron diffusion coefficient in the base and n-layer D″n: Diffusion coefficient of electrons in the p-type anode j: Current density q: Elementary quantity of electrons Q: Amount of p-type impurity per unit area in the p-type anode Since the conventional p-type anode layer is sufficiently thick, Q is very large, and the first term in equation (1) can be ignored. .

しかし本発明の構造のように極めて薄いp型アノード層
を用いるとQを小さくできるので注入効率τ2は小さく
なるのである。以上述べた第3および第6の実施例にお
いて、カソード領域とゲート領域の偏平部541とを半
導体基体の主表面に投影した時に両者が重なり合う面積
(S1)は、カソード領域の投影面積からこの重なり合
う部分を除いた面積(S2)の30%以上てあることが
好ましい。
However, if an extremely thin p-type anode layer is used as in the structure of the present invention, Q can be made small, so the injection efficiency τ2 becomes small. In the third and sixth embodiments described above, when the cathode region and the flat portion 541 of the gate region are projected onto the main surface of the semiconductor substrate, the overlapping area (S1) is calculated from the projected area of the cathode region. It is preferable that the area (S2) excluding the portion be 30% or more.

発明者は第3および第6の実施例において、偏平部54
1端部相互の間隔が30pmと一定でS1とS2の比(
S1/S2)が異なる多数の素子に対し、電流密度が1
20A/CTlのものでの素子の順方向電圧降下特性を
調べた。その結果を第10図に示す。図によればS1/
S2の値が約0.3を境として、それより小さいS1/
S2のときには約1.35■であつた順方向電圧降下値
がS1/S2の増大とともに低減している。この傾向は
電流密度が120A/c!l以外であつても、また偏平
部541端部相互の間隔が30μm以外であつてもあて
はまる。従つて本発明の第3および第4の実施例におい
てS1をS2の30%以上とすれは素子の順方向電圧降
下値を小さくすることに効果がある。
In the third and sixth embodiments, the inventor has provided a flat portion 54.
The distance between one end is constant at 30 pm, and the ratio of S1 and S2 (
For many elements with different S1/S2), the current density is 1
The forward voltage drop characteristics of the device with 20 A/CTl were investigated. The results are shown in FIG. According to the figure, S1/
When the value of S2 is approximately 0.3, the value of S1/
The forward voltage drop value, which was approximately 1.35 cm at S2, decreases as S1/S2 increases. This trend shows that the current density is 120A/c! This also applies even if the distance between the ends of the flat portion 541 is other than 30 μm. Therefore, in the third and fourth embodiments of the present invention, setting S1 to 30% or more of S2 is effective in reducing the forward voltage drop value of the element.

また上述の各実施例において導電型のp(5nを交替し
たものでも本発明の効果が得られることは言うまでもな
い。
It goes without saying that the effects of the present invention can also be obtained by replacing the conductivity type p (5n) in each of the above-mentioned embodiments.

次に本発明によリターンオフタイムがどの程度低くなる
か具体的数値をもつて説明する。
Next, how much the return off time can be reduced by the present invention will be explained using specific numerical values.

第5図に示す第3の実施例と比較のため第5図でp型ア
ノード51とp型多結晶シリコン層7を第1図のように
アノード11とし素子を作製した。
For comparison with the third embodiment shown in FIG. 5, a device was fabricated in which the p-type anode 51 and the p-type polycrystalline silicon layer 7 were changed to the anode 11 as shown in FIG. 1.

半導体基体1は6.3Tn×6.3Tsnの正方形で、
厚さ4μm1幅50pm1長さ1200pmのカソード
53が長手方向を揃えて74本配列されている。そして
カソード53の表面不純物濃度は1X1019at0m
s/Cllてある。
The semiconductor substrate 1 is a square of 6.3Tn×6.3Tsn,
Seventy-four cathodes 53 each having a thickness of 4 μm, a width of 50 pm, and a length of 1200 pm are arranged with their longitudinal directions aligned. And the surface impurity concentration of the cathode 53 is 1X1019at0m
s/Cll.

領域541は厚さ40μm1表面不純物濃度5×101
7at0ms/C7lで、チャンネル15がカソード5
3の中央直下にあり幅は7μmでカソード53の長手方
向に沿つて設けられている。ベース52は比抵抗50Ω
一礪、厚さ140μM..p型アノード51は厚さ0.
5μm1表面不純物濃度が1×1015at0ms/C
Tl..p型多結晶シノリコン層7は50pmの厚さで
ある。一方、比較例素子のアノード11は厚さが40μ
m1表面不純物濃度1×1019at0ms/Cmであ
り、その他の寸法は、上記の寸法と同じとした。
The region 541 has a thickness of 40 μm and a surface impurity concentration of 5×10
7at0ms/C7l, channel 15 is cathode 5
The cathode 53 is located directly below the center of the cathode 53 and has a width of 7 μm along the longitudinal direction of the cathode 53 . Base 52 has a specific resistance of 50Ω
One cup, thickness 140μM. .. The p-type anode 51 has a thickness of 0.
5μm1 surface impurity concentration is 1×1015at0ms/C
Tl. .. The p-type polycrystalline silicon layer 7 has a thickness of 50 pm. On the other hand, the anode 11 of the comparative example element has a thickness of 40 μm.
The m1 surface impurity concentration was 1×10 19 at0 ms/Cm, and the other dimensions were the same as the above dimensions.

