DE19844698C1 - Rückwärtsleitender Gate Turn Off-Thyristor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen rückwärtsleitenden GTO-Thyristor (1), welcher in einem Halbleiter-Substrat (2) ausgebildet einen Thyristor-Bereich (3) und einen Dioden-Bereich (4) umfaßt. Beide Bereiche sind durch ein Trenngebiet (5) voneinander getrennt. Im Bereich des Trenngebiets (5) auf der Anodenseite des Thyristors ist erfindungsgemäß auf der Oberfläche des Halbleiter-Substrates (2) ein Schottky-Kontakt (7) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gate Turn Off-Thyristor (GTO- Thyristor) und insbesondere einen sogenannten rückwärtslei­ tenden GTO-Thyristor.

GTO-Thyristoren zeichnen sich gegenüber Transistoren durch eine niedrige Durchlaßspannung aus. Eine Schwierigkeit be­ steht jedoch darin, daß sich Ladungsträger im Mittelbereich des Thyristors ansammeln und sich der Thyristor daher nur schlecht abschalten läßt. Um die Entladung zu beschleunigen, werden GTO-Thyristoren häufig so ausgebildet, daß die Katho­ den in p/n-Bereiche, die sogenannten Emitterfinger, unter­ teilt werden. Diese Emitterfinger sind über eine durchgängige Metallschicht miteinander kontaktiert, welche es erlaubt, La­ dungsträger aus dem GTO-Mittelbereich besser abzuziehen. Au­ ßerdem sind spezielle Anodenausgestaltungen bekannt, die dem­ selben Zweck dienen. Sowohl die Anoden- als auch die Katho­ denausgestaltung sollen schnellere Schaltvorgänge des Thyri­ stors ermöglichen.

Bei einem sogenannten rückwärtsleitenden GTO-Thyristor ist ein Thyristor mit einer Diode kombiniert, über welche der Rückwärtsstrom geführt wird.

Bei derartigen rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren tritt das Problem auf, daß Ladungsträger aus dem Diodenbereich in das Thyristorgebiet diffundieren können. Bei einem Spannungsan­ stieg kann dies dazu führen, daß der Thyristor unerwünscht gezündet wird. Um dies zu verhindern, muß vermieden werden, daß sich im Betriebsfall freie Ladungsträger im Thyristor- Bereich befinden. Gleichzeitig muß das Ausdiffundieren von Ladungsträgern aus dem Dioden-Bereich unterbunden und außer­ dem muß verhindert werden, daß sich Ladungsträger an den Grenzflächen des Trenngebietes zwischen Thyristor- und Dioden-Bereich anreichern. Eine Maßnahme hierfür besteht dar­ in, die Rückseite des Trenngebietes so auszuführen, daß sie weder im Dioden-Betrieb (Diode ein) noch im Thyristor-Betrieb (Thyristor ein) gut emittiert. Beispielsweise enthält die Rückseite des Trenngebietes zwischen Dioden- und Thyristor- Bereich abwechselnd schmale p⁺-Emitter-Gebiete und n⁺- Gebiete, die weder im Dioden- noch im Thyristor-Betrieb gut emittieren. Häufig werden auch keinerlei besondere Maßnahmen im Hinblick auf die Emittereigenschaften im Trenngebiet ge­ troffen. Die Grenze zwischen Emitter des Thyristors und Ka­ thode der Diode liegt dann an irgendeiner Stelle zwischen dem Rand des Thyristor-Bereiches und dem Rand des Dioden- Bereiches. Im Betrieb sind die beschriebenen, rückwärtsleiten­ den GTO-Thyristoren nicht hinreichend zuverlässig, und Fehl­ zündungen des Thyristors können nicht in ausreichendem Maße verhindert werden.

Aus der DE 35 42 570 A1 ist ferner bekannt, zur Trennung von Dioden- und Thyristor-Bereich einen kathodenseitigen Trenn­ graben zwischen Thyristor-Bereich und Dioden-Bereich vorzuse­ hen. Außerdem wird vorgeschlagen, den Trenngraben mit einer Passivierungsschicht zu versehen, die den Trenngraben elek­ trisch und mechanisch schützt. Auf der Anodenseite ist ferner eine Elektrode ausgebildet, die im Trenngebiet zwischen Thy­ ristor-Bereich und Dioden-Bereich an einer schwach n- dotierten Mittelregion anliegt.

Aus der DE 35 21 079 C2 geht weiterhin eine rückwärtsleitende Abschalt-Thyristoranordnung hervor, die kathodenseitig eine Elektrode aufweist, die zusammen mit einer Basisschicht eine Schottky-Diode bildet.

Die EP 32 599 A2 offenbart schließlich einen Thyristor zum verlustarmen Schalten kurzer Impulse, der eine integrierte Diode zum Verkürzen der Freiwerdezeit beim Abschalten auf­ weist. Die integrierte Diode ist dabei als kathodenseitig an­ geordneter Schottky-Kontakt ausgebildet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen rückwärtslei­ tenden GTO-Thyristor anzugeben, welcher eine hohe Zuverläs­ sigkeit aufweist und bei dem Fehlzündungen weitestgehend aus­ geschlossen sind.

Diese Aufgabe wird mit einem rückwärtsleitenden GTO-Thyristor mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 3 ge­ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un­ teransprüche 2 und 4.

Im einzelnen betrifft die Erfindung einen rückwärtsleitenden GTO-Thyristor, in welchem in einem Halbleitersubstrat ein Thyristor-Bereich und ein Dioden-Bereich ausgebildet sind. Beide Bereiche sind durch ein Trenngebiet voneinander ge­ trennt. Ein derartiger GTO-Thyristor mit Thyristor- und Dioden-Bereich kann auf jede an sich bekannte Art und Weise hergestellt sein. Zur Verbesserung der Emittereigenschaften ist im Bereich des Trenngebietes zwischen Diode und Thyristor auf der Anodenseite des Thyristors, die im folgenden auch als Rückseite des Bauelements bezeichnet wird, auf der Oberfläche des Halbleiter-Substrates ein Schottky-Kontakt ausgebildet. Im Bereich des rückseitigen Trenngebiets des rückwärtsleiten­ den GTO-Thyristors ist also der Kontakt zwischen der Halblei­ teroberfläche des Bauelements und rückseitiger Metallbe­ schichtung als Schottky-Kontakt ausgeführt.

Der Schottky-Kontakt kann z. B. auf an sich bekannte Weise dadurch hergestellt werden, daß auf die rückseitige Oberflä­ che des Halbleiter-Substrates, in dem der rückwärtsleitende GTO-Thyristor ausgebildet ist, im Bereich des Trenngebietes zwischen Thyristor- und Dioden-Bereich eine Metallschicht aufgebracht wird. Das Metall kann beispielsweise auf das Halbleitersubstrat aufgedampft werden, bevor der Schottky- Kontaktbereich durch Temperung formiert wird. Falls ge­ wünscht, kann zwischen Halbleiter-Substrat und Metallschicht eine für Schottky-Kontakte übliche Zwischenschicht aufge­ bracht werden.

Der erfindungsgemäße, rückwärtsleitende GTO-Thyristor ist vor­ zugsweise in einem n-dotierten Halbleiter-Substrat ausgebil­ det, und der an den Schottky-Kontakt angrenzende Bereich des Halbleiter-Substrats ist vorzugsweise zusätzlich schwach n- dotiert.

In der anderen Variante des erfindungsgemäßen, rückwärtslei­ tenden GTO-Thyristors ist anstelle des Schottky-Kontakts im Bereich des Trenngebiets zwischen dem Halbleitersubstrat und der rückseitigen Metallschicht eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Bei der elektrisch isolierenden Schicht kann es sich beispielsweise um eine Oxidschicht (z. B. Metal­ loxid) oder eine Nitridschicht (z. B. Metallnitrid) handeln. Geeignete Isolationsschichten bestehen beispielsweise aus Si­ liciumdioxid oder Siliciumnitrid.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können die Emitterei­ genschaften eines rückwärtsleitenden GTO-Thyristors im Trenn­ gebiet zwischen einer Diode und einem Thyristor positiv be­ einflußt werden. Die Erfindung läßt sich grundsätzlich auf alle üblichen rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren anwenden, in denen die Bereiche des Thyristors und der Diode auf jede an sich bekannte Art und Weise hergestellt sein können. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Trenngebiets zwischen Thyristor und Diode wird erreicht, daß die Anzahl der La­ dungsträger im Trenngebiet und an den Grenzflächen des Trenn­ gebiets herabgesetzt wird, so daß Fehlzündungen des Thyri­ stors drastisch reduziert sind.

Die Erfindung soll am Beispiel einiger spezieller Ausgestal­ tungsformen rückwärtsleitender GTO-Thyristoren unter Bezug­ nahme auf die nachfolgende Zeichnung näher erläutert werden.

Darin zeigen

Fig. 1 bis 3 schematisch Querschnitte durch erfindungsgemäße rückwärtsleitende GTO-Thyristoren im Bereich von Thyristor, Trenngebiet und Diode.

