DE19844698C1 - Backwards-conducting gate turn off thyristor has an anode-side Schottky contact or insulating layer in a separation region between a thyristor region and a diode region - Google Patents
Backwards-conducting gate turn off thyristor has an anode-side Schottky contact or insulating layer in a separation region between a thyristor region and a diode regionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Gate Turn Off-Thyristor (GTO- Thyristor) und insbesondere einen sogenannten rückwärtslei tenden GTO-Thyristor.The invention relates to a gate turn off thyristor (GTO Thyristor) and in particular a so-called backward line trend 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.GTO thyristors are distinguished from transistors a low forward voltage. Difficulty be stands in the fact that there are charge carriers in the middle area accumulate of the thyristor and the thyristor therefore only difficult to switch off. To speed up the discharge, GTO thyristors are often designed so that the Katho the in p / n areas, the so-called emitter fingers, below be shared. These emitter fingers are continuous Metal layer contacted with each other, which allows La Better to pull manure carriers out of the GTO mid-range. Au In addition, special anode designs are known that the serve the same purpose. Both the anode and the catho The design should speed up the Thyri's switching operations enable stors.
Bei einem sogenannten rückwärtsleitenden GTO-Thyristor ist ein Thyristor mit einer Diode kombiniert, über welche der Rückwärtsstrom geführt wird.In a so-called reverse-conducting GTO thyristor a thyristor combined with a diode, through which the Reverse current is carried.
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.With such reverse-conducting GTO thyristors, the problem arises that charge carriers can diffuse from the diode region into the thyristor region. At a voltage increase, this can lead to the thyristor being ignited undesirably. To prevent this, it must be avoided that there are free charge carriers in the thyristor region during operation. At the same time, the diffusion of charge carriers out of the diode region must be prevented and, in addition, charge carriers must be prevented from accumulating at the interfaces of the separation region between the thyristor and diode regions. One measure for this is to design the back of the separation region so that it does not emit well in diode operation (diode on) or in thyristor operation (thyristor on). For example, the back of the separation region between the diode and thyristor regions alternately contains narrow p + emitter regions and n + regions, which emit neither in diode nor in thyristor operation. Frequently, no special measures are taken with regard to the emitter properties in the separation area. The boundary between the emitter of the thyristor and Ka method of the diode is then somewhere between the edge of the thyristor region and the edge of the diode region. In operation, the described, reverse conduct the GTO thyristors are not sufficiently reliable, and misfire of the thyristor can not be prevented to a sufficient extent.
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.From DE 35 42 570 A1 it is also known for the separation of Diode and thyristor area a cathode-side separation dig between the thyristor area and the diode area hen. It is also proposed to use a dividing ditch To provide passivation layer that elec protects mechanically and mechanically. On the anode side is also an electrode formed in the separation area between Thy ristor area and diode area on a weak n- endowed middle region.
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.DE 35 21 079 C2 continues to go backwards Shut-off thyristor arrangement, the cathode side Has electrode, which together with a base layer Schottky diode forms.
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.EP 32 599 A2 finally discloses a thyristor for low-loss switching of short pulses, which is integrated Diode to reduce the free time when switching off points. The integrated diode is on the cathode side orderly Schottky contact.
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.The object of the invention is a reverse tendency to specify GTO thyristor, which has a high reliability and misfiring as far as possible are closed.
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.This task is done with a reverse conducting GTO thyristor with the features of claim 1 or claim 3 ge solves. Advantageous further developments are the subject of the Un claims 2 and 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.In particular, the invention relates to a reverse conduction GTO thyristor, in which in a semiconductor substrate Thyristor area and a diode area are formed. The two areas are separated by a separation area separates. Such a GTO thyristor with thyristor and Diode area can be in any known manner be made. To improve the emitter properties is in the area of the separation area between diode and thyristor on the anode side of the thyristor, also referred to below as Back of the component is called on the surface a Schottky contact is formed on the semiconductor substrate. In the area of the rear separation area of the backward lead the GTO thyristor is the contact between the half lead The surface of the component and the metal back layered as Schottky contact.
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.The Schottky contact can e.g. B. in a known manner be made by that on the back surface surface of the semiconductor substrate in which the reverse conducting GTO thyristor is formed in the area of the separation region a metal layer between the thyristor and diode area is applied. The metal can, for example, on the Semiconductor substrate are evaporated before the Schottky Contact area is formed by annealing. If ge desires, can between semiconductor substrate and metal layer an intermediate layer usual for Schottky contacts be brought.
