Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP3962120B2 - Gate turn-off thyristor - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP3962120B2 - Gate turn-off thyristor - Google Patents

Gate turn-off thyristor Download PDF

Info

Publication number
JP3962120B2
JP3962120B2 JP10144397A JP10144397A JP3962120B2 JP 3962120 B2 JP3962120 B2 JP 3962120B2 JP 10144397 A JP10144397 A JP 10144397A JP 10144397 A JP10144397 A JP 10144397A JP 3962120 B2 JP3962120 B2 JP 3962120B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
surface concentration
thyristor
gate turn
emitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP10144397A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH10294451A (en
Inventor
勉 中川
義弘 山口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP10144397A priority Critical patent/JP3962120B2/en
Publication of JPH10294451A publication Critical patent/JPH10294451A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3962120B2 publication Critical patent/JP3962120B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Thyristors (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ゲートターンオフサイリスタに係り、特に、電力損失を低減したゲートターンオフサイリスタ(以下、GTOサイリスタとも略記する)に関する。
【0002】
【従来の技術】
GTOサイリスタは、電力用自己消弧素子として、高耐圧で大電流の分野でより一層の高耐圧化が求められている。
【0003】
しかしながら、高耐圧のGTOサイリスタでは、定常損失とスイッチング損失の増加が共に大きく、これらの損失の低減が求められている。
【0004】
図9は、従来のGTOサイリスタの一例を示す斜視図である。図9において、1はpE、2はn-層、3はpB層、4はnE層、5はpE層1の露出表面に設けられた金属層であってアノード電極部が形成される。6は、nE層4の上に設けられた金属層であり、カソード電極層としてカソード電極部を形成する。
【0005】
図9のGTOサイリスタにおいて、高耐圧化に伴い、n-層ないしnベース層2の厚みWが大きくなる。ところが、一般に、nベース層2の厚みWとオン電圧とは、比例関係にあるので、nベース層2の厚みWが増加すると、オン電圧は増加し、結果的に定常損失が増加する。
【0006】
上記の問題を解決するために、図10に示すようなGTOサイリスタが提案されている。図10のGTOサイリスタにおいては、n+層9とn-層10とによって図9におけるnベース層2に相当するものを形成しており、一般的に図10のGTOサイリスタはpnνpn構造と呼称されるものである。
【0007】
pnνpn構造においては、図9のpnベース構造のnベースを低濃度のn-層9と高濃度のn+層10とによって形成しているので、nベースの厚みは、同じ耐電圧下では、図9の場合の厚みの約70%で良いという利点がある。すなわち、その分だけ、pnνpn構造では定常損失も小さい。
【0008】
一方、スイッチング損失には、ターンオン損失とターンオフ損失とがある。この内、ターンオン損失は、ターンオフ損失の約10%程度であるため、素子の高耐圧化に際してその増大が問題となるのはターンオフ損失である。そして、ターンオフ損失の90%近くは、テイル損失によって発生しており、このテイル損失は、テイル電流に起因する。
【0009】
テイル電流は、GTOサイリスタのターンオフ過程において、pゲート層よりpベース層の過剰なキャリアを引き出し、pベース層とnベース層間の主接合が回復していくときに、nベース層中に残った過剰なキャリアが消滅することにより流れる電流である。
【0010】
nベース層にはpベース層のようにゲート部がないため、過剰なキャリアは、ゲート部より引き出されるのではなくて、pエミッタ層より注入されたキャリアと再結合することによって消滅する。
【0011】
素子を高耐電圧化すると、nベース層の不純物濃度が低くなり、またその厚みを増加しなければならないため、過剰なキャリアが増える。しかも、nベース層の厚みの増加によってターンオン特性を著しく損なわないようにするためには、nベース層のキャリアのライフタイムを長く設定しなければならない。これらの理由により、GTOサイリスタを高耐電圧化すればするほどにテイル電流は増え、テイル損失が増加するわけである。
【0012】
このような問題点を解決するために、最近では、従来のGTOサイリスタのpnpn構造及びpnνpn構造において、アノードエミッタショート構造と呼ばれる構造が提案されている。例えば、そのような構造は、特開平1−165169号公報(その第1図)や特開平4−23472号公報(その第1図(h))や特開平4−112543号公報(その第1図(H))や特開平1−318264号公報(その第1図)等の文献に開示されている。この構造は、nベース層の一部をpエミッタ層内を貫くように延長形成してアノード電極にショートさせた構造であり、テイル時間中のnベース層中の過剰なキャリアをアノード電極より引き出せるようにした構造である。従って、アノードエミッタショート構造では、テイル損失が小さく、結果として、スイッチング損失が小さいという利点をもつ。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
pnνpn構造にアノードエミッタショート構造を適用したものは、GTOサイリスタの高耐電圧化に伴って増加する定常損失とスイッチング損失の低減に有効な方法として適用されている。しかし、そこではn+バッファ層とpエミッタ層との短絡による方法を利用しているので、さらなる高耐電圧化に加えて、高周波数化をも実現していく上では上記テイル電流減少方法ではなお不十分と言え、テイル電流によるターンオフ損失の増加という問題点が再び浮上する。
【0014】
この発明は、そのような問題点を解消するためになされたものであり、更なる高耐電圧化・高周波数化に対しても十分にターンオフ損失の低減を実現できるGTOサイリスタの新規な構造を、従来の製造方法に一工程を付加するだけで提供可能とするものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、第1導電型の第1表面濃度の不純物を有する第1エミッタ層と、第2導電型の不純物を有する第1ベース層と、前記第1導電型の不純物を有する第2ベース層と、前記第2導電型の不純物を有する第2エミッタ層とが順次に積層形成されたゲートターンオフサイリスタにおいて、前記第1ベース層は、第2表面濃度の前記第2導電型の不純物を有する過剰キャリア再結合促進用の半導体層と、第3表面濃度の前記第2導電型の不純物を有するバッファ層と、第4表面濃度の前記第2導電型の不純物を有するベース本体層との順次の積層によって形成されており、前記第1表面濃度>前記第2表面濃度>前記第3表面濃度>前記第4表面濃度の関係が成立することを特徴とする。
【0016】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、前記第3表面濃度は、定格電圧によって生じる空乏層の電界が前記過剰キャリア再結合促進用半導体層に影響を与えないように設定されていることを特徴とする。
【0017】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、前記第1表面濃度を10nとすると、前記第1表面濃度と前記第2表面濃度との差が(10n−10n-1)以下となるように前記第2表面濃度が設定されていることを特徴とする。
【0018】
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3の何れかに記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、前記第1エミッタ層は第1電極層の上に積層形成され、第2電極層は前記第2エミッタ層の上に積層形成され、前記第2エミッタ層は前記第2ベース層の所定部分上に積層形成され、前記過剰キャリア再結合促進用半導体層の一部に当たる所定部分が前記第1エミッタ層を貫通して前記第1電極層と接続されていることを特徴とする。
【0019】
請求項5に係る発明は、請求項4に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、前記過剰キャリア再結合促進用半導体層の前記所定部分は前記第2エミッタ層の直下に於いて前記第2エミッタ層の形成方向と平行な方向に形成されていることを特徴とする。
【0020】
請求項6に係る発明は、請求項4に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、前記過剰キャリア再結合促進用半導体層の前記所定部分は前記第2エミッタ層の直下に於いて前記第2エミッタ層の形成方向と直交する方向に形成されていることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
この発明に係る半導体装置は、pE層(第1エミッタ層),n++層(過剰キャリア再結合促進用半導体層),n+層(バッファ層),n-層(第1ベース本体層),pB層(第2ベース層),nE層(第2エミッタ層)の6層でGTOサイリスタの素子を構成するとともに、更にその6層構造と従来のアノードエミッタショート構造との最適化をも図ったものである。
【0022】
(実施の形態1)
この発明の実施の形態1に係るGTOサイリスタの素子構造を図1,図2に基づき説明する。同サイリスタの素子構造は、基本的にはpnνpn構造である。
【0023】
図1の斜視図に示す通り、アノード電極として機能するアノード電極層(金属層)5の上には、p型のエミッタ層としてのpE層1、過剰キャリア再結合促進用のn型半導体層としてのn++層11、空乏層の電界を阻止するn型のバッファ層としてのn+層10、n型のベース層本体として機能するn-層9、p型のベース層としてのpB層3及びn型のエミッタ層としてのnE層4が、順次に積層形成されている。但し、nE層4は、pB層3の所定部分3A上に第1方向D1に平行に積層されている。6は、nE層4の上に設けた金属層であり、カソード電極層としてカソード電極部を形成する。7は、上記所定部分3A以外のpB層3の上面上を第1方向D1に向けて積層されたゲート電極層であり、ゲート電極層7直下のpB層3の部分はp型ゲート部として機能する。そして、n-層9,n+層10,n++層11とは、「n型のベース層(第1ベース層)」を形成している。
【0024】
本構造の核心部分は、pE層1とn+層10との間に全面的にn++層11を形成した点にある。
【0025】