負荷電流20Aをしや断した場合のターンオフタ7イム
は本発明素子て4μS1比較例素子て15μsであつた
。以上詳細に述べた如く、本発明によればターンオフタ
イムの短い電界効果型スイッチング素子を得るのに効果
がある。
The turn-off time when the load current of 20 A was interrupted was 4 μS for the device of the present invention and 15 μs for the comparative example device. As described above in detail, the present invention is effective in obtaining a field effect switching element with a short turn-off time.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図および第2図は本発明の従来例を示す図、第3図
は本発明の第1の、第4図は第2の、第5図は第3の、
第6図は第4の、第7図は第5の、第8図は第6の実施
例をそれぞれ示す図、第9図は第8図に示す実施例の製
造工程を説明するための図、第10図は第5図あるいは
第8図に示す実施例におけるS1/S2と順方向電圧降
下値との関係を示す図である。 11,51・・・・・アノード、12,52・・・・・
・ベース、13,53・・・・・・カソード、14,5
4・・・・・・ゲート、2・・・・・アノード電極、3
・・・・・カソード電極、4・・・・・・ゲート電極。
1 and 2 are views showing a conventional example of the present invention, FIG. 3 is a first example of the present invention, FIG. 4 is a second example, and FIG. 5 is a third example of the present invention.
Fig. 6 is a diagram showing the fourth embodiment, Fig. 7 is a fifth embodiment, and Fig. 8 is a diagram showing the sixth embodiment, respectively. Fig. 9 is a diagram for explaining the manufacturing process of the embodiment shown in Fig. 8. , FIG. 10 is a diagram showing the relationship between S1/S2 and forward voltage drop value in the embodiment shown in FIG. 5 or FIG. 8. 11,51...Anode, 12,52...
・Base, 13,53...Cathode, 14,5
4...Gate, 2...Anode electrode, 3
...Cathode electrode, 4...Gate electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 一対の主表面を有する一方導電型半導体単結晶基板
と、この基板の一方主表面に接して基板内部に形成され
基板よりも高不純物濃度を有する一方導電型の第1の半
導体領域と、基板の他方の主表面上に形成された他方導
電型の半導体多結晶層と、この多結晶層の導電型を決め
る不純物が基板内に拡散されることにより生じ基板との
間にpn接合を形成する上記半導体多結晶層に較べ極め
て薄い厚さの他方導電型の半導体層と上記第1の半導体
領域および上記半導体多結晶層の露出面にそれぞれ形成
された一対の主電極と、上記基板内部に形成され一方導
電型の第1の半導体領域、一方導電型の半導体単結晶基
板、他方導電型の半導体層、他方導電型の半導体多結晶
層板および一対の主電極で構成されるダイオードの順電
流を半導体単結晶基板内に形成される空乏層によりピン
チオフさせる機能を有する他方導電型の第2の半導体領
域と、第2の半導体領域に連なり上記第1の半導体領域
に接する主電極との間に所定の電圧を印加することによ
り上記ピンチオフを起させる制御電極とを有することを
特徴とする電界効果型スイッチング素子。 2 特許請求の範囲第1項において、第1の半導体領域
に一方の主表面に接して断続的に形成され、第2の半導
体領域は一方の主表面に接して第1の半導体領域と交互
に形成されつかつ一方の主表面から他方の主表面へ向け
て第1の半導体領域より深く形成された第1の部分と、
この第1の部分の底部から一方の主表面と平行に、第1
の半導体領域を他方の主表面に投影したときにこの投影
部に一部が重なるまで延びる第2の部分とから成ること
を特徴とする電界効果型スイッチング素子。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor single crystal substrate of one conductivity type having a pair of main surfaces, and a first semiconductor single crystal substrate of one conductivity type formed inside the substrate in contact with one main surface of the substrate and having an impurity concentration higher than that of the substrate. between the semiconductor region of the substrate, the semiconductor polycrystalline layer of the other conductivity type formed on the other main surface of the substrate, and the substrate caused by diffusion of impurities that determine the conductivity type of this polycrystalline layer into the substrate. a semiconductor layer of the other conductivity type that is extremely thinner than the semiconductor polycrystalline layer forming a pn junction therein; and a pair of main electrodes formed on the exposed surfaces of the first semiconductor region and the semiconductor polycrystalline layer, respectively. , formed inside the substrate and comprising a first semiconductor region of one conductivity type, a semiconductor single crystal substrate of one conductivity type, a semiconductor layer of the other conductivity type, a semiconductor polycrystalline laminate of the other conductivity type, and a pair of main electrodes. a second semiconductor region of the other conductivity type which has the function of pinching off the forward current of the diode formed in the semiconductor single crystal substrate; A field-effect switching element comprising: a control electrode that causes the pinch-off by applying a predetermined voltage between the electrode and the control electrode. 2. In claim 1, the first semiconductor region is formed intermittently in contact with one main surface, and the second semiconductor region is formed in contact with one main surface and alternately with the first semiconductor region. a first portion that is formed and is formed deeper than the first semiconductor region from one main surface to the other main surface;
From the bottom of this first part, parallel to one main surface, a first
and a second portion that extends until a portion of the semiconductor region overlaps the projected portion when projected onto the other main surface.
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