Im einzelnen ist in Fig. 1 ein rückwärtsleitender GTO- Thyristor 1 abgebildet, welcher in einem Halbleiter-Substrat 2 ausgebildet einen Thyristor-Bereich 3 und einen Dioden- Bereich 4 umfaßt. Beide Bereiche 3 und 4 sind durch ein Trenngebiet 5 voneinander getrennt. Bei dem Halbleiter- Substrat 2 handelt es sich um ein Material mit einer n^-- Grunddotierung. Im Thyristor-Bereich 3 sind im Bereich der Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 die strukturierten Be­ reiche n⁺-dotiert und liegen über einer p-dotierten Wanne. Der rückseitige Bereich des Halbleiter-Substrats im Thyri­ stor-Bereich 3 umfaßt schmale p⁺- und n⁺-dotierte Bereiche, die sich in lateraler Richtung abwechseln. Im Dioden-Bereich 4 ist die Vorderseite des Halbleitersubstrats 2 p-dotiert, die Kathode auf der Rückseite des Halbleitersubstrats n⁺- dotiert. Das Trenngebiet 5 zwischen Thyristor-Bereich 3 und Dioden-Bereich 4 besteht überwiegend aus dem Halbleiter- Substrat 2 mit n^--Grunddotierung. Der n^--dotierte Bereich er­ streckt sich bis auf die Rückseite des Halbleiter-Substrates. Dort ist im Bereich des Trenngebietes 5 eine metallische Schicht 6 auf das Halbleiter-Substrat 2 aufgebracht. Auf die­ se Weise entsteht im rückseitigen Trenngebiet ein Schottky- Kontakt 7 mit einer Halbleiter-Metall-Grenzfläche.

Der in Fig. 2 dargestellte, rückwärtsleitende GTO-Thyristor 1 entspricht im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten, rück­ wärtsleitenden GTO-Thyristor. Im Unterschied zu letzterem ist jedoch im Bereich 10 oberhalb der Metallschicht 6 im Trennge­ biet 5 eine Schicht vorgesehen, die nicht wie das Halbleiter- Grundsubstrat 2 n^--dotiert ist, sondern zusätzlich schwach n­ dotiert. An der Vorderseite des Halbleiter-Substrates 2 ist der gesamte Bereich von Thyristor über Trenngebiet und Diode p-dotiert.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen rückwärtsleitenden GTO-Thyristors, dessen Grundaufbau im we­ sentlichen demjenigen der rückwärtsleitenden GTO-Thyristoren in Fig. 1 und 2 entspricht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile, wie in den vorangegangenen Figuren. Vorder- und Rückseite des Halbleitersubstrates 2 sind mit metallischen Schichten 6 und 6' versehen. Im rückseitigen Bereich des Halbleiter-Substrates 2 erstreckt sich die Metallschicht 6 ohne Unterbrechung vom Thyristor-Bereich 3 über das Trennge­ biet 5 zum Dioden-Bereich 4. Im Bereich des Trenngebietes 5 ist auf der Rückseite des Halbleiter-Substrats 2 zwischen Halbleitersubstrat und Metallschicht 6 eine elektrisch iso­ lierende Schicht 8 vorgesehen. Die elektrisch isolierende Schicht 8 kann beispielsweise aus einem Oxid (z. B. Metal­ loxid) oder Nitrid (z. B. Metallnitrid) bestehen, insbesonde­ re aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid.

Die unterschiedlichen Varianten des Trenngebiets 5 im Bereich der Vorderseite (Kathodenseite) des Halbleitersubstrats 2 können mit den dargestellten Varianten der Ausgestaltung des rückseitigen Trenngebiets beliebig kombiniert werden. Grund­ sätzlich läßt sich das erfindungsgemäße Konzept der Ausbil­ dung des rückseitigen Trenngebiets auf jede Art von rück­ wärtsleitenden GTO-Thyristoren anwenden.

Claims (4)

1. Rückwärtsleitender GTO-Thyristor (1), welcher in einem Halbleiter-Substrat (2) ausgebildet einen Thyristor-Bereich (3) und einen Dioden-Bereich (4) umfaßt, die durch ein Trenn­ gebiet (5) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Trenngebiets (5) auf der Anodenseite des Thyristors auf der Oberfläche des Halbleiter-Substrates (2) ein Schottky-Kontakt (7) ausgebildet ist.

2. Rückwärtsleitender GTO-Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat (2) n^--grunddotiert und der an den Schottky-Kontakt (7) angrenzende Bereich (10) des Halb­ leiter-Substrates (2) n-dotiert ist.

3. Rückwärtsleitender GTO-Thyristor (1), welcher in einem Halbleiter-Substrat (2) ausgebildet einen Thyristor-Bereich (3) und einen Dioden-Bereich (4) umfaßt, die durch ein Trenngebiet (5) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Trenngebietes (5) zwischen dem Halbleiter- Substrat (2) und einer rückseitigen Metallschicht (6) eine elektrisch isolierende Schicht (8) angeordnet ist.

4. Rückwärtsleitender GTO-Thyristor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (8) aus einem Oxid oder Nitrid besteht.