专利名称:闸门电路断开可控硅的制作方法
本发明涉及闸门电路断开可控硅，特别是关于在可控硅结构中将晶体管元件之一的电流放大系数降至最小，使其电流截止特性得到改善的闸门电路断开可控硅。
闸门电路断开可控硅(以下简称为GTO)是一种半导体开关元件，能够通过控制极的控制截止电流，即由控制极将电流吸走，因此具有广泛的用途，例如，用在变换器中控制电动机的转速。
可控硅的关断增益Goff(即，可控硅导通时的开态电流与截止电流所需的闸门断开电流之比)，众所周知，由下列公式给出Goff= (α32)/(α12+α32-1)上式中，α32表示可控硅结构中一个晶体管元件的电流放大系数，该晶体管的基区连接于控制极控制端，α12表示可控硅结构中另一晶体管元件的电流放大系数。
本说明书中，以下将叙述较为通用的P基极型可控硅，电流放大系数α32和α12分别表示为“α(n-p-n)”和“α(p-n-p)”。
有必要改善可控硅的电流截止特性，尤其是，为了增大GTO可控硅的关断增益Goff，由上式可知，必须增大电流放大系数α32，即增大电流放大系数α(n-p-n)，使电流放大系数α12，即电流放大系数α(p-n-p)降至最小值。
如《日立周报》(Hitachi Review)1980第29卷第三号第127-130页，题为“闸门断开可控硅和驱动电路”一文中所述，有两种使电流放大系数α(p-n-p)减至最小的常规方法。
第一种方法的特点是掺入重金属，例如金。掺入重金属是以缩短NB层中载流子寿命并由此降低载流子向基区的迁移率为目的，结果使电流放大系数α(p-n-p)减至最小。
第二种减少电流放大系数α(p-n-p)方法的特点是分流P发射极。这种结构等同于p-n-p晶体管的发射极和基极相互通过一个电阻分流的结构。其打算依靠等效分流电阻减少p-n-p晶体管发射极注入的效能，从而使得电流放大系数α(p-n-p)减至最小。
掺重金属的方法能够较好地改善可控硅元件的电流截止特性，而不损害可控硅的基本功能特性。但另一方面，掺重金属的方法有这样的缺点，在NB层中较短的载流子寿命促成了开态电压的增加和漏电流的增加，而且在高温时掺入重金属会带来许多问题，包括降低可控硅元件的性能。
使P发射极短路的第二种方法，因为可以保持较高的载流子寿命，所以能够较好地克服第一种方法的缺点。然而，第二种方法产生一个缺点，由于PE层被N+型层分流，可控硅失去了阻塞反向电压的功能。
在早期的应用中，GTO可控硅主要用于电压型变换器。在这种器件中，仅对其中可控硅施加正向电压，即根本没有反向电压作用于可控硅元件，因此早期的GTO可控硅不需要阻塞反向电压能力。
但是，随着GTO可控硅应用范围的扩展，可控硅也应用于与电压型变换器不同的器件，诸如电流型变换器、反相器和斩波器等。在这些器件中，相等于正向电压大小的反向电压也作用于可控硅元件。
因此，在高性能GTO可控硅采用P发射极短路的情况下，就需串接一个二极管，这样作带来了不利的后果，增大了器件的体积，降低了其工作效率。
为了克服上述缺点，要求GTO可控硅具有最小的电流放大系数α(P-n-P)，并且还具有阻塞反向电压的功能，而没有用重金属掺杂。
本发明的主要目的是通过克服上述常规方法的各缺点，即防止其它许多特性的任何降低，同时又保持阻塞反向电压的功能，获得高载止电流特性的GTO可控硅。
