JP2782638B2 - Mosコントロールサイリスタ - Google Patents

Mosコントロールサイリスタ

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JP2782638B2 JP2408559A JP40855990A JP2782638B2 JP 2782638 B2 JP2782638 B2 JP 2782638B2 JP 2408559 A JP2408559 A JP 2408559A JP 40855990 A JP40855990 A JP 40855990A JP 2782638 B2 JP2782638 B2 JP 2782638B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、pnpn4層構造を有
し、二つのMOSゲートでオン,オフする電圧駆動型の
電力用スイッチング素子であるMOSコントロールサイ
リスタに関する。
【0002】
【従来の技術】ターンオフ可能なサイリスタとして、ゲ
ートターンオフサイリスタ(GTO)が一般に使われて
いる。しかし、GTOは電流駆動型素子であるため、よ
り大きなゲート駆動電力を要する等の欠点がある。そこ
でこの欠点を克服するためにゲートを電圧駆動型にした
MOSゲートサイリスタが発表された。これはMOSゲ
ートでワイドベーストランジスタを駆動する構造で、絶
縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)と同じ
である。しかしIGBTは、内部寄生サイリスタをラッ
チングさせないが、MOSゲートサイリスタはそれをラ
ッチングさせるため、ターンオフの際ゲート電圧だけで
なくアノード電圧を反転させなくてはならない。
【0003】近年、ターンオンもターンオフも電圧駆動
型であるMOSゲートを使ったサイリスタ(MOS Co
ntrol Thyristor(MCT))が発表された。これはp−n
−p−nサイリスタにターンオン用およびターンオフ用
のMOSFETを組み込んだ構造となっている。すなわ
ち、図2に示すように、n型低比抵抗のn+ 層1(第一
領域)の上にp型で低比抵抗のp+ 層2(第二領域)と
p型で高比抵抗のp-層3(第三領域)を形成し、この
- 層3の表面層内に選択的にn層4(第四領域)を、
そのn層との表面層内に選択的にp層5(第五領域)
を、さらにこのp層5の表面層内に選択的にp+ 層6
(第六領域)とn+ 層7(第七領域)とを形成する。そ
して、n層4のp- 層3およびp+ 層5にはさまれた表
面領域ならびにp層5のn層4およびn+ 層7にはさま
れた領域をチャネル領域として、その上にゲート絶縁膜
8を介してゲート電極9を形成する。また、p+ 層6お
よびn + 層7の表面に共通に接触するアノード電極10と
+ 層1の表面に接触するカソード電極11とを設ける。
アノード電極10はゲート電極と絶縁膜12で絶縁されてい
る。
【0004】この素子は、アノード電極10を接地し、ゲ
ート電極9とカソード電極11に電圧を加えることにより
動作する。すなわち、ターンオン時、ゲート電極9に負
の電圧を印加すると、n層4のp層5とp- 層3にはさ
まれた表面領域にpチャネルが形成される。そこで、カ
ソード電極11に負の電圧を印加すると、形成されたpチ
ャネルから正孔がカソードに向かって流れ出し、n+
1とp+ 層2との間のn+ /p+ 接合をオンにする。こ
れにより、n+ 層1からp+ 層2への電子の注入が生じ
る。この電子はp- 層3およびn層4を通ってn層4と
p層5, p+ 層6との間のp/n接合をオンにする。こ
れにより、p層5, p+層6からn層4への正孔の注入
が生じ、npnpサイリスタがオンする。そして、p+
層2, p - 層3およびn層4で伝導度変調が生じ、オン
抵抗が低くなる。
【0005】ターンオフ時、ゲート電極9に正の電圧を
印加すると、p層5のn層4とn+層7にはさまれた表
面領域にnチャネルが形成される。これにより、n+
7と共通にアノード電極10に接触するp+ 層6およびn
層4は同電位になるため、n + 層1から注入された電子
がn層4とp層5およびp+ 層6との間のp/n接合に
到達しても、形成されたnチャネルを通ってアノードへ
流れ出し、p層5からの正孔の注入が生じず、オフが完
了することになる。以上の動作は各領域の導電型が逆
で、MOS構造がカソード電極側に設けられるMCTに
おいて、印加電圧の極性を逆にした場合に同様に起き
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】スイッチング素子とし
てのMCTはターンオフの高速化が望まれる。ターンオ
フの高速化には、オン時にp+ 層2, p- 層3, n層4
の各領域に多数存在する過剰キャリアをいち早く掃き出
さなくてはならない。カソード電極11によってp + 層2
をn+ 層1に短絡するカソードショート構造は、オン時
にたまった過剰キャリアをp+ 層2からカソードへ掃き
出しやすいという利点があるものの、オン時にn+ 層1
からの電子の注入が少なくなり、ある時間を経てから急
激に伝導度変調が起こることから、過渡オン時の負性抵
抗現象を引き起こしやすく、そのためオン損失が大きく
なりがちである。そうかといって、p+ 層2をカソード
電極11に短絡するカソードショート孔なしの通常のカソ
ード構造の場合には、負性抵抗現象は消えるが、ターン
オフ時のキャリア掃き出しの効果が低下し、ターンオフ
損失が大きくなる。
【0007】本発明の目的は、このようなオン損失とタ
ーンオフ損失の間にトレードオフのある欠点を解消し
て、ターンオン時の負性抵抗現象が発生せず、かつター
ンオフ損失の少ないMCTを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、高不純物濃度の第一導電型の第一領域
と、高不純物濃度の第二導電型の第二領域を介して第一
領域上に設けられた低不純物濃度の第二導電型の第三領
域と、第三領域の表面層内に選択的に形成された第一導
電型の第四領域と、第四領域の表面層内に選択的に形成
された第二導電型の第五領域と、第五領域の表面から第
四領域に突き抜けるように選択的に形成された高不純物
濃度の第二導電型の第六領域と、第五領域の表面層内に
第六領域に接して選択的に形成された第一導電型の第七
領域を有し、第四領域の第三領域および第五領域にはさ
まれた表面部ならびに第五領域の第四領域および第七領
域にはさまれた表面部をチャネル領域としてその表面上
に絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、第一領域に第
一主電極、第六領域および第七領域に共通に第二主電極
が接触するMCTにおいて、第一領域内に選択的に第一
主電極には接触するが第二領域に突き抜けない高不純物
濃度の第二導電型の第八領域が形成されたものとする。
そして、第八領域の第一主電極に接触する面積が第一主
電極の全接触面積の25%以上であること、また第八領
域の深さが第一領域の厚さの80%以下であることが有
効である。
【0009】
【作用】第八領域が第二領域と連結されておらず、第八
領域の下に第一領域が残っていて完全なカソードショー
トあるいはアノードショート構造でないため、ターンオ
フ時には第一導電型の第一領域と第二導電型の第二領域
の間の接合の約0.8Vの拡散電位分の電圧が第一主電極
に印加されれば、必ず第一領域から第二, 第三領域の少
数キャリアの注入が生じ、負性抵抗現象は発生しない。
またターンオフ時には、第一主電極電位の変化dV/dtに
よって掃き出された第二, 第三領域の多数キャリアは、
主に第八領域を通って第一主電極へ流れ出すため、第一
領域からの少数キャリアの再注入が抑えられる結果とな
る。よってターンオフ時の電流が減少し、ターンオフ損
失が低減する。
【0010】
【実施例】図1は本発明の一実施例のMCTを示し、図
2と共通の部分には同一の符号が付されているが、n+
層1の一部にn+ 層の厚さより浅いp+ 層13 (第八領
域)が形成されている点が異なっている。この素子は次
の工程で製造される。
【0011】先ず比抵抗0.01Ω・cmのn+ 基板1の表面
上にエピタキシャル法で比抵抗0.1Ω・cmで厚さ20μ
mのp+ 層2, 比抵抗200Ω・cmで厚さ180μmの
-層3を積層する。p- 層3の表面上にゲート酸化膜
8を介して、多結晶シリコン層を形成し、パターニング
してゲート電極9とする。次にそのゲート電極9をマス
クとしてイオン注入を行い、熱拡散してn層4を形成し
たのち、同じくゲート電極9および必要によりレジスト
膜をマスクとしてp層5, p+ 層6, n+ 層7をイオン
注入と熱拡散により形成する。またn+ 層1の表面から
の酸化膜マスクを用いてのイオン注入と熱拡散によりp
+ 層13を形成する。このあと、PSGなどで絶縁膜12を
形成し、Al蒸着膜からアノード電極10, カソード電極11
を形成する。n+ 基板1の比抵抗、p+ 層2, p- 層3
の比抵抗, 厚さは従来のMCTと同じであるが、本発明
によるp+ 層13は、5μmの厚さのn+ 層1に3μmの
深さに形成され、その表面不純物濃度は2.0×1019/cm
3 で、全カソード電極面積に対し面積比で30%であ
る。
【0012】図3は、図1に示した本発明の実施例のM
CT (線31) と図2に示した従来のMCT (線32) のオ
ン電圧Vonとオフ損失Eoff とのトレードオフ曲線であ
る。図2から明らかなように本発明によるMCTは従来
型のMCTに比してトレードオフ特性が優れており、例
えばVon=2.5Vで比較するとEoffは約4割減少とな
っている。
