DE102004040524B4

DE102004040524B4 - Thyristor mit gleichmäßigem Zündverhalten

Info

Publication number: DE102004040524B4
Application number: DE102004040524A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Uwe Kellner-Werdehausen
Original assignee: Infineon Technologies AG; EUPEC GmbH
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-08-21
Also published as: DE102004040524A1

Abstract

Thyristor, der folgende Merkmale aufweist:
– einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind,
– eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), und
– zumindest eine in der p-dotierten Basis zwischen der Zündstruktur (10, 95) und dem n-dotierten Hauptemitter (5) ausgebildete Widerstandszone (64),
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Widerstandszone (64) einen richtungsabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand (R64) aufweist, der von der Orientierung der Kristallgitterstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper (1) abhängt und der so gewählt ist, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich ausgehend von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen bis zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der Zündausbreitungsrichtung ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor, der einen monokristallinen Halbleiterkörper aufweist, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Hauptemitter angeordnet sind.
Die Zündung eines derartigen Thyristors beginnt durch einen Zündimpuls am Ort des ersten Spannungsdurchbruchs, der sich von dort in Richtung des n-dotierten Hauptemitters ausbreitet. Der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs ist durch eine Zündstruktur festgelegt, die beispielsweise durch Licht oder elektrisch ansteuerbar ist.
Wegen der Kristallstruktur des Halbleiterkörpers gibt es Vorzugsrichtungen, in denen die Zündausbreitung schneller erfolgt als in anderen Richtungen. Die Lage bzw. Richtung dieser Vorzugsrichtungen hängt im Wesentlichen vom Aufbau des Halbleiterkörpers, insbesondere von dessen Kristallstruktur sowie deren Orientierung in Bezug auf den Halbleiterkörper, in den die Halbleiterzonen des Thyristors integriert sind, ab.

Das Zündverhalten eines herkömmlichen Thyristors ist in Voss, P.: "Observation of the Initial Phases of Thyristor Turn-On", Solid-State Electronics 1974, Seite 879–880, Pergamon Press, beschrieben, wobei der untersuchte Thyristor einen monokristallinen Silizium-Halbleiterkörper mit einer (111)-Vorderseiten-Orientierung aufweist.

1 zeigt einen Abschnitt eines optisch zündbaren Thyristors mit integrierter Durchbruchstruktur gemäß dem Stand der Technik in Seitenansicht im Querschnitt. Der Thyristor ist rotationssymmetrisch bezüglich der Achse A-A', die in vertikaler Richtung durch den Mittelpunkt des Bauelements verläuft.

Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1, der in der vertikalen Richtung ausgehend von einer Rückseite 12 aufeinanderfolgend einen p-dotierten Emitter 8, eine sich an den p-dotierten Emitter 8 anschließende n-dotierte Basis 7, eine sich an die n-dotierte Basis 7 anschließende p-dotierte Basis 6 und einen n-dotierten Hauptemitter 5, der zusammen mit mehreren n-dotierten Hilfsemittern 51 in die p-dotierte Basis 6 eingebettet ist, aufweist. Die n-dotierten Emitter 5 und 51 sind derart in die p-dotierte Basis 6 eingebettet, dass sich diese in Abschnitte unterteilen lässt, von denen einige unterhalb der n-dotierten Emitter 5, 51 und andere zwischen benachbarten n-dotierten Emittern 5, 51 angeordnet sind.

In einem Zentralbereich des Thyristors ist eine Durchbruchstruktur 10 vorhanden, die als Durchbruchsdiode oder BOD-Struktur (BOD = Break Over Diode) ausgebildet ist. Diese Durchbruchstruktur ist dadurch gebildet, dass sich die n-dotierte Basis 7 in diesem Bereich abschnittweise weiter als in den übrigen Bereichen in Richtung der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt, wobei benachbart zu diesem Bereich gekrümmte Abschnitte 61, 62 der p-dotierten Basis 6 gebildet sind. Im Bereich der gekrümmten Abschnitte 61, 62 ist die Feldstärke bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, bei der der pn-Übergang zwischen der n-dotierten Basis 7 und der p-dotierten Basis 6 gesperrt ist, gegenüber der Feldstärke in den übrigen Bereichen des Thyristors erhöht, wodurch der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs beim Zünden des Thyristors auf die Durchbruchstruktur 10 festgelegt ist. Des weiteren lässt sich der Thyristor auch optisch zünden, wenn im Bereich der Oberfläche der Durchbruchstruktur 10 ein optisches Zündsignal in Form von Licht eingestrahlt wird, wobei das Licht bevorzugt mittels eines Lichtleitersystems an den Bereich der Oberfläche der Durchbruchstruktur 10 geleitet wird. Die Wellenlänge des Lichtes liegt typischerweise im Bereich zwischen 0,8 μm bis 1,1 μm.

Die n-dotierten Hilfsemitter 51 sind zwischen der Zündstruktur, also beispielsweise einem Gateanschluss und/oder einer Durchbruchstruktur und/oder einem lichtempfindlichen Bereich des Thyristors, und dem n-dotierten Hauptemitter 5 angeordnet und wie eingangs beschrieben in die p-dotierte Basis 6 eingebettet, wobei jeder n-dotierte Hilfsemitter 51 Teil eines Hilfsthyristors ist, der eine Zündstufe darstellt.

Neben der Durchbruchstruktur 10 ist noch ein Gateanschluss 95 vorgesehen, der an der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 angeordnet ist. Der Gateanschluss 95 ist für eine elektrische Ansteuerung des Thyristors vorgesehen und kann zusätzlich oder alternativ zu einer lichtempfindlichen Zündstruktur bzw. zu einer integrierten Durchbruchsstruktur 10 vorgesehen sein.

Die Zündung des Thyristors kann durch Anlegen einer hohen Vorwärtsspannung oder bei anliegender Vorwärtsspannung auch durch einen im Bereich der Durchbruchstruktur 10 auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 einfallenden Lichtimpuls bzw. durch einen Zündstrom am Gateanschluss 95 ausgelöst werden. Die Zündung breitet sich dann ausgehend von der Durchbruchstruktur 10 bzw. dem Gateanschluss 95 in lateraler Richtung, d.h. bei dem hier vorliegenden rotationssymmetrischen Thyristor in radialer Richtung, zum n-dotierten Hauptemitter 5 hin aus.

Wie erwähnt ist die Zündausbreitungsgeschwindigkeit, insbesondere in lateraler Richtung, richtungsabhängig, d.h. es gibt laterale Vorzugsrichtungen, in denen die Zündausbreitung schneller erfolgt als in anderen Bereichen des Thyristors.

Die Lage dieser Vorzugsrichtungen ist insbesondere abhängig von der Art und von der Kristallstruktur des Halbleitermaterials, aus dem der Halbleiterkörper 1 gebildet ist, sowie von der Orientierung dieser Kristallstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper 1. In 1 ist eine derartige Vorzugsrichtung V1, die in diesem Fall eine Vorzugsrichtung mit der höchsten in lateraler Richtung auftretenden Zündausbreitungsgeschwindigkeit angibt, durch einen Pfeil dargestellt.

Die Zündung breitet sich ausgehend von der Durchbruchstruktur 10 bzw. dem Gateanschluss 95 in der Vorzugsrichtung V1 schneller in Richtung des n-dotierten Hauptemitters 5 aus als beispielsweise in der entgegengesetzten Richtung. Dabei schalten zu Beginn der Zündung die einzelnen n-dotierten Hilfsemitterstufen 51 und der Hauptemitter 5 räumlich nicht homogen ein, sondern das Einschalten der einzelnen Hilfsemitterstufen und des Hauptemitters beginnt jeweils lokal auf eine sehr kleine Stelle begrenzt am Schnittpunkt der Vorzugsrichtung V1 mit den jeweiligen Innenradien bzw. Innenkanten der konzentrisch angeordneten, n-dotierten Hilfs- bzw. Hauptemitter 51 bzw. 5. Danach vergrößert sich ausgehend von dieser lokalen Stelle die eingeschaltete Fläche in radialer Richtung von innen nach außen und folgt dann der geometrischen Form der n-dotierten Hilfsemitter 51 bzw. erstreckt sich dann immer weiter in die große Fläche des n-dotierten Hauptemitters 5 hinein. Dadurch schalten die Bereiche der n-dotierten Emitterstufen außerhalb der Vorzugsrichtungen umso später ein, je weiter sie von der Vorzugsrichtung weg liegen.

Dabei nimmt beim Einschaltvorgang, der durch das Zünden initialisiert wurde, die eingeschaltete stromtragfähige Fläche der Hilfs- und des Hauptemitters 51, 5 immer weiter zu, bis im Idealfall die gesamten Flächen der jeweiligen n-dotierten Hilfsemitter 51 und des Hauptemitters 5, also auch die Bereiche außerhalb der Vorzugsrichtungen, eingeschaltet sind und Strom führen können.

Dabei Zünden zeitlich aufeinanderfolgend zunächst die einzelnen, die n-dotierten Hilfsemitter 51 umfassenden Hilfsthyristoren und letztlich auch der Hauptthyristor mit seinem n- dotierten Hauptemitter 5 von innen nach außen. Am Ende des gesamten Einschaltvorganges wird dann der Hauptemitter eingeschaltet und übernimmt den Strom bis er ganzflächig leitend ist, wobei die im Zentralbereich des Thyristors angeordneten Hilfsthyristoren von innen nach außen zeitlich nacheinander wieder ausschalten bzw. verlöschen, nachdem die jeweils nachfolgenden Emitterstufen und der Hauptemitter ganzflächig leiten bzw. eingeschaltet sind. Am Ende des stufenweise verlaufenden Einschaltvorgangs ist dann nur noch der Hauptthyristor mit seinem n-dotierten Hauptemitter 5 stromführend.

Einen Horizontalschnitt durch den Thyristor in der in 1 dargestellten Ebene B-B' zeigt 2. Um die im Zentralbereich des Thyristors angeordnete Durchbruchstruktur 10 sind abwechselnd mehrere als konzentrische Kreisringe ausgebildete Hilfsemitter 51 sowie ebenfalls mehrere als konzentrische Kreisringe ausgebildete Abschnitte der p-dotierten Basis 6 angeordnet. Daran schließt sich der n-dotierte Hauptemitter 5 an.

Die bereits in 1 dargestellte Vorzugsrichtung V1, in der die Zündausbreitungsgeschwindigkeit des Thyristors zwischen der Durchbruchstruktur 10 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 in lateraler Richtung am höchsten ist, sowie zwei weitere Vorzugsrichtungen V2, V3, welche dieselben Eigenschaften bezüglich der Zündausbreitungsgeschwindigkeit und des oben beschriebenen inhomogenen räumlichen Einschaltens aufweisen wie die Richtung V1, schließen in azimutaler Richtung paarweise jeweils einen Winkel von 120° ein. Die azimutale Richtung ist gegeben durch einen Winkel φ, der in der Ebene der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 aufgespannt ist.

Die Lage der Vorzugsrichtungen V1, V2 und V3 resultiert aus der speziellen Symmetrie der Kristallstruktur des Halbleiterkörpers 1 sowie aus der Orientierung dieser Kristallstruktur in Bezug auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1.

Zündet der Thyristor, beispielsweise im Bereich der Durchbruchstruktur 10 oder des Gateanschlusses 95, so breitet sich die Zündung in den Vorzugsrichtungen V1, V2 und V3 schneller aus als in den anderen Richtungen zwischen der Durchbruchstruktur 10 bzw. dem Gateanschluss 95 und dem n-dotierten Hauptemitter 5. Dadurch ist auch die eingeschaltete oder leitende Fläche der einzelnen n-dotierten Hilfsemitter 51 und des Hauptemitters 5, die nacheinander von dem jeweils davor liegenden Hilfsemitter 51 bzw. von der Durchbruchstruktur 10 oder dem elektrischen Gatekontakt 95 gezündet werden, zu Beginn des Zündvorganges räumlich nicht homogen. Die Zündung einer Zündstufe bzw. des Hauptthyristors beginnt punktuell an den Schnittpunkten der Innenradien der Hilfsemitter 51 bzw. des Hauptemitters 5 mit den Schnittpunkten mit den drei Vorzugsrichtungen V1, V2 und V3 und breitet sich dann von diesen Schnittpunkten aus innerhalb des ganzen n-dotierten Gebietes des jeweiligen Hilfsemitters 51 bzw. des Hauptemitters 5 aus.

Eine derart ungleichmäßige Zündausbreitung kann dazu führen, dass die einzelnen Hilfsemitter 51 und der Hauptemitter 5 in den Richtungen höherer Zündausbreitungsgeschwindigkeit lokal begrenzt einschalten, wodurch an den einzelnen Emitterstufen 51 und 5 in den Bereichen um die Schnittpunkte der Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 mit den jeweiligen Innenkanten der n-dotierten Hilfs- bzw. Hauptemitter 51 bzw. 5 zu Beginn ihres Zünd- und Einschaltvorganges sehr hohe Stromdichten auftreten können, durch die der Thyristor an diesen Stellen zerstört wird, bevor eine Zündung bzw. das Einschalten der n-dotierten Emitterstufen 51 und 5 in den übrigen Bereichen außerhalb der jeweiligen Schnittpunkte erfolgt.

Die WO 00/51187 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung der Durchbruchspannung eines Thyristors. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, die n-Nettodotierung in einer n-Basis dieses Thyristors unterhalb einer BOD-Struktur (BOD = Break Over Diode) durch Ionenbestrahlung einzustellen. Diese Ionen erzeugen Störstellen in der Basis, die der n-Grunddotierung dieser Basis entgegenwirken.

Die DE 24 22 748 C3 beschreibt einen Thyristor mit einer Emitterzone, die durch eine Emitterelektrode kontaktiert ist, und einer Basiszone, die von einer Steuerelektrode kontaktiert ist. Die Basiszone ist dabei von der Emitterzone umgeben, und die Steuerelektrode ist in einer Aussparung der Emitterelektrode angeordnet. Die Steuerelektrode, ein Rand der Emitterelektrode und ein Rand der Emitterzone weisen dabei wenigstens eine gerade Kante auf, die zueinander parallel liegen, wobei wenigstens eine der geraden Kanten der Steuerelektrode einen Abstand zu der gegenüberliegenden geraden Kante des Emitterrandes hat, der kleiner als der Abstand zwischen der Steuerelektrode und dem Emitterrand an den übrigen Teilen des Umfangs des Emitterrandes ist.

Die US 4,651,188 beschreibt einen Thyristor, der so realisiert ist, dass wenigstens ein stromleitender Pfad für einen Zündstrom parallel zu der <2nn>-Kristallachse verläuft.

Die JP 58003284 A beschreibt einen Thyristor in dessen p-Basis Gräben angeordnet sind, um den Zündstrom des Thyristors in bestimmten Kristallrichtungen zu begrenzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Thyristor bereitzustellen, bei dem ein sich in verschiedene laterale Richtungen ausbreitender Zündvorgang einzelner n-dotierter Hilfsemittergebiete bzw. Hauptemittergebiete unabhängig von der lateralen Zündausbreitungsrichtung im wesent lichen gleichmäßig von den Orten der ersten Zündung bis zum Hauptemitter verläuft, um ein gleichmäßigeres Zündverhalten des Thyristors zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch einen Thyristor gemäß den Ansprüchen 1, 8, 11, 14, 17 und 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Thyristor umfasst einen monokristallinen Halbleiterkörper, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Hauptemitter angeordnet sind. Des weiteren umfasst der Thyristor eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter angeordnete Zündstruktur. Der Halbleiterkörper weist dabei eine Kristallstruktur auf, die von dem verwendeten Halbleitermaterial abhängig ist.

Das erfindungsgemäße Prinzip beruht darauf, einen Thyristor so zu gestalten, dass die in den Vorzugsrichtungen höhere Zündausbreitungsgeschwindigkeit gegenüber den anderen Richtungen durch geeignete Maßnahmen derart herabgesetzt wird, dass verschiedene Zündimpulse, die sich von den Orten der Zündimpulsgeneration bzw. der Zündimpulseinkopplung in Richtung des nachfolgenden n-dotierten Hilfsemitters bzw. des Hauptemitters ausbreiten, sich in alle lateralen Richtungen gleich schnell fortpflanzen und somit die jeweils nachfolgende Stufe möglichst gleichzeitig erreichen und gleichzeitig zum Zünden bringen.

Ein n-dotierter Hilfs- bzw. Hauptemitter ist dabei so ausgeführt, dass die Einschaltgeschwindigkeit in den die Vorzugsrichtungen umgebenden Bereichen verringert bzw. so herabgesetzt wird, dass das Einschaltverhalten der gesamten Thyristorstruktur, die neben Hilfs- und Hauptemittern, Gateanschlüsse zur elektrischen Zündung, eine Durchbruchstruktur zum Festlegen des Ortes des ersten Spannungsdurchbruchs oder zur optischen Zündung umfassen kann, gleichmäßiger bzw. weniger richtungsabhängig wird.

Dabei bedeutet "Ort der Zündimpulsgeneration bzw. der Zündimpulseinkopplung" den Ort der Zündstruktur, an dem die optische Zündung stattfindet, der gleichzeitig auch der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs ist, oder den Ort der externen Gatesignaleinspeisung, z.B. den Gatekontakt oder den Abschnitt der Hilfsemitterstufe eines eingeschalteten Hilfsthyristors, der den Zündstrom für einen nachfolgenden Hilfsthyristor bzw. den Hauptthyristor bereitstellt.

Das erfindungsgemäße Prinzip kann auf alle möglichen Ausführungsformen von Thyristoren angewandt werden, die in lateraler Richtung zwischen dem Ort des ersten Spannungsdurchbruchs, also insbesondere dem Ort einer Durchbruchstruktur oder dem Ort eines Gateanschlusses, und dem n-dotierten Hauptemitter eine Zündstufenstruktur aufweisen.

Im einfachsten Fall befindet sich im Zentralbereich des Thyristors nur ein elektrischer Gatekontakt, der vom n-dotierten Hauptemitter nur durch die p-dotierte Basis getrennt ist (elektrisch gezündeter Thyristor ohne Zündstufenstruktur).

Optional kann zwischen dem elektrischen Gateanschluss und dem n-dotierten Hauptemitter auch eine Zündstufenstruktur mit einem oder mehreren n-dotierten Hilfsemittern angeordnet sein, die jeweils durch Abschnitte der p-dotierten Basis voneinander getrennt sind (elektrisch gezündeter Thyristor mit Zündstufenstruktur).

Ein Thyristor, der einen festgelegten Ort des ersten Spannungsdurchbruchs, beispielsweise eine Durchbruchstruktur, besitzt und der eine zwischen diesem Ort und dem n-dotierten Hauptemitter angeordnete Zündstufenstruktur mit einer beliebigen Anzahl von Hilfsemittern aufweist, kann elektrisch durch eine Überspannung oder optisch durch einen Lichtpuls gezündet werden. Weist er darüber hinaus zwischen der Durchbruchstruktur und dem n-dotierten Hauptemitter zusätzlich einen elektrischen Gatekontakt auf, so kann er sowohl elektrisch durch einen Zündimpuls oder durch eine Überspannung als auch optisch durch Licht gezündet werden. Dabei sind alle beteiligten Strukturen auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers, d.h. insbesondere der n-dotierte Emitter, der Gateanschluss und die Hilfsemitter durch Abschnitte der p-dotierten Basis voneinander beabstandet. Diese Abschnitte der p-dotierten Basis können in lateraler Richtung gleiche oder bevorzugt unterschiedliche Breiten aufweisen.

