DE1216435B - Schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Zonen - Google Patents

Description

BUNDESBEPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1216 435

Aktenzeichen: C 32237 VIII c/21 j

Anmeldetag: 25. Februar 1964

Auslegetag: 12. Mai 1966

Es ist bekannt, daß Störungen und Verunreinigungen der Oberfläche die Durchbruchsspannung eines pn-Übergangs in Halbleiterbauelementen herabsetzen. Weiterhin kann die Durchbruchsspannung bei verschiedenen Bauelementen und sogar im gleichen Bauelement zu verschiedenen Zeiten schwanken, da es nicht möglich ist, die Oberflächeneffekte unter Kontrolle zu bringen. Bei Vierschichtdioden als Schalter ist es wichtig, daß eine stabile, möglichst hohe Durchbruchsspannung gewährleistet ist.

Aus der französischen Patentschrift 1260 954 ist ein schaltbares Halbleiterbauelement mit vier aufeinanderfolgenden, durch pn-Übergänge verbundenen Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterkörper bekannt, dessen pn-übergang zwisehen der Emitterzone und der benachbarten Zone an der gemeinsamen Oberfläche durch eine flächenhafte Elektrode überbrückt, ist und bei dem mindestens eine mittlere Zone aus zwei Schichten besteht, von denen die am Randteil des mittleren pn-Übergangs liegende eine niedrigere Dotierungskonzentration als die im inneren Teil der Zone liegende aufweist. Die der französischen Patentschrift zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen vierschichtigen Halbleiterschalter zu schaffen, der gegen einen dynamischen Durchbruch relativ unempfindlich ist. Das Problem der Verminderung einer Anfälligkeit gegen schädliche Oberflächeneffekte wird nicht erwähnt.

Aus der französischen Patentschrift 1267417 ist ein schaltbares Halbleiterbauelement mit vier aufeinanderfolgenden, ein Transistorpaar bildenden und durch pn-Übergänge verbundenen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterkörper bekannt, dessen Emitterzone des einen Transistors in die benachbarte Zone unterteilt eingelassen ist und dessen pn-Übergänge zwischen der unterteilten Emitterzone und der benachbarten Zone an der gemeinsamen Oberfläche durch eine flächenhafte Elektrode überbrückt sind. Dieser französischen Patentschrift ist zwar auch zu entnehmen, daß schaltbare Halbleiterbauelemente mit vier aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, deren Emitterzone mit der benachbarten Zone kurzgeschlossen sind, weniger anfällig gegen Oberflächenleckströme sind. Hinweise auf andere Möglichkeiten zur weiteren Verminderung der Anfälligkeit gegen schädliche Oberflächeneffekte sind dieser französischen Patentschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Ferner sind Halbleiterbauelemente bekannt, bei welchen Vorkehrungen getroffen sind, um die Ober-Schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Zonen

Anmelder:

International Standard Electric Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.) . .

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

Kurt Hubner, Palo Alto, CaHf. (V. St. A.) ^;

Beanspruchte Priorität:

V. St. v, Amerika vom 14. März 1963 (265 099)

flächeneffekte weitgehend auszuschalten. Im wesentlichen besteht die Maßnahme darin, daß benachbart zum zentralen Teil eines pn-Übergangs eine diesen umgebende Zone mit einer geringeren Konzentration an nichtkompensierten Ladungsträgern in der Raumladungszone angeordnet ist, so daß die Durchbruchsspannung von dem zentralen Teil bestimmt wird. Es handelt sich dabei um den sogenannten »Schutzring«, durch den gewährleistet ist, daß die Anordnung unabhängig von Oberflächeneinflüssen arbeitet. Wenn jedoch der sogenannte Schutzring aus irgendwelchen Gründen versagt, kann die am Bauelement liegende Spannung einen Stromfluß entlang der Oberfläche über den frei liegenden Teil des pn-Übergangs verursachen. Dieser Teil bestimmt dann die Durchbruchsspannung des pn-Übergangs. - Wenn Vierschichtbauelemente bei Schaltungsanordnungen für hohe Spannungen und hohe Leistungen, z. B. Impulsmodulatorschaltungen, in Reihe geschaltet sind, kann sowohl die Hochspannung als auch die Ladespannung, die an die Serienschaltung angelegt wird, im wesentlichen an einem Element liegen und einen Durchbruch der Serienschaltung verursachen. Um das zu vermeiden, können ohmsche Spannungsteiler verwendet werden, die gewährleisten, daß jedem Element ein bestimmter Teil der Spannung zugeordnet ist. Derartige Schaltungsanordnungen vermindern jedoch wesentlich die Leistung, da der ohmsche Spannungsteiler einen erheblich höheren Strom als den Leckstrom der Anordnung zieht. Weiterhin sind Teilernetzwerke bekannt,

