JPH0795594B2 - Semiconductor switching element - Google Patents
Semiconductor switching elementInfo
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- JPH0795594B2 JPH0795594B2 JP62249562A JP24956287A JPH0795594B2 JP H0795594 B2 JPH0795594 B2 JP H0795594B2 JP 62249562 A JP62249562 A JP 62249562A JP 24956287 A JP24956287 A JP 24956287A JP H0795594 B2 JPH0795594 B2 JP H0795594B2
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
- H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
- H10D62/13—Semiconductor regions connected to electrodes carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. source or drain regions
- H10D62/141—Anode or cathode regions of thyristors; Collector or emitter regions of gated bipolar-mode devices, e.g. of IGBTs
- H10D62/142—Anode regions of thyristors or collector regions of gated bipolar-mode devices
Landscapes
- Thyristors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、アノードショート構造を有する半導体スイッ
チング素子に関し、上記アノードショート構造とベース
層との間に、ベース層よりも高不純物濃度のバッファ層
を設けると共に、アノードショート構造のアノードショ
ート間隔dをキャリアの拡散長Lの略2倍もしくはそれ
以下に挟める(d<2L)ことにより、通常の使用耐圧を
容易に出すことができると共に、オン電圧の上昇を抑
え、かつ高速スイッチングを可能にしたものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Outline] The present invention relates to a semiconductor switching element having an anode short structure, wherein a buffer layer having a higher impurity concentration than the base layer is provided between the anode short structure and the base layer. By sandwiching the anode short distance d of the anode short structure to about twice or more the carrier diffusion length L (d <2L), the normal withstand voltage can be easily obtained and the rise of the on-voltage can be suppressed. It also enables high-speed switching.
本発明は、例えばSI(静電誘導)サイリスタ、GTO等の
各種サイリスタを初めとする半導体スイッチング素子に
係り、特にはそのアノードショート構造の改良に関す
る。The present invention relates to a semiconductor switching element including various thyristors such as SI (electrostatic induction) thyristors and GTOs, and more particularly to improvement of an anode short structure thereof.
上述したような半導体スイッチング素子においては、そ
のターンオフ時間を短縮しスイッチング損失を低減させ
る目的で、いわゆるアノードショート構造を取入れてい
るものがある。その一例として、従来のプレーナ型SIサ
イリスタの概略断面構成を第5図に示す。Some of the semiconductor switching elements as described above incorporate a so-called anode short structure for the purpose of shortening the turn-off time and reducing switching loss. As an example, FIG. 5 shows a schematic sectional structure of a conventional planar type SI thyristor.
同図に示したSIサイリスタは、n-形半導体層からなるベ
ース層1にp+形半導体層からなるゲート2を埋込み、そ
の上にn+形半導体層からなるカソード3を形成した、い
わゆる埋込みゲート構造を有している。なお、ゲート2
はその一部のみを図示したが、その図示された互い隣り
合う2つの領域(p+領域)間にも、多数のp+領域が図の
表面と平行に互いに所定間隔で埋込まれており、それら
p+領域に挟まれたn-領域にチャネル(破線で示された部
分)が形成される。また、ゲート2にはコンタクト用の
凹部4を介してゲート電極5が形成されると共に、カソ
ード3上にはカソード電極6が形成されている。The SI thyristor shown in the same figure is a so-called buried type in which a gate 2 made of ap + type semiconductor layer is embedded in a base layer 1 made of an n − type semiconductor layer, and a cathode 3 made of an n + type semiconductor layer is formed thereon. It has a gate structure. In addition, gate 2
Although only a part of it is shown, a large number of p + regions are also embedded at a predetermined interval in parallel with the surface of the figure between the two adjacent regions (p + regions) shown in the figure. , Those
A channel (portion indicated by a broken line) is formed in the n - region sandwiched between the p + regions. Further, a gate electrode 5 is formed on the gate 2 via a contact recess 4 and a cathode electrode 6 is formed on the cathode 3.
一方、ベース層1の反対側の面には、p+形半導体層から
なるアノード(アノード領域)7とn+形半導体層からな
るアノードショート領域8とをアノード電極9上に交互
に配設してなるアノードショート構造を有している。こ
こで、ショート率(アノードショート領域の幅/アノー
ド7の幅)は例えば20〜30%程度に設定され、またアノ
ードショート間隔(互いに隣り合う2つのアノードショ
ート領域8間の距離)dは数100μm程度となってい
る。On the other hand, the opposite surface of the base layer 1, disposed alternately an anode short regions 8 of the anode (anode region) 7 and the n + -type semiconductor layer made of p + -type semiconductor layer on the anode electrode 9 It has an anode short structure. Here, the short-circuit rate (width of the anode short-circuit area / width of the anode 7) is set to, for example, about 20 to 30%, and the anode short-circuit interval (distance between two adjacent anode short-circuit areas 8) d is several hundred μm. It has become a degree.
