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flllalbleitervorrichtung mit verbessertem Schutz gegen du/dt-Beanspruchung"
Die Erfindung betrifft eine Haibleitervorrichtung mit verbessertem Schutz gegen
du/dt-Beanspruchung, bestehend aus einem Paar zündbare, zwischen zwei Hauptelektroden
in zueinander entgegengesetzten Richtungen stromleitend schaltbare Schaltelemente
mit je vier Halbleiterschichten abwechselnden Leitungstyps, von denen wenigstens
die nicht an eine Hauptelektrode angrenzende innere Schicht des einen und die innere
Schicht gleichen Leitungstyps des anderen Schaltelementes verschiedene Teile einer
in sich zusammenhängenden Zone bilden.
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Bei einer Halbleitervorrichtung der vorstehend beschriebenen Struktur
bildet üblicherweise in beiden Schaltelementen jede der drei aufeinanderfolgenden
Schichten einen Teil einer Zone, von welcher ein anderer Teil eine Schicht des anderen
Schaltelementes darstellt.
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Derartige Halbleitervorrichtungen sind z. B. als bidirektionale Thyristoren
unter der Handelsbeeichnung Triac" bekannt.
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Eine Schwierigkeit, welche sich bei derartigen Halbleitervorrichtungen
immer ergibt, ist, daß an diesen Halbleitervorrichtungen nach dem Abschalten des
einen Schaltelementes die Spannung mit der entgegengesetzten Richtung steil ansteigt,
wobei
dann das andere Schaltelement zu einem Wiederzünden ohne Zündimpulse neigt. Dieses
Wiederzünden von bidirektionalen Thyristoren unter Spannungsanstieg kann besonders
beim Schalten induktiver Lasten auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeit bei der eingangs
beschriebenen Halbleitervorrichtung zu vermindern und damit einen besseren Schutz
der Haibleitervorrichtung gegen steile Spannungsanstiege zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei der eingangs
beschriebenen Halbleitervorrichtung ein zwischen den verschiedenen Teilen der in
sich zusammenhängenden Zone liegendes Gebiet mit Rekombinationszentren in höherer
Konsentration als in den betreffenden Teilen versehen ist.
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Nach einer weiteren Ausblldung der Erfindung liegt in einer Halbleitervorrichtung,
bei der jede der zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Schichten eines Schaltelements
einen Teil einer Zone darstellt, von welcher ein anderer Teil Je eine Schicht des
anderen Schaltelementes bildet, in einer jeden so gebildeten Zone zwischen den erwähnten
Teilen ein Gebiet mit Rekombinationszentren in hoher Konzentration.
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Die Erfindung beruht auf der Vorstellung, daß die vorerwähnte Schwierigkeit
infolge der Diffusion von Hinorffitätsladungsträgern aus dem eine innere Schicht
des jeweils abgeschalteten Schaltelementes bildenden Zonenteil in den im anderen
Schaltelement liegenden Zonenteil gegeben ist. Das Vorhandensein eines Gebietes
mit einer verhältnismäßig hohen Konzentration an Rekombinationszentren, das zwischen
solchen Zonenteilen liegt, vermindert diese Diffusion erheblich.
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Die Erfindung ist ausführbar sowohl bei einem bidirektionalen Thyristor,
bei dem an den beiden Hauptseiten je eine Hauptelektrode angebracht ist, welche
eine in die betreffende äußere Zone der Thyristorscheibe vollständig eingelassene
Emitterzone einseitig überlappt, und bei dem ebenfalls an den beiden Hauptseiten
mit Abstand von dem überlappenden Teil der Hauptelek*rode je eine Steuerelektrode
angebracht ist, als auch bei einem bidirektionalen Thyristor, bei dem nur an einer
Hauptseite der Thyristorscheibe mit Abstand vom überlappenden Teil der betreffenden
Hauptelektrode eine ohmsche Steuerelektrode angebracht ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figur 1 durch ein Ausführungsbeispiel
näher beschrieben. Als Ausfuhrungsbeispie'l ist ein bidirektionaler Thyristor gewählt,
bei dem an beiden Hauptseiten der Thyristorscheibe je eine Steuerelektrode angebracht
ist.
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Figur 1 zeigt einen querschnitt durch einen solchen bidirektionalen
Thyristor.
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Die Figuren 2a, b und c veranschaulichen verschiedene Stufen bei der
Fertigung des in Fig. 1 dargestellten Thyristors.
