DE2333429A1 - Thyristor - Google Patents

Description

Licentia Patent Verwaltungs-G.m.b.H. 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

Dr. Lertes/gö FBE 72/33

13.6.1973 ——«-

"Thyristor"

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, einem Anoden- und einem Kathodenkontakt sowie mindestens einer Steuerelektrode.

Die Erwärmung von Thyristoren erfolgt bei nicht zu hohen Frequenzen vorwiegend durch die im durchgeschalteten Zustand auftretende Verlustleistung. Dabei bestimmt die Durchlaßcharakteristik über die Erwärmung die Strombelastbarkeit. Bekanntlich wird das Durchlaßverhalten eines Thyristors von der Dicke der beiden Basiszonen und der Ladungsträgerlebensdauer der·Minoritatsladungstrager in diesen Gebieten bestimmt. Unter den Basiszonen werden üblicherweise die beiden Basen der den Thyristor bildenden Teiltransistoren verstanden. Bei einem Thyristor mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps sind die Basisgebiete die beiden inneren Zonen. Bei einem konventionellen Thyristor mit einer sich von der Anode zur Kathode erstreckenden pnpn-Schichtenfolge werden die Durchlaßverluste insbesondere von der η-Basis bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Durchlaßverhalten eines Thyristors·zu verbessern ohne seine anderen

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Eigenschaften zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die anodenseitige als Emitter wirkende Leitungszone, die üblicherweise einen flachen Konzentrationsgradienten des Dotierungsmaterials aufweist, einen möglichst steilen Konzentrationsgradienten des Dotierungsmaterials an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone aufweist. Dabei ist der 'Grenzfall eingeschlossen, daß die anodenseitige Leitungszone etwa homogen dotiert ist und die Dotierungskonzentration an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Leitungszone abrupt abfällt.

Eine zusätzliche Verbesserung der Durchlaßcharakteristik besteht bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung darin, daß die Dicke der anodenseitigen Leitungszone kleiner gemacht wird als in einer konventionellen Struktur. Eine Dicke von etwa der fünffachen Diffusionslänge der Minoritätsträger in dieser Zone, die in den meisten Fällen weniger als 1 /U beträgt, reicht aus. Unter Berücksichtigung praktischer Gründe bei der Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung wird eine Dicke von 5 bis 20/U angestrebt.

Das Wesen der Erfindung soll anhand der beiden Figuren näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration bei einem konventionellen und einem Thyristor gemäß der Erfindung .

Figur 2 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration zur Erläuterung einer bevorzugten Weiterbildung und der Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung.

Ein konventioneller Thyristor hat typischerweise das in Figur 1 gezeigte Dotierungsprofil, wobei die angegebenen Schichtdicken repräsentativ für einen derartigen Thyristoraufbau sind. Als Beispiel wurde ein diffundiert-legierter Thyristor angenommen. Die Zonen p^ und p~ bilden eine pleitende Zone, die als anodenseitiger Emitter wirkt, n^

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ist die n~Basis, p, die p-Basis und n.p die kathodenseitige Emitterschicht des Thyristors. Der Verlauf der Dotierungskonzentration ist bei der konventionellen Struktur ausgezogen eingezeichnet. Im durchgeschalteten Zustand des Bauelementes stellt sich ein durch die strichpunktierte Linie dargestellter Konzentrationsverlauf der injizierten La- · dungsträger ein. Ein von der Größe des Stromes abhängiger Teil des p-Emitters ist mit Ladungsträgern überschwemmt. Die Dicke V (i) des mit Ladungsträgern überschwemmten

Po
Teiles des p-Emitters überschreitet bei hohen Stromdichten sogar die Dicke W der p-Basis und beträgt in typischen

Pz

Fällen 30 bis 50 m. Die Überschwemmung des Emitters wirkt sich auf den Durchlaßspannungsabfall so aus, daß nicht die wirkliche Basisdicke -

W . W + W ,
ⁿ1 ^P3
sondern die effektive Basisdicke

^Weff ^{= W}n ^{+ W}D ^{+ W}d ⁽ⁱ> en n^ p-7 i>2

den Spannungsabfall bestimmt. Die Basisdicke erscheint also um W (i) vergrößert, wodurch auch der Spannungsabfall ver-

P₂

größert wird. VL ist, wenn die p-Basis nur zum Teil über-

^P3
schwemmt ist, eine stromabhängige, effektive Dicke der p-Basis. Diese einfache Rechnung gilt unter der Voraussetzung, daß die Ladungsträgerlebensdauer in dem überschwemmten Teil des Emitters wie auch in der p-Basis gleich der Lebensdauer in der η-Basis ist. In der Regel jedoch ist die Lebensdauer in dem zur Basis hinzuzurechnenden Teil des p-Emitters erheblich kleiner als in der η-Basis selbst. Die Überschwemmung des Emitters wirkt sich daher noch stärker aus, als es der geometrischen Basisaufweitung entspricht.