このようなアノードショート構造においては、電子に対
するポテンシャルがアノード(p+領域)7よりもアノー
ドショート領域が(n+領域)8で低くなる。このため、
ターンオフ時、ベース層1内をカソード3側からアノー
ド7側にドリフト速度Vdで流れて来た電子は、第5図に
示すようにアノード7の両方面に沿って拡散速度VK(≪
Vd)で移動してから、アノードショート領域8を介して
アノード電極9に流れ込むことができる。よって、アノ
ードショート構造を持たないものと比較して、ターンオ
フ時間を大きく短縮することができる。In such an anode short structure, the potential for electrons is lower in the anode short region (n + region) 8 than in the anode (p + region) 7. For this reason,
Turn-off, electrons came flowing at drift velocity V d to the anode 7 side of the base layer 1 from the cathode 3 side, along both surface diffusion rate V K of the anode 7, as shown in FIG. 5 ( «
After moving at V d ), it can flow into the anode electrode 9 through the anode short region 8. Therefore, the turn-off time can be greatly shortened as compared with the case without the anode short structure.
上述した従来のSIサイリスタにおいて、ゲートアノード
間(G−A間)に逆バイアスを印加していった場合、不
純物濃度の低いベース層1中をアノード側へ向かって空
乏層が広がっていき、最終的には上記空乏層がアノード
7へ到達した時点でゲートアノード間が短絡状態とな
り、いわゆるパンチスルーが起こる。従って、通常の使
用耐圧)を出すためには、上記空乏層がアノード7へ到
達しないようにベース層1を厚くする必要がある。この
ことから、従来におけるベース層1の厚さtは、例えば
350〜400μmと厚くなっている。In the conventional SI thyristor described above, when a reverse bias is applied between the gate and anode (between G and A), the depletion layer spreads toward the anode side in the base layer 1 having a low impurity concentration, and the final Specifically, when the depletion layer reaches the anode 7, a short circuit occurs between the gate and anode, and so-called punch through occurs. Therefore, in order to obtain a normal withstand voltage, it is necessary to make the base layer 1 thick so that the depletion layer does not reach the anode 7. From this, the conventional thickness t of the base layer 1 is, for example,
It is as thick as 350-400 μm.
ところが、このようにベース層1が厚いと、ターンオン
及びターンオフ時のキャリアの走行時間が長くなってし
まい、アノードショート構造を設けたにもかかわらず、
スイッチング速度が遅くなるという問題がある。更に、
オン状態においてベース層1は一種の導体と考えること
ができるので、ベース層1が厚いとその厚さ分だけ抵抗
が大きくなり、よってオン電圧が高くなってしまうとい
う問題が生じる。このような問題は、SIサイリスタ以外
の各種の半導体スイッチング素子についても同様に生じ
るものである。However, if the base layer 1 is thick in this way, the carrier transit time at turn-on and turn-off becomes long, and despite the provision of the anode short structure,
There is a problem that the switching speed becomes slow. Furthermore,
In the on-state, the base layer 1 can be considered as a kind of conductor, so that if the base layer 1 is thick, the resistance increases by the thickness of the base layer 1 and thus the on-voltage increases. Such a problem similarly occurs in various semiconductor switching elements other than SI thyristors.
本発明は、上記問題点に鑑み、通常の使用耐圧を容易に
得ることができると共に、オン電圧を上昇させることな
く高速スイッチングを可能にする半導体スイッチング素
子を提供することを目的とする。In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor switching element that can easily obtain a normal operating breakdown voltage and that enables high-speed switching without increasing the on-voltage.
本発明の半導体スイッチング素子は、n形で低不純物濃
度の半導体層(例えばn-層)からなるベース層とその下
のアノードショート構造との間に、ベース層と同じn形
であってベース層よりも高不純物濃度の半導体層(例え
ばn層)からなるバッファ層を配設すると共に、上記ア
ノードショート構造におけるアノードショート間隔dを
上記ベース層もしくは上記バッファ層におけるキャリア
の拡散長Lのほぼ2倍に等しいか、あるいはそれ以下
(d2L)としたことを特徴とするものである。A semiconductor switching element according to the present invention includes an n-type semiconductor layer (for example, an n − layer) having a low impurity concentration and a base layer formed between the base layer and an anode short structure below the base layer. A buffer layer made of a semiconductor layer (for example, n layer) having a higher impurity concentration is provided, and the anode short distance d in the anode short structure is approximately twice the carrier diffusion length L in the base layer or the buffer layer. Is equal to or less than (d2L).