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Der bidirektionale Thyristor nach Fig. 1 enthält einen Halbleiterkörper
aus Silizium mit drei Schichten 1, 2, 3 abwechselnden Leitungstyps, die in der Reihenfolge
pnp aufeinanderliegend angeordnet sind. In die p-leitenden Schichten 1 und 3 ist
je eine n-leitende Schicht 4 und 5 vollständig eingelassen. Diese n-leitenden Schichten
4 und 5 sind gegeneinander versetzt angeordnet, so daß der Halbleiterkörper zwei
nebeneinanderliegende unidirektionale Thyristoren in der Schichtenfolge pnpn enthält.
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Der Figur 1 ist zu entnehmen, daß jede der drei Schichten 1, 2 und
3 für sich eine zusammenhängende Zone bilden von welcher der in der Fig. linke Teil
einen Teil des einen (a*) und der in der Fig. rechte Teil einen Teil des anderen
unidirektonalen Thyristors b darstellt. Die Hauptelektroden des bidirektionalen
hyris.tors bestehen aus zwei leitenden Schichten 6 und 7, die an den Hauptseiten
des Halbleiterkörpers angebracht sind. Die Schichten 6 und 7 stellen eine leitende
Verbindung zwischen den n-leitenden Emitterschichten 4 und 5 der unidirektionalen
Thyristoren und den angrenzenden p-leitenden Schichten 1 und 3 her, so daß diese
Thyristoren soge-.
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nannte shorted emitter aufweisen. Es ist ferner an den beiden Hauptseiten
des Halbleiterkörpers auf den Schichten 1 und 3 je eine leitende Schicht 8 und 9
aufgebracht. Die leitenden Schichten 8 und 9 sind die ohmschen Steuerelektroden
des bidirektionalen Thyristors. Der unidirektionale Thyristor a kann durch Anlegen
eines positiven Potentials an die Schicht 1 über die Steuerelektrode 8
gezündet werden, ebenso der Thyristor b durch Anlegen eines positiven Potentials
an die Schicht 3 über die Elektrode 9.
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Selbstverständlich sind auch Thyristoren mit davon abweichender Steuerweise
erfindungsgemäß ausführbar, wie beispielsweise solche mit an nur einer Haupt seite
angebrachter Steuerelektrode, über welche der betreffende Thyristor durch Anlegen
einet positiven oder negativen Zündimpulses gezündet werden kann.
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Im Zentrum des Halbleiterkörpers zwischen den Schichtfolgen der beiden
Unidirektionalthyristoren liegt ein Gebiet 10, das Verunreinigungen wie Gold oder
Eiaenin höherer Konzentration als in den Teilen der Schichten 1, 2 und 3 enthält,
welche zu den beiden Unidirektionalthyristoren gehören. Derartige Verunreinigunge:a
wirken bekanntlich als Rekombinationszentren.
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Dem Unidirektionalthyristor a ist die Hauptelektrode 7 als Anode,
die Hauptelektrode 6 als Kathode und der pnuebergang 11 zwischen den Schichten 1
und 2 als der sperrende Uebergang zugeordnet, an dem beim Zünden des Thyristors.
ein lawinenartiger Spannungsdurchbruch erfolgt. Dementsprechend sind dem unidirektionalen
Thyristor b die Elektroden 6 und 7 als Anode bzw. Kathode und der pn-Ubergang 12
zwischen den Schichten 2 und 3 als sperrender uebergang zugeordnet.
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Die unidirektionalen Thyristoren a und b sperren den Stromdurchgang
so lange, als sich in den Schichten, die den sperrenden pn-Ubergang bilden, keine
Minoritätsladungsträger befinden. Führt einer der beiden Unidirektionalthyristoren
Strom, so treten in den beiden Schichten des sperrenden pn-Uberganges des betreffenden
Unidirektionalthyristors Minoritätsladungsträger auf. Da erfindungsgemäß zwischen
den beiden Unidirektionalthyristoren des bidirektionalen Thyristors nach Fig. 1
ein Gebiet 10 mit Rekombinationszentren in eher Eonzentration liegt, wird verhindert,
daß diese Minoritätsladungsträger in den jeweils anderen Unidirektionalthyristor
hineindiffundieren. Ohne Rekombinationszentren in dem Gebiet 10 würde durch die
Diffusion der Minoritätsladungsträger der andere Unidirektionalthyristor über Spannungsdurchbruch
am sperrenden pn-Ubergang gezündet werden, wenn zwischen den Hauptelektroden 6 und
7 eine steil ansteigende Spannung mit entsprechender Polarität angelegt wird, was
besonders beim Abschalten des Stromes in einer induktiven Last der Fall ist.
