DE3151212A1

DE3151212A1 - Halbleiterelement

Info

Publication number: DE3151212A1
Application number: DE19813151212
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Itami Hygogo Nakagawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-12-25
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1982-08-19
Also published as: US4559551A; JPS57109373A

Description

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MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
Tokyo / JAPAN

Halbleiterelement

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement, speziell den inneren Aufbau eines Thyristors.

Die Stehspannung eines Halbleiterelementes wie eines Thyristors , der wenigstens einen p-n-übergang hat, ist durch den spezifischen Widerstand seiner Hochwiderstandsschicht vorgegeben. Allgemein, der spezifische Widerstand eines Halbleitersubstrats, von dem ein Halbleiterelement hergestellt wird, ist innerhalb des HalbleiterSubstrats aufgrund unterschiedlicher Faktoren, die im Herstellungsprozeß Einfluß gewinnen, schwankend. Der Lawinendurchbruch tritt deshalb in einer kleinen Zone auf, in der der niedrigste spezifische Widerstand herrscht. Wenn also ein Überspannungsimpuls auftritt, xtfird in dem kleinen Bereich Wärme erzeugt, wodurch im Halbleiterelement dann ein Spannungsdurchbruch eintritt.

Bisher wird in einer Schaltung, in der ein Halbleiterelement enthalten ist, ein nicht linearer Zinkoxidwiderstand oder eine Lawinendiode zu dem Halbleiterelement parallelgeschaltet , um es vor überspannung zu schützen. In einem Hochspannungsthyristorventil, in welchem mehrere hundert Thyristoren in Reihe geschaltet sind, waren zum Schutz des Thyristorventils gegen Überspannungsstoßwellen Spannungsteilerwiderstände oder Anoden zündende Lawinendioden eingesetzt. Es ergibt sich dadurch eine komplizierte Schutzschaltung, was besonders wegen des klobigen Aufbaus, jedoch auch wegen der Kosten, von Nachteil ist.

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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird gemäß der Erfindung ein Halbleiterelement geschaffen, dessen innerer Aufbau derart ist, daß er eine Schutzfunktion für das Element gegen Überspannungsstoßwellen übernimmt. Die besondere Maßnahme der Erfindung besteht darin, daß ein schweres Metall wie Platin oder Gold, das ein tiefes Verunreinigungsniveau im Halbleitersubstrat schafft, in einen Gate-Bereich hineindiffundiert wird, so daß der spezifische Widerstand (der dann eine ankommende Spannung sperrt) einer zweiten Basisschicht innerhalb des Bereichs, in dem das schwere Metall eindiffundiert ist, höher ist als derjenige der zweiten Basisschicht außerhalb dieses Bereichs.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen nähex erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild über die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von der Golddichte;

Fig. 2 ein Diagramm der Abhängigkeit der spezifischen . Widerstände von der Verarmungsschichtdicke vor und nach der Diffusion von Gold;

Fig. 3 eine schematisierte Schnittansicht eines herkömmlichen, gate-gesteuerten Verstärkerthyris

tors;

Fig. 4 ein Erläuterungsdiagramm, das das Profil des Ausbreitungswiderstandes im Thyristor in Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen gate-gesteuerten

Verstärkerthyristor mit erfindungsgemäßem Aufbau in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 6 ein Diagramm, das das Profil des Ausbreitungswiderstandes im Thyristor in der Fig. 5 wiedergibt ;

Fig„ 7 Schnittdarstellungen, die Zustände einer Verarund 8 mungsschicht zeigen, die erreicht werden, wenn eine Gleichspannung und eine Impulsüberspannung an den Thyristor nach Fig. 5 angelegt werden;

Fig. 9 einen Thyristor nach einer zweiten Ausführungsform im Schnitt; und'

Fig„ 10 ein Diagramm des Profils des Ausbreitungswiderstandes des Thyristors nach Fig. 9. 15

Fig ο 1 zeigt die Beziehung zwischen verschiedenen Golddichtewerten und dem spezifischen Widerstand (p) für den Fall, daß Gold in ein n-Siliziumsubstrat eindiffundiert ist. Es gilt folgende Beziehung?

L rc_D - n_& e_c -Έ_Α

^{P =}

qn μ ⁼ qu(N_Au -N₀- N_&) ⁹A ^NC ^eXp kT

worin q die Ladungsmenge, η die Zahl der Elektronen, μ die Beweglichkeit, N die Golddichte, N die Zahl von Donatoren, N die Zahl von Akzeptoren, g die Äkzeptorniveauum-Wandlungswirksamkeit, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, W_ die effektive Dichte des Leitfähigkeitsbandes, E_c das Energieniveau des Leitfähigkeitsbandes und E das Edelmetallenergieniveau in Silizium sind.

Aus Fig. 1 ifird deutlich, daß der spezifische Widerstand eines Halbleitersubstrats durch Golddiffusion geändert wird, und bei Anlegen einer Spannung erhöht sich die Verarmungsschichtdicke im Verhältnis zum spezifischen Widerstand der Basisschicht.

Fig. 2 zeigt Messungen der Verarmungsschichtdicke von drei Dioden mit p-n-Ubergang, deren spezifischer Widerstand bei Anlagen einer Gleichspannung und einer Impulsspannung unterschiedlich ist, wobei unterschiedliche Goldmengen hineindiffundiert sind, und Messungen der Verarmungsschichtdicke vor dem Diffundieren von Gold. Es zeigt sich aus Fig. 2, wenn mit Gleichspannung gemessen wird, daß die Verarmungsschichtdicke vor und nach der Diffusion von Gold unverändert bleibt. Wird jedoch mit Impulsspannung gemessen, dann kann die Verarmungsschichtdicke praktisch theoretisch aus dem erhöhten spezifischen Widerstand erhalten werden.

Das bedeutet, das spezifische Wesen der Erfindung besteht darin, diese Tatsachen zum Schutz eines Halbleiterelementes gegen öberspannungsspitzen oder Impulse zu verwenden.

Die Erfindung wird nun im einzelnen mit bezug auf einen Fall der Anwendung des technischen Konzepts bei einem Thyristor beschrieben.

Fig. 3 zeigt einen sogenannten "gate-gesteuerten Verstärkerthyristor". Der Thyristor wird folgendermaßen hergestellt: Zuerst wird ein Hilfsthyristorteil gebildet, der aus einer ersten Hilfsemitterschicht 5 einer elektrischen Leitfähigkeit, einer ersten Basisschicht 2 einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, einer zweiten Basisschicht 1 mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit und einer zweiten Emitter- schicht 4 mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit besteht, die in der angegebenen Reihenfolge zwischen einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates und der anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind. Ein auf einer Oberfläche freiliegender Bereich 6 bildet das Gate der ersten Basisschicht 2. Es wird dann ein Hauptthyristorteil hergestellt, der anstelle der ersten Hilfsemitterschicht 5 eine erste

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Emitterschicht 3 aufweist. Ein an einer Oberfläche freiliegender Bereich 7 dient als Gate der ersten Basisschicht Die übrigen Schichten sind mit denen des Hilfsthyristoreinheitlicho Es wird dann eine Gateelektrode 8 auf dem Bereich 6 und eine Hilfselektrode 9 über der ersten Hilfsemitterschicht 5 und dem Bereich 7 sowie eine Kathodenelektrode 10 und eine Anodenelektrode 11 auf der ersten Emitterschicht 3" bzw» der zweiten Emitter schicht 4 ausgebildet.

Kommt auf den so aufgebauten Thyristor eine Stoßüberspannung, so tritt im Abschnitt (A-A), wo der Widerstand der zxtfeiten Basisschicht 1 am geringsten ist, ein Lawinendurchforuch auf» Dies hängt damit zusammen, daß der spezifische Widerstand der zweiten Basisschicht 1 aufgrund von Grenzen im Herstellungsverfahren um + 5 % schwankt. Der Thyristor geht aufgrund des Lawinendurchbruchs in diesem kleinen Bereich in den Durchlaßzustand. Da die Einschaltausbreitungsgeschwindigkeit sehr gering, 0,1 mm / us,' ist, ist der Einschaltstrom (i_BQ) örtlich sehr begrenzt, was zu ei-

nem Temperaturanstieg und damit zu der bereits beschriebenen Zerstörung führt. Der Ausbreitungswiderstand des Halbleiterelementes in Fig. 3 hat ein Profil, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.

In den Figuren 5 bis 8 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Sofern Teile übereinstimmen, sind in den Figuren 5 und 3 dieselben Bezugszeichen verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im schraffierten Bereich a zwischen den ersten Hilfsemitterschichten 5 und durch die Schichten 2, 1 und 4 hindurch selektiv Gold eindiffundiert.

Das selektive Diffundieren von Gold kann unter Verwendung einer Maske aus phosphorisiertem Glas oder einem Oxidfilm

erfolgen. Die Beschreibung dieses Verfahrens ist an dieser Stelle weggelassen, da sie zum Stand der Technik gehört. Der Thyristor dieses Ausführungsbeispiels gehört zur 4000 V-Klasse mit einem spezifischen Widerstand (p) von 260 Ωαη und einer Dicke von 760 μΐη. Beim Eindiffundieren des Goldes in den schraffierten Bereich a hat dieses eine Temperatur von 820 ⁰C, seine Dichte beträgt 2,5 bis 3,7 χ χ 10 /cm³. Der Ausbreitungswiderstand im Diffusionsbereich ist ungefähr 4x10 Ω . Das Profil des Ausbreitungs-Widerstandes ist in der Fig. 6 dargestellt.