为了这个目的，根据本发明，所提供的闸门电路断开可控硅包括一块衬底，该衬底具有暴露在一个主表面上是属于第一导电型的第一层;邻接于第一层且属于第二导电型的第二层;邻接于第二层且暴露在衬底另一主表面上的第三层，该层属于第一导电型;邻接于第三层且暴露在衬底主表面上的第四层，该层属于第二导电型;以及设置在第一层和第二层之间且属于第一导电型的第五层。第五层具有经选择小于第二层的杂质浓度。当然，衬底中包含有PN结，分别形成在上述导电类型互不相同且相邻的层次间。另外，第一主电极至少与第一层良好导电连接，第二主电极与第四层良好导电连接，控制极连接于第三层。
由上述结构，就可以降低第五层和第二层之间，结上的注入效率，减小了一个晶体管的电流放大系数。从而，能够获得具有高电流截止特性和阻塞反向电压功能的GTO可控硅。
图1A是本发明GTO可控硅的一个实施例结构剖面图;
图1B是根据本发明形成杂质浓度分布的曲线图;
图1C是本发明一个实施例的等效电路图;
图2A是说明本发明GTO可控硅的开态工作的剖面示意图;
图2B是说明本发明GTO可控硅的关态工作的剖面示意图;
图3是说明常规GTO可控硅一端表面的结构的剖面示意图;
图4是说明本发明GTO可控硅一端表面的结构的剖面示意图;
图5是制造本发明GTO可控硅方法的实例流程图。
本发明GTO可控硅的一个实施例结构表示在图1A中。众所周知，可控硅一般包括有连接于阳极A的P发射区(PE层)和邻接于P发射区的N基区(NB层)。邻接于N基区(NB层)的P基区(PB层)一般也连接于控制极G。而且，邻接于P基区的N发射区(NE层)较典型的是连接于阴极K。然而在图1A中，却与常规可控硅不同，把低杂质浓度的P型层(以下称为“π层”)设置在与NB层邻接的PE层内，界于PE层与NB层之间。
要说明的一点是，虽然实际的GTO可控硅，如日本公开专利第131，955/1981号中所述，是在单片半导体衬底上并列配置许多PNPN结构形成的组合器件，但在图1A中仅表示了一个PNPN结构，以简化说明。
图1B表示图1A结构的杂质浓度分布曲线。图1B中横坐标上距离X(沿构成可控硅每层的厚度方向)与图1A中所示的同一长度对应。纵座标表示杂质浓度(即，每立方厘米中杂质的原子数)。从图中可以清楚地看到，在π层中形成的杂质浓度，要低于NB层中的杂质浓度，也就是说，大约是NB层中的十分之一。例如，NB层中杂质浓度为5×1014原子/立方厘米，那么π层中的杂质浓度就是5×1013原子/立方厘米。
众所周知，PN结的注入效率γ由下式表示γ＝ 1/(1+(ρ(SPE)/ρ(SNB))上式中，ρ(SPE)和ρ(SNB)分别代表与注入PE层载流子的扩散长度有关区域的薄层电阻和与注入NB层载流子扩散长度有关区域的薄层电阻，并由下式表示ρ(S)＝ (ρ(平均电阻率))/(L(注入载流子的扩散长度))
从上式可以得知，当薄层电阻ρ(SPE)足够地低于薄层电阻ρ(SNB)，也就是说，当PE层中杂质浓度足够地高于NB层中的杂质浓度，注入效率γ大致可等于1。当薄层电阻ρ(SNB)和ρ(SPE)相等时，注入效率γ等于0.5，而且当薄层电阻ρ(SPE)充分地高于薄层电阻ρ(SNB)，即，当PE层中的杂质浓度充分地低于NB层中的杂质浓度，注入效率γ实际等于0。
因此，不难理解，在本发明实施例中，在与NB层相接触的PE层一侧设置低杂质浓度的π层能够将所述PN结上的注入效率降至最小。
本发明的结构可看作是一个P-n-P晶体管的发射极和基板通过一个电容C相互分流的电路，由图1C的等效电路表示。
当GTO可控硅转为处于导通态时，阳极电流流经电容C，对其充电，从而能有效地降低电流放大系数α(P-n-P)。当GTO可控硅处于闭态时，由于电容C放电，P-n-P晶体管可迅速处于关闭状态。
