DE102009045216A1

DE102009045216A1 - Thyristor mit verbesserter Robustheit gegen ein Abkommutieren mit hoher Stromsteilheit kurz nach einem Zündereignis und Verfahren zur Herstellung eines solchen Thyristors

Info

Publication number: DE102009045216A1
Application number: DE102009045216A
Authority: DE
Inventors: Ralf JÖRKE; Uwe Kellner-Werdehausen; Franz-Josef Niedernostheide; Hans-Joachim Schulze; Michael Stelte; Wilfried Houben
Original assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: DE102009045216B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thyristor. Dieser weist einen Zündbereich auf. In etwa unterhalb der dem Zündbereich (2) zugewandten Innenkante des n-dotierten Emitters (5) verläuft ein schmaler Grenzabschnitt (4) entlang dieser Innenkante. Innerhalb dieses Grenzabschnittes (4) weist [a] die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Halbleiterkörper (1) entlang einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten ersten lateralen Achse (a) ein lokales Minimum (τ) auf und/oder [b] ist innerhalb des Grenzabschnittes (4) wenigstens ein n-dotiertes Halbleitergebiet (81) entlang der Grenzfläche (4) im p-dotierten Emitter (8) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor. Das Einschalten eines Thyristors erfolgt regelmäßig mittels einer Zündeinrichtung, die bewirkt, dass sich zum Zeitpunkt der Zündung im Zündbereich ein Strom einstellt, welcher sich dann im Laufe der Zeit über die gesamte Kathodenfläche des Thyristors ausbreitet. Im Normalbetrieb erfolgt das Ausschalten oder Kommutieren des Thyristors zu einem Zeitpunkt, zu dem der Thyristor vollständig gezündet ist, d. h., in einem Zustand, in dem der Thyristor im gesamten Kathodenbereich von Strom durchflossen wird.
Wird der Thyristor in bestimmten Situationen während der Einschaltphase, d. h. in der Phase, in der sich das Ladungsträgerplasma noch nicht über den gesamten Kathodenbereich ausgebreitet hat, beispielsweise aufgrund eines Fehlerfalles in der Applikation mit einer großen Stromsteilheit abkommutiert, so kann im Strom führenden Bereich der Kathode ein dynamischer Avalanche auftreten, durch den der Thyristor beschädigt oder zerstört werden kann.
Besonders kritisch ist es, wenn der Thyristor kurz nach dem Zünden, z. B. in einem Zeitraum von weniger als 200 μs nach dem Einschalten, wieder abgeschaltet wird. Aufgrund von unvermeidlichen und/oder gezielt am Thyristor angeschlossen Induktivitäten kann es dann bei der Kommutierung aufgrund von dynamischem Avalanche zu sehr hohen Stromsteilheiten mit mehreren 100 A/μs oder gar mehr als 1000 A/μs kommen, die mit sehr hohen Induktionsspannungen einhergehen und den Thyristor zerstören. In einem solchen besonders kritischen Zustand findet ein Stromfluss im Wesentlichen nur im Bereich der Zündeinrichtung und dem der Zündeinrichtung zugewandten Rand des Kathodenbereichs statt. Im Vergleich dazu liegen die Steilheiten im normalen Schaltbetrieb des Thyristors bei weit unter 50 A/μs.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Thyristor bereitzustellen, der ausreichend geschützt ist, wenn er kurz nach dem Einschalten wieder abgeschaltet wird, und zwar bevor der Thyristorstrom den gesamten Kathodenbereich erfasst hat. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Thyristors bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch einen Thyristor gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines Thyristors gemäß Patentanspruch 21 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einem solchen Thyristor befindet sich in einem nachfolgend noch genauer zu definierenden Grenzabschnitt ein lokales Minimum. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in dem Grenzabschnitt wenigstens ein n-dotiertes Halbleitergebiet im p-dotierten Emitter angeordnet sein. Der Grenzabschnitt ist in etwa unterhalb des dem Zündbereich zugewandten Randes des n-dotierten Hauptemitters angeordnet.
Konkret weist ein solcher Thyristor, der beispielsweise als symmetrisch sperrender Thyristor ausgebildet sein kann, einen Halbleiterkörper aus einem Halbleitergrundmaterial, beispielsweise aus Silizium oder aus Siliziumkarbid, auf, sowie einen Kathodenbereich und einen Zündbereich. Im Kathodenbereich sind in einer vertikalen Richtung ausgehend von einer Rückseite des Halbleiterkörpers hin zu einer Vorderseite des Halbleiterkörpers aufeinander folgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Emitter angeordnet, wobei die seitliche Begrenzung des Kathodenbereichs durch die seitliche Begrenzung des Emitters gegeben ist. Der Zündbereich umfasst eine Zündeinrichtung zum Zünden des Thyristors und schließt sich senkrecht zur vertikalen Richtung an den Kathodenbereich an, so dass er mit dem Kathodenbereich eine gemeinsame Grenzfläche besitzt.
Weiterhin umfasst der Thyristor einen entlang der Grenzfläche verlaufenden Grenzabschnitt des Halbleiterkörpers, der einen Randabschnitt des Kathodenbereichs umfasst, wobei sich dieser Randabschnitt auf der dem Zündbereich zugewandten Seite des Kathodenbereichs befindet und durch die Grenzfläche begrenzt ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Grenzabschnitt einen Randabschnitt des Zündbereichs, wobei dieser Randabschnitt des Zündbereichs auf der dem Kathodenbereich zugewandten Seite des Zündbereichs angeordnet und ebenfalls durch die Grenzfläche begrenzt ist.
Der Zündbereich weist einen Hauptabschnitt auf, der durch den außerhalb des ersten Randabschnittes angeordneten Abschnitt des Zündbereichs gebildet ist. Entsprechend weist der Kathodenbereich einen Hauptabschnitt auf, der durch den außerhalb des zweiten Randabschnittes angeordneten Abschnitt des Kathodenbereichs gebildet ist;
Der Thyristor weist außerdem eines oder beide der Merkmale [a] oder [b] auf: [a] Dass die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper entlang einer zur vertikalen Richtung senkrechten ersten lateralen Achse, die außerdem an zumindest einer Stelle der Grenzfläche senkrecht zur Grenzfläche verläuft, ein in dem Grenzabschnitt angeordnetes lokales Minimum besitzt; [b] Dass innerhalb des Grenzabschnittes wenigstens ein n-dotiertes Halbleitergebiet entlang der Grenzfläche im p-dotierten Emitter angeordnet ist. Bei dem wenigstens einen n-dotierten Halbleitergebiet kann es sich beispielsweise um eine Vielzahl n-dotierter Inseln handeln, oder um ein n-dotiertes Halbleitergebiet mit netzartiger Struktur. Die wesentliche Funktion dieses im p-dotierten Emitter angeordneten, n-dotierten Halbleitergebietes besteht darin, beim Kornmutierungsvorgang Elektronen in die an den p-dotierten Emitter angrenzende, n-dotierte Basis zu injizieren. Diese Elektronen kompensieren dann einen Teil der durch freie Löcher gebildeten Raumladung in der Raumladungszone, die sich beim Kommutierungsvorgang getrieben durch die Polarität der anliegenden Sperrspannung von der Kathode zum pn-Übergang der Anode ausbreiten. Durch diese injizierten Elektronen kann die während des Kommutierungsvorganges in der n-dotierten Basis auftretende maximale Feldstärke wirkungsvoll reduziert werden.
Deutlich von diesem n-dotierten Halbleitergebiet zu unterscheiden sind n-dotierte Halbleitergebiete, die bei manchen herkömmlichen Zündstufenthyristoren im p-dotierten Emitter vorgesehen sein können. Diese n-dotierten Halbleitergebiete bei herkömmlichen Thyristoren dienen als Freiwerdeschutz, um den Thyristor gezielt im Zündstufenbereich zu zünden, wenn während der Freiwerdezeit bestimmte Fehlerereignisse auftreten. Solche n-dotierten Halbleitergebiete bei Thyristoren mit einem Freiwerdeschutz befinden sich lediglich unterhalb des Zündstufenbereichs, weil nur dort eine kontrollierte Zündung des Thyristors möglich ist. Sie erfüllen somit einen gänzlich anderen Zweck als das im p-dotierten Emitter angeordnete Halbleitergebiet der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von möglichen Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Diese Beispiele sollen es ermöglichen, das Prinzip der Erfindung zu erkennen und auf anderen Ausgestaltungen zu übertragen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf das erläuterte Prinzip und nicht nur auf die gezeigten Beispiele beschränkt ist.
1A zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Thyristors mit einem eine Gateelektrode aufweisenden Zündbereich, an den sich ein Kathodenbereich anschließt;
1B zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Thyristors mit einem eine Durchbruchsstruktur aufweisenden Zündbereich, an den sich ein Kathodenbereich anschließt;
2 zeigt einen vergrößerten Abschnitt des Thyristors gemäß den 1A und 1B im Bereich der dem Zündbereich zugewandten Innenkante des n-dotierten Emitters, bei dem eine in den p-dotierten Emitter eingebettete n-dotierte Insel abschnittweise sowohl im Zündbereich als auch im Kathodenbereich angeordnet ist;
3 zeigt eine Ausgestaltung entsprechend der Anordnung gemäß 2, bei der eine in den p-dotierten Emitter eingebettete n-dotierte Insel ausschließlich im Zündbereich angeordnet ist;
4 zeigt eine Ausgestaltung entsprechend den Anordnungen gemäß den 2 und 3, bei der eine in den p-dotierten Emitter eingebettete n-dotierte Insel ausschließlich im Kathodenbereich angeordnet ist;
5 veranschaulicht einen Verfahrensschritt zur Herstellung einer n-dotierten Insel, wie sie beispielhaft in den 1 bis 4 gezeigt sind, durch rückseitige Implantation n-dotierender Teilchen in die p-dotierte Basis in etwa unterhalb der dem Zündbereich zugewandten Innenkante des n-dotierten Emitters;
6 mit den Teilfiguren 6(A) bis 6(D) zeigt einen Abschnitt des Halbleiterkörpers eines Thyristors, der dem in den 2 bis 5 gezeigten Abschnitt entspricht, und der rückseitig zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer lokal mit Teilchen bestrahlt wird;
7A zeigt eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Thyristors, der eine Gatefingerstruktur mit verzweigten Gatefingern aufweist, sowie eine 3-zählige Rotationssymmetrie;
7B zeigt einen vergrößerten Abschnitt des Thyristors gemäß 7A;
7C zeigt einen Vertikalschnitt durch den Thyristor gemäß den 7A und 7B in einer in 7B dargestellten Schnittebene E1–E1' aus dem Bereich eines Gatefingers;
7D zeigt einen zur vertikalen Richtung senkrechten Horizontalschnitt durch den p-dotierten Emitter und die in diesen eingebetteten n-dotierten Inseln in einer in 7C dargestellten Schnittebene E2–E2';
8 zeigt eine Draufsicht auf die Vorderseite eines Thyristors, der eine Gatefingerstruktur mit unverzweigten Gatefinger und eine 6-zählige Rotationssymmetrie aufweist.
