JPS5932904B2 - 双方向性ホトサイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光トリガ−信号により双方向にスイッチング動
作する双方向性ホトサイリスタに関する。

トリガ−信号により双方向にスイッチング動作する双方
向性サイリスタは、通常、交互に導電性の異なる連続し
た５層を有し、これら５層は両外側層を一方の端層とす
る互いに逆極性の一対の４層領域を形成してなる半導体
基体と、半導体基体のそれぞれの外側層と隣接中間層に
オーミック接触する一対の主電極と、トリガ−信号を付
与する手段とを具備している。かかるサイリスタは、主
電極間に一方の主電極が他方の主電極より高電位となる
電圧が印加された状態でトリガ−信号を付与すると、一
方の主電極から他方の主電極に向う方向が順方向となる
４層領域が導通状態となり、逆に主電極間に他方の主電
極が一方の主電極より高電位となる電圧が印加された状
態でトリカー信号に付与すると、他方の主電極から一方
の主電極に向う方向が順方向となる４層領域が導通状態
となるように動作する。トリカー信号を付与する手段と
しては、半導体基体のいずれかの層へゲート電極を設け
、このゲート電極からゲート信号電流を流して装置をス
イツチング動作させるいわゆる電気ゲート方式が一般的
である。

しかしながら電気ゲート方式には次のような欠点がある
。（１）対称的な双方向スイツチング動作をさせるには
ゲート電極を２個設ける必要があり、そのために互いに
電気的に絶縁された２個のゲート回路を必要とする。（
２）ゲート電極を１個にする場合には、ゲート電極を２
個の４層領域に近接した個所に設け、しかもゲート電極
を設けた主表面とは反対側の主表面に露出する外側層の
一部を積層方向に投影したときにゲート電極が接触して
いる部分と重り合うように形成することから、転流時に
おいてゲート信号電流が付与される前に導通状態になる
いわゆる誤点弧をするおそれがある。（３）またゲート
電極が１個の場合には、対称的なスイツチング特性を得
るのが難しい。（４）２個の４層．領域相互間の干渉作
用を防止するために、４層領域相互間に積層方向に投影
したとき両外側層が所定距離だけ離れ中間の３層領域に
よつて隔離領域を形成することが行なわれているが隔離
領域を形成する場合にはゲート電極は２個必要となり（
１）で述べた欠点がある。（５）誘導作用による誤点弧
のおそれがある。以上述べた電気ゲート方式の欠点のた
め、これまで双方向性スイツチング動作をする双方向性
サイリスタは高い信頼性の要求されない用途に限られ、
また電流電圧容量の小さいものが殆んどであつた。