Zur Realisierung eines Thyristors, der ein weniger richtungsabhängiges Zünd- und Einschaltausbreitungsverhalten zeigt, sind erfindungsgemäß zwei Varianten vorgesehen, die sowohl einzeln als auch gemeinsam angewandt werden können.

Die erste dieser Varianten besteht darin, den elektrischen Widerstand der p-dotierten Basis außerhalb aller n-dotierten Hilfsemitter an geeigneten Stellen zwischen dem Ort des ersten Spannungsdurchbruchs und dem n-dotierten Hauptemitter in einem Abschnitt oder in mehreren Abschnitten abhängig von den eingangs erwähnten Vorzugsrichtungen, d.h. abhängig von der Kristallstruktur des Halbleiterkörpers und deren Orientierung in Bezug auf die Vorderseite des Halbleiterkörpers, anzupassen und damit die Zündausbreitungsgeschwindigkeit ebenfalls richtungsabhängig zu verändern. Idealerweise wird der elektrische Widerstand von Abschnitten der p-dotierten Basis, die in lateraler Richtung außerhalb der Bereiche, in denen die n-dotierten Hilfsemitter 51, die Durchbruchstruktur, der Gateanschluss und der n-dotierten Hauptemitter angeordnet sind, in Abhängigkeit von den Vorzugsrichtungen entsprechend angepasst.

Hierdurch kann erreicht werden, dass der Einschaltvorgang des Thyristors, der bei einem Thyristor gemäß dem Stand der Technik in unterschiedlichen lateralen Richtungen unterschiedlich schnell abläuft, vom Ort der ersten Zündung, z.B. vom Gateanschluss oder von der Durchbruchstruktur, bis zum n-dotierten Hauptemitter im wesentlichen richtungsunabhängig verläuft oder zumindest weniger richtungsabhängig ist als bei einem Thyristor gemäß dem Stand der Technik.

Die zweite Variante besteht darin, die Zündempfindlichkeit der einzelnen Zündstufen, die jeweils einen n-dotierten Hilfsemitter aufweisen, sowie den Hauptthyristor mit dem Hauptemitter an die Vorzugsrichtungen anzupassen.

Bei einem derartigen Thyristor ohne bzw. mit einer oder mehreren Hilfsthyristoren hängt die Zündausbreitungsgeschwindigkeit in einer Zündausbreitungsrichtung neben den bereits erläuterten Widerständen der Abschnitte der p-dotierten Basis von der Zündempfindlichkeit des Haupthyristors und – sofern vorhanden – der einzelnen Hilfsthyristoren ab. Je höher die Zündempfindlichkeit eines Hilfs- bzw. des Hauptthyristors in einer Ausbreitungsrichtung ist, desto höher ist auch die Zündausbreitungsgeschwindigkeit in dieser Richtung.

Die zweite Variante sieht daher vor, die Zündempfindlichkeit einer oder mehrerer Hilfstyhristoren und optional auch des Hauptthyristors in verschiedenen lateralen Zündausbreitungsrichtungen des Halbleiterkörpers in Abhängigkeit von den eingangs erwähnten Kristall-Vorzugsrichtungen so zu verändern, dass ein Zündimpuls, der sich in verschiedene laterale Richtungen unterschiedlich schnell ausbreitet, den n-dotierten Hauptemitter und gegebenenfalls vorhandene Amplifying Gates (AG) richtungsunabhängig gleichzeitig oder zumindest im wesentlichen gleichzeitig erreicht. Diese Veränderung der Zündempfindlichkeit bzw. der Zündausbreitungsgeschwindigkeit kann dabei bei einer, bei mehreren oder bei allen Hilfsthyristoren sowie optional beim Hauptthyristor vorgenommen werden.

Die Zündempfindlichkeit eines Hilfsthyristors und des Hauptthyristors hängt im wesentlichen ab von den wirksamen Längen der Hilfsemitter und des Hauptemitters sowie vom elektrischen Widerstand des unterhalb des Hilfsemitters bzw. unterhalb des Hauptemitters angeordneten Abschnitts der p-dotierten Basis.

Die Zündempfindlichkeit eines Hilfsthyristors und des Hauptthyristors ist dabei umso höher, je länger der n-dotierte Hilfsemitter oder Hauptemitter des betreffenden Hilfsthyristors oder Hauptthyristors in Zündausbreitungsrichtung ist bzw. je hochohmiger der elektrische Widerstand des unter dem n-dotierten Hilfsemitter bzw. dem Hauptemitter angeordneten Bereiches der p-dotierten Basis ist.

Die Länge der n-Hilfsemitter oder des n-Hauptemitters gemessen in einer lateralen Zündausbreitungsrichtung des Halbleiterkörpers wird im folgenden als "wirksame Länge" bezeichnet. Sofern der Hauptemitter eine Kurzschlussstruktur aufweist, ist die wirksame Länge des Hauptemitters dessen Länge ausgehend von einer Innenkante, d.h. einer dem Zentrum des Bauelements zugewandten Kante, bis zu dem ersten Kurzschluss.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die wirksame Länge des wenigstens einen Hilfsemitters richtungsabhängig so einzustellen, dass die Zündausbreitung im oben genannten Sinn unabhängig oder zumindest weniger abhängig von der Richtung erfolgt, als dies bei einem Thyristor gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.

Insbesondere bei einem Thyristor ohne Hilfsemitter wird die wirksame Länge des n-dotierten Hauptemitters richtungsabhängig im genannten Sinn entsprechend eingestellt.

Das Kristallgitter des Halbleiterkörpers eines erfindungsgemäßen Thyristors ist bezogen auf die Vorderseite von dessen Halbleiterkörper, d.h. bezogen auf dessen dem p-dotierten Emitter abgewandte Seite, bevorzugt so orientiert, dass das Kristallgitter eine N-zählige Rotationssymmetrie um eine zur Vorderseite des Halbleiterkörpers vertikale Achse aufweist, wobei N eine ganze Zahl repräsentiert.

Das für alle Halbleiterbauelemente wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium, welches eine Diamant-Gitterstruktur besitzt. Zur Herstellung von Thyristoren der genannten Art werden vor allem Siliziumkristalle der Orientierungen (111) und (100) eingesetzt, die im ersten Fall eine 3-zählige, im zweiten Fall eine 4-zählige Symmetrie besitzen. Daher werden im Folgenden nur diese beiden Fälle detailliert beschrieben. Sinngemäß lassen sich diese Ausführungen jedoch auf beliebige Halbleitermaterialien mit den unterschiedlichsten technisch sinnvollen Kristallgitteranordnungen mit beliebiger N-zähliger Rotationssymmetrie übertragen.

Ist der Halbleiterkörper aus (111)-Silizium gebildet, so ist die Ebene der Vorderseite des Halbleiterkörpers bevorzugt identisch mit der (111)-Ebene bzw. mit einer der kristallographisch gleichwertigen Ebenen. Besteht er dagegen aus (100)-Silizium, ist die Ebene der Vorderseite des Halbleiterkörpers bevorzugt identisch mit der (100)-Ebene bzw. mit einer der kristallographisch gleichwertigen Ebenen.

Im ersten Fall weist das Kristallgitter eine 3-zählige Rotationssymmetrie um eine vertikale, senkrecht zur Vorderseite des Halbleiterkörpers verlaufende Achse auf, beim zweiten Beispiel dagegen liegt eine 4-zählige Rotationssymmetrie um eine vertikale, senkrecht zur Vorderseite verlaufende Achse vor.

Bei einem Thyristor gemäß dem Stand der Technik breitet sich ein Zündimpuls bei Verwendung von (111)-Silizium am schnellsten in den Richtungen (211), (121) und (112) bzw. in kristallographisch gleichwertigen Richtungen und bei (100)-Silizium am schnellsten in den Richtungen (001), (010), (001) und (010) bzw. den entsprechenden kristallographisch gleichwertigen Richtungen aus. Die obige Darstellung der Ebenen bzw.

Richtungen entspricht dem System der Millerschen Indizierung. Aus darstellungstechnischen Gründen wird dabei anstelle des in der Kristallographie üblichen Überstrichs für das negative Vorzeichen eines Index ein Unterstrich verwendet.

Die folgende Tabelle gibt den beschriebenen Zusammenhang des hier betrachteten Halbleitermaterials mit dessen Kristallgitterstruktur, die bevorzugt als Vorderseite des Halbleiterkörpers verwendeten Ebenen sowie die dazu gehörenden lateralen Richtungen schnellster Zündausbreitung nochmals in tabellarischer Form wieder:

Bei einem erfindungsgemäßen Thyristor gemäß eines Ausführungsbeispiels, der ein homogenes Zündverhalten besitzt, ist der Widerstand der p-dotierten Basis zwischen zwei Hilfsemittern oder zwischen mehreren Hilfsemittern oder auch zwischen dem äußersten Hilfsemitter und dem Hauptemitter in den Vorzugsrichtungen, d.h. bei einem Thyristor aus (111)-Silizium in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) bzw. bei einem Thyristor aus (100)-Silizium in den lateralen Richtungen (001), (010), (001), (010) gegenüber allen anderen lateralen Richtungen erhöht.

Bei einem Thyristor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, der eine Zündstufenstruktur besitzt, ist die wirksame Länge zumindest eines Hilfsemitters in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) bzw. in den lateralen Richtungen (001), (010), (001), (010) gegenüber allen anderen lateralen Richtungen verkürzt.