609 568/418

i 216 435

3 4

die Kapazitäten enthalten, um ein aufeinanderfolgen- stör angesehen werden, die jeder eine Emitter-, des Einschalten der einzelnen Bauelemente durch Basis- und Kollektorzone und beide einen gemeineinen kleinen Impuls zu ermöglichen. Wenn diese samen Kollektor-pn-Ubergang besitzen.
Kapazitäten nach der Tastung umgeladen werden, Das in der F i g. 1 dargestellte Halbleiterbauelemuß man darauf achten, daß dabei die Durchbruchs- 5 ment enthält eine p+-leitende Zone 11 und eine spannung keines der in Reihe geschalteten Elemente η-leitende Zone 12. Beide bilden den ersten gleichüberschritten wird. Dieses Problem tritt vor allem richtenden pn-übergang 13. Die η-leitende Zone 12 bei schnellen Schaltoperationen auf. besteht aus einem zentralen Teil 14 und einem dicke-

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- ren, den zentralen Teil umgebenden Teil 16. Dieser

gründe, ein verbessertes vierschichtiges Halbleiter- io äußere Teil 16 weist eine geringere Verunreinigungs-

bauelement mit einem Schutzring zu schaffen, durch konzentration (n~) auf. Eine p-leitende Zone 17

den die Oberflächeneffekte noch sicherer ausgeschal- (p~) bildet den gleichrichtenden pn-übergang 18,19,

tet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit dem zentralen Teil 14 und dem diesen umgeben-

schaltbares Halbleiterbauelement mit vier auf ein- den Teil 16 der η-leitenden Zone 12. Die p-leitende

anderfolgenden durch pn-Übergänge verbundenen 15 Zone 17 besteht unmittelbar anschließend an dem

Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitf ähigkeits- inneren pn-übergang aus einer Schicht mit geringe-

typs in einem Halbleiterkörper, die ein Transistor- rer Verunreinigungskonzentration (p~) und einer bis

paar mit teilweise gemeinsamen Zonen und mit zur entgegengesetzten Oberfläche 21 der Anordnung

unterschiedlichen α-Werten bilden. Eine Verbesse- reichenden Schicht (p) mit höherer Veranreinigungs-

rung dieser bekannten vierschichtigen Halbleiter- 20 konzentration.

bauelemente bezüglich einer Anfälligkeit gegen In diese p-Schicht 17 ist eine Mehrzahl von n-lei-

schädliche Oberflächeneffekte wird erfindungsgemäß tenden Zonen 22 in Form von Streifen eingelassen;

dadurch erzielt, daß die Emitterzone des einen Tran- die die gleichrichtenden pn-Übergänge 23 bilden. Die

sistors in die benachbarte Zone unterteilt eingelassen sich bis zur Oberfläche erstreckenden Streifen der

ist, daß die pn-Übergänge zwischen der unterteilten 25 p-leitenden Zone bilden durch eine über beiden

Emitterzone und der benachbarten Zone an der ge- -' Zonen angebrachte gemeinsame Elektrode einen ver-

meinsamen Oberfläche durch eine flächenhafte Elek- teilten Kurzschluß. Der verteilte Kurzschluß wird

trode überbrückt sind und daß mindestens ein Tran- deswegen vorgesehen, weil der Kurzschluß nur einer

sistor in dem Randteil einer Zone einer niedrigere Teilemitterzone in der von dem Kurzschluß am weite-

Dotierungskonzentration und einen kleineren α-Wert 30 sten entfernten Zone des Emitters eine Injektion in-

als im inneren Teil der Zone aufweist. -.· folge des zusätzlichen Spannungsabfalls quer zur

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird Basis verursachen würde. Das hat ein ungleichmäßi-

die Emitterzone des Transistors mit dem größeren ges Einschalten zur Folge.

α-Wert unterteilt, so daß ein vorgegebener begrenz- Der Emitter und der Emitterkurzschluß sind so

ter Stromfluß erforderlich ist, bevor das Bauelement 35 ausgebildet, daß die Verzögerungszeit beimEinschal-

in den Zustand niedrigen Widerstands umschaltet. ten, die sowohl durch Querdiffusion von MinoritätST

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung werden ladungsträgern als auch durch ÄC-Ausbreitung über

im folgenden an-Hand der Zeichnung erläutert. die halbe Breite eines Emitterstreifens verursacht

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt senkrecht zu den wird, vergleichbar oder kürzer ist als die Laufzeit

Oberflächen eines Halbleiterbauelements nach der 40 der Minoritätsladungsträger durch die benachbarte

Erfindung; Basiszone. Dadurch wird sichergestellt, daß das Ein-

F i g. 2 stellt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 schalten über dem Teil der Basiszone beginnt, der

von F i g. 1 dar; durch die eingesetzten Emitterzonen überdeckt ist.

Fig. 3 stellt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 Wenn daher die Emitterstreifen 50% der Gesamt-

von F i g. 1 dar; 45 fläche ausmachen, so werden über 50 °/o der Fläche

Fig.4A bis 4K veranschaulichen ein Verfahren während einer Laufzeit eingeschaltet. Mit anderen zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach der Worten: Die verstreuten kurzgeschlossenen Emitter-Erfindung; zonen werden so angeordnet, daß nicht kurzgeschlos-

Fig. 5 stellt eine Spannungs-Strom-Kennlinie sene Zonen mindestens in einer Richtung gleich oder eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung dar, 50 kleiner sind als die Strecke, die die Minoritätsund ladungsträger in seitlicher Richtung durch Diffusion

Fig. 6 zeigt ein anderes Halbleiterbauelement mit oder ÄC-Ausbreitung innerhalb der Minoritäts-

den Merkmalen der Erfindung. ladungsträgerlaufzeit durch die Basiszone laufen.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen Halbleiterbauelemente, Der mittlere pn-übergang enthält einen inneren

welche im wesentlichen vier benachbarte Zonen aus 55 Teil 18 mit relativ hoher Konzentration an nicht

Halbleitermaterial mit abwechselnd entgegengesetz- kompensierten Ladungsträgern an mindestens einer

tem Leitfähigkeitstyp enthalten, die drei gleichrich- Seite des pn-Übergangs und einen diesen umgeben-

tende pn-Übergänge bilden. Eine dieser Zonen aus den Teil 19, welcher eine geringere Konzentration

Halbleitermaterial ist durch mehrere eingesetzte, von- an nicht kompensierten Ladungsträgern aufweist und

einander getrennte oder miteinander in Form eines 60 sich bis zur Oberfläche des Bauelements erstreckt.

Gewebes verbundene Streifen unterteilt. Die Teile Wenn man die Konzentration der nicht kompensier-

der benachbarten p-leitenden Zone, die mit den Ein- ten Ladungsträger am pn-übergang 18,19 an minde-

sätzen eine gemeinsame Oberfläche bilden, stellen stens einer Seite des pn-Übergangs so auswählt, daß

wegen der gemeinsamen Elektrode einen verteilten bei der Durchbruchsspannung die Konzentration in

Kurzschluß dar. Im geöffneten Zustand arbeiten die 65 dem umgebenden äußeren Teil 19 niedriger ist als

äußeren pn-Übergänge als ein gewöhnlicher Über- im inneren Teil 18, liegt die Durchbruchsspannung

gang beim Durchbruch. Die Anordnung kann als eine an den äußeren Teilen 19 höher, so daß der innere

■Kombination von-einem pnp- und einem npn-Transi- Teil 18 des pn-Übergangs die Durchbruchsspannung

bestimmt. Es handelt sich um den sogenannten Schutzring.

Die Verwendung des dicken n~-Ringes hat einen weiteren Vorteil zur Folge. Es entsteht dadurch eine Anordnung, bei welcher der α-Wert von mindestens einem der Transistoren in der äußeren Zone kleiner als im inneren Teil der Zone ist. Oder anders ausgedrückt: Für eine gegebene gleichmäßige Stromdichte durch die gesamte Anordnung ist die Summe der α-Werte: für die innere Zone höher als für die äußere Zone. Da die Bedingung zum Schalten lautet, daß die Summe der beiden α-Werte gleich oder größer als Eins sein muß, schaltet die innere Zone, bevor die Schaltbedingungen für die äußere Zone erreicht sind. Das Einschalten wird daher im inneren Teil vor sich gehen. Dieser Effekt wirkt zusätzlich zu dem obenerwähnten Schutzringeffekt und erhöht die Sicherheit, daß die Anordnung im inneren Teil bei einer niedrigeren Spannung durchbricht als im äußeren Teil.

Die angegebene Ausbildung des Schutzrings hat einen weiteren Vorteil für den Fall, daß der Schutzringeffekt aus irgendeinem Grunde ausfällt und die an die Anordnung angelegte Spannung einen Stromfiuß durch einen an der Oberfläche der Anordnung liegenden Flecken zur Folge hat. Die Minoritätsladungsträger, die durch die Emitterzonen 11 und 22 in die Basiszone injiziert werden, diffundieren teilweise zu dem in Sperrrichtung gepolten pn-übergang 18. Wegen des höheren α-Wertes in dieser Zone wird das Einschalten jedoch eher dort eingeleitet, als an dem Flecken an der Oberfläche, der zuerst Strom zu ziehen beginnt. Dieser Mechanismus stellt sicher, daß das Einschalten im zentralen Teil der Anordnung auch dann entsteht, wenn der Durchbruch an der Oberfläche der Anordnung eingeleitet wird.

Wenn ein vorzeitiger Durchbruch an der Oberfläche, wie oben beschrieben, entsteht, wird normalerweise die Schaltspannung durch diese vorzeitige Durchbruchsspannung an der schlechten Stelle der freien Oberfläche bestimmt. Eine weitere Sicherung gegen das Einschalten infolge kleiner Oberflächenströme kann man durch eine generelle Senkung des benötigten Schaltstroms erhalten. Das ist dem flachen oberen Teil der Spannungs-Strom-Kennlinie in der F i g. 5 zu entnehmen.

Der flache obere Kurventeil wird erhalten, wenn der Emitter der dreischichtigen Struktur mit dem größeren α-Wert teilweise kurzgeschlossen wird. Die praktische Wirkung besteht darin, daß die Anordnung so lange im ausgeschalteten Zustand bleibt, wie die schlechte Stelle einen geringeren Strom zieht als den Schaltstrom. Das erhöht wesentlich die Möglichkeit, daß für die Schaltspannung eine sich in der inneren Zone aufbauende Durchbruchsspannung maßgebend ist und nicht Leckströme oder vagabundierende Ströme an der Oberfläche.

Im Betrieb bei geringen Strömen fließt Strom durch die Teile 26 der p-leitenden Basiszone des unteren Transistors. Bei Stromanstieg nimmt der Spannungsabfall in diesen Teilen wegen des durch den Stromfluß durch diese Teile verursachten Spannungsabfalls zu. Sobald der Spannungsabfall entlang diesen Teilen die Injektionsspannung des unterteilten Emitter-pn-Übergangs 23 übertrifft, injiziert die Emitterzone 22 in die benachbarte Basiszone 17, wodurch die Anordnung unverzüglich und im wesentlichen gleichmäßig einschaltet. Diese Wirkung wird bei Betrachtung der Spannungs-Strom-Kurve in Fig. 5 deutlich. Wenn die Spannung ansteigt, steigt, der Strom durch die Anordnung zunächst sehr langsam an, was durch den Teil 27 a der Kurve veranschaulicht wird. Im Abschnitt 27 & der Kurve steigt bei einem geringen Spannungsanstieg der Strom rasch an. Schließlich reicht der Strom für eine Injektion aus, so daß das Halbleiterbauelement schaltet, was durch den negativen Widerstandsteil 27 c veranschaulicht wird. Es kann festgestellt werden, daß ein beträchtlicher Strom fließen muß, bevor die Durchbruchbedingung erreicht ist. Es kann weiter festgestellt werden, daß die Anordnung vorwiegend durch den Strom und nicht durch die Spannung wie die üblichen Vierschicht- und Zweischichtschalteranordnungen geschaltet wird.

In der F i g. 6 ist eine Struktur dargestellt, die der von F i g. 1 ähnelt, bei der jedoch ein verteilter Kurzschluß in Form von p-leitenden Zapfen28 an Stelle von Streifen vorgesehen ist. Dadurch wird ein aufgeteilter Emitter mit einer Mehrzahl von ein Gewebe bildenden Stäben 29 und einem verteilten Kurzschluß hergestellt. Die Arbeitsweise entspricht derjenigen der vorher beschriebenen Anordnung.

Ein Halbleiterbauelement des in den F i g. 1, 2 und 3 beschriebenen Typs kann durch die in der F i g. 4 schematisch dargestellten aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte erzeugt werden. Ein p--leitendes Plättchen gemäß Fig. 4A wird oxydiert, so daß ein Oxydüberzug über der gesamten Oberfläche gemäß Fig. 4B entsteht. Das Plättchen wird unter Anwendung eines säurebeständigen Schutzmittels maskiert und die Oxydschicht an der unteren Oberfläche durch Ätzen entfernt, wie in Fig. 4C dargestellt ist. Mittels eines Abscheidungs- und Diffusionsschrittes wird die untere p-leitende Schicht gemäß Fig. 4D hergestellt. Während des Difiusionsprozesses wird eine neue Oxydschicht an der unteren Oberfläche erzeugt. Von der anderen Oberfläche wird die ursprüngliche Oxydschicht mittels Maskierungs- und Ätzprozessen, wie in Fig. 4E dargestellt, teilweise entfernt, so daß eine Mehrzahl von Fenstern entsteht. Das Plättchen wird dann einem weiteren Abscheidungs- und Diffusionsprozeß unterworfen, um in dem Plättchen die η-leitenden Einsätze gemäß Fig. 4F zu erzeugen. Die Oxydschicht, die während dieses Diffusionsprozesses erzeugt wird, wird anschließend von der gesamten oberen Oberfläche wieder entfernt. Ebenso wird die untere Oxydschicht teilweise entfernt, so daß eine Anordnung gemäß Fig. 4G entsteht. Das Oxyd kann ebenfalls wieder durch Maskierung und Ätzen teilweise entfernt werden. Das Plättchen wird einem Abscheidungs- und Diffusionsprozeß unterworfen, der dazu dient, die unteren n⁺-leitenden eingesetzten Streifen und die obere n⁺ -leitende Zone, wie in Fig. 4H dargestellt, zu erzeugen.

In Fig.41 ist die Anordnung dargestellt, nachdem das Oxyd von der gesamten oberen Oberfläche entfernt worden ist. Durch eine weitere p-leitende Abscheidung und Diffusion wird die obere p+-leitende Schicht gemäß Fig. 4J erzeugt. Das Oxyd wird dann entfernt, die Plättchen geteilt und ohmsche Kontakte an den beiden Oberflächen gemäß Fig. 4 K angebracht.

,- , Es liegt nunmehr eine Vierschichtschalteranordnung mit einem Schutzring vor, bei der die Summe der α-Werte für die innere Zone größer als für die

Randzone ist. Man erhält damit eine zusätzliche Sicherung dafür, daß das Schalten in der inneren Zone stattfindet. Außerdem enthält die Anordnung Maßnahmen, die es ermöglichen, daß die Schalteranordnung mehr durch den Strom als durch die Spannung geschaltet wird. Es kann dadurch eine Mehrzahl von Anordnungen in Reihe geschaltet werden, um einen Hochspannungsschalter zu bilden.

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel eine spezielle Reihenfolge der Leitfähigkeitstypen für die verschiedenen Zonen aufweist, ist die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Sie kann ebensogut für eine Anordnung mit entgegengesetzter Folge der Leitfähigkeitstypen benutzt werden. Die beschriebene Anordnung ist vorzugsweise aus dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt. In dieser Hinsicht ist die Erfindung jedoch ebenfalls nicht beschränkt, da sie auch bei anderen Halbleitermaterialien anwendbar ist.

20

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltbares Halbleiterbauelement mit vier aufeinanderfolgenden durch pn-Übergänge verbundenen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterkörper, die ein Transistorpaar mit teilweise gemeinsamen Zonen und mit unterschiedlichen α-Werten bil-. den, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (22). des einen Transistors in die be-

. nachbarte Zone (17) unterteilt eingelassen ist, daß die pn-Übergänge (23) zwischen der unterteilten Emitterzone (22) und der benachbarten Zone (17) an der gemeinsamen Oberfläche (21) durch eine flächenhafte Elektrode überbrückt sind und daß mindestens ein Transistor in dem Randteil einer Zone eine niedrigere Dotierungskonzentration und einen kleineren α-Wert als im

, inneren Teil der Zone aufweist.

2. Schaltbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (12) mindestens eines Transistors zur Verminderung des α-Wertes, am Rande (16) des Halbleiterkörpers dicker ist als im Inneren (14).

3. Schaltbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (22) des Transistors mit dem größeren α-Wert unterteilt ist.

4. Schaltbares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (22) in die benachbarte Zone (17) streifenförmig unterteilt eingelassen ist.

5. Schaltbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (22) in Form einer Mehrzahl von Parallelstreifen ausgebildet ist.

6. Schaltbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen der Emitterzone (22) ein Gitter bilden, durch das sich die benachbarte Zone (17) bis zur gemeinsamen Oberfläche (21) erstreckt.

7. Schaltbares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand und die Breite der eingelasse-

...nen Streifen der Emitterzone (22) so ausgebildet sind, daß die durch .Querdiffusion von Minori-' tätsladungsträgern oder durch ÄC-Ausbreitung über die Hälfte der Breite eines. Streifens bedingte Einschaltverzögerungszeit gleich oder ge~ ringer ist als die Minoritätsträgerlaufzeit bis zum: mittleren pn-übergang (19) durch die benach-'. barte Zone (17), in die die Streifen eingelassen sind. . .

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1260 954,
1267417.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 568/418 5.66 © Bundesdruckerei Berlin