DE1279203B

DE1279203B - Halbleiterkoerper fuer einen Thyristor

Info

Publication number: DE1279203B
Application number: DEA49213A
Authority: DE
Inventors: Per Svedberg
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1964-05-15
Filing date: 1965-05-14
Publication date: 1968-10-03
Also published as: GB1096777A; US3470036A; SE323452B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer: 1279 203

Aktenzeichen: P 12 79 203.9-33 (A 49213)

Anmeldetag: 14. Mai 1965

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterkörper für Thyristoren und ermöglicht die Herstellung von Thyristoren mit erheblich höherer Blockspannung und Sperrspannung als bisher. Unter »Blockspannung« versteht man dabei die maximale Spannung, die der Thyristor ohne Selbstzündung in leitender Richtung aufnehmen kann, und unter »Sperrspannung« die maximale Spannung entgegengesetzter Polarität, die der Thyristor aufnehmen kann.

Der Halbleiterkörper eines bekannten Thyristors besteht aus einer N⁺-, einer P-, einer N- und einer P⁺- Zone. Die beiden äußeren Zonen sind gut leitend und injizieren, wenn der Thyristor leitend ist, Ladungsträger in die beiden inneren und hochohmigeren Mittelzonen. Die eine von diesen ist oft niederohmiger und dünner als die andere. Der Teil des Halbleiterkörpers, der zwischen den gut leitenden äußeren Zonen liegt, wird im folgenden die Zwischenzone genannt.

Die Erfindung geht aus von einem bekannten Halbleiterkörper mit einer aus mehreren Schichten bestehenden Zwischenzone niedriger Leitfähigkeit und mit zwei Endzonen einander entgegengesetzten Leitungstyps, die auf beiden Seiten der Zwischenzone angeordnet sind, im Verhältnis zur Leitfähigkeit der Zwischenzone eine hohe Leitfähigkeit haben und von denen jede mit der Zwischenzone einen pn-Übergang bildet. Ein solcher Halbleiterkörper ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Zwischenzone eine Zentralschicht hat, deren Dicke 100 bis 1000 μΐη beträgt und bei der das Produkt der Störstellenkonzentration und der Dicke kleiner als 10¹² Störstellenatome je Quadratzentimeter ist, und zu beiden Seiten der Zentralschicht je eine Außenschicht, deren Dicke 1 bis 20°/o der Dicke der Zentralschicht beträgt und bei der das Produkt der Störstellenkonzentration und der Dicke 2 · 10¹¹ bis 2 · 10¹² Störstellenatome je Quadratzentimeter ist.

Die beiden Außenschichten können dabei vom gleichen Leitungstyp sein, wobei die Zwischenzone dann eine außerhalb der einen Außenschicht angeordnete Schicht des zu den Außenschichten entgegengesetzten Leitungstyps umfaßt, deren Dicke 1 bis 100 μΐη beträgt und bei der das Produkt der Störstellenkonzentration und der Dicke 10¹² bis 10^1B Störstellenatome je Quadratzentimeter ist, d. h., daß diese Schicht außerhalb der einen Außenschicht eine Störstellenkonzentration und eine Dicke haben kann, wie sie die niederohmigeren Zwischenzonen von bekannten Thyristoren in der Regel haben. Die Außenschichten können auch einander entgegengesetzte Leitungstyps haben, wobei sie zusammen mit der Zentralschicht die Zwischenzone des Halbleiterkörpers bilden.

Halbleiterkörper für einen Thyristor

Anmelden

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget,

Västeräs (Schweden)

ίο Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt,
6300 Gießen, Bismarckstr. 3

Als Erfinder benannt:

Per Svedberg, Vällingby (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 15. Mai 1964 (5947)

Ungeachtet des Leitungstyps der Außenschichten kann die Zentralschicht schwach P- oder schwach N-leitend sein. Wenn die Außenschichten von gleichem Leitungstyp sind, ist es jedoch vorzuziehen, daß auch die Zentralschicht von diesem Leitungstyp ist.