Im einfachsten Fall ist bei einem erfindungsgemäßen Thyristor vorgesehen, die beschriebenen Maßnahmen, die die Zündausbreitungsgeschwindigkeit insbesondere in den Vorzugsrichtungen gegenüber anderen Zündausbreitungsrichtungen reduzieren, nur in jeweils einem bestimmten Winkelbereich, beispielsweise ±5° oder ±10°, um die Vorzugsrichtungen herum anzupassen, in denen ein Zündimpuls bei einem nicht angepassten und sonst gleichartigen Thyristor den n-dotierten Hauptemitter zuerst erreichen würde. Damit wird eine Angleichung der Laufzeit des Zündimpulses zwischen verschiedenen Zündausbreitungsrichtungen zwischen dem Ort des ersten Spannungsdurchbruches und dem n-dotierten Hauptemitter erzielt.

Im Idealfall ist die Laufzeit des Zündimpulses völlig unabhängig von einer betrachteten Zündausbreitungsrichtung. Dies setzt voraus, dass der Widerstand der p-dotierten Basis bzw. die Länge wenigstens eines n-dotierten Hilfsemitters kontinuierlich über alle Zündausbreitungsrichtungen angepasst ist.

Bevorzugt ist bei erfindungsgemäßen Thyristoren mit Zündstufenstruktur nicht nur die Laufzeit eines Zündimpulses zwischen dem Ort des ersten Spannungsdurchbruches und dem n-dotierten Hauptemitter richtungsunabhängig, sondern auch die Laufzeit zwischen zwei beliebigen Zündstufen, sowie zwischen dem Ort des ersten Spannungsdurchbruch und einer beliebigen Zündstufe bzw. zwischen einer beliebigen Zündstufe und dem n-dotierten Hauptemitter. Ist ein derartiger Thyristor zudem rotationssymmetrisch aufgebaut, breitet sich der Zündimpuls vom der Durchbruchsstruktur bzw. dem Gateanschluss bis hin zum n-dotierten Hauptemitter kreisförmig mit sich zeitlich vergrößerndem Radius aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Abschnitt eines Thyristors gemäß dem Stand der Technik in Seitenansicht im Querschnitt,
2 einen Horizontalschnitt durch einen Thyristor aus (111)-Silizium gemäß 1,
3 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors, der eine Widerstandszone aufweist, die durch Bestrahlung der p-dotierten Basis mit Teilchen erzeugt ist,
4 einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor gemäß 3 am Beispiel eines Thyristors mit (111)-Struktur, der eine Widerstandszone mit richtungsabhängiger Länge aufweist,
5 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem die Dicke der p-dotierten Basis abschnittsweise durch maskierte Eindiffusion mit Aluminium reduziert ist,
6 einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor gemäß 5 aus (111)-Silizium,
7a einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors mit Zündstufenstruktur, bei dem die Abmessung der n-dotierten Hilfsemitter in einer Vorzugsrichtung der Zündausbreitungsgeschwindigkeit durch Bestrahlen mit Teilchen verkürzt ist,
7b ein mögliches Verfahren zur Einstellung der Abmessungen der n-dotierten Hilfsemitter mittels maskierter Bestrahlung,
8 einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor aus (111)-Silizium mit Zündstufen struktur gemäß 7a mit einer von der lateralen Richtung abhängigen Länge der n-dotierten Hilfsemitter,
9 ein Diagramm mit einem Verlauf der Dicke der p-dotierten Basis, der Länge l eines Hilfsemitters, sowie des spezifischen elektrischen Widerstandes einer Widerstandszone eines rotationssymmetrischen Thyristors aus (111)-Silizium in Abhängigkeit von einem Azimutalwinkel φ.
10 einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor entsprechend 4, jedoch am Beispiel eines Thyristors mit (100)-Struktur,
11 einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor entsprechend 6, jedoch am Beispiel eines Thyristors mit (100)-Struktur,
12 einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Thyristor entsprechend 8, jedoch am Beispiel eines Thyristors mit (100)-Struktur,
13 ein Diagramm mit einem Verlauf der Dicke der p-dotierten Basis, der Länge l eines Hilfsemitters, sowie des spezifischen elektrischen Widerstandes einer Widerstandszone eines rotationssymmetrischen Thyristors entsprechend 9, jedoch aus (100)-Silizium, in Abhängigkeit von einem Azimutalwinkel φ,
14a einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors mit einer in einem Hilfsemitter angeordneten, p-dotierten Insel,
14b einen Querschnitt durch die p-dotierten Inseln eines Thyristors gemäß 14a,
15a einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors mit einem Kurzschlussstreifen, und
15b einen Querschnitt durch einen Thyristor gemäß 15a.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Halbleiterabschnitte mit gleicher Bedeutung.
3 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors, der einen Grundaufbau entsprechend des in 1 dargestellten Thyristors aufweist. Der dargestellte Ausschnitt entspricht dem in 1 rechts der Achse A-A' dargestellten Bereich zwischen der Durchbruchstruktur 10 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 in der Vorzugsrichtung V1.
Die Vorzugsrichtung V1 ist bestimmt durch das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 1, von dessen im wesentlichen monokristalliner Kristallstruktur, sowie von der Orientierung dieser Kristallstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper 1, insbesondere in Bezug auf dessen Vorderseite 11.
Der im Folgenden verwendete Begriff "Vorzugsrichtung" bezeichnet eine derjenigen Richtungen, in denen sich ein Zündimpuls eines Thyristors, bedingt durch die Symmetrie der Kristallstruktur des Halbleiterkörpers 1 und deren Orientierung in Bezug auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers, in lateraler Richtung zwischen dem Ort des ersten Spannungsdurchbruchs und dem n-dotierten Hauptemitter 5 bei sonst gleichen Verhältnissen am schnellsten ausbreitet.
Der dargestellte Thyristor weist des weiteren zwischen der Durchbruchstruktur 10 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 mehrere Zündstufen auf, die jeweils einen n-dotierten Hilfsemitter 51 umfassen. Die n-dotierten Hilfsemitter 51 einzelner Zündstufen sind in lateraler Richtung zueinander beabstandet angeordnet und in die p-dotierte Basis 6 eingebettet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hilfsemitter 51 jeweils durch Elektroden 91 kontaktiert die auf der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 angeordnet sind und die die Hilfsemitter 51 und die umliegende p-dotierte Basis 6 kurzschließen.
Zwischen zwei Abschnitten 65, 66 der p-dotierten Basis 6 des Thyristors ist in der p-dotierten Basis 6 eine Widerstandszone 64 ausgebildet, in der der spezifische Widerstand gegenüber den Abschnitten 65, 66 der p-dotierten Basis 6 erhöht ist. Die Widerstandszone 64 weist eine Länge l64 in lateraler Richtung auf. Diese Länge l64 und damit der Widerstand der Widerstandszone 64 ist abhängig von einer azimutalen Richtung φ so gewählt, dass sie in den Vorzugsrichtungen, beispielsweise in Richtung V1, oder in einem bestimmten Winkelbereich, beispielsweise ±5° oder ±10°, um diese Vorzugsrichtungen, größer ist als in lateralen Richtungen, die keine Vorzugsrichtung darstellen.
Die Widerstandszone 64 ist dadurch gebildet, dass in einen Abschnitt 64 der p-dotierten Basis 6 bevorzugt hochenergetische Teilchen, beispielsweise durch Bestrahlen, eingebracht sind. Diese Teilchen bewirken eine Veränderung der Kristallstruktur in dem bestrahlten Bereich derart, dass die Beweglichkeit der freien Ladungsträger verringert reduziert ist und somit der spezifische Widerstand in dem bestrahlten Bereich erhöht ist. Die Länge l64 der Widerstandszone 64 ist in den Vorzugsrichtungen, in dem Beispiel in der Richtung V1, am größten gewählt. Daraus resultiert eine Verringerung der Zündausbreitungsgeschwindigkeit des Anteils des Zündstromes, der in der Vorzugsrichtung V1 fließt.
Zur Bestrahlung für die Einstellung des Widerstandes eignen sich beispielsweise Helium- oder Sauerstoffatome bzw. deren Ionen oder auch Protonen. Sehr gut geeignet zur Bestrahlung sind auch Teilchen aus dem Material, aus dem der Halbleiterkörper gebildet ist, da diese nicht dotierend wirken.
Eine lokale Bestrahlung der p-dotierten Basis 6 zur gezielten Erzeugung der Widerstandszonen 64 in der Vorzugsrichtung V1 erfolgt unter Verwendung einer Maske 100, durch deren Öffnung 102 die bevorzugt hochenergetischen Teilchen in den Abschnitt 64 der p-dotierten Basis 6 eingestrahlt werden. Diese Maske 100 weist entlang der Vorzugsrichtungen zumindest abschnittweise eine oder mehrere Öffnungen 102 auf.
Bei der Bestrahlung dringen die Teilchen bis zu einer durch die Teilchenenergie bestimmten Eindringtiefe in den Halbleiterkörper 1 ein. Durch das Bestrahlen mit Teilchen verschiedener Energien oder durch mehrere, hintereinander ausgeführte Bestrahlungsschritte mit jeweils unterschiedlichen Teilchenenergien lässt sich die vertikale Ausdehnung der Widerstandszone 64 in der p-dotierten Basis 6 in weiten Grenzen beliebig einstellen.
Insbesondere ist es bei ausreichend hohen Teilchenenergien auch möglich, die Teilchen in vertikaler Richtung durch die Elektroden 91 in die p-dotierte Basis 6 einzustrahlen, so dass die Widerstandszone 64 vollständig oder abschnittweise unterhalb einer Elektrode 91 angeordnet sein kann.
Grundsätzlich kann die Widerstandszone 64 der p-dotierten Basis 6 an einer beliebigen Stelle zwischen der Durchbruchstruktur 10 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 angeordnet sein, wobei sie allerdings nicht unter einem der Hilfsemitter 51 liegen sollte, wenn eine Behinderung der Zündausbreitung gewünscht ist. Ebenso ist es möglich, auch mehrere derartiger Widerstandszonen 64 vorzusehen, die in Zündausbreitungsrichtung voneinander beabstandet sind.
Ein Horizontalschnitt durch diesen Thyristor in einer Ebene C-C' ist in 4 dargestellt. Der Thyristor ist, ein schließlich der Kristallstruktur seines Halbleiterkörpers 1, rotationssymmetrisch um eine zur Vorderseite 11 senkrechte Symmetrieachse. Bedingt durch die Kristallstruktur des Halbleiterkörpers 1, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus (111)-Silizium gebildet ist, sowie deren Orientierung in Bezug auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers ist diese Symmetrieachse 3-zählig. Dadurch weist der Thyristor drei kristallographisch zueinander äquivalente Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 auf.
Wäre der Halbleiterkörper aus (100)-Silizium gebildet, so ergäbe sich in entsprechender Weise eine Symmetrieachse mit 4-zähliger Rotationssymmetrie. In diesem Fall hätte der Thyristor vier kristallographisch zueinander äquivalente Vorzugsrichtungen.
Zwischen den Abschnitten 65 und 66 der p-dotierten Basis 6 ist die Widerstandszone 64 angeordnet. Ihre Länge l64 in lateraler Richtung, die bei dem hier vorliegenden rotationssymmetrischen Thyristor identisch ist mit der radialen Richtung, variiert mit dem Azimutalwinkel φ. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Länge l64 in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3, d.h. bei Azimutalwinkeln φ = 0°, φ = 120° bzw. φ = 240° am größten und in diesen Richtungen bevorzugt gleich. Dies ist insbesondere aus 4 ersichtlich.
Prinzipiell ist es in hinlänglich bekannter Weise möglich, den spezifischen Widerstand eines Halbleiters durch Einbringen von Teilchen sowohl zu erhöhen als auch zu erniedrigen. Ob eine Erhöhung oder eine Erniedrigung des spezifischen Widerstandes möglich ist, hängt insbesondere vom Ausgangszustand des bestrahlten Bereichs sowie von den gewählten Bestrahlungsparametern wie Anzahl, kinetische Energie und Art der eingestrahlten Teilchen ab. Anstelle die Länge des Widerstandsbereiches 64 zu variieren, besteht auch die Möglichkeit, dessen spezifischen Widerstand zu erhöhen, wobei der spezifische Widerstand in Bereichen, die in der Vorzugsrich tung liegen am höchsten zu wählen ist, um die Zündausbreitung zu homogenisieren.
