JPS6077464A - 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〕 本発明はグー１〜ターンオフサイリスタ（以下ＧＴＯや
静電誘導サイリスタ（以下５ＩＴ）等の自己しゃ断型の
半導体装置に関するものである。

〔発明の背景〕

この種の半導体装置について、ＧＴＯを例にとって説明
するに、ＧＴＯは半導体基体内にＰエミッタ、ｎベース
、ｎベースそれにｎエミッタの４層を有し、Ｐエミッタ
層にアノード、Ｐベース層にゲート、ｎエミツタ層にカ
ソードの各電極がオーミック接触され、ゲート、カソー
ド両電極間に加えられる正負のいずれかのゲート（信号
）電流で、アノ−１（、カソード間を流れる電流をオン
、オフできる機能を備えたサイリスタである。ターンオ
フ性能をよくするため、オン時の内部蓄積電荷を小さく
するとともに、ターンオフ時の蓄積電荷の消滅を促進す
る手段が講じられる。一般には。

金などのライフタイムキラーを半導体基体中にドープす
る方法が採られている。しかし、この場合には、キャリ
ア寿命の大幅な短縮が必要であるため、ライフタイムキ
ラーは多量にドープされ、その結果、導通時の内部電圧
降下（オン電圧）の増大や高温での洩れ１ｔ１１ａ流が
増大するという欠点がある。特に耐圧の高いＧＴＯはど
こ九が深刻な問題となる。それは、ｎベース層の比抵抗
が高くなり、それに伴って、キャリアのライフタイムも
長くなるため、より多量のライフタイムキラーをドープ
せねばならないからである。

これに対して、ライフタイムキラーをドープする代りに
、ＩＩｎベース層アノード電極にオーミック接触させ、
ｐエミツタ層とｎベース層でできるアノードエミッタ接
合を適正にアノード電極で短絡してライフタイムキラー
ドープと同等の作用をもたせる方法が知らＩＬでいる。

かかる構造のＧＴｏは、半導体基体中に特別のライフタ
イムキラーをドープせずども良好なターンオフ性能が得
らｈるので、先述のライフタイムキラーの多量ドープ方
式のＧＴＯに比較して、低いオン電圧、少ない洩れ電流
といった性能」二の特長を有している。

ところが、この構造で耐圧３．６　ｋ　Ｖ級以上のＧＴ
Ｏを構成しようとする場合、一つの大きな問題に遭遇し
た。それは、既に知られている通り高耐圧が要求される
半導体装置では、一般に高抵抗率の半導体素材（例えば
３．６　ｋ　Ｖ級では抵抗率２００〜２５０Ωｍ）が使
わ九るが、キャリアのライフタイムは素材抵抗率が高く
なるに伴って長くなる性質があるため、ＧＴＯでもｎベ
ース層のキャリアのライフタイムが非常に長くなること
、及びｎベース層が広くなるため、アノードエミッタ短
絡の効果がｎベース層の深層まで及ばないということの
ためにＧＴＯのターンオフ性能が低下する問題がある。

第１図は４．５ｋＶＧＴＯのターンオフ時の電流、電圧
波形の一例髪示ず。２０００　Ａの電流をしゃ断した楊
召である。アノード電流■６はゲート電流■。の投入が
ら約２７μＳ後に急峻に減少し、その後一旦ピークを経
て比較的ゆるやかに減衰する。このゆるやがな電流をテ
ール電流と呼ぶ。アノード電圧ｖＡはアノード電流■６
の減少開始と同時に立ち上り、途中約６００■のスパイ
ク状のピークを経たあと高電圧にはね上る。また、ゲー
ト電流■。は最大４００Ａ必要である。この例に見られ
る如く、ターンオフ終期におけるテール電流が最大３２
０Ａに達し、この間のアノード電圧ｖＡとの積算で表わ
される電力損失は非常に大きな値になる。また、ターン
オフに必要なゲート電荷量も約７０００μＣと極めて大
きな値である。前述のターンオフ性能の低下とは、ここ
に例示した如く、テール電流増大によるターンオフ時の
発生損失が大きくなること及びターンオフ時間が長くか
つそれに要するゲート電流が大きくなることを指してい
る。このような問題は耐圧３．６　ｋ　Ｖ以」二の超高
圧のＧＴＯにおいてはじめて出現した問題である。