Die Störstellenkonzentrationen in jeder der beiden Endzonen ist mit Vorteil 10¹⁸ bis 10²⁰ Störstellenatome je Kubikzentimeter. Daß die Zonen als Endzonen bezeichnet werden, bedeutet nicht, daß der Halbleiterkörper nicht eine oder mehrere weitere Zonen haben kann, die außerhalb der einen oder beider Endzonen angeordnet sind, z. B. wenn er als Halbleiterkörper eines symmetrisch schaltenden Thyristors dienen soll. In diesem Fall ist außerhalb der einen Endzone eine weitere Zone angeordnet, deren Leitungstyp zu dem dieser Endzone entgegengesetzt ist.

Die Anordnung mehrerer Schichten in der Zwischenzone ist bei Halbleiterkörpern für Thyristoren zwar bekannt, aber die Schichten der Zwischenzone haben nicht die Störstellenkonzentration und die Dicke, wie sie die Erfindung verlangt, um eine hohe Block- und eine hohe Sperrspannung zu erreichen.

Thyristoren nach der Erfindung haben gegenüber den bekannten Thyristoren eine wenigstens 30% höhere Sperr- und Blockspannung. Das bedeutet, daß man bei beibehaltener Leistung in leitender Richtung einen Thyristor mit höherer Sperrfähigkeit bekommt, z. B. 1300 V anstatt 1000 V Block- und Sperrspannung, oder man kann bei einer gegebenen Sperr- und Block-

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spannung die Zwischenzone dünner wählen. In dem stark N- bzw. P-dotierfen Endzonen. Die Störstellenletzten Fall erhält man dadurch einen niedrigeren konzentration in der Schicht 28 ist 10^ia Störstellen-Spannungsabfall in der leitenden Richtung und eine atome je Kubikzentimeter, in den Schichten 29 und 30 kürzere Schaltzeit. 2 · 10¹⁴ Störstellenatome je Kubikzentimeter und in

Die Erfindung ist im folgenden an Hand mehrerer 5 den Endzonen 26 und 2710¹⁸ bis IO²⁰ Störstellenatome Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung je Kubikzentimeter. Die Schicht 28 hat eine Dicke von zeigen 1000 μπα und die Schichten 29 und 30 eine Dicke von

F i g. 1 und 2 schematisch einen Schnitt in der 50 μΐη.

Stromrichtung eines Halbleiterkörpers für einen Thy- Bei der in F i g. 5 gezeigten praktischen Ausfüh-

ristor, dessen Zwischenzone außer der Zentral- io rungsformeinesHalbleiterkörpersbestehtdieZwischenschicht und zwei Außenschichten des gleichen Leit- zone aus einer schwach N-dotierten Zentralschicht 33, fähigkeitstyps eine außerhalb der einen Außenschicht aus den zwei stärker N-dotierten Außenschichten 34 angeordnete Schicht des zu den Außenschichten ent- und 35 und aus der außerhalb der N-dotierten Außengegengesetzten Leitungstyps umfaßt, schicht 34 liegenden P-dotierten Schicht 36. Die stark

F i g. 3 und 4 schematisch einen Schnitt in der 15 N- bzw. P-dotierten Endzonen sind mit 37 bzw. 38, 40 Stromrichtung eines anderen Halbleiterkörpers für bezeichnet. Die stark N-dotierte Endzone 37 ist durch einen Thyristor, bei dem die Zwischenzone zwei Außen- Einlegierung eines Gold-Antimon-Kontakts 39 und schichten zueinander entgegengesetzten Leitungstyps die stark P-dotierte Endzone 38,40 durch Einlegierung hat, und einer Aluminiumfolie 41 zustande gekommen. In Ver-

F i g. 5 schließlich eine praktische Ausführungs- 20 bindung mit der Einlegierung der Aluminiumfolie 41 form eines mit Elektroden versehenen Halbleiter- ist der Halbleiterkörper an einer auch als Kontakt körpers nach der Erfindung. dienenden Stützplatte 42, z. B. aus Molybdän oder

