JPS6016106B2 - 半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は交互に逆の導電形を示す少なくとも二つの帯域
を有し、そのアノード側の外側表面には全面にァノード
電極が結合されている半導体素体を備え、半導体素体中
には再結合中心を有し、カソード側の外側表面に再結合
中心に対してゲッタリング作用のある少なくとも一つの
層を備える半導体素子であって、そのアノード側および
カソード側から中央領域に向かって再結合中心の濃度が
低下しており、中央領域は少なくともァノード側で再結
合中心の互いに濃度の異なる複数種の小領域に分割され
、これら異種の小領域の相互割合は中央領域における再
結合中心の濃度のアノード側平均値がカソード側平均値
よりも高くなるように調整されているものに関する。

〔従来技術とその問題点〕

このような半導体素子は、例えばサィリス夕またはダイ
オードである。

サイリスタの半導体素体は一般に四つの交互の逆の導電
形の帯城を有し、それらの帯城の間にそれぞれ一つずつ
のｐｎ接合が存在する。アノード側帯城とそれに接する
帯城との間のｐｎ接合が阻止Ｐｎ接合であって、それに
逆電圧の大部分がかかる。電力用ダイオードの半導体泰
体は実質的に二つの互いに逆の導電形の域を持つ。これ
らのサイリスタおよびダイオードの半導体素体はその再
結合中心の濃度により半導体素子の規準的な電気特性、
例えばターンオフタィムが影響を受ける。上記の再結合
中心の多くは金、白金またはマンガンのような重金属を
半導体素体に拡散することにより形成される。
Ｚ上記の各種半導体素子の製造の際に用いられる方法に
よると、半導体素体中に導入された再結合中心のうち表
面に近い層の再結合中心から強くゲツタ作用を受けるこ
とにより中心に向って徐々に再結合中心濃度が低下する
。ゲッタ作用は例えば棚素または燐により高濃度にドー
ピングされた表面層あるいは結晶構造が機械的加工によ
って強く歪まされた表面層により起こされる。このゲッ
タ作用によって半導体素体中の上述のようなゲツタ層の
下方の領域の再結合中心濃度が減少する。カソード側に
もアノード側にも同じ程度のゲッ夕作用のある層がそれ
ぞれの外側表面に存在するならば、半導体素体内の厚み
方向の再結合中心濃度は第３図のｂに示すようにＵ字形
の対称ブロフィルとなる。それに対してアノード側での
ゲツタ作用が例えば表面の歪のみに基ず〈ものであると
通常はカソード側よりゲツ夕作用が弱いので再結合中心
濃度はアノード側でカソード側より高くなり上述のプロ
フィルは第３図のａに示すように非対称になる。前記の
ダイオードやサィリスタのような多くの応用目的には再
結合中心濃度が「中央領域」において第３図のＣに示す
ような所定の勾配を形成して非対称なプロフィルになる
ように調節することが望ましい。

上にいう「中央領域」とは、再結合中心濃度のＵ字形プ
ロフィルの両方の脚の間、すなわち濃度の急な立上りの
間の存在するところの半導体素体中の領域を意味する。
再結合中心濃度の絶対値は拡散される重金属原子のよう
な再結合中心の量によって調節可能である。しかし再結
合中心の濃度のプロフィルの対称性ないいま非対称性の
再結合中心の量のこのような調整によっても重金属原子
のような再結合中心の拡散の際の拡散パラメータの調整
によっても再現性よく制御することはできない。サィリ
スタの阻止ｐｎ接合もしくはダイオードのｐｎ接合近傍
における再結合中心の濃度は例えばこのような半導体素
子の逆電流特性を実質的に定める。

中央領域の再結合中心濃度勾配を選択することによって
は、順電圧降下を所定値に保つ条件下で再結合中心濃度
の対称なプロフィルを持つ素子よりもターンオフタィム
が小さい半導体素子かまたは逆電流特性がより良好な半
導体素子かを製造できる。中央領域のアノード側の領域
を再結合中心の互いに濃度の異なる二種の小領域に分割
し、これら濃度の異なる小領域の相互割合を中央領域に
おいてアノード側の再結合中心濃度の平均値がカソード
側の平均値より高くなるように調整することによって上
記の勾配を調節することは既に特開昭５２−１５０９８
５により提案されている。ところが、このような素子の
アノード側の全領域が前記の再結合中心の濃度が異なる
二種の小領域に分割されるような構成においては、半導
体素子の逆もれ電流が比較的高くなることが確認された
。〔発明の目的〕 本発明は冒頭に述べた種類の半導体素子を、日頃電圧を
一定にしたときのターンオフタィム特性を悪化させずに
さらにその逆もれ電流を減少させるように改良すること
を目的とする。