Durch die Erfindung wird die effektive Vergrößerung der Basisdicke bei Durchlaßbelastung verhindert, indem ein steileres, möglichst abruptes Dotierungsprofil des an die η-Basis grenzenden p-Emitters (gestrichelte Linie in Figur 1) eingestellt wird. Damit geht in die Durchlaßcharakteristik nur die wirkliche Basisdicke ein, so daß sich bei

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gegebenem Strom ein geringerer Spannungsabfall ergibt. Da die Durchlaßcharakteristik auch.durch die Rekombination in den hoch dotierten Randgebieten mitbestimmt wird, darf die Rekombination in dem neuen p-Emitter nicht wesentlich größer sein als in dem hoch dotierten, nicht überschwemmten Teil des ursprünglichen Emitters.

Bezüglich der Ableitung der Verlustwärme aus dem Basisgebiet hätte die verbesserte Struktur die gleichen Eigenschaften wie die konventionelle Dotierungsstruktur, wenn der abrupte Emitter so dick wäre wie das gesamte p-Emittergebiet im konventionellen Fall, also typischerweise 100 /um. Zusätzlich zu der Verhinderung der Basisaufweitung durch das steile oder abrupte Profil ergibt sich nun eine weitere Verbesserung dadurch, daß man die Emitterdicke kleiner wählt. Die Dicke des Emitters kann ohne Beeinträchtigung der Wirkungsweise des Bauelementes bis auf ein Mehrfaches der Diffusionslänge der Minoritätsträger reduziert werden. Da Letztere in hoch dotierten Zonen sehr klein ist, reicht eine Emitterdicke von 10 /um in den praktisch wichtigen Fällen voll aus. Das bedeutet, daß die Dicke der Siliziumscheibe in obigem Beispiel um 90/um verkleinert werden kann.

Eine gewisse Verbesserung des Bauelementes resultiert daraus zunächst schon deshalb, weil bei hohen Stromdichten auch der Spannungsabfall über dem Emittergebiet eine Rolle spielt. Die Verringerung dieser Verluste hängt von der Verringerung der Emitterdicke im Vergleich zu der Dicke des hoch dotierten, nicht überschwemmten Teils des p-Emitters der gewöhnlichen Struktur ab.

Die Verbesserung der Wärmeableitung folgt daraus, daß der Metallboden durch die Verringerung der Emitterdicke näher an das Gebiet heranrückt, wo die Verlustwärme zum größten Teil entsteht, nämlich das Basisgebiet mit angrenzenden schmalen Rändern der hoch dotierten Gebiete. Der Metallboden aus Wolfram oder Molybdän und eventuell einer

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an das Silizium angrenzenden Zwischenschicht aus Silumin hat nämlich bessere Wärmeleitungs- und Wärmespeichereigenschaften als das Silizium. Für den Ausgleich einer durch den Stromfluß in der Siliziumscheibe erhöhten Temperatur ist die Thermo-Diffusivität >f = ^- maßgebend (K Wärmeleitfähigkeit , c spezifische Wärme,§ Dichte). Diese Größe für das Silizium und das Metall bestimmt die örtliche Temperaturverteilung für die verschiedenen Zeiten. Aus der Temperaturverteilung ergibt sich dann die aus dem Basisgebiet (und benachbarten schmalen Rändern der hoch dotierten Gebiete) in Richtung Bodenplatte abgeflossene Wärmemenge, indem man die Temperaturerhöhung mit der spezifischen Wärme pro Volumen J⁵ c multipliziert und über p-Emitter und Bodenplatte integriert. Hierbei ist an kurzzeitige Belastungen gedacht, solange die an die Kupferwärmesenke des Gehäuses und nach außen abgegebene Wärme keine Rolle spielt. Die)f- und J⁵C-Werte für Silizium, Wolfram, Molybdän und Silumin sind für eine Temperatur von 500 ⁰K, dessen Umgebung bei Stoßstrombelastungen im allgemeinen besonders kritisch ist, in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

	■ (	1	0	Si	0	W	Mo	Silumin	,65
	r	ΰ ι, "J	0	,55	0	,55	0,47	0	,64
f. C			,46	,65	0,66	0

Wie man sieht, sind sowohl die^- als auch die P c-Werte der benutzten Metalle größer als bei Silizium. Der Unterschied zwischen den H -Werten von Silizium und denen der Metalle nimmt mit der Temperatur zu. Wird nun eine Siliziumschicht von z. B. 90/um Dicke entfernt und rückt dafür die Bodenplatte aus Silumin und Wolfram (oder Molybdän) nach, so geht

1. wegen des größeren ?€ -Wertes der Temperaturausgleich schneller vor sich,

2. ist bei gegebener Temperaturerhöhung wegen des größeren P c-Wertes die Wärmeaufnahme in dem Bereich des Metalls größer, wo vorher das Silizium war.