Der in Fig. 1 dargestellte Halbleiterkörper hat einem anderen Material mit einem dem Halbleitereine Zwischenzone, die aus einer schwach P-dotierten körper angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten, Zentralschicht 11 besteht, aus den zwei stärker 25 befestigt. Die Störstellenkonzentration ist in der P-dotierten Außenschichten 12 und 13 und aus der Schicht 33 4 · IO¹² Störstellenatome je Kubikzentiaußerhalb der P-dotierten Außenschicht 12 gelegenen meter und in den Schichten 34 und 3510¹⁶ Störstellen-N-dotierten Schicht 14. Die stark P- bzw. N-dotierten atome je Kubikzentimeter. In der Schicht 36 steigt die Endzonen sind mit 15 und 16 bezeichnet. Die Stör- Störstellenkonzentration von 1O^1S Störstellenatomen Stellenkonzentration ist in der Schicht 11 10¹³ Stör- 30 im Grenzgebiet an der Schicht 34 auf IO¹⁸ Storstellenstellenatome je Kubikzentimeter, in den Schichten 12 atome je Kubikzentimeter im Grenzgebiet an der End- und 13 2 ■ 10^lä Störstellenatome je Kubikzentimeter, zone 37, wo die Störstellenkonzentration 1Ö^1S Störin der Schicht 14 10^le bis 10¹⁷ Störstellenatome je stellenatome je Kubikzentimeter beträgt. In derselben Kubikzentimeter und in den Endzonen 15 und 16 Weise steigt die Störstellenkonzentration in den End-10¹⁸ bis 10²⁰ Störstellenatonle je Kubikzentimeter.- 35 zonen 38, 40 von 10^1K Störstellenatomen je Kubik-Die Dicke der Schicht 11 ist 100 μπι, die der Schichten zentimter im Grenzgebiet an der Schicht 35 auf 12 und 13 5 μηι und die der Schicht 14 beispielsweise 10¹⁸ Störstellenatome je Kubikzentimeter im Grenz-20 μηι. gebiet an def Aluminiumschicht 41. Bei der Schicht 33

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Halbleiterkörper ist die Dicke 200 μπι, und bei den Schichten 34 und 35 besteht die Zwischenzone aus einer schwach N-dotier- 40 beträgt die Dicke 10 μπι. Die Endzone 37 hat eine ten Zenträlschicht 17, aus den beiden stärker N-dotier- Dicke von 20 μηι und die Schicht 36 eine Dicke von ten Außenschichten 18 und 19 und aus der außerhalb 20 μπι im Gebiet zwischen der Endzone 37 und der der AußenscMcht 18 gelegenen P-dotierten Schicht 20. Schicht 34. Die Dicke der Endzonen 38, 40 ist 40 μηι, Mit 21 und 22 sind die stark N- bzw. P-dotierten End- 43 bezeichnet eine Steuerelektrode,
zonen bezeichnet. Die Störstellenkonzentration ist in 45 Die Herstellung eines Halbleiterkörpers nach Fig. 5 der Schicht 17 IO¹² Störstellenatome je Kubikzenti- kann so vor sich gehen, daß eine Scheibe aus Silizium meter, in der Schicht 20 10ⁱ⁶ bis 10" Störstellenatome mit einer Störstellenkonzentration von 4 · IO¹² Störje Kubikzentimeter und in den Endzonen 21 und 22 Stellenatomen je Kubikzentimeter durch sogenanntes 10^lS bis 10²⁰ Störstellenatome je Kubikzentimeter. epitaktisches Niederschlagen auf beiden Seiten mit

Die Dicke der Schicht 17 ist 1000 μπα und die der 50 einer N-dotierten Schicht versehen wird, deren Dotie-Außenschichten 18 und 19 beträgt 50 μπι. Die Dicke rung die gleiche ist wie in den entstehenden Schichten def Schicht 20 kann beispielsweise 30 μπι betragen. 34 und 35, und die die gleiche Dicke hat, wie die