9 zeigt einen Abschnitt eines Thyristors, der sich von dem in 2 gezeigten Thyristor dadurch unterscheidet, dass sich die n-dotierten Inseln bis zur Rückseite des Halbleiterkörpers erstrecken und dort die Anodenelektrode kontaktieren.
10 zeigt einen Abschnitt eines Thyristors, bei dem mehrere n-dotierte Inseln in einer radialen Richtung aufeinanderfolgend und beabstandet voneinander angeordnet sind.
11 zeigt für den p-dotierten Emitter und den daran angrenzenden Abschnitt der n-dotierten Basis mögliche Verläufe der Dotierstoffkonzentration und der Dosis der in den Halbleiterkörper zur lokalen Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in den Halbleiterkörper implantierten Protonen, in Abhängigkeit vom Abstand von der Rückseite des Halbleiterkörpers.
12 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Thyristorabschnitt, der sich von dem in 6 gezeigten Thyristorabschnitt dadurch unterscheidet, dass das der Abschnitt mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer von der Rückseite beabstandet ist.
13 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Thyristorabschnitt, der sich von dem in 12 gezeigten Thyristorabschnitt dadurch unterscheidet, dass das der Abschnitt mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer nur in der n-dotierten Basis angeordnet ist.
14 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Thyristorabschnitt, der sich von dem in 12 gezeigten Thyristorabschnitt dadurch unterscheidet, dass das der Abschnitt mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer nur im p-dotierten Emitter angeordnet ist.
15 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Vertikalschnittes durch den Thyristor gemäß den 7A und 7B in einer in 7B dargestellten Schnittebene E1–E1', bei dem sich der Abschnitt mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer im Unterschied zu der in 7C gezeigten Ausgestaltung durchgehend unterhalb des Gatefingers erstreckt.
Die 1A und 1B zeigen jeweils einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Thyristors 100. Bei dem Thyristor gemäß 1A handelt es sich um einen elektrisch triggerbaren Thyristor (”ETT”, ETT = Electrically Triggered Thyristor), bei dem Thyristor gemäß 1B um einen mit Licht triggerbaren Thyristor (”LTT”, LTT = Light Triggered Thyristor). Die nachfolgende Beschreibung gilt sowohl für ETTs als auch für LTTs, sofern nicht explizit etwas anderes erwähnt ist.
Der Thyristor 100 weist einen Halbleiterkörper 1 auf, in dem zwischen einer Rückseite 12 und einer Vorderseite 11 in einer vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter 8, eine n-dotierte Basis 7, eine p-dotierte Basis 6 und ein n-dotierter Emitter 5 angeordnet sind. Zwischen der p-dotierten Basis 6 und der n-dotierten Basis 7 ist ein kathodenseitiger pn-Übergang 67 und zwischen dem p-dotierten Emitter 8 und der n-dotierten Basis 7 ein anodenseitiger pn-Übergang 68 ausgebildet.
Auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers 1 sind Elektroden 9 und 91, auf der Rückseite des Halbleiterkörpers 1 eine Elektrode 13 angeordnet. Die Elektrode 9 und 13 bilden die Kathode bzw. die Anode des Thyristors 100. Die Anode 13 kontaktiert den p-dotierten Emitter 8, die Kathode 9 den n-dotierten Emitter 5.
Zusätzlich zu dem p-dotierten Emitter 8, der n-dotierten Basis 7, der p-dotierten Basis 6 und dem n-dotierten Emitter 5 kann der Thyristor 100 noch weitere p- und/oder n-dotierte Halbleitergebiete aufweisen. Die Halbleitergebiete des Thyristors 100 können optional – wie bei den in den 1A und 1B gezeigten Thyristoren 100 – bezüglich einer in der vertikalen Richtung v verlaufenden Achse A–A' eine N-zählige Rotationssymmetrie aufweisen. Dabei ist N eine beliebige natürliche Zahl. N kann insbesondere gleich 3, 4 oder 6 sein. Weiterhin kann für N die Zähligkeit der Rotationssymmetrie gewählt werden, die die Kristallstruktur des Halbleiterkörpers 1 bezüglich einer in der vertikalen Richtung v verlaufenden Achse besitzt.
Der Thyristor 100 weist des weiteren einen Zündbereich 2 auf, sowie Kathodenbereich 3, der sich in einer lateralen, d. h. zur vertikalen Richtung v senkrechten Richtung an den Zündbereich 2 anschließt. Als Kathodenbereich 3 wird im folgenden der Bereich des Thyristors verstanden, der dieselben lateralen Grenzen besitzt wie der n-dotierte Emitter 5. Die Grenze zwischen dem Zündbereich 2 und dem Kathodenbereich 3 ist in den Querschnittsansichten gemäß den 1A und 1B durch eine in der vertikalen Richtung v verlaufende Linie B-B' markiert.
Als Zündbereich 2 im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird ein Abschnitt des Thyristors bzw. des Halbleiterkörpers 1 angesehen, der eine oder mehrere Zündeinrichtungen aufweist, mit denen gezielt eine Zündung des Thyristors 100 ausgelöst werden kann, der sich in der vertikalen Richtung v über den gesamten Thyristor bzw. über den gesamten Halbleiterkörper 1 erstreckt, und der sich in seitlicher Richtung, d. h. senkrecht zur vertikalen Richtung v, an die der Zündeinrichtung zugewandte Seite 52 des n-dotierten Emitters 5 anschließt.
Bei einer solchen Zündeinrichtung kann es sich optional um eine Gateelektrode 92 handeln, die auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist. In diesem Fall handelt es sich um einen ETT, wie er beispielhaft in 1A dargestellt ist. Die Gateelektrode 92 ist im Zentrum des Thyristors 100 im Bereich der Achse A–A' angeordnet. Alternativ dazu könnte eine Gateelektrode jedoch auch aus Ringförmige Elektrode um die Achse A–A' herum ausgebildet sein. Thyristoren mit einer Gateelektrode können beispielsweise eine Struktur mit Querfeldemitter, eine Struktur mit regenerativem Gate oder eine Streifengate-Struktur aufweisen.
Bei einem LTT, wie er beispielhaft in 1B gezeigt ist, eignet sich als Zündeinrichtung ein an der Vorderseite 11 angeordneter lichtempfindlicher Abschnitt 10 des Halbleiterkörpers 1, in dem eine Zündung des Thyristors 100 ausgelöst wird, wenn eine elektromagnetische Strahlung 110, z. B. Infrarotlicht, im Bereich des lichtempfindlichen Abschnittes 10 auf die Vorderseite 11 eingestrahlt wird.
Grundsätzlich kann ein Thyristor 100 sowohl elektrisch als auch mit Licht zündbar sein. Ein solcher Thyristor 100 kann dann sowohl eine Gateelektrode 92 als auch einen lichtempfindlichen Abschnitt 10 aufweisen.
Optional kann jeder der in den 1A und 1B gezeigten Thyristoren 100 eine oder mehrere Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 aufweisen, die zwischen der Zündeinrichtung 10, 92 und dem Hauptkathodenbereich 3 angeordnet sind. Solche Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 dienen dazu, einen durch ein Zündereignis am Ort der betreffenden Zündeinrichtung 10, 92 ausgelösten Strom, der sich in Richtung des Kathodenbereichs 3 ausbreitet, zu verstärken. Jede der Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 weist einen n-dotierten Zündstufenemitter 51 auf, der zusammen mit den entgegen der vertikalen Richtung v darunter liegenden Abschnitten der p-dotierten Basis 6, der n-dotierten Basis 7 und dem p-dotierten Emitter 8 einen so genannten Pilotthyristor bildet. Außerdem ist auf der Vorderseite 11 zu jedem der Pilotthyristoren eine Zündstufenelektrode 91 vorgesehen, die den zugehörigen n-dotierten Zündstufenemitter 51 in Richtung des Kathodenbereichs 3 überragt und die p-dotierte Basis 6 kontaktiert.
Die p-dotierte Basis 6 kann außerdem optional mehrere Abschnitte 61, 62, 63, 64, 65 umfassen, die unterschiedlich geformt und/oder unterschiedlich dotiert sein können. Bei dem in 1B gezeigten LTT erstreckt sich zwischen Abschnitten 61 und 62 der p-dotierten Basis 6 sich ein Abschnitt 73 der n-dotierten Basis 7 weiter in Richtung der Vorderseite 11 als in ihren übrigen Abschnitten. Der Abschnitt 61 der p-Basis 6 ist zum Einen gekrümmt ausgebildet und zum Anderen stärker p-dotiert als der Abschnitt 62 der p-Basis 6. Die Abschnitte 61, 62 der p-Basis 6 sowie 73 der n-Basis 7 bilden eine Durchbruchsdiode. Die Geometrie sowie die Dotierung der Abschnitte 61, 62, 73 bedingt eine Krümmung der elektrischen Feldlinien in diesen Abschnitten und ist derart gewählt, dass der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs bei einer in Vorwärtsrichtung am Thyristor 100 anliegenden, ansteigenden Spannung im Bereich der Durchbruchstruktur liegt. Hierdurch wird der Thyristor 100 durch eine kontrollierte Zündung vor Überspannungen geschützt.
Bei dem in 1A gezeigten ETT sind die Abschnitte 61 der p-dotierten Basis 6 und 73 der n-dotierten Basis 7 nicht erforderlich. Statt dessen erstreckt sich in diesem Bereich der Abschnitt 62 bis zur Achse A–A'.
Bei einem jeden der in den 1A und 1B gezeigten Thyristoren 100 weist der Zündbereich 2 mit dem Kathodenbereich 3 eine gemeinsame Grenzfläche 23 auf, deren Schnitt mit der Darstellungsebene die Linie B-B' ergibt. Die Grenzfläche 23 bezeichnet nicht eine Fläche, die den Rand z. B. einer einheitlich dotierten Halbleiterzone darstellt. Vielmehr ist die Grenzfläche 23 eine virtuelle Fläche im Halbleiterkörper 1, die die Grenze zwischen dem Zündbereich 2 und dem Kathodenbereich 3 angibt. Die Grenzfläche 23 berührt den n-dotierten Emitter 5, durchschneidet ihn aber nicht. Der Verlauf der Grenzfläche 23 ist somit durch den Verlauf der dem Zündbereich 2 zugewandten seitlichen Randfläche 52 des n-dotierten Emitters 5 bestimmt.
Entlang der Grenzfläche 23 verläuft ein Grenzabschnitt 4, der einen ersten Randabschnitt 21 des Zündbereichs 2 umfasst, der auf der dem Kathodenbereich 3 zugewandten Seite des Zündbereichs 2 angeordnet ist, und/oder einen zweiten Randabschnitt 31 des Kathodenbereichs 3, der auf der dem Zündbereich 2 zugewandten Seite des Kathodenbereichs 3 angeordnet ist. Ein Abschnitt 22, welcher durch den Teil des Zündbereichs 2 gegeben ist, der nicht Bestandteil des ersten Randabschnittes 21 ist, wird nachfolgend als Hauptabschnitt 22 des Zündbereichs 2 bezeichnet. Entsprechend wird ein Abschnitt 32, welcher durch den Teil des Kathodenbereichs 3, der nicht Bestandteil des zweiten Randabschnittes 31 ist, nachfolgend als Hauptabschnitt 32 des Kathodenbereichs 3 bezeichnet. Der erste Randabschnitt 21 und der Hauptabschnitt 22 bilden also zusammen den Zündbereich 2. Entsprechend bilden der zweite Randabschnitt 31 und der Hauptabschnitt 32 zusammen den Kathodenbereich 3.
Senkrecht zur Grenzfläche 23 weist der erste Randabschnitt 21 eine Breite b21, der zweite Randabschnitt 31 eine Breite b31 auf. Die Breite b4 des Grenzabschnitts 4 ergibt sich somit aus der Summe b21 + b31. Die Breite b4 ist größer Null und kann beispielsweise kleiner oder gleich 2 mm sein. Die Breite b21 und die Breite b31 können jeweils im Bereich von mehr als 0 mm bis einschließlich 5 mm liegen. Beispielsweise kann die Breite b31 im Bereich von 2 mm bis 3 mm liegen. Außerdem kann die Breite b4 entlang der Grenzfläche 23 konstant sein.
Im p-dotierten Emitter 8 ist entlang der Grenzfläche 23 und innerhalb des Grenzabschnittes 4 eine Vielzahl n-dotierter Inseln 81 angeordnet. Die n-dotierten Inseln 81 verlaufen in etwa unterhalb der seitlichen Randfläche 52 im p-dotierten Emitter 8 entlang der seitlichen Randfläche 52. Innerhalb des Hauptabschnittes 22 des Zündbereichs 2 ist kein n-dotiertes Halbleitergebiet im p-dotierten Emitter 8 angeordnet.
Wie anhand der 1A und 1B, sowie anhand von 2, welche einen vergrößerten Ausschnitt der 1A und 1B zeigt, erkennbar ist, kann eine solche n-dotierte Insel 81 abschnittweise sowohl in dem ersten Randabschnitt 21 als auch in dem zweiten Randabschnitt 31 angeordnet sein. Gemäß einer in 3 gezeigten Ausgestaltung kann eine solche n-dotierte Insel 81 auch vollständig dem ersten Randabschnitt 21 angeordnet sein. Entsprechend ist die in 4 gezeigte n-dotierte Insel 81 vollständig in dem zweiten Randabschnitt 31 angeordnet. Anstelle von nur einer n-dotierten Insel 81 können in einer lateralen Richtung r auch zwei oder mehr n-dotierte Inseln 81 voneinander beabstandet angeordnet sein. Beispielsweise können in der lateralen Richtung r eine n-dotierte Insel 81 im ersten Randabschnitt 21 und eine zweite n-dotierte Insel 81 im zweiten Randabschnitt 31 angeordnet sein.
Es können jeweils eine, mehrere oder alle dieser n-dotierten, sowohl im Grenzabschnitt 4 als auch im p-dotierten Emitter 8 angeordneten Inseln 81 des Thyristors 100 nur im ersten Randabschnitt 21 oder nur im zweiten Randabschnitt 31 oder sowohl im ersten Randabschnitt 21 als auch im zweiten Randabschnitt 31 angeordnet sein. Weiterhin können die n-dotierten Inseln 81 vollständig in den p-dotierten Emitter 8 eingebettet sein.
Die Form der n-dotierten Inseln 81 ist grundsätzlich beliebig. Beispielsweise können sie eine kreisförmige oder eine sechseckige Grundfläche aufweisen. Als Grundfläche einer n-dotierten Insel 81 wird dabei die Fläche verstanden, die sich bei der Normalprojektion der Insel 81 auf die Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 ergibt. Die Inseln 81 sind so zu dimensionieren, dass bei Anstiegsgeschwindigkeiten der am Thyristor anliegenden Rückwärtsspannung (”du/dt-Steilheit”), wie sie in der Praxis auftretend können, keine unerlaubte Fehlzündung eingeleitet wird. Hierzu darf der Schichtwiderstand, den der p-dotierte Emitter 8 unterhalb der n-dotierten Insel 81 aufweist, in Abhängigkeit mit deren lateraler Ausdehnung einen zulässigen Höchstwert nicht überschreiten. Die Auslegung ist einem Fachmann bekannt und muss an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
Alternativ oder ergänzend zu den n-dotierten Inseln 81 kann die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper 1 der in den 1 bis 4 gezeigten Thyristoren 100 entlang einer zur vertikalen Richtung v senkrechten ersten lateralen Achse a, die außerdem an zumindest einer Stelle S1 der Grenzfläche 23 senkrecht zur Grenzfläche 23 verläuft, in dem Grenzabschnitt 4 abgesenkt sein, beispielsweise indem die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der ersten lateralen Achse a ein in dem Grenzabschnitt 4 angeordnetes lokales Minimum aufweist.
Während sich bei den Ausgestaltungen gemäß den 1A, 1B und 2 sowie den folgenden 5 und 6 der zweite Randabschnitt 31 des Kathodenbereichs 3 in der lateralen Richtung r bzw. in Richtung der Achse a bis in den Bereich der Kathodenelektrode 9 erstreckt, ist der zweite Randabschnitt 31 des Kathodenbereichs 3 in der lateralen Richtung r bzw. in Richtung der Achse a bei den Ausgestaltungen gemäß den 3 und 4 sowie den nachfolgenden 7C, 9 und 10 von der Kathodenelektrode 9 beabstandet. Beide Alternativen können grundsätzlich beliebig eingesetzt und mit beliebigen Ausgestaltungen und Anordnungen der dotierten Inseln 81 oder entsprechender anderer im p-dotierten Emitter 8 eingebetteter n-dotierter Halbleitergebiete kombiniert werden. Das selbe gilt entsprechend auch für eine weiterer Alternative, gemäß der sich der zweite Randabschnitt 31 des Kathodenbereichs 3 in der lateralen Richtung r bzw. in Richtung der Achse a genau bis zur Kathodenelektrode 9 erstreckt.
Wie in 5 gezeigt ist, können zur Herstellung der in den 1 bis 4 dargestellten, n-dotierten Inseln 81 Teilchen 310, die in dem Halbleitergrundmaterial des Halbleiterkörpers 1 n-dotierend wirken, unter Verwendung einer strukturierten Maske 300 durch die Rückseite 12 in den Halbleiterkörper 1 implantiert werden, so dass n-dotierte Inseln 81 entstehen. Als Teilchen 310 eignen sich beispielsweise Phosphor, Arsen, Schwefel, Selen, oder Protonen. Im Falle von Protonen als Teilchen 310 kann die Implantation optional – wie in 5 dargestellt ist – durch das bereits auf die Rückseite 12 aufgebrachte Material zur Herstellung der Kathodenelektrode 13 (sowie nach, idealer Weise aber vor einem Temperschritt zum Sintern des Materials der Kathodenelektrode 13) hindurch erfolgen. Andere Teilchen wie Phosphor, Arsen, Schwefel oder Selen werden jedoch durch das Material zur Herstellung der Kathodenelektrode 13 zu stark absorbiert.
Teilchen 310 wie Phosphor, Arsen, Selen oder Schwefel können in den Halbleiterkörper 1 implantiert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 strukturiert, beispielsweise unter Verwendung einer Maske, mit zumindest einem dieser Stoffe belegt werden. Hierzu darf das Material zur Herstellung der Anodenelektrode 13 noch nicht auf die Rückseite 12 aufgebracht sein. Die Anodenelektrode 13 und die Kathodenelektrode 9 ebenso wie die Elektroden 91 aller Zündstufen AG1–AG4 und ggf. eine Gateelektrode 92 können erst dann auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht werden, wenn die weitere Prozessierung des herzustellenden Thyristors 100 keine Temperaturen von über ca. 500°C mehr erfordert.
Nach dem Implantieren oder Belegen wird der Halbleiterkörper 1 bei sehr hohen Temperaturen für eine vorgegebene Zeit, z. B. für wenigstens 30 Minuten oder wenigstens 2 Stunden bis hin zu mehreren Stunden in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1150°C, getempert, um die Teilchen 310 überhaupt oder noch weiter in den Halbleiterkörper 1 einzutreiben. Das Eintreiben kann bei Bedarf auch bei noch höheren Temperaturen, z. B. für mehrere Stunden bei über 1200°C, erfolgen. Falls das Einbringen der Teilchen 310 durch Belegen der Rückseite 12 erfolgt, erstrecken sich die n-dotierten Inseln 81 – abweichend von den 1 bis 5 – ausgehend von der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 in den p-dotierten Emitter 8 hinein.
Die gewählte Kombination aus Temperatur und Dauer hängt zum Einen von der Art der gewählten Teilchen 310 ab, zum Anderen von der gewünschten Eindringtiefe (hier bezogen auf die Rückseite 12). So diffundiert beispielsweise Phosphor langsam und muss daher über einen sehr langen Zeitraum bei sehr hohen Temperaturen, z. B. bei etwa 1240°C für mehr als 10 Stunden, eingetrieben werden, um z. B. eine Eindringtiefe von 30 μm oder mehr zu erreichen. Im Vergleich dazu diffundiert beispielsweise Selen deutlich schneller in den Halbleiterkörper 1 ein, so dass die Temperung wesentlich schneller und bei wesentlich kürzeren Temperdauern erfolgen kann als bei Phosphor.
Als Eindringtiefe wird dabei die Tiefe angesehen, an der die Dichte der bei dem betreffenden Implantationsschritt in den Halbleiterkörper 1 implantierten Teilchen 310 am höchsten ist. In der Praxis ergibt sich durch eine schmalbandige Energieverteilung der zu implantierenden Teilchen 310 sowie durch Streueffekte im Halbleiterkörper 1 in der Implantationsrichtung eine gewisse Verteilung der Teilchen 310 um die nominale Eindringtiefe herum. Das Zielgebiet, in dem die implantierten Teilchen 310 zur Ruhe kommen und in Verbindung mit einem nachfolgenden Temperschritt n-dotierend wirken können, umfasst also nicht nur den Bereich der festgelegten Eindringtiefe, sondern auch daran anschließende Bereiche, in denen Teilchen 310 Tiefen zur Ruhe kommen, die größer bzw. kleiner sind als die nominale Eindringtiefe. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann die Streubreite im Zielgebiet der Teilchen 310 allerdings vernachlässigt werden.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der n-dotierten Inseln 81 besteht darin, Protonen als Teilchen 310 in den Halbleiterkörper 1 zu implantieren und mittels eines nachfolgenden Temperschrittes, bei dem der Halbleiterkörper 1 in einem Temperaturbereich von etwa 300°C bis 500°C für eine vorgegebene Dauer, z. B. etwa 4 Stunden, getempert wird, zu aktivieren, d. h. donatorähnliche Zustände zu erzeugen. Die Möglichkeit der Herstellung der n-dotierten Inseln 81 mittels Protonimplantation kann grundsätzlich in jeder Phase des Halbleiterkörpers 1 während der Herstellung des Thyristors 100 oder nach dessen (abgesehen von den noch fehlenden n-dotierten Inseln 81) vollständiger Herstellung vorgenommen werden, sofern die weitere Prozessierung des herzustellenden Thyristors 100 keine Temperaturen von über ca. 500°C mehr erfordert.
