双向光敏晶闸管芯片和固态继电器制造技术

本发明专利技术提供一种能够应用于高电流容量的SSR的双向光敏晶闸管芯片。该双向光敏晶闸管芯片(40)在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元(42)，各单元(42)包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部(42a)和第二光敏晶闸管部(42b)，各光敏晶闸管部(42a、42b)具有PNPN部，该PNPN部包括：在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩散区域(43)；具有N型和P型中的另一种导电型的衬底(41)；与阳极扩散区域(43)相对的具有上述一种导电型的控制极扩散区域(44)；在该控制极扩散区域(44)内与阳极扩散区域(43)相对形成并且具有上述另一种导电型的阴极扩散区域(45)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及双向光敏晶闸管芯片和使用上述双向光敏晶闸管芯片的固态继电器(以下简称SSR)。
技术介绍
一直以来，作为在交流中使用的SSR，具有图13所示的电路结构。该SSR8包括：由LED(发光二极管)等的发光元件1和触发用的双向光敏晶闸管2形成的光触发耦合器3；用于实际控制负载的双向晶闸管(以下有时也称为主晶闸管)4；和由电阻器5、电容6等形成的缓冲电路7。另外，构成上述SSR8的光触发耦合器3的等效电路图如图14所示。双向光敏晶闸管2包括CH(沟道)1的光敏晶闸管9和CH2的光敏晶闸管10。而且，CH1的光敏晶闸管9构成为将PNP晶体管Q1的基极与NPN晶体管Q2的集电极连接，另一方面，使PNP晶体管Q1的集电极与NPN晶体管Q2的基极连接。同样，CH2的光敏晶闸管10构成为使PNP晶体管Q3的基极与NPN晶体管Q4的集电极连接，另一方面，使PNP晶体管Q3的集电极与NPN晶体管Q4的基极连接。并且，在上述CH1侧中，PNP晶体管Q1的发射极直接与电极T1连接。另一方面，NPN晶体管Q2的发射极直接与电极T2连接，基极经由控制极电阻11与电极T2连接。同样，在CH2侧中，PNP晶体管Q3的发射极直接与电极T2连接。另一方面，NPN晶体管Q4的发射极直接与电极T1连接，基极经由控制极电阻12与电极T1连接。具有上述结构的光触发耦合器3如以下的方式动作。即，图14中，在电极T1－电极T2间偏置比元件的导通电压(约1.5V)高的电压的电源电压的条件下，首先，在电极T1侧比电极T2侧更加位于正电位的情况下，当双向光敏晶闸管2接收来自LED1的光信号时，CH1侧的NPN晶体管Q2成为导通状态。这样一来，CH1侧的PNP晶体管Q1的基极电流被引出，该PNP晶体管Q1导通。接着，利用PNP晶体管Q1的集电极电流，对CH1侧的NPN晶体管Q2供给基极电流，通过正反馈使CH1侧的PNPN部导通，从电极T1向电极T2流动与交流电路的负载相应的导通电流。此时，在CH2侧，偏压施加的朝向相反，因此不产生PNPN部的正反馈，仅1次光电流流动。另一方面，在上述电极T2侧比电极T1侧更加位于正电位的情况下，CH2侧的PNPN部与上述的情况完全同样地进行正反馈动作而导通，在CH1侧中仅1次光电流流动。这样一来，当上述CH1侧的PNPN部或者CH2侧的PNPN部导通动作时，该电流流入主晶闸管4的控制极，使主晶闸管4导通。具有上述那样的上述光触发用的双向光敏晶闸管2和用于实际控制负载的双向晶闸管即主晶闸管4的混合结构的SSR8，具有能够增大电流容量的特征。其理由在于，为了采用垂直型的芯片结构，电流路径与PNPN元件的面积成比例地增加，因此能够减小芯片尺寸。即，可以说为效率与成本之比高的结构。对此，不利的点在于：(1)为了获得垂直型芯片结构，需要采用隔离型或台面型结构，难以制作；(2)因上述(1)的原因，工艺成本高；(3)主晶闸管4不能够利用光来触发(由于作为主晶闸管4的触发电流需要大约10mA，利用光励起产生的载流子电流大幅不足)。近年来，围绕电子产业的经济环境变得日益残酷，电子设备的成本的降低和轻便性的提高的期望日益增加。为了应对这样的要求，在具有图13所示的结构的现有的SSR中，例如尝试为了削减部件数量，省略主晶闸管4制作图12所示的电路结构的SSR，仅利用上述光触发用的双向光敏晶闸管直接控制负载。如上所述，能够制作省略了主晶闸管的电路结构的SSR，作为能够直接控制负载的上述光触发用的双向光敏晶闸管，具有在专利第4065825号公报(专利文献1)中公开的双向光敏晶闸管芯片。