この構造における拡散プロファイルを、図2に示す。図2において、1’はpE層1の不純物の表面濃度(第1表面濃度)を、9’はn-層2の表面濃度(第4表面濃度)を、3’はpB層3の表面濃度を、4’はnE層4の表面濃度を、10’はn+層10の表面濃度(第3表面濃度)を、11’はn++層11の表面濃度(第2表面濃度)を、各々概略的に示す。同図2より明らかな通り、本構造では、1’>11’>10’>9’の関係が成立し、更に表面濃度1’,11’との間には後述する関係が成立する。
【0026】
図2に示すn-層10の表面濃度10’は、定格電圧に対してnベース層中に生じる空乏層の電界がn++層11の形成部分にまで届かないような最小の表面濃度に設定される。
【0027】
図1の構造の素子の形成方法は、従来のpnνpn構造の製造方法に対して、n++層11の形成工程を1ステップだけ設けるだけで実現される。即ち、n-層のシリコン基板20のカソード側の第2主面上にpB層3を拡散形成し、次に同基板20のアノード側の第1主面よりn+拡散層を形成して、n-層9を得る。次に、pB層3の所定部分3A上にnE層4を形成し、第1主面よりn型の不純物を多く拡散してn+層10よりも高濃度なn++層11を形成し、さらに高濃度なpE層1を形成する。その後、各電極層5,6,7を形成する。これにより、従来のpE層,n+層,n-層,pB層,nE層の5層で構成されているpnνpn構造に対して、pE層1とn+層10との間に、n++層11が形成される。
【0028】
更なる高耐電圧化・高周波数化に対してより一層のターンオフ損失の低減化を実現するためには、nベース層中に生じた過剰キャリアの再結合消滅をより一層速やかに促進することが必要であり、従来のような過剰キャリアをアノード電極側に引抜く手法では根本的な解決手段にはなりえないと考える。ところが、従来のpnνpn構造では、pE層1の表面濃度とn+層10の表面濃度との濃度差が104以上で形成されているため、この濃度差がターンオフ過程における過剰なキャリアの排出(再結合)を阻害する原因となっている。
【0029】
本発明においては、この点に着眼して、上記過剰キャリアの再結合による消滅の促進を図って、より一層のテイル電流の速やかな減少を促進するものである。即ち、pE層1とn+層10との間に積層的に形成するn++層11の表面濃度11’を、pE層1の表面濃度1’を10nとした時に、濃度10n-1になるようにして、pE層1の表面濃度1’とn++層11の表面濃度11’との差が10n−10n-1となるように設定する(勿論、濃度差は10n−10n-1よりも小さくても良い)。これにより、両者1,11間の濃度差は再結合の障害とはならない程度にまで最適化されるので、過剰キャリアとpE層1より注入されるキャリアとの再結合が一層促進され、ターンオフ過程におけるn-層9の過剰なキャリアの排出効率を格段に上げることが可能となり、テイル電流を急速に下げ、ターンオフ損失を大幅に減少させることを可能にする。この再結合消滅の促進を利用した、テイル損失低減化の効果は、従来のアノードエミッタショート構造における短絡による減少分よりも、格段に大きい。そのため、より一層の高耐電圧化・高周波数化の要求に対して、本構造は適用可能となる。
【0030】
尚、図1中のカソード電極層6とゲート電極層7とが逆の配置関係(ゲート電極層が中央領域に配置され、その外周にカソード電極層がある配置)であっても良い。
【0031】
(実施の形態2)
また、上記実施の形態1では、pnνpn構造において、n++層を追加することで過剰キャリアの再結合による消滅を促進させる場合について説明したが、この構造に従来のアノードエミッタショート構造を適用して、▲1▼過剰キャリアの再結合消滅と▲2▼アノード側への短絡による過剰キャリアの引き抜きという両効果を奏するようにすることもできる。即ち、n++層の一部にあたる所定部分をpE層を貫通するように延長形成して当該所定部分をアノード電極と接続することにより、n++層とpE層とを短絡する。これにより、アノードエミッタショート構造パターンが追加的に形成されて、上記実施の形態1と同様の効果と従来技術の効果とが同時に得られる。
【0032】
例えば、図3の斜視図とその縦断面図4に示すように、n++層11の任意の位置よりアノード電極層5に到達するまで延長形成された短絡パターン部11Cで以て、n++層11とpE層1とを短絡する(nE層4に対してドット状となるように、n++層11の延長部分11Cのパターンを形成する)。
【0033】
(実施の形態3)
本実施の形態は実施の形態2の変形例であり、アノード電極にまで延長形成したn++層11の所定部分の形成位置をnE層4との関係で特定したものである。
【0034】
図5の斜視図と、その縦断面図たる図6に示すように、n++層11とpE層1とを短絡するための短絡パターン部11Aを、nE層4の直下の位置においてnE層4の形成方向と平行な方向(D1)に形成する。
【0035】
これにより、実施の形態2の効果に加えて、次の効果が重畳して得られる。即ち、nE層4に対面した短絡パターン部11Aの面積が実施の形態2の場合と比べて大きくなるので、ターンオフ過程における過剰キャリアの排出効率をより一層高めることができる。
【0036】
(実施の形態4)
本実施の形態4も、実施の形態2の変形例であるが、(実施の形態3のメリットをやや減少させることにはなるが、)実施の形態3のデメリットを改善しようとする点にある。
【0037】
図7とその縦断面図8に示すように、n++層11の所定部分を延長形成してn++層11とpE層1とを短絡するときに、nE層4の直下位置よりnE層4の形成方向D1と直交する方向D2に沿って、n++層11の短絡パターン部11Bを形成する。
【0038】
これにより、ターンオフ過程での過剰キャリアの排出効率は実施の形態3よりもやや低下するが、nE層4に対面した短絡パターン部11Bの部分の面積が実施の形態3の場合よりも小さくなる分だけ、実施の形態3よりもターンオン過程での特性を改良することができる。
【0039】
【発明の効果】
請求項1〜3記載の発明によれば、過剰キャリア再結合促進用半導体層をバッファ層と第1エミッタ層との間に形成しており、かつ第1表面濃度>第2表面濃度>第3表面濃度>第4表面濃度の関係が成立しているので、ターンオフ時に第1ベース層内に生じた過剰キャリアと第1エミッタ層内のキャリアとの再結合がより一層促進され、この再結合消滅による過剰キャリアの排出効率が飛躍的に高められる結果、テイル電流の一層の減少が促進される。従って、より一層の高耐電圧化・高周波数化に対してもターンオフ損失の小さなゲートターンオフサイリスタを実現することができる。
【0040】
特に請求項2の発明では、バッファ層の第3表面濃度が適切に設定されているので、過剰キャリア再結合促進用半導体層は空乏層の電界による影響を受けないという効果を奏する。
【0041】
更に請求項3の発明によれば、第1エミッタ層と過剰キャリア再結合促進用半導体層との表面濃度差が(10n−10n-1)以下に設定されているので、両者の表面濃度差が小さく、より一層、過剰キャリアの再結合消滅を発生しやすくすることができるという効果を奏する。
【0042】
請求項4記載の発明によれば、過剰キャリア再結合促進用半導体層の所定部分と延長形成して第1電極層に接続しているので、第1電極層を介して過剰キャリア再結合促進用半導体層と第1エミッタ層が短絡され、第1ベース層中に生じた過剰キャリアを第1電極層へ引抜く経路が形成される。そのため、過剰キャリア再結合促進用半導体層自体を設けたことにより、過剰キャリアの再結合消滅の促進化と過剰キャリアの第1電極層側への引抜きという両効果が重畳して得られることとなり、ターンオフ時のより一層のテイル電流ないしテイル損失の減少化を図ることができる。
【0043】
請求項5記載の発明によれば、過剰キャリア再結合促進用半導体層の所定部分を特に第2エミッタ層に平行に形成しているので、過剰キャリア再結合促進用半導体層の内で第2エミッタ層と対面した部分の面積が増大する。その結果、ターンオフ時の過剰キャリア排出効率をより一層高めることができる。
【0044】
請求項6記載の発明によれば、過剰キャリア再結合促進用半導体層の所定部分を特に第2エミッタ層に直交するように形成しているので、過剰キャリア再結合促進用半導体層の内で第2エミッタ層と対面した部分を確保しつつ、その面積を請求項5の発明の場合よりも小さくすることができるので、ターンオフ時の過剰キャリア排出効率の増大化を図りつつ、ターンオン時の損失の増大をも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1のGTOサイリスタの素子構造を示す斜視図である。
【図2】 本発明における各層の拡散プロファイルを示す図である。
【図3】 実施の形態2のGTOサイリスタの素子構造を示す斜視図である。
【図4】 実施の形態2のGTOサイリスタの素子構造を示す縦断面図である。
【図5】 実施の形態3のGTOサイリスタの素子構造を示す斜視図である。
【図6】 実施の形態3のGTOサイリスタの素子構造を示す縦断面図である。
【図7】 実施の形態4のGTOサイリスタの素子構造を示す斜視図である。
【図8】 実施の形態4のGTOサイリスタの素子構造を示す縦断面図である。
【図9】 従来のGTOサイリスタの素子構造を示す斜視図である。
【図10】 従来のGTOサイリスタの素子構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 pE層、3 pB層、4 nE層、5 アノード電極層、6 カソード電極層、9 n-層、10 n+層、11 n++層、11A,11B,11C 短絡パターン部。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gate turn-off thyristor, and more particularly to a gate turn-off thyristor (hereinafter also abbreviated as a GTO thyristor) with reduced power loss.
[0002]
[Prior art]
GTO thyristors are required to have higher withstand voltages in the field of high withstand voltage and large current as self-extinguishing elements for electric power.
[0003]
However, high breakdown voltage GTO thyristors have large increases in both steady loss and switching loss, and reduction of these losses is required.
[0004]
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional GTO thyristor. In FIG. 9, 1 is a pE, 2 is an n layer, 3 is a pB layer, 4 is an nE layer, and 5 is a metal layer provided on the exposed surface of the pE layer 1 to form an anode electrode portion. 6 is a metal layer provided on the nE layer 4 and forms a cathode electrode portion as a cathode electrode layer.
[0005]