本発明では、ベース層とアノード領域との間に、ベース
層よりも不純物濃度の高いバッファ層が存在することか
ら、ベース層中をアノード側へ向かう空乏層の広がり
は、バッファ層に到達した後はほとんど進行しなくな
る。すなわち、バッファ層によって空乏層の広がりを抑
れられる。このことから、従来と同じ耐圧を出すのに、
ベース層の厚さを極めて薄くできる。In the present invention, since the buffer layer having an impurity concentration higher than that of the base layer exists between the base layer and the anode region, the expansion of the depletion layer in the base layer toward the anode side does not occur after reaching the buffer layer. Hardly progresses. That is, the expansion of the depletion layer can be suppressed by the buffer layer. From this, to obtain the same breakdown voltage as before,
The base layer can be made extremely thin.
このようにベース層が薄くなると、ターンオン及びター
ンオフ時のキャリアの走行時間が速くなる。しかも、d
2Lとしたことによってアノード領域の幅が非常に狭く
なっているため、ターンオフ時、カソード側からドリフ
ト速度Vdで流れてきたキャリア(電子)のほとんどはア
ノード領域に達することなく、ほぼそのままの速度でア
ノードショート領域を介してアノード電極へ素早く引抜
かれる。すなわち、ターンオフ時間が一段と短縮され
る。When the base layer is thin in this way, carrier transit time at turn-on and turn-off is shortened. Moreover, d
Since the width of the anode region is very narrow due to the 2L, most of the carriers (electrons) flowing at the drift velocity V d from the cathode side at turn-off do not reach the anode region, and the velocity remains almost unchanged. Then, it is quickly extracted to the anode electrode through the anode short region. That is, the turn-off time is further shortened.
また、オン状態においては、ベース層が薄くなったこと
から、その分だけベース層の抵抗が小さくなり、よって
オン電圧が低く抑えられる。Further, in the on-state, since the base layer is thin, the resistance of the base layer is correspondingly reduced, so that the on-voltage can be suppressed low.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は本発明の一実施例であるプレーナ型SIサイリス
タの要部構成を示す断面斜視図であり、第2図はそれを
模式的に示した断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of the main part of a planar type SI thyristor which is an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing it.
同図に示したSIサイリスタは、第5図に示したものと同
様な埋込みゲート構造を示し、すなわちn-形半導体層か
らなるベース層1にp+形半導体層からなるゲート2を埋
込み、その上にn+形半導体層からなるカソード3を形成
した構造を有している。この構造によれば、ゲート2に
おける第2図に現れた互いに隣り合うp+領域間にも、第
1図に示されるようにp+埋込みゲートが複数形成され、
その間にチャネル10ができる。また、ゲート2にはコン
タクト用の凹部4を介してゲート電極5を形成すると共
に、カソード3上にはカソード電極6を形成する。The SI thyristor shown in the figure has a buried gate structure similar to that shown in FIG. 5, that is, a base layer 1 made of an n − type semiconductor layer is buried with a gate 2 made of ap + type semiconductor layer, and It has a structure in which a cathode 3 made of an n + type semiconductor layer is formed on the top. According to this structure, a plurality of p + buried gates are formed between the adjacent p + regions appearing in FIG. 2 in the gate 2 as shown in FIG.
In the meantime, channel 10 is created. Further, the gate electrode 5 is formed on the gate 2 through the contact recess 4 and the cathode electrode 6 is formed on the cathode 3.