同様なことはアノードエミッタ短終構造のＳＩＴについ
てもいえる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ターンオフ性能の改良された自己しゃ
新型半導体装置を提供することにある。

また２本発明の他の目的は、オン電圧、洩れ電流等の定
常動作特性を著しく損ねることなく、ターンオフ時の発
生損失を小さくした自己しゃ新型半導体装置を提供する
にある。

〔発明の概要〕

本発明は、アノードエミッタ短絡構造の耐圧３、６　ｋ
　Ｖ級以上でｎベース層の比抵抗が２００Ω釦以上の半
導体装置にそのライフタイムを短絡するために若干のキ
ラーをドープずれば、アノードエミッタ短絡だけを適正
化するＪＲ１合より、オン電圧の著しい増大を伴なうこ
となく、ターンオフテール電流を低減し、かつターンオ
フ利得も向上できることを実験により確認した結果得ら
れたもので、アノードエミッタ短絡構造にｒ】ベース層
のキャリアライフタイムが３５〜５５μｓになるように
ライフタイムキラーをわずかに１く−プすることを特徴
とするものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の具体的実施例により説明する。

第２図は、本発明になるＧ　Ｔ　Ｏの一部を示しており
、半導体基体Ｊはｐエミツタ層２、ＩＩベース層３、ｎ
ベース層４、そして１１工ミツタ層５を有し、ｎエミツ
タ層５はＰベース層４との間にプレーナ構造のカソード
エミッタ接合Ｊ３を形成している。ｐエミッタ層２はカ
ソードエミッタ接合Ｊ、ｌの上側主表面へ露出端部を下
側主表面側に垂直投影してできる短冊状の輪郭に沿って
ＸＰ６の幅をもって配置され、それ以外の部分の下側主
表面にはアノードエミッタ短絡用の高不純物濃度層（ｎ
”）６が改番ブられている。下側表面にはアノード電極
７が設けられ、Ｐエミッタ層２と高不純物濃度層６にオ
ーミック接触し、その結果、ｐエミッタ層２がｊｌベー
ス層３、高不純物濃度層６とつくるアノ−１〜工ミツタ
接合Ｊ、を短絡している。

Ｐベース層４はｎエミツタ層５を取り囲むようにエッチ
ダウンさ九、その部分にグー１〜電極８がオーミック接
触しており、ｎエミツタ層５にはカソード電極９がオー
ミック接触されている。

第２図は、単位ＧＴＯエレメントの縦断面斜視す 図であ夙、半導体基体１は電流容量に応じてこのような
単位ＧＴＯニレメン１〜が数百個順並列に複合化されて
いる。複合化の一例は、円形の半導体基体１の半径方向
にＴ１エミツタ層５の軸方向が沿うようにそして円周方
向では隣接するようにして、隣接するもの同志がリング
を形成するようにして、このようなものが半導体基体１
の中心に対して多重リングを構成するように配列される
。ｎベース層３、ｎベース層４が半導体基体１内で連続
しており、■）エミツタ層２とｎエミッタｊシ５は単位
Ｇ　Ｔ　Ｏエレメント数だけ各々独立して設けられてい
る。また、アノ−１〜電極７、グーｌ−電極８は半導体
基体ｊの」二下両主表面上で各々連続しており、カッ−
１〜電極９は各ｎエミッタＴ）５に個々に設けらｊルて
いる。分離したカン−１・電極９に苅して。

