DE2033566B2 - Halbleitervorrichtung mit verbessertem Schutz gegen du/ tief dt Beanspruchung - Google Patents

Description

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in jeder der eingangs beschriebenen, in sich zusammenhängenden Zonen jeweils gleichen Leiuingsiyps ein /wischen den beiden Zonenteilen liegender Hereich mit Rekombinationszeniren in höhen.-r Konzentration als in den beiden Zonenieüen ν er .-hen ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Zündfestigkeit durch die Diffusion von Minoritätsladungsträgern aus dem eine innere Schicht dl s jeweils abgeschalteten Schaltelementes bildenden Zonenteil in den im anderen Schaltelement liegenden Zonenteil begrenzt ist. Das Vorhandensein eines Gebietes mit einer verhältnismäßig hohen Konzentration an Rekombinationszentren, das zwischen solchen Zonenteilen liegt. vermindert diese Diffusion erheblich.

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 de^r Thyristorscheibe vollständig eingelassene Emitterzone einseitig überläppt, und bei dem ebenfalls an den beiden Hauptseiten mit Abstand von dem überlappenden Teil der Hauptelektrode je eine Steuerelektrode angebracht ist, als auch bei einem bidirektionalen Thyristor, bei dem nur an einer Hauptsehe der Thyristorscheibe mit Abstand vom überlappenden Teil der betreffenden Hauptelektrode eine Steuerelektrode in ohmschen Kontakt angebracht ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der F i g. 1 durch ein Ausführungsbeispiel näher besehrieben. Als Ausführungsbcispiel ist ein bidirektionaler Thyristor gewählt, bei dem an beiden Hauptseiten der Thyristorscheibe je eine Steuerelektrode angebracht ist.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen solchen bidirektionalen Thyristor; die

F i g. 2a, 2b und 2c veranschaulichen verschiedene Stufen bei der Fertigung des in F i g. 1 dargestellten Thyristors.

Der bidirektionale Thyristor nach F i g. 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-lcitcnden Schichten 4 und 5 sind gegeneinander versetzt angeordnet, so daß der Halbleiterkörper zwei nebeneinanderliegende unidirektionalc Thyristoren in der Schichtenfolge pnpn enthält.

Der F i g. 1 ist zu entnehmen, daß jede der drei Schichten 1, 2 und 3 für sich eine zusammenhängende Zone bilden, von welcher der in der Figur linke Teil einen Teil des einen a und der in der Figur rechte Teil einen Teil des anderen unidirektionalen Thyristors b darstellt. Die Hauptelektroden des bidirektionalen Thyristors bestehen aus zwei leitenden Schichten 6 und 7. die an den Hauptscitcn des Halbleiterkörpers angebracht sind. Die Schichten 6 und 7 stellen eine leitende Verbindung zwischen den η-leitenden Emitterschichten 4 und 5 der unidirektionalen Thyristoren und den angrenzenden p-leitenden Schichten 1 und 3 her, so daß diese Thyristoren sogenannte »shorted emitter« a'ifweisen. 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 unidiirektionale Thyristor «1 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.

Im Zentrum des Halbleiterkörpers zwischen den Schichtfolgen der beiden Unidirektionalthyrisioren liegt ein Gebiet 10, das Verunreinigungen wie Gold oder Eisen in höherer Konzentration als in den Teilen der Schichten 1. 2 und 3 enthalt, welche zu den beiden Unidirektionalthyrisioren gehören. Derartige Verunreinigungen wirken bekanntlich als Rekombinationszentrcn.

Dem Unidirektionalthynstor ;j ist die Hauptelektrode 7 als Anode, die Hauptelektrode 6 als Kathode und der pr.-Übergang 11 zwischen den Schichten 1 und 2 als der sperrende Übergang 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-übergang 12 zwischen den Schichten 2 und 3 als sperrender Übergang zugeordnet.

Die unidirektionalen Thyristoren ;i und b sperren den Stromdurchgang so lange, als sich in den Schichten, die den sperrenden pn-übergang bilden, keine Minoritätsladungsträger befinden. Führt einer der beiden Unidirektionalthyristoren Strom, so treten in den beiden Schichten des sperrenden pn-Überganges des betreffenden Unidirektionalthyristors Minoritätsladungsträger auf. Da zwischen den beiden Unidirektionalthyristoren des bidirektionalen Thyristors nach F i g. 1 ein Gebiet 10 mit Rekombinationszentren in hoher Konzentration 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 Unidirektionalthynstor über Spannungsdurchbruch am sperrenden pn-Übergang 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.

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 soller weder in der Nähe der eingelassenen Emitterschichten 4 und 5 noch in d;r Nähe der Steuerelektroden 8 und 9 vorhanden sein.