一方、ベース層1の反対側の面には、ベース層1よりも
高不純物濃度(例えば1×1014〜1018/cm3程度)のn形
半導体層からなるバッファ層11を介してアノードショー
ト構造を設けている。このアノードショート構造は、、
p+形半導体層からなるアノード(アノード領域)12とn+
形半導体層からなるアノードショート領域13とを、その
アノードショート間隔dがキャリアの拡散長Lのほぼ2
倍もしくはそれ以下(例えばd=33〜38μm2L)とな
るように、アノード電極9上に交互に配設してなってい
る。キャリアの拡散係数をD、キャリアのライフタイム
をτとすると、上記拡散長Lは で表わされる。なお、ここでは、アノード17、アノード
ショート領域18のそれぞれの深さを例えば15μm、3μ
mに設定すると共に、ショート率を従来と同様に、例え
ば20〜30%程度に設定する。また、バッファ層11の厚さ
(バッファ層11の上面からアノード12の上端までの厚
さ)t1を例えば10〜15μm程度に設定すると共に、ベー
ス層1とバッファ層11とを加えた厚さt2を例えば250μ
m程度に薄く設定する。On the other hand, on the opposite side of the base layer 1, an anode short is formed via a buffer layer 11 made of an n-type semiconductor layer having a higher impurity concentration (for example, about 1 × 10 14 to 10 18 / cm 3 ) than the base layer 1. The structure is provided. This anode short structure is
Anode (anode region) 12 consisting of p + type semiconductor layer and n +
And the anode short region 13 made of a semiconductor layer with an anode short distance d of about 2 of the carrier diffusion length L.
They are alternately arranged on the anode electrode 9 so as to be twice or less (for example, d = 33 to 38 μm 2 L). If the carrier diffusion coefficient is D and the carrier lifetime is τ, the diffusion length L is It is represented by. Here, the depths of the anode 17 and the anode short region 18 are, for example, 15 μm and 3 μ, respectively.
In addition to setting m, the short-circuit rate is set to about 20 to 30% as in the conventional case. The thickness of the buffer layer 11 (the thickness from the upper surface of the buffer layer 11 to the upper end of the anode 12) t 1 is set to, for example, about 10 to 15 μm, and the thickness of the base layer 1 and the buffer layer 11 is added. t 2 is, for example, 250μ
Set it thin to about m.
次に、上記構成からなるSIサイリスタの製造工程を第3
図(a)〜(h)に基づき説明する。ただしここでは、
上述したゲート(埋込みゲート)2とアノード12および
アノードショート領域13とが互いに平行な方向へ長く伸
びるように形成するものとする。Next, the third step of manufacturing the SI thyristor having the above configuration
A description will be given with reference to FIGS. However, here
It is assumed that the above-described gate (buried gate) 2, the anode 12 and the anode short region 13 are formed so as to extend in a direction parallel to each other.
まず同図(a)に示すように、厚さ250μm程度のSi等
のn-基板20の下面から、リン(P)等の不純物を付加す
25〜30μm程度まで拡散させることにより、バッファ層
となるn領域21を形成する。続いてその上下面から、マ
スクを介してホウ素(B)等の不純物を拡散させること
により、第3図(b)に示すようにゲートとなるp+領域
22およびアノードとなるp+領域23を同時に形成する。こ
の際、p+領域23の互いに隣り合った同志の間隔(すなわ
ちアノードショート間隔)dがほぼ2L(Lはキャリアの
拡散長)もしくはそれ以下となるように、例えばd=33
〜38μm程度に形成すると共に、その深さを15μm程度
にする。続いて、第3図(c)に示すように、p+領域22
の形成されたn-基板20上に、n-基板20と同じn-−Si等を
エピタキシャル成長させて、n-層24を形成する。更に第
3図(d)に示すように、n-層24の上面には均一に、ま
たn領域の21の下面にはマスクを介して、リン(P)等
の不純物を拡散させることにより、カソードとなるn+領
域25およびアノードショート領域となるn+領域26を形成
する。この際、n+領域26がp+領域23と交互に配設される
ようにすると共に、その深さを3μm程度にし、またn+
領域26とp+領域23の幅の割合(ショート率)が所定値
(例えば20〜30%)となるようにする。First, as shown in FIG. 3A, impurities such as phosphorus (P) are added from the lower surface of the n − substrate 20 such as Si having a thickness of about 250 μm.
By diffusing up to about 25 to 30 μm, an n region 21 to be a buffer layer is formed. Subsequently, impurities such as boron (B) are diffused from the upper and lower surfaces through a mask to form a p + region which will become a gate as shown in FIG. 3 (b).
22 and ap + region 23 to be an anode are simultaneously formed. At this time, for example, d = 33, so that the interval d between the adjacent p + regions 23 (that is, the anode short interval) d is approximately 2L (L is the carrier diffusion length) or less.
The thickness is about 38 μm and the depth is about 15 μm. Then, as shown in FIG. 3 (c), the p + region 22
On substrate 20, n - - n formed of a -Si like it is epitaxially grown, n - - the same n and substrate 20 to form a layer 24. Further, as shown in FIG. 3D, by diffusing impurities such as phosphorus (P) on the upper surface of the n − layer 24 uniformly and on the lower surface of the n region 21 through a mask, forming an n + region 26 serving as the cathode to become n + region 25 and the anode short regions. At this time, the n + region 26 is to be arranged alternately and p + region 23, and the depth of about 3 [mu] m, also n +
The width ratio (short-circuit rate) of the region 26 and the p + region 23 is set to a predetermined value (for example, 20 to 30%).
その後第3図(e)に示すように、n+領域25およびn-層
24を選択的にエッチングすることにより、ゲートとなる
P+領域22の周辺領域上にコンタクト用の凹部4を形成す
る。続いて第3図(f)に示すように、凹部4内に露出
したp+領域22の表面部に対し、オーミックコンタクトを
得るためにホウ素(B)等の不純物を更に拡散する(斜
線部)。その後、p+領域22、n+領域25、並びにp+領域24
およびn+領域26に対し、第3図(g)のようにAl等から
なるゲート電極5、カソード電極6、アノード電極9を
蒸着もしくはスパッタ等を利用して形成する。このよう
にして得られたn-基板20、p+領域22、n+領域25、n領域
21、p+領域23、n+領域26は、それぞれ、第1図および第
2図に示したベース層1、ゲート2、カソード3、バッ
ファ層11、アノード12、アノードショート領域13に対応
する。そして最後に、第3図(h)に示すように、電極
5および6上のボンディングパッド領域を残して、表面
部SiO2等からなるパッシベーション膜27で被覆する。Then, as shown in FIG. 3 (e), the n + region 25 and the n − layer are formed.
Becomes a gate by selectively etching 24
A contact recess 4 is formed on the peripheral region of the P + region 22. Subsequently, as shown in FIG. 3 (f), impurities such as boron (B) are further diffused in order to obtain ohmic contact with the surface portion of the p + region 22 exposed in the recess 4 (hatched portion). . Then, p + region 22, n + region 25, and p + region 24
As shown in FIG. 3 (g), a gate electrode 5, a cathode electrode 6, and an anode electrode 9 made of Al or the like are formed on the n + region 26 by vapor deposition or sputtering. N − substrate 20, p + region 22, n + region 25, n region thus obtained
21, p + regions 23, and n + regions 26 correspond to the base layer 1, gate 2, cathode 3, buffer layer 11, anode 12, and anode short region 13 shown in FIGS. 1 and 2, respectively. Finally, as shown in FIG. 3 (h), the surface of the electrodes 5 and 6 is covered with a passivation film 27 of SiO 2 or the like, leaving the bonding pad regions.
次に、本実施例のSIサイリスタの主要な動作、特にバッ
ファ層11およびアノードショート構造に係る特徴的な作
用について、第2図を参照して以下に説明する。Next, the main operation of the SI thyristor of the present embodiment, particularly the characteristic operation of the buffer layer 11 and the anode short structure, will be described below with reference to FIG.
本実施例のSIサイリスタにおいて、ゲート−アノード間
に逆バイアスを印加していった場合、ベース層(n-層)
1中をアノード側へ向かって空乏層が広がっていく。し
かし、アノード12上にはベース層1よりも不純物濃度の
高いバッファ層(n層)11が存在することから、上記空
乏層の広がりはバッファ層11に到達した以後はほとんど
進行しなくなる。すなわち、バッファ層11によって空乏
層の広がりが抑えられる。従って、従来と同じ使用耐圧
(ゲート−アノード間耐圧)を出すのに、ベース層1の
厚さを極めて薄くでき、よって上述したようにベース層
1にバッファ層11を加えた厚さt2をも250μm程度に薄
くできる(第5図に示した従来におけるベース層1の厚
さtは350〜400μmと厚い)。In the SI thyristor of this example, when a reverse bias was applied between the gate and the anode, the base layer (n − layer)
A depletion layer spreads in 1 toward the anode side. However, since the buffer layer (n layer) 11 having a higher impurity concentration than the base layer 1 exists on the anode 12, the spread of the depletion layer hardly progresses after reaching the buffer layer 11. That is, the buffer layer 11 suppresses the expansion of the depletion layer. Therefore, the thickness of the base layer 1 can be made extremely thin in order to obtain the same withstand voltage (gate-anode breakdown voltage) as in the conventional case. Therefore, as described above, the thickness t 2 obtained by adding the buffer layer 11 to the base layer 1 can be reduced. Can be thinned to about 250 μm (the thickness t of the conventional base layer 1 shown in FIG. 5 is as thick as 350 to 400 μm).