トリカー信号を付与する手段として最近注目されている
ものに、半導体基体へトリカー信号を光に変換して照射
することによりスイツチング動作させる。

いわゆる光トリカー方式がある。光トリカー方式は電気
トリカー方式に比較して、（１）電気的に隔離して配置
した２個の４層領域をこれらと電気的に絶縁した１個の
光源により点弧できるためゲート回路が１個でよい。（
２）双方向サイリスタの回路とゲート回路とが電気的に
絶縁されているため、サイリスタを高電圧回路へ適用す
るのが容易である、（３）誘導作用による誤点弧のおそ
れがない等の利点がある。しかしながら、光トリカー方
式においても次のような欠点がある。第１の欠点は２個
の４層領域の点弧感度の不均衡の問題である４層領域を
光点弧する場合、点弧に有効なキヤリアの発生領域は逆
バイアスされた中央接合の近傍であり、光点弧感度を向
上するためには光を中央接合の近傍に照射する必要があ
る。半導体基体の一方の主表面から光を照射して２個の
４層領域を点弧させようとする場合、２個の４層領域の
点弧に有効なキヤリアの発生領域となる逆バイアスされ
た中央接合と光源との距離は５層のうちの中央層の厚さ
だけ異なる。光源から遠い接合をもつ４層領域において
は、照射された光が中央層内において吸収され指数関数
的に減衰するため、その光点弧感度は光源に近い中央接
合をもつ４層領域より著しく低下する。この点弧感度の
不均衡を除去するためには、半導体基体の一対の主表面
相互を連絡する側端面に光を照射するか或いは両主表面
に光を照射することが考えられる。前者の場合には光源
（照射面積）を大きくするか或いは２個にしなければ点
弧しないという欠点があり、後者の場合には光源が２個
必要となる他に装置の構造上採用することが難しいとい
う欠点がある。これが第２の欠点である。前者の場合の
欠点を補足説明するならば、双方向性サイリスタは主電
極によつて外側層と隣接中間層とが短絡された構造を採
ることから、２個の４層領域が隣接している個所にその
照射によつて電子正孔対が生じたとしても、それは外側
層へは流入せず殆んど中間層から直接主電極に引き出さ
れ点弧には何ら寄与しなくなり従つて光トリカー信号に
て双方向性サイリスタを点弧する場合には２個の４層領
域の隣接個所から離れた個所でそれぞれの４層領域毎に
光トリカー信号を付与する必要がある。そのためには光
源を２個設けるか或いは照射面積の広い光源を使用する
ことになるのである。第３の欠点は転流時の誤点弧を防
止しようとすれば点弧感度の低下或いは２個の光源を必
要とすることである。双方向性サイリスタにおいては、
一方のサイリスタが導通状態から非導通状態になり他方
のサイリスタが非導通状態から導通状態に移行するいわ
ゆる転流時に一方のサイリスタの残留蓄積キヤリアの影
響によつて他方のサイリスタがトリカー信号の付与され
る前に点弧するという好ましくない特性を有している。
これを改善するため両サイリスタ間にサイリスタとして
動作しない隔離領域を形成し更にその領域に重金属原子
を分布させることが知られている。これは重金属原子を
分布しない時には隔離領域の幅が大きくなり半導体基体
の利用率が低下するためである。このような双方向性サ
イリスタでは、隔離領域におけるキヤリアのライフタイ
ムが短いこと及び前述した理由から、隔離領域から離れ
た個所即ち各サイリスタ毎にトリカー信号用の光源を必
要とする。現在の技術では半導体基体が比較的厚い場合
には隔離領域のみに重金属原子を分布させることは難し
く、普通は半導体基体全体に重金属原子を分布させてい
る。このような場合には光トリカー信号をいずれの個所
に付与してもキヤリアのライフタイムが短いため光量を
多くしないと点弧できないのである。以上のような欠点
のため光トリカー方式は電気トリカー方式に比較して優
れた点があるにも拘わらず、高耐圧、大電流の双方向性
サイリスタのトリカー方式として採用されていないので
ある。本発明の目的は、同一の光源からの光トリカー信
号によつて点弧する対称的な双方向電流一電圧特性をも
ち、双方向に略等しい光点弧感度をもつ新規な双方向性
ホトサイリスタを提供することにある。

本発明の別な目的は、転流時の誤点弧のおそれのない新
規な双方向性ホトサイリスタを提供することにある。

本発明の更に別な目的は、高耐圧、大電流の回路に適用
可能な新規な双方向性ホトサイリスタを提供することに
ある。

かかる目的を達成する本発明双方向性ホトサイリスタの
特徴とするところは、互いに極性が逆で特性の略等しい
２個のサイリスタ部分を近接配置し、各サイリスタ部分
の互いに近接している個所のベベリングした側面に光ト
リカー信号を照射するようにした点にある。

これによつて、同一光源からの光トリカー信号により双
方向に略等しい光点弧感度を有する双方向性ホトサイリ
スタの実現を可能にする。本発明双方向性ホトサイリス
タの他の特徴とするところは、互いに極性の逆な２個の
サイリスタ部分相互間を分離した点にある。これによつ
て、転流耐量の高い高耐圧、大電流の双方向性ホトサイ
リスタの実現を可能にする。本発明双方向性ホトサイリ
スタの更に他の特徴は、以下の実施例の説明より明らか
となろう。第１図及び第２図は本発明双方向性ホトサイ
リスタの第１の実施例で、１は互いに反対側に位置する
一対の主表面１１，１２及び主表面相互を連絡する側端
面１３を有し、主表面間に隣接層間にＰＮ接合を形成す
る如く交互に導電性の異なるＮＥ，，ＰＢｌ，ＮＢ，，
ＰＥｌの４層を具備する第１の半導体基体部分、２は互
いに反対側に位置する一対の主表面２１，２２及び主表
面相互を連絡する側端面２３を有し、主表面間に隣接層
間にＰＮ接合を形成する如く交互に導電性の異なるＮＥ
，，ＰＢ，，ＮＢ２，ＰＥ２の４層を具備する第２の半
導体基体部分で、これら両部分の各層は図面に示されて
いるように、ＮＥｌとＮＥ２，ＰＥｌとＰＢ２，ＮＢｌ
とＮＢ２，ＰＢｌとＰＥ２とが略等しい厚さに形成され
ている。