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.The reverse conducting GTO thyristor according to the invention is before preferably in an n-doped semiconductor substrate det, and the region of the Semiconductor substrate is preferably additionally weak n- endowed.
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.In the other variant of the invention, reverse tendency GTO thyristor is in place of the Schottky contact Area of the separation area between the semiconductor substrate and the back metal layer an electrically insulating Layer arranged. With the electrically insulating layer can be, for example, an oxide layer (e.g. metal loxide) or a nitride layer (e.g. metal nitride). Suitable insulation layers consist, for example, of Si licium dioxide or silicon nitride.
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.The measures according to the invention can reduce emitter egg properties of a reverse conducting GTO thyristor in the isolation area between a diode and a thyristor positive be influenced. The invention can basically be based on use all usual reverse conducting GTO thyristors, in which the areas of the thyristor and diode on each known manner can be made. By the inventive design of the separation area between Thyristor and diode is achieved that the number of La manure carriers in the separation area and at the boundary areas of the separation area is reduced so that misfire of the Thyri are drastically reduced.
Die Erfindung soll am Beispiel einiger spezieller Ausgestal tungsformen rückwärtsleitender GTO-Thyristoren unter Bezug nahme auf die nachfolgende Zeichnung näher erläutert werden.The invention is based on the example of a few special configurations forms of reverse-conducting GTO thyristors with reference took to be explained in more detail on the following drawing.
Darin zeigen Show in it
Fig. 1 bis 3 schematisch Querschnitte durch erfindungsgemäße rückwärtsleitende GTO-Thyristoren im Bereich von Thyristor, Trenngebiet und Diode. Fig. 1 to 3 schematically illustrate cross-sections of inventive reverse-conducting GTO thyristors in the thyristor section, and separation area 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.1 in detail, a reverse conducting GTO thyristor in Fig. 1 shown, which is formed comprises a thyristor region 3 and a diode region 4 in a semiconductor substrate 2. Both areas 3 and 4 are separated from one another by a separation area 5 . The semiconductor substrate 2 is a material with an n - - basic doping. In the thyristor region 3 , the structured areas are n + -doped in the region of the front side of the semiconductor substrate 2 and lie over a p-doped well. The rear region of the semiconductor substrate in the thyristor region 3 comprises narrow p + and n + -doped regions, which alternate in the lateral direction. In the diode region 4 , the front of the semiconductor substrate 2 is p-doped, the cathode on the back of the semiconductor substrate is n + - doped. The separation region 5 between the thyristor region 3 and the diode region 4 consists predominantly of the semiconductor substrate 2 with n - -type doping. The n - -doped region extends to the back of the semiconductor substrate. There, a metallic layer 6 is applied to the semiconductor substrate 2 in the region of the separation region 5 . In this way, a Schottky contact 7 with a semiconductor-metal interface is formed in the rear separation region.
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. The illustrated in Fig. 2, reverse conducting GTO 1 corresponds to the illustrated essentially in FIG. 1, back Windwärts conducting GTO thyristor. In contrast to the latter, however, is in the range 10 above the metal layer 6 in the Bidding Trennge 5 is a layer provided as the semiconductor base substrate 2 is not n - -doped, but also lightly doped n. At the front of the semiconductor substrate 2 , the entire region of the thyristor via the isolation region and the diode is p-doped.
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. Fig. 3 shows a further variant of a reverse conducting GTO thyristor according to the invention, whose basic construction we sentlichen that of the reverse-conducting GTO thyristors in FIGS. 1 and 2 corresponds. The same reference numerals designate the same parts as in the previous figures. The front and back of the semiconductor substrate 2 are provided with metallic layers 6 and 6 '. In the rear region of the semiconductor substrate 2 , the metal layer 6 extends without interruption from the thyristor region 3 via the isolating region 5 to the diode region 4 . In the region of the separation region 5 , an electrically insulating layer 8 is provided on the back of the semiconductor substrate 2 between the semiconductor substrate and the metal layer 6 . The electrically insulating layer 8 can consist, for example, of an oxide (for example metal oxide) or nitride (for example metal nitride), in particular of silicon dioxide or silicon nitride.
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.The different variants of the separation region 5 in the region of the front side (cathode side) of the semiconductor substrate 2 can be combined as desired with the variants shown for the configuration of the rear separation region. In principle, the inventive concept of training the rear separation region can be applied to any type of reverse-conducting GTO thyristors.
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