〔発明の要点〕

この目的はこれらの半導体素子の半導体素体の中央領域
の少なくともアノード側の一部分のみを再結合中心の互
いに異なる濃度の複数種の小領域に分割し、これら小領
域の相互の割合を分割された一部分の中央領域内の再結
合中心濃度の平均値がアノード側でカソード側よりも高
くなるような所定の勾配となるようにし、中央領域の分
割されない務りの部分は前記の分割された部分の再結合
中心濃度の平均値よりも比較的低い再結合中心濃度を有
するようにすることにより達成される。

分割された複数種の小領域のうちの再結合中心濃度の低
い方の小領域および分割されない残りの部分の領域は、
アノード側の外側表面に形成される再結合中心に対して
ゲッタ作用を有する燐または棚素を高濃度にドーピング
作れたゲッタ層のゲッタ作用によりつくられる。ゲート
電極を有するサィリスタの半導体素体では、この中央領
域の残りの部分はカソード側のゲート電極のために備え
られた面に対応するようにつくられるのが有効である。
またゲート電極、主ェミッタおよび補助ェミッタを有す
るサィリスタの半導体素体では、この中央領域の残りの
部分がゲート電極のために備えられた面ならびに補助ェ
ミッタと主ェミツタとの間の面に対向するようにつくら
れるのが有効である。〔発明の実施例〕 以下本発明の実施例を第１図ないし第４図を参照しなが
ら詳細に説明する。

第１図は半導体素子がサィリスタである場合の半導体泰
体１をカソード側から示すもので、この半導体秦体１は
シリコン材料からなり第４図の断面図からわかるように
図の上方のカソード側からその反対のアノード側に向け
て、ｎ形の主ェミッタ２、ｐ形のベース３、ｎ形のベー
ス４およびｐ形のアノード５からなる交互に逆の導電形
の四つの帯城からなり、そのカソード側表面の図では石
上にあたる中央部にはリング状のｎ形の補助ェミッタ２
２を有し、その内側表面にはゲート電極１４が設けられ
る。

第１図には主ェミッタ２、補助ェミッタ２２およびカソ
ード側外側表面にあらわれているｐ形ベース３を示す。
主ェミッタ２と補助ェミッタ２２とには見やすくするた
めにハッチングが施されている。主ェミッタ２はそのう
ち数個だけ書きこまれている短絡部１７を備えている。
第２図には同じ半導体素体１をアノード側から示してあ
る。アノードには第４図と同じ５の符号がつけてある。
ア／ード５は小領域６を有し、その小領域６の再結合中
心の濃度は小領域６の間の小領域８の再結合中心の濃度
に比して低くなっている。アノード５はさらに小領域６
と同機に比較的低い再結合中心濃度を持つ領域７，９を
有する。領域９はカソード側のゲート電極１４のために
備えられた面２３と対向して半導体素体内に設けられて
おり、領域７は同じく第１図の主ェミツタ２と補助ェミ
ッタ２２との間の両部分に対向するように素体内に設け
られている。領域７，９は見やすくなるために斜線を引
いて示してある。補助ェミッタのないサィリスタの場合
には領域７はなくなる。小領域６と領域７，９はこれら
の領域に対応してアノード側の外側表面において燐また
は棚素が高濃度でドーピングされることによりそれ自身
高濃度再結合中心を持つとともに重金属原子のような外
部から導入された再結合中心をゲッタ（橘獲）する機能
を有するゲッタ層（第４図の１１，１２，１３）を通じ
てつくられ「従ってゲッタ層の下方のこれらの領域で、
特にこれらの中央領域では再結合中心濃度の減少が起る
。

従ってそのア／一ド側外側表面にこのようなゲツタ層の
ない小領域８の中央領域では比較的高い再結合中心濃度
を有することになる。また小領域６，８および領域７，
９の相互の割合が第３図に示される再結合中心濃度の平
均値を確定することになる。第３図はサィリスタの半導
体素体の厚み方向における再結合中心濃度ＣＲの横方向
平均値のプロフィルを示す。

機軸のＸは半導体素体のアノード側からの厚さ方向の距
離を示す、縦軸のＣＲは再結合中心濃度を示し、Ｍは中
央領域を示す。そこには三つの特徴がある再結合中心濃
度ＣＲの平均値プロフィルａ，ｂおよびｃが示されてい
る。よりよく理解できるように、第３図の線図に帯域２
，３，４，５を持つサィリスタの半導体素体の簡略化さ
れた断面図が×に対応して添えられている。半導体素体
のアノード側とカソード側がそれぞれゲッ夕層を有し、
同じ強さでゲッタリングする場合には、重金属原子のよ
うな再結合中心が熱拡散によって導入されると中央領域
Ｍで濃度Ｃ２を持つ対称的な再結合中心濃度の平均値の
プロフイルｂが生じる。もしもカソード側の帯域２がア
ノード側の帯城５よりも強くゲッタリングするならば、
導入された再結合中心はカソード側に近い程ゲッタリン
グにより減少してプロフィルａが生じる。帯域２が例え
ば燐または棚素により強くドーピングされ、帯城５が比
較的弱くドーピングされるときには、帯城２のゲッタリ
ング作用が帯城５脚のゲツタリング作用より強いことに
なり、プロフィルａがいつも実現される。帝域５側のゲ
ッタリソグ作用が帯域２側のゲッタリング作用に比して
弱くなるにつれて帯域５側のＣＲの平均値が帯城２側の
ＣＲの平均値より大きくなり中央領域０におけるプロフ
イルの勾配が大きくなるというように両側のゲツタリン
グ作用の差に対応してＣＲの平均値のプロフィルの勾配
が決まる。すなわちその差を適当に選ぶことによって例
えばプロフィルＣを実現することができる。前述のよう
に半導体秦体のアノード側表面における小額域６，８と
領域７，９の大きさによって半導体素体中の再結合中心
の濃度の平均値の勾配が定まってくる。それにより所定
の日頃方向抵抗における半導体素子のターンオフタィム
または逆電流特性が決まる。小領域６と領域７，９は、
例えば公知のマスク法によりこれらの領域が位置すべき
それぞれの場所へ燐または棚素が高い濃度で拡散するよ
うにして造られる。高濃度の燐または棚素を含む層は前
述のようにゲッタ層として働くから、半導体秦体のゲッ
タ層の下方における小領域６および領域７，９の再結合
中心濃度は減少する。ゲート電極のために備えられてい
る面２３ならびに主ェミツタ２と補助ェミッタ２２との
間の面の下方には相対的に低い再結合中心濃度を持った
比較的大きい領域７，９が生じる。このことは、カソー
ド側のゲート電極のために備えられる面２３と、主ェミ
ッタ２と補助ェミツタ２２との間の面部分の外側表面に
は燐または棚素が拡散されないので、従ってこれらの領
域でのカソード側からのゲツタリング作用は非常に弱く
、表面の結晶構造の歪によるものだけであることと合せ
て考えると好都合なこととなる。もしもこれらの領域に
対するアノード側の外側表面における領域７，９に強い
ゲッタリングがなければ、これらの領域の再結合中心濃
度が高くなり逆もれ電流の増加をもたらすことになるか
らである。このようにして領域７，９が存在することに
よって、再結合中心の濃度の勾配が調整されることに加
えて、逆もれ電流が特にゲート電極の下および主ェミッ
タと補助ェミッタとの間の面の下で減少することになる
。第４図は第１図、第２図による半導体秦体の一部の断
面図を示す。

この断面図にはそれぞれ点線で囲まれて示す比較的低い
再結合中心濃度の小領域６と領域７，９が概念的に示さ
れている。これらの領域はカソード側に向かって次第に
狭ばまっているが、しかし小領域６もし〈は領域７，９
の幅が半導体の厚さのオーダまたはそれ以上のときには
完全に半導体素体を突き抜ける。第４図では判り易くす
るために半導体素体の厚さを誇張して表わしており、実
際は厚さと小領域６の幅はともに例えば５００仏程度で
ある。比較的高い再結合中心濃度の小額域８は小領域６
の間ならびに４・領域６と領域７もしくは領域９との間
に位置する。図より主ェミツタ２の補助ヱミッタ２２な
らびにゲート電極１４の下の半導体素体は低い再結合中
心濃度を持つことが明らかに判る。同機に中央領域（第
３図のＭ）の帯城４および帯城５の間の阻止ｐｎ接合の
上記区域の部分でも再結合中心濃度が低いことは明らか
であり、そこでの逆電流は少なくなり、従って半導体素
子全体でも逆もれ電流が低減される。中央領域全域を小
領域に分割する。すなわち領域７，９をも小領域に分割
してしまう従来の半導体素子（前記の樽関昭５２一１５
０９８５に示す）に比し、本発明による素子では順方向
電圧降下特性を悪化させずに逆もれ電流を少なくするこ
とが実現できる。例えば耐圧２５００Ｖ、日頃電流１０
０船の電力用サィリスタ場合、従来法により素子の場合
順電圧降下２．３Ｖ、逆もれ電流１００ムＡターンオフ
タィム４００山Ｓｅｃであったが、本発明を実施するこ
とにより順電圧降下２．３Ｖを保つたままで逆もれ電流
を５０〃Ａと１／２に減少させること、またはターンオ
フタイムを２００仏ｓｅｃに短縮することができた。こ
の小領域６と領域７，９は、公知の方法で燐または棚素
を例えば１び９肌‐３〜１ぴ弧‐３の濃度で強くドーピ
ングされた帯域１１，１２，１３の下方の半導体素体内
に生成される。