Zur Bestrahlung eignen sich beispielsweise Helium- oder Sauerstoffatome bzw. deren Ionen oder auch Protonen. Sehr gut geeignet sind auch Teilchen aus dem Halbleitermaterial, aus dem der Halbleiterkörper gebildet ist. Eine lokale Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen lässt sich beispielsweise unter Verwendung strukturierter Metallmasken erreichen, die im Bereich der zu bestrahlenden Abschnitte Öffnungen aufweisen. Insbesondere durch die Art, die kinetische Energie und die Anzahl der eingebrachten Teilchen lässt sich der spezifische und damit der gesamte Widerstand der p-dotierten Basis einstellen, wobei zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Thyristors der Widerstand in Zündausbreitungsrichtung relevant ist.
Die obigen Ausführungen, wonach die Länge l64 eines Widerstandsbereiches 64 zu erhöhen ist oder dessen spezifischer Widerstand zu erhöhen ist, um die Zündausbreitung zu verlangsamen, gelten für Widerstandszonen, die in lateraler Richtung benachbart zu dem Hauptemitter oder einem Hilfsemitter liegen. Die Zündempfindlichkeit kann darüber hinaus auch durch eine Änderung des Widerstandes in der p-Basis unterhalb eines Haupt- oder Hilfsemitters 51 eingestellt werden. Eine solche Widerstandszone 84 ist in 3 ebenfalls dargestellt. Dabei steigt die Zündempfindlichkeit bei gegebener Länge des jeweiligen Emitters 51 mit zunehmendem Widerstand der p-Basis unterhalb des Emitters an. Zur Homogenisierung der Zündempfindlichkeit besteht damit auch die Möglichkeit, den Widerstand der p-Basis unterhalb der Emitter zu variieren, wobei der Widerstand in der Zone 84 unterhalb der Emitter in den Vorzugsrichtungen kleiner als in den übrigen Richtungen gewählt ist.
Eine andere Möglichkeit, den elektrischen Widerstand einer in der p-dotierten Basis ausgebildeten Widerstandszone 64 rich tungsabhängig einzustellen besteht darin, deren Dotierung und damit deren Widerstand richtungsabhängig zu verändern.
Dies kann ebenfalls durch eine maskierte Bestrahlung oder durch ein Diffusionsverfahren erfolgen, bei dem Dotierstoffe in den betreffenden, als Widerstandszone vorgesehenen Abschnitt der p-dotierten Basis eingebracht werden. Die Dotierungen der an die Widerstandszone angrenzenden Abschnitte der p-dotierten Basis unterscheiden sich dann von der Dotierung der Widerstandszone.
Eine Verringerung des elektrischen Widerstands kann durch Erhöhung der p-Dotierung, d.h. durch Einbringen p-dotierender Stoffe, wie beispielsweise Aluminium, erreicht werden, während durch Einbringen n-dotierender Stoffe eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes erzielt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit, den Widerstand der p-dotierten Basis 6 richtungsabhängig zu verändern, besteht darin, die Dicke d1, d2 und/oder die Länge l64 eines Abschnitts 64 der p-dotierten Basis 6 richtungsabhängig von einem Azimutalwinkel anzupassen. Um den Widerstand zu erhöhen, und damit die Zündausbreitung zu verlangsamen, ist die Dicke des p-dotierten Abschnitts 64 zu variieren, wie dies anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 5 gezeigt ist.
Dabei ist die Dicke d2 der p-dotierten Basis 6 in deren Abschnitt 64 in lateraler Richtung über eine Länge l64 gegenüber der Dicke d1 der p-dotierten Basis 6 in den an den Abschnitt 64 angrenzenden Abschnitten 65 und 66 reduziert. Der Abschnitt 64 weist einen dementsprechend höheren Widerstand auf und bildet so die Widerstandszone 64. Damit liegt auf Höhe der Schnittebene D-D' zwischen den Abschnitten 65 und 66 der p-dotierten Basis 6 ein Abschnitt 71 der n-dotierten Basis 7.
Es besteht die Möglichkeit, bei in azimutaler Richtung konstanter Länge l64 der Widerstandszone 64 nur deren Dicke d2 zu variieren, wobei die Dicke d2 in den Vorzugsrichtungen am geringsten ist. Entsprechend umgekehrt kann bei einer konstanten Dicke d2 auch nur die Länge l64 der Widerstandszone 64 in azimutaler Richtung variieren. Da der Widerstand mit zunehmender Länge reduzierter Dicke zunimmt, ist die Widerstandszone 64 in diesem Fall so gewählt, dass sie ihre größte Länge in den Vorzugsrichtungen aufweist, um die Zündausbreitung in den Vorzugsrichtungen zu verlangsamen. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, sowohl die Dicke d2 als auch die Länge l64 der Widerstandszone 64 in azimutaler Richtung zu variieren, um das gewünschte Ergebnis einer Reduktion der Geschwindigkeit der Zündausbreitung in den Vorzugsrichtungen zu erreichen.
Zur Herstellung einer p-dotierten Basis 6 mit unterschiedlichen Dicken d1, d2 eignet sich zum Beispiel ein Verfahren zur strukturierten Dotierstoff-Diffusion, wie es in dem Artikel H. J. Schulze et al.: "Realization of a High-Voltage Planar Junction Termination for Power Devices", Solid-State Electronics 1989, Band 32, Nr. 2, Seite 175–176, Pergamon Press, beschrieben ist.
Die Anwendung dieses Verfahrens wird nachfolgend kurz erläutert.
Zur Erzeugung der p-dotierten Basis in der schwach n-dotierten Basis wird bei diesem Verfahren an der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 eine p-dotierte Schicht 80 erzeugt und anschließend strukturiert. Diese p-dotierte Schicht kann insbesondere eine oberflächennahe Schicht des Halbleiterkörpers 1 sein, in die p-Dotierstoffatome mittels eines Implantationsverfahrens eingebracht werden. Die Strukturierung der Dotierstoffschicht 80 kann beispielsweise durch ein maskiertes nass- oder trockenchemisches Ätzverfahren oder durch maskiertes Abscheiden erzeugt werden.
Die Strukturierung der Dotierstoffschicht 80 bewirkt, dass bestimmte Bereiche der Dotierstoffschicht 80 eine bezogen auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 höhere Dotierstoff-Flächendichte aufweisen als andere Bereiche. In 5 ist die Dotierstoff-Flächendichte der Dotierstoffschicht 80 oberhalb der Abschnitte 64 der p-dotierten Basis 6 geringer als oberhalb der in lateraler Richtung an den Abschnitt 64 angrenzenden Abschnitte 65 und 66.
Nach der Strukturierung erfolgt ein Diffusionsschritt, beispielsweise einem Temperschritt, durch wodurch Dotierstoffe aus der strukturierten, an der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 angeordneten Dotierstoffschicht 80 in das Innere des Halbleiterkörpers 1 diffundieren, wodurch in Halbleiterkörper 1 ausgehend von dessen Vorderseite 11 eine p-dotierte Zone entsteht, die die p-dotierte Basis 6 bildet.
Die Dicke der p-dotierten Basis 6 hängt dabei von Dotierstoff-Flächendichte der p-dotierten Schicht 80 ab. Je höher die Dotierstoff-Flächendichte in einem bestimmten Abschnitt gewählt ist, desto größer ist auch die Dicke d1, d2 des resultierenden Abschnitts der p-Basis 6 in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 1.
Die größte Schichtdicke d1 der p-dotierten Basis 6 wird dabei in den Bereichen erzielt, in denen die p-dotierte Schicht 80 durchgehend ausgebildet ist, wodurch eine verhältnismäßig große Zahl dotierender Teilchen aus der p-dotierten Schicht 80 in den Halbleiterkörper 1 eindiffundieren kann.
Durch eine abhängig von der azimutalen Richtung gewählte Dotierstoff-Flächendichte entsteht eine Widerstandszone 64 mit richtungsabhängiger Dicke d2.
Infolge der geringeren Dicke d2 der p-dotierten Basis 6 im Bereich der Widerstandszone 64 ist zwischen den Abschnitten 65 und 66 der p-dotierten Basis 6 ein Abschnitt 71 der n-dotierten Basis 7 angeordnet. Zur Verdeutlichung der abhängig von einem Azimutalwinkel φ variierenden Länge der Widerstandszone 64 mit reduzierter Dicke d2 ist in 6 ein Horizontalschnitt durch die in 5 dargestellte Ebene D-D' dargestellt, aus der die variierende Länge der Widerstandszone 64 anhand der variierenden Länge l dieses Abschnitts 71 der n-dotierten Basis 7 ersichtlich ist. Die Länge dieses sich in vertikaler Richtung in die p-Basis 6 hinein erstreckenden Abschnitts 71 der n-Basis 7 entspricht dabei im wesentlichen der Länge l64 der Widerstandszone 64 gemäß 5. Diese Länge variiert in Abhängigkeit von dem Azimutalwinkel φ und wird daher auch mit l(φ) bezeichnet. Die größte Länge l(φ) = l0 weist der Abschnitt 71 in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3, d.h. bei Winkeln φ = 0°, 120° und 240° auf.
Bei den bisher beschriebenen, erfindungsgemäßen Thyristoren wird eine Anpassung der Zündausbreitungsgeschwindigkeit durch eine Zone 64 mit erhöhtem Widerstand erreicht. Diese Anordnung mit einer Widerstandszone 64 in der p-Basis 6 ist grundsätzlich bei beliebigen Thyristoren einsetzbar. Darüber hinaus besteht bei Thyristoren mit Zündstufenstruktur die Möglichkeit, die Zündempfindlichkeit einer oder mehrerer Zündstufen richtungsabhängig zu variieren, um dadurch die Zündausbreitung zu homogenisieren.
Die Zündempfindlichkeit einer Zündstufe in einer bestimmten lateralen Richtung und damit die Zündausbreitungsgeschwindigkeit in dieser Richtung ist umso geringer, je kürzer die wirksame Länge l1, l2, l3 des n-dotierten Hilfsemitters 51a, 51b, 51c der jeweiligen Zündstufe ist. Bezug nehmend auf 7a ist die wirksame Länge l1, l2, l3 der Hilfsemitter 51a, 51b, 51c jeweils durch deren radiale Ausdehnung gegeben.
Durch eine abhängig von der lateralen Richtung gewählte wirksame Länge l1, l2, l3 des Hilfsemitters 51 einer Zündstufe, d.h. durch eine abhängig von dem Azimutalwinkel φ gewählte Länge l1, l2, l3, lässt sich die Zündempfindlichkeit der jeweiligen Zündstufe, und somit die Zündausbreitungsgeschwindigkeit richtungsabhängig einstellen. Wegen ihrer Abhängigkeit von dem Azimutalwinkel φ werden die wirksamen Längen l1, l2, l3 im folgenden auch mit l1(φ), l2(φ), l3(φ) bezeichnet, um die Winkelabhängigkeit herauszustellen.
Durch richtungsabhängig geeignet gewählte wirksame Längen l1(φ), l2(φ), l3(φ) aufeinanderfolgender Hilfsemitter 51a, 51b, 51c lässt sich das Zündverhalten eines Thyristors mit Zündstufenstruktur so einstellen, dass ein sich in verschiedene laterale Richtungen ausbreitender Zündimpuls den n-dotierten Hauptemitter 5 in jeder lateralen Richtung im wesentlichen gleichzeitig erreicht.
Die wirksamen Längen l1(φ), l2(φ), l3(φ) eines Hilfsemitters 51a, 51b, 51c hängen insbesondere von dessen Geometrie ab.
Daher ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zumindest einer der Hilfsemitter 51a, 51b, 51c in den Vorzugsrichtungen gegenüber anderen lateralen Richtungen verkürzt.
In entsprechender Weise lässt sich auch die wirksame Länge des Hauptemitters 5 auf seiner der Zündstruktur 10, 95 zugewandten Seite in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 gegenüber anderen lateralen Richtungen verkürzen.
Eine Verkürzung der wirksamen Länge eines Hilfsemitters 51a, 51b, 51c bzw. des Hauptemitters 5 kann insbesondere auch noch nach dessen eigentlicher Herstellung erreicht werden, indem man den Hilfsemitter 51a, 51b, 51c bzw. den Hauptemitter 5, wie in 7b am Beispiel des Hilfsemitters 51c gezeigt mit Teilchen 105, beispielsweise aus Silizium, bestrahlt. Je nach Energie der Teilchen 105 dringen diese mehr oder weniger weit in den Halbleiterkörper 1, insbesondere in den Hilfs- bzw. Hauptemitter ein. Die ursprüngliche wirksame Länge l30 des Hilfsemitters 51c verkürzt sich dabei infolge der Bestrahlung mit Teilchen 105 auf die wirksame Länge l3.
Die Bestrahlung erfolgt in dem Beispiel in dem Abschnitt des Hilfsemitters 51c, der nicht von dessen Elektrode 91c überdeckt ist. Dies ist üblicherweise der Abschnitt, der ausgehend von dem Hauptemitter (in 7b nicht dargestellt) in Richtung des Zentrums des Bauelements liegt, d.h. der Abschnitt des Hilfsemitters, der in lateraler Richtung auf der dem Hauptemitter abgewandten Seite des Hilfsemitters liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Bestrahlung zur Verkürzung des Hilfsemitters 51c auch durch die Elektrode 91c erfolgen.