Da zum Aufbringender Elektroden 9, 91 und 13 sowie gegebenenfalls einer Gateelektrode 92 auf den Halbleiterkörper 1 ohnehin ein Sinterschritt bei Temperaturen im Bereich von etwa 450°C erforderlich ist, kann dieser Sinterschritt auch dazu genutzt werden, die zuvor in den Halbleiterkörper 1 implantierten Protonen zu aktivieren, d. h. die wasserstoffkorrelierten Donatoren zu erzeugen.
Sofern der Halbleiterkörper 1 während der Prozessierung des Thyristors 100 dann außerdem einer Elektronenbestrahlung unterzogen wird, um in dem bestrahlen Halbleitergebiet eine Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer zu erreichen, sollte der Halbleiterkörper 1 nach dieser Elektronenbestrahlung keinen Temperaturen von mehr als etwa 300°C ausgesetzt werden, da ansonsten die durch die Elektronenbestrahlung erzeugten Defekte ausgeheilt werden und die Ladungsträgerlebensdauer wieder ansteigt. Daher ist es vorteilhaft, eine solche Elektronenbestrahlung nach der Herstellung der Elektroden 9, 91 und 13 sowie gegebenenfalls der Gateelektrode 92 und optional auch nach dem Temperschritt zur Aktivierung der implantierten Protonen durchzuführen, sofern die Protonenaktivierung bei Temperaturen von mehr als 300°C erfolgen soll.
Sofern nicht andere Gründe dagegen sprechen, lässt sich die Anzahl der erforderlichen Temperschritte dadurch optimieren, dass in einem ersten Schritt die Protonen implantiert und das Material zur Herstellung der Elektroden 9, 91, 13 und gegebenenfalls der Gateelektrode 92 auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht werden, wobei die Implantation der Protonen und das Aufbringen des Materials zur Herstellung der Elektroden 9, 91, 13 in beliebiger Reihenfolge erfolgen kann. In einem nachfolgenden zweiten Schritt kann die Temperung des Halbleiterkörpers 1, z. B. bei etwa 450°C, erfolgen, um zugleich das Material zur Herstellung der Elektroden 9, 91, 13 und gegebenenfalls 92 zu sintern und die implantierten Protonen zu aktivieren. In einem weiteren, dritten Schritt kann dann die Implantation von Elektronen in den Halbleiterkörper 1 erfolgen, um die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper 1 lokal oder insgesamt abzusenken.
Durch eine im Verlauf der Prozessierung des herzustellenden Thyristors 100 möglichst spät durchgeführte Protonenimplantation incl. Aktivierung können im Rahmen der Prozessierung des Thyristors 100 üblicherweise auftretende Streuungen durch eine individuelle Anpassung der Implantationsparameter, beispielsweise der Dosis der Protonen 310, gezielt ausgeglichen werden.
Unabhängig davon, mit welchen Teilchen 310 und mit welchem Verfahren die n-dotierten Inseln 81 im Bereich des p-dotierten Emitters 8 erzeugt werden, muss die durch die n-dotierenden Teilchen 310 – ggf. in Verbindung mit einem erforderlichen Temperschritt – bewirkte absolute Dotierstoffkonzentration größer sein als die absolute Dotierstoffkonzentration des p-dotierten Emitters 8, so dass sich im Bereich der Inseln 81 effektiv eine n-Dotierung ergibt.
Abweichend von den Darstellungen gemäß den 1 bis 5 können in einer lateralen, d. h. zur vertikalen Richtung v senkrechten Achse auch zwei oder mehr voneinander beabstandete Inseln 81 aufeinanderfolgend angeordnet sein (siehe 10). Dies gilt insbesondere auch dann, wenn es sich bei der lateralen Achse um eine Achse handelt, die eine Achse A–A' der Rotationssymmetrie, wie sie beispielhaft in den 1A und 1B gezeigt, ist, schneidet.
Wie bereits erwähnt kann alternativ oder ergänzend zu den n-dotierten Inseln 81 die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper 1 der in den 1 bis 5 gezeigten Thyristoren 100 entlang einer zur vertikalen Richtung v senkrechten ersten lateralen Achse a, die außerdem an zumindest einer Stelle S1 der Grenzfläche 23 senkrecht zur Grenzfläche 23 verläuft, in dem Grenzabschnitt 4 abgesenkt sein, beispielsweise indem die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der ersten lateralen Achse a ein in dem Grenzabschnitt 4 angeordnetes lokales Minimum τ_min aufweist. Durch die im Vergleich zu den seitlichen Abmessungen der Hauptkathodenbereichs 3 sehr geringe Breite b4 des Grenzabschnittes 4 führt diese Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer τ nicht zu einer signifikanten Beeinflussung der Durchlassverluste.
Nachfolgend wird anhand von 6 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen lokalen Minimums τ_min erläutert. 6 zeigt oben einen Thyristorabschnitt, der dem in den 2 bis 5 gezeigten Thyristorabschnitt entspricht, während der Herstellung des Thyristors 100.
Ausgehend von einem Halbleiterkörper 1, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer im Volumenbereich durch die Bestrahlung mit Elektronen ganzflächig bereits auf einen vorgegebenen Wert eingestellt ist, kann die Herstellung einer im Ergebnis – d. h. nach der Fertigstellung des Thyristors 100 – lokal minimalen Ladungsträgerlebensdauer beispielsweise mittels einer maskierten Bestrahlung erfolgen, bei der Teilchen 210 unter Verwendung einer strukturierten Maske 200 über die Rückseite 12 bis zu einer Tiefe t4' in einen Abschnitt 4' des Grenzabschnitts 4 eingebracht werden, so dass in dem bestrahlten Abschnitt 4' Störstellen im Halbleiterkörper 1 entstehen, welche die Ladungsträgerlebensdauer τ reduzieren.
Die Eindringtiefe t4' kann dabei beispielsweise kleiner gewählt werden als die Summe aus der Dicke d8 des p-dotierten Emitters 8, beispielsweise etwa 100 μm, und der halben Dicke d7 der n-dotierten Basis 7, d. h. t4' ≤ d8 + 1 / 2·d7 (1)
Als Eindringtiefe wird dabei die Tiefe angesehen, an der die Dichte der bei dem betreffenden Implantationsschritt in den Halbleiterkörper 1 implantierten Teilchen 210 am höchsten ist. In der Praxis ergibt sich durch eine Energieverteilung der zu implantierenden Teilchen 210 sowie durch Streueffekte im Halbleiterkörper 1 in der Implantationsrichtung eine gewisse Verteilung der Teilchen 210 um die nominale Eindringtiefe herum. Das Zielgebiet, in dem die implantierten Teilchen 210 zur Ruhe kommen, umfasst also nicht nur den Bereich der nominalen Eindringtiefe, sondern auch daran anschließende Bereiche, in denen Teilchen 210 Tiefen zur Ruhe kommen, die größer bzw. kleiner sind als die nominale Eindringtiefe. Die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer rührt zum Einen daher, dass die Teilchen 210 auf ihrem Weg durch den Halbleiterkörper 1 Kristalldefekte erzeugen, zum Anderen daher, dass sie an ihren Ruhepositionen Rekombinationszentren bilden. Die Stärke der Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer hängt dabei vor allem auch von der Dotierung des Halbleiterkörpers 1 ab.
Der bestrahlte Abschnitt 4' weist somit im Bereich der n-dotierten Basis 7 eine Ladungsträgerlebensdauer τ₄₇' auf, die kleiner ist als die Ladungsträgerlebensdauer 17 der an den Abschnitt 4' angrenzenden Bereiche der n-dotierten Basis 7. Entsprechend weist der bestrahlte Abschnitt 4' im Bereich des p-dotierten Emitters 8 eine Ladungsträgerlebensdauer τ₄₈' auf, die kleiner ist als die Ladungsträgerlebensdauer τ₈ der an den Abschnitt 4' angrenzenden Bereiche des p-dotierten Emitters 8. Bei dem Beispiel gemäß 6 sind τ₄₇' und τ₄₈' identisch und deshalb einheitlich mit τ₄' bezeichnet. Grundsätzlich können τ₄₇' und τ₄₈' jedoch auch unterschiedliche Werte aufweisen. Außerdem kann τ₄' innerhalb des Abschnittes 4' variieren.
Der geringste Wert der Ladungsträgerlebensdauer τ₄' innerhalb des bestrahlten Abschnitts 4' kann beispielsweise um wenigstens 20% kleiner sein als die Ladungsträgerlebensdauer τ₇.
Beispielsweise kann die Ladungsträgerlebensdauer τ₇ etwa 200 μs bis 250 μs betragen. In dem bestrahlten Abschnitt 4' kann die Ladungsträgerlebensdauer um wenigstens etwas 50 μs abgesenkt sein, d. h. die Ladungsträgerlebensdauer τ₄' beträgt dann höchstens 150 μs bis 200 μs.
Mit der in 6 gezeigten Maske 200 lässt sich ein Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer τ realisieren, wie er in 6(A) gezeigt ist. Für die Verläufe gemäß den 6(B) bis 6(D) müsste die Maske 200 entsprechend angepasst werden. Eine entsprechend modifizierte Maske kann z. B. in der lateralen Richtung r eine variable Durchlässigkeit für die Teilchen 210 besitzen. Je mehr Teilchen 210 pro Maskenfläche die Maske 200 passieren, desto stärker wird die Ladungsträgerlebensdauer τ im Zielgebiet der Teilchen abgesenkt. Eine solche variable Durchlässigkeit lässt sich z. B. mittels einer Maske erreichen, die eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, die so verteilt sind, dass die mittlere Dichte der Öffnungsflächen der Maske 200 in der lateralen Richtung r variiert.
Die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer im Volumenbereich, also innerhalb wie außerhalb des lokal bestrahlten Abschnitts 4', kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der gesamte Halbleiterkörper 1 mit Teilchen bestrahlt wird, so dass dieser eine einheitliche Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer erfährt. Bei einer solchen einheitlichen Absenkung kann im gesamten Halbleiterkörper 1 eine Ladungsträgerlebensdauer im Bereich von beispielsweise 200 μs bis 250 μs eingestellt werden. Die Reihenfolge der Bestrahlungsschritte zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer im Volumenbereich und zur lokalen Absenkung in dem Abschnitt 4' ist grundsätzlich beliebig. Wie bereits oben erwähnt kann es vorteilhaft sein, wenn eine solche Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer im gesamten Halbleiterkörper 1 nach der Herstellung der n-dotierten Inseln 81 erfolgt, sowie nach dem Temperschritt zum Sintern der Elektroden 9, 91 und 12, sowie gegebenenfalls der Gateelektrode 92.