Wenn an den oben beschriebenen Thyristor mit einem Ausbreitungswiderstand gemäß Fig. 6 eine Gleichspannung angelegt wird, ist der Zustand der Verarmungsschicht so, daß die Verarmungsschichtdicke dieselbe ist wie die, die vor dem Hineindiffundieren des Goldes vorlag, wie in Fig. 7 gezeigt. Wenn jedoch eine Impulsspannung von mehr als 4000 V an den Thyristor angelegt wird, dehnt sich die Verarmungsschicht in den Bereich, in dem das Gold eindiffundiert worden ist, gemäß der Darstellung der Fig. 8 aus. Wenn der Ausbreitungswiderstand in der Größenordnung von 4 χ 10· Ω liegt, ist die Dicke der Verarmungsschicht ungeführt 760 μπι. D.h., die Verarmungsschicht dehnt sich in die zweite Emitterschicht 4 hinein aus, womit ein Durchgriff erfolgt. Der Strom i_ß0 fließt nur im Durchgriffsbereich, d.h., im Bereich a, dessen spezifischer Widerstand durch das eindiffundierte Gold erhöht ist, so daß als Folge davon der Hilfsthyristorabschnitt eingeschaltet wird und dann der Hauptthyristorteil, der eine lange Dauer besitzt, eingeschaltet wird. Es kann damit eine örtliche Stromkonzentration vermieden werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist Gold in den schraffierten Bereich a eindiffundiert, der keine

erste Hilfsemitterschicht 5 enthält, um den spezifischen Widerstand der zweiten Basisschicht 1 zu erhöhen. Wenn jedoch andere elektrische Eigenschaften wie z. B. minimaler Gate-AuslÖsestrom unberücksichtigt bleiben können, kann Gold in den schraffierten Bereich b eindiffundiert werden, der die erste Hilfsemitterschicht 5 mit einschließt, wie in Fig. 9 gezeigt. In diesem Fall besitzt der Ausbreitungswiderstan'd ein Profil, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel können dieselben Wirkungen erzielt werden.

Gemäß Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist das technische Konzept der Erfindung bei einem gate-gesteuerten Verstärkerthyristor angewendet. Es kann jedoch auch bei einem gewöhnlichen FI-Gate-Thyristor eingesetzt werden, da letzterer dem gate-gesteuerten Verstärkerthyristor äquivalent ist, wenn der Hilfsthyristorteil in Betracht gezogen wird. Die Erfindung läßt sich auch bei einem Halbleiterelement mit einer Steuerelektrode verwenden. Sie ist genauer gesagt mit denselben Wirkungen bei Gates von GTO, GATT, usw. anwendbar. Es versteht sich ohne weitere Ausführungen, daß statt Gold auch andere Schwermetallverunreinigungen, beispielsweise Platin, eindiffundiert werden können.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß bei Auftreten einer Impulsüberspannung der Durchlaßbereich auf den Hilfsthyristorteil begrenzt wird, in den die Schwermetallverunreinigungen eindiffundiert sind. Es wird dadurch möglich, eine Zerstörung des Halbleiterelementes durch überspannungsimpulse zu verhindern.

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Claims

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Halbleiterelement

' Patentansprüche

(p Halbleiterelement mit einer ersten Emitterschicht von einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, einer ersten Hilfsemitterschicht der ersten elektrischen Leitfähigkeit, einer ersten Basisschicht einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, einer zweiten Basisschicht der ersten elektrischen Leitfähigkeit und einer zweiten Emitterschicht der zweiten elektrischen Leitfähigkeit, die in der angegebenen Reihenfolge von einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats zur anderen Hauptoberfläche derart ausgebildet sind, daß sie aneinander angrenzen, wobei die erste Basisschicht zum Teil auf der einen Hauptoberfläche zur Bildung eines Gate-Bereichs freiliegt,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwermetallverunreinigung, deren Dichte höher ist als die Verunreinigungsdichte, die die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Basisschicht (1) bestimmt, selektiv in einen bestimmten Bereich eindiffundiert ist, der sich durch den Gate-Bereich (6) und jede der Schichten (2, 1, 4} erstreckt, um den spezifischen Widerstand der zweiten Basisschicht (1) innerhalb des speziellen Bereiches Ca)' größer als den spezifischen Widerstand der zweiten Basisschicht (1) außerhalb des spezieilen Bereichs zu machen.
2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallverunreinigung Gold ist.
3. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallverunreinigung Platin ist.
4. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sich der spezielle Bereich (b) bis unterhalb der ersten Hilfsemitterschicht (5) ausdehnt. 15