Verkürzt man den jeweiligen Hilfsemitter 51a, 51b, 51c auf diese Weise richtungsabhängig vom Azimutalwinkel φ, so lässt sich damit eine Homogenisierung der Zündausbreitung in der beschriebenen Weise erreichen. Bevorzugt werden die Hilfsemitter 51a, 51b, 51c eines erfindungsgemäßen Thyristors in den Vorzugsrichtungen am stärksten verkürzt. Entsprechend kann durch eine Verkürzung des Hauptemitters 5 in den Vorzugsrichtungen eine Homogenisierung der Zündausbreitung erreicht werden.
Einen Horizontalschnitt durch die in 7a dargestellte Ebene E-E' im Bereich der Hilfsemitter 51 ist in 8 dargestellt. Wie ersichtlich ist, sind die Hilfsemitter 51a, 51b, 51c auf ihrer dem n-dotierten Hauptemitter 5 abgewandten Seite in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 verkürzt, d.h. jede der wirksamen Längen l1(φ), l2(φ = 0), l3(φ = 0) eines Hilfsemitters 51 in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 ist kürzer als die jeweilige wirksame Länge l1(φ), l2(φ), l3(φ) desselben Hilfsemitters 51a, 51b bzw. 51c in einer anderen lateralen Zündausbreitungsrichtung. Von diesen wirksamen Längen l1(φ), l2(φ), l3(φ) ist in 8 beispielhaft die Länge l3(φ) dargestellt. Die oberhalb der dargestellten Schnittebe ne E-E' angeordnete und als Kreisring ausgebildete Elektrode 91c ist in 8 gestrichelt angedeutet.
Die Geometrie der n-dotierten Hilfsemitter 51a, 51b, 51c wird bevorzugt bei deren Herstellung, beispielsweise mittels maskierter Eindiffusion n-dotierender Stoffe erzeugt. Zur richtungsabhängigen Einstellung der wirksamen Länge eines Hilfsemitters 51a, 51b, 51c ist es in der erläuterten Weise aber ebenso möglich, die Hilfsemitter 51a, 51b, 51c nachträglich, d.h. insbesondere nach der Prozessierung des Thyristors, durch maskiertes Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen abschnittweise, z.B. in Abhängigkeit von einem Azimutalwinkel φ, zu verkürzen.
9 zeigt dies beispielhaft für eine 3-zählige Symmetrieachse anhand eines Diagramms, in dem der qualitative Verlauf der Dicke d2 der p-dotierten Basis 6 gemäß den 5 und 6, der Verlauf der wirksamen Länge l3(φ) des Hilfsemitters 51c gemäß den 7a und 8, sowie der Verlauf des elektrischen Gesamtwiderstandes R einer Widerstandszone 64 gemäß den 3, 4 und 5 in Zündausbreitungsrichtung eines rotationssymmetrischen Thyristors, jeweils in willkürlichen Einheiten und in Abhängigkeit von einem Azimutalwinkel φ aufgetragen sind. Der Azimutalwinkel φ wird, wie in den 2, 4, 6 und 8 dargestellt, ausgehend von der Vorzugsrichtung V1 um eine zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 vertikale Drehachse gemessen.
Ein Azimutalwinkel von φ = 0° entspricht der Vorzugsrichtung V1, φ = 120° entspricht der Vorzugsrichtung V2 und φ = 240° entspricht der Vorzugsrichtung V3.
Den Ausführungsbeispielen gemäß der 4, 6, 8 und 9 liegt ein Halbleiterkörper 1 aus (111)-Silizium mit einer 3-zähligen Rotationssymmetrie zu Grunde. Die 4, 6 und 8 zeigen jeweils eine Ebene, die parallel zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 liegt und damit dieselbe Symmetrie wie diese aufweist. Als Ebene der Vorderseite 11 ist eine (111)-Ebene bzw. eine kristallographisch zu dieser äquivalente Ebene gewählt. Diese Ebene und damit der Halbleiterkörper 1 weist eine Rotationssymmetrie um eine 3-zählige, senkrecht zur Vorderseite verlaufende Symmetrieachse auf. Entsprechend sind die Vorzugsrichtungen V1, V2, V3, die den Richtungen (211), (121) und (112) bzw. kristallographisch gleichwertigen Richtungen entsprechen, rotationssymmetrisch um diese 3-zählige Symmetrieachse, d.h, bei einer Drehung um 120° um diese Drehachse werden die Vorzugsrichtungen V1 auf V2, V2 auf V3 und V3 auf V1 abgebildet, so dass der Halbleiterkörper 1 eine Lage aufweist, die kristallographisch gleichwertig ist mit seiner Lage vor der Drehung.
Entsprechend kann der Halbleiterkörper, der auch aus einem anderen Halbleitermaterial gebildet sein kann, auch eine andere Orientierung der Kristallstruktur in Bezug auf die Vorderseite des Halbleiterkörpers und damit auch eine andere Rotationssymmetrie aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen dabei insbesondere die Dicken und die Längen der Widerstandszonen, sowie die Geometrien der Hilfsemitter und der mit den Hilfsemittern kontaktierten Elektroden dieselbe N-zählige Rotationssymmetrie auf.
In den 10, 11, 12 und 13 sind die den 4, 6, 8 und 9 entsprechenden Darstellungen eines Thyristors aus (100)-Silizium mit 4-zähliger Rotationssymmetrie gezeigt. Alle anhand der 3 bis 9 beschriebenen Merkmale, Eigenschaften, Abwandlungen und bevorzugte Ausführungsformen gelten in entsprechender Weise auch für diesen Fall mit 4-zähliger Rotationssymmetrie.
Bei dem Halbleiterkörper 1 aus (100)-Silizium stellt dessen Vorderseite 11 eine der Ebenen (001), (010), (001), (010) oder eine zu diesen Ebenen äquivalente Ebene dar, so dass der Halbleiterkörper 1 durch eine Drehung um 90° um eine zur Vor derseite 11 senkrechte Achse wieder auf sich selbst abgebildet wird.
Im Unterschied zu dem anhand der 4, 6, 8 und 9 beschriebenen Halbleiterkörper weist der Halbleiterkörper 1 gemäß den 10 bis 13 infolge der 4-zähligen Rotationssymmetrie auch vier Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 und V4 auf.
14a veranschaulicht eine weitere Maßnahme, die Zündempfindlichkeit eines Hilfsemitters einzustellen, am Beispiel eines Hilfsemitters 51a. Der Hilfsemitter 51a ist in bereits erläuterter Weise in die p-dotierte Basis 6 eingebettet und mit einer Elektrode 91a kontaktiert. Darüber hinaus weist der Hilfsemitter 51a eine p-dotierte Insel 96 auf, die elektrisch mit der Elektrode 91a kontaktiert ist und die sich in vertikaler Richtung über die gesamte Höhe des Hilfsemitters 51a erstreckt. Die p-dotierte Insel 96 ist inselartig in dem Hilfsemitter 51a angeordnet.
14b zeigt einen Schnitt durch die in 14a dargestellte Ebene F-F'. Wie dargestellt ist, sind innerhalb des Hilfsemitters 51a eine Anzahl derartiger p-dotierter Inseln 96 ausgebildet, die bevorzugt unterhalb der Elektrode 91a angeordnet und mit dieser kontaktiert sind. Die der Durchbruchstruktur 10 zugewandte innere Kante der kreisringförmig ausgebildeten Elektrode 91a ist in 14b gestrichelt dargestellt.
Um die Zündempfindlichkeit der den Hilfsemitter 51a umfassenden Zündstufe richtungsabhängig anzupassen, kann zum einen der Abstand d in radialer Richtung zwischen einer p-dotierten Insel 96 und dem oben beschriebenen inneren Umfang der mit dem Hilfsemitter 51a kontaktierten Elektrode 91a abhängig vom Azimutalwinkel φ variiert werden. Dabei ist der Abstand d bevorzugt in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 am kleinsten und in den Richtungen der Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Vorzugsrichtungen V1/V2, V2/V3 und V3/V1 am größ ten. Die p-dotierte Insel 96 reduziert abschnittsweise die wirksame Länge des Hilfsemitters. Bei vorhandener p-Insel 96 ist die wirksame Länge in dem Beispiel gegeben durch den Abstand zwischen der nicht von der Elektrode 91a überdeckten "Kante" des Hilfsemitters 91a und der p-Insel. Diese wirksame Länge ist in 14a mit 13 bezeichnet. Je kleiner der Abstand d zu der Kante der Elektrode 91a in dem Beispiel ist, um so geringer ist abschnittsweise die effektive Länge l3 und um so geringer ist die Zündempfindlichkeit.
Zum anderen ist es ebenso möglich, den Winkelabstand Δφ zweier benachbarter p-dotierter Inseln 96 abhängig vom Azimutalwinkel φ anzupassen. Dabei ist der Winkelabstand Δφ zweier benachbarter p-dotierter Inseln 96 bevorzugt in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 am kleinsten, um die effektive Länge l3 in möglichst großen Abschnitten zu reduzieren, und in den Richtungen der Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Vorzugsrichtungen V1/V2, V2/V3 und V3/V1 am größten.
Der Horizontalschnitt durch derartige p-dotierte Inseln 96 ist, bevorzugt – wie in 14b dargestellt – kreisförmig, oder rechteckig.
Die p-dotierten Inseln 96 können bei allen Hilfsemittern sowie beim Hauptemitter des Thyristors in entsprechender Weise eingesetzt werden. Dabei können unterschiedliche Hilfsemitter bzw. der Hauptemitter eine unterschiedliche Anzahl von p-dotierten Inseln 96 sowie eine unterschiedliche Abhängigkeit vom Azimutalwinkel φ aufweisen. Außerdem können die Hilfsemitter und der Hauptemitter auch mehrere p-dotierte Inseln aufweisen, die in radialer Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
15a zeigt einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Thyristors mit einem Hilfsemitter 51a, der in eine p-dotierte Basis 6 eingebettet und mit einer Elektrode 91a kontaktiert ist. Bei diesem Thyristor wird die Zündempfindlichkeit durch Bestrahlen mit Teilchen 105, z.B. mit Silizium, eingestellt. Die Bestrahlung erfolgt mittels einer Maske 104 durch deren Öffnung 106 auf die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1. Die Teilchen 105 dringen abhängig von ihrer Energie bis zu einer gewissen Tiefe in den Halbleiterkörper 1, insbesondere in den Hilfsemitter 51a, ein, wodurch sich der spezifische elektrische Widerstand in dem bestrahlten Gebiet infolge einer Erhöhung Ladungsträgerlebensdauer erniedrigt. Das derart bestrahlte Gebiet wird im folgenden als Kurzschlussstreifen 97 bezeichnet. Dieser Kurzschlussstreifen 97 ist elektrisch mit der Elektrode 91a kontaktiert und erstreckt sich bis zur p-dotierten Basis 6 an der der Elektrode 91a abgewandten Seite des Hilfsemitters 51a. Dadurch überbrückt der Kurzschlussstreifen 97 in der betrachteten azimutalen Richtung den nicht von der Elektrode 91a überdeckten Abschnitt des Hilfsemitters 51a, wodurch die Zündempfindlichkeit in dieser azimutalen Richtung reduziert ist.
Ein Querschnitt durch die aus 15a ersichtliche Ebene G-G' ist in 15b dargestellt. Eine Anzahl von Kurzschlussstreifen 97 ist, wie anhand von 15a beschrieben, an dem im wesentlichen kreisringförmigen Hilfsemitter 51a angeordnet. Um die die Zündausbreitung des Thyristors zu homogenisieren, variiert der Winkelabstand Δφ zweier benachbarter Kurzschlussstreifen 97 mit dem Azimutalwinkel φ derart, dass der Winkelabstand Δφ in den Vorzugsrichtungen V1, V2, V3 am kleinsten und in den Richtungen der Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Vorzugsrichtungen V1/V2, V2/V3 und V3/V1 am größten ist.
Die Kurzschlussstreifen 97 können bei allen Hilfsemittern sowie beim Hauptemitter des Thyristors in entsprechender Weise eingesetzt werden. Dabei können unterschiedliche Hilfsemitter bzw. der Hauptemitter eine unterschiedliche Anzahl von Kurzschlussstreifen 97 sowie eine unterschiedliche Abhängigkeit vom Azimutalwinkel φ aufweisen.
Alle vorangehend beschriebenen Maßnahmen zur Homogenisierung der Zündausbreitung können kontinuierlich mit der azimutalen Richtung φ variiert werden, um eine möglichst homogene, im Idealfall von der azimutalen Richtung völlig unabhängige Zündausbreitung zu erreichen.
Ebenso ist es jedoch möglich, diese Maßnahmen nur in einem bestimmten Winkelbereich, beispielsweise in Winkelbereichen von ±5° oder ±10° um jede Vorzugsrichtung vorzunehmen, wenn eine Annäherung an den Idealfall für den betreffenden Anwendungsfall ausreichend ist.
Die beschriebenen Merkmale zum Erzielen einer homogenen Zündausbreitung eines Thyristors, d.h. die verschiedenen Widerstandszonen sowie die Hilfsemitter mit ihren unterschiedlichen Geometrien, die p-dotierten Inseln, die Kurzschlussstreifen, können jeweils für sich, aber auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert eingesetzt werden. Dabei weisen die Widerstandszonen, die Hilfsemitter bzw. die Elektroden, die p-dotierten Inseln und Kurzschlussstreifen sowie deren Winkelabstände bevorzugt dieselbe Rotationssymmetrie um eine zur Vorderseite des Halbleiterkörpers senkrechte Symmetrieachse auf wie der Halbleiterkörper selbst.

1: Halbleiterkörper
5: n-dotierter Hauptemitter
6: p-dotierte Basis
7: n-dotierte Basis
8: p-dotierter Emitter
10: Durchbruchstruktur
11: Vorderseite des Halbleiterkörpers
12: Rückseite des Halbleiterkörpers
51, 51a-c: n-dotierter Hilfsemitter
61, 62: gekrümmte Abschnitte der p-dotierten Basis
63: schwächer p-dotierte Zone der p-dotierten Basis
64: Widerstandszone
65, 66: Abschnitte der p-dotierten Basis
71: Abschnitt der n-dotierten Basis
80: p-dotierte Schicht
91, 91a-c: Elektrode
95: Gateanschluss
96: p-dotierte Insel
97: Kurzschlussstreifen
100, 101, 104: Maske
102, 103, 106: Öffnung der Maske
105: Teilchen
d1, d2: Dicke der p-dotierten Basis
l: Länge des Abschnitts 71
l0: maximale Länge des Abschnitts 71
l1, l2, l3: wirksame Länge Hilfsemitter in Vorzugsrichtung
l4, l5, l6: Länge Elektrode
R64: spezifischer elektrischer Widerstand
V1–V4: Vorzugsrichtungen
φ: Azimutwinkel
84: Wiederstandszone
a: Abstand Hauptemitter-Elektrode
l64: Länge der Wiederstandszone
ZS1, ZS2, ZS3: Zündstufen