以下将参照图2A和图2B更详细讲述上述GTO可控硅的工作情况。图2A是阐述本发明GTO可控硅导通态工作的示意图。
当控制极通入电流Ig由PB层流向NE层时，电子由NE层注入PB层。注入的电子如虚线箭头所示穿过用作集电极的NB层并经π层注入PE层。
这种情况下，由于π层中的杂质浓度低于NB层中的杂质浓度，所以在π-NB发射结处能有效地阻止注入的空穴从π层进入NB层。如箭头10所示，从PE层注入的空穴被用来增加π层中载流子浓度。
根据上述过程，π层中的空穴浓度迅速增加到超过NB层中的电子浓度。这时，将有空穴注入NB层，使GTO可控硅处于导通态。因此，阳极电流流动如箭头11所示。在可控硅被导通后的电流流动期间，π层中充满了由PE层注入的空穴，所以象发射极一样地工作，能很好地向NB层注入空穴。
图2B是阐述本发明可控硅关闭态工作情况的示意图。控制极关断电流21排除PB层中的过剩载流子并将阳极电流引向控制极G，如箭头22所示。由于π层中过剩载流子的数量迅速减少，由π层注入NB层的空穴返回π层，如箭头23所示，因此，NB层中的过剩载流子很快地被消除。
可控硅器件的关断性能由于上述机理而得到改善。
本发明GTO可控硅具有阻塞反向电压功能。这是因为在NB层一侧的整个表面上形成的π-NB结有很好的电压阻塞性能，还因为该结没有对阳极分流。
本发明GTO可控硅的反向电压阻塞特性以下将参照图3和图4进一步说明。
图3、图4是剖面示意图，分别表示常规GTO可控硅和本发明可控硅的一侧表面钝化结构。
图3表示一常规GTO可控硅的侧表面结构，其中所示的有GTO可控硅元件31、阳极32和防护体33(如钝化玻璃)，该可控硅具有反向电压阻塞特性。为了减弱PE-NB结上具有的正向电压的电场，通常的做法是将可控硅加工成叫做“倒斜角”的结构。用这种工艺加工GTO可控硅器件31的侧表面31A，以致使在接近低杂质浓度NB层边上可控硅部分的截面积小于另一边上可控硅部分的截面积。
然而，由图3的耗尽层34(即阴影部分)可清楚地看到，PE-NB结上侧表面的倾斜角成一个负倒斜角。因此，在可控硅承受反向电压状态中，场强不是减少而是增加，导至可控硅反向电压阻塞特性的降低。
图4表示本发明GTO可控硅的侧表面结构的一个实施例。其中表示出GTO可控硅41，阳极42和保护层43。在这一结构中，由于π层中杂质浓度低，当反向电压加在可控硅上，耗尽层44(图中阴影部分)显著扩大，于是防止了反向电压阻塞特性的任何降低。
换言之，在本发明GTO可控硅中，单一的倒斜角使正向阻塞结和反向阻塞结都有正的倒斜角，因此，容易改善电压阻塞特性。而且，就本实施例而论阳极42只能装在PE层上。但是，根据电流放大系数α(p-n-p)降至最小的观点，将阳极42如图1A所示也装在π层上是较可取的。而且，由上述的π-NB结的工作功能改善本发明GTO可控硅的电流截止特性。因而，从这一事实可清楚知道，不需要用重金属例如金掺杂。
因此，开 电压或漏电流没有任何增加的可能。各种性能也不受高温的不利影响。
图5是制造本发明GTO可控硅一方法的流程图。
首先，在N型硅衬底的一个表面上外延生长π层，由此形成π-NB结。
即而，利用扩散法依次形成P基区层、N发射层和P发射层，从而完成了所有结的制作。
其后，进行通常的步骤、焊结电极和其它处理如钝化表面等，以制成可控硅，然后封装在管壳内。
由于对常规的制造方法来说，只是在制造过程的初始阶段增加了π外延层的生长，所以本发明GTO可控硅很容易制造，因此，在本发明GTO可控硅的生产中没有任何困难。