Der Abschnitt 4' mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer τ₄' kann von der p-dotierten Basis 6 beabstandet sein und einen Abstand d4' größer Null aufweisen. Durch einen solchen Abstand d4' wird erreicht, dass der Abbau von Ladungsträgern im Bereich des Abschnitts 4' schneller erfolgt als im Bereich des pn-Übergangs 67 zwischen der p-dotierten Basis 6 und der n-dotierten Basis 7. Hierdurch erfolgt beim Aufbau einer am Thyristor 100 anliegenden Sperrspannung die Entladung des Halbleiterkörpers 1 im Bereich des anodenseitigen pn-Übergangs 68, bevor der kathodenseitige pn-Übergang 67 in den Zustand der schwachen Injektion übergeht, so dass beim Ausschaltvorgang möglichst wenig Restladung eingeschlossen wird, ohne dass dabei der kathodenseitige Bereich d4' eventuell zu früh ausgeräumt wird, wodurch ein möglicher Stromabriss vermieden wird.
Allerdings lässt es sich nicht ganz vermeiden, dass bei schneller anodenseitiger Ausräumung und damit auch bei schneller Sperrspannungsaufnahme eine gewisse Restladung am kathodenseitigen pn-Übergang 67 eingeschlossen wird. In der Regel sind in diesem Falle dann die Verhältnisse der schwachen Injektion gegeben. Dann kann sich die eingeschlossene Ladung nur durch Rekombination am kathodenseitigen pn-Übergang 67 abbauen. Hierfür ist im Wesentlichen die Ladungsträgerlebensdauer am kathodenseitigen pn-Übergang 67 maßgebend. Ergänzend sei hier angemerkt, dass ein zu schneller Abbau der eingeschlossenen Ladung am kathodenseitigen pn-Übergang 67 im nicht implantierten Abschnitt 4' bei zu klein gewählter Ladungsträgerlebensdauer aufgrund einer starken zeitlichen Änderung des Thyristorstroms infolge eines durch Induktivitäten bedingten Sperrspannungsüberschwingers zu einem abrupten Stromabriss des Rückstromes kommen kann, was zum Schutz des Thyristors 100 vermieden werden muss.
Die 6(A) bis 6(D) zeigen verschiedene Beispiele für mögliche Verläufe der Ladungsträgerlebensdauer τ im Abschnitt 4' und in den seitlich daran angrenzenden Hauptabschnitten 22 und 32 des Zündbereichs 2 bzw. des Kathodenbereichs 3 entlang der Achse a. Bei jeder der 6(A) bis 6(D) besitzt die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a innerhalb des Abschnitts 4' und damit innerhalb des Grenzabschnitts 4 zumindest an einer Stelle ein lokales Minimum τ_min.
Bei 6(A) ist die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a innerhalb des Grenzabschnitts 4 konstant τ_min. Bei 6(B) liegt die Stelle S_min des lokalen Minimums τ_min der Ladungsträgerlebensdauer τ an der Grenze zwischen dem ersten Randabschnitt 21 und dem Hauptabschnitt 22 des Zündbereichs 2 und steigt innerhalb des Grenzabschnitts 4 entlang der Achse a bis zur Grenze zwischen dem zweiten Randabschnitt 31 und dem Hauptabschnitt 32 des Kathodenbereichs 3 linear an. Bei 6(C) liegt die Stelle S_min des lokalen Minimums τ_min der Ladungsträgerlebensdauer τ ebenfalls an der Grenze zwischen dem ersten Randabschnitt 21 und dem Hauptabschnitt 22 des Zündbereichs 2, steigt aber innerhalb des Grenzabschnitts 4 entlang der Achse a bis zur Grenze zwischen dem zweiten Randabschnitt 31 und dem Hauptabschnitt 32 des Kathodenbereichs 3 nichtlinear an. Bei 6(D) liegt die Stelle S_min des lokalen Minimums τ_min der Ladungsträgerlebensdauer τ innerhalb des Grenzabschnittes 4 und ist von den Hauptabschnitten 22 und 32 beabstandet. Die Ladungsträgerlebensdauer τ steigt ausgehend von der Stelle S_min innerhalb des Grenzabschnitts 4 in Richtung eines jeden der Hauptabschnitte 22 und 23 an.
Grundsätzlich kann der Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer τ bei einem Thyristor 100 gemäß der vorliegenden Erfindung von dem in den 6(A) bis 6(D) gezeigten Verläufen abweichen. Außerdem können entlang verschiedener zur vertikalen Richtung v senkrechten lateraler Achsen a verschiedene Verläufe der Ladungsträgerlebensdauer τ vorliegen, wobei jeder Verlauf den anhand von 6 erläuterten Kriterien entspricht.
Gemäß einer ersten Option kann der Wert τ_min so gewählt werden, dass er kleiner ist als der Maximalwert τ_max32 der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Hauptabschnitt 32 des Kathodenabschnitts 3 entlang der Achse a aufweist.
Gemäß einer zweiten Option kann die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a so eingestellt sein, dass sie an jeder Stelle des Grenzabschnittes 4 einen Wert aufweist, der kleiner ist als der Maximalwert τ_max32 der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Hauptabschnitt 32 des Kathodenabschnitts 3 entlang der Achse a aufweist.
Gemäß einer dritten Option kann die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a so eingestellt sein, dass sie an jeder Stelle des Grenzabschnittes 4 einen Wert aufweist, der kleiner ist als ein jeder Wert der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Hauptabschnitt 32 des Kathodenabschnitts 3 entlang der Achse a aufweist.
Gemäß einer vierten Option kann der Wert τ_min so gewählt werden, dass er kleiner ist als der Maximalwert τ_max22 der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Hauptabschnitt 22 des Zündbereichs 2 entlang der Achse a aufweist.
Gemäß einer fünften Option kann die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a so eingestellt sein, dass sie an jeder Stelle des Grenzabschnittes 4 einen Wert aufweist, der kleiner ist als der Maximalwert τ_max22 der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Hauptabschnitt 22 des Zündbereichs 2 entlang der Achse a aufweist.
Gemäß einer sechsten Option kann die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a so eingestellt sein, dass sie an jeder Stelle des Grenzabschnittes 4 einen Wert aufweist, der kleiner ist als ein jeder Wert der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Hauptabschnitt 22 des Zündbereichs entlang der Achse a aufweist.
Dabei kann eine jede der Optionen eins, zwei oder drei mit einer jeder der Optionen vier, fünf oder sechs kombiniert werden. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a innerhalb des Hauptabschnittes 22 des Zündbereichs 2 an zumindest einer Stelle kleiner ist als der Minimalwert τ_min der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Grenzabschnitt 4 entlang der Achse a aufweist. Außerdem kann die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a innerhalb des Hauptabschnittes 32 des Kathodenabschnitts 3 an zumindest einer Stelle kleiner sein als der Minimalwert τ_min der Ladungsträgerlebensdauer τ, den der Grenzabschnitt 4 entlang der Achse a aufweist.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung kann die Ladungsträgerlebensdauer τ zumindest an einer Stelle oder an jeder Stelle des Abschnitts 4' kleiner sein als an jeder anderen, außerhalb des Abschnitts 4' gelegenen Stelle des Halbleiterkörpers 1. Dabei kann der Halbleiterkörper 1 außerhalb des bestrahlten Bereiches 4' eine einheitliche Ladungsträgerlebensdauer aufweisen, d. h. τ_max32 = τ_max22 = C > τ_4' (2) mit C = konstant.
Als Teilchen 210 eignen sich vor allem leichte Teilchen, beispielsweise Protonen oder Heliumkerne (Alphateilchen), da mit diesen höhere Eindringtiefen t4' erreicht werden können. Nach dem Einstrahlen der Teilchen 210 kann der Halbleiterkörper 1 getempert werden, um die durch die Einstrahlung erzeugten Rekombinationszentren zu stabilisieren. Die Temperung kann bei höheren Temperaturen, d. h. deutlich über Raumtemperatur (20°C), beispielsweise über 200°C, z. B. im Bereich von 220°C bis 270°C erfolgen. Allerdings sollten dabei Temperaturen von 300°C und mehr vermieden werden, sofern bei einer Bestrahlung mit Heliumkernen eine Absenkung der n-Dotierung oder bei einer Bestrahlung mit Protonen eine Anhebung der n-Dotierung in der schwach n-dotierten Basis 7 vermieden werden soll.
Grundsätzlich kann das Einstrahlen der Teilchen 210 in den Grenzabschnitt 4 auch nach dem Aufbringen der Anodenelektrode 13 auf die Rückseite 12 erfolgen, sofern die Anodenelektrode 13 eine ausreichende Durchlässigkeit für die verwendeten Teilchen 210 aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer τ an fertigungsbedingte Streuungen der Thyristoreigenschaften angepasst werden kann. Das Einstrahlen der Teilchen 210 kann beispielsweise nach dem Aufbringen der Elektroden 9, 91, 13 und gegebenenfalls 92 auf den Halbleiterkörper 1 (siehe die vor allem die 1A 1B) erfolgen, da hierzu Temperaturen von mehr als 400°C erforderlich sind. Derart hohe Temperaturen würden jedoch das Ergebnis der durch das Einstrahlen der Teilchen 210 bewirkten Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer τ beeinträchtigen.
7A zeigt eine Gesamtansicht eines elektrisch zündbaren Thyristors 100 mit Blick auf dessen Kathodenseite. Der Thyristor 100 umfasst eine Gateelektrode 92, die von der Kathodenelektrode 9 beabstandet ist, und mittels der der Thyristor elektrisch gezündet werden kann. Zwischen der Gateelektrode 92 und der Kathodenelektrode 9 ist eine Zündstufenstruktur AG mit beispielhaft zwei Zündstufen AG1 und AG2 angeordnet. Die Elektrode 91 der der Kathodenelektrode 9 nächstliegende (AG2) aller Zündstufen AG1, AG2 weist Abschnitte 91' auf, welche als Gatefinger bezeichnet werden und die sich in entsprechende Aussparungen der Kathodenelektrode 9 hinein erstrecken. Derartige Gatefinger 91' können sich vollständig oder zumindest abschnittweise in einer radialen Richtung r erstrecken und optional einfach oder mehrfach gegabelt sein. Bei der Zündung des Thyristors 100 durch eine geeignete Ansteuerung der Gateelektrode 92 entsteht entlang der Gateelektrode 92 und nachfolgend entlang der Gatefinger 91', d. h. in dem oben erläuterten Grenzabschnitt 4, ein Stromplasma, das sich dann über den gesamten Kathodenbereich 3 ausbreitet.