このようにベース層1を薄くできると、ターンオン及び
ターンオフ時のキャリアの走行時間が短縮され、よって
スイッチング速度を相当に速くすることができる。それ
と共に、オン状態においては、ベース層1の抵抗が小さ
くなり、よってオン電圧を低く抑えることができる。If the base layer 1 can be made thin in this way, the carrier transit time at turn-on and turn-off can be shortened, and thus the switching speed can be considerably increased. At the same time, in the on-state, the resistance of the base layer 1 becomes small, so that the on-voltage can be kept low.
更に、ターンオフ時間については、本実施例のアノード
ショート構造により、一層の短縮化が可能になる。すな
わち、n+領域であるアノードショート領域13はp+領域で
あるアノード12よりも電子に対するポテンシャルが低
く、よって電子がたまりやすい。しかも、アノードショ
ート間隔dを電子の拡散長Lのほぼ2倍もしくはそれ以
下としたことにより、アノード12の幅(面積)が非常に
狭くなっている。これらのことから、ターンオフ時に
は、カソード3側からチャネル10を介しドリフト速度Vd
で移動してきた電子のほとんどはアノード(p+領域)12
に達することなく、ほぼそのままの速度でアノードショ
ート領域(n+領域)13に達し、ここから素早くアノード
電極9へ引抜かれる。なお、カソード3側から移動して
きた電子の極一部にはアノード12の中央付近に達するも
のがあるが、このような電子であっても、d2Lとした
ことにより、アノードショート領域18で達するまでに拡
散速度Vkでで移動しなければならない距離は、拡散長L
に満たない非常にわずかな距離となる。このように、電
子が従来のようにアノード前面に長く滞るということが
なく、しかもほとんどの電子がアノード12に達すること
なく引抜かれるため、ターンオフ時間が著しく短縮され
る。Further, the turn-off time can be further shortened by the anode short structure of this embodiment. That is, the anode short region 13 that is the n + region has a lower potential for electrons than the anode 12 that is the p + region, and thus electrons are likely to accumulate. Moreover, the width (area) of the anode 12 is extremely narrowed by making the anode short distance d approximately twice or less than the electron diffusion length L. From these, at the time of turn-off, the drift velocity V d from the cathode 3 side via the channel 10
Most of the electrons transferred in the anode (p + region) 12
The anode short-circuit region (n + region) 13 is reached at almost the same speed without reaching the above temperature, and the anode short-circuit region (n + region) 13 is quickly extracted from here. Note that some of the electrons that have moved from the cathode 3 side reach the vicinity of the center of the anode 12, but even with such electrons, by setting d2L, they reach the anode short region 18. The distance that must be traveled at the diffusion speed V k is
It is a very small distance that is less than. In this way, the electrons do not stay on the front surface of the anode for a long time as in the conventional case, and most of the electrons are withdrawn without reaching the anode 12, so that the turn-off time is significantly shortened.
また、上記アノードショート構造ではd2Lとしたが、
このようにすることによってショート率が変化するとい
うことはなく、すなわちアノード電極9上におけるアノ
ード12を全面積は相変わらず一定となるので、オン状態
におけるアノード側から正孔の注入量が従来のものより
減少するという心配は全くない。これらのことから、本
実施例に係るアノードショート構造によってオン電圧が
増加するようなことはなく、かえって、上述したように
ベース層を薄くできることからオン電圧を下げることが
できる。Also, in the above anode short structure, d2L was used,
By doing so, the short-circuit rate does not change, that is, since the total area of the anode 12 on the anode electrode 9 remains constant, the amount of holes injected from the anode side in the ON state is higher than that of the conventional one. There is no worry that it will decrease. For these reasons, the on-voltage does not increase due to the anode short structure according to the present embodiment, but rather the on-voltage can be lowered because the base layer can be thinned as described above.
