JP2809747B2 - 絶縁ゲート付ターンオフサイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、絶縁ゲートを付加したラーンオフサイリス
タに係わり、特にターンオフ能力の向上をはかった絶縁
ゲート付ターンオフサイリスタに関する。

（従来の技術） 絶縁ゲート付サイリスタは、ゲート電極に電圧を印加
すると第２導電型エミッタ層と第２導電型ベース層とが
絶縁ゲート方トランジスタにより短絡されることによっ
てターンオンするサイリスタである。この動作は電圧制
御型であるため、小さなゲート電力した必要としない。
しかし、この構成だけでは自己ターンオフができない。
このため、第１導電型ベース層に制御電極を設け、この
制御電極に負のバイアスを印加し、アノード電流の一部
をベース電流とした外部に排出することにより自己ター
ンオフするように構成される絶縁ゲート付ターンオフサ
イリスタが提案されている。

第23図は自己ターンオフが可能な絶縁ゲート付ターン
オフサイリスタの素子平面図であり、第24図は第23図の
矢視Ａ−Ａ′断面を示す。図において、１はｐ型エミッ
タ層、２はn⁺型バッファ層、３はｎ型ベース層、４はｐ
型ベース層、５はｎ型エミッタ層である。ｐ型エミッタ
層１にはアノード電極６が、ｎ型エミッタ層５にはカソ
ード電極13がそれぞれオーミックに取付けられてサイリ
スタ構造をなしている。ｎ型エミッタ層５とｎ型ベース
層３との間に挟まれたｐ型ベース層４の面には、ゲート
絶縁膜７を介してゲート電極８が形成され、これにより
ターンオフ用ｎチャネル絶縁ゲートトランジスタを構成
している。

なお、図中９はゲート電極８を抵抗抗化するための金
属膜、11はｐ型ベース層４にオーミック接続する制御電
極、12はｐ型ベース層４と制御電極11との接触電極11と
の接触抵抗を小さくするために設けられたp⁺型層であ
る。また、10はゲート電極８とカソード電極13とを絶縁
する絶縁膜であり、14は制御電極11とカソード電極13と
を絶縁する絶縁膜である。

この構成において、ゲート電極８に正の電圧を印加す
ると、ｎ型エミッタ層５はゲート電極８の下のｐ型ベー
ス層４の表面にできたチャネルを介してｎ型ベース層３
と短絡し、ｎ型ベース層３内に電子が注入される。ｐ型
エミッタ層１からはそれに見合った量の正孔がｎ型ベー
ス層内に注入されて、その結果サイリスタはターンオン
することになる。

一方、このサイリスタをターンオフする時は、この制
御電極11に負のバイアスを印加する。すると、ｎ型エミ
ッタ層５を通ってカソード電極13へ流れていたアノード
電流の一部がベース電流として制御電極11から外部に排
出され、その結果サイリスタはターンオフする。

ところで、この絶縁ゲート付ターンオフサイリスタを
急速にターンオフし、大電流を制御するためには主電流
が流れる第２の主電流13と制御電極11を抵抗抗化し制御
電極11から効率よくベース電流を引出さなければならな
い。またターンオフの際に素子内で発生する熱を効率よ
く外部に排出しなければならない。ところが従来、電流
の引出しは素子上に形成された金属のパターン配線を通
して、素子上の別の領域に形成されている電流引出し用
電極部（電極パッド）で行われているため、電気抵抗が
大きくなる。また、熱の引出しは裏面の第１の主電極６
側のみで行われるため熱の排出が不充分である。この電
気抵抗、熱抵抗によりターンオフ能力を高めることがで
きなかった。

さらに、第23図で示すようなストライプ状素子構造で
はｎ型エミッタ層５と制御電極11のストライプ方向の対
応する長さが同じであるためベース電流の引出し効率が
制限されターンオフ能力を高くできなかった。また、通
常のゲートターンオフサイリスタではｎ型エミッタ層５
を囲むように制御電極11を配置した場合、ターンオフ動
作を行なう際に制御電極11から最も離れたｎ型エミッタ
層５中央部に主電流が集中し、破壊に至るという問題が
あった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の絶縁ゲート付ターンオフサイリスタ
では、電極の電気抵抗が大きくまた基板からの熱排出が
不充分であった。また第２導電型エミッタ層と制御電極
の対応する長さが同じでありベース電球の引出し効率が
制限されターンオフ能力を高くできないという問題点が
あった。