Wie aus 7A ersichtlich ist, kann ein Thyristor 100 eine Vielzahl unterschiedlicher lateraler, zur vertikalen Richtung v senkrechter Achsen a, a', a'' aufweisen, von denen jede der in den 1 bis 6 erläuterten. Achse a im Hinblick auf ihre Bedeutung für die Bestimmung des Verlaufs der Ladungsträgerlebensdauer τ entspricht. Jede der Achsen a, a', a'' verläuft somit an zumindest einer Stelle der Grenzfläche 23 (in 7A nicht dargestellt, siehe hierzu die vergrößerte Schnittansicht gemäß 7C) senkrecht zur Grenzfläche 23 verläuft.
7B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des in 7A gezeigten Thyristors 100 aus dem Bereich einer Gabelung eines der Gatefinger 91'. In dieser vergrößerten Darstellung ist zu erkennen, dass der Gatefinger 91' von der Kathodenelektrode 9 beabstandet ist. In dem Bereich zwischen der Gateelektrode 92 und der Kathodenelektrode 9 ist der Halbleiterkörper 1 zu erkennen.
7C zeigt oben einen Vertikalschnitt durch den vergrößerten Thyristorabschnitt gemäß 7B in einer zur vertikalen Richtung v parallelen Schnittebene E1–E1', die außerdem die Achse a enthält. In dieser Ansicht ist in Verbindung mit der Darstellung gemäß den 7A und 7B zu erkennen, dass die Grenzfläche 23 zwischen dem Zündbereich 2 und dem Kathodenbereich 3 dem Verlauf der dem Zündbereich 2 zugewandten seitlichen Randfläche 52 des n-dotierten Emitters 5 folgt. In dem Bereich unterhalb des Gatefingers 91' ist der n-dotierte Emitter 5 unterbrochen. Hier erstreckt sich ein Abschnitt 66 der p-dotierten Basis 6 bis an die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 und kontaktiert dort den Gatefinger 91'.
Die zur vertikalen Richtung v senkrechte Achse a verläuft außerdem an zwei Stellen S1 und S1' der Grenzfläche 23 jeweils senkrecht zur Grenzfläche 23. Entlang dieser Achse a weist die Ladungsträgerlebensdauer τ im Halbleiterkörper ein in dem Grenzabschnitt 4 angeordnetes lokales Minimum τ_min auf, was anhand des unten in 7C gezeigten Verlaufs der Ladungsträgerlebensdauer τ dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a im Bereich des bestrahlten Abschnitts 4' des Grenzabschnittes 4 konstant gleich τ_min. Abweichend von diesem Ausführungsbeispiel kann die Ladungsträgerlebensdauer τ entlang der Achse a auch einen anderen Verlauf aufweisen, beispielsweise einen Verlauf, wie er vorangehend unter Bezugnahme auf 6 erläutert wurde.
Der Abschnitt 4', in dem die Ladungsträgerlebensdauer τ reduziert ist und/oder in dem n-dotierte Inseln 81 oder anderen n-dotierte Strukturen im p-dotierten Emitter 8 angeordnet sind, kann sich im Bereich eines Gatefingers 91' in der ersten lateralen Richtung a bis maximal bis zur Mitte des betreffenden Gatefingers 91' erstrecken. In den anderen Bereichen, in denen der Grenzabschnitt 4 nicht entlang eines Gatefingers 91' verläuft, muss der Abschnitt 4' in der lateralen Richtung r und in Richtung der Achse a von der Zündstufenelektrode 91 einen Abstand von 100 μm bis 200 μm aufweisen.
Bereich der Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 (siehe die 1A und 1B) sollte der Abschnitt 4' mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer τ₄' in der ersten lateralen Richtung a mindestens 100 μm oder mindestens 200 μm betragen.
7D zeigt einen zur vertikalen Richtung v senkrechten Horizontalschnitt durch den p-dotierten Emitter 8 und die in diesen eingebetteten n-dotierten Inseln 81 in einer in 7C dargestellten Schnittebene E2–E2'. Hieraus ist ersichtlich, dass der Grenzabschnitt 4 als Band (grau dargestellt) der Breite b4 ausgebildet ist, das senkrecht zur vertikalen Richtung v dem Verlauf der Innenkante 52 des n-dotierten Emitters 5 folgt. Dasselbe gilt damit auch für den Abschnitt 4', der jedoch vom n-dotierten Emitter 5 und von der p-dotierten Basis 6 und optional auch von der n-dotierten Basis 7 beabstandet ist.
Wie aus der Anordnung gemäß den 7A bis 7D außerdem hervorgeht, muss die Achse a – abweichend von dem in den anhand der 1 bis 6 erläuterten Beispielen – nicht notwendiger Weise in einer radialen Richtung verlaufen.
8 zeigt eine Gesamtansicht eines elektrisch zündbaren Thyristors 100 mit einer Gateelektrode 92, sowie mit einer Zündstufenstruktur, die beispielhaft eine Zündstufe AG1 umfasst, mittels der die Kathode 9 angesteuert wird, in Draufsicht auf die Kathodenseite. Dieser Thyristor 100 unterscheidet sich von dem Thyristor gemäß 7A abgesehen von der Anzahl der Zündstufen in der Ausgestaltung der Gateelektrode 92 und der Gatefinger 91'. Während der Thyristor 100 gemäß 7A eine 3-zählige Rotationssymmetrie um die zentrale Achse A–A' aufweist, besitzt der Thyristor 100 gemäß 8 eine 6-zählige Rotationssymmetrie um die zentrale Achse A–A'. Ebenso wie bei dem Thyristor 100 gemäß den 7A bis 7D ist der n-dotierte Emitter 5 entgegen der vertikalen Richtung v unter dem Gatefinger 91' unterbrochen und durch einen in Richtung der Vorderseite 11 vorspringenden Abschnitt der p dotierten Basis 6 ersetzt, den der Gatefinger 91' kontaktiert. Außerdem überragt dieser Abschnitt der p-dotierten Basis 6 die den Gatefinger 91' in jeder zur vertikalen Richtung v senkrechten lateralen Richtung.
Die in den 7A und 8 gezeigten Thyristoren 100 könnten abweichend von den jeweiligen Darstellungen auch eine andere Anzahl von Zündstufen AG1, AG2 aufweisen. Die Anzahl der Zündstufen ist jeweils größer oder gleich 1. Außerdem können diese Thyristoren auch ohne Zündstufen ausgebildet sein und zur Zündung nur eine Gateelektrode 92 aufweisen. In diesem Fall sind die Gatefinger 91' Bestandteile der Gateelektrode 92.
Alternativ könnten die Thyristoren gemäß den 7A und 8 auch als lichtzündbare Thyristoren 100 ausgebildet sein. In diesem Fall wäre anstelle der Gateelektrode 92 ein lichtempfindlicher Bereich des Halbleiterkörpers 1 in der Nähe der Achse A–A' angeordnet. Zwischen dem lichtempfindlichen Bereich und dem Hauptkathodenbereich 3 wäre dann eine Anzahl von beispielsweise wenigstens vier Zündstufen angeordnet, wobei die dem die Elektrode 91 der dem Hauptemitter 5 nächstgelegenen Zündstufe entsprechend den 7A und 8 optionale, als Gatefinger ausgebildete Abschnitte 91' aufweisen könnte.
Bei den vorangehend erläuterten Beispielen waren alle n-dotierten Inseln 81 vollständig in den p-dotierten Emitter 8 eingebettet, d. h. von der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 beabstandet. Alternativ dazu können sich bei allen Thyristoren gemäß der vorliegenden Erfindung einige oder alle n-dotierten Inseln 81 bis zur Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 erstrecken und dort die Anodenelektrode 13 kontaktieren. Dies gilt vor allem dann, wenn diese Inseln 81 durch Dotierung mit Phosphor, Arsen, Selen oder Schwefel hergestellt wurden, da das Einbringen dieser Stoffe in den Halbleiterkörper 1 nicht nur durch Implantation erfolgt, sondern dadurch, dass die Rückseite 12 strukturiert (z. B. mittels einer Maske) mit dem betreffenden Stoff belegt und dieser dann bei sehr hohen Temperaturen in den Halbleiterkörper 1 belegt bzw. eingetrieben wird. Ein Beispiel hierfür zeigt der Thyristor gemäß 9, dessen Aufbau sich vom Aufbau des Thyristors gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass sich zumindest eine der n-dotierten Inseln 81 bis zur Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt und dort die Anodenelektrode 13 kontaktiert. Grundsätzlich kann eine n-dotierte Insel 81, die sich bis zur Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt, auch mittels Protonenimplantation in das Gebiet der herzustellenden n-dotierten Insel 81 mit nachfolgender Temperung erzeugt werden, wie dies anhand von 5 erläutert wurde, wenn die Energie der Protonen entsprechend gewählt wird. Um einen in der vertikalen Richtung v größeren zusammenhängenden Bereich bei der Implantation zu erfassen, können auch mehrere Implantationen mit unterschiedlichen Protonenenergien durchgeführt werden, so dass ein zusammenhängendes Implantationsgebiet entsteht.
Anstelle oder zusätzlich zu einer Vielzahl n-dotierter Inseln 81 kann in den p-dotierten Emitter 8 innerhalb des Grenzabschnitts 4 selbstverständlich auch eine beliebige andere n-dotierte, beispielsweise netzartige Struktur unterhalb und entlang des dem Zündbereich 2 zugewandten Innenrandes des Hauptemitters 5 eingebettet sein. Die beliebige andere Struktur kann von der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 beabstandet sein, oder sich alternativ bis zur Rückseite 12 erstrecken und dort die Anodenelektrode 13 elektrisch kontaktieren.
Wie in 10 beispielhaft gezeigt ist, können mehrere der n-dotierten Inseln 81 auch in einer radialen Richtung r aufeinanderfolgend und beabstandet voneinander angeordnet sein. Optional kann dabei der Abstand a1, a2 zwischen benachbarten der aufeinanderfolgend angeordneten Inseln 81 mit zunehmendem Abstand vom Zündbereich 2 abnehmen.
Die Erfindung wurde vorangehend anhand von Thyristoren mit einem im Wesentlichen zylinderförmigem Halbleiterkörper erläutert, bei dem die unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen eine N-zählige Rotationssymmetrie aufweisen. Der Zündbereich 2 war im Zentrum des Halbleiterkörpers 1 angeordnet.
Davon abweichend kann die Erfindung auch bei Thyristoren realisiert werden, deren Halbleiterkörper nicht zylinderförmig ist, und/oder bei denen sich der Zündbereich nicht im Zentrum sondern beispielsweise in einem seitlichen Randabschnitt des Halbleiterkörpers befindet. Weiterhin kann der Halbleiterkörper z. B. auch eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt aufweisen. Unter im wesentlichen zylinderförmig bzw. quaderförmig werden insbesondere solche Halbleiterkörper angesehen, deren Abweichung von der Zylinder- bzw. Quaderform auf einer Randabschlussstruktur mit Randabschrägung beruht, und/oder auf einer örtlichen Verringerung der Dicke der p-dotierten Basis zur Herstellung einer Widerstandszone im Bereich einer Zündstufenstruktur.