なお、本発明はSIサイリスタに限らず、GTO(Gate Turn
−Off Thyristor),IGBT(Instulated Gate Bipolar Tr
ansistor:商品名),GATT(Gate Associated Turn−Off
Thyristor:商品名),あるいは一般のサイリスタ等、ア
ノードショート構造を有する各種のスイッチング素子に
適用できる。例えば、上記実施例と同様なアノードショ
ート構造を、npnp構成の一般のGTOに適用した例を第4
図に示す。具体的には、ベース(n-層)30、ゲート(p
層)31、カソード(n+領域)32、ゲート電極33、カソー
ド電極34をアノード電極35から構成されるGTOのアノー
ド側にバッファ層(n層)36を介して、アノード(p+領
域)37およびアノードショート領域(n+領域)38をd
2Lとなるように交互に配設してなるアノードショート構
造を形成したものである。このように構成したGTOにお
いても、前述したと同様な作用により、通常の使用耐圧
が容易に出せると共に、オン電圧を増加させることなく
スイッチング速度の著しい高速化が可能になる。Note that the present invention is not limited to SI thyristors, but GTO (Gate Turn
-Off Thyristor), IGBT (Instulated Gate Bipolar Tr
ansistor: product name), GATT (Gate Associated Turn-Off)
Thyristor (trade name), or general thyristors, etc., can be applied to various switching elements having an anode short structure. For example, a fourth example in which an anode short structure similar to that in the above embodiment is applied to a general GTO having an npnp structure
Shown in the figure. Specifically, the base (n − layer) 30, the gate (p
Layer) 31, cathode (n + region) 32, gate electrode 33, and cathode electrode 34 on the anode side of the GTO composed of the anode electrode 35 via the buffer layer (n layer) 36 and the anode (p + region) 37. And the anode short region (n + region) 38 d
The anode short structure is formed by alternately arranging so as to be 2L. Even in the GTO configured in this way, due to the same operation as described above, the normal operating withstand voltage can be easily obtained, and the switching speed can be remarkably increased without increasing the on-voltage.
また、アノードショート領域はn+領域に限定されること
はなく、n-あるいはn領域としてもよい。アノードとア
ノードショート領域の互いの深さ(厚さ)の関係も任意
であり、前記実施例で示した数値はほんの一例である。
また、バッファ層の厚さも、前記実施例で示した数値は
ほんの一例である。Further, the anode short region is not limited to the n + region, but may be the n − or n region. The relationship between the depths (thicknesses) of the anode and the anode short region is also arbitrary, and the numerical values shown in the above embodiments are merely examples.
Also, the thickness of the buffer layer is only an example in the numerical values shown in the above embodiment.
更に、第1図に示した実施例ではアノード12およびアノ
ードショート領域領域13の形成方向をゲート(埋込みゲ
ート)2の形成方法に対して垂直方向となるようにした
が、第3図のように互いに平行となるように形成しても
よい。また、製造工程においては、前述したような不純
物拡散の代りにイオン注入等を利用してもよい。Further, in the embodiment shown in FIG. 1, the forming direction of the anode 12 and the anode short region region 13 is set to be vertical to the forming method of the gate (buried gate) 2. However, as shown in FIG. You may form so that it may become parallel to each other. Also, in the manufacturing process, ion implantation or the like may be used instead of the impurity diffusion as described above.
また、特にSIサイリスタにおいては、カソード領域の下
方位置にのみアノード領域及びアノードショート領域を
交互に配設し、それ以外の位置にはアノード領域のみを
均一に配置してもよい。さらには,アノードショート領
域をゲート間のチャネルの下方位置にのみ設けてもよ
い。ターンオフ時には、カソード側からチャネルを介し
てほぼ真下に電子が流れてくることを考えれば、このよ
うな構成にしても電子を引き抜く作用に変わりはない。
一方、アノード有効面積は一段と増加することになるた
め、オン電圧を低く抑えることができ、よって上記実施
例以上の効果が期待できる。Further, particularly in the SI thyristor, the anode region and the anode short region may be alternately arranged only at the position below the cathode region, and only the anode region may be uniformly arranged at the other positions. Furthermore, the anode short region may be provided only at a position below the channel between the gates. Considering that at the time of turn-off, electrons flow from the cathode side almost directly below through the channel, even with such a configuration, the action of extracting electrons remains unchanged.
On the other hand, since the effective area of the anode is further increased, the on-voltage can be suppressed to a low level, so that the effects more than those of the above-described embodiment can be expected.
なお、n及びpのいずれのチャネルを持つ半導体スイッ
チング素子に対しても本発明を適用しうるのは、もちろ
んのことである。It is needless to say that the present invention can be applied to a semiconductor switching element having both n and p channels.
以上説明したように、本発明によれば、バッファ層を設
けたことにより、ベース層を薄くしたまま容易に通常の
使用耐圧を出すことができる。しかも、このようにベー
ス層を薄くできることにより、ターンオン及びターンオ
フ時間を短縮でき、スイッチング速度の著しい高速化が
可能になると共に、オン状態におけるベース層の抵抗が
小さくして、オン電圧を低く抑えることができる。しか
も、アノードショート構造においてd2Lとしたことに
より、ターンオフ時間を一段と短縮でき、これによって
オン電圧の増加が引起こされることもない。As described above, according to the present invention, by providing the buffer layer, it is possible to easily obtain a normal withstand voltage while keeping the base layer thin. Moreover, by making the base layer thin in this way, the turn-on and turn-off times can be shortened, the switching speed can be significantly increased, and the resistance of the base layer in the on-state can be reduced to keep the on-voltage low. You can Moreover, the turn-off time can be further shortened by setting d2L in the anode short structure, so that the on-voltage is not increased.