本発明は上記事項を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ターンオフ能力が高い絶縁ゲート付
ターンオフサイリスタを提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は第２の主電極を素子上の他の部分と同
等かもしくは高く形成し外部引出し用電極板を圧接もし
くはその他の方法により取り付け電気抵抗と熱抵抗を低
くすることにある。

即ち本発明は、第１導電型エミッタ層と第２導電型ベ
ース層とを有し、前記第２導電型ベース層の表面部に第
１導電型ベース層及び第２導電型エミッタ層が形成さ
れ、前記第２導電型エミッタ層と前記第２導電型ベース
層とに挟まれた前記第１導電型ベース層の表面に絶縁膜
を介してゲート電極が設けられ、前記第１導電型エミッ
タ層に第１の主電極が、前記第２の導電型エミッタ層に
第２の主電極が、前記第１導電型ベース層に制御電極が
それぞれ形成された絶縁ゲート付ターンオフサイリスタ
において、前記第２の主電極と前記第２導電型エミッタ
層が接している直上部の前記第２の主電極の一部もしく
は全部の高さを素子上の他の最も高い部分の高さと同等
かもしくは高くし、前記直上部に接して外部引出し用電
極が設けられていることを特徴とする絶縁ゲート付ター
ンオフサイリスタを提供するものである。

（作用） 本発明によれば、第２の主電極が素子上の他の部分と
同等もしくは、高く敷設されているため、多層配線構造
に過大な応力を与えることなく外部引出し用電極を圧接
もしくはその他の方法により取付けることが可能とな
り、ひいては電極の電気抵抗と熱抵抗を低くすることが
できる。従って、素子からの電流と熱の排出を効率よく
行うことができ高いターンオフ能力が得られる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。なお、この実施例では第１導電型としてｐ型，第２
導電型としてｎ型を用いている。また従来例として示し
た第23図及び第24図と対応する部分は同一符号を付して
その詳しい説明は省略する。

第１図は本発明は第１の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第２図は第１図の矢視Ａ−Ａ′断面を示して
いる。前記第23図，第24図に示す素子構造では、主電流
が流れる第２の主電極13の外部への電流取出しは素子上
の別の領域にある電流引出し用電極部（電極パッド）で
行うが、素子の表面積が大きくなると電流引出し用電極
部でまでの距離が長くなり、配線抵抗が大きくなってし
まう。また素子内で発生する熱の引出しは第１の主電極
６にのみ委ねられているため熱の排出が不充分である。

この実施例ではこの問題点を改善するため第２の主電
極13の高さを素子領域のほぼ全面にわたって均一に形成
し、第２の主電極の外部引出用電極板19を圧接もしくは
ハンダ付けしたものである。このような構成であれば第
２の主電極13の電気抵抗を小さくでき、熱の排出も基板
の両面から行えるためターンオフ能力を高めることがで
きる。また圧接による電極とりだしの場合は制御電極1
1,ゲート8,絶縁膜14,絶縁膜10を硬度の大きい材料で形
成することにより更に強い力で圧接を行うことができる
ため接触電気抵抗を、更に小さくすることができる。

第３図は本発明の第２の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第４図は第３図の矢視Ａ−Ａ′断面、第５図
はこの素子に外部引出し用電極板19を圧接した様子を示
す断面図である。

本実施例は、従来例として示した前記第23図，第24図
の素子構造で、ｎ型エミッタ層５と接している直上部の
第２の主電極13の高さを素子内の他の部分よりも高く
し、延展性金属製の外部引出し用電極板19を圧接したも
のである。このような構成であれば圧接の際の応力が第
２の主電極13と接しているｎ型エミッタ層５の表面に集
中し、素子内の他の部分にはそれほどかからないため、
強い圧接を行うことができる。これによって接触熱抵
抗、接触電気抵抗を小さくすることができる。

また、延展性金属を圧接に使用しているため、外部引
出し用電極板19と第２の主電極13の密着性がよくなり繰
り返し動作によっても電極のズレやはみだしが生じず、
信頼性が向上する。

第６図は本発明の第３の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第７図は第６図の矢視Ａ−Ａ′断面、第８図
はこの素子に外部引出し電極板19,20を圧接した様子を
示す断面図である。

本実施例では前記第23図，第24図に示す素子構造でp⁺
型層12と接している直上部の制御電極11を覆っている絶
縁膜14と第２の主電極13に開口部を設け、この開口部を
通して制御電極11を素子上に露出させる。そして更にｎ
型エミッタ層５と接している直上部の第２の主電極13の
高さを制御電極11の高さと同等もしくは高く形成し、延
展性金属製の外部引出し用電極板19,20を圧接したもの
である。