Im folgenden wird nun auf die F i g. 2 Bezug genommen. Bei der Herstellung eines bidirektionalen Thyristors nach Fig.! wird zuerst eine Scheibe 20 aus Silizium, die η-leitend vordotiert ist, einer Eindiffusion von Gallium zur Bildung einer p-leitenden Schicht 21 über der gesamten Oberfläche, wie in F i g. 2 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 η-leitenden Schichten 4 und 5 des fertiggestellten bidirektionalen Thyristors eingebracht werden sollen, die Phosphorschicht, wie in F i g. 2b gezeigt, bestehen bleibt. Dementsprechend kann auch verfahren werden, wenn an Stelle von zwei ohmschen Steuerelektroden, wie in vorliegendem Beispie!, nur eine Steuerelek-

lrode mit nachgcschaltcicm pn-Übcrgang, ζ. B. für ein sogenanntes »remote-gate«, vorgesehen ist. Zum Hmdiffundieren des Phosphors wird dann die Scheibe 20 erhitzt und dabei so behandelt, daß sich an der gesamten Oberfläche der Scheibe eine Oxidschicht 23 bilden kann. Daraufhin wird an den beiden Hauptseiten der Thyristorscheibe 20 zwischen den beiden n-leiienden Schichten 4 und 5 ein Streifen der Oxidschicht selektiv abgeätzt und anschließend die Scheibe 20 in eine goldhaltige Lösung gelegt, in der, wie in F i g. 3c gezeigt, auf die durch das Abätzen der Oxidschicht 23 freigelegten Oberflächenstreifen eine Goldschicht 24 niedergeschlagen wird. Nachdem die Thyristorscheibe 20 aus der Goldlösung herausgenommen worden ist, wird sie erhitzt, so daß das niedergeschlagene Gold die Scheibe hineindiffundieren kann zur Anreicherung des Gebietes 10 mit Rekombinationszentren.

Das beschriebene Verfahren kann auch so angewandt werden, daß nach der Phosphordiffusion Streifen aus Gold mittels Photomaskierung an bestimmten Stellen auf der Scheibenoberflächc aufgedampft und anschließend in die Scheibe eindiffundiert werden.

Schließlich werden noch die Haupt- und Stcucrclektroden angebracht, und es wird die so fertiggestellte Thyristorbauelementscheibe aus einer ganzen HaIbleitcrplattc, die eine Vielzahl nach dem vorbcsehriebcncn Verfahren hergestellte Thyristorbauelcmcnte enthalten kann, herausgetrennt.

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-leitcnden Schichten 1 und 3 haben beide eine Dicke von etwa 0.05 bis 0,06 mm und die äußeren n-leitendcn Schichten 4 und 5

ίο eine Dicke von etwa 0,0.3 mm. Die Goldsireifcn 24 haben eine Breite von etwa 0,5 mm.

Brauchbare Thyristorbauelcmcnte haben sich ergeben, wenn mit den Thyristorscheiben eine Eindiffusion von 5 Minuten Dauer bei 1000"C u.dgl. auch eine solehe von einer Stunde Dauer bei 850"C vorgenommen wurde. Bei diesen Bauelementen konnte infolge der in dem Gebiet to konzentrierten Rekonibinations/.entren die Zündfestigkeit gegen die Anstieggeschwindigkeit der /wischen den beiden Hauptelektrode!! des Halbleiterplattchens anliegenden Spannung verbessert werden von 0,2 bis 0,3 V/ns Spannungsanstieg auf mindestens 10 V/jis, wozu noch bemerkt wird, daß bei der ver wendeten Testeinrichtung der höchste erziclbare Span nungsanstieg 10 V/ns betrug.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Λ Q7d

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zwei· ichtungsthyristor hoher Zündfestigkeit gegen die Ansticggcschwindigkeil der zwischen den beiden Hauptclcktroden an den beiden Hauptflächen des Halbleiterplätlchens anliegenden Spannung, bei dem das Halbleitcrpläitchen in einem ersten un<i in einem /weiten, jeweils sich von der einen Hauptelektrode bis /u der anderen Hauptelektrode erstreckenden Gebiet je eine Folge von vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps enthält, so daß die Richtung, in der das einen Teilthyristor bildende erste Gebiet siromleitend geschaltet werden kann, zu der Richtung, in der das einen anderen Teilthyristor bildende zweite Gebiet Etromleitend geschaltet werden kann, entgegengesetzt ist, und bei dem die an keine der beiden Haupiclektroden grenzende Schicht des einen und die an keine der beiden Hauptelcktrodcn grenzende Schicht gleichen Leitungstyps des anderen Teilthyristors verschiedene Teile einer ersten in sich zusammenhängenden Zone eines Leitungstyps bilden oder diese erste Zone und die auf der einen, gleichen Seite oder auch die auf beiden Seiten dieser ersten Zone liegenden Schichten gleichen Leitungstyps der beiden Teilthyristoren jeweils verschiedene Teile einer ersten, zweiten bzw. einer dritten in sich zusammenhängenden Zone bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder dieser in sich zusammenhängenden Zonen (1, 2, 3) jeweils gleichen Leitungstyps ein zwischen den beiden Zoncnteilen liegender Bereich (10) mit Rekombinationszentren in höherer Konzentration als in den beiden Zonentcilen versehen ist.

2. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 1, bei dem jeweils die an eine Hauptelektrode grenzende Schicht des einen Teilthyristors in die von der benachbarten Schicht dieses Teilthyristors und von der an dieselbe Hauptelektrode grenzenden Schicht des anderen Teilthyristors gebildete in sich zusammenhängende Zone gleichen Leitungstyps vollständig eingelassen ist, und bei dem jede der beiden Hauptelcktroden die vollständig eingelassene Schicht an einer Seite überlappt, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Hauptflächen des HaIbleiterplättchens (20) mit Abstand von dem überlappenden Teil der Hauptelektroden (6. 7) je eine Steuerelektrode (8. 9) in ohmschen Kontakt angebracht ist.

3. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 1, bei dem jeweils die an eine Hauptelektrode grenzende Schicht des einen Teilthyristors in die von der benachbarten Schicht dieses Teihhyristois und von der an dieselbe Hauptelektrode grenzenden Schicht des anderen Teilthyristors gebildete in sich zusammenhängende Zone gleichen Leitungstyps vollständig eingelassen ist. und bei dem jede der beiden Hauptelektroden die vollständig eingelassene Schicht an einer Seite überlappt, dadurch gekennzeichnet, daß nur an der einen Hauptfläche des Halbleiterplättchens (20) mit Abstand von dem überlappenden Teil der Hauptelektrode (6 oder 7) an dieser Hauptfläche eine Steuerelektrode (8 bzw. 9) angebracht ist.

Die Erfindung betrifft einen Zweirichtungsthyristor hoher Zündfestigkeii gegen die Anstiegsgeschwindigkeit der zwischen den beiden Haupielektroden an den beiden Hauptflächen des Haibleiierplättchens anliegenden Spannung, bei dem das Halblcitcrplättchen in einem ersten und in einem zweiten, jeweils sich von der einen Hauptelektrode bis zu der anderen Hauptelektrode erstreckende Gebiet je eine Folge von vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps enthält, so daß die Richtung, in der das einen Teilthyristor bildende erste Gebiet siromleitend geschaltet werden kann, zu der Richtung, in der das einen anderen Teilthyristor bildende zweite Gebiet uromlcitcnd geschaltet werden kann, entgegengesetzt ist. und bei dem die an keine der beiden Hauptelektroden grenzende Schicht einen und die an keine der beiden Hauptelektroden grenzende Schicht gleichen Leitungstyps Jes anderen Teilthyristors verschiedene Teile einer ersten in sich zusammenhängenden Zone eines Leitungstyps bilden oder diese erste Zone und die auf der einen, gleichen Seite oder auch die auf beiden Seiten dieser ersten Zone liegenden Schichten gleichen Leistungstyps der beiden Teilthyristoren jeweils verschiedene Teile einer ersten, zweiten bzw. einer dritten in sich zusammenhängenden Zone bilden.

Es ist ein derartiger Zweirichtungsthyristor mit den vorangehend angegebenen Merkmalen durch die DT-OS 19 31 149 bekannt, welcher dadurch, daß die zwei sich zwischen den Hauptelekiroden erstreckenden Gebiete voneinander einen seitlichen Abstand von wenigstens drei Diffusionslängen der Minoritätsladungsträger des dazwischen liegenden Halbleitergebietes haben, als Wechselstromschalter mit hohen Betriebsfrequenzen verwendbar ist. Außerdem hat es sich gezeigt, daß ein derartiger Zweirichtungsthyristor bei verhältnismäßig hohen Temperaturen eine gute Zündfestigkeit gegen die Anstieggeschwindigkeit der zwischen den Hauptelektroden des Thyristors anliegenden Spannung aufweist. Hierzu trägt auch bei ein verhältnismäßig großer Querwiderstand derjenigen zusammenhängenden Zone, welche durch eine der Emitterzone eines Gebietes vorgelagerte Zone und durch eine Emitterzone des anderen Gebietes gebildet wird.

Ferner ist in »Internationale Elektronische Rundschau«, Bd. 20 (1966). S. 353 bis 356 ein bilateral schaltendes Thyristorensystem beschrieben, bei dem mittels einer Zonen-Elektroden-Anordnung nach Art eines »Shorled Emitter« Zündfestigkeit erzieh wird. Eine solche Anordnung weist aber auch ein Zweirichtungsthyristor der eingangs beschriebenen Art auf, wenn jeweils die an eine Hauptelektrode grenzende Schicht des einen Teilthyristors in die von der benachbarten Schicht dieses Teilthyristors und von der an dieselbe Hauptelektrode grenzende Schicht des anderen Teilthyristors gebildete in sich zusammenhängende Zone gleichen Leitungstyps vollständig eingelassen ist und jede der beiden Hauptelektroden diese eingelassene Schicht an einer Seite überlappt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zündfestigkeil gegen die Anstiegsgeschwindigkeit der zwischen den beiden Hauptelektroden des Halbleiterplättchens eines Zweirichtungsthyristors der eingangs beschriebenen Art anliegenden Spannung zu erhöhen, ohne daß der seitliche Abstand der zwei sieh zwischen diesen Hauptelektroden erstreckenden Gebiete nach der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger des dazwischen liegenden Halbleitergebietes bemessen wird.