Claims

Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: – einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), und – zumindest eine in der p-dotierten Basis zwischen der Zündstruktur (10, 95) und dem n-dotierten Hauptemitter (5) ausgebildete Widerstandszone (64), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Widerstandszone (64) einen richtungsabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand (R64) aufweist, der von der Orientierung der Kristallgitterstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper (1) abhängt und der so gewählt ist, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich ausgehend von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen bis zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der Zündausbreitungsrichtung ist.
Thyristor nach Anspruch 1, bei dem der Wert des spezifischen elektrischen Widerstands (R64) der Widerstandszone (64) durch die Dicke (d2) der p-dotierten Basis (6) in vertikaler Richtung bestimmt ist.
Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Widerstandszone (64) eine Dotierung aufweist, die sich von der Dotierung der an die Widerstandszone (64) angrenzenden Abschnitte (65, 66) der p-dotierten Basis (6) unterscheidet.
Thyristor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Länge (l64) der Widerstandszone (64) in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (1) abhängig von der lateralen Richtung sowie von der Orientierung der Kristallgitterstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper (1) ist.
Thyristor nach Anspruch 4, bei dem die Länge (l64) der Widerstandszone (64) eine Rotationssymmetrie um eine 3-zählige oder 4-zählige vertikale Drehachse aufweist.
Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (111)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der spezifische elektrische Widerstand (R64) der Widerstandszone (64) in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen größer ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (100)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der spezifische elektrische Widerstand (R64) der Widerstandszone (64) in den lateralen Richtungen (001), (010), (001) und (010) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen größer ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: – einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), und – eine an der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) angeordnete Elektrode (9), die mit dem Hauptemitter (5) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptemitter (5) in der lateralen Richtung (r) eine wirksame Länge aufweist, die entweder durch die Länge des Hauptemitters (5) in der lateralen Richtung (r), oder – falls der Hauptemitter (5) in der lateralen Richtung (r) eine Kurzschlussstruktur aufweist – durch den Abstand zwischen der der Zündstruktur (10, 95) zugewandten Seite des Hauptemitters (5) und der Kurzschlussstruktur gegeben ist, die von der Orientierung der Kristallgitterstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper (1) abhängt und die abhängig von der lateralen Zündausbreitungsrichtung so gewählt ist, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen bis zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der lateralen Zündausbreitungsrichtung ist.
Thyristor nach Anspruch 8, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (111)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem die wirksame Länge des n-dotierten Hauptemitters (5) in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen größer ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor nach Anspruch 8, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (100)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem die wirksame Länge des n-dotierten Hauptemitters (5) in den lateralen Richtungen (001), (010), (001) und (010) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen größer ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: – einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), – wenigstens einen zwischen der Zündstruktur (10, 95) und dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordneten, n-dotierten Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c), und – wenigstens eine an der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) angeordnete Elektrode (91, 91a, 91b, 91c), wobei jede Elektrode (91, 91a, 91b, 91c) mit einem Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) in einer lateralen Zündausbreitungsrichtung des Halbleiterkörpers (1) eine wirksame Länge (l1, l2, l3) aufweist, die durch die Länge des Hilfsemitters (5) in der lateralen Zündausbreitungsrichtung (r) gegeben ist und die abhängig von der Orientierung der Kristallgitterstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper (1) so gewählt ist, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen bis zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der lateralen Zündausbreitungsrichtung ist.
Thyristor nach Anspruch 11, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (111)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem die wirksame Länge (l1, l2, l3) des wenigsten einen n-dotierten Hilfsemitters (51, 51a, 51b, 51c) in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor nach Anspruch 11, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (100)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem die wirksame Länge (l1, l2, l3) des wenigstens einen n-dotierten Hilfsemitters (51, 51a, 51b, 51c) in den lateralen Richtungen (001), (010), (001) und (010) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: – einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), und – wenigstens eine an der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) angeordnete Elektrode (91, 91a, 91b, 91c, 9), die mit dem Hauptemitter (5) oder mit einem zwischen dem Hauptemitter (5) und der Zündstruktur (10, 95) angeordneten, n-dotierten Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) mit Teilchen bestrahlte Abschnitte (97) aufweist, die elektrisch mit der Elektrode und mit dem Abschnitt der p-dotierten Basis (6), der auf der der Zündstruktur (10, 95) zugewandten Seite des Hauptemitters (5) und/oder des wenigstens einen Hilfsemitters (51, 51a, 51b, 51c) angeordnet ist, kontaktiert sind und die abhängig von einer lateralen Richtung so angeordnet sind, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der lateralen Zündausbreitungsrichtung ist.
Thyristor nach Anspruch 14, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (111)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der Winkelabstand (Δφ) zweier benachbarter mit Teilchen bestrahlter Abschnitte (97) in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor nach Anspruch 14, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (100)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der Winkelabstand (Δφ) zweier benachbarter mit Teilchen bestrahlter Abschnitte (97) in den lateralen Richtungen lateralen Richtungen (001), (010), (001) und (010) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: – einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), und – wenigstens eine mit einem an der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) angeordnete Elektrode (91, 91a, 91b, 91c, 9), die mit dem Hauptemitter (5) oder einem zwischen dem Hauptemitter (5) und der Zündstruktur (10, 95) angeordneten Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) elektrisch kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptemitter (5) und/oder der wenigstens eine Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) p-dotierte Inseln (96) aufweist, die elektrisch sowohl mit der Elektrode (91, 91a, 91b, 91c, 9) als auch mit dem unter dem Hauptemitter (5) und/oder dem unter dem wenigstens einen Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) angeordneten Abschnitt der p-dotierten Basis (6) kontaktiert sind, wobei die p-dotierten Inseln (96) so angeordnet sind, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der lateralen Zündausbreitungsrichtung ist.
Thyristor nach Anspruch 17, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (111)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der Winkelabstand (Δφ) zweier benachbarter, p-dotierter Inseln (96) in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor nach Anspruch 17, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (100)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der Winkelabstand (Δφ) zweier benachbarter, p-dotierter Inseln (96) in den lateralen Richtungen (001), (010), (001) und (010) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor, der folgende Merkmale aufweist: – einen im wesentlichen monokristallinen Halbleiterkörper (1) mit einer Kristallgitterstruktur, in dem in vertikaler Richtung aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine in lateraler Richtung beabstandet zu dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordnete Zündstruktur (10, 95), – wenigstens einen zwischen der Zündstruktur (10, 95) und dem n-dotierten Hauptemitter (5) angeordneten, n-dotierten Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c), und – wenigstens eine an der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) angeordnete Elektrode (91, 91a, 91b, 91c), wobei jede Elektrode (91, 91a, 91b, 91c) mit einem Hilfsemitter (51, 51a, 51b, 51c) elektrisch kontaktiert ist, – zumindest eine unterhalb des wenigstens einen Hilfsemitters ((51, 51a, 51b, 51c) angeordnete Widerstandszone (84), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Widerstandszone (84) einen richtungsabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der von der Orientierung der Kristallgitterstruktur in Bezug auf den Halbleiterkörper (1) abhängt und der so gewählt ist, dass die Laufzeit eines Zündimpulses, der sich ausgehend von der Zündstruktur (10, 95) in verschiedene laterale Zündausbreitungsrichtungen bis zum n-dotierten Hauptemitter (5) ausbreitet, im wesentlichen unabhängig von der Zündausbreitungsrichtung ist.
Thyristor nach Anspruch 20, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (111)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der spezifische elektrische Widerstand der Widerstandszone (84) in den lateralen Richtungen (211), (121) und (112) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.
Thyristor nach Anspruch 20, bei dem die Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) identisch ist mit der (100)-Ebene oder einer kristallographisch dazu äquivalenten Ebene und bei dem der spezifische elektrische Widerstand (R64) der Widerstandszone (84) in den lateralen Richtungen (001), (010), (001) und (010) oder in kristallographisch dazu äquivalenten lateralen Richtungen kleiner ist als in den anderen lateralen Richtungen.