Der in F i g. 3 gezeichnete Halbleiterkörper hat Schichten 34 und 36 zusammen bzw. die Schichten 35, eine Zwischenzone, die aus einer schwach P-dotierten 38 und 40 zusammen. Das epitaktische Niederschlagen Zentralschicht 23 und aus den beiden stärker P- bzw. 55 kann so vor sich gehen, daß die Siliziumscheibe auf N-dötierten Außenschichten 24 und 25 besteht. Die etwa 1200⁰C in einer Mischung von Siliziumtetrastark N- bzw. P-dotierten Endzonen sind mit 26 und 27 chlörid und Wasserstoff sowie Spuren von Phosphorbezeichnet. Die Störstellenkonzentration in der Schicht trichlorid oder -pentachlorid erwärmt wird, wobei eine

23 ist IO¹³ Störstellenatome je Kubikzentimeter, in den monokristalline Siliziumschicht auf beiden Seiten der Schichten 24 und 25 2 · 10^1B Störstellenatome je 60 Siliziumscheibe wächst und gleich N-dotierender Kubikzentimeter und in den Endzonen 26 und 27 Phosphor eingebaut wird. Nachdem das epitaktische IO¹⁸ bis IO²⁰ Störstellenatome je Kubikzentimeter. Die Niederschlagen abgeschlossen ist, wird die Silizium-Dicke der Schicht 23 ist 100 μπα und die der Schichten scheibe mit den P-dotierten Schichten 36 und 38 da-

24 und 25 beträgt 5 μηι. -' durch versehen, daß bei etwa 1200° C Gallium teilweise Bei dem Halbleiterkörper nach.Fi g. 4 besteht 65 in die epitaktischen N-leitenden Schichten34, 35 hin-

die Zwischenzone aus der schwach N-dotierten Zentral- eindiffundiert wird. Schließlich werden die Goldschicht 28 und aus den stärker P- bzw. N-dotierten Antimon-und Aluminiümkontakte bei etwa 700⁰C an Außenschichten 29 und 30. 31 und 32 bezeichnen die die Siliziumscheibe legiert.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterkörper für einen Thyristor mit einer aus mehreren Schichten bestehenden Zwischenzone niedriger Leitfähigkeit und mit zwei Endzonen einander entgegengesetzten Leitungstyps, die auf beiden Seiten der Zwischenzone angeordnet sind, im Verhältnis zur Leitfähigkeit der Zwischenzone eine hohe Leitfähigkeit aufweisen und von denen jede mit der Zwischenzone einen pn-übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenzone eine Zentralschicht (11) aufweist, deren Dicke 100 bis 1000 μπι beträgt und bei der das Produkt aus der Störstellenkonzentration und der Dicke einen Wert kleiner als 10¹² Störstellenatome je Quadratzentimeter aufweist, und zu beiden Seiten der Zentralschicht je eine Außenschicht (12, 13) angeordnet ist, deren Dicke 1 bis 20% der Dicke der Zentralschicht (11) beträgt und bei der das Produkt aus der Störstellenkonzentration und der Dicke einen Wert von 2 · 10¹¹ bis 2 · 10¹² Störstellenatome je Quadratzentimeter aufweist.

2. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder der beiden Außenschichten (12, 13) das Produkt aus der Störstellenkonzentration und der Dicke einen Wert von 5 · 10^xl bis 10¹² Störstellenatome je Quadratzentimeter aufweist.

3. Halbleiterkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Außenschichten (12, 13) vom gleichen Leitungstyp sind und die Zwischenzone eine außerhalb der einen Außenschicht angeordnete Schicht (14) des zu den ίο Außenschichten entgegengesetztenLeitungstyps umfaßt, deren Dicke 1 bis 100 μπι beträgt und bei der das Produkt aus der Störstellenkonzentration und der Dicke einen Wert von 10¹² bis 10^ls Störstellenatome je Quadratzentimter aufweist.

4. Halbleiterkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Endzonen (15, 16) eine Störstellenkonzentration von 10¹⁸ bis 10²⁰ Störstellenatome je Kubikzentimeter aufweist,
ao

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1104 071;
»Elektrotechnische Zeitschrift«, Reihe A, Bd. 79 (1958), Heft 22 (11. November), S. 867 bis 875.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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