これは後述するように同一半導体板を出発母材として両
部分を形成することによつて達成される。勿論各層の濃
度も結果的に略等しくなる。３及び４は第１の半導体基
体部分１の主表面においてＰＥｌ層及びＮＥｌ層とＰＢ
ｌ層にそれぞれオーミツク接触したアノード電極及びカ
ソード電極、５及び６は第２の半導体基体部分２の主表
面においてＰＥ２層及びＮＥ２層とＰＢ２層にそれぞれ
オーミツク接触したアノード電極及びカソード電極であ
る。

カソード電極４とアノード電極５とは図示してないが電
気的に接続されている。７はその上に第１及び第２の半
導体基体部分を互いに極性が逆となるように即ち第１の
半導体基体部分１はアノード電極３が、第２の半導体基
体部分２はカソード電極６がそれぞれ下側となるように
し、かつ互いに接近して載置する補助支持板である。

第１の半導体基体部分はアノード電極３を設けた主表面
１１がカソード電極４を設けた主表面１２より広面積と
なるように側端面１３が主表面に対し傾斜し、第２の半
導体基体部分２はカソード電極６を設けた主表面２２が
アノード電極５を設けた主表面２１より広面積となるよ
うに側端面２３が主表面に対し傾斜しているこのため第
１及び第２の半導体基体部分相互間にはＶ字形の溝８が
形成される。この字形の溝８を形成している両側端面部
分にはすべてのＰＮ接合が露出している。９はＶ字形の
溝８の表面の一部に光トリカー信号を照射するための光
源である。

光源９としては、発光ダイオードの如き固体発光素子を
半導体基体に接近して配置してもよいし、装置を収容す
るパツケージに窓を設けて外部光源を窓を通じて照射さ
せてもよいし、更に例えばフアイバースコープの如き光
伝達部材を用いて光を照射してもよい。図では、半導体
基体部分表面を安定に保持するためのパシベーシヨン膜
及び装置を収容するパツケージは省略してある。かかる
双方向性ホトサイリスタは、同一の半導体基板に極性の
逆な２個の４層領域を形成した後両領域相互間に溝８を
形成して分離することによつて製作することが出来る。

すなわち、よく知られているようにＮ型シリコン基板を
用意し、その両主表面からＰ型不純物を拡散してＰＢ，
，ＰＥｌ，ＰＥ２，ＰＢ２を同時に形成する。その後、
両主表面からＮ型不純物を選択拡散してＮＥｌ，ＮＥ２
を同時に形成する。その後溝８を形成する。これによつ
て、特性の揃つた２個の半導体基体部分が得られるこの
製法は２個の半導体基体部分（サイリスタ部分）の特性
を揃えること及び作業性から好ましい。次にかかる構成
の双方向性ホトサイリスタの作用を説明する。