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Die so verbesserte Wärmeableitung ist für starke kurze Belastungen von Bedeutung, bei denen sich die Temperatur stark erhöht und solange an der Wärmeleitung nur ein kleiner Bereich in der Bodenplatte teilnimmt, dessen Dicke noch nicht groß ist gegen den Betrag, um den die Emitterdicke verkleinert wird. Die Verkleinerung der Emitterdicke führt aus diesen Gründen zu einer Verbesserung der Stoßstromfestigkeit. Die Wärmeableitung unter Dauerbelastung, bei der es auf den stationären Wärmewiderstand ankommt und bei der die Kupferwärmesenke des Gehäuses eine große Rolle spielt, wird weniger verbessert.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Thyristorstruktur. Hierbei wird die anodenseitige Emitterzone zunächst durch Eindiffusion von Störstellen und die weiteren Leitungszonen mittels bekannter Techniken, wie z. B. dem Diffusions- oder Legierungsverfahren, hergestellt und die in Frage stehende Emitterzone bis nahe an die benachbarte Leitungszone entgegengesetzten Leitungstyps abgetragen und anschließend ein Emitter mit steilem Konzentrationsgradienten einlegiert, wobei die Front der rekristallisierten Zone vorteilhaft innerhalb der ursprünglichen Emitterzone verläuft. Ein Emitter mit steilem Konzentrationsgradienten kann aber auch durch Eindiffusion von Störstellen erzeugt werden.

Eine Abwandlung des Verfahrens besteht darin, daß die Emitterzone praktisch vollständig abgetragen wird und anschließend ein neuer Emitter mit möglichst steilem Konzentrationsgradienten epitaktisch abgeschieden wird.

Das Herstellungsverfahren soll anhand der Figur 2 näher erläutert werden.

Ausgehend von einer η-leitenden Siliziumscheibe werden zunächst durch Eindiffusion von Gallium zwei p-leitende Leitungszonen erzeugt. Zur Einstellung der Zündeigenschaften

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des Thyristors wird die p-leitende Zone p, in der Regel in ihrer Dicke durch Abätzen oder Äbläppen verkleinert. Zur Vervollständigung der konventionellen Struktur wird bei einer volldiffundierten Ausführung durch Diffusion mit Phosphor oder Arsen die η-leitenden Zonen n_? und n, erzeugt, wobei die Leitungszone n^ anschließend wieder entfernt wird. Die konventionelle Thyristorstruktur würde nunmehr aus dem anodenseitigen Emitter pp und dem kathodenseitigen Emitter n_? sowie den beiden Basisgebieten n^, und p, bestehen, wobei der Steueranschluß an der Leitungszone p, liegt. Die erfindungsgemäße Struktur wird nach dem zweiten Diffusionsschritt dadurch erhalten, daß man die Leitungszonen n, und Pp bis fast an die Leitungszone n^, abträgt und anschließend, beispielsweise durch Einlegieren von Aluminium, den gestrichelt dargestellten neuen Emitter erhält.

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Claims (9)

- 8 - FBE 72/33 Patentansprüche :

1.J Thyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, einem Anoden- und einem Kathodenkontakt sowie mindestens einer Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige als Emitter wirkende Leitungszone einen möglichst steilen Konzentrationsgradienten des Dotierungsmaterials an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone aufweist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Leitungszone nahezu homogem dotiert ist und die Dotierungskonzentration an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Leitungszone abrupt abfällt.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Leitungszone eine Hindestdicke von etwa der fünffachen Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in dieser Zone aufweist.

4. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der anodenseitigen Leitungszone zwischen 5 und 20/U liegt.

5· Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die anodenseitige Leitungszone durch Legieren oder Epitaxie hergestellt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die anodenseitige Emitterzone zunächst durch Eindiffusion von Störstellen und die wei-. teren Leitungszonen nach dem Diffusions- oder dem Diffusions- und Legierungsverfahren hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone bis nahe an die benachbarte Leitungszone entgegengesetzten Leitungstyps abgetragen wird und anschließend ein Emitter mit abruptem pn-übergang einlegiert wird.

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7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsverfahren derart gesteuert wird, daß die Front der rekristallisierten Zone innerhalb der ursprünglichen, durch Diffusion erzeugten Emitterzone verläuft.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Verfahrensschritt ein Emitter mit steilem Konzentrationsgradienten durch Eindiffusion von Störstellen erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Diffusion von Störstellen erzeugte Emitterzone praktisch Vollständig abgetragen.wird und anschließend ein Emitter mit möglichst steilem Konzentrationsgradienten epitaktisch abgeschieden wird.

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