Bei der rückseitigen Einstrahlung von Teilchen 210, die als Protonen oder Heliumkerne ausgebildet sind, in den Halbleiterkörper 1 zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in dem Abschnitt 4' hängt die Eindringtiefe der Teilchen 210 von deren Anfangsenergie ab. Die Tiefe t4' des Abschnitts 4' ist somit durch die Maximalenergie der Teilchen 210 bestimmt und kann somit durch die Wahl einer geeigneten Teilchenenergie festgelegt werden. Um einen Abschnitt 4' mit abgesenkter Ladungsträgerlebensdauer zu erzeugen, der sich über einen größeren Bereich erstreckt, kann es vorteilhaft oder erforderlich sein, mehrere Bestrahlungsschritte durchzuführen, bei denen die Teilchen 210 jeweils unterschiedliche mittlere Energien aufweisen. Wenn die unterschiedlichen mittleren Energien in geeigneter Weise auf die Energieverteilung der Teilchen in den Einzelnen Bestrahlungsschritten abgestimmt sind, lässt sich die Ladungsträgerlebensdauer in einem in der vertikalen Richtung zusammenhängenden, ununterbrochenen Bereich absenken.
Einem jeden der in den Halbleiterkörper 1 eingebrachten Teilchen 210 (siehe 6) kann man somit, bezogen auf die Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1, eine bestimmte Eindringtiefe t in der vertikalen Richtung v zuordnen. Die Dosis d(t) der Gesamtheit der Teilchen 210, die zur lokalen Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in den Halbleiterkörper 1 zur Erzeugung des Abschnitts 4' bis in eine – von der Rückseite 12 gemessene – vorgegebene Zieltiefe t implantiert werden, hängt von der Dotierstoffkonzentration n_A ab, die der Halbleiterkörper 1 im Zielgebiet an der Zieltiefe t aufweist.
11 zeigt hierzu beispielhaft für den p-dotierten Emitter 8 und den daran angrenzenden Abschnitt der n-dotierten Basis 7 mögliche Verläufe der Dotierstoffkonzentration und der Dosis d(t) der in den Halbleiterkörper 1 zur lokalen Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer in den Halbleiterkörper 1 implantierten Protonen als Funktionen vom Abstand t von der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1. Ausgehend von der Rückseite 12 weist der p-dotierte Emitter 8 einen ersten, stark p-dotierten Abschnitt 8a auf, sowie daran anschließend einen Abschnitt 8b, der weniger stark p-dotiert ist als der Abschnitt 8a. Ab einer Tiefe von t > d8 schließt sich an den Abschnitt 8b die n-dotierte Basis 7 an.
Falls es sich bei den Teilchen 210 um Protonen handelt, kann die rechnerische Dosis d_calc innerhalb des p-dotierten Emitters 8 – bei beliebigem Dotierungsprofil des p-dotierten Emitters 8 – in einem Bereich von t0 bis d8 folgendem Zusammenhang genügen: d(t)_calc = K1·e^–K2·t (3)
Hierbei sind K1 und K2 Konstanten, t0 ist die Tiefe, ab der der p-dotierte Emitter eine Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 10¹⁷ cm^–3 aufweist. Für jede Tiefe t innerhalb des Bereichs von t0 bis d8 kann die tatsächlich gewählte Protonendosis d(t) um bis zu ±20% von dieser rechnerischen Dosis d(t)_calc abweichen, d. h. es gilt der Zusammenhang: 0,8·K1·e^–K2·t ≤ d(t) ≤ 1,2·K1·e^–K2·t (4)
Werden nicht Protonen sondern Heliumkerne als Teilchen 210 eingesetzt, so bestimmt sich die rechnerische Dosis d(t)_calc bei sonst gleichen Bedingungen wie folgt: d(t)_calc = K1'·e^–K2·t (5)
Hierbei liegt K1' im Bereich von 0,02·K1 bis 0,1·K1. Somit gilt in dem Tiefenbereich von t0 bis d8 folgender Zusammenhang: 0,8·K1'·e^–K2·t ≤ d(t) ≤ 1,2·K1'·e^–K2·t (6)
Grundsätzlich können anstelle von nur genau einer Implantation zur Erzeugung des Abschnitts 4' mit lokal reduzierter Ladungsträgerlebensdauer auch zwei oder mehr Implantationen mit verschiedenen Implantationsenergien und mit unterschiedlichen Zieltiefen t erfolgen. Dabei können auch Implantationen von Protonen und Implantationen von Heliumkernen in beliebiger Reihenfolge in Kombination miteinander eingesetzt werden.
Für Eindringtiefen t, die größer oder gleich der Dicke d8 des p-dotierten Emitters 8 und kleiner oder gleich der maximal zulässigen Eindringtiefe t₄'_max der Teilchen 210 sind (d. h. die Zieltiefe liegt nicht mehr im p-dotierten Emitter 8 sondern in der n-dotierten Basis 7), kann die Dosis d(t) beispielsweise konstant gewählt werden oder, alternativ, linear abnehmen. Im Fall einer linearen Abnahme kann beispielsweise eine rechnerische Abnahme d(t)_calc gemäß folgendem Zusammenhang eingesetzt werden:
Hierbei sind t_max die maximal gewählte Eindringtiefe der Teilchen 210, d8 die Tiefe des pn-Übergangs 68 zwischen dem p-dotierten Emitter 8 und der n-dotierten Basis 7, jeweils bezogen auf die Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1, d(t_max) ist die gewählte Dosis der implantierten Teilchen 210 bei der Tiefe t_max, d(d8) die gewählte Dosis der implantierten Teilchen 210 bei der Tiefe d8. Entsprechend ist d(t) die Dosis bei einer Tiefe t.
Für jede Tiefe t innerhalb des Bereichs von d8 bis t_max kann die tatsächlich gewählte Protonendosis d(t) um bis zu ±20% von dieser rechnerischen Dosis d(t)_calc abweichen, d. h. es gilt der Zusammenhang:
Die minimale Dosis d_min der implantierten Teilchen 210 (ohne die Teilchen 310) kann sich beispielsweise an der Stelle t = t4' befinden und in einem Wertebereich d_min = d(t = t₄') von 5·10⁹ cm^–2 bis 1·10¹⁰ cm^–2 liegen. Weiterhin kann die Dosis d(t) der Teilchen 210 am anodenseitigen pn-Übergang 68, d. h. bei t = d8, z. B. in einem Wertebereich von d(t = d8) von 1·10¹⁰ cm^–2 bis 1·10¹¹ cm^–2 liegen. Außerdem kann die maximale Dosis d_max der Teilchen 210 z. B. im Bereich von 1·10¹² cm^–2 bis 1·10¹⁴ cm ² liegen.
In der nachfolgenden Tabelle sind für Thyristoren verschiedener Spannungsklassen mögliche Werte für die Dotierstoffkonzentration n^– _D im Zielgebiet und für die Dicke der n-dotierten Basis 7 beispielhaft zusammengestellt. Andere Werte und Wertekombinationen sind grundsätzlich möglich.

Spannungsklasse n^– _D [cm^–3] d7 [μm]

8,0 kV 1,0·10¹³ 1000

5,0 kV 1,4·10¹³ 800

3,5 kV 3,0·10¹³ 650

2,5 kV 3,7·10¹³ 450
Bei dem in 6 gezeigten Thyristorabschnitt erstreckt sich der Abschnitt 4' mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer beispielhaft ausgehend von der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 durchgehend bis in die n-dotierte Basis 7 hinein. Davon abweichend kann der Abschnitt 4' dabei jedoch auch, wie anhand von 12 gezeigt ist, von der Rückseite 12 beabstandet sein. Dabei wird als Beginn des Abschnitts 4', d. h. gemessen von der Rückseite 12, die Tiefe t_a angesehen, ab der die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterkörper 1, d. h. in dem Beispiel gemäß 12 die Ladungsträgerlebensdauer τ₈, aufgrund der Implantation durch die Teilchen 210 um wenigstens 200 μs abgesenkt ist.
Ebenso ist es möglich, dass der Abschnitt 4' nur in der n-dotierten Basis 7 angeordnet ist, was in 13 dargestellt ist, oder nur im p-dotierten Emitter 8, wie in 14 gezeigt. In 13 ist der Beginn des Abschnitts 4' durch die Tiefe t_a gegeben, ab der die Ladungsträgerlebensdauer τ₇ im Halbleiterkörper 1 aufgrund der Implantation durch die Teilchen 210 um wenigstens 200 μs abgesenkt ist.
Wie beispielhaft aus 12 ersichtlich ist, können neben einer ersten lateralen Achse a noch weitere laterale Achsen a' vorgesehen sein, entlang denen dieselben Kriterien gelten wie entlang der Achse a. Insbesondere kann bei einem beliebigen Abschnitt 4' mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer in jedem beliebigen Abstand zur Rückseite 12 eine zur vertikalen Richtung v senkrechte Achse a durch den Abschnitt 4' verlaufen, entlang der diese Kriterien gelten.
15 zeigt eine zu der Anordnung gemäß 7C alternative Ausgestaltung für den Verlauf des Abschnitts mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer. Anders als in 7C verläuft die Zone mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer unterhalb des Gatefingers 91' durchgehend. Der Abschnitt 4' mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer τ₄' ist in der vertikalen Richtung v unterhalb des Gatefingers 91 als durchgehendes Gebiet ausgebildet, das sich entlang der ersten lateralen Achse a zumindest über zwischen den seitlichen Grenzen erstreckt, die der Gatefinger 91' in der zur ersten lateralen Achse a parallelen Richtung aufweist.

Claims

Thyristor mit – einem Halbleiterkörper (1); – einem Kathodenbereich (3), in dem in einer vertikalen Richtung (v) ausgehend von einer Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (1) hin zu einer Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) aufeinander folgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Emitter (5) angeordnet sind, wobei die seitliche Begrenzung des Kathodenbereichs (3) durch die seitliche Begrenzung des n-dotierten Emitters (5) gegeben ist; – einem Zündbereich (2), der eine Zündeinrichtung (10, 92) zum Zünden des Thyristors (100) umfasst, und der sich senkrecht zur vertikalen Richtung (v) an den Kathodenbereich (3) anschließt und mit diesem eine gemeinsame Grenzfläche (23) aufweist; – einem senkrecht zur vertikalen Richtung (v) entlang der Grenzfläche (23) verlaufenden Grenzabschnitt (4) des Halbleiterkörpers (1), der einen ersten Randabschnitt (21) des Zündbereichs (2) umfasst, welcher auf der dem Kathodenbereich (3) zugewandten Seite des Zündbereichs (2) angeordnet und durch die Grenzfläche (23) begrenzt ist, und/oder einen zweiten Randabschnitt (31) des Kathodenbereichs (3), welcher auf der dem Zündbereich (2) zugewandten Seite des Kathodenbereichs (3) angeordnet und durch die Grenzfläche (23) begrenzt ist; wobei – der Zündbereich (2) einen Hauptabschnitt (22) aufweist, der durch den außerhalb des ersten Randabschnittes (21) angeordneten Abschnitt des Zündbereichs (2) gebildet ist; – der Kathodenbereich (3) einen Hauptabschnitt (32) aufweist, der durch den außerhalb des zweiten Randabschnittes (31) angeordneten Abschnitt des Kathodenbereichs (3) gebildet ist; – der Thyristor (100) zumindest eines der Merkmale [a], [b] aufweist, dass [a] die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Halbleiterkörper (1) entlang einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten ersten lateralen Achse (a), die außerdem an zumindest einer Stelle (S1) der Grenzfläche (23) senkrecht zur Grenzfläche (23) verläuft, ein in dem Grenzabschnitt (4) angeordnetes lokales Minimum (τ_min) aufweist; und/oder [b] innerhalb des Grenzabschnittes (4) wenigstens ein n-dotiertes Halbleitergebiet (81) entlang der Grenzfläche (4) im p-dotierten Emitter (8) angeordnet ist.