まず、電極４，５が電極３，６より負電位となるような
電圧が印加され、第１の半導体部分ではＮＥｌ層とＰＢ
ｌ層との間のＰＮ接合Ｊｌｌ及びＮＢ，層とＰＥ，層と
の間のＰＮ接合Ｊ，３が順バイアスされＰＢｌ層とＮＢ
ｌ層との間のＰＮ接合Ｊｌ２が逆バイアス状態となり、
第２の半導体基体部分ではＰＢ２層とＮＢ２層との間の
ＰＮ接合Ｊ２２が順バイアスされＮＥ２層とＰＢ２層と
の間のＰＮ接合Ｊ２，及びＮＢ２層とＰＥ２層との間の
ＰＮ接合占．が遊督アス状態となつている場合を説明す
る。この状態で光源９より溝８の表面へトリカー信号と
しての光を照射すると順阻止状態にある第１の半導体基
体部分が点弧する。その点弧機構を詳述する。光の照射
によつてＰＮ接合Ｊ，２の溝８に露出する個所付近に電
子正孔対が生成し、電子はＮＢ，層へ正孔はＰＢ，層に
それぞれ集められる。ＰＢｌ層に集まつた正孔はＰＢ，
層の電位を次第に下げ、ＰＮ接合Ｊｌｌの右端において
接合に加わる電圧が障壁電圧（Ｂｕｉｌｔ−１ｎｕ０１
ｔａｇｅ）より高くなると、その個所においてＮＥｌ層
よりＰＢｌ層へ電子の注入が開始される。ＰＢｌ層に注
入された電子はＰＮ接合Ｊｌ２を通りＮＢ，層内に拡散
するこの電子の拡散によつてＮＢｌ層の電位が上がりＰ
Ｎ接合Ｊｌ３のバイアス電圧が障壁電圧以上になるとＰ
Ｅｌ層よりＮＢｌ層へ正孔が注入される注入された正孔
はＮＢｌ層からＰＢｌ層へ拡散しＰＮ接合Ｊ，，を順バ
イアスする。これによつてＮＥｌ層からの電子の注入が
促進される。以上の動作がくり返され各トランジスタと
しての電流増幅率の和α１仔＋αＮＰＮが１より大きく
なるとＮＥｌ，ＰＢ，，ＮＢｌ，ＰＥｌからなる４層領
域が導通状態となる。次に電極４，５が電極３，６より
正電位となるような電圧が印加された場合には、順阻止
状態となる第２の半導体基体部分において上述したと同
様の動作がくり返され、ＮＥ２，ＰＢ２，ＮＢ２，ＰＥ
２からなる４層領域が導通状態となる。以上の説明から
明らかなように、本発明双方向性サイリスタは２個の半
導体基体部分間にそれぞれ中央接合Ｊｌ２，Ｊ２２が露
出する溝が形成されその溝にトリカー信号としての光を
照射してそれぞれの半導体基体部分をスイツチング動作
させるものであるため、同一光源によつて双方向に略等
しい感度にてスイツチング動作させることが可能となる
ｏまた、本発明双方向性ホトサイリスタによれば、２個
の半導体基部分相互間に溝が形成されて両部分を隔離し
ているため転流時における残留キヤリアによる誤点弧が
なくなり、転流耐量を高くすることが可能となる。

更に、本発明双方向性ホトサイリスタによれば、各半導
体基体部分のＰＮ接合（耐圧を持たせる）の露出する側
端面がＰＮ接合に対して傾斜した構成となつているため
転流時における残留キヤリアによる誤点弧がなくなり、
転流耐量を高くすることが可能となる。更に、本発明双
方向性ホトサイリスタによれば、各半導体基体部分のＰ
Ｎ接合（耐圧を持たせる）の露出する側端面がＰＮ接合
に対して傾斜した構成となつているため、高耐圧化を図
ることが可能となる。更にまた、本発明双方向性ホトサ
イリスタによれば、光トリカー信号を付与する個所が側
端面であり主表面全面に電極を取付けることができ従つ
て半導体基体の利用率が高くなり小形で電流容量の大き
い装置を得ることが可能となる。第３図は本発明双方向
性ホトサイリスタの第２の実施例で、第１の実施例に比
較して耐圧の高い装置を提供する・ものである。各部の
符号は第１の実施例と同じとした。半導体素子の高耐圧
化を図る１つの手段としてＰＮ接合の露出する半導体基
体の側端面をＰＮ接合に対して傾斜させるいわゆるベベ
リングが知られている。ベベリングにはＰＮ接合の不純
物濃度の高い側のＰＮ接合と平行な断面積が反対側より
大きくなるように側端面を傾斜させる場合と、逆に傾斜
させる場合とがあり前者を正ベベリング、後者を負ベベ
リングと称している。そして同一の耐圧を得る場合にＰ
Ｎ接合と側端面とのなす角度（ベベル角）は、負ベベリ
ングの場合が正ベベリングの場合よりも著しく小さいこ
とも知られている。第１の実施例のように側端面を同一
ベベル角にて傾斜させると負ベベリングとなるＰＮ接合
Ｊｌ２，Ｊ２３によつて装置の耐圧が低く決められる。
第２の実施例は負ベベリングとなるＰＮ接合Ｊｌ２，Ｊ
２３のベベル角を正ベベリングとなるＰＮ接合Ｊｌ３，
Ｊ２２のベベル角より小さくし、負ベベリングされたＰ
Ｎ接合の耐圧を正ベベリングされたＰＮ接合の耐圧に近
づけ、これによつて装置の耐圧を高める構造としてある
。このような形状の溝はサンドブラスト法によつても形
成できるが、エツチング法を使用するのが好ましい。エ
ツチング法を用いる場合にはまず負ベベリングのための
浅い溝を形成し、次に正ベベリングのための深い溝を形
成すればよい。１０は側端面を被覆する例えがシリコン
ゴム、ガラスのような絶縁物である。

次に本発明の効果を数値例により説明する。

本発明による装置として第３図に示す構造で８００Ｖ１
１００Ａの双方向性ホトサイリスタを試作した。半導体
基体の径１．６礪、厚さ３５０μ、溝の上端の幅２．２
ｍ１である。試作ホトサイリスタは０．１Ｗ（光出力１
０ｍＷ）の半導体発光素子からの光トリカー信号により
双方向にスイツチング動作し、電流減少率１００Ａ／μ
ｓのとき１００Ｖ／μｓ以上の転流Ｄｖ／Ｄｔ耐量を備
えていることを確認した。これに対し、電気ゲート方式
を採用した３Ａ，２００Ｖ双方向性サイリスタにおける
、双方向にスイツチングさせるに必要なゲート電力３．
５ｖＸ３００ｍＡであり、転流時におけるＤｖ／Ｄｔ耐
量は電流減少率が１Ａ／μｓのときでも高々２０Ｖ／μ
ｓである。この場合２個のサイリスタ間には幅約１ｍ１
Ｌの隔離領域が形成されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明双方向性ホトサイリスタの第１の実施例
を示す平面図、第２図は第１図の−線に沿う断面図、第
３図は本発明の第２の実施例を示す断面図、第４図は本
発明の第３の実施例を示す断面図である。 １・・・・・・第１の半導体基体部分、２・・・・・・
第２の半導体基体部分、３，４，５，６・・・・・・電
極、７・・・・・・補助支持板、８・・・・・・溝、９
・・・・・・光源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ （ａ）互いに反対側に位置する一対の主表面をもち
   、主表面間に交互に導電型の異なるＰＮＰＮの連続した
   ４層をもつ第１の半導体基体部分と、（ｂ）第１の半導
   体基体部分と近傍して配置され、互いに反対側に位置す
   る一対の主表面をもち、主表面間に交互に導電型の異な
   るＮＰＮＰの連続した４層をもつ第２の半導体基体部分
   と、（ｃ）第１の半導体基体部分及び第２の半導体基体
   部分とをそれぞれの一方の主表面側で支持する支持部材
   と、（ｄ）第１の半導体基体部分の一方の主表面に露出
   する外側のＰ層と第２の半導体基体部分の一方の主表面
   に露出する外側のＮ層とを電気的に接続する第１の電極
   手段と、（ｅ）第１の半導体基体部分の他方の主表面に
   露出する外側のＮ層と第２の半導体基体部分の他方の主
   表面に露出する外側のＰ層とを電気的に接続する第２の
   電極手段と、（ｆ）第１の半導体基体部分及び第２の半
   導体基体部分にそれぞれの他方の主表面側より光トリガ
   ー信号を照射する手段と、を具備するものにおいて、第
   １及び第２の半導体基体部分は、一方導電型の半導体基
   板の両主表面の略全面から他方導電型の不純物を、次に
   両主表面の選ばれた面から一方導電型の不純物を順次拡
   散した後、それぞれの部分が主表面と平行をなす断面積
   が他方の主表面から一方の主表面に向つて大きくなるよ
   うな形状に分割することによつて形成され、光トリガー
   信号は第１の半導体基体部分及び第２の半導体基体部分
   に互いに近接した個所の両主表面を連絡する側面に照射
   するようにしたことを特徴とする双方向性ホトサイリス
   タ。