主ェミッタ２は主ェミッタ電極１６と、補助ェミッタ２
２は補助ヱミッタ電極１５と結合される。アノード側に
は電極１８が例えばアルミニウムの合金化される。また
帯城１１，１２，１３が燐のドーピングよりつくられる
場合にはｎ形領域が生じるが、それは後工程の電極１８
の形成のためのアルミニウム合金によって過補償され、
その結果付加的なｐｎ援合は生じない。しかし強く特に
ｎ形にドーピングされたアノード側の帯城１１，１２，
１３は電極接続の前に例えば機械的に除去されてもよい
。〔発明の効果〕本発明によれば、冒頭に述べた半導体
素子の半導体素体の中央領域の一部分のみをさらにそれ
ぞれ再結合中心の濃度が互いに異なる複数種の小領域に
分割し、残りの未分割の部分は前記小領域への分割割合
によって確定される再結合中心の濃度の平均値よりも低
い再結合中心濃度を有するようにすることにより、中央
領域内における再結合中心の平均濃度のプロフィルの勾
配および阻止ｐｎ接合部の再結合中心濃度を、中央領域
全域を前記小領域に分割した場合よりも適切に制御して
、半導体素子の順方向電圧降下特性を悪化せずにそのタ
ーンオフタィムまたは逆もれ電流を大幅に改善できる。

しかもこのような中央領域の分割は半導体素体のアノー
ド側外側表面の所定の場所に例えば公知のマスク法で燐
または棚素を高濃度にド−ピングし再結合中心のゲッタ
層をつくるという簡単な工程で達成できるということと
合せ考えると特性、製造およびコストの面での本発明の
効果は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例であるゲート電極、主ェミッ夕お
よび補助ェミッタを有するサィリスタに関するもので、
第１図はサィリスタの半導体素体のカソード側から見た
平面図、第２図は同じくアノード側から見た平面図、第
３図は半導体秦体の厚み方向の再結合中心濃度の推移を
示す説明線図、第４図は４・領域への分割とその残りの
部分を示す半導体素体の断面図である。 １・・・・・・半導体素体、２・・・…主ェミッタ、５
・・・・・・アノード、６，８・・・・・・４・領域、
７，９…・・・分割されない残りの領域、１４・・・・
・・ゲート電極、２２・・・・・・補助ェミッタ、２３
・・・・・・ゲート電極のために備えられた面、ＣＲ・
・・・・・再結合中心濃度、Ｍ・・・…中央領域、Ｘ・
・・・・・半導体素体の厚さ。 Ｆ‘多‐′Ｆｉ９．２ Ｆｉｇ．３ Ｆ′汐‐４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交互に逆の導電形を示す少なくとも二つの帯域を有
   し、そのアノード側の外側表には全面にアノード電極が
   結合される半導体素体を備え、該半導体素体中には再結
   合中心を有し、そのカソード側の外側表面に再結合中心
   に対してゲツタリング作用のある少なくとも１つの層が
   備えられ、該半導体素体はそのアノード側およびカソー
   ド側から中央領域に向かつて再結合中心の濃度が低下し
   ており、前記中央領域は少なくともアノード側で再結合
   中心の互いに濃度の異なる複数種の小領域に分割され、
   これら異種の小領域の相互割合が前記中央領域における
   再結合中心濃度のアノード側平均値がカソード側平均値
   より高くなるように調整されるものにおいて、前記中応
   領域Ｍの一部分のみが複数種の小領域６，８に分割され
   、前記中央領域の残り部分７，９は前記小領域への分割
   によつて確定される濃度の平均値よりも低い再結合中心
   濃度を有することを特徴とする半導体素子。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の素子において、半導体
   素体がゲート電極をするサイリスタの素体であり、中央
   領域の前記残りの部分９がゲート電極１４のために備え
   られた面２３に対向する部分であることを特徴とする半
   導体素子。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の素子にお
   いて、半導体素体がゲート電極、補助エミツタおよび主
   エミツタを有するサイリスタの素体であり、中央領域の
   残りの部分７，９がゲート電極１４のために備えられた
   面２３ならびに補助エミツタ２２と主エミツタ２との間
   の面部分に対向する部分であることを特徴とする半導体
   素子。