图15表示公开于上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片中的概略图案布局。另外，图16和图17是图15中的B‐B’向视截面概略图。此外，图16表示光打开时的状态，图17表示光关闭时即电压反转时(换流时)的状态。在上述现有的双向光敏晶闸管芯片中，在平面图中如图15所示，具有相对于中心线A‐A’和与该中心线正交的线B‐B’的交点180度旋转对称即相对于上述交点呈点对称的图案。另外，在截面图中，如图16和图17所示，构成为相对于与中心线A‐A’正交的垂直方向的线C‐C’左右对称。以下，相对于中心线A‐A’和线C‐C’，将左侧的光敏晶闸管称为CH1的光敏晶闸管20a，将右侧的光敏晶闸管称为CH2的光敏晶闸管20b。在图15、图16和图17中，21为N型硅衬底，22为由高浓度N型拡散区域22a和高浓度P型扩散区域22b构成的短二极管(shortdiode)(沟道分离区域)，23为阳极扩散区域(P型)，24为控制极扩散区域(P型)、25为阴极扩散区域(N型)，26为控制极电阻区域，27为作为沟道阻挡部的高浓度N型扩散区域，23a、24a、27a为Al电极。另外，T1、T2为引线框，28a、28b、28a’、28b’为Au线，29为肖特基势垒二极管。根据上述结构，能够大幅提高双向光敏晶闸管中的作为重要的设计参数的换流特性。因此，通过将该双向光敏晶闸管用作SSR的光触发耦合器，能够省略主晶闸管。在此，上述“换流特性”是表示能够不引起换流失败地控制的最大的动作电流值Icom的特性。而且，上述专利文献1中公开的双向光晶闸管芯片中，在N型硅衬底21的表面侧具有短二极管22。因此，如图17所示，通过短二极管22，在换流时回收N型硅衬底21内的少数载流子30。其结果是，利用上述CH2侧的正反馈作用，抑制CH2的光敏晶闸管20b导通等的误动作(换流失败)，改善换流特性。如上所述，在上述专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片为以光触发为目的的双向光敏晶闸管，作为用于实际控制负载的驱动器元件的目的而制作，具有适用于这些目的横向结构。因此，因平面结构而具有容易制作、工艺成本廉价的优点。另外，上述现有的专利文献1中公开的双向光敏晶闸管芯片，在制作电流容量(额定电流)为1A以下(≈相当于冲击耐压10A以下)的SSR方面有效。但是，向电流容量比1A大的SSR的应用，存在发现效率(＝性能/成本)劣化的问题。在此，上述“性能”是指“冲击耐压”、“换流特性”和“临界截止电压上升率dV/dt特性(以下简称为dV/dt特性)”。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利第4065825号公报
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题在上述专利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向光敏晶闸管芯片，其特征在于：在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元，所述各单元包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部和第二光敏晶闸管部，所述各光敏晶闸管部具有PNPN部，该PNPN部包括：在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩散区域；具有N型和P型中的另一种导电型的衬底；与所述阳极扩散区域相对的具有所述一种导电型的控制极扩散区域；和在该控制极扩散区域内与所述阳极扩散区域相对形成并且具有所述另一种导电型的阴极扩散区域。

【技术特征摘要】
2014.05.12 JP 2014-0988031.一种双向光敏晶闸管芯片，其特征在于：
在一个半导体芯片的表面搭载有多个单元，
所述各单元包括彼此分离形成的第一光敏晶闸管部和第二光敏晶
闸管部，
所述各光敏晶闸管部具有PNPN部，该PNPN部包括：
在一个方向上延伸并且具有N型和P型中的一种导电型的阳极扩
散区域；
具有N型和P型中的另一种导电型的衬底；
与所述阳极扩散区域相对的具有所述一种导电型的控制极扩散区
域；和
在该控制极扩散区域内与所述阳极扩散区域相对形成并且具有所
述另...

【专利技术属性】
技术研发人员：鞠山满，松本浩司，泽井敬一，铃木成次，一条尚生，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP