DE2108111B2 - Thyristor mit kurzschlussring - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und mindestens drei pn-Übergänge aufweisenden scheibenförmigen Halbleiterkörper, bei dem ein einen Kurzschlußring bildender Bereich der zweiten Zone die erste Zone umgibt, und mit einem leitenden Überzug, der die erste Zone mit dem Kurzschlußring elektrisch verbindet.

Ein solches Bauelement ist z. B. in der LTF-AS 11 33 038 enthalten. Dort ist ein Thyristor beschrieben, dessen Emitterzone von einer Basiszone umgeben ist. Die Oberfläche der Emitterzone und der Basiszone sind durch einen leitenden Überzug miteinander verbunden. Der die Emitterzone umgebende Teil der Basiszone kann als Kurzschlußring bezeichnet werden. Durch diesen Kurzschlußring fließt bei kleinen Stromdichten, d. h. geringem Spannungsabfall unter der Emitterzone, ein Teil der Ladungsträger nicht in die Emitterzone, sondern umgeht diese und fließt durch den Kurzschlußring zum leitenden Überzug und von dort über die Emitterelektrode zur Emitterzuleitung ab. Der über den leitenden Überzug abfließende Teil der Ladungsträger bewirkt daher keine Injektion von Ladungsträgern aus der Emitterzone in die angrenzende Basiszone. Damit wird der Emitterwirkungsgrad herabgesetzt, so daß ein Zünden des Thyristors erst bei höheren Strömen möglich ist. Dadurch wird z. B. die Temperaturstabilität der Blockierkennlinie erhöht. Ein Kurzschlußring wirkt sich auch günstig auf das dU/dt-Verhalten (kritische Spannungssteilheit) des Thyristors aus. Dies läßt sich damit erklären, daß bei einem sehr schnellen Spannungsanstieg am Thyristor aufgrund der Kapazität des sperrenden pn-Übergangs ein hoher Vcrschiebungsstrom auftritt, der wie ein Steuerstrom wirkt. Dadurch würden aus dem Emitter viele Ladungsträger in die angrenzende Basisschicht injiziert, wenn nicht ein bestimmter Teil der den Verschiebungsstrom bildenden Ladungsträger unter Umgehung der Emitterzone direkt zum leitenden Überzug fließen würde.

Eine gute Ausnutzung des Querschnittes des HaIbloiierkörners würde dann erreicht, wenn sich der leitende Überzug (Elektrode) bis zur Rand/onc des Halbleiterkörper» erstreckt. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da die Randzone des I lalbleiterkörpers z. B. durch Schrägläppen und/oder Atzen behandelt wird und der leitende Überzug (Elektrode) dabei angegriffen würde. Man kann daher den leitenden Überzug nicht bis zur Randzone führen. Da die Emitterzone eine kleinere Fläche als die Elektrode einnimmt, wird bei den bekannten Halbleiterbauelementen mit Kurzschlußring die Flache nicht optimal ausgenutzt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die wirksame Emitterfläche bis zur Randzonc vergrößert werden kann.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring in der Randzone liegt, daß er zur ersten Zone hin gerichtete Nasen aufweist, die in zum Ktirzschlußring hin offene Ausnehmungen eingreifen, und daß die Nasen vom leitenden Überzug bedeckt sind.

Beispielsweise aus der US-PS 33 37 782 ist bereits ein Thyristor bekannt, dessen erste Zone zum Rand hin offene Ausnehmungen aufweist, durch die die zweite Zone hindurchgreift. Aus dieser Vorveröffentlichung geht jedoch deutlich hervor, daß der bekannte Kurzschlußring eine Reihe von Nachteilen aufweist und daher durch am Emitterrand liegende diskrete Kurzschlußbereiche ersetzt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß insbesondere bei größeren Thyristoren diese Art der Kurzschlüsse nicht genügend wirksam ist.

Ausführungsbeispiele des Standes der Technik und der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt

Fig. I einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines bekannten Halbleiterbauelementes mit Kurzschlußring,

Fig. 2 die Aufsicht auf den Halbleiterkörper nach Fig. 1.

F i g. 3 den Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines Halbleitcrbauelementes, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt und

Fig.4 die Aufsicht auf den Halbleiterkörper nach Fig. 3.

Der Halbleiterkörper insgesamt ist in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Er besteht aus vier Zonen, nämlich der Emitterzone 2, der Basiszone 3, der Basiszone 4 und der Emitterzone 5. Die Emitterzone 2 wird von einem Kurzschlußring 9 umgeben, der einen Teil der Basiszone 3 bildet. Der Kurzschlußring 9 wiederum kann von einer Teilzone 6 umgeben sein, die die gleiche Dotierung wie die Emitterzone 2 aufweist. Die Emitterzone 2 und der Kurzschlußring 9 ist von einem die Elektrode bildenden leitenden Überzug 7 bedeckt. Dieser leitende Überzug bedeckt die Teilzone 6 nicht, da diese Zone und die Ränder Zonen 3,4 und 5 zur Außenzone des Halbleiterkörpers gehören, die mit 10 bezeichnet ist. Die Außenzone 10 kann, wie eingangs erwähnt, nicht für die Elektrode ausgenutzt werden. Daher kann die Elektrode 7 lediglich bis an den Randbercich 10 herangeführt werden.

In F i g. 3 ist der Querschnitt durch den Halbleiterkörper eines als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellten Halblciterbauelementes gezeigt. Hierbei sind gleiche Teile wie in Fig. I auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Basiszone 3 weist einen Kurzschlußring 19 auf, der gegenüber dem Kurzschlußring 9 nach Fig. I weiter an den Rand des Halbleitcrkörpers 1 gerückt ist und in der Randzone 10

liegt. Die Emitterzone ist bis unter den Rand des leitenden Überzuges 7 geführt und trägt die Bezugsziffer 12. Wie der Kurzschlußring 19 mit dem leitenden Oberzug 7 verbunden ist, ist in F i g. 4 gezeigt.

Fig.4 zeigt eine Aufsicht auf den Halbleiterkörper s nach Fig. 3. Der leitende Überzug 7 ist hier der Erläuterung wegen teilweise entfernt, so daß ein großer Teil der Emitterzone 12 sichtbar ist. Der Rand der Emitterzone 12 weist eine Anzahl von Ausnehmungen 13 auf, durch die dit Zone 3 bis zum leitenden Überzug 7 hindurchgreift. Man könnte auch sagen, daß der Kurzschlußring 19 Nasen aufweist, die bis unter den leitenden Überzug 7 greifen. Durch die Ausnehmungen 13 bzw. die Nasen ist der Kurzschlußring 19 mit dem leitenden Überzug 7 elektrisch verbunden. Ein Teil der aus der Basiszone 3 kommenden Ladungsträger bewegt sich daher, vorausgesetzt, der Spannungsabfall unter der Emitterzone 12 ist klein genug, in Richtung auf den Kurzschlußring 19 zu und gelangt über eine der Ausnehmungen zum leitenden Überzug 7, d. h. zur Emitterelektrode, von wo dieser Teil der Ladungsträger abfließen kann. Hierbei müssen die Ladungsträger gegebenenfalls im Kurzschlußring ein Stück in Tangentialrichtung bis zur nächsten Ausnehmung zurücklegen. Der Kurzschlußring stellt dabei einen gewissen Widerstand dar. Bei den für Leistungshalbleiiern allgemein üblichen Dotierungsprofilen beträgt der Widerstand zwischen zwei Ausnehmungen im Abstand von 2 mm etwa 20 bis 80 Ω. Selbst bei sehr hohen dU/dt-Belastungen (1000V/}is) treten innerhalb des Kurzschlußrings jedoch nur Spannungsabfällc von maximal 0,1 bis 0,4 V auf, weil einerseits der Einflußbereich des Kurzschlußrings wegen der relativ geringen Querleitfähigkeit unter dem η-Emitter auf einen Teil der Thyristorfläche begrenzt ist und weil andererseits der in diesem Teilbereich fließende kapazitive Strom auf mehrere Ausnehmungen des Kurzschlußringes verteilt wird. Erst bei Spannungsabfällcn von mehr als 0,7 V würde der Kurzschluß seine Wirkung verlieren.

Der neuartige Kurzschlußring erfüllt daher bei niedrigen Stromdichten, wie sie /.. B. bei dU/dt-Bclastungen auftreten, seine Aufgabe genau so gut wie der konventionelle Kurzschlußring. Vor allem wird ein Zünden am Randbercich des Thyristors verhindert, der bekanntlich eine schwache Stelle bei jedem Halbleiterbauelement darstellt.

Bei höheren Zündströmen, also bei beabsichtigter Zündung über die Steuerelektrode 8 wird die Stromdichte unter dem n-Emitter 112 höher. Dadurch wächst der Spannungsabfall unter dieser Zone so stark an, 'Jaß die Ladungsträger von der Basiszone 3 zur Emitterzone 12 fließen und dort eine Injektion von Ladungsträgern entgegengesetzter Polarität in die Basiszone 3 verursachen. In diesem Fall ist der Kurzschlußring unwirksam, d. h. die volle n-Emitterfläche steht für den Laststrom zur Verfügung. Dies gilt ebenso für den stationären Zustand, bei dem der Thyristor den vollen Strom führt.

Bei Halbleiterkörpern mit großem Durchmesser können zusätzlich zu den Ausnehmungen 13 in der Basiszone 12 weitere Ausnehmungen 14 vorhanden sein, die das dU/dt-Verhalien des Thyristors weiter verbessern können. Die Anordnung solcher weiterer Ausnehmungen ist jedoch schon länger bekannt. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Verteilung der weiteren Ausnehmungen 14 in der Nähe des Randes am Umfang der Basiszone 12 nicht die gleiche Wirkung hat wie die zum Kurzschlußring 19 hin offenen Ausnehmungen 13. Wie in der Fig. 4 durch die Bezugsziffern 15 und 16 angedeutet, haben die weiteren Ausnehmungen 14 und die zum Kurzschlußring 19 hin offenen Ausnehmungen 13 unterschiedlich geformte »F.inzugsbereiche«, innerhalb deren ein Ladungsträger in der Zone 3 noch zum leitfähigen Überzug 7 fließen kann. Die Größe der Einzugsbereichc ist dabei von dem Widerstand abhängig, den der Ladungsträger auf seiner Bahn vorfindet. Mit steigender Stromdichte wird dieser Einzugsbcrcich kleiner. Es ist ersichtlich, daß der Einzugsbereich 16 der Ausnehmungen i3 in jedem Fall größer ist als der Einzugsbereich 15 der weiteren Ausnehmungen 14. F.s kommt dabei zu einer vollständigen Überdeckung der Einzugsbereiche der einzelnen Ausnehmungen 13.

Die Erfindung ist insbesondere bei Thyristoren brauchbar, deren Zonen durch Diffusion hergestellt sind. Eine Siliciumscheibe von z. B. 30 mm Durchmesser und einer Dicke von z. B. 300 μιη und einer Grunddotierung von etwa 10¹⁴ cm- ' wird etwa 36 Stunden einer Al/Ga- oder einer Al/B-Diffusion ausgesetzt. Dann haben die äußeren Zonen des Halbleiterkörpcrs eine Dotierung von über 10¹⁸ cm ^J. Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpcrs wird dann eine etwa 1 μηι starke Schicht aus S1O2 erzeugt, die mit lichtempfindlichem Lack bedeckt wird. Dieser Lack wird dann über eine Maske belichtet. Anschließend wird der Lack an den unbelichteten Stellen aufgelöst und das S1O2 an diesen Stellen weggeätzt. Dann wird auf der Oberfläche Phosphorglas gebildet, worauf der Halbleiterkörper etwa 7 Stunden lang einer Temperatur von über 1200⁰C ausgesetzt wird. Die η-Zone hat dann eine Dicke von etwa 15 μηι und ist etwa IO²⁰ cm ~' dotiert. Als brauchbar haben sich etwa 30 bis 50 halbkreisförmige Ausnehmungen mit einem Radius von etwa 0,1 bis 0,5 mm erwiesen, die etwa gleichmäßig um den Umfang der η-Zone herum verteilt sind. Der Kurzschlußring kann etwa 0,5 bis 2 mm breit sein, die Randzone 10 etwa 2 bis 5 mm. Zum Schluß wird die Emitterzone 12 mit einer leitenden Schicht, /. B. aus 5 bis 50 μηι starkem aufgedampften Aluminium versehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

21 08 ΠΙ Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfühigkcitstyps und mindestens drei pn-Übergänge aufweisenden scheibenförmigen Halbleiterkörper, bei dem ein einen Kurzschlußring bildender Bereich der zweiten Zone die erste Zone umgibt, und mit einem leitenden Überzug, der die erste Zone mit dem Kurzschlußring elektrisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring (19) in der Randzonc (10) liegt, daß er zur ersten Zone (10) hin gerichtete Nasen aufweist, die in zum Kurzschlußring hin offene Ausnehmungen (13) eingreifen, und daß die Nasen vom leitenden Überzug (7) bedeckt sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (13) gleichmäßig über den Umfang der ersten Zone (12) verteil! sind.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (12) weitere Ausnehmungen (14) aufweist, durch die die zweite Zone (3) zum leitenden Überzug (7) reicht.

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