In the GTO thyristor of FIG. 9, the thickness W of the n layer or the n base layer 2 increases as the breakdown voltage increases. However, in general, the thickness W of the n base layer 2 and the ON voltage are in a proportional relationship. Therefore, when the thickness W of the n base layer 2 increases, the ON voltage increases, resulting in an increase in steady loss.
[0006]
In order to solve the above problem, a GTO thyristor as shown in FIG. 10 has been proposed. In the GTO thyristor of FIG. 10, the n + layer 9 and the n layer 10 form the equivalent of the n base layer 2 in FIG. 9, and the GTO thyristor in FIG. 10 is generally called a pnνpn structure. Is.
[0007]
In the pnνpn structure, since the n base of the pn base structure of FIG. 9 is formed by the low concentration n layer 9 and the high concentration n + layer 10, the thickness of the n base is the same under the same withstand voltage. There is an advantage that about 70% of the thickness in the case of FIG. That is, the steady loss is small in the pnνpn structure accordingly.
[0008]
On the other hand, the switching loss includes a turn-on loss and a turn-off loss. Of these, the turn-on loss is about 10% of the turn-off loss, and it is the turn-off loss that increases when the breakdown voltage of the device is increased. Nearly 90% of the turn-off loss is caused by tail loss, and this tail loss is caused by tail current.
[0009]
In the GTO thyristor turn-off process, the tail current draws excess carriers in the p base layer from the p gate layer, and remains in the n base layer when the main junction between the p base layer and the n base layer recovers. This is a current that flows when excess carriers disappear.
[0010]
Since the n base layer does not have a gate portion unlike the p base layer, excess carriers are not extracted from the gate portion, but disappear by recombination with carriers injected from the p emitter layer.
[0011]
When the device withstand voltage is increased, the impurity concentration of the n base layer is lowered and the thickness thereof must be increased, so that excessive carriers are increased. Moreover, in order to prevent the turn-on characteristics from being significantly impaired by increasing the thickness of the n base layer, the carrier lifetime of the n base layer must be set long. For these reasons, the higher the withstand voltage of the GTO thyristor, the higher the tail current and the higher the tail loss.
[0012]
In order to solve such problems, recently, a structure called an anode-emitter short structure has been proposed in the pnpn structure and the pnνpn structure of the conventional GTO thyristor. For example, such a structure is disclosed in JP-A-1-165169 (part 1), JP-A-4-23472 (part 1 (h)) or JP-A-4-112543 (part 1). (H) and Japanese Patent Laid-Open No. 1-318264 (part 1) thereof. In this structure, a part of the n base layer is extended so as to penetrate the p emitter layer and shorted to the anode electrode, and excess carriers in the n base layer during the tail time can be extracted from the anode electrode. This is the structure. Therefore, the anode-emitter short structure has an advantage that tail loss is small and, as a result, switching loss is small.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
A structure in which an anode-emitter short structure is applied to a pnνpn structure is applied as an effective method for reducing steady loss and switching loss which increase with the increase in withstand voltage of a GTO thyristor. However, since the method using a short circuit between the n + buffer layer and the p emitter layer is used there, in order to realize higher frequency in addition to higher voltage resistance, The problem of increased turn-off loss due to tail current comes up again.
[0014]
The present invention has been made to solve such a problem, and has a novel structure of a GTO thyristor that can realize a sufficient reduction in turn-off loss even for higher withstand voltage and higher frequency. Thus, it is possible to provide the conventional manufacturing method by adding only one step.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes a first emitter layer having a first conductivity type impurity having a first surface concentration, a first base layer having a second conductivity type impurity, and the first conductivity type impurity. In a gate turn-off thyristor in which a second base layer and a second emitter layer having an impurity of the second conductivity type are sequentially stacked, the first base layer has a second surface concentration of the second conductivity type. A semiconductor layer for promoting excess carrier recombination having impurities, a buffer layer having impurities of the second conductivity type having a third surface concentration, and a base body layer having impurities of the second conductivity type having a fourth surface concentration; And the relationship of the first surface concentration> the second surface concentration> the third surface concentration> the fourth surface concentration is established.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the gate turn-off thyristor according to the first aspect, the third surface concentration is such that an electric field of a depletion layer caused by a rated voltage does not affect the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination. It is characterized by being set to.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the gate turn-off thyristor according to the first or second aspect, if the first surface concentration is 10 n , a difference between the first surface concentration and the second surface concentration is (10 n The second surface concentration is set to be −10 n−1 ) or less.