このような構成であれば第２の主電極13からの電流と
熱の取出しも効率よく行うことができ、更に制御電極11
の電気抵抗も小さくなるためベース電流を容易に取出す
ことができ、高いターンオフ能力が得られる。

また延展性金属を圧接に使用しているため電極のズレ
が生じにくく、他の電極との接触による事故が起りにく
い。さらに、外部引出し用電極板19,20の相互の絶縁に
クッション性絶縁膜22を使用しているため、製造くてい
において発生する電極高さの誤差を吸収できるようにな
っている。もちろん、これに代えて絶縁膜とバネの組合
せを用いても同等の効果が得られる。

第９図は本発明の第４の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第10図は第９図の矢視Ａ−Ａ′断面、第11図
はこの素子に外部引出し用電極板19,20を圧接した様子
を示す断面図である。

前記第23図，第24図に示す素子構造で、ストライプ状
に敷設されていたゲート電極８は、この実施例では島状
に敷設されており、これを取り囲むようにｎ型エミッタ
層５とｐ型ベース層４およびp⁺型層２が形成され、従っ
て第２の主電極13,制御電極11はゲート電極８を取り囲
むように敷設された構造となっている。また外部引出し
用電極板19,21が第２の主電極13とゲート電極配線部17
に圧接されている。このような構成であれば、第２主電
極13からの電流と熱の引出しが効果的であり、制御電極
11の周囲長がｎ型エミッタ層５の周囲長よりも長いこと
からベース電流の引出しが容易である。さらに、ターン
オフの際にｎ型エミッタ層５での電流集中が生じにくい
ため高いターンオフ能力が得られる。またゲート電極８
の配線抵抗も小さくできるためターンオフ特性もよくす
ることができる。

なお、外部引き出し用電極板19,21の位置を入れ替え
てゲート電極用、21下方、第２の主電極用19を上方とす
ることもできる。

第12図は本発明の第５の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第13図は第12図の矢視Ａ−Ａ′断面を示して
いる。本実施例は、第４の実施例の構造でゲート電極配
線部17を絶縁膜18を介して素子領域全体に渡って敷設
し、コンタクトホールを通してゲート電極８に接触させ
たものである。このような構成であれば、ゲート電極が
独立していないので外部電極との圧接をしなくても、通
常のパッドボンディングの方法で電極の取り出しができ
る。また、ゲート電極配線部17が素子領域全体にわたっ
て敷設されているためターンオフ特性が向上する。

第14図は本発明の第６の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第15図，第16図，第17図は第14図の矢視Ａ−
Ａ′断面,B−Ｂ′断面,C−Ｃ′断面を示している。

本実施例は第４の実施例の構造で島状のゲート電極８
を接続する配線17をストライプ状に敷設したもので、ゲ
ート電極配線17と制御電極11,第２の主電極13が交差す
る箇所では第２の主電極13が制御電極11を覆っている部
分を除去し絶縁膜14を介してゲート電極配線17を敷設し
たものである。このような構成であれば、金属２層配線
での素子形成が可能となる。

尚、この実施例では、第１乃至第３の実施例で示した
方法を適用し、第２の主電極13、または制御電極11を圧
接することにより電流と熱の取り出しを行うこともでき
る。

第18図は本発明の第７の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第18図の矢視Ａ−Ａ′断面,B−Ｂ′断面は、
前記第６の実施例の第16図，第17図と同じである。

本実施例は第６の実施例で用いたストライプ状のゲー
ト電極配線17を更に、網目状に敷設したものである。こ
のような構成であれば第５の実施例と同様に金属２層配
線での素子形成が可能であり、ゲート電極配線17の抵抗
を減少させることができる。尚、この実施例でも第１乃
至第３の実施例で示した方法を適用し、第２の主電極13
または制御電極11を圧接することにより電流と熱の取り
出しを行うこともできる。

第19図は本発明の第８の実施例の素子構造を示す平面
図であり、矢視Ａ−Ａ′断面,B−Ｂ′断面は前記第17
図，第20図に示している。

本実施例は第６の実施例の構造で制御電極11の一部を
絶縁膜14を介して第２の主電極13の下部からゲート電極
８方向へ張り出したものである。このような構成であれ
ばベース電流が引出し易くなるため、高いターンオフ能
力が得られる。本実施例で示した方法は従来例として示
したストライプ状素子構造や第７の実施例にも適用でき
るものである。さらに、第１乃至第３の実施例で示した
方法を適用し、第２の主電極13または制御電極11を圧接
することにより電流と熱の取出を行うこともできる。