第1図は本発明の一実施例(SIサイリスタの場合)の要
部構成を示す断面斜視図、 第2図は同実施例の概略構成を示す模式断面図、 第3図(a)〜(h)は同実施例のSIサイリスタの製造
工程図、 第4図は本発明の他の実施例(GTOの場合)の概略構成
を示す模式断面図、 第5図は従来のSIサイリスタの概略構成を示す模式断面
図である。 1……ベース層、 9……アノード電極、 11……バッファ層、 12……アノード(アノード領域)、 13……アノードショート領域、 30……ベース層、 35……アノード電極、 36……バッファ層、 37……アノード(アノード領域)、 38……アノードショート領域.FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing the structure of the main part of an embodiment of the present invention (in the case of SI thyristor), FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the schematic structure of the same embodiment, and FIGS. h) is a manufacturing process diagram of the SI thyristor of the same embodiment, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of another embodiment (in the case of GTO) of the present invention, and FIG. 5 is a schematic configuration of a conventional SI thyristor. It is a schematic cross-sectional view showing. 1 ... Base layer, 9 ... Anode electrode, 11 ... Buffer layer, 12 ... Anode (anode region), 13 ... Anode short region, 30 ... Base layer, 35 ... Anode electrode, 36 ... Buffer Layer, 37 ... Anode (anode area), 38 ... Anode short area.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉蟲 尚茂 宮城県仙台市川内(番地なし) 財団法人 半導体研究振興会内 (56)参考文献 特開 昭51−86982(JP,A) 特開 昭55−146968(JP,A) 特開 昭54−149480(JP,A) 特開 昭50−147290(JP,A) 特公 昭62−19079(JP,B2) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Naoshige Tamamushi Kawauchi, Sendai City, Miyagi Prefecture (no address) Semiconductor Research Promotion Foundation (56) References JP-A-51-86982 (JP, A) JP-A-55 -146968 (JP, A) JP-A-54-149480 (JP, A) JP-A-50-147290 (JP, A) JP-B-62-19079 (JP, B2)
Claims (4)
ース層下であってアノード電極上に、p形のアノード領
域とn形のアノードショート領域とを交互に配設してな
るアノードショート構造を有する半導体スイッチング素
子において、 前記ベース層と前記アノードショート構造との間に、前
記ベース層と同じn形であって前記ベース層よりも高不
純物濃度の半導体層からなるバッファ層を配設すると共
に、前記アノードショート構造のアノードショート間隔
を前記ベース層もしくは前記バッファ層におけるキャリ
アの拡散長の略2倍もしくはそれ以下としたことを特徴
とる半導体スイッチング素子。1. An anode short circuit in which a p-type anode region and an n-type anode short region are alternately arranged below a base layer made of an n-type semiconductor layer having a low impurity concentration and above an anode electrode. In the semiconductor switching element having a structure, a buffer layer made of a semiconductor layer having the same n-type as the base layer and a higher impurity concentration than the base layer is provided between the base layer and the anode short structure. At the same time, the semiconductor switching element is characterized in that an anode short interval of the anode short structure is set to be approximately twice or less than a diffusion length of carriers in the base layer or the buffer layer.
ノード領域の厚さよりも薄い特許請求の範囲第1項記載
の半導体スイッチング素子。2. The semiconductor switching element according to claim 1, wherein the thickness of the anode short region is thinner than the thickness of the anode region.
の下方にのみ設け、該カソード領域の下方以外には前記
アノード領域のみを設けた特許請求の範囲第1項または
第2項記載の半導体スイッチング素子。3. The semiconductor switching element according to claim 1, wherein the anode short structure is provided only below the cathode region, and only the anode region is provided except below the cathode region.
ド領域の下方であって、かつ各ゲート間に形成されるチ
ャネルの下方にのみ設けた特許請求の範囲第3項記載の
半導体スイッチング素子。4. The semiconductor switching device according to claim 3, wherein the anode short region is provided below the cathode region and only below a channel formed between the gates.
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|---|---|
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Family Applications (1)
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1987
- 1987-10-02 JP JP62249562A patent/JPH0795594B2/en not_active Expired - Lifetime
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