例えば共通のカソード電極板が圧接さＪしる。

グー１〜リードはグー１〜電極８の所定位置に接続され
る。

半導体基体１には本発明に従ってライフタイムキラーと
してはγ線照射がわずかにさＡして、ｎベース層コ３の
キャリアのライフタイムが３５〜５５μｓにされている
。

第３図は、第２図に示す単位ＧＴＯエレメントを半導体
基体１に数百側内蔵したｎベース層３の比抵抗が２３０
−２８０Ｏｃｍテ耐圧４．５ｋＶ、２０００　Ａ級のＧ
ＴＯにγ線を照射して、ｎベース層３のキャリアライフ
タイムを種々変えた場合のキャリアライフタイムと２０
００ＡＬ／や断時のターン電荷量−１〜電荷景Ｑ　ａｏ
及びピークテール電流工。

の ｔａｉｌ関係を示したものである。両特性曲線で最右側
のデータは先述したアノードエミッタ短絡構造であるが
、γ線照射なしの従来の場合である。図から明らかなよ
うに、γ線照射により、　１１ベ一ス層３のキャリアの
ライフタイムを短縮すれば、ターンオフゲート電荷量Ｑ
　ｔ、ｎ、ピークテール電流Ｉ　、　ｔａｉｌとも著し
く減少する。照射前の約７０μＳのライフタイムから３
０〜６０μｓ程度の値に短縮するだけでこれらの性能が
大幅に向上する。

アノードエミッタを短絡したＧＴＯでは、アノードエミ
ッタの短終構造もこれらのターンオフ特性に影響を与え
る重要なパラメータである。そこで、耐圧４．５ｋＶ、
２００ＯＡ級のＧＴＯについて、Ｐエミツタ層２の幅Ｘ
、、５と高不純物浸度層６の短絡幅Ｘ１．−の組み合わ
ぜを変えたエミッタ短絡環の異なるＧ″Ｉ’Ｏと、上記
した短絡環を固定し、キャリアのライフタイムを制御し
たＧＴＯのターンオフゲート電荷量Ｑ６Ｑ、ピークテー
ル電流１．ｊａｎとオン電圧ＶＴの相関関係を比較した
。その結果を第４図、第５図に示す。点線上σＪ・印の
データはエミッタ短絡環を、実線上の０印のデータはラ
イフタイムをそれぞれ変えたＧＴＯの特性である。

いずれの場合でも、ターンオフグー１〜電荷ｆｉＬＱＧ
Ｑやピークテール電流Ｔ、ｔ、ａｉｌが小さいＧ′１′
○はオン電圧■１が高くなる傾向かあるが、１−レード
オフではライフタイムを制御した場合の方が優れている
。すなわち、ターンオフ時のターンオフ時−１へ電荷量
Ｑ　ａｃｒやピークテール電流１　ｐシａｉｌを低減す
るには、エミッタ短絡環を強くするより、アノードエミ
ッタ短終に付加してライフタイムキラーをドープして、
キャリアライフタイムを短絡する方がオン電圧Ｖ７の著
しい増大を伴うことなく実現できることになる。そして
、耐圧が３．６　ｋ　Ｖでｎベース層３の比抵抗が２０
０Ωａｍ以上となるＧ　Ｔ○では、半導体基体全体でキ
ャリアのライフタイムが３５μｓ以下になるようにする
と、オン電圧Ｖ１が上昇し、又、５５μｓ以上ではピー
クテール電流１　、　シａｉｌが増大し、それぞれによ
る損失の全発生損失に占める割合が大きくなり好ましく
ないことが分った。

以上のことから、ＩＩｎベース層の比抵抗が２００Ω印
以上のＧＴＯでは、ｎベース層３のキャリアのライフタ
イムが３５〜５５μｓとなるようにライフタイムキラー
を若干ドープすれば良い。

に この範囲のドープより、オン電圧ｖ１は２．５層程度で
、ライフタイムキラーをドープしない従来のアノードエ
ミッタ短絡構造のＧＴＯの３層以上より低く、洩れ電流
は４ｍＡ程度で、ライフタイムキラーをｊく−プしない
ＧＴＯと大差のないものであった。

第６図は、本発明に従ってｎベース層３のキャリアのラ
イフタイムを照射前の約７０μｓからの ５０μｓに短縮したＧＴＯ２０００ＡＬ、や断時の電流
、電圧波形の例を示す。ゲート電流■。投入からアノー
ド電流ＩＡが減少し始める時間は約１８μｓに短縮され
、テール電流のピーク値は１３０Ａに。

そしてターンオフゲート電荷ｉＱ、ｌｌも約３５００μ
Ｃと低下し、大幅な性能向Ｊ二が認められる。この例に
見られるように、ア、Ｉ−ドエミッタを短絡した高耐圧
Ｇ　’ｒ　Ｏにキャリアのライフタイムをわずかに短縮
するだけでターンオフ利得やターンオフ時の発生損失の
改善が図れる。

以上の実施例ではライフタイムキラーとしてγ線照射を
用いているが、金、白金等の重金属のドープや電子線照
射によるライフタイムキラードープも利用できる。

ＳＩＴはＧＴＯと半導体基体内での接合惜成が若干異な
り、カソード電極がオーミック接触される半導体層は上
側主表面に露出するｎベース層であるが、キャリアの一
部はｐ　ｎ　ｐｎの４層になった部分を流れ、ターンオ
フ時に、ゲート、カソード電極間にゲート信号を加え、
キャリアを引き出すと共に、アノード電極はアノードエ
ミッタ短絡構造となっており、ＧＴＯと類似した面があ
り、２００Ω印以上の比抵抗を持つｎベース層に若干の
ライフタイムキラーをトープすることで、ＧＴＯと同様
な性能の向上が期待できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ターンオフ性能が
改善され、また、オン電圧、洩れ電流等の定常動作特性
を損ねることなく、ターンオフ時の発生損失を小さくし
た自己しゃ新型の半導体装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアノードエミッタ短絡構造のＧＴＯのタ
ーンオフ時のアノード電流、アノード電圧およびゲート
電流の変化の状況を示す図、第２図は本発明の一実施例
になるＧＴＯの半導体基体の部分的縦断面斜視図、第３
図はアノードエミッタ短絡構造のＧＴＯにおけるライフ
タイムとターンメツゲート電荷量およびピークテール電
流の関係を示す図、第４図および第５図は同じく、オン
電圧とターンオフゲート電荷量、ピークテール電流の関
係を示す図、第６図は本発明になるＧＴＯのターンオフ
時のアノード電流、アノード電圧およびゲート電流の変
化の状況を示す図である。 ｌ・・・半導体基体、２・・Ｐエミツタ層、３・・ｒ１
ベース層、４・・・ｎベース層、５・ｎエミツタ層、６
・・・ｆｌ＋高不純物濃度層、７・・・アノード電極、
８・・ゲオ）目 、ｔ２図 汁３図 ライフタイム（％　Ｓ　） 矛４図 オ　プ＠Ｈ−ｖ丁　（Ｖ） 沖左図 オン電ＦＥＶ’Ｔ（〕 斗を図 萌間七（Ｐｓ） 手続補正書は成り ８１Ｊ＠＋　５！’−？＋　％４ 特許庁長官若杉和夫殿 事件の表示 昭和５８年特詐廓Ｉ第１８６２０２　号発明の名称　半
導体装置 補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　拍１　ｆ５１ｕ１株式会１］　日　立　製　イ乍　
所代　理　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基体はその両主表面間の一部において導電型
   が隣接相互で順次異なる４個の半導体層を有し、一方の
   主表面に第一、第二の半導体層が露出して第一の主電極
   がオーミック接触され、他方の主表面に第三、第四の半
   導体層が露出し、各々に制御電極と第二の主電極がオー
   ミック接触され、制御電極と第二の主電極に加えられる
   ゲート信萼により第一、第二車重極間に流れる電流をオ
   ンオフ制御する自己しゃ断型の半導体装置において、第
   二の半導体層の比抵抗は２００Ωｃｍ以上であり、その
   キャリアのライフタイムが３５〜５５μｓになるように
   ライフタイムキラーがドープ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、半導体装置はゲートターンオ
   フサイリイスタおよび静電誘導サイリスタのいずれかで
   あることを特徴とする半導体装置。