【0013】図4は、本発明の実施例のMCT (線41)
とn+ 層11全面にカソードショート孔を設けたMCT
(線42) のVon−Eoff のトレードオフ曲線である。図
4から明らかなように、本発明によるMCTはカソード
ショート型MCTに比べトレードオフ特性に優れてお
り、例えばEoff =3mJで比較すると、Vonが3.0Vほ
ど低くなる。
【0014】図1の構造でp+ 層13のカソード電極11と
の接触面積比が小さくなると、Vonは低くなるがEoff
が増大するので25%以上であることが望ましく、また
+層13の深さが3μmより深くなるとEoff は減少す
るが負性抵抗現象を引き起こしやすくなるのでn+ 層1
の厚さの80%以下であることが望ましい。
【0015】以上の実施例はMOS構造がアノード電極
側に設けられるMCTについて述べたが、MOS構造を
カソード電極側に設けたMCTにおいてもアノード電極
に接触するp層にそれより浅いn+ 層を設けることによ
り同様に実施することができる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、MCTの半導体素体の
MOS構造の設けられる面と反対側の面で主電極に接触
する第一導電型の領域の一部に、その上の第二導電型の
領域には連結されない第二導電型の領域を設けて主電極
に接触させることにより、オン抵抗とターンオフ損失の
トレードオフ特性が優れ、オン時の負性抵抗現象の起こ
らないMCTを得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のMCTの断面図
【図2】従来のMCTの断面図
【図3】本発明の実施例と従来例のMCTのオン電圧,
オフ損失のトレードオフ特性線図
【図4】本発明の実施例とカソードショート型のMCT
のオン電圧, オフ損失のトレードオフ特性線図
【符号の説明】
1 n+ 層 (第一領域) 2 p+ 層(第二領域) 3 p- 層(第三領域) 4 n層(第四領域) 5 p層(第五領域) 6 p+ 層(第六領域) 7 n+ 層(第七領域) 8 ゲート絶縁膜 9 ゲート電極 10 アノード電極 11 カソード電極 13 p+ 層(第八領域)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高不純物濃度の第一導電型の第一領域と、
    高不純物濃度の第二導電型の第二領域を介して第一領域
    上に設けられた低不純物濃度の第二導電型の第三領域
    と、第三領域の表面層内に選択的に形成された第一導電
    型の第四領域と、第四領域の表面層内に選択的に形成さ
    れた第二導電型の第五領域と、第五領域の表面から第四
    領域に突き抜けるように選択的に形成された高不純物濃
    度の第二導電型の第六領域と、第五領域の表面層内に第
    六領域に接して選択的に形成された第一導電型の第七領
    域を有し、第四領域の第三領域および第五領域にはさま
    れた表面部ならびに第五領域の第四領域および第七領域
    にはさまれた表面部をチャネル領域としてその表面上に
    絶縁膜を介してゲート電極が設けられ、第一領域に第一
    主電極,第六領域および第七領域に共通に第二主電極が
    接触するものにおいて、第一領域内に選択的に第一主電
    極には接触するが第二領域に突き抜けない高不純物濃度
    の第二導電型の第八領域が形成されたことを特徴とする
    MOSコントロールサイリスタ。
  2. 【請求項2】請求項1記載のものにおいて、第八領域の
    第一主電極に接触する面積が第一主電極の全接触面積の
    25%以上であるMOSコントロールサイリスタ。
  3. 【請求項3】請求項1あるいは2記載のものにおいて、
    第八領域の深さが第一領域の厚さの80%以下であるM
    OSコントロールサイリスタ。
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DE4142807A DE4142807C2 (de) 1990-12-28 1991-12-23 MOS-gesteuerter Thyristor

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JPH04312978A JPH04312978A (ja) 1992-11-04
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DE4142807A1 (de) 1992-07-02
JPH04312978A (ja) 1992-11-04
US5306929A (en) 1994-04-26
DE4142807C2 (de) 1997-08-14

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