Thyristor nach Anspruch 1, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem der Minimalwert (τ_min), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) innerhalb des Grenzabschnittes (4) aufweist, kleiner ist als der Maximalwert (τ_max32), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (32) des Kathodenbereichs (3) entlang der ersten lateralen Achse (a) aufweist.
Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem der Minimalwert (τ_min), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) innerhalb des Grenzabschnittes (4) aufweist, kleiner ist als der Maximalwert (τ_max22), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (22) des Zündbereichs (2) entlang der ersten lateralen Achse (a) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) an jeder Stelle des Grenzabschnittes (4) kleiner ist als der Maximalwert (τ_max32), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (32) des Kathodenbereichs (3) entlang der ersten lateralen Achse (a) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) an jeder Stelle des Grenzabschnittes (4) kleiner ist als der Maximalwert (τ_max22), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (22) des Zündbereichs (2) entlang der ersten lateralen Achse (a) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) an jeder Stelle des Grenzabschnittes (4) kleiner ist als der kleinste Wert, den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (32) des Kathodenbereichs (3) entlang der ersten lateralen Achse (a) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) an jeder Stelle des Grenzabschnittes (4) kleiner ist als der kleinste Wert, den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (22) des Zündbereichs (2) entlang der ersten lateralen Achse (a) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang der ersten lateralen Achse (a) innerhalb des Grenzabschnittes (4) konstant ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem der Grenzabschnitt (4) einen Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') aufweist, in dem das lokale Minimum (τ_min) angeordnet ist und in dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') kleiner ist als die Ladungsträgerlebensdauer (τ₇) der an diesen Abschnitt (4') entlang der ersten lateralen Achse (a) angrenzenden Bereiche des Halbleiterkörpers (1).
Thyristor nach Anspruch 9, bei dem der Abstand (d4') zwischen dem Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') und der p-dotierten Basis (6) größer oder gleich der halben Dicke (0,5·d7) der n-dotierten Basis (7) ist.
Thyristor nach Anspruch 10, bei dem der Abstand (d4') zwischen dem Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') und der p-dotierten Basis (6) kleiner oder gleich der Dicke (d7) der n-dotierten Basis (7) ist.
Thyristor nach Anspruch 10, bei dem der Abstand (d4') zwischen dem Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') und der p-dotierten Basis (6) größer als die Dicke (d7) der n-dotierten Basis (7) ist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') von der Rückseite (12) beabstandet ist.
Thyristor nach Anspruch 13, bei dem der Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') vom p-dotierten Emitter (8) beabstandet ist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem der kleinste Wert, den die Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') in dem Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer aufweist, um wenigstens 20% kleiner ist als die Ladungsträgerlebensdauer (τ₇, τ₈) der an diesen Abschnitt (4') in der lateralen Richtung (r) angrenzenden Bereiche des Halbleiterkörpers (1).
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem der Grenzabschnitt (4) entlang der ersten lateralen Achse (a) eine Breite (b4) von mehr als 0 mm und von kleiner oder gleich 5 mm aufweist.
Thyristor nach Anspruch 16, bei dem die Breite (b4) des Grenzabschnitts (4) entlang der gemeinsamen Grenzfläche (23) konstant ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang eines Bandes, das durch die Schnittfläche einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten Ebene (E2–E2') mit dem Grenzabschnitt (4) gegeben ist, kleiner ist als der Maximalwert (τ_max32), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (32) des Kathodenbereichs (3) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer (τ) entlang eines Bandes, das durch die Schnittfläche einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten Ebene (E2–E2') mit dem Grenzabschnitt (4) gegeben ist, kleiner ist als der Maximalwert (τ_max22), den die Ladungsträgerlebensdauer (τ) im Hauptabschnitt (22) des Zündbereichs (2) aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [b] aufweist und bei dem das wenigstens eine n-dotierte Halbleitergebiet (81) von der Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (1) beabstandet ist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, der das Merkmal [b] aufweist und bei dem sich das wenigstens eine n-dotierte Halbleitergebiet (81) bis zur Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (1) erstreckt.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [b] aufweist und bei dem sich das wenigstens eine n-dotierte Halbleitergebiet (81) entlang eines Bandes erstreckt, das durch die Schnittfläche einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten Ebene (E2–E2') mit dem Grenzabschnitt (4) gegeben ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [b] aufweist und beidem das wenigstens eine n-dotierte Halbleitergebiet (81) eine Anzahl n-dotierter Inseln (81) umfasst oder aus einer Anzahl n-dotierter Inseln (81) besteht.
Thyristor nach den Ansprüchen 22 und 23, bei dem die Anzahl der n-dotierten Inseln (81) entlang des Bandes verteilt angeordnet und voneinander beabstandet sind.
Thyristor nach Anspruch 23 oder 24, bei dem das n-dotierte Halbleitergebiet mehrere n-dotierte Inseln (81) umfasst, die in einer radialen Richtung (r) aufeinanderfolgend angeordnet, wobei der Abstand (a1, a2) zwischen benachbarten der aufeinanderfolgend angeordneten Inseln (81) mit zunehmendem Abstand vom Zündbereich (2) abnimmt.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [b] aufweist und bei dem das wenigstens eine n-dotierte Halbleitergebiet (81) eine netzartige Struktur aufweist oder aus einer netzartigen Struktur besteht.
Thyristor nach den Ansprüchen 23 und 26, bei dem die netzartige Struktur (81) entlang des Bandes verläuft.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der – eine Gateelektrode (92) zur elektrischen Zündung des Thyristors (100) aufweist; – eine Kathodenelektrode (9) aufweist, die auf die Vorderseite (11) aufgebracht ist und die den n-dotierten Emitter (5) kontaktiert; wobei die Gateelektrode (92) einen als Gatefinger ausgebildeten Abschnitt aufweist, der sich senkrecht zur vertikalen Richtung (v) in die Kathodenelektrode (9) hinein erstreckt und von dieser beabstandet ist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 27 mit – einer Zündstufenstruktur, die wenigstens eine im Hauptabschnitt (22) des Zündbereichs (2) angeordnete Zündstufe (AG1, AG2, AG3, AG4) umfasst; – einer Kathodenelektrode (9), die auf die Vorderseite (11) aufgebracht ist und die den n-dotierten Emitter (5) kontaktiert; wobei – von allen Zündstufen (AG1, AG2, AG3, AG4) des Thyristors (100) die dem n-dotierten Emitter (5) nächstgelegene Zündstufe (AG4) einen n-dotierten Zündstufenemitter (51) umfasst, sowie eine auf die Vorderseite (11) aufgebrachte Zündstufenelektrode (91) aufweist, die den Zündstufenemitter (51) kontaktiert; – die Zündstufenelektrode (91) einen als Gatefinger ausgebildeten Abschnitt (91') aufweist, der sich senkrecht zur vertikalen Richtung (v) in die Kathodenelektrode (9) hinein erstreckt und von dieser beabstandet ist.
Thyristor nach Anspruch 28 oder 29, bei dem der Abschnitt (4') mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer (τ₄') in der vertikalen Richtung (v) unterhalb des Gatefingers (91') als durchgehendes Gebiet ausgebildet ist, das sich entlang der ersten lateralen Achse (a) zumindest über zwischen den seitlichen Grenzen erstreckt, die der Gatefinger (91') in der zur ersten lateralen Achse (a) parallelen Richtung aufweist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem innerhalb des Hauptabschnittes (22) des Zündbereichs (2) kein n-dotiertes Halbleitergebiet im p-dotierten Emitter (8) angeordnet ist.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der als symmetrisch sperrender Thyristor ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Thyristors gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der das Merkmal [a] aufweist, bei dem das lokales Minimum (τ_min) der Ladungsträgerlebensdauer (τ) durch eine rückseitige Implantation von Störstellen erzeugender erster Teilchen (210) in den Halbleiterkörper (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Halbleiterkörper (1) nach der Implantation der ersten Teilchen (210) bei mehr als 200°C und bei weniger als 300° während eines ersten Temperschrittes getempert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Thyristors gemäß Anspruch 30, bei dem die rückseitige Implantation der Störstellen erzeugenden ersten Teilchen (210) und die nachfolgende Temperung in dem ersten Temperschritt in einem anodenseitigen, von der p-dotierten Basis (6) beabstandeten Abschnitt der n-dotierten Basis (7) eine Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer um wenigstens 20% bewirken.
Verfahren zur Herstellung eines Thyristors gemäß einem der Ansprüche 33 bis 35, bei dem es sich bei den ersten Teilchen (210) um Protonen oder um Heliumkerne handelt.
Verfahren zur Herstellung eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32 ausgebildeten Thyristors, der das Merkmal [b] aufweist, bei dem das wenigstens eine innerhalb des Grenzabschnittes (4) angeordnete, n-dotierte Halbleitergebiet (81) dadurch erzeugt wird, dass durch die Rückseite (12) zweite Teilchen (310) in die p-dotierte Basis (8) oder in das Gebiet des Halbleiterkörpers (1), in dem später die p-dotierte Basis (8) erzeugt wird, eingebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem die zweiten Teilchen (310) in Bezug auf das Grundmaterial des Halbleiterkörpers (1) n-dotierend wirken.
Verfahren gemäß Anspruch 37 oder 38, bei dem es sich bei den zweiten Teilchen (310) um Phosphor und/oder Arsen und/oder Schwefel und/oder Selen handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 39, bei dem der Halbleiterkörper (1) nach dem Einbringen der zweiten Teilchen (310) während eines zweiten Temperschrittes für eine Dauer von wenigstens 30 Minuten bei Temperaturen von mehr als 800°C getempert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem die zweiten Teilchen (310) Protonen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 41, bei dem der Halbleiterkörper (1) nach dem Einbringen der zweiten Teilchen (310) während eines zweiten Temperschrittes für eine Dauer von 30 Minuten bis 4 Stunden in einem Temperaturbereich von 300°C bis 500°C getempert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 37 bis 42, das zusätzlich die Schritte gemäß einem der Ansprüche 33 bis 36 aufweist.