[0018]
The invention according to claim 4 is the gate turn-off thyristor according to any one of claims 1 to 3, wherein the first emitter layer is formed on the first electrode layer, and the second electrode layer is the second emitter. The second emitter layer is laminated on a predetermined portion of the second base layer, and a predetermined portion corresponding to a part of the excess carrier recombination promoting semiconductor layer is formed on the first emitter layer. It penetrates and is connected with the 1st electrode layer, It is characterized by the above-mentioned.
[0019]
The invention according to claim 5 is the gate turn-off thyristor according to claim 4, wherein the predetermined portion of the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is formed immediately below the second emitter layer. It is characterized by being formed in a direction parallel to the direction.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the gate turn-off thyristor according to the fourth aspect, the predetermined portion of the excessive carrier recombination promoting semiconductor layer is formed immediately below the second emitter layer. It is formed in a direction orthogonal to the direction.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor device according to the present invention includes a pE layer (first emitter layer), an n ++ layer (excess carrier recombination promoting semiconductor layer), an n + layer (buffer layer), and an n layer (first base body layer). , PB layer (second base layer) and nE layer (second emitter layer) constitute a GTO thyristor element, and the six-layer structure and the conventional anode-emitter short structure are also optimized. It is a thing.
[0022]
(Embodiment 1)
The element structure of the GTO thyristor according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. The element structure of the thyristor is basically a pnνpn structure.
[0023]
As shown in the perspective view of FIG. 1, a pE layer 1 as a p-type emitter layer and an n-type semiconductor layer for promoting excess carrier recombination are formed on an anode electrode layer (metal layer) 5 that functions as an anode electrode. N ++ layer 11, n + layer 10 as an n-type buffer layer for blocking the electric field of the depletion layer, n layer 9 functioning as an n-type base layer body, and pB layer 3 as a p-type base layer In addition, nE layers 4 as n-type emitter layers are sequentially stacked. However, the nE layer 4 is laminated on the predetermined portion 3A of the pB layer 3 in parallel with the first direction D1. Reference numeral 6 denotes a metal layer provided on the nE layer 4 and forms a cathode electrode portion as a cathode electrode layer. 7 is a gate electrode layer laminated on the upper surface of the pB layer 3 other than the predetermined portion 3A in the first direction D1, and the portion of the pB layer 3 immediately below the gate electrode layer 7 functions as a p-type gate portion. To do. The n layer 9, the n + layer 10, and the n ++ layer 11 form an “n-type base layer (first base layer)”.
[0024]
The core of this structure is that an n ++ layer 11 is formed entirely between the pE layer 1 and the n + layer 10.
[0025]
The diffusion profile in this structure is shown in FIG. In FIG. 2, 1 ′ represents the surface concentration (first surface concentration) of the impurity of the pE layer 1, 9 ′ represents the surface concentration of the n layer 2 (fourth surface concentration), and 3 ′ represents the surface concentration of the pB layer 3. 4 ′ is the surface concentration of the nE layer 4, 10 ′ is the surface concentration of the n + layer 10 (third surface concentration), 11 ′ is the surface concentration of the n ++ layer 11 (second surface concentration), Each is shown schematically. As is clear from FIG. 2, in this structure, the relationship 1 ′> 11 ′> 10 ′> 9 ′ is established, and the relationship described later is established between the surface concentrations 1 ′ and 11 ′.
[0026]
The surface concentration 10 ′ of the n layer 10 shown in FIG. 2 is a minimum surface concentration such that the electric field of the depletion layer generated in the n base layer does not reach the formation part of the n ++ layer 11 with respect to the rated voltage. Is set.
[0027]
The method for forming the element having the structure shown in FIG. 1 is realized by providing only one step of forming the n ++ layer 11 compared to the conventional method for manufacturing the pnνpn structure. That is, the pB layer 3 is formed by diffusion on the second main surface on the cathode side of the n layer silicon substrate 20, and then the n + diffusion layer is formed from the first main surface on the anode side of the substrate 20, An n layer 9 is obtained. Next, an nE layer 4 is formed on the predetermined portion 3A of the pB layer 3, and an n ++ layer 11 having a higher concentration than the n + layer 10 is formed by diffusing a larger amount of n-type impurities than the first main surface. Then, the pE layer 1 having a higher concentration is formed. Thereafter, the electrode layers 5, 6, and 7 are formed. Thus, with respect to the conventional pnνpn structure constituted by five layers of the pE layer, the n + layer, the n layer, the pB layer, and the nE layer, the n + is interposed between the pE layer 1 and the n + layer 10. A + layer 11 is formed.
[0028]
In order to achieve a further reduction in turn-off loss for higher withstand voltage and higher frequency, it is necessary to accelerate recombination of excess carriers generated in the n base layer more quickly. It is necessary, and the conventional technique of extracting excess carriers to the anode electrode side cannot be considered as a fundamental solution. However, in the conventional pnνpn structure, since the concentration difference between the surface concentration of the pE layer 1 and the surface concentration of the n + layer 10 is 10 4 or more, this concentration difference causes excessive carrier discharge ( This is a cause of inhibiting recombination).
[0029]
In the present invention, focusing on this point, annihilation due to recombination of the excess carriers is promoted, and a further rapid decrease in tail current is promoted. That is, when the surface concentration 11 ′ of the n ++ layer 11 formed in a stacked manner between the pE layer 1 and the n + layer 10 is 10 n and the surface concentration 1 ′ of the pE layer 1 is 10 n , the concentration is 10 n−. 1 so that the difference between the surface concentration 1 ′ of the pE layer 1 and the surface concentration 11 ′ of the n ++ layer 11 is 10 n −10 n−1 (of course, the concentration difference is 10 n -10 n-1 may be smaller). As a result, the concentration difference between the both 1 and 11 is optimized to such an extent that it does not hinder recombination, so that recombination between excess carriers and carriers injected from the pE layer 1 is further promoted, and the turn-off process is performed. It is possible to significantly increase the discharge efficiency of excess carriers in the n layer 9 at, thereby reducing the tail current rapidly and greatly reducing the turn-off loss. The effect of reducing tail loss by utilizing the promotion of recombination annihilation is much larger than the reduction due to short-circuit in the conventional anode-emitter short structure. For this reason, the present structure can be applied to demands for higher withstand voltage and higher frequency.
[0030]
Note that the cathode electrode layer 6 and the gate electrode layer 7 in FIG. 1 may have an opposite arrangement relationship (an arrangement in which the gate electrode layer is arranged in the central region and the cathode electrode layer is disposed on the outer periphery thereof).
[0031]
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case where annihilation due to recombination of excess carriers is promoted by adding an n ++ layer in the pnνpn structure has been described. However, a conventional anode emitter short structure is applied to this structure. Thus, both (1) excess carrier recombination annihilation and (2) excess carrier extraction by short circuit to the anode side can be achieved. That is, a predetermined portion corresponding to a part of the n ++ layer is formed so as to penetrate the pE layer, and the predetermined portion is connected to the anode electrode, thereby short-circuiting the n ++ layer and the pE layer. As a result, an anode-emitter short structure pattern is additionally formed, and the same effect as in the first embodiment and the effect of the prior art can be obtained simultaneously.
[0032]
For example, as shown in the longitudinal sectional view 4 and the perspective view of FIG. 3, Te than short-circuit pattern portion 11C which is extended and formed to reach the anode electrode layer 5 from any position n ++ layer 11, n + The + layer 11 and the pE layer 1 are short-circuited (the pattern of the extended portion 11C of the n ++ layer 11 is formed so as to form a dot shape with respect to the nE layer 4).
[0033]
(Embodiment 3)
The present embodiment is a modification of the second embodiment, and the formation position of a predetermined portion of the n ++ layer 11 extended to the anode electrode is specified in relation to the nE layer 4.
[0034]
As shown in the perspective view of FIG. 5 and FIG. 6 which is a longitudinal sectional view thereof, the short-circuit pattern portion 11A for short-circuiting the n ++ layer 11 and the pE layer 1 4 is formed in a direction (D1) parallel to the forming direction of 4.
[0035]
Thereby, in addition to the effect of Embodiment 2, the following effect is obtained by superimposing. That is, since the area of the short-circuit pattern portion 11A facing the nE layer 4 is larger than that in the second embodiment, the excess carrier discharging efficiency in the turn-off process can be further increased.
[0036]
(Embodiment 4)
The fourth embodiment is also a modification of the second embodiment, but it is intended to improve the demerits of the third embodiment (although the merits of the third embodiment will be slightly reduced). .
[0037]
As shown in FIG. 7 and its longitudinal cross-sectional view 8, when short-circuiting the n ++ layer 11 and the pE layer 1 to extend forming a predetermined portion of the n ++ layer 11, nE directly below the position of the nE layer 4 A short-circuit pattern portion 11B of the n ++ layer 11 is formed along a direction D2 orthogonal to the formation direction D1 of the layer 4.
[0038]
As a result, the excess carrier discharging efficiency in the turn-off process is slightly lower than that in the third embodiment, but the area of the short-circuit pattern portion 11B facing the nE layer 4 is smaller than that in the third embodiment. Only the characteristics in the turn-on process can be improved as compared with the third embodiment.
[0039]
【The invention's effect】
According to the first to third aspects, the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is formed between the buffer layer and the first emitter layer, and the first surface concentration> the second surface concentration> the third. Since the relationship of surface concentration> fourth surface concentration is established, recombination between excess carriers generated in the first base layer and carriers in the first emitter layer at the time of turn-off is further promoted, and this recombination disappears. As a result, the discharge efficiency of excess carriers can be drastically increased. As a result, the tail current can be further reduced. Therefore, it is possible to realize a gate turn-off thyristor with a small turn-off loss even for higher withstand voltage and higher frequency.
[0040]
In particular, in the invention of claim 2, since the third surface concentration of the buffer layer is set appropriately, the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is not affected by the electric field of the depletion layer.
[0041]
According to the invention of claim 3, since the surface concentration difference between the first emitter layer and the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is set to (10 n -10 n-1 ) or less, There is an effect that the difference is small and the recombination annihilation of excess carriers can be more easily generated.
[0042]
According to the fourth aspect of the present invention, the excessive carrier recombination promoting semiconductor layer is formed to extend with a predetermined portion and connected to the first electrode layer. The semiconductor layer and the first emitter layer are short-circuited, and a path for extracting excess carriers generated in the first base layer to the first electrode layer is formed. Therefore, by providing the excessive carrier recombination promoting semiconductor layer itself, both the effects of promoting the recombination annihilation of excess carriers and drawing the excess carriers to the first electrode layer side are obtained in a superimposed manner. Further reduction in tail current or tail loss at turn-off can be achieved.
[0043]
According to the fifth aspect of the present invention, since the predetermined portion of the excess carrier recombination promoting semiconductor layer is formed in parallel with the second emitter layer, the second emitter is included in the excess carrier recombination promoting semiconductor layer. The area of the part facing the layer increases. As a result, the excess carrier discharge efficiency at turn-off can be further increased.
[0044]
According to the sixth aspect of the present invention, the predetermined portion of the excess carrier recombination promoting semiconductor layer is formed so as to be orthogonal to the second emitter layer in particular. 2 The area facing the emitter layer can be secured and the area can be made smaller than in the case of the invention of claim 5, so that the excess carrier discharge efficiency at the turn-off is increased and the loss at the turn-on is reduced. An increase can also be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an element structure of a GTO thyristor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a diffusion profile of each layer in the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing an element structure of a GTO thyristor according to a second embodiment.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing an element structure of a GTO thyristor according to a second embodiment.
5 is a perspective view showing an element structure of a GTO thyristor according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing an element structure of a GTO thyristor according to a third embodiment.
7 is a perspective view showing an element structure of a GTO thyristor of Embodiment 4. FIG.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing an element structure of a GTO thyristor according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a perspective view showing an element structure of a conventional GTO thyristor.
FIG. 10 is a perspective view showing an element structure of a conventional GTO thyristor.
[Explanation of symbols]
1 pE layer, 3 pB layer, 4 nE layer, 5 anode electrode layer, 6 cathode electrode layer, 9 n layer, 10 n + layer, 11 n ++ layer, 11A, 11B, 11C short-circuit pattern portion.

Claims (6)

第1導電型の第1表面濃度の不純物を有する第1エミッタ層と、第2導電型の不純物を有する第1ベース層と、前記第1導電型の不純物を有する第2ベース層と、前記第2導電型の不純物を有する第2エミッタ層とが順次に積層形成されたゲートターンオフサイリスタにおいて、
前記第1ベース層は、
第2表面濃度の前記第2導電型の不純物を有する過剰キャリア再結合促進用の半導体層と、
第3表面濃度の前記第2導電型の不純物を有するバッファ層と、
第4表面濃度の前記第2導電型の不純物を有するベース本体層との順次の積層によって形成されており、
前記第1表面濃度>前記第2表面濃度>前記第3表面濃度>前記第4表面濃度の関係が成立することを特徴とする、
ゲートターンオフサイリスタ。
A first emitter layer having a first conductivity type impurity having a first surface concentration; a first base layer having a second conductivity type impurity; a second base layer having the first conductivity type impurity; In a gate turn-off thyristor in which a second emitter layer having two conductivity type impurities is sequentially stacked,
The first base layer includes
A semiconductor layer for promoting excess carrier recombination having an impurity of the second conductivity type at a second surface concentration;
A buffer layer having impurities of the second conductivity type at a third surface concentration;
Formed by sequential stacking with the base body layer having the second conductivity type impurity of the fourth surface concentration,
The relationship of the first surface concentration> the second surface concentration> the third surface concentration> the fourth surface concentration is satisfied,
Gate turn-off thyristor.
請求項1に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、
前記第3表面濃度は、定格電圧によって生じる空乏層の電界が前記過剰キャリア再結合促進用半導体層に影響を与えないように設定されていることを特徴とする、
ゲートターンオフサイリスタ。
The gate turn-off thyristor according to claim 1,
The third surface concentration is set so that an electric field of a depletion layer caused by a rated voltage does not affect the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination,
Gate turn-off thyristor.
請求項1又は2に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、
前記第1表面濃度を10nとすると、前記第1表面濃度と前記第2表面濃度との差が(10n−10n-1)以下となるように前記第2表面濃度が設定されていることを特徴とする、
ゲートターンオフサイリスタ。
The gate turn-off thyristor according to claim 1 or 2,
When the first surface concentration is 10 n , the second surface concentration is set such that the difference between the first surface concentration and the second surface concentration is (10 n -10 n-1 ) or less. It is characterized by
Gate turn-off thyristor.
請求項1ないし3の何れかに記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、
前記第1エミッタ層は第1電極層の上に積層形成され、
第2電極層は前記第2エミッタ層の上に積層形成され、
前記第2エミッタ層は前記第2ベース層の所定部分上に積層形成され、
前記過剰キャリア再結合促進用半導体層の一部に当たる所定部分が前記第1エミッタ層を貫通して前記第1電極層と接続されていることを特徴とする、
ゲートターンオフサイリスタ。
The gate turn-off thyristor according to any one of claims 1 to 3,
The first emitter layer is stacked on the first electrode layer;
A second electrode layer is formed on the second emitter layer;
The second emitter layer is stacked on a predetermined portion of the second base layer,
A predetermined portion corresponding to a part of the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is connected to the first electrode layer through the first emitter layer,
Gate turn-off thyristor.
請求項4に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、
前記過剰キャリア再結合促進用半導体層の前記所定部分は前記第2エミッタ層の直下に於いて前記第2エミッタ層の形成方向と平行な方向に形成されていることを特徴とする、
ゲートターンオフサイリスタ。
The gate turn-off thyristor according to claim 4,
The predetermined portion of the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is formed immediately below the second emitter layer and in a direction parallel to the formation direction of the second emitter layer,
Gate turn-off thyristor.
請求項4に記載のゲートターンオフサイリスタにおいて、
前記過剰キャリア再結合促進用半導体層の前記所定部分は前記第2エミッタ層の直下に於いて前記第2エミッタ層の形成方向と直交する方向に形成されていることを特徴とする、
ゲートターンオフサイリスタ。
The gate turn-off thyristor according to claim 4,
The predetermined portion of the semiconductor layer for promoting excess carrier recombination is formed in a direction perpendicular to a forming direction of the second emitter layer immediately below the second emitter layer.
Gate turn-off thyristor.
JP10144397A 1997-04-18 1997-04-18 Gate turn-off thyristor Expired - Lifetime JP3962120B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10144397A JP3962120B2 (en) 1997-04-18 1997-04-18 Gate turn-off thyristor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP10144397A JP3962120B2 (en) 1997-04-18 1997-04-18 Gate turn-off thyristor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10294451A JPH10294451A (en) 1998-11-04
JP3962120B2 true JP3962120B2 (en) 2007-08-22