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Wesentlich ist, daß das Gebiet 10, in dem Rekombinationszentren in
hoher Konzentration enthalten sind, derart' begrenzt gehalten wird, daß die Rekombinationszentren
keinen Einfluß auf die erforderliche Betriebseigenschaft des bidirektionalen
Thyristors
haben können, wie beispielsweise die Zünddaten und der Durchlaßspannungsabfall.
Rekombinationszentren in hoher Konzentration sollen weder in der Nähe der eingelassenen
Emitterschichten 4 und 5 noch in der Nähe der Stenerelektroden 8 und 9 vorhanden
sein.
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Im folgenden wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen.
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Bei der Herstellung eines bidirektionalen Thyristors nach Fig. 1 wird
zuerst eine Scheibe 20 aus Silizium, die nleitend vordotiert ist, einer Eindiffusion
von Gallium zur Bildung einer p-leitenden Schicht 21 über der gesamten Oberfläche,
wie in Fig. 2a dargestellt, ausgesetzt. Sodann wird eine dünne Schicht Phosphor
auf die Oberfläche der Scheibe 20 niedergeschlagen, und es wird diese Schicht aus
Phosphor in bekannter Weise selektiv geätzt, so daß nur in den Gebieten 22, wo die
äußeren n-leitenden Schichten 4 und 5 des fertiggestellten bidirektionalen Thyristors
eingebracht werden sollen, die Phosphorschicht, wie in Fig 2b gezeigt, bestehen
bleibt. Dementsprechend kann auch verfahren werden, wenn anstelle von zwei ohmschen
Steuerelektroden, wie in vorliegendem Beispiel, nur eine Steuerelektrode mit nachgeschaltetem-pn-Ubergang,
z. B. für ein sogenanntes remote-gate, vorgesehen ist.
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Zum Eindiffundieren des Phosphors wird dann die Scheibe 20 erhitzt
und dabei so behandelt, daß sich an der gesamten Öberfläche der Scheibe eine Oxidschicht
23 bilden kann. Dara in wird an den beiden Hauptsieiten der Thyristorscheibe 20
zwischen den beiden Fleitenden Schichten 4 und 5 ein Streifen der Oxidschicht selektiv
abgeätzt und anschließend die Scheibe 20 in eine goldhaltige Lösung gelegt, in der,
wie in Fig. 3c gezeigt, auf die durch das Abätzen der Oxidschicht 23 freigelegten
Ober flächenstreifen eine Goldschioht 24 niedergeschlagen wird.
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Nachdem die Thyristorscheibe 20 aus der Goldbsung herausgenommen worden
ist, wird sie erhitzt, so daß das niedergeschla gene Gold in die Scheibe hineindiffundieren
kann zur Anrssche rung des Gebietes 10 mit Rekombinationszentren.
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Das beschriebene Verfahren kann auch so angewandt werden, daß nach
der Phaphordiffusion Streifen aus Gold mittels, Photomaskierung an bestimmten Stellen
auf der Scheibenoberfläche aufgedampft und anschließend in die Scheibe eindiffundiert
werden.
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Schließlich werden noch die Haupt- und Steuerelektroden angebracht,
und es wird die so fertiggestellte Thyristorbauelementscheibe aus einer ganzen Halbleiterplatte,
die eine Vielzahl nach dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellte Thyristorbauelemente
enthalten kann, herausgetrennt.
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Bei einer speziellen Ausführung eines bidirektionalen Thyristors
gemäß der Erfindung hat die fertiggestellte Scheibe einen Durchmesser von etwa 7,5
mm und eine Dicke von etwa 0,2 mm, die p-leitendelSchichten 1 und 3 haben beide
eine Dicke von etwa 0,05 bis 0,06 mm und die äußeren n-leitenden Schichten 4 und
5 eine Dicke von etwa 0,03 mm. Die Goldstreifen 24 haben eine Breite von etwa 0,5
mm.
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Brauchbare Tbristorbauelemente haben sich ergeben, wenn mit den Tbyristorscheiben
eine Eindiffusion von 5 Minuten Dauer bei 1000 0C und desgleichen auch eine solche
von einer Stunde Dauer bei 850 °C vorgenommen wurde. Bei diesen Bauelementen konnte
in-folge der in dem Gebiet 10 konzentrierten Rekombinationszentren der Schutz gegen
du/il t -Beanspruchung verbessert werden von 0,2 bis 0,3 V/µs Spannungsanstieg auf
mindestens 10 vvu8, wozu noch bemerkt wird, daß bei der verwendeten Testeinrichtung
der höchste erzielbare Spannungsanstieg 10 V/1us betrug.