第21図は本発明の第９の実施例の素子構造を示す平面
図であり、第21図の矢視Ａ−Ａ′断面,B−Ｂ′断面は前
記第16図,22図に示している。

本実施例は第６の実施例の構造で、ゲート電極８下部
のチャネルの一部を除去し、さらに第８の実施例で示し
た方法を適用し制御電極11をゲート電極８方向へ張り出
したものである。このような構成であれば、ベース電流
が更に引出し易くなるため高いターンオフ能力が得られ
る。本実施例で示した方法は従来例として示したストラ
イプ状素子構造や第７の実施例にも適用できるものであ
る。さらに第1,乃至第３の実施例で示した方法を適用
し、第２の主電極13または制御電極11を圧接することに
より電流と熱の取出しを行うこともできる。

かくして本実施例によれば、高いターンオフ能力をも
つ絶縁ゲート付ターンオフサイリスタを実現することが
できる。

なお本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その用紙を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、第２の主電極の
一部もしくは全部を素子内の他の部分の高さと同等もし
くは高くすると、外部取出し電極板の取付けが可能とな
り、低い電気抵抗と熱抵抗が得られ高いターンオフ能力
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明の第１の実施例に係わる絶縁ゲ
ート付ターンオフサイリスタの概略構成を示す図、第３
図，第４図及び第５図は第２の実施例に係わる絶縁ゲー
ト付ターンオフサイリスタの概略構成を示す図、第６図
乃至第８図は第３の実施例に係わる絶縁ゲート付ターン
オフサイリスタの概略構成を示す図、第９図，第10図及
び第11図は第４の実施例に係わる絶縁ゲート付ターンオ
フサイリスタの概略構成を示す図、第12図及び第13図は
第５の実施例に係わる絶縁ゲート付ターンオフサイリス
タの概略構成を示す図、第14図乃至第17図は第６の実施
例に係わる絶縁ゲート付ターンオフサイリスタの概略構
成を示す図、第18図は第７の実施例に係わる絶縁ゲート
付ターンオフサイリスタの概略構成を示す図、第19図及
び第20図は第８の実施例に係わる絶縁ゲート付ターンオ
フサイリスタの概略構成を示す図、第21図及び第22図は
第９の実施例に係わる絶縁ゲート付ターンオフサイリス
タの概略構成を示す図、第23図及び第24図は従来例とし
て示した絶縁ゲート付ターンオフサイリスタの概略構成
を示す図である。 １……ｐ型エミッタ層、２……n⁺型バッファ層、 ３……ｎ型ベース層、４……ｐ型ベース層、 ５……ｎ型エミッタ層、６……アノード電極、 ７……ゲート絶縁膜、８……ゲート電極、 ９……金属膜、10……第１の絶縁膜、 11……制御電極、12……p⁺型層、 13……カソード電極、14……第２の絶縁膜、 16……コンタクトホール、 17……ゲート電極配線部、 18……第３の絶縁膜、 19……第２の主電極の外部引出し用電極板、 20……制御電極の外部引出し用電極板、 21……ゲート電極の外部引出し用電極板、 22……クッション性絶縁膜。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−196174（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252168（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 29/74 - 29/749

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型エミッタ層と第２導電型ベース
   層とを有し、前記第２導電型ベース層の表面部に第１導
   電型ベース層及び第２導電型エミッタ層が形成され、前
   記第２導電型エミッタ層と前記第２導電型ベース層とに
   挟まれた前記第１導電型ベース層の表面に絶縁膜を介し
   てゲート電極が設けられ、前記第１導電型エミッタ層に
   第１の主電極が、前記第２導電型エミッタ層に第２の主
   電極が、前記第１導電型ベース層に制御電極がそれぞれ
   形成された絶縁ゲート付ターンオフサイリスタにおい
   て、 前記第２の主電極と前記第２導電型エミッタ層が接して
   いる直上部の前記第２の主電極の一部もしくは全部の高
   さを素子上の他の最も高い部分の高さと同等かもしくは
   高くし、前記直上部に接して外部引出し用電極が設けら
   れていることを特徴とする絶縁ゲート付ターンオフサイ
   リスタ。