Family

ID=14300842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP10144397A Expired - Lifetime JP3962120B2 (en) 1997-04-18 1997-04-18 Gate turn-off thyristor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3962120B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JPH10294451A (en) 1998-11-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0794578B1 (en) Diode and power converting apparatus
US6054748A (en) High voltage semiconductor power device
JP5725083B2 (en) Semiconductor device
JP3968912B2 (en) diode
JP3417013B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
JPH1074959A (en) Power semiconductor device
KR100726899B1 (en) Semiconductor devices
EP3948956A1 (en) Segmented power diode structure with improved reverse recovery
JP2743057B2 (en) Semiconductor device
JP2950025B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
US11374091B2 (en) Semiconductor device
JPH11274516A (en) Power semiconductor device
JP2970774B2 (en) Semiconductor device
US5491351A (en) Gate turn-off thyristor
EP1713128B1 (en) IGBT and electric power conversion device using it
JP3962120B2 (en) Gate turn-off thyristor
JP3409503B2 (en) Diode, diode driving method, and semiconductor circuit
JPH07202226A (en) Power semiconductor device
JP2504609B2 (en) Semiconductor device
JP7524589B2 (en) Semiconductor Device
JPH04287373A (en) gate turn off thyristor
JP2907693B2 (en) Soft recovery diode
JP2827523B2 (en) Semiconductor device
JPH06291320A (en) Insulated gate bipolar transistor
JPH04111357A (en) Thyristor with a cathode short circuit

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050225

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070515

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070518

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100525

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110525

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110525

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120525

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120525

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130525

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140525

Year of fee payment: 7

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term