如上所述，根据本发明，能够获得具有阻塞反向电压功能而不需对其掺入重金属的高性能GTO可控硅。而且，该可控硅的制造既不困难也不复杂，因此造价没有大幅度增长。此外本发明GTO可控硅可以获得优于常规可控硅结构的反向电压阻塞特性。
虽然，图1B中给出了各层杂质浓度的具体值，但要知道这仅作为举例用，于是，只要π层中的杂质浓度保持低于NB层中的杂质浓度，以产生上述效果，可以采用其它的值。
应知道，上述方案仅是对本发明的原理应用加以说明，本领域的一般技术人员都可以容易地设计其它方案，这些方案包含本发明原理并属于本发明的精神和范围之列。
权利要求
1.闸门电路断开可控硅包括半导体衬底，它具有第一层，该层暴露在衬底的第一个主表面上且属于第一导电型，第二层邻接于上述第一层且为第二导电型，第三层邻接于上述第二层且暴露在上述衬底的第二个主表面上，该第三层属于第一导电型，第四层邻接于上述第三层也暴露在上述衬底的第二个主表面上，该第四层属于第二导电型，第五层设置在上述第一层和上述第二层之间，属于第一导电型，该第五层选用的杂质浓度低于上述第二层中的杂质浓度，以及在上述各导电型互不相同的且相邻的层次间形成的PN结；第一主电极至少与上述第一层良好导电连接；第二主电极与上述第四层良好导电连接；控制极连接于上述第三层。
2.根据权利要求
1所述闸门电路断开可控硅，其中第一导电型为P型。
3.根据权利要求
1所述闸门电路断开可控硅，其中上述第五层暴露在上述半导体衬底的上述第一个主表面上并连接于上述第一主电极。
4.根据权利要求
1所述闸门电路断开可控硅，其中上述半导体衬底成倒斜角，以致使在靠近上述第五层的一条边上，该半导体衬底部分的截面积小于在该衬底靠近上述第三层的一条边上该半导体衬底部分的截面积。
5.根据权利要求
1所述的闸门电路断开可控硅，其中上述第一主电极仅与上述衬底的第一层接触。
6.根据权利要求
1所述的闸门电路断开可控硅，其中上述第一层具有高于上述第二层的杂质浓度。
7.闸门电路断开可控硅包括有半导体衬底，它具有第一层，该层暴露在衬底的第一个主表面上且属于第一导电型，第二层邻接于上述第一层且为第二导电型，第三层邻接于上述第二层且暴露在上述衬底的第二个主表面上，该第三层属于第一导电型，以及第四层邻接于上述第三层也暴露在上述衬底的第二主表面上，该第四层属于第二导电型;第一主电极至少与上述第一层良好导电连接;第二主电极与上述第四层良好导电连接;控制极连接于上述第三层，其中，上述闸门电路断开可控硅中还包括有，降低上述第一和第二层之间注入效率的装置，该装置包含属于上述第一导电类型的第五层设置在上述第一和第二层之间，并且有经选择而低于上述第二层中的杂质浓度。
8.根据权利要求
7所述的闸门电路断开可控硅，其中上述第一层具有比上述第二层高的杂质浓度。
专利摘要
所提供的闸门电路断开可控硅具有一块半导体衬底、一个阳极和一个控制极。半导体衬底包含有，连接阳极的P发射层、邻接于P发射层的N基区层、邻接于N基区层且连接控制极的P基区层和邻接于P基区层且连接阴极的N发射层。为了改善其电流截止性能，半导体衬底还包括在P发射层和N基区层之间设置的P型层，并且有低于N基区层的杂质浓度。
文档编号H01L29/74GK85105982SQ85105982
公开日1987年3月4日 申请日期1985年8月8日
发明者樱田修六, 池田裕彦 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan